光电技术期末复习题

绪 论

0-1．依据光电科学与光机电一体化技术之树的根、干、枝、果关系，自己列举两个光电技术的应用例子。

第一章 光电器件的物理基础

1-1．可见光的波长、频率和光子的能量范围是多少？

1-2．一块半导体样品，有光照时电阻为50Ω，无光照时电阻为5000Ω，求该样品的光电导。

1-3．用PN结简图表示出光生电压的极性和光生电流的方向。若光电PN结在照度E1下的开路电压为Uoc1，求照度E2下的开路电压Uoc2。

1-4．为什么光电阴极都是用P型半导体材料制作的？

第二章 光电探测器件

2-1．试述光电倍增管的原理。设管中有n个倍增极，每个倍增极的二次电子发射系数均为δ，试推导电流增益M＝δn。

2-2．试述光电池的工作原理，以及开路电压、短路电流与光照度的关系。

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2-3．为什么结型光电器件只有反偏置或零偏置时才有明显的光电效应。

2-4．2CR、2DR和2CU、2DU在结构上有何主要区别。2DU管设环极的目的何在，使用时应如何接电。

2-5．PIN管的频率特性为什么比普通光电二极管好。

第三章 热电探测器件

3-1．热电探测器与光电探测器比较，在原理上有何区别？

3-2．热电探测器与普通温度计有何区别？

第四章 光电成象器件

4-1．CCD器件中的电荷包为什么会沿着半导体表面转移，以三相或二相CCD为例具体研究一下它的转移过程。

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4-2．为什么CCD必须在动态下工作？其驱动脉冲的上、下限受哪些条件限制，应如何估算？

第五章 发光器件与光控器件

5-1．半导体激光器和发光二极管的时间响应如何？使用时以什么方式（连续或脉冲）驱动为宜？

5-2．克尔盒和泡克耳斯盒的基本结构如何？Uλ/2与o、e光的相差φ有何关系？

5-3．声光调制器的基本原理如何？在什么条件下是声光调制器，在什么条件下是声光偏转器？

5-4．磁光效应与物质的天然旋光性有何区别？磁光调制器的基本结构如何？

第六章 光电检测电路的设计

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6-1．光电检测电路的设计应注意满足哪些技术要求？怎样衡量一个检测电路的好坏？

6-2．为什么要进行检测电路的静态计算？要解决哪些问题？有哪些计算方法？

6-3．光电二极管有哪些可能实现的电路方式？各种工作状态有什么特点？对检测电路有什么要求？

6-4．光电检测电路的动态计算包括哪些内容？它们对检测电路的工作有何要求？

6-5．决定光电检测电路的频率特性有哪些因素？什么是截止频率？有什么参数决定？

第七章 非相干光光电信号变换方法

7-1．对于形式多样的各种光信号，为了进行分析比较，应该进行怎样地分类和概括？

7-2．举例说明缓慢变化的光信号有哪些检测方法。它们的特点是什么？主要检测误差源有哪些？

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7-3．什么是光学调制？有哪些调制方法？它们有什么特点和应用？什么是调制器，调制器有哪些类型？

7-4．什么是相敏检波？相敏检波中的参考电压起什么作用？这种电路为什么要采用有单向导电的器件？在光电检测技术中有何应用？

第八章 相干光光电信号变换方法

8-1．什么是光学干涉和光电干涉测量？怎样理解干涉现象的相幅变换作用。为什么说干涉测量是一种有效的几何参量和物理参量的传感技术？

8-2．举例说明什么是直接探测和外差探测，它们的工作原理和特性是什么。怎样理解光学外差测量为干涉测量的发展提供了有效手段

8-3．在形成和检测干涉条纹时，为了得到高质量的光电条纹信号应怎样设计和调整光学系统？怎样选择光电检测器的参数？为什么？

8-4．相干光的频率调制和检测有哪些主要类型？划出它们的信号变换流程图，解释它们的工作原理和特点。

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8-5．什么是直接光频率调制？为什么它能用于干涉测量？采用直接调频法测量物体面形和距离都有哪些方法？说明它们的工作原理。

8-6．通过本章的介绍，怎样认识相干光信息的形成和检测技术的演变过程？对干涉测量技术的今后发展作怎样的估计？

习 题1

1. 设在半径为Rc的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l0处有一个辐射强度为Ie的点源S，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。 Ie?S l0 2第1题图πRc

Rc d?ed?，

d??l02

d?e?Ied??IeπRcl022

2. 如图所示，设小面源的面积为?As，辐射亮度为Le，面源法线与l0的夹角为?s；被照面的面积为?Ac，到面源?As的距离为l0。若?c为辐射在被照面?Ac的入射角，试计算小面源在?Ac上产生的辐射照度。

Le?dIeLe ?As ?s l0 ?Ac ?c 用定义

?Arcos?r和

Ee?d?e第2题图

dA求解。

6

4. 霓虹灯发的光是热辐射吗？

不是热辐射。

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?m随温度T的升高而减小。试由普朗克热辐射公式导出

?mT?常数。

这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.898?10-3m?K。

普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。

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。

习 题2

1. 何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。

对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为大气窗口。 2. 何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响？

是一种无规则的漩涡流动，流体质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。这种湍流状态将使激光辐射在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响，出现所谓光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。

5. 何为电光晶体的半波电压？半波电压由晶体的那些参数决定？

当光波的两个垂直分量Ex?，Ey?的光程差为半个波长（相应的相位差为?）时所需要加的电压，称为半波电压。

7. 若取vs=616m/s，n=2.35， fs=10MHz，?0=0.6328?m，试估算发生拉曼-纳斯衍射所允许的最大晶体长度Lmax=?

L?L0?n?s2由公式

4?0计算。

10. 一束线偏振光经过长L=25cm，直径D=1cm的实心玻璃，玻璃外绕N=250匝导线，通有电流I=5A。取韦尔德常数为V=0.25?10-5（?）/cm?T，试计算光的旋转角?。 由公式???L和??VH计算。 11. 概括光纤弱导条件的意义。

从理论上讲，光纤的弱导特性是光纤与微波圆波导之间的重要差别之一。实际使用的光纤，特别是单模光纤，其掺杂浓度都很小，使纤芯和包层只有很小的折射率差。所以弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，而且为制造提供了很大的方便。

15. 光波水下传输有那些特殊问题？

主要是设法克服这种后向散射的影响。措施如下：

⑴适当地选择滤光片和检偏器，以分辨无规则偏振的后向散射和有规则偏振的目标反射。 ⑵尽可能的分开发射光源和接收器。

⑶采用如图2-28所示的距离选通技术。当光源发射的光脉冲朝向目标传播时，接收器的快门关闭，这时朝向接收器的连续后向散射光便无法进入接收器。当水下目标反射的光脉冲信

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号返回到接收器时，接收器的快门突然打开并记录接收到的目标信息。这样就能有效的克服水下后向散射的影响。

习 题3

1. 一纵向运用的KDP电光调制器，长为2cm，折射率n=2.5，工作频率为1000kHz。试求此时光在晶体中的渡越时间及引起的相位延迟。

渡越时间为：?d=nL/c 相位延迟因子：

??(t)?acn?tt??dE(t?)dt????0(1?e?i?m?di?m?d)ei?mt

2. 在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个?/4波片，波片的的轴向如何设置最好？若旋转?/4波片，它所提供的直流偏置有何变化？ 其快慢轴与晶体的主轴x成45?角，从而使

Ex?和

Ey?两个分量之间产生?/2的固定相位差。

7. 用PbMoO4晶体做成一个声光扫描器，取n=2.48，M2=37.75?10-15s3/kg，换能器宽度H=0.5mm。声波沿光轴方向传播，声频fs=150MHz，声速vs=3.99?105cm/s，光束宽度d=0.85cm，光波长?=0.5?m。

⑴ 证明此扫描器只能产生正常布喇格衍射；

⑵ 为获得100%的衍射效率，声功Ps率应为多大？ ⑶ 若布喇格带宽?f=125MHz，衍射效率降低多少？ ⑷ 求可分辨点数N。

L?L0?n?s2⑴ 由公式

Is?4?0证明不是拉曼-纳斯衍射。

??cos?B2M2L222Ps?HLI?cos?B?H?2M222s⑵ ，

???L?

??B??2nvs?fs⑶ 若布喇格带宽?f=125MHz，衍射效率降低多少？?n7P22?sf0?f????vs?N?????，

?2?2?Ps??3??cos??H?? B??(???R??)N????????fsvsR⑷ 用公式

习 题4

和计算。

4.1 比较光子探测器和光热探测器在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。

答：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

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部电子状态改变的大小。因为，光子能量是h?，h是普朗克常数, ?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。

光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量h?的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。值得注意的是，以后将要介绍一种所谓热释电效应是响应于材料的温度变化率，比其他光热效应的响应速度要快得多，并已获得日益广泛的应用。 4.2 总结选用光电探测器的一般原则。

答：用于测光的光源光谱特性必须与光电探测器的光谱响应特性匹配；考虑时间响应特性；考虑光电探测器的线性特性等。

习 题5

5.1 以表面沟道CCD为例，简述CCD电荷存储、转移、输出的基本原理。CCD的输出信号有什么特点？

答：构成CCD的基本单元是MOS(金属-氧化物-半导体)电容器。正如其它电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。如果MOS结构中的半导体是P型硅，当在金属电极（称为栅）上加一个正的阶梯电压时（衬底接地），Si-SiO2界面处的电势（称为表面势或界面势）发生相应变化，附近的P型硅中多数载流子——空穴被排斥，形成所谓耗尽层，如果栅电压VG超过MOS晶体管的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度耗尽状态，由于电子在那里的势能较低，我们可以形象化地说：半导体表面形成了电子的势阱，可以用来存储电子。当表面存在势阱时，如果有信号电子（电荷）来到势阱及其邻近，它们便可以聚集在表面。随着电子来到势阱中，表面势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电子逐渐填充势阱。势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，即表面势的大小，而表面势又随栅电压变化，栅电压越大，势阱越深。如果没有外来的信号电荷。耗尽层及其邻近区域在一定温度下产生的电子将逐渐填满势阱，这种热产生的少数载流子电流叫作暗电流，以有别于光照下产生的载流子。因此，电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。 以典型的三相CCD为例说明CCD电荷转移的基本原理。三相CCD是由每三个栅为一组的间隔紧密的MOS结构组成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦称时钟脉冲。三相时钟脉冲的波形如下图所示。在t1时刻，φ1高电位，φ2、φ3低电位。此时φ1电极下的表面势最大，势阱最深。假设此时已有信号电荷（电子）注入，则电荷就被存储在φ1电极下的势阱中。t2时刻，φ1、φ2为高电位，φ3为低电位，则φ1、φ2下的两个势阱的空阱深度相同，但因φ1下面存储有电荷，则φ1势阱的实际深度比φ2电极下面的势阱浅，φ1下面的电荷将向φ2下转移，直到两个势阱中具有同样多的电荷。t3时刻，φ2仍为高电位，φ3仍为低电位，而φ1由高到低转变。此时φ1下的势阱逐渐变浅，使φ1下的剩余电荷继续向φ2下的势阱中转移。t4时刻，φ2为高电位，φ1、φ3为低电位，φ2下面的势阱最深，信号电荷都被转移到φ2下面的势阱中，这与t1时刻的情况相似，但电荷包向右移动了一个电极的位置。当经过一个时钟周期T后，电荷包将向右转移三个电极位置，即一个栅周期（也称一位）。因此，时钟的周期变化，就可使CCD中的电荷包在电极下被转移到输出端，其工作过程从效果上看类似于数字电路中的移位寄存器。

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φφφφ1231t1t2t3t4φ2t1t2t3t4φ3

电荷输出结构有多种形式，如“电流输出”结构、“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构应用最广泛，。输出结构包括输出栅OG、浮置扩散区FD、复位栅R、复位漏RD以及输出场效应管T等。所谓“浮置扩散”是指在P型硅衬底表面用V族杂质扩散形成小块的n+区域，当扩散区不被偏置，即处于浮置状态工作时，称作“浮置扩散区”。 电荷包的输出过程如下：VOG为一定值的正电压，在OG电极下形成耗尽层，使φ3与FD之间建立导电沟道。在φ3为高电位期间，电荷包存储在φ3电极下面。随后复位栅R加正复位脉冲φR，使FD区与RD区沟通，因 VRD为正十几伏的直流偏置电压，则 FD区的电荷被RD区抽走。复位正脉冲过去后FD区与RD区呈夹断状态，FD区具有一定的浮置电位。之后，φ3转变为低电位，φ3下面的电荷包通过OG下的沟道转移到FD区。此时FD区（即A点）的电位变化量为：

C

式中，QFD是信号电荷包的大小，C是与FD区有关的总电容（包括输出管T的输入电容、分布电容等）。

?VA?QFDφ3φRφt1t2t3t4t53t1t2t3t4t5φR

CCD输出信号的特点是：信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度T。；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。据此特点，对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。 5.2 何谓帧时、帧速？二者之间有什么关系？

?答：完成一帧扫描所需的时间称为帧时Tf(s)，单位时间完成的帧数称为帧速F（帧／s）：

Tf?1?F。

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5.3 用凝视型红外成像系统观察30公里远，10米×10米的目标，若红外焦平面器件的像元大小是50μm×50μm，假设目标像占4个像元，则红外光学系统的焦距应为多少？若红外焦平面器件是128×128元，则该红外成像系统的视场角是多大？

10?50?10f?3/?2答：

30?10/3

f?300mm

水平及垂直视场角：

50?10?3?128

300?2?10?513600?1.190

5.5 一目标经红外成像系统成像后供人眼观察，在某一特征频率时，目标对比度为0.5,大气的MTF为0.9，探测器的MTF为0.5，电路的MTF为0.95，CRT的MTF为0.5，则在这一特征频率下，光学系统的MTF至少要多大？ 答：

0.5?0.9?0.5?0.95?0.5?MTFMTF?0.24o?0.026

o

5.6 红外成像系统A的NETDA小于红外成像系统B的NETDB，能否认为红外成像系统A对各种景物的温度分辨能力高于红外成像系统B，试简述理由。

答：不能。NETD反映的是系统对低频景物（均匀大目标）的温度分辨率，不能表征系统用于观测较高空间频率景物时的温度分辨性能。

5.7 试比较带像增强器的CCD、薄型背向照明CCD和电子轰击型CCD器件的特点。

答：带像增强器的CCD器件是将光图像聚焦在像增强器的光电阴极上，再经像增强器增强后耦合到电荷耦合器件（CCD）上实现微光摄像（简称ICCD）。最好的ICCD是将像增强器荧光屏上产生的可见光图像通过光纤光锥直接耦合到普通CCD芯片上。像增强器内光子－电子的多次转换过程使图像质量受到损失，光锥中光纤光栅干涉波纹、折断和耦合损失都将使ICCD输出噪声增加，对比度下降及动态范围减小，影响成像质量。灵敏度最高的ICCD摄像系统可工作在10-6lx靶面照度下。

薄型、背向照明CCD器件克服了普通前向照明CCD的缺陷。光从背面射入，远离多晶硅，由衬底向上进行光电转换，大量的硅被光刻掉，在最上方只保留集成外接电极引线部分很少的多晶硅埋层。由于避开了多晶硅吸收， CCD的量子效率可提高到90％，与低噪声制造技术相结合后可得到30个电子噪声背景的CCD，相当于在没有任何增强手段下照度为10-4lx（靶面照度）的水平。尽管薄型背向照明CCD器件的灵敏度高、噪声低，但当照度低于10-6lx（靶面照度）时，只能依赖图像增强环节来提高器件增益，克服CCD噪声的制约。

电子轰击型CCD器件是将背向照明CCD当作电子轰击型CCD的“阳极”，光电子从电子轰击型CCD的“光阴极”发射直接“近贴聚焦”到CCD基体上，光电子通过CCD背面进入后，硅消耗入射光子能量产生电子空穴对，进而发生电子轰击半导体倍增，电子轰击过程产生的噪声比用微通道板倍增产生的噪声低得多，与它获得的3000倍以上增益相比是微不足到的。电子轰击型CCD器件采用电子从“光阴极”直接射入CCD基体的成像方法，简化了光子被多次转换的过程，信噪比大大提高，与ICCD相比，电子轰击型CCD具有体积小、重量轻、可靠性高、分辨率高及对比度好的优点。

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习 题6

6.1 试说明自会聚彩色显像管的特点。

答：精密直列式电子枪；开槽荫罩和条状荧光屏；精密环形偏转线圈。

???4，试分析当位相差为0，π/4,π/2,3π

6.2 如图6.15所示，光在向列液晶中传播，且

/4,π,5π/4,3π/2,7π/4和2π时，输出光的偏振状态。

答：线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、线偏振光

6.3 试比较TN－LCD和STN－LCD的特点。

答：TN－LCD利用了扭曲向列相液晶的旋光特性，液晶分子的扭曲角为90o，它的电光特性曲线不够陡峻，由于交叉效应，在采用无源矩阵驱动时，限制了其多路驱动能力。STN－LCD的扭曲角在180o—240o范围内，曲线陡度的提高允许器件工作在较多的扫描行数下，利用了超扭曲和双折射两个效应，是基于光学干涉的显示器件。STN-LCD所用的液晶材料是在特定的TN材料中添加少量手征性液晶以增加它的扭曲程度，盒厚较薄，一般5-7μm。STN-LCD的工艺流程基本上和TN-LCD类似，但由于STN-LCD是基于光干涉效应的显示器件，对盒厚的不均匀性要求＜0.05μm(TN-LCD只要求＜0.5μm)，否则就会出底色不均匀，预倾角要求达到3o～8o，电极精细，器件尺寸较大，因此其规模生产难度较TN-LCD大许多。

6.4 试说明充气二极管伏安特性中击穿电压和放电维持电压的概念。

答：曲线AC段属于非自持放电，在非自持放电时，参加导电的电子主要是由外界催离作用（如宇宙射线、放射线、光、热作用）造成的，当电压增加，电流也随之增加并趋于饱和，C点之前称为暗放电区，放电气体不发光。随着电压增加，到达C点后，放电变为自持放电，气体被击穿，电压迅速下降，变成稳定的自持放电（图中EF段），EF段被称为正常辉光放电区，放电在C点开始发光，不稳定的CD段是欠正常的辉光放电区，C点电压Vf，称为击穿电压或着火电压、起辉电压，EF段对应的电压VS称为放电维持电压。

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100 10-1 H G10-2 10-3 10-4 FE10 -5DV10-6 10-7 与初始引发有关 10-8 CA100Vs200Vf300着火电压 10 -9400

6.5 试说明注入电致发光和高场电致发光的基本原理。

答：注入电致发光是在半导体PN结加正偏压时产生少数载流子注入，与多数载流子复合发光。高场电致发光是将发光材料粉末与介质的混合体或单晶薄膜夹持于透明电极板之间，外施电压，由电场直接激励电子与空穴复合而发光

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