光電檢測技術（第3版）（高等學校電子信息類係列教材） pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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張誌偉，曾光宇，張存林 等 編

圖書標籤:

• 光電檢測
• 傳感器
• 光電器件
• 檢測技術
• 電子信息
• 高等學校教材
• 第三版
• 儀器儀錶
• 光電子學
• 測試測量

齣版社： 清華大學齣版社

ISBN：9787512119598

版次：3

商品編碼：11549672

品牌：清華大學

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2014-07-01

用紙：膠版紙

頁數：293

內容簡介

　　《光電檢測技術（第3版）》主要包括：光電檢測應用中的基礎知識，光電檢測中的常用光源，結型光電器件，光電導器件，真空光電器件，真空成像器件等內容。

目錄

第1章光電檢測應用中的基礎知識
1.1輻射度學和光度學基本概念
1.1.1輻射度學基本物理量
1.1.2光度學基本物理量
1.1.3其他基本概念
1.2半導體基礎知識
1.2.1固體的能帶結構
1.2.2熱平衡下的載流子濃度
1.2.3半導體中的非平衡載流子
1.2.4載流子的擴散與漂移
1.3基本定律
1.3.1黑體輻射定律
1.3.2光電效應
1.4光電探測器的噪聲和特性參數
1.4.1光電探測器中的噪聲
1.4.2光電探測器的特性參數
1.4.3光電探測器的閤理選擇
練習題
第2章光電檢測中的常用光源
2.1光源的特性參數
2.1.1輻射效率和發光效率
2.1.2光譜功率分布
2.1.3空間光強分布
2.1.4光源的顔色
2.1.5光源的色溫
2.2熱輻射源
2.2.1太陽
2.2.2黑體模擬器
2.2.3白熾燈
2.3氣體放電光源
2.3.1脈衝燈
2.3.2原子光譜燈
2.3.3汞燈
2.4固體發光光源
2.4.1場緻發光光源
2.4.2其他平闆顯示器件
2.4.3結型發光光源——發光二極管和激光二極管
2.5激光器
2.5.1激光原理
2.5.2激光器的結構和工作過程
2.5.3激光器的類型
2.5.4激光的特性
練習題
第3章結型光電器件
3.1結型光電器件工作原理
3.1.1熱平衡狀態下的PN結
3.1.2光照下的PN結
3.2矽光電池
3.2.1矽光電池的基本結構和工作原理
3.2.2矽光電池的特性參數
3.3矽光電二極管和矽光電三極管
3.3.1矽光電二極管
3.3.2矽光電三極管
3.3.3矽光電三極管與矽光電二極管特性比較
3.4結型光電器件的放大電路
3.4.1結型光電器件與放大三極管的連接
3.4.2光電器件與集成運算放大器的連接
3.5特殊結型光電二極管
3.5.1象限探測器
3.5.2PIN型光電二極管
3.5.3雪崩光電二極管
3.5.4紫外光電二極管
3.5.5蔔導體色敏器件
3.6結型光電器件的應用實例——光電耦閤器件
3.6.1光電耦閤器件的分類、結構和用途
3.6.2光電耦閤器件的基本電路
練習題
……
第4章光電導器件
第5章真空光電器件
第6章真空成像器件
第7章固體成像器件
第8章紅外輻射與紅外探測器
第9章光導縴維與光縴傳感器
第10章太赫茲波的産生與檢測
第11章光外差檢測技術
第12章光電探測器實驗
附錄A實驗1裝置中器件說明
附錄BCS-1022型示波器測量上升響應時間的方法介紹
附錄C彩色綫陣CCD圖像傳感器TCD2252D簡介
部分習題參考答案
參考文獻

前言/序言

第一章 緒論 本章旨在為讀者建立對光電檢測技術宏觀的認識，從其基本概念、發展曆程、重要意義齣發，為後續深入學習奠定堅實的基礎。 1.1 光電檢測技術的定義與內涵 光電檢測技術，顧名思義，是利用光與物質的相互作用來感知、測量和識彆各種物理量、化學量或生物量的技術。其核心在於將待測物理量（如溫度、壓力、位移、濃度、生物活性等）轉化為光信號，然後通過光電轉換器件將其轉換成電信號，最後對電信號進行處理和分析，從而獲得關於待測對象的信息。這種技術具有非接觸、高精度、響應速度快、靈敏度高等優點，使其在科學研究、工業生産、醫療健康、環境保護以及日常生活等眾多領域得到瞭廣泛應用。 本節將深入探討光電檢測技術的幾個關鍵要素： 信號的産生與調製： 待測物理量如何影響光的性質（如強度、波長、相位、偏振等），以及如何通過調製技術增強信號的有效性。 光路的構建與傳輸： 光源的選擇、光束的聚焦、準直、引導，以及光在介質中的傳輸損耗和影響。 光電轉換： 光信號如何被光電探測器捕捉並轉換為電信號，講解不同類型光電探測器的基本原理和特性。 信號處理與分析： 放大、濾波、模數轉換、數字信號處理等技術在從原始電信號中提取有用信息中的作用。 信息呈現與應用： 如何將處理後的電信號轉化為直觀的顯示信息，以及最終在具體應用場景中的實現。 1.2 光電檢測技術的發展簡史與現狀 光電檢測技術的萌芽可以追溯到早期對光電效應的發現。光電二極管、光電倍增管等器件的發明是重要的裏程碑，它們為將光信號轉化為電信號提供瞭可能。半導體技術的發展，特彆是集成電路和光電子器件的飛速進步，極大地推動瞭光電檢測技術的集成化、小型化和智能化。 當前，光電檢測技術正處於一個蓬勃發展的時期，呈現齣以下幾個顯著趨勢： 高靈敏度與高分辨率： 隨著科學研究對微弱信號和精細結構的探測需求日益增長，光電檢測器的靈敏度和分辨率不斷提升，能夠捕捉到更微弱的光信號和更精細的空間細節。 多功能集成： 多個光電檢測功能單元集成到同一個芯片或係統中，實現對多種物理量的同時或順序檢測，提高效率和降低成本。 智能化與網絡化： 結閤人工智能、大數據、物聯網等技術，實現光電檢測係統的自主學習、智能決策和遠程監控。 微型化與便攜化： 研發尺寸更小、功耗更低、集成度更高的光電器件，推動瞭便攜式光電檢測設備的普及。 新興應用領域的拓展： 在生物醫學成像、環境監測、食品安全、智能交通、無人駕駛、量子通信等新興領域，光電檢測技術展現齣巨大的應用潛力。 1.3 光電檢測技術的重要意義與應用領域 光電檢測技術之所以如此重要，是因為它能夠以一種非侵入、高精度的方式“看見”和“測量”那些肉眼無法直接感知或難以精確測量的現象。它的廣泛應用深刻地改變瞭我們的生活和工作方式： 科學研究： 天文學中的望遠鏡、粒子物理學中的探測器、材料科學中的光譜分析儀，都離不開先進的光電檢測技術。 工業製造： 在自動化生産綫上，光電傳感器用於檢測産品的尺寸、位置、顔色、錶麵缺陷等，實現精確的質量控製和過程監控。 醫療健康： 醫學影像技術（如CT、MRI、內窺鏡）、血糖儀、血氧儀、基因測序儀等，都依賴於精密的光電檢測原理。 環境保護： 氣體傳感器、水質監測儀、土壤分析儀等，能夠實時監測環境汙染物的含量，為環境保護提供科學依據。 信息與通信： 光縴通信中的光探測器、激光雷達（LiDAR）用於測距和三維建模，以及數字成像技術，都是光電檢測技術的傑齣代錶。 日常生活： 自動門、遙控器、數碼相機、智能手機的攝像頭，這些我們司空見慣的設備，都內嵌瞭光電檢測技術。 本章的最後，我們將對未來光電檢測技術的發展方嚮進行展望，重點探討可能齣現的顛覆性技術和新的應用熱點，從而激發讀者對這一充滿活力的學科領域的進一步探索興趣。 第二章 光與物質的相互作用 本章將深入剖析光在傳播過程中與各種物質發生的相互作用，這是光電檢測技術實現信號産生與轉化的物理基礎。理解這些相互作用的機製，對於選擇閤適的光源、探測器以及設計有效的檢測方案至關重要。 2.1 光的基本性質與傳播 在深入探討光與物質的相互作用之前，我們首先迴顧光的一些基本性質，例如： 電磁波的本質： 光作為一種電磁波，具有波長、頻率、振幅、相位等屬性。 光子的概念： 光也具有粒子性，錶現為光子的概念，每個光子攜帶一定的能量。 光的傳播： 光在均勻介質中沿直綫傳播，在不同介質界麵會發生反射和摺射。 光的偏振： 光波的電場矢量振動方嚮的特性，理解偏振對於某些特定應用（如偏振檢測）至關重要。 2.2 光的吸收 當光照射到物質上時，物質中的電子或原子會吸收光子能量，從而發生能級躍遷。吸收的程度取決於光的波長、物質的成分以及其能帶結構。 選擇性吸收： 不同的物質對不同波長的光具有不同的吸收能力。這種選擇性吸收是光譜分析的基礎，例如，通過分析物質對可見光或紫外光的吸收光譜，可以識彆物質的成分和濃度。 吸收係數： 量化物質吸收光的能力，是描述吸收強度的重要參數。 吸收光譜： 不同物質在不同波長下的吸收係數隨波長的變化麯綫，是物質的“指紋”。 發光現象的逆過程： 吸收是激發發光的前提，例如，熒光和磷光現象。 2.3 光的散射 光在傳播過程中遇到物質微粒或介質不均勻性時，會改變傳播方嚮，這種現象稱為光的散射。 瑞利散射： 當散射粒子尺寸遠小於光波長時發生的彈性散射，散射強度與波長四次方成反比，例如天空呈藍色的原因。 米氏散射： 當散射粒子尺寸與光波長相當或更大時發生的散射，散射特性更復雜，與粒子尺寸、形狀和摺射率有關。 拉曼散射： 光與物質分子發生非彈性碰撞，引起光子能量的改變，産生新的譜綫。拉曼散射光譜能夠提供物質分子的振動和轉動信息，是重要的分子結構分析手段。 多普勒效應引起的散射： 由於散射粒子的運動，散射光的頻率會發生變化。 應用： 散射現象在光學傳感、粒徑測量、液體和氣體濃度檢測等方麵有重要應用。 2.4 光的摺射與全反射 當光從一種介質傳播到另一種介質時，其傳播方嚮會發生改變，這是摺射現象。 摺射定律（斯涅耳定律）： 描述光在兩種介質界麵上摺射角與入射角之間關係的定律。 摺射率： 描述介質對光摺射能力的物理量，與光的傳播速度有關。 全反射： 當光從光密介質射嚮光疏介質，且入射角大於臨界角時，光綫將在界麵上發生全反射。 全內反射的應用： 光縴通信、棱鏡、反射式光學儀器等都依賴於全反射原理。 2.5 光的衍射 當光波遇到障礙物或通過狹縫時，會繞過障礙物的邊緣而傳播到幾何陰影區域，這種現象稱為光的衍射。 夫琅和費衍射： 遠場衍射，簡化瞭數學處理，常用於分析單縫、雙縫、圓孔等的衍射圖樣。 菲涅耳衍射： 近場衍射，衍射圖樣與障礙物形狀和距離有關，數學處理相對復雜。 衍射的應用： 光柵、衍射儀、全息術以及分辨率的極限等都與衍射密切相關。 2.6 光的乾涉 當兩束或多束相乾光疊加時，在某些區域會加強，在另一些區域會減弱，形成明暗相間的乾涉條紋。 相乾條件： 乾涉發生的前提是光源必須相乾，即頻率相同、相位差恒定。 楊氏雙縫乾涉： 最經典的乾涉實驗，展示瞭光的波動性。 薄膜乾涉： 光在薄膜上下錶麵反射的光發生乾涉，産生彩色現象，如肥皂泡的顔色。 乾涉的應用： 乾涉儀在精密測量、光學錶麵檢測、光譜分析等領域發揮著重要作用。 2.7 光的偏振 偏振是描述光波電場矢量振動方嚮的特性。 綫偏振光： 電場矢量在某一固定平麵內振動。 圓偏振光與橢圓偏振光： 電場矢量振動軌跡形成圓或橢圓。 非偏振光： 電場矢量在各個方嚮上隨機振動。 産生偏振光的方法： 反射、摺射、散射、通過偏振片等。 偏振光的檢測： 利用偏振片檢測光的偏振狀態。 偏振的應用： 液晶顯示器、3D眼鏡、偏振顯微鏡、應力分析等。 通過對這些基本的光與物質相互作用的深入理解，我們能夠更好地分析光電檢測係統中信號的産生機理，以及如何利用這些效應來設計和優化檢測係統，以實現對不同物理量的高效、精確的測量。 第三章 光電轉換器 光電轉換器是光電檢測係統的核心組成部分，它負責將接收到的光信號轉換為可供後續處理的電信號。本章將詳細介紹各類光電轉換器的基本原理、結構特點、性能參數以及應用領域。 3.1 光電探測器的基本原理 所有光電探測器的核心功能都是將光能轉化為電能，其基本過程可以概括為： 光子吸收： 光子進入探測器材料，其能量被材料中的電子吸收。 載流子産生： 吸收光子能量的電子躍遷到更高的能級，並在材料中産生自由電子-空穴對（半導體探測器）或引起其他電學效應。 載流子收集： 通過施加電場或其他機製，産生的自由載流子（電子和空穴）被收集到電極上，形成光電流或光電壓。 電信號輸齣： 收集到的載流子在外部電路中形成可測量的電信號，如電流、電壓或電阻變化。 3.2 光電探測器的分類 根據其工作原理和結構，光電探測器可以分為多種類型，其中最常見的包括： 光導器件： 光電導管（Photoresistor/LDR）： 其導電性隨照射光強的變化而變化。當光照射時，半導體材料內的自由載流子數量增加，導電性增強，電阻減小。 原理： 光生載流子效應。 材料： 硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）、硫化鉛（PbS）等。 特點： 結構簡單、成本低、但響應速度較慢、綫性度較差。 應用： 光照度測量、自動開關、光控電路等。 光電導探測器： 利用半導體材料在光照下電阻率變化的原理。 原理： 光照産生自由載流子，改變材料電導率。 材料： 硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）、硫化鉛（PbS）、碲化鎘汞（HgCdTe）等。 特點： 靈敏度高、光譜響應範圍寬（取決於材料），但可能存在噪聲和響應速度限製。 應用： 紅外探測、光譜分析、環境監測等。 光伏器件： 光電二極管（Photodiode）： 利用半導體PN結或PIN結在光照下産生光生電動勢的原理。 原理： 光子在PN結耗盡層産生電子-空穴對，電場將電子和空穴分離，形成光生電壓。 結構： PN結光電二極管、PIN光電二極管（具有更大的耗盡區，提高響應速度和量子效率）、雪崩光電二極管（APD，具有內部增益）。 特點： 響應速度快、綫性度好、噪聲低、可工作在零偏壓或反偏壓。 應用： 光通信、條形碼掃描、遙控器、光計算、醫學成像等。 太陽能電池（Solar Cell）： 也是一種光伏器件，但其主要目的是將光能轉化為電能以供外部使用，效率是關鍵考量。 光電倍增管（Photomultiplier Tube, PMT）： 原理： 利用光電發射和倍增發射效應。光子照射到光電陰極上，激發光電子。這些光電子在電場作用下加速，撞擊到一係列稱為“打拿極”的電極上，每次碰撞都能激發産生更多的二次電子，經過多級放大後，在陽極形成非常強的電信號。 特點： 極高的靈敏度（可探測單個光子）、極寬的動態範圍、響應速度快。 缺點： 體積較大、工作電壓高、對磁場敏感、易受過載損傷、需要良好的屏蔽。 應用： 低亮度光信號檢測、核輻射探測、生物發光檢測、天文學研究等。 CCD（Charge-Coupled Device）與CMOS（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）圖像傳感器： 原理： 它們都是用於將二維光信號轉換為電信號的集成電路。光照射到像素上的光電轉換元件（通常是光電二極管或光敏電阻），産生光生電荷。這些電荷被存儲在像素中，然後通過特殊的電荷傳輸機製（CCD）或直接在像素內進行放大讀取（CMOS）齣來，最終形成數字圖像。 CCD特點： 圖像質量高、噪聲低、靈敏度高，但功耗較高，讀齣速度相對較慢。 CMOS特點： 功耗低、集成度高、讀齣速度快、成本相對較低，但早期圖像質量和靈敏度可能不如CCD。 應用： 數碼相機、手機攝像頭、安防監控、工業成像、科學相機等。 3.3 光電探測器的關鍵性能參數 在選擇閤適的光電探測器時，需要關注以下關鍵性能參數： 靈敏度（Sensitivity）： 探測器響應光信號的能力。通常用“響應度”（Responsivity）來錶示，單位是A/W（電流/光功率）或V/W（電壓/光功率）。 量子效率（Quantum Efficiency, QE）： 入射光子中能産生一個光電流載流子的比例。 探測度（Detectivity, D）： 衡量探測器在特定條件下區分信號與噪聲的能力，單位是Jones (cm·Hz^(1/2)/W)。D越高，探測器性能越好。 響應時間（Response Time）/上升時間（Rise Time）/下降時間（Fall Time）： 探測器對光信號變化的響應速度。 噪聲（Noise）： 影響探測器測量精度的隨機信號，包括散粒噪聲、熱噪聲、閃爍噪聲等。 光譜響應範圍（Spectral Response Range）： 探測器對不同波長光的響應能力。 動態範圍（Dynamic Range）： 探測器能夠測量到的最小和最大光信號強度範圍。 暗電流（Dark Current）： 在無光照情況下，探測器輸齣的電流。 飽和光功率/飽和電壓： 探測器能夠正常工作時所能承受的最大光功率或電壓。 3.4 不同類型光電探測器的比較與選擇 選擇閤適的光電探測器取決於具體的應用需求，例如： 高靈敏度應用（如檢測微弱光）： 光電倍增管（PMT）或雪崩光電二極管（APD）是首選。 高速響應應用（如光通信）： PIN光電二極管或APD更適閤。 成本敏感且對速度要求不高的應用： 光電導管（LDR）可能是一個經濟的選擇。 成像應用： CCD或CMOS圖像傳感器是必然選擇，具體選擇取決於圖像質量、速度和功耗要求。 寬光譜響應： 根據所需的光譜範圍選擇閤適的材料。 本章的深入講解，旨在為讀者提供一個全麵的光電轉換器知識體係，使其能夠根據實際需求，準確地選擇和應用各類光電探測器，為構建高效、精確的光電檢測係統打下堅實基礎。 第四章 光源 光源是光電檢測係統中的“眼睛”，為係統提供所需的“光信號”。選擇閤適的光源對於係統的性能至關重要。本章將介紹常見的光源類型、其工作原理、特性以及在光電檢測中的應用。 4.1 熱光源 熱光源是通過加熱物體使其發光。 白熾燈： 通過電流加熱燈絲，使其溫度升高而發光。 特點： 光譜連續，但發光效率低，壽命相對較短，光譜分布偏紅。 應用： 早期照明，在一些對光譜連續性要求不高的場閤仍有應用。 鹵素燈： 在白熾燈的基礎上，燈泡內充入鹵素氣體，提高瞭燈絲的蒸發溫度，延長瞭壽命，提高瞭發光效率。 特點： 比白熾燈更亮，光譜更白，壽命更長。 應用： 照明、投影儀、顯微鏡照明等。 氣體放電燈（如白熾燈、熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈）： 原理： 通過氣體放電産生輝光或激發熒光粉發光。 特點： 發光效率高，光譜特性多樣，但可能存在閃爍和啓動延遲。 應用： 照明、光化學反應、光譜分析等。 4.2 發光二極管（LED） LED是一種半導體固體發光器件，通過半導體PN結的電注入載流子復閤發光。 原理： 當PN結加正嚮電壓時，電子和空穴注入P區和N區，在PN結附近復閤，將能量以光子的形式釋放齣來。 特點： 高效率： 能源轉化效率高。 壽命長： 機械強度好，壽命長。 體積小： 易於集成和微型化。 響應速度快： 啓動和關斷速度快。 光譜窄： 發齣的光是單色性較好的。 可調性： 通過改變電流可以調節亮度。 顔色多樣： 通過選擇不同的半導體材料，可以發齣各種顔色的光。 應用： 廣泛應用於指示燈、顯示屏、照明、光通信、光電檢測（作為光源）等。 特種LED： 紫外LED： 用於殺菌、固化、熒光激發等。 紅外LED： 用於遙控、通信、夜視、傳感器等。 4.3 激光器（Laser） 激光器是一種能夠産生高強度、單色性好、方嚮性強的相乾光的裝置。 原理： 基於受激輻射原理，通過諧振腔實現光放大。 特點： 高單色性： 光譜綫非常窄，波長純度極高。 高方嚮性： 光束發散角極小，傳播距離遠。 高相乾性： 各個光波的相位一緻。 高亮度/高光強： 單位麵積上的光功率密度極高。 常見激光器類型： 氣體激光器： 如He-Ne激光器、CO2激光器。 固體激光器： 如Nd:YAG激光器、光縴激光器。 半導體激光器（Diode Laser）： 結構緊湊，效率高，與LED原理相似但具有諧振腔，能産生激光。 染料激光器： 可調諧性好。 應用： 測量與傳感： 測距、測速、乾涉測量、激光雷達（LiDAR）。 通信： 光縴通信。 工業加工： 激光切割、焊接、打標。 醫療： 激光手術、美容。 科研： 光譜分析、光學顯微鏡。 4.4 其他光源 發光材料（熒光粉、磷光體）： 吸收特定波長的激發光後，發齣其他波長的光。 應用： 熒光燈、LED背光、熒光探針。 同步輻射光源： 産生具有極高亮度、寬光譜範圍和高相乾性的X射綫，用於材料科學、生物學等前沿研究。 核輻射發光： 放射性物質衰變時發齣的光。 4.5 光源選擇的考慮因素 在選擇光電檢測係統中的光源時，需要綜閤考慮以下因素： 光譜特性： 需要的光波長範圍、單色性要求。 光功率/亮度： 檢測信號的強度需求。 響應速度： 需要的光源調製速度與探測器響應速度的匹配。 空間光強分布： 光斑大小、均勻性等。 功耗與效率： 係統的整體能耗。 成本與壽命： 經濟性和長期使用的穩定性。 安全性： 例如，激光的安全性。 工作環境： 溫度、濕度等對光源的影響。 通過對不同光源的深入瞭解，讀者可以根據光電檢測的具體應用場景，選擇最閤適的光源，從而優化係統的性能，實現精準、高效的測量。 第五章 光電檢測係統的設計與實現 本章將圍繞如何設計和構建一個完整的光電檢測係統展開討論，涵蓋瞭從係統需求分析到實際實現的各個環節。 5.1 係統需求分析與方案設計 在著手設計光電檢測係統之前，必須首先明確係統的目標和要求： 待測參數： 需要檢測的物理量是什麼？（如溫度、壓力、位移、濃度、顔色、圖像等） 測量範圍： 待測參數的變化範圍是多少？ 測量精度： 對測量結果的精度要求有多高？ 測量速度： 需要多快的測量頻率或響應時間？ 工作環境： 係統將在什麼樣的環境下工作？（溫度、濕度、光照、振動等） 功耗要求： 係統是否需要低功耗？ 成本預算： 有多少預算用於係統的設計和開發？ 輸齣形式： 測量結果需要以何種形式呈現？（數字顯示、模擬輸齣、數據記錄等） 基於對這些需求的深入分析，可以初步構思齣係統的整體框架和技術方案。 5.2 係統組成與模塊化設計 一個典型的光電檢測係統通常包含以下幾個核心模塊： 光源模塊： 提供用於檢測的光。 信號産生/調製模塊： 利用光與待測物體的相互作用産生光信號。這可能涉及到反射、透射、散射、吸收、摺射、熒光、磷光等現象。對於某些應用，可能需要對光源進行調製（如周期性開關、改變頻率或強度）以增強信噪比。 光路設計模塊： 負責光的聚焦、準直、引導、濾波和傳輸。包括透鏡、反射鏡、光縴、狹縫、濾光片等光學元件的選擇和布局。 光電轉換模塊： 將接收到的光信號轉換為電信號，這是本章前麵已詳細討論過的光電探測器。 信號處理與調理模塊： 對原始電信號進行放大、濾波、衰減、偏置等處理，使其滿足後續處理的要求。這通常包括運算放大器、濾波器電路等。 數據采集與轉換模塊： 將模擬電信號轉換為數字信號，以便進行進一步的計算和分析。通常使用模數轉換器（ADC）。 主控製器/微處理器模塊： 負責整個係統的控製、數據處理、算法執行、邏輯判斷以及與外部設備的接口。 顯示與輸齣模塊： 將最終的測量結果以用戶友好的方式呈現，如LCD顯示屏、LED指示燈、通信接口（如USB、RS232、Ethernet）等。 電源模塊： 為係統中的各個組件提供穩定可靠的電源。 模塊化設計是現代係統設計的趨勢，它使得係統的開發、測試、維護和升級更加方便。 5.3 光路設計與光學元件的選擇 光路設計是光電檢測係統的關鍵環節，直接影響到信號的收集效率和測量精度。 聚焦與準直： 根據需要，使用透鏡或反射鏡將光源的光束聚焦到特定點，或將接收到的光準直成平行光束。 光束引導： 使用光縴、棱鏡或反射鏡將光束引導到目標位置。 濾波： 使用濾光片（如帶通濾光片、截止濾光片）來選擇特定波長的光，抑製背景噪聲，提高信噪比。 光闌與狹縫： 控製進入係統的光通量，或實現空間濾波。 反射鏡與透鏡的選擇： 根據所需的焦距、口徑、材質、像差校正能力等選擇閤適的透鏡和反射鏡。 對準與固定： 確保所有光學元件精確對準，並穩固地固定，以抵抗振動和衝擊。 5.4 電子電路設計與信號處理 信號處理電路是連接光電轉換器和微處理器之間的橋梁。 前置放大器： 對於微弱的光信號，需要使用低噪聲放大器將其放大到可測量的範圍。 濾波器： 低通濾波器： 濾除高頻噪聲。 高通濾波器： 濾除低頻漂移。 帶通濾波器： 僅允許特定頻率範圍內的信號通過，常用於處理調製信號。 積分與微分電路： 用於特定信號的提取。 比較器： 用於閾值檢測。 模擬開關： 用於信號的切換和復用。 模數轉換器（ADC）： 選擇閤適的ADC，考慮其分辨率、采樣率和精度。 5.5 微控製器與嵌入式係統集成 微控製器（MCU）或更強大的嵌入式處理器是現代光電檢測係統的“大腦”。 程序控製： 編寫固件，控製係統的運行流程，如光源的開關、探測器的采樣、數據處理算法的執行等。 數據處理與算法： 實現各種數據處理算法，如傅裏葉變換、相關分析、圖像處理算法、機器學習算法等，以提取有用的信息。 用戶接口： 實現與用戶的人機交互，如通過按鍵、觸摸屏進行參數設置，通過顯示屏顯示測量結果。 通信接口： 與PC或其他設備進行數據交換，實現遠程控製或數據記錄。 中斷處理： 及時響應外部事件，如按鍵按下、傳感器觸發等。 5.6 係統集成、調試與優化 所有模塊設計完成後，需要進行係統集成。 硬件集成： 將各個電路闆、光學元件、外殼等組裝在一起。 軟件集成： 將各個軟件模塊編譯、鏈接，並下載到微控製器中。 係統調試： 單元測試： 對每個模塊進行獨立測試，確保其功能正常。 集成測試： 對集成後的係統進行整體測試，驗證各模塊之間的協作。 性能測試： 按照需求分析中的指標，對係統的精度、速度、穩定性等進行全麵評估。 優化： 根據測試結果，對係統進行參數調整、電路優化、軟件改進等，以達到最佳性能。例如，調整放大器的增益、濾波器的截止頻率，或改進算法以提高測量精度。 5.7 實際案例分析（舉例說明） 為瞭更好地理解係統設計過程，可以列舉一個具體的應用案例，如“基於光電傳感器的距離測量係統”。 需求： 測量10cm至5m範圍內的距離，精度±1cm，響應時間小於100ms。 方案構思： 光源： 紅外LED（成本低，可見性好）。 測量原理： 利用三角測量法或時間飛行法。 光路： 使用透鏡聚焦LED光束，並通過狹縫限製光斑。接收端使用一個簡單的透鏡和光電探測器。 光電轉換器： PIN光電二極管。 信號處理： 放大LED的反射迴來的光信號，並可能進行一定的濾波。 微控製器： 用於控製LED的發射，讀取光電二極管的輸齣，計算距離。 輸齣： LCD顯示距離值。 詳細設計與實現： 繪製電路圖，設計PCB闆，編寫控製程序，進行光學元件的選型和安裝。 測試與優化： 在實際環境中測試距離測量精度和速度，進行必要的調整。 通過這樣一個從需求到實現的詳細過程，讀者能夠更清晰地理解光電檢測係統的設計與實現方法，為自己開發實際的光電檢測設備提供寶貴的指導。 第六章 光電檢測技術在各領域的應用 本章將深入探討光電檢測技術在多個重要領域的具體應用，展示其強大的實用價值和廣泛的影響力。 6.1 工業自動化與過程控製 在現代工業生産中，光電檢測技術是實現自動化和智能化生産的關鍵賦能技術。 産品檢測與質量控製： 尺寸測量： 使用激光測距儀、光電傳感器對産品進行精確的尺寸測量。 錶麵缺陷檢測： 利用圖像處理技術和高分辨率CCD/CMOS相機，檢測産品錶麵的劃痕、汙點、氣泡等缺陷。 顔色檢測： 使用顔色傳感器或光譜儀對産品的顔色進行匹配和控製。 位置與姿態檢測： 光電開關、光電對準傳感器用於確定産品的存在、位置和方嚮。 物料輸送與分揀： 傳感器識彆： 利用光電傳感器識彆不同類型的物料，如條形碼掃描器、二維碼掃描器、顔色傳感器。 自動分揀： 根據識彆結果，通過機械臂或氣流將物料自動分揀到不同通道。 機器人視覺： 視覺引導： 機器人利用相機獲取環境信息，識彆目標物體，從而實現精準抓取、裝配等操作。 自主導航： 激光雷達（LiDAR）等用於構建環境三維地圖，支持機器人自主導航。 過程監測： 液位檢測： 使用光學傳感器檢測儲罐內的液位。 氣體濃度監測： 紅外氣體傳感器用於監測生産環境中的有害氣體濃度。 溫度監測： 紅外熱成像儀可用於非接觸式溫度測量。 6.2 生物醫學工程 光電檢測技術在醫療診斷、治療和生命科學研究中扮演著至關重要的角色。 醫學成像： X射綫成像： 如CT掃描，利用X射綫穿透人體後衰減的變化成像。 磁共振成像（MRI）： 利用磁場和射頻脈衝激勵原子核，再通過射頻信號檢測成像。 超聲成像： 利用超聲波在人體組織中的反射和散射來成像。 光學成像： 內窺鏡： 使用光縴將光導入口腔，並利用光電探測器成像，用於觀察消化道、呼吸道等內部結構。 熒光成像： 注射熒光造影劑，通過激發特定波長的光，觀察熒光信號來識彆病竈。 光學相乾層析成像（OCT）： 類似於光學領域的“斷層掃描”，能獲得組織的高分辨率橫截麵圖像，常用於眼科、皮膚科等。 生理參數監測： 血氧儀： 利用不同波長光在血液中的吸收差異，測量血液的氧飽和度。 心率監測： 使用光電傳感器檢測皮膚下血管的搏動。 血糖儀： 一些無創血糖監測技術利用光學方法檢測血糖濃度。 生物分子檢測與分析： 熒光顯微鏡： 標記生物分子，通過熒光顯微鏡觀察其分布和動態。 酶聯免疫吸附測定（ELISA）： 利用抗原抗體反應産生的顔色變化或熒光信號進行定量分析。 基因測序： 一些先進的測序技術依賴於光學檢測。 治療應用： 激光治療： 如激光手術、光動力療法等。 6.3 環境監測與保護 光電檢測技術為環境汙染的監測和治理提供瞭有力的工具。 大氣監測： 氣體傳感器： 紅外、紫外吸收光譜法用於監測SO2、NOx、O3、CO等大氣汙染物濃度。 顆粒物監測： 光散射法或光衰減法用於測量空氣中的PM2.5、PM10等顆粒物濃度。 能見度監測： 通過測量光的透射率來評估能見度。 水質監測： 濁度計： 利用光散射原理測量水中懸浮物的含量。 溶解氧傳感器： 基於熒光淬滅原理。 光譜分析： 紫外-可見分光光度計可用於監測水中的化學物質，如硝酸鹽、磷酸鹽、重金屬離子等。 葉綠素熒光監測： 用於評估水體富營養化程度。 土壤分析： 光譜分析： 近紅外（NIR）光譜技術可用於快速分析土壤的有機質、水分、養分等含量。 噪音監測： 聲學傳感器： 雖然不直接是光電檢測，但常與光信號處理結閤使用。 6.4 信息與通信技術 光電檢測技術是信息傳輸和處理的核心技術。 光縴通信： 光電探測器： 將光信號轉換為電信號，是光接收端的核心。PIN光電二極管和APD是主流。 光信號檢測： 在光收發模塊中，光電探測器用於監測光功率水平，進行信號強度檢測。 圖像與視頻采集： CCD/CMOS傳感器： 構成數碼相機、手機攝像頭、掃描儀、監控攝像頭等的核心。 條形碼與二維碼掃描： 使用LED光源和光電傳感器讀取編碼信息。 顯示技術： LED顯示屏： 直接利用LED發光。 液晶顯示器（LCD）： 利用液晶的電光效應控製背光源（通常是LED）的光綫通過。 OLED顯示屏： 利用有機發光二極管自發光。 光存儲： CD/DVD/Blu-ray光盤讀取： 使用激光讀取盤片上的信息。 6.5 科學研究與基礎科學 在基礎科學研究領域，光電檢測技術是探索未知、驗證理論的重要工具。 天文學： 望遠鏡的光電探測器： 如CCD相機、光電倍增管，用於收集和分析來自遙遠星體的微弱光信號，進行光譜分析和天體探測。 粒子物理學： 粒子探測器： 如閃爍探測器，利用高能粒子穿過介質時産生的閃爍光，通過光電倍增管進行探測和能量測量。 材料科學： 光譜分析儀： 如紫外-可見分光光度計、紅外光譜儀、拉曼光譜儀，用於分析材料的化學成分、晶體結構和分子振動。 光電子能譜儀（XPS）： 利用X射綫激發樣品錶麵原子，分析其發射的光電子能量，研究材料錶麵電子結構。 光學測量： 乾涉儀： 利用光的乾涉原理進行超精密測量，如激光乾涉儀用於測量長度、位移、錶麵形貌。 全息術： 利用光的乾涉和衍射原理記錄和再現物體的三維信息。 6.6 其他應用領域 安防監控： 運動傳感器、紅外探測器、監控攝像頭。 交通領域： 交通信號燈、車牌識彆、激光雷達（LiDAR）用於自動駕駛。 消費電子： 遙控器、自動門、光學鼠標、手機攝像頭、光感應屏幕。 農業： 植物生長監測、智能灌溉、病蟲害檢測。 這些應用案例僅僅是光電檢測技術龐大應用領域中的一小部分。隨著技術的不斷發展和創新，光電檢測技術必將在更多領域展現齣其獨特的價值，為人類社會的進步做齣更大的貢獻。

評分☆☆☆☆☆

這本書的理論深度和廣度給我留下瞭深刻的印象，即便我隻瀏覽瞭一部分內容，也能感受到作者在梳理和闡述光電檢測技術方麵的嚴謹態度。它不像一些教材那樣隻停留在錶麵概念的介紹，而是深入到背後的物理原理和數學模型。例如，在描述光電二極管的響應機製時，書中並沒有止步於“光子打到半導體上産生電子空穴對”這麼簡單，而是進一步探討瞭不同材料的帶隙、載流子壽命、復閤機製等因素如何影響器件的性能。這種深入的剖析，對於真正理解光電檢測技術的本質至關重要，也為進一步的深入研究和問題解決奠定瞭堅實的基礎。我個人尤其關注書中對各種噪聲源的分類和抑製方法，因為在實際的實驗和工程應用中，噪聲往往是限製探測精度的關鍵因素。希望這本書能提供一些行之有效的解決方案。

評分☆☆☆☆☆

這本書的包裝相當樸實，封麵設計也偏嚮傳統，沒有太多花哨的元素，這在如今追求視覺衝擊力的書籍市場中顯得尤為低調。然而，正是這份穩重，讓人預感到它內在的紮實。拿到書的那一刻，觸感就能感受到紙張的厚重和印刷的精細，這一點對於一本需要反復查閱的教材來說，無疑是一個加分項。翻開目錄，章節的編排邏輯清晰，從基礎的光電效應講起，逐步深入到各種探測器的原理、特性以及應用，整個體係的搭建顯得非常係統和完整。雖然我還沒有深入閱讀到具體的技術細節，但僅從目錄結構和章節標題來看，它應該能夠為學習者構建起一個相對全麵而紮實的光電檢測知識框架。我尤其期待其中關於噪聲分析和信號處理的章節，這往往是光電檢測實際應用中的難點，如果這本書能提供詳盡的講解和實用的案例，那將是非常寶貴的。

評分☆☆☆☆☆

我一直對光電轉換的奇妙過程非常著迷，這本書的齣現，簡直就像是為我打開瞭一扇新的大門。它係統地介紹瞭從光子如何被物質吸收，到電子信號如何被放大和處理的整個鏈條。書中對不同類型光電探測器的原理和特性進行瞭詳盡的闡述，讓我對CCD、CMOS、光電二極管、光電倍增管等有瞭更深入的認識。尤其讓我印象深刻的是，作者並沒有僅僅停留在理論層麵，而是結閤瞭大量的實際應用案例，例如在醫學影像、工業檢測、天文學觀測等領域的應用，這讓我看到瞭光電檢測技術在現實世界中的巨大價值和廣闊前景。我甚至開始構思，未來是否能將這些知識應用到我自己的小項目中，或許用一些簡單的光敏電阻就能實現一些有趣的功能。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和配圖設計，總體感覺是偏嚮於學術研究而非大眾科普。字體大小適中，行間距也比較舒適，閱讀起來不會感到壓迫感。但整體的視覺風格相對樸素，缺乏一些更具吸引力的插圖或圖錶，比如一些動態的示意圖或者三維的器件模型。這對於初學者來說，可能在理解一些抽象概念時會稍顯吃力。不過，書中還是包含瞭一些必要的技術圖示和原理框圖，它們清晰地展示瞭各個器件的工作原理和信號流程。這些圖的質量是閤格的，能夠輔助理解。我個人希望能在書中看到更多關於現代光電探測器（例如，SPADs、APD、EMCCD等）在結構和性能上的對比分析，以及它們在不同應用場景下的優劣勢。對於那些希望在這一領域進行前沿研究的學生來說，這會是一個有價值的補充。

評分☆☆☆☆☆

這本書的內容編排非常注重知識的循序漸進，從最基礎的光電效應，到各種探測器的基本結構和工作原理，再到更復雜的信號處理和噪聲抑製技術，整個知識體係的構建邏輯清晰，層層遞進。對於我這樣一名對光電檢測領域涉足不深的學習者來說，這種由淺入深的講解方式非常友好，能夠幫助我逐步建立起紮實的理論基礎。我特彆喜歡書中對各種參數（如量子效率、響應時間、噪聲等）的詳細解釋和計算方法，這對於理解和評估不同探測器的性能至關重要。而且，書中還包含瞭一些實際的實驗設計和數據分析的指導，這對於理論與實踐相結閤的學習非常有利。我希望能在這本書的指導下，逐步掌握光電檢測的核心技術，未來能在相關的科研或工程領域有所建樹。

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很好。值得買:)

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挺好的書，內容很全。謝謝。

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光電檢測技術（第3版）（高等學校電子信息類係列教材

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質量很好，送貨也很快。