光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

前言

　　光電檢測(cè)技術(shù)是將光學(xué)與電子學(xué)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門(mén)新興檢測(cè)技術(shù)，它展現(xiàn)出測(cè)量精度高、速度快、非接觸、自動(dòng)化程度高等突出的特點(diǎn)。特別是近年來(lái)，各種新型光電探測(cè)器件的出現(xiàn)，以及電子技術(shù)和微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使光電檢測(cè)技術(shù)的內(nèi)容更加豐富，應(yīng)用越來(lái)越廣，目前已滲透到幾乎所有工業(yè)和科研部門(mén)?！　　肮怆姍z測(cè)技術(shù)”課程在許多高等工科院校的光學(xué)技術(shù)與光電儀器、檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化儀表、光電子技術(shù)、測(cè)控技術(shù)與儀器、光電信息工程、光學(xué)工程等專業(yè)都被選定為主修課程。全國(guó)高等院校儀器儀表類教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)曾建議編寫(xiě)“光電檢測(cè)技術(shù)”教材，因此，編者聯(lián)合四川大學(xué)測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè)教師編寫(xiě)此教材?！　】紤]到篇幅有限，本書(shū)主要介紹：光電檢測(cè)系統(tǒng)基本構(gòu)成和原理（第1章）、光電檢測(cè)用光源（第2章）、光電探測(cè)器（第3，4，5章）、光電成像器件（第6章）、光電檢測(cè)方法及系統(tǒng)（第7章和第8章），另外，為加深理解及開(kāi)拓視野，最后兩章（第9、10章）介紹了光電檢測(cè)技術(shù)目前較新的綜合應(yīng)用系統(tǒng)?！　”緯?shū)從幾個(gè)實(shí)例出發(fā)，引出一般光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)組成，然后分章節(jié)從一般光電系統(tǒng)的單元器件、成像器件、非相干光電檢測(cè)方法、相干檢測(cè)方法和典型系統(tǒng)，到學(xué)科方向較為前沿的現(xiàn)代光電檢測(cè)技術(shù)，均有系統(tǒng)的介紹，即采用從系統(tǒng)到單元技術(shù)再到系統(tǒng)的編排體系。在結(jié)構(gòu)體系上，本教材根據(jù)多位長(zhǎng)期任課教師的授課經(jīng)驗(yàn)與專家的意見(jiàn)，并結(jié)合目前較新的實(shí)際應(yīng)用編寫(xiě)，安排較為流暢，學(xué)生易于理解；在內(nèi)容上，本教材將理論與應(yīng)用密切結(jié)合，對(duì)比編排，圖表結(jié)合，論述深入淺出，并收集了許多近年來(lái)光電檢測(cè)技術(shù)的相關(guān)資料和科研成果，極具使用價(jià)值和參考價(jià)值?！　”緯?shū)由電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院周秀云主編，四川大學(xué)激光應(yīng)用研究所張濤任副主編。第1，2，3，4，5，7，8章由周秀云編寫(xiě)；第6章由四川大學(xué)激光應(yīng)用研究所尹伯彪編寫(xiě)；第9，10章由張濤、尹伯彪、黃建國(guó)和周秀云共同編寫(xiě)。全書(shū)由電子科技大學(xué)吳健教授主審，參加審稿的還有電子科技大學(xué)黃建國(guó)教授和四川大學(xué)張濤副教授?！　”緯?shū)參閱了大量的參考資料，這些資料中卓越的研究成果，使本書(shū)內(nèi)容更加豐滿，在此向有關(guān)作者表示感謝?！　∮捎谒接邢?，加之時(shí)間倉(cāng)促，現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展很快，書(shū)中難免存在錯(cuò)漏或不足之處，懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　共分10章，理論與實(shí)踐相結(jié)合，主要內(nèi)容有：光電檢測(cè)技術(shù)概述、光電檢測(cè)常用光源、光電探測(cè)器概述及光電導(dǎo)探測(cè)器、光伏特探測(cè)器、光電發(fā)射器件、光電成像器件、非相干檢測(cè)方法與系統(tǒng)、相干檢測(cè)方法與系統(tǒng)、光電檢測(cè)技術(shù)的典型應(yīng)用。概括地講，《光電檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》內(nèi)容包含4部分，即理論基礎(chǔ)、各類電光與光電器件、光電變換檢測(cè)技術(shù)與方法、典型應(yīng)用?！豆怆姍z測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》配有免費(fèi)電子課件?！　　豆怆姍z測(cè)技術(shù)及應(yīng)用》實(shí)用性強(qiáng)，適用面廣，可作為高等院校光學(xué)技術(shù)與光電儀器、檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化儀表、光電子技術(shù)、測(cè)控技術(shù)與儀器、光電信息工程、光學(xué)工程等專業(yè)的本科生和研究生教材，也是從事以上相關(guān)專業(yè)的工程技術(shù)人員與科技人員的參考書(shū)。本教材所介紹的測(cè)試技術(shù)，不僅適用于光電，測(cè)控技術(shù)與儀器行業(yè)，對(duì)機(jī)械、輕工、航天、計(jì)量、測(cè)繪等相關(guān)行業(yè)也有價(jià)值。

書(shū)籍目錄

第1章　概述?。?）1.1　引言　（1）1.2　光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成和工作原理?。?）1.2.1　光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成?。?）1.2.2　光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理　（5）1.2.3　光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式?。?）1.3　光電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展?。?）習(xí)題與思考題　（11）第2章　光電檢測(cè)用光源　（12）2.1　光的產(chǎn)生及光源分類?。?2）2.1.1　光的本質(zhì)及產(chǎn)生?。?2）2.1.2　光源分類?。?3）2.2　光源的基本特性參數(shù)?。?3）2.2.1　輻射效率和發(fā)光效率?。?4）2.2.2　光譜功率分布?。?4）2.2.3　空間光強(qiáng)分布?。?5）2.2.4　光源的色溫?。?5）2.2.5　光源的顏色　（16）2.3　光電檢測(cè)常用光源?。?6）2.3.1　熱輻射光源?。?6）2.3.2　氣體放電光源　（18）2.3.3　固體發(fā)光光源?。?9）2.3.4　激光器　（26）習(xí)題與思考題?。?0）第3章　光電探測(cè)器概述及光電導(dǎo)探測(cè)器?。?1）3.1　光探測(cè)器的物理基礎(chǔ)?。?1）3.1.1　光電效應(yīng)和光熱效應(yīng)　（32）3.1.2　光電轉(zhuǎn)換定律?。?3）3.2　光電探測(cè)器的特性參數(shù)?。?3）3.2.1　量子效率　（33）3.2.2　靈敏度?。?4）3.2.3　響應(yīng)時(shí)間?。?5）3.2.4　噪聲等效功率NEP和探測(cè)率D *?。?6）3.2.5　線性度?。?7）3.2.6　探測(cè)器噪聲?。?7）3.2.7　其他參數(shù)?。?0）3.3　光電導(dǎo)探測(cè)器　（40）3.3.1　光電導(dǎo)效應(yīng)?。?0）3.3.2　光敏電阻　（41）習(xí)題與思考題?。?1）第4章　光伏特探測(cè)器?。?3）4.1　光伏特效應(yīng)　（53）4.2　光伏探測(cè)器的工作模式?。?5）4.3　光電池　（56）4.3.1　硅光電池的基本結(jié)構(gòu)和工作原理?。?7）4.3.2　硅光電池的特性參數(shù)?。?8）4.3.3　光電池偏置電路?。?1）4.3.4　光電池的應(yīng)用　（65）4.4　硅光電二極管和硅光電三極管?。?6）4.4.1　硅光電二極管結(jié)構(gòu)及工作原理　（66）4.4.2　硅光電三極管結(jié)構(gòu)及工作原理（又稱光電晶體管）?。?7）4.4.3　硅光電二極管與硅光電三極管特性比較?。?8）4.4.4　光電二極管和三極管的偏置電路　（72）4.4.5　光電二極管和三極管的應(yīng)用?。?7）習(xí)題與思考題　（84）第5章　光電發(fā)射器件?。?5）5.1　光電發(fā)射（外光電）效應(yīng)?。?5）5.2　光電管?。?6）5.3　光電倍增管?。?7）5.3.1　光電倍增管的結(jié)構(gòu)?。?7）5.3.2　光電倍增管的主要特性參數(shù)?。?8）5.3.3　光電倍增管的供電和信號(hào)輸出電路?。?2）5.3.4　微通道板光電倍增管?。?5）5.3.5　光電倍增管的應(yīng)用?。?5）5.4　各種光電探測(cè)器件的性能比較和應(yīng)用選擇?。?7）5.4.1　接收光信號(hào)的方式?。?7）5.4.2　各種光電探測(cè)器件的性能比較?。?7）5.4.3　光電檢測(cè)器件的應(yīng)用選擇?。?8）習(xí)題與思考題?。?9）第6章　光電成像器件?。?00）6.1　光電成像器件概述?。?00）6.1.1　光電成像器件的類型　（100）6.1.2　成像原理?。?01）6.1.3　光電成像器件的基本特性?。?02）6.2　真空攝像管?。?05）6.2.1　攝像管的基本原理?。?05）6.2.2　攝像管的性能參數(shù)　（105）6.2.3　光電導(dǎo)式攝像管?。?08）6.2.4　光電發(fā)射式攝像管　（110）6.3　電荷耦合器件（CCD）?。?12）6.3.1　電荷耦合器件工作原理　（112）6.3.2　電荷耦合器件的特性參數(shù)?。?16）6.3.3　電荷耦合攝像器件（ICCD）?。?18）6.4　自掃描光電二極管陣列?。?24）6.4.1　SSPD線陣列?。?24）6.4.2　SSPD面陣列?。?28）習(xí)題與思考題　（131）第7章　非相干檢測(cè)方法與系統(tǒng)?。?32）7.1　光電信號(hào)變換及光電檢測(cè)系統(tǒng)分類概述?。?32）7.2　直接檢測(cè)系統(tǒng)　（133）7.2.1　直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本原理?。?34）7.2.2　直接檢測(cè)系統(tǒng)的基本特性　（134）7.3　隨時(shí)間變化的光電信號(hào)檢測(cè)方法及系統(tǒng)?。?36）7.3.1　幅值法?。?37）7.3.2　頻率法?。?41）7.3.3　相位和時(shí)間測(cè)量法?。?42）7.4　空間分布的光電信號(hào)檢測(cè)方法與系統(tǒng)?。?45）7.4.1　光學(xué)目標(biāo)和空間定位　（145）7.4.2　幾何中心檢測(cè)法?。?46）7.4.3　亮度中心檢測(cè)法?。?50）習(xí)題與思考題?。?58）第8章　相干檢測(cè)方法與系統(tǒng)　（159）8.1　相干檢測(cè)的基本原理?。?59）8.1.1　光學(xué)干涉和干涉測(cè)量?。?59）8.1.2　干涉測(cè)量技術(shù)中的調(diào)制和解調(diào)　（160）8.2　基本干涉系統(tǒng)及應(yīng)用?。?61）8.2.1　典型的雙光束干涉系統(tǒng)　（161）8.2.2　多光束干涉系統(tǒng)?。?63）8.2.3　光纖干涉儀　（164）8.3　同頻率相干信號(hào)的相位調(diào)制與檢測(cè)方法?。?65）8.3.1　相位調(diào)制與檢測(cè)的原理　（165）8.3.2　同頻相干信號(hào)的檢測(cè)方法?。?66）8.4　光外差檢測(cè)方法與系統(tǒng)?。?68）8.4.1　光外差檢測(cè)原理?。?68）8.4.2　光外差檢測(cè)的特性　（171）8.4.3　光外差檢測(cè)條件　（174）8.4.4　光外差檢測(cè)的調(diào)頻方法?。?76）8.4.5　光外差檢測(cè)方法與應(yīng)用?。?81）習(xí)題與思考題?。?87）第9章　光電檢測(cè)技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域的典型應(yīng)用?。?88）9.1　雙頻激光干涉儀　（188）9.1.1　雙縱模雙頻激光干涉儀的組成?。?88）9.1.2　工作原理分析　（189）9.2　表面粗糙度測(cè)量?jī)x?。?91）9.2.1　光點(diǎn)變位法（三角法）　（192）9.2.2　臨界角法?。?92）9.2.3　光纖傳感器檢測(cè)法　（194）9.2.4　激光散射法?。?96）9.3　同軸式高分辨率激光輪廓儀　（198）9.3.1　同軸式干涉輪廓儀工作原理?。?99）9.3.2　同軸式高分辨率激光干涉輪廓儀測(cè)量形狀誤差分析?。?99）9.3.3　測(cè)量精度分析?。?00）9.4　工業(yè)CT（探傷）渦流成像系統(tǒng)?。?03）9.5　CCD成像測(cè)量技術(shù)?。?05）9.5.1　CCD傳感器檢測(cè)玻璃管外徑和壁厚　（206）9.5.2　CCD鋼板計(jì)數(shù)器?。?07）9.5.3　用CCD檢測(cè)外圓直徑?。?07）習(xí)題與思考題　（209）第10章　光電檢測(cè)技術(shù)在其他方面的典型應(yīng)用（二）?。?10）10.1　光電檢測(cè)技術(shù)在環(huán)保科學(xué)研究及工程領(lǐng)域的應(yīng)用?。?10）10.1.1　光譜測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)?。?10）10.1.2　大氣質(zhì)量中煙塵量檢測(cè)?。?14）10.1.3　大氣中有害氣體含量監(jiān)測(cè)　（220）10.1.4　水質(zhì)污染監(jiān)測(cè)　（222）10.2　光電檢測(cè)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用?。?28）10.2.1　光電制導(dǎo)　（228）10.2.2　激光雷達(dá)?。?29）10.3　光電檢測(cè)技術(shù)在生物科學(xué)研究及醫(yī)療工程領(lǐng)域的應(yīng)用　（233）10.3.1　生物芯片檢測(cè)技術(shù)概述?。?33）10.3.2　生物芯片檢測(cè)裝置?。?34）10.3.3　光電式血糖儀?。?37）參考文獻(xiàn)　（239）

章節(jié)摘錄

　　光電檢測(cè)技術(shù)將待測(cè)量轉(zhuǎn)換成光學(xué)量，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，然后進(jìn)一步處理得到測(cè)量結(jié)果，是檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分。常見(jiàn)的光電檢測(cè)系統(tǒng)包括光源和照明光學(xué)系統(tǒng)、被測(cè)對(duì)象及光學(xué)變換、光信號(hào)的匹配處理、光電轉(zhuǎn)換和電信號(hào)處理幾個(gè)環(huán)節(jié)。.根據(jù)工作原理可分為基于幾何光學(xué)原理的光電檢測(cè)系統(tǒng)和基于物理（波動(dòng)）光學(xué)原理的光電檢測(cè)系統(tǒng)。　　學(xué)習(xí)目標(biāo)　　了解光電檢測(cè)技術(shù)及系統(tǒng)的定義；　　掌握光電檢測(cè)系統(tǒng)的組成及各組成環(huán)節(jié)的主要功能；　　掌握光電檢測(cè)系統(tǒng)的主要分類?！　?.1 引言　　光電檢測(cè)技術(shù)是研究光電檢測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)，所謂光電檢測(cè)系統(tǒng)，是指對(duì)待測(cè)光學(xué)量或由非光學(xué)待測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成的光學(xué)量，通過(guò)光電變換和電路處理的方法進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)。光電檢測(cè)技術(shù)是檢測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要組成部分，是光學(xué)與電子學(xué)技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門(mén)新興檢測(cè)技術(shù)，其功能是利用電子技術(shù)對(duì)光學(xué)信息進(jìn)行檢測(cè)，并進(jìn)一步傳遞、存儲(chǔ)、控制、計(jì)算和顯示等，主要包括光電變換技術(shù)、光信息獲取與光信息測(cè)量技術(shù)以及測(cè)量信息的光電處理技術(shù)等。　　從原理上講，光電檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)一切能夠影響光電或光特性的非電量，如位移、振動(dòng)、力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、流量、液位、溫度、液體濃度、混濁度、成分、角度、表面粗糙度，乃至圖像等。通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)把待檢測(cè)的非電量信息變換為便于接收的光學(xué)信息，然后用光電探測(cè)器件將光學(xué)信息量變換成電量，并進(jìn)一步經(jīng)電路放大、處理等，達(dá)到電信號(hào)輸出的目的，這些信息變換技術(shù)和電信號(hào)處理技術(shù)便是光電檢測(cè)技術(shù)的主要內(nèi)容。它們包括各種類型的光學(xué)系統(tǒng)，種類繁多、功能各異的光電探測(cè)器件，以及各種電信號(hào)處理系統(tǒng)?！　〗陙?lái)，隨著半導(dǎo)體工業(yè)的迅速發(fā)展，研究光電器件的光電子技術(shù)取得了巨大進(jìn)展，各種新型光電探測(cè)器件應(yīng)運(yùn)而生，加之伴隨出現(xiàn)的電子技術(shù)和微電腦技術(shù)的快速發(fā)展，光電檢測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)容更加豐富，應(yīng)用越來(lái)越廣，目前已滲透到幾乎所有的工業(yè)和科研部門(mén)。

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