1、第8章 光電式傳感器 概述 光電器件 光纖傳感器 8.08.18.2光電效應(yīng)；光電器件工作原理、基本特性；光纖傳感器工作原理與應(yīng)用。本章重點(diǎn)本章難點(diǎn)CCD工作原理；光纖傳感器的應(yīng)用。 8.0 概述 1.什么是光電傳感器 光電傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為光量的變化，再通過光電元件把光量的變化轉(zhuǎn)換成電信號的一種測量裝置，它的轉(zhuǎn)換原理是基于光電效應(yīng)。 光電式傳感器（簡稱光電傳感器）又稱為光敏傳感器；從目的上講，它是探測光電信號的器件，所以還可以稱為光電探測器。2. 光電傳感器的組成 光電傳感器是以光為媒介，以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的傳感器，其基本結(jié)構(gòu)如圖8-1所示。它一般由光源、光學(xué)通路、光電器件三部分組成

2、。被測量作用于光源或者光學(xué)通路。從而引起光量的變化。光電傳感器4. 光電傳感器的特點(diǎn) 光電傳感器具有頻譜寬、響應(yīng)速度快、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測量、既不受電磁輻射影響，也不輻射電磁波的特點(diǎn)。3. 光電傳感器的類型按照工作原理，光電傳感器主要分為以下四種：（1）光電效應(yīng)傳感器（2）固態(tài)圖像傳感器（3）光纖傳感器（4）紅外熱釋電傳感器光電效應(yīng) 4. 光電傳感器基礎(chǔ)知識 -光電效應(yīng) 1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，光量子的理論是現(xiàn)代物理學(xué)的基石，并為此而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎。 用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為hv 的光子的轟擊，組成這物體的

3、材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。E=h 式中： h普朗克常數(shù)=6.62610-34(Js) 光的頻率（s-1）。 一束光是由一束以光速運(yùn)動的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。 光子具有能量，每個光子具有的能量由下式確定： 所以光的波長越短，即頻率越高，其光子的能量也越大； 反之，光的波長越長，其光子的能量也就越小。 在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。 基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。1） 外光電效應(yīng) 光照射物體，可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能

4、量超過逸出功A0時，電子就會逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射， 超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。根據(jù)能量守恒定理得： 式中：m電子質(zhì)量； v0電子逸出速度。 愛因斯坦光電效應(yīng)方程光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。紅限頻率為: v=A0 /h 紅限波長為：=ch /A0 由愛因斯坦光電效應(yīng)方程可知： 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(qiáng)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。當(dāng)入

5、射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。 2. 內(nèi)光電效應(yīng) 在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類：（1） 光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用下，對于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度， 就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。 導(dǎo)帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg半導(dǎo)體中的能帶： 當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受到

6、動能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(dǎo)帶，從而使電導(dǎo)率變大。式中、分別為入射光的頻率和波長。為了實(shí)現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg： 材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個照射光波長限0，只有波長小于0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。（2） 光生伏特效應(yīng) 在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。 基于該效應(yīng)的光電器件有光敏二極管、三極管、光電池 。 光敏電阻為純電阻元件，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。其常用的材料有硫化鎘（CdS）、硫化鉛（PbS

7、）、銻化銦（InSb）等。 8.1 光電器件 8.1.1 光敏電阻（光電導(dǎo)器件）1. 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）光敏電阻的結(jié)構(gòu) 光敏電阻的結(jié)構(gòu)很簡單，圖8-2（a）為金屬封裝的硫化鎘光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，稱為光導(dǎo)層。半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。 在頂部有兩片梳狀的金屬電極，從波紋狀梳齒縫隙里露出來的物質(zhì)為半導(dǎo)體光敏層。 光敏電阻的電極采用梳狀圖案，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。光敏電阻剖面圖光敏電阻頂視圖光敏電阻實(shí)物圖 為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)

8、體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。 其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。 （2）基本工作原理 無光照時，光敏電阻值很大，電路中電流很小。 當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值急劇減小，電路中電流迅速增大。 光敏電阻電路光敏電阻演示 當(dāng)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。暗電流（越小越好）2.光敏電阻的主要參數(shù)（1）暗電阻與暗電流 光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流成為暗電流。光敏電阻暗電阻的阻值一般為兆歐

9、數(shù)量級。（2）亮電阻與亮電流 光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。亮電阻在幾千歐以下。（3）光電流 亮電流與暗電流之差稱為光電流。光敏電阻的暗電阻越大，亮電阻越小，即暗電流要小，亮電流要大，則光敏電阻的性能越好，靈敏度也高。 3. 光敏電阻的基本特性 在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。 （1）伏安特性圖 8-3 硫化鎘光敏電阻的伏安特性 在一定的電壓范圍內(nèi)，其伏安特性為直線;不同照度時，伏安特性曲線的斜率不同，這表明光敏電阻值隨照度而改變。功耗曲線 在一定光照度下，所加電壓越大，光電流也越大! 同一般電阻一樣，光敏電阻

10、兩端的電壓也不能無限制地提高，因?yàn)?，光敏電阻都有最大額定功率，圖中虛線為允許功耗曲線，由它可確定光敏電阻的正常工作電壓。 超過最高工作電壓和最大額定電流，就可能導(dǎo)致光敏電阻的永久損壞。 在一定電壓條件下，光敏電阻的光照特性是描述光電流 I 和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系，不同材料的光照特性是不同的，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性是非線性的。因此 ，它不宜作為測量元件，一般在控制系統(tǒng)中常常用作開關(guān)元件! 圖8-4 光敏電阻的光照特性 （2）光照特性 光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。（3）光譜特性 光敏電阻對入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對不同波長的入射光有不

11、同的靈敏度。 當(dāng)入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降。因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子空穴對。當(dāng)入射光的波長縮短時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，因而使相對靈敏度下降。圖8-5 光敏電阻的光譜特性 圖8-5 為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。 對應(yīng)于不同波長，光敏電阻的靈敏度是不同的，而且不同材料的光敏電阻光譜響應(yīng)曲線也不同。因此，在選用光敏電阻時應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類相結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意效果。光譜響應(yīng)的峰值在可見光區(qū)域，常被用作光度量測量（照度計）的探頭。響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū)，常用做火焰探測器的探頭。 光敏電阻的光電流不能隨著光強(qiáng)改變而立刻變化，即光敏電阻

12、產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時間常數(shù)表示。 大多數(shù)的光敏電阻時間常數(shù)都較大， 這是它的缺點(diǎn)之一。 不同材料的光敏電阻具有不同的時間常數(shù)（毫秒數(shù)量級）， 因而它們的頻率特性也就各不相同。 （4） 頻率特性圖8-6 光敏電阻的頻率特性 圖8-6為硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性。 相比較，硫化鉛的使用頻率范圍較大。入射光調(diào)制頻率 光敏電阻和其它半導(dǎo)體器件一樣，受溫度影響較大。溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度，同時對光譜特性也有很大的影響。 圖8-7為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線，它的峰值隨著溫度上升向波長短波的方向移動。因此 （5）溫度特性為了提高光敏電阻對較長波段的紅外輻射的響應(yīng)

13、，硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。（如熱探測器型熱像儀）而對于可見光的光敏電阻， 其溫度影響要小一些。圖 8-7 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 光敏電阻具有光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命長、體積小等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用廣泛。許多光敏電阻對紅外線敏感，適宜于紅外線光譜區(qū)工作。 光敏電阻的缺點(diǎn)是型號相同的光敏電阻參數(shù)參差不齊，并且由于光照特性的非線性，不適宜于測量要求線性的場合，常用作開關(guān)式光電信號的傳感元件。4. 光敏電阻特點(diǎn) 光敏二極管又稱光電二極管，是一種利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件。8.1.2 光敏二極管和光敏晶體管（光生伏特器件）1. 光敏二極管（1）什么是光敏

14、二極管（2）光敏二極管的結(jié)構(gòu) 光電二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，不同之處在于其PN結(jié)裝在透明玻璃外殼的頂部，可以直接受到光照射。光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)。圖 8-8 光敏二極管結(jié)構(gòu)簡圖和符號 紅外發(fā)射、接收對管外形 紅外發(fā)射管紅外接收管 勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） （3）基本工作原理 接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。 在熱平衡狀態(tài)下，電子在能帶中的分布不再服從波爾茲曼分布，而是費(fèi)米分布， 叫做費(fèi)米能級 。本征半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)費(fèi)米能級并非實(shí)在的可由電子占據(jù)的能級，而是半導(dǎo)體能帶的一個特征參量。它由半導(dǎo)體材料的摻雜濃度和溫度決定，反映電子

15、在半導(dǎo)體內(nèi)能帶上的分布情況。對于本征半導(dǎo)體，費(fèi)米能級在禁帶的中間位置，價帶能級低于費(fèi)米能級同時導(dǎo)帶能級高于費(fèi)米能級。雜質(zhì)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級（摻雜能級） 雜質(zhì)半導(dǎo)體的費(fèi)米能級（摻雜能級）的位置與雜質(zhì)類型及摻雜濃度有密切關(guān)系PN結(jié)的費(fèi)米能級 PN結(jié)在擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動達(dá)到平衡時，P區(qū)和N區(qū)必須有統(tǒng)一的費(fèi)米能級。為什么從能帶圖可以看出，P區(qū)能帶相對于N區(qū)能帶上移？ 這是因?yàn)镻N結(jié)空間電荷區(qū)內(nèi)存在內(nèi)建電場，其電場方向由NP，N區(qū)電勢比P區(qū)的高，但是對于電子勢能來說，則是P區(qū)比N區(qū)的高。 以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場

16、的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。 在無光照時，處于反偏的光敏二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，其反向電阻很大，反向電流很小，這種反向電流稱為暗電流。 當(dāng)有光照射到光敏二極管的PN結(jié)時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，它們在反向電壓和內(nèi)電場的作用下，漂移越過PN結(jié)，形成比無光照時大得多的反向電流，該反向電流稱為光電流。 此時，光敏二極管的反向電阻下降。 若入射光的強(qiáng)度增強(qiáng)，產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，光電流也響應(yīng)增大，即光電流與光照度成正比。 如果外電路接上負(fù)載，便可獲得隨光照強(qiáng)弱變化的信號。 光敏二極管

17、的光電流 I 與照度之間呈線性關(guān)系。由于光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。光敏二極管電路其光譜特性：可見光、紅外光。 它的發(fā)射極一邊做的很大，以擴(kuò)大光的照射面積，且其基極不接引線。 4. 光敏晶體管（1）什么是光敏晶體管 光敏晶體管又稱為光電晶體管，光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，通常只有兩個電極。因而具有電流增益，具有比二極管更高的靈敏度。（2）光敏晶體管的結(jié)構(gòu)圖 8 10 NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡圖和外形 集電結(jié)光敏晶體管管腳排列紅外壁障傳感器 光敏晶體管接線如圖所示，大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不

18、接基極時，集電結(jié)就是反向偏壓。 （2）光敏晶體管的原理 當(dāng)光照射在集電結(jié)時，就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的倍，所以光敏晶體管有放大作用。其光譜特性：可見光、紅外光。（3）基本特性 光譜特性 光敏二（晶體）極管的光譜特性是指在一定照度時， 輸出的光電流（或用相對靈敏度表示）與入射光波長的關(guān)系。 硅和鍺光敏二（晶體）極管的光譜特性曲線如圖8-12所示。從曲線可以看出：光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。硅的峰值波長為9000，可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般選用硅管

19、；鍺的峰值波長為15000，對紅外線進(jìn)行探測時，則采用鍺管較合適。圖 8-12 光敏二極(晶體)管的光譜特性 伏安特性指在給定的光線照度下，光電管上電壓與電流的關(guān)系。(a) 硅光敏二極管伏安特性當(dāng)光照時，光電流隨著光照強(qiáng)度的增大而增大；在相同的照度下，伏安特性曲線幾乎平行，它的輸出實(shí)際上不受偏壓大小的影響。圖8-13（b）為硅光敏晶體管的伏安特性。 縱坐標(biāo)為光電流， 橫坐標(biāo)為集電極-發(fā)射極電壓。 從圖中可見， 由于晶體管的放大作用， 在同樣照度下， 其光電流比相應(yīng)的二極管大上百倍。 (b) 硅光敏晶體管伏安特性 頻率特性 光敏管的頻率特性（入射光的調(diào)制頻率）是指光敏管輸出的光電流（或相對靈敏度

20、）隨頻率變化的關(guān)系。圖 8-14 光敏晶體管的頻率特性 光敏二極管的頻率特性最好，響應(yīng)時間達(dá)10uS；光敏晶體管頻率特性受負(fù)載影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)范圍，但輸出電壓響應(yīng)也減小。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。 溫度特性 光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。溫度對暗電流影響很大 所以在電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差！溫度變化對光電流影響很小8.1.3 光電池（光生伏特器件）1. 光電池結(jié)構(gòu)與原理（1）什么是光電池 光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。 由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。命名方式： 把光電池的半導(dǎo)體材

21、料的名稱冠于光電池(或太陽能電池)之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。（2）工作原理 硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖所示。它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)。圖 8-16 硅光電池原理圖 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖； (b) 等效電路 當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。 若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。 若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。2. 光電池基本特性（1） 光譜特性 光電池

22、對不同波長的光的靈敏度是不同的，光電池的光譜特性決定于材料。硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。 硅光電池應(yīng)用的范圍400nm1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。圖8-17 硅光電池的光譜特性 硅光電池價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。 硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見光(響應(yīng)峰值波長0.54m)，最適宜制造照度計。 砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面的應(yīng)用是

23、有發(fā)展前途的。（2） 光照特性 光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢與光照度之間的關(guān)系就是光照特性。圖 8-18 硅光電池的光照特性 光電池作為測量元件時，應(yīng)把它作為電流源來使用，不宜作為電壓源。從圖中看出：開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間呈非線性關(guān)系，且當(dāng)照度為2000lx時趨向飽和。 短路電流曲線：光電流與照度之間呈線性關(guān)系。 短路電流，指外接負(fù)載相對于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。如下圖所示： 從圖中可以看出，負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30

24、.40.5I/mAL/klx50 10010005000RL=0硒光電池在不同負(fù)載電阻時的光照特性（3） 頻率特性 圖8-19 硅光電池和硒電池的頻率特性 圖8-19分別給出硅光電池和硒光電池的頻率特性，橫坐標(biāo)表示光的調(diào)制頻率。由圖可見，硅光電池有較好的頻率響應(yīng)。 光電池作為測量、計數(shù)、接收元件時常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。（4）溫度特性 光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。從圖中看出： 開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快， 而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。圖 8-20

25、 硅光電池的溫度特性 由于溫度對光電池的工作有很大影響，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標(biāo)，因此，當(dāng)光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。光電池外形光敏面其他光電池及在照度測量中的應(yīng)用柔光罩下面為圓形光電池8.1.4 光電耦合器件 光電耦合器（光電隔離器）的發(fā)光元件和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi)。（1）光電耦合器的結(jié)構(gòu)1. 光電耦合器發(fā)光器件：通常采用砷化鎵紅外發(fā)光二極管，其管芯由一個PN結(jié)組成，隨著正向電壓的增大，正向電流增加，發(fā)光二極管產(chǎn)生的光通量也增加。光電接收元件：可以是光敏二極管和光敏三極管，也可以是達(dá)林頓光敏管。 為了保證

26、光電耦合器有較高的靈敏度， 應(yīng)使發(fā)光元件和接收元件的波長匹配。圖8-21 光電耦合器組合形式 光電耦合器實(shí)際是一個電量隔離器，它有抗干擾性能和單向信號傳輸功能。達(dá)林頓光敏管輸出型的光電耦合器（2）光電耦合器的應(yīng)用傳輸隔離電路實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換2. 光電開關(guān)（光電斷續(xù)器）（1）什么是光電開關(guān) 光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收， 并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、 “關(guān)”信號的器件。（2）光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)圖8-22為典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)圖。 透射式的光電開關(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)過它們之間時， 會阻斷光路，使

27、接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，這樣就起到了檢測作用。 反射式的光電開關(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)一般即為待測物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過時，接收元件將接收到從物體表面反射的光；沒有物體時則接收不到。（3）基本電路驅(qū)動電流控制在幾十mA 用光電開關(guān)檢測物體時，大部分只要求其輸出信號有“高-低” (1-0) 之分即可。 圖8-23是光電開關(guān)的基本電路示例。 圖（a）、（b）表示負(fù)載為CMOS比較器等高輸入阻抗電路時的情況； 圖（c）表示用晶體管放大光電流的情況。 （4）光電開關(guān)的應(yīng)用 光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置中作為光控制和光探測裝置?？稍?/p>

28、自動控制系統(tǒng)中用作物體檢測、產(chǎn)品計數(shù)、 料位檢測、尺寸控制、 安全報警及計算機(jī)輸入接口等。 電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD是一種大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路光電器件。它以電荷為信號， 具有光電信號轉(zhuǎn)換、 存儲、 移位并讀出信號電荷的功能。8.1.5 電荷耦合器件 CCD自1970年問世以來，由于其獨(dú)特的性能而發(fā)展迅速， 廣泛應(yīng)用于航天、遙感、 工業(yè)、農(nóng)業(yè)、天文及通訊等軍用及民用領(lǐng)域信息存儲及信息處理等方面， 尤其適用以上領(lǐng)域中的圖像識別技術(shù)。 （1）光電轉(zhuǎn)換（將光轉(zhuǎn)換成電荷信號）（2）電荷的存儲（存儲信號電荷）（3）電荷的轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)移信號電荷

29、）（4）電荷的檢測（將信號電荷轉(zhuǎn)換為電壓信號）CCD圖像傳感器的動作分解，由以下四個動作構(gòu)成： CCD是由若干個電荷耦合單元組成。其基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）光敏元。它是以P型（或N型）半導(dǎo)體為襯底；上面覆蓋一層厚度約120nm的氧化層SiO2作為電解質(zhì)；再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極為柵電極。形成了金屬-氧化物-半導(dǎo)體MOS結(jié)構(gòu)元。 CCD光敏元顯微照片CCD的結(jié)構(gòu) 在外界光照射下，CCD中的硅襯底會產(chǎn)生電子空穴對，固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號“圖像”。2CCD的工作原理（1）光電轉(zhuǎn)換 當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時，

30、在電場的作用下，靠近氧化層的P型Si區(qū)的空穴被排斥，或者說被“耗盡” 了，形成一個耗盡區(qū)，它對帶負(fù)電的電子而言是一個勢能很低的區(qū)域，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢阱）。 勢阱圖（2）電荷存儲由泊松方程可得勢阱電勢：NA-P型半導(dǎo)體摻雜物質(zhì)的濃度；0-真空、SiO2的介電常數(shù)。位能-qV(x)x 這種狀態(tài)是瞬時的，如果有此時又光照射在硅片上，在光子的作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生電子空穴對，由此產(chǎn)生的光生電子被勢阱所吸收，形成電荷包。而空穴則被電場排斥出耗盡層，該狀態(tài)是穩(wěn)定的。 即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的、大小不等的電荷包空間分布。電荷包 CCD由一系列彼此非?？拷腗OS光敏元依次排列，其上制作

31、許多互相絕緣的金屬電極，相鄰電極之間僅隔極小的距離，保證相鄰勢阱耦合及電荷轉(zhuǎn)移。 對于可移動的電荷信號都將力圖向表面勢大的位置移動。為保證信號電荷按確定方向和路線轉(zhuǎn)移， 在各電極上所加的電壓嚴(yán)格滿足相位要求。（3）電荷移位 下面以三相（也有二相和四相）時鐘脈沖控制方式為例說明電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。把MOS光敏元電極分成三組， 在其上面分別施加三個相位不同的控制電壓1、2、3，見圖8-25（b）， 控制電壓1、2、3的波形見圖8 - 25（a）所示。 圖8-25 三相CCD時鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系(a) 三相時鐘脈沖波形； (b) 電荷轉(zhuǎn)移過程 電荷位移有效像素進(jìn)行下次光積分 當(dāng)t=t1時，1相處

32、于高電平，2、3相處于低電平，在電極1、4下面出現(xiàn)勢阱，存儲了電荷； 在t=t2時， 1、 2相處于高電平， 電極2、5下面也出現(xiàn)勢阱。 由于相鄰電極之間的間隙很小，電極1、 2及4、 5下面的勢阱互相耦合，使電極1、 4下的電荷向電極2、 5下面勢阱轉(zhuǎn)移。 隨著1電壓下降，電極1、4下的勢阱相應(yīng)變淺； 在t=t3時，有更多的電荷轉(zhuǎn)移到電極2、5下勢阱內(nèi)； 在t=t4時，只有2處于高電平，信號電荷全部轉(zhuǎn)移到電極2、5下面的勢阱內(nèi)。 隨著控制脈沖的變化，信號電荷便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到終端， 實(shí)現(xiàn)了電荷的耦合與轉(zhuǎn)移。 圖8-26 CCD輸出端結(jié)構(gòu) （4）電荷輸出結(jié)構(gòu) 功能 結(jié)構(gòu) 輸出電路將光電荷信

33、號變成電壓信號輸出。 信號電荷電流輸出如圖8.26所示。通常輸出電路由輸出柵OG 、輸出反偏二極管、輸出跟隨器組成。 具體工作過程如下：N+區(qū)與P型硅接觸處形成 PN 結(jié)，通過施加 UD 構(gòu)成反向偏置二極管，它是電子電荷的深勢阱。 輸出柵極OG 加直流偏置，轉(zhuǎn)移到3 電極下MOS元中的電荷包越過輸出柵流入到反向偏置二極管的深勢阱。若 d t 時間內(nèi)流入的信號電荷為Qs，則二極管輸出電流ID為 基本工作原理則A點(diǎn)電壓為 輸出電流的大小與信號電荷大小成正比，并通過負(fù)載電阻RL變?yōu)樾盘栯妷篣o輸出。 A點(diǎn)電壓UA的變化UA經(jīng)C耦合至放大器放大后輸出。輸出結(jié)構(gòu)A 2. CCD固態(tài)圖像傳感器 根據(jù)光敏元

34、件排列形式的不同，CCD固態(tài)圖像傳感器可分為線型和面型兩種。感光部分利用MOS光敏元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏元上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號“圖像”，即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成正比的、大小不等的電荷包空間分布。利用移位寄存器的移位功能將光生電荷“圖像”轉(zhuǎn)移出來，從輸出電路上檢測到幅度與光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在CCD上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號圖像。 CCD固態(tài)圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。 線型CCD圖像傳感器是由一列MOS光敏單元和一列CCD移位寄存器構(gòu)成的，光敏單元與移位寄存器之間有一個轉(zhuǎn)移控制柵。 （1）線型CCD圖像傳感器圖8-27 線型CCD圖像傳感器（a）

35、單行結(jié)構(gòu)； （b） 雙行結(jié)構(gòu) 基本結(jié)構(gòu)如圖8-27（a）所示。 轉(zhuǎn)移控制柵控制光電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移，一般使信號轉(zhuǎn)移時間遠(yuǎn)小于光積分時間。 在光積分周期里，各個光敏元中所積累的光電荷與該光敏元上所接收的光照強(qiáng)度和光積分時間成正比，光電荷存儲于光敏單元的勢阱中。 當(dāng)轉(zhuǎn)移控制柵開啟時，各光敏單元收集的信號電荷并行地轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器的相應(yīng)單元。 當(dāng)轉(zhuǎn)移控制柵關(guān)閉時，MOS光敏元陣列又開始下一行的光電荷積累。 同時，在移位寄存器上施加時鐘脈沖，將已轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器內(nèi)的上一行的信號電荷由移位寄存器串行輸出，如此重復(fù)上述過程。 圖8-27（b）為CCD的雙行結(jié)構(gòu)圖。 光敏元中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移

36、到上下方的移位寄存器中，然后在時鐘脈沖的作用下向終端移動，在輸出端交替合并輸出。 線陣CCD攝像器件的兩種情況雙行結(jié)構(gòu)與長度相同的單行結(jié)構(gòu)相比較： 由于這些優(yōu)點(diǎn)，雙行結(jié)構(gòu)已發(fā)展成為線型CCD圖像傳感器的主要結(jié)構(gòu)形式。 在相同器件尺寸情況下，可以獲得高出兩倍的分辨率；雙行結(jié)構(gòu)在獲得相同效果情況下，又可縮短器件尺寸； 同時由于轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，使CCD電荷轉(zhuǎn)移損失大為減少。 線型CCD圖像傳感器主要用于測試、 傳真和光學(xué)文字識別技術(shù)等方面。 線型CCD圖像傳感器可以直接接收一維光信息，不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號輸出，為了得到整個二維圖像的視頻信號， 就必須用掃描的方法。線陣CCD外形CCD圖

37、像傳感器的應(yīng)用 線陣CCD在掃描儀中的應(yīng)用 線陣CCD在圖像掃描中的應(yīng)用風(fēng)云一號衛(wèi)星可以對地球上空的云層分布進(jìn)行逐行掃描（2）面型CCD圖像傳感器 按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構(gòu)成面型CCD圖像傳感器。面型CCD圖像傳感器有三種基本類型：線轉(zhuǎn)移型幀轉(zhuǎn)移型隔離轉(zhuǎn)移型（行間轉(zhuǎn)移型）。 圖8-28 面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu) (a) 線轉(zhuǎn)移型； (b) 幀轉(zhuǎn)移型； (c) 隔離轉(zhuǎn)移型 線轉(zhuǎn)移面型CCD 它由行掃描發(fā)生器、感光區(qū)和輸出寄存器等組成。 行掃描發(fā)生器將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，驅(qū)動脈沖將信號電荷一位位地按箭頭方向轉(zhuǎn)移，并移入輸出寄存器， 輸出

38、寄存器亦在驅(qū)動脈沖的作用下使信號電荷經(jīng)輸出端輸出。特點(diǎn)：這種轉(zhuǎn)移方式具有有效光敏面積大，轉(zhuǎn)移速度快，轉(zhuǎn)移效率高等特點(diǎn)，但電路比較復(fù)雜， 易引起圖像模糊。 幀轉(zhuǎn)移面型CCD 由光敏元面陣（感光區(qū)）、 存儲器面陣和輸出移位寄存器三部分構(gòu)成。 圖像成像到光敏元面陣。 當(dāng)光敏元的某一相電極加有適當(dāng)?shù)钠珘簳r， 光生電荷將收集到這些光敏元的勢阱里，光學(xué)圖像變成電荷包圖像。 當(dāng)光積分周期結(jié)束時，信號電荷迅速轉(zhuǎn)移到存儲器面陣， 經(jīng)輸出端輸出一幀信息。當(dāng)整幀視頻信號自存儲器面陣移出后， 就開始下一幀信號的形成。特點(diǎn)：這種面型CCD的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單， 光敏單元密度高， 但增加了存儲區(qū)。 隔離轉(zhuǎn)移型CCD 它將光敏

39、單元與垂直轉(zhuǎn)移寄存器交替排列，是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。 在光積分期間，光生電荷存儲在感光區(qū)光敏單元的勢阱里；當(dāng)光積分時間結(jié)束，轉(zhuǎn)移柵的電位由低變高， 信號電荷進(jìn)入垂直轉(zhuǎn)移寄存器中。隨后，一次一行地移動到輸出移位寄存器中，然后移位到輸出器件，在輸出端得到與光學(xué)圖像對應(yīng)的一行行視頻信號。特點(diǎn)： 這種結(jié)構(gòu)的感光單元面積減小， 圖像清晰， 單元設(shè)計復(fù)雜。（3）線陣CCD與面陣CCD的比較 優(yōu)點(diǎn)：面陣CCD的優(yōu)點(diǎn)是可以獲取二維圖像信息，測量圖像直觀。 應(yīng)用面較廣，如面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測量。對于面陣CCD來說：缺點(diǎn)：像元總數(shù)多，而每行的像元數(shù)一般較線陣少，幀幅率受到限制。 由于生產(chǎn)技術(shù)

40、的制約，單個面陣CCD的面積很難達(dá)到一般工業(yè)測量對視場的需求。 優(yōu)點(diǎn)：線陣CCD 的優(yōu)點(diǎn)是分辨力高，價格低廉，如TCD1501C型線陣CCD，光敏像元數(shù)目為5 000，像元尺寸為7 m7 m7 m(相鄰像元中心距)該線陣CCD一維成像長度35 mm，可滿足大多數(shù)測量視場的要求。對于線陣CCD來說：缺點(diǎn)：要用線陣CCD獲取二維圖像，必須配以掃描運(yùn)動，而且為了能確定圖像每一像素點(diǎn)在被測件上的對應(yīng)位置，還必須配以光柵等器件以記錄線陣CCD每一掃描行的坐標(biāo)。 即使如此，線陣CCD獲取圖像的方案在以下幾方面仍有其特有的優(yōu)勢： 線陣CCD加上掃描機(jī)構(gòu)及位置反饋環(huán)節(jié)，其成本仍然大大低于同等面積、同等分辨率的

41、面陣CCD；掃描行的坐標(biāo)由光柵提供，高精度的光柵尺的示值精度可高于面陣CCD像元間距的制造精度，從這個意義上講，線陣CCD獲取的圖像在掃描方向上的精度可高于面陣CCD圖像； 因此，線陣CCD加掃描運(yùn)動獲取圖像的方案目前仍使用廣泛，尤其是在要求視場大，圖像分辨率高的情況下甚至不能用面陣CCD替代。3. 彩色面陣CCD 為了使CCD 能夠組合呈彩色影像，網(wǎng)格被發(fā)展成具有規(guī)則排列的色彩矩陣，這些網(wǎng)格以紅R、綠G和藍(lán)B濾鏡片所組成三原色CCD。 增光鏡片色塊網(wǎng)格感應(yīng)線路（1）彩色面陣CCD的結(jié)構(gòu)（2）彩色面陣CCD的尺寸 CCD的成像尺寸常用的有1/2、1/3等，成像尺寸越小的攝像機(jī)的體積可以做得更小

42、些。在相同的光學(xué)鏡頭下，成像尺寸越大，視場角越大。 畫素多寡與尺寸大小沒有絕對關(guān)系，大多數(shù)的直觀想法認(rèn)為 CCD 的畫素越大，所需空間應(yīng)該越多，相對的 CCD 的面積尺寸應(yīng)該越大！對照目前的生產(chǎn)技術(shù)來說，這個觀念是對也是不對。事實(shí)上，畫素開口面積大小與線路布局精細(xì)度才是影響 CCD 尺寸的關(guān)鍵因素；也就是說，當(dāng)制程技術(shù)越精密，線路所需占得的空間就越小，相對畫素開口面積固定下，可以靠得更緊密，也就可以達(dá)到進(jìn)一步縮小面積的目的。 以35mm膠片為基準(zhǔn)，對各種代表性尺寸的圖像感應(yīng)器進(jìn)行了并列對比。 小型數(shù)碼相機(jī)的圖像感應(yīng)器（1/2.5英寸型）與 APS-C尺寸圖像感應(yīng)器的面積比約為 13倍左右，與全

43、畫幅圖像感應(yīng)器相比，差距就更明顯，大約在 35倍左右。35mm膠片 全畫幅圖像感應(yīng)器 APS-C尺寸圖像感應(yīng)器 中端和入門級的數(shù)碼單反相機(jī)所采用的圖像感應(yīng)器。 小型數(shù)碼相機(jī)的圖像感應(yīng)器 圖中為1/2英寸圖像感應(yīng)器。1/2.5英寸的圖像感應(yīng)器與之相比面積更小。 不同幅面的面積比例（整個白色框?yàn)槿嫹?全幅與非全幅的取景范圍差別示意圖 CCD數(shù)碼照相機(jī) 數(shù)碼相機(jī)簡稱DC，它采用CCD作為光電轉(zhuǎn)換器件，將被攝物體的圖像以數(shù)字形式記錄在存儲器中。 數(shù)碼相機(jī)從外觀看，也有光學(xué)鏡頭、取景器、對焦系統(tǒng)、光圈、內(nèi)置電子閃光燈等。CCD圖像傳感器單反數(shù)碼相機(jī)的外形 尼康 DX 格式 CCD 感應(yīng)器， D300

44、0相機(jī)的1020萬有效像素具有極高的分辨率，使影像具有極佳的放大能力。三基色分離原理 CCD數(shù)碼照相機(jī)的結(jié)構(gòu)（3）圖像感應(yīng)器的面積大小決定了畫質(zhì)優(yōu)劣 圖像感應(yīng)器內(nèi)的單一像素所接收到的光量也成比例增加，所以成像噪點(diǎn)也得到減少。所能夠再現(xiàn)的從白色到黑色的層次范圍區(qū)間（動態(tài)范圍）也與面積成正比，變得更加寬廣。面積增大不僅導(dǎo)致虛化效果不同。 數(shù)碼單反相機(jī)與小型數(shù)碼相機(jī)相比較，不僅外觀有區(qū)別，更重要的是其內(nèi)部的基本構(gòu)造上存在著根本性的差異。最主要的區(qū)別就在于用于接受光線、進(jìn)行成像的圖像感應(yīng)器面積大小不同，因此在電子性能方面也擁有眾多優(yōu)點(diǎn)。 圖像感應(yīng)器面積對虛化效果帶來的影響 當(dāng)采用數(shù)碼單反相機(jī)進(jìn)行拍攝時

45、，會感到與往常的照片有所不同，這與圖像感應(yīng)器大小的不同有著直接的聯(lián)系。而能夠更換鏡頭的數(shù)碼單反相機(jī)在這一點(diǎn)上與小型數(shù)碼相機(jī)相比，也具有非常明顯的優(yōu)勢。 圖像感應(yīng)器面積大小導(dǎo)致的虛化效果差異與鏡頭的焦距有非常大的關(guān)系。圖像感應(yīng)器面積越小，則鏡頭焦距越短（傾向于廣角），從而導(dǎo)致很難獲得滿意的背景虛化效果。 圖示照片成像視覺效果的主要區(qū)別就在于背景的虛化效果不同！照片的表現(xiàn)力有天壤之別！ 數(shù)碼單反相機(jī)拍攝 小型數(shù)碼相機(jī)拍攝 由于數(shù)碼單反相機(jī)的圖像感應(yīng)器面積較大并且可以更換鏡頭，所以能夠充分控制背景的虛化效果。CCD數(shù)碼顯微鏡拍攝的金屬表面顯微照片CCD數(shù)碼攝像機(jī) CMOS圖像傳感器是采用互補(bǔ)金屬-氧

46、化物-半導(dǎo)體工藝制作的另一類圖像傳感器，簡稱CMOS。 8.1.6 CMOS圖像傳感器 1.什么是CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器：將光敏陣列、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲器、數(shù)字信號處理器和計算機(jī)接口電路等集成在一塊硅片上的光電成像器件。2. CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu) CMOS圖像傳感器其主要組成部分是集成在同一硅片上的像敏單元陣列和MOS場效應(yīng)管集成電路。（1）CMOS圖像傳感器的結(jié)構(gòu)（2） CMOS圖像傳感器的像元結(jié)構(gòu) 像元結(jié)構(gòu)： 每個成像單元的電路結(jié)構(gòu)。 像元結(jié)構(gòu)的分類：被動式和主動式兩類。被動像元（Passive Pixel Sensor，PPS） 被動像元結(jié)構(gòu)：如圖所示，它由光電

47、二極管和地址選通開關(guān)兩部分構(gòu)成。CMOS被動像元結(jié)構(gòu) 主動動像元（Active Pixel Sensor，APS） 主動像元結(jié)構(gòu)：如圖所示，場效應(yīng)管V1構(gòu)成光電二極管的負(fù)載，其柵極接在復(fù)位信號線上。CMOS的主動像元結(jié)構(gòu) 3. CMOS圖像傳感器的基本工作原理CMOS圖像傳感器陣列原理示意圖圖像信號的輸出過程： 如圖所示，在Y方向地址譯碼器的控制下，按序接通每行像元上的模擬開關(guān)（如第i行、第j列的開關(guān)Si,j），光電信號通過行開關(guān)傳送到列線上，再通過X方向地址譯碼器的控制，輸送到放大器。 行、列開關(guān)的導(dǎo)通由兩個方向地址譯碼器上所加的時序脈沖控制，可以實(shí)現(xiàn)逐行掃描或隔行掃描的輸出方式，也可以只輸

48、出某一行或某一列的信號（與線陣CCD類似），還可選擇所希望觀測的某些像素的光電信號，如圖中第i行、第j列像元的信號Si,j。被動像元的工作原理： 被動像元圖像信號的讀出時序 如圖所示，復(fù)位脈沖啟動復(fù)位操作，光電二極管的輸出電壓被置0；光電二極管開始光信號的積分；積分工作結(jié)束時，選址脈沖啟動選址開關(guān)，光電二極管中的信號傳輸?shù)搅锌偩€上；再經(jīng)公共放大器A放大后輸出。被動像元結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)：固定圖像噪聲大、圖像信號的信噪比低。主動像元的工作原理：主動像元圖像信號的讀出時序主動像元結(jié)構(gòu)與被動像元結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別：主動像元的信號是先放大、再通過場效應(yīng)管模擬開關(guān)傳輸，其固定圖像噪聲降低，圖像信號的信噪比顯著提高。

49、 如圖所示，復(fù)位脈沖出現(xiàn)，V1導(dǎo)通，光電二極管被瞬時復(fù)位；復(fù)位脈沖消失后，V1截止，光電二極管開始光信號積分。場效應(yīng)管V2將光電二極管輸出的光電信號進(jìn)行電流放大。場效應(yīng)管V3用作選址模擬開關(guān)，選通脈沖到來時，開關(guān)V3導(dǎo)通，光積分結(jié)束，被放大了的光電信號就輸送到列選通線上。6. CMOS圖像傳感器與CCD的特性比較（1）結(jié)構(gòu)差異單元結(jié)構(gòu)：CMOS圖像傳感器帶放大器。隨機(jī)訪問能力：CMOS圖像傳感器是信號尋址讀出而CCD是信號順序讀出。 CCD在工作時，上百萬個像素感光后會生成上百萬個電荷，所有的電荷全部經(jīng)過一個“放大器”進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)變，形成電子信號，因此，這個“放大器”就成為了一個制約圖像處理速度

50、的“瓶頸”，所有電荷由單一通道輸出，就像千軍萬馬從一座橋上通過，當(dāng)數(shù)據(jù)量大的時候就發(fā)生信號“擁堵”，而HDV格式卻恰恰需要在短時間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，因此，在民用級產(chǎn)品中使用單CCD無法滿足高速讀取高清數(shù)據(jù)的需要。 CMOS則不同，每個像素點(diǎn)都有一個單獨(dú)的放大器轉(zhuǎn)換輸出，因此CMOS沒有CCD的“瓶頸”問題，能夠在短時間內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)，輸出高清影像，因此也能都滿足高清HDV的需求。 另外，CMOS工作所需要的電壓比CCD低很多，功耗大約只有CCD的1/3。因此，電池尺寸可以做得更小，使得攝像機(jī)的體積也就做得更小。而且，每個CMOS都有單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理能力，這也大大減少的集成電路的體積，這也讓高清數(shù)碼

51、攝像機(jī)得以實(shí)現(xiàn)小型化。 （2）應(yīng)用差別 CCD是1969年由美國的貝爾研究室所開發(fā)出來的。進(jìn)入80年代，CCD影像傳感器雖然有缺陷，由于不斷的研究終于克服了困難，而于80年代后半期制造出高分辨率且高品質(zhì)的CCD。到了90年代制造出百萬像素之高分辨率CCD。 前幾年人們一提到CMOS，往往會有低檔、不專業(yè)的感覺。的確，早期的CMOS感應(yīng)器主要用在低端的數(shù)碼相機(jī)和攝像頭上，其分辨率低，成像比較粗糙，給人造成CMOS低檔的印象。但是，近年隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，在高端數(shù)碼單反相機(jī)領(lǐng)域，CMOS感應(yīng)器已漸成主流。 對于CMOS來說，具有便于大規(guī)模生產(chǎn)，且速度快、成本較低，將是數(shù)字相機(jī)關(guān)鍵器件的發(fā)展方向。目

52、前，在CANON等公司的不斷努力下，新的CMOS器件不斷推陳出新，高動態(tài)范圍CMOS器件已經(jīng)出現(xiàn)，這一技術(shù)消除了對快門、光圈、自動增益控制及伽瑪校正的需要，使之接近了CCD的成像質(zhì)量。 另外由于CMOS先天的可塑性，可以做出高像素的大型CMOS感光器而成本卻不上升多少。相對于CCD的停滯不前相比，CMOS作為新生事物而展示出了蓬勃的活力。作為數(shù)碼相機(jī)的核心部件，CMOS感光器以已經(jīng)有逐漸取代CCD感光器的趨勢，并有希望在不久的將來成為主流的感光器。 佳能最早在2000 年推出的EOS D30 數(shù)碼單反相機(jī)上就采用了大型CMOS圖像感應(yīng)器，在當(dāng)時業(yè)界引起轟動。 現(xiàn)在佳能在自己全線數(shù)碼單反相機(jī)上都

53、采用了自己研發(fā)生產(chǎn)的大型CMOS圖像感應(yīng)器。在尺寸上，CMOS感應(yīng)器主要有兩種規(guī)格：用于頂級超高畫質(zhì)機(jī)型，EOS-5DMark II ，全畫幅（ 35.9 23.9mm ）；EOS-60D，APS-C 尺寸（22.2 14.8mm） 。 CMOS與CCD是兩種不同的成像原因，CCD的成像較果要比CMOS好，卡片機(jī)為了達(dá)到相機(jī)小，噪點(diǎn)小，所以采用CCD圖像傳感器。結(jié)論：單反機(jī)由于綜合功能的增強(qiáng)，彌補(bǔ)了CMOS成像的不足，所以采用CMOS圖像傳感器。 5. CMOS圖像傳感器的應(yīng)用 數(shù)碼相機(jī) 微型和超微型攝像機(jī)以及游戲機(jī) 手機(jī) 視頻通信 PDA 條碼識別 汽車 機(jī)頂盒 PC攝像 醫(yī)療儀器 保安監(jiān)視

54、 生物特征識別 高速影像應(yīng)用等領(lǐng)域。CMOS視頻攝像頭 帶紅外LED照明的CMOS視頻攝像頭CMOS視頻攝像頭的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu) CMOS圖像傳感器單反數(shù)碼相機(jī)8.1.6 新型光電器件1. 位置敏感器件（PSD） 位置敏感器件(Position Sensitive Detector, 簡稱PSD)是一種對其感光面上入射光點(diǎn)位置敏感的器件，也稱為坐標(biāo)光電池，其輸出信號與光點(diǎn)在光敏面上的位置有關(guān)。（2） 特點(diǎn) PSD具有高靈敏度、 高分辨率、響應(yīng)速度快和配置電路簡單等優(yōu)點(diǎn)。（3） 應(yīng)用 常用于機(jī)械加工的定位裝置，也可以作為機(jī)械人的眼睛。亦被廣泛地應(yīng)用于激光束對準(zhǔn)、位移正振動測量、平面度檢測、二維坐標(biāo)

55、檢測系統(tǒng)。 （1） 什么是位置敏感器件（PSD）（4）結(jié)構(gòu) PSD的基本結(jié)構(gòu)如圖829所示。PSD一般為PIN結(jié)構(gòu)，上面為P層，下面為N層，在P層和N層之間有一層高電阻率的本征半導(dǎo)體I層，它們制作在同一硅片上。P層是光敏層，也是一個均勻的電阻層，在P層表面電阻層的兩端各設(shè)置一輸出極。 PSD是一種硅光電二極管，當(dāng)光線照射到硅光電二極管的某一位置時，結(jié)區(qū)的光電子向N層漂移，空穴向P區(qū)漂移。到達(dá)P層的空穴分成兩部分：（5）工作原理一部分沿表面電阻R1流向電極形成光電流I1；一部分沿表面電阻R2流向電極形成光電流I2 。只要測出電流I1和I2，就可以得到光照射位置！ 設(shè)電極、距光敏面中心點(diǎn)的距離分別

56、為L，光束入射點(diǎn)的位置距中心點(diǎn)的距離為xA，流過兩電極的電流分別為I1和I2，則流過N型層上電極的電流I0為I1與I2之和，即I0=I1+ I2。電流I1、I2分別為 由上面兩式可得 即可確定光斑能量中心相對于器件中心位置xA，它只與I1、I2電流的差值及總電流I0之間的比值有關(guān)。 （6）一維PSD結(jié)構(gòu)與測量電路 一維PSD主要用來測量光點(diǎn)在一維方向上的位置或位置移動量。圖830為SI543型一維PSD的結(jié)構(gòu)及等效電路圖。 圖中，、為信號電極，為公共電極，它的感光面大多為細(xì)長的矩形條。圖（b）中，Rsh為并聯(lián)電阻，Ip為電流源，也就是光敏面的光生電流，VD為理想二極管，RD為定位電阻，Cj為結(jié)

57、電容，它是決定器件響應(yīng)速度的主要因素。 u01u02u03u04一維PSD的位置轉(zhuǎn)換電路 當(dāng)光電流I1經(jīng)反向放大器A1放大后，分別送給放大器A3與A4，而光電流I2經(jīng)反向放大器A2放大后也分別送給放大器A3與A4。 放大器A3為加法電路，完成光電流I1與I2相加的運(yùn)算；放大器A4為減法電路，完成光電流I1與I2相減的運(yùn)算；放大器A5用來調(diào)整運(yùn)算后信號的相位。圖中反饋電阻Rf的阻值大小取決于入射光點(diǎn)的光強(qiáng)以及后續(xù)電路的最大輸出電壓。所有運(yùn)放均采用低漂移運(yùn)算放大器。 加法運(yùn)算電路：減法運(yùn)算電路：二維PSD用來測定光點(diǎn)在平面上的二維（x，y）坐標(biāo)。圖832是二維PSD的結(jié)構(gòu)及等效電路圖，它的感光面是

58、方形的。在PIN硅片的光敏面上設(shè)置相互垂直的兩對電極，對應(yīng)于電極X3、X4、Y1、Y2的電流為 ，作為位移信號輸出。 （7）二維PSD結(jié)構(gòu)與測量電路二維PSD傳感器外形結(jié)構(gòu)與等效電路 二維的光電能量中心位置表達(dá)式可從一維位置表達(dá)式中得到 圖833是二維PSD的位置轉(zhuǎn)換電路原理圖。 轉(zhuǎn)換電路先對PSD輸出的光電流進(jìn)行電流電壓轉(zhuǎn)換并放大，再根據(jù)位置表達(dá)式進(jìn)行加法、減法和除法運(yùn)算，得到光點(diǎn)的位置信號。 二維PSD傳感器的轉(zhuǎn)換電路 2. PIN管結(jié)光電二極管 PIN管結(jié)構(gòu)示意圖Cj小，則小，頻帶將變寬。由式 PIN管是光電二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層（相對）很厚

59、的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的內(nèi)電場就基本上全集中于 I 層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。 （1） 原理 PIN光敏二極管的工作電壓（反向偏置電壓）高，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，其靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十兆赫。數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)家電遙控器的接收管（紅外波段）UHF 頻帶小信號開關(guān)特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極管還可用于測量紫外線或射線等 （2） 特點(diǎn) （3） 應(yīng)用 3. 雪崩光電二極管(APD) 雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。 （1） 原理 這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強(qiáng)，光

60、生電子在這種強(qiáng)電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應(yīng)。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。 這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。 硅雪崩光電二極管是采用P+PN型結(jié)構(gòu)的可見光和近紅外探測器，它具有高響應(yīng)度，高信噪比，高響應(yīng)速度等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于：微光信號檢測長距離光纖通信激光測距激光制導(dǎo)等光電信息傳輸和光電對抗系統(tǒng)。 （3） 應(yīng)用 （2） 特點(diǎn)4. 色敏光電傳感器 （1） 原理 半導(dǎo)體色敏傳感器可用來直接測量從可見光到紅外波段內(nèi)單色輻射的波長。 半導(dǎo)體色敏傳感