光電位置傳感器.

1、3.2.7 光電位置傳感器PSD)Position Sensitive Detectors二、光固態(tài)圖象傳感器 光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年問(wèn)世以后，由于它的低噪聲等特點(diǎn)，CCD圖象傳感器廣泛的被應(yīng)用在微光電視攝像、信息存儲(chǔ)和信息處理等方面。1CCD的結(jié)構(gòu)和根本原理P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向123輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管 SiO2 CCD的MOS結(jié)構(gòu) CCD是由假設(shè)干個(gè)電荷耦合單元組成，該單

2、元的結(jié)構(gòu)如下圖。CCD的最小單元是在P型或N型硅襯底上生長(zhǎng)一層厚度約為120nm的SiO2，再在SiO2層上依次沉積鋁電極而構(gòu)成MOS的電容式轉(zhuǎn)移器。將MOS陣列加上輸入、輸出端，便構(gòu)成了CCD。 當(dāng)向SiO2外表的電極加正偏壓時(shí)，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)勢(shì)阱，耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子電子被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)如圖中1極下，形成電荷包勢(shì)阱。對(duì)于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時(shí)，少數(shù)載流子為空穴。 如何實(shí)現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移呢？電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說(shuō)明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程。見(jiàn)圖

3、 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1P1P2P2P3P3(a)123t0t1t2t3t(b)電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程t=t0t=t1t=t2t=t30 三相控制是在線陣列的每一個(gè)像素上有三個(gè)金屬電極P1,P2,P3,依次在其上施加三個(gè)相位不同的控制脈沖1，2，3，見(jiàn)圖b。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式。圖(b)采用電注入方式。當(dāng)P1極施加高電壓時(shí)，在P1下方產(chǎn)生電荷包t=t0；當(dāng)P2極加上同樣的電壓時(shí)，由于兩電勢(shì)下面勢(shì)阱間的耦合，原來(lái)在P1下的電荷將在P1、P2兩電極下分布t=t1；當(dāng)P1回到低電位時(shí)，電荷包全

4、部流入P2下的勢(shì)阱中t=t2。然后，p3的電位升高，P2回到低電位，電荷包從P2下轉(zhuǎn)到P3下的勢(shì)阱t=t3，以此控制，使P1下的電荷轉(zhuǎn)移到P3下。隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理，便實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)。2線型CCD圖像傳感器 線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對(duì)應(yīng)的構(gòu)成一個(gè)主體,在它們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵,如圖4.4-4(a)所示。在每一個(gè)光敏元件上都有一個(gè)梳狀公共電極,由一個(gè)P型溝阻使其在電氣上隔開(kāi)。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時(shí),光敏元件聚集光電荷,進(jìn)行光積分,光電荷與光照強(qiáng)度和光

5、積分時(shí)間成正比。在光積分時(shí)間結(jié)束時(shí),轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時(shí)低電壓),與CCD對(duì)應(yīng)的電極也同時(shí)處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位存放器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來(lái)的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時(shí),在電荷耦合移位存放器上加上時(shí)鐘脈沖,將存儲(chǔ)的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個(gè)過(guò)程重復(fù)地進(jìn)行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。 目前，實(shí)用的線型CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，如圖b所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號(hào)電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位存放器中，然后，在控制脈沖的作用下，自左向右移動(dòng)，在輸出端交替合并輸出，這樣就

6、形成了原來(lái)光敏信號(hào)電荷的順序。轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵(a)(b)線型CCD圖像傳感器輸出3面型CCD圖像傳感器 面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移局部組成。目前存在三種典型結(jié)構(gòu)形式，如下圖。 圖(a)所示結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出存放器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平行方向上，由垂直方向的存放器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號(hào)由信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。二相驅(qū)動(dòng)視頻輸出行掃描發(fā)生器輸出存放器檢波二極管二相驅(qū)動(dòng)感光區(qū)溝阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3 感光區(qū) 存儲(chǔ)區(qū)析像單元

7、 視頻輸出輸出柵串行讀出面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu)(a)(b) 圖b所示結(jié)構(gòu)增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲(chǔ)區(qū)。在正常垂直回掃周期內(nèi)，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲(chǔ)區(qū)。在垂直回掃結(jié)束后，感光區(qū)回復(fù)到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)的整個(gè)電荷圖像向下移動(dòng)，每次總是將存儲(chǔ)區(qū)最底部一行的電荷信號(hào)移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位存放器中向右移動(dòng)以視頻信號(hào)輸出。當(dāng)整幀視頻信號(hào)自存儲(chǔ)移出后，就開(kāi)始下一幀信號(hào)的形成。該CCD結(jié)構(gòu)具有單元密度高、電極簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但增加了存儲(chǔ)器。光柵報(bào)時(shí)鐘二相驅(qū)動(dòng)輸出寄存器檢波二極管 視頻輸出垂直轉(zhuǎn)移寄存器感光區(qū)二相驅(qū)動(dòng)(c) 圖(

8、c)所示結(jié)構(gòu)是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。它將圖(b)中感光元件與存儲(chǔ)元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲(chǔ)單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移控制柵翻開(kāi)，電荷信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)。隨后，在每個(gè)水平回掃周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)中整個(gè)電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位存放器中。接著這一行電荷信號(hào)在讀出移位存放器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號(hào)輸出。這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡(jiǎn)單，但單元設(shè)計(jì)復(fù)雜，感光單元面積減小，圖像清晰。 目前，面型CCD圖像傳感器使用得越來(lái)越多，所能生產(chǎn)的產(chǎn)品的單元數(shù)也越來(lái)越多，最多已達(dá)10241024像元。我國(guó)也能生產(chǎn)512320像元的面型CCD圖像傳感器。5、光電耦合器件光電

9、耦合器件是由發(fā)光元件如發(fā)光二極管和光電接收元件合并使用, 以光作為媒介傳遞信號(hào)的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管, 光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測(cè)有無(wú)物體的光電開(kāi)關(guān)。 圖8-20 光電耦合器組合形式 三、光電耦合器 光電耦合器是由一發(fā)光元件和一光電傳感器同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。絕緣玻璃發(fā)光二極管透明絕緣體光敏三極管塑料發(fā)光二極管光敏三極管透明樹(shù)脂1. 光電耦合器的結(jié)構(gòu)采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)，在其中部對(duì)接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏二極管對(duì)準(zhǔn)，以此來(lái)提

10、高靈敏度。(a)金屬密封型(b)塑料密封型采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié)構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再用透明樹(shù)脂固定，具有集光作用，故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。2. 光電耦合器的組合形式 光電耦合器的組合形式有多種，如圖4.4-7所示。 (a)(b)(c)(d)光電耦合器的組合形式該形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本錢低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。該形式采用高速開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動(dòng)和較低頻率的裝置中。該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。 2. 光電開(kāi)關(guān) 光電開(kāi)關(guān)是一種利用感光元件對(duì)變化的入

11、射光加以接收， 并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開(kāi)、 “關(guān)信號(hào)的器件。 圖8-21為典型的光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖。圖(a)是一種透射式的光電開(kāi)關(guān)， 它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。 當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過(guò)它們之間時(shí)， 會(huì)阻斷光路，使接收元件接收不到來(lái)自發(fā)光元件的光，這樣就起到了檢測(cè)作用。 圖(b)是一種反射式的光電開(kāi)關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點(diǎn)一般即為待測(cè)物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)時(shí)，接收元件將接收到從物體外表反射的光，沒(méi)有物體時(shí)那么接收不到。光電開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是小型、高速、非接觸，而且與TTL、 MOS等電路容易結(jié)合。 圖8-

12、21 光電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)(a) 透射式； (b) 反射式 圖8-22 光電開(kāi)關(guān)的根本電路 一、煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀 防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對(duì)煙塵源進(jìn)行監(jiān)測(cè)、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。煙道里的煙塵濁度是用通過(guò)光在煙道里傳輸過(guò)程中的變化大小來(lái)檢測(cè)的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測(cè)器的光減少，因而光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。第五節(jié) 光電傳感器的應(yīng)用舉例平行光源光電探測(cè)放大顯示刻度 校正報(bào)警器吸收式煙塵濁度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖煙道二、光電轉(zhuǎn)速傳感器2312 31(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖

13、以下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。 圖(a)是在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過(guò)盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。 在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。三、光電池應(yīng)用 光電池主要有兩大類型的應(yīng)用：將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽(yáng)能電池。這是全世界范圍內(nèi)人們所追求、探索新能源的一個(gè)重要研究課題。太陽(yáng)能電池已在

14、宇宙開(kāi)發(fā)、航空、通信設(shè)施、太陽(yáng)電池地面發(fā)電站、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。目前太陽(yáng)電池發(fā)電本錢尚不能與常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng)，但是隨著太陽(yáng)電池技術(shù)不斷開(kāi)展，本錢會(huì)逐漸下降，太陽(yáng)電池定將獲得更廣泛的應(yīng)用。將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用，需要光電池具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短等特性，但不必需要像太陽(yáng)電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率。這一類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。 光電池應(yīng)用舉例如下： 1太陽(yáng)電池電源 太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載供電，那么加一個(gè)直流交流變換器，太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)框圖如圖。 調(diào)節(jié)控制器逆變器 交流負(fù)載太陽(yáng)電池

15、方陣 直流負(fù)載太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng)阻塞二極管2光電池在光電檢測(cè)和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用 光電池作為光電探測(cè)使用時(shí)，其根本原理與光敏二極管相同，但它們的根本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時(shí)不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測(cè)距、激光準(zhǔn)直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等。(a) 光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2 圖 (a)為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當(dāng)入射光通量相同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí)，電路輸出差動(dòng)信號(hào)

16、帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正，以此到達(dá)跟蹤的目的。光電池在檢測(cè)和控制方面應(yīng)用中的幾種根本電路BG2BG1+12VC J R1 R2(b) 光電開(kāi)關(guān) 圖 (b)所示電路為光電開(kāi)關(guān)，多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。無(wú)光照時(shí)，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，產(chǎn)生較高的電動(dòng)勢(shì)，只要光強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，到達(dá)開(kāi)關(guān)目的。(c) 光電池觸發(fā)電路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW 圖 (c)為光電池觸發(fā)電路。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅)導(dǎo)通。+12V5G23(d) 光電池放大電路C3-1

17、2VWR1R2R3R4R5C1C218765432圖(d)為光電池放大電路。在測(cè)量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場(chǎng)合，可用該電路作前置級(jí)，把微弱光電信號(hào)進(jìn)行線性放大，然后帶動(dòng)指示機(jī)構(gòu)或二次儀表進(jìn)行讀數(shù)或記錄。 在實(shí)際應(yīng)用中，主要利用光電池的光照特性、光譜特性、頻率特性和溫度特性等，通過(guò)根本電路與其它電子線路的組合可實(shí)現(xiàn)或自動(dòng)控制的目的。220VC1路燈CJD-108V200F200FC2C3100FR1R3R5R7R4R6R7R2J470k200k10k4.3kBG1280k25k57k10k路燈自動(dòng)控制器BG2BG3BG42CR四 光敏二極管與三極管一. 光敏二極管1.工作原理與結(jié)構(gòu)光敏二

18、極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管一樣，都有一個(gè)PN結(jié)，兩根電極引線，而且都是非線性器件，具有單向?qū)щ娦?。不同之處在于光敏二極管的PN結(jié)狀在管殼的頂部，可直接受到光的照射，其結(jié)構(gòu)和電路如下圖。沒(méi)有光照射時(shí)，處于反向偏置的光敏二極管，工作于截止?fàn)顟B(tài), 這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流即暗電流。這時(shí)反向電阻很大。 當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí), 光子打在PN結(jié)附近, PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)。從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在反向外加電壓和內(nèi)電場(chǎng)的作用下,P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過(guò)PN結(jié)的反向電流大為增加，形成光電流。這時(shí)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。光的照度越大, 光電流越大。3.光敏二極管的應(yīng)用1光電路燈控制電路2光強(qiáng)測(cè)量電路二. 光敏三級(jí)管