第四章 發(fā)光耦合和成像器件

第四章發(fā)光耦合和成像器件第1頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四4.1 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)用第2頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四4.2 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)用第3頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四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。激發(fā)源激活介質(zhì)第4頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四激光器的特性參數(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，Ｍ－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，光電效率第5頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四激光器的類型氣體、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第6頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四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。第7頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四固體激光器運(yùn)行方式多樣：連續(xù)，脈沖，調(diào)Ｑ，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。第8頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四固體激光晶體棒第9頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四固體激光實(shí)驗(yàn)裝置第10頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四微型固體激光器第11頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四半導(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。第12頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四半導(dǎo)體激光器第13頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四半導(dǎo)體激光器電源第14頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四白光激光器

第15頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四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ＤＮＡ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）激光全息測量第16頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四4.3

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(shí)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。第17頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四工作原理與特點(diǎn)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(hào)通過光傳輸。特點(diǎn)：具有電隔離（1010－1012歐姆）功能；信號(hào)傳輸單向（脈沖或直流），適用于模擬／數(shù)字信號(hào)；具有抗干擾和噪聲能力；響應(yīng)速度快（微／納秒，直流－１０兆赫茲），體積小，壽命長，使用方便；既有耦合特性，又有隔離功能；第18頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四光電耦合器件的應(yīng)用代替脈沖變壓器耦合從零到幾兆赫茲的信號(hào)，失真??；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(jì)算機(jī)主機(jī)與輸入／輸出端的接口，大大提高計(jì)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。第19頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四光電位置敏感器件（PSD）PSD用于測量光斑的位置或位置的移動(dòng)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(hào)電荷,該電荷形成的光電流(I1,I2)由信號(hào)電極1和2輸出，３為公共電極XＡ:位置信號(hào)

I0=I1+I2

L光LxAI1I2I0１２３Ｐ層i層Ｎ層第20頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四4.4 CCDCCD是一種電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)CCD的突出特點(diǎn)：是以電荷作為信號(hào)，而不同于其它大多數(shù)器件是以電流或者電壓為信號(hào)。CCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。CCD工作過程的主要問題是信號(hào)電荷的產(chǎn)生、存儲(chǔ)、傳輸和檢測。第21頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四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)。（Ｐ／Ｎ型層）電極第22頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四電荷存儲(chǔ)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(shí)，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(chǔ)電荷的功能。第23頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）第24頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四電荷的轉(zhuǎn)移（耦合）第一個(gè)電極保持10V，第二個(gè)電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個(gè)電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對(duì)應(yīng)勢阱將合并在一起。原來在第一個(gè)電極下的電荷變?yōu)檫@兩個(gè)電極下勢阱所共有。若此后第一個(gè)電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個(gè)電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個(gè)電極下的勢阱中。這樣，深勢阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。對(duì)絕大多數(shù)CCD，1μm的間隙長度是足夠了。第25頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四第26頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四CCD的工作原理CCD主要由三部分組成：信號(hào)輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)輸出。輸入部分：將信號(hào)電荷引入到ＣＣＤ的第一個(gè)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(chǔ)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(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，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(hào)電荷。P-Si輸入柵輸入二極管輸出二極管輸出柵SiO2第27頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四CCD的工作原理在ＣＣＤ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(chǔ)信號(hào)電荷，其深度同步于信號(hào)電壓變化，使阱內(nèi)信號(hào)電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏敚詈髲妮敵龆O管送出視頻信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個(gè)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(gè)數(shù)即為CCD的像數(shù)。以電子為信號(hào)電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡稱為N型CCD。而以空穴為信號(hào)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。第28頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四CCD的特點(diǎn)體積小，功耗低，可靠性高，壽命長?？臻g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(dòng)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(jì)算機(jī)結(jié)合接口。第29頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四CCD的特性參數(shù)像素?cái)?shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等像素?cái)?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、紅外第30頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四CCD按電荷存儲(chǔ)的位置分有兩種基本類型:

(1)電荷包存儲(chǔ)在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?/p>

——表面溝道CCD(簡稱SCCD)。

(2)電荷包存儲(chǔ)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的類型第31頁，共34頁，2023年，2月20日，星期四CCD的類型線陣ＣＣＤ：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(hào)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。目前達(dá)到實(shí)用階段的象元數(shù)由25萬至數(shù)百萬個(gè)不等，按照片子的尺寸不同有1／