光电检测简答

光电探测
一、为什么有些光敏二极管在制作PN结的同时还做出一个环极？
答：无光照时反向电阻很大（MΩ级）只有打在PN结附近，使PN结空间电荷区（耗尽层）产生光生电子空穴对时它们与P区、N区的少数载流子一起在PN结内电场的作用下做定向移动形成光电流，此时它的反向电阻大为降低，一般只有1KΩ到几百欧，当负偏压增加时耗尽层加宽使光电流增大，灵敏度提高，光电流与入射光照度成线性关系。

光敏二极管的缺点：暗电流较大
为了减少无光照时反向漏电流（暗电流）的影响有些光敏二极管（如2DU型）在制作PN结的同时还做出一个环形的扩散层引出的电极称为环极，如图所示因环极电位比负极电位高所以反向漏电流（暗电流）直接从环极流过而不再经过负极从而可以减少负极与正极之间的暗电流。

二、简述PIN、APD两种高速的光电二级管的结构特点和原理
三、简述光电探测器的选用原则。

(1).光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配
(2)光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配
(3) 光电检测器件的响应特性必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配，以保
证得到没有频率失真和良好的时间响应
(4) 光电检测器件必须和输入电路以及后续电路在电特性上相互匹配，以保证最大的转
换系数、线性范围、信噪比以及快速的动态响应等。

四、请简述红外光学系统的特点。

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。

五、对直接检测系统来说，如何提高输入信噪比？
答：对于光电检测系统来说，其噪声主要有三类：（1）光子噪声包括：A.信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。

（2）探测器噪声包括：热噪声；散粒噪声；产生—复合噪声；1/f噪声；温度噪声。

（3）信号放大及处理电路噪声在实际的光电探测器中，由于光电转换机理不同，各种噪声的作用大小亦各不相同。

若综合上述各种噪声源，其功率谱分布可用下图表示。

由图可见：在频率很低时，1/f噪声起主导作用；当频率达到中间范围频率时，产生——复合噪声比较显著；当频率较高，甚至于截至频率时，只有白噪声占主导地位，其它噪声影响很小。

很明显，探测器应当工作在1/f噪声小、产生-复合噪声为主要噪声的频段
上。

因此，对于直接探测系统，提高输入信噪比的措施有：（1）利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入白噪声的大小与电路的频带宽度成正比，因此放大器应采用带宽尽可能窄的选频放大器或锁相放大器。

（2）将器件制冷，减小热发射，降低产生-复合噪声。

采用半导体制冷、杜瓦瓶液态气体制冷或专用制冷机制冷。

（3）采用最佳条件下的偏置电路，使信噪比（S/N）最大
六、简述用补偿法检测溶液浓度的工作原理及工作过程。

七、举例说明象限探测器的应用。

答：（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。

1.光电三极管集电极的作用？
答：光敏三极管的工作有两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。

光电转换过程是在集基结内进行，与一般光电二极管相同。

2.光辐射检测器存在哪些内部噪声？
答：光辐射检测器中存在的内部噪声主要由热噪声、散粒噪声、半导体中产生的符合噪声、温度噪声和闪烁噪声。

3.从结构上分LED有哪几种类型？
答：从结构上，LED有五种类型表面发光二级管（SLED）侧面发光二级管（ELED）、平面LED、圆顶形LED和超发光LED。

4.什么事光电直接检测系统？
答：所谓光电直接检测是将测光信号直接入射带光检测器光敏面上，光检测器响应于光辐射强度而输出相应的电路或者电压。

5.根据检查原理，光电检测的有哪几种基本方法？
答：直接作用法、差动测量法、补偿补偿法、脉冲测量法、
6.说明两种类型光敏电阻的用途和原因。

答：本征半导体光敏电阻与杂质半导体光敏电阻。

本征半导体光敏电阻的长波长要短于杂质半导体光敏电阻的长波长，因此，本征半导体光敏电阻常用于可见光长波段的检测，而杂质型半导体光敏电阻常用于红外波段光辐射甚至于远红外波段光辐射的检测。

7.解释什么事单元光电信号？
答：由一个或几个光电转换期间构成的光电转换电路所产生的独立信号称为单眼光电信号。

8.激光干涉侧长由哪几部分组成？
答：激光光源、干涉系统、光电显微镜、干涉信号处理部分。

五、问答题
1.故居一下电烙铁，说明汽车光电式车速传感器的工作原理
LED
1.答：汽车的光电式车速传感器的工作原料：当遮光板不能遮断光速时，放光二
极管的光射带光敏三极管上，光敏三极管的集电极中有电流通过，该管导通，这时三极管也导通，因此在S1端子上就有5V电压输出。

脉冲频率取决于车速，子车速为60km/h时，仪表绕性驱动轴的转速为637r/min，仪表软轴每转一圈，传感器就有20个脉冲输出。

2.叙述光电信号检测电路外部噪声产生原因和预防方法
答：外部噪声实际上属于外部扰动，包括辐射源的随机波动和附加的光调制、光路传输介质的湍流和背景起伏。

杂散光的入射以及检查系统受到的电磁干扰等。

这些扰动可以通过稳定辐射光源、遮断杂光、选择偏振面或滤色光片以及电气屏蔽、电干扰滤波等措施加以改善或消除。

3.写出典型的直接检测系统模型方框图
4.今后光电检测技术的发展趋势有那几点？
答：1.发展纳米、亚纳米搞精度的广电测量新技术。

2.发展小型的，快速的微型光、机、电检测系统。

3.非接触、快速在线测量，以满足快速增长的商品经济的需要。

4.向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展。

5向人们无法触及的领域发展。

6.发展闭环控制的光电检测技术系统，实现光电测量与广电控制一体化。

7.发展光电跟踪与光电扫描技术，如远距离的遥控、遥测技术、激光制导、
飞行物自行跟踪和复杂形体自动扫描测量等。

5.故居下图，说明汽车光电式转向盘转角传感器的设计原理
输出信号A
刷出信号B
5.答：设计转向盘传感器时，将两个信号发送器通、断变换的相位角错开90度。

汽车直线行驶时，信号A处于通断状态（高电平）的中间位置，转向时，根据信号A下降沿外信B的状态;即可判断出转向的方向，信号A由断状态变为同状态（低电压）时，如果信号B为通状态，则为左转向；如果信号B为断状态，则为右转向。

根据下图的外差检测试验装置，说明其工作原理
CO1激光器
答：这是外差检测的实验装置，光源是进过稳频的CO2激光器。

由分束镜把入射光分成两路：一路经过反射的作为本振光波，其频率为fL；另一路经过偏心轮反射，并由透镜聚焦到可变光澜上作为信号光束。

偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的回波就产生了多普勒频移，其频率为fs。

可变光澜用来限制两光束射向光电检测器的空间方向。

线栅偏振镜用来使两束光变为偏振方向相同的干光，然后两束光垂直投射到检测器上。