1、第一章1.設(shè)在半徑為R的圓盤中心法線上，距盤圓中心為10處有一個(gè)輻射強(qiáng)度為Ie的 點(diǎn)源S,如圖所示。試計(jì)算該點(diǎn)源發(fā)射到盤圓的輻射功率。解：因?yàn)閐Ssin d d02 1 cos所以led1 0J；R2Ie 11 0Io Rc2.如圖所示, 被照面的面積為設(shè)小面源的面積為 A,輻射亮度為L(zhǎng)e,面源法線與10的夾角為s；A,到面源 A的距離為10。若c為輻射在被照面 A的入射角，試計(jì)算小面源在 A上產(chǎn)生的輻射照度。L解：亮度定義：dIeAr cos r強(qiáng)度定義:I e第1.2題圖可得輻射通量:As cos在給定方向上立體角為:,Ac cos cccd10則在小面源在 A上輻射照度為：Ed , dA

2、As cos s cos-c ssc1023.假如有一個(gè)按朗伯余弦定律發(fā)射輻射的大擴(kuò)展源（如紅外裝置面對(duì)的天空背 景），其各處的輻亮度Le均相同，試計(jì)算該擴(kuò)展源在面積為Ad的探測(cè)器表面上產(chǎn)生的 輻照度。答：由Led得 d Led dAcos ,且 d d dAcosAd cos則輻照度:2 rdr 2Ee Le 12 dLe022 2 01 r4.霓虹燈發(fā)的光是熱輻射嗎?不是熱輻射。霓虹燈發(fā)的光是電致發(fā)光，在兩端放置有電極的真空充入覆或 敏等惰性氣體，當(dāng)兩極間的電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，氣體中的原子或離子受到被電 場(chǎng)加速的電子的轟擊，使原子中的電子受到激發(fā)。當(dāng)它由激發(fā)狀態(tài)回復(fù)到正常狀態(tài) 會(huì)發(fā)光，這

3、一過(guò)程稱為電致發(fā)光過(guò)程。6 .從黑體輻射曲線圖可以看出，不同溫度下的黑體輻射曲線的極大值處的波長(zhǎng) m隨溫度T的升高而減小。試由普朗克熱輻射公式導(dǎo)出mT 常數(shù)O答：這一關(guān)系式稱為維恩位移定律，其中常數(shù)為2.898 10-3m?K。普朗克熱輻射公式求一階導(dǎo)數(shù)，令其等于0,即可求的。7 .黑體輻射曲線下的面積等于等于在相應(yīng)溫度下黑體的輻射出射度M試有普朗克的輻射公式導(dǎo)出MW溫度T的四次方成正比，即這一關(guān)系式稱斯特藩-波耳茲曼定律，其中常數(shù)為5.6710-8W/mK解答：教材P9,并參見(jiàn)大學(xué)物理相關(guān)內(nèi)容。9 .常用的彩色膠卷一般分為日光型和燈光型。你知道這是按什么區(qū)分的嗎？按色溫區(qū)分。10 vdv為頻

4、率在vv dv間黑體輻射能量密度，d為波長(zhǎng)在 d間黑體輻射能量密度。已知 v 8 hv7c3exp hv kBT 1 ,試求 。解答：由 c ,通過(guò)全微分進(jìn)行計(jì)算。11如果激光器和微波器分別在入=10 w入=500n林口 y =3000MH輸出一瓦的連續(xù)功率，問(wèn)每秒鐘從激光上能級(jí)向下能級(jí)躍遷的粒子數(shù)分別是多少？解答:hCP Nhv12設(shè)一對(duì)激光能級(jí)為E和Ei (g2=g),相應(yīng)的頻率為y (波長(zhǎng)為入)，各能級(jí)上的 粒子數(shù)為n2和ni。求(1)當(dāng) y =3000MHz T=300K，稟/n 產(chǎn)？(2)當(dāng)入=1區(qū)編T=300K寸，n/n尸？(3)當(dāng)入=1 w n2/n i=0.1 溫度T=?。解答

5、：13試證明，由于自發(fā)輻射，原子在 巳能級(jí)的平均壽命s "A2i。 解答：參見(jiàn)教材P12/°14焦距f是共焦腔光束特性的重要參數(shù)，試以f表示w。，wz, Rz , V。由 于f和W。是一一對(duì)應(yīng)的，因而也可以用作為表征共焦腔高斯光束的參數(shù)，試以w。表示f、wz, Rz , V。解答：15今有一球面腔，R=1.5m, R=-1m, L=。.8m。試證明該腔為穩(wěn)定腔；并求出它 的等價(jià)共焦腔的參數(shù)。解答：穩(wěn)定強(qiáng)條件：。g1g21,求出g1和g2為腔參數(shù)。16某高斯光束w°=1.2mnr(求與束腰相距63m, 1。mF口 1。限處的光斑 w的大小及波前曲率半徑R解答:第二章

6、1 .何為大氣窗口，試分析光譜位于大氣窗口內(nèi)的光輻射的大氣衰減因素。答：對(duì)某些特定的波長(zhǎng)，大氣呈現(xiàn)出極為強(qiáng)烈的吸收。光波幾乎無(wú)法通過(guò)。根 據(jù)大氣的這種選擇吸收特性，一般把近紅外區(qū)分成八個(gè)區(qū)段，將透過(guò)率較高的波段 稱為大氣窗口。2 .何為大氣湍流效應(yīng)，大氣湍流對(duì)光束的傳播產(chǎn)生哪些影響？答：是一種無(wú)規(guī)則的漩渦流動(dòng)，流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡十分復(fù)雜，既有橫向運(yùn)動(dòng)， 又有縱向運(yùn)動(dòng)，空間每一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度圍繞某一平均值隨機(jī)起伏。這種湍流狀態(tài)將 使激光輻射在傳播過(guò)程中隨機(jī)地改變其光波參量，使光束質(zhì)量受到嚴(yán)重影響，出現(xiàn) 所謂光束截面內(nèi)的強(qiáng)度閃爍、光束的彎曲和漂移（亦稱方向抖動(dòng)）、光束彌散畸變以及空間相干性退化等現(xiàn)象

7、，統(tǒng)稱為大氣湍流效應(yīng)。3 .對(duì)于3m晶體LiNbO3,試求外場(chǎng)分別加在x,y和z軸方向的感應(yīng)主折射率及 相應(yīng)的相位延遲（這里只求外場(chǎng)加在x方向上）解：鋸酸鋰晶體是負(fù)單軸晶體，即nx=ny=n。、nz = ne。它所屬的三方晶系3m點(diǎn)群電光系數(shù)有四個(gè)，即丫 22、丫 13、丫 33、丫 51。電光系數(shù)矩陣為：22130221351512233由此可得鋁酸鋰晶體在外加電場(chǎng)后的折射率橢球方程為:002/12/122n。22 Ey15 Ez)x(222 Ey13 Ez) y(33 Ez)Z2 51 (Ez yz ExXZ) 2 22 Exxy 1n°ne（1）通常情況下，鋸酸鋰晶體采用 45

8、0z切割，沿X軸或y軸加壓，z軸方向通光, 即有Ez=E=0,且Ex#0。晶體主軸x,y要發(fā)生旋轉(zhuǎn)，上式變?yōu)椋?22(2)x2。今 2 51Exxz 2 22Exxy 1nxnynz因5iEx 1,且光傳播方向平行于z軸，故對(duì)應(yīng)項(xiàng)可為零。將坐標(biāo)軸繞 z軸旋轉(zhuǎn)角 度得到新坐標(biāo)軸，使橢圓方程不含交叉項(xiàng)，新坐標(biāo)軸取為xcosysinsinx'cosrz=z(3)將上式代入2式，取45°消除交叉項(xiàng),得新坐標(biāo)軸下的橢球方程為:1n°nx xnon/no1-n21 n222Ex22 Ex(5)nzne(4)22Ex x'2 t 22Ex y'2 三 1n0%可求

9、出三個(gè)感應(yīng)主軸x'、y'、z'（仍在z方向上）上的主折射率變成:z軸的方y(tǒng)nx,可見(jiàn)，在x方向電場(chǎng)作用下，花酸鋰晶體變?yōu)殡p軸晶體，其折射率橢球向和長(zhǎng)度基本保持不變，而x,y截面由半徑為no變?yōu)闄E圓，橢圓的長(zhǎng)短軸方向 相對(duì)原來(lái)的x y軸旋轉(zhuǎn)了 45°,轉(zhuǎn)角的大小與外加電場(chǎng)的大小無(wú)關(guān)，而橢圓的長(zhǎng)度 ny的大小與外加電場(chǎng)R成線性關(guān)系。當(dāng)光沿晶體光軸z方向傳播時(shí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為l的晶體后，由于晶體的橫向電光效 應(yīng)（x-z）,兩個(gè)正交的偏振分量將產(chǎn)生位相差：(6)2 23，(nx ny )l n° 22Exl若d為晶體在x方向的橫向尺寸，Vx Exd為加在晶體x方

10、向兩端面間的電壓。通過(guò)晶體使光波兩分量產(chǎn)生相位差（光程差/2 ）所需的電壓Vx，稱為“半波電壓”，以V表示。由上式可得出鋸酸鋰晶體在以（x-z）方式運(yùn)用時(shí)的半波電壓表示式:V -72 n0 22 l由（7）式可以看出，花酸鋰晶體橫向電光效應(yīng)產(chǎn)生的位相差不僅與外加電壓 稱正比，還與晶體長(zhǎng)度比l/d有關(guān)系。因此，實(shí)際運(yùn)用中，為了減小外加電壓，通 常使l/d有較大值，即晶體通常被加工成細(xì)長(zhǎng)的扁長(zhǎng)方體。4. 一塊45度-z切割的GaAs晶體，長(zhǎng)度為L(zhǎng),電場(chǎng)沿z方向，證明縱向運(yùn)用時(shí) 的相位延遲為2/nKEL。解：GaAs晶體為各向同性晶體，其電光張量為:00000063(1)00041000410004

11、z軸加電場(chǎng)時(shí)，B=E, Ex=E=0。晶體折射率橢球方程為:222x_L222222n n n41E xy 1(2)經(jīng)坐標(biāo)變換，坐標(biāo)軸繞z軸旋轉(zhuǎn)45度后得新坐標(biāo)軸，方程變?yōu)?工 41E X'2 口 nn41E y'2 J 1n(3)可求出三個(gè)感應(yīng)主軸x'、y'、z'（仍在z方向上）上的主折射率變成:nx,nny'n41E132 n 41 E(4)nz' n縱向應(yīng)用時(shí)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為L(zhǎng)的晶體后，兩個(gè)正交的偏振分量將產(chǎn)生位相差:223一(nx' ny')Ln 41EL(5)5 .何為電光晶體的半波電壓？半波電壓由晶體的那些參數(shù)決定

12、？答：當(dāng)光波的兩個(gè)垂直分量 三，Ey的光程差為半個(gè)波長(zhǎng)（相應(yīng)的相位差為）時(shí)所需要加的電壓，稱為半波電壓。6 .在電光晶體的縱向應(yīng)用中，如果光波偏離 z軸一個(gè)遠(yuǎn)小于1的角度傳播，證Ln02.一，一、明由于自然雙折射引起的相位延遲為n0 1，式中L為晶體長(zhǎng)度。2cnQ2- 2解：二竺l得nneno nen。1 22n0/21ne自然雙折射引起的相位延遲:7.若取 vs=616m/s, n=2.35, f s=10MHz 射所允許的最大晶體長(zhǎng)度 Lmah?0=0.6328 mi試估算發(fā)生拉曼-納斯衍2解：由公式L L0一計(jì)算。答案:3.523mm8利用應(yīng)變S與聲強(qiáng)Is的關(guān)系證明一級(jí)衍射光強(qiáng)Ii與入射

13、光強(qiáng)I0之比為1 L20 cos 1I sJ(近似取解答:11I0用公式0sin2Ln6P2I2s2s作近似？ ？9.由布拉格衍射方程直接計(jì)算,答案： sin 0 b=0.0036310 . 一束線偏振光經(jīng)過(guò)長(zhǎng) L=25cm直徑D=1cm的實(shí)心玻璃，玻璃外繞 N=250匝 導(dǎo)線，通有電流I=5A取韋爾彳i常數(shù)為V=0.25 10-5 ( ) /cm?T,試計(jì)算光的旋轉(zhuǎn)角解：由公式L和VH計(jì)算。答案：0.3125'11 .概括光纖弱導(dǎo)條件的意義。答：從理論上講，光纖的弱導(dǎo)特性是光纖與微波圓波導(dǎo)之間的重要差別之一。 實(shí)際使用的光纖，特別是單模光纖，其摻雜濃度都很小，使纖芯和包層只有很小的

14、折射率差。所以弱導(dǎo)的基本含義是指很小的折射率差就能構(gòu)成良好的光纖波導(dǎo)結(jié)構(gòu), 而且為制造提供了很大的方便。14 .光纖色散、帶寬和脈沖展寬之間有什么關(guān)系？對(duì)光纖傳輸容量產(chǎn)生什么影 響？(P80 2.5.3 2)答：光纖的色散會(huì)使脈沖信號(hào)展寬，即限制了光纖的帶寬或傳輸容量。一般說(shuō)來(lái)，單模光纖的脈沖展寬與色散有下列關(guān)系:d L占即由于各傳輸模經(jīng)歷H近似為高斯型,如圖2-23所示。的光程不同而引起的脈沖展寬。單模光纖色散的起因有下列三種：材料色散、波導(dǎo) 色散和折射率分布色散。光脈沖展寬與光纖帶寬有一定關(guān)系。實(shí)驗(yàn)表明光纖的頻率響應(yīng)特性Pme (f/i2P(0)fc10 10g H ( fc)半功率點(diǎn)10

15、 10g 需#3 dB顯然有因此，fc稱為光纖的3dB光帶寬。光纖的色散和帶寬對(duì)通信容量的影響:光纖的色散和帶寬描述的是光纖的同一特性。 其中色散特性是在時(shí)域中的表現(xiàn)形式，即光脈沖經(jīng)過(guò)光纖傳輸后脈沖在時(shí)間坐標(biāo)軸上展寬了多少；而帶寬特性是 在頻域中的表現(xiàn)形式，在頻域中對(duì)于調(diào)制信號(hào)而言，光纖可以看作是一個(gè)低通濾波器，當(dāng)調(diào)制信號(hào)的高頻分量通過(guò)光纖時(shí)，就會(huì)受到嚴(yán)重衰減，如圖所示。(a)輸入通常把調(diào)制信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖傳播后，光功率下降一半（即3dB）時(shí)的頻率（fc）的大小,定義為光纖的帶寬（B）。由于它是光功率下降3dB對(duì)應(yīng)的頻率，故也稱為3dB光帶寬 可用下式表不。101g=3dB光功率總是要用光電子器件

16、來(lái)檢測(cè)，而光檢測(cè)器輸出的電流正比于被檢測(cè)的光101g|201gm 201gB?Bc I -6dB（3.34）二旦.P電0I電0P光0從上式中可以看出，3dB光帶寬對(duì)應(yīng)于6dB電帶寬。15 .光波水下傳輸有那些特殊問(wèn)題？答：主要是設(shè)法克服這種后向散射的影響。措施如下：適當(dāng)?shù)剡x擇濾光片和檢偏器，以分辨無(wú)規(guī)則偏振的后向散射和有規(guī)則偏振的目 標(biāo)反射。盡可能的分開(kāi)發(fā)射光源和接收器。采用如圖2-28所示的距離選通技術(shù)。當(dāng)光源發(fā)射的光脈沖朝向目標(biāo)傳播時(shí)， 接收器的快門關(guān)閉，這時(shí)朝向接收器的連續(xù)后向散射光便無(wú)法進(jìn)入接收器。當(dāng)水下 目標(biāo)反射的光脈沖信號(hào)返回到接收器時(shí)，接收器的快門突然打開(kāi)并記錄接收到的目 標(biāo)信息

17、。這樣就能有效的克服水下后向散射的影響。第三章1 . 一縱向運(yùn)用的KD噸光調(diào)制器，長(zhǎng)為2cm,折射率n=2.5 ,工作頻率為1000kHz 試求此時(shí)光在晶體中的渡越時(shí)間及引起的相位延遲。解：0.167nS渡越時(shí)間為：d=nL/c相位延遲因子：2 .在電光調(diào)制器中，為了得到線性調(diào)制，在調(diào)制器中插入一個(gè)/4波片，波片的的軸向如何設(shè)置最好？若旋轉(zhuǎn) /4波片，它所提供的直流偏置有何變化？答：其快慢軸與晶體的主軸x成45角，從而使Ex和Ey兩個(gè)分量之間產(chǎn)生/2的 固定相位差。3 .當(dāng)電場(chǎng)反向施加時(shí)，晶體依次繞 z軸旋轉(zhuǎn)90度，或電場(chǎng)同樣，則光軸重合。4如果一個(gè)縱向電光調(diào)制器沒(méi)有起偏器，入射的自然光能否得

18、到光強(qiáng)度調(diào)制？為什么？解答：不能得到強(qiáng)度調(diào)制。自然光通過(guò)電光調(diào)制器后，不能形成固定相位差。5 一個(gè)PbMoa光調(diào)制器，對(duì)He-Ne放光進(jìn)行調(diào)制。已知聲功率 R=1W聲光相互 作用長(zhǎng)度L=1.8mm 換能器寬度H=0.8mm M=36.3 10-15s3/kg ,試求PbMoO光調(diào)制 器的布喇格衍射效率？解答：計(jì)算可得71.1 %6 一個(gè)駐波超聲場(chǎng)會(huì)對(duì)布喇格衍射光場(chǎng)產(chǎn)生什么影響？給出造成的頻移和衍射 方向。解答：新的光子沿著光的散射方向傳播。根據(jù)動(dòng)量守恒和能量守恒定律：ks kikd ,即ks ki kd （動(dòng)量守恒）d s i（能量守恒）（能量守恒）一一衍射級(jí)相對(duì)于入射光發(fā)生頻率移動(dòng)，根據(jù)光波

19、矢量的定義，可 以用矢量圖來(lái)表示上述關(guān)系，如圖所示圖中ks2為聲波矢量，ksi -1為入射光波矢量。i c因?yàn)閗dfs /c為衍射光波矢量。fs在1010H到下，u在1013Hz以上，所以衍射光的頻率偏移可以忽略不計(jì)。在上面的等腰三角形中ks2ki sin B布拉格條件:sin b2-1和書中推導(dǎo)的布拉格條件相同入射光的布拉格角只由光波長(zhǎng)，聲波長(zhǎng)決定。7 .用PbMo端體做成一個(gè)聲光掃描器，取n=2.48, M=37.75 10-15s3/kg ,換能器105cm/s,光束寬度H=0.5mm聲波沿光軸方向傳播，聲頻fs=150MHz聲速Vs=3.99寬度d=0.85cm,光波長(zhǎng)=0.5 m證明

20、此掃描器只能產(chǎn)生正常布喇格衍射;為獲得100%勺衍射效率，聲功Ps率應(yīng)為多大?若布喇格帶寬f = 125MHz衍射效率降低多少?求可分辨點(diǎn)數(shù)N。解：L由公式L0n 24 0證明不是拉曼-納斯衍射。Is22cos B1Ps2M2L2 sHLI s2 cos2 B H2M 2 L ,答案功率為0.195WZ若布喇格帶寬2 sfo f72n PVsf=125MHz衍射效率降低多少?22 2 E3I Icos B HB 二fs2nvsN用公式_fsvs R計(jì)算。答案：148第四章1比較光子探測(cè)器和光熱探測(cè)器在作用機(jī)理、性能及應(yīng)用特點(diǎn)等方面的差異。答：光子效應(yīng)是指單個(gè)光子的性質(zhì)對(duì)產(chǎn)生的光電子起直接作用的

21、一類光電效應(yīng)。 探測(cè)器吸收光子后，直接引起原子或分子的內(nèi)部電子狀態(tài)的改變。 光子能量的大小， 直接影響內(nèi)部電子狀態(tài)改變的大小。 因?yàn)椋庾幽芰渴莌 , h是普朗克常數(shù)，是光 波頻率，所以，光子效應(yīng)就對(duì)光波頻率表現(xiàn)出選擇性，在光子直接與電子相互作用 的情況下，其響應(yīng)速度一般比較快。光熱效應(yīng)和光子效應(yīng)完全不同。探測(cè)元件吸收光輻射能量后，并不直接引起內(nèi) 部電子狀態(tài)的改變，而是把吸收的光能變?yōu)榫Ц竦臒徇\(yùn)動(dòng)能量，引起探測(cè)元件溫度 上升，溫度上升的結(jié)果又使探測(cè)元件的電學(xué)性質(zhì)或其他物理性質(zhì)發(fā)生變化。所以，光 熱效應(yīng)與單光子能量h的大小沒(méi)有直接關(guān)系。原則上，光熱效應(yīng)對(duì)光波頻率沒(méi)有選 擇性。只是在紅外波段上，材

22、料吸收率高，光熱效應(yīng)也就更強(qiáng)烈，所以廣泛用于對(duì) 紅外線輻射的探測(cè)。因?yàn)闇囟壬呤菬岱e累的作用，所以光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度一般 比較慢，而且容易受環(huán)境溫度變化的影響。值得注意的是，以后將要介紹一種所謂 熱釋電效應(yīng)是響應(yīng)于材料的溫度變化率，比其他光熱效應(yīng)的響應(yīng)速度要快得多，并 已獲得日益廣泛的應(yīng)用。2總結(jié)選用光電探測(cè)器的一般原則。答：用于測(cè)光的光源光譜特性必須與光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)特性匹配；考慮時(shí)間 響應(yīng)特性；考慮光電探測(cè)器的線性特性等。4已知Si光電池光敏面積為5 10m而 在1000W/m光照下，開(kāi)路電壓u0.55V光電流12mA在(200700) W/m光照下，保證線性電壓輸出的負(fù)載電阻和電壓變

23、化值;(2)如果取反偏壓V=0.3V,求負(fù)載電阻和電壓變化值;(3)如果希望輸出電壓變化量為0.5V,怎么辦？解答:(1)Rl 0.6u/iu0c u0c 2.6ln P'/P(2)在上面計(jì)算公式中，減去一個(gè)反偏電壓再計(jì)算。(3)增大負(fù)載電阻和擴(kuò)大光照變化范圍。5如果Si光電二極管靈敏度為10uA/uW結(jié)電容為10pF,光照功率為5uW寸，拐點(diǎn) 電壓為10V,偏壓40V,光照信號(hào)功率Pt 5 2cos t W ,試求：(1)線性最大輸出功率條件下的負(fù)載電阻；(2)線性最大輸出功率；(3)響應(yīng)截止頻率。解答:Gp(1)''''S PP0 2guuH M S

24、PP02 Gp gfc(3)12 RlJ2V u工？hv?，6 證明 NEP e SNR第五章5.1 以表面溝道CC汕例，簡(jiǎn)述CCDfc荷存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移、輸出的基本原理。CCD勺輸出 信號(hào)有什么特點(diǎn)？答：構(gòu)成CCD勺基本單元是MOS金屬-氧化物-半導(dǎo)體)電容器。正如其它電容器 一樣，MOSfe容器能夠存儲(chǔ)電荷。如果MOS吉構(gòu)中的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)在金屬電極 (稱為柵)上加一個(gè)正的階梯電壓時(shí)(襯底接地)，Si-SiO2界面處的電勢(shì)(稱為表面勢(shì)或界面勢(shì)）發(fā)生相應(yīng)變化，附近的 P 型硅中多數(shù)載流子空穴被排斥，形成所謂耗盡層，如果柵電壓Vg超過(guò)MOS1體管的開(kāi)啟電壓，則在Si-SiO2界面處形成深 度耗盡

25、狀態(tài)，由于電子在那里的勢(shì)能較低，我們可以形象化地說(shuō)：半導(dǎo)體表面形成 了電子的勢(shì)阱，可以用來(lái)存儲(chǔ)電子。當(dāng)表面存在勢(shì)阱時(shí)，如果有信號(hào)電子（電荷） 來(lái)到勢(shì)阱及其鄰近， 它們便可以聚集在表面。 隨著電子來(lái)到勢(shì)阱中， 表面勢(shì)將降低， 耗盡層將減薄，我們把這個(gè)過(guò)程描述為電子逐漸填充勢(shì)阱。勢(shì)阱中能夠容納多少個(gè) 電子，取決于勢(shì)阱的“深淺” ，即表面勢(shì)的大小，而表面勢(shì)又隨柵電壓變化，柵電壓 越大，勢(shì)阱越深。如果沒(méi)有外來(lái)的信號(hào)電荷。耗盡層及其鄰近區(qū)域在一定溫度下產(chǎn) 生的電子將逐漸填滿勢(shì)阱，這種熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子電流叫作暗電流，以有別于光 照下產(chǎn)生的載流子。因此，電荷耦合器件必須工作在瞬態(tài)和深度耗盡狀態(tài)，才能存 儲(chǔ)

26、電荷。以典型的三相CC汕例說(shuō)明CCM荷轉(zhuǎn)移的基本原理。三相 CC混由每三個(gè)柵 為一組的間隔緊密的 MOS吉構(gòu)組成的陣歹U。每相隔兩個(gè)柵的柵電極連接到同一驅(qū)動(dòng) 信號(hào)上，亦稱時(shí)鐘脈沖。三相時(shí)鐘脈沖的波形如下圖所示。在 ti時(shí)刻，0 i高電位， 0 2、0 3低電位。止匕時(shí)0 i電極下的表面勢(shì)最大，勢(shì)阱最深。假設(shè)此時(shí)已有信號(hào)電荷 （電子）注入，則電荷就被存儲(chǔ)在0 i電極下的勢(shì)阱中。t2時(shí)刻，01、g為高電位， 03為低電位，則0 1、0 2下的兩個(gè)勢(shì)阱的空阱深度相同，但因d1下面存儲(chǔ)有電荷，則0 1勢(shì)阱的實(shí)際深度比0 2電極下面的勢(shì)阱淺，d 1下面的電荷將向小2下轉(zhuǎn)移，直到 兩個(gè)勢(shì)阱中具有同樣多的電

27、荷。t3時(shí)刻，© 2仍為高電位，© 3仍為低電位，而© 1由 高到低轉(zhuǎn)變。此時(shí)0 1下的勢(shì)阱逐漸變淺，使小1下的剩余電荷繼續(xù)向小2下的勢(shì)阱中 轉(zhuǎn)移。t4時(shí)刻，0 2為高電位，小1、0 3為低電位，小2下面的勢(shì)阱最深，信號(hào)電荷都 被轉(zhuǎn)移到0 2下面的勢(shì)阱中，這與t1時(shí)刻的情況相似，但電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)電極 的位置。當(dāng)經(jīng)過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期 T 后，電荷包將向右轉(zhuǎn)移三個(gè)電極位置，即一個(gè)柵周 期（也稱一位）。因此，時(shí)鐘的周期變化，就可使 CC»的電荷包在電極下被轉(zhuǎn)移到 輸出端，其工作過(guò)程從效果上看類似于數(shù)字電路中的移位寄存器。電荷輸出結(jié)構(gòu)有多種形式，如“電流輸出”

28、結(jié)構(gòu)、 “浮置擴(kuò)散輸出”結(jié)構(gòu)及“浮置柵輸出” 結(jié)構(gòu)。 其中 “浮置擴(kuò)散輸出” 結(jié)構(gòu)應(yīng)用最廣泛， 。 輸出結(jié)構(gòu)包括輸出柵OG、浮置擴(kuò)散區(qū)FD復(fù)位柵R、復(fù)位漏RD以及輸出場(chǎng)效應(yīng)管T等。所謂“浮置擴(kuò)散”是 指在P型硅襯底表面用V族雜質(zhì)擴(kuò)散形成小塊的n+區(qū)域，當(dāng)擴(kuò)散區(qū)不被偏置，即處 于浮置狀態(tài)工作時(shí)，稱作“浮置擴(kuò)散區(qū)” 。電荷包的輸出過(guò)程如下：Vog為一定值的正電壓，在OG電極下形成耗盡層，使0 3與FD之間建立導(dǎo)電溝道。在0 3為高電位期間，電荷包存儲(chǔ)在0 3電極下面。隨后復(fù) 位柵R加正復(fù)位脈沖0 r,使FD區(qū)與RD區(qū)溝通，因Vrd為正十幾伏的直流偏置電壓， 則FD區(qū)的電荷被RD區(qū)抽走。復(fù)位正脈沖過(guò)

29、去后 FD區(qū)與RD區(qū)呈夾斷狀態(tài)，F(xiàn)D區(qū)具有一定的浮置電位。之后，。3轉(zhuǎn)變?yōu)榈碗娢唬?下面的電荷包通過(guò)OG下的溝道轉(zhuǎn) 移到FD區(qū)。止匕時(shí)FD區(qū)（即A點(diǎn)）的電位變化量為：式中，Qd是信號(hào)電荷包的大小，C是與FD區(qū)有關(guān)的總電容（包括輸出管 T的輸入電 容、分布電容等）。CC端出信號(hào)的特點(diǎn)是：信號(hào)電壓是在浮置電平基礎(chǔ)上的負(fù)電壓； 每個(gè)電荷包的 輸出占有一定的時(shí)間長(zhǎng)度To；在輸出信號(hào)中疊加有復(fù)位期間的高電平脈沖。據(jù)此特 點(diǎn)，對(duì)CCD的輸出信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，較多地采用了取樣技術(shù)，以去除浮置電平、復(fù) 位高脈沖及抑制噪聲。5.2 何謂幀時(shí)、幀速？二者之間有什么關(guān)系？?答：完成一幀掃描所需的時(shí)間稱為幀時(shí) Tf（

30、s）,單位時(shí)間完成的幀數(shù)稱為幀速F （幀 1T f /s） :F。5.3 用凝視型紅外成像系統(tǒng)觀察 30公里遠(yuǎn)，10米X 10米的目標(biāo)，若紅外焦平面器 件的像元大小是50 mix 50區(qū)用 假設(shè)目標(biāo)像占4個(gè)像元，則紅外光學(xué)系統(tǒng)的焦距應(yīng) 為多少？若紅外焦平面器件是128X 128元，則該紅外成像系統(tǒng)的視場(chǎng)角是多大？1050 10 3 2答. 30 1 03f /水平及垂直視場(chǎng)角：5.5 一目標(biāo)經(jīng)紅外成像系統(tǒng)成像后供人眼觀察，在某一特征頻率時(shí)，目標(biāo)對(duì)比度為 0.5,大氣的MTF為0.9 ,探測(cè)器的 MTF為0.5 ,電路的MTF為0.95 , CR硒 MTF為 0.5,則在這一特征頻率下，光學(xué)系統(tǒng)

31、的MTF至少要多大？答. 0.5 0.9 0.5 0.95 0.5 MTFo 0.0265.6 紅外成像系統(tǒng)A的NETD小于紅外成像系統(tǒng)B的NET&能否認(rèn)為紅外成像系統(tǒng) A對(duì)各種景物的溫度分辨能力高于紅外成像系統(tǒng)B,試簡(jiǎn)述理由。答：不能。NETDE映的是系統(tǒng)對(duì)低頻景物（均勻大目標(biāo)）的溫度分辨率，不能表 征系統(tǒng)用于觀測(cè)較高空間頻率景物時(shí)的溫度分辨性能。5.7 試比較帶像增強(qiáng)器的CCD薄型背向照明CCDK電子轟擊型CC湍件的特點(diǎn)。答：帶像增強(qiáng)器的CC湍件是將光圖像聚焦在像增強(qiáng)器的光電陰極上，再經(jīng)像增 強(qiáng)器增強(qiáng)后耦合到電荷耦合器件（CCD上實(shí)現(xiàn)微光攝像（簡(jiǎn)稱ICCD）。最好的ICCD是將像增

32、強(qiáng)器熒光屏上產(chǎn)生的可見(jiàn)光圖像通過(guò)光纖光錐直接耦合到普通CC芯片上。像增強(qiáng)器內(nèi)光子-電子的多次轉(zhuǎn)換過(guò)程使圖像質(zhì)量受到損失，光錐中光纖光柵干涉 波紋、折斷和耦合損失都將使ICCD輸出噪聲增加，對(duì)比度下降及動(dòng)態(tài)范圍減小，影 響成像質(zhì)量。靈敏度最高的ICCD攝像系統(tǒng)可工作在10-6lx靶面照度下。薄型、背向照明CC湍件克服了普通前向照明 CCD勺缺陷。光從背面射入，遠(yuǎn)離 多晶硅，由襯底向上進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，大量的硅被光刻掉，在最上方只保留集成外接 電極引線部分很少的多晶硅埋層。由于避開(kāi)了多晶硅吸收，CCD的量子效率可提高至U90%,與低噪聲制造技術(shù)相結(jié)合后可得到 30個(gè)電子噪聲背景的CCD相當(dāng)于在沒(méi) 有任何增強(qiáng)手段下照度為10-4lx （靶面照度）的水平。盡管薄型背向照明CC潞件的 靈敏度高、噪聲低，但當(dāng)照度低于10-6lx （靶面照度）時(shí)，只能依賴圖像增強(qiáng)環(huán)節(jié)來(lái) 提高器件增益，克服CCDM聲的制約。電子轟擊型CC湍件是將背向照明CCDI作電子轟擊型CCD勺“陽(yáng)極”，光電子 從電子轟擊型CCD勺“光陰極”發(fā)射直接“近貼聚焦”到 CCDS體上，光電子通過(guò) CCDF面進(jìn)入后，硅消耗入射光子能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)， 進(jìn)而發(fā)生電子轟擊半導(dǎo)體倍 增，電子轟擊過(guò)程產(chǎn)生的噪聲比用微通道板倍增產(chǎn)生的噪聲低