光電探測(cè)技術(shù)與系統(tǒng)課件

2023/7/51第一章緒論§1.1

信息與信息技術(shù)§1.2

現(xiàn)代信息技術(shù)與光電探測(cè) §1.3

光電探測(cè)（傳感）器 §1.4

光電探測(cè)系統(tǒng)與儀器的構(gòu)成及分類§1.5

經(jīng)典的光電探測(cè)系統(tǒng)及光電探測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.5.1經(jīng)典的光電探測(cè)系統(tǒng)

1.5.2

光電探測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)§1.6

光電探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)2023/7/52§1.1信息與信息技術(shù)物質(zhì)、能量和信息是人類對(duì)客觀世界認(rèn)識(shí)的三個(gè)層面，其中，能量是物質(zhì)的屬性，也是物質(zhì)的存在方式，信息則是客觀世界與主觀世界相聯(lián)系的產(chǎn)物。信息的變化和轉(zhuǎn)移伴隨著能量的變化，信息作用于認(rèn)識(shí)的主體和客體之間，使人類能夠更好地認(rèn)識(shí)物質(zhì)與能量之間的關(guān)系。信息的特點(diǎn)有：（1）信息依附于載體而存在，通過對(duì)載體的作用可以獲取信息，也可將信息存儲(chǔ)（寄載）在某個(gè)載體上；（2）信息是可以共享的，信息本身生不會(huì)因?yàn)楣蚕矶艿綋p失；（3）信息是可以被處理的，除能夠被存儲(chǔ)外，信息可以被加工、傳輸，還可以轉(zhuǎn)換形態(tài)，特別是經(jīng)過人腦的分析、綜合和提煉而增值；（4）信息具有時(shí)效性。信息技術(shù)是指有關(guān)信息的收集、識(shí)別、提取、變換、存儲(chǔ)、處理、檢索、檢測(cè)、分析和利用等的技術(shù)。信息技術(shù)主要包括以下幾方面技術(shù)：2023/7/531、感測(cè)與識(shí)別技術(shù)

它的作用是擴(kuò)展人類獲取信息的感覺器官功能。2、信息傳遞技術(shù)

它的主要功能是實(shí)現(xiàn)信息快速、可靠、安全的轉(zhuǎn)移。3、信息處理與再生技術(shù)

是對(duì)信息的綜合分析或進(jìn)一步提煉。4、信息施用技術(shù)(信息過程的最后環(huán)節(jié))

包括控制技術(shù)、顯示技術(shù)等。2023/7/54§1.2現(xiàn)代信息技術(shù)與光電探測(cè)

現(xiàn)代信息技術(shù)的核心是計(jì)算機(jī)、軟件和通信技術(shù)，技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)是微電子和光電子技術(shù)、高端計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、光纖通信技術(shù)、人工智能技術(shù)、信息安全技術(shù)、衛(wèi)星遙感技術(shù)、磁盤及光盤存儲(chǔ)技術(shù)、液晶和等離子體顯示技術(shù)等。

光電信息技術(shù)是由光學(xué)、光電子、微電子等技術(shù)結(jié)合而成的多學(xué)科綜合技術(shù)，涉及光信息的輻射（產(chǎn)生）、傳輸、探測(cè)以及光電信息的轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、處理與顯示等眾多的內(nèi)容，已經(jīng)成為現(xiàn)代信息技術(shù)的一個(gè)主干。

2023/7/55光電子技術(shù)對(duì)信息技術(shù)深入、廣泛的影響反映在在以下四個(gè)方面1、感測(cè)與識(shí)別技術(shù)視覺------光電成像，擴(kuò)展到紅外、紫外可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)（高精度）、光子級(jí)（弱信號(hào)）和萬伏級(jí)（強(qiáng)信號(hào)）的測(cè)量，不斷滿足日益開拓的人類社會(huì)對(duì)信息獲取的要求，如紫外線、可見光和紅外波段的光電成像和遙感、光纖傳感等。2、信息傳遞技術(shù)光纖3、信息處理與再生技術(shù)光電信息處理是光學(xué)信息處理與電子學(xué)信息處理交叉融合的產(chǎn)物。4、信息施用技術(shù)

……§1.2現(xiàn)代信息技術(shù)與光電探測(cè)

2023/7/56光電探測(cè)技術(shù)是光電信息技術(shù)的源頭

光電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展是隨著其它相關(guān)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。由于激光技術(shù)、光波導(dǎo)技術(shù)、光電子技術(shù)、光纖技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及傅立葉光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)、二元光學(xué)和微光學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展，光電探測(cè)技術(shù)無論從探測(cè)方法、原理、精度、效率，還是適用的領(lǐng)域范圍都獲得了巨大發(fā)展，是上述相關(guān)技術(shù)發(fā)展的綜合體現(xiàn)。

特點(diǎn)（1）高精度：從地球到月球激光測(cè)距的精度達(dá)到1米。（2）高速度：光速是最快的。（3）遠(yuǎn)距離、大量程：遙控、遙測(cè)和遙感。（4）非接觸式檢測(cè)：不改變被測(cè)物體性質(zhì)的條件下進(jìn)行測(cè)量。（5）壽命長：光電探測(cè)中通常無機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分，故測(cè)量裝置壽命長，工作可靠、準(zhǔn)確度高，對(duì)被測(cè)物無形狀和大小要求。（6）數(shù)字化和智能化：強(qiáng)的信息處理、運(yùn)算和控制能力。

2023/7/57§1.3光電探測(cè)（傳感）器

將光能量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為光電傳感器或光電元件。光電式傳感器的工作原理是：首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化（當(dāng)被測(cè)物理量本身是光輻射時(shí)，無需專門的轉(zhuǎn)換），然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)或熱電效應(yīng)。

熱電探測(cè)傳感器也歸類為光電傳感器。

2023/7/58表1.3-1光電傳感器類型

光電傳感器

光電傳感器實(shí)例ＰＮ結(jié)PN光電二極管（材料采用Si,Ge,Ga,As）PIN光電二極管（材料采用Si）雪崩光電二極管（材料采用Si,Ge）光電晶體管[含光電達(dá)林頓管]（材料采用Si）集成光電傳感器和光電晶體（材料采用Si）光電池（材料采用S）非PN結(jié)

光電元件（材料采用CdS,CdSe,Se,PbS）

熱電元件（材料采用PZT，LiTaO3,Se,LiTiO3,

雙金屬）電子管類光電管、攝像管、光電倍增管其它類色敏傳感器（材料采用Si,-Si）固體圖像傳感器（材料采用Si,有CCD型,MOS型,CPD型）位置檢測(cè)傳感器（材料采用CdS,CdSe,Se,PbS）光纖傳感器光柵尺，光電編碼盤2023/7/59§1.4光電探測(cè)系統(tǒng)與儀器的構(gòu)成及分類

圖1.4-1光電探測(cè)系統(tǒng)框圖

由光源、光路（及光學(xué)器件）、光電換能器、電路組成，具有一定功能的整體，就構(gòu)成了光電探測(cè)系統(tǒng)，如圖1.4-1所示。其中，光學(xué)子系統(tǒng)由光源、光路構(gòu)成，待測(cè)非電量產(chǎn)生于光源或置于光路中；電學(xué)子系統(tǒng)用電子學(xué)的方法對(duì)光學(xué)信息分析、處理與控制；光電換能器用以探測(cè)光信號(hào)，并以電信號(hào)的方式表達(dá)出來，是聯(lián)系前兩者的橋梁。光電探測(cè)系統(tǒng)作為測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，具有明確的輸出指示，又被稱為光電探測(cè)儀器。

一些市售的光電傳感器中，還包含光源、光路、電信號(hào)放大或數(shù)字化電路。

2023/7/510光電探測(cè)系統(tǒng)分類

光電探測(cè)系統(tǒng)分類：分法1（光源是否可控）：主動(dòng)式光電探測(cè)系統(tǒng)，被動(dòng)式光電探測(cè)系統(tǒng)；分法2（光譜）：激光探測(cè)系統(tǒng)、紅外探測(cè)系統(tǒng)、紫外探測(cè)系統(tǒng)、可見光探測(cè)系統(tǒng)；分法3（調(diào)制解調(diào)方式）：直接探測(cè)系統(tǒng)、相干探測(cè)系統(tǒng)；分法4（輸出信號(hào)模式）：模擬系統(tǒng)、數(shù)字系統(tǒng)；分法5（探測(cè)器）：點(diǎn)探測(cè)系統(tǒng)、面探測(cè)系統(tǒng)；分法6（光場(chǎng)分布）：遠(yuǎn)場(chǎng)光電探測(cè)系統(tǒng)、近場(chǎng)光電探測(cè)系統(tǒng)；分法7（光路）：直射式光電探測(cè)系統(tǒng)、反射式光電探測(cè)系統(tǒng)、散射式光電探測(cè)系統(tǒng)；//聚焦式光電系統(tǒng)、分光式光電系統(tǒng)。2023/7/511§1.5經(jīng)典的光電探測(cè)系統(tǒng)及光電探測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.5.1經(jīng)典的光電探測(cè)系統(tǒng)

自20世紀(jì)初以來，光電探測(cè)系統(tǒng)在人類生活中扮演了舉足輕重的角色。有了光電探測(cè)技術(shù)，人類首次準(zhǔn)確地測(cè)量了地月距離；隨著光電探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，人類甚至可以操縱單個(gè)原子。光電子技術(shù)的每一次突破，都對(duì)人類的生活或科學(xué)研究帶來了沖擊性的影響。沒有光電探測(cè)技術(shù)，就不會(huì)產(chǎn)生復(fù)印機(jī)和數(shù)碼相機(jī)的誕生；沒有光電探測(cè)技術(shù)，我們甚至連有聲電影都看不到。本節(jié)就幾種經(jīng)典的光電探測(cè)系統(tǒng)做一簡單介紹。

圖1.5-1影片聲音重放

（1）光電管在電影放映機(jī)上的應(yīng)用

2023/7/512（2）激光器與激光測(cè)距儀

第一臺(tái)激光器，1960年；第一臺(tái)軍用激光測(cè)距儀，1961年；（3）數(shù)碼復(fù)印機(jī)

1950年，以硒作為光導(dǎo)體，用手工操作的第一臺(tái)普通紙靜電復(fù)印機(jī)問世；1959年又出現(xiàn)了性能更為完善的Xero914型復(fù)印機(jī)。自此以后，復(fù)印機(jī)的研究和生產(chǎn)發(fā)展很快。到了九十年代又出現(xiàn)了兼容掃描儀的數(shù)碼復(fù)印機(jī)。

圖1.5-2數(shù)碼復(fù)印機(jī)的原稿掃描系統(tǒng)

2023/7/513（4）半導(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管構(gòu)建的光電探測(cè)系統(tǒng)半導(dǎo)體激光器LD和發(fā)光二極管LED于1962年問世，它們的出現(xiàn)是光電子學(xué)史上的一件大事。

（5）傻瓜照相機(jī)

自動(dòng)對(duì)焦與測(cè)光，……逆光補(bǔ)償、消除紅眼、長時(shí)間曝光、重復(fù)曝光…

（6）光電直讀光譜儀

（7）電荷藕合器件圖像傳感器CCD與數(shù)碼相機(jī)

（8）光電鼠標(biāo)

（9）光電式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）

用于幾何量測(cè)量，是一種具有可作三個(gè)方向移動(dòng)的探測(cè)器。通過在三個(gè)相互垂直的導(dǎo)軌上移動(dòng)，精密地測(cè)出允許的測(cè)量空間中物件上測(cè)量點(diǎn)的X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)值。它測(cè)量方式根據(jù)所需測(cè)量產(chǎn)品特性通?？煞譃榻佑|式測(cè)量、非接觸式測(cè)量和接觸與非接觸復(fù)合式測(cè)量。

2023/7/514圖1.5-3一款3dfamily系列三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)

圖1.5-4原子力顯微鏡書寫的“IBM”

2023/7/515（10）近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡

正如電子具有隧道效應(yīng)一樣，光子也具有光子隧道效應(yīng)。研究發(fā)現(xiàn)，物體受光波照射后，離開物體表面的光波分為兩種成份：一部分光向遠(yuǎn)方傳播，這是傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡能接收的信息；而另一部分光波只能沿物體表面?zhèn)鞑?，一旦離開表面就很快衰減。這部分在近場(chǎng)傳播的光波又叫隱失波。由于隱失波攜帶有研究樣品表面非常有用的信息，科學(xué)家一直設(shè)想能對(duì)這種近場(chǎng)的光波加以研究利用。AFM、STM新穎的設(shè)計(jì)思想的出現(xiàn)，為近場(chǎng)光學(xué)的研究提供了思路。

圖1.5-5AFM結(jié)構(gòu)框圖

2023/7/516（11）交叉分子束實(shí)驗(yàn)裝置

兩個(gè)反應(yīng)物分子只要經(jīng)過單次碰撞，產(chǎn)物分子就能被檢測(cè)出來。要真正從分子水平上研究化學(xué)反應(yīng)，首先需要高真空技術(shù)，即反應(yīng)器中的分子數(shù)相當(dāng)少，這樣才不致于發(fā)生二次碰撞；或者是在第二次碰撞前已經(jīng)檢測(cè)出產(chǎn)生新分子的狀態(tài)。其次，需要有分子束的技術(shù)，即能夠?qū)嵤z測(cè)和研究反應(yīng)物分子發(fā)生碰撞的方向和速度。這樣才能真正知道碰撞后產(chǎn)物分子的狀態(tài)究竟怎樣，以及它和反應(yīng)物分子的狀態(tài)有著怎樣的依賴關(guān)系。由于產(chǎn)物的分子數(shù)極其稀少，這就給檢測(cè)產(chǎn)物分子帶來了困難。根據(jù)計(jì)算，在典型的交叉分子束實(shí)驗(yàn)中，被散射到檢測(cè)區(qū)的產(chǎn)物分子數(shù)每秒只有幾個(gè)到幾十個(gè)，這相當(dāng)于產(chǎn)生的電流只有10-18安培數(shù)量級(jí)。如此微弱的信號(hào)，一般的檢測(cè)手段是無能為力的。

對(duì)此，李遠(yuǎn)哲采用了電子轟擊電離、質(zhì)譜過濾檢測(cè)的思路，于1968年，和Herschbach等在哈佛大學(xué)設(shè)計(jì)制造了第一臺(tái)實(shí)用高效的質(zhì)譜檢測(cè)器。他們用特殊設(shè)計(jì)的高效率電子轟擊裝置以及分區(qū)抽真空及深冷阱的辦法克服了電離區(qū)的背景氣的干擾，并且以四極質(zhì)譜儀代替了一般的質(zhì)譜儀，這就便于調(diào)節(jié)和優(yōu)化高檢測(cè)靈敏度和高分辨率之間的矛盾要求。他們還把束源固定而第一次采用可以轉(zhuǎn)動(dòng)的質(zhì)譜檢測(cè)器，這對(duì)氫原子束及其他需要高度真空的情況是有利的。

1994年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)常用的交叉分子束裝置如圖所示，它是由束源、準(zhǔn)直器、速度選擇器、散射室、可移動(dòng)檢測(cè)器等幾個(gè)主要部分組成。分子束是在高真空的容器中飛行的一束分子，它是由束源中發(fā)射出來的。2023/7/518加拿大作家麥爾坎·葛拉威爾在《異數(shù)》一書中指出：“人們眼中的天才之所以卓越非凡，并非天資超人一等，而是付出了持續(xù)不斷的努力。只要經(jīng)過一萬小時(shí)的錘煉，任何人都能從平凡變成超凡。”他將此稱為“一萬小時(shí)定律”。葛拉威爾還引述了大量研究數(shù)據(jù)表明，世界上不論任何行業(yè)，當(dāng)你具備基本技能后，最終能否出類拔萃，成為專家、權(quán)威、大師，只有一個(gè)因素最重要，那就是練習(xí)、練習(xí)、再練習(xí)，最低限度是一萬小時(shí)。只要你能在本行業(yè)上堅(jiān)持“一萬小時(shí)”就有成為專家、權(quán)威、大師的可能?！皩殑︿h從磨礪出，梅花香自苦寒來”。世界上沒有人能輕易成功，“一萬小時(shí)”就是通向成功的一道門檻，邁過去就是成功。量變←→質(zhì)變“一萬小時(shí)定律”愛因斯坦在醞釀廣義相對(duì)論的8年中，曾經(jīng)常求教于德國大數(shù)學(xué)家達(dá)維德·希爾伯特。2023/7/51