光電技術(shù)（第5版） 習(xí)題解答 王慶有

PAGEPAGE1光電技術(shù)（第4版）思考題與習(xí)題解答思考題與習(xí)題11.1 輻度量與光度量的根本區(qū)別是什么？為什么量子流速率的計算公式中不能出現(xiàn)光度量？度量，而光度量是基于光對人眼刺激程度的主觀反應(yīng)。量子流速率是客觀評價光子流強(qiáng)度的量，因而屬于客觀評價，不能采用光度量。1.2 試寫出Φe，Me，Ie，Le等輻度量參數(shù)之間的關(guān)系式，說明他們與輻射源的關(guān)系。等輻度量參數(shù)之間的關(guān)系式（見書P6表1-1）它們分別是從輻射源發(fā)出的輻功率，單位面積的輻功率，單位立體角內(nèi)發(fā)出的輻功率和某方向單位立體角單位面積發(fā)出的輻功率。1.3 何謂余弦輻射體？余弦輻射體有哪些特征？引入余弦輻射體概念有什么意義？激光源是余弦輻射體嗎?解：從書中P4的內(nèi)容中能夠找到正確答案。引入余弦輻射體后能夠找出輻射的一般規(guī)律，為輻射定律的討論奠定基礎(chǔ)。激光光源由于其方向性很強(qiáng)，不可能是余弦輻射體。1.4 輻出度Me與輻照度Ee兩個物理量的主要差異是什么？哪個是表述輻射源性能的參數(shù)？解：輻出度Me是從面光源表面發(fā)射輻射的角度來定義的，是表述輻射源性能的參數(shù)。而輻照度Ee是從受照物體表面接收輻通量的角度定義的。它們之間的差異在于表述的目標(biāo)不同。輻出度Me是表述輻射源性能的參數(shù)。1.5 說明KKKw理義什？們間差是么具相量嗎？題讓者習(xí)1.4.2的容中到KKKw的理義異者復(fù)習(xí)1.4.2內(nèi)容后能夠找到上述答案。量綱也存在差異。1.6本征吸收、雜質(zhì)吸收都能夠產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)與光生伏特效應(yīng)，二者的本質(zhì)區(qū)別在哪里？差異又在哪里？下產(chǎn)生能級躍遷引起的，其本質(zhì)差別在于本征吸收是電子受輻能作用下產(chǎn)生跨越禁帶的躍遷，而雜質(zhì)吸收是吸收輻能后產(chǎn)生跨越雜質(zhì)電離能能級的躍遷。差異是本征吸收產(chǎn)生電子空穴對，而雜質(zhì)吸收只產(chǎn)生一個電子。1.7 一臺氦氖激光器發(fā)出波長為0.6328μm的激光束功率為為0.02mrad，放電毛細(xì)管直徑為1mm。試求：（1）當(dāng)V0.6328=0.235時此光束的輻射通量Φe,λ、光通量Φv,λ、發(fā)光強(qiáng)度Iv,λ、光出射度λ等各為多少？4（2）若將其投射到10m遠(yuǎn)處的屏幕上，問屏幕的光照度為多少？Φ0.6328=3mW；Φv,0.6328=KwΦ0.6328V0.6328=0.4815(lm)；4

4815 103

10(cd);（2）屏幕光照度的計算要考慮激光投射到10m遠(yuǎn)處的光斑直徑。其受照面積的計算應(yīng)為π（d/2＋Lα）2=3.14×(0.5＋10000×0.01×0.001)2=1.1304mm2。因此，屏幕的光照度為EV=4.26×105lx。1.8 一束波長為0.5145μm、輸出功率為3W的氬離子激光均勻地投射到0.2cm2的白色屏幕上。問屏幕上的光照度為多少？若屏幕的反射系數(shù)為0.8，其光出射度為多少？屏幕每分鐘接收多少個光子？解：屏幕光照度

A

A

6830.60830.2102=62.29lx反射出攝度

0.862.2949.83lx接收的光子數(shù)N

Φ

30.5145 .×02（）

6.626

1034

310141.9 試求一束功率為3.0mW氦氖激光器所發(fā)出的光通量為多少lm？發(fā)出光的量子流速率N為多少？解：氦氖激光器發(fā)出的光為單色光，其波長為e,0.6328=180×3.0×10-3=0.54lmΦ 0.6328

3.0103

0.6328Ne,0.6328

e,0.6328

6.626

1034

31014

=9.55×1018(1/s)1.10 球測太光的值在0.46μm,計太表的度其值光輻度M,,。5解：Me1.309T5

10

15

，太陽黑體的溫度T=6232(K)。將溫度T代入輻出度公式后得Me,s,λm=1.23×104（W.cm-2.μm-1）青年人正常溫度下發(fā)出的峰值光譜波長λm為多少微米？如果發(fā)燒到38.5℃時的峰值波長又為多少？發(fā)燒到39℃時的峰值光譜輻射出射度Me,s,λm又為多少？2898解：人體正常溫度下的峰值波長

36.5273

=9.36（μm）發(fā)燒到38.5℃時的峰值波長為

289838.5273

=9.30（μm）發(fā)燒到39℃時的光譜輻出度

1015=3.87×10-3（W.cm-2.μm-1）1.12 用光譜方式的高溫計測得某黑體輻射的最強(qiáng)光譜波長為0.63μm，試計算出該黑體溫度。解：根據(jù)（1.3-4）式，T=2898/λm=4600(K)某半導(dǎo)體光電器件的長波限為13μm，試求其雜質(zhì)電離能ΔEi。解：由公式（1.5-9）可以導(dǎo)出

1.24=9.5×10-2（eV）某廠生產(chǎn)的光電器件在標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈光源標(biāo)定出的光照靈敏度為輻射度靈敏度。解：根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈的光度輻射度轉(zhuǎn)換當(dāng)量，可以將其轉(zhuǎn)換為輻射度靈敏度為Se=Sv.KW=3.4×103（μA/W）1.15試計算100W標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈在0.2sr范圍內(nèi)所發(fā)出多少lm的光通量?它所發(fā)出的總光通量又為多少？的標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈發(fā)出的總光通量ΦV=100×17.1=1710lm，是向4π空間發(fā)射的。因此，它在0.2sr立體角內(nèi)發(fā)出光通量應(yīng)為Φ0.2=ΦV0.2=27.23lm1.16若甲、乙兩廠生產(chǎn)的光電器件在色溫2856K標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈下標(biāo)定出的靈敏度分別為Se=5μA/μW，Sv=0.4A/lm。試比較甲、乙兩廠生產(chǎn)的光電器件哪個靈敏度高？敏度轉(zhuǎn)換成輻射度靈敏度后，可見其Se=6.8μA/μW，乙廠光電器件靈敏度較高。1.17已知本征硅材料的禁帶寬度Eg=1.2eV，求該半導(dǎo)體材料的本征吸收長波限。

1.24

1.241.2

1.03（μm）1.18在微弱輻射作用下光電導(dǎo)材料的光電導(dǎo)靈敏度表現(xiàn)出怎樣的光電特性？為什么要把光敏電阻的形狀制造成蛇形？解：根據(jù)式（1.6-13），光電導(dǎo)靈敏度與極間距離的平方成反比，因此極間距離越短結(jié)構(gòu)光敏電阻靈敏度越高，故將其做出蛇形。1.19光生伏特效應(yīng)的主要特點(diǎn)是什么？半導(dǎo)體產(chǎn)生光生伏特必須具備哪些條件？場。1.20為什么說CO2激光器的鍺晶體出射窗的兩端會產(chǎn)生伏特電壓？迎光面與出光面相比哪端電位高？為什么？屬于哪種光電效應(yīng)？解：因為CO2激光器中光子動能很高，會驅(qū)使電子沿光路方向移動，因此會產(chǎn)生伏特電壓，迎光面的電位高于出光面。屬于光子牽引效應(yīng)。1.21 光電發(fā)射材料K2CsSb的光電發(fā)射長波限為680nm，該光電發(fā)射材料的光電發(fā)射閾值應(yīng)為多少電子伏特？Eth=1239/λL=1.82(eV)。已知某種光電器件的本征吸收長波限為1.4μm，該半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。Eth=1239/λL=0.885(eV)。思考題與習(xí)題22.1為什么本征光電導(dǎo)器件在越微弱的輻射作用下的上升時間與下降時間相差無幾？怎樣理解光敏電阻的時間響應(yīng)特性與靈敏度特性這對矛盾？解：出此題的目的是讓讀者學(xué)習(xí)光電導(dǎo)器件的光電特性與時間響應(yīng)特性，復(fù)習(xí)P26~30應(yīng)特性與靈敏度特性這對矛盾。2.2為什么在測量光敏電阻暗電阻時要求將其置于暗室一段時間再進(jìn)行測量？是因為環(huán)境溫度對光敏電阻的影響嗎？解：此題要充分考慮光敏電阻是多數(shù)載流子導(dǎo)電的器件，它具有前歷效應(yīng)，為了能夠精確地測量出暗電阻必須將光敏電阻置于暗室一段時間使其前歷效應(yīng)消失。并不是環(huán)境溫度對光敏電阻的影響。2.3光敏電阻的哪個幾何尺寸對光電導(dǎo)靈敏度影響最大？采用何種措施能夠提高光敏電阻的靈敏度？解：由式（1.6-13）可見，極間寬度l越小，靈敏度越高。原因是光電導(dǎo)靈敏度與極間寬度平方成反比。可以采用將光敏面材料制作成蛇形、梳狀等形式，使極間距離盡量小。2.4設(shè)某光敏電阻在100lx的光照下的阻值為90~120lx范圍內(nèi)的γ=0.9，試求該光敏電阻在110lx光照下的阻值？解：根據(jù)式（2.2-3）=100，E=2.5kΩ，γ=0.9均

1 2 1R2R2=2.296kΩ，可取值2.3kΩ。

圖2-825題圖2.5 在如圖2-18CdS光敏電阻作光電傳感器，若已知繼電器繞組的電阻為5kΩ，繼電器的吸合電流為2mA，電阻器R=1kΩ時，問為使繼電器吸合所需要的照度為多少lx？要使繼電器在30lx圖2-825題圖2-18它是半波整流的串聯(lián)電路，當(dāng)流過繼電器繞組的電流大于2mA時繼電器吸合，燈熄滅。電容器C為半波整流電路充電，可為光電控制電路提供穩(wěn)定的電壓源，能夠提供穩(wěn)定的220V電壓。流過電路的電流I≥220/(1k+5k+RP)=2mA，因此可以求出光敏電阻的阻值。RP≤104kΩ根據(jù)題目給出的已知條件，利用2.4題的計算方法便可以計算出3lx時的阻值R3lx，再根據(jù)吸合電流的要求算出偏置電阻R。R3lx=83.33kΩ，串聯(lián)電阻R=22kΩ。不過，由于光敏電阻光電靈敏度的γ值不可能在這么大的范圍內(nèi)不變，因此該題只是為了訓(xùn)練讀者掌握這種解題方法，實(shí)用價值不大。2.6已知某光敏電阻在500lx的光照下的阻值為550Ω，而在700lx的光照下的阻值為450Ω，試求該光敏電阻在550lx和600lx光照下的阻值？550lx和600lx光照下的阻值。 =0.596；

lg

lg550550lg500)；R550lx=518.8Ω；lg

lg450600lg700)；R600lx=493.3Ω。2.7設(shè)某只CdS光敏電阻的最大功耗為30mW，光電導(dǎo)靈敏度Sg=0.5×10–6S/lx，暗電導(dǎo)g0=0。試問當(dāng)CdS光敏電阻上的偏置電壓為20V時的極限照度為多少lx？解：根據(jù)最大功耗找出允許的最大電流IM=PM/Ub=30×10-3/20=1.5mA，由式（2-1）可以計算出極限照度EM=IM/USg=150lx。2.8在如圖2-19所示的電路中，Rb=820Ω，Re=3.3kΩ，UW=4V，光敏電阻為RP，當(dāng)光照度為40lx時輸出電壓為6V，80lx時為30到100lx源電壓Ubb=12V情況下計算：1)輸出電壓為8伏時的照度為多少lx？2)若Re增加到8為多少lx？3)若光敏面上的照度為70lx，問Re=3.3kΩ與Re=6kΩ時的輸出電壓各為多少？4)該電路在輸出8V時的電壓靈敏度為多少（V/lx）？IRP=Ie=VW/Re=1.2mA；再出照度為40lx與80lx時光敏電阻R40lx=（12﹣6）/1.2=5kΩ與R80lx=（12﹣9）/1.2=2.5kΩ輸出電壓為8V時，光敏電阻的阻值為R8V（12﹣8）/1.2=3.3kΩ，可按式（2-3）計算E8V=60.6lx增加到6kΩ時流過光敏電阻的電流變?yōu)镮6k=0.67mA，輸出電壓8V的阻值應(yīng)為R8V=6kΩ，根據(jù)式（2-3）可以計算出此時的照度為33.3lx。3）先求出70lx時的光敏電阻阻值R70=5.7kΩ，再計算Re=3.3kΩ與Re=6kΩ時的輸出電壓。Re=3.3kΩ時，IRP=1.2mA，U=12-5.7×1.2=5.16V；Re=6kΩ時，IRP=0.67mA，U=8.2V4）輸出8V時的電壓靈敏度SV=?U/?E=0.2/9.4=0.02V/lx。2.9試設(shè)計光敏電阻的恒壓偏置電路，要求光照變化在100~150lx范圍內(nèi)的輸出電壓的變化不小于2V，電源電壓為12V，所用光敏電阻可從表2-1中查找。解：首先按題目要求設(shè)計出光敏電阻恒壓偏置電路如圖2-20所示。然后根據(jù)題目對照圖2-0光敏電阻恒壓電路度變化的要求從表2-1中選取適當(dāng)型號的光敏電阻，因沒有對RGD4圖2-0光敏電阻恒壓電路根據(jù)題目對輸出電壓范圍的要求計算出電流IP的變化范圍。電路中穩(wěn)壓二極管常選用穩(wěn)定電壓在6V2CW6，其穩(wěn)定電壓為IP變化范圍計算出電阻Rc。Rb為穩(wěn)壓管工作的偏置電阻，滿足穩(wěn)壓管正常工作即可。三極管可選擇放大倍率高于80即可。2.10在如圖2-16所示的火災(zāi)探測報警器電路中，設(shè)Ubb=12V，其他電路參數(shù)如圖中所示，若PbS光敏電阻的暗電阻值為1MΩ，在幅照度為1mw/cm2的情況下的亮電阻阻值為0.2MΩ，問前置放大器VT1集電極電壓的變化量為多少？2-16，可知它為恒壓偏置電路，因此可根據(jù)電路計算出其電流變化范圍。暗電流Imin=6V/1MΩ=6μA，Imax=6V/0.2MΩ=30μA，電壓變化?U=2.11如圖2-17光敏電阻在1lx時的阻值約為151lx時快門的開啟時間為多少？解：首先計算出圖2-17快門控制器的放大器閾值電壓Uth為電阻R1與RW1的分壓值，當(dāng)RW1=5.1kΩ時，Uth=6V，即電容充電到6V時繼電器便可帶動快門關(guān)閉。將題目給出已知數(shù)據(jù)代入公式t=（RW2+R）C·lnUbb/Vth便可得到快門開啟的時間t。t=0.016s景物照度為1lx時快門的開啟時間為0.016秒。2.12得的好處。思考題與習(xí)題33.1試比較硅整流二極管與硅光電二極管的伏安特性曲線，找出它們之間的差異在哪里？若將普通硅整流二極管的PN結(jié)反向偏置，并使其曝光，它能夠具有光電響應(yīng)嗎？為什么普通整流二極管要進(jìn)行屏蔽光處理？性確不相同，只有在電壓超過擊穿電壓后才有急劇增加的反向電流。避光處理，以免破壞整流作用。3.2硅光電二極管的全電流方程有哪幾項構(gòu)成？它們各項都有哪些物理意義？若已知硅光電二極管的光電流分別為50μA與300μA，暗電流都為1μA，試計算它們的開路電壓為多少伏特？電流。kT II由式（3.1-2）可計算出不同光電流情況下的開路電UOC，U

lnP，將題DID目給出的數(shù)據(jù)代入上式后得到：U50=102mV；U300=148mV。3.3比較2CU型硅光電二極管和2DU義是什么？解：二者的區(qū)別在于襯底材料，以N型硅為襯底的為2CU型，而以P型硅為襯底的為2DU型。引入環(huán)極的意義是在反向電壓較高時保護(hù)PN結(jié)不被擊穿。目前，隨著半導(dǎo)體制造工藝的提高環(huán)極基本被取消。3.4影響光伏器件頻率響應(yīng)特性的主要因素有哪些？為什么PN結(jié)型硅光電二極管的最高工作頻率小于等于107Hz？怎樣提高硅光電二極管的頻率響應(yīng)？解：本題的詳解見P40~41（3.3.5增大？硅光電池的最大開路電壓為多少？為什么硅光電池的有載輸出電壓總小于相同照度下的開路電壓？增加到一定程度后增加的量極小以至于認(rèn)為不再增加。另外，從光電池的PN結(jié)內(nèi)建電場的建立也可以解釋不再增加的原因。硅光電池的最大開路電壓為0.7V。硅光電池在有載情況下的輸出電壓要對負(fù)載提供電流，且在負(fù)載上產(chǎn)生壓降，因此較開路電壓要低。3.6硅光電池的內(nèi)阻與哪些因素有關(guān)？在什么條件下硅光電池的輸出功率最大？出，最佳負(fù)載電阻與入射輻射量有關(guān)。3.7光伏器件有幾種偏置電路？各有什么特點(diǎn)？3用的偏置電路。3.8已知2CR21型硅光電池（光敏面積為5×5mm2）在室溫300K時，在輻照度為100mW/cm2時的開路電壓Uoc=550mV，短路電流Isc=6mA，試求：（1）室溫情況下，輻照度降低到50mW/cm2時的開路電壓Uoc與短路電流Isc。（2）當(dāng)將該硅光電池安裝在如圖3-44所示的偏置電路中時，若測得輸出電壓此時光敏面上的照度為多少？1首根式（3.21計出電的敏度，SIcEλ·A0.24A/mW；50/cm2時的短路電流ISS,A3A；考慮到光電池在室溫100mW/cm2時開路電壓 Uoc=550mV，短路電流 Isc=6mA，可由U kTln解出暗電流kTlnIU

kTlnI。I=3μA。DID

q D q P D

kTq

kTqlnIP=28.6+208.2=236.8mV。（2）圖3-44所示為典型的零伏偏置電路，放大器的負(fù)輸入端為“虛地”，為此輸出電壓應(yīng)為流過反饋電阻Rf出光敏面的照度Ee=If/SA=0.7mW。3.9已知2CR44型硅光電池的光敏面積為10×10mm2，在室溫300K時，在輻照度為100mW/cm2時的開路電壓200mW/cm2時的開路電壓Uoc、短路電流Isc、獲得最大功率的最佳負(fù)載電阻RL、最大輸出功率Pm和轉(zhuǎn)換效率η？解：首先計算出2CR44型硅光電池的靈敏度S，S=Isc/Ee·A=0.28mA/mW。再根據(jù)題目給出100mW/cm2的開路電壓與短路電流可以獲得暗電流信息。

kTln得kTlnIU

kTlnI=463.4mV，將其代入式qq

D q P

kTq

kT2q200mW/cm2

照度下短路電流ISC=Ee·AS=56mA；因此開路電壓UOC=463.4+104=567.4mV；最佳負(fù)載電阻Ropt=0.7UOC/IP=7.1Ω；最大輸出功率Pm=ImUm=22mW；轉(zhuǎn)換效率η=Pm/P=22/200=11%。3.10已知光電三極管變換電路及其伏安特性曲線如圖3-45所示，若光敏面上的照度變化為出電壓不小于4V的正弦信號，求所需要的負(fù)載電阻RL，電源電壓Ubb，及該電路的電流、電壓靈敏度，并畫出三極管輸出電壓的波形圖。解：首先找出輻照度的變化范圍，足輸出電壓幅度不小于4V正弦信號的雙峰值，UP~P=2.8U=11.2V；然后在圖3-45中200lx曲線的拐點(diǎn)處找到一點(diǎn)“A”,做垂線交橫軸與“B”點(diǎn)，在橫軸上找到UB+UP~P的點(diǎn)“C”;連接“A”與“C”的直線為負(fù)載線。它的斜率為負(fù)載電阻。RL=11.2/6=1.867k實(shí)際取2kΩ；電源電壓取Ubb=20V。電流靈敏度Si=?I/?E=6/160=0.0375mA/lx;電壓靈敏度SV=?U/?E=11.2/160=0.07V/lx;圖可見輸出電壓信號隨入射輻射量的增強(qiáng)而降低，表現(xiàn)出反向變化的關(guān)系。3.11利用2CU2光電二極管和三極管3DG40構(gòu)成如圖3-46電二極管的電流靈敏度Si=0.4μA/μW，其暗電流Id=0.2μA，三極管3DG40的電流放大倍率β=50，最高入射輻射功率為400μW時的拐點(diǎn)電壓UZ=1.0V。求使輸出信號UO在最高入射輻射功率時達(dá)到最大值的電阻Re值與輸出信號UO的幅值？入射輻射變化50μW時的輸出電壓變化量為多少？Re的電流Ie=(1+β)(Id+IP)=8.17mA設(shè)所用電源電壓UO的最大值UOm=Ubb－UZ－UbeUOm=10.4V；Re=UOm/Ie=1.3kΩ。入射輻射變化50μW時的輸出電壓變化量?U=(1+β)IPRe=1.33V。3.12為什么說楔環(huán)探測器能夠探測光功率在極角和極軸上的分布？角與極軸上的功率分布。3.134象限光伏探測器件能夠探測光斑在平面坐標(biāo)上的位置嗎？試說明用4象限硅光電池探測激光光斑平面位置的原理。解：完全可以。采用4線間的安裝角度的不同，采用下面不同的電路形式進(jìn)行測定。如：①和差電路，見書中（P53~P54）說明；②直差電路見書中（P54~P55）說明。3.14線陣列光伏探測器件為什么要設(shè)有一個公共電極？能夠用它探測光斑一維位置嗎？若用它探測光斑的二維位置該如何設(shè)置？了引出線又便捷電路的連接。能夠用它探測光斑的一維位置，探測二維位置需要2式的光學(xué)系統(tǒng)。3.15你能夠用4象限光伏陣列探測器件檢測光點(diǎn)的二維位置嗎？應(yīng)該采用怎樣的電路原理方框圖測量光斑的偏移量？4象限光伏陣列探測器件檢測光點(diǎn)的二維位置，測量光斑偏移量的方法可采用如書中P53~P55所示的2種方法。3.16怎樣用非晶硅集成全色色敏器件測量物體的顏色？能夠用雙色硅光二極管測量物體的顏色嗎？解：采用如書中P51~P52所述的原理與方法能夠用非晶硅集成全色色敏器件測量物體的顏色。而用雙色硅光二極管測量物體的顏色較為復(fù)雜。3.17何謂PSD器件？PSD器件有幾種基本類型？2種基本類型，PAGEPAGE10一維與二維器件。3.18設(shè)某一維PSD器件的輸出電流I1=2mA，I2=4mA，問光斑偏向1電極還是2電極？解：根據(jù)式（3-33）可以看出標(biāo)志光點(diǎn)位置的x值大于零，表示光點(diǎn)偏于2電極。3.19為什么用一維PSD器件探測光斑位置時越遠(yuǎn)離PSD幾何中心位置的光點(diǎn)檢測的誤差越大，而靠近PSD中心位置的檢測精確度越高？PSD利用了PN結(jié)的橫向特性，光斑遠(yuǎn)離中心PN結(jié)的橫向效應(yīng)減弱，所以精確度下降。3.20試分析如圖UO與入射輻射量的變化關(guān)系、說明光照增強(qiáng)時輸出電壓如何變化？光電二極管都是屬于怎樣的偏置（正偏、反偏還是自偏）？哪個變換電路能夠進(jìn)入飽和狀態(tài)？輸出電位將降低，該電路能夠進(jìn)入飽和區(qū)。而圖（b）所示光電變換電路當(dāng)輻射增強(qiáng)時輸出電位將升高，該電路不會進(jìn)入飽和區(qū)。二值化都屬于反向偏置電路。思考題與習(xí)題44.1試寫出N型與P型半導(dǎo)體材料的光電發(fā)射閾值公式，指出兩種半導(dǎo)體材料光電發(fā)射閾值的差異在哪里？它與金屬材料的“逸出功”有哪些差異？引入“光電發(fā)射閾值”對分析外光電效應(yīng)有哪些意義？解：對于N型半導(dǎo)體材料，其光電發(fā)射閾值En=EA+?En；?En為N型半導(dǎo)體的電離能。對于P為半導(dǎo)體材料的禁帶寬度。顯然，P型半導(dǎo)體的光電發(fā)射閾值要高于N型半導(dǎo)體。由于金屬材料不存在電子親合勢EA，金屬的光電發(fā)射閾值與費(fèi)米能級等同。引入“光電發(fā)射閾值”可以將半導(dǎo)體與金屬材料的光電發(fā)射原理統(tǒng)一起來，便于理解與比較。4.2 為什么真空光電倍增管的光電靈敏度要分為光電陰極靈敏度與陽極靈敏度？兩者之間有的哪些差異？的條件和設(shè)置的目的不同。陰極靈敏度只與陰極材料與結(jié)構(gòu)有關(guān)，沒有考慮倍增極的級數(shù)、倍增極材料的性質(zhì)和供電電壓等參數(shù)。而陽極靈敏度是與倍增極的級數(shù)、倍增極材料的性質(zhì)和供電電壓等參數(shù)有關(guān)。因此為了區(qū)別二者，要引入陰極靈敏度與陽極靈敏度。4.3將真空光電倍增管的光電陰極面做成球形有哪些好處？盒柵式與百葉柵式倍增極有對電子的聚焦作用嗎？波，使接收的光能效率更高，更有效，失真度更小。盒柵式倍增極有對電子有聚焦，百葉柵式倍增極沒有對電子有聚焦。4.4PMT的增益是怎樣產(chǎn)生的？PMT各倍增極之間的發(fā)射系數(shù)δ與哪些因素有關(guān)？其中哪些因素能夠不改變倍增管材料與結(jié)構(gòu)情況下人為控制與改變增益？增益是由各個倍增極逐級倍增的。各個倍增極之間的發(fā)射系數(shù)δ不但與倍增極材料、結(jié)構(gòu)有關(guān)的發(fā)射系數(shù)相關(guān)，而且還與極間電壓有關(guān)，調(diào)整PMT的供電電壓可以在不改變倍增極材料與結(jié)構(gòu)的情況下通過改變極間電壓來調(diào)整PMT的增益。4.5PMT產(chǎn)生暗電流的原因有哪些？如何降低暗電流？哪些暗電流隨電壓的升高而迅速增大？產(chǎn)生暗電流的原因有5PMT管座的清潔、降低PMT的溫度、使PMT置于具有黑色金屬屏蔽罩內(nèi)，并使金屬屏蔽罩與倍增管的管壁分離20mm，避免玻殼放電現(xiàn)象的發(fā)生，使PMT能夠工作在更高電壓下獲得更高的增益，也是抑制暗電流的有效方法。速增大。4.6PMT的主要噪聲有哪些？為什么負(fù)載電阻增大到一定值時PMT的熱噪聲可以被忽略？解：PMT的主要噪聲有負(fù)載電阻的熱噪聲和電流散粒噪聲。熱噪聲與負(fù)載電阻的阻值成反比，增大負(fù)載電阻值，熱噪聲將下降，因此阻值增大到一定程度后，PMT的熱噪聲與散粒噪聲相比可以忽略。4.7怎樣理解PMT的光譜靈敏度與積分靈敏度？二者的區(qū)別是什么？二者之間存在著怎樣的關(guān)系？的光譜靈敏度是針對波長很窄范圍內(nèi)（?λ趨于光譜靈敏度反應(yīng)了PMTPMT的積分靈敏度是描述PMT對各種入射輻射光譜積分的響應(yīng)，即對所有入射到光電陰極上的光的響應(yīng)。積分靈敏度是光譜靈敏度在整個響應(yīng)光譜范圍的積分。也就是說積分靈敏度是PMT對所有入射光的積分效應(yīng)。4.8為什么PMT必須要加屏蔽罩，而且屏蔽罩還要能夠屏蔽電與磁？用什么樣的材料制造PMT的屏蔽罩才能屏光、屏電與屏磁？要求屏蔽罩必須與PMT陰極玻璃殼至少分離20mm的原因是什么？解：在PMT的玻殼內(nèi)電子從陰極出發(fā)要經(jīng)過各個倍增極的飛行，飛行過程中會受到電壞。為使PMT能夠不失真地檢測出光輻射信息，必須對PMT進(jìn)行光、電、磁場的屏蔽，要求屏蔽罩必須與光電倍增管陰極玻璃殼至少分離20mm的原因是考慮到玻殼內(nèi)的陰4.9什么叫PMT的疲勞與衰老？兩者之間的差別是什么？為什么不能在明亮的室內(nèi)觀看PMT倍增極的結(jié)構(gòu)？解：PMT工作一段較長時間后因電子不斷地轟擊倍增極而使靈敏度將下降，若停止工在明亮的室內(nèi)的強(qiáng)輻射作用下光電倍增管陰極會收到輻射沖擊而發(fā)出電子，轟擊倍增極，且使倍增極發(fā)射電子，有可能損壞陰極與倍增極，因此應(yīng)盡量不在明亮的室內(nèi)觀看。4.10 PMT的短波限與長波限各由哪些因素決定？解：PMT的短波限受玻璃窗口材料對短波長光的吸收和陰極材料本身的吸收系數(shù)的影響；長波限受陰極材料的光電發(fā)射閾值影響。某PMT的陽極靈敏度為10A/lm，為什么還要限制它的陽極輸出電流在50~100μA？解：PMT的陽極靈敏度屬于比值關(guān)系，10A/lm的陽極靈敏度是按比例計算出來的，陰倍增系數(shù)的有效方法，能夠綜合約束輸出功率，供電電壓和入射輻射。4.12 已知某PMT的陽極靈敏度為100A/lm，陰極靈敏度2μA/lm，陽極輸出電流應(yīng)限制在100μA范圍內(nèi)，問最大允許的入射光通量為多少lm？解：從已知數(shù)據(jù)求得PMT的增益SkG，因此，允許的入射光通4.13 PMT的供電電路分為負(fù)高壓供電與正高壓供電，試說明兩種供電電路的特點(diǎn)，舉例說明它們適用于那種情況？解：PMT陰極電位必須低于陽極電位才能使光電陰極發(fā)出的電子經(jīng)倍增極飛向陽極，地電位，信號處理較為方便。點(diǎn)在于陰極面不易引入噪聲。一般的光譜探測器基本都采用負(fù)高壓方式的供電電路。4.14 已知GDB44F的陰極光照靈敏度為0.5μA/lm，陽極光照靈敏度為50A/lm，長期使用時陽極允許電流應(yīng)限制在2μA以內(nèi)。求:lm？75KΩ時，問其最大的輸出電壓為多少？PMT為12級的Cs3Sb倍增極，其倍增系數(shù)為δ=0.2(UDD)0.7，試計算它的供電電壓值？1%時，求高壓電源電壓的穩(wěn)定度。解：1）首先計算出光電倍增管的增益G=Sa/Sk=2.5×107，允許的最大入射光通量ΦkmSkG=2/0.5×2.5×107=1.6×10-7lm。2）陽極電阻為75KΩ時的輸出電壓Uo為Uo=IaRa=150mV。Cs3Sb倍增極的倍增系數(shù)與電壓的關(guān)系可以計算出Ubb為：Ubb=（N+1.5）UDD=1053V。4）電源電壓的穩(wěn)定度要求應(yīng)比輸出電壓穩(wěn)定度高出一個百分點(diǎn)，故應(yīng)該高于0.1%。4.15 試用表4-4所示的PMT GDB-151設(shè)計探測光譜強(qiáng)度為2×10-9lm的光譜時，若要求輸出信號電壓不小于0.3mV，穩(wěn)定度要求高于0.1%，試設(shè)計該P(yáng)MT的供電電路。解：首先從表4-4中找到GDB-151的基本特性參數(shù)，然后理解題目的要求，即設(shè)計供電電路。關(guān)于設(shè)計電路問題，可有多種途徑和結(jié)果，以下提供一種簡便的設(shè)計方法。根據(jù)表4-4所示，在電源電壓為800V時的陽極靈敏度為1A/lm，白光的陰極靈敏度為20μA/lm，可計算出其增益G=5×104。根據(jù)增益可以確定出極間電壓UDD；UDD=Ubb/（N+1.5）=76.2V；根據(jù)陽極電阻的熱噪聲能夠被忽略的條件，可選擇陽極電阻Ra=56kΩ；滿足陽極輸出電壓幅度不小于0.3mV的要求，陽極電流Ia≥0.3/56k=5.4μA。流過偏置電阻的電流Ii≥10Ia=60μA；Ri=Ri=100kΩ，R1=150kΩ。采用負(fù)高壓供電方式，陰極電位為-800V。最終設(shè)計出的電路如圖4-8所示，圖中的C1、C2與C3可根據(jù)電路的用途考慮設(shè)計，因題目沒有給出具體應(yīng)用，這里暫不考慮。4.16 設(shè)入射到PMT光敏面上的最大光通量為φv=8×10-6lm左右，當(dāng)采用GDB-239型GDB-239為11AgOCs材料，倍增極為AgMg合金材料，陰極靈敏度為10μA/lm，若要求入射在8×10-6lm時的輸出電壓幅度不低于0.15V，試設(shè)計該P(yáng)MT的變換電路。若供電電壓的穩(wěn)定度只能做到0.01%，試問該P(yáng)MT變換電路輸出信號的穩(wěn)定度最高能達(dá)到多少？解：此題也是多解的設(shè)計題?？梢愿鶕?jù)題目提供的已知數(shù)據(jù)查找資料進(jìn)行設(shè)計。首先找到該管的陽極靈敏度，從表4-4查到其陽極靈敏度在電源電壓為500V時的陽極靈敏度Sa=1A/lm；再設(shè)計陽極電阻Ra。既考慮熱噪聲，又要滿足輸出幅度的要求。若要求φv=8×10-6lm時，陽極電流Ia=φvSa=8×10-6lm1A/lm=8×10-6A。因UO=IaRa，故Ra≥UO/Ia=18.8kΩ，可取Ra=56kΩ。偏置電阻Ri的設(shè)計，考慮到配置電流Ii≥10Ia=80μA；Ri=Ubb/(N+1.5)Ii=500/(11+1.5)×8×10-6=0.55MΩ，可以選取Ri=200kΩ，R1=300kΩ。最終設(shè)計出的電路如圖4-8所示。4.17 分析如圖4-9所示原子發(fā)射光譜儀，譜儀外面的聚光透鏡在譜儀中起到什么作用？能否將其省略掉？省略后會帶來的哪些益處與缺陷？4-9所示的發(fā)射光譜儀外面的聚光鏡起到將被測光匯聚到譜儀中的作用。如果入射輻射不是太弱，就可以省掉，有聚光鏡可能會對部分光譜產(chǎn)生吸收而損耗。4.18 分析如圖4-9所示原子發(fā)射光譜儀，能否將譜儀內(nèi)部的第1個反光鏡省略掉？省掉后的光學(xué)系統(tǒng)又該如何布局？12移到現(xiàn)在光2發(fā)出的光譜。當(dāng)然如果光電接收器件不是線陣CCD，則必須在光電器件前端加一個狹縫，以便獲取光譜能量。4.19 分析如圖4-12所示測量原理圖，將采取怎樣的控制方式能夠用PMT測量出Eu3+β-NTA螯合物發(fā)出的信息熒光？解：可以采用模擬開關(guān)的方式將如圖4-12所示的光電倍增管輸出信號在激光器發(fā)光400ns后輸出，獲得有用的信號輸出。4.20 分析如圖4-13所示的測量系統(tǒng)，采用2只PMT分別測量620nm和655nm波長的輻射時間分布的意義何在？能否對其測量原理進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兏?只倍增管可以消除激光器光源不穩(wěn)定因數(shù)的影響；對其測量原理進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖兏枰龃罅康膶?shí)驗驗證。思考題與習(xí)題55.1 熱輻射探測器的工作通常分為哪兩個工作階段？在哪個階段能夠產(chǎn)生熱電效應(yīng)？解：見書P87頁內(nèi)容。將入射到器件上的輻射能轉(zhuǎn)換成熱能階段和把熱能轉(zhuǎn)換成電能兩個階段。顯然熱電效應(yīng)是在第2個階段產(chǎn)生的。5.2 試說明熱容、熱導(dǎo)和熱阻的物理意義，熱慣性用哪個參量來描述？它與RC時間常數(shù)有什么區(qū)別？解：熱容、熱導(dǎo)和熱阻的物理意義需要詳細(xì)閱讀書P86~87頁內(nèi)容從中能夠找到熱容、熱導(dǎo)與熱阻的物理意義，也能找到熱慣性與RC時間常數(shù)關(guān)系。5.3 熱電器件的最小可探測功率與哪些因素有關(guān)？解：閱讀5.1.2節(jié)內(nèi)容，從中找到熱電器件的最小可探測功率的概念，然后再根據(jù)式（5.1-14）找出與之有關(guān)的參數(shù)。即接收面積A，溫度T，調(diào)制頻率帶寬?f，材料吸收系數(shù)k。5.4 為什么半導(dǎo)體材料的熱敏電阻常具有負(fù)溫度系數(shù)？何謂熱敏電阻的“冷阻”與“熱阻”？阻”是受到輻射作用后的阻值。5.5 熱敏電阻靈敏度與哪些因素有關(guān)？解：熱敏電阻的靈敏度有直流靈敏度與交流靈敏度之分，直流靈敏度與電源電壓Ubb、度材吸系熱阻R關(guān)。5.6 熱電堆可以理解成熱電偶的有序累積的器件嗎？并聯(lián)和串并聯(lián)等多種方式。5.7設(shè)某熱探測器件的光敏面積Ad＝1mm2，工作溫度T==10Hz,若常數(shù)σ=5.67×10-12W·cm-1·K4，波爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J·K-1)。器件僅受溫度影響的最小可探測功率為1 2

16

5.671012

1.381023

3005

10 1=1.74×10-11W。5.8 某熱電傳感器的探測面積為5mm2，吸收系數(shù)α=0.8，試計算該熱電傳感器在室溫300k與低溫280k時1Hz帶寬的最小探測功率PNE、比探測率D與熱導(dǎo)G。解：根據(jù)PNE的計算公式可以計算出300k的等效噪聲功率PNE1 2

160.52

5.671012

1.381023

30051

0.8比探測率D*為121

1 0.5 2 0.8 P

165.671012

1.381023

3005 =1.62×1010熱導(dǎo)G為：G

40.52

5.671012

3005=13.78（S）同理，在低溫280k時，PNF==8.2×10-7W；

1.9×1010；G=97.6（S）5.9熱釋電器件為什么不能工作在直流輻射狀態(tài)？工作頻率等于何值時熱釋電器件的電壓靈敏度才達(dá)到最大值？度變?yōu)榱?。電壓靈敏度達(dá)到最大值的條件需要詳細(xì)的閱讀5.3.2節(jié)內(nèi)容。5.10為什么熱釋電器件總是工作在ωτe＞＞1的狀態(tài)？在ωτe＞＞1的情況下熱釋電器件的電壓靈敏度如何？解：從5.3.2節(jié)可以找到上述問題的解。5.11為什么熱釋電器件的工作溫度不能工作在居里點(diǎn)？當(dāng)工作溫度遠(yuǎn)離居里點(diǎn)時熱釋電器件的電壓靈敏度會怎樣？工作溫度接近居里點(diǎn)時又會怎樣？電現(xiàn)象，因此，熱釋電器件必須工作在居里點(diǎn)溫度以下。響，變得更為復(fù)雜。5.12熱釋電探測器件常與場效應(yīng)管放大器組合在一起，并封裝在同一個管殼內(nèi)，這樣封裝有什么好處？器使整體的輸出阻抗降低，另外還能減少連接線，便于客戶應(yīng)用。的噪聲源，試導(dǎo)出熱釋電探測器的最小可探測功率的表達(dá)式。解：根據(jù)最小可探測功率的定義可知，它實(shí)際上就是主要考慮電阻R的熱噪聲功率。即4kTΔf

為只考慮電阻上的熱噪聲時的等效噪聲功率。已知TGS熱釋電探測器的面積Ad＝4mm2，厚度d=0.1mm，體積比熱c=1.67J·cm-3·K-1，若視其為黑體，求T=300K時的熱時間常數(shù)τT。若入射光輻射Pω=10mW，調(diào)制頻率為1Hz，求輸出電流（熱釋電系數(shù)γ=3.5×10-8C·K-1·cm-2的熱容CQ=cAdd，CQ=1.67J·cm-3·K-1×0.04cm2×0.01cm=6.68×10-4J·K-1；再根據(jù)式（5.1-12）計算出熱導(dǎo)由式（5.3-4）得輸出電流Id=AdγdT/dt，對于交流輻射的作用，由式（5.3-9）可得

2

12122電流。

H1212H

G1=0.04×3.5×10-8×6.28×

H1212H

eH1212H5.16 能否將恒流與恒壓偏置電路應(yīng)用于熱敏電阻的變換電路？對熱敏電阻實(shí)施恒壓偏置后會帶來哪些好處？對于負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻也能夠推導(dǎo)出電路的輸出電壓信號至于入射輻射量成比例的關(guān)系。而置于恒壓偏置電路中也能找到與“無輻射”時熱敏電阻的阻值無關(guān)的結(jié)論。思考題與習(xí)題66.1為什么說LED的發(fā)光區(qū)在PN結(jié)的P區(qū)？是否與電子、孔穴的遷移率有關(guān)？結(jié)LED的發(fā)光區(qū)在P大于空穴的遷移率，電子會快速到達(dá)P區(qū)與那里的空穴復(fù)合而發(fā)光。6.2為什么LED必須在正向電壓作用下才能發(fā)光？在反向偏置電壓作用下的發(fā)光二極管能發(fā)光嗎？為什么？解：LED只有在正向偏置下才能克服內(nèi)建電場的束縛而跨過結(jié)區(qū)與空穴復(fù)合而發(fā)光。不能，在反向偏置電壓作用下勢壘將提高，電子不能度越結(jié)區(qū)進(jìn)入P區(qū)，因此不會發(fā)光。6.3 LED的發(fā)光光譜應(yīng)該由哪些因素決定？禁帶寬度越寬的半導(dǎo)體發(fā)光材料發(fā)出的光波長越短嗎？管的發(fā)光光譜主要由禁帶寬度決定，也受PN結(jié)材料的雜質(zhì)影響。禁帶寬度越寬的半導(dǎo)體發(fā)光材料發(fā)出的峰值光譜波長越短。的發(fā)光光譜有一定的寬度其原因是什么？為什么它的半寬度比半導(dǎo)體激光器的半寬度要寬？PN結(jié)材料雜質(zhì)的影響而產(chǎn)生一定的寬寬了很多，因為半導(dǎo)體激光器具有諧振腔產(chǎn)生諧振，因此它的半寬度非常窄。6.5 已知流過LED的最大功耗為0.5W，LED正向電壓是2.3V，問流過它的最大電流是多少mA？解：根據(jù)LED發(fā)光功率的定義可以計算出流過LED的最大正向電流ILM，ILM=PM/U=0.5/2.3=217mA。將與光電二極管封裝在一起構(gòu)成的光電耦合器件有什么特點(diǎn)？光電耦合器件的主要特性有哪些？解：詳見書P1196項。6.7舉例說明光電耦合器件可以應(yīng)用在哪些方面？為什么計算機(jī)系統(tǒng)常采用光電耦合器件？為什么步進(jìn)電機(jī)的控制輸入信號常通過光電耦合器接入？解：應(yīng)用光電耦合器的隔離特性與不共地傳輸信號的特性可以解決很多實(shí)際應(yīng)用問題，內(nèi)容非常豐富，讀者只要認(rèn)真觀察，不難找到典型應(yīng)用。也不難回答此題。6.8為什么由LED與光電二極管構(gòu)成的光電耦合器件的電流傳輸比總是小于1，而由LED與光電三極管構(gòu)成的光電耦合器件的電流傳輸比有可能大于等于1？在著損耗，因此電流傳輸比小于1。它的電流傳輸比可以大于1。6.9用光電耦合器構(gòu)成其他邏輯電路？以設(shè)計出來。6.10光電耦合器件在電路中的信號傳輸作用與電容的隔直傳交作用有什么差別？有電氣聯(lián)系的信息傳輸作用，其抗干擾能力強(qiáng)。而電容耦合的隔直傳交必須建立在“共地”基礎(chǔ)上的電氣聯(lián)系。分析圖6-38電路，分別計算出流過電阻R1與R2的電流各為多少mA？6-38可見流過電阻R1的電流是光電耦合器的輸入電流，當(dāng)與門電路的輸入均R1的電流當(dāng)電阻R1有37mA電流流過時，耦合器的光電三極管應(yīng)處于飽和狀態(tài)，因此流過電阻R2的電流IR2=（5-0.3）/10kΩ=0.47mA。6.12若圖6-38電路中的光電耦合器要求流過LED的電流必須大于調(diào)整電阻R1與R3？解：根據(jù)IR1=（13.5-0.9-0.3）/R1≥20mA，可以解得R1≤615Ω，可以取R1為560Ω。IR3=（5-0.9-0.3）/R3=20mA，可以解得R3≤190Ω，取R3為180Ω。6.13用如圖6-38所示的光電耦合單向可控硅做直流電動機(jī)的啟動控制器，手冊上查到單向可控硅光電耦合器的輸入光電流必須大于20mA，LED的正向壓降為0.9V，所提供的輸入電壓不大于5V，試設(shè)計控制電路，給出串聯(lián)電阻的阻值？5V電源通過電阻RR=（5-0.9）/20=0.2kΩ；取串聯(lián)電阻R為200Ω。6.14試用如圖6-40所示的光電耦合雙向可控硅做電機(jī)控制器，已知雙向可控硅光電耦合器的輸入光電流必須大于的正向壓降為12V，試設(shè)計控制電路，給出串聯(lián)電阻的阻值？解：根據(jù)圖6-40，當(dāng)SW1閉合時12V電源將通過電阻R1給LED提供正向電流，當(dāng)其大于50mA時，雙向硅將導(dǎo)通?？芍螂娏鱅=(12-0.9)/R1，R1=(12-0.9)/50=0.22kΩ，可以選擇串聯(lián)電阻200~220Ω的電阻。思考題與習(xí)題77.1 光電信息變換有哪些基本類型？將光電信變換劃分為6種基本類型的目的與意義是什么？解：光電信變換共分為6種基本類型，分別如7.1.1所述（見P127~129針對性的設(shè)計。根據(jù)不同類型找到變換方式和注意的問題。7.2全輻射測溫屬于哪種基本類型？這種類型應(yīng)采用怎樣處理技術(shù)才能更好更便利地將所需要的信息檢測出來？解：屬于第1種類型，信息載荷于光源的方式。流信號，然后再解調(diào)出被測信息。測量透明薄膜的厚度要用到哪種基本類型？為什么在測量透明薄膜厚度時需要采用對數(shù)放大器？解：屬于信息載荷于透明體的方式，根據(jù)式（7.1-6）所示的輸出信號電壓US=Φoξe-μCl可見，利用對數(shù)放大器就會得到如式（7.1-7）的關(guān)系式，獲得輸出信號與成線性關(guān)系的表達(dá)式。故需要利用對數(shù)放大器。測量物體表面粗糙度及表面瑕疵面積與性質(zhì)時應(yīng)該采用哪種光電信息變換的基本類型？怎樣將表面粗糙度及表面疵病信息檢測出來？解：采用信息載荷于反射光的方式。詳見書中P129所述內(nèi)容。式（7.1-8）可以將表面粗糙度與表面瑕疵病的信息檢測出來。7.5試設(shè)計出測量物體邊界位置的測量方案。再分析所設(shè)計的方案屬于哪種光電變換類型？能否采用模-數(shù)光電變換電路？為什么在能用模-數(shù)光電變換電路時不采用模擬光電變換電路？通常采用模-數(shù)光電變換電路，因為采用模-數(shù)光電變換電路可以避免光源不穩(wěn)定對位置信息的影響。7.6在7-62圖所示的光電變換電路中，若已知3DU2的電流靈敏度SI=0.15mA/lx，電阻RL=5.1kΩ，三極管9014的電流放大倍率β=120，若要求該光電變換電路在照度變化為20lx的范圍情況下，輸出電壓Uo的變化不小于2V，問：(1) 電阻RB與RC應(yīng)為多少？(2) 試畫出電流I1、I2、IB和IC的方向.(3) 當(dāng)背景光的照度為10lx時，電流I1為多少？輸出端的電位為多少？(4) 入射光的照度為30lx時的輸出電壓又為多少？?IcRC=βI1(RB+rbe)RC/(RL+RB+rbe)根據(jù)電路，三極管的be結(jié)電阻rbe一般很小，在1kΩ左右?？蛇xRB=RL，則滿足輸出電壓要求的RC≥2?Uo/βI1，取RC=120Ω。（2）I1、I2和IC的方向均為由上至下，IB的方向是自左至右。RL上的壓降為?Uo=βSIERc(RB+rbe)/(RL+RB+rbe)當(dāng)RB=RL時，?Uo=10.8V。（4）入射光的照度為30lx時，可以由?Uo=βSIERc(RB+rbe)/(RL+RB+rbe)計算，但是考慮到給定的電源電壓，輸出三極管將進(jìn)入飽和工作狀態(tài)，輸出電壓將被限制在11.7V。7.7 模擬光電變換與模-數(shù)光電變換電路有什么區(qū)別？為什么說模擬光電變換電路受環(huán)境條件的影響要比模-數(shù)光電變換電路大？模-數(shù)光電變換電路中排除了周邊環(huán)境的光強(qiáng)，或者說數(shù)字信息不與光源強(qiáng)度有任何關(guān)系，因此，它對光源及周邊環(huán)境光的要求不高。在如圖所示的激光單路干涉測位移的裝置中，若用He-Ne激光器作為光源，問：(1) 反光鏡M3移動多少毫米光電器件輸出的脈沖才為100個數(shù)？(2) 該測位移裝置的位移靈敏度為多少？若考慮數(shù)字電路具有1字測量誤差，問此裝置位移測量的最高精度為多少？7-14和式（7-35）才能計算出M3移動量L。L=nλ/2=100×0.6328/2=31.64μm。（2）測位移裝置的位移靈敏度Sn=?L/?n=31.64/100=0.316μm/個。該裝置的最高精度為0.31μm。假設(shè)兩塊光柵的節(jié)距為0.2mm，兩光柵的柵線夾角為1°，求所形成的莫爾條紋的間隔。若光電器件測出莫爾條紋走過10個，求兩光柵相互移動的距離？解：需要打開“摩爾條紋測位移”一節(jié)的第2莫爾條紋的間隔m d =0.2/2sin(0.5°)=11.46mm；22)L為：L=nd=0.2×10=2mm。7.10 假設(shè)調(diào)制波是頻率為010kHz、振幅為50V，求調(diào)幅波的表達(dá)式、帶寬及調(diào)制度。解：調(diào)幅波的表達(dá)式可以根據(jù)式（7.5-3）描述如下：[1mVm的情況下可設(shè)置在實(shí)驗室或?qū)嵙?xí)場所你見到過哪幾種光電調(diào)制器？它們分別有哪些特點(diǎn)？其作用如何？來回答。思考題與習(xí)題88.1 比較逐行掃描與隔行掃描的優(yōu)缺點(diǎn)，說明為什么20世紀(jì)的電視制式要采用隔行掃描方式的電視制式？我國的電視制式是怎樣規(guī)定的？解：先閱讀書中P163~164頁內(nèi)容，從行掃描速度，幀頻與顯示圖像的穩(wěn)定性等方面進(jìn)行比較，20世紀(jì)受到掃描速度，顯示方式和技術(shù)難度的限制而使當(dāng)時的電視制式采用隔行電視制式規(guī)定每幀掃描行數(shù)為625312.5頻15625Hz，行周期為20ms，行正程為18.4ms，行逆程為1.6ms。8.2為什么說N型溝道CCD的工作速度要高于P型溝道CCD的工作速度？同樣材料的埋溝CCD的工作速度要高于表面溝道CCD的工作速度的原因是什么？解：因為N型溝道CCD是電子導(dǎo)電的，而P型溝道CCD低于電子，因此，N型溝道CCD的工作速度要高于P型溝道CCD。埋溝CCD的溝道在體內(nèi)，體內(nèi)的“缺陷”要少于表面溝道，“缺陷”也被稱為“俘獲中心”或“態(tài)”對運(yùn)行的電子或空穴有俘獲作用，因此同樣材料的埋溝CCD的工作速度要高于表面溝道CCD。8.3試說明為什么在相同柵極電壓相同的作用下不同氧化層厚度MOS結(jié)構(gòu)所形成的勢阱存儲電荷的容量不同？氧化層厚度越薄電荷的存儲容量為什么越大？解：在相同柵極電壓作用下的不同氧化層厚度MOS結(jié)構(gòu)所形成的勢阱深度不同，存儲電荷的容量就不同。氧化層厚度越薄，勢阱深度越深，存儲電荷的容量越大。8.4為什么二相線陣CCD電極結(jié)構(gòu)中信號電荷能在二相驅(qū)動脈沖的驅(qū)動下進(jìn)行定向轉(zhuǎn)移而三相線陣CCD必須在三相交迭脈沖的作用下才能進(jìn)行定向轉(zhuǎn)移？CCD的電極結(jié)構(gòu)是氧化層厚度為階梯式的，能夠形成不對稱的勢阱，不對稱的勢阱能夠決定電子的移動方向，所以在二相驅(qū)動脈沖作用下電子能夠定向移動。而三相線陣CCD的電極結(jié)構(gòu)不能形成階梯勢阱，不能使電子定向轉(zhuǎn)移。必須靠3相交迭脈沖形成的“階梯”勢阱效應(yīng)才能驅(qū)使電子定向轉(zhuǎn)移。8.5線陣CCD驅(qū)動脈沖中設(shè)置復(fù)位脈沖RS有什么意義？如果線陣CCD驅(qū)動器的RS脈沖出現(xiàn)故障而沒有加上，線陣CCD的輸出信號將會怎樣？RS脈沖能夠在行轉(zhuǎn)移脈沖到來之前將所有一行移位寄存器內(nèi)的剩余信號電荷清空，使轉(zhuǎn)移脈沖到來后輸入到各個存儲器的信號都是上一行積累的信號電荷。如果線陣CCD驅(qū)動器的RSCCD的輸出信號將會因逐行積累而破壞一行積分的光信號。多行輸出后很可能出現(xiàn)飽和輸出現(xiàn)象。8.6為什么要引入胖零電荷？胖零電荷屬于暗電流嗎？能通過對線陣CCD器件制冷消除胖零電荷嗎？PAGEPAGE20能通過制冷消除。因為那是有意添加的。8.7試說明為什么線陣CCD的驅(qū)動頻率有上限和下限的限制？為什么對線陣CCD器件進(jìn)行制冷能夠降低它的下限驅(qū)動頻率？解：線陣CCD的驅(qū)動頻率受結(jié)構(gòu)、材料和工作溫度的等影響，頻率太高，小于電子轉(zhuǎn)間太長，熱激發(fā)載流子可能進(jìn)入勢阱，破壞信號，所以有下限驅(qū)動頻率。制冷使工作溫度降低，熱激發(fā)載流子也隨之減少，因此制冷能夠降低下限驅(qū)動頻率。8.8為什么線陣CCD的光敏陣列與移位寄存器之間要分別設(shè)置并采用轉(zhuǎn)移柵隔離開？存儲于光敏陣列中的信號電荷是通過哪個電極的控制轉(zhuǎn)移到雙溝道器件的移位寄存器中的？又是通過哪些電極控制從CCD轉(zhuǎn)移出來形成時序信號的？時）才能使二者溝通完成信息的轉(zhuǎn)移。存儲于光敏陣列中的信號電荷是通過轉(zhuǎn)移柵脈沖的控制轉(zhuǎn)移到雙溝道器件的移位寄存器中。通過移位寄存器上所加的時鐘脈沖（2相或4相）將光積分所得的信號從CCD轉(zhuǎn)移出來形成時序信號的。8.9若二相線陣CCD器件TCD1206UD像元數(shù)為2160個，器件的總轉(zhuǎn)移效率為0.92，試計算它每個轉(zhuǎn)移單元的最低轉(zhuǎn)移效率應(yīng)該是多少？8.10幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD的圖像信號電荷是存儲在哪個區(qū)域？是怎樣從像敏區(qū)轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)的？又是如何從暫存區(qū)轉(zhuǎn)移出來成為視頻信號的？解：幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD形成的圖像信號電荷是存儲在像敏區(qū)。存區(qū)的。場正程期間，在行驅(qū)動脈沖與存儲柵脈沖的共同作用下，在每個行逆程期間在轉(zhuǎn)移脈沖器在行正程期間在驅(qū)動脈沖作用下輸出一行信號電荷，形成視頻信號。8.11幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD輸出的信號是如何遵守電視制式的？解：簡單地說，幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD輸出的信號是按照電視制式的行、場正逆程時序輸出信號的。具體的說，在場逆程（1.6ms）期間，幀轉(zhuǎn)移型面陣CCD完成將圖像信號從像敏區(qū)轉(zhuǎn)移至存儲區(qū)的工作；在場正程（18.4ms）期間，按照制式的圖像輸出方式一行行地遵守CCD完成將一行圖像信號從存儲區(qū)平移向輸出移位寄存器轉(zhuǎn)移一行；行正程（52μs）在水平驅(qū)動脈沖的作用下將一行圖像信號輸出，形成一行圖像信號。一行行的按制式的行周期輸出，直到場正程時間結(jié)束。8.12隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD的信號電荷是通過怎樣的控制從像敏區(qū)轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器轉(zhuǎn)移出來成為視頻信號的？解：隔列轉(zhuǎn)移型面陣CCD的信號電荷在場逆程期間通過發(fā)出轉(zhuǎn)移脈沖將每一列圖像信號并行地轉(zhuǎn)移到鄰近的列存儲器中。然后，在行逆程期間（12μs）隔列存儲器并行地向水平移位寄存器轉(zhuǎn)移一行的信號；行正程期間（52μs）在水平驅(qū)動脈沖的作用下將一行圖像信號輸出，形成一行圖像信號。8.13在CMOS圖像傳感器中的像元信號是通過什么方式從像敏區(qū)傳輸出來的？為什么CMOS圖像傳感器要設(shè)置地址譯碼器？地址譯碼器的作用是什么？解：CMOS圖像傳感器的像元信號是通過相應(yīng)的行與列模擬開關(guān)經(jīng)列放大器輸出的。CMOS圖像傳感器必須設(shè)置行與列的地址譯碼器，因為它的每一個像元都具有行與列進(jìn)行尋找與變址。圖像傳感器能夠像線陣CCD那樣只輸出一行的信號嗎？試設(shè)計出用CMOS圖像傳感器完成線陣CCD信號輸出的方案。CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以單行輸出，它就能夠像線陣CCD那樣只輸出一行的信號。信號將像線陣CCD那樣順序輸出。8.15何謂被動像元結(jié)構(gòu)與主動像元結(jié)構(gòu)？二者有什么異同？主動像元結(jié)構(gòu)是如何克服被動像元結(jié)構(gòu)的缺陷的？解：書中P187“2.CMOS成像器件的像元結(jié)構(gòu)”介紹得很詳細(xì)。簡單的說被動像元結(jié)構(gòu)指只有像敏二極管與場效應(yīng)開關(guān)管的像元結(jié)構(gòu)。的滯留圖像的影響。CMOS的工作速度和圖像質(zhì)量。CMOS圖像傳感器的填充因子？提高填充因子的方法有幾種？3CMOS圖像傳感器的填充因子是指具有像敏作用的區(qū)域與整個像元面積之比。提高填充因CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的主要區(qū)別是什么？開關(guān)輸出，而后者是將圖像信號通過驅(qū)動脈沖順序地將信號移出器件。8.18為什么CMOS圖像傳感器要采用線性-對數(shù)輸出方式？在采用了線性-對數(shù)輸出方式后會得到什么好處？同時會帶來什么問題？CMOS圖像傳感器必須適應(yīng)圖像灰度的很大變化范圍，采用線性-對數(shù)輸出方式能夠滿足這項需求。所謂線性-對數(shù)輸出方式是在圖像亮度較低情況下采用線性模式輸出，這樣在低亮度情況下圖像亮度與輸出信號的強(qiáng)度呈線性關(guān)系，當(dāng)亮度增加到一定程度后，輸出信號的強(qiáng)度不再與亮度線性增長，而以對數(shù)方式增加，二者為非線性的。因此引入非線性。8.19敏度徹底為零，將沒有圖像輸出。8.20根據(jù)IR220紅外熱像儀的技術(shù)參數(shù)說明能否用IR220紅外熱像儀探測人體的體溫？能否將IR220紅外熱像儀安裝在機(jī)場候機(jī)室入口處，用于檢測登機(jī)旅客的健康狀況？故可以用IR220IR220紅外熱像儀安裝在機(jī)場候機(jī)室入口處，用于檢測登機(jī)旅客身體的溫度是否正常。8.21試?yán)脽後岆娖骷O(shè)計出點(diǎn)掃描方式的熱像儀，要求畫出點(diǎn)掃描熱像儀的原理方框圖。題屬于設(shè)計題，是多解的。思考題與習(xí)題99.1為什么要對單元光電信號進(jìn)行二值化處理？單元光電信號進(jìn)行二值化處理的方法有幾種？各有什么特點(diǎn)？對序列光電信號進(jìn)行二值化處理的意義有哪些？解：復(fù)習(xí)“9.1光電信息二值化處理”內(nèi)容，從中找到解答各問題的解。9.2 舉例說明序列光電信號的特點(diǎn)。陣CCD輸信典的列電號陣CCD出號為列光信具的點(diǎn)為有始轉(zhuǎn)脈沖H②列每信都有同有效時間段（如TΦ1；③具有嚴(yán)格的“長度（包括周期與序列的脈沖數(shù)；④序列中的每個元幅獨(dú)。9.3采用浮動閾值對單元光電信號進(jìn)行二值化處理的是什么？能否用單元光電信號自身輸出的電壓作浮動閾值？若能，該怎樣處理？變化信息。9-4所示的電路。9.4 能否采用單元光電信號的浮動閾值電路處理序列光電信號的問題？為什么？解：不能，因為二者輸出信號的特點(diǎn)不同，尤其是線陣CCD，它的輸出信號是上一行9.5 為什么掌握了序列光電信號的數(shù)據(jù)采集方法就能夠進(jìn)行單元光電信號的二值化數(shù)據(jù)采集？試以圖9-1所示的裝置為例，將圖中所示的三個單元光電信號進(jìn)行二值化數(shù)據(jù)采集并將二值數(shù)據(jù)采入到計算機(jī)。解：嚴(yán)格地說單元光電信號屬于序列光電信號中序列數(shù)為1的特例。從圖9-1所示裝置可以看到，在S、A與B位置上安裝的探測器分別輸出電壓為US、UA和和UB置一個時鐘計數(shù)器，計滿足分辨率需求的時鐘脈沖。再設(shè)置三個“SDSDS、SDA與與SDB的三態(tài)數(shù)據(jù)輸出線分別通過數(shù)據(jù)總線提供給計算機(jī)。當(dāng)機(jī)件開始運(yùn)動命令下達(dá)時啟動時鐘計數(shù)器，計數(shù)器開始計數(shù)，機(jī)件開始運(yùn)動，當(dāng)機(jī)件運(yùn)動到S位置，DS由“0”變?yōu)椤?”，用其上升沿將時鐘瞬間所計數(shù)據(jù)存入SDS。同樣SDA與SDB也在機(jī)件運(yùn)動到相應(yīng)位置時獲得數(shù)據(jù)。DBSDS、SDA與SDB的輸出設(shè)置為有效，計算機(jī)迅速讀取與SDB數(shù)據(jù)，并將其復(fù)位；另一方面延時設(shè)定時間后讓機(jī)件返回，再將時鐘計數(shù)器數(shù)據(jù)復(fù)位。顯然，返回時SDB數(shù)據(jù)為零，而SDS數(shù)據(jù)大于SDA。計算機(jī)獲得這樣的信息便由軟件可以判斷出這是返回數(shù)據(jù)。9.6試說明線陣CCD輸出信號的浮動閾值二值化數(shù)據(jù)采集方法中閾值的產(chǎn)生原理，為什么要采集轉(zhuǎn)移脈沖SH下降沿一定時間后的輸出信號幅值的一部分為閾值？P201~202SH下降沿后很短時間T內(nèi)的CCD輸出信號為浮動閾值是考慮到本行輸出信號的背景光的強(qiáng)度。因為它反應(yīng)了同一個積分時間段的光強(qiáng)信號，因此最準(zhǔn)確的反應(yīng)了輸出信號的變化。9.7 試說明邊沿送數(shù)法二值化接口電路的基本原理，如果線陣CCD的輸出信號中含有10個邊沿（有5個被測尺寸），還能能夠用邊沿送數(shù)二值化接口電路采集10個邊沿的信號嗎？如果認(rèn)為太復(fù)雜，應(yīng)采用什么二值化接口方式？解：書中P190頁利用圖9-10和9-11詳細(xì)地說明了邊沿送數(shù)法二值化接口電路的基本需要進(jìn)行重新設(shè)計，參考資料55“梳狀體二值化數(shù)據(jù)采集方法的研究”很好地回答了該問題，請查找。9.8舉例說明單元光電信號A/D數(shù)據(jù)采集的意義，怎樣對單元光電信號進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)采集？解：若需要檢測某點(diǎn)的光強(qiáng)度I，需要對該點(diǎn)位置放置的光電二極管的輸出電壓進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)采集，這就屬于單元光電信號的A/D數(shù)據(jù)采集。對單元光電信號進(jìn)行A/D數(shù)據(jù)采集的問題需要根據(jù)所要采集的時間段設(shè)置采樣脈沖串2個脈沖，分別完成A/D的啟動和讀出（兼送數(shù)到計算機(jī)A/D數(shù)據(jù)采集工作。9.9在線陣CCD的A/D數(shù)據(jù)采集中為什么要用ΦC和SP作同步信號？其中ΦC的作用是什么？SP的作用又如何？CCD的A/D數(shù)據(jù)采集中常采用ΦC為行同步信號，因為在線陣CCD的一個輸出信號周期內(nèi)只有一個ΦC脈沖，而且它的后沿正好對應(yīng)著第一個有效信號的到來時刻。用SP脈沖做像元采樣同步信號，因為線陣CCD每輸出一個像元信號都對應(yīng)于一個SP，而且SP與像元的有效輸出信號相對于。9.10已知AD12-5K線陣CCD的A/D數(shù)據(jù)采集卡采用12位轉(zhuǎn)換器ADC1674，它的輸入電壓范圍為0～10V，今測得三個像元的值分別為4093，2121，512，并已知線陣CCD的光照靈敏度為47(v/lx.s)試計算出這三個點(diǎn)的曝光量分別為多少？解：首先找到12位A/D轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制數(shù)所對應(yīng)的電壓值，12位二進(jìn)制數(shù)的幅值為4095，它對應(yīng)與10V，即212=10V，因此二進(jìn)制數(shù)的每位數(shù)字代表2.44mV。分別計算出：V4093=2.44×4093=9.995V；V2121=2.44×2121=5.175V；V512=2.44×512=1.249V。再考慮光照靈敏度與輸出電壓的關(guān)系，則得：H4093=V4093/SH=0.21(lx.s)；H2121=V2121/SH=0.11(lx.s)；H512=V512/SH=0.027(lx.s)。9.11已知RL2048DKQ(26×13μm2)在250～350nm波段的光照靈敏度為4.5V/μJ?cm-2，今用RL2048DK為光電探測器，采用16位的A/D數(shù)據(jù)采集卡（基準(zhǔn)電壓為2.5V，滿量程輸入電壓為5V）對被測光譜進(jìn)行探測，探測到一條譜線的幅度為12500，譜線的中心位置為1042像元上，設(shè)測譜儀已被2條已知譜線標(biāo)定，一條譜線為260nm譜線中心位置在450像元；另一條譜線為340nm譜線中心位置在1550像元。試計算該光譜的輻出度光譜輻能量。解：與上題解的方法類似，一方面先找出16位二進(jìn)制數(shù)的當(dāng)量N16，再討論輸出幅值；另一方面在假設(shè)光譜在CCD像面上波長的分布是線性的（用線陣CCD探測光譜的光譜儀通常在光譜面上CCDN16=5000/216=0.076mV；輻出度為M12500=12500×N16/SM=0.21（μJ?cm-2）；輻能量為：M12500A=0.21×26×10-5×13×10-5=7.1×10-9（μJ）根據(jù)已知條件，1024像元在450像元與1550像元之間光譜的分布是線性的，在整個線陣CCD像敏陣列上光譜的分布也是線性的。因此，1024像元對應(yīng)的波長可以根據(jù)線性關(guān)系來找。線陣CCD?n=(340-260)/(1550-450)=0.072nm；在線陣CCD像面上，1024像元距離450像元的差為574=260+0.072×574=301.3nm。9.12一般面陣CCD的A/D數(shù)據(jù)采集卡采用8位A/D轉(zhuǎn)換器，當(dāng)某幅圖像中所采集到的數(shù)據(jù)都為127時，說明出現(xiàn)了什么問題（正常數(shù)據(jù)應(yīng)為0~255）？解：很可能是鏡頭蓋沒有打開，或者面陣CCD相機(jī)壞了，沒有圖像輸入。9.13為什么基于PCI總線的圖像采集卡不必在卡內(nèi)設(shè)置存儲器，而采用PC總線接口、并行接口（打印接口）等的圖像采集卡內(nèi)必須設(shè)置存儲器？解：因為PCI總線的數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群芸?，足以在A/D轉(zhuǎn)換一個像元數(shù)據(jù)所用時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)傳輸工作，將數(shù)據(jù)存于計算機(jī)內(nèi)存。9.14簡述用軟件實(shí)現(xiàn)圖像白電平與對比度的調(diào)整原理與方法。偏大，則將影響對比度的參數(shù)降低。偏小，則將影響對比度的參數(shù)提高。9.15試用ADC12081轉(zhuǎn)換器設(shè)計TCD1500C的A/D數(shù)據(jù)采集計算機(jī)接口卡，要求畫出接口卡原理方框圖，寫出設(shè)計說明。解：此題為設(shè)計類型的題目，可以有若干個解。解此題需要了解TCD1500C及其驅(qū)動器的特點(diǎn)，它的驅(qū)動脈沖和掌握能夠用來進(jìn)行行同步與像元同步的脈沖。例如，用SH脈沖或FC脈沖作為行同步脈沖；用SP脈沖做像元同步脈沖。然后，還要了解ADC12081轉(zhuǎn)換器的特性，了解其啟動轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成的時刻和數(shù)據(jù)輸出的方式與控制。然TCD1500C的A/D數(shù)據(jù)采集計算機(jī)接口卡是個系統(tǒng)工程?；赑CI總線的線陣CCD數(shù)據(jù)采集計算機(jī)接口卡的原理方框圖如下：在TCD1500C驅(qū)動器的驅(qū)動下輸出信號直接送給12位轉(zhuǎn)換器ADC12081進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。驅(qū)動器輸出的行同步信號FC與像元同步信號SP以及時鐘脈沖CLK送至同步控制動A/DPCI總線交A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)送在PCI控制的A/D數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完集的數(shù)據(jù)提供計算機(jī)顯示屏思考題與習(xí)題1010.1如何應(yīng)用光電測量方法獲得小位移量與小角度量信息？解：可以根據(jù)7.4節(jié)“物理光學(xué)方法的光電信息變換”介紹的內(nèi)容，利用干涉與衍射的方法將小位移量與小角度量進(jìn)行放大或進(jìn)行演變，即利用光的干涉或衍射將微位移或微角度變換成干涉條紋或衍射圖像，然后再利用圖像傳感器采集干涉與衍射圖樣進(jìn)行圖像的測量，利用相應(yīng)的軟件進(jìn)行分析與計算。獲取小位移量或小角度量。題1.2振動題1.2振動測量原理方框圖文獻(xiàn)CCD測量火炮炮管邊界在發(fā)射炮彈過程中的振動。圖-3原理方框圖可以參考圖-3圖10.2中，計數(shù)器在行驅(qū)動脈沖周期內(nèi)計像元SP脈沖。驅(qū)動電路控制能夠通過光學(xué)成像系統(tǒng)將被測的炮管圖像的線陣CCD同步工作，輸出含有炮管邊界的圖像信號