光电检测技术期末试卷试题大全

1、光电器件的基本参数特性有哪些？

（响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度）

@响应特性分为电压响应度电流响应度光谱响应度积分响应度响应时间频

率响应

@噪声分类：热噪声散粒噪声产生-复合噪声1/f噪声信噪比S/N噪声等

效功率NEP

2、光电信息技术是以什么为基础，以什么为主体，研究和发展光电信息的

形成、传输、接收、变换、处理和应用。

（光电子学光电子器件）

3、光电检测系统通常由哪三部分组成

（光学变换光电变换电路处理）

4、光电效应包括哪些

外光电效应和内光电效应）

外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物。

内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外

HP---荽发生在半导体。

内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。

光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显

著增加而电阻减少的现象。

光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属一半导体接触面上时，会在PN结或

金属一半导体接触的两侧产生光生电动势。

5、光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为

哪几种？

（光生伏特效应太阳能光电池和测量光电池）

6、激光的定义，产生激光的必要条件有什么？

（定义：激光是受激辐射的光放大粒子数反转光泵谐振腔）

7、热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出？

（交变辐射）

8、CCD是一种电荷耦合器件，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的基

本功能是什么？

（电荷CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。）

9根据检查原理，光电检测的方法有哪四种。

（直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法）

10、光热效应应包括哪三种。

（热释电效应辐射热计效应温差电效应）

11、一般PSD分为两类，一维PSD和二维PSD,他们各自用途是什么？

（一维PSD主要用来测量光点在一维方向的位置；二维PSD用来测定光点在平

面上的坐标。）

12、真空光电器件是基于什么效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管,

其他元件都在真空管中，真空光电器件包括哪两类。

（外光电效应光电管光电倍增管）

二、名词解释

1、响应度

（响应度（或称灵敏度）：是光电检测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。）

2、信噪比

（是负载电阻上信号功率与噪声功率之比）

3、光电效应

（光电效应：光照射到物体表面上使物体的电学特性发生变化。）

4、亮电流

（光敏电阻两端加电压（直流或交流）。无光照时，阻值很大，电流（暗电流）

很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值急剧减少，在外场作用下，光生载流

子沿一定方向运动，形成亮电流。）

5、光电信号的二值化处理

（将光电信号转换成“0”或“1”数字量的过程称为光电信号的二值化处理。）

6、亮态前历效应

（亮态前历效应是指光敏电阻测试或工作前处于亮态，当照度与工作时所要达到

的照度不同时，所出现的一种滞后现象）

7、热释电效应

（在某些绝缘物质中，由于温度的变化引起极化状态改变的现象称为热释电效

应）

8、暗电流

9、暗态前历效应

冲光艇［乍前处于暗态，当它突然受到光照后表现为

三、简答

1、雪加L电二极管的工作原理

PN叫iSBIi斛

2、光生伏特效应与光电导效应的区别和联系？

（共性：同属于内光电裂应。区别：光生伏特效应是少数载流子导电的光电效应,

而光电导疑应是爹数载流子导电的光电效应。）

3、什么是敏感器？敏感器与传感器的区别和联系？

（将被测非电量转换为可用非电量的器件。共性：对被测非电量进行转换。

区别：敏感器是把被测量转换为可用非电量，传感器是把被测非电量转换为电

量）

4、发光二极管的工作原理。

（在PN结附近，N型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流子

是空穴，PN结上未加电压时构成一定的势垒，当加上正向偏压时，在外电场

作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注

入，从而在PN结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空

穴对每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以

热能、光能、或部分热能和部分光能的形式辐射出来。

5、说明电子器件与热电器件的特点。

光子器件热电器件

响应波长有选择性，一般有响应波长无选择性，对可

截止波长，超过该波长，器

见光到远红外的各种波长

件无响应。

的辐射同样敏感

响应快，吸收辐射产生信号响应慢，一般为几毫秒

需要的时间短，一般为纳

秒到几百微秒

6、PIN型的光电二极管的结构、工作原理及特点

（它的结构分三层，即P型半导体和N型半导体之间夹着较厚的本征半导体I

层，它是用高阻N型硅片做I层，然后把它的两面抛光，再在两面分别作N+和

P+杂质扩散，在两面制成欧姆接触而得到PIN光电二极管。原理.：层很厚，对光

的吸收系数很小，入射光很容易进入材料内部被充分吸收而产生大量的电子-空

穴对，因而大幅度提供了光电转换效率，从而使灵敏度得以很高。两侧P层和N

层很薄，吸收入射光的比例很小，I层几乎占据整个耗尽层，因而光生电流中漂

移分量占支配地位，从而大大提高了响应速度。特点：PIN管的最大特点是频

带宽，可达10GHz。缺点：由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点

几微安至数微安。）

7、热辐射检测器通常分为哪两个阶段？哪个阶段能够产生热电效应。

（第一步:是热探测器吸收红外辐射引起温升，这一步对各种热探测器都一样；

第二步:利用热探测器某些温度效应把温升转换为电量的变化。

第二阶段）

8、光电检测系统由哪儿部分组成？作用分别是什么？

（#光学变换

时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽

空域变换：光学扫描

光学参量调制：光强、波长、相位、偏振

形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。

#光电变换

光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大

将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。

#电路处理

放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。）

9、简述光电检倍增管的结构组成和工作原理

（光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统、和

阳极5部分组成。

@1光照射到阴极转换成电子，出射到下一电极。

@2电子撞到下一电极，倍增，更多的电子出射，直奔下一电极。

@.3经过若干次倍增，到达阳极，形成信号电流。）

10简述CCD器件的结构和工作原理

（MOS电容器件+输入输出端=CCD

C9d的工作原理：由目标发射来的光学图像，经透镜聚焦后成像在CCD的像敏单

在耗底层中或距耗尽层为一定范围内的光生电子迅速被势阱收集，汇集到界面附

近形成电荷包，存储在像敏单元中。

电荷包的大小与光强和积分时间成正比。

电荷包在时钟脉冲作用下，由转移寄存器读出。

即在CCD栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面

形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使

阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号o）

11、简述热电偶的工作原理

（热电偶工作原理是基于赛贝克（seeback）效应，即两种不同成分的导体两端连

接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。）

12、光电二极管的工作模式有哪几种？都分别用于什么场合？

四、分析

1、根据电路说明光电耦合器的作用。

2、分析下面电路的工作过程

五、应用题

1、举例说明脉冲方法测量长度的原理。

（被测物体L在传送带上以速度v前进，光电传感器将物体的长度L转换成脉冲

来开启门电路，计数器将计下与脉宽对应的高频脉冲数N,则

L=vt=vkN=KN)

2、举例说明补偿测量方法的原理

（补偿测量法是通过调整一个或儿个与被测物理量有已知平衡关系（或已知其

值）的同类标准物理量，去抵消（或补偿）被测物理量的作用，使系统处于补偿

或平衡状态。处于补偿状态的测量系统，被测量与标准量具有确定的关系，由此

可测得被测量值，这种方法称为补偿法。）。

3、举例说明象限探测器的应用。

（四象限探测器主要被用于激光准直、二维方向上目标的方位定向、位置探测等

领域。）

下图为简单的激光准直原理图。用单模激光器作光源。因为它有很小的光束发散

角，又有圆对称界面的光强分布，很有利于作准直用。图中激光射出的光束用倒

置望远系统L进行扩束，倒置望远系统角放大率小，于是光束发散角进一步压缩,

射出接近平行的光束投向四象限管，形成一圆形亮斑。

光电池AC、BD两两接成电桥，当光束准直时，亮斑中心与四象限管十字沟道重

合，此时电桥输出信号为零。若亮斑沿上下左右有偏移时，两对电桥就相应于光

斑偏离方向而输出电信号。哪个探测器被照亮斑的面积大，输出信号也大。这种

准直仪可用于各种建筑施工场合作为测量基准线。

---------

N&眼光电治

4、举例说明光敏电阻的应用

（举例一:照明灯的光电控制电路

基本功能:根据自然光的情况决定是否开灯。

基本结构:整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触电开关执行电路。

基本原理：光暗时，光敏电阻的阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻

阻值降低，继电器工作，灯关。照明灯自动控制电路

举例二：把光敏电阻装在大门上汽车灯光能照到的地方，把带动大门的电动机接

在干簧管的电路中，那么夜间汽车开到大门前，灯光照射光敏电阻时，干簧继电

器接通电动机电路，电动机带动大门打开。举例三:天明告知装

置

电子科技大学二零零七至二零零八学年第一学期期末考

试

光电检测技术课程考试题§_卷（120分钟）考试形式：衽/考试日期2009—年心月

i2_ia

课程成绩构成：平时20分,期中分，实验分，期末80分

—•二三四五六七八九十合计

一、填空题（每空一分，共15分）

1、入射光在两介质分界面的反射率与（）有关。

2、已知本征硅的禁带宽度Eg=1.2eV,则该半导体材料的本征吸收长波限为

（）。

3、某一干涉仪的最高频率为20MHz,选用探测器的时间常数应小于（）。

4、温度越高，热辐射的波长就（）。

5、光电检测是以光信息的变换为基础，它有（）和（

）两种基本工作原理。

6、光电探测器的物理效应通常分为（）、（）、（）。

7、光电检测系统主要由（）、（）、（）和（）o

8、光电三极管的增益比光电二极管（），但其线性范围比光电二极管（）0

二、判断题（每题一分，共10分）

1、PIN管的频率特性比普通光电二极管好。（）

2、提高载流子平均寿命能同时提高光电导器件的增益及其截止频率。（）

3、有基极引线光电三极管可作为光电二极管和无基极引线光电三极管使用。

（）

4、对光源进行调制即可消除光源波动及背景光干扰的影响。（）

5、光电二极管阵列中各单元面积减小，则其信号电流和暗电流同比例减小。（）

6、阵列器件输出的信号是数字信号。（）

7、光敏电阻受温度影响大，通常工作在低温环境下工作。（）

8、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度越高。（）

9、光电探测器件输出的信号只有比噪声大时，测量才能进行。（）

10、光电池的频率特性很好。（）

三、简答题（每小题6分，共30分）

1、总结原子自发辐射、受激吸收、受激辐射三个过程的基本特征。

2、半导体激光器和发光二极管在结构上、发光机理和工作特性上有什么不同？

3、说明为什么本征光电导器件在微弱的辐射作用下，时间显影越长，灵敏度越高。

4、硅光电池的内阻与哪些因素有关?在什么条件下硅光电池的输出功率最大？

5、光电三极管和普通三极管有什么不同？为什么说光电三极管比光电二极管的输出电

流可以大很多倍？

四、论述题（45分）

1、试从工作原理和系统性能两个方面比较直接探测和外差探测技术的应用特

点。（10分）

2、写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项物理意义。（10分）

3、试问图1-1（a）和图31（b）分别属哪一种类型偏置电路?为什么?分别写出输

出电压U。的表达式。（12分）

3_

(a)(b)

图1-1光敏电阻偏置电路

3、阐述用差动法检测溶液浓度的工作原理及工作过程。（13分）

武汉理工大学考试试题纸（A卷）

课程名称光电技术专业班级光信科0501~0503

题号一二三四五7T七八九十总

分

题分1515101010151510100

备注：学生不得在试题纸上答题（含填空题、选择题等客观题）

名词解释（每小题3分，总共15分）

L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O

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要使该材料有光电子产生，其入射光波的

U=12V

最大波长为obb

三、如图1所示的电路中，已知Rb=820Q,Re=3.3KQ,Uw=4V,f

RP

光敏电阻为Rp,当光照度为401x时，输出电压为6V,801x

-Uo

是为9V。设光敏电阻在30〜100之间的丫值不变。’

试求：（1）输出电压为8V时的照度；VDwZRe

（2）若凡增加到6KQ,输出电压仍然为8V,求此时的照

度;

（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RL。（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

度以为20UA〃/M,阴极入射光的照度为O.lLx,阴极有效面积为2cm2,各倍

增极二次发射系数均相等（6=4）,光电子的收集率为£。=0.98,各倍增极的

电子收集率为£=0.95o（提示增益可以表示为G=⑹N）（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。（15分）

八、一InGaAsAPD管在倍增因子M=l,入射波长为1550nm时的量子效率r|

=60%,加偏置电压工作时的倍增因子M=12。（10分）

1.如果入射功率为20nW,APD管的光电流为多少？

2.倍增因子为12时，APD管的光谱响应度为多少？

光电技术A卷参考答案

一、名词解释

1,坎德拉(Candela,cd)：发光频率为540X10Hz的单色辐射,在

给定方向上的辐射强度为l/683Ws/时，在该方向上的发光强

度为Icdo

2.外光电效应：当光照射某种物质时，若入射的光子能量hv足够

大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面，这

种现象称为光电发射效应，又称外光电效应。

3.量子效率：一定波长的光子入射到光电阴极时，该阴极所发射

的光电子数与入射的光子数之比值。

4.象增强管：把微弱的辐射图像增强到可使人直接观察的真空光

电成像器件。

5.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。

二、填空题

1.信息载荷于光源的方式信息载荷于透明体的方式、信息载荷于

反射光的方式、信息载荷于遮挡光的方式、信息载荷于光学量

化器的方式和光通信方式的信息变换。

2.光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极和阳极。

3.PN结注入发光，异质结注入发光。

4、工5、0

四、根据图示为恒流偏置电路，流过稳压管的电流

.”也8-

满足稳压管的工作条件

(1)当”=4v时，<u*1炉

由‘(得输出电压为6伏时电阻&=6KQ,

输出电压为9伏时电阻冉=3K。，故.鸟-*或=1；

U.

输出电压为8V时，光敏电阻的阻值为'4=4KO,带入

.鸟-*《，解得E=601x

(2)与上面(1)中类似，求出照度E=341x

6

=竺_=_，-_=QJ(Wfc)

(3)电路的电压灵敏度-此CD-40I

：：

©JQ4*i

五、(1)光电池的等效电路图

(2)流过负载电阻的电流方程4二与一右二"一抬r"1r-❹

短路电流的表达式,=/出

开路电压的表达式■4

(3)电流方向如图所示

六、当光照射p—n结，只要人射光子能量大于材料禁带宽度，就会

在结区产生电子一空穴对。这些非平衡载流子在内建电场的作用下，

空穴顺电场方向运动，电子逆电场方向运动，在开路状态，最后在n

区边界积累光电子，P区积累光生空穴，产生一个与内建电场方向相

反的光生电场。光电二极管在正偏置时，呈单向导电性，没有光电效

应产生，只有在反偏置或零偏置时，才产生明显的光电效应。其基本

结构就是一个p-n结，属于结型光生伏特效应。当光照射时，满足

条件hv>Eg,则在结区产生的光生载流子将被内建电场拉开，于是在

外电场的作用下形成了以少数载流子漂移为主的光电流，显然，光电

流比无光照射时的反向饱和电流大的多，如果光照越强，表示在同样

条件下产生的光生载流子越多，光电流就越大，反之，则光电流越小。

对于PIN管，由于I层的存在，使扩散区不会到达基区，从而减少了

或根本不存在少数载流子通过扩散区的扩散时间，而I层工作在反

向，实际是一个强电场区，对少子起加速的作用。即使I层较厚，对

少子的度越时间影响也不大，即提高了频率响应。同时，反偏下，耗

尽层较无I层时要大的多，从而使结电容下降，也提高了频率响应。

CCD有两种基本类型：一种是电荷包存贮在半导体与绝缘体之间的界

面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道电荷耦合器件(SCCD)；

另一种是电荷包存贮在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体内

沿一定方向传输，这类称为体内沟道或埋沟道电荷耦合器件(BCCD)。

原理：当满足远场条件L>Ad?/入时-，根据夫琅和费衍射公式可得

到

d=KX/Sin0(1)

当6很小时(即L足够大时)Sin84tg0=Xk/L

Xtt2Lir

代入(1)式得d=4用.........(2)

S——暗纹周期，S=XMK是相等的，则测细丝直径d转化为用CCD测

S测量简图

八⑴SolutionTheresponsivityatM=1intermsofthequantum

efficiencyis

T.

S(/)’7(17

S(2)0G0=(0.75AW-1)x(20xlO-^W)

=1.5x10"a

…~-、e/-与xlOY

S(z)=0(/.)—=0.6x-1.-6-X-1-0-T-9Xu]------

he6.626X10'J4X3X103

=0.75JT-1

1(A)eS(z)fec

S㈤二幺二:^二A&力二1)0.75=9.0W旷*

(2)IfIph0istheprimaryphotocurrentand(|)oistheincident

opticalpowerthenbydefinition

^=^=180x10-A

sothat

1、光源选择的基本要求有哪些？

答：①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。②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。③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。④对光源其他方面

的要求。光电测试中光源除以上儿条基本要求外；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

2、光电倍增管的供电电路分为负高压供电与正高压供电，试说明这两种供电电

路的特点，举例说明它们分别适用于哪种情况？

答：采用阳极接地，负高压供电。这样阳极输出不需要隔直电容，可以直流输出，一般

阳极分布参数也较小。可是在这种情况下，必须保证作为光屏蔽和电磁屏蔽的金属筒距离管

壳至少要有10〜20mm,否则由于屏蔽筒的影响，可能相当大地增加阳极喑电流和噪声。如

果靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，则要注意安全。

采用正高压电源就失去了采用负高压电源的优点，这时在阳极上需接上耐高压、噪声小的隔

直电容，因此只能得到交变信号输出。可是，它可获得比较低和稳定的暗电流和噪声

3、在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点，？为什么要把光

敏电阻制造成蛇形？

答：在微弱辐射下，光电导材料的光电灵敏度是定值，光电流与入射光通量成正比，

即保持线性关系。

因为产生高增益系数的光敏电阻电极间距需很小(即M小)，同时光敏电阻集光面积如果太

小而不实用，因此把光敏电阻制造成蛇形，既增大了受光面积，又减小了极间距。

9、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在那种偏

置状态？为什么？

答：因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，

所以有光照时，光电效应不明显。p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生,

这是因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明

显增加。

二〜论述光电检测系统的基本构成，并说明各部分的功能。

1、下面是一个光电检测系统的基本构成框图：

电

信

光号

源处

理

l_

(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：①实现对微弱信号的检测；②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。

2、在“反向偏置”电路中，有两种取得输出电压U。的方法：一种是从负载电阻

RL上取得电压U。，另一种是从二极管两端取得电压Uo。叙述两种方法的特点及

它们之间的联系。（10分）

（1）对于图a）所示的电路，光电信号是直接取出的，即U°=ILR,而对于b）图，光电信号是

间接取出的，UO=UC-ILRL；（2）两种电路输出的光电信号电压的幅值相等，但

相位是相反的；（3）这两种方法只适合照射到P-N结上的光强变化缓慢和恒定光的情

况，这时光电二极管的结电容不起作用，二极管本身的串联电阻很小，实际上可以略去不计。

（4）当二极管的光电流与暗电流接近时，光电信号难以取出，因此，运用反偏法检测微弱的

恒定光时不利的。

3、如果硅光电池的负载为RL，画出它的等效电路图，写出流过负载九的电流

方程及〃℃、%的表达式，说明其含义（图中标出电流方向）。（12分

硅光电池的工作原理和等效电路为下图：

（a）光电池工作原理图（b）光电池等效电路图（c）进一步简化

从图（b）中可以得到流过负载RL的电流方程为：

，K7-1）

（1）

其中，SE为光电池的光电灵敏度，E为入射光照度，ko是反向饱和电流，是光电池加反向

偏压后出现的暗电流。

当i=0时，RL=8（开路），此时曲线与电压轴交点的电压通常称为光电池开路时两端

的开路电压，以V°c表示，由式（1）解得：

嗫⑵

（4分）

当Ip》Io时，Voc«（kT/q）IM'//。）

当RL=0（即特性曲线与电流轴的交点）时所得的电流称为光电流短路电流，以Isc表

示，所以

Isc=Ip=Se♦E（3）（4分）

从式（2）和（3）可知，光电池的短路光电流Isc与入射光照度成正比，而开路电压Voc与

光照度的对数成正比。

1、为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光？而光电二极管要零偏或

反偏才能有光生伏特效应？

答：1.p-n结在外加正向偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的

扩散运动加强，构成少数载流子的注入,从而在p-n结附近产生导带电子和价带空穴的复合。

一个电子和一个空穴的一次复合将释放出与材料性质有关的一定复合能量,这些能量会以热

能、光能或部分热能和部分光能的形式辐射出来，产生电致发光现象，这就是LED的发光

机理。

因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有

光照时，光电效应不明显。p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是

因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增

加。

2、简述三种主要光电效应的基本工作原理

答：当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起截流子浓度增大，因而导致材料

电导率增大，这种现象称为光电导效应，是一种内光电效应。材料对光的吸收有本征型和非

本征型，所以光电导效应也有本征型和非本征型两种。当光照射PN结时，只要入射光子能

量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子一空穴对。光生电子——空穴对就被内建电场分

离开来，空穴留在P区，电子通过扩散流向N区,这种光照零偏PN结产生开路电压的效应,

称为光伏效应.当光照射到某种物质时，若入射的光子能量力，足够大，那么它和物质中的电

子相互作用，可致使电子逸出物质表面，这种现象称为光电发射效应，又称为外光电效应。

3、光电探测器与热电探测器在工作原理、性能上有什么区别？

答：所谓光电效应是指，光辐射入射到光电材料上时，光电材料发射电子，或者其电导

率发生变化，或者产生感生电动势的现象。光电效应实质上是入射光辐射与物质中束缚于晶

格的电子或自由电子的相互作用所引起的。光电效应就对光波频率（或波长）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。按照是否发射电子，光电效

应又分为内光电效应和外光电效应。具体有光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应、

光子牵引效应和光电磁效应等。

光热效应的实质是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

与温度有关的电学性质或其他物理性质发生变化。原则上，光热效应对光波频率（或波长）

没有选择性，因而物质温度的变化仅决定于光功率（或其变化率），而与入射光辐射的光谱

成分无关。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。光热效应包括热释电效应、温差电效应和测热辐射计效应等

4、简述光电探测器的选用原则

答：（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。

5、简述光电池、光电二极管的工作原理及区别？

答：光电池和光电二极管都是基于光伏特效应的原理进行工作，只不过光电池可以工作

在零偏状态下，是光伏工作模式，器件内阻远低于负载电阻，相当于一个恒压源;而光电二极管

必须在反偏电压下才能工作，是光电导工作模式，器件内阻远大于负载电阻，此时器件相当于

一个恒流源.

1、叙述光电池低输入阻抗和高输入阻抗放大电路的特点和区别，各应用于什么

场合？（10分）

答：当光电池后接低输入阻抗放大电路时，其工作在短路或线性电流放大状态，这是

一种电流变换状态，要求硅光电池送给负载电阻缸（这时&<Rm，且凡一。）的电流与光照

度成线性关系。如果需要放大信号，则应选用电流放大器。为此要求负载电阻或后续放大电

路输入阻抗尽可能小，才能使输出电流尽可能大，即接近短路电流ISC,因为只有短路电流

才与入射光照度有良好的线性关系。另外，在短路状态下器件的噪声电流较低，信噪比得到

改善，因此适用于弱光信号的检测。

当光电池后接高输入阻抗放大电路时，其工作在线性电压输出和空载电压输出（开路电

压输出）状态。当负载电阻很小甚至接近于零的时候，电路工作在短路及线性电流放大状态；

而当负载电阻稍微增大，但小于临界负载电阻Rm时，电路就处于线性电压输出状态，此时

RL<Rm,这种工作状态下，在串联的负载电阻上能够得到与输入光通量近似成正比的信号电

压，增大负载电阻有助于提高电压，但能引起输出信号的非线性畸变。工作在线性电压放大

区的光电池在与放大器连接时，宜采用输入阻抗高的电压放大器。

空载电压输出是一种非线性电压变换状态，此时RL>Rm且&-8,要求光电池应通过高输

入阻抗变换器与后续放大电路连接，相当于输出开路。

2、光敏电阻工作电路的三种偏置方法有什么特点？（10分）

R2US

答：（1）恒功率偏置：输出电压=MR,=—「°gR4①=bU并不随负

（Rp+RQ

载电阻线性变化，要使△力最大，须将式对/?,.微分，有

d\UL

dRL

当负载凡与光敏电阻心相等时，即即=心，表示负载匹配，a以一=0,则最大。

dR、

此时探测器的输出功率最大，即PL=1LUL^/4RL则称为匹配状态。

(2)恒流偏置：在基本偏置电路中，若负载电阻出比光敏电阻心大得多，即&>>心，则

负载电流人简化为

IL=UJRL

这表明负载电流与光敏电阻值无关，并且近似保持常数，这种电路称为恒流偏置电路。

随输入光通量的变化，负载电流的变化A/L变为ML=SgUb(Rp/RifA①

上式表明输出信号电流取决于光敏电阻和负载电阻的比值，与偏置电压成正比。还可以证明

恒流偏置的电压信噪比较高，因此适用于高灵敏度测量。但由于心很大，使光敏电阻正常

工作的偏置电压则需很高(100V以上)，这给使用带来不便。为了降低电源电压，通常采用

晶体管作为恒流器件来代替凡。

(3)当负载电阻&比光敏电阻出小得多，即比«Rp时，负载电阻两端的电压为t/L~0

此时，光敏电阻上的电压近似与电源电压相等。这种光敏电阻上的电压保持不变的偏置

称为恒压偏置，信号电压变为kUL=SgUbRS①

式中，是光敏电阻的电导变化量，是引起信号输出的原因。

从上式中看出，恒压偏置的输出信号与光敏电阻无关，仅取决于电导的相对变化。所

以，当检测电路更换光敏电阻值时，恒压偏置电路初始状态受到的影响不大，这是这种电路

的一大优点。

3、叙述实现光外差检测必须满足的条件。(12分)

答：信号光波和本振光波的波前在整个光混频面上必须保持相同的相位关系。光外差检

测只有在下列条件下才可能得到满足：①信号光波和本征光波必须具有相同的模式结构，这

意味着所用激光器应该单频基模运转。

②信号光和本振光束在光混频面上必须相互重合，为了提供最大信噪比，它们的光斑直径最

好相等，因为不重合的部分对中频信号无贡献，只贡献噪声。

③信号光波和本振光波的能流矢量必须尽可能保持同一方向，这意味着两束光必须保持空间

上的角准直。

④在角准直，即传播方向一致的情况下，两束光的波前面还必须曲率匹配，即或者是平面，

或者有相同曲率的曲面。

⑤在上述条件都得到满足时.，有效的光混频还要求两光波必须同偏振，因为在光混频面上它

们是矢量相加。

总之，要满足时间，空间条件外，还有满足频率条件和偏振条件.

4、对直接检测系统来说，如何提高输入信噪比？(12分)

答：对于光电检测系统来说，其噪声主要有三类：

(1)光子噪声包括：A.信号辐射产生的噪声；B.背景辐射产生的噪声。

(2)探测器噪声包括：热噪声；散粒噪声；产生一复合噪声；1/f噪声；温度噪

声。

(3)信号放大及处理电路噪声

在实际的光电探测器中，由于光电转换机理不同，各种噪声的作用大小亦各不相同。若

综合上述各种噪声源，其功率谱分布可用下图表示。由图可见：在频率很低时，1"噪声起

主导作用；当频率达到中间范围频率时，产生——复合噪声比较显著；当频率较高，甚至于

截至频率时，只有白噪声占主导地位，其它噪声影响很小。很明显，探测器应当工作在

噪声小、产生-复合噪声为主要噪声的频段上。

因此，对于直接探测系统，提高输入信噪比的措施有：

（1）利用信号调制及选频技术可抑制噪声的引入

白噪声的大小与电路的频带宽度成正比，因此放大器应采用带宽尽可能窄的选频放大器

或锁相放大器。

（2）将器件制冷，减小热发射，降低产生-复合噪声。

采用半导体制冷、杜瓦瓶液态气体制冷或专用制冷机制冷。

（3）采用最佳条件下的偏置电路，使信噪比（S/N）最大

噪声

J\产生复合噪声

―、散粒噪声和热噪声

C----------------------------1

/（Hz）

图光电探测器噪声功率谱分布示意图

5、叙述激光干涉测长的原理。（16分）

图双纵模双频激光干涉仪原理示意图

由长度为206mm的全内腔He-Ne激光管发出•对互相垂直的双纵模线偏振光，模间隔

为Av=c/2nL（式中c为光速，L为谐振腔长，〃为空气折射率，其值约728MHz）,经布

儒特窗取出稳频信号，进行热稳频。其余光束再经析光镜反射及透射，反射的一对正交线偏

振光作为参考信号，经透镜、偏振片产生拍频信号，为光电接收器接收。透射光经光扩展器

准直扩束后，为偏振分光镜分光，水平分量射向测量角锥镜，垂直分量射向固定角锥镜，两

路光返回后经透镜、偏振片产生拍频。当测量镜在时间/内以速度「移动一距离时，因多普

勒效应而引起频差变化这样被测长度信息载于返回光束中，并为光电接收器接收。

^-53

SL

可得测量镜运动距离与相位差变化的关系式47T

根据测量镜运动引起的多普勒效应母与相位的关系有：80=2痴/

因而：8L=^-SfI*/AiAi

L二1寸的-fdt=寸・N

2

可见在忽略了测量过程中系统不稳定性影响及高斯光束干涉附加项的变化影响的情况

下，只要对测量镜运动过程中测量信号与参考信号的相位差变化的周期数，即可获得所需测

量长度结果。

8、阐述用补偿法检测溶液浓度的工作原理及工作过程。（13分）

答：原理和工作过程：光源1发出的光经单色器2后成为单色光，该单色光的波长应选

为待测溶液的峰值吸收波长。将该光线用分束器BS分成两束，分别通过待测溶液S2和参比

溶液8,并用两个性能•致的光电探测器接收。由于参比溶液对工作波长的光不产生吸收，

而待测溶液对该波长的光有较强的吸收，因此，探测器PM接收到的光强度L即为入射光强

度Io,而探测器PD,接收到的光强度L取决于待测溶液的浓度。

系统输出电压为：

。。=c°（ig〃一怆晶阳/用=就等吆然

式中，C。为比例常数；41为PDi上产生的光电流；乙2为PD,上产生的光电流；氏、电为PDi

和PDz的灵敏度,必、不为到达PDi和PDz上的光通量。若PDi和PDz性能一致，则K尸

故上式可变为：

由于在忽略反射和散射的情况下，h=l2,故

U°=Klg,

【2

可见，最后输出电压即为溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的浓度。（5分）

1、光具有的•个基本性质是波粒二象性。

2、光电检测技术研究的主要内容是信息变换技术电信号处理技术o

3、光源调制通常分为机械调制和电调制或内调制和外调制o

4、激光的形成必须满足粒子数反转、谐振腔共振、阈值条件。

5、为了提高光电二极管的响应频率，应适当加大反向偏压。

6、光敏电阻受温度影响大,通常工作在低温环境下。

7、光电检测技术是光学与电子技术结合而产生的一门新兴检测技术，它是利用光电了

技术对光信息进行检测。

8、假设调制盘的转速为N转/分，得到调制光的频率为f,则调制盘的孔数为蛆包。

2009-2010学年第一学期期末考试试卷

-、填空题（共13分,每小题1分）

1、光纤传摘损耗分类为、、、

、以及。

2、线性光列阵有两种基本形式，一是.二是.

3、为保证测械的高精度，光扫描检测系统,必须满足三点基本要求：

第一,：

第二，：

第三，____________________________________________________________________________

4、纳米扫描测量系统要解决的关键是_____________________________________________

以及______________________________________________________________________________

二、判断正确与错误（正确的标T.借误的标F,共8分，每题2分）

1、相关测量和匹配滤波是从频率域来考虑的。

2、飞点传真扫描的主、副扫描全是机械运动。

3、滤波法是种抽取象面上特定的检测所需信息的有效方法。

4、非功能型光纤传感器是光纤直接用作敏感元件。

三、选择题(在对的题前划“J”，共8分，每题2分)

1.狭缝滤波法是使

(a)高频信息通过而滤去低频噪声。

(b)衍射光通过。

(c)低频信息通过而滤去高频噪声.

2.象传感检测技术是

(a)利用物体的二维信息的光强分布来检测物体的形状。

(b)利用物体的.维形状来检测物体的光强信息。

(a)通过频谱测量来识别物体的形状。

3.衍射测量主要用于一

(a)高精度和大量程。

(b)高精度和小量程。

(c)对外界高度敏感和小量程。

4.光纤温度传感器在温度升高时

(b)3与氏之差发生变化。

(O光纤传输功率和数值孔径变化。

(d)(a)+(b).

四、简答题(共20分，每题4分)

1、何谓抽样定理？给出物函数的空间为[-L/2.L/2],光电器件的最佳点阵间隔。

2、匹配滤波技术主要应用是什么？

3、衍射检测技术特点是什么？

4、介绍光扫描系统的扫描器的主要四种形式。

5、简介光纤Bragg光栅传感器.

五、举出衍射计早:技术的五种方法及特点。（5分）

六、用波长0.808um激光射一狭缝，已知R=1.2m,n=5,测得Xn=33mm,求缝宽为

多少？（5分）

七、扫描隧道显微僮＜STM）技术特点是什么？（5分）

八、结合图介绍光学杠杆法来检测AFM悬臂的弯曲原理（6分）

九、有效地检查被测I物表面的特征可利用激光扫描方法吗？其优点是什么？试设计

种方法，要求画原理图。（6分）

十、何谓狭缝波波法？结合图介绍它的作用。（6分）

十一、间隙法作移位和应变测量时，有哪两种基本计量方法？他们检测技术要点（包

括公式）是什么？（6分）

十二、介绍相关概念、相关的通常的定义（6分）

十三、一台实际的衍射测量系统由哪几部分组成？结合测量系统的功能组合框图说

明各部分作用。（6分）

光电检测技术及系统试卷2

一、填空题（每题1分，共15分）

1.光纤由称为和的两同心圆形双层结构组成，具有使光功率封闭在

里面传输的机能。

2.光衍射检测技术的测量精度主要由________所决定。即由测3的精度

所决定，山仪器误差与精度理论知道，衍射计量能达到的精度是先对式进行偏微

分，然后用随机方法进行处理，其结果是

式中：NM为：4R为：

△%为o

3.信息与图像检测不仅适用于可见光，而且更适用于______、、、

、