【假一罚四】光电技术（第2版）李岩

时光荏苒，岁月如梭。自本书（《光电技术》机械工业出版社1992年）第1版发行以来，弹指已过了二十多年的时间。在这期间，国内外光电技术取得了飞跃的发展。诸如：太赫兹技术、半导体量子点理论、频率上转换探测技术、单个光子控制的全光开关、用于光子计算机的光子晶体管新概念等前沿技术取得了突破性进展，开辟出光电技术新的研究领域。随着半导体技术和纳米技术的发展，以光纤激光器、垂直腔面发射的激光器阵列、纳米级激光测尺、纳米光镊等为代表的新型光电子材料、器件和微光机电装置相继问世，展现出光电技术发展的新方向。在国家一系列政策的支持下，我国光机电一体化技术产业和新产品更得到了如火如荼的发展。光纤通信、计算机外围光电设备、光电数码影像装置不仅涌入到经济社会的各个角落，而且进入了家庭和人们的生活之中，成为很多人的随身日用品。许多二十多年前还处于实验室样品甚至是技术设想的高精尖、近远程精密测量测试仪器，现在已经成为登上广告的正式产品在广泛使用。可以不夸张地说，当今的世界已进入到信息时代。二三十年前科技界广泛流行的“信息高速公路”的设想已经或正在实现。无论是有关信息的距离扩展（光通信）还是时间延续（光存储），无论是向大自然奥秘的探索（光探测和采集）还是人类视觉的欣赏和愉悦（激光和光电艺术），从21世纪开始，人们已经开始享受着信息技术（包括光电信息技术）的发展所带来的实惠。

    随着国内外光电信息技术的发展，我国高等教育光电信息技术的有关专业也由无到有、由小到大、由弱到强，得到了可喜的发展。光电信息技术专业的课程体系和教材建设也有了很大进步。二十多年前本书第1版发行，作为高等院校的试用教材，缓解了当时国内对同类教材的需求。书中提出的教材体系包括内容框架和分类方法也得到了业内同行的认可和采纳。但是，由于本书第1版还存在不足，再加上近年来光电技术的飞速发展和光电信息技术课程教学和实验教学的经验积累，有必要对本书第1版进行必要的修改和补充。在机械工业出版社有关领导的指导和支持下，经过一年多的努力，终于完成了本书的再版发行。

    2010年我国*高等学校光电信息科学与工程专业教学指导分委员会发布的《全国高等学校光电信息科学与工程类专业指导性专业规范》中，对于光电技术教材提出了指导性要求，这是本书再版的主要依据。本书第2版保持了第1版的体系和风格，删掉了部分陈旧的内容，增加了一些新知识。对部分内容也进行了重新调整。作为教材，本书的体系可用五个数字“四、二、三、八、一”概括。其中，“四”是指全书内容包括四个部分；“二、三”是指光电信号的变换方法是按“二纵三横”的层次分类的；“八”是指光电信息系统的功能有八个方面；“一”是指贯穿教材始终的一个指导思想和主线。具体的编写思路包括下述几方面：

    1 注重教材内容的系统性和完整性全书内容包括四个部分，即基础理论、器件电路、变换方法和技术应用。章是基础理论部分，包含的光和辐射度量学是光电探测的基础知识；半导体物理和光电效应是光电器件的基础知识。由于专业性质和学时限制，这部分已压缩到限度。第二章到第七章是器件电路部分，扼要介绍了各种光电器件的原理、特性、工作参数和使用要点，要求达到能正确选择和合理使用的实用目的。光电信息系统是光、机、电、计算机技术的混合系统，相互间的连接技巧至关重要。这部分重点介绍了作为光、电接口的检测电路的分析和设计。第八章和第九章是光电信号变换方法部分，这是本书的重点。第十章是技术应用部分，介绍了一些典型的光电信息系统和前沿性的光电新技术。所论述的这四部分内容相互关联，承前启后，形成了完整的教材体系。前两部分和后两部分的内容比例约各占一半。由于学时数限制，可根据专业类型、授课对象、教学要求适当选择章节。本书目录中用*号给出的章节为选讲内容。

    2 致力于教材内容分类的科学性，努力做到纲目有序、条块分明光电信号的变换有许多分类方法。为了加强光学和电子信息学科间的交叉、融合和综合集成，同时从信息技术的角度揭示这些光电信号变换的本质和与电信号变换的共性，本书提出了一种新的分类方法。众所周知，电学和信息技术处理的是时间域中随时间变化的电信号。它们有着悠久的应用历史和行之有效的技术方法，例如放大、振荡、差动、补偿、调制、编码、扫描、外差、频率谱分析等。现代技术的进步超越了传统的学科界限，形成了彼此间的渗透和结合。光学技术处理的光信号也相继或独立发展或移植引入，形成了类似的许多变换方法。只不过这些变换方法不仅要针对时间域中的时变光信号，更广泛的是针对空间域里的空变光信号。因此对应的信号变换和分类方法显得更为复杂。本书对光电信号变换方法分类的基本思路是“二纵三横”。首先把光电信号按载波光的属性纵向划分为两大类，即基于几何光学原理(包括直射、反射、折射、成像和光能、吸收以及传输介质的参数等)的非相干光变换和基于物理光学原理（包括干涉、衍射、偏振、散斑、分光、光谱和光外差等）的相干光变换。其次是按照光信号的时间、空间和频率谱属性横向划分为三大类，即时间域、空间域和时空频域。时间域包括时变和时不变，空间域包括点位、平面、立体以及时空域（空间光信号随时间变化）。时空频域包括时变光信号的一维傅里叶频域分析和空间光信号的二维傅里叶频谱分析以及光学系统的传递函数等。在前述分类基础上结合上述电信号变换方法再进一步分类。

    3 致力于将光电技术课程建立在信号和系统分析的信息理论基础上光电信息技术涉及光、机、电子和计算机多个领域。它们各自具有独立的结构形态和不同的描述方式。共同的是被它们传递的信息和描述信息的传递函数。构建光电系统各组成单元及整个系统的数学物理模型，以信息的传递通道为线索，用传递函数和框图的方法对各环节或系统进行抽象的整体描述和分析，是分析和综合此类综合系统的理想选择。对系统综合传递函数的分解和综合是进行新的系统设计和对已有系统进行运行品质评价的重要理论手段。本书以信号和系统分析为主线，贯穿教材始终，起到纲领性的作用。在可能的条件下尽力采用这样的描述方式，希望能对提高光电信息技术课程的综合素质有所裨益。

    4 注重教材内容的先进性视觉是人类获取客观信息的主要手段。当今光电技术的发展在广度和深度上都极大地扩展了人类的视觉领域，把透视、远视、微视、体视、潜视和暗视等视觉能力延伸发展到令人赞叹的地步。随着半导体、计算机和集成微光机电技术的发展，视觉机器的智能化、光机电计算机的一体化、传统光学仪器的自动化和微型化、非光现象的可视化、光电技术应用的多样化等已经或正在实现，成为信息技术领域的生力军。教材应该与时俱进，在内容的选择上要尽力反映光电信息技术的新技术、新方法。为此，本书的再版做了一些改编。在变换方法篇尽可能地归纳和整理一些新的光电方法。在技术应用篇介绍了一些典型的光电信息系统，包括光电信号的生成、传输、探测、传感、检测、处理、显示和存储等八个方面。这些内容的选择希望具有典型性；能反映当代光电技术的发展水平；是已介绍过的变换方法的深化和延伸，起到前后呼应的关联作用；此外，对这些新技术的了解有助于扩大眼界，起到借鉴、模仿和引导的作用。

    5 致力于教材内容的实用性本书介绍的许多光电信号的变换技巧和实施方法有助于进行光电系统的分析和设计，具有工程设计的实用性。对已有的光电系统，可以利用已掌握的知识，首先分析和找到它们的信号变换方法，也就是关键技术点。这样就容易了解系统的工作原理和组成单元的功能，进而可对整个系统进行分析和评估。对于需要研制的新系统，应该根据任务的要求，综合利用这些变换方法进行合理、巧妙的再组合，提出正确的解决方案。有时即使采用排列组合的选择做法，也有可能找到某个技术空白点，获得创新的结果。在此基础上再参阅有关的国内外参考资料，就可以事半功倍地确定较为先进可行的设计方案。总之，编写本书的目的是希望学生能初步掌握“拿来系统能分析，新的系统会设计”的能力。

    光电信息技术是21世纪魅力的信息前沿技术之一。光机电一体化高科技产业是推动国民经济发展的朝阳产业。因此，光电信息技术后备力量和多层次创新人才的培养已成为高等学校相关专业的当务之急。相应的教材建设更是其基础条件之一。本书可作为高等学校光电信息科学与工程、计量测试仪器、光学技术与仪器、光电检测仪器、机械电子工程、电子科学与技术等专业本科生及研究生教材，也可作为从事光电信息技术领域科学研究、技术开发和产品制造的工程人员的参考资料。

    本书第1版的编者之一，原长春光机学院刘正飞教授因年事已高，未能参加再版的编写工作。他为本书的编著做出了可贵的开创工作，他的许多教学思路和教材内容得以延续。本书再版由清华大学孙培懋、李岩和何树荣三位教授共同编著。孙培懋教授制定了教材大纲，编写了第五、七、八、九、十章的大部分内容，并统编和审阅了其他章节；李岩教授编写了、二、六章，负责全书编写的组织工作；何树荣教授编写了第三、四章和第二章第四节、第九章第四节、第十章第四节，并完成了全书文稿的审核工作；博士研究生杨宏雷为本书做了文献检索、文稿编辑及部分修订工作；博士研究生张弘元、赵世杰、陈琨、张琰、杨丽君参与了本书的修订、校对工作。

    借此机会，编者对美国工程院院士、麻省理工学院RH金士顿教授、日本东京大学植村恒义教授和日本农工大学吉泽辙教授致以衷心的谢意。他们不止一次赠送给编者有关光电技术的教材和专著，对本书的构思和编著起到了重要作用。同时，对在编者负责组织的两次“国际光电子科学和工程学术会议”（1989年和1994年于北京）期间给予关键性支持的国内外专家表示迟到的感谢，他们是辻内顺平和山口一郎教授（日本）、Ting Ye Lee和 Hua Kuang Liu 教授(美籍华人)，以及张明文教授（中国台湾）。中国工程院院士金国藩教授在百忙之中为本书撰写了序言；中国计量大学张再宣教授对本书的出版给予了支持和鼓励，谨向他们致以诚挚的谢意。机械工业出版社吉玲编辑和王荣编辑认真、细致地审核了全部文稿，提出了许多宝贵的意见和建议，对本书的出版做出了很大贡献，仅向她们表示感谢。本书的部分内容是编者的科研工作总结和教学工作心得，许多内容还参考了国内外的文献和论文，在此一并向所有对本书的出版提供帮助的同行表示衷心感谢。后，编者以感恩的心情，衷心地感谢所有我认识和认识我的各位领导、同事、朋友和亲人。在人生的各个阶段，是他们给予了无私的指导、帮助、鼓励和支持，祝愿他们生活幸福、安康，好人一生平安。

    由于编者学识有限，再加上光电技术的飞快发展，本书一定存在许多不当和未及之处，诚恳希望得到有关专家、朋友的不吝指正，以便有机会改正。

    编者

本书是1992年由本社出版的高等学校试用教材“光电技术”的再版。教材内容包括：基础理论、器件电路、变换方法和技术应用等四个部分。全书共分10章，涉及光电信号的形成、传输、探测、传感、检测、处理、显示和存储等八个技术领域。书中对光电信号的变换提出了纵向按相干光和非相干光，横向按时域、空域和频域划分的分类方法。并以信号和系统分析为主线，贯穿于教材始终。此次修订增加了一些分析及设计光电系统的新方法和技巧，介绍了光电技术的新应用和新发展。教材内容新颖、理论联系实际，力求体现系统性、科学性、先进性和实用性。

序言

前言

绪论

一、光电技术的发展

二、光电信息系统

三、光电技术和光电检测

四、光电技术的特点、应用和发展

章光电器件的物理基础

节*光辐射的概念和

量度学中的参量

一、电磁波谱和光子能量公式

二、辐射量和光度量

三、辐射量和光度量之间的换算

四、朗伯余弦定律

第二节半导体的基础知识

一、能带理论

二、半导体对光的吸收

第三节光电器件的物理效应

一、光子效应

二、*光热效应

思考题与习题

第二章光电探测器件

节光电探测器的基本特性

一、光电探测器的基本性能参数

二、光电探测器的噪声

第二节光电导探测器件

一、光电导探测器的原理、

分类和基本结构

二、光敏电阻的主要特性

三、光敏电阻的微变等效电路

四、光电导探测器的特点和应用

五、使用要点

第三节光伏探测器件

一、硅光电池

二、硅光敏二极管

三、硅光敏晶体管

四、PIN光敏二极管

五、雪崩光敏二极管

六、结型光电器件的特性和参数

七、使用要点

第四节光电倍增管

一、电真空光电倍增管

二、固态硅光电倍增管

第五节*光电组合器件

一、阵列式探测器

二、光电位敏传感器

三、光耦合器

思考题与习题

第三章光电成像器件

节*像管

一、像管的结构和原理

二、变像管

三、图像增强管

第二节摄像管

一、摄像管的主要参量

二、光电导式摄像管(视像管)

三、光电发射式摄像管

第三节固体摄像器件

一、电荷耦合器件（CCD）

二、CMOS图像传感器

三、*接触式图像传感器（CIS）

思考题与习题

第四章发光和显像器件

节发光器件

一、*激光器

二、半导体发光二极管

三、有机发光二极管（OLED）

第二节显像器件和发光

显示阵列

一、显示器的性能参数

二、*电真空阴极射线管型显示器

三、发光二极管显示屏

四、液晶显示器件

五、等离子体显示器

六、有机发光显示器

思考题与习题

第五章光控制器件

节非光量光调制器件

一、光调制的类型

二、电光调制器

三、声光调制和偏转器

四、磁光调制和隔离器件

第二节*空间光调制器

一、空间光调制器的基本概念

二、常用的空间光调制器

第三节*光放大器

一、光放大器简述

二、常用的光放大器

思考题与习题

第六章*热电探测和成像器件

节热电探测器的热力学特性

一、热流方程

二、热电探测器件的共性

三、红外探测器的分类和性能指标

第二节热电探测器

一、温差电偶与温差电堆

二、测辐射热计

三、 热释电器件

第三节红外成像器件

一、热释电摄像管

二、红外焦平面探测器件

思考题与习题

第七章光电检测电路的分析和设计

节*光电检测电路的

静态设计

一、光电检测器件的选择要点

二、恒流源型光电器件输入电路

的静态计算

三、光伏型光电器件输入电路的

静态计算

四、可变电阻型光电器件输入

电路的静态计算

五、检测器件和放大电路的连接

第二节光电检测电路的动态设计

一、输入电路动态工作状态的计算

二、光电检测电路的频率特性

第三节光电检测电路的噪声估算

一、检测电路的噪声等效处理

二、典型光电检测电路的噪声估算

三、前置放大器的应用实例

思考题与习题

第八章非相干光信号的几何

变换光电方法

节非相干光的直接探测

一、非相干光直接探测的基本

原理和特性

二、点位型时变光信号的直接探测

第二节时变光信号的调制和解调

一、调制和解调的基本概念

二、典型调制的原理和光学调制

三、调制信号的解调

第三节光电扫描技术

一、光电扫描的基本原理和分类

二、典型的扫描方法和扫描装置

三、光电扫描技术的应用实例

第四节简单光学目标的空间

定位和光电准直

一、简单光学目标的空间定位

二、光电准直技术

第五节光电一维尺寸测量方法

一、光电瞄准和扫描测长技术

二、线阵CCD的一维尺寸测量

第六节光电二维平面图像

测量方法

一、 光电二维扫描检测

二、电视图像测量

第七节*光电三维立体

图像测量方法

一、轴向距离测量

二、表面形状的三维测量

三、宏观实体的三维测量

第八节*光电编码技术

一、光电编码