光电技术（第5版） 习题解答 王庆有

PAGEPAGE1光电技术（第4版）思考题与习题解答思考题与习题11.1 辐度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不能出现光度量？度量，而光度量是基于光对人眼刺激程度的主观反应。量子流速率是客观评价光子流强度的量，因而属于客观评价，不能采用光度量。1.2 试写出Φe，Me，Ie，Le等辐度量参数之间的关系式，说明他们与辐射源的关系。等辐度量参数之间的关系式（见书P6表1-1）它们分别是从辐射源发出的辐功率，单位面积的辐功率，单位立体角内发出的辐功率和某方向单位立体角单位面积发出的辐功率。1.3 何谓余弦辐射体？余弦辐射体有哪些特征？引入余弦辐射体概念有什么意义？激光源是余弦辐射体吗?解：从书中P4的内容中能够找到正确答案。引入余弦辐射体后能够找出辐射的一般规律，为辐射定律的讨论奠定基础。激光光源由于其方向性很强，不可能是余弦辐射体。1.4 辐出度Me与辐照度Ee两个物理量的主要差异是什么？哪个是表述辐射源性能的参数？解：辐出度Me是从面光源表面发射辐射的角度来定义的，是表述辐射源性能的参数。而辐照度Ee是从受照物体表面接收辐通量的角度定义的。它们之间的差异在于表述的目标不同。辐出度Me是表述辐射源性能的参数。1.5 说明KKKw理义什？们间差是么具相量吗？题让者习1.4.2的容中到KKKw的理义异者复习1.4.2内容后能够找到上述答案。量纲也存在差异。1.6本征吸收、杂质吸收都能够产生光电导效应与光生伏特效应，二者的本质区别在哪里？差异又在哪里？下产生能级跃迁引起的，其本质差别在于本征吸收是电子受辐能作用下产生跨越禁带的跃迁，而杂质吸收是吸收辐能后产生跨越杂质电离能能级的跃迁。差异是本征吸收产生电子空穴对，而杂质吸收只产生一个电子。1.7 一台氦氖激光器发出波长为0.6328μm的激光束功率为为0.02mrad，放电毛细管直径为1mm。试求：（1）当V0.6328=0.235时此光束的辐射通量Φe,λ、光通量Φv,λ、发光强度Iv,λ、光出射度λ等各为多少？4（2）若将其投射到10m远处的屏幕上，问屏幕的光照度为多少？Φ0.6328=3mW；Φv,0.6328=KwΦ0.6328V0.6328=0.4815(lm)；4

4815 103

10(cd);（2）屏幕光照度的计算要考虑激光投射到10m远处的光斑直径。其受照面积的计算应为π（d/2＋Lα）2=3.14×(0.5＋10000×0.01×0.001)2=1.1304mm2。因此，屏幕的光照度为EV=4.26×105lx。1.8 一束波长为0.5145μm、输出功率为3W的氩离子激光均匀地投射到0.2cm2的白色屏幕上。问屏幕上的光照度为多少？若屏幕的反射系数为0.8，其光出射度为多少？屏幕每分钟接收多少个光子？解：屏幕光照度

A

A

6830.60830.2102=62.29lx反射出摄度

0.862.2949.83lx接收的光子数N

Φ

30.5145 .×02（）

6.626

1034

310141.9 试求一束功率为3.0mW氦氖激光器所发出的光通量为多少lm？发出光的量子流速率N为多少？解：氦氖激光器发出的光为单色光，其波长为e,0.6328=180×3.0×10-3=0.54lmΦ 0.6328

3.0103

0.6328Ne,0.6328

e,0.6328

6.626

1034

31014

=9.55×1018(1/s)1.10 球测太光的值在0.46μm,计太表的度其值光辐度M,,。5解：Me1.309T5

10

15

，太阳黑体的温度T=6232(K)。将温度T代入辐出度公式后得Me,s,λm=1.23×104（W.cm-2.μm-1）青年人正常温度下发出的峰值光谱波长λm为多少微米？如果发烧到38.5℃时的峰值波长又为多少？发烧到39℃时的峰值光谱辐射出射度Me,s,λm又为多少？2898解：人体正常温度下的峰值波长

36.5273

=9.36（μm）发烧到38.5℃时的峰值波长为

289838.5273

=9.30（μm）发烧到39℃时的光谱辐出度

1015=3.87×10-3（W.cm-2.μm-1）1.12 用光谱方式的高温计测得某黑体辐射的最强光谱波长为0.63μm，试计算出该黑体温度。解：根据（1.3-4）式，T=2898/λm=4600(K)某半导体光电器件的长波限为13μm，试求其杂质电离能ΔEi。解：由公式（1.5-9）可以导出

1.24=9.5×10-2（eV）某厂生产的光电器件在标准钨丝灯光源标定出的光照灵敏度为辐射度灵敏度。解：根据标准钨丝灯的光度辐射度转换当量，可以将其转换为辐射度灵敏度为Se=Sv.KW=3.4×103（μA/W）1.15试计算100W标准钨丝灯在0.2sr范围内所发出多少lm的光通量?它所发出的总光通量又为多少？的标准钨丝灯发出的总光通量ΦV=100×17.1=1710lm，是向4π空间发射的。因此，它在0.2sr立体角内发出光通量应为Φ0.2=ΦV0.2=27.23lm1.16若甲、乙两厂生产的光电器件在色温2856K标准钨丝灯下标定出的灵敏度分别为Se=5μA/μW，Sv=0.4A/lm。试比较甲、乙两厂生产的光电器件哪个灵敏度高？敏度转换成辐射度灵敏度后，可见其Se=6.8μA/μW，乙厂光电器件灵敏度较高。1.17已知本征硅材料的禁带宽度Eg=1.2eV，求该半导体材料的本征吸收长波限。

1.24

1.241.2

1.03（μm）1.18在微弱辐射作用下光电导材料的光电导灵敏度表现出怎样的光电特性？为什么要把光敏电阻的形状制造成蛇形？解：根据式（1.6-13），光电导灵敏度与极间距离的平方成反比，因此极间距离越短结构光敏电阻灵敏度越高，故将其做出蛇形。1.19光生伏特效应的主要特点是什么？半导体产生光生伏特必须具备哪些条件？场。1.20为什么说CO2激光器的锗晶体出射窗的两端会产生伏特电压？迎光面与出光面相比哪端电位高？为什么？属于哪种光电效应？解：因为CO2激光器中光子动能很高，会驱使电子沿光路方向移动，因此会产生伏特电压，迎光面的电位高于出光面。属于光子牵引效应。1.21 光电发射材料K2CsSb的光电发射长波限为680nm，该光电发射材料的光电发射阈值应为多少电子伏特？Eth=1239/λL=1.82(eV)。已知某种光电器件的本征吸收长波限为1.4μm，该半导体材料的禁带宽度。Eth=1239/λL=0.885(eV)。思考题与习题22.1为什么本征光电导器件在越微弱的辐射作用下的上升时间与下降时间相差无几？怎样理解光敏电阻的时间响应特性与灵敏度特性这对矛盾？解：出此题的目的是让读者学习光电导器件的光电特性与时间响应特性，复习P26~30应特性与灵敏度特性这对矛盾。2.2为什么在测量光敏电阻暗电阻时要求将其置于暗室一段时间再进行测量？是因为环境温度对光敏电阻的影响吗？解：此题要充分考虑光敏电阻是多数载流子导电的器件，它具有前历效应，为了能够精确地测量出暗电阻必须将光敏电阻置于暗室一段时间使其前历效应消失。并不是环境温度对光敏电阻的影响。2.3光敏电阻的哪个几何尺寸对光电导灵敏度影响最大？采用何种措施能够提高光敏电阻的灵敏度？解：由式（1.6-13）可见，极间宽度l越小，灵敏度越高。原因是光电导灵敏度与极间宽度平方成反比。可以采用将光敏面材料制作成蛇形、梳状等形式，使极间距离尽量小。2.4设某光敏电阻在100lx的光照下的阻值为90~120lx范围内的γ=0.9，试求该光敏电阻在110lx光照下的阻值？解：根据式（2.2-3）=100，E=2.5kΩ，γ=0.9均

1 2 1R2R2=2.296kΩ，可取值2.3kΩ。

图2-825题图2.5 在如图2-18CdS光敏电阻作光电传感器，若已知继电器绕组的电阻为5kΩ，继电器的吸合电流为2mA，电阻器R=1kΩ时，问为使继电器吸合所需要的照度为多少lx？要使继电器在30lx图2-825题图2-18它是半波整流的串联电路，当流过继电器绕组的电流大于2mA时继电器吸合，灯熄灭。电容器C为半波整流电路充电，可为光电控制电路提供稳定的电压源，能够提供稳定的220V电压。流过电路的电流I≥220/(1k+5k+RP)=2mA，因此可以求出光敏电阻的阻值。RP≤104kΩ根据题目给出的已知条件，利用2.4题的计算方法便可以计算出3lx时的阻值R3lx，再根据吸合电流的要求算出偏置电阻R。R3lx=83.33kΩ，串联电阻R=22kΩ。不过，由于光敏电阻光电灵敏度的γ值不可能在这么大的范围内不变，因此该题只是为了训练读者掌握这种解题方法，实用价值不大。2.6已知某光敏电阻在500lx的光照下的阻值为550Ω，而在700lx的光照下的阻值为450Ω，试求该光敏电阻在550lx和600lx光照下的阻值？550lx和600lx光照下的阻值。 =0.596；

lg

lg550550lg500)；R550lx=518.8Ω；lg

lg450600lg700)；R600lx=493.3Ω。2.7设某只CdS光敏电阻的最大功耗为30mW，光电导灵敏度Sg=0.5×10–6S/lx，暗电导g0=0。试问当CdS光敏电阻上的偏置电压为20V时的极限照度为多少lx？解：根据最大功耗找出允许的最大电流IM=PM/Ub=30×10-3/20=1.5mA，由式（2-1）可以计算出极限照度EM=IM/USg=150lx。2.8在如图2-19所示的电路中，Rb=820Ω，Re=3.3kΩ，UW=4V，光敏电阻为RP，当光照度为40lx时输出电压为6V，80lx时为30到100lx源电压Ubb=12V情况下计算：1)输出电压为8伏时的照度为多少lx？2)若Re增加到8为多少lx？3)若光敏面上的照度为70lx，问Re=3.3kΩ与Re=6kΩ时的输出电压各为多少？4)该电路在输出8V时的电压灵敏度为多少（V/lx）？IRP=Ie=VW/Re=1.2mA；再出照度为40lx与80lx时光敏电阻R40lx=（12﹣6）/1.2=5kΩ与R80lx=（12﹣9）/1.2=2.5kΩ输出电压为8V时，光敏电阻的阻值为R8V（12﹣8）/1.2=3.3kΩ，可按式（2-3）计算E8V=60.6lx增加到6kΩ时流过光敏电阻的电流变为I6k=0.67mA，输出电压8V的阻值应为R8V=6kΩ，根据式（2-3）可以计算出此时的照度为33.3lx。3）先求出70lx时的光敏电阻阻值R70=5.7kΩ，再计算Re=3.3kΩ与Re=6kΩ时的输出电压。Re=3.3kΩ时，IRP=1.2mA，U=12-5.7×1.2=5.16V；Re=6kΩ时，IRP=0.67mA，U=8.2V4）输出8V时的电压灵敏度SV=∆U/∆E=0.2/9.4=0.02V/lx。2.9试设计光敏电阻的恒压偏置电路，要求光照变化在100~150lx范围内的输出电压的变化不小于2V，电源电压为12V，所用光敏电阻可从表2-1中查找。解：首先按题目要求设计出光敏电阻恒压偏置电路如图2-20所示。然后根据题目对照图2-0光敏电阻恒压电路度变化的要求从表2-1中选取适当型号的光敏电阻，因没有对RGD4图2-0光敏电阻恒压电路根据题目对输出电压范围的要求计算出电流IP的变化范围。电路中稳压二极管常选用稳定电压在6V2CW6，其稳定电压为IP变化范围计算出电阻Rc。Rb为稳压管工作的偏置电阻，满足稳压管正常工作即可。三极管可选择放大倍率高于80即可。2.10在如图2-16所示的火灾探测报警器电路中，设Ubb=12V，其他电路参数如图中所示，若PbS光敏电阻的暗电阻值为1MΩ，在幅照度为1mw/cm2的情况下的亮电阻阻值为0.2MΩ，问前置放大器VT1集电极电压的变化量为多少？2-16，可知它为恒压偏置电路，因此可根据电路计算出其电流变化范围。暗电流Imin=6V/1MΩ=6μA，Imax=6V/0.2MΩ=30μA，电压变化∆U=2.11如图2-17光敏电阻在1lx时的阻值约为151lx时快门的开启时间为多少？解：首先计算出图2-17快门控制器的放大器阈值电压Uth为电阻R1与RW1的分压值，当RW1=5.1kΩ时，Uth=6V，即电容充电到6V时继电器便可带动快门关闭。将题目给出已知数据代入公式t=（RW2+R）C·lnUbb/Vth便可得到快门开启的时间t。t=0.016s景物照度为1lx时快门的开启时间为0.016秒。2.12得的好处。思考题与习题33.1试比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线，找出它们之间的差异在哪里？若将普通硅整流二极管的PN结反向偏置，并使其曝光，它能够具有光电响应吗？为什么普通整流二极管要进行屏蔽光处理？性确不相同，只有在电压超过击穿电压后才有急剧增加的反向电流。避光处理，以免破坏整流作用。3.2硅光电二极管的全电流方程有哪几项构成？它们各项都有哪些物理意义？若已知硅光电二极管的光电流分别为50μA与300μA，暗电流都为1μA，试计算它们的开路电压为多少伏特？电流。kT II由式（3.1-2）可计算出不同光电流情况下的开路电UOC，U

lnP，将题DID目给出的数据代入上式后得到：U50=102mV；U300=148mV。3.3比较2CU型硅光电二极管和2DU义是什么？解：二者的区别在于衬底材料，以N型硅为衬底的为2CU型，而以P型硅为衬底的为2DU型。引入环极的意义是在反向电压较高时保护PN结不被击穿。目前，随着半导体制造工艺的提高环极基本被取消。3.4影响光伏器件频率响应特性的主要因素有哪些？为什么PN结型硅光电二极管的最高工作频率小于等于107Hz？怎样提高硅光电二极管的频率响应？解：本题的详解见P40~41（3.3.5增大？硅光电池的最大开路电压为多少？为什么硅光电池的有载输出电压总小于相同照度下的开路电压？增加到一定程度后增加的量极小以至于认为不再增加。另外，从光电池的PN结内建电场的建立也可以解释不再增加的原因。硅光电池的最大开路电压为0.7V。硅光电池在有载情况下的输出电压要对负载提供电流，且在负载上产生压降，因此较开路电压要低。3.6硅光电池的内阻与哪些因素有关？在什么条件下硅光电池的输出功率最大？出，最佳负载电阻与入射辐射量有关。3.7光伏器件有几种偏置电路？各有什么特点？3用的偏置电路。3.8已知2CR21型硅光电池（光敏面积为5×5mm2）在室温300K时，在辐照度为100mW/cm2时的开路电压Uoc=550mV，短路电流Isc=6mA，试求：（1）室温情况下，辐照度降低到50mW/cm2时的开路电压Uoc与短路电流Isc。（2）当将该硅光电池安装在如图3-44所示的偏置电路中时，若测得输出电压此时光敏面上的照度为多少？1首根式（3.21计出电的敏度，SIcEλ·A0.24A/mW；50/cm2时的短路电流ISS,A3A；考虑到光电池在室温100mW/cm2时开路电压 Uoc=550mV，短路电流 Isc=6mA，可由U kTln解出暗电流kTlnIU

kTlnI。I=3μA。DID

q D q P D

kTq

kTqlnIP=28.6+208.2=236.8mV。（2）图3-44所示为典型的零伏偏置电路，放大器的负输入端为“虚地”，为此输出电压应为流过反馈电阻Rf出光敏面的照度Ee=If/SA=0.7mW。3.9已知2CR44型硅光电池的光敏面积为10×10mm2，在室温300K时，在辐照度为100mW/cm2时的开路电压200mW/cm2时的开路电压Uoc、短路电流Isc、获得最大功率的最佳负载电阻RL、最大输出功率Pm和转换效率η？解：首先计算出2CR44型硅光电池的灵敏度S，S=Isc/Ee·A=0.28mA/mW。再根据题目给出100mW/cm2的开路电压与短路电流可以获得暗电流信息。

kTln得kTlnIU

kTlnI=463.4mV，将其代入式qq

D q P

kTq

kT2q200mW/cm2

照度下短路电流ISC=Ee·AS=56mA；因此开路电压UOC=463.4+104=567.4mV；最佳负载电阻Ropt=0.7UOC/IP=7.1Ω；最大输出功率Pm=ImUm=22mW；转换效率η=Pm/P=22/200=11%。3.10已知光电三极管变换电路及其伏安特性曲线如图3-45所示，若光敏面上的照度变化为出电压不小于4V的正弦信号，求所需要的负载电阻RL，电源电压Ubb，及该电路的电流、电压灵敏度，并画出三极管输出电压的波形图。解：首先找出辐照度的变化范围，足输出电压幅度不小于4V正弦信号的双峰值，UP~P=2.8U=11.2V；然后在图3-45中200lx曲线的拐点处找到一点“A”,做垂线交横轴与“B”点，在横轴上找到UB+UP~P的点“C”;连接“A”与“C”的直线为负载线。它的斜率为负载电阻。RL=11.2/6=1.867k实际取2kΩ；电源电压取Ubb=20V。电流灵敏度Si=∆I/∆E=6/160=0.0375mA/lx;电压灵敏度SV=∆U/∆E=11.2/160=0.07V/lx;图可见输出电压信号随入射辐射量的增强而降低，表现出反向变化的关系。3.11利用2CU2光电二极管和三极管3DG40构成如图3-46电二极管的电流灵敏度Si=0.4μA/μW，其暗电流Id=0.2μA，三极管3DG40的电流放大倍率β=50，最高入射辐射功率为400μW时的拐点电压UZ=1.0V。求使输出信号UO在最高入射辐射功率时达到最大值的电阻Re值与输出信号UO的幅值？入射辐射变化50μW时的输出电压变化量为多少？Re的电流Ie=(1+β)(Id+IP)=8.17mA设所用电源电压UO的最大值UOm=Ubb－UZ－UbeUOm=10.4V；Re=UOm/Ie=1.3kΩ。入射辐射变化50μW时的输出电压变化量∆U=(1+β)IPRe=1.33V。3.12为什么说楔环探测器能够探测光功率在极角和极轴上的分布？角与极轴上的功率分布。3.134象限光伏探测器件能够探测光斑在平面坐标上的位置吗？试说明用4象限硅光电池探测激光光斑平面位置的原理。解：完全可以。采用4线间的安装角度的不同，采用下面不同的电路形式进行测定。如：①和差电路，见书中（P53~P54）说明；②直差电路见书中（P54~P55）说明。3.14线阵列光伏探测器件为什么要设有一个公共电极？能够用它探测光斑一维位置吗？若用它探测光斑的二维位置该如何设置？了引出线又便捷电路的连接。能够用它探测光斑的一维位置，探测二维位置需要2式的光学系统。3.15你能够用4象限光伏阵列探测器件检测光点的二维位置吗？应该采用怎样的电路原理方框图测量光斑的偏移量？4象限光伏阵列探测器件检测光点的二维位置，测量光斑偏移量的方法可采用如书中P53~P55所示的2种方法。3.16怎样用非晶硅集成全色色敏器件测量物体的颜色？能够用双色硅光二极管测量物体的颜色吗？解：采用如书中P51~P52所述的原理与方法能够用非晶硅集成全色色敏器件测量物体的颜色。而用双色硅光二极管测量物体的颜色较为复杂。3.17何谓PSD器件？PSD器件有几种基本类型？2种基本类型，PAGEPAGE10一维与二维器件。3.18设某一维PSD器件的输出电流I1=2mA，I2=4mA，问光斑偏向1电极还是2电极？解：根据式（3-33）可以看出标志光点位置的x值大于零，表示光点偏于2电极。3.19为什么用一维PSD器件探测光斑位置时越远离PSD几何中心位置的光点检测的误差越大，而靠近PSD中心位置的检测精确度越高？PSD利用了PN结的横向特性，光斑远离中心PN结的横向效应减弱，所以精确度下降。3.20试分析如图UO与入射辐射量的变化关系、说明光照增强时输出电压如何变化？光电二极管都是属于怎样的偏置（正偏、反偏还是自偏）？哪个变换电路能够进入饱和状态？输出电位将降低，该电路能够进入饱和区。而图（b）所示光电变换电路当辐射增强时输出电位将升高，该电路不会进入饱和区。二值化都属于反向偏置电路。思考题与习题44.1试写出N型与P型半导体材料的光电发射阈值公式，指出两种半导体材料光电发射阈值的差异在哪里？它与金属材料的“逸出功”有哪些差异？引入“光电发射阈值”对分析外光电效应有哪些意义？解：对于N型半导体材料，其光电发射阈值En=EA+∆En；∆En为N型半导体的电离能。对于P为半导体材料的禁带宽度。显然，P型半导体的光电发射阈值要高于N型半导体。由于金属材料不存在电子亲合势EA，金属的光电发射阈值与费米能级等同。引入“光电发射阈值”可以将半导体与金属材料的光电发射原理统一起来，便于理解与比较。4.2 为什么真空光电倍增管的光电灵敏度要分为光电阴极灵敏度与阳极灵敏度？两者之间有的哪些差异？的条件和设置的目的不同。阴极灵敏度只与阴极材料与结构有关，没有考虑倍增极的级数、倍增极材料的性质和供电电压等参数。而阳极灵敏度是与倍增极的级数、倍增极材料的性质和供电电压等参数有关。因此为了区别二者，要引入阴极灵敏度与阳极灵敏度。4.3将真空光电倍增管的光电阴极面做成球形有哪些好处？盒栅式与百叶栅式倍增极有对电子的聚焦作用吗？波，使接收的光能效率更高，更有效，失真度更小。盒栅式倍增极有对电子有聚焦，百叶栅式倍增极没有对电子有聚焦。4.4PMT的增益是怎样产生的？PMT各倍增极之间的发射系数δ与哪些因素有关？其中哪些因素能够不改变倍增管材料与结构情况下人为控制与改变增益？增益是由各个倍增极逐级倍增的。各个倍增极之间的发射系数δ不但与倍增极材料、结构有关的发射系数相关，而且还与极间电压有关，调整PMT的供电电压可以在不改变倍增极材料与结构的情况下通过改变极间电压来调整PMT的增益。4.5PMT产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？哪些暗电流随电压的升高而迅速增大？产生暗电流的原因有5PMT管座的清洁、降低PMT的温度、使PMT置于具有黑色金属屏蔽罩内，并使金属屏蔽罩与倍增管的管壁分离20mm，避免玻壳放电现象的发生，使PMT能够工作在更高电压下获得更高的增益，也是抑制暗电流的有效方法。速增大。4.6PMT的主要噪声有哪些？为什么负载电阻增大到一定值时PMT的热噪声可以被忽略？解：PMT的主要噪声有负载电阻的热噪声和电流散粒噪声。热噪声与负载电阻的阻值成反比，增大负载电阻值，热噪声将下降，因此阻值增大到一定程度后，PMT的热噪声与散粒噪声相比可以忽略。4.7怎样理解PMT的光谱灵敏度与积分灵敏度？二者的区别是什么？二者之间存在着怎样的关系？的光谱灵敏度是针对波长很窄范围内（∆λ趋于光谱灵敏度反应了PMTPMT的积分灵敏度是描述PMT对各种入射辐射光谱积分的响应，即对所有入射到光电阴极上的光的响应。积分灵敏度是光谱灵敏度在整个响应光谱范围的积分。也就是说积分灵敏度是PMT对所有入射光的积分效应。4.8为什么PMT必须要加屏蔽罩，而且屏蔽罩还要能够屏蔽电与磁？用什么样的材料制造PMT的屏蔽罩才能屏光、屏电与屏磁？要求屏蔽罩必须与PMT阴极玻璃壳至少分离20mm的原因是什么？解：在PMT的玻壳内电子从阴极出发要经过各个倍增极的飞行，飞行过程中会受到电坏。为使PMT能够不失真地检测出光辐射信息，必须对PMT进行光、电、磁场的屏蔽，要求屏蔽罩必须与光电倍增管阴极玻璃壳至少分离20mm的原因是考虑到玻壳内的阴4.9什么叫PMT的疲劳与衰老？两者之间的差别是什么？为什么不能在明亮的室内观看PMT倍增极的结构？解：PMT工作一段较长时间后因电子不断地轰击倍增极而使灵敏度将下降，若停止工在明亮的室内的强辐射作用下光电倍增管阴极会收到辐射冲击而发出电子，轰击倍增极，且使倍增极发射电子，有可能损坏阴极与倍增极，因此应尽量不在明亮的室内观看。4.10 PMT的短波限与长波限各由哪些因素决定？解：PMT的短波限受玻璃窗口材料对短波长光的吸收和阴极材料本身的吸收系数的影响；长波限受阴极材料的光电发射阈值影响。某PMT的阳极灵敏度为10A/lm，为什么还要限制它的阳极输出电流在50~100μA？解：PMT的阳极灵敏度属于比值关系，10A/lm的阳极灵敏度是按比例计算出来的，阴倍增系数的有效方法，能够综合约束输出功率，供电电压和入射辐射。4.12 已知某PMT的阳极灵敏度为100A/lm，阴极灵敏度2μA/lm，阳极输出电流应限制在100μA范围内，问最大允许的入射光通量为多少lm？解：从已知数据求得PMT的增益SkG，因此，允许的入射光通4.13 PMT的供电电路分为负高压供电与正高压供电，试说明两种供电电路的特点，举例说明它们适用于那种情况？解：PMT阴极电位必须低于阳极电位才能使光电阴极发出的电子经倍增极飞向阳极，地电位，信号处理较为方便。点在于阴极面不易引入噪声。一般的光谱探测器基本都采用负高压方式的供电电路。4.14 已知GDB44F的阴极光照灵敏度为0.5μA/lm，阳极光照灵敏度为50A/lm，长期使用时阳极允许电流应限制在2μA以内。求:lm？75KΩ时，问其最大的输出电压为多少？PMT为12级的Cs3Sb倍增极，其倍增系数为δ=0.2(UDD)0.7，试计算它的供电电压值？1%时，求高压电源电压的稳定度。解：1）首先计算出光电倍增管的增益G=Sa/Sk=2.5×107，允许的最大入射光通量ΦkmSkG=2/0.5×2.5×107=1.6×10-7lm。2）阳极电阻为75KΩ时的输出电压Uo为Uo=IaRa=150mV。Cs3Sb倍增极的倍增系数与电压的关系可以计算出Ubb为：Ubb=（N+1.5）UDD=1053V。4）电源电压的稳定度要求应比输出电压稳定度高出一个百分点，故应该高于0.1%。4.15 试用表4-4所示的PMT GDB-151设计探测光谱强度为2×10-9lm的光谱时，若要求输出信号电压不小于0.3mV，稳定度要求高于0.1%，试设计该PMT的供电电路。解：首先从表4-4中找到GDB-151的基本特性参数，然后理解题目的要求，即设计供电电路。关于设计电路问题，可有多种途径和结果，以下提供一种简便的设计方法。根据表4-4所示，在电源电压为800V时的阳极灵敏度为1A/lm，白光的阴极灵敏度为20μA/lm，可计算出其增益G=5×104。根据增益可以确定出极间电压UDD；UDD=Ubb/（N+1.5）=76.2V；根据阳极电阻的热噪声能够被忽略的条件，可选择阳极电阻Ra=56kΩ；满足阳极输出电压幅度不小于0.3mV的要求，阳极电流Ia≥0.3/56k=5.4μA。流过偏置电阻的电流Ii≥10Ia=60μA；Ri=Ri=100kΩ，R1=150kΩ。采用负高压供电方式，阴极电位为-800V。最终设计出的电路如图4-8所示，图中的C1、C2与C3可根据电路的用途考虑设计，因题目没有给出具体应用，这里暂不考虑。4.16 设入射到PMT光敏面上的最大光通量为φv=8×10-6lm左右，当采用GDB-239型GDB-239为11AgOCs材料，倍增极为AgMg合金材料，阴极灵敏度为10μA/lm，若要求入射在8×10-6lm时的输出电压幅度不低于0.15V，试设计该PMT的变换电路。若供电电压的稳定度只能做到0.01%，试问该PMT变换电路输出信号的稳定度最高能达到多少？解：此题也是多解的设计题。可以根据题目提供的已知数据查找资料进行设计。首先找到该管的阳极灵敏度，从表4-4查到其阳极灵敏度在电源电压为500V时的阳极灵敏度Sa=1A/lm；再设计阳极电阻Ra。既考虑热噪声，又要满足输出幅度的要求。若要求φv=8×10-6lm时，阳极电流Ia=φvSa=8×10-6lm1A/lm=8×10-6A。因UO=IaRa，故Ra≥UO/Ia=18.8kΩ，可取Ra=56kΩ。偏置电阻Ri的设计，考虑到配置电流Ii≥10Ia=80μA；Ri=Ubb/(N+1.5)Ii=500/(11+1.5)×8×10-6=0.55MΩ，可以选取Ri=200kΩ，R1=300kΩ。最终设计出的电路如图4-8所示。4.17 分析如图4-9所示原子发射光谱仪，谱仪外面的聚光透镜在谱仪中起到什么作用？能否将其省略掉？省略后会带来的哪些益处与缺陷？4-9所示的发射光谱仪外面的聚光镜起到将被测光汇聚到谱仪中的作用。如果入射辐射不是太弱，就可以省掉，有聚光镜可能会对部分光谱产生吸收而损耗。4.18 分析如图4-9所示原子发射光谱仪，能否将谱仪内部的第1个反光镜省略掉？省掉后的光学系统又该如何布局？12移到现在光2发出的光谱。当然如果光电接收器件不是线阵CCD，则必须在光电器件前端加一个狭缝，以便获取光谱能量。4.19 分析如图4-12所示测量原理图，将采取怎样的控制方式能够用PMT测量出Eu3+β-NTA螯合物发出的信息荧光？解：可以采用模拟开关的方式将如图4-12所示的光电倍增管输出信号在激光器发光400ns后输出，获得有用的信号输出。4.20 分析如图4-13所示的测量系统，采用2只PMT分别测量620nm和655nm波长的辐射时间分布的意义何在？能否对其测量原理进行适当的变更？2只倍增管可以消除激光器光源不稳定因数的影响；对其测量原理进行适当的变更需要做大量的实验验证。思考题与习题55.1 热辐射探测器的工作通常分为哪两个工作阶段？在哪个阶段能够产生热电效应？解：见书P87页内容。将入射到器件上的辐射能转换成热能阶段和把热能转换成电能两个阶段。显然热电效应是在第2个阶段产生的。5.2 试说明热容、热导和热阻的物理意义，热惯性用哪个参量来描述？它与RC时间常数有什么区别？解：热容、热导和热阻的物理意义需要详细阅读书P86~87页内容从中能够找到热容、热导与热阻的物理意义，也能找到热惯性与RC时间常数关系。5.3 热电器件的最小可探测功率与哪些因素有关？解：阅读5.1.2节内容，从中找到热电器件的最小可探测功率的概念，然后再根据式（5.1-14）找出与之有关的参数。即接收面积A，温度T，调制频率带宽∆f，材料吸收系数k。5.4 为什么半导体材料的热敏电阻常具有负温度系数？何谓热敏电阻的“冷阻”与“热阻”？阻”是受到辐射作用后的阻值。5.5 热敏电阻灵敏度与哪些因素有关？解：热敏电阻的灵敏度有直流灵敏度与交流灵敏度之分，直流灵敏度与电源电压Ubb、度材吸系热阻R关。5.6 热电堆可以理解成热电偶的有序累积的器件吗？并联和串并联等多种方式。5.7设某热探测器件的光敏面积Ad＝1mm2，工作温度T==10Hz,若常数σ=5.67×10-12W·cm-1·K4，波尔兹曼常数k=1.38×10-23J·K-1)。器件仅受温度影响的最小可探测功率为1 2

16

5.671012

1.381023

3005

10 1=1.74×10-11W。5.8 某热电传感器的探测面积为5mm2，吸收系数α=0.8，试计算该热电传感器在室温300k与低温280k时1Hz带宽的最小探测功率PNE、比探测率D与热导G。解：根据PNE的计算公式可以计算出300k的等效噪声功率PNE1 2

160.52

5.671012

1.381023

30051

0.8比探测率D*为121

1 0.5 2 0.8 P

165.671012

1.381023

3005 =1.62×1010热导G为：G

40.52

5.671012

3005=13.78（S）同理，在低温280k时，PNF==8.2×10-7W；

1.9×1010；G=97.6（S）5.9热释电器件为什么不能工作在直流辐射状态？工作频率等于何值时热释电器件的电压灵敏度才达到最大值？度变为零。电压灵敏度达到最大值的条件需要详细的阅读5.3.2节内容。5.10为什么热释电器件总是工作在ωτe＞＞1的状态？在ωτe＞＞1的情况下热释电器件的电压灵敏度如何？解：从5.3.2节可以找到上述问题的解。5.11为什么热释电器件的工作温度不能工作在居里点？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？电现象，因此，热释电器件必须工作在居里点温度以下。响，变得更为复杂。5.12热释电探测器件常与场效应管放大器组合在一起，并封装在同一个管壳内，这样封装有什么好处？器使整体的输出阻抗降低，另外还能减少连接线，便于客户应用。的噪声源，试导出热释电探测器的最小可探测功率的表达式。解：根据最小可探测功率的定义可知，它实际上就是主要考虑电阻R的热噪声功率。即4kTΔf

为只考虑电阻上的热噪声时的等效噪声功率。已知TGS热释电探测器的面积Ad＝4mm2，厚度d=0.1mm，体积比热c=1.67J·cm-3·K-1，若视其为黑体，求T=300K时的热时间常数τT。若入射光辐射Pω=10mW，调制频率为1Hz，求输出电流（热释电系数γ=3.5×10-8C·K-1·cm-2的热容CQ=cAdd，CQ=1.67J·cm-3·K-1×0.04cm2×0.01cm=6.68×10-4J·K-1；再根据式（5.1-12）计算出热导由式（5.3-4）得输出电流Id=AdγdT/dt，对于交流辐射的作用，由式（5.3-9）可得

2

12122电流。

H1212H

G1=0.04×3.5×10-8×6.28×

H1212H

eH1212H5.16 能否将恒流与恒压偏置电路应用于热敏电阻的变换电路？对热敏电阻实施恒压偏置后会带来哪些好处？对于负温度系数的热敏电阻也能够推导出电路的输出电压信号至于入射辐射量成比例的关系。而置于恒压偏置电路中也能找到与“无辐射”时热敏电阻的阻值无关的结论。思考题与习题66.1为什么说LED的发光区在PN结的P区？是否与电子、孔穴的迁移率有关？结LED的发光区在P大于空穴的迁移率，电子会快速到达P区与那里的空穴复合而发光。6.2为什么LED必须在正向电压作用下才能发光？在反向偏置电压作用下的发光二极管能发光吗？为什么？解：LED只有在正向偏置下才能克服内建电场的束缚而跨过结区与空穴复合而发光。不能，在反向偏置电压作用下势垒将提高，电子不能度越结区进入P区，因此不会发光。6.3 LED的发光光谱应该由哪些因素决定？禁带宽度越宽的半导体发光材料发出的光波长越短吗？管的发光光谱主要由禁带宽度决定，也受PN结材料的杂质影响。禁带宽度越宽的半导体发光材料发出的峰值光谱波长越短。的发光光谱有一定的宽度其原因是什么？为什么它的半宽度比半导体激光器的半宽度要宽？PN结材料杂质的影响而产生一定的宽宽了很多，因为半导体激光器具有谐振腔产生谐振，因此它的半宽度非常窄。6.5 已知流过LED的最大功耗为0.5W，LED正向电压是2.3V，问流过它的最大电流是多少mA？解：根据LED发光功率的定义可以计算出流过LED的最大正向电流ILM，ILM=PM/U=0.5/2.3=217mA。将与光电二极管封装在一起构成的光电耦合器件有什么特点？光电耦合器件的主要特性有哪些？解：详见书P1196项。6.7举例说明光电耦合器件可以应用在哪些方面？为什么计算机系统常采用光电耦合器件？为什么步进电机的控制输入信号常通过光电耦合器接入？解：应用光电耦合器的隔离特性与不共地传输信号的特性可以解决很多实际应用问题，内容非常丰富，读者只要认真观察，不难找到典型应用。也不难回答此题。6.8为什么由LED与光电二极管构成的光电耦合器件的电流传输比总是小于1，而由LED与光电三极管构成的光电耦合器件的电流传输比有可能大于等于1？在着损耗，因此电流传输比小于1。它的电流传输比可以大于1。6.9用光电耦合器构成其他逻辑电路？以设计出来。6.10光电耦合器件在电路中的信号传输作用与电容的隔直传交作用有什么差别？有电气联系的信息传输作用，其抗干扰能力强。而电容耦合的隔直传交必须建立在“共地”基础上的电气联系。分析图6-38电路，分别计算出流过电阻R1与R2的电流各为多少mA？6-38可见流过电阻R1的电流是光电耦合器的输入电流，当与门电路的输入均R1的电流当电阻R1有37mA电流流过时，耦合器的光电三极管应处于饱和状态，因此流过电阻R2的电流IR2=（5-0.3）/10kΩ=0.47mA。6.12若图6-38电路中的光电耦合器要求流过LED的电流必须大于调整电阻R1与R3？解：根据IR1=（13.5-0.9-0.3）/R1≥20mA，可以解得R1≤615Ω，可以取R1为560Ω。IR3=（5-0.9-0.3）/R3=20mA，可以解得R3≤190Ω，取R3为180Ω。6.13用如图6-38所示的光电耦合单向可控硅做直流电动机的启动控制器，手册上查到单向可控硅光电耦合器的输入光电流必须大于20mA，LED的正向压降为0.9V，所提供的输入电压不大于5V，试设计控制电路，给出串联电阻的阻值？5V电源通过电阻RR=（5-0.9）/20=0.2kΩ；取串联电阻R为200Ω。6.14试用如图6-40所示的光电耦合双向可控硅做电机控制器，已知双向可控硅光电耦合器的输入光电流必须大于的正向压降为12V，试设计控制电路，给出串联电阻的阻值？解：根据图6-40，当SW1闭合时12V电源将通过电阻R1给LED提供正向电流，当其大于50mA时，双向硅将导通。可知正向电流I=(12-0.9)/R1，R1=(12-0.9)/50=0.22kΩ，可以选择串联电阻200~220Ω的电阻。思考题与习题77.1 光电信息变换有哪些基本类型？将光电信变换划分为6种基本类型的目的与意义是什么？解：光电信变换共分为6种基本类型，分别如7.1.1所述（见P127~129针对性的设计。根据不同类型找到变换方式和注意的问题。7.2全辐射测温属于哪种基本类型？这种类型应采用怎样处理技术才能更好更便利地将所需要的信息检测出来？解：属于第1种类型，信息载荷于光源的方式。流信号，然后再解调出被测信息。测量透明薄膜的厚度要用到哪种基本类型？为什么在测量透明薄膜厚度时需要采用对数放大器？解：属于信息载荷于透明体的方式，根据式（7.1-6）所示的输出信号电压US=Φoξe-μCl可见，利用对数放大器就会得到如式（7.1-7）的关系式，获得输出信号与成线性关系的表达式。故需要利用对数放大器。测量物体表面粗糙度及表面瑕疵面积与性质时应该采用哪种光电信息变换的基本类型？怎样将表面粗糙度及表面疵病信息检测出来？解：采用信息载荷于反射光的方式。详见书中P129所述内容。式（7.1-8）可以将表面粗糙度与表面瑕疵病的信息检测出来。7.5试设计出测量物体边界位置的测量方案。再分析所设计的方案属于哪种光电变换类型？能否采用模-数光电变换电路？为什么在能用模-数光电变换电路时不采用模拟光电变换电路？通常采用模-数光电变换电路，因为采用模-数光电变换电路可以避免光源不稳定对位置信息的影响。7.6在7-62图所示的光电变换电路中，若已知3DU2的电流灵敏度SI=0.15mA/lx，电阻RL=5.1kΩ，三极管9014的电流放大倍率β=120，若要求该光电变换电路在照度变化为20lx的范围情况下，输出电压Uo的变化不小于2V，问：(1) 电阻RB与RC应为多少？(2) 试画出电流I1、I2、IB和IC的方向.(3) 当背景光的照度为10lx时，电流I1为多少？输出端的电位为多少？(4) 入射光的照度为30lx时的输出电压又为多少？∆IcRC=βI1(RB+rbe)RC/(RL+RB+rbe)根据电路，三极管的be结电阻rbe一般很小，在1kΩ左右。可选RB=RL，则满足输出电压要求的RC≥2∆Uo/βI1，取RC=120Ω。（2）I1、I2和IC的方向均为由上至下，IB的方向是自左至右。RL上的压降为∆Uo=βSIERc(RB+rbe)/(RL+RB+rbe)当RB=RL时，∆Uo=10.8V。（4）入射光的照度为30lx时，可以由∆Uo=βSIERc(RB+rbe)/(RL+RB+rbe)计算，但是考虑到给定的电源电压，输出三极管将进入饱和工作状态，输出电压将被限制在11.7V。7.7 模拟光电变换与模-数光电变换电路有什么区别？为什么说模拟光电变换电路受环境条件的影响要比模-数光电变换电路大？模-数光电变换电路中排除了周边环境的光强，或者说数字信息不与光源强度有任何关系，因此，它对光源及周边环境光的要求不高。在如图所示的激光单路干涉测位移的装置中，若用He-Ne激光器作为光源，问：(1) 反光镜M3移动多少毫米光电器件输出的脉冲才为100个数？(2) 该测位移装置的位移灵敏度为多少？若考虑数字电路具有1字测量误差，问此装置位移测量的最高精度为多少？7-14和式（7-35）才能计算出M3移动量L。L=nλ/2=100×0.6328/2=31.64μm。（2）测位移装置的位移灵敏度Sn=∆L/∆n=31.64/100=0.316μm/个。该装置的最高精度为0.31μm。假设两块光栅的节距为0.2mm，两光栅的栅线夹角为1°，求所形成的莫尔条纹的间隔。若光电器件测出莫尔条纹走过10个，求两光栅相互移动的距离？解：需要打开“摩尔条纹测位移”一节的第2莫尔条纹的间隔m d =0.2/2sin(0.5°)=11.46mm；22)L为：L=nd=0.2×10=2mm。7.10 假设调制波是频率为010kHz、振幅为50V，求调幅波的表达式、带宽及调制度。解：调幅波的表达式可以根据式（7.5-3）描述如下：[1mVm的情况下可设置在实验室或实习场所你见到过哪几种光电调制器？它们分别有哪些特点？其作用如何？来回答。思考题与习题88.1 比较逐行扫描与隔行扫描的优缺点，说明为什么20世纪的电视制式要采用隔行扫描方式的电视制式？我国的电视制式是怎样规定的？解：先阅读书中P163~164页内容，从行扫描速度，帧频与显示图像的稳定性等方面进行比较，20世纪受到扫描速度，显示方式和技术难度的限制而使当时的电视制式采用隔行电视制式规定每帧扫描行数为625312.5频15625Hz，行周期为20ms，行正程为18.4ms，行逆程为1.6ms。8.2为什么说N型沟道CCD的工作速度要高于P型沟道CCD的工作速度？同样材料的埋沟CCD的工作速度要高于表面沟道CCD的工作速度的原因是什么？解：因为N型沟道CCD是电子导电的，而P型沟道CCD低于电子，因此，N型沟道CCD的工作速度要高于P型沟道CCD。埋沟CCD的沟道在体内，体内的“缺陷”要少于表面沟道，“缺陷”也被称为“俘获中心”或“态”对运行的电子或空穴有俘获作用，因此同样材料的埋沟CCD的工作速度要高于表面沟道CCD。8.3试说明为什么在相同栅极电压相同的作用下不同氧化层厚度MOS结构所形成的势阱存储电荷的容量不同？氧化层厚度越薄电荷的存储容量为什么越大？解：在相同栅极电压作用下的不同氧化层厚度MOS结构所形成的势阱深度不同，存储电荷的容量就不同。氧化层厚度越薄，势阱深度越深，存储电荷的容量越大。8.4为什么二相线阵CCD电极结构中信号电荷能在二相驱动脉冲的驱动下进行定向转移而三相线阵CCD必须在三相交迭脉冲的作用下才能进行定向转移？CCD的电极结构是氧化层厚度为阶梯式的，能够形成不对称的势阱，不对称的势阱能够决定电子的移动方向，所以在二相驱动脉冲作用下电子能够定向移动。而三相线阵CCD的电极结构不能形成阶梯势阱，不能使电子定向转移。必须靠3相交迭脉冲形成的“阶梯”势阱效应才能驱使电子定向转移。8.5线阵CCD驱动脉冲中设置复位脉冲RS有什么意义？如果线阵CCD驱动器的RS脉冲出现故障而没有加上，线阵CCD的输出信号将会怎样？RS脉冲能够在行转移脉冲到来之前将所有一行移位寄存器内的剩余信号电荷清空，使转移脉冲到来后输入到各个存储器的信号都是上一行积累的信号电荷。如果线阵CCD驱动器的RSCCD的输出信号将会因逐行积累而破坏一行积分的光信号。多行输出后很可能出现饱和输出现象。8.6为什么要引入胖零电荷？胖零电荷属于暗电流吗？能通过对线阵CCD器件制冷消除胖零电荷吗？PAGEPAGE20能通过制冷消除。因为那是有意添加的。8.7试说明为什么线阵CCD的驱动频率有上限和下限的限制？为什么对线阵CCD器件进行制冷能够降低它的下限驱动频率？解：线阵CCD的驱动频率受结构、材料和工作温度的等影响，频率太高，小于电子转间太长，热激发载流子可能进入势阱，破坏信号，所以有下限驱动频率。制冷使工作温度降低，热激发载流子也随之减少，因此制冷能够降低下限驱动频率。8.8为什么线阵CCD的光敏阵列与移位寄存器之间要分别设置并采用转移栅隔离开？存储于光敏阵列中的信号电荷是通过哪个电极的控制转移到双沟道器件的移位寄存器中的？又是通过哪些电极控制从CCD转移出来形成时序信号的？时）才能使二者沟通完成信息的转移。存储于光敏阵列中的信号电荷是通过转移栅脉冲的控制转移到双沟道器件的移位寄存器中。通过移位寄存器上所加的时钟脉冲（2相或4相）将光积分所得的信号从CCD转移出来形成时序信号的。8.9若二相线阵CCD器件TCD1206UD像元数为2160个，器件的总转移效率为0.92，试计算它每个转移单元的最低转移效率应该是多少？8.10帧转移型面阵CCD的图像信号电荷是存储在哪个区域？是怎样从像敏区转移到暂存区的？又是如何从暂存区转移出来成为视频信号的？解：帧转移型面阵CCD形成的图像信号电荷是存储在像敏区。存区的。场正程期间，在行驱动脉冲与存储栅脉冲的共同作用下，在每个行逆程期间在转移脉冲器在行正程期间在驱动脉冲作用下输出一行信号电荷，形成视频信号。8.11帧转移型面阵CCD输出的信号是如何遵守电视制式的？解：简单地说，帧转移型面阵CCD输出的信号是按照电视制式的行、场正逆程时序输出信号的。具体的说，在场逆程（1.6ms）期间，帧转移型面阵CCD完成将图像信号从像敏区转移至存储区的工作；在场正程（18.4ms）期间，按照制式的图像输出方式一行行地遵守CCD完成将一行图像信号从存储区平移向输出移位寄存器转移一行；行正程（52μs）在水平驱动脉冲的作用下将一行图像信号输出，形成一行图像信号。一行行的按制式的行周期输出，直到场正程时间结束。8.12隔列转移型面阵CCD的信号电荷是通过怎样的控制从像敏区转移到水平移位寄存器转移出来成为视频信号的？解：隔列转移型面阵CCD的信号电荷在场逆程期间通过发出转移脉冲将每一列图像信号并行地转移到邻近的列存储器中。然后，在行逆程期间（12μs）隔列存储器并行地向水平移位寄存器转移一行的信号；行正程期间（52μs）在水平驱动脉冲的作用下将一行图像信号输出，形成一行图像信号。8.13在CMOS图像传感器中的像元信号是通过什么方式从像敏区传输出来的？为什么CMOS图像传感器要设置地址译码器？地址译码器的作用是什么？解：CMOS图像传感器的像元信号是通过相应的行与列模拟开关经列放大器输出的。CMOS图像传感器必须设置行与列的地址译码器，因为它的每一个像元都具有行与列进行寻找与变址。图像传感器能够像线阵CCD那样只输出一行的信号吗？试设计出用CMOS图像传感器完成线阵CCD信号输出的方案。CMOS图像传感器的结构设计可以单行输出，它就能够像线阵CCD那样只输出一行的信号。信号将像线阵CCD那样顺序输出。8.15何谓被动像元结构与主动像元结构？二者有什么异同？主动像元结构是如何克服被动像元结构的缺陷的？解：书中P187“2.CMOS成像器件的像元结构”介绍得很详细。简单的说被动像元结构指只有像敏二极管与场效应开关管的像元结构。的滞留图像的影响。CMOS的工作速度和图像质量。CMOS图像传感器的填充因子？提高填充因子的方法有几种？3CMOS图像传感器的填充因子是指具有像敏作用的区域与整个像元面积之比。提高填充因CMOS图像传感器与CCD图像传感器的主要区别是什么？开关输出，而后者是将图像信号通过驱动脉冲顺序地将信号移出器件。8.18为什么CMOS图像传感器要采用线性-对数输出方式？在采用了线性-对数输出方式后会得到什么好处？同时会带来什么问题？CMOS图像传感器必须适应图像灰度的很大变化范围，采用线性-对数输出方式能够满足这项需求。所谓线性-对数输出方式是在图像亮度较低情况下采用线性模式输出，这样在低亮度情况下图像亮度与输出信号的强度呈线性关系，当亮度增加到一定程度后，输出信号的强度不再与亮度线性增长，而以对数方式增加，二者为非线性的。因此引入非线性。8.19敏度彻底为零，将没有图像输出。8.20根据IR220红外热像仪的技术参数说明能否用IR220红外热像仪探测人体的体温？能否将IR220红外热像仪安装在机场候机室入口处，用于检测登机旅客的健康状况？故可以用IR220IR220红外热像仪安装在机场候机室入口处，用于检测登机旅客身体的温度是否正常。8.21试利用热释电器件设计出点扫描方式的热像仪，要求画出点扫描热像仪的原理方框图。题属于设计题，是多解的。思考题与习题99.1为什么要对单元光电信号进行二值化处理？单元光电信号进行二值化处理的方法有几种？各有什么特点？对序列光电信号进行二值化处理的意义有哪些？解：复习“9.1光电信息二值化处理”内容，从中找到解答各问题的解。9.2 举例说明序列光电信号的特点。阵CCD输信典的列电号阵CCD出号为列光信具的点为有始转脉冲H②列每信都有同有效时间段（如TΦ1；③具有严格的“长度（包括周期与序列的脉冲数；④序列中的每个元幅独。9.3采用浮动阈值对单元光电信号进行二值化处理的是什么？能否用单元光电信号自身输出的电压作浮动阈值？若能，该怎样处理？变化信息。9-4所示的电路。9.4 能否采用单元光电信号的浮动阈值电路处理序列光电信号的问题？为什么？解：不能，因为二者输出信号的特点不同，尤其是线阵CCD，它的输出信号是上一行9.5 为什么掌握了序列光电信号的数据采集方法就能够进行单元光电信号的二值化数据采集？试以图9-1所示的装置为例，将图中所示的三个单元光电信号进行二值化数据采集并将二值数据采入到计算机。解：严格地说单元光电信号属于序列光电信号中序列数为1的特例。从图9-1所示装置可以看到，在S、A与B位置上安装的探测器分别输出电压为US、UA和和UB置一个时钟计数器，计满足分辨率需求的时钟脉冲。再设置三个“SDSDS、SDA与与SDB的三态数据输出线分别通过数据总线提供给计算机。当机件开始运动命令下达时启动时钟计数器，计数器开始计数，机件开始运动，当机件运动到S位置，DS由“0”变为“1”，用其上升沿将时钟瞬间所计数据存入SDS。同样SDA与SDB也在机件运动到相应位置时获得数据。DBSDS、SDA与SDB的输出设置为有效，计算机迅速读取与SDB数据，并将其复位；另一方面延时设定时间后让机件返回，再将时钟计数器数据复位。显然，返回时SDB数据为零，而SDS数据大于SDA。计算机获得这样的信息便由软件可以判断出这是返回数据。9.6试说明线阵CCD输出信号的浮动阈值二值化数据采集方法中阈值的产生原理，为什么要采集转移脉冲SH下降沿一定时间后的输出信号幅值的一部分为阈值？P201~202SH下降沿后很短时间T内的CCD输出信号为浮动阈值是考虑到本行输出信号的背景光的强度。因为它反应了同一个积分时间段的光强信号，因此最准确的反应了输出信号的变化。9.7 试说明边沿送数法二值化接口电路的基本原理，如果线阵CCD的输出信号中含有10个边沿（有5个被测尺寸），还能能够用边沿送数二值化接口电路采集10个边沿的信号吗？如果认为太复杂，应采用什么二值化接口方式？解：书中P190页利用图9-10和9-11详细地说明了边沿送数法二值化接口电路的基本需要进行重新设计，参考资料55“梳状体二值化数据采集方法的研究”很好地回答了该问题，请查找。9.8举例说明单元光电信号A/D数据采集的意义，怎样对单元光电信号进行A/D数据采集？解：若需要检测某点的光强度I，需要对该点位置放置的光电二极管的输出电压进行A/D数据采集，这就属于单元光电信号的A/D数据采集。对单元光电信号进行A/D数据采集的问题需要根据所要采集的时间段设置采样脉冲串2个脉冲，分别完成A/D的启动和读出（兼送数到计算机A/D数据采集工作。9.9在线阵CCD的A/D数据采集中为什么要用ΦC和SP作同步信号？其中ΦC的作用是什么？SP的作用又如何？CCD的A/D数据采集中常采用ΦC为行同步信号，因为在线阵CCD的一个输出信号周期内只有一个ΦC脉冲，而且它的后沿正好对应着第一个有效信号的到来时刻。用SP脉冲做像元采样同步信号，因为线阵CCD每输出一个像元信号都对应于一个SP，而且SP与像元的有效输出信号相对于。9.10已知AD12-5K线阵CCD的A/D数据采集卡采用12位转换器ADC1674，它的输入电压范围为0～10V，今测得三个像元的值分别为4093，2121，512，并已知线阵CCD的光照灵敏度为47(v/lx.s)试计算出这三个点的曝光量分别为多少？解：首先找到12位A/D转换器的二进制数所对应的电压值，12位二进制数的幅值为4095，它对应与10V，即212=10V，因此二进制数的每位数字代表2.44mV。分别计算出：V4093=2.44×4093=9.995V；V2121=2.44×2121=5.175V；V512=2.44×512=1.249V。再考虑光照灵敏度与输出电压的关系，则得：H4093=V4093/SH=0.21(lx.s)；H2121=V2121/SH=0.11(lx.s)；H512=V512/SH=0.027(lx.s)。9.11已知RL2048DKQ(26×13μm2)在250～350nm波段的光照灵敏度为4.5V/μJ•cm-2，今用RL2048DK为光电探测器，采用16位的A/D数据采集卡（基准电压为2.5V，满量程输入电压为5V）对被测光谱进行探测，探测到一条谱线的幅度为12500，谱线的中心位置为1042像元上，设测谱仪已被2条已知谱线标定，一条谱线为260nm谱线中心位置在450像元；另一条谱线为340nm谱线中心位置在1550像元。试计算该光谱的辐出度光谱辐能量。解：与上题解的方法类似，一方面先找出16位二进制数的当量N16，再讨论输出幅值；另一方面在假设光谱在CCD像面上波长的分布是线性的（用线阵CCD探测光谱的光谱仪通常在光谱面上CCDN16=5000/216=0.076mV；辐出度为M12500=12500×N16/SM=0.21（μJ•cm-2）；辐能量为：M12500A=0.21×26×10-5×13×10-5=7.1×10-9（μJ）根据已知条件，1024像元在450像元与1550像元之间光谱的分布是线性的，在整个线阵CCD像敏阵列上光谱的分布也是线性的。因此，1024像元对应的波长可以根据线性关系来找。线阵CCD∆n=(340-260)/(1550-450)=0.072nm；在线阵CCD像面上，1024像元距离450像元的差为574=260+0.072×574=301.3nm。9.12一般面阵CCD的A/D数据采集卡采用8位A/D转换器，当某幅图像中所采集到的数据都为127时，说明出现了什么问题（正常数据应为0~255）？解：很可能是镜头盖没有打开，或者面阵CCD相机坏了，没有图像输入。9.13为什么基于PCI总线的图像采集卡不必在卡内设置存储器，而采用PC总线接口、并行接口（打印接口）等的图像采集卡内必须设置存储器？解：因为PCI总线的数据传输的速度很快，足以在A/D转换一个像元数据所用时间内完成数据传输工作，将数据存于计算机内存。9.14简述用软件实现图像白电平与对比度的调整原理与方法。偏大，则将影响对比度的参数降低。偏小，则将影响对比度的参数提高。9.15试用ADC12081转换器设计TCD1500C的A/D数据采集计算机接口卡，要求画出接口卡原理方框图，写出设计说明。解：此题为设计类型的题目，可以有若干个解。解此题需要了解TCD1500C及其驱动器的特点，它的驱动脉冲和掌握能够用来进行行同步与像元同步的脉冲。例如，用SH脉冲或FC脉冲作为行同步脉冲；用SP脉冲做像元同步脉冲。然后，还要了解ADC12081转换器的特性，了解其启动转换、数据转换完成的时刻和数据输出的方式与控制。然TCD1500C的A/D数据采集计算机接口卡是个系统工程。基于PCI总线的线阵CCD数据采集计算机接口卡的原理方框图如下：在TCD1500C驱动器的驱动下输出信号直接送给12位转换器ADC12081进行A/D转换。驱动器输出的行同步信号FC与像元同步信号SP以及时钟脉冲CLK送至同步控制动A/DPCI总线交A/D转换的数据送在PCI控制的A/D数据采集系统完集的数据提供计算机显示屏思考题与习题1010.1如何应用光电测量方法获得小位移量与小角度量信息？解：可以根据7.4节“物理光学方法的光电信息变换”介绍的内容，利用干涉与衍射的方法将小位移量与小角度量进行放大或进行演变，即利用光的干涉或衍射将微位移或微角度变换成干涉条纹或衍射图像，然后再利用图像传感器采集干涉与衍射图样进行图像的测量，利用相应的软件进行分析与计算。获取小位移量或小角度量。题1.2振动题1.2振动测量原理方框图文献CCD测量火炮炮管边界在发射炮弹过程中的振动。图-3原理方框图可以参考图-3图10.2中，计数器在行驱动脉冲周期内计像元SP脉冲。驱动电路控制能够通过光学成像系统将被测的炮管图像的线阵CCD同步工作，输出含有炮管边界的图像信号