第4章 光電式傳感器

光電傳感器光電式傳感器x1光源光通路光電器件測量電路光量光量電量x2輸出優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)非接觸式測量，響應(yīng)快，性能可靠。在自動(dòng)化和機(jī)器人中被廣泛應(yīng)用光的特性

光波是波長為10~106nm的電磁波。其中可見光的波長范圍在380~780nm，紫外線的波長范圍是10~380nm，紅外線的波長范圍是780~106nm。粒子性：具有一定的質(zhì)量和能量的粒子波動(dòng)性：以光速運(yùn)動(dòng)，干涉、衍射光——以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流波粒二象性概述1、常用光源常用光源發(fā)光器件物體輻射光白熾光源氣體放電光源發(fā)光二極管激光器GaP、SiC可見光LEDGaAs紅外LED光源（發(fā)光器件）光源（發(fā)光器件）1.白熾光源特點(diǎn)：壽命短而且發(fā)熱大、效率低、動(dòng)態(tài)特性差，但對接收光敏元件的光譜特性要求不高，是可取之處。用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是連續(xù)的。發(fā)光范圍：可見光、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。2.氣體放電光源定義：利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。氣體放電燈的光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。氣體放電燈消耗的能量為白熾燈1/2-1/3例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長為589nm，可被用作單色光源。低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。3.發(fā)光二極管（LED——LightEmittingDiode）

4、激光器激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個(gè)重要特性。激光波長從0.24μm到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍。激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：◆固體激光器（如紅寶石激光器）◆氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）◆半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）◆液體激光器（1）固體激光器典型實(shí)例是紅寶石激光器，是1960年人類發(fā)明的第一臺(tái)激光器。它的工作物質(zhì)是固體。種類：紅寶石激光器、摻釹的釔鋁榴石激光器（簡稱YAG激光器）和釹玻璃激光器等。特點(diǎn)：小而堅(jiān)固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達(dá)到幾十太瓦。固體激光器在光譜吸收測量方面有一些應(yīng)用。利用阿波羅登月留下的反射鏡，紅寶石激光器還曾成功地用于地球到月球的距離測量。（2）氣體激光器:工作物質(zhì)是氣體。種類：各種原子、離子、金屬蒸汽、氣體分子激光器。常用的有氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準(zhǔn)分子激光器等特點(diǎn)：能連續(xù)工作，單色性好。它們的波長覆蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外的頻譜區(qū)域。與前兩種相比出現(xiàn)較晚，其成熟產(chǎn)品是砷化鎵激光器。特點(diǎn)：效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜在飛機(jī)、軍艦、坦克上應(yīng)用以及步兵隨身攜帶，如在飛機(jī)上作測距儀來瞄準(zhǔn)敵機(jī)。其缺點(diǎn)是輸出功率較小。目前半導(dǎo)體激光器可選擇的波長主要局限在紅光和紅外區(qū)域。3）半導(dǎo)體激光器（4）液體激光器種類：螯合物激光器、無機(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中較為重要的是有機(jī)染料激光器。它的最大特點(diǎn)是發(fā)出的激光波長可在一段范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而且效率也不會(huì)降低，因而它能起著其他激光器不能起的作用。光電效應(yīng)：光照射到某物體時(shí)，物體受到一連串能量為hγ的光子的轟擊，則該物體吸收光子的能量而發(fā)生相應(yīng)的電物理量隨光的變化而變化的現(xiàn)象。

光電效應(yīng)光照半導(dǎo)體

電子在物體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)內(nèi)光電效應(yīng)金屬金屬氧化物光照

電子逸出物體表面外光電效應(yīng)光電效應(yīng)的分類：1.外光電效應(yīng)2.內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)勢壘效應(yīng)側(cè)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)。光電效應(yīng)由光的粒子說可知，光是以光速運(yùn)動(dòng)著的粒子（光子）流，一束頻率為ν的光由能量相同的光子所組成，每個(gè)光子的能量為結(jié)論：光的頻率愈高（即波長愈短），光子的能量愈大。h——普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν——光的頻率（單位Hz）。愛因斯坦光電效應(yīng)方程：愛因斯坦光電效應(yīng)方程：1.光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0

2.υ一定時(shí)，產(chǎn)生的光電流和光強(qiáng)成正比。3.逸出的光電子具有動(dòng)能。物體表面電子需要的逸出功紅限頻率：光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0，不同的物質(zhì)具有不同的逸出功A0

，即每個(gè)物體都有一個(gè)對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率。結(jié)論：若入射光頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光電子射出2內(nèi)光電效應(yīng)1．光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化。當(dāng)光照在物體上，使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的效應(yīng)。自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶禁帶導(dǎo)帶價(jià)帶

Eg電子能量E光照強(qiáng)度↑→載流子數(shù)目增多→電導(dǎo)率↑→半導(dǎo)體的電阻↓hυ≧Eg條件：入射光能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度２．光生伏特效應(yīng)：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象。①勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）+++———②側(cè)向光電效應(yīng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對→光照部分載流子濃度比未受光照部分的大→就出現(xiàn)了濃度梯度→載流子要擴(kuò)散→若電子的遷移率比空穴大→電子向未受光照部分?jǐn)U散→光照部分帶正電，未受光照部分帶負(fù)電。即由于光照不均勻產(chǎn)生電動(dòng)勢。前提：當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)光電管和光電倍增管

光電器件基于外光電效應(yīng)制成的1.光電管的結(jié)構(gòu)和符號２．主要性能:（1）光電管的伏安特性在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。充氣光電管2010050弱光強(qiáng)光1504681012陰極電壓/VIA/μA150100502020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm4681012陰極電壓/VIA/μA真空光電管（2）光電管的光照特性當(dāng)光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。光電管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51(3)光電管的光譜特性一般光電陰極材料不同的光電管有不同的紅限頻率，因此它們可用于不同的光譜范圍。另外，同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。以GD-4型光電管為例，陰極是用銻銫材料制成，其紅限λc=700nm，對可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應(yīng)用于各種光電式自動(dòng)檢測儀表中。對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外探測器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。還有些光電管的光譜特性與人的視覺光譜特性有很大差異，可以擔(dān)負(fù)人眼不能勝任的工作，如夜視鏡等。國產(chǎn)光電管的技術(shù)參數(shù)IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT光電倍增管及其基本特性由陰極、次陰極（倍增電極）、陽極組成陰極由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料形成。次陰極可達(dá)30級。通常為12~14級。入射光陰極K第一倍增極第二倍增極第三倍增極第四倍增極陽極A?靈敏度高光電管：0.1lm光通量

5uA

光電流光電倍增管：

0.0001lm光通量

1000uA

光電流內(nèi)光電效應(yīng)器件光敏電阻1.結(jié)構(gòu)和工作原理AE電極半導(dǎo)體玻璃底板基于內(nèi)光電效應(yīng)制成RLEIRG光敏電阻的結(jié)構(gòu)與電路連接光敏電阻具有很高的靈敏度、很好的光譜特性、很長的使用壽命、高度的穩(wěn)定性能、小的體積及工藝簡單，故應(yīng)用廣泛。簡述下圖中廣泛應(yīng)用于自動(dòng)曝光照相機(jī)中的光控延時(shí)開關(guān)的工作原理。KA為繼電器。R1為光敏電阻，開關(guān)SA為快門控制開關(guān)。（注意：曝光開始前開關(guān)斷開)A1AR1+UccKA+VREFC光欄R2SARGR4A1A2&R3R2R1SLED1紅光LED2綠光LED3黃光光欄IC光敏晶體管1.光敏二極管光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，它是基于內(nèi)光電效應(yīng)制成。光敏二極管的光照特性是線性的，適合檢測等方面的應(yīng)用。RL

光PNPN光PNRE+-IfPNRE-+IsRE-+I當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。PN2.光敏三極管集電結(jié)一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積，且基極一般不接引線。PPN

becNNPe

bc普通三極管ICIBeEBECIERCRbcbNNP光敏三極管基區(qū)很薄，基極一般不接引線；集電極面積較大。ICeECIERCcNNPb當(dāng)集電極加上正電壓，基極開路時(shí)，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí)，產(chǎn)生電子、空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，相當(dāng)于給發(fā)射結(jié)加了正向偏壓，使電子大量流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍。基本工作線路：cbeRL光電池光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的光電器件。由于它可把太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽虼擞址Q為太陽能電池。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢。故光電池是有源元件。光電池有硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池和硒光電池。1、硅光電池的價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。2、硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效率低、壽命短，適于接收可見光。3、砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性與太陽光譜最吻合，且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等的電源方面應(yīng)用最廣。1.光電池的結(jié)構(gòu)、符號和工作原理

光電池的結(jié)構(gòu)圖下電極梳狀電極SiO2抗反射膜PN它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成PN結(jié)。①硅光電池的結(jié)構(gòu)②光電池的符號:光電池的工作原理示意圖RLI---mAV+++

PN若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中就有電流流過。若將外電路斷開，就可測出光生電動(dòng)勢。光電耦合器件（補(bǔ)充內(nèi)容）一、光電耦合器件的組成：1、發(fā)光元件：發(fā)光二極管；發(fā)光三極管2、光電接受元件：光敏二極管；光敏三極管二、光電耦合器件的作用：具有抗干擾性和單向電信號傳輸作用，一般作為電隔離轉(zhuǎn)換器。廣泛用于電路隔離、電平轉(zhuǎn)換和抑制噪聲等場合。1、透射式三、光電耦合器件的分類：2、反射式3、隔離器例1：測量心率脈搏跳動(dòng)-生物組織血液量變化-傳輸光的性能變化變化速率-心率手指光反射強(qiáng)度變化的測量例2：條形碼掃描筆例3：測光文具盒VD2RP:10KΩVT:3AX31VD3:2GP2CR113VR:100ΩVD1S功能：能提示光線的強(qiáng)弱，指導(dǎo)學(xué)生在合適的光線下學(xué)習(xí)，達(dá)到保護(hù)視力的作用。當(dāng)光照強(qiáng)度小于100lm時(shí)，表示光太暗，兩個(gè)發(fā)光二極管都不亮。當(dāng)光照在100~200lm之間時(shí)，發(fā)光二極管VD2點(diǎn)亮，表示光線適中；若光照度大于200lm時(shí)，兩個(gè)發(fā)光二極管均點(diǎn)亮，表示光太強(qiáng)。熱釋電紅外傳感器一、概述：1、常識：溫度不低于絕對溫度（-273oC）的物體都會(huì)向外輻射紅外線。人體的溫度在36oC~37oC，放射的紅外線波長是：9~10μm(屬于遠(yuǎn)紅外線)，加熱到400~700oC的物體，放射的紅外線的波長是3~5μm(屬于中紅外線)。紅外線傳感器能檢測物體所發(fā)射的紅外線，用于測量、成像或控制。二、紅外線傳感器的優(yōu)點(diǎn)：1、可晝夜測量：中、遠(yuǎn)紅外線不受周圍可見光的影響，故可用于晝夜測量。2、不必設(shè)光源：物體本身發(fā)射出紅外線。4、紅外線檢測廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、土木建筑、海洋、氣象、航空、宇航等。3、適用于遙感技術(shù)：大氣對某些特定波長范圍的紅外線吸收甚少，適合于遙感測量。三、紅外線傳感器的分類：按工作原理分為：量子型和熱型熱型：響應(yīng)的紅外線波長范圍較廣，價(jià)格便宜，但靈敏度低、響應(yīng)速度慢。量子型：與熱型的特點(diǎn)正好相反，一般必須冷卻在（77K）條件下使用。主要介紹熱型中的熱釋電型傳感器四、熱釋電型紅外線傳感器如：鈦酸鋇晶體—若用紅外線間歇的照射，其表面溫度會(huì)上升△t，導(dǎo)致晶體內(nèi)部的原子重新排列，引起自發(fā)極化電荷△Q，照射的時(shí)間越長，極化電荷越多。1.熱釋電效應(yīng)：某些強(qiáng)介電常數(shù)物質(zhì)的表面溫度發(fā)生變化，隨著溫度的上升或下降，在這些物質(zhì)表面上就會(huì)產(chǎn)生電荷的的變化，這種現(xiàn)象叫熱釋電效應(yīng)。①菲涅爾透鏡：一種由塑料制成的特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)透鏡，它用來配合熱釋電紅外線傳感器，以達(dá)到提高接收靈敏度的目的。若傳感器不加菲涅爾透鏡，其檢測的距離僅2米（檢測人體走過），而加菲涅爾透鏡后，檢測距離增加到10米以上，甚至更遠(yuǎn)。2.熱釋電型紅外線傳感器的組成：②壓電陶瓷或陶瓷氧化物的熱釋電型紅外傳感器。生物機(jī)電2、熱釋電紅外傳感器的應(yīng)用

熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動(dòng)物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器，它可以作為紅外激光的一種較理想的探測器。它目標(biāo)正在被廣泛的應(yīng)用到各種自動(dòng)化控制裝置中。除了在我們熟知的樓道自動(dòng)開關(guān)、防盜報(bào)警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域應(yīng)用前景看好。比如：在房間無人時(shí)會(huì)自動(dòng)停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)。電視機(jī)能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動(dòng)關(guān)機(jī)的機(jī)構(gòu)。開啟監(jiān)視器或自動(dòng)門鈴上的應(yīng)用。結(jié)合攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動(dòng)記錄動(dòng)物或人的活動(dòng)等等……。您可以根據(jù)自己的奇思妙想，結(jié)合其它電路開發(fā)出更加優(yōu)秀的新產(chǎn)品。或自動(dòng)化控制裝置。

超小紅外人體檢測組件

模塊引腳說明：1：公共地線2：信號輸出3：電壓正極

紅外自動(dòng)干手機(jī)

制作干手機(jī)可參考隨機(jī)延時(shí)電路和固定延時(shí)電路。交流負(fù)載采用光電耦合式過零模塊為佳。注意：人感器必須隔熱，出風(fēng)口與感應(yīng)窗口要分離。新型光電傳感器高速光電二極管1.PIN結(jié)光電二極管PIN

P、N間加了層很厚的高電阻率的本征半導(dǎo)體I。P層做的很薄。比普通的光電二極管施加較高的反偏壓。入射光照射在P層上，由于P層很薄，大量的光被較厚的I層吸收，激發(fā)較多的載流子形成光電流；又PIN結(jié)光電二極管比PN結(jié)光電二極管施加較高的反偏置電壓，N區(qū)的自由電子向電源的正極擴(kuò)散，P區(qū)的空穴向電源的負(fù)極擴(kuò)散，PIN光電二極管偏壓價(jià)帶導(dǎo)帶信號光信號光電極電極輸出端PINP區(qū)一邊失去空穴，留下帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下帶正電的雜質(zhì)離子，在PN交界面形成空間電荷，即在交界處形成了很薄的空間電荷區(qū)，在該區(qū)域中，多數(shù)載流子已擴(kuò)散到對方而復(fù)合掉，即消耗盡了，耗盡層的電阻率很高。擴(kuò)散越強(qiáng)，耗盡層越寬，PN結(jié)內(nèi)電場越強(qiáng)，加速了光電子的定向運(yùn)動(dòng)，大大減小了漂移時(shí)間，因而提高了響應(yīng)速度。PIN結(jié)光電二極管仍然具有一般PN結(jié)光電二極管的線性特性。偏壓價(jià)帶導(dǎo)帶信號光信號光電極電極輸出端PIN2.PIN光電二極管的特點(diǎn)：①比普通的二極管具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率②PN結(jié)的內(nèi)電場基本上區(qū)集中于I層，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容Cj變小，則τ=CjRL，

Cj小，則τ小，頻帶變寬。③響應(yīng)速度快是它最大的特點(diǎn)。響應(yīng)頻率可達(dá)10GHZ④線性范圍寬。因?yàn)镮層厚可承受較高的反偏電壓。

2.雪崩式光電二極管（APD）在PN結(jié)的P區(qū)外增加一層摻雜濃度極高的P+層，且在其上加上高反偏壓。偏壓輸出端價(jià)帶導(dǎo)帶信號光信號光電極電極P+IN當(dāng)光入射到PN結(jié)時(shí)，光子被吸收而產(chǎn)生電子-空穴對。如果電壓增加到使電場達(dá)到200kV/cm以上，初始電子（一次電子）在高電場區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增，偏壓輸出端價(jià)帶導(dǎo)帶信號光信號光電極電極P+IN2.雪崩光電二極管的特點(diǎn)：①有很高的內(nèi)增益，可達(dá)幾百，當(dāng)電壓等于反向擊穿

電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，②管子的響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHZ，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。在光通信中應(yīng)用前景廣闊③噪聲大是雪崩二極管的主要缺點(diǎn)。色敏光電傳感器不同區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL分別具有不同靈敏度，淺結(jié)對紫外光靈敏度高。NP123P+123P+N結(jié)為淺結(jié)PN結(jié)為深結(jié)NP123P+P+、N、P三個(gè)區(qū)域及其間的勢壘區(qū)均吸收光子，但吸收的效率不同。紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離就被吸收完畢，因此淺結(jié)對紫外光有較高的靈敏度。而紅外光部分吸收系數(shù)小，光子主要在深結(jié)處被吸收，因此深結(jié)對紅外光有較高的靈敏度。即半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL分別具有不同的靈敏度。這一特性為識別顏色提供了可能性，利用不同結(jié)深二極管的組合，即可構(gòu)成測定波長的半導(dǎo)體色敏傳感器。光固態(tài)圖象傳感器光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件CTD（ChargeTransferDevice），最常用的是電荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）。由于它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)、延時(shí)和將電信號按順序傳送等功能，以及集成度高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用。1．CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理CCD是一種半導(dǎo)體器件，由若干個(gè)電荷耦合單元組成。CCD的最小單元是在P型（或N型）硅襯底上生長一層厚度約為120nm的SiO2，再在SiO2層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅電極而構(gòu)成金屬-氧化物-半導(dǎo)體的電容式轉(zhuǎn)移器。其中，“金屬”為SiO2層上沉積的金屬或摻雜多晶硅電極，稱為“柵極”；半導(dǎo)體硅作為底電極，俗稱“襯底”；“氧化物”為兩電極之間夾的絕緣體SiO2。帶負(fù)電的電子被吸引緊靠Si-SiO2界面，當(dāng)電壓高到一定值，形成對電子而言的勢阱，電子一旦進(jìn)入就不能復(fù)出，電壓越高，產(chǎn)生的勢阱越深。形象地把勢阱想想像成一個(gè)容器，把聚集在里面的電子想像成液體。勢阱積累電子的容量取決于勢阱的深度?？梢奙OS電容器有存儲(chǔ)電荷的作用。勢阱的形成：二、光固態(tài)圖象傳感器

光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。CCD自1970年問世以后，由于它的低噪聲等特點(diǎn)，CCD圖象傳感器廣泛的被應(yīng)用在微光電視攝像、信息存儲(chǔ)和信息處理等方面。1．CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時(shí)，P型硅襯底接地，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)（如圖中Ф1極下），形成電荷包（勢阱）。對于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時(shí)，少數(shù)載流子為空穴。Ф1Ф2Ф3t1t2t3t4tФ0如何實(shí)現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移呢？電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。結(jié)果：隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理，便實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)。總結(jié)：CCD圖像傳感器是利用CCD光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移雙重功能。當(dāng)一定波長的入射光照射到光敏元件上時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對（光生電荷），電子被吸引存儲(chǔ)在勢阱里。其數(shù)目與光照射的時(shí)間和強(qiáng)度成正比。使用時(shí)始終控制將CCD的每一位下的光生電荷轉(zhuǎn)移出來，分別從同一輸出電路上檢測出，就可以得到幅度與光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在CCD上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號“圖像”。2.CCD圖像傳感器的分類線列和面陣兩大類。它們具有不同的結(jié)構(gòu)和用途。2．線型CCD圖像傳感器線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應(yīng)的構(gòu)成一個(gè)主體,在它們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵,如圖(a)所示。在每一個(gè)光敏元件上都有一個(gè)梳狀公共電極,由一個(gè)P型溝阻使其在電氣上隔開。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時(shí),光敏元件聚集光電荷,進(jìn)行光積分,光電荷與光照強(qiáng)度和光積分時(shí)間成正比。在光積分時(shí)間結(jié)束時(shí),轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時(shí)低電壓),與CCD對應(yīng)的電極也同時(shí)處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時(shí),在電荷耦合移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖,將存儲(chǔ)的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個(gè)過程重復(fù)地進(jìn)行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。尺寸檢測:目前，實(shí)用的線型CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，如圖（b）所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作用下，自左向右移動(dòng)，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來光敏信號電荷的順序。3．面型CCD圖像傳感器面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。目前存在三種典型結(jié)構(gòu)形式。圖(a)所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。二相驅(qū)動(dòng)視頻輸出

行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅(qū)動(dòng)感光區(qū)溝阻P1

P2P3P1

P2P3P1

P2P3感光區(qū)存儲(chǔ)區(qū)析像單元視頻輸出輸出柵串行讀出面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)(a)(b)圖（b）所示結(jié)構(gòu)增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲(chǔ)區(qū)。在正常垂直回掃周期內(nèi)，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲(chǔ)區(qū)。在垂直回掃結(jié)束后，感光區(qū)回復(fù)到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)的整個(gè)電荷圖像向下移動(dòng)，每次總是將存儲(chǔ)區(qū)最底部一行的電荷信號移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動(dòng)以視頻信號輸出。當(dāng)整幀視頻信號自存儲(chǔ)移出后，就開始下一幀信號的形成。該CCD結(jié)構(gòu)具有單元密度高、電極簡單等優(yōu)點(diǎn)，但增加了存儲(chǔ)器。光柵報(bào)時(shí)鐘二相驅(qū)動(dòng)輸出寄存器檢波二極管

視頻輸出垂直轉(zhuǎn)移寄存器感光區(qū)二相驅(qū)動(dòng)(c)圖(c)所示結(jié)構(gòu)是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。它將圖(b)中感光元件與存儲(chǔ)元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲(chǔ)單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移控制柵打開，電荷信號進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)。隨后，在每個(gè)水平回掃周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)中整個(gè)電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號輸出。這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡單，但單元設(shè)計(jì)復(fù)雜，感光單元面積減小，圖像清晰。

光電碼盤光電碼盤數(shù)字式傳感器:把輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出優(yōu)點(diǎn)：測量精度和分辨力高，抗干擾能力強(qiáng)，能避免在讀標(biāo)尺和曲線圖時(shí)產(chǎn)生的人為誤差，便于用計(jì)算機(jī)處理。最簡單的數(shù)字式傳感器是編碼器(ADE)

角度數(shù)字編碼器（碼盤）或直線位移編碼器（碼尺）原理分類：電觸式、電容式、感應(yīng)式和光電式等工作原理用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號的轉(zhuǎn)換部件。1－光源2－柱面鏡3－碼盤4－狹縫5－元件碼盤和碼制6位二進(jìn)制碼盤根據(jù)碼盤的起始和終止位置確定轉(zhuǎn)角，與轉(zhuǎn)動(dòng)的中間過程無關(guān)。二進(jìn)制碼盤主要特點(diǎn)：（1）n位(n個(gè)碼道)的二進(jìn)制碼盤具有2n種不同編碼，稱其容量為2n，其最小分辨力θ1＝3600／2n，它的最外圈角節(jié)距為2θ1；（2）二進(jìn)制碼為有權(quán)碼，編碼Cn,Cn-1，…，C1對應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為：（3）碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)中，CK變化時(shí)，所有Cj(j<K)應(yīng)同時(shí)變化。上一頁下一頁返回二進(jìn)制碼盤的粗大誤差及消除研究背景：要求各個(gè)碼道刻劃精確，彼此對準(zhǔn)，這給碼盤制作造成很大困難。由于微小的制作誤差，只要有—個(gè)碼道提前或延后改變，就可能造成輸出的粗大誤差。要達(dá)到1//左右的分辨率，二進(jìn)制碼盤需要采用20或21位碼盤。一個(gè)刻劃直徑為400mm的20位碼盤其外圈的間隔為稍大于1μm。二進(jìn)制碼盤的粗大誤差及消除消除粗大誤差方法： 雙讀數(shù)頭法，循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼 雙讀數(shù)頭的缺點(diǎn)是讀數(shù)頭的個(gè)數(shù)增加了一倍。當(dāng)編碼器位數(shù)很多時(shí)，光電元件安裝位置也有困難。(a)四位二進(jìn)制碼盤展開圖(b)采用雙讀數(shù)頭消除粗大誤差的示意圖圖a：A-A正確的值是：1110，若A’-A’中的C1碼道過長，導(dǎo)致A-A值為：0110。或A-A中的C4碼道過長，導(dǎo)致A’-A’的值為：0000（正確的是：1000）。缺點(diǎn)：1110變?yōu)?000時(shí)，每一位相鄰的碼道都要改變。圖b：第i碼道ai與bi兩狹縫的讀數(shù)為：Ai和Bi，而第i-1碼道的示數(shù)為Ci-1。已知：Ci=Ai，若Ci-1=0，則Ci=Bi,

若Ci-1=1，則Ci=Ai

即：若低一位的讀數(shù)為1，則按高一位Ai的讀數(shù)；若低一位的讀數(shù)為0，則按高一位Bi的讀數(shù)；(1)n位循環(huán)碼碼盤具有2n種不同編碼；(2)循環(huán)碼碼盤具有軸對稱性，其最高位相反，其余各位相同；(3)循環(huán)碼為無權(quán)碼；(4)循環(huán)碼碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時(shí)，編碼中只有一位發(fā)生變化，不會(huì)產(chǎn)生粗誤差。六位的循環(huán)碼碼盤二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換4位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的對照表二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為循環(huán)碼的電路(a)并行變換電路(b)串行變換電路循環(huán)碼轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制碼的電路(a)并行變換電路(b)串行變換電路循環(huán)碼是無權(quán)碼，直接譯碼有困難，一般先轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼后再譯碼。光柵傳感器一.光柵及其測量系統(tǒng)1.光柵的結(jié)構(gòu)類型

1）長光柵尺主光柵指示光柵a是柵線的寬度b是柵線的縫隙寬度W是柵距W

=a+b2）圓光柵刻劃在玻璃盤上的光柵稱為圓光柵也稱光柵盤，用來測量角度或角位移。根據(jù)柵線刻劃的方向，圓光柵分兩種，一種是徑向光柵，其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心；另一種是切向光柵，其全部柵線與一個(gè)和光柵盤同心的直徑只有零點(diǎn)兒或幾個(gè)毫米的小圓相切若按光線的走向，圓光柵只有透射光柵。徑向光柵切向光柵2.光柵測量系統(tǒng)（光柵讀數(shù)頭）二.光柵傳感器的工作原理

當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵的刻線相交一個(gè)微小的夾角時(shí),光源照射光柵尺，由于擋光效應(yīng)，兩塊光柵刻線的相交處形成亮帶，而在刻線彼此錯(cuò)開處形成暗帶。在與光柵線紋大致垂直的方向上,產(chǎn)生出亮暗相間的條紋,這些條紋稱為“莫爾條紋”（莫爾：法語絲綢的波紋）。1.莫爾條紋的形成及其特征(重點(diǎn)掌握)莫爾條紋間距光柵柵距1、指示光柵2、主光柵兩柵尺的夾角兩柵尺的夾角莫爾條紋的特征1)放大作用結(jié)論：放大倍數(shù)為1/θ,θ

越小,B越大。例如θ=0.1°時(shí)θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432radW=0.02mmBH=11.4592mm。如主光柵沿著刻線垂直方向向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿著指示光柵的柵線向上移動(dòng)；反之，當(dāng)主光柵向左移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋沿著指示光柵的柵線向下移動(dòng)。因此根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)方向就可以對主光柵的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行辨向。莫爾條紋的特征（2）莫爾條紋移動(dòng)方向莫爾條紋的特征（2）莫爾條紋移動(dòng)方向與光柵移動(dòng)方向的對應(yīng)關(guān)系即：辨別方向性主光柵相對指示光柵的轉(zhuǎn)角主光柵相對指示光柵的移動(dòng)方向莫爾條紋的移動(dòng)方向順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)θ角向左←向上↑向右→向下↓逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)θ角向左←向下↓向右→向上↑

光電元件對光柵的柵距誤差具有消差作用。莫爾條紋由光柵的大量刻線形成,對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用,幾條刻線的柵距誤差或斷裂對莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上消除短周期誤差的影響。

（3）誤差的平均效應(yīng)莫爾條紋的特征例：W=0.02mm,接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范圍內(nèi)有500條刻線參與工作，某幾條刻線誤差對莫爾條紋位置和形狀基本無影響。五.光柵傳感器的應(yīng)用6光電傳感器的應(yīng)用舉例由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器和脈沖光電傳感器。

光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為:吸收式、遮光式、反射式、輻射式,四種基本形式。例1：直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器例1：直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器通過測量光敏元件輸出的脈沖頻率，得被測轉(zhuǎn)速n=f/Nn—轉(zhuǎn)速；f—脈沖頻率；N—圓盤孔數(shù)。測速也可以采用反射式：只要用白紙畫上黑道的圓紙貼在旋轉(zhuǎn)體上即可。其測量電路與透射式相同例2：光電液位檢測在液體未升到發(fā)光二極管及光電三極管平面時(shí)，紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線不會(huì)被光電三極管接收；當(dāng)液位上升到發(fā)光二極管及光電三極管平面時(shí)，出于液體的折射，光電三極管接收到紅外信號由此獲得液位信號。例3火災(zāi)報(bào)警器光電三極管是煙霧火警報(bào)警器中的光傳感器。平時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)出的光被不透明擋板擋住。當(dāng)有煙霧時(shí)，煙霧對光有散射作用，光電三極管接收到散射光，電阻變小，使報(bào)警電路工作。例4光傳感器的應(yīng)用——鼠標(biāo)器鼠標(biāo)中的紅外接收管就是光傳感器。鼠標(biāo)移動(dòng)時(shí)，滾球帶動(dòng)x、y

方向兩個(gè)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，紅外管接收到一個(gè)個(gè)紅外線脈沖。計(jì)算機(jī)分別統(tǒng)計(jì)

x、y兩個(gè)方向上的脈沖信號，就能確定鼠標(biāo)的位置。這種裝置同樣可以安裝在門窗上起防盜報(bào)警作用。例5：防盜報(bào)警電路例5：防盜報(bào)警