光电检测期末复习题（选择+填空+客观题）.pdf
第二章作业1.为了研究方便，电磁波谱分为长波区、光 学 区 和 射 线 区 三个大的谱区。2.光电技术所涉及的是光 学 谱 区,其波长范围为0.011000微米，它又可以分为红外辐 射、可见光和紫外辐射三个波段。3.参量物理学中对电磁辐射量度规定完全一致的度量称为里变L 度量，适用于整个电磁波 谱。另一套参量以人的视觉特性为基础建立起来的，称 为 光 度量,只适用于可见%_ 波 段。4.具有完全确定的能量，这种稳定的运动状态称为量 子 态，它所取的确定的能量称为能 级。5.通常，微观粒子具有粒 子 和 波 动 两重性。6.半导体中，载流子在电场的作用下加速，除热运动外获得附加运动称为漂 移 运动。7.内光电效应是指被光激发的载流子仍在物体内部运动，使 物 质 的 电 导 率 发生变化或者产生光生电动势的现象。8.外光电效应告诉我们，只要光子能量大于光电发射材料的光电发 射 阈 值，电子即可废除光电材料进入真空（或逸出物体表面）。9.响 应 度（灵敏度）是描述光电检测器件的光电转换功能的参数。10.量子效率是在某一特定波长上每秒产生的光电子数和 入射光量子数之比。第三章作业1.普通二极管工作在正向电压大于0.7V的情况下，而光敏二极管必须工作在这个电压（B）,否则不会产生光电效应。A.以上 B.以下 C.大于等于 D.小于等于2.为了提高光敏二极管的时间响应，消除在PN结外生光生载流子的扩散运动时间，常采用的方法是（A）,A.在 P 区与N 区之间生成I 型层 B.在 P 区和N 区之间形成反型层C.让二极管处于反向连接 D.适当调整光敏二极管的偏压3.根据半导体材料的分类,光敏电阻分为本征半导体光敏电阻和杂质半导体光敏电阻。4.光电导器件对微 弱 辐 射 的探测能力和光谱响应范围大 于（优于）光生伏特器件。5.按照硅光电池的功能可以分为太 阳 能 硅光电池中I 测 量 硅光电池。6.基于光生伏特效应的横向光电效应的器件是光电位置敏感器件,是一种对光敏面上的光斑位置敏感的器件。7.由于真空光电发射器件具有较高的灵敏度，所 以 在 微 弱 辐 射 的探测和快速微幅射脉也 信息的捕捉方面应用广泛。8.热 敏 电 阻 具 有 正 系 数 和 负 系数之分,它灵敏度高，温度系数大，但是阻值与温度的变换关系成非 线 性。9.热电偶从发明至今，在很多地方得到了广泛的应用，尤其是在高 低 温温度探测领域中的应用，是其他探测器无法取代的。10.热释电器件是一种比较理想的热探测器，根据它的工作原理，它只能测量理的 辐射，所以没办法测量人体温度。并且各种热释电器件都有一个_ 氏 温度，所以它只能在低于该温度的范围内使用。11.光电耦合器可以实现电平转换、逻辑门电路、隔离、晶闸管控制驱动等应用。12.通过将按一定规律变化的电压加载到CCD各电极上，电 极 下 的 电荷包 就能沿着半导体表面按一定方向移动。13.影响电荷转移效率的主要因素是表 面 态 对电荷的俘获。为此，常 采 用 胖 零 工作模式,即 让“零”信号也有一定的电荷.14.利用物体或景物发出的红外而形成可见图像的方法称为红外热成像技术。15.当光照度增大到一定程度时，光电池的开路电压不会增大。（J）16.热电偶或者热电堆探测红外辐射时，开路和闭路时热端温升相同。（X）17.胖零电荷属于暗电流。（X）18.CCD作为图像传感器性能要优于CMOS图像传感器。（X）19.光电耦合器的输入阻抗很低，寄生电容却很大，这样有利于实现输入、输出信号的隔离。（X）20.光电倍增管属于微弱光检测器件，不能用于强光检测。（J）第四、五章作业1.发光常分为由物体温度高于0 K而 产 生 的 热 辐射和在特定环境中受外界能量激发的激 发 辐射。激光辐射产生的光源常被称为空光源。2.发光二极管（LED）是一种注入式电致发光器件。其发光机理常分为PN结 注入式发光与 异 质 结 注入式发光二种。3.根据发光二极管的结构，可 分 为 面 发光二极管和边 发光二极管,他们的垂直发散角均 为1 2 0度。4.LD的发光机理与其他激 光 器 发光原理相同,都涉及受激辐射、粒子反转数和谐振三个关键问题。5.激光器输出的波长主要由增 益 介 质 决定。6.光外差探测法要求光波具有高度的单 色 性 和 相 干 性。探测精度比微波高1000倍以上。7.激光三角法是激光测试的一种,由于结构简单、测试速度快等特点，在长度、距离以及三维地貌等测试中有广泛的应用。8.当两块光栅以微小倾角重叠时，在于刻线大致垂直的方向上可以看到明暗相间的粗条纹,这 就 是 摩 尔 条 纹。它具有位移的放 大 作用和误差的平 均 效 应。第七章作业1.相关接收就是应用信号周 期 性 和 噪 声 随机性的特点,通过自相关或互相关的运算,达到去除噪声的一种技术。2.互 相 关 接 收 的 能 比 自 相 关 的 好，可以实现从噪声中提取单 脉 冲 信号。3.对于相敏检波器来说，当输入两信号频 率 相等时,输出为相敏直流电压，大小正比于相 位 差 的余弦量。4.锁相放大器又称锁定放大器.它也是一种微 弱 信号的检测仪器。它起到了一个极窄的带 通 滤波器的作用,而不是普通滤波器。它的原理也是基于信号和噪声在相 关 特性方面的差别。5.锁相放大器的输出信号幅值取决于输入信号和参考信号的5 1值_，并与二者的相位差有关。因此，锁相放大器可用于检测周 期 信号的这两个参数。6.取样积分器（Boxcar平均器），是一种微弱信号检测系统。它利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一 部 分 取样一次,然后经过积分器算出平 均 值，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。7.取样积分器通常有两种工作模式，即定点式和扫 描 式。定点式取样积分器是测量周期信号的某一瞬 态 平均值。8.取样积分器适用于由脉冲光源产生的连续周期性变化的信号波形测量或单个光脉冲的幅度测量。测量时，需要与光脉冲同步的激励信号。9.取样积分器在测量占空比小于50%的窄脉冲光强度的情况下，它比锁相放大器有更好的信 噪 比。10.当检测信号为宽带且不具有周期性重复的特征时,采用锁相放大器和取样积分器对弱光的探测就无能为力了，此时常借助于光 子 计 数 的方法检测入射光子数,实现极弱光强或光通量的测量。11.只适合于极弱光的测量，光子通量限制在ln W的光功率以内，不能测量包含许多光子的 短 脉 冲 光。目前，光子计数器可以探测到每秒1020个/s光子水平的极弱光信号,已在荧光、磷光测量、拉曼散射测量、夜视测量、杂散光测量和生物细胞分析等 遮 能测量中得到了应用。第八章作业1.模拟量变换法是通过光通量的变化或光通量的有无来反映零件尺寸及公差大小。影响测量准确度的主要因素主要有光电器件的灵 敏 度 和噪声（背景噪声、器件噪声和放大器噪声）。另外对光源的生 定 怛 也要求很高，但由于这种方法简单，使用方便，在 精确度_要求不高的情况下得到应用。2.光通量变换法的特点是在检测范围内，能 连 续 检测工作的尺寸,并能判断误差 大小。但是，这种方法在原理上要求光源发出的光 通 量 恒定。3.光学扫描法是指利用一束吊L光对被测工件（或工件投影）进行扫描，然后用光电接收器测量这束光扫过工件（或投影）时的光电信号。光电接收器的输出是一脉冲方波,而脉冲的量度_ 与被测工件的尺寸成正比。只要我们准确测量这个量就能得到较准确的工件尺寸的大小。4.电扫描法检测工件几何尺寸的原理是，将工件的像成像到摄像器件的光 敏 面 上,再转变 成 电 子 图 像，然后用电子扫描法检取工件的几何尺寸。目前能够完成这种功能的摄像器件有：电真空摄像管、自扫描摄像器件（CCD、CMOS、APS、DPS等）、热成像器件等。5.双目立体视觉技术实际上是仿照人类利用双眼观察物体时能够产生/厘,从而感知视野内物体距 离 的方法。第九章作业（提交后没有出答案，可能会有错误）1.单频单路激光干涉仪光路所通过的光束是单一的一 束 光，往返光路不 重 合。而单频双路激光干涉仪光路所通过光束是往返两 束 光，往返光路重 合。2.被测长度是用激光波长作为一把尺子进行度量，度量的多少是通过干涉条纹的变化次数反映出来的。光程差A=n、，被测长度L=n（入/2）=n q,其中q为 量化 单 位，q=、/2。3.双频激光干涉仪中将激光器放在轴向直流磁场中，由于直流磁场作用，引起激光器增益介质谱线发生塞 曼 效应,把原来的光谱线分成为两个相 反 方向的圆偏振光,即左、右旋偏振光.4.双频激光干涉仪的优点是交流系统而不是直流系统,可以根本上解决影响干涉仪可靠性的 直 流 偏 移 问题。另外，双频干涉仪抗振性强，不需预热，不怕空气湍流干扰。空气湍流干扰使激光光束偏移或使其波前扭曲，是造成激光干涉仪性能不稳的普遍原因。5.增量式编码器的图案均匀，光信号脉冲一 致，可将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，将计量脉冲数折算成位移或转角。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。6.绝对式编码器的图案不 均 匀，光信号脉冲不 一 样，它在光学元件刻制出表示相应坐标的代码形式绝 对 地 址，在元件运动过程中读取这些代码实现实 时 测量。其坐标固定，与测量前状态无关；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。7.激光测距是通过测量激光光束在待测距离上往返传播的来换算出距离的，其换算公式为：d=ct/2o8.相位测距法是通过测量连续调制的光波在待测距离上往返传播所发生的相 位 变化,间接测量时间to这种方法测量精 度 较 高，因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用。9.脉冲测距法是测距仪发出光脉冲，经被测目标反射后，光脉冲回到测距仪接收系统，测量其发射和接收光脉冲的时 间 间 隔，即光脉冲在待测距离上的往返传播时间t,脉冲法测距精度大多为米的量级。10.请写出激光干涉的条件。两列波振动方向相同；两光频率相同；两光波动位移相同或初相位恒定第十、H 一章作业i.采用反射方式检测物体外观时，要求被检测物体表面具有一定的反 光 能力,因而常用于金属制品。透射方式检测则要求被测物体具有一定的透光性，它不但能检测产品的表 面，还能检测产品的内部缺陷.2.外观检测的扫描方式与非扫描方式而言，适 于 大 面 积 检测。这种方式不但要求被测产品运动，而且要有光学系统的J 里 运 动，通常这两个运动方向是争直J I 勺。3.在外观检测中，一般使用电光源。对光源的要求有两点：一是要求光源与光电器件的光 谱 相匹配:二是要求要有一定的光强且稳 定 可 靠，4.在信号处理电路中，前置放大器是对微弱信号进行放大，应 按 照 低 噪 声 方法设计,将它置于光电检测头的内部，可 提 高 抗 干 扰 能力。5.光纤中纤芯的折射率大 于 包层的折射率。6.数值孔径反映了光纤的接 受 光（集光）能力。7.光纤传感器利用了光纤本身传输特性的适当变化，即被检测物理量可以改变光纤传输的基 本 参 数，在原理上可以分为光强调制、相位调制、偏 振 态 调制和波长调制不同的形式。客 观 题（选择、填空、判断）请复习学习通作业。简答题1、请写出光外差法探测原理。答 光外差探测是一种光频相干检测，是基于相干的参考光和入射信号光在光敏面上混频的原理实现的，故特别适用于光调频、调相类系统。与直接探测相比，光外差探测具有高的转换增益、良好的滤波性能、良好的空间和偏振鉴别能力等特点，而且光外差探测可以响应信号的振幅、频率和相位信息。因此光外差探测在弱信号探侧、光通讯、光雷达、遥测传感技术及光谱学领域有很广泛的应用前景。2、请写出激光干涉的条件。答：（1）两光波的整栋方向相同，即两光波的振幅E 矢量平行；（2）两光波频率相同；（3）两光波动位移相同或初相位差恒定3、什么是光电效应，光电效应有哪些种类，分别对应那些光电器件。（每种写一个器件即可）答 光照射到物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（P h o t o e l e c t r i c e f f e c t）。光电效应分为外光电效应、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应（p h o t o e l e c t r i c e m i s s i o n）。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。外光电效应对应的器件有光电管、光电倍增管；光电导效应有光敏电阻；光生伏特效应有光敏晶体管、光电池等器件。3、为什么N沟道CCD的工作速度要高于P沟道CCD工作速度？答：以电子为信号电荷的C C D 称为N型沟道C C D,简称为N型C C D。而以空穴为信号电荷的C C D 称为P型沟道C C D,简称P型C C D。由于电子的迁移率（单位场强下电子的运动速度）远大于空穴的迁移率，因此N型C C D 比P型C C D 的工作频率高很多。5、激光如何产生的，产生激光的三个必要条件是什么？答：1.有提供放大作用的增益介质作为激光工作物质，其激活 粒子（原子、分子或离子）有适合于产生受激辐射的能级结构；2 .有外界激励源，使激光上下能级之间产生粒子数反转；3 .有激光谐振腔，使受激辐射的光能够在谐振腔内维持振荡。6、什么是零伏偏置电路？为什么零伏偏置电路是最理想的电流放大电路？答：光伏探测器在自偏置的情况下，若负载电阻R 为零，自偏压为零；或者光伏探测器在反偏置的情况下，反偏电压很小或接近零。这两种情况下都属于零偏置。对应的偏置电路都称为零偏置电路。光生伏特器件在零伏偏置下，输出短路电路与入射辐射量成线性变化关系,因此，零偏置电路是理想的电流放大电路，适合于对微弱辐射信号的检测。综合题1、请写出激光三角法测量位移的工作原理。（直射式和斜射式写一种即可）答：激光三角测距法主要是通过一束激光以一定的入射角度照射被测目标,激光在目标表面发生反射和散射，在另一角度利用透镜对反射激光汇聚成像，光斑成像在CCD位置传感器上。当被测物体沿激光方向发生移动时，CCD上的光斑将产生移动，其位移大小对应被测物体的移动距离，因此可通过算法设计，由光斑位移距离计算出被测物体与基线的距离值。由于入射光和反射光构成一个三角形，对光斑位移的计算运用了几何三角定理，故该测量法被称为激光三角测距法。按入射光束与被测物体表面法线的角度关系，激光三角测距法可分为斜射式和直射式两种。直射式激光三角测距法：在图1中，激光器发出的光线经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上。物体移动或其表面变化，导致入射点沿入 nr光 光电探测2 s射光轴的移动。入射点处的散射光经接收 透镜入射到光电位置探测器上。若光点在成像面上的位移为X、厕被测面在沿轴方向的位移为：axX=-bsinO-xcos。斜射式激光三角测距法:会聚透加垓收选便-*-图 1 直射式三角测量示意图图2所示为斜射式三角法测量原理图。激光器发出的光线和被测面的法线成一定角度入射到被测面上，同样地，物体移动或其表面变化，将导致入射点沿入射光轴的移动。入射点处的散射光经接收透镜入射到光电位置探测器上。若光点在成像面上的位移X为则被测面在沿法线方向的移动距离为：axcosX-bsin+2)-xcos(,+02)会聚透镜基 准 而-图 2斜射式三角测量示意图2、在图所示的恒流偏置电路中，已知电源电压为 12V,Rb=820n,Re=3.3k。,晶体管的放大倍率不小于80,稳压二极管的输出电压为4V,光照度为40 lx时输出电压为6V,80仅时为8V。（设光轴阻在30-100版之间的丫值不变）试求：（1）输出电压为7 V的照度（单位为仅）。（2）该电路的电压灵敏度（单位为V/仅）。答：根据图所示的恒流偏置电路中所给的已知条件，流过稳压管VS的 电 流 为:Ubb-U”_8V_820。=9.6mA满足稳压二极管的工作条件，Uy i，流过晶体管发射极电阻的电流人为:I U rs-U b.袖以上所得为恒流偏置电路的基本工作状况。（1）根据题目给的在不同光照下输出电压的条件，可以得到不同光照下光敏电阻的阻值：吐丝=6 g （2=四严=4心0 1.4将 R pl和 Rp2值代入下面的公式，得到光照度在40801x之间的y 值:/=U-7K输出为7V时的光敏电阻阻值为：凡广 等一=5左。计算此时的光照度为：/=Ig6-lg5lgE-lg40=0.59叱=片/+怆4。“76E=54.45/x（2）电路的电压灵敏度Sv为:U-AE7-654.45-40r/x =0.069F/Zx3、请写出锁相放大器的工作原理。答 锁相放大器是一种基于互相关接收理论的弱信号检测设备。它利用相敏检波器大大压缩等效噪声带宽，从而有效地抑制噪声，并检测出周期信号的幅值和相位。因而，可以说锁相放大器是一种具有窄带滤波能力的放大器，信噪比极高。锁相放大器由信号通道、参考通道和相敏检波器三个主要部分组成，如下图所示输入信号中只有那些与参考信号同频率的分量才能使差频信号43=Oo此时,输出信号是直流信号，即：所以，锁相放大器的输出信号幅值取决于输入信号和参考信号的幅值，并与二者的相位差有关。因此，锁相放大器可用于检测周期信号的幅值和相位。U：=jU s m U r m C O S Q
