光电子技术级复习范围1018.docx

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光电子技术级复习范围1018

湖南科技大学物理与电子科学学院

2008级电子

光电子技术复习纲要

第一部分

1.霓虹灯发的光是热辐射吗？

不是热辐射。

霓虹灯发的光是电致发光，在两端放置有电极的真空充入氖或氩等惰性气体，当两极间的电压增加到一定数值时，气体中的原子或离子受到被电场加速的电子的轰击，使原子中的电子受到激发。

当它由激发状态回复到正常状态会发光，这一过程称为电致发光过程。

2.从黑体辐射曲线图可以看出，不同温度下的黑体辐射曲线的极大值处的波长m随温度T的升高而减小。

试由普朗克热辐射公式导出

。

这一关系式称为维恩位移定律，其中常数为2.89810-3mK。

普朗克热辐射公式求一阶导数，令其等于0，即可求的。

3.常用的彩色胶卷一般分为日光型和灯光型。

你知道这是按什么区分的吗？

按色温区分。

4.何为大气窗口，试分析光谱位于大气窗口内的光辐射的大气衰减因素。

对某些特定的波长，大气呈现出极为强烈的吸收。

光波几乎无法通过。

根据大气的这种选择吸收特性，一般把近红外区分成八个区段，将透过率较高的波段称为大气窗口。

5.何为大气湍流效应，大气湍流对光束的传播产生哪些影响？

是一种无规则的漩涡流动，流体质点的运动轨迹十分复杂，既有横向运动，又有纵向运动，空间每一点的运动速度围绕某一平均值随机起伏。

这种湍流状态将使激光辐射在传播过程中随机地改变其光波参量，使光束质量受到严重影响，出现所谓光束截面内的强度闪烁、光束的弯曲和漂移（亦称方向抖动）、光束弥散畸变以及空间相干性退化等现象，统称为大气湍流效应。

6.何为电光晶体的半波电压？

半波电压由晶体的那些参数决定？

当光波的两个垂直分量Ex，Ey的光程差为半个波长（相应的相位差为）时所需要加的电压，称为半波电压。

7.若取vs=616m/s，n=2.35，fs=10MHz，0=0.6328m，试估算发生拉曼-纳斯衍射所允许的最大晶体长度Lmax=?

解：

由公式

计算。

答案：

3.523mm。

8.一束线偏振光经过长L=25cm，直径D=1cm的实心玻璃，玻璃外绕N=250匝导线，通有电流I=5A。

取韦尔德常数为V=0.2510-5（）/cmT，试计算光的旋转角。

由公式

和

计算。

答案：

0.3125’

9.概括光纤弱导条件的意义。

从理论上讲，光纤的弱导特性是光纤与微波圆波导之间的重要差别之一。

实际使用的光纤，特别是单模光纤，其掺杂浓度都很小，使纤芯和包层只有很小的折射率差。

所以弱导的基本含义是指很小的折射率差就能构成良好的光纤波导结构，而且为制造提供了很大的方便。

10.在电光调制器中，为了得到线性调制，在调制器中插入一个/4波片，波片的的轴向如何设置最好？

若旋转/4波片，它所提供的直流偏置有何变化？

其快慢轴与晶体的主轴x成45角，从而使

和

两个分量之间产生/2的固定相位差。

11比较光子探测器和光热探测器在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。

答：

光子效应是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。

探测器吸收光子后，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改变的大小。

因为，光子能量是h

，h是普朗克常数,

是光波频率，所以，光子效应就对光波频率表现出选择性，在光子直接与电子相互作用的情况下，其响应速度一般比较快。

光热效应和光子效应完全不同。

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,温度上升的结果又使探测元件的电学性质或其他物理性质发生变化。

所以，光热效应与单光子能量h

的大小没有直接关系。

原则上，光热效应对光波频率没有选择性。

只是在红外波段上，材料吸收率高，光热效应也就更强烈，所以广泛用于对红外线辐射的探测。

因为温度升高是热积累的作用，所以光热效应的响应速度一般比较慢，而且容易受环境温度变化的影响。

值得注意的是，以后将要介绍一种所谓热释电效应是响应于材料的温度变化率，比其他光热效应的响应速度要快得多，并已获得日益广泛的应用。

12总结选用光电探测器的一般原则。

答：

用于测光的光源光谱特性必须与光电探测器的光谱响应特性匹配；考虑时间响应特性；考虑光电探测器的线性特性等。

13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——空穴被排斥，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，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。

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：

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。

14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

（帧／s）：

。

15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。

16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摄像系统可工作在10-6lx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10-4lx（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10-6lx（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。

17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。

18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。

19试说明充气二极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。

20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

21比较不同类型的光电效应的产生原理及主要特点?

答：

光电效应可分为外光电效应和内光电效应两大类：

外光电效应：

受到光辐射的作用后，产生电子发射的现象。

其特点是要求光电子能够从材料逸出，入射光子的能量必须大于光电子发射的逸出功。

内光电效应（光电导效应与光伏效应）：

光电导效应——当光入射到半导体光电材料时，会在材料的内部激发出新的载流子。

光伏效应——用光照射半导体的PN结就可能出现这种效应。

由于光照而在PN结两端出现的电动势为光生电动势。

22归纳固体介质（主要是半导体）对光的吸收的几种类型及其特点。

答：

其类型以及特点分别是：

1本征吸收：

电子吸收光子能量后，由价带跃迁到导带的过程。

2晶格振动吸收：

在10um～100um的红外波段，所有固体都具有一个因光子和晶格振动相互作用而引起的吸收区域。

3自由载流子的光吸收：

当入射光的能量比较低时，导带中的电子或价带中的空穴吸收光子后，引起载流子在能带内的跃迁。

4激子吸收：

当光的照射能量不足以导致产生本征吸收时，对价带顶端的电子作用就可能产生的一种状态，电子处于价带和导带中间的禁带。

5杂质吸收：

在杂质与缺陷出现的局部，晶格的周期性势能受到破坏，电子的能态与晶体中的其他部分不相同。

第二部分填空题

1、光电信息变换的基本形式、、、

、、。

2、光电倍增管是一种真空光电器件，它主要由、、、和组成。

3、发光二极管（LED）是一种注入电致发光器件，他由P型和N型半导体组合而成。

其发光机理可以分为和。

4、产生激光的三个必要条件是。

5、已知本征硅的禁带宽度为

，要使该材料有光电子产生，其入射光波的最大波长为。

6、0.1W光通量相当于流明当这一光通量完全入射到5cm2的光电池上，光电池接受的光照度为勒克斯。

7、根据调制器和激光器的关系，用于半导体光源的调制为，

根据调制信号的类型，这种调制方式又可以分为和。

8、CCD的工作过程就是信号电荷的、、

和。

9、用凝视型红外成像系统观察目标，若红外焦平面器件是128×128元，像

元大小是50μm×50μm，红外光学系统的焦距应为300mm，则红外成像系统的视场角是。

10、色温为2856K的标准钨丝灯的辐射通量为100W时，其光通量为1710lm，则钨丝灯的光视效能为.。

11、当温度上升时，热敏电阻的阻值也上升，则电阻的温度系数为正，反之为负，那么金属材料的热敏电阻的温度系数为,半导体材料的热敏电阻温度系数为。

12、产生布喇格声光衍射的条件是、和。

13、有一辐射功率恒为5W的辐射光源，照射到热释电器件上，则热释电器件的电压灵敏度为。

14、光电探测器的平方律特性包含两个层次的含义：

光电流正比于光电场振幅的平方和电输出功率正比于入射光功率的平方。

15、接受系统对被探测景物的分解方式决定了光电成像系统的类型，基本上可以分为三种：

光机扫描、电子束扫描、固体自扫描。

16、光热效应与单光子能量无关，因而频率没有选择性，响应速度慢。

17、光度量和辐射度量之间的关系可以用和表示。

18、黑白显象管由、、和

组成。

19、光束调制按其调制的性质可分为、、、

和等。

20、热致液晶可分为、和三种类型,其中液晶是目前显示器的主要材料。

21、半导体激光器的发光属于受激辐射，发光二极管发光属于

辐射。

第三部分选择题

1、半波电压是表征电光晶体性能的一个重要参数，这个电压越越好，特别是在宽频带高频率情况下，半波电压越小，需要的调制功率就越。

（B）

A、大；大B、小；小

C、大；小D、小；大

2、光敏电阻的暗态前历效应是指光敏电阻工作前处于暗态，它突然受到光照后表现为暗态前历越长，光电流上升（A）

A、越慢B、越快C、不变D、无法判断

3、晴朗的天空呈现蓝色，这主要是由于大气对可见光的（B）作用。

A、米氏散射B、瑞利散射C、长波长光的反射D、吸收

4、关于热释电器件下列说法正确是（C）

A、当入射辐射为恒定辐射时，热释电器件的电压灵敏度达到最大值。

B、热释电器件的工作温度通常在居里温度以上。

C、热释电器件工作在交流状态。

D、热释电器件工作时，晶体的自发极化强度不会随着温度的变化而变化。

5、下列说法正确的是（D）

A、设物体的调制度为M1，红外成像系统成像后的调制度为M2，则光学系统对某一频率的调制传递函数为M1/M2。

B、红外成像中信号处理的基本任务是：

形成与景物温度相应的电荷信号。

C、CCD和CMOS的电荷输出方式相同。

D、一般来说，红外成像系统对高频目标的对比传递能力差。

6、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．开路B．自偏置C．零伏偏置D．反向偏置

7、下列器件运用了内光电效应原理的是（CD）

A、红外变像管B、光电倍增管

C、光电池D、雪崩光电二极管

8、光穿越声波传播的介质是，产生拉曼－纳斯衍射，下列说法正确的是（ABC）

A、光波平行于声波面入射。

B、声光相互作用长度较短。

C、每一组衍射光的各级次衍射光对称分布在0级衍射光两测，同级次衍射光光强度相等。

D、声波的频率较高。

9、下列说法正确的是（ABC）

A、作为显示技术应用的液晶主要采用热致液晶。

B、液晶具有电光效应，可以制成液晶空间调制器。

C、等离子体显示为自发光型显示。

D、等离子体显示工作方式都为交流式。

10、下面说法正确的是（ABC）

A、CCD最突出的特点是以电荷作为信号。

B、CID可工作在非破坏性读出方式。

C、CID的光敏单元结构和CCD相似，电荷读取方式和CMOS相似。

D、CCD可实现随机读取方式。

11、下列说法正确是（CD）

A、电场方向与光束在晶体中的传播方向垂直，称为纵向电光效应。

B、电场方向与光束在晶体中的传播方向一致，称为横向电光效应。

C、半波电压是表征电光晶体性能的一个重要参数，这个电压越小越好。

D、在运用纵向电光效应中，光波通过晶体后的相位差只和V＝EzL有关。

12、一个光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射，在此方向上的辐强度为（1/683）W/sr，则该光源在该方向上发光强度为（A）。

A、1cdB、2cdC、3cdD、4cd

13、有两块材料制成的热敏电阻，A为半导体材料，B为白金，当温度升高，则两种材料的电阻将（C）

A、RA变小；RB变小B、RA变大；RB变大

C、RA变小；RB变大D、RA变大；RB变小

14、常用的彩色胶卷一般分为日光型和灯光型，这是按照（C）区分的。

A、光照度B、光亮度

C、色温D、光视效率

15、一束线偏光通过两个磁光法拉第转子后偏振方向旋转角，经反射镜反射，再一次经过两个法拉第转子，其偏振方向与初始偏振方向的夹角为（C）

A、0B、C、2D、4

16、光电倍增管中，产生光电效应的是（A）

A、阴极B、阳极C、二次倍增极D、玻璃窗

17、通过对半导体激光器采用（B）来获得调制光信号

A、外调制B、直接调制C、相位调制D、电光调制

18、现有GDB－423型光电倍增管的阴极灵敏度为25A/lm，倍增系统的放大倍数为105，阳极的额定电流为25A，则允许的最大光通量为（A）

A、1×10－5lmB、1×10－3lmV/W

C、无法判断D、1lm

19、下列器件运用外光电效应的是（AC）

A、光电倍增管B、光电池C、像增强管D、光敏电阻

20、对于大气对可见光的散射，下列说法正确是（ABC）

A、当光波长远大于散射粒子尺度时，即产生瑞利散射。

B、当光波长相当于或小于散射粒子的尺度时，即产生米氏散射。

C、对于瑞利散射，蓝光比红光散射强烈。

D、对于瑞利散射，波长越长，散射越强。

21、关于直接探测和外差探测下列说法正确的是（ABD）

A、外差探测基于两束光波在探测器光敏面上的相干效应。

B、外差探测适宜弱光信号的探测，直接探测适宜强光信号的探测。

C、与外差探测相比直接探测具有良好的滤波性能。

D、外差探测具有高的转换增益。

22、脉冲编码调制包括（ACD）

A、编码B、模拟C、量化D、抽样

第四部分简答题

1、简述PIN光电二极管的工作原理。

为什么PIN管比普通光电二极管好？

2、像管的主要功能是什么？

有哪几部分组成？

像管和摄像管的最大区别是什么？

3、简述光频外差探测的特点。

4、比较光子探测器和光热探测器在作用机理、性能及应用特点等方面的差异。

5、简述光电三极管的工作原理。

6、简述声光相互作用中产生布喇格衍射的条件以及布喇格衍射的特点。

7、什么是热释电效应？

热释电器件为什么不能工作在直流状态？

第五部分计算分析题目

1、依据下图提供的结构和脉冲电压图说明CCD电荷转移的过程。

2、如果硅光电池的负载为RL。

（1）、画出其等效电路图；

（2）、写出流过负载的电流方程及开路电压和短路电流；

（3）、标出等效电路图中电流方向。

3、若探测器的面积归一化探测度D*＝1.5×10，光敏面积为1mm，测量带宽为1Hz，求该探测器的等效噪声功率。

解：

4、设激光载波的电场强度如：

，如果调制信号是一个时间的余弦函数，即：

，试推导出调幅波的表达式,并分析调幅波的频谱是由三个频率成分组成.

5、一块45度-z切割的GaAs晶体，长度为L，电场沿z方向，证明纵向运用时的相位延迟为

。

解：

GaAs晶体为各向同性晶体，其电光张量为：

（1）

z轴加电场时，Ez＝E，Ex=Ey=0。

晶体折射率椭球方程为：

（2）

经坐标变换，坐标轴绕z轴旋转45度后得新坐标轴，方程变为：

（3）

可求出三个感应主轴x’、y’、z’（仍在z方向上）上的主折射率变成：

（4）

纵向应用时，经过长度为L的晶体后，两个正交的偏振分量将产生位相差：

（5）

6、如图所示，设小面源的面积为As，辐射亮度为Le，面源法线与l0的夹角为s；被照面的面积为Ac，到面源As的距离为l0。

若c为辐射在被照面Ac的入射角，试计算小面源在Ac上产生的辐射照度。

解：

亮度定义:

强度定义:

可得辐射通量：

在给定方向上立体角为：

则在小面源在Ac上辐射照度为：

第六部分其它复习范围

第一章

1、电磁波的性质：

①电磁波的电场E和磁场H都垂直于波的传播方向，三者相互垂直所以电磁波是横波。

E、H和传播方向构成右手螺旋系。

②电池波具有偏振特性。

③空间各点E和H都作周期性变化，而且相位相同，即同时达到最大，同时减小到最小。

④任意时刻，在空间任意点，E和