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奥林巴斯显微镜光和能量的介绍

2014-08-24  发布者:admin 

 人类一直依赖于能量来自太阳的光都直接的温暖,晾干衣服,做饭,并间接提供的食物,水,和甚至空气。我们认识价值的太阳的光芒围绕着的方式使我们受益于能源,但有更多根本性的影响来自光和能量之间的关系。人类设计巧妙的机制,利用太阳的能量,我们的星球和不断变化的环境中包含自然是由阳光的能量驱动的。

我们知道,如果太阳永远没有上升,、 我们这里的天气就会变成最冷的冬天在小时内、 湖泊和河流会冻结全球范围内,植物和动物将很快就会灭亡。发动机将不能工作,和我们将会有没有办法到运输食品或燃料,或可以产生电能。用有限的燃料,火灾,人类很快就会有没有光或热的来源。然而,与我们目前的知识的太阳能系统,我们可以相当有信心太阳明天会升起,像每一天都自地球第一次凝聚从气态的空间碎片云。在不太遥远过去的人类并不十分自信。他们既不能解释为什么太阳搬过的天空,也不是它是怎么产生的光,从晚上卓越的一天。很多文明,认识到太阳的重要性,崇拜我们最近的恒星作为一个神 (见图 1) 希望防止它从消失。

从太阳坠落在地球表面上的能源量每年约 660 京兆焦耳。这在整个地球表面的平均值,转化成每平方米约 5 千瓦时每一天。能量输入从太阳在一天之内可以提供对所有地球上的居民的需要,为期约 3 年。很明显,有没有办法可以想像 (也不是必要),利用所有的能量,可用 ;同样明显的是价值的捕获甚至可用的格式可用能量的一小部分会有巨大。

即使到达地球的大气层来自太阳的能量的总金额是头脑惊人,它并不是非常高度集中相比其他来源的能量,我们使用,如火,白炽灯、 电炉燃烧器。因此,捕捉太阳能的任何方法必须应用结束相对较大的区域,并要有用,集中能量的有效手段是所需。只在最后的几十年有人类开始搜索,切实为机制,利用太阳能的巨大潜力。这强烈的关注已经从能耗、 日益严重的环境问题,从现在的消耗,对燃料和不可避免资源耗竭的化石燃料,我们已成为依赖程度如此无时无刻不认识不断增加导致。

为生活提供能源

太阳的能量是密切相关的所有生物体目前对这个星球,并在原始地球上,最终演变成现在的形式发展的早期生命形式的方式存在的。科学家们现在认识到植物吸收水分和二氧化碳从环境、 和利用能源来自太阳 (图 2),将这些简单的物质转化葡萄糖和氧气。以葡萄糖为一个基本的构造块,植物合成大量的复杂碳基生化物质用于生长和维持生命。这个过程被称为光合作用,,是地球上的生命的基石。

科学家们还没有揭开通过光合作用的场所,但是过程已经存在了数百万年,是生命进化的历史很早适应的复杂机制。第一批生物是 chemotrophs,通过简单的化学反应从获得能量而发家。从这些原始的生物,细胞进化而来,能够获得所需的能量从光合作用,产生氧气作为副产品。最简单的这些生物被蓝藻。这种类型的一种单细胞的原核生物都是我们的星球,最早的生活居民,他们被认为在地球上占主导地位的生活形态已经超过 20 亿年。地质学家们发现巨大像岩石一样垫的化石的蓝藻,称为叠层石,超过 30 亿岁,(在沿海澳大利亚的浅水中,就能发现几个例子)。

光合生物开发之前,那里是很少的氧气在地球的大气层,但一旦产生氧气的过程开始了,可能就为病菌进化的存在,可以使使用的氧气。由于可获得来自太阳巨大金额前光合过程演变, 已经是能量的可能派生从作出比可能更复杂的生命形式的太阳能供应生活所需的组件的能力。

大多数植物物种传播于土壤中,并且如果删除或被连根拔起,他们就将灭亡。几个世纪以来,人类认为植物活靠吃土。在十七世纪初由比利时一名科学家,Jan van Helmont 普蒂斯塔,进行生长植物重量的细致地测量。Van Helmont 表明生长中的植物获得了更多的重量比土壤失去,并推测植物已有喂食的东西以外的土壤。他最终得出结论植物的生长,部分归因于,水。超过半世纪后,英国生理学家 Stephen 黑尔斯发现植物也需要空气来的成长,和,令他惊讶的是,发现植物吸收空气中的二氧化碳。

英国化学家约瑟夫 · 普利斯特里是第一次调查员找到植物释放氧气,当他们健全和不断增长的时候。他的实验记录的光合作用,并表示呼吸作用和光合作用相关的流程,但工作在相反的方向。(约 1772) 普里斯特利的最著名的实验表明一支蜡烛会迅速扑灭如果放在钟罩,但会再次刻录同一种空气如果一种植物被留在容器中几天。他的结论这种植物"恢复了"被"受害"的空气通过燃烧蜡烛。在进一步实验中普里斯特利证明在坛子里放一只老鼠会"损害",空气中一支蜡烛,相同的方式,但然后可以呼吸的空气"还原"后,导致呼吸作用和光合作用是相反的过程的概念。普里斯特利的话说,"空气也不会熄灭的蜡烛,也不是它对老鼠的我把它放在所有不方便"。普里斯特利发现了一种物质,将后来命名为氧气由法国化学家 Antoine Laurent 拉瓦锡,他广泛地调查了燃烧与空气之间的关系。

光合作用的理解的关键部件仍失踪了,直到荷兰生理学家 Jan 英根豪斯确定在 1778 年植物只吸收二氧化碳,释放氧气,当他们暴露于光。最后,德国物理学家,朱利叶斯 · 罗伯特 · 梅耶尔正式化能量从光来产生新的化学物质在植物的生长正在转型的概念。梅耶尔认为一个专门的化学过程 (现在称为氧化) 是一个活的有机体的能量的最终来源。

光合作用,意思"整合的光",是几乎所有的植物,一些细菌和几个 protistans 利用太阳光,制造糖 (和氧气作为副产品) 中的能量的过程。光能转化为化学能是依赖于物质叶绿素,能赋予植物绿色颜料叶子他们绿色的外观。并不是所有植物都有叶子,但那些做的是将太阳能转化为化学能量效率非常高。这样,可以将叶子看作生物太阳能集热器,配有无数微小的细胞进行光合作用在微观水平上。

一种颜料的定义是任何物质的吸收与反射可见光。在大多数的颜料是着色剂,显示取决于反射和吸收光的波长分布的特定颜色。每个色素有其自身特色的吸收谱,确定部分的色素是有效的收集能量从光的光谱。叶绿素,对所有的光合生物,是共同的生化反映了绿色 (中间) 波长,并吸收能量从紫蓝色和橘红色的波长在可见光的光谱的两端。

叶绿素是一种复杂的分子,存在于几个修改或同分异构体中植物和其它光合生物。所有的生物,进行光合作用包含称为叶绿素的品种。许多其他生物也包含辅助色素成分,包括吸收其他可见光谱中的波长其他叶绿素、类胡萝卜素叶黄素为特定的环境因素,影响光的本质量身定做的植物以这种方式,他们可在其特定的生态位。因素如水深度和质量强烈影响波长的光的强度在不同的水生和海洋环境中,和在不同的浮游植物及其他 protistan 品种的光合功能中发挥很大的作用。

当色素吸收光的能量时,能量也可以作为在长波长的荧光,作为释放出的热量消退或它可以触发一个化学反应。某些膜和光合生物结构作为光合作用的结构单位因为叶绿素将只参加化学反应时的分子是关联与蛋白质包埋在膜 (如叶绿体,例如 ;图 3)。光合作用是一个两阶段的过程,并在有叶绿体的有机体,两个不同的领域,这些结构的房子中单个过程。(经常被称为光反应) 光依赖过程发生在叶绿体,而第二个独立的光的过程 (暗反应) 随后发生 (见图 3) 叶绿体的基质中。据说暗反应可以在没有光线的地方,只要开发了光反应中的能量载体是目前。

当来自光的能量直接利用生产能量的载体分子,如三磷酸腺苷ATP),就会发生光合作用的第一阶段。在这个阶段,水拆分成组件,和氧作为副产品被释放。精力充沛的运输车辆随后利用中光合过程的第二次和最基本阶段: 生产的碳-碳共价键。第二阶段不需要光照 (这是一个黑暗的过程),并负责为植物细胞,提供基本的营养,以及建筑材料的细胞的细胞壁和其他组件。在过程中,二氧化碳是固定和氢对窗体的碳水化合物,一个家庭的生化物质,包含相同数量的碳原子和水分子。总体而言,光合过程不允许活的生物体直接利用光的能量,但相反涉及能源捕获在紧接着的第二阶段的复杂的生化反应,将能量转换成化学键的第一阶段。

光电现象

早在 18 世纪,科学家,就产生了一个根本的问题是光有物质,和的性质和所涉问题的这种相互作用的潜在影响。到了十九世纪,调查员确定了光可以产生电荷时,暴露某些金属的表面。后来的研究导致发现了这种现象,现在被称为光电效应,诱导释放,或者绑定到的金属 (图 4) 中的原子的电子的解放。在 1900 年,德国物理学家,Philipp Lenard 证实电荷产生电子发射,并发现意外的波长的光和能量和释放的电子数之间的关系的来源。通过使用 (选中的棱镜) 的特定波长的光,莱纳德展示来自释放电子的能量仅取决于波长的光并不是强烈。低强度的光产生更少的电子,但每个电子都有相同数量的能量,无论光照强度。此外,莱纳德发现较短波长的光解放电子拥有更多的能量,比那些较长的波长被释放。

莱纳德得出结论认为,光的强度决定的光电现象,所释放出来的电子数目的光的波长决定的每一个被解放的电子所载的内在能量。当时,这种不寻常光与物质之间相互作用提出了经典物理学是无法解释的一种困境。光电效应是但物理学家遇到了大约 1900 年由于光的波理论中普遍信仰的几个理论问题之一。它留给了另一种德国的物理学家马克斯 · 普朗克提出另一种理论。普朗克假设那光和其他形式的电磁波辐射,不是连续的但组成的离散数据包 (广达) 的能量。他的量子理论,他收到了诺贝尔奖在 1918 年,怎么光解释物理中可能,在某些情况下,被认为是粒子,艾萨克 · 牛顿的追随者,也以为两百年早些时候是相当于能量量子。

阿尔伯特 · 爱因斯坦依靠普朗克的量子原理来解释光电效应中一个基本的理论,将调和其粒子行为与光的连续波性质。爱因斯坦的解释背后的逻辑是单一波长的光的行为就像它离散粒子组成,现在被称为光子,它们都具有相同的能量。光电效应发生因为每个流离失所者的电子是一个光子从光和一个电子在金属碰撞的结果。光强度较大的结果只是在更多的光子冲击每单位时间内,金属与相应更多的电子被逐出。每个发射电子的能量取决于造成其排放,以生产电子拥有更多的能量更高频率的光的波长 (频率)。光子能量与光的频率之间的直接的相称性由普朗克的量子理论,这是链接粒子理论和波浪理论的概念,基本假设描述,后来发展成科学的量子力学。

普朗克最初提出了能量和频率作为他的理论上的固体发出辐射加热时的机制的一部分之间的基本关系 (黑体辐射)。著名假设国家传入的光子能量 (E) 等于入射光的频率 (f) 当乘以一个常数 (h),现在被称为普朗克常数简单的关系表示为:

E = hf

光电效应主要表现在三种不同形式:光电光导,和光伏发电,与后者正在最重要对光的能量转化为电能。外光电效应时发生光罢工一个准备好的金属表面,例如铯,和转移到免费空间相邻的表面弹出的电子足够的能量。光电单元格中,发射的电子被吸引了正面电极,当施加电压时,电流随后创建到的单元格上入射光强度成线性比例。外光电效应已被彻底地描述为更高的能量范围,如 x 射线和伽玛射线光谱区域,和这种类型的细胞通常用于检测和研究这些能量水平的现象。

各种材料在电导率当照射,陈列有显著的变化和触发电气设备,以及其他应用程序中,可以利用其光电导特性。在高导电的物质,如金属,电导率的变化可能是微不足道的。在半导体中,然而,这种变化可以相当大。因为电导率的增加是引人注目的材料的光强成正比,在外部电路中的电流将会增加光照强度。这种类型的单元格被常用在光传感器来执行任务,如车削和关闭路灯和家居照明。

太阳能电池的光伏效应

太阳能电池将光能转换成电能,可以间接地通过第一次将它转换成热能,或通过一个直接的过程被称为光伏效应太阳能电池的最常见的类型基于的光伏效应,当光线落在两层半导体材料上生成一个潜在的差异,或者电压,两层之间会发生。在单元格中,产生的电压是能够到电力电气设备驱动电流通过一个外部的电气线路,可以利用。

1839 年,法国物理学家埃德蒙 · 贝克勒尔发现,光照耀着两个完全相同的电极浸入弱导电的溶液中会产生一个电压。这种效应是不生产的电力,效率非常高,因为当时有没有实际的应用程序,它很多年一直只是一种好奇心。几十年后,硒的光电导性能是由威洛比史密斯发现,虽然他在测试材料开发海底电报电缆。大量的利益造成被观察在固体中的光伏效应和 1877 年,出版第一硒光电池的描述。美国发明家,查尔斯 · 斯创建于 1883 年,由硒硅片制成第一太阳能电池虽然他的细胞有的只有约 1-2%的转换效率。实际的商业或工业应用并不很明显,,(以下电光源灯泡的发明) 在 20 世纪初,通过涡轮机发电已经成为普遍。光伏效应的兴趣迅速减弱,和大多数研究领域成为了重点电应用与控制。

全面了解所涉及的光伏效应的现象不能到达关于直到量子理论发展。早期的光伏应用在主要遥感或测量光,如照相测光表,而不是在生产的电能。为研究在这一领域所需的刺激来自爱因斯坦对光电效应和使用原油光电细胞的早期实验的描述。第一个实用的太阳能电池的光电性能掺杂硅半导体中发现从出现了。在 1954 年由贝尔实验室生产的太阳能电池组件是由类似硅衍生物,和经营效率接近 6%。到 1960 年,光伏电池效率评级接近 14%,这是一个水平足以产生有用的设备已经取得进展。

今天,最常见的光伏电池雇用几个层的掺杂硅,用来制造计算机芯片的半导体材料。它们的功能取决于携带电荷的实体之间连续硅层的运动。在纯硅中时 (例如,通过加热),添加足够的能量,一些硅原子中的电子可以摆脱他们的债券在晶体中,留下了一个在一个原子的电子结构。这些被释放的电子会随机地移动通过固体材料寻找另一个孔用来结合和释放他们过剩的精力。运作作为自由载流子,电子是能够产生电流,虽然在纯硅中有很少有这样目前的水平将是微不足道。但是,可以通过添加特定杂质要么能增加自由电子的数量修改硅 (n-硅),或孔的数量 (缺少电子 ; 也称为p-硅)。由于空穴和电子都是移动固定的硅晶体的晶格内,他们能结合互相抵消的电位影响下。以这种方式已被掺杂的硅具有足够的光敏性,在光伏应用程序很有用。

在典型的光伏电池,两层的掺杂的硅半导体是紧紧地粘合在一起 (见图 5)。一层修改有过剩自由电子 (被称为n 层),在另一个图层治疗有过剩的空穴或空缺 ( p 层) 的同时。两个不同的半导体层 (被称为p-n 结),共同边界处的加入时 n 层跨到 p 层中试图填补空穴的自由电子。电子和空穴在 p-n 结的结合造成障碍,使它越来越难以支付额外的电子交叉。随着电气不平衡达到平衡条件,一个固定的电场结果跨边界分隔两地。

当光线的适当的波长 (和能源) 罢工的分层的单元格和被吸收时,释放电子随机旅行。(p-n 结) 边界附近的电子能横扫的交界处,由固定的磁场。因为,电子可以很容易地过关,但不能在另一个方向 (反对场梯度) 返回,电荷不平衡结果两个半导体区域之间。电子被冲走,到 n 层的定域的局部影响有自然的倾向,离开该图层,以正确的电荷不平衡。为此目的,电子将遵循另一条路径,如果可用)。通过提供的电子可以返回到另一个图层,产生的电流将会继续,只要光照射太阳能电池的外部电路。在施工中光伏电池,金属接触层适用于两个半导体层,外层的面孔,并提供连接的两个图层的外部电路的路径。最后的结果是生产电器电源直接来自光的能量。

太阳能电池产生的电压随入射光的波长,但典型的细胞旨在使用夏时制由太阳提供的宽广的波长谱。由细胞产生能量的量是波长依赖与更长的波长更短的波长比少发电。因为通常可用细胞产生尽可能多的电压作为一个手电筒电池、 数百个或数千人甚至必须耦合在一起的大约只有为了产生足够的电力为要求苛刻的应用程序。大量的太阳能为动力的汽车有已建成并成功运营在高速公路上行驶使用大量的太阳能电池。1981 年,称为太阳挑战者,是包裹与 16,000 的太阳能电池生产超过 3,000 瓦的功率,飞机飞行动力完全由太阳光的英吉利海峡。这些壮举激发兴趣扩大太阳能的使用。然而,仍然处于起步阶段,是太阳能电池的使用,这些能量来源仍是主要局限于低需求设备供电。

当前光伏电池采用掺杂的硅半导体中的最新进展转化为 18%(达到最大值的约 25%) 平均入射光能量的电能,相比,约 6%为细胞产生于 20 世纪 50 年代。以及在效率方面的改进,正在制定新的方法来生产比那些由单一晶体硅制成便宜的细胞。这种改进,包括在便宜的多的多晶硅硅片生长的硅薄膜。无定形硅也试图用一些成功,有的薄薄的硅薄膜在玻璃基板上蒸发。原料不是硅、 砷化镓、 碲化镉、 铜铟硒醚,正在调查其潜在的收益在太阳能电池应用程序中。最近,二氧化钛薄膜已经为潜在光伏电池建设。这些透明的薄膜是特别有趣,因为他们也可以作为 windows 双重的责任。

被动式和主动式太阳能

尽管太阳能电池将光转换直接转化为电能,间接手段还可以利用光来产生能量以热的形式中。这些机制可以分为两个广义类:被动式主动式太阳能系统。无源系统取决于吸收的热量没有相关机械的运动。作为一个例子,太阳能烤箱无非绝缘框与玻璃盖和黑色内饰,可以达到温度超过 100 摄氏度在强烈直射阳光下。可以利用这些温度来烹煮食物,并在发展中国家或地区与有限的燃料资源,这种简单的工具可以提供对生活质量的显著增强。

主动式太阳能系统通常依赖于利用太阳光来热流体,紧接着窜加热后的液体到另一个地区有需要的地方。小型热水系统已经提供在大多数的沐浴,洗在世界一些地区的用水需求。这些简单的设备包括黑色水管道夹在玻璃板块之间和隔热,以积累尽可能多的热量是不可能。大型活动系统利用阵列的镜像到光照到一个中央的收藏家,可以是,例如,产生的动力涡轮机的蒸汽锅炉上的焦点。太阳能农场,雇用几个百或上千的抛物反射镜可以产生足够的水通过集热器在白天生成数万兆瓦的电力输送蒸汽。

太阳能转换到可燃燃料 — — 氢气

虽然太阳能取之不尽用之不竭,可在没有费用 (和无污染) 中存在,来自太阳的光能量转换是与无数的问题,严重限制了高效的应用程序相关联。最理想的情况将是制订一个机制,将太阳能转换成紧凑型便携式的形式,可以很容易被运送到遥远的地点。很多研究,努力旨在使用集中太阳能实现驱动各种化学反应,经常利用化学催化剂生产的气体燃料,可以轻松地存储和运输的不同组合所需的温度高。一些可能性都是有前途的但大多数专家领域的能量转换同意最终是来自太阳的能量转换的燃料是氢。

氢作为燃料的吸引力是巨大的。氢分子由宇宙中最轻的元素和可以容易地存储和运输。此外,氢可以从水分子氧作为唯一的副产品。当氢气燃烧时,它与空气,再一次,形成水中的氧气结合从而再生材料来源。最重要的是,在整个周期中,释放的能量在一个可用的形式,中间的步骤不能产生大量的污染物。只要太阳继续产生的光的能量,氢供应是取之不尽,用之不竭的。目前,氢使用主要作为火箭燃料 (在图 6 所示的催化燃料电池的形式),以及大量的工业化学过程的一个组成部分。然而,容易取得经过修改后,最小的元素可以实现所有的人类的电力和运输要求。

虽然可以直接从水生产氢,某种形式的能量输入是履行所需与氧分离。驾驶反应的一种手段是在被称为电解,过程中使用电流和阳光可以用于发电的转换。电解法涉及到的电流通过电极对浸没在水中会产生氢气和氧气的气体在相反电极氧化还原反应。另一个可能的途径,为氢代是集中在足够高的温度会导致水热分解成其氧和氢的组件,然后,可以分隔的阳光。

最终,更先进的手段,将水分解生成氢分子将可取。是利用太阳的能量通过化学反应的方式类似于使用植物和细菌的光合作用过程可能会从中实现分离的技术。当他们都暴露在阳光下时,绿色含叶绿素的植物不断地分裂水分子,释放氧和氢结合二氧化碳到窗体糖。如果第一部分的这个,或者类似的过程,可以被复制,无限的氢将可供应,由太阳能能量输入驱动。

人工光合作用,基本的层次,可以描述为在分子定义接口的光诱导电荷分离的发展重点是作出重大努力。这项研究的预期目标之一是发展的光控制酶和甚至分子尺度电子、 涉及转让的电荷载流子光和化学活动的响应。这项研究的另一个目的是生物技术生产的酶和色素等物质。近年来细菌和降解石油的类似生物已用于清理漏。目前,科学家们正在试图完善使用生物的生存和生长的生物修复的目的,如清理污染水的供应各种太阳能的方法。

在一定条件下藻类可以被诱导,关闭他们正常的光合序列的特定阶段,并产生大量的氢。通过从燃烧燃料储存以平常的方式防止细胞,藻类被迫要激活替代的代谢途径,导致生产中有大量的氢。这一发现引发了希望总有一天氢燃料能够产生从阳光和水通过使用大型光生物反应器配合物的光合过程。最近的调查发现了含有吸光颜料,这使他们将阳光转化为细胞能量,而不依赖于叶绿素的海洋细菌。这一发现引发了使用很容易被操纵的细菌,如大肠杆菌,在光驱动能源发电机有许多应用程序在两个物理和生命科学中的可能性。

光电成像应用程序: 光能转换成电子信号

光电效应的最常见的应用之一是在装置,用来检测光子携带照相机、 显微镜、 望远镜和其它成像器件中的图像信息。随着数码影像技术的增长中采用将光转换成有意义的电气信号的技术, 发生了迅速取得进展。常见的几种类型的光检测器器。一些收集的信号,有图像信息,没有空间的歧视,而另一些地区探测器更多直接捕获图像的空间和强度信息结合起来。基于光电效应的光探测器包括光电倍增管、 雪崩光电二极管、 电荷耦合器件、 图像增强器和互补型金属氧化物半导体 (CMOS) 照片传感器。这些,电荷耦合器件适合范围最广的成像和检测任务,因此最常被雇用。构成基础及其运作的原则,对其他类型的探测器的功能至关重要。

电荷耦合器件CCD) 是一个基于硅集成电路组成的稠密矩阵或数组的操作通过将光能量以光子的形式转换为电子电荷的光电二极管。在数组中的每个光电二极管工作原理相似的光伏电池,但在 CCD 与硅原子的光子相互作用所产生的电子存储在势阱中,可以随后转交整个芯片通过寄存器和输出放大器。示意图在图 7 中给出了说明了构成一个典型的 CCD 的解剖的各种组件。

Ccd 是 1960年年代末期研究最初构想出作为一种新型的计算机的存储器电路在贝尔实验室的科学家发明的。后来的研究表明该设备,由于其将转移电荷的能力和光,其电气响应也将有助于为信号处理和成像等其他应用程序。早年的希望,新的内存设备已经全部消失,但是 CCD 已经成为一个能够取代电影在这个新兴领域的数字影像,两者一般用途和数码显微摄影等专业领域通用电子成像探测器的主要候选人之一。

就像其他集成电路硅片上制备出,Ccd 的一系列复杂的光刻步骤涉及刻蚀、 离子注入、 薄膜沉积、 金属化和钝化来定义在该装置内的各项功能进行处理。电窗体 p 型硅),一种材料在其中的主要载体带正电的空穴掺杂硅衬底。当紫外线、 可见光或红外线光子撞击休息或附近一个 CCD 光电二极管硅原子时,它通常会产生一个自由电子和由硅晶体的晶格中电子的暂时缺席创建一个"洞"。自由电子是然后收集在势阱 (位于深处的地区称为耗尽层硅),而洞被迫离井,最终流离失所者到硅衬底。个别光电二极管被隔离电从他们的邻居的通道停止,而形成的扩散到 p 型硅衬底的硼离子通过一个面具。

CCD 的主要建筑特点是二氧化硅的大量的串行移位寄存器用垂直堆叠的导电层隔开绝缘薄膜硅半导体衬底掺杂多晶硅的构造。在每个光电二极管阵列的内收集了电子后,电压的潜在应用于多晶硅电极层 (称为盖茨) 来更改底层硅静电势。硅衬底直接在栅电极下方的位置就成为了很好的收集由入射光创建的本地生成的电子能力的潜力。邻近的盖茨帮助只将局限在势阱中的电子形成区的较高的电位,称为障碍、 围井。通过调节电压应用于多晶硅盖茨,他们可以偏见到任一窗体收集势阱或集成充电的障碍通过光电二极管。

在期间被传入光子照亮被称为集成后,CCD 光电二极管阵列中的势阱变得充满电子在硅衬底的耗尽层中产生。存储在每口井的费用,必须以系统的方式宣读了。此存储电荷的测量被通过电荷的累积,串行和并行传输到边上的芯片,在哪里它连接到一个输出放大器的一个单一的输出节点的组合。平行电荷转移的速度是通常足以完成期内电荷一体化的下一个图像。

以下集合势阱中,电子转移并行,一行在一段时间,所生成的从垂直移位寄存器时钟信号。垂直移位寄存器时钟循环改变垂直门的备用电极上的电压以跨 CCD 移动电荷的累积运转。遍历数组的平行移位寄存器盖茨后, 电量最终达到盖茨称为串行移位寄存器专门的行。在这里,代表每个像素的电子的数据包被转移水平在序列中,水平移位寄存器时钟,向输出放大器和关闭芯片的控制下。CCD 通常有只有一个读出放大器定位在整个光电二极管阵列的拐角处。在输出放大器,电子数据包登记的按从左到右连续的光电二极管产生的电荷量入手的第一行和最后一个出发的单个行中。这将产生光生电荷从整个二维数组中的光电二极管传感器元件模拟光栅扫描。

能量转换成光

因为震级和太阳的光和能量到达地球的意义,从其他形式的能量进入光的反向转换显得几乎微不足道了。然而,最近在晚上从航天器和地球的卫星拍摄的照片显示在稠密的地区,人类正在成功生产了大量的光通过转换电能来源 (图 8)。其他自然的过程也会产生光,往往伴随着热的进行。不论是发生自然或人类援助与独创性,光可以从机械的、 化学的或电能量的转换机制,生成。图 8 是一种复合材料的数以百计的由卫星拍摄地球的照片。光从人造来源清楚勾勒了主要人口中心在北美和西欧,在图中所示。

在一些点的遥远的过去人类学会了如何用火以有益的方式。闪电产生火灾可能提供了第一次的人工光源,和这些自然火灾会一直作为一种资产为尽可能长时间维持。如果火焰走了出去,一个新的火灾源会将被发现以狩猎和采集。在故意制造的最早成功火是最有可能产生热和摩擦中搓木棍,余烬的结果或附近放置"打火"通过冲击具体岩石或矿物在一起,这将点燃一些易燃的材料。罗马人已知有使用燃烧焦油涂层火炬作为一个便携式的光源,在 2000 多年前。火不是有用的但在很多早期的文化和他们的神话有伟大的象征意义。可追溯到古希腊的传统,奥林匹克运动会今天仍启动仪式"带来的火"从希腊到事件的现场。

人类已用于燃烧的某种形式的燃料与空气中的氧气结合提供光 (以及热) 千百年来,和进步的必然道路一直作为征求了功能和安全的改善。后据了解动物脂肪和植物用明亮的黄色光烧油,这些油,需求量大,很多来自海洋动物,鲸鱼和海豹等。燃烧油很难控制,和灯芯被添加到灯具控制的燃烧率和防止危险 flare ups。已知油灯已用于 10000 年。蜡烛是油灯的一种适应的提供燃料固体,更方便,窗体中。最早的这些聘请牛油或蜂蜡,而现代蜡烛主要是从石蜡石油衍生的。使用提供的光线的火焰的进一步发展发生在十九世纪,当煤气灯成为广泛应用于城市和城镇。

用于点燃其他可燃物质的比赛使使用的一种化学反应产生的火焰。火柴点燃氧气时,他们都通过摩擦或磨面上醒目的摩擦加热的磷化合物,通常采用涂布。所谓安全火柴必须通过摩擦 (醒目) 在特殊的表面,点燃,并不会点燃由无意中接触其他的表面。火柴头和的惊人的表面结合起来,创建初始的火花,开始一种化学反应,导致燃烧的这场比赛中的化学化合物。

电能转化为光开始在 19 世纪与弧灯的发展实际。通过引起电流会跳过一个缺口之间两个碳棒,导致持续的明亮的弧光的这些灯功能。虽然他们有能力生产更加明亮光比年长的蜡烛或煤气灯方法,弧灯需要不断维护,有火灾的危险。在 1879 年,在英国,约瑟夫天鹅和 Thomas Edison 在美国,用电流加热的碳丝的表现出的电灯在部分撤离的玻璃信封密封。因为玻璃"灯泡"的这些灯被抽到局部的真空,并载有很少的氧气,花丝会不着火,但会变得非常热,明亮的辉光。

现代电灯使用三个不同的过程产生的电能提供给他们的光。现在标准白炽灯,直接从 1800 年代,早期的模型派生通常利用钨灯丝在惰性气体气氛中,并导致灯丝变热,当电流通过时的电阻效应所产生的光。荧光灯是更高效节能型产生光的从玻璃管的内表面上的荧光粉涂层荧光照明。涂料,被称为荧光粉,受到刺激的当电流通过气体在管内流动时发出的紫外线辐射的荧光。灯通常在使用的第三类是蒸气灯,其中包括汞或钠产生可见的光线,当电流通过气体的体积等气体。这些灯具可以的高或低压力的变化,和发出光有取决于气体和其他物质,被纳入了灯的光谱特征。

也许把能量转化为光的最基本过程是类似于太阳的源的热和光-核聚变的过程。科学家们已经能够产生核聚变反应只有约半个世纪,但这种反应一直在不断地在宇宙中数十亿年。融合是一个在其中两个较轻的原子核发生碰撞,形成一个更重的原子核的过程 (见图 9)。由此产生的原子核质量比两个融合核,结合群众,失去的质量转换成能量,根据爱因斯坦的质能等价方程。核聚变反应是大多数恒星,包括我们的太阳的能量输出的来源。因此,温暖的太阳和它的光是该产品的核融合,构成地球上所有生命的基础。

最初形成时,一颗星星包含氢和氦可能已创建在宇宙的起源。氢原子核继续发生碰撞,形成氦核,然后发生碰撞,形成较重的原子核和等等,在链中的核合成反应。不同氢同位素的融合成氦同位素生产超过万倍的能量比一个典型的化学反应。此驱动器太阳的基本反应将继续直到氢供应几乎耗尽了,太阳的演变成一个巨大的红色明星,生长在吞噬地球和内行星的大小。

人们的第一次实验用核聚变导致氢弹的发展。今天正在进行的研究可能有更有益的应用程序使用控制核聚变反应来发电清洁廉价。在这太阳消耗其原始的氢供应率的计算表明我们也许只有约 5 亿多年的可靠的能源从这个源头的工作在我们的版本的融合上。我们希望,这段时间内可能是足够长的时间。