1、第四章 發(fā)光、耦合和成像器件4.14.1發(fā)光二極管發(fā)光二極管4.24.2激光器激光器4.34.3光電耦合器件光電耦合器件4.44.4CCDCCD 4.5 4.5 光熱輻射檢測器件光熱輻射檢測器件發(fā)光器件發(fā)光器件根據(jù)光源的頻譜寬度情況，可分為相干光源激光和非相干光源。相干光源的波長范圍極窄，又可稱為近單色光源，也就是激光。非相干光源是除激光光源以外的其他光源。 非相干光源大部分是以通電而發(fā)光的光源。因而又稱為光電源。具體可將光電源分為三種：熱輻射光源白熾燈、鹵鎢燈等）；氣體放電光源汞燈、脈沖氙燈等）；固體發(fā)光光源發(fā)光二極管等）。4.1 發(fā)光二極管l發(fā)光二極管LED的類型l發(fā)光二極管的原理l發(fā)光二

2、極管的特性l發(fā)光二極管的應(yīng)用l發(fā)光二極管是少數(shù)載流子在PN結(jié)區(qū)的注入與復(fù)合而產(chǎn)生發(fā)光的一種半導(dǎo)體光源，也稱注入式場致發(fā)光光源。l發(fā)光二極管屬于結(jié)型電致發(fā)光器件，都是能把電能直接轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件。l發(fā)光二極管LED的類型l從結(jié)構(gòu)上分有五種類型：l表面發(fā)光二極管SLED）l側(cè)面發(fā)光二極管ELED）l平面LEDl圓頂型LEDl超發(fā)光LED發(fā)光二極管的圖片發(fā)光二極管的圖片發(fā)光二極管的原理發(fā)光二極管的原理l實(shí)際上發(fā)光二極管就是一個(gè)由P型和N型半導(dǎo)體組成的二極管。 l在PN結(jié)附近，N型材料中的多數(shù)載流子是電子，P型材料中的多數(shù)載流子是空穴，PN結(jié)上未加電壓時(shí)構(gòu)成一定的勢(shì)壘，當(dāng)加上正向偏壓時(shí)，在外電場

3、作用下，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U(kuò)散運(yùn)動(dòng)，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在PN 結(jié)附近產(chǎn)生導(dǎo)帶電子和價(jià)帶空穴的復(fù)合。一個(gè)電子和一個(gè)空穴對(duì)每一次復(fù)合，將釋放出與材料性質(zhì)有關(guān)的一定復(fù)合能量，這個(gè)能量會(huì)以熱能、光能、或部分熱能和部分光能的形式輻射出來。l在LED中，向各個(gè)方向發(fā)出的光是自發(fā)發(fā)射的。發(fā)光二極管的特性發(fā)光二極管的特性l光譜特性l 發(fā)光二極管的發(fā)光光譜直接決定著它的發(fā)光顏色。l 根據(jù)半導(dǎo)體材料的不同，目前能制造出紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紅外等各種顏色的發(fā)光二極管。l響應(yīng)時(shí)間l 響應(yīng)時(shí)間是指注入電流后發(fā)光二極管啟亮上升或熄滅衰減的時(shí)間。發(fā)光二極管的上升時(shí)間隨著電流的增大近似地成指數(shù)減小。l 響

4、應(yīng)時(shí)間是表示反應(yīng)速度的一個(gè)重要參數(shù)，尤其在脈沖驅(qū)動(dòng)或電調(diào)制時(shí)顯得十分重要。 l 發(fā)光二極管可利用交流供電或脈沖供電獲得調(diào)制光或脈沖光調(diào)制頻率可達(dá)到幾十兆赫。發(fā)光二極管的應(yīng)用發(fā)光二極管的應(yīng)用l數(shù)字、文字及圖像顯示l指示、照明l 單個(gè)發(fā)光二極管還可做儀器指示燈、示波器標(biāo)尺、收音機(jī)刻度及鐘表中的文字照明；目前已有雙色、多色甚至變色的單個(gè)發(fā)光二極管。l光源l 紅外發(fā)光二極管多用于光纖通信與光纖傳感器；LED作為信號(hào)光源多用于光電尺寸測量等的光電檢測系統(tǒng)中。l光電開關(guān)、報(bào)警、遙控、耦合發(fā)光二極管的優(yōu)點(diǎn)：發(fā)光二極管的優(yōu)點(diǎn)：l屬于低電壓，小電流器件，在室溫下即可得到足夠的亮度一般為3000cd/平方米以上）

5、；l發(fā)光響應(yīng)速度快；l性能穩(wěn)定，壽命長；l驅(qū)動(dòng)簡單，易于和集成電路匹配；l與普通光源相比，單色性好，其發(fā)光脈沖的半寬度一般為幾十納米；l重量輕，體積小，耐沖擊。4.2 激光器l激光器的結(jié)構(gòu)與原理l激光器的種類l激光器的特性參數(shù)l激光器在光電檢測中的應(yīng)用激光原理激光原理1、自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射、自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射 愛因斯坦提出，光與原子二能級(jí)系統(tǒng)相互作用，可能愛因斯坦提出，光與原子二能級(jí)系統(tǒng)相互作用，可能有有3種躍遷過程：自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射。種躍遷過程：自發(fā)輻射、受激吸收和受激輻射。 自發(fā)輻射過程中，原子開始處于高能態(tài)自發(fā)輻射過程中，原子開始處于高能態(tài)E2，它自發(fā)地，

6、它自發(fā)地從高能態(tài)躍遷至低能態(tài)從高能態(tài)躍遷至低能態(tài)E1，并發(fā)射頻率為，并發(fā)射頻率為E2-E1)/h的光子。的光子。 普通光源的發(fā)光為自發(fā)輻射，每次輻射之間相互獨(dú)立，普通光源的發(fā)光為自發(fā)輻射，每次輻射之間相互獨(dú)立，沒有一定的相位關(guān)系，所以是不相干的。沒有一定的相位關(guān)系，所以是不相干的。受激吸收受激吸收 在受激吸收過程中，原子開始是處于低能態(tài)，在一個(gè)頻在受激吸收過程中，原子開始是處于低能態(tài)，在一個(gè)頻率為率為E2-E1)/h的入射光子激發(fā)下，原子吸收了這個(gè)光的入射光子激發(fā)下，原子吸收了這個(gè)光子，躍遷至高能態(tài)。子，躍遷至高能態(tài)。受激輻射受激輻射 在受激輻射過程中，原子開始處于高能態(tài)，在一個(gè)頻率在受激輻射

7、過程中，原子開始處于高能態(tài)，在一個(gè)頻率為為E2-E1)/h的入射光子激發(fā)下，原子從高能態(tài)躍遷至的入射光子激發(fā)下，原子從高能態(tài)躍遷至低能態(tài)，并發(fā)射低能態(tài)，并發(fā)射2個(gè)完全相同的光子，它們的頻率、相個(gè)完全相同的光子，它們的頻率、相位、偏振方向、傳播方向皆相同，所以是相干的。位、偏振方向、傳播方向皆相同，所以是相干的。 一個(gè)入射光子被放大為一個(gè)入射光子被放大為2個(gè)光子，若此過程繼續(xù)，個(gè)光子，若此過程繼續(xù)，2個(gè)光個(gè)光子將被放大為子將被放大為4個(gè)光子，個(gè)光子，4個(gè)光子又被放大為個(gè)光子又被放大為8個(gè)光個(gè)光子子于是，入射光子的強(qiáng)度將成等比級(jí)數(shù)地被放大。于是，入射光子的強(qiáng)度將成等比級(jí)數(shù)地被放大。激光產(chǎn)生的必要條

8、件激光產(chǎn)生的必要條件1粒子數(shù)反轉(zhuǎn) 在熱平衡條件下，原子按能級(jí)服從波爾茲曼分布，有n1n2n1為低能級(jí)原子數(shù)，n2為高能級(jí)原子數(shù)）；但在非平衡態(tài)，就有可能使原子數(shù)按能級(jí)分布反轉(zhuǎn)為n1n2，稱這種分布為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。這時(shí)，輻射將超過吸收。 頻率為E2-E1)/h的入射光波，通過與原子系統(tǒng)相互作用，原子從高能態(tài)躍遷至低能態(tài)，受激輻射同頻率的光，出射光強(qiáng)遠(yuǎn)大于入射光強(qiáng)，光強(qiáng)被放大了。激光產(chǎn)生的必要條件激光產(chǎn)生的必要條件2、光泵 上述受激輻射放大過程，顯然將減少處于高能態(tài)的原子數(shù)，直至新的平衡態(tài)又重新建立，從而破壞粒子數(shù)發(fā)轉(zhuǎn)狀態(tài)。為了保持原子系統(tǒng)的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)，需要不斷地將原子從低能態(tài)抽運(yùn)到高能態(tài)，并將

9、能量注入原子系統(tǒng)，以維持激光運(yùn)轉(zhuǎn)所必須的能量。這種將原子從低能態(tài)抽運(yùn)至高能態(tài)的過程，稱為光泵optical pumping)。光泵可以是電學(xué)的、化學(xué)的、熱學(xué)的或光學(xué)的方法。激光產(chǎn)生的必要條件激光產(chǎn)生的必要條件3、諧振腔 諧振腔的兩個(gè)端面一個(gè)是全反射的，一個(gè)是部分透射的。在兩端面之間的為激光物質(zhì)，光在兩端面之間來回反射。那些離軸傳播的光子，很快就從腔體的側(cè)面逃逸出去，只有那些沿著軸向來回反射的光子，才可能在腔內(nèi)來回反射多次，從而不斷地產(chǎn)生受激輻射，使光子成等比級(jí)數(shù)地被放大，從部分反射鏡端出射一束極強(qiáng)的、指向性和單色性極好的激光束。激光器的工作原理激光器的工作原理l受激輻射：激光是受激輻射的光放大

10、。l產(chǎn)生激光的必要條件：l1、粒子數(shù)反轉(zhuǎn)高能態(tài)的粒子數(shù)大于低能態(tài)的粒子數(shù)）l2、增益大于損耗l激光具有：單色性，方向性，高亮度，相干性。l激光器由三部分組成：激活介質(zhì)，諧振腔和激發(fā)源泵浦源）。激發(fā)源激活介質(zhì)激光器的工作原理激光器的工作原理 常用的泵浦源是輻射源或電源，利用泵浦源能將工作物質(zhì)中的粒子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，使處于高能態(tài)的粒子數(shù)大于處于低能態(tài)的粒子數(shù)，構(gòu)成粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)分布，處于這一狀態(tài)的原子或分子稱為受激原子或分子。 高能態(tài)粒子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)而產(chǎn)生輻射并通過受激原子時(shí)會(huì)感應(yīng)出同相位、同頻率的輻射。這些輻射在諧振腔的兩平面之間來回傳播形成震蕩時(shí)，沿軸線來回反射的次數(shù)最多，它會(huì)激發(fā)

11、出更多的輻射，從而使輻射能量放大。這樣，受激和經(jīng)過放大的輻射通過部分透射的平面鏡輸出到腔外，產(chǎn)生激光。激光器的特性參數(shù)激光器的特性參數(shù)l功率平均峰值），能量l波長，頻率，線寬l脈沖寬度，重復(fù)頻率l光斑直徑，發(fā)散角，平方因子l方式，波長可調(diào)諧性l穩(wěn)定性波長頻率功率能量方向等），壽命，光電效率激光器的類型激光器的類型l氣體、固體、半導(dǎo)體激光器l紫外、可見和紅外激光器l延續(xù)、準(zhǔn)連續(xù)和脈沖激光器l單頻、單模激光器l可調(diào)諧激光器l超短脈沖激光器He-Ne激光器的基本結(jié)構(gòu)形式氣體激光器l光束質(zhì)量好，線寬窄，相干性好，譜線豐富。l效率低，能耗高，壽命較短，體積大。l原子氦氖激光器，離子氬，氪，金屬蒸汽激光器

12、，分子CO2,CO,準(zhǔn)分子)激光器。氦氖激光器氦氖激光器l氦氖激光器是一種原子氣體激光器，工作物質(zhì)由氦氣和氖氣組成。l在激光器電極上施加幾千伏電壓使氣體放電，在適當(dāng)?shù)臈l件下氦氖氣體成為被激活的介質(zhì)，如果在激光器的軸線上安裝高反射比的多層介質(zhì)膜反射鏡作為諧振腔，則可獲得激光輸出。l氦氖激光器可輸出一毫瓦左右至數(shù)十毫瓦的連續(xù)光。l主要用于精密計(jì)量、全息技術(shù)、準(zhǔn)直測量等場合。固體激光器固體激光器l運(yùn)行方式多樣：延續(xù)，脈沖，調(diào)，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；l主要在紅外波段工作，采用光學(xué)泵浦方式；l結(jié)構(gòu)緊湊，壽命較長，穩(wěn)定可靠；l工作物質(zhì)：具有特殊功能的高質(zhì)量的光學(xué)

13、玻璃或光學(xué)晶體，里面摻入具有發(fā)射激光能力的金屬離子。l紅寶石激光器輸出波長為694.3nm脈沖紅光。固體激光晶體棒固體激光晶體棒 紅寶石激光器包括類似相機(jī)閃光燈的閃光管、紅寶石棒和兩面反射鏡其中一面為半反射鏡面）。紅寶石棒是激光介質(zhì)，閃光管是泵激源。 1、未發(fā)射狀態(tài)的激光器 紅寶石激光器工作原理紅寶石激光器工作原理紅寶石激光器工作原理2. 閃光管閃光并將光線射入紅寶石棒。光線激發(fā)紅寶石內(nèi)的原子 紅寶石激光器工作原理紅寶石激光器工作原理3. 其中的部分原子釋放出光子。 紅寶石激光器工作原理紅寶石激光器工作原理4. 部分光子沿紅寶石軸的平行方向運(yùn)動(dòng)，因而在兩塊反光鏡之間來回反彈。它們經(jīng)過紅寶石晶體

14、時(shí)，還會(huì)繼續(xù)激發(fā)其他原子。 紅寶石激光器工作原理紅寶石激光器工作原理5. 單色、單相柱狀光線通過半反射鏡射出紅寶石棒，形成激光！固體激光實(shí)驗(yàn)裝置固體激光實(shí)驗(yàn)裝置微型固體激光器學(xué)生研發(fā)）微型固體激光器學(xué)生研發(fā)）半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器l工作物質(zhì)是半導(dǎo)體材料，PN結(jié)就是激活物質(zhì)。l體積小，質(zhì)量輕、效率高，能耗低，壽命長，穩(wěn)定可靠；l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；l可批量生產(chǎn)，單片集成；l發(fā)散角大，溫度特性差，容易產(chǎn)生噪聲。l半導(dǎo)體激光器的波長為0.3344微米。l廣泛的應(yīng)用于光通信、光學(xué)測量、自動(dòng)控制等方面，是最有前途的輻射源之一。半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器 p-n結(jié)電注入激發(fā)

15、機(jī)理。若在形成了p-n結(jié)的半導(dǎo)體材料上加上正向偏壓，p區(qū)接正極，n區(qū)接負(fù)極。顯然，正向電壓的電場與p-n結(jié)的自建電場方向相反，它削弱了自建電場對(duì)晶體中電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，使n區(qū)中的自由電子在正向電壓的作用下，又源源不斷地通過p-n結(jié)向p區(qū)擴(kuò)散，在結(jié)區(qū)內(nèi)同時(shí)存在著大量導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴時(shí)，它們將在注入?yún)^(qū)產(chǎn)生復(fù)合，當(dāng)導(dǎo)帶中的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)，多余的能量就以光的形式發(fā)射出來。這就是半導(dǎo)體場致發(fā)光的機(jī)理，這種自發(fā)復(fù)合的發(fā)光稱為自發(fā)輻射。 要使p-n結(jié)產(chǎn)生激光，必須在結(jié)構(gòu)內(nèi)形成粒子反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，需使用重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料，要求注入p-n結(jié)的電流足夠大如30000A/cm2）。這樣在p-n結(jié)的局

16、部區(qū)域內(nèi)，就能形成導(dǎo)帶中的電子多于價(jià)帶中空穴數(shù)的反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，從而產(chǎn)生受激復(fù)合輻射而發(fā)出激光。 半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。其外形及大小與小功率半導(dǎo)體三極管差不多，僅在外殼上多一個(gè)激光輸出窗口。夾著結(jié)區(qū)的p區(qū)與n區(qū)做成層狀，結(jié)區(qū)厚為幾十微米，面積約小于1mm2。 半導(dǎo)體激光器的光學(xué)諧振腔是利用與p-n結(jié)平面相垂直的自然解理面110面構(gòu)成，它有35的反射率，已足以引起激光振蕩。若需增加反射率可在晶面上鍍一層二氧化硅，再鍍一層金屬銀膜，可獲得95以上的反射率。 一旦半導(dǎo)體激光器上加上正向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)就發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而進(jìn)行復(fù)合，則可激發(fā)激光。半導(dǎo)體激光器（自制）半導(dǎo)體激光器（自制）半

17、導(dǎo)體激光器電源半導(dǎo)體激光器電源白白 光激光器光激光器激光的特性激光的特性1、單色性、單色性光的波長范圍越窄，單色性越好。光的波長范圍越窄，單色性越好。2、方向性、方向性激光器的方向性一般用光束的發(fā)射角表示。激光器的方向性一般用光束的發(fā)射角表示。3、高亮度、高亮度激光器由于發(fā)光面小，發(fā)散角小，因此可獲得高的光譜激光器由于發(fā)光面小，發(fā)散角小，因此可獲得高的光譜輻射亮度。輻射亮度。4、相干性、相干性由于激光器的發(fā)光過程是受激輻射，單色性好，發(fā)射較由于激光器的發(fā)光過程是受激輻射，單色性好，發(fā)射較小，因此有很好的空間和時(shí)間相干性。小，因此有很好的空間和時(shí)間相干性。激光器在光電檢測中的應(yīng)用激光器在光電檢測

18、中的應(yīng)用l激光測距，測長，測平面度等l激光大氣污染檢測l激光檢測l激光海洋探測l激光制導(dǎo)l激光雷達(dá)l激光干涉測量探傷）l激光全息測量4.3 光電耦合器件 在工業(yè)檢測、電信號(hào)的傳送處理和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，常用繼電器、脈沖變壓器或復(fù)雜的電路來實(shí)現(xiàn)輸入端、輸出端裝置于主機(jī)之間的隔離、開關(guān)、匹配、抗干擾等功能。 繼電器動(dòng)作慢、有觸點(diǎn)工作不可靠；變壓器體積大、頻率窄，所以它們都不是理想的部件。隨著光電技術(shù)的發(fā)展，70年代以后出現(xiàn)了一種新的功能器件光電耦合器。光電耦合器件l定義：發(fā)光器件與光接收器件組合的一種器件，這種器件在信息的傳輸過程中是用光作媒介把輸入端的電信號(hào)耦合到輸出端，制成的具有信號(hào)傳輸功能的器件

19、，也叫光耦合器。l類型：l光電耦合隔離器：在電路之間傳遞信息，以便實(shí)現(xiàn)電路間的電氣隔離和消除噪聲。l光傳感器：一種固體傳感器，用于檢測物體的位置或檢測物體有無的狀態(tài)。l發(fā)光器件：，燈等l光接收器件：光電二極管三極管，光電池，光敏電阻。光電耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖光電耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖光電耦合器件的工作原理光電耦合器件的工作原理 構(gòu)造： 發(fā)光器件與光接收器件封裝一體，發(fā)光器件與光電器件靠的很近，但不接觸，發(fā)光器件與光電器件之間有很強(qiáng)的電氣絕緣特性，絕緣電阻常高于兆歐量級(jí)。即光電耦合器件的發(fā)送端與接收端是電、磁絕緣，信號(hào)是通過光傳輸?shù)摹Ｒ虼斯怆婑詈掀骷哂忻}沖變壓器、繼電器和開關(guān)電器的功能。工作原理：輸

20、入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。 光電耦合器件的特點(diǎn)光電耦合器件的特點(diǎn) 光電耦合器能很容易把不同電位的兩組電路互連起來，圓滿地完成電平匹配、電平轉(zhuǎn)移等功能。光電耦合器的輸入端的發(fā)光器件是電流驅(qū)動(dòng)器件，通過光與輸出端耦合，抗干擾能力很強(qiáng)，在長線傳輸中用它作為終端負(fù)載時(shí)，可以大大提高信息在傳輸中的信噪比。光電耦合器件的特性參數(shù)光電耦合器件的特性參數(shù)l光電耦合器件的主要特性為傳輸特性與隔離特性。l電流傳輸比l 光電耦合器件的電流傳輸比：在直流工作狀態(tài)下，將光電耦合器件的

21、集電極電流與發(fā)光二極管的注入電流之比。l最高工作頻率l 光電耦合器件的頻率特性分別取決于發(fā)光器件與光電接收器件的頻率特性。（由發(fā)光二極管與光電二極管組成的光電耦合器件的頻率響應(yīng)最高，最高工作頻率接近于10MHz。l 最高工作頻率與負(fù)載電阻的阻值有關(guān)。減小負(fù)載電阻會(huì)使光電耦合器件的最高工作頻率增高。光電耦合器件的應(yīng)用光電耦合器件的應(yīng)用l代替脈沖變壓器耦合從零到幾兆赫茲的信號(hào)，失真小；l代替繼電器使用，做光電開關(guān)用；l把不同電位的兩組電路互連，完成電平匹配和電平轉(zhuǎn)移；l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；l在穩(wěn)壓電源中作為過電流保護(hù)器件，簡單可靠。1、電平轉(zhuǎn)換、電平轉(zhuǎn)換 在工

22、業(yè)控制系統(tǒng)中所用的集成電路的電源電壓和信號(hào)脈沖的幅度有時(shí)不盡相同。對(duì)于不同電平的轉(zhuǎn)換電路或輸入、輸出電路的電位需要分開時(shí)，采用光電耦合器就顯得十分方便了。 圖a與b圖示電路，就是5V電源的TTL集成電路與15V電源的HTL集成電路，相互連接進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的基本電路。l圖a中，TTL門電路導(dǎo)通時(shí)，即輸出低電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通，光電三極管輸出高電平；TTL門電路截止時(shí)，發(fā)光二極管截止，光電三極管輸出低電平。l圖b中，則是利用TTL截止輸出高電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通，光電三極管輸出低電平；TTL導(dǎo)通輸出低電平，發(fā)光二極管截止，光電三極管輸出高電平。l在進(jìn)行具體應(yīng)用時(shí)，因CMOS集成電路在低電平時(shí)的電流只有

23、12mA，難以直接驅(qū)動(dòng)所接的負(fù)載，故一般需加一級(jí)三極管放大電路來驅(qū)動(dòng)。2、組成開關(guān)電路、組成開關(guān)電路 圖1電路中，當(dāng)輸入信號(hào)ui為低電平時(shí)，晶體管V1處于截止?fàn)顟B(tài)，光電耦合器B1中發(fā)光二極管的電流近似為零，輸出端Q11、Q12間的電阻很大，相當(dāng)于開關(guān)“斷開”；當(dāng)ui為高電平時(shí)，v1導(dǎo)通，B1中發(fā)光二極管發(fā)光，Q11、Q12間的電阻變小，相當(dāng)于開關(guān)“接通”該電路因Ui為低電平時(shí)，開關(guān)不通，故為高電平導(dǎo)通狀態(tài)同理，圖2電路中，因無信號(hào)(Ui為低電平)時(shí)，開關(guān)導(dǎo)通，故為低電平導(dǎo)通狀態(tài) 3、組成邏輯門電路、組成邏輯門電路 電路為“與門邏輯電路。其邏輯表達(dá)式為P=AB.圖中兩只光電耦合器串聯(lián)，只有當(dāng)輸入

24、邏輯電平A=1、B=1時(shí)，輸出P=1同理，還可以組成“或門”、“與非門”、“或非門等邏輯電路 4.4 CCDlCCD是一種電荷耦合器件(Charge Coupled Device)lCCD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)。lCCD的基本功能是電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。lCCD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。CCD的結(jié)構(gòu)lMOS 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l在柵極加正偏壓之前，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

25、的。型半導(dǎo)體中的空穴多子的分布是均勻的。l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。l當(dāng)當(dāng)UG Uth時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)變得非常高，以致于將半導(dǎo)體時(shí)，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢(shì)變得非常高，以致于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子內(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。l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(chǔ)電荷的功能。結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)電荷的功能。電荷存儲(chǔ)電荷的轉(zhuǎn)移耦合）電荷的轉(zhuǎn)移耦合）電荷的轉(zhuǎn)移耦合）電荷的轉(zhuǎn)移耦合）l第一個(gè)電極保持

26、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(shì)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(shì)阱所共有。l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(shì)阱中。這樣，深勢(shì)阱及電荷包向右移動(dòng)了一個(gè)位置。lCCD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，1m的間隙長度是足夠了。l主要由三部分組成：信號(hào)輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號(hào)輸出。l輸入部分：將信號(hào)電荷引入到的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵極下的勢(shì)阱中，稱為電荷注入。l電荷注入的方法主要有兩類：光注入和電注入l電注入：用

27、于濾波、延遲線和存儲(chǔ)器等應(yīng)用的情況下。通過輸入二極管給輸入柵極施加電壓。l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(shì)阱中形成信號(hào)電荷。的工作原理P-Si輸入柵輸入二極管輸出二極管輸出柵SiO2電注入電注入機(jī)構(gòu)由一個(gè)輸入二極管和一個(gè)或幾個(gè)輸入柵構(gòu)成。它可以將信號(hào)電壓轉(zhuǎn)換為勢(shì)阱中等效的電荷包，即給輸入柵施加適當(dāng)?shù)碾妷海谄湎旅姘雽?dǎo)體表面形成一個(gè)耗盡層。如果這時(shí)在緊靠輸入柵的第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵上施以更高的電壓，則在它下面便形成一個(gè)更深的耗盡層。這個(gè)耗盡層就相當(dāng)于一個(gè)“通道”，受輸入信號(hào)調(diào)制的電

28、荷包就會(huì)從輸入二極管經(jīng)過“通道流入第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中，完成輸入過程；也可將信號(hào)加在柵上，通過信號(hào)調(diào)制控制柵下通道進(jìn)行注入。光注入光注入l光注入是攝像器件采取的唯一的注入方式。這時(shí)，輸入二極管由光敏元代替。固體圖像器件的光敏元主要有：光電導(dǎo)體、MOS二極管、PN結(jié)光電二極管和肖特基勢(shì)壘光電二極管。l攝像時(shí)光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，多數(shù)載流子進(jìn)入耗盡區(qū)以外的襯底，然后通過接地消失，少數(shù)載流子便被收集到勢(shì)阱中成為信號(hào)電荷。當(dāng)輸入柵開啟后，第一個(gè)轉(zhuǎn)移柵上加以時(shí)鐘電壓時(shí)，這些代表光信號(hào)的少數(shù)載流子就會(huì)進(jìn)入到轉(zhuǎn)移柵下的勢(shì)阱中，完成光注入過程。信號(hào)轉(zhuǎn)移部分信號(hào)轉(zhuǎn)移部分l信號(hào)轉(zhuǎn)移

29、部分由一串緊密排列的MOS電容器構(gòu)成，根據(jù)電荷總是要向最小位能方向移動(dòng)的原理工作的。信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移時(shí)，只要轉(zhuǎn)移前方電極上的電壓高，電極下的勢(shì)阱深，電荷就會(huì)不斷地向前運(yùn)動(dòng)。l通常是將重復(fù)頻率相同、波形相同并且彼此之間有固定相位關(guān)系的多相時(shí)鐘脈沖分組依次加在CCD轉(zhuǎn)移部分的電極上，使電極上的電壓按一定規(guī)律變化，從而在半導(dǎo)體表面形成一系列分布不對(duì)稱的勢(shì)阱。輸出部分輸出部分l輸出部分由輸出二極管、輸出柵和輸出耦合電路組成，作用是將CCD最后一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下勢(shì)阱中的信號(hào)電荷引出。l最簡單的輸出電路是通過二極管檢出，輸出柵采用直流偏置；輸出二極管處于反向偏置狀態(tài)，到達(dá)最后一個(gè)轉(zhuǎn)移柵下的電荷包通過輸出柵下的“通道

30、”，到達(dá)反向偏置的二極管并檢出，從而產(chǎn)生一個(gè)尖峰波形，此波形受偏置電阻R)、寄生電容C及電荷耦合器件工作頻率的影響。 CCD的輸出電路和輸入電路一樣重要，它們決定了整個(gè)CCD器件的噪聲幅值。由于CCD是低噪聲器件，因此選擇和設(shè)計(jì)好CCD輸入和輸出電路，對(duì)于提高器件的信噪比和增大動(dòng)態(tài)范圍有著決定性的影響。l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(shì)阱。勢(shì)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)。l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CC

31、D中含的MOS個(gè)數(shù)即為CCD的像數(shù)。l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。的工作原理CCDCCD的特點(diǎn)的特點(diǎn)l體積小，功耗低，可靠性高，壽命長。l空間分辨率高，可以獲得很高的定位精度和測量精度。l光電靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，紅外敏感性強(qiáng)，信噪比高 。l高速掃描，基本上不保留殘象(電子束攝象管有1520的殘象)l集成度高l可用于非接觸精密尺寸測量系統(tǒng)。l無像元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。l有數(shù)字掃描能力。象元的位置可由數(shù)字代碼確定，

32、便于與計(jì)算機(jī)結(jié)合接口。CCD的特性參數(shù)l像素?cái)?shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等l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）l信噪比：典型值為46分貝l感光范圍 可見光、紅外l CCD按電荷存儲(chǔ)的位置分有兩種基本類型l1、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)鬏攍 表面溝道CCD(簡稱SCCD)。l2、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，l 體溝道或埋溝道器件(簡稱BCCD)。的類型的類型的類型的類型l線陣：光敏元排列為一行的稱為線陣，象元數(shù)從12

33、8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。l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。l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13英寸、l2英寸、23英寸以至1英寸之分。線陣CCD：一行，掃描；體積小，價(jià)格低；面陣CCD: 整幅圖像；直觀；價(jià)格高，體積大；面陣面陣CCDCCD芯片芯片CCD在檢測方面的應(yīng)用1、文字閱讀與圖像識(shí)別CCD線陣成像器件可用于文字閱讀和圖像識(shí)別等。工作時(shí)將紙張或圖像放在傳送帶上，線陣CCD光敏元排列的方向與紙或圖像運(yùn)動(dòng)方向垂直，光學(xué)鏡頭把數(shù)字或圖像聚焦在光敏元上，當(dāng)傳送帶

34、運(yùn)動(dòng)時(shí)，CCD成像器即可以逐行掃描的方式將圖像讀出，最后顯示或經(jīng)細(xì)化處理與計(jì)算機(jī)中所存儲(chǔ)的圖像特點(diǎn)進(jìn)行比較，以便識(shí)別。 類似的系統(tǒng)可用于貨幣識(shí)別、條碼識(shí)別、傳真機(jī)、郵政編碼的信封分檢等。2、圖形輪廓測繪系統(tǒng)3、幾何量測量自動(dòng)步槍激光模擬射擊系統(tǒng)。4、光譜測量光譜儀輸出信號(hào)測量。4、5光熱輻射檢測器件光熱輻射檢測器件l工作原理：是基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)而制成的器件。l熱效應(yīng)：器件吸收入射輻射產(chǎn)生溫升引起材料物理性質(zhì)的變化，輸出電信號(hào)。l熱電傳感器件：是將入射到器件上的輻射能轉(zhuǎn)換成熱能，然后將熱能轉(zhuǎn)換成電能的器件。熱探測器光電轉(zhuǎn)換的過程分為兩步：第一步：是熱探測器吸收紅外輻射引起溫升，這

35、一步對(duì)各種熱探測器都一樣；第二步：利用熱探測器某些溫度效應(yīng)把溫升轉(zhuǎn)換為電量的變化。l熱探測器件又稱為無選擇性探測器對(duì)全波長有相同的響應(yīng)率）l特點(diǎn)：工作時(shí)不需要制冷，光譜響應(yīng)無波長選擇性等。l分類：熱敏電阻、熱電偶檢測器、熱釋電器件熱探測器與前面講述的各種光電器件相比具有下列特性：響應(yīng)率與波長無關(guān)，屬于無選擇性探測器；受熱時(shí)間常數(shù)熱慣性的制約，響應(yīng)速度比較慢；熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低；可在室溫下工作。熱敏電阻熱敏電阻定義：凡吸收入射輻射后引起溫升而使電阻改變，導(dǎo)致負(fù)載電阻兩端電壓的變化，并給出電信號(hào)的器件。熱敏電阻有金屬和半導(dǎo)體兩種。金屬熱敏電阻，電阻溫度系數(shù)多為正，絕對(duì)值比半

36、導(dǎo)體的小，它的電阻與溫度的關(guān)系基本上是線性的，耐高溫能力較強(qiáng)，所以多用于溫度的模擬測量。半導(dǎo)體熱敏電阻，電阻溫度系數(shù)多為負(fù)的，絕對(duì)值比金屬大十多倍，它的電阻與溫度的關(guān)系是非線性的，耐高溫能力差，所以多用于輻射探測，如防盜報(bào)警、防火系統(tǒng)、熱輻射體搜索和跟蹤等。金屬熱敏電阻的特點(diǎn)：熱敏電阻的溫度系數(shù)大，靈敏度高。結(jié)構(gòu)簡單，體積小，可測量近似幾何點(diǎn)的溫度。電阻率高，熱慣性小，適宜作動(dòng)態(tài)測量。阻值與溫度的變化關(guān)系呈非線性。不足之處是穩(wěn)定性和互換性較差。半導(dǎo)體熱敏電阻半導(dǎo)體熱敏電阻l大多數(shù)半導(dǎo)體熱敏電阻由各種氧化物按一定比例混合，經(jīng)高溫?zé)Y(jié)而成。l多數(shù)熱敏電阻具有負(fù)的溫度系數(shù)，即當(dāng)溫度升高時(shí)，其電阻值下

37、降，同時(shí)靈敏度也下降。l由于熱敏電阻的晶格吸收，對(duì)任何能量的輻射都可以使晶格振動(dòng)加劇，只是吸收不同波長的輻射，晶格振動(dòng)加劇的程度不同。因此熱敏電阻無選擇性的吸收各種波長的輻射，可以 說它是一種無選擇性的光敏電阻。l熱敏電阻的結(jié)構(gòu)看書62） 輻射熱敏電阻裝入金屬殼內(nèi)，通常把二個(gè)性能相似的熱敏電阻一起裝入，一個(gè)是工作元件，接收輻射；另一個(gè)是環(huán)境溫度補(bǔ)償用的元件，這兩個(gè)元件有相同的導(dǎo)熱參數(shù)，為了保證相同的環(huán)境條件，兩個(gè)元件盡可能地靠近。否則補(bǔ)償效果就差些，補(bǔ)償元件不能接受輻射，通常用硅橡膠灌封把它掩蓋起來。熱敏電阻的應(yīng)用熱敏電阻的應(yīng)用 熱敏電阻也可作為電子線路元件用于儀表線路溫度補(bǔ)償和溫差電偶冷端溫

38、度補(bǔ)償?shù)取＠肗TC熱敏電阻的自熱特性可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制,構(gòu)成RC振蕩器穩(wěn)幅電路,延遲電路和保護(hù)電路。 在自熱溫度遠(yuǎn)大于環(huán)境溫度時(shí)阻值還與環(huán)境的散熱條件有關(guān)，因此在流速計(jì)、流量計(jì)、氣體分析儀、熱導(dǎo)分析中常利用熱敏電阻這一特性,制成專用的檢測元件。PTC熱敏電阻主要用于電器設(shè)備的過熱保護(hù)、無觸點(diǎn)繼電器、恒溫、自動(dòng)增益控制、電機(jī)啟動(dòng)、時(shí)間延遲、彩色電視自動(dòng)消磁、火災(zāi)報(bào)警和溫度補(bǔ)償?shù)确矫妗?熱電偶檢測器熱電偶檢測器l熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，熱電偶工作原理是基熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一，熱電偶工作原理是基于賽貝克于賽貝克(seeback)效應(yīng)效應(yīng),即兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連

39、接成回路，即兩種不同成分的導(dǎo)體兩端連接成回路，如兩連接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。如兩連接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。l熱電偶的優(yōu)點(diǎn)：熱電偶的優(yōu)點(diǎn)： 測量精度高。因熱電偶直接與被測對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影測量精度高。因熱電偶直接與被測對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。響。 測量范圍廣。常用的熱電偶從測量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可測量，某些特殊均可測量，某些特殊熱電偶最低可測到熱電偶最低可測到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800（如（如鎢鎢-錸）。錸）。 構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和接頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。而且不受大小和接頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。 熱電偶的工作原理熱電偶的工作原理 l兩種不同成份的導(dǎo)體稱為熱電偶絲材或熱電極兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端