傳感器技術(shù)教學(xué)課件：第6章 光電式傳感器

1、第六章 光電式傳感器 本章重要介紹以下幾個(gè)內(nèi)容: 1、光電效應(yīng)及其分類 2、各種外光電效應(yīng)器件的原理和結(jié)構(gòu)3、各種內(nèi)光電效應(yīng)器件的原理和結(jié)構(gòu) 4、圖像傳感器的原理和結(jié)構(gòu) 5、各種光電傳感器的實(shí)際應(yīng)用 重點(diǎn)是掌握光電效應(yīng)的原理，熟悉各種光電傳感器的應(yīng)用。 光電傳感器是將被測量的變化通過光信號(hào)變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器，具有這種功能的材料稱為光敏材料，做成的器件稱光敏器件。 被測量可能直接作用于光源，使它發(fā)出的光發(fā)生變化，也可能作用在光通過的路徑上，使通過后的光發(fā)生變化。被測量被測量光源光電器件概述 光電式傳感器可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度和氣體成分等，也可用于檢測能間接轉(zhuǎn)

2、換成光量變化的其它非電量，如幾何尺寸、位移、振動(dòng)、速度等。 光電器件響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、而且有較高的可靠性, 因此在計(jì)算機(jī)、自動(dòng)檢測、控制系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。光電效應(yīng)可分為： 外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng) 6.1 光電效應(yīng) 光可以認(rèn)為是由具有一定能量的粒子所組成，而每一個(gè)粒子具有的能量E與其頻率大小成正比，光照射就可看成是一連串具有能量E的粒子轟擊在物體上，物體吸收了這些能量為E的粒子后產(chǎn)生的效應(yīng)為光電效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng) 6.1光電效應(yīng) 6.1.1外光電效應(yīng) 在光線作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外光電效應(yīng)，也叫光電發(fā)射效應(yīng)。其中，向外發(fā)射的電子稱為光電子，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的物質(zhì)稱為光電材料

3、。 光照射物體時(shí)，電子吸收入射光子的能量，每個(gè) 光子具有的能量是： 普朗克常數(shù)( ) 光的頻率（Hz），波長短，頻率高，能量大能否產(chǎn)生外光電效應(yīng)，取決于光子的能量是否大于物體表面的電子逸出功。 愛因斯坦的光電效應(yīng)方程 ：如果光子的能量E大于電子的逸出功A，這時(shí)逸出物體表面的電子就具有動(dòng)能，產(chǎn)生光電子發(fā)射。 由能量守恒定律有：常見的器件有光電管、光電倍增管等 6.1光電效應(yīng) 6.1.1外光電效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下，電子吸收光子能量后而引起物質(zhì)電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 這種效應(yīng)幾乎所有高電阻 率半導(dǎo)體都有，為使電子從 價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子 的能量E0應(yīng)大于禁帶寬度Eg。 基

4、于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件常見的有光敏電阻。 在光線照射的作用下，物體內(nèi)的電子不能逸出物體表面，而使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。 6.1 光電效應(yīng) 6.1.2內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)： 在光線照射下，光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢的效應(yīng)。為什么PN結(jié)會(huì)因光照產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)呢？ 有下面兩種情況： 不加偏壓的PN結(jié) 處于反偏的PN結(jié) 6.1 光電效應(yīng) 6.1.2內(nèi)光電效應(yīng) 不加偏壓的PN結(jié) 當(dāng)光照射在PN結(jié)時(shí)，如果電子能量大于半導(dǎo)體 禁帶能量（E0 Eg）,可激發(fā)出電子空穴對(duì)， 在PN結(jié)內(nèi)電場作用下空穴移向P區(qū)，而電子移向N 區(qū)，使P區(qū)和N區(qū)之

5、間產(chǎn)生電壓，這個(gè)電壓就是光生 電動(dòng)勢。 基于這種效應(yīng)的器件 有光電池 6.1 光電效應(yīng) 6.1.2內(nèi)光電效應(yīng) 處于反偏的PN結(jié)： 無光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??； 有光照時(shí)，光子能量足夠大產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)， 在PN結(jié)電場作用下，形成光電流， 光照越大光電流越大。 具有這種性能的器件有： 光敏二極管、光敏晶體管。 6.1 光電效應(yīng) 6.1.2內(nèi)光電效應(yīng) 6.2 基于外光電效應(yīng)的器件(1)光電管 光電管是內(nèi)裝有光陰極和陽極的真空玻璃管。 工作原理：當(dāng)光線照射在光敏材料上時(shí)，如果光子的能量E大于電子的逸出功A（EA），會(huì)有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引，在光電管內(nèi)形成電子流，

6、電流在回路電阻R上產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。因此 6.2 基于外光電效應(yīng)的器件(1)光電管 （1）真空光電管 真空光電管由一個(gè)陰極K和一個(gè)陽極A構(gòu)成，共同封裝在一個(gè)真空玻璃泡內(nèi)，陰極K和電源負(fù)極相聯(lián)，陽極A通過負(fù)載電阻同電源正極相接，因此管內(nèi)形成電場。 當(dāng)光照射陰極時(shí)，電子便從陰極逸出，在電場作用下被陽極收集，形成電流，該電流引起負(fù)載上的壓降隨光照強(qiáng)弱而變化，從而實(shí)現(xiàn)了光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電傳號(hào)的目的。 6.2 基于外光電效應(yīng)的器件(1)光電管 真空光電管的伏安特性曲線如圖所示，其飽和光電流與入射光的強(qiáng)度成正比。 一般工作電壓選擇在飽和區(qū)，但要盡可能小一些。 由于光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能。 因此

7、光電管即使未加陽極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生。 6.2 基于外光電效應(yīng)的器件(1)光電管陽極飽和光電流入射光的強(qiáng)度 6.2 基于外光電效應(yīng)的器件(1)光電管 （2）充氣光電管 如果在玻璃鋼管內(nèi)充入少量的惰性氣體（如氬、氖等），即構(gòu)成充氣光電管。 當(dāng)充氣光電管的陰極被光照射后，產(chǎn)生的光電子在飛向陽極的途中，對(duì)惰性氣體進(jìn)行轟擊，使其電離，從而產(chǎn)生更多的自由電子，形成數(shù)倍于真空光電管的光電流，提高了光電變換的靈敏度。 但充氣光電管的光電流與入射光強(qiáng)度不成比例關(guān)系，所以較少采用。充氣光電管的管內(nèi)可充單純氣體或混合氣體。 6.2 基于外光電效應(yīng)的器件(1)光電管光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊

8、固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。所謂的二次電子是指當(dāng)電子或光子以足夠大的速度轟擊金屬表面而使金屬內(nèi)部的電子再次逸出金屬表面，這種再次逸出金屬表面的電子叫做二次電子。 6.2 基于外光電效應(yīng)的器件(2)光電倍增管光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換過程： 當(dāng)入射光的光子打在光電陰極上時(shí)，光電陰極發(fā)射出電子，該電子流又打在電位較高的第一倍增極上，于是又產(chǎn)生新的二次電子；第一倍增極產(chǎn)生的二次電子又打在比第一倍增極電位高的第二倍增極上，該倍增極同樣也會(huì)產(chǎn)生二次電子發(fā)射，如此連續(xù)進(jìn)行下去，直到最后一級(jí)的倍增極產(chǎn)生的二次電子被更高電位的陽極收集為止，從而在整個(gè)回路里形成光電流IA 。 6.2 基于外光電效

9、應(yīng)的器件(2)光電倍增管光電倍增管倍增系數(shù)與工作電壓關(guān)系 6.2 基于外光電效應(yīng)的器件(2)光電倍增管 光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)是在玻璃底板上涂一層對(duì)光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。 光敏電阻結(jié)構(gòu)及符號(hào) 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件-光電導(dǎo)器件(1)光敏電阻光敏電阻主要參數(shù) 暗電阻無光照時(shí)的電阻； 暗電流無光照時(shí)的電流； 亮電阻、亮電流受光照時(shí)的阻值、電流； 光電流亮電流與暗電流之差稱光電流 光電流=亮電流-暗電流 暗電流越小，亮電流越大，則靈敏度越高。 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(1)光敏電阻 伏安特性 給定偏壓 光照越大光電流越大； 給定光照度 電壓

10、越大光電流越大； 光敏電阻的伏安特性 曲線不彎曲、無飽和， 但受最大功耗限制。 光敏電阻伏安特性 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(1)光敏電阻-基本特性光照特性 光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系。 光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中作為開關(guān)時(shí)光電信號(hào)傳感元件。 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(1)光敏電阻-基本特性 光譜特性 光敏電阻靈敏度與入射波長有關(guān); 光敏電阻靈敏度與半導(dǎo)體摻雜的材料有關(guān)。 例圖： 硫化鎘（CdS）0.30.8(m) 硫化鉛（PbS）1.03.5(m) 銻化銦（InSb）1.07.3(m) 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(1)光敏電阻-基本特性光敏電阻的頻率特

11、性100806040200101001000100002硫化鉈1硫化鉛f / HzSr / % 光電器件相對(duì)光譜靈敏度(輸出端電壓(電流)的振幅)隨調(diào)制光頻率的變化關(guān)系稱為光電器件的頻率特性。由于光電器件有一定的惰性,在一定幅度的正弦調(diào)制光照射下,當(dāng)頻率較低時(shí),靈敏度與頻率無關(guān);若頻率增高,靈敏度就會(huì)逐漸降低。頻率特性 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(1)光敏電阻-基本特性 溫度特性 光敏電阻的靈敏度、 暗電流與溫度的關(guān)系。 溫度特性可用溫度系數(shù)來表示： 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(1)光敏電阻-基本特性 溫度對(duì)光譜特性的影響： 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(1)光敏電阻-基本特性 光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相

12、似，它們都有一個(gè)PN結(jié)，并且都是單向?qū)щ姷姆蔷€性元件。為了提高轉(zhuǎn)換效率大面積受光，PN結(jié)面積比一般二極管大。 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件-光生伏特器件(2)光敏二極管工作原理： 光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)， 無光照時(shí)，反向電阻很大， 反向電流很??； 有光照時(shí)，PN結(jié)處產(chǎn)生光生 電子空穴對(duì)；在電場作用下 形成光電流，光照越強(qiáng)光電 流越大； 光敏二極管基本電路 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(2)光敏二極管 基本特性： 光照特性 光譜特性 伏安特性 頻率特性 溫度特性 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(2)光敏二極管 伏安特性 當(dāng)反向偏壓較低時(shí)，光電流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，光生電流趨于飽和，

13、這時(shí)光生電流與所加偏壓幾乎無關(guān)，只取決于光照強(qiáng)度。光敏二極管的伏安特性 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(2)光敏二極管光敏晶體管工作原理主要基于內(nèi)光電效應(yīng)。 特點(diǎn)：響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、 可靠性高; 廣泛應(yīng)用于可見光和遠(yuǎn)紅外探測，以及自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(3)光敏晶體管 與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極 集電極結(jié)作為光敏二極管，集電極做受光極。 大多數(shù)光敏晶體管的基極無引線，集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個(gè)小孔，讓光照射到基區(qū)。 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(3)光敏晶體管光敏晶體管具有放大作用，伏安特性曲線 如圖所示 光敏晶體管伏安特性 6.3

14、 內(nèi)光電效應(yīng)器件(3)光敏晶體管 光電池工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)，可以直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。有光線作用時(shí)就是電源，廣泛用于宇航電源，另一類用于檢測和自動(dòng)控制等。 光電池種類很多，有硒光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化銅等等。光 電 池 符 號(hào) 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(4)光電池 結(jié)構(gòu)：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積PN結(jié)，上電極為柵狀受光電極，下電極是一層襯底鋁。 原理：當(dāng)光照射PN結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子空穴對(duì)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢。一般可產(chǎn)生0.2V0.6V電壓50mA電流。 光電池結(jié)構(gòu) 光電池工作原理圖 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(4)光電池光照特性 光電池的輸出短路

15、電流與光照有較好的線性關(guān)系。這里的短路電流就是負(fù)載電阻相對(duì)于光電池內(nèi)阻來說很小時(shí)的電流值光電池的開路電壓與光照度關(guān)系呈非線性。 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(4)光電池光譜特性 光譜特性表示的是光線波長和相對(duì)光譜靈敏度之間的關(guān)系。 光電池對(duì)不同的波長，靈敏度不同。 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(4)光電池溫度特性曲線 開路電壓隨溫度升高下降較快，而短路電流隨溫度升高緩慢增加。因此當(dāng)光電池作測量元件時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中就應(yīng)該考慮到溫度的影響，從而采取相應(yīng)措施。 6.3 內(nèi)光電效應(yīng)器件(4)光電池1：什么是圖像傳感器圖像傳感器是傳感技術(shù)中最主要的一個(gè)分支，廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域，它是PC 機(jī)、多媒體世界今后不可缺少

16、的外設(shè)，也是保安器件，包括光 電鼠標(biāo)、支持?jǐn)?shù)碼照相技術(shù)的手 機(jī)以及消費(fèi)電子、醫(yī)藥和工業(yè)市 場中的各種新應(yīng)用。每種應(yīng)用都有其獨(dú)特的客戶系統(tǒng)要求。 6.4 圖像圖像傳感器屬于光電產(chǎn)業(yè)里的光電元件類，隨著數(shù)碼技術(shù)、半導(dǎo)體制造技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展 ，目前市場和業(yè)界都面臨著跨越 各平臺(tái)的視訊、影音、通訊大整 合時(shí)代的到來，勾劃著未來人類 的日常生活的美景。以其在日常生活中的應(yīng)用，無疑要屬數(shù)碼相機(jī)產(chǎn)品，其發(fā)展速度可以用日新月異來形容。短短的幾年，數(shù)碼相機(jī)就由幾十萬像素，發(fā)展到、萬像素甚至更高。不僅在發(fā)達(dá)的歐美國家，數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)占有很大的市場，就是在發(fā)展中的中國，數(shù)碼相機(jī)的市場也在以驚人的速度在增長，因此

17、，其關(guān)鍵零部件圖像傳感器產(chǎn)品就成為當(dāng)前以及未來業(yè)界關(guān)注的對(duì)象，吸引著眾多廠商投入。圖像傳感器的分類以產(chǎn)品類別區(qū)分，圖像傳感器產(chǎn)品主要分為（ Charge Coupled Device ，電荷耦合元件）、S（Complementary Metal-Oxide Semiconductor ，金屬氧化物半導(dǎo)體元件）以及CIS(Contact Image Sensor) 接觸式圖像傳感器三種。這里將主要簡介以及傳感器的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀。1.什么是CCD圖像傳感器2.CCD傳感器工作原理3.CCD傳感器的優(yōu)點(diǎn)1.什么是CCD圖像傳感器CCD：電荷藕合器件圖像傳感器CCD（ChargeCoupledDe

18、vice），它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓 縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器 或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕 而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。CCD結(jié)構(gòu)示意圖 顯微鏡下的MOS元表面 2電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)和工作原理1.基本結(jié)構(gòu)CCD基本結(jié)構(gòu)分兩部分：（1）MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體） 光敏元陣列；電荷耦合器件是在

19、半導(dǎo)體硅片上制作成百上千（萬）個(gè)光敏元，一個(gè)光敏元又稱一個(gè)像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。（2）讀出移位寄存器。MOS電容 CCD 是由規(guī)則排列的金屬氧化物半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor,MOS）電容陣列組成。 MetalOxideSemiconductor 2. 電荷耦合器件的工作原理CCD光信息電脈沖脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況脈沖幅度的高低反映該光敏元受光照的強(qiáng)弱輸出脈沖的順序可以反映一個(gè)光敏元的位置完成圖像傳感特點(diǎn)：以電荷作為信號(hào)基本功能：電荷的存貯和轉(zhuǎn)移CCD基本工作原理信號(hào)電荷的產(chǎn)生信號(hào)電荷的存貯信號(hào)電荷的傳輸信號(hào)電荷的檢測光電導(dǎo)

20、效應(yīng)(1)信號(hào)電荷的產(chǎn)生當(dāng)金屬電極上加正電壓時(shí)，由于電場作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對(duì)電子而言，是一勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱”。有光線入射到硅片上時(shí)，光子作用下產(chǎn)生電子空穴對(duì)，空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢阱（俘獲），此時(shí)勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。(2)信號(hào)電荷的存儲(chǔ) 一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)元為MOS光敏元或一個(gè)像素，把一個(gè)勢阱所收集的光生電子稱為一個(gè)電荷包； CCD器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的MOS元，每個(gè)金屬電極加電壓，就形成成百上千個(gè)勢阱； 如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應(yīng)的光生電荷圖象。這就是電荷耦合器件的

21、光電物理效應(yīng)基本原理。電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)讀出移位寄存器a.CCD電荷耦合器件是以電荷為信號(hào)。b.讀出移位寄存器也是MOS結(jié)構(gòu)。c.由三個(gè)十分鄰近的電極組成一個(gè)耦合單元,在三個(gè)電極上分別施加脈沖波三相時(shí)鐘脈沖123。 （3）電荷轉(zhuǎn)移原理圖像傳感器的轉(zhuǎn)移過程 6.4 圖像傳感器 圖像傳感器的轉(zhuǎn)移過程 6.4 圖像傳感器 6.4 圖像傳感器 線陣CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu) 6.4 圖像傳感器 幀轉(zhuǎn)移面陣圖像傳感器的結(jié)構(gòu) 3.CCD傳感器的優(yōu)點(diǎn)1.高解析度；2.低雜訊高敏感度3.動(dòng)態(tài)范圍廣；4.良好的線性特性曲線5.大面積感光；6.低影像失真7.體積小、重量輕；8.低秏電力，不受強(qiáng)電磁場影響9.電荷

22、傳輸效率佳10.可大批量生產(chǎn)，品質(zhì)穩(wěn)定，堅(jiān)固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。1.高解析度（High Resolution）：像點(diǎn)的大小為m級(jí)，可感測及識(shí)別精細(xì)物體，提高影像品質(zhì)。從早期1寸、1/2寸、2/3寸、1/4寸到最近推出的1/9寸，像素?cái)?shù)目從初期的10多萬增加到現(xiàn)在的400500萬像素；2.低雜訊（Low Noise）高敏感度：具有很低的讀出雜訊和暗電流雜訊，因此提高了信噪比（SNR），同時(shí)又具高敏感度，很低光度的入射光也能偵測到，其訊號(hào)不會(huì)被掩蓋，使的應(yīng)用較不受天候拘束；3.動(dòng)態(tài)范圍廣（High Dynamic Range）：同時(shí)偵測及分辦強(qiáng)光和弱光，提高系統(tǒng)環(huán)境的使用范圍，不因亮度

23、差異大而造成信號(hào)反差現(xiàn)象。4.良好的線性特性曲線（Linearity）：入射光源強(qiáng)度和輸出訊號(hào)大小成良好的正比關(guān)系，物體資訊不致?lián)p失，降低信號(hào)補(bǔ)償處理成本；高光子轉(zhuǎn)換效率（High Quantum Efficiency ）：很微弱的入射光照射都能被記錄下來，若配合影像增強(qiáng)管及投光器，即使在暗夜遠(yuǎn)處的景物仍然還可以偵測得到；5.大面積感光（Large Field of View）：利用半導(dǎo)體技術(shù)已可制造大面積的D晶片，目前與傳統(tǒng)底片尺寸相當(dāng)?shù)?5mm的已經(jīng)開始應(yīng)用在數(shù)碼相機(jī)中，成為取代專業(yè)有利光學(xué)相機(jī)的關(guān)鍵元件；光譜響應(yīng)廣（Broad Spectral Response）：能檢測很寬波長范圍的光

24、，增加系統(tǒng)使用彈性，擴(kuò)大系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域；6.低影像失真（Low Image Distortion）：使用CCD感測器，其影像處理不會(huì)有失真的情形，使原物體資訊忠實(shí)地反應(yīng)出來；7.體積小、重量輕：CCD具備體積小且重量輕的特性，因此，可容易地裝置在人造衛(wèi)星及各式導(dǎo)航系統(tǒng)上；8.低秏電力，不受強(qiáng)電磁場影響；9.電荷傳輸效率佳：該效率系數(shù)影響信噪比、解像率，若電荷傳輸效率不佳，影像將變較模糊；10.可大批量生產(chǎn)，品質(zhì)穩(wěn)定，堅(jiān)固，不易老化，使用方便及保養(yǎng)容易。一.CCD發(fā)展趨勢1、CCD傳感器的像面尺寸向集成化各輕量化方向的發(fā)展由于制造CCD傳感器的硅片和加工成本都很高，所以很希望一片6.5英寸的硅片上

25、光刻出更多的CCD傳感器芯片；以由于光刻機(jī)的進(jìn)步，所以在仍保持具有很高靈敏度的特性下，CCD傳感器的尺寸向1/2英寸、1/3英寸、1/4英寸、1/5英寸的方向發(fā)展。2、CCD傳感器向高素?cái)?shù)、多制式發(fā)展 各種CCD傳感器的像面尺寸在減少，但其像素?cái)?shù)在增加，已由早期的512（H）596(V)向795（H）596（V）發(fā)展,甚至出現(xiàn)超過百萬像素的CCD傳感器。為提高水平方向和垂直方向的分辨能力，已從通常的隔行掃描向逐行掃描格式發(fā)展。3、降低CCD傳感器的工作電壓、減少功耗 在初期研制的CCD攝像機(jī)有+24V、+22V、+17V和+5V等，目前通用的為+12V。為配合PC攝像機(jī)和網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸?shù)膽?yīng)用，逐

26、步以+12V和+5V兩種工作電壓為主。1、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，從而為糾偏控制電路提供糾偏信號(hào)，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見圖。光源發(fā)出的光線經(jīng)過透鏡1匯聚為平行光束，投向透鏡2,隨后被匯聚到光敏電阻上。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。 6.5 光電式傳感器的應(yīng)用2、透射式光電傳感器在煙塵濁度監(jiān)測上的應(yīng)用 煙道里的煙塵濁度是通過光在煙道傳輸過程中的變化來檢測的。如果煙道濁度增加.光源發(fā)出的光被煙塵顆粒吸收和折射后，到達(dá)檢測器的光量減少，因

27、此光檢測器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。 6.5 光電式傳感器的應(yīng)用3 光生伏特器件的應(yīng)用3.1. 注油液位控制裝置 6.4 光電式傳感器的應(yīng)用液位控制電路 ： 6.5 光電式傳感器的應(yīng)用3.2. 光控閃光標(biāo)志燈 6.5 光電式傳感器的應(yīng)用3.3. 測光文具盒 6.5 光電式傳感器的應(yīng)用6.5 光電式傳感器的應(yīng)用4 光電導(dǎo)器件的應(yīng)用4.1. 燈光亮度自動(dòng)控制器6.5 光電式傳感器的應(yīng)用4.2. 光控閃爍安全警示燈6.5 光電式傳感器的應(yīng)用4.3. 測光器 6.5 光電式傳感器的應(yīng)用2. 路燈光電控制器6.5 光電式傳感器的應(yīng)用5 圖像傳感器的應(yīng)用1. CCD在汽車前照燈配光測試中的應(yīng)用

28、6.5 光電式傳感器的應(yīng)用2. CCD傳感器在光電精密測徑系統(tǒng)中的應(yīng)用1. 光柵分類 光柵按其原理和用途可分為物理光柵和計(jì)量光柵。 物理光柵刻線細(xì)密，利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光譜分析和光波長等量的測量； 在幾何量計(jì)量中使用的光柵稱為計(jì)量光柵，計(jì)量光柵主要利用莫爾現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)長度、角度、速度、加速度、振動(dòng)等幾何量的測量。6.6 光柵傳感器6.6.1 光柵分類及結(jié)構(gòu)1. 光柵分類 按其透射形式，光柵可分為透射式光柵和反射式光柵?？虅澔娌捎貌ＡР牧系臑橥干涫焦鈻牛豢虅澔娌捎媒饘俨牧系臑榉瓷涫焦鈻?。2. 光柵結(jié)構(gòu)光柵，是在刻劃基面上等間距（或不等間距）地密集刻劃，使刻線處不透光，未刻線處透光，形成透

29、光與不透光相間排列構(gòu)成的光電器件。光柵上的刻線稱為柵線，柵線的寬度為a，縫隙寬度為b，一般取a=b，而w=a+b稱為柵距（也稱為光柵常數(shù)或光柵節(jié)距，是光柵的重要參數(shù)，用每毫米長度內(nèi)的柵線數(shù)表示柵線密度，如100線mm、250線mm）。光柵結(jié)構(gòu) 6.6.2 莫爾條紋原理 計(jì)量光柵是利用莫爾現(xiàn)象實(shí)現(xiàn)幾何量的測量的。 莫爾條紋是十八世紀(jì)法國研究人員莫爾先生首先發(fā)現(xiàn)的一種光學(xué)現(xiàn)象。 1874年英國物理學(xué)家瑞利首次將莫爾圖案作為一種計(jì)測手段，從而開創(chuàng)了莫爾測試技術(shù)。 在我們生活中常常見到莫爾現(xiàn)象，當(dāng)薄的兩層絲綢疊加在一起并作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，形成一種漂動(dòng)的水波型花樣，這就是莫爾條紋（亦稱為云紋）。 6.6.2

30、 莫爾條紋原理 莫爾條紋的成因是由主光柵和指示光柵的遮光和透光效應(yīng)形成的（兩只光柵參數(shù)相同）。 主光柵用于滿足測量范圍及精度，指示光柵（通常是從主尺上裁截一段）用于拾取信號(hào)。將主光柵與指示光柵的刻劃面相向疊合并且使兩者柵線有很小的交角。 這種亮帶和暗帶相間的條紋稱為莫爾條紋。 莫爾條紋原理6.6.3 莫爾條紋特點(diǎn)1. 位移放大作用相鄰兩條莫爾條紋間距B與柵距w及兩光柵夾角的關(guān)系為令k為放大系數(shù)，則 一般很小，所以放大系數(shù)k很大。故盡管光柵柵距w很小，而通過莫爾條紋的放大作用仍使其清晰可辨。在安裝調(diào)節(jié)時(shí)，通過調(diào)整角，可以改變莫爾條紋寬度，從而使光電接收元件能正確接收光信號(hào)。 對(duì)于100線mm的光

31、柵，柵距為0.01mm，當(dāng)夾角為0.06時(shí)，莫爾條紋間距B可達(dá)10 mm，放大了1000倍。 2. 運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)的關(guān)系(1)當(dāng)很小時(shí)，光柵副中任一光柵沿垂直于刻線方向移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋就會(huì)沿近似垂直于光柵移動(dòng)的方向運(yùn)動(dòng)。 (2)當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè)柵距w時(shí)，莫爾條紋就移動(dòng)一個(gè)條紋間隔B；當(dāng)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，兩者具有相互對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此，可以通過測量莫爾條紋的運(yùn)動(dòng)來判別光柵的運(yùn)動(dòng)方向和距離。3. 誤差減小作用光柵在制作過程中必然會(huì)引入刻劃誤差。光電元件獲取的莫爾條紋是指示光柵覆蓋區(qū)域刻線的綜合結(jié)果，莫爾條紋是由若干條光柵刻線共同干涉形成的，所以對(duì)刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除柵距的局部誤差及短周