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1、第四章 发光、耦合和成像器件,4.1发光二极管 4.2激光器 4.3光电耦合器件 4.4CCD,4.1 发光二极管,发光二极管（LED）的类型 发光二极管的原理 发光二极管的特性 发光二极管的应用,4.2 激光器,激光器的结构与原理 激光器的种类 激光器的特性参数 激光器在光电检测方面的应用,激光器的原理,受激辐射：激光是受激辐射的光放大。 粒子数反转 增益大于损耗 激光器由三部分组成：激活介质，谐振腔和激发源。 激光具有：单色性，方向性，高亮度，相干性。,激光器的特性参数,功率（平均峰值），能量 波长，频率，线宽 脉冲宽度，重复频率 光斑直径，发散角，平方因子 模式，波长可调谐性 稳定性（波
2、长频率功率能量方向等），寿命，光电效率,激光器的类型,气体、固体、半导体激光器 紫外、可见和红外激光器 连续、准连续和脉冲激光器 单频、单模激光器 可调谐激光器 超短脉冲激光器,He-Ne激光器的基本结构形式,气体激光器,光束质量好，线宽窄，相干性好，谱线丰富。 效率低，能耗高，寿命较短，体积大。 原子（氦氖）激光器，离子（氩，氪，金属蒸汽）激光器，分子（CO2,CO,准分子)激光器。,固体激光器,运行方式多样：连续，脉冲，调，锁模等，可以获得高平均功率，高重复率，高脉冲能量，高峰值功率激光； 主要在红外波段工作，采用光学泵浦方式； 结构紧凑，寿命较长，稳定可靠； Nd:YAG，红宝石，钕玻璃
3、激光器。,固体激光晶体棒,固体激光实验装置,微型固体激光器,半导体激光器,体积小，效率高，能耗低，寿命长，稳定可靠； 线宽较宽，波长可调谐，能产生超短脉冲，直接高频调制； 可批量生产，单片集成； 发散角大，温度特性差，容易产生噪声。,半导体激光器,半导体激光器电源,白光激光器,激光器在光电检测中的应用,激光测距，测长，测平面度等 激光大气污染检测 激光检测 激光海洋探测 激光制导 激光雷达 激光干涉测量（探伤） 激光全息测量,4.3 光电耦合器件,定义：发光器件与光接受器件的组合器件。 类型： 光电耦合隔离器：在电路之间传递信息，又能实现电路间的电气隔离和消除噪声。 光传感器：用于检测物体的位
4、置或物体有无的状态。 发光器件：LED，LD，灯等 光接受器件：光电二极管三极管，光电池，光敏电阻。,工作原理与特点,发光器件与光接受器件封装一体，但不接触，有很强的电气绝缘性，信号通过光传输。 特点： 具有电隔离（1010 1012欧姆）功能； 信号传输单向（脉冲或直流），适用于模拟数字信号； 具有抗干扰和噪声能力； 响应速度快（微纳秒，直流兆赫兹），体积小，寿命长，使用方便； 既有耦合特性，又有隔离功能；,光电耦合器件的应用,代替脉冲变压器耦合从零到几兆赫兹的信号，失真小； 代替继电器使用，做光电开关用； 把不同电位的两组电路互连，完成电平匹配和电平转移； 作为计算机主机与输入输出端的接口
5、，大大提高计算机的可靠性； 在稳压电源中作为过流保护器件，简单可靠。,光电位置敏感器件（PSD）,PSD用于测量光斑的位置或位置的移动量 光束入射光敏层,在入射位置产生与入射辐射成正比的信号电荷,该电荷形成的光电流(I1 , I2)由信号电极1和2输出，为公共电极 X: 位置信号 I0 = I1 + I2,发光耦合和成像器课件,4.4 CCD,CCD是一种电荷耦合器件(Charge Coupled Device) CCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。 CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和
6、检测。,CCD的结构,MOS 光敏元：构成CCD的基本单元是MOS(金属氧化物半导体)结构。,（型层）,电极,电荷存储,在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。 加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。 当UG Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子(少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。 反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。,电荷的转移（耦合）,电荷的转移（耦合）,第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一
7、起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。 若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。 CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD，1m的间隙长度是足够了。,CCD的工作原理,CCD主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。 输入部分：将信号电荷引入到的第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。 电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入 电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。 光注入：用于摄像机。用光敏
8、元件代替输入二极管。当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。,P-Si,输入,栅,输入二极管,输出二极管,输出,栅,SiO2,CCD的工作原理,在栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压，则在半导体表面形成不同深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷，其深度同步于信号电压变化，使阱内信号电荷沿半导体表面传输，最后从输出二极管送出视频信号。 为了实现电荷的定向转移，在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的循环结构。一位CCD中含的MOS个数即为CCD的像数。 以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道
9、CCD，简称为N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD，简称为P型CCD。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此N型CCD比P型CCD的工作频率高得多。,CCD的特点,体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。 空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。 光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高 。 高速扫描，基本上不保留残象(电子束摄象管有15-20的残象) 集成度高 可用于非接触精密尺寸测量系统。 无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。 有数字扫描能力。象元的位置可由数字代码确定，便于与计算机结合接口。,CCD的特性参数,像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等 像素数是
10、指CCD上感光元件的数量。44万（768*576）、100万（1024*1024）、200万（1600*1200）、600万（2832*2128） 信噪比：典型值为46分贝 感光范围 可见光、红外,CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型: (1) 电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输 表面沟道CCD(简称SCCD)。 (2) 电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输， 体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)。,CCD的类型,CCD的类型,线阵：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从128位至5000位以至7000位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的器件可供选用。 面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。 目前达到实用阶段的象元数由25万至数百万个不等，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。,线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低；面阵CCD: 整幅图像；直观；价格高，体积大；,面阵CCD芯片,CCD在检测方面的应用,几何量测量 自动步枪激光模拟射击系统。 光谱测量 光谱仪输出信号测量。,
