《光電子技術》張永林版

1、-光電子技術張永林版 光電子技術又是一個非常寬泛的概念，它圍繞著光信號的產生、傳輸、處理和接收，涵蓋了新材料（新型發(fā)光感光材料，非線性光學材料，襯底材料、傳輸材料和人工材料的微結構等）、微加工和微機電、器件和系統(tǒng)集成等一系列從基礎到應用的各個領域。光電子技術科學是光電信息產業(yè)的支柱與基礎，涉及光電子學、光學、電子學、計算機技術等前沿學科理論，是多學科相互滲透、相互交叉而形成的高新技術學科。 光子學也可稱光電子學，它是研究以光子作為信息載體和能量載體的科學，主要研究光子是如何產生及其運動和轉化的規(guī)律。所謂光子技術，主要是研究光子的產生、傳輸、控制和探測的科學技術?，F(xiàn)在光子學和光子技術在信息、能源

2、、材料、航空航天、生命科學和環(huán)境科學技術中的廣泛應用，必將促進光子產業(yè)的迅猛發(fā)展。光電子學是指光波波段，即紅外線、可見光、紫外線和軟X射線（頻率范圍31011Hz31016Hz或波長范圍1mm10nm）波段的電子學。光電子技術在經過80年代與其相關技術相互交叉滲透之后，90年代，其技術和應用取得了飛速發(fā)展，在社會信息化中起著越來越重要的作用。光電子技術研究熱點是在光通信領域，這對全球的信息高速公路的建設以及國家經濟和科技持續(xù)發(fā)展起著舉足輕重的推動作用。國內外正掀起一股光子學和光子產業(yè)的熱潮。 1.1可見光的波長、頻率和光子的能量范圍分別是多少？ 波長：380780nm 400760nm 頻率：

3、385T790THz 400T750THz 能量：1.63.2eV 1.2輻射度量與光度量的根本區(qū)別是什么？為什么量子流速率的計算公式中不能出現(xiàn)光度量？ 為了定量分析光與物質相互作用所產生的光電效應，分析光電敏感器件的光電特性，以及用光電敏感器件進行光譜、光度的定量計算，常需要對光輻射給出相應的計量參數(shù)和量綱。輻射度量與光度量是光輻射的兩種不同的度量方法。根本區(qū)別在于：前者是物理（或客觀）的計量方法，稱為輻射度量學計量方法或輻射度參數(shù)，它適用于整個電磁輻射譜區(qū)，對輻射量進行物理的計量；后者是生理（或主觀）的計量方法，是以人眼所能看見的光對大腦的刺激程度來對光進行計算，稱為光度參數(shù)。因為光度參數(shù)

4、只適用于0.380.78um的可見光譜區(qū)域，是對光強度的主觀評價，超過這個譜區(qū)，光度參數(shù)沒有任何意義。而量子流是在整個電磁輻射，所以量子流速率的計算公式中不能出現(xiàn)光度量.光源在給定波長處，將+d范圍內發(fā)射的輻射通量 de，除以該波長的光子能量h，就得到光源在處每秒發(fā)射的光子數(shù)，稱為光譜量子流速率。 1.3一只白熾燈，假設各向發(fā)光均勻，懸掛在離地面1.5m的高處，用照度計測得正下方地面的照度為30lx，求出該燈的光通量。 =L*4R2=30*4*3.14*1.52=848.23lx 1.4一支氦-氖激光器（波長為632.8nm）發(fā)出激光的功率為2mW。該激光束的平面發(fā)散角為1mrad,激光器的放

5、電毛細管為1mm。 求出該激光束的光通量、發(fā)光強度、光亮度、光出射度。 若激光束投射在10m遠的白色漫反射屏上，該漫反射屏的發(fā)射比為0.85，求該屏上的光亮度。 ?v(?)?KmV(?)?e(?)?683?0.265?2?10?3?0.362lm d?v(?)?v(?)?d? ?S2?Rh?2?(1?cos?)R2R2 ?v(?)0.362Iv?1.15?105cd2(1?cos)2(1?cos0.001)Iv? Lv? MvdIv?Iv?Iv?1.46?1011cd/m22dScos?Scos?rcos0d?v(?)0.362?4.6?105lm/m22dS?0.0005 l?10m?r?0

6、.0005m vv(P6)d?vr2M?0.85E?0.85?0.85?Lv2dScos?l r2 0.85?Lv2d2?vdMvLv?155cd/m2 d?dScosd?2 1.6從黑體輻射曲線圖可以看書，不同溫度下的黑體輻射曲線的極大值處的波長 隨溫度T的升高而減小。試用普朗克熱輻射公式導出 ?mT?常數(shù) 式這一關系式稱為維恩位移定律中，常數(shù)為2.898?10-3m?K。 普朗克熱輻射公式求一階導數(shù)，令其等于0，即可求的。教材P8 2.1什么是光輻射的調制？有哪些調制的方法？它們有什么特點和應用？ 光輻射的調制是用數(shù)字或模擬信號改變光波波形的幅度、頻率或相位的過程。 光輻射的調制方法有內調

7、制和外調制。 內調制：直接調制技術具有簡單、經濟、容易實現(xiàn)等優(yōu)點。但存在波長(頻率)的抖動。 LD、LED 外調制：調制系統(tǒng)比較復雜、消光比高、插損較大、驅動電壓較高、難以與光源集成、偏振敏感、損耗大、而且造價也高。但譜線寬度窄。機械調制、電光調制、聲光調制、磁光調制 2.2說明利用泡克爾斯效應的橫向電光調制的原理。畫出橫向電光調制的裝置圖，說明其中各個器件的作用。若在KDP晶體上加調制電壓U=Um ，U在線性區(qū)內，請寫出輸出光通量的表達式。 Pockels效應：折射率的改變與外加電場成正比的電光效應。也稱線性電光效應。 光傳播方向與電場施加的方向垂直，這種電光效應稱為橫向電光效應。 2.3說

8、明利用聲光布拉格衍射調制光通量的原理。超聲功率Ps的大小決定于什么？在石英晶體上應加怎樣的電信號才能實現(xiàn)光通量的調制？該信號的頻率和振幅分別起著什么作用？ 當超聲波在介質中傳播時，將引起介質的彈性應變作時間上和空間上的周期性的變化，并且導致介質的折射率也發(fā)生相應的變化。當光束通過有超聲波的介質后就會產生衍射現(xiàn)象，這就是聲光效應。 聲光介質在超聲波的作用下，就變成了一個等效的相位光柵，當光通過有超聲波作用的介質時，相位就要受到調制，其結果如同它通過一個衍射光柵，光柵間距等于聲波波長，光束通過這個光柵時就要產生衍射，這就是聲光效應。布拉格衍射是在超聲波頻率較高，聲光作用區(qū)較長，光線與超聲波波面有一

9、定角度斜入射時發(fā)生的。 2.4說明利用法拉第電磁旋光效應進行磁光強度調制的原理。 磁場使晶體產生光各向異性，稱為磁光效應。 法拉第效應：光波通過磁光介質、平行于磁場方向傳播時，線偏振光的偏振面發(fā)生旋轉的現(xiàn)象。 電路磁場方向在YIG棒軸向，控制高頻線圈電流，改變軸向信號磁場強度，就可控制光的振動面的旋轉角，使通過的光振幅隨角的變化而變化，從而實現(xiàn)光強調制。 3.1熱電探測器與光電探測器相比較，在原理上有何區(qū)別？ 光電探測器的工作原理是將光輻射的作用視為所含光子與物質內部電子的直接作用，而熱電探測器是在光輻射作用下，首先使接收物質升溫，由于溫度的變化而造成接受物質的電學特性變化。光電探測器響應較快

10、，噪聲??；而熱電探測器的光譜響應與波長無關，可以在室溫下工作。 3.2光電效應有哪幾種？各有哪些光電器件？ 物質在光的作用下釋放出電子的現(xiàn)象稱為光電效應。 光電效應又分為外光電效應（如光電發(fā)射效應）和內光電效應（如光電導效應和光伏效應）。 當半導體材料受光照時，由于對光子的吸收引起載流子濃度的增大，因而導致材料電導率的增大，這種現(xiàn)象稱光電導效應。光敏電阻、光導探測器 當半導體PN結受光照射時，光子在結區(qū)（耗盡區(qū)）激發(fā)電子-空穴對。在自建場的作用下，電子流向N區(qū)，空穴流向P區(qū)，從而在勢壘兩邊形成電荷堆積，使P區(qū)、N區(qū)兩端產生電位差。P端為正，N端為負。這種效應稱為光伏效應。光電池、光電二極管、雙

11、光電二極管，光電三極管、光電場效應管、光電開關管、光電雪崩二極管 某些金屬或半導體受到光照時，物質中的電子由于吸收了光子的能量，致使電子逸出物質表面，這種現(xiàn)象稱為光電發(fā)射效應，又稱外光電效應。光電倍增管，真空光電管、充氣光電管。 3.3光電器件的光電特性（光照特性）有哪兩種情況？每種特性的器件各自的用途是什么？ 當光電器件上的電壓一定時，光電流與入射于光電器件上的光通量的關系I=F( ) 稱為光電特性，光電流與光電器件上光照度的關系I=F(L) 稱為光照特性。 3.4什么是光電器件的光譜特性？了解它有何重要性？ 光電器件對功率相同而波長不同的入射光的響應不同，即產生的光電流不同。光電流或輸出電

12、壓與入射光波長的關系稱為光譜特性。光譜特性決定于光電器件的材料。應盡量使所選的光電器件的光譜特性與光源的光譜分布較接近。由光電器件的光譜特性可決定光電器件的靈敏度（響應率）光譜靈敏度和積分靈敏度。 3.5為什么結型光電器件在正向偏置時沒有明顯的光電效應？結型光電器件必須工作在哪種偏置狀態(tài)? 因為p-n結在外加正向偏壓時，即使沒有光照，電流也隨著電壓指數(shù)級在增加，所以有光照時，光電效應不明顯。p-n結必須在反向偏壓的狀態(tài)下，有明顯的光電效應產生，這是因為p-n結在反偏電壓下產生的電流要飽和，所以光照增加時，得到的光生電流就會明顯增加。 3.6若光電PN結在照度L1下開路電壓為U ，求照度L2下的

13、開路電壓U 。 3.7負電子親和勢光電陰極的能帶結構如何？它有哪些特點？ 表面區(qū)域能帶彎曲，真空能級降低到導帶之下。 特點：1.量子效率高 2.光譜響應延伸到紅外，光譜響應率均勻3熱電子發(fā)射小 4.光電發(fā)射小，光電子能量集中 3.8何謂“白噪聲”？何謂“1噪聲”？要降低電阻的熱噪聲應采取什么措施？ f 度 3.9探測器的D*=1011cmHz1/2W-1,探測器光敏器的直徑為0.5cm，用于f=5x103Hz的光電儀器中，它能探測的最小輻射功率為多少？ 功率譜大小與頻率無關的噪聲，稱白噪聲。功率譜與f成反比，稱1/f 噪聲。 措施：1.盡量選擇通帶寬度小的2.盡量選擇電阻值小的電阻3.降低電阻

14、周圍環(huán)境的溫 3.10應怎樣理解熱釋電效應？熱釋電探測器為什么只能探測調制輻射？ 熱電晶體的自發(fā)極化矢量隨溫度變化，從而使入射光可引起電容器電容改變的現(xiàn)象成為熱釋電效應。 由于熱釋電信號正比于器件的溫升隨時間的變化率，因此它只能探測調制輻射。 3.13一塊半導體樣品，有光照時電阻為50歐姆，無光照時電阻為5000歐姆，求該樣品的光電導。 G光=G亮-G暗=1/50-1/5000=0.0198（s）該樣品的光電導即為所求。 3.14 3.16試問圖3.25和圖3.26分別屬于哪一種類型的偏置電路？為什么？當光照變化dL時， 引起輸出電壓U0變化，分別寫出這兩種電路dU0的表達式。 3.17敘述光

15、電池的工作原理以及開路電壓、短路電流與光照度的關系。為什么光電池的輸出與所接的負載有關系？ （1）工作原理 光電池是一個簡單得PN結。當光線照射PN結時，PN結將吸收入射光子。如果光子能量超過半導體材料的禁帶寬度，則由半導體能帶理論可知，在PN結附近會產生電子和空穴。在內電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，使N區(qū)聚集大量的電子而帶上負電，在P區(qū)聚集大量的空穴而帶上正電。于是在P區(qū)和N區(qū)之間產生了電勢，成為光生電動勢。如果用導線或電阻把N區(qū)和P區(qū)連接起來，回路中就會有光電流I流過，電流方向是由P區(qū)流向N區(qū)。（6分） （2）光電池的電動勢即開路電壓與照度成非線性關系，在照度光電池的短路電流與

16、照度成線性關系（4分） （3）當負載電阻較大時，光電流流過負載電阻時，必然使外加電場增大，由于外電場的方向是與內電場方向相反，故要削弱內電場的強度，從而使光生的電子和空穴不能移過PN結，使對外輸出的光電流減少。（5分） 3.20 2CR和2DR，2CU和2DU在結構上有何主要區(qū)別？2DU光電二極管增設環(huán)極的目的是什么？畫出正確接法的線路圖，使用時環(huán)極不接是否可用？為什么？ 硅光電池按基底材料不同分為2CR和2DR 。2CR為N型單晶硅，2DR為P型單晶硅。按襯底材料的不同，硅光電二極管分為2CU和2DU兩種系列。2DU光電二極管增設環(huán)極的目的是為了減少暗電流和噪聲。 3.21說明PIN管、雪崩

17、光電二極管的工作原理和各自特點。PIN管的頻率特性為什么比普通光電二極管好？ 工作原理：PIN管加反向電壓時，勢壘變寬，在整個本征區(qū)展開，耗盡層寬度基本上是 I區(qū)的寬度，光照到I層，激發(fā)光生電子空穴時，在內建電場和反向電場作用下，空穴向P區(qū)移動，電子向N區(qū)移動，形成光生電流，通過負載，在外電路形成電流。特點：頻帶寬，線性輸出范圍寬。優(yōu)點：1，工作電壓比較低，一般為5V。2，探測靈敏度比較高；3，內量子效率較高；4，響應速度快；5，可靠性高；6，PIN管能低噪聲工作。 工作原理：當光電二極管的PN結上加相當大的反向偏壓時，在耗盡層內將產生一個很高的電場，它足以使在該強電場區(qū)產生和漂移的光生載流子

18、獲得充分的動能，電子空穴與晶格原子碰撞，將產生新的電子空穴對。新的電子空穴對在強電場作用下，分別向相反的方向運動，在運動過程中，又可能與原子碰撞，再一次產生新的電子空穴對。如此反復，形成雪崩式的載流子倍增。特性：靈敏度高，響應速度快； PIN光電二極管因由較厚的i層，因此p-n結的內電場就基本上全集中于i層中，使p-n結的結間距離拉大，結電容變小，由于工作在反偏，隨著反偏電壓的增大，結電容變的更小，從而提高了p-n光電二極管的頻率響應。 由于PIN管耗盡層變寬，這就相當于增大了結電容之間的距離，使結電容變小，而且耗盡層的厚度隨反向電壓的增加而加寬，因而結電容隨著外加反向偏壓的增大而變得更小。同

19、時，由于I層的電阻率很高，故能承受很高的電壓，I層電場很強，對少數(shù)載流子漂移運動起加速作用，雖然渡越距離增大一些，但少數(shù)載流子的渡越時間相對還是短了?？傊捎诮Y電容變小，載流子渡越耗盡層的時間短，因此PIN管的特性好。 3.23光電二極管2CU2E，其光電靈敏度S=0.5A/W，拐點電壓U =10V，輸入輻射功率 =（5+3sin t）W，偏置電壓Ub=40V，信號由放大器接收，求取得最大功率時的負載電阻Rb和放大器的輸入電阻R 的值，以及輸入給放大器的電流、電壓和功率值。 3.24圖3.97中，用2CU型光電二極管接收輻射通量變化為 =（20+50sinwt）W的光信號，其工作偏壓Ub=3

20、0V，拐點電壓Um=10V，且Rb=RL。2CU的參數(shù)是：光電靈敏度S=0.6A/W，結電容Cj=3pF，分布電容C0=3pF。試計算：1. 3.25用光電三極管3DU12探測交變信號。結電容Cj=8pF，放大器的輸入電容Ci=5pF，輸入電阻r=10k計算變換電路中頻時的輸出電壓U0上限頻率f 3.26設計光控繼電器開關電路。已知條件：光電晶體管3DU15的S=1A/lx，繼電器K的吸合電流為10mA，線圈電阻1.5k。要求光照大于200lx時繼電器J吸合。 3.27試述PSD的工作原理，與象限探測器相比，PSD有什么優(yōu)點？ PSD是利用離子注入技術制成的一種對入射到光敏面上的光點位置敏感的

21、光電器件，分為一維和二維兩種。當入射光是非均勻的或是一個光斑時，其輸出與光的能量中心有關。與象限探測器相比，PSD的優(yōu)點有：對光斑的形狀無嚴格要求；光敏面上無象限分隔線，對光斑位置可進行連續(xù)測量，位置分辨率高，可同時檢測位置和光強。 3.28光電發(fā)射和二次電子發(fā)射有哪些不同？簡述光電倍增管的工作原理。 光電發(fā)射是光轟擊材料使電子逸出，二次電子發(fā)射是電子轟擊材料，使新的電子逸出。 1）光子透過入射窗口入射在光電陰極K上。 2）光電陰極電子受光子激發(fā)，離開表面發(fā)射到真空中。 3）光電子通過電子加速和電子光學系統(tǒng)聚焦入射到第一倍增極D1上，倍增極將發(fā)射出比入射電子數(shù)目更多的二次電子，入射電子經N級倍

22、增極倍增后光電子就放大N次方倍。 4）經過倍增后的二次電子由陽極P收集起來，形成陽極光電流，在負載RL上產生信號電壓 3.29光電倍增管中的倍增極有哪幾種結構？每一種的主要特點是什么？ 鼠籠式：結構緊湊，體積??；但靈敏度的均勻性稍差。 直線聚焦式：極間電子渡越時間的離散性小，時間響應很快，線性好：但絕緣支架可能積累電荷而影響電子光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 盒柵式：電子的收集效率較高，均勻性和穩(wěn)定性較好；但極間電子渡越時間零散較大。 百葉窗式：工作面積大，與大面積光電陰極配合可制成探測弱光的倍增管;但極間電壓高，有時電子可能越級穿過，從而，收集率較低，渡越時間離散較大。 近貼柵網(wǎng)式：極好的均勻性和脈沖線

23、性，抗磁場影響能力強。 微通道板式：尺寸大為縮小，電子渡越時間很短，響應速度極快，抗磁場干擾能力強，線性好。 3.30 (a)畫出具有11級倍增極，負高壓1200V供電，均勻分壓的光電倍增管的工作原理，分別寫出各部分名稱及標出Ik，Ip和Ib的方向。 (b)若該倍增管的陰極靈敏器Sk為20A/lm，陰極入射的照度為o.1lx，陰極有效面積為2cm2 ,各倍增極發(fā)射系數(shù)均相等（=4），光電子的收集率為0.98，各倍增極電子收集率為0.95，試計算倍增系統(tǒng)的放大倍數(shù)和陽極電流。 (c)設計前置放大電路，使輸出的信號電壓為200mV,求放大器的有關參數(shù)，并畫出原理圖 （a）如圖 （b）陰極電流：Ik

24、=Sk?=20?10?0.1?2?10 =4?10A -10-6-4 Ip11 =0?(?)Ik 11=0.98?(4?0.95) 6 ?2.34?10 陽極電流：Ip=M?Ik=936 A 倍增系統(tǒng)的放大倍數(shù):M= （c） RfV?VoRL ?V?R RV?(?I)R? 3.31某光電倍增管的陽極光電靈敏度為10A/lm，為什么還要限制其陽極輸出電流小于f50100A范圍內？問其陰極面上最大允許的光通量為多少流明？ oopL 因為陽極電流過大會加速光電倍增管的疲勞與老化。 L f3.32某GDB的陽極積分靈敏度為10A/lm，Sk=20A/lm，倍增極有11級。若各級的電子收集效率為1，問各

25、倍增極的平均倍增系數(shù)為多少？ 3.33現(xiàn)有GDB-423型光電倍增管的光電陰極面積為2cm2，陰極靈敏度Sk為25A/lm，倍RfRL?IpR200mv?R?214?936?A 增系統(tǒng)的放大倍數(shù)為105，陽極額定電流為20A，求允許的最大光照。 4.1簡述PbO視像管的基本結構和工作過程。 光學圖像投射到光電陰極上，產生相應的光電子發(fā)射，在加速電場和聚焦線圈所產生的磁場 共同作用下打到靶上，在靶的掃描面形成與圖像對應的電位分布最后，通過電子束掃描把電 位圖像讀出，形成視頻信號， 4.2攝像器件的參量極限分辨率、調制傳遞函數(shù)和惰性是如何定義的？ 分辨率表示能夠分辨圖像中明暗細節(jié)的能力。極限分辨率

26、和調制傳遞函數(shù)（MTF） 極限分辨率：人眼能分辨的最細條數(shù)。用在圖像（光柵）范圍內所能分辨的等寬度黑白線條數(shù)表示。也用線對/mm表示。 MTF：能客觀地表示器件對不同空間頻率目標的傳遞能力。 惰性：指輸出信號的變化相對于光照度的變化有一定的滯后。原因：靶面光電導張弛過程和 電容電荷釋放惰性。 4.3以雙列兩相表面溝道CCD為例，簡述CCD電荷產生、存儲、轉移、輸出的基本原理。 以表面溝道CCD為例，簡述CCD電荷存儲、轉移、輸出的基本原理。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

27、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

28、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

29、，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

30、，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。 123 1 t1t2t3t4 2 t1t2t3t4 3 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OG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

31、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）。 3 R t1t2t3t4t5 3 t1t2t3t4t5 R 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的高電平脈沖。據(jù)此特點，對CCD的輸出信

32、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。 4.4 CCD驅動脈沖工作頻率的上、下限受哪些條件限制，應該如何估算？ 4.5雙列兩相CCD驅動脈沖1、2、SH、RS起什么作用？它們之間的位相關系如何？為什么？ ?1、?2：驅動脈沖1、驅動脈沖2，將模擬寄存器中的信號電荷定向轉移到輸出端形成序列脈沖輸出。 SH：轉移柵控制光生電荷向CCDA或CCDB轉移。 RS：復位脈沖，使復位場效應管導通，將剩余信號電荷卸放掉，以保證新的信號電荷接收。 4.7 TCD1200D的中心距為14m，它能分辨的最小間距是多少？它的極限分辨率怎樣計算？ 它能分辨的最小間距是14m。 4.

33、8簡述變像管和圖像增強器的基本工作原理，指出變像管和圖像增強器的主要區(qū)別。 亮度很低的可見光圖像或者人眼不可見的光學圖像經光電陰極轉換成電子圖像； 電子光學系統(tǒng)將電子圖像聚焦成像在熒光屏上，并使光電子獲得能量增強； 熒光屏再將入射到其上的電子圖像轉換為可見光圖像。 變像管：接受非可見輻射圖像并轉換成可見光圖像的直視型光電成像器件：紅外變像管、紫外變像管和X射線變像管等，功能是完成圖像的電磁波譜轉換。 像增強器：接受微弱可見光圖像的直視型光電成像器件：級聯(lián)式像增強器、帶微通道板的像增強器、負電子親和勢光陰極的像增強器等，功能是完成圖像的亮度增強。 5.1光盤記錄有什么優(yōu)點？ 存儲密度高。非接觸式

34、讀/寫信息（獨特）。存儲壽命長。信息的信噪比高。信息位價格低。 存儲密度高數(shù)據(jù)傳輸速率高存儲壽命長信息位價低更換容易 5.2光盤發(fā)展經歷了哪幾代？每一代的特點是什么？ 自美國ECD及IBM公式共同研制出第一片光盤以來，光盤經歷了四代： 只讀存儲光盤（read only memory，ROM） 這種光盤中的數(shù)據(jù)是在光盤生產過程中刻入的，用戶只能從光盤中反復讀取數(shù)據(jù)。這種光盤制造工藝簡單，成本低，價格便宜，其普及率和市場占有率最高。 一次寫入多次讀出光盤（write once read many，WORM） 這種光盤具有寫、讀兩種功能，寫入數(shù)據(jù)后不可擦除。 可擦重寫光盤（rewrite,RW） 用

35、戶除了可在這種光盤上寫入、讀出信息外，還可以將已經記錄在盤上的信息擦除掉，然后再寫入新的信息；但擦與寫需要兩束激光、兩次動作才能完成。 直接重寫光盤（overwrite，OW） 這種光盤上實現(xiàn)的功能與可擦重寫重寫光盤一樣，所不同的是，這類光盤可用同一束激光、通過一次動作就擦除掉舊信息并錄入新信息。 5.3說明ROM光盤的存儲原理。 將事先記錄在主磁帶上的視頻或音頻信息通過信號發(fā)生器、前置放大器去驅動電光或聲光調制器，使經過調制的激光束以不同的功率密度聚焦在甩有光刻膠的玻璃襯盤上，使光刻膠曝光，之后經過顯影、刻蝕，制成主盤（又稱母盤，master），再經噴鍍、電鍍等工序制成副盤（又稱印模,sta

36、mper），然后再經過“2P”注塑形成ROM光盤。 5.4說明激光熱致相變RW光盤的讀、寫、擦原理。 近紅外波段的激光作用在介質上，能加劇介質網(wǎng)絡中原子、分子的振動，從而加速相變的進行。因此近紅外激光對介質的作用以熱效應為主，其中寫、讀、擦激光與其相變的進行。圖的上半部是用來寫入、讀出及擦除信息的激光脈沖，下半部表示出在這三種不同的脈沖作用下，在介質內部發(fā)生的相應相變過程。 信息的記錄 對應介質從晶態(tài)C向玻璃態(tài)G的轉變。選用功率密度高、脈寬為幾十至幾百納秒的激光脈沖，使光斑微區(qū)因介質溫度剎那間超過熔點Tm而進入液相，再經過液相快瘁完成到達玻璃態(tài)的相轉變。 信息的讀出 用低功率密度、短脈寬的激光

37、掃描信息道，從反射率的大小辨別寫入的信息。一般介質處在玻璃態(tài)（即寫入態(tài)）時反射率小，處在晶態(tài)（即擦除態(tài)）時反射率大。在讀出過程中，介質的相結構保持不變。 信息的擦除 對應介質從玻璃態(tài)G向晶態(tài)C的轉變。選用中等功率密度、較寬脈沖的激光，使光斑微區(qū)因介質溫度升至接近Tm處，再通過成核生長完成晶化。在此過程中，光誘導缺陷中心可以成為新的成核中心，因此激光作用使成核速率、生長速度大大增加，從而導致激光熱晶化壁單純熱晶化的速率要高。 5.5簡述可擦重寫磁光光盤讀、寫、擦原理。 如圖9-14，目前磁光薄膜的記錄方式有補償點記錄和居里點記錄兩類，前者以稀土鈷合金為主，后者則多為稀土鐵合金。以補償點寫入的磁介

38、質為例來討論磁光記錄介質的讀、寫、擦原理。 信息的寫入 GdCo有一垂直于薄膜表面的易磁化軸。在寫入信息前，用一定強度的磁場Ho對介質進行初始磁化，使各磁疇單元具有相同的磁化方向。在寫入信息時，磁光讀寫頭的脈沖激光聚焦在介質表面，光照微斑因升溫而迅速退磁，此時通過讀寫頭中的線圈施加一反偏磁場，就可使光照區(qū)微斑反向磁化，如圖所示，而無光照的相鄰磁疇磁化方向仍將保持原來的方向，從而實現(xiàn)磁化方向相反的反差記錄。 信息的讀出 信息讀出是利用Kerr效應檢測記錄單元的磁化方向。用線偏振光掃描錄有信息的信道，光束到達磁化方向向上的微斑，經反射后，偏折方向會繞反射線右旋?k，如圖所示。反之，若光掃描到磁化方向向下的微斑，反射光的偏振方向則左?旋一個k，以k表示。實際測試時，使檢偏器的主截面調到與k對應的偏振