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 m 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 CCD 5 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 其中是普朗h h 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 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 即光视效能定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之 即K 单位 流明 瓦特 lm W e K 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 2 RC 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 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 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 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 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 实现对微弱信号的检测 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 SA lm 阳极积分灵敏度 10 K SA lm 阳极暗电流4 d IA 输入电路是电阻 5 10R 和电容 0 0 1CF 的并联 阴极面积 A 为 80 要求信号电流为 计算 2 mm 4 10 L IA 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 57 0 11 25 44 1010 e fHz RC 0 12 15 9 2 HCe ffHz RC 2 阳极散粒噪声电流和负载上的噪声电压 散粒噪声电流 1948 6 10 22 1 6 1010252 52 58 10 30 10 nsLe IqIfMA 热噪声电流 1012 1 29 102 0 10 e nT f IA R 总噪声电流 2228 2 58 10 NnsnTns IIIIA 负载上的噪声电压 853 2 58 10102 58 10 NN UI RV 3 信噪比 4 4 8 10 0 38 10 2 58 10 L A N I SNRV I 2 已知某 Si 光电二极管的灵敏度为 结间电导 微西 0 5 AW 0 01GS 转折电压 入射光功率从变到 偏压 0 10UV 15PW 25PW 50 b UV 求最大输出功率时的最佳负载 输出电流 输出电压和输出功率 L RI U L P 解 初始电导 0 0 0 5 25 0 011 26 10 SP GGS U 最大输出时 负载电导 0 0 0 10 1 260 315 50 10 L b U GGS UU 最佳负载 1 1 3 175 0 315 LL RGM 输出电压 25 15 0 515 385 0 01 0 315 L PP USV GG 电流 0 315 15 3854 846 L IGUA 输出功率 4 846 15 38574 56 L PI UW 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 8 W 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 5 A W 结电导为 0 005 S 求 1 画出光电二极管的应用电路图 2 计算二极管的临界电导 3 计算最大线性输出时的负载 RL 解 1 2 根据公式 SPguug 405 0 10 10005 0 85 0 s u guSP g 3 最大线性输出下 负载线正好通过 M 点 ugGuV L 135 0405 0 1040 10 g uV u GL 6 104 7 1 L L G R 4 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 在的光照下 输出电压 0 0 6UV 100Elx 1 2 4UV 求 1 2CU2的暗电流 D I 2 2CU 2的电流灵敏度 E S R 解 1 根据运算放大器虚短和虚断原理 由于运算放大器电阻很大 两输入端的信号差 值很小 近似为零 则流过上的电流近似为流过 2CU2的暗电流为1 5RM 0 I D I 66 0 0 6 1 5 10 0 4 100 4 D IURAA 2 当受到光照时 2CU2 的光电流 10 1 2 p IUURA 68 1 2 10 1001 2 10 Ep SIEA lx 1 热效应较小的光是 D A 紫光 B 红光 C 红外 D 紫外 2 对于目视瞄准 为了减轻人眼的疲劳 宜选用 A 光源 A 绿光 B 红光 C 黄光 D 紫光 3 硅光电二极管与硅光电池比较 后者 B A 掺杂浓度低 B 电阻率低 C 反偏工作 D 光敏面积小 4 照明系统的设计原则 BC A 照度与距离的平方成反比 B 光孔转接原则 C 照明系统的拉赫不变量应大于或等于物镜的拉赫不变量 5 C 是一个参考量 它可视为表征电子占据某能级 E 的几率标尺 A 真空能级 B 价带底能级 C 费米能级 6 光电倍增管电子光学系统的作用是 A B A 使下一级的收集率接近于 1 B 渡越时间最小 C 产生高压电场 7 噪声可以采用冷却等方式降低 以人为本 为避免在高压下操作 光电倍 增管采用 C 接地 A 阴极 B 倍增极 C 阳极 D 阴极和阳极 8 灵敏度最高的光电器件是 B A 光电二极管 B 光敏电阻 C 光电三极管 D 硅光电池 9 下列红外探测器 属于热探测器的是 ABCDE A 测辐射热计 B 测辐射热电偶 C 测辐射热电堆 D 热释电探测器 E 高莱管 10 光电效应有 ABCDE A 光电导效应 B 光生伏特效应 C 光电效应 D 光磁电效应 E 光子牵引效应 11 为了使雪崩光电二极管正常工作 应在其 P N 结上加 A A 高反向偏压 B 低正向偏压 C 高正向偏压 D 低反向 偏压 12 B 的焦距可以在一定范围内连续变化 对于一定距离的物体可以 得到不同放大倍率的像 通常通过轴向移动一个或多个子光组从而改变光学间 隔来改变焦距 A 广角物镜 B 变焦物镜 C 远