微传感器与微执行器3-2

3-2光执行器专题半导体发光显示器件（LED）LED的伏安特性开启电压与材料有关，对于GaAs是1.0V；GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs大致是1.5V；发红光的GP是1.8V，发绿光的GaP是2.0V。反向击穿电压一般在-5V以上。LED光源的特点电压：LED使用低压电源，供电电压在3-24V之间，所以它是一个比使用高压电源更安全的电源，特别适用于公共场所。效能：消耗能量较同光效的白炽灯减少80%适用性：很小，每个单元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制备成各种形状的器件，并且适合于易变的环境稳定性：10万小时，光衰为初始的50%响应时间：白炽灯响应时间为毫秒级，LED灯响应时间为纳秒级对环境污染：无有害金属汞颜色：改变电流可以变色，发光二极管方便地通过化学修饰方法，调整材料能带结构和带隙，实现红黄绿兰橙多色发光。如小电流时为红色的LED，随着电流的增加，可以依次变为橙色，黄色，最后为绿色价格：LED的价格比较昂贵，较之于白炽灯，几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当，而通常每组信号灯需由上300～500只二极管构成。单色光LED的种类及其发展历史最早应用半导体P-N结发光原理制成的LED光源问世于20世纪60年代初。当时所用的材料是GaAsP，发红光（λ=650nm），在驱动电流为20毫安时，光通量只有千分之几个流明，相应的发光效率约0.1流明/瓦。70年代中期，引入元素In和N，使LED产生绿光（λ=555nm），黄光（λ=590nm）和橙光（λ=610nm），光效也提高到1流明/瓦。到了80年代初，出现了GaAlAs的LED光源，使得红色LED的光效达到10流明/瓦。90年代初，发红光、黄光的GaAlInP和发绿、蓝光的GaInN两种新材料的开发成功，使LED的光效得到大幅度的提高。在2000年，前者做成的LED在红、橙区（λ=615nm）的光效达到100流明/瓦，而后者制成的LED在绿色区域（λp=530nm）的光效可以达到50流明/瓦。单色光LED应用最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯，由于LED响应速度快（纳秒级），可以及早让尾随车辆司机知道行驶状况，减少汽车追尾事故的发生。另外，LED灯在室外红、绿、蓝全彩广告显示屏得到了广泛的应用。单色光LED应用360°LED环型显示器工作原理白光LED的开发1998年白光LED开发成功。将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。GaN芯片发蓝光（λ=465nm，谱宽=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄光，峰值550nm。蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。白色LED照明灯地砖灯礼品灯手电筒白光LED的应用液晶TFT-LCD是薄膜晶体管液晶显示器英文ThinFilmTransistor-LiquidCrystalDisplay字头的缩写。TFT-LCD技术是微电子技术与液晶显示器技术巧妙结合的一种技术。人们将Si上微电子精细加工技术移植到在大面积玻璃上进行TFT阵列的加工，再将该阵列基板与另一片带彩色滤色膜的基板，利用与业已成熟的LCD技术，形成一个液晶盒相结合，再经过后工序如偏光片贴覆等过程，最后形成液晶显示器（屏）。TFT-LCD与无源TN-LCD、STN-LCD的简单矩阵不同，它在液晶显示屏的每一个象素上都设置有一个薄膜晶体管（TFT），可有效地克服非选通时的串扰，使显示液晶屏的静态特性与扫描线数无关，因此大大提高了图像质量。目前，TFT-LCD是液晶平板显示家族中最主要的成员TFT-LCD结构~~彩色濾光片上偏光片下偏光片背光源TFT基板液晶層TFTTurnOFFTFTTurnON光源經液晶層扭轉90°

TFT-LCD面板结构彩色虑光片紅藍綠黃白紫青DATADRIVERICSCANDRIVERICTFTRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBRGBArray面板說明G1G2G3GmGm-1S1S2S3Sn-1SnSource線儲存電容Gate線液晶電容TFTcomITOCLCArray面板示意圖G1G2G3GmGm-2Gm-1S1S2S3Sn-2Sn-1SncomITOCLCArray面板訊號傳輸說明GateDriverSourceDriverTFT-LCD的面板構造TFTLCDTVLCD视角激光1.受激吸收、自发辐射、受激辐射

如果原子因受满足频率条件的光的激励而跃迁到较高能态，这种过程就称为受激吸收。

受激吸收

没有外界作用，原子自发地由高能态跃迁到低能态，并辐射一个光子，这种过程叫自发辐射。

自发辐射各个原子自发辐射的光是非相干光自发辐射

若原子受到一个满足频率条件的外来光子的激励，由高能态跃迁到低能态，则辐射出另一同频率的光子来，这种过程叫做受激辐射。受激辐射各个原子受激辐射的光是相干光自发辐射2.产生激光的基本条件

在通常情况下，原子在各能级上的分布服从玻尔兹曼分布定律，即在低能级上的原子数较多光通过物质时，受激吸收占优势。

激光就是由受激辐射产生的被放大了的相干光。激光的英文名为“lightamplificationbystimulatedemissionofradiation”第一个字母缩写。

在通常状态下，三种跃迁同时存在，受激吸收使光子数减少，受激辐射使光子数增加。哪种跃迁占优势取决于高低能级的原子数。（1）粒子数反转

要使受激辐射占优势，必须使处在高能级的原子数多于低能级的原子数，这种分布与正常分布相反，称为粒子数反转分布。粒子数反转

通过给物质提供能量，可以使较多的原子跃迁到高能级，如果物质具有亚稳态，就能实现粒子数反转。

存在粒子数反转分布的物质称为激活介质。产生激光的基本条件

在激活介质的两端安置两块反射镜面，一个是全反射镜，一个是部分反射镜，这对反射镜面及其间的空间称为光学谐振腔。（2）光学谐振腔

要得到方向性和单色性很好的激光，还必须采用光学谐振腔。光学谐振腔产生激光的基本条件

最初的受激辐射源于自发辐射，只有与反射镜轴向平行的一定波长的光能在激活介质内来回反射，雪崩式地放大，在一定条件下形成稳定的强光光束，从部分反射镜面输出，得到激光。光学谐振腔对光的方向选择性产生激光的基本条件（3）阈值条件

在谐振腔内，除了有光的增益，还存在工作物质对光的吸收、散射以及反射镜的吸收和透射等造成的各种损耗，只有当光在谐振腔内来回一次所得的增益大于损耗时，才能形成激光。增益大于损耗的条件称为阈值条件。

在设计谐振腔时，可以有选择地使对特定波长的光满足阈值条件，使该波长的光形成激光输出。产生激光的基本条件3.激光器的组成和常见激光器常用激光器由三部分组成：

工作物质泵浦源光学谐振腔激光工作物质激励能源谐振腔激光器结构示意图按输出方式分：脉冲输出连续输出半导体激光器按工作物质分：气体激光器固体激光器液体激光器自由电子激光器激光器的分类激光器的组成和常见激光器1960年，美国梅曼和第一只激光器激光器的组成和常见激光器气体激光器激光器的组成和常见激光器固体激光器激光器的组成和常见激光器液体激光器激光器的组成和常见激光器半导体激光器激光器的组成和常见激光器4.激光的特性及其应用（1）方向性好

激光束的发散角很小，0.001弧度

激光定位、导向、测距等就利用了方向性好的特点。（2）单色性好

在普通光源中，单色性最好的是作为长度基准器的氪灯（K186）；它的谱线宽度为4.7×10-3纳米，而激光谱线宽为纳米，为氪灯谱线宽度的5万分之一。采用稳频等技术还可以进一步提高激光的单色性。计量工作的标准光源、激光通讯等利用了单色性好的特点。激光的特性及其应用光缆激光通讯激光的特性及其应用(3)亮度高

亮度是光源在单位面积上，向某一方向的单位立体角内发射的功率。

激光的输出功率虽然有个限度，但由于其光束细（发散特别小），功率密度特别大，因而其亮度也特别大。把分散在180°范围内的光集中到0.18°范围，亮度提高100万倍。通过调Q等技术，压缩脉冲宽度，还可以进一步提高亮度。激光的特性及其应用

激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产生几百万度的高温。

激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的特点。激光打孔激光切割激光的特性及其应用低能激光武器高能激光武器激光的特性及其应用(4)相干性好激光具有很好的相干性。

普通光源的相干长度约为1毫米至几十厘米，激光可达几十公里。

全息照相、全息存储等就利用了相干性好的特点。全息照相激光的特性及其应用全息照相概述全息照相原理是1948年DennisGabor为了提高电子显微镜的分辨本领而提出的。“全息”是指物体发出的光波的全部信息：既包括振幅或强度，也包括相位。照相技术是利用了光能引起感光乳胶发生化学变化的原理，变化的强度随入射光强的增大而增大。普通照相使用透镜成像原理，底片上化学反应的强度直接由物体各处的明暗决定，即由入射光波的强度决定。而全息照相不但记录了入射光波的强度，也记录了入射光波的相位。所谓全息照片就是一种记录被摄物体反射（或透射）光波中全部信息的先进照相技术。全息照片不用一般的照相机，而要用一台激光器。激光束用分光镜一分为二，其中一束照到被拍摄的景物上。另一束直接照到感光胶片即全息干板上。当光束被物体反射后，其反射光束也照射在胶片上，就完成了全息照相的摄制过程全息照相的拍摄原理拍摄全息照片的基本光路大致如图。一激光光源（波长为λ）的光分成两部分：直接照射到底片上的叫参考光；另一部分经物体表面散射的光也照射到照相底片，称为物光。参考光和物光在底片上各处相遇时将发生干涉，底片记录的即是各干涉条纹叠加后的图像。全息照相的拍摄原理关于强度：显然参考光各处的强度是一样的，但由于物体表面的反射率不同，所以物光的强度各处不同。因此，参考光和物光叠加干涉时形成的干涉条纹各处浓淡也就不同。关于相位。如图。设O为物体上某一发光点．全息照相的拍摄原理设参考光在a处的波动方程为:全息照相的拍摄原理设a、b为相邻的两暗纹,由干涉知：a、b两处的物光与参考光必须都反相.因为ab两处的参考光相同,所以其物光的波程差为λ.由几何关系知:

由此可知:当θ不同时,物光与参考光形成的干涉条纹的间距也不同,而θ的大小又可以反映出物光光波的相位.;再根据条纹的方向即可确定出物体的前后,上下,左右的位置.全息照相的观察原理观察全息照片的光路图如下：全息照相的观察原理全息照片不同于普通照片,其底片不显示物体的形象,而是干涉条纹叠加后的图像。冲洗时只是改变了不同部分的透光性。观察时,需利用与拍照时同频率的光的衍射原理。仍考虑相邻的两条纹a和b,此时二者为两透光缝。由惠更斯-菲涅耳原理知:处于同一波阵面上的a、b可以当成子波波源,其强度皆为激光光源的强度。沿原来从物体上O点发来的物光的方向的两束衍射光,由几何知识知其光程差恰为λ。由发光点O在底片上各处造成的透光缝透过的光形成的衍射条纹会使人眼感到原来的O点处有一发光点O’。所有发光点的对应的衍射条纹会使人眼看到一个处于原来位置的完整的立体虚像。全息照相的特点1.全息照片衍射形成的立体虚像是一个真正立体的,当人眼换一个位置时,便可以看到物体的侧面像,即物体上原来被挡住的部分也可以看到。

2.即使是全息照片的一块残片,也可以看到整个物体的立体象.因为拍摄照片时,物体上的点发出的物光在整个底片上处处与参考光发生干涉,也就是说,在底片上处处都有某一点的记录。

3.在用光照射底片时,在与原来物光对称方向的两束光,其光程差也为λ,光线汇聚将会在O”处形成一实像。全息技术的应用在全息照相的基础上，全息技术还扩展到红外、微波、超声领域，进一步发展形成了全息干涉术、彩色全息、及彩虹全息和周视全息等新的全息技术。由于全息照相具有三维成像的特点，可重复记录，而且，每一小块全息底片都能再现物体的完整，其用途十分广泛。可广泛用于精密干涉计量、无损探伤、全息光弹性、微应变分析和振动分析等科学研究。利用全息干涉术研究燃气燃烧的过程、机械件的振动模式、蜂窝板结构的粘结质量和汽车轮胎皮下缺陷检查等已得到广泛应用。全息照相用作商品和信用卡的防伪标记已形成产业，正在发展的全息电视还将为人类带来一场新的视觉革命。DLP™投影系统工作原理

它先利用一组聚光镜将灯泡发出的光线传递通过在高速旋转的色轮(Colorfilter/orColorwheel)，再利用第二组镜片将通过色轮的光线均匀汇聚在DMD元件上。经由DMD反射，光线会进入投影镜头将图像成像在屏幕上。随着DMD的微反射镜旋转状态的不同(+12度或-12度)，光线可能会反射进入投影镜头的透光孔(ON)或是离开投影镜头的透光孔(OFF)。DMD芯片

折射镜色轮灯泡光管镜头滤光片凹面镜单片DLP™投影机光学原理光管调整光线，使达到成像面板的光线均匀度更好。

主要光学部件－灯泡、光管主要光学部件－色轮

所谓的色轮-就是在一透明圆盘上均匀的涂满了红、绿、蓝三种颜色，播放影像时，色轮会不停的高速旋转，而从后方进入的光源，就可以产生红、绿、蓝交错变化的影像，其色彩的表现至少可到达16.7百万色。由于人眼有视觉暂留作用，如果DMD上的影像讯号能和色轮相互配合(同步)的话，就可以在人眼内呈现出彩色的画面。DLP(DigitalLightProcessor)投影系统

DLP就是所谓的数位光源处理技术,是真正的数位投影和显示技术，它能接受数位视讯，然后产生一系列的数位光脉冲；这些光脉冲进入眼睛后，我们的眼睛会把它解译成为彩色模拟影像。DLP技术是以一种微机电元件为基础，称为数位微型反射镜元件(DigitalMicromirrorDevice，简称DMD)，这种速度极快的反射性数位光开关是由TI(德州仪器)在1987年发明。DMD微芯片上面包含数量庞大的超小型数位光开关，它们是面积非常小(14微米)、外观为四方型、并由铝金属制程的绞接式反射镜，可以接受电子讯号代表的资料字元，然后产生光学字元输出。而按照使用DMD的片数，DLP投影系统又可分为单片式DLP投影系统跟三片式DLP投影系统。一个DMD象素由镜面层、机构层和半导体层构成一个DMD微镜片可被简单描述成为一个半导体光开关DMD一是全数字化，拥有最高的信噪比。DLP可以直接显示数字视频信号，不象CRT显象管需要将数字信号转换为模拟信号才能处理。二是色彩丰富，三片DLP系统能