传感器与检测技术第二版胡向东著第九章光电式传感器详解.ppt

2002/12总结 9.1 概述 9.2 光电效应与光电器件 9.3 光电式传感器的应用 9.4 CCD固体图像传感器 9.5 光纤传感器 本章要点 9.2 光电效应与光电器件 4. 光电池 9.3 光电式传感器的应用 ① 抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，耐高压，本质安全，在易燃环境下安全可靠。 ② 灵敏度高。 ③ 重量轻，体积小，外形可变。 ④ 测量对象广泛。 ⑤ 频带宽，测量动态范围大。 ⑥ 对被测介质影响小，这对于医药生物领域的应用极为有利。 ⑦ 便于复用，便于成网。 ⑧ 成本低。 第九章 本章要点 图9-25 路灯自动控制器电路 下页 上页 返回 光敏三极管应用电路 下页 上页 返回 图9-26 光电式数字转速表 下页 上页 返回 下页 上页 返回 天幕靶 下页 上页 返回 光电耦合器结构图 光电耦合器（optical coupler，英文缩写为OC） 下页 上页 返回 图9-28 光电耦合器 光电耦合器特性曲线 下页 上页 返回 作用： 脉冲及直流电平转换 开关信号传输 不同逻辑电路接口 抗干扰 高低压隔离等。 燃气灶的脉冲点火控制器 下页 上页 返回 9.4 CCD固体图像传感器 电荷耦合器件（Charge Couple Device, 缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。它是1970年贝尔实验室的W·S·Boyle和G·E·Smith发明的，它与光敏二极管阵列集成为一体，构成具有自扫描功能的CCD图像传感器。可实现光电信号转换、 存储、 转移并读出信号电荷的功能。 它不仅作为高质量固体化的摄像器件成功地应用于广播电视、可视电话和无线电传真，而且在生产过程自动检测和控制等领域已显示出广阔的前景和巨大的潜力。 下页 上页 返回 1. CCD的工作原理 （1） 结构 CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器。 一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输入、 输出结构就构成了CCD器件。 P型 MOS光敏元 下页 上页 返回 (2) 电荷存储原理 当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称势阱。对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。 在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就越深，势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。 如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，光生电子被附近的势阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。 下页 上页 返回 电荷转移过程 （3）电荷转移原理 下页 上页 返回 t1时刻， 高电平，其电极下形成势阱，存储信息电荷。 t2时刻， 高电平， 电极下形成势阱，电荷从 电极耦合到 电极。 t3时刻，信息电荷开始从第一组向第二组转移。 t4时刻，转移完毕。 为了保证信息电荷按确定的方向和路线转移，在MOS光敏元阵列上所加的各相电压脉冲要求严格满足相位要求。 （4）电荷注入 电荷注入方法 （a） 光信号注入； （b） 电信号注入 下页 上页 返回 （5）电荷的输出 下页 上页 返回 图9-34 电荷的输出 电荷数量——光的强弱 电荷顺序——光的位置 →放大器→脉冲输出 2. CCD固体图像传感器的分类 线阵型CCD图像传感器 将光敏元件排列成直线，主要用于尺寸监测、传真、文字识别等。 下页 上页 返回 面阵型CCD图像传感器 将光敏元件排列成矩阵，主要用于摄像。 下页 上页 返回 3. 特性参数 光电转移效率 总转移效率 分辨率 分辨率是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力，是图像传感器最重要的特性，主要取决于感光单元之间的距离。即相同感光面积下光敏单元的密度。 下页 上页 返回 灵敏度及光谱响应 灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量。 光谱响应 图9.37 光谱灵敏度特性 下页 上页 返回 动态范围 饱和曝光量和等效曝光量的比值称为CCD的动态范围 CCD器件的动态范围一般在103～104数量级 暗电流 暗电流是缺陷产生的主要原因。暗电流的产生不均匀，会在图像传感器中出现固定图形，限制器件的灵敏度和动态范围。 与温度密切有关，温度每降低10℃，暗电流约减小一半。 噪声 CCD是低噪声器件，但由于其他因素产生的噪声会叠加到信号电荷上，使信号电荷的转移受到干扰。 噪声的来源有转移噪声、散粒噪声、电注入噪声、信号