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1、第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学第四章第四章 发光、耦合和成像器件发光、耦合和成像器件4.1发光二极管发光二极管4.2激光器激光器4.3光电耦合器件光电耦合器件4.4CCD第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学4.1 发光二极管发光二极管发光二极管（发光二极管（LED）的类型）的类型发光二极管的原理发光二极管的原理发光二极管的特性发光二极管的特性发光二极管的应用发光二极管的应用第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学4.2 激光器激光器激光器的激光器的结构与原理结构与原理激光器的种类激光器的种类激光器的特性参数激光器的
2、特性参数激光器在光电检测方激光器在光电检测方面的应用面的应用第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学激光器的原理激光器的原理受激辐射受激辐射：激光是受激：激光是受激辐射的光放大。辐射的光放大。粒子数反转粒子数反转增益大于损耗增益大于损耗激光器由三部分组成激光器由三部分组成：激活介质，谐振腔和激激活介质，谐振腔和激发源。发源。激光具有激光具有：单色性，方：单色性，方向性，高亮度，相干性。向性，高亮度，相干性。激发源激活介质第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学激光器的特性参数激光器的特性参数功率（平均峰值），能量功率（平均峰值），能量波长，频率，线宽
3、波长，频率，线宽脉冲宽度，重复频率脉冲宽度，重复频率光斑直径，发散角，平方因子光斑直径，发散角，平方因子模式，波长可调谐性模式，波长可调谐性稳定性（波长频率功率能量方稳定性（波长频率功率能量方向等），寿命，光电效率向等），寿命，光电效率第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学激光器的类型激光器的类型气体、固体、半导体激光器气体、固体、半导体激光器紫外、可见和红外激光器紫外、可见和红外激光器连续、准连续和脉冲激光器连续、准连续和脉冲激光器单频、单模激光器单频、单模激光器可调谐激光器可调谐激光器超短脉冲激光器超短脉冲激光器第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江
4、工业大学He-Ne激光器的基本结构形式气体激光器气体激光器n光束质量好，线宽窄，光束质量好，线宽窄，相干性好，谱线丰富。相干性好，谱线丰富。n效率低，能耗高，寿效率低，能耗高，寿命较短，体积大。命较短，体积大。n原子原子（氦氖）激光（氦氖）激光器，器，离子离子（氩，氪，（氩，氪，金属蒸汽）激光器，金属蒸汽）激光器，分子分子（CO2,CO,准分准分子子)激光器。激光器。第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学固体激光器固体激光器运行方式多样：连续，脉冲，调，锁模运行方式多样：连续，脉冲，调，锁模等，可以获得高平均功率，高重复率，高等，可以获得高平均功率，高重复率，高脉冲能量
5、，高峰值功率激光；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；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；结构紧凑，寿命较长，稳定可靠；Nd:YAG，红宝石，钕玻璃激光器。，红宝石，钕玻璃激光器。第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学固体激光晶体棒固体激光晶体棒第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学固体激光实验装置固体激光实验装置第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学微型固体激光器微型固体激光器第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学半导体激光器半导体激光器
6、体积小，效率高，能耗低，寿命长，稳定体积小，效率高，能耗低，寿命长，稳定可靠；可靠；线宽较宽，波长可调谐，能产生超短脉冲，线宽较宽，波长可调谐，能产生超短脉冲，直接高频调制；直接高频调制；可批量生产，单片集成；可批量生产，单片集成；发散角大，温度特性差，容易产生噪声。发散角大，温度特性差，容易产生噪声。第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学半导体激光器半导体激光器第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学半导体激光器电源半导体激光器电源第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学白光激光器白光激光器第三章 光电检测器件光电检测技术及
7、应用浙江工业大学浙江工业大学激光器在光电检测中的应用激光器在光电检测中的应用激光测距，测长，测平面度等激光测距，测长，测平面度等激光大气污染检测激光大气污染检测激光检测激光检测激光海洋探测激光海洋探测激光制导激光制导激光雷达激光雷达激光干涉测量（探伤）激光干涉测量（探伤）激光全息测量激光全息测量第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学4.3 光电耦合器件光电耦合器件定义定义：发光器件与光接受器件的组合器件。：发光器件与光接受器件的组合器件。类型类型：光光电电耦耦合合隔隔离离器器：在在电电路路之之间间传传递递信信息息，又能实现电路间的电气隔离和消除噪声。又能实现电路间的电气
8、隔离和消除噪声。光光传传感感器器：用用于于检检测测物物体体的的位位置置或或物物体体有有无的状态。无的状态。发光器件发光器件：LED，LD，灯等灯等光接受器件光接受器件：光电二极管三极管，光电：光电二极管三极管，光电池，光敏电阻。池，光敏电阻。第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学工作原理与特点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。气绝缘性，信号通过光传输。特点：特点：具有电隔离（具有电隔离（10101010 10 101212欧姆）功能；欧姆）功能；信号传输单向（脉冲或
9、直流），适用于模拟数字信号；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；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，响应速度快（微纳秒，直流兆赫兹），体积小，寿命长，使用方便；寿命长，使用方便；既有耦合特性，又有隔离功能；既有耦合特性，又有隔离功能；第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用代代替替脉脉冲冲变变压压器器耦耦合合从从零零到到几几兆兆赫赫兹兹的的信信号号，失真小；失真小；代替继电器使用，做光电开关用；代替继电器使用，做光电开关用；把把不不同同电电位位的的两两组组电电路路互互连连，完
10、完成成电电平平匹匹配配和电平转移；和电平转移；作作为为计计算算机机主主机机与与输输入入输输出出端端的的接接口口，大大大提高计算机的可靠性；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。在稳压电源中作为过流保护器件，简单可靠。第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学光电位置敏感器件（光电位置敏感器件（PSD）PSDPSD用于测量光斑的位置或位置的移用于测量光斑的位置或位置的移动量动量光束入射光敏层光束入射光敏层, ,在入射位置产生与在入射位置产生与入射辐射成正比的信号电荷入射辐射成正比的信号电荷, ,该电荷该电荷形成的光电流形成的光电流(I(I1 ,1 ,
11、I I2 2) )由信号电极由信号电极1 1和和2 2输出，为公共电极输出，为公共电极X X: : 位置信号位置信号I I0 0 = I = I1 1 + I+ I2 2 L光LxAI1I2I0层i 层层发光耦合和成像器课件第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学4.4 CCDCCD是一种电荷耦合器件是一种电荷耦合器件(Charge Coupled Device)CCD的突出特点：是以的突出特点：是以电荷电荷作为信号，而不同于其作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。它大多数器件是以电流或者电压为信号。CCD的基本功能是的基本功能是电荷的存储和电荷的转移电
12、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、工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。传输和检测。第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学CCD的结构的结构MOS 光敏元：光敏元：构成构成CCD的基本单元是的基本单元是MOS(金属金属氧化物氧化物半导体半导体)结构。结构。（型层）（型层）电极电极第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学电荷存储电荷存储在栅极加正偏压之前，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。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
13、，耗尽区向内延伸。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体内的电子(少子少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。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反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。结构存储电荷的功能。第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学电荷的转移（耦合）电荷的转移（耦合）第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学电荷的转移（耦合）
14、电荷的转移（耦合）第一个电极保持第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由，第二个电极上的电压由2V变到变到10V，因这两个电极靠得很紧，因这两个电极靠得很紧(间隔只有间隔只有几微米几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下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。势阱所共有。若此后第一个电极电压由若此后第一个电极电压由10V变为变为2V，第二个，第二个电极电压仍为电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右
15、移动了一个位置。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。的间隙长度是足够了。第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学CCD的工作原理的工作原理CCD主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。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，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
16、电荷注入。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。施加电压。光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射CCD硅硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子片时，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。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
17、输入二极管输出二极管输出栅SiO2第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学CCD的工作原理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。信号。为了实现电荷的定向转移，在为了实现电荷的定向转移，在CCDCCD的的MOSMOS阵列上划分成以
18、阵列上划分成以几个相邻几个相邻MOSMOS电荷为一单元的循环结构。一位电荷为一单元的循环结构。一位CCDCCD中含的中含的MOSMOS个数即为个数即为CCDCCD的像数。的像数。以电子为信号电荷的以电子为信号电荷的CCDCCD称为称为N N型沟道型沟道CCDCCD，简称为，简称为N N型型CCDCCD。而以空穴为信号电荷的而以空穴为信号电荷的CCDCCD称为称为P P型沟道型沟道CCDCCD，简称为，简称为P P型型CCDCCD。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此N N型型CCDCCD比比P P型型CCDCCD的工作频率高得多。的工作频率高得多。
19、第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学CCD的特点的特点体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。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。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，基本上不保留残象高速扫描，基本上不保留残象( (电子束摄象管有电子束摄象管有15-2015-20的残象的残象) )集成度高集成度高可用于非接触精密尺寸测量系统。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。无像元烧伤、扭曲，不受电
20、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。与计算机结合接口。第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学CCD的特性参数的特性参数像素数量，像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等尺寸，最低照度，信噪比等像素数是指像素数是指CCD上感光元件的数量。上感光元件的数量。44万万（768*576）、）、100万（万（1024*1024）、）、200万万（1600*1200）、）、600万（万（2832*2128）信噪比：典型值为信噪比：典型值为46分贝分贝感光范围感光范围 可见光、红外可见光、红外第三章
21、 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学 CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型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电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输面，并沿界面传输 表面沟道表面沟道CCD(简称简称SCCD)。(2) 电荷包存储在离半导体表面一定深度的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，体内，并在半导体体内沿一定方向传输， 体沟道或埋沟道器件体沟道或埋沟道器件(简称简称BCCD)。CCD的类型的类型第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学CCD的类型的类型线线阵阵：
22、光光敏敏元元排排列列为为一一行行的的称称为为线线阵阵，象象元元数数从从128位位至至5000位位以以至至7000位位不不等等，由由于于生生产产厂厂家家象象元元数数的的不不同同，市市场场上上有有数数十十种种型型号号的的器器件件可供选用。可供选用。面面阵阵CCD：器器件件象象元元排排列列为为一一平平面面，它它包包含含若若干干行和列的结合。行和列的结合。目目前前达达到到实实用用阶阶段段的的象象元元数数由由25万万至至数数百百万万个个不不等等，按按照照片片子子的的尺尺寸寸不不同同有有13英英寸寸、l2英英寸寸、23英寸以至英寸以至1英寸之分。英寸之分。第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学线阵线阵线阵线阵CCDCCD：一行，扫描；体积小，价格低；：一行，扫描；体积小，价格低；：一行，扫描；体积小，价格低；：一行，扫描；体积小，价格低；面阵面阵面阵面阵CCD: CCD: 整幅图像；直观；价格高，体积大；整幅图像；直观；价格高，体积大；整幅图像；直观；价格高，体积大；整幅图像；直观；价格高，体积大；面阵面阵CCD芯片芯片第三章 光电检测器件光电检测技术及应用浙江工业大学浙江工业大学CCD在检测方面的应用在检测方面的应用几何量测量几何量测量自动步枪激光模拟射击系统。自动步枪激光模拟射击系统。光谱测量光谱测量光谱仪输出信号测量。光谱仪输出信号测量。
