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光电检测期末复习

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复习题 1、 光电检测系统通常主要由 光学变换、光电转换、电信号处理 三部分组 成。

2、 在环境亮度大于10cd/m2寸,最强的视觉响应在光谱蓝绿区间的 555 nm处。

3、 光电倍增管由光窗、 光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个 主要部分

组成。由于其引入了电子倍增机构，因此具有灵敏度高、响应时间快等 特点，常被使用。 4、 FTCCD指的是帧转移型 CCD

5、 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 _ PN结注入发光_、_异质结注入发光 _ 。 6光电池的PN结工作在仝偏状态，它的开路电压会随光照强度的增加而 增

加。 7、对于辐射源来说， 光通量(光功率)定义为单位时间内向所有方向发射的可 见光能量。

8激光的形成必须具有 工作物质、 泵浦源、光学谐振腔。

9、 入瞳位于无限远，物方主光线平行于光轴的光学系统称为 物方远心光路,此 光路克服

了调焦不准带来的测量误差，常用于瞄准、读数和精密测量。 10、 短焦物镜用于拍近距离物体，焦距越短，视场角越大，因此也称为广角物镜。

11、 载光电耦合器件既具有 光电耦合 特性，又具有 隔离 特性

12、 三种典型光子效应是指 光电发射效应 、 光电导效应 和 光伏效应 。

13、 光敏电阻的工作原理是光照产生 光生载流子，使其电阻值急剧 减小。

14、 CCD与其它器件相比，最突出的特点是它以 电荷 作为信号，而其他大多 数器件是

以 电流 或者 电压 作为信号。 15、 依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、热噪声 和低频噪

声三类。 16、 由于光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个方向是不同的。

若在光源辐射光的空间某一截面上， 将发光强度相同的点连线，得到该光源在该 截面的发光强度曲线，称为 配光曲线 。 17、 人眼按不同照度下的响应可分为 明 视觉、 暗 视觉。

18、 降压使用 对于光电测量用的白炽灯光源十分重要, 因为灯泡寿命的延长 将使系统的

调整次数大为减少，也提高了系统的可靠性。 19、 出瞳位于像方无限远处，平行于光轴的像方主光线在无限远处会聚于出瞳中 心的光路

被称为 像方远心光路.它用于大地测量中测距,能大大提高测距精度。 20、 集光镜将光源成像到聚光镜的前焦面上，孔径光阑位于聚光镜的物方焦面上，

组成像方远心光路，视场光阑被聚光镜成像到物面上，称为 远心柯勒 照明。 1、 光子效应

光子效应是指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。 探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。 光子能量的大 小，直接影响内部电子状态改变的大小。因为光子能量是 h，其中h是普朗克

常数，是光波频率，所以光子效应就对光波频率表现出选择性，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。

2、 光视效能

光视效能描述某一波长的单色光辐射通量可以产生多少相应的单色光通量。 即光视效能K.定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即

K 。单位：流明/瓦特（Im/W）。

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3、 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。

4、 响应度

响应度也称探测灵敏度，定义为光电器件输出的方均根电压（或电流）与入射 光通量（或光功率）之比。它描述了光电器件输出的电信号和输入的光信号之间 的关系。

5、 光伏效应

半导体受光照，产生电子一空穴对，在结电场作用下，空穴流向 P区，电子 流向N区，在结区两边产生势垒的效应。

6热释电效应

热释电效应是非中心对称的晶体，自然状态下，在某个方向上正负电荷中心 不重合。在晶体表面形成一定量的极化电荷。 但当晶体温度变化时，极化程度下 降，其表面浮游电荷变化缓慢，再次达到极化的电平状态前，晶体表面有多余浮 游电荷，这相当于释放出一部分电荷，这种现象称为热释电效应。

1、说出PIN管、雪崩光电二极管的工作原理和各自特点，为什么 PIN管的

频率特性比普通光电二极管好？ PIN快速光电二极管、消除在PN结外光生载流子的扩散运动时间，在P区与 N区之

间插入一层电阻率很大的I层、耗尽层厚度增加，增大了对光的吸收和光 电变换区域，提高了量子效率。结电容小，增加了对长波的吸收，提高了长波灵 敏度，可承受较高的反向偏压，使线性输出范围变宽。 雪崩光电二极管掺杂浓度均匀,缺陷少,漏电流小,APD的结构设计，使它能 承受高的反向偏压，从而在 PN结内部形成一个高电场区，结区产生的光生载流 子受强电场的加速， 将获得很大的能量， 在与原子碰撞时可使原子电离， 产生新 的电子一空穴对，在往下的过程中重复此情况，使PN结的电流急剧增加。特点： APD能提供内部增益达一百到一千倍、0.5ns响应时间、噪声功率10-15W 接近 反向击穿。工作速度更高。 PIN管由于增加了 I层，使结变宽，结电容减小，因而时间常数变小，f=1/2 n RC所

以频率特性好。

2、光敏电阻与结型光电器件有什么区别？

（1） 产生光电变换的部位不同。光敏电阻不管哪一部分受光，受光部分的 电导率就增大；而结型器件，只有照射到 PN结区或结区附近的光才能产生光电 效应，光在其他部位产生的非平衡载流子， 大部分在扩散中被复合掉， 只有少部 分通过结区，但又被结电场所分离，因此对光电流基本上没有贡献。 （2） 光敏电阻没有极性，工作时可任意外加电压；而结型光电器件有确定 的正负极性，但在没有外加电压下也可以把光信号转换成电信号。 （3） 光敏电阻的光电导效应主要依赖于非平衡载流子的产生与复合运动， 时间常数较大， 频率响应较差； 结型器件的光电效应主要依赖于结区非平衡载流 子中部分载流子的漂移运动， 电场主要加在结区， 弛豫过程的时间常数 （可用结 电容和电阻之积表示）相应较小，因此响应速度较快。 （4） 光敏电阻内增益大。有些结型光电器件，如光电三极管、雪崩光电二 极管等有较大的内增益作用，因此灵敏度较高，也可以通过较大的电流。 光电导器件（光敏电阻）和结型器件相比各有优缺点， 因此应用于不同场合。

3、 简述光电探测器的选用原则

（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。

4、 光源选择的基本要求有哪些 ? 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几条基本要求外； 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。

5、论述光电检测系统的基本构成，并说明各部分的功能 光电检测系统的基本构成框图如

下：

（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。

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光电检测总复习

光电检测总复习

幻灯片11.2 光电检测系统及光电传感器三、光电检测系统特点适用接触测量力易引起误差及无法用接触的方法测量（远程、高温、危险）的场合。

不改变被测物体性质的条件下进行测量。

它可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种。

1、非接触测量干涉：λ／４＝0.6328μm/4=0.16μm，光外差干涉测量是纳米精度测量的主要手段。

从地球到月球激光测距的精度达到1米。

2、精度高光盘聚焦误差测控3、空间分辨率高4、实时测量（反应快，高速度）5、远距离、大量程（适合于远距离测距、遥控、遥测、光电跟踪等。

6、寿命长---光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。

幻灯片21.2 光电检测系统及光电传感器7、微弱信号检测:微光夜视仪8、不可见对象的测量利用X光探测人体内部组织结构：利用了不同的物质对于X射线的吸收率不同这一原理。

在人体中，水被认为对X光完全透过，骨质被认为对X光完全吸收.因此X光机发射出的(均匀)射线在被不同人体组织“过滤”后就不再是均质的，这些非均质的射线可以通过显示屏或者使底片感光的方式呈现为影像（接收器接收到的强度不一样），据此就可以反映出人体组织器官的一些信息，该门学科称为医学影像学.缺点：受光学介质的影响大（水、空气、尘土），成本高些。

幻灯片31.3 光电检测基本方法一、直接作用法●受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转换成电量后由检测机构直接得到欲测的物理量。

●直接测量法的最大优点是简单方便，仪器设备造价低廉。

●这种方法的缺点是检测结果受参数、环境、电压波动等影响较大，精度及稳定性较差。

适合于测量精度要求不高的场合。

幻灯片41.3 光电检测基本方法 二、 差动法利用被测量与某一标准量相比较，所得差或比反映了被测量的大小。

放入标准工件的尺寸，调整光楔，使φ1＝φ2，使μA 表读数为“0”。

（1）调整Φ OΦ1Φ2Φ1Φ2tUOt Φ1=Φ2时，U=0 用双光路差动法测量物体的长度幻灯片51.3 光电检测基本方法 二、 差动法幻灯片6幻灯片71.3 光电检测基本方法 二、 差动法测量值的大小决定于u 的幅值，测量值的正负决定于u 的相位。

光电检测复习资料..

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光电检测复习资料..简答题1、光电探测器常见的噪声有哪⼏类？分别简要说明。

（1）热噪声：由载流⼦热运动引起的电流起伏或电压起伏成为热噪声，热噪声功率与温度有关( 2)散粒噪声：随机起伏所形成的噪声(3)产⽣--复合噪声：载流⼦浓度起伏引起半导体电导率的起伏，在外加电压下，电导率的起伏是输出电流中带有产⽣--复合噪声(4)1/f噪声：这种噪声功率谱近似与频率成反⽐(5)温度噪声：是由于器件本⾝温度变化引起的噪声2、光电⼆极管与⼀般⼆极管相⽐有什么相同点和不同点？相同点：都是基于PN结的光伏效应⽽⼯作的不同点：（1）就制作衬底材料的掺杂浓度⽽⾔，⼀般⼆极管要⽐光电⼆极管浓度较⾼（2）光电⼆极管的电阻率⽐⼀般⼆极管要⾼（3）普通⼆极管在反向电压作⽤时处于截⽌状态，只能流过微弱的反向电流，光电⼆极管是在反向电压作⽤下⼯作的，（4）光电⼆极管在设计和制作时尽量使PN结的⾯积相对较⼤，以便接收⼊射光。

3、简述光电三极管的⼯作原理。

光电三极管的⼯作原理分为两个过程：⼀是光电转换；⼆是光电流放⼤。

就是将两个pn结组合起来使⽤。

以NPN型光电三极管为例，基极和集电极之间处于反偏状态，内建电场由集电极指向基极。

光照射p区，产⽣光⽣载流⼦对，电⼦漂移到集电极，空⽳留在基极，使基极与发射极之间电位升⾼，发射极便有⼤量电⼦经基极流向集电极，最后形成光电流。

光照越强，由此形成的光电流越4、简述声光相互作⽤中产⽣布喇格衍射的条件以及布喇格衍射的特点。

产⽣布喇格衍射条件：声波频率较⾼，声光作⽤长度L较⼤，光束与声波波⾯间以⼀定的⾓度斜⼊射。

特点：衍射光各⾼级次衍射光将互相抵消，只出现0级和+1级（或 1级）衍射光，合理选择参数，并使超声场⾜够强，可使⼊射光能量⼏乎全部转移到＋1级（或－1级）5、什么是热释电效应？热释电器件为什么不能⼯作在直流状态？热释电效应：热释电晶体吸收光辐射温度改变，温度的变化引起了热电晶体的⾃发极化强度的变化，从⽽在晶体的特定⽅向上引起表⾯电荷的变化，这就是热释电效应。

光电检测技术与应用期末考试复习资料

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26、 外差检测：a、外差检测增益高，b、微弱光线下，外差检测表现出十分高的转换 增益，c、光外差检测方式具有天然检测微弱信号的能力。 27、 外差检测输出电流包含有信号光的振幅、 频率和相位的全部信息， 这是直接检测所 做不到的。 28、 信噪比用来衡量其质量的好坏，其灵敏度的高低与此密切相关。 29、 直接检测方法不能改善输入信噪比。 30、 对应检测电路的不同工作状态，频率特性可有不同的简化形式。 31、 在保证所需检测灵敏度的前提下获得最好的线性不失真和频率不失真是光电检测 电路设计的两个基本要求。 32、 检测电路频率特性的设计包括：a、确定信号的频谱分布，b、确定多级光电检测 电路的允许通频带宽和上限截止频率，c、确定单级检测电路的阻容参数。 33、 光敏电阻与其他半导体光电器件相比，有以下特点：a、光谱响应范围宽，b、工 作电流大，可达数毫安，c、所测的光电强度范围宽，即可测弱光也能侧强光。d、灵敏 度高，e、无选择极性之分，使用方便。 34、 硅光电二极管与硅光电池相比，前者掺杂浓度低。 35、 光生伏特效应是指光照射在半导体 PN 结或金属和半导体的接触面上时，会在 PN 结或金属半导体接触面上产生光生电动势的现象，属于内光电效应。 36、 光电检测电路设计的原则： 保证光电器件和后续电路的最佳工作状态， 基本要求： a、灵敏的光电转换能力，b、快速的动态响应能力，c、最佳的信号检测能力，d、长期 工作的稳定性和可靠性。 37、 条形码识别：a、要求建立一个光学系统，b、要求一个接受系统能够采集到光点 运动时打在条形码条符上反射回来的反射光，c、要求一个电子电路将接受到的光信号 不失真的转换成电脉冲。 38、 L=（1） （2） （ 3） （4）第一个括号是目标辐射特性及大气透过率对作用距离的影响， 第二和第三个括号是表示光学系统及检测器特性对作用距离的影响，第四个括号是信息 处理系统对作用距离的影响。 39、 φ=Ad/f²，增大视场角φ时，可增ห้องสมุดไป่ตู้检测器面积或减小光学系统的焦距，这两个方 面对检测系统的影响都是不利的：a、增加检测器的面积意味着增大系统的噪声，b、减 小焦距使系统的相对孔径加大，这也是不允许的，另一方面视场角增大后引入系统的背 景辐射也增加，使系统灵敏度下降。 40、 硅光电池的负载特性：a、光电流在弱光下与光照度呈线性关系，b、光照增加到 一定条件时光电流趋于饱和，c、负载大的时候更易出现 饱和，要获得较大的线性度负载不能太大。
光电检测技术及应用复习

光电检测技术及应用复习

第1章 绪论1、物质、能量和信息是人类发展的三大基本要素。

2、物质是基础，世界是由物质组成的；能量是一切物质运动的动力；信息是客观世界与主观认识相结合的产物。

3、信息技术是一种综合技术，它包括四个基本内容：即感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术以及控制技术。

4、感测技术：包括传感技术和测量技术以及遥感、遥测技术；通信技术：它的作用是传递、交换和分配信息，可以消除或克服空间上的限制，使人们能更有效地利用信息资源；人工智能与计算机技术：它使人们能更好地加工和再生信息；控制技术：它的作用是根据输入的指令，对信息状态实施干预。

5、在当今时代，信息技术还包括微电子信息技术、光电信息技术等。

核心是微电子信息技术。

光电信息技术是将电子学与光学浑然一体的技术，是光与电子转换及其应用的技术。

光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一，是利用光电传感器实现各类检测，即将被测量转换成光通量，再将光通量转换成电量，并综合利用信息传送技术和信息处理技术，最后完成对各类物理量进行在线和自动检测。

6、差动测量法：调制盘的一半开通，另一半安装反射镜。

当调制盘转动时，一束光变成两束光，即21ΦΦ和是交替的。

将标准尺寸的工件放入工作位置，调整光楔，使21Φ=Φ，使微安表读数为“0”。

工件尺寸无误差时，21Φ=Φ；当工件尺寸变小时，21Φ>Φ；当工件尺寸变大时，21Φ<Φ。

7、相敏检波器的核心是一个乘法器和一个滤波器。

相敏检波器可以用来测幅，也可以用来测相，还可以将高频信号变成中频信号（只要使2121f f >=，θθ，就可得到差频信号）。

8、双光路测量可以消除杂散光、光源波动、温度变化和电源电压波动带来的测量误差，使测量精度和灵敏度大大提高。

9、（P206）锁相放大器：是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。

它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或倍频）、同相的噪声分量有响应。