光电检测技术（第5版）

　　本书介绍了光电检测系统的构成和应用基础知识。重点叙述了光电检测过程中常用的光源、各种性能的光电转换器、光纤与光纤传感技术、光外差检查技术，以及光电转换器的基础和应用实验。 本书内容全面，叙述简明扼要，既重视理论性，也讲究实用性。可供电子信息类及其他相关专业的理工科本科生、研究生作教材选用，也可作为相关科技工作者的参考用书。

　　张志伟，男，教授，硕士生导师，中北大学教师，工作20多年，发表核心论文若干，出版专业教材3本

绪论1

第1章光电检测应用中的基础知识4

1.1辐射度学和光度学基本概念4

1.1.1辐射度学基本物理量4

1.1.2光度学基本物理量6

1.1.3光度学基本定律8

1.2半导体基础知识11

1.2.1固体的能带结构11

1.2.2热平衡下的载流子浓度14

1.2.3半导体中的非平衡载流子16

1.2.4载流子的扩散与漂移18

1.3基本定律19

1.3.1黑体辐射定律19

1.3.2光电效应22

1.4光电探测器的噪声和特性参数26

1.4.1光电探测器中的噪声27

1.4.2噪声的等效处理30

1.4.3光电探测器的特性参数31

1.4.4光电探测器的合理选择34

练习题34

第2章光电检测中的常用光源36

2.1光源的特性参数36

2.1.1辐射效率和发光效率36

2.1.2光谱功率分布37

2.1.3空间光强分布38

2.1.4光源的颜色38

2.1.5光源的色温39

2.2热辐射源39

2.2.1太阳39

2.2.2黑体模拟器40

2.2.3白炽灯41

2.3气体放电光源42

2.3.1脉冲灯42

2.3.2原子光谱灯44

2.3.3汞灯44

2.4固体发光光源45

2.4.1场致发光光源45

2.4.2其他平板显示器件47

2.4.3结型发光光源——发光二极管和激光二极管50

2.5激光器54

2.5.1激光原理54

2.5.2激光器的结构和工作过程57

2.5.3激光器的类型58

2.5.4激光的特性61

练习题62

第3章结型光电器件63

3.1结型光电器件工作原理63

3.1.1热平衡状态下的PN结63

3.1.2光照下的PN结64

3.2硅光电池66

3.2.1硅光电池的基本结构和工作原理66

3.2.2硅光电池的特性参数67

3.3硅光电二极管和硅光电三极管70

3.3.1硅光电二极管70

3.3.2硅光电三极管71

3.3.3硅光电三极管与硅光电二极管特性比较72

3.4结型光电器件的放大电路75

3.4.1结型光电器件与放大三极管的连接75

3.4.2光电二极管与集成运算放大器的连接75

3.5特殊结型光电二极管77

3.5.1象限探测器77

3.5.2PIN型光电二极管77

3.5.3雪崩光电二极管83

3.5.4紫外光电二极管84

3.5.5半导体色敏器件85

3.6结型光电器件的应用实例——光电耦合器件87

3.6.1光电耦合器件的分类、结构和用途87

3.6.2光电耦合器件的基本电路89

练习题90

第4章光电导器件92

4.1光敏电阻的工作原理92

4.1.1光敏电阻的结构和分类92

4.1.2光敏电阻的工作原理93

4.2光敏电阻的主要特性参数94

4.2.1光电导灵敏度95

4.2.2光电导增益95

4.2.3量子效率96

4.2.4光谱响应率与光谱响应曲线96

4.2.5响应时间和频率特性98

4.2.6光电特性和γ值100

4.2.7前历效应100

4.2.8温度特性101

4.3光敏电阻的偏置电路和噪声102

4.3.1偏置电路102

4.3.2噪声等效电路105

4.4光敏电阻的特点和应用106

4.4.1光敏电阻的特点106

4.4.2光敏电阻使用时的注意事项106

4.4.3常见光敏电阻107

4.4.4光敏电阻的应用108

练习题108

第5章真空光电器件110

5.1光电阴极110

5.1.1光电阴极的主要参数110

5.1.2光电阴极的分类111

5.1.3常用光电阴极材料112

5.2光电管与光电倍增管114

5.2.1光电管114

5.2.2光电倍增管115

5.3光电倍增管的主要特性参数119

5.4光电倍增管的供电和信号输出电路124

5.4.1高压电源124

5.4.2高压分压电路125

5.4.3分压电流与输出线性的关系126

5.4.4信号输出方式128

5.5微通道板光电倍增管129

5.6光电倍增管的应用132

5.6.1光谱测量133

5.6.2极微弱光信号的探测——光子计数133

5.6.3射线的探测134

练习题135

第6章真空成像器件136

6.1像管136

6.1.1像管结构和工作原理137

6.1.2像管的特性参量139

6.2常见像管140

6.2.1常见变像管140

6.2.2常见像增强器141

6.2.3特殊变像管144

6.3摄像管146

6.3.1摄像管的作用及分类146

6.3.2摄像管的结构和工作原理147

6.4光导靶和存储靶148

6.4.1视像管靶148

6.4.2光电发射型摄像管靶——存储靶151

6.5摄像管的特性参数及比较152

6.5.1摄像管的特性参数152

6.5.2不同视像管的特性参数比较155

6.6摄像管的发展方向156

练习题156

第7章固体成像器件157

7.1电荷耦合器件157

7.1.1电荷耦合器件的结构157

7.1.2电荷耦合原理与电极结构158

7.1.3电荷耦合器件的组成及其工作原理159

7.1.4电荷转移沟道类型162

7.2电荷耦合器件的分类163

7.2.1线阵CCD163

7.2.2面阵CCD164

7.3CCD摄像机分类166

7.3.1可见光CCD166

7.3.2IRCCD168

7.3.3X射线CCD168

7.3.4紫外光CCD169

7.4CCD的性能参数169

7.4.1电荷转移效率和转移损失率169

7.4.2光谱响应率和干涉效应170

7.4.3分辨率和调制传递函数170

7.4.4动态范围171

7.4.5暗电流和噪声171

7.5自扫描光电二极管阵列172

7.5.1光电二极管阵列的结构形式和工作原理172

7.5.2SSPD线阵174

7.5.3SSPD面阵175

7.5.4SSPD的主要特性参数176

7.5.5SSPD器件的信号读出及放大电路178

7.6CMOS图像传感器179

7.7CMOS与CCD图像传感器比较183

7.8固体摄像器件的发展现状和应用184

7.8.1CCD摄像器件的发展现状和应用184

7.8.2CMOS摄像器件的发展现状和应用187

练习题187

第8章红外辐射与红外探测器188

8.1红外辐射的基本知识188

8.1.1红外辐射188

8.1.2红外辐射源189

8.2红外探测器190

8.2.1热探测器190

8.2.2光子探测器193

8.3红外探测器的性能参数及使用中应注意的事项194

8.3.1红外探测器的性能参数194

8.3.2红外探测器使用中应注意的问题195

8.4红外测温196

8.4.1红外测温原理196

8.4.2红外测温的特点196

8.4.3热辐射传感器196

8.5红外成像199

8.5.1红外成像器件199

8.5.2红外热像仪200

8.5.3红外分析仪202

8.6红外无损检测203

8.6.1焊接缺陷的无损检测203

8.6.2铸件内部缺陷探测204

8.6.3疲劳裂纹探测204

8.7红外探测技术在军事上的应用205

8.7.1红外侦察205

8.7.2红外雷达205

练习题206

第9章光纤与光纤传感器207

9.1光纤基础知识207

9.1.1光纤的结构207

9.1.2光纤的种类207

9.1.3光纤的传输模式208

9.1.4光纤的传光原理208

9.1.5光纤的传输特性210

9.1.6光纤的耦合212

9.2光纤的应用213

9.2.1光纤在直接导光方面的应用213

9.2.2光纤面板215

9.3光纤传感器的分类及构成222

9.3.1光纤传感器的分类222

9.3.2光纤传感器的基本构成223

9.3.3光纤传感器的优点224

9.4功能型光纤传感器224

9.4.1相位调制型光纤传感器224

9.4.2光强调制型光纤传感器226

9.4.3偏振态调制型光纤电流传感器227

9.5非功能型光纤传感器228

9.5.1传输光强调制型光纤传感器228

9.5.2反射光强调制型光纤传感器230

9.5.3频率调制型光纤传感器230

9.5.4光纤液体折射率传感器232

练习题234

第10章光外差检测技术236

10.1光外差检测原理236

10.2光外差检测调相信号的解调方法239

10.2.1用频谱分析仪测量微振动位移的幅值239

10.2.2锁相环解调方法240

10.3光外差检测特性244

10.3.1光外差检测可获得全部信息244

10.3.2光外差检测具有高的转换增益245

10.3.3良好的滤波性能245

10.3.4信噪比的损失较小246

10.3.5最小可检测功率247

10.4光外差检测系统对光电转换器性能的要求248

10.5光外差检测的空间匹配条件及频率条件248

10.5.1光外差检测的空间匹配条件249

10.5.2光外差检测的频率条件252

10.6共线光外差干涉系统的相位调制252

10.6.1索列尔巴比涅相位补偿器253

10.6.2共线光外差干涉系统253

10.6.3相位调制原理254

10.6.4实验过程与结果255

练习题256

第11章光电器件基础及应用实验258

实验1光敏电阻特性测量258

实验2光敏二极管特性测试261

实验3光敏三极管特性测试263

实验4光电位置传感器(PSD)实验265

实验5光电位置传感器(PSD)光电特性实验268

实验6线阵CCD原理及驱动实验268

实验7线阵CCD基本特性测量实验272

实验8线阵CCD输出信号二值化实验275

实验9线阵CCD工件直径测量实验278

实验10光纤位移测试传感器实验281

实验11可视椭圆偏振光测量实验283

实验12基于光外差检测的微振动测量实验287

附录A实验1装置中器件说明290

附录BCS1022型示波器测量上升响应时间的方法介绍292

附录C彩色线阵CCD图像传感器TCD 2252D简介293

部分练习题参考答案296

参考文献297