光电检测 习题答案学习资料

光电检测系统作业答案：

第一早：

1-2：使用一定的敏感器和传感器，对被测量感知，并转化为电信号,

实现非电量的检测。

1-7：题目自拟。

第一早：

2-2：光照PN结产生光生载流子，在PN结两端出现电动势，称为光

生伏特效应。在光生伏特效应中，与光照相联系的是少数载流子的行

为，少数载流子的寿命通常很短，所以光生伏特效应的探测器比光电

导探测机器有更快的响应速度。

2-4：光电效应是指光照射到物体表面上使物体发射电子、或电导率

发生变化、或产生光电动势的现象。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

对光频率（波长）具有选择性，在光子与电子的相互作用下，其响应速

度比较快。按照是否发射电子可将光电效应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、光生伏特效应等。

光热效应是指探测元件在吸收光辐射能量后，并不直接引起内部

电子状态的变化，而是把吸收的光能变为晶格的热运动，引起探测元

件温度的上升，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（波长）没有

选择性，因而物质温度的变化仅决定于光功率，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、温差电效应和辐射热计效应等。

第三章

3-4：该题参数不够

3-5：光电导器件响应时间受入射光的照度、所加电压和负载电阻大

小等因素限制。光伏器件的工作频率比光电导器件的工作频率高。实

际使用中主要通过电路设计来改善工作频率响应，如合理地设计负载

电阻的大小。

3-13:由于光照度增大到一定程度后，硅光电池的p-n结产生的光生

载流子数达到饱和，其开路电压也将受到势垒高度的限制，因此不会

再随入射照度的增大而增大。硅光电池的最大开路电压由表达式可得

U（K=UTIn—,其中UH0.26mV，S为光电灵敏度，。为光照度，通

常Uoc-0.45-0.6V。因为在有负载的情况下，

Uo=JLRL=I-Ioe/-1R,,包含了扩散电流和暗电流的影响,使得

_\）_

硅光电池在有负载下的输出电压总小于开路电压。

3-19：影响光生伏特器件频率响应特性的主要因素有：PN结面积、

光照强度、偏置方式与偏置电压、负载电阻大小等。PN结硅光电二

极管的最高工作频率007Hz的原因是：硅光电二极管的结面积较大、

受材料限制PN结击穿电压不高。提高其频率响应的主要方法是结构

上增加I层，构成PIN光电二极管。

第四章P109

4-2：

解：从图中可以看出，暗电流Id=2/M,

输入光通量从0〜150"m之间，光电流变化为AZ=17-2=15必,

因此，负载电阻为：&="==04MQ

M15XW6>4

4-3:

解：由已知条件可得：

初始电导：G0=G+=0.01+0'*25=1,

°U。10

最佳负载：勺二士"年冷^号除=MOM。,

P'—P"25-15

输出电压:bU=s=0.5x=15.39V

G+GL0.01+0.315

输出电流：

p1_pn,S_15

A/=G.\U=G.S------=0.315x10-6*o.5x—__：—=4.85/nA,

人G+G/0.01+0.315

-6

输出功率：PL=M\U=15.39x4.85xIO=74.58//Wo

4-5：

解：由已知条件可得：V=—=-―一百=257/2，

4RC04xl05xO.lxIO-6

则阳极噪声电流为：

/炀=^qMIA(y\f

二/2x1.6x10-19x30%$x(1()-4+4x10-6卜2x25=23.55〃A(取cr=

95

负载上的噪声电压:UiV,tt=INmR=23.55xIO-xIO=2.355/nV,

信噪比：(SNR),、='/".=—I”9=4246o

42qMI,3f23.55x10'

4-6:

解：前置放大器的噪声系数可由该公式表示：

/="=1+_^+型匚，当RS较小时，放大器的噪声电压琮项大

E：4kTR、24k7Af

于其他两项，随源电阻Rs的增加，热噪声增加，噪声系数由于源电

阻热噪声的增大而减小。当R,增加到足够大时，放大器的噪声电流

项InRs成为主要项，以至噪声系数随源电阻的增加而增加。在其中某

个Rs值时，噪声系数存在一个最小值，此时放大器在源热噪声基础

上噪声增加最小，这个源电阻称做最佳源电阻Ro。

dFdh+—+W0,此时凡=凡=邑，称为噪声匹配条

典dR,l4kTR、N4kgf)

件，则噪声系数最小值为：F=EJ.

min2kT\f

第五章P133

5-8:

解：在脉冲激光测距机中,测量的空间分辨率刈二;C,其中T为脉

冲宽度，C为空气中的光速，则主时钟频率为：

£1cxAL3x10-xl

J=—=-------=------------=\50MHzo

T22

解：脉冲激光测距的原理是由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然

后接收目标发射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来

计算出目标的距离，主要优点是其原理和结构简单，测量距离远，但

绝对测距精度较低。

相位激光测距的原理是通过测量从测距机发出的连续调制光在

待测距离上往返所产生的相位移来计算待测距离的，其测距精度比脉

冲测距法高，但系统结构和信号解调复杂，并且需要加合作目标。

脉冲激光测距和相位激光测距都易受到大气、地形等自然条件因素的

限制和影响，降低其测量距离和测距精度。

5-1()：

解：根据题目要求，系统测距精度为1cm,且测尺的精度为1%,因

此最短测尺长度为一假=如

由于最大测量距离为10km,当采用10km的测尺时，其测距精

度为10kmxl%=100m,此精度不能满足0~100m间的测量精度，因此

还需要长度为100m的测尺，其测量精度为100mxl%=lm,则该测距

系统需要3个测尺，其长度分别为：

L.=1/n,L2==10痴，各测尺所对应的频率为：

C*50/

S\~

2xL)

3x10=1.5MHz,

fi=2x£,2x100

3xl()8

==15kHzc

f\4

2XL32X10

第六章P155

6-2：

解：光外差检测中频输出有效信号功率：e潭「

/\2

贝IJ,竺=2(丝］巴凡=2x------------------------xl()xl()-3x5()=0.163o

尸、I"-4.13x1。-隈曾

IIO-6

6-5：

解：应用光的干涉效应进行测量的方法称为干涉测量技术，目前常用

来测量长度的干涉仪，主要是以迈克尔逊(Michelson)干涉仪为主，由

稳频激光光源，干涉系统，光电显微镜，干涉信号处理部分，构成一

个具有干涉作用的测量系统，如图所示。激光光经由分束镜将光束一

分为二，一束射向一个固定反射镜形成参考路径，一束射向可移动的

反射镜形成测量距径。这二反射镜所反射的光，回到分束镜内重新会

合，合并成一道光束并产生干涉条纹射至光电传感器，因传感器感测

出这些条纹的明暗变化，经由后级信号处理电路加以处理，即能计算

出移动反射镜（待测物）所移动的距离，则距离£=N.1,其中N为移

动条纹数，入为激光波长。

迈克尔逸干涉仪

图1迈克尔逊干涉仪结构

第七章P186

7-2：

解：功能型光纤传感器利用光纤本身对被测对象具有敏感能力和检测