《光电传感技术》PPT课件.ppt

第2章 光电式传感器,1,第2章 光电式传感技术,章瑞平,第2章 光电式传感器,2,第2章 光电式传感技术,2.1 光电传感器的工作原理2.2 光敏二极管2.3 光敏三极管2.4 光敏电阻2.5 光电池2.6 高速光电二极管2.7 光电倍增管,2.8 色敏光电传感器2.9 光位置传感器2.10 红外光传感器2.11光固态CCD图像传感器2.12光纤传感器2.13 激光传感器2.14 核辐射（光）传感器2.15典型应用举例,第2章 光电式传感器,3,本章目的和要求,掌握各种光电式传感器：结构工作原理基本特性使用注意事项及应用,第2章 光电式传感器,4,概述,光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。光电式传感技术特点：用于检测非电量，具有结构简单、非接触、可靠性高、精度高和反应快等特点。广泛用于空间位置测定、图像控制、辐射检测、工业监测、病情初期诊断等检测技术领域。2.1 光电传感器的工作原理 光电传感器的工作原理：光电效应。光电效应：当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势等），这种现象称为光电效应。,光电计数器,第2章 光电式传感器,5,光电效应有以下3类：外光电效应、光电导效应、光生伏特效应（1）外光电效应：在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象。光电元件：光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量由下式确定。,第2章 光电式传感器,6,光电效应方程：,式中：m电子质量；v0电子逸出速度。A0 物体的表面电子逸出功,若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量h必须超出逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。,第2章 光电式传感器,7,第2章 光电式传感器,8,内光电效应包括：光电导效应和光生伏特效应（2）光电导效应：在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象。光电元件：光敏电阻等。（3）光生伏特效应：在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。光电元件：光电池、光敏二极管、光敏三极管等。,第2章 光电式传感器,9,过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。,内光电效应,光电池,电子能级示意图,第2章 光电式传感器,10,材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。,式中、分别为入射光的频率和波长。,为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即,第2章 光电式传感器,11,光谱,光波：波长为10106nm的电磁波紫外线：波长10380nm，可见光：波长380780nm红外线：波长780106nm,第2章 光电式传感器,12,2.2 光敏二极管,光敏二极管在电路中一般是处于反向偏置状态。,光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。,光敏二极管与普通半导体二极管的不同之处：光敏二极管的PN结装在管壳的顶部，可以直接受到光的照射。,2.2.1 光敏二极管的结构和工作原理,第2章 光电式传感器,13,没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止状态,这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。当光照射在PN结上时,光子打在PN结附近,PN结附近产生电子-空穴对，它们在反向外加电压和内电场的作用下参与导电,从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态。光的照度越大,光电流越大。,第2章 光电式传感器,14,2.2.2光敏二极管的基本特性,1）光谱特性 在入射光照度一定时，输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感。,硅管：（峰值波长1.1m）探测可见光和炽热物体。锗管：（峰值波长1.8m）探测红外光。,第2章 光电式传感器,15,2）伏安特性（一定照度下的电流电压特性）,当光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大；在不同照度下，伏安特性曲线几乎平行，所以只要没有达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。,无偏压时，光敏二极管仍有光电流输出，这是由光敏二极管的光电效应性质所决定的。,光的颜色会随着温度的升高而变化，这种光源的温度就叫该光源的色温（单位：开尔文）。Lx-照度单位：勒克斯,第2章 光电式传感器,16,3）光照特性,光敏二极管光照特性的线性好。,第2章 光电式传感器,17,4）温度特性,温度变化对光敏二极管输出光电流影响较小,但对暗电流的影响却十分显著.解决措施：选硅管、温度补偿电路、交流放大和隔直电容,低照度 高照度,第2章 光电式传感器,18,5）响应特性 上升时间短tr5ns，响应速度快，则适用于快速响应或入射光调制频率较高的场合。,第2章 光电式传感器,19,2.2.3 光敏二极管的型号参数,见书P14 表2.1和表2.2,第2章 光电式传感器,20,最高反向工作电压VRM:是指光敏二极管在无光照的条件下，反向漏电流不大于0.1A时所能承受的最高反向电压值。VRM越大，管子性能越稳定。暗电流ID:是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。光电流IL:是指光敏二极管在受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流。其测量的一般条件是:2856K钨丝光源，照度为1000lx。光电灵敏度Sn:它是反映光敏二极管对光敏感程度的一个参数，用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示，单位为A/W。即指输入给定波长的单位功率时，光敏二极管能输出的光电流值。响应时间:光敏二极管将光信号转化为电信号所需要的时间。响应时间越短，说明光敏二极管的工作频率越高。正向压降VF:是指光敏二极管中通过一定的正向电流时，它两端产生的压降。结电容Cj:指光敏二极管PN结的电容。Cj是影响光电响应速度的主要因索。结面积越小，结电容Cj也就越小，则工作频率越高。,光敏二极管主要参数,第2章 光电式传感器,21,部分2CU型光敏二极管主要参数,第2章 光电式传感器,22,部分2CU型光敏二极管主要参数,用于可见光和近红外光的接收，也可用于自动控制仪器和电气设备的光电转换系统。,第2章 光电式传感器,23,部分 2CU79、2CU80 光敏二极管主要参数,2CU80型为低照度宽光谱光敏二极管，可用于多段亮度计和地物光谱仪及微弱光的探测仪。,第2章 光电式传感器,24,部分 2DU 型光敏二极管主要参数,主要用于可见光和近红外光探测器，也可用于光电转换的自动控制仪器、触发器、光电耦合、编码器、特性识别、过程控制和激光接收等方面。,第2章 光电式传感器,25,2.2.4 光敏二极管的应用,1）光电路灯控制电路,分析：1.无光照时：2.有光照时：,第2章 光电式传感器,26,2）光强测量电路,分析：1.无光照时：2.有光照时：,电桥,第2章 光电式传感器,27,3）便携式照度计电路,光电传感器,输出电压：V0=SlRL Sl=5/lx R L=200当=0 lx 则V0=SlRL=0mV当=1 lx 则V0=SlRL=1mV当=5000 lx 则V0=SlRL=5V,将光敏二极管与放大器Rf集成在一起，输出为线性，灵敏度为5/lx。,第2章 光电式传感器,28,2.3 光敏三极管,光敏三极管比具有相同有效面积的光敏二极管的光电流大几十至几百倍，但响应速度较二极管差。2.3.1 光敏三极管的结构和工作原理,基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电结上时,在结附近产生电子-空穴对,电子在结电场的作用下，由P区向N区运动，形成基极电流，空穴在基区积累，提高发射结正向偏置，发射区多子电子穿过基区向集电区移动，在外电场作用下形成集电极电流Ic，结果表现为基极电流放大倍形成集电极电流（光电流）,所以光电三极管有放大作用。,第2章 光电式传感器,29,2.3.2光敏三极管的基本特性,2）伏安特性a）无偏压时有光电流b）比光敏二极管的光电流大倍c）可把光敏三极管看成普通三极管（把入射光的光照变化看成基极电流的变化）,1）光谱特性 光谱特性与二极管相同,光敏二极管,第2章 光电式传感器,30,3）光照特性其线性没二极管好、低照度小、高照度饱和4）温度特性 温度特性与光敏二极管相同5）响应特性上升时间 t r=3s比二极管的响应速度（ns）慢得多,光敏二极管,第2章 光电式传感器,31,2.3.3 光敏三极管的型号参数,见书P18表2.3，表2.3续（一），表2.3 续（二），表2.4,第2章 光电式传感器,32,部分国产光敏三极管参数：,3DU系列硅光敏三极管适用于近红外光探测器、光耦合、编码器、译码器、过程控制等方面。,第2章 光电式传感器,33,2.3.4.光敏三极管的应用,1.脉冲编码器,电源24v,输出电压,发光二极管,光敏三极管,转轴转速为n，辐条数为N,限流电阻,输出电信号：频率 f=nN 的脉冲,第2章 光电式传感器,34,2.光电转速传感器,第2章 光电式传感器,35,有光照BG1时，使U0为高电位，无光照BG1时，使U0为低电位。,BG3和BG4组成射极耦合触发器 高T1导通，T2截止高，低 T1截止，T2导通低,第2章 光电式传感器,36,光电式烟尘浓度计：光敏三极管6和7输出电压U1和U2由远算器8算出U1和U2的比值，进一步算出浓度。,第2章 光电式传感器,37,2.4 光敏电阻,2.4.1光敏电阻的工作原理与结构1.光敏电阻的工作原理,光敏电阻的工作原理：光电导效应 光敏电阻又称光导管,它几乎都 是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。,第2章 光电式传感器,38,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,第2章 光电式传感器,39,2光敏电阻的结构 它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质（称为光导层，用金属的硫化物、硒化物和锑化物等半导体材料）,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。,防潮措施：密封结构、防潮树脂涂层,第2章 光电式传感器,40,第2章 光电式传感器,41,2.4.2 光敏电阻的主要参数和基本特性 1 主要参数）暗电阻与亮电阻暗电阻：光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。亮电阻与暗电阻之差越大,光电流越大,灵敏度越高，光敏电阻的性能越好。暗电阻兆欧级,亮电阻几千欧以下。2）光谱响应范围及峰值波长 对应于一定敏感程度的波长响应区间；对光谱响应最敏感的波长数值光谱响应峰值波长 3）时间常数 光敏电阻从停止光照到电流下降到原来值的63%所需要的时间（无其他负载），一般低于20ms,第2章 光电式传感器,42,2 光敏电阻的基本特性1）伏安特性：在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系一定光照，R一定，I正比于U。一定电压，I随着光照E增强而增大。ERI。受额定功率限制,第2章 光电式传感器,43,2)光照特性（IE）,光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中作光电开关。,第2章 光电式传感器,44,3）光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性。亦称为光谱响应。,不同材料，其峰值波长不同。同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元件得到较高的相对灵敏度。,第2章 光电式传感器,45,4）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏,f/Hz,电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。,第2章 光电式传感器,46,5）温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应，峰值随着温度上升向波长短的方向移动。随着温度的升高，暗电阻和灵敏度都下降。使用时，应采取降温措施。,第2章 光电式传感器,47,2.4.3 常用光敏电阻的性能参数,见书P25表2.5。,第2章 光电式传感器,48,光敏电阻器的型号命名方法（补充）,光敏电阻器的型号命名分为三个部分，各部分的含义见表。第一部分用字母表示主称。第二部分用数字表示用途或特征。第三部分用数字表示产品序号。,第2章 光电式传感器,49,第2章 光电式传感器,50,1.环境照度监视器（100Lx）,2.4.4 光敏电阻的应用,采光电路,射极偏置差动放大,复合开关,音乐集成电路,复合功率放大器,第2章 光电式传感器,51,（1）带材5处于正确位置（中间位置），预调电桥平衡，U1=U2输出电压UO为0。（2）带材5偏左，遮光面积减小，光照增加，R1阻值减小，U1增加，U1 U2，输出电压UO为负。（3）带材5偏右，遮光面积增大，光照减弱，R1阻值增大，U1减少，U1 U2，输出电压UO为正。,测量元件,温度补偿元件,2.带材跑偏检测仪测量偏离正确位置的大小和方向,第2章 光电式传感器,52,光电池是一种直接将光能转换为电能(电动势)的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源,电路中有了这种器件可以不需要外加电源。2.5.1 结构与工作原理 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结,当光照射到PN结的一个面,例如p型面时,若光子能量hv 大于半导体材料的禁带宽度Eg,那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴,电子空穴对从表面向内迅速扩散,在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有关的电动势。,2.5 光电池,光电效应,第2章 光电式传感器,53,第2章 光电式传感器,54,光电池外形,光敏面,第2章 光电式传感器,55,2.5.2 光电池的基本特性,1.光谱特性：光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。1）光谱响应峰值的位置不同：例如，硅光电池在8000A（800nm）附近，硒光电池在5400A（540nm）附近。2）光谱响应波长范围：硅光电池的为0.451.1m，而硒光电池为0.340.75m。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用，硒光电池适用于可见光。3）使用：光源 选光电池，光电池 选光源,第2章 光电式传感器,56,2.光照特性,反映短路电流、开路电压与光照度的关系。1）短路电流（负载电阻RL0，相对于光电池内阻很小）：在很大范围内成线性关系,可做检测元件。负载电阻越小越好，光电流与照度之间的线性越好，且线性范围越宽。光电池的内阻随着照度增强而减小，照度不同时选用大小不同的负载电阻。2）开路电压（负载电阻RL）：非线性,并且当照度在2000 lx时就趋于饱和了。可做开关元件。3）做检测元件时,当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。,v 压 电 生 光,第2章 光电式传感器,57,3.光电池的频率特性,反映光的交变频率与光电池输出电流的关系。硅光电池有较好的频率响应。,第2章 光电式传感器,58,4.光电池的温度特性 1）开路电压：T，下降快 2）短路电流：T，升高缓慢 实际使用：考虑温度漂移，进行补偿,第2章 光电式传感器,59,2.5.3 光电池的型号参数,1.开路电压2.短路电流3.输出电流4.转换效率：光电池最大输出电功率与输入光功率的比值（%）。5.光敏面积：面积越大，输出光电流也越大,第2章 光电式传感器,60,太阳电池方阵,有光照时,太阳电池方阵对负载供电，同时对蓄电池组供电。阻塞二极管防止蓄电池经过光电池放电。,.太阳电池电源,2.5.4 光电池的应用,蓄电池组,第2章 光电式传感器,61,2.自动干手器,手放入干手器时：光电池：不受光照晶体管：导通继电器：吸合风机和电热丝：通电，烘手,手干抽出后：光电池：受光照，产生光生电动势三极管：截止继电器：释放风机和电热丝：断电,第2章 光电式传感器,62,3.路灯光电自动开关,控制回路,主回路,第2章 光电式传感器,63,第2章 光电式传感器,64,第2章 光电式传感器,65,2.6 高速光电二极管,P、N间加了层很厚的高电阻率的本征半导体I。P层做的很薄。比普通的光电二极管施加较高的反偏电压。,1.PIN结光电二极管,主要用于光纤通信和光电自动控制的快速接收器件,第2章 光电式传感器,66,图 PIN光电二极管,第2章 光电式传感器,67,2.雪崩式光电二极管（APD）,在PN结的P区外增加一层掺杂浓度极高的P+层，且在其上加上高反偏压。响应时间极短，灵敏度极高。,图8-29 雪崩式二极管,105V/cm内部加速场,第2章 光电式传感器,68,高速光电二极管的特性参数 表2.9 特性曲线,高速光电二极管灵敏度为一般硅光二极管50倍，响应时间高出2个数量级，探测精度高出5个数量级。因此应用于高速信息处理系统领域。,第2章 光电式传感器,69,一.普通光电管,两个电极：光电阴极（光敏材料涂敷）和光电阳极。外光电效应：当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。,2.7 光电倍增管,主要用于高精度的分析仪器，原子分光光度计、浊度计等。特点：将微小光电流放大，（10-3A10-4A）。,2.7.1 结构组成,第2章 光电式传感器,70,第2章 光电式传感器,71,作用：光电倍增管具有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。结构：由光阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成阴极由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可达30级。通常为1214级。,光电倍增管,第2章 光电式传感器,72,工作原理：使用时在各个倍增电极上均加上电压，光阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。,2.7.2 工作原理,第2章 光电式传感器,73,入射光,光阴极K,第一倍增极,第二倍增极,第三倍增极,第四倍增极,阳极A,(3-6倍),(3-6倍),(3-6倍)次级电子,(3-6倍),（105106倍）,第2章 光电式传感器,74,光电倍增管的电流放大倍数为,如果n个倍增电极的i 都一样,则in 因此阳极电流为i in,M与所加的电压有关，在105108之间。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。电压越稳越好。,光电倍增管的主要参数：（1）倍增系数M：等于各个倍增电极的2次发射电子系数i的乘积。,2.7.3 主要参数,第2章 光电式传感器,75,一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光电倍增管的总灵敏度。,(2)光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度,最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高（不能太高），M越大，不能受强光照射。,光电倍增管的特性曲线,第2章 光电式传感器,76,（3）暗电流和本底脉冲 由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而形成的电流，称为本底电流（本底脉冲）具有脉冲形式。,第2章 光电式传感器,77,（4）光电倍增管的光谱特性 与相同材料的光电管的相似。光照特性,第2章 光电式传感器,78,光谱特性：对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限0=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%30%。它适用于白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为30008500，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。,第2章 光电式传感器,79,国产光电倍增管的技术参数,第2章 光电式传感器,80,2.7.4 光电倍增管的应用,闪烁计数器是一种通用的精密核辐射探测器。,第2章 光电式传感器,81,2.8 色敏光电传感器,色敏光电传感器相当于两支结构不同的光电二极管的组合，故又称光电双结二极管,用途：直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。,2.8.1 结构与基本原理,第2章 光电式传感器,82,工作原理：P+-N结为浅结，P-N结为深结；半导体中不同的区域对不同波长分别具有不同灵敏度：浅结对紫外光有较高灵敏度。紫外光部分吸收系数大，经过很短距离就被吸收完毕；而对红外光部分吸收系数小;深结对红外光有较高的灵敏度。红外光部分吸收系数大，光子主要在深结处被吸收；,对该色敏器件进行标定：也就是测定在不同波长光照射下，深结的短路电流ISD2与浅结的短路电流ISD1的比值 ISD2/ISD1。ISD2在长波区较大，ISD1在短波区较大；因而 ISD2/ISD1与入射单色光波长的关系就可以确定。根据标定曲线，实测出某一单色光的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。,第2章 光电式传感器,83,2.8.2 基本特性,1）光谱特性表示它所能检测的波长范围。CS-1型色敏光电传感器，波长范围：400nm1000nm,第2章 光电式传感器,84,2）短路电流比波长特性,短路电流比波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识别能力，是赖以确定被测波长的基本特性。,3）温度特性 不考虑温度影响,第2章 光电式传感器,85,2.8.3.色敏光电传感器的应用,U0=C(ln ISD2 ln ISD1)=C ln(ISD2/ISD1),第2章 光电式传感器,86,2.9 光位置传感器,光位置传感器是一种硅光电二极管，它利用光线来检测位置。光位置传感器的主要用途：常用于机械加工的定位装置，也可以作为机器人的眼睛或用于其他位置检测。,第2章 光电式传感器,87,光位置传感器工作原理：,当电阻层均匀分布时：,则：,第2章 光电式传感器,88,PSD 位置传感器组成：PSD 是一种新型光电检测器件，由P 衬底、PIN 光电二极管及表面电阻组成。工作原理：基于半导体的“横向光电效应”，对达到器件入射光或粒子位置的敏感。即利用PSD 的光电流可测量入射到感光区域的光斑能量中心的位置（一维），将光敏面上光点位置转化为电信号。,第2章 光电式传感器,89,PSD 位置传感器的测量电路：,取PSD中心为坐标原点，L表示二电极之间的距离，I0=I1+I2表示总电流,xA为入射光到坐标原点之间的距离，则利用PSD位置传感器工作原理有：,则 输出电压值与光强能量中心位置xA值成正比。,可见电极输出光电流之差与xA成正比，通过测量减法器输出电压值即可得到光照能量中心位置xA值。,第2章 光电式传感器,90,2.10 红外光传感器,红外光传感器的应用：红外辐射计：用于辐射和光谱辐射测量 搜索和跟踪系统：确定位置对其运动进行跟踪 热成像系统：产生目标红外辐射的分布图 红外测距和通信系统 混合系统,第2章 光电式传感器,91,2.10 红外光传感器,红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76-1000m。红外线所占据的波段分为4部分，即近红外，中红外，远红外和极远红外。,2.10.1 红外辐射基础,第2章 光电式传感器,92,1)红外辐射的物理本质：热辐射 温度 辐射红外线2)红外辐射以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带。空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。红外线在通过大气层时，有3个波段透过率高，它们是2m2.6m，3m5m和8m14m，统称它们为“大气窗口”。因此红外探测器一般都工作在这3个波段（大气窗口）之内。,第2章 光电式传感器,93,红外光传感器按工作原理可分为光量子型和热电型两大类。光量子型：可直接把红外光转换成电能。如，红外光敏电阻和红外PN结型光生伏特器件，用于遥感成像方面。热电型：吸收红外光后变为热能，使材料的温度升高，电学性能发生变化，人们利用这个现象制成了测量光辐射的器件。如红外光敏热释电效应器件。,2.10.2 红外光传感器的工作原理与结构,第2章 光电式传感器,94,1.热释电效应及器件,1）材料：具有自发极化的特征铁电晶体。(如锆钛酸铅系陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘肽等)。温度升高，则极化强度减少。2）热释电效应：若温度因吸收 红外光而升高，则极化强度减小，使单位面积上极化电荷减少，释放一定量的吸附电荷；若与一个电阻连成回路，会形成电流，电阻上产生一定的压降，这种因温度变化引起自发极化值变化的现象称为热释电效应。3）只能探测辐射的变化,第2章 光电式传感器,95,由实验证实，电阻上压降的变化为,由于dT/dt与红外线强度的变化成正比，结合上式，可得出输出电压正比于红外线强度的变化。,第2章 光电式传感器,96,2.热释电传感器的结构和等效电路,R,绝缘体,第2章 光电式传感器,97,3.双元件（双元型）红外传感器,此传感器专门用来检测人体辐射的红外线能量。市场上常见有国产的SD02、PH5324，日本的SCA02-1，美国的P2288等。SD02由敏感单元、场效应管、高阻抗变换管、滤光窗、菲涅尔透镜等组成，并在氦气环境下封装而成。,渡多层滤光层薄膜714m,第2章 光电式传感器,98,2.10.3 红外光传感器的应用1红外测温仪 红外测温仪是利用热辐射在红外波段的辐射通量来测量温度的。物体辐射红外光红外探测器测温。采用滤光片，可使其工作在任意红外波段。,第2章 光电式传感器,99,红外测温仪方框图,第2章 光电式传感器,100,3.红外气体分析仪红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同。,4.65,2.78 4.26 13,第2章 光电式传感器,101,图 红外线气体分析仪结构原理图,该分析仪由红外线辐射光源、气室、红外探测器及电路等部分组成。,光源由镍铬丝通电加热发出红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线。测量气室中通入被分析气体，参比气室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）。滤波气室通入干扰气体。如检测CO(4.65m)时，干扰气体CO2（4.26m）。,红外探测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当两吸收气室吸收的红外辐射能量不同时，气体温度升高不同，导致室内压力增大不同，薄膜移动，电容量变化。,如被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。,3-10m,N 2,2,第2章 光电式传感器,102,2.11 光固态CCD图像传感器,光固态图像传感器是高度集成的半导体光敏传感器，以电荷转移为核心，可以完成光电信号转换、信号存储和传输处理的集成光敏传感器，具有体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点，可探测可见光、紫外线、x射线、红外光、微光和电子轰击等。固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦合器件（简称CCD）、MOS图像传感器（简称SSPA）和电荷注入器件（简称CID）。前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。,第2章 光电式传感器,103,2.11.1 电荷耦合器件(CCD),电荷耦合器件（Charge Couple Device，简称CCD），是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件，它以电荷作为信号,基本功能是进行光电转换、电荷的存储和电荷的转移输出。是在MOS结构电荷存储器的基础上发展起来的，被称为“排列起来的MOS电容阵列”。,第2章 光电式传感器,104,CCD 技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各个领域。,基于CCD光电耦合器件的输入设备有：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机等。,第2章 光电式传感器,105,CCD基本结构分两部分：MOS光敏元阵列；读出移位寄存器。电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元对应一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线列或面 阵有规则地排列。,CCD结构示意图,显微镜下的MOS元表面,第2章 光电式传感器,106,（一）MOS光敏单元的结构及原理,CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。,CCD器件的基本单元结构是MOS（金属氧化物半导体）结构。即在P型硅衬底上生长一层SiO2(120nm),再在 SiO2层上沉积金属铝构成MOS结构（MOS电容），它是CCD器件的最小工作单元。,第2章 光电式传感器,107,A、势阱的产生 MOS的金属电极加正压（P-Si），金属电极板上充上一些正电荷，电极下的P型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。表面区有表面电势（0）,如衬底电位为0，则表面处电子的静电位能为-q（0),则表面处有存储电荷的能力，一旦有电子，电子就会向耗尽层的表面处运动，表面这种状态称为电子势阱（表面势阱）。势阱的深浅取决于U的大小。,+,+,第2章 光电式传感器,108,B、电荷的存储 势阱具有存储电荷的功能，光照时，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。CCD器件将图像的光信号转变成对应电荷包阵列。势阱中的电子，在停止光照一定时内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。,第2章 光电式传感器,109,（二）电荷转移原理,CCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS光敏元，这些光敏元使用同一半导体衬底；氧化层均匀、连续；相邻金属电极间隔极小。任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移动。为了保证信号电荷按确定的方向和路线转移，在MOS光敏元阵列上所加的各路电压脉冲要求严格满足相位要求。,第2章 光电式传感器,110,A、电荷的定向转移 当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。要求：多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。电极的结构：按所加电压的相数分为二相、三相和四相系统。,（三）CCD的工作原理,第2章 光电式传感器,111,B、三相CCD电极的结构以三相时钟脉冲控制把MOS光敏元电极分成三组，在其上面分别施加三个形状相同、相位不同（相位差1/3周期）的驱动脉冲1、2、3做控制电压（见图a）,第2章 光电式传感器,112,1 2 3 4 5 6,第2章 光电式传感器,113,C、电荷的输出,在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。,输出二极管电流法,第2章 光电式传感器,（四）CCD图像传感器（分类）从结构上分：线列型CCD图像传感器面阵型CCD图像传感器 1）行传输（LT）面阵型CCD 2）帧传输（FT）面阵型CCD 3）行间传输（ILT）面阵型CCD,第2章 光电式传感器,115,（四）CCD图像传感器 1.线列型CCD图像传感器,线列CCD结构原理图,（1）光照光敏元，且梳状电极施加高压时，各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的MOS势阱中，光像变为电像电荷包。（光积分）,（2）积分周期结束，控制信号使转移栅打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，并行输出到移位寄存器，再通过移位寄存器串行输出。,（3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集。,结构组成：,工作原理：,演示,第2章 光电式传感器,116,2.面阵型CCD图像传感器,面阵型CCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输三种。1）行传输（LT）面阵CCD,较少使用,第2章 光电式传感器,117,2）帧传输（FT）面阵CCD,感光区和暂存区分开，光敏区在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积分周期结束后，利用时钟脉冲将整帧信号转移到暂存区。然后，整帧信号再向下移，进入水平读出移位寄存器，串行输出。（一帧对应光敏区MOS的数量）,M,N,第2章 光电式传感器,118,演示,优点：分辨率高、弥散性低，噪声小。缺点：由于设置暂存区，使器件面积增大。,第2章 光电式传感器,119,3）行间传输（ILT）面阵型CCD,它将光敏单元与垂直转移寄存器交替排列。,在光积分期间，光生电荷存储在感光区光敏单元的势阱里；当光积分时间结束，转移栅的电位由低变高，信号电荷进入垂直转移寄存器中。随后，一次一行地移动到输出移位寄存器中，然后移位到输出器件，在输出端得到与光学图像对应的一行行视频信号。,这种结构的感光单元面积减小，图像清晰，但单元设计复杂。,单元平面结构图P53,演示,第2章 光电式传感器,120,3.CCD图像传感器的特性参数,（1）转移效率 当CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷，则转移效率定义为,若转移损耗定义为,则电荷进行N次转移时，总转移效率为,要求转移效率必须达到99.9999.999%,第2章 光电式传感器,121,（2）分辨率,分辨能力是指摄像器件分辨图像细节的能力，是图像传感器最重要的特性，主要取决于感光单元之间的距离。根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0（图像传感器电极的间隔-单元数/毫米）的一半，即,第2章 光电式传感器,122,（3）暗电流,暗电流起因于热激发产生的电子空穴对，是缺陷产生的主要原因。CCD器件暗电流越小越好。暗电流与温度密切有关，温度每降低10，暗电流约减小一半。暗电流与积分时间有关，光信号电荷的积累时间越长，其影响就越大。暗电流的产生不均匀，在图像传感器中出现固定图形，暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围，暗电流大的地方，多数会出现暗电流尖峰。对于每个器件，产生暗电流尖峰的缺陷总是出现在相同位置的单元上，利用信号处理，把出现暗电流尖峰的单元位置存贮在PROM(可编程只读存贮器)中，单独读取相应单元的信号值，就能消除暗电流尖峰的影响。,第2章 光电式传感器,123,（4）灵敏度,图像传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量，即,第2章 光电式传感器,124,光谱灵敏度特性,第2章 光电式传感器,125,（5）噪声,噪声是图像传感器的主要参数。CCD是低噪声器件，由于其他因素产生噪声叠加到信号电荷上，使信号电荷的转移产生干扰。噪声的来源有转移噪声、散粒噪声、电注入噪声、信号输出噪声等。散粒噪声决定图像传感器的噪声极限值。,第2章 光电式传感器,126,第2章 光电式传感器,127,（五）线列CCD摄像系统,第2章 光电式传感器,128,2.11.2 MOS图像传感器,参看书p54-57,第2章 光电式传感器,129,2.11.3 CCD器件应用 CCD固体图像传感器的应用主要在以下