第6章光敏传感器

1、123456汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为用的光源，统称为光谱灯光谱灯78NP+-UiD+_9101112131415161720012hmA1819 gcEhc 202122232425262728293031)401 ( /niiI323334梳状电极光电导透光窗口外壳绝缘基体玻璃支柱引脚AA353637383940414243444546474849505152535455565758NNP59 存在一个最佳灵敏度波长存在一个最佳灵敏度波长60204060801000Lx6162636465666768696.5.3、

2、光固态图象传感器、光固态图象传感器由由光敏元件阵列光敏元件阵列和和电荷转移器件电荷转移器件集合而成。它的核心是集合而成。它的核心是电荷转移器件电荷转移器件CTD(Charge Transfer Device), ,最常用的最常用的是电荷耦合器件是电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD自自1970年问世以后，由于它的低噪声等特点，年问世以后，由于它的低噪声等特点，CCD图图象传感器广泛的被应用在微光电视摄像、信息存储和信象传感器广泛的被应用在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面。息处理等方面。70当向当向SiOSiO2 2表面的电极加正偏压时，表面的电极加正偏

3、压时，P P型硅衬底中形成耗型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内，形成电荷包（势阱）。下的区域内，形成电荷包（势阱）。对于对于N N型硅衬底型硅衬底的的CCDCCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。1 1CCDCCD的结构和基本原理的结构和基本原理P型Si耗尽区电荷转移方向123输出栅输入栅输入二极管输出二极管 SiO271 如何实现电荷定向转移呢？电荷转移的控制方法，如何实现

4、电荷定向转移呢？电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。荷定向转移的过程。 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电荷转移过程722 2线型线型CCDCCD图像传感器图像传感器由一列光敏元件与一列由一列光敏元件与一列CCDCCD并行且对应的构成一个

5、主体并行且对应的构成一个主体, ,在它们之间设有一个转移控制栅。当入射光照射在光敏在它们之间设有一个转移控制栅。当入射光照射在光敏元件阵列上元件阵列上, ,梳状电极施加高电压时梳状电极施加高电压时, ,光敏元件聚集光敏元件聚集光电光电荷荷, ,进行光积分进行光积分, ,光电荷与光照强度和光积分时间成正比光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时。在光积分时间结束时, ,转移栅上的电压提高转移栅上的电压提高( (平时低电平时低电压压),),与与CCDCCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后对应的电极也同时处于高电压状态。然后, ,降降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行

6、低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到地转移到移位寄存器移位寄存器中。当转移完毕中。当转移完毕, ,转移栅电压降低转移栅电压降低, ,梳妆电极电压回复原来的高电压状态梳妆电极电压回复原来的高电压状态, ,准备下一次光积准备下一次光积分周期。同时分周期。同时, ,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲, ,将存储的电荷从将存储的电荷从CCDCCD中转移中转移, ,由输出端输出由输出端输出, ,从而读出电从而读出电荷图形。荷图形。转移栅光积分单元不透光的电荷转移结构输出73 目前，实用的线型目前，实用的线型CCDCCD图像传感器为双行结构，图像传感器

7、为双行结构，如图。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到如图。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。光积分区输出转移栅74面型CCD图像传感器结构二相驱动视频输出 行扫描发生器输出寄存器检波二极管二相驱动感光区沟阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3 感光区 存储区析像单元 视频输出输出栅串行读出(a)(b)3 3面型面型CCDCCD图像传感器图像

8、传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。 75光栅报时钟二相驱动输出寄存器检波二极管 视频输出垂直转移寄存器感光区二相驱动(c)764、光电耦合器、光电耦合器由一发光元件和一光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。绝缘玻璃发光二极管透明绝缘体光敏三极管塑料发光二极管光敏三极管透明树脂1 1） 光电耦合器的结构光电耦合器的结构采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此来提高灵敏度。(a)金属密封型(b)塑料密封型采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。772. 2.

9、 光电耦合器的组合形式光电耦合器的组合形式 光电耦合器的组合形式有多种。 (a)(b)(c)(d)光电耦合器的组合形式该形式结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内。该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。78指纹锁指纹锁门禁门禁光光电电鼠鼠标标6.6 6.6 光传感器的应用举例光传感器的应用举例79光电开关光电开关结构与外形光电开关结构与外形80例例1：直射式光电转速传感器：直射式光电转速传感器8182调制盘

10、)(a)(b)(c832、光电池应用 光电池主要有两大类型的应用：作光伏器件使用作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。这是全世界范围内人们所追求、探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。作光电转换器件应用作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。 光电池应用举例如下： 841 1）太阳电池电源）太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池太阳电池电

11、源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如下图。源系统框图如下图。 调节控制器逆变器 交流负载太阳电池方阵 直流负载太阳能电池电源系统阻塞二极管852 2）光电池在光电检测和自动控制方面的应用）光电池在光电检测和自动控制方面的应用 光电池作为光电探测使用时，其基本原理光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不

12、需要外工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。86光电追踪电路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路87 上图为光电地构成的光电跟踪电路，上图为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的

13、同类光电池作为光电接用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的构进行纠正，以此达到跟踪的目的。88BG2BG1+12VUC J R1 R2光电开关 下图所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。下图所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较

14、高的电动势，只要光强大于光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。89光电池触发电路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW 下图为光电池触发电路。当光电池受光照下图为光电池触发电路。当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，改变其工作状态或触发器件改变其工作状态或触发器件(如可控硅如可控硅)导通导通。90+12V5G23光电池放大电路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432下图为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度下图为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱、纸张的灰度等场合，可用该电