光電信息技術(shù)復(fù)習(xí)文檔

1、光電信息技術(shù)常用參數(shù)：h:60626*10exp(-34)j*s1. 物理基礎(chǔ)1.1能帶理論：導(dǎo)帶 價帶 禁帶 良導(dǎo)體：導(dǎo)帶半滿絕緣體：導(dǎo)帶全滿半金屬：導(dǎo)帶價帶重疊半導(dǎo)體：1.2四大光電效應(yīng)1.2.1光電發(fā)射效應(yīng)（外光電效應(yīng)）：受到光照后向外發(fā)射電子的現(xiàn)象 金屬 金屬氧化物 光電倍增管 光電管 三大定律：第一定律 光強當(dāng)入射光頻譜成分不變時，光電陰極的飽和光電發(fā)射電流Ik與被陰極吸收的光通量成正比，即光發(fā)射電流=Sk*光通量第二定律 頻率發(fā)射出光電子的最大動能隨入射光頻率的增高二線性增大，而與入射光的光強無關(guān)，即光電子發(fā)射的能量關(guān)系符合愛因斯坦方程光子能量=動能+逸出功第三定律 紅限當(dāng)光照射某

2、一給定金屬或者物質(zhì)時，無論光強如何，如果入射光的頻率小于這一金屬紅限V就不會產(chǎn)生光電子發(fā)射。V=逸出功/h瞬時性:延遲時間小于3-10exp（-13）s，無慣性，很高的頻響1.2.2光電導(dǎo)效應(yīng)：受光照改變電導(dǎo)率，（最早發(fā)現(xiàn)的光電現(xiàn)象）光敏電阻半導(dǎo)體 絕緣體：硒本征光電導(dǎo)：電子或者空穴成對出現(xiàn)雜質(zhì)光電導(dǎo)：只產(chǎn)生電子或者空穴長波限 1.24（um）1240（nm）三個參數(shù)：靈敏度 ：一定光強下光電導(dǎo)的強弱，電光增益G表示。弛豫時間短，則定態(tài)靈敏度越低 弛豫時間長 則定態(tài)靈敏度越強弛豫 ：光照射到樣品后，光電導(dǎo)逐漸增加，最后達到定態(tài)，光照停止，光電導(dǎo)甾一段時間內(nèi)逐漸消失。光電導(dǎo)上升或者下降的時間就是

3、弛豫時間。光譜分布：1. 本征光電導(dǎo)的光譜分布光電導(dǎo)的數(shù)值降到最大值一半時所處的波長為長波限長波長，光電導(dǎo)迅速下降，短波長2. 雜質(zhì)光電導(dǎo)的光譜分布半導(dǎo)體雜質(zhì)吸收光子產(chǎn)生光生載流子，光子能量大于雜質(zhì)電離能。雜質(zhì)光電導(dǎo)逼本征光電導(dǎo)微弱的多1.2.3光生伏特效應(yīng)：（需要一個結(jié)）PD （光敏二極管） 太陽能電池原理：光照引起電動勢的現(xiàn)象（發(fā)生與半導(dǎo)體的界面）半導(dǎo)體界面有三種：1.PN結(jié) 2.金屬和半導(dǎo)體接觸界面（肖特基結(jié)） 3. 不同半導(dǎo)體（異質(zhì)結(jié)界面） 金屬-絕緣體-半導(dǎo)體 自建電場：方向N區(qū)指向P區(qū)光照產(chǎn)生電子空穴對擴散產(chǎn)生光致電流使N區(qū)積累負電荷 P區(qū)積累正電荷，引起方向與光致電流相反的N結(jié)正

4、向電流電勢差=光致電流，此時電勢差稱為開路電壓外電路連接PN ，產(chǎn)生電流=光致電流=短路電流光生電壓隨光強的增加而增大定義：光照引起電動勢的現(xiàn)象1.2.4熱釋電效應(yīng)：溫度改變極化強度定義：晶體的電極化強度隨溫度變化而釋放表面吸附的部分電荷，只能發(fā)生在不對稱晶體中。原理：極化強度與溫度有關(guān)，溫度變化時，極化強度的改變而釋放出表面吸附的部分電荷，具有熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱電體。1.3 光學(xué)元器件1.3.1 透射元器件（成像）正透鏡 負透鏡 柱面透鏡 放大鏡 目鏡 物鏡 場鏡1.3.2反射元器件（改變光的方向）平面反射鏡 球面反射鏡 分數(shù)元件 光錐 1.3.3其他元器件1.光楔 2.干涉濾光片 3.

5、偏振片1.4光調(diào)制1.4.1光強度調(diào)制光強度調(diào)制以光的強度作為調(diào)制對象，使直流或者緩慢變化的光信號換成較快頻率的光信號1. 調(diào)制盤2. 利用電磁感應(yīng)的機械調(diào)制3. 受抑全反射調(diào)制器4. 移動光軸的調(diào)制器5. 正弦波形調(diào)制器1.4.2光相位調(diào)制1.利用干涉現(xiàn)象對光程差或者相位差進行調(diào)制2.利用聲光效應(yīng)光波在傳播時被超聲波衍射的現(xiàn)象叫做聲光效應(yīng)1.4.3光偏振調(diào)制1.利用偏振光振動面旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)光調(diào)制最簡單的方法用兩塊偏振器相對轉(zhuǎn)動，馬呂斯定理 2.電光效應(yīng)電致旋光效應(yīng)克爾效應(yīng)泡克耳效應(yīng)3.磁光效應(yīng)法拉第旋光效應(yīng)科登穆勒效應(yīng)1.4.4頻率和波長調(diào)制1.頻率調(diào)制光學(xué)多普勒頻移v'=v1-v2c

6、2(1+vccos)2.波長調(diào)制利用熱色物質(zhì)的顏色變化進行波長調(diào)制利用磷光（熒光）光譜的變化進行波長調(diào)制利用黑體輻射進行波長調(diào)制利用濾光器參數(shù)的變化進行波長調(diào)制2.電光信息轉(zhuǎn)換2.1 發(fā)光二極管 LED2.1.1半導(dǎo)體光源的物理基礎(chǔ)（1）受激吸收hv=E2-E1 電子吸收光子 由E1能級躍遷到E2能級（2）自發(fā)輻射 發(fā)光二極管高能級E2自發(fā)躍遷到低能級E1上 并釋放一個能量為hv=E2-E1的光子 非相干光（3）受激輻射 半導(dǎo)體激光器高能級E2上的電子，受到入射光作用，釋放一盒能量為hv=E2-E1的光子 相干光產(chǎn)生的光子能量與入射光子相同，相位 偏振 傳播方向也相同K555=683流明/瓦

7、功率為1瓦，波長555nm的單色輻射對三種視覺都具有683流明的光通量。2.1.2兩種分布波爾茲曼統(tǒng)計分布：費米狄拉克分布的E遠大于Ef的特殊情況:N2N1=exp(-E2-E1kT)費米狄拉克分布：熱平衡狀態(tài)俠，能量為E的能級被電子占據(jù)的概率為費米狄拉克分布：PE=11+exp(E-EfkT)Ef稱為費米能級原理：利用正向偏置PN結(jié)中電子與空穴的輻射符合發(fā)光的，自發(fā)輻射發(fā)光 不需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，也不需要光學(xué)諧振腔 非相干光2.1.3結(jié)構(gòu) 特性 原理：面發(fā)光二極管邊發(fā)光二極管特性（光譜，光束的空間分布，輸出光功率特性2.1.3）1. 光譜特性：譜線較寬，隨溫度升高或者驅(qū)動電流增大，譜線加寬，且峰

8、值波長響長波長方向移動，短波長和長波長LED的移動分別為0.2-0.3nm/C 和0.3-0.5nm/C2. 光束的空間分布3. 輸出光功率特性4. 驅(qū)動電流較小，P-I曲線線性較好，電流過大時，PN結(jié)發(fā)熱產(chǎn)生飽和現(xiàn)象，P-I曲線斜率變小特點：1. 非相干光 光譜較寬 發(fā)散角大2. 發(fā)光顏色豐富，可以實現(xiàn)全色化3. 輝度高：某一方向上的光強度4. 單元體積小5. 壽命長應(yīng)用：1. 指示燈2. 數(shù)字顯示用顯示器3. 平面顯示器4. 光源2.2半導(dǎo)體激光器LD 光學(xué)振蕩器2.2.1原理：振幅條件和相位條件，頻率間隔和波長間隔工作條件：1. 粒子數(shù)反產(chǎn)生增益 必要條件 （光增益）增益必須大于損耗 建

9、立穩(wěn)定振蕩 閾值增益 閾值電流2. 必須提供光反饋 （光反饋）3. 將光放大器轉(zhuǎn)換為光振蕩器振幅條件：g=aint+12Lln(1R1R2) 前面一項代表體內(nèi)損耗 后面一項代表端內(nèi)透射損耗增益和電流的最小值相位條件：2kL=2m或 v=vm=mc/2nl k=2nvc m為整數(shù)激光器振蕩頻率必為vm=mc2nL 中的一個頻率，這些頻率對應(yīng)于縱模 并與腔長有關(guān)。縱模間距 c2nL 縱模正常工作的條件 就是增益大于損耗單縱模激光器 多縱模激光器腔長選頻FP腔激光器穩(wěn)定工作的條件，相鄰模間的頻率間隔，相鄰模間的波長間隔2.2.2結(jié)構(gòu)： P型 薄有源層 N型 正向偏置 面積激光器：大面積激光器 側(cè)向無

10、限制光結(jié)構(gòu) 存在很大的損耗 閾值電流較高 解決這個問題 出現(xiàn)了下面兩種增益導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器絕緣介質(zhì)積淀咋P層外圍，這樣中間的增益最高閾值電流50-100Ma 光斑面積 1*10um2缺點：功率增大時 光斑尺寸不穩(wěn)定 模式穩(wěn)定性也不高折射率導(dǎo)引型半導(dǎo)體激光器側(cè)向采用類似異質(zhì)結(jié)的設(shè)計而形成波導(dǎo)，引入折射率差，解決了側(cè)向的光限制問題2.2.3特性：光譜，光束的空間分布，轉(zhuǎn)換效率與輸出的光功率特性，溫度特性1.光譜特性只有符合激光振蕩的相位條件的波長才能激振，這些波長取決于聚光器的光學(xué)腔長，稱為激光器的縱模。隨著驅(qū)動電流的增加，縱模數(shù)減少，譜線寬度變窄，這種變化時由于諧振腔對光波頻率和方向的選擇，使

11、邊模消失，主模增益增加增加而產(chǎn)生的，驅(qū)動電流足夠大，多縱模變成單縱模，稱為靜態(tài)單縱模激光器。2.激光束的空間分布近場：激光器反射鏡面上的光強分布因為激光腔為矩形光波導(dǎo)結(jié)構(gòu) 近場表征為橫模特性 平行結(jié)平面 多橫模 垂直結(jié)平面 單橫模遠場：李反射鏡面一定距離處的光強分布3.轉(zhuǎn)換效率于輸出光功率特性當(dāng)I<Ith時， 自發(fā)輻射光 I>Ith時,受激輻射光4. 溫度特性兩個原因：激光器的閾值電流隨溫度升高而增大 外微分量子效率隨溫度升高而減小2.2.4 應(yīng)用1.光線通信系統(tǒng)的光源1.55um的分布反饋胡分布布拉格反射半導(dǎo)體激光器2.光學(xué)測量系統(tǒng)的光源3.光盤存儲 讀寫 激光打印機2.3 LC

12、D PDP基本概念與原理LCD:某一溫度范圍內(nèi)，從外觀看屬于具有流動性的液體，同時具有光學(xué)雙折射的晶體。 兩種含義：一種時處于固相與液體相中間狀態(tài)的液晶相；具有上述液晶像的物質(zhì)。分子排列方式：層列 ：粘度較高向列 ：婦幼流動性，粘度較小膽甾相：螺旋結(jié)構(gòu)，旋光性，選擇性光散射，源偏光二色性PDP：基本概念：施加電壓，氣體放電產(chǎn)生等離子體，等離子體產(chǎn)生的紫外線照射熒光涂料，使其產(chǎn)生光。2.4LD LED比較LED 發(fā)光二極管LD 半導(dǎo)體激光器自發(fā)輻射受激輻射不需要粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)不需要光學(xué)諧振腔諧振腔非相干光相干光無光反饋光反饋3.光電信息轉(zhuǎn)換3.1：光電信息轉(zhuǎn)換器件（主要特性及參數(shù)：光電，光

13、譜，伏安，頻率，暗電流等）3.1.1光電倍增管：結(jié)構(gòu)：光窗 ：入射光通道，對光吸收最多的部分，因為玻璃對光的吸收與波長有關(guān)，波長越短吸收越多，所以倍增管光譜特性的短波閾值決定與光窗材料。光電陰極 ：光電變換 接收入射光，向外發(fā)射電子，倍增管的光譜特性的長波閾值決定與光電陰極材料，同時也對整管靈敏度起著決定性作用。電子光學(xué)系統(tǒng) ：使收集率盡可能接近1，是的所有電子經(jīng)歷時間盡可能相同，渡越時間差異最小。倍增系統(tǒng) :二次電子倍增材料構(gòu)成，使決定整管靈敏度的關(guān)鍵。二次電子發(fā)射：當(dāng)告訴電子打擊到金屬表面，由于高速電子的動能被金屬吸收，改變了金屬原子內(nèi)電子能量的狀態(tài)，有些電子從金屬表面溢出陽極：收集發(fā)射電

14、子3.1.2倍增原理 特性1.光電特性2.光譜特性3.伏安特性4.放大特性5.頻率特性：頻率特性較好6.疲乏特性：保持真空度，除氣，提高真空度7.暗電流疲乏 衰老 不可以在明亮環(huán)境下用光電倍增管3.1.3光敏電阻：結(jié)構(gòu) 原理 優(yōu)缺點 特性光電池：不加電壓 光敏二極管PD：反向加電壓原理：光電導(dǎo)效應(yīng)，當(dāng)入射光子使電子由價帶躍升導(dǎo)導(dǎo)帶，導(dǎo)帶中的電子和價帶中空穴二者均參與導(dǎo)電，電阻顯著減小結(jié)構(gòu) ：勻質(zhì)的光電導(dǎo)體兩端加上電極優(yōu)點：1. 光譜響應(yīng)相當(dāng)寬2. 所測光強范圍寬3. 無極性之分，使用方便，成本低，壽命長4. 靈敏度高 工作電流大 數(shù)毫安5. 體積小 重量輕 結(jié)構(gòu)簡單 牢固允許光電流大 壽命長缺

15、點：非線性特性：1. 光照特性：靈敏度高2. 光譜特性：與材料和工藝有關(guān)3. 伏安特性：電壓越高 電流越大無飽和現(xiàn)象4. 頻率特性：頻率特性較差5. 疲乏特性：經(jīng)歷前期不穩(wěn)定后趨向于穩(wěn)定，使用時間無限長6. 溫度特性：溫度升高靈敏度下降，光電流下降7. 暗電阻和暗電流：黑暗使電阻值很大，光照時顯著降低稱為亮阻3.1.4 光敏二極管PD原理：利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘钠骷?yōu)點：體積小 靈敏度高 穩(wěn)定性好 響應(yīng)速度快特性：1. 光照特性：光照特性線性較好，適合與檢測方面2. 光譜特性：決定于材料，波長增加，相對靈敏度下降，因為光能量隨波長增加而變小，不足以激發(fā)電子空穴對波長變小靈敏度也下降，因為短波長

16、的透入性能差，表面激發(fā)的電子空穴對不可能PN結(jié)導(dǎo)致?？梢圆捎幂^淺的PN結(jié)和段波限適當(dāng)減少來解決。3. 伏安特性：放大作用，外加電壓為零時仍有電流，光生伏特效應(yīng)所產(chǎn)生的短路電流。4. 頻率特性：頻率特性較好5. 溫度特性：6. 暗電流溫度升高暗電流增加3.1.5 PIN APD（改進PD）PIN比PD N層做成輕摻雜，使耗盡區(qū)變寬，稱本征I層，I層兩端再做成重摻雜的P層和N層優(yōu)點1. 具有更高的光生電流效率和更高的響應(yīng)速度2. 頻帶寬 10GHz3. 線性輸出范圍寬缺點：輸出電流小APD比PD 雪崩增益作用 （雪崩光敏二極管）優(yōu)點：1. 反向偏壓很高2. 光電流很大3. 靈敏度很高4. 頻響很高

17、缺點：1. 噪聲 受溫度影響大2. 材料本身缺陷 漏電流變大 噪聲變大3. 工作電壓必須適當(dāng)，過小增益太小，過大 噪聲太大3.1.6光敏三極管：原理 結(jié)構(gòu)3.1.7熱釋電3.2：光電信息轉(zhuǎn)換集成器件3.2.1位置傳感器PSD對感光面上入射光點位置敏感的光電器件PSD位置輸出只與入射光電“重心”位置有關(guān)一維PSD二維PSD3.2.2電荷耦合器CCD優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單 集成度高 制作工序少 功耗低 信噪比好線陣CCD 面陣CCD結(jié)構(gòu)：（MOS光敏元 移位寄存器 電荷轉(zhuǎn)換柵）MOS光敏元 ：結(jié)構(gòu)：以硅作為半導(dǎo)體襯底，其上熱生長一層二氧化硅，并在二氧化硅上面淀積具有一定形狀的金屬層，金屬M一氧化物O半導(dǎo)體

18、SMOS工作原理：電場作用下，電極P型區(qū)域多數(shù)載流子空穴被排斥驅(qū)趕形成“耗盡層”，耗盡層對于電子式勢能很低的“勢阱”，當(dāng)電子照射時，產(chǎn)生電子空穴對，電子被勢阱收集，叫做電荷包，空穴被排斥出耗盡區(qū)，這樣一個MOS結(jié)構(gòu)單元稱為光敏單元或一個像素移位寄存器 ：由哪幾部分組成 移位原理 結(jié)構(gòu)特點結(jié)構(gòu):金屬電極 氧化物介質(zhì) 半導(dǎo)體 （防止外來光線照射）移位原理：電壓增大，勢阱加深，電荷聚集增多。電荷轉(zhuǎn)換柵：CCD應(yīng)用面陣CCD固體攝像傳感器測量幾何量（攝像測量）優(yōu)點：1. 掃描時無運動部分，因而可高速掃描2. 體積小重量輕 可靠性好3. 電壓低 功耗低4. 漂移小 信噪比好 光電轉(zhuǎn)換效率高5. 集成度高

19、 集合位置精度高動態(tài)測量直徑應(yīng)用3.3光電信息轉(zhuǎn)換組合器件3.3.1光電耦合器結(jié)構(gòu)：將LED和光敏三極管緊密組裝在一起，密封在一個對外隔光的封裝內(nèi) 特性應(yīng)用：1. 電平轉(zhuǎn)換2. 邏輯門電路3. 隔離作用4.3.3.2光電編碼器分類（增量式 絕對式（循環(huán)碼和二進制碼之間轉(zhuǎn)換）3.3.2.1增量式編碼器原理：光柵的莫爾條紋結(jié)構(gòu)：光源 光柵盤 光電信息轉(zhuǎn)換器件 機械結(jié)構(gòu)3.3.2.2絕對式編碼器原理：透光不透光表示1 0二進制編碼循環(huán)碼編碼循環(huán)碼 二進制碼轉(zhuǎn)換 結(jié)構(gòu)：光源 碼盤 光電信息轉(zhuǎn)換器件 機械結(jié)構(gòu)3.3.2.3光纖陀螺，用光纖構(gòu)成環(huán)狀光路，組成光纖Sagnac干涉儀原理 Sagnac 效應(yīng)： 定義4.光電信息技術(shù)應(yīng)用4.1光電檢測4.1.1光電檢查的基本方法（光源 光學(xué)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換器件放置位置不同） 1.直射型：光電轉(zhuǎn)換器件對著光源防止，光軸重合，光通量最大方向，光轉(zhuǎn)換器件靈敏度最高的方向 2.反射型 3.