光电技术课后答案第五章
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5.1以图中p型半导体器件为例,栅极加正电压超过MOS晶体管的开启电压时,在半导体金属界面会形成深度耗尽层,称为电子的势阱。
当有光照时,光生电子会聚集在势阱中,形成电荷存储。
以图中三相CCD结构为例,相邻三个栅极电压从高电平依次降低到低电平,为一个周期。
每个栅极电压降低过程与下一个栅极高电平重合。
这样三个栅极位置的电子势阱会依次减小,消失与出现。
存储电子会随着势阱位置的移动发生转移。
电荷输出:外加放大电路,利用电荷电势进行放大,输出信号CCD输出信号的特点:1.信号电压是在浮置电平基础上的负电压2.每个电荷包的输出占有一定的时间长度3.在输出信号总叠加有复位期间的高电平脉冲根据这些特点,对CCD的输出进行处理时,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光电成像系统利用的都是帧扫描方式,完成一帧扫描所需要的时间称为帧时T,单位时间完成的帧数称为帧速 F, 它们的关系是T=1/F5.3(1)F=0.3m(2) W=n*α=128*a/f=128x100um/0.3m=4.26x10-2 rad5.5从目标调制度(对比度)到人眼观察到,总的调制函数为各个调制函数的乘积,光学体统调制传递函数为MTF O, 人眼能感知的极限调制度为0.026,则0.5×MTF O×0.9×0.5×0.95×0.5≥0.026MTF O≥0.245.7(1)像增强器CCD (ICCD)可以探测微光图像,但是其内经过光子-电子的多次转换,图像质量会有损失,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,动态范围减小,影响成像质量。
(2)薄型背向CCD器件灵敏度高,噪声低,但当照度低于10-6 lx 时,只能依赖图像增强来提高增益,克服噪音(3)电子轰击型CCD简化了光子多次转换过程,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等优点。
第五章光电技术中的光学系统光学系统是光电检测系统构成中的一个重要部分,在主动探测系统中,如何使光源发出的光能得到充分利用,有效覆盖探测目标区域;在接收系统中,有效地聚集信号光能,尽可能地减少背景光和杂散光的干扰,对信号光能进行合理的分配,接收与分析,都离不开光学系统的设计。
§1、常用的光学元器件一、透镜及透镜组以两个折射曲面为边界的透明体称为透镜,通常以光学玻璃为原料,磨制成形后将折射面抛光而成。
两个折射面中可以有一个是平面,但两个折射面都是平面的不称作透镜。
透镜由于两个表面的折射,对光束具有会聚或发散作用,能在任何要求位置形成物体的象,因此是光学照明系统与光学成象系统中不可缺少的光学零件。
在实践中,单独一片透镜往往不能满足校正象差的要求,经常把几片透镜按照某种要求组合成一个透镜组。
从成象和校正象差的角度出发,确定各透镜的结构参量,使整个组合体既满足成象和使用要求,又达到指定的相对孔径、视场等光学性能。
通常不加特殊说明而提到透镜或透镜组时,绝大多数场合是指球面透镜及其组合,这是因为各种曲面中只有球面最适合批量生产,最容易加工到高精度。
过两球面的曲率中心的连线称为透镜的光轴。
在由一个球面和一个平面组成的透镜中,其光轴是过球面的曲率中心并垂直于平面的直线。
光轴与透镜表面的交点称为顶点。
1、正透镜与负透镜(a)凸透镜(b)凹透镜图1 透镜的焦距正透镜又称凸透镜,具有正的象面焦距,能对光束起会聚作用;负透镜又称凹透镜,具有负的象方焦距,能对光束起发散作用。
正透镜通常有双凸、平凸、月凸三种形式,其共同特征是中心位置比边缘位置厚,负透镜通常有双凹、平凹和月凹三种形式,其共同特征是中心厚度比边缘薄。
2、柱面透镜透镜的一个曲面是柱面,或两个曲面都是柱面(母线互相平行)的称为柱面镜,其成象性质可由两个截面来描述。
一个是平行于母线的截面,在此截面上柱面透镜的成象作用相当于一个光学平板,光焦度0=Φ,对光束没有聚焦作用;另一个是垂直于母线图2 柱透镜的截面,在此截面上其成象作用相当于一个球面透镜,具有最大的光焦度。
第一章1.举例说明你知道的检测系统的工作原理激光检测一激光光源的应用用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字,会使荧光字产生一定波长的激光,通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。
山于仿制困难,故用于辨伪很准确。
2.简述光电检测系统的组成和特点组成:(1)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。
(2)光电变换,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)(3)电路处理放大,滤波,调制,解调,A/D,D/A,微机与接口,控制。
第二章1.试归纳总结原子自发辐射,受激吸收,受激辐射三个过程的基本特征。
自发辐射:处于激发态的原子在激发态能级只能一段很短的时间,就自发地跃迁到较低能级中去,同时辐射出光子。
受激辐射:在外来光的作用下,原子从激发态能级跃迁到低能级,并发射一个与外来光完全相同的光子。
受激吸收:处于低能级的原子,在外来光的作用下,吸收光子的能量向高能级跃迁。
2.场致发光(电致发光)有哪几种形式,各有什么特点结型电致发光(注入式发光):在p-n结结构上面加上正向偏压(即p区接电源正极,n区接电源负极)时,引起电子由n区流入(在物理上称为“注入”)p区,空穴由p区流入n区,发生了电子和空穴复合而产生发光。
粉末电致发光:这是在电场作用下,晶体内部电子与空穴受激复合产生的发光现象。
两电极夹有发光材料薄膜电致发光:薄膜电致发光和粉末电致发光相似,也是在两电极间夹有发光材料,但材料是一层根薄的膜,它和电极直接接触,不混和介质。
3.为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光加正向偏压时,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,产生电子和空穴的复合,从而释放能量,并产生电致发光现象。
4.发光二极管的外量子效率与射出的光子数,电子空穴对数,半导体材料的折射率有关。
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。
光电检测技术知到章节测试答案智慧树2023年最新哈尔滨工程大学第一章测试1.对于下列器件,其所使用波长范围主要是红外线的是哪种仪器?()参考答案:数字体温计2.下列日常所用器件中,哪种应用属于光电变换?()。
参考答案:电视3.下列应用中需要光电跟踪控制的是?()。
参考答案:光纤通信;武器制导;红外遥感;工业产品的在线检测4.下列检测过程中,可以实现非接触检测的是?()。
参考答案:汽车行驶速度检测;火灾现场温度检测;大气污染程度检测5.光电传感器是将被测量的量转换成光信号的变化,然后通过光电元件转换成电信号。
()参考答案:对第二章测试1.下列哪种噪声属于非白噪声?()参考答案:产生-复合噪声;温度噪声;1/f噪声2.光电倍增管的工作原理是基于下列哪种物理效应?()参考答案:光电发射效应3.对于光电倍增管,产生光电效应的部位是?()参考答案:阴极4.对于光电倍增管,假设阴极灵敏度为5 μA/lm,阳极灵敏度为50 A/lm,阳极允许的最大输出电流为 A,那么阴极允许的最大光通量为多少?()参考答案:2x lm5.假设光电倍增管输入电路的电阻和电容分别是R=2 kΩ和C=0.1 μF,那么其带宽是多少?()参考答案:1250 Hz6.下列光电检测器件中,可以用于位置检测的器件是?()参考答案:楔环检测器;光电位置传感器;光电编码器;象限检测器7.下列光电检测器件中,其基本结构属于电容器结构的器件是?()参考答案:CCDD的工作频率与下列哪些因素有关?()参考答案:载流子迁移率;温度;少数载流子的寿命;电极长度;掺杂浓度9.在利用光电位置传感器进行检测时,光斑位置越远离器件中心,测量误差越小。
()参考答案:错10.光电位置传感器与象限检测器件相比,光敏面不需要分割,可以消除盲区的影响,可以连续测量。
()参考答案:对D的电极间隙越小,电荷越容易转移。
()参考答案:对D的像元间距越大,分辨率越高。
()参考答案:错第三章测试1.热电检测器件的噪声主要是下列哪种噪声?()参考答案:温度噪声2.下列哪种电阻的电阻值随着温度的升高而升高?()参考答案:合金电阻;白金电阻3.下列热电检测器件中,只能在交变热辐射条件下工作的热电检测是哪种?()参考答案:热释电检测器4.参考答案:54 s5.热交换能量的方式有传导、辐射、对流三种。
第五章 作业题答案
5.7解:最小可探测功率为:
W 1074.11103001038.11067.51011616115231222
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W 1038.18.013001038.11067.51051616115231222
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(2) 当T =280K 时
最小可探测功率为:
W 1016.18.012801038.11067.5105161611
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W/K
1099.128010
67.58.0105445
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5.9 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。
当工作温度远离居里点时,热释电系数大,电压灵敏度高;工作温度接近居里点时,极化强度变为零,热释电系数变为零,电压灵敏度变为零。