光电技术习题与思考题及解答

教材：安毓英，刘继芳，李庆辉编著《光电子技术》，北京：电子工业出版社，2002《光电子技术》习题解答习 题11.1 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ，如图所示。

试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。

解答：根据辐射功率的定义及立体角的计算公式：ΩΦd d ee I =，202πd l R c =Ω 202e πd d l R I I c e e ==ΩΦ1.2 如图所示，设小面源的面积为∆A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为∆A c ，到面源∆A s 的距离为l 0。

若θc 为辐射在被照面∆A c 的入射角，试计算小面源在∆A c 上产生的辐射照度。

第1题图第2题图用定义r r e e A dI L θ∆cos =和A E ee d d Φ=求解。

1.4 霓虹灯发的光是热辐射吗？ 不是热辐射。

是电致发光。

1.6 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λm 随温度T 的升高而减小。

试由普朗克热辐射公式导出常数=T m λ。

这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.898⨯10-3m ∙K 。

解答：普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。

教材P81.7 黑体辐射曲线下的面积等于等于在相应温度下黑体的辐射出射度M 。

试有普朗克的辐射公式导出M 与温度T 的四次方成正比，即4T ⨯=常数M这一关系式称斯特藩-波耳兹曼定律，其中常数为5.67⨯10-8W/m 2K 4 解答：教材P9，并参见大学物理相关内容。

1.9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。

1.10 dv v ρ为频率在dv v v +~间黑体辐射能量密度，λρλd 为波长在λλλd +~ 间黑体辐射能量密度。

已知 ()[]1exp 833-=T k hv c hv B v πρ ，试求λρ。

《光电技术》章节要点思考题第01章光辐射探测的基础理论思考题1－1 分别指明光学谱区和可见光区的范围。

1－2 辐射度量与光度量分别适应于电磁波谱的哪个范围？两者之间的换算关系如何？1－3 分别画出本征半导体、P型半导体和N型半导体的能带图，并解释施主能级和受主能级的形成。

1－4 本征半导体和杂质半导体对光的吸收最⼤的区别是什么？1－5 简述光电导效应、光伏效应和光电发射效应。

1－6 解释PN结加反向偏压时结电容变⼩。

1－7 什么叫量⼦效率？它与哪些因素有关？1－8 为什么称光电探测器为平⽅律器件？1－9 光电探测器的噪声主要有哪⼏类？为什么限制探测系统的带宽，可以减⼩噪声？1－10 为什么测量探测器的光谱灵敏度时，测量系统⼀般需要单⾊仪？1－11 探测器的噪声等效功率与哪些因素有关？⼀个探测器的灵敏度很⾼，它的噪声等效功率就⼀定很⼩，从⽽它的探测能⼒就越强？第02章常⽤光辐射源思考题2－1 什么叫⿊体？绝对⿊体⾃然界并不存在，研究⿊体的意义是什么？2－2 指出⿊体、灰体和选择性辐射体的光谱发射率的差别。

2－3 什么是⾊温？2－4 分别指出⽤⿊体和⽩炽灯作标准光源的⼯作光谱范围。

2－5 在半导体激光器⼯作⼯程中，是如何实现粒⼦数反转的？第03章光电导探测器思考题3－1 本征光电导探测器和杂质光电导探测器在光谱响应有什么区别？为什么杂质光电导探测器常较低的温度⼯作？3－2 光敏电阻输出电路的负载电阻阻值过⼩，可能会出现什么问题？3－3 画图表⽰本征光电导探测器和杂质光电导探测器能够覆盖的光谱响应⼤致范围。

3－4 光敏电阻的响应时间由什么决定？第04章光伏探测器思考题4－1 光伏探测器⼯作在PN结的伏安特性曲线的哪些区域？4－2 什么叫光伏探测器的“短路电流”和“开路电压”？怎样测量？4－3 光伏探测器的噪声主要有哪些？4－4 光伏探测器的响应时间由哪些因素决定？4－5 光电池和光电⼆极管有哪些主要区别？4－6 简述APD 的⼯作原理。

第五章 作业题答案5.7解：最小可探测功率为：W 1074.11103001038.11067.5101161611523122215min 21----⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆=ασf kT A P 5.8解：(1) 当T =300K 时最小可探测功率为：W 1038.18.013001038.11067.510516161152312221521----⨯=⎪⎪⎭⎫⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆=ασf kT A P NE比探测率为：/W H cm 1062.11038.1)1105()(*2121z 1011221⋅⨯=⨯⨯⨯=∆=--NE P f A D 热传导为：W/K1045.23001067.58.010544531223---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==T A G ασ(2) 当T =280K 时最小可探测功率为：W 1016.18.012801038.11067.510516161152312221521----⨯=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⎪⎪⎭⎫⎝⎛∆=ασf kT A P NE比探测率为：/W H cm 1093.11016.1)1105()(*2121z 1011221⋅⨯=⨯⨯⨯=∆=--NE P f A D 热传导为：W/K1099.12801067.58.010544531223---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==T A G ασ5.9 热释电器件为什么不能工作在直流状态？答：当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片上时，引起薄片温度升高，表面电荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。

释放的电荷可用放大器转变成电压输出。

如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，也不再有电压信号输出。

因此，热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下其输出电压为零。

只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。

5.13 为什么热释电器件的工作温度不能在居里点？当工作温度远离居里点时热释电器件的电压灵敏度会怎样？工作温度接近居里点时又会怎样？答：随着温度的升高，极化强度减低，当温度升高到一定值(居里点)时，自发极化突然消失，热释电效应消失，热释电器件无法工作。

思考题及部分答案:1.什么是光电检测系统？其基本组成部分有哪些？答：指对待测光学量或由非光学待测物理量转换的光学量，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。

组成部分：光源；被检测对象及光信号的形成；光信号的匹配处理；光电转换；电信号的放大与处理；微机；控制系统；显示。

2.简要说明光电检测技术的重要应用范围？答：辐射度量和光度量的检测；光电元器件及光电成像系统特性的检测；光学材料、元件及系统特性的检测；非光学量的光电检测。

3.光电探测器的原理有几种效应？分别是什么？内容是什么？答：四种。

光电子发射效应：在光辐射作用下，电子逸出材料表面，产生光电子发射。

光电导效应：光照射某些半导体材料，某些电子吸收光子变成导电自由态，在外电场的作用下，半导体的电导增大。

光生伏特效应：光照射在PN结及其附近，在结区中因电场作用，产生附加电动势。

光磁电效应：半导体置于磁场中，用激光垂直照射，由于磁场产生洛伦兹力，形成电位差。

4. 光电探测器的种类及相应的光电器件？答：光电子发射器件：光电管、光电倍增管；光电导器件：光敏电阻；光生伏特器件：雪崩光电管、光电池、光电二极管、光电三极管。

5. 光电探测器的性能参数有哪些？详细叙述之。

答：量子效率：响应度：光谱响应：响应时间和频率响应：噪生等效功率：探测度：线性度：。

6. 光电探测器的噪声主要来源于什么？答：热噪声；暗电流噪声；散粒噪声；低频噪声。

7.作为性能优良的光电探测器应具有哪三项基本条件？答：光吸收系数好；电子亲和力小；光电子在体内传输过程中受到的能量损失应该小，使其逸出深度大。

8.常见的光阴极材料有哪些？答：银氧铯；锑钾；锑铯。

9.真空二极管与充气二极管的工作原理与结构以及它的优缺点比较。

答：充气的暗电流与照射比真空大很多；充气的频率响应比真空的较差；充气的噪声响应比真空的较大。

10.光电倍增管的工作原理及结构（组成部分），他有什么特点？答：工作原理：光照射在光电阴极上，从光阴极激发出的光电子，在电场U1的加速下，打在第一个倍增级D1上，由于光电子能量很大，它打在倍增极上时就又激发出数个二次光电子，在电场U2的作用下，二次光电子又打在第二个倍增极上，又引起电子发射，如此下去，电子流迅速倍增，最后被阳极收集。

光电检测技术课程作业及答案(打印版)思考题及其答案习题01一、填空题1、通常把对应于真空中波长在（0.38mμ）范围内的电磁辐μ）到（0.78m射称为光辐射。

2、在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类，一类是（辐射度学量），另一类是(光度学量)。

3、光具有波粒二象性，既是（电磁波），又是（光子流）。

光的传播过程中主要表现为（波动性），但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出光的（粒子性）。

二、概念题1、视见函数：国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V(λ),或称视见函数。

2、辐射通量：辐射通量又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，单位为瓦(1W=1J/s)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。

3、辐射亮度：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。

单位为(瓦每球面度平方米) 。

4、辐射强度：辐射强度定义为从一个点光源发出的，在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出的能量，单位为W／sr(瓦每球面度)。

三、简答题辐射照度和辐射出射度的区别是什么？答：辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述辐射接收面所接收的辐射特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。

四、计算及证明题证明点光源照度的距离平方反比定律，两个相距10倍的相同探测器上的照度相差多少倍？答：2224444R I R I dA d E R dA d E R II===∴=ππφπφφπφ＝的球面上的辐射照度为半径为又＝的总辐射通量为在理想情况下，点光源设点光源的辐射强度为 ()122222222211221211001001010E E L IE L I L I L I E R I E L L L L =∴====∴== 又的距离为第二个探测器到点光源，源的距离为设第一个探测器到点光 习题02一、填空题1、物体按导电能力分（绝缘体）（半导体）（导体）。

第二章 作业题答案2.3解：由公式：U I P p =得)mA (5.1)A (105.120103033=⨯=⨯==--U P I p 由公式：E US I g p =得)lx (150105.020105.163=⨯⨯⨯==--g pUS I E 2.4解：因电路中有半波整流，电源电压为：)V (9922045.045.0=⨯==U U pp 所以光敏电阻两端电压为： )V (87)101105(10299)(333=⨯+⨯⨯⨯-=+-=-线R R I U U p pp 由公式：E US I g p =得：)lx (98.45105.08710263≈⨯⨯⨯==--g pUS I E 若lx 3=E 时，)105(10299)(33⨯+'⨯⨯-='+'-=-R R R I U U p pp 线由公式：E US I g p =得：3105.0)]105(10299[1026333⨯⨯⨯⨯+'⨯⨯-=⨯---R 解得：)K (83.288Ω-='R所以，这种情况不存在，即照度为3lx 时永远无法吸合。

2.5解：由公式：1221lg lg lg lg E E R R --=γ得： 2638.3)100lg 110(lg 9.02000lg )lg (lg lg lg 1212=-⨯-=--=E E R R γ 所以：Ω=Ω=K 836.118362R 2.6解：光敏电阻在500lx~700lx 时的γ值为：6.0500lg 700lg 450lg 550lg lg lg lg lg 1221≈--=--=E E R R γ 由公式：1221lg lg lg lg E E R R --=γ解得：当lx 550=E 时，Ω=519R ； 当lx 600=E 时，Ω=493R 。

2.7解：(1)首先看稳压二极管是否工作在稳压状态，9.8(mA)820412b w bb w =-=-=R U U I 稳压二极管工作在稳压区；再求流过恒流偏置光敏电阻的电流I p ,I p =I e =(U w －U be )/R e =1(mA)计算在不同照度下光敏电阻的阻值光照度为30lx 时, R 1=(U bb －U o1)/ I p =6( kΩ);光照度为80lx 时, R 2=(U bb －U o2)/ I p =3( kΩ);光照度为E 3时, R 3=(U bb －U o3)/ I p =4( kΩ); 由于7.0lg lg lg lg 1221≈--=E E R R γ， 且光敏电阻在30到100lx 之间的γ值不变 因此，可由7.0lg lg lg lg 3223≈--=E E R R γ求得E 3为 lg E 3=( lg3- lg4)/0.7+lg80=1.7246E 3=53（lx ）(2) 当Ω=k 6e R 时，流过恒流偏置光敏电阻的电流为： )mA (55.01067.0430=⨯-=-==e W e p R U U I I 所以：)k (273.71055.081230Ω=⨯-=-=-p bb p I U U R 由公式：1221lg lg lg lg E E R R --=γ得： 3537.180lg 7.07273lg 3000lg lg lg lg lg 224=+-=+-=E R R E p γ所以：lx 58.224=E(3) 当lx 70=E 时，由1221lg lg lg lg E E R R --=γ得： 5177.3)70lg 80(lg 7.03000lg lg =-⨯+=p R 所以：Ω=3294p R由：p p bb R I U U +=0可得： 当：Ω=k 3.3e R 时，I P =1mA ，所以：)V (7.832941011230≈⨯⨯-=-=-p p bb R I U U 当：Ω=k 6e R 时，I P =0.55mA ， 所以：)V (2.1032941055.01230≈⨯⨯-=-=-p p bb R I U U(4) 输出电压在8V 时，变换电路的电压灵敏度为： )0.037(V/lx 271 230203==--=∆∆=E E U U E U S V。

光电技术试题和答案文档编制序号：[KK8UY-LL9IO69-TTO6M3-MTOL89-FTT688]三、名词解释：1、传感器：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。

2、重复性：用本方法在正常和正确操作情况下，由同一操作人员，在同一实验室内，使用同一仪器，并在短期内，对相同试样所作多个单次测试结果，在95%概率水平两个独立测试结果的最大差值3、线性度：测试系统的输出与输入系统能否像理想系统那样保持正常值比例关系（线性关系）的一种度量。

2、正压电效应答：压电效应：某些电介质物体在沿一定方向受到压力或拉力作用时发生变形，并且在其表面上会产生电荷，若将外力去掉，它们又重新回到不带电的状态。

具有压电效应材料有石英晶体、人工制造的压电陶瓷、锆钛酸铅等。

逆压电效应：是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象四、简答题1、解释什么是传感器传感器的基本组成包括哪两大部分这两大部分各自起什么作用答：传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。

通常传感器由敏感元件和转换元件组成。

敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分，转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

2、什么是传感器的静态特性，描述静态特性的技术指标有哪些答：传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出—输入关系。

与时间无关。

主要性能指标有：线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和量程等。

3金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同答：金属电阻的应变效应主要是由于其几何形状的变化而产生的，半导体材料的应变效应则主要取决于材料的电阻率随应变所引起的变化产生的。

4简要说明电容式传感器的工作原理。

答：电容式传感能将被测量转换为传感器电容变化。

传感器有动静两个板板，板板间的电容为。

当动板板运动或极板间的介质变化就会引起传感器电容值的变化，从而构成变极距式、变面积式和变介质型的电容式传感器。

教材：安毓英，刘继芳，李庆辉编著《光电子技术》，北京：电子工业出版社，2002《光电子技术》习题解答习 题11.1 设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ，如图所示。

试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。

解答：根据辐射功率的定义及立体角的计算公式：ΩΦd d ee I =，202πd l R c =Ω 202e πd d l R I I c e e ==ΩΦ1.2 如图所示，设小面源的面积为∆A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为∆A c ，到面源∆A s 的距离为l 0。

若θc 为辐射在被照面∆A c 的入射角，试计算小面源在∆A c 上产生的辐射照度。

第1题图第2题图用定义rr ee A dI L θ∆cos =和A E ee d d Φ=求解。

1.4 霓虹灯发的光是热辐射吗？ 不是热辐射。

是电致发光。

1.6 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λm 随温度T 的升高而减小。

试由普朗克热辐射公式导出常数=T m λ。

这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.898⨯10-3m •K 。

解答：普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。

教材P81.7 黑体辐射曲线下的面积等于等于在相应温度下黑体的辐射出射度M 。

试有普朗克的辐射公式导出M 与温度T 的四次方成正比，即4T ⨯=常数M这一关系式称斯特藩-波耳兹曼定律，其中常数为5.67⨯10-8W/m 2K 4 解答：教材P9，并参见大学物理相关内容。

1.9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。

1.10 dv v ρ为频率在dv v v +~间黑体辐射能量密度，λρλd 为波长在λλλd +~ 间黑体辐射能量密度。

已知 ()[]1exp 833-=T k hv c hv B v πρ ，试求λρ。