《傳感器原理及應(yīng)用技術(shù) 》課件第8章

第8章光電傳感器8.1光電傳感器的基本效應(yīng)8.2外光電效應(yīng)光電器件

8.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件8.4光電伏特效應(yīng)及光電元件8.5CCD圖像傳感器8.6應(yīng)用光路

思考題與習(xí)題

8.1.1半導(dǎo)體的粒子特性

光敏器件所探測(cè)的光包括可見光、紫外線和紅外光,在整個(gè)電磁輻射的頻譜中只占很小一部分。光具有波粒二象性,光的粒子性可用光子的概念描述。 沿r方向傳播的頻率為ν的單色光,可視為一束光子流,其中每個(gè)光子具有的能量E和動(dòng)能P分別為

E=hν (8.1) (8.2)8.1光電傳感器的基本效應(yīng)

式中：h——普朗克常數(shù),其值為6.626×10-34J·s；

ν——光的頻率（s-1）;

λ——光的波長(zhǎng)。 這樣,單色光的輻射功率就可寫為

P（ν）=A·F·hν (8.3)

式中：F——光子流密度（單位時(shí)間通過單位面積的光子數(shù)）；

A——光子流通過的面積。量子力學(xué)指出,光的發(fā)射和吸收是與量子態(tài)間的躍遷過程相聯(lián)系的,在此過程中,光表現(xiàn)出其粒子性。在發(fā)射時(shí),光源系統(tǒng)由高能態(tài)E2向低能態(tài)E1躍遷,同時(shí)按能量守恒定律發(fā)射光子：hν=E2-E1

(8.4)在吸收時(shí),介質(zhì)吸收光子hν后就從低能態(tài)E1躍遷到高能態(tài)E2

。按能量守恒定律,介質(zhì)系統(tǒng)躍遷前后的能量差應(yīng)為

E2-E1=hν (8.5)

即根據(jù)能量守恒定律,光源只能發(fā)出由式（8.4)描述的光子,只有符合式（8.5）的光子才能被介質(zhì)吸收。吸收和發(fā)射只有在計(jì)及光子動(dòng)量并服從準(zhǔn)動(dòng)量守恒定則（選擇定則）時(shí)才能發(fā)生。 光在半導(dǎo)體中傳播時(shí)的衰減,是半導(dǎo)體內(nèi)電子吸收光子后從低能態(tài)向高能態(tài)躍遷的結(jié)果。在其諸多吸收過程中,本征吸收是光敏器件的工作基礎(chǔ)。

本征吸收又稱基本吸收,其相應(yīng)的躍遷過程是：價(jià)帶電子吸收了能量大于或等于禁帶寬度的光子后,躍至導(dǎo)帶,產(chǎn)生自由電子,并在價(jià)帶留下自由空穴。因此,在本征吸收時(shí),每吸收一個(gè)光子,就產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)。由于在本征吸收過程中被吸收的光子要滿足的條件是

hν=Eg (8.6)

且導(dǎo)帶是由一系列能量間隔很小的能級(jí)組成的,所以本征吸收譜是連續(xù)譜。 8.1.2光電效應(yīng) 半導(dǎo)體光電效應(yīng)是半導(dǎo)體中束縛電子在吸收光子后所產(chǎn)生的電學(xué)效應(yīng),它是各類光敏器件工作的基本原理。 半導(dǎo)體光電效應(yīng)可分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)兩大類。半導(dǎo)體內(nèi)的電子在吸收光子后,如能克服表面勢(shì)壘逸出半導(dǎo)體表面,會(huì)產(chǎn)生外光電效應(yīng)。電管、光電倍增管等就是基于外光電效應(yīng)制成的光電器件。 半導(dǎo)體內(nèi)的電子吸收光子后不能躍出半導(dǎo)體,所產(chǎn)生的電學(xué)效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)的種類很多,可據(jù)此制成不同的光敏器件。8.2外光電效應(yīng)光電器件

8.2.1光電管

光電管的結(jié)構(gòu)如圖8.1所示。在一個(gè)抽成真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：陽(yáng)極和光電陰極（簡(jiǎn)稱陰極）。當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)便發(fā)射光電子,光電子被帶正電位的陽(yáng)極所吸引,這樣在光電管內(nèi)就有電子流,在外電路中便產(chǎn)生了電子流,輸出電壓。光電流的大小與照射在光電陰極上的光強(qiáng)度成正比,并與光電陰極的材料有關(guān)。當(dāng)光通量一定時(shí),真空光電管陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極電流的伏安特性曲線見圖8.2。圖8.1光電管的結(jié)構(gòu)

光電管除真空光電管外,還有充氣光電管。這兩種光電管的結(jié)構(gòu)基本相同,所不同的只是在充氣光電管玻璃泡內(nèi)充有少量的惰性氣體,如氬或氖。當(dāng)光電極被光照射而發(fā)射電子時(shí),光電子在趨向陽(yáng)極的途中撞擊惰性氣體的原子,使其電離,從而使陽(yáng)極電流急速增加,提高了光電管的靈敏度。但其穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管的差。圖8.3給出了充氣光電管的伏安特性曲線。圖8.2真空光電管的伏安特性曲線圖8.3充氣光電管的伏安特性曲線

8.2.2光電倍增管

光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖8.4所示。它在玻璃管4內(nèi)由光電陰極1（K）、若干個(gè)倍增極2(Dn,n=4～14）和陽(yáng)極3（A）三部分組成。由一定材料制成的光電陰極K受入射光Φ照射時(shí),可發(fā)射出光電子,形成光電流iΦ。因倍增極和陽(yáng)極上加有一定的電位（圖中經(jīng)分壓電阻獲得）,故光電陰極發(fā)射的光電子被第一倍增極D1的正電壓所加速,而轟擊第一倍增極D1,打擊出二次電子；同樣,二次電子又被第二倍增極D2的正電壓所加速,而轟擊第二倍增極D2,打擊出更多的二次電子。依次下去,最后全部二次電子被帶正電位的陽(yáng)極A所收集,形成光電流i。圖8.4光電倍增管的結(jié)構(gòu)

如果在光電陰極上由于入射光的作用發(fā)射出一個(gè)電子,這個(gè)電子將被第一倍增極的正電壓所加速而轟擊第一倍增極。設(shè)這時(shí)第一倍增極有σ個(gè)二次電子發(fā)出,這σ個(gè)電子又轟擊第二倍增極。而其產(chǎn)生的二次電子又增加σ倍。經(jīng)過n個(gè)倍增極后,原先一個(gè)電子將變?yōu)棣襫個(gè)電子。這些電子最后被陽(yáng)極所收集而在光電陰極與陽(yáng)極之間形成電流i,則

i=iΦσn (8.7)

式中：n次發(fā)射極數(shù)；σ二次電子發(fā)射系數(shù)。故輸出電壓

Usc=iR=iΦσn

R (8.8)

光電倍增管的優(yōu)點(diǎn)是放大倍數(shù)很高,可達(dá)106,線性好,頻率特性好；缺點(diǎn)是體積大,需數(shù)百伏至1kV的直流電壓供電。光電倍增管一般用于微弱光輸入、要求反映速度很快的場(chǎng)合。8.3光電導(dǎo)效應(yīng)及光電元件8.3.1光敏電阻的結(jié)構(gòu)及原理光敏電阻的光譜特性是選擇光敏電阻器的重要依據(jù)。根據(jù)光敏電阻的光譜特性，目前常用的有三種光敏電阻器：紫外光敏電阻器、紅外光敏電阻器和可見光光敏電阻器。紫外光敏電阻器對(duì)紫外線較靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測(cè)紫外線。紅外光敏電阻器主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛、銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測(cè)、非接觸測(cè)量、人體探測(cè)、紅外光譜、紅外通信等?？梢姽夤饷綦娮杵靼ㄎ?、硫化鎘、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅光敏電阻器等，主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動(dòng)開關(guān)門戶，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動(dòng)亮滅，自動(dòng)給水和自動(dòng)停水裝置，機(jī)械上的自動(dòng)保護(hù)裝置和位置檢測(cè)，零件的厚度檢測(cè)，照相機(jī)自動(dòng)曝光裝置，光電碼盤，光電計(jì)數(shù)器，煙霧報(bào)警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。圖8.5為某光敏電阻的結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)。用來制作光敏電阻的典型材料有硫化鎘（CdS）及硒化鎘（CdSe）等。圖8.5中，CDS為硫化鎘。光敏半導(dǎo)體材料是純電阻性的。當(dāng)無光照射時(shí)，其暗電阻值很大（大多數(shù)光敏材料的暗電阻值超過1MΩ），電路的暗電流很??；當(dāng)受到一定波長(zhǎng)范圍的光照射時(shí)，其電阻值急劇減小，電路電流隨之迅速增加。光敏半導(dǎo)體材料中，除常用的硅、鍺外，硫化鎘、硫化鉛、銻化銦、硒化鎘等的應(yīng)用也日益廣泛。光敏電阻阻值的變化與光照波長(zhǎng)有關(guān)，因此，應(yīng)用時(shí)應(yīng)根據(jù)光波波長(zhǎng)合理選擇由不同材料做成的光敏電阻。光敏電阻無極性之分，使用時(shí)在兩電極間加上恒定的交流或直流電壓均可。圖8.5某光敏電阻的結(jié)構(gòu)及電路符號(hào)8.3.2光敏電阻的特性

1.暗電阻、亮電阻與光電流光敏電阻在未受到光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過的電流稱為暗電流。光敏電阻受到光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。一般暗電阻越大，亮電阻越小，光敏電阻的靈敏度越高。光敏電阻的暗電阻的阻值一般在兆歐數(shù)量級(jí)，亮電阻在幾千歐以下。暗電阻與亮電阻之比一般在102～106之間。

2.光敏電阻的伏安特性

一般光敏電阻（如硫化鉛、硫化鉈）的伏安特性曲線如圖8.6所示。由該曲線可知,所加的電壓越高,光電流越大,而且沒有飽和現(xiàn)象。在給定的電壓下,光電流的數(shù)值將隨光照增強(qiáng)而增大。

3.光敏電阻的光照特性

光敏電阻的光照特性用于描述光電流和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。不同光敏電阻的光照特性是不相同的。絕大多數(shù)光敏電阻的光照特性曲線是非線性的,如圖8.7所示。圖8.6光敏電阻的伏安特性曲線圖8.7光敏電阻的光照特性曲線

4.光敏電阻的光譜特性常用光敏電阻材料的光譜特性曲線如圖8.8所示。圖中，1=1×10-10m，為非法定計(jì)量單位，但為了表示方便，本書仍采用此單位，此后不再說明。對(duì)于不同波長(zhǎng)的光，光敏電阻的靈敏度是不相同的。從圖8.8中可以看出，硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。因此，在選用光敏電阻時(shí)應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的結(jié)果。圖8.8幾種常用光敏電阻材料的光譜特性曲線

5.光敏電阻的溫度特性 隨著溫度不斷升高,光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降,同時(shí)溫度變化也影響它的光譜特性曲線。圖8.9示出了硫化鉛的光敏溫度特性曲線。從圖中可以看出,它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。因此,有時(shí)為了提高元件的靈敏度,或?yàn)榱四軌蚪邮茌^長(zhǎng)波段的紅外輻射,應(yīng)采取一些致冷措施。 光敏電阻具有很高的靈敏度,光譜響應(yīng)的范圍可以從紫外區(qū)域到紅外區(qū)域,而且體積小,性能穩(wěn)定,價(jià)格便宜；但光照與產(chǎn)生的光電流之間呈非線性關(guān)系。所以,光敏電阻在自動(dòng)化技術(shù)中應(yīng)用很多,在檢測(cè)技術(shù)中很少使用。圖8.9硫化鉛的光敏溫度特性曲線8.4光電伏特效應(yīng)及光電元件8.4.1光電導(dǎo)結(jié)型光電元件

圖8.10所示為光電二極管的結(jié)構(gòu)原理、外形及電路符號(hào)。為了便于受光,PN結(jié)裝在外殼的頂部,上面有一個(gè)用透鏡制成的窗口1,以便使光線集中在PN結(jié)上。2為封裝殼體,3為引出電極。光電二極管在電路中工作在反向偏置下,即在N區(qū)接高電位,在P區(qū)接低電位。無光照時(shí),反向電阻高達(dá)4MΩ。在反向偏壓作用下,有一反向電流（稱為暗電流）。當(dāng)有光照時(shí),反向電阻下降到1kΩ左右,產(chǎn)生光電流,實(shí)現(xiàn)了將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的目的。光電二極管的主要特點(diǎn)是體積小,頻率特性好,但弱光下靈敏度低。

圖8.10光電二極管(a)結(jié)構(gòu)原理；（b）外形；(c)電路符號(hào)

圖8.11所示為光電三極管的結(jié)構(gòu)原理、外形及電路符號(hào)。圖中是三極管為PNP型,也可做成NPN型。光電三極管與光電二極管相似,但有兩個(gè)PN結(jié)。光照射在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近便產(chǎn)生光電流（幾微安,相當(dāng)于三極管的基極電流）,于是在集電極c與基極基b之間的PN結(jié)能產(chǎn)生幾毫安電流（相當(dāng)于三極管的集電極電流）。光電三極管的通頻帶較窄,不如光電二極管性能穩(wěn)定,但靈敏度高。

圖8.11光電三極管（a）結(jié)構(gòu)原理；（b）外形；(c)電路符號(hào)

8.4.2光電伏特型光電元件

1.光電池結(jié)構(gòu)原理

光電池是有源器件,這種器件受到光照時(shí)就產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì),不需要外部電源供電。光電池的種類很多,有硒光電池、氧化亞銅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。用可見光作為光源的光電池的常用半導(dǎo)體材料有硒和硅等。 圖8.12所示為硅光電池的結(jié)構(gòu)原理、外形及電路符號(hào)。它是用單晶硅制成的,在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積的PN結(jié),P層很薄,從而使光能穿透到PN結(jié)上。由于光線的照射,使P區(qū)帶正電荷,N區(qū)帶負(fù)電荷,從而在兩區(qū)之間形成電位差,即構(gòu)成光電池,若接于外電路中就可產(chǎn)生電流。在第7章中,我們已經(jīng)看到了光電池在光柵器件辨向及細(xì)分中的應(yīng)用。

圖8.12硅光電池(a)結(jié)構(gòu)原理；(b)外形；(c)電路符號(hào)

2.光電池的特性

1）光電池的光譜特性 硒光電池和硅光電池的光譜特性曲線如圖8.13所示。從圖示曲線可以看出,不同的光電池其光譜峰值的位置不同。硅光電池的在8000附近,硒光電池的在5400附近。硅光電池的光譜范圍很廣,在4500～11000之間,硒光電池的光譜范圍為3400～7500。因此,硒光電池適用于可見光,常用于照度計(jì)測(cè)定光的強(qiáng)度。圖8.13硒光電池與硅光電池的光譜特性曲線 2）光電池的光照特性 光電池在不同的光強(qiáng)照射下可產(chǎn)生不同的光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。硅光電池的光照特性曲線如圖8.14所示。從該曲線中可以看出,短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。開路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的,并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)就趨于飽和。因此,把光電池作為測(cè)量元件時(shí),應(yīng)把它當(dāng)作電流源來使用,不宜用作電壓源。

所謂光電池的短路電流,就是反映負(fù)載電阻相對(duì)于光電池內(nèi)阻很小時(shí)的光電流。光電池的內(nèi)阻是隨著照度增加而減小的,所以在不同照度下可將大小不同的負(fù)載電阻視為近似“短路”條件。從實(shí)驗(yàn)中知道,負(fù)載電阻越小,光電流與照度之間的線性關(guān)系越好,且線性范圍越寬,對(duì)不同的負(fù)載電阻,可以在不同的照度范圍內(nèi),使光電流與光強(qiáng)保持線性關(guān)系。所以,應(yīng)用光電池作測(cè)量元件時(shí),所用負(fù)載電阻的大小,應(yīng)根據(jù)光強(qiáng)的具體情況而定?？傊?負(fù)載電阻越小越好。

圖8.14硅光電池的光照特性曲線

3）光電池的頻率特性 光電池在作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí),常用交變光照。光電池的頻率特性就是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系,如圖8.15所示。從該曲線可以看出,硅光電池有很高的頻率響應(yīng),可用在高速計(jì)數(shù)、有聲電影等方面。這是硅光電池在所有光電元件中最為突出的優(yōu)點(diǎn)。圖8.15光電池的頻率特性曲線 4)光電池的溫度特性 光電池的溫度特性主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池設(shè)備的溫度漂移,影響到測(cè)量精度或控制精度等主要指標(biāo),因此是光電池的重要特性之一。光電池的溫度特性曲線如圖8.16所示。從該曲線可以看出,開路電壓隨溫度升高而快速下降的速度較快,而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。因此,當(dāng)使用光電池作測(cè)量元件時(shí),在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮到溫度的漂移,并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行補(bǔ)償。圖8.16光電池的溫度特性曲線

1.CCD的結(jié)構(gòu)

CCD是在P（或N）型硅基體上,生成一層SiO2絕緣層（厚度約1000）,再于絕緣層上淀積一系列間隙相隔很?。ㄐ∮?.3μm）的金屬電極（柵極）,每個(gè)金屬電極和它下面的絕緣層及半導(dǎo)體硅基體形成一個(gè)MOS電容器,故CCD實(shí)際上是由一系列MOS電容器構(gòu)成的MOS陣列。由于這些MOS電容器彼此靠得很近,因此它們之間能夠發(fā)生耦合,使被注入到MOS電容器中的電荷能夠有控制地從一個(gè)電容器移位到另一個(gè)電器容。這樣的電荷轉(zhuǎn)移過程是電荷耦合的過程,故這類器件被稱為電荷耦合器件。8.5CCD圖像傳感器

2.電荷存儲(chǔ)

圖8.17所示為在熱氧化P型硅襯底上淀積金屬而構(gòu)成的一只MOS電容器。若在某一時(shí)刻給它的金屬電極加上正向電壓U，則P型硅半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子（空穴）便會(huì)受到排斥,在硅表面處就會(huì)形成一個(gè)耗盡區(qū)。這個(gè)耗盡區(qū)與普通的PN結(jié)一樣,同樣也是電離受主構(gòu)成的空間電荷區(qū)。在一定條件下,所加U越大,耗盡層就越深。這時(shí),硅表面吸收少數(shù)載流子（電子）的勢(shì)也就越大,耗盡區(qū)越深。對(duì)于帶負(fù)電的電子來說,耗盡區(qū)是個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域,稱為電子“勢(shì)阱”,如圖8.18所示。勢(shì)阱具有存儲(chǔ)電子（電荷）的功能,每一個(gè)加正電壓的電極下就是一個(gè)勢(shì)阱。通常將表面勢(shì)阱中的自由電荷稱為電荷包。勢(shì)阱的深度取決于正電壓U的大小,勢(shì)阱的寬度取決于金屬電極的寬度。 CCD電荷（少數(shù)載流子）有電壓信號(hào)注入和光信號(hào)注入兩種產(chǎn)生方式。做為圖像傳感器,CCD接收的是光信號(hào),即光信號(hào)注入法。當(dāng)光信號(hào)照射到CCD硅片上時(shí),在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。這時(shí)在柵極電壓的作用下,多數(shù)載流子（空穴）將流入襯底,而少數(shù)載流子（電子）則被收集在勢(shì)阱中,形成信號(hào)電荷存儲(chǔ)起來。這樣,高于半導(dǎo)體禁帶寬度的那些光子就能建立起正比于光強(qiáng)的存儲(chǔ)電荷。圖8.17MOS基本單元圖8.18電子“勢(shì)阱”

圖8.19（a）所示是不存在信號(hào)電荷（少數(shù)載流子）的能帶圖情形,圖8.19(b)所示是已堆積一些信號(hào)電荷的能帶圖情形。由圖8.19可知,半導(dǎo)體硅內(nèi)的電位分布向著其表面以拋物線規(guī)律增加,至表面處時(shí),其表面勢(shì)最大。同時(shí),因信號(hào)電荷量的存在,表面勢(shì)減小。圖8.19中,x為極電壓,U為柵壓。圖8.19MOS能帶圖

3.電荷耦合

CCD器件有二相、三相、四相等幾種時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式。其中，最方便的是由三相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)的CCD器件,如圖8.20所示。在三相結(jié)構(gòu)CCD中,三個(gè)電極組成一個(gè)單元,形成一個(gè)像素。三個(gè)不同的脈沖驅(qū)動(dòng)電壓按圖8.20(b)所示的時(shí)序提供,以保證形成空間電荷區(qū)的相對(duì)時(shí)序。圖8.20三相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)的電荷轉(zhuǎn)移

設(shè)在某時(shí)刻t1第一相處于高電壓,處于低電壓,則在t1時(shí),形成較深的勢(shì)阱,如圖8.20(a)所示。若此時(shí)有光線入射到硅片上,在光子的激發(fā)下硅片上就會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。由于光擴(kuò)散效應(yīng),其中的空穴被排斥到硅基體頂,光生電子則被勢(shì)阱所收集。勢(shì)阱所收集的光生電子數(shù)量和入射到勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。此時(shí),在柵壓作用下,CCD器件上位于下若干互相獨(dú)立的MOS元就會(huì)形成眾多相互獨(dú)立的勢(shì)阱。若照射在這些光敏元上是一幅明暗不同的圖像,那么這些光敏元就會(huì)感生出一幅光照強(qiáng)度相應(yīng)的光生電荷圖像,一幅光圖像就轉(zhuǎn)變成了電圖像。

為了讀出存放在CCD中的電圖像,在順序排列的電極上施加交替變化的三相時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)電壓。在t=t2時(shí), 電壓下降, 跳變到最大,如圖8.21,電荷包便從電壓為的各電極下向電壓為的各電極下形成的勢(shì)阱轉(zhuǎn)移。到t3時(shí)刻,全部電荷包已轉(zhuǎn)移完畢。從t=t4開始,下降,跳變到最大,于是電荷包又從電極下轉(zhuǎn)移到電極下。當(dāng)?shù)诙€(gè)重復(fù)周期開始時(shí),重復(fù)上述轉(zhuǎn)移過程。這樣,交替升降的三相驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘脈沖便可以完成電荷包的定向轉(zhuǎn)移,在CCD末端就能依次接收到原先存儲(chǔ)在各個(gè)電極下的電荷包。圖8.21電荷耦合

4.電荷輸出

信號(hào)電荷電流輸出如圖8.22所示。輸出柵OG加直流偏置,用來使漏擴(kuò)散和時(shí)鐘脈沖之間退耦。N+區(qū)與P型硅接觸處形成PN結(jié),通過施加UD構(gòu)成反向偏置二極管,它是電子電荷的深勢(shì)阱。轉(zhuǎn)移到電極下MOS元中的電荷包越過輸出柵流入到反向偏置二極管的深勢(shì)阱。若dt時(shí)間內(nèi)流入的信號(hào)電荷為Qs,則二極管輸出電流ID為(8.9)

則A點(diǎn)電壓為

UA=UD-IDR

（8.10） 若轉(zhuǎn)移到極下電荷包的電子增多,流入反向偏置二極管勢(shì)阱的電子電荷增多,則ID增大,A點(diǎn)電壓UA下降。故A點(diǎn)電壓變化受控于反向偏置二極管收集信號(hào)電荷的量。A點(diǎn)電壓UA的變化ΔUA經(jīng)C耦合至放大器放大后輸出。場(chǎng)效應(yīng)管V為復(fù)位管, 電極下勢(shì)阱未形成前在柵極G加復(fù)位脈沖R,使A點(diǎn)電壓復(fù)位到UDD,而當(dāng)信號(hào)電荷Qs來到時(shí),復(fù)位管V截止。A點(diǎn)電壓UA由信號(hào)電荷Qs和反向電流ID來控制。圖8.22電荷電流輸出8.6應(yīng)用光路

8.6.1反射式

圖8.23所示為反射式模擬光電傳感器用于檢測(cè)工件表面粗糙度或表面缺陷的原理圖。從光源1發(fā)出的光經(jīng)過被測(cè)工件3的表面反射,由光電元件5接收。當(dāng)被測(cè)工件表面有缺陷或粗糙度精度較低時(shí),反射到光電元件上的光通量變小,轉(zhuǎn)換成的光電流就小。檢測(cè)時(shí)被測(cè)工件在工作臺(tái)上可左右、前后移動(dòng)。圖8.23反射法測(cè)量原理

8.6.2透射式 圖8.24所示為透射式光電傳感器用于檢測(cè)工件孔徑或狹縫寬度的原理圖。此法適用于檢測(cè)小直徑通孔。從光源1發(fā)出的光透過被測(cè)工件2的孔后,由光電元件3接收。被測(cè)孔徑尺寸變化時(shí),照到光電元件上的光通量隨之變化。轉(zhuǎn)換成的光電流大小由被測(cè)孔徑大小決定。此方法也可用于外徑的檢測(cè)。圖8.24透射法測(cè)量原理

8.6.3線紋瞄準(zhǔn)用光電傳感器 圖8.25所示為線紋瞄準(zhǔn)用光電傳感器原理圖。圖8.25(a)為測(cè)量玻璃刻線尺的透射照明光學(xué)系統(tǒng)。被檢線紋尺2由光源1照明,經(jīng)分光鏡3形成兩個(gè)刻線像4和9,箭頭A、B、C分別表示刻線2和兩個(gè)刻線像4和9的移動(dòng)方向。狹縫5和7的寬度相等,均被調(diào)節(jié)到等于刻線像的寬度。狹縫5和7的光學(xué)位置有一相位差,如圖8.25(b)所示。當(dāng)被測(cè)線紋尺按箭頭A方向運(yùn)動(dòng)時(shí),刻線像順次通過狹縫5和7。照射到光電倍增管6和8中的光通量Φ5和Φ7以及轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)的U5和U7都呈倒三角形,并有一相位差,如圖8.25(b)中虛線所示。兩個(gè)電壓信號(hào)U5和U7

經(jīng)反相放大后送到一個(gè)差動(dòng)放大器,其輸出將反映兩信號(hào)之差U7－U5