光电探测技术与系统课件

2022/12/221第一章绪论§1.1

信息与信息技术§1.2

现代信息技术与光电探测 §1.3

光电探测（传感）器 §1.4

光电探测系统与仪器的构成及分类§1.5

经典的光电探测系统及光电探测系统的特点

1.5.1经典的光电探测系统

1.5.2

光电探测系统的特点§1.6

光电探测系统的发展趋势2022/12/191第一章绪论§1.1信息与信息2022/12/222§1.1信息与信息技术物质、能量和信息是人类对客观世界认识的三个层面，其中，能量是物质的属性，也是物质的存在方式，信息则是客观世界与主观世界相联系的产物。信息的变化和转移伴随着能量的变化，信息作用于认识的主体和客体之间，使人类能够更好地认识物质与能量之间的关系。信息的特点有：（1）信息依附于载体而存在，通过对载体的作用可以获取信息，也可将信息存储（寄载）在某个载体上；（2）信息是可以共享的，信息本身生不会因为共享而受到损失；（3）信息是可以被处理的，除能够被存储外，信息可以被加工、传输，还可以转换形态，特别是经过人脑的分析、综合和提炼而增值；（4）信息具有时效性。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。信息技术主要包括以下几方面技术：2022/12/192§1.1信息与信息技术物质2022/12/2231、感测与识别技术

它的作用是扩展人类获取信息的感觉器官功能。2、信息传递技术

它的主要功能是实现信息快速、可靠、安全的转移。3、信息处理与再生技术

是对信息的综合分析或进一步提炼。4、信息施用技术(信息过程的最后环节)

包括控制技术、显示技术等。2022/12/1931、感测与识别技术它的作用是扩展人2022/12/224§1.2现代信息技术与光电探测

现代信息技术的核心是计算机、软件和通信技术，技术发展的重点是微电子和光电子技术、高端计算机技术、计算机网络技术、光纤通信技术、人工智能技术、信息安全技术、卫星遥感技术、磁盘及光盘存储技术、液晶和等离子体显示技术等。

光电信息技术是由光学、光电子、微电子等技术结合而成的多学科综合技术，涉及光信息的辐射（产生）、传输、探测以及光电信息的转换、存储、处理与显示等众多的内容，已经成为现代信息技术的一个主干。

2022/12/194§1.2现代信息技术与光电探测现2022/12/225光电子技术对信息技术深入、广泛的影响反映在在以下四个方面1、感测与识别技术视觉------光电成像，扩展到红外、紫外可实现纳米级（高精度）、光子级（弱信号）和万伏级（强信号）的测量，不断满足日益开拓的人类社会对信息获取的要求，如紫外线、可见光和红外波段的光电成像和遥感、光纤传感等。2、信息传递技术光纤3、信息处理与再生技术光电信息处理是光学信息处理与电子学信息处理交叉融合的产物。4、信息施用技术

……§1.2现代信息技术与光电探测

2022/12/195光电子技术对信息技术深入、广泛的影响反2022/12/226光电探测技术是光电信息技术的源头

光电探测技术的发展是随着其它相关技术的发展而发展的。由于激光技术、光波导技术、光电子技术、光纤技术、计算机技术的发展，以及傅立叶光学、现代光学、二元光学和微光学的出现和发展，光电探测技术无论从探测方法、原理、精度、效率，还是适用的领域范围都获得了巨大发展，是上述相关技术发展的综合体现。

特点（1）高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。（2）高速度：光速是最快的。（3）远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。（4）非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。（5）寿命长：光电探测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。（6）数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。

2022/12/196光电探测技术是光电信息技术的源头2022/12/227§1.3光电探测（传感）器

将光能量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化（当被测物理量本身是光辐射时，无需专门的转换），然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应或热电效应。

热电探测传感器也归类为光电传感器。

2022/12/197§1.3光电探测（传感）器2022/12/228表1.3-1光电传感器类型

光电传感器

光电传感器实例ＰＮ结PN光电二极管（材料采用Si,Ge,Ga,As）PIN光电二极管（材料采用Si）雪崩光电二极管（材料采用Si,Ge）光电晶体管[含光电达林顿管]（材料采用Si）集成光电传感器和光电晶体（材料采用Si）光电池（材料采用S）非PN结

光电元件（材料采用CdS,CdSe,Se,PbS）

热电元件（材料采用PZT，LiTaO3,Se,LiTiO3,

双金属）电子管类光电管、摄像管、光电倍增管其它类色敏传感器（材料采用Si,-Si）固体图像传感器（材料采用Si,有CCD型,MOS型,CPD型）位置检测传感器（材料采用CdS,CdSe,Se,PbS）光纤传感器光栅尺，光电编码盘2022/12/198表1.3-1光电传感器类型光电传2022/12/229§1.4光电探测系统与仪器的构成及分类

图1.4-1光电探测系统框图

由光源、光路（及光学器件）、光电换能器、电路组成，具有一定功能的整体，就构成了光电探测系统，如图1.4-1所示。其中，光学子系统由光源、光路构成，待测非电量产生于光源或置于光路中；电学子系统用电子学的方法对光学信息分析、处理与控制；光电换能器用以探测光信号，并以电信号的方式表达出来，是联系前两者的桥梁。光电探测系统作为测量系统时，具有明确的输出指示，又被称为光电探测仪器。

一些市售的光电传感器中，还包含光源、光路、电信号放大或数字化电路。

2022/12/199§1.4光电探测系统与仪器的构成及2022/12/2210光电探测系统分类

光电探测系统分类：分法1（光源是否可控）：主动式光电探测系统，被动式光电探测系统；分法2（光谱）：激光探测系统、红外探测系统、紫外探测系统、可见光探测系统；分法3（调制解调方式）：直接探测系统、相干探测系统；分法4（输出信号模式）：模拟系统、数字系统；分法5（探测器）：点探测系统、面探测系统；分法6（光场分布）：远场光电探测系统、近场光电探测系统；分法7（光路）：直射式光电探测系统、反射式光电探测系统、散射式光电探测系统；//聚焦式光电系统、分光式光电系统。2022/12/1910光电探测系统分类光电探测系统分类：2022/12/2211§1.5经典的光电探测系统及光电探测系统的特点

1.5.1经典的光电探测系统

自20世纪初以来，光电探测系统在人类生活中扮演了举足轻重的角色。有了光电探测技术，人类首次准确地测量了地月距离；随着光电探测技术的发展，人类甚至可以操纵单个原子。光电子技术的每一次突破，都对人类的生活或科学研究带来了冲击性的影响。没有光电探测技术，就不会产生复印机和数码相机的诞生；没有光电探测技术，我们甚至连有声电影都看不到。本节就几种经典的光电探测系统做一简单介绍。

图1.5-1影片声音重放

（1）光电管在电影放映机上的应用

2022/12/1911§1.5经典的光电探测系统及光电2022/12/2212（2）激光器与激光测距仪

第一台激光器，1960年；第一台军用激光测距仪，1961年；（3）数码复印机

1950年，以硒作为光导体，用手工操作的第一台普通纸静电复印机问世；1959年又出现了性能更为完善的Xero914型复印机。自此以后，复印机的研究和生产发展很快。到了九十年代又出现了兼容扫描仪的数码复印机。

图1.5-2数码复印机的原稿扫描系统

2022/12/1912（2）激光器与激光测距仪第一台激光2022/12/2213（4）半导体激光器、发光二极管构建的光电探测系统半导体激光器LD和发光二极管LED于1962年问世，它们的出现是光电子学史上的一件大事。

（5）傻瓜照相机

自动对焦与测光，……逆光补偿、消除红眼、长时间曝光、重复曝光…

（6）光电直读光谱仪

（7）电荷藕合器件图像传感器CCD与数码相机

（8）光电鼠标

（9）光电式三坐标测量机

三坐标测量机（CMM）

用于几何量测量，是一种具有可作三个方向移动的探测器。通过在三个相互垂直的导轨上移动，精密地测出允许的测量空间中物件上测量点的X、Y、Z三个坐标值。它测量方式根据所需测量产品特性通常可分为接触式测量、非接触式测量和接触与非接触复合式测量。

2022/12/1913（4）半导体激光器、发光二极管构建的2022/12/2214图1.5-3一款3dfamily系列三坐标测量机

图1.5-4原子力显微镜书写的“IBM”

2022/12/1914图1.5-3一款3dfamil2022/12/2215（10）近场光学显微镜

正如电子具有隧道效应一样，光子也具有光子隧道效应。研究发现，物体受光波照射后，离开物体表面的光波分为两种成份：一部分光向远方传播，这是传统光学显微镜能接收的信息；而另一部分光波只能沿物体表面传播，一旦离开表面就很快衰减。这部分在近场传播的光波又叫隐失波。由于隐失波携带有研究样品表面非常有用的信息，科学家一直设想能对这种近场的光波加以研究利用。AFM、STM新颖的设计思想的出现，为近场光学的研究提供了思路。

图1.5-5AFM结构框图

2022/12/1915（10）近场光学显微镜正如电子具有2022/12/2216（11）交叉分子束实验装置

两个反应物分子只要经过单次碰撞，产物分子就能被检测出来。要真正从分子水平上研究化学反应，首先需要高真空技术，即反应器中的分子数相当少，这样才不致于发生二次碰撞；或者是在第二次碰撞前已经检测出产生新分子的状态。其次，需要有分子束的技术，即能够实施检测和研究反应物分子发生碰撞的方向和速度。这样才能真正知道碰撞后产物分子的状态究竟怎样，以及它和反应物分子的状态有着怎样的依赖关系。由于产物的分子数极其稀少，这就给检测产物分子带来了困难。根据计算，在典型的交叉分子束实验中，被散射到检测区的产物分子数每秒只有几个到几十个，这相当于产生的电流只有10-18安培数量级。如此微弱的信号，一般的检测手段是无能为力的。

对此，李远哲采用了电子轰击电离、质谱过滤检测的思路，于1968年，和Herschbach等在哈佛大学设计制造了第一台实用高效的质谱检测器。他们用特殊设计的高效率电子轰击装置以及分区抽真空及深冷阱的办法克服了电离区的背景气的干扰，并且以四极质谱仪代替了一般的质谱仪，这就便于调节和优化高检测灵敏度和高分辨率之间的矛盾要求。他们还把束源固定而第一次采用可以转动的质谱检测器，这对氢原子束及其他需要高度真空的情况是有利的。

1994年的诺贝尔化学奖2022/12/1916（11）交叉分子束实验装置常用的交叉分子束装置如图所示，它是由束源、准直器、速度选择器、散射室、可移动检测器等几个主要部分组成。分子束是在高真空的容器中飞行的一束分子，它是由束源中发射出来的。常用的交叉分子束装置如图所示，它是由束源、准直器、速度选择器2022/12/2218加拿大作家麦尔坎·葛拉威尔在《异数》一书中指出：“人们眼中的天才之所以卓越非凡，并非天资超人一等，而是付出了持续不断的努力。只要经过一万小时的锤炼，任何人都能从平凡变成超凡。”他将此称为“一万小时定律”。葛拉威尔还引述了大量研究数据表明，世界上不论任何行业，当你具备基本技能后，最终能否出类拔萃，成为专家、权威、大师，只有一个因素最重要，那就是练习、练习、再练习，最低限度是一万小时。只要你能在本行业上坚持“一万小时”就有成为专家、权威、大师的可能。“宝剑锋从磨砺出，梅花香自苦寒来”。世界上没有人能轻易成功，“一万小时”就是通向成功的一道门槛，迈过去就是成功。量变←→质变“一万小时定律”爱因斯坦在酝酿广义相对论的8年中，曾经常求教于德国大数学家达维德·希尔伯特。2022/12/1918加拿大作家麦尔坎·葛拉威尔在《异数》2022/12/22191.5.2光电探测系统的特点

①

检测距离长

②

对检测物体的限制少

③

响应时间短

④

分辨率高

⑤

可实现非接触的检测

⑥

可实现颜色判别

⑦

便于调整

2022/12/19191.5.2光电探测系统的特点①2022/12/2220§1.6光电探测系统的发展趋势

当今科学技术日新月异，新材料、新器件的不断涌现，给光电系统的发展带来了勃勃生机。总的来看，光电探测技术与装备呈现出多波段、多模式、小型化甚至微型化、一体化、网络化、高精度、多用途的发展趋势。

2022/12/1920§1.6光电探测系统的发展趋势2022/12/2221第一章绪论§1.1

信息与信息技术§1.2

现代信息技术与光电探测 §1.3

光电探测（传感）器 §1.4

光电探测系统与仪器的构成及分类§1.5

经典的光电探测系统及光电探测系统的特点

1.5.1经典的光电探测系统

1.5.2

光电探测系统的特点§1.6

光电探测系统的发展趋势2022/12/191第一章绪论§1.1信息与信息2022/12/2222§1.1信息与信息技术物质、能量和信息是人类对客观世界认识的三个层面，其中，能量是物质的属性，也是物质的存在方式，信息则是客观世界与主观世界相联系的产物。信息的变化和转移伴随着能量的变化，信息作用于认识的主体和客体之间，使人类能够更好地认识物质与能量之间的关系。信息的特点有：（1）信息依附于载体而存在，通过对载体的作用可以获取信息，也可将信息存储（寄载）在某个载体上；（2）信息是可以共享的，信息本身生不会因为共享而受到损失；（3）信息是可以被处理的，除能够被存储外，信息可以被加工、传输，还可以转换形态，特别是经过人脑的分析、综合和提炼而增值；（4）信息具有时效性。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。信息技术主要包括以下几方面技术：2022/12/192§1.1信息与信息技术物质2022/12/22231、感测与识别技术

它的作用是扩展人类获取信息的感觉器官功能。2、信息传递技术

它的主要功能是实现信息快速、可靠、安全的转移。3、信息处理与再生技术

是对信息的综合分析或进一步提炼。4、信息施用技术(信息过程的最后环节)

包括控制技术、显示技术等。2022/12/1931、感测与识别技术它的作用是扩展人2022/12/2224§1.2现代信息技术与光电探测

现代信息技术的核心是计算机、软件和通信技术，技术发展的重点是微电子和光电子技术、高端计算机技术、计算机网络技术、光纤通信技术、人工智能技术、信息安全技术、卫星遥感技术、磁盘及光盘存储技术、液晶和等离子体显示技术等。

光电信息技术是由光学、光电子、微电子等技术结合而成的多学科综合技术，涉及光信息的辐射（产生）、传输、探测以及光电信息的转换、存储、处理与显示等众多的内容，已经成为现代信息技术的一个主干。

2022/12/194§1.2现代信息技术与光电探测现2022/12/2225光电子技术对信息技术深入、广泛的影响反映在在以下四个方面1、感测与识别技术视觉------光电成像，扩展到红外、紫外可实现纳米级（高精度）、光子级（弱信号）和万伏级（强信号）的测量，不断满足日益开拓的人类社会对信息获取的要求，如紫外线、可见光和红外波段的光电成像和遥感、光纤传感等。2、信息传递技术光纤3、信息处理与再生技术光电信息处理是光学信息处理与电子学信息处理交叉融合的产物。4、信息施用技术

……§1.2现代信息技术与光电探测

2022/12/195光电子技术对信息技术深入、广泛的影响反2022/12/2226光电探测技术是光电信息技术的源头

光电探测技术的发展是随着其它相关技术的发展而发展的。由于激光技术、光波导技术、光电子技术、光纤技术、计算机技术的发展，以及傅立叶光学、现代光学、二元光学和微光学的出现和发展，光电探测技术无论从探测方法、原理、精度、效率，还是适用的领域范围都获得了巨大发展，是上述相关技术发展的综合体现。

特点（1）高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。（2）高速度：光速是最快的。（3）远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。（4）非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。（5）寿命长：光电探测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。（6）数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。

2022/12/196光电探测技术是光电信息技术的源头2022/12/2227§1.3光电探测（传感）器

将光能量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化（当被测物理量本身是光辐射时，无需专门的转换），然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应或热电效应。

热电探测传感器也归类为光电传感器。

2022/12/197§1.3光电探测（传感）器2022/12/2228表1.3-1光电传感器类型

光电传感器

光电传感器实例ＰＮ结PN光电二极管（材料采用Si,Ge,Ga,As）PIN光电二极管（材料采用Si）雪崩光电二极管（材料采用Si,Ge）光电晶体管[含光电达林顿管]（材料采用Si）集成光电传感器和光电晶体（材料采用Si）光电池（材料采用S）非PN结

光电元件（材料采用CdS,CdSe,Se,PbS）

热电元件（材料采用PZT，LiTaO3,Se,LiTiO3,

双金属）电子管类光电管、摄像管、光电倍增管其它类色敏传感器（材料采用Si,-Si）固体图像传感器（材料采用Si,有CCD型,MOS型,CPD型）位置检测传感器（材料采用CdS,CdSe,Se,PbS）光纤传感器光栅尺，光电编码盘2022/12/198表1.3-1光电传感器类型光电传2022/12/2229§1.4光电探测系统与仪器的构成及分类

图1.4-1光电探测系统框图

由光源、光路（及光学器件）、光电换能器、电路组成，具有一定功能的整体，就构成了光电探测系统，如图1.4-1所示。其中，光学子系统由光源、光路构成，待测非电量产生于光源或置于光路中；电学子系统用电子学的方法对光学信息分析、处理与控制；光电换能器用以探测光信号，并以电信号的方式表达出来，是联系前两者的桥梁。光电探测系统作为测量系统时，具有明确的输出指示，又被称为光电探测仪器。

一些市售的光电传感器中，还包含光源、光路、电信号放大或数字化电路。

2022/12/199§1.4光电探测系统与仪器的构成及2022/12/2230光电探测系统分类

光电探测系统分类：分法1（光源是否可控）：主动式光电探测系统，被动式光电探测系统；分法2（光谱）：激光探测系统、红外探测系统、紫外探测系统、可见光探测系统；分法3（调制解调方式）：直接探测系统、相干探测系统；分法4（输出信号模式）：模拟系统、数字系统；分法5（探测器）：点探测系统、面探测系统；分法6（光场分布）：远场光电探测系统、近场光电探测系统；分法7（光路）：直射式光电探测系统、反射式光电探测系统、散射式光电探测系统；//聚焦式光电系统、分光式光电系统。2022/12/1910光电探测系统分类光电探测系统分类：2022/12/2231§1.5经典的光电探测系统及光电探测系统的特点

1.5.1经典的光电探测系统

自20世纪初以来，光电探测系统在人类生活中扮演了举足轻重的角色。有了光电探测技术，人类首次准确地测量了地月距离；随着光电探测技术的发展，人类甚至可以操纵单个原子。光电子技术的每一次突破，都对人类的生活或科学研究带来了冲击性的影响。没有光电探测技术，就不会产生复印机和数码相机的诞生；没有光电探测技术，我们甚至连有声电影都看不到。本节就几种经典的光电探测系统做一简单介绍。

图1.5-1影片声音重放

（1）光电管在电影放映机上的应用

2022/12/1911§1.5经典的光电探测系统及光电2022/12/2232（2）激光器与激光测距仪

第一台激光器，1960年；第一台军用激光测距仪，1961年；（3）数码复印机

1950年，以硒作为光导体，用手工操作的第一台普通纸静电复印机问世；1959年又出现了性能更为完善的Xero914型复印机。自此以后，复印机的研究和生产发展很快。到了九十年代又出现了兼容扫描仪的数码复印机。

图1.5-2数码复印机的原稿扫描系统

2022/12/1912（2）激光器与激光测距仪第一台激光2022/12/2233（4）半导体激光器、发光二极管构建的光电探测系统半导体激光器LD和发光二极管LED于1962年问世，它们的出现是光电子学史上的一件大事。

（5）傻瓜照相机

自动对焦与测光，……逆光补偿、消除红眼、长时间曝光、重复曝光…

（6）光电直读光谱仪

（7）电荷藕合器件图像传感器CCD与数码相机

（8）光电鼠标

（9）光电式三坐标测量机

三坐标测量机（CMM）

用于几何量测量，是一种具有可作三个方向移动的探测器。通过在三个相互垂直的导轨上移动，精密地测出允许的测量空间中物件上测量点的X、Y、Z三个坐标值。它测量方式根据所需测量产品特性通常可分为接触式测量、非接触式测量和接触与非接触复合式测量。

2022/12/1913（4）半导体激光器、发光二极管构建的2022/12/2234图1.5-3一款3dfamily系列三坐标测量机

图1.5-4原子力显微镜书写的“IBM”

2022/12/1914图1.5-3一款3dfamil2022/12/2235（10）近场光学显微镜

正如电子具有隧道效应一样，光子也具有光子隧道效应。研究发现，物体受光波照射后，离开物体表面的光波分为两种成份：一部分光向远方传播，这是传统光学显微镜能接收的信息；而另一部分光波只能沿物体表面传播，一旦离开表面就很快衰减。这部分在近场传播的光波又叫隐失波。由于隐失波携带有研究样品表面非常有用的信息，科学家一直设想能对这种近场的光波加以研究利用。AFM、STM新颖的设计思想的出现，为近场光学的研究提供了思路。

图1.5-5AFM结构框图

2022/12/1915（10）近场光学显微镜正如电子具有2022/12/2236（11）交叉分子束实验装置

两个反应物分子只要经过单次碰撞，产物分子就能被检测出来。要真正从分子水平上研究化学反应，首先需要高真空技术，即反应器中的分子数相当少，这样才不致于发生二次碰撞；或者是在第二次碰撞前已经检测出产生新分子的状态。其次，需要有分子束的技术，即能够实施检测和研究反应物分子发生碰撞的方向和速度。这样才能真正知道碰撞后产物分子的状态究竟怎样，以及它和反应物分子的状态有着怎样的依赖关系。由于产物的分子数极其稀少，这就给检测产物分子带来了困难。根据计算，在典型的交叉分子束实验中，被散射到检测区的产物分子数每秒只有几个到几十个，这相当于产生的电流只有10-1