光电检测复习资料

1. 判断改错（若正确则不需要改正）：（1）光敏电阻从光照开始便瞬间获得稳定的光电流；（2）等离子体显示板可看作是若干个气体放电光源组成的平板显示器件；（3）半导体色敏器件的浅结对波长长的光响应率高而深结对波长短的光响应率高，利用此原理可设计出分层感光的彩色CCD；答：（1）错误，从光照开始到获得稳定的光电流需要一定的时间，这个时间叫相应时间；（2）正确；（3）错误，深结对波长长的光响应率高，浅结对波长短的光响应率高2. 判断改错（若正确则不需要改正）：（4）荧光灯即低压汞灯，它是利用低气压的汞蒸气在放电过程中辐射可见光的原理发光；（5）实际光电导材料对各种波长辐射的吸收系数不同，在较长波长和较短波长上吸收系数都很小，故光谱响应呈抛物线型；（6）电泳显示与液晶显示都需要背光源，因此功耗差不多；答：（4）错误，低压汞灯主要发射紫外线，辐射紫外线是荧光粉发光；（5）正确；（6）错误，电泳显示不需要背景光源3. 判断改错（若正确则不需要改正）：（7）光电导型摄像管与光电发射型摄像管的区别是前者有移像区，移像区包括光电阴极和电子光学系统，后者没有；（8）马赛克型普通彩色CCD在单一的感光层必须撷取RGB三个色光，然后再通过数学运算将色彩仿真组合成影像，因此效果会打折扣；（9）热释电探测器根据热释电效应制成的，即某些晶体受热产生温度变化时，会释放一部分电荷；（10）全内反射液位光纤传感器属于功能型光纤传感器，主要依据敏感元件对光强的调制这一原理进行工作。

答：（7）错误，后者有移像区；（8）正确；（9）正确；（10）错误，属于非功能型光纤传感器4. 简述激光二极管（LD）与发光二极管（LED）的工作区别答：发光二极管是由一个由p型和n型半导体组合成的二极管，在p区加正电压，在n区加负电压，电子被迫进入n型区域，在p型区域中形成空穴当他们的能级超过势垒能量是，电子就能够横越结区进入p区域在耗尽层电子能够自发的与空穴复合而放出能量——产生光子朝各个方向运动，形成了结型发光，发出的光是自发发射的若在耗尽层加一些铝，光子波长得到调节，复合层的折射率增高，在复合层里形成的光子倾向于来回多次反射，于是光强得到加强光强足够高时就开始受激发射，逸出的光子形成更多的光子，最终在复合层里形成比自发发射高几个数量级的光强，这是激光二极管的简单原理，发出的光是受激发射Led在室温下的典型光谱宽度比激光二极管大一个数量级，因而增加了色散，与低数值孔径光纤耦合效率也低但led具有结构简单和温度对发射功率影响小的优点5. 下图为一荧光光谱仪的结构图，请问光谱仪采用氙灯作为光源的优缺点，可采用哪些光源作为补充？该光谱仪采用光电倍增管作为探测器，可采用哪种探测器来替代，它们的优缺点？答：氙灯作为光源的优点：辐射光谱连续，能量高，响应时间段，可探测多种较宽光谱。

缺点：灵敏度低，光谱干扰较大可用原子光谱灯，激光光源补充光电倍增管可以用摄像管代替光电倍增管优点：灵敏度高，放大倍数高，光电特性线性关系好； 缺点：供电电压高，体积大，稳定性要求高，制冷要求苛刻摄像管优点：增益和灵敏度高，体积小； 缺点：噪音大，惰性大6. 为什么发光二极管必须在正向电压下才能发光？反向偏置的发光二极管能发光吗？答：发光二极管就是一个由P型和N型半导体组成的二极管.在PN结附近，N型材料中的多数载流子是电子，P型材料中的多数载流子是空穴，PN结上未加电压时构成一定的势垒，当加上正向偏压时，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在PN结附近产生导带电子和价带空穴的复合.一个电子和一个空穴每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能的形式辐射出来.即发光二极管必须在正向电压下才能发光.反向偏置的发光二极管不能发光7. 简述液晶显示、等离子体显示及电泳显示的工作区别并比较优缺点答：液晶显示：电场作用下，液晶偏振方向发生改变，从而可以决定偏振光能否透过优点是耗电量较小，画质精细，体积小。

缺点是可视偏转角小，亮度和对比度差 等离子显示：利用惰性气体在电压作用下产生气体放电，直接或间接发光优点是可全色显示，视角大，响应高，寿命长缺点是耗电大，抗压性差 电泳显示：悬浮在液体中的带点颗粒在外电场定向移动，实现显示优点是能耗小工艺简单，价格低廉缺点是响应时间较长，无法实现连贯的动画效果8. 高亮度白光LED如何实现？答：一般有两种方法 （1）利用产生三原色红绿蓝的LED符合来得到白光； （2）类似日光灯，在一支LED涂上荧光粉，激发荧光粉发光9. 为什么结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应？答：PN结光效应得到最后在两边建立电场方向相反的电动势，这相当于消弱了内电场，在正向偏置的情况下，内电场的效果对电阻的贡献本身就不大，正向电阻本身也很小，所以没有明显的光电效应10. 下图为pn结光伏探测器工作模式的等效电路，请指出c图和d图分别为什么工作模式，图中所示ID、IP的物理含义，并绘制光伏探测器在无光照以及在一定光功率下的伏安特性图 答：c为光伏工作模式，d为光电导工作模式Id，Ip分别为流过PN结的正向电流，光电流11. 为使半导体光电器件能产生光生电动势（或光生积累电荷），应该满足那些条件？答：PN结得到光照，光电器件电流开路。

12. 为什么说光电池的频率特性不是很好? 答：由于载流子在PN结区内的扩散漂移，产生与复合都要有一定的时间，相当于光照变化很快时，光电流就滞后于光照变化13. 硅光电池与硅光电二极管有那些区别在那种情况下选用硅光电二极管比选用硅光电池 更有利答：（1）制作衬底材料的掺杂浓度而言，光电池较高； （2）光电池电阻率低; （3）光电池在零偏置下工作，硅光电二极管通常在反向偏置下工作； （4）一般来说，硅光电二极管的光电流小得多在频率响应要求较高时选硅光电二极管更好14. 如何改善光电二极管的频率特性？答：光电二极管的频率特性主要取决于光生载流子的渡越时间，决定因素为结电容C和负载电阻，即减少时间常数RC，也就是分别减少R和C，通常应根据具体情况选择最佳的负载电阻15. 为什么由半导体材料制成的热敏电阻温度系数是负的，由金属材料制成的热敏电阻温度系数是正的？答：当红外辐射照射热敏电阻上时，其温度上升，半导体材料温度升高载流子数目上升，电阻下降，而金属材料电阻随温度升高而升高，所以由半导体材料制成的热敏电阻温度系数是负的，由金属材料制成的热敏电阻温度系数是正的16. 右图是三种光敏电阻的光谱响应特性，它们具有相似的特征：即短波段，峰值波长和长波段。

请根据光敏电阻的原理解释为何光敏电阻对各种光响应灵敏度随入射光的波长变化而变化答：波长较长时，由于晶格的缺陷，杂质，吸收系数小，一部分辐射会透过材料，量子效率较低，随着波长减少，入射光频率几乎全被材料吸收，光电导率将达到峰值，波长在减少时，靠近材料附近产生载流子密集，致使复合增加，量子效率减少，光谱响应显著下降17. 简述黑白激光打印机的工作过程答：首先把电脑传来的打印信号转化为脉冲信号传送到激光器，激光器射出激光抵消鼓芯上图像部位的电荷，在鼓芯上形成静电图像，再把碳粉吸附到鼓芯上，再用转印辊进行转印，使鼓芯上的碳粉拉倒纸张上，再通过定影，即加温加压使碳粉融化渗入纸张纤维18. 光电倍增管、像增强管和雪崩光电二极管作为光电检测器可以大大提高了仪器测量的灵敏度，请从这三种探测器的原理、特点和适用范围谈谈它们的区别与联系答：从原理上，三者都是利用光电效应，增强电信号得到对应光信息；不同点在于光电倍增管利用光电阴极产生电子经过电子倍增器放大到阳极得到电流，而像增强管将光电阴极产生的电子经过电子聚焦和放大，在显示屏上成像，雪崩光电二极管，雪崩光电倍增效应得到放大光电流 特点上：灵敏度高，增益大可检测微弱信号；区别：像增强管得到的是图像，而光电倍增管和雪崩光电二极管得到的是放大电流。

应用上：都可以用于微信号检测，光电倍增管可用于光谱测量，定量测量光子数，像增强管更多将不可见辐射转化得到可见图像，雪崩光电二极管广泛用于光纤通信，激光测距等领域19. 简述负电子亲和势光电阴极工作原理答：电子亲和势是从导带底到真空能级的能量值，当把半导体的表面作特殊处理，使表面区域能够弯曲，电子亲和势降到负值，这就意味着电子随时可以逸出只要电子扩散到表面，用这样材料得到的阴极即是负电子亲和势阴极20. 简述光电倍增管的结构组成和工作原理答：组成部分：入射窗口，光电阴极、电子光学系统，倍增极、阳极和真空管  工作原理：光从入射窗口入射使光电阴极产生电子，经电子光学系统汇聚到电子倍增管后放大到阳极得到光电流，而光电流对应这光照强度21. 请从原理上指出静电积贮式摄像管和热释电摄像管的差异答：热释电摄像管：被测目标的红外辐射经热释电管的透镜聚集到靶面上时，由于靶面晶体材料是“非中心对称”的极化晶体，它只有一个极化轴，当接收的红外辐射使极化轴的温度发生变化时，就会在垂直于极化轴的晶面上出现极化电荷，若靶面信号板和扫描靶面正好处于垂直极化轴的两个晶面上，当靶面受热时，在靶面上就会产生电位起伏的信号，这种信号的大小与被测目标红外辐射能量分布组成的图像相对应。

与此同时，电子束在扫描电路的控制下对靶面作行、场扫描，从而中和了靶面上生成的电荷，同时在靶面信号板上的回路中产生相应的脉冲电流，该电流流经负载时形成视频信号输出由于热释电管产生的信号电流很小，大大低于普通电视摄像管产生的信号电流，因此必须用高增益低噪声的特殊预放器对热释电转换的电信号进行放大处理此后再经视频处理电路加工，并在视频放大电路内编入同步信号以形成全电视信号输出静电积贮式摄像管：物体通过镜头在靶面成像;各像素处的电导因光照不同而变化;电子束在靶面扫描，得到随亮度而变化的电压信号 视像管光电转换产生图像信号的过程分为二步来完成，首先被摄景物经过变焦镜头成像在靶面上，引起靶面各点像素的电阻率发生变化，从而在扫描面上，产生相应的起伏电位，形成电荷图像然后通过电子来扫描逐点填平靶面上的电位起伏，而填平过程中从靶电极流过的电流便包含了图像信息，形成了图像信号22. 简述X射线像增强器工作原理答：X射线通过被检体后，在输入转换屏前形成被检体的X射线图像，此图像轰击转换屏得到微弱的光图像，然后激发光电阴极得到电子图像，光电子流经过电子光学系统聚焦和加速轰击荧光屏得到增强的可见光图像23. 简述光电发射型摄像管与光电导型摄像管的工作区别。

答：光电发射型摄像管和光电导型摄像管的工作区别是光电发射型摄像管有移像区，作用是光电阴极产生的电子在运动过程中获得能量而加速，以便在靶上产生更多的电荷，提高其响应率，而光电导型摄像管没有24. CCD与CMOS传感器是当前被普遍采用的两种固体成像器件，其主要差异是数字数据传送的方式不同，请从CCD与CMOS传感器的原理出发，指出它们在效能与应用上的诸多差异答：（1）CMOS和CCD图像传感器的主要差异是数字数据传送的方式不同CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个象素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个象素都会邻接一个放大器及A/D转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出CCD的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个象素的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而CMOS工艺的数据在传送距离较长时会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个象素的数据  由于数据传送方式不同，CCD与CMOS传感器在效能与应用上也有诸多差异，这些差异包括：  ①灵敏度差异：由于CMOS传感器的每个象素由四个晶体管与一个感光二极管构成(含放大器与A/D转换电路)，使得每个象素的感光区域远小于象素本身的表面积，因此在象素尺寸相同的情况下，CMOS传感器的灵敏度要低于CCD传感器⑼ ②成本差异： CCD传感器的成本会高于CMOS传感器。

 ③分辨率差异：CMOS传感器的每个象素都比CCD传感器复杂，其象素尺寸很难达到CCD传感器的水平，因此，当我们比较相同尺寸的CCD与CMOS传感器时，CCD传感器的分辨率通常会优于CMOS传感器的水平 ④噪声差异：由于CMOS传感器的每个感光二极管都需搭配一个放大器，而放大器属于模拟电路，很难让每个放大器所得到的结果保持一致，因此与只有一个放大器放在芯片边缘的CCD传感器相比，CMOS传感器的噪声就会增加很多，影响图像品质 ⑤功耗差异：CMOS传感器的图像采集方式为主动式，感光二极管所产生的电荷会直接由晶体管放大输出，但CCD传感器为被动式采集，需外加电压让每个象素中的电荷移动，而此外加电压通常需要达到12~18V；因此，CCD传感器除了在电源管理电路设计上的难度更高之外，高驱动电压更使其功耗远高于CMOS传感器的水平25. 简介彩色CCD技术答：彩色CCD基于黑白CCD技术，增加考虑到光的频率特性，利用分光系统将可见光分解为红绿蓝三色，存储在CCD片上，读取信号是将信号一并读出进而得到彩色CCD；按照电视摄像机的类型，彩色CCD摄像机可分为三片式，二片式和单片式经过不断的技术改进，小型化，低成本单片彩色CCD得到普及。

26. 比较热点探测器和光子探测器的优缺点答：热点探测器优点：响应率与波长无关，可在室温下工作; 缺点：受时间常数的制约，响应速度低，探测率比光子探测器低 光子探测器优点：灵敏度高，响应速度快，响应率高； 缺点：低温工作，探测器波段较窄27. 光纤传感器的基本分类是怎样的？利用了哪些调制原理？答：分为两类：（1）光纤即是传输介质又是传感器的功能性传感器；（2）光纤仅作传输介质的非功能型传感器功能性传感器主要利用了相位调制，光强调制，偏振态调制原理；非功能型传感器主要利用了传输光强型，反射光强型两种原理28. 结合所学内容，请设计出三种温度传感器，并给出基本原理要求这三种温度传感器分别具有能够测量超高温、极高灵敏度、高度集成化的特点答：测量超高温：热辐射高温计，被测物体的辐射能通过透镜汇聚到敏感元件热电堆上，热电堆再把辐射能转变为电信号 极高灵敏度：光子探测器，利用某些半导体材料在红外辐射的照射下，产生光电效应，使材料的电学性质发生变化通过测量电学性质的变化，可以确定红外辐射的强弱 高度集成化：热辐射测温计：由红外传感器和电信号处理电路组成，物体发出的红外辐射被红外传感器接收，并将其转成电信号，然后由电信号处理电路放大，滤波，进行温度补偿，通过加法处理器处理后输出被测物体的温度信号。

29. 利用马赫-泽得干涉仪可测量温度变化，请简述原理并与传统的热电偶型温度传感器比较优缺点答：马赫-泽得干涉仪适用于研究气体密度迅速变化的状态，由于气体折射率的变化与其密度变化成正比，而折射率的变化将使气体的光纤有不同的光程，因此如果让一个平面波和通过气体的波发生干涉，干涉条纹可以反映出气体折射率和密度粉笔密度随温度变化 热电偶原理是回路汇总一个接头温度高，环路中会产生电流，两个接头温差越大电流越大 前者灵敏度高，后者有温度限制，因为零直接接触被测物体30. 结合所学内容，请设计出三种光纤压力传感器，并给出基本原理要求这三种压力传感器分别为非功能型、功能型、具有极高灵敏度光纤压力传感器答：具有极高灵敏度：相位调制传感器，其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息非功能型：传光型光纤传感器：利用光纤作为传光元件将被测目标发出的光或反射的光传到光电探测器上，测量物体的光传导率、反射率、光强度，以及利用测量这些物理量进行压力的测量和控制。

功能型：传感型光纤传感器：光波在光纤中传播时表征光波的特征参量（波长、振幅、相位、偏振态等）因压力的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感元件来探测各种物理量。