1、光電檢測題庫一、填空題1.對于光電器件而言，最重要的參數是 、 和 。2.光電倍增管由陽極、光入射窗、電子光學輸入系統、 和 等構成。3.光電三極管的工作過程分為 和 。4.激光產生的基本條件是受激輻射、 和 。5. 非平衡載流子的復合大致可以分為 和 。6.在共價鍵晶體中，從最內層的電子直到最外層的價電子都正好填滿相應的能帶，能量最高的是 填滿的能帶，稱為價帶。價帶以上的能帶 ，其中最低的能帶常稱為 ， 與 之間的區域稱為 。7.本征半導體在絕對零度時，又不受光、電、磁等外界條件作用，此時導帶中沒有 ，價帶中沒有 ，所以不能 。8.載流子的運動有兩種型式， 和 。9. 發光二極管發出光的顏色

2、是由材料的 決定的。10. 光電檢測電路一般情況下由 、 、 組成。11. 光電效應分為內光電效應和 效應，其中內光電效應包括 和 ，光敏電阻屬于 效應。12.半導體對光的吸收一般有 、 、 、 和 這五種形式。13. 光電器件作為光電開關、光電報警使用時，不考慮其線性，但要考慮 。14.半導體對光的吸收可以分為五種，其中 和 可以產生光電效應。15.光電倍增管由陽極、光入射窗、電子光學輸入系統、 和 等構成，光電倍增管的光譜響應曲線主要取決于 材料的性質。16.描述發光二極管的發光光譜的兩個主要參量是 和 。17.檢測器件和放大電路的主要連接類型有 、 和 等。18.使用莫爾條紋法進行位移-

3、數字量變換有兩個優點，分別是 和 。19.電荷耦合器件（CCD）的基本功能是 和 。20.光電編碼器可以按照其構造和數字脈沖的性質進行分類，按照信號性質可以分為 和 。21.交替變化的光信號，必須使所選器件的 大于輸入信號的頻率才能測出輸入信號的變化。22.隨著光電技術的發展，可以實現前后級電路隔離的較為有效的器件是 。23.硅光電池在 偏置時，其光電流與入射輻射通量有良好的線性關系，且動態范圍較大。24.發光二極管的峰值波長是由 決定的。二、名詞解釋1. 光亮度：2. 本征半導體：3. N型半導體：4. 載流子的擴散運動：5. 光生伏特效應：6. 內光電效應：7.光電效應8.量子效率9.分辨

4、率10.二次調制11.二值化處理12.光電檢測技術13.響應時間14.熱電偶15.亮度中心檢測法三、判斷正誤1. A/D變換量化誤差不隨輸入電壓變化而變化，是一種偶然誤差。 （ ）2. 采樣/保持電路起到信號保持作用的保持電容，電容容量愈大電壓下降愈慢，所以保持電容越大越好。（ ）3. 光電倍增管的光電陰極上發射出光電子的最大速度隨入射光光子能量的增大而增大。（ ）4. 影響光電器件探測極限的因素是噪聲，噪聲是可以消除或減小的。（ ）5. 光電倍增管的光譜響應曲線與光電陰極的光譜響應曲線相同，主要取決于光電陰極材料的性質。（ ）6. 光敏電阻是光電導效應器件。（ ）7. CCD驅動信號中三相與

5、兩相的電極結構是一樣的。（ ）8. CCD器件按像敏元的排列形式可以分為一維和二維兩種。（ ）9. 光電耦合器件具有信號傳輸的單向性，所以只適用于的直流或數字脈沖信號。（ ）10. 雪崩二極管在使用時要加高反向偏壓。（ ） 四、簡答題1光電檢測器件和熱電檢測器件的比較。2簡述光電池與光電二極管的區別。3.簡述光電檢測電路設計依據及其設計要求。4.對于擴散型PiN硅光敏二極管來說，i層主要起到了什么作用？5簡述變像管和像增強管的工作原理及區別？6. 探測器件在進行極為微弱的信號探測時，有時要放入液氮中使用，為什么？7.簡述光電池與光電二極管的相同點和區別。8. 簡述光電檢測電路的組成及各部分的作

6、用。9.以熱敏電阻探測溫度為例，分析熱敏電阻典型橋路的輸出電壓變化與熱敏電阻溫度變化之間關系？10.光電導體的靈敏度大小取決于哪些因素？為什么要把光敏電阻的形狀制成蛇形？在微弱的光照下，光電導和光強之間是什么樣的關系？ 11.簡述像點軸外偏移檢測的像偏移法測位移的工作原理.12.雪崩光敏二極管和光電倍增管的異同？13.幀轉移型面陣CCD的組成及工作過程？14.簡單畫出光電成像系統的原理方框圖？15.在微弱輻射作用下，光電導材料的光電靈敏度有什么特點？當輻射增強，該特點有何變化？16.PSD器件的主要特點是什么？畫圖說明激光三角法測量中PSD的作用。17.CMOS圖像傳感器與CCD圖像傳感器的主

7、要區別是什么？18.說明熱釋電攝像管中斬光器的作用。當斬光器的微電機出現不轉或轉速變慢故障時，會發生什么現象？19.單元光電信號的二值化處理方法有哪些，其各自有何特點？20.激光掃描系統的組成及測量原理21.光柵莫爾條紋的產生原理及在位移測量中的作用和特點？五、分析題1. 簡述差動法雙通道測量系統的工作原理，分析雙通道測量系統比單通道測量系統相比有什么優點。2. 分析比較增量式編碼器與絕對是編碼器的異同點。3.分析熱釋電探測器的工作原理，并進一步說明為什么熱釋電探測器件要工作在居里溫度以下？4.火炮身管直線度測量系統主要由哪些部分組成？分析如何進行身管內膛直線度的測量。5.如何使用激光掃描測量

8、的方式實現圓柱體直徑的測量？6.試說明脈沖法激光測距儀的組成及工作原理，并分析其測距精度？7.如下圖電路所示，簡要說明如何使用光敏電阻實現路燈自動點熄控制？六、設計題1.某造紙廠生產的紙張為寬1米的長條狀，需要切成長2米/張，根據下圖裁紙機和浮動閾值二值化電路，試設計一個光電檢測系統來實現，闡述其原理并畫出系統示意圖。 （a）浮動閾值二值化電路 （b）裁紙機2.試說明脈沖法激光測距儀和相位法激光測距儀的測距原理，并選用適當的方法精確測量出兩座建筑物之間的距離，要求±，繪制相應的原理框圖，并簡述其工作原理。3.運用所學知識，設計一套激光監聽裝置，要求在10米外用激光器照射房間玻璃，監聽

9、房間內談話內容。光電檢測題庫答案1、 填空題1.靈敏度 弛豫時間 光譜響應2. 倍增極 和 陽極3.光電轉換 光電流放大4.電荷的存儲 電荷的轉移5. 非平衡載流子的復合大致可以分為自由電子與自由空穴直接復合和通過復合中心的間接復合。6.在共價鍵晶體中，從最內層的電子直到最外層的價電子都正好填滿相應的能帶，能量最高的是價電子填滿的能帶，稱為價帶。價帶以上的能帶基本是空的，其中最低的能帶常稱為導帶，價帶與導帶之間的區域稱為禁帶。7.本征半導體在絕對零度時，又不受光、電、磁等外界條件作用，此時導帶中沒有電子，價帶中沒有空穴，所以不能導電。8.載流子的運動有兩種型式，擴散運動和漂移運動。9.發光二極

10、管發出光的顏色是由材料的 禁帶寬度 決定的。10. 光電檢測電路一般情況下由 光電器件 、 輸入電路 、 前置放大器 組成。11. 光電效應分為內光電效應和 外光電 效應，其中內光電效應包括 光電導效應 和 生伏特效應 ，光敏電阻屬于 光電導效應 效應。12.本征吸收 雜質吸收 激子吸收 自由載流子吸收 晶格吸收13.靈敏度14.本征吸收 雜質吸收15二次發射倍增系統 陰極 光電陰極16.峰值波長 半寬度17.電壓放大型 電流放大型 阻抗變換型18.位移的放大作用 誤差的平均效應19.電荷的存儲 電荷的轉移20.增量式編碼器、絕對式編碼器21.上限截止頻率22.光電耦合器件23. 零 24.禁

11、帶寬度2、 名詞解釋1. 光亮度：光源表面一點處的面元dA在給定方向上的發光強度dI與該面元在垂直于給定方向的平面上的正投影面積之比，稱為光源在該方向上的亮度：，單位為坎德拉每平方米（cd/m2）。2. 本征半導體：完全純凈和結構完整的半導體稱為本征半導體。3. N型半導體：施主能級離導帶底較近，雜質的束縛能級略低于導帶底，這樣就可以在常溫下，將束縛態中的電子激發到導帶而使導帶中的電子遠多于價帶中的空穴，這種主要由電子導電的半導體稱為N型半導體。4. 載流子的擴散運動：在載流子濃度不均勻情況下，載流子無規則熱運動的自然結果，一般將載流子由熱運動造成的從高濃度處向低濃度處遷移的運動稱為擴散運動。

12、5. 光生伏特效應： 是把光能轉變為電能的一種效應，它是光照射不均勻半導體或均勻半導體中，光生電子和空穴在空間分開而產生電位差的現象。6. 內光電效應：光敏物質吸收光子后，電子從基態激發到高能態而脫離原子核的束縛，在外電場使用下參與導電的現象。7.光電效應：當光照射到物體上使物體發射電子或導電率發生變化、或產生光電動勢等，這種因光照引起物體電學特性的改變稱為光電效應。8.量子效率：在某一特定波長上每秒鐘內產生的光電子數與入射光量子數之比。9.分辨率：用來表示能夠分辨圖像中明暗細節的能力。10.二次調制：將載波隨時間/空間變化，形成多變量載波信號，然后再使其特征參量隨被測信息改變的方法稱作二次調

13、制。11.二值化處理：將光電信號轉換成0、1數字量的過程稱為光電信號的二值化處理。12.光電檢測技術：是一種非接觸測量的高新技術。它以激光、紅外、光纖等現代光電器件為基礎，通過對載荷有被檢測物體信息的光輻射進行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射并轉換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再經A/D轉換輸入計算機進行運算處理，最后顯示或打印輸出。13.響應時間：描述光電探測器對入射輻射響應快慢的一個參數，即當入射輻射到光電探測器后或入射輻射遮斷后，光電探測器的輸出上升到穩定值或下降到照射前的數值所需的時間稱為響應時間。14.熱電偶是一種熱敏元件，在接收輻射后引起溫度升高，隨之產生

14、溫差電勢，使用時不外加電源。15.亮度中心檢測法:通過測量目標物空間的亮度分布相對應的像空間照度分布，確定目標能量中心位置的方法稱作亮度中心檢測法3、 判斷正誤1. A/D變換量化誤差不隨輸入電壓變化而變化，是一種偶然誤差。 （×）2. 采樣/保持電路起到信號保持作用的保持電容，電容容量愈大電壓下降愈慢，所以保持電容越大越好。（ × ）3. 光電倍增管的光電陰極上發射出光電子的最大速度隨入射光光子能量的增大而增大。（ ）4. 影響光電器件探測極限的因素是噪聲，噪聲是可以消除或減小的。（× ）5. 光電倍增管的光譜響應曲線與光電陰極的光譜響應曲線相同，主要取決于光電

15、陰極材料的性質。（ ）6. 光敏電阻是光電導效應器件。（ ）7. CCD驅動信號中三相與兩相的電極結構是一樣的。（ × ）8. CCD器件按像敏元的排列形式可以分為一維和二維兩種。（ ）9. 光電耦合器件具有信號傳輸的單向性，所以只適用于的直流或數字脈沖信號。（ ）10. 雪崩二極管在使用時要加高反向偏壓。（ ）4、 簡答題1.光電檢測器件是利用物質的光電效應把光信號轉換成電信號的器件，響應波長有選擇性，相應快；熱電檢測器件是將輻射能轉換成熱能，再將熱能轉換成電能的器件。響應波長無選擇性，相應慢。2.相同點：均為光生伏特器件；不同點：光電二極管PN結面積小于光電池；光電池無需偏壓，光

16、敏二極管一般在負偏壓的情況下使用。3.靈敏的光電轉換能力快速的動態響應能力最佳的信號檢測能力長期工作的穩定性和可靠性4.對于擴散型PiN硅光敏二極管來說，i層主要起到了什么作用？答：i層為高阻區，承受大部分外加電壓，使耗盡區增大，展寬了光電轉換的有效工作區域；提高了靈敏度；i層一般選擇高電阻率的基體材料，提高了串聯電阻，提高了擊穿電壓；提高了頻率響應。5.簡述變像管和像增強管的工作原理及區別？工作原理：都是光電陰極接收輻射，將光學圖像轉換為電子數密度圖像，加有正高壓的陽極起到了電子透鏡的作用，使陰極發出的電子聚焦成像在熒光屏上，最終得到目標物的圖像。區別是：變像管是將不可見圖像轉換為可見圖像的

17、器件，而像增強管是把強度低于視覺閾值的圖像增強到可以觀察程度的光電成像器件。6.探測器件在進行極為微弱的信號探測時，有時要放入液氮中使用，為什么？答：載流子無規則的熱運動造成的噪聲稱為熱噪聲。當溫度高于絕對零度時，導體或半導體中每一電子都攜帶著的電量作隨機運動，盡管其平均值為零，但瞬時電流擾動在導體兩端會產生一個均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。其平均值為： 當時， 而且，光電探測器件絕大多數都是半導體材料，受溫度影響很大。綜上所述， 當探測器件在對微弱的信號探測時，為了減少溫度的影響，放入液氮中使用，是非常行之有效的辦法。7.簡述光電池與光電二極管的相同點和區別。相同點：光敏二極管和光電池都是利用

18、入射光照射到P-N結上產生光生伏特效應的器件；不同點：光電池結面積較大而光電二極管的結面積較小，光電池不需要加偏置電壓而光電二極管需要通過施加負偏壓提高靈敏度。8. 簡述光電檢測電路的組成及各部分的作用。答：光電檢測電路由光電器件、輸入電路和前置放大器組成。光電器件把被測光信號轉換成相應的電信號，而輸入電路則是為光電器件提供正常的工作條件，進行電參量的變換，同時完成和前置放大器的電路匹配。光電器件輸出的微弱電信號由前置放大器進行放大，前置放大器另一作用是匹配后置處理電路與檢測器件之間的阻抗。9.以熱敏電阻探測溫度為例，分析熱敏電阻典型橋路的輸出電壓變化與熱敏電阻溫度變化之間關系？電橋電路如圖下

19、所示，其中，和的其暗電阻分別為和，并且有，與關系存在。答：當無外來輻射照射時，調節補償電阻，使電橋平衡。此時，電橋輸出。當有輻射作用于熱敏電阻上時，升溫引起電阻的變化為，此時平衡被破壞，開路輸出電壓為： 又由給出的已知條件，上式可以化簡為： 可見輸出電壓與成比例，并與負載電阻有關。10.光電導體的靈敏度大小取決于哪些因素？為什么要把光敏電阻的形狀制成蛇形？在微弱的光照下，光電導和光強之間是什么樣的關系？答:光電導體的靈敏度可以用光電增益表示：。光電導體的非平衡載流子壽命越快，遷移率越大，電極間距越小靈敏度越高。（2分）做成蛇形使電極間距變小，提高了光敏電阻的靈敏度。（2分）微弱的光照下，光電導

20、和光強之間是直線性光電導關系。（1分）11.簡述像點軸外偏移檢測的像偏移法測位移的工作原理.當將光束照射到被測物體時用成像物鏡從另外的角度對物體上的光點位置成像，通過三角測量關系可以計算出物面的軸向偏移。激光器發出的光線，經匯聚透鏡聚焦后垂直入射到被測物體表面上。物體移動或其表面的變化入射點沿光軸方向移動。入射點處的散射光徑接收透鏡入射到（CCD或PSD）光電探測器上。被測表面偏移時，照明光點從移到，相應像點從偏移到，則。只要測出像點的橫向偏移量A，即可計算出待測的物面軸向偏移。12.光電倍增管由光入射窗、光電陰極、電子光學系統、倍增極、陽極組成，光入射到光電陰極產生電子發射，發射的電子在電場

21、和電子光學系統的作用會聚加速到倍增極上，經N級倍增后，電子被放大N次，最后最陽極收集。外形較大，多用于快速、精密微光測量的場合。（3分）雪崩光電二極管與光電倍增管不同，是基于內增益機理，當所加的反向偏壓足夠大時，在結區產生一個很高的電場，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產生電離雪崩反應。13.該器件由相同像素數量的成像部分、存儲部分和讀出寄存器三個基本部分組成。（2分）場正程期間（18.4ms）圖像的二維信號電荷被積累在成像區；場逆程期間（1.6ms）通過加在成像區和存儲區電極上的時鐘脈沖使成像區的整場信號電荷快速轉移到存儲區；下一個場正程期間，成像區積累光生電荷生成下

22、一場電像，存儲區所存的上一場圖像信號電荷在時鐘脈沖作用下，在行逆程期間（12微秒）將一行光生電荷送進讀出寄存器，從而使存儲區內各行光生電荷向讀出寄存器方向進一次；在行正程期間，在讀出寄存器脈沖的驅動下，使一行信號電荷向輸出結構依次轉移，經輸出極輸出。14.15.微弱輻射作用下，輸出光電流與輸入輻射通量具有線性關系；輻射增強，呈拋物線光電導。16.PSD對入射到光敏面上的光位置敏感，對光斑的形狀沒有嚴格要求，光敏面無需分割可以連續測量光斑在光敏面上的位置變化。17.CCD以電荷耦合為基本特征，圍繞信號的產生、存儲、轉移和讀取來工作，以行為單位對信號進行讀取。CMOS的信號讀取方式相對靈活，既可以

23、以移位寄存器的形式以行為單位讀取信號，也可以只輸出某一行或某一列的信號，還可以輸出某些點的信號。18.斬光器的主要作用是將恒定的輻射變為交變輻射作用在熱釋電器件上，當輸入輻射恒定，而斬光器微電機不轉或轉速變慢時，輸出信號為零或很小。19.固定閾值法：當輸入光電信號高于固定電位Uth時，比較器輸出高電平，即為1；否則輸出低電平。該電路簡單可靠，但受光源的不穩定影響較大，需要穩定光源。浮動閾值法：閾值電壓為從光源分得一部分光加到光電二極管上，光電二極管在適當偏壓下輸出與光源的發光度成線性變化的電壓信號，以此信號作閾值，即可得到隨發光強度浮動的閾值Uth。將Uth加到比較器的反向輸入端，將檢測信號的

24、輸出加到電壓比較器的同向輸入端，在輸出端得到的信號為隨發光強度浮動的二值化信號，當被測信號高于閾值時輸出高電平。浮動閾值法避免了光電檢測系統的精度受光源的穩定性的影響。20.系統組成：激光器、掃描陣鏡、透鏡、物鏡、接收器件21.兩個光柵以一定角度相互重疊，產生的明暗交錯的條紋就是光柵莫爾條紋。光柵莫爾條紋具有位移放大作用、位移對應關系和誤差平均效應。5、 分析題1. 答： 差動法雙通道測量系統工作原理：光源發出的光借助于反射鏡和透鏡分別沿著基準通道和測量通道并行傳送，在基準通道放置具有已知透過率的標準樣品，出射光經檢測器件接收作為參考信號，在測量通道放置待測樣品，出射光經檢測器件接收并與參考信

25、號比較處理，從而得到測量結果。與單通道相比，雙通道測量系統能夠消除由于光源波動和溫度變化帶來的影響。2.答：（）增量式編碼器圖案均勻，光信號脈沖一樣，可把任意位置作為基準點，從該點起將位移或轉角按一定的量化單位檢測，計量脈沖數即可折算成位移或轉角。零點可以任意予置，測量范圍僅受計數器容量限制而與光學器件無關。沒有確定的測量點，斷電則丟失當前位置，噪聲的影響造成計數誤差會逐漸積累，無法輸出絕對位置信息。（2分）（）絕對式編碼器圖案不均勻，光信號脈沖不一樣，它是在可運動的光學元件的各位置坐標上刻制出表示相應坐標的代碼形式的絕對地址，在元件運動過程中讀取這些代碼實現實時測量坐標的變化。坐標固定，與測

26、量前的狀態無關，不需要運動時的位置重合；抗干擾能力強，無誤差累積；切斷電源信號消失，但通電后能恢復原狀態；信號并行傳送，不需要方向判別和可逆計數等。可將任意位置取作零點時需進行一定的運算。（3分）3.工作原理：用交變的入射輻射照射熱釋電晶體，使得晶體的溫度、晶體的自發計劃以及由此因此的面束縛電荷均隨入射輻射的頻率變化而變化，如果頻率較大，體內電荷來不及中和，結果就使得晶體在與極軸垂直的兩端面間出現開路交流電壓。如果接上相應負載，就會在負載的兩端產生交流信號電壓。（3分）熱釋電器件的極化強度與溫度有關，溫度升高，極化強度降低，升高到一定溫度，自發極化就突然消失，這個溫度稱為“居里溫度”。在居里點

27、以下，極化強度是溫度的函數，熱釋電探測器件就是利用這點制造出的熱敏類探測器。即熱釋電探測器件要工作在居里溫度以下。4. 火炮身管直線度測量系統主要由激光器、光束準直系統和光電接收及處理電路組成。激光器可采用氦氖激光器，激光器、接收器選用四象限光電池，固定在靶標上，兩者分別放置于炮口和炮尾。將激光束的強度中心作為直線基準，調整使其對準四象限光電池的檢測中心，移動靶標，探測器件輸出信號，信號處理后輸入到記錄器上記錄不直度曲線。5.激光光束入射到以固定角速度旋轉的轉鏡反射面上，反射光束經反射光學系統變成平行于光軸的掃描光束，再通過接收光學系統被光電傳感器接收。接收器采集到這種光強調制信號后，經光電轉

28、換系統變成電信號，由微機實時數據處理，便可得到工件被測部位的直徑測量結果。6.測距儀的測距原理都是發射光的調制信號，經目標返回，由光敏元件接收，轉換為電信號后經處理計算出被測距離L，若發射接收的時間間隔為t，則。（敘述2分，圖1分）脈沖法激光測距儀的原理是，時間間隔為T的時鐘脈沖在門控制電路的作用下向脈寬為t的信號方波內填充脈沖，并用計數器計數，若計數值為N，則得：，則（敘述2分，圖1分）脈沖法激光測距的最小可測距離Lmin由時鐘脈沖頻率f決定。f越高，Lmin越小。一般f可達300MHz，對應的Lmin為0.5m。（1分）7. 光敏電阻在光照強（白天）的時候電阻小、電路中電流變大，能驅動繼電器，關閉路燈，在光照弱（晚上）的時候電阻大電路中電流變小，不能驅動繼電器，繼電器就會接通另一開關，從而打開路燈。6、 設計題1. 控制刀下落光電接收器分束鏡光源 光源發出的光被分束鏡分為兩路，一路經履帶邊緣透過被光電檢測器件接收變成電壓信號Ui，成為浮動閾值電路的輸入端，另一路直接進入閾值電路的光電轉換器件轉換成閾值電壓。當紙進入接收器視場時，光電器件輸出光電流減小，引起輸出電壓的跳變，此時輸出信號Uo為低電平，裁紙刀下