光电探测技术与应用第一章课后习题与答案

光电探测技术与应用 第一章课后习题答案（部分）
1.1 辐射度量与光度量之间有哪些区别？有哪些相同点和联系？
答：光辐射度量在历史上形成了辐射度学和光度学两套度量系统。

辐射度学：是建立在物理测量的基础上的辐射能量客观度量,不受人眼主观视觉的限制，其概念和方法适用于整个光辐射范围（红外、紫外辐射等必须采用辐射度学）。

光度学：是建立在人眼对光辐射的主观感觉基础上，是一种心理物理法的测量，故只适用于电磁波谱中很窄的可见光区域。

1.2一支氦-氖激光器（波长为63
2.8nm ）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直径为1mm 。

（1）求出该激光束的光通量，发光强度，光亮度，光出射度。

（2）若激光束投射在10m 远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的反射比为0.85，求该屏上的光亮度。

解：① 该激光束的光通量
328.0102240.0683)(3-⨯⨯⨯==e m v V K φλφLm （流明）
发光强度 )1028.3(102.44
/)101(328.05523⨯⨯=⨯=∆Ω=-πφv
v I Cd(坎德拉) 光亮度 )102.4(1035.54
/)101(102.41111235
⨯⨯=⨯⨯=∆=-或πS I L v v Cd/m 2 光出射度 523102.44
/)101(328.0⨯=⨯=∆=-πφS M v
v Lm/m 2 ② 10米远处光斑面积大小：
52321085.7)10110(4
14.3)(4--⨯=⨯⨯=∆=θπ
L S m 2 反射光功率为： 33'107.110285.0--⨯=⨯⨯==P P ρW
反射光通量 279.0240.0683107.1)(3''=⨯⨯⨯==-λφV K P m v Lm
漫反射屏可以看作是个朗伯体，其法向发光强度I 0与光通量的关系是πφ/0=I ，由于朗伯体的光亮度与方向无关，所以：
35'01013.110
85.714.3279.0⨯=⨯⨯===-S S I L v v πφ Cd/m 2 1.4 用目视观察发射波长分别为435.8nm 和546.1nm 的俩个发光体，他们的亮度相同，均为3cd/m 2.如果在俩个发光体前分别加上透射比为10−4的光衰减器，问此时目视观察的亮度是否相同？为什么？
解：光衰减器的透射比指的是光辐射能量的透射比。

在亮视觉时，对波长为
nm 8.4351=λ的单色光，光亮度111)(e m v L V K L λ=，对波长为nm 1.5462=λ的单
色光，光亮度222)(e m v L V K L λ=， 且有21v v L L =。

在暗视觉时，应有：
411''
110)(-⨯=e m v L V K L λ，422''
210)(-⨯=e m v L V K L λ
因为： )()()()()()()()()()(12'21'2'2211'12
2'11''2'
1λλλλλλλλλλV V V V V L V V V L L V K L V K L L v v e m e m v v === 9.200173
.0714.0978.02640.0=⨯⨯= 大于1，所以在暗视觉时，波长为nm 8.4351=λ的光源的光亮度大于波长为
nm 1.5462=λ的单色光源的光亮度。

（光谱光视效能值参见教材第4页，此处
采用了数值内插）
1.5一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m 高处，已知该白炽灯的光通量为848.21lm ，求地面上的照度。

解: E e =d φe dA =848.24πR 2
=848.24×3.14×1.52=30 lx
1.6 说明光电检测系统的组成部分，列举你所知道的一个典型光电检测系统，说明其工作原理。

答：组成部分：光源，信息载体，光电探测器及信息处理装置。

典型光电检测系统：红外报警系统，锅炉水位自动控制系统。

（主动红外报警器是一种红外线光束遮挡型报警器，发射机中的红外发光二极管在电源的激发下，发出一束经过调制的红外光束(此光束的波长约在0.8～0.95微米之间)，经过光学系统的作用变成平行光发射出去。

此光束被接收机接收，由接收机中的红外光电传感器把光信号转换成信号，经过电路处理后传给报警控制器。

由发射机发射出的红外线经过防范区到达接收机，构成了一条警戒线。

正常情况下，接收机收到的是一个稳定的光信号，当有人入侵该警戒线时，红外光束被遮挡，接收机收到的红外信号发生变化，提取这一变化，经放大和适当处理，控制器发出的报警信号。

）
1.7 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。

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。

1.8 光电探测器的主要特性参数有哪些？设计光电测量系统选择器件，应考虑哪些因
素？
答：1 响应率 2 光谱响应率 3 噪声等效功率，NEP 探测率D ，比探测率D*
4 响应时间
1.10求出300K 是n 型硅半导体中的电子和空穴的浓度以及费米能级，画出其能带图。

这时掺入的施主浓度为
2.25×1016cm
3.
解：300K 时，因310/105.1cm n i ⨯=，161025.2⨯≈+=i d n N n 416
20
2101025.21025.2=⨯⨯==n n p i 个/cm 2 其费米能级 )
(42.0)(1073.6105.11025.23001038.120101623eV E J E Ln E n N kTLn E E i i i i d i fn +=⨯+=⨯⨯⨯⨯+=+=--
其能级图如右。

1.11 计算出300K 温度下掺入1015/cm 3硼原子的硅片中电子和空穴的浓度以及费米能级，画出其能带图。

解：300K 时，310/105.1cm n i ⨯=，1510=d N 远大于n i ，所以
d i p N n 1510。

而np n i =2，..i n n p 2
20515225102251010个/cm 2
其费米能级
)
(29.0)(106.4105.1103001038.120101523eV E J E Ln E n N kTLn E E i i i i d i fn +=⨯+=⨯⨯⨯+=+=--
其能级图如右。