作者：付小宁,牛建军,等
出版社：电子工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
光电探测技术与系统试读：
前言
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、处理和显示等内容，它是现代信息技术发展的一个主方向，广泛应用于国民经济和国防建设的各个领域。
光电探测技术是光电信息技术的源头。随着激光技术、光波导技术、光电子技术、光纤技术、计算机技术的发展，以及傅里叶光学、现代光学、二元光学和微光学的出现和发展，光电探测技术无论是探测方法、原理、精度和效率，还是其适用的领域或范围都获得了巨大的发展。
为适应“光信息科学与技术”和“测控技术与仪器”专业基础教学的需要，在“重基础、宽口径、诱导科研潜能”的指导思想下，编著者在讲义和教案的基础上，编写了《光电探测技术与系统》这本书，力求全面、系统地介绍光电探测技术与系统的有关知识、方法、原理和典型应用。
本书可作为大学“测控技术与仪器”和“光信息科学与技术”专业的教学用书，也可供自动控制、光机电一体化、应用物理等专业师生及相关专业技术人员参考。为便于教学，本书配有电子教学课件，任课教师可从华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）免费下载。
全书分为9章，各章内容安排如下：
第1章为绪论，简要介绍信息技术、光电信息技术及光电探测技术的概念，光电传感器的原理和类型，光电探测系统的构成及分类，经典的光电探测系统，光电探测系统的特点，以及光电探测技术的发展趋势。
第2章主要探讨光辐射和光源技术，着重介绍黑体辐射、激光器和光调制器。
第3章讲述光路中的光学规律与光学器件，具体内容包括：光路中的各种光现象（如反射、折射、干涉、偏振等），光学系统（涉及滤光片、光栅、单色仪和干涉仪等），光束定向技术和扫描器，光在大气中的传播与衰减，等等。
第4章介绍十多种光电探测器件，包括光电管、光电倍增管、光敏电阻、光敏二极管、光电晶体管、光电池、位敏传感器、热释电、热电偶、光栅尺、光电编码器等，并分析光电探测器的特性及光电探测模式。
第5章主要讨论改善和提高光电探测系统信噪比的技术。
第6章介绍光电成像探测传感器，主要包括CCD、热释电器件及其他成像传感器，并讨论光电成像的特性参数。
第7章介绍光电探测系统中产生最早、精度最高、发展最快的一类探测技术——光谱分析。
第8章介绍光纤传感技术与系统，内容包括光纤测试技术基础，各类光纤传感器的原理和实现，光纤布拉格光栅传感器。
第9章简要介绍光电探测系统在生活、军事、工业、农业等方面的典型应用。
本书由付小宁、牛建军和陈靖编著，其中第1～4章和第7章由付小宁编写，第6章和第8章由牛建军编写，第5章和第9章由陈靖编写，最后由付小宁、牛建军统稿。本书的主审由测控技术与仪器专业教学指导委员会赵建教授和西安石油大学党瑞荣教授担任。
在即将出版之际，特别感谢西安电子科技大学刘上乾教授，他是本书作者进入光电探测技术领域的直接领路人。特别感谢赵建教授、党瑞荣教授对书稿的认真校阅和建设性意见。在成书过程中，研究生王荻承担了大量的图片绘制工作，谨在此表示感谢。最后，感谢本行业开拓者的贡献，感谢国内外先行者的工作，感谢几年来听过这门课的各位同学，感谢与编著者讨论过相关领域问题的各位同行、同学与老师，他们是编著者完成本书稿的精神支撑。
另外，在本书编写过程中，主要参考了安毓英教授的《光电子技术》、张寒琦教授的《光谱化学分析》（译著）和郭培源教授的《光电检测技术与应用》，引用了东南大学传感器课程网络资源中有关光电传感器的部分内容，融入了Gerald C.Holst先生的Electro-Optical Imaging System Performance的部分内容，参考了其他数十种国内外文献，还加入了本课程讨论班上一些研究生、本科生搜集的素材。在此一并表示感谢。
由于时间和水平有限，书中必定存在疏漏和不足，恳请读者不吝指正，以便今后逐步改进和完善。联系方式：xning_fu@163.com。第1章 绪论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，信息还可以被加工、传输，甚至可以转换形态，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。
1.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，包括信息识别、信息提取、信息检测等技术。这类技术的总称是“传感技术”，它几乎可以扩展人类所有感觉器官的传感功能。传感技术、测量技术与通信技术相结合而产生的遥感技术，更使人类感知信息的能力进一步加强。
信息识别包括文字识别、语音识别和图形识别等，相应的实现技术称做“模式识别”。
2.信息传递技术
它的主要功能是实现快速、可靠、安全地转移信息。信息传递类似于人的神经系统，其物理实质是通过“场”或其他物理媒介将信息从一个位置传送到另外一个位置的过程，也称通信。它使得遥感、遥测成为可能，能够避免人们直接暴露于危害信号或危险环境之中。通过信息传输系统的设计，可以有效降低探测系统的成本、提高工作效率。
各种通信技术（如广播电视技术、GSM）都属于这个范畴。存储、记录可以被看成是从“现在”向“未来”或从“过去”向“现在”传递信息的一种活动，因而它们也可以看做是信息传递技术的一个特例。
3.信息处理与再生技术
它是对信息的综合分析或进一步提炼。信息处理类似于人的大脑系统，包括对信息的编码、分析、加密等。
在对信息进行处理的基础上，还可形成一些新的更深层次的决策信息，称为信息的“再生”。信息的处理与再生都依赖于现代电子、计算机技术，也需要人的智能的持续介入。
4.信息施用技术
信息施用技术是信息处理过程的最后环节，包括控制技术、显示技术等。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。
光电子是电子学与光（子）学浑然一体的技术。如果说微电子技术推动了以计算机、因特网、光纤通信等为代表的信息技术的高速发展，改变了人们的生活方式，使得知识经济初见端倪，那么随着信息技术的发展，大容量光纤通信网络的建设和光电子技术将起到越来越重要的作用。自20世纪90年代以来，全世界的光子产业以比微电子产业高得多的速度发展，成为21世纪具有代表意义的主导产业。美国商务部指出，“谁在光电子产业方面取得主动权，谁就将在21世纪的尖端科技较量中夺魁。”
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，它将光的快速、电子信息处理技术的便捷和智能化结合在一起，具有无可比拟的优势。
光电信息技术广泛应用于国民经济和国防建设的各行各业。光电子技术对信息技术有广泛的影响。
1.感测与识别技术
信息的感测与识别可以通过各种类型的传感器或传感机构完成。传感器是将各类原始信息（被测控的非电物理量）转换成与之对应的易于处理的电信号输出的装置。
实验心理学家赤瑞特拉通过大量的实验证实：在人的一生中，获得信息量最大的感官是眼睛，约占人类获取的信息总量的83％。与之相对应，在各类传感器中，光电传感（探测）器以其能够大容量、非接触、在线和主动地获取信息而脱颖而出，可实现纳米级（高精度）、光子级（弱信号）和万伏级（强信号）的信号测量，不断满足人类社会日益开拓的对信息获取的要求，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。
此外，光电传感信息的数字化奠定了人工智能信息识别的基础。
2.信息传递技术
现代通信已经由传统的有线（电缆）、无线（电波）通信发展到光通信，其特点是大容量、高带宽、抗电磁干扰、光纤材料与环境的相容性好，耐腐蚀。
光电传感使得很多非光、非电信号也可以在光纤中传输。
3.信息处理与再生技术
光信息处理是现代信息处理技术中一个重要组成部分，具有速度快、抗干扰能力强、可大量并行处理的优越性。光学信息指光的强度（或振幅）、相位、频率（或波长）和偏振态等。光电信息技术乃是光学信息技术的进一步发展，是有光电转换过程介入的光学信息技术。
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
作为信息过程的最后环节，光电信息的施用反映在各种光电信息技术应用当中。
有关领域中的应用，如工业：产品质量检验、工业自动化、智能机器人。商业：防伪系统、收款系统。办公：办公室自动化、可视电话与电视会议、光纤通信、手写体和印刷体文字识别。文化教育和宣传：电化教学、电子出版、电子娱乐、电子玩具、电子动画和广告。科技：科学仪器的自动化、航天光电系统。医学：医疗会诊、病历保存。军事：军事电子模拟训练、光电对抗。安全与公安：家庭、交通、银行、海关、飞行安全系统以及侦破、监控、指纹识别、证据鉴别等手段。家庭：家务自动化、现代化和安全化、柔性办公系统等。
光电探测技术是光电信息技术的源头，这里用探测（test）的说法，不再区别检测（detection）、测量（measurement）和计量（metrology）等概念。具有探测功能的装置构成了探测系统，具有输出指示的探测系统也叫做探测仪器。
光电探测技术是随着其他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，以及傅里叶光学、现代光学、二元光学和微光学的出现和发展，光电探测技术无论在探测方法、原理、精度、效率，还是在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。
光电检测是一种典型的无损检测。无损检测利用材料内部结构异常或缺陷存在所引起的对热、声、光、电、磁等反应的变化，来探测各种工程材料、零部件、结构件等内部和表面缺陷，并对缺陷的类型、性质、数量、形状、位置、尺寸、分布及其变化做出判断和评价。在无损检测中，除红外成像、激光全息检测法以外，射线检测法、渗透检测法等的测量过程也都涉及光电检测技术。和以往的探测技术相比，光电探测技术具有下列特点。（1）高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1 m；（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：在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：强大的信息处理、运算和控制能力。1.3 光电探测（传感）器
传感器的作用是将非电学量转化为与之具有一定对应关系的电学量，是一种非电学量与电学量汇集—处理—指示的接口器件。
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。
由于热现象是指与温度及其变化有关的现象，同时伴有人的肉眼看不到的红外辐射，所以在这里把热电探测传感器也归类为光电传感器。
光电传感器主要有光电管、光电倍增管、光电二极管（光敏二极管）、光电三极管（光敏三极管）、光敏电阻、光电耦合器、光电池、热电传感器、光栅尺、光电编码盘和光电图像传感器等。主要种类如表1-1所示。表1-1 光电传感器类型
其中，PN结类传感器、非PN结类、光电管、光电倍增管主要在第4章介绍，固体图像传感器、摄像管将在第6章介绍，光纤传感器将在第8章介绍。1.4 光电探测系统的构成及分类
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1-1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进行分析、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。图1-1 光电探测系统框图
图1-1为基本的光电探测系统框图，在光电探测过程中，若光源是系统自带的且输出参数可以被系统调控，该光电探测系统被称为主动式光电探测系统，如激光测距系统。若光源性能不能被调控，则该光电探测系统被称为被动式光电探测系统，如红外感温系统。
对于光电探测系统，按照其工作光线的波谱来划分，可分为激光探测系统、红外探测系统、紫外探测系统、可见光探测系统。其中，红外探测系统造价昂贵，多用于军事；可见光探测系统多为民用。
按光波对信号的调制解调方式划分，可分为直接探测系统、相干探测系统。在直接探测系统中，光电探测器直接把接收到的光强的变化转换为电信号的变化，然后，用解调电路检出所携带的信息。在相干探测系统中，利用的是光波的振幅、频率、相位携带的信息，而不是光强，因为用光波的相干原理，只能用相干光，类似于无线电外差检测，故又称光外差检测。其中，光电相干检测系统可获得全部信息，转换效率高，信噪比损失小，检测灵敏度高，具有良好的滤波性能，必须由激光来实现。
光电探测系统也可划分为模拟系统、数字系统。事实上，由于大多数光电探测器自带A/D转换器或者容易连接A/D转换器，使得所在系统成为数字化系统。有时，对光束实施了机械斩波的系统也被认为是数字系统，如光电数字码盘。非数字系统，即为模拟系统。
如果系统采用单元探测器接收目标的总辐射功率，则称为点探测系统；若用多单元面阵接收元件测量目标的光强分布，则称为面探测系统。
按照光场分布来划分，光电探测系统可分为远场光电探测系统、近场光电探侧系统。
按照光路来划分，光电探测系统可分为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，或者，也可划分为聚焦式光电系统、分光式光电系统。
光电探测器，或称光电传感器，是光电换能器件功能的扩展或商品化的产物。在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。在光电传感器商品中，依光源、光路、光电换能器件排列位置的不同，光电传感器可以粗略地分为以下三种。
1）直射型
光电探测器对着光源放置，且二者的光轴重合。此时，光电探测器灵敏度最大方向对准光源发射光通量最大方向。在使用中应避免或减少杂散光的影响，如采用杂光隔离暗箱、提高光源强度、光通量调制、调整光源与光电探测器的方向（如计数测量时对大物体，应使杂散光与光源方向一致；对小物体，应使杂散光与光源方向相反）。
2）反射型
探测器接收到的光可以是来自镜面的单向反射光，或来自粗糙表面的漫反射光。前者可用于精密工作台定位，后者可用于软包装物品检测等。
3）辐射型
当被测物本身就是一个辐射源时，探测器通过对被测物辐射的接收、分析来完成测量过程，属于被动式光电探测范畴。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
20世纪以来，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，就不会有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简单介绍。
1）光电管在电影放映机上的应用
电影作为一种崭新的传播媒介和艺术形式在全世界得到迅速发展后，其中一项重大技术进步是有声电影的研制成功。由于电子管、光电管的先后出现，美国于1926年首先放映了用光学（感光）法制作的有声电影。
在录音过程中，声音信号的强弱控制调制光束的宽度，通过光化学反应记录在电影胶片上，形成不同影像的声迹。
在电影还音过程中，记录在电影胶片上的声迹在光源与光电管之间穿过时，改变了到达光电管的光通量，声迹宽度起伏变化决定了光线强弱的变化，最终导致了光电流起伏并通过放大器还原成声音。影片声音重放原理如图1-2所示。图1-2 影片声音重放原理
2）激光器与激光测距仪
世界上第一台激光器是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于1960年首先研制成功的。美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。1961年，第一台军用激光测距仪通过了美国军方论证实验，此后激光测距仪很快就进入了实用阶段。
激光测距仪是利用激光对目标的距离进行准确测定的仪器。激光测距仪工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离。若激光是连续发射的，测程可达40 km左右，并可进行昼夜作业。若激光是脉冲发射的，一般绝对精度较低，但用于远距离测量，可以达到很好的相对精度。具体的原理将在2.5节中进行介绍。
激光测距仪重量轻，体积小，操作简单，速度快而准确，其误差为其他光学测距仪的五分之一到数百分之一，因而被广泛用于地形测量，战场测量，坦克、飞机、舰艇和火炮对目标的测距，测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。它是提高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。
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得很快。到了20世纪90年代又出现了兼容扫描仪的数码复印机。
在数码复印机中，曝光灯照射放在原稿台上的原稿，得到的光照图像经过反光镜、镜头等光学系统照射到CCD图像传感器上，CCD将光图像变成电信号，再进行数字信号处理，CCD输出的电信号数字化后，变成扫描文件传入计算机，或者用该数字信号控制激光器对感光鼓进行曝光，使感光鼓形成静电潜像。这时，一种与静电潜像上的电荷极性相反的显影墨粉末，在电场力的吸引下，被加到光导体表面上去。在“硒鼓”的表面显现出有深浅层次的墨粉图像。当复印纸与墨粉图像接触时，墨粉图像在电场力和墨粉内胶质的作用下，转印到复印纸上。数码复印机的原稿扫描系统如图1-3所示。图1-3 数码复印机的原稿扫描系统
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。
LD目前在远距离光纤通信、CD和DVD播放器、激光打印机、光存储、激光高速印刷、全息照相、激光准直及测距、条形码阅读器、固体激光器泵浦、光计算机及医疗等许多方面的应用方兴未艾。
LED被广泛用于多种电子仪器和电子设备中，可用做电源指示灯、电平指示、大屏幕显示或固体光源。红外发光管常被用于电视机、录像机等的遥控器中。
LED、LD的相关知识参见2.4节。
5）傻瓜照相机
傻瓜照相机，通常指针对非专业的普通人而设计的小型全自动照相机。以往的照相机由于操作复杂，需要一定程度的学习才能熟练，容易使得并非热衷于摄影的普通人望而却步。而这类为普通人设计的照相机，标榜的正是操作简单，只要将镜头对准被摄物然后按下快门钮，照相机会自动完成所有的步骤，这是因为傻瓜照相机有红外线对焦等功能。快门通常为两段式设计，第一段为自动对焦与测光，第二段才是快门；往往有人不注意而一次按下，没有完成对焦就拍摄，容易造成景物模糊。
随着光学科技与电子技术的进步，许多新款傻瓜照相机，都开始装置原本只有单眼照相机或其他高级照相机才有的功能，例如，逆光补偿、消除红眼、长时间曝光、重复曝光等。最常见的，是大多数机型都具备人像、风景、动态、微距、夜间等数种不同模式，依据拍摄的需要而使用不同的设定值，让使用者不必学习光圈、快门等知识，也能够进行多样化的创作。
6）光电直读光谱仪
1859年，本生和基尔霍夫开始共同探索通过辨别焰色进行化学分析的方法。他们决定制造一架能辨别光谱的仪器。于是，他们把一架直筒望远镜和三棱镜连在一起，设法让光线通过狭缝进入三棱镜分光，这就是第一台光谱分析仪。他们用自己创立的光谱分析法发现了新元素铯和铷。他们创造的光谱分析法，为以后的仪器分析的研究打下了坚实的基础。
随着阵列光电传感器、光纤、光纤器件的出现，电子计算机的小型化及微处理机的出现和普及，古老的光谱分析仪焕发了青春，出现了光电直读光谱仪。有关内容参见第7章。
7）电荷耦合器件图像传感器CCD与数码相机
CCD（charge coupled device，电荷耦合器件）是60年代末期由贝尔实验室发明的。它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，相应地把光学图像转换为电子图像，再通过模数转换器芯片转换成数字信号。数字信号经过压缩后由照相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单元组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单元会将电荷反映在组件上，所有的感光单元所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。
关于CCD更深入、细致的介绍参见第6章。
8）光电鼠标
应用光电传感器代替了滚球，光电鼠标成为应用最广泛的光电探测系统之一。
光电鼠标有一个特制的鼠标垫，上面均匀布满了黑白相间的点，而鼠标的底部有一个发光的二极管和两个相互垂直的光敏管。当发光二极管发出的光照射到鼠标垫上时，对白点与黑点会产生反射和不反射两种状态之一，这两种状态被光敏管探测并输出不同的信号。鼠标相对鼠标垫的移动就会产生信号的变化：移动距离越大，变化次数越多；移动速度越快，变化频率就越高。该信号变化通过导线或红外线传输进入计算机，从而使计算机做出判断和反应。
9）光电式三坐标测量机
三坐标测量机（CMM）用于几何量的测量，是一种可进行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，精密地测出在允许的测量空间中物件上测量点的X，Y，Z三个方向坐标值。它的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。一款3d family系列三坐标测量机如图1-4所示。
近年来，利用光电探测原理的激光非接触测量已经在欧美国家得到广泛应用，其高速度、高精度以及高效率的性能，同时克服了以前接触测量难以解决的难题，因而它成为当今最好的测量技术。例如，比利时Metris公司拥有从几毫米到几十米之间不同量程的激光扫描仪，它既有依附于三坐标测量机的激光扫描头，也有独立操作的激光雷达追踪仪，还有动态的三坐标测量仪等。其中的激光扫描仪拥有每秒20 000点的扫描速度以及8 μm的扫描精度，它依附在三坐标测量机上，与Renishaw PH10接口交换数据，充分利用三坐标和PH10的优良特性，通过配套软件的使用，可以进一步挖掘和扩充它们的组合性能。
通过激光扫描头和三坐标的组合使用，可以进一步缩短产品的检测时间，加快生产周期，大大减少生产的停产周期。通过扫描可以获取产品的大量特征数据，可以用于产品质量分析或逆向工程设计，可以大大缩短产品开发周期来满足市场不断变化的发展需要。
10）近场光学显微镜
20世纪80年代发明的近场光学显微镜（scanning near field optical microscope，SNOM或near-field scanning optical microscope，NSOM），标志着传统光学显微镜分辨率的衍射极限已被突破，使人类在今后可以用光学方法在小于亚微米的尺度上观察和研究物体的外观形貌和内在性质，为科学技术和生产的发展提供了新的知识手段，也极大地推动了近场光学的发展。
科学界把探针与样品之间的距离小于几十纳米的范围称为近场，而大于这个距离的范围叫做远场。显然，扫描隧道显微镜（STM）、原子力显微镜（AFM）（参见图1-5）等利用探针在样品表面的扫描的方法属于近场探测，而对于光学显微镜、电子显微镜等远离样品表面进行观测的方法称为远场方法。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部分：一部分光向远方传播，这是传统光学显微镜能接收的信息；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和STM新颖的设计思想的出现，为近场光学的研究提供了思路。于是一种新型的科研仪器，近场光学显微镜诞生了。图1-4 一款3d family系列三坐标测量机图1-5 原子力显微镜书写的“IBM”
AFM的总体系统由微悬臂梁、压电陶瓷扫描器、光电位敏探测器、微机数据处理及显示、电控系统组成，AFM结构框图如图1-6所示。
扫描隧道显微镜最初主要用于观测半导体表面的结构缺陷与杂质，目前，已在材料科学、物理、化学、生命科学及微电子等领域得到了广泛的应用。原子力显微镜不仅可以获得绝缘体表面（以及半导体和导体表面）的原子级分辨率图像，还可以测量、分析样品表面纳米级力学性质，如表面原子间力，表面的弹性、塑性、硬度、黏着力、摩擦力等，但测量效率不如扫描隧道显微镜。
与近场光学的研究类似，物体在极度近距时黑体辐射定律是否依然适用成为人们探索的一个方向。2009年7月30日，美国麻省理工学院（MIT）宣布，该校动力工程学华裔教授陈刚与其团队的研究，首次打破黑体辐射定律，证实物体在极度近距时的热力传导可以达到定律公式所预测的1 000倍之多。图1-6 AFM结构框图
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-18有10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。
由李远哲参与设计的分子束装置，能准确地捕捉到化学反应中分子的真正状态和反应的真实过程，从而为化学研究开创了新领域。因此，获得了1994年的诺贝尔化学奖。此前，普朗克、爱因斯坦、塞曼等人因为在光电子技术领域的贡献获得了诺贝尔科学奖。在已经揭晓的诺贝尔物理学奖、诺贝尔化学奖、诺贝尔生物或医学奖中，与光电子学有关的奖项占很大的比重，详见第9章附录。1.5.2 光电探测系统的特点
一般而言，光电探测系统具有以下7方面特点。
1）检测距离长
在对射型系统中保留10 m以上的检测距离，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无法检测到的长距离。
2）对检测物体的限制少
由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不像接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体进行检测。
3）响应时间短
光本身为高速传播，并且传感器的电路都由电子元件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。
4）分辨率高
能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。
5）可实现非接触的检测
可以无须机械接触实现检测，不会对检测物体和传感器造成损伤。因此，传感器能长期使用。
6）可实现颜色判别
光通过检测物体形成的反射率和吸收率根据光线波长和检测物体的颜色组合不同而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。
7）便于调整
在投射可视光的类型中，投光光束是人眼可见的，便于对检测物体的位置进行调整。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。在诸多的光电探测系统中，军用光电探测系统以其投入大、发展快而最具典型性。
军用光电探测系统装备以其固有的特点赢得了现代战争中的地位，成为信息技术的核心支柱之一，以致光电探测系统技术成为全球范围内竞相争夺的焦点。然而，军用光电系统探测技术的基本特征是多学科的交叉性：（1）工作波段涵盖紫外、可见光、人眼安全激光、中长波红外、毫米波与厘米波射电等多波段频谱范围；（2）探测模式从能量探测、光谱探测，向能量与光谱探测结合的多模式方向发展；（3）微型机电昆虫、光电尘埃等新一代光电系统的出现，将进一步改变作战样式；实现探测器-探测器联动、探测器-执行器联动，探测-通信联动，如警戒-跟踪、跟踪-制导、跟踪-火控等多功能一体化；（4）实现单机单控设备向单平台多传感器、单平台多系统、多平台多传感器以及多平台多系统的网络化发展；（5）探测器或探测系统的性能、使用寿命、使用环境限制等参数大幅度地改善。复习与思考题
1.建议在阅读本章之后，可以先浏览第9章，然后顺序学习其他章节。
2.典型的光电测量系统由哪几部分构成？
3.试述光电检测技术的特点。
4.除了书中列举的典型的光电探测技术应用的实例，你认为有关的实例还有哪些？
5.此前，你接触过哪些光电传感器？
6.有人说激光切割技术尽管和光电探测有关，但它还是应该划归光电加工技术而不是光电探测技术，你怎么看这个问题？
7.傻瓜照相机中都应用了哪些光电探测技术，原理是怎样的？
8.调研了解光电探测技术在家庭生活中的应用。参考文献
［1］邬焜.物质思维·能量思维·信息思维——人类科学思维方式的三次大飞跃［J］.学术界，2002，2（2）： 60-91.
［2］郭培源，付扬.光电检测技术与应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.
［3］杨永才.光电信息技术［M］.上海：东华大学出版社，2002.
［4］吉林市教育信息网.http://www.jledu.com.cn/stjj/allfile/bksc/bksc4551.htm.
［5］光电子产业.http://baike.baidu.com/view/1357925.htm.
［6］邹勇华.光电技术与装备发展方向探讨［J］.舰船科学技术，2007，29（5）： 17-22.
［7］陈福胜.概念、趋势与对策——军用光电系统技术发展的战略思考［C］.电子技术学术委员会2006年学术年会，电子学术论文集： 7-9，37.
［8］傻瓜相机.http://zh.wikipedia.org/wiki/％E5％82％BB％E7％93％9C％E7％9B％B8％E6％ 9C％BA.
［9］光电信息处理.http://baike.baidu.com/view/76314.htm.
［10］电影知识大全.http://www.ragbear.com/read.php？tid=2414.
［11］激光测距仪.http://baike.baidu.com/view/157544.htm.
［12］复印机的基本结构和工作原理.http://hi.baidu.com/wenwei/blog/item/a6c537d16b71ec 389b5027e6.html.
［13］James D.Ingle，Jr.Stanley R.Crouch.张寒琦，王芬蒂，施文，译.光谱化学分析［M］.长春：吉林大学出版社，1996.
［14］电荷耦合器件.http://baike.baidu.com/view/26151.htm.
［15］光电鼠标.http://baike.baidu.com/view/15623.htm.
［16］激光测量.http://www.jichuang.net/Jc_v3/Jc_baike/20081015/1552220081015165106.html.
［17］化学——人类进步的关键.http://www.pep.com.cn/gzhx/gzhxjs/gzhxbx10/bixiu1jsys/200710/ t20071023_418108.htm.
［18］激光测量.http://www.jichuang.net/Jc_v3/Jc_baike/20081015/1552220081015165106.html.
［19］dept_4_lv_3_11774.http://podcast.isu.edu.tw/podcast/show_channel/22.
［20］膜与分子生物物理.http://snl.bjmu.edu.cn/course/reviews/MM/HanRongchengM.pdf.
［21］百度_物理吧_物理的里程碑.http://tieba.baidu.com/f？kz=620709535.第2章 光辐射与光源
任何一种光电系统或光电子器件的使用和评价都离不开特定的光辐射源与光辐射探测器，所以光辐射理论和光电转换的原理是光电探测技术的基础。光源的描述参量有谱特征、波长范围、辐射通量、方向性、时间及空间稳定性，等等。本章将主要介绍光辐射的基本概念和原理、光电探测技术应用中比较典型的光辐射源，以及光源调制技术；光辐射探测的原理及相应器件的内容安排在第4章。2.1 电磁波与光辐射2.1.1 电磁波的性质与电磁波谱
麦克斯韦证明任何电磁波在真空中的速度在理论上可以表示为8-1c==2.997 924 58×10 ms（光速）；在介质中的传播速度为0c=，这里ε，μ分别表示介质的介电常数、磁导率，下标0表示介质为真空。类比的结果：光是电磁波的一种表现形式。
电磁波包括的范围很广，从无线电波到光波，从X射线到γ 射线，都属于电磁波的范畴，波长覆盖很宽。目前已经发现并得到广泛4-5利用的电磁波波长可达10 m以上，也有波长短到10 nm以下的。可以按照频率或波长的顺序把这些电磁波排列成图表，称为电磁波谱，如图2-1所示，光辐射仅占电磁波谱的极小波段，图中还给出了各种辐射的波长范围（波段）。图2-1 电磁辐射波谱2.1.2 光辐射
物理学研究表明，光子是传递电磁相互作用的一种基本粒子，具有能量。“光能”以电磁波形式或粒子（光子）的形式非接触地传播，它可以被光学元件反射、成像或色散，可以被光电换能器探测出来，这种能量及其传播过程称为光辐射。一般认为光波长在10 nm～11161 mm，或频率在3×10 ～3×10 Hz范围内。按辐射波长及人眼的生理视觉效应，光辐射被分成三个波段：紫外辐射、可见光和红外辐射。一般在可见到紫外波段波长用nm做单位、在红外波段波长用μm做单位。
单位长度内，波动重复的次数（一个波动拥有同样相位的次数），-1称为波数。在光谱学中，波数即波长的倒数，量纲是［长度］，单-1位通常采用cm。
可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分。一般认为，可见光的波长在390～770 nm范围内；当可见光进入人眼时，依波长从长到短对人眼形成红色、橙色、黄色、绿色、青色、蓝色和紫色的视觉反映。
正常视力的人眼对波长约为555 nm的电磁波最为敏感，这种电磁波处于光学频谱的绿光区域。
紫外辐射比紫光的波长更短，人眼不可感知，波长范围为10～400 nm。以可见光为参考，它可细分为近紫外、远紫外和极远紫外。由于极远紫外在空气中几乎会被完全吸收，只能在真空中传播，所以又称为真空紫外辐射。在进行太阳紫外辐射的研究中，常将紫外辐射分为A波段（320～400 nm）、B波段（290～320 nm）和C波段（200～290 nm）。
红外辐射是介于可见红光与无线电微波之间的光学辐射，波长范围为0.77～1 000 μm。通常分为近红外（0.77～1.5 μm）、中红外（1.5～3.0 μm）和远红外（3.0～1 000 μm）三部分。2.2 光辐射的度量
为了对光辐射进行定量描述，需要引入计量光辐射的物理量。而对于光辐射的探测和计量，存在着辐射度学单位和光度学单位两套不同的体系。后者是考虑了人眼的主观因素的相应计量学科，其适用性局限于可见光波段；前者则是对电磁辐射能量的客观计量，决定于辐射客体本身，建立在物理测量基础上，适用于整个电磁波段。
在辐射度单位体系中，辐通量（又称为辐射功率）或者辐射能是基本量，其基本单位是瓦特（W）或者焦耳（J）。光度单位体系中，光通量体现的是人眼感受到的功率，与光视效能（参见式（2-10））有关，单位为“流明”，符号lm。被选作基本量的不是光通量而是发光强度，单位“坎德拉”，符号cd；坎德拉不仅是光度体系的基本单位，而且也是国际单位制（SI）的七个基本单位之一。
以上两类单位体系中的物理量在物理概念上是不同的，但所用的物理符号是一一对应的。为了区别起见，在对应的物理量符号标注脚标，“e”表示辐射度物理量，“v”表示光度物理量。下面重点介绍辐射度单位体系中的物理量，光度单位体系中的物理量可对比理解。2.2.1 辐射量
1）辐射能
辐射能即电磁波场中电场能量和磁场能量的总和；单个光子的能量取决于波长或频率。辐射能一般用符号Q表示，其单位是焦耳e（J）。本书主要关心紫外、可见光和红外辐射的能量及其探测。
2）辐射通量
辐射通量Φ又称为辐射功率，定义为单位时间内流过的辐射能e量，即-1-1
单位：瓦特（W）或焦耳·秒（J·s）。
3）辐射出射度
辐射出射度简称辐出度，从辐射源表面单位面积发射出的辐射通量，其中单位波长间隔内的辐射出射度称光谱辐出度。辐出度的定义为-22
单位：瓦特·米（W·m）。
4）辐射强度
辐射强度I定义为：点辐射源在给定方向上发射的在单位立体角e内的辐射通量，用I表示，即e-1-1
单位：瓦特·球面度（W·（sr））。
5）辐射亮度
辐射亮度L定义为面辐射源在某一给定方向上的辐射通量，如图e2-2所示。-12-12
单位：瓦特（球面度）·米（W（sr）·m）。式中θ是给定方向和辐射源面元法线间的夹角。图2-2 辐射亮度示意图
一般地，辐射体的辐射强度与空间方向有关。当辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足式（2-5）时，称为余弦辐射体或朗伯体
式中，I是面元dS沿其法线方向的辐射强度。联立式（2-5）、e0式（2-4），易得余弦辐射体的辐射亮度为
可见余弦辐射体的辐射亮度是均匀的，与方向角θ无关。余弦辐射体的辐射出射度为
6）辐射照度
辐射照度E定义为投射到接收器面元上的辐射通量dΦ与该面元ee面积dA之比。即-2-2
单位：瓦特·米（W·m）。
7）单色辐射度量
对于单色光辐射，同样可以采用上述物理量表示，只不过均定义为单位波长间隔内对应的辐射度量，并且对所有辐射量X来说单色辐射度量X与辐射度量X之间均满足e，λe2.2.2 光度量
光度单位体系是一套反映视觉明暗特性的光辐射计量单位，在光频区域光度量学的物理量可以用与辐度学的基本物理量Q，Φ，I，eeeM，L，E对应的Q，Φ，I，M，L，E来表示，其定义一一对应，eeevvvvvv其关系如表2-1所示。
辐射度量和光度量都是波长的函数，因此当描述光谱量时，在它们的名称前加“光谱”二字，并在它们相应的符号上加波长的符号“λ”作为下标，例如，光谱辐通量记为Φ等。eλ
光度量学除了定义一些物理量并确定相应的测量单位外，还要研究测量仪器的设计、制造和测量方法。对各种光源进行光度的特性测量广泛应用于光学工业、照明工业、遥感遥测、色度学和大气光学等领域。对各种光敏和热敏探测器也需要运用光度量学的测量技术来确定其灵敏度及响应特性。表2-1 常用辐度量和光度量之间的对应关系
光视效能是人眼对某一波长下单位辐射通量所产生的光通量，即光视效能K定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比值，即λ
单位：流明/瓦特（lm/W）。
通过对标准光度观察者的实验测定，白天在辐射波长555 nm（夜晚则为507 nm）处，K有最大值，其数值为K=683 lm/W。λm单色光视效率是K用K归一化的结果，其定义为λm
光谱光视效率曲线如图2-3所示。图2-3 光谱光视效率曲线2.3 黑体辐射
任何0 K温度以上的物体，都会由于其中的分子、原子受到热激发而产生并向外部发射各种波长的电磁波，这种现象称为热辐射。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能（按波长）的分布主要决定于物体的温度。下面简要介绍热辐射的一些基本定律。2.3.1 单色吸收比和单色反射比
当辐射从外界入射到“不透明”（不限于可见光不透明）的物体表面上时，一部分能量被吸收，另一部分能量从表面反射（如果物体是透明的，则还有一部分能量会透射出来）。需要强调的是任何物体向周围发射电磁波的同时，也吸收周围物体发射的辐射能。
1）吸收比
被物体吸收的能量与入射的能量之比称为该物体的吸收比。在波长λ到λ+dλ范围内的吸收比称为单色吸收比，用α（T）表示。λ
2）反射比
反射的能量与入射的能量之比称为该物体的反射比。在波长λ到λ+dλ范围内相应的反射比称为单色反射比，用ρ（T）表示。对于不透λ明的物体，单色吸收比和单色反射比之和等于1，即
若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即α（T）≡1，则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。它没有反射，λ也没有透射（当然黑体仍然要向外辐射）。黑体具有最大的发射率。宇宙黑洞可视为理想的黑体。
3）人工黑体
作为一种理想化模型，人工黑体是人工制作的、接近于黑体的模拟物。如图2-4所示，其结构是开有一小孔的封闭空腔，任何波长的光穿过小孔进入空腔后，在空腔内壁多次反射，重新从小孔穿出的机会极小，即使有机会从小孔穿出，由于经历了多次反射而损失了大部分能量。对空腔外的观察者而言，小孔对任何波长电磁辐射的吸收比都接近于1，故可看做黑体。
对于不透明的物体，当反射系数为1时，称为白体或镜（面反射）体。现实中的物体介于黑体、白体之间。图2-4 黑体模型
4）灰体
如果某种物体的辐射光谱是连续的，并且在任何温度下各波长射线的辐射强度与同温度黑体的相应波长射线的辐射强度之比等于常数，那么这种物体就叫做理想灰体，或简称灰体。实际物体在某温度下的辐射强度与波长的关系是不规则的，因此不是灰体。但在工程计算上为了方便起见，近似把它们都看做是灰体，其发射率为介于0与1之间的正数。2.3.2 基尔霍夫辐射定律
实验表明，物体的单色辐出度和单色吸收率之间有一定的关系。吸收率大的物体其辐射本领也大。吸收率小的物体其辐射本领也小。可以推断在热平衡条件下：物体辐射的能量必等于它吸收的能量。
1859年，德国物理学家基尔霍夫指出：在热平衡状态下，任何辐射体的光谱辐出度与光谱吸收率的比值只是辐射波长和温度的函数，而与辐射体本身性质无关，即
式中，M为黑体的单色辐射出射度。这说明黑体必然是辐射本vλb领最大的物体。2.3.3 普朗克公式
1900年，普朗克抛弃了能量是连续的传统经典物理观念，导出了与实验完全符合的黑体辐射经验公式。在理论上导出这个公式，必须假设物质辐射的能量是不连续的，只能是某一个最小能量的整数倍。由此创立了量子理论，开创了现代物理学。黑体处于温度T时，在波长λ处的单色辐射出射度由普朗克公式给出，即
式中，h为普朗克常数；c为真空中的光速；k为玻耳兹曼常数。B2
令C=2πhc，C=hc/k，则式（2-14）可改写为12B-122
C=（3.741832±0.000020）×10W·cm第一辐射常数，14
C=（1.438786±0.000045）×10μm·K第二辐射常数。2
图2-5为不同温度条件下黑体的单色辐射出射度（辐射亮度）随波长的变化曲线。可见：（1）对任一温度，单色辐射出射度随波长连续变化，且只有一个峰值，对应不同温度的曲线不相交。因而温度能唯一确定单色辐射出射度的光谱分布和辐射出射度（曲线下的面积）。（2）单色辐射出射度和辐射出射度均随温度的升高而增大。（3）单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。图2-5 黑体辐射单色辐射出射度的波长分布
1）瑞利-琼斯近似
当λT很大时，，可得到适合于长波长区域的瑞利-琼斯公式5
在λT＞7.7×10μm·K时，瑞利-琼斯公式与普朗克公式的误差小于1％。
2）维恩近似
当λT很小时，，可得到适合于短波长区域的维恩公式
在λT＜2698μm·K 区域内，维恩公式与普朗克公式的误差小于1％。2.3.4 维恩位移定律
维恩位移定律定量地描述了单色辐射出射度的峰值随温度的升高向短波方向移动。设λ为峰值辐出度对应的波长，有m2.3.5 斯忒藩-玻耳兹曼定律
斯忒藩-玻耳兹曼定律揭示了黑体的辐出度与绝对温度的四次方成正比，而与黑体的其他性质无关。-824
其中，σ=5.670×10（J/m·s·K），为斯忒藩-玻耳兹曼常数。2.3.6 色温
为了表示一个热辐射光源所发出光的光色性质，常用到色温这个量，单位为K。对于理想黑体，色温即辐射源本身的温度。对实际光源，一般用灰体模型描述，其色温指在规定两波长如λ=0.47 μm，1λ=0.66 μm处具有与热辐射光源的辐射亮度比率相同的黑体的温度。2由于色温是按规定的两波长处的辐射比率来比较的，所以色温相同的热辐射光源的连续谱也可能不相似，若规定的波长不同，色温度往往也不相同。至于非热辐射光源，色温度只能给出这个光源光色的大概情况，一般来说，色温高代表蓝光、绿光成分多些，色温低则表示橙光、红光的成分多些。
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