光电测试技术
第二版（答案）
第一章
1.试述光电测试技术与信息技术的关系。
答：信息技术是指从工程应用上研究信息，包括电子信息技术、光学信息技术和光电信息技术等。而光电测试技术是光电信息技术的主要技术之一，它主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。 2.光电测试系统由哪几部分组成？何谓光学变换与光电转换？
答：光电测试系统的组成部分：光源、光学系统、被测对象、光学变换、光电转换、电信息处理，而电信息处理又包括存储，显示和控制等。 光学变换通常是用各种光学元件和光学系统来实现的，如平面镜、光狭缝、光楔、透镜、偏振器、光栅、光成像系统和光干涉系统等，实现将被测量转换为光参量（振幅﹑频率﹑相位﹑偏振态﹑传播方向变化等）。光电转换是用各种光电变换器件来完成的，如光电检测器件﹑光电摄像器件﹑光电热敏器件等。
第二章
1.试述光通量﹑发光强度﹑光亮度和光照度的定义和单位。
答：光通量（v φ）又称光功率，单位为流明（lm ），它与电磁辐射的辐射通量e φ相对应，也可以说它是电磁辐射在可见光范围内的辐射通量，而e φ得单位是w ，所以光通量的单位有时也用w 。
发光强度（v I ）是指点辐射源在给定方向上的单位立体角内辐射的光通量。单位为cd candela sr lm -1==⋅。1坎德拉相当于均匀点光源在单位立体角内发出1lm 的光通量。
光亮度（v L ）是指光源在一定方向上的的单位投影面积上，在单位立体角中发射的光通量。单位是-2m cd ⋅或者2m lm/sr ⋅。
光照度（v E ）是指投射到单位面积上的光通量，或者说接受光的面元上单位面积被辐射的光通量。单位为X l ，-2m lm l ⋅=X 。
2.试述光照度余弦定律和朗伯定律的含义。
答：光照度余弦定律描述了光辐射在半球空间内照度的变化规律，是指任意表面上的照度随该表面法线与辐射能传播方向之间的夹角余弦变化。点光源O 发出的光以立体角Ω向外辐射光通量，在面积A
上的照度为E ，而A 与夹角为θ面元'A 上照度为'E ，则A E V /φ=,''/A E V φ=，由于在该立体角内点光源发出的光通量不随传输距离而变化，因而面元A 与'A 上有相同的光通量，又因为θcos 'A A =，因
而有θcos 'E E =。当被光照的表面是理想反射表面时（朗伯辐射表面），则由该表面辐射的光强也服从余弦定率，即朗伯辐射表面在某方向辐射光强随该方向和表面法线之间夹角余弦而变化。θθcos 0I I =，0I 是理想漫反射表面法线方向上的光强；θI 是与法线方向夹角为θ方向的辐射光强。此时又称为朗伯余弦定律。
3.说明显微镜的分辨本领，放大率及景深的概念。
答：成像系统的分辨本领又称为分辨力或分辨率，表述的是光学系统所成图像可以分清细节的能力。显微镜的分辨力以其能分辨的物方最近的两个点之间的距离来衡量。显微镜的有效放大率是指目视显微镜形成虚像的角放大率。放大率等于物镜放大率、目镜放大率和镜筒系数的乘积。景深是指光学系统同时清晰成像的物空间沿光轴方向的深度范围，包括几何景深、物理景深和调节景深。
4.摄影物镜有哪几种，各有何特点？
答：摄影物镜分为普通摄影物镜、大孔径摄影物镜、广角摄影物镜、远摄物镜和变焦物镜等。远摄物镜的特点是在相同的工作距或相同的筒长下能得到较大的光学放大率。广角物镜的特点是视场较大，
成像范围大，多为短焦物镜，常采用反远距物镜。变焦物镜特点是焦距可以在一定范围内连续变化，对于一定距离的物体可以得到不同放大倍率的像。
5.某光源功率为100w ，发光效率为10lm/w ，发散角为︒90，设光在发散角内均匀。求该光源的光通量，发光强度，距离光源1m 处与光源指向垂直的平面上的光照度，该平面上0.1s 内的曝光量。
略
wep.qq
6.某显微光学系统数值孔径为2.0=NA ，垂直放大倍率为⨯10，采用CCD 相机采集图像，CCD 像元素尺寸为um um 88⨯，求该系统的分辨力？能否在提高分辨力的同时增大景深，为什么？
略
第三章
1.表征光源质量的基本参数有哪些？
答：发光效率、寿命、光谱功率谱分布、光辐射稳定性、相干性、方向性、高亮度、单性。
2.光电测量用的白炽灯在使用时要注意哪些问题？
格兰注塑机射咀头
陶瓷纤维棉
答：白炽灯是热辐射光源，靠电能将灯丝加热至白炽而发光，灯丝材料为钨。当灯丝温度增加时，亮度，出射度和光效增加，但是钨的蒸发率急剧增加，使用寿命急剧下降，因此在灯泡中充入氩，氮等气体，抑制钨的蒸发，并且使用时注意温度，不宜过高。
3.卤素灯为什么比白炽灯寿命长，光效高？
答：在白炽灯灯泡内充入一定量的卤素元素后称为卤素灯，卤素元素可以使蒸发掉的钨重新回到灯丝上去，形成一种产生钨的再生循环，使灯的光效和寿命增加。
4.说明半导体发光器的工作原理。它有什么特点和应用。 答：在由半导体材料做成的二极管中，给P-N加正向电压时，N区的电子越过P-N 结而进入P区，并与P区的空穴相复合，释放出一定能量，即场致激发使载流子由低能级跃迁至高能级，而高能级电子不稳定，总要回到稳定的低能级，这样当电子从高能级回到低能级时放出光子，即半导体发光原理。
半导体发光器的特点是低功耗寿命长，其次是体积小，坚固耐用，抗冲击和启动快。现在用于信号灯和通用照明灯，在光电测量中用作光源。 betal5.氦-氖激光器有什么特点及其使用要点。
糖果模具
答：氦-氖激光器的特点是单性好、方向性好、并且输出功率和频率比较稳定。使用要点：1）注意激光模态，一般选用单模激光。2）功率一般控制在0.3毫瓦到十几毫瓦之间。3）在精度较高的光电测量中，要注意稳功率，在相干测量中要稳频。4）在精密测量时要注意补偿或减小漂移。
6.半导体激光器有什么特点及其使用要点。
答：半导体激光器的特点是体积小、重量轻、运转可靠、耗电少、效率高等。在使用时应注意以下几点：用它作为平行光照明时应该用柱面镜将光束整形，再用准直镜准直；用半导体激光器作相干光源且测量距离较大时，需对LD稳频；有时还需要调频。
7.照明系统有哪些种类各有何特点？
答：①直接照明，它又分为透射光亮视场照明、反射视场光亮照明、透射光暗视场照明和反射光暗视场照明。前两者得到均匀的亮视场，后两者得到均匀的暗市场。②临界照明这种照明在视场范围内有最大的亮度，而且没有杂光，但是该照明光源亮度的不均匀性直接反应在物面上，且不满足光孔转接原则。③远心柯勒照明，该照明系统消除了临界照明系统中物平面照度不均匀的缺点，孔径光阑大小可调，经聚光镜成像于物镜的入瞳位置，满足光孔转接原则，充分利用了光能。
④光纤照明，特点照明均匀、亮度高、光源热影响小等。⑤同轴反射照明可以有效检测被测物面上的缺陷。⑥LED光源，分面形和环形，面形可以用于深度探测，环形易于为小物体提供照明。
8.选择光源和照明系统时要考虑哪些问题？
答：①光源的光谱能量分布②光度特性③发光面的形状﹑尺寸及光源的结构④满足光电系统的要求。
第四章
1.试述光谱灵敏度与积分灵敏度，探测度与比探测度的定义与异同点。
答：光谱灵敏度又称为单灵敏度，它描述光电器件对单辐射的响应能力；积分灵敏度表示探测器对连续入射光的反应灵敏度，包含各个波长的辐射光源，光电器件输出的电流或电压与入射的总的辐射通量之比为积分灵敏度。
探测度是衡量光电探测器件能力的重要指标，描述的是器件在单位输入光功率下输出的信噪比；比探测度又称为归一化探测度。
2.写出爱因斯坦方程，并说明其物理意义。 答：爱因斯坦方程：φW E -hv hv -hv mv 2
102max === 物理意义：一束光打到一块金属上，光的频率是v ，我们知道 hv 是一个光子的能量，即这束光的最小的能量，金属中电子要摆脱原子核的束缚飞出金属表面就需要吸收能量，及吸收一个光子，但是如果光子的能量不足以让电子飞出金属表面，电子式飞不出来的，我们就没看到有光电子。
若是能量大于所需能量（即逸出功W ），就可以发生光电效应（更确切的说是外光电效应，还有一个就是内光电效应，即吸收了光子发生跃迁，没有脱离金属），并且多余的能量转化为光电子的最大初始动能，即max E 。
3.探测器的11/211z cm 10-*⋅⋅=W H D ，探测器的光敏面的直径为0.5cm ，用Hz f 3105⨯=的光电仪器，它能探测的最小辐射功率为多少？
略
4.为什么负电子亲和势光电阴极材料的量子效率高？而且光谱范围可扩展到近红外区？
答：因为这种材料的电子处于随时可以脱离的状态，由光子激发时，电子只要能扩散到表面就能溢出，因此灵敏度很高。
5.试述光电倍增管的工作原理，设管中有n 个倍增极，每个倍增极的二次电子发射系数均为δ，试证明电流增益n δ=G 。
答：工作原理为光电阴极在光子作用下发射电子，这些电子在聚焦极电场的作用下进入倍增系统，通过进一步的二次电子发射得到倍增放大，放大后的电子被阳极收集形成电流或电压信号输出。热锻工艺
6.光电倍增管的暗电流对信号检测有何影响?在使用时如何减小暗电流？
答：暗电流是在各电极都加上正常工作电压并且阴极无光照的情况下阳极的输出
电流，它限制了可测信号光通量的最小值，也是产生噪声的主要因素。
减小暗电流的方法：补偿法，利用外加电路产生一个与PMT 暗电流方向相反的微小直流稳定电流来抵消PMT 的暗电流；降低高压法，降低PMT 的负高压，可以降低其暗电流；光调制法，对光源所发射的直流光信号进行光调制的办法，可以消除 PMT 暗电流对实际测量的影响；降温法，因为PMT 暗电流产生的主要原因之一是热 电子发射，降低温度可以降低PMT 的暗电流。
7.什么是光电发射效应？光电发射和二次电子发射有何不同？
答：金属或半导体材料受到光照后向外发射电子的现象称为光电发射效应，也称为外光电效应。在PMT 中，阴极通过光电发射效应产生电子，经电子光学系统加速，聚焦到倍增极上，发射出多个二次电子，这称为二次电子发射。
8.设光电倍增管有10个倍增极，所有倍增极的二次电子发射系数4=δ，阴极灵敏度uA/lm 20=K S ，阳极电流不超过100uA 时，试估计入射阴极的光通量的上限。
9.什么是光电导效应，写出光电导在光照下产生光电流的表达式，并说明其物理意义。
答：当光照射到半导体材料时，材料吸收光子的能量，使非传导态电子变为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减小，这种现象称为光电导效应。
光电流的表达式：L SU U G I /1l l σ==
物理意义：在本征半导体两端加电极，沿电极方向加有电场，当在垂直于电极方向有均匀光入射到半导体表面，且入射光通量恒定时，半导体中流出的光电流称为光电流。
10.使用光敏电阻时应注意哪些问题？
答：光敏电阻在使用中应注意以下几个问题：
①在弱光照下进行模拟测量
②用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光电特性匹配;
③要防止光敏电阻受杂散光的影响;
④要防止使光敏电阻的电参数(电压、功耗)超过允许值;
⑤根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻。一般说，用于数字信息传输时，选用亮电阻与暗电阻差别大的光敏电阻为宜，且尽量选用光照指数大的光敏电阻；用于模拟信息传输时，则以选用光照指数值小的光敏电阻为好，因为这种光敏电阻的线性特性好。
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