光電檢測期末復(fù)習

1、復(fù)習題1、光電檢測系統(tǒng)通常主要由光學(xué)變換_、_光電轉(zhuǎn)換_、_電信號處理_三部分組 成。2、在環(huán)境亮度大于10cd/m2寸，最強的視覺響應(yīng)在光譜藍綠區(qū)間的 555_nm處。3、光電倍增管由光窗、_光電陰極_、電子光學(xué)系統(tǒng)、電子倍增系統(tǒng)和陽極五個 主要部分組成。由于其引入了電子倍增機構(gòu)，因此具有靈敏度高、響應(yīng)時間快等 特點，常被使用。4、FTCCD旨的是_幀轉(zhuǎn)移型_CCD5、發(fā)光二極管(LED)是一種注入電致發(fā)光器件，他由P型和N型半導(dǎo)體組合而成。 其發(fā)光機理可以分為 _ PN 結(jié)注入發(fā)光 _、_異質(zhì)結(jié)注入發(fā)光 _ 。6光電池的PN結(jié)工作在_零偏狀態(tài)，它的開路電壓會隨光照強度的增加而 _增 加_。

2、7、對于輻射源來說，光通量(光功率)定義為單位時間內(nèi)向所有方向發(fā)射的可 見光能量。8、 激光的形成必須具有工作物質(zhì)、泵浦源、光學(xué)諧振腔。9、 入瞳位于無限遠，物方主光線平行于光軸的光學(xué)系統(tǒng)稱為物方遠心光路，此 光路克服了調(diào)焦不準帶來的測量誤差，常用于瞄準、讀數(shù)和精密測量。10、短焦物鏡用于拍近距離物體，焦距越短，視場角越大，因此也稱為廣角物鏡。11、載光電耦合器件既具有 光電耦合 特性，又具有 隔離 特性12、 三種典型光子效應(yīng)是指 光電發(fā)射效應(yīng)_、.光電導(dǎo)效應(yīng)_和_光伏效應(yīng)_。13、 光敏電阻的工作原理是光照產(chǎn)生光生載流子使其電阻值急劇減小_。14、CCDf其它器件相比，最突出的特點是它以電

3、荷作為信號，而其他大多數(shù) 器件是以電流_或者電壓作為信號。15、依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因，光電探測器的噪聲可大致分為散粒噪聲、熱噪聲_ 和低頻噪聲三類。16、由于光源發(fā)光的_各向異性，許多光源的發(fā)光強度在各個方向是不同的。若在光源輻射光的空間某一截面上， 將發(fā)光強度相同的點連線，得到該光源在該 截面的發(fā)光強度曲線，稱為配光曲線_。17、人眼按不同照度下的響應(yīng)可分為 明視覺、_暗_視覺。18、降壓使用對于光電測量用的白熾燈光源十分重要， 因為燈泡壽命的延長 將使系統(tǒng)的調(diào)整次數(shù)大為減少，也提高了系統(tǒng)的可靠性。19、出瞳位于像方無限遠處，平行于光軸的像方主光線在無限遠處會聚于出瞳中 心的光路被稱為.像

4、方遠心光路，它用于大地測量中測距，能大大提高測距精度。20、集光鏡將光源成像到聚光鏡的前焦面上，孔徑光闌位于聚光鏡的物方焦面上，組成像方遠心光路，視場光闌被聚光鏡成像到物面上，稱為 遠心柯勒照明。1、光子效應(yīng)光子效應(yīng)是指單個光子的性質(zhì)對產(chǎn)生的光電子起直接作用的一類光電效應(yīng)。 探測器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。 光子能量的大 小，直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)改變的大小。因為光子能量是h，其中h是普朗克常數(shù)，是光波頻率，所以光子效應(yīng)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(yīng)速度一般比較快。2、光視效能光視效能描述某一波長的單色光輻射通量可以產(chǎn)生多少相應(yīng)的單色

5、光通量。即光視效能K,定義為同一波長下測得的光通量與輻射通量的比之，即K。單位：流明/瓦特（Im/W）。扎3、本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征半導(dǎo)體價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，價帶中產(chǎn)生光生自由空穴，使得材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象。4、響應(yīng)度響應(yīng)度也稱探測靈敏度，定義為光電器件輸出的方均根電壓（或電流）與入射 光通量（或光功率）之比。它描述了光電器件輸出的電信號和輸入的光信號之間 的關(guān)系。5、光伏效應(yīng)半導(dǎo)體受光照，產(chǎn)生電子一空穴對，在結(jié)電場作用下，空穴流向P區(qū)，電子流向N區(qū)，在結(jié)區(qū)兩邊產(chǎn)生勢壘的效應(yīng)。6熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)是非中心對稱的晶體，自然狀態(tài)下，在某個方

6、向上正負電荷中心 不重合。在晶體表面形成一定量的極化電荷。 但當晶體溫度變化時，極化程度下 降，其表面浮游電荷變化緩慢，再次達到極化的電平狀態(tài)前，晶體表面有多余浮 游電荷，這相當于釋放出一部分電荷，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。-可編輯修改 -1、 說出PIN管、雪崩光電二極管的工作原理和各自特點，為什么PIN管的 頻率特性比普通光電二極管好？PIN快速光電二極管、消除在PN結(jié)外光生載流子的擴散運動時間，在P區(qū)與 N區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層、耗盡層厚度增加，增大了對光的吸收和光 電變換區(qū)域，提高了量子效率。結(jié)電容小，增加了對長波的吸收，提高了長波靈 敏度，可承受較高的反向偏壓，使線性輸出范圍變

7、寬。雪崩光電二極管摻雜濃度均勻,缺陷少,漏電流小,APD的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使它能 承受高的反向偏壓，從而在 PN結(jié)內(nèi)部形成一個高電場區(qū)，結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流 子受強電場的加速， 將獲得很大的能量， 在與原子碰撞時可使原子電離， 產(chǎn)生新 的電子一空穴對，在往下的過程中重復(fù)此情況，使PN結(jié)的電流急劇增加。特點： APD能提供內(nèi)部增益達一百到一千倍、0.5ns響應(yīng)時間、噪聲功率10-15W 接近 反向擊穿。工作速度更高。PIN管由于增加了 I層，使結(jié)變寬，結(jié)電容減小，因而時間常數(shù)變小，f=1/2 n RC所以頻率特性好。2、光敏電阻與結(jié)型光電器件有什么區(qū)別？（1）產(chǎn)生光電變換的部位不同。光敏電阻不管哪一部分

8、受光，受光部分的電導(dǎo)率就增大；而結(jié)型器件，只有照射到 PN結(jié)區(qū)或結(jié)區(qū)附近的光才能產(chǎn)生光電 效應(yīng)，光在其他部位產(chǎn)生的非平衡載流子， 大部分在擴散中被復(fù)合掉， 只有少部 分通過結(jié)區(qū)，但又被結(jié)電場所分離，因此對光電流基本上沒有貢獻。（2）光敏電阻沒有極性，工作時可任意外加電壓；而結(jié)型光電器件有確定 的正負極性，但在沒有外加電壓下也可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。（3）光敏電阻的光電導(dǎo)效應(yīng)主要依賴于非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合運動， 時間常數(shù)較大， 頻率響應(yīng)較差； 結(jié)型器件的光電效應(yīng)主要依賴于結(jié)區(qū)非平衡載流 子中部分載流子的漂移運動， 電場主要加在結(jié)區(qū)， 弛豫過程的時間常數(shù) （可用結(jié) 電容和電阻之積表示）相應(yīng)較

9、小，因此響應(yīng)速度較快。（4）光敏電阻內(nèi)增益大。有些結(jié)型光電器件，如光電三極管、雪崩光電二 極管等有較大的內(nèi)增益作用，因此靈敏度較高，也可以通過較大的電流。光電導(dǎo)器件（光敏電阻）和結(jié)型器件相比各有優(yōu)缺點， 因此應(yīng)用于不同場合。3、簡述光電探測器的選用原則（1）光電檢測器件必須和輻射信號源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配。 （2） 光電 檢測器件的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻射能量相匹配。（3）光電檢測器件的響應(yīng) 特性必須和光信號的調(diào)制形式、 信號頻率及波形相匹配， 以保證得到?jīng)]有頻率失 真和良好的時間響應(yīng)。 （4） 光電檢測器件必須和輸入電路以及后續(xù)電路在電特性 上相互匹配，以保證最大的轉(zhuǎn)換系數(shù)、 線性范

10、圍、信噪比以及快速的動態(tài)響應(yīng)等。4、光源選擇的基本要求有哪些 ? 源發(fā)光的光譜特性必須滿足檢測系統(tǒng)的要求。 按檢測的任務(wù)不同， 要求的 光譜范圍也有所不同，如可見光區(qū)、紫外光區(qū)、紅外光區(qū)等等。有時要求連續(xù)光譜，有時又要求特定的光譜段。系統(tǒng)對光譜范圍的要求都應(yīng)在選擇光源時加以滿 足。 光對光源發(fā)光強度的要求。為確保光電測試系統(tǒng)的正常工作，對系統(tǒng)采用 的光源的發(fā)光強度應(yīng)有一定的要求。 光源強度過低，系統(tǒng)獲得信號過小，以至無 法正常測試，光源強度過高，又會導(dǎo)致系統(tǒng)工作的非線性，有時還可能損壞系統(tǒng)、 待測物或光電探測器，同時還會導(dǎo)致不必要的能源消耗而造成浪費。 因此在設(shè)計 時，必須對探測器所需獲得的最

11、大、 最小光適量進行正確估計，并按估計來選擇 光源。 對光源穩(wěn)定性的要求。不同的光電測試系統(tǒng)對光源的穩(wěn)定性有著不同的要 求。通常依不同的測試量來確定。穩(wěn)定光源發(fā)光的方法很多，一般要求時，可采 用穩(wěn)壓電源供電。當要求較高時，可采用穩(wěn)流電源供電。所用的光源應(yīng)該預(yù)先進 行月化處理。當有更高要求時，可對發(fā)出光進行采樣，然后再反饋控制光源的輸 出。 對光源其他方面的要求。光電測試中光源除以上幾條基本要求外； 還有一 些具體的要求。如燈絲的結(jié)構(gòu)和形狀；發(fā)光面積的大小和構(gòu)成；燈泡玻殼的形狀 和均勻性；光源發(fā)光效率和空間分布等等，這些方面都應(yīng)該根據(jù)測試系統(tǒng)的要求 給以滿足。5、論述光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成，并說

12、明各部分的功能 光電檢測系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖如下：存儲“I計算機（1）光源和照明光學(xué)系統(tǒng)：是光電檢測系統(tǒng)中必不可少的一部分。在許多 系統(tǒng)中按需要選擇一定輻射功率、一定光譜范圍和一定發(fā)光空間、分布的光源， 以此發(fā)出的光束作為載體攜帶被測信息。（2）被測對象及光學(xué)變換：這里所指的是上述光源所發(fā)出的光束在通過這 一環(huán)節(jié)時，利用各種光學(xué)效應(yīng)，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束攜帶上被檢測對象的特征信息，形成待檢測的光信號。光學(xué)變換通常是用各 種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)來實現(xiàn)的，實現(xiàn)將被測量轉(zhuǎn)換為光參量（振幅、頻率、相 位、偏振態(tài)、傳播方向變化等）。（3）光信號的匹配處理：這一工作環(huán)節(jié)的位置可以設(shè)置

13、在被檢測對象前面， 也可設(shè)在光學(xué)變換后面，應(yīng)按實際要求來決定。光信號匹配處理的主要目的是為 了更好地獲得待測量的信息，以滿足光電轉(zhuǎn)換的需要。（4）光電轉(zhuǎn)換：該環(huán)節(jié)是實現(xiàn)光電檢測的核心部分。其主要作用是以光信號為媒質(zhì)，以光電探測器為手段，將各種經(jīng)待測量調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)換成電信號 （電 流、電壓或頻率），以利于采用目前最為成熟的電子技術(shù)進行信號的放大、處理、測量和控制等。(5) 電信號的放大與處理：這一部分主要是由各種電子線路所組成。光電 檢測系統(tǒng)中處理電路的任務(wù)主要是解決兩個問題：實現(xiàn)對微弱信號的檢測；實現(xiàn)光源的穩(wěn)定化。(6) 存儲、顯示與控制系統(tǒng)：許多光電檢測系統(tǒng)只要求給出待測量的具體 值，即將

14、處理好的待測量電信號直接經(jīng)顯示系統(tǒng)顯示。1、如圖所示，光電倍增管的陰極積分靈敏度Sk =30丄A/Im，陽極積分靈敏度Sk =10A/lm，陽極暗電流Id，輸入電路是電阻R=105和電容Co =0.卩F的并聯(lián)，陰極面積A為80mm2，要求信號電流為II =10A，計算陽 極噪聲電流、負載電阻上的噪聲電壓和信噪比解: ( 1)等效噪聲帶寬和檢測電路的咼頻截止頻率分別為1 1二 fe5亍=25 Hz4RC04 105 1012 fe = 15.9Hz2 - RC0:(2) 陽極散粒噪聲電流和負載上的噪聲電壓 散粒噪聲電流亦時尸茜虛石存A熱噪聲電流It=1.29 10二2.0 10-A總噪聲電流In

15、心 T；t、；訂=2.58 10$A負載上的噪聲電壓Un=InR=2.58 10-8 102.58 10“V(3) 信噪比SNFA 丄10 廠 0.38 104VIN 2.58 102、 已知某Si光電二極管的靈敏度為0.5A/,結(jié)間電導(dǎo)G二0.02S (微西)， 轉(zhuǎn)折電壓U。=10V，入射光功率從P =15W變到P25W，偏壓Ub =507。求最大輸出功率時的最佳負載 R、輸出電流AI、輸出電壓AU和輸出功率Pl。 解：初始電導(dǎo)c c SP s 0.5 漢 25G = G0.011.26 SU010最大輸出時，負載電導(dǎo)U010,Gl =G001.260.315SUb-Uo50 -10最佳負載

16、1Rl=1/Gl3.175M10.315輸出電壓P P25 _15U -S0.515.385VG +Gl0.01+0.315電流I 二GL ：U =0.315 15.385 =4.846A輸出功率PL f；I ：U =4.846 15.385 =74.563、 用Si光電二極管測緩變光輻射，伏安特性曲線如圖1所示，在入射光最大功 率為8pW寸，屈膝電壓10V,反向偏置電壓為40V, Si光電二極管的靈敏度S=0.5 4/結(jié)電導(dǎo)為 0.005 pSo求：(1)畫出光電二極管的應(yīng)用電路圖(2) 計算二極管的臨界電導(dǎo)(3) 計算最大線性輸出時的負載 R oV-可編輯修改 -解: (1)(2 )根據(jù)公

17、式gu =gu SPSP guu0.5 8 0.005 1010二 0.405(七)(3 )最大線性輸出下，負載線正好通過M點(V -u)Gl 二 guGluV -u1040 -100.405 =0.135Rl : 7.4 106.1Gl4、圖為一理想運算放大器，對光電二極管2C6的光電流進行線性放大，若光電二極管未受光照時，運放輸出電壓 U0 =0.6V ；在E=100lx的光照下，輸出電壓 U/2.4V。求:(1) 2CU的暗電流ID ；(2) 2CU 2的電流靈敏度Se 。1.5 iwn解：(1)根據(jù)運算放大器虛短和虛斷原理，由于運算放大器電阻很大，兩輸入端的信號差值很小，近似為零，則流

18、過 R=1.5M。上的電流I。近似為流過2CU的暗電流為IdId =U0/R =0.6/(1.5 106)=0.4 10“A=0.4A 當受到光照時，2CU2的光電流Ip =(S -U)/R =1.2ASE=lp/E=1.2 10/100=1.2 10A/lx1、熱效應(yīng)較小的光是（D ）A. 紫光；B.紅光；C.紅外；D.紫外。2、 對于目視瞄準，為了減輕人眼的疲勞，宜選用（A ）光源；A.綠光；B.紅光；C. 黃光；D.紫光。3、硅光電二極管與硅光電池比較，后者（ B ）.A.摻雜濃度低；B電阻率低；C.反偏工作；D.光敏面積小。4、照明系統(tǒng)的設(shè)計原則（BC ）A.照度與距離的平方成反比；B

19、光孔轉(zhuǎn)接原則；C.照明系統(tǒng)的拉赫不變量應(yīng)大于或等于物鏡的拉赫不變量。5、（ C ）是一個參考量，它可視為表征電子占據(jù)某能級 E的幾率標尺。A.真空能級；B .價帶底能級；C .費米能級。6光電倍增管電子光學(xué)系統(tǒng)的作用是（ AB ）A.使下一級的收集率接近于1； B .渡越時間最??；C .產(chǎn)生高壓電場。7、 噪聲可以采用冷卻等方式降低，“以人為本”為避免在高壓下操作，光電倍 增管采用（C ）接地。A.陰極；B .倍增極； C .陽極； D.陰極和陽極。8、靈敏度最高的光電器件是（B ）.A.光電二極管；B.光敏電阻；C.光電三極管； D.硅光電池。9、下列紅外探測器，屬于熱探測器的是（ABCDE

20、 ）.A.測輻射熱計；B.測輻射熱電偶；C.測輻射熱電堆;D.熱釋電探測器；E.咼來管。10、光電效應(yīng)有（ABCDE ）。A.光電導(dǎo)效應(yīng)；B.光生伏特效應(yīng)；C.光電效應(yīng)；D.光磁電效應(yīng)；E.光子牽引效應(yīng)。11、為了使雪崩光電二極管正常工作，應(yīng)在其 P-N結(jié)上加（A ）。A.高反向偏壓；B. 低正向偏壓；C.高正向偏壓；D.低反向偏壓。12、（ B ）的焦距可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化， 對于一定距離的物體可以得到不同放大倍率的像。通常通過軸向移動一個或多個子光組從而改變光學(xué)間隔來 改變焦距。A.廣角物鏡；B. 變焦物鏡； C.遠攝物鏡13、 一個光源發(fā)出頻率為540X 1012Hz的單色輻射，在此方向上的輻強度為（1/683）W/sr，則該光源在該方向上發(fā)光強度為（A ）。A. 1cdB. 2cdC. 3cd