光电技术

光电技术是一门以光电子学为基础，将光学技术、电子技术、精密机械及计算机技术紧密结合的新技术，是获取光信息或借助光提取其他信息的重要手段。它将电子学中的许多基本概念与技术移植到光频段，解决光电信息系统中的工程技术问题。这一先进技术使人类能更有效地扩展自身的视觉能力，使视觉的长波延伸到亚毫米波，短波延伸到紫外、X射线、γ射线乃至高能粒子，并可在飞秒级记录超快现象的变化过程。光电技术在现代科技、经济、军事、文化、医学等领域发挥着极其重要的作用，是当今世界争相发展的支柱产业，是竞争激烈、发展快的信息技术产业的主力军。光电技术迅速发展，各种新型半导体激光器、几千万像素的固体图像传感器、新型的光电探测器等在工业与民用领域随处可见，热成像技术也已广泛应用于军事和工业领域。光电技术已经渗透到国民经济的各个方面，成为信息社会的支撑技术之一。
作者总结了近二十年讲授“光电技术”课程的教学经验，参阅了大量国内外优秀教材和文献，为适应新技术发展对光电人才培养的需要，依据*高等学校光电信息科学与工程专业教学指导分委会对“光电技术”课程的要求编写了本教材。本书从教学的普适性出发，注重基础、强调应用，主要特点如下：
(1) 全书以光电探测的物理理论基础、光电探测器、光电信号探测与处理和典型光电探测系统案例分析为主线，形成完整的光电技术知识体系，内容全面、结构合理、重点突出并注重实用。
(2) 全书突出光电信息系统构成，使学生掌握光电信息系统的总体框架，发挥学生的“奇思妙想”，使他们有兴趣投入光电创新实践活动中。
(3) 中国大学MOOC上的“光电技术”在线课程采用本书作为教材。
(4) 本书配备了课程录像、教学资源（教学要求、教学设计、教学教案、教学课件、重点难点和教材内容等）、网上自测、网上考试等新形态一体化教材，实现了“互联网 ”的课程学习模式。
(5) 与本书配套的实验教材为《光电信息技术实践教程》(杨应平等编著，清华大学出版社出版)，可选择使用，以增强学生的光电系统综合设计能力。
全书共12章。第0章介绍了光电技术的研究内容及其发展趋势； 第1~3章主要讲述光电技术的理论基础与常用光辐射源； 第4~7章主要讲述光电导探测器、光伏探测器、光电子发射探测器和热探测器的工作原理、特性参数、偏置电路及应用技术； 第8章主要讲述像管、像增强管和摄像管等真空光电图像传感器及电荷耦合器件、CMOS图像传感器、红外焦平面等固体图像传感器； 第9章讲述光学信息变换技术； 第10章讲述微弱光电信号的探测与处理技术； 第11章讲述光电探测系统的典型应用。其中，华中科技大学曾延安负责编写8.5节、武汉理工大学胡昌奎负责编写第3章、第9章、第11章及10.1节，武汉理工大学陈梦苇负责编写第2章、第6章、第7章，其他章节由杨应平编写。全书由杨应平统稿。
*高等学校光电信息科学与工程专业教学指导分委会原副主任委员、华中科技大学杨坤涛教授对书稿进行了认真仔细的审阅并提出了许多宝贵建议，在此表示衷心的感谢。在本书的编写过程中，武汉理工大学物理系光电材料与器件物理研究室的多名研究生在资料文献查阅、文字整理和插图绘制等方面做了大量的工作，在此特向他们表示诚挚的谢意。感谢“武汉理工大学本科教材建设专项基金项目”资助。
本书在编写过程中，参考了大量的国内外优秀教材和科技文献，根据本书体系的需要选编了其中的一些典型内容，在书后给出了主要参考文献，在此特对这些文献的作者表示感谢。
由于作者水平有限，书中难免存在一些疏漏，希望读者指正。
本书还配套提供专业英语、教学课件、教学大纲、练习题库等资源，读者可扫描下方二维码获取。

专业英语

教学课件

教学大纲

练习题库

习题解答

注： 作者精心编制了练习题库的参考答案，仅面向广大教师提供，便于教学。

编者2020年3月

本教材系统地介绍了光电技术的基础理论、各种光电探测器的工作原理与特性、典型器件应用技术和光电信号探测与处理处理技术。主要内容包括：辐射度与光度学基础、光电探测器理论基础、光电探测器中常用光源、光电导探测器、光伏探测器、光电子发射探测器、热探测器、光电图像传感器、光学信息变换技术、微弱光电信号探测与处理和典型光电探测系统的应用分析。

杨应平，教授，《光电技术》湖北省精品课程负责人，主编《光电技术》，《光电技术实验》，《光电信息技术实验教程》等多部教材，获湖北省教学成果二等奖1项。主要从事光电材料与器件物理、光电成像与图像处理方面的研究工作。发表被SCI收录论文60多篇。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，*高等学校光电信息科学与工程专业分教学指导委员会协助委员。

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

5.4 PIN光敏二极管

5.4.1 PIN光敏二极管的结构与工作原理

5.4.2 PIN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

8.4 CMOS图像传感器

8.4.1 CMOS成像器件的像敏单元的结构与工作原理

8.4.2 CMOS成像器件的组成架构

8.4.3 CMOS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

11.1.2 ATP系统构成

11.1.3 共轴双检测ATP系统

11.1.4 ATP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

11.3.1 CCD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

入选*高等学校电子信息类专业教学指导委员会规划教材！配套视频课程与教学课件，面向专业认证的理论性与工程性并重的电子信息类新工科教材！