光電子技術(shù)(第二版)答案詳解

1、光電子技術(shù)（第二版）答案詳解第一章1. 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(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)射到盤圓的輻射功率。l0SRc第1.1題圖解：因?yàn)椋?且 所以LeDAsDAcl0qsqc第1.2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(jì)算小面源在DAc上產(chǎn)生的輻射照度。解：亮度定義:強(qiáng)度定義:可得輻射通量：在給定方向上立體角為：則在小面源在DAc上輻射照度為：3.假如有一個(gè)按朗伯余弦定律發(fā)射輻射的大擴(kuò)展源（如紅外裝

2、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Ad的探測(cè)器表面上產(chǎn)生的輻照度。答：由得，且則輻照度：4. 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氖或氬等惰性氣體，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，這一過程稱為電致發(fā)光過程。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lm隨溫度T的升高而減小。試由普朗克熱輻射公式導(dǎo)出。 答：這一關(guān)系式稱為維恩位移定律，其中常數(shù)為2.898´10-3m&

3、#183;K。 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M與溫度T的四次方成正比，即這一關(guān)系式稱斯特藩-波耳茲曼定律，其中常數(shù)為5.67´10-8W/m2K4解答：教材P9，并參見大學(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。你知道這是按什么區(qū)分的嗎？按色溫區(qū)分。10 為頻率在間黑體輻射能量密度，為波長在 間黑體輻射能量密度。已知 ，試求。解答：由，通過全微分進(jìn)行計(jì)算。11 如果激光器和微波器分別在=10m，=500nm和=3000MHz輸出一瓦的連續(xù)功率，問每秒鐘從激光

4、上能級(jí)向下能級(jí)躍遷的粒子數(shù)分別是多少？ 解答： ，12 設(shè)一對(duì)激光能級(jí)為E2和E1（g2=g1），相應(yīng)的頻率為（波長為），各能級(jí)上的粒子數(shù)為n2和n1。求（1）當(dāng)=3000MHz，T=300K時(shí)，n2/n1=？（2）當(dāng)=1m，T=300K時(shí)，n2/n1=？（3）當(dāng)=1m，n2/n1=0.1 溫度T=？。 解答：13 試證明，由于自發(fā)輻射，原子在E2能級(jí)的平均壽命。 解答： 參見教材P1214 焦距f是共焦腔光束特性的重要參數(shù)，試以f表示， 。 由于f和是一一對(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、，。 解答：15 今有一球面腔，R1=1.5m，R2=-1m，L=0.8m。

5、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： 穩(wěn)定強(qiáng)條件：，求出g1和g2為腔參數(shù)。16 某高斯光束=1.2mm，求與束腰相距0.3m，10m和1000m遠(yuǎn)處的光斑的大小及波前曲率半徑R。 解答：第二章1. 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。答：對(duì)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(gè)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(duì)光束的傳播產(chǎn)生哪些影響？答：是一種無規(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

6、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(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）解：鈮酸鋰晶體是負(fù)單軸晶體，即nx=ny=n0、nzne 。它所屬的三方晶系3m點(diǎn)群電光系數(shù)有四個(gè)，即22、13、33、51。電光系數(shù)矩陣為：由此可得鈮酸鋰晶體在外加電場(chǎng)后的折射率橢球方程為： （1）通常情況下，鈮酸鋰晶體采用450z切割，沿x軸或y軸加壓

7、，z軸方向通光，即有Ez=Ey=0,且Ex0。晶體主軸x,y要發(fā)生旋轉(zhuǎn)，上式變?yōu)椋?（2）因，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，z=z （3）將上式代入2式，取消除交叉項(xiàng)，得新坐標(biāo)軸下的橢球方程為： （4）可求出三個(gè)感應(yīng)主軸x、y、z（仍在z方向上）上的主折射率變成： （5） 可見，在x方向電場(chǎng)作用下，鈮酸鋰晶體變?yōu)殡p軸晶體，其折射率橢球z軸的方向和長度基本保持不變，而x,y截面由半徑為n0變?yōu)闄E圓，橢圓的長短軸方向x y相對(duì)原來的x y軸旋轉(zhuǎn)了450，轉(zhuǎn)角的大小與外加電場(chǎng)的大小無關(guān)，而橢圓的長度nx，ny的大小與外

8、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)過長度為的晶體后，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： （6） 若為晶體在x方向的橫向尺寸，為加在晶體x方向兩端面間的電壓。通過晶體使光波兩分量產(chǎn)生相位差（光程差/2）所需的電壓，稱為“半波電壓”，以表示。由上式可得出鈮酸鋰晶體在以（x-z）方式運(yùn)用時(shí)的半波電壓表示式： （7）由（7）式可以看出，鈮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，還與晶體長度比/有關(guān)系。因此，實(shí)際運(yùn)用中，為了減小外加電壓，通常使/有較大值，即晶體通常被加工成細(xì)長的扁長方體。4一塊45度-z切割的GaAs晶體，長度為L，電場(chǎng)沿

9、z方向，證明縱向運(yùn)用時(shí)的相位延遲為。解：GaAs晶體為各向同性晶體，其電光張量為： （1）z軸加電場(chǎng)時(shí)，EzE，Ex=Ey=0。晶體折射率橢球方程為： （2）經(jīng)坐標(biāo)變換，坐標(biāo)軸繞z軸旋轉(zhuǎn)45度后得新坐標(biāo)軸，方程變?yōu)椋?（3）可求出三個(gè)感應(yīng)主軸x、y、z（仍在z方向上）上的主折射率變成： （4） 縱向應(yīng)用時(shí)，經(jīng)過長度為L的晶體后，兩個(gè)正交的偏振分量將產(chǎn)生位相差： （5）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？答：當(dāng)光波的兩個(gè)垂直分量Ex¢，Ey¢的光程差為半個(gè)波長（相應(yīng)的相位差為p）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

10、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，式中L為晶體長度。解：，得自然雙折射引起的相位延遲：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=?解：由公式計(jì)算。答案：3.523mm。8 利用應(yīng)變S與聲強(qiáng)Is的關(guān)系，證明一級(jí)衍射光強(qiáng)I1與入射光強(qiáng)I0之比為（近似?。?解答：用公式作近似？9. 由布拉格衍射方程直接計(jì)算，答案：sinB=0.0036310. 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=0.25&#

11、180;10-5（¢）/cm·T，試計(jì)算光的旋轉(zhuǎn)角q。解：由公式和計(jì)算。答案：0.312511. 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)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 2.5.3 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。一般說來，單模光纖的脈沖展寬與色散有下列關(guān)系：即由于各

12、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

13、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?？捎孟率奖硎尽?光功率總是要用光電子器件來檢測(cè)，而光檢測(cè)器輸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(shí)，接收器的快門關(guān)閉，這時(shí)朝向接收器的連續(xù)后向散射光便

14、無法進(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。第三章1. 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(shí)光在晶體中的渡越時(shí)間及引起的相位延遲。解：0.167nS渡越時(shí)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(gè)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？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p/2的固定相位差。3當(dāng)電場(chǎng)反向施加時(shí)，晶體

15、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。自然光通過電光調(diào)制器后，不能形成固定相位差。5 一個(gè)PbMoO4聲光調(diào)制器，對(duì)He-Ne激光進(jìn)行調(diào)制。已知聲功率Ps=1W，聲光相互作用長度L=1.8mm，換能器寬度H=0.8mm，M2=36.3´10-15s3/kg，試求PbMoO4聲光調(diào)制器的布喇格衍射效率？ 解答：計(jì)算可得71.16 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：，即 （動(dòng)量守

16、恒） （能量守恒）（能量守恒）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，可以用矢量圖來表示上述關(guān)系，如圖所示圖中為聲波矢量， 為入射光波矢量。為衍射光波矢量。因?yàn)?，fs 在1010Hz以下，在1013Hz以上，所以衍射光的頻率偏移可以忽略不計(jì)。則 在上面的等腰三角形中 布拉格條件： 和書中推導(dǎo)的布拉格條件相同。入射光的布拉格角只由光波長，聲波長決定。 7. 用PbMoO4晶體做成一個(gè)聲光掃描器，取n=2.48，M2=37.75´10-15s3/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=3.99´105cm/s，光束寬度d

17、=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。解： 由公式證明不是拉曼-納斯衍射。 ，答案功率為0.195W。 若布喇格帶寬Df=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)椋?/p>

18、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的大小沒有直接關(guān)系。原則上，光熱效應(yīng)對(duì)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(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

19、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。2 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´10mm2，在1000W/m2光照下，開路電壓,光電流.(1)在（200700）W/m2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=0.3V，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0.5V，怎么辦？ 解答：（1），（2）在上面計(jì)算公式中，

20、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時(shí)，拐點(diǎn)電壓為10V，偏壓40V，光照信號(hào)功率，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：（1）（2） （3）6 證明 第五章5.1 以表面溝道CCD為例，簡(jiǎn)述CCD電荷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移、輸出的基本原理。CCD的輸出信號(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，MOS電容器能夠存儲(chǔ)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(gè)正

21、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(shì)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(shì)阱，可以用來存儲(chǔ)電子。當(dāng)表面存在勢(shì)阱時(shí)，如果有信號(hào)電子（電荷）來到勢(shì)阱及其鄰近，它們便可以聚集在表面。隨著電子來到勢(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)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。如果沒有

22、外來的信號(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CCD為例說明CCD電荷轉(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結(jié)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t1時(shí)刻，1高電位，2、3低電位。此時(shí)1電極下的表面勢(shì)最大，勢(shì)阱最深。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1電極下的勢(shì)阱中。t2時(shí)刻，1、2為高電位，3為低電位，則1、2下的兩個(gè)勢(shì)阱的

23、空阱深度相同，但因1下面存儲(chǔ)有電荷，則1勢(shì)阱的實(shí)際深度比2電極下面的勢(shì)阱淺，1下面的電荷將向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，2仍為高電位，3仍為低電位，而1由高到低轉(zhuǎn)變。此時(shí)1下的勢(shì)阱逐漸變淺，使1下的剩余電荷繼續(xù)向2下的勢(shì)阱中轉(zhuǎn)移。t4時(shí)刻，2為高電位，1、3為低電位，2下面的勢(shì)阱最深，信號(hào)電荷都被轉(zhuǎn)移到2下面的勢(shì)阱中，這與t1時(shí)刻的情況相似，但電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)電極的位置。當(dāng)經(jīng)過一個(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。

24、 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(chǔ)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

25、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(shí)FD區(qū)（即A點(diǎn)）的電位變化量為： 式中，QFD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）。 CCD輸出信號(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；每個(gè)電荷包的輸出占有一定的時(shí)間長度T。；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的輸出信號(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。5.2 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)Tf(s)，單位時(shí)

26、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50m×50m，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128×128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： 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(shí)，目標(biāo)對(duì)比度為0.5,大氣的MTF為0.9，探測(cè)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)

27、B的NETDB，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。NETD反映的是系統(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(jiǎn)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

28、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(gè)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(shí)，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(duì)，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(jiǎn)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