光电检测技术期末试卷试题大全

1、 光电器件的基本参数特性有哪些?

（响应特性 噪声特性 量子效率 线性度 工作温度）

@响应特性分为电压响应度 电流响应度 光谱响应度 积分响应度 响应时间 频率响应

@噪声分类： 热噪声 散粒噪声 产生-复合噪声 1/f噪声 信噪比S/N 噪声等效功率NEP

2、 光电信息技术是以什么为基础，以什么为主体，研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。 （光电子学 光电子器件）

3、 光电检测系统通常由哪三部分组成 （光学变换 光电变换 电路处理） 4、 光电效应包括哪些 外光电效应和内光电效应）

外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物。 内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体。

内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。

光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象。

光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触面上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。

5、 光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为哪几种？

（光生伏特效应 太阳能光电池和测量光电池） 6、 激光的定义，产生激光的必要条件有什么？

（ 定义：激光是受激辐射的光放大 粒子数反转 光泵 谐振腔） 7、 热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出？ （交变辐射）

8、 CCD是一种电荷耦合器件，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的基本功能是什么？

（电荷 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。） 9根据检查原理，光电检测的方法有哪四种。

（直接作用法 差动测量法 补偿测量法 脉冲测量法） 10、光热效应应包括哪三种。

（热释电效应 辐射热计效应 温差电效应）

11、一般PSD分为两类，一维PSD和二维PSD，他们各自用途是什么？

（一维PSD主要用来测量光点在一维方向的位置；二维PSD用来测定光点在平面上的坐标。） 12、真空光电器件是基于什么效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管，其他元件都在真空管中，真空光电器件包括哪两类。 （外光电效应 光电管 光电倍增管） 二、 名词解释 1、响应度 （响应度（或称灵敏度）：是光电检测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。） 2、信噪比

（是负载电阻上信号功率与噪声功率之比）

3、光电效应

（光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化。） 4、亮电流

（光敏电阻两端加电压（直流或交流）。无光照时，阻值很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值急剧减少，在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成亮电流。） 5、光电信号的二值化处理

（将光电信号转换成“0”或“1”数字量的过程称为光电信号的二值化处理。） 6、亮态前历效应

(亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的一种滞后现象) 7、热释电效应

（在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效应）

8、暗电流

9、暗态前历效应

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。 三、简答

1、雪崩光电二极管的工作原理

（当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压（100~200V)时，在结区产生一个很强的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，在与原子碰撞时可使原子电离，而产生新的电子—空穴对。只要电场足够强，此过程就将继续下去，使PN结内电流急剧增加，达到载流子的雪崩倍增，这种现象称为雪崩倍增效应。） 2、光生伏特效应与光电导效应的区别和联系？

（共性：同属于内光电效应。区别：光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应，

而光电导效应是多数载流子导电的光电效应。） 3、 什么是敏感器？敏感器与传感器的区别和联系？

（将被测非电量转换为可用非电量的器件。共性：对被测非电量进行转换。 区别：敏感器是把被测量转换为可用非电量，传感器是把被测非电量转换为电量）

4、 发光二极管的工作原理。

（在PN结附近，N型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流子是空穴，PN结上未加电压时构成一定的势垒，当加上正向偏压时，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在PN 结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴对每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能的形式辐射出来。 5、 说明电子器件与热电器件的特点。 光子器件 响应波长有选择性，一般有截止波长，超过该波长，器件无响应。 热电器件 响应波长无选择性，对可见光到远红外的各种波长的辐射同样敏感 响应快，吸收辐射产生信号需要的时间短， 一般为纳秒到几百微秒 响应慢，一般为几毫秒

6、 PIN型的光电二极管的结构、工作原理及特点

（它的结构分三层，即P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体I层，它是用高阻N型硅片做I层，然后把它的两面抛光，再在两面分别作N+和P+杂质扩散，在两面制成欧姆接触而得到PIN光电二极管。原理：层很厚，对光的吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子-空穴对，因而大幅度提供了光电转换效率，从而使灵敏度得以很高。两侧P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。特点： PIN管的最大特点是频带宽，可达10GHz。缺点:由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。）

7、 热辐射检测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应。 （第一步：是热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：利用热探测器某些温度效应把温升转换为电量的变化。 第二阶段）

8、光电检测系统由哪几部分组成？作用分别是什么？ （#光学变换

时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换：光学扫描

光学参量调制：光强、波长、相位、偏振

形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。 #光电变换

光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大

将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。 #电路处理

放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。）

9、简述光电检倍增管的结构组成和工作原理

（光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统、和阳极5部分组成。

@1光照射到阴极转换成电子，出射到下一电极。

@2电子撞到下一电极，倍增，更多的电子出射，直奔下一电极。 @.3经过若干次倍增，到达阳极，形成信号电流。） 10简述CCD器件的结构和工作原理 （MOS电容器件+输入输出端=CCD

Ccd的工作原理：由目标发射来的光学图像，经透镜聚焦后成像在CCD的像敏单元上；

在耗尽层中或距耗尽层为一定范围内的光生电子迅速被势阱收集，汇集到界面附近形成电荷包，存储在像敏单元中。 电荷包的大小与光强和积分时间成正比。

电荷包在时钟脉冲作用下，由转移寄存器读出。

即在ＣＣＤ栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。） 11、简述热电偶的工作原理

（热电偶工作原理是基于赛贝克(seeback)效应,即两种不同成分的导体两端连

接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。） 12、光电二极管的工作模式有哪几种？都分别用于什么场合？ 四、分析

1、根据电路说明光电耦合器的作用。

B1 B2 +12V 1 K 4N25 Q11 +12V 1K 4N25 Q11 U1 6.2K Y1 U1 6.2K 30G6 Y2 33K 33K 30G6 Q12 Q12

2、分析下面电路的工作过程

Cd5 220V

五、应用题

1、举例说明脉冲方法测量长度的原理。 （被测物体L在传送带上以速度v前进，光电传感器将物体的长度L转换成脉冲来开启门电路，计数器将计下与脉宽对应的高频脉冲数N，则

L=vt=vkN=KN)

2、举例说明补偿测量方法的原理

（补偿测量法是通过调整一个或几个与被测物理量有已知平衡关系（或已知其值）的同类标准物理量，去抵消（或补偿）被测物理量的作用，使系统处于补偿或平衡状态。处于补偿状态的测量系统，被测量与标准量具有确定的关系，由此可测得被测量值，这种方法称为补偿法。）。 3、举例说明象限探测器的应用。 （四象限探测器主要被用于激光准直、二维方向上目标的方位定向、位置探测等领域。）

下图为简单的激光准直原理图。用单模激光器作光源。因为它有很小的光束发散角，又有圆对称界面的光强分布，很有利于作准直用。图中激光射出的光束用倒置望远系统L进行扩束，倒置望远系统角放大率小，于是光束发散角进一步压缩，射出接近平行的光束投向四象限管，形成一圆形亮斑。

光电池AC、BD两两接成电桥，当光束准直时，亮斑中心与四象限管十字沟道重合，此时电桥输出信号为零。若亮斑沿上下左右有偏移时，两对电桥就相应于光斑偏离方向而输出电信号。哪个探测器被照亮斑的面积大，输出信号也大。这种准直仪可用于各种建筑施工场合作为测量基准线。

4、举例说明光敏电阻的应用

（举例一：照明灯的光电控制电路

基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。

基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路。

基本原理：光暗时，光敏电阻的阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻

阻值降低，继电器工作，灯关。

举例二：把光敏电阻装在大门上汽车灯光能照到的地方，把带动大门的电动机接

满足稳压管的工作条件

(1) 当4V时，

由

得输出电压为6伏时电阻

6K，

输出电压为9伏时电阻

3K，故

=1；

输出电压为8V时，光敏电阻的阻值为

=4K

，带入

，解得E=60lx

（2）与上面（1）中类似，求出照度E=34lx (3) 电路的电压灵敏度

五、(1) 光电池的等效电路图

(2) 流过负载电阻的电流方程

短路电流的表达式开路电压的表达式 (3) 电流方向如图所示

六、当光照射p－n结，只要人射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子－空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，空穴顺电场方向运动，电子逆电场方向运动，在开路状态，最后在n区边界积累光电子，p区积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相反的光生电场。光电二极管在正偏置时，呈单向导电性，没有光电效应产生，只有在反偏置或零偏置时，才产生明显的光电效应。其基本结构就是一个p-n结， 属于结型光生伏特效应。当光照射时，满足条件hv>Eg,则在结区产生的光生载流子将被内建电场拉开，于是在外电场的作用下形成了以少数载流子漂移为主的光电流，显然，光电流比无光照射时的反向饱和电流大的多，如果光照越强，表示在同样条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大，反之，则光电流越小。

对于PIN管，由于I层的存在，使扩散区不会到达基区，从而减少了或根本不存在少数载流子通过扩散区的扩散时间，而I层工作在反向，实际是一个强电场区，对少子起加速的作用。即使I层较厚，对少子的度越时间影响也不大，即提高了频率响应。同时，反偏下，耗尽层较无I层时要大的多，从而使结电容下降，也提高了频率响应。

七、

CCD有两种基本类型：一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道电荷耦合器件（SCCD）；另一种是电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内沿一定方向传输，这类称为体内沟道或埋沟道电荷耦合器件（BCCD）。 原理： 当满足远场条件L﹥﹥d2/λ时，根据夫琅和费衍射公式可得到

d=Kλ/Sinθ (1)

当θ很小时（即L足够大时）Sinθ≈tgθ= Xk/L

代入（1）式得 d=== …………..(2)

S——暗纹周期，S=XK/K是相等的，则测细丝直径d转化为用CCD测S测量简图

八(1) Solution The responsivity at M=1 in terms of the quantum efficiency is

(2) If Ipho is the primary photocurrent and ?0 is the incident

optical power then by definition

so that

1、光源选择的基本要求有哪些?

答： ①源发光的光谱特性必须满足检测系统的要求。按检测的任务不同，要求的光谱范围也有所不同，如可见光区、紫外光区、红外光区等等。有时要求连续光谱，有时又要求特定的光谱段。系统对光谱范围的要求都应在选择光源时加以满足。 ②光对光源发光强度的要求。为确保光电测试系统的正常工作，对系统采用的光源的发光强度应有一定的要求。

光源强度过低，系统获得信号过小，以至无法正常测试，光源强度过高，又会导致系统工作的非线性，有时还可能损坏系统、待测物或光电探测器，同时还会导致不必要的能源消耗而造成浪费。因此在设计时，必须对探测器所需获得的最大、最小光适量进行正确估计，并按估计来选择光源。 ③对光源稳定性的要求。不同的光电测试系统对光源的稳定性有着不同的要求。通常依不同的测试量来确定。稳定光源发光的方法很多，一般要求时，可采用稳压电源供电。当要求较高时，可采用稳流电源供电。所用的光源应该预先进行月化处理。当有更高要求时，可对发出光进行采样，然后再反馈控制光源的输出。 ④对光源其他方面的要求。光电测试中光源除以上几条基本要求外；还有一些具体的要求。如灯丝的结构和形状；发光面积的大小和构成；灯泡玻壳的形状和均匀性；光源发光效率和空间分布等等，这些方面都应该根据测试系统的要求给以满足

2、光电倍增管的供电电路分为负高压供电与正高压供电，试说明这两种供电电路的特点，举例说明它们分别适用于哪种情况?

答：采用阳极接地，负高压供电。这样阳极输出不需要隔直电容，可以直流输出，一般阳极分布参数也较小。可是在这种情况下，必须保证作为光屏蔽和电磁屏蔽的金属筒距离管壳至少要有10～20mm，否则由于屏蔽筒的影响，可能相当大地增加阳极暗电流和噪声。如果靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，则要注意安全。 采用正高压电源就失去了采用负高压电源的优点，这时在阳极上需接上耐高压、噪声小的隔直电容，因此只能得到交变信号输出。可是，它可获得比较低和稳定的暗电流和噪声 3、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点，？为什么要把光

敏电阻制造成蛇形？

答：在微弱辐射下，光电导材料的光电灵敏度是定值，光电流与入射光通量成正比，即保持线性关系。

因为产生高增益系数的光敏电阻电极间距需很小（即tdr小），同时光敏电阻集光面积如果太小而不实用，因此把光敏电阻制造成蛇形，既增大了受光面积，又减小了极间距。

9、 为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在那种偏置状态？为什么？

答：因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，

所以有光照时，光电效应不明显。p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增加。

二~论述光电检测系统的基本构成，并说明各部分的功能。 1、下面是一个光电检测系统的基本构成框图：

（1）光源和照明光学系统：是光电检测系统中必不可少的一部分。在许多系统中按需要选择一定辐射功率、一定光谱范围和一定发光空间、分布的光源，以此发出的光束作为载体携带被测信息。

（2）被测对象及光学变换：这里所指的是上述光源所发出的光束在通过这一环节时，利用

河南大学物理与电子学院200 -200 学年第 学期期末考试

光电检测技术题库试卷（二）参考答案

一 单项选择题（每小题2分,共40分） 1．光度量是辐射度量的（ C ）倍．

A.683 B. V（λ） C.683 V（λ） D . 1/683 V（λ） 2．波长为500nm的波属于（ C ）．

A. 远红外线 B. 太赫兹波 C. 可见光 D. X射线

3．任何温度下对任何波长的入射辐射能的吸收比都小于1，称为（ B ）.

A．黑体 B．灰体C．黑洞 D．绝对黑体 4．半导体中受主能级的位置位于（ A ）中.

A. 禁带 B. 价带C. 导带 D. 满带 5．斯忒藩----玻耳兹曼定律为（ A ）。

A. σT 4 B. σT 2 C. Tλm＝B D. α(λ,T)= ε(λ,T) 6. 热敏电阻的种类不包括（ D ）.

A. PTC B. NTC C. CTC D. ZTC 7. 属于相干光源的是（ C ）.

A.气体放电灯 B. 黑体辐射器 C. 固体激光器 D. 发光二极管 8．下列光源中，最佳的彩色摄影用光源是（ A ）．

A．卤钨灯 B．氘灯C．汞灯 D．汞氙灯 9．属于成像的器件是（ C ）.

A. LD B. LED C. CCD D. PMT 10．充气卤钨灯是一种 ( B ).

A. 气体光源 B. 热光源C. 冷光源 D. 激光光源 11．TDICCD表示的是（ B ）CCD．

A. 增强型; B. 时间延迟型; C. 电子轰击模式; D. 红外．

12．热效应较小的光是（ D ）.

A. 紫光 B. 红光C. 红外 D. 紫外

13．在光电倍增管中，产生二次电子发射的是( C ).

A．阴极 B.阳极 C. 倍增极 D. 玻璃窗

14．光纤纤芯、包层、外套的折射率n 1、n 2、n 0的关系是（ D ）.

A. n 1> n 2> n 0 B. n 2> n 0> n 1 C. n 0> n 2> n 1 D. n 1> n 0> n 2

15．光照一定，短路电流与入射光波长的关系，属光电池的( C )特性： A. 频率; B. 伏安;C. 光谱; D. 温度．

16． 像管中（ C ）的出现和使用，成为了第二代像管出现的标志性部件。

A. 负电子亲和势阴极； B. 电子光学系统； C． 微通道板MCP； D. 光纤面板 17．充气白炽灯主要充入（ A ）.

A. 氩气 B.氙气 C. 氖气 D.氪气 18．硅光电二极管与硅光电池比较，后者（ B ）．

A．掺杂浓度低 B．电阻率低 C．反偏工作 D．光敏面积小 19．线阵CCD主要是通过（ A ）工作.

A. 电荷 B. 电压C. 电流 D. 电阻 20．彩色CCD有（ C ）种.

A. 1 B. 2 C. 3 D. 4 二、多项选择题（每题2分，共10分） 1．固体发光器件有（ ABCDE ）。

A. LCD B. PDP C. ECD D. EPD E. VFD 2. 结型光电器件的特点 ( ABCDE )：

A. 有极性 B. 灵敏度与光源光谱有关 C. 响应速度决定于RC D. 参量与温度有关 E．易受电磁场干扰 3．光电池有（ ABCD ）种类。

A. 硅光电池 B. 硒光电池 C. 锗光电池 D. 砷化镓光电池 E. 锂光电池 4. 热敏电阻的种类有（ ABC ）。

A. PTC B. NTC C. CTC D. WTC E. ZTC 5. 光电效应有（ ABCDE ）。

A. 光电导效应 B. 光生伏特效应 C. 光电效应 D. 光磁电效应 E. 光子牵引效应

三.填空题 (每空1分,共10分)

1．吸收比是物体吸收量与投射的 辐射能量 的比值. 2．FTCCD指的是 帧转移型 CCD. 3．紫外光的热辐射比红外光 小 ． 4. 光电池的PN结工作在 零偏 状态，它的开路电压会随光照强度的增加而 增加 。

5. S（λ）＝U（λ）/Ф（λ），称为光电器件的 光谱灵敏度 6. 在环境亮度大于10cd.m-2时,最强的视觉响应在光谱蓝绿区间的555 nm处。 7．光源单位时间内向所有方向发射的能量，称为辐功率（辐通量）． 8．半导体受光照，在结区两边产生势垒的现象称 光生伏特效应 ． 9．光在光纤内形成驻波的光线组称为 模 ． 四.简答计算题 (共40分)

1. 试述光电二极管与光电池的区别。（8分）

区别有四：光电二极管电阻大、掺杂小、面积小、反偏工作；光电池电阻小、掺杂大、受光面积大、电阻小、无偏状态工作。

2. 什么是外光电效应？（8分）

外光电效应是指，光照射在金属上，金属向外发射电子的效应。

3. 为什么结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应？必须工作在哪种偏置状态？（12分）

1）正偏效果―――正向导电，电场电流IF较大；光照电流IP相对来说可以忽略，即有无光光照基本上不影响电流大小；正偏时起不到光电检测效果。

2）零偏置或反偏效果―――无光照时有暗电流，即反向饱和漏电流,其值很小，几乎为零；有光照时，电子空穴对增加，光照电流较大，有无光照反差较大，可以作为检测元件，进行光电检测。因此结型器件必须工作在零偏置或反偏工作状态。

2

4. 现有GDB－423型光电倍增管的光电阴极面积为2 cm，阴极灵敏度Sk为25μA/lm，倍增系统的放大倍数为105，阳极额定电流为20 μA，求允许的最大光照。（12分）

已知 Sk=25μA/lm Ak=2 cm2=2×10-4m2 M=105 IP=20 μA 求Emax=? 解： 依公式 Sk= Ik / Φ Ik = IP / M

Φ= Ik / Sk= IP / M Sk = 20 μA/105/(25μA/lm)=0.8×10-5 (lm) E=Φ/S=0.8×10-5 (lm)/ 2×10-4m2=0.04 (lx) 最大光照度为0.04 lx。

2009-2010-2光电检测技术A卷试题及答案

一、计算（共 28 分，共 3 题）

1、如图 1 所示，是转速测量系统，已知圆盘的孔数为 N，光电探测器输出的脉冲信号频率 、 所示，是转速测量系统， ， 测量系统 为 f，求转轴的转速 n（单位为 r/min）（8 分） ，

图 1 转速测量系统

（2）已知本征硅材料禁带宽度 Eg＝1.2eV，求该半导体材料的本征吸收长波限；已知某种光 电器件的本征吸收长波限为 1.4um, 求该材料的禁带宽度。 （8分）

3、设被测距离最大范围为 10km,要求测距精度为 1，而各测尺的测量精度为 1‰，试给出 测尺的个数以及各测尺的长度和频率。 （12 分） 三、简答题（共 46 分）

4、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点？为什么要把光敏电阻造成蛇形？（8 分）

5、光电导器件的响应时间（频率特性）受哪些因素限制？光伏器件与光电导器件工作频率 哪个高？实际使用时如何改善其工作频率响应 ？（8 分）

6、 试问图 2 (a) 和图 2(b)分别属哪一种类型偏置电路？为什么？分别写出输出电压 U0 的表达式。 （10 分）

7、如果硅光电池的负载为 RL，画出它的等效电路图，写出流过负载RL 的电流 IL 方程及

Uoc、Isc 的表达式，说明其含义（图中标出电流方向）。（10 分）

8、光伏探测器的工作模式分为哪几种？为什么（分类依据）？他们的主要区别？（10 分）

9、 论述题（共 26 分）

9、为什么说光外差检测方式是具有天然检测微弱信号的能力？（ 12分）

10、阐述用差动法检测溶液浓度的工作原理（同时画出原理图）及工作过程（必须写出浓度表达式）（14 分）

答案：

一、计算题

1、转轴的转速为：

2、 hν ≥Eg λ ≤ hc / Eg

则长波限为：1.03um， 材料的禁带宽度为：0.887ev

3、被测距离最大范围为：10KM，所以最大尺子的量程至少为：10KM，此尺子能精确测到： 10KM×1‰＝10m。

因为要求测距精度为 1cm，尺子的测量精度为 1‰，所以最小量程的尺子为：1cm/1‰＝10m 纵上述， 测量至少需要两把尺子： 一个 L0=10KM， 其对应的工作频率为：f 0= c

/ 2L0另一个 L0=10m，其对应的工作频率为： f 0= c / 2L 0＝1.5×10 HZ

二、简答题

1、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度是定值，输出光电流与入射光通量成正比， 即保持线性关系。

光敏电阻做成蛇形，一方面既可以保证有较大的受光面积，一方面减小电极之间的距离，从 而既可以减小载流子的有效极间渡越时间，也有利于提高灵敏度。

2、响应时间主要受光电导器件中载流子的平均寿命τ 有关，减小τ ，则频率响应提高；其 次，光电导器件的响应时间与运用状态也有光，例如，光照强度和温度的变化，因为它们都 影响载流子的寿命。

光伏特器件的工作频率高于光电导器件。

要改善光伏器件的频率响应，主要是减小响应时间，所以采取的措施主要有：

①减小负载电阻；②减小光伏特器件中的结电容，即减小光伏器件的受光面积；③适当增加 工作电压。

3、都属于共射极电路，

4、 、硅光电池的工作原理和等效电路为下图：

(4 分)

从图（b）中可以得到流过负载 RL 的电流方程为：

其中，SE 为光电池的光电灵敏度，E 为入射光照度，Is0 是反向饱和电流，是光电池加反向偏压后出现的暗电流。 (2 分)

当 i＝0 时，RL＝∞（开路） ，此时曲线与电压轴交点的电压通常称为光电池开路时两端 的开路电压，以 VOC 表示，由式（1）解得：

当 RL＝0（即特性曲线与电流轴的交点）时所得的电流称为光电流短路电流，以 Isc 表 示，所以 Isc＝Ip＝Se·E （3）。 。（4分） 从式（2）和（3）可知，光电池的短路光电流Isc与入射光照度成正比，而开路电压 VOC 与 光照度的对数成正比。

5、 光伏探测器的工作模式分为光电导工作模式和光伏特工作模式，它的工作模式则由外偏 压回路决定。在零偏压的开路状态，PN 结型光电器件产生光生伏特效应，这种工作原理成 光伏工作模式。当外回路采用反偏电压，即外加 P 端为负，N 端为正的电压时。无光照时的 电阻很大，电流很小；有光照时，电阻变小，电流就变大，而且流过它的光电流随照度变化 而变化。从外表看，PN 结光伏探测器与光敏电阻一样，同样也具有光电导工作模式，所以 称为光导工作模式。

主要区别：器件处于光伏工作模式时，器件内阻远低于负载电阻，相当于一个恒压源；在光 电导模式下，器件内阻远大于负载电阻，此时器件相当于恒流源。

三、论述题

而中频电流输出对应的电功率为： 所以，

这里的横线是对中频周期求平均。

从物理过程的观点看， 直接探测是光功率包络变换的检波过程； 而光频外差探测的光电 转换过程不是检波，而是一种“转换”过程，即把以 ω S 为载频的光频信息转换到以

，其中 R L 为光电探测器的负载电阻。

ω IF 为

载频的中频电流上，这一“转换”是本机振荡光波的作用，它使光外差探测天然地具有一种 转换增益。

为了衡量这种转换增益的量值，我们以直接探测为基准加以描述。为此令

把（1）和（2）式代入（3）中得到：

通常在实际应用中， PL >> PS 因此 M>>1, M 的大小和 PS 的量值有关。例如假定 PL = 0.5mw ，那么在不同的 PS 值下，M 值将发生明显变化。列举数值如表 1 所示：

从表 1 的数值举例中看出， 在强光信号下， 外差探测并没有多少好处， 在微弱光信号下， 外差探测器表现出十分高的转换增益。例如，在

也 就是说，外差探测的灵敏度比直接探测将高

量级时， 量级，所以我们可以

说，光外差探测方式具有天然的探测微弱信号的能力。

2、原理和工作过程：光源 1 发出的光经单色器 2 后成为单色光，该单色光的波长应选为待 测溶液的峰值吸收波长。将该光线用分束器 BS 分成两束，分别通过待测溶液 S2 和参比溶液 S1，并用两个性能一致的光电探测器接收。由于参比溶液对工作波长的光不产生吸收，而待测溶液对该波长的光有较强的吸收， 因此， 探测器 PD1 接收到的光强度 I1 即为入射光强度 I0， 而探测器 PD2 接收到的光强度 I2 取决于待测溶液的浓度。 系统输出电压为：

式中，C0 为比例常数； I φ 1 为 PD1 上产生的光电流； I φ 2 为 PD2 上产生的光电流；K1、K2 为 PD1 和 PD2 的灵敏度， φ1 、 φ 2 为到达 PD1 和 PD2 上的光通量。若 PD1 和 PD2 性能一致，则 K1＝K2， 故上式可变为：

由于在忽略反射和散射的情况下，I 1=I 2,故

可见，最后输出电压即为溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的浓度。 （5 分）

二零零七 至二零零 八 学年第 一 学期期 末 考试

光电检测技术 课程考试题 A 卷 （120 分钟） 考试形式：开卷 考试日期 2009 年6 月 12 日

课程成绩构成：平时 20 分， 期中 分， 实验 分， 期末 80 分

一 二 三 四 五 六 七 八 九 十 合计 一、填空题（每空一分，共15分）

1、光具有的一个基本性质是（ ）。

2、光电检测技术研究的主要内容是（ ）（ ）。

3、光源调制通常分为（ ）和（ ）。

4、激光的形成必须满足（ ）（ ）（ ）。 5、为了提高光电二极管的响应频率，应适当加大（ ）。 6、光敏电阻受（ ）影响大，通常工作在（ ）环境下。 7、光电检测技术是（ ）与（ ）相结合而产生的一门新兴检测技术，它是利用（ ）进行检测。

8、假设调制盘的转速为N转/分，得到调制光的频率为f，则调制盘的孔数为（ ）。

二、判断题（每题一分，共1０分）

1、相干长度只与光波单色性有关，而与其波长无关。 （ ） 2、温度越高，热辐射的波长就越短。 （ ） 3、雪崩管的工作偏压一般不超过10V。 （ ） 4、光电探测器件输出的信号只有比噪声大时，测量才能进行。 （ ） 5、光电探测器件的1/f噪声是一种低频噪声。 （ ） 6、光电池的频率特性很差。 （ ） 7、光电三极管的增益比光电二极管大，但其线性范围比光电二极管小。 （ ） 8、对光源进行调制即可消除光源波动及背景光干扰的影响。 （ ） 9、补偿法测量比差动法响应慢，但通常精度更高。 （ ）

10、倒置望远镜系统对激光束发散角有缩小的作用。 （ ）

三、简答：（每小题6分，共30分）

1、简述半导体激光器的工作原理，它有哪些特点？对工作电源有什么要求？

2、光源选择的基本要求有哪些?

3、光电倍增管的供电电路分为负高压供电与正高压供电，试说明这两种供电电

路的特点，举例说明它们分别适用于哪种情况?

4、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点，？为什么要把光

敏电阻制造成蛇形？

5、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在那种偏置状态？为什么？

四、论述题（45分）

1、论述光电检测系统的基本构成，并说明各部分的功能。（10分）

2、在“反向偏置”电路中，有两种取得输出电压U0的方法：一种是从负载电阻RL上取得电压U0，另一种是从二极管两端取得电压U0。叙述两种方法的特点及它们之间的联系。（10分） 3、如果硅光电池的负载为RL，画出它的等效电路图，写出流过负载IL的电流方程及Uoc、Isc的表达式，说明其含义（图中标出电流方向）。（12分） 4、阐述用补偿法检测溶液浓度的工作原理及工作过程。（13分）

答案：

一、填空题

1、光具有的性质（波粒二象性） 2、光电检测技术研究的内容（信息变换技术）、（电信号处理技术） 3、光源调制通常分为（机械调制）和（电调制或内调制）和（外调制） 4、激光的形成必须满足（粒子数反转）、（谐振腔共振）、（阈值条件） 5、为了提高光电二极管的响应频率，应适当加大（反向偏压） 6、光敏电阻受（温度）影响大、通常工作在（低温）环境下

7、光电技术是（光学）和（电子技术）相结合而产生的一门新兴检测技术、它是利用（光电子技术对光信息）进行检测 8、假设调制盘的转速是N转/分，得到调制光的频率为f，则调制盘的孔数是（60f/N）

二、判断题

相干长度只与光波但色性有关，与其波长无关（×） 1，（√）2（√）3（√）4（√）5（×）6（√）7（×）8（√） 倒置望远镜系统对激光束发射角有缩小的作用（√）

三、简答

1、简述半导体的工作原理，它有哪些特点？对工作电源有什么要求？

分，本题总分6分）

（1）红外辐射源的辐射波段位于1μm以上的不可见光区，普通光学玻璃对2.5μm以上的光波不透明，而在所有有可能透过红外波段的材料中，只有几种材料有必需的机械性能，并能得到一定的尺寸，如锗、硅等，这就大大限制了透镜系统在红外光学系统设计中的应用，使反射式和折反射式光学系统占有比较重要的地位。

（2）为了探测远距离的微弱目标，红外光学系统的孔径一般比较大。 （3）在红外光学系统中广泛使用各类扫描器，如平面反射镜、多面反射镜、折射棱镜及光楔等。

（4）8至14μm波段的红外光学系统必须考虑衍射效应的影响。 （5）在各种气象条件下或在抖动和振动条件下，具有稳定的光学性能。 三 推导证明，共10分，每题5分 1 推导光电转换定律

推导过程略（得分点：分析2分，过程2，结论1分，本题总分5分）（教材P112-113）

2 根据光电池等效电路，推导短路电流和开路电压的表达式，并简单说明实验室测量方法。（对开路电压和短路电流进行文字解释得2分，推导开路电压和短路电流的过程各占2分，本题总分6分）

测量方法：在一定光功率（例如1kW/m2）照射下，使光电池两端开路，用一高内阻直流毫伏表或电位差计接在

光电池两端，测量出开路电压；在同样条件下，将光电池两端用一低内阻（小于1Ω）电流表短接，电流表的示值即为短路电流。

推导过程：略（教材P130-131） 四 计算题，共40分，每题10分

1 若取vs=616m/s，n=2.35， fs=10MHz，?0=0.6328?m，试估算发生拉曼-纳斯衍射所允许的最大晶体长度Lmax（分析正确得3分，写出L表达式得分2分，计算过程3分，结论2分）

22vsn?n?ss????由公式L?L， 又因为，代入上式计算，得到最大晶s0fs4?4?002122.35?616?10体长度为L ?3523?M0?144?0.6328?102用PbMoO4晶体做成一个声光扫描器，取n=2.48，M2=37.75?10-15s3/kg，换能器宽度H=0.5mm。声波沿光轴方向传播，声频fs=150MHz，声速vs=3.99?105cm/s，光束宽度d=0.85cm，光波长?=0.5?m。（各个小问题每一个占3分，对布拉格衍射进行必要的文字说明得1分，本题总分10分。）

⑴ 证明此扫描器只能产生正常布喇格衍射； ⑵ 为获得100%的衍射效率，声功Ps率应为多大？ ⑶ 若布喇格带宽?f=125MHz，衍射效率降低多少？

n?2⑴ 由公式L?L0?s证明不是拉曼-纳斯衍射。

4?0⑵ Is?2?2cos?B2M2L2，PHLIs?s?22?cos?H??B ??2M?L?2⑶ 若布喇格带宽?f=125MHz，衍射效率降低多少？

722??2PnP??s????f?f? ??B??fs，2??s03??vH?cos?2nv??s?Bs???3 一目标经红外成像系统成像后供人眼观察，在某一特征频率时，目标对比度为0.5,大气的MTF为0.9，探测器的MTF为0.5，电路的MTF为0.95，CRT的MTF为0.5，则在这一特征频率下，光学系统的MTF至少要多大？（得分点：分析8分，过程1，结论1分，本题总分10分）

要求：按平时作业的计算题要求，写出解答的理论基础，对0.026这个参数要说明是什么。

.5?0.9?0.5?0.95?0.5?MTF?0.020.24答： 0 得到：MTF oo??0.5?A?W0.005?s，屈膝4 已知某硅光电二极管的灵敏度S，结电导g???V，入射光信号功率P40V?5?3sin?t?W电压u''?10，反偏压V?。求：电信

号输出送到放大器时，取得最大功率的电阻RP及放大器的输出电压Ri。（分析过程占3分，绘出线性化处理后的伏安特性曲线得1分，运算过程正确得4分，结论得2分）

解答略（教材P141）

光电检测原理与技术 试题

一 填空题20分，每空1分

1波长在 - 的是红外辐射。通常分为_______、_______和远红外三部分

2辐射体的辐射强度在空间方向上的分布满足公式_________________,式中Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为__________,也称为朗伯体。

???22??E?P?J???E????3光辐射普遍形式的波动方程?022?t?t?t

????中，方程右边两项分别由________与________引起。

4 KDP晶体沿z轴加电场时，由________变成了双轴晶体，折射率椭球的主轴绕________轴旋转了45度角，此转角与外加电场的大小______，其折射率变化与电场成_______。

5 KDP晶体横向运用条件下，光波通过晶体后的相位差包括两项：其中一项与外加电场无关，是由晶体本身__________引起的；另一项为电光效应_________。

6考虑到声束的宽度，当光波传播方向上声束的宽度L满足条件___________,会产生多级衍射，否则从多级衍射过渡到单级衍射。 7要用激光作为信息的载体，就必须解决如何将信息加到激光上去的问题，这种将信息加载于激光的过程称为调制，光束调制按其调制的性质可分为______、______、______及强度调制等。

8依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为________、________和________三类。 二 简答题，共30分，每题6分 1光电探测器性能参数包括哪些方面。 2 光子效应和光热效应。

3 请简要说出InSb和PbS光敏电阻的特性。 4 为什么说光电池的频率特性不是很好?

5 直接光电探测器的平方律特性表现在哪两个方面? 三 推导证明，共10分，每题5分

1 已知热电晶体极板面积为A，热电系数为β，负载电阻为RL，热敏

i?t元件的吸收系数为α，热导为G，且温度变化规律为T。??T?Te0?证明热释电探测器的电压灵敏度为Ru?G1???1???22c?A??R?L??22H?。

2已知光电二极管的反偏压V及最大入射光功率P，器件的暗电导为g,临界电导为g’，器件光点转换灵敏度为S，证明合理的负载电阻为：

?g?SPV?1??g'???g'?RL??。（画出线性化处理后的伏安特性曲线） SP四 分析、计算题，共40分，每题10分

1 已知热敏器件的受光面为100mm2,频率响应范围Δf为1HZ，器件初始温度为300K，发射率为ε为100%，试推导并估算此热敏探测器的最小可探测光功率。（σ=5.67×10-12J/cm2K4,kB=1.38×10-23J/K） 2输入信号Uin经过二极管整流后，输出信号为Uou=KUin，现有一按正弦规律变化的经过隔直处理后的调幅输入信号为：Uin=（1+msinΩt）

sinωt,其中的m为调制度，Ω为调制频率，ω为载波频率，经过二极管整形后并按傅里叶级数展开，得到:

???21mm????????U?K1?msin?t?cos2nt?sin2n??t?sin2n??t??ou?2??224n?1??1??????问：（1）分析上式，并说出上式中哪部分是我们需要提取的信号？ （2）为了提取出需要的信号，需要采取什么电路来提取？最后提取出的信号表达式是什么，并画出电路图。 （3）根据右图的调制波形绘出整流

后的波形，并绘出经过滤波后的信号波形简图。

3 一目标经红外成像系统成像后供人眼观察，在某一特征频率时，目标对比度为0.5,大气的MTF为0.9，探测器的MTF为0.5，电路的MTF为0.95，CRT的MTF为0.5，则在这一特征频率下，光学系统的MTF至少要多大？

4 已知某硅光电二极管的灵敏度S?，结电导g?屈0.5?A?W0.005?s，

t ??V，入射光信号功率P膝电压u''?10，反偏压V?40。V?5?3sin?t?W求：电信号输出送到放大器时，取得最大功率的电阻RP及放大器的输入电阻Ri。

一 填空题20分，每空1分

1波长在0.77~1000?m的是红外辐射。通常分为近红外、中红外和远红外三部分

2一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有些辐射体的 7辐射强度在

dI?空间方向上的分布满足dI，式中Ie0是面元dS沿其法线方向的辐射e?e0cos

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