《光电探测与信号处理》复习题

一．单项选择题

1. 光电转换定律中的光电流与B

A 温度成正比B光功率成正比C暗电流成正比D光子的能量成正比

2. 发生拉曼—纳斯衍射必须满足的条件是A

A 超声波频率低，光波平行声波面入射，声光作用长度短

B 超声波频率高，光波平行声波面入射，声光作用长度短

C 超声波频率低，光波平行声波面入射，声光作用长度长

D 超声波频率低，光束与声波面间以一定角度入射，声光作用长度短

3.光束调制中，下面属于外调制的是ABD

A 声光调制

B 电光波导调制

C 半导体光源调制

D 电光强度调制

4.红外辐射的波长为[ d ] A 100-280nm B 380-440 nm C 640-770 nm D 770-1000 nm

5.激光具有的优点为相干性好、亮度高及[ b ]A 多

色性好B单色性好 C 吸收性强D吸收性弱

6．能发生光电导效应的半导体是 c

A本征型和激子型B本征型和晶格型C本征型和杂质型D本征型和自由载流子型

7．光敏电阻的光电特性由光电转换因子γ描述，在强辐射作用下A

A. γ=0.5

B. γ=1

C. γ=1.5

D. γ=2

8.电荷耦合器件分[ A ]

A 线阵CCD和面阵CCD

B 线阵CCD和点阵CCD

C 面阵CCD和体阵CC

D D 体阵CCD和点阵CCD

9.光通亮φ的单位是[ C ]

A 焦耳(J)

B 瓦特(W) C流明(lm) D坎德拉(cd)

10.硅光二极管主要适用于[D]

A紫外光及红外光谱区B可见光及紫外光谱区C可见光区 D 可见光及红外光谱区13．光视效能Kλ为最大值时的波长是A

A．555nm B.666nm C．777nm D.888nm

14.可见光的波长范围为[C ]

A 200—300nm

B 300—380nm

C 380—780nm

D 780—1500nm

15.电荷耦合器件的工作过程主要是信号的产生、存储、传输和C ]

A 计算

B 显示

C 检测

D 输出

16. 辐射通亮φe的单位是[B ]

A 焦耳(J)

B 瓦特(W) C每球面度(W/Sr) D坎德拉(cd)

二.填空题

1. 光在大气中传播，将会使光速的能量衰减，其主要因素来源于大气衰减、大气湍流效应。

2. 按照声波频率的高低以及声波和光波作用长度的不同，声光相互作用可以分为拉曼拉斯衍射和布喇格衍射两种类型。

3. CCD的工作过程就是产生、存储、传输、检测的过程。

4.实现脉冲编码调制，必须进行三个过程：抽样、量化、编码。

6.光束调制按其调制的性质可分为调幅、调频、调相、强度调制。

8. CCD的基本功能为电荷存储、电荷转移。

三.术语解释

(补)电磁波谱:按照波长或频率的顺序把电磁波排列成图表。

1.色温(P9):在规定两波长处具有与热辐射光源的辐射比率相同的黑体的温度。

(补)大气窗口:对于某些特点的波长,大气呈现出极强的吸收.根据大气的这一特性,把近红外分成八个区段,将透过率较高的的波段称为大气窗口。

2.半波电压: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180度)时所需要加的电压。

3.内调制：加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性以实现调制。

4.光电发射效应：在光照下，物体向表面以外的空间发射电子（即光电子）的现象。光电发射效应条件：波长（nm）=1240/E（eV）

5.非平衡载流子：光辐射照射端电压为u的半导体，如果波长满足如下条件，Eg是禁带宽度，Eg是杂质能带宽度。那么光子将在其中激发新的载流子（电子和空穴）,这就使半导体中的载流子浓度在原来平衡值上增加了一个量n和p，新增的部分半导体物理中叫非平衡载流子。

6.视场光阑:安置在物平面或者像平面上限制成像范围的光阑。

7．吸收比：被物体吸收的能量与入射的能量之比。（P7）

8．辐照度:在辐射接受面上的辐射照度Ee定义为照射在面元上的辐射通量d 与该面元的面积dA之比。（P4）

11.反射比：反射的能量与入射能量之比。（P7）

12.辐射能（Qe，J）：以辐射能形式发射或传输的电磁波（紫外，可见光和红外辐射）能量。（P3）

13.光子效应：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。（P7）

14.温差电动势：当两种不同的配偶材料（金属，半导体）两端并联熔断时，如果两个接头的温度不同，并联回路就产生电动势，即温差电动势。（P127）

15.光束漂移：

16.光通量：

17.视见函数：通过对标准光度观察者的实验测定，在辐射频率540×10 Hz（γ=555nm）处，Kγ有最大值，其值为Km=683lm/W。而当γ>555nm时，Vγ<1；γ=555nm时，Vγ=1。（P6）

19．热噪声：光电探测器本质上可用一个电流源来等价，即它有一个等效电阻R，电阻中自由电子的随机热（碰撞）运动将在电阻器两端产生随机起伏电压，称为热噪声。（P136）

20．冷阻

（补）暗电流：CCD成像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称暗信号，即暗电流。（P185）四、简答题

1．何为大气窗口?简单分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。

对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。光波几乎无法通过。根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为大气窗口。

大气中N2、O2分子虽然含量最多（约90%），但它们在可见光和红外区几乎不表现吸收，对远红外和微波段才呈现出很大的吸收。因此，在可见光和近红外区，一般不考虑其吸收作用。大气中除包含上述分子外，还包含有He，Ar，Xe，O3，Ne等，这些分子在可见光和近红外有可观的吸收谱线，但因它们在大气中的含量甚微，一般也不考虑其吸收作用。只是在高空处，其余衰减因素都已很弱，才考虑它们吸收作用。H2O 和CO2分子，特别是H2O分子在近红外区有宽广的振动-转动及纯振动结构，因此是可见光和近红外区最重要的吸收分子，是晴天大气光学衰减的主要因素。

2.解释半波电压。半波电压由晶体的那些参数决定？

当光波的两个垂直分量E x'，E y'的光程差为半个波长（相应的相位差为π）时所需要加的电压，称为半波电压。

3．什么是光束的直接调制？请解释其中的脉冲编码调制过程?

直接调制就是内调制，内调制是指加载信号是在激光振荡过程中进行的，以调制信号改变激光器的振荡参数，从而改变激光器输出特性，以实现调制。数字信号是对连续变化的模拟信号进行抽样、量化和编码产生的，称为PCM（pulse code modulation），即脉冲编码调制。抽样过程将连续时间模拟信号变为离散时间、连续幅度的抽样信号，量化过程将抽样信号变为离散时间、离散幅度的数字信号，编码过程将量化后的信号编码成为一个二进制码组输出。这种电的数字信号称为数字基带信号，由PCM电端机产生。简单说就是模/数转换.

4．光热效应的特点有哪些？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变化，而是把吸收的光能转化为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升是探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。光热效应对光波频率没有选择性，其速度比较慢。光热效应有温差电效应、热释电效应。

5．选用光敏电阻应当注意什么？

1）用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光敏特性匹配

2）要防止光敏电阻受杂散光的影响

3）要防止是光敏电阻的电参数（电压、功耗）超过允许值

4）根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。

6．实际工作中，如何得出光电池的开路电压和短路电流值？如何操作？P146

7．材料对光激发的波长阈值要求至少应满足什么条件？

8．研究光电导弛豫时间的实际意义是什么？

光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流并不立刻上升到最大饱和值，而光照去掉后，光电流也并不立刻下降到零。这说明光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个落后，这就是光电导的弛豫现象。响应时间又分为上升时间t1和下降时间t2，上升时间t1是指光敏电阻受到脉冲光照射时，其相对灵敏度上升到其最大值的63%时所经过的时间，下降时间t2是指光敏电阻在去掉脉冲光照射时，其相对灵敏度下降到其最大值的37%时所经过的时间。

9．如何解释光电导光谱分布中短波方向光电导下降现象？

10．试述用光敏电阻检测光的原理。

11.简述激光器的组成及各组成部分的作用。

组成：工作物质、泵浦源、谐振腔。作用：工作物质：在这种介质中可以实现粒子数反转。泵浦源（激励源）：将粒子从低能级抽运到高能级态的装置。谐振腔：(1)使激光具有极好的方向性(沿轴线)。(2)增强光放大作用(延长了工作物质)。(3)使激光具有极好的单色性(选频)。

12.解释光波在大气中传播衰减的因素。

13.何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响？

大气湍流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

14.何谓帧时、帧速？二者之间有什么关系？

完成一帧扫描所需的时间称为帧时Tf(s)，单位时间完成的帧数称为帧速（帧／s）：。

15.选用光电探测器的一般原则。

用于测光的光源光谱特性必须与光电探测器的光谱响应特性匹配；考虑时间响应特性；考虑光电探测器的线性特性等。

17.请说明光电检测装置由哪些部分组成，并对各部分输出信号类型进行说明。

18．请说明光的基本度量中光度量与辐射度量两种单位制的区别，说明它们的换算关系。

光度量：以光谱效率函数为基准所度量的辐射量。

辐射照度：简称辐照度，投射到单位接收面积的辐射照量。辐射照度是一个从放射源向平面状物体照射时，

每单位面积所得到的放射束数量的物理量，单位是瓦特每平方米(W/m2)。

在光度单位体系中，被选作基本单位的不是相应的光量或光通量而是发光强度，其单位是坎德拉（光度体

系的基本单位），光度量与辐射度量之间的关系可以用光视效率表示。

19．什么是半导体材料的本征吸收？

本征吸收是指在价带和导带之间电子的跃迁产生与自由原子的线吸收谱相当的晶体吸收谱，它决定着半导

体的光学性质.本征吸收最明显的特点是具有基本的吸收边（吸收系数陡峭增大的波长），也是半导体以及

绝缘体光谱与金属光谱的主要不同之处，它标志着低能透明区与高能强吸收区之间的边界。基本吸收边由

能量带隙（晶体的导带底和价带顶的能量差－禁带宽度）决定. 理想半导体在绝对零度时，价带是完

全被电子占满的，因此价带内的电子不可能被激发到更高的能级。唯一可能的吸收式足够能量的光子使电

子激发，越过禁带跃迁入空的导带，而在价带留下一个空穴，形成电子-空穴对。这种由于电子由带与带之

间的跃迁所形成的吸收过程称为本征吸收。要发生本征吸收，光子能量必须等于或大于禁带宽度Eg 。

20．光电发射效应与光电导效应相比有什么区别？

光电发射效应指

在光照下，物体像表面以外的空间发射电子的现象；而光电导效应指半导体材料吸收能量足够大的光子后, 会使原先处于束缚状态的电子或空穴转变为自由状态, 从而使半导体的电导率增加的现象。

21．如何改善光敏电阻的时间响应特性？

提高使用照明度，降低所加电压，施加适当偏置光照、是光敏电阻不是从完全暗状态开始受光照，都可以使光敏电阻的时间响应特性得到改善。

22．光电池作为探测器件时，有哪些特点，可用于哪些方面？

光电池价格便宜，光电转换效率高，光谱响应宽（很适合近红外探测），寿命长，稳定性好，频率特性好，且能耐高能辐射。广泛用于近红外辐射的探测器，光电读出，光电耦合，激光准直，光电开关以及电影还声等。

23．如何解释光电导光谱分布中短波方向光电导下降现象？

24．试述用光敏电阻检测光的原理。

25.试述光的调制原理

声光调制、电光调制

声光调制：不仅电场能引起晶体的折射率变化，声波的应变场也能改变某些类型晶体的折射率，由于声波的周期性，会引起折射率的周期变化，产生类似于光栅的光学结构，从而对入射的光波产生调制，这中调制称为声光调制。（声光调制的物理基础是超声波引起晶体的应变场，使射入晶体中光被这种弹性波衍射，

这种物理现象称为弹光效应。）

电光调制：外加电场能引起折射率的变化，折射率的变化又会引起光波在晶体中传播状况的变化，因而利用晶体的电光效应可以实现对晶体中传播光波的控制，改变传播光的幅度、频率、偏振态、传播方向等，这种基于电光效应的原理对光进行的调制就称为电光效应，分强度调制、相位调制、脉冲调制等方式。

五． 判断说明题

1对本征半导体来说，导带的电子和价带的空穴是相等的。

2.光敏电阻一般采用禁带宽度E g 较大的材料。

3.使用热电偶测温度时，测试系统须加外电源。

4.光电耦合器件易受外界光的干扰。

5.光电二极管一般在反偏压下工作。

六．应用、计算题

1．设在半径为R c 的圆盘中心法线上，距盘圆中心为l 0处有一个辐射强度为I e 的点源S ，如图所示。试计算该点源发射到盘圆的辐射功率。

2． 已知cdse 光敏电阻最大功耗P m =40mw ，光电导灵敏度S g =0.5×10-6/lx ，暗电导g 0=0，给光敏电阻加偏压为20V ，问入射cdse 光敏电阻的极限照度为多少lx?

3． 已知光电倍增管（GDB —126型）的光电阴极面积A k =2cm 2阴极灵敏度S k =20μA/lm,电流放大倍数G m =105,阳极额定电流I a =200μA 。求允许的最大光通量Φ及光照度E 。(λ=0.555μm 时，1w=683lm)

4．一支氦氖激光器，发射出波长为6328×10－10m 的激光，Φe （λ）＝5mw ，投在屏幕上的光斑直径为0.1m,其光照度为多少？（λ＝6328×10－10m 时，V （λ）＝0.265

5.若取v s =616m/s ，n =2.35， f s =10MHz ，λ0=0.6328μm ，试估算发生拉曼-纳斯衍射所允许的最大晶体长度L max =?

l 0 S R c 第1题图

5．已知光电倍增管（GDB —126型）的光电阴极面积A k =2cm 2阴极灵敏度S k =20μA/lm,电流放大倍数G m =105,阳极额定电流I a =200μA 。求允许的最大光通量Φ及光照度E 。(λ=0.555μm 时，1w=683lm)

6． 如图所示，设小面源的面积为?A s ，辐射亮度为L e ，面源法线与l 0的夹角为θs ；被照面的面积为?A c ，到面源?A s 的距离为l 0。若θc 为辐射在被照面?A c 的入射角，试计算小面源在?A c 上产生的辐射照度。

7．一硅光电池（2CR31）,受光面积5×10㎜2，在100lx 光照下U oc ＝400mv,I sc ＝30μA 。若输入光照度e ＝(150＋50sin ωt)lx,求取最大功率输出条件下的U m0,I m0和P lm L e ?A s ?A c l 0 θs θc 第1题图