最新光電檢測(cè)期末復(fù)習(xí)

1、精品文檔復(fù)習(xí)題1、光電檢測(cè)系統(tǒng)通常主要由 光學(xué)變換、光電轉(zhuǎn)換、電信號(hào)處理 三部分組 成。2、在環(huán)境亮度大于10cd/m2寸,最強(qiáng)的視覺(jué)響應(yīng)在光譜藍(lán)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(yáng)極五個(gè)主要部分組成。由于其引入了電子倍增機(jī)構(gòu)，因此具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間快等 特點(diǎn)，常被使用。4、FTCCD指的是幀轉(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(jī)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(kāi)路電壓會(huì)隨光照強(qiáng)度的增加而 加。7、對(duì)于輻射源來(lái)說(shuō)， 光

2、通量（光功率）定義為單位時(shí)間內(nèi)向所有方向發(fā)射的可 見(jiàn)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(wú)限遠(yuǎn)，物方主光線平行于光軸的光學(xué)系統(tǒng)稱(chēng)為物方遠(yuǎn)心光路,此光路克服了調(diào)焦不準(zhǔn)帶來(lái)的測(cè)量誤差，常用于瞄準(zhǔn)、讀數(shù)和精密測(cè)量。10、短焦物鏡用于拍近距離物體，焦距越短，視場(chǎng)角越大，因此也稱(chēng)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、CCD與其它器件相比，最突出的特點(diǎn)是它以 電荷 作為信號(hào)、而其他大多 數(shù)器

3、件是以 電流 或者 電壓 作為信號(hào)。15、依據(jù)噪聲產(chǎn)生的物理原因,光電探測(cè)器的噪聲可大致分為散粒噪聲、熱噪聲 和低頻噪聲三類(lèi)。16、由于光源發(fā)光的 各向異性 、許多光源的發(fā)光強(qiáng)度在各個(gè)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(qiáng)度相同的點(diǎn)連線，得到該光源在該 截面的發(fā)光強(qiáng)度曲線，稱(chēng)為配光曲線 。17、人眼按不同照度下的響應(yīng)可分為明 視覺(jué)、 暗 視覺(jué)。18、 降壓使用 對(duì)于光電測(cè)量用的白熾燈光源十分重要， 因?yàn)闊襞輭勖难娱L(zhǎng) 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(wú)限遠(yuǎn)處，平行于光軸的像方主光線在無(wú)限遠(yuǎn)處會(huì)聚于出瞳中 心的光路被稱(chēng)為 像方遠(yuǎn)心光路.它用于

4、大地測(cè)量中測(cè)距、能大大提高測(cè)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(yuǎn)心光路，視場(chǎng)光闌被聚光鏡成像到物面上，稱(chēng)為 遠(yuǎn)心柯勒 照明。1、光子效應(yīng)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(lèi)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)楣庾幽芰渴?h¥,其中h是普朗克常數(shù)，不是光波頻率，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。2、光視效能光視效能描述某一波長(zhǎng)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(zhǎng)下測(cè)得的光通量與輻射通量的比之，即K =二。單位：流明/瓦特（lm/W）。 e ,3、本征光電導(dǎo)效應(yīng)本征半導(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) 生先生自由電子，價(jià)帶中產(chǎn)生先生自由空穴，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(chēng)探測(cè)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(hào)和輸入的光信號(hào)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(duì)，在結(jié)電場(chǎng)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(shì)壘的效應(yīng)。6、熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)是非中心對(duì)稱(chēng)的晶體，自然狀

6、態(tài)下，在某個(gè)方向上正負(fù)電荷中心 不重合。在晶體表面形成一定量的極化電荷。 但當(dāng)晶體溫度變化時(shí)，極化程度下 降，其表面浮游電荷變化緩慢，再次達(dá)到極化的電平狀態(tài)前，晶體表面有多余浮 游電荷，這相當(dāng)于釋放出一部分電荷，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。1、說(shuō)出 PIN 管、雪崩光電二極管的工作原理和各自特點(diǎn)，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(kuò)散運(yùn)動(dòng)時(shí)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(duì)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(duì)長(zhǎng)波的吸收，提高了長(zhǎng)波靈 敏度，可承受較高的反向偏壓，使線性

7、輸出范圍變寬。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(jì)，使它能 承受高的反向偏壓，從而在 PN結(jié)內(nèi)部形成一個(gè)高電場(chǎng)區(qū)，結(jié)區(qū)產(chǎn)生的先生載流 子受強(qiáng)電場(chǎng)的加速， 將獲得很大的能量， 在與原子碰撞時(shí)可使原子電離， 產(chǎn)生新 的電子一空穴對(duì)，在往下的過(guò)程中重復(fù)此情況，使PN結(jié)的電流急劇增加。特點(diǎn)： APD能提供內(nèi)部增益達(dá)一百到一千倍、0.5ns響應(yīng)時(shí)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(shí)間常數(shù)變小，f=1/2 冗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

8、管哪一部分受光，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(kuò)散中被復(fù)合掉， 只有少部分通過(guò)結(jié)區(qū)，但又被結(jié)電場(chǎng)所分離，因此對(duì)光電流基本上沒(méi)有貢獻(xiàn)。（ 2）光敏電阻沒(méi)有極性，工作時(shí)可任意外加電壓；而結(jié)型光電器件有確定的正負(fù)極性，但在沒(méi)有外加電壓下也可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。（ 3）光敏電阻的光電導(dǎo)效應(yīng)主要依賴(lài)于非平衡載流子的產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)，時(shí)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(lài)于結(jié)區(qū)非平衡載流子中部分載流子的漂移運(yùn)動(dòng)， 電場(chǎng)主要加在結(jié)區(qū)， 弛豫過(guò)程的時(shí)間常數(shù) （可用結(jié)電容和電阻之積表示）相

9、應(yīng)較小，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(guò)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(diǎn)， 因此應(yīng)用于不同場(chǎng)合。3、簡(jiǎn)述光電探測(cè)器的選用原則（1）光電檢測(cè)器件必須和輻射信號(hào)源及光學(xué)系統(tǒng)在光譜特性上匹配。 （2）光電檢測(cè)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(cè)器件的響應(yīng)特性必須和光信號(hào)的調(diào)制形式、 信號(hào)頻率及波形相匹配， 以保證得到?jīng)]有頻率失真和良好的時(shí)間響應(yīng)。 （4） 光電檢測(cè)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

10、性范圍、 信噪比以及快速的動(dòng)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(mǎn)足檢測(cè)系統(tǒng)的要求。 按檢測(cè)的任務(wù)不同， 要求的光譜范圍也有所不同，如可見(jiàn)光區(qū)、紫外光區(qū)、紅外光區(qū)等等。有時(shí)要求連續(xù)光譜，有時(shí)又要求特定的光譜段。系統(tǒng)對(duì)光譜范圍的要求都應(yīng)在選擇光源時(shí)加以滿(mǎn) 足。光對(duì)光源發(fā)光強(qiáng)度的要求。為確保光電測(cè)試系統(tǒng)的正常工作，對(duì)系統(tǒng)采用 的光源的發(fā)光強(qiáng)度應(yīng)有一定的要求。 光源強(qiáng)度過(guò)低，系統(tǒng)獲得信號(hào)過(guò)小，以至無(wú) 法正常測(cè)試，光源強(qiáng)度過(guò)高，又會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)工作的非線性，有時(shí)還可能損壞系統(tǒng)、 待測(cè)物或光電探測(cè)器，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致不必要的能源消耗而造成浪費(fèi)。 因此在設(shè)計(jì) 時(shí)，必須對(duì)探測(cè)器所需獲得的最大

11、、 最小光適量進(jìn)行正確估計(jì)，并按估計(jì)來(lái)選擇 光源。對(duì)光源穩(wěn)定性的要求。不同的光電測(cè)試系統(tǒng)對(duì)光源的穩(wěn)定性有著不同的要 求。通常依不同的測(cè)試量來(lái)確定。穩(wěn)定光源發(fā)光的方法很多，一般要求時(shí)，可采 用穩(wěn)壓電源供電。當(dāng)要求較高時(shí)，可采用穩(wěn)流電源供電。所用的光源應(yīng)該預(yù)先進(jìn) 行月化處理。當(dāng)有更高要求時(shí)，可對(duì)發(fā)出光進(jìn)行采樣，然后再反饋控制光源的輸 出。對(duì)光源其他方面的要求。光電測(cè)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(cè)試系統(tǒng)的要求 給以滿(mǎn)足。5、論述光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成，并說(shuō)明各部

12、分的功能 光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本構(gòu)成框圖如下：存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)(1)光源和照明光學(xué)系統(tǒng)：是光電檢測(cè)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(cè)信息。(2)被測(cè)對(duì)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(guò)這 一環(huán)節(jié)時(shí)，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(cè)對(duì)象的特征信息，形成待檢測(cè)的光信號(hào)。光學(xué)變換通常是用各 種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)將被測(cè)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(hào)的匹配處理：這一工作環(huán)節(jié)的位置可以設(shè)置在被檢測(cè)

13、對(duì)象前面， 也可設(shè)在光學(xué)變換后面，應(yīng)按實(shí)際要求來(lái)決定。光信號(hào)匹配處理的主要目的是為 了更好地獲得待測(cè)量的信息，以滿(mǎn)足光電轉(zhuǎn)換的需要。(4)光電轉(zhuǎn)換：該環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)的核心部分。其主要作用是以光信 號(hào)為媒質(zhì)，以光電探測(cè)器為手段，將各種經(jīng)待測(cè)量調(diào)制的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào) (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(jìn)行信號(hào)的放大、處理、測(cè)量和控制等。(5)電信號(hào)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(cè)系統(tǒng)中處理電路的任務(wù)主要是解決兩個(gè)問(wèn)題：實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)的檢測(cè)；實(shí)現(xiàn)光源的穩(wěn)定化。(6)存儲(chǔ)、顯示與控制系統(tǒng)：許多光電檢測(cè)系統(tǒng)只要求給出待測(cè)量的具體 值，即將處理好的待

14、測(cè)量電信號(hào)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=30NA/lm ,陽(yáng)極積分靈敏度Sk =10NA/lm ,陽(yáng)極暗電流Id=4NA,輸入電路是電阻R = 105C和電容孰=0. aF的并聯(lián)，陰極面積A為80mm2,要求信號(hào)電流為Il =10"A ,計(jì)算陽(yáng)極噪聲電流、負(fù)載電阻上的噪聲電壓和信噪比解：(1)等效噪聲帶寬和檢測(cè)電路的高頻截止頻率分別為51一三 2 25 Hz4 105 1012fHc = = fe =15.9Hz2 二 RC0 二(2)陽(yáng)極散粒噪聲電流和負(fù)載上的噪聲電壓 散粒噪聲電流Ins =.,；扇1碗二二. 2 1.6 10,9 101 25：

15、 106 2.5 =2.58 104A，30 10熱噪聲電流InT =1.29 10，°、fe =2.0 10,2A總噪聲電流InInT ;/=2.58 10 4A負(fù)載上的噪聲電壓UN -INR -2.58 10" 105 = 2.58 1 0“V(3)信噪比SNRAIl I N10-2.58 10上= 0.38 104V2、已知某Si光電二極管的靈敏度為0.5NA/PW ,結(jié)間電導(dǎo)G = 0.01NS (微西)， 轉(zhuǎn)折電壓Uo=10V ,入射光功率從P"=15NW變到P'=25NW ,偏壓Ub = 50V求最大輸出功率時(shí)的最佳負(fù)載 Rl、輸出電流AI、輸

16、出電壓AU和輸出功率Pl解：初始電導(dǎo)c S SP 0.5 25 SG0 =G =0.01 =1.26SU010最大輸出時(shí)，負(fù)載電導(dǎo)U010,GL =G0=1.26 =0.315SUb -U050 -10最佳負(fù)載-1Rl =1/Gl = =3.175M'J0.315輸出電壓P -P25 -15U -S =0.5 =15.385VG Gl0.01 0.315電流I =GL U =0.315 15.385 =4.846A輸出功率PL =& AU = 4.846 父 15.385 =74.56 MW3、用Si光電二極管測(cè)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8W時(shí)，屈

17、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 仙 A/ nK 結(jié)電導(dǎo)為 0.005求：(1)畫(huà)出光電二極管的應(yīng)用電路圖(2)計(jì)算二極管的臨界電導(dǎo)(3)計(jì)算最大線性輸出時(shí)的負(fù)載 R。解：1 R IL-i|-(2)根據(jù)公式 g'u"-gu" SP'',SP' gu" 0.5 8 0.005 10g' =- = = 0.405(均u"10(3)最大線性輸出下，負(fù)載線正好通過(guò)M點(diǎn)(V -u")Gl = g'u"- u"10Gl = g' = 0.40

18、5 =0.135V -u" 40 -101 6RL =7.4 106 c Gl4、圖為一理想運(yùn)算放大器，對(duì)光電二極管2CU2的光電流進(jìn)行線性放大，若光電二極管未受光照時(shí)，運(yùn)放輸出電壓U0=0.6V；在E=100lx的光照下，輸出電壓U1 = 2.4V。求:(1) 2CU2的暗電流ID ；(2) 2CU 2的電流靈敏度Seo解：(1)根據(jù)運(yùn)算放大器虛短和虛斷原理，由于運(yùn)算放大器電阻很大，兩輸入端的信號(hào)差值很小，近似為零，則流過(guò) R=1.5MC上的電流Io近似為流過(guò)2CU2的暗電流為IdID =U0/R =0.6/(1.5 106) -0.4 104A=0.4 口 A(2)當(dāng)受到光照時(shí)，

19、2CU2的光電流I p =(Ui Uo)/R=1.2ASE=Ip/E=1.2 10-/100 =1.2 10-A/lx p1、熱效應(yīng)較小的光是（ D ）A.紫光； B.紅光； C.紅外； D.紫外。2、對(duì)于目視瞄準(zhǔn)，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,(B ).A.摻雜濃度低；C.反偏工作；4、照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則（BC)B.電阻率低；D.光敏面積小A.照度與距離的平方成反比；B.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(gè)參考量，它可視為表征電子占據(jù)某能級(jí) E的幾率標(biāo)尺A

20、.真空能級(jí)；B.價(jià)帶底能級(jí)；C.費(fèi)米能級(jí)。6、光電倍增管電子光學(xué)系統(tǒng)的作用是（ A B ）A.使下一級(jí)的收集率接近于1; B.渡越時(shí)間最??；C.產(chǎn)生高壓電場(chǎng)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(yáng)極； D.陰極和陽(yáng)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(cè)器，屬于熱探測(cè)器的是（ABCDE ）.A.測(cè)輻射熱計(jì)；B.測(cè)輻射熱電偶； C.測(cè)輻射熱電堆;D.熱釋電探測(cè)器；E.高萊管。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(duì)于一定距離的物體可以得 到不同放大倍率的像。通常通過(guò)軸向移動(dòng)一個(gè)或多個(gè)子光組從而改變光學(xué)間隔來(lái) 改變焦距。A.廣角物鏡；B.變焦物鏡