1.2　光电检测系统

1.2.1　光电检测系统组成

光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。光电检测系统的组成如图1-1所示。

图1-1　光电检测系统模型

（1）光源和光学系统　是光电检测系统中必不可少的一部分。在许多系统中按需要选择一定辐射功率、一定光谱范围和一定发光空间、分布的光源，以此发出的光束作为载体携带被测信息。

（2）被测对象及光学变换　这里所指的是上述光源所发出的光束在通过这一环节时，利用各种光学效应，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束携带上被检测对象的特征信息，形成待检测的光信号。光学变换通常是用各种光学元件和光学系统来实现的，实现将被测量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等）。

（3）光信号的匹配处理　这一工作环节的位置可以设置在被检测对象前面，也可设在光学变换后面，应按实际要求来决定。光信号匹配处理的主要目的是为了更好地获得待测量的信息，以满足光电转换的需要。

（4）光电转换　该环节是实现光电检测的核心部分。其主要作用是以光信号为媒质，以光电探测器为手段，将各种待测量调制的光信号转换成电信号（电流、电压或频率），以利于采用目前最为成熟的电子技术进行信号的放大、处理、测量和控制等。

（5）电信号的放大与处理　这一部分主要是由各种电子线路所组成。光电检测系统中处理电路的任务主要是解决两个问题：①实现对微弱信号的检测；②实现光源的稳定化。

（6）存储、显示与控制系统　许多光电检测系统只要求给出待测量的具体值，即将处理好的待测量电信号直接经显示系统显示。

光电检测系统通常分为主动式和被动式两类。在主动式光电检测系统中，光发射机主要由光源（例如，激光器）和调制器构成，如图1-2所示。

图1-2　主动式光电检测系统

在被动光电探测系统中，光信号来自探测物体的自发辐射，如图1-3所示。

图1-3　被动式光电检测系统

1.2.2　光电检测系统特点

（1）可直接反映物质基本物理属性的信息　人类可通过各种光学仪器观察和了解客观世界。例如，可用望远镜望远方的景物，可用显微镜来检查微观世界的精细结构等。而光电检测仪器和系统可以代替人眼的观察和部分人脑的判断功能。它的分辨率和灵敏度高，而且可测量多维信号。不仅如此，由于光电检测系统的快速响应能力，甚至对那些人眼来不及或观察不到的光学现象也可以实时地加以处理。

光和物质的相互作用所反映出的吸收系数α（λ）、反射率R（λ）和发光能力B（λ）等光谱结构，是物质原子分子的结构组成和电子能带结构的直接反映。因此，利用光电检测仪器检测到这些物理参数以及光强、光谱分布和偏振等，可以得到物质本质的信息。

（2）光电检测系统动作的输入能量很小，测量灵敏度高　由于许多光传感器是在加有电量偏置的状态下工作的，因此它的能量检测灵敏度很高。对于利用输入光能量积分效应进行检测的摄像管或固体摄像器件（CCD或CMOS），以及利用内部增强作用的弱光传感器，则具有更高的灵敏度。这就可以理解，为什么在人眼根本不能感觉的条件下，这些器件仍能摄得清楚景物图片，以及诸如自动电梯和自动门的光开关在极弱的光变化情况下仍能正常地进行工作。

（3）可对广阔的和微细的空间形体进行非接触的远距离测量　光电检测系统利用各种传统的光学系统和检测接收装置，不仅能感知人眼视线范围内的物体形状、尺寸和位置等空间参数，而且也能对像遥远星体那样的巨大景物和极微小的微观结构进行观测。此外，也可以通过光导纤维将传感器放入到诸如人体内部器官，以及通过无线电通讯等将光电装置装设到人们难以接近或不能接近的危险工作场地（高温、深水、辐射线、太空）。

（4）具有更高的可靠性并且方法更灵活　在混有杂光、噪声等干扰背景的情况下，利用信息载体的辐射光和光检测接收器间的波长对应关系，以及采用滤光片等波长选择性方法，可以提高光检测的信噪比（S/N），从而提高了测量的可靠性。此外，对光电信号的检测与处理手法是多种多样的，除了电信号处理中常用的调制方法外，还可以采用几何光学、物理光学、相干光学等各种光学变换的技巧和方法对信号进行检测与处理。因此，作为一种检测的手段，光电检测系统具有很好的灵活性。相对于压力、气动、电动等传感器，这种灵活性是很显然的。