光电子技术及应用计算题.doc

1、 普朗克辐射定律
黑体为理想余弦辐射体, 其光谱辐射出射度Me,s,λ（角标“s”表示黑体）由普朗克公式表示为:

式中, k为波尔兹曼常数; h为普朗克常数; T为绝对温度; c为真空中光速。
上式表明, 黑体表面向半球空间发射波长为λ光谱, 其辐射出射度Me,s,λ是黑体温度T和波长λ函数, 这就是普朗克辐射定律。
2、 斯忒藩-波尔兹曼定律
将黑体普朗克公式对波长λ求积分, 得到黑体发射总辐射出射度:

式中, σ是斯特藩-波尔兹曼常数, 它由下式决定:

可见, Me, s与T四次方成正比, 这就是黑体辐射斯忒藩-波尔兹曼定律。
3、 维恩位移定律
将黑体普朗克公式对波长λ求微分后令其等于0, 则能够得到峰值光谱辐射出射度所对应波长λm与绝对温度T关系为:

可见, 峰值光谱辐出度对应波长与绝对温度乘积是常数。当温度升高时, 峰值光谱辐射出射度对应波长向短波方向位移, 这就是维恩位移定律。
将式λm代入普朗克公式, 得到黑体峰值光谱辐出度:

以上三个定律统称为黑体辐射定律。
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1、 在卫星上测得大气层外太阳光谱最高峰值在0.465μm处, 若把太阳作为黑体, 试计算太阳表面温度及其峰值光谱辐射出射度Me,s,λm。
【解】: （K） （4分）
峰值光谱辐射出射度为:

2、 在距离标准钨丝灯2m远处放置一个照度计探头, 已知探头光敏面积为0.5 cm2, 若照度计测得最大照度为100(lx)。试求: （1）标准钨丝灯在该方向发光强度？（2）它所发出总光通量？（3）所发出总辐射通量？
【解】: （1）先计算光电探头对标准钨丝灯所张立体角:

再计算光电探头所接收光通量: （lm）
计算灯在该方向上发光强度: （cd）
（2）灯所发出总光通量为:

（3）灯所发出总辐射通量为:
3、 将标准钨丝灯为黑体时, 试计算它峰值辐射波长, 峰值光谱辐射出射度和它总辐射出射度。
【解】: 标准钨丝灯温度为TW=2856K, 所以它峰值辐射波长为:
(μm)
峰值光谱辐射出射度为: =1.309×28565×10-15
≈248.73
总辐射出射度为
4、 假设将人体作为黑体, 正常人体温为36.5℃。
计算: （1）正常人体所发出辐射出射度为多少W/m2？
（2）正常人体峰值辐射波长为多少μm？峰值光谱辐射出射度Me,s,λm为多少？
（3）人体发烧到38℃时峰值辐射波长为多少？发烧时峰值光谱辐射出射度Me,s,λm又为多少？
【解】: （1）人体正常体绝对温度为T=36.5+273=309.5（K）, 依据斯特藩-波尔兹曼辐射定律, 正常人体所发出辐射出射度为:

（2）由维恩位移定律, 正常人体峰值辐射波长为: ≈9.36μm
峰值光谱辐射出射度为:
≈3.72
（3）人体发烧到38℃时峰值辐射波长为:
发烧时峰值光谱辐射出射度为:
≈3.81
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1、 什么是三基色原理？彩色重现是什么含义？√
【答】三基色含有独立性, 三基色中任何一色都不能用其它两种色彩合成。三基色含有最大混合色域, 其她色彩可由三基色按一定百分比混合出来, 而且混合后得到颜色数目最多。
人眼三种感色细胞——感红细胞、 感绿细胞、 感蓝细胞, 含有合色能力。当一复色光刺激人眼时, 人眼感色细胞可将其分解为红光、 绿光、 蓝光三种单色光, 然后混合成一个颜色。正是因为这种合色能力, 才能识别除红、 绿、 蓝三色之外更大范围颜色。（Page76-77）
2、 简述液晶种类和特点。√
【答】液晶分为两大类: 溶致液晶和热致液晶。熔致液晶要溶解在水或有机溶剂中才显示出液晶态, 液晶受控于浓度条件。热致液晶则要在一定温度范围内才展现出液晶态, 液晶光电效应受温度条件控制。（Page91-92）
3、 简述等离子显示关键发展水平和研究动向。
4、 简述PN结电致发光原理。√
【答】当在PN结施加正向电压时, 会使势垒高度降低, 耗尽层减薄, 能量较大电子和空穴分别注入到P区或N区, 同P区空穴和N区电子复合, 同时以光形式辐射出多出能量。（Page88）
5、 已知GaAs禁带宽度为1.4 eV, 求GaAsLED峰值波长。而实测GaAsLED峰值波长为1 127 nm, 为何？√
【答】峰值响应波长取决于制造光敏电阻所用半导体材料禁带宽度, 其值可由下式估算:
（Page160）
因为在光电半导体中, 杂质和晶格缺点所形成能级与导带间禁带宽度比价带与导带间主禁带宽要窄得多, 所以波长比峰值响应波长长光将把这些杂质能级中电子激发到导带中去, 从而使光敏电阻光谱响应向长波方向有所扩展。（Page160）
6、 简述高场交流电致发光（ACEL）发光原理。
7、 液晶有何特点？它关键有哪些电光效应? 关键有哪些应用？√（Page93-94）
【答】液晶二个显著特点: （1）液晶各向异性——在外电场作用下, 分子排列极易发生改变, P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向, N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向。（2）液晶双折射——偏振平行于光轴光在传输时所经历折射率为非常光ne = n∥, 偏振垂直于光轴传输光所经历折射率为平常光n0 = n⊥。

8、 试说明自会聚彩色显示管特点。
9、 试说明扭曲向列LCD特点。√（Page95-96）
【答】入射光经过偏振片后成为线偏振光, 在无电场作用时, 线偏振光经过扭曲向列液晶时, 由其旋光特征决定偏振光旋转90°。在出射处, 检偏片与起偏片相互垂直, 旋转了90°偏振光能够经过, 所以呈透光态。
在有电场作用时, 当电场大于阈值场强后, 液晶盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列, 即与表面呈垂直排列, 此时入射线偏振光不能得到旋转, 所以在出射处不能经过检偏片, 呈暗态。
18、 激光显示系统分类、 组成和特点都是什么？√（Page108）
【答】激光显示技术分为三种类型: 第一个是激光阴极射线管LCRT（laser cathode ray tube）, 其基础原理是用半导体激光器替换阴极射线显像管荧光屏一个新型显示器件; 第二种是激光光阀显示, 基础原理是激光束仅用来改变一些材料（如液晶等）光学参数（折射率或透过率）, 而再用另外光源使这种光学参数改变而形成像投射到屏幕上, 从而实现图像显示; 第三种是直观式（点扫描）电视激光显示, 它是将经过信号调制过RGB三色激光束直接经过机械扫描方法偏转扫描到显示器上。
【激光扫描测量法举例】

激光束经过透镜1后被反射镜反射, 因为同时位相马达转动而形成扫描光束 , 扫描光束经过透镜1后变成平行扫描光束, 平行扫描光在扫描过程中被工件遮挡。
光束经过透镜2后被位于焦平面上探测器D接收, 得到一个随时间改变光电信号。
再经过后续信号处理电路(关键包含信号放大电路、 边缘检出电路、 计数电路等), 就能够得出工件直径测量值。
依据计数器统计工件挡光时间内时钟脉冲数, 就能够求得工件直径。
【作业1】若f为透镜1焦距, 匀速转动同时马达转速为ωm, 试求光扫描线速度？
若在扫描光束被遮挡时间t内计数器计数为n, 晶振时钟频率为v0, 分频数为N; 则被测工件直径计算公式？
【作业2】试设计一个该电路应用实例, 用简明文字、 图形和公式说明。