光電探測技術(shù)與系統(tǒng)

前言

　　光電信息技術(shù)是由光學(xué)、光電子、微電子等技術(shù)結(jié)合而成的多學(xué)科綜合技術(shù)，涉及光信息的輻射（產(chǎn)生）、傳輸、探測以及光電信息的轉(zhuǎn)換、存儲、處理和顯示等內(nèi)容，它是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的一個主方向，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟和國防建設(shè)的各個領(lǐng)域?！　」怆娞綔y技術(shù)是光電信息技術(shù)的源頭。隨著激光技術(shù)、光波導(dǎo)技術(shù)、光電子技術(shù)、光纖技術(shù)、計算機技術(shù)的發(fā)展，以及傅里葉光學(xué)、現(xiàn)代光學(xué)、二元光學(xué)和微光學(xué)的出現(xiàn)和發(fā)展，光電探測技術(shù)無論是探測方法、原理、精度和效率，還是其適用的領(lǐng)域或范圍都獲得了巨大的發(fā)展?！　檫m應(yīng)“光信息科學(xué)與技術(shù)”和“測控技術(shù)與儀器”專業(yè)基礎(chǔ)教學(xué)的需要，在“重基礎(chǔ)、寬口徑、誘導(dǎo)科研潛能”的指導(dǎo)思想下，編著者在講義和教案的基礎(chǔ)上，編寫了《光電探測技術(shù)與系統(tǒng)》這本書，力求全面、系統(tǒng)地介紹光電探測技術(shù)與系統(tǒng)的有關(guān)知識、方法、原理和典型應(yīng)用。　　本書可作為大學(xué)“測控技術(shù)與儀器”和“光信息科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的教學(xué)用書，也可供自動控制、光機電一體化、應(yīng)用物理等專業(yè)師生及相關(guān)專業(yè)技術(shù)人員參考。為便于教學(xué)，本書配有電子教學(xué)課件，任課教師可從華信教育資源網(wǎng)（www.hxedu.com.cn）免費下載?！　∪珪譃?章，各章內(nèi)容安排如下：　　第1章為緒論，簡要介紹信息技術(shù)、光電信息技術(shù)及光電探測技術(shù)的概念，光電傳感器的原理和類型，光電探測系統(tǒng)的構(gòu)成及分類，經(jīng)典的光電探測系統(tǒng)，光電探測系統(tǒng)的特點，以及光電探測技術(shù)的發(fā)展趨勢。　　第2章主要探討光輻射和光源技術(shù)，著重介紹黑體輻射、激光器和光調(diào)制器?！　〉?章講述光路中的光學(xué)規(guī)律與光學(xué)器件，具體內(nèi)容包括：光路中的各種光現(xiàn)象（如反射、折射、干涉、偏振等），光學(xué)系統(tǒng)（涉及濾光片、光柵、單色儀和干涉儀等），光束定向技術(shù)和掃描器，光在大氣中的傳播與衰減，等等。　　第4章介紹十多種光電探測器件，包括光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光電晶體管、光電池、位敏傳感器、熱釋電、熱電偶、光柵尺、光電編碼器等，并分析光電探測器的特性及光電探測模式。　　第5章主要討論改善和提高光電探測系統(tǒng)信噪比的技術(shù)?！　〉?章介紹光電成像探測傳感器，主要包括CCD、熱釋電器件及其他成像傳感器，并討論光電成像的特性參數(shù)?！　〉?章介紹光電探測系統(tǒng)中產(chǎn)生最早、精度最高、發(fā)展最快的一類探測技術(shù)——光譜分析?！　〉?章介紹光纖傳感技術(shù)與系統(tǒng)，內(nèi)容包括光纖測試技術(shù)基礎(chǔ)，各類光纖傳感器的原理和實現(xiàn)，光纖布拉格光柵傳感器?！　〉?章簡要介紹光電探測系統(tǒng)在生活、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等方面的典型應(yīng)用?！　”緯筛缎?、牛建軍和陳靖編著，其中第1～4章和第7章由付小寧編寫，第6章和第8章由牛建軍編寫，第5章和第9章由陳靖編寫，最后由付小寧、牛建軍統(tǒng)稿。本書的主審由測控技術(shù)與儀器專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)委員會趙建教授和西安石油大學(xué)黨瑞榮教授擔(dān)任?！　≡诩磳⒊霭嬷H，特別感謝西安電子科技大學(xué)劉上乾教授，他是本書作者進入光電探測技術(shù)領(lǐng)域的直接領(lǐng)路人。特別感謝趙建教授、黨瑞榮教授對書稿的認(rèn)真校閱和建設(shè)性意見。在成書過程中，研究生王荻承擔(dān)了大量的圖片繪制工作，謹(jǐn)在此表示感謝。最后，感謝本行業(yè)開拓者的貢獻，感謝國內(nèi)外先行者的工作，感謝幾年來聽過這門課的各位同學(xué)，感謝與編著者討論過相關(guān)領(lǐng)域問題的各位同行、同學(xué)與老師，他們是編著者完成本書稿的精神支撐。

內(nèi)容概要

　　《光電探測技術(shù)與系統(tǒng)》根據(jù)“光信息科學(xué)與技術(shù)”和“測控技術(shù)與儀器”專業(yè)的教學(xué)要求，本著“重基礎(chǔ)、寬口徑、誘導(dǎo)科研潛能”的指導(dǎo)思想，全面、系統(tǒng)地介紹了光電檢探測技術(shù)與系統(tǒng)的概念、原理、方法和典型應(yīng)用，主要內(nèi)容包括：光輻射和光源技術(shù)，光路中的光學(xué)規(guī)律和光學(xué)器件，光電探測器件與探測模式，光電探測系統(tǒng)的信噪比增強技術(shù)，光電成像傳感技術(shù)（包括CCD、熱釋電攝像管等），光譜分析技術(shù)，光纖傳感器的原理和實現(xiàn)，光纖布拉格光柵傳感器，以及光電探測系統(tǒng)的典型應(yīng)用?！　　豆怆娞綔y技術(shù)與系統(tǒng)》可作為大學(xué)“測控技術(shù)與儀器”和“光信息科學(xué)與技術(shù)”專業(yè)的教學(xué)用書，也可供自動控制，光機電一體化，應(yīng)用物理等專業(yè)教學(xué)使用或相關(guān)專業(yè)人員參考。

書籍目錄

第1章 緒論 11.1 信息與信息技術(shù) 11.2 現(xiàn)代信息技術(shù)與光電探測 21.3 光電探測（傳感）器 31.4 光電探測系統(tǒng)的構(gòu)成及分類 41.5 經(jīng)典的光電探測系統(tǒng)及光電探測系統(tǒng)的特點 51.5.1 經(jīng)典的光電探測系統(tǒng) 51.5.2 光電探測系統(tǒng)的特點 101.6 光電探測系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 11復(fù)習(xí)與思考題 11參考文獻 12第2章 光輻射與光源 132.1 電磁波與光輻射 132.1.1 電磁波的性質(zhì)與電磁波譜 132.1.2 光輻射 142.2 光輻射的度量 142.2.1 輻射量 152.2.2 光度量 162.3 黑體輻射 172.3.1 單色吸收比和單色反射比 172.3.2 基爾霍夫輻射定律 182.3.3 普朗克公式 182.3.4 維恩位移定律 192.3.5 斯忒藩-玻耳茲曼定律 202.3.6 色溫 202.4 光源 202.4.1 光源特征及描述 212.4.2 幾種典型的光源 212.4.3 激光器 232.5 光源調(diào)制與旋光效應(yīng)調(diào)制器 282.5.1 幾種常見的調(diào)制技術(shù) 302.5.2 旋光效應(yīng)調(diào)制器 31復(fù)習(xí)與思考題 37參考文獻 37第3章 光路分析與光學(xué)器件 393.1 基本光學(xué)關(guān)系式 393.1.1 守恒定律 393.1.2 反射和折射定律 393.1.3 界面反射損失 403.1.4 吸收定律 403.2 光路中的光現(xiàn)象 413.2.1 波的疊加 423.2.2 光的偏振態(tài)與旋光 463.2.3 散射 513.3 光學(xué)元件 543.3.1 成像與導(dǎo)光元件 543.3.2 濾光與分光器件 553.3.3 單色儀、多色儀和干涉儀 563.4 光束掃描 603.4.1 機械掃描 603.4.2 電光掃描 613.4.3 聲光掃描 613.5 大氣調(diào)光——光在大氣中的傳播與衰減 623.5.1 大氣衰減 633.5.2 大氣湍流效應(yīng) 653.5.3 自適應(yīng)光學(xué) 673.5.4 路徑輻射 683.6 光路設(shè)計軟件簡介 68復(fù)習(xí)與思考題 69參考文獻 70第4章 光電探測器與光電探測模式 714.1 常見光子探測器 714.1.1 外光電效應(yīng)器件 714.1.2 內(nèi)光電效應(yīng)器件 744.2 常見熱探測器 814.2.1 熱阻效應(yīng) 814.2.2 熱伏效應(yīng) 844.3 其他光電探測器 864.3.1 傳感器結(jié)構(gòu)的改進 864.3.2 新材料或新工藝的引入 894.3.3 新原理的采用 894.4 光電探測器的特性 904.4.1 靈敏度 904.4.2 信噪比特性 914.4.3 跟蹤入射信號的能力 934.4.4 伏安特性 944.4.5 溫度特性 944.5 光電直接檢測系統(tǒng)和相干檢測系統(tǒng) 954.5.1 光電直接檢測系統(tǒng) 954.5.2 光電相干檢測系統(tǒng) 974.6 小結(jié) 99復(fù)習(xí)與思考題 100參考文獻 100第5章 光電探測系統(tǒng)的信噪比 1015.1 信噪比的概念 1015.1.1 噪聲對測量的影響 1015.1.2 噪聲的類型 1015.2 噪聲源 1025.2.1 幾種典型的內(nèi)部噪聲 1035.2.2 典型傳感器的噪聲分析 1045.3 信噪比與系統(tǒng)參數(shù) 1075.3.1 探測系統(tǒng)放大器的噪聲系數(shù) 1075.3.2 噪聲等效帶寬 1095.3.3 紅外成像系統(tǒng)的溫度分辨率 1095.4 信噪比改善技術(shù) 1125.4.1 頻域處理 1125.4.2 背景和信號的水平調(diào)整 1135.4.3 光子計數(shù) 1135.4.4 基于調(diào)制的改善技術(shù) 1145.4.5 雙光束、雙通道技術(shù) 1185.4.6 時域濾波技術(shù) 1195.4.7 基于多陣列信號處理技術(shù) 1205.4.8 其他技術(shù) 121復(fù)習(xí)與思考題 121參考文獻 122第6章 光電成像探測傳感器 1236.1 光電成像器件的發(fā)展與分類 1236.2 光電成像系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu) 1246.2.1 光學(xué)系統(tǒng) 1256.2.2 掃描器 1266.2.3 探測器和制冷器 1276.2.4 圖像處理及分析 1286.3 電荷耦合器件 1286.3.1 CCD的工作原理 1286.3.2 電荷傳輸器件簡介 1316.3.3 CCD的特性參數(shù)與驅(qū)動 1346.4 熱釋電攝像管 1366.4.1 熱釋電攝像的物理原理 1366.4.2 熱釋電攝像管的結(jié)構(gòu)及工作原理 1386.4.3 熱釋電的常用技術(shù) 1416.5 其他成像探測器 1426.5.1 視像管 1426.5.2 硅靶攝像管 1466.5.3 光電發(fā)射式攝像管 1476.5.4 微光像增強器 1486.5.5 微光攝像CCD器件 1506.6 光電成像的特性參數(shù) 1516.6.1 光電轉(zhuǎn)換特性 1516.6.2 時間響應(yīng)特性 1526.6.3 噪聲特性 1536.6.4 光學(xué)特性 156復(fù)習(xí)與思考題 158參考文獻 159第7章 光譜分析簡介 1607.1 光譜學(xué)的產(chǎn)生和發(fā)展 1607.2 光譜學(xué)的內(nèi)容 1617.2.1 原子光譜和分子光譜 1617.2.2 發(fā)射光譜學(xué)及發(fā)光光譜學(xué) 1617.2.3 吸收光譜學(xué) 1647.2.4 散射光譜學(xué) 1667.3 光譜分析儀家族及系統(tǒng)參數(shù) 1687.3.1 看譜儀 1687.3.2 攝譜儀 1687.3.3 單色儀 1697.3.4 光電直讀光譜儀 1697.3.5 分光光度計 1727.4 光譜分析儀的技術(shù)和方法 1737.4.1 外標(biāo)校正 1737.4.2 光譜分析的系統(tǒng)誤差 1737.4.3 光譜分析的偶然誤差 1747.4.4 光譜分析系統(tǒng)的幾個常用性能參數(shù) 1757.4.5 減小誤差的一些方法 1767.5 光譜分析新技術(shù) 1787.5.1 傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR） 1787.5.2 激光喇曼分光光度計 1807.6 X射線衍射技術(shù) 182復(fù)習(xí)與思考題 184參考文獻 184第8章 光纖傳感技術(shù)與系統(tǒng) 1868.1 光纖測試技術(shù)基礎(chǔ) 1868.1.1 光纖結(jié)構(gòu) 1868.1.2 光纖類型 1888.1.3 光纖傳輸特性 1908.1.4 單模光纖的偏振與模式雙折射 1938.1.5 光纖的連接耦合技術(shù) 1948.2 光纖傳感器的原理與實現(xiàn) 1998.2.1 強度調(diào)制光纖傳感器 2008.2.2 相位調(diào)制光纖傳感器 2038.2.3 頻率調(diào)制光纖傳感器 2068.2.4 偏振調(diào)制光纖傳感器 2088.2.5 波長調(diào)制光纖傳感器 2118.3 光纖布拉格光柵傳感器 2128.3.1 傳感原理 2138.3.2 解調(diào)技術(shù) 2158.3.3 封裝增敏和復(fù)用技術(shù) 215復(fù)習(xí)與思考題 215參考文獻 216第9章 光電探測系統(tǒng)的典型應(yīng)用 2179.1 在生活中的應(yīng)用 2179.1.1 在服裝方面的應(yīng)用 2179.1.2 在食品、保健品、藥品方面的應(yīng)用 2199.1.3 在居住、環(huán)境、環(huán)保方面的應(yīng)用 2209.1.4 在交通方面的應(yīng)用 2229.2 在安全及軍事方面的應(yīng)用 2239.2.1 在安全方面的應(yīng)用 2239.2.2 在軍事方面的應(yīng)用 2249.3 在工業(yè)方面的應(yīng)用 2289.3.1 光束檢測 2289.3.2 紅外成像檢測 2289.3.3 激光檢測 2299.4 在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用 230附錄 光電探測與諾貝爾科學(xué)獎 231復(fù)習(xí)與思考題 234參考文獻 234

章節(jié)摘錄

　　物質(zhì)、能量和信息是人類對客觀世界認(rèn)識的三個層面。其中，能量是物質(zhì)的屬性，也是物質(zhì)的存在方式，信息則是客觀世界與主觀世界相聯(lián)系的產(chǎn)物。信息的變化和轉(zhuǎn)移伴隨著能量的變化，信息作用于認(rèn)識的主體和客體之間，使人類能夠更好地認(rèn)識物質(zhì)與能量之間的關(guān)系?！　⌒畔⒌奶攸c有：（1）信息依附于載體而存在，通過對載體的作用可以獲取信息，也可將信息存儲（寄載）在某個載體上；（2）信息是可以共享的，信息本身不會因為共享而受到損失；（3）信息是可以被處理的。除能夠被存儲外，信息還可以被加工、傳輸，甚至可以轉(zhuǎn)換形態(tài)，特別是經(jīng)過人腦的分析、綜合和提煉而增值；（4）信息具有時效性?！　⌒畔⒓夹g(shù)是指有關(guān)信息的收集、識別、提取、變換、存儲、處理、檢索、檢測、分析和利用等的技術(shù)?！　?.感測與識別技術(shù)　　它的作用是擴展人類獲取信息的感覺器官功能，包括信息識別、信息提取、信息檢測等技術(shù)。這類技術(shù)的總稱是“傳感技術(shù)”，它幾乎可以擴展人類所有感覺器官的傳感功能。傳感技術(shù)、測量技術(shù)與通信技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的遙感技術(shù)，更使人類感知信息的能力進一步加強。　　信息識別包括文字識別、語音識別和圖形識別等，相應(yīng)的實現(xiàn)技術(shù)稱做“模式識別”?！　?.信息傳遞技術(shù)　　它的主要功能是實現(xiàn)快速、可靠、安全地轉(zhuǎn)移信息。信息傳遞類似于人的神經(jīng)系統(tǒng)，其物理實質(zhì)是通過“場”或其他物理媒介將信息從一個位置傳送到另外一個位置的過程，也稱通信。它使得遙感、遙測成為可能，能夠避免人們直接暴露于危害信號或危險環(huán)境之中。通過信息傳輸系統(tǒng)的設(shè)計，可以有效降低探測系統(tǒng)的成本、提高工作效率?！　「鞣N通信技術(shù)（如廣播電視技術(shù)、GsM）都屬于這個范疇。存儲、記錄可以被看成是從“現(xiàn)在”向“未來”或從“過去”向“現(xiàn)在”傳遞信息的一種活動，因而它們也可以看做是信息傳遞技術(shù)的一個特例?！　?.信息處理與再生技術(shù)　　它是對信息的綜合分析或進一步提煉。信息處理類似于人的大腦系統(tǒng)，包括對信息的編碼、分析、加密等。

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