光电信息技术实践教程(第2版)

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信息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，短波延伸到紫外线、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、发展较快的信息技术产业的主力军。随着光电技术的迅速发展，各种新型半导体激光器、国产一亿五千万像素的固体图像传感器和新型的光电探测器等在工业与民用领域已随处可见，热成像技术也已广泛应用于军事和工业领域。光电信息技术实验是“光电技术”课程的重要组成部分。

为适应新技术发展对光电人才培养的需要，作者总结十多年讲授“光电信息技术实验”课程的教学经验，参阅了大量国内外优秀教材和文献，依据教育厅高等学校光电信息科学与工程专业教学指导分委会对“光电技术实验”课程的要求及教育厅关于《高等学校课程思政建设指导纲要》的精神修订了本教材。

全书共6章。第1章主要讲述光电信息技术实验的物理理论基础，光电探测器的主要特性参数与噪声。第2章为光电探测器基础实验，主要讲述了光电探测器的基本原理与特性参数测试实验，包括主要的光电探测器，如光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管、雪崩光敏二极管、色敏探测器、位置敏感探测器、四象限探测器、电荷耦合器件（CCD）的原理和特性参数测试实验，通过这些基础实验可以加深读者对各类光电探测器原理及特性参数的掌握。第3章为光电信号处理实验，一部分为微弱光电信号处理所采用的低噪声放大器和有源滤波器，另一部分则是几种主要光电探测器信号的处理方法。第4章为光电信号的数据采集与计算机接口技术实验，主要以电荷耦合器件、位置敏感探测器、四象限探测器为主介绍光电信号的数据采集与计算机接口技术。第5章为光电系统设计与应用实验，是综合应用模拟电路、数字电路、光电技术、微控制器、计算机技术完成一个简单光电系统的设计与实现实验，以达到综合应用光电技术知识的目的。第6章为光电器件制备及性能测试虚拟仿真实验，采用虚拟的半导体光电器件制造工厂，对光电器件的制备工艺、光电特性进行虚拟仿真实验，可作为真实实验的有效补充。

本书第2章、第3章、第5章、第6章由陈梦苇编写，第1章、第4章由杨应平编写，全书由陈梦苇负责统稿工作。

本书在编写过程中得到武汉理工大学物理系许多老师和石城、蒋爱湘、彭榆伟、于亚男、范平、万小强、张菁、程杰杰等研究生的大力支持和帮助，在此特向他们表示诚挚的谢意。本书的编写工作得到了“武汉理工大学本科教材建设专项基金项目”的资助。

由于作者水平有限，书中难免存在一些不足之处，希望读者指正。

作者

2023年12月

本实验教材从光电信息技术的基础理论知识出发,讲述了基于光电系统所需掌握的光电探测器、光电信号处理、光电信号的数据采集和光电系统设计的实验,主要内容包括光电信息技术实验理论基础、光电探测器基础实验、光电信号处理实验、光电信号的数据采集与计算机接口技术实验、光电系统设计与应用实验、光电器件制备及性能测试虚拟仿真实验。本书可作为高等院校光电信息科学与工程、应用物理、测控技术与仪器、电子科学与技术、电子信息科学与技术等专业本科生及研究生的实验教材,也可供其他相关专业师生和工程技术人员参考。

陈梦苇：武汉理工大学高级实验师，硕士研究生导师，“光电技术”国家级线上一流本科课程主讲教师，“光电技术”国家级线上线下混合式一流本科课程主讲教师。主讲光电信息技术实验、光电技术实验、光电综合实训等课程。主编《光电技术》《光电技术实验》《光电信息技术实践教程》等教材，主持和参与各级教育教学研究项目12项（其中主持省部级教育教学研究项目2项），获校级教学成果特等奖1项、一等奖1项，指导本科生参加科技竞赛活动获省部级及以上奖励11项。长期从事光电信号处理、光电材料与器件等方面的研究工作，发表科研论文40多篇。

杨应平  武汉理工大学教授，“光电技术”国家级线上一流本科课程负责人，“光电技术”国家级线上线下混合式一流本科课程负责人，光电信息科学与工程国家级一流本科专业建设点负责人。主讲“光电技术”“光电信息技术实验”“光电专业导论”等课程二十多年，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，主持省部级教育教学研究项目4项，获国家级教学成果二等奖1项、省级教学成果二等奖2项。长期指导本科生参加科技竞赛活动，获省部级及以上奖励32项。长期从事光电材料与器件物理、光电检测、光电成像与图像处理等方面的研究工作，在国内外学术刊物上发表学术论文110多篇，其中SCI收录论文80多篇。兼任第四届和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1章光电信息技术实验理论基础

1.1光电效应

1.1.1光电导效应

1.1.2光伏效应

1.1.3光电子发射效应

1.2热探测器基本原理

1.2.1温度变化方程

1.2.2热探测器的最小可探测功率

1.3光电探测器的噪声

1.4光电探测器的特性参数

第2章光电探测器基础实验

2.1光敏电阻特性参数测量实验

2.2光电池特性参数测量实验

2.3光敏二极管、光敏三极管特性参数测量实验

2.4雪崩光敏二极管特性参数测量实验

2.5光电倍增管特性参数测量实验

2.6彩色线阵CCD原理与驱动实验

2.7彩色线阵CCD特性测量实验

2.8热释电器件实验

2.9色敏探测器实验

2.10位置敏感探测器实验

2.11四象限探测器实验

第3章光电信号处理实验

3.1低噪声放大器实验

3.2有源滤波器

3.3彩色线阵CCD输出信号的二值化

3.4四象限探测器定向与位置数据处理实验

3.5光子计数

第4章光电信号的数据采集与计算机接口技术实验

4.1彩色线阵CCD的A/D数据采集

4.2彩色线阵CCD软件提取边缘信号的二值化处理

4.3物体角度测量

4.4基于单片机的PSD信号采集系统设计实验

4.5四象限探测器坐标计算与软件定向实验

第5章光电系统设计与应用实验

5.1光电控制系统的设计与调试

5.2基于光敏电阻的声光控制开关设计与调试

5.3基于硅光电池的照度计设计与调试

5.4脉冲激光测距系统的设计与调试

5.5光电相位测距系统的设计与调试

5.6光电法测量透过率系统的设计与调试

5.7基于CPLD的彩色线阵CCD驱动信号的设计

5.8光电法测量转盘转速与转向系统设计

5.9PSD信号处理开发实验

5.10基于单片机的QPD信号采集系统设计

5.11基于热电堆红外探测器的非接触人体表面温度测量系统设计

5.12太阳能电池的制备与光电性能测试实验

第6章光电器件制备及性能测试虚拟仿真实验

6.1APD光敏二极管的制备及性能测试虚拟仿真实验

6.2PIN光敏二极管制备及性能测试虚拟仿真实验

6.3半导体激光器的制备及性能测试虚拟仿真实验

参考文献

本实验教材从光电信息技术的基础理论知识出发,讲述了基于光电系统所需掌握的光电探测器、光电信号处理、光电信号的数据采集和光电系统设计的实验,主要内容包括光电信息技术实验理论基础、光电探测器基础实验、光电信号处理实验、光电信号的数据采集与计算机接口技术实验、光电系统设计与应用实验、光电器件制备及性能测试虚拟仿真实验。本书可作为高等院校光电信息科学与工程、应用物理、测控技术与仪器、电子科学与技术、电子信息科学与技术等专业本科生及研究生的实验教材,也可供其他相关专业师生和工程技术人员参考。

陈梦苇：武汉理工大学高级实验师，硕士研究生导师，“光电技术”国家级线上一流本科课程主讲教师，“光电技术”国家级线上线下混合式一流本科课程主讲教师。主讲光电信息技术实验、光电技术实验、光电综合实训等课程。主编《光电技术》《光电技术实验》《光电信息技术实践教程》等教材，主持和参与各级教育教学研究项目12项（其中主持省部级教育教学研究项目2项），获校级教学成果特等奖1项、一等奖1项，指导本科生参加科技竞赛活动获省部级及以上奖励11项。长期从事光电信号处理、光电材料与器件等方面的研究工作，发表科研论文40多篇。

杨应平  武汉理工大学教授，“光电技术”国家级线上一流本科课程负责人，“光电技术”国家级线上线下混合式一流本科课程负责人，光电信息科学与工程国家级一流本科专业建设点负责人。主讲“光电技术”“光电信息技术实验”“光电专业导论”等课程二十多年，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，主持省部级教育教学研究项目4项，获国家级教学成果二等奖1项、省级教学成果二等奖2项。长期指导本科生参加科技竞赛活动，获省部级及以上奖励32项。长期从事光电材料与器件物理、光电检测、光电成像与图像处理等方面的研究工作，在国内外学术刊物上发表学术论文110多篇，其中SCI收录论文80多篇。兼任第四届和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。