光電子技術(shù)第三版安毓英劉繼芳等著習(xí)題答案

1、第一章1.設(shè)在半徑為R的圓盤(pán)中心法線上，距盤(pán)圓中心為 I。處有一個(gè) 輻射強(qiáng)度為Ie的點(diǎn)源S,如圖所示。試計(jì)算該點(diǎn)源發(fā)射到盤(pán)圓的輻射 功率。解：因?yàn)?，dS-2 rsin d d02 1 cos所以l0：1oR2SIed2 Ie 11 o1；R22.如圖所示，設(shè)小面源的面積為A,輻射亮度為L(zhǎng)e,面源法線與10的夾角為s；被照面的面積為 Ac,到面源 A的距離為10。若 c為輻射在被照面 A的入射角，試計(jì)算小面源在 A上產(chǎn)生的輻射照度。解：亮度定義：強(qiáng)度定義：I e可得輻射通量:第題圖d edd e Le As COS sd在給定方向上立體角為：Ac cos c ccd l0則在小面源在Ac上輻射照

2、度為：Eed edALe As cos s cos-ce ssc1o段如有一個(gè)按朗伯余弦定律發(fā)射輻射的大擴(kuò)展源（如紅外裝置 面對(duì)的天空背景），其各處的輻亮度Le均相同，試計(jì)算該擴(kuò)展源在面 積為A的探測(cè)器表面上產(chǎn)生的輻照度。答：由 Le d得 dLed dA cos ,且 dA； 00s2d dAcos1 r則輻照度：Ee Le 12 " 22dLee e 0,22 2 0e1 r4.霓虹燈發(fā)的光是熱輻射嗎不是熱輻射。霓虹燈發(fā)的光是電致發(fā)光，在兩端放置有電極的 真空充入覆或敏等惰性氣體，當(dāng)兩極間的電壓增加到一定數(shù)值時(shí)， 氣 體中的原子或離子受到被電場(chǎng)加速的電子的轟擊， 使原子中的電子受

3、 到激發(fā)。當(dāng)它由激發(fā)狀態(tài)回復(fù)到正常狀態(tài)會(huì)發(fā)光， 這一過(guò)程稱為電致 發(fā)光過(guò)程。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(zhǎng) m隨溫度T的升高而減小。試由普朗克熱輻射公式導(dǎo) 出O答：這一關(guān)系式稱為維恩位移定律，其中常數(shù)為10-3m Ko普朗克熱輻射公式求一階導(dǎo)數(shù)，令其等于 0,即可求的。7 .黑體輻射曲線下的面積等于等于在相應(yīng)溫度下黑體的輻射出射度M試有普朗克的輻射公式導(dǎo)出MW溫度T的四次方成正比，即M 常數(shù)T4這一關(guān)系式稱斯特藩-波耳茲曼定律，其中常數(shù)為i0-8w/mK4解答：教材P9,并參見(jiàn)大學(xué)物理相關(guān)內(nèi)容。9 .常用的彩色膠卷一般分為日光型和燈光型。 你知道這是

4、按什么 區(qū)分的嗎按色溫區(qū)分。10 vdv為頻率在vv dv間黑體輻射能量密度，d為波長(zhǎng)在d間黑體輻射能量密度。已知v 8 hvVc3 exp hv/kBT 1 ,試求 。解答：由 C,通過(guò)全微分進(jìn)行計(jì)算。11如果激光器和微波器分別在入=10 m,入=500n標(biāo)口 丫 =3000MHz 輸出一瓦的連續(xù)功率，問(wèn)每秒鐘從激光上能級(jí)向下能級(jí)躍遷的粒子數(shù) 分別是多少解答:hCP Nhv12設(shè)一對(duì)激光能級(jí)為£和Ei(g2=g),相應(yīng)的頻率為丫(波長(zhǎng)為入)， 各能級(jí)上的粒子數(shù)為n2和ni。求(1)當(dāng)丫 =3000MHz T=300K寸，n2/ni=(2)當(dāng)入=1區(qū)編 T=300的，ndni=(3)

5、當(dāng)入=1 pn2/n i=溫度T=。解答:E2 Ein 2 g 2 kT一 一 e , E2Ei hv,nigi13試證明，由于自發(fā)輻射，原子在E2能級(jí)的平均壽命s iA2i 解答： 參見(jiàn)教材P1214焦距f是共焦腔光束特性的重要參數(shù)，試以f表示w。，wz , R z , 0V00。由于f和w0是一一對(duì)應(yīng)的，因而也可以用作為表征共焦腔高斯光束的參數(shù)，試以“表示f、, Rz , V000o解答：fW02w w z w0. 1V0002l2WosJf215今有一球面腔,R=, R=-1m, L=。試證明該腔為穩(wěn)定腔；并求出它的等價(jià)共焦腔的參數(shù)。解答:g1 1g2 1R1%2穩(wěn)定強(qiáng)條件：0g1g2求

6、出g1和g2為腔參數(shù)。16某高斯光束W0=,求與束腰相距，10林口1000處的光斑W的大小及波前曲率半徑R。解答:1.何為大氣窗口,第二章試分析光譜位于大氣窗口內(nèi)的光輻射的大氣衰減因素。答：對(duì)某些特定的波長(zhǎng)，大氣呈現(xiàn)出極為強(qiáng)烈的吸收。光波幾乎無(wú)法通過(guò)。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(gè) 區(qū)段，將透過(guò)率較高的波段稱為大氣窗口。2 .何為大氣湍流效應(yīng)，大氣湍流對(duì)光束的傳播產(chǎn)生哪些影響答：是一種無(wú)規(guī)則的漩渦流動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡十分復(fù)雜， 既有橫向運(yùn)動(dòng)，又有縱向運(yùn)動(dòng)，空間每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度圍繞某一平均 值隨機(jī)起伏。這種湍流狀態(tài)將使激光輻射在傳播過(guò)程中隨機(jī)地改變其 光波參量，使光束質(zhì)量

7、受到嚴(yán)重影響，出現(xiàn)所謂光束截面內(nèi)的強(qiáng)度閃 爍、光束的彎曲和漂移(亦稱方向抖動(dòng))、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(yīng)。3 .對(duì)于3m晶體LiNbO3,試求外場(chǎng)分別加在x,y和z軸方向的感 應(yīng)主折射率及相應(yīng)的相位延遲(這里只求外場(chǎng)加在x方向上)nx=ny=n0、nz=ne。它所屬的三22、丫 13、丫 33、丫 51。電光系數(shù)解：鋸酸鋰晶體是負(fù)單軸晶體，即 方晶系3m點(diǎn)群電光系數(shù)有四個(gè)，即丫 矩陣為：0000221351222201333由此可得鋁酸鋰晶體在外加電場(chǎng)后的折射5100率橢球方程為:(n222Ey 15Ez)x212n022 Ey 13ne233Ez)z2 51

8、(Ezyz ExXz) 2 22E*xy 1(1)通常情況下，鋸酸鋰晶體采用45°z切割，沿x軸或y軸加壓，z 軸方向通光，即有Ez=Ey=0,且Ex#0。晶體主軸x,y要發(fā)生旋轉(zhuǎn)，上 式變?yōu)椋?22 %。2 51 Exxz 2 22Exxy 1(2)nx ny nz因51Ex 1,且光傳播方向平行于z軸，故對(duì)應(yīng)項(xiàng)可為零。將坐標(biāo) 軸繞z軸旋轉(zhuǎn)角度0c得到新坐標(biāo)軸，使橢圓方程不含交叉項(xiàng)，新坐標(biāo) 軸取為cossiny sin將上式代入2式，取 程為：，z=z'（3）cos y'45o消除交叉項(xiàng)，得新坐標(biāo)軸下的橢球方1n022 Exx'21n022 Ex y'

9、;_21ne(4)可求出三個(gè)感應(yīng)主軸 變成：x'、y'、z'（仍在z方向上）上的主折射率nx'n0nn。22 Ex22 Ex(5)nz ne可見(jiàn)，在x方向電場(chǎng)作用下，花酸鋰晶體變?yōu)殡p軸晶體，其折射 率橢球z軸的方向和長(zhǎng)度基本保持不變，而x,y截面由半徑為n。變?yōu)?橢圓，橢圓的長(zhǎng)短軸方向x' y'相對(duì)原來(lái)的x y軸旋轉(zhuǎn)了 45°,轉(zhuǎn) 角的大小與外加電場(chǎng)的大小無(wú)關(guān)，而橢圓的長(zhǎng)度 nx, ny的大小與外加 電場(chǎng)Ex成線性關(guān)系。當(dāng)光沿晶體光軸z方向傳播時(shí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為l的晶體后，由于晶 體的橫向電光效應(yīng)（x-z）,兩個(gè)正交的偏振分量將產(chǎn)生位相差：

10、22（nx ny ）1n° 22EJ（6）若d為晶體在x方向的橫向尺寸，Vx Exd為加在晶體x方向兩 端面間的電壓。通過(guò)晶體使光波兩分量產(chǎn)生相位差（光程差/2）所需的電壓Vx,稱為“半波電壓”，以V表示。由上式可得出鋸酸鋰 晶體在以（x-z）方式運(yùn)用時(shí)的半波電壓表示式：V2n° 22 l由（7）式可以看出，花酸鋰晶體橫向電光效應(yīng)產(chǎn)生的位相差不 僅與外加電壓稱正比，還與晶體長(zhǎng)度比l/d有關(guān)系。因此，實(shí)際運(yùn)用 中，為了減小外加電壓，通常使l/d有較大值，即晶體通常被加工成 細(xì)長(zhǎng)的扁長(zhǎng)方體。4 . |一塊45度-z切割的GaAs晶體，長(zhǎng)度為L(zhǎng),電場(chǎng)沿z方向，證明縱向運(yùn)用時(shí)的相位

11、延遲為2/n%1EL。解：GaAs晶體為各向同性晶體，其電光張量為：000634100z軸加電場(chǎng)時(shí)，Ez=E, Ex=Ey=0o00004100000041晶體折射率橢球方程為:(1)n經(jīng)坐標(biāo)變換，坐標(biāo)軸繞12 y2 n2 z2 41 E xy 1 nz軸旋轉(zhuǎn)45度后得新坐標(biāo)軸,(2)方程變?yōu)?2 n可求出三個(gè)感應(yīng)主軸 變成：41 E,212 Z'2x 41E y 1nn(3)z'（仍在Z方向上）上的主折射率nx'ny'1 3 n 21 3 n241 E41 E(4)nz縱向應(yīng)用時(shí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的晶體后，兩個(gè)正交的偏振分量將產(chǎn) 生位相差：(5)223_(2 ny

12、')Ln 41EL5 .何為電光晶體的半波電壓半波電壓由晶體的那些參數(shù)決定答：當(dāng)光波的兩個(gè)垂直分量 E , Ey的光程差為半個(gè)波長(zhǎng)（相應(yīng) 的相位差為 ）時(shí)所需要加的電壓，稱為半波電壓。6 .在電光晶體的縱向應(yīng)用中，如果光波偏離z軸一個(gè)遠(yuǎn)小于1的角度傳播，證明由于自然雙折射引起的相位延遲為L(zhǎng)n02c解：Ine2 n。2 necos22no2,式中L為晶體長(zhǎng)度。*得n nen0 12n0 d 221ne自然雙折射引起的相位延遲：2Ln：n0 叫 L ng 12c %7.若取Vs=616m/s, n=, f s=10MHz 0= m 試估算發(fā)生拉曼-納斯衍射所允許的最大晶體長(zhǎng)度 Lma廣解：

13、由公式計(jì)算。答案：。L0 cos 12 6PI,22 s 、一，一 Jis (近似取8利用應(yīng)變SW聲強(qiáng)I s的關(guān)系，證明一級(jí)衍射光強(qiáng)11與入射光強(qiáng)I oL 1之比為Io 2解答：Ii用公式10,2 L n6P2 sin 21s s作近似9.由布拉格衍射方程直接計(jì)算，答案：sin 0 b=10 . 一束線偏振光經(jīng)過(guò)長(zhǎng) L=25cm直徑D=1cm的實(shí)心玻璃，玻璃 外繞N=250匝導(dǎo)線，通有電流I=5A。取韋爾彳i常數(shù)為V= 10-5 () /cm T,試計(jì)算光的旋轉(zhuǎn)角 。解：由公式和計(jì)算。答案：11 .概括光纖弱導(dǎo)條件的意義。答：從理論上講，光纖的弱導(dǎo)特性是光纖與微波圓波導(dǎo)之間的重 要差別之一。實(shí)

14、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(dǎo)的基本含義是指很小的 折射率差就能構(gòu)成良好的光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu)， 而且為制造提供了很大的方 便。14 .光纖色散、帶寬和脈沖展寬之間有什么關(guān)系對(duì)光纖傳輸容量 產(chǎn)生什么影響(P80 2 )答：光纖的色散會(huì)使脈沖信號(hào)展寬，即限制了光纖的帶寬或傳輸容量。一般說(shuō)來(lái)，單模光纖的脈沖展寬與色散有下列關(guān)系：即由于各傳輸模經(jīng)歷的光程不同而引起的脈沖展寬。 單模光纖色散的起因有下 列三種：材料色散、波導(dǎo)色散和折射率分布色散。光脈沖展寬與光纖帶寬有一定關(guān)系實(shí)驗(yàn)表明光纖的頻率響應(yīng)特性H(f)近似為高斯型，如圖2-23所示。fc 是半

15、功率點(diǎn)頻率。顯然有 因此，fc稱為光纖的3dB光帶寬。光纖的色散和帶寬對(duì)通信容量的影響：光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。其中色散特性是在時(shí)域中的表現(xiàn)形式， 即光 脈沖經(jīng)過(guò)光纖傳輸后脈沖在時(shí)間坐標(biāo)軸上展寬了多少；而帶寬特性是 在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對(duì)于調(diào)制信號(hào)而言，光纖可以看作是 一個(gè)低通濾波器，當(dāng)調(diào)制信號(hào)的高頻分量通過(guò)光纖時(shí)， 就會(huì)受到嚴(yán)重 衰減，如圖所示。通常把調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳播后，光功率下降一半(即3dB)時(shí)的 頻率(fc)的大小，定義為光纖的帶寬(B)。由于它是光功率下降 3dB 對(duì)應(yīng)的頻率，故也稱為3dB光帶寬?？捎孟率奖聿弧９夤β士偸且霉怆娮悠骷?lái)檢測(cè)，而光檢測(cè)器輸

16、出的電流正比 于被檢測(cè)的光功率，于是：從上式中可以看出，3dB光帶寬對(duì)應(yīng)于6dB電帶寬。15 .光波水下傳輸有那些特殊問(wèn)題答：主要是設(shè)法克服這種后向散射的影響。措施如下：適當(dāng)?shù)剡x擇濾光片和檢偏器，以分辨無(wú)規(guī)則偏振的后向散射和 有規(guī)則偏振的目標(biāo)反射。盡可能的分開(kāi)發(fā)射光源和接收器。采用如圖2-28所示的距離選通技術(shù)。當(dāng)光源發(fā)射的光脈沖朝向 目標(biāo)傳播時(shí)，接收器的快門(mén)關(guān)閉，這時(shí)朝向接收器的連續(xù)后向散射光 便無(wú)法進(jìn)入接收器。當(dāng)水下目標(biāo)反射的光脈沖信號(hào)返回到接收器時(shí)， 接收器的快門(mén)突然打開(kāi)并記錄接收到的目標(biāo)信息。 這樣就能有效的克 服水下后向散射的影響。第三章1 .| 一縱向運(yùn)用的KDP電光調(diào)制器，長(zhǎng)為2

17、cm折射率n=,工作 頻率為1000kHz。試求此時(shí)光在晶體中的渡越時(shí)間及引起的相位延遲。解：渡越時(shí)間為：d=nL/c相位延遲因子：2 .在電光調(diào)制器中，為了得到線性調(diào)制，在調(diào)制器中插入一個(gè)/4波片，波片的的軸向如何設(shè)置最好若旋轉(zhuǎn)/4波片，它所提供的直流偏置有何變化答：其快慢軸與晶體的主軸x成45角，從而使和兩個(gè)分量之間 產(chǎn)生/2的固定相位差。3 .當(dāng)電場(chǎng)反向施加時(shí)，晶體依次繞z軸旋轉(zhuǎn)90度，或電場(chǎng)同樣, 則光軸重合。4如果一個(gè)縱向電光調(diào)制器沒(méi)有起偏器，入射的自然光能否得到光強(qiáng)度調(diào)制為什么解答：不能得到強(qiáng)度調(diào)制。自然光通過(guò)電光調(diào)制器后，不能形成固定相 位差。5 一個(gè)PbMoa光調(diào)制器，對(duì) He

18、-Ne放光進(jìn)行調(diào)制。已知聲功率R=1W聲光相互作用長(zhǎng)度L=,換能器寬度H= M= 10-15s3/kg ,試求PbMo曲光調(diào)制器的布喇格衍射效率解答:I1計(jì)算可得6 一個(gè)駐波超聲場(chǎng)會(huì)對(duì)布喇格衍射光場(chǎng)產(chǎn)生什么影響給出造成的頻移和衍射方向。解答：新的光子沿著光的散射方向傳播。根據(jù)動(dòng)量守恒和能量守恒定律：ks ki kd ,即 ks ki kd （動(dòng)量守恒）d s i（能量守恒）（能量守恒）一一衍射級(jí)相對(duì)于入射光發(fā)生頻率移動(dòng)，根據(jù)光波矢量的定義，可以用矢量圖來(lái)表示上述關(guān)系，如圖所示圖中ks L為聲波矢量，ki - 2一為入射光波矢量。 si ckd 2fs /c為衍射光波矢量。d因?yàn)閒s, fs在1

19、010Hz以下，u在1013Hz以上，所以衍射光的頻率偏 移可以忽略不計(jì)。則 d s i i在上面的等腰三角形中ks 2ki sin b布拉格條件:sin b和書(shū)中推導(dǎo)的布拉格條件相同。入射光的布拉格角只由光波長(zhǎng)，聲波 長(zhǎng)決定7,用PbMoO體做成一個(gè)聲光掃描器，取 n=, M= 10-15s3/kg , 換能器寬度 告。聲波沿光軸方向傳播，聲頻 fs=150MHz聲速vs= 105cm/s,光束寬度d=,光波長(zhǎng) =m 證明此掃描器只能產(chǎn)生正常布喇格衍射；為獲得100%勺衍射效率，聲功R率應(yīng)為多大 若布喇格帶寬 f = 125MHz衍射效率降低多少求可分辨點(diǎn)數(shù)N解：由公式證明不是拉曼-納斯衍射

20、。，答案功率為。 若布喇格帶寬 f = 125MHz衍射效率降低多少， 用公式和計(jì)算。答案：148。第四章1比較光子探測(cè)器和光熱探測(cè)器在作用機(jī)理、 性能及應(yīng)用特點(diǎn)等 方面的差異。答：光子效應(yīng)是指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的 一類光電效應(yīng)。探測(cè)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?yàn)?，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(yīng)就對(duì)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。光熱效應(yīng)和光子效應(yīng)完全不同。探測(cè)元件吸收光輻射能量后，并 不直接引起內(nèi)部電子狀態(tài)的改變，而

21、是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn) 動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度上升，溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)元件的電 學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。所以，光熱效應(yīng)與單光子能量h的 大小沒(méi)有直接關(guān)系。原則上，光熱效應(yīng)對(duì)光波頻率沒(méi)有選擇性。只是 在紅外波段上，材料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強(qiáng)烈，所以廣泛用于 對(duì)紅外線輻射的探測(cè)。因?yàn)闇囟壬呤菬岱e累的作用，所以光熱效應(yīng) 的響應(yīng)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(yīng)是響應(yīng)于材料的溫度變化 率，比其他光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度要快得多，并已獲得日益廣泛的應(yīng)用。I總結(jié)選用光電探測(cè)器的一般原則。答：用于測(cè)光的光源光譜特性必須與光電探測(cè)器

22、的光譜響應(yīng)特性 匹配；考慮時(shí)間響應(yīng)特性；考慮光電探測(cè)器的線性特性等。4已知Si光電池光敏面積為5 lOmr11在IOOOW/吊光照下，開(kāi)路電壓u0.5叫光電流i11mA.在(200700) W/m光照下，保證線性電壓輸出的負(fù)載電阻和電壓變化值；(2)如果取反偏壓V=,求負(fù)載電阻和電壓變化值；(3)如果希望輸出電壓變化量為，怎么辦解答：(1) Rl 0.6u“/i , Uoc Uoc 2.6ln P'/P(2)在上面計(jì)算公式中，減去一個(gè)反偏電壓再計(jì)算。(3)增大負(fù)載電阻和擴(kuò)大光照變化范圍。5如果Si光電二極管靈敏度為10uA/uW結(jié)電容為10pF,光照功率為5uW寸，拐點(diǎn)電壓為10V ,

23、偏壓40V ,光照信號(hào)功率Pt 5 2cos t W ,試求：(1)線性最大輸出功率條件下的負(fù)載電阻；(2)線性最大輸出功率；(3)響應(yīng)截止頻率。解答：S P P0 2guGp-(1)2 V u, nSPPo2Gp g12PH 2GlUhmfc(3)12 R。L?史？，6 證明 NEP e SNRNEP2hv f包星 Pln°Pn 2e fisPs第五章以表面溝道CC汕例，簡(jiǎn)述CCDfe荷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移、輸出的基本原理。 CCD勺輸出信號(hào)有什么特點(diǎn)答：構(gòu)成CCD的基本單元是MOS金屬-氧化物-半導(dǎo)體）電容器。 正如其它電容器一樣，MOS1容器能夠存儲(chǔ)電荷。如果 MOS吉構(gòu)中的 半導(dǎo)體是P

24、型硅，當(dāng)在金屬電極（稱為柵）上加一個(gè)正的階梯電壓時(shí)（襯底接地），Si-SiO2界面處的電勢(shì)（稱為表面勢(shì)或界面勢(shì)）發(fā)生相 應(yīng)變化，附近的P型硅中多數(shù)載流子一一空穴被排斥， 形成所謂耗盡 層，如果柵電壓Vg超過(guò)MOS1體管的開(kāi)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(shì)能較低，我們可以形象化地 說(shuō)：半導(dǎo)體表面形成了電子的勢(shì)阱，可以用來(lái)存儲(chǔ)電子。當(dāng)表面存在 勢(shì)阱時(shí)，如果有信號(hào)電子（電荷）來(lái)到勢(shì)阱及其鄰近，它們便可以聚 集在表面。隨著電子來(lái)到勢(shì)阱中，表面勢(shì)將降低，耗盡層將減薄，我 們把這個(gè)過(guò)程描述為電子逐漸填充勢(shì)阱。勢(shì)阱中能夠容納多少個(gè)電 子，取決于勢(shì)阱的“深淺”，即表面勢(shì)

25、的大小，而表面勢(shì)又隨柵電壓 變化，柵電壓越大，勢(shì)阱越深。如果沒(méi)有外來(lái)的信號(hào)電荷。耗盡層及 其鄰近區(qū)域在一定溫度下產(chǎn)生的電子將逐漸填滿勢(shì)阱，這種熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子電流叫作暗電流，以有別于光照下產(chǎn)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(chǔ)電荷。以典型的三相CC兩例說(shuō)明CCDfe荷轉(zhuǎn)移的基本原理。三相 CCD 是由每三個(gè)柵為一組的間隔緊密的 MOS吉構(gòu)組成的陣列。每相隔兩個(gè) 柵的柵電極連接到同一驅(qū)動(dòng)信號(hào)上， 亦稱時(shí)鐘脈沖。三相時(shí)鐘脈沖的 波形如下圖所示。在tl時(shí)刻，© 1高電位，© 2、© 3低電位。此時(shí)d 1 電極下的表面勢(shì)最大，勢(shì)阱最深。

26、假設(shè)此時(shí)已有信號(hào)電荷（電子）注 入，則電荷就被存儲(chǔ)在d 1電極下的勢(shì)阱中。t2時(shí)刻，© 1、（|）2為高電 位，0 3為低電位，則0 1、0 2下的兩個(gè)勢(shì)阱的空阱深度相同，但因0 1下面存儲(chǔ)有電荷，則小1勢(shì)阱的實(shí)際深度比小2電極下面的勢(shì)阱淺，0 1下面的電荷將向0 2下轉(zhuǎn)移，直到兩個(gè)勢(shì)阱中具有同樣多的電荷。t3 時(shí)刻，0 2仍為高電位，0 3仍為低電位，而0 1由高到低轉(zhuǎn)變。此時(shí)0 1下的勢(shì)阱逐漸變淺，使小1下的剩余電荷繼續(xù)向小2下的勢(shì)阱中轉(zhuǎn)移。 t4時(shí)刻，0 2為高電位，0 1、0 3為低電位，0 2下面的勢(shì)阱最深，信 號(hào)電荷都被轉(zhuǎn)移到0 2下面的勢(shì)阱中，這與t1時(shí)刻的情況相似，但

27、電 荷包向右移動(dòng)了一個(gè)電極的位置。當(dāng)經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期T后，電荷包 將向右轉(zhuǎn)移三個(gè)電極位置，即一個(gè)柵周期（也稱一位）。因此，時(shí)鐘 的周期變化，就可使CCM的電荷包在電極下被轉(zhuǎn)移到輸出端， 其工 作過(guò)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(jié)構(gòu)有多種形式，如“電流輸出”結(jié)構(gòu)、“浮置擴(kuò)散輸出”結(jié)構(gòu)及“浮置柵輸出”結(jié)構(gòu)。其中“浮置擴(kuò)散輸出”結(jié)構(gòu)應(yīng)用最 廣泛，。輸出結(jié)構(gòu)包括輸出柵 OG浮置擴(kuò)散區(qū)FD復(fù)位柵R、復(fù)位漏 RD以及輸出場(chǎng)效應(yīng)管T等。所謂“浮置擴(kuò)散”是指在 P型硅襯底表 面用V族雜質(zhì)擴(kuò)散形成小塊的n+區(qū)域，當(dāng)擴(kuò)散區(qū)不被偏置，即處于浮 置狀態(tài)工作時(shí)，稱作“浮置擴(kuò)散區(qū)”。電荷包的輸出過(guò)程如

28、下：Vog為一定值的正電壓，在 OG電極下形 成耗盡層，使0 3與FD之間建立導(dǎo)電溝道。在0 3為高電位期間，電 荷包存儲(chǔ)在0 3電極下面。隨后復(fù)位柵R加正復(fù)位脈沖0 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(fù)位正脈沖過(guò)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，0 3轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢唬? 3下面的電荷包通過(guò) OG 下的溝道轉(zhuǎn)移到FD區(qū)。此時(shí)FD區(qū)（即A點(diǎn)）的電位變化量為：式中，Qd是信號(hào)電荷包的大小，C是與FD區(qū)有關(guān)的總電容（包括輸 出管T的輸入電容、分布電容等）。CC獺出信號(hào)的特點(diǎn)是：信號(hào)電壓是在浮置電平基礎(chǔ)上的負(fù)電壓

29、； 每個(gè)電荷包的輸出占有一定的時(shí)間長(zhǎng)度 To;在輸出信號(hào)中疊加有復(fù) 位期間的高電平脈沖。據(jù)此特點(diǎn)，對(duì) CCD勺輸出信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，較 多地采用了取樣技術(shù)，以去除浮置電平、復(fù)位高脈沖及抑制噪聲。何謂幀時(shí)、幀速二者之間有什么關(guān)系答：完成一幀掃描所需的時(shí)間稱為幀時(shí) T（s）,單位時(shí)間完成的幀 數(shù)稱為幀速（幀/ s）:。用凝視型紅外成像系統(tǒng)觀察 30公里遠(yuǎn)，10米X 10米的目標(biāo)，若紅 外焦平面器件的像元大小是50區(qū)鏟50區(qū)限 假設(shè)目標(biāo)像占4個(gè)像元, 則紅外光學(xué)系統(tǒng)的焦距應(yīng)為多少若紅外焦平面器件是 128X 128元， 則該紅外成像系統(tǒng)的視場(chǎng)角是多大答：水平及垂直視場(chǎng)角:一目標(biāo)經(jīng)紅外成像系統(tǒng)成像后供人

30、眼觀察，在某一特征頻率時(shí)，目 標(biāo)對(duì)比度為，大氣的MTF為，探測(cè)器的MTF為，電路的MTF為，CRT 的MTF為，則在這一特征頻率下，光學(xué)系統(tǒng)的 MTFg少要多大答：紅外成像系統(tǒng)A的NETDJ、于紅外成像系統(tǒng)B的NETQ能否認(rèn)為紅 外成像系統(tǒng)A對(duì)各種景物的溫度分辨能力高于紅外成像系統(tǒng) B,試簡(jiǎn) 述理由。答：不能。NETDE映的是系統(tǒng)對(duì)低頻景物（均勻大目標(biāo)）的溫度 分辨率，不能表征系統(tǒng)用于觀測(cè)較高空間頻率景物時(shí)的溫度分辨性試比較帶像增強(qiáng)器的CCD薄型背向照明CC麗電子轟擊型CC濡 件的特點(diǎn)。答：帶像增強(qiáng)器的CC濡件是將光圖像聚焦在像增強(qiáng)器的光電陰 極上，再經(jīng)像增強(qiáng)器增強(qiáng)后耦合到電荷耦合器件（CCD

31、上實(shí)現(xiàn)微光攝像（簡(jiǎn)稱ICCD。最好的ICCD是將像增強(qiáng)器熒光屏上產(chǎn)生的可見(jiàn) 光圖像通過(guò)光纖光錐直接耦合到普通 CCDS片上。像增強(qiáng)器內(nèi)光子- 電子的多次轉(zhuǎn)換過(guò)程使圖像質(zhì)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(duì)比度下降及動(dòng)態(tài) 范圍減小，影響成像質(zhì)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CC潞件克服了普通前向照明 CCD勺缺陷。光從 背面射入，遠(yuǎn)離多晶硅，由襯底向上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)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(kāi)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(shù)相結(jié)合后可得到30個(gè)電子噪聲背景的CCD相當(dāng)于在沒(méi)有任何 增強(qiáng)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(dāng)照度低于 10-6lx （靶面照度）時(shí)，只 能依賴圖像增強(qiáng)環(huán)節(jié)來(lái)提高器件增益，克服 CCDM聲的制約。電子轟擊型CC嘴件是將背向照明CCDS作電子轟擊型CCDW “陽(yáng)極”，光電子從電子轟擊型 CCD勺“光陰極”發(fā)射直接“近貼聚 焦”到CCDS體上，光電子通過(guò)CCDff面進(jìn)入后，硅消耗入射光子能 量產(chǎn)生電子空穴對(duì)，進(jìn)而發(fā)生電子轟擊半導(dǎo)體倍增，電子轟擊過(guò)程產(chǎn) 生的噪聲比用微通道板倍增產(chǎn)生的噪聲低得多，與它獲得的3000倍