光電信息技術(shù)

關(guān)于光電信息技術(shù)第一頁，共四十六頁，2022年，8月28日1內(nèi)容簡介

光電信息技術(shù)是光子技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合，是現(xiàn)代信息技術(shù)的核心，已廣泛應用于各行各業(yè)。本書比較全面地介紹了光電信息技術(shù)的物理基礎、電光信息轉(zhuǎn)換、光電信息轉(zhuǎn)換和光電信息技術(shù)的應用，比較注重光電信息技術(shù)應用的新成果和新發(fā)展。第二頁，共四十六頁，2022年，8月28日2

本書可供高等院校、科研院所光信息科學與技術(shù)、測控技術(shù)與儀器、電子信息工程、計算機、自動化、應用物理等專業(yè)的高年級大學生和光學類、檢測類、信息類、通訊類等研究生作為必修課或選修課教材。對上述領(lǐng)域內(nèi)從事研究、開發(fā)、生產(chǎn)的工程技術(shù)及研究人員也很有參考價值。3第三頁，共四十六頁，2022年，8月28日

序

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，光子以其獨特的優(yōu)點，具有極快的響應速度，極大的頻寬，信息容量和極高的信息效率推動信息科學技術(shù)的發(fā)展，具有越來越大的競爭力，光電信息產(chǎn)業(yè)在市場的份額逐年增加。光子技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，相互交叉、相互滲透與補充已經(jīng)成4第四頁，共四十六頁，2022年，8月28日為信息科學技術(shù)的主體之一，光子和微電子是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的基礎和核心，光電信息產(chǎn)業(yè)已成為世界上發(fā)達國家的主導產(chǎn)業(yè)。美國政府已將光子學與光子技術(shù)列為國家發(fā)展的重點，認為該領(lǐng)域“在國家安全與經(jīng)濟競爭方面有深遠的意義和潛力”，并肯定“通信和計算機研究與發(fā)展的未來世界屬于光子學領(lǐng)域”，5第五頁，共四十六頁，2022年，8月28日美國商務部指出：“90年代，全世界光子產(chǎn)業(yè)以比微電子產(chǎn)業(yè)高得多的速度發(fā)展，誰在光子產(chǎn)業(yè)方面取得主動權(quán)，誰就將在21世紀的尖端科技的較量中奪魁”。在德國，政府已確定光子學是本世紀初“對保持德國在國際技術(shù)市場上的先進地位至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)之一”。在日本有評論認為‘21世紀具有代表意義的主導產(chǎn)6第六頁，共四十六頁，2022年，8月28日業(yè)，第一是光子產(chǎn)業(yè)，第二是信息通信產(chǎn)業(yè)……”。我國政府十分重視光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已將它列入國民經(jīng)濟優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域，把光電子產(chǎn)業(yè)列為國家重點發(fā)展計劃，繼1986年3月王大恒等四位專家倡導的“863計劃”之后，在此基礎上開始了“973計劃”，這兩個高科技計劃的7第七頁，共四十六頁，2022年，8月28日

重點是光電子產(chǎn)業(yè)。據(jù)國家統(tǒng)計資料顯示，世紀具有代表意義的主導產(chǎn)業(yè)，第一是光子產(chǎn)業(yè)，第二是信息通信產(chǎn)業(yè)……”。

我國政府十分重視光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，已將它列入國民經(jīng)濟優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域，把光電子產(chǎn)業(yè)列為國家重點發(fā)展計劃，繼1986年3月王大恒等四位8第八頁，共四十六頁，2022年，8月28日

專家倡導的“863計劃”受信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化浪潮的推動，中國的光電信息市場和產(chǎn)業(yè)也呈現(xiàn)出高速增長態(tài)勢，成為拉動整個國民經(jīng)濟增長的第一支柱行業(yè)。1999年底全國范圍內(nèi)建成了“八橫八縱”的光纜網(wǎng)．武漢、廣東和長春等地提出了建設中國光谷的規(guī)劃?，F(xiàn)代信息技術(shù)的發(fā)展，迫切需要培9第九頁，共四十六頁，2022年，8月28日養(yǎng)一大批掌握光電信息技術(shù)的專門人才，也迫切需要普及光電信息技術(shù)方面的基礎知識，然而，目前系統(tǒng)介紹這方面內(nèi)容的書籍少見?！豆怆娦畔⒓夹g(shù)》一書的出版，正好填補了這方面的空白。本書作者多年來一直在上海理工大學等高校的信息類和測控類專業(yè)講授這方面內(nèi)容的課程，并從事光電信息技術(shù)方面的10第十頁，共四十六頁，2022年，8月28日科研工作，實踐中積累的教學、科研經(jīng)驗有助于作者較深刻地理解光電信息技術(shù)的原理、結(jié)構(gòu)和應用，本書對光電信息技術(shù)理論基礎、電光信息轉(zhuǎn)換、光電信息轉(zhuǎn)換和光電信息技術(shù)應用等進行了系統(tǒng)的講述，且條理清晰，層次分明，深入淺出，實用性強，對這一領(lǐng)域的最新發(fā)展也都有所包含，有些內(nèi)容是作者11第十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日

直接的科研成果。相信本書的出版將有益于高等院校、科研院所的教學、科研和人才培養(yǎng)工作，也有益于有關(guān)工程技術(shù)人員了解、掌握和應用光電信息技術(shù)方面的最新知識。

中國工程院院士

莊松林2001．1212第十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日前言

現(xiàn)代信息技術(shù)包含信息采集、信息傳輸和信息處理等內(nèi)容。信息采集：類似于人的感官系統(tǒng)，負責獲得原始的信息，主要由各類傳感器完成。傳感器是將各類原始信息（被測控的非電物理量）轉(zhuǎn)換成與之對應的易于處理的電信號輸出的裝置。在人的一生中，獲得信息量最大的感官是眼睛，13第十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日

通過光獲得的信息占總信息量的80％左右。同樣，在各類傳感器中，光電傳感器以大容量、非接觸、在線和主動獲取信息而脫潁而出，可實現(xiàn)納米級（高精度）和光子級（弱信號）測量，滿足現(xiàn)代社會對信息獲取的要求。信息傳輸：類似于人的神經(jīng)系統(tǒng)，負責信息的傳送，屬通訊領(lǐng)域。傳統(tǒng)的通訊分有線（電纜）和無線（電磁波）14第十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日

兩種，然而，這種通訊方式已滿足不了現(xiàn)代大信息傳輸?shù)囊?。于是，大容量和高帶寬的光通訊就誕生了，有線光通訊（光纜）正在替代電纜通訊，無線光通信也正在研制和發(fā)展中。信息處理：類似于人的大腦系統(tǒng)，負責對信息的綜合處理，顯然由電子計算機完成。然而，盡管電子計算機處理速度在不斷提高，但還是滿足不了人們15第十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日

的要求，于是，計算機網(wǎng)絡就誕生了，人們借助于光通信技術(shù)的發(fā)展，利用信息高速公路（光網(wǎng)）的多臺計算機來得到或處理信息。為了進一步滿足人們對大信息處理的要求，光計算機也正在研制中。從上述分析可知，現(xiàn)代信息技術(shù)的主體是光子技術(shù)與微電子技術(shù)，而光子技術(shù)與微電子技術(shù)結(jié)合，它們相互交叉、相互滲透與補充，就形成了光電信息技術(shù)，光16第十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日電信息技術(shù)的主要內(nèi)容是電－光信息轉(zhuǎn)換和光－電信息的轉(zhuǎn)換及其應用，是現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎和核心。光電信息技術(shù)發(fā)展之迅速使人驚嘆萬分，但此類內(nèi)容的圖書顯得遠不能適合目前我國光電信息技術(shù)發(fā)展的需要，高等院校和科研院所各相關(guān)專業(yè)的本科生和研究生也迫切需要一本合適的教材，為此作者編寫了這本比較系統(tǒng)介紹光電17第十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日信息技術(shù)理論、器件和應用的教材。本書是作者多年來從事光電信息技術(shù)方面教學和科研的成果匯編，也是國內(nèi)外光電信息技術(shù)發(fā)展的縮影。在編寫中，作者力圖條理清晰，層次分明，深入淺出，降低學習難度，提高實用價值，讀者只要具有大學物理和電子技術(shù)知識，就可學習本書內(nèi)容，在掌握本書內(nèi)容后有能力去接收日新月異的新成果并不斷18第十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日設計和開發(fā)光電信息技術(shù)應用的新產(chǎn)品。當然，由于光電信息技術(shù)發(fā)展迅速，涉及的學科范圍很寬，加上作者的知識局限，難免在書中存在錯漏，請讀者不吝指正。本書由東華大學吳國良副教授編寫第一章，上海理工大學馬軍山博士編寫第二章和第四章的三、四節(jié)，其余有上海理工大學楊永才副教授編寫，并負責19第十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日全書的統(tǒng)稿工作。上海理工大學秦積榮教授為本書的編寫提供了大量原始資料，并擔任本書的主審。最后作者要感謝中國工程院莊松林院士為本書寫了序，感謝上海市高校課程建設基金對本書出版的資助，感謝上海理工大學課程建設基金和東華大學教材出版基金對本書的資助。作者2002．1

20第二十頁，共四十六頁，2022年，8月28日

目錄序前言第一章：光電信息技術(shù)物理基礎§1.1理論基礎§1.1.1半導體能帶理論§1.1.2光電發(fā)射效應§1.1.3光電導效應§1.1.4光伏效應§1.1.5熱釋電效應21第二十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日§1.2光學基礎§1.2.1光的概念與度量§1.2.2光學器件§1.2.3光通量調(diào)制§1.3電路基礎§1.3.1放大§1.3.2濾波§1.3.3比較§1.3.4采樣保持§1.3.5電子開關(guān)22第二十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日第二章：電光信息轉(zhuǎn)換§2.1發(fā)光二極管(LED)§2.2半導體激光器(LD)§2.3液晶顯示器(LCD)§2.4陰極射線管(CRT)§2.5等離子顯示(PDP)第三章：光電信息轉(zhuǎn)換§3.1光電信息轉(zhuǎn)換器件§3.1.1光電倍增管§3.1.2光敏電阻23第二十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日§3.1.3光電池§3.1.4光敏二極管§3.1.5光敏三極§3.1.6熱釋電§3.2光電信息轉(zhuǎn)換集成器件§3.2.1位置傳感器(PSD)§3.2.2電荷耦合器(CCD)§3.3光電信息轉(zhuǎn)換組合器件§3.3.1光電耦合器§3.3.2光電編碼器24第二十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日§3.3.3光纖陀螺第四章：光電信息應用技術(shù)§4.1光電檢測§4.1.1光電檢測基本方法§4.1.2幾何量檢測§4.1.3機械量檢測§4.1.4溫度檢測§4.1.5機器人視覺系統(tǒng)§4.2光電控制§4.2.1光電繼電器25第二十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日§4.2.2光電遙控§4.2.3光纖開關(guān)§4.3光纖通信§4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成§4.3.2光纖通信系統(tǒng)§4.3.3光纖網(wǎng)絡系統(tǒng)§4.4光纖傳感器§4.4.1元件型光纖傳感器§4.4.2傳輸型光纖傳感器26第二十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日§4.5其它應用§4.5.1激光打印機與復印機§4.5.2光盤存儲§4.5.3攝像機和數(shù)碼相機§4.5.4攝像測量

附1思考題與習題

附2主要參考資料.27第二十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日參考文獻1、

田民波

編著，電子顯示，清華大學出版社，2001年5月2、

全子一，張家謀，劉誠

編著，電視學基礎，國防工業(yè)出版社，1985年6月3、

楊祥林主編，光纖通信系統(tǒng)，國防工業(yè)出版社，2000年1月4、

李澤民

編著，光纖通信（原理和技術(shù)），科學技術(shù)文獻出版社，1992年6月5、

劉增基，周洋溢，胡遼林，周綺麗編著，光纖通信，西安電子科技大學出版社，2001年8月6、

趙梓森等編著，光纖通信工程，人民郵電出版社，1994年5月7、

孫學軍，張述軍等編著，DWDM傳輸系統(tǒng)原理與測試，人民郵電出版社，2000年2月8、

王惠文主編，光纖傳感技術(shù)與應用，國防工業(yè)出版社，2001年4月9、

劉瑞復，史錦珊主編，光纖傳感器及其應用，機械工業(yè)出版社，1987年8月28第二十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日附1：思考題與習題1．簡述常用光電信息轉(zhuǎn)換器件的名稱，原理，主要特性和實用輸出電路。2．發(fā)光二極管工作時加正向還是反向電壓？它輸出的光強由什么控制？發(fā)光二極管和光敏二極管電路中的電阻R各起什么作用？3．請在光電繼電器的亮通控制電路中加入施密特觸發(fā)器電路，并分析其結(jié)果，畫出當照射光為矩形脈沖時電路各點的電壓波形圖。4。請用電子開關(guān)設計一個光控電路，要求低壓區(qū)和高壓區(qū)完全隔離，而且能控制大功率器件工作。29第二十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日5．在光電測長儀中（圖4.1.2－10），如平臺非單向移動時計數(shù)器就要誤計脈沖而造成測量誤差，請設計一個方案來校正此誤差。6．如何用兩臺攝像機進行測距？設定對應點在兩畫面中的位置和兩攝像機的幾何位置，畫出幾何圖形并推導出計算公式。7．試設計一個機器人視覺系統(tǒng)中用光投影法測距的方案，敘述原理，畫出對應的波形圖和電子線路圖。8．試設計一個用于水下作業(yè)的光纖開關(guān)系統(tǒng)，用雙向可控硅控制用電器。請畫出全部電子線路圖。30第三十頁，共四十六頁，2022年，8月28日9．試用光電元器件實現(xiàn)以下功能（畫出電路圖）（1）光致發(fā)光。

（2）

光止發(fā)光。（3）光照開啟門電路。（4）光照關(guān)閉門電路。（5）

傳送帶上小物體計數(shù)電路（畫出結(jié)構(gòu)圖和電路圖,標明雜光方向）。（6）傳送帶上大物體計數(shù)電路（畫出結(jié)構(gòu)圖和電路圖,標明雜光方向）。10.試設計一個在線自動測長裝置，即對傳送帶上運動物體進行自動測長。要求：（1）敘述測長原理。（2）

畫出結(jié)構(gòu)原理框圖。（3）

畫出電子線路圖。（4）

敘述提高測量精度的措施。31第三十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日11.畫出用線陣CCD測量運動熱鋼板長度的結(jié)構(gòu)示意圖，敘述CCD測長的原理，畫出CCD測長的原理框圖。畫出測量時CCD輸出信號的波形，并設計出供計數(shù)器計數(shù)的放大比較整形電路。12.光控電焊眼罩工作原理如圖4.2.1－11所示，當液晶屏P不通電時，液晶是透明.的，眼睛可以通過液晶屏看到焊點的情況。當液晶屏P通電時,液晶發(fā)生偏轉(zhuǎn)，透光度大大減小。電焊光不會對眼睛產(chǎn)生危害。圖中，RD2用來接收電焊強光，RD1用來接收外界自然光。試分析該裝置的工作原理，指出各元器件的作用。32第三十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日13.

試設計一個實用的光電檢測或光電控制裝置，要求：(1)

大膽想象，有創(chuàng)新意識，又有實用價值。(2)

敘述原理，畫出原理框圖。(3)

畫出電子線路圖，不能畫出部分用框圖代替。(4)

敘述提高測量精度或防干擾措施。14.

試設計一臺光電防盜報警裝置,要求：(1)

敘述防盜報警原理。(2)

畫出原理框圖。(3)

畫出電子線路圖。(4)

要有防干擾措施，以防誤報。(5)

要有延時裝置。33第三十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日15.

試圖示并敘述光盤存儲及讀數(shù)的原理。16.

試設計一個霓虹燈自動控制電路，要求：(1)

天黑霓虹燈自動開啟，天亮則自動關(guān)閉。(2)

畫出原理框圖，敘述控制原理。(3)

設計全部控制電路。(4)

晚上暴雨閃電時，霓虹燈不能出現(xiàn)閃耀現(xiàn)象，敘述采取的措施。17.

試設計一個煤氣泄漏自動保護裝置，要求：(1)

煤氣點燃后，自動保護裝置同時開始工作。(2)

當物體煮開溢出時，火苗變小或熄滅，保護裝置自動報警或自動關(guān)閉煤氣閥門。(3)

敘述測控原理，畫出裝置的原理框圖。(4)

設計全部電子線路圖。(5)

敘述該裝置的使用方法。34第三十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日18.

試設計一個能精確測出自行車車速的裝置,要求：(1)

敘述測量方法。(2)

畫出原理框圖并敘述測量原理。(3)

設計全部電子線路圖。(4)

顯示裝置應固定在車把上，采用何種顯示方式？試提出實現(xiàn)方案。(5)

騎車人在知道車速的同時，是否可同時知道自己所騎的路程？請?zhí)岢鰧崿F(xiàn)方案19.

車燈亮度全自動控制系統(tǒng)設計。一般汽車前燈都有強弱二檔，按規(guī)定，汽車在晚上行駛?cè)缬鰧γ嬗熊囻倎?，須將車燈打至弱檔，以免對方司機眩目而造成撞車事故。然而，由于種種原因，有些司機很難做到這一點，35第三十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日因而晚間事故時有發(fā)生。車燈亮度全自動控制系統(tǒng)由光電傳感器和單片微機(或計算機)系統(tǒng)組成，根據(jù)入射光信號的不同，自動將車燈置于強檔、弱檔或關(guān)閉狀態(tài)。(1)

白天行駛時，光電傳感器接收到較強的且強度基本不變的光信號，車燈將關(guān)閉。(2)

當汽車晚上行駛在城市或裝有路燈的馬路上時，光電傳感器接收到近似于正弦變化規(guī)律的且比較弱的光信號，車燈將開啟在弱檔。(3)

當汽車晚上行駛在郊外時，光電傳感器接收不到接收到很弱的光信號，車燈將開啟在強檔。(4)

當對面有車開來時，光電傳感器接收到的光信號強度逐步增大（說明對方車正在接近）或強度突然大幅度36第三十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日變?。ㄕf明對方已關(guān)閉強光燈），車燈將開啟至弱檔，直到接收不到光信號（說明車已經(jīng)交會），才重新點亮強光燈。(5)

整個控制系統(tǒng)電源受汽車電門鑰匙控制，只要汽車發(fā)動，一切進入自動控制狀態(tài)。試敘述控制原理，畫出框圖及主要電子線路圖，畫出軟件流程圖。

20.

鋼廠熱軋的鋼板溫度在900度到1300度,向外輻射紅外光.現(xiàn)要在線檢測鋼板在熱軋過程中的長度.采用CCD作為接收器,要求:(1)

敘述CCD測長的原理。37第三十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日(2)

畫出CCD測長的原理框圖。(3)

畫出CCD測長的電子線路圖〔包括供計數(shù)器計數(shù)的放大比較整形電路，微機接口硬件電路等。〕(4)

畫出測量的軟件流程圖。21.光電測控中常用的消除雜散光影響的方法有哪些？22.試敘述光電池的工作原理以及開路電壓、短路電流與光照度的關(guān)系。為什么光電池輸出與所接負載的大小有關(guān)？請畫出用光電池作為檢測元件時的電路并分析之。23.

PIN管和APD管的頻率特性為什么比普通的光敏二極管好？24.

為什么結(jié)型光電器件只有反偏置或零偏置時才有明顯的光電效應？38第三十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日25.

熱電探測器與光電探測器比較，在原理上有何區(qū)別？26.

簡述光電導攝像機和CCD攝像機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理。27.

試比較LED和LD結(jié)構(gòu)、原理和特性的相同點和不同點。28.

試圖示并敘述激光打印機的結(jié)構(gòu)和工作原理。29.

如右圖所示，設光敏電子的暗阻為108歐，亮阻為104歐，E＝12V，為使使其輸出電壓U的變化最大，求：(1)

R及最大的輸出電壓變化U。(2)

若光敏電阻的最大耗散功率為100mw,它的極限電壓為100V，求容許的最大E為多少伏?39第三十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日30.

有一正弦調(diào)制光照射于光敏二極管，其電路如圖所示，R＝RL＝100K，光敏二極管的靈敏度S＝0.1A/LUX。欲使其輸出電壓Uo＝5V，求所需的照度變化。若R由100K變至50K，問輸出電壓Uo變至幾伏？31.

試用光電耦合器組成如下邏輯電路（畫出電路圖）。________F＝ABCF=A+B32．舉例說明脈沖法測量物理量的工作原理。33．何謂差動法？試敘述相敏檢波器的原理、實用電路和參考信號的獲得方法。40第四十頁，共四十六頁，2022年，8月28日34.在右圖中，光敏二極管的靈敏度S＝0.5A/w，參考光通量2＝10mw,運算放大器的開環(huán)增益AV＝109，若R＝R1＝R2＝1K，Rf＝100K，問輸出電壓UO＝2伏時測量光路的光通量1應為多少？35．為了統(tǒng)計進入會場和離開會場的人數(shù)，在進出口處放置三個光源GY1、GY2、GY3，它們分別照射于對面的光敏二極管GG1、GG2、GG3，如下圖a，當人經(jīng)過時，光線被遮斷，電路原理如下圖b所示。試說明為什么能對進入和離開的人分別計數(shù)，如果用一個可逆計數(shù)器代替圖中的兩個計數(shù)器，則能測得留在會場的人數(shù)。41第四十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日

附2：主要參考資料1.田民波．電子顯示，清華大學出版社，2001年