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光电检测技术参考书目《光电检测技术》曾光宇等编著清华大学出版社《激光光电检测》吕海宝等编著国防科技大学出版社《光电检测技术》雷玉堂等编著中国计量出版社教材《光电检测技术与应用》郭培源付扬编著北京航空航天大学出版社目录第一章绪论第二章光电检测技术基础2.1光的基本性质2.2辐射与光度学量2.3半导体基础知识2.4光电效应第三章光电检测器件3.1光电器件的类型与特点3.2光电器件的基本特性参数3.3半导体光电器件•光电导器件:光敏电阻•光伏器件:光电池/光电二极管/三极管3.4真空光电器件•光电管•光电倍增管3.5热电检测器件•热敏电阻•热电偶和热电堆•热释电探测器件第四章发光、耦合和成像器件4.1发光二极管4.2激光器4.3光电耦合器件4.4CCD第五章光电检测系统5.1直接光电检测系统5.2光外差光电检测系统5.3典型的光电检测系统第六章光纤传感检测第七章光电信号的数据采集与微机接口第八章光电检测技术的典型应用第一章绪论光电检测是信息时代的关键技术信息技术:–微电子信息技术（电集成）、光子信息技术（光集成）、光电信息技术（光电集成）。–感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术。–信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。光电信息技术1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成2、光通信和综合信息网络3、光频微电子4、光电方法用于瞬态光学观测以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到：5、光电传感、光纤传感和图象传感6、激光、红外、微光探测，定向和制导7、光电精密测试，在线检测和控制技术8、混合光电信息处理、识别和图象分析光电信息技术9、光电人工智能和机器视觉10、光（电）逻辑运算和光（电）计算机及光电数据存储11、生物光子学本课程着重在第5、6、7三个方面的一些基本知识，即：光电检测的元器件、系统、方法和应用。光电检测技术检测与测量光电传感器：–基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件–将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量光电检测系统–光学变换–光电变换–电路处理定义：被测信息：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统全部操作：检测过程确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作检测的基本概念信号采集、信号处理、信号显示、信号输出物理量（光、电、力、热、磁、声、…）被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体……）检测器具化学量（PH、成份…）生物量（酶、葡萄糖、…）……例：空调机测量控制室温空气被测对象：被测信息：检测器具：操作过程：室内空气温度温度传感器---热电阻、热电偶热敏电阻电信号处理显示空调机返回直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。例如：–长度：直尺、游标卡尺、千分尺–电压：万用表–质量：天平间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数关系式计算出被测量。例如：–电功率：P=I*V（电流/电压）–重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动的周期）224TLg返回光电探测器的种类类型实例PN结PN光电二极管（Si,Ge,GaAs)PIN光电二极管（Si）雪崩光电二极管(Si,Ge)光电晶体管(Si)集成光电传感器和光电晶闸管(Si)非PN结光电元件(CdS,CdSe,Se,PbS)热电元件(PZT,LiTaO3,PbTiO3)电子管类光电管，摄像管，光电倍增管其他类色敏传感器固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置检测用元件（PSD）光电池返回光电检测系统光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过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，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。光电检测系统变换电路光电传感光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存储显示控制光学变换电路处理光电检测系统光学变换–时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽–空域变换：光学扫描–光学参量调制：光强、波长、相位、偏振–形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。光电变换–光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大–将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。电路处理–放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。光电检测系统与人操作功能比较被测物体感觉器官人脑手控被测物体光电传感微机执行机构光电传感部分相当于人身的感觉器官光电检测系统的功能分类测量检查型:–几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。–运动量：速度、加速度、振动–表面形状：光洁度、庇病、伤痕–工作过程：湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等–机械量：重量、压力、应变、压强–电学量：电流、电压、电场、磁场–光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱控制跟踪型–跟踪控制：激光制导，红外制导–数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制图象分析型–图形检测–图形分析光电检测技术的特点高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。高速度：光速是最快的。远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。光电检测方法直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法光电检测技术发展趋势纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。小型、快速的微型光、机、电检测系统。非接触、快速在线测量。微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。闭环控制的光电检测系统，实现光电测量与光电控制一体化。向人们无法触及的领域发展。光电跟踪与光电扫描测量技术。一、在工业生产领域的应用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….现代工程装备中，检测环节的成本约占50~70%光电检测技术的应用检测技术在汽车中的应用日新月异发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温车身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等二、检测技术在日常生活中的应用家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器自动感应灯：亮度检测---光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换---驻极电容传感器遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD扫描仪：文档扫描---线阵CCD红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：电子血压计：血压检测---压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪---离子传感器三、检测技术在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。美国国家导弹防御计划---NMD四、检测技术在国防领域的应用1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5.卫星红外线监测系统监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；拦截器：能识别真假弹头，敌友方“阿波罗10”：火箭部分---2077个传感器飞船部分---1218个传感器检测参数---加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学神州飞船：185台（套）仪器装置五、检测技术在航天领域的应用学习本课程的目的了解光电检测系统的基本组成，光电检测技术的特点和发展趋势。掌握光电检测器件（传感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它们的应用范围。能够根据特性参数，选择合适的光电检测器件。熟悉常用器件的性能指标。掌握直接检测与外差检测的原理和区别。了解光纤传感检测技术的原理和应用，掌握光纤的光波调制技术。掌握了解常用光电检测技术的测量、数据采集、处理和转换的方法，了解所需的元器件、仪器和相关的接口技术。本课程的学习内容光电检测器件的物理基础光电检测器件的工作原理和特性及其应用光电直接和外差检测系统光纤传感检测技术光电信号的数据采集与微机接口第二章光电检测技术基础光的基本性质辐射与光度学量半导体基础知识光电效应光的基本性质牛顿——微粒说–根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释–不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振波动理论–惠更斯、杨氏和费涅耳等–解释光的干涉和衍射现象–麦克斯韦电磁理论：光是一种电磁波光的基本性质光量子说–1900年普朗克在研究黑体辐射时，提出辐射的量子论–1905年，爱因斯坦在解释光电发射现象时提出光量子的概念–光子的能量与光的频率成正比–光具有波粒二象性辐射度的基本物理量辐射能Qe：一种以电磁波的形式发射、传播或接受的能量。单位：焦耳[J]辐射通量Φe：单位时间内通过一定面积发射、传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐射能的时间变化率。单位：瓦［Ｗ］辐射强度Ｉe：点辐射源在给定方向上通过单位立体角内的辐射通量。单位：［W/Sr］辐射度的基本物理量辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射通量。单位：［W/m2］辐射出射度Ｍe：扩展辐射源单位面积所辐射的通量（也称辐射本领）。单位：［W/m2］辐射亮度Ｌe：辐射表面定向发射的辐射强度。单位：［W/m2．Sr］光谱辐射通量Φe（λ）：辐射通量的光谱密度，即单位波长间隔内的辐射通量。基本辐射度量的名称、符号和定义方程名称符号定义方程单位符号辐射能Q,焦耳J辐射能密度焦耳／立方米Jm-3辐射通量，辐射功率瓦特W辐射强度Ｉ瓦特／球面度Wsr-1辐射亮度Ｌ瓦特／球面度平方米Wm-2sr-1辐射出射度Ｍ瓦特／平方米Wm-2辐射照度Ｅ瓦特／平方米Wm-2dvdQw/PwdtdQ/ddI/cos/2dAddLcos/dAdI＝dAdM/dAdE/光度量的最基本单位发光强度Iv：发出波长为555nm的单色辐射，在给定方向上的发光强度规定为1cd。单位：坎德拉（Candela）［cd］，它是国际单位制中七个基本单位之一。光通量Φv：光强度为1cd的均匀点光源在1sr内发出的光通量。单位：流明［lm］。光照度Ev：单位面积所接受的入射光的量，单位：勒克斯［lx］，相当于1平方米面积上接受到1个流明的光通量。光度的基本物理量光度量和辐射度量的定义、定义方程是一一对应的。辐射度量下标为e，例如Qe，Φe，Ie，Me，Ee，光度量下标为v，Qv，Φv，Iv，Lv，Mv，Ev。光度量只在可见光区（３８０－７８０nm)才有意义。辐射度量和光度量都是波长的函数。晴天阳光直射地面照度约为100000lx晴天背阴处照度约为10000lx晴天室内北窗附近照度约为2000lx晴天室内中央照度约为200lx晴天室内角落照度约为20lx阴天室外50—500lx阴天室内5—50lx月光（满月）2500lx日光灯5000lx电视机荧光屏100lx阅读书刊时所需的照度50~60lx在40W白炽灯下1m远处的照度约为30lx晴朗月夜照度约为0.2lx黑夜0.001lx半导体基础知识导体、半导体和绝缘体半导体的特性半导体的能带结构本征半导体与杂质半导体平衡和非平衡载流子载流子的