第8章光電式傳感器

第八章光電傳感器

1第一節(jié)

概述第二節(jié)光源第三節(jié)

常用光電器件第四節(jié)

新型光電器件-固態(tài)圖像傳感器第五節(jié)光電式感器2光電傳感器是采用光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為光信號(hào)的變化，然后借助光電器件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。3第一節(jié)概述光電傳感器通常由光源、光學(xué)通路、光電器件和測(cè)量電路組成。

光電傳感器原理框圖4第二節(jié)光源一、對(duì)光源的要求1、光源必須有足夠的照度2、光源應(yīng)保證均勻、無遮擋或陰影3、光源的照射方式應(yīng)符合傳感器的測(cè)量要求4、光源的發(fā)熱量應(yīng)盡可能小5、光源發(fā)出的光必須具有合適的光譜范圍5光譜的有關(guān)知識(shí)光波：波長(zhǎng)為10—106nm的電磁波可見光：波長(zhǎng)380—780nm紫外線：波長(zhǎng)10—380nm，

波長(zhǎng)300—380nm稱為近紫外線波長(zhǎng)200—300nm稱為遠(yuǎn)紫外線波長(zhǎng)10—200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，紅外線：波長(zhǎng)780—106nm

波長(zhǎng)3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長(zhǎng)超過3μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。6二、常用光源1、熱輻射光源--鎢絲燈泡（白熾燈）2、氣體放電光源—熒光燈（節(jié)能燈）3、發(fā)光二極管（LED-lightemittingdiode）：由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成，能將電能轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件。7LED發(fā)光機(jī)理：在半導(dǎo)體PN結(jié)中，P區(qū)的空穴由于擴(kuò)散而移動(dòng)到N區(qū)，N區(qū)的電子則擴(kuò)散到P區(qū)，由于擴(kuò)散作用，在PN結(jié)處形成勢(shì)壘，從而抑制了空穴和電子的繼續(xù)擴(kuò)散。當(dāng)PN結(jié)上加有正向電壓時(shí)，勢(shì)壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴則由P區(qū)注入到N區(qū)，稱為少數(shù)載流子注入。注入到P區(qū)的電子和P區(qū)里的空穴復(fù)合，注入到N區(qū)的空穴和N區(qū)的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時(shí)伴隨著以光子形式釋放出能量，因而在PN結(jié)有發(fā)光現(xiàn)象。84、激光器--氦氖激光器激光的特性：教材P180教材P312激光檢測(cè)9一、光電效應(yīng)第三節(jié)常用光電器件二、外光電效應(yīng)器件三、內(nèi)光電效應(yīng)器件101、概念一、光電效應(yīng)光電效應(yīng)：指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，而產(chǎn)生的電效應(yīng)。每個(gè)光子具有的能量為：11（1）外光電效應(yīng)在光線作用下能使電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。也稱光電發(fā)射。根據(jù)能量守恒定理該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。2、類型12愛因斯坦光電效應(yīng)方程描述了外光電效應(yīng)的基本規(guī)律：A）光電子能否產(chǎn)生，取決于入射光子能量是否大于該物體的逸出功A。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的產(chǎn)生外光電效應(yīng)的最低頻率，稱為紅限或波長(zhǎng)限。13B）當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)越強(qiáng)，意味著入射光子的數(shù)目越多，逸出的光電子數(shù)目也就越多。C）光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能，因此外光電效應(yīng)器件即使沒有加陽極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生。14當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。（2）內(nèi)光電效應(yīng)15

B)

光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。A）

光電導(dǎo)效應(yīng)在光的作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。16所謂光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。通常分為兩類：

1)外光電效應(yīng)：在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象，如光電管、光電倍增管等。2)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象。如光敏電阻、光敏晶體管等。光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，如光電池等。17一)光電管光電管的結(jié)構(gòu)示意圖光陽極光電陰極光窗光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。結(jié)構(gòu)相似，如圖。二、外光電效應(yīng)器件18光電管正常工作時(shí)，陽極A電位高于陰極K。如圖。在入射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。光電管測(cè)量電路圖

19光電倍增管主要由光陰極K、倍增極D和陽極A組成。依分裝方法，分成端窗式和側(cè)窗式兩大類。光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖

二)光電倍增管20三、內(nèi)光電效應(yīng)器件利用物質(zhì)在光的照射下導(dǎo)電性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。一）光電導(dǎo)效應(yīng)器件1、光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。211--光導(dǎo)層;2--玻璃窗口;3--金屬外殼;4--電極;5--陶瓷基座;6--黑色絕緣玻璃;7--電阻引線。RG1234567(a)結(jié)構(gòu)

(b)電極

(c)符號(hào)為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，如圖CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號(hào)1）光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)222）光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1）暗電阻、亮電阻、光電流暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經(jīng)過一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)在給定電壓下流過的電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時(shí)流過的電流。光電流：亮電流與暗電流之差。23（2）光照特性下圖表示CdS光敏電阻的光照特性。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。012345I/mAL/lx1000200024（3）光譜特性

光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。204060801004080120160200240λ/μm312相對(duì)靈敏度1——硫化鎘2——硒化鎘3——硫化鉛25（4）伏安特性

在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。圖中曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時(shí)的伏安特性。5010015020012U/V02040I/μA26（5）頻率特性20406080100I/%f/Hz010102103104當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。硫化鉛硫化鎘27（6）溫度特性隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。硫化鎘的光電流I和溫度T的關(guān)系如圖所示。光電流I/μA100150200-50-10305010-30T/oC2040608010001.02.03.04.0λ/μmI/mA+20oC-20oC283）光敏電阻的檢測(cè)：A、用黑紙片將光敏電阻的透光窗口遮住，此時(shí)萬用表的指針基本保持不動(dòng)，阻值接近無窮大。此值越大說明光敏電阻性能越好。B、將光源對(duì)準(zhǔn)光敏電阻的透光窗口，此時(shí)萬用表的指針應(yīng)有較大幅度的擺動(dòng)，阻值明顯減小，此值越小說明光敏電阻性能越好。

C、將光敏電阻透光窗口對(duì)準(zhǔn)入射光線，用黑紙片在光敏電阻的遮光窗上部晃動(dòng)，使其間斷受光，此時(shí)萬用表指針應(yīng)隨黑紙片的晃動(dòng)而左右擺動(dòng)。292.光敏二極管光敏二極管裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，如圖所示。PN光光敏二極管符號(hào)RL

光PN光敏二極管接線

30光敏二極管在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流。光敏二極管的光電流I與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。313.光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，如圖。它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴(kuò)大光的照射面積,且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓,基極開路時(shí),集電極處于反向偏置狀態(tài)。PPNNNPeb

bcRLEec32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）光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理+光PN－SiO2RL(a)光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b)光電池的工作原理示意圖PN二）光生伏特效應(yīng)器件--光電池

利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。33IUIdUIRLIΦ(a)(b)(c)光電池符號(hào)和基本工作電路及等效電路34下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0（1）光照特性2）.基本特性勒克斯(lx)：光照度的單位。光照度是受光表面上光通量的面密度，即單位面積的光通量。35204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm(2)光譜特性從曲線可看出，硒光電池適宜測(cè)可見光。硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。1——硒光電池2——硅光電池36(3)頻率特性頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。204060801000I/%1234512f/kHz1——硒光電池2——硅光電池37（4）溫度特性溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。2004060904060UOC/mVT/oCISCUOCISC

/μA600400200UOC——開路電壓ISC——短路電流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線38一、CCD的基本結(jié)構(gòu)第四節(jié)新型光電器件-固態(tài)圖像傳感器二、CCD工作原理三、CCD圖像傳感器39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)移器件最常用的是電荷耦合器件。40CCD是一種高性能光電圖像傳感器件，由若干個(gè)電荷耦合單元組成，其基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）電容器結(jié)構(gòu)。一、CCD的基本結(jié)構(gòu)CCD單元結(jié)構(gòu)41P1P4P2P5P3P6P1P4P2P5P3P6P1P4P2P5P3P6P1P4P2P5P3P6(a)Ф1Ф2Ф3t1t2t3t4tФ(b)電荷轉(zhuǎn)移過程t=t1t=t2t=t3t=t40二、CCD工作原理——轉(zhuǎn)移原理421．線型CCD圖像傳感器轉(zhuǎn)移柵光敏單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光敏單元輸出轉(zhuǎn)移柵(a)(b)線型CCD圖像傳感器輸出三、CCD圖象傳感器432．面型CCD圖像