南京理工大學(xué)-光電檢測(cè)技術(shù)總結(jié)

1、習(xí)題01一、填空題1、通常把對(duì)應(yīng)于真空中波長(zhǎng)在（0.38 Pm ）到（0.78 Pm ）范圍內(nèi)的電磁輻射稱為光輻射。2、在光學(xué)中，用來定量地描述輻射能強(qiáng)度的量有兩類，一類是（輻射度學(xué)量），另一類是（光度學(xué)量）。3、光具有波粒二象性，既是（電磁波），又是（光子流）。光的傳播過程中主要表現(xiàn)為（波動(dòng)性），但當(dāng)光與物質(zhì) 之間發(fā)生能量交換時(shí)就突出地顯示出光的（粒子性）。4、光量 Q： 4dt ， lm * s。5、光通量4 :光輻射通量對(duì)人眼所引起的視覺強(qiáng)度值，單位：流明lm。6、發(fā)光強(qiáng)度I：光源在給定方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)出的光通量，稱為光源在該方向上的發(fā)光強(qiáng)度，d4 /仙，單位：坎德拉cd （lm

2、/ sr）。7、光出射度M：光源表面單位面積向半球面空間內(nèi)發(fā)出的光通量，稱為光源在該點(diǎn)的光出射度，d4 /dA，單位：lm / m 2O8、光照度E：被照明物體單位面積上的入射光通量，d4 /dA，單位：勒克斯況。9、光亮度L：光源表面一點(diǎn)的面元dA在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度dI與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度，dI /（dA * cos0），單位：cd / m2。10、對(duì)于理想的散射面，有Ee= Me。二、概念題1、視見函數(shù)：國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）根據(jù)對(duì)許多人的大量觀察結(jié)果，用平均值的方法，確定了人眼對(duì)各種波長(zhǎng)的 光的平均相對(duì)靈敏度，稱為“標(biāo)準(zhǔn)光度觀察

3、者”的光譜光視效率V（入），或稱視見函數(shù)。2、輻射通量七：是輻射能的時(shí)間變化率，單位為瓦（1W=1J/s），是單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的輻射能。3、輻射強(qiáng)度匕：從一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的，在單位時(shí)間內(nèi)、給定方向上單位立體角內(nèi)所輻射出的能量，單位為W/sr（瓦 每球面度）。4、輻射出射度Me :輻射體在單位面積內(nèi)所輻射的通量，單位為W /m2。5、輻射照度Ee :單位面積內(nèi)所接收到的輻射通量，單位為W /m2。6、輻射亮度Le :由輻射表面給定方向發(fā)射的輻射強(qiáng)度，除于該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積。單位為 W /（m2 * sr）。7、光譜響應(yīng)度：探測(cè)器在波長(zhǎng)為入的單色光照射下，輸出電壓或

4、電流與入射的單色光功率之比。8、朗伯定律：發(fā)光體在各方向上的輻射亮度一致，有匕=匕COS0。9、光學(xué)多普勒效應(yīng)：運(yùn)動(dòng)物體能改變?nèi)肷溆谄渖系墓獠l率。10、黑體：是一個(gè)理想的余弦輻射體，其亮度與方向無關(guān)。11、積分響應(yīng)度：光電探測(cè)器輸出的電流或電壓與入射總通量之比。12、光的發(fā)生一般有兩種方式，溫度輻射和發(fā)光。三、簡(jiǎn)答題1、輻射照度和輻射出射度的區(qū)別是什么？答：輻射照度和輻射出射度的單位相同，其區(qū)別僅在于前者是描述輻射接收面所接收的輻射通量，而后者則為描述 擴(kuò)展輻射源向外發(fā)射的輻射通量。2、何為余弦輻射體？余弦輻射體的主要特征是什么？答：假設(shè)輻射亮度L不隨方向而發(fā)生變化，且匕x cos。，有1=

5、 Io COS0，滿足該條件的光源為余弦輻射體。其輻射出射度M 在數(shù)值上是亮度Le的n倍。3、什么是光電陰極材料的負(fù)電子親和勢(shì)，為什么具有負(fù)電子親和勢(shì)的光電陰極材料有較高的量子效率且光譜范圍能 向紅外區(qū)擴(kuò)展？電子親和勢(shì)：導(dǎo)帶底上的電子向真空逸出時(shí)所需的最低能量，數(shù)值上等于真空能級(jí)（真空中靜止電子能量）與導(dǎo)帶 能級(jí)E c之差。負(fù)電子親和勢(shì)：真空能級(jí)降到導(dǎo)帶之下，從而使有效的電子親和勢(shì)為負(fù)。因?yàn)楣馕障禂?shù)大；光電子在體內(nèi)傳輸過程中受到的能量損失小，使其逸出；表面熱壘低，使表面逸出幾率大。因 為沒有表面勢(shì)壘的阻擋，所以都能有效地逸出表面，因而使得光譜范圍向紅外區(qū)擴(kuò)展。四、計(jì)算及證明題證明點(diǎn)光源的輻射

6、照度與距離平方成反比定律，兩個(gè)相距10倍的相同探測(cè)器上的照度相差多少倍？設(shè)點(diǎn)光源的輻射強(qiáng)度為I.在理想情況下，點(diǎn)光源的總輻射通量為中=4兀I又半徑為R的球面上的輻射照度為E =些=L E =些=衛(wèi) =2_dA 4 兀 R 2dA 4 兀 R 2 R 2設(shè)第一個(gè)探測(cè)器到點(diǎn)光源的距離為L(zhǎng)1，第二個(gè)探測(cè)器到點(diǎn)光源的距離為L(zhǎng)2 L = 10L 又E = E = = 又由于E = E = 100E12R 21 L 2（10 L）2100 L 22 L 2211222習(xí)題02一、填空題1、物體按導(dǎo)電能力分（絕緣體）（半導(dǎo)體）（導(dǎo)體）。2、價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，使它躍遷到新的能級(jí)上的條件是（具有能向電子

7、提供能量的外力作用）、（電子躍入 的那個(gè)能級(jí)必須是空的）。3、熱平衡時(shí)半導(dǎo)體中自由載流子濃度與兩個(gè)參數(shù)有關(guān)：一是在能帶中（能態(tài)的分布），二是這些能態(tài)中（每一個(gè)能 態(tài)可能被電子占據(jù)的概率）。4、半導(dǎo)體對(duì)光的吸收有（本征吸收）（雜質(zhì)吸收）（自由載流子吸收）（激子吸收）（晶格吸收）。半導(dǎo)體對(duì)光的 吸收主要是（本征吸收）。5、光電探測(cè)器的主要作用是光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。c - h 1.24 （）6、 本征吸收的條件：光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，hv Eg人 = e = e Wm人gg7、光電檢測(cè)的核心為光電傳感器。8、可用作干涉光源的有He-Ne激光和鈉光。9、作為一個(gè)完整的檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)包括信息

8、的獲得、變換、處理和顯示幾個(gè)部分，因此，光電檢測(cè)系統(tǒng)由光電檢測(cè)器件、 輸入電路、前置放大器等三部分組成。10、檢測(cè)以光信息的變換為基礎(chǔ)，它有兩種基本工作原理，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成所需檢測(cè)物體 的信息參數(shù)。11、良好的光電發(fā)射材料，光吸收系數(shù)要大，有一定的電導(dǎo)率，溢出深度要小，材料的溢出功要小。二、概念題1、禁帶、導(dǎo)帶、價(jià)帶：禁帶：晶體中允許被電子占據(jù)的能帶稱為允許帶，允許帶之間的范圍是不允許電子占據(jù)的，此范圍稱為禁帶。導(dǎo)帶：價(jià)帶以上能量最低的允許帶。價(jià)帶：與價(jià)電子能級(jí)相對(duì)應(yīng)的能帶稱為價(jià)帶。價(jià)帶不一定是滿帶。2、熱平衡狀態(tài)：在一定溫度下，激發(fā)和復(fù)合兩種過程形成平衡，稱為熱平衡狀態(tài)

9、，此時(shí)載流子濃度為某一穩(wěn)定值。3、強(qiáng)光注入、弱光注入：強(qiáng)光注入：光生載流子濃度遠(yuǎn)大于熱激發(fā)電子濃度n.，光生空穴濃度詢遠(yuǎn)大于熱激發(fā)空穴濃度P.。弱光注入：光生載流子濃度An遠(yuǎn)小于熱激發(fā)電子濃度n.，光生空穴濃度噸遠(yuǎn)小于熱激發(fā)空穴濃度P.。4、非平衡載流子壽命T：非平衡載流子從產(chǎn)生到復(fù)合之前的平均存在時(shí)間。三、簡(jiǎn)答題1、摻雜對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的影響是什么？答：半導(dǎo)體中不同的摻雜或缺陷都能在禁帶中產(chǎn)生附加的能級(jí)，價(jià)帶中的電子若先躍遷到這些能級(jí)上然后再躍遷到 導(dǎo)帶中去，要比電子直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶容易得多。因此雖然只有少量雜質(zhì)，卻會(huì)明顯地改變導(dǎo)帶中的電子和價(jià) 帶中的空穴數(shù)目，從而顯著地影響半導(dǎo)體的電導(dǎo)

10、率。2、為什么空穴的遷移率比電子的遷移率小？答：遷移率與載流子的有效質(zhì)量和平均自由時(shí)間有關(guān)。由于空穴的有效質(zhì)量比電子的有效質(zhì)量大，所以空穴的遷移 率比電子的遷移率小。四、計(jì)算題1、本征半導(dǎo)體材料Ge在297K下其禁帶寬度Eg=0.67（eV），現(xiàn)將其摻入雜質(zhì)Hg，鍺摻入汞后其成為電離能E.=0.09（eV） 的非本征半導(dǎo)體。試計(jì)算本征半導(dǎo)體Ge和非本征半導(dǎo)體鍺汞所制成的光電導(dǎo)探測(cè)器的截止波長(zhǎng)。解：01入02?。暎?i1.24 （頃）=1.851 （頃） 0.67（日m ）= 13 .778 Jm ） 0.09 2、某種光電材料的逸出功為1eV，試計(jì)算該材料的紅限波長(zhǎng)。（普朗克常數(shù)h=6.62

11、6X10-34（j.s），光速C = 2.998X 108（m/s），電子電量 e=1.6X 10-19 庫(kù)侖）解：人 = = 地 =1.24（口m ）= 1.24（口m ）= 1.24 （口m ）0 v 991習(xí)題03一、概念題1、光電效應(yīng)：當(dāng)光照射到物體上使物體發(fā)射電子、或電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性的改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。2、光電發(fā)射第一定律：也稱斯托列托夫定律。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，光電陰極的飽和光電發(fā)射電流Ik與被 陰極所吸收的光通量9K成正比。3、光電發(fā)射第二定律：也稱愛因斯坦定律。發(fā)射出光電子的最大動(dòng)能隨入射光頻率的增高而線性增大，而與入射光

12、 的光強(qiáng)無關(guān)。4、光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和光電發(fā)射效應(yīng)。5、內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)為光敏電阻；光生伏特效應(yīng)為光電二極管、光電三極管 和光電池。6、光電導(dǎo)效應(yīng)：探測(cè)微弱信號(hào)，光譜響應(yīng)范圍寬。7、光生伏特效應(yīng)：暗電流小，噪聲低，響應(yīng)速度快，光電特性呈線性，受溫度影響小。8、光電發(fā)射效應(yīng)為光電倍增管（PMT）。9、用光電法測(cè)量某高速轉(zhuǎn)軸（15000r/min）的轉(zhuǎn)速時(shí)，最好選用PMT。10、若要檢測(cè)脈寬為10 -7s的光脈沖，應(yīng)選用PIN型光電二極管、光敏電阻。11、光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度和時(shí)間特性與溫度和照度有關(guān)。12、光生伏特效應(yīng)的主要特點(diǎn)：1光照在不均勻半導(dǎo)體或半導(dǎo)

13、體和金屬結(jié)合的接觸面時(shí)，會(huì)在接觸面的兩側(cè)產(chǎn)生電位 差；2只有本征吸收所激發(fā)的光生載流子才能引起光伏效應(yīng)，而非本征吸收所激發(fā)的不可以。13、丹培效應(yīng)：由于載流子遷移率的差別產(chǎn)生受照面與遮光面之間的伏特現(xiàn)象。14、光磁電效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生丹培效應(yīng)時(shí)，由于電子和空穴在磁場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)會(huì)受到洛倫茲力的作用，使 它們的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，空穴向半導(dǎo)體的上方偏轉(zhuǎn)，電子偏向下方。結(jié)果在垂直于光照方向與磁場(chǎng)方向的半導(dǎo)體 上、下表面上產(chǎn)生伏特電壓，稱為光磁電場(chǎng)。15、光子牽引效應(yīng)：當(dāng)光子與半導(dǎo)體中的自由載流子作用時(shí)，光子把動(dòng)量傳遞給自由載流子，自由載流子將順著光 線的傳播方向做相對(duì)于晶格的運(yùn)動(dòng)。在開路的情況下

14、，半導(dǎo)體將產(chǎn)生電場(chǎng)，它阻止載流子的運(yùn)動(dòng)。二、簡(jiǎn)答題1、外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)的區(qū)別是什么？答：外光電效應(yīng)是物質(zhì)受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象，而內(nèi)光電效應(yīng)是物質(zhì)在受到光照后產(chǎn)生的光電子只在物質(zhì) 內(nèi)部運(yùn)動(dòng)而不會(huì)逸出物質(zhì)外部。2、光電導(dǎo)效應(yīng)：分為本征光電導(dǎo)效應(yīng)與雜質(zhì)光電導(dǎo)效應(yīng)。本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體價(jià)帶中的電子吸收光子能量躍入 導(dǎo)帶，產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，價(jià)帶中產(chǎn)生光生空穴。光生電子與空穴使半導(dǎo)體的電導(dǎo)率發(fā)生變 化。3、雪崩二極管的工作原理。雪崩光電二極管為具有內(nèi)增益的一種光生伏特器件。它利用光生載流子在強(qiáng)電場(chǎng)內(nèi)的定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生雪崩效應(yīng)，以獲 得光電流的增益。在雪崩過程中，光生載流子在

15、強(qiáng)電場(chǎng)的作用下進(jìn)行高速定向運(yùn)動(dòng)，具有很高動(dòng)能的光生電子或空 穴與晶格原子碰撞，使晶格原子電離產(chǎn)生二次電子-空穴對(duì)；二次電子-空穴對(duì)在電場(chǎng)作用下獲得足夠的動(dòng)能，又使晶 格原子電離產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，此過程像“雪崩”似的繼續(xù)下去。電離產(chǎn)生的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流 子數(shù)，這時(shí)雪崩光電二極管的輸出電流迅速增加。4、為什么結(jié)型光電器件只有反偏置或零偏置時(shí)才有明顯的光電效應(yīng)？因?yàn)榻Y(jié)型光電器件在反偏置或零偏置電壓下工作時(shí)，增加了耗盡層的寬度和結(jié)電場(chǎng)。在耗盡層中產(chǎn)生的電子-空穴對(duì) 因其復(fù)合比較小，故在結(jié)區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)作用下，不必經(jīng)過復(fù)合的擴(kuò)散過程而對(duì)電流做貢獻(xiàn)，提高了光電器件的靈敏度， 也增大了光電效應(yīng)。

16、5、PIN管的頻率特性為什么比普通光電二極管好？答：相對(duì)于P區(qū)及N區(qū)來說，I層為高阻層，在工作情況下，它承受了極大部分的外加電壓，使得耗盡層增大，展 寬了光電轉(zhuǎn)換的有效區(qū)域，提高了靈敏度；I層的存在，使擊穿電壓不再受到基體材料的限制，從而可以選擇低阻的基體材料，不但提高了擊穿電壓，而且還 減少了串聯(lián)電阻和時(shí)間常數(shù)；I層的存在，使得擴(kuò)散區(qū)不會(huì)到達(dá)基體，從而減少了載流子通過擴(kuò)散區(qū)的時(shí)間，提高了頻率響應(yīng)；反偏的情況下，耗盡層較無I層時(shí)要大很多，故結(jié)電容下降，提高頻率響應(yīng)。6、比較2CU型光電二極管和2DU型光電二極管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，說明引入環(huán)級(jí)的意義。答：2CU型光電二極管以N型硅為襯底，在上面通過擴(kuò)散

17、或注入方式生產(chǎn)P型層，形成PN結(jié)；而2DU型則以P型 硅為襯底，在上面通過擴(kuò)散或注入方式生產(chǎn)N型層，形成PN結(jié)；二者均在光敏面上涂以二氧化硅為保護(hù)膜。另外， 2DU型光電二極管引入了環(huán)級(jí)來減少暗電流和噪聲。7、光伏效應(yīng)：光照使不均勻半導(dǎo)體或均勻半導(dǎo)體中光生電子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。8、光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照射后，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子，使半導(dǎo)體中載流子數(shù)顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象。9、什么是光電導(dǎo)？光電導(dǎo)探測(cè)器的內(nèi)增益與哪些物理量有關(guān)？答：半導(dǎo)體無光照時(shí)為暗態(tài)，此時(shí)材料具有暗電導(dǎo)；有光照時(shí)為亮態(tài)，此時(shí)為亮電導(dǎo)。給半導(dǎo)體材料外加電壓，通 過的電流有暗電流與亮電流之分。亮電導(dǎo)與暗電導(dǎo)之

18、差稱為光電導(dǎo)。亮電流與暗電流之差稱為光電流。光電導(dǎo)器件U主要指光敏電阻，增益G = P J2，0為量子產(chǎn)額，T為載流子壽命，P為遷移率，u為外加電壓，l為光敏電阻l 2兩極間的距離。一旦光敏電阻給定，光電導(dǎo)探測(cè)器的內(nèi)增益與外加電壓成正比。10、硅PIN和硅APD （雪崩二極管）的特點(diǎn)（工作原理，性能和使用）有何異同？答：PIN管是光電二極管的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對(duì)）很厚的本證 半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)就基本上全部集中于I層中，從而使PN結(jié)耗盡層加寬，結(jié)電容變小。PIN管最大的特點(diǎn)是頻帶寬，量子效率高，線性輸出范圍寬，輸出電流小。雪崩二極管是利用PN

19、結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的。其工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊 穿電壓。很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百，響應(yīng)速度特別快。噪聲大是其的一個(gè)主要缺點(diǎn)。從使用上看，PIN的反向電壓為一般地電壓，雪崩二極管則需要很高電壓，約100200V，接近反向擊穿區(qū)。共同點(diǎn)：都工作在反向偏壓下，且都能承受較高偏壓；頻帶都很寬；硅PIN可達(dá)10GHz，而硅APD可達(dá)100GHz； 量子效率都比一般光電二極管要高。區(qū)別：工作原理不同，PIN管對(duì)光電流沒有放大作用，而且因?yàn)镮層電阻很大而使輸出電流小，一般要與運(yùn)算放大 器集成使用；APD管具有光電流放大作用，同時(shí)噪聲很大。11、弱輻射探測(cè)情況下，光電導(dǎo)

20、靈敏度有何特點(diǎn)，把光敏電阻制成蛇形狀有何作用。光敏電阻在微弱輻射作用下的光電導(dǎo)靈敏度S與光敏電阻兩電極間的距離l的平方成反比;在強(qiáng)輻射作用下的光電導(dǎo) 靈敏度S與光敏電阻兩電極間距離l的二分之三次方成反比。為了提高光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度S，要盡可能地縮短 光敏電阻兩電極間距離1。三、概念題光生伏特器件的偏置電路自偏置電路反向偏置電路行檢測(cè)。光生伏特器件在自偏置電路中具有輸出功率，當(dāng)負(fù)載電阻 Rl為最佳負(fù)載電阻時(shí)，具有最大的輸出功率。但自偏置 電路的輸出電流或輸出電壓與入射輻射間的線性關(guān)系很 差，所以在測(cè)量時(shí)很少采用自偏置電路。反向偏置：大范圍的線性光電變換輸出電壓U廣氣、=【LI靜態(tài)工作點(diǎn)都為Q

21、點(diǎn)，當(dāng)負(fù)載電阻Rl1 Rl2時(shí)，1的輸出電壓的動(dòng)態(tài)范圍比2大，1的輸出電流的動(dòng)態(tài)范圍比2小。負(fù)載電阻為0，輸出的短路電流/與入射輻射量成線性變化，只適合對(duì)微弱輻射信號(hào)進(jìn)習(xí)題04一、概念題1、光電探測(cè)器的響應(yīng)度（或靈敏度）：光電探測(cè)器的輸出電壓匕或輸出電流o與入射光功率P之比。2、熱噪聲：載流子無規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)造成的噪聲，又稱為約翰遜噪聲。3、信噪比：在負(fù)載電阻Rl上產(chǎn)生的信號(hào)功率與噪聲功率之比。4、量子效率：在某一特定波長(zhǎng)上每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。5、光電探測(cè)器中主要的固有噪聲有熱噪聲，產(chǎn)生-復(fù)合噪聲，低頻噪聲，散粒噪聲，溫度噪聲。6、等效噪聲功率：即最小可探測(cè)功率Pmin,當(dāng)

22、信號(hào)功率和噪聲功率之比為1時(shí)，入射到探測(cè)器件上的輻射通量。7、探測(cè)率：為等效噪聲功率的倒數(shù)。二、簡(jiǎn)答題熱電檢測(cè)器件和光電檢測(cè)器件的特點(diǎn)是什么？答：熱電檢測(cè)器件特點(diǎn)：響應(yīng)波長(zhǎng)無選擇性，它對(duì)從可見光到遠(yuǎn)紅外的各種波長(zhǎng)的輻射同樣敏感。響應(yīng)慢，吸 收輻射產(chǎn)生信號(hào)需要的時(shí)間長(zhǎng)，一般在幾毫秒以上。光電檢測(cè)器件特點(diǎn)：響應(yīng)波長(zhǎng)有選擇性，存在某一截止波長(zhǎng)入o,超過此波長(zhǎng)，器件沒有響應(yīng)。響應(yīng)快，一般在 納秒到幾百微秒。習(xí)題05一、概念題1、PMT：探測(cè)微弱信號(hào)，響應(yīng)速率快，靈敏度高，惰性小，頻率特性好，供電電壓高，采用玻璃外殼，抗震性差。2、PMT的注意點(diǎn)：玻璃外殼，注意防震；使用時(shí)不可用強(qiáng)光照射，當(dāng)光照過強(qiáng)時(shí)，

23、光電特性的線性變差，光電陰極 疲勞而損壞器件；工作電流不宜過大；測(cè)量交變光時(shí)，負(fù)載電阻不宜過大；不能在氦氣中使用。3、PSD (光電位置敏感器件)：暗電流小，噪聲低，響應(yīng)速度快，光電特性呈線性，受溫度影響小。4、具有光電倍增的器件有光電倍增管和雪崩二極管。二、簡(jiǎn)答題1、光電倍增管的基本結(jié)構(gòu)與工作原理是什么？答：光電倍增管由光入射窗、光電陰極，電子光學(xué)輸入系統(tǒng)(光電陰極到第一倍增極D1之間的系統(tǒng))、二次發(fā)射倍增 系統(tǒng)及陽極等構(gòu)成。工作原理：光子透過入射窗入射到光電陰極K上。此時(shí)光電陰極的電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中。光電 子通過電場(chǎng)加速和電子光學(xué)系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極D1上，倍增極發(fā)射

24、出比入射電子數(shù)目更多的二次電子。入射 電子經(jīng)N級(jí)倍增后，光電子就放大N次。經(jīng)過倍增后的二次電子由陽極a收集起來，形成陽極光電流，在負(fù)載Rl 上產(chǎn)生信號(hào)電壓。2、光電倍增管的供電電路注意哪些問題？答：(1)倍增管各電極要求直流供電，從陰極開始至各級(jí)的電壓要依次升高，常采用電阻鏈分壓法供電。流過電阻鏈 的電流ir至少要比陽極最大的平均電流Iam大10倍以上。供電電源的電壓穩(wěn)定性要求較高。為了不使陽極脈沖電流引起極間電壓發(fā)生大的變化，常在最后幾級(jí)的分壓電阻上并聯(lián)電容。倍增管供電電路與其后續(xù)信號(hào)處理電路必須要有一個(gè)共用的參考電位，即接地點(diǎn)。3、說明光電倍增管的陰極靈敏度和陽極靈敏度的區(qū)別和關(guān)系，以及短

25、波限和長(zhǎng)波限由什么因素決定。答：陰極靈敏度Sk為光電倍增管陰極電流匕與入射光譜輻通量8之比，陽極靈敏度Sa為光電倍增管陽極電流Ia與入射光譜輻通量8之比，Sa = Sk G ,G為電流放大倍數(shù)。短波限和長(zhǎng)波限主要由光電陰極材料和窗口材料決定。4、為什么光電陰極都是P型半導(dǎo)體材料制作的？答：P型半導(dǎo)體的受主能級(jí)比較靠近價(jià)帶，故價(jià)帶中的電子很容易吸收光子能量而進(jìn)入導(dǎo)帶，使價(jià)帶產(chǎn)生空穴參與導(dǎo) 電，而光電陰極作為光電發(fā)射材料，其吸收光照后能夠發(fā)出電子，使得陽極材料能夠收集得到。5、微通道板的工作原理。微通道板由若干個(gè)極細(xì)的空心管道組成。管道是由高阻材料制成的，內(nèi)壁為二次電子發(fā)射系數(shù)8 1的材料，在它的

26、 兩端加上直流高壓后，在每個(gè)管道內(nèi)形成極強(qiáng)的電場(chǎng)。這時(shí)，當(dāng)光電面發(fā)射的電子進(jìn)入管道后，在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下 經(jīng)過管壁的多次碰撞，而得到電子倍增。三、計(jì)算題現(xiàn)有GDB-423光電倍增管的陰極有效面積為2cm2，陰極靈敏度為25口 A/lm，倍增系統(tǒng)的放大倍數(shù)105，陽極額定 電流為20口 A，求允許的最大照度。解：i = 20 目 AM = 10 5/. i = a = 2 x 10 - 4 目 Ak M1ik = kA - E0 .04m2 =0.04 lxi _ 2 x 10.4 J A )A - S 2 x 10 - 4 m 2 )x 25 (四 A Im )=習(xí)題06一、畫圖解釋題用PN結(jié)簡(jiǎn)

27、圖表示出光生電壓的極性和光生電流的方向。習(xí)題07一、填空題1、熱釋電探測(cè)器是將輻射能轉(zhuǎn)換為（熱）能，然后再把它轉(zhuǎn)換為（電）能的器件。2、熱釋電探測(cè)器工作的物理機(jī)理是熱電效應(yīng)，探測(cè)的是溫度的變化。二、簡(jiǎn)答題1、熱電探測(cè)器與光電探測(cè)器比較，在原理上有何區(qū)別？答：熱電探測(cè)器件是利用熱敏材料吸收入射輻射的總功率產(chǎn)生溫升來工作的，而不是利用某一部分光子的能量，所 以各種波長(zhǎng)的輻射對(duì)于響應(yīng)都有貢獻(xiàn)。因此，熱電探測(cè)器件的突出特點(diǎn)是，光譜響應(yīng)范圍特別寬，從紫外到紅外幾 乎都有相同的響應(yīng)，光譜特性曲線近似為一條平線。2、熱電探測(cè)器與普通溫度計(jì)有何區(qū)別？答：相同點(diǎn)：二者都有隨溫度變化的性能。不同點(diǎn)：溫度計(jì)要與外界

28、有盡量好的熱接觸，必須達(dá)到熱平衡。熱電探測(cè)器要與入射輻射有最佳的相互作用，同時(shí) 又要盡量少的與外界發(fā)生熱接觸。3、簡(jiǎn)述輻射熱電偶的使用注意事項(xiàng)。答：由半導(dǎo)體材料制成的溫差電堆，一般都很脆弱，容易破碎，使用時(shí)應(yīng)避免振動(dòng)。額定功率小，入射輻射不能很強(qiáng)，它允許的最大輻射通量為幾十微瓦，所以通常都用來測(cè)量微瓦以下的輻射通量。 應(yīng)避免通過較大的電流，流過熱電偶的電流一般在1微安以下，決不能超過100微安，因而千萬不能用萬用表來 檢測(cè)熱電偶的好壞，否則會(huì)燒壞金箔，損壞熱電偶。保存時(shí)不要使輸出端短路，以防因電火花等電磁干擾產(chǎn)生的感應(yīng)電流燒毀元件。工作時(shí)環(huán)境溫度不宜超過60C。習(xí)題08一、概念題1、電極化：電

29、介質(zhì)的內(nèi)部沒有載流子，所以沒有導(dǎo)電能力。但是它也是由帶電粒子一一電子和原子核組成的。在外 電場(chǎng)的作用下，帶電的粒子也要受到電場(chǎng)力的作用，它們的運(yùn)動(dòng)也會(huì)發(fā)生一些變化。例如，加上電壓后，正電荷平 均講來總是趨向陰極，而負(fù)電荷趨向陽極。雖然其移動(dòng)距離很小，但電介質(zhì)的一個(gè)表面帶正電，另一表面帶負(fù)電。 稱這種現(xiàn)象為電極化。2、居里溫度：鐵電體的極化強(qiáng)度與溫度有關(guān)，溫度升高，極化強(qiáng)度減低。升高到一定溫度，自發(fā)極化就突然消失， 這個(gè)溫度稱為居里溫度（或居里點(diǎn)）。二、簡(jiǎn)答題1、為什么由半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻溫度系數(shù)是負(fù)的，由金屬材料制成的熱敏電阻溫度系數(shù)是正的？ 答：半導(dǎo)體材料制成的熱敏電阻吸收輻射后，材料

30、中電子的動(dòng)能和晶格的振動(dòng)能都有增加。因此，其中部分電子 能夠從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶成為自由電子，從而使電阻減小，電阻溫度系數(shù)是負(fù)的。金屬材料制成的熱敏電阻，因其內(nèi)部有大量的自由電子，在能帶結(jié)構(gòu)上無禁帶，吸收輻射產(chǎn)生溫升后，自由電子 濃度的增加是微不足道的。相反，因晶格振動(dòng)的加劇，卻妨礙了電子的自由運(yùn)動(dòng)，從而電阻溫度系數(shù)是正的，而且 其絕對(duì)值比半導(dǎo)體的小。2、簡(jiǎn)述熱釋電探測(cè)器的工作原理。答：當(dāng)紅外輻射照射到熱釋電器件時(shí)，引起溫度升高，表面電荷減少，相當(dāng)于熱“釋放”了部分電荷。釋放的電荷 通過放大器轉(zhuǎn)換成電壓輸出。如果輻射繼續(xù)照射，使熱釋電器件的溫度升高到新的平衡值，表面電荷達(dá)到新的平衡， 不再釋放電荷

31、，也不再有電壓信號(hào)輸出。因此，在恒定輻射作用的情況下輸出的信號(hào)電壓為零。只有交變輻射的作 用才會(huì)有信號(hào)輸出。3、熱輻射探測(cè)通常分為哪兩個(gè)階段?哪個(gè)階段能夠產(chǎn)生熱電效應(yīng)？答：第一階段是按系統(tǒng)的熱力學(xué)特性來確定入射輻射所引起的溫升，將輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，這是所有熱電探測(cè)器必 經(jīng)的階段，是共性。第二階段是根據(jù)溫升來確定具體探測(cè)器器件輸出信號(hào)的性能，將熱能轉(zhuǎn)化為電能，這是個(gè)性，因具體器件而異。 第二階段能產(chǎn)生熱電效應(yīng)。4、熱釋電器件為什么不能工作在直流狀態(tài)？工作頻率等于何值時(shí)熱釋電器件的電壓靈敏度達(dá)到最大？答：當(dāng)紅外輻射照射到熱釋電器件時(shí)，引起溫度升高，表面電荷減少，相當(dāng)于熱“釋放”了部分電荷。釋放的電

32、荷 通過放大器轉(zhuǎn)換成電壓輸出。如果輻射繼續(xù)照射，使熱釋電器件的溫度升高到新的平衡值，表面電荷達(dá)到新的平衡， 不再釋放電荷，也不再有電壓信號(hào)輸出。因此，在恒定輻射作用的情況下輸出的信號(hào)電壓為零。只有交變輻射的作 用才會(huì)有信號(hào)輸出。電壓靈敏度SV是們的函數(shù)，對(duì)其求導(dǎo)便是最大SV時(shí)的們值。三、計(jì)算題1、可見光的波長(zhǎng)、頻率和光子的能量范圍（給出計(jì)算公式）各是多少？答：可見光的波長(zhǎng)：0.38微米0.78微米Xv U =頻率：3.85 X 1014 HZ7.89X 1014 HZ 利用公式 】光子能量：2.55X 1019J5.23X10一19 J【利用公式E = hv】2、一塊半導(dǎo)體樣品，有光照時(shí)電阻為

33、50Q，無光照時(shí)為5000Q，求樣品的光電導(dǎo)。答：有光照時(shí)的電導(dǎo)為：G = 50 = 0.02S無光照時(shí)的電導(dǎo)為：G2 = 5000 = 0.0002S故：該樣品的光電導(dǎo)為G = G - g2 = 0.0198 S習(xí)題09一、填空題1、發(fā)光二極管的發(fā)光亮度，基本上是正比于（電流密度）。2、氦氖激光器以（直流）電源驅(qū)動(dòng)。從結(jié)構(gòu)上分（全內(nèi)腔）（全外腔）（半內(nèi)腔）激光器。3、發(fā)光二極管是（注入式電致發(fā)光器件）器件，它能將（電）能轉(zhuǎn)變?yōu)椋ü猓┠堋?、LED:發(fā)光效率高，發(fā)光亮度高，時(shí)間響應(yīng)速度快，單色性好，體積小LED適合于直流，也適合于脈沖下使用。5、鹵鎢燈：發(fā)出的是連續(xù)光譜，用于普通紫外-可見發(fā)光

34、的光度計(jì)。6、氘燈：用于分光計(jì)。7、超高壓短弧燈：電弧亮度很高但在陰陽極距離上分布不均勻，發(fā)光波長(zhǎng)峰值在紅外區(qū)。8、超高壓汞燈：紫外輻射較少，紅外輻射較強(qiáng)。而可見光區(qū)域發(fā)光不均勻，輻射亮度高，用于熒光分析。二、簡(jiǎn)答題1、半導(dǎo)體發(fā)光二極管的發(fā)光原理，其外量子效率與哪些因素有關(guān)？答：半導(dǎo)體發(fā)光二極管的材料是重?fù)诫s的，熱平衡狀態(tài)下的N區(qū)有很多遷移率很高的電子，P區(qū)有較多的遷移率較 低的空穴。由于PN結(jié)阻擋層的限制，在常態(tài)下，二者不能發(fā)生自然復(fù)合。而當(dāng)給PN結(jié)加以正向電壓時(shí)，N區(qū)導(dǎo)帶 中的電子則可逃過PN結(jié)的勢(shì)壘進(jìn)入到P區(qū)一側(cè)。于是在PN結(jié)附近稍偏于P區(qū)一邊的地方，處于高能態(tài)的電子與空 穴相遇時(shí)，便產(chǎn)

35、生發(fā)光復(fù)合。這種發(fā)光復(fù)合所發(fā)出的光屬于自發(fā)輻射，輻射光的波長(zhǎng)決定于材料的禁帶寬度Eg，即 入1.24 N m eV- Eg其外量子效率與內(nèi)量子效率，半導(dǎo)體材料折射率，吸收系數(shù)，封裝材料的折射率和形狀有關(guān)。2、應(yīng)用發(fā)光二極管時(shí)注意哪些要點(diǎn)？答：開啟電壓：發(fā)光二極管的電特性和溫度特性都與普通的硅、鍺二極管類似。只是正向開啟電壓一般都比普通 的硅、鍺二極管大些，而且因品種而異。溫度特性：利用發(fā)光二極管和硅的受光器件進(jìn)行組合使用時(shí)，應(yīng)注意到二者的溫度特性是相反的。溫度升高時(shí)， 發(fā)光二極管的電光轉(zhuǎn)換效率變小，亮度減弱。而硅的受光器件，光電轉(zhuǎn)換效率卻是增加的。所以使用時(shí)，應(yīng)把二者 放到一起考慮，注意其組合

36、后的整體溫度特性。方向特性：發(fā)光二極管一般都帶有圓頂?shù)牟ＡТ?，?dāng)利用它和受光器件組合時(shí)，應(yīng)注意到這一結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)。發(fā) 光管與受光管二者對(duì)得不準(zhǔn)時(shí)，效果會(huì)變得很差。3、激光的產(chǎn)生有哪些條件？答：需要泵浦源，把處于較低能態(tài)的電子激發(fā)或泵浦到較高能態(tài)上去。介質(zhì)必須能發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn),使受激輻射足以克服損耗。必須要有一個(gè)諧振腔提供正反饋及增益，以維持受激輻射的持續(xù)振動(dòng)。4、簡(jiǎn)述注入式半導(dǎo)體激光器的發(fā)光過程，其特點(diǎn)，其對(duì)工作電源的要求？答：注入式半導(dǎo)體激光器的工作過程是，加外電源使PN結(jié)進(jìn)行正偏置。正向電流達(dá)到一定程度時(shí)，PN結(jié)區(qū)即發(fā)生 導(dǎo)帶對(duì)于價(jià)帶的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這時(shí)，導(dǎo)帶中的電子會(huì)有一部分發(fā)生輻射躍遷，

37、同時(shí)產(chǎn)生自發(fā)輻射。自發(fā)輻射出來的 光，是無方向性的。但其中總會(huì)有一部分光是沿著諧振腔腔軸方向傳播的，往返于半導(dǎo)體之間。通過這種光子的誘 導(dǎo)，即可使導(dǎo)帶中的電子產(chǎn)生受激輻射（光放大）。受激輻射出來的光子又會(huì)進(jìn)一步去誘導(dǎo)導(dǎo)帶中的其它電子產(chǎn)生 受激輻射。如此下去，在諧振腔中即形成了光振蕩，從諧振腔兩端發(fā)射出激光。只要外電源不斷的向PN結(jié)注入電子， 導(dǎo)帶對(duì)于價(jià)帶的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就會(huì)繼續(xù)下去，受激輻射即可不停地發(fā)生，這就是注入式半導(dǎo)體激光器的發(fā)光過程。 特點(diǎn)：（1）要維持激光器的振蕩注入電流須大于閥值電流；（2）頻率分布取決于組成激光器的半導(dǎo)體材料。對(duì)電源的要求:因?yàn)殚y值電流都比較高，通常用脈沖電流來激勵(lì)，

38、以降低熱損耗。5、激光器和發(fā)光二極管的時(shí)間響應(yīng)如何？使用時(shí)以什么方式（連續(xù)或脈沖）驅(qū)動(dòng)為宜？答：發(fā)光二極管：發(fā)光二極管的響應(yīng)時(shí)間很短，一般只有幾納秒至幾十納秒。采用脈沖驅(qū)動(dòng)的情況下，獲得很高的 亮度，但應(yīng)考慮到脈沖寬度、占空度比與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系。半導(dǎo)體激光器：響應(yīng)時(shí)間很短。半導(dǎo)體激光器的閾值電流都比較高，由于激光器工作時(shí)需要的電流很大，電流通過 結(jié)和串聯(lián)電阻時(shí)，將使結(jié)的溫度上升，這又導(dǎo)致閾值電流上升。所以閾值電流很高的激光器，通常用脈沖電流來激 勵(lì)，以降低平均熱損耗。6、為什么LD光的相干性好于LED？答：從發(fā)光機(jī)理解釋，LED是自發(fā)輻射，LD是受激輻射。LED的單色性僅次于LD，好于其他光源

39、，習(xí)題10一、填空題1、光電耦合器是由（發(fā)光）器件與（光敏）器件組成的（電）一（光）一（電）器件。這種器件在信息傳輸過程 中是用（光）作為媒介把輸入邊和輸出邊的電信號(hào)耦合在一起的。2、電荷耦合器件以電荷作為信號(hào)，其基本功能是電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移。二、簡(jiǎn)答題1、簡(jiǎn)述光電耦合器件的電流傳輸比6與晶體管的電流放大倍數(shù)6的區(qū)別？答：晶體管的集電極電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基極電流，即6大；光電耦合器件的基區(qū)內(nèi)，從發(fā)射區(qū)發(fā)射過來的電子與光激發(fā)出的空穴相復(fù)合而成為光復(fù)合電流，可用a If表示，a 為光激發(fā)效率（它是發(fā)光二極管的發(fā)光效率、光敏三極管的光敏效率及二者之間距離有關(guān)的系數(shù)）。一般光激發(fā)效率比較低，所以If大于七。即

40、光電耦合器件在不加復(fù)合放大三極管時(shí)，6小于1。2、簡(jiǎn)述光電耦合器件的特點(diǎn)。答：具有電隔離的作用。它的輸入、輸出信號(hào)完全沒有電路聯(lián)系，所以輸入和輸出回路的電平零電位可以任意選擇。絕緣電阻高達(dá)1010Q1012Q，擊穿電壓高達(dá)10025KV，耦合電容小到零點(diǎn)幾皮法。信號(hào)傳輸是單向性的，不論脈沖、直流都可以使用。適用于模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。具有抗干擾和噪聲的能力。它作為繼電器和變壓器使用時(shí)，可以使線路板上看不到磁性元件。它不受外界電磁干 擾、電源干擾和雜光影響。響應(yīng)速度快。一般可達(dá)微秒數(shù)量級(jí)，甚至納秒數(shù)量級(jí)。它可傳輸?shù)男盘?hào)頻率在直流和10MHz之間。使用方便，具有一般固體器件的可靠性，體積小，重量輕，

41、抗震，密封防水，性能穩(wěn)定，耗電省，成本低，工作 溫度范圍在一55C+ 100C之間。三、分析題光電耦合器件測(cè)試電路如圖所示，分析它的工作原理。S1開關(guān)接通后：S2開關(guān)沒有接通，正常情況下LED是不發(fā)光的。如果它是發(fā)光的，則說明光電耦合器的接收端巳經(jīng)短路。S2開關(guān)接通，正常情況下LED發(fā)光，它的發(fā)光強(qiáng)度可以用電位器RP來調(diào)節(jié)。如果LED沒有發(fā)光，則說明光電 耦合器是壞的。習(xí)題11一、填空題1、光電成像器件包括（掃描成像器件）（非掃描成像器件）。2、掃描型光電成像器件又稱（攝像器件）。光電攝象器件應(yīng)具有三種基本功能（光電變換）（光電信號(hào)存儲(chǔ)）（掃 描輸出）。3、分辨率是用來表示能夠分辨圖像中明暗細(xì)

42、節(jié)的能力。分辨率常用兩種方式來描述（極限）分辨率和（調(diào)制傳遞） 函數(shù)。4、觀察靈敏閾：在極限觀察的情況下，光電陰極面的極限照度。5、暗背景亮度：在無光照時(shí)，光電陰極產(chǎn)生的暗電流在陽極電場(chǎng)的作用下，轟擊熒光屏使之發(fā)光，這時(shí)熒光屏的亮 度為暗背景亮度。6、電導(dǎo)型攝像管的基本結(jié)構(gòu)包括兩部分：光電靶和電子槍。一是光電靶由光窗、信號(hào)極和靶構(gòu)成，靶面的光敏層可 以進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，而且有利于保持光電轉(zhuǎn)換形成的電荷圖像，并在掃描周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)積分存儲(chǔ)。二是電子槍由燈絲、 熱陰極、加速電極和聚焦電極等組成，能夠產(chǎn)生電子并使它聚焦成很細(xì)的電子射線，并按照一定的軌跡掃描靶面， 從而通過電子束掃描把電位圖像讀出，形成視頻信

43、號(hào)輸出。二、概念題1、攝像管：把可見光或不可見光圖像通過電子束掃描后轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，通過顯示器再成像的器件。2、攝像管的工作原理：先將輸入的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電學(xué)圖像，然后通過電荷的積累和儲(chǔ)存構(gòu)成電位圖像，最后通過 電子束掃描把電位圖像讀出，形成視頻信號(hào)輸出。3、象管：使不可見光圖像或微弱光圖像通過電子光學(xué)透鏡變?yōu)榭梢姽鈭D像的器件。4、象管的工作原理：有三個(gè)基本部分，一是光電變換部分，即光電陰極，它可以使不可見光圖像或亮度很低的光學(xué) 圖像變成光電子發(fā)射圖像；二是電子光學(xué)部分，即電子透鏡，有電聚焦和磁聚焦兩種形式，它可以使光電陰極發(fā)射 出來的光電子圖像，在保持相對(duì)分布不變的情況下進(jìn)行加速；三是電

44、光變換部分，即熒光屏，它可以使打到它上面 的電子圖像變成可見光。習(xí)題12一、概念題1、電荷包從一個(gè)勢(shì)阱向另一個(gè)勢(shì)阱中轉(zhuǎn)移，不是立即的和全部的，而是有一個(gè)過程。在一定的時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)下，設(shè) 電荷包的原電量為Q(0)，在時(shí)間t時(shí)，大多數(shù)電荷在電場(chǎng)的作用下向下一個(gè)電極轉(zhuǎn)移，但總有一小部分電荷某種原 因留在該電極下，若被留下來的電荷為Q(t)，Q(0)- Q (t)轉(zhuǎn)移效率：則定義為到達(dá)下一個(gè)勢(shì)阱的電量與原勢(shì)阱的電量之比，即門=“(J 轉(zhuǎn)移損失率：則定義為殘留于原勢(shì)阱中的電量與原電量之比，即n=羔;2、CCD有兩種基本類型，表面溝道CCD和體溝道CCD。二、簡(jiǎn)答題1、為什么CCD必須在動(dòng)態(tài)下工作？其驅(qū)動(dòng)

45、脈沖的上、下限頻率受哪些條件限制，應(yīng)如何估算?答：CCD是利用極板下半導(dǎo)體表面勢(shì)阱的變化來儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移信息電荷的，所以它必須工作于非熱平衡態(tài)。時(shí)鐘頻率過低，熱生載流子就會(huì)混入到信息電荷包中去而引起失真。時(shí)鐘頻率過高，電荷包來不及完全轉(zhuǎn)移， 勢(shì)阱形狀就變了，這樣，殘留于原勢(shì)阱中的電荷就必然多，損耗率就必然大。因此，使用時(shí)，對(duì)時(shí)種頻率的上、下 限要有一個(gè)大致的估計(jì)。為了避免由于熱激發(fā)少數(shù)載流子對(duì)注入電荷的干擾，注入信號(hào)電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所用的時(shí)間t 必須小于少數(shù)載流子的平均壽命T 。當(dāng)時(shí)鐘頻率過高時(shí)，驅(qū)動(dòng)脈沖驅(qū)使電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電極所用的時(shí)間t應(yīng)大于電荷從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一個(gè)電

46、極的固有時(shí)間T ，才能保證電荷的完全轉(zhuǎn)移，否則，信號(hào)電荷跟不上驅(qū)動(dòng)脈沖的變化，轉(zhuǎn)移效率大大下降。_T _ 1對(duì)于三相CCD，t =33 J2、說明CCD器件的工作原理。當(dāng)光照在CCD硅片時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被 收集在勢(shì)阱中形成信號(hào)電荷，信號(hào)電荷的多少與受光照強(qiáng)度成正比。CCD電極通常被分為幾組，并施加同樣的時(shí)鐘 脈沖，這樣各極上的電壓周期定向變化，所儲(chǔ)存的信號(hào)電荷也定向地移動(dòng)，在輸出部分便可得到與入射光強(qiáng)相應(yīng)的 電信號(hào)，這就是幀CCD的工作原理。在下一幀光信號(hào)輸入之前，利用MOS復(fù)位管使各相電荷清零，準(zhǔn)備下一幀光 信號(hào)的輸入。3、為

47、什么三相線陣CCD必須在三相交疊脈沖的作用下才能進(jìn)行定向轉(zhuǎn)移？答：二相線陣CCD電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不對(duì)稱，可以保證電荷轉(zhuǎn)移的定向性。三相陣列CCD，只有在三相交疊脈沖作用下， 才能確保電荷不回流。4、CCD和CMOS的主要區(qū)別？答：CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的主要區(qū)別為：制作工藝不同，CCD的制作工藝較為復(fù)雜，而CMOS 得制作工藝簡(jiǎn)單得多；信號(hào)的傳輸方式不同，CCD是靠電荷的轉(zhuǎn)移傳輸?shù)?，而CMOS是靠模擬開關(guān)將信號(hào)傳輸出 來的；CCD圖像傳感器得外加驅(qū)動(dòng)器提供驅(qū)動(dòng)脈沖才能獲得圖像信號(hào)，必須靠片外采集卡完成數(shù)字化，而CMOS 圖像傳感器芯片本身不但能夠輸出圖像信號(hào)，還能夠完成數(shù)字化，用起來

48、較為簡(jiǎn)單；CCD圖像信號(hào)必須按一定的 規(guī)則輸出，而CMOS可以根據(jù)需要輸出部分位置或面積的圖像信號(hào)。三、分析題分析CCD電流輸出放大器輸出的工作原理。J時(shí)恒答：V為復(fù)位管，R為限流電阻，V為輸出管，R為負(fù)載電阻，C為等效電容。電荷包輸出前，要先給V的柵極加 112L1一窄的復(fù)位脈沖，這時(shí)，V導(dǎo)通，C被充電到電源電壓，V管的源極S的電壓也跟隨上升接近于電源電壓。（PR122R變?yōu)榈碗娖揭院螅琕截止，但V在柵極電壓的控制下仍為導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電荷包經(jīng)過輸出柵OG流過來時(shí)，C被放電， V2的源極電壓也跟隨下降，下降的程度則正比于電荷包所攜帶的電量，即構(gòu)成輸出信號(hào)。習(xí)題13 一、填空題1、是變像管還是像增

49、強(qiáng)管取決于（陰極材料）。如果對(duì)（紅外或紫外）光線敏感，則它就是變像管；如果它只對(duì)（微 弱的可見）光敏感，則它就是像增強(qiáng)管。2、變像管和像增強(qiáng)管都具有圖像增強(qiáng)的作用，實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)一般有兩種方法：增強(qiáng)（電子圖像密度）和增強(qiáng)（電子 的動(dòng)能）。3、增強(qiáng)電子圖像密度，一般利用（二次電子發(fā)射）來實(shí)現(xiàn)；增強(qiáng)電子動(dòng)能，用增強(qiáng)（增強(qiáng)電場(chǎng)或磁場(chǎng)的）的方法。二、簡(jiǎn)答題1、變像管？像增強(qiáng)管？像管和攝像管的區(qū)別？答：變象管是指能夠把不可見光圖象變?yōu)榭梢姽鈭D象的真空光電管。圖象增強(qiáng)管是指能夠把亮度很低的光學(xué)圖象變 為有足夠亮度圖象的真空光電管。2、簡(jiǎn)述像管的工作原理。答：目標(biāo)物所發(fā)出的某波長(zhǎng)范圍的輻射通過物鏡在半透明光電

50、陰極上形成目標(biāo)的像，引起光電發(fā)射。陰極面每一 點(diǎn)發(fā)射的電子數(shù)密度正比于該點(diǎn)的輻射照度。這樣，光陰極將光學(xué)圖像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮訑?shù)密度圖像。加有正高壓的陽極形成很強(qiáng)的靜電場(chǎng)，合理的安排陽極的位置和形狀，讓它對(duì)電子密度圖像起到電子透鏡的作用， 使陰極發(fā)出的光電子聚焦成像在熒光屏上。它還使光電陰極發(fā)射出來的光電子圖象，在保持相對(duì)分布不變的情況下 進(jìn)行加速。熒光屏在一定速度的電子轟擊下發(fā)出可見的熒光，這樣，在熒光屏上便可得到目標(biāo)物的可見圖像。習(xí)題141、巳知硅光電二極管2DU2的靈敏度S.=0.55p A/p W，結(jié)間漏置電導(dǎo)G=0.02口 S，轉(zhuǎn)折點(diǎn)電壓U0=13V，入射光功 率從min=15p W變到ma

51、x=35p W，供電偏電壓為Ub=55V。求：取得最大線性輸出電壓下最佳負(fù)載RL輸出電壓 U。（3）輸出電流 I。解：(1)G U = GU + S .G = GU0 + 號(hào)希 max = G + 斗 max = 0.02 + 竺 35 1.5 峪0 UU 013又G U =&- U G=0 = 1.5 X13 0.464RSU - U J 55 -13 b 0=1 2.16MQGL Gl 虹-Umax)=GU嚴(yán) min、U=G U - S .力G + G7 35.7V.U7= U l - U0 = 2珈 l(3)AZ = I -1 . = Gl AU = 0.464 x 22.7 10.5r

52、A2、巳知硅光電池2CR32的受光面積為5X10mm2，在室溫30C,人射光照度為1000W/m2的條件下，UOC=0.55V,ISC=12X 10-3A。求能在200700 W/m2照度范圍內(nèi)，求：取得最大線性輸出電壓下最佳負(fù)載rl輸出電壓 U。輸出電流 I。解： E = 1000叫板 2 時(shí) I、。= 12 x 10-3 AUC = 0.55VS = Ze = 12 x 10-6 A - m 2；W 1E，E = 700Wm 2時(shí)的 U：c = U 。+ U In 百=0.54V從經(jīng)驗(yàn)公式可知R = 絲拜=絲定=0.7 X 0.54 = 45。mIpSEmx 12 x 10-6 x 700

53、(2)AU = RmAIp = RmS(E- E . )= 45x 12x 10-6 x500 = 0.27V (3)AI = ” = 27 = 0.006 a = 6mARm 453、光敏電阻R與R乙=20kQ的負(fù)載電阻串聯(lián)后接于Ub=12V的直流電源上，無光照時(shí)負(fù)載上的輸出電壓為U1 = 20mV, 有光照時(shí)負(fù)載上的輸出電壓為U2 = 2V，求光敏電阻的暗電阻和亮電阻值若光敏電阻的光電導(dǎo)靈敏度Sg = 6X10 -6S/lx，求光敏電阻所受的照度。解：光敏電阻的暗電阻和亮電阻值的計(jì)算RU = L UL R + R b:.R = 土 R - RU L LL暗態(tài)時(shí) U = 12VR = 20K

54、。U = 20mVU:.R =R R =11980/。= 11.98M。暗 U L LL亮態(tài)時(shí) U = 12VR = 20KQU = 2VU n n :.R =iR - R =100 KQ 亮 U L LL光敏電阻所受的照度. R 暗=11980KQ. G .= 0.08 |LiS暗R 亮=100 KQG/R- =10 pS亮G 光 = G亮- G =9.92 pSG又S = 光 = 6 x 10-6 S lxG9.92 x 10 - 6 SE = 光=1.65&S6 x 10 - 6 S lx4、巳知CdS光敏電阻的最大功耗為40mW光電導(dǎo)靈敏度Sg=0.5 X 10-6Sx暗電導(dǎo)g0=0,

55、若給其加偏置電壓20V,此 時(shí)入射到光敏電阻上的極限照度為多少？解：負(fù)載電阻為0時(shí)，光敏電阻流過的電流為最大。IP maxRP minPmaxUUGP maxIP max1p= 40mWU = 20V40 x10-3,)=2 x 10-3 頃)=2mA2020= 10 x 103 O = 10 KQ2x10-3Emax=10-4 S = 0.1mSRP minGP maxEmaxG10-4，P max = =200lxS0.5 x 10-65、若溶液的吸光度為A1，稀釋后得到二個(gè)溶液，在相同條件下測(cè)量吸光度為氣，進(jìn)一步稀釋后得到吸光度為A3,巳知 A - A = KA - A = K 求 T

56、/ T (A = lg I /1, T = I /1 )。121, 232,3100解： lg T = A ,lg T = A ,lg T = A ,112233.=10-A“ T = 10-a3, T / T = 10A1 -A3 = 10K1+K2習(xí)題15一、概念題1、對(duì)于微弱的光信號(hào)的探測(cè)，采用的方法是光外差法（相干探測(cè)）。2、光外差法的物理機(jī)理是光的干涉。3、光電信息變換的六種基本形式：信息載荷于光源，信息載荷于透明體，信息載荷于反射體，信息載荷于遮擋物，信息載荷于光學(xué)量化器，光通信方式。4、降低白熾燈電壓，可以延長(zhǎng)壽命，減小光通量。5、光外差法可檢測(cè)光的相位、頻率和振幅。6、采用雙光

57、路差動(dòng)法可消除光源的影響。7、時(shí)變光信號(hào)的直接測(cè)量有直讀法，指零法，差動(dòng)法，比較法。8、激光打印機(jī)的六個(gè)過程是硒鼓帶電，掃描曝光，靜電成像，著色轉(zhuǎn)印，熱壓定影，清洗硒鼓。9、簡(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)的位置檢測(cè)大致可分為幾何中心，亮度中心兩種方法。10、吸收法濃度檢測(cè)的原理是比爾定律A = 】g勺J，它適用于氣體，液體，透明固體，不適用于膠體。11、調(diào)制：使光載波信號(hào)的一個(gè)或幾個(gè)特征參數(shù)按被傳送信息的特征變化，以實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)傳送目的的方法。12、解調(diào)：從巳調(diào)制的信號(hào)中分離出有用信息的過程。13、薩納克效應(yīng)：當(dāng)封閉的光路相對(duì)于慣性空間有一轉(zhuǎn)動(dòng)速度時(shí)，順時(shí)針光路和逆時(shí)針光路之間形成與轉(zhuǎn)速成正比 的光程差。14、

58、光電檢測(cè)中的四種調(diào)制器是機(jī)電調(diào)制器，電光調(diào)制器，輻射源調(diào)制器，電子調(diào)制器。15、反射光強(qiáng)度測(cè)量可用于測(cè)量：轉(zhuǎn)速，相位，表面粗糙度，距離。16、使用陣列器件對(duì)產(chǎn)品表面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)有反射和投影兩種方法。17、非相干光電信號(hào)的連續(xù)波調(diào)制分為：振幅調(diào)制，相位調(diào)制，頻率調(diào)制。18、光學(xué)變換中的時(shí)域變換：調(diào)制振幅，頻率，相位，脈寬。19、光學(xué)變換中的空域變換：光學(xué)掃描。20、光學(xué)變換中的光學(xué)參量調(diào)制：光強(qiáng)，波長(zhǎng)，相位，偏振。21、光電檢測(cè)系統(tǒng)按信息光源分：主動(dòng)系統(tǒng)，被動(dòng)系統(tǒng)。22、光電檢測(cè)系統(tǒng)按光源波長(zhǎng)分：紅外系統(tǒng)，可見光系統(tǒng)。23、光電檢測(cè)系統(tǒng)按接收系統(tǒng)分：點(diǎn)探測(cè)，面探測(cè)。24、光電檢測(cè)系統(tǒng)按調(diào)制和信號(hào)

59、處理分：模擬系統(tǒng)，數(shù)字系統(tǒng)。25、光電檢測(cè)系統(tǒng)按光波對(duì)信號(hào)的攜帶方式分：直接檢測(cè)，光外差檢測(cè)。26、單頻光干涉的條紋檢測(cè)：干涉條紋光強(qiáng)檢測(cè)，干涉條紋比較法，干涉條紋跟蹤法。二、簡(jiǎn)答題1、與非相干探測(cè)相比，光外差探測(cè)法具有哪些優(yōu)點(diǎn)，為什么能測(cè)微弱信號(hào)？答：探測(cè)能力強(qiáng)；探測(cè)靈敏度高；信噪比高；有空間濾波能力；有光譜濾波能力；檢測(cè)的穩(wěn)定性和可 靠性高。光外差探測(cè)法的輸出信號(hào)大小取決于入射信號(hào)光和本振光功率的乘積，本振光功率對(duì)外差信號(hào)有決定作用。提高本 振光功率可以得到較強(qiáng)的外差信號(hào)。因此能測(cè)微弱信號(hào)。2、相關(guān)檢測(cè)：利用相關(guān)原理，通過自相關(guān)和互相關(guān)運(yùn)算，達(dá)到對(duì)某些物理量進(jìn)行檢測(cè)或去除噪聲。3、直接檢測(cè)

60、（非相干檢測(cè)）：利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息，直接把接受到的光強(qiáng)變換為電信號(hào)的變化。4、光外差檢測(cè)（相干檢測(cè)）：將包含有被測(cè)信息的相干光調(diào)制波和作為基準(zhǔn)的本機(jī)振蕩光波，在滿足波前匹配條件 下在光電探測(cè)器上進(jìn)行光學(xué)混頻，探測(cè)器輸出頻率為二光波光頻差的拍頻信號(hào)，該信號(hào)包含有調(diào)制信號(hào)的振幅、頻 率和相位特征。5、緩慢變化的光信號(hào)的檢測(cè)方法。答：幅值法，分為單通道（直讀法和指零法），雙通道（差動(dòng)法和比較法），差動(dòng)法是重點(diǎn)。6、光電掃描技術(shù)：用一個(gè)窄視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)和一個(gè)光電檢測(cè)通道，按一定的時(shí)間順序和軌跡串行逐點(diǎn)掃視目標(biāo)物象 空間的各點(diǎn)時(shí)，能獲得瞬時(shí)值與被測(cè)目標(biāo)的光學(xué)參數(shù)成比例的時(shí)序電信號(hào)。習(xí)題161、簡(jiǎn)