武汉理工大学 光电信号检测答案整理.docx

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武汉理工大学光电信号检测答案整理

光电检测技术习题试题

注意：

红字部分表示还不确定。

第1章光电检测技术概论

选择题：

1.一个高灵敏度、高分辨率和极为复杂而精巧的光传感器是

（1）人眼；

（2）光电倍增管；（3）半导体光敏器件；

答案：

（1）

在大脑传送信息的300万条神经纤维中，视神经纤维占了

（1）2/3；

（2）1/2；（3）1/3

答案：

（1）

2.人体内，视神经细胞接收器的数目是

（1）3X108；

（2）2X108；（3）2X104；（4）3X104；

答案：

（2）

人体内，听觉接收细胞的接收器的数目是

（1）3X108；

（2）2X108；（3）2X104；（4）3X104。

答案：

（4）

3.明视觉可以分辨物体的

（1）细节和颜色；

（2）亮暗；（3）层次；

答案：

（1）

暗视觉可以分辨物体的

（1）细节和颜色；

（2）亮暗；（3）层次。

答案：

（3）

4.在光亮情况下起作用的感光细胞是

（1）锥状细胞；

（2）杆状细胞；

答案：

（1）

在暗视场条件下起作用的感光细胞是

（1）锥状细胞；

（2）杆状细胞。

答案：

（2）

5.在白昼时，人眼瞳孔直径为

（1）2mm；

（2）3mm；（3）8mm；（4）7mm；

答案：

（1）

在弱光下，人眼瞳孔直径为

（1）2mm；

（2）3mm；（3）8mm；（4）7mm。

答案：

（3）

6.人眼能接收极其微弱的光，即

（1）2X10-17W；

（2）3X10-15W；（3）2X10-16W

答案：

（1）

人眼能接收的强光是

（1）2X10-5W；

（2）3X10-4W；（3）2X10-3W。

答案：

（1）

7.视力为1.0的人，一般可以分辨的视角是

（1）1'（角度分）；

（2）1"；（3）0.1"；

答案：

（1）

人眼通过光学仪器，可以分辨的视角是

（1）1'（角度分）；

（2）1"；（3）0.1"。

答案：

（3）

8.人眼感知灵敏度最高的颜色是

（1）红色；

（2）绿色；（3）蓝色；

答案：

（2）

人眼在感知大视场内景物时能否集中于小目标

（1）能；

（2）不能。

答案：

（1）

9.波长在什么值处，即使波长相差不到1nm，人眼仍能发现颜色的差别

（1）480nm；

（2）550nm；（3）600nm；（4）700nm。

答案：

（1）（3）

10.明视觉的视见函数的最大值在

（1）550nm；

（2）555nm；（3）560nm；

答案：

（2）

暗视觉的视见函数的最大值在

（1）500nm；

（2）507nm；（3）510nm。

答案：

（2）

11.人的视觉暂留时间是

（1）1/l00s；

（2）1/l0s；（3）1s；

答案：

（2）

人眼的动态响应时间是

（1）40ms；

（2）50ms；（3）60ms。

答案：

（2）

12.通过照相机或摄像机拍摄的东西属于视觉的

（1）时间上扩展；

（2）空间上扩展；（3）识别能力扩展。

答案：

（1）

通过望远镜看到的东西属于视觉的

（1）时间上扩展；

（2）空间上扩展；（3）识别能力扩展。

答案：

（2）

13.通过放大镜或显微镜能看清的东西属于视觉的

（1）时间上扩展；

（2）空间上扩展；（3）识別能力扩展。

答案：

（3）

一般，光学仪器的工作是否需要人的视觉参与

（1）要；

（2）不要。

答案：

（1）

14.激光技术是否属于光电技术的范畴

（1）是；

（2）不是。

答案：

（1）

光纤技术是否属于光电技术的范畴

（1）是；

（2）不是。

答案：

（1）

15.能检测光辐射的平均特性的光电器件是

（1）光电检测器件；

（2）光电成像器件；（3）光控制器件。

答案：

（1）

可检测出物体的亮度等级和空间分布的光电器件是

（1）光电检测器件；

（2）光电成像器件；（3）光控制器件。

答案：

（2）

16.能代替人眼检测将光能转换为电能的光电器件是

（1）光电检测器件；

（2）光电成像器件；（3）光控制器件。

答案：

（3）

17.一般，光电检测系统的测量灵敏度

（1）高；

（2）低。

答案：

（1）

一般，光电检测系统的测量是

（1）接触式；

（2）非接触式。

答案：

（2）

18.光电检测的技术和方法有

（1）高的可靠性和灵活性；

（2）可靠性高、方法灵活；（3）方法灵活、可靠性一般。

答案：

题目有问题

问答题

1.什么是视觉？

为什么说一个人的视觉最重要？

答：

视觉是通过视觉系统的外周感觉器官（眼）接受外界环境中一定波长范围内的电磁波刺激，经中枢有关部分进行编码加工和分析后获得的主观感觉。

视觉的作用：

人和动物感知外界物体的大小、明暗、颜色、动静，获得对机体生存具有重要意义的各种信息，至少有80%以上的外界信息经视觉获得。

2.什么是视见函数？

明视觉与暗视觉各有什么作用？

答：

视见函数：

国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为视见函数。

明视觉：

在明视觉的情况下，人眼能分辨物体的细节，也能分辨颜色，但对不同波长可见光的感受性不同，因此能量相同的不同色光表现出不同的明亮程度。

暗视觉：

只能分辨明暗，而没有颜色感觉，并且辨别物体细节的能力大大降低

3.什么是光电传感器？

它有什么作用？

答：

光电传感器是采用光电元件作为检测元件，将光信号转换为电信号的器件。

作用是检测引起光量变化的非电量或检测能转化成光量变化的非电量。

4.试述光电检测系统的特点？

答：

怎么找只找到了光电检测技术的特点，可能题目出错了？

光电检测技术特点：

（1）高精度，光电测量是各种测量技术中精度最高的一种

（2）高速度，光电检测以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，因此用光学方法获取和传递信息的速度是最快的。

（3）远距离、大量程，光是最便于远距离传递信息的介质，尤其适用于遥控和遥测

（4）非接触式测量，不影响到被测物体的原始状态进行测量。

5.近年来光电技术与光电检测技术在光电材料与器件方面有什么进展？

答：

（开放题，自己上网找）

激光测量技术、视觉检测技术、光纤传感技术等……

第2章光电检测技术基础

选择题（在你认为对的选项序号上打V，有几个对，就打几个）

1.光的直线传播概念能解释

（1）光的干涉；

（2）光偏振；（3）光衍射；（4）光折射。

答案：

（4）

光的波动理论能解释

（1）光的干涉；

（2）光偏振；（3）光衍射；（4）光折射。

答案：

（1）

（2）（3）

2.光的量子论能解释

（1）光吸收；

（2）光偏振；（3）光色散；（4）光散射。

答案：

（1）

麦克斯韦理论能解释

（1）光吸收；

（2）光偏振；（3）光色散；（4）光散射。

答案：

（2）（4）

3.光电效应证实了

（1）光量子论；

（2）光波动论。

答案：

（1）

光的发射和吸收证实了

（1）光量子论；

（2）光波动论。

答案：

（1）

4.可见光的波长范围是

（1）300〜700nm；

（2）350〜780nm；（3）380〜780nm。

答案：

（3）

红外光的波长范围是

（1）700〜1000nm；

（2）780nm—1000μm；（3）780nm〜1μm。

答案：

（2）

5.紫外光的波长范围是

（1）1〜380nm；

（2）200nm〜400μm；（3）1〜400nm。

答案：

（3）

本征硅的光谱响应范围是

（1）300〜1200nm；

（2）400~1300nm；（3）400〜1100nm。

答案：

（3）

6.人眼的明视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数值为

（1）683lm/W；

（2）783lm/W；（3）883lm/W。

答案：

（1）

人眼的暗视觉最灵敏波长的光度参量对辐射度参量的转换常数值为

（1）1625lm/W；

（2）1725lm/W；

（3）1825lm/W。

答案：

（2）

7.色温越高的辐射体，可见光的成分越

（1）多；

（2）少。

答案：

（1）

色温越高的辐射体，光视效能越

（1）高；

（2）低。

答案：

（1）

8.色温越高的辐射体，光度量越

（1）高；

（2）低。

答案：

（1）

白炽灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的可见光部分的光谱

（1）减弱

（2）增强；

答案：

（1）

9.白炽灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，灯的光视效能

（1）降低；

（2）提高。

答案：

（1）

白炽灯的供电电压降低时，灯丝温度降低，此时用光照度计检测出的光照度将

（1）下降；

（2）增大。

答案：

（1）

10.有否玻璃半导体

（1）有；

（2）没有。

答案：

（1）

有否稀土半导体

（1）有；

（2）没有。

答案：

（1）

11.半导体的电阻温度系数一般是

（1）正的；

（2）负的。

答案：

（2）

金属的电阻温度系数一般是

（1）正的；

（2）负的。

答案：

（1）

12.在T=0K时，半导体的能带与绝缘体

（1）相似；

（2）不相似。

答案：

（1）

导带中的电子是否自由电子

（1）是；

（2）不是。

答案：

（1）

13.价带中的电子是否自由电子

（1）是；

（2）不是。

答案：

（2）

价带中的空穴是否自由空穴

（1）是；

（2）不是。

答案：

14.主要由电子导电的半导体是

（1）本征半导体；

（2）N型半导体；（3）P型半导体。

答案：

（2）

主要由空穴导电的半导体是

（1）本征半导体；

（2）N型半导体；（3）P型半导体。

答案：

（3）

15.费米能级EF—般在

（1）导带中；

（2）价带中；（3）禁带中。

答案：

（3）

杂质的能级一般在

（1）导带中；

（2）价带中；（3）禁带中。

答案：

（3）

16.掺杂半导体比本征半导体的导电性能

（1）强；

（2）弱；（3）一样。

答案:

（1）

杂质的电离能比禁带宽度Eg

（1）大；

（2）小；（3）—样。

答案：

（1）

17.半导体中复合中心越多，非平衡载流子寿命越

（1）长；

（2）短。

答案：

（2）

半导体中陷阱中心越多，非平衡载流子寿命越

（1）长；

（2）短。

答案：

（1）

18.电子迁移率比空穴迁移率

（1）大；

（2）小；（3）一样。

答案：

（1）

同一种载流子的扩散系数与迁移率间的关系呈

（1）正比；

（2）反比。

答案：

（1）

19.杂质光电导比本征光电导

（1）强；

（2）弱；（3）一样。

答案：

（2）

杂质光电导的长波限比本征光电导

（1）长；

（2）短；（3）一样。

答案：

（1）

问答题

1.什么是光？

它有几个波长区域？

答：

定义：

光是引起人眼视觉的电磁波。

光的波长区域：

2.光量子能量是多少？

光电效应证实了什么？

答：

光量子能量E=hυ

光电效应证实了光具有粒子性。

3.什么是热辐射？

物体是否辐射光？

什么情况下才辐射可见光？

答：

热辐射：

物体因自身的温度直接向外发射能量的方式，叫做热辐射

物体具有辐射光，当物体的温度在800℃上时，辐射可见光

4.辐射度量与光度量有何关系？

如何转换？

答：

辐射度量描述整个电磁波谱范围的电磁辐射，以辐射能和辐射功率为基本量，而光度量描述可见光范围的电磁辐射。

转换关系：

5.什么是半导体？

它有什么特别之处？

答：

指常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。

半导体五大特性∶掺杂性,热敏性,光敏性,负电阻率温度特性,整流特性。

6.什么是能级？

什么是能带？

试绘出绝缘体、导体、半导体的能带结构？

答：

能级：

微观粒子系统处于各稳定的能量状态时所具有的能量值。

能带：

当N个原子相互靠近结合成晶体后，每个原子都要受到周围势场的作用，结果每一个N度简并的能级就分裂成N个彼此相距很近的能级，这些能级组成了一个能带。

（示意图大家应该都会哈，就不放图了）

7.什么是禁带宽度？

其大小对于半导体有何影响？

答：

禁带宽度是导带底与价带顶之间的能量差。

（或者说是指一个能带宽度.固体中电子的能量是不可以连续取值的，而是一些不连续的能带。

被束缚的电子要成为自由电子，就必须获得足够能量从而跃迁到导带，这个能量的最小值就是禁带宽度。

）

禁带宽度直接决定着半导体器件的耐压和最高工作温度。

8.什么是迁移率？

电子的迁移率与空穴的迁移率谁大？

为什么？

答：

迁移率是指单位电场强度下所产生的载流子的平均漂移速度。

电子迁移率大，因为空穴的有效质量比电子的大。

计算题

1.0.5lm的光均匀照射到面积为4cm2的光敏面上，问光敏面上的照度为多少lx?

答：

Ev=Φv/A=0.5lm/（4×10-4m2）=1250lx

2.

一只白炽灯，假设各向发光均匀，悬挂在离地面1.5m的高处，用照度计测定正下方地面上的照度为30lx，试求出该白炽灯的光通量？

3.某半导体光电器件的长波限为13μm，试求其杂质电离能ΔEi?

答：

ΔEi=Eth=hc/λL=1.24/13=0.095eV

名词解释

1.激光：

受激辐射而产生放大的光

2.光电发射第一定律：

答：

入射光的频谱成分不变时，光电发射体单位时间发射出的光电子数或饱和光电流与入射光强度成正比。

（或当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流IK与被阴极所吸收的光通量φK成正比。

）

3.光电发射第二定律：

答：

光电子的最大动能与入射光的频率成正比，和入射光强度无关。

（或当入射光线的频谱成分不变时，光电阴极的饱和光电发射电流IK与被阴极所吸收的光通量φK成正比。

）

4.热噪声：

答：

导体中载流子无规则热运动而产生的噪声。

5.本征光电导效应：

答：

本征半导体价带中的电子吸收光子能量跃入导带，产生本征吸收，导带中产生光生自由电子，价带中产生光生自由空穴，使得材料的电导率发生变化的现象。

（或只有光子能量m大于材料禁带宽度Eq的入射光，才能激发出电子空穴对，使材料产生光电导效应现象）

6.信噪比：

在负载电阻上信号功率与噪声功率之比。

7.光电信号的二值化处理：

将光电信号转换成“0”或“1”数字量的过程称为光电信号的二值化处理

8.亮电流：

光敏电阻两端加电压（直流或交流）。

无光照时，阻值很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值急剧减少，在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成亮电流。

9.坎德拉（Candela,cd）：

发光频率为540³10Hz的单色辐射，在给定方向上的辐射强度为1/683Wsr-1时，在该方向上的发光强度为1cd。

10.量子效率：

在某一特定波长上每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。

（或一定波长下光子入射到阴极，阴极单位时间内产生的光电子数与入射光子数之比。

）

11.光生伏特效应：

光照在P-N结或金属-半导体接触面上时，会在接触处产生光生电动势（或光照在P-N结或金属-半导体接触面上时，在接触部位产生势垒，激发光生载流子，注入到势垒附近，产生光生电压的现象。

）

选择题：

1、正常天气太阳光的峰值辐射波长为502nm，太阳表面的温度大约为（A）．

A.6000KB.60000KC.5000KD.50000K

2、任何温度下对任何波长的入射辐射能的吸收比都等于1，称为（A）.

A．黑体B．灰体C．黑洞D．绝对黑体

3、材料的禁带宽度，最大的是（C）

A.金属;B.杂质半导体C.绝缘体;D.本征半导体．

4、等离子体是一种（B）.

A.气体光源B.固体光源C.液体光源D.激光光源

5、费米能级Ef的意义是电子占据率为（D）时所对应的能级

A.0；B.0.1；C.0.2；D.0.5．

6、光电探测器单位信噪比的光功率，称为光电探测器的（C）。

A.电流灵敏度;B.光谱灵敏度;C.噪声等效功率;D.通量阈

7、N型半导体的费米能级处于禁带（B）.

A.中间B.上部C.下部D.不确定．

8、硅光电二极管与硅光电池相比，前者比后者不正确的说法是（A）．

A.衬底掺杂浓度高；B.电阻率高；C.光敏面小；D.前者反偏后者无偏．

9、正常天气太阳光的峰值辐射波长为502nm，太阳表面的温度大约为（A）．

A.6000KB.60000KC.5000KD.50000K

10、为了使雪崩光电二极管正常工作，应在其P-N结上加（A）。

A.高反向偏压B.低正向偏压C.高正向偏压D.低反向偏压

11、费米能级Ef的意义是电子占据率为（D）时所对应的能级

A.0；B.0.1；C.0.2；D.0.5．

12、在光源λ一定的情况下，通过半导体的透射光强随温度T的增加而（B）。

A.增加;B.减少;C.不变;D.不能确定．

13、光度量是辐射度量的（C）倍。

A.683B.V（λ）C.683V（λ）D.1/683V（λ）

14、紫外线频率的范围在（D）。

A.1011～1012B.108～109C.1013～1014D.1015～1016

15、半导体中施主能级的位置位于（A）中。

A.禁带B.价带C.导带D.满带

16、波长为500nm的波属于（C）。

A.远红外线B.太赫兹波C.可见光D.X射线

17、热敏电阻的种类不包括（D）。

A.PTCB.NTCC.CTCD.ZTC

18、热效应较小的光是（D）。

A.紫光B.红光C.红外D.紫外

19、属于相干光源的是（C）。

A.气体放电灯B.黑体辐射器C.固体激光器D.发光二极管

20、光子探测是利用入射光和磁，产生（B）。

使材料的电学性质发生变化。

通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。

A.光子效应B.霍尔效应C.热电效应D.压电效应

21、光纤纤芯、包层、外套的折射率n1、n2、n0的关系是（D）。

A.n1>n2>n0B.n2>n0>n1

C.n0>n2>n1D.n1>n0>n2

22、PN结和光敏电阻的时间常数（B）。

A.前者大B.后者大C.一样大D.不能确定

23、硅光电池在（B）情况下有最大的功率输出。

A.开路;B.自偏置;C.零伏偏置;D.反向偏置

24、光纤的数值孔径与（C）有关。

A．纤芯的直径B.包层的直径C.相对折射率差D.光的工作波长

25、硅光电二极管与硅光电池比较，后者（B）。

A．掺杂浓度低.B．电阻率低C．反偏工作D．光敏面积小

26、霍尔元件（B）霍尔传感器的灵敏度越高。

A.越厚B.越薄C.没有关系D.越大

27、下列像管的性能指标（A）的值越高，像管的成像质量越好。

A.光电转换特性；B.等效背景照度；C.畸变；D.暗电流。

28、硅光电池在（D）偏置时，其光电流与入射辐射通量有良好的线性关系，且动态范围较大。

A.恒流;B.自偏置;C.零伏偏置;D.反向偏置

29、TDICCD表示的是（B）CCD。

A.增强型;B.时间延迟型;C.电子轰击模式;D.红外．

计算题：

1、现有GDB－423型光电倍增管的光电阴极面积为2cm2，阴极灵敏度Sk为25μA/lm，倍增系统的放大倍数为105，阳极额定电流为20μA，求允许的最大光照。

答：

2、若取vs=616m/s，n=2.35，fs=10MHz，λ0=0.6328m，试估算发生拉曼-纳斯衍射所允许的最大晶体长度Lmax.

答：

代入上式计算，得到最大晶体长度为L0=2.35×6162×1012/（4×0.6328×1014）=3523μm

3、本征半导体材料Ge在297K下其禁带宽度Eg=0.67（eV），现将其掺入杂质Hg，锗掺入汞后其成为电离能Ei=0.09（eV）的非本征半导体。

试计算本征半导体Ge和非本征半导体锗汞所制成的光电导探测器的截止波长。

答：

问答题:

1.简述三种主要光电效应的基本工作原理。

答：

光电导效应：

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增大，因而导致材料电导率增大，这是一种内光电效应。

材料对光的吸收有本征型和非本征型，所以光电导效应也有本征型和非本征型两种。

光伏效应：

当光照射PN结时，只要入射光子能量大于材料禁带宽度，就会在结区产生电子一空穴对。

光生电子一一空穴对就被内建电场分离开来，空穴留在P区，电子通过扩散流向N区，通过光照使零偏PN结产生开路电压，.

光电发射效应：

这种现象又称为外光电效应。

当光照射到某种物质时，若入射的光子能量hv足够大，那么它和物质中的电子相互作用，可致使电子逸出物质表面。

2.掺杂对半导体导电性能的影响是什么。

答：

半导体中不同的掺杂或缺陷都能在禁带中产生附加的能级，价带中的电子若先跃迁到这些能级上然后再跃迁到导带中去，要比电子直接从价带跃迁到导带容易得多。

因此虽然只有少量杂质，却会明显地改变导带中的电子和价带中的空穴数目，从而显著地影响半导体的电导率。

3.简述光电池、光电二极管的工作原理及区别？

答：

光电池和光电二极管都是基于光伏特效应的原理进行工作,只不过光电池可以工作在零偏状态下,是光伏工作模式,器件内阻远低于负载电阻,相当于一个恒压源;而光电二极管必须在反偏电压下才能工作,是光电导工作模式,器件内阻远大于负载电阻,此时器件相当于一个恒流源.

4.简述半导体激光器的工作原理，它有哪些特点？

对工作电源有什么要求？

答：

工作原理：

半导体材料是半导体激光器的激活物质，在半导体的两个端面精细加工磨成解理面而构成谐振腔。

半导体P-N结在内建电场下达到平衡；当外加正向偏压时，外加电场削弱内建电场，使空间电荷区变窄，载流子扩散运动增强，构成少数载流子的注入，从而在P-N结附近产生导带电子和价带空穴的复合，并产生能量释放，部分以光的形式释放出来，由于解理面谐振腔的共振放大作用实现受激反馈，实现定向发射而输出激光。

特点：

体积小、重量轻、寿命长、具有高的转换效率、从紫外到红外均可发光、输出功率从几mW到几百mW，在脉冲输出时，可达数W，单色性比He-Ne激光器差。

对工作电源要求：

稳定

5.简述光电检倍增管的结构组成和工作原理。

答：

光电倍增管主要由入射窗口、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统、和阳极5部分组成。

工作原理

（1）光照射到阴极转换成电子，出射到下一电极。

（2）电子撞到下一电极，倍增，更多的电子出射，直奔下一电极。

（3）经过若干次倍增，到达阳极，形成信号电流

6.简述雪崩光电二极管的工作原理。

答：

当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压（100~200V）时，在结区产生一个很强的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，在与原子碰撞时可使原子电离，而产生新的电子—空穴对。

只要电场足够强，此过程就将继续下去，使PN结内电流急剧增加，达到载流子的雪崩倍增，这种现象称为雪崩倍增效应。

7.说明光子效应和光热效应各自特点。

答：

光子效应：

指单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应器。

探测器接收光子后，直接引起原子或分子的内部电子状态的改变。

光子能量的大小直接影响内部电子状态的改变。

特点是对光波频率表现出选择性，响应速度一般比较快。

光热效应：

探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而是把吸收的光能变为晶格的热运动能量，引起探测元件温度上升，温度上升的结果又