光电检测四五六章考试范围总结

第四章

发光二极管（LED ）是一种注入式电致发光器件，由P 型和N 型半导体组合而成。工作原理是：当PN 结加上正向电压时，结区势垒降低，P 区的空穴载流子向N 区扩散，N 区的电子向P 区扩散，电子和空穴在结区相遇复合，从而释放能量而发光。

半导体材料的禁带和导带的宽度越宽，释放出的能量越大，发出光的波长就越短。

LED 的优点是：体积小，节能环保，寿命长，功耗低，响应快，可靠性高，易集成等，是下一代的新型光源，也是光电检测中的常用光源。

LED 的效率

用于非显示时的效率：1)功率效率：辐射同输入功率之比。2)光学效率：外量子效率和内量子效率之比。3)内量子效率：注入载流子复合所产生的光子数同激发时注入的电子空穴对数之比。4)外量子效率：射出的光子数同注入的电子空穴对数之比。

用于显示时的效率：发出的光通量同消耗的电功率之比，即有效的是可见光部分的人眼衡量的效率。

LED 的光谱：（1）发光光谱是发光的相对强度随波长变化的分布曲线，直接决定发光二极管的颜色，并决定了它的流明效率。（2）光源光谱由LED 的材料、发光中心结构确定，同几何形状和封装方式无关。（3）光谱中主要关注峰值波长和半强度宽度，其中峰值波长同材料的禁带宽度相关。

伏安特性：LED 的伏安特性同普通二极管的伏安特性相同，电压小于开启点电压时没有电流，超过开启点后

为欧姆特性。直流下计算公式为： 交流下计算公式为： 试题1：已知FG402发光二极管的正向工作电流IF=30mA ，试设计出：

(1)用电压为5V ，内阻为Ri 为5欧，LED 压降为2V 时，限流电阻R 应该为多少？(2)画出简单驱动电路。

(3)为何在使用发光二极管时，在两端并联一个反向二极管？

答：R+Ri=(5-2)/0.03，故R ＝95欧。

试题2：交流电源电压有效值e=10V ，LED 的正向压降为1V ，流过的电流为10mA ，需要接多大的限流电阻？ 答：R=(e-VF)/2IF=(10-1)/0.02=450欧

激光：特点：1.相干性极好：空间相干性好，有的激光波面上各个点都是相干光源。2.方向性极好（发散角～10 -4弧度）3.脉冲瞬时功率大（可达～10 14瓦）4.亮度极高

种类：按工作物质分：固体，液体，气体，半导体。按工作方式：连续式（功率可达10000W ）脉冲式（瞬时功率可达1014 W ）

波长：极紫外──可见光──亚毫米（100nm~1.222mm ）

原子激发的几种基本方式:

1) 气体放电激发2) 原子间碰撞激发3)光激发(光泵)

激光工作原理：1.自发辐射：原子在没有外界干预的情况下，电子会由处于激发态的高能级E 2 自动跃迁至

低能级E 1，这种跃迁称为自发跃迁。自发辐射光子频率： 2.光吸收：当原子中的电子处于低能级时，吸收光子的能量后从低能级跃迁到高能级----光吸收。

3.受激辐射：当原子中的电子处于高能级时，若外来光子的频率恰好满足时，电子会在外来光子的诱发下向

低能级跃，并发出与外来光子一样特征的光子----受激辐射。 4.光放大：在受激辐射中通过一个光的作用，得到两个特征完全相同的光子，如果这两个光子再引起其它原子产生受激辐射，就能得到更多的特征完全相同的光子----光放大，激光。 5. 粒子数正常分布和粒子数反转：通常处于低能级的电子数较处于高能级的电子数要多，粒子数正常分布6.光学谐振腔：主要部分是两个互相平行的并与激活介质轴线垂直的反射镜，有一个是全反射镜，另一个是部分反射镜。

激光必须满足3个基本要求：（1）要把出于较低能级的电子泵浦到较高能级上去。（2）要有大量的粒子分布反转，使得受激辐射足以克服损耗。（3）要有一个共振腔提供正反馈和增益，用以维持受激辐射的持续振荡。 半导体激光器的阈值：激光器中，要维持激光振荡，光子的产生率要超过吸收速率，还需要超过光子在结区的损耗率，这种刚好抵偿吸收与损耗的光子产生率就是阈值。半导体激光器是直接注入电流产生辐射跃迁，所以其阈值用电流密度或者电流I 来表示。

影响阈值的因素主要是半导体材料、结构和温度，随着温度的升高，阈值也增加

F

F I V E R -=F F I V e R 2-=h

E E 1

2-=νh

E E 1

2-=ν

受激辐射和自发辐射的不同

受激辐射光的频率、相位、偏振态和传播方向与入射光相同，这种光被称为相于光，自发辐射光是由大量不同激发态的电子自发跃迁时产生的，其频率和方向分布在一定范围内，相位和偏振态是杂乱无章的，这种光被称为非相于光。

第五章

光电成像原理：光学物镜将景物所反射出来的光成像到光电成像器件的像敏面上形成二维光学图像，经光电成像器件将二维光学图像转变成二维电气图像（超正析像管为电子图像，视像管为电阻图像或电势图像，面阵CCD 为电荷图像），然后进行图像分割，并按照一定的规则将所分割的电气图像转变成一维时序信号（视频信号），将视频信号送入监视器，控制显像管电子枪的强度，显像管电子枪与摄像管的电子枪作同步扫描，可将摄像管摄取得图像显示出来。（如将视频信号经调制放大成高频－射频信号发送出去，再用天线系统将射频信号接收到，经过解调获取视频信号，控制电视显像管电子枪的扫描可以获得摄像管摄取得景物图像 ） 扫描方式：逐行扫描光栅，隔行扫描光栅

电视制式：1.NTSC （美国制）：每秒29.97帧（简化为30帧），电视扫描线为525线，偶场在前，奇场在后，画面的宽高比为4：3。NTSC 电视标准用于美、日等国家和地区。场频为每秒60场，帧频为每秒30帧，扫描线为525行。 2. PAL （西德制Phase Alternating Line 逐行倒相 ）：德国、英国和其它一些西北欧国家采用这种制式。这种制式帧速率为25fps ，每帧625行312线，标准分辨率为720×576。 3.电视图像的宽高比：分别用W 和H 表示电视屏幕的图像宽度和高度，二者之比就是图像的宽高比。一般为4：3。 4.帧频与场频：帧频为每秒钟电视屏幕变化的数目，即电视图像的重复频率，根据人眼的视觉特性，这个频率不小于48次/秒。考虑到交流干扰问题，这个频率一般取50赫兹。在隔行扫描方式下，帧频为场频一半，25赫兹。逐行方式下，二者相等。5.

扫描行数与行频：扫描行数也就是电子束在水平方向上的扫描速度。场频一定的情况下，行频越高，扫描速度就越快，所以行频的确定是图像清晰度和通讯传输速度，系统成本等多方面的折中。 我国现行电视制式（PLA 制式）：宽高比为4：3，场频为50赫兹，行频为15625赫兹，场周期为20毫秒，其中正程扫描时间为18.4毫秒，逆程扫描时间为1.6毫秒，行周期为64微秒，其中正程扫描时间为52微秒，逆程扫描时间为12微秒。

电荷耦合器件CCD ：具备光电转换、信息存贮和传输等功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。CCD 图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。

电荷的储存：当栅极G 施加正偏压UG 之前（UG=0），P 型半导体中的空穴（多数载流子）的分布是均匀的；当栅极电压加正向偏压（UGUth 时，半导体与绝缘体界面上的电势（表面势ФS ）变得如此之高，以至于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成电荷浓度极高的极薄反型层，反型层电荷的存在说明了MOS 结构具有存储电荷的功能。MOS 电容存储信号电荷的容量为：Q=Cox•UG•A

电荷耦合：（1）通过将一定规则变化的电压加到CCD 各电极上，电极下的电荷包就能沿半导体表面按一定方向移动。通常把CCD 电极分为几组，并施加同样的时钟脉冲。如图f ，为三相时钟脉冲，此种CCD 称为三相CCD 。（2）CCD 电极间隙必须很小，否则被电极间的势垒所间隔。（3）产生完全耦合条件的最大间隙一般由具体电极结构，表面态密度等因素决定。间隙长度应小于3um 。（4）以电子为信号电荷的CCD 称为N 型沟道CCD （工作频率高）,而以空穴为信号电荷的CCD 称为P 型沟道CCD

CCD 电荷输出：信号电荷在转移过程中与时钟脉冲无任何电容耦合，但在输出端则不可避免，所以需选择适当地输出电路，以减小时钟脉冲容性馈入输出电路。目前主要的输出电路有：电流输出、浮置扩散放大器输出、浮置栅放大器输出。

CCD 类型：分别按照驱动脉冲的相数、栅电极的不同、栅电极的层、电荷转移的沟道位置、光敏单元的排列等区分。按照相数分：（1）按照驱动脉冲的相数划分为两相、三相、四相等。（2）两相需要在电极结构中制造出某种不对称性，防止电荷倒流；（3）三相是常用方式；（4）四相主要用于高端、高速CCD 中。按照光敏单元排列方式和覆盖膜：彩色、单色。按照敏感光谱分为：可见光、红外光…

CCD 的特性参数： 1、转移效率： 转移损失率：

N 个栅电极的转移效率为： 这是一个CCD 性能关键参数，假如一个CCD 的单次转移效率为99.9％，1024像素，则转移后的损失为99.9%1024＝36.9%。 %100)0()(⨯=Q t Q ηηε-=1n

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