光电检测原理与技术课程设计光电准直系统一、引言准直系统是利用光学自准原理，利用小角度测量或可转化位小角度测量的一种常用技术测试仪器。

所谓光电准直系统就是光学准直系统与光电技术结合的产物。

它具有测量精度高的优点，在精密，超精密定位方面有重要的作用。

小角度测量有多种方法，本实验主要采用平面反射镜的光学杠杆原理，在探测光斑移动时使用CCD来经行图像的采集。

关键字：光学杠杆光学准直系统望远镜系统照明系统 CCD二、基本原理：（一）光学准直系统的基本原理这部分系统，通常是由光源，位于物镜焦平面上的分划板和物镜三部分组成，望远镜实际上是准直装置的你应用，它是将入射的平行光在其焦平面上，然后再用目镜直接观察光斑的变化。

图2.1 准直系统原理图2.2 望远镜系统工作原理一个准直管和一个望远镜组合，两个装置的光轴在一条直线上，我们将看到从发光点F发出的光线通过准直管的物镜变为平行于主光轴的光束，进入望远镜的物镜之后在汇聚到F点；同样发自焦平面上另一点F1的光线射出准直管后变成方向平行与光轴的光束，它在进入望远镜后汇聚于其焦平面的F1点。

因此，线位移之比等于两系统焦距之比。

由于平行光束成像的位置位移的由他的方向所确定，而不受平行光束在进入透镜前所走过的距离的影响，所以与发光点F及F1相关的像F及F的位置不依赖于准直管和望远镜之间的距离。

在准直管的前面放置一个全反射镜，准直管发出的平行光束再由它本身来接受，就相当与集准直管与望远镜一体，这就是准直的原理。

将一个刻度线的图像以平行光束（准直光）的形式投射到反射镜上，该反射镜将其光束反射回准直系统。

如果反射镜与光轴垂直则光束将返回其自身。

如果反射镜倾斜一个角度α，则其反射光将于2α反射回来。

根据反射光的倾斜程度，自准图像将会以更大的角度发生位移。

通过测量自准直图像在X轴Y轴上的唯一可以测量得反射镜的角度变化。

自准直已为平行光。

其测量结果不受距离的影响。

图2.3 准直管简易图2.1.2 高斯系统为了使目镜不受光源遮挡，高斯系统的自准直仪光路在其光轴上加有析光镜。

测微平行光管具有类似的光学系统，只是用立方棱镜代替了析光镜，立方棱镜由两个直角镜胶合而成，其中一棱镜的胶合面镀有析光膜。

这种光学系统有一个盲区，当这自准直像与原中心十字丝靠得很近或有重叠部分时便无法使双刻线瞄准，因而也就测不出相应的反射镜偏转角。

图2.4 高斯自准（1）ｌ、光源２、聚光镜３、分光镜４、分划板５、准直镜６、反射镜７、目镜组８、目镜焦平面下图是高斯系统的另一种光路安排，其特点是把析光镜（立方棱镜）放在物镜组的焦平面之前，这样由于其分光作用物镜就有两个共轭的焦平面。

一个焦平面放置十字线分划板ｌ并被光源照明，另一焦平面放置双刻线分划板５。

这种安排能使自准直象与原分划板分开（在视场中不再直接看到原分划板１），从而避免了盲区的存在.图2.5 高斯自准（1）ｌ、分划板２、分光镜３、准直物镜４、反射镜５、双线分划板６、螺旋机构７、目镜组系统的物镜由正、负二镜组组成，这样可以使其焦距大于镜筒长度，达到提高仪器精度，又不增加仪器体积的目的。

2.1.3 照明系统在照明系统中，一般分为用透射光照明透明标本的照明系统、非透明物体的照明系统、用暗视场观察微小质点的照明方法，在自准直系统中，一般都是采用透射光照明透明标本的照明系统。

透射光照明透明标本的照明系统一般分为如下两种照明系统，临界照明这是把光源通过照明系统或聚光镜成像于物面上的照明方法，如图所示，图2.6 临界照明此时物镜成像光束的孔径角被聚光镜的像方孔径所决定，为了使物镜的数值孔径得到充分利用，聚光镜应具有与物镜相同的数值孔径。

另外，为了使聚光镜的像方孔径角能与不同数值孔径的物镜相匹配，需在聚光镜的物方焦平面上或附近设置可变光阑，以改变射入物镜的成像光束孔径角，此光阑是照明系统的孔径光阑，也是入射光瞳。

此照明的缺点是当光源的亮度不均匀或呈现明显的灯丝结构时，将会反映在物面上而影响观察效果。

柯勒照明图2.7 科勒照明系统柯勒照明是一种把光源像成在物镜入射光瞳面上的照明方法，它没有临照明的那种缺点。

光源出的光不是直接射入聚光镜，而是经过一个前置透镜Ｌ成像于聚光镜前面的可变光阑上，聚光镜再把此光源像再次成像在物镜的出射光瞳上。

此外，在前置透镜后面紧靠透镜处设置另一个可变光阑，他被照明，具有均匀的亮度。

此光阑被聚光镜成像于物平面，也得到均匀照明。

调节后一个光阑，可以使之与不同的数值孔径的物镜想匹配：调节前一个光阑，可以改变物平面上的照明范围，使之与不同倍率物镜的视场相适应，并使不在视场范围内的区域收不到光的照明，以减少有害的散光。

（二）CCD的基本结构和工作原理电荷耦合器件的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其他大多数器件是以电流或电压为信号。

CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。

因此，CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。

CCD有两种基本类型：一是电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输，这类器件称为表面沟道CCD（简称SCCD）；二是电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，这类器件称为体沟道或埋沟道器件（简称BCCD）。

下面以SCCD为主讨论CCD的基本工作原理。

2.2.1 CCD的基本结构构成CCD的基本单元是MOS（金属—氧化物—半导体）结构。

如图2-7(a)所示，它是在p型Si衬底表面上用氧化的办法生成1层厚度约为1000Å～1500Å的SiO2，再在SiO2表面蒸镀一金属层(多晶硅)，在衬底和金属电极间加上1个偏置电压，就构成1个MOS电容器。

当有1束光线投射到MOS电容器上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入p型Si衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子的能量而跃入导带。

光子进入衬底时产生的电子跃迁形成电子－空穴对，电子－空穴对在外加电场的作用下，分别向电极的两端移动，这就是信号电荷。

这些信号电荷存储在由电极组成的“势阱”中。

如图1所示。

2.2.2 电荷存储如图 2 (a)所示，在栅极G施加正偏压UG之前，p型半导体中空穴（多数载流子）的分布是均匀的。

当栅极施加正偏压UG （此时UG小于p型半导体的阈值电压Uth）后，空穴被排斥，产生耗尽区，如图2 (b)所示。

偏压继续增加，耗尽区将进一步向半导体体内延伸。

当UG >Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势（常称为表面势，用ΦS表示）变得如此之高，以致于将半导体体内的电子（少数载流子）吸引到表面，形成一层极薄的（约10-2µｍ）电荷浓度很高的反型层，如图2 (c)所示。

反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。

然而，当栅极电压由零突变到高于阈值电压时，轻掺杂半导体中的少数载流子很少，不能立即建立反型层。

在不存在反型层的情况下，耗尽区将进一步向体内延伸，而且，栅极和衬底之间的绝大部分电压降落在耗尽区上。

如果随后可以获得少数载流子，那么耗尽区将收缩，表面势下降，氧化层上的电压增加。

当提供足够的少数载流子时，表面势可降低到半导体材料费密能级ΦF的两倍。

例如，对于掺杂为1015cm-3的p型半导体，费密能级为0.3V。

耗尽区收缩到最小时，表面势ΦS下降到最低值0.6V，其余电压降在氧化层上。

表面势ΦS 随反型层电荷浓度QINV、栅极电压UG的变化如图3和图4所示。

图3中的曲线表示的是在掺杂为1021cm-3的情况下，对于氧化层的不同厚度在不存在反型层电荷时，表面势ΦS 与栅极电压UG的关系曲线。

图4为栅极电压不变的情况下，表面势ΦS 与反型层电荷浓度QINV的关系曲线。

(a) (b)图3.1 CCD的基本单元图3.2 单个CCD栅极电压变化对耗尽区的影响(a)栅极电压为零；(b)栅极电压小于阈值电压；(c)栅极电压大于阈值电压曲线的直线性好，说明表面势ΦS 与反型层电荷浓度Q INV 有着良好的反比例线性关系。

这种线性关系很容易用半导体物理中的“势阱”概念描述。

电子所以被加有栅极电压U G 的MOS 结构吸引到氧化层与半导体的交界面处，是因为那里的势能最低。

在没有反型层电荷时，势阱的“深度”与栅极电压U G 的关系恰如ΦS 与U G 的线性关系，如图5(a)空势阱的情况。

图5(b)为反型层电荷填充1/3势阱时，表面势收缩，表面势ΦS 与反型层电荷浓度Q INV 间的关系如图2-10所示。

当反型层电荷足够多，使势阱被填满时，ΦS 降到2ΦF 。

此时，表面势不再束缚多余的电子，电子将产生“溢出”现象。

这样，表面势可作为势阱深度的量度，而表面势又与栅极电压U G 、氧化层的厚度d OX 有关，即与MOS 电容容量C OX 与U G 的乘积有关。

势阱的横截面积取决于栅极电极的面积A 。

MOS 电容存储信号电荷的容量A U C Q G OX ⋅= (1)2.2.3 电荷的耦合假定开始时有一些电荷存储在偏压为10V 的第一个电极下面的深势阱里，其他电极均加有大于阈值的较低电压（例如2V ）。

设图6(a)为零时刻（初始时刻）。

图3.3 表面势与栅极电压U G 的关系（p型硅杂质浓度N A ＝1021cm －3，反型层电荷Q INV ＝0） 图3.4 表面势ΦS 与反型层电荷密度Q INV 的关系图3.5 势阱(a)空势阱；(b)填充1/3的势阱；(c)全满势阱经过t时刻后，各电极上的电压变为如图6(b)所示，第一个电极仍保持为10V，1第二个电极上的电压由2V变到10V，因为这两个电极靠得很紧（间隔只有几微米），它们各自的对应势阱将合并在一起，原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有，如图6(b)和图6(c)。

若此后电极上的电压变为如图6(d)所示，第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下面的势阱中，如图6(e)。

由此可见，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。

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，每一组称为一相，并施加同样的时钟脉冲。

CCD的内部结构决定了使其正常工作所需要的相数。

图所示的结构需要三相时钟脉冲，其波形图如图6(f)所示，这样的CCD称为三相CCD。

三相CCD的电荷耦合（传输）方式必须在三相交叠脉冲的作用下，才能以一定的方向逐单元地转移。

电极结构的一个关键问题是CCD电极间隙。

如果电极间隙比较大，两相邻电极间的势阱将被势垒隔开，不能合并，电荷也不能从一个电极向另一个电极完全转移，CCD便不能在外部脉冲作用下正常工作。

能够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。

理论计算和实验证实，为了不使电极间隙下方界面处出现阻碍电荷转移的势垒，间隙的长度应小于3µｍ。