1、n響應(yīng)特性n噪聲特性n量子效率n線性度n工作溫度響應(yīng)度或稱靈敏度：是光電探測器輸出信號與輸入光功率之間關(guān)系的度量。描繪的是光電探測器件的光電轉(zhuǎn)換效率。響應(yīng)度是隨入射光波長變化而變化的響應(yīng)度分電壓響應(yīng)率和電流響應(yīng)率電壓響應(yīng)率 光電探測器件輸出電壓與入射光功率之比電流響應(yīng)率 光電探測器件輸出電流與入射光功率之比ioVPVSioIPIS光譜響應(yīng)度：探測器在波長為的單色光照射下，輸出電壓或電流與入射的單色光功率之比積分響應(yīng)度：檢測器對各種波長光連續(xù)輻射量的反響程度()()()oViVSP()()()oIiISP響應(yīng)時間：響應(yīng)時間是描繪光電探測器對入射光響應(yīng)快慢的一個參數(shù)。上升時間：入射光照射到光電探測

2、器后，光電探測器輸出上升到穩(wěn)定值所需要的時間。下降時間：入射光遮斷后，光電探測器輸出下降到穩(wěn)定值所需要的時間。光電探測器響應(yīng)率與入射調(diào)制頻率的關(guān)系 為調(diào)制頻率為f 時的響應(yīng)率 為調(diào)制頻率為零時的響應(yīng)率為時間常數(shù)等于RC 0S2/120)2(1 )(fSfS)( fS頻率響應(yīng)：光電探測器的響應(yīng)隨入射光的調(diào)制頻率而變化的特性稱為頻率響應(yīng) 由于光電探測器信號產(chǎn)生和消失存在著一個滯后過程，所以入射光的調(diào)制頻率對光電探測器的響應(yīng)會有較大的影響。0002 1/21122()0.7071(1) 2fRCSSS fSc：上限截止頻率：上限截止頻率時間常數(shù)決定了光電探測器頻率響應(yīng)的帶寬時間常數(shù)決定了光電探測器頻

3、率響應(yīng)的帶寬fc返回返回n在一定波長的光照下光電探測器輸出的電信號并不是平直的，而是在平均值上下隨機地起伏，它本質(zhì)上就是物理量圍繞其平均值的漲落現(xiàn)象。01( )TIii t dtTn用均方噪聲來表示噪聲值大小2201( ) ( )( )Ti ti ti tdtT噪聲在實際的光電探測系統(tǒng)中是極其有害的。由于噪聲總是與有用信號混在一起，因此影響對信號特別是微弱信號的正確探測。一個光電探測系統(tǒng)的極限探測才能往往受探測系統(tǒng)的噪聲所限制。所以在精細測量、通信、自動控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是非常重要的問題。n熱噪聲n散粒噪聲n產(chǎn)生-復合噪聲n1/f噪聲n或稱約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)那么的熱運動造成的噪聲

4、。n導體或半導體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機運動(相當于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但瞬時電流擾動在導體兩端會產(chǎn)生一個均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。n熱噪聲存在于任何電阻中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無關(guān)，熱噪聲又稱為白噪聲n散粒噪聲：入射到光探測器外表的光子是隨機的，光電子從光電陰極外表逸出是隨機的，PN結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機的。n散粒噪聲也是白噪聲，與頻率無關(guān)。n散粒噪聲是光電探測器的固有特性，對大多數(shù)光電探測器的研究說明：散粒噪聲具有支配地位。n例如光伏器件的PN結(jié)勢壘是產(chǎn)生散粒噪聲的主要原因。n半導體受光照，載流子不斷產(chǎn)生-復合。n在平衡狀態(tài)時，在載流子產(chǎn)生和復合的平均數(shù)是

5、一定的n但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復合數(shù)是有起伏的。n載流子濃度的起伏引起半導體電導率的起伏。n或稱閃爍噪聲或低頻噪聲。這種噪聲是由于光敏層的微粒不均勻或不必要的微量雜質(zhì)的存在引起的。n噪聲的功率近似與頻率成反比n多數(shù)器件的1/f噪聲在200300Hz以上已衰減到可忽略不計。n信噪比是斷定噪聲大小的參數(shù)。n是負載電阻上信號功率與噪聲功率之比n假設(shè)用分貝dB表示，為2222NSLNLSNSIIRIRIPPNSNSNSIIIINSlg20lg1022n定義：信號功率與噪聲功率比為1SNR=1時，入射到探測器件上的輻射通量(單位為瓦)。n這時，投射到探測器上的輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓或電流等于探測

6、器本身的噪聲電壓或電流n一般一個良好的探測器件的NEP約為10-11W。nNEP越小，噪聲越小，器件的性能越好。()eNEPWSNR噪聲等效功率是一個可測量的量。設(shè)入射輻射的功率為P，測得的輸出電壓為U0然后除去輻射源，測得探測器的噪聲電壓為UN那么按比例計算，要使U0UN，的輻射功率為20()NPNEPWUU探測率D定義為噪聲等效功率的倒數(shù)經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)NEP與檢測元件的面積Ad和放大器帶寬f 乘積的平方根成正比歸一化探測率D*，即D*與探測器的敏感面積、放大器的帶寬無關(guān)。1DNEP*1/ 2*1()dDDAfNEP返回n量子效率：在某一特定波長上，每秒鐘內(nèi)產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射光量子數(shù)之比。

7、n對理想的探測器，入射一個光量子發(fā)射一個電子， =1n實際上， AhA。由于不同材料具有不同的逸出功，。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不管光強多率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不管光強多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限。紅限。相應(yīng)的波長相應(yīng)的波長KK為為: : (4.3) (4.3)式中，式中，c c為光速；為光速；A A為逸出功。為逸出功。A-hm212圖圖4.3.1 4.3.1 光電管構(gòu)造示意圖光電管構(gòu)造示意圖Ah

8、cK 光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，如下圖。在入射光頻率大于如下圖。在入射光頻率大于“紅限的紅限的前提下，從陰極外表逸出的光電子被具有正電前提下，從陰極外表逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時假設(shè)光強增大，轟擊陰極的光稱為光電流。此時假設(shè)光強增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增子數(shù)增多，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。在圖所示的多，光電流變大。在圖所示的電路中，電流電路中，電流II和電阻和電阻RLRL上的電壓降上的電壓降U0U0就和

9、就和光強成函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光強成函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。 陰極材料不同的光電管，具有不同的紅陰極材料不同的光電管，具有不同的紅限，因此適用于不同的光譜范圍。此外，限，因此適用于不同的光譜范圍。此外，即使入射光的頻率大于紅限，并保持其強度即使入射光的頻率大于紅限，并保持其強度不變，但陰極發(fā)射的光電子數(shù)量還會隨入射不變，但陰極發(fā)射的光電子數(shù)量還會隨入射光頻率的變化而改變，即同一種光電管對不同頻率的入射光靈敏度并不一樣。光頻率的變化而改變，即同一種光電管對不同頻率的入射光靈敏度并不一樣。光電管的這種光譜特性，要求人們應(yīng)當根據(jù)檢測對象是紫外光、可見光還是光電管的這種光譜特性，要求人們應(yīng)

10、當根據(jù)檢測對象是紫外光、可見光還是紅外光去選擇陰極材料不同的光電管，以便獲得滿意的靈敏度。紅外光去選擇陰極材料不同的光電管，以便獲得滿意的靈敏度。圖圖4.3.2 光電管測量電路圖光電管測量電路圖D1D2D3D4D5D6AKU0IRL 圖圖4.3.3 4.3.3 光電倍增管構(gòu)造示意圖光電倍增管構(gòu)造示意圖 光電倍增管主要由光陰極光電倍增管主要由光陰極K K、倍增極、倍增極D D和陽極和陽極A A組成，并根組成，并根據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進展真空封裝。根據(jù)封裝據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進展真空封裝。根據(jù)封裝方法，可分成端窗式和側(cè)窗式兩大類。端窗式光電倍增方法，可分成端窗式和側(cè)窗式兩大類。端窗式光

11、電倍增管的陰極通常為透射式陰極，通過管殼的端面承受入射管的陰極通常為透射式陰極，通過管殼的端面承受入射光。側(cè)窗式陰極那么是通過管殼的側(cè)面接收入射光，它光。側(cè)窗式陰極那么是通過管殼的側(cè)面接收入射光，它的陰極通常為反射式陰極。的陰極通常為反射式陰極。 二、光電倍增管由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流才能的光電倍增管。圖是光電倍增管構(gòu)造示意圖。 光陰極的量子效率是一個重要的參數(shù)。波長為光陰極的量子效率是一個重要的參數(shù)。波長為的光輻射入射的光輻射入射到光陰極時，一個入射光子產(chǎn)生的光電子數(shù)，定義為光陰極到光陰極時，一個入射光子產(chǎn)生的光電子數(shù)，定義為光陰極的量子效率。光陰極有很多種，常

12、用的有雙堿，的量子效率。光陰極有很多種，常用的有雙堿，S11及及S20三三種。光陰極通常由脫出功較小的銻銫或鈉鉀銻銫的薄膜組成，種。光陰極通常由脫出功較小的銻銫或鈉鉀銻銫的薄膜組成，光陰極接負高壓，各倍增極的加速電壓由直流高壓電源經(jīng)分光陰極接負高壓，各倍增極的加速電壓由直流高壓電源經(jīng)分壓電阻分壓供給，靈敏檢流計或負載電阻接在陽極壓電阻分壓供給，靈敏檢流計或負載電阻接在陽極A處，當處，當有光子入射到光陰極有光子入射到光陰極K上，只要光子的能量大于光陰極材料上，只要光子的能量大于光陰極材料的脫出功，就會有電子從陰極的外表逸出而成為光電子。的脫出功，就會有電子從陰極的外表逸出而成為光電子。 在在K和

13、和D1之間的電場作用下，光電子被加速后轟擊第一倍增之間的電場作用下，光電子被加速后轟擊第一倍增極極D1，從而使，從而使D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射每一個電子的轟擊約可產(chǎn)生二次電子發(fā)射每一個電子的轟擊約可產(chǎn)生產(chǎn)生35個二次電子，這樣就實現(xiàn)了電子數(shù)目的放大。個二次電子，這樣就實現(xiàn)了電子數(shù)目的放大。D1產(chǎn)生的二次電子被產(chǎn)生的二次電子被D2和和D1之間的電場加速后轟擊之間的電場加速后轟擊D2，。這樣的過程一直持續(xù)到最后一級倍增極。這樣的過程一直持續(xù)到最后一級倍增極Dn，每，每經(jīng)過一級倍增極，電子數(shù)目便被放大一次，倍增極的數(shù)目經(jīng)過一級倍增極，電子數(shù)目便被放大一次，倍增極的數(shù)目有有813個，最后一級倍增極個，最后

14、一級倍增極Dn發(fā)射的二次電子被陽極發(fā)射的二次電子被陽極A搜搜集。假設(shè)倍增電極有集。假設(shè)倍增電極有n級，各級的倍增率為級，各級的倍增率為，那么光電倍，那么光電倍增管的倍增率可以認為是增管的倍增率可以認為是n，因此，光電倍增管有極高的，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。靈敏度。在輸出電流小于在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。光電倍增管的這個特點，使它多用內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量。假設(shè)將靈敏檢流計串接在陽極回路中，那么可于微光測量。假設(shè)將靈敏檢流計串接在陽極回路中，那么可直接測量陽極輸出電

15、流。假設(shè)在陽極串接電阻直接測量陽極輸出電流。假設(shè)在陽極串接電阻RL作為負載，作為負載，那么可測量那么可測量RL兩端的電壓，此電壓正比于陽極電流。兩端的電壓，此電壓正比于陽極電流。 圖圖4.3.4 4.3.4 光電倍增管的根本電路光電倍增管的根本電路 圖所示為光電倍增管的根本電路。各倍增極的電壓是用分壓電阻圖所示為光電倍增管的根本電路。各倍增極的電壓是用分壓電阻R1R1、R2R2、RnRn獲得的，陽極電流流獲得的，陽極電流流經(jīng)負載電阻經(jīng)負載電阻RLRL得到輸出電壓得到輸出電壓U0U0。當用于測量穩(wěn)定的輻射通量時，圖中虛線連接的電容。當用于測量穩(wěn)定的輻射通量時，圖中虛線連接的電容C1C1、C2C2

16、、CnCn和輸和輸出隔離電容出隔離電容CaCa都可以省去。這時電路往往將電源正端接地，并且輸出可以直接與放大器輸入端連接，從而都可以省去。這時電路往往將電源正端接地，并且輸出可以直接與放大器輸入端連接，從而使它可以響應(yīng)變化緩慢的入射光通量。但當入射光通量為脈沖通量時，那么應(yīng)將電源的負端接地，因為光使它可以響應(yīng)變化緩慢的入射光通量。但當入射光通量為脈沖通量時，那么應(yīng)將電源的負端接地，因為光電倍增管的陰極接地比陽極接地有更低的噪聲，此時輸出端應(yīng)接人隔離電容，同時各倍增極的并聯(lián)電容亦電倍增管的陰極接地比陽極接地有更低的噪聲，此時輸出端應(yīng)接人隔離電容，同時各倍增極的并聯(lián)電容亦應(yīng)接人，以穩(wěn)定脈沖工作時的

17、各級工作電壓，穩(wěn)定增益并防止飽和。應(yīng)接人，以穩(wěn)定脈沖工作時的各級工作電壓，穩(wěn)定增益并防止飽和。 與測量有關(guān)的兩個參數(shù)：與測量有關(guān)的兩個參數(shù)：暗電流暗電流 光電倍增管接上工作電壓后，在沒有光照的情況下陽光電倍增管接上工作電壓后，在沒有光照的情況下陽極仍會有一個很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流。極仍會有一個很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流。光電倍增管在工作時，其陽極輸出電流由暗電流和信光電倍增管在工作時，其陽極輸出電流由暗電流和信號電流兩部分組成。當信號電流比較大時，暗電流的號電流兩部分組成。當信號電流比較大時，暗電流的影響可以忽略，但是當光信號非常弱，以致于陽極信影響可以忽略，但是當光信號非

18、常弱，以致于陽極信號電流很小甚至和暗電流在同一數(shù)量級時，暗電流將號電流很小甚至和暗電流在同一數(shù)量級時，暗電流將嚴重影響對光信號測量的準確性。所以暗電流的存在嚴重影響對光信號測量的準確性。所以暗電流的存在決定了光電倍增管可測量光信號的最小值。一只好的決定了光電倍增管可測量光信號的最小值。一只好的光電倍增管，要求其暗電流小并且穩(wěn)定。光電倍增管，要求其暗電流小并且穩(wěn)定。 (2) (2) 光譜響應(yīng)特征光譜響應(yīng)特征 光電倍增管對不同波長的光入射的響應(yīng)才能是不一樣的，光電倍增管對不同波長的光入射的響應(yīng)才能是不一樣的，這一特性可用光譜響應(yīng)率表示。在給定波長的單位輻射這一特性可用光譜響應(yīng)率表示。在給定波長的單

19、位輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流大小稱為光電倍增管的絕功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流大小稱為光電倍增管的絕對光譜響應(yīng)率，表示為對光譜響應(yīng)率，表示為 (4.4) (4.4) 式中，式中，P()P()為入射到光陰極上的單色輻射功率；為入射到光陰極上的單色輻射功率；I()I()是在該是在該輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流；輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流；S()S()是波長的函數(shù)，是波長的函數(shù)，它與波長的關(guān)系曲線稱為光電倍增管的絕對光譜響應(yīng)曲線。它與波長的關(guān)系曲線稱為光電倍增管的絕對光譜響應(yīng)曲線。測量S()非常復雜，因此在一般測量中都是測量它的相對值。為此，可以把S()中的最大值當作一個單位對所有S()值進

20、展歸一化，這時就得到 (4.5) s()稱為光電倍增管的相對光譜響應(yīng)率，它與波長的關(guān)系曲線稱為光電倍增管的相對光譜響應(yīng)曲線。s()1，是一個無量綱的量，只表示光電倍增管的光譜響應(yīng)特征。n光敏電阻是光電導型器件。n光敏電阻材料：主要是硅、鍺和化合物半導體，例如：硫化鎘CdS，銻化銦InSb等。n特點：n光譜響應(yīng)范圍寬特別是對于紅光和紅外輻射；n偏置電壓低，工作電流大；n動態(tài)范圍寬，既可測強光，也可測弱光；n光電導增益大，靈敏度高；n無極性，使用方便；n在強光照射下，光電線性度較差n光電馳豫時間較長，頻率特性較差。光敏光敏電阻電阻 (LDR) (LDR) 和它的和它的符號符號： 符號符號n光敏電阻

21、構(gòu)造：在一塊均勻光電導體兩端加上電光敏電阻構(gòu)造：在一塊均勻光電導體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其他絕緣材料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口料基板上，兩端接有電極引線，封裝在帶有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。如圖的金屬或塑料外殼內(nèi)。如圖n工作機理：當入射光子使半導體中的電子由價工作機理：當入射光子使半導體中的電子由價帶躍遷到導帶時，導帶中的電子和價帶中的空帶躍遷到導帶時，導帶中的電子和價帶中的空穴均參與導電，其阻值急劇減小，電導增加。穴均參與導電，其阻值急劇減小，電導增加。入射光入射光返回n本征型光敏電阻：當入射光子的能量等于或大于半導體

22、材料的禁帶寬度Eg時，激發(fā)一個電子空穴對，在外電場的作用下，形成光電流。n雜質(zhì)型光敏電阻：對于型半導體，當入射光子的能量等于或大于雜質(zhì)電離能時，將施主能級上的電子激發(fā)到導帶而成為導電電子，在外電場的作用下，形成光電流。n本征型用于可見光長波段,雜質(zhì)型用于紅外波段。價帶導帶電子空穴Eg價帶導帶電子空穴施主n光敏電阻兩端加電壓直流或交流無光照時，阻值暗電阻很大，電流暗電流很??；光照時，光生載流子迅速增加，阻值亮電阻急劇減少在外場作用下，光生載流子沿一定方向運動，形成光電流亮電流。n光電流：亮電流和暗電流之差；nI光 = IL - Idn光電導：亮電導和暗電導之差；ng = gL - gd 光I光敏

23、電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。光電流與光照強度電阻構(gòu)造的關(guān)系。n光電特性光電特性n伏安特性伏安特性n時間響應(yīng)和頻率特性時間響應(yīng)和頻率特性n溫度特性溫度特性光電特性：光電流與入射光照度的關(guān)系：(1)弱光時，=1，光電流與照度成線性關(guān)系(2)強光時， =0.5，光電流與照度成拋物線光照增強的同時，載流子濃度不斷的增加，同光陰敏電阻的溫度也在升高，從而導致載流子運動加劇，因此復合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。冷卻可以改善 ：外加電壓，歐姆接觸為電壓指數(shù)光電導，照度指數(shù)光USUESIgg) 1(:) 15 . 0(:光敏電阻的光電特性在弱

24、光照下，光電流與E具有良好的線性關(guān)系在強光照下那么為非線性關(guān)系其他光敏電阻也有類似的性質(zhì)。光電導靈敏度: 光電導g與照度E之比.：入射通量光敏面積，:AAgEggS不同波長的光，不同波長的光，光敏電阻的靈敏光敏電阻的靈敏度是不同的。度是不同的。在選用光電器件在選用光電器件時必須充分考慮時必須充分考慮到這種特性。到這種特性。光電導增益光電導增益反比于電極間距的平方。量子效率：光電流與入射光子流之比。：電極間距：外加電壓，：遷移率，：載流子壽命，量子產(chǎn)額，UlUG:2n在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電壓關(guān)系的電壓關(guān)系n光敏電阻是一個純電阻，因此符合歐

25、姆定律，光敏電阻是一個純電阻，因此符合歐姆定律，其伏安特性曲線為直線。其伏安特性曲線為直線。n不同光照度對應(yīng)不同直線不同光照度對應(yīng)不同直線受耗散功率的限制，在使用時，光敏電阻兩端的電壓不能超過最高工作電壓圖中虛線為允許功耗曲線，由此可確定光敏電阻正常工作電壓。光敏電阻時間常數(shù)比較大，其上限截止頻率光敏電阻時間常數(shù)比較大，其上限截止頻率低。只有低。只有PbSPbS光敏電阻的頻率特性稍好些，光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫。可工作到幾千赫。頻率特性光敏電阻的時間響應(yīng)特性較差材料受光照到穩(wěn)定狀態(tài)，光生載流子濃度的變化規(guī)律：停頓光照，光生載流子濃度的變化為00(1 exp()tppp 為穩(wěn)態(tài)光

26、生載流子濃度0exp()tpp 響應(yīng)時間光敏電阻是多數(shù)載流子導電，溫度特性復雜。隨著溫度的升光敏電阻是多數(shù)載流子導電，溫度特性復雜。隨著溫度的升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，溫度的變化也會高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度都要下降，溫度的變化也會影響光譜特性曲線。影響光譜特性曲線。例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向例如：硫化鉛光敏電阻，隨著溫度的升高光譜響應(yīng)的峰值將向短波方向挪動。短波方向挪動。尤其是紅外探測器要采取制冷措施尤其是紅外探測器要采取制冷措施溫度特性n使用材料：硫化鎘CdS，硫化鉛PbS，銻化銦InSb，碲鎘汞HgCdTe，碲錫鉛PbSnTe.n光敏面：1-3

27、 mmn工作溫度：-40 80 oCn溫度系數(shù)： 1n極限電壓：10 300Vn耗散功率：R0，那么負載功率，那么負載功率P0為：為： 另一方面，計算光電二極管直接與負載電阻相連時另一方面，計算光電二極管直接與負載電阻相連時負載上的功率負載上的功率 為：為： 比較兩種情況可見，采用阻抗變換器可以使功率輸出進步比較兩種情況可見，采用阻抗變換器可以使功率輸出進步(Rf/RL)2倍。例如，倍。例如， 當當RL=1M，Rf=10M時，功率進步時，功率進步100倍。倍。這種電路的時間特性較差，但用在信號帶寬沒有特殊要求這種電路的時間特性較差，但用在信號帶寬沒有特殊要求的緩變光信號檢測中，可以得到很高的功

28、率放大倍數(shù)。此的緩變光信號檢測中，可以得到很高的功率放大倍數(shù)。此外，用場效應(yīng)管代替雙極性晶體管作前置級，其偏置電流外，用場效應(yīng)管代替雙極性晶體管作前置級，其偏置電流很小，因此適用于光功率很小的場合。很小，因此適用于光功率很小的場合。4.5 4.5 常見光電傳感器及應(yīng)用常見光電傳感器及應(yīng)用4.5.1 4.5.1 各種光電檢測器件的性能比較各種光電檢測器件的性能比較參看參看7575頁表頁表2-62-6第第1 1版版) ) 典型光電探測典型光電探測器件工作特性的比較器件工作特性的比較. . 動態(tài)性能動態(tài)性能( (即頻率響應(yīng)即頻率響應(yīng)): ): 光電倍增管光電倍增管和光電二極管最好和光電二極管最好;

29、;光電特性光電特性( (線性線性): ): 光電倍增管、光電光電倍增管、光電二極管和光電池二極管和光電池; ;靈敏度靈敏度: :光電倍增管、雪崩光電二極管、光電倍增管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管光敏電阻和光電三極管; ;長期穩(wěn)定性長期穩(wěn)定性: :光電二極管和光電池最好光電二極管和光電池最好, ,其次是光電倍增管其次是光電倍增管. .4.5.2 4.5.2 光電檢測器件的應(yīng)用選擇要點光電檢測器件的應(yīng)用選擇要點* *1.光電檢測器件必須和輻射信號源及光學系統(tǒng)在光電檢測器件必須和輻射信號源及光學系統(tǒng)在光譜特性光譜特性上上匹配匹配;2.光電檢測期間的光電檢測期間的光敏面必須和入射輻射能量相對

30、準光敏面必須和入射輻射能量相對準；3.光電檢測器的光電轉(zhuǎn)換特性必須和光電檢測器的光電轉(zhuǎn)換特性必須和入射輻射能量入射輻射能量相匹配相匹配(器器件的感光面要和照射光匹配好件的感光面要和照射光匹配好);4. 光電檢測器必須和光信號的調(diào)制形式光電檢測器必須和光信號的調(diào)制形式、信號頻率及波形信號頻率及波形相匹配相匹配,以保證得到?jīng)]有頻率失真的輸出波形和良好的以保證得到?jīng)]有頻率失真的輸出波形和良好的時間響應(yīng)時間響應(yīng);5.光電檢測器件的光電檢測器件的最小可探測功率必須與入射輻射相匹配最小可探測功率必須與入射輻射相匹配；6.光電檢測器件必須和光電檢測器件必須和輸入電路在電特性輸入電路在電特性上良好地匹配上良好

31、地匹配,以保以保證有有足夠的線性范圍、信噪比及快速的動態(tài)響應(yīng)證有有足夠的線性范圍、信噪比及快速的動態(tài)響應(yīng);7. 為使器件具有長期工作的可靠性為使器件具有長期工作的可靠性,必須注意選好器件的必須注意選好器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條件規(guī)格和使用的環(huán)境條件.4.5.3 光電傳感器及在煙塵濁度監(jiān)測上的應(yīng)用光電傳感器及在煙塵濁度監(jiān)測上的應(yīng)用透射式光電傳感器是將發(fā)光管和光敏三極管等，以相透射式光電傳感器是將發(fā)光管和光敏三極管等，以相對的方向裝在中間帶槽的支架上。當槽內(nèi)無物體時，發(fā)光對的方向裝在中間帶槽的支架上。當槽內(nèi)無物體時，發(fā)光管發(fā)出的光直接照在光敏三極管的窗口上，從而產(chǎn)生一定管發(fā)出的光直接照在光敏三極管的

32、窗口上，從而產(chǎn)生一定大的電流輸出，當有物體經(jīng)過槽內(nèi)時那么擋住光線，光敏大的電流輸出，當有物體經(jīng)過槽內(nèi)時那么擋住光線，光敏管無輸出，以此可識別物體的有無。適用于光電控制、光管無輸出，以此可識別物體的有無。適用于光電控制、光電計量等電路中，可檢測物體的有無、運動方向、轉(zhuǎn)速等電計量等電路中，可檢測物體的有無、運動方向、轉(zhuǎn)速等方面。方面。防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了防止工業(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，因此必消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進展監(jiān)測、自動顯示和超標報警。須對煙塵源進展監(jiān)測、自動顯示和超標報警。 圖圖4.5

33、.1 透射型光電傳感器使用示意圖透射型光電傳感器使用示意圖 圖圖4.5.2 吸收式煙塵濁度監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖吸收式煙塵濁度監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖 圖4.5.3 DST9702激光反射式煙塵濃度儀組成框圖 n 采用激光背散射原理,不怕煙道的機械振動及煙氣溫度不均造成的折射率不均造成的光束擺動；n 單端安裝,無需光路對中，且安裝簡單方便； n 采用標準4-20mA工業(yè)標準電流輸出,連接方便；n 儀器整體功耗非常小,大約5w左右；n 一般標準設(shè)置參數(shù)可適用于煙道璧厚小于400，煙道直徑大于儀器名牌標示D.GT. 2000,在特殊的要求條件下測量區(qū)大小可以訂制. 用戶也可以在經(jīng)維護人員的認可及指導下調(diào)整. 煙

34、道里的煙塵濁度是通過光在煙道在傳輸過程中的變化大小來檢測的。假如煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少。因此光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。本應(yīng)用中應(yīng)用奧托尼克斯(Autonics)公司的BYD3M-TDT透射式小型光電傳感器BYD3M-TDT透射式小型光電傳感器，其光源(發(fā)光器)與接收器不在同一個機殼內(nèi)，見圖使用示意圖：先將發(fā)射器和接收器對準并固定好后才可以通電(12.24)VDC；接著在ON狀態(tài)設(shè)定好發(fā)射器的中心位置，然后左右上下方向調(diào)節(jié)接收器和發(fā)射器的位置；最后檢測目的穩(wěn)定后固定好發(fā)射器和接收器。 圖是吸收式煙塵濁度監(jiān)測系統(tǒng)的組成框圖：為

35、了檢測出煙塵中對人體危害性最大的亞微米顆粒的濁度和防止水蒸氣對光源衰減的影響，選取可見光作光源(400-700nm波長的白熾光)。光檢測器光譜響應(yīng)范圍為400-600nm的光電管，獲取隨濁度變化的相應(yīng)電信號。為了進步檢測靈敏度，采用具有高增益、高輸入阻抗、低零漂、高共模抑制比的運算放大器，對信號進展放大?？潭刃Ｕ挥脕磉M展調(diào)零與調(diào)滿刻度，以保證測試準確性。顯示器可顯示濁度瞬時值。報警電路由多諧振蕩器組成，當運算放大器輸出濁度信號超過規(guī)定時，多諧振蕩器工作，輸出信號經(jīng)放大后推動喇叭發(fā)出報警信號。 4.5.4 光電式帶材跑偏檢測器帶材跑偏檢測器用來檢測帶型材料在加工中偏離正確位置的大小及方向,從而

36、為糾偏控制電路提供糾偏信號,主要用于印染、送紙、膠片、磁帶消費過程中。光電式帶材跑偏檢測器原理如下圖。光源發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡1會聚為平行光束,投向透鏡2,隨后被會聚到光敏電阻上。在平行光束到達透鏡2的途中,有部分光線受到被測帶材的遮擋,使傳到光敏電阻的光通量減少。 圖圖4.5.4 帶材跑偏檢測器工作原理帶材跑偏檢測器工作原理 圖圖4.5.5 測量電路測量電路 圖為測量電路簡圖。1、2是同型號的光敏電阻。1作為測量元件裝在帶材下方，2用遮光罩罩住,起溫度補償作用。當帶材處于正確位置(中間位)時，由1、2、3、4組成的電橋平衡，使放大器輸出電壓為0。當帶材左偏時，遮光面積減少，光敏電阻1阻值減少，

37、電橋失去平衡。差動放大器將這一不平衡電壓加以放大，輸出電壓為負值，它反映了帶材跑偏的方向及大小。反之，當帶材右偏時，為正值。輸出信號一方面由顯示器顯示出來，另一方面被送到執(zhí)行機構(gòu)，為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號。 包裝充填物高度檢測包裝充填物高度檢測 用容積法計量包裝的成品，除了對重量有一定誤差范圍要求外，一般還對充填高度有一定的要求，以保證商品用容積法計量包裝的成品，除了對重量有一定誤差范圍要求外，一般還對充填高度有一定的要求，以保證商品的外觀質(zhì)量，不符合充填高度的成品將不許出廠。圖所示為借助光電檢測技術(shù)控制充填高度的原理。當充填高的外觀質(zhì)量，不符合充填高度的成品將不許出廠。圖所示為借助光電檢測

38、技術(shù)控制充填高度的原理。當充填高度偏向太大時，光電接頭沒有電信號，即由執(zhí)行機構(gòu)將包裝物品推出進展處理。度偏向太大時，光電接頭沒有電信號，即由執(zhí)行機構(gòu)將包裝物品推出進展處理。圖利用光電檢測技術(shù)控制充填高度圖利用光電檢測技術(shù)控制充填高度 利用光電開關(guān)還可以進展產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計、對裝配件是否到位及裝配質(zhì)量進利用光電開關(guān)還可以進展產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計、對裝配件是否到位及裝配質(zhì)量進展檢測，例如灌裝時瓶蓋是否壓上、商標是否漏貼，以及送料機構(gòu)是否斷料等。展檢測，例如灌裝時瓶蓋是否壓上、商標是否漏貼，以及送料機構(gòu)是否斷料等。 n激光測距，測長，測平面度等n激光大氣污染檢測n激光檢測n激光海洋探測n激光

39、制導n激光雷達n激光干預(yù)測量探傷n激光全息測量測量原理是基于朗伯-比爾定律(1)“單線光譜測量技術(shù) 該技術(shù)利用激光的光譜比較窄、遠小于被測氣體的吸收譜線的特性，選擇某一位于特定波長的吸收光譜線，使得在所選吸收譜線波長附近無測量環(huán)境中其他氣體組分的吸收譜線，從而防止了這些背景氣體組分對該被測氣體的穿插吸收干預(yù)。(2)激光頻率掃描技術(shù) 激光氣體分析儀通過調(diào)制激光頻率使之周期性地掃描過被測氣體吸收譜線，激光頻率的掃描范圍被設(shè)置成大于被測氣體吸收譜線的寬度。(3)譜線展寬自動修正技術(shù)在氣體溫度和壓力發(fā)生變化時被測氣體譜線的展寬及高度會發(fā)生相應(yīng)的變化從而影響測量的準確性。通過輸入420 mA方式的溫度和

40、壓力信號，激光氣體分析儀能自動修正溫度和壓力變化對氣體濃度測量的影響。從而保證了測量數(shù)據(jù)的準確查閱一篇光電檢測方面的近期文獻近35年之內(nèi)，圍繞系統(tǒng)組成、光電探測器的選用、前置放大器設(shè)計這三方面進展分析，寫成講解的PPT，在11月08日前發(fā)我郵箱，文件以學號+名字命名，并附上文獻。我的郵箱：作業(yè)計入平時成績。第五章第五章 CCD 圖像傳感器圖像傳感器 圖像傳感器圖像傳感器(Imaging Sensor ,縮寫為縮寫為IS，又稱成像器件、，又稱成像器件、攝像器件攝像器件)作為現(xiàn)代視覺信息獲取的一種根底器件，因其作為現(xiàn)代視覺信息獲取的一種根底器件，因其能實現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展能實現(xiàn)信息

41、的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴展(光譜拓寬、光譜拓寬、靈敏度范圍擴大靈敏度范圍擴大)，能給出直觀、真實、層次最多、內(nèi)容，能給出直觀、真實、層次最多、內(nèi)容最豐富的可視圖像信息，所以在現(xiàn)代社會中得到了越來越最豐富的可視圖像信息，所以在現(xiàn)代社會中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。廣泛的應(yīng)用。 圖像傳感器的功能是把光學圖像轉(zhuǎn)換為電信號，圖像傳感器的功能是把光學圖像轉(zhuǎn)換為電信號，即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強信息(可見光和非可見光可見光和非可見光)、轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電、轉(zhuǎn)換為按時序串行輸出的電信號信號 視頻信號，而視頻信號能再現(xiàn)入射的光視頻信號，而視頻信號能

42、再現(xiàn)入射的光輻射圖像。把空間圖像轉(zhuǎn)換為按時序變化的電信號輻射圖像。把空間圖像轉(zhuǎn)換為按時序變化的電信號的過程稱為掃描。的過程稱為掃描。 50年代前，電子束攝像管年代前，電子束攝像管(如光導攝像管、飛點掃描管等如光導攝像管、飛點掃描管等) 。60年代年代后期，后期，MOS集成電路工藝成熟，各種固體圖像傳感器得到迅速開展，到集成電路工藝成熟，各種固體圖像傳感器得到迅速開展，到70年代末期，已有一系列產(chǎn)品在軍事、民用各方面得到廣泛應(yīng)用。年代末期，已有一系列產(chǎn)品在軍事、民用各方面得到廣泛應(yīng)用。 固體圖象傳感器固體圖象傳感器(Solid State Imaging Sensor 縮寫為縮寫為SSIS)主要

43、有三主要有三大類型、一種是電荷耦合器件大類型、一種是電荷耦合器件(Charge Coupled Device簡稱簡稱CCD)；第二；第二種是種是MOS圖象傳感器，又稱自掃描光電二極管列陣圖象傳感器，又稱自掃描光電二極管列陣(Self Scanned Photodiode Array，簡稱，簡稱SSPA)，第三種是電荷注入器件，第三種是電荷注入器件(Charge Injection Device，簡稱，簡稱CID)。目前，前兩種用得比較多。目前，前兩種用得比較多。同電子束攝像管相比，固體圖象傳感器有以下顯著優(yōu)點：同電子束攝像管相比，固體圖象傳感器有以下顯著優(yōu)點： (1)全固體化，體積很小，重量輕

44、，工作電壓和功耗都很全固體化，體積很小，重量輕，工作電壓和功耗都很低；耐沖擊性好可靠性高，壽命長。低；耐沖擊性好可靠性高，壽命長。 (2)根本上不保存殘象，無象元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。根本上不保存殘象，無象元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。 (3)紅外敏感性。硅的紅外敏感性。硅的SSPA光譜響應(yīng)：；光譜響應(yīng)：；CCD可作成紅外敏感型；可作成紅外敏感型；CID主要用于光譜響應(yīng)大于主要用于光譜響應(yīng)大于35微米的紅外敏感器件。微米的紅外敏感器件。 (4)象元尺寸的幾何位置精度高象元尺寸的幾何位置精度高(優(yōu)于優(yōu)于1微米微米)，因此可用于不接觸，因此可用于不接觸精細尺寸測量系統(tǒng)。精細尺寸測量系統(tǒng)。 (5)

45、視頻信號與微機接口容易視頻信號與微機接口容易 主要應(yīng)用領(lǐng)域：小型化黑白主要應(yīng)用領(lǐng)域：小型化黑白/彩色彩色TV攝象機；攝象機； 通訊系統(tǒng)；通訊系統(tǒng)；光學字符識別光學字符識別OCR: Optical Character Recognition；工；工業(yè)檢測與自動控制；醫(yī)療儀器；多光譜機載和星載遙感；業(yè)檢測與自動控制；醫(yī)療儀器；多光譜機載和星載遙感；天文應(yīng)用；軍事應(yīng)用。天文應(yīng)用；軍事應(yīng)用。 CCD攝像器件由光敏光積分單攝像器件由光敏光積分單元和電荷轉(zhuǎn)移單元讀出移位存放器元和電荷轉(zhuǎn)移單元讀出移位存放器組成，每個光敏單元對應(yīng)一個象素如以組成，每個光敏單元對應(yīng)一個象素如以下圖所示。各單元的根本構(gòu)造如右圖所

46、下圖所示。各單元的根本構(gòu)造如右圖所示，由金屬、絕緣層、半導體構(gòu)成。示，由金屬、絕緣層、半導體構(gòu)成。VG加正向偏壓后在半導體內(nèi)形成加正向偏壓后在半導體內(nèi)形成“電子勢阱電子勢阱耗盡區(qū)，勢阱的深度由耗盡區(qū)，勢阱的深度由VG的大小的大小來控制。電子勢阱可以用來存放電子，來控制。電子勢阱可以用來存放電子，這些電子的注入方式既可用這些電子的注入方式既可用“光注入光注入光敏單元采用光注入，也可以用光敏單元采用光注入，也可以用“電電注入轉(zhuǎn)移電荷時采用電注入。注入轉(zhuǎn)移電荷時采用電注入。 對于光敏單元，當受到光線照射時，在光子的作用下，半對于光敏單元，當受到光線照射時，在光子的作用下，半導體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，空穴

47、被排斥，電子被電子勢阱俘獲。這導體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，空穴被排斥，電子被電子勢阱俘獲。這種光生電子作為反映光強的載體種光生電子作為反映光強的載體電荷包被搜集，成為光電荷電荷包被搜集，成為光電荷注入，這就是注入，這就是CCD攝像器件的光電變換過程。勢阱內(nèi)電荷包的攝像器件的光電變換過程。勢阱內(nèi)電荷包的大小與光照強度和光照時間成正比。大小與光照強度和光照時間成正比。 光敏單元電子勢阱的電荷包可以通過轉(zhuǎn)移柵的作用并行地轉(zhuǎn)移到讀光敏單元電子勢阱的電荷包可以通過轉(zhuǎn)移柵的作用并行地轉(zhuǎn)移到讀出移位存放器電荷轉(zhuǎn)移單元中，讀出移位存放器在讀出脈沖三出移位存放器電荷轉(zhuǎn)移單元中，讀出移位存放器在讀出脈沖三相或四相脈沖的

48、作用下把各個來自光敏單元的電荷包讀出，從而獲相或四相脈沖的作用下把各個來自光敏單元的電荷包讀出，從而獲得各個像素的亮度值。得各個像素的亮度值。 光線光線 主要由三部分組成：信號輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號輸出。輸入部分：將信號電荷引入到的第一個轉(zhuǎn)移柵極下的勢阱中，稱為電荷注入。電荷注入的方法主要有兩類：光注入和電注入電注入：用于濾波、延遲線和存儲器等。通過輸入二極管給輸入柵極施加電壓。光注入：用于攝像機。用光敏元件代替輸入二極管。當光照射CCD硅片時，在柵極附近的半導體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子那么被搜集在勢阱中形成信號電荷。的工作原理的工作原理P-Si輸入柵輸入二極管

49、輸出二極管輸出柵SiO2以電子為信號電荷的CCD稱為N型溝道CCD，簡稱為N型CCD。而以空穴為信號電荷的CCD稱為P型溝道CCD，簡稱為P型CCD。由于電子的遷移率遠大于空穴的遷移率，因此N型CCD比P型CCD的工作頻率高得多。光電轉(zhuǎn)換當一束光線投射到MOS電容上時，光子穿過透明電極及氧化層，進入P型硅襯底，襯底中處于價帶的電子將吸收光子能量躍入導帶，價電子能否躍遷至導帶形成電子空穴對，將由入射光子能量h是否大于等于Eg來確定，即c, 對于硅材料來說，m。也存在紅限。波長太短的光，那么會穿透半導體層而不起作用。的工作原理的工作原理 讀出移位存放器的工作原理是依靠讀出移位存放器的工作原理是依靠

50、MOSMOS電容與其電子勢阱電容與其電子勢阱的存儲電荷作用，以及改變柵壓上下可以使勢阱內(nèi)電荷包逐的存儲電荷作用，以及改變柵壓上下可以使勢阱內(nèi)電荷包逐個勢阱轉(zhuǎn)移的效應(yīng)。當個勢阱轉(zhuǎn)移的效應(yīng)。當MOSMOS電容柵壓電容柵壓VGVG增高時，在半導體內(nèi)部增高時，在半導體內(nèi)部被排斥的電荷數(shù)也增加，耗盡層厚度增加，半導體內(nèi)電勢越被排斥的電荷數(shù)也增加，耗盡層厚度增加，半導體內(nèi)電勢越低，電子那么向耗盡層挪動、存儲象對電子的陷阱一樣，稱低，電子那么向耗盡層挪動、存儲象對電子的陷阱一樣，稱為電子勢阱。電子勢阱可以用來存放電子。其特點是：當為電子勢阱。電子勢阱可以用來存放電子。其特點是：當VGVG增加，勢阱變深；當增

51、加，勢阱變深；當VGVG減小，勢阱變淺，電子向勢阱深處挪減小，勢阱變淺，電子向勢阱深處挪動。動。 在柵極加正偏壓之前，在柵極加正偏壓之前，P型半導體中的空穴多子的分布是均勻的。型半導體中的空穴多子的分布是均勻的。加正偏壓后，空穴被排斥而產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓增加，耗盡區(qū)向內(nèi)延伸。加正偏壓后，空穴被排斥而產(chǎn)生耗盡區(qū)，偏壓增加，耗盡區(qū)向內(nèi)延伸。當當UG Uth時，半導體與絕緣體界面上的電勢變得非常高，以致于將半導體內(nèi)的電子時，半導體與絕緣體界面上的電勢變得非常高，以致于將半導體內(nèi)的電子(少子少子)吸引到外表，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。吸引到外表，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。反型層電荷的

52、存在說明了反型層電荷的存在說明了MOS構(gòu)造存儲電荷的功能。構(gòu)造存儲電荷的功能。電荷存儲電荷存儲5.1 CCD圖像傳感器圖像傳感器電荷的轉(zhuǎn)移耦合n第一個電極保持10V，第二個電極上的電壓由2V變到10V，因這兩個電極靠得很緊(間隔只有幾微米)，它們各自的對應(yīng)勢阱將合并在一起。原來在第一個電極下的電荷變?yōu)檫@兩個電極下勢阱所共有。n假設(shè)此后第一個電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個電極電壓仍為10V，那么共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個電極下的勢阱中。這樣，深勢阱及電荷包向右挪動了一個位置。nCCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地自一個電極轉(zhuǎn)移到相鄰電極。對絕大多數(shù)CCD，1m的間隙長度是足夠了。 為確保為確

53、保CDDCDD的轉(zhuǎn)移功能，對時鐘脈沖的要求是：的轉(zhuǎn)移功能，對時鐘脈沖的要求是：1 1三相時鐘脈沖有一定的交疊，在交疊區(qū)內(nèi)，電三相時鐘脈沖有一定的交疊，在交疊區(qū)內(nèi)，電荷包的源勢阱與接收勢阱同時共存，以保證在這兩個勢荷包的源勢阱與接收勢阱同時共存，以保證在這兩個勢阱間進展充分轉(zhuǎn)移；阱間進展充分轉(zhuǎn)移；2 2時鐘脈沖的低電平必須保證溝道外表處于耗盡狀態(tài)；時鐘脈沖的低電平必須保證溝道外表處于耗盡狀態(tài)；3 3時鐘脈沖幅度選獲得當。時鐘脈沖幅度選獲得當。值得指出的是，我們通常所說的值得指出的是，我們通常所說的CCDCCD的位數(shù)的位，不是這的位數(shù)的位，不是這里的一個柵電極，對三相里的一個柵電極，對三相CCDC

54、CD來說，電荷包轉(zhuǎn)移了三個柵來說，電荷包轉(zhuǎn)移了三個柵電極是時鐘脈沖的一個周期，我們把這三個柵電極稱之電極是時鐘脈沖的一個周期，我們把這三個柵電極稱之為為CCDCCD的一個單元，或的一個單元，或CCDCCD的一位，也就是通常所說的一的一位，也就是通常所說的一個像元。個像元。 CCD的特性參數(shù)的特性參數(shù)作為成像器件，作為成像器件，CCD的主要特性參數(shù)仍然是靈敏度、的主要特性參數(shù)仍然是靈敏度、分辨力、光譜響應(yīng)以及信噪比等。但分辨力、光譜響應(yīng)以及信噪比等。但CCD還起還起著電荷傳輸?shù)淖饔?，故還應(yīng)包括轉(zhuǎn)移效率、噪著電荷傳輸?shù)淖饔?，故還應(yīng)包括轉(zhuǎn)移效率、噪聲、功耗等參數(shù)。聲、功耗等參數(shù)。 主要參數(shù)：主要參數(shù)

55、：轉(zhuǎn)移效率轉(zhuǎn)移效率 和損耗率和損耗率 =(Q(t)/Q(0) 100% 式中：式中：Q(0)為為t=0時某電極下的電荷；時某電極下的電荷； Q(t)為在時間為在時間t后轉(zhuǎn)移到下一個勢井中后轉(zhuǎn)移到下一個勢井中的電荷。的電荷。 =1- 假如假如CCD有有n個柵電極，那么總的轉(zhuǎn)移效率個柵電極，那么總的轉(zhuǎn)移效率為為的的n次方。次方。2 時鐘頻率的上、下限時鐘頻率的上、下限光譜特性和光電特性光譜特性和光電特性 CCD的特性參數(shù)的特性參數(shù)2 時鐘頻率的上、下限時鐘頻率的上、下限 頻率下限：頻率下限：CCD是一種非穩(wěn)態(tài)器件，假如驅(qū)動脈是一種非穩(wěn)態(tài)器件，假如驅(qū)動脈沖電壓變化太慢，那么存儲的電荷會受到干擾沖電壓

56、變化太慢，那么存儲的電荷會受到干擾而不能準確測量。為了防止由于熱產(chǎn)生的少數(shù)而不能準確測量。為了防止由于熱產(chǎn)生的少數(shù)載流子對于注入信號的干擾，注入電荷從一個載流子對于注入信號的干擾，注入電荷從一個電極轉(zhuǎn)移到下一個電極所用的時間電極轉(zhuǎn)移到下一個電極所用的時間t，必須小于，必須小于少數(shù)載流子的平均壽命少數(shù)載流子的平均壽命，即，即 t 在正常工作條件下，對于三相在正常工作條件下，對于三相CCD，t為為 t=T/3=1/(3f) ， 即即 f下下1/(3) CCD的特性參數(shù)的特性參數(shù)頻率上限：由于頻率上限：由于CCD電極長度不是無限小，信號電極長度不是無限小，信號電荷通過電極需要一定時間。假設(shè)要電荷有電

57、荷通過電極需要一定時間。假設(shè)要電荷有效轉(zhuǎn)移，對三相效轉(zhuǎn)移，對三相CCD來說，必須使轉(zhuǎn)移時間來說，必須使轉(zhuǎn)移時間t T/3 即即 f上上 1/(3t)光譜特性和光電特性光譜特性和光電特性 略。略。 此外還有分辨率、暗電流和動態(tài)范圍等。此外還有分辨率、暗電流和動態(tài)范圍等。n像素數(shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等n像素數(shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量。44萬768*576、100萬1024*1024、200萬1600*1200、600萬2832*2128n信噪比：典型值為46分貝n感光范圍 可見光、紅外 CCD按電荷存儲的位置分有兩種根本類型1、電荷包存儲在半導體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?外表

58、溝道CCD(簡稱SCCD)。2、電荷包存儲在離半導體外表一定深度的體內(nèi)，并在半導體體內(nèi)沿一定方向傳輸， 體溝道或埋溝道器件(簡稱BCCD)。的類型n線陣：光敏元排列為一行的稱為線陣，象元數(shù)從128位至5000位以致7000位不等，由于消費廠家象元數(shù)的不同，市場上有數(shù)十種型號的器件可供選用。n面陣CCD：器件象元排列為一平面，它包含假設(shè)干行和列的結(jié)合。n目前到達實用階段的象元數(shù)由25萬至數(shù)百萬個不等，按照片子的尺寸不同有13英寸、l2英寸、23英寸以致1英寸之分。5.2 CCD圖像測量的二值化圖像測量的二值化CCD圖像測量的根本原理是：光學系統(tǒng)把被測對象圖像測量的根本原理是：光學系統(tǒng)把被測對象的

59、光信息投射在的光信息投射在CCD的光敏面元上，形成了光學圖的光敏面元上，形成了光學圖像。由像。由CCD器件把光敏元上的光信息轉(zhuǎn)換成與光強器件把光敏元上的光信息轉(zhuǎn)換成與光強成比例的電荷量，積累起來的光電荷在一定頻率的成比例的電荷量，積累起來的光電荷在一定頻率的時鐘脈沖的驅(qū)動下，在時鐘脈沖的驅(qū)動下，在CCD 輸出端得到被測對象輸出端得到被測對象的視頻信號。的視頻信號。視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應(yīng)著視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應(yīng)著該光敏元所接收的光強強弱，而信號輸出的時該光敏元所接收的光強強弱，而信號輸出的時序那么對應(yīng)著序那么對應(yīng)著CCD光敏元位置的順序。通過后光敏元位置的順序。通

60、過后續(xù)處理線路對續(xù)處理線路對CCD輸出的視頻信號進展二值化輸出的視頻信號進展二值化或量化處理后，將被測對象從背景中別離出來，或量化處理后，將被測對象從背景中別離出來，為下一步的數(shù)據(jù)處理做好準備。為下一步的數(shù)據(jù)處理做好準備。圖7-5-12 二值化處理二值化處理電路二值化處理電路5.2 CCD圖像測量的根本原理圖像測量的根本原理二值化處理是把圖像和背景作為別離的二值圖像對二值化處理是把圖像和背景作為別離的二值圖像對待。光學系統(tǒng)把被測對象成像在待。光學系統(tǒng)把被測對象成像在CCD光敏元上，光敏元上，由于被測對象與背景在光強上的強烈變化，反映在由于被測對象與背景在光強上的強烈變化，反映在CCD視頻信號中