光电检测答案

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5 成像传感器 1) CCD 传感器的工作原理、步骤与方式。 一、CCD 传感器是一种新型光电转换器件，它能存储由光产生的信号电荷。 当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便可在 CCD 内作定向传 输而实现自扫描。 二、CCD 它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通 过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪 速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并 借助于计算机的处理手段，根据需要和想象来修改图像。 三、CCD 由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当 CCD 表面受到 光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生 的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。 2) CCD 成像传感器与 CMOS 成像传感器的对比。 ①CCD 与 CMOS 传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感 光二极管进行光电转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是数字数据 传送的方式不同 CCD 的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真， 因此各个象素的数据可汇聚 至边缘再进行放大处理；而 CMOS 工艺的数据在传送距离较长时会产生噪 声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据。 CCD 传感器在灵敏度、分辨率、噪声控制等方面都优于 CMOS 传感器，而 ②CMOS 传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。 3) 解释“帧行间转移” （Frame Interline Transfer-CCD）CCD 工作时序和优势。
光电二极管和光电三极管具有相同的光谱响应 4.2 热电探测器 1) 热敏电阻通常用来感测温度，但也可以制作成用来感测光的传感器，它与光 敏电阻的实质区别是什么？ 电阻大小与导电率成反比，导电率又与电荷数（ n ）和电荷的移动能力 mobility(u)成正比。 由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子 奔向电源的正极， 空穴奔向电源的负极， 从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。 对于热敏电阻，若电子和空穴的浓度分别为 n、p，迁移率分别为n、p， 则半导体的电导为： = q ( nn + pp ) 因为 n、p、n、p 都是依赖温度 T 的函数，主要影响速度。
二、半导体能带结构中，导带最低点与价带最高点之间的能量差，禁带宽度 的大小实际上是反映了价电子被束缚强弱程度的一个物理量，也就是产生本 征激发所需要的最小能量。 禁带宽度对于半导体器件性能的影响是不言而喻的，它直接决定着器件的耐 压和最高工作温度； 对于 BJT， 当发射区因为高掺杂而出现禁带宽度变窄时， 将会导致电流增益大大降低。 4.1 光子探测器 1) 光电导器件的电极设计通常为什么形状？为何如此设计？ 一、梳状。二、因为这样即可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之 间距离，从而可减小极间电子渡越时间，有利于提高灵敏度。 2) PIN 光电二极管名称中的 I 指什么？I 层的加入主要起什么作用？ 在上述的光电二极管的 p-n 结中间掺入一层浓度很低的 N 型半导体，就可以 增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于 这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称 I 层，因此这 种结构成为 PIN 光电二极管。I 层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分 的入射光在 I 层内被吸收并产生大量的电子—空穴对。在 I 层两侧是掺杂浓 度很高的 P 型和 N 型半导体，P 层和 N 层很薄，吸收入射光的比例很小。因 而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。 3) 雪崩光电二极管（Avalanche Photodiodes ）APD 的特性。对比 APD 和光电 倍增管性能。 “雪崩”的概念。 一、灵敏度高、响应速度快、噪声等效功率很小、反偏电压高· 雪崩光电二极管是一种 p-n 结型的光检测二极管，其中利用了载流子的雪崩 倍增效应来放大光电信号以提高检测的灵敏度。 二、光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中， 测量精度高，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响 应快速、成本低、阴极面积大等优点，它利用二次电子发射使逸出的光电子 倍增，获得远高于光电管的灵敏度，能测量微弱的光信号。 三、光电流成倍地激增 4) 光电三极管与光电二极管性能对比。 ① 光电二极管的光电流小，输出特性线度好，响应时间快； 而光电三极管光电流大，输出特性线度差，响应时间慢。 ②温度特性 硅光电二极管和硅光电三极管的暗电流 Id 和光电流 IL 均随温度而变化， 由于 硅光电三极管具有电流放大作用， 所以硅光电三极管的暗电流 Id 和亮电流 IL 受温度的影响要比硅光电二极管大得多。 ③光谱响应
光电检测技术-复习大纲 2014 春班
1. 基本概念原理 1) Lambert’s Cosine Law 的定义及解释。 I = I*cos。 朗伯余弦定律， 朗伯辐射表面在某方向辐射光强随该方向和法线 之间夹角余弦变化。 2) 照度与距离平方成反比定律 若均匀点光源向空间发射球面波，则点光源在传输方向上某点的照度与该点 到点光源距离平方成反比。 3) 亮度守恒定律 光在同一介质中传播时，若传输过程中无能量损失，则光能传输的任意表面 亮度相等且守恒。 2. 光源
光耦合器的技术参数主要有发光二极管正向压降 VF、正向电流 IF、电流传输 比 CTR 、输入级与输出级之间的绝缘电阻、集电极 - 发射极反向击穿电压 V(BR)CEO、集电极-发射极饱和压降 VCE(sat)。此外，在传输数字信号时还需考 虑上升时间、下降时间、延迟时间和存储时间等。 3) 光电耦合器如何实现通信信号的隔离传输？ 在电脑应用系统中，由于测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行 长线传输， 信号在传输过程中很易受到干扰， 导致传输信号发生畸变或失真； 另外，在通过较长电缆连接的相距较远的设备之间，常因设备间的地线电位 差， 导致地环路电流， 对电路形成差模干扰电压。 为确保长线传输的可靠性， 可采用光电耦合隔离措施，将两个电路的电气连接隔开，切断可能形成的环 路，使他们相互独立，提高电路系统的抗干扰性能。若传输线较长，现场干 扰严重，可通过两级光电耦合器将长线完全“浮置”起来，长线的“浮置” 去掉了长线两端间的公共地线，不但有效消除了各电路的电流经公共地线时 所产生杂讯电压形成的相互窜扰，而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配 问题；同时，受控设备短路时，还能保护系统不受损害。 7 调制与扫描 1) 何为内调制、外调制？ 一、内调制，是指加载的调制信号在激光振荡的过程中进行，以调制信号的 规律去改变振荡的参数，从而达到改变激光输出特性实现调制的目的。例如 通过直接控制激光泵浦源来调制输出激光的强度。内调制也可在激光谐振腔 内放置调制元件，用信号控制调制元件，以改变谐振腔的参数，从而改变激 光输出特性实现调制。 二、外调制，是指加载调制信号在激光形成以后进行的，即调制器置于激光 谐振腔外，在调制器上加调制信号电压，使调制器的某些物理特性发生相的 变化，当激光通过它时即得到调制。所以外调制不是改变激光器参数，而是 改变已经输出的激光的参数（强度、频率等） 。外调制是当前人们较重视的 一种调制方法。" 2) 绝对式旋转编码器与增量式旋转编码器区别。 一、增量式旋转编码器 用光信号扫描分度盘（分度盘与转动轴相联） ，通过检测、统计信号的通断 数量来计算旋转角度。 特点： ①编码器每转动一个预先设定的角度将输出一个脉冲信号，通过统计脉冲信 号的数量来计算旋转的角度，因此编码器输出的位置数据是相对的； ②由于采用固定脉冲信号，因此旋转角度的起始位可以任意设定； ③由于采用相对编码，因此掉电后旋转角度数据会丢失需要重新复位。 优点：分辨能力强；测量范围大；适应大多数情况。 缺点：断电后丢失位置信号； 技术专有，兼容性较差。
1) 发光的机理：热辐射、发光。 一、一类是物质受热，产生热辐射而发光；二、一类是物体受激发吸收能量 而跃迁至激发态 （非稳定态） 在返回到基态的过程中， 以光的形式放出能量。 2) 光源类型：黑体辐射，非相干光，激光。区别是什么。 一、黑体辐射：能量按波长的分布仅与温度有关，随着温度不同，光的颜色 各不相同； 二、非相干光：相位无规则变化，总光强是各束光的总合，一般普通光源即 为非相干光； 三、激光光源：受激辐射，有很好的相干性。
4) 实际的彩色 CCD 成像传感器结构及其各层的作用。拜耳阵列。 一、 ①感光二极管（Photodiode） ②并行信号积存器（Shift Register） ：用于暂时储存感光后产生的电荷。 ③并行信号寄存器（Transfer Register） ：用于暂时储存并行积存器的模拟信 号并将电荷转移放大。 ④信号放大器：用于放大微弱电信号。 ⑤数摸转换器：将放大的电信号转换成数字信号 二、 ①微型镜头 一层“微型镜头”就等于在感光层前面加上一副眼镜。因此感光面积不再因 为传感器的开口面积而决定，而改由微型镜片的表面积来决定 ②分色滤色片 分色滤色片为 CCD 的第二层， 目前有两种分色方式， 一是 RGB 原色分色法， 另一个则是 CMYK 补色分色法这两种方法各有优缺点 ③感光层 感光层为 CCD 的第三层，这层主要是负责将穿过滤色层的光源转换成电子 信号，并将信号传送到影像处理芯片，将影像还原。 三、拜耳阵列模拟人眼对色彩的敏感程度，采用“1 红 2 绿 1 蓝”的排列方 式将灰度信息转换成彩色信息。采用这种技术的传感器实际每个像素仅有一 种颜色信息，需要利用反马赛克算法进行插值计算，最终获得一张图像。 6 光电耦合器件 1) 光电耦合器的主要作用有哪些？ 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种“电—光—电”转换器件。 用来隔离高频电路与低频电路——高频电路产生的高频信号会干扰低频电 路，用光耦合器既能连接两个部分又能屏蔽高频信号 ①在逻辑电路上的应用光电耦合器可以构成各种逻辑电路，由于光电耦合器 的抗干扰性能和隔离性能比晶体管好，因此，由它构成的逻辑电路更可靠。 ②作为固体开关应用 在开关电路中，往往要求控制电路和开关之间要有很 好的电隔离，对于一般的电子开关来说是很难做到的，但用光电耦合器却很 容易实现。③在触发电路上的应用 将光电耦合器用于双稳态输出电路，由 于可以把发光二极管分别串入两管发射极回路，可有效地解决输出与负载隔 离地问题。④在脉冲放大电路中的应用 光电耦合器应用于数字电路，可以 将脉冲信号进行放大。⑤在线性电路上的应用 线性光电耦合器应用于线性 电路中，具有较高地线性度以及优良地电隔离性能。⑥特殊场合的应用光电 耦合器还可应用于高压控制，取代变压器，代替触点继电器以及用于 A/D 电 路等多种场合。 2) 光电耦合器的主要参数有哪些？
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3) 激光器的主要构成部分及其作用。 ① 工作物质（又称激活媒质或增益介质） ：粒子有适当能级结构, 可实现粒 子数反转； ② 激励能源： 抽运 （又叫泵浦） ， 即把大量粒子激励到激光上能级 （高能级） ； ③光学谐振腔：选模（提高 N 即相干性） ，实现光学正反馈。 4) 激光的特点。
高方向性、高亮度和高功率辐射密度、高单色性、高相干性 5) 何为黑体，黑体的辐射光谱特征（黑体辐射三定理） 。 一、在任何条件下，对任何波长的外来辐射完全吸收而无任何反射的物体， 即吸收比为 1 的物体。 二、 ①黑体发射的光谱是连续的； ②黑体单色辐射力随温度身高而增大，单色辐射力曲线下的面积就是黑体辐 射力曲线下的面积就是黑体的总辐射力； ③给定温度下，黑体的单色辐射力具有一最大值，对应波长称为最大单色辐 射力波长。随着温度升高，最大单色辐射力波长向短波方向移动； 三、斯特潘—玻尔兹曼定律、维恩位移定理、普朗克定律 3 光信道 1) 采用激光无线通信时，信道对其影响可能有哪些？ 由于大气散射、折射、湍流等诸多因素的影响，会造成激光信号在传输过程 中能量衰减，光强闪烁，光束随机偏转。 4.光电转换器（传感器、探测器） 1) 描述光电探测器的主要技术指标是什么？ 光电器件的探测灵敏度、响应时间和频率相应、噪声等效功率、探测度 D 与 比探测度 D* 、量子效率 2) 设计一个光电系统时，选择光电探测器的主要考虑有哪些？ 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。 3) 解释内光电效应、外光电效应。为何说材料的禁带宽度 Eg 是个重要参数？ 一、 ①由于光量子作用，引发物质电化学性质变化。内光电效应又可分为光电导 效应和光生伏特效应。 光电导效应：当入射光子射入到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电 子空穴对，使其自生电导增大；光生伏特效应：当一定波长的光照射非均匀 半导体（如 p-n 结） ，在自建场的作用下，半导体内部产生光电压。 ②某些材料在入射光子的能量足够大时有电子逸出材料表面的现象。