光电信息技术

1关于光电信息技术2内容简介

光电信息技术是光子技术与微电子技术的结合，是现代信息技术的核心，已广泛应用于各行各业。本书比较全面地介绍了光电信息技术的物理基础、电光信息转换、光电信息转换和光电信息技术的应用，比较注重光电信息技术应用的新成果和新发展。第2页,共46页，2024年2月25日，星期天3

本书可供高等院校、科研院所光信息科学与技术、测控技术与仪器、电子信息工程、计算机、自动化、应用物理等专业的高年级大学生和光学类、检测类、信息类、通讯类等研究生作为必修课或选修课教材。对上述领域内从事研究、开发、生产的工程技术及研究人员也很有参考价值。第3页,共46页，2024年2月25日，星期天4

序

随着现代信息技术的发展，光子以其独特的优点，具有极快的响应速度，极大的频宽，信息容量和极高的信息效率推动信息科学技术的发展，具有越来越大的竞争力，光电信息产业在市场的份额逐年增加。光子技术与微电子技术结合，相互交叉、相互渗透与补充已经成第4页,共46页，2024年2月25日，星期天5

为信息科学技术的主体之一，光子和微电子是现代信息产业的基础和核心，光电信息产业已成为世界上发达国家的主导产业。美国政府已将光子学与光子技术列为国家发展的重点，认为该领域“在国家安全与经济竞争方面有深远的意义和潜力”，并肯定“通信和计算机研究与发展的未来世界属于光子学领域”，第5页,共46页，2024年2月25日，星期天6

美国商务部指出：“90年代，全世界光子产业以比微电子产业高得多的速度发展，谁在光子产业方面取得主动权，谁就将在21世纪的尖端科技的较量中夺魁”。在德国，政府已确定光子学是本世纪初“对保持德国在国际技术市场上的先进地位至关重要的关键技术之一”。在日本有评论认为‘21世纪具有代表意义的主导产第6页,共46页，2024年2月25日，星期天7

业，第一是光子产业，第二是信息通信产业……”。我国政府十分重视光电子技术和产业的发展，已将它列入国民经济优先发展的领域，把光电子产业列为国家重点发展计划，继1986年3月王大恒等四位专家倡导的“863计划”之后，在此基础上开始了“973计划”，这两个高科技计划的第7页,共46页，2024年2月25日，星期天8

重点是光电子产业。据国家统计资料显示，世纪具有代表意义的主导产业，第一是光子产业，第二是信息通信产业……”。

我国政府十分重视光电子技术和产业的发展，已将它列入国民经济优先发展的领域，把光电子产业列为国家重点发展计划，继1986年3月王大恒等四位第8页,共46页，2024年2月25日，星期天9

专家倡导的“863计划”受信息化、数字化、网络化浪潮的推动，中国的光电信息市场和产业也呈现出高速增长态势，成为拉动整个国民经济增长的第一支柱行业。1999年底全国范围内建成了“八横八纵”的光缆网．武汉、广东和长春等地提出了建设中国光谷的规划。现代信息技术的发展，迫切需要培第9页,共46页，2024年2月25日，星期天10

养一大批掌握光电信息技术的专门人才，也迫切需要普及光电信息技术方面的基础知识，然而，目前系统介绍这方面内容的书籍少见。《光电信息技术》一书的出版，正好填补了这方面的空白。本书作者多年来一直在上海理工大学等高校的信息类和测控类专业讲授这方面内容的课程，并从事光电信息技术方面的第10页,共46页，2024年2月25日，星期天11

科研工作，实践中积累的教学、科研经验有助于作者较深刻地理解光电信息技术的原理、结构和应用，本书对光电信息技术理论基础、电光信息转换、光电信息转换和光电信息技术应用等进行了系统的讲述，且条理清晰，层次分明，深入浅出，实用性强，对这一领域的最新发展也都有所包含，有些内容是作者第11页,共46页，2024年2月25日，星期天12

直接的科研成果。相信本书的出版将有益于高等院校、科研院所的教学、科研和人才培养工作，也有益于有关工程技术人员了解、掌握和应用光电信息技术方面的最新知识。

中国工程院院士

庄松林

2001．12第12页,共46页，2024年2月25日，星期天13前言

现代信息技术包含信息采集、信息传输和信息处理等内容。信息采集：类似于人的感官系统，负责获得原始的信息，主要由各类传感器完成。传感器是将各类原始信息（被测控的非电物理量）转换成与之对应的易于处理的电信号输出的装置。在人的一生中，获得信息量最大的感官是眼睛，第13页,共46页，2024年2月25日，星期天14

通过光获得的信息占总信息量的80％左右。同样，在各类传感器中，光电传感器以大容量、非接触、在线和主动获取信息而脱颍而出，可实现纳米级（高精度）和光子级（弱信号）测量，满足现代社会对信息获取的要求。信息传输：类似于人的神经系统，负责信息的传送，属通讯领域。传统的通讯分有线（电缆）和无线（电磁波）第14页,共46页，2024年2月25日，星期天15

两种，然而，这种通讯方式已满足不了现代大信息传输的要求。于是，大容量和高带宽的光通讯就诞生了，有线光通讯（光缆）正在替代电缆通讯，无线光通信也正在研制和发展中。信息处理：类似于人的大脑系统，负责对信息的综合处理，显然由电子计算机完成。然而，尽管电子计算机处理速度在不断提高，但还是满足不了人们第15页,共46页，2024年2月25日，星期天16

的要求，于是，计算机网络就诞生了，人们借助于光通信技术的发展，利用信息高速公路（光网）的多台计算机来得到或处理信息。为了进一步满足人们对大信息处理的要求，光计算机也正在研制中。从上述分析可知，现代信息技术的主体是光子技术与微电子技术，而光子技术与微电子技术结合，它们相互交叉、相互渗透与补充，就形成了光电信息技术，光第16页,共46页，2024年2月25日，星期天17

电信息技术的主要内容是电－光信息转换和光－电信息的转换及其应用，是现代信息技术的基础和核心。光电信息技术发展之迅速使人惊叹万分，但此类内容的图书显得远不能适合目前我国光电信息技术发展的需要，高等院校和科研院所各相关专业的本科生和研究生也迫切需要一本合适的教材，为此作者编写了这本比较系统介绍光电第17页,共46页，2024年2月25日，星期天18

信息技术理论、器件和应用的教材。本书是作者多年来从事光电信息技术方面教学和科研的成果汇编，也是国内外光电信息技术发展的缩影。在编写中，作者力图条理清晰，层次分明，深入浅出，降低学习难度，提高实用价值，读者只要具有大学物理和电子技术知识，就可学习本书内容，在掌握本书内容后有能力去接收日新月异的新成果并不断第18页,共46页，2024年2月25日，星期天19

设计和开发光电信息技术应用的新产品。当然，由于光电信息技术发展迅速，涉及的学科范围很宽，加上作者的知识局限，难免在书中存在错漏，请读者不吝指正。本书由东华大学吴国良副教授编写第一章，上海理工大学马军山博士编写第二章和第四章的三、四节，其余有上海理工大学杨永才副教授编写，并负责第19页,共46页，2024年2月25日，星期天20

全书的统稿工作。上海理工大学秦积荣教授为本书的编写提供了大量原始资料，并担任本书的主审。最后作者要感谢中国工程院庄松林院士为本书写了序，感谢上海市高校课程建设基金对本书出版的资助，感谢上海理工大学课程建设基金和东华大学教材出版基金对本书的资助。作者2002．1

第20页,共46页，2024年2月25日，星期天21

目录序前言第一章：光电信息技术物理基础

§1.1理论基础

§1.1.1半导体能带理论

§1.1.2光电发射效应

§1.1.3光电导效应

§1.1.4光伏效应

§1.1.5热释电效应第21页,共46页，2024年2月25日，星期天22§1.2光学基础

§1.2.1光的概念与度量

§1.2.2光学器件

§1.2.3光通量调制§1.3电路基础

§1.3.1放大

§1.3.2滤波

§1.3.3比较

§1.3.4采样保持

§1.3.5电子开关第22页,共46页，2024年2月25日，星期天23第二章：电光信息转换

§2.1发光二极管(LED)§2.2半导体激光器(LD)§2.3液晶显示器(LCD)§2.4阴极射线管(CRT)§2.5等离子显示(PDP)第三章：光电信息转换

§3.1光电信息转换器件

§3.1.1光电倍增管

§3.1.2光敏电阻第23页,共46页，2024年2月25日，星期天24§3.1.3光电池

§3.1.4光敏二极管

§3.1.5光敏三极

§3.1.6热释电

§3.2光电信息转换集成器件

§3.2.1位置传感器(PSD)§3.2.2电荷耦合器(CCD)§3.3光电信息转换组合器件

§3.3.1光电耦合器

§3.3.2光电编码器第24页,共46页，2024年2月25日，星期天25§3.3.3光纤陀螺第四章：光电信息应用技术

§4.1光电检测

§4.1.1光电检测基本方法

§4.1.2几何量检测

§4.1.3机械量检测

§4.1.4温度检测

§4.1.5机器人视觉系统

§4.2光电控制

§4.2.1光电继电器第25页,共46页，2024年2月25日，星期天26§4.2.2光电遥控

§4.2.3光纤开关

§4.3光纤通信

§4.3.1光纤通信原理及构成

§4.3.2光纤通信系统

§4.3.3光纤网络系统

§4.4光纤传感器

§4.4.1元件型光纤传感器

§4.4.2传输型光纤传感器第26页,共46页，2024年2月25日，星期天27§4.5其它应用

§4.5.1激光打印机与复印机

§4.5.2光盘存储

§4.5.3摄像机和数码相机

§4.5.4摄像测量

附1思考题与习题

附2主要参考资料.第27页,共46页，2024年2月25日，星期天28参考文献1、

田民波

编著，电子显示，清华大学出版社，2001年5月2、

全子一，张家谋，刘诚

编著，电视学基础，国防工业出版社，1985年6月3、

杨祥林主编，光纤通信系统，国防工业出版社，2000年1月4、

李泽民

编著，光纤通信（原理和技术），科学技术文献出版社，1992年6月5、

刘增基，周洋溢，胡辽林，周绮丽编著，光纤通信，西安电子科技大学出版社，2001年8月6、

赵梓森等编著，光纤通信工程，人民邮电出版社，1994年5月7、

孙学军，张述军等编著，DWDM传输系统原理与测试，人民邮电出版社，2000年2月8、

王惠文主编，光纤传感技术与应用，国防工业出版社，2001年4月9、

刘瑞复，史锦珊主编，光纤传感器及其应用，机械工业出版社，1987年8月第28页,共46页，2024年2月25日，星期天29附1：思考题与习题1．简述常用光电信息转换器件的名称，原理，主要特性和实用输出电路。2．发光二极管工作时加正向还是反向电压？它输出的光强由什么控制？发光二极管和光敏二极管电路中的电阻R各起什么作用？3．请在光电继电器的亮通控制电路中加入施密特触发器电路，并分析其结果，画出当照射光为矩形脉冲时电路各点的电压波形图。4。请用电子开关设计一个光控电路，要求低压区和高压区完全隔离，而且能控制大功率器件工作。第29页,共46页，2024年2月25日，星期天305．在光电测长仪中（图4.1.2－10），如平台非单向移动时计数器就要误计脉冲而造成测量误差，请设计一个方案来校正此误差。6．如何用两台摄像机进行测距？设定对应点在两画面中的位置和两摄像机的几何位置，画出几何图形并推导出计算公式。7．试设计一个机器人视觉系统中用光投影法测距的方案，叙述原理，画出对应的波形图和电子线路图。8．试设计一个用于水下作业的光纤开关系统，用双向可控硅控制用电器。请画出全部电子线路图。第30页,共46页，2024年2月25日，星期天319．试用光电元器件实现以下功能（画出电路图）（1）光致发光。

（2）

光止发光。（3）光照开启门电路。（4）光照关闭门电路。（5）

传送带上小物体计数电路（画出结构图和电路图,标明杂光方向）。（6）传送带上大物体计数电路（画出结构图和电路图,标明杂光方向）。10.试设计一个在线自动测长装置，即对传送带上运动物体进行自动测长。要求：（1）叙述测长原理。（2）

画出结构原理框图。（3）

画出电子线路图。（4）

叙述提高测量精度的措施。第31页,共46页，2024年2月25日，星期天3211.画出用线阵CCD测量运动热钢板长度的结构示意图，叙述CCD测长的原理，画出CCD测长的原理框图。画出测量时CCD输出信号的波形，并设计出供计数器计数的放大比较整形电路。12.光控电焊眼罩工作原理如图4.2.1－11所示，当液晶屏P不通电时，液晶是透明.的，眼睛可以通过液晶屏看到焊点的情况。当液晶屏P通电时,液晶发生偏转，透光度大大减小。电焊光不会对眼睛产生危害。图中，RD2用来接收电焊强光，RD1用来接收外界自然光。试分析该装置的工作原理，指出各元器件的作用。第32页,共46页，2024年2月25日，星期天3313.

试设计一个实用的光电检测或光电控制装置，要求：

(1)

大胆想象，有创新意识，又有实用价值。

(2)

叙述原理，画出原理框图。

(3)

画出电子线路图，不能画出部分用框图代替。

(4)

叙述提高测量精度或防干扰措施。14.

试设计一台光电防盗报警装置,要求：

(1)

叙述防盗报警原理。

(2)

画出原理框图。

(3)

画出电子线路图。

(4)

要有防干扰措施，以防误报。

(5)

要有延时装置。第33页,共46页，2024年2月25日，星期天3415.

试图示并叙述光盘存储及读数的原理。16.

试设计一个霓虹灯自动控制电路，要求：

(1)

天黑霓虹灯自动开启，天亮则自动关闭。

(2)

画出原理框图，叙述控制原理。

(3)

设计全部控制电路。

(4)

晚上暴雨闪电时，霓虹灯不能出现闪耀现象，叙述采取的措施。17.

试设计一个煤气泄漏自动保护装置，要求：

(1)

煤气点燃后，自动保护装置同时开始工作。

(2)

当物体煮开溢出时，火苗变小或熄灭，保护装置自动报警或自动关闭煤气阀门。

(3)

叙述测控原理，画出装置的原理框图。

(4)

设计全部电子线路图。

(5)

叙述该装置的使用方法。第34页,共46页，2024年2月25日，星期天3518.

试设计一个能精确测出自行车车速的装置,要求：

(1)

叙述测量方法。

(2)

画出原理框图并叙述测量原理。

(3)

设计全部电子线路图。

(4)

显示装置应固定在车把上，采用何种显示方式？试提出实现方案。

(5)

骑车人在知道车速的同时，是否可同时知道自己所骑的路程？请提出实现方案19.

车灯亮度全自动控制系统设计。一般汽车前灯都有强弱二档，按规定，汽车在晚上行驶如遇对面有车驶来，须将车灯打至弱档，以免对方司机眩目而造成撞车事故。然而，由于种种原因，有些司机很难做到这一点，第35页,共46页，2024年2月25日，星期天36

因而晚间事故时有发生。车灯亮度全自动控制系统由光电传感器和单片微机(或计算机)系统组成，根据入射光信号的不同，自动将车灯置于强档、弱档或关闭状态。

(1)

白天行驶时，光电传感器接收到较强的且强度基本不变的光信号，车灯将关闭。

(2)

当汽车晚上行驶在城市或装有路灯的马路上时，光电传感器接收到近似于正弦变化规律的且比较弱的光信号，车灯将开启在弱档。

(3)

当汽车晚上行驶在郊外时，光电传感器接收不到接收到很弱的光信号，车灯将开启在强档。

(4)

当对面有车开来时，光电传感器接收到的光信号强度逐步增大（说明对方车正在接近）或强度突然大幅度第36页,共46页，2024年2月25日，星期天37

变小（说明对方已关闭强光灯），车灯将开启至弱档，直到接收不到光信号（说明车已经交会），才重新点亮强光灯。

(5)

整个控制系统电源受汽车电门钥匙控制，只要汽车发动，一切进入自动控制状态。试叙述控制原理，画出框图及主要电子线路图，画出软件流程图。

20.

钢厂热轧的钢板温度在900度到1300度,向外辐射红外光.现要在线检测钢板在热轧过程中的长度.采用CCD作为接收器,要求:(1)

叙述CCD测长的原理。第37页,共46页，2024年2月25日，星期天38(2)

画出CCD测长的原理框图。

(3)

画出CCD测长的电子线路图〔包括供计数器计数的放大比较整形电路，微机接口硬件电路等。〕(4)

画出测量的软件流程图。21.光电测控中常用的消除杂散光影响的方法有哪些？22.试叙述光电池的工作原理以及开路电压、短路电流与光照度的关系。为什么光电池输出与所接负载的大小有关？请画出用光电池作为检测元件时的电路并分析之。23.

PIN管和APD管的频率特性为什么比普通的光敏二极管好？24.

为什么结型光电器件只有反偏置或零偏置时才有明显的光电效应？第38页,共46页，2024年2月25日，星期天3925.

热电探测器与光电探测器比较，在原理上有何区别？26.

简述光电导摄像机和CCD摄像机的基本结构和工作原理。27.

试比较LED和LD结构、原理和特性的相同点和不同点。28.

试图示并叙述激光打印机的结构和工作原理。29.

如右图所示，设光敏电子的暗阻为108欧，亮阻为104欧，E＝12V，为使使其输出电压U的变化最大，求：

(1)

R及最大的输出电压变化

U。

(2)

若光敏电阻的最大耗散功率为100mw,它的极限电压为100V，求容许的最大E为多少伏?第39页,共46页，2024年2月25日，星期天4030.

有一正弦调制光照射于光敏二极管，其电路如图所示，R＝RL＝100K，光敏二极管的灵敏度S＝0.1

A/LUX。欲使其输出电压Uo＝5V，求所需的照度变化。若R由100K变至50K，问输出电压Uo变至几伏？31.

试用光电耦合器组成如下逻辑电路（画出电路图）。

________F＝A

B

CF=A+B32．举例说明脉冲法测量物理量的工作原理。33．何谓差动法？试叙述相敏检波器的原理、实用电路和参考信号的获得方法。第40页,共46页，2024年2月25日，星期天4134.在右图中，光敏二极管的灵敏度S＝0.5

A/

w，参考光通量

2＝10mw,运算放大器的开环增益AV＝109，若R＝R1＝R2＝1K，Rf＝100K，问输出电压UO＝2伏时测量光路的光通量

1应为多少？35．为了统计进入会场和离开会场的人数，在进出口处放置三个光源GY1、GY2、GY3，它们分别照射于对面的光敏二极管GG1、GG2、GG3，如下图a，当人经过时，光线被遮断，电路原理如下图b所示。试说明为什么能对进入和离开的人分别计数，如果用一个可逆计数器代替图中的两个计数器，则能测得留在会场的人数。第41页,共46页，2024年2月25日，星期天42

附2：主要参考资料1.田民波．电子显示，清华大学出版社，20