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，φ1高电位，φ2、φ3低电位。此时φ1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φ1电极下的势阱中。t2时刻，φ1、φ2为高电位，φ3为低电位，则φ1、φ2下的两个势阱的空阱深度相同，但因φ1下面存储有电荷，则φ1势阱的实际深度比φ2电极下面的势阱浅，φ1下面的电荷将向φ2下转移，直到两个势阱中具有同样多的电荷。t3时刻，φ2仍为高电位，φ3仍为低电位，而φ1由高到低转变。此时φ1下的势阱逐渐变浅，使φ1下的剩余电荷继续向φ2下的势阱中转移。t4时刻，φ2为高电位，φ1、φ3为低电位，φ2下面的势阱最深，信号电荷都被转移到φ2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。
φφφ123φφ1t1t2t3t42t1t2t3t4φ3
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
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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φ3与FD之间建立导电沟道。在φ3为高电位期间，电荷包存储在φ3电极下面。随后复位栅R加正复位脉冲φR，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，φ3转变为低电位，φ3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： ?VA?QFD 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
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布电容等）。
φt1t2t3t4t533φRφt1t2t3t4t5φR
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T。；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。 5.2 何谓帧时、帧速？二者之间有什么关系？
答：完成一帧扫描所需的时间称为帧时Tf(s)，单位时间完成的帧数称为帧速F（帧／s）：
?Tf?1。 ?F5.3 用凝视型红外成像系统观察30公里远，10米×10米的目标，若红外焦平面器件的像元大小是50μm×50μm，假设目标像占4个像元，则红外光学系统的焦距应为多少？若红外焦平面器件是128×128元，则该红外成像系统的视场角是多大？
1050?10?3?2答： ?3/30?10f f?300mm 水平及垂直视场角：
/50?10?3?1281?2?105??1.190
30036005.4试说明在红外成像系统中进行直流恢复的原因。
答：信号中的直流成分常常需要在信号处理之前用隔直流的方法将其去掉，这不仅可使信号处理变得简单，而且可达到抑制背景和削弱1f噪声的目的。但是在采用交流耦合时也存
在两个较大的问题，其一是由RC组成的高通交流耦合电路，在对目标进行扫描时会产生两种图像缺陷，参见P191，为了减小图像缺陷，需要采用直流恢复技术。一种直流恢复方案参见P192.
5.5 一目标经红外成像系统成像后供人眼观察，在某一特征频率时，目标对比度为0.5,大气的MTF为0.9，探测器的MTF为0.5，电路的MTF为0.95，CRT的MTF为0.5，则在这一特征频率下，光学系统的MTF至少要多大？ 答： 0.5?0.9?0.5?0.95?0.5?MTFo?0.026
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MTFo?0.24
5.6 红外成像系统A的NETDA小于红外成像系统B的NETDB，能否认为红外成像系统A对各种景物的温度分辨能力高于红外成像系统B，试简述理由。
答：不能。NETD反映的是系统对低频景物（均匀大目标）的温度分辨率，不能表征系统用于观测较高空间频率景物时的温度分辨性能。
5.7 试比较带像增强器的CCD、薄型背向照明CCD和电子轰击型CCD器件的特点。 答：带像增强器的CCD器件是将光图像聚焦在像增强器的光电阴极上，再经像增强器增强后耦合到电荷耦合器件（CCD）上实现微光摄像（简称ICCD）。最好的ICCD是将像增强器荧光屏上产生的可见光图像通过光纤光锥直接耦合到普通CCD芯片上。像增强器内光子－电子的多次转换过程使图像质量受到损失，光锥中光纤光栅干涉波纹、折断和耦合损失都将使ICCD输出噪声增加，对比度下降及动态范围减小，影响成像质量。灵敏度最高的ICCD摄像系统
-6
可工作在10lx靶面照度下。
薄型、背向照明CCD器件克服了普通前向照明CCD的缺陷。光从背面射入，远离多晶硅，由衬底向上进行光电转换，大量的硅被光刻掉，在最上方只保留集成外接电极引线部分很少的多晶硅埋层。由于避开了多晶硅吸收， CCD的量子效率可提高到90％，与低噪声制造技
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术相结合后可得到30个电子噪声背景的CCD，相当于在没有任何增强手段下照度为10lx
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（靶面照度）的水平。尽管薄型背向照明CCD器件的灵敏度高、噪声低，但当照度低于10lx（靶面照度）时，只能依赖图像增强环节来提高器件增益，克服CCD噪声的制约。
电子轰击型CCD器件是将背向照明CCD当作电子轰击型CCD的“阳极”，光电子从电子轰击型CCD的“光阴极”发射直接“近贴聚焦”到CCD基体上，光电子通过CCD背面进入后，硅消耗入射光子能量产生电子空穴对，进而发生电子轰击半导体倍增，电子轰击过程产生的噪声比用微通道板倍增产生的噪声低得多，与它获得的3000倍以上增益相比是微不足到的。电子轰击型CCD器件采用电子从“光阴极”直接射入CCD基体的成像方法，简化了光子被多次转换的过程，信噪比大大提高，与ICCD相比，电子轰击型CCD具有体积小、重量轻、可靠性高、分辨率高及对比度好的优点。
5.8试说明光纤束的排列方式对传像束分辨率的影响。
答：分辨率作为传输图像的传像束，其重要的指标是其传输图像的分表率，它不仅与组成传像束的单根光纤直径有关，而且与光纤束的排列方式和排列紧密程度有关。参见P207 理论和实践证明，正六角形排列的传像束比正方形排列的传像束的分辨率要高，故大多数的传像光纤束均为正六角形排列。
习 题6
6.1试分析在向列相液晶中线偏振的传播特性。
答：向列相液晶分子的排列和运动比较自由，对外界电、磁场、温度、应力都比较敏感，是目前显示器件的主要材料。参见P215：液晶的双折射特性和光学性质。 6.1 试说明自会聚彩色显像管的特点。
答：精密直列式电子枪；开槽荫罩和条状荧光屏；精密环形偏转线圈。 6.2 如图6.15所示，光在向列液晶中传播，且???4，试分析当位相差为0，π/4,π/2,3
π/4,π,5π/4,3π/2,7π/4和2π时，输出光的偏振状态。
答：线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、线偏振光、椭圆偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光、线偏振光
6.2 试比较TN－LCD和STN－LCD的特点。
答：TN－LCD利用了扭曲向列相液晶的旋光特性，液晶分子的扭曲角为90o，它的电光特性
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曲线不够陡峻，由于交叉效应，在采用无源矩阵驱动时，限制了其多路驱动能力。STN－LCD的扭曲角在180o—240o范围内，曲线陡度的提高允许器件工作在较多的扫描行数下，利用了超扭曲和双折射两个效应，是基于光学干涉的显示器件。STN-LCD所用的液晶材料是在特定的TN材料中添加少量手征性液晶以增加它的扭曲程度，盒厚较薄，一般5-7μm。STN-LCD的工艺流程基本上和TN-LCD类似，但由于STN-LCD是基于光干涉效应的显示器件，对盒厚的不均匀性要求＜0.05μm(TN-LCD只要求＜0.5μm)，否则就会出底色不均匀，预倾角要求达到3o～8o，电极精细，器件尺寸较大，因此其规模生产难度较TN-LCD大许多。 6.3 试说明充气放电管伏安特性中击穿电压和放电维持电压的概念。
答：曲线AC段属于非自持放电，在非自持放电时，参加导电的电子主要是由外界催离作用（如宇宙射线、放射线、光、热作用）造成的，当电压增加，电流也随之增加并趋于饱和，C点之前称为暗放电区，放电气体不发光。随着电压增加，到达C点后，放电变为自持放电，气体被击穿，电压迅速下降，变成稳定的自持放电（图中EF段），EF段被称为正常辉光放电区，放电在C点开始发光，不稳定的CD段是欠正常的辉光放电区，C点电压Vf，称为击穿电压或着火电压、起辉电压，EF段对应的电压VS称为放电维持电压。
100 10-1 H G10-2 10-3 10-4 10 10-6 10-7 10-8 10 F E-5DV 与初始引发有关CA100Vs200Vf300着火电压400 -9
6.4试说明注入电致发光和高场电致发光的基本原理。
答：注入电致发光是在半导体PN结加正偏压时产生少数载流子注入，与多数载流子复合发光。高场电致发光是将发光材料粉末与介质的混合体或单晶薄膜夹持于透明电极板之间，外施电压，由电场直接激励电子与空穴复合而发光
6.5试给出一种实现大屏幕显示（显示面积大于1m）的方法，并给出其驱动方式。 答：单色等离子体显示，采用AC-PDP的驱动。
习 题7
7.1试比较光纤通信中直接调制和间接调制的特点。 答：直接调制是用电信号直接调制半导体激光器或发光二极管的驱动电流，使输出光强随电信号变化。这种方案技术简单成本低，容易实现，但调制速率受激光器的频率特性所限制。 间接调制（也称外调制）是把激光的产生和调制分开，用独立的调制器调制激光器的输出光而实现的。外调制的优点是调制速率高，缺点是技术复杂，成本较高，因此只有在大容量的波分复用和相干光通信系统中使用。 7.2试举出激光雷达的三种实际应用。
答：应用激光雷达系统从地面、飞机、舰船和空间平台上对人们感兴趣的目标进行测距和跟
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踪。以远距离测量环境状态为目的，对大气、水域、陆地的各种状态进行测量。
（1）空中交通管制是应用激光雷达的极好领域，激光雷达与数字计算机相结合应用于空中交通管制，将会大大提高分辨率和数据率，显著改善机场的技术工作。
（2）激光雷达在测绘和大地测量中也非常有用，应用激光雷达能精密测量角度和距离，并能以很高的精度确定垂线和局部垂线。观测现有轨道卫星上的后向反射器（合作目标），可以监视与地质结构漂移有关的地球物理运动，进而预报地震。
（3）激光雷达可以用作机载地面测平仪，从飞机上连续测量飞机至地面的距离，提供难以接近的山脉和峡谷的高度和轮廓数据。 7.3试说明激光制导分为几种方式。
答： 激光制导分为激光寻的制导和激光驾束制导。
激光驾束制导导弹的种类很多，典型代表是瑞典的RBS70导弹系统，其工作原理是，以瞄准线为坐标基线，将激光束在垂直平面内进行空间位置编码发射，弹上的寻的器接收激光信息并译码，测出导弹偏离瞄准线的方向及大小，形成控制信号，控制导弹沿瞄准线飞行，直接击中目标。
激光寻的制导是由弹外或弹上的激光束照射在目标上，弹上的激光寻的器利用目标漫反射的激光，实现对目标的跟踪和对导弹的控制，是导弹飞向目标的一种制导方法。按照激光源所在位置的不同，激光寻的制导有主动和半主动之分。 7.4简述推帚式扫描仪的基本原理。 答：如图所示：地面上的扫描线对应的辐射信息经光学系统收集，聚焦在线阵CCD上，CCD的输出端以一路时序视频信号输出，在瞬间能同时得到垂直于航线的一条影像线。随着平台的向前移动，以“推帚”方式获取沿轨道的连续影像条带。
线形阵列遥感器
光学系统 前进方向
扫描线
推帚式扫描仪的原理图
7.5试说明调制盘在红外点源制导系统中的应用。 答：调度盘的作用是用来确定目标相对于导弹的位置和抑制背景的干扰。选择调度盘的图案和旋转速度，便可得到所需要的调频信号。调度盘的输出信号把目标相对于导弹的输出位置完全确定了。调度盘抑制目标背景的干扰是利用它的空间滤波特性。 7.6试说明红外成像制导系统的特点。
答：（1）灵敏度高。其噪声等效温差NETD ?（0.05需求。
0.1）0C很适合探测远程小目标的
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（2）抗干扰能力强。有目标识别能力，可在复杂干扰背景下探测识别目标 （3）具有“智能”可实现“发射后不管”。具有在各种复杂战术环境下自主搜索捕获识别和跟踪目标的能力，并且能按威胁程度自动选择目标和目标薄弱部位进行命中点选择，可以实现“发射后不管”。 （4）具有准全天候功能。主要工作在814?m远红外波段，该波段具有穿透烟雾能力，并可昼夜工作，是一种能在恶劣气候条件下工作的准全天候探测系统。
（5）具有很强的适应性。红外成像制导系统可以装在各种型号的导弹上使用，只是识别、跟踪的软件不同。
7.7试述传感型和传光型光纤传感器的基本含义。 答：传感型光纤传感器——利用光纤本身的特征把光纤直接作为敏感元件，即感知信息又传输信息（也称为功能型或全光纤传感器）
传光型光纤传感器——利用其他敏感元件感知待测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，传输来自远处或难以接近场所的光信号（也称为非功能型或混合型传感器）
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