1、第9章光電式傳感器 第9章光電式傳感器 9.1光電器件光電器件 9.2光纖傳感器光纖傳感器 9.3光柵傳感器光柵傳感器 9.4電荷耦合器件電荷耦合器件(CCD) 9.5位置敏感器件位置敏感器件(PSD) 思考題與習(xí)題思考題與習(xí)題 第9章光電式傳感器 9.1光電器件光電器件9.1.1光電管和光電倍增管光電管和光電倍增管1. 光電管光電管光電管主要由光電陰極K和陽(yáng)極A兩部分組成，陰極和陽(yáng)極封裝在一個(gè)玻璃管內(nèi)，根據(jù)管內(nèi)是抽成真空還是充入低壓惰性氣體可分為真空型和充氣型兩種。其工作電路如圖9.1所示，陰極K接電源負(fù)極，陽(yáng)極A通過(guò)負(fù)載電阻RL接電源正極。第9章光電式傳感器 圖9.1光電管工作電路第9章光

2、電式傳感器 2. 光電倍增管光電倍增管當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，不容易檢測(cè)，此時(shí)可采用光電倍增管，其特點(diǎn)是可以將微小的光電流放大，放大倍數(shù)高達(dá)105107。光電倍增管在高能物理分析、遙感衛(wèi)星、醫(yī)學(xué)影像診斷、軍事偵察等許多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。光電倍增管是一種真空光電器件，其結(jié)構(gòu)如圖9.2所示，主要由光電陰極K、倍增極D(又稱為二次電子發(fā)射極)和陽(yáng)極A組成，均封裝在一個(gè)玻璃管內(nèi)。第9章光電式傳感器 圖9.2光電倍增管結(jié)構(gòu)原理圖第9章光電式傳感器 1) 入射窗和光電陰極光電倍增管的入射窗通常有側(cè)窗式和端窗式兩種。側(cè)窗式是通過(guò)管殼的側(cè)面接收入射光，采用反射式光電陰極，如圖9.3(

3、a)所示。端窗式是通過(guò)管殼的端面接收入射光，采用透射式光電陰極，陰極材料沉積在入射窗的內(nèi)側(cè)面，如圖9.3(b)所示。 第9章光電式傳感器 圖9.3入射窗口和光電陰極的結(jié)構(gòu)第9章光電式傳感器 2) 倍增極和陽(yáng)極倍增極的作用是產(chǎn)生二次電子發(fā)射，通常把二次發(fā)射的電子數(shù)N2與入射電子數(shù)N1的比值定義為二次發(fā)射系數(shù)，即電流放大系數(shù)為12NNnKAII(9.1) (9.2) 第9章光電式傳感器 3) 供電和信號(hào)輸出電路為了使光電倍增管正常工作，必須在陰極、各倍增極和陽(yáng)極之間施加一定的電壓，陰極和陽(yáng)極之間的電壓在千伏左右，常見(jiàn)的形式如圖9.2所示。陰極和陽(yáng)極之間外接一系列電阻進(jìn)行分壓，使各電極之間獲得一定的

4、偏壓，陰極K接高壓電源的負(fù)極，陽(yáng)極A接地，即負(fù)高壓供電。這種方式可消除外部信號(hào)輸出電路與陽(yáng)極之間的電位差，信號(hào)輸出方便，但由于陰極屏蔽困難，陽(yáng)極輸出暗電流和噪聲較大。但有些情況必須采取陰極接地的正高壓接法，如閃爍計(jì)數(shù)器等，如圖9.4所示。 第9章光電式傳感器 圖9.4陰極接地正高壓接法第9章光電式傳感器 9.1.2光敏電阻光敏電阻光敏電阻是利用光敏材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件，具有體積小、性能穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。光敏電阻廣泛用于光電耦合、光電自動(dòng)開(kāi)關(guān)、通信設(shè)備及工業(yè)電子設(shè)備中。光敏電阻由均質(zhì)的光電導(dǎo)體兩端加上電極構(gòu)成，兩電極加一定的電壓，如圖9.5所示。 第9章光電式傳感器 圖9.

5、5光敏電阻結(jié)構(gòu)原理圖第9章光電式傳感器 9.1.3光敏二極管、光敏三極管和光電池光敏二極管、光敏三極管和光電池光敏二極管、光敏三極管和光電池均屬于利用光生伏特效應(yīng)進(jìn)行工作的光伏型器件。1. 光敏二極管光敏二極管光敏二極管又稱為光電二極管，其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，具有一個(gè)PN結(jié), 單向?qū)щ姡叶际欠蔷€性器件，如圖9.6所示。 第9章光電式傳感器 圖9.6光敏二極管結(jié)構(gòu)原理圖第9章光電式傳感器 2. 光敏三極管光敏三極管光敏三極管又稱為光電三極管、光電晶體管，其結(jié)構(gòu)與普通三極管相似，都具有電流放大作用，只是基極電流不僅受基極電壓控制，還受光照的控制。光敏三極管也有NPN型和PNP型兩種，圖9.7

6、為NPN型光敏三極管結(jié)構(gòu)原理圖。第9章光電式傳感器 圖9.7NPN型光敏三極管結(jié)構(gòu)原理圖第9章光電式傳感器 3. 光電池光電池光電池的基本結(jié)構(gòu)與光敏二極管相似，都有一個(gè)PN結(jié)，光電池的PN結(jié)面積較大。當(dāng)光照射PN結(jié)時(shí)，結(jié)區(qū)附近產(chǎn)生光生電子-空穴對(duì)，在PN結(jié)電場(chǎng)作用下，N區(qū)的空穴被拉向P區(qū)，P區(qū)的電子被拉向N區(qū)，結(jié)果在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電位差。此時(shí)若光電池外接負(fù)載，電路中就會(huì)有電流流過(guò)。第9章光電式傳感器 9.1.4光電器件的應(yīng)用光電器件的應(yīng)用1. 光敏電阻的應(yīng)用光敏電阻的應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)中一些帶材，如薄鋼板、紙張、膠片、塑料薄膜等易偏離正確位置而產(chǎn)生跑偏，因此必須對(duì)帶材的位置進(jìn)行檢測(cè)，并采取措施控制其

7、位置，圖9.8所示為光敏電阻在帶材跑偏檢測(cè)裝置中的應(yīng)用。 第9章光電式傳感器 圖9.8帶材跑偏檢測(cè)裝置原理圖第9章光電式傳感器 圖9.9所示為光敏電阻控制繼電器的原理圖。 圖9.9光敏電阻控制繼電器第9章光電式傳感器 2. 光敏二極管的應(yīng)用光敏二極管的應(yīng)用圖9.10所示為光敏二極管在路燈自動(dòng)控制中的應(yīng)用。無(wú)光照時(shí)，流過(guò)光敏二極管的電流很小，A點(diǎn)電位很低，三極管V1和V2截止，繼電器K斷電，常閉觸點(diǎn)閉合，路燈點(diǎn)亮。有光照時(shí)，流過(guò)光敏二極管的電流增加，A點(diǎn)電位上升，V1和V2均飽和導(dǎo)通，繼電器通電，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，路燈熄滅。第9章光電式傳感器 圖9.10路燈控制原理圖第9章光電式傳感器 利用光刻技術(shù)

8、將一個(gè)光敏面分成幾個(gè)相同的光敏二極管，稱為象限探測(cè)器。象限探測(cè)器可用于定位、跟蹤、準(zhǔn)直、近距離測(cè)距等。圖9.11(a)為四象限探測(cè)器的結(jié)構(gòu)原理圖，將光敏面均勻分成四等份。圖9.11(b)為應(yīng)用電路。第9章光電式傳感器 圖9.11四象限探測(cè)器及應(yīng)用第9章光電式傳感器 3. 光敏三極管的應(yīng)用光敏三極管的應(yīng)用圖9.12所示為光敏三極管在生產(chǎn)線產(chǎn)品計(jì)數(shù)裝置中的應(yīng)用。 圖9.12產(chǎn)品計(jì)數(shù)裝置原理圖第9章光電式傳感器 圖9.13所示為光敏三極管構(gòu)成的光電耦合器及其應(yīng)用。 圖9.13數(shù)字邏輯電路原理圖第9章光電式傳感器 4. 光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是作為電源，要求光電轉(zhuǎn)換效率高

9、、成本低；另一類(lèi)是作為測(cè)量元件使用，要求線性范圍寬、靈敏度高。圖9.14所示為光電池作為電源時(shí)的原理框圖，選擇若干個(gè)型號(hào)相同的光電池，經(jīng)串、并聯(lián)后作為光電池組。有光照時(shí)光電池組發(fā)電，為負(fù)載供電，并對(duì)蓄電池充電。 第9章光電式傳感器 圖9.14光電池電源電路框圖第9章光電式傳感器 圖9.15所示為光電池在白度計(jì)中的應(yīng)用。 圖9.15白度計(jì)原理圖第9章光電式傳感器 9.2光光 纖纖 傳傳 感感 器器9.2.1光纖的結(jié)構(gòu)與種類(lèi)光纖的結(jié)構(gòu)與種類(lèi)1. 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)光纖是光纖傳感器的核心元件，通常由纖芯、包層、涂敷層及護(hù)套組成，如圖9.16所示。纖芯位于光纖的中心部位，由玻璃、石英或塑料制成。包層

10、的材料為玻璃或塑料，其折射率n2略小于纖芯的折射率n1。涂敷層的作用是提高光纖的機(jī)械強(qiáng)度，增加光纖的柔韌性。涂敷層外面是不同顏色的塑料護(hù)套，既保護(hù)光纖，又可以顏色區(qū)分光纖。第9章光電式傳感器 圖9.16光纖結(jié)構(gòu)第9章光電式傳感器 2. 光纖的種類(lèi)光纖的種類(lèi)光纖的分類(lèi)方法很多，根據(jù)纖芯和包層的材料不同，可分為玻璃光纖和塑料光纖。根據(jù)纖芯到包層的折射率分布不同，可分為階躍型光纖和漸變型光纖。階躍型光纖如圖9.17(a)所示，纖芯的折射率n1為均勻分布，包層的折射率n2亦為均勻分布，纖芯到包層的折射率呈階梯狀變化，且纖芯內(nèi)的光線沿軸線呈鋸齒形軌跡傳播。漸變型光纖如圖9.17(b)所示。第9章光電式傳

11、感器 圖9.17光纖的種類(lèi)及折射率分布第9章光電式傳感器 9.2.2光纖的傳光原理光纖的傳光原理圖9.18所示為階躍型光纖的傳光原理。設(shè)光纖周?chē)橘|(zhì)的折射率為n0(空氣n0=1)，纖芯折射率為n1，包層折射率為n2，且n1n0、n1n2，當(dāng)光線從周?chē)橘|(zhì)入射到纖芯的端面，并與軸線的夾角為0時(shí)，光線在纖芯內(nèi)的折射角為1，然后以1(1=901)角度入射到纖芯與包層的界面，應(yīng)用斯乃爾法則，有n0sin0=n1sin1=n1cos1(9.3)第9章光電式傳感器 圖9.18階躍型光纖的傳光原理第9章光電式傳感器 當(dāng)入射光在纖芯與包層的界面上發(fā)生全反射時(shí)，光線就不會(huì)折射到包層內(nèi)，而是不斷地進(jìn)行全反射，最終

12、從光纖的另一端面射出。發(fā)生全反射的條件為將式(9.4)代入式(9.3)可知，光線入射到光纖端面的入射角0應(yīng)滿足12c1arcsinnnNA1arcsin1arcsin022210c00nnnn(9.5) (9.4) 第9章光電式傳感器 9.2.3光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用1. 非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器1) 光纖液位探測(cè)器圖9.19所示為光纖液位探測(cè)器的原理圖，由光源、光電器件和光纖組成。 第9章光電式傳感器 圖9.19光纖液位探測(cè)器原理圖第9章光電式傳感器 2) 光纖位移傳感器圖9.20(a)所示為光纖位移傳感器的原理圖，圖9.20(b)所示為輸出特性曲線。 圖9.20光纖位

13、移傳感器原理圖與輸出特性曲線第9章光電式傳感器 2. 功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器1) 相位調(diào)制型光纖溫度傳感器溫度變化能引起光纖中光的相位變化，通過(guò)光干涉儀檢測(cè)相位的變化就可測(cè)得溫度值。圖9.21所示為馬赫-澤德干涉測(cè)溫原理圖，激光器發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束器后，再經(jīng)分光板將光束分別送入?yún)⒖脊饫w和測(cè)量光纖。 第9章光電式傳感器 圖9.21相位調(diào)制型光纖溫度傳感器第9章光電式傳感器 2) 偏振調(diào)制型光纖電流傳感器偏振調(diào)制型光纖電流傳感器可以對(duì)高壓輸電領(lǐng)域的電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)，圖9.22所示為測(cè)量原理圖。圖9.22偏振調(diào)制型光纖電流傳感器第9章光電式傳感器 根據(jù)法拉第旋光效應(yīng)，由電流所形成的磁場(chǎng)會(huì)引起光

14、纖中線振光偏振面的偏轉(zhuǎn)。激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)起偏器后變成線偏振光，線偏振光耦合到光纖內(nèi)，光纖繞制在半徑為R的高壓載流導(dǎo)線上。設(shè)流過(guò)導(dǎo)線的電流為I，由此產(chǎn)生的磁場(chǎng)H滿足安培環(huán)路定律。對(duì)于無(wú)限長(zhǎng)導(dǎo)線有由磁場(chǎng)H產(chǎn)生法拉第旋光效應(yīng)，引起光纖中線偏振光的偏振角為RIH2RVLI2(9.6) (9.7) 第9章光電式傳感器 受磁場(chǎng)作用的光束經(jīng)偏振棱鏡后分解為振動(dòng)方向相互垂直的兩束偏振光，分別進(jìn)入光探測(cè)器，其輸出信號(hào)I1和I2再經(jīng)信號(hào)處理后的輸出y為(9.8) KVINRVLIKKIIIIy22121KVNyI (9.9) 第9章光電式傳感器 9.3光光 柵柵 傳傳 感感 器器9.3.1光柵的結(jié)構(gòu)與種類(lèi)光

15、柵的結(jié)構(gòu)與種類(lèi)1. 光柵的結(jié)構(gòu)光柵的結(jié)構(gòu)在玻璃尺(或金屬尺)上類(lèi)似于刻線標(biāo)尺那樣，進(jìn)行密集刻劃(刻線密度一般為每毫米25、50、100、250線)，得到如圖9.23所示的黑白相間的條紋，沒(méi)有刻劃的地方透光(或反光)，刻劃的地方不透光(或不反光)，這就是光柵。光柵上的刻線稱作柵線，柵線的寬度為a，縫隙寬度為b，一般取a=b，a+b=W稱作光柵的柵距或節(jié)距。第9章光電式傳感器 圖9.23光柵柵線結(jié)構(gòu)圖第9章光電式傳感器 2. 光柵的種類(lèi)光柵的種類(lèi)光柵按其工作原理不同，可分為物理光柵和計(jì)量光柵。物理光柵利用光的衍射現(xiàn)象進(jìn)行工作，主要用于光譜分析和光波長(zhǎng)等的測(cè)量。計(jì)量光柵利用莫爾條紋原理工作，主要用于

16、長(zhǎng)度、角度、速度、加速度和振動(dòng)等物理量的測(cè)量。計(jì)量光柵按應(yīng)用場(chǎng)合不同可分為透射光柵和反射光柵；按用途不同可分為測(cè)量線位移的長(zhǎng)光柵和測(cè)量角位移的圓光柵，圓光柵又分為徑向光柵和切向光柵；根據(jù)光柵的表面結(jié)構(gòu)不同，長(zhǎng)光柵也可分為幅值(黑白)光柵和相位(閃耀)光柵。第9章光電式傳感器 9.3.2光柵的工作原理光柵的工作原理計(jì)量光柵是利用莫爾條紋原理進(jìn)行工作的，現(xiàn)以長(zhǎng)光柵為例進(jìn)行介紹。如圖9.24所示，將柵距相同的兩光柵刻面相對(duì)重疊在一起，中間留有適當(dāng)?shù)拈g隙，且兩者柵線錯(cuò)開(kāi)一個(gè)很小的角度，即構(gòu)成光柵副。其中一個(gè)光柵稱為主光柵(或標(biāo)尺光柵)，另一個(gè)光柵稱為指示光柵，指示光柵的長(zhǎng)度要比主光柵短得多。 第9章光

17、電式傳感器 圖9.24長(zhǎng)光柵及莫爾條紋第9章光電式傳感器 莫爾條紋的斜率為莫爾條紋間距L為2tantanWWBCABL2sin22sin(9.11) (9.10) 第9章光電式傳感器 由此可見(jiàn)，莫爾條紋間距L由柵距W和柵線夾角決定。對(duì)于給定柵距的光柵，越小，L越大。通過(guò)調(diào)整，可使L獲得任何需要的值。莫爾條紋具有如下性質(zhì)：(1) 莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)與光柵的運(yùn)動(dòng)具有對(duì)應(yīng)關(guān)系：當(dāng)光柵副中任一光柵沿垂直于柵線方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋就沿近似垂直于光柵移動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)，故稱作橫向莫爾條紋。光柵改變運(yùn)動(dòng)方向時(shí)，莫爾條紋也隨之改變運(yùn)動(dòng)方向；(2) 位移放大作用：當(dāng)光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋上下移動(dòng)一個(gè)莫爾條紋間

18、距L。由式(9.11)可知，越小，L越大，相當(dāng)于將被測(cè)位移放大了1/倍；第9章光電式傳感器 (3) 光柵誤差平均效應(yīng)：莫爾條紋是由光柵的大量柵線共同形成的，對(duì)光柵的刻線誤差有平均作用，能在很大程度上消除柵距的局部誤差和短周期誤差的影響，提高光柵傳感器的測(cè)量精度。第9章光電式傳感器 9.3.3辨向原理與細(xì)分技術(shù)辨向原理與細(xì)分技術(shù)1. 辨向原理辨向原理實(shí)際應(yīng)用時(shí)大部分被測(cè)對(duì)象往往是往復(fù)運(yùn)動(dòng)，既有正向運(yùn)動(dòng)，又有反向運(yùn)動(dòng)，因此必須正確辨別光柵的運(yùn)動(dòng)方向。欲實(shí)現(xiàn)辨向，可在相距L/4的位置處安裝兩個(gè)光電器件，如圖9.25所示，兩個(gè)光電器件可獲得兩個(gè)相位相差90的信號(hào)。光柵傳感器的輸出信號(hào)有方波和正弦波兩種

19、形式，現(xiàn)以正弦波光柵為例對(duì)辨向電路進(jìn)行分析，如圖9.26所示。第9章光電式傳感器 圖9.25相距L/4的兩個(gè)光電器件第9章光電式傳感器 圖9.26辨向電路原理框圖第9章光電式傳感器 當(dāng)光柵正向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上移動(dòng)，光電器件1的輸出電壓A比光電器件2的輸出電壓B超前90相角，如圖9.27(a)所示。 第9章光電式傳感器 圖9.27辨向電路各點(diǎn)波形圖第9章光電式傳感器 2. 細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)利用光柵進(jìn)行測(cè)量時(shí)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件移動(dòng)一個(gè)柵距，輸出信號(hào)變化一個(gè)周期，產(chǎn)生一個(gè)脈沖間隔，即分辨率(脈沖當(dāng)量)為一個(gè)柵距。為了提高分辨率，可增大刻線密度以減小柵距，但這種方法受制造工藝和成本的限制。為此可采用細(xì)分

20、技術(shù)，即光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)均勻輸出幾個(gè)脈沖，從而提高分辨率，減小脈沖當(dāng)量。1) 直接細(xì)分法直接細(xì)分又稱為位置細(xì)分，常用的細(xì)分?jǐn)?shù)為4, 如圖9.28所示。 第9章光電式傳感器 圖9.28直接細(xì)分法第9章光電式傳感器 2) 電阻橋細(xì)分法電阻橋細(xì)分電路是由同頻率的信號(hào)源u1=Umsin、u2= Umcos以及電阻器組成電橋，如圖9.29(a)所示，其輸出電壓uo為輸出電壓uo是兩個(gè)正交旋轉(zhuǎn)矢量之和，其幅值Uom和超前u1的相位角分別為)sin(om22111212oUuRRRuRRRu21m212221omarctanRRURRRRU(9.13) (9.12) 第9章光電式傳感器 圖9.29電阻橋

21、細(xì)分電路第9章光電式傳感器 9.3.4光柵傳感器的應(yīng)用光柵傳感器的應(yīng)用圖9.30所示為光柵位移傳感器在機(jī)床上應(yīng)用的結(jié)構(gòu)示意圖。 第9章光電式傳感器 圖9.30光柵位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖第9章光電式傳感器 9.4電荷耦合器件電荷耦合器件(CCD)電荷耦合器件(CCD, Charge Coupled Device)在固態(tài)圖像傳感器中的應(yīng)用最為普遍，是在MOS器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，可實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)的功能。CCD具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和功耗小等特點(diǎn)，不僅在傳真、文字識(shí)別、圖像識(shí)別領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，而且在現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)中常用于檢測(cè)物體的有無(wú)、形狀、尺寸、位置等。9.4.1CCD的結(jié)構(gòu)

22、與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理1. CCD的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)CCD的基本單元是MOD(金屬氧化物半導(dǎo)體)電容，如圖9.31所示。 第9章光電式傳感器 圖9.31MOS電容的結(jié)構(gòu) 第9章光電式傳感器 2. CCD的工作原理的工作原理CCD的突出特點(diǎn)是以電荷作為信號(hào)，工作過(guò)程包括電荷的注入、存儲(chǔ)、傳輸和檢測(cè)。1) 電荷存儲(chǔ)若MOS電容為P型硅(P-Si)襯底，當(dāng)金屬電極上施加正向電壓UG時(shí)，P型硅中的多數(shù)載流子(空穴)受到金屬中的正電荷(空穴)排斥，少數(shù)載流子(電子)被吸引到半導(dǎo)體表面形成帶負(fù)電荷的耗盡層，又稱為表面勢(shì)阱。耗盡層對(duì)電子來(lái)說(shuō)勢(shì)能很低，可以吸收自由電子，柵極電壓UG越高，耗盡層越深，勢(shì)阱所能容納

23、的少數(shù)載流子就越多。存儲(chǔ)信號(hào)電荷的勢(shì)阱又稱為電荷包，如圖9.32所示。第9章光電式傳感器 圖9.32存儲(chǔ)信號(hào)電荷的勢(shì)阱第9章光電式傳感器 2) 電荷注入電荷注入即信號(hào)電荷的產(chǎn)生，CCD中的信號(hào)電荷可通過(guò)光注入和電注入兩種方式得到。當(dāng)CCD用作固態(tài)圖像處理時(shí)，接收的是光信號(hào)，電荷由光生載流子產(chǎn)生，即光注入。當(dāng)光照射半導(dǎo)體時(shí)，若光子的能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度，就會(huì)被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生光生載流子(電子-空穴對(duì))，在柵極電壓UG作用下，電子被勢(shì)阱吸收，勢(shì)阱內(nèi)吸收的光生電子數(shù)與入射光強(qiáng)成正比，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。當(dāng)CCD用作信息存儲(chǔ)或信息處理時(shí)，采用電注入方式。電注入CCD就是通過(guò)輸入電路對(duì)信號(hào)電壓或

24、電流進(jìn)行采樣,將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。第9章光電式傳感器 3) 電荷傳輸CCD的MOS電容陣列排列很密，相鄰MOS電容的勢(shì)阱可以互相耦合。通過(guò)控制相鄰MOS電容柵極電壓的大小可以調(diào)節(jié)勢(shì)阱的深淺，信號(hào)電荷就會(huì)從勢(shì)阱淺處流向勢(shì)阱深處，即電荷傳輸。MOS電容柵極在一定規(guī)律的時(shí)鐘脈沖控制下，勢(shì)阱中的信號(hào)電荷將沿特定方向轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的定向傳輸。4) 電荷檢測(cè)電荷檢測(cè)就是通過(guò)輸出電路將信號(hào)電荷轉(zhuǎn)換為電流或電壓輸出。第9章光電式傳感器 9.4.2線陣線陣CCD線陣CCD用于獲取一維光信息，由一列MOS光敏元和一列CCD移位寄存器構(gòu)成，光敏元和移位寄存器之間為轉(zhuǎn)移柵，如圖9.33(a)所示。 第

25、9章光電式傳感器 圖9.33線陣CCD結(jié)構(gòu)原理圖第9章光電式傳感器 9.4.3面陣面陣CCD面陣CCD的光敏元呈二維矩陣排列，能檢測(cè)二維圖像信息，其結(jié)構(gòu)如圖9.34所示。第9章光電式傳感器 圖9.34面陣CCD結(jié)構(gòu)原理圖第9章光電式傳感器 9.4.4CCD的應(yīng)用的應(yīng)用CCD器件廣泛應(yīng)用于以下幾個(gè)方面：(1) 計(jì)量檢測(cè)儀器：工業(yè)產(chǎn)品尺寸、位置、缺陷的非接觸測(cè)量、距離測(cè)定等；(2) 生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化：自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)、監(jiān)視裝置等；(3) 光學(xué)信息處理：光學(xué)文字識(shí)別、標(biāo)記識(shí)別、圖像識(shí)別、傳真、掃描等；(4) 軍事科學(xué)：導(dǎo)航、跟蹤、偵查等。圖9.35所示為線陣CCD在掃描儀中的應(yīng)用。 第9章光電式

26、傳感器 圖9.35掃描儀原理圖第9章光電式傳感器 圖9.36所示為X射線在線探傷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖9.36X射線在線探傷系統(tǒng)第9章光電式傳感器 9.5位置敏感器件位置敏感器件(PSD)位置敏感器件(PSD，Position Sensitive Detector)是一種對(duì)入射到光敏面上光斑位置敏感的光電器件，其位置分辨率高，一維PSD可達(dá)0.2 m。PSD廣泛應(yīng)用于激光束監(jiān)控(對(duì)準(zhǔn)、位移和振動(dòng))、平面度檢測(cè)、二維位置檢測(cè)等系統(tǒng)中。9.5.1PSD的結(jié)構(gòu)與工作原理的結(jié)構(gòu)與工作原理根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同可將PSD分為兩類(lèi)：檢測(cè)光斑直線運(yùn)動(dòng)的一維PSD和檢測(cè)光斑平面運(yùn)動(dòng)的二維PSD。1. 一維一維PS

27、D圖9.37所示為一維PSD的截面示意圖，基本結(jié)構(gòu)包括三層：上層為P型半導(dǎo)體，中間為高阻態(tài)Si襯底(I層)，下層為N型半導(dǎo)體。 第9章光電式傳感器 圖9.37一維PSD的截面圖第9章光電式傳感器 圖中電極1和2之間的距離為2L，電阻為2RL。當(dāng)光照射到PSD的光敏層時(shí)，在入射位置產(chǎn)生與入射光能量成正比的光生電荷，形成光電流，通過(guò)電極輸出。由于P層的電阻均勻，電極1和2輸出的電流I1和I2分別與光斑到各電極的距離(或電阻)成反比，且有I0=I1+I2。若入射光位置到電阻層中心點(diǎn)的距離為x，對(duì)應(yīng)電阻為Rx，則I1和I2分別為L(zhǎng)xLIRRRIILxLIRRRIILxLLxL2222002001(9.

28、14) 第9章光電式傳感器 由式(9.14)可得即根據(jù)電流I1和I2的值即可檢測(cè)出入射光的位置，而與入射光的強(qiáng)度無(wú)關(guān)。2. 二維二維PSD二維PSD的感光面為方形，比一維PSD多一對(duì)電極，其結(jié)構(gòu)如圖9.38所示。(9.15) LIIIIx2112第9章光電式傳感器 圖9.38二維PSD第9章光電式傳感器 9.5.2PSD的特性的特性1. 響應(yīng)特性響應(yīng)特性PSD的響應(yīng)特性與電極間電阻R和結(jié)電容C有關(guān)，響應(yīng)時(shí)間為T(mén)=2.2RC (9.16)電極間電阻R通常在10 k以上，結(jié)電容C與器件所加的反偏電壓有關(guān)，反偏電壓越高，C越小，響應(yīng)速度越快。當(dāng)反偏電壓超過(guò)一定值時(shí)，C基本上為一常數(shù)。第9章光電式傳感

29、器 2. 線性度線性度入射光在PSD受光面上的位置和相應(yīng)輸出信號(hào)之間存在一定的誤差，該誤差可以用線性度來(lái)衡量。一維PSD線性度由極間電阻的均勻性決定，位置檢測(cè)誤差較小，精度較高。圖9.39所示為二維PSD的線性度。 第9章光電式傳感器 圖9.39二維PSD的線性度第9章光電式傳感器 3. 分辨率分辨率分辨率是指PSD能夠分辨出的入射光最小的位移量。分辨率與入射光通量和極間電阻有關(guān)，極間電阻越大，入射光通量越大，可分辨的最小位移量越小，即分辨率越高。第9章光電式傳感器 9.5.3PSD的應(yīng)用的應(yīng)用1. PSD信號(hào)調(diào)理電路信號(hào)調(diào)理電路圖9.40所示為一維PSD的信號(hào)調(diào)理電路，首先對(duì)PSD輸出的光電流信號(hào)進(jìn)行電流-電壓轉(zhuǎn)換并放大，再根據(jù)式(9.15)利用加法器和減法器進(jìn)行信號(hào)的加減運(yùn)算，最后通過(guò)除法器相除，得到與光能大小無(wú)關(guān)的位置坐標(biāo)信號(hào)。第9章光電式傳感器 圖9.40一維PSD信號(hào)調(diào)理電路第9章光電式傳感器 2. PSD測(cè)距傳感器測(cè)距傳感器PSD應(yīng)用非常廣泛，如光學(xué)裝置中位置及角度的測(cè)量與控制，激光裝置中光軸