光电检测技术与系统

前言

光电检测技术结合光电子学理论，以激光器、红外控制及检测设备、光纤等现代光电设备为基础，对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测。光电检测技术具有很强的学科交叉性，广泛地应用在工业、农业、军事、航空航天及日常生活中，已成为现代工科学生必须掌握的一门知识。
目前，国内众多高等院校中的光电信息工程、光信息科学与技术、电子信息工程、通信工程、应用物理等专业，都逐步开设了“光电检测技术”课程。该课程理论联系实际，内容上较多地衔接了“光学”“光电子学”“电子线路”等课程，不仅能够明显地拓展学生的知识交叉应用，还有利于培养学生分析和解决问题的能力。
因为“光电检测技术”课程具有交叉性强、应用性强、发展快速、涉及的知识内容极为广泛的特点，所以结合专业培养需要和实践教学安排，在有限的课时内合理地选择恰当的教学内容，一直是从事光电检测技术教学工作者的难题，因此，我们编写了这本适合本科层次学生学习的光电检测技术书籍。
本书的编者总结多年教学经验，充分考虑新时代对高等院校本科层次人才培养的要求，在内容上，注重基础及与其他专业知识的系统衔接；在技术应用实例上，力求紧跟科技进展，避免了一些难度过大或技术已经明显落后的内容。终把本书内容落实到基础理论、光电检测器件、应用电路设计和典型应用系统四大部分上，力求内容层次分明、知识结构体系严谨。
本书由南昌大学王文梁博士任主编，南昌大学沈云、武煜宇、邹林儿老师，以及重庆邮电大学郝宏刚教授担任副主编。主要分工如下：第2章由沈云老师编写；第6章由武煜宇老师编写；第9章由邹林儿老师编写；第1章、第3章、第4章、第5章、第7章、第8章、第10章由王文梁博士编写；郝宏刚教授编写了部分习题和思考，并对全书进行了主审。
在本书的编写过程中，参阅了大量的相关书籍及文献资料，这些资料中的一些研究成果，丰富了本书内容，在此对有关作者表示感谢！
由于作者水平有限，加之书籍编写主要利用的是教学科研业余时间，书中难免会存在不足之处，在此先表示歉意，也请广大读者批评指正。

王文梁

光电检测技术是建立在光电检测器件基础上的先进现代检测技术，应用广泛，发展迅速，其内容交叉性强。本书共十章，主要包括基础理论、光电检测器件、应用电路设计和典型应用系统四大部分。本书内容体系严谨，叙述简明扼要，既重视基础性，也讲究实用性。本书可作为高等院校光电信息工程、光信息科学与技术、电子信息工程、通信工程、应用物理等专业本科层次的教学用书，也可供相关领域的科技工作者参考。

光电检测技术是建立在光电检测器件基础上的先进现代检测技术，应用广泛，发展迅速，其内容交叉性强。本书共十章，主要包括基础理论、光电检测器件、应用电路设计和典型应用系统四大部分。本书内容体系严谨，叙述简明扼要，既重视基础性，也讲究实用性。本书可作为高等院校光电信息工程、光信息科学与技术、电子信息工程、通信工程、应用物理等专业本科层次的教学用书，也可供相关领域的科技工作者参考。

王文梁，男，博士，1978年生，籍贯浙江桐庐。现主要从事薄膜科学与技术、光电技术方面的研究和教学工作。

目录 

第1章 绪论 1 
1.1 光电检测技术概述 1 
1.2 光电检测系统的组成与特点 2 
1.3 光电传感器概述 4 
1.4 光电检测方法与发展趋势 7 
习题和思考 8 
第2章 光电检测技术相关物理基础 10 
2.1 光辐射概述 10 
2.1.1 光辐射的内涵 10 
2.1.2 光辐射的基本属性 11 
2.1.3 光辐射源 12 
2.2 光辐射度量学 13 
2.2.1 辐射度量学 13 
2.2.2 光度量 17 
2.2.3 辐射度量和光度量的基本定律 20 
2.3 半导体物理基础 22 
2.3.1 半导体基本特性 22 
2.3.2 PN结 28 
2.4 光电检测器件物理效应 31 
2.4.1 内光电效应 32 
2.4.2 外光电效应 36 
2.4.3 光热电效应 37 
2.5 光电检测器件主要特性 40 
2.5.1 光电转换定律 40 
2.5.2 特性参数 40 
习题和思考 46 
第3章 光子型检测器件 47 
3.1 光电导探测器 47 
3.1.1 光敏电阻的结构及工作原理 48 
3.1.2 光敏电阻特性参数 50 
3.1.3 光敏电阻的实际使用 54 
3.2 光伏型探测器 56 
3.2.1 光电池 56 
3.2.2 光电二极管 64 
3.2.3 光电三极管 71 
3.2.4 光电位置敏感器件 76 
3.3 光电发射型光电检测器件 82 
3.3.1 光电倍增管的原理和结构 82 
3.3.2 光电倍增管特性 86 
3.3.3 光电倍增管的实际应用 93 
习题和思考 93 
第4章 热电检测器件 96 
4.1 热敏电阻 96 
4.1.1 基本结构和工作原理 97 
4.1.2 热敏电阻分类 98 
4.1.3 热敏电阻工作性能 101 
4.1.4 热敏电阻应用 104 
4.2 热电偶与热电堆 105 
4.2.1 热电偶结构和工作原理 105 
4.2.2 热电偶冷端温度误差及其补偿 107 
4.2.3 热电偶主要性能参数 108 
4.2.4 热电堆 109 
4.2.5 热电偶（堆）使用及注意事项 110 
4.3 热释电探测器 110 
4.3.1 热释电探测器工作原理和结构 111 
4.3.2 典型热释电探测器 113 
4.3.3 热释电探测器工作性能 116 
4.3.4 热释电探测器应用 122 
4.4 热电检测器件综述 122 
习题和思考 124 
第5章 发光器件与光电耦合器 126 
5.1 发光二极管 126 
5.1.1 发光二极管的发光机理和基本结构 127 
5.1.2 发光二极管分类 128 
5.1.3 发光二极管工作性能 130 
5.1.4 发光二极管特点与应用 137 
5.2 半导体激光器 138 
5.2.1 半导体激光器的工作原理和基本结构 139 
5.2.2 半导体激光器分类 140 
5.2.3 半导体激光器工作性能 142 
5.2.4 半导体激光器的特点与应用 148 
5.3 光电耦合器 148 
5.3.1 光电耦合器的工作原理和基本结构 149 
5.3.2 光电耦合器分类 150 
5.3.3 光电耦合器工作特性 150 
5.3.4 光电耦合器特点与应用 155 
习题和思考 156 
第6章 光电图像检测器件 157 
6.1 光电图像传感器概述 157 
6.1.1 光电图像传感器的发展历程 157 
6.1.2 光电图像传感器分类 159 
6.1.3 光电图像传感器基本特性 160 
6.2 CCD图像传感器 162 
6.2.1 CCD基本结构 163 
6.2.2 CCD工作原理 164 
6.2.3 CCD工作性能 168 
6.2.4 CCD特性和应用 172 
6.3 CMOS图像传感器 173 
6.3.1 CMOS图像传感器基本结构和工作原理 173 
6.3.2 CMOS图像传感器工作性能 176 
6.3.3 CMOS图像传感器特性和应用 177 
6.4 CIS 179 
6.4.1 CIS的工作原理和基本结构 179 
6.4.2 CIS主要特点 181 
习题和思考 181 
第7章 光纤传感检测器件 183 
7.1 光纤传感器原理及分类 183 
7.2 光纤传感器典型实例及关键技术 185 
7.2.1 强度调制型光纤传感器 186 
7.2.2 相位调制型光纤传感器 190 
7.2.3 偏振调制型光纤传感器 196 
7.2.4 频率调制型光纤传感器 200 
7.3 分布式光纤传感器 201 
7.3.1 分布式光纤传感器概述 202 
7.3.2 分布式光纤传感器构成技术 203 
7.3.3 典型分布式光纤传感器 206 
7.4 光纤传感器的特性和发展 212 
习题和思考 213 
第8章 光电检测电路的设计 215 
8.1 光电检测器件的选择 216 
8.2 直流输入电路的设计 219 
8.2.1 恒流源型光电检测器件输入电路的设计 220 
8.2.2 光伏型光电检测器件输入电路的设计 225 
8.2.3 可变电阻型光电检测器件输入电路的设计 229 
8.3 交流输入电路的设计 232 
8.3.1 光电二极管交流输入电路的设计 233 
8.3.2 光电池交流输入电路的设计 235 
8.4 前置放大器的连接和设计 236 
8.4.1 前置放大器的连接 236 
8.4.2 前置放大器的设计 238 
8.5 光电检测电路的特性 242 
8.5.1 光电检测电路的带宽 242 
8.5.2 光电检测电路的频率 244 
8.5.3 光电检测电路的噪声 250 
习题和思考 259 
第9章 光电检测方法与系统 261 
9.1 光电检测方法概述 261 
9.2 光电检测系统概述 266 
9.3 光电非相干检测技术与系统 267 
9.3.1 光电非相干检测系统的基本工作原理 267 
9.3.2 光电非相干检测系统的特性 268 
9.3.3 光电非相干检测系统常用的检测方法和应用 277 
9.4 光电相干检测技术与系统 292 
9.4.1 光电相干检测的基本工作原理 293 
9.4.2 光电相干检测的特性 295 
9.4.3 光电相干检测实现条件 299 
9.4.4 光电相干检测方法与应用 303 
习题和思考 310 
第10章 光电检测技术典型应用 312 
10.1 光电检测技术与安全工程 312 
10.1.1 人居环境安全监测 312 
10.1.2 特殊环境安全监测 317 
10.2 光电检测技术与工程机械 319 
10.2.1 CCD成像测量技术 319 
10.2.2 光电红外无损探伤技术和系统 324 
10.3 光电检测技术与生物医学 327 
10.3.1 光学相干层析成像技术 327 
10.3.2 生物芯片检测技术 329 
10.4 光电检测技术与环保科学 333 
10.4.1 大气环境监测技术 333 
10.4.2 水环境监测技术 339 
10.5 光电检测技术与军事科技 342 
10.5.1 光电精确制导技术 342 
10.5.2 激光雷达技术 349 
习题和思考 354

光电检测技术是建立在光电检测器件基础上的先进现代检测技术，应用广泛，发展迅速，其内容交叉性强。本书共十章，主要包括基础理论、光电检测器件、应用电路设计和典型应用系统四大部分。本书内容体系严谨，叙述简明扼要，既重视基础性，也讲究实用性。本书可作为高等院校光电信息工程、光信息科学与技术、电子信息工程、通信工程、应用物理等专业本科层次的教学用书，也可供相关领域的科技工作者参考。

王文梁，男，博士，1978年生，籍贯浙江桐庐。现主要从事薄膜科学与技术、光电技术方面的研究和教学工作。