光電子技術答案解析

./光電子技術練習及思考題解答〔收集整理版配套光電子技術〔第3版安毓英劉繼芳李慶輝馮喆珺編著電子工業(yè)出版社由于水平有限,練習及思考題解答難免有錯誤之處,敬請指正。歡迎大家交流學習習題11.設在半徑為Rc的圓盤中心法線上,距盤圓中心為l0處有一個輻射強度為Ie的點源S,如圖所示。試計算該點源發(fā)射到盤圓的輻射功率。ll0SRc第1題圖解：,2.如圖所示,設小面源的面積為As,輻射亮度為Le,面源法線與l0的夾角為s；被照面的面積為Ac,到面源As的距離為l0。若c為輻射在被照面Ac的入射角,試計算小面源在Ac上產生的輻射照度。LLeAsAcl0sc第2題圖解：用定義和求解。3.假設有一個按郎伯余弦定律發(fā)射輻射的大擴展源〔如紅外裝置面對的天空背景,其各處的輻亮度均相同。試計算該擴展源在面積為的探測器表面上產生的輻照度。解：輻射亮度定義為面輻射源在某一給定方向上的輻射通量,因為余弦輻射體的輻射亮度為得到余弦輻射體的面元向半空間的輻射通量為又因為在輻射接收面上的輻射照度定義為照射在面元上的輻射通量與該面元的面積之比,即所以該擴展源在面積為的探測器表面上產生的輻照度為單位是4.霓虹燈發(fā)的光是熱輻射嗎？解：不是熱輻射。5剛粉刷完的房間從房外遠處看,它的窗口總顯得特別黑暗,這是為什么？解：因為剛粉刷完的房間需要吸收光線,故從房外遠處看它的窗口總顯得特別黑暗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m隨溫度T的升高而減小。試由普朗克熱輻射公式導出。這一關系式稱為維恩位移定律,其中常數(shù)為2.89810-3mK。解：普朗克熱輻射公式求一階導數(shù),令其等于0,即可求的。7.黑體輻射曲線下的面積等于在相應溫度下黑體的輻射出射度。試由普朗克熱輻射公式導出與溫度的四次方成正比,即這一關系式被稱為斯忒藩—玻爾茲曼定律,其中常數(shù)為W<>。解：黑體處于溫度T時,在波長處的單色輻射出射度有普朗克公式給出：式中為普朗克常數(shù),為真空中光速,為玻爾茲曼常數(shù)。令,則上式可改寫為將此式積分得此即為斯忒藩—玻爾茲曼定律。式中為斯忒藩—玻爾茲曼常數(shù)。8．宇宙大爆炸遺留在宇宙空間的均勻背景熱輻射相當于3K黑體輻射?！?此輻射的單色輻射出射度在什么波長下有意義？〔2地球表面接收到此輻射的功率是多大？解：答〔1由維恩位移定律得〔2由和普朗克公式及地球面積得出地球表面接收到此輻射的功率。9.常用的彩色膠卷一般分為日光型和燈光型。你知道這是按什么區(qū)分的嗎？解：按色溫區(qū)分。10.為頻率在間黑體輻射的能量密度,為波長在間黑體輻射能量密度。已知,試求。解：由=得=11.如果激光器和微波激射器分別在,和輸出1W連續(xù)功率,問每秒鐘從激光上能級向下能級躍遷的粒子數(shù)是多少？解：〔1〔2〔312．設一對激光能級為和〔,相應頻率為〔波長為,各能級上的粒子數(shù)為和,求：〔1當,T=300K時,？〔2當,T=300K時,？〔3當,時,溫度T=?解：〔1〔2〔3得：13試證明,由于自發(fā)輻射,原子在能級的平均壽命證明：自發(fā)輻射,一個原子由高能級自發(fā)躍遷到,單位時間內能級減少的粒子數(shù)為：,自發(fā)躍遷幾率,因此14焦距是共焦腔光束特性的重要參數(shù),試以表示。由于和是一一對應的,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,。解：,,,15今有一球面腔,,,L＝0.8m。試證明該腔為穩(wěn)定腔；求出它的等價共焦腔的參數(shù)。解：g=1-=0.47g=1-=1.8,gg=0.846即：0<gg<1,所以該腔為穩(wěn)定腔。由公式〔Z==-1.31mZ==-0.15mf==0.25mf=0.5m16某高斯光束,求與束腰相距0.3m、、遠處的光斑的大小及波前曲率半徑。解：,其中,：,：,：,17有頻率為,的二束光入射,試求在均勻加寬及非均勻加寬兩種情況下頻率為的弱光的增益系數(shù)表達式；頻率為的強光的增益系數(shù)表達式；解：對于均勻加寬物質,當頻率為,光強為的準單色光入射時,其小信號增益系數(shù)和飽和增益系數(shù)分別為式中為中心頻率處的小信號增益系數(shù),為增益曲線的寬度。對于非均勻加寬物質,當頻率為,光強為的準單色光入射時,其小信號增益系數(shù)和飽和增益系數(shù)分別為式中為中心頻率處的小信號增益系數(shù),為增益曲線的寬度。若,二強光同時入射,則此時反轉集居數(shù)弱光的增益系數(shù)強光的增益系數(shù)18長為1m的He-Ne激光器中,氣體溫度T=400K。若工作波長=3.39時的單程小信號增益為30dB,試求提供此增益的反轉集居數(shù)密度。解：氦氖激光器的小信號增益系數(shù)可表示為〔1式中為自發(fā)輻射躍遷幾率,而多普勒加寬線寬式中氖原子量M=20,而T=400K,由此有根據(jù)題中給出條件〔即：單程小信號增益為30dB式中腔長,由此可得到于是由〔1式,求出反轉集居數(shù)19計算由下式表示的平面波電矢量的振動方向、傳播方向、相位速度、振幅、頻率和波長。解：平面波電矢量的振動方向為X和Y軸面內角度傳播方向為與X和Y軸成角度負向傳播〔相位速度振幅為復振幅頻率；波長20試確定下列各組光波表示式所代表的偏振態(tài)：〔1〔2〔3解：〔1中二分量的相位差為0,此時為線偏振光。且光振動方向在Ⅰ、Ⅲ象限內?！?中相位差為為右旋橢圓偏振光〔3中為相位差為且又由所以為左旋圓偏振光。21已知冕玻璃對0.3988μm波長光的折射率為n=1.52546,/μm,求光波在該玻璃中的相速度和群速度。解：已知平面光波的想速度,將n=1.52546代入即可求得平面光波的想速度。相速度和群速度之間的關系為,即可求得光波在該玻璃中的群速度。22如圖1-41所示,玻璃塊周圍介質〔水的折射率為1.33,若光束射向玻璃塊的入射角為,問玻璃塊的折射率至少應為多大才能使透入光速發(fā)生全反射？nn解：設玻璃的折射率為由折射定律得〔式中=90-,且時發(fā)生全反射,所以玻璃的折射率滿足,由此解得玻璃的折射率。習題21.何為大氣窗口,試分析光譜位于大氣窗口內的光輻射的大氣衰減因素。對某些特定的波長,大氣呈現(xiàn)出極為強烈的吸收。光波幾乎無法通過。根據(jù)大氣的這種選擇吸收特性,一般把近紅外區(qū)分成八個區(qū)段,將透過率較高的波段稱為大氣窗口。2.何為大氣湍流效應,大氣湍流對光束的傳播產生哪些影響？是一種無規(guī)則的漩渦流動,流體質點的運動軌跡十分復雜,既有橫向運動,又有縱向運動,空間每一點的運動速度圍繞某一平均值隨機起伏。這種湍流狀態(tài)將使激光輻射在傳播過程中隨機地改變其光波參量,使光束質量受到嚴重影響,出現(xiàn)所謂光束截面內的強度閃爍、光束的彎曲和漂移〔亦稱方向抖動、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。3對于3m晶體,試求外場分別加在x、y和z軸方向的感應主折射率及相應的相位延遲。當晶體未加外電場時,主軸坐標系中折射率橢球由下方程描述當晶體施加電場后,其折射率橢球就發(fā)生變形,橢球方程變?yōu)橛捎谕饧与妶龅淖饔?折射率橢球各系數(shù)隨之發(fā)生線形變化,其變化量定義為式中稱為線性電光系數(shù)。其新主軸的半長度分別為設光波沿軸方向傳播,當沿方向加電場時為縱向應用,兩偏振分量的相位延遲分別為,如果沿軸方向加電場,光束傳播方向垂直于軸并與y或x軸成,則其電光效應相位延遲為4一塊—z切割的GaAs晶體,長度為L,電場沿Z方向。證明縱向運用時的相位延遲為。思路證明：當沿方向加電場時為縱向應用,兩偏振分量的相位延遲分別為,因此這兩個光穿過晶體后產生一個相位差,式中是沿Z軸加的電壓。5.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？當光波的兩個垂直分量Ex,Ey的光程差為半個波長〔相應的相位差為時所需要加的電壓,稱為半波電壓。6在電光晶體的縱向應用中,如果光波偏離晶體的一個小角度〔《1傳播,證明由于自然雙折射引起的相位延遲為,式中L為晶體長度。證明：運用晶體橢球方程和光波在晶體中的傳播特性及自然雙折射原理7.若取vs=616m/s,n=2.35,fs=10MHz,0=0.6328m,試估算發(fā)生拉曼-納斯衍射所允許的最大晶體長度Lmax=?由公式計算。8利用應變S與聲強的關系式,證明一級衍射光強與入射光強之比為〔取近似。證明：當入射光強為時,布喇格聲光衍射的1級衍射光強的表達式可寫成,可以用聲致折射率的變化來表示,既,且這樣就有9考慮熔融石英中的聲光布喇格衍射,若取0=0.6328m,n=1.46,vs=m/s,fs=100MHz,計算布喇格角。解：由公式求得10.一束線偏振光經(jīng)過長L=25cm,直徑D=1cm的實心玻璃,玻璃外繞N=250匝導線,通有電流I=5A。取韋爾德常數(shù)為V=0.2510-5〔/cmT,試計算光的旋轉角。由公式和計算。11.概括光纖弱導條件的意義。從理論上講,光纖的弱導特性是光纖與微波圓波導之間的重要差別之一。實際使用的光纖,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。所以弱導的基本含義是指很小的折射率差就能構成良好的光纖波導結構,而且為制造提供了很大的方便。12從光線方程式出發(fā),證明均勻介質中光線的軌跡為直線,非均勻介質中光線一定向折射率高的地方偏斜。證明：由折射定律知,折射率越高,折射角越小,光線一定向折射率高的地方偏斜n13今有一的自聚焦光纖,試畫出一束平行光和會聚光線入射其端面時,光纖中和輸出端面上的光線圖,并說明為什么？解：平方律折射率分布光纖的可表示為其中為工程上定義的纖芯和包層間的相對折射率差。可見平方律梯度光纖具有自聚焦性質,又稱自聚焦光纖。一段長的自聚焦光纖與光學透鏡作用類似,可以匯聚光線和成像。參見P7314光纖色散、帶寬和脈沖展寬之間有什么關系？對光纖傳輸容量產生什么影響？解：光釬的色散會使脈沖信號展寬,既限制了光釬的帶寬或傳輸容量。一般說來,單模光釬的脈沖展寬與色散有下列關系,式中,是總色散,光釬長度,是光信號的譜線寬度。光脈沖展寬與光釬帶寬有一定關系,參見P74。15.光波水下傳輸有哪些特殊問題？解：傳播光束的衰減特性,前向散射和后向散射。習題31.一縱向運用的KDP電光調制器,長為2cm,折射率n=2.5,工作頻率為1000kHz。試求此時光在晶體中的渡越時間及引起的哀減。解：渡越時間為：d=nL/c相位延遲因子：2.在電光調制器中,為了得到線性調制,在調制器中插入一個/4波片,波片的的軸向如何設置最好？若旋轉/4波片,它所提供的直流偏置有何變化？解：其快慢軸與晶體的主軸x成45角,從而使和兩個分量之間產生/2的固定相位差。3為了降低電光調制器的半波電壓,用4塊切割的KD*P晶體連接〔光路串聯(lián),電路并聯(lián)成縱向串聯(lián)式結構,試求：〔1為了使4塊晶體的電光效應逐塊疊加,各晶體的軸應如何取向？〔2若,計算其半波電壓,并與單塊晶體調制器比較。解：互成,其中括號內就是縱向電光效應的半波電壓,即,減小d增加L可以減小半波電壓,與單塊晶體調制器比較其半波電壓減小了。4如果一個縱向電光調制器沒有起偏器,入射的自然光能否得到光強度調制？為什么？解：不能,因為沒有了線偏振光通過晶體后,不能產生相位差。5一個聲光調制器,對He-Ne激光進行調制。已知聲功率,聲光相互作用長度,換能器寬度,試求聲光調制器的布喇格衍射效率。解：,已知,,H,,由,可求得,再代入求得,即可解出。6一個駐波超聲場會對布喇格衍射光場產生什么影響？給出它所造成的頻移和衍射方向。解：對每個聲頻率,具有許多波矢方向不同的聲波分量都能引起光波的衍射。于是相應于每一確定角度的入射光,就有一束發(fā)散角為的衍射光,而每一衍射方向對應不同的頻移。如圖聲波7.用PbMoO4晶體做成一個聲光掃描器,取n=2.48,M2=37.7510-15s3/kg,換能器寬度H=0.5mm。聲波沿光軸方向傳播,聲頻fs=150MHz,聲速vs=3.99105cm/s,光束寬度d=0.85cm,光波長=0.5m。⑴證明此掃描器只能產生正常布喇格衍射；⑵為獲得100%的衍射效率,聲功Ps率應為多大？⑶若布喇格帶寬f=125MHz,衍射效率降低多少？⑷求可分辨點數(shù)N。解：⑴由公式證明不是拉曼-納斯衍射。⑵,⑶若布喇格帶寬f=125MHz,衍射效率降低多少？,⑷用公式和計算。習題44.1比較光子探測器和光熱探測器在作用機理、性能及應用特點等方面的差異。答：光子效應是指單個光子的性質對產生的光電子起直接作用的一類光電效應。探測器吸收光子后,直接引起原子或分子的內部電子狀態(tài)的改變。光子能量的大小,直接影響內部電子狀態(tài)改變的大小。因為,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,其響應速度一般比較快。光熱效應和光子效應完全不同。探測元件吸收光輻射能量后,并不直接引起內部電子狀態(tài)的改變,而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\動能量,引起探測元件溫度上升,溫度上升的結果又使探測元件的電學性質或其他物理性質發(fā)生變化。所以,光熱效應與單光子能量h的大小沒有直接關系。原則上,光熱效應對光波頻率沒有選擇性。只是在紅外波段上,材料吸收率高,光熱效應也就更強烈,所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。因為溫度升高是熱積累的作用,所以光熱效應的響應速度一般比較慢,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是響應于材料的溫度變化率,比其他光熱效應的響應速度要快得多,并已獲得日益廣泛的應用。4.2總結選用光電探測器的一般原則。答：用于測光的光源光譜特性必須與光電探測器的光譜響應特性匹配；考慮時間響應特性；考慮光電探測器的線性特性等。4.3用光敏電阻設計路燈自動點亮器及AGC放大電路。答：CdS探測器和CdSe探測器是兩種低造價的可見光輻射探測器,它們的特點是高可靠性和長壽命,因而廣泛應用于自動化技術和攝影機中的光計量。這兩種器件的光電導增益比較高〔,但相應時間比較長〔大約50ms。故設計一種采用造價低,高可靠性和長壽命的CdS探測器和CdSe探測器作為路燈自動點亮器及AGC放大電路的光敏電阻。4.4已知Si光電池光敏面積為,在光照下,開路電壓,光電流。試求:<1>在〔200700W/光照下,保證線性電壓輸出的負載電阻和電壓變化值；〔2如果取反偏壓V=0.3V,求負載電阻和電壓變化值；〔3如果希望輸出電壓變化量為0.5V,怎么辦？答：,即,4.5如果Si光電二級管靈敏度為,結電容為10pF,光照功率5時,拐點電壓為10V,偏壓40V,光照信號功率,試求；〔1線性最大輸出功率條件下的負載電阻；〔2線性最大輸出功率；〔3響應截止頻率。答：〔1,〔2〔34.6證明證明：已知量子效率,將探測器的通量閾,信噪比,噪聲等效功率逐次代入即可證明。4.7比較直接探測和外差探測技術的應用特點。答：光電探測器的基本功能就是把入射到探測器上的光功率轉換為相應的光電流。即,光電流是光電探測器對入射光功率的響應。因此,只要待傳遞的信息表現(xiàn)為光功率的變化,利用光電探測器的這種直接光電轉換功能就能實現(xiàn)信息的解調,這種探測方式通常稱為直接探測。而光頻外差探測基于兩束光波在光電探測器光敏面上的相干效應,所以光頻外差探測也常常稱為光波的相干探測。習題55.1以表面溝道CCD為例,簡述CCD電荷存儲、轉移、輸出的基本原理。CCD的輸出信號有什么特點？答：構成CCD的基本單元是MOS<金屬-氧化物-半導體>電容器。正如其它電容器一樣,MOS電容器能夠存儲電荷。如果MOS結構中的半導體是P型硅,當在金屬電極〔稱為柵上加一個正的階梯電壓時〔襯底接地,Si-SiO2界面處的電勢〔稱為表面勢或界面勢發(fā)生相應變化,附近的P型硅中多數(shù)載流子——空穴被排斥,形成所謂耗盡層,如果柵電壓VG超過MOS晶體管的開啟電壓,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能較低,我們可以形象化地說：半導體表面形成了電子的勢阱,可以用來存儲電子。當表面存在勢阱時,如果有信號電子〔電荷來到勢阱及其鄰近,它們便可以聚集在表面。隨著電子來到勢阱中,表面勢將降低,耗盡層將減薄,我們把這個過程描述為電子逐漸填充勢阱。勢阱中能夠容納多少個電子,取決于勢阱的"深淺",即表面勢的大小,而表面勢又隨柵電壓變化,柵電壓越大,勢阱越深。如果沒有外來的信號電荷。耗盡層及其鄰近區(qū)域在一定溫度下產生的電子將逐漸填滿勢阱,這種熱產生的少數(shù)載流子電流叫作暗電流,以有別于光照下產生的載流子。因此,電荷耦合器件必須工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài),才能存儲電荷。以典型的三相CCD為例說明CCD電荷轉移的基本原理。三相CCD是由每三個柵為一組的間隔緊密的MOS結構組成的陣列。每相隔兩個柵的柵電極連接到同一驅動信號上,亦稱時鐘脈沖。三相時鐘脈沖的波形如下圖所示。在t1時刻,φ1高電位,φ2、φ3低電位。此時φ1電極下的表面勢最大,勢阱最深。假設此時已有信號電荷〔電子注入,則電荷就被存儲在φ1電極下的勢阱中。t2時刻,φ1、φ2為高電位,φ3為低電位,則φ1、φ2下的兩個勢阱的空阱深度相同,但因φ1下面存儲有電荷,則φ1勢阱的實際深度比φ2電極下面的勢阱淺,φ1下面的電荷將向φ2下轉移,直到兩個勢阱中具有同樣多的電荷。t3時刻,φ2仍為高電位,φ3仍為低電位,而φ1由高到低轉變。此時φ1下的勢阱逐漸變淺,使φ1下的剩余電荷繼續(xù)向φ2下的勢阱中轉移。t4時刻,φ2為高電位,φ1、φ3為低電位,φ2下面的勢阱最深,信號電荷都被轉移到φ2下面的勢阱中,這與t1時刻的情況相似,但電荷包向右移動了一個電極的位置。當經(jīng)過一個時鐘周期T后,電荷包將向右轉移三個電極位置,即一個柵周期〔也稱一位。因此,時鐘的周期變化,就可使CCD中的電荷包在電極下被轉移到輸出端,其工作過程從效果上看類似于數(shù)字電路中的移位寄存器。電荷輸出結構有多種形式,如"電流輸出"結構、"浮置擴散輸出"結構及"浮置柵輸出"結構。其中"浮置擴散輸出"結構應用最廣泛,。輸出結構包括輸出柵OG、浮置擴散區(qū)FD、復位柵R、復位漏RD以及輸出場效應管T等。所謂"浮置擴散"是指在P型硅襯底表面用V族雜質擴散形成小塊的n+區(qū)域,當擴散區(qū)不被偏置,即處于浮置狀態(tài)工作時,稱作"浮置擴散區(qū)"。電荷包的輸出過程如下：VOG為一定值的正電壓,在OG電極下形成耗盡層,使φ3與FD之間建立導電溝道。在φ3為高電位期間,電荷包存儲在φ3電極下面。隨后復位柵R加正復位脈沖φR,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。復位正脈沖過去后FD區(qū)與RD區(qū)呈夾斷狀態(tài),FD區(qū)具有一定的浮置電位。之后,φ3轉變?yōu)榈碗娢?φ3下面的電荷包通過OG下的溝道轉移到FD區(qū)。此時FD區(qū)〔即A點的電位變化量為：式中,QFD是信號電荷包的大小,C是與FD區(qū)有關的總電容〔包括輸出管T的輸入電容、分布電容等。CCD輸出信號的特點是：信號電壓是在浮置電平基礎上的負電壓；每個電荷包的輸出占有一定的時間長度T。；在輸出信號中疊加有復位期間的高電平脈沖。據(jù)此特點,對CCD的輸出信號進行處理時,較多地采用了取樣技術,以去除浮置電平、復位高脈沖及抑制噪聲。5.2何謂幀時、幀速？二者之間有什么關系？答：完成一幀掃描所需的時間稱為幀時Tf<s>,單位時間完成的幀數(shù)稱為幀速〔幀／s：。5.3用凝視型紅外成像系統(tǒng)觀察30公里遠,10米×10米的目標,若紅外焦平面器件的像元大小是50μm×50μm,假設目標像占4個像元,則紅外光學系統(tǒng)的焦距應為多少？若紅外焦平面器件是128×128元,則該紅外成像系統(tǒng)的視場角是多大？答：水平及垂直視場角：5.4試說明在紅外成像系統(tǒng)中進行直流恢復的原因。答：信號中的直流成分常常需要在信號處理之前用隔直流的方法將其去掉,這不僅可使信號處理變得簡單,而且可達到抑制背景和削弱噪聲的目的。但是在采用交流耦合時也存在兩個較大的問題,其一是由RC組成的高通交流耦合電路,在對目標進行掃描時會產生兩種圖像缺陷,參見P191,為了減小圖像缺陷,需要采用直流恢復技術。一種直流恢復方案參見P192.5.5一目標經(jīng)紅外成像系統(tǒng)成像后供人眼觀察,在某一特征頻率時,目標對比度為0.5,大氣的MTF為0.9,探測器的MTF為0.5,電路的MTF為0.95,CRT的MTF為0.5,則在這一特征頻率下,光學系統(tǒng)的MTF至少要多大？答：5.6紅外成像系統(tǒng)A的NETDA小于紅外成像系統(tǒng)B的NETDB,能否認為紅外成像系統(tǒng)A對各種景物的溫度分辨能力高于紅外成像系統(tǒng)B,試簡述理由。答：不能。NETD反映的是系統(tǒng)對低頻景物〔均勻大目標的溫度分辨率,不能表征系統(tǒng)用于觀測較高空間頻率景物時的溫度分辨性能。5.7試比較帶像增強器的CCD、薄型背向照明CCD和電子轟擊型CCD器件的特點。答：帶像增強器的CCD器件是將光圖像聚焦在像增強器的光電陰極上,再經(jīng)像增強器增強后耦合到電荷耦合器件〔CCD上實現(xiàn)微光攝像〔簡稱ICCD。最好的ICCD是將像增強器熒光屏上產生的可見光圖像通過光纖光錐直接耦合到普通CCD芯片上。像增強器內光子－電子的多次轉換過程使圖像質量受到損失,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,對比度下降及動態(tài)范圍減小,影響成像質量。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CCD器件克服了普通前向照明CCD的缺陷。光從背面射入,遠離多晶硅,由襯底向上進行光電轉換,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％,與低噪聲制造技術相結合后可得到30個電子噪聲背景的CCD,相當于在沒有任何增強手段下照度為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,但當照度低于10-6lx〔靶面照度時,只能依賴圖像增強環(huán)節(jié)來提高器件增益,克服CCD噪聲的制約。電子轟擊型CCD器件是將背向照明CCD當作電子轟擊型CCD的"陽極",光電子從電子轟擊型CCD的"光陰極"發(fā)射直接"近貼聚焦"到CCD基體上,光電子通過CCD背面進入后,硅消耗入射光子能量產生電子空穴對,進而發(fā)生電子轟擊半導體倍增,電子轟擊過程產生的噪聲比用微通道板倍增產生的噪聲低得多,與它獲得的3000倍以上增益相比是微不足到的。電子轟擊型CCD器件采用電子從"光陰極"直接射入CCD基體的成像方法,簡化了光子被多次轉換的過程,信噪比大大提高,與ICCD相比,電子轟擊型CCD具有體積小、重量輕、可靠性高、分辨率高及對比度好的優(yōu)點。5.8試說明光纖束的排列方式對傳像束分辨率的影響。答：分辨率作為傳輸圖像的傳像束,其重要的指標是其傳輸圖像的分表率,它不僅與組成傳像束的單根光纖直徑有關,而且與光纖束的排列方式和排列緊密程度有關。參見P207理論和實踐證明,正六角形排列的傳像束比正方形排列的傳像束的分辨率要高,故大多數(shù)的傳像光纖束均為正六角形排列。習題66.1試分析在向列相液晶中線偏振的傳播特性。答：向列相液晶分子的排列和運動比較自由,對外界電、磁場、溫度、應力都比較敏感,是目前顯示器件的主要材料。參見P215：液晶的雙折射特性和光學性質。6.1試說明自會聚彩色顯像管的特點。答：精密直列式電子槍；開槽蔭罩和條狀熒光屏；精密環(huán)形偏轉線圈。6.2如圖6.15所示,光在向列液晶中傳播,且,試分析當位相差為0,π/4,π/2,3π/4,π,5π/4,3π/2,7π/4和2π時,輸出光的偏振狀態(tài)。答：線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光、線偏振光、橢圓偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光、線偏振光6.2試比較TN－LCD和STN－LCD的特點。答：TN－LCD利用了扭曲向列相液晶的旋光特性,液晶分子的扭曲角為90o,它的電光特性曲線不夠陡峻,由于交叉效應,在采用無源矩陣驅動時,限制了其多路驅動能力。STN－LCD的扭曲角在180o—240o范圍內,曲線陡度的提高允許器件工作在較多的掃描行數(shù)下,利用了超扭曲和雙折射兩個效應,是基于光學干涉的顯示器件。STN-LCD所用的液晶材料是在特定的TN材料中添加少量手征性液晶以增加它的扭曲程度,盒厚較薄,一般5-7μm。STN-LCD的工藝流程基本上和TN-LCD類似,但由于STN-LCD是基于光干涉效應的顯示器件,對盒厚的不均勻性要求＜0.05μm<TN-LCD只要求＜0.5μm>,否則就會出底色不均勻,預傾角要求達到3o～8o,電極精細,器件尺寸較大,因此其規(guī)模生產難度較TN-LCD大許多。6.3試說明充氣放電管伏安特性中擊穿電壓和放電維持電壓的概念。答：曲線AC段屬于非自持放電,在非自持放電時,參加導電的電子主要是由外界催離作用〔如宇宙射線、放射線、光、熱作用造成的,當電壓增加,電流也隨之增加并趨于飽和,C點之前稱為暗放電區(qū),放電氣體不發(fā)光。隨著電壓增加,到達C點后,放電變?yōu)樽猿址烹?氣體被擊穿,電壓迅速下降,變成穩(wěn)定的自持放電〔圖中EF段,EF段被稱為正常輝光放電區(qū),放電在C點開始發(fā)光,不穩(wěn)定的CD段是欠正常的輝光放電區(qū),C點電壓Vf,稱為擊穿電壓或著火電壓、起輝電壓,EF段對應的電壓VS稱為放電維持電壓。6.4試說明注入電致發(fā)光和高場電致發(fā)光的基本原理。答：注入電致發(fā)光是在半導體PN結加正偏壓時產生少數(shù)載流子注入,與多數(shù)載流子復合發(fā)光。高場電致發(fā)光是將發(fā)光材料粉末與介質的混合體或單晶薄膜夾持于透明電極板之間,外施電壓,由電場直接激勵電子與空穴復合而發(fā)光6.5試給出一種實現(xiàn)大屏幕顯示〔顯示面積大于1的方法,并給出其驅動方式。答：單色等離子體顯示,采用AC-PDP的驅動。習題77.1試比較光纖通信中直接調制和間接調制的特點。答：直接調制是用電信號直接調制半導體激光器或發(fā)光二極管的驅動電流,使輸出光強隨電信號變化。這種方案技術簡單成本低,容易實現(xiàn),但調制速率受激光器的頻率特性所限制。間接調制〔也稱外調制是把激光的產生和調制分開,用獨立的調制器調制激光器的輸出光而實現(xiàn)的。外調制的優(yōu)點是調制速率高,缺點是技術復雜,成本較高,因此只有在大容量的波分復用和相干光通信系統(tǒng)中使用。7.2試舉出激光雷達的三種實際應用。答：應用激光雷達系統(tǒng)從地面、飛機、艦船和空間平臺上對人們感興趣的目標進行測距和跟蹤。以遠距離測量環(huán)境狀態(tài)為目的,對大氣、水域、陸地的各種狀態(tài)進行測量。〔1空中交通管制是應用激光雷達的極好領域,激光雷達