第8章 光電檢測

1、第第8章章 光電檢測光電檢測 n光電效應與光電器件光電效應與光電器件n光電耦合器件光電耦合器件n電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） 光電檢測技術有許多優(yōu)點，有重要而廣泛的用光電檢測技術有許多優(yōu)點，有重要而廣泛的用途。本章主要介紹光電效應與光電器件、光電途。本章主要介紹光電效應與光電器件、光電耦合器件及電荷耦合器件耦合器件及電荷耦合器件( (CCD) )。 8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件 n光電器件（光電元件）光電器件（光電元件）是一種能將光量轉(zhuǎn)換為是一種能將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件。電量的器件。光電傳感器光電傳感器就是以光電器件為檢就是以光電器件為檢測元件的傳感器。它先將非電量轉(zhuǎn)換

2、成光量，測元件的傳感器。它先將非電量轉(zhuǎn)換成光量，再通過光電器件將光量轉(zhuǎn)換成電量。光電傳感再通過光電器件將光量轉(zhuǎn)換成電量。光電傳感器種類很多。器種類很多。n8.1.1 外光電效應及器件外光電效應及器件 在光的作用下使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為在光的作用下使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應外光電效應。光電管光電管、光電倍增管光電倍增管等。等。n一、光電管及其特性一、光電管及其特性 真空光電管的結(jié)構(gòu)與原理如圖示。真空光電管的結(jié)構(gòu)與原理如圖示。8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n愛因斯坦光電方程愛因斯坦光電方程： 規(guī)律規(guī)律：紅限頻率；紅限頻率；光電流正比于光強；光電流正比于光強；（負（負

3、的）截止電壓大小正比于頻率。的）截止電壓大小正比于頻率。Amvh20218.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n光電管的光電管的主要特性主要特性：n1. 伏安特性伏安特性 入射光一定時，陽極電流入射光一定時，陽極電流與陽極電壓之間的關與陽極電壓之間的關系。系。發(fā)光強度發(fā)光強度/luminous intensity: cd (solid angle: steradian/sr)光通量光通量/luminous flux: lm=cdsr 光照度光照度/illuminance: lx=lm/m28.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n2. 光電特性光電特性 陽極與陰極之間電壓一定時，光通

4、量與光電流之陽極與陰極之間電壓一定時，光通量與光電流之間的關系。間的關系。 n3. 光譜特光譜特性性 光電管對光譜的選擇性。光電管對光譜的選擇性。 人視覺人視覺氧銫光電管氧銫光電管紅色濾光鏡紅色濾光鏡100（可見光（可見光=0.380.76 m）8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n二、光電倍增管二、光電倍增管 結(jié)構(gòu)與原理：結(jié)構(gòu)與原理： 測量電路：測量電路： 8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n8.1.2 內(nèi)光電效應及器件內(nèi)光電效應及器件 在光線作用下使物體的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱在光線作用下使物體的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為為內(nèi)內(nèi)光電效應光電效應。光敏電阻光敏電阻、光導管等。

5、、光導管等。 n一、光敏電阻的結(jié)構(gòu)與原理一、光敏電阻的結(jié)構(gòu)與原理 光敏電阻的光敏電阻的 原理結(jié)構(gòu)如圖示原理結(jié)構(gòu)如圖示 8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件 4、5、7、9、11、12、20、25金屬殼光敏電阻金屬殼光敏電阻貼片光敏電阻貼片光敏電阻環(huán)保型光敏電阻（環(huán)保型光敏電阻（3、5 ）8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n二、光敏電阻的主要參數(shù)二、光敏電阻的主要參數(shù) 暗電阻和暗電流暗電阻和暗電流 亮電亮電阻和亮電流阻和亮電流 光電流光電流n三、光敏電阻的基本特性三、光敏電阻的基本特性n1. 伏安特性伏安特性 兩端電壓和電流的關系曲兩端電壓和電流的關系曲線。線。8.1 光電效應

6、及光電器件光電效應及光電器件n2. 光照特性光照特性 光電流和光強的關系光電流和光強的關系曲線。曲線。 非線性較重，一般不非線性較重，一般不用作測量元件用作測量元件! ! 8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n3. 光譜特性光譜特性 對不同波長的入射光，相對靈敏度不同。如圖示。對不同波長的入射光，相對靈敏度不同。如圖示。 /mKr /%（可見光（可見光=0.380.76 m ） 基本應用電路基本應用電路（a）U與光照變化趨勢相同的電路與光照變化趨勢相同的電路（b）U與光照變化趨勢相反的電路與光照變化趨勢相反的電路 8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n8.1.3光生伏特效應及器

7、件光生伏特效應及器件 在光線作用下使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱在光線作用下使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為為光生伏特效應光生伏特效應（阻擋層光電效應阻擋層光電效應）。光電池光電池、光敏光敏二極管二極管、光敏三極管光敏三極管（光敏晶體管光敏晶體管）等。）等。n一、光電池及其特性一、光電池及其特性n 1. 結(jié)構(gòu)與原理結(jié)構(gòu)與原理8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件 ( (有內(nèi)置放大電路有內(nèi)置放大電路) ) 硅光電池硅光電池: : 硅光電池陣列硅光電池陣列: : 8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n2. 光電池的基本特性光電池的基本特性 (1)光譜特性光譜特性 圖示為硒光電

8、池和硅光電池的光譜特性曲線，即圖示為硒光電池和硅光電池的光譜特性曲線，即相對靈敏度相對靈敏度Kr和入射光波長和入射光波長之間的關系曲線。之間的關系曲線。 （可見光（可見光=0.380.76 m ）8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件(2)光照特性光照特性圖示為圖示為硅光電池硅光電池的光照特性曲線。的光照特性曲線。 短路電流短路電流線性線性較好。用作較好。用作測量元件測量元件時，應利用時，應利用短路電流，即作電流源用。短路電流，即作電流源用。 8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件光電池的應用電路（短路電流測量電路）：光電池的應用電路（短路電流測量電路）：I/U 轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓

9、轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓UO與光電流與光電流I成正比。若光電成正比。若光電池用于微光測量，池用于微光測量，I可能較小，可增加一級放大，并在可能較小，可增加一級放大，并在第二級用第二級用RP微調(diào)總放大倍數(shù)。微調(diào)總放大倍數(shù)。光照度計光照度計 光電池（外加柔光罩）光電池（外加柔光罩）8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n二、光敏晶體管及其特性二、光敏晶體管及其特性n 1. 光敏晶體管的結(jié)構(gòu)與原理光敏晶體管的結(jié)構(gòu)與原理 光敏二極管光敏二極管的符號及接線法如圖示。的符號及接線法如圖示。電阻兩端輸出電阻兩端輸出電壓電壓，或串，或串毫安表測毫安表測電流電流。8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件光敏

10、晶體管光敏晶體管的符號及接線法如圖示。的符號及接線法如圖示。光敏晶體管比光敏二極管具有光敏晶體管比光敏二極管具有更高的靈敏度更高的靈敏度。PNP型型光敏晶體管光敏晶體管? ?8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件 光敏管（白光）光敏管（白光）光敏管光敏管接收頭接收頭發(fā)射管發(fā)射管 光敏管對光譜響應有光敏管對光譜響應有選選擇性擇性，通常發(fā)射管與接，通常發(fā)射管與接收管收管配對配對使用！使用！8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n2. 光敏晶體管的基本特性光敏晶體管的基本特性 (1)光譜特性光譜特性 (2)伏安特性伏安特性（可見光（可見光=0.380.76 m ）8.1 光電效應及光電器

11、件光電效應及光電器件(3)光照特性光照特性 注意注意：在應用光敏：在應用光敏電阻、光電池、光電阻、光電池、光敏晶體管等光電器敏晶體管等光電器件時，根據(jù)具體應件時，根據(jù)具體應用要求，可能還需用要求，可能還需考慮其考慮其頻率響應特頻率響應特性性和和溫度特性溫度特性。其他光電探測器件：其他光電探測器件： 顏色傳感器顏色傳感器四象限探測器四象限探測器熱電堆紅外熱電堆紅外測溫傳感器測溫傳感器 X光探測器光探測器 雪崩二極管雪崩二極管( (APD) ) 激光管激光管/ /激光模組激光模組8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n8.1.4 常用光源常用光源n1、白熾燈白熾燈n最常用的是鎢絲燈。電流通過

12、燈絲（鎢絲）最常用的是鎢絲燈。電流通過燈絲（鎢絲）發(fā)熱發(fā)熱白熾白熾發(fā)光。發(fā)光。n普通白熾燈的光譜是普通白熾燈的光譜是連續(xù)的連續(xù)的。光譜范圍較寬光譜范圍較寬：紅外線：紅外線可見光可見光和紫外線，任何光敏元件都能與之配合。和紫外線，任何光敏元件都能與之配合。對光敏元件的光譜特性要求不高。必要時可加濾色片。對光敏元件的光譜特性要求不高。必要時可加濾色片。壽命短、發(fā)熱大、發(fā)光效率低、動態(tài)特性差。壽命短、發(fā)熱大、發(fā)光效率低、動態(tài)特性差。n溴鎢燈溴鎢燈和和碘鎢燈碘鎢燈，體積較小、發(fā)光效率較高、壽命較，體積較小、發(fā)光效率較高、壽命較長。長。8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n2、氣體放電燈、氣體放

13、電燈n利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成。利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成。n耗能僅為耗能僅為白熾燈白熾燈1/31/2。n光譜是光譜是不連續(xù)不連續(xù)的，光譜與氣體種類及放電條件有關。的，光譜與氣體種類及放電條件有關。改變氣體的成分、壓力、陰極材料及放電電流大小，改變氣體的成分、壓力、陰極材料及放電電流大小，可使光譜集中于某一范圍內(nèi)?？墒构庾V集中于某一范圍內(nèi)。n光譜儀器中常用的光源有光譜儀器中常用的光源有低壓汞燈低壓汞燈、氫燈氫燈、鈉燈鈉燈、鎘鎘燈燈、氦燈氦燈等，統(tǒng)稱為等，統(tǒng)稱為光譜燈光譜燈。例如，低壓汞燈的波長。例如，低壓汞燈的波長為為254nm，鈉燈的波長為，鈉燈的波長為589nm，它們經(jīng)常用作

14、光電，它們經(jīng)常用作光電檢測儀器的檢測儀器的單色光源單色光源。n如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長，目前熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長，目前熒光劑的選擇范圍很廣，通過對熒光劑的選擇可以使熒光劑的選擇范圍很廣，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電發(fā)出某一波長范圍的光，如照明氣體放電發(fā)出某一波長范圍的光，如照明日光燈日光燈。8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n3、發(fā)光二極管（、發(fā)光二極管（light-emitting diode, LED ）n工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、

15、重量輕。工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重量輕。應用廣泛。應用廣泛。n由由半導體半導體PN結(jié)構(gòu)成。通常用砷化鎵和磷化鎵兩種材料結(jié)構(gòu)成。通常用砷化鎵和磷化鎵兩種材料固溶體，寫作固溶體，寫作GaAs1-xPx，x代表磷化鎵的比例。改變代表磷化鎵的比例。改變x值可改變發(fā)光波長，波長范圍值可改變發(fā)光波長，波長范圍550900nm，已進入紅，已進入紅外區(qū)。外區(qū)。n其他材料其他材料LED與發(fā)光波長見下表。與發(fā)光波長見下表。材料材料波長波長/nm材料材料波長波長/nmZnS340CuSe-ZnSe400630SiC480ZnxCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx55090

16、0GaAs900InPxAs1-x9103150InP920InxGa1-xAs8501350LED材料與發(fā)光波長材料與發(fā)光波長8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件0.20.40.60.8 1.0 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAsLED的光譜特性的光譜特性/nm相對靈敏度相對靈敏度8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n4、激光器激光器n激光具有激光具有高方向性高方向性、高單色性高單色性、高亮度高亮度的重要特性。的重要特性。波長從波長從240nm

17、至遠紅外。至遠紅外。n激光器按工作物質(zhì)分類：激光器按工作物質(zhì)分類：固體激光器固體激光器、氣體激光器氣體激光器、半導體激光器半導體激光器和和液體激光器液體激光器。n固體激光器固體激光器：如紅寶石激光器、釹玻璃激光器等。?。喝缂t寶石激光器、釹玻璃激光器等。小而堅固，功率大。釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率而堅固，功率大。釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最大的器件，可到幾十太瓦（最大的器件，可到幾十太瓦（TW, 1012W）。利用阿）。利用阿波羅登月留下的反射鏡，紅寶石激光器曾成功波羅登月留下的反射鏡，紅寶石激光器曾成功地用于地用于地球到月球距離測量。地球到月球距離測量。 8.1 光電效應及光電器件光電

18、效應及光電器件n氣體激光器氣體激光器：如氦氖激光器、二氧化碳激光器、一氧：如氦氖激光器、二氧化碳激光器、一氧化碳激光化碳激光器等。器等。形狀像普通放電管，能連續(xù)工作，單形狀像普通放電管，能連續(xù)工作，單色性好。波長從紫外到遠紅外。色性好。波長從紫外到遠紅外。n半導體激光器半導體激光器：出現(xiàn)較晚，較成熟的是砷化鎵激光器。：出現(xiàn)較晚，較成熟的是砷化鎵激光器。效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、輸出功率較小。效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、輸出功率較小。目前可選擇的波長主要限于紅光和紅外區(qū)域目前可選擇的波長主要限于紅光和紅外區(qū)域。n液體激光器液體激光器：分為無機液體激光器和有機液體激光器：分為無機液體

19、激光器和有機液體激光器等。常用的是前者。等。常用的是前者。最大特點是波長在一定范圍內(nèi)可最大特點是波長在一定范圍內(nèi)可調(diào)，且效率不會降低。調(diào)，且效率不會降低。8.1 光電效應及光電器件光電效應及光電器件n8.1.5 光電器件應用舉例光電器件應用舉例 光電繼電器（光控開關）：光電繼電器（光控開關）：J光電開關：光電開關：n(a) 、(c)無被測物，輸出高電平；有被測物，輸出低無被測物，輸出高電平；有被測物，輸出低電平。電平。(b)無無被測物，輸出低電平；有被測物，輸出被測物，輸出低電平；有被測物，輸出高電平。高電平。 路燈自動控制路燈自動控制: : 施密特觸發(fā)電路施密特觸發(fā)電路J簡易直流電源！簡易直

20、流電源！ 燈光亮度自動控制：燈光亮度自動控制：n過零比較器對過零比較器對50Hz市電進行過零檢測，控制鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)市電進行過零檢測，控制鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生與市電同步的鋸齒波。環(huán)境光照度變化由光敏電阻橋路轉(zhuǎn)生與市電同步的鋸齒波。環(huán)境光照度變化由光敏電阻橋路轉(zhuǎn)換成電壓變化，放大、積分后的電壓隨環(huán)境光照度緩慢正比換成電壓變化，放大、積分后的電壓隨環(huán)境光照度緩慢正比變化。比較器輸出脈寬隨環(huán)境光照度反比變化、與市電頻率變化。比較器輸出脈寬隨環(huán)境光照度反比變化、與市電頻率同步的控制信號同步的控制信號 ，控制晶閘管的導通角，進而控制燈光亮度，控制晶閘管的導通角，進而控制燈光亮度（功率）隨光照度反比變化，以自

21、動保持最佳照明狀態(tài)，避（功率）隨光照度反比變化，以自動保持最佳照明狀態(tài)，避免視覺疲勞。免視覺疲勞。 +-+-自動干手器：自動干手器： JMJ12V2A901251KL394704001簡易直流電源！簡易直流電源！220V手放入，光路斷，發(fā)射結(jié)手放入，光路斷，發(fā)射結(jié)正偏，導通，繼電器吸合，正偏，導通，繼電器吸合，風機和電熱絲通電，熱風風機和電熱絲通電，熱風吹出；手抽出，光路通，吹出；手抽出，光路通，發(fā)射結(jié)反偏，截止，繼電發(fā)射結(jié)反偏，截止，繼電器釋放，風機和電熱絲斷器釋放，風機和電熱絲斷電。電。？火焰探測報警：火焰探測報警：光敏電阻和火焰的光譜峰值均為光敏電阻和火焰的光譜峰值均為2.2 m（紅外）

22、。（紅外）。VT2、VT3構(gòu)成高輸入阻抗放大器。構(gòu)成高輸入阻抗放大器?；鹧婊鹧妗疤兲儭惫夤饷綦娮杳綦娮枳柚底兓柚底兓妷盒盘栯妷盒盘柗糯蠓糯笾行恼痉糯笃鳌Ｖ行恼痉糯笃?。前置放大器采前置放大器采用恒壓偏置，用恒壓偏置，以保證更換光以保證更換光敏電阻后，輸敏電阻后，輸出電路的電壓出電路的電壓靈敏度不變。靈敏度不變。 紅外紙張監(jiān)控器：紅外紙張監(jiān)控器：印刷機、打印機等走紙應為印刷機、打印機等走紙應為單張單張。紙張從。紙張從紅外紅外發(fā)射發(fā)射/接接收光電器件間通過，檢測透過紙張的光強變化，以監(jiān)收光電器件間通過，檢測透過紙張的光強變化，以監(jiān)控走紙是否正常。繼電器控制控走紙是否正常。繼電器控制停機停機，

23、并聲，并聲報警報警。J6VCD40111+12VR4R3R6R5R2R1RPT1T2UO功率放大功率放大伺服電機伺服電機光電跟蹤光電跟蹤: :紅外跟蹤（紅外制導）？紅外跟蹤（紅外制導）？UO探頭探頭太陽能電池板太陽能電池板伺服電機伺服電機 13kW伺服控制器伺服控制器 37.5kW伺服控制伺服控制器器 煙塵濁度監(jiān)測：煙塵濁度監(jiān)測： 吸收式煙塵濁度監(jiān)測儀框圖吸收式煙塵濁度監(jiān)測儀框圖煙囪煙囪 光電式轉(zhuǎn)速計：光電式轉(zhuǎn)速計：利用利用光電管光電管、光敏晶體管等光敏晶體管等光電元件將光脈沖轉(zhuǎn)換成電光電元件將光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖，再對電脈沖計數(shù)，進而得到轉(zhuǎn)速。由脈沖，再對電脈沖計數(shù)，進而得到轉(zhuǎn)速。由光電管光電

24、管構(gòu)成構(gòu)成的轉(zhuǎn)速計分的轉(zhuǎn)速計分反射型反射型和和直射型直射型兩種兩種微型光電式轉(zhuǎn)速表：微型光電式轉(zhuǎn)速表： n =60( f /z ) 可在距被測物可在距被測物數(shù)十毫米數(shù)十毫米外外非接觸非接觸地測量轉(zhuǎn)速。地測量轉(zhuǎn)速。日照時間測量：日照時間測量：n可測量農(nóng)作物可測量農(nóng)作物日照時間日照時間。n無光照無光照Vo=VL ；有光照；有光照Vo=VH。輸出接單片機的。輸出接單片機的I/O口，每口，每2分鐘對該口查分鐘對該口查詢詢1次，為高電平則計數(shù)次，為高電平則計數(shù)一次，為低電平則不計數(shù)。一次，為低電平則不計數(shù)。1天查詢天查詢720次。次。(h)24720Nt VoVCC 9013光照度計：光照度計： 光電池

25、（外加柔光罩）光電池（外加柔光罩）習題習題: :1. 請選用請選用光敏電阻光敏電阻（或（或光敏三極管光敏三極管）作傳感器，）作傳感器，設計一路燈自動控制電路。要求：設計一路燈自動控制電路。要求：畫出原畫出原理圖；理圖；簡要說明控制原理；簡要說明控制原理；說明控制靈說明控制靈敏度調(diào)節(jié)方法；敏度調(diào)節(jié)方法；說明抑制在臨界點附近干說明抑制在臨界點附近干擾引起抖動的措施。擾引起抖動的措施。2. 請選用請選用光電池光電池作傳感器，設計一太陽能電池作傳感器，設計一太陽能電池板對太陽方位的自動跟蹤系統(tǒng)。要求：板對太陽方位的自動跟蹤系統(tǒng)。要求：畫畫出原理圖；出原理圖；簡要說明跟蹤原理。簡要說明跟蹤原理。8.2

26、光電耦合器件光電耦合器件 光電耦合器件光電耦合器件（光耦光耦）是以光為媒介傳輸電信）是以光為媒介傳輸電信號的一種號的一種電電-光光-電電轉(zhuǎn)換器件。它由轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源發(fā)光源和和受受光器光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在不兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在不透光密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透光密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體透明絕緣體隔離。隔離。n8.2.1 光電耦合器件的結(jié)構(gòu)和原理光電耦合器件的結(jié)構(gòu)和原理 塑料密封型和金屬密封型：塑料密封型和金屬密封型：8.2 光電耦合器件光電耦合器件n8.2.2 光電耦合器件的組合形式（光電耦合器件的組合形式（集成化集成化）高傳輸效率高傳輸效率采用固態(tài)功能

27、器件，采用固態(tài)功能器件，高速，高傳輸效率高速，高傳輸效率簡單，價低簡單，價低PIN光敏二極管光敏二極管+高速開關晶體管管，高速開關晶體管管，高速高速 8.2 光電耦合器件光電耦合器件與外接運放、電阻、電容等一起構(gòu)成與外接運放、電阻、電容等一起構(gòu)成線性光耦線性光耦，傳輸電壓。，傳輸電壓。8.2 光電耦合器件光電耦合器件n8.2.3 光電耦合器件的特性曲線光電耦合器件的特性曲線 光電耦合器的輸入量光電耦合器的輸入量是直流電流是直流電流 I ，而輸出，而輸出量也是直流電流量也是直流電流 I。 光電耦合器光電耦合器的線性較的線性較差，必要時可采用差，必要時可采用反饋技反饋技術術來來校正校正。 n8.2

28、.4 光電耦合器件的隔離原理與應用舉例光電耦合器件的隔離原理與應用舉例光光耦的輸入阻抗很低（一般耦的輸入阻抗很低（一般1001000），而噪聲源），而噪聲源內(nèi)阻一般很大（內(nèi)阻一般很大（105106），據(jù)分壓原理，傳到光耦輸），據(jù)分壓原理，傳到光耦輸入端的噪聲電壓很小。入端的噪聲電壓很小。 因噪聲源內(nèi)阻一般很大，即使噪聲電壓幅值較大，也因噪聲源內(nèi)阻一般很大，即使噪聲電壓幅值較大，也只能形成微弱的噪聲電流。而光耦輸入端的發(fā)光二極管只能形成微弱的噪聲電流。而光耦輸入端的發(fā)光二極管只有電流大于一定值才發(fā)光。故可隔離幅值很大的噪聲只有電流大于一定值才發(fā)光。故可隔離幅值很大的噪聲電壓。電壓。光耦的輸入、輸

29、出回路之間的分布電容很小（一般光耦的輸入、輸出回路之間的分布電容很?。ㄒ话?.52pF），而絕緣電阻很大（一般），而絕緣電阻很大（一般10111013），故輸），故輸入、輸出回路之間隔離較理想。可阻斷地電位差形成地入、輸出回路之間隔離較理想?？勺钄嗟仉娢徊钚纬傻丨h(huán)路電流，光耦后面電路的噪聲也難以反饋到環(huán)路電流，光耦后面電路的噪聲也難以反饋到光耦前面光耦前面的電路。的電路。光耦的封裝不透光，故不受外界光干擾。光耦的封裝不透光，故不受外界光干擾。 光耦種類多。光耦種類多。多數(shù)隔離電壓在多數(shù)隔離電壓在2.5kV以上，有的達以上，有的達8kV。有高壓大電流大功率的，也有高速高頻（頻率達。有高壓大電流大

30、功率的，也有高速高頻（頻率達10MHz）的。）的。 普通光耦普通光耦非線性重、簡單、便宜，適合數(shù)字信號的非線性重、簡單、便宜，適合數(shù)字信號的隔離。隔離。線性光耦線性光耦線性好、復雜、價高，主要用于模擬線性好、復雜、價高，主要用于模擬信號的隔離。信號的隔離。普通光耦普通光耦的隔離、傳輸作用舉例的隔離、傳輸作用舉例8.2 光電耦合器件光電耦合器件普通光耦普通光耦的隔離、傳輸、電平轉(zhuǎn)換作用舉例的隔離、傳輸、電平轉(zhuǎn)換作用舉例 金屬板NPN常開型接近開關光耦電路：常開型接近開關光耦電路：8.2 光電耦合器件光電耦合器件燃氣熱水器中的脈沖點火控制器：燃氣熱水器中的脈沖點火控制器：燃氣熱水器中的高壓打火確認

31、電路（燃氣熱水器中的高壓打火確認電路（普通光耦普通光耦）采用采用線性光耦線性光耦的前置放大電路（模擬信號隔離）的前置放大電路（模擬信號隔離）傳傳感感器器UO前前置置放放大大器器線性光電耦合器線性光電耦合器電源電源1 1放放大大器器電源電源2 2UNZN1ZN28.2 光電耦合器件光電耦合器件8.3 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD） n電荷耦合器件電荷耦合器件(Charge-Coupled Device, CCD)是一種是一種大規(guī)模大規(guī)模MOS集成電路集成電路光電器件。光電器件。CCD以以電荷為信號，電荷為信號，具有光電信號轉(zhuǎn)換、存儲、移位并讀出信號電荷的功具有光電信號轉(zhuǎn)換、存儲、移位并讀出

32、信號電荷的功能，能，可將光學圖像轉(zhuǎn)換成電荷可將光學圖像轉(zhuǎn)換成電荷“圖像圖像”，是目前常用，是目前常用的的圖像傳感器圖像傳感器之一，有重要而廣泛的應用之一，有重要而廣泛的應用。nCCD有兩個有兩個特點特點：一是它在半導體硅片上制有成百：一是它在半導體硅片上制有成百上千個上千個(甚至數(shù)百萬個甚至數(shù)百萬個)光敏元光敏元，它們按線陣或面陣有，它們按線陣或面陣有規(guī)則地排列。二是它具有規(guī)則地排列。二是它具有自掃描能力自掃描能力，亦即將光敏元，亦即將光敏元上產(chǎn)生的光生電荷依次有規(guī)則地串行輸出，輸出的幅上產(chǎn)生的光生電荷依次有規(guī)則地串行輸出，輸出的幅值與對應的光敏元上的電荷量成正比。值與對應的光敏元上的電荷量成

33、正比。 n8.3.1 CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理的結(jié)構(gòu)和工作原理（1）MOS光敏元光敏元：CCD是由若干個電荷耦合單元組成。其基本是由若干個電荷耦合單元組成。其基本單元是單元是MOS光敏元，單元結(jié)構(gòu)如圖光敏元，單元結(jié)構(gòu)如圖 (a)所示。以所示。以P型（或型（或N型）型）半導體為襯底，上面覆蓋一層厚度約半導體為襯底，上面覆蓋一層厚度約120nm的氧化層的氧化層SiO2作為作為電介質(zhì)，再在電介質(zhì)，再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極為柵電極。形成表面依次沉積一層金屬電極為柵電極。形成了了MOS結(jié)構(gòu)元。結(jié)構(gòu)元。 MOS光敏元的結(jié)構(gòu)光敏元的結(jié)構(gòu)（a）MOS光敏元截面光敏元截面 （b）勢阱圖）勢阱圖 n當在

34、金屬電極上施加一個正電壓當在金屬電極上施加一個正電壓Ug時，襯底接地，在電場的時，襯底接地，在電場的作用下，靠近氧化層的作用下，靠近氧化層的P型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受到排型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受到排斥，從而形成一個耗盡區(qū)，它對帶負電的電子而言是一個勢斥，從而形成一個耗盡區(qū)，它對帶負電的電子而言是一個勢能很低的區(qū)域，稱為能很低的區(qū)域，稱為勢阱勢阱。半導體內(nèi)的少數(shù)載流子（電子）。半導體內(nèi)的少數(shù)載流子（電子）吸引到吸引到P-Si界面處來，從而在界面附近形成一個帶負電荷的耗界面處來，從而在界面附近形成一個帶負電荷的耗盡區(qū)，也稱表面勢阱，如圖盡區(qū)，也稱表面勢阱，如圖(b)所示。如果有光照射在硅片

35、上，所示。如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半導體硅產(chǎn)生了電子在光子作用下，半導體硅產(chǎn)生了電子-空穴對，由此產(chǎn)生的光空穴對，由此產(chǎn)生的光生電子就被附近的勢阱所吸收，而同時產(chǎn)生的空穴被排斥出生電子就被附近的勢阱所吸收，而同時產(chǎn)生的空穴被排斥出耗盡區(qū)，勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢阱附近耗盡區(qū)，勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢阱附近的光強成正比。這樣一個的光強成正比。這樣一個MOS結(jié)構(gòu)元為結(jié)構(gòu)元為MOS光敏元叫做一個光敏元叫做一個像素像素，存儲了電荷的勢阱被稱為，存儲了電荷的勢阱被稱為電荷包電荷包。n通常在半導體硅片上有幾百或幾千個相互獨立的通常在半導體硅片上有幾百或幾千個相互獨立

36、的MOS光敏元，光敏元，若在金屬電極上施加一正電壓時，則在這半導體硅片上就形若在金屬電極上施加一正電壓時，則在這半導體硅片上就形成幾百個或幾千個相互獨立的勢阱。如果照射在這些光敏元成幾百個或幾千個相互獨立的勢阱。如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就感生出一幅與上是一幅明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就感生出一幅與光照強度相對應的光生光照強度相對應的光生電荷圖像電荷圖像。 （2）電荷移位電荷移位：CCD由一系列彼此非常靠近的由一系列彼此非?？拷腗OS光光敏元依次排列，其上制作許多互相絕緣的金屬電極，敏元依次排列，其上制作許多互相絕緣的金屬電極，相鄰電極之間僅隔極小的距離，

37、保證相鄰勢阱耦合及相鄰電極之間僅隔極小的距離，保證相鄰勢阱耦合及電荷轉(zhuǎn)移。對于可移動的電荷信號都將力圖向表面勢電荷轉(zhuǎn)移。對于可移動的電荷信號都將力圖向表面勢大的位置移動。為保證信號電荷按確定方向和路線轉(zhuǎn)大的位置移動。為保證信號電荷按確定方向和路線轉(zhuǎn)移，在各電極上所加的電壓嚴格滿足相位要求。下面移，在各電極上所加的電壓嚴格滿足相位要求。下面以三相（也有二相和四相）時鐘脈沖控制方式為例說以三相（也有二相和四相）時鐘脈沖控制方式為例說明電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。把明電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。把MOS光敏元電極分成三光敏元電極分成三組，組， 在其上面分別施加三個相位不同的控制電壓在其上面分別施加三個相位不同的控制

38、電壓1、2、3，見圖（，見圖（b），）， 控制電壓控制電壓1、2、3的波形的波形如圖（如圖（a）所示。）所示。 三相三相CCD時鐘電壓與時鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關系電荷轉(zhuǎn)移的關系三相時鐘脈沖波形三相時鐘脈沖波形 電荷轉(zhuǎn)移過程電荷轉(zhuǎn)移過程 當當t=t1時，時，1相處于高電平，相處于高電平，2、3相處于低電平，在電極相處于低電平，在電極1、4下面出現(xiàn)勢阱，存儲了電荷。在下面出現(xiàn)勢阱，存儲了電荷。在t=t2時，時，2相也處于高電平，電相也處于高電平，電極極2、5下面出現(xiàn)勢阱。下面出現(xiàn)勢阱。 由于相鄰電極之間的間隙很小，電極由于相鄰電極之間的間隙很小，電極1、2及及4、5下面的勢阱互相耦合，使電極下面的勢

39、阱互相耦合，使電極1、4下的電荷向電極下的電荷向電極2、5下下面勢阱轉(zhuǎn)移。面勢阱轉(zhuǎn)移。 隨著隨著1電壓下降，電極電壓下降，電極1、4下的勢阱相應變淺。下的勢阱相應變淺。在在t=t3時，有更多的電荷轉(zhuǎn)移到電極時，有更多的電荷轉(zhuǎn)移到電極2、5下勢阱內(nèi)。在下勢阱內(nèi)。在t=t4時，只時，只有有2處于高電平，信號電荷全部轉(zhuǎn)移到電極處于高電平，信號電荷全部轉(zhuǎn)移到電極2、5下面的勢阱內(nèi)。下面的勢阱內(nèi)。隨著控制脈沖的變化，信號電荷便從隨著控制脈沖的變化，信號電荷便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到終端，實的一端轉(zhuǎn)移到終端，實現(xiàn)了電荷的耦合與轉(zhuǎn)移。現(xiàn)了電荷的耦合與轉(zhuǎn)移。 它實際上是在它實際上是在CCD陣列的末端襯底上制作一個

40、輸出二極管，陣列的末端襯底上制作一個輸出二極管，當輸出二極管加上反向偏壓時，轉(zhuǎn)移到終端的電荷在時鐘脈沖作當輸出二極管加上反向偏壓時，轉(zhuǎn)移到終端的電荷在時鐘脈沖作用下移向輸出二極管，被二極管的用下移向輸出二極管，被二極管的PN結(jié)所收集，在負載結(jié)所收集，在負載RL上就上就形成脈沖電流形成脈沖電流Io。輸出電流的大小與信號電荷大小成正比，并通。輸出電流的大小與信號電荷大小成正比，并通過負載電阻過負載電阻RL變?yōu)樾盘栯妷鹤優(yōu)樾盘栯妷篣o輸出。如圖示。輸出。如圖示。 CCD輸出端結(jié)構(gòu)輸出端結(jié)構(gòu) n8.3.2 CCD圖像傳感器圖像傳感器 CCD用于圖像傳感器中，作為攝像或像敏的器用于圖像傳感器中，作為攝像

41、或像敏的器件。件。 CCD圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。感光部分利用感光部分利用MOS光敏元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏元上的光學圖像轉(zhuǎn)換成電信號光敏元上的光學圖像轉(zhuǎn)換成電信號“圖像圖像”，即將，即將光強的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強成正比的、大小不等光強的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強成正比的、大小不等的電荷包空間分布，然后利用移位寄存器的移位功的電荷包空間分布，然后利用移位寄存器的移位功能將光生電荷能將光生電荷“圖像圖像”轉(zhuǎn)移出來，從輸出電路上檢轉(zhuǎn)移出來，從輸出電路上檢測到幅度與光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而測到幅度與光生電荷包成正

42、比的電脈沖序列，從而將照射在將照射在CCD上的光學圖像轉(zhuǎn)換為電信號圖像。上的光學圖像轉(zhuǎn)換為電信號圖像。 根據(jù)光敏元件排列形式的不同，根據(jù)光敏元件排列形式的不同，CCD圖像傳感器圖像傳感器可分為可分為線型（線陣）線型（線陣）和和面型（面陣）面型（面陣）兩種。兩種。 （1）線型線型CCD圖像傳感器圖像傳感器 線型線型CCD圖像傳感器是由一列圖像傳感器是由一列MOS光敏單元和一列光敏單元和一列CCD移移位寄存器構(gòu)成的，光敏單元與移位寄存器之間有一個轉(zhuǎn)移控制位寄存器構(gòu)成的，光敏單元與移位寄存器之間有一個轉(zhuǎn)移控制柵，柵，基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)如圖（如圖（a）所示。）所示。 轉(zhuǎn)移控制柵控制光電荷向移位寄轉(zhuǎn)移控制

43、柵控制光電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移，一般使信號轉(zhuǎn)移時間遠小于光積分時間。在光積分存器轉(zhuǎn)移，一般使信號轉(zhuǎn)移時間遠小于光積分時間。在光積分周期里，各個光敏元中所積累的光電荷與該光敏元上所接收的周期里，各個光敏元中所積累的光電荷與該光敏元上所接收的光照強度和光積分時間成正比，光電荷存儲于光敏單元的勢阱光照強度和光積分時間成正比，光電荷存儲于光敏單元的勢阱中。當轉(zhuǎn)移控制柵開啟時，各光敏單元收集的信號電荷并行地中。當轉(zhuǎn)移控制柵開啟時，各光敏單元收集的信號電荷并行地轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器的相應單元。當轉(zhuǎn)移控制柵關閉時，移位寄存器的相應單元。當轉(zhuǎn)移控制柵關閉時，MOS光敏元陣列又開始下一行的光電荷積累。同時

44、，在移位寄光敏元陣列又開始下一行的光電荷積累。同時，在移位寄存器上施加時鐘脈沖，將已轉(zhuǎn)移到存器上施加時鐘脈沖，將已轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器內(nèi)的上一行移位寄存器內(nèi)的上一行的信號電荷由移位寄存器串行輸出，如此重復上述過程。的信號電荷由移位寄存器串行輸出，如此重復上述過程。 線型線型CCD圖像傳感器圖像傳感器（a）單行結(jié)構(gòu)；）單行結(jié)構(gòu)； （b）雙行結(jié)構(gòu)）雙行結(jié)構(gòu) 圖（圖（b）為）為CCD的的雙行結(jié)構(gòu)雙行結(jié)構(gòu)圖。光敏元中的信號電圖。光敏元中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移到上下方的移位寄存器中，然后在時鐘脈沖荷分別轉(zhuǎn)移到上下方的移位寄存器中，然后在時鐘脈沖的作用下向終端移動，在輸出端交替合并輸出。這種結(jié)的作用下向終端

45、移動，在輸出端交替合并輸出。這種結(jié)構(gòu)與長度相同的單行結(jié)構(gòu)相構(gòu)與長度相同的單行結(jié)構(gòu)相比較比較，可以獲得高出兩倍的，可以獲得高出兩倍的分辨率；同時由于轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，使分辨率；同時由于轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，使CCD電荷轉(zhuǎn)電荷轉(zhuǎn)移損失大為減少；雙行結(jié)構(gòu)在獲得相同效果情況下，又移損失大為減少；雙行結(jié)構(gòu)在獲得相同效果情況下，又可縮短器件尺寸。由于這些可縮短器件尺寸。由于這些優(yōu)點優(yōu)點，雙行結(jié)構(gòu)已發(fā)展成為，雙行結(jié)構(gòu)已發(fā)展成為線型線型CCD圖像傳感器的圖像傳感器的主要結(jié)構(gòu)形式主要結(jié)構(gòu)形式。 線型線型CCD圖像傳感器可以直接接收一維光信息，圖像傳感器可以直接接收一維光信息，不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號輸出，為

46、了得到整不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號輸出，為了得到整個二維圖像的視頻信號，就必須用個二維圖像的視頻信號，就必須用掃描掃描的方法。的方法。 線型線型CCD圖像傳感器圖像傳感器主要用于主要用于測試、傳真和光學測試、傳真和光學文字識別技術等方面。文字識別技術等方面。 8.3 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD）線型線型CCD： ( (2) ) 面型面型CCD圖像傳感器圖像傳感器 按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存器排按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存器排列成列成二維陣列二維陣列，即可以構(gòu)成面型，即可以構(gòu)成面型CCD圖像傳感器。圖像傳感器。 面型面型CCD圖像傳感器有三種基本類型：圖像

47、傳感器有三種基本類型：線轉(zhuǎn)移型線轉(zhuǎn)移型、 幀轉(zhuǎn)移型幀轉(zhuǎn)移型和和行間轉(zhuǎn)移型行間轉(zhuǎn)移型，如圖示。，如圖示。 圖（圖（a）為線轉(zhuǎn)移面型）為線轉(zhuǎn)移面型CCD的結(jié)構(gòu)圖。它由行掃描的結(jié)構(gòu)圖。它由行掃描發(fā)生器、感光區(qū)和輸出寄存器等組成。行掃描發(fā)生器發(fā)生器、感光區(qū)和輸出寄存器等組成。行掃描發(fā)生器將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，驅(qū)動將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，驅(qū)動脈沖將信號電荷一位位地按箭頭方向轉(zhuǎn)移，并移入輸脈沖將信號電荷一位位地按箭頭方向轉(zhuǎn)移，并移入輸出寄存器，輸出寄存器亦在驅(qū)動脈沖的作用下使信號出寄存器，輸出寄存器亦在驅(qū)動脈沖的作用下使信號電荷經(jīng)輸出端輸出。這種轉(zhuǎn)移方式具有有效光敏面

48、積電荷經(jīng)輸出端輸出。這種轉(zhuǎn)移方式具有有效光敏面積大，轉(zhuǎn)移速度快，轉(zhuǎn)移效率高等特點，但電路比較復大，轉(zhuǎn)移速度快，轉(zhuǎn)移效率高等特點，但電路比較復雜，易引起圖像模糊。雜，易引起圖像模糊。面型面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)圖像傳感器結(jié)構(gòu) (a) 線轉(zhuǎn)移型；線轉(zhuǎn)移型； (b) 幀轉(zhuǎn)移型；幀轉(zhuǎn)移型； (c) 隔離轉(zhuǎn)移型隔離轉(zhuǎn)移型 圖（圖（b）為幀轉(zhuǎn)移面型）為幀轉(zhuǎn)移面型CCD的結(jié)構(gòu)圖。它由光敏元的結(jié)構(gòu)圖。它由光敏元面陣（感光區(qū)）、存儲器面陣和輸出移位寄存器三部分面陣（感光區(qū)）、存儲器面陣和輸出移位寄存器三部分構(gòu)成。圖像成像到光敏元面陣，當光敏元的某一相電極構(gòu)成。圖像成像到光敏元面陣，當光敏元的某一相電極加有適當?shù)钠珘簳r，加有適當?shù)钠珘簳r， 光生電荷將收集到這些光敏元的光生電荷將收集到