傳感器原理與應用第八章光電傳感器ppt課件

1、 第八章 光電傳感器第一節(jié) 常用光電器件 一、光敏電阻 二、光電池 三、光敏二極管和光敏晶體管 四、常用光電器件的應用 第二節(jié) 光柵傳感器 一、莫爾條紋 二、光柵傳感器的組成 三、辨向原理 四、細分技術(shù)第三節(jié) 固態(tài)圖像傳感器 一、CCD基本結(jié)構(gòu) 二、CCD工作原理 三、CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)光電傳感器常用光源有：光電傳感器常用光源有：白幟燈光源、氣體放電光源碳燈、低壓高壓水銀燈、鈉白幟燈光源、氣體放電光源碳燈、低壓高壓水銀燈、鈉弧燈、汕弧燈）、氣體激光器氦氖、二氧化碳、氬離子弧燈、汕弧燈）、氣體激光器氦氖、二氧化碳、氬離子激光器）、固態(tài)激光器、半導體激光器、發(fā)光二極管等。激光器）、固態(tài)激光器、

2、半導體激光器、發(fā)光二極管等。 第一節(jié) 常用光電器件 光是由具有一定能量的粒子組成，根據(jù)愛因斯坦光粒子學說，每個光子所具有的能量E 與其頻率f 的大小成正比即E =hf，式中h =6.62610-34JS，為普朗克常數(shù)）。光照射在物體上可看成一連串具有能量的光子對物體的轟擊，物體吸收光子能量而產(chǎn)生相應的電效應，即光電效應。這是實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的物理基礎(chǔ)。光電器件的作用原理是基于一些物質(zhì)的光電效應。 光電效應依其表現(xiàn)形式的不同，通?？煞譃槿箢?。 光電導效應光照改變半導體的導電率，從而引起半導體電阻值的變化效應，光敏電阻屬于這類光電效應器件。 光生伏特效應光照改變半導體PN結(jié)電場，從而引起PN結(jié)電勢的

3、變化效應，故又稱PN結(jié)光電效應，光電池、光敏晶體管等屬于這類光電效應器件。 光電發(fā)射效應某些物質(zhì)如金屬絲在光的照射下，能從表面向外部發(fā)射電子的現(xiàn)象，稱之為光電發(fā)射效應，利用這種效應制作的光電器件有光電管和光電倍增管。 光電發(fā)射效應發(fā)生在物體的表面，因而又稱之為外光電效應；相應地，光電導效應和光生伏特效應被稱為內(nèi)光電效應。本文下面僅介紹幾種常見的內(nèi)光電效應器件及其應用。 半導體光電導效應內(nèi)部機理如圖81所示。 一、光敏電阻 1光敏電阻的光電效應 光敏電阻是典型的光電導效應器件。無光照時，其阻值很高；有光照時，其阻值大大下降，光照越強阻值越低；光照停止，又恢復高阻狀態(tài)。圖81 光電導效應能帶圖 半

4、導體受光照時，其共價鍵中的價電子吸收光子能量，由價帶穿越禁帶到達導帶，成為光生自由電子，使得半導體中自由電子空穴對增加，導電率提高，電阻值下降。光照停止時，失去光子能量的光生自由電子又重新迭落回價帶與空穴復合，自由電子空穴對減少，導電率下降，電阻值提高。圖中Eg稱為禁帶寬度，價電子吸收的光子能量E Eg時，才能穿越禁帶成為自由電子。光照越強、具有能量E的光子數(shù)越多，光生自由電子-空穴對越多，電阻值越小。光照停止或光強減小使EEg時，光生自由電子又迭回價帶成為價電子，使電阻值增加或恢復高阻狀態(tài)。每個光子所具有的能量E數(shù)學表達式： E=hf=hc/頻率越高，或波長越短，光子所具有的能量就越大。 產(chǎn)

5、生自由光生電子的入射光臨界波長0為 滿足 EEg 有 0 1242/Eg (nm)Si的禁帶寬度Eg為1.2ev,Ge0.75ev,硫化鎘cds2.4ev,CdSe1.8ev 圖82是光敏電阻光電效應實驗電路，當偏壓U 一定時，檢流計指示電流I 的大小決定于光敏電阻上的光照強度。圖82 光敏電阻光電效應實驗電路 無光照時，檢流計指示的電流很小，此時的電流稱之為暗電流；此時光敏電阻的阻值很高，相應稱之為暗電阻，暗電阻通常為兆歐級。 有光照時，檢流計指示的電流較大，此電流稱之為亮電流；此時，光敏電阻的阻值顯著減小，相應稱之為亮電阻，亮電阻一般為千歐以內(nèi)。 由光照所產(chǎn)生的自由電子空穴流稱之為光電流，

6、顯然光電流是亮電流與暗電流之差，由于暗電流很小，在工程分析時可把亮電流看成光電流。 2光敏電阻種類 光敏電阻是一個純電阻性兩端器件，適用于交、直流電路，因而應用廣泛，種類很多。對光照敏感的半導體光敏元件都可以制成光敏電阻，目前人類已開發(fā)應用的光波頻譜范圍為0.1HZ1021HZ，相應的波長為3109m0.3Pm。半導體光敏元件的敏感光波長為納米波，按其最佳工作波長范圍可分為三類。 （1對紫外光敏感元件 紫外光是指紫外線波長=10380nm的內(nèi)側(cè)光波，波長約300380nm。對這類光敏感的材料有氧化鋅ZnO）、硫化鋅ZnS）、硫化鎘CdS）、硒化鎘CdSe等，這類敏感元件適于作、射線檢測及光電控

7、制電路。 （2對可見光敏感元件 可見光波長范圍約380760nm，對這類光敏感的材料有硒Se）、硅Si）、鍺Ge及硫化鉈TiS）、硫化鎘CdS等，尤其是TiS光敏元件，它既適用于可見光，也適用于紅外光。這類敏感元件適用了光電計數(shù)、光電耦合、光電控制等場合。 （3對紅外光敏感元件 紅外光是紅外線波長=7601106nm的內(nèi)側(cè)光波，波長約7606000nm。對這類光敏感的材料有硫化鉛PbS）、硒化鉛PbSe）、銻化銦InSb等，這類敏感元件主要用來探測不可見目標。圖83 部分光敏元件的光譜特性 3光敏電阻的基本特性 （1光譜呼應特性 光敏電阻的光譜特性是指光電流對不同波長單色光的相對靈敏度。圖83

8、表示部分光敏元件的光譜特性，其中硫化鋅對波長為300nm左右的紫外光最敏感；硫化鎘光敏波長的峰值在670nm左右；硫化鉈的敏感波長范圍很寬，約3001400nm，其峰值波長為1000nm左右；硫化鉛具有很寬的敏感波長范圍，其峰值波長約2300nm。（0.7峰值左右為敏感波長峰值范圍） （2光照特性 光敏電阻的光照特性是指在一定的電壓下，光電流I 與光照強度E 的關(guān)系。如圖84所示，光敏電阻具有很高的光照靈敏度，且具有明顯的非線性，可作控制元件，不宜作計量元件。 圖84 光敏電阻的光照特性 光照強度(照度) 是物體被照明的程度，也即物體表面所得到的光通量與被照面積之比，單位是Ix(l勒克斯是1流

9、明的光通量均勻照射在1平方米面積上所產(chǎn)生的照度) 光照強度的測量用照度計。 （3伏安特性 光敏電阻的伏安特性是指在一定強度的光照下，光敏電阻的端電壓與光電流的關(guān)系。如圖85所示，伏安特性是一個線性關(guān)系特性，但不同材料的光敏電阻具有不同的伏安特性，且各類光敏電阻都有最大允許功耗和最大允許電壓的要求，超過此極限值將會導致元件永久性損壞。 圖85 光敏電阻的伏安特性 (4頻率特性 頻率特性系指光敏電阻上的光電流對入射光調(diào)制頻率的響應特性。如圖86所示，一般來說，調(diào)制頻率f 越高，電流相對靈敏度Kr 越低，這反映光敏元件具有一定的惰性，有的材料光響應時間達幾百毫秒。光敏電阻的響應時間不但與元件的材料有

10、關(guān)，而且還與光照強弱有關(guān)，光照越強，響應的時間越短。 圖86 光敏電阻的頻率特性光照，產(chǎn)生自由電子空穴對；光照停止，電子空穴復合，需要一定時間， （5溫度特性 溫度特性系指光敏電阻工作特性受溫度的影響。例如溫度升高時，它的暗電阻減小，即暗電流增加、靈敏度下降。同時，溫度上升還引起光譜特性曲線左移，導致光敏電阻敏感波長減小。圖87是硫化鉛光譜溫度特性。圖87 硫光鉛光譜溫度特性 當光照射到PN結(jié)上時，如果光子能量足夠大，就將在PN結(jié)附近激發(fā)出大量的電子空穴對。在PN結(jié)電場作用下，N區(qū)的光生空穴被拉向P區(qū)，P區(qū)的光生電子被拉向N區(qū)；其結(jié)果在P區(qū)聚積正電荷，帶正電，在N區(qū)聚積負電荷，帶負電，即在P區(qū)

11、和N區(qū)間形成一定伏特數(shù)的電位差，稱之為光生電勢。圖88 光電池的光電效應 二、光電池 1光電池的光電效應 光電池是典型的光生伏特效應器件。無光照時，兩濃度差很大的雜質(zhì)半導體P和N因擴散運動形成一個大面積的PN結(jié)，PN結(jié)電場方向是由N區(qū)指向P區(qū)，如圖88所示。 當光照射到PN結(jié)上時，如果光子能量足夠大，就將在PN結(jié)附近激發(fā)出大量的電子空穴對。在PN結(jié)電場作用下，N區(qū)的光生空穴被拉向P區(qū)，P區(qū)的光生電子被拉向N區(qū)；其結(jié)果在P區(qū)聚積正電荷，帶正電，在N區(qū)聚積負電荷，帶負電，即在P區(qū)和N區(qū)間形成一定伏特數(shù)的電位差，稱之為光生電勢。圖88 光電池的光電效應 2光電池的基本特性 光電池的種類很多，如硒光電

12、池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池、氧化亞銅光電池等。不同種類光電池性能差異很大，其中硅光電池性能最好，其光譜范圍寬、頻率特性好、換能效率高，且工作性能穩(wěn)定。 （1光譜特性 光電池對不同波長光的靈敏度是不同的，不同材料的光電池對入射光波長的敏感范圍是不同的，圖89為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。 從圖中可知，硅光電池敏感波長范圍是4501100nm，峰值波長為800nm；硒光電池敏感波長范圍是380750nm，峰值波長在500附近?？梢?，硅光電池適應光波長的范圍比硒光電池寬得很多。 圖89光電池的光譜特性 （2光照特性 光電池在不同光照強度下，有不同的光生電勢或光生電流，圖810所示為硅

13、光電池的光照特性。 圖810 硅光電池光照特性 圖中短路電流是指光電流輸出端短路時的電流，即光生電流。硅光電池短路電流密度約為1530mA/cm2，此電流在很寬的光照范圍內(nèi)都具有線性關(guān)系，因而光電池宜作電流源使用。 圖中開路電壓是指光電池輸出端開路時的電壓，即光生電勢。單片硅光電池的開路電壓約為0.450.6V，此電壓在2000LX以內(nèi)光照下趨于線性，在2000LX以上為非線性，因而光電池不宜作電壓源使用。 圖811是光電池開路電壓和短路電流的實驗電路。在此實驗電路中，忽略了光電池PN結(jié)結(jié)電容及PN結(jié)漏電流的影響。 光電池的開路電壓等于圖a中的光生電勢E，光電池的短路電流等于圖b中的光生電流I

14、S 。實驗表明，負載電阻RL越小，光照特性的線性關(guān)系越好，因而在使用中應盡量選擇負載電阻小的場合。硒光電池具有與硅光電池相似的光照特性。圖8-11 光電池光照特性實驗電路 （a開路電壓 （b短路電流 （3頻率特性 光電池輸出光電流隨入射光調(diào)制頻率的關(guān)系如圖812所示。由圖可知，硅光電池具有較穩(wěn)定的頻率特性，適用于作高速計數(shù)的運算器電池。 圖812 光電池的頻率特性 （4溫度特性 溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。圖813是硅光電池在1000LX照度下的溫度特性。圖813 硅光電池的溫度特性 由圖可知，硅光電池的開路電壓隨溫度升高而迅速下降，溫度每上升1，開路電壓約降低3

15、mV。硅光電池的短路電流隨溫度升高而緩慢上升，溫度每上升1，短路電流約增加2A。 由于溫度變化對光電池的光電轉(zhuǎn)換性能影響很大，因而光電池在作為測量元件使用時，一定要有恒溫或溫度補償措施。同時，在強光照射時必須考慮光電池PN結(jié)的熱容限及散熱措施。通常，硅光電池使用溫度不允許超過125。 三、光敏二極管和光敏晶體管 1光敏管的光電效應 光敏二極管和光敏晶體管也是典型的光生伏特性效應器件。圖814是光敏二極管的原理結(jié)構(gòu)和基本電路。圖814 光敏二極管原理結(jié)構(gòu)和基本電路 工作于反向偏置狀態(tài)下的光敏二極管具有典型的光生伏特效應。無光照射時，處于反偏狀態(tài)下的光敏二極管呈高阻截止狀態(tài)，只有少數(shù)載流子形成極小

16、的暗電流。當有光照射時，光生電子和空穴在PN結(jié)電場和外加反向偏壓的共同作用下，形成光電流I。光照越強，光激發(fā)的光生電子和空穴越多，形成的光電流越大，光敏二極管呈低阻導通狀態(tài)。 圖815是光敏晶體管的原理結(jié)構(gòu)和基本電路。圖815 光敏晶體管原理結(jié)構(gòu)和基本電路 光敏晶體管是在光敏二極管的基礎(chǔ)上，為了獲得更大的電流增益，根據(jù)一般三極管的電流放大原理，利用硅或鍺單晶制成的NPN或PNP結(jié)構(gòu)。如圖815所示，光敏晶體管亦有發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，基區(qū)是受光區(qū)，為了擴大光的照射面，基區(qū)的面積比較大。光敏晶體管的基區(qū)通常無電極引線，工作時相當于基極開路，因而無光照射，只能形成很小的暗電流。當有光照射時，基區(qū)產(chǎn)

17、生的光生電子和空穴形成基極電流，此電流在外加集電結(jié)反偏電壓作用下，放大而成為集電極電流。由此可見光敏晶體管有光照時的輸出電流是光生電流的倍，因而有比光敏二極管更高的靈敏度。 2光敏管的基本特性 （1光譜特性 光敏二極管和光敏晶體管都是由硅或鍺材料作敏感元件，這兩種敏感元件的光譜特性如圖816所示。圖816 光敏管的光譜特性 鍺管的敏感波長范鍺管的敏感波長范圍是圍是5005001800nm1800nm，峰，峰值波長約為值波長約為1500nm1500nm。顯。顯然鍺管的敏感范圍比硅然鍺管的敏感范圍比硅管大，由于鍺管溫度性管大，由于鍺管溫度性能比較差，因而測可見能比較差，因而測可見光時，主要用硅管，

18、探光時，主要用硅管，探測紅外光時，主要用鍺測紅外光時，主要用鍺管。管。 （2光照特性 光敏二極管與光敏晶體管的光照特性有明顯不同，以硅管為例如圖817所示。光敏二極管的光照特性近似為線性關(guān)系；光敏晶體管的光照特性為非線性，照度較小時，光電流隨光照度加強而緩慢增加，當光照度較大時，光電流又趨于飽和。放大倍數(shù)在小電流和大電流時都要下降的緣故，光敏晶體管不利于弱光和強光檢測。（a ）光敏二極管 （b光敏晶體管 圖817 硅光敏管的光照特性 （3伏安特性 圖818為硅光敏管在不同照度下的伏安特性。由圖可見光敏管的輸出電流與所加的偏置電壓關(guān)系不大，具有近似的恒流特性；光敏晶體管比光敏二極管的光電流大近百

19、倍，因而具有更高的靈敏度；光敏二極管在零偏壓下就有一定的電流輸出，光敏晶體管有一段死區(qū)電壓。（a光敏二極管 （b光敏晶體管 圖818 硅光敏管的伏安特性 （4頻率特性 光敏二極管的頻率特性較好，是半導體光敏器件中最好的一種，其響應速度達0.1s，截止頻率高，適用于快速變化的光調(diào)制信號。光敏晶體管由于基區(qū)面積大，載流子穿越基區(qū)所需的時間長，因而其頻率特性比二極管差。無論是哪一類光敏管，其負載電阻越大，頻率特性愈差，圖819 硅光敏晶體管頻率特性 圖819為硅光敏晶體管的頻率特性。鍺光敏管比硅光敏管頻率特性差。 （5溫度特性 無論是硅管還是鍺管，對溫度的變化都比較敏感，溫度升高，熱激發(fā)產(chǎn)生的電子空

20、穴對增加，使暗電流上升。尤其是鍺管，其暗電流較大，溫度特性較差，如圖820a所示。溫度升高對光電流影響不大，如圖820b所示。對于在高溫低照度下工作的光敏晶體管，此時暗電流上升、亮電流下降，使信噪比減?。粸榱颂岣咝旁氡?，應采取相應的溫度補償或降溫措施。圖820 光敏管的溫度特性 四、常用光電器件的應用 常用光電器件用途很廣，可組成各種實用的光電傳感器，下面僅舉幾例。 1光電耦合器 光電耦合器是由一個發(fā)光器件和一個光電轉(zhuǎn)換器件組成，一般用金屬或塑料外殼封裝。其中發(fā)光器件通常都是發(fā)光二極管，光電轉(zhuǎn)換器件一般是光敏二極管或光敏晶體管，如圖821所示。 圖821 光電耦合器的組合形式（a通用光耦 （b

21、高速光耦 （c高效光耦 （d高速高效率光耦 （1光電轉(zhuǎn)換器 光電耦合器按光電轉(zhuǎn)換器的不同可分為四種類型，如圖821所示。圖中a的光電轉(zhuǎn)換器是一只光敏晶體管，這種光耦結(jié)構(gòu)簡單、成本低，常用于50KHZ以下工作頻率，稱之為通用光耦。圖中b的光電轉(zhuǎn)換器是由一只光敏二極管和一只高速開關(guān)管組成，由于光敏二極管比光敏三極管的響應速度快得多，光敏二極管與高速開關(guān)管配合，可獲得1s左右的響應速度，故稱這種光耦為高速光耦。圖中c的光電轉(zhuǎn)換器是由一只光敏晶體管和一只放大管組成，此時雖然入射的光很小，但輸出電流可達幾十mA，故稱其為高效光耦，可以直接驅(qū)動后級電路或執(zhí)行器。圖中d的光電轉(zhuǎn)換器是一個具有高速、高效率的固

22、態(tài)光電轉(zhuǎn)換器件，稱之為高速高效光耦，用于高速大功率電路中。 (2發(fā)光二極管 發(fā)光二極管是只有一個PN結(jié)的半導體器件。最常用的發(fā)光二極管是砷化鎵發(fā)光二極管，它和普通二極管一樣，管芯是一個具有單向?qū)щ娦阅艿腜N結(jié)；在正向偏壓作用下，PN結(jié)空間電荷區(qū)勢壘下降，引起過量的載流子注入，注入的電子與空穴加速復合時釋放出光子能量，即把電能轉(zhuǎn)換成光能。砷化鎵發(fā)光二極管的峰值波長約880nm940nm，發(fā)出的是近紅外光波，對硅和鍺光敏器件都比較敏感。 砷化鎵發(fā)光二極管的伏安特性如圖822所示，其正向壓降約12V，小功率管11.3V，中功率管1.6V左右，正向壓降的大小與正向電流有關(guān)。砷化鎵發(fā)光二極管的反向擊穿電

23、壓比較低，其反向電壓一般不得超過5V，否則可能引起二極管反向擊穿。圖822 砷化鎵發(fā)光二極管伏安性 光電耦合器輸出、入電流間線性關(guān)系較差，因而不宜作運算電路，但可以廣泛應用于電平轉(zhuǎn)換、電路隔離、固態(tài)繼電器及無觸點開關(guān)等控制電路中。 2光電轉(zhuǎn)速計 圖824是光電轉(zhuǎn)速計原理圖和計數(shù)輸出電路。這里的光源可以是自熾燈泡，光電轉(zhuǎn)換器是一只光敏晶體管。當旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，光通過遮光盤上的透光孔照射到光敏晶體管3DU33上，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)4069反向器整形輸出電脈中，根據(jù)電脈沖的個數(shù)就知道旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。 圖824 光電轉(zhuǎn)速計（a原理圖 （b電路圖 3反射式固體表面粗糙度計 圖825是固體表面粗糙度計原

24、理圖。光源發(fā)出一定照度的光入射到被測固定的表面上，一部分被表面吸收，一部分反射到光電池上；被測表面越光滑，反射到光電池上的光越強，光電池輸出電壓越大。根據(jù)電壓表指示的電壓數(shù)，就可以判斷被測表面的粗糙度。 圖825 固體表面粗糙度計 4透射式薄膜厚度計 圖826是薄膜厚度計原理圖。光源發(fā)出一定照度的光經(jīng)準直透鏡調(diào)制成平行光束，垂直入射到被測薄膜上，一部分被薄膜吸收和反射，一部分穿過薄膜出射到光電池上；薄膜越薄，出射光越強，光電池輸出電壓越大。根據(jù)這種原理，不但可以用于檢測薄膜的厚度，印刷機紙張監(jiān)控，還可以檢測液體的混濁度，或氣體和固體的透明度。 圖826 薄膜厚度計 5紅外遙控器 紅外遙控器在現(xiàn)

25、代工業(yè)控制和家用電器中的應用越來越廣泛。紅外遙控器由紅外遙控信號發(fā)射器、紅外遙控信號接收器、遙控指令編碼器等部分組成。紅外遙控信號發(fā)射器電路如圖827所示。圖827 紅外信號發(fā)生器電路圖 紅外遙控信號發(fā)射器由鍵盤矩陣、M50642AP集成電路信號發(fā)生器、陶瓷諧振器、砷化鎵紅外發(fā)光二極管等組成，M50642AP集成信號發(fā)生器主要由鍵輸入編碼電路、鍵位掃描脈沖電路、鍵命令譯碼電路、多重鍵判別電路、定時器電路、振蕩電路、編碼調(diào)制電路和輸出緩沖電路等組成。 圖828是紅外遙控信號接收器應用電路，由光敏二極管和CX20196集成電路組成。集成電路內(nèi)部設置有放大電路、整形電路、濾波電路及限幅電路等。紅外遙

26、控信號發(fā)射器發(fā)射出的遙控信號，被紅外信號接收器接收后，調(diào)理成二進制數(shù)字脈沖由腳7輸出，再送入遙控器接口電路。 紅外遙控器具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本低、操作方便、功能強等優(yōu)點。 紅外遙控器在室內(nèi)使用時，由于近紅外光波具有可見光的反射特性，紅外信號發(fā)射器發(fā)射的紅外光波，可以通過室內(nèi)的墻壁反射到紅外信號接射器的光敏二極管上，因而發(fā)射器不必對準接收器，這樣可以提高遙控的方便性，特別適合于家用電器的遙控。圖828 紅外信號接收器電路圖n在pn結(jié)電場、外n加電場共同作用下，形成光電流n4.光敏三極管 I 無光照 基極開路暗電流小n有光照 產(chǎn)生光生電流Ib 集電n極電流 IC倍光生電流n照強度E的關(guān)系。n E愈

27、大，U愈大，非線性。 E愈大，I愈大，線性。n適于作電流源負載電阻小的場合。n光敏管光電流I與光照強度E的關(guān)系。 E愈大，I愈大，硅n光敏二極管近似線性；硅光敏三極管非線性。光n照較大時，光電流I趨于飽和。n關(guān)系。近似恒流，有死區(qū)電壓。n五、頻率特性n光敏電阻光電流I與入射光調(diào)制頻率f的響應特性。n f愈高，Kr電流相對靈敏度愈低，光照愈強，響n應時間愈短。 第二節(jié) 光柵傳感器 光柵傳感器是用于測位移的光電傳感器。光透過光柵照射到光電器件上，根據(jù)光柵的莫爾條紋現(xiàn)象，可實現(xiàn)角位移或線位移的測量。用來測量角位移的光柵稱作圓光柵，用來測量直線位移的光柵稱作直光柵，其工作原理是一樣的，這里僅介紹直線位

28、移光柵傳感器。 一、莫爾條紋 1光柵 光柵又稱光柵尺，光柵尺是由在光學玻璃上面均勻刻有許多線條，形成規(guī)則排列的透光和不透光的明暗條紋所組成，如圖829所示。 圖中m 為暗條不透光條寬度，n 為亮條透光條寬度，W = m + n 稱之為光柵的柵距或光柵常數(shù)。通常，即亮條和暗條具有相同的寬度，亮條或暗條密度有每毫米10、25、50、100線/mm等。圖829 直光柵尺 2莫爾條紋形成 把光柵常數(shù) W 相等的兩光柵尺相對疊合在一起，并使兩光柵尺柵條之間保持很小的夾角，如圖830a所示，在與柵條近乎垂直的方向出現(xiàn)明暗相間的條紋，稱之為莫爾條紋。圖中在aa線上的兩光柵尺重合，光線可從其縫隙中透過，形成亮

29、帶；在bb線上，兩光柵尺彼此錯開，擋住光線通過，形成暗帶。圖830a） 莫爾條紋的形成WWOBOCBH222sin 由圖830b可求出莫爾條紋的間距BH與光柵常數(shù)的關(guān)系為 由圖830b還可求出=/ 2 ，由于角很小，即莫爾條紋的方向與x方向夾角很小，因而莫爾條紋的方向近乎垂直于直光柵尺的柵條。（81）圖830b莫爾條紋的間距 3莫爾條紋的主要特性 （1莫爾條紋的間距對光柵常數(shù)W 具有放大作用 由式81可知，由于形成莫爾條紋的兩光柵尺的夾角1rad ，即BH等于1/ 倍的W。例如，當W=0.02mm，=0.01rad時，則BH=2mm，將W放大了100倍。 （2莫爾條紋具有消除光柵尺局部缺陷引起

30、的誤差 由于光柵尺在制作時工藝的分散性，難免有的光柵尺的柵條或柵條間距存在著局部缺陷，但這些缺陷不會引起莫爾條紋的誤差。因為在測量時，光電元件上接收到的光信號，是透過眾多柵條形成亮帶的光信號，光柵尺的局部缺陷對亮帶透光量影響極小。 （3莫爾條紋的移動大小和方向可以反映兩光柵尺相對移動大小和方向 由圖830可知，當固定斜光柵尺、左右移動直光柵尺時，莫爾條紋則作上下移動。若被測體跟隨直光柵尺移動，則可根據(jù)莫爾條紋移動的大小和方向，判斷被測體移動的大小和方向。 二、光柵傳感器的組成 根據(jù)莫爾條紋特性制作的光柵位移傳感器，按光路形成方式可分為兩大類，即反射式光柵傳感器和透射式光柵傳感器。 1透射式光柵

31、傳感器 圖831是透射式光柵傳感器原理圖。 圖圖8 831 31 透射式光柵傳感器圖透射式光柵傳感器圖 （2透鏡的作用是把光源發(fā)出的光變換成平行光束，垂直投射到主光柵上。 （3主光柵又稱標尺光柵，它有固定的光柵常數(shù)W、亮條寬度n和暗條寬度m，通常,測位移時，被測體保持與主光柵相同的位移大小和方向。 （1光源常用鎢絲燈泡或砷化鎵發(fā)光二極管，鎢絲燈泡有較大的輸出功率，較寬的工作溫度范圍（-40130），但使用壽命短，要定期更換；砷化鎵發(fā)光二極管輸出功率低，工作溫度范圍（66100）也略小，但其與光敏晶體管組合比鎢絲燈泡與光敏晶體管組合轉(zhuǎn)換效率高約30%），且響應速度快約2s），可使光源工作在觸發(fā)狀

32、態(tài)，以減小功耗和熱耗散。 （4指示光柵比主光柵短得多，通常具有與主光柵相同的光柵常數(shù)和亮、暗條寬度。測位移時，指示光柵不動，主光柵移動。 （5光電元件常用光電池或光敏晶體管，在光電元件輸出端常接放大器，以獲得盡可能大的信號輸出，以提高抗干擾能力。 2反射式光柵傳感器 圖832是反射式光柵傳感器原理圖。光源發(fā)射的光，經(jīng)聚光鏡和物鏡后形成平行光束，以一定的角度穿過指示光柵、射向主光柵。這里的主光柵不形成透射光，照射到主光柵上的光產(chǎn)生反射光后與指示光柵形成莫爾條紋，此莫爾條紋光再經(jīng)反射鏡反射、物鏡組聚焦后投射到光電元件上，以實現(xiàn)位移的測量。832 反射式光柵傳感器 三、辨向原理 利用莫爾條紋測量位移

33、時，由單個光電元件接收的莫爾條紋光信號，只能是隨莫爾條紋移動而強弱變化的光信號，這種光強變化不能反映莫爾條紋的移動方向。為了辨別莫爾條紋移動方向，至少需要兩個光電元件接收莫爾條紋光信號，如圖833a所示。在相距1/4莫爾條紋間距BH上分別安裝一個光電元件1和2，當主光柵移動時，透過莫爾條紋的光照射到兩光電元件上，兩光電元件將產(chǎn)生相位差為/2的電信號。透過莫爾條紋的光理論上是三角波，但由于光的衍射作用，其結(jié)果照射到光電元件上的光波接近正弦波，因而光電元件輸出的電壓u1和u2是相差/2的正弦波。圖833b是辨向電路。（a兩光電元件 （b辨向電路 圖833 光柵傳感器辨向原理 （c主光柵左移 （d主

34、光柵右移 圖833 光柵傳感器辨向原理 （c主光柵左移 （d主光柵右移 圖833 光柵傳感器辨向原理WXUuWXUumm2sin2cos21（82） 圖833c和d是當主光柵移動時辨向電路各點的輸出波形。 當主光柵向左移A向時，莫爾條紋則上移B向）。此時光電元件感光的先后是先1后2，因而光電元件1和2輸出電壓u1超前、u2滯后，相位差為/2，如圖833c所示，即 電壓u1和u2經(jīng)放大整形電路處理后輸出矩形波u1和u2 ，此矩形波通過辨向電路，使輸出端y1無信號，y2端輸出正脈沖。且主光柵每左移一個光柵柵距W 的距離， y2輸出一個正脈沖，此正脈沖將觸發(fā)加減計數(shù)器作加1計數(shù)。 此時辨向電路輸出端

35、y2無信號，y1端輸出正脈沖。即當主光柵每右移一個光柵柵距W 的距離， y1輸出一個正脈沖，此正脈沖將觸發(fā)加減計數(shù)器作減1計數(shù)。由此可見，根據(jù)加減計數(shù)器的計數(shù)狀態(tài)，就可以辨別主光柵位移的大小和方向。WXUuWXUumm2cos2sin21（83） 當主光柵向右移（ A 向時，莫爾條紋則下移（ B 向）。此時光電元件感光的先后是先2后1，因而光電元件1和2輸出電壓u1滯后u2相位/2 ,如圖833d所示，即 四、細分技術(shù) 由前面分析可知，主光柵每位移一個柵距W，辨向電路就產(chǎn)生一個電脈沖，即分辨率為一個柵距。例如，若光柵尺刻線密度為每毫米100條，則柵距W=1000m/100=10m，即分辨率為1

36、0m 。增加光柵尺刻線密度,可以提高分辨率，但加大了光柵尺的制作難度。為了提高分辨率，目前普遍采取的方法是：在選擇合適的柵距W 前提下，對柵距W進行細分，即使主光柵每位移一個柵距，產(chǎn)生多個脈沖輸出。即減小辨向電路輸出脈沖間隔，提高計數(shù)脈沖的頻率，故又稱倍頻細分。下面介紹兩種基本的細分技術(shù)。 1四倍頻直接細分 （1用四個相距1/4莫爾條紋間距BH 光電元件 當采用四個相距1/4莫爾條紋間距BH光電元件接收莫爾條紋的透過光時，在四個光電元件上將產(chǎn)生依次相差/2相角的四個正弦電壓信號。用鑒零器分別取4個信號的零電平，即在每個信號有負到正過零點時發(fā)出一個脈沖。此時，主光柵每位移一個柵距，辨向電路將輸出

37、四個電脈沖，實現(xiàn)四倍頻直接細分。這種細分的方法受到安裝光電元件個數(shù)的限制，不可能得到很高的細分。在采用四細分情況下，柵距為4每mm250條刻線的光柵，分辨率可從4 提高到1。 （2對u1和u2 都取反 如圖833b辨向電路，若對u2也取反，則可得到u1 、 u1和u2 、 u2 四個矩形脈沖，即在主光柵位移一個柵距W期間，可以得到四個等間隔的計數(shù)觸發(fā)脈沖，從而實現(xiàn)四倍頻直接細分。但這種細分的方法受到辨向電路結(jié)構(gòu)的限制，也不可能得到很高的細分。 四倍頻直接細分方法簡單，可用于分辨率要求不太高的場合。 2電阻橋路細分 圖834是電阻橋路細分原理圖，依彌爾曼定理得：LORRRRuRuu1112122

38、11 式中u1和u2是兩光電元件輸出電壓，式中“”號表示u1和u2相位相反；uO是電阻橋輸出電壓。（84）圖834 電阻橋路細分原理圖 此時電阻橋平衡的條件為u1R2=u2R1。211221RRRuRuuO（85） 圖834電阻橋路輸出端開路(RL=)時，式84可改寫為： 若取 、 ，那么 ， 適當選擇R1 或 R2，就可以得到不同的角。 此時由式83可知 ，即WX2cos1mUu sin2mUu1212cossinRRuutg2WX （86） 此式86闡明，選擇不同的R1和R2 ，可得到在02范圍內(nèi)變化；對應地可以獲得主光柵移動量X 在0W 范圍內(nèi)細分。從理論上說，在0W 范圍內(nèi)是可以任意細

39、分，從而得到很高的位移分辨率，實際上受多方面影響，分得越細，誤差越大，因而這種細分也是有限的。 光柵位移傳感器多用于機床加工及精密儀器中，直光柵移動范圍最大為1000mm，分辨率可達0.1m；圓光柵可測整圓角度，分辯率可達0.5s。 第三節(jié) 固態(tài)圖像傳感器 固態(tài)圖像傳感器是指在同一半導體襯底上生成若干個光敏單元與移位寄存器構(gòu)成一體的集成光電器件，其功能是把按空間分布的光強信息轉(zhuǎn)換成按時序串行輸出的電信號。即將其感光面上的光像轉(zhuǎn)換成與光像成相應比例關(guān)系的電信號“圖像”。固態(tài)圖像傳感器與電視攝像管相比，具有體積小、重量輕、耗電少、耐振動、抗電磁干擾、堅固耐用等優(yōu)點，目前不足之處是分辯率不高，圖像質(zhì)

40、量還趕不上攝像管。固態(tài)圖像傳感器的敏感元件有多種類型，目前應用最廣泛的是電荷耦合器件Charge Coupled DeviceCCD），還有電荷注入器件CID,戽鏈式器件BBD及MOS等器件。電荷耦合器件CCD是一個硅光敏半導體器件，由MOS光敏元件陣列光電轉(zhuǎn)換和讀出移位寄存器組成。 一、CCD基本結(jié)構(gòu) CCD是由按一定規(guī)律排列的MOS金屬一氧化物一半導體陣列組成，陣列中的每一個基本單元是一個MOS電容器。MOS基本單元是在P型或N型硅單晶的襯底上生成一層很薄約120nm的SiO2絕緣層，再在其上沉積一層金屬鋁電極，因而具有金屬一氧化物一半導體三層結(jié)構(gòu)，如圖835a所示。 （a單元結(jié)構(gòu) （b等

41、效電容 圖835 MOS基本單元 當襯底采用P型Si時，金屬電極上應加正偏壓，即AL電極為正、襯底為負。在正偏壓作用下，界面Si側(cè)的正離子P型半導體中的多數(shù)載流子受到排斥，形成一個耗盡區(qū)，此耗盡區(qū)剩下有多余的負離子少數(shù)載流子），故稱之為少子耗盡區(qū)。耗盡區(qū)是一個低電勢區(qū)，故又稱其為勢阱，正偏壓越大，勢阱越深，能收集的電子越多。但是，在外界沒有電荷注入的情況下，只有熱生電子掉入勢阱而形成暗電流；如此同時熱生空穴流向襯底，并很快達到熱平衡狀態(tài)，這一短暫的過程，稱之為熱馳豫過程。達到穩(wěn)定狀態(tài)的MOS基本單元可等效為一個電容器，如圖835b所示，其等效電容為：dOXdOXGCCCCC式中 COX 以Si

42、O2為介質(zhì)的電容； Cd 以襯底Si為介質(zhì)的耗盡區(qū)電容。（87） 二、CCD工作原理 1信號電荷的注入 在沒有外界電荷注入時，CCD各單元勢阱可看成空阱。CCD中的信號電荷可以通過光注入和電注入兩種方式得到。CCD用作圖像傳感器時，信號電荷由光生載流子即光注入得到。當有光照時，光子能量大于半導體禁帶寬度，光生電子在正偏壓下迅速注入勢阱；光照越強，注入的光生電子就越多，此時勢阱中的光生電子數(shù)反映光照強度，故稱勢阱中的電荷為信號電荷。這樣，就把光的強弱變成電荷的數(shù)量的多少，實現(xiàn)光電的轉(zhuǎn)換。勢阱中的電子是被存儲狀態(tài)，即使停止光照，一定時間內(nèi)不會丟失，實現(xiàn)對光的記憶。 由于CCD的MOS單元密集相鄰兩

43、單元間距小于3m），眾多單元勢阱收集的不等信號電荷數(shù)，可以反映一幅空間的光圖像。 總之，CCD結(jié)構(gòu)實質(zhì)上是一個微小的MOS電容，用它構(gòu)成像素，即可感光，又可留下潛影，感光作用是靠光強產(chǎn)生的積累電荷，潛影是各個像素留在電容器里的電荷不等形成的，若能設法將各個電容器里的電荷依次傳送到輸出電路，再組成行和幀，并經(jīng)過顯影，就實現(xiàn)了圖像的傳遞。 CCD用作信號處理或存儲器件時，電荷輸入采用電注入。 2信號電荷的轉(zhuǎn)移 為了實現(xiàn)信號電荷的讀出，首先需要將各勢阱中的信號電荷轉(zhuǎn)移到移位寄存器中去。信號電荷的轉(zhuǎn)移是在每次曝光結(jié)束時，通過轉(zhuǎn)移柵的控制，即時迅速地將各勢阱中的信號電荷一次并行轉(zhuǎn)移至移位寄存器。移位寄存

44、器也是MOS結(jié)構(gòu)，與感光區(qū)的MOS結(jié)構(gòu)完全一樣，只是多了一個遮光層通常在襯底的底部），避免進入移位寄存器的信號電荷再次感光。 3信號電荷的讀出 移位寄存器中的信號電荷是在一定相序的偏置脈沖電壓作用下，按照一定的方向移位輸出。目前，偏置脈沖電壓可分二相、三相和四相,下面以三相脈沖驅(qū)動結(jié)構(gòu)為例,介紹信號電荷的讀出操作。 圖836 三相時鐘脈沖電壓前沿陡峭、后沿傾斜 圖836是MOS陣列移位寄存器三相偏置脈沖電壓。各MOS單元分三組，如MOS1、4、7為一組，MOS2、5、8為一組，MOS3、6、9為一組，各組的電極同接于一相脈沖電壓下，如1接MOS1、4、7 ，2接MOS2、5、8 , 3接MOS

45、3、6、9 。 在三相時鐘脈沖電壓1、2、3作用下，移位寄存器中的信號電荷由左向右移位串行輸出，如圖837所示。 當時鐘t0t t1時，1為高電平，接于1下的MOS1、4、7各單元電極下的勢阱最深，接收的信號電荷最多。 2和3均為低電平，接于2和3下的各單元電極下無勢阱，如圖837a所示。 當時鐘t1t t3時， 1電平下降， 2為高電平，此時接于1下的各單元勢阱中的電荷向2極下右移；接于1下的各單元勢阱由深變淺，接于2下的MOS2、5、8各單元電極下有深阱。 3仍為低電平，接于3下的各單元電極下仍無勢阱，如圖837b所示。 當時鐘t3t t5時， 1變?yōu)榈碗娖?，接?下的各單元勢阱消失。此時

46、2電平下降， 3變?yōu)楦唠娖剑佑?下的各單元勢阱中的電荷向3極下右移；接于2下的各單元勢阱由深變淺，接于3下的MOS3、6、9各單元電極下的勢阱變?yōu)樯钰濉D837 移位寄存器中信號電荷的左移 由上分析可知，MOS陣列中的信號電荷是按照一定的時序不斷地注入、并行轉(zhuǎn)移寄存、串行移位輸出。通常電荷注入感光時間較長2030ms），以獲得足夠的光強信息；轉(zhuǎn)移寄存和輸出的時間短s級），且采取遮光措施，避免信號電荷受到干擾而使輸出的圖像模糊。由圖837分析的信號電荷轉(zhuǎn)移的過程，實際上是相鄰MOS單元電荷耦合的過程，因而把這種MOS陣列結(jié)構(gòu)的器件稱之為電荷耦合器件CCD）；由于不象攝像管需要電子束掃描，故又稱自掃描器件。這種具有感光攝像）、光電轉(zhuǎn)換、信號電荷轉(zhuǎn)移及串行輸出的CCD功能器件，成像速度快，目前廣泛應用于對運動物體的攝像、遙測、文字或圖像信息的識別等許多領(lǐng)域。