光電子技術課后答案

1、安毓英光電子技術教材課后習題答案詳解習 題11. 設在半徑為Rc的圓盤中心法線上，距盤圓中心為l0處有一個輻射強度為Ie的點源S，如圖所示。試計算該點源發(fā)射到盤圓的輻射功率。l0SRc第1題圖 ， LeDAsDAcl0qsqc第2題圖2. 如圖所示，設小面源的面積為DAs，輻射亮度為Le，面源法線與l0的夾角為qs；被照面的面積為DAc，到面源DAs的距離為l0。若qc為輻射在被照面DAc的入射角，試計算小面源在DAc上產生的輻射照度。用定義和求解。4. 霓虹燈發(fā)的光是熱輻射嗎？ 不是熱輻射。6. 從黑體輻射曲線圖可以看出，不同溫度下的黑體輻射曲線的極大值處的波長lm隨溫度T的升高而減小。試由

2、普朗克熱輻射公式導出。這一關系式稱為維恩位移定律，其中常數(shù)為2.89810-3mK。 普朗克熱輻射公式求一階導數(shù)，令其等于0，即可求的。9. 常用的彩色膠卷一般分為日光型和燈光型。你知道這是按什么區(qū)分的嗎？按色溫區(qū)分。習 題21. 何為大氣窗口，試分析光譜位于大氣窗口內的光輻射的大氣衰減因素。對某些特定的波長，大氣呈現(xiàn)出極為強烈的吸收。光波幾乎無法通過。根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性，一般把近紅外區(qū)分成八個區(qū)段，將透過率較高的波段稱為大氣窗口。2. 何為大氣湍流效應，大氣湍流對光束的傳播產生哪些影響？是一種無規(guī)則的漩渦流動，流體質點的運動軌跡十分復雜，既有橫向運動，又有縱向運動，空間每一點的運動速

3、度圍繞某一平均值隨機起伏。這種湍流狀態(tài)將使激光輻射在傳播過程中隨機地改變其光波參量，使光束質量受到嚴重影響，出現(xiàn)所謂光束截面內的強度閃爍、光束的彎曲和漂移（亦稱方向抖動）、光束彌散畸變以及空間相干性退化等現(xiàn)象，統(tǒng)稱為大氣湍流效應。5. 何為電光晶體的半波電壓？半波電壓由晶體的那些參數(shù)決定？當光波的兩個垂直分量Ex，Ey的光程差為半個波長（相應的相位差為p）時所需要加的電壓，稱為半波電壓。7. 若取vs=616m/s，n=2.35， fs=10MHz，l0=0.6328mm，試估算發(fā)生拉曼-納斯衍射所允許的最大晶體長度Lmax=?由公式計算，得到。10. 一束線偏振光經過長L=25cm，直徑D=

4、1cm的實心玻璃，玻璃外繞N=250匝導線，通有電流I=5A。取韋爾德常數(shù)為V=0.2510-5（）/cmT，試計算光的旋轉角q。由公式、和計算，得到。11. 概括光纖弱導條件的意義。從理論上講，光纖的弱導特性是光纖與微波圓波導之間的重要差別之一。實際使用的光纖，特別是單模光纖，其摻雜濃度都很小，使纖芯和包層只有很小的折射率差。所以弱導的基本含義是指很小的折射率差就能構成良好的光纖波導結構，而且為制造提供了很大的方便。15. 光波水下傳輸有那些特殊問題？主要是設法克服這種后向散射的影響。措施如下：適當?shù)剡x擇濾光片和檢偏器，以分辨無規(guī)則偏振的后向散射和有規(guī)則偏振的目標反射。盡可能的分開發(fā)射光源和

5、接收器。采用如圖2-28所示的距離選通技術。當光源發(fā)射的光脈沖朝向目標傳播時，接收器的快門關閉，這時朝向接收器的連續(xù)后向散射光便無法進入接收器。當水下目標反射的光脈沖信號返回到接收器時，接收器的快門突然打開并記錄接收到的目標信息。這樣就能有效的克服水下后向散射的影響。習 題31. 一縱向運用的KDP電光調制器，長為2cm，折射率n=2.5，工作頻率為1000kHz。試求此時光在晶體中的渡越時間及引起的相位延遲。渡越時間為：td=nL/c相位延遲因子：2. 在電光調制器中，為了得到線性調制，在調制器中插入一個l/4波片，波片的軸向如何設置最好？若旋轉l/4波片，它所提供的直流偏置有何變化？其快慢

6、軸與晶體的主軸x成45角，從而使和兩個分量之間產生p/2的固定相位差。7. 用PbMoO4晶體做成一個聲光掃描器，取n=2.48，M2=37.7510-15s3/kg，換能器寬度H=0.5mm。聲波沿光軸方向傳播，聲頻fs=150MHz，聲速vs=3.99105cm/s，光束寬度d=0.85cm，光波長l=0.5mm。 證明此掃描器只能產生正常布喇格衍射； 為獲得100%的衍射效率，聲功Ps率應為多大？ 若布喇格帶寬Df=125MHz，衍射效率降低多少？ 求可分辨點數(shù)N。 由公式證明不是拉曼-納斯衍射。 ， 若布喇格帶寬Df=125MHz，衍射效率降低多少？， 用公式和計算。習 題44.1 比

7、較光子探測器和光熱探測器在作用機理、性能及應用特點等方面的差異。答：光子效應是指單個光子的性質對產生的光電子起直接作用的一類光電效應。探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小，直接影響內部電子狀態(tài)改變的大小。因為，光子能量是h，h是普朗克常數(shù), 是光波頻率，所以，光子效應就對光波頻率表現(xiàn)出選擇性，在光子直接與電子相互作用的情況下，其響應速度一般比較快。光熱效應和光子效應完全不同。探測元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量，引起探測元件溫度上升,溫度上升的結果又使探測元件的電學性質或其他物理性質發(fā)生變化。所以，光

8、熱效應與單光子能量h的大小沒有直接關系。原則上，光熱效應對光波頻率沒有選擇性。只是在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應也就更強烈，所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。因為溫度升高是熱積累的作用，所以光熱效應的響應速度一般比較慢，而且容易受環(huán)境溫度變化的影響。值得注意的是，以后將要介紹一種所謂熱釋電效應是響應于材料的溫度變化率，比其他光熱效應的響應速度要快得多，并已獲得日益廣泛的應用。4.2 總結選用光電探測器的一般原則。答：用于測光的光源光譜特性必須與光電探測器的光譜響應特性匹配；考慮時間響應特性；考慮光電探測器的線性特性等。習 題55.1 以表面溝道CCD為例，簡述CCD電荷存儲、轉移、輸出的基

9、本原理。CCD的輸出信號有什么特點？答：構成CCD的基本單元是MOS(金屬-氧化物-半導體)電容器。正如其它電容器一樣，MOS電容器能夠存儲電荷。如果MOS結構中的半導體是P型硅，當在金屬電極（稱為柵）上加一個正的階梯電壓時（襯底接地），Si-SiO2界面處的電勢（稱為表面勢或界面勢）發(fā)生相應變化，附近的P型硅中多數(shù)載流子空穴被排斥，形成所謂耗盡層，如果柵電壓VG超過MOS晶體管的開啟電壓，則在Si-SiO2界面處形成深度耗盡狀態(tài)，由于電子在那里的勢能較低，我們可以形象化地說：半導體表面形成了電子的勢阱，可以用來存儲電子。當表面存在勢阱時，如果有信號電子（電荷）來到勢阱及其鄰近，它們便可以聚集

10、在表面。隨著電子來到勢阱中，表面勢將降低，耗盡層將減薄，我們把這個過程描述為電子逐漸填充勢阱。勢阱中能夠容納多少個電子，取決于勢阱的“深淺”，即表面勢的大小，而表面勢又隨柵電壓變化，柵電壓越大，勢阱越深。如果沒有外來的信號電荷。耗盡層及其鄰近區(qū)域在一定溫度下產生的電子將逐漸填滿勢阱，這種熱產生的少數(shù)載流子電流叫作暗電流，以有別于光照下產生的載流子。因此，電荷耦合器件必須工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài)，才能存儲電荷。以典型的三相CCD為例說明CCD電荷轉移的基本原理。三相CCD是由每三個柵為一組的間隔緊密的MOS結構組成的陣列。每相隔兩個柵的柵電極連接到同一驅動信號上，亦稱時鐘脈沖。三相時鐘脈沖的波形

11、如下圖所示。在t1時刻，1高電位，2、3低電位。此時1電極下的表面勢最大，勢阱最深。假設此時已有信號電荷（電子）注入，則電荷就被存儲在1電極下的勢阱中。t2時刻，1、2為高電位，3為低電位，則1、2下的兩個勢阱的空阱深度相同，但因1下面存儲有電荷，則1勢阱的實際深度比2電極下面的勢阱淺，1下面的電荷將向2下轉移，直到兩個勢阱中具有同樣多的電荷。t3時刻，2仍為高電位，3仍為低電位，而1由高到低轉變。此時1下的勢阱逐漸變淺，使1下的剩余電荷繼續(xù)向2下的勢阱中轉移。t4時刻，2為高電位，1、3為低電位，2下面的勢阱最深，信號電荷都被轉移到2下面的勢阱中，這與t1時刻的情況相似，但電荷包向右移動了一

12、個電極的位置。當經過一個時鐘周期T后，電荷包將向右轉移三個電極位置，即一個柵周期（也稱一位）。因此，時鐘的周期變化，就可使CCD中的電荷包在電極下被轉移到輸出端，其工作過程從效果上看類似于數(shù)字電路中的移位寄存器。 電荷輸出結構有多種形式，如“電流輸出”結構、“浮置擴散輸出”結構及“浮置柵輸出”結構。其中“浮置擴散輸出”結構應用最廣泛，。輸出結構包括輸出柵OG、浮置擴散區(qū)FD、復位柵R、復位漏RD以及輸出場效應管T等。所謂“浮置擴散”是指在P型硅襯底表面用V族雜質擴散形成小塊的n+區(qū)域，當擴散區(qū)不被偏置，即處于浮置狀態(tài)工作時，稱作“浮置擴散區(qū)”。電荷包的輸出過程如下：VOG為一定值的正電壓，在O

13、G電極下形成耗盡層，使3與FD之間建立導電溝道。在3為高電位期間，電荷包存儲在3電極下面。隨后復位柵R加正復位脈沖R，使FD區(qū)與RD區(qū)溝通，因 VRD為正十幾伏的直流偏置電壓，則 FD區(qū)的電荷被RD區(qū)抽走。復位正脈沖過去后FD區(qū)與RD區(qū)呈夾斷狀態(tài)，F(xiàn)D區(qū)具有一定的浮置電位。之后，3轉變?yōu)榈碗娢唬?下面的電荷包通過OG下的溝道轉移到FD區(qū)。此時FD區(qū)（即A點）的電位變化量為：式中，QFD是信號電荷包的大小，C是與FD區(qū)有關的總電容（包括輸出管T的輸入電容、分布電容等）。 CCD輸出信號的特點是：信號電壓是在浮置電平基礎上的負電壓；每個電荷包的輸出占有一定的時間長度T。；在輸出信號中疊加有復位期間

14、的高電平脈沖。據(jù)此特點，對CCD的輸出信號進行處理時，較多地采用了取樣技術，以去除浮置電平、復位高脈沖及抑制噪聲。5.2 何謂幀時、幀速？二者之間有什么關系？答：完成一幀掃描所需的時間稱為幀時Tf(s)，單位時間完成的幀數(shù)稱為幀速（幀s）：。5.3 用凝視型紅外成像系統(tǒng)觀察30公里遠，10米10米的目標，若紅外焦平面器件的像元大小是50m50m，假設目標像占4個像元，則紅外光學系統(tǒng)的焦距應為多少？若紅外焦平面器件是128128元，則該紅外成像系統(tǒng)的視場角是多大？答： 水平及垂直視場角： 5.5 一目標經紅外成像系統(tǒng)成像后供人眼觀察，在某一特征頻率時，目標對比度為0.5,大氣的MTF為0.9，探

15、測器的MTF為0.5，電路的MTF為0.95，CRT的MTF為0.5，則在這一特征頻率下，光學系統(tǒng)的MTF至少要多大？答： 5.6 紅外成像系統(tǒng)A的NETDA小于紅外成像系統(tǒng)B的NETDB，能否認為紅外成像系統(tǒng)A對各種景物的溫度分辨能力高于紅外成像系統(tǒng)B，試簡述理由。答：不能。NETD反映的是系統(tǒng)對低頻景物（均勻大目標）的溫度分辨率，不能表征系統(tǒng)用于觀測較高空間頻率景物時的溫度分辨性能。5.7 試比較帶像增強器的CCD、薄型背向照明CCD和電子轟擊型CCD器件的特點。答：帶像增強器的CCD器件是將光圖像聚焦在像增強器的光電陰極上，再經像增強器增強后耦合到電荷耦合器件（CCD）上實現(xiàn)微光攝像（簡

16、稱ICCD）。最好的ICCD是將像增強器熒光屏上產生的可見光圖像通過光纖光錐直接耦合到普通CCD芯片上。像增強器內光子電子的多次轉換過程使圖像質量受到損失，光錐中光纖光柵干涉波紋、折斷和耦合損失都將使ICCD輸出噪聲增加，對比度下降及動態(tài)范圍減小，影響成像質量。靈敏度最高的ICCD攝像系統(tǒng)可工作在10-6lx靶面照度下。薄型、背向照明CCD器件克服了普通前向照明CCD的缺陷。光從背面射入，遠離多晶硅，由襯底向上進行光電轉換，大量的硅被光刻掉，在最上方只保留集成外接電極引線部分很少的多晶硅埋層。由于避開了多晶硅吸收， CCD的量子效率可提高到90，與低噪聲制造技術相結合后可得到30個電子噪聲背景

17、的CCD，相當于在沒有任何增強手段下照度為10-4lx（靶面照度）的水平。盡管薄型背向照明CCD器件的靈敏度高、噪聲低，但當照度低于10-6lx（靶面照度）時，只能依賴圖像增強環(huán)節(jié)來提高器件增益，克服CCD噪聲的制約。 電子轟擊型CCD器件是將背向照明CCD當作電子轟擊型CCD的“陽極”，光電子從電子轟擊型CCD的“光陰極”發(fā)射直接“近貼聚焦”到CCD基體上，光電子通過CCD背面進入后，硅消耗入射光子能量產生電子空穴對，進而發(fā)生電子轟擊半導體倍增，電子轟擊過程產生的噪聲比用微通道板倍增產生的噪聲低得多，與它獲得的3000倍以上增益相比是微不足到的。電子轟擊型CCD器件采用電子從“光陰極”直接射

18、入CCD基體的成像方法，簡化了光子被多次轉換的過程，信噪比大大提高，與ICCD相比，電子轟擊型CCD具有體積小、重量輕、可靠性高、分辨率高及對比度好的優(yōu)點。習 題66.1 試說明自會聚彩色顯像管的特點。答：精密直列式電子槍；開槽蔭罩和條狀熒光屏；精密環(huán)形偏轉線圈。6.2 如圖6.15所示，光在向列液晶中傳播，且，試分析當位相差為0，/4, /2, 3/4, , 5/4, 3/2, 7/4和2時，輸出光的偏振狀態(tài)。答：線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光、線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光、線偏振光6.3 試比較TNLCD和STNLCD的特點。答：TNLCD利用了扭曲向列相液晶的旋光特性，液晶分子的扭曲角為90，它的電光特性曲線不夠陡峻，由于交叉效應，在采用無源矩陣驅動時，限制了其多路驅動能力。STNLCD的扭曲角在180240范圍內，曲線陡度的提高允許器件工作在較多的掃描行數(shù)下，利用了