光电检测郭培源课件

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1、第四章 发光、耦合和成像器件4.14.1发光二极管发光二极管4.24.2激光器激光器4.34.3光电耦合器件光电耦合器件4.44.4CCDCCD4.5 4.5 光热辐射检测器件光热辐射检测器件光电检测郭培源发光器件发光器件根据光源的频谱宽度情况，可分为相干光源（激光）和非相干光源。l相干光源的波长范围极窄，又可称为近单色光源，也就是激光。l非相干光源是除激光光源以外的其他光源。光电检测郭培源非相干光源大部分是以通电而发光的光源。因而又称为光电源。具体可将光电源分为三种：l热辐射光源（白炽灯、卤钨灯等）；l气体放电光源（汞灯、脉冲氙灯等）；l固体发光光源（发光二极管等）。光电检测郭培源4.1 发

2、光二极管l发光二极管（LED）的类型l发光二极管的原理l发光二极管的特性l发光二极管的应用光电检测郭培源l发光二极管是少数载流子在PN结区的注入与复合而产生发光的一种半导体光源，也称注入式场致发光光源。l发光二极管属于结型电致发光器件，都是能把电能直接转换为光能的半导体器件。发光二极管（LED）的类型从结构上分有五种类型：l表面发光二极管（SLED）l侧面发光二极管（ELED）l平面LEDl圆顶型LEDl超发光LED光电检测郭培源发光二极管的图片发光二极管的图片光电检测郭培源发光二极管的原理发光二极管的原理l实际上发光二极管就是一个由P型和N型半导体组成的二极管。l在PN结附近，N型材料中的多

3、数载流子是电子，P型材料中的多数载流子是空穴，PN结上未加电压时构成一定的势垒，当加上正向偏压时，在外电场作用下，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在PN结附近产生导带电子和价带空穴的复合。一个电子和一个空穴对每一次复合，将释放出与材料性质有关的一定复合能量，这个能量会以热能、光能、或部分热能和部分光能的形式辐射出来。l在LED中，向各个方向发出的光是自发发射的。光电检测郭培源发光二极管的特性发光二极管的特性l光谱特性发光二极管的发光光谱直接决定着它的发光颜色。根据半导体材料的不同，目前能制造出红、橙、黄、绿、蓝、红外等各种颜色的发光二极管。l响应时间响应时间是

4、指注入电流后发光二极管启亮（上升）或熄灭（衰减）的时间。发光二极管的上升时间随着电流的增大近似地成指数减小。响应时间是表示反应速度的一个重要参数，尤其在脉冲驱动或电调制时显得十分重要。发光二极管可利用交流供电或脉冲供电获得调制光或脉冲光调制频率可达到几十兆赫。光电检测郭培源发光二极管的应用发光二极管的应用l数字、文字及图像显示l指示、照明单个发光二极管还可做仪器指示灯、示波器标尺、收音机刻度及钟表中的文字照明；目前已有双色、多色甚至变色的单个发光二极管。l光源红外发光二极管多用于光纤通信与光纤传感器；LED作为信号光源多用于光电尺寸测量等的光电检测系统中。l光电开关、报警、遥控、耦合光电检测郭

5、培源发光二极管的优点：发光二极管的优点：l属于低电压，小电流器件，在室温下即可得到足够的亮度（一般为3000cd/平方米以上）；l发光响应速度快；l性能稳定，寿命长；l驱动简单，易于和集成电路匹配；l与普通光源相比，单色性好，其发光脉冲的半宽度一般为几十纳米；l重量轻，体积小，耐冲击。光电检测郭培源4.2 激光器l激光器的结构与原理l激光器的种类l激光器的特性参数l激光器在光电检测中的应用光电检测郭培源激光原理激光原理1、自发辐射、受激吸收和受激辐射、自发辐射、受激吸收和受激辐射 爱因斯坦提出，光与原子二能级系统相互作用，可能爱因斯坦提出，光与原子二能级系统相互作用，可能有有3种跃迁过程：自发

6、辐射、受激吸收和受激辐射。种跃迁过程：自发辐射、受激吸收和受激辐射。 自发辐射过程中，原子开始处于高能态自发辐射过程中，原子开始处于高能态E2，它自发地，它自发地从高能态跃迁至低能态从高能态跃迁至低能态E1，并发射频率为（，并发射频率为（E2-E1)/h的光子。的光子。 普通光源的发光为自发辐射，每次辐射之间相互独立，普通光源的发光为自发辐射，每次辐射之间相互独立，没有一定的相位关系，所以是不相干的。没有一定的相位关系，所以是不相干的。光电检测郭培源受激吸收受激吸收 在受激吸收过程中，原子开始是处于低能态，在一个频在受激吸收过程中，原子开始是处于低能态，在一个频率为（率为（E2-E1)/h的入

7、射光子激发下，原子吸收了这个光的入射光子激发下，原子吸收了这个光子，跃迁至高能态。子，跃迁至高能态。受激辐射受激辐射 在受激辐射过程中，原子开始处于高能态，在一个频率在受激辐射过程中，原子开始处于高能态，在一个频率为（为（E2-E1)/h的入射光子激发下，原子从高能态跃迁至的入射光子激发下，原子从高能态跃迁至低能态，并发射低能态，并发射2个完全相同的光子，它们的频率、相个完全相同的光子，它们的频率、相位、偏振方向、传播方向皆相同，所以是相干的。位、偏振方向、传播方向皆相同，所以是相干的。 一个入射光子被放大为一个入射光子被放大为2个光子，若此过程继续，个光子，若此过程继续，2个光个光子将被放大

8、为子将被放大为4个光子，个光子，4个光子又被放大为个光子又被放大为8个光子个光子于是，入射光子的强度将成等比级数地于是，入射光子的强度将成等比级数地被放大。被放大。光电检测郭培源激光产生的必要条件激光产生的必要条件1）粒子数反转在热平衡条件下，原子按能级服从波尔兹曼分布，有n1n2（n1为低能级原子数，n2为高能级原子数）；但在非平衡态，就有可能使原子数按能级分布反转为n1n2，称这种分布为粒子数反转。这时，辐射将超过吸收。频率为（E2-E1)/h的入射光波，通过与原子系统相互作用，原子从高能态跃迁至低能态，受激辐射同频率的光，出射光强远大于入射光强，光强被放大了。光电检测郭培源激光产生的必要

9、条件激光产生的必要条件2、光泵上述受激辐射放大过程，显然将减少处于高能态的原子数，直至新的平衡态又重新建立，从而破坏粒子数发转状态。为了保持原子系统的粒子数反转状态，需要不断地将原子从低能态抽运到高能态，并将能量注入原子系统，以维持激光运转所必须的能量。这种将原子从低能态抽运至高能态的过程，称为光泵（opticalpumping)。光泵可以是电学的、化学的、热学的或光学的方法。光电检测郭培源激光产生的必要条件激光产生的必要条件3、谐振腔谐振腔的两个端面一个是全反射的，一个是部分透射的。在两端面之间的为激光物质，光在两端面之间来回反射。那些离轴传播的光子，很快就从腔体的侧面逃逸出去，只有那些沿着

10、轴向来回反射的光子，才可能在腔内来回反射多次，从而不断地产生受激辐射，使光子成等比级数地被放大，从部分反射镜端出射一束极强的、指向性和单色性极好的激光束。光电检测郭培源激光器的工作原理激光器的工作原理l受激辐射：激光是受激辐射的光放大。l产生激光的必要条件：1、粒子数反转（高能态的粒子数大于低能态的粒子数）2、增益大于损耗l激光具有：单色性，方向性，高亮度，相干性。l激光器由三部分组成：激活介质，谐振腔和激发源（泵浦源）。激发源激活介质光电检测郭培源激光器的工作原理激光器的工作原理常用的泵浦源是辐射源或电源，利用泵浦源能将工作物质中的粒子从低能态激发到高能态，使处于高能态的粒子数大于处于低能态

11、的粒子数，构成粒子数的反转分布，处于这一状态的原子或分子称为受激原子或分子。高能态粒子从高能态跃迁到低能态而产生辐射并通过受激原子时会感应出同相位、同频率的辐射。这些辐射在谐振腔的两平面之间来回传播形成震荡时，沿轴线来回反射的次数最多，它会激发出更多的辐射，从而使辐射能量放大。这样，受激和经过放大的辐射通过部分透射的平面镜输出到腔外，产生激光。光电检测郭培源激光器的特性参数激光器的特性参数l功率（平均峰值），能量l波长，频率，线宽l脉冲宽度，重复频率l光斑直径，发散角，平方因子l模式，波长可调谐性l稳定性（波长频率功率能量方向等），寿命，光电效率光电检测郭培源激光器的类型激光器的类型l气体、固

12、体、半导体激光器l紫外、可见和红外激光器l连续、准连续和脉冲激光器l单频、单模激光器l可调谐激光器l超短脉冲激光器光电检测郭培源He-Ne激光器的基本结构形式气体激光器l光束质量好，线宽窄，相干性好，谱线丰富。l效率低，能耗高，寿命较短，体积大。l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。光电检测郭培源氦氖激光器氦氖激光器l氦氖激光器是一种原子气体激光器，工作物质由氦气和氖气组成。l在激光器电极上施加几千伏电压使气体放电，在适当的条件下氦氖气体成为被激活的介质，如果在激光器的轴线上安装高反射比的多层介质膜反射镜作为谐振腔，则可获得激光输出。l氦氖激

13、光器可输出一毫瓦左右至数十毫瓦的连续光。l主要用于精密计量、全息技术、准直测量等场合。光电检测郭培源固体激光器固体激光器l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；l主要在红外波段工作，采用光学泵浦方式；l结构紧凑，寿命较长，稳定可靠；l工作物质：工作物质：具有特殊功能的高质量的光学玻璃或光学晶体，里面掺入具有发射激光能力的金属离子。l红宝石激光器输出波长为694.3nm脉冲红光。光电检测郭培源固体激光晶体棒固体激光晶体棒光电检测郭培源红宝石激光器包括类似相机闪光灯的闪光管、红宝石棒和两面反射镜（其中一面为半反射镜面）。红宝石棒是激光介质，

14、闪光管是泵激源。1、未发射状态的激光器红宝石激光器工作原理光电检测郭培源红宝石激光器工作原理红宝石激光器工作原理2.闪光管闪光并将光线射入红宝石棒。光线激发红宝石内的原子光电检测郭培源红宝石激光器工作原理红宝石激光器工作原理3.其中的部分原子释放出光子。光电检测郭培源红宝石激光器工作原理红宝石激光器工作原理4.部分光子沿红宝石轴的平行方向运动，因而在两块反光镜之间来回反弹。它们经过红宝石晶体时，还会继续激发其他原子。光电检测郭培源红宝石激光器工作原理红宝石激光器工作原理5.单色、单相柱状光线通过半反射镜射出红宝石棒，形成激光！光电检测郭培源固体激光实验装置固体激光实验装置光电检测郭培源微型固体

15、激光器（学生研发）微型固体激光器（学生研发）光电检测郭培源半导体激光器半导体激光器l工作物质是半导体材料，PN结就是激活物质。l体积小，质量轻、效率高，能耗低，寿命长，稳定可靠；l线宽较宽，波长可调谐，能产生超短脉冲，直接高频调制；l可批量生产，单片集成；l发散角大，温度特性差，容易产生噪声。l半导体激光器的波长为0.3344微米。l广泛的应用于光通信、光学测量、自动控制等方面，是最有前途的辐射源之一。光电检测郭培源半导体激光器半导体激光器p-n结电注入激发机理。若在形成了p-n结的半导体材料上加上正向偏压，p区接正极，n区接负极。显然，正向电压的电场与p-n结的自建电场方向相反，它削弱了自建

16、电场对晶体中电子扩散运动的阻碍作用，使n区中的自由电子在正向电压的作用下，又源源不断地通过p-n结向p区扩散，在结区内同时存在着大量导带中的电子和价带中的空穴时，它们将在注入区产生复合，当导带中的电子跃迁到价带时，多余的能量就以光的形式发射出来。这就是半导体场致发光的机理，这种自发复合的发光称为自发辐射。要使p-n结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入p-n结的电流足够大（如30000A/cm2）。这样在p-n结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。光电检测郭培源半导体激光器半导体激光器半导体

17、激光器结构。其外形及大小与小功率半导体三极管差不多，仅在外壳上多一个激光输出窗口。夹着结区的p区与n区做成层状，结区厚为几十微米，面积约小于1mm2。半导体激光器的光学谐振腔是利用与p-n结平面相垂直的自然解理面（110面）构成，它有35的反射率，已足以引起激光振荡。若需增加反射率可在晶面上镀一层二氧化硅，再镀一层金属银膜，可获得95以上的反射率。一旦半导体激光器上加上正向偏压时，在结区就发生粒子数反转而进行复合，则可激发激光。光电检测郭培源半导体激光器（自制）半导体激光器（自制）光电检测郭培源半导体激光器电源半导体激光器电源光电检测郭培源白白 光激光器光激光器光电检测郭培源激光的特性激光的特

18、性1、单色性、单色性光的波长范围越窄，单色性越好。光的波长范围越窄，单色性越好。2、方向性、方向性激光器的方向性一般用光束的发射角表示。激光器的方向性一般用光束的发射角表示。3、高亮度、高亮度激光器由于发光面小，发散角小，因此可获得高的光谱激光器由于发光面小，发散角小，因此可获得高的光谱辐射亮度。辐射亮度。4、相干性、相干性由于激光器的发光过程是受激辐射，单色性好，发射较由于激光器的发光过程是受激辐射，单色性好，发射较小，因此有很好的空间和时间相干性。小，因此有很好的空间和时间相干性。光电检测郭培源激光器在光电检测中的应用激光器在光电检测中的应用l激光测距，测长，测平面度等l激光大气污染检测l

19、激光检测l激光海洋探测l激光制导l激光雷达l激光干涉测量（探伤）l激光全息测量光电检测郭培源4.3 光电耦合器件在工业检测、电信号的传送处理和计算机系统中，常用继电器、脉冲变压器或复杂的电路来实现输入端、输出端装置于主机之间的隔离、开关、匹配、抗干扰等功能。继电器动作慢、有触点工作不可靠；变压器体积大、频率窄，所以它们都不是理想的部件。随着光电技术的发展，70年代以后出现了一种新的功能器件光电耦合器。光电检测郭培源光电耦合器件l定义：发光器件与光接收器件组合的一种器件，这种器件在信息的传输过程中是用光作媒介把输入端的电信号耦合到输出端，制成的具有信号传输功能的器件，也叫光耦合器。l类型：l光电

20、耦合隔离器：在电路之间传递信息，以便实现电路间的电气隔离和消除噪声。l光传感器：一种固体传感器，用于检测物体的位置或检测物体有无的状态。l发光器件：，灯等光接收器件：光电二极管三极管，光电池，光敏电阻。光电检测郭培源光电耦合器的结构示意图光电耦合器的结构示意图光电检测郭培源光电耦合器件的工作原理光电耦合器件的工作原理 结构：发光器件与光接收器件封装一体，发光器件与光电器件靠的很近，但不接触，发光器件与光电器件之间有很强的电气绝缘特性，绝缘电阻常高于兆欧量级。即光电耦合器件的发送端与接收端是电、磁绝缘，信号是通过光传输的。因此光电耦合器件具有脉冲变压器、继电器和开关电器的功能。工作原理：输入的电

21、信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。光电检测郭培源光电耦合器件的特点光电耦合器件的特点l特点：l具有电隔离（绝缘电阻欧姆）的功能；l信号传输是单向性的（脉冲或直流），适用于模拟数字信号；l具有抗干扰和噪声能力；l响应速度快（微纳秒，它可传输的信号频率在直流兆赫兹之间）；l体积小，寿命长，使用方便；l既有耦合特性，又有隔离功能；光电检测郭培源光电耦合器能很容易把不同电位的两组电路互连起来，圆满地完成电平匹配、电平转移等功能。光电耦合器的输入端的发光器件是电流驱动器件，通过光

22、与输出端耦合，抗干扰能力很强，在长线传输中用它作为终端负载时，可以大大提高信息在传输中的信噪比。光电检测郭培源光电耦合器件的特性参数光电耦合器件的特性参数l光电耦合器件的主要特性为传输特性与隔离特性。l电流传输比光电耦合器件的电流传输比：在直流工作状态下，将光电耦合器件的集电极电流与发光二极管的注入电流之比。l最高工作频率光电耦合器件的频率特性分别取决于发光器件与光电接收器件的频率特性。（由发光二极管与光电二极管组成的光电耦合器件的频率响应最高，最高工作频率接近于10MHz。最高工作频率与负载电阻的阻值有关。减小负载电阻会使光电耦合器件的最高工作频率增高。光电检测郭培源光电耦合器件的应用光电耦

23、合器件的应用l代替脉冲变压器耦合从零到几兆赫兹的信号，失真小；l代替继电器使用，做光电开关用；l把不同电位的两组电路互连，完成电平匹配和电平转移；l作为计算机主机与输入输出端的接口，大大提高计算机的可靠性；l在稳压电源中作为过电流保护器件，简单可靠。光电检测郭培源1、电平转换、电平转换在工业控制系统中所用的集成电路的电源电压和信号脉冲的幅度有时不尽相同。对于不同电平的转换电路或输入、输出电路的电位需要分开时，采用光电耦合器就显得十分方便了。图（a）与（b）图示电路，就是5V电源的TTL集成电路与15V电源的HTL集成电路，相互连接进行电平转换的基本电路。光电检测郭培源光电检测郭培源l图（a）中

24、，TTL门电路导通时，即输出低电平，发光二极管导通，光电三极管输出高电平；TTL门电路截止时，发光二极管截止，光电三极管输出低电平。l图（b）中，则是利用TTL截止输出高电平，发光二极管导通，光电三极管输出低电平；TTL导通输出低电平，发光二极管截止，光电三极管输出高电平。l在进行具体应用时，因CMOS集成电路在低电平时的电流只有12mA，难以直接驱动所接的负载，故一般需加一级三极管放大电路来驱动。光电检测郭培源2、组成开关电路、组成开关电路光电检测郭培源图1电路中，当输入信号ui为低电平时，晶体管V1处于截止状态，光电耦合器B1中发光二极管的电流近似为零，输出端Q11、Q12间的电阻很大，相

25、当于开关“断开”；当ui为高电平时，v1导通，B1中发光二极管发光，Q11、Q12间的电阻变小，相当于开关“接通”该电路因Ui为低电平时，开关不通，故为高电平导通状态同理，图2电路中，因无信号(Ui为低电平)时，开关导通，故为低电平导通状态光电检测郭培源3、组成逻辑门电路、组成逻辑门电路电路为“与门”逻辑电路。其逻辑表达式为P=AB.图中两只光电耦合器串联，只有当输入逻辑电平A=1、B=1时，输出P=1同理，还可以组成“或门”、“与非门”、“或非门”等逻辑电路光电检测郭培源4.4 CCDlCCD是一种电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice)lCCD的突出特点：是以电荷作为信号，而

26、不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。lCCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。lCCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。光电检测郭培源CCD的结构lMOS 光敏元：光敏元：构成构成CCD的基本单元是的基本单元是MOS(金属金属氧化氧化物物半导体半导体)结构。结构。（型层）（型层）电极电极光电检测郭培源l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。l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。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。l当当UG Uth

27、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。l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。电荷存储光电检测郭培源电荷的转移（耦合）电荷的转移（耦合）光电检测郭培源电荷的转移（耦合）电荷的转移（耦合）l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起。原来在第一个电极下的电荷变为这两

28、个电极下势阱所共有。l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。lCCD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。光电检测郭培源光电检测郭培源l主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。l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。l电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入l电注入：用于滤波、延迟线和存储器等应用的情况下。通过输入二极管给输入栅极施加电压。l光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。

29、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。的工作原理P-Si输入栅输入二极管输出二极管输出栅SiO2光电检测郭培源电注入l电注入机构由一个输入二极管和一个或几个输入栅构成。l它可以将信号电压转换为势阱中等效的电荷包，即给输入栅施加适当的电压，在其下面半导体表面形成一个耗尽层。如果这时在紧靠输入栅的第一个转移栅上施以更高的电压，则在它下面便形成一个更深的耗尽层。这个耗尽层就相当于一个“通道”，受输入信号调制的电荷包就会从输入二极管经过“通道”流入第一个转移栅下的势阱中，完成输入过程；也可将信号加在栅上，通过信号

30、调制控制栅下通道进行注入。光电检测郭培源光注入光注入l光注入是摄像器件采取的唯一的注入方式。这时，输入二极管由光敏元代替。固体图像器件的光敏元主要有：光电导体、MOS二极管、PN结光电二极管和肖特基势垒光电二极管。l摄像时光照射到光敏面上，光子被光敏元吸收产生电子-空穴对，多数载流子进入耗尽区以外的衬底，然后通过接地消失，少数载流子便被收集到势阱中成为信号电荷。当输入栅开启后，第一个转移栅上加以时钟电压时，这些代表光信号的少数载流子就会进入到转移栅下的势阱中，完成光注入过程。光电检测郭培源信号转移部分信号转移部分l信号转移部分由一串紧密排列的MOS电容器构成，根据电荷总是要向最小位能方向移动的

31、原理工作的。信号电荷转移时，只要转移前方电极上的电压高，电极下的势阱深，电荷就会不断地向前运动。l通常是将重复频率相同、波形相同并且彼此之间有固定相位关系的多相时钟脉冲分组依次加在CCD转移部分的电极上，使电极上的电压按一定规律变化，从而在半导体表面形成一系列分布不对称的势阱。光电检测郭培源输出部分输出部分l输出部分由输出二极管、输出栅和输出耦合电路组成，作用是将CCD最后一个转移栅下势阱中的信号电荷引出。l最简单的输出电路是通过二极管检出，输出栅采用直流偏置；输出二极管处于反向偏置状态，到达最后一个转移栅下的电荷包通过输出栅下的“通道”，到达反向偏置的二极管并检出，从而产生一个尖峰波形，此波

32、形受偏置电阻（R)、寄生电容（C）及电荷耦合器件工作频率的影响。光电检测郭培源CCD的输出电路和输入电路一样重要，它们决定了整个CCD器件的噪声幅值。由于CCD是低噪声器件，因此选择和设计好CCD输入和输出电路，对于提高器件的信噪比和增大动态范围有着决定性的影响。光电检测郭培源l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。l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CC

33、D的像数。l以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道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。的工作原理光电检测郭培源CCDCCD的特点的特点l体积小，功耗低，可靠性高，寿命长。l空间分辨率高，可以获得很高的定位精度和测量精度。l光电灵敏度高，动态范围大，红外敏感性强，信噪比高。l高速扫描，基本上不保留残象(电子束摄象管有1520的残象)l集成度高l可用于非接触精密尺寸测量系统。l无像元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。l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

34、合接口。光电检测郭培源CCD的特性参数l像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等l像素数是指CCD上感光元件的数量。4444万万（768*576768*576）、）、100100万（万（1024*10241024*1024）、）、200200万万（1600*12001600*1200）、）、600600万（万（2832*21282832*2128）l信噪比：典型值为典型值为46分贝分贝l感光范围感光范围 可见光、红外可见光、红外光电检测郭培源lCCD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

35、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)。的类型的类型光电检测郭培源的类型的类型l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。l面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。l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。光电检测郭培源线阵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；面阵面阵CCDCCD芯片芯片光电检测郭培源CCD在检测方面的应用

36、1、文字阅读与图像识别CCD线阵成像器件可用于文字阅读和图像识别等。工作时将纸张或图像放在传送带上，线阵CCD光敏元排列的方向与纸或图像运动方向垂直，光学镜头把数字或图像聚焦在光敏元上，当传送带运动时，CCD成像器即可以逐行扫描的方式将图像读出，最后显示或经细化处理与计算机中所存储的图像特点进行比较，以便识别。类似的系统可用于货币识别、条码识别、传真机、邮政编码的信封分检等。2、图形轮廓测绘系统3、几何量测量自动步枪激光模拟射击系统。4、光谱测量光谱仪输出信号测量。光电检测郭培源4、5光热辐射检测器件光热辐射检测器件l工作原理：是基于光辐射与物质相互作用的热效应而制成的器件。l热效应：器件吸收

37、入射辐射产生温升引起材料物理性质的变化，输出电信号。l热电传感器件：是将入射到器件上的辐射能转换成热能，然后将热能转换成电能的器件。光电检测郭培源热探测器光电转换的过程分为两步：第一步：是热探测器吸收红外辐射引起温升，这一步对各种热探测器都一样；第二步：利用热探测器某些温度效应把温升转换为电量的变化。光电检测郭培源l热探测器件又称为无选择性探测器（对全波长有相同的响应率）l特点：工作时不需要制冷，光谱响应无波长选择性等。l分类：热敏电阻、热电偶检测器、热释电器件光电检测郭培源热探测器与前面讲述的各种光电器件相比具有下列特性：l响应率与波长无关，属于无选择性探测器；l受热时间常数（热惯性）的制约

38、，响应速度比较慢；l热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低；l可在室温下工作。光电检测郭培源热敏电阻热敏电阻定义：凡吸收入射辐射后引起温升而使电阻改变，导致负载电阻两端电压的变化，并给出电信号的器件。热敏电阻有金属和半导体两种。l金属热敏电阻，电阻温度系数多为正，绝对值比半导体的小，它的电阻与温度的关系基本上是线性的，耐高温能力较强，所以多用于温度的模拟测量。l半导体热敏电阻，电阻温度系数多为负的，绝对值比金属大十多倍，它的电阻与温度的关系是非线性的，耐高温能力差，所以多用于辐射探测，如防盗报警、防火系统、热辐射体搜索和跟踪等。光电检测郭培源金属热敏电阻的特点：1.热敏电阻的温度系数大，灵

39、敏度高。2.结构简单，体积小，可测量近似几何点的温度。3.电阻率高，热惯性小，适宜作动态测量。4.阻值与温度的变化关系呈非线性。5.不足之处是稳定性和互换性较差。光电检测郭培源半导体热敏电阻半导体热敏电阻l大多数半导体热敏电阻由各种氧化物按一定比例混合，经高温烧结而成。l多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降。l由于热敏电阻的晶格吸收，对任何能量的辐射都可以使晶格振动加剧，只是吸收不同波长的辐射，晶格振动加剧的程度不同。因此热敏电阻无选择性的吸收各种波长的辐射，可以说它是一种无选择性的光敏电阻。l热敏电阻的结构（看书62）光电检测郭培源辐射热敏电阻装入金属

40、壳内，通常把二个性能相似的热敏电阻一起装入，一个是工作元件，接收辐射；另一个是环境温度补偿用的元件，这两个元件有相同的导热参数，为了保证相同的环境条件，两个元件尽可能地靠近。否则补偿效果就差些，补偿元件不能接受辐射，通常用硅橡胶灌封把它掩盖起来。光电检测郭培源热敏电阻的应用热敏电阻的应用热敏电阻也可作为电子线路元件用于仪表线路温度补偿和温差电偶冷端温度补偿等。利用NTC热敏电阻的自热特性可实现自动增益控制,构成RC振荡器稳幅电路,延迟电路和保护电路。在自热温度远大于环境温度时阻值还与环境的散热条件有关，因此在流速计、流量计、气体分析仪、热导分析中常利用热敏电阻这一特性,制成专用的检测元件。PT

41、C热敏电阻主要用于电器设备的过热保护、无触点继电器、恒温、自动增益控制、电机启动、时间延迟、彩色电视自动消磁、火灾报警和温度补偿等方面。光电检测郭培源热电偶检测器热电偶检测器l热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克于赛贝克(seeback)效应效应,即两种不同成分的导体两端连接成回路，即两种不同成分的导体两端连接成回路，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。l热电偶的优点：热电偶的优点： 测量精度高测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中

42、间介质的影。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。响。 测量范围广测量范围广。常用的热电偶从。常用的热电偶从-50+1600均可测量，某些特殊均可测量，某些特殊热电偶最低可测到热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达（如金铁镍铬），最高可达+2800（如（如钨钨-铼）。铼）。 构造简单，使用方便构造简单，使用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和接头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。而且不受大小和接头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。光电检测郭培源热电偶的工作原理热电偶的工作原理 l两种不同成份的导体（称为热电偶

43、丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。l热电偶实际上是一种能量转换器，它将热能转换为电能，用所产生的热电势测量温度。 光电检测郭培源热电堆热电堆在实际应用中，往往将几个热电偶串联起来提高响应率，组成热电堆来检测红外辐射的强弱。光电检测郭培源热释电器件热释电器件l热释电器件是一种利用热释电效应制成的热检测器件。热释电器件

44、的工作原理l热释电效应：当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象。l通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度。l热释电器件必须在交变辐射的作用下才会有电信号输出。光电检测郭培源与其它热检测器件相比，热释电器件有以下优点：具有较宽的频率响应，工作频率接近兆赫兹；检测率高，在热检测器中检测精度接近气动检测器水平；热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时可以不

45、外接偏置电压；与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小；强度和可靠性好，制造比较容易。光电检测郭培源4、7各种光电检测器件的性能比较各种光电检测器件的性能比较1、接收光信号的方式光信号的有无：是由被测对象原因而形成投射到光电器件上的光信号截断或通过而产生。如光电开关、光电报警等。这时的光电器件不考虑线性，但要考虑灵敏度。光信号按一定频率交替变化：这种光信号的输入是有一定频率的，必须使所选器件的上限截止频率（最好是最佳工作频率）大于输入信号的频率才能测出输入信号的变化。光信号的幅度大小：当被测对象因对光的反射率、透过率变化或是被测对象本身光辐射的强度变化时，光信号幅度大小也随之改变。为准确测出

46、幅度大小的变化，必须选择线性好、响应快的器件。如光电二极管或PMT等。光信号的色度差异：当被测对象本身光辐射的色温存在差异或表面颜色变化时，必须选择合适的光谱特性的光电器件等。光电检测郭培源2、各种光电检测器件的性能比较、各种光电检测器件的性能比较在动态特性方面，即频率响应与时间响应，光电倍增管和光电二极管最好；在光电线性方面，光电倍增管、光电二极管、光电池为最好；在灵敏度方面，以光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管为最好；输出电流大的器件有大面积光电池、光敏电阻、雪崩光电二极管与光电三极管；稳定性方面以光电二极管、光电池为最好外加电压最低的是光电二极管、光电三极管，光电池不需外加电源。光电检测郭培源3、光电检测器件的应用选择、光电检测器件的应用选择光电检测器件的选择必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配。光电检测器件的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配。光电检测器件参数的选择必须和光信号的调制形式、信号频率及波形匹配，以便得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应。光电检测器件必须和输入电路在电特性上良好地匹配，以保证有足够大的转换系数、线性范围、信噪比及快速的动态响应等。为使器件具有长期工作的可靠性，必须注意选好器件的规格和使用的环境条件。光电检测郭培源