物理光电总复习

1、题型：选择20 填空20 简答40 计算20v 颜色的特征参数：u 颜色包括三个特征参数：亮度、色度、饱和度。u 亮度表示各种颜色的光对人眼所引起的视觉强度，它与光的辐射功率有关。u 色调表示颜色彼此区分特性，不同波长的光辐射在物体上表现出不同色调特性。u 饱和度表示颜色光所呈现的颜色深浅程度（或纯度）。饱和度越高，则颜色越深，如深红、深绿等。饱和度越低，则颜色越浅，如浅红、浅绿等。u 色调与饱和度又合称为色度，它既说明彩色光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度。光谱光效率。人眼对不同波长光的敏感程度。相同主观亮度感觉情况下，=555nm的黄绿光，所需光的辐射功率最小。 像素指构成图像的最小面积单

2、位，具有一定的亮度和色彩属性。在显示器中，像素点的大小可依据该系统的观看条件（如观看距离、照明环境等）下，肉眼所能分辨的最小尺寸而确定。对比度指画面上最大亮度和最小亮度之比。该指标与环境光线有很大关系，另外测试信号一般采用棋盘格信号，并将亮度控制器调整到正常位置，对比度调整到最大位置，此时对比度为白色亮度和黑色亮度的比值。例如一个屏幕在全白屏状态时候亮度为500cd/m2，全黑屏状态亮度为0.5cd/m2，这样屏幕的对比度就是1000:1。 灰度使用黑色调表示物体。灰度的通常表示方法是百分比，每个灰度对象都具有从 0%（白色）到灰度条100%（黑色）的亮度值。 注意这个百分比是以纯黑为基准的百

3、分比。百分比越高颜色越偏黑，百分比越低颜色越偏白。 指画面上亮度的等级差别。所谓灰度色，就是指纯白、纯黑以及两者中的一系列从黑到白的过渡色。 分辨率（resolution） 分辨率指单位面积显示像素的数量。分辨率（resolution，港台称之为解析度）就是屏幕图像的精密度，是指显示器所能显示的像素的多少。由于屏幕上的点、线和面都是由像素组成的，显示器可显示的像素越多，画面就越精细，同样的屏幕区域内能显示的信息也越多，所以分辨率是个非常重要的性能指标之一。第一章1. 辐（射）能和光能 以辐射形式发射、传播或接收的能量称为辐（射）能，用符号Qe表示，其计量单位为焦耳（J）。 光能是光通量在可见光

4、范围内对时间的积分，以Qv表示，其计量单位为流明秒（lm·s）。 2.辐（射）通量和光通量 辐（射）通量或辐（射）功率是以辐射形式发射、传播或接收的功率；或者说，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， 其计量单位为瓦（W），即 对可见光，光源表面在无穷小时间段内发射、传播或接收的所有可见光谱，光通量v，即v的计量单位为流(明)（lm）。 3.辐(射)出(射)度和光出(射)度 对有限大小面积A的面光源，表面某点处的面元向半球面空间内发射的辐通量de与该面元面积dA之比，定义为辐(射)出(射)度Me，即 Me的计量单位是瓦（特）每平方米Wm2

5、。 对于可见光，面光源A表面某一点处的面元向半球面空间发射的光通量dv、与面元面积dA之比称为光出(射)度Mv，即其计量单位为勒(克司)lx或lm/m2。 例 若可以将人体作为黑体，正常人体温的为36.5，（1）试计算正常人体所发出的辐射出射度为多少W/m2？（2）正常人体的峰值辐射波长为多少m？峰值光谱辐射出射度Me,s,m为多少？（3）人体发烧到38时峰值辐射波长为多少？发烧时的峰值光谱辐射出射度Me,s,m又为多少？解 （1）人体正常体的绝对温度为T=36.5+273=309.5K，根据斯特藩-波尔兹曼辐射定律，正常人体所发出的辐射出射度为 （2）由维恩位移定律，正常人体的峰值辐射波长为

6、 （3）人体发烧到38时峰值辐射波长为发烧时的峰值光谱辐射出射度为 例 已知某He-Ne激光器的输出功率为3mW，试计算其发出的光通量为多少lm？解 He-Ne激光器输出的光为光谱辐射通量，发出的光通量为v,=K,ee,=KmV()e,=683×0.24×3×10-3=0.492(lm)光与物质作用产生的光电效应分为内光电效应与外光电效应两类。内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。而被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象称为外光电效应。光电导效应可分为本征光电导效应与杂质光

7、电导效应两种！光生伏特效应的形成基本原理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成电能的效应。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，并分别向如图所示的方向运动，形成光生伏特电压或光生电流的现象。形成外电压 P端为正，N端为负。 第二章CdS光敏电阻是最常见的光敏电阻，它的光谱响应特性最接近人眼光谱光视效率，它在可见光波段范围内的灵敏度最高，PbS光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导器件。 Hg1-xCdxTe系列光电导体是由HgTe和CdTe两种材料的晶体混合制造的，其中x标明Cd元素含量的组分。在制造混合晶体时

8、选用不同Cd的组分x，可以得到不同的禁带宽度Eg，便可以制造出不同波长响应范围的Hg1-xCdxTe探测器件。当有光照射在光敏电阻上时，它的电导将变大，这时的电导称为光电导。光敏电阻的相对光电导率随温度的升高而下降，光电响应特性随着温度的变化较大。 光敏电阻的光电特性可用一个随光度量变化的指数伽玛（）来描述，并定义为光电转换因子。光电转换因子在弱辐射作用的情况下为1(=1），随着入射辐射的增强，值减小，当入射辐射很强时值降低到0.5。如图所示电路为光敏电阻的晶体管恒流偏置电路。如图所示为典型的光敏电阻恒压偏置电路。 图2-17所示为利用光敏电阻构成的照相机自动曝光控制电路，也称为照相机电子快门

9、。 第三章硅光电二极管与硅光电三极管具有相同的光谱响应。硅光电三极管的响应范围为0.41.0m，峰值波长为0.85m。对于光电二极管，减薄PN结的厚度可以使短波段波长的光谱响应得到提高，因为PN结的厚度减薄后，长波段的辐射光谱很容易穿透PN结，而没有被吸收。 答案：（1）D （2）A （3）D （4）B第四章第五章第七章第八章*组成一幅图像的最小单元称为像素或像元，像元的大小或一幅图像所包含的像元数决定了图像的分辨率，分辨率越高，图像的细节信息越丰富，图像越清晰，图像质量越高。*将一幅图像分割成若干像素的方法有很多，超正析像管利用电子束扫描光电阴极的方法分割像素；视像管由电阻海颗粒分割；面阵C

10、CD、CMOS图像传感器用光敏单元分割。我国以及西欧各国的彩色电视制式是PAL彩色电视制式，该电视制式确定的场频为50 Hz，隔行扫描每帧扫描行数为625行显像管的电子枪的扫描方式有两种逐行扫描和隔行扫描如图为三相CCD的结构原理图，图中电极的作用是实现势阱内存储电荷的转移*CCD工作时，时常让零信号也带有一定的电荷，主要目的是抵消表面态对电荷的俘获，减少电荷转移损失。*看书掌握：三相面阵帧转移摄像器的原理结构图。它由成像区(像敏区)、暂存区和水平读出寄存器等三部分构成。各电极的作用是什么？ *了解热释电基本结构锗成像透镜、斩光器、锗窗口、热释电靶等§ 氧化铅光导摄像管的结构示意图工

11、作原理：信号板上加有40V左右的电压（相对于电子枪电位）。靶面的扫描面电位稳定在10V，这样NIP异质结处于反向偏置。当有光学图像输入时，则入射光子打到靶上。入射光子的大部分被本征层吸收，产生光生载流子。光生载流子一产生便被内电场拉开，电子被拉向N区，空穴被拉向P区。这样，若假定曝光前本征层两端加有强电场看作是电容的充电，则此刻由于光生载流子的的漂移运动相当于电容的放电。其结果，在一帧时间内，在靶面上便获得了与输入图像光照分布相对应的电位分布，完成了图像变换和记录过程。阅读过程：当扫描电子束扫描某个像元时，电子束将中和该像元的空穴形成的电流，便在输出电阻上产生视频信号。光电显示 CRT彩色视觉

12、的物理基础是人类视网膜中有感受彩色的传感器锥(cone）细胞 。人眼视网膜上有大量的光敏细胞， 按形状分为杆状细胞和锥状细胞， 杆状细胞灵敏度很高， 但对彩色不敏感， 人的夜间视觉主要靠它起作用， 因此， 在暗处只能看到黑白形象而无法辨别颜色。 锥状细胞既可辨别光的强弱， 又可辨别颜色， 白天视觉主要由它来完成例如600 nm的单色黄光就处在VR（）、 VG（）曲线之下， 所以600 nm的单色黄光既激励了红敏细胞， 又激励了绿敏细胞， 可引起混合的感觉。当混合红绿光同时作用于视网膜时， 分别使红敏细胞、 绿敏细胞同时受激励， 只要混合光的比例适当， 所引起的彩色感觉， 可以与单色黄光引起的彩

13、色感觉相同。不同波长的光对三种细胞的刺激量是不同的，产生的彩色视觉各异，人眼因此能分辨出五光十色的颜色。现在很多显示技术正式基于这一假设，在图像复现过程中，不是重现原来景物的光谱分布，而是利用3种相似于红、绿、蓝锥状细胞特性的3种光源进行配色，在色感上得到相同的效果。自然界中绝大部分的可见光谱可以用红、绿和蓝三基色光按不同比例和强度的混合来表示。RGB分别代表着3种颜色：R（波长l=700.00nm)，G（波长l=546.1nm) 、B （波长l=435.8nm) 。 RGB颜色模型是相加混色，称为加色模型。RGB色彩模式为图像中每一个像素的RGB分量分配一个0255范围内的强度值。例如：纯红

14、色R=255，G=0，B=0；白色的R、G、B都为255；黑色的R、G、B都为0。RGB图像使用三种颜色，按照不同的比例混合，可以生成16581375种颜色。 点距是指屏幕上两个相邻荧光点的距离。Ø 点距是衡量显示器性能的重要指标，点距越小，显示器显示图形越清晰。Ø 常见点距规格有0.31mm、0.28mm、0.25mm等，目前高清晰大屏幕显示器通常采用0.25mm的点距，某些产品甚至达到0.21mm。孔状荫罩优点：成本低缺点：透过率50%，亮度、对比度低，分辨率低沟糟荫罩优点：分辨率高，透过率90%1、耗电量大2、尺寸大，重量大3、无法制造较大面积的显示屏Ø 技

15、术上的困难：较大真空玻璃外壳容易破裂Ø 显示面积较大时，扫描频率降低，无法显示运动影像4、受电磁场影响，容易发生线性失真5、存在辐射，影响使用者身体健康LCD按液晶分子排列状态，热致液晶相可分为三大类：Ø 近晶相液晶（Smectic liquid crystals）Ø 向列相液晶（Nematic liquid crystals）Ø 胆甾相液晶（Cholesteric liquid crystals）胆甾相液晶（Cholestevic），也称螺旋状液晶 § 胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互

16、平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。§ 液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量级。§ 由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。§ 胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。§ 胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。 ！掌握：扭曲向列型液晶显示（TN-LCD） 显示基本原理液晶盒中玻璃片内侧覆盖着一层配向层。配向层的作用是使液晶分子按特定的方

17、向排列由于内表面涂有配向层膜，在盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列。但由于两片玻璃内表面定向层定向处理的方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈90°扭曲。 当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在不加电场时，由于向列液晶的旋光特性，线偏振光在出射处，旋转了90°，可以通过，因此呈透光态。当给液晶盒施加大于阈值的场强时，液晶盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列，此时，入射的线偏振光不能得到旋转因而在出射处不能通过检偏片，呈暗态。可见，当给需要显示的字段或像素的电极加上适当的驱动电压，该字段或像素就被点亮。LCD的驱动要求和特点：（1）由于液晶是有机化合物，在固定的电场作用下将发生电化学

18、反应，从而导致液晶材料的老化及失效。因此，施加在液晶上的电场应为交流电场，从而将电化学反应抵消掉或降到最低限度。研究表明，长期应用条件下，电信号的直流分量应小于50mV。 （2）驱动电源频率低于数千赫兹时，在很宽的频率范围内LCD的透光率只与驱动电压有效值有关而与电压波形无关；（3）驱动时LCD像素是一个无极性的容性负载。 在动态驱动方式下，要使（i，j）点显示，就需在第i列和第j行上同时施加选择电压，使该点的电场强度最大，但此时除（i，j）点外，第i列和第j行的其余各点也承受了一定电压，这些点称为半选择点。若半选择点上的有效电压大于阈值电压时，在屏幕上将出现不应有的显示，使对比度下降，这就是

19、交叉效应。因此“交叉效应”使图像对比度降低，图像质量变差。并且行、列电极越多，交叉效应越严重。解决 “交叉效应”的思路：如果在每一个像素上设计一个有源器件，使每个像素可以被独立地驱动，这样就克服交叉效应。从原理上消除了扫描行数增加时对比度降低的矛盾，获得高质量的显水图像。有源矩阵液晶显示器件属于第4代液晶显示器。LCD的缺点：1、可视角度偏小。现在市面上的液晶显示器可视偏转角度一般在140度左右；2、亮度和对比度低。不同于PDP的主动发光，由于液晶分子不能自己发光，需要靠外界光源辅助发光。3、响应速度慢。响应时间长在显示快速运动画面时就会产生影像拖尾的现象。4、维修问题。液晶显示屏的材料一般采

20、用玻璃，很容易破碎，再加上每一个像素都十分细小，常常会造成个别的像素坏掉的现象，俗称“坏点”。这是无法维修的，需要更换整个显示屏，而更换的价格往往十分昂贵。LED什么是LED？LED发光的基本原理是什么？LED（Light Emitting Diode）发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，电子占主导地位。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。当

21、电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。LED常用的三种驱动方式：直流驱动、恒流驱动、脉冲驱动白光LED需要大约3.6 V的供电电压才能实现合适的亮度控制。大多数便携式电子产品都采用锂离子电池作电源，它们在充满电之后约为4.2 V，安全放完电后约为2.8 V。白光LED不能由电池直接驱动。应使用恒流驱动LED的主要特点： (1)LED为非相干光，光谱较宽，发散角大； (2) LED的发光颜色非常丰富； 通过红、绿、蓝三原色的组合，可以实现全色化。

22、(3) LED的辉度高，即使在日光下，也能视认； (4) LED的单元体积小； (5) 寿命长，基本上不需要维修。 机械强度大，耐振动和耐冲击能力 ； 使用低压电源，供电电压在6-24V之间 ，特别适用于公共场所 ； 功耗低，易于实现低压驱动 ； 体积小，重量轻，适用性强 ； 寿命长达10万小时，响应时间为纳秒级 ； 无有害金属汞 ，对环境无污染 ；LED从系统控制实现显示信息的刷新原理有动态扫描和静态锁存，一般室内显示屏多采用动态扫描技术。室外显示屏基本上采用的是静态锁存技术，即每一个发光二极管都对应有一个驱动寄存器。相对于扫描而言，静态锁存控制的驱动寄存器无需时分工作，从而保证了每一个发光

23、二极管的亮度占空比为100%。有机发光二极管或有机发光显示器（Organic Light Emitting Diode，OLED）本质上属于电致发光（EL）显示器件。电致发光可分为本征型电致发光和电荷注入型电致发光两大类。PDP掌握：三电极结构PDP中，各电极名称了解：AC-PDP型工作原理 1）当放电单元的电极加上比着火电压Vf低的维持电压VS时，单元中气体不会着火，当在维持电压间隙加上幅度高于Vf的书写电压Vwr，单元将放电发光。放电形成的电子、离子在电场作用下分别向该瞬时加有正电压和负电压的电极移动，由于电极表面是介质，电子、离子不能直接进入电极而在介质表面累积起来，形成壁电荷，壁电荷形

24、成与外加电压极性相反的壁电压，这时，放电空腔上的电压为外加电压和壁电压之和。（2）由于壁电压的存在，使得放电腔上的电压小于维持电压，使放电空间电场减弱，致使放电单元在26微秒内逐渐停止放电。因介质电阻很高，壁电荷会不衰减地保持下来。当反向的下一个维持电压脉冲到来时，上一次放电形成的壁电压与此时的外加电压同极性，叠加电压峰值大于点火电压Vf，单元再次着火发光。当在放电腔的两壁形成与前半周期极性相反的壁电荷，将再次使放电熄灭直到下一个相反极性的脉冲的到来。因此，单元一旦由书写脉冲电压引燃，只需要维持电压脉冲就可维持脉冲放电，这个特性称为AC-PDP单元的存储特性。（3）要使已放电的单元熄灭，只要在

25、下一个维持电压脉冲到来前给单元加一窄幅（脉宽约1mS ）的放电脉冲，使单元产生一次微弱放电，将储留的壁电荷中和，又不形成新的反向壁电荷，单元将中止放电发光。 （4）PDP单元虽是脉冲放电，但在一个周期内它发光两次，维持电压脉冲宽度通常510mS，幅度90100V，主要工作频率范围3050kHz，因此光脉冲重复频率在数万次以上，人眼不会感到闪烁。PDP亮度控制: B-CNT0、B-CNT1、B-CNT2为全屏显示亮度设置信号，全屏显示亮度由外接可调电阻控制，该电阻与PDP屏的3个输入端子相连， B-CNT0、B-CNT1和B-CNT2为模拟信号，经过A/D变换和一系列数字处理后，亮度控制信号加至

26、PDP屏的驱动电路，以控制维持放电电压（简称维持电压），亮度信号会随着维持电压的增高而增高PDP系统的每个像素点的显示亮度驱动通过子场维持期实现，这样峰值亮度就受到了限制，因为有480行垂直扫描在寻址期执行。双扫描技术能够在寻址期把扫描时间从480行减少到240行，这样通过双扫描驱动，空闲寻址期的时间可用于维持期，结果峰值亮度就增加了。 子场驱动技术子场驱动技术是PDP的独特技术系统一个电视场的8位数字视频复合信号通过8子场技术再现，每一子场的寻址期的时间相同（一个寻址期包括1次初始化和480行扫描），但是每一子场的维持期的时间不同，第一子场（SF1）仅仅再现1级亮度，SF2再现2级亮度，每一

27、子场的维持期时间逐渐增加，如此总共256级亮度等级就能在屏幕上再现。PDP子场驱动技术：将一幅图象分为几场来显示。PDP一般是将一幅图象分为8 场来显示的，这8 场画面的显示时间不同，分别为1T、2T、4T、8T、16、32T、64T、128T。也就是通过时间混色法，来实现各种色彩的显示。 如：某一像素点的颜色（R、G、B）值为（12、93、240），则该像素颜色值的实现步骤如下： 等离子体显示板的显示驱动方式（a）是点顺序驱动方式，即水平驱动信号和垂直驱动信号经开关顺次接通各电极的引线，水平电极和垂直电极的交叉点就形成对等离子体显示单元的控制电压，使水平驱动开关和垂直驱动开关顺次变化就可以形成对整个画面的扫描。每个点在一场周期中的显示时间约为0.1 s，因此，必须有很高的放射强度才能有足够的亮度。（b）是线扫描驱动方式，垂直扫描方式与上述相同，水平扫描驱动是由排列在水平方向的一排驱动信号线同时驱动的，一次将驱动信号送到水平方向的一排像点上。视频信号经处理后送到1行存储器上存储一个电视行的信号，这样配合垂直方向的驱动扫描一次就可以显示一行图像。一场中一行的显示时间等于电视信号的行扫描周期。（c）是面驱动方式，视频信号经处理后送到存储器形成整个画面的驱动信号，一次将驱动信号送到显示板上所有的像素单元上，它所需要的电路比较复杂