【正文】 存器輸 出 寄 存 器輸 出暫存列光 敏 單 元( a ) 行 傳 輸 ( b ) 幀 傳 輸 ( c ) 行 間 傳 輸行選址電路感光列3） 行間傳輸（ ILT）面陣型 CCD 它將光敏單元與垂直轉(zhuǎn)移寄存器交替排列。 1）行傳輸（ LT）面陣 CCD 較少使用 第 2章 光電式傳感器 117 2） 幀傳輸（ FT）面陣 CCD 感光區(qū)和暫存區(qū)分開，光敏區(qū)在積分時間內(nèi)，產(chǎn)生與光像對應的電荷包，在積分周期結(jié)束后，利用時鐘脈沖將整幀信號轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)。（光積分） （ 2）積分周期結(jié)束，控制信號使轉(zhuǎn)移柵打開，光生電荷就通過轉(zhuǎn)移柵耦合到移位寄存器中，并行輸出到移位寄存器，再通過移位寄存器串行輸出。 要求： 多個 MOS電容緊密排列且勢阱相互溝通。 任何可移動的電荷都將力圖向表面勢大的位置移動。 + + 第 2章 光電式傳感器 108 B、電荷的存儲 勢阱具有存儲電荷的功能，光照時， 勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢阱附近的光強成正比。即 在 P型硅襯底上生長一層 SiO2 (120nm),再在 SiO2層上沉積金屬鋁構(gòu)成 MOS結(jié)構(gòu)（ MOS電容），它是CCD器件的最小工作單元。 ? 電荷耦合器件是在半導體硅片上 制作成百上千（萬）個光敏元， 一個 光敏元 對應一個 像素 ，在半 導體硅平面上光敏元按 線列 或 面 陣 有規(guī)則地排列。是在 MOS結(jié)構(gòu)電荷存儲器的基礎上發(fā)展起來的，被稱為 “ 排列起來的 MOS電容陣列 ” 。 前兩種用得較多。 紅外探測器是薄膜電容型，它有兩個吸收氣室，充以被測氣體，當兩吸收氣室吸收的紅外輻射能量不同時，氣體溫度升高不同，導致室內(nèi)壓力增大不同，薄膜移動，電容量變化。 光源由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出紅外線，切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線。 采用濾光片，可使其工作在任意紅外波段。市場上常見有國產(chǎn)的 SD0PH5324，日本的 SCA021，美國的 P2288等。 溫度升高，則極化強度減少 。 熱電型：吸收紅外光后變?yōu)闊崮?，使材料的溫度升高，電學性能發(fā)生變化，人們利用這個現(xiàn)象制成了測量光輻射的器件。因此紅外探測器一般都工作在這 3個波段（大氣窗口）之內(nèi)。 紅外輻射基礎 第 2章 光電式傳感器 92 1)紅外輻射的物理本質(zhì)： 熱輻射 溫度 輻射紅外線 2)紅外輻射 以波的形式在空間直線傳播 的。 1 2 02 AI I x IL?? 210()2AAX K I IK x IL???? 可見電極輸出光電流之差與 xA成正比，通過測量減法器輸出電壓值即可得到光照能量中心位置 xA值。 第 2章 光電式傳感器 87 光位置傳感器工作原理： 2 1 11 2 2I R XI R X??2211RXRX?當電阻層均勻分布時： 則： 第 2章 光電式傳感器 88 PSD 位置傳感器 組成： PSD 是一種新型光電檢測器件，由 P 襯底、PIN 光電二極管及表面電阻組成。 第 2章 光電式傳感器 83 基本特性 1）光譜特性 表示它所能檢測的波長范圍。 深結(jié)對紅外光有較高的靈敏度 。) 倍增極數(shù) 陰極靈敏度( u A/l m ) 陽極工作電壓( V) 暗電流( A) 環(huán)境溫度( ℃ ) GDB 525 3 000 – 6500 11 40 900 8 10 9 40 40 GDB 251 3 000 – 6500 13 30 900 6 10 9 50 50 GDB 220 3000 – 6500 8 40 900 8 10 9 40 50 GDB 410 3 000 – 7500 11 30 1000 1 10 7 8 0 60 GDB 423 3 000 – 8500 11 60 1300 5 10 8 40 40 GDB 125 2022 – 6500 9 40 750 2 10 9 40 50 國產(chǎn)光電倍增管的技術參數(shù) 第 2章 光電式傳感器 80 光電倍增管的應用 閃爍計數(shù)器是一種通用的精密核輻射探測器。 對 紫外光源 ，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。其紅限λ0=7000197。 宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而形成的電流，稱為 本底電流（ 本底脈沖 ）具有脈沖形式。 主要參數(shù) 第 2章 光電式傳感器 75 一個光子在陰極能夠打出的平均電子數(shù)叫做 光電陰極的靈敏度 。δin, / niIi????M與所加的電壓有關，在 105— 108之間。通常為 12~14級。 特點：將微小光電流放大，（ 103A~104A）。因此應用于高速信息處理系統(tǒng)領域。 比普通的光電二極管施加較高的反偏電壓。 ：面積越大，輸出光電流也越大 第 2章 光電式傳感器 60 太陽電池方陣 有光照時 ,太陽電池方陣對負載供電，同時對蓄電池組供電。 3）做檢測元件時 ,當作電流源的形式來使用， 不宜用作電壓源，且負載電阻越小越好。 負載電阻越小越好 ，光電流與照度之間的線性越好，且線性范圍越寬。 2） 光譜響應波長范圍： 硅光電池的為 ~，而硒光電池為~。 結(jié)構(gòu)與工作原理 光電池的工作原理是基于 “ 光生伏特效應 ” 。 （ 2）帶材 5偏左，遮光面積減小，光照增加， R1阻值減小， U1增加， U1 U2，輸出電壓 UO為負。 第一部分用字母表示主稱。 隨著溫度的升高 ， 暗電阻和靈敏度都下降 。 第 2章 光電式傳感器 45 4）頻率特性 當光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的 時延特性 。 亦稱為光譜響應 。 ②一定電壓， I隨著光照 E增強而增大。 光電流 ：亮電流與暗電流之差稱為光電流。 金 屬 電 極半 導 體玻 璃 底 板電源檢 流 計RLEI(a ) (b ) (c )Ra第 2章 光電式傳感器 38 光敏電阻演示 當光敏電阻受到光照時， 光生電子 — 空穴對增加， 阻值減小，電流增大。 第 2章 光電式傳感器 37 光敏電阻 1. 光敏電阻的工作原理 光敏電阻的工作原理： 光電導效應 光敏電阻又稱光導管 , 它幾乎都 是用半導體材料制成的光電器件。 當光照射在集電結(jié)上時 , 在結(jié)附近產(chǎn)生電子 空穴對 , 電子在結(jié)電場的作用下 ， 由 P區(qū)向 N區(qū)運動 ，形成基極電流 ， 空穴在基區(qū)積累 ， 提高發(fā)射結(jié)正向偏置 ， 發(fā)射區(qū)多子電子穿過基區(qū)向集電區(qū)移動 ， 在外電場作用下形成集電極電流 Ic， 結(jié)果表現(xiàn)為 基極電流放大 β 倍形成集電極電流 （ 光電流 ） , 所以光電三極管有放大 作用 。 第 2章 光電式傳感器 24 部分 2DU 型光敏二極管主要參數(shù) 主要用于可見光和近紅外光探測器，也可用于光電轉(zhuǎn)換的自動控制儀器、觸發(fā)器、光電耦合、編碼器 、特性識別、過程控制和激光接收等方面。 Cj是影響光電響應速度的主要因索。 ⑤ 響應時間 :光敏二極管將光信號轉(zhuǎn)化為電信號所需要的時間。 ③ 光電流 IL:是指光敏二極管在受到一定光照時，在最高反向工作電壓下產(chǎn)生的電流。 第 2章 光電式傳感器 19 光敏二極管的型號參數(shù) 見書 P14 表 第 2章 光電式傳感器 20 ① 最高反向工作電壓 VRM :是指光敏二極管在無光照的條件下，反向漏電流不大于 時所能承受的最高反向電壓值。 ? 無偏壓時，光敏二極管仍有光電流輸出，這是由光敏二極管的光電效應性質(zhì)所決定的。 一種光敏二極管只對一定波長的入射光敏感。 當 光照射 在 PN結(jié)上時 , 光子打在 PN結(jié)附近 , PN結(jié)附近 產(chǎn)生電子 空穴對， 它們在反向外加電壓和內(nèi)電場的作用下參與導電 , 從而使通過 PN結(jié)的反向電流大為增加，形成 光電流 。 光敏二極管的光照特性是 線性 的，適合檢測等方面的應用。 第 2章 光電式傳感器 9 過程： 當光照射到半導體材料上時 ， 價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊 ， 并使其由價帶越過禁帶躍入導帶 ， 如圖 ， 使材料中導帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加 ，從而使電導率變大 。第 2章 光電式傳感器 8 內(nèi)光電效應 包括 ：光電導效應 和 光生伏特效應 （ 2） 光電導效應： 在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象。? 當入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。故要使一個電子逸出，則光子能量 hν 必須超出逸出功 A0 ，超過部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動能。光電元件：光電管、光電倍增管等。廣泛用于空間位置測定、圖像控制、輻射檢測、工業(yè)監(jiān)測、病情初期診斷等檢測技術領域。 光電式傳感技術特點： 用于檢測非電量，具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、可靠性高、精度高和反應快等特點。 光電計數(shù)器 第 2章 光電式傳感器 5 光電效應有以下 3類： 外光電效應、光電導效應、光生伏特效應 （ 1） 外光電效應： 在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象。 A0 ——物體的表面電子逸出功 若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功 A0時，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。光電元件：光電池、光敏二極管、光敏三極管等。 ??? ??? hch為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導材料的禁帶寬度 Eg，即 第 2章 光電式傳感器 11 光譜 光波：波長為 10— 106nm的電磁波 紫外線：波長 10— 380nm， 可見光：波長 380— 780nm 紅外線：波長 780— 106nm 第 2章 光電式傳感器 12 光敏二極管 光敏二極管在電路中一般是處于 反向偏置狀態(tài) 。這時反向電阻很大。 第 2章 光電式傳感器 14 1）光譜特性 在入射光照度一定時，輸出的光電流（或相對靈敏度）隨光波波長的變化而變化。 第 2章 光電式傳感器 15 2）伏安特性 （一定照度下的電流電壓特性） ? 當光照時，反向電流隨著光照強度的增大而增大； ? 在不同照度下，伏安特性曲線幾乎平行，所以只要沒有達到飽和值，它的輸出實際上不受偏壓大小的影響。 第 2章 光電式傳感器 17 4）溫度特性 溫度變化對光敏二極管輸出光電流影響較小 ,但對暗電流的影響卻十分顯著 . 解決措施：選硅管、溫度補償電路、交流放大和隔直電容 低照度 高照度 第 2章 光電式傳感器 18 5）響應特性 上升時間短 tr5ns，響應速度快，則適用于快速響應或入射光調(diào)制頻率較高的場合。暗電流越小，光敏二極管的性能越穩(wěn)定，檢測弱光的能力越強。即指輸入給定波長的單位功率時，光敏二極管能輸出的光電流值。 ⑦ 結(jié)電容 Cj:指光敏二極管 PN結(jié)的電容。 第 2章 光電式傳感器 23 部分 2CU7 2CU80 光敏二極管主要參數(shù) 2CU80型為低照度寬光譜光敏二極管，可用于多段亮度計和地物光譜儀及微弱光的探測儀。 光敏三極管的結(jié)構(gòu)和工作原理 基極開路 ， 集電極與發(fā)射極之間加正電壓 。 BG3和 BG4組成射極耦合觸發(fā)器 高 ?T1導通， T2截止 ?高 ， 低 ? T1截止， T2導通 ?低 第 2章 光電式傳感器 36 光電式煙塵濃度計 ： 光敏三極管 6和 7輸出電壓 U1和 U2 由遠算器 8算出 U1和 U2的比值，進一步算出濃度。 當光敏電阻受到一定波長范圍的 光照時 , 它的阻值（亮電阻）急劇減少 , 電路中電流迅速增大。