光电检测技术与应用

当 CCD 像元选用
，则
，测量误差由式(8-19)得
4) 采用线阵 CCD 进行大尺寸测量时，为什么引入了第三个 CCD 测量系统？ 对于大尺寸工件或测量精度要求高的工件，可采用“双 CCD”系统检测物体的两个边沿视场，可用较 低数的传感器达到较高的测量精度。 第 9 章 位移量检测 激光干涉仪可分为单频和双频两种，采用双频激光干涉仪较单频激光干涉仪有很多优点，主要优点为： 它是交流系统而不是直流系统，因而从可以根本上解决影响干涉仪可靠性的直流漂移问题。 差分放大器将原来两路光电信号变为 4 路光电信号输入到差分放大器的输入端，而每路光电信号相位 差 。 光电轴角偏码器按输出代码特征分，有直读式编码器和增量式编码器两种。 编码器的分辨率
1) 2) 3) 4)
5) 将循环码转变成二进制或二进制转变为循环码，课本 222 页 6) 用相位法测距时，选用准确度皆为千分之一的两把尺子，一把尺子的测尺长度为 10m，另一把尺子的 测尺长度为 1km，若测距为 462.153m，两把尺子测得的有效数字各为多少？ 尺子 ，准确度为 1cm 用 测得 2.153cm ，有效数字为四位 尺子 ，准确度为 1m 用 测得 462m ，有效数字为四位。
第五章 辐射信号检测 1) 光锥的作用：校正光线方向偏差和提高会聚作用 2) 调制盘的类型：幅度调制盘、相位调制盘、频率调制盘
3) 滤波器带宽的选择：要准确地复现脉冲，需要按 来确定带宽。 4) 形成莫尔条纹的光栅，有粗光栅和细光栅之分，栅距 d 远大于波长 的叫做粗光栅，栅距 d 接近于波 长 的叫做细光栅。 5) 计算莫尔条纹公式： ,W 为条纹宽度 比为多少? 6) 激光测距的脉宽为 40ns，最大测距为 15km，若达到 99.9%的探测频率，阈值/噪声 信号/噪声 比为多少？ 为了能测到 15km 的距离，测距仪在 于是，平均虚假率 由 1000 个 间隔发生一次来确定，即 次 因此 由于 的比值为 和 ，查图 5-13 曲线，得到 =8.4，再由式(5-16)，可求得所需的
第 2 章 光电效应 1) 绝缘体的禁带比较宽，价带被电子填满，而导带一般是空的。半导体的能带与绝缘体相似，在理想的 热力学温度零度下，也有被电子填满的价带和全空的导带，但其禁带比较窄。 2) 能带的状况有两种：一种是它的价带没有被电子填满，即最高能量的电子只能填充价带的下半部分， 而上半部分空着；另一种是它的价带与导带相重叠。 3) 电子运动的三个重要特点： 1. 电子绕核运动，具有完全确定的能量，这种稳定的运动状态称为量子态。每一量子态所取得确 定能量称为能级。最里/外层的量子态，电子距原子核最近/远，受原子核束缚最强/弱，能量 最低/高。 2. 由于微观粒子具有粒子与波动的两重性，因此，严格说原子中的电子没有完全确定的轨道。 3. 在一个原子或由原子组成的系统中，不能有两个原子同属于一个量子态，即在每一个能级中， 最多只能容纳两个自旋方向相反的电子，这就是泡利不相容原理。此外，电子首先填满最低能 级，而后依次向上填，直到所有电子填完为止。 4) 导带和价带的导电情况：导带的电子愈多，其导电能力愈强；价带的电子的空位愈多，即电子愈少， 其导电能力就愈强。 5) 在硅晶体中，硅有 4 个价电子，V 族元素（磷、砷、锑）的原子取代了硅原子的位置形成 N 型半导 体； 在硅晶体中，当具有 3 个价电子的 III 族元素（硼、铝、镓、铟）的原子取代硅原子的位置形成 P 型 半导体。 6) 所谓“结”，严格地说是指其中的过渡区。 7) 半导体对光的吸收：本征吸收、杂质吸收、激子吸收、自由载流子吸收、晶格吸收。 8) 光电导效应可以分为本征光电导效应与杂质光电导效应。 9) 什么是光生伏特效应？有哪几类？那种光电器件属于光生伏特效应？ 光生伏特效应是基于半导体 PN 结基础上的一种将光能转换成电能的效应。光生伏特效应分为三类： 丹倍效应、光磁电效应及光子牵引效应。光电器件：光敏二极管、光敏三极管、光电池等。 10) 外光电效应中，发射出的光电子最大动能与光强是否有关，为什么？ 无关。电子动能是光子能量减去溢出能后剩下的。因此，外光电效应只与光子能量有关，而光子能量 只与频率有关。光强只是表示光能的能量，如果光子能量一定，光强只表示每秒通过多少光子。 11) 要从电子逸出功为 2.4eV 金属中产生光电子发射，求：(i)所需入射光的最低频率是多少？(ii)若入射光 的波长为 300nm 时，则发射出来的光电子的最大动能是多少？ (i) 根据光电发射效应中光电能量转换的基本关系：
则暗点流电阻为：
有光照时，串联电路中的电流为：
则亮电流电阻为：
(ii)
该光敏电阻的光电导为：
由光电导灵敏度：
得：
6) 已知 CdS 光敏电阻的暗电流电阻 ，在照度为 100lx 时亮电阻 ，用此光敏电阻控 制继电器，如图 3-116 所示，如果继电器的线圈电阻为 ，继电器的吸合电流为 2mA ，问需要多 少照度时才能使继电器吸合？如果需要在 400lx 时继电器才能吸合，则此电路需要作如何改进？ (i) 该光敏电阻的光电导为：
的总时间内必须是选通状态。
1) 2) 3) 4) 5)
6)
第 6 章 光电检测系统典型电路 完整的检测电路设计：前几部分由光电转换二极管与前级放大器组成，其器件选用高性能低噪声运算 放大器来实现电路匹配并将光电流转换成电压信号，以实现数倍的放大。 CCD 驱动电路时序方法：直接数字电路驱动方法、单片机驱动方法、EPROM 驱动方法、专用 IC 驱动 方法 为了解决视频信号在实际应用时，物像边缘明暗交界处光强是连续变化而不是理想的阶跃跳变，可用 比较整形（阈值发）和二次微分（微分法）。 电子细分的方法：移相电阻链细分、幅度分割细分、计算法细分 光生伏特器件可否进行反向偏置？哪些光电器件工作时必须进行反向偏置？ 可以，所有的光生伏特器件都可以进行反向偏置。光敏晶体管、光电场效应晶体管、复合光敏晶体等 必须进行反向偏置。 已知某光敏晶体管的伏安特性曲线见图 6-6.当入射光通量为正弦调制量，即 时，要得到 4.5V 的输出电压，试设计该光敏晶体管的变换电路，并画出输入/输出的波 形图，分析输入与输出信号间的相位关系。 根据题目的要求，找到入射光通量的最大值和最小值：
集电极电压变化范围应为双峰值，即 A、 B 为负载线，负载线与横轴的交点为电源电压 ，福在线的斜率为负载电阻 。于是得
输入信号与入射信号为反向关系。
第 8 章 外形尺寸检测 1) 扫描面与工件轴线不垂直误差：工件在定位过程中，很难做到工件轴线与扫描面垂直，从而产生余弦 误差。 2) 测量细丝直径 d 式中， S 为暗纹周期， 3) 微小尺寸测量法的测量范围有多大？设采用半导体激光器，其参数分别为： ， 微小尺寸测量法的测量范围有 由式(8-17)，得 ，当 CCD 像元选用 。 ， ，测量误差是多少？
1) 2) 3) 4) 5)
第 10 章 外观检测 照明系统、光电接收系统和待测产品之间的位置配置分有反射式、透射式、扫描式和光电式等。 扫描方式：飞像扫描方式、飞点扫描方式、飞点扫描激光式。 直接通量式外观疵病检测法会产生检测误差，造成误检，为了减少上诉影响，有时采用差动式变换方 法。 光电法可分为：光通量法、多光速干涉法、激光外差法。 在外观检测中光源一般有哪几种？对光源的要求是什么？ 三种：钨丝灯光源、气体放电光源及场致发光光源。对光源的要求有以下两点： 1. 要求光源与光电器件的光谱相匹配 2. 要有一定的光强且稳定可靠 第 11 章 光纤传感测量
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1) 芯皮型光纤分为阶跃折射率光纤和梯度折射率光纤。 2) 脉冲光在光纤传输时，导致脉冲展宽的三个主要原因是模式色散、颜色/材料色散和波导/结构色散。 3) 被检测物理量可改变光纤传输 的基本参数，主要表现在传输时间、光功率、近场/远场模式图形、偏 振状态。 4) 萨尼亚克效应：在一个光纤线圈中引导两个反向传播光束，当旋转光纤线圈时，按顺时和逆时针方向 传播的两光束产生时间差或相位差，其时间差或相位差正比于线圈旋转的角速度。
光电导灵敏度为：
因为继电器线圈电阻为 ，吸合电流为 2mA ，所以继电器所分得的电压为 8V，则 CdS 光敏 电阻的电压为 4V，此时 CdS 光敏电阻的电阻为：
则电导为：
所需要的照度为：
(ii)
400lx 时的光电导为： 则对应电阻：
在第一问中已经计算出吸合时 CdS 光敏电阻的电阻为 的电阻。
，所以改进的方法是串联一个
1) 2) 3)
4)
第 4 章 半导体发光管与激光器 发光二极管(LED)是一种注入式电致发光器件，其发光机理常分为 PN 结注入发光与异质结注入发光。 发光二级光基本结构可分为：面发光二极管、边发光二极管。 激光器按光谱特性、输出方式和工作物质有三种分类方法： 1. 按工作波段分类 红外和远红外激光器、可见光激光器、紫外和真空紫外激光器、X 射线 激光器 2. 按输出方式分类 连续激光器、脉冲激光器、超短脉冲激光器 3. 按工作物质分类 气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器 试述激光是如何产生的。产生激光的三个必要条件是什么？ 激光的产生涉及到受激辐射、粒子数反转与谐振腔三个关键问题。 受激辐射：当能量为 hv 的辐射作用在处于受激能级 E2 的原子上时，原子因受激而从不稳定的受激能 级 E2 跃回到基态，并发射出频率、相位和方向都与入射辐射光子相同的能量为 hv 的光子。 粒子数反转：是处于激发状态的载流子数远大于处于基态的载流子数，也就是把载流子的正常分布倒 转过来。 谐振腔：能使光产生“共振”的装置，即砸激光物质的两侧放置相互平行的反光镜，形成光的“共振” 现象。 产生激光的三个必要条件： 1. 必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去，为此需要泵浦源。 2. 需要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗。 3. 有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高增益，用以维持受激辐射的持续震荡。
所需的最低频率就是使光电子逸出的初始动能为 0，则：
(ii)
根据光电发射效应中光电能量转换的基本关系：
12) 某光电阴级在波长为 520nm 的光照射下，光电子的最大动能为 0.76eV，此光电阴极的逸出功是多少？ 根据光电发射效应中光电能量转换的基本关系：
1) 2) 3)
4)
5)
第三章 光电检测器件 普通二极管工作在正向电压大于 0.7V 的情况下，而光敏二极管则必须工作在这个电压一下，否则不 会产生光电效应。 一维的 PSD 器件的位置分辨率可高达 。 试述光电倍增管（PMT）的构成及工作原理。 PMT 由光入射窗、光电阴级、电子光学系统、倍增极和阳极等部分组成。当光子入射到光电阴极面上 时，只要光子的能量高于光电发射阈值，光电阴级就将产生电子发射。发射到真空中的电子在电场和 电子光学系统的作用下，经电子线束器电极 F 会聚并加速运动到第一倍增极 D1 上，第一倍增极在高 动能电子的作用下，将发射比入射电子数目更多的二次电子。第一倍增极发射出的电子在第一与第二 倍增极之间电场的作用下高速运动到第二倍增极。同样，在第二倍增极上产生电子倍增。以此类推， 经 N 级倍增极倍增后，电子被放大 N 次。最后，被放大 N 次的电子被阳极收集，形成阳极电流 Ia，Ia 将在负载电阻 RL 上产生电压降，形成输出电压 Uo。 在微弱辐射作用下光电导材料的光电导灵敏度有什么特点？为什么要把光敏电阻的形状造成蛇形？ 光电导灵敏度与两电极间距离有关，即为了提高光电导灵敏度，要尽可能地缩短光敏电阻两电极间的 距离。为了提高光敏电阻的灵敏度，即电极间距（蛇形光电导材料的宽度）很小。 某光敏电阻与负载电阻 串接入 12V 直流电源上，无光照时 上输出电压为 20mV，有光 照时 上输出电压为 2V，试求：(i)光敏电阻的暗点流阻值和亮电阻值为多少？(ii)若光敏电阻的光电 到灵敏度为 (i) ，求光敏电阻上所受的光照度。 无光照时，串联电路中的电流为