光电检测简答题集

光电三极管集电极的作用？

答：光敏三极管的工作有两个过程：一是光电转换；二是光电流放大。光电转换过程是在集基结内进行，与一般光电二极管相同。

光辐射检测器存在哪些内部噪声？

答：光辐射检测器中存在的内部噪声主要由热噪声、散粒噪声、半导体中产生的符合噪声、温度噪声和闪烁噪声。

从结构上分LED有哪几种类型？

答：从结构上，LED有五种类型表面发光二级管（SLED）侧面发光二级管（ELED）、平面LED、圆顶形LED和超发光LED。

什么事光电直接检测系统？

答：所谓光电直接检测是将测光信号直接入射带光检测器光敏面上，光检测器响应于光辐射强度而输出相应的电路或者电压。

根据检查原理，光电检测的有哪几种基本方法？

答：直接作用法、差动测量法、补偿补偿法、脉冲测量法

说明两种类型光敏电阻的用途和原因。

答：本征半导体光敏电阻与杂质半导体光敏电阻。本征半导体光敏电阻的长波长要短于杂质半导体光敏电阻的长波长，因此，本征半导体光敏电阻常用于可见光长波段的检测，而杂质型半导体光敏电阻常用于红外波段光辐射甚至于远红外波段光辐射的检测。

解释什么事单元光电信号？

答：由一个或几个光电转换期间构成的光电转换电路所产生的独立信号称为单眼光电信号。

激光干涉侧长由哪几部分组成？

答：激光光源、干涉系统、光电显微镜、干涉信号处理部分。

什么是产生、复合噪声？

半导体受光照时，载流子不断地产生－复合，电导率起伏引起电流起伏产生的噪声.

试述光纤的结构并分析各部分折射率的关系。

光纤由三部分组成：纤芯n1（玻璃、石英或塑料、n1最大）、包层n2（玻璃或塑料n2< n1）及外套n3. n2< n3< n1.

叙述光电信号检测电路外部噪声产生原因和预防方法

答：外部噪声实际上属于外部扰动，包括辐射源的随机波动和附加的光调制、光路传输介质的湍流和背景起伏。杂散光的入射以及检查系统受到的电磁干扰等。这些扰动可以通过稳定辐射光源、遮断杂光、选择偏振面或滤色光片以及电气屏蔽、电干扰滤波等措施加以改善或消除。

今后光电检测技术的发展趋势有那几点？

答：1.发展纳米、亚纳米搞精度的广电测量新技术。

2.发展小型的，快速的微型光、机、电检测系统。

3.非接触、快速在线测量，以满足快速增长的商品经济的需要。

4.向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展。

5向人们无法触及的领域发展。

6.发展闭环控制的光电检测技术系统，实现光电测量与广电控制一体化。

7.发展光电跟踪与光电扫描技术，如远距离的遥控、遥测技术、激光制导、飞行物自行跟踪和复杂形体自动扫描测量等。

什么是外光电效应？（8分）

外光电效应是指，光照射在金属上，金属向外发射电子的效应。

为什么结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应？必须工作在哪种偏置状态？（12分）

1）正偏效果―――正向导电，电场电流IF较大；光照电流IP相对来说可以忽略，即有无光光照基本上不影响电流大小；正偏时起不到光电检测效果。

2）零偏置或反偏效果―――无光照时有暗电流，即反向饱和漏电流,其值很小，几乎为零；有光照时，电子空穴对增加，光照电流较大，有无光照反差较大，可以作为检测元件，进行光电检测。因此结型器件必须工作在零偏置或反偏工作状态。

是转速测量系统

已知圆盘的孔数为N，光电探测器输出的脉冲信号频率、所示，是转速测量系统，，测量系统为f，求转轴的转速n（单位为r/min）（8 分），

转轴的转速为：

图1 转速测量系统

光源选择的基本要求有那些？

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。

光电倍增管的供电电路分为负高压供电和正高压供电，说明两种电路各有什么特点？

采用阳极接地，负高压供电。这样阳极输出不需要隔直电容，可以直流输出，一般阳极分布参数也较小。可是在这种情况下，必须保证作为光屏蔽和电磁屏蔽的金属筒距离管壳至少要有10～20mm，否则由于屏蔽筒的影响，可能相当大地增加阳极暗电流和噪声。如果靠近管壳处再加一个屏蔽罩，并将它连接到阴极电位上，则要注意安全。

采用正高压电源就失去了采用负高压电源的优点，这时在阳极上需接上耐高压、噪声小的隔直电容，因此只能得到交变信号输出。可是，它可获得比较低和稳定的暗电流和噪声。在微弱辐射作用下，光电导材料的灵敏度有什么特点？为什么把光敏电阻制成蛇形？

在微弱辐射下，光电导材料的光电灵敏度是定值，光电流与入射光通量成正比，即保持线性关系。

因为产生高增益系数的光敏电阻电极间距需很小（即tdr小），同时光敏电阻集光面积如果太小而不实用，因此把光敏电阻制造成蛇形，既增大了受光面积，又减小了极间距。为什么结型光电器件在正向偏置时，没有明显的光电效应？它必须在哪种偏置状态？为什么？

因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有光照时，光电效应不明显。

p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增加

论述光电检测系统的基本组成，并说明各部分的功能？

下面是一个光电检测系统的基本构成框图：

（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。(6分) 在光度单位体系中，基本单位是如何定义的。什么是光视效能？

在光度体系中，被选作基本单位的不是光量或光通量，而是发光强度，其单位是坎德拉（1分）。

定义为一个光源发出频率为的单色辐射，如果在一给定方向上的辐射强度为，则该光源在该方向上的发光强度为1坎德拉（2分）。

光度量和辐射度量之间可以用光是效能与光视效率联系起来。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Kl定义为同一波长下测得的光通量与辐射通量的比之，即单位：流明/瓦特（lm/W）。

大气湍流效应对光束传播的影响有哪些方面，分别加以简单说明。

是一种无规则的漩涡流动，流体质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。这种湍流状态将使激光辐射在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响，出现所谓光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。

光束强度在时间和空间上随机起伏，光强忽大忽小，即所谓光束强度闪烁。波长短，闪烁强，波长长，闪烁小。然而，理论和实验都表明，当湍流强度增强到一定程度或传输距离

增大到一定限度时，闪烁方差就不再按上述规律继续增大，却略有减小而呈现饱和，故称之为闪烁的饱和效应。

接收平面上，光束中心投射点（即光斑位置）以某个统计平均位置为中心，发生快速的随机性跳动（其频率可由数赫到数十赫），此现象称为光束漂移。若将光束视为一体，经过若干分钟会发现，其平均方向明显变化，这种慢漂移亦称为光束弯曲。

如果不是用靶面接收，而是在透镜的焦平面上接收，就会发现像点抖动。

什么是半波电压？对比KDP晶体的横向、纵向应用的特点。

当光波的两个垂直分量Ex￠，Ey￠的光程差为半个波长（相应的相位差为p）时所需要加的电压，称为半波电压。（2分）

横向运用时，存在自然双折射产生的固有相位延迟，它们和外加电场无关。表明在没有外加电场时，入射光的两个偏振分量通过晶后其偏振面已转过了一个角度，这对光调制器等应用不利，应设法消除。（2分）

横向运用时，无论采用那种方式，总的相位延迟不仅与所加电压成正比，而且晶体的长宽比(L/d)有关。而纵向应用时相位差只和V=EzL有关。因此，增大L或减小d就可大大降低半波电压。（2分）

说明光子效应和光热效应各自特点。

1. 光子效应：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的改变。

特点：光子效应对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。

2. 光热效应：探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。

特点：原则上对光波频率没有选择性，响应速度一般比较慢。

（在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。

红外光学系统的特点

（1）红外辐射源的辐射波段位于1μm以上的不可见光区，普通光学玻璃对2.5μm以上的光波不透明，而在所有有可能透过红外波段的材料中，只有几种材料有必需的机械性能，并能得到一定的尺寸，如锗、硅等，这就大大限制了透镜系统在红外光学系统设计中的应用，使反射式和折反射式光学系统占有比较重要的地位。

（2）为了探测远距离的微弱目标，红外光学系统的孔径一般比较大。

（3）在红外光学系统中广泛使用各类扫描器，如平面反射镜、多面反射镜、折射棱镜及光楔等。

（4）8至14μm波段的红外光学系统必须考虑衍射效应的影响。

（5）在各种气象条件下或在抖动和振动条件下，具有稳定的光学性能。

光电探测器性能参数包括哪些方面。

为了评价探测器性能优劣，比较不同探测器之间的差异，从而达到根据具体需要合理正确选择光电探测器件的目的，制定了一套性能参数。

通常包括积分灵敏度，也成为响应度，光谱灵敏度，频率灵敏度，量子效率，通量阈和噪声等效功率，归一化探测度及工作电压、电流、温度及入射光功率允许范围。

光子效应和光热效应

答：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，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。

光热效应和光子效应完全不同。探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。所以，光热效应与单光子能量h 的大小没有直接关系。原则上，光热效应对光波频率没有选择性。只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。值得注意的是，以后将要介绍一种所谓热释电效应是响应于材料的温度变化率，比其他光热效应的响应速度要快得多，并已获得日益广泛的应用。

3请简要说出InSb和PbS光敏电阻的特性。

（1）PbS

近红外辐射探测器

波长响应范围在1～3.4μm，峰值响应波长为2μm

内阻（暗阻）大约为1MΩ

响应时间约200μs

（2）InSb

在77k下,噪声性能大大改善

峰值响应波长为5μm

响应时间短（大约50×10-9s）

为什么说光电池的频率特性不是很好?

答:光电池总的来说频率特性不是很好,这是由于两个方面的原因:

第一,光电池的光敏面一般做的较大,因而极间电容较大;第二,光电池工作在第四象限,有较小的正偏压存在,所以光电池的内阻较低,而且随入射光功率变差,因此光电池的频率特性不好.

直接光电探测器的平方律特性表现在哪两个方面?

答:直接探测器的平方律特性表现在:

什么是热光源

答：物体由于温度较高而向周围温度较低环境发射热量的形式称为热辐射，这种物体称为热辐射源。

何谓"白噪声"？何谓"1/f噪声"？要降低电阻的热噪声应采用什么措施？

答：功率谱大小与频率无关，称为白噪声；功率谱与1/f成正比，称为1/f噪声。热噪声功率公式看出，热噪声与温度、频宽、电阻的倒数成正比，因此要降低温度；常温时，工作范围要在1012Hz频率以下。

什么叫光伏效应？

半导体受光照，产生电子－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。

光敏电阻与结型光电器件有什么区别？（10）

（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。

负电子亲合势光电阴极的能带结构如何？它具有哪些特点？

答：真空能级降到导带之下；量子效率高、光谱响应率均匀，且光谱响应延伸到红外、热电子发射小、光电子的能量集中。

为什么说压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量？

答：当作用在压电元件上的力是静态力时，前置放大器的输入电压等于零，其根本原因在于静态力所产生的电荷会立即通过前置放大器的输入电阻和传感器本身的漏掉，所以压电式传感器只适用于动态测量而不能用于静态测量。