光电技术

　　本教材系统地介绍了光电技术的基础理论、常用光电探测器的工作原理与特性、典型光电探测器应用技术和光电信号探测与处理技术，主要内容包括辐射度学与光度学基础、光电探测器的理论基础、光电探测中的常用光源、光电导探测器、光伏探测器、光电子发射探测器、热探测器、光电图像探测器、光学信息变换、微弱光电信号的探测与处理和典型光电探测系统应用实例分析。 本书可以作为高等院校光电信息科学与工程、测控技术与仪器、应用物理、电子科学与技术、电子信息科学与技术、电气工程及其自动化、通信工程、信息工程等专业本科生及研究生教材，也可供其他相关专业师生和工程技术人员参考。

　　杨应平武汉理工大学光电信息科学与工程特色专业责任教授，“光电技术”湖北省精品课程负责人，主讲“光电技术”“光电信息技术实验”等课程。主编《光电技术》《光电技术实验》《光电信息技术实践教程》等多部教材；获湖北省教学成果二等奖1项；指导本科生获湖北省优秀学士学位论文奖19次；获全国大学生光电设计竞赛三等奖3次；获湖北省大学生优秀科研成果一等奖1次。在科学研究方面，主要从事光电材料与器件物理、光电成像与图像处理等方面的研究工作，发表SCI收录论文70多篇。兼任第五届全国教学仪器标准化技术委员会委员、中国光学学会光学教育专业委员会常务委员。

第0章绪论

0.1光电技术及其研究内容

0.2光电信息系统

0.3光电技术的应用及发展趋势

思考题与习题

第1章辐射度学与光度学基础

1.1电磁辐射

1.1.1电磁波谱

1.1.2光辐射

1.1.3光的波粒二象性

1.1.4电磁辐射中立体角计算

1.2辐射度的基本物理量

1.3光度学基础

1.3.1光度学的基本物理量

1.3.2光谱光视效率

1.3.3光谱光视效能

1.4辐射度学与光度学中的几个基本定律

1.4.1朗伯余弦定律

1.4.2距离平方反比定律

1.4.3亮度守恒定律

1.5黑体辐射

1.5.1黑体辐射定律

1.5.2普朗克能量子假设

思考题与习题

第2章光电探测器的理论基础

2.1半导体物理基础

2.1.1晶体的能带

2.1.2热平衡下载流子的浓度

2.1.3半导体材料的光吸收效应

2.1.4半导体中的非平衡载流子

2.1.5半导体中载流子的扩散与漂移

2.2光电效应

2.2.1光电导效应

2.2.2光伏效应

2.2.3光电子发射效应

2.3光电探测器的噪声

2.4光电探测器的特性参数

思考题与习题

第3章光电探测中的常见光源

3.1光源的基本特性参数

3.1.1辐射效率和发光效率

3.1.2光谱功率分布

3.1.3空间光强分布

3.1.4光源的色温

3.1.5光源的颜色

3.2热辐射光源

3.2.1太阳

3.2.2黑体模拟器

3.2.3白炽灯与卤钨灯

3.3气体放电光源

3.3.1汞灯

3.3.2钠灯

3.3.3氙灯

3.3.4空心阴极灯

3.3.5氘灯

3.4激光器

3.4.1激光器的工作原理

3.4.2激光的特性

3.4.3激光器的类型

3.5发光二极管

3.5.1发光二极管的原理与结构

3.5.2发光二极管的基本特性参数

3.5.3几种常用发光二极管

3.5.4发光二极管驱动电路

3.5.5发光二极管的应用

思考题与习题

第4章光电导探测器

4.1光电导探测器的原理与结构

4.1.1光电导探测器的原理

4.1.2光电导增益

4.1.3光敏电阻的结构

4.2光敏电阻的基本特性参数

4.2.1光电特性

4.2.2光电导灵敏度

4.2.3温度特性

4.2.4响应时间

4.2.5光谱特性

4.2.6伏安特性

4.2.7前历效应

4.2.8噪声特性

4.3典型光敏电阻

4.3.1本征光电导探测器

4.3.2杂质型光电导探测器

4.3.3多晶光电导探测器

4.4光敏电阻的偏置电路

4.4.1光敏电阻的微变等效电路

4.4.2基本偏置电路

4.4.3恒流偏置电路

4.4.4恒压偏置电路

4.4.5恒功率偏置电路

4.5光电导探测器的应用

4.5.1声光自动控制电路

4.5.2照明灯自动控制电路

4.5.3火焰报警电路

4.5.4照相机自动曝光控制电路

思考题与习题

第5章光伏探测器

5.1光电池

5.1.1硅光电池的工作原理与基本结构

5.1.2硅光电池的基本特性参数

5.1.3几种常用的光电池

5.1.4光电池的偏置电路

5.1.5光电池的应用

5.2光敏二极管

5.2.1硅光敏二极管的工作原理与基本结构

5.2.2硅光敏二极管的基本特性

5.2.3常用光敏二极管

5.2.4光敏二极管的偏置电路

5.2.5光敏二极管的应用

5.3光敏晶体管

5.3.1硅光敏晶体管的工作原理与基本结构

5.3.2硅光敏晶体管的基本特性

5.3.3常用光敏晶体管

5.3.4光敏晶体管的应用

5.4PIN光敏二极管

5.4.1PIN光敏二极管的结构与工作原理

5.4.2PIN光敏二极管的主要特性参数

5.4.3典型的PIN光敏二极管及其应用

5.5雪崩光敏二极管

5.5.1雪崩光敏二极管的原理

5.5.2达通型雪崩光敏二极管的结构、电场、电荷分布

5.5.3雪崩光敏二极管的主要特性参数

5.5.4典型的雪崩光敏二极管及其应用

5.6色敏探测器

5.6.1色敏探测器的结构与工作原理

5.6.2色敏探测器的检测电路

5.6.3色敏探测器的短路电流比—波长特性

5.6.4两种色敏探测器

5.6.5色敏探测器的应用

5.7位置敏感探测器

5.7.1位置敏感探测器的工作原理

5.7.2位置敏感探测器的检测电路

5.7.3位置敏感探测器的主要特性参数

5.7.4几种常用位置敏感探测器

5.7.5位置敏感探测器的应用

5.8象限探测器

5.8.1象限探测器原理

5.8.2四象限探测器的空间分辨率

5.8.3四象限探测器的信号处理电路

5.8.4四象限探测器的特性参数

5.8.5四象限探测器的应用

5.9光电耦合器件

5.9.1光电耦合器件的工作原理与结构

5.9.2光电耦合器件的特性参数

5.9.3光电耦合器件的应用

思考题与习题

第6章光电子发射探测器

6.1光电阴极

6.2光电倍增管的原理与结构

6.2.1光电倍增管的工作原理

6.2.2光电倍增管的结构

6.3光电倍增管的主要特性参数

6.4光电倍增管的工作电路

6.4.1高压供电电路

6.4.2信号输出电路

6.5光电倍增管的应用

6.5.1分光光度计

6.5.2医疗器械

6.5.3生物技术

6.5.4石油测井

6.5.5环境测量

6.5.6工业测量

6.5.7固体表面分析

思考题与习题

第7章热探测器

7.1热探测器基本原理

7.1.1温度变化方程

7.1.2热探测器件的最小可探测功率

7.2热电偶与热电堆探测器

7.2.1热电偶的工作原理

7.2.2热电偶的主要特性参数

7.2.3热电堆的结构、工作原理与特性参数

7.2.4热电偶与热电堆的应用

7.3热敏电阻探测器

7.3.1热敏电阻探测器的基本原理与结构

7.3.2热敏电阻探测器的主要特性参数

7.3.3热敏电阻的应用

7.4热释电探测器

7.4.1热释电器件的基本原理

7.4.2热释电探测器的主要特性参数

7.4.3常用的热释电探测器材料

7.4.4热释电探测器的应用

思考题与习题

第8章光电图像探测器

8.1像管

8.1.1像管的基本原理与结构

8.1.2像管的主要特性参数

8.1.3红外变像管

8.1.4像增强管

8.1.5像管的应用

8.2真空摄像管

8.2.1光电导式摄像管

8.2.2光电发射式摄像管

8.3电荷耦合器件

8.3.1电荷耦合器件的工作原理

8.3.2电荷耦合器件的主要特性参数

8.3.3电荷耦合成像器件

8.3.4电荷耦合成像器件的驱动方法

8.3.5常用的线阵CCD成像器件

8.3.6电荷耦合成像器件的应用

8.4CMOS图像传感器

8.4.1CMOS成像器件的像敏单元的结构与工作原理

8.4.2CMOS成像器件的组成架构

8.4.3CMOS与CCD图像器件的比较

8.5红外焦平面阵列探测器

8.5.1非制冷红外焦平面的结构和工作原理

8.5.2红外成像与红外热像仪

8.5.3典型的红外焦平面探测器

8.5.4红外成像技术的应用

思考题与习题

第9章光学信息变换

9．1光学信息变换简介

9.2几何光学方法的光学信息变换

9.2.1物体尺寸信息的光学变换

9.2.2位移信息的光学变换

9.3物理光学方法的光学信息变换

9.3.1干涉方法的光学信息变换

9.3.2衍射方法的光学信息变换

9.4时变光信息的调制

9.4.1调制光的优点

9.4.2光信号调制的基本原理

9.4.3光调制的方法

9.4.4调制信号的解调

思考题与习题

第10章微弱光电信号的探测与处理

10.1直接探测与外差探测

10.1.1直接探测

10.1.2光频外差探测

10.2微弱光电信号前置放大器的设计

10.2.1放大器的噪声模型与等效输入噪声

10.2.2噪声系数与最佳源电阻

10.2.3光电探测器与前置放大器耦合网络的设计原则

10.2.4低噪声前置运放的选用

10.2.5低噪声放大器设计原则与方法

10.3微弱光电信号的探测与处理

10.3.1微弱光电信号的检测

10.3.2窄带滤波法

10.3.3相关检测法

10.3.4锁定放大器

10.3.5取样积分法

10.3.6光子计数器

思考题与习题

第11章光电探测系统应用实例分析

11.1空间光通信捕获、跟踪、瞄准系统

11.1.1空间光通信系统

11.1.2ATP系统构成

11.1.3共轴双检测ATP系统

11.1.4ATP系统关键参数和技术考虑

11.2基于光电鼠标芯片的物体运动状态测量系统

11.2.1光电鼠标的工作原理和构成

11.2.2光电鼠标的主要技术参数

11.2.3基于光电鼠标传感器的运动物体的无接触检测

11.3用于三维复合精细成像的双CCD交会测量

11.3.1CCD光电信号的二值化处理与数据采集

11.3.2双CCD交会测量系统的构成

11.3.3双CCD交会测量的基本原理

11.3.4用于三维精细成像的双CCD交会测量系统设计

11.4时域分布式光纤测温系统

11.4.1拉曼散射型分布式光纤测温系统的工作原理

11.4.2拉曼散射型分布式光纤测温系统的设计

11.5基于红外传感器的气体浓度检测系统

11.5.1红外吸收检测原理

11.5.2红外吸收型CO2气体检测系统的设计

11.5.3系统的定标

11.6光电火控系统

11.6.1光电火控系统的构成和工作原理

11.6.2光电测距装置

11.6.3光电测角装置

11.6.4监视及捕捉装置

11.6.5火控计算机

思考题与习题

参考文献