光电检测期末复习

复习题1、光电检测系统通常主要由光学变换、光电转换、电信号处理三部分组成。

2、在环境亮度大于10cd/m²时,最强的视觉响应在光谱蓝绿区间的555 nm处。

3、光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。

由于其引入了电子倍增机构，因此具有灵敏度高、响应时间快等特点，常被使用。

4、FTCCD指的是帧转移型 CCD5、发光二极管(LED)是一种注入电致发光器件，他由P型和N型半导体组合而成。

其发光机理可以分为__ PN结注入发光_、_异质结注入发光__。

6、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。

7、对于辐射源来说，光通量（光功率）定义为单位时间内向所有方向发射的可见光能量。

8、激光的形成必须具有工作物质、泵浦源、光学谐振腔。

9、入瞳位于无限远，物方主光线平行于光轴的光学系统称为物方远心光路，此光路克服了调焦不准带来的测量误差，常用于瞄准、读数和精密测量。

10、短焦物镜用于拍近距离物体，焦距越短，视场角越大，因此也称为广角物镜。

11、载光电耦合器件既具有光电耦合特性，又具有隔离特性12、三种典型光子效应是指光电发射效应、光电导效应和光伏效应。

13、光敏电阻的工作原理是光照产生光生载流子，使其电阻值急剧减小。

14、CCD与其它器件相比，最突出的特点是它以电荷作为信号，而其他大多数器件是以电流或者电压作为信号。

15、依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、热噪声和低频噪声三类。

16、由于光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个方向是不同的。

若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线，得到该光源在该截面的发光强度曲线，称为配光曲线。

17、人眼按不同照度下的响应可分为明视觉、暗视觉。

18、降压使用对于光电测量用的白炽灯光源十分重要，因为灯泡寿命的延长将使系统的调整次数大为减少，也提高了系统的可靠性。

19、出瞳位于像方无限远处，平行于光轴的像方主光线在无限远处会聚于出瞳中心的光路被称为像方远心光路，它用于大地测量中测距，能大大提高测距精度。

20、集光镜将光源成像到聚光镜的前焦面上，孔径光阑位于聚光镜的物方焦面上，组成像方远心光路，视场光阑被聚光镜成像到物面上，称为 远心柯勒 照明。

1、光子效应光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。

探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。

光子能量的大小，直接影响内部电子状态改变的大小。

因为光子能量是h γ，其中h 是普朗克常数,γ是光波频率，所以光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。

2、光视效能光视效能描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量。

即光视效能K λ定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即e K υλλλΦ=Φ。

单位：流明/瓦特（lm/W ）。

3、本征光电导效应本征半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带，产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴，使得材料的电导率发生变化的现象。

4、响应度响应度也称探测灵敏度，定义为光电器件输出的方均根电压(或电流)与入射光通量（或光功率）之比。

它描述了光电器件输出的电信号和输入的光信号之间的关系。

5、光伏效应半导体受光照，产生电子－空穴对，在结电场作用下，空穴流向P 区，电子流向N 区，在结区两边产生势垒的效应。

6、热释电效应热释电效应是非中心对称的晶体，自然状态下，在某个方向上正负电荷中心不重合。

在晶体表面形成一定量的极化电荷。

但当晶体温度变化时，极化程度下降，其表面浮游电荷变化缓慢，再次达到极化的电平状态前，晶体表面有多余浮游电荷，这相当于释放出一部分电荷，这种现象称为热释电效应。

1、说出PIN管、雪崩光电二极管的工作原理和各自特点，为什么PIN管的频率特性比普通光电二极管好？PIN快速光电二极管、消除在PN结外光生载流子的扩散运动时间,在P区与N区之间插入一层电阻率很大的I层、耗尽层厚度增加，增大了对光的吸收和光电变换区域，提高了量子效率。

结电容小，增加了对长波的吸收，提高了长波灵敏度，可承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽。

雪崩光电二极管掺杂浓度均匀,缺陷少,漏电流小, APD的结构设计，使它能承受高的反向偏压，从而在PN结内部形成一个高电场区，结区产生的光生载流子受强电场的加速，将获得很大的能量，在与原子碰撞时可使原子电离，产生新的电子－空穴对，在往下的过程中重复此情况，使PN结的电流急剧增加。

特点：APD能提供内部增益达一百到一千倍、0.5ns响应时间、噪声功率10-15W、接近反向击穿。

工作速度更高。

PIN管由于增加了I层，使结变宽，结电容减小，因而时间常数变小，f=1/2πRC,所以频率特性好。

2、光敏电阻与结型光电器件有什么区别？（1）产生光电变换的部位不同。

光敏电阻不管哪一部分受光，受光部分的电导率就增大；而结型器件，只有照射到PN结区或结区附近的光才能产生光电效应，光在其他部位产生的非平衡载流子，大部分在扩散中被复合掉，只有少部分通过结区，但又被结电场所分离，因此对光电流基本上没有贡献。

（2）光敏电阻没有极性，工作时可任意外加电压；而结型光电器件有确定的正负极性，但在没有外加电压下也可以把光信号转换成电信号。

（3）光敏电阻的光电导效应主要依赖于非平衡载流子的产生与复合运动，时间常数较大，频率响应较差；结型器件的光电效应主要依赖于结区非平衡载流子中部分载流子的漂移运动，电场主要加在结区，弛豫过程的时间常数（可用结电容和电阻之积表示）相应较小，因此响应速度较快。

（4）光敏电阻内增益大。

有些结型光电器件，如光电三极管、雪崩光电二极管等有较大的内增益作用，因此灵敏度较高，也可以通过较大的电流。

光电导器件（光敏电阻）和结型器件相比各有优缺点，因此应用于不同场合。

3、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。

4、光源选择的基本要求有哪些?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。

5、论述光电检测系统的基本构成，并说明各部分的功能。

光电检测系统的基本构成框图如下：（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，利用各种光学效应，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束携带上被检测对象的特征信息，形成待检测的光信号。

光学变换通常是用各种光学元件和光学系统来实现的，实现将被测量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等）。

（3）光信号的匹配处理：这一工作环节的位置可以设置在被检测对象前面，也可设在光学变换后面，应按实际要求来决定。

光信号匹配处理的主要目的是为了更好地获得待测量的信息，以满足光电转换的需要。

（4）光电转换：该环节是实现光电检测的核心部分。

其主要作用是以光信号为媒质，以光电探测器为手段，将各种经待测量调制的光信号转换成电信号（电流、电压或频率），以利于采用目前最为成熟的电子技术进行信号的放大、处理、测量和控制等。

（5）电信号的放大与处理：这一部分主要是由各种电子线路所组成。

光电检测系统中处理电路的任务主要是解决两个问题：①实现对微弱信号的检测；②实现光源的稳定化。

（6）存储、显示与控制系统：许多光电检测系统只要求给出待测量的具体值，即将处理好的待测量电信号直接经显示系统显示。

1、如图所示，光电倍增管的阴极积分灵敏度30/K S A lm μ=，阳极积分灵敏度10/K S A lm μ=，阳极暗电流4d I A μ=，输入电路是电阻510R =Ω和电容00.1C F μ=的并联，阴极面积A 为802mm ，要求信号电流为410L I A -=，计算阳极噪声电流、负载电阻上的噪声电压和信噪比解：（1）等效噪声带宽和检测电路的高频截止频率分别为5701125441010e f Hz RC -∆===⨯⨯ 01215.92HC e f f Hz RC ππ==∆= （2）阳极散粒噪声电流和负载上的噪声电压散粒噪声电流82.5810ns I A -===⨯热噪声电流121.2910 2.010nT I A --=⨯=⨯ 总噪声电流82.5810N I A -=≈=⨯负载上的噪声电压8532.581010 2.5810N N U I R V --==⨯⨯=⨯（3）信噪比448100.38102.5810L A N I SNR V I --===⨯⨯ 2、已知某Si 光电二极管的灵敏度为0.5/A W μμ，结间电导0.01G S μ=（微西），转折电压010U V =，入射光功率从15P W μ''=变到25P W μ'=，偏压50b U V =。

求最大输出功率时的最佳负载L R 、输出电流I ∆、输出电压U ∆和输出功率L P 。

解：初始电导000.5250.01 1.2610SP G G S U μ'⨯=+=+= 最大输出时，负载电导000101.260.3155010L b U G G S U U μ==⨯=-- 最佳负载11/ 3.1750.315L L R G M ===Ω 输出电压25150.515.3850.010.315L P P U S V G G '''--∆==⨯=++ 电流0.31515.385 4.846L I G U A μ∆=∆=⨯=输出功率4.84615.38574.56L P I U W μ=∆∆=⨯=3、用Si 光电二极管测缓变光辐射，伏安特性曲线如图1所示，在入射光最大功率为8μW 时，屈膝电压10V ，反向偏置电压为40V ，Si 光电二极管的灵敏度S=0.5μA/μW ，结电导为0.005μS 。