光电检测技术及应用

靠前章介绍了光电检测系统的组成及特点；第2章介绍了各类光电效应；第3章分别介绍了光电导器件、光生伏特器件、光电发射器件、热辐射探测器件、热释电器件、光电耦合器件和图像传感器件等各种光电传感器的结构、工作原理、特性参数和使用方法；第4章介绍了发光二极管、激光器等常用光源的工作原理、特性及其应用；第5章介绍了辐射信号检测的方法，如直接检测、光外差检测、基于几何光学方法的光电信息变换检测、温度检测、莫尔条纹检测，并结合实际举例说明了如何使用调制盘检测、投影放大法、光三角法、光扫描法、光焦点法等进行长、宽尺寸测量的原理；第6章介绍了常用的光电传感器如光敏电阻、光敏二极管、CCD电荷耦合器件等对应的典型电路，并举例说明了使用可编程逻辑器件进行CCD驱动的方法，视频信号的二值化处理方法，光电信号常用的辨向处理和细分电路。下篇结合长春理工大学光电工程学院光电检测技术方面的科研成果，具体与系统地描述了光电检测技术的应用；第7章讲述了光学相关探测的基本概念和应用、光学相关探测器的原理和典型电路；第8～10章讲述了光电检测技术在外形尺寸检测、位移量检测、外观检测方面的应用；靠前1章讲述了光导纤维的基本知识以及光纤传感器的原理和应用；靠前2章讲述了光电检测技术的综合应用，如光电多功能二维自动检测系统、曲臂光电综合测量系统、激光扫描圆度误差测量系统、飞轮齿圈总成圆跳动非接触检测系统、座圈尺寸光电非接触测量系统、管道直线度光电检测系统。

前言
上篇基础理论篇
第1章绪论
第2章光电检测技术基础
2.1辐射度量和光度量
2.1.1光的基本概念
2.1.2辐射度量
2.1.3光度量
2.2半导体物理基础
2.2.1半导体的特性
2.2.2能带理论
2.2.3半导体的导电结构
2.2.4载流子的运动
2.2.5半导体的PN结
2.2.6半导体对光的吸收
2.3光电效应
2.3.1光电导效应
2.3.2光生伏特效应
2.3.3外光电效应
2.4光电器件的基本参数
2.4.1有关响应方面的特性参数
2.4.2有关噪声方面的特性参数
2.4.3其他参数
思考题与习题
第3章光电检测器件
3.1光电导器件
3.1.1光敏电阻的原理与结构
3.1.2典型光敏电阻
3.1.3光敏电阻的基本特性
3.2光生伏特器件
3.2.1光敏二极管
3.2.2硅光电池
3.2.3光敏晶体管
3.2.4色敏光生伏特器件
3.2.5光生伏特器件组合件
3.2.6光电位置敏感器件
3.3光电发射器件
3.3.1光电倍增管
3.3.2真空光电管
3.4热辐射探测器件
3.4.1热敏电阻
3.4.2热电偶探测器
3.4.3热电堆探测器
3.5热释电器件
3.5.1热释电器件的基本工作原理
3.5.2热释电器件的电压灵敏度
3.5.3热释电器件的噪声、响应时间与阻抗特性
3.5.4快速热释电探测器
3.6光耦合器件
3.6.1光耦合器件的结构与电路符号
3.6.2光耦合器件的特性参数
3.6.3光耦合器件的应用
3.7图像传感器
3.7.1图像传感器的分类
3.7.2真空摄像管
3.7.3电荷耦合器件
3.7.4CMOS图像传感器
3.7.5红外热成像
3.7.6图像的增强与变像
思考题与习题
第4章半导体发光管与激光器
4.1发光二极管
4.1.1发光二极管的发光机理
4.1.2发光二极管的应用
4.2半导体激光器
4.2.1半导体激光器的发光原理
4.2.2半导体激光器的结构
4.3几种典型的激光器
4.3.1气体激光器
4.3.2固体激光器
4.3.3染料激光器
4.3.4光纤激光器
思考题与习题
第5章辐射信号检测
5.1直接探测法
5.1.1光学系统结构
5.1.2调制盘
5.1.3调制盘对背景信号的空间滤波
5.2光外差探测法
5.2.1光外差探测原理
5.2.2光外差探测的特性
5.3几何光学方法的光电信息变换
5.3.1长、宽尺寸信息的光电变换
5.3.2位移信息的光电变换
5.3.3速度信息的光电变换
5.4空间分布光信号的检测方法
5.4.1光学目标和空间定位
5.4.2几何中心检测法
5.4.3亮度中心检测法
5.5莫尔条纹
思考题与习题
第6章光电检测系统典型电路
6.1光敏电阻的变换电路
6.1.1基本偏置电路
6.1.2恒流电路
6.1.3恒压电路
6.2光生伏特器件的偏置电路
6.2.1反向偏置电路
6.2.2无偏置电路
6.3CCD器件驱动电路
6.3.1CCD驱动电路时序方法
6.3.2可编程器件产生CCD驱动时序
6.4视频信号二值化处理电路
6.4.1阈值法
6.4.2微分法
6.5光电信号辨向处理与细分电路
6.5.1光电信号辨向处理
6.5.2电子细分
思考题与习题
下篇技术应用篇
第7章微弱光信号检测
7.1基本概念
7.1.1能量信号与功率信号
7.1.2相关函数
7.1.3相关接收
7.1.4相敏检波器
7.2锁相放大器
7.2.1锁相放大器的工作原理
7.2.2锁相放大器的应用及特点
7.3取样积分器
7.3.1取样积分原理和工作方式
7.3.2取样积分器应用和特点
7.4光子计数器
7.4.1光子计数器原理
7.4.2光子计数器的应用及特点
思考题与习题
第8章外形尺寸检测
8.1概述
8.2模拟变换检测法
8.3光电扫描检测法
8.3.1光学扫描法
8.3.2电扫描法
8.4CCD自扫描检测法
8.5光电三维形貌检测法
8.5.1双目机器视觉三维形貌检测法
8.5.2结构光三维形貌检测法
思考题与习题
第9章位移量检测
9.1激光干涉位移检测
9.1.1激光干涉原理
9.1.2激光干涉仪原理
9.2光栅线位移检测
9.2.1光栅位移传感器（光栅尺）的光电读数头
9.2.2光源和光强调制
9.2.3四相交流信号和前置放大器
9.2.4光栅位移检测装置（光栅尺）
9.3光栅角位移检测
9.3.1概述
9.3.2增量式轴角编码器
9.3.3绝对式光电轴角编码器的基本原理
9.3.4读数和细分
9.3.5狭缝及光电信号
9.3.6编码器误差
9.4轴向位移测量
9.5激光测距
9.5.1脉冲法测距
9.5.2相位法测距
9.5.3典型仪器简介
思考题与习题
第10章光电外观检测
10.1外观检测的方式和原理
10.1.1反射式与透射式外观检测
10.1.2正反射式与非正反射式（漫反射式）检测
10.1.3扫描方式
10.2光电变换器
10.2.1疵病信号
10.2.2光源选择
10.3信号处理及检测装置
10.3.1通量式疵病信号的处理方法
10.3.2检测装置
10.4表面粗糙度检测
10.4.1概述
10.4.2激光外差法检测粗糙度原理
10.5内表面疵病检测
10.5.1管道内表面疵病检测系统组成
10.5.2检测系统工作原理与特点
思考题与习题
第11章光纤传感测量
11.1光导纤维的基本知识
11.1.1光纤传光原理
11.1.2光纤的分类
11.1.3光纤的基本特性
11.2光纤传感器原理及应用
11.2.1分类与特点
11.2.2光纤传感器
11.3光纤传感器应用技术分析
思考题与习题
第12章光电检测技术的综合应用
12.1光电多功能二维自动检测系统
12.1.1测量系统的总体结构
12.1.2同轴度误差测量系统
12.1.3环距测量方法的研究
12.2曲臂光电综合测量系统
12.2.1系统的组成与总体布局
12.2.2被测参数测量原理
12.3激光扫描圆度误差测量系统
12.3.1圆度误差测量原理
12.3.2工件安装偏心误差的检测
12.3.3实验结果与分析
12.4飞轮齿圈总成圆跳动非接触检测系统
12.4.1测量系统原理
12.4.2实验结果和分析
12.5座圈尺寸光电非接触测量系统
12.5.1总体结构与工作原理
12.5.2直径测量原理
12.5.3数据处理系统设计
12.5.4测量结果与分析
12.6管道直线度光电检测系统
12.6.1直线度光电检测系统的结构与工作原理
12.6.2检测系统的组成
思考题与习题
部分习题参考答案
参考文献

前言光电检测技术是现代检测技术ZUI重要的手段和方法之一，是计量检测技术的一个重要的发展方向，是测控技术与仪器、光电信息科学与工程专业的重要课程。为适应当前光电技术和光电检测技术的发展，满足当前信息化社会对高等学校人才培养的需要，结合多年来教学实践和科研成果并汲取相关书刊资料的精华，于2012年编写了《光电检测技术及应用》教材。教材自出版以来，深受广大师生的好评，被包括985、211在内的30多所兄弟院校选作教材，2015年被评为“十二五”普通高等教育本科GUO家级规划教材，现修订再版。
    本书力求做到实用性、XIAN进性和创新性三者有机结合，在理论方面力求简明易懂，选材方面力求紧跟技术发展动向。为了帮助学生及教师了解光电检测系统的组成，理解光电检测器件的性能及应用，掌握运用各种光电器件进行检测的方法，书中引入了大量工程实例，并且各章都给出了思考题和习题。
    本书分为上下两篇，共12章。上篇主要是光电检测技术的基础理论，第1章介绍了光电检测系统的组成及特点；第2章介绍了辐射度量和光度量的基本概念、各类光电效应以及光电器件的基本特性参数；第3章分别介绍了光电导器件、光生伏特器件、光电发射器件、热辐射探测器件、热释电器件、光电耦合器件和图像传感器等各种光电传感器的结构、工作原理、特性参数和使用方法；第4章介绍了发光二极管、激光器等常用光源的工作原理、特性及其应用；第5章介绍了辐射信号检测的方法，如直接检测、光外差检测、基于几何光学方法的光电信息变换检测、莫尔条纹检测以及空间分布光信号检测，并结合实际举例说明如何使用调制盘检测、投影放大法、光三角法、光焦点法等进行长、宽尺寸测量的原理；第6章介绍了常用的光电传感器如光敏电阻、光敏二极管、CCD电荷耦合器件等对应的典型电路，并举例说明使用可编程逻辑器件进行CCD驱动的方法、视频信号的二值化处理方法、光电信号常用的辨向处理和细分电路。下篇结合长春理工大学光电工程学院光电检测技术方面的科研成果，具体且系统地描述了光电检测技术的应用：第7章讲述了光学相关检测的基本概念和应用、微弱信号检测的原理和典型电路；第8～10章讲述了光电检测技术在外形尺寸检测、位移量检测、外观检测方面的应用；第11章讲述了光导纤维的基本知识以及光纤传感器的原理和应用；第12章讲述了光电检测技术的综合应用，如光电多功能二维自动检测系统、曲臂光电综合测量系统、激光扫描圆度误差测量系统、飞轮齿圈总成圆跳动非接触检测系统、座圈尺寸光电非接触测量系统、管道直线度光电检测系统。
    本书在第1版的基础上对内容进行了适当调整，增加了一些基本概念的讲述，如辐射度量和光度量、光电器件的特性参数；将光电器件典型电路的相关内容进行了整合；增加了微弱信号检测、光纤激光器、空间分布光信号检测方法和三维形貌检测的相关内容。
    本书内容全面，理论与实践紧密结合，既可方便本科生学习光电检测技术的理论知识，为今后科研、生产解决光电检测技术问题打下基础，又可以给相关专业研究生和科研工作者开拓思维，提供参考。
    本书由长春理工大学徐熙平教授（下篇）和张宁副教授（上篇）编写、主要注重光电检测技术及系统原理与应用，特别是对光电检测系统总体技术进行了详细介绍。在编写的过程中得到了长春理工大学多位老师的支持，特别是长春理工大学光电工程学院马宏教授对本书进行了详细的校正，提出了许多有价值的修改意见。同时参考了王庆有老师编著的《光电技术》、雷玉堂老师编著的《光电检测技术》和曾庆永老师编著的《微弱信号检测》等教材。另外本书编写过程中，长春理工大学光电工程学院光电检测实验室的研究生们付出了辛苦的劳动，进行了文字、公式和图表的编辑工作，在此一并表示感谢。
    受作者知识面所限，书中难免有错误之处，敬请各位老师、同学提出宝贵意见。
    作者