第四章 發(fā)光、耦合和成像器件

第四章發(fā)光 耦合和成像器件 4 1發(fā)光二極管4 2激光器4 3光電耦合器件4 4CCD 4 1發(fā)光二極管 發(fā)光二極管 LED 的類型發(fā)光二極管的原理發(fā)光二極管的特性發(fā)光二極管的應(yīng)用 4 2激光器 激光器的結(jié)構(gòu)與原理激光器的種類激光器的特性參數(shù)激光器在光電檢測方面的應(yīng)用 激光器的原理 受激輻射 激光是受激輻射的光放大 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)增益大于損耗激光器由三部分組成 激活介質(zhì) 諧振腔和激發(fā)源 激光具有 單色性 方向性 高亮度 相干性 激光器的特性參數(shù) 功率 平均 峰值 能量波長 頻率 線寬脈沖寬度 重復(fù)頻率光斑直徑 發(fā)散角 平方因子模式 波長可調(diào)諧性穩(wěn)定性 波長 頻率 功率 能量 方向等 壽命 光電效率 激光器的類型 氣體 固體 半導(dǎo)體激光器紫外 可見和紅外激光器連續(xù) 準(zhǔn)連續(xù)和脈沖激光器單頻 單模激光器可調(diào)諧激光器超短脈沖激光器 He Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式 氣體激光器 光束質(zhì)量好 線寬窄 相干性好 譜線豐富 效率低 能耗高 壽命較短 體積大 原子 氦 氖 激光器 離子 氬 氪 金屬蒸汽 激光器 分子 CO2 CO 準(zhǔn)分子 激光器 固體激光器 運(yùn)行方式多樣 連續(xù) 脈沖 調(diào) 鎖模等 可以獲得高平均功率 高重復(fù)率 高脈沖能量 高峰值功率激光 主要在紅外波段工作 采用光學(xué)泵浦方式 結(jié)構(gòu)緊湊 壽命較長 穩(wěn)定可靠 Nd YAG 紅寶石 釹玻璃激光器 固體激光晶體棒 固體激光實驗裝置 微型固體激光器 半導(dǎo)體激光器 體積小 效率高 能耗低 壽命長 穩(wěn)定可靠 線寬較寬 波長可調(diào)諧 能產(chǎn)生超短脈沖 直接高頻調(diào)制 可批量生產(chǎn) 單片集成 發(fā)散角大 溫度特性差 容易產(chǎn)生噪聲 半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器電源 白光激光器 激光器在光電檢測中的應(yīng)用 激光測距 測長 測平面度等激光大氣污染檢測激光 檢測激光海洋探測激光制導(dǎo)激光雷達(dá)激光干涉測量 探傷 激光全息測量 4 3光電耦合器件 定義 發(fā)光器件與光接受器件的組合器件 類型 光電耦合 隔離器 在電路之間傳遞信息 又能實現(xiàn)電路間的電氣隔離和消除噪聲 光傳感器 用于檢測物體的位置或物體有無的狀態(tài) 發(fā)光器件 LED LD 燈等光接受器件 光電二極管 三極管 光電池 光敏電阻 工作原理與特點 發(fā)光器件與光接受器件封裝一體 但不接觸 有很強(qiáng)的電氣絕緣性 信號通過光傳輸 特點 具有電隔離 1010 1012歐姆 功能 信號傳輸單向 脈沖或直流 適用于模擬 數(shù)字信號 具有抗干擾和噪聲能力 響應(yīng)速度快 微 納秒 直流 兆赫茲 體積小 壽命長 使用方便 既有耦合特性 又有隔離功能 光電耦合器件的應(yīng)用 代替脈沖變壓器耦合從零到幾兆赫茲的信號 失真小 代替繼電器使用 做光電開關(guān)用 把不同電位的兩組電路互連 完成電平匹配和電平轉(zhuǎn)移 作為計算機(jī)主機(jī)與輸入 輸出端的接口 大大提高計算機(jī)的可靠性 在穩(wěn)壓電源中作為過流保護(hù)器件 簡單可靠 光電位置敏感器件 PSD PSD用于測量光斑的位置或位置的移動量光束入射光敏層 在入射位置產(chǎn)生與入射輻射成正比的信號電荷 該電荷形成的光電流 I1 I2 由信號電極1和2輸出 為公共電極X 位置信號I0 I1 I2 4 4CCD CCD是一種電荷耦合器件 ChargeCoupledDevice CCD的突出特點 是以電荷作為信號 而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號 CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移 CCD工作過程的主要問題是信號電荷的產(chǎn)生 存儲 傳輸和檢測 CCD的結(jié)構(gòu) MOS光敏元 構(gòu)成CCD的基本單元是MOS 金屬 氧化物 半導(dǎo)體 結(jié)構(gòu) 型層 電極 電荷存儲 在柵極加正偏壓之前 P型半導(dǎo)體中的空穴 多子 的分布是均勻的 加正偏壓后 空穴被排斥而產(chǎn)生耗盡區(qū) 偏壓增加 耗盡區(qū)向內(nèi)延伸 當(dāng)UG Uth時 半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢變得非常高 以致于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子 少子 吸引到表面 形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層 反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能 電荷的轉(zhuǎn)移 耦合 電荷的轉(zhuǎn)移 耦合 第一個電極保持10V 第二個電極上的電壓由2V變到10V 因這兩個電極靠得很緊 間隔只有幾微米 它們各自的對應(yīng)勢阱將合并在一起 原來在第一個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下勢阱所共有 若此后第一個電極電壓由10V變?yōu)?V 第二個電極電壓仍為10V 則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個電極下的勢阱中 這樣 深勢阱及電荷包向右移動了一個位置 CCD電極間隙必須很小 電荷才能不受阻礙地自一個電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極 對絕大多數(shù)CCD 1 m的間隙長度是足夠了 CCD的工作原理 CCD主要由三部分組成 信號輸入 電荷轉(zhuǎn)移 信號輸出 輸入部分 將信號電荷引入到 的第一個轉(zhuǎn)移柵極下的勢阱中 稱為電荷注入 電荷注入的方法主要有兩類 光注入和電注入電注入 用于濾波 延遲線和存儲器等 通過輸入二極管給輸入柵極施加電壓 光注入 用于攝像機(jī) 用光敏元件代替輸入二極管 當(dāng)光照射CCD硅片時 在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子 空穴對 其多數(shù)載流子被柵極電壓排開 少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷 P Si 輸入 柵 輸入二極管 輸出二極管 輸出 柵 SiO2 CCD的工作原理 在 柵極上施加按一定規(guī)律變化 大小超過閾值的電壓 則在半導(dǎo)體表面形成不同深淺的勢阱 勢阱用于存儲信號電荷 其深度同步于信號電壓變化 使阱內(nèi)信號電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?最后從輸出二極管送出視頻信號 為了實現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移 在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個相鄰MOS電荷為一單元的循環(huán)結(jié)構(gòu) 一位CCD中含的MOS個數(shù)即為CCD的像數(shù) 以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD 簡稱為N型CCD 而以空穴為信號電荷的CCD稱為P型溝道CCD 簡稱為P型CCD 由于電子的遷移率遠(yuǎn)大于空穴的遷移率 因此N型CCD比P型CCD的工作頻率高得多 CCD的特點 體積小 功耗低 可靠性高 壽命長 空間分辨率高 可以獲得很高的定位精度和測量精度 光電靈敏度高 動態(tài)范圍大 紅外敏感性強(qiáng) 信噪比高 高速掃描 基本上不保留殘象 電子束攝象管有15 20 的殘象 集成度高可用于非接觸精密尺寸測量系統(tǒng) 無像元燒傷 扭曲 不受電磁干擾 有數(shù)字掃描能力 象元的位置可由數(shù)字代碼確定 便于與計算機(jī)結(jié)合接口 CCD的特性參數(shù) 像素數(shù)量 CCD尺寸 最低照度 信噪比等像素數(shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量 44萬 768 576 100萬 1024 1024 200萬 1600 1200 600萬 2832 2128 信噪比 典型值為46分貝感光范圍 可見光 紅外 CCD按電荷存儲的位置分有兩種基本類型 1 電荷包存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面 并沿界面?zhèn)鬏?表面溝道CCD 簡稱SCCD 2 電荷包存儲在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi) 并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向傳輸 體溝道或埋溝道器件 簡稱BCCD CCD的類型 CCD的類型 線陣 光敏元排列為一行的稱為線陣 象元數(shù)從128位至5000位以至7000位不等 由于生產(chǎn)廠家象元數(shù)的不同 市場上有數(shù)十種型號的器件可供選用 面陣CCD 器件象元排列為一平面 它包含若干行和列的結(jié)合