淮海工学院 光电检测作业题（考试版）

一、填空

1、光敏电阻常用来制作光控开关

2、光电探测器特性参数有：响应率、光谱响应率、等效噪声率、探测率与比探测率、时间常数、线性、量子效率

2、真空光电是基于外光电效应的光电探测器。

3、光电成像器件足够输出图像信息的一类器件，包括真空成像器件和固体成像器件两大类。

4、真空成像器件根据管内有无扫描机构又分为像管和摄像管。 5、固体成像器件有两大类，分别是电荷耦合器件CCD和自扫描二极管列阵SSPD。 6、电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号而不是以电流或电压工作为信号 7、CCD按结构可分为线阵CCD和面阵CCD

8、按接受光谱CCD摄像机可分为：可见光CCD，红外光CCD，X射线CCD和紫外线CCD。

9、常见的红外探测器有两大类：热探测器和光子探测器 10、光纤由纤芯、包层以及外套组成

11、光纤按照折射率变化规律可分为阶跃型和梯度型两种 12、光纤传感器的基本组成除光纤之外，还有光源和光电元件

13、硅光电三极管集电极电流不只是受基极电路的电流控制，还受光的控制。

二、名词解释

1、（1）光电导效应：当半导体材料受到光照时，由于吸收光子使其中的载流子浓度增大，导致材料的电导率增大。（2）光生伏特效应：光生载流子被结电场分离后，空穴流入P区，电子流入N区，在结区两边参生势垒。（3）光电发射效应：也称外光电效应，就是在光的作用下，物体内部的电子逸出物体表面向外表发射的现象。

2、光辐射探测器的几种噪声：①热噪声：载流子热运动引起的电流起伏或电压起伏；②散粒噪声：随机起伏所形成的噪声；③产生-复合噪声：在外加电压下，电导率的起伏使输出电流中出现产生-复合噪声； ④1/f噪声：噪声的功率谱近似与频率成反比；⑤温度噪声：由于器件本身温度变化引起的噪声。 3、光电效应：光电效应分为内光电效应和外光电效应，内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。发生在物体表面上的光电转换称为外光电效应；发生在物体内部，特别是半导体内部载流子产生效应，称为内光电效应。 4、（1）自发辐射：原子开始处于高能态E2，自发地从高能态跃迁至低能态且E1，并发射频率为v=(E2-E1)/h的光子。（2）受激吸收：原子开始处于低能态，在1个频率为v=(E2-E1)/h的入射光子激发下，原子吸收了这个光子，跃迁至高能态。(3）受激辐射：原子开始处于高能态，在1个频率为v=(E2-E1)/h的入射光子激发下，原子从高能态跃迁至低能态，并发射2个完全相同的光子。

5、激励：激励是从外界吸收能量，使原子系统的原子不断从低能态跃迁至高能态能级以实现粒子数反转的过程。（又称“激发”，“抽运”和“泵浦”） 6、暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流：①光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。 ②光敏电阻在一定照度下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。光电流和暗电流之和称为亮电流。

7、光电阴极：能够产生光电发射效应的物体称为光电发射体，光电发射体常用作阴极，故又称光电阴极。

8、红外辐射源：当物质温度高于绝对零度时，就有红外线向周围空间辐射出来，有红外辐射的物体就可视为红外辐射源 9、光纤的耦合方式：（1）光纤强耦合是光纤纤芯间形成直通，传输模直接进入耦合臂。（2）光纤弱耦合是通过光纤的弯曲，或使其耦合处成锥状。于是，纤芯中的部分传导模变成包层模，再由包层模进入耦合臂中的纤芯，形成传导模。 10、太赫兹波：THZ（10HZ）辐射通常指在0.1-10THZ（波长在30um-3mm）之间的电磁波，其波段在微波和红外光之间，属于远红外波段。

11、前历效应：前历效应是指光敏电阻的响应特性与工作前的“历史”有关的一种现象。前历效应有：暗态前历效应与亮态前历效应之分。

①暗态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后表现为暗态。前历越长，光电流上升越慢。一般情况下，工作电压越低，光照度越低，则暗态前历效应就越严重。

②亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前已处于亮态，当照度与工作时所需达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象。

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三、分析论述题

1、如何合理选择光电探测器。

答：①根据待测光信号的大小，确定探测器的动态范围；②探测器和光源的光谱匹配；③须知道探测器的等效噪声功率，所产生电信号的信噪比；④测量调制或脉冲光信号时，要考虑探测器的响应时间或频率响应范围；⑤当测量的光信号幅值变化时，探测输出信号线性程度。除此之外，还需考虑其稳定性、测量精度、测量方式等因素。

2、试分析图4-21所示路灯自动控制电路工作原理。

答：当光线很弱时，光敏电阻阻值很大，与光敏电阻并联的路灯电阻相对较小，因而流过继电器线圈的电流很小，达不到启动要求，继电器不能工作；电路中的电流几乎全部通过路灯，于是路灯点亮。当环境照度逐渐变大时，光敏电阻阻电器的电流足以使继电器J工作，动触点由常闭位置跳到常开位置，与电源断开，自动熄灭。

灯

R VD

C cds J ~220 常闭

路灯自动点熄电路

3、哪种类型的光敏电阻使用较多，为什么？

答：从原理上说，P型、N型半导体均可制成光敏电阻，但由于电子的迁移率比空穴大，而且N型半导体材料制成的光敏电阻性能较稳定，特性较好，故目前大都使用N型半导体光敏电阻。

一、分类型简答题：

1、光电探测系统的噪声有哪几类？ 答：可分三类：（1）光子噪声：①信号辐射产生的噪声 ②背景辐射产生的噪声；（2）探测器噪声：①热噪声 ②散粒噪声 ③产生-复合噪声 ④1/f噪声 ⑤温度噪声；（3）信号放大及处理电路噪声；

2、按光纤在检测系统所起作用，光纤传感器可分为那几类？ 答：①功能型：光线本身既是传输介质又是传感器 ②非功能型：光纤只是信息传输介质，而传感器要采用其它元件来进行光电转换 3、光照下的PN结有哪几种工作模式？分别说明。 答：①如果工作在零偏置的开路状态，PN结型光电器件产生光生伏特效应，这种工作原理称光伏工作模式。

②如果工作在反偏置状态，无光照射时结电阻很大，电流很小；有光照时，结电阻变小，电流变大，而且流过它的光电流随照度变化而变化。这种状态称为光电导工作模式。

4、按工作介质可以将激光器分为哪几类，每一类的工作物质是什么？

答：按工作介质，激光器可分为气体激光器，固体激光器，染料激光器和半导体激光器。工作物质：①气体激光器：氦氖激光器的工作物质为氦气和氖气组成；氩离子激光器的工作物质为氩气；二氧化碳激光器的工作物质是二氧化碳。②固体激光器：工作物质为具有特殊能力的高质量的光学玻璃或光学晶体，其里面掺入具有发射激光能力的金属离子。③染料激光器：工作物质为染料。④半导体激光器：工作物质为半导体。

5、光敏电阻有哪几类？试分别说明。

答：光敏电阻分为两类--本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。前者只有当入射光子能量hν等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时才能激发一个电子--空穴对。在外加电场作用下形成光电流，能带结构如图（a）表示，后者如图（b）所示的n型半导体，光子的能量hν只要等于或大于ΔE时，就能把施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外加电场作用下形成电流。 6、光电倍增管由哪几部分组成？简述各部分作用？

答：①入射窗口：光窗是入射光的通道，光窗材料对光的吸收与波长有关，波长越大，吸收越多，所以倍增管光谱特性的短波决定于光窗材料。

②光电阴极：能够产生光电效应。③电子光学系统；电子光学系统是指阴极到倍增系统一倍之间的电极空间，包括光电阴极，聚焦极，加速极及第一倍增极。 ④电子倍增极：倍增系统是由多倍增极组成的综合体，每个倍增极都是由二次电子倍增材料构成的，具有使一次电子倍增的能力。决定整管灵敏度最关键部分。⑤阳极：收集收集从末级倍增极发射出的二次电子。 7、光敏电阻易受哪几类噪声影响？

答：光敏电阻主要易受以下三种噪声影响：

①产生--复合噪声：频率在100Hz和接近1000Hz之间 ②1/f噪声：频率低于100Hz ③热噪声：频率在1000Hz以上

8、光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？ 答：①在低压时，暗电流由漏电流决定。②电压较高时，主要是热电子发射。 ③电压再大，导致发射和残余气体离子发射，使暗电流急剧增加，发生自持放点。

9、光电倍增管中的倍增极有哪几种？每一种主要特点是什么？

答：①鼠笼式：结构紧凑，时间响应快

②盒栅式：光电子收集高，均匀性稳定性好，时间响应稍慢。 ③直流聚焦式：时间响应很快，线性好

④百叶筒式：均匀想好，输出电流大并且稳定，时间较慢 ⑤近贴栅网式：均匀性好，脉冲线性，抗磁场影响力强 ⑥微通道板式：响应速度极快，抗磁场干扰能力强，线性好 10、硅光电池的特性参数有哪些？

答：①伏安特性，表示输出电流和电压随负载电阻变化的曲线。

②光谱特性，表示在入射光能量保持一定的条件下，光电池所产生的短路电流与入射光波长之间的关系，一般用相对响应度表示。

③频率特性，对于结型光电器件，由于载流子在PN结区内的扩散、漂移，产生与复合都要有一定时间，所以当光照变化很快时，光电流就滞后于光照变化，光电池接收正弦型光照时常用频率特性曲线表示。

④温度特性，主要指光照射光电池时对开路电压Uoc与短路电流Isc随温

度变化的情况，光电池的温度特性曲线。

11、激光产生的必要条件有哪些？ 答：条件有：①粒子数反转：在热平衡条件下，原子按能级服从玻耳兹曼分布，有n1>>n2。但在非平衡态，就有可能使原子数按能级分布反转为n1<

答：CCD有3部分组成：信号输入部分，电荷转移部分和信号输出部分。 作用：①信号输入部分：将信号电荷引入到CCD的第一个转移棚下的势阱中。 ②电荷转移部分：使电极上的电压按一定规律变化，从而在半导体表 面形成一系列分布不对称的势阱。

③输出部分：见CCD最后一个转移柵下势阱中的信号电荷引出 13、描述CCD的主要性能参数有哪些？简单说明

答：①电荷转移效率和转移损失率：表征CCD器件性能好坏的一个重要参数 ②光谱响应率和干涉效应

③分辨率和调制传递函数：极限分辨率为空间采样频率的一半 ④动态范围：表征器件能在多大照度范围内正常工作

⑤暗电流和噪声：当信号电荷转移时，暗电流的加入会引起噪声或干扰

二、特征、原理及结构型简答题： 1、光敏电阻结构？

答：光敏电阻是在一块均质光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内而成的。

2、说明激光器的结构，并解释每一部分作用。

答：激光器是由工作物质，谐振腔，泵浦源3个部分组成。作用：①工作物质：组成原子具有亚稳态能级结构且产生粒子数反转的物质。②谐振腔：受激辐射通过谐振腔使得辐射能量放大。而受激和经过放大的辐射通过部分透射的平面镜输出到腔外，产生激光。③泵浦源：是激光器的能量源泉，利用泵浦源能量将工作物质中的粒子从低能态激发到高能态，实现粒子数反转。

3、说明热探测器的工作原理及它进行光电转换的过程是怎样的?

答：（1）工作原理：热探测器是利用探测元件吸收入射的红外辐射能量而引起温升，在此基础上借助各种物理效应把温升转变成电量的一种探测器；

（2）它进行光电转换的过程分为两步：第一步是探测器吸收红外辐射引起温升，这一步对各种热探测器都一样；第二步是利用热探测器某些温度效应把温升转变成电量的变化。

4、说明光子型红外探测器的工作原理及分类

答：光子型红外探测器是利用某些半导体材料在红外辐射下产生光电效应，使材料的电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化来确定红外辐射的强弱。

按工作原理分为：外光电探测器和内光电探测器。内光电效应分为：光电导探测器、光生伏特探测器、光磁电探测器。 5、硅光电池的基本结构及工作原理：

答：基本结构：硅光电池按基底材料的不同，分为2DR型和2CR型。2DR型硅光电池是以P型硅作基底，2CR型光电池则是以N型硅作基底，然后在底上扩散磷（或硼）作为受光面。构成PN结后，分别在基底和光敏面上制作输出电极，在光敏面上涂上二氧化碳做保护膜，即成硅光电池。 工作原理：硅光电池是一个大面积的光电二极管，它可把入射到它表面的光能转化为电能。当有光照时，入射光子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子--空穴对在内电场作用下分别漂移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时就有一光生电流流过负载。硅光电池的等效电路如下图，图中Ip为恒流源流出与入射光照成正比的电流，D为等效二极管，Rsh为动态结电阻，Rs是串联电阻，Cj是结电容，RL为负载电阻，IL为流过负载电阻的电流，进一步简化等效电路如下右图，其中Rsh=dU/dI,Rsh越大越好。

6、说明红外测温的特征及测温原理 答：（1）特征：①反应速度快 ②灵敏度高 ③属于非接触测温 ④准确度高 ⑤几乎适合所有温度场合 （2）红外测温原理：全辐射测温测量物体所辐射出来的全波段辐射能量以得到物体的温度，红外测温原理是斯忒藩-玻尔兹曼定律，即 MeB=σ*T4。 7、功能型与非功能型传感器原理及区别

答：（1）功能型：利用光纤本身的传输特征受被测物理量的作用而发生变化，使光纤中波导光的属性（光强、相位、偏振态、波长等）被调制成这一特点而构成的一类传感器；（2）非功能型：是在光纤的端面或两根光纤中间放置机械式或者光学式的敏感元件来感受被测物理量的变化，从而使透射光或者反射光强度随

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