光电检测技术第四章.ppt

光电检测技术光电检测技术 张张 宁宁 光电工程学院光电工程学院 3 3教教401401、8558283085582830 第四章：发光与耦合器件 第一节 发光二极管 一、发光二极管的结构与工作原理 二、LED的特性参数 三、发光二极管的应用 第二节 激光器 一、激光的产生 二、氮氖激光器 三、半导体激光器 第三节 光电耦合器件 一、光电耦合器件的含义和特点 二、光电耦合器件的特性参数 三、光电耦合器件的应用 在光电检测系统中，大量采用的是人工光源。按 其工作原理不同，人工光源大致可以分为热光源、气 体放电光源、固体光源和激光光源。其中气体放电光 源又可分为开放式的电弧或电火花光源和封闭式的气 体灯或气体放电管两种类型。 发光与耦合器件 发光与耦合器件 发光：物体向外发射出可见光、不可见光（红外、紫 外等） 热辐射：物体温度高于绝对零度而产生的物 体热辐射。 分类 激发辐射：物体在待定温度下受外界能量激 发的辐射，激发辐射光源为冷光源。 利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源叫做 热光源。在照明工程、光学和光电检测系统中，这类 光源有着广泛的应用。常用热光源中主要是黑体源和 以炽热钨发光为基础的各种白炽灯。 热光源发光或辐射的材料或是黑体，或是灰体， 因此它们的发光特性，如出射度、亮度、发出通量的 光谱刅等，都可以利用普朗克公式进行精确的估算 。也就是说，可以精确掌握和控制它们发光或辐射的 性质。这是热光源的第一个优点。 发光与耦合器件 热光源的第二个优点是，它们发出的通量构成连 续的光谱，且光谱范围很宽，因此使用的适应性强。 但是它们在通常温度或炽热温度下，发光光谱主要在 红外区域中，少量在可见光区域中。只有在温度很高 时，才会发出少量的紫外辐射，从这一特点来说，又 限制了这类光源的使用范围。 热光源的另一个优点是，这类光源大多属于电热 型，通过控制输入电量，可以按需要在一定范围内改 变它们的发光特性。同时采用适当的稳压或稳流供电 ，可使这类光源的光输出获得很高的稳定度。这在检 测中是很重要的。 发光与耦合器件 光致发光 化学发光 冷光源： 摩擦发光 阴极射线发光 结型（注入式） 电致发光 粉末 薄膜 发光与耦合器件 气体放电光源： 利用置于气体中的两个电极间放电发光构成了气 体放电光源，这类光源又可分为开放式气体放电光源 和封闭式电弧放电光源两种。 一、开放式气体放电光源 1、直流电弧 极间等离子体的辐射 炽热电极的辐射 2、高压电容火花 发光与耦合器件 3、高压交流电弧 弧线光谱 火花线光谱 4、炭弧 主要用于照明 加入不同元素 时，可获得所需光 谱辐射的输出。 发光与耦合器件 二、气体灯 将电极间的放电过程密封在泡壳中进行，又叫封 闭式电弧放电光源。特点是辐射稳定、功率大、发光 效率高。 弧光放电 辉光放电 辉光与弧光中间形式 发光与耦合器件 1、脉冲灯 发光与耦合器件 2、燃烧式闪光泡 发光与耦合器件 3、原子光谱灯 发光与耦合器件 固体发光光源： 电致发光是电能直接转换为光能的发光现象。实 现这种发光的材料很多。利用电致发光现象制成的电 致发光屏和发光二极管，将完全脱离真空成为全固 体化的发光器件。 一、电致发光屏 当荧光材料在足够强的电场或电流作用下，被激 发而发光构成电致发光屏。按激发电源不同，又有交 流和直流电致激发屏两种。 发光与耦合器件 1、交流粉末场致发光屏 发光与耦合器件 2、直流粉末电致发光屏 依靠传导电流产生激光发光，结构与交流发光屏 类似。 3、薄膜电致发光屏 致密、分辨力高 对比好 可用于隐蔽照明、 雷达屏幕显示和数码 显示等。 4、标准发光屏 发光与耦合器件 二、发光二极管 -第一节内容 激光光源： -第二节内容 气体激光器 发光与耦合器件 固体激光器 发光与耦合器件 可调谐染料激光器 发光与耦合器件 半导体激光器 发光与耦合器件 第一节：发光二极管 发光二极管也叫做注入型电致发光器件。它是由 P型和N型半导体组合而成的二极管，当在P-N结上施 加正向电压时产生发光。 其发光机理是：在P型半导体与N型半导体接触时 ，由于载流子的扩散运动和由此产生内电场作用下的 漂移运动达到平衡而形成P-N结。若在P-N结上施加正 向电压，则促进扩散运动的进行，即从N区流向P区的 电子和从P区流向N区的空穴同时增多，于是有大量的 电子和空穴在P-N结中相遇复合，并以光和热的形式 放出能量。 发光与耦合器件 发光二极管的结构原 理如图所示。为能将所发 光引出，通常将P型半导 体充分减薄，于是结和复 合发光主要从垂直于P-N 结的P型区发出，在结的 侧面也能发出较少的光。 发光与耦合器件 发光与耦合器件 发光二极管的主要特点如下： 1发光二极管的发光亮度与正 向电流之间的关系如图。 工作电流低于25mA时，两 者基本为线性关系。当电流超 过25mA后，由于P-N结发热而使 曲线弯曲。 采用脉冲工作方式，可减少结发热的影响， 使线性范围得以扩大。正是由于这种线性关系 使之可以通过改变电流大小的方法，对所发光量 进行调制。 发光与耦合器件 2、发光二极管响应速度极快，有良好的频率特性。 3、发光二极管的正向电压很低，约2v左右，于是它 能直接与集成电路匹配使用。 4、发光二极管还具有小巧轻便、耐振动、寿命长( 大于5000h)和单色性好等一系列优点，使其应用越 来越广泛。 5发光二松管的主要缺点是发光效率低有效发光 面很难做大。另外，发出短波光(如蓝紫色)的材料 极少，制成的短波发光二极管的价格昂贵。克服这 些缺点将位发光二极管作用及应用范围剧增。 发光与耦合器件 基本结构： 1、面发光二极管 光束水平、垂直发散角均为120度。 2、边发光二极管 方向性较好，其发散角水平方向是25度-35度， 垂直方向是120度。 发光与耦合器件 特性参数 1、LED效率 用于非显示时