光电检测技术-题库2.doc

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《光电检测》题库一、填空题1.对于光电器件而言，最重要的参数是、和。2.光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和等构成。3.光电三极管的工作过程分为和。4.激光产生的基本条件是受激辐射、和。5.非平衡载流子的复合大致可以分为和。6.在共价键晶体中，从最内层的电子直到最外层的价电子都正好填满相应的能带，能量最高的是填满的能带，称为价带。价带以上的能带，其中最低的能带常称为，与之间的区域称为。7.本征半导体在绝对零度时，又不受光、电、磁等外界条件作用，此时导带中没有，价带中没有，所以不能。8.载流子的运动有两种型式，和。9.发光二极管发出光的颜色是由材料的决定的。10.光电检测电路一般情况下由、、组成。11.光电效应分为内光电效应和效应，其中内光电效应包括和，光敏电阻属于效应。12.半导体对光的吸收一般有、、、和这五种形式。13.光电器件作为光电开关、光电报警使用时，不考虑其线性，但要考虑。14.半导体对光的吸收可以分为五种，其中和可以产生光电效应。15.光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和等构成，光电倍增管的光谱响应曲线主要取决于材料的性质。16.描述发光二极管的发光光谱的两个主要参量是和　　　。17.检测器件和放大电路的主要连接类型有、和等。18..使用莫尔条纹法进行位移-数字量变换有两个优点，分别是和。19.电荷耦合器件（CCD）的基本功能是和。20.光电编码器可以按照其构造和数字脉冲的性质进行分类，按照信号性质可以分为 和。21.交替变化的光信号，必须使所选器件的大于输入信号的频率才能测出输入信号的变化。22.随着光电技术的发展，可以实现前后级电路隔离的较为有效的器件是。23.硅光电池在偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。24.发光二极管的峰值波长是由决定的。二、名词解释1.光亮度：2.本征半导体：3.N型半导体：4.载流子的扩散运动：5.光生伏特效应：6.内光电效应：7.光电效应8.量子效率9.分辨率10.二次调制11.二值化处理12.光电检测技术13.响应时间14.热电偶15.亮度中心检测法三、判断正误1.A/D变换量化误差不随输入电压变化而变化，是一种偶然误差。（）2.采样/保持电路起到信号保持作用的保持电容，电容容量愈大电压下降愈慢，所以保持电容越大越好。（）3.光电倍增管的光电阴极上发射出光电子的最大速度随入射光光子能量的增大而增大。（） 4.影响光电器件探测极限的因素是噪声，噪声是可以消除或减小的。（）5.光电倍增管的光谱响应曲线与光电阴极的光谱响应曲线相同，主要取决于光电阴极材料的性质。（）6.光敏电阻是光电导效应器件。（）7.CCD驱动信号中三相与两相的电极结构是一样的。（）8.CCD器件按像敏元的排列形式可以分为一维和二维两种。（）9.光电耦合器件具有信号传输的单向性，所以只适用于的直流或数字脉冲信号。（）10.雪崩二极管在使用时要加高反向偏压。（）四、简答题1．光电检测器件和热电检测器件的比较。2．简述光电池与光电二极管的区别。3.简述光电检测电路设计依据及其设计要求。4.对于扩散型PiN硅光敏二极管来说，i层主要起到了什么作用？5．简述变像管和像增强管的工作原理及区别？6.探测器件在进行极为微弱的信号探测时，有时要放入液氮中使用，为什么？7.简述光电池与光电二极管的相同点和区别。8.简述光电检测电路的组成及各部分的作用。9.以热敏电阻探测温度为例，分析热敏电阻典型桥路的输出电压变化与热敏电阻温度变化之间关系？10.光电导体的灵敏度大小取决于哪些因素？为什么要把光敏电阻的形状制成蛇形？在微弱的光照下，光电导和光强之间是什么样的关系？11.简述像点轴外偏移检测的像偏移法测位移的工作原理.12.雪崩光敏二极管和光电倍增管的异同？13.帧转移型面阵CCD的组成及工作过程？14.简单画出光电成像系统的原理方框图？15.在微弱辐射作用下，光电导材料的光电灵敏度有什么特点？当辐射增强，该特点有何变化？16.PSD器件的主要特点是什么？画图说明激光三角法测量中PSD的作用。17.CMOS图像传感器与CCD图像传感器的主要区别是什么？18.说明热释电摄像管中斩光器的作用。当斩光器的微电机出现不转或转速变慢故障时，会发生什么现象？ 19.单元光电信号的二值化处理方法有哪些，其各自有何特点？20.激光扫描系统的组成及测量原理21.光栅莫尔条纹的产生原理及在位移测量中的作用和特点？五、分析题1.简述差动法双通道测量系统的工作原理，分析双通道测量系统比单通道测量系统相比有什么优点。2.分析比较增量式编码器与绝对是编码器的异同点。3.分析热释电探测器的工作原理，并进一步说明为什么热释电探测器件要工作在居里温度以下？4.火炮身管直线度测量系统主要由哪些部分组成？分析如何进行身管内膛直线度的测量。5.如何使用激光扫描测量的方式实现圆柱体直径的测量？6.试说明脉冲法激光测距仪的组成及工作原理，并分析其测距精度？7.如下图电路所示，简要说明如何使用光敏电阻实现路灯自动点熄控制？六、设计题1.某造纸厂生产的纸张为宽1米的长条状，需要切成长2米/张，根据下图裁纸机和浮动阈值二值化电路，试设计一个光电检测系统来实现，阐述其原理并画出系统示意图。（a）浮动阈值二值化电路（b）裁纸机2. 试说明脉冲法激光测距仪和相位法激光测距仪的测距原理，并选用适当的方法精确测量出两座建筑物之间的距离Ｌ，要求△Ｌ≈±５ｃｍ，绘制相应的原理框图，并简述其工作原理。3.运用所学知识，设计一套激光监听装置，要求在10米外用激光器照射房间玻璃，监听房间内谈话内容。《光电检测》题库答案一、填空题1.灵敏度弛豫时间光谱响应2.倍增极和阳极3.光电转换光电流放大4.电荷的存储电荷的转移5.非平衡载流子的复合大致可以分为自由电子与自由空穴直接复合和通过复合中心的间接复合。6.在共价键晶体中，从最内层的电子直到最外层的价电子都正好填满相应的能带，能量最高的是价电子填满的能带，称为价带。价带以上的能带基本是空的，其中最低的能带常称为导带，价带与导带之间的区域称为禁带。7.本征半导体在绝对零度时，又不受光、电、磁等外界条件作用，此时导带中没有电子，价带中没有空穴，所以不能导电。8.载流子的运动有两种型式，扩散运动和漂移运动。9.发光二极管发出光的颜色是由材料的禁带宽度决定的。10.光电检测电路一般情况下由光电器件、输入电路、前置放大器组成。11.光电效应分为内光电效应和外光电效应，其中内光电效应包括光电导效应和生伏特效应，光敏电阻属于光电导效应效应。12.本征吸收杂质吸收激子吸收自由载流子吸收晶格吸收13.灵敏度14.本征吸收杂质吸收15．二次发射倍增系统阴极光电阴极16.峰值波长半宽度17.电压放大型电流放大型阻抗变换型 18.位移的放大作用误差的平均效应19.电荷的存储电荷的转移20.增量式编码器、绝对式编码器21.上限截止频率22.光电耦合器件23.零24.禁带宽度一、名词解释1.光亮度：光源表面一点处的面元dA在给定方向上的发光强度dI与该面元在垂直于给定方向的平面上的正投影面积之比，称为光源在该方向上的亮度：，单位为坎德拉每平方米（cd/m2）。2.本征半导体：完全纯净和结构完整的半导体称为本征半导体。3.N型半导体：施主能级离导带底较近，杂质的束缚能级略低于导带底，这样就可以在常温下，将束缚态中的电子激发到导带而使导带中的电子远多于价带中的空穴，这种主要由电子导电的半导体称为N型半导体。4.载流子的扩散运动：在载流子浓度不均匀情况下，载流子无规则热运动的自然结果，一般将载流子由热运动造成的从高浓度处向低浓度处迁移的运动称为扩散运动。5.光生伏特效应：是把光能转变为电能的一种效应，它是光照射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。6.内光电效应：光敏物质吸收光子后，电子从基态激发到高能态而脱离原子核的束缚，在外电场使用下参与导电的现象。7.光电效应：当光照射到物体上使物体发射电子或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照引起物体电学特性的改变称为光电效应。8.量子效率：在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。9.分辨率：用来表示能够分辨图像中明暗细节的能力。10.二次调制：将载波随时间/空间变化，形成多变量载波信号，然后再使其特征参量随被测信息改变的方法称作二次调制。11.二值化处理：将光电信号转换成0、1数字量的过程称为光电信号的二值化处理。12.光电检测技术：是一种非接触测量的高新技术。它以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载荷有被检测物体信息的光辐射进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，再经A/D转换输入计算机进行运算处理，最后显示或打印输出。13. 响应时间：描述光电探测器对入射辐射响应快慢的一个参数，即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电探测器的输出上升到稳定值或下降到照射前的数值所需的时间称为响应时间。14.热电偶是一种热敏元件，在接收辐射后引起温度升高，随之产生温差电势，使用时不外加电源。15.亮度中心检测法:通过测量目标物空间的亮度分布相对应的像空间照度分布，确定目标能量中心位置的方法称作亮度中心检测法一、判断正误1.A/D变换量化误差不随输入电压变化而变化，是一种偶然误差。（×）2.采样/保持电路起到信号保持作用的保持电容，电容容量愈大电压下降愈慢，所以保持电容越大越好。（×）3.光电倍增管的光电阴极上发射出光电子的最大速度随入射光光子能量的增大而增大。（√）4.影响光电器件探测极限的因素是噪声，噪声是可以消除或减小的。（×）5.光电倍增管的光谱响应曲线与光电阴极的光谱响应曲线相同，主要取决于光电阴极材料的性质。（√）6.光敏电阻是光电导效应器件。（√）7.CCD驱动信号中三相与两相的电极结构是一样的。（×）8.CCD器件按像敏元的排列形式可以分为一维和二维两种。（√）9.光电耦合器件具有信号传输的单向性，所以只适用于的直流或数字脉冲信号。（√）10.雪崩二极管在使用时要加高反向偏压。（√）二、简答题1.光电检测器件是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件，响应波长有选择性，相应快；热电检测器件是将辐射能转换成热能，再将热能转换成电能的器件。响应波长无选择性，相应慢。2.相同点：均为光生伏特器件；不同点：光电二极管PN结面积小于光电池；光电池无需偏压，光敏二极管一般在负偏压的情况下使用。3.灵敏的光电转换能力 快速的动态响应能力最佳的信号检测能力长期工作的稳定性和可靠性4.对于扩散型PiN硅光敏二极管来说，i层主要起到了什么作用？答：i层为高阻区，承受大部分外加电压，使耗尽区增大，展宽了光电转换的有效工作区域；提高了灵敏度；i层一般选择高电阻率的基体材料，提高了串联电阻，提高了击穿电压；提高了频率响应。5.简述变像管和像增强管的工作原理及区别？工作原理：都是光电阴极接收辐射，将光学图像转换为电子数密度图像，加有正高压的阳极起到了电子透镜的作用，使阴极发出的电子聚焦成像在荧光屏上，最终得到目标物的图像。区别是：变像管是将不可见图像转换为可见图像的器件，而像增强管是把强度低于视觉阈值的图像增强到可以观察程度的光电成像器件。6.探测器件在进行极为微弱的信号探测时，有时要放入液氮中使用，为什么？答：载流子无规则的热运动造成的噪声称为热噪声。当温度高于绝对零度时，导体或半导体中每一电子都携带着的电量作随机运动，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。其平均值为：当时，而且，光电探测器件绝大多数都是半导体材料，受温度影响很大。综上所述，当探测器件在对微弱的信号探测时，为了减少温度的影响，放入液氮中使用，是非常行之有效的办法。7.简述光电池与光电二极管的相同点和区别。相同点：光敏二极管和光电池都是利用入射光照射到P-N结上产生光生伏特效应的器件；不同点：光电池结面积较大而光电二极管的结面积较小，光电池不需要加偏置电压而光电二极管需要通过施加负偏压提高灵敏度。8.简述光电检测电路的组成及各部分的作用。 答：光电检测电路由光电器件、输入电路和前置放大器组成。光电器件把被测光信号转换成相应的电信号，而输入电路则是为光电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变换，同时完成和前置放大器的电路匹配。光电器件输出的微弱电信号由前置放大器进行放大，前置放大器另一作用是匹配后置处理电路与检测器件之间的阻抗。9.以热敏电阻探测温度为例，分析热敏电阻典型桥路的输出电压变化与热敏电阻温度变化之间关系？电桥电路如图下所示，其中，和的其暗电阻分别为和，并且有，与关系存在。答：当无外来辐射照射时，调节补偿电阻，使电桥平衡。此时，电桥输出。当有辐射作用于热敏电阻上时，升温引起电阻的变化为，此时平衡被破坏，开路输出电压为：又由给出的已知条件，上式可以化简为：可见输出电压与成比例，并与负载电阻有关。10.光电导体的灵敏度大小取决于哪些因素？为什么要把光敏电阻的形状制成蛇形？在微弱的光照下，光电导和光强之间是什么样的关系？答:光电导体的灵敏度可以用光电增益Ｇ表示：。光电导体的非平衡载流子寿命越快，迁移率越大，电极间距越小灵敏度越高。（2分）做成蛇形使电极间距ｌ变小，提高了光敏电阻的灵敏度。（2分）微弱的光照下，光电导和光强之间是直线性光电导关系。（1分）11.简述像点轴外偏移检测的像偏移法测位移的工作原理. 当将光束照射到被测物体时．用成像物镜从另外的角度对物体上的光点位置成像，通过三角测量关系可以计算出物面的轴向偏移。激光器发出的光线，经汇聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上。物体移动或其表面的变化入射点沿光轴方向移动。入射点处的散射光径接收透镜入射到（CCD或PSD）光电探测器上。被测表面偏移时，照明光点从移到，相应像点从偏移到，则。只要测出像点的横向偏移量A，即可计算出待测的物面轴向偏移。12.光电倍增管由光入射窗、光电阴极、电子光学系统、倍增极、阳极组成，光入射到光电阴极产生电子发射，发射的电子在电场和电子光学系统的作用会聚加速到倍增极上，经N级倍增后，电子被放大N次，最后最阳极收集。外形较大，多用于快速、精密微光测量的场合。（3分）雪崩光电二极管与光电倍增管不同，是基于内增益机理，当所加的反向偏压足够大时，在结区产生一个很高的电场，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。13.该器件由相同像素数量的成像部分、存储部分和读出寄存器三个基本部分组成。（2分）场正程期间（18.4ms）图像的二维信号电荷被积累在成像区；场逆程期间（1.6ms）通过加在成像区和存储区电极上的时钟脉冲使成像区的整场信号电荷快速转移到存储区；下一个场正程期间，成像区积累光生电荷生成下一场电像，存储区所存的上一场图像信号电荷在时钟脉冲作用下，在行逆程期间（12微秒）将一行光生电荷送进读出寄存器，从而使存储区内各行光生电荷向读出寄存器方向进一次；在行正程期间，在读出寄存器脉冲的驱动下，使一行信号电荷向输出结构依次转移，经输出极输出。14.15.微弱辐射作用下，输出光电流与输入辐射通量具有线性关系；辐射增强，呈抛物线光电导。16.PSD对入射到光敏面上的光位置敏感，对光斑的形状没有严格要求，光敏面无需分割 可以连续测量光斑在光敏面上的位置变化。17.CCD以电荷耦合为基本特征，围绕信号的产生、存储、转移和读取来工作，以行为单位对信号进行读取。CMOS的信号读取方式相对灵活，既可以以移位寄存器的形式以行为单位读取信号，也可以只输出某一行或某一列的信号，还可以输出某些点的信号。18.斩光器的主要作用是将恒定的辐射变为交变辐射作用在热释电器件上，当输入辐射恒定，而斩光器微电机不转或转速变慢时，输出信号为零或很小。19.固定阈值法：当输入光电信号高于固定电位Uth时，比较器输出高电平，即为1；否则输出低电平。该电路简单可靠，但受光源的不稳定影响较大，需要稳定光源。浮动阈值法：阈值电压为从光源分得一部分光加到光电二极管上，光电二极管在适当偏压下输出与光源的发光度成线性变化的电压信号，以此信号作阈值，即可得到随发光强度浮动的阈值Uth。将Uth加到比较器的反向输入端，将检测信号的输出加到电压比较器的同向输入端，在输出端得到的信号为随发光强度浮动的二值化信号，当被测信号高于阈值时输出高电平。浮动阈值法避免了光电检测系统的精度受光源的稳定性的影响。20.系统组成：激光器、扫描阵镜、透镜、物镜、接收器件21.两个光栅以一定角度相互重叠，产生的明暗交错的条纹就是光栅莫尔条纹。光栅莫尔条纹具有位移放大作用、位移对应关系和误差平均效应。一、分析题1.答：差动法双通道测量系统工作原理：光源发出的光借助于反射镜和透镜分别沿着基准通道和测量通道并行传送，在基准通道放置具有已知透过率的标准样品，出射光经检测器件１接收作为参考信号，在测量通道放置待测样品，出射光经检测器件２接收并与参考信号比较处理，从而得到测量结果。与单通道相比，双通道测量系统能够消除由于光源波动和温度变化带来的影响。2.答：（１）增量式编码器图案均匀，光信号脉冲一样，可把任意位置作为基准点，从该点起将位移或转角按一定的量化单位检测，计量脉冲数即可折算成位移或转角。零点可以任意予置，测量范围仅受计数器容量限制而与光学器件无关。没有确定的测量点，断电则丢失当前位置，噪声的影响造成计数误差会逐渐积累，无法输出绝对位置信息。（2分）　（２）绝对式编码器图案不均匀，光信号脉冲不一样，它是在可运动的光学元件的各位置坐标上刻制出表示相应坐标的代码形式的绝对地址，在元件运动过程中读取这些代码实现实时测量坐标的变化。坐标固定，与测量前的状态无关，不需要运动时的位置重合；抗干扰能力强，无误差累积；切断电源信号消失，但通电后能恢复原状态；信号并行传送，不需要方向判别和可逆计数等。可将任意位置取作零点时需进行一定的运算。（3分）3. 工作原理：用交变的入射辐射照射热释电晶体，使得晶体的温度、晶体的自发计划以及由此因此的面束缚电荷均随入射辐射的频率变化而变化，如果频率较大，体内电荷来不及中和，结果就使得晶体在与极轴垂直的两端面间出现开路交流电压。如果接上相应负载，就会在负载的两端产生交流信号电压。（3分）热释电器件的极化强度与温度有关，温度升高，极化强度降低，升高到一定温度，自发极化就突然消失，这个温度称为“居里温度”。在居里点以下，极化强度是温度的函数，热释电探测器件就是利用这点制造出的热敏类探测器。即热释电探测器件要工作在居里温度以下。4.火炮身管直线度测量系统主要由激光器、光束准直系统和光电接收及处理电路组成。激光器可采用氦氖激光器，激光器、接收器选用四象限光电池，固定在靶标上，两者分别放置于炮口和炮尾。将激光束的强度中心作为直线基准，调整使其对准四象限光电池的检测中心，移动靶标，探测器件输出信号，信号处理后输入到记录器上记录不直度曲线。5.激光光束入射到以固定角速度旋转的转镜反射面上，反射光束经反射光学系统变成平行于光轴的扫描光束，再通过接收光学系统被光电传感器接收。接收器采集到这种光强调制信号后，经光电转换系统变成电信号，由微机实时数据处理，便可得到工件被测部位的直径测量结果。6.测距仪的测距原理都是发射光的调制信号，经目标返回，由光敏元件接收，转换为电信号后经处理计算出被测距离L，若发射接收的时间间隔为t，则。（叙述2分，图1分）脉冲法激光测距仪的原理是，时间间隔为△ T的时钟脉冲在门控制电路的作用下向脉宽为t的信号方波内填充脉冲，并用计数器计数，若计数值为N，则得：，则（叙述2分，图1分）脉冲法激光测距的最小可测距离Lmin由时钟脉冲频率f决定。f越高，Lmin越小。一般f可达300MHz，对应的Lmin为0.5m。（1分）7.光敏电阻在光照强（白天）的时候电阻小、电路中电流变大，能驱动继电器，关闭路灯，在光照弱（晚上）的时候电阻大电路中电流变小，不能驱动继电器，继电器就会接通另一开关，从而打开路灯。一、设计题1.控制刀下落光电接收器分束镜光源 光源发出的光被分束镜分为两路，一路经履带边缘透过被光电检测器件接收变成电压信号Ui，成为浮动阈值电路的输入端，另一路直接进入阈值电路的光电转换器件转换成阈值电压。当纸进入接收器视场时，光电器件输出光电流减小，引起输出电压的跳变，此时输出信号Uo为低电平，裁纸刀下落，纸切断后，器件又恢复照亮时的状态，输出信号Uo为高电平，裁纸刀抬起，如此反复，实现自动裁剪。2.答：测距仪的测距原理都是发射光的调制信号，经目标返回，由光敏元件接收，转换为电信号后经处理计算出被测距离L，若发射接收的时间间隔为t，则。脉冲法激光测距仪的原理是，时间间隔为△T的时钟脉冲在门控制电路的作用下向脉宽为t的信号方波内填充脉冲，并用计数器计数，若计数值为N，则得：，则脉冲法激光测距的最小可测距离Lmin由时钟脉冲频率f决定。f越高，Lmin越小。一般f可达300MHz，对应的Lmin为0.5m。（1分）相位法激光测距仪的原理是间接的测定调制光波经过的时间t后产生的相位移，以代替测定时间t，（为光通量变化的角频率，f为调制光波的调制频率）从而求出光波所经过的路程L。即：。相位法激光测距的最小可测距离Lmin由和f决定，若△=±1o ，则当f=10MHz时，对应的Lmin为4cm。通过比较得出，精确测量出两座建筑物之间的距离Ｌ，要求△Ｌ≈±５ｃｍ，需要采用相位法激光测距仪。采用半导体激光器作为辐射源，使用谐波电压供电，从而得到接近正弦的辐射光波，激光辐射经光学系统发射到放置在另一建筑物的反射镜上，接收器接收的信号相位改变了，代入上述公式，即可计算出两座建筑物之间的距离Ｌ。3.激光监听与声源定位系统是利用激光获得室内被监听对象内容及位置信息。本文提出一种基于四象限探测器的设计方案，其工作原理为声源的振动引起玻璃表面的受迫振动，准直的激光光束经玻璃反射后产生载有声源振动信息的反射光，利用四象限探测器(QD)各象限的光积分关系分析反射光斑中心位置信息，并处理即可还原声音信息，可有效地消除背景光的干扰。声波经过空气传播至窗户、水杯等玻璃物体时，会产生声压于玻璃表面，引起玻璃振动。玻璃表面的反应只和直接作用在上面的局部声压成正比[5]。因此利用激光束照射到玻璃表面时，受声波振动影响的玻璃会调制反射激光。激光监听与声源定位系统能够实现两个功能，对被监测的房间室内的还原，以及对声源位置的定位。声音信息还原部分实质上是一台激光监听仪，它主要由激光器及其光机结构，四象限探测器及其驱动控制处理电路组成。定位功能由三台激光监听仪和到达时差法定位模块两部分共同实现。系统原理结构如图所示。系统原理结构图