光电技术第一章参考答案 1 辐射度量与光度量的根本区别是什么 为什么量子流速率的计算公式中不 能出现光度量 答 为了定量分析光与物质相互作用所产生的光电效应 分析光电敏感器件的光 电特性 以及用光电敏感器件进行光谱 光度的定量计算 常需要对光辐射给出 相应的计量参数和量纲 辐射度量与光度量是光辐射的两种不同的度量方法 根 本区别在于 前者是物理 或客观 的计量方法 称为辐射度量学计量方法或辐 射度参数 它适用于整个电磁辐射谱区 对辐射量进行物理的计量 后者是生理 或主观 的计量方法 是以人眼所能看见的光对大脑的刺激程度来对光进行计 算 称为光度参数 因为光度参数只适用于 0 38 0 78um 的可见光谱区域 是对 光强度的主观评价 超过这个谱区 光度参数没有任何意义 而量子流是在整个 电磁辐射 所以量子流速率的计算公式中不能出现光度量 光源在给定波长 处 将 d 范围内发射的辐射通量 d e 除以该 波长 的光子能量 h 就得到光源在 处每秒发射的光子数 称为光谱量子流 速率 2 试写出 e e M e e L 等辐射度量参数之间的关系式 说明它们与辐射源的关系 答 辐 射 能 以辐射形式发射 传播或接收的能量称为辐 射 能 用 符号表示 其计量单位为焦耳 J e Q e Q 辐 射 通量 e 在单位时间内 以辐射形式发射 传播或接收的辐 射 能称 为辐 射 通量 以符号 e 表示 其计量单位是瓦 W 即 e dt dQe 辐 射 出 射 度 对面积为 A 的有限面光源 表面某点处的面元向半球 面空间内发射的辐通量d e M e 与之 该面元面积d比 定义 为辐 射 出 射 度 e M即M A e dA d e 其计量单 位是瓦每平方米 W m2 辐 射 强度 对点光源在给定方向的立体角元 e d内发射的辐射通量 e d 与该方向立体角元 d之比 定义为点光源在该方向的辐 射 强度 即 e e d d e 辐射强度的计量单位是瓦特每球面 度 W sr 辐射亮度 光源表面某一点处的面元在给定方向上的辐射强度 除以该面元 在垂直于给定方向平面上的正投影面积 称辐射亮度 e L e L 1 e L cosdA dIe cos 2 dAd d e 式中 为所给方向与面元法线间 的夹角 其计量单位是瓦特每球面度平方米 W sr m2 3 何谓余弦辐射体 余弦辐射体的主要特性有哪些 答 一般辐射体的辐射强度与空间方向有关 但是有些辐射体的辐射强度在空 间方向上的分布满足 cos 0ee dIdI 式中Ie0是面元沿其法线方向的辐射强度 符合上式规律的辐射体称为余弦辐 射体或朗伯体 黑体为理想的余弦辐射体 它满足黑体辐射定律 dS K a 普朗克辐射定律 黑体表面向半球空间发射波长为 的光谱 其辐射出射度 是黑体温度T和波长 的函数 这就是普朗克辐射定律 e M b 斯忒藩 玻尔兹曼定律 黑体的总辐射出射度为对积分 得到其为 T4 e M c 维恩位移定律 峰值光谱辐出度所对应的波长与绝对温度的乘积为常数 当温 度升高时 峰值光谱辐射出射度所对应的波长向短波长方向移动 4 试举例说明辐射出射度 Me与辐射照度Ee是两个意义不同的物理量 答 略 5 试说明 的意义及区别 m K W K 答 为 人眼的明视觉最灵敏波长 m的光度参量对辐射度参量的转换常数 称为正常人眼的明视觉最大光谱光视效能 其值为683lm W m K K对于所谓辐射对人眼锥状细胞或柱状细胞的刺激程度 是从生理上评价所有 的辐射参量与所有的光度参量的关系 对于明视觉 刺激程度平衡条件 为 e X v X ev XK m V X 令 K v X e X m K V 称为人眼的明视觉光 谱光视效能 其中定义 V m e L e L 为正常人眼的明视觉光谱光视效率 m 等 于0 555um 定义一个热辐射体发射的总光通量 v 与总辐射通量 e 之比 为该辐射体的光视 效能K K 其中V为辐射体的光视效率 在光电信息变换技术领域常 用色温为2856K的标准钨丝灯作为光源 测量硅 锗等光电器件光的电流灵敏 度等特性参数 定义标准钨丝灯的光视效能为 17 1 lm W V m K m K m K 6 平面发散角为1mrad 解 1 氦氖激光器输出的光为光谱辐射 则辐射通 量为 e 3mW 根据式 1 56 可计算出它发出的光通量为 v emV K 又 683lm W V0 6328 0 235 带入数据计算得 m K v 为0 4815 lm 发光强度 v I v 立体角为 2 1 1 r2 1 2 将光束平面发散角转换 1 10 3 180 0 057度 则r sin 2 5 10 4带入公式得 8 17 10 7sr 2 所以发光强度 v I v 0 4815 8 17 10 7 5 89 105cd 光出射度M v 2 2 d v 0 4815 0 001 2 2 6 13 105lx 2 激光投射到10m远处屏幕上 可得接受面半径r 10 2 tan a 0 0005 5 5 10 3m 面积A 7 85 10 5m2 2 r 屏幕的光照度为 v E A v 6 13 103 lx 6 平面发散角为0 02mrad 解 1 氦氖激光器输出的光为光谱辐射 则辐射 通量为 e 3mW 根据式 1 56 可计算出它发出的光通量为 v emV K 又 683lm W V0 6328 0 235 带入数据计算得 m K v 为0 4815 lm 发光强度 v I v 由空间立体角的定义 将光束平面发散角转换 0 02 10 3 由于这个角度很小 可以把其所对应的球面度近似的看作锥面圆的面积 且半径 为 22 sin RRr 则 2 2 R r 所以发光强度 v I v 00000103 0 4815 0 5 1067 4 cd 光出射度M v 2 2 d v 0 4815 0 001 2 2 6 13 105lx 2 激 光 投 射 到10m远 处 屏 幕 上 可 得 接 受 面 半 径 2 101 2 10 2 101 2 tan10 33 r m003366 0 面积A 3 56 2 r 5 10 屏幕的光照度为 v E A v 5 1056 3 4815 0 1 35lx 4 10 7 解 由题意有 e 3mW 又查表得V 0 5145um 0 6082 光通量 v emV K 683 0 6082 3 1 246 103 lm 3 屏幕上的光照度 v E A v 1 246 103 0 2 10 4 6 23 107 lx 若屏幕的反射系数是0 8 则光出射度为 0 8 6 23 107 4 984 107 lx v M 设屏幕每分钟接收的光子数目为N 则 Nhc e 60 1 0 8 所以N 60 0 2 3 0 5145 10 6 3 108 6 63 10 34 9 31 1019个 分钟 8 解 依题意 设光子流速率为N个 秒 则 Nhc e 又 e 30mW 0 6328um 所以N hc e 9 54 1016个 秒 9 解 依题意 m 0 465um 由维恩位移定律 m 2898 T 则太阳表面的温度T m 2898 6232 25K 又 1 309T5 10 15 m se M 计算得其峰值光谱辐射出射度 1 23 104 m se M 12 umcmW 10 解 人体在正常体温时T 36 5 273 309 5K 由维恩位移定律 T m 2898 9 36um 当发烧到38 5时 T 38 5 273 311 5K 此时 T m 2898 9 303um 峰值光谱辐射出射度 3 84 155 10309 1 TM m se 12 umcmmW 11 解 依题意 由杂质吸收条件 则杂质吸收的长波限 i L E 24 1 所以杂质电离能 L i 24 1 1 24 13 0 095ev 12 解 光照灵敏度 V V I S 而辐射灵敏度 e e I S 又标准钨丝灯的辐射量与光度量的转化关系为 17 1 lm W w K w e v K 所以 又 200uA lm ewv SKS v S 则其辐射灵敏度 200 17 1 3 42mA lm e S 13 解 依题意 辐射通量为100W 则它的辐射强度为 4 100 e I 7 96cd 对应于0 2sr范围的辐射通量为WIe e 592 12 096 72 0 4 由 e v w K 则对应的光通量lmK ewv 223 27592 1 1 17 1 所以100W的标准钨丝灯在0 2sr范围内所发出的光通量为27 223lm 14 解 设甲厂生产的光电器件的光照灵敏度为 则有 1v S eWv SKS 1 w e v K S S 1 5 17 1 0 29 lm A 而乙厂光电器件的光照灵敏度是 0 4 v S lm A 显然 所以乙厂光电器件灵敏度高 vv SS 1 15 解 依题意 50uA 300uA 1uA 1 I 2 I D I 而PN结两端的开路电压为 1ln D oc I I q kT U 由于T不是定值 故只有当T 273K条件下才有 VInIn q KT Uoc093 051 106 1 2731038 1 1 1 50 19 23 1 VInIn q KT Uoc134 0301 106 1 2731038 1 1 1 300 19 23 2 16 解 由 gg L EE hc24 1 又 1 2 则 g EeV um L 03 1 2 1 24 1 17 答 在微弱辐射作用下 半导体的光电导为 2 e hvl q g 可见此时半导体材料的光电导与入射辐射通量 e 成线性关系 半导体材料在弱 辐射作用下的光电灵敏度为 2 hcl q d dg S e g 可见 为与材料性质有关的常数 与光电导材料两电极间长度l的平方成反比 为了提高光电导器件的光电灵敏度 一般就将光敏电阻的形状制造成蛇形 还有就是增大了受光面积 也提高了光电灵敏度 g S g S 5 18 答 光生伏特效应是基于半导体PN结 基础上的一种将光能转换为电能的效 应 当入射辐射作用在半导体PN结上产生本征吸收时 价带中的光生空穴与导 带中的光生电子在PN结内建电场的作用下分开 N区的空穴向P区运动 P区 的电子向N区运动 结果P区带正电 N区带负电 形成光生伏特电压或光生 电流 激光器输出光的波长 10 6um 远远超过激光器锗窗材料的本征吸收 长波限 不可能产生光电子发射 2 CO 19 解 由 nm EE hc thth L 1239 则 evE L th 82 1 680 12391239 即该光电发射材料的光电发射域值为1 82电子 伏特 20 解 由 g L E 24 1 L g E 24 1 又 um L 4 1 所以 evE L g 886 0 4 1 24 124 1 6 光电技术第二章参考答案 2 1 解 在微弱信号的辐射下 将式 1 80 1 t e nNe 代入 1 83 并对其 求导即可得半导体材料在弱辐射下的光电导灵敏度为 2 1 t g e dgq S dhcl e 由此可知时间 t 响应越长 灵敏度越高 2 2 解 同一型号的光敏电阻 在不同光照度下和不同的环境温度下 其光电导灵敏度和时 间常数不相同 在照度相同而温度不同时 其光电导灵敏度不相同和时间常数也不相同 其材料性质已经一样 只是决定了 的值一定 光照度和环境温度不同 则产生的光生电子 浓度和热生电子浓度各异 决定了 值不同 照度相同决定光生电子浓度相同 温度不同决 定热生电子浓度不同 同样也决定了 值不同 由 1 85 和 1 88 推出光电灵敏度不相 同 由 2 5 和 2 11 推出其时间常数不相同 2 3 解 由式 2 1 r pg IUS E 得 最大照度 2 2 P gg IP E USU S 2 22500 lx 最小照度 2 P gg IP E USU S 150 lx 2 4 解 在照明控制电路中 入射辐射很