1.2　光電檢測系統(tǒng)

1.2.1　光電檢測系統(tǒng)組成

光電檢測技術(shù)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過對載有被檢測物體信號的光輻射（發(fā)射、反射、衍射、折射、透射等）進(jìn)行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號。由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用的信息，再經(jīng)過A/D變換接口輸入微型計算機(jī)運(yùn)算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測物體的幾何量或物理量。光電檢測系統(tǒng)的組成如圖1-1所示。

（1）光源和光學(xué)系統(tǒng)　是光電檢測系統(tǒng)中必不可少的一部分。在許多系統(tǒng)中按需要選擇一定輻射功率、一定光譜范圍和一定發(fā)光空間、分布的光源，以此發(fā)出的光束作為載體攜帶被測信息。

（2）被測對象及光學(xué)變換　這里所指的是上述光源所發(fā)出的光束在通過這一環(huán)節(jié)時，利用各種光學(xué)效應(yīng)，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束攜帶上被檢測對象的特征信息，形成待檢測的光信號。光學(xué)變換通常是用各種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)將被測量轉(zhuǎn)換為光參量（振幅、頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向變化等）。

（3）光信號的匹配處理　這一工作環(huán)節(jié)的位置可以設(shè)置在被檢測對象前面，也可設(shè)在光學(xué)變換后面，應(yīng)按實(shí)際要求來決定。光信號匹配處理的主要目的是為了更好地獲得待測量的信息，以滿足光電轉(zhuǎn)換的需要。

（4）光電轉(zhuǎn)換　該環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)光電檢測的核心部分。其主要作用是以光信號為媒質(zhì)，以光電探測器為手段，將各種待測量調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)換成電信號（電流、電壓或頻率），以利于采用目前最為成熟的電子技術(shù)進(jìn)行信號的放大、處理、測量和控制等。

（5）電信號的放大與處理　這一部分主要是由各種電子線路所組成。光電檢測系統(tǒng)中處理電路的任務(wù)主要是解決兩個問題：①實(shí)現(xiàn)對微弱信號的檢測；②實(shí)現(xiàn)光源的穩(wěn)定化。

（6）存儲、顯示與控制系統(tǒng)　許多光電檢測系統(tǒng)只要求給出待測量的具體值，即將處理好的待測量電信號直接經(jīng)顯示系統(tǒng)顯示。

光電檢測系統(tǒng)通常分為主動式和被動式兩類。在主動式光電檢測系統(tǒng)中，光發(fā)射機(jī)主要由光源（例如，激光器）和調(diào)制器構(gòu)成，如圖1-2所示。

在被動光電探測系統(tǒng)中，光信號來自探測物體的自發(fā)輻射，如圖1-3所示。

1.2.2　光電檢測系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）可直接反映物質(zhì)基本物理屬性的信息　人類可通過各種光學(xué)儀器觀察和了解客觀世界。例如，可用望遠(yuǎn)鏡望遠(yuǎn)方的景物，可用顯微鏡來檢查微觀世界的精細(xì)結(jié)構(gòu)等。而光電檢測儀器和系統(tǒng)可以代替人眼的觀察和部分人腦的判斷功能。它的分辨率和靈敏度高，而且可測量多維信號。不僅如此，由于光電檢測系統(tǒng)的快速響應(yīng)能力，甚至對那些人眼來不及或觀察不到的光學(xué)現(xiàn)象也可以實(shí)時地加以處理。

光和物質(zhì)的相互作用所反映出的吸收系數(shù)α（λ）、反射率R（λ）和發(fā)光能力B（λ）等光譜結(jié)構(gòu)，是物質(zhì)原子分子的結(jié)構(gòu)組成和電子能帶結(jié)構(gòu)的直接反映。因此，利用光電檢測儀器檢測到這些物理參數(shù)以及光強(qiáng)、光譜分布和偏振等，可以得到物質(zhì)本質(zhì)的信息。

（2）光電檢測系統(tǒng)動作的輸入能量很小，測量靈敏度高　由于許多光傳感器是在加有電量偏置的狀態(tài)下工作的，因此它的能量檢測靈敏度很高。對于利用輸入光能量積分效應(yīng)進(jìn)行檢測的攝像管或固體攝像器件（CCD或CMOS），以及利用內(nèi)部增強(qiáng)作用的弱光傳感器，則具有更高的靈敏度。這就可以理解，為什么在人眼根本不能感覺的條件下，這些器件仍能攝得清楚景物圖片，以及諸如自動電梯和自動門的光開關(guān)在極弱的光變化情況下仍能正常地進(jìn)行工作。

（3）可對廣闊的和微細(xì)的空間形體進(jìn)行非接觸的遠(yuǎn)距離測量　光電檢測系統(tǒng)利用各種傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)和檢測接收裝置，不僅能感知人眼視線范圍內(nèi)的物體形狀、尺寸和位置等空間參數(shù)，而且也能對像遙遠(yuǎn)星體那樣的巨大景物和極微小的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測。此外，也可以通過光導(dǎo)纖維將傳感器放入到諸如人體內(nèi)部器官，以及通過無線電通訊等將光電裝置裝設(shè)到人們難以接近或不能接近的危險工作場地（高溫、深水、輻射線、太空）。

（4）具有更高的可靠性并且方法更靈活　在混有雜光、噪聲等干擾背景的情況下，利用信息載體的輻射光和光檢測接收器間的波長對應(yīng)關(guān)系，以及采用濾光片等波長選擇性方法，可以提高光檢測的信噪比（S/N），從而提高了測量的可靠性。此外，對光電信號的檢測與處理手法是多種多樣的，除了電信號處理中常用的調(diào)制方法外，還可以采用幾何光學(xué)、物理光學(xué)、相干光學(xué)等各種光學(xué)變換的技巧和方法對信號進(jìn)行檢測與處理。因此，作為一種檢測的手段，光電檢測系統(tǒng)具有很好的靈活性。相對于壓力、氣動、電動等傳感器，這種靈活性是很顯然的。