光电技术(王庆有)习题参考答案完整版(不包含题目)

光电技术第一章参考答案 1 辐射度量与光度量的根本区别是什么？为什么量子流速率的计算公式中不 能出现光度量？ 答：为了定量 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 光与物质相互作用所产生的光电效应，分析光电敏感器件的光 电特性，以及用光电敏感器件进行光谱、光度的定量计算，常需要对光辐射给出 相应的计量参数和量纲。辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法。根 本区别在于：前者是物理（或客观）的计量方法，称为辐射度量学计量方法或辐 射度参数，它适用于整个电磁辐射谱区，对辐射量进行物理的计量；后者是生理 （或主观）的计量方法，是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计 算，称为光度参数。因为光度参数只适用于 0.38~0.78um 的可见光谱区域，是对 光强度的主观 评价 LEC评价法下载LEC评价法下载评价量规免费下载学院评价表文档下载学院评价表文档下载 ，超过这个谱区，光度参数没有任何意义。而量子流是在整个 电磁辐射，所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量。 光源在给定波长λ处，将λ～λ+dλ范围内发射的辐射通量 dΦe，除以该 波长λ的光子能量 hν，就得到光源在λ处每秒发射的光子数，称为光谱量子流 速率。 2 试写出 e 、 eM 、 e 、 eL 等辐射度量参数之间的关系式，说明它们与辐射源的关系。 答：辐（射）能 ：以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用 符号 表示，其计量单位为焦耳（J）。 eQ eQ 辐（射）通量 e ：在单位时间内，以辐射形式发射、传播或接收的辐（射）能称 为辐（射）通量，以符号 e 表示，其计量单位是瓦（W），即 e = dtdQe 。 辐（射）出（射）度 ：对面积为 A 的有限面光源，表面某点处的面元向半球 面空间内发射的辐通量d eM e 与 之 ， 该面元面积 d 比，定义 为辐（射）出（射）度 eM 即M A e = dA d e 。其计量单 位是瓦每平方米[W/m2]。 辐（射）强度 ：对点光源在给定方向的立体角元e d 内发射的辐射通量 ed ， 与该方向立体角元 d 之比，定义为点光源在该方向的辐（射） 强度 ，即e e = d d e ，辐射强度的计量单位是瓦特每球面 度（W/sr）。 辐射亮度 ：光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐射强度，除以该面元 在垂直于给定方向平面上的正投影面积，称辐射亮度 ， eL eL 1 eL = cosdA dIe =   cos 2 dAd d e  ，式中，θ为所给方向与面元法线间 的夹角。其计量单位是瓦特每球面度平方米[W/（sr. m2）]。 3 何谓余弦辐射体？余弦辐射体的主要特性有哪些？ 答：一般辐射体的辐射强度与空间方向有关。但是有些辐射体的辐射强度在空 间方向上的分布满足 cos0ee dIdI  式中 Ie0 是面元 沿其法线方向的辐射强度。符合上式规律的辐射体称为余弦辐 射体或朗伯体。 黑体为理想的余弦辐射体。它满足黑体辐射定律： dS K ,   a.普朗克辐射定律 黑体表面向半球空间发射波长为λ的光谱，其辐射出射度 是黑体温度 T 和波长λ的函数，这就是普朗克辐射定律； ,eM b.斯忒藩—玻尔兹曼定律 黑体的总辐射出射度为对 积分，得到其为σT4； ,eM c.维恩位移定律 峰值光谱辐出度所对应的波长与绝对温度的乘积为常数。当温 度升高时，峰值光谱辐射出射度所对应的波长向短波长方向移动。 4 试举例说明辐射出射度 Me与辐射照度 Ee 是两个意义不同的物理量。 答：略。 5．试说明 、 、 的意义及区别。 mK  WK 答： 为 人眼的明视觉最灵敏波长 λm 的光度参量对辐射度参量的转换常数， 称为正常人眼的明视觉最大光谱光视效能。其值为 683lm/W。 mK K 对于所谓辐射对人眼锥状细胞或柱状细胞的刺激程度，是从生理上评价所有 的辐射参量 与所有的光度参量 的关系。对于明视觉，刺激程度平衡条件 为 eX ,vX   ,, ev XK m VX 令  K = / = ×,vX ,eX mK  V ，称为人眼的明视觉光 谱光视效能。（其中定义  V =  m ,eL ,eL 为正常人眼的明视觉光谱光视效率。 m 等 于 0.555um） 定义一个热辐射体发射的总光通量 v 与总辐射通量 e 之比，为该辐射体的光视 效能 K，K= ，其中 V 为辐射体的光视效率。在光电信息变换技术领域常 用色温为 2856K 的标准钨丝灯作为光源，测量硅、锗等光电器件光的电流灵敏 度等特性参数。定义标准钨丝灯的光视效能为 ， =17．1 （lm/W）。 VmK mK mK 6．（平面发散角为 1mrad）解：（1）氦氖激光器输出的光为光谱辐射，则辐射通 量为  ,e =3mW 根据式（1-56）可计算出它发出的光通量为  ,v =    ,emVK 又 =683lm/W，V0.6328=0.235，带入数据计算得mK  ,v 为 0.4815 lm。发光强度 = ,vI   ,v ，立体角为 Ω=2π（1－（1－r2）1/2）， 将光束平面发散角转换 α= 1×10-3×180 /（π）=0.057 度 则 r = sin（α/2）=5×10-4 带入公式得 Ω= 8.17×10-7sr 2 所以发光强度 = ,vI   ,v = 0.4815/（8.17×10-7）=5.89×105cd 光出射度M =,v 2, 2    d v    = 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×    2 tan a +0.0005 =5.5×10-3m， 面积 A= =7.85×10-5m2 2r 屏幕的光照度为 =vE A v  , =6.13×103 lx 6.（平面发散角为 0.02mrad）解：（1）氦氖激光器输出的光为光谱辐射，则辐射 通量为  ,e =3mW 根据式（1-56）可计算出它发出的光通量为  ,v =    ,emVK 又 =683lm/W，V0.6328=0.235，带入数据计算得mK  ,v 为 0.4815 lm。 发光强度 = ,vI   ,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 为 22 sin  RRr  ，则 Ω= 2 2 R r 所以发光强度 = ,vI   ,v =  00000103.0 4815.0 51067.4  cd 光出射度M =,v 2, 2    d v    = 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     2 101 2 10 2 101 2 tan10 33 r  m003366.0 面积 A= =3.56 2r 510 屏幕的光照度为 =vE A v  , =  51056.3 4815.0 1.35 lx 410 7．解：由题意有  ,e =3mW，又查表得 V（0.5145um）=0.6082 光通量  ,v =    ,emVK =683×0.6082×3=1.246×103 lm， 3 屏幕上的光照度 =vE A v  , =1.246×103/（0.2×10-4）=6.23×107 lx 若屏幕的反射系数是 0.8，则光出射度为 =0.8×6.23×107=4.984×107 lx ,vM 设屏幕每分钟接收的光子数目为 N，则 Nhc =  ,e ×60（1-0.8） 所以 N=60×0.2×3×0.5145×10-6/ （3×108×6.63×10-34）=9.31×1019 个/分钟 8.解：依题意，设光子流速率为 N 个/秒，则 Nhc =  ,e 又  ,e =30mW，λ=0.6328um 所以 N= hc e   , = 9.54×1016 个/秒 9．解：依题意， m = 0.465um，由维恩位移定律， m =2898/T， 则太阳表面的温度 T= m2898 =6232.25K，又 =1.309T 5×10-15 mse M ,, 计算得其峰值光谱辐射出射度 =1.23×104 mse M ,, 12 ..  umcmW 10.解：人体在正常体温时 T=36.5+273=309.5K 由维恩位移定律， Tm 2898 =9.36um 当发烧到 38.5 时，T=38.5+273=311.5K，此时 Tm 2898 =9.303um 峰值光谱辐射出射度 =3.84 155,, 10309.1  TM mse  12 ..  umcmmW 11.解：依题意，由杂质吸收条件，则杂质吸收的长波限 i L E 24.1 所以杂质电离能 L i 24.1 =1.24/13=0.095ev 12.解：光照灵敏度 V V IS  ，而辐射灵敏度 ee IS  ， 又标准钨丝灯的辐射量与光度量的转化关系为 =17.1（lm/W）， wK w e v K   所以 ，又 =200uA/lm ewv SKS  vS 则其辐射灵敏度 =200×17.1=3.42mA/lm。 eS 13.解：依题意，辐射通量为 100W，则它的辐射强度为 4100eI =7.96cd 对应于 0.2sr 范围的辐射通量为 WIee 592.12.096.72.0  4 由 e v wK  则对应的光通量 lmK ewv 223.27592.11.171   所以 100W 的标准钨丝灯在 0.2sr 范围内所发出的光通量为 27.223lm。 14.解：设甲厂生产的光电器件的光照灵敏度为 ，则有 ， 1vS eWv SKS 1 w e v K SS 1 =5/17.1= 0.29 lmA ， 而乙厂光电器件的光照灵敏度是 = 0.4 vS lmA 显然 ，所以乙厂光电器件灵敏度高。 vv SS 1 15.解：依题意， =50uA， =300uA， =1uA 1I 2I DI 而 PN 结两端的开路电压为 )1ln(  D oc I I q kTU  由于 T 不是定值，故只有当 T=273K 条件下才有：  VInIn q KTUoc 093.051106.1 2731038.11 1 50 19 23 1         VInIn q KTUoc 134.0301106.1 2731038.11 1 300 19 23 2        16.解：由 gg L EE hc 24.1 又 =1.2 ，则 gE eV  umL 03.12.1 24.1  17.答：在微弱辐射作用下，半导体的光电导为  ,2 ehvl qg  可见此时半导体材料的光电导与入射辐射通量  ,e 成线性关系。半导体材料在弱 辐射作用下的光电灵敏度为 2 , hcl q d dgS e g     可见， 为与材料性质有关的常数，与光电导材料两电极间长度 l的平方成反比。 为了提高光电导器件的光电灵敏度 ，一般就将光敏电阻的形状制造成蛇形。 还有就是增大了受光面积，也提高了光电灵敏度。 gS gS 5 18.答：光生伏特效应是基于半导体 PN 结 基础上的一种将光能转换为电能的效 应。当入射辐射作用在半导体 PN 结上产生本征吸收时，价带中的光生空穴与导 带中的光生电子在 PN 结内建电场的作用下分开，N 区的空穴向 P 区运动，P 区 的电子向 N 区运动，结果 P 区带正电，N 区带负电，形成光生伏特电压或光生 电流。 激光器输出光的波长（10.6um）远远超过激光器锗窗材料的本征吸收 长波限，不可能产生光电子发射。 2CO 19.解：由  nm EE hc thth L 1239 则  evE L th 82.1680 12391239   ，即该光电发射材料的光电发射域值为 1.82 电子 伏特。 20.解：由 g L E 24.1  L gE  24.1 又 umL 4.1  所以  evE L g 886.04.1 24.124.1   6 光电技术第二章参考答案 2.1 解：在微弱信号的辐射下， 将式（1-80） /, (1 )ten N e     代入（1-83），并对其 求导即可得半导体材料在弱辐射下的光电导灵敏度为 / 2 , (1 )tg e dg qS d hcl e        ，由此可知时间 t响应越长，灵敏度越高。 2.2 解：同一型号的光敏电阻，在不同光照度下和不同的环境温度下，其光电导灵敏度和时 间常数不相同。在照度相同而温度不同时，其光电导灵敏度不相同和时间常数也不相同。 其材料性质已经一样，只是决定了的值一定，光照度和环境温度不同，则产生的光生电子 浓度和热生电子浓度各异，决定了 值不同，照度相同决定光生电子浓度相同，温度不同决 定热生电子浓度不同，同样也决定了 值不同。由（1-85）和（1-88）推出光电灵敏度不相 同，由（2-5）和（2-11）推出其时间常数不相同。 2.3解：由式（2-1） rp gI US E 得 最大照度 2 2( ) ( )P g g I PE US U S   2 =22500 lx 最小照度 2P g g I PE US U S   =150 lx 2.4 解：在照明控制电路中，入射辐射很强 r=0.5，光敏电阻分压 =220-0.002*（1+5） *1000=208 V CU 由 rp gI US E 得， 2( )P g IE US   369.8 lx 在光照度在 3lx 时，入射辐射很弱，r=1，由 P g IU S E  =220—0.002*（5+R）*1000，推出 R=820 ，故应将 R值调到 820 。   2.5 解：由 1 2 2 1 lg lg lg lg R Rr E E   得 =1835.6 2 1(lg lg ) lg 1 10 r E E RR   2  2.6 解：由 1 2 2 1 lg lg lg lg R Rr E E   得 lg550 lg 450 lg 700 lg500 r   =0.596 当光照为 550lx时， = 519.53 2 2lg ( g lg )1 10 R r l E ER   1  当光照为 600lx时， =493.3 2 2lg ( g lg )1 10 R r l E ER   1  2.7 解：根据图示为恒流偏置电路，流过稳压管的电流 mA R UU I b wbb w 8.9820 8  满足稳压管的工作条件 (1) 当 wU 4V时， mAR UU I e bew e 110*3.3 7.04 3   由 e bb p I UU R 0  得输出电压为 6伏时电阻 1R 6K， 输出电压为 9伏时电阻 3K ，故2R  1 2 1 lg lg lg lg 2R Rr E E   =1； 输出电压为 8V时，光敏电阻的阻值为 e bb p I UU R 0  =4K，代入 1 2 2 1 lg lg lg lg R Rr E E   解得 E=60lx (2) 与（1）类似，得到 E=34lx (3) 当 时， r=1, KRe 3.3 ,1mAIe   KRP 6 解得  KRp 4.3 pebb RIUU 0 =8.6V 当 时， r=1, KRe 6 ,55.0 mAIe   KRP 6 解得  KRp 4.3 pebb RIUU 0 =10V (4) 电路的电压灵敏度 )/(1.0 4060 68 lxv E USv    2.8 解：选用光敏电阻 MG45-7，其 值为 0.6，设计的电路图如教材 P41图 2-14所示，选 择 2CW12型稳压二极管，其稳定电压值为 6V，  1bR ，由 12 21 lglg lglg EE RR   得 查表得当光照为 100lx时，亮电阻为 100 100lg150lg lg10*100lg6.0 3   R ，R=75 ， CCCC RIUU 0 ，输出电压的变化 ,2)()( 1221  CCCCCCCCCCC RIIRIURIUU 即 ,2) 10*100 6 10*75 6( 33  cR 得 100cR 2.9 ① × ②√ ③× ④√ ⑤× 2.10 解：在没有光照的情况下通过 的电流 3R A R U I w 66 3 1 10*3.510*1 7.067.0  集电极电压 VRIUU CC 83.1010*220*10*3.512 36311   在辐照度为 1mw/ 情况下通过 的电流 2cm 3R A R U I W 76 3 2 10*65.210*2.0 7.067.0  集电极电压 VRIUU CC 17.610*220*10*5.2612 36312   VUUU 66.417.683.1021  2.11 解： VU RR RU bb W th 612*1.51.5 1.5 11 1    )6/12ln(10*1*10*)152.8()/ln()( 632 thbbW UUCRRt 16.08ms 2.12 解：（a）通过光照调节 的电阻值从而动态的控制集成运放电路的放大倍数 PR （b）通过光照调节 的电阻值从而动态的调节集成运放同向输入端的输入电压。 PR 光电技术第三章参考答案 3.1 试比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线，说明它们的差异。 答：比较硅整流二极管与硅光电二极管的伏安特性曲线可知：当没有光辐射时， 二者的伏安特性曲线是一样的；当有光辐射时，则硅光电二极管的全电流为负值， 特性曲线向下平移，且向下平移的程度随辐照度的不同而变化。但是硅整流二极 管的伏安特性曲线不受光照的影响。此外，正常工作状态下，硅光电二极管两端 所加正向电压必须小于 0.7V，否则不能产生光电效应。该值通常为负，即处于 反偏状态；硅整流二极管两端所加偏压须为正，且要大于开启电压 Uth 值。 3.2 写出硅光电二极管的全电流方程，说明各项的物理意义。 答：硅光电二极管的全电流方程为 )1()1( ,   kT qU De d eIe hc qI   式中，为光电材料的光电转换效率， 为材料对光的吸收系数。 光电流为     ,)1( e de h qI   无辐射时的电流为 )1(  kT qU D eII 为暗电流，U 为加在光电二极管两端的电压，DI T 为器件的温度，k 为玻尔兹曼常熟，q 为电子电荷量。 3.3 比较 2CU 型硅光电二极管和 2DU 型硅光电二极管的结构特点，说明引入环 极的意义。 答：2CU 型硅光电二极管是采用 n 型硅材料作基底，在 n 区的一面扩散三价元素硼而生成 重掺杂 型层， 型层和 n 型硅相接触形成 p-n 结，引出电极，在光敏面上涂上 保 护膜。2DU 型硅光电二极管是以轻掺杂、高阻值的 p 型硅材料做基底，在 p 型基底上扩散 五价元素磷，形成重掺杂 型层，p 型硅和 型硅接触形成 p-n 结，在 区引出正极，并 涂以透明的 作为保护膜，基底镀镍蒸铝后引出负电极。在硅光电二极管的制造过程中， 在光敏面上涂 保护层的过程中，不可避免的会沾污一些杂质正离子，通过静电感应引 起表面漏电流，并进而产生暗电流和散粒噪声。因此，为了减少由于 中少量正离子的 静电感应所产生的表面漏电流，在氧化层中也扩散一个环形 p-n 结而将受光面包围起来，即 引入环极，以增加高阻区宽度，避免边缘过早击穿。 p p 2 2SiO n n n 2SiO 2SiO SiO 3.4 影响光生伏特器件频率响应特性的主要因素有哪些？为什么 PN 结型硅光电 二极管的最高工作频率小于等于 Hz？ 710 答：影响光生伏特器件频率响应的主要因素有三点： （1）在 PN 结区内产生的光生载流子渡越结区的时间 dr ，即漂移时间； （2）在 PN 结区外产生的光生载流子扩散到 PN 结区内所需的时间 p ，即扩散时间； （3）由 PN 结电容 、管芯电阻 及负载电阻 构成的 RC 延迟时间jC iR LR RC 。 对于 PN 结型硅光电二极管，光生载流子的扩散时间 p 是限制硅光电二极管 频率响应的主要因素。由于光生载流子的扩散运动很慢，因此扩散时间 p 很长， 约为 100ns，则其最高工作频率 Hzf p 7101   此外，其频率响应特性还受延迟时间 RC 的影响。但是，在负载电阻 低于 500时，时间常数在 ns 量级。因此，合理匹配负载电阻的大小，并从结构设计 方面考虑如何在不使偏压增大的情况下使耗尽区扩展到整个 PN 结器件,可将延 迟时间 LR RC 及扩散时间 p 对硅光电二极管频率响应特性的影响降到最低。 3.5 为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再随入射照度的增大而增 大？硅光电池的最大开路电压为多少？为什么硅光电池的有载输出电压总小于相同照度下 的开路电压？ 答：答：当光照强度增大到某个特定值时，硅光电池的 p-n 结产生的光生载流子 数达到了最大值，即出现饱和，再增大光照强度，其开路电压不再随之增大。硅 光电池的开路电压表达式为 )1ln(  D oc I I q kTU  ，将    ,)1( e de h qI  代入 的表达式并求关于 ocU 的一阶导数，令 0 max  d dUoc ，求得最大开路电压。由 于输出电压 LkT qU DPLLRo ReIII )]1([ U ，即包含了扩散电流 kT qU DeI 和暗电流 的影响，使得硅光电池的有载输出电压总小于开路电压 。 DI ocU 3.6 硅光电池的内阻与哪些因素有关？在什么条件下硅光电池的输出功率最 大？ 答：硅光电池的内阻与动态结电阻 Rsh 及串联电阻 Rs有关。在线性测量中， 动 态电阻 Rsh 值越大越好；串联电阻 Rs通常很小，在一些计算中可忽略。由于负载 获得的功率 ，所以当选择负载电阻的值为最佳负载电阻值时，即若满 足 LLL RIP 2 0  Lopt RR L dL dP 则硅光电池的输出功率最大。 3.7 光生伏特器件有几种偏置电路？各有什么特点？ 答：光生伏特器件有以下几种偏置电路： （1）自偏置电路。特点是光生伏特器件在自偏置电路中具有输出功率，且当负载电阻为最 佳负载电阻时具有最大输出功率。其缺点在于输出电流或输出电压与入射辐射间的线性关系 很差，在实际测量电路中很少应用。 （2）反向偏置电路。光生伏特器件在反向偏置状态，PN 结势垒区加宽，有利于光生载流子 的漂移运动，使光生伏特器件的线性范围和光电变换的动态范围加宽，被广泛应用于大范围 的线性光电 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 与光电变换中。 （3）零伏偏置电路。光生伏特器件在零伏偏置下，输出的短路电流 与入射辐射量成线 性变化关系。因此，零伏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。 SCI 3.8 解：（1）由题意，在温度为 300K 条件下，当辐照度 为 时， 开路电压 ，短路电流 eE 2/100 cmmW mWUoc 550 mAI sc 6 ，则由 )1ln(  D oc I I q kTU  及    ,)1( e d sc eh qII  得，在室温情况下，辐照度为 ，时2/50 1 cmmWEe  mAIE EII sc e e sc 36100 501 1 1   ，          11111 DD ococ I I I q KT I I In q KTUU  又 TT 1 而 mAA ee I I kT qUD oc 912 3001038.1 10550106.1 3 10529.310529.3 1 106 1 23 319             则 相对于 非常小， DI I mVV I I q KT II II q KTUU D D ococ 18018.06 3ln026.0lnln 111                所以 mVUU ococ 53218550181  （2）由于运放的开环增益 ，故可将电路视为零伏偏置电路，则 510A mA R UIRIU f o scfsco 0416.024 1 22  22 2 /69.01006 0416.0 cmmWE I I ，E e sc sc e 则 3.9 解：由题意，当 T=300K， 时， 2/100 cmmWEe  mAImVU SCoc 28,550  ，则由      1ln D oc I I q kTU  以及   ,)1( edsc ehv qII  得 mAI E EII sc e e sc 5628100 2001 11           11111 DD ococ I I I q KT I I In q KTUU  又 TT 1 而 mAA ee I I KT qUocD 912 026.0 10550 3 10244.1810244.18 1 1028 1 3          则 相对于 非常小， DI I mVV I I q KT II II q KTUU D D ococ 18018.028 56ln026.0lnln 111                所以 mVUU ococ 568018.01  则当负载电阻为最佳负载电阻时，可取输出电压 mVUU ocm 8.3406.0 1  而此时的输出电流近似等于光电流，即 mAIIm 561   则获得最大功率的最佳负载电阻  08.6 56 8.340 m m l I UR 最大输出功率 mWIUP mmm 08.1910568.340 3   转换效率 %54.9 1200 08.19 11  SE PP e m e m m  3.10 解：参见教材习题 P77 例 3-2 3.11 解：由题意，当最高入射辐射功率为 400uW 时，拐点电压为 1.0V，则由 得iep SI , uAI p 1604.0400  ， uAIII Dpb 8.1592.0160  由   mAuAII be 15.88.159511   又 VUUUU bezbbo 3.107.0112  则  1260264.1 15.8 3.100 K I UR e e 由 ，则eii ESI  uAI 20504.0  从而   mAuAIIe 02.1102020511   所以有输出电压的变化量为 VRIU ee 285.1126002.10  3.15 答：PSD 即光电位置敏感器件，是基于光生伏特器件的横向效应的器件，是 一种对入射到光敏面上的光电位置敏感的光电器件。它有三种基本类型，即一维 PSD 器件和二维 PSD 器件。用一维 PSD 来探测光点在被测体上的位置，其原理图如下 图所示 被测光斑在光敏面上的位置由下式计算，即 L II IIxA 12 12   所输出的总光电流为 21 III P  3.16 答：理想的 PSD 器件要求 P 型层不仅是光敏层，而且是一个均匀的电阻层。 电阻的均匀程度直接影响到光斑左右两侧的光电流差值的准确性。很显然，由于 受制造工艺的影响，不可能做到电阻分布严格均匀，事实上距离中心较近的位置 电阻均匀性较好，而偏离中心的位置电阻均匀性差。因此，检测的误差随位置偏 离而增大。 3.17 ①D ②A ③D ④B 光电技术第四章参考答案 4.1 何谓“光电发射阈值”？它与“逸出功”有什么区别？引入“光电发射阈值”对分析光电效应 有什么意义？ 答：电子由价带顶逸出物质表面所需要的最低能量，即为光电发射阈值。而逸出功是指电子 逸出材料表面克服原子核的静电引力和偶电层的势垒作用所做的功。引入光电发射阈值对于 研究材料的光电发射长波限以及热噪声都具有很重要的意义。 4.2 真空光电倍增管的倍增极有哪几种结构？各有什么特点？ 答：常用的倍增极材料有以下几种： ①锑化铯（CsSb）材料：具有很好的二次电子发射功能， 它可以较低的电压下产生较高的 发射系数，电压高于 400V 时的 δ 值可高达 10 倍。但是，当电流较大时，它的增益将趋于 不稳定。 ②氧化的银镁合金（AgMgO[Cs]）材料：也具有二次电子发射功能，它与锑化铯相比二次 电子发射的能力稍差些，但是，它可以在较强电流和较高的温度（150℃）下工作。它在 400V 电压时的发射系数 δ值最大，约为 6。 ③铜-铍合金（铍的含量为 2%）材料：也具有二次电子发射功能，不过它的发射系数 δ比银 镁合金更低一些。 ④新发展起来的负电子亲和势材料 GaP[Cs],具有更高的二次电子发射功能，在电压 1000V 时，其倍增系数一般大于 50，甚至高达 200。 4.3 为什么常把光电倍增管的光电阴极做成球面？这样设计有什么优越性？ 答：球面型光电阴极的阴极表面分布比较均匀，而且从阴极中心和边缘发射的电子的轨迹长 度相差甚小，可使渡越时间的离散性接近于零。 4.4 何谓光电倍增管的增益特性？光电倍增管各倍增极的发射系数 δ与哪些因素有关？最主 要的因素是什么？ 答：电流放大倍数表征光电倍增管的增益特性，它不但与倍增极材料的二次发射系数 δ有关， 而且与光电倍增管的级数 N 有关。光电倍增管的各倍增极的发射系数 δ 与一次电子的加速 电压 Vd、倍增极的材料和结构有关。在几十~几百伏范围时， 。其中 C是常数， k与倍增极的材料和结构有关。最主要的因素是一次电子的加速电压。 k dVC  4.5 光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？ 答：产生暗电流的原因主要有：①欧姆漏电 ②热发射 ③残余气体放电 ④场致发射 ⑤玻璃 壳放电和玻璃荧光 降低暗电流的方法主要有：①直流补偿 ②选频和锁相放大 ③冷却光电倍增管 ④增加 电磁屏蔽 ⑤采用磁场把未被照射的光电阴极边缘暗电流的电子散射掉。 4.6 光电倍增管的主要噪声是什么？在什么情况下热噪声可以被忽略？ 答：光电倍增管的噪声主要由散粒噪声和负载噪声组成。只要阳极负载电阻 Ra满足： 22 4 GqI KTR k a  则电阻的热噪声就远远小于光电倍增管的散粒噪声，这时就可以忽略热噪声。 4.7 怎样理解光电倍增管的阴极灵敏度和阳极灵敏度？二者的区别是什么？二者有什么关 系？ 答：光电倍增管阴极电流与入射光谱辐射通量之比称为阴极灵敏度，阳极电流与入射光谱辐 射通量之比称为阳极灵敏度。阴极灵敏度表征了光电倍增管阴极材料的一次发射能力，而光 电倍增管的阳极灵敏度则反应了倍增极材料的二次电子发射能力。 4.8 为什么光电倍增管不但要屏蔽光，还要屏蔽电与磁？用什么样材料制造光电倍增管的屏 蔽罩才能达到既屏蔽光、屏蔽电又能屏蔽磁的目的？屏蔽罩为什么必须与玻璃壳分离至少 20mm？ 答：因为光电子在电场或磁场的作用下将会偏离正常的运动轨迹，引起光电倍增管的灵敏度 下降，噪声增加。为了减少外部电场和磁场对光电倍增关工作的影响，一般须在管子外部加 一个屏蔽罩。应该用高磁导率的材料来制造光电倍增管的屏蔽罩。当光电倍增管负高压使用 时，金属屏蔽层与玻璃层之间的电场很强，尤其是金属屏蔽层与处于负高压的阴极之间的电 场最强。在强电场下玻璃壳可能产生放电现象或出现玻璃荧光，放电和荧光都会引起暗电流， 而且还将严重破坏信号。因此，在阴极为负高压应用时屏蔽罩与玻璃壳之间距离至少应为 20mm。 4.9 什么叫光电倍增管的疲劳与衰老？两者的差别使什么？能在明亮的室内观看光电倍增 管的结构么？为什么？ 答：在较强辐射作用下倍增管的灵敏度下降的现象称为疲劳。光电倍增管在正常使用的情况 下，随着工作时间的积累，灵敏度也会下降，称为衰老。两者的区别在于，疲劳是暂时的现 象，待管子避光存放一段时间后，灵敏度将会部分或全部恢复过来，而衰老是永久的，是不 能恢复的。不能，因为这样做，会使光电倍增管的阳极长时间暴露在强辐射下，引起光电倍 增管的疲劳和衰老效应。 4.10 光电倍增管的短波限和长波限由什么因素决定？ 答：主要由光电阴极材料和窗口材料决定。 4.11 某光电倍增管的阳极灵敏度为 10A/lm，为什么还要限制它的阳极输出电流在 50~100μA？ 答：因为阳极电流过大会加速光电倍增管的疲劳与老化。 4.12 已知某光电倍增关的阳极灵敏度为 100A/lm，阴极灵敏度为 2μA/lm，要求阳极输出电 流限制在 100μA范围内，求允许的最大入射光通量。 解： lm SG I I IGSI S S G k xoma v vk k a 6 max 7 10 105    所以最大入射光通量为 10-6lm 4.13 光电倍增管的供电电路分为负高压供电与正高压供电，试说明这两种供电电路的特点， 举例说明它们分别适用与哪种情况？ 答：负高压供电可消除外部信号输出电路与阳极的电位差，因而光电倍增管的输出电流可直 接与电流计或电压转换的运算放大器相连，适用与微弱信号检测中。正高压供电采用耐高压 的耦合电容来输出信号，这种方法适用于交流或脉冲信号测量系统中。 4.14 光电倍增管 GDB44F的阴极光照灵敏度为 0.5μA/lm，阳极灵敏度为 50A/lm，要求长期 使用时阳极允许电流限制在 2μA以内。求： （1）阴极面上允许的最大光通量。 （2）当阳极电阻为 75KΩ时，最大的输出电压。 （3）若已知该光电倍增管为 12级的 Cs3Sb倍增极，其倍增系数 ,实计算它 的供电电压。 7.0)(2.0 DDU （4）当要求输出信号的稳定度为 1%时，求高压电源电压的稳定度。 答：（1） lm S I S ISI S S I I k k k a ak k k a k a 8 6 14 14 66 104 105.0 102 102 50 105.0102           (2) VRIU aaa 15.01075102 36 maxmax   (3) 对于 Cs3Sb倍增极材料有经验公式： 8 6 101105.0 50  k a S S G NG  642.4 7.0)(2.0 DDU VUDD 892.0 7.0   总电源电压为 VUNU DDbb 5.1201)5.1(  (4) %112  bb bb bb bb U U U U n U U %083.0 bb bb U U 4.15 当用表 4-4所示的光电倍增管 GDB-151设计探测光谱强度为 光谱时，若要 求输出信号电压不小于 0.3mV，稳定度要求高于 0.1%，试设计该光电倍增管的供电电路。 lm9102  答：根据题目的输出电压幅度要求和 PMT的噪声特性，可以选择阳极电阻 Ra=82kΩ，阳极 电流应不小于 minaI                    M I UR AII ASGSI VUNU VU I I G ASI ARUI Ri DD i amRi vmkvmaam DDbb DD N k a vkk aoa 1600 104 640 )(10410 )(104 )(640)5.1( )(61 2.0 556.3 1091.0 104 1065.3 )(1041021020 )(1065.3 1082 103.0/ 9 9 9 7.0 5 14 9 1496 9 3 3 min    4.16 设入射到 PMT光敏面上的最大光通量 ，当采用 GDB-239型倍增管作 为光电探测入射时，已知 GDB-239为 11级的光电倍增管，阴极为 AgOCs阴极，倍增极为 AgMg合金材料，阴极灵敏度为 10μA/lm.若要求入射通量在 时的输出幅度不低于 0.15V，试设计该 PMT的变换电路。若供电电压稳定度只能做到 0.01%，试问该 PMT变换 电路输出信号的稳定度最高能达到多少？ lmV 6108  8 lm610 答：(1)计算供电电源的电压 根据题目的输出电压幅度要求和 PMT 的噪声特性，可以选择阳极电阻 Ra=75KΩ,阳极电流 应不小于 ，因此 minaI )(2 75 15.0 min AR UI a O a  入射光通量为 时的阴极电流为 lm6108  )(10801081010 666 ASI vkk   此时，PMT的增益为 513.2 105.2 1080 2 4 6 min     　　N k a G I IG 对于 AgMg合金材料有： DDU025.0 )(101 025.0 513.2 VUDD  总电源电压为： )(1257)5.1( VUNU DDbb  （2）计算偏置电路电阻链的阻值 amRi vmkam II AGSI 10 )(21081010105.2 664     则有 )(20 AIRi  光电技术第六章参考答案 6.1 为什么说发光二极管的发光区在 PN 结的 P 区？这与电子、空穴的迁移率有关吗？ 答：对于 PN 结注入发光的发光二极管，当 PN 结处于平衡位置时，存在一定的势垒区。当 加正向偏压时，PN 结区势垒降低，从扩散区注入的大量非平衡载流子不断地复合发光，并 主要发生在 P 区。这是因为发光二极管在正向电压的作用下，电子与空穴做相对运动，即 电子由 N 区向 P 区运动，而空穴向 N 区运动。但由于电子的迁移率 N 比 高空穴的迁移率 P 20 倍左右，电子很快从 N 区迁移到 P 区，因而复合发光主要发生在 P 区。 6.2 为什么发光二极管必须在正向电压下才能发光？反向偏置的发光二极管能发光吗？ 答：由于 LED 的发光机理是非平衡载流子即电子与空穴的扩散运动导致复合发光，因此要 求有非平衡载流子的相对运动，使电子由 N 区向 P 区运动，而空穴由 P 区向 N 区运动。在 不加偏加或加反向偏压的情况下，PN 结内部的漂移运动占主要优势，而这种少子运动的结 果是电子与空穴的复合几率小，而且表现在数量上也是很微弱的，不足以使 LED 发光。因 此，要使 LED 发光，必须加正向偏压。 6.3 发光二极管的发光光谱由哪些因素决定？光谱的半宽度有何意义？ 答：发光二极管的发光光谱由材料的种类、性质及发光中心的结构决定，而与器件的几何形 状和封装方式无关。无论什么材料制成的 LED，都有一个相对光强度最强处（光输出最大）， 与之相对应有一个波长，此波长即为峰值波长 P 。在 LED 谱线的峰值两侧  处，存在 两个光强等于峰值一半的点，分别对应   PP ， ，它们之间的宽度即为半谱线宽 度，也称半功率宽度，它是一个反映 LED 单色性的参数。半宽度越小，则发光光谱单色性 越好，发光功率集中于半谱线宽度内。 6.4 产生激光的三个必要条件是什么？ 答：产生激光的三个必要条件是：（1）必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去， 为此需要泵浦源；（2）要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以口服损耗；（3）有一个谐振 腔为出射光子提供正反馈及高的增益，用以维持受激辐射的持续振荡。 6.5 半导体激光器有什么特点？LD 与 LED 发光机理的根本区别是什么？为什么 LD 光的相 干性要好于 LED 光？ 答：半导体激光器体积小，重量轻，效率高，寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵 浦。其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可以与之单片集成，并且还可用高达 GHz 的 频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，它广泛应用于光通信、 光学测量、自动控制等方面。LD 的发光机理是激光工作物质的受激辐射，而 LED 发光的机 理是非平衡载流子的复合发光。由于 LD 的发光过程是受激辐射，单色性好，发射角小，因 此有很好的时间和空间相干性。 6.6 粒子数反转分布的条件是什么？为什么 LD 必须有谐振腔？ 答：要使激光工作物质的受激辐射占主导地位，就必须从外部给工作物质提供能量，如光激 励或正向 PN 结注入等，使处于激发态的载流子数远大于处于基态的载流子数，也就是把载 流子的正常分布倒转过来，称为粒子数反转。这也是产生激光的三个条件中之一：要有泵浦 源。在激光工作物质发生粒子数反转后，尽管增益有所提高，但还不足以使其产生激光。为 使发射光束具有激光的特点，还必须使其产生“振荡”以形成谐振。谐振腔的作用正在于此， 当腔内的增益远超过损耗时，便可使光波产生谐振。 6.7 为什么需要将发光二极管与光电二极管封装在一起构成光电耦合器件？光电耦合器件 的主要特性有哪些？ 答：将发光器件与光电接收器件组合成一体，制成的具有信号传输功能的器件，即为光电耦 合器件。由于光电耦合器件的发送端与接收端是电、磁绝缘的，只有光信息相连。同时，它 在信号传输速度、体积、抗干扰性等方面都具有传统器件所无法比拟的优势。因此，在实际 应用中它具有许多优点，被广泛应用于工业自动检测、自动控制、电信号的传输和处理及计 算机系统等方面。光电耦合器件的主要特性有：（1）具有电隔离的功能；（2）信号传输具有 单向性；（3）具有抗电磁干扰和噪声的能力；（4）响应速度快；（5）实用性强；（6）既具有 耦合特性又具有隔离特性。 6.8 举例说明光电耦合器件可以用在哪些方面？为什么计算机系统常采用光电耦合器件？ 答：光电耦合器件目前在自动控制、遥控遥测、航空技术、电子计算机和其它光电、电子技 术中得到了广泛的应用。其具体应用实例可参见教材 6.5 小节所述。在计算机主体运算部分 与输入、输出之间，用光电耦合器件作为接口部件，将会大大提高传输中的信噪比。 6.9 为什么由发光二极管与光电二极管构成的光电耦合器件的电流传输比小于 1，而由发光 二极管与光电三极管构成的光电耦合器件的电流传输比大于等于 1？ 答：光电耦合器件中发光二极管的发光电流为 ，接收器件光电二极管产生的光电流可用FI FC II  表示，其中 是与发光二极管的发光效率、光电二极管的增益及二者之间距离等 参数有关的系数，称为光激发效率。 一般比较低，所以 一般要大于 。由于FI CI  为 与 的比值，因此光电耦合器件在不加复合放大三极管时，其电流传输比 CQI FI  总小于 1。而 当接收器件采用光电三极管时，由于光电三极管本身具有电流放大作用，因此输出光电流大 于等于发光电流，也即其电流传输比大于等于 1。（光电二极管输出光电流在 A 数量级，而 光电三极管的输出光电流在mA数量级。） 6.10 用光电耦合器件构成或门、或非门逻辑电路（要求画出电路图）。 答：用光电耦合器件构成的或门： 用光电耦合器件构成的或非门为： 6.11 光电耦合器件在电路中的信号传输作用与电容的隔直传交作用有什么不同？ 答：首先，光电耦合器件的信号传输是以光信息的形式进行的，这与电容利用电流或电压传 输信号不同；其次，光电耦合器件可以将输入端的直流信号转换为光信号进行传输，而电容 具有隔直作用，无法传输直流信号；再次，对于交流信号，光电耦合器件将其调制为同频率 光信号传输，对不同频率的信源均无过滤作用，而电容传输交流信号时会表现出随频率不同 而变化的阻抗（也即过滤），无法传输低频信号；最后，在抗干扰和抑噪方面，光电耦合器 件比电容要好。 光电技术第七章参考答案 7.1答:根据信息载入光学信息的方式可以分为 6种光电信息变换的基本形式，如下： ①信息载荷于光源的方式； ②信息载荷于透明体的方式； ③信息载荷于反射光的形式； ④信息载荷于遮挡光的形式； ⑤信息载荷于光学量化器的方式； ⑥光通信方式的信息变换。 全辐射测温属于信息载荷于光源的方式的光电信息变换。 由于物体自身辐射通常是缓慢变化的，因此，经光电传感器获得的电信号为缓变信号或直流 信号。为克服直流放大器的零点漂移、环境温度影响和背景噪声的干扰，在这种形式中常采 用光学调制技术或电子斩波调制的方法将其变为交流信号，然后再解调出被测信息。 7.2答:常用光通过透明薄膜时光通量的损耗与入射通量及材料对光吸收的规律求解。即 0 le    式中 为透明薄膜对光的吸收系数，它与透明薄膜介质的浓度C成正比，即 C  。为与透明薄膜介质性质有关的系数，则 0 Cle    ，为常数，光通量的损 耗与透明薄膜介质的浓度C及透明薄膜介质的厚度 l有关，采用信息载荷于透明体的变化方 式，变换电路的输出信号电压为 0sU Cle      0 Cl 。这时我们需要采用对数放大器对方程 两边取自然对数后得 ln lnU Us   ，即将变换电路的输出信号电压 sU 送入对数放大 器后，便可得到与透明薄膜介质的浓度C及透明薄膜介质的厚度 l有关的信号。利用此信号， 在透明薄膜介质的浓度C确定的情况下，可以方便的得到透明薄膜介质的厚度 l。 7.3答：测量物体表面粗糙度及表面疵病可采用信息载荷于反射光的光电信息变换方式。通 过检测漫反射系数可以检测物体表面的粗糙度及表面疵病的性质。在检测产品外观质量时， 变换电路输出的疵病信号电压 1 2( )sU E r r B  ，式中E为被测表面的照度， 为正品（无 疵病）表面的反射系数， 为疵病表面的反射系数， 1r 2r B为光电器件有效视场内疵病所占的 面积，为光电变换系数。当 、 和E 1r 已知时，输出电压 sU 为 和2r B的函数，因此，可 以通过输出电压 sU 的幅度判断表面疵病程度和面积。 7.4答：例如，将物体长度信息量 L 光学量化后形成 n 条纹信号，量化后的长度信息 L为 L  经 个 ，式中 称为长度的量化单位，我们采用光栅摩尔条纹变换器，量化单位 等于光 栅的截距 （高、低电平）两种状态的脉冲即 可。 的困难，必须采用各 种措 传送给光电器件之后，光 qn q q ，是微米量级的常数，就可以确定物体的长度了。这属于是信息载荷于光学量化器 的光电信息变换方式，也可称为模－数光电变换方式。 模－数光电变换中的光电变换电路只要输出“0”和“1” 脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信息。因此这类光电变换电路的输出信号 不再是电流或电压，而是数字信息量 F 。它与被测信息量Q的函数关系为 ( )F f Q 。显 然数字信息量 F 只取决于光通量变化的频率、周期、相位和时间间隔等信息 光强 无关，也不受电源、光学系统及机械结构稳定性等外界因素的影响。 而实现稳定的、高精度的模拟光电信息变换常常遇到许多技术方面 参数，与 施解决这些困难，才能获得高质量的模拟光电信息变换。 所以在能用模－数光电变换电路时决不采用模拟光电信息电路。 7.5答：模－数光电变换电路中被测的非电量信息载荷于光信息量 电器件以模拟电流 pI 或电压 pU 信号的形式输出。而模－数光电变换中的光电变换电路只要 输出“0”和“1”（高、低电平）两种状态的脉冲即可，都是数字量。 光电变换输出的模拟电流 pI 或电压 pU 不仅与被测信息量Q有关而且与载体光度量有 关。 （高、低电平）两种状态的脉冲即 可。 因此，为保证光电变换电路输出信号与被测信息量Q的函数关系，载体光度量必须稳 定。另外，电路参数的变化，尤其是电源电压的波动、放大电路的噪声、放大倍率的变化等 都将影响被测信号的稳定。而光度量的稳定又与光源、光学系统及机械结构等的性能有关。 实现稳定的、高精度的模拟光电信息变换常常遇到许多技术方面的困难，必须采用各种措施 解决这些困难，才能获得高质量的模拟光电信息变换。 模－数光电变换中的光电变换电路只要输出“0”和“1” 脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信息。因此这类光电变换电路的输出信号 不再是电流或电压，而是数字信息量 F 。它与被测信息量Q的函数关系为 ( )F f Q 。显 然数字信息量 F 只取决于光通量变化的频率、周期、相位和时间间隔等信息 光强 无关，也不受电源、光学系统及机械结构稳定性等外界因素的影响。 所以说模拟光电变换电路受环境的影响要比模－数光电变换电路大。 参数，与 7.6解：（1）设电阻 BR 的阻值为 a，电阻 CR 的阻值为b。 由于 3DU2的电流灵敏度为 .15 /IS mA ，照度为 00 lx 2 时电流lx 1I 0 30 。 mA 1 2 BI I I  则 2 1 BI I I   30 －mA BI C BI I 120 BI ， 2 0.7L B BI R I R V I B BI R 0.7V51K又因为  ，则  （30 －mA 可得 ）B 1530.7 51000B B I R   ，012 C CV I R U  012120C B V UR I  0(12 )(51000 ) 183684 BV U R  由于 取值范围为 2V～12V 当 ＝12V时 0U 0U CR ＝0， BR ＝0 当 ＝2V时 7.7 解：（ 1）氦氖 (He-Ne)激光器输 632. m 的可见光，由 0U 出波长为 8n 2L n 知 100 632.8nm 2 L   31640nm 2  316.4n（2）位移灵敏度是 m 632.8nm。 若数字电路具有 1字的测量误差，此装置的最高精度为 2sin( 2) d 0.2 180mm  m 7.8解:条纹间隔为  d    11.46mm。 ＝2mm。 7.9解： 10 0.2L nq mm   0( ) mt tsin     调制后为 t0( ) [ ( )]sin{ [ ( )] [ ( )]}mt V t V t t V       初始 500Hz  ， 5m V  振幅调 ]制 [ ( )m V t [1 ( )] mmV t ＝ ， 表达式 ( [1 t0) ( )] sinmt mV t     ＝ 0 ＋5 [1 ( )]mV t sin 500t 调 制度 关于办公室下班关闭电源制度矿山事故隐患举报和奖励制度制度下载人事管理制度doc盘点制度下载 m m m  � 50 5 50  ＝0.9 带宽 max2mB F ， (10 0.5)Lf kHz  ， (10 0.5)Hf kHz  则 mB ＝1KHz。 光电技术第1章参考答案 光电技术第2章参考答案 光电技术第3章参考答案 光电技术第4章参考答案 光电技术第6章参考答案 光电技术第7章参考答案