第四章發(fā)光、耦合和成像器件ppt課件

1、第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)第四章第四章 發(fā)光、耦合和成像器件發(fā)光、耦合和成像器件4.1發(fā)光二極管發(fā)光二極管4.2激光器激光器4.3光電耦合器件光電耦合器件4.4CCD第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)4.1 發(fā)光二極管發(fā)光二極管 發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED的類型的類型 發(fā)光二極管的原理發(fā)光二極管的原理 發(fā)光二極管的特性發(fā)光二極管的特性 發(fā)光二極管的應(yīng)用發(fā)光二極管的應(yīng)用第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)4.2 激光器激光器 激光器的結(jié)構(gòu)與原理激光器的結(jié)構(gòu)與原理 激光器的種類激光器的種類 激光器的特性參數(shù)激

2、光器的特性參數(shù) 激光器在光電檢測方激光器在光電檢測方面的應(yīng)用面的應(yīng)用第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)激光器的原理激光器的原理 受激輻射：激光是受激受激輻射：激光是受激輻射的光放大。輻射的光放大。 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 增益大于損耗增益大于損耗 激光器由三部分組成：激光器由三部分組成：激活介質(zhì)，諧振腔和激激活介質(zhì)，諧振腔和激發(fā)源。發(fā)源。 激光具有：單色性，方激光具有：單色性，方向性，高亮度，相干性。向性，高亮度，相干性。激發(fā)源激活介質(zhì)第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)激光器的特性參數(shù)激光器的特性參數(shù) 功率平均峰值），能量功率平均峰值），能

3、量 波長，頻率，線寬波長，頻率，線寬 脈沖寬度，重復(fù)頻率脈沖寬度，重復(fù)頻率 光斑直徑，發(fā)散角，平方因子光斑直徑，發(fā)散角，平方因子 形式，波長可調(diào)諧性形式，波長可調(diào)諧性 穩(wěn)定性波長頻率功率能量方穩(wěn)定性波長頻率功率能量方向等），壽命，光電效率向等），壽命，光電效率第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)激光器的類型激光器的類型 氣體、固體、半導(dǎo)體激光器氣體、固體、半導(dǎo)體激光器 紫外、可見和紅外激光器紫外、可見和紅外激光器 連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)和脈沖激光器連續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)和脈沖激光器 單頻、單模激光器單頻、單模激光器 可調(diào)諧激光器可調(diào)諧激光器 超短脈沖激光器超短脈沖激光器第三章 光電檢測器

4、件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式氣體激光器氣體激光器n光束質(zhì)量好，線寬窄，光束質(zhì)量好，線寬窄，相干性好，譜線豐富。相干性好，譜線豐富。n效率低，能耗高，壽效率低，能耗高，壽命較短，體積大。命較短，體積大。n原子氦氖激光原子氦氖激光器，離子氬，氪，器，離子氬，氪，金屬蒸汽激光器，金屬蒸汽激光器，分子分子CO2,CO,準(zhǔn)分準(zhǔn)分子子)激光器。激光器。第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)固體激光器固體激光器 運行方式多樣：連續(xù)，脈沖，調(diào)，鎖模運行方式多樣：連續(xù)，脈沖，調(diào)，鎖模等，可以獲得高平均功率，高重復(fù)率，高等，可以獲得高平均功率，

5、高重復(fù)率，高脈沖能量，高峰值功率激光；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；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；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。，紅寶石，釹玻璃激光器。第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)固體激光晶體棒固體激光晶體棒第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)固體激光實驗裝置固體激光實驗裝置第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)微型固體激光器微型固體激光器第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大

6、學(xué)半導(dǎo)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)定體積小，效率高，能耗低，壽命長，穩(wěn)定可靠；可靠； 線寬較寬，波長可調(diào)諧，能產(chǎn)生超短脈沖，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；直接高頻調(diào)制； 可批量生產(chǎn)，單片集成；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。發(fā)散角大，溫度特性差，容易產(chǎn)生噪聲。第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)半導(dǎo)體激光器電源半導(dǎo)體激光器電源第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)白光激光器白光激光器

7、第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)激光器在光電檢測中的應(yīng)用激光器在光電檢測中的應(yīng)用 激光測距，測長，測平面度等激光測距，測長，測平面度等 激光大氣污染檢測激光大氣污染檢測 激光檢測激光檢測 激光海洋探測激光海洋探測 激光制導(dǎo)激光制導(dǎo) 激光雷達(dá)激光雷達(dá) 激光干涉測量探傷）激光干涉測量探傷） 激光全息測量激光全息測量第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)4.3 光電耦合器件光電耦合器件 定義：發(fā)光器件與光接受器件的組合器件。定義：發(fā)光器件與光接受器件的組合器件。 類型：類型： 光電耦合隔離器：在電路之間傳遞信息，光電耦合隔離器：在電路之間傳遞信息

8、，又能實現(xiàn)電路間的電氣隔離和消除噪聲。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光傳感器：用于檢測物體的位置或物體有無的狀態(tài)。的狀態(tài)。 發(fā)光器件：發(fā)光器件：LED，LD，燈等，燈等光接受器件：光電二極管三極管，光電光接受器件：光電二極管三極管，光電池，光敏電阻。池，光敏電阻。第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)工作原理與特點工作原理與特點 發(fā)光器件與光接受器件封裝一體，但不接觸，有很強的電發(fā)光器件與光接受器件封裝一體，但不接觸，有很強的電氣絕緣性，信號通過光傳輸。氣絕緣性，信號通過光傳輸。 特點：特點： 具有電隔離具有電隔離10101

9、010 1012 1012歐姆功能；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；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；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，響應(yīng)速度快微納秒，直流兆赫茲），體積小，壽命長，使用方便；壽命長，使用方便； 既有耦合特性，又有隔離功能；既有耦合特性，又有隔離功能；第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)光電耦合器件的應(yīng)用光電耦合器件的應(yīng)用 代替脈沖變壓器耦合從零到幾兆赫茲的信號，代替脈沖變壓器耦合從零到幾兆赫茲的信號，失真??；失真??； 代替繼電器使用，做光電開關(guān)用；代替繼電器

10、使用，做光電開關(guān)用； 把不同電位的兩組電路互連，完成電平匹配把不同電位的兩組電路互連，完成電平匹配和電平轉(zhuǎn)移；和電平轉(zhuǎn)移； 作為計算機主機與輸入輸出端的接口，大作為計算機主機與輸入輸出端的接口，大大提高計算機的可靠性；大提高計算機的可靠性； 在穩(wěn)壓電源中作為過流保護(hù)器件，簡單可靠。在穩(wěn)壓電源中作為過流保護(hù)器件，簡單可靠。第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)光電位置敏感器件光電位置敏感器件PSD）PSDPSD用于測量光斑的位置或位置的移用于測量光斑的位置或位置的移動量動量光束入射光敏層光束入射光敏層, ,在入射位置產(chǎn)生與在入射位置產(chǎn)生與入射輻射成正比的信號電荷入射輻射成

11、正比的信號電荷, ,該電荷該電荷形成的光電流形成的光電流(I1 , I2)(I1 , I2)由信號電極由信號電極1 1和和2 2輸出，為公共電極輸出，為公共電極X X: : 位置信號位置信號I0 = I1 + I2 I0 = I1 + I2 LxLIIA202LxLIIA2012121AIIxLIIL光LxAI1I2I0層i 層層第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)4.4 CCD CCD是一種電荷耦合器件是一種電荷耦合器件(Charge Coupled Device) CCD的突出特點：是以電荷作為信號，而不同于其的突出特點：是以電荷作為信號，而不同于其它大多數(shù)器件是

12、以電流或者電壓為信號。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。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、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。傳輸和檢測。第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)CCD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu) MOS 光敏元：構(gòu)成光敏元：構(gòu)成CCD的基本單元是的基本單元是MOS(金屬金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體半導(dǎo)體)構(gòu)造。構(gòu)造。（型層）（型層）電極電極第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)電荷存儲電荷存儲在柵極加正偏壓之前，在柵極加正偏壓之前，P型半

13、導(dǎo)體中的空穴多子的分布是均勻的。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。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)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)的電子導(dǎo)體內(nèi)的電子(少子少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。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反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)電荷

14、的轉(zhuǎn)移耦合）電荷的轉(zhuǎn)移耦合）第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)電荷的轉(zhuǎn)移耦合）電荷的轉(zhuǎn)移耦合） 第一個電極保持第一個電極保持10V，第二個電極上的電壓由，第二個電極上的電壓由2V變到變到10V，因這兩個電極靠得很緊，因這兩個電極靠得很緊(間隔只有間隔只有幾微米幾微米)，它們各自的對應(yīng)勢阱將合并在一起。，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。勢阱所共有。 若此后第一個電極電壓由若此后第一個電極電壓由10V變?yōu)樽優(yōu)?V，第二個，第二個電極電壓仍為電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第

15、二，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。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)自一個電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。對絕大多數(shù)CCD，1m的間隙長度是足夠了。的間隙長度是足夠了。第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)CCD的工作原理的工作原理CCD主要由三部分組成：信號輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號輸出。主要由三部分組成：信號輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號輸出。輸

16、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，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。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。極施加電壓。光注入：用于攝像機。用光敏元件代替輸入二極管。當(dāng)光照射光注入：用于攝像機。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)載流空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少

17、數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。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第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)CCD的工作原理的工作原理 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號電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?，最后從輸出二極管送

18、出視頻信號。信號。 為了實現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在為了實現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在CCDCCD的的MOSMOS陣列上劃分成以陣列上劃分成以幾個相鄰幾個相鄰MOSMOS電荷為一單元的循環(huán)結(jié)構(gòu)。一位電荷為一單元的循環(huán)結(jié)構(gòu)。一位CCDCCD中含的中含的MOSMOS個數(shù)即為個數(shù)即為CCDCCD的像數(shù)。的像數(shù)。 以電子為信號電荷的以電子為信號電荷的CCDCCD稱為稱為N N型溝道型溝道CCDCCD，簡稱為，簡稱為N N型型CCDCCD。而以空穴為信號電荷的而以空穴為信號電荷的CCDCCD稱為稱為P P型溝道型溝道CCDCCD，簡稱為，簡稱為P P型型CCDCCD。由于電子的遷移率遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此。由于電子

19、的遷移率遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此N N型型CCDCCD比比P P型型CCDCCD的工作頻率高得多。的工作頻率高得多。第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)CCD的特點的特點 體積小，功耗低，可靠性高，壽命長。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?？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，動態(tài)范圍大，紅外敏感性強，信噪比光電靈敏度高，動態(tài)范圍大，紅外敏感性強，信噪比高高 。 高速掃描，基本上不保留殘象高速掃描，基本上不保留殘象( (電子束攝象管有電子束攝象管有15-2015-20的殘象的殘象) ) 集成度

20、高集成度高 可用于非接觸精密尺寸測量系統(tǒng)?？捎糜诜墙佑|精密尺寸測量系統(tǒng)。 無像元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。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，便于與計算機結(jié)合接口。與計算機結(jié)合接口。第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué)CCD的特性參數(shù)的特性參數(shù) 像素數(shù)量，像素數(shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等尺寸，最低照度，信噪比等 像素數(shù)是指像素數(shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量。上感光元件的數(shù)量。44萬萬768*576）、）、100萬萬1024*1024）、）、200萬萬1600*1200）、）、600萬萬2832*2128） 信噪比：典型值為信噪比：典型值為46分貝分貝 感光范圍感光范圍 可見光、紅外可見光、紅外第三章 光電檢測器件光電檢測技術(shù)及應(yīng)用浙江工業(yè)大學(xué)浙江工業(yè)大學(xué) CCD按電荷存儲的位置分有兩種基本類型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，電荷包存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏敳⒀亟缑鎮(zhèn)鬏?表面溝道表面溝道CCD(簡稱簡稱S