光电检测技术概论

1.1.1 信息技术与光电检测技术

信息技术是指有关信息的收集、识别、提取、变换、存储、处理、检索、检测、分析和利用等的技术。

以光辐射为传输载体的随时间变化或按空间分布的信息统称为光学信息。光学信息是人类重要的信息来源，因为任何过程和现象都直接或间接地伴随着电磁辐射（如可见光、红外线、紫外线等），这些辐射作为载体，承载着关于周围世界的极其丰富的信息。这些信息与被研究的过程、现象之间有着必然的内在联系，根据这些信息，人们可以定量地确定客观物体的各种性能参数。

光电检测是指利用各类光电传感器实现检测，将被测量的量转换成光学量，再转换成电量，并综合利用信息传输和处理技术，完成在线和自动测量。光电检测技术是将传统光学与现代微电子技术、计算机技术紧密结合在一起的一门高新技术，是获取光信息或者借助光来获取其他信息的重要手段。随着现代科学技术的发展和信息处理技术的提高，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用的新兴学科，已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。随着各种新型光电检测器件的出现，以及电子技术和微电子技术的发展，光电检测技术近年来发展十分迅速，在工业、农业、医学、军事、空间科学技术和家居生活等领域得到了广泛应用。

光电检测技术的构成技术主要包括光信息获取技术、光电转换技术，以及测量信息的光电处理技术等。光电检测技术将光学技术与现代电子技术相结合，以实现对各种量的测量，它具有如下特点。

（1）高精度 光电测量是各种测量技术中精度最高的一种，如：用激光干涉法测量长度的精度可达0.05μm／m；用光栅莫尔条纹法测角度的精度可达0.04°；用激光测距法测量地球与月球之间的距离，分辨力可达1m。

（2）高速度 光电检测以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，因此用光学方法获取和传递信息的速度是最快的。

（3）远距离、大量程 光是最便于远距离传递信息的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪等。

（4）非接触测量 光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此几乎不影响被测物的原始状态，可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种。

1.1.2 光电检测系统的组成

1.光电检测系统的组成

光电检测是以激光器、光电探测器、光纤等现代光电子器件为基础，通过接收被检测物体的光辐射（包括紫外线、可见光和红外线），经光电检测器件将接收到的光辐射转换为电信号，再通过放大、滤波等电信号调理电路提取有用信息，经模／数转换后输入计算机处理，最后显示、输出所需要的检测物理量等参数。光电检测系统的组成如图1－1所示。

图1－1 光电检测系统的组成

2.光电检测系统中的信息变换

在光电检测系统中，信息通常要经过两个基本的变换环节：调制和解调。

1）调制

为了更加方便、可靠地处理光信号并获得更多的信息，常将直流信号转换为特定形式的交变信号，这一转换过程就称为调制。光辐射通过光学系统投射到被检测物体上，利用被检测物体对入射辐射的反射、吸收、透射、衍射、干涉、散射、双折射等光学特性，将被测变量调制到光载波的特性参量上。这些特性参量可以是光载波的变化幅度、频率、相位或光的偏振态，甚至可以是光束的传播方向或介质折射率的变化。

调制的作用包括两个方面：一方面是使光辐射随时间有规律地变化以形成载波信号，如机械调制、声光调制、电光调制、磁光调制等；另一方面是使载波信号的一个或几个特性参量随被测信息而改变。

2）解调

将承载着信息的光信号通过不同类型的光电接收器转换成电信号，经过放大、滤波等预处理后输入解调器，在此将输入信号和调制器中作为调制基准的参考信号相比较，消除载波信号的影响，从而得到与被测参量成比例的输出信号。这种光电信号的能量再转换和信号检波过程称为解调。

解调的电信号可用常规的电子系统作进一步处理和数据输出，以得到最终的测量结果。

1.1.3 光电检测技术的发展趋势

1.光电检测技术的发展趋势

光电检测技术的发展趋势主要表现在以下几个方面。

（1）高精度 检测精度向高精度方向发展，纳米、亚纳米精度的光电检测新技术是今后的研究热点。

（2）智能化 检测系统向智能化方向发展，如发展光电跟踪与光电扫描测量技术。

（3）数字化 检测结果向数字化和光电测量与控制一体化方向发展。

（4）多元化 光电检测系统的检测功能向综合性、多参数、多维测量等多元化方向发展，并向人们以前无法检测的领域发展，如微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。

（5）微型化 光电检测仪器所用电子元件及电路向集成化方向发展，光电检测系统朝着小型、快速的微型光、机、电检测系统方向发展。

（6）自动化 检测技术向自动化、非接触、快速和在线测量方向发展，检测状态向动态测量方向发展。

以上这些发展趋势是现代工业生产、国防建设等的需要，也是现代科学技术发展的需要。

2.光电检测技术的应用前景

光电检测技术使人类能更有效地扩展自身的视觉能力，使视觉的长波段延伸到亚毫米波，短波段延伸到紫外线、X射线，并可以在超快速度条件下检测诸如核反应、航空器发射等变化过程。光电检测技术由于具有别的检测技术无法替代的一系列优点，具有极其广阔的应用前景。

在工业领域，光电检测技术主要应用于生产过程的视觉检查、精密工作台的自动定位、各种性能参数的精密测试、图形检测与分析判断等。

光电检测技术在家居生活中的应用，主要表现为日常生活用品的智能化，如红外测距传感器、CCD在数码相机、数码摄像机中的应用，光敏电阻在自动感应灯亮度检测中的应用，热敏电阻、光电开关在空调、冰箱、电饭煲中的应用等。

光电检测技术在医疗卫生方面的应用，主要表现为热敏电阻在接触式数字体温计中的应用、红外传感器在非接触式数字体温计中的应用、压力传感器在电子血压计中的应用等。

在国防和军事领域，光电检测技术主要应用于夜视瞄准系统的非冷却红外传感、激光制导、热定向、飞行物自动跟踪、卫星红外线检测等。

在航天领域，光电检测技术主要应用于参数检测，如加速度、温度、压力、振动、流量、应变等的检测。

可以看出，随着光电检测技术的发展及现代化进程的不断推进，光电检测技术的应用领域也将越来越广。