第9章 直接探测系统

第2章1、简述光电效应的工作原理。

什么是暗电流？什么是亮电流？P11答：暗电流指的是在无光照时，由外电压作用下P-N结内流过的单向电流；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。

2、简述光生伏特效应的工作原理。

为什么光伏效应器件比光电导效应器件有更快的响应速度？P15答：（1）光生伏特效应的工作基础是内光电效应•当用适当波长的光照射PN结时, 由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。

（2）光生伏效应中，与光照相联系的是少数载流子的行为，因为少数载流子的寿命通常很短，所以以光伏效应为基础的检测器件比以光电导效应为基础的检测器件有更快的响应速度。

3、简述光热效应工作原理。

热电检测器件有哪些特点？P15、P17第3章2、对于同一种型号的光敏电阻来讲，在不同光照度和不同环境温度下，其光电导灵敏度与时间常数是否相同？为什么？如果照度相同而温度不同时情况又会如何？聲；辽一型号的光敏电阻，在不同光照下和不同的环境温度下，其光电导灵歆度和时间常数不相同.在照度相同而温度不同时，苴尤电导灵啟度不相同和时间常数也不相同.其材料性质一样，只是决定了q的值一定，光照度和环境温度不同，则产生的光生电子派度和热生电子浓度各貝’决定了T值不同，照度相同决定光生电子浓度珂司：温度不司决定了热主电子浓度不同，同样也决定了T值不同。

由―嚳兰匚弱頤射）和（强辐射〉可推出光电灵敏度hcP 2 尸h v K f l'*不相同，由1 = 1比（1 —亡“）（弱辐射》和△打=小却扫nh丄〔强辐射）可推出时间常数不相r 同.3、为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态？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力□，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。

光电检测方法2.1直接探测2.1.1基本物理过程直接探测是将待检测的光信号直接入射到光探测器的光敏面上，由光探测器将光信号直接转化为电流或电压，根据不同的要求，再经后续电路处理，最后获得有用的信号。

一般，光探测器前可采用光学天线，在其前端还可经过频率滤波和空间滤波处理。

这是为了进一步提高探测效率和减小杂散的背景光。

信号光场可表示为()cos S E t A t ω=，式中，A 是信号光电场振幅，ω是信号光的频率。

则其平均功率P 为（2.1.1）光探测器输出的光电流为（2.1.2）若光探测器的负载电阻为L R ,则光探测器输出的电功率为（2.1.3）光探测器输出的电功率正比于入射光功率的平方。

从而可知，光探测器对光的响应特性包含两层含意，其一是光电流正比于光场振幅的平方，即光的强度；其二是电输出功率正比于入射光功率的平方。

如果入射信号光为强度调制（TM ）光，调制信号为()d t 。

从而得式中第一项为直流项，若光探测器输出有隔直流电容，则输出光电流只包含第二项，这就是直接探测的基本物理过程，需强调指出，探测器响应的是光场的包络，目前，尚无能直接响应光场频率的探测器。

2.1.2信噪比设入射到光探测器的信号光功率为S P,噪声功率为n P，光探测器输出的信号电功率为P S，输出的噪声功率为P N。

可得（2.1.5）根据噪声比的定义，则输出功率信噪比为（2.1.6）从上式可以看出I.若，则有（2.1.7）输出信噪比等于输入信噪比的平方。

由此可见，直接探测系统不适于输入信号比小于1或者微弱光信号的探测。

II.若，则输出信噪比等于输入信噪比的一半，即经光—电转换后信噪比损失了3dB ，在实际应用中还是可以接受的。

由此可见，直接探测方法不能改善输入信噪比。

如果考虑直接探测系统存在的所以噪声，则输出噪声总功率为（2.1.9）式中，222NS NB ND i i i ++分别为信号光，背景光和暗电流引起的散粒噪声。

《光电探测与信号处理》课程教学大纲课程编号：ABJD0518课程中文名称：光电检测技术课程英文名称:Photoe1ectricDetectionandSigna1Processing课程性质：专业选修课课程学分数：3学分课程学时数：48学时授课对象：电子科学与技术专业本课程的前导课程：半导体物理学、光电子学、数字电路、模拟电路一、课程简介介绍光电检测系统的构成和应用基础知识。

重点叙述了光电检测过程中常用的光源和各种性能的探测器，并对目前光电子学的前沿技术作了简单介绍。

二、教学基本内容和要求第一章光电探测基础主要教学内容：(I)x光电系统描述；(2)、光电探测器的物理效应；(3)、光电探测器性能参数；(4)、探测器主要性能参数测试。

教学要求：掌握光的概念及有关参量，了解物体热辐射，理解辐射度参量与光度参量的关系。

理解光电技术中涉及的光学基本定律，掌握光强、光通量和照度的单位。

重点：光电探测器的物理效应难点：光电探测器的噪声第二章点探测器主要教学内容：(1)、光电检测器件概念和特点；(2)、光电检测器件基本特性参数；(3)、光电管、光电倍增管；(4)、半导体光电器件■光敏电阻，光电池，光敏二极管，光敏三极管；(5)、光电象限探测器和位敏探测器；(6)、光热探测器。

教学要求：掌握光电检测器件的特性参数，光电倍增管及半导体光电检测器件的原理、特性和应用。

重点：各种半导体光电器件的工作原理。

难点：光电象限探测器和位敏探测器的工作原理°第三章直接探测和外差探测主要教学内容：(1)、直接探测系统的性能分析；(2)、提高输入信噪比的光学方法；(3)、光频外差探测的基本原理；(4)、光频外差探测的信噪比分析；(5)、光频外差探测系统。

教学要求：了解直接探测系统和外差探测系统的特点，熟悉提高信噪比的方法，掌握维纳滤波器和匹配滤波器的结构和设计原理。

重点：提高输入信噪比的光学方法难点：取样积分器和光子计数的工作原理，第四章像探测器主要教学内容：（I）x真空摄像管；（2）、自扫描光电二极管阵列；（3）、CCD摄像器件；（4）、电荷注入器件CID；（5）、CMe）S图像传感器；（6）、固体图像传感器主要特性参数。

直接探测和相干探测概述直接探测和相干探测是两种常用的信号探测方法。

直接探测是通过直接测量信号的幅度或频率来判断信号的存在与否，而相干探测则是通过与参考信号进行干扰相消来提高探测性能。

本文将对这两种探测方法进行详细介绍，并对它们的优缺点进行讨论。

直接探测直接探测是一种简单直接的信号探测方法。

在直接探测中，我们直接测量信号的幅度或频率，并将其与一个预设的阈值进行比较。

如果信号的幅度或频率超过了阈值，则判定信号存在；否则，判定信号不存在。

直接探测在实际应用中非常常见，例如在无线通信中，接收机常常通过测量信号的功率来判断信道的质量。

另外，在雷达系统中，也可以使用直接探测来探测目标的存在。

然而，直接探测方法存在一些缺点。

首先，它对噪声非常敏感，噪声的存在往往会导致误判。

其次，直接探测方法通常无法提供对信号的相位信息的判断，这在某些应用中可能是十分重要的。

相干探测相干探测是一种基于相干性原理的信号探测方法。

在相干探测中，我们通过将接收到的信号与一个已知的参考信号进行干扰相消，从而提高探测性能。

相干探测的核心思想是利用干扰相消来减小噪声的影响，并提高信号与噪声之间的信噪比。

通过与参考信号进行相关运算，我们可以将信号的相位信息从噪声中提取出来，从而实现对信号的更准确的判断。

相干探测在很多应用中被广泛使用。

在通信系统中，相干解调可以大大提高接收机的性能。

在雷达系统中，相干处理可以提供目标的精确距离和速度信息。

然而，相干探测方法也存在一些限制。

首先，相干探测方法通常需要事先获得参考信号，这对于某些应用来说可能是十分困难的。

其次，对于复杂的信号，相干探测可能需要耗费大量的计算资源。

优缺点比较直接探测和相干探测具有不同的优缺点。

直接探测方法简单直接，适用于一些简单的探测问题。

然而，直接探测方法对噪声非常敏感，且无法提供对信号相位的判断。

相比之下，相干探测方法可以通过干扰相消来减小噪声的影响，并提高探测性能。

相干探测还可以提供对信号的相位信息的判断，这对于一些需要精确测量的应用非常重要。

选择题1.光通量的单位是〔 B 〕.A.坎德拉B.流明C.熙提D.勒克斯2. 辐射通量φe的单位是〔B 〕A 焦耳(J)B 瓦特(W) C每球面度(W/Sr) D坎德拉(cd)3.发光强度的单位是〔 A 〕.A.坎德拉B.流明C.熙提D.勒克斯4.光照度的单位是〔 D 〕.A.坎德拉B.流明C.熙提D.勒克斯5.激光器的构成一般由〔A 〕组成A.鼓励能源、谐振腔和工作物质B.固体激光器、液体激光器和气体激光器C.半导体材料、金属半导体材料和PN结材料D. 电子、载流子和光子6.硅光二极管在适当偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态X围较大。

适当偏置是〔D〕A 恒流B 自偏置C 零伏偏置D 反向偏置7.2021年10月6日授予华人高锟诺贝尔物理学奖，提到光纤以SiO2为材料的主要是由于〔 A 〕A.传输损耗低B.可实现任何光传输C.不出现瑞利散射D.空间相干性好8.以下哪个不属于激光调制器的是〔 D 〕A.电光调制器B.声光调制器C.磁光调制器D.压光调制器9.电光晶体的非线性电光效应主要与〔 C 〕有关A.内加电场B.激光波长C.晶体性质D.晶体折射率变化量10.激光调制按其调制的性质有〔C 〕A.连续调制B.脉冲调制C.相位调制D.光伏调制11.不属于光电探测器的是〔 D 〕A.光电导探测器B.光伏探测器C.光磁电探测器D.热电探测元件D 摄像器件的信息是靠〔 B 〕存储A.载流子B.电荷C.电子D.声子13.LCD显示器，可以分为〔ABCD 〕A. TN型B. STN型C. TFT型D. DSTN型14.掺杂型探测器是由〔D 〕之间的电子-空穴对符合产生的，鼓励过程是使半导体中的载流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。

A.禁带B.分子C.粒子D.能带15.激光具有的优点为相干性好、亮度高及〔 B 〕A色性好B单色性好 C 吸收性强D吸收性弱16.红外辐射的波长为〔 D 〕.A 100-280nmB 380-440 nmC 640-770 nmD 770-1000 nm17.可见光的波长X围为〔 C 〕.A 200—300nmB 300—380nmC 380—780nmD 780—1500nm18.一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m的高处，用照度计测得正下方地面的照度为30lx，该灯的光通量为〔 A 〕.A .848lxB .212lxC .424lxD .106lx19.以下不属于气体放电光源的是〔D 〕.A .汞灯B .氙灯C .铊灯D .卤钨灯20.ＬＣＤ是〔Ａ〕A.液晶显示器B.光电二极管C.电荷耦合器件D.硅基液晶显示器21.25mm的视像管，靶面的有效高度约为10mm，假设可分辨的最多电视行数为400，那么相当于〔A 〕线对/mm.A.16B.25C.20D.1822.光电转换定律中的光电流与( B ).A温度成正比B光功率成正比C暗电流成正比D光子的能量成正比23.发生拉曼—纳斯衍射必须满足的条件是( A )A超声波频率低，光波平行声波面入射，声光作用长度短B超声波频率高，光波平行声波面入射，声光作用长度短C超声波频率低，光波平行声波面入射，声光作用长度长D超声波频率低，光束与声波面间以一定角度入射，声光作用长度短24.光束调制中，下面不属于外调制的是( C )A声光调制B电光波导调制C半导体光源调制D电光强度调制25.激光具有的优点为相干性好、亮度高及( B )A多色性好B单色性好C吸收性强D吸收性弱26.能发生光电导效应的半导体是( C )A本征型和激子型B本征型和晶格型C本征型和杂质型D本征型和自由载流子型27.电荷耦合器件分( A )A线阵CCD和面阵CCD B线阵CCD和点阵CCDC面阵CCD和体阵CCD D体阵CCD和点阵CCD28.电荷耦合器件的工作过程主要是信号的产生、存储、传输和( C )A计算B显示C检测D输出29.光电探测器的性能参数不包括〔D〕A光谱特性B光照特性C光电特性 D P-I特性30.光敏电阻与其他半导体电器件相比不具有的特点是〔B〕A.光谱响应X围广B.阈值电流低C.工作电流大D.灵敏度高31.关于LD与LED以下表达正确的选项是〔C〕A. LD和LED都有阈值电流 B .LD调制频率远低于LED C. LD发光基于自发辐射D .LED可发出相干光32.光敏电阻的光电特性由光电转换因子描述，在强辐射作用下〔A 〕A. γ=0.5B.γ=1C. γ=1.5D. γ=233.硅光二极管主要适用于[D]A紫外光及红外光谱区B可见光及紫外光谱区C可见光区 D 可见光及红外光谱区34.硅光二极管主要适用于[D]A紫外光及红外光谱区B可见光及紫外光谱区C可见光区 D 可见光及红外光谱区35.光视效能K为最大值时的波长是〔A 〕A．555nm B.666nm C．777nm D.888nm36. 对于P型半导体来说，以下说法正确的选项是〔D〕A 电子为多子B 空穴为少子C 能带图中施主能级靠近于导带底D 能带图中受主能级靠近于价带顶37. 以下光电器件, 哪种器件正常工作时需加100-200V的高反压〔C〕A Si光电二极管B PIN光电二极管C 雪崩光电二极管D 光电三极管38. 对于光敏电阻，以下说法不正确的选项是：〔D〕A 弱光照下，光电流与照度之间具有良好的线性关系B 光敏面作成蛇形，有利于提高灵敏度C 光敏电阻具有前历效应D 光敏电阻光谱特性的峰值波长，低温时向短波方向移动39. 在直接探测系统中, (B)A 探测器能响应光波的波动性质, 输出的电信号间接表征光波的振幅、频率和相位B 探测器只响应入射其上的平均光功率C 具有空间滤波能力D 具有光谱滤波能力40. 对于激光二极管〔LD〕和发光二极管〔LED〕来说，以下说法正确的选项是〔D〕A LD只能连续发光B LED的单色性比LD要好C LD内部可没有谐振腔D LED辐射光的波长决定于材料的禁带宽41. 对于N型半导体来说，以下说法正确的选项是〔A〕A 费米能级靠近导带底B 空穴为多子C 电子为少子D 费米能级靠近靠近于价带顶42. 依据光电器件伏安特性, 以下哪些器件不能视为恒流源: 〔D〕A 光电二极管B 光电三极管C 光电倍增管D 光电池43. 硅光二极管在适当偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态X围较大。