固態(tài)成像器件原理及應(yīng)用第二講-光度學(xué)及圖像傳感器基礎(chǔ)

1、202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第1 1 1頁頁頁固態(tài)成像器件原理及應(yīng)用固態(tài)成像器件原理及應(yīng)用第二講光度學(xué)及成像技術(shù)基礎(chǔ)第二講光度學(xué)及成像技術(shù)基礎(chǔ)長春理工大學(xué)長春理工大學(xué)劉智劉智2008年年10月月17日日202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第2 2 2頁頁頁主要內(nèi)容主要內(nèi)容一、上一講內(nèi)容回顧一、上一講內(nèi)容回顧 二、本講主要內(nèi)容二、本講主要內(nèi)容三、小結(jié)三、小結(jié)四、作業(yè)四、作業(yè)202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第3 3 3頁頁頁一、上一講內(nèi)容回顧一、上一講內(nèi)容回顧 圖像及其重要作用圖像及其

2、重要作用 圖像傳感器的發(fā)展歷史圖像傳感器的發(fā)展歷史 圖像傳感器的主要用途圖像傳感器的主要用途 圖像傳感器的基本原理圖像傳感器的基本原理 圖像傳感器的定義圖像傳感器的定義202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第4 4 4頁頁頁一、上一講內(nèi)容回顧一、上一講內(nèi)容回顧202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第5 5 5頁頁頁物體(信號源)傳輸介質(zhì)光學(xué)系統(tǒng)(信號分析器)光電攝像器件(信號變換器)顯示器人眼光源光信號光信號光信號信號信號背景噪聲背景噪聲噪聲噪聲其中光電成像器件是光電成像系統(tǒng)的核心。其中光電成像器件是光電成像系統(tǒng)的核心。 一、上一

3、講內(nèi)容回顧一、上一講內(nèi)容回顧202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第6 6 6頁頁頁202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第7 7 7頁頁頁一、上一講內(nèi)容回顧一、上一講內(nèi)容回顧202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第8 8 8頁頁頁二、本講主要內(nèi)容二、本講主要內(nèi)容2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理2.2 光源光源2.3 固態(tài)成像技術(shù)基礎(chǔ)固態(tài)成像技術(shù)基礎(chǔ)2.4 總結(jié)總結(jié)2.5 作業(yè)作業(yè)202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第9 9 9頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)

4、基本原理 電磁波譜的分布電磁波譜的分布 光輻射的度量光輻射的度量 物體的輻射物體的輻射 光電效應(yīng)光電效應(yīng)202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第101010頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理 電磁波譜的分布電磁波譜的分布202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第111111頁頁頁巨蟹座星巨蟹座星云不同譜云不同譜段的像段的像伽馬X射線可見光紅外射頻202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第121212頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理 光輻射的度量光輻射的度量 與輻射源有關(guān)的參數(shù)與輻射源有

5、關(guān)的參數(shù) 輻射能和光能：以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量輻射能和光能：以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的能量稱為輻射能，單位為焦耳（稱為輻射能，單位為焦耳（J），光能是光通量在可），光能是光通量在可見光范圍內(nèi)對時間的積分，單位為流明見光范圍內(nèi)對時間的積分，單位為流明秒（秒（lm s） 輻射通量和光通量：單位時間內(nèi)以輻射形式發(fā)射、傳輻射通量和光通量：單位時間內(nèi)以輻射形式發(fā)射、傳播或接收的輻射能稱為輻射通量，單位瓦（播或接收的輻射能稱為輻射通量，單位瓦（W）；對）；對可見光，光源表面在無窮小時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收可見光，光源表面在無窮小時間內(nèi)發(fā)射、傳播或接收的所有可見光譜能量被無窮短時間間隔除定義為光通

6、的所有可見光譜能量被無窮短時間間隔除定義為光通量，單位流明（量，單位流明（lm）http:/ 6 6月月月202020日日日 第第第131313頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理 光輻射的度量光輻射的度量 與輻射源有關(guān)的參數(shù)與輻射源有關(guān)的參數(shù) 輻射強度和發(fā)光強度：對點光源在給定方向的立體角輻射強度和發(fā)光強度：對點光源在給定方向的立體角元元d內(nèi)發(fā)射的輻射通量內(nèi)發(fā)射的輻射通量de，與該方向立體角元，與該方向立體角元d之比定義為點光源在該方向的輻射強度之比定義為點光源在該方向的輻射強度Ie，單位瓦，單位瓦/球球面度（面度（W/Sr）；）； 對點光源在給定方向的立體角元對點光源在給定方向的立體

7、角元d內(nèi)發(fā)射的光通量內(nèi)發(fā)射的光通量dv，與該方向立體角元，與該方向立體角元d之比定義為點光源在該方之比定義為點光源在該方向的發(fā)光強度向的發(fā)光強度Ie，單位坎德拉（，單位坎德拉（cd）。）。202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第141414頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理 立體角的定義：假定立體角的定義：假定以錐頂為球心，以以錐頂為球心，以r為為半徑作一圓球，如果半徑作一圓球，如果錐面在圓球上所截出錐面在圓球上所截出的面積等于的面積等于r2,則該立則該立體角為體角為1個個“球面度球面度”。 整個球面積為整個球面積為4r2,因因此對于整個空間有此對于整個

8、空間有Sr4422rr202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第151515頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第161616頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理 光輻射的度量光輻射的度量 與輻射源有關(guān)的參數(shù)與輻射源有關(guān)的參數(shù) 坎德拉的定義：在給定方向上能發(fā)射坎德拉的定義：在給定方向上能發(fā)射540THz的的單色輻射源，在此方向上的輻射強度為（單色輻射源，在此方向上的輻射強度為（1/683）W/sr，其發(fā)光強度定義為一個坎德拉。，其發(fā)光強度定義為一個坎德拉。 對發(fā)光強度為對發(fā)光強度為1

9、cd的點光源，在給定方向的點光源，在給定方向1球面度球面度內(nèi)發(fā)射的光通量定義為內(nèi)發(fā)射的光通量定義為1流明。流明。 1lm1cdsr202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第171717頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理 光輻射的度量光輻射的度量 與輻射源有關(guān)的參數(shù)與輻射源有關(guān)的參數(shù) 輻射亮度和亮度：光源表面某一點輻射亮度和亮度：光源表面某一點處的面元在給定方向上的輻射強度處的面元在給定方向上的輻射強度除以該面元在垂直于給定方向平面除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，稱為輻射亮度上的正投影面積，稱為輻射亮度Le，單位瓦單位瓦/（球面度（球面度平方米

10、）；平方米）； 光源表面某一點處的面元在給定方光源表面某一點處的面元在給定方向上的發(fā)光強度除以該面元在垂直向上的發(fā)光強度除以該面元在垂直于給定方向平面上的正投影面積，于給定方向平面上的正投影面積，稱為亮度稱為亮度Lv，單位坎德拉，單位坎德拉/平方米，平方米，或者流明或者流明/ （球面度（球面度平方米）平方米） 。202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第181818頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理 光輻射的度量光輻射的度量 與輻射源有關(guān)的參數(shù)與輻射源有關(guān)的參數(shù) 亮度有關(guān)的例子亮度有關(guān)的例子 氦氖激光器的功率氦氖激光器的功率 =10mW，光束截面積，光束截

11、面積S =1mm2，光束發(fā)散角，光束發(fā)散角= 610-4rad，立體角，立體角 10-6sr，光束內(nèi)部的，光束內(nèi)部的cos 1，則輻射亮度，則輻射亮度B=/（S cos） 1010W/(m2sr) 太陽的輻亮度約為太陽的輻亮度約為106 1010W/(m2sr)202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第191919頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理 光輻射的度量光輻射的度量 與接收器有關(guān)的參數(shù)與接收器有關(guān)的參數(shù) 輻射照度與照度：照射到物體表面某一點處面元的輻射照度與照度：照射到物體表面某一點處面元的輻通量輻通量de除以該面元的面積除以該面元的面積dA的商為

12、輻射照度，的商為輻射照度，單位瓦單位瓦/平方米（平方米（W/m2），照射到物體表面某一點），照射到物體表面某一點處面元的光通量處面元的光通量dv除以該面元的面積除以該面元的面積dA的商為光的商為光照度，單位勒克斯（照度，單位勒克斯（lx）。）。 1lx=1lm/m2 ； 輻照量和曝光量：照射到物體某一表面的輻射照度輻照量和曝光量：照射到物體某一表面的輻射照度Ee在時間在時間t內(nèi)的積分稱為輻照量內(nèi)的積分稱為輻照量He，單位焦耳，單位焦耳/平方平方米（米（J/m2），物體表面某一面元接收的光照度），物體表面某一面元接收的光照度Ev在在時間時間t內(nèi)的積分稱為曝光量，單位勒克斯內(nèi)的積分稱為曝光量，單位

13、勒克斯秒秒（lx s）202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第202020頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理 觀看儀器的示值觀看儀器的示值 2050lx 一般閱讀及書寫一般閱讀及書寫 5075lx 精細(xì)工作精細(xì)工作(修表修表) 100200lx 攝影場內(nèi)拍攝電影攝影場內(nèi)拍攝電影 10000lx 明朗夏日采光良好的室內(nèi)明朗夏日采光良好的室內(nèi) 100500lx 太陽直照時的地面照度太陽直照時的地面照度 100000lx 滿月在天頂時的地面照度滿月在天頂時的地面照度 0.2lx 無月夜天光在地面產(chǎn)生的照度無月夜天光在地面產(chǎn)生的照度 310-4lx2022202

14、22022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第212121頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理 物體的輻射物體的輻射 熱輻射：凡高于絕對零度的物體都具有發(fā)出熱熱輻射：凡高于絕對零度的物體都具有發(fā)出熱輻射的能力。凡能發(fā)射連續(xù)光譜，切輻射是溫輻射的能力。凡能發(fā)射連續(xù)光譜，切輻射是溫度的函數(shù)的物體叫熱輻射體，如一切動植物體、度的函數(shù)的物體叫熱輻射體，如一切動植物體、太陽和鎢絲白熾燈等均為熱輻射體；太陽和鎢絲白熾燈等均為熱輻射體； 發(fā)光：物體不是靠加熱來保持溫度，使輻射維發(fā)光：物體不是靠加熱來保持溫度，使輻射維持下去，而是靠外部能量激發(fā)輻射，這種輻射持下去，而是靠外部能量激發(fā)輻射，這

15、種輻射稱為發(fā)光。激發(fā)的方式有電致發(fā)光，光致發(fā)光，稱為發(fā)光。激發(fā)的方式有電致發(fā)光，光致發(fā)光，化學(xué)發(fā)光，熱發(fā)光等；化學(xué)發(fā)光，熱發(fā)光等；202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第222222頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)光與物質(zhì)作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)兩類，這是圖像傳感器工作的基和外光電效應(yīng)兩類，這是圖像傳感器工作的基礎(chǔ)。礎(chǔ)。 內(nèi)光電效應(yīng)：被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由內(nèi)光電效應(yīng)：被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運動，使物質(zhì)的電電子或空穴）仍在物質(zhì)內(nèi)部運動，使物

16、質(zhì)的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的現(xiàn)象；導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)的現(xiàn)象； 外光電效應(yīng)：被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表外光電效應(yīng)：被光激發(fā)產(chǎn)生的電子逸出物質(zhì)表面，形成真空中的電子的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。面，形成真空中的電子的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第232323頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)：本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體價帶中光電導(dǎo)效應(yīng)：本征半導(dǎo)體或雜質(zhì)半導(dǎo)體價帶中的電子吸收光子能量，躍入導(dǎo)帶，產(chǎn)生本征吸的電子吸收光子能量，躍入導(dǎo)帶，產(chǎn)生本征吸收，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，價帶中產(chǎn)生光收

17、，導(dǎo)帶中產(chǎn)生光生自由電子，價帶中產(chǎn)生光生自由空穴。光生電子和空穴使半導(dǎo)體中的電生自由空穴。光生電子和空穴使半導(dǎo)體中的電導(dǎo)率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)效應(yīng)。導(dǎo)率發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)效應(yīng)。202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第242424頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)：基于半導(dǎo)體光生伏特效應(yīng)：基于半導(dǎo)體PN結(jié)基礎(chǔ)上的一種結(jié)基礎(chǔ)上的一種將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。當(dāng)入射輻射作用在將光能轉(zhuǎn)換成電能的效應(yīng)。當(dāng)入射輻射作用在半導(dǎo)體半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時，價帶中的光生結(jié)上產(chǎn)生本征吸收時，價帶中的光生空穴和導(dǎo)帶中的光生電

18、子在空穴和導(dǎo)帶中的光生電子在PN結(jié)內(nèi)建電場的作結(jié)內(nèi)建電場的作用下分開，形成光生伏特電壓。用下分開，形成光生伏特電壓。202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第252525頁頁頁202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第262626頁頁頁2.1 光度學(xué)基本原理光度學(xué)基本原理 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 遵守以下兩個基本定律：遵守以下兩個基本定律： 當(dāng)入射光的頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流與當(dāng)入射光的頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流與發(fā)射表面的照度成正比；發(fā)射表面的照度成正比； 光電子最大的動能與入射光的頻率成正比，而與入光電子最大的動能與入

19、射光的頻率成正比，而與入射光的強度無關(guān)。射光的強度無關(guān)。202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第272727頁頁頁2.2 光源光源 自然光源自然光源 太陽太陽 太陽光是最重要的自然光源。太陽表面溫度很高，陽光穿過包圍地球的大氣時，輻射強度和光譜特性均受到很大影響，并隨地理位置、季節(jié)、氣候、時間的變化而有改變。 地球上看到的太陽是一個發(fā)光圓盤，平面角32，對應(yīng)立體角710-5Sr，在大氣層外形成的輻射照度為1390W/m2。 最大輻射波長為0.48um，約有一半輻射在0.380.77um可見光波段。202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日

20、第第第282828頁頁頁2.2 光源光源202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第292929頁頁頁2.2 光源光源 自然光源自然光源 天空天空 地球周圍的大氣自身向地面輻射能量，同時地球周圍的大氣自身向地面輻射能量，同時也向地面散射陽光的輻射。也向地面散射陽光的輻射。 白天地球表面的照度約白天地球表面的照度約1/51/5是天空形成的。是天空形成的。 當(dāng)大氣中引起散射的粒子大小為光波長數(shù)量當(dāng)大氣中引起散射的粒子大小為光波長數(shù)量級時，天空散射光的強度與光波長的四次冪成反級時，天空散射光的強度與光波長的四次冪成反比，因此可見光短波的散射大于長波紅光的散射，比，因此可見

21、光短波的散射大于長波紅光的散射，故而天空輻射中藍(lán)色占優(yōu)勢。故而天空輻射中藍(lán)色占優(yōu)勢。202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第303030頁頁頁2.2 光源光源Bluesky202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第313131頁頁頁night sky202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第323232頁頁頁2.2 光源光源 人工光源人工光源 鎢絲燈鎢絲燈 鎢絲白熾燈鎢絲白熾燈 鹵鎢燈鹵鎢燈202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第333333頁頁頁2.2 光源光源 鎢絲白

22、熾燈鎢絲白熾燈 白熾燈是人們最熟悉的一種光源，它依靠電能加熱鎢白熾燈是人們最熟悉的一種光源，它依靠電能加熱鎢質(zhì)燈絲，使它在真空或惰性氣體中達(dá)到白熾狀態(tài)而發(fā)質(zhì)燈絲，使它在真空或惰性氣體中達(dá)到白熾狀態(tài)而發(fā)光，因此稱為白熾燈。白熾燈發(fā)射連續(xù)光譜，在可見光，因此稱為白熾燈。白熾燈發(fā)射連續(xù)光譜，在可見光譜段中部和黑體輻射光譜僅相差光譜段中部和黑體輻射光譜僅相差 0.5。 鎢絲的熔點約為鎢絲的熔點約為3600K，鎢絲裝在抽成真空的或充有惰，鎢絲裝在抽成真空的或充有惰性氣體的玻璃泡里，工作溫度通常在性氣體的玻璃泡里，工作溫度通常在22003000 K。光源的亮度正比于輻射體熱力學(xué)溫度的光源的亮度正比于輻射體

23、熱力學(xué)溫度的4次方。次方。 它的發(fā)光特性穩(wěn)定，壽命長，容易使用，光輻射量值它的發(fā)光特性穩(wěn)定，壽命長，容易使用，光輻射量值復(fù)現(xiàn)性好，除作光源照明外，也廣泛用作傳遞輻射度、復(fù)現(xiàn)性好，除作光源照明外，也廣泛用作傳遞輻射度、光度量的標(biāo)推光源。光度量的標(biāo)推光源。 發(fā)光效率較低，發(fā)光效率較低，100W以下的一般在以下的一般在6%12%。202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第343434頁頁頁2.2 光源光源 白熾燈的供電電壓對白熾燈的供電電壓對其壽命有很大影響。其壽命有很大影響。 電壓增加，燈絲溫度電壓增加，燈絲溫度上升，光通量增加，上升，光通量增加，發(fā)光效率提高，但是發(fā)

24、光效率提高，但是鎢絲蒸發(fā)加快，壽命鎢絲蒸發(fā)加快，壽命降低。降低。202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第353535頁頁頁2.2 光源光源 鹵鎢燈鹵鎢燈 由于碘、溴等鹵素和鎢結(jié)合，在高溫時又極易分解，由于碘、溴等鹵素和鎢結(jié)合，在高溫時又極易分解，把它們充入白熾燈中可以實現(xiàn)鹵鎢再循環(huán)，從而提高把它們充入白熾燈中可以實現(xiàn)鹵鎢再循環(huán)，從而提高燈絲的工作溫度和發(fā)光效率，這種燈即為鹵鎢燈或鹵燈絲的工作溫度和發(fā)光效率，這種燈即為鹵鎢燈或鹵素訂。與充氣白熾燈相比，燈殼不發(fā)黑，可始終保持素訂。與充氣白熾燈相比，燈殼不發(fā)黑，可始終保持近似恒定的光通量，發(fā)光效率和壽命均有提高。近似

25、恒定的光通量，發(fā)光效率和壽命均有提高。202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第363636頁頁頁2.2 光源光源 人工光源人工光源 氣體放電燈：通過高壓使氣體電離放電，產(chǎn)生氣體放電燈：通過高壓使氣體電離放電，產(chǎn)生光輻射，也稱冷光源。其光譜為線光譜或帶狀光輻射，也稱冷光源。其光譜為線光譜或帶狀光譜。常見的有汞燈，鈉燈，氙燈和銦燈等。光譜。常見的有汞燈，鈉燈，氙燈和銦燈等。 氣體放電原理：由于電場的作用使帶電粒子的氣體放電原理：由于電場的作用使帶電粒子的動能增加到足以能電離其它氣體分子時，氣體動能增加到足以能電離其它氣體分子時，氣體分子吸收帶電粒子的能量，使其電子處

26、于激發(fā)分子吸收帶電粒子的能量，使其電子處于激發(fā)狀態(tài)，這種激發(fā)狀態(tài)不穩(wěn)定，從激發(fā)態(tài)回到低狀態(tài)，這種激發(fā)狀態(tài)不穩(wěn)定，從激發(fā)態(tài)回到低能態(tài)或基態(tài)，以發(fā)光的形式放出能量。能態(tài)或基態(tài)，以發(fā)光的形式放出能量。202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第373737頁頁頁2.2 光源光源 人工光源人工光源 氣體放電氣體放電202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第383838頁頁頁2.2 光源光源202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第393939頁頁頁2.2 光源光源 人工光源人工光源 氣體放電：氙燈，由充有氙氣的石英

27、燈泡組成，氣體放電：氙燈，由充有氙氣的石英燈泡組成，高電壓觸發(fā)放電發(fā)光。其發(fā)光光譜的峰值與人高電壓觸發(fā)放電發(fā)光。其發(fā)光光譜的峰值與人眼的最靈敏波長相近，是一種比較理想的白光眼的最靈敏波長相近，是一種比較理想的白光照明光源。照明光源。 工作電流大，功率損耗大，常需要冷卻。工作電流大，功率損耗大，常需要冷卻。202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第404040頁頁頁2.2 光源光源 鹵素?zé)酐u素?zé)?02220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第414141頁頁頁202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第424242

28、頁頁頁2.2 光源光源 人工光源人工光源 LED光源：光源：半導(dǎo)體光源主要優(yōu)點是體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長，亮度足夠、供電電源簡單等202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第434343頁頁頁2.2 光源光源 人工光源人工光源 LED光源光源 發(fā)光二極管(LED)的工作原理與激光器(LD)有所不同， LD發(fā)射的是受激輻射光，LED發(fā)射發(fā)射的是自發(fā)輻射光的是自發(fā)輻射光。 發(fā)光二極管有兩種類型：一類是正面發(fā)光型正面發(fā)光型LED， 另一類是側(cè)面發(fā)光型側(cè)面發(fā)光型LED，其結(jié)構(gòu)示于圖。和正面發(fā)光型LED相比，側(cè)面發(fā)光型LED驅(qū)動電流較大，輸出光功率較小，。2022

29、20222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第444444頁頁頁2.2 光源光源 LED光源光源202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第454545頁頁頁202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第464646頁頁頁2.2 光源光源n照射照射的的自由度自由度 位置位置、方向、方向、范范圍圍、 、輝輝度度及及平行光平行光和和擴擴散散光光的選擇的選擇n 響應(yīng)速度快響應(yīng)速度快 1010（1/1001/100萬秒）萬秒）n 波長的選擇性強波長的選擇性強 反射、散亂反射、散亂的的最最佳佳化化n 壽命長壽命長 約萬約萬小時小時n

30、 綜合運轉(zhuǎn)成本底綜合運轉(zhuǎn)成本底 耗電低耗電低, ,維護管理的工作量少維護管理的工作量少202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第474747頁頁頁202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第484848頁頁頁202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第494949頁頁頁202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第505050頁頁頁樹脂樹脂和晶片的和晶片的外觀檢查外觀檢查202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第515151頁頁頁用緑光可同時検用緑光可同

31、時検査晶片和導(dǎo)線査晶片和導(dǎo)線用紅光可単獨用紅光可単獨検出晶片破損検出晶片破損202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第525252頁頁頁銅色銅色導(dǎo)線框架上塗有銀色塗層導(dǎo)線框架上塗有銀色塗層用用紅色紅色照明可清晰地検測基板模式照明可清晰地検測基板模式 202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第535353頁頁頁銅色銅色導(dǎo)線框架上塗有導(dǎo)線框架上塗有銀色銀色塗層塗層用用藍(lán)色藍(lán)色照明可清晰地分辨出塗層照明可清晰地分辨出塗層202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第545454頁頁頁2.2 光源光源 激光激光 半導(dǎo)

32、體激光器是向半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光器是向半導(dǎo)體PN結(jié)注入電流，結(jié)注入電流， 實實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，產(chǎn)生受激輻射，再利用諧振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。振腔的正反饋，實現(xiàn)光放大而產(chǎn)生激光振蕩的。 激光，其英文激光，其英文LASER就是就是Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(受激輻射受激輻射的光放大的光放大)的縮寫。的縮寫。202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第555555頁頁頁2.2 光源光源 能級和電子躍遷(a) 受激吸收； (b) 自發(fā)輻

33、射； (c) 受激輻射 hf12初態(tài)E2E1終態(tài)E2E1(a)(b)hf12(c)hf12hf12受激輻射和自發(fā)輻射受激輻射和自發(fā)輻射202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第565656頁頁頁2.2 光源光源2000199019801970196019501940193019201910Laser(Maiman)Quantum MechanicsOptical Fiber(Lamm)SM Fiber(Hicks)HeNe(Javan)http:/ Sheets (Land)Phase Contrast (Zernicke)Holography (Gabor)Op

34、tical Maser(Schalow, Townes)GaAs(4 Groups)CO2(Patel)FEL(Madey)Hubble Telescopehttp:/ (Michaelson)Spont. Emission (Einstein)Many New LasersErbium Fiber AmpCommercial Fiber Link (Chicago)激光的發(fā)展歷史激光的發(fā)展歷史202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第575757頁頁頁2.2 光源光源 激光激光Front MirrorEnd MirrorLasing MediumPump2022

35、20222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第585858頁頁頁2.2 光源光源 激光激光 獲得激光輸出的三個條件獲得激光輸出的三個條件 泵浦源。將處于低能態(tài)得電子激發(fā)或者泵浦到泵浦源。將處于低能態(tài)得電子激發(fā)或者泵浦到教高能級上去；教高能級上去； 實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射足以克服損耗；實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，使受激輻射足以克服損耗； 有一個諧振腔為出射光子提供正反饋及高的增有一個諧振腔為出射光子提供正反饋及高的增益，用以維持受激輻射的持續(xù)振蕩。益，用以維持受激輻射的持續(xù)振蕩。 主要種類主要種類 氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器等等氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器等等2022

36、20222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第595959頁頁頁2.2 光源光源 激光激光 激光的特點激光的特點 方向性強方向性強 單色性好單色性好 相干性好相干性好 亮度高亮度高202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第606060頁頁頁202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第616161頁頁頁2.3 固態(tài)成像技術(shù)基礎(chǔ)固態(tài)成像技術(shù)基礎(chǔ) 光學(xué)系統(tǒng)簡介光學(xué)系統(tǒng)簡介 圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖像傳感器的基本結(jié)構(gòu) 圖像傳感器的基本技術(shù)參數(shù)圖像傳感器的基本技術(shù)參數(shù)202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日

37、 第第第626262頁頁頁2.3 固態(tài)成像技術(shù)基礎(chǔ)固態(tài)成像技術(shù)基礎(chǔ) 光學(xué)系統(tǒng)分類光學(xué)系統(tǒng)分類 透射式透射式 反射式反射式202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第636363頁頁頁2.3 固態(tài)成像技術(shù)基礎(chǔ)固態(tài)成像技術(shù)基礎(chǔ) 進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)散的光束通過聚光鏡后被全部導(dǎo)入到光電器件上，并均勻分布在靈敏面上。為此必須將光電器件的靈敏面放在光學(xué)系統(tǒng)出射光瞳平面上(判斷出射光瞳平面位置的方法：若將一紙屏放在此平面上，可以獲得一個尺寸最小，輪廓最清晰的亮斑)。202220222022年年年6 6 6月月月202020日日日 第第第646464頁頁頁2.3 固態(tài)成像技術(shù)基礎(chǔ)固態(tài)成像技術(shù)基礎(chǔ) 反射式光