光电传感器.ppt

,第5章 光电式传感器,5.1 常用光电器件5.2 光栅传感器5.3 固态图像传感器,上一页,下一页,返 回,光电式传感器,定义：是一种将光信号转换成电信号的装置。以光电元件作为转化元件，可以将被测的非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成。物理基础：光电效应优点：结构简单、性能可靠、精度高、反映快。应用：现代测量和自动控制系统，应用广泛，前景广阔。,上一页,下一页,返 回,光电效应,下一页,返 回,是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类：1）外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。,光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：,根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理 式中 m电子质量；v0电子逸出速度。,该方程称为爱因斯坦光电效应方程,光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。,当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。,光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。,下一页,返 回,2）内光电效应,当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类：（1）光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,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。,导带,价带,禁带,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,Eg,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,（2）光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。势垒效应（结光电效应）。接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。,侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。,5.1 常用光电器件,5.1.1 光敏电阻5.1.2 光电池5.1.3 光敏二极管和光敏晶体管5.1.4 常用光电器件的应用,下一页,返 回,511 光敏电阻,1.光敏电阻的光电效应2光敏电阻种类3光敏电阻的主要参数4.光敏电阻的基本特性,上一页,下一页,返 回,1.光敏电阻的光电效应,光敏电阻特性：当无光照时：光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时：光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加光照停止时：恢复高阻状态优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。不足：需要外部电源，有电流时会发热。,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,接受光照时：其共价键中的价电子吸收光子能量，由价带穿越禁带到达导带，成为光生自由电子，使得半导体中自由电子空穴对增加，导电率提高，电阻值下降。光照停止时：失去光子能量的光生自由电子又重新迭落回价带与空穴复合，自由电子空穴对减少，导电率下降，电阻值提高。Eg禁带宽度，价电子吸收光子能量EEg，才能穿越禁带成为自由电子。光照越强、E越大，光生自由电子越多，电阻值越小。光照停止或光强减小使EEg时，光生自由电子又迭回价带成为价电子，使电阻值增加或恢复高阻状态。,形成原因：,上一页,下一页,返 回,偏压U一定时，检流计指示电流I的大小决定于光敏电阻上的光照强度：无光照时：I很小，此电流称之为暗电流；光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻（兆欧级）有光照时：I较大，此电流称之为亮电流；光敏电 阻的阻值显著减小，相应称之为亮电阻（千欧以内）光电流：由光照所产生的自由电子空穴流，为亮电流与暗电流之差。由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。,光敏电阻光电效应实验电路,光敏电阻的结构,1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线,光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。,上一页,下一页,返 回,2.光敏电阻种类,光敏电阻是一个纯电阻性两端器件，适用于交、直流电路，因而应用广泛，种类很多。对光照敏感的半导体光敏元件都可以制成光敏电阻。半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波，按其最佳工作波长范围分三类：（1）对紫外光敏感元件 紫外光是指紫外线(波长10380nm)的内侧光波，波长约300380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌、硫化锌等，适于作射线检测及光电控制电路。（2）对可见光敏感元件 可见光波长范围约380760nm，对这类光敏感的材料有硒、硅、锗等，适用于光电计数、光电锅台、光电控制等场合。（3）对红外光敏感元件 红外光是红外线(波长 7601106nm)的内侧光波，波长约7606000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅、硒化钳等，主要用来探测不可见目标。,上一页,下一页,返 回,3 光敏电阻的主要参数,（1）暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。（2）亮电阻 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。（3）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。,上一页,下一页,返 回,4光敏电阻的基本特性,（1）光谱特性（2）光照特性（3）伏安特性（4）响应时间和频率特性（5）温度特性（6）稳定性,上一页,下一页,返 回,（1）光谱特性,定义：光电流对不同波长的单色光，灵敏度是不同的。,上一页,下一页,返 回,光波：波长为10106nm的电磁波可见光：波长380780nm紫外线：波长10380nm，波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线，红外线：波长780106nm,光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉的峰值在可见光区域。结论：在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。,上一页,下一页,返 回,（2）光照特性,定义：在一定电压下，光敏电阻的光电流I与光强E之间的关系。,上一页,下一页,返 回,右图表示CdS硫化镉光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。,（3）伏安特性,定义：在一定强度的光照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。,上一页,下一页,返 回,图中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。,50,100,150,200,1,2,20,I/A,0,40,U/V,（4）响应时间和频率特性,时延特性：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。通常用响应时间t表示。,上一页,下一页,返 回,光敏电阻的频率特性,不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。,上一页,下一页,返 回,20,40,60,80,100,I/%,f/Hz,0,10,102,103,104,硫化铅,硫化镉,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。,（5）温度特性,光敏电阻性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化镉的光电流I和温度T的关系如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。,上一页,下一页,返 回,I/A,100,150,200,-50,-10,30,50,10,-30,T/C,20,40,60,80,100,0,1.0,2.0,3.0,4.0,/m,I/mA,+20 C,-20 C,（6）稳定性,上一页,下一页,返 回,图中曲线1、2分别表示两种型号CdS硫化镉光敏电阻的稳定性。初制成的光敏电阻，由于体内机构工作不稳定，以及电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，所以性能是不够稳定的。但在人为地加温、,光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定。光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了。这就是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长的。,5.1.2 光电池,上一页,下一页,返 回,光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是发电式有源元件，有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池。硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。,1 光电池的结构和工作原理,上一页,下一页,返 回,硅光电池的结构如图所示。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,上一页,下一页,返 回,光电池的表示符号、基本电路及等效电路如图所示。,2 基本特性,(1)光谱特性(2)光照特性(3)频率响应(4)温度特性(5)稳定性,上一页,下一页,返 回,（1）光谱特性,上一页,下一页,返 回,光电池对不同波长光的灵敏度是不同的，不同材料的光电池对入射光波长的敏感范围是不同的，因此光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。,(2)光照特性,上一页,下一页,返 回,开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线,光电池的短路电流,上一页,下一页,返 回,定义：指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。,结论：负载RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。,(3)频率特性,结论：硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换,上一页,下一页,返 回,光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。,20,40,60,80,100,0,I/%,1,2,3,4,5,1,2,f/kHz,1硒光电池2硅光电池,(4)温度特性,上一页,下一页,返 回,光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。,20,0,40,60,90,40,60,UOC/mV,T/C,ISC,UOC,ISC/A,600,400,200,UOC开路电压,ISC 短路电流,硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线,(5)稳定性,当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定 影响性能和寿命因素：光电池的材料及制造工艺使用环境条件,上一页,下一页,返 回,5.1.3 光敏二极管和光敏晶体管,1 工作原理2 基本特性,上一页,下一页,返 回,1 工作原理,上一页,下一页,返 回,光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几A到几十A。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。,1）光敏二极管,上一页,下一页,返 回,光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。,上一页,下一页,返 回,光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小。反向电流也叫做暗电流当光照射时，光敏二极管的工作原理与光电池的工作原理很相似。当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，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；受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。,2）光敏三极管,上一页,下一页,返 回,光敏三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，具有电流增益,只是它的发射极一边做的很大,以扩大光的照射面积,且其基极不接引线。当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。,P,P,N,N,N,P,e,b,c,RL,E,e,c,b,2 基本特性,（1）光谱特性（2）光照特性（3）伏安特性（4）频率特性（5）温度特性,上一页,下一页,返 回,（1）光谱特性,存在一个最佳灵敏度的峰值波长。当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降。因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对。当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降。,硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性,可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。,上一页,下一页,返 回,（2）光照特性,硅光敏管的光照特性,上一页,下一页,返 回,光敏二极管与光敏晶体管的光照特性明显不同，以硅管为例如图所示。光敏二极管的光照特性近似为线性关系，光敏晶体管的光照特性为非线性，照度较小时，光电流随光照度加强而缓慢增加，当光照度较大时，光电流又趋于饱和。从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。,（3）伏安特性,上一页,下一页,返 回,光敏管的输出电流与所加的偏量电压关系不大，具有近似的恒流特性；光敏晶体管比光敏二极管的光电流大近百倍，因而具有更高的灵敏度；光敏二极管在零偏压下就有一定的 电流输出，光敏晶体管却有一段死区电压。,（4）频率特性,硅光敏晶体管的频率响应,上一页,下一页,返 回,光敏二极管的频率特性较好，是半导体光敏器件中最好的一种，其响应速度达 0.1s，截止频率高，适用于快速变化的光调制信号。光敏晶体管由于基区面积大，载流子穿越基区所需的时间长，因而其频率特性比二极管差。无论是哪一类光敏管，其负载电阻越大，频率特性愈差。,（5）温度特性,无论是硅管还是锗管，对温度的变化都比较敏感。温度升高，热激发产生的电子电穴对增加，使暗电流上升。尤其是锗管，其暗电流较大，温度特性较差。温度升高对光电流影响不大。对于高温低照度下工作的光敏晶体管，此时暗电流上升、亮电流下降，使信噪比减小；为了提高信噪比，应采取相应的温度补偿或降温措施。,上一页,下一页,返 回,5.1.4 常用光电器件的应用,光电耦合器光电转速器反射式固体表面粗糙度计透射式薄膜厚度计烟尘浊度监测仪,上一页,下一页,返 回,1 光电耦合器,上一页,下一页,返 回,定义：光电耦合器是由一个发光元件和一个光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。,光电耦合器的组合形式,上一页,下一页,返 回,光电耦合器的组合形式有多种，如图所示。,该形式结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内。,该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。,该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。,该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。,通用光耦,高速光耦,高效光耦,高速高效光耦,发光二极管,上一页,下一页,返 回,发光二极管是只有一个PN结的半导体器件。管芯是一个具有单向导电性能的PN结，在正向偏压作用下，PN结空间电荷区势垒下降，引起过量的载流子注入，注入的电子与空穴加速复合时释放出光子能量，即把电能转换成光能。,目前，发光二极管和光电转换器可以集成到一个芯片上，因而可以作成集成光电耦合器。,If发光二极管的正向电流 Ic光电转换器输出电流结论：输出、输入电流间线性关系较差，不宜作运算电路，但可以广泛应用于电平转换、电路隔离、固态继电器及无触点开关等控制电路中。,光电耦合器基本特性,2 光电式数字转速表,上一页,返 回,3 反射式固体表面粗糙度计,上一页,返 回,光源发出一定照度的光入射到被测 固定的表面上，一部分被表面吸收，一部分反射到光电池上。被测表面越光滑，反射到光电池上的光越强，光电池输出电压越大。根据电压表指示的电压数，就可以判断被测表面的组糙度。,4 透射式薄膜厚度计,上一页,返 回,光源发出一定照度的光经准直透镜调制成平行光束，垂直入射到被测薄膜上，一部分被薄膜吸收，一部分穿过薄膜出射到光电他上；薄膜越薄，出射光越强，光电池输出电压越大。根据这种原理，不但可以用于检测薄膜的厚度，印刷机纸张监控，还可以检测液体的混浊度，或气体和固体的透明度。,5 烟尘浊度监测仪,上一页,返 回,防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。,上一页,返 回,5.2 光栅传感器,5.2.1 莫尔条纹5.2.2 光栅传感器的组成5.2.3 辨向原理5.2.4 细分技术,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,光栅传感器是用于测位移的光电传感器。光透过光栅照射到光电器件上，根据光栅的莫尔条纹现象，可实现角位移或线位移的测量。直光栅：用于测量直线位移的光栅；圆光栅：用于测量角位移的光栅。,5.2.1 莫尔条纹,上一页,下一页,返 回,光栅 光栅又叫光栅尺，是由在光学玻璃上均匀刻有许多线条，形成规律排列的透光和不透光的明暗条纹所组成。,Wmn称为光栅的栅距或光栅常数,2 莫尔条纹形成,把光栅常数W相等的两光栅尺相对叠合在一起，栅条间保持很小夹角，在与栅条近乎垂直的方向出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。,莫尔条纹间距,莫尔条纹宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定,上一页,下一页,返 回,3 莫尔条纹的主要特性,（1）莫尔条纹的间距BH对光栅常数W具有放大作用 调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。（2）莫尔条纹具有消除光栅尺局部缺陷引起的误差 由于光栅尺在制作时工艺的分散性，难免有的光栅尺的栅条或栅条间距存在着局部缺陷，但这些缺陷不会引起莫尔条纹的误差。因为在测量时，光电元件上接收到的光信号，是透过众多栅条形成亮带的光信号，光栅尺的局部缺陷对亮带透光量影响极小。（3）莫尔条纹的移动大小和方向可以反映两光栅尺相对移动大小和方向 当固定斜光栅尺、左右移动直光栅尺时，莫尔条纹则作上下移动。若被测体跟随直光栅尺移动，则可根据莫尔条纹移动的大小和方向，判断被测体移动的大小和方向。（4）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。,上一页,下一页,返 回,5.2.2 光栅传感器的组成,根据莫尔条纹特性制作的光栅位移传感器，按光路形成方式可分为两大类，即反射式光栅传感器和透射式光栅传感器。,上一页,下一页,返 回,1 透射式光栅传感器,上一页,下一页,返 回,此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。,光源 常用钨丝灯泡或砷化镓发光二极管，钨丝灯泡有较大的输出功率，较宽的工作温度范围(40一130)，但使用寿命短，要定期更换；砷化镓发光二极管输出功率低，工作温度范围(一66一100)也略小，但其与光敏晶体管组合比钨丝灯泡与光敏晶体管组合转换效率高(约30)，且响应速度快(约2s)，可使光源工作在触发状态，以减小功耗和热耗散。光电元件 常用光电池或光敏晶体管，在光电元件输出端常接放大器，以获得尽可能大的信号输出，以提高抗干扰能力。透镜 作用是把光源发出的光变换成平行光束，垂直投射到主光栅上。主光栅 又称标尺光栅，它有固定的光栅常数W、亮条宽度m和暗条宽度n。通常，测位移时，被测体保持与主光栅相同的位移大小和方向。指示光栅 比主光栅短很多，通常具有与主光栅相同的光栅常数和亮、暗条宽度。测位移时，指示光栅不动，主光栅移动。,上一页,下一页,返 回,2.反射式光栅传感器,上一页,下一页,返 回,该光路适用于黑白反射光栅。,光源发射的光，经聚光镜和物镜后形成平行光束，以一定的角度穿过指示光栅、射向主光栅。这里的主光栅不形成透射光。照射到主光栅上的光产生反射光后与指示光栅形成莫尔条纹，此莫尔条纹光再经反射镜反射、物镜组聚焦后投射到光电元件上，以实现位移的测量。,5.2.3 辨向原理,单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。,上一页,下一页,返 回,辨向光路设置,在相距的位置上设置两个光电元件1和2，以得到两个相位互差90的正弦信号,上一页,下一页,返 回,辨向电路,正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,辨向电路各点波形图,4.细分技术,提高分辨力方法：在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需的最小读数值。细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小辨向电路输出脉冲间隔，提高分辨力。,上一页,下一页,返 回,（1）直接细分,直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。也可通过对u1和u2都取反来实现，即在主光栅位移一个栅距W期间，可以得到四个等间隔的计数触发脉冲、从而实现四倍频直接细分。缺点：受到辨向电路结构的限制，也不可能得到很高的细分。,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,未细分(a)与细分(b)的波形比较,（2）电阻电桥细分法（矢量和法）,则电桥平衡条件：u1R2=u2R1 取u1Um cos，u2Um sin 则：tan R2/R1，且x W/2结论：选择不同的R1和R2，可得到在02范围内变化；对应地可以获得主光栅移动量x在0W范围内细分。从理论上说，在0W范围内可任意细分，从而得到很高的位移分辨率，实际上受多方面影响，分得越细，误差越大，因而这种细分也是有限的。,上一页,下一页,返 回,输出端开路时（RL）：,5.3 固态图像传感器,定义：指在同一半导体衬底上生成若干个光敏单元与移位寄存器构成一体的集成光电器件，其功能是把按空间分布的光强信息转换成按时序串行输出的电信号。优点：体积小、重量轻、耗电少、耐振动、抗电磁干扰、坚固耐用缺点：分辨率不高，图像质量还赶不上摄像管。固态图像传感器的敏感元件有多种类型，日前应用最广泛的是电耦合器件(CCD)，它是一个硅光敏半导体器件，由MOS光敏元件阵列和读出移位寄存器组成。,上一页,下一页,返 回,5.3 固态图像传感器,5.3.1 CCD基本结构5.3.2 CCD工作原理5.3.3 CCD图像传感器的结构5.3.4 图像传感器的应用,上一页,下一页,返 回,5.3.1 CCD基本结构,CCD是一种半导体器件,MOS电容的结构1金属 2绝缘层SiO2,上一页,下一页,返 回,上一页,下一页,返 回,CCD是由按一定规律排列的MOS阵列组成。CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积铝电极而构成MOS的电容式转移器。将MOS阵列加上输入、输出端，便构成了CCD。当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内，形成电荷包（势阱）。对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。,CCD电荷的产生方式：,电压信号注入CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。光信号注入CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。在没有外界电荷注入时，CCD各单元势阱可看成空阱。当有光照时，光生电子在正偏压下迅速注入势阱。光照越强，注入的光生电子就越多，此时势阱中的光生电子数反映光照强度，故称势阱中的电荷为光照强度信号电荷。由于CCD的MOS单元密集，众多单元势阱收集的信号电荷数，可以反映一幅空间的光图像。,上一页,下一页,返 回,5.3.2 CCD工作原理,信号电荷转移,CCD的基本功能是存储与转移信息电荷为实现信号电荷的转换：1、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。2、控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。,上一页,下一页,返 回,定向转移的实现,在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称相线。一位CCD中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。,上一页,下一页,返 回,三相CCD信息电荷传输原理图,上一页,下一页,返 回,5.3.3 CCD图像传感器的结构,利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信号“图像”。由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。分线阵CCD(LCCD)和面阵CCD(SCCD),上一页,下一页,返 回,1.LCCD图像传感器,上一页,下一页,返 回,LCCD图像传感器由排列成直线式的MOS感光单元阵列、转移栅和移位寄存器组成。信号电荷采用单边转移和移位输出时，称之为单通道LCCD。,G：感光偏置脉冲,T：转移控制脉冲,13：三相移位脉冲,感光区曝光时：G高电平时，感光单元阵列接收空间光强信息，变成信号电荷。T为低电平，传递门关闭；曝光结束时：G变为低电平，T变为高电平，传递门打开，各感光单元的信号电荷迅速并行转移到移位寄存器各单元中去；转移结束时：T变为低电平，传送门重新关闭，随后移位寄存器在三相移位脉冲13的控制下，串行移位 输出信号电荷。,双通道LCCD图像传感器,上一页,下一页,返 回,目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。,比较：阵列密度可以增加一 倍，输出的图像信息分辨率提高一倍；在相同感光单元的情况下，所需的移位寄存器的级数(单边)减小一倍，移位过程中引起的信号电荷损失大大减小，减小了输出信号的失真；可减小封装尺寸，提高CCD图像传感器的性能。,2.SCCD图像传感器,上一页,下一页,返 回,组成：面阵式MOS感光区、转移寄存器和读出寄存器三部分组成。分类：根据感光区和转移寄存器的分布方式不同，分为：帧转移SCCD行间转移SCCD两种。,帧转移SCCD图像传感器,上一页,下一页,返 回,原理：感光区与转移寄存器的MOS阵列相同。在一定节拍的转移控制脉冲作用下，感光区的光图像信息由下到上一幅幅(帧)地转移到转移寄存器中，同时转移寄存器中信号电荷由下到上一行行地输到读出奇存器中，读出寄存器则在高速脉冲控制下即时将信号电荷依次移位输出。特点：感光区与寄存区完全分开，并对寄存区遮光，能保证光图像的清晰度；但两区的MOS单元个数相同，至使结构尺寸比较大。,行间转移SCCD图像传感器,上一页,下一页,返 回,特点：感光区与转移寄存器MOS阵列交错排列，感光区信号电荷移至转移寄存器的行程距离较短，CCD芯片结构尺寸较小，工作频率得到提高。转移寄存器和读出寄存器都是光屏蔽结构，具有良好的光信息保真功能,具有较 高的图像清晰度。,5.3.4 图像传感器的应用,1尺寸测量2 用于光学文字识别装置,上一页,下一页,返 回,1尺寸测量,上一页,下一页,返 回,2 用于光学文字识别装置,光学文字识别装置(OCR)原理,上一页,返 回,