現(xiàn)代檢測技術(shù)基礎(chǔ)Chapter4-6

1、第四章 光電檢測器件n光電器件的類型與特點(diǎn)光電器件的類型與特點(diǎn)n光電器件的基本特性參數(shù)光電器件的基本特性參數(shù)n半導(dǎo)體光電器件半導(dǎo)體光電器件 光電導(dǎo)器件光電導(dǎo)器件光敏電阻光敏電阻 光伏器件光伏器件 光電池光電池 光電二極管光電二極管/三極管三極管n真空光電器件真空光電器件 光電管光電管 光電倍增管光電倍增管n熱電檢測器件熱電檢測器件 熱釋電探測器件熱釋電探測器件4.2 4.2 器件的基本特性參數(shù)器件的基本特性參數(shù)n響應(yīng)特性n噪聲特性n量子效率n線性度n工作溫度一、響應(yīng)特性一、響應(yīng)特性響應(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。描述的是光電探測器件的光電轉(zhuǎn)換效率。 響應(yīng)度

2、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n電壓響應(yīng)率 光電探測器件輸出電壓與入射光功率之比n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)輻射量的反應(yīng)程度()()()oViVSP()()()oIiISP響應(yīng)時間：響應(yīng)時間是描述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。n光電探測器響應(yīng)率與入射調(diào)制頻率的關(guān)

3、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率響應(yīng)的帶寬fc返回返回二、噪聲特性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(jī)地起伏，它實(shí)質(zhì)上就是物理量圍

4、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 tdtTn噪聲在實(shí)際的光電探測系統(tǒng)中是極其有害的。n由于噪聲總是與有用信號混在一起，因而影響對信號特別是微弱信號的正確探測。n一個光電探測系統(tǒng)的極限探測能力往往受探測系統(tǒng)的噪聲所限制。n所以在精密測量、通信、自動控制等領(lǐng)域，減小和消除噪聲是十分重要的問題。光電探測器常見的噪聲n熱噪聲n散粒噪聲n產(chǎn)生-復(fù)合噪聲n1/f噪聲1、熱噪聲n或稱約翰遜噪聲，即載流子無規(guī)則的熱運(yùn)動造成的噪聲。n導(dǎo)體或半導(dǎo)體中每一電子都攜帶著電子電量作隨機(jī)運(yùn)動(相當(dāng)于微電脈沖)，盡管其平均值為零，但

5、瞬時電流擾動在導(dǎo)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2、散粒噪聲n散粒噪聲：入射到光探測器表面的光子是隨機(jī)的，光電子從光電陰極表面逸出是隨機(jī)的，PN結(jié)中通過結(jié)區(qū)的載流子數(shù)也是隨機(jī)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)光電探測器的研究表明：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。3、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲n半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生-復(fù)合。n在平衡狀態(tài)時，在載流子產(chǎn)生和復(fù)合的平均數(shù)是一定的n但在某一瞬間載流子的產(chǎn)生數(shù)和復(fù)合數(shù)是有起伏的。n載流子

6、濃度的起伏引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的起伏。4、1/f噪聲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(jì)。、信噪比n信噪比是判定噪聲大小的參數(shù)。n是負(fù)載電阻上信號功率與噪聲功率之比n若用分貝（dB）表示，為2222NSLNLSNSIIRIRIPPNSNSNSIIIINSlg20lg1022、噪聲等效功率(NEP)n定義：信號功率與噪聲功率比為1（SNR=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）等于探測器本身

7、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 則按比例計(jì)算，要使U0UN，的輻射功率為20()NPNEPWUU、探測率與歸一化探測率 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返回三、量子效率（）n量子效率：在某一特

8、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。n對理想的探測器，入射一個光量子發(fā)射一個電子， =1n實(shí)際上， A。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率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強(qiáng)多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應(yīng)的波長K為 (4.3)式中，c為光速；A為逸出功。 光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，如圖4.3.2所示。在入射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面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，稱為光電流。此時若光強(qiáng)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)也就增多，光電流變

9、大。在圖4.3.2所示的電路中，電流I和電阻RL上的電壓降U0就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。 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，即使入射光的頻率大于紅限，并保持其強(qiáng)度不變，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相同。光電管的這種光譜特性，要求人們應(yīng)當(dāng)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。 AhcKD1D2D3D4D5D6AKU0IRL 圖圖4.3.3 光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖 光電倍增管主要由光陰極K、倍增極D和陽極A組成，并根據(jù)

10、要求采用不同性能的玻璃殼進(jìn)行真空封裝。依據(jù)分裝方法，可分成端窗式和側(cè)窗式兩大類。端窗式光電倍增管的陰極通常為透射式陰極，通過管殼的端面接受入射光。側(cè)窗式陰極則是通過管殼的側(cè)面接收入射光，它的陰極通常為反射式陰極。 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能力的光電倍增管。圖4.3.3是光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖。 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，常用的有雙堿，S11及S20三種。光陰極通常由脫出功較小的銻銫或鈉鉀銻銫的薄膜組成，光陰極接負(fù)高壓，各倍增極的加速電壓由直流高壓電

11、源經(jīng)分壓電阻分壓供給，靈敏檢流計(jì)或負(fù)載電阻接在陽極A處，當(dāng)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的脫出功，就會有電子從陰極的表面逸出而成為光電子。 在K和D1之間的電場作用下，光電子被加速后轟擊第一倍增極D1，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35個二次電子，這樣就實(shí)現(xiàn)了電子數(shù)目的放大。D1產(chǎn)生的二次電子被D2和D1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Dn，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)目有813個，最后一級倍增極Dn發(fā)射的二次電子被陽極A收集。若倍增電極有n級，各級的倍增率為，則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是n，因此，

12、光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA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(diǎn)，使它多用于微光測量。若將靈敏檢流計(jì)串接在陽極回路中，則可直接測量陽極輸出電流。若在陽極串接電阻RL作為負(fù)載，則可測量RL兩端的電壓，此電壓正比于陽極電流。 C1C2C3CnCCa+U1-URLR1RnRn-1Rn-2+U2IaimAI 圖圖4.3.4 光電倍增管的基本電路光電倍增管的基本電路 圖圖4.3.5 光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖及符號光敏電阻結(jié)構(gòu)示意圖及符號 圖4.3.4所示為光電倍增管的基本電路。各倍增極的電壓是用分壓電阻R1、R2、Rn獲得的，陽極電流流經(jīng)負(fù)載電阻RL得

13、到輸出電壓U0。當(dāng)用于測量穩(wěn)定的輻射通量時，圖中虛線連接的電容C1、C2、Cn和輸出隔離電容Ca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，從而使它能夠響應(yīng)變化緩慢的入射光通量。但當(dāng)入射光通量為脈沖通量時，則應(yīng)將電源的負(fù)端接地，因?yàn)楣怆姳对龉艿年帢O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)：(1) 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

14、出電流由暗電流和信號電流兩部分組成。當(dāng)信號電流比較大時，暗電流的影響可以忽略，但是當(dāng)光信號非常弱，以至于陽極信號電流很小甚至和暗電流在同一數(shù)量級時，暗電流將嚴(yán)重影響對光信號測量的準(zhǔn)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。一只好的光電倍增管，要求其暗電流小并且穩(wěn)定。 (2) 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)能力是不相同的，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 (4.4) 式中，P()為入射到光陰極上的單色輻射功率；I()是在該輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流；S()是波長的函數(shù)，它與

15、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。)()()(PIS測量S()十分復(fù)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(dāng)作一個單位對所有S()值進(jìn)行歸一化，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。)()()(maxSSs一、光敏電阻n光敏電阻是光電導(dǎo)型器件。n光敏電阻材料：主要是硅、鍺和化合物半導(dǎo)體，例如：硫化鎘（CdS），銻化銦（InSb）等。n特點(diǎn)： 光譜響應(yīng)范圍寬（特別是對于紅光和紅外輻射）； 偏置電壓低，工作電流大； 動態(tài)

16、范圍寬，既可測強(qiáng)光，也可測弱光； 光電導(dǎo)增益大，靈敏度高； 無極性，使用方便； 在強(qiáng)光照射下，光電線性度較差 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1. 光敏電阻的工作原理光敏電阻的工作原理n光敏電阻結(jié)構(gòu)光敏電阻結(jié)構(gòu)：在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上：在一塊均勻光電導(dǎo)體兩端加上電極，貼在硬質(zhì)玻璃、云母、高頻瓷或其他絕電極，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，封裝在帶緣材料基板上，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)。（有窗口的金屬或塑料外殼內(nèi)。（如圖如圖）n工作機(jī)理工作機(jī)理：當(dāng)入射光子使半

17、導(dǎo)體中的電子由價(jià)：當(dāng)入射光子使半導(dǎo)體中的電子由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶時，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空帶躍遷到導(dǎo)帶時，導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴均參與導(dǎo)電，其阻值急劇減小，電導(dǎo)增加。穴均參與導(dǎo)電，其阻值急劇減小，電導(dǎo)增加。入射光入射光返回本征型和雜質(zhì)型光敏電阻n本征型光敏電阻：當(dāng)入射光子的能量等于或大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度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(dǎo)體，當(dāng)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(dǎo)帶而成為導(dǎo)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(jià)帶導(dǎo)帶電子空穴Eg價(jià)帶導(dǎo)帶電子空穴施主

18、光電導(dǎo)與光電流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(yùn)動，形成光電流（亮電流）。n光電流：亮電流和暗電流之差；I光 = IL - Idn光電導(dǎo)：亮電流和暗電流之差；g = gL - gd 光In光敏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。n光電流與光照強(qiáng)度電阻結(jié)構(gòu)的關(guān)系。光敏電阻的工作特性光敏電阻的工作特性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n光電特性：光電

19、流與入射光照度的關(guān)系：(1)弱光時，弱光時，=1，光電流與照度成線性關(guān)系，光電流與照度成線性關(guān)系(2)強(qiáng)光時，強(qiáng)光時， =0.5，光電流與照度成拋物線，光電流與照度成拋物線光照增強(qiáng)的同時，載流子濃度不斷的增加，同時光敏光照增強(qiáng)的同時，載流子濃度不斷的增加，同時光敏電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動加劇，因電阻的溫度也在升高，從而導(dǎo)致載流子運(yùn)動加劇，因此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以此復(fù)合幾率也增大，光電流呈飽和趨勢。（冷卻可以改善）改善） ：外加電壓，歐姆接觸為電壓指數(shù)光電導(dǎo)，照度指數(shù)光USUESIgg) 1(:) 15 . 0(:光敏電阻的光電特性在弱光照下，光電流與E具有

20、良好的線性關(guān)系在強(qiáng)光照下則為非線性關(guān)系其他光敏電阻也有類似的性質(zhì)。n光電導(dǎo)靈敏度: 光電導(dǎo)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。n光電導(dǎo)增益光電導(dǎo)增益反比于電極間距的平方。n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:2伏安特性伏安特性n在一定的光照下，光敏電阻的光電流與在一定的光照下，光敏電阻的光電流與所加的電壓關(guān)系所加的電壓關(guān)系n光敏電阻是一個純電阻，因此符合歐姆

21、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。定律，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。n光敏電阻時間常數(shù)比較大，其上限截止頻光敏電阻時間常數(shù)比較大，其上限截止頻率低。只有率低。只有PbSPbS光敏電阻的頻率特性稍好光敏電阻的頻率特性稍好些，可工作到幾千赫。些，可工作到幾千赫。頻率特性n光敏電阻的時間響應(yīng)特性較差n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：n停止光照，光生載流子濃度的變化為00(1 exp()tppp

22、為穩(wěn)態(tài)光生載流子濃度0exp()tpp 響應(yīng)時間光敏電阻是多數(shù)載流子導(dǎo)電，溫度特性復(fù)雜。隨著溫度光敏電阻是多數(shù)載流子導(dǎo)電，溫度特性復(fù)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，溫度的變化也會影響光譜特性曲線。變化也會影響光譜特性曲線。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移動。值將向短波方向移動。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光敏電阻參數(shù)n使用材料：硫化鎘（CdS），硫化鉛（PbS），銻化銦（InSb），碲鎘汞（HgCdTe），

23、碲錫鉛（PbSnTe）.n光敏面：1-3 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，則負(fù)載功率則負(fù)載功率P0為：為： 另一方面，由式另一方面，由式(7 -12)計(jì)算光電二極管直接與負(fù)載電阻計(jì)算光電二極管直接與負(fù)載電阻相連時負(fù)載上的功率相連時負(fù)載上的功率 比較兩種情況可見，比較兩種情況可見，采用阻抗變換器可以使功率輸出提高采用阻抗變換器可以使功率輸出提高(Rf/RL)2倍。例如，倍。例如，當(dāng)當(dāng)RL=1M，Rf=10M時，功率提高時，功率提高100倍。這種電路倍。這種電路的時間特性較差，但用在信號帶寬沒有特殊要求的緩的時間特性較差，但用在信號帶寬

24、沒有特殊要求的緩變光信號檢測中，可以得到很高的功率放大倍數(shù)。此變光信號檢測中，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。電流很小，因此適用于光功率很小的場合。4.3.4 4.3.4 常見光電傳感器及應(yīng)用常見光電傳感器及應(yīng)用4.3.4.1 4.3.4.1 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75頁表2-6 典型光電探測器件工作特性的比較. 動態(tài)性能(即頻率響應(yīng)): 光電倍增管和光電二極管最好;光電特性(線性): 光電倍增管、光電二極管和光電池;靈敏度:光電倍增

25、管、雪崩光電二極管、光敏電阻和光電三極管;長期穩(wěn)定性:光電二極管和光電池最好,其次是光電倍增管.4.3.4.2 4.3.4.2 光電檢測器件的應(yīng)用選擇要點(diǎn)光電檢測器件的應(yīng)用選擇要點(diǎn)1. 光電檢測器件必須和輻射信號源及光學(xué)系統(tǒng)在光電檢測器件必須和輻射信號源及光學(xué)系統(tǒng)在光光譜特性譜特性上匹配上匹配;2. 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(器件的感光面要和照射光匹配好器件的感光面要和照射光匹配好);3. 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、信號頻率信號頻率及波形及波形相匹配相匹配,以保證得到?jīng)]有頻率失真的輸

26、出以保證得到?jīng)]有頻率失真的輸出波形和良好的時間響應(yīng)波形和良好的時間響應(yīng);4. 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上良好地匹配匹配,以保證有有足夠的線性范圍、信噪比及快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)速的動態(tài)響應(yīng);5. 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,必須注意選好必須注意選好器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條件器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條件.4.3.4.3 透射式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，以相對的方向裝在中間帶槽的支架上。當(dāng)槽內(nèi)無物體時，

27、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)生一定大的電流輸出，當(dāng)有物體經(jīng)過槽內(nèi)時則擋住光線，光敏管無輸出，以此可識別物體的有無。適用于光電控制、光電計(jì)量等電路中，可檢測物體的有無、運(yùn)動方向、轉(zhuǎn)速等方面。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(jìn)行監(jiān)測、自動顯示和超標(biāo)報(bào)警。 圖圖4.3.7 透射型透射型BYD3M.TDT光電傳感器使用示意圖光電傳感器使用示意圖 圖圖4.3.8 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 DST9702激光反射式煙塵濃度儀技術(shù)特點(diǎn)n 采用激光背散射原理,不怕煙道的機(jī)械振動及煙氣溫度不

28、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(biāo)準(zhǔn)4-20mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(hù)人員的認(rèn)可及指導(dǎo)下調(diào)整. 煙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。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測器的光減少。因此光檢測器輸出信號的強(qiáng)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BYD3

29、M-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(jī)殼內(nèi)，見圖4.3.7使用示意圖：先將發(fā)射器和接收器對準(zhǔn)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；最后檢測目標(biāo)穩(wěn)定后固定好發(fā)射器和接收器。 圖4.3.8是吸收式煙塵濁度監(jiān)測系統(tǒng)的組成框圖：為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避免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。為了提高檢測靈敏度，采用具有高增益、高輸入阻抗、低零漂、

30、高共模抑制比的運(yùn)算放大器，對信號進(jìn)行放大?？潭刃Ｕ挥脕磉M(jìn)行調(diào)零與調(diào)滿刻度，以保證測試準(zhǔn)確性。顯示器可顯示濁度瞬時值。報(bào)警電路由多諧振蕩器組成，當(dāng)運(yùn)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(bào)警信號。 4.4 4.4 光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器的應(yīng)用 光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，體積小。近年來，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電傳感器已成為系列產(chǎn)品，其品種及產(chǎn)量日益增加，用戶可根據(jù)需要選用各種規(guī)格產(chǎn)品，在各種輕工自動機(jī)上獲得廣泛的應(yīng)用。4.4.1 4.4.1 光電式帶材跑偏檢測器光電式帶材跑偏檢測器 帶材

31、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、磁帶生產(chǎn)過程中。光電式帶材跑偏檢測器原理如圖4.4.1所示。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(dá)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4.4.1 帶材跑偏檢測器工作原理帶材跑偏檢測器工作原理 圖圖4.4.2 測量電路測量電路 圖4.4.2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(bǔ)償作用。當(dāng)帶材處于正確位置(中間位)時，由1、2、3、4

32、組成的電橋平衡，使放大器輸出電壓為0。當(dāng)帶材左偏時，遮光面積減少，光敏電阻1阻值減少，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(fù)值，它反映了帶材跑偏的方向及大小。反之，當(dāng)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(jī)構(gòu)，為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號。 4.4.2 4.4.2 包裝充填物高度檢測包裝充填物高度檢測 用容積法計(jì)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4.4.3所示為借助光電檢測技術(shù)控制充填高度的原理。當(dāng)充填高度偏差太大時，光電接頭沒有電信號，即由執(zhí)

33、行機(jī)構(gòu)將包裝物品推出進(jìn)行處理。圖圖4.4.34.4.3利用光電檢測技術(shù)控制充填高度利用光電檢測技術(shù)控制充填高度 利用光電開關(guān)還可以進(jìn)行產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、對裝配件是否到位及裝配質(zhì)量進(jìn)行檢測，例如灌裝時瓶蓋是否壓上、商標(biāo)是否漏貼，以及送料機(jī)構(gòu)是否斷料等。 激光器在光電檢測中的應(yīng)用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激光制導(dǎo)n激光雷達(dá)n激光干涉測量（探傷）n激光全息測量激光式氣體分析儀在轉(zhuǎn)爐煤氣回收中的應(yīng)用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(yuǎn)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

34、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，從而避免了這些背景氣體組分對該被測氣體的交叉吸收干涉。單線光束測量原理圖(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(zhǔn)確性。通過輸入420 mA方式的溫度和壓力信號，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)的精確作業(yè)：文獻(xiàn)查閱及對光電測量部分的分析查閱一篇激光成分分析（或光纖水分測量）的近期文獻(xiàn)，

35、分析其光電測量部分，并對可用的光電探測器進(jìn)行分析、選擇和論述。說明：上交分析論述時，請附上文獻(xiàn)。11月8日上課時收打印稿第五章第五章 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，又稱成像器件、攝像器件器件、攝像器件) )作為現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基作為現(xiàn)代視覺信息獲取的一種基礎(chǔ)器件，因其能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能礎(chǔ)器件，因其能實(shí)現(xiàn)信息的獲取、轉(zhuǎn)換和視覺功能的擴(kuò)展的擴(kuò)展( (光譜拓寬、靈敏度范圍擴(kuò)大光譜拓寬、靈敏度范圍擴(kuò)大) )，能給出直觀、，能給出直觀、真實(shí)、層次最多、內(nèi)容最豐富的可視圖像信息，所真實(shí)、層次最多、內(nèi)容

36、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。以在現(xiàn)代社會中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。 圖像傳感器的功能是把光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為電信號，圖像傳感器的功能是把光學(xué)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(qiáng)信息即把入射到傳感器光敏面上按空間分布的光強(qiáng)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，攝像的任務(wù)主要都是

37、用各種電子束年代前，攝像的任務(wù)主要都是用各種電子束攝像管攝像管( (如光導(dǎo)攝像管、飛點(diǎn)掃描管等如光導(dǎo)攝像管、飛點(diǎn)掃描管等) )來完成。來完成。60年代后期，隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，特別是年代后期，隨著半導(dǎo)體集成電路技術(shù)，特別是MOS集成電路工藝的成熟，各種固體圖像傳感器得到迅集成電路工藝的成熟，各種固體圖像傳感器得到迅速發(fā)展，到速發(fā)展，到70年代末期。已有一系列產(chǎn)品在軍事、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。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 縮縮寫為寫為SSIS)主要有三大類型、一種是電荷耦合器件主

38、要有三大類型、一種是電荷耦合器件(Charge Coupled Device簡稱簡稱CCD)，第二種是，第二種是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，第三種是電荷注入器件電荷注入器件(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(diǎn)：同電子束攝像管相比，固體圖象傳感器有以下顯著優(yōu)點(diǎn)： (1)全固體化，體積很小，重量輕，工作電壓和功耗都全固體化，體積

39、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。很低；耐沖擊性好可靠性高，壽命長。 (2)基本上不保留殘象，無象元燒傷、扭曲，不受電磁基本上不保留殘象，無象元燒傷、扭曲，不受電磁干擾。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)：0.201.0；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微米的微米的紅外敏感器件。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)，因而可用，因而可用于不接觸精密尺寸測量系統(tǒng)。于不接觸精密尺寸測量系統(tǒng)。 (5)視頻信號與微機(jī)接口容

40、易視頻信號與微機(jī)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(jī)；傳真攝象機(jī)；傳真通訊系統(tǒng)；光學(xué)字符識別（通訊系統(tǒng)；光學(xué)字符識別（OCR: Optical Character Recognition）；工業(yè)檢測與自動控制；醫(yī)療儀器；）；工業(yè)檢測與自動控制；醫(yī)療儀器；多光譜機(jī)載和星載遙感；天文應(yīng)用；多光譜機(jī)載和星載遙感；天文應(yīng)用；軍事應(yīng)用。軍事應(yīng)用。 CCD攝像器件由光敏（光積攝像器件由光敏（光積分）單元和電荷轉(zhuǎn)移單元（讀出移分）單元和電荷轉(zhuǎn)移單元（讀出移位寄存器）組成，每個光敏單元對位寄存器）組成，每個光敏單元對應(yīng)一個象素如下圖所示。各單元的應(yīng)一個象素如下圖所示。

41、各單元的基本結(jié)構(gòu)如右圖所示，由金屬、絕基本結(jié)構(gòu)如右圖所示，由金屬、絕緣層、半導(dǎo)體構(gòu)成。緣層、半導(dǎo)體構(gòu)成。VG加正向偏加正向偏壓后在半導(dǎo)體內(nèi)形成壓后在半導(dǎo)體內(nèi)形成“電子勢阱電子勢阱（耗盡區(qū)）（耗盡區(qū)）”，勢阱的深度由，勢阱的深度由VG的大小來控制。電子勢阱可以用來的大小來控制。電子勢阱可以用來存放電子，這些電子的注入方式既存放電子，這些電子的注入方式既可用可用“光注入光注入”（光敏單元采用光（光敏單元采用光注入），也可以用注入），也可以用“電注入電注入”（轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)移電荷時采用電注入）。移電荷時采用電注入）。 對于光敏單元，當(dāng)受到光線照射時，在光子的作用下，對于光敏單元，當(dāng)受到光線照射時，在光子的作

42、用下，半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對，空穴被排斥，電子被電子勢阱半導(dǎo)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(qiáng)的載體俘獲。這種光生電子作為反映光強(qiáng)的載體電荷包被收電荷包被收集，成為光電荷注入，這就是集，成為光電荷注入，這就是CCD攝像器件的光電變換過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(qiáng)度和光照時間成正比。程。勢阱內(nèi)電荷包的大小與光照強(qiáng)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)移到讀出移位寄存器（電荷轉(zhuǎn)移單元）中，讀出移行地轉(zhuǎn)移到讀出移位寄存器（電荷轉(zhuǎn)移單元）中，讀出移位寄存器在

43、讀出脈沖（三相或四相脈沖）的作用下把各個位寄存器在讀出脈沖（三相或四相脈沖）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。來自光敏單元的電荷包讀出，從而獲得各個像素的亮度值。 光線光線 讀出移位寄存器的讀出移位寄存器的工作原理工作原理是依靠是依靠MOS電容電容與其電子勢阱的存儲電荷作用，以及改變柵壓高與其電子勢阱的存儲電荷作用，以及改變柵壓高低可以使勢阱內(nèi)電荷包逐個勢阱轉(zhuǎn)移的效應(yīng)。當(dāng)?shù)涂梢允箘葳鍍?nèi)電荷包逐個勢阱轉(zhuǎn)移的效應(yīng)。當(dāng)MOS電容柵壓電容柵壓VG增高時，在半導(dǎo)體內(nèi)部被排斥增高時，在半導(dǎo)體內(nèi)部被排斥的電荷數(shù)也增加，耗盡層厚度增加，半導(dǎo)體內(nèi)電的電荷數(shù)也增加，耗盡層厚度增加，

44、半導(dǎo)體內(nèi)電勢越低，電子則向耗盡層移動、存儲象對電子的勢越低，電子則向耗盡層移動、存儲象對電子的陷阱一樣，稱為電子勢阱。陷阱一樣，稱為電子勢阱。電子勢阱可以用來存電子勢阱可以用來存放電子。其特點(diǎn)是：當(dāng)放電子。其特點(diǎn)是：當(dāng)VG增加，勢阱變深；當(dāng)增加，勢阱變深；當(dāng)VG減小，勢阱變淺，電子向勢阱深處移動。減小，勢阱變淺，電子向勢阱深處移動。 n在柵極加正偏壓之前，在柵極加正偏壓之前，P型半導(dǎo)體中的空穴（多子）的分布是均勻的。型半導(dǎo)體中的空穴（多子）的分布是均勻的。n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。n當(dāng)當(dāng)UG U

45、th時，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢變得非常高，以致于將半導(dǎo)時，半導(dǎo)體與絕緣體界面上的電勢變得非常高，以致于將半導(dǎo)體內(nèi)的電子體內(nèi)的電子(少子少子)吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。吸引到表面，形成一層極薄但電荷濃度很高的反型層。n反型層電荷的存在表明了反型層電荷的存在表明了MOS結(jié)構(gòu)存儲電荷的功能。結(jié)構(gòu)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）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

46、。n若此后第一個電極電壓由10V變?yōu)?V，第二個電極電壓仍為10V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第二個電極下的勢阱中。這樣，深勢阱及電荷包向右移動了一個位置。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。n主要由三部分組成：信號輸入、電荷轉(zhuǎn)移、信號輸出。n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。n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(jī)。用光敏元件代替輸入二極管。當(dāng)光照射CCD硅片時，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子空穴對

47、，其多數(shù)載流子被柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被收集在勢阱中形成信號電荷。的工作原理的工作原理P-Si輸入柵輸入二極管輸出二極管輸出柵SiO2n在柵極上施加按一定規(guī)律變化、大小超過閾值的電壓，則在半導(dǎo)體表面形成不同深淺的勢阱。勢阱用于存儲信號電荷，其深度同步于信號電壓變化，使阱內(nèi)信號電荷沿半導(dǎo)體表面?zhèn)鬏?，最后從輸出二極管送出視頻信號。n為了實(shí)現(xiàn)電荷的定向轉(zhuǎn)移，在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個相鄰MOS電荷為一單元的循環(huán)結(jié)構(gòu)。一位CCD中含的MOS個數(shù)即為CCD的像數(shù)。n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

48、于電子的遷移率遠(yuǎn)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。的工作原理的工作原理 為確保為確保CDD的轉(zhuǎn)移功能，對時鐘脈沖的要求的轉(zhuǎn)移功能，對時鐘脈沖的要求是：是：1 1）三相時鐘脈沖有一定的交疊，在交）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，疊區(qū)內(nèi)，電荷包的源勢阱與接收勢阱同時共存，以保證在這兩個勢阱間進(jìn)行充分轉(zhuǎn)移；以保證在這兩個勢阱間進(jìn)行充分轉(zhuǎn)移；2 2）時鐘脈沖的低電平必須保證溝道表）時鐘脈沖的低電平必須保證溝道表面處于耗盡狀態(tài)；面處于耗盡狀態(tài)；3 3）時鐘脈沖幅度選取得當(dāng)。）時鐘脈沖幅度選取得當(dāng)。 CCD的特性參數(shù)的特性參數(shù)作為成像器件

49、，作為成像器件，CCD的主要特性參數(shù)仍然是的主要特性參數(shù)仍然是靈敏度、分辨力、光譜響應(yīng)以及信噪比等。靈敏度、分辨力、光譜響應(yīng)以及信噪比等。但但CCD還起著電荷傳輸?shù)淖饔?，故還應(yīng)包還起著電荷傳輸?shù)淖饔?，故還應(yīng)包括轉(zhuǎn)移效率、噪聲、功耗等參數(shù)。括轉(zhuǎn)移效率、噪聲、功耗等參數(shù)。 主要參數(shù)：主要參數(shù)：1 轉(zhuǎn)移效率轉(zhuǎn)移效率 和損耗率和損耗率2 時鐘頻率的上、下限時鐘頻率的上、下限3 光譜特性和光電特性光譜特性和光電特性CCDCCD的特性參數(shù)的特性參數(shù)n像素?cái)?shù)量，CCD尺寸，最低照度，信噪比等n像素?cái)?shù)是指CCD上感光元件的數(shù)量。4444萬（萬（768768* *576576）、）、100100萬（萬（1024

50、1024* *10241024）、）、200200萬（萬（16001600* *12001200）、）、600600萬萬（28322832* *21282128）n信噪比：典型值為典型值為46分貝分貝n感光范圍感光范圍 可見光、紅外可見光、紅外n CCD按電荷存儲的位置分有兩種基本類型1、電荷包存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面?zhèn)鬏?表面溝道CCD(簡稱SCCD)。2、電荷包存儲在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)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位以至7000位不等，由于生產(chǎn)廠家象元數(shù)

51、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，它包含若干行和列的結(jié)合。n目前達(dá)到實(shí)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英寸以至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圖像測量的基本原理是：光學(xué)系統(tǒng)把被圖像測量的基本原理是：光學(xué)系統(tǒng)把被測對象的光信息投射在測對象的光信息投射在CCD的光敏面元上，的光敏面元上，形成了光學(xué)圖像。由形成了光學(xué)圖像。由CCD器件把光敏元上的器件把光敏元上的光信息轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成比例的電荷量，積累光信息轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)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)動起

52、來的光電荷在一定頻率的時鐘脈沖的驅(qū)動下，在下，在CCD 輸出端得到被測對象的視頻信號。輸出端得到被測對象的視頻信號。視頻信號中每一個離散電壓信號的大小對應(yīng)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(qiáng)強(qiáng)弱，而信號輸出著該光敏元所接收的光強(qiáng)強(qiáng)弱，而信號輸出的時序則對應(yīng)著的時序則對應(yīng)著CCD光敏元位置的順序。通光敏元位置的順序。通過后續(xù)處理線路對過后續(xù)處理線路對CCD輸出的視頻信號進(jìn)行輸出的視頻信號進(jìn)行二值化或量化處理后，將被測對象從背景中二值化或量化處理后，將被測對象從背景中分離出來，為下一步的數(shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備。分離出來，為下一步的數(shù)據(jù)處理做好準(zhǔn)備。圖7-5-12 二值化處理二值化

53、處理電路二值化處理電路5.2 CCD圖像測量的基本原理圖像測量的基本原理二值化處理是把圖像和背景作為分離的二值圖二值化處理是把圖像和背景作為分離的二值圖像對待。光學(xué)系統(tǒng)把被測對象成像在像對待。光學(xué)系統(tǒng)把被測對象成像在CCD光敏光敏元上，由于被測對象與背景在光強(qiáng)上的強(qiáng)烈變元上，由于被測對象與背景在光強(qiáng)上的強(qiáng)烈變化，反映在化，反映在CCD視頻信號中所對應(yīng)的圖像尺寸視頻信號中所對應(yīng)的圖像尺寸邊界處會有急劇的電平變化，通過二值化處理邊界處會有急劇的電平變化，通過二值化處理把把CCD視頻信號中圖像尺寸部分與背景部分分視頻信號中圖像尺寸部分與背景部分分離成二值電平。實(shí)現(xiàn)離成二值電平。實(shí)現(xiàn)CCD視頻信號二值

54、化的處視頻信號二值化的處理由硬件電路完成，常采用電壓比較器，即將理由硬件電路完成，常采用電壓比較器，即將視頻信號與某一電平閾值比較，視頻信號電平視頻信號與某一電平閾值比較，視頻信號電平高于閾值的部分輸出高電平，而低于閾值部分高于閾值的部分輸出高電平，而低于閾值部分輸出低電平，形成具有一定寬度的二值化電平輸出低電平，形成具有一定寬度的二值化電平的脈沖信號，該脈沖寬度對應(yīng)被測對象的圖像的脈沖信號，該脈沖寬度對應(yīng)被測對象的圖像尺寸大小，如上圖所示。尺寸大小，如上圖所示。線陣線陣CCD：一行，掃描；：一行，掃描；體積小，價(jià)格低；體積小，價(jià)格低；面面陣陣CCD: 整幅圖像；直觀；價(jià)格高，體積大；整幅圖像

55、；直觀；價(jià)格高，體積大；面陣面陣CCDCCD芯片芯片CCDCCD在檢測方面的應(yīng)用在檢測方面的應(yīng)用n幾何量測量 測寬、測長、測徑。n光譜測量 光譜儀輸出信號測量。5.3 CCD玻管尺寸測控儀玻管尺寸測控儀CCD尺寸測量技術(shù)是一種非常有效的非接觸檢測方法，廣泛應(yīng)用于在線檢測工件的尺寸。CCD玻管尺寸測控儀就是測量的一個應(yīng)用實(shí)例，它對玻管外圓直徑及壁厚尺寸進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，并根據(jù)測量結(jié)果對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制。光源照射被測玻管，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在CCD光敏陣列面上。由于各處透射率的不同，玻管的像在上下邊緣處形成兩條暗帶，中間部分的透射光相對較強(qiáng)而形成亮帶。兩條暗帶最外的邊界距離是玻管外徑成像的大小，中間亮帶是

56、玻管內(nèi)徑像的大小，暗帶則是玻管壁厚像的大小，如圖所示，CCD視頻信號上出現(xiàn)了兩個谷 5.3 CCD玻管尺寸測控儀玻管尺寸測控儀圖7-5-14 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖5.3 CCD玻管尺寸測控儀玻管尺寸測控儀圖7-5-13 CCD視頻信號CCD視頻信號視頻信號5.3 CCD玻管尺寸測控儀玻管尺寸測控儀把視頻信號中的外徑尺寸部分和壁厚部分進(jìn)行二值化處理，填入標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖，該時鐘脈沖對應(yīng)CCD空間分辨率，由計(jì)算機(jī)采集這兩個尺寸對應(yīng)的脈沖數(shù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后可得到被測玻管的尺寸。本系統(tǒng)被測玻管的直徑尺寸為20mm，光學(xué)系統(tǒng)的放大率為0.8倍，則玻管像的大小為16mm，被測玻管的測量精度要求達(dá)

57、到0.05mm，他在像面上對應(yīng)精度為0.04mm。根據(jù)CCD測量靈敏度的要求， 0.04mm要大于2個CCD像素的空間尺寸。選擇TCD102C型號CCD可滿足上述測量范圍和精度的要求。該器件的技術(shù)指標(biāo)為： 2048感光像素元，14微米相鄰像素中心距， 工作時鐘1MHz，兩相驅(qū)動， 同步脈沖寬度128微秒，同步周期：7.5ms。5.4 線陣線陣CCD在線測量棒狀物尺寸在線測量棒狀物尺寸棒狀物長度的非接觸式精密在線測量，是采用平行光源對被測物垂直照射，形成被測物的輪廓圖像并把它投影在CCD圖像傳感器上，輪廓圖像轉(zhuǎn)變成CCD圖像傳感器的輸出信號，該信號經(jīng)二值化處理后，再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集及信號處理

58、，最后由計(jì)算機(jī)的屏幕顯示出來。整個測量系統(tǒng)如圖所示 圖中，平行光源、棒圖中，平行光源、棒狀物參比端及狀物參比端及CCD圖像傳感器必須置于圖像傳感器必須置于同一基準(zhǔn)面上。棒狀同一基準(zhǔn)面上。棒狀物被測端、平行光中物被測端、平行光中心軸線和心軸線和CCD的中的中心點(diǎn)要大致位于同一心點(diǎn)要大致位于同一直線上。直線上。平行光源的作用是產(chǎn)平行光源的作用是產(chǎn)生一束高平行度的光生一束高平行度的光線，以使棒狀物經(jīng)平線，以使棒狀物經(jīng)平行光垂直照射后在行光垂直照射后在CCD上形成上形成1：1的的高精度像。高精度像。5.4 線陣線陣CCD在線測量棒狀物尺寸在線測量棒狀物尺寸7-5-16 棒狀物成像系統(tǒng)及CCD輸出波形5

59、.4 線陣線陣CCD在線測量棒狀物尺寸在線測量棒狀物尺寸平行光源是本系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵設(shè)備，它采用高亮度白平行光源是本系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵設(shè)備，它采用高亮度白熾燈作為光源，經(jīng)組合透鏡后形成平行光束，因而具有熾燈作為光源，經(jīng)組合透鏡后形成平行光束，因而具有結(jié)構(gòu)簡便、平行度高及亮度均勻等特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)簡便、平行度高及亮度均勻等特點(diǎn)。本系統(tǒng)中使用的本系統(tǒng)中使用的CCD型號為型號為TCD141C，像點(diǎn)尺寸為，像點(diǎn)尺寸為7m，共共5000個像點(diǎn)，測量長度范圍為個像點(diǎn)，測量長度范圍為35mm。由平行光源、。由平行光源、CCD圖像傳感器及棒狀物構(gòu)成的成像系統(tǒng)以及圖像傳感器及棒狀物構(gòu)成的成像系統(tǒng)以及CCD視頻視頻輸出信

60、號的波形如上圖所示。輸出信號的波形如上圖所示。圖中，棒狀物擋住了部分平行光，未被擋住的平行光照圖中，棒狀物擋住了部分平行光，未被擋住的平行光照射在射在CCD上成像。上成像。OS1和和OS2分別為分別為CCD奇數(shù)位和偶數(shù)位奇數(shù)位和偶數(shù)位像點(diǎn)的脈沖輸出波形。奇、偶位像點(diǎn)脈沖有一個相位差。像點(diǎn)的脈沖輸出波形。奇、偶位像點(diǎn)脈沖有一個相位差。利用這個相位差可以很方便地對成像信號進(jìn)行二值化處利用這個相位差可以很方便地對成像信號進(jìn)行二值化處理。理。SHSH為周期掃描信號脈沖，利用為周期掃描信號脈沖，利用SH可作為計(jì)數(shù)的定可作為計(jì)數(shù)的定位脈沖。位脈沖。5.4 線陣線陣CCD在線測量棒狀物尺寸在線測量棒狀物尺寸