广东海洋大学光电传感技术

量子流速率：在给定波长λ处的很小波长范围dλ内发射的辐射通量dθ与该波长的光子能量hv的商为光源在该波长λ处每秒发射的光子数，称其为光谱量子流速率。

物理含义：量子流速率反应光源单位时间发出可见光波段的量子数。

人眼的光视效率：在0.555μm处最为敏感。

辐射体：辐射体温度越高，它的可见光成分越多，光视效能越高，光度量越高，标准钨丝白炽灯的供电电压降低，灯丝温度降低，可见光光谱成分减弱，光视效能降低，用照度计检测光照度，照度显著下降。

半导体对光的吸收：本征吸收，杂质吸收（杂质吸收的长波长总长于本征吸收的长波长），激子吸收，自由载流子，晶格吸收。

只有本征吸收和杂质吸收能直接产生非平衡载流子引起光电效应。

内光电效应：1.光电导效应：本征光电导效应和杂质光电导效应。2.丹培效应：由于载流子迁移率的差别产生受照面与遮光面之间的伏特现象。

光电效应：1.内光电效应：被光激发所产生的载流子仍在物质内运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特现象。2.外光电效应：被光激发所产生的电子逸出物质表面形成真空中电子的现象，是真空摄像管、变相管、像增强管的核心技术。

光电发射器不同于内光电器件的特点：1.光电发射器中的导电电子可以在真空中运动，因此可以通过电场加速电子运动的动能，或通过电子的内倍增系统提高光电探测灵敏度。使它能高速度地探测极其微弱的光信号，是像增强管和变相器基础。

2.很容易制造出均匀的大面积光电发射器件，在光电成像器件方面非常有利。一般真空光电成像器件的空间分辨率要高于半导体光电图像传感器。

3.光电发射器件需要高稳定的高压直流电源设备，使整个探测器体积庞大，功率损耗大，不适用于野外操作，造价也昂贵。

4.光电发射器的光谱响应范围不如半导体光电器件宽。

钨丝白炽灯的温度越高，它发出的辐射出射度越强。

维恩位移定律：气体放电灯特点是发出光谱为线光谱，带状光谱。

钠蒸气原子辐射出5890*10-10m和5896*10-10m双黄光。

除激光光源外，脉冲氙灯亮度最高，光谱分布范围也宽。

水银蒸汽灯：在石英玻璃管中，用作标定光谱仪器的已知光谱光源。

发光二极管发射光谱的峰值波长由材料的禁带宽度决定。

半导体发光二极管光源：1.体积小，重量轻，便于集成，构成不同几何形状的光源。

2.工作电压低，耗电少，驱动方便，响应速度快。

3.既有单色性好的各种单色LED，又有能偶高效发出大功率的白光LED。

4.LED发光亮度高，发光效率高，发光亮度便能较大范围调整，被广泛地应用的大屏幕图像显示，并取代目前的多种照明灯，节约能源。

提高外部量子效率的措施：1.用比空气折射率高的透明物质，如环氧树脂涂敷在发光二极管。

2.把晶体表面加工成半球形。

3.用禁带较宽的晶体作为衬底，减少晶体对光吸收。

激光产生机理：1.激光物质自发/受激辐射，受激辐射占主导地位。2.粒子数反转，使激发态载流子数远大于基态的载流子数。3.谐振腔。

氦氖激光器结构：放电管、光学共振腔、激光电源组成。

半导体激光器特点：效率高，工作电压低，功率损耗小，驱动与调整方便。电子束激励和注入式两种。

降压使用钨丝灯，它的使用寿命将如何变化，它发出的峰值光谱波长如何变化，发光效率又如何变化？降压使用，灯丝温度降低，光通量减少，发光光谱的长波分量力高，发光效率减小，好处是灯的寿命大为提高。

LED光源与LD光源本质区别为？哪种光源相干性好？1）LED是利用注入有源区的载流子自发辐射复合发光，且发光主要发生在P区，而LD是受激辐射复合发光2）结构上差别：LD有光学谐振腔，使产生的光子在腔内振荡放大，LED没有谐振腔。LD光源的相干性更好一些。

光敏电阻：体积小，坚固耐用，价格低廉，光谱响应范围宽，广泛应用于微弱光探测。

分为1）本征型半导体光敏电阻2）杂质型半导体光敏电阻。

本征型半导体（可见光探测）长波长短于杂质型半导体（红外/远红外光探测）

光敏电阻基本结构：1）光电导材料的光电导灵敏度Sg与光电导材料两电极间距离L有关。2）光电导材料在微弱辐射作用的情况下，光电灵敏度与光敏电阻两电极间距离l的二次方成反比。3）在强辐射作用的情况下光电导灵敏度Sg与光敏电阻两电极间距离的2/3次方成反比。

伏安特性：具有与普通电阻相似伏安特性，电阻值是随入射光度量变化。

时间响应：光敏电阻在弱辐射作用下的上升时间常数与下降时间常数近似相等。

前例反应：光敏电阻在被强辐射照射后，其阻值恢复到长期处于黑暗状态的暗电阻RD所需时间相当长。

噪声特性：热噪声，产生复合噪声，低频噪声。

光生伏特器件：暗电流小，噪声低，响应速度快。光电导器件对微弱辐射的探测能力和光谱响应范围远优于光生伏特器件。

漂移时间：在PN结区内产生的光生载流子渡越结区的时间，在此区间光生载流子以漂移运动的方式渡越结区。

扩散时间：在PN结区外产生的光生载流子需要扩散到PN结区内才产生电流。

延迟：由于PN结电容Cj和管芯电阻Ri及负载电阻Rl构成RC时间延迟。

雪崩光敏二极管：PN结光敏二极管，灵敏度高。

雪崩光敏二极管有内增益效应，它利用光生载流子在强电场内的定向运动，产生雪崩效应获得光电流增益。

在雪崩过程中，光生载流子在强电场的作用下高速定向运动，具有很高动能的光生电子/空穴与晶格原子碰撞，使晶格原子电离产生二次电子/空穴对，二次电子/空穴对在电场作用下有足够的动能，又使晶格原子产生的电子/空穴对。

硅光电池：不需加骗纸电压就可把光能直接转换成电能的PN结光电器件。

光电池最大转换效率与入射光的波长及材料性质有关。

光敏晶体管：1）光电转换2）光电流放大。

光敏晶体管时间响应一下四部分：1）光生载流子对发射结电容Cbe和集电极电容Cbc的充放电时间。2）光生载流子渡越基区所需要的时间3）光生载流子被收集到集电极的时间4）输出电路的等效负载电阻Rl与等效电容Cce所构成的RC时间。

色敏光生伏特器件：根据人眼视觉的三原色原理，利用不同厚度PN结对不用波长的吸收特性制成的能够分辨彩色光源/物体颜色的器件。

光电位置敏感期间：PSD工作原理：当光束入射到PSD光敏层上距中心点的距离为Xa时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过P型层电阻分别由电极1与2输出。

考点：PSD主要特性，属于特种光伏器件，基本特性与一般硅光伏器件相同。作为位置传感器，PSD有其独特的位置检测特性，近似线性，越接近中心位置测量误差越小。

光电发射器件：包括真空光敏二极管，光电倍增管，变相管，像增强管和真空电子束摄像管等器件。

灵敏度极高，响应快，在微弱辐射的探测和快速弱辐射脉冲信息捕捉。

光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？

产生暗电流的原因有1）欧姆漏电2）热发射3）残余气体放点4）场致发射5）玻璃壳放电和玻璃荧光。方法：1）直流补偿2）选频和锁相放大3）冷却光电倍增管4）增加电磁屏蔽5）采用磁场把未被照射的光电阴极边缘暗电流的电子散射掉。

热电传感器件：是入射到器件上的辐射能转换成热能，然后再把热能转换为电能。

热敏电阻特点：1）热敏电阻温度系数大，灵敏度高，温度系数通常比一般金属电阻大10~100倍2）结构简单，体积小，可测量近似几何点温度。3）电阻率高，热惯性小，适宜做动态测量4）阻值与温度的变化关系呈非线性5）稳定性和互换性更差。

任何波长的辐射能量都能使晶格的振动加剧，产生晶格吸收使热敏电阻产生温升，因此，热敏电阻对辐射的波长无选择。

热敏电阻最小可探测功率受噪声因素影响：1）热噪声2）温度噪声3）电流噪声

热电偶探测器：高低温的温度探测领域。

热敏电阻的特殊用途：1）结构简单，灵敏度高和响应速度快的温度计和温度补偿与控制的设备2）无动接点的特殊开关3）音量限制器或调节器4）压力机、流量计以及简单的气体和液体导热计；5）时间延迟和浪涌抑制器6）用于较低频率的特种振荡器、调制器和放大器。

热释电器件：应用于热成像探测技术中的探测器。

单元扫描图像传感器必须具以下条件：1）单元光电传感器的面积与被扫描图像的面积相比必须很小，才可将图像分解为一个像敏单元电。2）单元光电传感器必须对图像发出的各种波长的光敏感。3）单元光电传感器必须相对被分解图像做有规则的周期运动。且扫描速率应该较图像的变化速率快。

由于光敏单元的输出信号是时间的一元函数（时序信号），因此该光机扫描机构将光学图像解析成一维的视频信号输出。

减小光电传感器的面积是提高光机扫描方式分辨率的有效方法。

CCD与CMOS等自扫描方式的图像传感器水平与垂直分辨率分别与器件本身在两个方面上分辨能力有关。

图像的显示与电视制式：CRT电子扫描显示方式，LCD显示方式，LED背光液晶显示方式。电视制式：NTSC彩色电视制式PAL彩色电视制式SECAM彩色电视制式

阴极管射线管显示器：利用气体放电现象产生自由电子，借助粒子聚焦作用形成细长的电

子束，能提供聚集在荧光屏上的一束电子以便形成直径小于1mm的光电。在电子束附近加上磁场或电场，电子束将会偏转，显示出由电势差产生的静电场，或由电流产生的磁场。可以进行大画面高密度的图像显示，进行全色动态图像的显示，采用电子束扫描方式，需要驱动电极数量极少。

液晶显示器：1）是实现了低工作电压和低功耗，使之与COMS集成电路的结合成为可能；2）是适应了时代的需求——薄型化，而且改进了对比度，通过使用彩色滤光片谋求实现特性优异的彩色显示。

液晶显示器TFT-LCD器件：扩散板和扩散片的功能类似，为液晶显示器提供一个均匀的面光源，背光源板是均匀的发光光源板，这是因为液晶材质本身不发光，所以必须依靠外界光源才能使其显示图像，光源一般位于液晶显示器面板后方，称背光源。

TFT-LED图像显示器：工作电压低，功耗小，高亮度，寿命长，耐冲击，性能稳定和易于拼接组装各种不同形状与尺寸的显示器而得到广泛的应用。

CCD光电图像传感器：1）是点荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面进行转移，此为表面沟道CCD2）点荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向进行转移，体沟道/埋沟道器件。

电荷的注入和检测：在CCD中，分为光注入和电注入。

光注入：光照射到CCD硅，栅极附近半导体产生本征吸收，生成电子-空穴对，多数载流子（空穴）被栅极电压排斥，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷，形成光电子注入。

电注入：以电流/电压的方式向CCD势阱中注入信号电荷1）电流注入法2）电压注入法

单沟道线阵CCD图像传感器：每个像敏单元的尺寸为14微米*14微米，相邻两像元中心距为14微米。像敏单元阵列总长度为28.672mm。速度快，灵敏度高，动态范围宽，像敏单元不均匀性好，功耗低，光谱响应范围宽。

线阵CCD类型与发展：1）光谱探测2）高分辨率的非接触尺寸检测3）高速图像采集。

CMOS图像传感器的像敏单元结构有两种基本类型，被动像敏单元结构和主动像敏单元结构何谓填充因子？提高填充因子的方法有几种？试说明微透镜方法提高填充因子的原理。微透镜方法对图像的成像质量是否会造成负面影响？填充因子为光敏面积对全部像敏单元所占面积之比。1）采用微透镜法2）采用特殊的像元结构。

红光（R）的光谱响应高于绿光（G）的响应，蓝光的光谱响应最低。

彩色面阵CCD摄像机分为三管式两管式单管式。数码相机由镜头光电传感器模数转换器数字信号处理器内置內储器液晶显示器可移动存储器USB接口等部分。

CCD电路复杂，速度较慢。CMOS经光电转换后直接产生电压信号，信号读取十分简单，还

能同时处理各单元的图像信息，速度比CCD快。

光电信号的二值化处理分为单元观点信号的二值化处理与序列光电信号的二值化处理。处理方法有固定阈值法、浮动阈值法。能完成光电信号量化处理的器件是A/D转换器件。

两种微光CCD摄像管：增强型累积性。X射线用于医疗影像和工业探视。