光電檢測(cè)技術(shù)考點(diǎn)整理

1、光電檢測(cè)技術(shù)考點(diǎn)整理一、填空題（35分）1. 能帶形成原因電子共有化。2.本征吸收在長(zhǎng)波方向存在一個(gè)界限，稱為長(zhǎng)波限。也稱紅線： 半導(dǎo)體的禁帶寬度愈窄，長(zhǎng)波限愈長(zhǎng)。 摻雜半導(dǎo)體的長(zhǎng)波限大于本征半導(dǎo)體的長(zhǎng)波限。 本征吸收發(fā)生條件：光子能量必須大于等于材料禁帶寬度：3. 載流子包括自由電子和自由空穴。4. N型：由施主（易釋放電子的原子）能級(jí)激發(fā)到導(dǎo)帶中去的電子來(lái)導(dǎo)電的半導(dǎo) 體稱為N型半導(dǎo)體。 自由電子的濃度自由空穴濃度；施主能級(jí)Ed靠近導(dǎo)帶Ec；施主電離能Ed，電子更容易躍遷到導(dǎo)帶。 P型：由受主（容易獲取電子）控制材料導(dǎo)電性的半導(dǎo)體。自由空穴的濃度自由電子濃度；受主能級(jí)Ea靠近價(jià)帶Ev；受主電

2、離能Ea，電子更容易躍遷到受主能級(jí)。5.載流子復(fù)合過(guò)程一般有直接復(fù)合和間接復(fù)合兩種。 摻雜半導(dǎo)體一間接復(fù)合為主。 同一類材料摻雜半導(dǎo)體吸收光的長(zhǎng)波限比本征半導(dǎo)體吸收光的長(zhǎng)波限長(zhǎng)。6. 單色輻出度：任何物體的單色輻出度和單色吸收比之比，等于同一溫度時(shí)絕對(duì) 黑體的單色輻出度。 ，含義：物體光譜發(fā)射率總等于其光譜吸收比， 也就是強(qiáng)吸收體必然是強(qiáng)發(fā)射體。7. 黑體中溫度位移關(guān)系（維恩位移定律）：，B不變。 得：當(dāng)絕對(duì)黑體的溫度增高時(shí)，單色輻出度的最大值向短波方向移動(dòng)。 絕對(duì)黑體的光譜吸收比是物體的光譜發(fā)射率；稱：？8. 光電二極管：加反偏電壓 工作物質(zhì) 激光器 諧振腔 電學(xué)光泵 泵浦原 化學(xué)光泵 熱學(xué)

3、光泵 光學(xué)光泵 發(fā)光二極管：加正偏電壓 激光器（優(yōu)）與發(fā)光二極管（缺）比較優(yōu)點(diǎn)：高亮度、單色性好（相干性）、方 向性強(qiáng)。 液晶：被動(dòng)型發(fā)光。9. 半導(dǎo)體結(jié)型光器件按結(jié)的種類不同，分為：PN結(jié)型、PIN結(jié)型和肖特基結(jié)型 等。 頻率特性：結(jié)型光電器件當(dāng)光照變化很快時(shí)，光電流滯后光照變化； 硅光電池負(fù)載大時(shí)頻率特性變差。 硅光電二極管：光生載流子，少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)為主的光電流。 硅光電池：零偏置下工作（可不加外電壓）； 當(dāng)IL=0，RL=（開(kāi)路），（IP是光電流，是反 向飽和電流，是光電池加反向偏壓后出現(xiàn)的暗電流。）； RL=0（短路），（是光電池的光電靈敏度；E是入 射光照度）。短路電流線性好。

4、10. 光電導(dǎo)器件中（光敏電阻）一般采用N型半導(dǎo)體制作（電子遷移率比空穴大）； 當(dāng)光照的增加的時(shí)候電導(dǎo)率增加，光電流增加，電阻率下降。 光敏電阻的噪聲分為：產(chǎn)生-復(fù)合噪聲、熱噪聲、噪聲。11.光敏電阻的光電流與L的平方成反比，L越小，光敏性越大；12.真空光電器件包括光電管和光電倍增管兩類。 能夠產(chǎn)生光電發(fā)射效應(yīng)的物體稱為光電發(fā)射體，又稱為光電陰極。 光電陰極（入射、出射方向）分為：透射型（半透明光電陰極）和反射型（不 透明光電陰極）。13. PSD（光電位置傳感器）PIN做的； PSD分為一維PSD和二維PSD。 二維PSD按其電極位置分為：兩面分離型PSD、表面分離型PSD和改進(jìn)表 面分離

5、型PSD。14.變像管把各種不可見(jiàn)輻射圖像轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光圖像的真空光電成像器件。 攝像管利用外光電效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的攝像管，光電發(fā)射型攝像管。由 光導(dǎo)靶和電子束掃描區(qū)構(gòu)成。 視像管利用內(nèi)光電效應(yīng)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的攝像管，光電導(dǎo)型攝像管。包括 光電陰極、移像區(qū)、存儲(chǔ)靶和電子束掃描區(qū)。15. 固體成像器件有兩大類：電荷耦合器件（CCD）； 自掃描光電二極管列陣（SSPD),又稱MOS圖像傳 感器。 CCD組成：信號(hào)輸入部分、電荷轉(zhuǎn)移部分、信號(hào)輸出部分； CCD信號(hào)是：電荷； CCD信號(hào)轉(zhuǎn)移區(qū)形式： 線陣CCD：?jiǎn)闻艂鬏斀Y(jié)構(gòu)、雙排傳輸結(jié)構(gòu) 面陣CCD：幀轉(zhuǎn)移型（FT）、行間轉(zhuǎn)移型（ILT） （內(nèi)線轉(zhuǎn)移）

6、SSPD工作在電荷存儲(chǔ)方式（自掃描）。16. 紅外探測(cè)器能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。 紅外探測(cè)器分為：熱探測(cè)器、光子探測(cè)器。17. 光電倍增管接地形式： 陰極接地、 陽(yáng)極接地（用得更多）保護(hù)器件。18. 光纖損耗分為：吸收損耗、散射損耗； 階躍型光纖傳光原理全反射； 材料色散 光纖色散 波導(dǎo)色散 模式色散（單模無(wú)） 模式色散材料色散波導(dǎo)色散； 光纖分類（模式數(shù)量） 單模光纖 多模光纖 衡量聚光能力參數(shù)數(shù)值孔徑（NA）：只與光纖材料折射率有關(guān)，與光纖 半徑無(wú)關(guān)； 光強(qiáng)調(diào)制型 功能型 相位調(diào)制型 偏振態(tài)調(diào)制型 光纖傳感器 波長(zhǎng)調(diào)制型 傳輸光調(diào)制型 非功能型 反射光強(qiáng)調(diào)制型 頻率調(diào)制型 光纖

7、液體折射率傳感器2、 簡(jiǎn)答題（5分*7）1. LED（發(fā)光二極管）工作發(fā)光原理。 答：受主、施主材料摻到GaAs中分別形成P型、N型半導(dǎo)體，結(jié)合后形成PN 結(jié)；無(wú)偏壓時(shí)，PN結(jié)有內(nèi)建電場(chǎng)，內(nèi)電場(chǎng)阻礙電子從N到P區(qū)，孔穴從P 到N區(qū)；有外電場(chǎng)時(shí)，克服內(nèi)電場(chǎng)作用，電子從N進(jìn)入P區(qū)，空穴從P 進(jìn)入N區(qū)；在耗盡層，電子自發(fā)地與空穴復(fù)合而產(chǎn)生光子，光子向各方向 運(yùn)動(dòng)，形成結(jié)型發(fā)光。2. NPN光電三極管工作原理。 答：(1)工作時(shí)，集電極反偏置，發(fā)射極正偏置，Vc>Vb>Ve； (2)c-b結(jié)區(qū)有強(qiáng)內(nèi)建電場(chǎng)cb，光照c時(shí)，光激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子中的 電子流向c，空穴流向b，相當(dāng)于向b注入控制

8、電流Ib=Ip； (3)b-e結(jié)是正向偏置，有電流放大作用，則集電極電流 Ic=Ib=Ip=ESE (4)集電結(jié)完成光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)基極、發(fā)射極放大。故可視為光電二極管+ 普通晶體管。3.PSD（光電位置傳感器）的工作原理。 答：當(dāng)光照射到PSD的光敏面上時(shí)，在入射位置表面下就產(chǎn)生與光強(qiáng)成比例 的電荷，此電荷通過(guò)P層向電極流動(dòng)形成光電流。由于P層的電阻是均 勻的，電阻與長(zhǎng)度成正比，所以兩電極輸出的電流分別與光點(diǎn)到兩電極的 距離成反比。根據(jù)兩極電流可算出光點(diǎn)位置。4. CCD耦合過(guò)程。 答：P147脈沖信號(hào)不斷地改變電極上的電壓，而驅(qū)動(dòng)信號(hào)使電荷可控地一位一位地順序傳輸，這就是電荷耦合。P1475

9、. SSPD的工作過(guò)程。 答：（1）給移位寄存器加時(shí)鐘和起始脈沖（引導(dǎo)掃描開(kāi)始），就產(chǎn)生依次延遲 一拍的采樣掃描信號(hào)； （2）多路開(kāi)關(guān)依序閉合（讀出）、斷開(kāi)（積分），從而把各位PD上的信號(hào) 從視頻線上輸出； （3）各單元輸出的電信號(hào)隨不同位置照度的變化而變化，這樣就把一副光 照隨位置變化的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為一列幅值隨話時(shí)間變化的視頻輸出 信號(hào)。6.光電倍增管工作原理。 答： 光子透過(guò)入射窗口入射在光電陰極K上； 光電陰極K受光照激發(fā)，表面發(fā)射光電子； 光電子被電子光學(xué)系統(tǒng)加速和聚焦后入射到第一倍增極D1上，將發(fā) 射出比入射電子數(shù)更多的二次電子。入射電子經(jīng)N級(jí)倍增后，光電子 數(shù)就放大N次； 經(jīng)過(guò)倍增

10、后的二次電子由陽(yáng)極P收集起來(lái)，形成陽(yáng)極光電流Ip，在負(fù) 載RL上產(chǎn)生信號(hào)電壓0。7. 紅外熱探測(cè)器的原理和特性。 答：紅外熱探測(cè)器是用探測(cè)元件吸收紅外輻射能量而引起溫度升高，據(jù)此再借 助各種物理效應(yīng)把溫度升高轉(zhuǎn)變成電量的一種探測(cè)器。 光電轉(zhuǎn)換過(guò)程：一、熱探測(cè)器吸收紅外輻射引起溫度升高，這一步對(duì)各種 熱探測(cè)器都一樣； 二、是利用熱探測(cè)器某些溫度效應(yīng)把溫度升高轉(zhuǎn)變成電量 的變化。 特性： 響應(yīng)頻率與波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，屬于無(wú)條件選擇性探測(cè)器； 受熱時(shí)間常數(shù)（熱慣性）的制約，響應(yīng)速度比較慢； 熱探測(cè)器的探測(cè)率比光子探測(cè)器的峰值探測(cè)率低； 可在室溫下工作。8.激光器工作過(guò)程、原理。 答：激光器的工作過(guò)程先是泵浦

11、源自發(fā)輻射，將工作物質(zhì)中的粒子從低能態(tài)激 發(fā)到高能態(tài)，再使工作物質(zhì)產(chǎn)生受激輻射，這些輻射在諧振腔的兩個(gè)平面 之間來(lái)回傳播形成振蕩，多次反射使其輻射能量放大，最后通過(guò)部分透 射的平面鏡輸出到腔外，產(chǎn)生激光。9.硅光電池工作過(guò)程。 答：光電池是一個(gè)PN結(jié)，在不加偏置是可將光能轉(zhuǎn)換成電。當(dāng)有光照時(shí)，入 射光激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)在內(nèi)電場(chǎng)作用下形成光生電流，光生電流流 過(guò)負(fù)載電阻產(chǎn)生電壓降，相當(dāng)于給PN節(jié)施加正向偏置電壓，從而產(chǎn)生正 向電流，兩者之差即為硅光電池產(chǎn)生總電流。10. 光電管光放大過(guò)程。 答：真空光電管的工作過(guò)程：光線從光窗照射到光電陰極 上，光電陰極產(chǎn)生光電子，光電子在電場(chǎng)的作用下被 加

12、速，并被陽(yáng)極收集，形成光電流。 充氣光電管(充入低壓惰性氣體)的工作過(guò)程：光線從 光窗照射到光電陰極上，光電陰極產(chǎn)生光電子在加速向 陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)中與氣體原子碰撞而使其發(fā)生電離，電離產(chǎn)生 的新電子數(shù)倍于原光電子再被陽(yáng)極收集形成光電流。11.雪崩倍增效應(yīng)含義及雪崩二極管保護(hù)環(huán)作用。 答：雪崩倍增效應(yīng)：光電管加高反偏時(shí)，結(jié)區(qū)產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)；光生載流子受強(qiáng)電 場(chǎng)加速獲得高能量，與原子碰撞使原子電離；新的電子- 空穴對(duì)向電極運(yùn)動(dòng)獲得高能量，再次碰撞原子，產(chǎn)生新電 子-空穴對(duì)；不斷重復(fù)，使PN結(jié)內(nèi)電流急劇增加。這稱 為雪崩倍增效應(yīng)。 保護(hù)環(huán)的作用：增加高阻區(qū)寬度； 減小表面漏電流； 避免邊緣過(guò)早擊穿。12. 光電

13、導(dǎo)器件的光譜響應(yīng)的的特性。 答： 本征光電導(dǎo)材料的理想光譜響應(yīng)曲線圖a所示，但是實(shí)際光電導(dǎo)材料對(duì)各 種波長(zhǎng)輻射的吸收系數(shù)不同，在材料不同深度上獲得的光功率也不同。在較長(zhǎng) 波長(zhǎng)上，吸收系數(shù)很小，一部分輻射會(huì)擊穿過(guò)材料，量子效率較低。隨著波長(zhǎng) 減小，吸收系數(shù)增大，入射光功率幾乎全部被材料吸收，光電導(dǎo)率達(dá)到峰值。 當(dāng)波長(zhǎng)再減小時(shí)，吸收系數(shù)進(jìn)一步增加，靠近材料表面附近光生載流子比較密 集，致使復(fù)合增加，光生載流子壽命減低，量子效率也隨之下降，向短波長(zhǎng)方 向的光譜響應(yīng)顯著下降。一般情況下峰值靠近長(zhǎng)波限，實(shí)際定義長(zhǎng)波限為峰值 一半處所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。實(shí)際情況如圖b所示。13. 面陣CCD轉(zhuǎn)移工作過(guò)程（幀轉(zhuǎn)移型

14、）。答: 幀轉(zhuǎn)移型結(jié)構(gòu)包括光敏區(qū)、暫存區(qū)、水平讀出寄存器和讀出電路四個(gè)部分。 當(dāng)積分結(jié)束時(shí)，光敏元和暫存區(qū)以同一速度快速驅(qū)動(dòng)，將光敏區(qū)的一場(chǎng)信 息轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)，然后光敏區(qū)重新開(kāi)始另一場(chǎng)積分。與此同時(shí)，暫存區(qū)的光信號(hào)逐行向讀出寄存器轉(zhuǎn)移。工作時(shí)，讀出寄存器的傳輸速率為垂直列電荷耦合溝道CCD傳輸速率的y倍（y為垂直CCD的個(gè)數(shù)），每當(dāng)讀出寄存器驅(qū)動(dòng)y次，表示一行信息讀完，進(jìn)入行消隱。在行消隱期間，暫存區(qū)的垂直CCD向下傳輸一次，即向讀出寄存器轉(zhuǎn)移一行信息電荷。至此，讀出寄存器又開(kāi)始新的一行信號(hào)讀出，如此往復(fù)下去。14. 硅靶的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。答：硅靶的光電轉(zhuǎn)換過(guò)程： 信號(hào)板通過(guò)引線、負(fù)載電阻與靶電

15、源的正極相連。電子槍的熱陰極接地，掃描電子束即具有地的電位。當(dāng)電子束掃描到每個(gè)P型島時(shí)，P型島的PN結(jié)即被反偏置，結(jié)電容被充電到靶電源電壓。 無(wú)光照時(shí)，由于PN結(jié)有反向漏電流（暗電流），在負(fù)載電阻上要產(chǎn)生少量的電壓降，靶的兩邊成像面（信號(hào)板一邊的靶面）和掃描面（朝著電子槍一邊的靶面）之間的電壓，略低于靶電源電壓。 有光照時(shí)，光進(jìn)入到每個(gè)PN結(jié)區(qū)將產(chǎn)生電子空穴對(duì)，它們被結(jié)內(nèi)電場(chǎng)分離后，光電子通過(guò)信號(hào)板等外電路入地，光生空穴被積累于P型島上。如果光照是均勻的，靶的掃描面電位只是均勻的升高；如果光照不均勻，是一幅光學(xué)圖像，則掃描面上各P型島的電勢(shì)分布將正比于入射光學(xué)圖像的亮度分布，亮度高的點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)

16、的P型島的電勢(shì)也高。當(dāng)電子束再次掃描各個(gè)二極管時(shí)，其電位被拉平到陰極電位，產(chǎn)生的光電流流過(guò)負(fù)載電阻就形成與光學(xué)圖像對(duì)應(yīng)的視頻信號(hào)。掃描過(guò)程： 從電子腔發(fā)射出來(lái)的電子束依次沿著靶面掃描，為了提高靈敏度，每個(gè)像素在掃描周期內(nèi)不間斷地對(duì)轉(zhuǎn)換后的電量進(jìn)行積累；當(dāng)電子束依次沿著順序地轉(zhuǎn)變成視頻信號(hào)輸出，就完成了掃描輸出的功能。三、計(jì)算題（10分*2）1.光纖傳導(dǎo)模式數(shù)計(jì)算：VM；、（取整）； 單模傳輸條件：2. 二相驅(qū)動(dòng)CCD，像元素N=1024，若要求最后位任有80%的電荷輸出，求電荷轉(zhuǎn)移損失率為多少？解：轉(zhuǎn)移數(shù)：二相：N*2/3，總轉(zhuǎn)移率：轉(zhuǎn)移效率， 1個(gè)像素點(diǎn)轉(zhuǎn)移損失率=1-。 | | a3.空間

17、分辨率： b 單位長(zhǎng)度上的線速（空間頻率？）：1mm/1個(gè)像素點(diǎn)長(zhǎng)度， 最小輻照度Ee，面積=a*b=S，最小響應(yīng)度：R=100V/mw， Nnoise（暗電流）。 最小照度值 Ee*S*R=Nnoise 最小照度E。4.一支He-Ne激光器（波長(zhǎng)為632.8nm）發(fā)出激光功率為2mW。該激光束的平面 發(fā)散角為1mrad，激光器的放電毛細(xì)管直徑為1mm。（P27）求出該激光束的光通量、發(fā)光強(qiáng)度、光亮度、光出射度。若激光束投射在10m遠(yuǎn)的白色漫反射屏上，該漫反射屏的反射比為0.85， 求該屏上的光亮度。 解：（1）光通量： C 最大光視效能，683lm/W； e輻通量； V 視函數(shù)（查表）。 （2）發(fā)光強(qiáng)度：， （3）光亮度： （4）光