傳感器原理與應(yīng)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(yīng)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(xì)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(dǎo)體激光器、發(fā)光二極管等。激光器）、固態(tài)激光器、

2、半導(dǎo)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(ài)因斯坦光粒子學(xué)說(shuō)，每個(gè)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(duì)物體的轟擊，物體吸收光子能量而產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，即光電效應(yīng)。這是實(shí)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(yīng)。 光電效應(yīng)依其表現(xiàn)形式的不同，通常可分為三大類(lèi)。 光電導(dǎo)效應(yīng)光照改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電率，從而引起半導(dǎo)體電阻值的變化效應(yīng)，光敏電阻屬于這類(lèi)光電效應(yīng)器件。 光生伏特效應(yīng)光照改變半導(dǎo)體PN結(jié)電場(chǎng)，從而引起PN結(jié)電勢(shì)的

3、變化效應(yīng)，故又稱PN結(jié)光電效應(yīng)，光電池、光敏晶體管等屬于這類(lèi)光電效應(yīng)器件。 光電發(fā)射效應(yīng)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(yīng)，利用這種效應(yīng)制作的光電器件有光電管和光電倍增管。 光電發(fā)射效應(yīng)發(fā)生在物體的表面，因而又稱之為外光電效應(yīng)；相應(yīng)地，光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)被稱為內(nèi)光電效應(yīng)。本文下面僅介紹幾種常見(jiàn)的內(nèi)光電效應(yīng)器件及其應(yīng)用。 半導(dǎo)體光電導(dǎo)效應(yīng)內(nèi)部機(jī)理如圖81所示。 一、光敏電阻 1光敏電阻的光電效應(yīng) 光敏電阻是典型的光電導(dǎo)效應(yīng)器件。無(wú)光照時(shí)，其阻值很高；有光照時(shí)，其阻值大大下降，光照越強(qiáng)阻值越低；光照停止，又恢復(fù)高阻狀態(tài)。圖81 光電導(dǎo)效應(yīng)能帶圖 半

4、導(dǎo)體受光照時(shí)，其共價(jià)鍵中的價(jià)電子吸收光子能量，由價(jià)帶穿越禁帶到達(dá)導(dǎo)帶，成為光生自由電子，使得半導(dǎo)體中自由電子空穴對(duì)增加，導(dǎo)電率提高，電阻值下降。光照停止時(shí)，失去光子能量的光生自由電子又重新迭落回價(jià)帶與空穴復(fù)合，自由電子空穴對(duì)減少，導(dǎo)電率下降，電阻值提高。圖中Eg稱為禁帶寬度，價(jià)電子吸收的光子能量E Eg時(shí)，才能穿越禁帶成為自由電子。光照越強(qiáng)、具有能量E的光子數(shù)越多，光生自由電子-空穴對(duì)越多，電阻值越小。光照停止或光強(qiáng)減小使EEg時(shí)，光生自由電子又迭回價(jià)帶成為價(jià)電子，使電阻值增加或恢復(fù)高阻狀態(tài)。每個(gè)光子所具有的能量E數(shù)學(xué)表達(dá)式： E=hf=hc/頻率越高，或波長(zhǎng)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(zhǎng)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(yīng)實(shí)驗(yàn)電路，當(dāng)偏壓U 一定時(shí)，檢流計(jì)指示電流I 的大小決定于光敏電阻上的光照強(qiáng)度。圖82 光敏電阻光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)電路 無(wú)光照時(shí)，檢流計(jì)指示的電流很小，此時(shí)的電流稱之為暗電流；此時(shí)光敏電阻的阻值很高，相應(yīng)稱之為暗電阻，暗電阻通常為兆歐級(jí)。 有光照時(shí)，檢流計(jì)指示的電流較大，此電流稱之為亮電流；此時(shí)，光敏電阻的阻值顯著減小，相應(yīng)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(shí)可把亮電流看成光電流。 2光敏電阻種類(lèi) 光敏電阻是一個(gè)純電阻性兩端器件，適用于交、直流電路，因而應(yīng)用廣泛，種類(lèi)很多。對(duì)光照敏感的半導(dǎo)體光敏元件都可以制成光敏電阻，目前人類(lèi)已開(kāi)發(fā)應(yīng)用的光波頻譜范圍為0.1HZ1021HZ，相應(yīng)的波長(zhǎng)為3109m0.3Pm。半導(dǎo)體光敏元件的敏感光波長(zhǎng)為納米波，按其最佳工作波長(zhǎng)范圍可分為三類(lèi)。 （1對(duì)紫外光敏感元件 紫外光是指紫外線波長(zhǎng)=10380nm的內(nèi)側(cè)光波，波長(zhǎng)約300380nm。對(duì)這類(lèi)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(lèi)敏感元件適于作、射線檢測(cè)及光電控

7、制電路。 （2對(duì)可見(jiàn)光敏感元件 可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍約380760nm，對(duì)這類(lèi)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(jiàn)光，也適用于紅外光。這類(lèi)敏感元件適用了光電計(jì)數(shù)、光電耦合、光電控制等場(chǎng)合。 （3對(duì)紅外光敏感元件 紅外光是紅外線波長(zhǎng)=7601106nm的內(nèi)側(cè)光波，波長(zhǎng)約7606000nm。對(duì)這類(lèi)光敏感的材料有硫化鉛PbS）、硒化鉛PbSe）、銻化銦InSb等，這類(lèi)敏感元件主要用來(lái)探測(cè)不可見(jiàn)目標(biāo)。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(yīng)特性 光敏電阻的光譜特性是指光電流對(duì)不同波長(zhǎng)單色光的相對(duì)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(duì)波長(zhǎng)為300nm左右的紫外光最敏感；硫化鎘光敏波長(zhǎng)的峰值在670nm左右；硫化鉈的敏感波長(zhǎng)范圍很寬，約3001400nm，其峰值波長(zhǎng)為1000nm左右；硫化鉛具有很寬的敏感波長(zhǎng)范圍，其峰值波長(zhǎng)約2300nm。（0.7峰值左右為敏感波長(zhǎng)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(qiáng)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(jì)量元件。 圖84 光敏電阻的光照特性 光照強(qiáng)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(qiáng)度的測(cè)量用照度計(jì)。 （3伏安特性 光敏電阻的伏安特性是指在一定強(qiáng)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(gè)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(lèi)光敏電阻都有最大允許功耗和最大允許電壓的要求，超過(guò)此極限值將會(huì)導(dǎo)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(duì)入射光調(diào)制頻率的響應(yīng)特性。如圖86所示，一般來(lái)說(shuō)，調(diào)制頻率f 越高，電流相對(duì)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(yīng)時(shí)間達(dá)幾百毫秒。光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間不但與元件的材料有

10、關(guān)，而且還與光照強(qiáng)弱有關(guān)，光照越強(qiáng)，響應(yīng)的時(shí)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(duì)；光照停止，電子空穴復(fù)合，需要一定時(shí)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(shí)，它的暗電阻減小，即暗電流增加、靈敏度下降。同時(shí)，溫度上升還引起光譜特性曲線左移，導(dǎo)致光敏電阻敏感波長(zhǎng)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(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí)，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(duì)。在PN結(jié)電場(chǎng)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(fù)電荷，帶負(fù)電，即在P區(qū)

11、和N區(qū)間形成一定伏特?cái)?shù)的電位差，稱之為光生電勢(shì)。圖88 光電池的光電效應(yīng) 二、光電池 1光電池的光電效應(yīng) 光電池是典型的光生伏特效應(yīng)器件。無(wú)光照時(shí)，兩濃度差很大的雜質(zhì)半導(dǎo)體P和N因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成一個(gè)大面積的PN結(jié)，PN結(jié)電場(chǎng)方向是由N區(qū)指向P區(qū)，如圖88所示。 當(dāng)光照射到PN結(jié)上時(shí)，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(duì)。在PN結(jié)電場(chǎng)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(fù)電荷，帶負(fù)電，即在P區(qū)和N區(qū)間形成一定伏特?cái)?shù)的電位差，稱之為光生電勢(shì)。圖88 光電池的光電效應(yīng) 2光電池的基本特性 光電池的種類(lèi)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(lèi)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(duì)不同波長(zhǎng)光的靈敏度是不同的，不同材料的光電池對(duì)入射光波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍是4501100nm，峰值波長(zhǎng)為800nm；硒光電池敏感波長(zhǎng)范圍是380750nm，峰值波長(zhǎng)在500附近。可見(jiàn)，硅光電池適應(yīng)光波長(zhǎng)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(qiáng)度下，有不同的光生電勢(shì)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(shí)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(kāi)路電壓是指光電池輸出端開(kāi)路時(shí)的電壓，即光生電勢(shì)。單片硅光電池的開(kāi)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(kāi)路電壓和短路電流的實(shí)驗(yàn)電路。在此實(shí)驗(yàn)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(kāi)路電壓等于圖a中的光生電勢(shì)E，光電池的短路電流等于圖b中的光生電流I

14、S 。實(shí)驗(yàn)表明，負(fù)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(yīng)盡量選擇負(fù)載電阻小的場(chǎng)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(shí)驗(yàn)電路 （a開(kāi)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(jì)數(shù)的運(yùn)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(kāi)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(kāi)路電壓隨溫度升高而迅速下降，溫度每上升1，開(kāi)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(duì)光電池的光電轉(zhuǎn)換性能影響很大，因而光電池在作為測(cè)量元件使用時(shí)，一定要有恒溫或溫度補(bǔ)償措施。同時(shí)，在強(qiáng)光照射時(shí)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(guò)125。 三、光敏二極管和光敏晶體管 1光敏管的光電效應(yīng) 光敏二極管和光敏晶體管也是典型的光生伏特性效應(yīng)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(yīng)。無(wú)光照射時(shí)，處于反偏狀態(tài)下的光敏二極管呈高阻截止?fàn)顟B(tài)，只有少數(shù)載流子形成極小

16、的暗電流。當(dāng)有光照射時(shí)，光生電子和空穴在PN結(jié)電場(chǎng)和外加反向偏壓的共同作用下，形成光電流I。光照越強(qiáng)，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(dǎo)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(kuò)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(wú)電極引線，工作時(shí)相當(dāng)于基極開(kāi)路，因而無(wú)光照射，只能形成很小的暗電流。當(dāng)有光照射時(shí)，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(jiàn)光敏晶體管有光照時(shí)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(zhǎng)范鍺管的敏感波長(zhǎng)范圍是圍是5005001800nm1800nm，峰，峰值波長(zhǎng)約為值波長(zhǎng)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(cè)可見(jiàn)能比較差，因而測(cè)可見(jiàn)光時(shí)，主要用硅管，

18、探光時(shí)，主要用硅管，探測(cè)紅外光時(shí)，主要用鍺測(cè)紅外光時(shí)，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(shí)，光電流隨光照度加強(qiáng)而緩慢增加，當(dāng)光照度較大時(shí)，光電流又趨于飽和。放大倍數(shù)在小電流和大電流時(shí)都要下降的緣故，光敏晶體管不利于弱光和強(qiáng)光檢測(cè)。（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(jiàn)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(dǎo)體光敏器件中最好的一種，其響應(yīng)速度達(dá)0.1s，截止頻率高，適用于快速變化的光調(diào)制信號(hào)。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(shí)間長(zhǎng)，因而其頻率特性比二極管差。無(wú)論是哪一類(lèi)光敏管，其負(fù)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(wú)論是硅管還是鍺管，對(duì)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(duì)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(duì)光電流影響不大，如圖820b所示。對(duì)于在高溫低照度下工作的光敏晶體管，此時(shí)暗電流上升、亮電流下降，使信噪比減小；為了提高信噪比，應(yīng)采取相應(yīng)的溫度補(bǔ)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(yīng)用 常用光電器件用途很廣，可組成各種實(shí)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(gè)發(fā)光器件和一個(gè)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(lèi)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(jiǎn)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(kāi)關(guān)管組成，由于光敏二極管比光敏三極管的響應(yīng)速度快得多，光敏二極管與高速開(kāi)關(guān)管配合，可獲得1s左右的響應(yīng)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(shí)雖然入射的光很小，但輸出電流可達(dá)幾十mA，故稱其為高效光耦，可以直接驅(qū)動(dòng)后級(jí)電路或執(zhí)行器。圖中d的光電轉(zhuǎn)換器是一個(gè)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(gè)PN結(jié)的半導(dǎo)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(gè)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(shì)壘下降，引起過(guò)量的載流子注入，注入的電子與空穴加速?gòu)?fù)合時(shí)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(zhǎng)約880nm940nm，發(fā)出的是近紅外光波，對(duì)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(guò)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(yùn)算電路，但可以廣泛應(yīng)用于電平轉(zhuǎn)換、電路隔離、固態(tài)繼電器及無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)等控制電路中。 2光電轉(zhuǎn)速計(jì) 圖824是光電轉(zhuǎn)速計(jì)原理圖和計(jì)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(dāng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光通過(guò)遮光盤(pán)上的透光孔照射到光敏晶體管3DU33上，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)4069反向器整形輸出電脈中，根據(jù)電脈沖的個(gè)數(shù)就知道旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。 圖824 光電轉(zhuǎn)速計(jì)（a原理圖 （b電路圖 3反射式固體表面粗糙度計(jì) 圖825是固體表面粗糙度計(jì)原

24、理圖。光源發(fā)出一定照度的光入射到被測(cè)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(cè)表面越光滑，反射到光電池上的光越強(qiáng)，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(cè)表面的粗糙度。 圖825 固體表面粗糙度計(jì) 4透射式薄膜厚度計(jì) 圖826是薄膜厚度計(jì)原理圖。光源發(fā)出一定照度的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡調(diào)制成平行光束，垂直入射到被測(cè)薄膜上，一部分被薄膜吸收和反射，一部分穿過(guò)薄膜出射到光電池上；薄膜越薄，出射光越強(qiáng)，光電池輸出電壓越大。根據(jù)這種原理，不但可以用于檢測(cè)薄膜的厚度，印刷機(jī)紙張監(jiān)控，還可以檢測(cè)液體的混濁度，或氣體和固體的透明度。 圖826 薄膜厚度計(jì) 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(yīng)用越來(lái)越廣泛。紅外遙控器由紅外遙控信號(hào)發(fā)射器、紅外遙控信號(hào)接收器、遙控指令編碼器等部分組成。紅外遙控信號(hào)發(fā)射器電路如圖827所示。圖827 紅外信號(hào)發(fā)生器電路圖 紅外遙控信號(hào)發(fā)射器由鍵盤(pán)矩陣、M50642AP集成電路信號(hào)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(hào)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(shí)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(hào)接收器應(yīng)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(shè)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(hào)發(fā)射器發(fā)射出的遙控信號(hào)，被紅外信號(hào)接收器接收后，調(diào)理成二進(jìn)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(jiǎn)單、成本低、操作方便、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 紅外遙控器在室內(nèi)使用時(shí)，由于近紅外光波具有可見(jiàn)光的反射特性，紅外信號(hào)發(fā)射器發(fā)射的紅外光波，可以通過(guò)室內(nèi)的墻壁反射到紅外信號(hào)接射器的光敏二極管上，因而發(fā)射器不必對(duì)準(zhǔn)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(hào)接收器電路圖n在pn結(jié)電場(chǎng)、外n加電場(chǎng)共同作用下，形成光電流n4.光敏三極管 I 無(wú)光照 基極開(kāi)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(qiáng)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(fù)載電阻小的場(chǎng)合。n光敏管光電流I與光照強(qiáng)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(shí)，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(yīng)特性。n f愈高，Kr電流相對(duì)靈敏度愈低，光照愈強(qiáng)，響n應(yīng)時(shí)間愈短。 第二節(jié) 光柵傳感器 光柵傳感器是用于測(cè)位移的光電傳感器。光透過(guò)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(shí)現(xiàn)角位移或線位移的測(cè)量。用來(lái)測(cè)量角位移的光柵稱作圓光柵，用來(lái)測(cè)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(xué)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(duì)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(guò)，形成亮

29、帶；在bb線上，兩光柵尺彼此錯(cuò)開(kāi)，擋住光線通過(guò)，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(duì)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(dāng)W=0.02mm，=0.01rad時(shí)，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(shí)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(huì)引起莫爾條紋的誤差。因?yàn)樵跍y(cè)量時(shí)，光電元件上接收到的光信號(hào)，是透過(guò)眾多柵條形成亮帶的光信號(hào)，光柵尺的局部缺陷對(duì)亮帶透光量影響極小。 （3莫爾條紋的移動(dòng)大小和方向可以反映兩光柵尺相對(duì)移動(dòng)大小和方向 由圖830可知，當(dāng)固定斜光柵尺、左右移動(dòng)直光柵尺時(shí)，莫爾條紋則作上下移動(dòng)。若被測(cè)體跟隨直光柵尺移動(dòng)，則可根據(jù)莫爾條紋移動(dòng)的大小和方向，判斷被測(cè)體移動(dòng)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(lèi)，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(biāo)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(cè)位移時(shí)，被測(cè)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(yīng)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(cè)位移時(shí)，指示光柵不動(dòng)，主光柵移動(dòng)。 （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(hào)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(guò)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(shí)現(xiàn)位移的測(cè)量。832 反射式光柵傳感器 三、辨向原理 利用莫爾條紋測(cè)量位移

33、時(shí)，由單個(gè)光電元件接收的莫爾條紋光信號(hào)，只能是隨莫爾條紋移動(dòng)而強(qiáng)弱變化的光信號(hào)，這種光強(qiáng)變化不能反映莫爾條紋的移動(dòng)方向。為了辨別莫爾條紋移動(dòng)方向，至少需要兩個(gè)光電元件接收莫爾條紋光信號(hào)，如圖833a所示。在相距1/4莫爾條紋間距BH上分別安裝一個(gè)光電元件1和2，當(dāng)主光柵移動(dòng)時(shí)，透過(guò)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(hào)。透過(guò)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(dāng)主光柵移動(dòng)時(shí)辨向電路各點(diǎn)的輸出波形。 當(dāng)主光柵向左移A向時(shí)，莫爾條紋則上移B向）。此時(shí)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(guò)辨向電路，使輸出端y1無(wú)信號(hào)，y2端輸出正脈沖。且主光柵每左移一個(gè)光柵柵距W 的距離， y2輸出一個(gè)正脈沖，此正脈沖將觸發(fā)加減計(jì)數(shù)器作加1計(jì)數(shù)。 此時(shí)辨向電路輸出端

35、y2無(wú)信號(hào)，y1端輸出正脈沖。即當(dāng)主光柵每右移一個(gè)光柵柵距W 的距離， y1輸出一個(gè)正脈沖，此正脈沖將觸發(fā)加減計(jì)數(shù)器作減1計(jì)數(shù)。由此可見(jiàn)，根據(jù)加減計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)狀態(tài)，就可以辨別主光柵位移的大小和方向。WXUuWXUumm2cos2sin21（83） 當(dāng)主光柵向右移（ A 向時(shí)，莫爾條紋則下移（ B 向）。此時(shí)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(xì)分技術(shù) 由前面分析可知，主光柵每位移一個(gè)柵距W，辨向電路就產(chǎn)生一個(gè)電脈沖，即分辨率為一個(gè)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(duì)柵距W進(jìn)行細(xì)分，即使主光柵每位移一個(gè)柵距，產(chǎn)生多個(gè)脈沖輸出。即減小辨向電路輸出脈沖間隔，提高計(jì)數(shù)脈沖的頻率，故又稱倍頻細(xì)分。下面介紹兩種基本的細(xì)分技術(shù)。 1四倍頻直接細(xì)分 （1用四個(gè)相距1/4莫爾條紋間距BH 光電元件 當(dāng)采用四個(gè)相距1/4莫爾條紋間距BH光電元件接收莫爾條紋的透過(guò)光時(shí)，在四個(gè)光電元件上將產(chǎn)生依次相差/2相角的四個(gè)正弦電壓信號(hào)。用鑒零器分別取4個(gè)信號(hào)的零電平，即在每個(gè)信號(hào)有負(fù)到正過(guò)零點(diǎn)時(shí)發(fā)出一個(gè)脈沖。此時(shí)，主光柵每位移一個(gè)柵距，辨向電路將輸出

37、四個(gè)電脈沖，實(shí)現(xiàn)四倍頻直接細(xì)分。這種細(xì)分的方法受到安裝光電元件個(gè)數(shù)的限制，不可能得到很高的細(xì)分。在采用四細(xì)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(duì)u1和u2 都取反 如圖833b辨向電路，若對(duì)u2也取反，則可得到u1 、 u1和u2 、 u2 四個(gè)矩形脈沖，即在主光柵位移一個(gè)柵距W期間，可以得到四個(gè)等間隔的計(jì)數(shù)觸發(fā)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)四倍頻直接細(xì)分。但這種細(xì)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(xì)分。 四倍頻直接細(xì)分方法簡(jiǎn)單，可用于分辨率要求不太高的場(chǎng)合。 2電阻橋路細(xì)分 圖834是電阻橋路細(xì)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(hào)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(xì)分原理圖 此時(shí)電阻橋平衡的條件為u1R2=u2R1。211221RRRuRuuO（85） 圖834電阻橋路輸出端開(kāi)路(RL=)時(shí)，式84可改寫(xiě)為： 若取 、 ，那么 ， 適當(dāng)選擇R1 或 R2，就可以得到不同的角。 此時(shí)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(duì)應(yīng)地可以獲得主光柵移動(dòng)量X 在0W 范圍內(nèi)細(xì)分。從理論上說(shuō)，在0W 范圍內(nèi)是可以任意細(xì)

39、分，從而得到很高的位移分辨率，實(shí)際上受多方面影響，分得越細(xì)，誤差越大，因而這種細(xì)分也是有限的。 光柵位移傳感器多用于機(jī)床加工及精密儀器中，直光柵移動(dòng)范圍最大為1000mm，分辨率可達(dá)0.1m；圓光柵可測(cè)整圓角度，分辯率可達(dá)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(dǎo)體襯底上生成若干個(gè)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(qiáng)信息轉(zhuǎn)換成按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)。即將其感光面上的光像轉(zhuǎn)換成與光像成相應(yīng)比例關(guān)系的電信號(hào)“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(dòng)、抗電磁干擾、堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)，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(lèi)型，目前應(yīng)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?zhǔn)狡骷﨎BD及MOS等器件。電荷耦合器件CCD是一個(gè)硅光敏半導(dǎo)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(dǎo)體陣列組成，陣列中的每一個(gè)基本單元是一個(gè)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(dǎo)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(dāng)襯底采用P型Si時(shí)，金屬電極上應(yīng)加正偏壓，即AL電極為正、襯底為負(fù)。在正偏壓作用下，界面Si側(cè)的正離子P型半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子受到排斥，形成一個(gè)耗盡區(qū)，此耗盡區(qū)剩下有多余的負(fù)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(gè)低電勢(shì)區(qū)，故又稱其為勢(shì)阱，正偏壓越大，勢(shì)阱越深，能收集的電子越多。但是，在外界沒(méi)有電荷注入的情況下，只有熱生電子掉入勢(shì)阱而形成暗電流；如此同時(shí)熱生空穴流向襯底，并很快達(dá)到熱平衡狀態(tài)，這一短暫的過(guò)程，稱之為熱馳豫過(guò)程。達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的MOS基本單元可等效為一個(gè)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(hào)電荷的注入 在沒(méi)有外界電荷注入時(shí)，CCD各單元?jiǎng)葳蹇煽闯煽遮?。CCD中的信號(hào)電荷可以通過(guò)光注入和電注入兩種方式得到。CCD用作圖像傳感器時(shí)，信號(hào)電荷由光生載流子即光注入得到。當(dāng)有光照時(shí)，光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度，光生電子在正偏壓下迅速注入勢(shì)阱；光照越強(qiáng)，注入的光生電子就越多，此時(shí)勢(shì)阱中的光生電子數(shù)反映光照強(qiáng)度，故稱勢(shì)阱中的電荷為信號(hào)電荷。這樣，就把光的強(qiáng)弱變成電荷的數(shù)量的多少，實(shí)現(xiàn)光電的轉(zhuǎn)換。勢(shì)阱中的電子是被存儲(chǔ)狀態(tài)，即使停止光照，一定時(shí)間內(nèi)不會(huì)丟失，實(shí)現(xiàn)對(duì)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?jiǎng)葳迨占牟坏刃盘?hào)電荷數(shù)，可以反映一幅空間的光圖像。 總之，CCD結(jié)構(gòu)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)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(qiáng)產(chǎn)生的積累電荷，潛影是各個(gè)像素留在電容器里的電荷不等形成的，若能設(shè)法將各個(gè)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(guò)顯影，就實(shí)現(xiàn)了圖像的傳遞。 CCD用作信號(hào)處理或存儲(chǔ)器件時(shí)，電荷輸入采用電注入。 2信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移 為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的讀出，首先需要將各勢(shì)阱中的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到移位寄存器中去。信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移是在每次曝光結(jié)束時(shí)，通過(guò)轉(zhuǎn)移柵的控制，即時(shí)迅速地將各勢(shì)阱中的信號(hào)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(gè)遮光層通常在襯底的底部），避免進(jìn)入移位寄存器的信號(hào)電荷再次感光。 3信號(hào)電荷的讀出 移位寄存器中的信號(hào)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(dòng)結(jié)構(gòu)為例,介紹信號(hào)電荷的讀出操作。 圖836 三相時(shí)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(shí)鐘脈沖電壓1、2、3作用下，移位寄存器中的信號(hào)電荷由左向右移位串行輸出，如圖837所示。 當(dāng)時(shí)鐘t0t t1時(shí)，1為高電平，接于1下的MOS1、4、7各單元電極下的勢(shì)阱最深，接收的信號(hào)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(wú)勢(shì)阱，如圖837a所示。 當(dāng)時(shí)鐘t1t t3時(shí)， 1電平下降， 2為高電平，此時(shí)接于1下的各單元?jiǎng)葳逯械碾姾上?極下右移；接于1下的各單元?jiǎng)葳逵缮钭儨\，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(wú)勢(shì)阱，如圖837b所示。 當(dāng)時(shí)鐘t3t t5時(shí)， 1變?yōu)榈碗娖?，接?下的各單元?jiǎng)葳逑?。此時(shí)

46、2電平下降， 3變?yōu)楦唠娖?，接?下的各單元?jiǎng)葳逯械碾姾上?極下右移；接于2下的各單元?jiǎng)葳逵缮钭儨\，接于3下的MOS3、6、9各單元電極下的勢(shì)阱變?yōu)樯钰?。圖837 移位寄存器中信號(hào)電荷的左移 由上分析可知，MOS陣列中的信號(hào)電荷是按照一定的時(shí)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(shí)間較長(zhǎng)2030ms），以獲得足夠的光強(qiáng)信息；轉(zhuǎn)移寄存和輸出的時(shí)間短s級(jí)），且采取遮光措施，避免信號(hào)電荷受到干擾而使輸出的圖像模糊。由圖837分析的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移的過(guò)程，實(shí)際上是相鄰MOS單元電荷耦合的過(guò)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(hào)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(yīng)用于對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的攝像、遙測(cè)、文字或圖像信息的識(shí)別等許多領(lǐng)域。