任务一 了解光电器件测试技术

一、光电器件测试技术简介

光电器件测试技术是光电信息技术的主要技术之一，它主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术及测量信息的光电处理技术等。如用光电方法实现各种物理量的测量，微光、弱光测量，红外测量，光扫描、光跟踪测量，激光测量，光纤测量，图像测量等。

光电器件检测技术将光学技术与电子技术相结合以实现对各种量的测量，它具有如下特点：

1. 高精度

光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种。如用激光干涉法测量长度的精度可达0.05μm/m；用激光测距法测量地球与月球之间距离的精度可达到1m。

2. 高速度

光电测量以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。

3. 远距离、大量程

光是最便于远距离传输的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。

4. 非接触测量

光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种。

5. 寿命长

在理论上光波是永不磨损的，只要复现性做得好，可以永久地使用。

6. 能力强

具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。用光电方法还便于信息的控制和存储，易于实现自动化，易于与计算机连接，易于实现智能化。

光电测试技术是现代科学、国家现代化建设和人民生活中不可缺少的新技术，是机、光、电、计算机相结合的新技术，是最具有潜力的信息技术之一。

二、光电器件测试系统组成

由于被测对象复杂多样，故检测系统的结构也不尽相同。一般光电器件测试系统由传感器、信号调理器和输出环节三部分组成。

传感器处于被测对象与检测系统的接口处，是一个信号变换器。它直接从被测对象中提取被测量的信息，感受其变化，并转化成便于测量的电参数。

由传感器检测到的信号一般为电信号。它不能直接满足输出的要求，需要进一步的变换、处理和分析，即通过信号调理电路将其转换为标准的电信号，输出给输出环节。

根据检测系统输出的目的和形式的不同，输出环节主要包括显示与记录装置、数据通信接口和控制装置。

传感器的信号调理电路是由传感器的类型和对输出信号的要求决定的。不同的传感器具有不同的输出信号。能量控制型传感器输出的是电参数的变化，需采用电桥电路将其转换成电压的变化，而电桥电路输出的电压信号幅度较小，共模电压又很大，需要用仪表放大器进行放大，在能量转换型传感器输出的电压、电流信号中一般都含有较大的噪声信号，需加滤波电路提取有用的信号，而滤出无用的噪声信号。而且，一般能量型传感器输出的电压信号幅度都很低，也需采用仪表放大器进行放大。

与电子系统载波相比，光电系统载波的频率提高了几个数量级。这种频率量级上的变化使光电系统在实现方法上发生了质变，在功能上也发生了质的飞跃。主要表现在载波容量、角分辨率、距离分辨率和光谱分辨率大为提高，因此，在信道、雷达、通信、精导、导航、测量等领域获得广泛应用。应用到这些场合的光电系统的具体构成形式尽管各不相同，但有一个共同的特征，即都具有发射机、光学信道和光接收机这一环节。

光电系统通常分为主动式和被动式两类。在主动式光电系统中，光发射机主要由光源（如激光器）和调制器构成；在被动式光电系统中，光发射机为被测物体的热辐射发射。光学信道和光接收机对两者是完全相同的。所谓光学信道，主要是指大气、空间、水下和光纤。光接收机用于收集入射的光信号并加以处理、恢复光载波的信息，包括三个基本模块。光电变换通常是通过各种光学元件和光学系统来实现的，采用平面镜、光狭缝、透镜、角锥棱镜、偏振器、波片、码盘、光栅、调制器、光成像系统、光干涉系统等，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）。光电转换是用各种光电变换器件来完成的，如光电检测器件、光电摄像器件、光电热敏器件等。

三、光电器件测试技术的发展趋势

以目前来看，光电器件测试技术的发展趋势有四个方面，分别是光学纳米技术、光学层析技术、光学超分辨技术、光学超像元技术等，以下分别介绍这四种技术。

1．光学纳米技术

纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存储、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。但是要获取高分辨率图像，就必须有先进的数字信息处理技术。科学家们发现，将光调制器和光探测器结合在一起的量子阱自电光效应器件，将为实现光学高速数学运算测试提供可能。

美国桑迪亚国家实验室的Paul等发现，纳米激光器的微小尺寸可以使光子被限制在少数几个状态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此结构。其结果是激光器达到极高的工作效率，而能量阈则很低。纳米激光器实际上是一根弯曲成极薄面包圈的形状的光子导线，实验发现，纳米激光器的大小和形状能够有效控制它发射出的光子的量子行为，从而影响激光器的工作。研究还发现，纳米激光器工作时只需约100μA的电流。最近科学家们把光子导线缩小到只有μm3体积内。在这一尺度上，此结构的光子状态数少于10个，接近了无能量运行所要求的条件，但是光子的数目还没有减少到这样的极限上。最近，麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用的光子，其效率之高，令人惊讶。

除了能提高效率以外，无能量阈纳米激光器的运行还可以得到速度极快的激光器。由于只需要极少的能量就可以发射激光，这类装置可以实现瞬时开关。已经有一些激光器能够以高于每秒200亿次的速度开关，适合用于光纤通信。由于纳米技术的迅速发展，这种无能量阈纳米激光器的实现指日可待。

2．光学层析技术

光学相干断层扫描技术（光学相干层析技术，Optical Coherence Tomography，OCT）是近十年迅速发展起来的一种成像技术，它利用弱相干光干涉仪的基本原理，检测生物组织不同深度层面对入射弱相干光的背向反射或几次散射信号，通过扫描，可得到二维或三维结构图像。

OCT是一种非接触、高分辨率层析设备。频域OCT技术比起时域OCT技术来说能使系统改善灵敏度的同时显著地提高采样速度。在谱域OCT中，全部的深度结构（A扫描）被同步获得而不需要深度扫描。其核心部件是宽带光源照明的迈克尔孙（Michelson）干涉仪和光谱仪，获取速度仅由光谱仪中CCD摄像机的读出速度所限制，而记录的后向散射光的强度仅作为光谱频率而不是时间的函数。同时谱域OCT信号在光谱密度中被采样，且作为一个傅里叶重构的结果，改善了信噪比SNR。

3．光学超分辨技术

超分辨：首先需准确理解超分辨的靶子，即谁被“超”了，正确的理解应是——“远场”光学分辨率被超了。“赶超”远场分辨率的方法有两个途径：远场超分辨光学成像和近场超分辨光学成像。这两种超分辨的思维与方法是截然不同的。

1873年，德国科学家阿贝（Abbe）根据衍射理论首次推导出远场衍射分辨极限（阿贝提出的空间频谱的概率，为日后显微镜的发展奠定了坚实的基础）。“远场衍射极限”是指一个理想物点经光学系统成像，由于衍射的限制，不可能得到理想像点，而是得到一个夫琅禾费衍射像，夫琅禾费衍射“零级斑”就是所谓的艾里斑。这样，每个物点的像就是一个弥散斑，两个弥散斑靠近后就不好区分，这样，就限制了系统的分辨率，斑越大，分辨率越低。在此基础上产生了瑞利判据，即两个物点至少应相距多远，光学仪器才能够把它们分辨开：如果一个物点衍射图样的中央主极大与另一个物点衍射图样的中央主极大旁的第一极小（第一级暗纹）重合时，就认为这两个物点是恰可分辨的。

远场超分辨成像：根据瑞利判据，可得知显微镜的分辨率为 0.61nsin，而提高分辨率不外乎两种方法：其一，尽可能选择短的照明波长，如紫外光、X 射线、电子等；其二，提高数值孔径。因此，正常的光学分辨率约为 200nm，这个分辨率目前不能满足人们对微观世界的认识，所以产生了电子显微镜（本质是利用物质波理论，减小波长）、原子力显微镜、扫描隧道显微镜等（这类成像其实本质属于近场超分辨了）。

近场超分辨：近场成像主要是倏逝场探测，倏逝场不服从瑞利判据，它们能够在远小于波长的距离上显示局部的强烈变化，通过采用一个小的有限的纳米孔径或者无孔径探针探测倏逝场，为了产生二维图像，沿物体表面进行扫描，由所得到的探测数据重构图像。

4．光学超像元技术

中国科学院长春光学精密机械与物理研究所提出了一种基于噪声等效温差（NETD）和灰度最小方差的红外焦平面阵列无效像元检测方法。无效像元包括过热像元和死像元，首先利用三维噪声模型建立图像数据集，然后分别判断过热像元和死像元。通过像元的噪声电压值与10倍NETD的比较来实现过热像元的判别；对于死像元的判别处理是设计了9个不同的窗口，分别计算每个窗口的方差并选取方差最小的窗口，最后通过比较窗口中心像元灰度与均值灰度的差值是否落在3倍方差内作为评判死像元的标准。通过实验证明，该方法具有误判率较小、定位准确率高等特点。

5. 光电器件测试技术的发展

可以预见，在不久的将来，光电器件测试技术将在以下几个方面获得进一步发展：

（1）亚微米级、纳米级的高精密光电测试方法；

（2）微型化、集成化、低成本的非接触式光电传感器；

（3）新型光电器件的广泛应用，如半导体激光器及其阵列、光开关、光滤波器、光电探测器阵列等；

（4）快速高效的三维全场动态测试技术；

（5）与计算机和控制技术结合的闭环式光电测试技术；

（6）光学诊断和光学无损检测技术等。

复习思考题

1. 光电器件测试技术都包括哪些特点？

2. 光电器件测试技术的发展趋势都有哪几个方面？简述之。