第6章光敏傳感器

1、123456汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈光譜燈78NP+-UiD+_9101112131415161720012hmA1819 gcEhc 202122232425262728293031)401 ( /niiI323334梳狀電極光電導透光窗口外殼絕緣基體玻璃支柱引腳AA353637383940414243444546474849505152535455565758NNP59 存在一個最佳靈敏度波長存在一個最佳靈敏度波長60204060801000Lx6162636465666768696.5.3、

2、光固態(tài)圖象傳感器、光固態(tài)圖象傳感器由由光敏元件陣列光敏元件陣列和和電荷轉移器件電荷轉移器件集合而成。它的核心是集合而成。它的核心是電荷轉移器件電荷轉移器件CTD(Charge Transfer Device), ,最常用的最常用的是電荷耦合器件是電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD自自1970年問世以后，由于它的低噪聲等特點，年問世以后，由于它的低噪聲等特點，CCD圖圖象傳感器廣泛的被應用在微光電視攝像、信息存儲和信象傳感器廣泛的被應用在微光電視攝像、信息存儲和信息處理等方面。息處理等方面。70當向當向SiOSiO2 2表面的電極加正偏壓時，表面的電極加正偏

3、壓時，P P型硅襯底中形成耗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。盡區(qū)（勢阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極其中的少數載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內，形成電荷包（勢阱）。下的區(qū)域內，形成電荷包（勢阱）。對于對于N N型硅襯底型硅襯底的的CCDCCD器件，電極加正偏壓時，少數載流子為空穴。器件，電極加正偏壓時，少數載流子為空穴。1 1CCDCCD的結構和基本原理的結構和基本原理P型Si耗盡區(qū)電荷轉移方向123輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管 SiO271 如何實現電荷定向轉移呢？電荷轉移的控制方法，如何實現

4、電荷定向轉移呢？電荷轉移的控制方法，非常類似于步進電極的步進控制方式。也有二相、三相非常類似于步進電極的步進控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說明控制電等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉移的過程。荷定向轉移的過程。 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1P1P2P2P3P3(a)123t0t1t2t3t(b)t=t0t=t1t=t2t=t30電荷轉移過程722 2線型線型CCDCCD圖像傳感器圖像傳感器由一列光敏元件與一列由一列光敏元件與一列CCDCCD并行且對應的構成一個

5、主體并行且對應的構成一個主體, ,在它們之間設有一個轉移控制柵。當入射光照射在光敏在它們之間設有一個轉移控制柵。當入射光照射在光敏元件陣列上元件陣列上, ,梳狀電極施加高電壓時梳狀電極施加高電壓時, ,光敏元件聚集光敏元件聚集光電光電荷荷, ,進行光積分進行光積分, ,光電荷與光照強度和光積分時間成正比光電荷與光照強度和光積分時間成正比。在光積分時間結束時。在光積分時間結束時, ,轉移柵上的電壓提高轉移柵上的電壓提高( (平時低電平時低電壓壓),),與與CCDCCD對應的電極也同時處于高電壓狀態(tài)。然后對應的電極也同時處于高電壓狀態(tài)。然后, ,降降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行

6、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移到地轉移到移位寄存器移位寄存器中。當轉移完畢中。當轉移完畢, ,轉移柵電壓降低轉移柵電壓降低, ,梳妝電極電壓回復原來的高電壓狀態(tài)梳妝電極電壓回復原來的高電壓狀態(tài), ,準備下一次光積準備下一次光積分周期。同時分周期。同時, ,在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖, ,將存儲的電荷從將存儲的電荷從CCDCCD中轉移中轉移, ,由輸出端輸出由輸出端輸出, ,從而讀出電從而讀出電荷圖形。荷圖形。轉移柵光積分單元不透光的電荷轉移結構輸出73 目前，實用的線型目前，實用的線型CCDCCD圖像傳感器為雙行結構，圖像傳感器

7、為雙行結構，如圖。單、雙數光敏元件中的信號電荷分別轉移到如圖。單、雙數光敏元件中的信號電荷分別轉移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作上、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，在輸出端交替合并輸出，這用下，自左向右移動，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。樣就形成了原來光敏信號電荷的順序。光積分區(qū)輸出轉移柵74面型CCD圖像傳感器結構二相驅動視頻輸出 行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅動感光區(qū)溝阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3 感光區(qū) 存儲區(qū)析像單元 視頻輸出輸出柵串行讀出(a)(b)3 3面型面型CCDCCD圖像傳感器圖像

8、傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉移部分組成。 75光柵報時鐘二相驅動輸出寄存器檢波二極管 視頻輸出垂直轉移寄存器感光區(qū)二相驅動(c)764、光電耦合器、光電耦合器由一發(fā)光元件和一光電傳感器同時封裝在一個外殼內組合而成的轉換元件。絕緣玻璃發(fā)光二極管透明絕緣體光敏三極管塑料發(fā)光二極管光敏三極管透明樹脂1 1） 光電耦合器的結構光電耦合器的結構采用金屬外殼和玻璃絕緣的結構，在其中部對接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏二極管對準，以此來提高靈敏度。(a)金屬密封型(b)塑料密封型采用雙列直插式用塑料封裝的結構。管心先裝于管腳上，中間再用透明樹脂固定，具有集光作用，故此種結構靈敏度較高。772. 2.

9、 光電耦合器的組合形式光電耦合器的組合形式 光電耦合器的組合形式有多種。 (a)(b)(c)(d)光電耦合器的組合形式該形式結構簡單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內。該形式采用高速開關管構成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。該組合形式采用了放大三極管構成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅動和較低頻率的裝置中。該形式采用功能器件構成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。78指紋鎖指紋鎖門禁門禁光光電電鼠鼠標標6.6 6.6 光傳感器的應用舉例光傳感器的應用舉例79光電開關光電開關結構與外形光電開關結構與外形80例例1：直射式光電轉速傳感器：直射式光電轉速傳感器8182調制盤

10、)(a)(b)(c832、光電池應用 光電池主要有兩大類型的應用：作光伏器件使用作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽能轉換成電能，即太陽能電池。這是全世界范圍內人們所追求、探索新能源的一個重要研究課題。太陽能電池已在宇宙開發(fā)、航空、通信設施、太陽電池地面發(fā)電站、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應用。作光電轉換器件應用作光電轉換器件應用，需要光電池具有靈敏度高、響應時間短等特性，但不必需要像太陽電池那樣的光電轉換效率。這一類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測和自動控制系統(tǒng)中。 光電池應用舉例如下： 841 1）太陽電池電源）太陽電池電源 太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池太陽電池電

11、源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流組、調節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負載供電，則加一個直流交流變換器，太陽電池電負載供電，則加一個直流交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如下圖。源系統(tǒng)框圖如下圖。 調節(jié)控制器逆變器 交流負載太陽電池方陣 直流負載太陽能電池電源系統(tǒng)阻塞二極管852 2）光電池在光電檢測和自動控制方面的應用）光電池在光電檢測和自動控制方面的應用 光電池作為光電探測使用時，其基本原理光電池作為光電探測使用時，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結構和制造與光敏二極管相同，但它們的基本結構和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時不

12、需要外工藝不完全相同。由于光電池工作時不需要外加電壓；光電轉換效率高，光譜范圍寬，頻率加電壓；光電轉換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、光電耦合、光柵測距、激光準直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等紫外光監(jiān)視器和燃氣輪機的熄火保護裝置等。86光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2光電池在檢測和控制方面應用中的幾種基本電路光電池在檢測和控制方面應用中的幾種基本電路87 上圖為光電地構成的光電跟蹤電路，上圖為光電地構成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的

13、同類光電池作為光電接用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當入射光通量相同時，執(zhí)行機構收器件。當入射光通量相同時，執(zhí)行機構按預定的方式工作或進行跟蹤。當系統(tǒng)略按預定的方式工作或進行跟蹤。當系統(tǒng)略有偏差時，電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機有偏差時，電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機構進行糾正，以此達到跟蹤的目的構進行糾正，以此達到跟蹤的目的。88BG2BG1+12VUC J R1 R2光電開關 下圖所示電路為光電開關，多用于自動控制系統(tǒng)中。下圖所示電路為光電開關，多用于自動控制系統(tǒng)中。無光照時，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當無光照時，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當光電池受光照射時，產生較

14、高的電動勢，只要光強大于光電池受光照射時，產生較高的電動勢，只要光強大于某一設定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達到開關目的。某一設定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達到開關目的。89光電池觸發(fā)電路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW 下圖為光電池觸發(fā)電路。當光電池受光照下圖為光電池觸發(fā)電路。當光電池受光照射時，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉，射時，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅如可控硅)導通導通。90+12V5G23光電池放大電路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432下圖為光電池放大電路。在測量溶液濃度、物體色度下圖為光電池放大電路。在測量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場合，可用該電路作前置級，把微弱、紙張的灰度等場合，可用該電