1、1,第7章 光电式传感器,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。,2,第7章 光电式传感器,光电式传感器是先把被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电器件将光信号的变化转换为电量的变化的装置。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。光电式传感器的主要特点是能实现非接触测量、精度高、响应快、性能可靠，广泛用于军事、通讯、检测和工业自动化控制等领域。,3,第7章 光电式传感器,7.1 光电效应和光电器件 7.2 新型光电器件
2、 7.3 光栅式传感器 7.4 激光式传感器 7.5 光电式传感器应用实例,4,7.1 光电效应和光电器件,光电器件的物理基础是光电效应。光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。,7.1.1 外光电效应7.1.2 内光电效应7.1.3 外光电效应器件7.1.4 内光电效应器件7.1.5 光电器件的特性,5,7.1.1 外光电效应,在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。它是1887年由德国科学家赫兹在证明麦克斯韦的电磁波预言实验时偶然发现的现象。他发现当用紫外光照
3、射放电电极时，放电强度增加。这种效应表示有电子从被照射表面上发射出来。,6,7,8,7.1.1 外光电效应,光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体。根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只能给一个电子。而要使电子逸出物体表面，至少需对其做功A0，以克服物体对电子的约束，A0称为逸出功，也称功函数，其值与材料有关，还和材料的表面状态有关。于是，按照能量守恒与转换定律，有,式(7.1)称为爱因斯坦光电效应方程。h-普朗克常数，v-电子离开物体表面时的初速度，-入射光频率。,9,7.1.1 外光电效应,(1)光电效应能否产生，取决于光子的能量是否大于该物质表面的电子逸出功 这意味着每一
4、种物质都有一个对应的光频阀值，称为红限频率(对应的光波长称为临界波长)，用n0表示。根据式(7.1)可得,若n n0时，即使光强微弱也会有电子发射出来。,10,11,7.1.1 外光电效应,(2)当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强度成正比 光愈强，意味着入射的光子数目越多，逸出的光电子数也就越多。(3)光电子逸出物体表面时的初动能决定于入射光的频率 对于一定的物质，电子逸出功是一定的，所以光子的能量hn越大，则电子的初动能越大。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02 /2 ，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且
5、截止电压与入射光的频率成正比。（4）另外，从光开始照射到金属释放光电子几乎在瞬时发生，所需时间不超过10-9秒。,12,7.1 光电效应和光电器件,7.1.1 外光电效应7.1.2 内光电效应7.1.3 外光电效应器件7.1.4 内光电效应器件7.1.5 光电器件的特性,13,7.1.2 内光电效应,当光照射到半导体材料上时，处于价带的电子将吸收光子能量跃入导带，使导带内电子浓度和价带内空穴浓度增加，即激发出光生电子-空穴对，从而使半导体材料产生电效应，这种光电效应称为内光电效应。显然，光子能量必须大于材料的禁带宽度DEg才能产生内光电效应。产生内光电效应的临界波长为,例如，锗DEg=0.75
6、eV，硅DEg=1.2eV。,14,7.1.2 内光电效应,内光电效应按其工作原理可分为：光电导效应和光生伏特效应。1.光电导效应在光照射下，半导体材料的电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，从而引起材料载流子浓度增加，使电阻率变化，这种现象称为光电导效应。,15,7.1.2 内光电效应,2.光生伏特效应在光照射下，能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。以PN结为例，没有光照射时，在过渡区会形成阻挡层，阻止孔穴和电子的进一步扩散。当光线照射PN结产生电子-空穴对时，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，在PN结两端形
7、成光电动势。,16,7.1 光电效应和光电器件,7.1.1 外光电效应7.1.2 内光电效应7.1.3 外光电效应器件7.1.4 内光电效应器件7.1.5 光电器件的特性,17,7.1.3 外光电效应器件,基于外光电效应的器件有光电管、光电倍增管等。 1.光电管可分为两大类：真空光电管和充气光电管，结构类似，都是内装有光阴极和阳极的玻璃管。,18,7.1.3 外光电效应器件,(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
8、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信号的目的。,19,7.1.3 外光电效应器件,(2)充气光电管 如果在玻璃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。,20,7.1.3 外光电效应器件,2.光电倍增管几种光电倍增管的外形如图所示。,21,7.1.3 外光电效应器件,光电倍增管的工
9、作原理建立在光电发射和二次发射的基础之上。在玻璃管内除有光电阴极和光电阳极外，还有若干个光电倍增极，光电倍增极的形状及位置设置得正好使前一倍增极发射的电子继续轰击后一倍增极。光电倍增极上涂有在电子轰击下能放射更多“次级电子”的材料，常用的有锑化钨、氧化银镁合金等。,22,7.1.3 外光电效应器件,工作时倍增极电位是逐级增高的，当入射光照射光电阴极K时，立刻有电子逸出，逸出的电子受到第一倍增极正电位作用，使之加速打在第一倍增极，第一倍增极发射的电子(即二次发射)在第二倍增极更高正电位作用下，再次被加速打在第二倍增极上，第二倍增极又会产生二次电子发射，这样逐级前进，直到电子被阳极A收集为止。,2
10、3,7.1.3 外光电效应器件,光电倍增管的放大性能用倍增系数M衡量。M等于各个倍增电极的二次发射电子倍数di (i=1,2,)的乘积，若有n个倍增电极，且每级的di都一样，则,一般M在105108之间。因此，设光电阴极的光电流为I0 ，则到达阳极的电流为,24,7.1 光电效应和光电器件,7.1.1 外光电效应7.1.2 内光电效应7.1.3 外光电效应器件7.1.4 内光电效应器件7.1.5 光电器件的特性,25,7.1.4 内光电效应器件,基于内光电效应的光电器件有光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管、光位置敏感元件等。,1.光敏电阻光敏电阻又称光导管，是一种均质半导体光电器件。在玻
11、璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体材料，两端装上金属电极，然后压入塑料封装体内。,26,7.1.4 内光电效应器件,将光敏电阻接到外电路中时，若改变光照射，回路电流改变。为提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小电极间的距离。面积较大的光敏电阻，通常采用在光敏电阻薄膜上蒸镀金属梳状电极。常用的光敏电阻材料有硫化镉、硒化铅、碲化铝等。,27,7.1.4 内光电效应器件,光敏电阻特性参数如下(1)暗电阻、亮电阻 光敏电阻未受光照时的阻值称为暗电阻，受光照时的阻值称为亮电阻。暗电阻越大、亮电阻越小则灵敏度越高。(2)暗电流、亮电流、光电流 光敏电阻未受光照时的电流称为暗电流，受光照射时的电流称为亮电流。光电
12、流=亮电流-暗电流暗电流越小，亮电流越大，则灵敏度越高。,28,7.1.4 内光电效应器件,几种光敏电阻的特性参数如表所示。,29,7.1.4 内光电效应器件,2.光电池光电池是在光线照射下，利用光生伏特效应，将光量转变为电动势的光电器件。由于它常用于把太阳能变成电能，因此又称太阳能电池。,太阳能应急灯,编码器用硅光电池,30,31,7.1.4 内光电效应器件,光电池种类繁多，早期出现的有氧化亚铜光电池，因转换效率低已很少使用。目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。硒光电池因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表、照度计等分析、测量仪器。硅光电池与其它半导体光电池相比，不仅性能稳定，
13、还是目前转换效率最高(达到17)的几乎接近理论极限的一种光电池。,32,7.1.4 内光电效应器件,硅光电池是用单晶硅组成的(目前也有非晶硅的产品)。在一块N型硅片上扩散P型杂质(如硼)，形成一个扩散PN(P+N)结；或在P型硅片扩散N型杂质(如磷)，形成N+P的PN结。,用镀镍的方法制成下电极，并用镀银的方法制成上电极。为增加吸收光的效率，在光照表面上还要增镀一层减反射膜。,33,7.1.4 内光电效应器件,一般在地面上用作光电探测器的多为P+N型。如国产2CR型。N+P型硅光电池具有较强的抗辐射能力，适合空间应用，可作为航天器的太阳能电池，如国产2DR型。,34,7.1.4 内光电效应器件
14、,硒光电池是在铝片上涂硒，再用溅射的工艺，在硒层上形成一层半透明的氧化镉，在正反两面喷上低熔合金做电极。在光线照射下，镉材料带负电，硒材料带正电，形成光生电势。虽然硒光电池的转换效率低、寿命短、但适于接受可见光，也有一定应用。,35,7.1.4 内光电效应器件,此外，还有薄膜光电池、紫光电池、异质结光电池等。薄膜光电池是把硫化镉等材料制成薄膜结构，以减轻重量、简化阵列结构，提高抗辐射能力和降低成本。异质结光电池利用不同禁带宽度的半导体材料做成异质PN结，以获得高于同质结硅光电池的转换效率，理论上最大可达30，但目前因工艺尚未成熟，转换效率仍低于硅光电池。,36,7.1.4 内光电效应器件,37
15、,7.1.4 内光电效应器件,光电池与外电路的连接方式有两种。一种是把PN结两端通过外导线短接，形成流过外电路的短路电流。另一种是开路电压输出。,38,7.1.4 内光电效应器件,3.光敏晶体管(1)光敏二极管 结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中，PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射。光敏二极管在电路中是处于反向偏置状态，属单向导电的非线性元件。但它的光照特性是线性的。,39,7.1.4 内光电效应器件,光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流(暗电流)很小(处于载止状态)。受光照射时，结区产生电子-空穴对，在结电场的作用下，电子向N区运动、空穴向P区运动而形成光电流，光敏二极
16、管的光电流I与照度之间呈线性关系。,40,7.1.4 内光电效应器件,(2)光敏三极管 光敏三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管。在正常工作情况下，此二极管应反向偏置。因此，不管是PNP还是NPN型光敏三极管，一般用基极-集电极结作为受光结。,41,7.1.4 内光电效应器件,对NPN型，当集电极加上相对于发射极为正电压且基极开路时，基极-集电极结处于反向偏压下，它的工作机理完全与反偏压的光敏二极管相同。入射光子在基区及集电区被吸收而产生电子-空穴对，形成光生电流。光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了的信号电流。因此，光敏三极管是一种相当于将基极
17、-集电极光敏二极管的电流加以放大的普通晶体管放大器。,42,7.1.4 内光电效应器件,部分光敏二极管基本参量如表所示。,43,光敏二极管和三极管的主要差别,光电流 光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过1A。 响应时间 光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为510s。因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；只有在工作频率较低时，才选用光敏三极管。 输出特性 光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。,44,光敏二级管和三极管,45,7.1 光电效
18、应和光电器件,7.1.1 外光电效应7.1.2 内光电效应7.1.3 外光电效应器件7.1.4 内光电效应器件7.1.5 光电器件的特性,46,7.1.5 光电器件的特性,1.光照特性光照特性表示光电器件输出的光电流(光电压)与入射光量间的关系。光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作线性检测元件。图示是硒光敏电阻的特性曲线。,47,7.1.5 光电器件的特性,硅光敏二极管的光照特性如左图所示，光敏三极管的光照特性如右图所示。可以看出光敏二极管的线性较好。而光敏三极管在起始处和大电流处有非线性，这是因为三极管的b值在大、小电流时都有所下降的缘故。,48,7.1.5 光电器件的特性,光电池光照特性
19、如左图，输出短路电流与光照有较好的线性关系。短路电流是负载电阻相对于光电池内阻来说很小时的电流值，一般负载电阻在100W以下时可作为线性检测元件。开路电压与光照度关系呈非线性，但灵敏度高，宜用作开关元件。光电池电流与照度的关系如右图。,49,50,7.1.5 光电器件的特性,2.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。光电器件对单色辐射通量的反应称为光谱灵敏度S(l)，它是波长l的函数，在某个lm处，S(l)有最大值Smax(l)。定义相对光谱灵敏度Sr(l)为光谱灵敏度与最大光谱灵敏度之比。即,51,几种光敏材料的光谱峰值波长,52,7.1.5 光电器件的特性,图示为光敏
20、电阻的光谱特性。对不同的光敏电阻，其光谱响应峰值波长也不相同。,53,7.1.5 光电器件的特性,图示为光敏三极管的光谱特性。当入射光波长较大时，光子能量太小，不足以激发出电子-空穴对。当入射光波长太短时，由于材料对短波的吸收剧增，使大量光子在半导体表面附近被吸收，但激发的电子-空穴对不能到达PN结。,54,7.1.5 光电器件的特性,硅管的峰值波长约为900nm，锗管的峰值波长约为1500nm。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都选用硅管；但对红外线进行探测时，则采用锗管较合适。,55,7.1.5 光电器件的特性,图示为光电池的光谱特性。硅光电
21、池光谱峰值在0.8mm附近，硒光电池在0.5mm附近。硅光电池的光谱范围为4501100nm，硒光电池为340750nm。因此硒光电池适用于可见光，常用于照度计测定光的强度。,56,57,7.1.5 光电器件的特性,3.温度特性光电器件在工作温度范围内的灵敏度、暗电流或光电流与温度的关系，表明了光电器件的温度特性，通常用曲线来表示或用系数给出。,58,7.1.5 光电器件的特性,左图为硫化镉光敏电阻的温度特性曲线，光电流随温度升高而减小。温度变化对光敏电阻的光谱特性也有很大影响，随着温度升高，峰值波长向短波方向移动，如右图所示。通过降温可提高光敏电阻对长波光的响应。,59,7.1.5 光电器件
22、的特性,温度对光敏三极管光电流的影响如图所示。在高温低照度工作时，由于温升产生的电流变化，将影响测试精度。为此，可以在外电路中采用温度补偿的方法，或使其在恒温条件下工作。,60,7.1.5 光电器件的特性,光电池的温度特性曲线如图所示，从曲线可以看出，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。,61,62,7.1.5 光电器件的特性,4.伏安特性在保持光照度及入射光频谱成分不变的条件下，光电器件的端电压与光电流之间的关系称为光电器件的伏安特性。,硫化镉光敏电阻的伏安特性如图所示。照度不同，曲线斜率不
23、同，表明电阻值随照度而改变。同一般电阻一样，光敏电阻也有最大额定功率、最大工作电压和最大额定电流，使用时不能超过这些额定值。,63,7.1.5 光电器件的特性,光敏三极管在不同照度下的伏安特性与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性类似。因此，只要将入射光的强度看作是三极管的基极电流ib，就可将光敏三极管看成一般的晶体管。,64,7.1.5 光电器件的特性,硅光敏二极管、三极管的伏安特性如左、右图所示。同样照度下，光敏三极管的电流比光敏二极管的大上百倍。此外，在零偏压时，二极管仍有光电流输出，而三极管则没有，这是光生伏特效应造成的。,65,伏安特性,是在光照一定的情况下,光电池的电流和电压之间
24、的关系曲线。图3.52画出了按图3.46所示电路测量的、硅光电池在受光面积为1cm2的伏安特性曲线。图中还画出了0.5、1、3k的负载线。负载线（如0.5k）与某一照度(如900lx)下的伏安特性曲线相交于一点(如A),该点(A)在I和U轴上的投影即为在该照度（900lx)和该负载（0.5k）时的输出电流和电压。,66,图3.52 硅光电池的伏安特性曲线,67,7.1.5 光电器件的特性,5.频率特性和响应时间光电器件输出端电压(电流)的振幅，或相对光谱灵敏度随入射通量的调制频率的变化关系叫光电器件的频率特性。在阶跃输入光功率的条件下，光电探测器输出电流为,i(t)上升到稳态值i的0.63倍时
25、所需的时间(即t = t 时)称为探测器响应时间。,68,7.1.5 光电器件的特性,当用一定振幅的正弦调制光照射探测器时，其响应度随频率而变化。多数探测器的响应度与调制频率的关系是,式中，D0为调制角频率w为零时的响应度；t为响应时间。当w=1/t 时，D(w)=0.707D0(即下降3dB)。所以探测器响应时间t 决定了探测器频率响应的带宽。,69,7.1.5 光电器件的特性,光敏电阻的响应时间一般为10-210-6s，光敏二极管的响应时间约210-5s。光敏电阻的频率特性如图所示。,70,7.1.5 光电器件的特性,光敏三极管的频率特性曲线如图所示，其频率特性受负载电阻的影响。一般来说。
26、光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。硅管的频率响应比锗管好。,实验证明，光敏三极管的截止频率与它的基区厚度成反比关系。如果要求截止频率高，那么基区就要薄；但基区变薄，灵敏度将降低，应适当兼顾两者。,71,7.1.5 光电器件的特性,光电池在作为测量、计数、接收元件时，常用交变光照射。光电池的频率特性如图所示，硅光电池有很高的频率响应，可用在高速计数、有声电影等方面。这是硅光电池在所有光电元件中最为突出的优点。,72,7.1 光电效应和光电器件,7.1.1 外光电效应7.1.2 内光电效应7.1.3 外光电效应器件7.1.4 内光电效应器件7.1.5 光电器件的特性,73,第7章 光电式传感器,
27、7.1 光电效应和光电器件 7.2 新型光电器件 7.3 光栅式传感器 7.4 激光式传感器 7.5 光电式传感器应用实例,74,7.2 新型光电器件,7.2.1 高速光电二极管7.2.2 色敏光电传感器7.2.3 光位置传感器7.2.4 电荷耦合器件,75,7.2.1 高速光电二极管,1.PIN结光电二极管特殊之处在于P层和N层之间加了一层很厚的I层，并将P层做得很薄。由于P层很薄，大量的光被I层吸收，激发较多的载流子形成光电流；又因它可以施加较高的反向偏置电压，使其耗尽层加宽，加强了它的PN结内电场，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。,76,7.2.1 高速光
28、电二极管,2.雪崩式光电二极管增加了一层掺杂浓度极高的P+层。当加上近于击穿的反向偏压时，P层两侧产生极强的内部加速场(可达105V/cm)。因光照激发的电子在强电场作用下高速通过P层，并在P区产生碰撞电离，形成大量新生电子-空穴对。它们也从电场中获得高能量，再次碰撞产生大批新生电子-空穴对，形成“雪崩”，构成强大的光电流。,77,7.2.1 高速光电二极管,PIN结光电二极管仍然具有一般PN结光电二极管的线性特性。因此，在光通信和光信号检测技术中得到了广泛应用。,雪崩二极管具有很高的灵敏度和响应速度，但输出特性差，在光通信中占有重要地位。雪崩二极管实物图如图所示。,78,7.2 新型光电器件
29、,7.2.1 高速光电二极管7.2.2 色敏光电传感器7.2.3 光位置传感器7.2.4 电荷耦合器件,79,7.2.2 色敏光电传感器,自然界中，除鸟类羽毛的颜色是由于干涉而产生之外，物体对光的选择吸收是产生颜色的主要原因。各种色料本身不是光源，它们只能将入射光选择性地吸收或反射，使透射光或反射光带色彩。根据这一原理，在单晶硅或非晶硅材料上制造两个、三个甚至四个PN结，利用不同结深的PN结对不同颜色光吸收系数的差异可进行颜色识别。其中，具有三个以上PN结的元件可同时测得三刺激值，原则上可以得到所有待测颜色，称为全色色敏传感器。,80,7.2.2 色敏光电传感器,图示色敏传感器是两只结深不同的
30、光电二极管的组合体。等效电路如右图。,其P+N结为浅结，NP结为深结。当光线照射时，紫外光部分吸收系数大，经过很短距离就被P+N结吸收完毕。而红外光部分吸收系数小，主要在NP结处被吸收。因此，浅结对紫外光有较高的灵敏度，而深结对红外光有较高的灵敏度。,81,7.2.2 色敏光电传感器,双结型色敏二极管的特性曲线如上图所示。色敏器件在使用前需要先对其进行标定，即测出在不同波长的光照下，深结的短路电流ISD2与浅结的短路电流ISD1的比值ISD2/ISD1。ISD2/ISD1与波长的关系如图所示。根据标定曲线，实测出某一单色光的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。,82,7.2.2 色敏光电传感
31、器,PN130硅光电色敏二极管如图所示，用于彩色扩影、彩色印刷、色彩鉴别电路。红、绿、蓝三单元组成一套。,83,7.2 新型光电器件,7.2.1 高速光电二极管7.2.2 色敏光电传感器7.2.3 光位置传感器7.2.4 电荷耦合器件,84,7.2.3 光位置传感器,光位置传感器(PSD)是利用光线进行位置检测的传感器。光线照射到硅光电二极管的某一位置时，结区激发的光电子向N层漂移，空穴向P层漂移。,到达P层的空穴分成两部分：一部分沿表面电阻Rl流向1端形成光电流Il；另一部分沿表面电阻R2流向2端形成光电流I2；当电阻层均匀时，R2/Rl= x2/xl，则光电流Il/I2=R2/Rl= x2
32、/xl。,85,当坐标原点选在PSD中心时,86,87,7.2 新型光电器件,7.2.1 高速光电二极管7.2.2 色敏光电传感器7.2.3 光位置传感器7.2.4 电荷耦合器件,88,7.2.4 电荷耦合器件,电荷耦合器件CCD是一种大规模金属氧化物半导体集成电路光电器件。它以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、转移并读出信号电荷的功能。CCD自1970年问世以来，由于其独特的性能而发展迅速，广泛应用于航天、遥感、工业、农业、天文及通讯等军用及民用领域中的信息存储及信息处理等方面，尤其适用以上领域中的图像识别技术。,89,7.2.4 电荷耦合器件,1.MOS光敏单元CCD的基本单元是MOS电
33、容器，它以P(或N)型半导体为衬底，上面覆盖一层厚度约120nm的SiO2，再在SiO2表面沉积一层金属电极而构成MOS电容。这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。,90,91,7.2.4 电荷耦合器件,MOS电容器也能像普通电容那样存储电荷。设其基片是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压U时，P型硅中的多数载流子(空穴)受到排斥，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区， 也称表面势阱。所谓耗尽区是指该区域的可动载流子(空穴)被转移到了其他地方，剩下的是不能移动的带负电的离子。,92,7.2.4 电荷耦合器件,耗尽区对电子来说是个势能很低的区域，也就是说，它具有收集电子的能力，附近的电子
34、会被它所俘获。当势阱俘获电子后，电子集中在Si-SiO2交界处。一旦势阱中有了电子，耗尽区厚度将减小。,93,7.2.4 电荷耦合器件,如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体内产生电子-空穴对，由此产生的光生电子就被附近的势阱所俘获，势阱内所俘获的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。存储了电荷的势阱被称为电荷包，而同时产生的空穴被“填充”到耗尽区底部，即耗尽区厚度减小。,94,7.2.4 电荷耦合器件,显然，耗尽区厚度减小的程度与势阱中俘获的电子数有关。势阱所俘获的电子是集中在Si-SiO2交界处的，不容易表示其多少。于是，采用画出势阱中有、无电子时厚度的变化，来表示势阱中电子的多
35、少，就像“井”中有“水”一样，并且用“水”的流动表示势阱中信号电荷的转移，就很形象。,95,7.2.4 电荷耦合器件,随着势阱中电子的增加，耗尽区厚度越来越小，最终会失去俘获电子的能力，即出现了饱和。所以要定期地将势阱中的电子转移走，以便继续收集信号电荷。显然，耗尽区越厚，势阱所能容纳的电子量就越大，越不易出现饱和。,96,7.2.4 电荷耦合器件,通常在半导体基片上制有几百或几千个相互独立的MOS光敏单元，若在金属电极上施加一正偏压时，则在半导体基片上就形成几百或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏单元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏单元就感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。
36、,97,7.2.4 电荷耦合器件,信号电荷(电子)除了可以采用光注入法(左图)之外，还可以采用电注入法(右图)。,98,7.2.4 电荷耦合器件,CCD最基本的结构是一系列彼此非常靠近的MOS电容器，这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面涂覆一层氧化层，并在其上制作许多互相绝缘的金属电极，相邻电极之间仅隔极小的距离，保证相邻势阱耦合及电荷转移。为保证信号电荷按确定方向和路线转移，在各电极上所加的电压严格满足一定的相位要求。,99,7.2.4 电荷耦合器件,2.读出移位寄存器以三相读出移位寄存器为例。把MOS电容器的电极分成三组，在其上面分别施加三个相位不同的控制电压f1、f2、f3，如左图所
37、示，控制电压f1、f2、f3的波形如中图所示，电荷的转移过程如右图所示。,100,7.2.4 电荷耦合器件,在CCD阵列的末端衬底上制作一个输出二极管，当输出二极管加上反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被输出二极管的PN结所收集，在负载RL上就形成脉冲电流Io。输出电流的大小与信号电荷的多少成正比。,101,7.2.4 电荷耦合器件,根据光敏元件排列形式的不同，CCD固态图像传感器可分为线阵列和面阵列两种。3.CCD线列阵线阵CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。线阵CCD图像传感器由一列光敏单元和一排或两排移位寄存器构成，光敏单元与移位寄存器之
38、间有转移控制栅。,102,7.2.4 电荷耦合器件,单排结构用于低位数CCD。一般使信号电荷从上到下的转移时间远小于摄像时间。当转移栅关闭时，光敏单元势阱连续地收集光信号电荷。摄像时间结束时，转移栅打开，各光敏单元收集的信号电荷并行地转移到移位寄存器的相应单元内。之后转移栅关闭，光敏单元开始对下一行图像信号进行积分采集。转移到移位寄存器内的上一行信号电荷，则通过移位寄存器串行输出。,103,7.2.4 电荷耦合器件,双排结构用于高位数CCD。当光敏单元收集到光生电荷后，其奇、偶单元的信号电荷分别传送到上下两排移位寄存器后再串行输出。最后合二为一，恢复信号电荷的原有顺序。,104,4.CCD面列
39、阵面阵CCD可在水平、垂直两个方向上进行电子自扫描。面阵CCD图像传感器由光敏区、信号存储区和转移区三部分组成。目前有三种基本类型：线转移型、 帧转移型和行间转移型。,7.2.4 电荷耦合器件,105,7.2.4 电荷耦合器件,(1)线转移型 其感光区同时又是水平移位区。当感光区光积分结束后，由行扫描电路将光敏元件内的信息电荷逐行转移到输出寄存器，再垂直转移到输出二极管。,这种转移方式具有有效光敏面积大、转移速度快、 转移效率高等特点，但电路比较复杂，易引起图像模糊，目前应用较少。,106,7.2.4 电荷耦合器件,(2)帧转移型 其光敏区和存储区是分开的。在积分周期结束时，利用时钟脉冲将整帧
40、信号转移到存贮区。然后整帧信号再逐行向下移动，进入水平读出移位寄存器而串行输出。这种结构需要一个与光敏区同数量的存贮区，其缺点是芯片尺寸大，但单元结构简单，容易实现多像元化，还允许采用背面光照来增加灵敏度。,107,7.2.4 电荷耦合器件,(3)行间转移型 光敏列阵与存贮列阵交错排列。光敏列阵采用透明电极。垂直存储转移寄存器与输出移位寄存器为光屏蔽结构。,这种方式芯片尺寸小，电荷转移距离比帧传输方式短，故具有较高的工作频率，但单元结构复杂，且只能以正面投射图像，背面照射会产生串扰而无法工作。,108,7.2 新型光电器件,7.2.1 高速光电二极管7.2.2 色敏光电传感器7.2.3 光位置
41、传感器(PSD)7.2.4 电荷耦合器件,109,第7章 光电式传感器,7.1 光电效应和光电器件 7.2 新型光电器件 7.3 光栅式传感器 7.4 激光式传感器 7.5 光电式传感器应用实例,110,7.3 光栅式传感器,光栅是一种在基体上有等间距均匀分布刻线的光学元件。用于测量的光栅称为计量光栅。光栅式传感器又称光栅读数头，主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统、光电元件等组成。,111,7.3 光栅式传感器,1.光栅(1)光栅及其分类 光栅是光栅尺的简称。光栅尺是一块尺子，尺面上刻有排列规则和形状规则的刻线。图示是一块黑白型长光栅尺，尺上平行等距的刻线称为栅线尺。,设其中透光的线宽为a，不
42、透光的线宽为b，一般情况下a=b。图中d=a+b，称为光栅栅距(光栅节距或光栅常数)，是光栅尺的一个重要参数。,112,7.3 光栅式传感器,根据光栅用途的不同，可将光栅尺分为长光栅尺(用作线值测量)及圆光栅盘(用作圆分度测量)。对于圆光栅盘(尺)来说，除了参数栅距之外，更多的是使用栅距角(亦称节距角)。栅距角是指圆光栅盘上相邻两刻线所夹的角。根据制作光栅的材料，可分为玻璃光栅和金属光栅。一般来说，玻璃光栅尺的精度要优于金属光栅尺。但大尺寸的玻璃光栅尺坯较难加工。所以，长的光栅尺(如大于1m)多采用金属尺坯。,113,7.3 光栅式传感器,根据光线是投射还是反射，可分为投射光栅和反射光栅。按光
43、栅对入射光的振幅进行调制还是相位进行调制，又可分为振幅光栅和相位光栅。振幅光栅也称黑白光栅，在尺面上刻有透光和不透光的细线，只对入射光波的振幅或光强进行调制。在长度计量领域内，多采用振幅光栅。,114,7.3 光栅式传感器,相位光栅也称为定向光栅或闪耀光栅。这种光栅的刻线呈锯齿形或三角形。通过控制刻划面与光栅平面的夹角q，来改变各级光谱的相对光强分布，即对相位进行调制。有些相位光栅可通过改变光栅表面厚度来对相位进行调制。,115,7.3 光栅式传感器,(2)标尺光栅、指示光栅 在一对光栅中，其中一块光栅尺作测量基准用，该尺称为标尺光栅(或称主光栅)，另一块则称为指示光栅。在光栅测量系统中，指示
44、光栅一般固定不动，标尺光栅随测量工作台(或主轴)一起移动(或转动)。但在使用长光栅尺的数控机床中，标尺光栅往往固定在床身上不动，指示光栅随拖板一起移动。,116,117,7.3 光栅式传感器,在测长系统中，标尺光栅的长度一般由测量范围来定，而指示光栅一般只做成一小块，即只要能获得足够的莫尔条纹区域即可。在圆分度测量系统中，标尺光栅都是整圆的，指示光栅根据不同情况，有取整个圆盘的，也有取一小块的。为了提高光栅测量系统的分辨率，在光栅测量装置中，还配有各种细分系统，以读出两块光栅尺相对位移为栅距小数部分的数值。,118,119,7.3 光栅式传感器,2.莫尔条纹 (1)形成莫尔条纹的光学原理 两块
45、光栅迭合在一起，之间留有间隙。在线上，两光栅的栅线透光部分与透光部分叠加，形成亮带；在线上，两光栅透光部分与不透光部分叠加，形成暗带。这种由光栅重叠形成的光学图案称为莫尔条纹。,120,7.3 光栅式传感器,长光栅莫尔条纹的周期为,式中，W1为标尺光栅1的光栅常数；W2为指示光栅2的光栅常数；q为两光栅栅线的夹角。,121,7.3 光栅式传感器,(2)莫尔条纹的特点莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅尺的位移量、位移方向具有对应关系。一方面莫尔条纹的移动量与光栅尺的位移量之间有严格的对应关系；另一方面，在q一定的条件下，莫尔条纹的移动方向与光栅尺的位移方向之间也有严格的对应关系。因此，在实际测量中
46、，不仅可以根据莫尔条纹的移动量来判定光栅尺的位移量，而且还可以根据莫尔条纹的移动方向来判定标尺光栅的位移方向。,122,7.3 光栅式传感器,莫尔条纹间距对光栅栅距具有放大作用。在q较小且W1=W2=W的条件下，莫尔条纹周期B和W、q之间有下列近似关系,令W=0.02mm，q=0.0017rad(即0.1)，则B= 11.46mm。这说明莫尔条纹间距对光栅栅距有放大作用。这样，光电接收元件就可以直接安置在放大了的莫尔条纹宽度范围内。,123,7.3 光栅式传感器,莫尔条纹对光栅栅距局部误差具有消差作用。在光栅测量中，光电元件接收的是一个区域内所含众多的栅线所形成的莫尔条纹，个别栅线的栅距误差，
47、或者个别栅线的断裂或其他疵病，对整个莫尔条纹的位置及形状影响很微小。,124,切向光栅莫尔条纹,125,7.3 光栅式传感器,3.光栅测量装置、光栅光学系统、光栅读数头(1)光栅测量装置 光栅测量装置(或称光栅测量系统)是指利用光栅原理对输入量(位移量)进行转换、显示的整个测量装置，它包括三大部分，光栅光学系统；实现细分、辨向和显示等功能的电子系统；相应的机械结构。(2)光栅光学系统 光栅光学系统是指形成和拾取莫尔条纹信号的光学系统及其光电接收元件。作用是把标尺光栅的位移转换为光电元件的输出信号。,126,7.3 光栅式传感器,光栅光学系统是光栅测量装置中的重要组成部分。实际中有很多类型，几个
48、基本组成部分如下照明系统。包括光源及聚光系统，输出平行光。,1-光源；2-聚光镜；3-标尺光栅；4-指示光栅；5-光电接收元件,光栅副。包括标尺光栅及指示光栅。光电接收系统。5为光电接收元件。光栏。在有的光栅光学系统中，为了达到某种目的，还设有光栏。,127,128,7.3 光栅式传感器,(3)光栅读数头 在光栅光学系统中，除去标尺光栅之外，由其它几个组件组合在一起的机械光学部件称为光栅读数头(或称为光栅发讯器)。前面图中的照明系统、指示光栅及光电接收元件通常组成一体，该组件便称为光栅读数头。在光栅测量装置中，光栅读数头或固定不动，或随机床拖板移动。,129,7.3 光栅式传感器,4.光栅测量
49、的特点及应用范围(1)光栅测量的特点精度高。长光栅尺的误差目前可控制在0.20.4mm/m；测量装置的测量精度高达0.53mm/1500mm，分辨率可达0.1mm。圆光栅盘的精度可达0.10.2；圆分度测量装置的精度可达0.15；分辨力可达0.1甚至更高。可实现动态测量、自动测量及数字显示。高分辨率、大量程。抗干扰能力强。价格较高。,130,7.3 光栅式传感器,(2)光栅测量的应用范围长度与角度的精密测量。其它应用，光栅作为检测用的一种元件，还可用来测量振动、应力和应变等。,131,7.3 光栅式传感器,5.光栅光学系统的特点及应用一般希望光栅光学系统具有如下特点结构简单、装调方便、工作可靠、具有较强的抗干扰能力；系统结构参数的变化对莫尔条纹的影响不显著；能输出多相信号；系统本身要具有输出倍频信号的性能。实际只能满足这些要求中的一项或几项。,132,特点是结构简单、紧凑、调整使用方便。对于栅距较大的光栅，多数采用这种系统，在长度及圆分度测量中得到了广泛应用。,7.3 光栅式传感器,(1)透射式直接接收式光学系统 又称为垂直入射式系统或直读式系统，光栅是用透光玻璃制成的。,
