淺談光電檢測(cè)技術(shù)的組成與應(yīng)用

蔡穎橋

（長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 434000）

淺談光電檢測(cè)技術(shù)的組成與應(yīng)用

蔡穎橋

（長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 434000）

光電檢測(cè)技術(shù)主要利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)各類檢測(cè)，即將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成光通量，再將光通量轉(zhuǎn)換成電通量，并綜合利用信息傳輸技術(shù)和信息處理技術(shù)，最終完成對(duì)各類物理量進(jìn)行在線和自動(dòng)檢測(cè)，是新興的具有學(xué)科交叉特點(diǎn)的研究項(xiàng)目。本文重點(diǎn)討論了光電檢測(cè)技術(shù)的理論組成內(nèi)容和在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，尤其是電子信息技術(shù)在光電檢測(cè)技術(shù)中的組成與應(yīng)用。

光電檢測(cè)；技術(shù)；組成；應(yīng)用

前言

現(xiàn)代光電系統(tǒng)無一不把光學(xué)、精密機(jī)械、光電轉(zhuǎn)換、電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)的數(shù)字化、圖像化、智能化和自動(dòng)化。為達(dá)到上述目的，除設(shè)計(jì)各種不同用途的光電光學(xué)系統(tǒng)外，光電能量轉(zhuǎn)換或光電圖像轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)信號(hào)采集與處理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和計(jì)算機(jī)處理與分析等都是實(shí)現(xiàn)上述目的所不可缺少的重要環(huán)節(jié)。

1 光電檢測(cè)技術(shù)的整體理論內(nèi)容總結(jié)

談到光電檢測(cè)技術(shù)，必須要先弄清楚“檢測(cè)”和“測(cè)量”的概念區(qū)分，這里的“檢測(cè)”是指確定被測(cè)對(duì)象的屬性和量值為目的的全部操作，它的被測(cè)對(duì)象是宇宙萬物，包括固液氣體、動(dòng)物、植物、天體等，被測(cè)信息是各種物理量、化學(xué)量和生物量，其所需要的檢測(cè)工具和過程與信息技術(shù)有著密切聯(lián)系；而“測(cè)量”是將被測(cè)的未知量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量比較，確定被測(cè)量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)，并通過數(shù)字表示出這個(gè)倍數(shù)的過程，測(cè)量工具和手段都是純粹的物理理論范疇。因此，光電檢測(cè)技術(shù)最主要的特點(diǎn)就是光信號(hào)與電信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換，具有交叉學(xué)科的理論屬性，其中起著關(guān)鍵作用的部件就是光電傳感器。

光電傳感器是利用光電子應(yīng)用技術(shù)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)從而檢測(cè)被測(cè)目標(biāo)的一種裝置，其理論基礎(chǔ)是是光電效應(yīng)，即半導(dǎo)體材料的許多電學(xué)特性都因受到光的照射而發(fā)生變化。光電效應(yīng)通常分為兩大類，即外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。外光電效應(yīng)是指物質(zhì)吸收光子并激發(fā)出自由電子的行為。當(dāng)金屬表面在特定的光輻照作用下，金屬會(huì)吸收光子并發(fā)射電子，發(fā)射出來的電子叫做光電子。光的波長(zhǎng)需小于某一臨界值（相等于光的頻率高于某一臨界值）時(shí)方能發(fā)射電子，其臨界值即極限頻率和極限波長(zhǎng)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測(cè)方法具有精度高，反應(yīng)快，非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，體積小。它可用于檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫和氣體成分等；也可用來檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度和加速度，以及物體形狀、工作狀態(tài)等。

另外，光電檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用得益于完善的光電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于被測(cè)對(duì)象復(fù)雜多樣，故檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也不盡相同。一般電子檢測(cè)系統(tǒng)是由傳感器、信號(hào)調(diào)理器和輸出環(huán)節(jié)三部分組成。傳感器處于被測(cè)對(duì)象與檢測(cè)系統(tǒng)的接口處，是一個(gè)信號(hào)變換器。它直接從被測(cè)對(duì)象中提取被測(cè)量的信息，感受其變化，并轉(zhuǎn)化成便于測(cè)量的電參數(shù)，而這個(gè)過程，起著重要理論支撐作用的是電子信息理論。

2 光電檢測(cè)技術(shù)的特點(diǎn)

光電檢測(cè)技術(shù)作為新興的實(shí)用型科學(xué)技術(shù)，其核心特點(diǎn)總結(jié)起來有六點(diǎn)：①檢測(cè)結(jié)果的高精度，光電檢測(cè)技術(shù)是同類各種檢測(cè)技術(shù)中精度最高的，如激光干涉儀法檢測(cè)長(zhǎng)度的相對(duì)精度達(dá)0.05um/m，光柵莫爾條紋法測(cè)角可達(dá)0.04s，用激光測(cè)距法可以精確測(cè)量地球到月球之間的距離；②檢測(cè)過程的高速度，因?yàn)殡娮有盘?hào)和光信號(hào)的傳播媒介是光和空氣，眾所周知，用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的；③檢測(cè)范圍的遠(yuǎn)距離和大量程，因?yàn)楣馐潜阌谶h(yuǎn)距離傳播的介質(zhì)，適于遙控和遙測(cè)，如武器制導(dǎo)，光電跟蹤，電視遙測(cè)等；④檢測(cè)技術(shù)的先進(jìn)性，光電檢測(cè)技術(shù)屬于非接觸檢測(cè)，因?yàn)楣庹湛烧J(rèn)為是沒有測(cè)量力的，也無磨擦，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，效率最高；⑤檢測(cè)儀器的壽命長(zhǎng)，因?yàn)楣獠ㄊ强梢杂谰眯允褂玫模虎薰怆姍z測(cè)技術(shù)具有很強(qiáng)的信息處理與運(yùn)算能力，從上述對(duì)光電檢測(cè)技術(shù)的理論分析可以看出，光電檢測(cè)系統(tǒng)可將復(fù)雜信息并行處理，同時(shí)光電方法還便于信息控制和存儲(chǔ)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。

3 光電檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展趨勢(shì)

光電檢測(cè)技術(shù)在軍事設(shè)備、航空航天、生物醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)、電子工業(yè)和新能源設(shè)備等方面都有較為深入的應(yīng)用。舉例來說：軍事上的光電精確制導(dǎo)技術(shù)，就是以高性能光電探測(cè)為基礎(chǔ)，采用目標(biāo)識(shí)別、成像跟蹤、相關(guān)跟蹤等新方法，控制和導(dǎo)引武器準(zhǔn)確地命中目標(biāo)；在航空航天領(lǐng)域，光電探測(cè)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)空間目標(biāo)探測(cè)，進(jìn)而獲得目標(biāo)信息的主要技術(shù)手段；在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，生物芯片技術(shù)的發(fā)展是醫(yī)學(xué)診斷技術(shù)的一次革新，它的主要原理是采用光導(dǎo)原位合成或微量點(diǎn)樣等方法，將大量生物大分子比如核酸片段、多肽分子甚至組織切片、細(xì)胞等生物樣品有序地固化于支持物（如玻片、生物膜等載體）的表面，組成密集二維分子排列，從而進(jìn)行臨床觀察和診斷，諸如此類的例子不勝枚舉，篇幅所限，筆者就不再一一贅述了。

對(duì)于光電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展問題，是基于目前光電檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用范圍來討論的。在大規(guī)模的儀器設(shè)備上，目前光電檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)取得了初步的成功，未來的光電檢測(cè)技術(shù)將致力于發(fā)展發(fā)展納米、亞納米高精度的光電測(cè)量新技術(shù)以及小型的、快速的微型光、機(jī)、電檢測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，光子計(jì)算與光信息處理產(chǎn)業(yè)、全光電子通信產(chǎn)業(yè)、光子集成器件產(chǎn)業(yè)、聚合物光纖光纜產(chǎn)業(yè)、聚合物光電子器件產(chǎn)業(yè)和光子傳感器產(chǎn)業(yè)等將成為未來光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要組成部分。

4 結(jié)語

光電檢測(cè)技術(shù)將光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)各種量的測(cè)量，是21世紀(jì)的尖端科學(xué)，它將對(duì)整個(gè)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展起著巨大的推動(dòng)作用。同時(shí)它本身涵蓋了眾多的科學(xué)技術(shù)，它的發(fā)展帶動(dòng)了眾多科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，并在交流與發(fā)展的過程中，形成了巨大的光電產(chǎn)業(yè)。

[1]浦昭邦，主編.光電測(cè)試技術(shù)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]趙負(fù)圖，主編.光電檢測(cè)控制電路手冊(cè)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

[3]凌偉，王志乾，高峰端.光電測(cè)量系統(tǒng)畸變的實(shí)時(shí)數(shù)字校正[J].光學(xué)精密工程，2007（02）.

[4]光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（原書第 4 版）[J].應(yīng)用光學(xué)，2009（06）.

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1004-7344（2016）06-0274-01

2016-2-2