光电技术习题讲解
光电技术及答案答案武汉理工大学
图1一、 名词解释(每小题3分，总共15分)1.坎德拉(Candela,cd)2.外光电效应3.量子效率4. 象增强管5. 本征光电导效应二、 填空题(每小题3分，总共15分)1. 光电信息变换的基本形式 、 、 、 、 、 。
2.光电倍增管是一种真空光电器件，它主要由 、 、 、 和 组成。
3. 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和 。
4. 产生激光的三个必要条件是 。
5. 已知本征硅的禁带宽度为g E ，要使该材料有光电子产生，其入射光波的最大波长为 。
三、如图1所示的电路中，已知R b =820Ω,R e =3.3K Ω,U W =4V R p ,当光照度为40lx 时，输出电压为6V ，80lx 是为9V 。
设光敏电阻在γ值不变。
试求：(1) 输出电压为8V 时的照度；（2）若e R 增加到6 K Ω，输出电压仍然为8V ，求此时的 (3) 输出电压为8V 时的电压灵敏度。
四、如果硅光电池的负载为R L 。
(10分)(1)、画出其等效电路图；(2)、写出流过负载的电流方程及开路电压和短路电流； (3)、标出等效电路图中电流方向。
五、简述PIN 光电二极管的工作原理。
为什么PIN 管比普通光电二极管好？ (10分)六、 1200V 负高压供电，具有11级倍增的光电倍增管，若倍增管的阴极灵敏度S K 为20uA/lm ，阴极入射光的照度为0.1Lx ，阴极有效面积为2cm 2，各倍增极二次发射系数均相等(4=δ)，光电子的收集率为98.00=ε，各倍增极的电子收集率为95.0=ε。
(提示增益可以表示为NG )(0εδε=) (15分)(1) 计算光电倍增管的放大倍数和阳极电流。
(2) 设计前置放大电路，使输出的信号电压为200mV ，求放大器的有关参数，并画出原理图。
七、 简述CCD 的两种基本类型，画出用线阵CCD 测量微小物体(小于100微米)原理简图，并分析测量原理。
光电检测技术与应用习题解答
第1章
1、举例说明你说知道的检测系统的工作原理。 （1）光电检测技术在工业生产领域中的应用： 在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位… （2）光电检测技术在日常生活中的应用： 家用电器——数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器 自动感应灯：亮度检测---光敏电阻 空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶 遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 可视对讲、可视电话：图像获取---面阵 CCD 医疗卫生——数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器 办公商务——扫描仪：文档扫描---线阵 CCD 红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管 （3）光电检测技术在军事上的应用： 夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 激光测距仪：可精确的定位目标 光电检测技术应用实例简介 点钞机 （1）激光检测—激光光源的应用 用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字， 会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。由于仿制困难， 故用于辨伪很准确。 （2） 红外穿透检测—红外信号的检测 红外穿透的工作原理是利用人民币的纸张比较坚固、 密度较高以及用凹印技术印刷的油墨厚度较高， 因而对红外信号的吸收能力较强来辨别钞票 的真假。 人民币的纸质特征与假钞的纸质特征有一定的差异， 用红外信号对钞票进行穿透检 测时，它们对红外信号的吸收能力将会不同，利用这一原理，可以实现辨伪。 （3）荧光反应的检测—荧光信号的检测 荧光检测的工作原理是针对人民币的纸质进行检 测。人民币采用专用纸张制造（含 85％以上的优质棉花） ，假钞通常采用经漂白处理后的普 通纸进行制造，经漂白处理后的纸张在紫外线（波长为 365nm 的蓝光）的照射下会出现荧 光反应（在紫外线的激发下衍射出波长为 420－460nm 的蓝光） ，人民币则没有荧光反应。 所以， 用紫外光源对运动钞票进行照射并同时用硅光电池检测钞票的荧光反映， 可判别钞票 真假。 （4）纸宽的检测—红外发光二极管及接收二极管的应用 主要是用于根据钞票经过此红外 发光及接收二极管所用的时间及电机的转速来间接的计算出钞票的宽度， 并对机器的运行状 态进行判断，比如有无卡纸等；同时也能根据钞票的宽度判断出其面值。 （5）喂钞台、接钞台传感器—红外对管的应用 在点钞机的喂钞台和取钞台部分分别有一 个作为有无钞票的发射接收红外对管，用来检测是否有钞票放入或取出。 2、如何实现非电量的测量？ 为实现非电量的电测量， 首先要实现从非电量到电量的变换， 这一变换是靠传感器来实现的。 传感器接口电路是为了与传感器配合将传感器输出信号转换成低输出电阻的电压信号以方 便后续电路的处理。一般说来，信号都需要进一步放大并滤除噪声。放大后的信号经模拟/ 数字变换后得到数字信号， 以便于微处理器或微控制器。 微处理器或微控制器是测控系统的 核心， 它主要有两个作用： 一是对数字信号进行进一步处理并将信号输出显示、 存储和控制。 二是管理测控系统的各个部分以实现测控系统的智能化， 即根据信号和测量条件的变化， 自 动地改变放大器的增益、滤波器的参数及其它的电路参数。在选用合适的传感器之后，就要
光电技术习题解
教材：安毓英，刘继芳，李庆辉编著《光电子技术》，北京：电子工业出版社，2002《光电子技术》习题解答习 题11.1 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ，如图所示。
试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。
解答：根据辐射功率的定义及立体角的计算公式：ΩΦd d ee I =，202πd l R c =Ω 202e πd d l R I I c e e ==ΩΦ1.2 如图所示，设小面源的面积为∆A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为∆A c ，到面源∆A s 的距离为l 0。
若θc 为辐射在被照面∆A c 的入射角，试计算小面源在∆A c 上产生的辐射照度。
第1题图第2题图用定义r r e e A dI L θ∆cos =和A E ee d d Φ=求解。
1.4 霓虹灯发的光是热辐射吗？ 不是热辐射。
是电致发光。
1.6 从黑体辐射曲线图可以看出，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长λm 随温度T 的升高而减小。
试由普朗克热辐射公式导出常数=T m λ。
这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.898⨯10-3m ∙K 。
解答：普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。
教材P81.7 黑体辐射曲线下的面积等于等于在相应温度下黑体的辐射出射度M 。
试有普朗克的辐射公式导出M 与温度T 的四次方成正比，即4T ⨯=常数M这一关系式称斯特藩-波耳兹曼定律，其中常数为5.67⨯10-8W/m 2K 4 解答：教材P9，并参见大学物理相关内容。
1.9常用的彩色胶卷一般分为日光型和灯光型。
你知道这是按什么区分的吗？按色温区分。
1.10 dv v ρ为频率在dv v v +~间黑体辐射能量密度，λρλd 为波长在λλλd +~ 间黑体辐射能量密度。
已知 ()[]1exp 833-=T k hv c hv B v πρ ，试求λρ。
光电技术综合习题解答
SI=0.15mA/lx，电阻RL=51kΩ，三极管9014的电流放大倍率β=120，
若要求该光电变换电路在照度变化为200 lx的范围情况下，输出电 压ΔUo的变化不小于2V，问： （1）电阻RB与RC应为多少？ （2）试画出电流I1、I2、IB和IC的方向. （ 3 ）当背景光的照度为 10 lx 时，电流 I1为多少？输出端的电位为多少？ (4) 入射光的照度为100 lx时的输出电 压又为多少？
显然，此题为多解题，可根据电路的应用特点，选择RC与RB。例 如，若对速度有要求， RC尽量小。 （3）当背景光的照度为10 lx时，电流I1为
I1= SφEV=0.15×10-3 ×10= 1.5(mA)
U0= Ubb－ IC RC= (4) 入射光的照度为100 lx时的输出电压为 U0= Ubb－ IC =
曲线的下方画出输出电压的波形图。
Ec 500 RL U0 400 300 200 100 0
I(μ A) 200lx 160 lx 120 lx 80 lx 40 lx 5 10 15 20 U(v)
解：此题可以用“图解法”解，
(1) 6V正弦信号的双峰值为Up~p= 17（V）
(2) RL=Δ U /Δ I =42.5( kΩ )
解：根据题目所给的已知条件和电路图，可以标定出各电流的方向。 再由电路，可找到输出电压与入射光照度的关系，即
I1RL U be I C I B RB
式中I1= SφEV， ΔI1= Sφ Δ EV， 输出电压变化量为ΔU=－ ΔICRC，即
U C Rc
Sφ EV RL U be RB
Ubb
R Rb U0
DW
U bb U w 12 4 Iw 9.8(mA) Rb 820
光电技术习题讲解
• (c)设计前置放大电路，使输出的信号电压为 200mV,求放大器的有关参数，并画出原理图。 解:（a）如图
（b）阴极电流： Ik=Sk· Φ=20x10-6· 0.1x2x10-4 =4x10-10A
倍增系统的放大倍数: M=Ip/Ik=ε0(σxε)11=2.34x106
阳极电流：Ip=M· Ik=936 μA
[6-13]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？ 答：1：P140-141 2：PIN光电二极管因由较厚的i层，因此 p-n结的内电场就基本上全集中于i层中，使 p-n结的结间距离拉大，结电容变小，由于 工作在反偏，随着反偏电压的增大，结电 容变的更小，从而提高了p-n光电二极管的 频率响应。
• 〔4-10〕 (a)画出具有11级倍增极，负高压1200V供电， 均匀分压的光电倍增管的工作原理，分别写 出各部分名称及标出Ik，Ip和Ib的方向。 (b)若该倍增管的阴极灵敏器Sk为20μA/lm，阴 极入射的照度为o.1lx，阴极有效面积为 2cm2 ,各倍增极发射系数均相等（σ=4）， 光电子的收集率为0.98，各倍增极电子收集 率为0.95，试计算倍增系统的放大倍数和阳 极电流。
6
• [6-9]图为一理想运算放大器，对光电二极管 2CU2的光电流进行线性放大，若光电二极 管未受光照时，运放输出电压V0=0.6。在 E=100lx的光照下，输出电压V1=2.4V。 求：（1）2CU2的暗电流； （2）2CU2的电流灵敏度
I D Vo / R f 0.6 /1.5 106 0.4 106 A V1 Vo E 100lx I p I I D 1.2 A Rf S E I p / E 1.2 106 /100 1.2 108 A / lx
光电技术课后习题和答案
光出射度 M v,
=
v,
d 2
2
= 0.4815/（π×（0.001/2）2）=6.13×105lx
（ 2 ） 激 光 投 射 到 10m 远 处 屏 幕 上 ， 可 得 接 受 面 半 径
r
10
tan
2
1
10 2
3
10
2
1
10 2
3
0.003366m
面积 A=r 2 =3.56105
屏幕的光照度为 Ev
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由维恩位移定律， m
2898 T
=9.36um
当发烧到
38.5
时，T=38.5+273=311.5K，此时 m
2898 T
=9.303um
峰值光谱辐射出射度 M e,s,m 1.309T 5 1015 =3.84 mW .cm2 .um1 11.解：依题意，由杂质吸收条件，则杂质吸收的长波限 L 1.24 Ei 所以杂质电离能 i 1.24 L =1.24/13=0.095ev 12.解：光照灵敏度 SV I V ，而辐射灵敏度 Se I e ，
发光强度 I v, = v, ，由空间立体角的定义， 将光束平面发散角转换 α= 0.02×10-3
由于这个角度很小，可以把其所对应的球面度近似的看作锥面圆的面积，且半径
光电技术习题
管的电流灵敏度 Si＝0.4 μ A / μW ,其暗电流小于 0.2μ A ,三极管 3DG60C 的电流放大倍
数 β = 50 ，最高入射辐射功率为 400 μW 时的拐点电压UM = 10V 。求获得最大电压 输出时的 Re 值。若入射辐射功率由 400 μW 减少到 350 μW 时，输出电压变化量为多
⎜⎝ 3.不变⎟⎠
⎛1.大于 ⎞
4．
本征光电导
⎜ ⎜
2.等于
⎟ ⎟
非本征光电导，这是因为从吸收跃迁的结果来看
⎜⎝ 3.小于 ⎟⎠
⎛1.本征 ⎞
⎜ ⎝
2.非本征
⎟ ⎠
光电导同时产生
⎛1.不同
⎜ ⎝
2.相同
⎞ ⎟ ⎠
的自由电子和空穴的结果。
⎛1.高的多 ⎞
5．
对于所有纯净的半导体材料来说，
hν
比禁带宽度
各倍增极的电子收集率为 0.95，试计算具有 11 级倍增系统的放大倍数和阳极电流。（2） 设计前置放大电路，使输出的信号电压为 200mv，求放大器的有关参数，并画出原理 图。 解：(1)由题意可知：光电倍增管的放大倍数
G = 0.98 ×（ 0.95 × 4）11＝0.98 × 3.811＝2.3×106
Eg
⎜ ⎜
2.低的多⎟⎟
的光都是“透
⎜⎝ 3.差不多⎟⎠
明的”。
6． 已知本征半导体材料 Ge 在 295K 下，其禁带宽度 Eg＝0.67(eV)，现将其掺入杂质
Hg，在锗掺入汞后其成为电离能 Ei＝0.09（eV）的非本征半导体。试计算本征半导体
锗和非本征半导体锗掺汞所制成的光电导探测器的截至波长各为多少？
⎛1.光导效应 ⎞
3．
光电技术及应用习题答案
1章习题答案1 •什么是人眼的视见函数，明适应和暗适应分别是什么意思？答：由于光度测量依赖于人的视觉器官的生理特性，为了统一评价标准，引入了视见函数、也称光谱 光视效率的概念。
明适应是指正常人眼对亮度水平在几坎德拉每平方米以上的适应状态，处于明适应条件 卞的视觉叫明视觉。
正常人眼所适应的亮度水平在百分之几坎德拉每平方米以下的视觉叫暗视觉。
2. 试简述辐射量和光度量的区别。
答：对电磁辐射能量进行客观计量的学科称辐射度学，与之测量相关的物理量即为辐射量；考虑到人 眼的主观因素后的相应计量学科称为光度学；与之测量相关的即为光度量。
3. 试叙述光度量中几个光学量之间的关系。
答：几个光学量之间的关系可以如图1・3所示:4•什么是外光电效应？其代表器件是什么？答：在光的作用下，'金属或半导体材料中的电子吸收足够高的光子能量，逸出物体表面向外发射的现 彖叫做外光电效应，也叫光电发射效应。
它是真空光电器件光电阴极工作的物理基础。
其代表器件是真空 光电管，或倍增光电管。
5•什么是光生伏特效应？光伏器件有哪些，试叙述其各自的应用场合。
答：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。
光伏器件有光电二极管、光电三极管、硅光电池等等。
6. 简述光源的分类。
答：光源可以分为自然（天然）光源和人造光源。
人造光源又可以分为物理光源和电光源。
物理光源 主要是从人工取火开始，到后来的油灯、蜡烛等。
而1879年爱迪生发明的白炽灯则开启了电光源的时代。
光源的分类如图1J1所示。
（热辐射型（白炽灯、卤铛灯）3气体就:电型（汞灯、钠灯、金卤灯，等） 光致发光型（荧光灯）2＜电致发光型（LED 、LD ） a7. 试比较气体发光型光源和热辐射型光源的不同和相同之处。
答：两者的不同之处在于：气体放电光源是利用气体放电的发光原理制成的，如高压汞灯、高压钠灯、 金属卤化物灯等。
热辐射光源是发光物体在热平衡状态下，使热能转变为光能的光源，如白炽灯，卤钩灯 等。
科学出版社 江文杰编著《光电技术》习题答案
4-7 说明 PIN 管、雪崩光电二极管的工作原理和各自特点。PIN 管的频率特性为什么比普通 光电二极管好? 答：（一）PIN 光电二极管
工作原理：PIN 光电二极管是一种快速光电二极管，PIN 光电二极管在掺杂浓度很高的 P 型半导体和 N 型半导体之间夹着一层较厚的高阻本征半导体 I，其基本原理与光电二极管 相同。但由于其结构特点，PIN 光电二极管具有其独特的特性。如下图所示。
=
SΦ m
R1 RL
=
SΦ m
Rb Rb + RL
=
0.6 × 5 × 125 125 + 125
= 1.5μA
交流输出电压 UL 的有效值
UL = ILmRL / 2 = 1.5μA ×125kΩ/ 2 = 132.6mV
(3)上限截止频率
f HC
=
1 2πR1C1
=
1 2 × 3.14 × 125 ×103 × 6 ×10−12
科学出版社《光电技术》第 1 版习题与思考题及参考解答
第 4 章 光伏探测器
4-1 （1）证明：光电二极管输出的光电流 Ip = eηΦ0 / (hν ) ，式中：Ф0 为入射辐射功率，e
为电子电量，η为量子效率，hv 为入射光子能量；（2）通常光电二极管的内增益 M=1，不会 出现 M>1。试从光伏效应的机理上加以解释。
压，负载电阻 50Ω 自身的噪声电压）：
U
2 in
=
2eiΔf
⋅
R2
+
4kT Δf
⋅
R
=
光电技术习题及总复习
(2).该激光束投射在10m远的白色漫反射屏上,漫反射屏的 反射比为0.85,求屏上的光亮度
本题1问的关键: 辐射通量和光通量的转换关系要清楚；立体角
概念要清楚；立体角与平面角的关系？
1）光通量
v CVe 683 0.175 2103 0.239lm
第三和第四代像增强器？
28.光源的光谱功率分为哪几种情况？画出每种情况对应的
分布图？
29.光电测量系统中的噪声可分为三类，简述这三类噪声？ 等效噪声功率的表达式（两个）？
30.光和物质相互作用的三个过程是什么?产生激光的三个必要 条件是什么？激光器的类型和激光的特性是什么？
31.硅光电池最大的开路电压是多少？为什么它随温度升高
5.变像管是一种能把各种（ ）辐射图像转换成为（ ）图 像的真空光电成像器件。
第十六页，编辑于星期六：十六点 三十四分。
6. 电荷耦合器（CCD）电荷转移的沟道主要有两大类，一 类是（ ）, 另一类是（ ）。 7. 光电子技术是（ ）和（ ）相结合而形成的一门技术
8. 光源的颜色，包括两方面含义（ ）和（ ）。
而降低？
I0 4.22 1014 e0.1539t
32.什么是光纤的V归一 化2频a率参n1数2 ？n判22 断单2模a与n非1 单2模光纤的条件？
33.什么是“胖0”电荷？什么是“胖0”工作模式？“胖0”电荷的数 量是多少？引入“胖0”电荷的优缺点？
第二十页，编辑于星期六：十六点 三十四分。
34.光电探测器的特性参数有？为什么光敏电阻随光照增
πr102
r10=θR=10-3×10=10-2
该白色漫反射屏是不透明的, 其上的光斑是一个漫反射 源, 因漫反射光源的视亮度与θ无关,各方向都相同,因此该漫反 射源以π的立体角出射光通量0.85Фv ,故视亮度
光电技术习题讲解资料
• 〔3-5〕何谓“白噪音”？何谓“1/f噪音”？ 要降低低电阻的热噪音应采用什么措施？ 答：白噪音：功率谱与频率无关的噪音。 1/f噪音：功率谱与1/f成正比的噪音。 措施： 尽量选择通带宽度小的； 尽量选择电阻值小的电阻； 降低电阻周围环境的温度。
• 〔3-6〕探测器的D*=1011cm· Hz1/2· W-1,探测光 敏器的直径为0.5cm，用于f=5x103Hz的光电仪器 中，它能探测的最小辐射功率为多少？
• 〔4-10〕 (a)画出具有11级倍增极，负高压1200V供电， 均匀分压的光电倍增管的工作原理，分别写 出各部分名称及标出Ik，Ip和Ib的方向。 (b)若该倍增管的阴极灵敏器Sk为20μA/lm，阴 极入射的照度为o.1lx，阴极有效面积为 2cm2 ,各倍增极发射系数均相等（σ=4）， 光电子的收集率为0.98，各倍增极电子收集 率为0.95，试计算倍增系统的放大倍数和阳 极电流。
• 〔2-4〕简述发光二极管的发光原理，发光二极 管的外量子效率与哪些因素有关？ 发光二极管的发光原理见课本P25 与射出的光子数、电子空穴对数、半导体材 料的折射率有关
• 〔2-5〕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？
利用半导体物质(即利用电子)在能带间跃迁发 光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反 射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、 反馈、产生光的辐射放大，输出激光。 半 导体激光器激光器优点是体积小，重量轻， 运转可靠，耗电少，效率高等特点。要求是 有足够的粒子数反转，即要求必须满足一定 的电流阈值条件。
本质区别： 光电导和光伏特效应属内光电效应，是光照 到半导体材料时，材料由于光子的加入引起 载流子的浓度变化，导致材料电导率或使产 生内建电场。 光电发射是属外电效应，是光子和物质材 料中的电子相互作用，光子能量足够大，才 使电子获得能量而逸出物质表面。
光电技术部分习题解答(王庆有)
T
Cθ G
6.68 10-4 24.49 10-6
27.28 s
调制的入射光辐射 Φω = 10e j2πt (mW )
选择题
1、热释电探测器本身阻抗 ，要求前置放大器的输入阻抗 。 a. 高，高； b. 高，低； c. 低，高； d. 低，低
2、热释电探测器的基本结构是一个 。 a.电阻器； b.电容器；c.恒流源；d.电压源
首先选择阳极电阻： Ra=82kΩ，计算得到最小阳极电流为
I am
Ua Ra
0.3 82 103
3.66 106 A
4.15 当用表4-4所示的光电倍增管GDB-151设计探测光谱强度 为 2×10-9lm的光谱时，若要求输出信号电压不小于0.3V，稳 定度要求高于0.1%，试设计该光电倍增管的供电电路。
解：根据输出电压的幅度要求和PMT的噪声特性，可选择阳 极电阻：Ra≥52 kΩ； 查 表：N=9； SK=20×10-6 (A/lm)，
Sa=1 A/lm，(800V，电压没确定前此值参考)， 计算得：Ia=Sa×ΦV=2×10-9(A)
Ra ≥ Ua/Ia=0.3×10-3/ 2×10-9=150 kΩ
2020/5/23
15
7.6 在图 7- 62 所示的光电变换电路中，若已知 3DU2 的电流 灵敏度SI=15 μA/lx，电阻 RL= 51kΩ，三极管 9014 的电流放 大倍率120，若要求该光电变换电路在照度变化为 200lx 的范 围情况下，输出电压 Uo 的变化不小于 2V，问：
(1)试画出电流I1、I2、IB和IC的方向。 (2)电阻RB与RC应为多少？ (3) 当背景光的照度为 10 lx时，电流 I1
③ 硅光电池在（ ）偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关 系，且动态范围较大。
光电技术习题讲解分解共31页
1、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
▪
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量之者，好之者不如乐之者。——孔子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
谢谢！
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光电技术习题解
教材：安毓英，刘继芳，李庆辉编著《光电子技术》，北京：电子工业出版社，2002《光电子技术》习题解答习 题11.1 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ，如图所示。
试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。
解答：根据辐射功率的定义及立体角的计算公式：ΩΦd d ee I =，202πd l R c =Ω 202e πd d l R I I c e e ==ΩΦ1.2 如图所示，设小面源的面积为∆A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为∆A c ，到面源∆A s 的距离为l 0。
若θc 为辐射在被照面∆A c 的入射角，试计算小面源在∆A c 上产生的辐射照度。
第1题图第2题图用定义rr ee A dI L θ∆cos =和A E ee d d Φ=求解。
1.4 霓虹灯发的光是热辐射吗？ 不是热辐射。
是电致发光。
1.6 从黑体辐射曲线图可以看出，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长λm 随温度T 的升高而减小。
试由普朗克热辐射公式导出常数=T m λ。
这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.898⨯10-3m •K 。
解答：普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。
教材P81.7 黑体辐射曲线下的面积等于等于在相应温度下黑体的辐射出射度M 。
试有普朗克的辐射公式导出M 与温度T 的四次方成正比，即4T ⨯=常数M这一关系式称斯特藩-波耳兹曼定律，其中常数为5.67⨯10-8W/m 2K 4 解答：教材P9，并参见大学物理相关内容。
1.9常用的彩色胶卷一般分为日光型和灯光型。
你知道这是按什么区分的吗？按色温区分。
1.10 dv v ρ为频率在dv v v +~间黑体辐射能量密度，λρλd 为波长在λλλd +~ 间黑体辐射能量密度。
已知 ()[]1exp 833-=T k hv c hv B v πρ ，试求λρ。
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v ( ) K mV ( ) e ( ) 683 0.265 2 10 0.362lm
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d v ( ) v ( ) Iv d S 2 Rh 2 2 (1 cos ) 2 R R v ( ) 0.362 Iv 1.15 105 cd 2 (1 cos ) 2 (1 cos 0.001) dI v I v I v 11 2 Lv 2 1.46 10 cd / m dS cos S cos r cos 0 d v ( ) 0.362 5 2 Mv 4.6 10 lm / m 2 dS 0.0005
• 〔4-2〕光电发射和二次电子发射两者有何 不同？简述光电倍增管的工作原理。 光电发射是光轰击材料使电子逸出，二次电 子发射是电子轰击材料，使新的电子逸出。 工作原理见p68.
• 〔4-8〕光电倍增管产生暗电流的原因有哪 些？如何减少暗电流？ 原因：1）热电子发射 2）极间漏电流 3）残余气体的离子发射4）玻璃闪烁 5）场致发射 减少暗电流方法：1）直流补偿 2）直流和锁相放大 3）致冷 4）电磁屏蔽法 5）磁场散焦法
[6-15]图6-84示出了用光电耦合器件隔离的又一种高压稳压电路，试说明它的 工作原理及对光电耦合器的要求。
工作原理： 当外界电源电压或负载变化而导致输出电 压升高时，电位器W上的分压也升高了， 从而使三极管T3的基极电压升高，流过T3 的电流增大，则流过光电耦合器中发光二 极管的电流增大，该发光二极管的亮度增 大，使GD310中光电三极管内流过较大的 电流，这又使调整管T1和T2导通程度下降， 从而导致输出电压回到稳定值。
D* D ( Ad f )1/2 1 D NEP ( Ad f )1/2 e NEP D* D 2 ( ) f 2 10 3.1 10 W * D
3-9〕光电发射的基本定律是什么？它与光电 导和光伏特效应相比，本质的区别是什么？ 答：光电反射具有两个基本定律： 第一定律：当入射辐射的光谱分布不变时， 饱和光电流I与入射的辐射通量Φ成正比。 第二定律：发射的光电子的最大动能随入射 光子光频率的增加而线性增加而与入射光的 强度无关。
对光电耦合器的要求： 调整管T1和T2需选用耐压较高的晶体管， 电阻R4比滑动变阻器W、R5要大很多，当 电位器C滑到b点时，要保证R5电阻的分压 要稍大于0.7V，其它元件仍可选用普通的低 压元件。 [8-1]简述一维CCD摄像器件的基本结构和工 作过程。 见P200
本质区别： 光电导和光伏特效应属内光电效应，是光照 到半导体材料时，材料由于光子的加入引起 载流子的浓度变化，导致材料电导率或使产 生内建电场。 光电发射是属外电效应，是光子和物质材 料中的电子相互作用，光子能量足够大，才 使电子获得能量而逸出物质表面。
• 〔4-1〕负电子亲和势光电阴极的能带结构 如何？它具有那些特点？ • 表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带 之下 . • 特点：1.量子效率高 2.光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀 3.热电子发射小 4.光电发射小，光电子能量集中
[6-13]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？ 答：1：P140-141 2：PIN光电二极管因由较厚的i层，因此 p-n结的内电场就基本上全集中于i层中，使 p-n结的结间距离拉大，结电容变小，由于 工作在反偏，随着反偏电压的增大，结电 容变的更小，从而提高了p-n光电二极管的 频率响应。
• 〔2-4〕简述发光二极管的发光原理，发光二极 管的外量子效率与哪些因素有关？ 发光二极管的发光原理见课本P25 与射出的光子数、电子空穴对数、半导体材 料的折射率有关
• 〔2-5〕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？
利用半导体物质(即利用电子)在能带间跃迁发 光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反 射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、 反馈、产生光的辐射放大，输出激光。 半 导体激光器激光器优点是体积小，重量轻， 运转可靠，耗电少，效率高等特点。要求是 有足够的粒子数反转，即要求必须满足一定 的电流阈值条件。
• 〔3-5〕何谓“白噪音”？何谓“1/f噪音”？ 要降低低电阻的热噪音应采用什么措施？ 答：白噪音：功率谱与频率无关的噪音。 1/f噪音：功率谱与1/f成正比的噪音。 措施： 尽量选择通带宽度小的； 尽量选择电阻值小的电阻； 降低电阻周围环境的温度。
• 〔3-6〕探测器的D*=1011cm· Hz1/2· W-1,探测器光 敏器的直径为0.5cm，用于f=5x103Hz的光电仪器 中，它能探测的最小辐射功率为多少？
• [6-6]图是用硒光电池制作照度计的原理图，已知硒 光电池在100lx照度下，最佳功率输出时的 Vm=0.3V,Im=1.5mA,如果选用100μA表头作照度指 标，表头内阻为1KΩ，指针满刻度值为100lx，试计 算电阻R1和R2值。
100lx : Vm 0.3V , I m 1.5mA, I1 100 10 A I1 I 2 I m I 2 1.4mA I1 ( R f R1 ) Vm R1 2k R2 Vm / I 2 214
• (c)设计前置放大电路，使输出的信号电压为 200mV,求放大器的有关参数，并画出原理图。 解:（a）如图
（b）阴极电流： Ik=Sk· Φ=20x10-6· 0.1x2x10-4 =4x10-10A
倍增系统的放大倍数: M=Ip极电流：Ip=M· Ik=936 μA
• 〔4-10〕 (a)画出具有11级倍增极，负高压1200V供电， 均匀分压的光电倍增管的工作原理，分别写 出各部分名称及标出Ik，Ip和Ib的方向。 (b)若该倍增管的阴极灵敏器Sk为20μA/lm，阴 极入射的照度为o.1lx，阴极有效面积为 2cm2 ,各倍增极发射系数均相等（σ=4）， 光电子的收集率为0.98，各倍增极电子收集 率为0.95，试计算倍增系统的放大倍数和阳 极电流。
光电技术习题讲解
• 〔1-2〕一支氦-氖激光器（波长为632.8nm） 发出激光的功率为2mW。该激光束的平面 发散角为1mrad,激光器的放电毛细管为 1mm。 求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、 光出射度。 若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上， 该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏上的光 亮度。
1 1 1 7 6 gD 110 , S g E g D S 2 10 s / lx g 3 RD R 5 10 2 103 3 S g E ' g D 0.5 10 E ' 250lx 3 3 12 4 10 2 10 1 12 3 E 400lx 4 10 Rx Rx 750 3 Sg E gD 2 10
(c)
Rf Vo Vo ' RL Vo ' Rf RL Vo ( I p ) RL Rf RL I pR f
200mv Rf 214 936 A
• 〔5-2〕已知CdS光敏电阻的最大功耗为40mW， 光电导灵敏度Sg=0.5x10-6，暗电导g0=0，若给光 敏电阻加偏置电压20V，此时入射CdS到光敏电阻 上的极限照度为多少勒克司？ 解：光敏电阻的最大光电流
l 10m r 0.0005m ( P6)
' 2 d r M v' 0.85 Ev' 0.85 ' v 0.85 Lv 2 dS cos l 2 r 0.85 Lv 2 2 ' ' d v dM v ' l 155cd / m 2 Lv d dS ' cos d 2
Pmax 40mW I 2mA U 20V
I p SgVE
2mA E 200lx 6 VSg 20V 0.5 10 Ip
• 〔5-3〕光敏电阻R与RL=2kΩ的负载电阻串 联后接于Vb=12V的直流电源上，无光照时 负载上的输出电压为V1=20mv，有光照时 负载上的输出电压为V2=2V。求：1）光敏 电阻的暗电阻和亮电阻值。2）若光敏电阻 的光电导灵敏度Sg=6x10-6s/lx，求光敏电 阻受到的照度。
Vb V1 Rd 1198 K RL RL Rd Vb V2 R 10 K RL RL R 1 1 1 1 1 Sg E R Rd R Rd R 1 E 16.7lx Sg R
• 〔5-4〕已知CdS光敏电阻的暗电阻RD=10MΩ,在 照度为100lx时亮电阻R=5kΩ,用此光敏电阻控制继 电器，其原理电路如图5-17所示，如果继电器的 线圈电阻为4kΩ,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，则此电路需作如何改进？
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• [6-9]图为一理想运算放大器，对光电二极管 2CU2的光电流进行线性放大，若光电二极 管未受光照时，运放输出电压V0=0.6。在 E=100lx的光照下，输出电压V1=2.4V。 求：（1）2CU2的暗电流； （2）2CU2的电流灵敏度
I D Vo / R f 0.6 /1.5 106 0.4 106 A V1 Vo E 100lx I p I I D 1.2 A Rf S E I p / E 1.2 106 /100 1.2 108 A / lx