光电检测技术与应用

的总时间内必须是选通状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：
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。
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：
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
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。
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？
，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。
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
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。
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
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
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：