1、第8章 光电式传感器,8.1 概述 8.2 光源 8.3 常用光电器件 8.4 新型光电器件 8.5 光电传感器,光电式传感器是以光为测量媒介、以光电器件为转换元件的传感器,它具有非接触、响应快、性能可靠等卓越优点。,8.1 概述,光电式传感器的一般组成形式包括:光源、光通路、光电器件和测量电路四个部分。,被测量的变化 光的变化 电量的变化,可用来测量直接引起光量变化的量,如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等;也可测量能够间接转化为光量变化的量,如零件尺寸、表面粗糙度、应力、应变、位移、速度、加速度等。,光通量:指人眼所能感觉到的辐射能量,单位为流明 1lm =1cdSr,即发光强度为 1
2、坎德拉的均匀点光源向单位立体角(球面度内)发射出去的光通量。,发光强度:光源发光的强弱。单位坎德拉(cd),1cd指5401012Hz的单色光在给定方向上的辐射强度达到680-1(W/sr)时的光的强弱。,辐射能通量:发光体在单位时间内辐射出来的光(包括红外线、可见光和紫外线)的总能量就是光源的辐射通量。在单位时间里由光源的某一面积所发出的光能,面积元辐射能通量。,各色光的频率不同,眼睛对各色光的敏感度也有所不同,即使各色光的辐射能通量相等,在视觉上并不能产生相同的明亮程度,在各色光中,黄、绿色光能激起最大的明亮感觉。如果用绿色光作水准,令它的光通量等于辐射能通量,则对其它色光来说,激起明亮感
3、觉的本领比绿色光为小,光通量也小于辐射能通量。 光通量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。例如,当波长为55510-9米的绿光(相对视见率为100%)与波长为65010-9米的红光辐射功率相等时,前者的光通量为后者的10倍。,光照度:物体被照亮的程度(单位面积上的光通量),单位勒克斯 (lx )。1 lx=1 lm/m2 .光亮度:无论面光源或被其它光源所照亮的物体表面,都会向外发射光辐射,其明亮程度用光亮度衡量。单位cd/m2。 光谱:10nm106nm的电磁波称为光波。紫外线10nm380nm;可见光380nm780nm;红外线780nm106nm色谱:可见光对人的
4、视觉产生的颜色区别。,光通量:一只40W的日光灯输出的光通量大约是2100流明.,光亮度:日光灯:(510)10cd/m,光照度(lx):黑夜:0.0010.02;月夜:0.020.3;阴天室内:550;阴天室外:50500;晴天室内:1001000;夏季中午太阳光下的照度:约为109;阅读书刊时所需的照度:5060;家用摄像机标准照度:1400。,以下是一些常见环境的光指标值:,8.2 光源(光源的质量好坏对测量结果有决定性的影响),8.2.1 对光源的要求,1.光源必须具有足够的照度和稳定性;影响灵敏度、信噪比、稳定性、可靠性。光源尽可能稳定,减小能量变化和方向漂移; 2.光源应保证均匀、
5、无遮挡或阴影; 3.光源的照射方式(方向和角度)必须符合传感器的要求; 4.光源的发热量应尽可能小; 5.光源发出的光必须具有合适的光谱范围;主要使用紫外至红外之间的区域。必须考虑光电器件的光谱(峰值点)。,8.2.2 常用光源,1.热辐射光源通过将一些物体加热后产生热辐射来实现照明。温度越高光越亮。钨丝灯、卤素灯。特点(1)光源谱线丰富,主要涵盖可见光和红外光,峰值约在近红外,适用于大部分光电传感器。(2)发光效率低、(3)发热大、(4)寿命短、(5)易碎,电压高,有一定的危险性。 2.气体放电光源通过气体分子受激发后产生放电而发光。碳弧灯、水银灯、钠弧灯、氙弧灯、荧光灯等。特点:效率高、功
6、率大。用于有强光要求,色温接近日光的场合。,3.发光二极管是一种电致发光的半导体器件。 (见书P179表8-1)特点:体积小、耐振;无辐射、无污染;功耗低、冷光源;寿命长;响应快;供电电压低、易于数控;价格较白炽灯高。4.激光器激光:受激辐射放大产生的光。氦氖激光器、半导体激光器、固体激光器。特点:方向性好;亮度高、能量高度集中;单色性好、光谱宽度窄;相干性好(进行干涉测量的最佳光源)。,8.3 常用光电器件,8.3.1 外光电效应及器件在光的照射下,电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应。,c为光速, h为普朗克常数, A为物体的表面逸出功。,0为发生光电效应的入射光波长限(红
7、限波长)。 入射光波长必须小于0 ,不同金属红限波长不同。 光电子释放时间不超过10-9s。,基于外光电效应原理工作的光电器件有光电管和光电倍增管,特点:结构简单,灵敏度高(20220A/lm),暗电流小(最低10-14A),体积大,工作电压高达几百到数千伏,玻壳容易破碎.,光电倍增管,入射光极为微弱时,光电管产生的光电流很小,光电倍增管:放大光电流; 特点:光电流大,灵敏度高。倍增率N=n, 为单级倍增率(36),n为倍增级(414)组成:光电阴极K+若干倍增极+阳极A,8.3.2 内光电效应及器件光照射在半导体材料上,材料中处于价带的电子吸收光子能量,通过禁带跃入导带,使导带内电子浓度和价
8、带内空穴增多,即激发出光生电子空穴对,从而使半导体材料产生光电效应。分为光电导效应和光生伏特效应。发生内光电效应的临界波长:,Eg为材料的禁带宽度,锗为0.75eV ,硅为1.2eV 。,光敏电阻无固定极性,使用时可加直流或交流偏压,梳状电极,1.光电导效应及器件光电导效应:半导体受到光照射时会产生光生电子-空穴对,使导电性能增强,光线愈强,阻值愈低。 常用:光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管。,当无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流很小 ;当有光照时,光敏电阻值(亮电阻)急剧减少,电流迅速增加。,灵敏度高,光谱特性好,光谱响应从紫外区一直到红外区。而且体积小、重量轻、性能稳定,光敏电
9、阻,当光敏电阻受到光照时, 阻值减小。,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时,光生电子空穴对增加,阻值减小,电流增大。,暗电流(越小越好),(2)光敏二极管反向偏置工作。,(3)光敏三极管与一般晶体管很相似,具有两个pn结。可看作一个bc结为光敏二极管的三极管。把光信号转换为电信号,同时又将信号电流加以放大。使用中要保持光源与光敏管的相对位置不变。,光敏二极管,将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方,光照射到光敏二极管的PN结时,电子-空穴对数量增加,光电流与照度成正比。,光敏二极管外形,光敏二极管阵列,包含1024个元件的线性光电二极管阵列,可用于分光镜。,红外发射、接收对管外形,红
10、外发射二极管,红外接收二极管,光敏三极管外形,2.光生伏特效应及器件光生伏特效应:光照引起PN结两端产生电动势的效应。由于它可以象电池那样为外电路提供能量,故称光电池。,光电池是直接将光能转换为电能的光电器件,是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时,结区产生光生电子-空穴对,在结电场作用下,电子推向N区,空穴推向P区,在pn结的两端面产生电动势(p区端面为正,N区端面为负) 。它能为外电路提供能量。,光电池与外电路的连接方式有两种:短路电流输出和开路电压输出。短路电流大小与光强成正比;开路电压与光照度成非线性关系。光照度大于1000lx时,器件饱和,故应根据需要选择工作状态。,硅光电池用单
11、晶硅制成。转换效率较低,适合在可见光波段工作。,光电池外形,光敏面,能提供较大电流的大面积光电池外形,8.3.2 光电器件的特性 光照特性反映光电器件输入光量与输出光电流(光电压)之间的关系(灵敏度)。,(a)光敏电阻 非线性,用作开关元件,(b)光敏二极管 基本线性,用作线性转换元件或开关元件,(c)硅光电池 开路电压状态用作开关元件;短路电流状态用作线性检测元件,负载电阻越小,线性关系越好。,光照特性用响应率R描述。光生电流器件,输出电流Ip与光输入功率Pi之比,称为电流响应率RI,即:,光生伏特器件,输出电压Vp与光输入功率Pi之比,称为电压响应率RV,即:,2. 光谱特性光电器件的光谱
12、特性指相对灵敏度K与入射光波长之间的关系,又称光谱响应。,(a)光敏晶体管,(b)光敏电阻,(c)光电池,3. 响应时间(频率特性)反映动态特性。响应时间小,动态特性好。采用调制光的光电传感器,调制频率上限受响应时间限制。光敏电阻的响应时间一般为10-110-3s,光敏晶体管2x10-5s。光敏二极管的响应速度比光敏三极管高一个数量级,硅管比锗管高一个数量级。,(a)光敏电阻,(b)光电池,(c)光敏晶体管,4. 峰值探测率噪声指标,反映暗电流的影响。峰值探测率大,噪声等效功率小,器件性能好。5. 温度特性,硫化铅光敏电阻的光谱温度特性,温度变化,则 (1)器件灵敏度变化, (2)光谱特性变化
13、,6. 伏安特性 伏安特性:在一定的光照下,对光电器件所加端电压与光电流之间的关系。伏安特性是选择电参数的依据。,(a)光敏电阻,(b)光敏二极管,(c)光敏晶体管,8.4 新型光电器件,8.4.1 位置敏感器件(PSD),8.4.2 集成光敏器件为满足差动输出等应用的需要,可以将两个光敏电阻对称布置在同一光敏面上;也可将光敏三极管制成对管形式;光电池可制成多个元件的阵列.缺点:每个元件都需要相应的输出电路 ,故电路较庞大。,8.4.3 固态图象传感器固态图象传感器是电荷转移器件与光敏阵列元件集为一体构成的具有自扫描功能的摄象器件最常用的电荷转移器件是电荷耦合器件CCD8.4.3.1 CCD的
14、基本原理,1金属电极 2绝缘层SiO2,P型半导体加正偏压,电荷在三相CCD中的转移,1.线阵型CCD图像传感器,8.4.3.2 电荷耦合CCD图像传感器,2、面型CCD图像传感器,CCD的基本特性参数有:光谱响应、动态范围、信噪比、CCD芯片尺寸等。在CCD像素数目相同的条件下,像素点大的CCD芯片可以获得更好的拍摄效果。大的像素点有更好的电荷存储能力。,(一)MOS电容器组成的光敏元显微照片,CCD光敏元显微照片,彩色CCD显微照片(放大7000倍),线阵CCD外形,面阵CCD外形,200万和1600万像素的面阵CCD,面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描,可以获得二维图像。,面
15、阵CCD外形(续),8.4.3.3 CMOS摄像器件固体摄像器,传感和电路高度集成,体积小,功耗低,防震,寿命长,可靠性高,抗电磁干扰;对红外光敏感,有夜视特性,8.4.4 高速光电器件1.PIN结光电二极管: 适用于光通信和光测量2.雪崩式光电二极管,8.4.5 半导体色敏器件,PIN光电二极管,雪崩光敏二极管,8.5 光电传感器,8.5.1 光电式传感器的类型,1. 模拟式光电传感器将被测量转换成连续变化的光电流,要求光电器件的光照特性为单值线性,光源的光照均匀恒定。工作方式如图:,2. 开关式光电传感器利用光电元件受光照或无光照时“有”“无”电信号输出的特性将被测信号转换为断续变化的开关
16、信号;要求光电器件灵敏度高,而对光照特性的线性要求不高。用于自动计数、光控开关、光电输入、光电编码器及光电报警等。,8.5.2 光电式传感器的应用1. 光电式数字转速表,2. 光电式物位传感器用于测量物体的有无、个数、移动距离和相位等。 分为遮光式和反射式。见书P1963. 视觉传感器,热轧板宽自动测量的基本构成及原理,工件伤痕及表面污垢检测,形状检测,4. 细丝类物件在线检测,光电池及在照度测量中的应用,柔光罩下面为圆形光电池,光电池在动力方面的应用,太阳能赛车,太阳能电动机模型,太阳能 硅光电池板,光电池在动力方面的应用(续),太阳能发电,光电池在动力方面的应用(续),光电池在人造卫星上的
17、应用,线阵CCD在扫描仪中的应用,线阵CCD在图像扫描中的应用,风云一号卫星可以对地球上空的云层分布 进行逐行扫描,线阵CCD用于字符识别,CCD数码照相机,数码相机简称DC,它采用CCD作为光电转换器件,将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。数码相机从外观看,也有光学镜头、取景器、对焦系统、光圈、内置电子闪光灯等,但比传统相机多了液晶显示器(LCD),内部更有本质的区别,其快门结构也大不相同。,CCD用于图像记录,数码相机的外形,数码相机的结构解剖 (索尼F828),CCD,CCD数码显微镜拍摄的金属表面显微照片,CCD数码摄像机,CMOS图像传感器,CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器,简称CMOS。现在市售的视频摄像头多使用CMOS作为光电转换器件。虽然目前的CMOS图像传感器成像质量比CCD略低,但CMOS具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点。随着硅晶圆加工技术的进步,CMOS的各项技术指标有望超过CCD,它在图像传感器中的应用也将日趋广泛。,CMOS视频摄像头,带红外LED照明的CMOS视频摄像头,CMOS视频摄像头的外部结构,CMOS视频摄像头的外形及内部结构,