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1、2.6 激光光源激光光源 激光是一种新型的光源，与钨丝灯、氙灯等其他光源相比，具有方向性强、单色性好、相干性好和光亮度高等独特的优点，因而在国防、科研、工农业生产和医疗仪器等方面得到广泛的应用。2.6.1激光的产生机理激光的产生机理 光的吸收与发射和原子、分子等粒子的能量状态改变相关连，当粒子从高能级跃迁到低能级时发出辐射光子。激光的产生机理一般涉及到受激辐射，粒子数反转与谐振三个关键问题。在常温下大部分电子处于基态。当原子在E1与E2两个能级之间产生跃迁时将产生自发辐射、受激辐射和受激吸收的三个基本过程。1.自发辐射与受激辐射如图2-20所示的系统中设E1为基态能级，E2为激发态能级。要产生
2、激光，必须使总发射大于总吸收。因此，产生激光的必要条件之一是受激辐射占主导地位。2.粒子数反转（分布反转）从外部给工作物质提供能量使载流子的正常分布倒转过来，称为粒子数的反转或称粒子分布的反转状态。粒子数的反转是使受激辐射从次要地位转化为主导地位的必要条件。3.谐振腔 在激光物质的两侧放置相互平行的反光镜形成光的“共振”现象，通常将能使光产生“共振”的装置称为“共振腔”或“谐振腔”。获得激光输出的3个必要条件为：必须将处于低能态的电子激发或泵浦到较高能态上去，为此需要泵浦源；要有大量的粒子数反转，使受激辐射足以克服损耗；有一个谐振腔为出射光子提供正反馈及高的增益，用以维持受激辐射的持续振荡。2
3、.6.3 半导体激光器（半导体激光器（LD）半导体激光器是体积最小的激光器件。它具有效率高，工作电压低，功率损耗小，驱动与调整都很方便等特点，非常适合于野外短距离的激光通信，激光测距，激光遥控、遥测、引爆等等。半导体激光器有电子束激励的和注入式的两种。后者应用最为普遍，因此，着重介绍注入式的半导体激光器。1.砷化镓半导体激光器的结构与工作原理砷化镓半导体激光器的结构与工作原理 如图2-23所示为pn结型GaAs半导体激光器的结构原理图，由p-GaAs、n-GaAs和散热片等部分组成。2.异质结pn结半导体激光器如图2-24（a）所示，构成单异质pn结型的半导体激光器。如图2-24（b）所示结构
4、为砷化镓双异质结型半导体激光器。2.7 光电传感器应用系统中光源与照度的匹配光电传感器应用系统中光源与照度的匹配 2.7.1 光源的选择光源的选择 图像传感器的应用系统大致可分为图像传感、图像分析和图像检测三种类型。不同的应用类型对照明光源的要求也不相同，应该根据具体的需要选用不同的照明光源。(1)摄像（图像传感）应用系统摄像（图像传感）应用系统 摄像是为了真实地记录景物的结构、状态和颜色。根据色度学的基本常识，景物的颜色与照明光源的光谱功率分布有关。直接选用太阳光照明或选用接近太阳光谱的闪灯为照明光源。（3）图像检测系统）图像检测系统 图像检测系统一般有两种：一种是通过测量被检测物体的像来测
5、量被检测物体的某些特征参数；另一种是通过测量被检物体的空间频谱分布确定被检物体的某些特征参数。前者，只要选用白炽灯或卤钨灯作为照明光源就可以了；后者，应选用激光照明，因为它能满足单色性好、相干性好、光束准直精度高等特点。（2）图像分析系统）图像分析系统 图像分析系统所用光源必须根据提取图像信息的有利因数采取必要的照明方式，问题的难度和复杂度都很高，其基本思路是从颜色、照明角度、照明方式上想办法突出被检测图像的信息。2.7.2 照度匹配照度匹配 半导体集成图像传感器大部分为光积分型的器件（如电荷耦合摄像器件），它的输出电流不但与光敏面上的照度有关，也和两次取样的间隔时间，即积分时间有关。若以Io
6、代表它的输出电流信号，Ev代表光敏面上的照度，t代表两次取样的间隔时间，则在正常工作范围内有（2-11）式中，k为比例常数；Qv=Evt，称为曝光量，单位为lxs。因为QvEvt，所以可通过适当选择CCD器件光敏面上照度Ev和两次采样间隔时间t来达到QvQsat。但是，t 一般由驱动器的转移脉冲周期TSH确定，当采用石英晶体振荡器为主时钟设计驱动器时，TSH可认为是常数。调节曝光量通常是通过调节CCD光敏面上的光照度来实现的。要求光敏面上任何点的照度应满足(2-12)光敏面的照度也不能太低。如果某些点的照度低于CCD器件的灵敏阈，这些较暗部便无法测出，从而降低画面亮度的层次或产生测量误差。最好
7、是把光敏面上的最大照度Emax调节为略低于，以充分利用器件的动态范围。发光特性接近于余弦辐射体的物体经光学系统成像，其轴上像点的照度和轴外像点照度可分别用下列两式表示（2-13）（2-14）式中，n和n分别为光学系统的像方和物方介质的折射率；k为光学系统的透过率；L为物体的亮度；U为像方孔径角；为所考虑点对应的视场角。对于观察或测量自然景物，由于景物的亮度不易改变，一般选取U角取得合适的像面照度。对于观察无限远景物，应使用望远镜，这时，轴上像点的照度为（2-15）这种情况下像面照度与相对孔径D/f的平方成正比，主要靠选择望远镜的相对孔径来达到像面照度与CCD光敏特性相匹配。用人工照明的观测目标
8、，可用合理选择照明光源的功率及照明系统的参数来调节被观测对像的亮度值L，进行匹配以便合适的观测光学系统对像面照度的要求。有些测量系统像面或谱面照度分布不均匀，最大和最小照度之差远超过CCD器件的响应范围，这时，单靠调节照明和光学系统的参数不能达到目的。例如。调节光源或光学系统孔径角使像面照度最大值 ，则暗区照度过低无法检测，如调节使暗区照度达可测值，则 。滤光补偿法也是常用的一种获得高清晰信息的方法，在CCD器件光敏面前放置一块透过率按一定规律分布的滤光镜，使高照度区的照度降下来，达到，而低照度区的照度不受影响或少受影响。(2-16)为使整个像面或谱面测量值均在可测范围之内，各点的实际照度E（
9、x，y）可由实测照度E（x，y）和滤光镜相应点的透过率（x，y）求得 实际上，滤光镜的透过率不要求制作得很准确，准确值可在系统组装后通过实验标定。思考题与习题思考题与习题21、试计算白天自然光源在地球表面形成的光照度的最大变化量。2、试描述夜间有哪些自然光源对地球表面的照度做出贡献，影响程度如何？3、降压使用钨丝灯时，它的使用寿命将如何变化？它发出的峰值光谱波长如何变化？发光效率又如何变化？4、试设计发光电流If=20mA的稳定发光电路（设发光二极管的发光电压Uf为1.5V，电源电压为5V），若要求LED发光二极管发出的光稳定，应采取怎样的措施？5、LED光源与LD光源的本质区别是什么？哪个光源相干性好？LED发光二极管的发光光谱与半导体禁带宽度有什么关系？为什么发蓝光的LED正向电压要大于发红光的LED正向电压？6、已知某线阵CCD的饱和曝光量为0.06lx.s，线阵CCD的积分时间为0.01 s，试计算线阵CCD光敏面上的最高允许照度为多少？7、为什么用LED光源为线阵CCD图像传感器测量电路的照明光源时要采用频率为线阵CCD行频成整数倍的脉冲驱动？