光电检测技术常用器件及应用 (2)精选课件.ppt

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1、关于光电检测技术常用器件及应用(2)(2)第一页，本课件共有75页1、光电器件的类型与特点2、光电检测器件的特性参数3、光电导器件-光敏电阻4、光生伏特效应-光电池、光电二极管、光电三极管等6、光电发射效应-光电管、光电倍增管等主要内容主要内容7、光热效应-热敏电阻、热电偶5、发光器件及耦合器件第二页，本课件共有75页光电测量中的常用光源 根据光谱宽度，可将光源分为相干光源和非相干光源相干光源 ：激光（气体、固体、半导体）非相干光源：除了激光之外的其他光源1、热辐射光源（白炽灯，太阳光 等）2、气体放电光源（汞灯、脉冲氙灯等）3、固体发光光源（LED发光二极管）第三页，本课件共有75页白炽灯利

2、用热辐射发出可见光的电光源。白炽灯利用热辐射发出可见光的电光源。在灯泡内充入卤钨循环剂（如氯化在灯泡内充入卤钨循环剂（如氯化碘、溴化硼等），可以形成卤钨循碘、溴化硼等），可以形成卤钨循环，就构成了环，就构成了卤钨灯卤钨灯。卤钨灯的工作。卤钨灯的工作温度为温度为3200K，光效为，光效为30lm/W。卤钨灯卤钨灯卤钨灯卤钨灯白炽灯第四页，本课件共有75页利用气体放电原理制成的光利用气体放电原理制成的光源称为气体放电光源。源称为气体放电光源。制作时在灯中充入发光用的气体，在电场作用制作时在灯中充入发光用的气体，在电场作用下激励出电子和离子，气体变成导电体。下激励出电子和离子，气体变成导电体。当离子

3、向当离子向阴极，电子向阳极运动时，从电场中获得能量，使内层阴极，电子向阳极运动时，从电场中获得能量，使内层电子跃迁到高能级，引起原子的激发电子跃迁到高能级，引起原子的激发，受激原子回到，受激原子回到低能级时就会发射出可见辐射或紫外辐射。气体放低能级时就会发射出可见辐射或紫外辐射。气体放电光源有辉光放电灯、弧光放电灯、高频放电灯等电光源有辉光放电灯、弧光放电灯、高频放电灯等气体放电光源第五页，本课件共有75页第六页，本课件共有75页发光二极管的基本工作原理与特性发光二极管（LED-Light Emitting Diode）是一种固态发光，是利用半导体或类似结构把电能转换成光能的元件，属于低场下的

4、注入式电致发光。第七页，本课件共有75页1907年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。年首次发现半导体二极管在正向偏置的情况下发光。1923年，由年，由Losev在产生在产生p-n结的结的SiC中发现注入式中发现注入式电致发光电致发光60年代末，年代末，LED得到迅速发展得到迅速发展1964年，年，Gvimmeiss和和Scholz以以GaP间接带材料间接带材料隙得到橙、黄、绿的隙得到橙、黄、绿的LED70年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和年代末，人们开始用发光二极管作为数码显示器和图像显示器。图像显示器。发展史发展史第八页，本课件共有75页 发光二极管发光二极管（即（即LE

5、D）是一种）是一种注注入电致发光入电致发光器件，它器件，它由由P型和型和 N型半导体型半导体组合而成。其发光组合而成。其发光机理常分为机理常分为PN结注结注入发光与异质结注入发光与异质结注入发光两种入发光两种。发光二极管的发光机理第九页，本课件共有75页1 1、制作半导体发光二极管的材料是掺杂的，热平衡状、制作半导体发光二极管的材料是掺杂的，热平衡状态下的态下的N N区很多自由电子，区很多自由电子，P P区有很多多空穴。区有很多多空穴。2 2、当加以正向电压时，、当加以正向电压时，N N区导带中的电子可越过区导带中的电子可越过PNPN结结的势垒进入的势垒进入P P区。区。P P区的空穴也向区的

6、空穴也向N N区扩散区扩散3 3、于是电子与空穴有机会相遇，复合发光。由于空穴迁、于是电子与空穴有机会相遇，复合发光。由于空穴迁移率低于自由电子，则复合发光主要发生在移率低于自由电子，则复合发光主要发生在p p区。区。光的颜色（波长）决定于材料禁带宽度光的颜色（波长）决定于材料禁带宽度EgEg，光的强弱与，光的强弱与电流有关电流有关 1.PN结注入发光第十页，本课件共有75页LED的特性参数 LED的发光光谱指LED发出光的相对强度(或能量)随波长(或频率)变化的分布曲线。它直接决定着发光二极管的发光颜色1.1.发光光谱第十三页，本课件共有75页 发发光光二二极极管管发发射射的的光光通通量量与

7、与输输人人电电能能之之比比表表示示发发光光效效率率，单单位位lm/W；也也有有把把光光强强度度与与注注入入电电流流之比称为发光效率，单位为之比称为发光效率，单位为cdA（坎（坎/安）。安）。2 2、发光效率发光效率对比：发光效率对比：白炽灯白炽灯 9lm/w日光灯日光灯 40lm/wLED 60lm/w第十四页，本课件共有75页10.90.1亮度ttrtf3.时间响应时间响应响应时间指器件启亮响应时间指器件启亮(上升上升)与熄灭与熄灭(衰减衰减)时间的延迟。实验证时间的延迟。实验证明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。它的明，二极管的上升时间随电流的增加而近似呈指数衰减。它的响应时

8、间一般是很短的，如响应时间一般是很短的，如GaAs1-xPx仅为几个仅为几个ns，GaP约为约为100ns。第十五页，本课件共有75页 发光二极管的寿命定义为亮度降低到原有亮度一半时所经历的时间。二极管的寿命一般都很长，在电流密度小于在电流密度小于lA/cm2时，一般可达时，一般可达106h，最长可达，最长可达109h。随着工作时间的加长，亮度下降的现象叫老化。电流密度大，老化快。4.寿命第十六页，本课件共有75页1 1、LEDLED辐射光为非相干光，辐射光为非相干光，辐射光为非相干光，辐射光为非相干光，光谱较宽光谱较宽光谱较宽光谱较宽，发散角较大，发散角较大，发散角较大，发散角较大。2 2、

9、LEDLED的发光的发光的发光的发光颜色丰富颜色丰富颜色丰富颜色丰富，通过选用不同的材料，可以实现，通过选用不同的材料，可以实现各种发光颜色。如采用各种发光颜色。如采用GaP:ZnOGaP:ZnO或或GaAaPGaAaP材料的红色材料的红色LEDLED，GaAaPGaAaP材料的橙色、黄色材料的橙色、黄色LEDLED，以及，以及GaNGaN蓝色蓝色LEDLED等。等。3 3、LEDLED的的的的辉度高辉度高辉度高辉度高。随着各种颜色随着各种颜色LEDLED辉度的迅速提高，即使辉度的迅速提高，即使在日光下，由在日光下，由LEDLED发出的光也能视认。发出的光也能视认。4 4、LEDLED的单元的

10、单元的单元的单元体积小体积小体积小体积小。再加上低电压、低电流驱动的特点，。再加上低电压、低电流驱动的特点，可作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用。可作为电子仪器设备、家用电器的指示灯、信号灯的使用。5 5、寿命长寿命长寿命长寿命长，基本上不需要维修，基本上不需要维修，基本上不需要维修，基本上不需要维修。可作为地板、马路、广场地。可作为地板、马路、广场地面的信号光源，是一个新的应用领域。面的信号光源，是一个新的应用领域。LED特点第十七页，本课件共有75页发光二极管的应用 1、指示灯指示灯LEDLED指示灯不断更新换代，其寿命在数十万小时以上，而指示灯不断更新换代，其寿命在数十万小

11、时以上，而且功耗小，发光响应速度快，亮度高，小型耐振动等特点，且功耗小，发光响应速度快，亮度高，小型耐振动等特点，在各种应用中占有明显的优势。常见的应用：电话、音响在各种应用中占有明显的优势。常见的应用：电话、音响制品、家电制品、各种计测仪表以及集中控制盘等指示灯制品、家电制品、各种计测仪表以及集中控制盘等指示灯第十八页，本课件共有75页1998年发白光的年发白光的LED开发成功。开发成功。高效节能超长寿命：以相同亮度高效节能超长寿命：以相同亮度比较，比较，3W的的LED节能灯节能灯333小时耗小时耗1度电，而普通度电，而普通60W白炽白炽灯灯17小时耗小时耗1度电，普通度电，普通5W节能灯节

12、能灯200小时耗小时耗1度电。度电。CREE公司实验室最高光效已达公司实验室最高光效已达260lm/W，而市面上的单颗，而市面上的单颗大功率大功率LED也已经突破也已经突破100lm/W。绿色环保：不含汞和氙等。绿色环保：不含汞和氙等有害元素。有害元素。2.照明第十九页，本课件共有75页第二十页，本课件共有75页第二十一页，本课件共有75页第二十二页，本课件共有75页七段式数码管文字显示器的内部接线14划字码管3、数字、文字以及图像显示第二十三页，本课件共有75页4、显示器彩色大面积显示设备，如电子商标及大屏幕显示彩色大面积显示设备，如电子商标及大屏幕显示第二十四页，本课件共有75页LCDLC

13、D LCD 液晶屏是液晶屏是 Liquid Crystal Liquid Crystal Display Display 的简称，的简称，LCD LCD 的构造是在的构造是在两片平行的玻璃当两片平行的玻璃当中放置液态的晶体，中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许两片玻璃中间有许多垂直和水平的细多垂直和水平的细小电线，透过通电小电线，透过通电与否来控制杆状水与否来控制杆状水晶分子改变方向，晶分子改变方向，将光线折射出来产将光线折射出来产生画面。生画面。第二十五页，本课件共有75页LED与LCD比较LCD 液晶屏是 Liquid Crystal Display 的简称，LCD 的构造是在两片平行的玻璃

14、当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。LED显示器与LCD显示器相比，LED在亮度、功耗、可视角度和刷新速率等方面，都更具优势。LED与LCD的功耗比大约为1:10，而且更高的刷新速率使得LED在视频方面有更好的性能表现，能提供宽达160的视角。有机LED显示屏的单个元素反应速度是LCD液晶屏的1000倍，在强光下也可以照看不误，并且适应零下40度的低温。利用LED技术，可以制造出比LCD更薄、更亮、更清晰的显示器，拥有广泛的应用前景。LED的分辨率一般较低，价格也比较昂贵，因为集成度更高。第二十六页，本课件

15、共有75页OLEDOLED，即有机发光二极管（，即有机发光二极管（，即有机发光二极管（，即有机发光二极管（OrganicLight-OrganicLight-EmittingDiodeEmittingDiode），），其柔性的特征将使得可折叠电其柔性的特征将使得可折叠电视、电脑成为可能。还存在使用寿命短、大型化难视、电脑成为可能。还存在使用寿命短、大型化难等缺陷。具备了信息显示和器件制造所要的所有优等缺陷。具备了信息显示和器件制造所要的所有优异特征，是公认的下一代显示器主流。异特征，是公认的下一代显示器主流。第二十九页，本课件共有75页半导体激光器半导体激光器是向半导体半导体激光器是向半导体P

16、N结注入电流结注入电流，实现粒实现粒子数子数反转反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡的馈，实现光放大而产生激光振荡的1 1、工作物质（产生粒子数反转分布）、工作物质（产生粒子数反转分布）2 2、激励能源（辐射源或电源）、激励能源（辐射源或电源）3 3、有一个谐振腔（提供正反馈和高增益，维持、有一个谐振腔（提供正反馈和高增益，维持受激辐射。）受激辐射。）获得激光必须具备三个要素获得激光必须具备三个要素：半导体激光器的发光原理半导体激光器的发光原理第三十二页，本课件共有75页（激励源）（激励源）（激光物质）（激光物质）（谐振腔

17、）（谐振腔）半导体激光产生过程：第三十三页，本课件共有75页在激光物质中，产生激光的必要条件之一就是受激辐射要占主导地位，此时就必须从外部给工作物质输入能量，使处于激发态的载流子多于处于基态的载流子，也就是把载流子的正常分布倒转过来粒子数反转粒子数反转的条件粒子数反转的条件：增益大于阈值增益或注入电流大于阈值电流。粒子数分布反转第三十四页，本课件共有75页 通常是由具有一定几何形状和光学反射特性的两块反射镜按特定的方式组合而成。作用：提供正反馈和增益,维持受激辐射的持续振荡。对腔内往返振荡光束的方向和频率进行限制，以保证输出激光具有一定的定向性和单色性。谐振腔在激光物质的两测放置相互平行的反射

18、面。作用是让所选光能在其内反复振荡而加强。光在共振腔内获得增益，当腔内增益大于损耗，产生激光振荡。谐振腔第三十五页，本课件共有75页这样的激光器面积大，也称为这样的激光器面积大，也称为大面积激光器大面积激光器。半导体激光器也称激光二极管半导体激光器也称激光二极管半导体激光器也称激光二极管半导体激光器也称激光二极管(LDLaserDiode)(LDLaserDiode)最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约最简单的半导体激光器由一个薄有源层（厚度约0.1m0.1m）、）、）、）、P P型型型型和和和和NN型限

19、制层构成，如图所示。型限制层构成，如图所示。型限制层构成，如图所示。型限制层构成，如图所示。PN结型二极管注入式激光器第三十六页，本课件共有75页n粒子数反转的条件粒子数反转的条件：增益大于阈值增益或注入电流大于阈值电流。第三十七页，本课件共有75页反射吸收散射衍射透过谐振腔失掉偏振损失起偏器泡克尔晶体谐振腔损耗谐振腔损耗第三十八页，本课件共有75页增益损耗增益损耗增益=损耗增益和损耗增益和损耗第三十九页，本课件共有75页半导体激光器的结构驱动电源驱动电源工作物质工作物质谐振腔谐振腔注入式注入式光子激励光子激励电子束激励电子束激励PN结（同质结）结（同质结）异质结异质结单异质结单异质结双异质结

20、（双异质结（DH）解理面解理面布拉格反馈布拉格反馈分布反馈式分布反馈式DFB分布布拉格反射式分布布拉格反射式DBR第四十页，本课件共有75页半导体激光器效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。LD LD 和和和和LEDLEDLEDLED的主要区别的主要区别 LDLD发射的是发射的是受激辐射光受激辐射光 LEDLED发射的是发射的是自发辐射光自发辐射光 LD 的特点及应用第四十一页，本课件共有75页激光的特性 n方向性好方向性好 n亮度高亮度高 n单色

21、性好单色性好 n相干性好相干性好 第四十二页，本课件共有75页方向性好 第四十三页，本课件共有75页单色性好第四十四页，本课件共有75页高亮度第四十五页，本课件共有75页激光的应用 由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好、由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好、相干性好等特点而在许多领域得到广泛应用：相干性好等特点而在许多领域得到广泛应用：1：激光应用于军事领域：激光应用于军事领域2：激光在信息技术领域：激光在信息技术领域-全息照相与光存储中的应用全息照相与光存储中的应用 3：激光在光通信领域领域的应用：激光在光通信领域领域的应用 4：激光在医学领域的应用：激光在医学领域的应用 5：激光在工业

22、加工领域中的应用：激光在工业加工领域中的应用 6：激光在物理、化学、生物领域的应用：激光在物理、化学、生物领域的应用 7：激光应用于科学研究领域：激光冷冻原子与原子钟、激光引发核聚变：激光应用于科学研究领域：激光冷冻原子与原子钟、激光引发核聚变 第四十六页，本课件共有75页第四十七页，本课件共有75页雷达（分辨率高，可测云雾）等。雷达（分辨率高，可测云雾）等。测量：测量：准直、测距等。准直、测距等。医疗：医疗：激光手术刀，激光手术刀，血管内窥镜，血管内窥镜，治癌等。治癌等。第四十八页，本课件共有75页第四十九页，本课件共有75页第五十页，本课件共有75页形形色色的激光武器n激光枪第五十一页，本

23、课件共有75页形形色色的激光武器n机载激光武器第五十二页，本课件共有75页第五十三页，本课件共有75页 激光用于通讯第五十四页，本课件共有75页激光测距与激光雷达第五十五页，本课件共有75页激光切割第五十六页，本课件共有75页长度测量第五十七页，本课件共有75页激光在信息技术领域的应用n全息照相全息照相n光存储光存储n大屏幕显示大屏幕显示第五十八页，本课件共有75页 普通照相原理普通照相原理n 由惠更斯-费涅尔原理可知，任何物体发出的光波 n 可以看成是由物体上各物点发出球面波的总和，其表达式为：n n通常底片上的感光乳胶只对光强有响应，其感光特性，频率响应远远跟不上光波的频率（大于1014H

24、z），无法直接记录相位，而底片的感光程度直接由原物各处的亮度决定，这样底片上各点的明暗只能反映光波的振幅分布，但丢失了物光波的位相信息。其相片只能呈现一个平面像而失去了立体感，这就是普通照相，如上图。凸透镜成像凸透镜成像底片底片物体物体普通成像原理简图普通成像原理简图第五十九页，本课件共有75页 物体光波的记录n 物体光波的记录采用了干涉法，把具有振幅和相位信息的物光O和未受物体影响的参考光R相干涉，其干涉条纹将以强度分布的形式记录在全息底片H H（即全息干板）上，经显影定影处理后形成全息图。全息照相获得的底片并不直接显示物体的形象，而仅是一张干涉图，如上图所示。n 由光干涉理论分析知，所产生

25、的干涉图样的亮暗对比度反映了物光波振幅的大小；条纹的形状、走向，间隔等几何特征反映了物光波的位相分布。这样全息图就记录下了来自物光的全部振幅和位相信息。实实验验原原理理全息底片全息底片激光束用分光镜一分为二，其中一激光束用分光镜一分为二，其中一束照到被拍摄的景物上，反射光束束照到被拍摄的景物上，反射光束照射在胶片上，称为物光束照射在胶片上，称为物光束 ；另；另一束直接照到感光胶片即全息干板一束直接照到感光胶片即全息干板上，称为参考光束。当两束光程适上，称为参考光束。当两束光程适当，在胶片上形成干涉，就完成了当，在胶片上形成干涉，就完成了全息照相的摄制过程全息照相的摄制过程 全息照片和普通照片截

26、然不同全息照片和普通照片截然不同第六十页，本课件共有75页 全息图再现全息图再现n 全息图上只能看到复杂的 干涉条纹，要看到原来物体的 像，必须使全息图再现原来物体发出的光波，称为全息图的再现，这一过程是利用光栅衍射原理来完成的。n 如图，用一束与参考光相同的再现光沿原参考光的方向照射全息图，图上每一组干涉条纹可看作一复杂的光栅,它使再现光产生衍射。在衍射光栅的栅格间距小的地方，光的衍射角大；在衍射光栅的栅格间距大的地方，光的衍射角小。即可在原物位置处看到与原物相同的立体图象。实实验验原原理理第六十一页，本课件共有75页英女王的全息照片 第六十二页，本课件共有75页多路合成角度全息用于艺术品展

27、示 第六十三页，本课件共有75页全息激光防伪标签，已经是一个很大的产业 第六十四页，本课件共有75页光电耦合器件 发光器件：常用LED、LD和微形钨丝灯等。接收器件：常用光电二极管、光电三极管、光电池及光敏电阻等。光电耦合器件发送端与接收端是电、磁绝缘的，只有光信息相连。光电耦合器件：将发光器件与光电接收器件组合在一起具有信号传输功能的器件。光电耦合器件电路符号第六十五页，本课件共有75页 光电耦合器件的基本结构如图，发光器件与光电接收器件靠得很近，但不接触。光电耦合器件的结构光电耦合器件的结构第六十六页，本课件共有75页光电开关光电开关基本电路基本电路R Rx xR RL L+V+VCCCC

28、限流限流电阻电阻5V50100mA第六十七页，本课件共有75页图中（图中（a）、（）、（b）、（）、（c）分别为三种不同安装方式光电发射）分别为三种不同安装方式光电发射器件与光电接收器件分别安装器件的两臂上，分离尺寸一般器件与光电接收器件分别安装器件的两臂上，分离尺寸一般412mm，分开的目的是要检测两臂间是否存在物体，以及物体，分开的目的是要检测两臂间是否存在物体，以及物体的运动速度等参数。这种封装的器件常被称为的运动速度等参数。这种封装的器件常被称为对射式对射式光电开关。光电开关。第六十八页，本课件共有75页 光电耦合器件的特点 具有电隔离的功能具有电隔离的功能它的输入、输出信号间完全没有

29、电路的联系。绝缘电阻高达它的输入、输出信号间完全没有电路的联系。绝缘电阻高达1010l012，击穿电压高达，击穿电压高达10025kV，耦合电容小于，耦合电容小于1PF。信号传输方式是单向性的信号传输方式是单向性的具有抗干扰和噪声的能力具有抗干扰和噪声的能力它不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。它不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影响。第六十九页，本课件共有75页n 响应速度快响应速度快n一般可达微秒级，甚至纳秒级。信号频率在直流至一般可达微秒级，甚至纳秒级。信号频率在直流至10MHz之间。之间。n 实用性强实用性强n具有一般固体器件的可靠性，体积小具有一般固体器件的可靠性，体积小(一般一般6

30、6mm)，重量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗，重量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，成本低，工作温度范围在电省，成本低，工作温度范围在55+l00之间。之间。n 即具有耦合特性又具有隔离特性即具有耦合特性又具有隔离特性第七十页，本课件共有75页光电耦合器件的应用 1.用于电平转换 工业控制系统所用集成电路的电源电压和信号脉冲的幅度常不尽相同，如TTL的电源为5V，HTL为12V，PMOS为22V，CMOS则为520V。如果在系统中必须采用二种集成电路芯片，就必需对电平进行转换，以便逻辑控制的实现。第七十一页，本课件共有75页2.用于逻辑门电路 利用光电耦合器件可以构成各种逻辑电路，如图所示为两个光电耦合器组成的与门电路。光电耦合器件还可以构成与非、或、或非、异或等逻辑电路。第七十二页，本课件共有75页3.隔离方面的应用 有时为隔离干扰，或者为使高压电路与低压信号分开，可采用光电耦合器。在电子计算机与外围设备相连的情况下，会出现感应噪声、接地回路噪声等问题。为了使输入、输出设备及长线传输设备等外围设备的各种干扰不窜入计算机，以便提高计算机工作的可靠性，亦采用光电耦合器把计算机与外围设备隔离开来。第七十三页，本课件共有75页感谢大家观看2022/12/10第七十五页，本课件共有75页