光電檢測期末復(fù)習(xí)題（選擇+填空+客觀題）

第二章作業(yè)

1.為了研究方便，電磁波譜分為長波區(qū)、光學(xué)區(qū)和射線區(qū)三個大的譜區(qū)。

2.光電技術(shù)所涉及的是光學(xué)譜區(qū),其波長范圍為0.01~1000微米，它又可以分為紅外

輻射、可見光和紫外輻射三個波段。

3.參量物理學(xué)中對電磁輻射量度規(guī)定完全一致的度量稱為里變L度量，適用于整個電磁

波譜。另一套參量以人的視覺特性為基礎(chǔ)建立起來的，稱為光度量,只適用于可見

%_波段。

4.具有完全確定的能量，這種穩(wěn)定的運動狀態(tài)稱為量子態(tài)，它所取的確定的能量稱為

能級。

5.通常，微觀粒子具有粒子和波動兩重性。

6.半導(dǎo)體中，載流子在電場的作用下加速，除熱運動外獲得附加運動稱為漂移運動。

7.內(nèi)光電效應(yīng)是指被光激發(fā)的載流子仍在物體內(nèi)部運動，使物質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或者

產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象。

8.外光電效應(yīng)告訴我們，只要光子能量大于光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值，電子即可廢

除光電材料進(jìn)入真空（或逸出物體表面）。

9.響應(yīng)度（靈敏度）是描述光電檢測器件的光電轉(zhuǎn)換功能的參數(shù)。

10.量子效率是在某一特定波長上每秒產(chǎn)生的光電子數(shù)和入射光量子數(shù)之比。

第三章作業(yè)

1.普通二極管工作在正向電壓大于0.7V的情況下，而光敏二極管必須工作在這個電壓

（B）,否則不會產(chǎn)生光電效應(yīng)。

A.以上B.以下C.大于等于D.小于等于

2.為了提高光敏二極管的時間響應(yīng)，消除在PN結(jié)外生光生載流子的擴散運動時間，常采

用的方法是（A）,,

A.在P區(qū)與N區(qū)之間生成I型層B.在P區(qū)和N區(qū)之間形成反型層

C.讓二極管處于反向連接D.適當(dāng)調(diào)整光敏二極管的偏壓

3.根據(jù)半導(dǎo)體材料的分類,光敏電阻分為本征半導(dǎo)體光敏電阻和雜質(zhì)半導(dǎo)體光敏電阻。

4.光電導(dǎo)器件對微弱輻射的探測能力和光譜響應(yīng)范圍大于（優(yōu)于）光生伏特器件。

5.按照硅光電池的功能可以分為太陽能硅光電池中I測量硅光電池。

6.基于光生伏特效應(yīng)的橫向光電效應(yīng)的器件是光電位置敏感器件,是一種對光敏面上的

光斑位置敏感的器件。

7.由于真空光電發(fā)射器件具有較高的靈敏度，所以在微弱輻射的探測和快速微幅射脈

也信息的捕捉方面應(yīng)用廣泛。

8.熱敏電阻具有正系數(shù)和負(fù)系數(shù)之分,它靈敏度高，溫度系數(shù)大，但是阻值與溫度的

變換關(guān)系成非線性。

9.熱電偶從發(fā)明至今，在很多地方得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在高低溫溫度探測領(lǐng)域中

的應(yīng)用，是其他探測器無法取代的。

10.熱釋電器件是一種比較理想的熱探測器，根據(jù)它的工作原理，它只能測量理￡的輻射，

所以沒辦法測量人體溫度。并且各種熱釋電器件都有一個_＞氏溫度，所以它只能在低

于該溫度的范圍內(nèi)使用。

11.光電耦合器可以實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換、邏輯門電路、隔離、晶閘管控制驅(qū)動等應(yīng)用。

12.通過將按一定規(guī)律變化的電壓加載到CCD各電極上，電極下的電荷包就能沿著半導(dǎo)

體表面按一定方向移動。

13.影響電荷轉(zhuǎn)移效率的主要因素是表面態(tài)對電荷的俘獲。為此，常采用胖零工作模式,

即讓“零”信號也有一定的電荷.

14.利用物體或景物發(fā)出的紅外而形成可見圖像的方法稱為紅外熱成像技術(shù)。

15.當(dāng)光照度增大到一定程度時，光電池的開路電壓不會增大。（J）

16.熱電偶或者熱電堆探測紅外輻射時，開路和閉路時熱端溫升相同。（X）

17.胖零電荷屬于暗電流。（X）

18.CCD作為圖像傳感器性能要優(yōu)于CMOS圖像傳感器。（X）

19.光電耦合器的輸入阻抗很低，寄生電容卻很大，這樣有利于實現(xiàn)輸入、輸出信號的隔離。

（X）

20.光電倍增管屬于微弱光檢測器件，不能用于強光檢測。（J）

第四、五章作業(yè)

1.發(fā)光常分為由物體溫度高于0K而產(chǎn)生的熱輻射和在特定環(huán)境中受外界能量激發(fā)的

激發(fā)輻射。激光輻射產(chǎn)生的光源常被稱為空光源。

2.發(fā)光二極管（LED）是一種注入式電致發(fā)光器件。其發(fā)光機理常分為PN結(jié)注入式發(fā)光

與異質(zhì)結(jié)注入式發(fā)光二種。

3.根據(jù)發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)，可分為面發(fā)光二極管和邊發(fā)光二極管,他們的垂直發(fā)散角

均為120度。

4.LD的發(fā)光機理與其他激光器發(fā)光原理相同,都涉及受激輻射、粒子反轉(zhuǎn)數(shù)和諧振

三個關(guān)鍵問題。

5.激光器輸出的波長主要由增益介質(zhì)決定。

6.光外差探測法要求光波具有高度的單色性和相干性。探測精度比微波高1000倍以

上。

7.激光三角法是激光測試的一種,由于結(jié)構(gòu)簡單、測試速度快等特點，在長度、距離以

及三維地貌等測試中有廣泛的應(yīng)用。

8.當(dāng)兩塊光柵以微小傾角重疊時，在于刻線大致垂直的方向上可以看到明暗相間的粗條紋,

這就是摩爾條紋。它具有位移的放大作用和誤差的平均效應(yīng)。

第七章作業(yè)

1.相關(guān)接收就是應(yīng)用信號周期性和噪聲隨機性的特點,通過自相關(guān)或互相關(guān)的運算,

達(dá)到去除噪聲的一種技術(shù)。

2.互相關(guān)接收的能比自相關(guān)的好，可以實現(xiàn)從噪聲中提取單脈沖信號。

3.對于相敏檢波器來說，當(dāng)輸入兩信號頻率相等時,輸出為相敏直流電壓，大小正比于

相位差的余弦量。

4.鎖相放大器又稱鎖定放大器.它也是一種微弱信號的檢測儀器。它起到了一個極窄的

帶通濾波器的作用,而不是普通濾波器。它的原理也是基于信號和噪聲在相關(guān)特性

方面的差別。

5.鎖相放大器的輸出信號幅值取決于輸入信號和參考信號的51值_，并與二者的相位差

有關(guān)。因此，鎖相放大器可用于檢測周期信號的這兩個參數(shù)。

6.取樣積分器（Boxcar平均器），是一種微弱信號檢測系統(tǒng)。它利用周期性信號的重復(fù)特

性，在每個周期內(nèi)對信號的一部分取樣一次,然后經(jīng)過積分器算出平均值，于是各

個周期內(nèi)取樣平均信號的總體便展現(xiàn)了待測信號的真實波形。

7.取樣積分器通常有兩種工作模式，即定點式和掃描式。定點式取樣積分器是測量周期

信號的某一瞬態(tài)平均值。

8.取樣積分器適用于由脈沖光源產(chǎn)生的連續(xù)周期性變化的信號波形測量或單個光脈沖

的幅度測量。測量時，需要與光脈沖同步的激勵信號。

9.取樣積分器在測量占空比小于50%的窄脈沖光強度的情況下，它比鎖相放大器有更好的

信噪比。

10.當(dāng)檢測信號為寬帶且不具有周期性重復(fù)的特征時,采用鎖相放大器和取樣積分器對弱光

的探測就無能為力了，此時常借助于光子計數(shù)的方法檢測入射光子數(shù),實現(xiàn)極弱光強

或光通量的測量。

11.只適合于極弱光的測量，光子通量限制在lnW的光功率以內(nèi)，不能測量包含許多光子

的短脈沖光。目前，光子計數(shù)器可以探測到每秒10~20個/s光子水平的極弱光信號,

已在熒光、磷光測量、拉曼散射測量、夜視測量、雜散光測量和生物細(xì)胞分析等遮能

測量中得到了應(yīng)用。

第八章作業(yè)

1.模擬量變換法是通過光通量的變化或光通量的有無來反映零件尺寸及公差大小。影響測

量準(zhǔn)確度的主要因素主要有光電器件的靈敏度和噪聲（背景噪聲、器件噪聲和放大器

噪聲）。另外對光源的生定怛也要求很高，但由于這種方法簡單，使用方便，在精確

度_要求不高的情況下得到應(yīng)用。

2.光通量變換法的特點是在檢測范圍內(nèi)，能連續(xù)檢測工作的尺寸,并能判斷誤差大小。

但是，這種方法在原理上要求光源發(fā)出的光通量恒定。

3.光學(xué)掃描法是指利用一束吊L光對被測工件（或工件投影）進(jìn)行掃描，然后用光電接

收器測量這束光掃過工件（或投影）時的光電信號。光電接收器的輸出是一脈沖方波,

而脈沖的量度_與被測工件的尺寸成正比。只要我們準(zhǔn)確測量這個量就能得到較準(zhǔn)確的

工件尺寸的大小。

4.電掃描法檢測工件幾何尺寸的原理是，將工件的像成像到攝像器件的光敏面上,再轉(zhuǎn)

變成電子圖像，然后用電子掃描法檢取工件的幾何尺寸。目前能夠完成這種功能的攝

像器件有：電真空攝像管、自掃描攝像器件（CCD、CMOS、APS、DPS等）、熱成像器

件等。

5.雙目立體視覺技術(shù)實際上是仿照人類利用雙眼觀察物體時能夠產(chǎn)生/厘,從而感知視

野內(nèi)物體距離的方法。

第九章作業(yè)（提交后沒有出答案，可能會有錯誤）

1.單頻單路激光干涉儀光路所通過的光束是單一的一束光，往返光路不重合。而單頻

雙路激光干涉儀光路所通過光束是往返兩束光，往返光路重合。

2.被測長度是用激光波長作為一把尺子進(jìn)行度量，度量的多少是通過干涉條紋的變化次數(shù)

反映出來的。光程差A(yù)=n、，被測長度L=n（入/2）=nq,其中q為量化單位，q=、/2。

3.雙頻激光干涉儀中將激光器放在軸向直流磁場中，由于直流磁場作用，引起激光器增益

介質(zhì)譜線發(fā)生塞曼效應(yīng),把原來的光譜線分成為兩個相反方向的圓偏振光,即左、

右旋偏振光.

4.雙頻激光干涉儀的優(yōu)點是交流系統(tǒng)而不是直流系統(tǒng),可以根本上解決影響干涉儀可靠性

的直流偏移問題。另外，雙頻干涉儀抗振性強，不需預(yù)熱，不怕空氣湍流干擾?？諝?/p>

湍流干擾使激光光束偏移或使其波前扭曲，是造成激光干涉儀性能不穩(wěn)的普遍原因。

5.增量式編碼器的圖案均勻，光信號脈沖一致，可將任意位置作為基準(zhǔn)點，從該點起

將位移或轉(zhuǎn)角按一定的量化單位檢測，將計量脈沖數(shù)折算成位移或轉(zhuǎn)角。零點可以任意

予置，測量范圍僅受計數(shù)器容量限制而與光學(xué)器件無關(guān)。沒有確定的測量點，斷電則丟

失當(dāng)前位置，噪聲的影響造成計數(shù)誤差會逐漸積累，無法輸出絕對位置信息。

6.絕對式編碼器的圖案不均勻，光信號脈沖不一樣，它在光學(xué)元件刻制出表示相應(yīng)坐

標(biāo)的代碼形式絕對地址，在元件運動過程中讀取這些代碼實現(xiàn)實時測量。其坐標(biāo)固

定，與測量前狀態(tài)無關(guān)；抗干擾能力強，無誤差累積；切斷電源信號消失，但通電后能

恢復(fù)原狀態(tài)；信號并行傳送，不需要方向判別和可逆計數(shù)等?？蓪⑷我馕恢萌∽髁泓c

時需進(jìn)行一定的運算。

7.激光測距是通過測量激光光束在待測距離上往返傳播的來換算出距離的，其換算

公式為：d=ct/2o

8.相位測距法是通過測量連續(xù)調(diào)制的光波在待測距離上往返傳播所發(fā)生的相位變化,間

接測量時間to這種方法測量精度較高，因而在大地和工程測量中得到了廣泛的應(yīng)用。

9.脈沖測距法是測距儀發(fā)出光脈沖，經(jīng)被測目標(biāo)反射后，光脈沖回到測距儀接收系統(tǒng)，測

量其發(fā)射和接收光脈沖的時間間隔，即光脈沖在待測距離上的往返傳播時間t,脈沖

法測距精度大多為米的量級。

10.請寫出激光干涉的條件。

兩列波振動方向相同；

兩光頻率相同；

兩光波動位移相同或初相位恒定

第十、H^一章作業(yè)

i.采用反射方式檢測物體外觀時，要求被檢測物體表面具有一定的反光能力,因而常用

于金屬制品。透射方式檢測則要求被測物體具有一定的透光性，它不但能檢測產(chǎn)品的

表面，還能檢測產(chǎn)品的內(nèi)部缺陷.

2.外觀檢測的掃描方式與非掃描方式而言，適于大面積檢測。這種方式不但要求被測產(chǎn)

品運動，而且要有光學(xué)系統(tǒng)的J里運動，通常這兩個運動方向是爭直JI勺。

3.在外觀檢測中，一般使用電光源。對光源的要求有兩點：一是要求光源與光電器件的

光譜相匹配:二是要求要有一定的光強且穩(wěn)定可靠，

4.在信號處理電路中，前置放大器是對微弱信號進(jìn)行放大，應(yīng)按照低噪聲方法設(shè)計,將

它置于光電檢測頭的內(nèi)部，可提高抗干擾能力。

5.光纖中纖芯的折射率大于包層的折射率。

6.數(shù)值孔徑反映了光纖的接受光（集光）能力。

7.光纖傳感器利用了光纖本身傳輸特性的適當(dāng)變化，即被檢測物理量可以改變光纖傳輸?shù)?/p>

基本參數(shù)，在原理上可以分為光強調(diào)制、相位調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制和波長調(diào)制不同的

形式。

客觀題（選擇、填空、判斷）請復(fù)習(xí)學(xué)習(xí)通作業(yè)。

簡答題

1、請寫出光外差法探測原理。

答光外差探測是一種光頻相干檢測，是基于相干的參考光和入射信號光

在光敏面上混頻的原理實現(xiàn)的，故特別適用于光調(diào)頻、調(diào)相類系統(tǒng)。與直接探測

相比，光外差探測具有高的轉(zhuǎn)換增益、良好的濾波性能、良好的空間和偏振鑒別

能力等特點，而且光外差探測可以響應(yīng)信號的振幅、頻率和相位信息。因此光外

差探測在弱信號探側(cè)、光通訊、光雷達(dá)、遙測傳感技術(shù)及光譜學(xué)領(lǐng)域有很廣泛的

應(yīng)用前景。

2、請寫出激光干涉的條件。

答：（1）兩光波的整棟方向相同，即兩光波的振幅E矢量平行；

（2）兩光波頻率相同；

（3）兩光波動位移相同或初相位差恒定

3、什么是光電效應(yīng)，光電效應(yīng)有哪些種類，分別對應(yīng)那些光電器件。（每種寫

一個器件即可）

答光照射到物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化。這類光變致電的現(xiàn)象被人們

統(tǒng)稱為光電效應(yīng)（Photoelectriceffect）。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)、光電導(dǎo)

效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。前一種現(xiàn)象發(fā)生在物體表面，又稱外光電效應(yīng)

（photoelectricemission）。后兩種現(xiàn)象發(fā)生在物體內(nèi)部，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。

外光電效應(yīng)對應(yīng)的器件有光電管、光電倍增管；光電導(dǎo)效應(yīng)有光敏電阻；光生伏

特效應(yīng)有光敏晶體管、光電池等器件。

3、為什么N溝道CCD的工作速度要高于P溝道CCD工作速度？

答：以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD,簡稱為N型CCD。而以空穴為

信號電荷的CCD稱為P型溝道CCD,簡稱P型CCD。由于電子的遷移率（單位場

強下電子的運動速度）遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此N型CCD比P型CCD的工作頻

率高很多。

5、激光如何產(chǎn)生的，產(chǎn)生激光的三個必要條件是什么？

答：1.有提供放大作用的增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，其激活粒子（原子、分子

或離子）有適合于產(chǎn)生受激輻射的能級結(jié)構(gòu)；

2.有外界激勵源，使激光上下能級之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；

3.有激光諧振腔，使受激輻射的光能夠在諧振腔內(nèi)維持振蕩。

6、什么是零伏偏置電路？為什么零伏偏置電路是最理想的電流放大電路？

答：光伏探測器在自偏置的情況下，若負(fù)載電阻R為零，自偏壓為零；或者

光伏探測器在反偏置的情況下，反偏電壓很小或接近零。這兩種情況下都屬于零

偏置。對應(yīng)的偏置電路都稱為零偏置電路。

光生伏特器件在零伏偏置下，輸出短路電路與入射輻射量成線性變化關(guān)系,

因此，零偏置電路是理想的電流放大電路，適合于對微弱輻射信號的檢測。

綜合題

1、請寫出激光三角法測量位移的工作原理。（直射式和斜射式寫一種即可）

答：激光三角測距法主要是通過一束激光以一定的入射角度照射被測目標(biāo),

激光在目標(biāo)表面發(fā)生反射和散射，在另一角度利用透鏡對反射激光匯聚成像，光

斑成像在CCD位置傳感器上。當(dāng)被測物體沿激光方向發(fā)生移動時，CCD上的光斑

將產(chǎn)生移動，其位移大小對應(yīng)被測物體的移動距離，因此可通過算法設(shè)計，由光

斑位移距離計算出被測物體與基線的距離值。由于入射光和反射光構(gòu)成一個三角

形，對光斑位移的計算運用了幾何三角定理，故該測量法被稱為激光三角測距法。

按入射光束與被測物體表面法線的角度關(guān)系，激光三角測距法可分為斜射式和直

射式兩種。

直射式激光三角測距法：

在圖1中，激光器發(fā)出的光線經(jīng)會聚透鏡聚焦后垂直入射到被測物體表面上。

物體移動或其表面變化，導(dǎo)致入射點沿入nr

光光電探測2s

射光軸的移動。入射點處的散射光經(jīng)接收<\\

會

透鏡入射到光電位置探測器上。若光點在聚

透

加

成像面上的位移為X、廁被測面在沿軸方

向的位移為：垓收選便

ax'

X=------------------------------------------------------------------*-

bsinO-x'cos。

圖1直射式三角測量示意圖

斜射式激光三角測距法:

圖2所示為斜射式三角法測量原理圖。激光器發(fā)出的光線和被測面的法線成

一定角度入射到被測面上，同樣地，物

體移動或其表面變化，將導(dǎo)致入射點沿

入射光軸的移動。入射點處的散射光經(jīng)

接收透鏡入射到光電位置探測器上。若會

聚

透

光點在成像面上的位移X'為則被測面鏡

在沿法線方向的移動距離為：

基準(zhǔn)而--------------------------------------

ax'cos

X-

圖2斜射式三角測量示意圖

bsin?+^2)-x'cos(^,+02)

2、在圖所示的恒流偏置電路中，已知

電源電壓為

12V,Rb=820n,Re=3.3k。,

晶體管的放大倍率不小于80,穩(wěn)壓二極管的輸出電壓為4V,光照度為40lx時輸出

電壓為6V,80僅時為8V。（設(shè)光軸阻在30-100版之間的丫值不變）

試求：（1）輸出電壓為7V的照度（單位為僅）。

（2）該電路的電壓靈敏度（單位為V/僅）。

答：

根據(jù)圖所示的恒流偏置電路中所給的已知條件，流過穩(wěn)壓管VS的電流為: