第7章 光電式傳感器

1、123概述概述指紋鎖指紋鎖門禁門禁光光 電電 鼠鼠 標標4概述概述光電開關(guān)5概述概述光柵光柵光纖光纖光電管光電管光敏電阻光敏電阻6 7.1 7.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 傳統(tǒng)的光敏器件利用各種光電效應(yīng)，傳統(tǒng)的光敏器件利用各種光電效應(yīng)，光電效應(yīng)可分為：光電效應(yīng)可分為： 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 7 7.1 7.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) (1)(1)外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 紅限頻率紅限頻率 在光線作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外在光線作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外光電效應(yīng)。光電效應(yīng)。 光照射物體時，電子吸收入射光子的能量，每個光照射物體

2、時，電子吸收入射光子的能量，每個 光子具有的能量是：光子具有的能量是： 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)6.62610-34(J.s)光的頻率（光的頻率（Hz），波長短，頻率高，能量），波長短，頻率高，能量大 8 7.1 7.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 如果光子的能量如果光子的能量E E大于電子的逸出功大于電子的逸出功A A，超出的，超出的能量表現(xiàn)在電子逸出的功能，電子逸出物體表面，能量表現(xiàn)在電子逸出的功能，電子逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。產(chǎn)生光電子發(fā)射。 能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于光子的能量是否大能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于光子的能量是否大于物體表面的電子逸出功。于物體表面的電子逸出功。 2012EhmvA由能量

3、守恒定律有：由能量守恒定律有：9u光電導(dǎo)效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)： 入射光強改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。入射光強改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。 這種效應(yīng)幾乎所有高電阻這種效應(yīng)幾乎所有高電阻 率半導(dǎo)體都有，為使電子從率半導(dǎo)體都有，為使電子從 價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子價帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子 的能量的能量E E0 0應(yīng)大于禁帶寬度應(yīng)大于禁帶寬度EgEg。 基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件 有光敏電阻。有光敏電阻。7.1 7.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)(2)(2)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 臨界波長臨界波長10 7.1 7.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)(2)(2)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)u光生伏特

4、效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)： 光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PNPN結(jié)上產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)。結(jié)上產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)。 為什么為什么PNPN結(jié)會因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？結(jié)會因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？ 有下面兩種情況：有下面兩種情況： 11 當光照射在當光照射在PNPN結(jié)時，如果電子能量大于半導(dǎo)體禁帶結(jié)時，如果電子能量大于半導(dǎo)體禁帶 寬度（寬度（E0 E0 EgEg）, ,可激發(fā)出電子可激發(fā)出電子空穴對，在空穴對，在 PNPN結(jié)內(nèi)電場作用下空穴移向結(jié)內(nèi)電場作用下空穴移向P P區(qū)，而電子移向區(qū)，而電子移向N N區(qū)，區(qū)， 使使P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，區(qū)之

5、間產(chǎn)生電壓， 這個電壓就是光生電動勢這個電壓就是光生電動勢. . 基于這種效應(yīng)的器件有基于這種效應(yīng)的器件有 光電池光電池7.1 7.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)(2)(2)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)12 處于反偏的處于反偏的PNPN結(jié)：結(jié)： 無光照時，反向電阻很大，反向電流很??；無光照時，反向電阻很大，反向電流很小； 有光照時，光子能量足夠大產(chǎn)生光生電子有光照時，光子能量足夠大產(chǎn)生光生電子空穴對，空穴對， 在在PNPN結(jié)電場作用下，形成光電流，結(jié)電場作用下，形成光電流， 電流方向與反向電流一致，光照越大光電流越大。電流方向與反向電流一致，光照越大光電流越大。 具有這種性能的器件有：具有這種性能的器件有： 光

6、敏二極管、光敏晶體管光敏二極管、光敏晶體管. .7.1 7.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)(2)(2)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)137.2 7.2 光電器件光電器件 （1 1）光電管）光電管RUI光強 當光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量當光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量E E大于電子的逸出功大于電子的逸出功A A（E EA A），會有電子逸出產(chǎn)生），會有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引，電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引， 在光電管內(nèi)形成電子流，在光電管內(nèi)形成電子流， 電流在回路電阻電流在回路電阻R R上產(chǎn)生上產(chǎn)生 正比于電流大小的壓降。正比于電流大小的壓降。 因此因此 147.2

7、7.2 光電器件光電器件 （1 1）光電管）光電管157.2 7.2 光電器件光電器件 （1 1）光電管）光電管167.2 7.2 光電器件光電器件 （2 2）光電倍增管）光電倍增管 光照很弱時，光電管產(chǎn)生光照很弱時，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。如核常常使用光電倍增管。如核儀器中閃爍探測器都使用的儀器中閃爍探測器都使用的是光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元是光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元件。件。 光電倍增管是利用二光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進行放子，將光電流在

8、管內(nèi)進行放大。大。17 7.2 7.2 光電器件光電器件（2 2）光電倍增管）光電倍增管18 光電倍增管的光陰極和陽極之間被加了許多光電倍增管的光陰極和陽極之間被加了許多倍增極（倍增極（1010個左右），在陽極和陰極之間加有幾個左右），在陽極和陰極之間加有幾百上千伏的高壓，每個倍增極間有百上千伏的高壓，每個倍增極間有100100200V200V高壓，電流增益在高壓，電流增益在10105 5數(shù)量極。數(shù)量極。 倍增極外加電壓倍增極外加電壓U Ud d與增益與增益G G的關(guān)系近似為：的關(guān)系近似為： 式中：式中：K K 常數(shù)常數(shù) N N 光電倍增管倍增極數(shù)光電倍增管倍增極數(shù) NdGKU 7.2 7.2

9、 光電器件光電器件（2 2）光電倍增管）光電倍增管19上式可見，外加電壓上式可見，外加電壓UdUd的變化引起光電倍增管增的變化引起光電倍增管增益的變化，因此對供給光電倍增管的工作電源電益的變化，因此對供給光電倍增管的工作電源電壓要求較高，必須有極好的穩(wěn)定性。壓要求較高，必須有極好的穩(wěn)定性。 另外，為減少光電倍增管受溫度影響，在核探另外，為減少光電倍增管受溫度影響，在核探測技術(shù)中測技術(shù)中“穩(wěn)譜穩(wěn)譜”是一個重要內(nèi)容，與光電倍增是一個重要內(nèi)容，與光電倍增管的指標、參數(shù)密切相關(guān)。管的指標、參數(shù)密切相關(guān)。 7.2 7.2 光電器件光電器件（2 2）光電倍增管）光電倍增管/(/)ddG GNUU增益變化為

10、：增益變化為：207.2 7.2 光電器件光電器件（2 2）光電倍增管）光電倍增管光電倍增管測量電路光電倍增管測量電路 21 7.2 7.2 光電器件光電器件 （3 3）光敏電阻）光敏電阻 光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其結(jié)光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)是在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，構(gòu)是在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。膜。 光敏電阻結(jié)構(gòu)及符號光敏電阻結(jié)構(gòu)及符號 22 7.2 7.2 光電器光電器（3 3）光敏電阻）光敏電阻23光敏電阻光照特性光敏電阻光照特性 無光照

11、時，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；無光照時，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值； 有光照時，電阻值隨光強增加而降低；有光照時，電阻值隨光強增加而降低； 光照停止時，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。光照停止時，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。 光敏電阻主要參數(shù)光敏電阻主要參數(shù) 暗電阻暗電阻無光照時的電阻；無光照時的電阻； 暗電流暗電流無光照時的電流；無光照時的電流； 亮電阻、亮電流亮電阻、亮電流受光照時的阻值、電流；受光照時的阻值、電流； 光電流光電流亮電流與暗電流之差稱亮電流亮電流與暗電流之差稱亮電流 。7.2 7.2 光電器件光電器件 （3 3）光敏電阻）光敏電阻24 伏安特性

12、伏安特性 給定偏壓給定偏壓 光照越大光電流越大；光照越大光電流越大； 給定光照度給定光照度 電壓越大光電流越大；電壓越大光電流越大； 光敏電阻的伏安特性光敏電阻的伏安特性 曲線不彎曲、無飽和，曲線不彎曲、無飽和， 但受最大功耗限制。但受最大功耗限制。 7.2 7.2 光電器件光電器件 （3 3）光敏電阻）光敏電阻基本特性基本特性光敏電阻伏安特性光敏電阻伏安特性25 光譜特性光譜特性 光敏電阻靈敏度與入射波長有關(guān)光敏電阻靈敏度與入射波長有關(guān); ; 光敏電阻靈敏度與半導(dǎo)體摻雜的材料有關(guān)，光敏電阻靈敏度與半導(dǎo)體摻雜的材料有關(guān)， 材料與相對靈敏度峰位波長材料與相對靈敏度峰位波長 例圖：例圖： 硫化鎘（

13、硫化鎘（CdSCdS）0.30.30.8(m) 0.8(m) 硫化鉛（硫化鉛（PbSPbS）1.01.03.5(m) 3.5(m) 銻化銦（銻化銦（InSbInSb）1.01.07.3(m)7.3(m) 7.2 7.2 光電器件光電器件 （3 3）光敏電阻）光敏電阻基本特性基本特性26 7.2 7.2 光電器件光電器件 （3 3）光敏電阻）光敏電阻基本特性基本特性光敏電阻的光譜特性光敏電阻的光譜特性27 7.2 7.2 光電器件光電器件 （3 3）光敏電阻）光敏電阻基本特性基本特性 溫度特性溫度特性 溫度變化影響溫度變化影響 光敏電阻的靈敏度、光敏電阻的靈敏度、 暗電流和光譜響應(yīng)。暗電流和光譜

14、響應(yīng)。 光敏電阻溫度特性光敏電阻溫度特性28 7.2 7.2 光電器件光電器件 （3 3）光敏電阻）光敏電阻應(yīng)用應(yīng)用光敏電阻開關(guān)電路光敏電阻開關(guān)電路29 7.2 7.2 光電器件光電器件 (4) (4) 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏晶體管工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。光敏晶體管工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。 特點：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、特點：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、 可靠性高可靠性高; ; 廣泛應(yīng)用于可見光和遠紅外探測，以及自動控制、廣泛應(yīng)用于可見光和遠紅外探測，以及自動控制、自動報警、自動計數(shù)等領(lǐng)域和裝置。自動報警、自動計數(shù)等領(lǐng)域和裝置。 30 7

15、.2 7.2 光電器件光電器件 (4) (4) 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏二極管光敏二極管 光敏二極管結(jié)構(gòu)與一光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，它們都般二極管相似，它們都有一個有一個P PN N結(jié)，并且都結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率件。為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光，大面積受光，PNPN結(jié)面積結(jié)面積比一般二極管大。比一般二極管大。硅光敏二極管結(jié)構(gòu)硅光敏二極管結(jié)構(gòu) 31工作原理：工作原理： 光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)， 無光照時，反向電阻很大，無光照時，反向電阻很大， 反向電流很?。环?/p>

16、向電流很小； 有光照時，有光照時，PNPN結(jié)處產(chǎn)生光生結(jié)處產(chǎn)生光生 電子空穴對；電子空穴對； 在電場作用下形成光電流，在電場作用下形成光電流， 光照越強光電流越大；光照越強光電流越大； 光電流方向與反向電流一致。光電流方向與反向電流一致。 7.2 7.2 光電器件光電器件 (4) (4) 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏二極管基本電路光敏二極管基本電路 32v 基本特性：基本特性： 光照特性，光照特性， 圖是硅光敏二極管在小圖是硅光敏二極管在小 負載電阻下的光照特性。負載電阻下的光照特性。 光電流與照度成線性關(guān)系。光電流與照度成線性關(guān)系。 光敏二極管光照特性光敏二極管光照特性

17、 7.2 7.2 光電器件光電器件 (4) (4) 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 33 光譜特性，光譜特性， 當入射波長當入射波長900nm900nm時，響應(yīng)下降，因波長長，時，響應(yīng)下降，因波長長， 光子能量小于禁帶寬度，不產(chǎn)生電子光子能量小于禁帶寬度，不產(chǎn)生電子空穴對；空穴對； 當入射波長當入射波長900nm900nm時，響應(yīng)也逐漸下降，波長短時，響應(yīng)也逐漸下降，波長短 的光穿透深度小，使光電流減小。的光穿透深度小，使光電流減小。 7.2 7.2 光電器件光電器件 (4) (4) 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 硅光敏二極管光譜響應(yīng)硅光敏二極管光譜響應(yīng) 光敏晶極

18、管光譜響應(yīng)光敏晶極管光譜響應(yīng) 34光敏二極管伏光敏二極管伏安特性安特性 伏安特性伏安特性 當反向偏壓較低時，光電當反向偏壓較低時，光電流隨電壓變化比較敏感，流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，光生隨反向偏壓的加大，光生電流趨于飽和，這時光生電流趨于飽和，這時光生電流與所加偏壓幾乎無關(guān)，電流與所加偏壓幾乎無關(guān)，只取決于光照強度。只取決于光照強度。 7.2 7.2 光電器件光電器件 (4) (4) 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 35由于反向飽和電流與溫度由于反向飽和電流與溫度密切有關(guān)，因此光敏二極密切有關(guān)，因此光敏二極管的暗電流對溫度變化很管的暗電流對溫度變化很敏感。敏感。 7

19、.2 7.2 光電器件光電器件 (4) (4) 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏二極管暗電流與溫度關(guān)系光敏二極管暗電流與溫度關(guān)系 36光敏管的頻率響應(yīng)是指光敏管光敏管的頻率響應(yīng)是指光敏管輸出的光電流隨頻率的變化關(guān)輸出的光電流隨頻率的變化關(guān)系。光敏管的頻響與本身的物系。光敏管的頻響與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負載以及理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負載以及入射光波長等因素有關(guān)。圖光入射光波長等因素有關(guān)。圖光敏二極管頻率響應(yīng)曲線說明調(diào)敏二極管頻率響應(yīng)曲線說明調(diào)制頻率高于制頻率高于1000Hz1000Hz時，硅光敏時，硅光敏晶體管靈敏度急劇下降。晶體管靈敏度急劇下降。光敏二極管頻率響應(yīng)曲線 7.

20、2 7.2 光電器件光電器件 (4) (4) 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 37 與普通晶體管不同的是，與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極光敏晶體管是將基極集電極集電極結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)做結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)做受光結(jié)，另外發(fā)射極的尺寸做受光結(jié)，另外發(fā)射極的尺寸做的很大，以擴大光照面積。的很大，以擴大光照面積。 大多數(shù)光敏晶體管的基極大多數(shù)光敏晶體管的基極無引線，集電結(jié)加反偏。玻璃無引線，集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個小孔，讓光照射到封裝上有個小孔，讓光照射到基區(qū)?；鶇^(qū)。 7.2 7.2 光電器件光電器件 (4) (4) 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管

21、 光敏三極管光敏三極管光敏晶極管結(jié)構(gòu)光敏晶極管結(jié)構(gòu) 38 硅（硅（SiSi）光敏晶體極管一般都是）光敏晶體極管一般都是NPNNPN結(jié)構(gòu)，光照射結(jié)構(gòu)，光照射在集電結(jié)的基區(qū)，產(chǎn)生電子、空穴，光生電子被拉向在集電結(jié)的基區(qū)，產(chǎn)生電子、空穴，光生電子被拉向集電極，基區(qū)留下正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極集電極，基區(qū)留下正電荷（空穴），使基極與發(fā)射極之間的電壓升高，這樣，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極之間的電壓升高，這樣，發(fā)射極便有大量電子經(jīng)基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流增益。在負載電阻流增益。在負載電阻RLRL上的上的輸出電壓為：輸出電壓為：

22、7.2 7.2 光電器件光電器件 (4) (4) 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏三極管光敏三極管0pLViR晶體管電流放大系數(shù)晶體管電流放大系數(shù) 39光敏晶體管具有放大作用，伏安特性曲線光敏晶體管具有放大作用，伏安特性曲線 如圖所示如圖所示 7.2 7.2 光電器件光電器件 (4) (4) 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管光敏晶體管等效電路光敏晶體管等效電路 光敏晶體管伏安特性光敏晶體管伏安特性 40 光敏晶體管的光譜特性光敏晶體管的光譜特性 硅材料的光敏管峰值波長在硅材料的光敏管峰值波長在0.9m0.9m附近（可見光）附近（可見光） 靈敏度最大；靈敏度最大；

23、可見光或探測赤熱狀可見光或探測赤熱狀 物體時一般都用硅管物體時一般都用硅管 鍺管的峰值波長約為鍺管的峰值波長約為 1.5m1.5m（紅外光）（紅外光） 對紅外進行探測時用對紅外進行探測時用 鍺管較適宜。鍺管較適宜。 7.2 7.2 光電器件光電器件 (4) (4) 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管 光敏三極管光敏三極管光敏晶體管光譜特性 41 光電池工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)，可以直光電池工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)，可以直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。有光線作用時就是電接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。有光線作用時就是電源，廣泛用于宇航電源，另一類用于檢測和自動控源，廣泛用于宇航電源，另一

24、類用于檢測和自動控制等。制等。 光電池種類很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光光電池種類很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化銅等等。電池、砷化鎵、氧化銅等等。 7.2 7.2 光電器件光電器件 (5) (5) 光電池（有源器件）光電池（有源器件）光光 電電 池池 符符 號號42 7.2 7.2 光電器件光電器件 (5) (5) 光電池（有源器件）光電池（有源器件）太陽能手機充電器太陽能手機充電器太陽能供 LED電警示太陽能電池43 結(jié)構(gòu)：光電池實質(zhì)是一個大面積結(jié)構(gòu)：光電池實質(zhì)是一個大面積PNPN結(jié)，上電極為柵結(jié)，上電極為柵狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。狀受光電極，下電極是一層襯底鋁

25、。 原理：當光照射原理：當光照射PNPN結(jié)的一個面時，電子結(jié)的一個面時，電子空穴對空穴對迅速擴散，在結(jié)電場作用下建立一個與光照強度有關(guān)迅速擴散，在結(jié)電場作用下建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。一般可產(chǎn)生的電動勢。一般可產(chǎn)生0.2V0.2V0.6V0.6V電壓電壓50mA50mA電流。電流。 7.2 7.2 光電器件光電器件 (5) (5) 光電池（有源器件）光電池（有源器件）光電池結(jié)構(gòu)光電池結(jié)構(gòu) 光電池工作原理圖光電池工作原理圖 44光照特性光照特性 開路電壓，光生電動勢與照度之間關(guān)系稱開開路電壓，光生電動勢與照度之間關(guān)系稱開路電壓曲線，開路電壓與光照度關(guān)系是非線路電壓曲線，開路電壓與光照度關(guān)系

26、是非線性關(guān)系，在照度性關(guān)系，在照度2000lx2000lx下趨于飽和。下趨于飽和。 短路電流，短路電流與照度之間關(guān)系稱短路短路電流，短路電流與照度之間關(guān)系稱短路電流曲線曲線，短路電流是指外接負載電流曲線曲線，短路電流是指外接負載RLRL相相對內(nèi)阻很小時的光電流。對內(nèi)阻很小時的光電流。7.2 7.2 光電器件光電器件 (5)(5)光電池（有源器件）光電池（有源器件）45光電池光照特性光電池光照特性 光電池光照與負載的關(guān)系光電池光照與負載的關(guān)系 光電池作為測量元件使用時，一般不做電壓源光電池作為測量元件使用時，一般不做電壓源使用，而作為電流源的形式應(yīng)用。使用，而作為電流源的形式應(yīng)用。 7.2 7.

27、2 光電器件光電器件(5)(5)光電池（有源器件）光電池（有源器件）46光譜特性光譜特性 光電池對不同波長的光靈敏光電池對不同波長的光靈敏度不同，度不同， 硅光電池的光譜響應(yīng)峰值在硅光電池的光譜響應(yīng)峰值在0.8m0.8m附近，波長范圍附近，波長范圍0.40.41.2m1.2m。硅光電池可在很寬的。硅光電池可在很寬的波長范圍內(nèi)應(yīng)用。波長范圍內(nèi)應(yīng)用。 硒光電池光譜響應(yīng)峰值在硒光電池光譜響應(yīng)峰值在0.5m0.5m附近附近, , 波波 長范圍長范圍0.380.380.75m0.75m。 7.2 7.2 光電器件光電器件 (5) (5) 光電池（有源器件）光電池（有源器件）47光光電池電池譜特性譜特性

28、7.2 7.2 光電器件光電器件 (5) (5) 光電池（有源器件）光電池（有源器件）48頻率特性頻率特性 頻率特性指光電池相對頻率特性指光電池相對 輸出電流與光的調(diào)制頻輸出電流與光的調(diào)制頻 率之間關(guān)系。率之間關(guān)系。 硅、硒光電池的頻率特硅、硒光電池的頻率特 性不同，硅光電池頻率性不同，硅光電池頻率 響應(yīng)較好硒光電池較差。響應(yīng)較好硒光電池較差。 所以高速計數(shù)器的轉(zhuǎn)換所以高速計數(shù)器的轉(zhuǎn)換 一般采用硅光電池作為一般采用硅光電池作為 傳感器元件。傳感器元件。 7.2 7.2 光電器件光電器件 (5) (5) 光電池（有源器件）光電池（有源器件）硅、硒光電池的頻率特性硅、硒光電池的頻率特性 49 7.

29、2 7.2 光電器件光電器件 (5) (5) 光電池（有源器件）光電池（有源器件）溫度特性溫度特性50v 電路連接電路連接 光電池作為控制元件時通常接非線性負載，光電池作為控制元件時通常接非線性負載，控制晶體管工作?？刂凭w管工作。 光電池作為電源使用時，根據(jù)使用要求進行光電池作為電源使用時，根據(jù)使用要求進行連接。連接。 需要高電壓時應(yīng)將光電池串聯(lián)使用；需要高電壓時應(yīng)將光電池串聯(lián)使用； 需要大電流時應(yīng)將光電池并聯(lián)使用。需要大電流時應(yīng)將光電池并聯(lián)使用。 7.2 7.2 光電器件光電器件 (5) (5) 光電池（有源器件）光電池（有源器件）51 硅管的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為硅管的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.6V

30、0.6V0.7V0.7V，光電池的，光電池的 0.5V0.5V電壓起不到控制作用，可將兩個光電池串聯(lián)電壓起不到控制作用，可將兩個光電池串聯(lián) 后接入基極，或用偏壓電阻產(chǎn)生附加電壓。后接入基極，或用偏壓電阻產(chǎn)生附加電壓。 有光照度變化時，引起基極電流有光照度變化時，引起基極電流IbIb變化，集電極變化，集電極 電流發(fā)生電流發(fā)生倍的變化。電流倍的變化。電流IcIc與光照近似線性關(guān)系與光照近似線性關(guān)系。光電池電路連接光電池電路連接 52PINPIN型硅光電二極管，高速光電二極管，響應(yīng)時間達型硅光電二極管，高速光電二極管，響應(yīng)時間達1nS1nS，適，適用于遙控裝置。用于遙控裝置。 雪崩式光電二極管，具有

31、高速響應(yīng)和放大功能，高電流增益，雪崩式光電二極管，具有高速響應(yīng)和放大功能，高電流增益，可有效讀取微弱光線，用于可有效讀取微弱光線，用于0.8m0.8m范圍的光纖通信、光磁盤受范圍的光纖通信、光磁盤受光元件裝置。光元件裝置。光電閘流晶體管（光激可控硅），由入射光線觸發(fā)導(dǎo)通的可光電閘流晶體管（光激可控硅），由入射光線觸發(fā)導(dǎo)通的可控硅元件?？毓柙?。達林頓光電三極管（光電復(fù)合晶體管），輸入是光電三極管，達林頓光電三極管（光電復(fù)合晶體管），輸入是光電三極管，輸出是普通晶體管，增益大，輸出是普通晶體管，增益大，I=IgI1I2 I=IgI1I2 。 光敏場效應(yīng)晶體管，具有靈敏度高、線性動態(tài)范圍大、光譜光

32、敏場效應(yīng)晶體管，具有靈敏度高、線性動態(tài)范圍大、光譜響應(yīng)范圍寬、輸出阻抗低、響應(yīng)范圍寬、輸出阻抗低、體積小等優(yōu)點。廣泛用于對微弱信體積小等優(yōu)點。廣泛用于對微弱信號和紫外光的檢測。號和紫外光的檢測。 半導(dǎo)體色敏傳感器，可直接測量從可見光到紅外波段的單色半導(dǎo)體色敏傳感器，可直接測量從可見光到紅外波段的單色輻射波長。輻射波長。 7.2 7.2 光電器件光電器件 (6) (6) 其他光電管其他光電管53又稱光電隔離器又稱光電隔離器 “光耦光耦”器件由發(fā)光元件和接收光敏元件（光敏電器件由發(fā)光元件和接收光敏元件（光敏電 阻、光敏二極管、晶體管等）集成在一起，發(fā)光阻、光敏二極管、晶體管等）集成在一起，發(fā)光 管

33、輻射可見光或紅外光，受光器件在光輻射作用管輻射可見光或紅外光，受光器件在光輻射作用 下控制輸出電流大小。通過電下控制輸出電流大小。通過電光、光光、光電，電， 兩次轉(zhuǎn)換進行輸入輸出耦合。兩次轉(zhuǎn)換進行輸入輸出耦合。 7.2 7.2 光電器件光電器件 (6) (6) 其他光電管其他光電管 光電耦合器件光電耦合器件54 “ “光耦光耦”集成器件的特點：輸入輸出完全隔離，集成器件的特點：輸入輸出完全隔離，有獨立的輸入輸出抗，器件有很強的抗干擾能有獨立的輸入輸出抗，器件有很強的抗干擾能力和隔離性能可避免振動、噪聲干擾。力和隔離性能可避免振動、噪聲干擾。 特別適宜做數(shù)字電路特別適宜做數(shù)字電路 開關(guān)信號傳輸、

34、邏輯開關(guān)信號傳輸、邏輯 電路隔離器、計算機電路隔離器、計算機 測量、控制系統(tǒng)中做測量、控制系統(tǒng)中做 無觸點開關(guān)等。無觸點開關(guān)等。 7.2 7.2 光電器件光電器件 (6) (6) 其他光電管其他光電管55 7.2 7.2 光電器件光電器件 (6) (6) 其他光電管其他光電管光電耦合器用于光電耦合器用于天然氣點火器電路天然氣點火器電路56 透射式，當不透明物質(zhì)位透射式，當不透明物質(zhì)位于中間時會阻斷光路，接于中間時會阻斷光路，接受器產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。受器產(chǎn)生相應(yīng)的電信號。 反射式，光電開關(guān)的發(fā)射反射式，光電開關(guān)的發(fā)射與接受器件光軸在同一平與接受器件光軸在同一平面上，以某一角度相交，面上，以某一角

35、度相交，交點處為待測點，當有物交點處為待測點，當有物體經(jīng)過待測點時，接受元體經(jīng)過待測點時，接受元件接收到物體表面反射的件接收到物體表面反射的光線。光線。 7.2 7.2 光電器件光電器件 (6) (6) 其他光電管其他光電管 光電開關(guān)光電開關(guān) 光電開關(guān)結(jié)構(gòu)與外形光電開關(guān)結(jié)構(gòu)與外形57 7.2 7.2 光電器件光電器件 (7) (7) 光電器件的測量方法光電器件的測量方法 58 7.2 7.2 光電器件光電器件 (7) (7) 光電器件的測量方法光電器件的測量方法 電梯平層用光電開關(guān)電梯平層用光電開關(guān)59 7.2 7.2 光電器件光電器件 (7) (7) 光電器件的測量方法光電器件的測量方法 透

36、射式透射式反射式反射式60 電荷耦合器件，又稱電荷耦合器件，又稱CCDCCD圖象傳感器，是一種大圖象傳感器，是一種大 規(guī)模集成電路光電器件電荷耦合器件。具有光電轉(zhuǎn)規(guī)模集成電路光電器件電荷耦合器件。具有光電轉(zhuǎn) 換，信息存儲、延時、傳輸、處理等功能。換，信息存儲、延時、傳輸、處理等功能。 特點：集成度高、尺寸小、電壓低（特點：集成度高、尺寸小、電壓低（DC7DC712V12V）、）、 功耗小。功耗小。 該技術(shù)的發(fā)展促進了各種視頻裝置的普及和微型該技術(shù)的發(fā)展促進了各種視頻裝置的普及和微型 化，應(yīng)用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)化，應(yīng)用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng) 業(yè)、軍用等各個領(lǐng)域。業(yè)

37、、軍用等各個領(lǐng)域。 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） ChargeChargeCoupled DevicesCoupled Devices 61 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件電荷耦合器件62 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件電荷耦合器件基于基于CCDCCD光電耦器件的輸入光電耦器件的輸入設(shè)備：數(shù)字攝像機、數(shù)字相設(shè)備：數(shù)字攝像機、數(shù)字相機、平板掃描儀、指紋機機、平板掃描儀、指紋機63 CCD CCD基本結(jié)構(gòu)分兩部分：基本結(jié)構(gòu)分兩部分： MOSMOS（金屬（金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體）半導(dǎo)體） 光敏元陣列；光敏元陣列； 讀出移

38、位寄存器。讀出移位寄存器。 電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上 制作成百上千（萬）個光敏元，制作成百上千（萬）個光敏元， 一個光敏元又稱一個像素，在半一個光敏元又稱一個像素，在半 導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面 陣有規(guī)則地排列。陣有規(guī)則地排列。 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） CCDCCD基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理CCDCCD結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 顯微鏡下的MOS元表面64v 電荷存儲原理：電荷存儲原理： 當金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下當金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極

39、下 P P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子而言，型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子而言， 是一勢能很低的區(qū)域，稱是一勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱勢阱”。有光線入射到硅。有光線入射到硅 片上時，光子作用下產(chǎn)生片上時，光子作用下產(chǎn)生 電子電子空穴對，空穴被電空穴對，空穴被電 場作用排斥出耗盡區(qū)，而場作用排斥出耗盡區(qū)，而 電子被附近勢阱（俘獲），電子被附近勢阱（俘獲）， 此時勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與此時勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與 光強度成正比。光強度成正比。 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）一個一個MOSMOS光敏元結(jié)構(gòu)光敏元結(jié)構(gòu) 65 7.2 7.2 光電器件光

40、電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） 一個一個MOSMOS結(jié)構(gòu)元為結(jié)構(gòu)元為MOSMOS光敏元或一個像素，把一個勢光敏元或一個像素，把一個勢阱所收集的光生電子稱為一個電荷包；阱所收集的光生電子稱為一個電荷包； CCDCCD器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的MOSMOS元，每個元，每個金屬電極加電壓，就形成成百上千個勢阱；金屬電極加電壓，就形成成百上千個勢阱； 這就是電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)基本原理。這就是電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)基本原理。如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與

41、光照度響應(yīng)的光生電那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應(yīng)的光生電荷圖象。荷圖象。66 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）2651801339066453322分辨率不同的圖象比較67v 電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器）電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器） 光敏元上的電荷需要經(jīng)過電路進行輸出，光敏元上的電荷需要經(jīng)過電路進行輸出，CCDCCD電荷電荷 耦合器件是以電荷為信號而不是電壓電流。耦合器件是以電荷為信號而不是電壓電流。 讀出移位寄存器也是讀出移位寄存器也是MOSMOS結(jié)構(gòu)，由金屬電極、氧化結(jié)構(gòu)，由金屬電極、氧化 物、半導(dǎo)體三部分組成。物、半導(dǎo)體三部分組成。

42、 它與它與MOSMOS光敏元的區(qū)別在于，半導(dǎo)體底部覆蓋了一光敏元的區(qū)別在于，半導(dǎo)體底部覆蓋了一 層遮光層，防止外來光線干擾。層遮光層，防止外來光線干擾。 由三個十分鄰近的電極組成一個耦合單元；由三個十分鄰近的電極組成一個耦合單元； 在三個電極上分別施加脈沖波三相時鐘脈沖在三個電極上分別施加脈沖波三相時鐘脈沖 123123。 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）68電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器）電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器） 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）讀出移位寄存器結(jié)構(gòu)讀出移位寄存器結(jié)構(gòu)69當當t = t1

43、t = t1時刻，時刻，11電極下出現(xiàn)勢阱存入光電荷電極下出現(xiàn)勢阱存入光電荷 當當t = t2t = t2時刻，兩個勢阱形成大的勢阱存入光電荷。時刻，兩個勢阱形成大的勢阱存入光電荷。 當當t = t3t = t3時刻，時刻，11中電荷全部轉(zhuǎn)移至中電荷全部轉(zhuǎn)移至22。 當當t = t4t = t4時刻，時刻，22中電荷向中電荷向33勢阱轉(zhuǎn)移。勢阱轉(zhuǎn)移。 當當t = t5t = t5時刻，時刻，33中電荷向下一個中電荷向下一個11勢阱轉(zhuǎn)移。勢阱轉(zhuǎn)移。 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）讀出移位寄存器三相時鐘脈沖讀出移位寄存器三相時鐘脈沖 70v 電荷轉(zhuǎn)移原

44、理電荷轉(zhuǎn)移原理 這一傳輸過程依次下去，信號電荷按設(shè)計好的這一傳輸過程依次下去，信號電荷按設(shè)計好的方向，在時鐘脈沖控制下從寄存器的一端轉(zhuǎn)移到方向，在時鐘脈沖控制下從寄存器的一端轉(zhuǎn)移到另一端。另一端。 這樣一個傳輸過程，實際上是一個電荷耦合過這樣一個傳輸過程，實際上是一個電荷耦合過程，所以稱電荷耦合器件，擔任電荷傳輸?shù)膯卧?，所以稱電荷耦合器件，擔任電荷傳輸?shù)膯卧Q移位寄存器。稱移位寄存器。 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）71u CCDCCD信號電荷的輸出的方式主要有電流輸出、電壓輸信號電荷的輸出的方式主要有電流輸出、電壓輸出兩種出兩種, ,以電壓輸出

45、型為例：以電壓輸出型為例： 有浮置擴散放大器（有浮置擴散放大器（FDAFDA）、浮置柵放大器（）、浮置柵放大器（FGAFGA） 由浮置擴散區(qū)收集的信號電荷來控制放大管由浮置擴散區(qū)收集的信號電荷來控制放大管VT2VT2的柵的柵極電位：極電位：/outFDUQ C式中，式中，F(xiàn)DC為為浮置擴散節(jié)點上的總電容。浮置擴散節(jié)點上的總電容。 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）電荷耦合器信號輸出方式電荷耦合器信號輸出方式72 輸出信號電壓為輸出信號電壓為 ：1mLoutmLgRUUgR mg式中，式中，為為MOSMOS管管VT1VT1柵極與源極之間的跨導(dǎo)柵極與源極之

46、間的跨導(dǎo)。 復(fù)位管復(fù)位管VT1VT1導(dǎo)通，導(dǎo)通，VT2VT2的溝道抽走浮置擴散區(qū)的剩余電的溝道抽走浮置擴散區(qū)的剩余電荷，直到下一個時鐘周期信號到來如此循環(huán)下去。荷，直到下一個時鐘周期信號到來如此循環(huán)下去。 單溝道單溝道 CCDCCD驅(qū)動驅(qū)動 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）73 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）電荷信息轉(zhuǎn)移原理電荷信息轉(zhuǎn)移原理74CCDCCD器件的物理性能可以用特性參數(shù)來描述器件的物理性能可以用特性參數(shù)來描述 內(nèi)部參數(shù)描述的是內(nèi)部參數(shù)描述的是CCDCCD存儲和轉(zhuǎn)移信號電荷有存儲和轉(zhuǎn)移信號電荷

47、有關(guān)的特性關(guān)的特性, ,是器件理論設(shè)計的重要依據(jù)；是器件理論設(shè)計的重要依據(jù)； 外部參數(shù)描述的是與外部參數(shù)描述的是與CCDCCD應(yīng)用有關(guān)的性能指標應(yīng)用有關(guān)的性能指標主要包括以下內(nèi)容：電荷轉(zhuǎn)移效率、轉(zhuǎn)移損失主要包括以下內(nèi)容：電荷轉(zhuǎn)移效率、轉(zhuǎn)移損失率、工作頻率、電荷存儲容量、靈敏度、分辨率、工作頻率、電荷存儲容量、靈敏度、分辨率。率。 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） CCDCCD的特性參數(shù)的特性參數(shù)75 CCD CCD器件分為線陣器件分為線陣CCDCCD和面陣和面陣CCDCCD，結(jié)構(gòu)上有多，結(jié)構(gòu)上有多種不同形式，如單溝道種不同形式，如單溝道CCDCCD、

48、雙溝道、雙溝道CCDCCD、幀轉(zhuǎn)移結(jié)、幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)構(gòu)CCDCCD、行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)、行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCDCCD。 v 線陣線陣CCDCCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 線陣線陣CCDCCD傳感器是由一列傳感器是由一列MOSMOS光敏元和一列移位寄存光敏元和一列移位寄存器并行構(gòu)成。光敏元和移位寄存器之間有一個轉(zhuǎn)移控器并行構(gòu)成。光敏元和移位寄存器之間有一個轉(zhuǎn)移控制柵，制柵，10241024位線陣，由位線陣，由10241024個光敏元個光敏元10241024個讀出移位個讀出移位寄存器組成。讀出移位寄存器的輸出端寄存器組成。讀出移位寄存器的輸出端GaGa一位位輸出一位位輸出信息，這一過程是一個串行輸出過程。信息，這一過程是一個串

49、行輸出過程。 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） CCDCCD器件器件76 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）單溝道單溝道CCDCCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)電荷輸出控制波形電荷輸出控制波形77 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）6464位線陣位線陣CCDCCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)78v 面陣電荷耦合器面陣電荷耦合器 面型面型CCDCCD是把光敏元件排列成矩陣形式是把光敏元件排列成矩陣形式 傳輸讀出結(jié)構(gòu)有不同類型。傳輸讀出結(jié)構(gòu)有不同類型。 基本構(gòu)成有：基本構(gòu)成有： 幀轉(zhuǎn)送方式（幀轉(zhuǎn)送方式（Fram

50、e Transfer CCDFrame Transfer CCD） 行間轉(zhuǎn)送方式（行間轉(zhuǎn)送方式（Inter Line Transfer CCDInter Line Transfer CCD） 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）79 對不同型號的對不同型號的CCDCCD器件而言，其工作機理是相同器件而言，其工作機理是相同的。的。 不同型號的不同型號的CCDCCD器件具有完全不同的外型結(jié)構(gòu)和器件具有完全不同的外型結(jié)構(gòu)和驅(qū)動時序，在實際使用時必須加以注意。驅(qū)動時序，在實際使用時必須加以注意。 我們可以通過器件供貨商或直接向生產(chǎn)廠家索我們可以通過器件供貨商或直

51、接向生產(chǎn)廠家索取相關(guān)資料，為取相關(guān)資料，為CCDCCD器件的應(yīng)用提供技術(shù)支持。器件的應(yīng)用提供技術(shù)支持。 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） 典型的典型的CCDCCD器件器件80 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） 典型的典型的CCDCCD器件器件CCDCCD產(chǎn)品產(chǎn)品81 CCDCCD傳感器應(yīng)用時是將不同光源與透鏡、鏡頭、傳感器應(yīng)用時是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導(dǎo)纖維、濾光鏡及反射鏡等各種光學(xué)元件結(jié)合，光導(dǎo)纖維、濾光鏡及反射鏡等各種光學(xué)元件結(jié)合，主要用來裝配輕型攝像機、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。主要用來裝配輕型攝像機、

52、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。 CCDCCD應(yīng)用技術(shù)是光、機、電和計算機相結(jié)合的高應(yīng)用技術(shù)是光、機、電和計算機相結(jié)合的高新技術(shù)，作為一種非常有效的非接觸檢測方法，新技術(shù)，作為一種非常有效的非接觸檢測方法，CCDCCD被廣泛用于再線檢測尺寸、位移、速度、定被廣泛用于再線檢測尺寸、位移、速度、定位和自動調(diào)焦等方面。位和自動調(diào)焦等方面。 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）CCDCCD傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用 82 利用利用CCDCCD測量幾何量，測量幾何量，CCDCCD誕生后，首先在工業(yè)檢誕生后，首先在工業(yè)檢測中制成測量長度的光電傳感器，物體通過物鏡測中制成測量長度的

53、光電傳感器，物體通過物鏡在在CCDCCD光敏元上造成影像，光敏元上造成影像，CCDCCD輸出的脈沖表征測輸出的脈沖表征測量工件的尺寸或缺陷；量工件的尺寸或缺陷； 用于傳真技術(shù)，文字、圖象識別。例如用用于傳真技術(shù)，文字、圖象識別。例如用CCDCCD識識別集別集成電路焊點圖案，代替光點穿孔機的作用；成電路焊點圖案，代替光點穿孔機的作用； 自動流水線裝置，機床、自動售貨機、自動監(jiān)視自動流水線裝置，機床、自動售貨機、自動監(jiān)視裝置、指紋機；裝置、指紋機； 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）CCDCCD傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用 83 CCDCCD固態(tài)圖像傳感器作為

54、攝像機或像敏器件，固態(tài)圖像傳感器作為攝像機或像敏器件，取代攝像裝置的光學(xué)掃描系統(tǒng)（電子束掃描），取代攝像裝置的光學(xué)掃描系統(tǒng)（電子束掃描），與其它攝像器件相比，尺寸小、價廉、工作電與其它攝像器件相比，尺寸小、價廉、工作電壓低、功耗小，且不需要高壓壓低、功耗小，且不需要高壓; ; 作為機器人視覺系統(tǒng)；作為機器人視覺系統(tǒng)； M2AM2A攝影膠囊（攝影膠囊（Mouth anusMouth anus）, ,由發(fā)光二極管做由發(fā)光二極管做光源，光源，CCDCCD做攝像機，每秒鐘兩次快門，信號做攝像機，每秒鐘兩次快門，信號發(fā)射到存儲器，存儲器取下后接入計算機將圖發(fā)射到存儲器，存儲器取下后接入計算機將圖像進行下

55、載。像進行下載。 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）CCDCCD傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用 84 7.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） 實例實例1 1： 測量拉絲過程中絲的線徑、軋鋼的直徑、機械加工的軸類測量拉絲過程中絲的線徑、軋鋼的直徑、機械加工的軸類或桿類的直徑等等，這里以玻璃管直徑與壁厚的測量為例。或桿類的直徑等等，這里以玻璃管直徑與壁厚的測量為例。玻璃管玻璃管CCDCCD視頻信號視頻信號85測量原理測量原理: : 在熒光燈的玻璃管生產(chǎn)過程中，總是需要不斷測在熒光燈的玻璃管生產(chǎn)過程中，總是需要不斷測 量玻璃管

56、的外圓直徑及壁厚，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對生量玻璃管的外圓直徑及壁厚，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對生 產(chǎn)過程進行調(diào)整，以便提高產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)過程進行調(diào)整，以便提高產(chǎn)品質(zhì)量。 玻璃管的平均外徑玻璃管的平均外徑12mm,12mm,壁厚壁厚1.2mm,1.2mm,要求測量要求測量 精度為外徑精度為外徑0.1mm,0.1mm,壁厚壁厚0.05mm0.05mm。利用。利用CCDCCD配合配合 適當?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，對玻璃管相關(guān)尺寸進行實時監(jiān)測，適當?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，對玻璃管相關(guān)尺寸進行實時監(jiān)測， 用平行光照射玻璃管，成像物鏡將尺寸影像投影用平行光照射玻璃管，成像物鏡將尺寸影像投影 在在CCDCCD光敏像元陣列面上。光敏像元陣列面上。 7

57、.2 7.2 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） 實例實例1 1：86 由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像 的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間 亮帶反映了玻璃管內(nèi)徑大小，而暗帶則是玻璃管的亮帶反映了玻璃管內(nèi)徑大小，而暗帶則是玻璃管的 壁厚像。壁厚像。 成像物鏡的放大倍率為成像物鏡的放大倍率為，CCDCCD相元尺寸為相元尺寸為t t， 上壁厚、下壁厚分別為上壁厚、下壁厚分別為n1n1、n2 n2 ，外徑尺寸的脈沖，外徑尺寸的脈沖 數(shù)（即像元個數(shù)）為數(shù)（即像元個數(shù)）為N N

58、，測量結(jié)果有：測量結(jié)果有： 1122/dntdn tDN td1,d2,D分別為上壁厚、分別為上壁厚、 下壁厚，外徑尺寸。下壁厚，外徑尺寸。 87線陣CCD進行工件尺寸測量實例實例2 2： 88M2A膠囊 CCD在醫(yī)療診斷中的應(yīng)用實例實例3 3： 89光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維簡稱光纖簡稱光纖 光纖傳感器是光纖傳感器是2020世紀世紀7070年代中期發(fā)展起來的一年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù)，光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)門新技術(shù)，光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器得到進一步發(fā)展。與其它的發(fā)展，光纖傳感器得到進一步發(fā)展。與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點：傳感器相比較，光纖傳感器有如下

59、特點： 不受電磁干擾，防爆性能好，不會漏電打火；不受電磁干擾，防爆性能好，不會漏電打火； 可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲；可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲； 可以用于高溫、高壓、絕緣性能好，耐腐蝕?？梢杂糜诟邷亍⒏邏?、絕緣性能好，耐腐蝕。 7.3 7.3 光纖傳感器光纖傳感器90 7.3 7.3 光纖傳感器光纖傳感器（1 1）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理 光纖結(jié)構(gòu)：光纖結(jié)構(gòu)：基本采用石英玻璃，基本采用石英玻璃， 有不同摻雜，主要有不同摻雜，主要 由三部分組成由三部分組成 中心中心纖芯；纖芯； 外層外層包層；包層； 護套護套尼龍料。尼龍料。 光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性

60、質(zhì)，光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)， 纖芯折射率纖芯折射率N1N1略大于包層折射率略大于包層折射率N2N2（N1N1N2N2）。）。91 光纖的傳播基于光的全反射。當光線以不同角光纖的傳播基于光的全反射。當光線以不同角 度入射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射后進入光纖；度入射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射后進入光纖； v 光線在光纖端面入射角光線在光纖端面入射角減小到某一角度減小到某一角度cc時，時，光線全部反射。光線全部反射。 v 只要只要cc，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。全反射向前傳播，最后從另一端面射出。 7.3 7.