光電子技術(shù)課后習(xí)題答案-縮印版的,用途,你都懂得!.doc

習(xí) 題 11. 設(shè)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(qiáng)度為Ie的點(diǎn)源S，如圖所示。試計算該點(diǎn)源發(fā)射到盤圓的輻射功率。l0SRc第1題圖 ， 2. 如圖所示，設(shè)小面源的面積為DAs，輻射亮度為Le，面源法線與l0的夾角為qs；被照面的面積為DAc，到面源DAs的距離為l0。若qc為輻射在被照面DAc的入射角，試計算小面源在DAc上產(chǎn)生的輻射照度。LeDAsDAcl0qsqc第2題圖義和求解。4. 霓虹燈發(fā)的光是熱輻射嗎？不是熱輻射。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lm隨溫度T的升高而減小。試由普朗克熱輻射公式導(dǎo)出。這一關(guān)系式稱為維恩位移定律，其中常數(shù)為2.89810-3mK。 普朗克熱輻射公式求一階導(dǎo)數(shù)，令其等于0，即可求的。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？按色溫區(qū)分。習(xí) 題 21. 何為大氣窗口，試分析光譜位于大氣窗口內(nèi)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(qiáng)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(yīng)，大氣湍流對光束的傳播產(chǎn)生哪些影響？是一種無規(guī)則的漩渦流動，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡十分復(fù)雜，既有橫向運(yùn)動，又有縱向運(yùn)動，空間每一點(diǎn)的運(yùn)動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程中隨機(jī)地改變其光波參量，使光束質(zhì)量受到嚴(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）、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)。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(dāng)光波的兩個垂直分量Ex，Ey的光程差為半個波長（相應(yīng)的相位差為p）時所需要加的電壓，稱為半波電壓。7. 若取vs=616m/s，n=2.35， fs=10MHz，l0=0.6328mm，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。10. 一束線偏振光經(jīng)過長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。取韋爾德常數(shù)為V=0.2510-5（）/cmT，試計算光的旋轉(zhuǎn)角q。由公式和計算。11. 概括光纖弱導(dǎo)條件的意義。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)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。15. 光波水下傳輸有那些特殊問題？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，接收器的快門關(guān)閉，這時朝向接收器的連續(xù)后向散射光便無法進(jìn)入接收器。當(dāng)水下目標(biāo)反射的光脈沖信號返回到接收器時，接收器的快門突然打開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。習(xí) 題 31. 一縱向運(yùn)用的KDP電光調(diào)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相位延遲。渡越時間為：td=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l/4波片，波片的的軸向如何設(shè)置最好？若旋轉(zhuǎn)l/4波片，它所提供的直流偏置有何變化？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(chǎn)生p/2的固定相位差。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l=0.5mm。 證明此掃描器只能產(chǎn)生正常布喇格衍射； 為獲得100%的衍射效率，聲功Ps率應(yīng)為多大？ 若布喇格帶寬Df=125MHz，衍射效率降低多少？ 求可分辨點(diǎn)數(shù)N。 由公式證明不是拉曼-納斯衍射。 ， 若布喇格帶寬Df=125MHz，衍射效率降低多少？， 用公式和計算。習(xí) 題 44.1 比較光子探測器和光熱探測器在作用機(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?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，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動能量，引起探測元件溫度上升,溫度上升的結(jié)果又使探測元件的電學(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的大小沒有直接關(guān)系。原則上，光熱效應(yīng)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(yīng)也就更強(qiáng)烈，所以廣泛用于對紅外線輻射的探測。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。4.2 總結(jié)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(yīng)特性匹配；考慮時間響應(yīng)特性；考慮光電探測器的線性特性等。習(xí) 題 55.1 以表面溝道CCD為例，簡述CCD電荷存儲、轉(zhuǎn)移、輸出的基本原理。CCD的輸出信號有什么特點(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，MOS電容器能夠存儲電荷。如果MOS結(jié)構(gòu)中的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)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(yīng)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(dǎo)體表面形成了電子的勢阱，可以用來存儲電子。當(dāng)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(chǎn)生的電子將逐漸填滿勢阱，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)，才能存儲電荷。以典型的三相CCD為例說明CCD電荷轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)組成的陣列。每相隔兩個柵的柵電極連接到同一驅(qū)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，1高電位，2、3低電位。此時1電極下的表面勢最大，勢阱最深。假設(shè)此時已有信號電荷（電子）注入，則電荷就被存儲在1電極下的勢阱中。t2時刻，1、2為高電位，3為低電位，則1、2下的兩個勢阱的空阱深度相同，但因1下面存儲有電荷，則1勢阱的實(shí)際深度比2電極下面的勢阱淺，1下面的電荷將向2下轉(zhuǎn)移，直到兩個勢阱中具有同樣多的電荷。t3時刻，2仍為高電位，3仍為低電位，而1由高到低轉(zhuǎn)變。此時1下的勢阱逐漸變淺，使1下的剩余電荷繼續(xù)向2下的勢阱中轉(zhuǎn)移。t4時刻，2為高電位，1、3為低電位，2下面的勢阱最深，信號電荷都被轉(zhuǎn)移到2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(dāng)經(jīng)過一個時鐘周期T后，電荷包將向右轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(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，稱作“浮置擴(kuò)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3與FD之間建立導(dǎo)電溝道。在3為高電位期間，電荷包存儲在3電極下面。隨后復(fù)位柵R加正復(fù)位脈沖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，3轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢唬?下面的電荷包通過OG下的溝道轉(zhuǎn)移到FD區(qū)。此時FD區(qū)（即A點(diǎn)）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(guān)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(diǎn)是：信號電壓是在浮置電平基礎(chǔ)上的負(fù)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(fù)位期間的高電平脈沖。據(jù)此特點(diǎn)，對CCD的輸出信號進(jìn)行處理時，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。5.2 何謂幀時、幀速？二者之間有什么關(guān)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(yuǎn)，10米10米的目標(biāo)，若紅外焦平面器件的像元大小是50m50m，假設(shè)目標(biāo)像占4個像元，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128128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： 5.5 一目標(biāo)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(biāo)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(xué)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(rèn)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(biāo)）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(qiáng)器的CCD、薄型背向照明CCD和電子轟擊型CCD器件的特點(diǎn)。答：帶像增強(qiáng)器的CCD器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）上實(shí)現(xiàn)微光攝像（簡稱ICCD）。最好的ICCD是將像增強(qiáng)器熒光屏上產(chǎn)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(qiáng)器內(nèi)光子電子的多次轉(zhuǎn)換過程使圖像質(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，對比度下降及動態(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CCD器件克服了普通前向照明CCD的缺陷。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個電子噪聲背景的CCD，相當(dāng)于在沒有任何增強(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，只能依賴圖像增強(qiáng)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(dāng)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(jìn)入后，硅消耗入射光子能量產(chǎn)生電子空穴對，進(jìn)而發(fā)生電子轟擊半導(dǎo)體倍增，電子轟擊過程產(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(zhuǎn)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(diǎn)。習(xí) 題 66.1 試說明自會聚彩色顯像管的特點(diǎn)。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(zhuǎn)線圈。6.2 如圖6.15所示，光在向列液晶中傳播，且試分析當(dāng)位相差為0，/4,/2,3/4,5/4,3/2,7/4和2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6.3 試比較TNLCD和STNLCD的特點(diǎn)。答：TNLCD利用了扭曲向列相液晶的旋光特性，液晶分子的扭曲角為90，它的電光特性曲線不夠陡峻，由于交叉效應(yīng)，在采用無源矩陣驅(qū)動時，限制了其多路驅(qū)動能力。STNLCD的扭曲角在180240范圍內(nèi)，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(yīng)，