1、2019/5/29,1,第八章 光电式传感器,内容：光电器件、光敏电阻CCD传感器光纤传感器,以光电器件作为转换元件的传感器,优点：响应快、性能稳、非接触,2019/5/29,2,知识要点,第八章 光电式传感器,光电效应与光电器件 光电器件的基本特性 光电式传感器的基本类型 电荷耦合器件 光纤传感器,2019/5/29,3,光电效应：,光电子发射效应 光电导效应 光生伏特效应,三种类型：,发生在物体内部,发生在物体表面,半导体,金属,一、光电器件,物质受到光照会发生某些电学特性的变化，这一现象称为光电效应。,2019/5/29,4,当物质受到光照射时，电子得到了足够的光能会从物质表面上发射出来
2、的现象，称为光电子发射。常见的光电器件：光电管和光电倍增管,光电子发射效应 (外光电效应),当物质受到光的照射时，载流子的浓度增加，导电率增大的现象，称为光电导效应。常见的光电器件：光敏电阻,光电导效应 (内光电效应),2019/5/29,5,当物质受到光的照射时，使物体上产生一定方向的电动势的现象，称为光生伏特效应。常见的光电器件：光电池,光生伏特效应 (内光电效应),1、光电发射型器件,+,2019/5/29,6,光电效应方程：,光是一粒一粒运动着的粒子流，即光子 每个光子的能量为hf 光子打在光电材料上，光子与电子进行能量交换 能量转换为：电子逸出功+初始动能,h普朗克常数 hf光子的能
3、量,f 光的频率,m电子质量,v 电子初速度,A电子逸出功,爱因斯坦假说,2019/5/29,7,当入射光的频率ff0时不能激发光电子。,外光电效应多发生于金属和金属氧化物表面，且是瞬时发生的，滞后时间不超过10-9s。,光电器件：,光电管,光电倍增管,透光的玻璃外壳，阳极A， 阴极K涂有光电发射材料， 抽真空或少量惰性气体。,光电管,入射光负载RL的光电流,红限频率: 产生光电子发射的最低频率,+,2019/5/29,8,倍增极+能发射更多电子的材料 I=I0(c)n,光电式传感器光电倍增管,阴极K,第一倍增极,第四倍增极,第三倍增极,第二倍增极,阳极A,入射光,RL,U0,D1,D4,D3
4、,D2,IA,K,A,R4,R3,R2,R1,R5,特点 灵敏度高 适合弱光 强光易损坏,光电流与入射光强不成比例；受温度影响大，灵敏度低；容易衰老。,+,2019/5/29,9,随着半导体器件的发展，出现了大量的以半导体为材料的基于内光电效应器件： 光电阻,光敏管,光电池,2、光导型光电器件,光照在半导体材料上，电子从价带禁带导带，形成自由电子，使导电性增强。,红限频率：,Eg光电材料禁带宽度能量,2019/5/29,10,光敏电阻,RG,RL,光敏电阻,光敏电阻是一种电阻器件，可以在交流或直流电压下工作。,无光照射时：呈现高阻状态，称暗阻，一般在兆欧级。此时流过的电流称为暗电流。,有光照射
5、时：呈现低阻状态，称亮阻，一般在几千欧以下。此时流过的电流称为亮电流。,灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜 在检测与自动化技术中广泛应用,光电流 = 亮电流暗电流,2019/5/29,11,光敏二极管,RL,器件结构与二极管相似，一般处于反向工作区，只能在直流电压下工作。,光照射的反向电流基本上与光强成正比，适合于开关状态的转换。,光敏三极管,光敏三极管比光敏二极管的灵敏度更高，放大作用强。,2019/5/29,12,达林顿光敏管等效电路,光电式传感器,2019/5/29,13,3、光伏型光电器件光电池,光照在半导体材料上，若E Eg(禁带宽度)，PN结内产生电子-空穴对，PN结两端
6、产生电动势，直接将光能转变成电能。,光生电子-空穴对,+ P,N -,光电器件：,光电池,结电场,光生电子-空穴对,+,-,照在1平方米 物体被照亮的程度指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。由于人眼对不同波长光的相对视见率不同，所以不同波长光的辐射功率相等时，其光通量并不相等。,2019/5/29,14,二、光电器件的基本特性, 光通量 (lumen),1、光电特性,当光电器件电极上的电压一定时, 光电流I与光通量关系。,IF(),2、光照特性,当光电器件电极上的电压一定时，光电流I与光照强度关系。,IF(E),真空光电管光照特性,光电特性
7、呈现线性关系,E照度,照度 (illuminance) 是光源照射在被照物体单位面积上的光通量。 计算公式: 照度=光通量/ 单位面积E=d/dA, 1lx=1lm/m2 单位：勒克斯（lx）,2019/5/29,15,光电倍增管光照特性 灵敏度高，线性范围大,光敏电阻光照特性,非线性, 作为开关元件,光电式传感器,2019/5/29,16,硅光电池光照特性,开路电压呈非线性 短路电流呈线性,光敏二极管光照特性,线性特性好，用于检测,光电式传感器,开路电压,短路电流,光生电流,光生电压,2019/5/29,17,光敏三极管光照特性,线性特性好 用于弱光检测,3、光谱特性,I=F() 入射光波长
8、,光电式传感器,当光电器件在一定照度时，输出的光电流I与入射光波长关系。,2019/5/29,18,真空管,光电倍增管,光敏电阻,锑钾铯,光电式传感器,灵敏度,2019/5/29,19,硅光电池,光敏晶体管,光谱特性与制造器件的材料、制造工艺有关 不同材料对应不同的红线频率 各种敏感材料对不同的波长灵敏度不一样 每一种材料只对某一种波长的灵敏度最高,2019/5/29,20,4、伏安特性,当光通量或照度一定，I=F（U） 用于选择光电元件的负载电阻，进行电路设计。,光敏电阻,真空管,光电倍增管,2019/5/29,21,光电池,光敏晶体管,光电式传感器,电压、光强幅值相同，入射光以不同正弦交变
9、频率调制时,2019/5/29,22,I=F1（f） 或 SF2（f）,5、频率特性,S灵敏度 f 光调制频率,真 空 管,光 敏 电 阻,2019/5/29,23,硅光电池,硒光电池,光 电 池,1k,光 敏 三 极 管,光电式传感器,RL,外光电元件无惯性，响应快；光生伏特元件响应较慢，内光电效应元件响应最慢。,2019/5/29,24,开路电压,短路电流,硅 光 电 池,光 敏 三 极 管,暗电流,光电流,光敏电阻,6、温度特性,温度变化对元件特性的影响,2019/5/29,25,三、光电式传感器的基本组成和类型,1、基本组成,2019/5/29,26,2、基本类型,（1） 透射式,p0
10、 A A被测对象A所吸收的光通量P光敏元件所接收的光通量0光源发出一定的光通量,I f( P ) f( A ),测量液体、气体和固体的透明度和混浊度,光电式传感器,2019/5/29,27,(2)反射式,测量表面粗糙度,p0 A,A被测对象损失光通量,(3)幅射式,If(P)f(0)f(T),如光电高温计和炉子燃烧监视装置,p0,光电式传感器,2019/5/29,28,(4)遮挡式,If（P） f（A）,光敏 元件,(5)开关式，光路“通”与“不通”,用于开关，计数，编码等。,光电式传感器,2019/5/29,29,四、电荷耦合器件,优点： 寿命长：CCD摄像管的寿命约20一30年。 成本低：
11、用CCD摄像管构成的摄像机没有电子枪及其附属设备，体积小，成本低。 机械性能好：耐震、耐撞，不怕强光照射。 重合精度高：摄像管与镜头固定牢固，匹配精 暂留特性好：适于拍摄运动图像。,大规模金属氧化物半导体集成电路光电器件，有光电转换、存储、移位并读出信号电荷的功能。,Charge Couple Device,2019/5/29,30,CCD的基本工作原理,CCD电荷存储构成CCD的基本单元是MOS电容器,由金属、氧化物、半导体材料构成。这个单元也叫做像素。,Metal Oxid Semiconductor,2019/5/29,31,工作原理,MOS电容与其电子势阱具有存储电荷的作用。改变栅压高
12、低，可以使势阱内电荷包逐个向势阱转移。,2019/5/29,32,当MOS电容栅压增高时，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 特点：当栅压增加，势阱变深当栅压减小，势阱变浅,电子向势阱深处移动,2019/5/29,33,2019/5/29,34,2019/5/29,35,2019/5/29,36,在一定的条件下，所加VG越大，耗尽层越深，MOS电容器所容纳的少数载流子电荷量就越大。,2019/5/29,37,势阱内的电荷包光照射产生电子空穴对在栅极电压的作用下，空穴被排斥进入
13、衬底,而电子被收集在势阱里,成为信号电荷存储电荷的多少正比于照射光强。,光信号注入与电荷产生,CCD摄像器件的光电变换过程：,CCD信号电荷产生方式：光信号注入和电压信号注入。用做图像传感器时，由光注入信号电荷,2019/5/29,38,光注入方式有：,正面照射：电极用透明导电材料(氧化锡、氧化钛等制作) 背面照射：需将衬底减薄 直接照射：在每个光敏单元的电极下开一个很小的孔，光线直接照射到硅片表面,这时,如果把一个景物的图像投射到CCD面阵上时,由CCD上形成由积累电荷描绘的电子图像。,2019/5/29,39,电荷转移,CCD的最基本结构是彼此非常靠近的一系列 MOS电容器，耗尽区能够在控
14、制下相通，这是保证相邻的势阱耦合和电荷转移的基本条件。 任何可移动的电荷信号总是力图向表面势大的位置移动，向相邻势阱间的电荷转移。 实现电荷转移的驱动脉冲有二相，三相、四相。,2019/5/29,40,1 2 3 4 5 6,t= t1时：电极1、4在V1的作用下形成势阱,并存有电荷,2019/5/29,41,1 2 3 4 5 6,t= t2时：电极2、5在V2的作用下形成势阱，电极1、4下面的势阱变浅，所存电荷开始向2、5转移。,2019/5/29,42,1 2 3 4 5 6,t= t3时：电极1、4下面的势阱消失，电荷完全转到电极2、5下面。,2019/5/29,43,1 2 3 4
15、5 6,t= t4时：电极3、6在V3的作用下形成势阱，电极2、5下面的势阱变浅，所存电荷开始向3、6转移。,2019/5/29,44,1 2 3 4 5 6,t= t4时：电极2、5下面的势阱消失，电荷完全转到电极3、6下面。,2019/5/29,45,t= t+T时：原电极1下面的电荷全部转到电极4下面。,1 2 3 4 5 6,2019/5/29,46,2019/5/29,47,2019/5/29,48,2019/5/29,49,CCD的信号输出,每个像素下面势阱内的电荷包通过转移后,顺序向外电路输出，并转换成信号电流或电压的形式，并由外电路放大和处理。,常用的电路结构：反偏二极管CCD
16、输出方式 在一个作为负载的电容上可得到相应的离散的负极性脉冲电压，形成负极性图象信号。,2019/5/29,50,2019/5/29,51,2019/5/29,52,2019/5/29,53,负载RL上就形成脉冲电流 输出电流的大小信号电荷的大小,2019/5/29,54,1.光积蓄式线阵CCD,光敏元件与电荷移位寄存器合二为一优点:简单缺点:易产生“拖影”, 须用机械式快门,光,机械快门,CCD摄像器件,线阵CCD 面阵CCD摄像器件,不实用,2019/5/29,55,2.分离式单通道线阵CCD,光敏单元与电荷移位寄存器互为分离，当转移控制栅开启时，信号电荷同时平行读入电荷移位寄存器，然后再
17、转移出去。,2019/5/29,56,2019/5/29,57,3.双通道线阵CCD转移寄存器分别配置在光敏线列两侧,2019/5/29,58,2019/5/29,59,双通道线阵CCD,优点：与长度相同的分离式相比，两倍分辨率。转移寄存器的级数小，电荷转移损失小。尺寸小,双通道式已经发展成为线型固态图像传感器的主要结构。,2019/5/29,60,线型CCD的主要用途,组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。 用作光学信息处理装置的输入环节，例如传真技术。光学文字识别技术(OCR)与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等。 作为自动化流水线装置中的敏感器件，例
18、如可用于机床、自动售货机、自动搬运车及自动监视装置等。,2019/5/29,61,文字图像识别系统写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。,读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中。,邮政编码识别系统,2019/5/29,62,2019/5/29,63,面阵CCD摄像器件,行间转移式（IT） 帧间转移式（FT） 行帧间转移式（FIT）,行间转移式（IT）,IT式CCD中一列列感光单元与一
19、列列垂直移位寄存器相间的排列，最下面是一个水平移位寄存器。 行扫描发生器将电荷包从各个感光单元转移到水平存储器，并输出到寄存器中，在驱动脉冲的作用下经输出端输出，形成一行图象信号。,2019/5/29,64,2019/5/29,65,2019/5/29,66,2019/5/29,67,2019/5/29,68,帧间转移式（FT）,FT式CCD有一个成像部分和一个与之大小相同和单元数目相同的存储部分，以及一个水平移存器。 场消隐期间成像部分中各个电荷包一一对应的移入存储部分各势阱内，然后，场正程期间电荷包的转移和输出象ITCCD一样。,2019/5/29,69,2019/5/29,70,2019
20、/5/29,71,2019/5/29,72,2019/5/29,73,行帧间转移式（FIT）,IT式CCD的一个缺点是高亮点景象会在重现图象上出现垂直拖影，FT的缺点是需要在成像部分前加装一个与场频同步的旋转遮光片式机械快门。结合二者，制作FIT CCD，其工作原理是两者之和，但是电荷包从垂直方向转移的速度比IT式快上千倍。,2019/5/29,74,2019/5/29,75,2019/5/29,76,2019/5/29,77,2019/5/29,78,2019/5/29,79,电子快门,CCD摄像器件有附加电子快门的工作原理是将一场内积累电荷包的时间分为两段，前一段积累的电荷包用溢流沟道吸收
21、后舍弃掉，后一段积累的电荷包正式用于读出。后一段时期越短，相当于电子快门速度越快。,2019/5/29,80,光导纤维的结构和传光原理,纤芯：光的传输通道，直径5m-75m 包层：直径100m-200m 外套：增强机械强度，直径1mm,结构：,五、光纤传感器,3.传光原理,入射角1光密介质n1光疏介质n2 ， n1 n2,以2折射到介质2 a”,以1反射回介质1 a,n1sin1 n2sin2 n1n2， 12,密,疏, 当1c时， 290，此时， n1sin1 n2sin90n2,有：,密,疏, 当1C时，光不再产生折射，称为全反射,即,密,疏,二、光纤传感器的基本原理,被测量对光纤传输的光进行调制，使传输光的强度（振幅）相位，频率或偏振状态随被测量变化而变化，再通过对被调制过的光信号进行检测与解调，从而获得被测参数。,三、传输光的调制方式对传输光的调制法：光通量、光相位、光频率、光波长、光偏振调制等。,
