光電子技術(shù)作業(yè)解答

1、賴(lài)?yán)蠋煹恼n到期中考試為止一共有 9次作業(yè)，依次分別由馮成坤、饒文濤、黃善津、劉明凱、鄭致 遠(yuǎn)、黃瑜、陳奕峰、周維鷗和陸錦洪同學(xué)整理，謹(jǐn)此致謝！作業(yè)一：1、桌上有一本書(shū)，書(shū)與燈至桌面垂直線的垂足相距半米。 若燈泡可上下移動(dòng)，燈在桌上面多高時(shí)，書(shū) 上照度最大（假設(shè)燈的發(fā)光強(qiáng)度各向通性，為10）解：設(shè)書(shū)的面積為dA，則根據(jù)照度的定義公式：其中d為上圖所示的立體角。因而有:ddAIoddA U)將（2）式代入（1）式得到:dACOS2 2L2h2dA h“、223/2(2)(L2 h2)E 怙 h2)hE（3）8為求最大照度，對(duì)（3）式求導(dǎo)并令其等于零, 計(jì)算得：1因而，當(dāng)高度為 m時(shí)書(shū)上的照度最大。

2、2So是禁戒的，于是T1就有可能堆積大量粒子。由于Esi Eso Et2 Eti ,則由S1S0 發(fā)出的熒光就會(huì)被Ti T2躍遷吸收。當(dāng)T1壽命tT tsT （S和T系間交叉速率），T1會(huì)堆 積大量粒子，大量吸收熒光，從而出現(xiàn) 猝滅”（2）消除猝滅”的方法關(guān)鍵就是使tT tST ,通常使用短脈沖光源激勵(lì)，以及在染料中添加三重態(tài)猝 滅劑，提高溶液氧含量。（詳見(jiàn)課本p101）作業(yè)五1、何謂激光器的Q值調(diào)Q實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)什么 答：Q指諧振腔的品質(zhì)因素，它定義為腔內(nèi)存儲(chǔ)的能量與每秒中損耗的能量之比，即 式中W為腔內(nèi)總能量，為每秒鐘損耗的能量，0為中心頻率。2 nl。設(shè)激光在腔內(nèi)走一個(gè)單程的能量損耗率 （

3、包括輸出）為，則光在一個(gè)單程中對(duì)應(yīng)的能量損耗為 W。 設(shè)腔長(zhǎng)為L(zhǎng),平均折射率為n,光速為c,則光在腔內(nèi)走單程的時(shí)間為nL/C,所以每秒鐘損耗的能量為W/（nL/c）= Wc/nL。帶入Q表達(dá)式中得Q上式表明Q值反比于損耗率。所以調(diào)Q就是調(diào)節(jié)諧振腔的損耗率。激光振蕩需要足夠的增益，當(dāng) 損耗過(guò)大時(shí)，增益不夠，激光停止振蕩。所以，調(diào) Q能控制激光的振蕩。2、鈦寶石激光器的寬發(fā)光譜起因它的諧振腔特點(diǎn)為什么答：從鈦寶石的能級(jí)圖（如下圖）可以看到，由于 鈦寶石晶體激發(fā)態(tài)各振動(dòng)的能級(jí)之間的間小，基態(tài) 各振動(dòng)能級(jí)間的能級(jí)差也很小，因此各自形成很寬的準(zhǔn)連續(xù)能帶，這樣電子帶間的振動(dòng)躍遷就形成一 個(gè)寬的發(fā)光譜帶。摻

4、鈦藍(lán)寶石具有很強(qiáng)的 三階非線性，利用這一特性可以實(shí)現(xiàn)激光的相位調(diào)節(jié)-自相位調(diào)節(jié)，鎖定不同縱模間的位相，實(shí)現(xiàn)鎖模運(yùn)轉(zhuǎn)。由于自相位調(diào)節(jié)是一種非線性效應(yīng)，需要強(qiáng)的光功率密度，所以鈦寶石激光諧振強(qiáng)設(shè)計(jì)中要考慮提高寶石棒中的光功率密度，需要加一對(duì) 聚焦亞腔，使激光聚焦通過(guò)鈦 寶石棒，獲得強(qiáng)的光功率密度，進(jìn)而強(qiáng)的自相位調(diào)節(jié)。3、繪制如下p、n型半導(dǎo)體形成的p-n結(jié)的平衡態(tài)能帶圖答：如圖。作業(yè)六1、端鏡耦合輸出調(diào)Q和腔倒空調(diào)Q技術(shù)的工作原理和特點(diǎn)脈沖透射式Q開(kāi)關(guān)（PTM又稱(chēng)腔倒空。發(fā)展腔倒空技術(shù)是為了進(jìn)一步壓縮 Q開(kāi)關(guān)脈沖和輸出更高的脈 沖能量?？梢詫⑶粌?nèi)全部能量在一個(gè)振蕩周期內(nèi)倒出，提高脈沖峰功率一個(gè)數(shù)量

5、級(jí)。激光是在高Q狀態(tài)振蕩輸出的，至少要振蕩幾個(gè)周期，才能有好的相干性、好的方向性和足夠的增益。 Q開(kāi)關(guān)脈沖寬度為m2L/a激光端鏡耦合輸出通常只有103左右，剩余的90滋右的能量在腔內(nèi)沒(méi)有輸 出。2、主動(dòng)和被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)有哪些常見(jiàn)的調(diào)Q技術(shù)包括機(jī)械調(diào)Q電光調(diào)Q聲光調(diào)Q和染料調(diào)Q四種技術(shù)。其中前三種技術(shù)屬主動(dòng)調(diào) Q 技術(shù)，而染料調(diào)Q屬被動(dòng)調(diào)Q3、鎖模技術(shù)分類(lèi)各自包括哪些技術(shù)鎖模技術(shù)包括主動(dòng)、被動(dòng)和自鎖三種。主動(dòng)鎖模包括損耗調(diào)制和位相調(diào)制。染料鎖模是被動(dòng)鎖模的一 種。自鎖模通過(guò)自相位調(diào)制實(shí)現(xiàn)，能實(shí)現(xiàn)自鎖模的激光器是鈦寶石激光器。4、 鎖模技術(shù)能獲得脈沖寬度反比于被鎖的模數(shù)目，而腔長(zhǎng)影響縱模間隔，進(jìn)而

6、影響縱模數(shù)，所以影響 鎖模脈沖的寬度對(duì)嗎，為什么不對(duì)?？v模頻率間隔為C/2L，如果不考慮導(dǎo)致展寬的因素，激光增益介質(zhì)的熒光線寬g是一定的(與腔長(zhǎng)L無(wú)關(guān))。而脈寬2 /(2M1)1/(2 M 1)1/ g ,故脈寬不隨L變化。為什么腔長(zhǎng)只影響脈沖的重復(fù)率(脈沖間隔)。 作業(yè)七1、說(shuō)明正弦周期和非正弦周期損耗調(diào)制鎖模的異同對(duì)調(diào)制頻率有什么要求調(diào)制器應(yīng)放在何處,解：(1)對(duì)正弦周期損耗調(diào)制鎖模透射率：T(t) ToTsin( t)2)由可得sin(mt 1)mt2)sin( ct c)c)e(t) E(t)T(t)EoToTsi n(Ac1 msin( mt2) sin(衣上式表示三個(gè)頻率為c m，

7、c，c m的平面波的疊加，也即一個(gè)調(diào)幅平面波可以分解為三個(gè)c n m(n 0,1,2,)平面波的疊加，激光往返一次又可以激發(fā)起兩個(gè)邊頻，一直到 的所有模式。2各個(gè)正對(duì)于非正弦周期調(diào)制信號(hào)T(t) T(t )，可用傅立葉級(jí)數(shù)展開(kāi)為多個(gè)正弦波的疊加,n弦波的角頻率差為kg n，所以鎖模速度更快，一次便可以激發(fā)起所有的模式。2 c(2)調(diào)制頻率 m 2 c2L(3) 調(diào)制器應(yīng)該貼住反射鏡，以保證調(diào)制頻率為 2、鈦寶石激光器的自鎖模過(guò)程鈦寶石有很強(qiáng)的二階電光效應(yīng)，也即克爾效應(yīng)。n2IL進(jìn)而引起位相變化乙nL 2自相位調(diào)制會(huì)引起普線展寬d 乙丄n2 dt dt 自相位調(diào)制是非線性、非周期性的，因而頻譜展

8、寬為一個(gè)連續(xù)帶，而連續(xù)帶中僅與諧振腔允許的縱模頻率相同的譜線能夠維持振蕩，使得 脈沖變窄，dI更大，頻譜展寬更大，激發(fā)取更多的縱模。經(jīng)過(guò)dt多次自相位調(diào)制，就能激發(fā)起所有允許的縱模，并使相鄰縱模間的相位關(guān)系恒定，從而實(shí)現(xiàn)鎖模。3、連續(xù)、脈沖和脈沖編碼調(diào)制的內(nèi)涵各自的優(yōu)缺點(diǎn)答：(1) 連續(xù)調(diào)制是指利用連續(xù)的信號(hào)調(diào)制光的振幅、頻率、位相、強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸。脈沖調(diào)制是指根據(jù)采樣定律對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣，要求采樣頻率大于信號(hào)帶寬的2倍，用這些脈沖采樣信號(hào)來(lái)調(diào)制光，并可根據(jù)這些脈沖無(wú)損的恢復(fù)原信號(hào)。脈沖編碼調(diào)制是指首先將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后再逐位調(diào)節(jié)光載波的某個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)信息的光傳輸。(2

9、) 優(yōu)缺點(diǎn)：連續(xù)調(diào)制是較為原始的調(diào)制，脈沖調(diào)制可以節(jié)約帶寬和發(fā)射功率。連續(xù)調(diào)制和脈沖 調(diào)制均為模擬調(diào)制，抗干擾能力差。脈沖編碼調(diào)制具有強(qiáng)的干擾能力，但是是有犧牲傳輸速 率位代價(jià)的。作業(yè)八1、已知某橫向電光調(diào)制器的903衰減點(diǎn)帶寬為1GHz如果將它 改成行波結(jié)構(gòu)，電極的上電場(chǎng)的傳播 速率為1X108米/秒，調(diào)制器電光晶體材料的折射率為2,求該行波調(diào)制器的908衰減點(diǎn)帶寬因?yàn)?Vm )max橫向1GHz1所以丄 4GHzd所以(Vm)max行波14 d(1 c/nCm)3 1082 1 1082GHz2、說(shuō)明行波型和駐波型聲光拉曼-奈斯衍射的異同如何區(qū)分它們的 不同點(diǎn)：折射率分布不同行波：n(x,

10、t)nsin (w$t ksx)駐波： n(x,t)nsin(wst)sin( ksx)物理圖象不一樣行波：以速度v傳播，它所形成的聲光光柵的柵面在空間移動(dòng)，引起光學(xué)介質(zhì)密度呈疏密交替的變化駐波：由波長(zhǎng)、相位和振幅相同而傳播方向相反的兩列波所合成。這種合成的聲駐波的波腹和波 節(jié)在介質(zhì)中的位置是固定。從而可以認(rèn)為它所形成的聲光柵是固定在空間而不隨時(shí)間變化，其相位變化與時(shí)間成正弦關(guān)系。行波：產(chǎn)生一個(gè)簡(jiǎn)單的多普勒頻移單色光駐波：含有各級(jí)多普勒頻移分量的復(fù)合光束，其強(qiáng)度隨時(shí)間以2w的角頻率調(diào)制。3、一個(gè)磁光晶體長(zhǎng)5厘米，在軸向磁場(chǎng)作用下，它對(duì) 500nm波長(zhǎng)的左、右旋圓偏振光的折射率分別為和，求線偏振

11、光通 過(guò)此磁光晶體后偏振面轉(zhuǎn)角在調(diào)制器出口設(shè)置偏振方向與入射光偏振一致的檢偏振器，透過(guò)檢偏振器后光強(qiáng)會(huì)有顯著變化嗎，為什么對(duì)于左旋圓偏光，電場(chǎng)矢量轉(zhuǎn)向的角度為偏振轉(zhuǎn)角-2102 2因此通過(guò)檢偏器后光的偏振方向不變，光強(qiáng)不會(huì)有顯著變化 作業(yè)九1、設(shè)計(jì)一個(gè)三維數(shù)字電光偏轉(zhuǎn)器，標(biāo)出八個(gè)輸出態(tài)。2、說(shuō)明聲光偏轉(zhuǎn)器的布拉格衍射角的自動(dòng)跟蹤原理。根據(jù)布拉格衍射條件由于超聲波波長(zhǎng)s ?，故上式可化為其中為激光光束偏角。由上式得新的布拉格衍射條件為即超聲波頻率的改變會(huì)導(dǎo)致光布拉格衍射角的改變。為保持布拉格衍射條件，就必須改變超聲波的傳 播方向，以實(shí)現(xiàn)布拉格角的跟蹤，通常采用列陣接觸器，通過(guò)控制各列陣元間的位相

12、差，控制合成超 聲波前的傳播方向。3、光輻射探測(cè)有哪些方法各自利用光子的什么特征答：（1 ）光壓法：利用光的量子特性，當(dāng)光子投射在反射表面上被反射時(shí)，根據(jù)沖量定理，F(xiàn)t p。（2）光熱法：利用物質(zhì)吸收光能后，溫度升高或溫度升高而引起物質(zhì)的某個(gè)參數(shù)變化來(lái)探測(cè)光能量。（3）光電法：利用材料的光電效應(yīng)，直接將光子能量傳遞給電子，使電子的狀態(tài)發(fā)生變化，從而改變材料的導(dǎo)電特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子能量的測(cè)量。4、 通常的熱電探測(cè)器有什么特點(diǎn)熱釋電探測(cè)器的特點(diǎn)、工作原理答：（1）光熱探測(cè)器是利用物質(zhì)吸收光能后，溫度升高或溫度升高而引起物質(zhì)的某個(gè)參數(shù)變化來(lái)探 測(cè)光能量的探測(cè)器。其特點(diǎn)是 光譜響應(yīng)范圍寬，并且響應(yīng)均勻，

13、除熱釋電探測(cè)器外響應(yīng)速度 均較慢。（2）熱釋電探測(cè)器的特點(diǎn)是：響應(yīng)光譜范圍寬、均勻，響應(yīng)速度快。工作原理是：利用鐵電晶體具有的相變記憶特性，極化鐵電晶體，使其產(chǎn)生各向異性，出現(xiàn)宏觀 偶極矩，在與偶極矩垂直的 表面上出現(xiàn)束縛電荷，進(jìn)而產(chǎn)生電勢(shì)差；在低于居里溫度 范圍T3的二次發(fā)射系數(shù)。電子或光子 從低電壓端入射到管壁產(chǎn)生電子， 在均勻電場(chǎng)的加速下，電子與管內(nèi)壁多次碰撞，產(chǎn)生倍增 電子，在高壓端輸出，可達(dá)到108的增益。增益飽和效應(yīng)：當(dāng)輸出脈沖電子數(shù)約為 3X108個(gè)時(shí)，增益就趨于飽和。引起飽和的物理原因是輸 出端的負(fù)空間電荷場(chǎng)排斥來(lái)自管壁的二次電子， 使其不能獲得足夠的動(dòng)能再次碰撞管壁產(chǎn)生 二次

14、電子。作業(yè)十二1、光電導(dǎo)探測(cè)原理基于什么效應(yīng)答：光電導(dǎo)探測(cè)器基于內(nèi)光電效應(yīng)。即電子吸收光子能量后，從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，使光電導(dǎo)的電導(dǎo)率 發(fā)生變化，即光敏電阻。2、光電導(dǎo)增益原理答：增益指輸出電子與產(chǎn)生電子-空穴對(duì)數(shù)目的比值。光電導(dǎo)增益原理：起源于電荷放大”效應(yīng)，半導(dǎo)體中的雜質(zhì)能級(jí)（位于禁帶中）會(huì)捕獲少數(shù)載流子，如N型（P型）光電導(dǎo)的空穴（電子）會(huì)被雜質(zhì)能級(jí)捕獲，使光電導(dǎo)帶正電（負(fù)電），而吸引負(fù)極（正極）的電子（空穴）進(jìn)入光電導(dǎo)， 在電 場(chǎng)作用下漂移到正極（負(fù)極），這就相當(dāng)于增加了電子（空穴）的產(chǎn)生率。3、光電池與光電二極管的異同答：p-n結(jié)型光電二極管的結(jié)構(gòu)實(shí)際上與光電池完全相同， 只是反向響應(yīng)

15、而已。，光電二極管被反偏置， 即工作在伏安特性曲線的的第三象限，而光電池工作在第四象限。4、光電二極管、PIN、雪崩二極管的異同答：三者都是基于p-n結(jié)的結(jié)型光電探測(cè)器，工作在伏安特性曲線的第三象限。光電二極管結(jié)構(gòu)如下圖所示。光電二極管的反向偏置電壓主要施加在 p-n結(jié)的耗盡層上，而非耗 盡層的P、N端的電壓降很小，電子在非耗盡區(qū)運(yùn)動(dòng)主要是靠濃度擴(kuò)散， 所以電子運(yùn)動(dòng)速度慢，導(dǎo)致普 通p-n結(jié)型光電二極管的響應(yīng)速度慢，響應(yīng)時(shí)間在 107s量級(jí)。PIN型光電二極管的結(jié)構(gòu)如下圖所示，它由P、N型半導(dǎo)體間夾一本征半導(dǎo)體層，而P、N端的厚度 很薄。所以，反偏置電壓近似均勻分布在整個(gè) PIN結(jié)上，電子在電

16、場(chǎng)作用下快速漂移運(yùn)動(dòng)，減小了電 子的渡越時(shí)間，提高了響應(yīng)速度。響應(yīng)時(shí)間在 10-9s量級(jí)。雪崩二極管的結(jié)構(gòu)和普通二極管的類(lèi)似，只是在p-n結(jié)區(qū)增加了一個(gè)保護(hù)環(huán)，以提高p-n結(jié)的反向擊穿電壓。雪崩二極管的工作原理：施加接近反向擊穿電壓的反向偏置電壓，使耗盡區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá) 105伏/厘米，光生電子在強(qiáng)電場(chǎng)加速下，獲得高的動(dòng)能，當(dāng)與晶格發(fā)生碰撞時(shí)，使晶格電離形成二次 電子。二次電子再被強(qiáng)電場(chǎng)加速，再次 與晶格碰撞，使其電離產(chǎn)生二次電子，這個(gè)過(guò)程繼續(xù)下去，稱(chēng) 為雪崩過(guò)程，雪崩過(guò)程使電子數(shù)劇增，產(chǎn)生大的增益。雪崩型光電二極管，它既響應(yīng)快，又具有高的增益。所以具有高的光電靈敏度，接近光電倍增管。作業(yè)十三1

17、. 變象管與象增加器的異同答：相同之處：兩者都屬象管，基本原理類(lèi)似，即 利用光電陰極將可見(jiàn)或不可見(jiàn)圖象轉(zhuǎn)換為光電子圖 象，利用具有成象和電子動(dòng)能增強(qiáng)二合一功能的電子透鏡或MC將光電子圖象增強(qiáng)并成象到熒光屏上，轟擊熒光屏發(fā)出足夠亮度的可見(jiàn)光譜圖象。結(jié)構(gòu)也類(lèi)似，即由輸入系統(tǒng)、電子光學(xué)成象和增強(qiáng)系統(tǒng)、 輸出系統(tǒng)和真空外殼組成。相異之處：變象管是把不可見(jiàn)光譜圖象轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)圖象的成象器件，而象增強(qiáng)器則是增強(qiáng)微弱圖象到 可視亮度的成象器件。即變象管改變的是圖象光譜的波長(zhǎng)（即單個(gè)光子的能量），而象增強(qiáng)器改變的是 圖象的光強(qiáng)（即光子數(shù)）。2 選通式變象管的結(jié)構(gòu)，工作原理，優(yōu)點(diǎn)答：結(jié)構(gòu)如下圖工作原理：錐形聚焦電

18、極產(chǎn)生固定焦距的準(zhǔn)球形靜電場(chǎng)，物-象共軛面接近球面，象的位置和放大率與 兩極間電壓無(wú)關(guān)，完全由電極形狀決定。用光纖面板實(shí)現(xiàn)平面-球面的轉(zhuǎn)換。在陰極前增加了控制柵極, 當(dāng)柵極電壓低于陰極電壓-90V時(shí)，變象管截止，而比陰極電壓高 175V時(shí)，變象管導(dǎo)通。優(yōu)點(diǎn)：與脈沖照明光同步工作，只接受來(lái)自確定距離的景物的反射光信號(hào)，而此景物前后的反射光（信 號(hào)和噪聲）被阻止。所以信噪比高。通過(guò)掃描柵極脈沖電壓相對(duì)于照明脈沖光的延遲時(shí)間，就可以選 擇觀察不同距離的景物。3. 象管與攝象器件的異同答：相同點(diǎn)：兩者均是 針對(duì)圖象的轉(zhuǎn)換器件。對(duì)光圖象的處理，均經(jīng)由光電轉(zhuǎn)換來(lái)完成。其結(jié)構(gòu)中均 包括光電轉(zhuǎn)換兀件。不同點(diǎn)：

19、兩者光轉(zhuǎn)換的目的和結(jié)果不同。象管轉(zhuǎn)換的圖象最終由人眼觀察，因此光電轉(zhuǎn)換后使光電子 轟擊熒光屏，最終產(chǎn)生有足夠亮度的 可見(jiàn)光譜圖象。而攝象器件的目的是實(shí)現(xiàn)圖象的存儲(chǔ)、傳輸，因 此光電轉(zhuǎn)換之后，最終將 電信號(hào) 進(jìn)一步轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)或進(jìn)行傳輸。4. 光電異攝像管的結(jié)構(gòu)與工作原理 答：光電導(dǎo)攝像管由光電導(dǎo) 靶 和掃描電子槍 組成。光電導(dǎo) 靶兼做光電轉(zhuǎn)換和電信號(hào)存儲(chǔ)元件 。電子槍 做掃描讀出器件 。結(jié)構(gòu)如下圖： 工作過(guò)程：（1） 電子束掃描光電導(dǎo)上所有象素，并帶相同負(fù)電。而信號(hào)輸出面加正電，所以光電導(dǎo)內(nèi)形成電 場(chǎng)，方向指向負(fù)極。（2） 學(xué)圖象照射光電導(dǎo)靶，使光電導(dǎo)內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在電場(chǎng)作用下， 電子漂向正極

20、，流入電 源。而 空穴漂向負(fù)極 ，與原來(lái)掃描時(shí)留下的電子復(fù)合，使 負(fù)極電位升高 。（3） 由于不同象素上的光強(qiáng)度不同，所以，負(fù)極電位升高量不同，這樣光學(xué)亮暗圖象就轉(zhuǎn)換為負(fù) 極的電位高低分布圖。保存時(shí)間由漏電流大小確定。（4）電子束掃描讀出電位圖象，并重新初始化光電導(dǎo)陰極電位。電子束再次掃描光電導(dǎo)，將陰極電 位初始回低電位，就會(huì)引起 充電電流流過(guò)負(fù)載電阻 ，并通過(guò)負(fù)載電阻轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)的 大小正比于被充電光電導(dǎo)象素的陰極電位高低 。作業(yè)十四1. CCD的含義CCD以何種方式存儲(chǔ)信號(hào)答：CCD,即Charge Coupled Device電荷耦合器件。CCD是通過(guò)其MOS結(jié)構(gòu)，控制金屬

21、的柵極電壓， 引起半導(dǎo)體能帶傾斜，形成 勢(shì)阱，來(lái)存儲(chǔ)電荷信號(hào)。2. 線陣和面陣CCD各有哪些結(jié)構(gòu)、優(yōu)缺點(diǎn)說(shuō)明為何兩相線陣 CCD不能采用并行轉(zhuǎn)移 答：線陣 CCD 器件，根據(jù)轉(zhuǎn)移寄存器的結(jié)構(gòu)，可分為單線和雙線結(jié)構(gòu)。單線結(jié)構(gòu)CCD，轉(zhuǎn)移寄存器與感光單元并行排列，兩者間通過(guò)轉(zhuǎn)移柵連接。雙線結(jié)構(gòu)CCD的轉(zhuǎn)移寄存器按奇、偶序號(hào)分別排在CCD的兩側(cè)，與單線結(jié)構(gòu)CCD相比具有更高的空 間分辨率。面陣 CCD 為二維成象器件。按傳輸結(jié)構(gòu)的不同，仍然可以分為兩種：行間傳輸結(jié)構(gòu)和幀傳輸結(jié)構(gòu) 幀傳輸結(jié)構(gòu)中，光敏區(qū)和暫存區(qū)分別分為兩部分。缺點(diǎn)：幀轉(zhuǎn)移時(shí)間較長(zhǎng)，信號(hào)串?dāng)_ （smear較嚴(yán)重。設(shè)置快門(mén)，轉(zhuǎn)移期間關(guān)閉光。

22、行間傳輸結(jié)構(gòu)CCD中，光敏CCD列與暫存CCD列交替排列，一列光敏元和一列暫存 CCD夾一個(gè)垂 直轉(zhuǎn)移柵，組成一組。多個(gè)這樣的組水平排列，組間由高阻溝道隔開(kāi)。兩相線陣 CCD 不能并行轉(zhuǎn)移：電荷轉(zhuǎn)移開(kāi)始前，要求轉(zhuǎn)移到的目標(biāo)單元必須處于“空閑”狀態(tài)，即目標(biāo)單元必須先把自身的電 荷轉(zhuǎn)移出去，處于“無(wú)信號(hào)”狀態(tài)，才能再接收新的信號(hào)。而從電荷開(kāi)始轉(zhuǎn)移到目標(biāo)單元到轉(zhuǎn)移完成的這段時(shí)間， 則要求目標(biāo)單元相鄰的下一個(gè)單元是無(wú)信 號(hào)狀態(tài)， 對(duì)電荷形成“阻隔”，否則電荷又將沿勢(shì)阱流入目標(biāo)單元下一單元， 影響這一單元的信號(hào)， 形 成串?dāng)_。對(duì)于兩相線陣CCD,此時(shí)按離放大和濾波電路從遠(yuǎn)到近排序，設(shè)帶電荷單元為1, 3

23、, 5，不帶電荷單元為2, 4, 6。則當(dāng)1單元將電荷轉(zhuǎn)移到2單元的過(guò)程中，必須保證3單元上已無(wú)信號(hào)。 但如果是并行轉(zhuǎn)移,則實(shí)際上 3單元中的信號(hào)此時(shí)也正在向 4單元轉(zhuǎn)移,而并未達(dá)到“空閑”狀態(tài)。 這樣的結(jié)果，就是1單元的部分電荷流入2單元后，又流入3單元，結(jié)果造成整個(gè)線陣單元信號(hào) 之間的嚴(yán)重串?dāng)_。所以，在兩相線陣CCD中，只能采用串行轉(zhuǎn)移，將信號(hào)一個(gè)個(gè)傳送出去，把3單元 的電荷轉(zhuǎn)移了之后,才能從 1 單元向 2單元轉(zhuǎn)移電荷。如采用三相結(jié)構(gòu)，同一時(shí)間帶電荷的單元是1,4，從工作過(guò)程可以看出，在并行轉(zhuǎn)移過(guò)程中， 當(dāng) 1單元向 2單元轉(zhuǎn)移電荷過(guò)程中, 3單元始終處于“空閑”狀態(tài), 1單元的電荷不會(huì)

24、進(jìn)入 3單元,也 不會(huì)透過(guò) 3單元而對(duì) 4單元中的另一信號(hào)造成干擾。3. 分析下圖所示濾波電路的幅頻特性。1答：幅頻特性:1當(dāng)c時(shí)H取最大值。VLC此濾波電路為帶通濾波器。4. 相關(guān)檢測(cè)測(cè)量何種微弱信號(hào)它與有源濾波測(cè)量的異同答：有源濾波提供了在頻率域中提取微弱信號(hào)的方法。而相關(guān)法提供在時(shí)間域中提取微弱信號(hào)的方法。兩者是等價(jià)的，通過(guò)付里葉變換聯(lián)系起來(lái)。作業(yè)十五1. 取樣積分器提高信噪比的原理答：取樣積分器直接利用 信號(hào)和零均值隨機(jī)噪聲具有不同的二級(jí)統(tǒng)計(jì)特性 ，通過(guò)多次累加，提高信噪 比，實(shí)現(xiàn)微弱周期信號(hào)的檢測(cè)。當(dāng)對(duì)信號(hào)的m個(gè)周期重復(fù)采樣，并累加采樣值，則對(duì)噪聲為白噪聲的情況，信噪比增益為，提高信

25、噪比依靠犧牲時(shí)間增加累加次數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。2. 取樣積分器與光子計(jì)數(shù)器所檢測(cè)的微弱信號(hào)有何異同答：光子計(jì)數(shù)是一種絕對(duì)微弱但高信噪比信號(hào)的靈敏檢測(cè)技術(shù)，而鎖相放大和積分累加是 低信噪比的 相對(duì)微弱信號(hào)的靈敏檢測(cè)技術(shù)。即取樣積分器檢測(cè)的微弱信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較大，“相對(duì)微弱”指的 是信號(hào)疊加在一個(gè)同樣可觀的“噪聲背景”之上，信噪比低。而光子計(jì)數(shù)器測(cè)量的信號(hào)則是信號(hào)本身 強(qiáng)度極其微弱(因此探測(cè)器輸出的不是連續(xù)信號(hào)，而是脈沖序列 )，但信噪比高。3. 光學(xué)多道分析器的結(jié)構(gòu)，提高信噪比的原理答：光學(xué)多道分析器是傳統(tǒng)光譜儀與面陣或線陣探測(cè)器相結(jié)合的產(chǎn)物。將傳統(tǒng)光譜儀的出射狹縫改為 出射孔，設(shè)置陣列探測(cè)器件在出射孔處同時(shí)測(cè)量不同波長(zhǎng)的光強(qiáng)。即同時(shí)測(cè)量寬的光譜。對(duì)于弱信號(hào)，也可以通過(guò)陣列探測(cè)器多次累加信號(hào)，獲得強(qiáng)的、高信噪比光譜信號(hào)。典型的OMA結(jié)構(gòu)如下圖：4. 單光子計(jì)數(shù)的上、下限功率如何確定并解釋其物理意義。答：(1)測(cè)量上限由探測(cè)器的渡越時(shí)間偏差確定，數(shù)學(xué)表示為：它反映了實(shí)現(xiàn)光子計(jì)數(shù)