1.3 光电检测技术的发展

可以说科学技术由测量开始，至测量结束，其测量目的是获得关于研究对象的各种信息，以便根据所得的信息控制研究对象。随着现代科学技术的发展，在测量和控制方面，测量的对象显著增加，测量的要求越来越高，它们都要求迅速而正确地获得多个不同性质的信息参量，对检测技术提出了非接触化、小型化、集成化、数字化、智能化等要求。非接触化正是光电检测技术的特点所在，其他几个方面的要求，随着光电子技术的发展以及各种新型光电探测器件和相关技术的出现，也正在逐步实现中。

光电检测技术的发展与新型光源、新型光电器件、微电子技术、计算机技术的发展密不可分，自从1960年第一台红宝石激光器与氦-氖激光器问世以来，由于激光光源的单色性、方向性、相干性和稳定性极好，人们在很短的时间内就研制出了各种激光干涉仪、激光测距仪、激光准直仪、激光跟踪仪、激光雷达等，大大推动了光电检测技术的发展。

迅速发展的半导体集成电路技术，可以将探测器件与电路集成在一个整体中，也可以将具有多个检测功能的器件集成在一个整体中。例如，将图形、物体等具有二维分布的光学图像转换成电信号的检测器件是把基本的光电探测器件组成许多网状阵列结构，即在一片半导体单晶片上形成几十万个光电探测器件。1970年贝尔实验室研制出的第一个固体摄像器件（CCD），就是一种将阵列化的光电探测与扫描功能一体化的固态图像检测器件，它把一维或二维光学图像转换成时序电信号的检测器件，CCD的小巧、坚固、低功耗、失真小、工作电压低、重量轻、抗震性好、动态范围大和光谱范围宽等特点，使得视觉检测进入一个新的阶段，它不仅可以完成人的视觉触及区域的图像测量，而且将对于人眼无法涉及的红外和紫外波段的图像测量也变成了现实，从而把光学测量的主观性（靠人眼瞄准与测量）发展成了客观的光电图像测量。它能广泛应用于自动检测、自动控制，尤其是图像识别技术。今后光电检测技术的发展，将通过更高程度的集成化，不断向着具有二维和三维空间图形，甚至包含时序在内的四维功能探测器件发展。应用这些器件就可实现机器人视觉或人工智能。

光导纤维传感器的出现，在传递图像和检测技术方面又开拓出一片新的天地，为光电检测技术小型化等开辟了广阔前景。光纤检测技术可以解决传统检测技术难以解决或无法解决的许多问题，如在噪声、干扰、污染严重的工业过程中检测，或者在海洋、反应堆中，自动检测设备或智能机器人必然会遇到高压、高温、辐射、化学腐蚀等极端困难的条件，光纤检测技术则具有独特的优越性，而且具有高精度、高速度、非接触测量等特点。由于光信息传输的独特优点，光纤检测智能化将比其他检测技术更有吸引力，特别是小型集成光学元件与微计算机结合的智能化全光纤检测系统，其前途是无量的。此外，光栅和莫尔条纹的应用，对光电检测的数字化提供了有利条件。

由上所述可以看出，一个新的光源或者一个新的光电器件的发明会大大推动光电检测技术的发展。

近几十年来工程领域的加工精度已达到0.1μm或0.01μm的水平，它对测量技术提出了更高的要求，迫切需要新的手段，因此先后出现了各种纳米测量显微镜，如1982年问世的隧道显微镜，它用测量电荷密度的方法测量分子和原子级的微小尺寸，但只能用于测量导体表面。1986年研制成功的原子力显微镜，用测量触针与被测器件之间原子力和离子力的方法来测量微小尺寸，因此可用于导体或非导体的测量，其缺点是，针尖与样品接触易使样品表面划伤。根据原子力显微镜的思路，利用被测表面的不同物理性质对受迫振动悬臂梁的影响，通过测量其共振频率的变化来测量被测表面，相继开发出激光力显微镜、静电力显微镜等。这些仪器都可以达到纳米甚至亚纳米级的分辨力。它们的分辨力大都是用驱动探针的压电陶瓷的电压与位移关系得到的，但是压电陶瓷的滞后特性和蠕变使测量结果并不可信。为了准确测出这些纳米级测量显微镜的精度，还必须溯源到光的波长上，因此迫切需要研制精度达到纳米和亚纳米级的干涉仪，来实现纳米尺度的测量和标定，因而又相继出现了精度可达0.1nm的激光外差干涉仪和精度可达0.01nm的X光干涉仪。在纳米和亚纳米级精度的光电测量系统中，为了保证系统的稳定可靠，对环境的要求是很高的，环境温度不稳定、振动、光源波动的影响等都会使纳米尺度的测量精度受到影响。因此系统中机械传动或光学调节往往需要闭环控制，而机械支撑采用无间隙无摩擦的柔性铰链是一个很好的办法。

微电子技术的问世，一方面使得以大规模集成电路为基础的微处理器技术迅猛发展，并迅速应用到各种检测技术。由于微处理机具有数据的运算、处理、校验、逻辑判断、储存等功能，检测装置与它相结合，能实现原检测装置无法实现的许多功能。例如，能通过功能键送入的指令，按预先编制并在机内存储的操作程序，完成自校准、自调零、自选量程和自动检测等，从而可减小原检测装置的非线性及零位误差，提高了检测精度；又能按各参数之间的关系式，通过计算机进行参数变换，从而可以通过某些参数的测试而自动求出一系列其他有关的未知数，便于实现多参数测试；还能根据误差理论对测得的数据进行计算，求出误差，并从测量结果中扣除，提高了测量精度。另一方面，光电检测技术也有了更为广阔的应用空间。随着微处理器技术的发展以及光电检测技术与它的紧密结合，光电检测技术将越来越智能化。当前人们在生物、医学、航天、灵巧武器、数字通信等许多领域越来越多地使用微系统，因此微机电系统成为当前研究的一个热点。而微机电系统要求有微型测量装置，这样，微型光、机、电测试系统也就毫无疑问地成为重要研究方向。

总之，光电检测技术的发展离不开现代科技的发展，而新型光电检测系统的出现和光电检测技术的发展又必将进一步促进现代科技的发展。