1、 3.6.1 光學傳感器概述 3.6.2 光電效應 3.6.3 光電器件 3.6.4 光學傳感器實驗返回首頁3.6 光學傳感器第1頁/共50頁返回首頁3.6.1 光學傳感器概述x1光量光量光量光量電量電量x2輸出輸出第2頁/共50頁返回首頁3.6.1 光學傳感器概述常用光源常用光源發(fā)光器件發(fā)光器件物體輻射光物體輻射光白熾光源白熾光源氣體放電光源氣體放電光源發(fā)光二極管發(fā)光二極管激光器激光器GaP、SiC可見光可見光LEDGaAs紅外紅外LED第3頁/共50頁返回首頁3.6.1 光學傳感器概述650 nm LD第4頁/共50頁返回首頁3.6.1 光學傳感器概述第5頁/共50頁返回首頁3.6.1 光

2、學傳感器概述第6頁/共50頁返回首頁3.6.2 光電效應 E = hf f= h c / E E 光子的能量（光子的能量（J J） h h 普朗克常數(shù)（普朗克常數(shù)（6.626.621010- -3434 J Js s） f f 光子頻率（光子頻率（s- -1） c 光速（光速（310108 8 s s） 光子波長（光子波長（m m） 第7頁/共50頁返回首頁3.6.2 光電效應第8頁/共50頁返回首頁3.6.2 光電效應 h h = = 1 12 2 m vm v2 2 + A + A m m 電電子子的的質質量量（9 9. .1 11 10 0- -3 31 1 K Kg g） v v 電電

3、子子發(fā)發(fā)射射時時的的速速度度（m ms- -1） A A 電電子子逸逸出出功功（J J）第9頁/共50頁返回首頁3.6.2 光電效應E電子能量導帶價帶禁帶h(1)(1) 內光電效應內光電效應絕大多絕大多數(shù)的高電阻率半導體，受數(shù)的高電阻率半導體，受光照射吸收光子能量后，光照射吸收光子能量后，會產生電阻率降低而易于導電的現(xiàn)象會產生電阻率降低而易于導電的現(xiàn)象(2)(2)紅限頻率紅限頻率(3)(3)載流子數(shù)目增多、電導率變大載流子數(shù)目增多、電導率變大(4)(4)光導型光電器件光導型光電器件: :光敏電阻、光電二極管、光電晶體管光敏電阻、光電二極管、光電晶體管0gEfh第10頁/共50頁返回首頁3.6.

4、2 光電效應 對于每種半導體材料存在一個入射光的波長限對于每種半導體材料存在一個入射光的波長限 入射光光強愈強，電導率愈大入射光光強愈強，電導率愈大gEchh24.1gE 入射光波長入射光波長 禁帶寬度禁帶寬度條件：入射光能量大于半導體材料的禁帶寬度條件：入射光能量大于半導體材料的禁帶寬度第11頁/共50頁返回首頁3.6.2 光電效應光照下，使半導體產生一定光照下，使半導體產生一定方向電動勢的現(xiàn)象。方向電動勢的現(xiàn)象。PN光照內E第12頁/共50頁 3.光電管 3.光電倍增管 3.光敏電阻 3.光電二極管 3.光伏電池 3.光電器件特性 3.光電器件類型返回首頁3.6.3 光電器件第13頁/共5

5、0頁返回首頁光電發(fā)射型光電器件光電發(fā)射型光電器件 真空光電管：適合于要求溫度影響小真空光電管：適合于要求溫度影響小和靈敏度穩(wěn)定的場合和靈敏度穩(wěn)定的場合 充氣光電管：適合于要求靈敏度高的充氣光電管：適合于要求靈敏度高的場合場合圖圖4-4-2 光電管基本電路光電管基本電路3.6.3 光電器件第14頁/共50頁返回首頁）量子效率（%）（波長um紫外線區(qū)銻銫陰極）量子效率（%）（波長um紅光銀氧銫陰極紅外線區(qū)3.6.3 光電器件第15頁/共50頁返回首頁)(uAI光電流）（VUAlm1 . 0lm05. 0lm02. 0)(uAI光電流)(lm入射光通量銀氧銫陰極銻銫陰極3.6.3 光電器件第16頁/

6、共50頁返回首頁3.6.3 光電器件 型型號號 光光譜譜響響應應范范圍圍(A。) 最最佳佳靈靈敏敏度度波波長長(A。) 最最小小陰陰極極靈靈敏敏度度(uA/lm) 陽陽極極工工作作電電壓壓(V) 暗暗電電流流(A) 環(huán)環(huán)境境溫溫度度() GD-5 2000 6000 3800 4200 30 3 30 0 3 31 10 0- -1 11 1 5 - 35 GD-6 6000 11000 7000 9000 10 3 30 0 8 81 10 0- -1 11 1 5 - 35 GD-7 3000 8500 4500 45 1 10 00 0 8 81 10 0- -1 11 1 40 第17

7、頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件00()nIIMI C 適合在微弱光下使用，但是不能接受強光刺激，否則易于損壞。適合在微弱光下使用，但是不能接受強光刺激，否則易于損壞。圖圖4-4-4 光電倍增管的結構及電路光電倍增管的結構及電路第18頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件)(lm入射光通量)(mAIA陽極光電流光電倍增管的光電特性 靈敏度高靈敏度高第19頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件)(mAIA)(VUADulm60ulm40ulm20ulm80ulm100光電倍增管的伏安特性)(VU工作電壓M倍增系數(shù)倍增系數(shù)與工作電壓的 關系第20頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件

8、 型型號號 光光譜譜響響應應范范圍圍(A。) 倍倍增增極極數(shù)數(shù) 陰陰極極靈靈敏敏度度(uA/lm) 陽陽極極工工作作電電壓壓(V) 暗暗電電流流(A) 環(huán)環(huán)境境溫溫度度() GDB-525 3000 6500 11 40 9 90 00 0 8 81 10 0- -9 9 -40 - 40 GDB-251 3000 6500 13 30 9 90 00 0 6 61 10 0- -9 9 -50 - 50 GDB-220 3000 6500 8 40 9 90 00 0 8 81 10 0- -9 9 -40 - 50 GDB-410 3000 7500 11 30 1 10 00 00 0

9、1 11 10 0- -7 7 -80 - 60 GDB-423 3000 8500 11 60 1 13 30 00 0 5 51 10 0- -8 8 -40 - 40 GDB-125 2000 6500 9 40 7 75 50 0 2 21 10 0- -9 9 -40 - 50 第21頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件光導型光電光導型光電器件器件梳狀電極光電導梳狀電極光電導透光窗口外殼絕緣基體玻璃支柱引腳AA電極光電導微安表無光照時電極光電導微安表有光照時光第22頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件不受光照時的電阻值不受光照時的電阻值暗阻，一般暗阻，一般在兆歐數(shù)量級在兆歐數(shù)

10、量級受光照時的電阻值受光照時的電阻值亮阻，一般在亮阻，一般在幾千歐以下幾千歐以下)(um入射光波長%相對靈敏度光敏電阻的光譜特性硫化鎘硫化鉈硫化鉛)(lm入射光通量)(mA光電流光敏電阻的光照特性第23頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件)(VU電壓)(uAI電流硫化鉛硫化鉈)(um入射波長)(uAI電流C20C20第24頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件光導型光電器件光導型光電器件型襯底N結PN型P擴散層保護層2SiO光敏面 鋁電極入射光玻璃透鏡管殼引腳管芯PNLR第25頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件)(A入射光波長%相對靈敏度硅光敏二極管鍺光敏二極管第26頁/共50頁返

11、回首頁3.6.3 光電器件 型型號號 材材料料 暗暗電電流流(uA) 光光電電流流(uA) 靈靈敏敏度度(uA/uW) 光光譜譜范范圍圍(A。) 峰峰值值波波長長(A。) 2AU 鍺鍺 1.5 4000 21400 1 14 46 65 50 0 2CU1 硅硅 80 0.5 4000 11000 9 90 00 00 0 2CU2 硅硅 30 0.5 4000 11000 9 90 00 00 0 2CU3 硅硅 5 0.5 4000 11000 9 90 00 00 0 2DUA 硅硅 6 0.4 4000 11000 9 90 00 00 0 2DUB 硅硅 20 0.4 4000 11

12、000 9 90 00 00 0 第27頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件光電二極管基本電路光電二極管基本電路光電晶體管電路光電晶體管電路第28頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件亮通電路)(aCU21VD102CPK1VT2VT1R2R3R4Rk51k510k6 . 1k1043DG43DGV12暗通電路)(b102CP1VD2VT43DG1Rk510CU21VT43DG2Rk6 . 13Rk10KV12第29頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件(1)(1)光生伏特效應光生伏特效應光照射引起光照射引起PNPN結兩端產生電動勢的現(xiàn)象結兩端產生電動勢的現(xiàn)象(2)(2)光電池光電池直

13、接將直接將光能轉變?yōu)殡妱觿莸墓怆娖骷ㄓ性磦鞲衅鳎┕饽苻D變?yōu)殡妱觿莸墓怆娖骷ㄓ性磦鞲衅鳎㏄NPN結光生伏特效應原理圖結光生伏特效應原理圖第30頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件光電池應用電路光電池應用電路第31頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件)(um波長%相對靈敏度光半透明金屬膜硒半導體金屬底盤第32頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件IULR231210光梳狀電極抗反射膜型層N結PN型硅層P金屬下電極第33頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件)(um波長%相對靈敏度IULR230M第34頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件)(V壓電路開)(mA流電路短第35頁/共

14、50頁返回首頁3.6.3 光電器件（1 1）光電特性和光照特性）光電特性和光照特性光電特性：當光電器件電極上的電壓一定時，光電流光電特性：當光電器件電極上的電壓一定時，光電流 I I 與入射于光電器與入射于光電器件上的光通量件上的光通量 間的關系即間的關系即 I = F ( ) I = F ( ) 。光照特性：當光電器件電極上的電壓一定時，光電流光照特性：當光電器件電極上的電壓一定時，光電流 I I 與光電器件上照與光電器件上照度度 E E 的關系即的關系即I = F ( E ) I = F ( E ) 。（2 2）光譜特性）光譜特性光譜特性：光電流（一般以最大值的百分數(shù)或相對靈敏度表示）與入

15、射光光譜特性：光電流（一般以最大值的百分數(shù)或相對靈敏度表示）與入射光波長的關系波長的關系 I = F ( )I = F ( )第36頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件光電特性和光照特性曲線光電特性和光照特性曲線希希望：望：曲曲線線斜斜率率要要大，大，且且斜斜率率最最好好是是常常數(shù)數(shù)第37頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件光譜特性曲線光譜特性曲線第38頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件 結論：當光電器件的光譜特性與光源輻射能量的光譜分布協(xié)調一致時，光電結論：當光電器件的光譜特性與光源輻射能量的光譜分布協(xié)調一致時，光電傳感器的性能較好，效率較高。在檢測時，光電器件的最佳靈敏度最好

16、在需要測傳感器的性能較好，效率較高。在檢測時，光電器件的最佳靈敏度最好在需要測量的波長處。量的波長處。（3 3）伏安特性）伏安特性 伏安特性：在給定的光通量或照度下，光電流伏安特性：在給定的光通量或照度下，光電流 I I 與光電器件兩端電壓與光電器件兩端電壓 U U 的關的關系即系即 I I = = F F ( (U U) ) 應用：幫助計算選擇光電元件的負載電阻，設計整個線路應用：幫助計算選擇光電元件的負載電阻，設計整個線路（4 4）頻率特性）頻率特性 頻率特性：在同樣的電壓和同樣幅值的光強度下，光電器件輸出的光電流頻率特性：在同樣的電壓和同樣幅值的光強度下，光電器件輸出的光電流 I I 或

17、靈敏度或靈敏度 S S 隨入射光強度變化頻率隨入射光強度變化頻率 f f 的關系的關系 I I = =F F1 1( ( f f ) ) 或或 S S = = F F2 2( ( f f ) )。第39頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件伏安特性曲線伏安特性曲線第40頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件頻率特性曲線（要求：曲線平直，且頻帶寬頻率特性曲線（要求：曲線平直，且頻帶寬 ）(a) 光電管光電管(b) 光敏電阻光敏電阻(c) 光電池光電池(d) 光電晶體管光電晶體管第41頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件（5 5）溫度特性）溫度特性 溫度特性：光電器件的光電特性和光譜特性隨

18、溫度變化溫度特性：光電器件的光電特性和光譜特性隨溫度變化 結論：結論：1 1）對溫度的影響可采取溫度補償或修正措施；）對溫度的影響可采取溫度補償或修正措施； 2 2）可通過控制工作環(huán)境溫度，達到最大靈敏度。）可通過控制工作環(huán)境溫度，達到最大靈敏度。第42頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件溫度變化對元件特性的影響溫度變化對元件特性的影響第43頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件（1 1）透射式）透射式 光源發(fā)出一定的光通量，穿過被測對象，部分被吸收，其余光源發(fā)出一定的光通量，穿過被測對象，部分被吸收，其余到達光電器件轉變?yōu)殡娦盘栞敵龅竭_光電器件轉變?yōu)殡娦盘栞敵?應用：測量透明度和渾濁度應用：測量透明度和渾濁度透射式光電傳感器透射式光電傳感器0PA ()()PAIFF第44頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件反射式光電傳感器反射式光電傳感器（2 2）反射式）反射式 光源發(fā)出一光源發(fā)出一定的光通量到被測對象，由于物定的光通量到被測對象，由于物體性質或狀態(tài)損失了一部分光通體性質或狀態(tài)損失了一部分光通量，余下部分反射到光電器件上量，余下部分反射到光電器件上 應用：測量表面粗糙度應用：測量表面粗糙度0PA ()()PAIFF第45頁/共50頁返回首頁3.6.3 光電器件輻射式光電傳感