传感器技术教学课件：第6章 光电式传感器

1、第六章 光电式传感器 本章重要介绍以下几个内容: 1、光电效应及其分类 2、各种外光电效应器件的原理和结构3、各种内光电效应器件的原理和结构 4、图像传感器的原理和结构 5、各种光电传感器的实际应用 重点是掌握光电效应的原理，熟悉各种光电传感器的应用。 光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号的一种传感器，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。 被测量可能直接作用于光源，使它发出的光发生变化，也可能作用在光通过的路径上，使通过后的光发生变化。被测量被测量光源光电器件概述 光电式传感器可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度和气体成分等，也可用于检测能间接转

2、换成光量变化的其它非电量，如几何尺寸、位移、振动、速度等。 光电器件响应快、结构简单、而且有较高的可靠性, 因此在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。光电效应可分为： 外光电效应 内光电效应 6.1 光电效应 光可以认为是由具有一定能量的粒子所组成，而每一个粒子具有的能量E与其频率大小成正比，光照射就可看成是一连串具有能量E的粒子轰击在物体上，物体吸收了这些能量为E的粒子后产生的效应为光电效应。光电导效应 光生伏特效应 6.1光电效应 6.1.1外光电效应 在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应，也叫光电发射效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料

3、。 光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个 光子具有的能量是： 普朗克常数( ) 光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大能否产生外光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。 爱因斯坦的光电效应方程 ：如果光子的能量E大于电子的逸出功A，这时逸出物体表面的电子就具有动能，产生光电子发射。 由能量守恒定律有：常见的器件有光电管、光电倍增管等 6.1光电效应 6.1.1外光电效应 光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量后而引起物质电导率发生变化的现象称为光电导效应。 这种效应几乎所有高电阻 率半导体都有，为使电子从 价带激发到导带，入射光子 的能量E0应大于禁带宽度Eg。 基

4、于光电导效应的光电器件常见的有光敏电阻。 在光线照射的作用下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。 6.1 光电效应 6.1.2内光电效应光生伏特效应： 在光线照射下，光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结两端产生电动势的效应。为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？ 有下面两种情况： 不加偏压的PN结 处于反偏的PN结 6.1 光电效应 6.1.2内光电效应 不加偏压的PN结 当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体 禁带能量（E0 Eg）,可激发出电子空穴对， 在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N 区，使P区和N区之

5、间产生电压，这个电压就是光生 电动势。 基于这种效应的器件 有光电池 6.1 光电效应 6.1.2内光电效应 处于反偏的PN结： 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； 有光照时，光子能量足够大产生光生电子空穴对， 在PN结电场作用下，形成光电流， 光照越大光电流越大。 具有这种性能的器件有： 光敏二极管、光敏晶体管。 6.1 光电效应 6.1.2内光电效应 6.2 基于外光电效应的器件(1)光电管 光电管是内装有光阴极和阳极的真空玻璃管。 工作原理：当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（EA），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，

6、电流在回路电阻R上产生正比于电流大小的压降。因此 6.2 基于外光电效应的器件(1)光电管 （1）真空光电管 真空光电管由一个阴极K和一个阳极A构成，共同封装在一个真空玻璃泡内，阴极K和电源负极相联，阳极A通过负载电阻同电源正极相接，因此管内形成电场。 当光照射阴极时，电子便从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，形成电流，该电流引起负载上的压降随光照强弱而变化，从而实现了光信号转换为电传号的目的。 6.2 基于外光电效应的器件(1)光电管 真空光电管的伏安特性曲线如图所示，其饱和光电流与入射光的强度成正比。 一般工作电压选择在饱和区，但要尽可能小一些。 由于光电子逸出物体表面具有初始动能。 因此

7、光电管即使未加阳极电压，也会有光电流产生。 6.2 基于外光电效应的器件(1)光电管阳极饱和光电流入射光的强度 6.2 基于外光电效应的器件(1)光电管 （2）充气光电管 如果在玻璃钢管内充入少量的惰性气体（如氩、氖等），即构成充气光电管。 当充气光电管的阴极被光照射后，产生的光电子在飞向阳极的途中，对惰性气体进行轰击，使其电离，从而产生更多的自由电子，形成数倍于真空光电管的光电流，提高了光电变换的灵敏度。 但充气光电管的光电流与入射光强度不成比例关系，所以较少采用。充气光电管的管内可充单纯气体或混合气体。 6.2 基于外光电效应的器件(1)光电管光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击

8、固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。所谓的二次电子是指当电子或光子以足够大的速度轰击金属表面而使金属内部的电子再次逸出金属表面，这种再次逸出金属表面的电子叫做二次电子。 6.2 基于外光电效应的器件(2)光电倍增管光电倍增管的光电转换过程： 当入射光的光子打在光电阴极上时，光电阴极发射出电子，该电子流又打在电位较高的第一倍增极上，于是又产生新的二次电子；第一倍增极产生的二次电子又打在比第一倍增极电位高的第二倍增极上，该倍增极同样也会产生二次电子发射，如此连续进行下去，直到最后一级的倍增极产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止，从而在整个回路里形成光电流IA 。 6.2 基于外光电效

9、应的器件(2)光电倍增管光电倍增管倍增系数与工作电压关系 6.2 基于外光电效应的器件(2)光电倍增管 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。 光敏电阻结构及符号 6.3 内光电效应器件-光电导器件(1)光敏电阻光敏电阻主要参数 暗电阻无光照时的电阻； 暗电流无光照时的电流； 亮电阻、亮电流受光照时的阻值、电流； 光电流亮电流与暗电流之差称光电流 光电流=亮电流-暗电流 暗电流越小，亮电流越大，则灵敏度越高。 6.3 内光电效应器件(1)光敏电阻 伏安特性 给定偏压 光照越大光电流越大； 给定光照度 电压

10、越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和， 但受最大功耗限制。 光敏电阻伏安特性 6.3 内光电效应器件(1)光敏电阻-基本特性光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系。 光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中作为开关时光电信号传感元件。 6.3 内光电效应器件(1)光敏电阻-基本特性 光谱特性 光敏电阻灵敏度与入射波长有关; 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关。 例图： 硫化镉（CdS）0.30.8(m) 硫化铅（PbS）1.03.5(m) 锑化铟（InSb）1.07.3(m) 6.3 内光电效应器件(1)光敏电阻-基本特性光敏电阻的频率特

11、性100806040200101001000100002硫化铊1硫化铅f / HzSr / % 光电器件相对光谱灵敏度(输出端电压(电流)的振幅)随调制光频率的变化关系称为光电器件的频率特性。由于光电器件有一定的惰性,在一定幅度的正弦调制光照射下,当频率较低时,灵敏度与频率无关;若频率增高,灵敏度就会逐渐降低。频率特性 6.3 内光电效应器件(1)光敏电阻-基本特性 温度特性 光敏电阻的灵敏度、 暗电流与温度的关系。 温度特性可用温度系数来表示： 6.3 内光电效应器件(1)光敏电阻-基本特性 温度对光谱特性的影响： 6.3 内光电效应器件(1)光敏电阻-基本特性 光敏二极管结构与一般二极管相

12、似，它们都有一个PN结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大。 6.3 内光电效应器件-光生伏特器件(2)光敏二极管工作原理： 光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态， 无光照时，反向电阻很大， 反向电流很小； 有光照时，PN结处产生光生 电子空穴对；在电场作用下 形成光电流，光照越强光电 流越大； 光敏二极管基本电路 6.3 内光电效应器件(2)光敏二极管 基本特性： 光照特性 光谱特性 伏安特性 频率特性 温度特性 6.3 内光电效应器件(2)光敏二极管 伏安特性 当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，光生电流趋于饱和，

13、这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。光敏二极管的伏安特性 6.3 内光电效应器件(2)光敏二极管光敏晶体管工作原理主要基于内光电效应。 特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、 可靠性高; 广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。 6.3 内光电效应器件(3)光敏晶体管 与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极 集电极结作为光敏二极管，集电极做受光极。 大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。 6.3 内光电效应器件(3)光敏晶体管光敏晶体管具有放大作用，伏安特性曲线 如图所示 光敏晶体管伏安特性 6.3

14、 内光电效应器件(3)光敏晶体管 光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。 光电池种类很多，有硒光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。光 电 池 符 号 6.3 内光电效应器件(4)光电池 结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。 原理：当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.2V0.6V电压50mA电流。 光电池结构 光电池工作原理图 6.3 内光电效应器件(4)光电池光照特性 光电池的输出短路

15、电流与光照有较好的线性关系。这里的短路电流就是负载电阻相对于光电池内阻来说很小时的电流值光电池的开路电压与光照度关系呈非线性。 6.3 内光电效应器件(4)光电池光谱特性 光谱特性表示的是光线波长和相对光谱灵敏度之间的关系。 光电池对不同的波长，灵敏度不同。 6.3 内光电效应器件(4)光电池温度特性曲线 开路电压随温度升高下降较快，而短路电流随温度升高缓慢增加。因此当光电池作测量元件时，在系统设计中就应该考虑到温度的影响，从而采取相应措施。 6.3 内光电效应器件(4)光电池1：什么是图像传感器图像传感器是传感技术中最主要的一个分支，广泛应用于各种领域，它是PC 机、多媒体世界今后不可缺少

16、的外设，也是保安器件，包括光 电鼠标、支持数码照相技术的手 机以及消费电子、医药和工业市 场中的各种新应用。每种应用都有其独特的客户系统要求。 6.4 图像图像传感器属于光电产业里的光电元件类，随着数码技术、半导体制造技术以及网络的迅速发展 ，目前市场和业界都面临着跨越 各平台的视讯、影音、通讯大整 合时代的到来，勾划着未来人类 的日常生活的美景。以其在日常生活中的应用，无疑要属数码相机产品，其发展速度可以用日新月异来形容。短短的几年，数码相机就由几十万像素，发展到、万像素甚至更高。不仅在发达的欧美国家，数码相机已经占有很大的市场，就是在发展中的中国，数码相机的市场也在以惊人的速度在增长，因此

17、，其关键零部件图像传感器产品就成为当前以及未来业界关注的对象，吸引着众多厂商投入。图像传感器的分类以产品类别区分，图像传感器产品主要分为（ Charge Coupled Device ，电荷耦合元件）、S（Complementary Metal-Oxide Semiconductor ，金属氧化物半导体元件）以及CIS(Contact Image Sensor) 接触式图像传感器三种。这里将主要简介以及传感器的技术和产业发展现状。1.什么是CCD图像传感器2.CCD传感器工作原理3.CCD传感器的优点1.什么是CCD图像传感器CCD：电荷藕合器件图像传感器CCD（ChargeCoupledDe

18、vice），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转 换成数字信号，数字信号经过压 缩以后由相机内部的闪速存储器 或内置硬盘卡保存，因而可以轻 而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。CCD结构示意图 显微镜下的MOS元表面 2电荷耦合器件的结构和工作原理1.基本结构CCD基本结构分两部分：（1）MOS（金属氧化物半导体） 光敏元阵列；电荷耦合器件是在

19、半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线阵或面阵有规则地排列。（2）读出移位寄存器。MOS电容 CCD 是由规则排列的金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor,MOS）电容阵列组成。 MetalOxideSemiconductor 2. 电荷耦合器件的工作原理CCD光信息电脉冲脉冲只反映一个光敏元的受光情况脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置完成图像传感特点：以电荷作为信号基本功能：电荷的存贮和转移CCD基本工作原理信号电荷的产生信号电荷的存贮信号电荷的传输信号电荷的检测光电导

20、效应(1)信号电荷的产生当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。(2)信号电荷的存储 一个MOS结构元为MOS光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包； CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱； 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合器件的

21、光电物理效应基本原理。电荷耦合器件的光电物理效应读出移位寄存器a.CCD电荷耦合器件是以电荷为信号。b.读出移位寄存器也是MOS结构。c.由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元,在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲123。 （3）电荷转移原理图像传感器的转移过程 6.4 图像传感器 图像传感器的转移过程 6.4 图像传感器 6.4 图像传感器 线阵CCD图像传感器结构 6.4 图像传感器 帧转移面阵图像传感器的结构 3.CCD传感器的优点1.高解析度；2.低杂讯高敏感度3.动态范围广；4.良好的线性特性曲线5.大面积感光；6.低影像失真7.体积小、重量轻；8.低秏电力，不受强电磁场影响9.电荷

22、传输效率佳10.可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。1.高解析度（High Resolution）：像点的大小为m级，可感测及识别精细物体，提高影像品质。从早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素数目从初期的10多万增加到现在的400500万像素；2.低杂讯（Low Noise）高敏感度：具有很低的读出杂讯和暗电流杂讯，因此提高了信噪比（SNR），同时又具高敏感度，很低光度的入射光也能侦测到，其讯号不会被掩盖，使的应用较不受天候拘束；3.动态范围广（High Dynamic Range）：同时侦测及分办强光和弱光，提高系统环境的使用范围，不因亮度

23、差异大而造成信号反差现象。4.良好的线性特性曲线（Linearity）：入射光源强度和输出讯号大小成良好的正比关系，物体资讯不致损失，降低信号补偿处理成本；高光子转换效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被记录下来，若配合影像增强管及投光器，即使在暗夜远处的景物仍然还可以侦测得到；5.大面积感光（Large Field of View）：利用半导体技术已可制造大面积的D晶片，目前与传统底片尺寸相当的35mm的已经开始应用在数码相机中，成为取代专业有利光学相机的关键元件；光谱响应广（Broad Spectral Response）：能检测很宽波长范围的光

24、，增加系统使用弹性，扩大系统应用领域；6.低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感测器，其影像处理不会有失真的情形，使原物体资讯忠实地反应出来；7.体积小、重量轻：CCD具备体积小且重量轻的特性，因此，可容易地装置在人造卫星及各式导航系统上；8.低秏电力，不受强电磁场影响；9.电荷传输效率佳：该效率系数影响信噪比、解像率，若电荷传输效率不佳，影像将变较模糊；10.可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易。一.CCD发展趋势1、CCD传感器的像面尺寸向集成化各轻量化方向的发展由于制造CCD传感器的硅片和加工成本都很高，所以很希望一片6.5英寸的硅片上

25、光刻出更多的CCD传感器芯片；以由于光刻机的进步，所以在仍保持具有很高灵敏度的特性下，CCD传感器的尺寸向1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸的方向发展。2、CCD传感器向高素数、多制式发展 各种CCD传感器的像面尺寸在减少，但其像素数在增加，已由早期的512（H）596(V)向795（H）596（V）发展,甚至出现超过百万像素的CCD传感器。为提高水平方向和垂直方向的分辨能力，已从通常的隔行扫描向逐行扫描格式发展。3、降低CCD传感器的工作电压、减少功耗 在初期研制的CCD摄像机有+24V、+22V、+17V和+5V等，目前通用的为+12V。为配合PC摄像机和网络图像传输的应用，逐

26、步以+12V和+5V两种工作电压为主。1、光电式带材跑偏检测器 带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号，主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。光电式带材跑偏检测器原理见图。光源发出的光线经过透镜1汇聚为平行光束，投向透镜2,随后被汇聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜2的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，使传到光敏电阻的光通量减少。 6.5 光电式传感器的应用2、透射式光电传感器在烟尘浊度监测上的应用 烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道传输过程中的变化来检测的。如果烟道浊度增加.光源发出的光被烟尘颗粒吸收和折射后，到达检测器的光量减少，因

27、此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。 6.5 光电式传感器的应用3 光生伏特器件的应用3.1. 注油液位控制装置 6.4 光电式传感器的应用液位控制电路 ： 6.5 光电式传感器的应用3.2. 光控闪光标志灯 6.5 光电式传感器的应用3.3. 测光文具盒 6.5 光电式传感器的应用6.5 光电式传感器的应用4 光电导器件的应用4.1. 灯光亮度自动控制器6.5 光电式传感器的应用4.2. 光控闪烁安全警示灯6.5 光电式传感器的应用4.3. 测光器 6.5 光电式传感器的应用2. 路灯光电控制器6.5 光电式传感器的应用5 图像传感器的应用1. CCD在汽车前照灯配光测试中的应用

28、6.5 光电式传感器的应用2. CCD传感器在光电精密测径系统中的应用1. 光栅分类 光栅按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅。 物理光栅刻线细密，利用光的衍射现象，主要用于光谱分析和光波长等量的测量； 在几何量计量中使用的光栅称为计量光栅，计量光栅主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。6.6 光栅传感器6.6.1 光栅分类及结构1. 光栅分类 按其透射形式，光栅可分为透射式光栅和反射式光栅。刻划基面采用玻璃材料的为透射式光栅；刻划基面采用金属材料的为反射式光栅。2. 光栅结构光栅，是在刻划基面上等间距（或不等间距）地密集刻划，使刻线处不透光，未刻线处透光，形成透

29、光与不透光相间排列构成的光电器件。光栅上的刻线称为栅线，栅线的宽度为a，缝隙宽度为b，一般取a=b，而w=a+b称为栅距（也称为光栅常数或光栅节距，是光栅的重要参数，用每毫米长度内的栅线数表示栅线密度，如100线mm、250线mm）。光栅结构 6.6.2 莫尔条纹原理 计量光栅是利用莫尔现象实现几何量的测量的。 莫尔条纹是十八世纪法国研究人员莫尔先生首先发现的一种光学现象。 1874年英国物理学家瑞利首次将莫尔图案作为一种计测手段，从而开创了莫尔测试技术。 在我们生活中常常见到莫尔现象，当薄的两层丝绸叠加在一起并作相对运动时，形成一种漂动的水波型花样，这就是莫尔条纹（亦称为云纹）。 6.6.2

30、 莫尔条纹原理 莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮光和透光效应形成的（两只光栅参数相同）。 主光栅用于满足测量范围及精度，指示光栅（通常是从主尺上裁截一段）用于拾取信号。将主光栅与指示光栅的刻划面相向叠合并且使两者栅线有很小的交角。 这种亮带和暗带相间的条纹称为莫尔条纹。 莫尔条纹原理6.6.3 莫尔条纹特点1. 位移放大作用相邻两条莫尔条纹间距B与栅距w及两光栅夹角的关系为令k为放大系数，则 一般很小，所以放大系数k很大。故尽管光栅栅距w很小，而通过莫尔条纹的放大作用仍使其清晰可辨。在安装调节时，通过调整角，可以改变莫尔条纹宽度，从而使光电接收元件能正确接收光信号。 对于100线mm的光

31、栅，栅距为0.01mm，当夹角为0.06时，莫尔条纹间距B可达10 mm，放大了1000倍。 2. 运动对应的关系(1)当很小时，光栅副中任一光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就会沿近似垂直于光栅移动的方向运动。 (2)当光栅移动一个栅距w时，莫尔条纹就移动一个条纹间隔B；当光栅改变运动方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向，两者具有相互对应的关系。因此，可以通过测量莫尔条纹的运动来判别光栅的运动方向和距离。3. 误差减小作用光栅在制作过程中必然会引入刻划误差。光电元件获取的莫尔条纹是指示光栅覆盖区域刻线的综合结果，莫尔条纹是由若干条光栅刻线共同干涉形成的，所以对刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除栅距的局部误差及短周