光电技术课后答案第五章
光电子技术安毓英第五章课后习题参考答案1
5.1以图中p型半导体器件为例，栅极加正电压超过MOS晶体管的开启电压时，在半导体金属界面会形成深度耗尽层，称为电子的势阱。
当有光照时，光生电子会聚集在势阱中，形成电荷存储。
以图中三相CCD结构为例，相邻三个栅极电压从高电平依次降低到低电平，为一个周期。
每个栅极电压降低过程与下一个栅极高电平重合。
这样三个栅极位置的电子势阱会依次减小，消失与出现。
存储电子会随着势阱位置的移动发生转移。
电荷输出：外加放大电路，利用电荷电势进行放大，输出信号CCD输出信号的特点：1.信号电压是在浮置电平基础上的负电压2.每个电荷包的输出占有一定的时间长度3.在输出信号总叠加有复位期间的高电平脉冲根据这些特点，对CCD的输出进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平，复位高脉冲及抑制噪声。
5.2光电成像系统利用的都是帧扫描方式，完成一帧扫描所需要的时间称为帧时T，单位时间完成的帧数称为帧速 F, 它们的关系是T=1/F5.3(1)F=0.3m(2) W=n*α=128*a/f=128x100um/0.3m=4.26x10-2 rad5.5从目标调制度（对比度）到人眼观察到，总的调制函数为各个调制函数的乘积，光学体统调制传递函数为MTF O, 人眼能感知的极限调制度为0.026，则0.5×MTF O×0.9×0.5×0.95×0.5≥0.026MTF O≥0.245.7(1)像增强器CCD (ICCD)可以探测微光图像，但是其内经过光子-电子的多次转换，图像质量会有损失，光锥中光纤光栅干涉波纹，折断和耦合损失都将使ICCD输出噪声增加，对比度下降，动态范围减小，影响成像质量。
（2）薄型背向CCD器件灵敏度高，噪声低，但当照度低于10-6 lx 时，只能依赖图像增强来提高增益，克服噪音（3）电子轰击型CCD简化了光子多次转换过程，信噪比大大提高，与ICCD相比，电子轰击型CCD具有体积小，重量轻，可靠性高，分辨率高及对比度好等优点。
光电技术 第五章 光电技术中的光学系统多媒体
第五章光电技术中的光学系统光学系统是光电检测系统构成中的一个重要部分，在主动探测系统中，如何使光源发出的光能得到充分利用，有效覆盖探测目标区域；在接收系统中，有效地聚集信号光能，尽可能地减少背景光和杂散光的干扰，对信号光能进行合理的分配，接收与分析，都离不开光学系统的设计。
§1、常用的光学元器件一、透镜及透镜组以两个折射曲面为边界的透明体称为透镜，通常以光学玻璃为原料，磨制成形后将折射面抛光而成。
两个折射面中可以有一个是平面，但两个折射面都是平面的不称作透镜。
透镜由于两个表面的折射，对光束具有会聚或发散作用，能在任何要求位置形成物体的象，因此是光学照明系统与光学成象系统中不可缺少的光学零件。
在实践中，单独一片透镜往往不能满足校正象差的要求，经常把几片透镜按照某种要求组合成一个透镜组。
从成象和校正象差的角度出发，确定各透镜的结构参量，使整个组合体既满足成象和使用要求，又达到指定的相对孔径、视场等光学性能。
通常不加特殊说明而提到透镜或透镜组时，绝大多数场合是指球面透镜及其组合，这是因为各种曲面中只有球面最适合批量生产，最容易加工到高精度。
过两球面的曲率中心的连线称为透镜的光轴。
在由一个球面和一个平面组成的透镜中，其光轴是过球面的曲率中心并垂直于平面的直线。
光轴与透镜表面的交点称为顶点。
1、正透镜与负透镜（a）凸透镜（b）凹透镜图1 透镜的焦距正透镜又称凸透镜，具有正的象面焦距，能对光束起会聚作用；负透镜又称凹透镜，具有负的象方焦距，能对光束起发散作用。
正透镜通常有双凸、平凸、月凸三种形式，其共同特征是中心位置比边缘位置厚，负透镜通常有双凹、平凹和月凹三种形式，其共同特征是中心厚度比边缘薄。
2、柱面透镜透镜的一个曲面是柱面，或两个曲面都是柱面（母线互相平行）的称为柱面镜，其成象性质可由两个截面来描述。
一个是平行于母线的截面，在此截面上柱面透镜的成象作用相当于一个光学平板，光焦度0=Φ，对光束没有聚焦作用；另一个是垂直于母线图2 柱透镜的截面，在此截面上其成象作用相当于一个球面透镜，具有最大的光焦度。
光电子技术基础与应用习题答案
第三章 习题(1)
1. 填空
① 最早的电光源是
，最早的激光器是 年由 国的 制作的 。
② 光在各向同性介质中传播时，复极化率的实部表示 虚部表示 与频率的关系。
与频率的关系，
③ 激光器的基本结构包括 、 是 、 ，必要条件包括
、 。激光产生的充分条件
、
。
④ 今有一个球面激光腔r1=1.5m，r2=-1m，L=80cm，它属于 2. 试简单说明以下光电子学术语的科学含义：
8. 从麦克斯韦通式(2-28)出发，推导波动方程(2-44)。
1. 填空题：
第二章 习题答案(1)
第二章 习题答案(2)
第二章 习题答案(3)
6. 输出波长为＝632.8nm的He-Ne激光器中的反射镜是在玻璃上交替涂覆ZnS和 ThF2形成的，这两种材料的折射率系数分别为1.5和2.5。问至少涂覆多少个双层 才能使镜面反射系数大于99.5％？
第三章复习思考题(8)
4. 简述题 （5）以一个三能级原子系统为例, 说明激光器的基本组成和产生激光的基本原理。
4. 简述题
第三章复习思考题(9)
4. 简述题 （7）分析激光产生的条件。
第三章复习思考题(10)
4. 简述题 （7）分析激光产生的条件。
第三章复习思考题(11)
4. 简述题
第三章复习思考题(12)
讲授内容
第三、四、五讲
1 第一章 绪 论（一讲） 2 第二章 光学基础知识与光场传播规律（二讲）
3 第三章 激光原理与技术（三、四、五讲）
4 第四章 光波导技术基础（六、七讲） 5 第五章 光调制技术—光信息系统的信号加载与控制（八、九、十讲）
6 第六章 光电探测技术（十一、十二讲）
光电检测技术课后部分答案
第一章1.举例说明你知道的检测系统的工作原理激光检测一激光光源的应用用一定波长的红外激光照射第五版人民币上的荧光字，会使荧光字产生一定波长的激光，通过对此激光的检测可辨别钞票的真假。
山于仿制困难，故用于辨伪很准确。
2.简述光电检测系统的组成和特点组成：（1）光学变换：时域变换-------调制振幅，频率，相位，脉宽空域变换-------光学扫描光学参量调制：光强，波长，相位，偏振形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。
（2）光电变换，变换电路，前置放大将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）（3）电路处理放大，滤波，调制，解调，A/D，D/A，微机与接口，控制。
第二章1.试归纳总结原子自发辐射，受激吸收，受激辐射三个过程的基本特征。
自发辐射：处于激发态的原子在激发态能级只能一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出光子。
受激辐射：在外来光的作用下，原子从激发态能级跃迁到低能级，并发射一个与外来光完全相同的光子。
受激吸收：处于低能级的原子，在外来光的作用下，吸收光子的能量向高能级跃迁。
2.场致发光（电致发光）有哪几种形式，各有什么特点结型电致发光（注入式发光）：在p-n结结构上面加上正向偏压(即p区接电源正极，n区接电源负极)时，引起电子由n区流入(在物理上称为“注入”)p区，空穴由p区流入n区，发生了电子和空穴复合而产生发光。
粉末电致发光：这是在电场作用下，晶体内部电子与空穴受激复合产生的发光现象。
两电极夹有发光材料薄膜电致发光：薄膜电致发光和粉末电致发光相似，也是在两电极间夹有发光材料，但材料是一层根薄的膜，它和电极直接接触，不混和介质。
3.为什么发光二极管的PN结要加正向电压才能发光加正向偏压时，外加电压削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子的扩散运动加强，构成少数载流子的注入，产生电子和空穴的复合，从而释放能量，并产生电致发光现象。
4.发光二极管的外量子效率与射出的光子数，电子空穴对数，半导体材料的折射率有关。
第五章(全)--光电子技术
工作原理：常作成长条形，如图所示。当光点沿长条方向扫过时， 外加电场驱使光生载流子沿光点扫描方向迁移，并保证光点扫描速 度等于载流子迁移速度，光场在元件上产生的载流子被外加电场扫 在一起，最后堆积到元件末端的两电极之间，从而改变该区域的光 电导，在外回路得到光信号电流。在光电扫描与载流子迁移过程中， 信号经累积(积分)输出，而噪声由于其不相关特性，不会像信号— 样累积，从而大大提高了器件的灵敏度，比通常的8-14um波段的红 外探测器背景限提高了几倍。
I
•光电导的驰豫特性限制了器件对 较高调制频率的光功率的响应。
63 37 0 1 0 1
பைடு நூலகம்t/τ
图5.7、光电导的驰豫特性
ξ5.3 实用光电导探测器
5.3.1 单晶光电导探测器
(一)本征型: (1)碲镉汞 (HgCdTe)（2）锑化铟(InSb)（3）碲锡铅(PbSnTe) (二)杂质型： (1)锗掺汞 (Ge:Hg)(2)锗掺镓 (Ge:Ga)(3)硅掺砷（Si:As）
i
2 N
2 iN f i2 Ng r
i
2 NJ
1kHz
1MHz
图5.2、光电导探测器的噪声分布
二、光电导探测器的性能参数 A. 响应率
IS 电流响应率： RI P
前面的推导我们已经得到 可以得到响应率为：
VS 电压响应率： RV P
e IP GP hv
e RI G hv e RV GRd hv
P( x)
hv P( x) wLhv
：在x处单位时间吸收的光子数
n( x )
:在x方向上单位长度体积内的被吸收的光子数 密度,由于α 包含了量子效率在里面，因此也 等于单位时间、单位体积产生的光电子数。
光电检测技术(第五章 光电成像检测器件)
光电成像器件
1、图像的分割与扫描 图像分割的目的是分割后的电气图像经过扫描才能 输出一维时序信号。 分割的方法：超正析像管利用扫描光电阴极分割像 素、摄像管由电阻海颗粒分割、面阵CCD和CMOS图像传 感器用光敏单元分割。 扫描的方式：与图像传感器的性质有关。真空摄像 管采用电子束扫描方式输出一维时序信号。 具有自扫描功能的：面阵CCD采用转移脉冲方式将电 荷包顺序转移出器件；CMOS图像传感器采用顺序开同行、 列开关的方式完成信号输出。
传送
同步扫描
视频解调
图像再现
显像部分
光电成像系统原理方框图
光电成像器件
在外界照明光照射下或自身发光的景物经成像物镜 成像到光电成像器件的像敏面上形成二维光学图像。光 电成像器件完成将二维光学图像转变成二维“电气”图 像的工作。这里的二维电气图像由所用的光电成像器件 决定，超正析像管为电子图像，视像管为电阻图像或电 势图像，面阵CCD为电荷图像等。电气图像的电气量在 二维空间的分布与光学图像的光强分布保持着线性对应 关系。组成一幅图像的最小单元称作像素，像素单元的 大小或一幅图像所含像素数决定了图像的清晰度。像素 数愈多，或像素几何尺寸愈小，反映图像的细节愈强， 图份愈清晰，图像质量愈高。这就是图像的分割。
光 电 成 像 器 件 （ 成 像 原 理 ）
固体自扫描：CCD 红外变像管 变像管（完成 紫外变像管 图像光谱变换） X射线变像管 非 扫 描 型 串联式 级联式 微通道板式 负电子亲和势阴极
像增强管（图像 强度的变换）
构子常 成透由 镜像 ＆敏 显面 像， 面电
光电成像器件
三、光电成像器件的基本特征 1、光谱响应 光电成像器件的光谱响应取决于光电转换材料的 光谱响应，其短波限有时受窗口材料吸收特性影响。 外光电效应摄像管由光阴极材料决定； 内光电效应的视像管由靶材料决定，CCD摄像器件 由硅材料决定； 热释电摄像管基于材料的热释电效应，它的光谱 响应特性近似直线。
光电技术课后习题和答案
光出射度 M v,
=
v,
d 2
2
= 0.4815/（π×（0.001/2）2）=6.13×105lx
（ 2 ） 激 光 投 射 到 10m 远 处 屏 幕 上 ， 可 得 接 受 面 半 径
r
10
tan
2
1
10 2
3
10
2
1
10 2
3
0.003366m
面积 A=r 2 =3.56105
屏幕的光照度为 Ev
6 ϔৄ⇺⇪▔఼ܝথߎ⊶䭓Ў 0.6328Pm ⱘ▔ܝᴳˈ݊ࡳ⥛Ў3mWˈܝᴳᑇ䴶থᬷ
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ᇥ˛ ˄2˅ 㢹ᇚ݊ᡩᇘࠄ10m 䖰໘ⱘሣᐩϞˈሣᐩⱘ✻ܝᑺЎᇥ˛
由维恩位移定律， m
2898 T
=9.36um
当发烧到
38.5
时，T=38.5+273=311.5K，此时 m
2898 T
=9.303um
峰值光谱辐射出射度 M e,s,m 1.309T 5 1015 =3.84 mW .cm2 .um1 11.解：依题意，由杂质吸收条件，则杂质吸收的长波限 L 1.24 Ei 所以杂质电离能 i 1.24 L =1.24/13=0.095ev 12.解：光照灵敏度 SV I V ，而辐射灵敏度 Se I e ，
发光强度 I v, = v, ，由空间立体角的定义， 将光束平面发散角转换 α= 0.02×10-3
由于这个角度很小，可以把其所对应的球面度近似的看作锥面圆的面积，且半径
光电技术作业答案
响应时间短、暗电 增益高、响应时间短、有非线性、 特点 流小、灵敏度高、 增益受偏压及温度影响大 线性度好。 应用 弱光探测、光子计数、光通信等 应用广泛
第五章
补充： 图为一光伏探测器和一理想运算放大器构成的光电探测电路 ，无光照时输出电压0.6伏，在E=100lx的光照下，输出电压 2.4V。求光电探测器的暗电流和光电流灵敏度。 RL=1.5M
光谱响应 有长波限 响应时间 响应时间短 响应度 响应度高
全波长均匀响应 响应时间长 响应度低
第二章
P62－2
试以光电导探测器为例，说明为什么光子探测器的工作 波长越长，工作温度越低。
工作波长长，长波限长，禁带宽度或杂质电离能小，容 易产生热激发，需降低温度，以减少热激发概率，降低 暗电流和噪声。
（1）
光阴极 D1 D2 D3 IK
···
阳极 D11
IA ID RL
-1200V
GND
（2）
G=(0.95×δ)11×0.98=2.34×106 IK=SK×E×A=20×0.1×2×10-4μA=4×10-4μA IA=SK×G=936μA
（3） RL=Vo/IA=214Ω
光阴极
D1 D2 D3 IK
RL －
RL
＋
光导模式－反偏 光导模式－零偏
光伏模式 光导模式 偏置 自偏（无需偏压） 反偏 零偏 伏安特性 第四象限或V轴 第三象限 I轴 线性度 非线性 线性 线性 暗电流 无 有 无 名称 光电池 光电二极管
P151-2
第五章
2.光伏探测器工作于零偏下有哪些优点，工作于反偏下应注意 哪些问题。 零偏时无暗电流。反偏时，耗尽层宽，结电容小，响应速度有 改善。反偏时注意，工作电压小于反向击穿电压，Ip×RL应小 于电源电压。
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第五章 作业题答案
5.7解：最小可探测功率为：
W 1074.11103001038.11067.51011616115231222
1
5
min 2
1
----⨯=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯==⎪⎪⎭⎫
⎝⎛∆=ασf kT A P 5.8解：(1) 当T =300K 时
最小可探测功率为：
W 1038.18.013001038.11067.51051616115231222
15
2
1
----⨯=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛∆=ασf kT A P NE
比探测率为：/W H cm 1062.110
38.1)1105()(*2
121
z 1011
22
1⋅⨯=⨯⨯⨯=∆=--NE P f A D 热传导为：
W/K
1045.230010
67.58.0105445
312
2
3
---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==T A G ασ
(2) 当T =280K 时
最小可探测功率为：
W 1016.18.012801038.11067.5105161611
5231222
15
2
1
----⨯=⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=⎪⎪⎭
⎫
⎝⎛∆=ασf kT A P NE
比探测率为：/W H cm 1093.110
16.1)1105()(*2
121
z 1011
22
1⋅⨯=⨯⨯⨯=∆=--NE P f A D 热传导为：
W/K
1099.128010
67.58.0105445
312
2
3
---⨯=⨯⨯⨯⨯⨯⨯==T A G ασ
5.9 热释电器件为什么不能工作在直流状态？
答：当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片上时，引起薄片温度升高，表面电
荷减少，相当于热“释放”了部分电荷。
释放的电荷可用放大器转变成电压输出。
如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，也不再有电压信号输出。
因此，热释电器件不同于其他光电器件，在恒定辐射作用的情况下其输出电压为零。
只有在交变辐射的作用下才会有信号输出。
5.13 为什么热释电器件的工作温度不能在居里点？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？
答：随着温度的升高，极化强度减低，当温度升高到一定值(居里点)时，自发极化突然消失，热释电效应消失，热释电器件无法工作。
当工作温度远离居里点时，热释电系数大，电压灵敏度高；工作温度接近居里点时，极化强度变为零，热释电系数变为零，电压灵敏度变为零。