光学系统与光电探测器的概述

光学系统与光电探测器的概述
光电仪器研发的前提是社会需求，设计者把需求转化成仪器的质量指标和设计参数通过相关的资料、专利、文献的查询和必要的实验验证，然后进行总体设计（或综合化设计）。尽管现代光电仪器是多个高新技术的综合体，但作为主要子系统的光学系统仍然是光电仪器总体设计的关键。 
　　光学系统是光电系统中获取目标信息的第一环节，它大体可以分成能量传输系统和图像传输系统两大类。前者的作用在于收集或传输尽可能多的光能量信息，主要用于光度测量方面；后者多用于摄取目标的图像，要求将整幅图像或用扫描方法把图像传输到探测器上，把图像的像素顺序转换成光电信号。
　　光学系统的基本特性有：数值孔径（NA）或相对孔径（D／f′）；线视场或视场角（2ω）；系统的横向放大率或焦距（r′）；还有与这些基本特性有关的一些特性参数，如入瞳直径（D）、出瞳直径（D′）、工作距离、共轭距、座装距等。
　　1．常用光电图像转换系统的光学特性
　　（1）显微物镜的光学特性
　　显微镜是指为提高人们获得微小细节信息能力的光学仪器，是用来观测近距离微小物体的光学系统。传统的显微目视系统由显微物镜和目镜组成。在光电显微系统中则由显微物镜成一次像，通过光学接口把物镜一次像成于CCD靶面上。
　　（2）望远物镜的光学特性
　　望远系统用于观测远距离物体。以CCD器件为接收器件的光电望远系统，CCD器件置于望远物镜的像方焦平面处。影响望远系统成像特性的主要是望远物镜，望远物镜是一个小孔径、小视场系统，其光学特性参数主要有焦距y相对孔径D／y′（＜1／5）和视场角（2ω≤10°）等。特性参数决定了望远系统的分辨率、像面照度、成像质量和结构尺寸。 照度计| 辐照计校正器| 转换器| 传送器| 变送器| 传感器| 亮度计| 温度记录仪| 温湿度记录仪| 光功率计|
　　（3）照相物镜的光学特性
　　照相物镜是同时具有大相对孔径和大视场的光学系统，其传统功能是把外界景物成像在感光底片上，对于数码相机来说则成像在CCD（或CMOS）器件上。

光电探测器能把光信号转换为电信号。根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子探测器；另一类是热探测器。 
　　光子探测器的工作原理是基于光电效应，热探测器基于材料吸收了光辐射能量后温度升高，从而改变了它的电学性能，它区别于光子探测器的最大特点是对光辐射的波长无选择性。
　　1．光电子发射器件
　　光电管与光电倍增管是典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件。其主要特点是灵敏度高，稳定性好，响应速度快和噪声小，是一种电流放大器件。尤其是光电倍增管具有很高的电流增益，特别适于探测微弱光信号；但它结构复杂，工作电压高，体积较大。
　　光电倍增管一般用于测弱辐射而且响应速度要求较高的场合，如人造卫星的激光测距仪、光雷达等。
　　2.光电导器件
　　利用具有光电导效应的半导体材料做成的光电探测器称为光电导器件，通常叫做光敏电阻。在可见光波段和大气透过的几个窗口，即近红外、中红外和远红外波段，都有适用的光敏电阻。光敏电阻被广泛地用于光电自动探测系统、光电跟踪系统、导弹制导、红外光谱系统等。
　　硫化镉CdS和硒化镉CdSe光敏电阻是可见光波段用得最多的两种光敏电阻；硫化铅PbS光敏电阻是工作于大气第一个红外透过窗口的主要光敏电阻，室温工作的PbS光敏电阻响应波长范围1.0～3.5μm，峰值响应波长2.4 μm左右；锑化铟InSb光敏电阻主要用于探测大气第二个红外透过窗口，其响应波长3～5μm；碲镉汞器件的光谱响应在8～14 μm，其峰值波长为10.6 μm，与CO2激光器的激光波长相匹配，用于探测大气第三个窗口（8～14μm）°