光学第十章光源和光探测器.pptx

第十章光源和光探测器 1 光度学基本概念2 色度3 光源4 光探测器 第十章光源和光探测器 第一节光度学的基本概念 研究各种电磁波的辐射强弱的学科称之为辐射度量学 研究光的强弱的学科称之为光度学 辐射能通量 辐射功率 辐射能量 以电磁辐射形式发射 传输或接收的能量 单位为焦耳 j 辐射能通量 光源在单位时间内辐射的能量 单位为w或kw 用符号 表示 辐射能通量的谱密度 在单位波长范围内的辐射能通量 用符号 表示 光谱响应曲线 r 检测器件对不同波长的电磁波的灵敏度 通常为输出信号 电压或电流等 与某个波长的入射光功率之比 视见函数 眼睛对光波的光谱响应曲线称之为视见函数 定义为对眼睛产生相同明暗感觉所需要555nm光的辐射能通量和所需要波长为 的光的辐射能通量之比 在明亮的环境 白线 圆锥视神经细胞起主要作用 在灰暗的环境 黑线 圆柱视神经细胞起主要作用 环境亮暗对视见函数的影响很大 光通量 将辐射能通量以视见函数为权重因子折合成对眼睛的有效数量 用 表示 单位为流明 lm lumen kmax是波长为555nm的光功当量 也称为最大光功当量 其值由 和 的单位决定 发光强度 点光源沿某一个方向在单位立体角内发出的光通量 单位为坎德拉 cd candela 立体角 solidangle 的度量单位为球面度sr steradians 光出射度 光源单位发光面积上发出的光通量 单位为lx lux 勒克斯 或ph phot 幅透 大多数光源的发光强度因方向而异 光亮度 扩展光源表面的面元ds沿某一方向r的发光强度为di r和ds面元的法线n的夹角为 迎着r方向观察 ds在r的垂直平面的投影面元ds dscos 单位为cd m2 坎德拉 平方米 或lm m2 sr 流明 米2 球面度 或lm cm2 sr 流明 厘米2 球面度 记为sb stilb 熙提 d 光亮度定义为 朗伯 余弦发光体 太阳 积雪等粗糙表面的漫反射 光照度 照射在单位面积上的光通量 光照度单位为lx lux 勒克斯 或ph phot 幅透 光照度和光出射度具有相同的数学表达式和量纲 而前者用于被照表面 后者用于发光体 点光源产生的照度 发光强度 照度 面光源产生的照度 亮度 ds光源产生的照度 面光源s在ds 位置产生的总照度 光度学的单位定义 光度学中采用发光强度的单位 坎德拉 cd 为基本单位 cd是国际单位制的基本单位之一 其它光度学中的单位 如流明 lm 熙提 sb 勒克斯 lx 等 都是cd的导出单位 早期使用烛光作为发光强度单位 烛光依一标准蜡烛所发的光而定 标准蜡烛是英国所制定的 一直径2 2厘米用鲸油制成的蜡烛 每小时燃烧鲸油7 78克 这样的标准蜡烛所发的光的强度为1烛光 坎德拉的定义 1烛光 1坎德拉 中国早些时候 把每1瓦的白炽灯的发光强度称之为一支烛光 如25瓦的就称之为25支烛光 换算下来每1w的发光强度差不多就是1cd 1937年 国际照明委员会 cie 和国际计量委员会决定从1940年起使用 新烛光 为发光强度单位 定义为在铂凝固点 2042 15k 上 绝对黑体的 1 60 cm2面积的发光强度为1烛光 由于第二次世界大战的耽搁 这一标准没有执行 1946年 国际计量委员会根据1933年第8届国际计量大会授予的权力 决定颁布 1旧烛光 1 005新烛光 1908年 waiolner和burgess提出用黑体辐射器作为发光强度标准 1948年 第9届国际计量大会通过用拉丁文candela cd 取代新烛光 candela意为 用兽油制作的蜡烛 1967年 第13届国际计量大会考虑到这个定义的措辞还欠严密 决定将坎德拉定义为 坎德拉是在101325牛顿每平方米压力下 处于铂凝固温度的黑体的 1 600000 m2表面在垂直方向上的光强度 1979年10月8日在巴黎召开的第16届国际计量大会上废除了原来坎德拉定义 同时 通过了一项关于重新定义坎德拉的重要决定 1坎德拉被定义为频率为540 1012赫兹的单色辐射源 在给定方向上的辐射强度为 1 683 瓦特 球面度的发光强度 一些实际光源亮度的近似值 单位 sb 熙提 1熙提 104坎德拉 米2 photopicvision 明视觉scotopicvision 暗视觉 第二节色度 颜色有三种表现特征 色调 饱和度和明度 色调 hue 是区分不同色彩的特征 饱和度 saturation 表示颜色接近光谱色的程度 纯度 明度 brightness 表示颜色明暗程度 色度既说明彩色光颜色的类别 又说明了彩色的深浅程度 色度 色调和饱和度合称为色度 powerpoint2010调色板 三基色 红 red 绿 green 蓝 blue 加法混色 互补色 青 cyan 品红 magenta 黄 yellow 435 8nm 546 1nm 700nm 减法混色 空间和时间混色 intraditionalpreparationofcolorseparations aredkeylineontheblacklineartmarkedtheoutlineofsolidortintcolorareas insomecasesablackkeylinewasusedwhenitservedasbothacolorindicatorandanoutlinetobeprintedinblack becauseusuallytheblackplatecontainedthekeyline thekincmykrepresentsthekeylineorblackplatealsosometimescalledthekeyplate textistypicallyprintedinblackandincludesfinedetail suchasserifs sotoreproducetextorotherfinelydetailedoutlinesusingthreeinkswithoutslightblurringwouldrequireimpracticallyaccurateregistration acombinationof100 cyan magenta andyellowinkssoaksthepaperwithink makingitslowertodry andsometimesimpracticallyso thisalsocancausetheinktobleed acombinationof100 cyan magenta andyellowinksoftenresultsinamuddydarkbrowncolorthatdoesnotquiteappearblack addingblackinkabsorbsmorelight andyieldsmuchdarkerblacks usingblackinkislessexpensivethanusingthecorrespondingamountsofcoloredinks whenaverydarkareaisdesirable acoloredorgraycmy bedding isappliedfirst thenafullblacklayerisappliedontop makingarich deepblack thisiscalledrichblack ablackmadewithjustcmyinksissometimescalledacompositeblackorprocessblack cmy以白色为底色减 即cmy均为0是白色 均为100 是黑色 实际上由于油墨纯度等问题这样得不到纯正的黑色 因此引入k black 黑色的作用是强化暗调 加深暗部色彩 theimageabove separatedforprintingwithprocesscyan magenta andyellowinks thesameimage thistimeseparatedwithmaximumblack tominimizeinkuse 色性是指主观心理的色彩冷暖倾向 冷暖感觉 色性是由人对现实生活中不同事物颜色的感受而产生的一种感官经验联想 如 由红黄色联想到火焰 血液而产生温暖感 由蓝紫色联想到冰雪 大海而产生寒冷感等 1931年国际照明委员会 commissioninternationaledel eclairage internationalcommissiononillumination 首先提出彩色空间 colorspaces 用坐标表示颜色 cie1931rgbcolorspace 为匹配不同的待配色c 所需要的三原色不同 可用颜色方程表示 c r r g g b b r g b 代表产生混合色的红 绿 蓝三原色的单位量 r g b为需要的红 绿 蓝三原色的数量 称为三刺激值 在颜色匹配实验中 当三原色光的相对亮度比例为1 0000 4 5907 0 0601时就能匹配出等能白光 所以cie选取这一比例作为红 绿 蓝三原色的单位量 即 r g b 1 1 1 色光加色法中红 绿 蓝三原色光等比例混合结果为白光 即 r g b w c 表示等能光谱色的相对亮度 其中最大值为c 555 根据实验 匹配波长为 的等能光谱色c 的实际颜色方程为 负刺激值当待配色为单色光时 其饱和度很高 而三原色光混合后饱和度必然降低 无法和待配色实现匹配 为了实现颜色匹配 在实验中须将方程红 绿 蓝一侧的三原色光之一移到待配色一侧 并与之相加混合 从而使待配色光的饱和度相匹配 例如 将红原色移到待配色一侧 实现了颜色匹配 cie rgb光谱三刺激值 在cierg色度图中色度坐标反映的是三原色各自在三刺激值总量中的相对比例 一组色度坐标表示了色相相同和饱和度相同而亮度不同的那些颜色的共同特征 因此cierg色度图并不反映颜色亮度的变化 色度图的轮廓表达出了颜色的色域范围 等能白光 e光源 色温5500k 位于色度图的中心 0 33 0 33 色度坐标 在颜色匹配实验中 为了表示r g b三原色各自在r g b总量中的相对比例 引入色度坐标r g b 可知r g b 1 若待配色为等能光谱色 则 cie1931xyzcolorspace 通过变换 对光谱色或一切自然界的色彩而言 变换后的色度坐标均为正值 而且等能白光的色度坐标仍然是 0 33 0 33 没有改变 选择三个理想的原色 三刺激值 x y z 大致代表红 绿 蓝原色 这三个原色不是物理上的真实色 而是虚构的假想色 x 0 490r 0 310g 0 200by 0 177r 0 812g 0 011bz 0r 0 010g 0 990b 色度坐标 cie1931xyzcolorspace cie xyz光谱三刺激值 cie rgb光谱三刺激值 cie规定 不仅表达待配色 等能光谱色 中绿原色的数量 而且还表示待配色色光的亮度 用于计算颜色的亮度特性 由于符合明视光谱光视效率函数 所以cie xyz光谱三刺激值又称为 cie1931标准色度观察者光谱三刺激值 色匹配函数 例 波长 500nm光谱色的色度坐标为 x 0 0082 y 0 5384 明视觉光谱光视效率函数v 0 323 则其光谱三刺激值为 色温度 althoughthisblackbodyradiatordoesnotactuallyexist manymetalsbehaveinasimilarmanner sowecanemployablackmetalhorseshoeasanexampleforthisdiscussion infigure thehorseshoeisfirstheatedtoatemperatureofabout900k a whereitbeginstoglowadullred asthetemperatureisincreasedtobetween1500kand2000k thehorseshoe b turnsayellowishtobrighterredcolor increasingthetemperaturestillfurthertojustover3000kproducesayellow to whitecolortransition thecolortemperatureofatungstenfilament figure c andat5000kandabove thecolortemperatureofdaylight figure d abluish whitecolorappears 900k 1500k 2000k 3000k 5000k 第三节 光源 1概述 2连续光谱灯 3实验室常用灯 4激光器 1概述 任何把其它形式能量转化为光能并发射出来的物体叫做光源 可分为被动和主动发光的光源 分类 热辐射类型光源 非热辐射类型光源 电致发光光致发光化学发光生物发光 各类光源 绝对温度决定辐射的最大波长值 它们成反比关系 叫做维恩定律 m a t 其中a是常数 a 2 896 10 3m k 热辐射类型光源 热辐射类型光源就是将热能转化为光能的器件 从热辐射的量子理论 温度处于绝对零度以上的物体都可能辐射 即为温度辐射 黑体辐射 灰体辐射 钢铁冶炼 非热辐射类型光源 电致发光光致发光化学发光生物发光 实验室常用的光源 钨灯钠灯汞灯氢灯激光器 2连续光谱灯 发射连续光谱线灯有许许多多 如蜡烛 油灯 汽灯 日光灯和钨灯等 钨灯 发射连续光谱线蒸发速率较小 发光效率较高 灯的寿命较长 制备钨可制成丝 钨丝灯 带状 钨带灯 灯泡内真空 白炽灯 灯泡里充碘 碘钨灯 灯泡里充溴 溴钨灯 灯泡里充卤元素 卤钨灯 实验室用钨带灯作黑体实验标准灯 钠灯 钠灯是金属蒸气在电场激发下 辉光或弧光放电发光的 钠灯光谱中的一些双线 钠灯双黄线 d 双线 nm 200 300 400 500 600 700 800 0 200 400 600 800 1000 i a u 除黄双线谱线外 其它光谱线很弱 钠灯光谱线是带状或线状 汞灯 汞灯是金属蒸气在电场激发下 辉光或弧光放电发光的 0ev61s0 4 67ev63p0 4 89ev63p1 5 46ev63p2 8 84ev61d2 6 70ev61p1 8 85ev63d1 汞能级图 7 73ev73s1 原子谱线 实验室汞灯126 97 40159 0nm离子谱线 少量165 00 222 471 234 555 347 890 671 52nm 氢灯 氢灯是氢气在电场激发下 辉光或弧光放电发光 氢灯双线 300 400 500 600 700 800 0 200 400 600 800 1000 i a u nm 卤素灯和氙气灯也是高压电场激发发光 另外两种类型灯光谱线 卤素灯发射光谱线 氙气灯发射光谱线 实验室的汞灯或钠灯工作电压20伏 功率是20瓦 由于电场激发 产生辉光或弧光放电 具有负阻特性 为了稳定工作点 一定要配备电感线圈制作的镇流器 通电后要等待10分钟左右 才能正常工作 发射出光波灯突然熄灭后 要等待几分钟 冷却以后才能重新工作弧光放电多在低压 大电流条件下工作 氙气灯 氦气灯 氢灯和氖灯等等 是在高压条件下工作 气体辉光放电发光 起辉高压达到5千伏 工作一般在2千伏以下 工作电流在10毫安左右 属于高压 低电流工作的光源 使用时一定要注意安全 说明 3发光二极管led light emittingdiode 发光二极管与普通二极管一样是由一个pn结组成 也具有单向导电性 当给发光二极管加上正向电压后 从p区注入到n区的空穴和由n区注入到p区的电子 在pn结附近数微米内分别与n区的电子和p区的空穴复合 产生自发辐射的荧光 不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同 当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同 释放出的能量越多 则发出的光的波长越短 固体照明 三峡工程 4激光器 气体 液体 固体 半导体等 紫外光240纳米 远红外光774微米 激光器概述 构成谐振腔 增益介质 激励机制 特点 单色性 方向性 相干性 高亮度 分类从工作介质区分 气体 固体 半导体 染料和自由电子等从激光波长分 紫外 可见 红外 x光从工作方式分 连续 脉冲 氦氖激光器 北京大学物理学院生产的氦氖激光器 氦和氖的能级 红光632 8纳米 红外光1 15微米 红外光3 39微米 photoofbluebeamfroma100mwargonlaserandagreenbeamfroma3mwgreenhenelaserandaredbeamfroma7mwredhenelaserenteringawavelengthcombinercouplerwhichcombinesthethreecolorstoformawhitebeamexitingthecoupler surfacefirstmirrorswhereusedtopositionthebeams thehenelasersandopticsareplacedonaglasstableandafoggerwasusedforeffect 半导体激光器内部结构 3 半导体激光器 带间跃迁 注入式半导体激光器工作原理 阈值电流 由于半导体激光器的谐振腔短小 激光方向性较差 在结的垂直平面内 发散角最大 可达20 30 在结的水平面内约为10 左右 由于半导体材料的特殊电子结构 受激复合辐射发生在能带 导带与价带 之间 所以激光线宽较宽 gaas激光器 室温下谱线宽度约为几纳米 可见其单色性较差 输出激光的峰值波长 77k时为840nm 300k时为902nm 当注入p n结的电流较低时 只有自发辐射产生 随电流值的增大增益也增大 达阈值电流ith时 p n结产生激光 方向性 光谱特性 半导体激光器输出特性 注入电流 输出光强 结的垂直面内 20 30 结的水平面内 10 发散角 电子 光子转换效率很高内量子效率 70 发光波段宽广寿命长 百万小时体积小 重量轻 价格便宜 锁相阵列大功率半导体激光器 array stack 微通道水冷半导体激光器叠阵 大功率半导体激光器泵浦固体激光器 端面泵浦 endpump 方式 dpssl diodepumpsolidstatelaser 二极管泵浦固体激光器 dpssl 最大的优点易获得好的光束质量 得到高亮度激光 输出的激光模式较好 输出tem00 多用在功率要求不高 需要准直的场合 如激光测距 电子元器件的标记等 激光晶体靠近泵浦源的一端面镀808nm的增透膜 使泵浦源发出的808nm波长的激光进入激光晶体前的损耗降至最低 同时镀1064nm的高反膜 1064nm的高反膜与另一端面镀1064nm部分反射膜的输出镜形成谐振腔 使1064nm的激光产生振荡放大并输出 泵浦源采用8w的半导体激光器 输出后经柱状棱镜组整形 将光束发散角压缩并聚焦后输入激光晶体 侧面泵浦 sidepump 方式 用玻璃管巧妙设计泵浦腔和制冷通道 玻璃管表面大部分镀808nm的高反膜 剩余部分呈120 镀有三条808nm增透膜 形成一个泵浦腔二极管泵浦源发出的光经过三对光束整形透镜会聚到这三条镀增透膜的狭长区域内 再透过玻璃管管壁 被晶体吸收玻璃管大部分区域镀高反膜 泵浦光进入泵浦腔后 在其中来回反射 直至被晶体充分吸收 而且在晶体的横截面上形成均匀的增益分布玻璃管还用于制冷 高速通过冷却水迅速带走产生的热量晶体是一根复合结构的nd yag棒 有效尺寸3x63mm 掺杂浓度1 5at 泵浦光功率180w时 得到72w的激光输出 光转换效率40 激光头用三个二极管泵浦模块围成一圈组成泵浦源 每个模块用3个带微透镜二极管线阵组成 每个线阵平均输出功率20w 输出波长808nm 倍频dpssl 倍频 超快超强超短波长 第四节光探测器 简述 外光电效应探测器件 内光电效应探测器件 性能指标 响应度或灵敏度 光谱灵敏度范围 响应时间 积分电流灵敏度 积分电压灵敏度 光谱灵敏度 量子效率 简述 噪声等效功率nep 单位信噪比时的信号光功率 探测度 光探测器 把光能转换成电 热等便于测量的物理量的器件 器件类型 光化学效应类型 光热效应类型 光电效应类型 光电效应类型 光化学效应类型 感光剂 卤化银 银盐 溴化银光敏感性强氯化银一般碘化银弱 微小晶粒 5 15亿个 cm2 黑白干版 200线 mm 感光胶片 全息干版 1000线 mm 彩色干版 600线 mm 胶卷干版相纸 数字化 感光胶片记录原理 拍摄时将景物中的三原色分别记录在感蓝 绿 红的乳剂上 冲洗后在各层中分别形成各原色光的补色染料 即感蓝层中形成黄色染料 感绿层中形成品红染料 感红层中形成青色染料 经印在构造类似的正片上得出正象 放映时这3种补色染料分别控制透过画面各部分的蓝 绿 红三原色光 从而获得彩色影像 多层彩色片的3个感光层都是以卤化银悬浮于明胶中制成的 所以对蓝光都很敏感 一般感蓝层用未经光谱增感的乳剂 只感蓝光 感绿层乳剂中加入峰值在550毫微米左右的增感染料 对蓝光和绿光敏感 感红层乳剂中加入峰值在650毫微米左右的增感染料 对蓝光和红光敏感 为了使感绿层只感绿 感红层只感红 一般将感蓝层排在最上面 在其下加一黄滤光层 将通过感蓝层后多余的蓝光吸收掉 使其不能达到下面两层 于是3层分别只能感蓝 感绿 感红了 为了改进感光度 宽容度和颗粒性等 实际应用中的彩色负片的各乳剂层又分为高感和低感两层 高感在上 低感在下 各感光层间又有明胶隔层 乳剂最上有明胶保护层 片基上面或背面还有防光晕层 总共有10余层涂层 光热效应类型 热电偶 镍铬 镍铝铜 康铜铂 铑 红外中远红外波段 将两种不同材料的导体或半导体a和b焊接起来 构成一个闭合回路 当两端存在温差时会产生电动势 在回路中形成一定大小的电流 这种现象称为热电效应 thermoelectriceffect thermocouple 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 被称为热释电效应 红外中远红外波段 热释电探测器 pyroelectriceffect 1 外光电效应器件 光电倍增管 光电效应类型 光电管 2 内光电效应器件 光导管 光电池 光电二极管 光电三极管 ccd cmos 外光电效应探测器件 e 是光电子逸出功 概述 换成极限波长是 0 hc e 1 242 e 单位 电子伏特 单位 微米 光电效应 photoelectriceffect 存在一个极限频率 0 e h 几种光阴极的光谱特性曲线 特性 光谱特性工作电压恒定 入射光波长与其绝对灵敏度 量子效率 关系曲线 与阴极材料有关 常用的阴极材料有银氧铯光电阴极 锑铯光电阴极 铋银氧铯光电阴极及多硷光电阴极等 锑铯光电阴极 银氧铯光电阴极 m m 光电管 phototube 伏安特性一定光通量输入 阳极与阴极间电压ua与光电流i 的关系曲线 ua 光电流i 为微安量级 伏特 光电特性 固定阳极电压和入射光波 光通量 与光电流i 的关系曲线 i 暗电流 无光照 有工作电压 有电流 称为暗电流 主要是漏电流 某公司出售的光电管技术参数 光电倍增管 端面入射光波 侧面入射光波 量子效率 10 严禁工作时将管子曝光 提供稳定的工作环境 包括电磁屏蔽 温度控制和工作电压控制等等 一般增益为106 有的高达108到1010 photomultiplier 问题 1 工作电压的稳定性电压大小与增益系数相关 如果希望输出稳定度为1 则要求工作电压的稳定度控制在0 1 以下才能保证需要 而且要求所有的各级打拿极d之间的工作电压均匀和相等 2 暗电流的问题使用不当或环境干扰 往往引起没有光信号时 光电倍增管仍有输出电信号 叫做暗电流 为了避免它的影响 严禁工作时将管子曝光或提供稳定的工作环境 包括电磁屏蔽 温度控制和工作电压控制等等 光电倍增管的光谱灵敏度与光电管一样是由光阴极k的材料确定的 光电倍增管内电子运动过程 纳秒量级 函数光脉冲 90 50 10 电脉冲fwhm 滨松侧窗型光电倍增管r105 1p21 r105uh 931a 2 内光电效应器件 光导管 光电池 光电二极管 光电三极管 ccd cmos 半导体材料 一些半导体材料的禁带宽度eg和长波限 0数据表 0 1 242 eg 利用半导体光电效应制成 其电阻值可以随着入射光线的强弱而改变具有灵敏度高 体积小 重量轻 光谱响应范围宽 机械强度高 耐冲击和振动 寿命长 电性能稳定等特点 光导管 光敏电阻 材料 硫化镉 cds eg 2 4ev 硒化镉 cdse eg 1 8ev 梳状电极减少电子渡越时间 photoresistororlightdependentresistor 半导体的光电导过程 a 本征型 b 非本征型 电子空穴电子 空穴对光生载流子 不同工作温度下光导管光谱响应曲线 光电导探测器的响应时间 与光生载流子寿命有关 量级 ms ns 100 76 50 0 123 01234 t 上升时间 下降时间 常用光敏电阻参数 光电池 1839年 安托石 贝克雷尔制造了最早的光电池1875年 德国技师维尔纳 西门子制成第一个硒光电池 一种在光的照射下产生电动势的半导体元器件 一种能将光能转化为直流电的特殊半导体二极管 photovoltaiccellsorsolarcells 工作原理 当光照射到结区时 pn结两端出现一个因光照而产生的电动势 这一现象称为光生伏特效应 由于它可以像电池那样为外电路提供能量 因此常称为光电池 太阳能电池 将太阳辐射光能转化换成电能 集成化 大面积 低成本 高效率 环保 光电池的光谱响应曲线 工作波段 峰值波长 0 5 1 0 1 5 相对灵敏度 波长 m se si ge 0 5 1 0 三洋电机株式会社在加西事业所 兵库县加西市 建设的 加西绿色能源工业园区 顺利落成 新工厂于2010年10月22日正式开工 由加利福尼亚州伯克利的powerlight公司经营的世界上最大的太阳能发电厂之一的帕赛尔工厂 其最高水平 在一个阳光明媚日子的正午时分 太阳能园区产电能力可以达到11兆瓦的电力 足以为8000户人家供电 赛尔帕工厂有52 000块电池板 覆盖面积为九十英亩 这些电池板能容纳将近四百万块太阳能电池 黑色正方形 solarpowerthesolarpoweredplanesoarsacrosstheu s may15 2013 solarimpulse shb siaprototypeismakingits6thtestflightfrommoffettairfieldattheamesresearchcenterofnasaafterbeingreassembled readmore thesolarimpulsehb s1ahasawingspanof63 4m aslargeasthatofanairbusa340 yetitweighsonly1 600kg aboutthesizeofanaveragecar alotofthatweightissolarpanels whichcoverthewingsandthesmallertailfins theplanehasreachedanaltitudeof9 235mandstayedaloftforarecord26hrs 10minsand19secs 光电二极管 p n pn结 光 透明盖 图示符号 photodiodes 当能量 禁带宽度的光照射到光电二极管上时 即可把半导体满带中的一些电子激发到导带 产生出光生载流子 电子 空穴对 然后电子和空穴在势垒区中电场的作用下分别往p n结两边输运 并形成所谓光生电流 等于势垒区内产生的载流子的漂移电流 再加上势垒区外产生的载流子的扩散电流 该二极管的有效作用区 应该是p n结势垒区及其两边的扩散区 一个扩散长度的中性区范围 d 在pin二极管上加上一个较高的反向电压 接近击穿电压 产生载流子的倍增效应 把微弱光信号加以放大 提高灵敏度 这种光电二极管就是所谓雪崩光电二极管 apd avalanchephotodiodes 提高二极管检测灵敏度的方法 a 采用浅p n结 以减小光照面中性区对光能的吸收 b 图中的p 区采用宽禁带宽度的半导体材料 称为窗口材料 以减小p 区对光能的吸收 photodiode schematicsymbolandcrosssection pinphotodiode theintrinsicregionincreasesthethicknessofthedepletionregion c 增宽p n结的势垒区宽度 以增大有效作用区 例如 制作成pin结 构成pin光电二极管 pin pd 灵敏度要比一般的pd高得多 p i n结器件工作原理 光电二极管的量子效率远大于外光电效应器件 apindiodeisadiodewithawide lightlydoped near intrinsicsemiconductorregionbetweenap typesemiconductorandann typesemiconductorregion thep typeandn typeregionsaretypicallyheavilydopedbecausetheyareusedforohmiccontacts theintrinsic i regionisfloodedwithchargecarriersfromthe p and n regions 可见光硅光电二极管参数 暗电流iceo比光电二极管的值约大两倍 光强度控制集电极电流ic 可等效看作一个光电二极管与一只晶体三极管的结合 具有放大作用 光电二极管的光电流小 输出特性线性度好 响应时间快 而光电三极管光电流大 输出特性线性度差 响应时间慢 一般要求灵敏度高 工作频率低的开关电路 可选用光电三极管 要求光电流与照度成线性关系或要求工作频率高时 则采用光电二极管 光电三极管 phototransistor phototransistorsaretransistorswiththebaseterminalexposed insteadofsendingcurrentintothebase thephotonsfromstrikinglightactivatethetransistor otherthanthat thephototransistorbehavesjustlikeanormaltransistor twocommonconfigurationsareshownontheright common emitteramplifier goesfrom high to low withlight commond collectoramplifier goesfrom low to high withlight 常见光电探测器件特性比较 原来是一种电荷耦合 存储和传输的电子器件 1968年贝尔实验室 ccd charge coupleddevice 2009年 诺贝尔奖 mos metaloxidesemiconductor cross sectionalviewofann channelmosfet field effecttransistor anditselectronicsymbol complementarymetaloxidesemiconductor cmos circuitsrequirebothn andp mosfetshencethenamecomplementary thefigureaboveshowsaschematiccross sectionoftypicaladvancedcmosdeviceswithlow dopeddraincontactsimplantedthroughsi3n4spacersoneithersideofthegatetoreducetheelectricfieldbetweensourceanddrain allgatesandohmiccontactsaresilicided usingtisi2 cosi2ornisi toreducetheresistancesofgatesandcontacts thereasonforcmosisthatthecircuitarchitectureonlydissipatespowerwhentransistorsareswitched i e dynamicpowerdissipation apartfromanyleakagecurrentsinthesystem i e staticpowerdissipation ccd器件类型 ccd单元两类排列图 sony矩形感光元件排列 富士八边型 蜂窝型 电荷包传输的示意图 灵敏度 光谱响应 分辨率 暗电流 动态范围 噪音 ccd性能参数 1 3英寸彩色带帧累积功能长型摄像机 敏通mtc 36s10 istariccd iccd intensifiedccd 带有像增强功能的ccd相机 一般由像增强器和ccd相机组成 像增强器由光阴极 微通道板 荧光屏组成 在荧光屏 微通道板 微通道板 微通道板 荧光屏之间存在高电压 光子打到光阴极后产生光电子 光电子进入微通道板后被倍增 放大后的电子束打在荧光屏上形成增强后的影像 然后经光纤锥耦合到ccd上对像进行记录 柯达今天宣布了新款旗舰级中画幅数码相机ccd传感器 型号 kaf 50100 像素高达5010万 创下民用级产品新纪录 同时哈苏将第一个在其相机中采用该传感器 柯达此前的最高端ccd产品是 kaf 39000 拥有3900万像素 已服役长达三年之久 继任者kaf 50100尺寸49 8 36 8毫米 是一般高端dslrccd的两倍 不过和kaf 39000相同 同时新型号在6 0 6 0微米范围内拥有5160万平方像素 而kaf 39000需要6 8 6 8微米 5010万像素 柯达数码相机ccd再创新记录 2008年07月16日20 33 kodakkaf 50100imagesensor8176 h x6132 v fullframe 14亿像素全球最大数码相机天文望远镜 2008 11 1912 03 02 美国麻省理工学院林肯实验室的科学家们日前已经制造出了一台 全球最大数码相机 实际上 它应该被称为世界上最大的数字感光元件 将被安装在美国夏威夷大学的天文望远镜上为天空拍照 这套系统名为pan starrs 全景搜索望远镜与快速反应系统 将被安装在美国夏威夷maui岛的haleakala山上 每周一次为整个可见天空拍摄全景照片 主要功能是探测有可能撞上地球的小行星 它拥有14亿像素 能够观察到比肉眼可见微弱1000万倍的星体 除侦测小行星外 它还将为99 的北半球可见星体进行分类 实际上 它的数字感光元件和大家平常使用的数码相机非常类似 科学将其称为otccd orthogonal transfercharge coupleddevice 每个ota阵列尺寸在5cm见方 包含8x8个小型ccd 每块为600 x600像素 60块ota 8x8 四个角落各去除一个 就组成了整个系统 因此 总像素数为600 600 8 8 60 13 8亿像素 在使用时 60块ota中的某一块可以控制移动 以追踪移动星体 atotalof189sensorsandover3tons 2 7tonnes ofcomponentswillbetightlypackedintoitscylindricalbody workhasalreadybegunonthetelescope s8 4 meter 27 5 foot primarymirror atthefinalsiteoftheobservatoryonthecerropach nridgeinnorthernchile plansforthelsstincludestudiesonthingssuchasdarkenergyanddarkmatter detectionofnear earthasteroids andanalysisofthestructureofthegalaxy datawillbeavailabletoanyonewithinternetacce