光电技术试题.doc

1.1辐射量的基本物理量包括：1辐射能Qe：是一种以电磁波的形式发射、传播或接收的能量，单位J（焦耳）。辐射通量e：辐射能的时间变化率（单位时间内发射、传播或接收的辐射能），e=dQe/dt,单位J/s或W（瓦）2辐射通量e：又称辐射功率，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能3辐射强度Ie：点辐射源向给定方向上单位立体角内发射的辐射通量，Ie=de/d，单位W/sr(瓦每球面度)4辐射照度Ee：投射在单位面积上的辐射能量，Ee=de/dA，单位W/m25辐射出射度Me:反应物体辐射能力的物理量，辐射体单位面积向半空间发射的辐射通量，Me=d/ds6辐射亮度Le:面辐射源单位面积在某一给定方向上的辐射强度，Le=dIe/dscos,单位瓦每球面度平方米7光谱辐射量光量Qv: 光通量对时间的积分。流明秒(lm s)光通量v:发光强度为v的光源，在立体角元d内的辐通量，dv=v d。流明(lm)发光强度v: 光度量中的基本量，单位为坎德拉cd。cd的意义为：频率为5401012Hz的单色辐射在给定方向上的辐射强度e=1/683W sr-1时，规定为1cd。七个国际基本单位之一光出射度v: 离开表面一点处面元的光通量除以该面元面积。流明每平方米(lm m-2)光照度v: 照射到表面一点处面元上的光通量除以该面元的面积。勒克斯(lx)光亮度Lv: 表面一点处的面元在给定方向上的发光强度除以该面元在垂直于给定方向平面上的正投影面积。坎德拉每平方米(cd m-2)曝光量H: 光照度对时间的积分。勒克斯秒 (lxs)1.2热辐射的基本物理量包括：辐射本领，吸收率，绝对黑体，物体发射率定义：由外界热量传递给物体而发生的辐射称为热辐射。热辐射源的特性是它的辐射能量直接与它的温度有关；如果物体从周围物体吸收辐射能所得到的热量恰好等于自身辐射而减少的能量，则辐射过程达到动态平衡状态，这称为热辐射平衡1.3光源的基本特性参数包括：（1、2、3、4、5）1、辐射效率和发光效率 某一光源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需要的电光率之比称为辐射效率；在照明领域或光度测量系统中一般应选用发光效率和辐射效率较高的光源。2、光谱功率分布：光谱的光源功率分布通常可分为四种情况 线状光谱：有若干条明显分隔的西线组成，如低压汞灯 带状光谱：由一些分开的普带组成如高压汞灯，高压钠灯 连续光谱：所有热辐射光源的光谱都是连续光谱 混合光谱：由连续光谱和线、带谱混合而成，一般荧光灯的光谱3、 空间光强分布，4、光源的色温5、 光源的颜色：白炽灯、卤钨灯、镝灯等几种光源的显色性较好，适用于辨色要求较高的场合如彩色电影，彩色电视的拍摄和放映，染料、彩色印刷等行业；高压汞灯、高压钠灯等光源的显色性差一些，一般用于道路、隧道、码头等辨色要求较低的场合1.4 光源选择的基本要求：1、2、3、41、 对光源发光光谱特性的要求：光源发光的光谱特性必须满足检测系统的需要按照检测任务的不同，要求的光谱范围不同2、 对光源发光强度的要求：光源强度不能过低也不能过高，过低，系统获得的信号小，以致无法正常检测，过高又会导致系统工作的非线性，有时可能损坏系统，待测物或光电探测器等3、 对光源稳定性的要求：一般要求时，可采用稳压电源供电。要求较高时，可采用稳流电流源，所有光源应预先进行老化处理，有更高的要求时，可对发出光进行采样，然后反馈控制光源的输出。4、 对光源其他方面的要求：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；以及光源的发光率和空间分布等。1.5光电技术中常用光源1热辐射光源：白炽灯，人造黑体辐射源；2、气体放电光源：汞灯、氙灯、空心阴极灯、氘灯3、固体发光光源：粉末场致发光光源、薄膜场致发光光源、发光二极管1.6激光器：输出波长范围从近紫外直到远红外，辐射功率从几毫瓦到上万瓦 。激光器一般由工作物质、泵浦源、谐振腔组成。激光器分为1、2、3.、41、 气体激光器：采用工作物质很多，激励方式多样，发射波长也最广。 氦氖激光器：工作物质由氦气和氖气组成，是一种原子气体激光器，主要输出波长有632.8nm，1.15um,3.39um（反射镜的反射峰值设计在632.8nm输出最大）该激光器输出一毫瓦左右至数十毫瓦的连续光，波长稳定度10-6左右，主要用于精密计量，全息术，准直测量等场合。激光器的结构有内腔式，半空腔式和外腔式，外腔式输出的激光器偏振特性稳定，内腔式激光器使用方面。氩离子激光器，二氧化碳激光器，激励方式分为低气压纵向和横向激励，横向激励分为大气压横向和横流横向。气体激光器主要用于金属材料的切割、热处理、宝石加工和手术治疗等方面。2固体激光器：工作物质是具有特殊能力的高质量的光学玻璃和光学晶体，里面掺入具有发射激光能力的金属离子。包括红宝石，钕玻璃，钇铝石榴石。工作方式是单次脉冲式。红宝石是发现最早，用途最广的晶体激光器3染料激光器：有连续和脉冲工作方式，连续方式输出稳定，线宽小，功率大于1W；脉冲式输出功率高，脉冲输出量可达120mj。4半导体激光器：体积小，重量轻，效率高，寿命超过一万小时，因此应用于光通信，光学测量，自动控制等方面，是最有前途的辐射源之一。激光器的特性：单色性好，方向性强，亮度高，相干性好激光器的工作原理：激活介质的pn结上加电压时构成一定的势垒，当p-n结正向注入电流时，在外电场作用下，p-n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的每一次复合，将释放出于材料性质有关的一定复合能量，从而激发激光发射。第二章光电探测器分类：光子探测器和热探测器光子探测器：光电子发射探测器，光电导探测器，光伏探测器热探测器：侧辐射温差热电偶和热电锥，电阻测辐射热器，热释电探测器等（1） 光电导探测器的工作条件：1辐射源的光谱分布2电路的通频带和带宽3工作温度4光敏面尺寸5偏置情况（二）有关响应方面的性能参数1响应率Rv和Ri 2单色灵敏度 3积分响应度 4响应时间 5频率响应（三）有关噪声方面的参数1信噪比 2 等效噪声输入 3噪声等效功率 4探测率和比探测率 5暗电流24光电探测器的噪声分为：散粒噪声：光电探测器在光辐射作用下或热激发下，光电子或载流子随机产生造成的。热噪声：是由耗散元件中电荷载流子的随机热运动引起的，任何有电路的材料都有热噪声，为降低热噪声，往往把探测器进行深度制冷，放置于液氮、液氦、液氖产生复合噪声：半导体中由于载流子产生与复合的随机性而引起载流子平均浓度的起伏所引起的噪声。温度噪声：无辐射时，探测器在某一平均温度T0附近呈现一个小起伏，这种温度起伏引起的热探测器输出起伏称为温度噪声。电流噪声：又称低频噪声，主要出现在1khz以下的低频区第三章31光电子发射效应：当光照射某种物质时，若入射的光子能量hv足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面的现象。金属光电子发射：金属中的自由电子只有当期能量等于或大于EA时，才有可能逸出金属表面半导体的光电子发射：为什么现代光电阴极多采用半导体材料1半导体对入射光有较小的反射系数，较大的吸收系数2阴极层导电性适中3半导体内存着大量的发射中心4半导体有较小的逸出功，在光谱响应域内具有较高的量子效率半导体光电子发射的过程：1对光电子的吸收 2光电子向表面的运动 3 克服表面势能的逸出33光电倍增管光电倍增管：是一种建立在光电子发射效应，二次电子发射和电子光学理论基础上的，把微弱入射光转换成光电子并获倍增的重要的真空光电发射器件。1、 光电倍增管由光电阴极，电子光学输入系统，二次发射倍增系统及阳极等构成2、 光电倍增管中电子光学系统结构有那两个方面的作用？答：一使光电阴极发射的光电子尽可能全部会聚到第一倍增极上，而将其他部分的杂散电子散射掉，提高信噪比。二是使阴极面上各处发射的光电子在电子光学系统中有尽可能相等的渡越时间，以保证光电倍增管的快速响应。3光电倍增管的倍增极结构分为聚焦型和非聚焦型，聚焦型分为直列聚焦式和圆形鼠龙聚焦型；非聚焦型分为百叶窗式结构和盒一网式结构4引起暗电流的因素：一：光电阴极和第一倍增极的热电子发射二：极间漏电流 三、离子和光的反馈作用 四、场致发射五、放射性同位素和宇宙射线的影响。5减少暗电流的方法：1选好光电倍增管的极间电压 2、在阳极回路中加上与暗电流相反的直流成分来补偿 3在倍增输出电路中加一选频或锁相放大滤波暗电流 4利用冷却法减小热电子发射等。6造成光电倍增管的非线性的原因1内因：空间电荷，光电阴极的电阻率、聚焦或收集效率的变化2外因：由于信号电流造成负载电阻的负反馈和电压的再分配。7光电倍增管的不稳定性主要表现两个方面一：长期工作过程中灵敏度的漂移二：滞后效应滞后效应：在光电倍增管上加高压或开始光照的短时间内，阳极输出电流存在短暂的不稳定性，电流可能比稳定值大一些或小一些的现象。光电倍增管的噪声主要是散粒噪声。光电倍增管的基本特性参数：灵敏度和光谱响应度；放大倍数；暗电流；伏安特性；输出信号和等效电路；线性；稳定性；时间特性和频率特性；磁场特性；空间均匀性；偏振效应；噪声；通量阈光电倍增管的工作原理：K为阴极，D为聚焦极，它与阴极共同形成电子光学聚焦系统，将光电阴极发射的电子会聚成束并通过膜孔打到第一倍增极D1上。D1-D10为倍增及，所加电压逐级增加，a为收集电子的阳极。在高速初电子的激发下，第一倍增极被激发出若干二次电子，这些电子在电场的作用下，又打到第二倍增极处，又引起更多的二次电子发射-此过程一直继续到D10，最后，经倍增极的光电子被阳极a收集而输出光电流，在负载Rl上产生信号电压。第4章 ：光电导效应：光子作用于光电的材料，形成本征吸收或杂质吸收，产生附加的光生载流子，从而使半导体的电导率发生变化的现象。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。光电导探测器性能参数：光电导增益；光电导探测器件的噪声；响应率；比探测率；温度特性；频率响应及响应时间；前历效应。光敏电阻的原理是半导体的光电导效应，只有能量（h）大于材料禁带宽度（Eg）的光子，才能使材料产生光电导效应。光敏电阻的实际结构是在一块光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其它绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。光敏面作成蛇形，电极作成梳状。PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。InSb光敏电阻是35m光谱范围内的主要探测器件之一。光敏电阻的应用：照明灯的光电控制电路；火焰探测报警器；照相机电子快门 光敏电阻基本原理：当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。第五章光生伏特效应：是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。光伏探测器按使用要求不同分为：用作能源和探测的光电池；作为光电信号转换的光伏探测器如光电二极管和光电三极管等光电池分为：太阳能光电池：转换效率高、成本低、寿命长、耐高能辐射、价廉、输出功率大等。测量光电池：线性范围宽、灵敏度高、光谱特性好等。探测器和环境的热交换包括辐射，对流和传导。光电池的基本结构就是一个PN结。基本工作原理：根据光生伏特效应制成的，不需要加偏压就能把光能转换成电能的p-n结光电器件。光电二极管与三极管的区别：光电晶体管的灵敏度比光电二极管高，输出电流也比光电二极管大，多为毫安级。但它的光电特性不如光电二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。第六章热电探测器件工作的物理过程是：1.器件吸收入射辐射功率产生温升;2.温升引起材料各种有赖于温度的参量的变化，监测其中一种性能的变化，来探知辐射的存在和强弱热敏电阻是由电阻温度系数大的导体材料制成的电阻元件。热敏电阻有金属的和半导体的两种。热敏电阻的物理过程是吸收辐射，产生温升，从而引起材料电阻的变化热敏电阻的特性：响应率；频率响应；热敏电阻的噪声和比探测率象管像管是变像管和图像增强管的统称。变像管是指能够把不可见光图象变为可见光图象的真空光电管。 图像增强管是指能够把亮度很低的光学图象变为有足够亮度图象的真空光电管。像管的工作原理: 变换光谱：将红外、紫外的辐射图像变成可见图像;增强亮度：使图像亮度接近人眼的视觉响应峰值;光学成像：将电子图像在荧光屏上变成光学图像.结构:光电变换部分: 即光电阴极，光电子发射图像;电子光学部分: 即电子透镜，它可以使光电阴极发射出来的光电子图像进行加速; 电光变换部分: 即荧光屏，它可以使电子图像变成可见光图像。微通道板像增强器的优缺点 : 优点： 体积小，重量轻，整管长度和重量约为一代级联管的二分之一；亮度便于调节；减少了荧光屏的光反馈；整管电压较低。缺点：噪声大，主要是附加噪声；图像不够均匀；工艺难度大，主要是制作以及后续工序对MCP有影响。象管和摄象管的主要区别: 象管内部没有扫描机构，不能输出电视信号，对它的使用就跟使用望远镜去观察远处景物一样，观察者必须通过它来直接面对着景物。光电摄像器件应具有三种基本功能：光电变换、光电信号存储和扫描输出。CCD的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号；CCD的基本功能 :CCD具备光电转换、信息存储和传输等功能，它存储由光或电激励产生的信号电荷，当对它施加特定时序的脉冲时，其存储的信号电荷便能在CCD内作定向传输。具有集成度高、功耗小、分辨率高、动态范围大等优点。CCD的工作原理:CCD工作时，在设定的积分时间内，光敏元对光信号进行采样，将光的强弱转换为各光敏元的电荷量。取样结束后，各光敏元的电荷在转移栅信号驱动下，转移到CCD内部的移位寄存器相应单元中。移位寄存器在驱动时钟的作用下