现代检测技术基础演示文稿

现代检测技术基础演示文稿当前第1页\共有178页\编于星期日\8点（优选）现代检测技术基础当前第2页\共有178页\编于星期日\8点一、响应特性１．响应度（或称灵敏度）：是光电探测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。描述的是光电探测器件的光电转换效率。响应度是随入射光波长变化而变化的响应度分电压响应率和电流响应率当前第3页\共有178页\编于星期日\8点电压响应率光电探测器件输出电压与入射光功率之比电流响应率光电探测器件输出电流与入射光功率之比当前第4页\共有178页\编于星期日\8点２．光谱响应度：探测器在波长为λ的单色光照射下，输出电压或电流与入射的单色光功率之比．３．积分响应度：检测器对各种波长光连续辐射量的反应程度．当前第5页\共有178页\编于星期日\8点４．响应时间：响应时间τ是描述光电探测器对入射光响应快慢的一个参数。上升时间：入射光照射到光电探测器后，光电探测器输出上升到稳定值所需要的时间。下降时间：入射光遮断后，光电探测器输出下降到稳定值所需要的时间。当前第6页\共有178页\编于星期日\8点光电探测器响应率与入射调制频率的关系

为调制频率为f时的响应率 为调制频率为零时的响应率 为时间常数（等于RC）

５．频率响应：光电探测器的响应随入射光的调制频率而变化的特性称为频率响应．由于光电探测器信号产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光的调制频率对光电探测器的响应会有较大的影响。当前第7页\共有178页\编于星期日\8点：上限截止频率时间常数决定了光电探测器频率响应的带宽返回当前第8页\共有178页\编于星期日\8点二、噪声特性在一定波长的光照下光电探测器输出的电信号并不是平直的，而是在平均值上下随机地起伏，它实质上就是物理量围绕其平均值的涨落现象。用均方噪声来表示噪声值大小当前第9页\共有178页\编于星期日\8点噪声在实际的光电探测系统中是极其有害的。由于噪声总是与有用信号混在一起，因而影响对信号特别是微弱信号的正确探测。一个光电探测系统的极限探测能力往往受探测系统的噪声所限制。所以在精密测量、通信、自动控制等领域，减小和消除噪声是十分重要的问题。当前第10页\共有178页\编于星期日\8点光电探测器常见的噪声热噪声散粒噪声产生-复合噪声1/f噪声当前第11页\共有178页\编于星期日\8点1、热噪声或称约翰逊噪声，即载流子无规则的热运动造成的噪声。导体或半导体中每一电子都携带着电子电量作随机运动(相当于微电脉冲)，尽管其平均值为零，但瞬时电流扰动在导体两端会产生一个均方根电压，称为热噪声电压。热噪声存在于任何电阻中，热噪声与温度成正比，与频率无关，热噪声又称为白噪声当前第12页\共有178页\编于星期日\8点2、散粒噪声散粒噪声：入射到光探测器表面的光子是随机的，光电子从光电阴极表面逸出是随机的，PN结中通过结区的载流子数也是随机的。散粒噪声也是白噪声，与频率无关。散粒噪声是光电探测器的固有特性，对大多数光电探测器的研究表明：散粒噪声具有支配地位。例如光伏器件的PN结势垒是产生散粒噪声的主要原因。当前第13页\共有178页\编于星期日\8点3、产生-复合噪声半导体受光照，载流子不断产生-复合。在平衡状态时，在载流子产生和复合的平均数是一定的但在某一瞬间载流子的产生数和复合数是有起伏的。载流子浓度的起伏引起半导体电导率的起伏。当前第14页\共有178页\编于星期日\8点4、1/f噪声或称闪烁噪声或低频噪声。这种噪声是由于光敏层的微粒不均匀或不必要的微量杂质的存在引起的。噪声的功率近似与频率成反比多数器件的1/f噪声在200~300Hz以上已衰减到可忽略不计。当前第15页\共有178页\编于星期日\8点５、信噪比信噪比是判定噪声大小的参数。是负载电阻上信号功率与噪声功率之比若用分贝（dB）表示，为当前第16页\共有178页\编于星期日\8点６、噪声等效功率(NEP)定义：信号功率与噪声功率比为1（SNR=1）时，入射到探测器件上的辐射通量(单位为瓦)。这时，投射到探测器上的辐射功率所产生的输出电压（或电流）等于探测器本身的噪声电压（或电流）一般一个良好的探测器件的NEP约为10-11W。NEP越小，噪声越小，器件的性能越好。当前第17页\共有178页\编于星期日\8点噪声等效功率是一个可测量的量。设入射辐射的功率为P，测得的输出电压为U0然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为UN则按比例计算，要使U0＝UN，的辐射功率为当前第18页\共有178页\编于星期日\8点７、探测率与归一化探测率探测率D定义为噪声等效功率的倒数经过分析，发现NEP与检测元件的面积Ad和放大器带宽Δf乘积的平方根成正比归一化探测率D*，即D*与探测器的敏感面积、放大器的带宽无关。返回当前第19页\共有178页\编于星期日\8点三、量子效率（）量子效率：在某一特定波长上，每秒钟内产生的光电子数与入射光量子数之比。对理想的探测器，入射一个光量子发射一个电子，=1实际上，<1量子效率是一个微观参数，量子效率愈高愈好。当前第20页\共有178页\编于星期日\8点量子效率与响应度的关系I/q：每秒产生的光子数P/hυ：每秒入射的光子数当前第21页\共有178页\编于星期日\8点四、线性度线性度是描述光电探测器输出信号与输入信号保持线性关系的程度。在某一范围内探测器的响应度是常数，称这个范围为线性区。非线性误差：

δ＝Δmax/(I2

–I1)Δmax：实际响应曲线与拟合曲线之间的最大偏差；I2

和I1：分别为线性区中最小和最大响应值。当前第22页\共有178页\编于星期日\8点五、工作温度工作温度就是指光电探测器最佳工作状态时的温度。光电探测器在不同温度下，性能有变化。

例如，半导体光电器件的长波限和峰值波长会随温度而变化；热电器件的响应度和热噪声会随温度而变化。当前第23页\共有178页\编于星期日\8点4.3 光电检测器件光电管光电倍增管光敏电阻光电池光电二极管光电三极管当前第24页\共有178页\编于星期日\8点一、光电管

光电管是利用外光电效应制成的光电元件，其外形和结构如图所示，半圆筒形金属片制成的阴极K和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加hν。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初始动能为(1／2)mv2。根据能量守恒定律有:

(4.2)式中，m为电子质量；v为电子逸出的初速度。由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hν>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长λK为:

(4.3)式中，c为光速；A为逸出功。图4.3.1光电管结构示意图当前第25页\共有178页\编于星期日\8点光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图所示。在入射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图所示的电路中，电流IФ和电阻RL上的电压降U0就和光强成函数关系，从而实现光电转换。

阴极材料不同的光电管，具有不同的红限，因此适用于不同的光谱范围。此外，即使入射光的频率大于红限，并保持其强度不变，但阴极发射的光电子数量还会随入射光频率的变化而改变，即同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。光电管的这种光谱特性，要求人们应当根据检测对象是紫外光、可见光还是红外光去选择阴极材料不同的光电管，以便获得满意的灵敏度。图4.3.2光电管测量电路图当前第26页\共有178页\编于星期日\8点

图4.3.3光电倍增管结构示意图

光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成，并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。依据封装方法，可分成端窗式和侧窗式两大类。端窗式光电倍增管的阴极通常为透射式阴极，通过管壳的端面接受入射光。侧窗式阴极则是通过管壳的侧面接收入射光，它的阴极通常为反射式阴极。

二、光电倍增管由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。图是光电倍增管结构示意图。

当前第27页\共有178页\编于星期日\8点光阴极的量子效率是一个重要的参数。波长为λ的光辐射入射到光阴极时，一个入射光子产生的光电子数，定义为光阴极的量子效率。光阴极有很多种，常用的有双碱，S11及S20三种。光阴极通常由脱出功较小的锑铯或钠钾锑铯的薄膜组成，光阴极接负高压，各倍增极的加速电压由直流高压电源经分压电阻分压供给，灵敏检流计或负载电阻接在阳极A处，当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。

在K和D1之间的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极D1，从而使D1产生二次电子发射．每一个电子的轰击约可产生3～5个二次电子，这样就实现了电子数目的放大。当前第28页\共有178页\编于星期日\8点D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击D2，……。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有8～13个，最后一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集。若倍增电极有n级，各级的倍增率为б，则光电倍增管的倍增率可以认为是бn，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。若将灵敏检流计串接在阳极回路中，则可直接测量阳极输出电流。若在阳极串接电阻RL作为负载，则可测量RL两端的电压，此电压正比于阳极电流。

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图4.3.4光电倍增管的基本电路

图所示为光电倍增管的基本电路。各倍增极的电压是用分压电阻R1、R2、……Rn获得的，阳极电流流经负载电阻RL得到输出电压U0。当用于测量稳定的辐射通量时，图中虚线连接的电容C1、C2、…、Cn和输出隔离电容Ca都可以省去。这时电路往往将电源正端接地，并且输出可以直接与放大器输入端连接，从而使它能够响应变化缓慢的入射光通量。但当入射光通量为脉冲通量时，则应将电源的负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比阳极接地有更低的噪声，此时输出端应接人隔离电容，同时各倍增极的并联电容亦应接人，以稳定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防止饱和。

当前第30页\共有178页\编于星期日\8点与测量有关的两个参数：暗电流光电倍增管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。光电倍增管在工作时，其阳极输出电流由暗电流和信号电流两部分组成。当信号电流比较大时，暗电流的影响可以忽略，但是当光信号非常弱，以至于阳极信号电流很小甚至和暗电流在同一数量级时，暗电流将严重影响对光信号测量的准确性。所以暗电流的存在决定了光电倍增管可测量光信号的最小值。一只好的光电倍增管，要求其暗电流小并且稳定。

(2)光谱响应特征光电倍增管对不同波长的光入射的响应能力是不相同的，这一特性可用光谱响应率表示。在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称为光电倍增管的绝对光谱响应率，表示为

(4.4)

式中，P(λ)为入射到光阴极上的单色辐射功率；I(λ)是在该辐射功率照射下所产生的阳极电流；S(λ)是波长的函数，它与波长的关系曲线称为光电倍增管的绝对光谱响应曲线。当前第31页\共有178页\编于星期日\8点测量S(λ)十分复杂，因此在一般测量中都是测量它的相对值。为此，可以把S(λ)中的最大值当作一个单位对所有S(λ)值进行归一化，这时就得到

(4.5)s(λ)称为光电倍增管的相对光谱响应率，它与波长的关系曲线称为光电倍增管的相对光谱响应曲线。s(λ)≤1，是一个无量纲的量，只表示光电倍增管的光谱响应特征。当前第32页\共有178页\编于星期日\8点一、光敏电阻光敏电阻是光电导型器件。光敏电阻材料：主要是硅、锗和化合物半导体，例如：硫化镉（CdS），锑化铟（InSb）等。特点：光谱响应范围宽（特别是对于红光和红外辐射）；偏置电压低，工作电流大；动态范围宽，既可测强光，也可测弱光；光电导增益大，灵敏度高；无极性，使用方便；在强光照射下，光电线性度较差光电驰豫时间较长，频率特性较差。当前第33页\共有178页\编于星期日\8点光敏电阻(LDR)和它的符号：

符号当前第34页\共有178页\编于星期日\8点1.光敏电阻的工作原理光敏电阻结构：在一块均匀光电导体两端加上电极，贴在硬质玻璃、云母、高频瓷或其他绝缘材料基板上，两端接有电极引线，封装在带有窗口的金属或塑料外壳内。（如图）工作机理：当入射光子使半导体中的电子由价带跃迁到导带时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，其阻值急剧减小，电导增加。当前第35页\共有178页\编于星期日\8点入射光返回当前第36页\共有178页\编于星期日\8点本征型和杂质型光敏电阻本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg时，激发一个电子－空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。杂质型光敏电阻：对于Ｎ型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能ΔＥ时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流。本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。价带导带电子空穴Eg价带导带电子空穴ΔＥ施主当前第37页\共有178页\编于星期日\8点光电导与光电流光敏电阻两端加电压（直流或交流）．无光照时，阻值（暗电阻）很大，电流（暗电流）很小；光照时，光生载流子迅速增加，阻值（亮电阻）急剧减少．在外场作用下，光生载流子沿一定方向运动，形成光电流（亮电流）。光电流：亮电流和暗电流之差；

I光

=IL-Id光电导：亮电导和暗电导之差；

g

=gL-gd当前第38页\共有178页\编于星期日\8点光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大，这样光敏电阻的灵敏度就高。光电流与光照强度／电阻结构的关系。当前第39页\共有178页\编于星期日\8点２．光敏电阻的工作特性光电特性伏安特性时间响应和频率特性温度特性当前第40页\共有178页\编于星期日\8点光电特性：光电流与入射光照度的关系：

(1)弱光时，γ=1，光电流与照度成线性关系

(2)强光时，γ=0.5，光电流与照度成抛物线 光照增强的同时，载流子浓度不断的增加，同时光敏电阻的温度也在升高，从而导致载流子运动加剧，因此复合几率也增大，光电流呈饱和趋势。（冷却可以改善）

光敏电阻的光电特性当前第41页\共有178页\编于星期日\8点在弱光照下，光电流与E具有良好的线性关系在强光照下则为非线性关系其他光敏电阻也有类似的性质。当前第42页\共有178页\编于星期日\8点光电导灵敏度:光电导g与照度E之比. 不同波长的光，光敏电阻的灵敏度是不同的。在选用光电器件时必须充分考虑到这种特性。当前第43页\共有178页\编于星期日\8点光电导增益

光电导增益反比于电极间距的平方。量子效率：光电流与入射光子流之比。当前第44页\共有178页\编于星期日\8点伏安特性在一定的光照下，光敏电阻的光电流与所加的电压关系光敏电阻是一个纯电阻，因此符合欧姆定律，其伏安特性曲线为直线。不同光照度对应不同直线当前第45页\共有178页\编于星期日\8点受耗散功率的限制，在使用时，光敏电阻两端的电压不能超过最高工作电压图中虚线为允许功耗曲线，由此可确定光敏电阻正常工作电压。当前第46页\共有178页\编于星期日\8点光敏电阻时间常数比较大，其上限截止频率低。只有PbS光敏电阻的频率特性稍好些，可工作到几千赫。频率特性当前第47页\共有178页\编于星期日\8点光敏电阻的时间响应特性较差材料受光照到稳定状态，光生载流子浓度的变化规律：停止光照，光生载流子浓度的变化为响应时间当前第48页\共有178页\编于星期日\8点光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。尤其是红外探测器要采取制冷措施温度特性当前第49页\共有178页\编于星期日\8点光敏电阻参数使用材料：硫化镉（CdS），硫化铅（PbS），锑化铟（InSb），碲镉汞（HgCdTe），碲锡铅（PbSnTe）.光敏面：1-3mm工作温度：-40–80oC温度系数：1极限电压：10–300V耗散功率：<100W时间常数：5–50ms光谱峰值波长：因材料而不同，在可见/红外远红外暗电阻：108欧姆亮电阻：104

欧姆当前第50页\共有178页\编于星期日\8点光敏电阻的应用基本功能：根据自然光的情况决定是否开灯。基本结构：整流滤波电路；光敏电阻及继电器控制；触点开关执行电路基本原理：光暗时，光敏电阻阻值很高，继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻阻值降低，继电器工作，灯关。照明灯自动控制电路K220V灯常闭CdS当前第51页\共有178页\编于星期日\8点光电池光电池是根据光生伏特效应制成的将光能转换成电能的一种器件。PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。当前第52页\共有178页\编于星期日\8点光电池的结构特点光电池核心部分是一个PN结，一般作成面积大的薄片状，来接收更多的入射光。在N型硅片上扩散P型杂质（如硼），受光面是P型层或在P型硅片上扩散N型杂质（如磷），受光面是N型层当前第53页\共有178页\编于星期日\8点受光面有二氧化硅抗反射膜，起到增透作用和保护作用上电极做成栅状，为了更多的光入射由于光子入射深度有限，为使光照到PN结上，实际使用的光电池制成薄P型或薄N型。当前第54页\共有178页\编于星期日\8点当前第55页\共有178页\编于星期日\8点光电池等效电路当前第56页\共有178页\编于星期日\8点当前第57页\共有178页\编于星期日\8点当前第58页\共有178页\编于星期日\8点光电池的特性1、伏安特性无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。曲线与电压轴交点称为开路电压VOC，与电流轴交点称为短路电流ISC。当前第59页\共有178页\编于星期日\8点光电池伏安特性曲线当前第60页\共有178页\编于星期日\8点反向电流随光照度的增加而上升IU照度增加当前第61页\共有178页\编于星期日\8点2、时间和频率响应

硅光电池频率特性好硒光电池频率特性差硅光电池是目前使用最广泛的光电池

当前第62页\共有178页\编于星期日\8点要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL；光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容Cj越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池。当前第63页\共有178页\编于星期日\8点开路电压下降大约23mV/度短路电流上升大约10-510-3mA/度3、温度特性

随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿。当前第64页\共有178页\编于星期日\8点4、光谱响应度硅光电池响应波长微米，峰值波长微米。硒光电池响应波长微米，峰值波长0.54微米。当前第65页\共有178页\编于星期日\8点5、光电池的光照特性连接方式：开路电压输出---(a)

短路电流输出---(b)光电池在不同的光强照射下可产生不同的光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时趋于饱和。当前第66页\共有178页\编于星期日\8点光照特性---开路电压输出：非线性(电压---光强)，灵敏度高短路电流输出：线性好(电流---光强)，灵敏度低开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）当前第67页\共有178页\编于星期日\8点负载RL的增大线性范围也越来越小。因此，在要求输出电流与光照度成线性关系时，负载电阻在条件许可的情况下越小越好，并限制在适当的光照范围内使用。当前第68页\共有178页\编于星期日\8点光电池的应用1、光电探测器件利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。2、将太阳能转化为电能实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。当前第69页\共有178页\编于星期日\8点硅太阳能电池硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,而规模生产的单晶硅太阳能电池,其效率为15%。多晶硅半导体材料的价格比较低廉,但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为18%,工业规模生产的转换效率为10%。当前第70页\共有178页\编于星期日\8点非晶硅太阳能电池非晶硅薄膜太阳能电池组件的制造采用薄膜工艺,具有较多的优点,例如:沉积温度低、衬底材料价格较低廉,能够实现大面积沉积。

非晶硅的可见光吸收系数比单晶硅大,是单晶硅的40倍,1微米厚的非晶硅薄膜,可以吸引大约90%有用的太阳光能。非晶硅太阳能电池的稳定性较差,从而影响了它的迅速发展。

当前第71页\共有178页\编于星期日\8点化合物太阳能电池

三五族化合物电池和二六族化合物电池。三五族化合物电池主要有GaAs电池、InP电池、GaSb电池等;二六族化合物电池主要有CaS/CuInSe电池、CaS/CdTe电池等。在三五族化合物太阳能电池中,GaAs电池的转换效率最高,可达28%;当前第72页\共有178页\编于星期日\8点GaAs化合物太阳能电池Ga是其它产品的副产品,非常稀少珍贵;As不是稀有元素,有毒。GaAs化合物材料尤其适用于制造高效电池和多结电池,这是由于GaAs具有十分理想的光学带隙以及较高的吸收效率。

GaAs化合物太阳能电池虽然具有诸多优点,但是GaAs材料的价格不菲,因而在很大程度上限制了用GaAs电池的普及。

当前第73页\共有178页\编于星期日\8点太阳能太阳能特点：①无枯竭危险；②绝对干净；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太阳能发电同现在的电网联网。当前第74页\共有178页\编于星期日\8点光敏二极管结构光敏二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换。为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即PN结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。

当前第75页\共有178页\编于星期日\8点光电二极管（光敏二极管）光敏二极管符号

光敏二极管接法

当前第76页\共有178页\编于星期日\8点外加反向偏压可以不加偏压，与光电池不同，光敏二极管一般在负偏压情况下使用大反偏压的施加，增加了耗尽层的宽度和结电场，电子—空穴在耗尽层复合机会少，提高光敏二极管的灵敏度。增加了耗尽层的宽度，结电容减小，提高器件的频响特性。但是，为了提高灵敏度及频响特性，却不能无限地加大反向偏压，因为它还受到PN结反向击穿电压等因素的限制。当前第77页\共有178页\编于星期日\8点光敏二极管体积小，灵敏度高，响应时间短，光谱响应在可见到近红外区中，光电检测中应用多。扩散型P-i-N硅光敏二极管和雪崩光敏二极管扩散型P-i-N硅光敏二极管当前第78页\共有178页\编于星期日\8点选择一定厚度的i层，具有高速响应特性。i层所起的作用:(1)为了取得较大的PN结击穿电压，必须选择高电阻率的基体材料，这样势必增加了串联电阻，使时间常数增大，影响管子的频率响应。而i层的存在，使击穿电压不再受到基体材料的限制，从而可选择低电阻率的基体材料。这样不但提高了击穿电压，还减少了串联电阻和时间常数。

(2)反偏下，耗尽层较无i层时要大得多，从而使结电容下降，提高了频率响应。当前第79页\共有178页\编于星期日\8点PIN管的最大特点是频带宽，可达10GHz。另一特点是线性输出范围宽。缺点:

由于I层的存在，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。当前第80页\共有178页\编于星期日\8点雪崩光敏二极管由于存在因碰撞电离引起的内增益机理，雪崩管具有高的增益带宽乘积和极快的时间响应特性。通过一定的工艺可以使它在1.06微米波长处的量子效率达到30％，非常适于可见光及近红外区域的应用。当前第81页\共有178页\编于星期日\8点

当光敏二极管的PN结上加相当大的反向偏压时，在结区产生一个很高的电场，使进入场区的光生载流子获得足够的能量，通过碰撞使晶格原子电离，而产生新的电子—空穴对。新的电子—空穴对在强电场的作用下分别向相反方向运动．在运动过程中，又有可能与原子碰撞再一次产生电子—空穴对。只要电场足够强，此过程就将继续下去，达到载流子的雪崩倍增。通常，雪崩光敏二极管的反向工作偏压略低于击穿电压。当前第82页\共有178页\编于星期日\8点雪崩光电二极管的

倍增电流、噪声与偏压的关系曲线反向偏压/V当前第83页\共有178页\编于星期日\8点在偏置电压较低时的A点以左，不发生雪崩过程；随着偏压的逐渐升高，倍增电流逐渐增加从B点到c点增加很快，属于雪崩倍增区；偏压再继续增大，将发生雪崩击穿；同时噪声也显著增加，如图中c点以右的区域。因此，最佳的偏压工作区是c点以左，否则进入雪崩击穿区烧坏管子。由于击穿电压会随温度漂移，必须根据环境温度变化相应调整工作电压。当前第84页\共有178页\编于星期日\8点雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光敏二极管。不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用。在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大。当前第85页\共有178页\编于星期日\8点雪崩光电二极管与光电倍增管比较体积小结构紧凑工作电压低使用方便但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大故光电倍增管更适宜于弱光探测当前第86页\共有178页\编于星期日\8点光敏二极管阵列

将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件。当前第87页\共有178页\编于星期日\8点象限探测器象限探测器有二象限和四象限探测器，又分光电二极管象限探测器和硅光电池象限探测器。象限探测器是在同一块芯片上制成两或四个探测器，中间有沟道将它们隔开，因而这两或四个探测器有完全相同性能参数。当被测体位置发生变化时，来自目标的辐射量使象限间产生差异，这种差异会引起象限间信号输出变化，从而确定目标方位，同时可起制导、跟踪、搜索、定位等作用。当前第88页\共有178页\编于星期日\8点光敏三极管（光电三极管）光电三极管是由光电二极管和一个晶体三极管构成，相当于在晶体三极管的基极和集电极间并联一个光电二极管。同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。日前用得较多的是NPN和PNP两种平面硅光电三极管。当前第89页\共有178页\编于星期日\8点NPN光电三极管结构原理简图当前第90页\共有178页\编于星期日\8点光电三极管工作原理NPN光电三极管（3DU型），使用时光电三极管的发射极接电源负极，集电极接电源正极。光电三极管不受光时，相当于普通三极管基极开路的状态。集电结(基—集结)处于反向偏置，基极电流等于0，因而集电极电流很小，为光电三极管的暗电流。当光子入射到集电结时，就会被吸收而产生电子—空穴对，处于反向偏置的集电结内建电场使电子漂移到集电极，空穴漂移到基极，形成光生电压，基极电位升高。当前第91页\共有178页\编于星期日\8点发射结集电结BECNNP基极发射极集电极当前第92页\共有178页\编于星期日\8点如同普通三极管的发射结(基—发结)加上了正向偏置，当基极没有引线时，集电极电流就等于发射极电流。这样晶体三极管起到电流放大的作用。由于光敏三极管基极电流是由光电流供给，因此一般基极不需外接点，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。当前第93页\共有178页\编于星期日\8点光电三极管与光电二极管相比，具有较高的输出光电流，但线性差线性差主要是由电流放大倍数的非线性所致在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。光电三极管的光照特性当前第94页\共有178页\编于星期日\8点光敏三极管的伏安特性硅光电三极管的光电流在毫安量级，硅光电二极管的光电流在微安量级。在零偏压时硅光电三极管没有光电流输出，但硅光电二极管有光电流输出。

工作电压较低时输出电流有非线性，硅光电三极管的非线性更严重。（因为放大倍数与工作电压有关）在一定的偏压下，硅光电三极管的伏安曲线在低照度时间隔较均匀，在高照度时曲线越来越密当前第95页\共有178页\编于星期日\8点硅光电三极管硅光电二极管当前第96页\共有178页\编于星期日\8点

光敏三极管的温度特性温度特性反映了光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系。温度变化对光电流和暗电流都有影响，对暗电流的影响更大。精密测量时，应采取温度补偿措施，否则将会导致输出误差。光电三极管的光电流和暗电流受温度影响比光电二极管大得多当前第97页\共有178页\编于星期日\8点

光敏三极管的（调制）频率特性光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5000Hz以下，硅管的频率响应要比锗管好。当前第98页\共有178页\编于星期日\8点由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的测量电路。测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同。下面介绍几种半导体光电元件常用的测量电路。半导体光敏电阻可以通过较大的电流，所以在一般情况下，无需配备放大器。在要求较大的输出功率时，可用图4.4.1所示的电路。图给出带有温度补偿的光敏二极管桥式测量电路。当入射光强度缓慢变化时，光敏二极管的反向电阻也是缓慢变化的，温度的变化将造成电桥输出电压的漂移，必须进行补偿。图中一个光敏二极管作为检测元件，另一个装在暗盒里，置于相邻桥臂中，温度的变化对两只光敏二极管的影响相同，因此，可消除桥路输出随温度的漂移。4.4 光电转换电路当前第99页\共有178页\编于星期日\8点光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以配以放大电路，如图所示。图4.4.1光敏电阻测量电路

图4.4.2光敏晶体管测量电路

当前第100页\共有178页\编于星期日\8点

图4.4.3光电池测量电路

由于光电池即使在强光照射下，最大输出电压也仅0.6V，还不能使下一级晶体管有较大的电流输出，故必须加正向偏压，如图所示。为了减小晶体管基极电路阻抗变化，尽量降低光电池在无光照时承受的反向偏压，可在光电池两端并联一个电阻。也可以使用硅光电池组串联，使其电压大于0.7伏,如图所示当前第101页\共有178页\编于星期日\8点

图4.4.4使用运放的光敏元件放大电路

半导体光电元件的光电转换电路也可以使用集成运算放大器。硅光敏二极管通过集成运放可得到较大输出幅度，如图4.44a所示。当光照产生的光电流为IФ时，输出电压U0=IФRF，为了保证光敏二极管处于反向偏置，在它的正极要加一个负电压。图4.44b给出硅光电池的光电转换电路，由于光电池的短路电流和光照成线性关系，因此将它接在运放的正、反相输入端之间，利用这两端电位差接近于零的特点，可以得到较好的效果。在图中所示条件下，输出电压U0=2IФRF。

当前第102页\共有178页\编于星期日\8点

下面是光电二极管与IC放大电路的三种典型连接方法。

1.电流放大型图4.4.5(a)是电流放大型IC检测电路。光电二极管和运算放大器的两个输入端同极性相连，运算放大器两输入端间的输入阻抗Zin是光电二极管的负载电阻，可表示为

Zin=Rf/（A+1)式中，A是放大器的开环放大倍数；Rf是反馈电阻。当A=104。Rf=100kΩ时，Zin=10Ω。可以认为光电二极管是处于短路工作状态，能取出近于理想的短路电流。处于电流放大状态的运算放大器，其输出电压U0与输入短路光电流成比例，并有

U0=IscRf=RfSΦ当前第103页\共有178页\编于星期日\8点

即输出信号与输入光通量成正比。此外，电流放大器因输入阻抗低而响应速度较高并且放大器噪声较低，所以信噪比提高。这些优点使其广泛应用于弱光信号的检测中。

当前第104页\共有178页\编于星期日\8点

2．电压放大型

图4.4.5(b)是电压放大型IC检测电路，光电二极管的正端接在运算放大器的正端，运算放大器的漏电流比光电流小得多，具有很高的输入阻抗。当负载电阻RL取1MΩ以上时，工作在光电池状态下的光电二极管处于接近开路状态，可以得到与开路电压成比例的输出信号，即式中是该电路的电压放大倍数。当前第105页\共有178页\编于星期日\8点3.阻抗变换型反向偏置光电二极管或PIN光电二极管具有恒流源性质，内阻很大，且饱和光电流和输入光通量成正比，在有很高的负载电阻的情况下可以得到较大的信号电压。但如果将这种处于反向偏置状态下的光电二极管直接接到实际的负载电阻上，则会因阻抗的失配而削弱信号的幅度。因此需要有阻抗变换器将高阻抗的电流源变换成低阻抗的电压源，然后再与负载相连。图4.4.5(c)中所示的以场效应管为前级的运算放大器就是这样的阻抗变换器。该电路中场效应管具有很高的输入阻抗，光电流是通过反馈电阻Rf形成压降的。电路的输出电压U0为

（4-1）即U0与输入光通量成正比。当实际的负载电阻RL与放大器连接时，由于放大器输出阻抗R0较小，RL>>R0，则负载功率P0为：

当前第106页\共有178页\编于星期日\8点另一方面，计算光电二极管直接与负载电阻相连时负载上的功率为：比较两种情况可见，采用阻抗变换器可以使功率输出提高(Rf/RL)2倍。例如，当RL=1MΩ，Rf=10MΩ时，功率提高100倍。这种电路的时间特性较差，但用在信号带宽没有特殊要求的缓变光信号检测中，可以得到很高的功率放大倍数。此外，用场效应管代替双极性晶体管作前置级，其偏置电流很小，因此适用于光功率很小的场合。当前第107页\共有178页\编于星期日\8点4.5常见光电传感器及应用4.5.1各种光电检测器件的性能比较参看75页表2-6（第1版)典型光电探测器件工作特性的比较.

动态性能(即频率响应):光电倍增管和光电二极管最好;光电特性(线性):光电倍增管、光电二极管和光电池;灵敏度:光电倍增管、雪崩光电二极管、光敏电阻和光电三极管;长期稳定性:光电二极管和光电池最好,其次是光电倍增管.当前第108页\共有178页\编于星期日\8点当前第109页\共有178页\编于星期日\8点4.5.2光电检测器件的应用选择要点*光电检测器件必须和辐射信号源及光学系统在光谱特性上匹配;光电检测期间的光敏面必须和入射辐射能量相对准；光电检测器的光电转换特性必须和入射辐射能量相匹配(器件的感光面要和照射光匹配好);光电检测器必须和光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配,以保证得到没有频率失真的输出波形和良好的时间响应;光电检测器件的最小可探测功率必须与入射辐射相匹配；光电检测器件必须和输入电路在电特性上良好地匹配,以保证有有足够的线性范围、信噪比及快速的动态响应;为使器件具有长期工作的可靠性,必须注意选好器件的规格和使用的环境条件.当前第110页\共有178页\编于星期日\8点4.5.3光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用

透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等，以相对的方向装在中间带槽的支架上。当槽内无物体时，发光管发出的光直接照在光敏三极管的窗口上，从而产生一定大的电流输出，当有物体经过槽内时则挡住光线，光敏管无输出，以此可识别物体的有无。适用于光电控制、光电计量等电路中，可检测物体的有无、运动方向、转速等方面。 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。当前第111页\共有178页\编于星期日\8点

图4.5.1透射型BYD3M.TDT光电传感器使用示意图

图4.5.2吸收式烟尘浊度监测系统组成框图

当前第112页\共有178页\编于星期日\8点DST9702激光反射式烟尘浓度仪

图4.5.3DST9702激光反射式烟尘浓度仪组成框图

当前第113页\共有178页\编于星期日\8点技术特点

采用激光背散射原理,不怕烟道的机械振动及烟气温度不均造成的折射率不均造成的光束摆动；

单端安装,无需光路对中，且安装简单方便；

采用标准4-20mA工业标准电流输出,连接方便；

仪器整体功耗非常小,大约5w左右；

一般标准设置参数可适用于烟道璧厚小于400，烟道直径大于仪器名牌标示（D.GT.2000）,在特殊的要求条件下测量区大小可以订制.用户也可以在经维护人员的认可及指导下调整.

当前第114页\共有178页\编于星期日\8点

烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少。因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。本应用中应用奥托尼克斯(Autonics)公司的BYD3M-TDT透射式小型光电传感器BYD3M-TDT透射式小型光电传感器，其光源(发光器)与接收器不在同一个机壳内，见图使用示意图：先将发射器和接收器对准并固定好后才可以通电(12.24)VDC；接着在ON状态设定好发射器的中心位置，然后左右上下方向调节接收器和发射器的位置；最后检测目标稳定后固定好发射器和接收器。

图是吸收式烟尘浊度监测系统的组成框图：为了检测出烟尘中对人体危害性最大的亚微米颗粒的浊度和避免水蒸气对光源衰减的影响，选取可见光作光源(400-700nm波长的白炽光)。光检测器光谱响应范围为400-600nm的光电管，获取随浊度变化的相应电信号。为了提高检测灵敏度，采用具有高增益、高输入阻抗、低零漂、高共模抑制比的运算放大器，对信号进行放大。刻度校正被用来进行调零与调满刻度，以保证测试准确性。显示器可显示浊度瞬时值。报警电路由多谐振荡器组成，当运算放大器输出浊度信号超过规定时，多谐振荡器工作，输出信号经放大后推动喇叭发出报警信号。当前第115页\共有178页\编于星期日\8点

4.5.4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如图所示。光源发出的光线经过透镜1会聚为平行光束,投向透镜2,随后被会聚到光敏电阻上。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。

当前第116页\共有178页\编于星期日\8点

图4.5.4带材跑偏检测器工作原理

图4.5.5测量电路

图为测量电路简图。Ｒ1、Ｒ2是同型号的光敏电阻。Ｒ1作为测量元件装在带材下方，Ｒ2用遮光罩罩住,起温度补偿作用。当带材处于正确位置(中间位)时，由Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3、Ｒ4组成的电桥平衡，使放大器输出电压ｕｏ为0。当带材左偏时，遮光面积减少，光敏电阻Ｒ1阻值减少，电桥失去平衡。差动放大器将这一不平衡电压加以放大，输出电压为负值，它反映了带材跑偏的方向及大小。反之，当带材右偏时，ｕｏ为正值。输出信号ｕｏ一方面由显示器显示出来，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。

当前第117页\共有178页\编于星期日\8点包装充填物高度检测

用容积法计量包装的成品，除了对重量有一定误差范围要求外，一般还对充填高度有一定的要求，以保证商品的外观质量，不符合充填高度的成品将不许出厂。图所示为借助光电检测技术控制充填高度的原理。当充填高度ｈ偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。图利用光电检测技术控制充填高度

利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴，以及送料机构是否断料等。

当前第118页\共有178页\编于星期日\8点激光器在光电检测中的应用激光测距，测长，测平面度等激光大气污染检测激光ＤＮＡ检测激光海洋探测激光制导激光雷达激光干涉测量（探伤）激光全息测量当前第119页\共有178页\编于星期日\8点

激光式气体分析仪在转炉煤气回收中的应用

测量原理是基于朗伯-比尔定律(1)“单线光谱”测量技术该技术利用激光的光谱比较窄、远小于被测气体的吸收谱线的特性，选择某一位于特定波长的吸收光谱线，使得在所选吸收谱线波长附近无测量环境中其他气体组分的吸收谱线，从而避免了这些背景气体组分对该被测气体的交叉吸收干涉。当前第120页\共有178页\编于星期日\8点单线光束测量原理图当前第121页\共有178页\编于星期日\8点(2)激光频率扫描技术激光气体分析仪通过调制激光频率使之周期性地扫描过被测气体吸收谱线，激光频率的扫描范围被设置成大于被测气体吸收谱线的宽度。(3)谱线展宽自动修正技术在气体温度和压力发生变化时．被测气体谱线的展宽及高度会发生相应的变化．从而影响测量的准确性。通过输入4—20mA方式的温度和压力信号，激光气体分析仪能自动修正温度和压力变化对气体浓度测量的影响。从而保证了测量数据的精确当前第122页\共有178页\编于星期日\8点作业：文献查阅及对光电测量部分的分析查阅一篇光电检测方面的近期文献（近3～5年之内），围绕系统组成、光电探测器的选用、前置放大器设计这三方面进行分析，写成讲解的PPT，在11月08日前发我邮箱，文件以学号+名字命名，并附上文献。我的邮箱：作业计入平时成绩。当前第123页\共有178页\编于星期日\8点第五章CCD图像传感器

图像传感器(ImagingSensor,缩写为IS，又称成像器件、摄像器件)作为现代视觉信息获取的一种基础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展(光谱拓宽、灵敏度范围扩大)，能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息(可见光和非可见光)、转换为按时序串行输出的电信号——

视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。把空间图像转换为按时序变化的电信号的过程称为扫描。

当前第124页\共有178页\编于星期日\8点

50年代前，电子束摄像管(如光导摄像管、飞点扫描管等)。60年代后期，MOS集成电路工艺成熟，各种固体图像传感器得到迅速发展，到70年代末期，已有一系列产品在军事、民用各方面得到广泛应用。

固体图象传感器(SolidStateImagingSensor——缩写为SSIS)主要有三大类型、一种是电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice简称CCD)；第二种是MOS图象传感器，又称自扫描光电二极管列阵(SelfScannedPhotodiodeArray，简称SSPA)，第三种是电荷注入器件(ChargeInjectionDevice，简称CID)。目前，前两种用得比较多。当前第125页\共有178页\编于星期日\8点同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点：

(1)全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性好．可靠性高，寿命长。

(2)基本上不保留残象，无象元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。

(3)红外敏感性。硅的SSPA光谱响应：0.20~1.0；CCD可作成红外敏感型；CID主要用于光谱响应大于3~5微米的红外敏感器件。

(4)象元尺寸的几何位置精度高(优于1微米)，因而可用于不接触精密尺寸测量系统。

(5)视频信号与微机接口容易主要应用领域：①小型化黑白/彩色TV摄象机；②传真通讯系统；③光学字符识别（OCR:OpticalCharacterRecognition）；④工业检测与自动控制；⑤医疗仪器；⑥多光谱机载和星载遥感；⑦天文应用；⑧军事应用。

当前第126页\共有178页\编于星期日\8点

CCD摄像器件由光敏（光积分）单元和电荷转移单元（读出移位寄存器）组成，每个光敏单元对应一个象素如下图所示。各单元的基本结构如右图所示，由金属、绝缘层、半导体构成。VG加正向偏压后在半导体内形成“电子势阱（耗尽区）”，势阱的深度由VG的大小来控制。电子势阱可以用来存放电子，这些电子的注入方式既可用“光注入”（光敏单元采用光注入），也可以用“电注入”（转移电荷时采用电注入）。

当前第127页\共有178页\编于星期日\8点

对于光敏单元，当受到光线照射时，在光子的作用下，半导体内产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱俘获。这种光生电子作为反映光强的载体——电荷包被收集，成为光电荷注入，这就是CCD摄像器件的光电变换过程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到读出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移位寄存器在读出脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各个像素的亮度值。

光线

当前第128页\共有178页\编于星期日\8点ＣＣＤ主要由三部分组成：信号输入、电荷转移、信号输出。输入部分：将信号电荷引入到ＣＣＤ的第一个转移栅极下的势阱中，称为电荷注入。电荷注入的方法主要有两类：光注入和电注入电注入：用于滤波、延迟线和存储器等。通过输入二极管给输入栅极施加电压。光注入：用于摄像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子—空穴对，其多数载流子被栅极电压排开，少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。ＣＣＤ的工作原理P-Si输入栅输入二极管输出二极管输出栅SiO2当前第129页\共有178页\编于星期日\8点以电子为信号电荷的CCD称为N型沟道CCD，简称为N型CCD。而以空穴为信号电荷的CCD称为P型沟道CCD，简称为P型CCD。由于电子的迁移率远大于空穴的迁移率，因此N型CCD比P型CCD的工作频率高得多。光电转换当一束光线投射到MOS电容上时，光子穿过透明电极及氧化层，进入P型硅衬底，衬底中处于价带的电子将吸收光子能量跃入导带，价电子能否跃迁至导带形成电子空穴对，将由入射光子能量hν是否大于等于Eg来确定，即Eg=1.24/λc,对于硅材料来说，Eg=1.12eV，λc=1.11μm。也存在红限。波长太短的光，则会穿透半导体层而不起作用。ＣＣＤ的工作原理当前第130页\共有178页\编于星期日\8点

读出移位寄存器的工作原理是依靠MOS电容与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当MOS电容栅压VG增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当VG增加，势阱变深；当VG减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。

当前第131页\共有178页\编于星期日\8点在栅极加正偏压之前，P型半导体中的空穴（多子）的分布是均匀的。加正偏压后，空穴被排斥而产生耗尽区，偏压增加，耗尽区向内延伸。当UG＞Uth时，半导体与绝缘体界面上的电势变得非常高，以致于将半导体内的电子(少子)吸引到表面，形成一层极薄但电荷浓度很高的反型层。反型层电荷的存在表明了MOS结构存储电荷的功能。电荷存储当前第132页\共有178页\编于星期日\8点5.1CCD图像传感器当前第133页\共有178页\编于星期日\8点电荷的转移（耦合）当前第134页\共有178页\编于星期日\8点电荷的转移（耦合）第一个电极保持10V，第二个电极上的电压由2V变到10V，因这两个电极靠得很紧(间隔只有几微米)，它们各自的对应势阱将合并在一起。原来在第一个电极下的电荷变为这两个电极下势阱所共有。若此后第一个电极电压由10V变为2V，第二个电极电压仍为10V，则共有的电荷转移到第二个电极下的势阱中。这样，深势阱及电荷包向右移动了一个位置。CCD电极间隙必须很小，电荷才能不受阻碍地自一个电极转移到相邻电极。对绝大多数CCD，1μm的间隙长度是足够了。当前第135页\共有178页\编于星期日\8点当前第136页\共有178页\编于星期日\8点

为确保CDD的转移功能，对时钟脉冲的要求是：

1）三相时钟脉冲有一定的交叠，在交叠区内，电荷包的源势阱与接收势阱同时共存，以保证在这两个势阱间进行充分转移；

2）时钟脉冲的低电平必须保证沟道表面处于耗尽状态；

3）时钟脉冲幅度选取得当。值得指出的是，我们通常所说的CCD的位数的位，不是这里的一个栅电极，对三相CCD来说，电荷包转移了三个栅电极是时钟脉冲的一个周期，我们把这三个栅电极称之为CCD的一个单元，或CCD的一位，也就是通常所说的一个像元。当前第137页\共有178页\编于星期日\8点CCD的特性参数作为成像器件，CCD的主要特性参数仍然是灵敏度、分辨力、光谱响应以及信噪比等。但CCD还起着电荷传输的作用，故还应包括转移效率、噪声、功耗等参数。主要参数：转移效率η和损耗率ε

η=(Q(t)/Q(0))×100%

式中：Q(0)为t=0时某电极下的电荷；Q(t)为在时间t后转移到下一个势井中的电荷。

ε=1-η

如果CCD有n个栅电极，则总的转移效率为η的n次方。2时钟频率的上、下限光谱特性和光电特性当前第138页\共有178页\编于星期日\8点CCD的特性参数2时钟频率的上、下限

频率下限：CCD是一种非稳态器件，如果驱动脉冲电压变化太慢，则存储的电荷会受到干扰而不能准确测量。为了避免由于热产生的少数载流子对于注入信号的干扰，注入电荷从一个电极转移到下一个电极所用的时间t，必须小于少数载流子的平均寿命τ，即t﹤τ

在正常工作条件下，对于三相CCD，t为t=T/3=1/(3f)﹤τ，

即f下﹥1/(3τ)当前第139页\共有178页\编于星期日\8点CCD的特性参数频率上限：由于CCD电极长度不是无限小，信号电荷通过电极需要一定时间。若要电荷有效转移，对三相CCD来说，必须使转移时间t≦T/3

即f上≦1/(3t)光谱特性和光电特性

略。

此外还有分辨率、暗电流和动态范围等。当前第140页\共有178页\编于星期日\8点CCD的特性参数像素数量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等像素数是指CCD上感光元件的数量。44万（768*576）、100万（1024*1024）、200万（1600*1200）、600万（2832*2128）信噪比：典型值为46分贝感光范围—

可见光、红外当前第141页\共有178页\编于星期日\8点CCD按电荷存储的位置分有两种基本类型

1、电荷包存储在半导体与绝缘体之间的界面，并沿界面传输

——表面沟道CCD(简称SCCD)。

2、电荷包存储在离半导体表面一定深度的体内，并在半导体体内沿一定方向传输，

——体沟道或埋沟道器件(简称BCCD)。ＣＣＤ的类型当前第142页\共有178页\编于星期日\8点ＣＣＤ的类型线阵ＣＣＤ：光敏元排列为一行的称为线阵，象元数从128位至5000位以至7000位不等，由于生产厂家象元数的不同，市场上有数十种型号的器件可供选用。面阵CCD：器件象元排列为一平面，它包含若干行和列的结合。目前达到实用阶段的象元数由25万至数百万个不等，按照片子的尺寸不同有1／3英寸、l／2英寸、2／3英寸以至1英寸之分。当前第143页\共有178页\编于星期日\8点5.2CCD图像测量的二值化CCD图像测量的基本原理是：光学系统把被测对象的光信息投射在CCD的光敏面元上，形成了光学图像。由CCD器件把光敏元上的光信息转换成与光强成比例的电荷量，积累起来的光电荷在一定频率的时钟脉冲的驱动下，在CCD输出端得到被测对象的视频信号。视频信号中每一个离散电压信号的大小对应着该光敏元所接收的光强强弱，而信号输出的时序则对应着CCD光敏元位置的顺序。通过后续处理线路对CCD输出的视频信号进行二值化或量化处理后，将被测对象从背景中分离出来，为下一步的数据处理做好准备。当前第144页\共有178页\编于星期日\8点图7-5-12

二值化处理二值化处理电路当前第145页\共有178页\编于星期日\8点5.2CCD图像测量的基本原理二值化处理是把图像和背景作为分离的二值图像对待。光学系统把被测对象成像在CCD光敏元上，由于被测对象与背景在光强上的强烈变化，反映在CCD视频信号中所对应的图像尺寸边界处会有急剧的电平变化，通过二值化处理把CCD视频信号中图像尺寸部分与背景部分分离成二值电平。实现CCD视频信号二值化的处理由硬件电路完成，常采用电压比较器，即将视频信号与某一电平阈值比较，视频信号电平高于阈值的部分输出高电平，而低于阈值部分输出低电平，形成具有一定宽度的二值化电平的脉冲信号，该脉冲宽度对应被测对象的图像尺寸大小，如上图所示。当前第146页\共有178页\编于星期日\8点线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低；

面阵CCD:

整幅图像；直观；价格高，体积大；面阵CCD芯片当前第147页\共有178页\编于星期日\8点CCD在检测方面的应用几何量测量测宽、测长、测径。光谱测量光谱仪输出信号测量。当前第148页\共有178页\编于星期日\8点5.3CCD玻管尺寸测控仪CCD尺寸测量技术是一种非常有效的非接触检测方法，广泛应用于在线检测工件的尺寸。CCD玻管尺寸测控仪就是测量的一个应用实例，它对玻管外圆直径及壁厚尺寸进行实时监测，并根据测量结果对生产过程进行控制。光源照射被测玻管，经光学系统成像在CCD光敏阵列面上。由于各处透射率的不同，玻管的像在上下边缘处形成两条暗带，中间部分的透射光相对较强而形成亮带。两条暗带最外的边界距离是玻管外径成像的大小，中间亮带是玻管内径像的大小，暗带则是玻管壁厚像的大小，如图所示，CCD视频信号上出现了两个谷

当前第149页\共有178页\编于星期日\8点5.3CCD玻管尺寸测控仪图7-5-14系统结构框图系统结构框图当前第150页\共有178页\编于星期日\8点5.3CCD玻管尺寸测控仪图7-5-13CCD视频信号CCD视频信号当前第151页\共有178页\编于星期日\8点5.3CCD玻管尺寸测控仪把视频信号中的外径尺寸部分和壁厚部分进行二值化处理，填入标准时钟脉冲，该时钟脉冲对应CCD空间分辨率，由计算机采集这两个尺寸对应的脉冲数，经数据处理后可得到被测玻管的尺寸。本系统被测玻管的直径尺寸为20mm，光学系统的放大率为0.8倍，则玻管