张永林老师版《光电子技术》

1.1可见光的波长、频率和光子的能量范围分别是多少？波长：380780nm400760nm频率：385T790THz 400T750THz能量：1.63.2eV1.2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？为了定量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0.380.78um的可见光谱区 域，是对光强度的主观评价，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.光源在给定波长入处，将入入+d 入范围内发射的辐射通量de，除以该波长入的光子能量hv，就得到光源在入处每秒发 射的光子数，称为光谱量子流速率。1.3 一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m的高处，用照度计测得正下方地面 的照度为30lx，求出该灯的光通量。O=L*4 n RA2=30*4*3.14*1.5A2=848.23lx 1.4 一支氦-氖激光器（波长为632.8nm）发出激光的功率为2mW。该激光束的平面发散角 为1mrad，激光器的放电毛细管为1mm。求出该激光束的光通量、发光强度、光亮度、光出射度。若激光束投射在10m远的白色漫反射屏上，该漫反射屏的发射比为0.85，求该屏上的亮度。x 2 x 10-3 _ 0.362 （人）=K V （人） （九）=683 x 0.265I V _ d此（尤）_ ：（人）v dQ ZSQIv S _2兀Rh0 ）R 2 R 2-2（ 1COS以）0.3622 兀（1 - cos 。） 2 兀（1 - cos 0.001_ 1.15 ）x 10 5 cddI IIT n -vvv 1.46 x 10 11 Cd / m 2v dS cos 0 S cos 0兀 r 2 cos 0,d以）0.3 62M -4.6 x 10 5 lm / m 2vdS兀 x 0.00052l 10m r 0.0005m（P 6）M v0.85 E v0.85d0.85-兀Lr 2dS，cos 0v l 2Lvd 2dM0.85兀Lvr2l 2155cd/ m 2vd Q dS cos0d Qv 一2兀1.6从黑体辐射曲线图可以看书，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长 随温度T 的升高而减小。试用普朗克热辐射公式导出人=常数式这一关系式称为维恩位移定律中，常数为2.898 10-3m K。普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。教材P82.1什么是光辐射的调制？有哪些调制的方法？它们有什么特点和应用？光辐射的调制是用数字或模拟信号改变光波波形的幅度、频率或相位的过程。光辐射的调制方法有内调制和外调制。内调制：直接调制技术具有简单、经济、容易实现等优点。但存在波长（频率）的抖动。LD、LED外调制：调制系统比较复杂、消光比高、插损较大、驱动电压较高、难以与光源集成、 偏振敏感、损耗大、而且造价也高。但谱线宽度窄。机械调制、电光调制、声光调制、磁光 调制2.2说明利用泡克尔斯效应的横向电光调制的原理。画出横向电光调制的装置图，说明其中 各个器件的作用。若在KDP晶体上加调制电压U=Um ，U在线性区内，请写出输出光通 量的表达式。Pockels效应：折射率的改变与外加电场成正比的电光效应。也称线性电光效应。 光传播方向与电场施加的方向垂直，这种电光效应称为横向电光效应。2.3说明利用声光布拉格衍射调制光通量的原理。超声功率Ps的大小决定于什么？在石英晶 体上应加怎样的电信号才能实现光通量的调制？该信号的频率和振幅分别起着什么作用？当超声波在介质中传播时，将引起介质的弹性应变作时间上和空间上的周期性的变化， 并且导致介质的折射率也发生相应的变化。当光束通过有超声波的介质后就会产生衍射现 象，这就是声光效应。声光介质在超声波的作用下，就变成了一个等效的相位光栅，当光通过有超声波作用的 介质时，相位就要受到调制，其结果如同它通过一个衍射光栅，光栅间距等于声波波长，光 束通过这个光栅时就要产生衍射，这就是声光效应。布拉格衍射是在超声波频率较高，声光 作用区较长，光线与超声波波面有一定角度斜入射时发生的。2.4说明利用法拉第电磁旋光效应进行磁光强度调制的原理。磁场使晶体产生光各向异性，称为磁光效应。法拉第效应：光波通过磁光介质、平行于磁场方向传播时，线偏振光的偏振面发生旋转 的现象。电路磁场方向在YIG棒轴向，控制高频线圈电流，改变轴向信号磁场强度，就可控制 光的振动面的旋转角，使通过的光振幅随角的变化而变化，从而实现光强调制。3.1热电探测器与光电探测器相比较，在原理上有何区别？光电探测器的工作原理是将光辐射的作用视为所含光子与物质内部电子的直接作用，而 热电探测器是在光辐射作用下，首先使接收物质升温，由于温度的变化而造成接受物质的电 学特性变化。光电探测器响应较快，噪声小；而热电探测器的光谱响应与波长无关，可以在 室温下工作。3.2光电效应有哪几种？各有哪些光电器件？物质在光的作用下释放出电子的现象称为光电效应。光电效应又分为外光电效应（如光电发射效应）和内光电效应（如光电导效应和光伏效 应）。当半导体材料受光照时，由于对光子的吸收引起载流子浓度的增大，因而导致材料电导 率的增大，这种现象称光电导效应。光敏电阻、光导探测器当半导体PN结受光照射时，光子在结区（耗尽区）激发电子-空穴对。在自建场的作 用下，电子流向N区，空穴流向P区，从而在势垒两边形成电荷堆积，使P区、N区两端 产生电位差。P端为正，N端为负。这种效应称为光伏效应。光电池、光电二极管、双光电 二极管，光电三极管、光电场效应管、光电开关管、光电雪崩二极管某些金属或半导体受到光照时，物质中的电子由于吸收了光子的能量，致使电子逸出物 质表面，这种现象称为光电发射效应，又称外光电效应。光电倍增管，真空光电管、充气光 电管。3.3光电器件的光电特性（光照特性）有哪两种情况？每种特性的器件各自的用途是什么？当光电器件上的电压一定时，光电流与入射于光电器件上的光通量的关系I=F（）称 为光电特性，光电流与光电器件上光照度的关系I=F（L）称为光照特性。3.4什么是光电器件的光谱特性？了解它有何重要性？光电器件对功率相同而波长不同的入射光的响应不同，即产生的光电流不同。光电流或 输出电压与入射光波长的关系称为光谱特性。光谱特性决定于光电器件的材料。应尽量使所 选的光电器件的光谱特性与光源的光谱分布较接近。由光电器件的光谱特性可决定光电器件 的灵敏度（响应率）一一光谱灵敏度和积分灵敏度。3.5为什么结型光电器件在正向偏置时没有明显的光电效应？结型光电器件必须工作在哪种 偏置状态？因为p-n结在外加正向偏压时，即使没有光照，电流也随着电压指数级在增加，所以有 光照时，光电效应不明显。p-n结必须在反向偏压的状态下，有明显的光电效应产生，这是 因为p-n结在反偏电压下产生的电流要饱和，所以光照增加时，得到的光生电流就会明显增 加。3.6若光电PN结在照度L1下开路电压为U求照度L2下的开路电压U3.7负电子亲和势光电阴极的能带结构如何？它有哪些特点? 表面区域能带弯曲，真空能级降低到导带之下。特点：1.量子效率高2.光谱响应延伸到红外，光谱响应率均匀3热电子发射小4.光电 发射小，光电子能量集中 3.8何谓“白噪声” ？何谓“上噪声” ？要降低电阻的热噪声应采取什么措施?f功率谱大小与频率无关的噪声，称白噪声。功率谱与f成反比，称1/f噪声。措施：1.尽量选择通带宽度小的2.尽量选择电阻值小的电阻3.降低电阻周围环境的温3. 9探测器的D*=1011cm -Hzl/2 W-1,探测器光敏器的直径为0. 5cm,用于f=5xlO3Hz的光 电仪器中，它能探测的最小辐射功率为多少？n Q = NEP =（恐驾）D = -NEPD=%= 3.1由图可知放大器输入端的输入阻抗乙.是光电池的负载电阻.可表示为瓦，=，其中A为放大器的开坏放大倍数，Rf是反馈电阻。由图中项知Rf为24 4G , AA。 则ZrrJ 光电祀的一侧为光敏层口由三层很薄的半导体材料蛆成o PbO靶具 有PLN光电:极管的结构。可以完成内光电效成.（2）工作时，光电二极管结构处于反向偏压状态-图像使得光电祀上各 点照度不同，在光电二极管内产生不同数眼的电子空穴对-在反 向电场的作用下到这靶的两侧，使得靶扫描而上的电位丹高，形成 与图像明暗对应的正点位图像，这就是图像的存储“（3）图像信弓的扫描输出有电子枪发财扫描电了束来完成.像泰（光电 二极管结构）的光电流由P到 流过负裁，产生负极性图像电压 信号信号阅读），同时扫描电于束使P层扫描而降至阴极电位（图 像信号擦出K光学图像投射到光电阴极上，产生相应的光电子发射，在加速电场和聚焦线圈所产生的 磁场 共同作用下打到靶上，在靶的扫描面形成与图像对应的电位分布最后，通过电子束扫 描把电位图像读出，形成视频信号，4.2摄像器件的参量一一极限分辨率、调制传递函数和惰性是如何定义的？分辨率表示能够分辨图像中明暗细节的能力。极限分辨率和调制传递函数（MTF）极限分辨率：人眼能分辨的最细条数。用在图像（光栅）范围内所能分辨的等宽度黑白 线条数表示。也用线对/mm表示。MTF：能客观地表示器件对不同空间频率目标的传递能力。调制度M: M = g 句仍=玉 Amax + Amin 禹调制传递函数MTF: M7F=*xl00%惰性：指输出信号的变化相对于光照度的变化有一定的滞后。原因：靶面光电导张弛过程和 电容电荷释放惰性。4.3以双列两相表面沟道CCD为例，简述CCD电荷产生、存储、转移、输出的基本原理。以表面沟道CCD为例，简述CCD电荷存储、转移、输出的基本原理。CCD的输出信 号有什么特点？答:构成CCD的基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器。正如其它电容器一样，MOS 电容器能够存储电荷。如果MOS结构中的半导体是P型硅，当在金属电极（称为栅）上加 一个正的阶梯电压时（衬底接地），Si-SiO2界面处的电势（称为表面势或界面势）发生相应 变化，附近的p型硅中多数载流子一穴被排斥，形成所谓耗尽层，如果栅电压vg超过 MOS晶体管的开启电压，则在Si-SiO2界面处形成深度耗尽状态，由于电子在那里的势能较 低，我们可以形象化地说：半导体表面形成了电子的势阱，可以用来存储电子。当表面存在 势阱时，如果有信号电子（电荷）来到势阱及其邻近，它们便可以聚集在表面。随着电子来 到势阱中，表面势将降低，耗尽层将减薄，我们把这个过程描述为电子逐渐填充势阱。势阱 中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，即表面势的大小，而表面势又随栅电压变化， 栅电压越大，势阱越深。如果没有外来的信号电荷。耗尽层及其邻近区域在一定温度下产生 的电子将逐渐填满势阱，这种热产生的少数载流子电流叫作暗电流，以有别于光照下产生的 载流子。因此，电荷耦合器件必须工作在瞬态和深度耗尽状态，才能存储电荷。以典型的三相CCD为例说明CCD电荷转移的基本原理。三相CCD是由每三个栅为一 组的间隔紧密的MOS结构组成的阵列。每相隔两个栅的栅电极连接到同一驱动信号上，亦 称时钟脉冲。三相时钟脉冲的波形如下图所示。在t1时刻，高电位，粉呢低电位。此 时P1电极下的表面势最大，势阱最深。假设此时已有信号电荷（电子）注入，则电荷就被 存储在电极下的势阱中。t2时刻，、为高电位，？3为低电位，则、下的两个势 阱的空阱深度相同，但因下面存储有电荷，则势阱的实际深度比电极下面的势阱浅，下面的电荷将向下转移，直到两个势阱中具有同样多的电荷。t3时刻，仍为高电位，%仍为低电位，而由高到低转变。此时下的势阱逐渐变浅，使下的剩余电荷继续向P2下的势阱中转移。t4时刻，为高电位，、呢为低电位，下面的势阱最深，信号电荷都被转移到P2下面的势阱中，这与t1时刻的情况相似，但电荷包向右移动了一个电极 的位置。当经过一个时钟周期T后，电荷包将向右转移三个电极位置，即一个栅周期（也 称一位）。因此，时钟的周期变化，就可使CCD中的电荷包在电极下被转移到输出端，其工作过程从效果上看类似于数字电路中的移位寄存器。电荷输出结构有多种形式，如电流输出”结构、“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结 构。其中“浮置扩散输出，结构应用最广泛，。输出结构包括输出栅OG、浮置扩散区FD、复 位栅R、复位漏RD以及输出场效应管T等。所谓“浮置扩散”是指在P型硅衬底表面用V 族杂质扩散形成小块的n+区域，当扩散区不被偏置，即处于浮置状态工作时，称作，浮置扩 散区”。电荷包的输出过程如下：VOG为一定值的正电压，在OG电极下形成耗尽层，使与FD之间建立导电沟道。在呢为高电位期间，电荷包存储在呢电极下面。随后复位栅R加正复位脉冲PR，使FD区与RD区沟通，因VRD为正十几伏的直流偏置电压，则FD区的 电荷被RD区抽走。复位正脉冲过去后FD区与RD区呈夹断状态，FD区具有一定的浮置 电位。之后，转变为低电位，呢下面的电荷包通过OG下的沟道转移到FD区。此时FD 区（即A点）的电位变化量为：AV = FDA C式中，QFD是信号电荷包的大小，C是与FD区有关的总电容（包括输出管T的输入电容、分布电容等），CCD输出信号的特点是：信号电压是在浮置电平基础上的负电压；每个电荷包的输出占有一定的时间长度丁。；在输出信号中叠加有复位期间的高电平脉冲。据此特点，对CCD的输出信号进行处理时，较多地采用了取样技术，以去除浮置电平、复位高脉冲及抑制噪声。4.4 CCD驱动脉冲工作频率的上、下限受哪些条件限制，应该如何估算？因CCD工作在，木援态，故工作亲率有下喂，心少于寿命 为弓“转耕所彝时前务侦时钟周期CP)为对于三 相Sf ,为法小y因UCD电板有一定长底.电荷斡移膏妻一定射间】加 CCD存在界面忐，故工作频率有上眼，对于常相心弱 格断雪时珂为t，射钟周期fCP)为T,对于三粗CCD需对于后者：要求界面忐俘茯戏流孑的射 f J 御七，于T/3,即t3t4.5双列两相CCD驱动脉冲祖1、祖2、SH、RS起什么作用？它们之间的位相关系如何？为 什么？ 1、2：驱动脉冲1、驱动脉冲2,将模拟寄存器中的信号电荷定向转移到输出端形成序列脉冲输出。SH：转移栅控制光生电荷向CCDA或CCDB转移。RS：复位脉冲，使复位场效应管导通，将剩余信号电荷卸放掉，以保证新的信号电荷 接收。6、4. 6某双列两和204S像元线阵CCD,其转移损失率e为10、计算 其电*转移效率和电荷传输效率S = 0(h)/0O)解、 =1 = 0.99999转移次数片=2用=40 9/ = 4 = (0.99999严=96%4.7 TCD1200D的中心距为14 u m，它能分辨的最小间距是多少？它的极限分辨率怎样计算？它能分辨的最小间距是14 um。4.8简述变像管和图像增强器的基本工作原理，指出变像管和图像增强器的主要区别。亮度很低的可见光图像或者人眼不可见的光学图像经光电阴极转换成电子图像；电子光学系统将电子图像聚焦成像在荧光屏上，并使光电子获得能量增强；荧光屏再将入射到其上的电子图像转换为可见光图像。变像管：接受非可见辐射图像并转换成可见光图像的直视型光电成像器件:红外变像管、 紫外变像管和X射线变像管等，功能是完成图像的电磁波谱转换。像增强器：接受微弱可见光图像的直视型光电成像器件：级联式像增强器、带微通道板 的像增强器、负电子亲和势光阴极的像增强器等，功能是完成图像的亮度增强。5.1光盘记录有什么优点？存储密度高。非接触式读/写信息(独特)。存储寿命长。信息的信噪比高。信息位价格 低。存储密度高数据传输速率高存储寿命长信息位价低更换容易5.2光盘发展经历了哪几代？每一代的特点是什么？自美国ECD及IBM公式共同研制出第一片光盘以来，光盘经历了四代：只读存储光盘(read only memory，ROM)这种光盘中的数据是在光盘生产过程中刻入的，用户只能从光盘中反复读取数据。这种光盘制造工艺简单，成本低，价格便宜，其普及率和市场占有率最高。一次写入多次读出光盘(write once read many，WORM)这种光盘具有写、读两种功能，写入数据后不可擦除。可擦重写光盘(rewrite,RW)用户除了可在这种光盘上写入、读出信息外，还可以将已经记录在盘上的信息擦除 掉，然后再写入新的信息；但擦与写需要两束激光、两次动作才能完成。直接重写光盘(overwrite，OW)这种光盘上实现的功能与可擦重写重写光盘一样，所不同的是，这类光盘可用同一 束激光、通过一次动作就擦除掉旧信息并录入新信息。5.3说明ROM光盘的存储原理。将事先记录在主磁带上的视频或音频信息通过信号发生器、前置放大器去驱动电光或声 光调制器，使经过调制的激光束以不同的功率密度聚焦在甩有光刻胶的玻璃衬盘上，使光刻 胶曝光，之后经过显影、刻蚀，制成主盘（又称母盘，master），再经喷镀、电镀等工序制 成副盘（又称印模,stamper），然后再经过“2P”注塑形成ROM光盘。5.4说明激光热致相变RW光盘的读、写、擦原理。近红外波段的激光作用在介质上，能加剧介质网络中原子、分子的振动，从而加速相变 的进行。因此近红外激光对介质的作用以热效应为主，其中写、读、擦激光与其相变的进行。 图的上半部是用来写入、读出及擦除信息的激光脉冲，下半部表示出在这三种不同的脉冲作 用下，在介质内部发生的相应相变过程。信息的记录 对应介质从晶态C向玻璃态G的转变。选用功率密度高、脉宽为几 十至几百纳秒的激光脉冲，使光斑微区因介质温度刹那间超过熔点Tm而进入液相，再经过 液相快瘁完成到达玻璃态的相转变。信息的读出 用低功率密度、短脉宽的激光扫描信息道，从反射率的大小辨别写 入的信息。一般介质处在玻璃态（即写入态）时反射率小，处在晶态（即擦除态）时反射率 大。在读出过程中，介质的相结构保持不变。信息的擦除 对应介质从玻璃态G向晶态C的转变。选用中等功率密度、较宽 脉冲的激光，使光斑微区因介质温度升至接近Tm处，再通过成核一生长完成晶化。在此过 程中，光诱导缺陷中心可以成为新的成核中心，因此激光作用使成核速率、生长速度大大增 加，从而导致激光热晶化壁单纯热晶化的速率要高。5.5简述可擦重写磁光光盘读、写、擦原理。如图9-14，目前磁光薄膜的记录方式有补偿点记录和居里点记录两类，前者以稀土一 钻合金为主，后者则多为稀土一铁合金。以补偿点写入的磁介质为例来讨论磁光记录介质的 读、写、擦原理。信息的写入 GdCo有一垂直于薄膜表面的易磁化轴。在写入信息前，用一定强 度的磁场Ho对介质进行初始磁化，使各磁畴单元具有相同的磁化方向。在写入信息时，磁 光读写头的脉冲激光聚焦在介质表面，光照微斑因升温而迅速退磁，此时通过读写头中的线 圈施加一反偏磁场，就可使光照区微斑反向磁化，如图所示，而无光照的相邻磁畴磁化方向 仍将保持原来的方向，从而实现磁化方向相反的反差记录。信息的读出 信息读出是利用Kerr效应检测记录单元的磁化方向。用线偏振光 扫描录有信息的信道，光束到达磁化方向向上的微斑，经反射后，偏折方向会绕反射线右旋 一个角度6k，如图所示。反之，若光扫描到磁化方向向下的微斑，反射光的偏振方向则左 旋一个k，以一6k表示。实际测试时，使检偏器的主截面调到与一6k对应的偏振方向相垂 直的方位，则来自向下磁化微斑的反射光不能通过检偏器到达探测器，而从向上磁化微斑反 射的光束则可以通过Sin（2的分量，这样探测器就有效地读出了写入的信号。擦除信息时，如图所示，用原来的写入光束扫描信息道，并施加与初始Ho方向相同 的偏置磁场，则记录单元的磁化方向又会回复原状。对于稀土一铁合金磁光介质，其写、读、擦原理与补偿点记录方式一样，所不同的是， 这类介质有一个居里点T。当介质微斑温度高于Tc时，该区的矫顽力Hc很快下降至极小值。因此在记录时，应使光照微斑的温度升至Tc以上，再用偏置磁场实现反向磁化。这种记录 方式叫居里点写入。5.6光信息存储有哪些新技术？持续光谱烧孔和三维光信息存储、电子俘获光存储技术、全息信息存储、光致变色存储。6.1简述液晶显示的基本原理和液晶显示的特点。入射光经过上偏振片变为线偏振光，液晶盒未加电时，光偏振面将顺着液晶分子扭曲方 向旋转。90的扭曲导致了 90的旋光。入射光就透过下偏振片，呈现亮场。当在ITO电 极上加电压，使电场大于某阈值场强，液晶分子长轴就沿电场方向垂直排列，丧失了旋光能 力。这样的入射线偏振光不能通过下偏振片，呈现黑色。 由于LCD器件厚度仅数毫米，所以非常适于便携式电子装置的显示。 工作电压低，仅几伏，用CMOS电路可直接驱动，电子线路小型化。 功耗低，显示板功耗几十PW/cm2，采用的背光源是10 mW/cm2左右，可用电池长时间 供电。 采用彩色滤色器，易实现彩色显示。6.3等离子体显示有什么特点？ 等离子体显示为自发光型显示，发光效率与亮度较高，视角大。由于等离子体显示单 元具有很强的开关特性，能得到较高的图像对比度。 显示质量好，灰阶可超过256级，色彩丰富，分辨率高，响应快，响应时间仅数mso 有存储特性，使得在大屏幕显示时能得到较高的亮度，因而制作高分辨率大型PDP 成为可能。 刚性结构，耐震动，机械强度高，寿命长。 制造工艺简单，投资小。6.4简述DMD的结构和工作原理。DLP投影机如何实现彩色显示？说明DLP投影显示的技 术优越。DMD是带有集成微镜部件的微电子机械光调制器，由百万个方形微镜组成二维阵列。数字图像信号控制微镜的开或关，调制入射光在屏幕上形成精确的数字图像。每个微镜对应一个像素，微镜反射照明光，投射出去，在屏幕上形成图像。图像RGB 二进制数据控制微铰链，微铰链控制每个镜片偏转，以断通一个像素的光。脉冲宽度调制 (PWM)技术允许10比特灰度等级再现。为了实现彩色显示，DLP投影机有三片式、单片式、双片式等不用档次的产品。三片式：用三个DMD装置。每个DMD分别用RGB数据控制。单片式：用三个DMD装置。投影灯光在通过一个色轮再投射到DMD上。DLP工作在 顺序颜色模式，利用视觉暂留作用。双片式：用两个DMD装置。性价比较好。技术优越：完全的数字化显示，这是独有的特色。反射显示，光能利用率高。优秀的图像质量。DMD填充因子大于90%，称为“无缝图像”。DLP系统可靠性很高，寿命长。