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(dǎo)透光窗口外殼絕緣基體玻璃支柱引腳AA353637383940414243444546474849505152535455565758NNP59 存在一個(gè)最佳靈敏度波長(zhǎng)存在一個(gè)最佳靈敏度波長(zhǎng)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(zhuǎn)移器件電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件電荷轉(zhuǎn)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(wèn)世以后，由于它的低噪聲等特點(diǎn)，年問(wèn)世以后，由于它的低噪聲等特點(diǎn)，CCD圖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。息處理等方面。70當(dāng)向當(dāng)向SiOSiO2 2表面的電極加正偏壓時(shí)，表面的電極加正偏

3、壓時(shí)，P P型硅襯底中形成耗型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢(shì)阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。盡區(qū)（勢(shì)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)，形成電荷包（勢(shì)阱）。下的區(qū)域內(nèi)，形成電荷包（勢(shì)阱）。對(duì)于對(duì)于N N型硅襯底型硅襯底的的CCDCCD器件，電極加正偏壓時(shí)，少數(shù)載流子為空穴。器件，電極加正偏壓時(shí)，少數(shù)載流子為空穴。1 1CCDCCD的結(jié)構(gòu)和基本原理的結(jié)構(gòu)和基本原理P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向123輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管 SiO271 如何實(shí)現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移呢？電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，如何實(shí)現(xiàn)

4、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。下面以三相控制方式為例說(shuō)明控制電等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程。荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)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(zhuǎn)移過(guò)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(duì)應(yīng)的構(gòu)成一個(gè)

5、主體并行且對(duì)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。當(dāng)入射光照射在光敏在它們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵。當(dāng)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(shí)梳狀電極施加高電壓時(shí), ,光敏元件聚集光敏元件聚集光電光電荷荷, ,進(jìn)行光積分進(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)。在光積分時(shí)間結(jié)束時(shí), ,轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高( (平時(shí)低電平時(shí)低電壓壓),),與與CCDCCD對(duì)應(yīng)的電極也同時(shí)處于高電壓狀態(tài)。然后對(duì)應(yīng)的電極也同時(shí)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(zhuǎn)移到地轉(zhuǎn)移到移位寄存器移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢, ,轉(zhuǎn)移柵電壓降低轉(zhuǎn)移柵電壓降低, ,梳妝電極電壓回復(fù)原來(lái)的高電壓狀態(tài)梳妝電極電壓回復(fù)原來(lái)的高電壓狀態(tài), ,準(zhǔn)備下一次光積準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時(shí)分周期。同時(shí), ,在電荷耦合移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖在電荷耦合移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖, ,將存儲(chǔ)的電荷從將存儲(chǔ)的電荷從CCDCCD中轉(zhuǎn)移中轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)輸出73 目前，實(shí)用的線型目前，實(shí)用的線型CCDCCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，圖像傳感器

7、為雙行結(jié)構(gòu)，如圖。單、雙數(shù)光敏元件中的信號(hào)電荷分別轉(zhuǎn)移到如圖。單、雙數(shù)光敏元件中的信號(hào)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(lái)光敏信號(hào)電荷的順序。樣就形成了原來(lái)光敏信號(hào)電荷的順序。光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵74面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)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(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(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。 75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)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(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)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(shù)脂1 1） 光電耦合器的結(jié)構(gòu)光電耦合器的結(jié)構(gòu)采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)，在其中部對(duì)接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏二極管對(duì)準(zhǔn)，以此來(lái)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(jié)構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再用透明樹(shù)脂固定，具有集光作用，故此種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。該形式采用高速開(kāi)關(guān)管構(gòu)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(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動(dòng)和較低頻率的裝置中。該形式采用功能器件構(gòu)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(biāo)標(biāo)6.6 6.6 光傳感器的應(yīng)用舉例光傳感器的應(yīng)用舉例79光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)與外形光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)與外形80例例1：直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器：直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器8182調(diào)制盤

10、)(a)(b)(c832、光電池應(yīng)用 光電池主要有兩大類型的應(yīng)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(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽(yáng)能電池。這是全世界范圍內(nèi)人們所追求、探索新能源的一個(gè)重要研究課題。太陽(yáng)能電池已在宇宙開(kāi)發(fā)、航空、通信設(shè)施、太陽(yáng)電池地面發(fā)電站、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用，需要光電池具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短等特性，但不必需要像太陽(yáng)電池那樣的光電轉(zhuǎn)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(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。 光電池應(yīng)用舉例如下： 841 1）太陽(yáng)電池電源）太陽(yáng)電池電源 太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池方陣、蓄電池太陽(yáng)電池電

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

12、需要外工藝不完全相同。由于光電池工作時(shí)不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率加電壓；光電轉(zhuǎn)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(cè)距、激光準(zhǔn)直、電影還音、光電耦合、光柵測(cè)距、激光準(zhǔn)直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等。86光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2光電池在檢測(cè)和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路光電池在檢測(cè)和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路87 上圖為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，上圖為光電地構(gòu)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(dāng)入射光通量相同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)收器件。當(dāng)入射光通量相同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí)，電路輸出差動(dòng)信號(hào)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)有偏差時(shí)，電路輸出差動(dòng)信號(hào)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的。88BG2BG1+12VUC J R1 R2光電開(kāi)關(guān) 下圖所示電路為光電開(kāi)關(guān)，多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。下圖所示電路為光電開(kāi)關(guān)，多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。無(wú)光照時(shí)，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，產(chǎn)生較

14、高的電動(dòng)勢(shì)，只要光強(qiáng)大于光電池受光照射時(shí)，產(chǎn)生較高的電動(dòng)勢(shì)，只要光強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開(kāi)關(guān)目的。某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開(kāi)關(guān)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(dāng)光電池受光照下圖為光電池觸發(fā)電路。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，射時(shí)，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，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(dǎo)通導(dǎo)通。90+12V5G23光電池放大電路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432下圖為光電池放大電路。在測(cè)量溶液濃度、物體色度下圖為光電池放大電路。在測(cè)量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場(chǎng)合，可用該電路作前置級(jí)，把微弱、紙張的灰度等場(chǎng)合，可用該電