微傳感器與微執(zhí)行器3-2

3-2光執(zhí)行器專題半導(dǎo)體發(fā)光顯示器件（LED）LED的伏安特性開啟電壓與材料有關(guān)，對于GaAs是1.0V；GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs大致是1.5V；發(fā)紅光的GP是1.8V，發(fā)綠光的GaP是2.0V。反向擊穿電壓一般在-5V以上。LED光源的特點電壓：LED使用低壓電源，供電電壓在3-24V之間，所以它是一個比使用高壓電源更安全的電源，特別適用于公共場所。效能：消耗能量較同光效的白熾燈減少80%適用性：很小，每個單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境穩(wěn)定性：10萬小時，光衰為初始的50%響應(yīng)時間：白熾燈響應(yīng)時間為毫秒級，LED燈響應(yīng)時間為納秒級對環(huán)境污染：無有害金屬汞顏色：改變電流可以變色，發(fā)光二極管方便地通過化學(xué)修飾方法，調(diào)整材料能帶結(jié)構(gòu)和帶隙，實現(xiàn)紅黃綠蘭橙多色發(fā)光。如小電流時為紅色的LED，隨著電流的增加，可以依次變?yōu)槌壬?，黃色，最后為綠色價格：LED的價格比較昂貴，較之于白熾燈，幾只LED的價格就可以與一只白熾燈的價格相當(dāng)，而通常每組信號燈需由上300～500只二極管構(gòu)成。單色光LED的種類及其發(fā)展歷史最早應(yīng)用半導(dǎo)體P-N結(jié)發(fā)光原理制成的LED光源問世于20世紀(jì)60年代初。當(dāng)時所用的材料是GaAsP，發(fā)紅光（λ=650nm），在驅(qū)動電流為20毫安時，光通量只有千分之幾個流明，相應(yīng)的發(fā)光效率約0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N，使LED產(chǎn)生綠光（λ=555nm），黃光（λ=590nm）和橙光（λ=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出現(xiàn)了GaAlAs的LED光源，使得紅色LED的光效達(dá)到10流明/瓦。90年代初，發(fā)紅光、黃光的GaAlInP和發(fā)綠、藍(lán)光的GaInN兩種新材料的開發(fā)成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在紅、橙區(qū)（λ=615nm）的光效達(dá)到100流明/瓦，而后者制成的LED在綠色區(qū)域（λp=530nm）的光效可以達(dá)到50流明/瓦。單色光LED應(yīng)用最初LED用作儀器儀表的指示光源，后來各種光色的LED在交通信號燈和大面積顯示屏中得到了廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生了很好的經(jīng)濟效益和社會效益。以12英寸的紅色交通信號燈為例，在美國本來是采用長壽命，低光效的140瓦白熾燈作為光源，它產(chǎn)生2000流明的白光。經(jīng)紅色濾光片后，光損失90%，只剩下200流明的紅光。而在新設(shè)計的燈中，Lumileds公司采用了18個紅色LED光源，包括電路損失在內(nèi)，共耗電14瓦，即可產(chǎn)生同樣的光效。汽車信號燈也是LED光源應(yīng)用的重要領(lǐng)域。1987年，我國開始在汽車上安裝高位剎車燈，由于LED響應(yīng)速度快（納秒級），可以及早讓尾隨車輛司機知道行駛狀況，減少汽車追尾事故的發(fā)生。另外，LED燈在室外紅、綠、藍(lán)全彩廣告顯示屏得到了廣泛的應(yīng)用。單色光LED應(yīng)用360°LED環(huán)型顯示器工作原理白光LED的開發(fā)1998年白光LED開發(fā)成功。將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成。GaN芯片發(fā)藍(lán)光（λ=465nm，譜寬=30nm），高溫?zé)Y(jié)制成的含Ce3+的YAG熒光粉受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃光，峰值550nm。藍(lán)光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。LED基片發(fā)出的藍(lán)光部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光。通過改變YAG熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。白色LED照明燈地磚燈禮品燈手電筒白光LED的應(yīng)用液晶TFT-LCD是薄膜晶體管液晶顯示器英文ThinFilmTransistor-LiquidCrystalDisplay字頭的縮寫。TFT-LCD技術(shù)是微電子技術(shù)與液晶顯示器技術(shù)巧妙結(jié)合的一種技術(shù)。人們將Si上微電子精細(xì)加工技術(shù)移植到在大面積玻璃上進行TFT陣列的加工，再將該陣列基板與另一片帶彩色濾色膜的基板，利用與業(yè)已成熟的LCD技術(shù)，形成一個液晶盒相結(jié)合，再經(jīng)過后工序如偏光片貼覆等過程，最后形成液晶顯示器（屏）。TFT-LCD與無源TN-LCD、STN-LCD的簡單矩陣不同，它在液晶顯示屏的每一個象素上都設(shè)置有一個薄膜晶體管（TFT），可有效地克服非選通時的串?dāng)_，使顯示液晶屏的靜態(tài)特性與掃描線數(shù)無關(guān)，因此大大提高了圖像質(zhì)量。目前，TFT-LCD是液晶平板顯示家族中最主要的成員TFT-LCD結(jié)構(gòu)~~彩色濾光片上偏光片下偏光片背光源TFT基板液晶層TFTTurnOFFTFTTurnON光源經(jīng)液晶層扭轉(zhuǎn)90°

TFT-LCD面板結(jié)構(gòu)彩色慮光片紅藍(lán)綠黃白紫青DATADRIVERICSCANDRIVERICTFTRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBArray面板說明G1G2G3GmGm-1S1S2S3Sn-1SnSource線儲存電容Gate線液晶電容TFTcomITOCLCArray面板示意圖G1G2G3GmGm-2Gm-1S1S2S3Sn-2Sn-1SncomITOCLCArray面板訊號傳輸說明GateDriverSourceDriverTFT-LCD的面板構(gòu)造TFTLCDTVLCD視角激光1.受激吸收、自發(fā)輻射、受激輻射

如果原子因受滿足頻率條件的光的激勵而躍遷到較高能態(tài)，這種過程就稱為受激吸收。

受激吸收

沒有外界作用，原子自發(fā)地由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，并輻射一個光子，這種過程叫自發(fā)輻射。

自發(fā)輻射各個原子自發(fā)輻射的光是非相干光自發(fā)輻射

若原子受到一個滿足頻率條件的外來光子的激勵，由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，則輻射出另一同頻率的光子來，這種過程叫做受激輻射。受激輻射各個原子受激輻射的光是相干光自發(fā)輻射2.產(chǎn)生激光的基本條件

在通常情況下，原子在各能級上的分布服從玻爾茲曼分布定律，即在低能級上的原子數(shù)較多光通過物質(zhì)時，受激吸收占優(yōu)勢。

激光就是由受激輻射產(chǎn)生的被放大了的相干光。激光的英文名為“l(fā)ightamplificationbystimulatedemissionofradiation”第一個字母縮寫。

在通常狀態(tài)下，三種躍遷同時存在，受激吸收使光子數(shù)減少，受激輻射使光子數(shù)增加。哪種躍遷占優(yōu)勢取決于高低能級的原子數(shù)。（1）粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

要使受激輻射占優(yōu)勢，必須使處在高能級的原子數(shù)多于低能級的原子數(shù)，這種分布與正常分布相反，稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

通過給物質(zhì)提供能量，可以使較多的原子躍遷到高能級，如果物質(zhì)具有亞穩(wěn)態(tài)，就能實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。

存在粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的物質(zhì)稱為激活介質(zhì)。產(chǎn)生激光的基本條件

在激活介質(zhì)的兩端安置兩塊反射鏡面，一個是全反射鏡，一個是部分反射鏡，這對反射鏡面及其間的空間稱為光學(xué)諧振腔。（2）光學(xué)諧振腔

要得到方向性和單色性很好的激光，還必須采用光學(xué)諧振腔。光學(xué)諧振腔產(chǎn)生激光的基本條件

最初的受激輻射源于自發(fā)輻射，只有與反射鏡軸向平行的一定波長的光能在激活介質(zhì)內(nèi)來回反射，雪崩式地放大，在一定條件下形成穩(wěn)定的強光光束，從部分反射鏡面輸出，得到激光。光學(xué)諧振腔對光的方向選擇性產(chǎn)生激光的基本條件（3）閾值條件

在諧振腔內(nèi)，除了有光的增益，還存在工作物質(zhì)對光的吸收、散射以及反射鏡的吸收和透射等造成的各種損耗，只有當(dāng)光在諧振腔內(nèi)來回一次所得的增益大于損耗時，才能形成激光。增益大于損耗的條件稱為閾值條件。

在設(shè)計諧振腔時，可以有選擇地使對特定波長的光滿足閾值條件，使該波長的光形成激光輸出。產(chǎn)生激光的基本條件3.激光器的組成和常見激光器常用激光器由三部分組成：

工作物質(zhì)泵浦源光學(xué)諧振腔激光工作物質(zhì)激勵能源諧振腔激光器結(jié)構(gòu)示意圖按輸出方式分：脈沖輸出連續(xù)輸出半導(dǎo)體激光器按工作物質(zhì)分：氣體激光器固體激光器液體激光器自由電子激光器激光器的分類激光器的組成和常見激光器1960年，美國梅曼和第一只激光器激光器的組成和常見激光器氣體激光器激光器的組成和常見激光器固體激光器激光器的組成和常見激光器液體激光器激光器的組成和常見激光器半導(dǎo)體激光器激光器的組成和常見激光器4.激光的特性及其應(yīng)用（1）方向性好

激光束的發(fā)散角很小，0.001弧度

激光定位、導(dǎo)向、測距等就利用了方向性好的特點。（2）單色性好

在普通光源中，單色性最好的是作為長度基準(zhǔn)器的氪燈（K186）；它的譜線寬度為4.7×10-3納米，而激光譜線寬為納米，為氪燈譜線寬度的5萬分之一。采用穩(wěn)頻等技術(shù)還可以進一步提高激光的單色性。計量工作的標(biāo)準(zhǔn)光源、激光通訊等利用了單色性好的特點。激光的特性及其應(yīng)用光纜激光通訊激光的特性及其應(yīng)用(3)亮度高

亮度是光源在單位面積上，向某一方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率。

激光的輸出功率雖然有個限度，但由于其光束細(xì)（發(fā)散特別小），功率密度特別大，因而其亮度也特別大。把分散在180°范圍內(nèi)的光集中到0.18°范圍，亮度提高100萬倍。通過調(diào)Q等技術(shù)，壓縮脈沖寬度，還可以進一步提高亮度。激光的特性及其應(yīng)用

激光能量在時間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬度的高溫。

激光加工、激光手術(shù)、激光武器等就利用了高亮度的特點。激光打孔激光切割激光的特性及其應(yīng)用低能激光武器高能激光武器激光的特性及其應(yīng)用(4)相干性好激光具有很好的相干性。

普通光源的相干長度約為1毫米至幾十厘米，激光可達(dá)幾十公里。

全息照相、全息存儲等就利用了相干性好的特點。全息照相激光的特性及其應(yīng)用全息照相概述全息照相原理是1948年DennisGabor為了提高電子顯微鏡的分辨本領(lǐng)而提出的。“全息”是指物體發(fā)出的光波的全部信息：既包括振幅或強度，也包括相位。照相技術(shù)是利用了光能引起感光乳膠發(fā)生化學(xué)變化的原理，變化的強度隨入射光強的增大而增大。普通照相使用透鏡成像原理，底片上化學(xué)反應(yīng)的強度直接由物體各處的明暗決定，即由入射光波的強度決定。而全息照相不但記錄了入射光波的強度，也記錄了入射光波的相位。所謂全息照片就是一種記錄被攝物體反射（或透射）光波中全部信息的先進照相技術(shù)。全息照片不用一般的照相機，而要用一臺激光器。激光束用分光鏡一分為二，其中一束照到被拍攝的景物上。另一束直接照到感光膠片即全息干板上。當(dāng)光束被物體反射后，其反射光束也照射在膠片上，就完成了全息照相的攝制過程全息照相的拍攝原理拍攝全息照片的基本光路大致如圖。一激光光源（波長為λ）的光分成兩部分：直接照射到底片上的叫參考光；另一部分經(jīng)物體表面散射的光也照射到照相底片，稱為物光。參考光和物光在底片上各處相遇時將發(fā)生干涉，底片記錄的即是各干涉條紋疊加后的圖像。全息照相的拍攝原理關(guān)于強度：顯然參考光各處的強度是一樣的，但由于物體表面的反射率不同，所以物光的強度各處不同。因此，參考光和物光疊加干涉時形成的干涉條紋各處濃淡也就不同。關(guān)于相位。如圖。設(shè)O為物體上某一發(fā)光點．全息照相的拍攝原理設(shè)參考光在a處的波動方程為:全息照相的拍攝原理設(shè)a、b為相鄰的兩暗紋,由干涉知：a、b兩處的物光與參考光必須都反相.因為ab兩處的參考光相同,所以其物光的波程差為λ.由幾何關(guān)系知:

由此可知:當(dāng)θ不同時,物光與參考光形成的干涉條紋的間距也不同,而θ的大小又可以反映出物光光波的相位.;再根據(jù)條紋的方向即可確定出物體的前后,上下,左右的位置.全息照相的觀察原理觀察全息照片的光路圖如下：全息照相的觀察原理全息照片不同于普通照片,其底片不顯示物體的形象,而是干涉條紋疊加后的圖像。沖洗時只是改變了不同部分的透光性。觀察時,需利用與拍照時同頻率的光的衍射原理。仍考慮相鄰的兩條紋a和b,此時二者為兩透光縫。由惠更斯-菲涅耳原理知:處于同一波陣面上的a、b可以當(dāng)成子波波源,其強度皆為激光光源的強度。沿原來從物體上O點發(fā)來的物光的方向的兩束衍射光,由幾何知識知其光程差恰為λ。由發(fā)光點O在底片上各處造成的透光縫透過的光形成的衍射條紋會使人眼感到原來的O點處有一發(fā)光點O’。所有發(fā)光點的對應(yīng)的衍射條紋會使人眼看到一個處于原來位置的完整的立體虛像。全息照相的特點1.全息照片衍射形成的立體虛像是一個真正立體的,當(dāng)人眼換一個位置時,便可以看到物體的側(cè)面像,即物體上原來被擋住的部分也可以看到。

2.即使是全息照片的一塊殘片,也可以看到整個物體的立體象.因為拍攝照片時,物體上的點發(fā)出的物光在整個底片上處處與參考光發(fā)生干涉,也就是說,在底片上處處都有某一點的記錄。

3.在用光照射底片時,在與原來物光對稱方向的兩束光,其光程差也為λ,光線匯聚將會在O”處形成一實像。全息技術(shù)的應(yīng)用在全息照相的基礎(chǔ)上，全息技術(shù)還擴展到紅外、微波、超聲領(lǐng)域，進一步發(fā)展形成了全息干涉術(shù)、彩色全息、及彩虹全息和周視全息等新的全息技術(shù)。由于全息照相具有三維成像的特點，可重復(fù)記錄，而且，每一小塊全息底片都能再現(xiàn)物體的完整，其用途十分廣泛?？蓮V泛用于精密干涉計量、無損探傷、全息光彈性、微應(yīng)變分析和振動分析等科學(xué)研究。利用全息干涉術(shù)研究燃?xì)馊紵倪^程、機械件的振動模式、蜂窩板結(jié)構(gòu)的粘結(jié)質(zhì)量和汽車輪胎皮下缺陷檢查等已得到廣泛應(yīng)用。全息照相用作商品和信用卡的防偽標(biāo)記已形成產(chǎn)業(yè)，正在發(fā)展的全息電視還將為人類帶來一場新的視覺革命。DLP?投影系統(tǒng)工作原理

它先利用一組聚光鏡將燈泡發(fā)出的光線傳遞通過在高速旋轉(zhuǎn)的色輪(Colorfilter/orColorwheel)，再利用第二組鏡片將通過色輪的光線均勻匯聚在DMD元件上。經(jīng)由DMD反射，光線會進入投影鏡頭將圖像成像在屏幕上。隨著DMD的微反射鏡旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的不同(+12度或-12度)，光線可能會反射進入投影鏡頭的透光孔(ON)或是離開投影鏡頭的透光孔(OFF)。DMD芯片

折射鏡色輪燈泡光管鏡頭濾光片凹面鏡單片DLP?投影機光學(xué)原理光管調(diào)整光線，使達(dá)到成像面板的光線均勻度更好。

主要光學(xué)部件－燈泡、光管主要光學(xué)部件－色輪

所謂的色輪-就是在一透明圓盤上均勻的涂滿了紅、綠、藍(lán)三種顏色，播放影像時，色輪會不停的高速旋轉(zhuǎn)，而從后方進入的光源，就可以產(chǎn)生紅、綠、藍(lán)交錯變化的影像，其色彩的表現(xiàn)至少可到達(dá)16.7百萬色。由于人眼有視覺暫留作用，如果DMD上的影像訊號能和色輪相互配合(同步)的話，就可以在人眼內(nèi)呈現(xiàn)出彩色的畫面。DLP(DigitalLightProcessor)投影系統(tǒng)

DLP就是所謂的數(shù)位光源處理技術(shù),是真正的數(shù)位投影和顯示技術(shù)，它能接受數(shù)位視訊，然后產(chǎn)生一系列的數(shù)位光脈沖；這些光脈沖進入眼睛后，我們的眼睛會把它解譯成為彩色模擬影像。DLP技術(shù)是以一種微機電元件為基礎(chǔ)，稱為數(shù)位微型反射鏡元件(DigitalMicromirrorDevice，簡稱DMD)，這種速度極快的反射性數(shù)位光開關(guān)是由TI(德州儀器)在1987年發(fā)明。DMD微芯片上面包含數(shù)量龐大的超小型數(shù)位光開關(guān)，它們是面積非常小(14微米)、外觀為四方型、并由鋁金屬制程的絞接式反射鏡，可以接受電子訊號代表的資料字元，然后產(chǎn)生光學(xué)字元輸出。而按照使用DMD的片數(shù)，DLP投影系統(tǒng)又可分為單片式DLP投影系統(tǒng)跟三片式DLP投影系統(tǒng)。一個DMD象素由鏡面層、機構(gòu)層和半導(dǎo)體層構(gòu)成一個DMD微鏡片可被簡單描述成為一個半導(dǎo)體光開關(guān)DMD一是全數(shù)字化，擁有最高的信噪比。DLP可以直接顯示數(shù)字視頻信號，不象CRT顯象管需要將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號才能處理。二是色彩豐富，三片DLP系統(tǒng)能