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1、成都师专学报一九九九年第四期光电传感器与的原理及应用张永彬成都师范高等专科学校计算科学系四川彭州摘要随着微机技术向高速度,大容量,多功能方向快速发展,计算机在图形,图象处理领域中得到广泛的应用。数码相机,扫描仪,数字摄像机作为主要的图像输入设备在微机应用中有着十分重要的作用。本文就扫描仪,数码相机,数字摄像机 中的主要成像元件,和光电传感器的原理,结构及应用作一讨论。关健词电荷藕合器光电传感器光电效应一、光 电传感器与的理论基础与是将光信号转换为电信号的半导体光敏元件,光电效应是其理论基础。光传感器的基本效应电磁波的波动所占频谱范围是从了射线到无线电波的一个极为广泛的区域。波长在护范围之内的一
2、般统称光的区域。每一波长的区域都有一定频率,波数及光子能量。,可见光在整个光谱中只占很小部分。光应用技术都是基于物质相互作用这个实用转换原理,光子是有能量的,公式为二,李人二坛式中为,为布朗克常数,为频率,为光速,入为波长,为波数单位一,其中,为常量带人公式可得二当把光能变为电信号的基本原理大致为三种。由于光电子与物质的相互作用而直接得到电信号的量子效应。入一仅拓光子被元素物质吸收转变成热后进一步由热电现象而得到电信号的热效应。光作为电磁波直接与物质相互作用所诱发的电信号的波动相互作用效应。其中量子效应或光电效应是我们很熟悉的,如光电管,光敏二极管,光敏三极管,光 电池等。热效应是与光是热线这
3、种古典看法相联系,作为主要的红外线传感器或光能绝对测量用传感器的原理早已经采用。至于波动相互作用效应是把光理解为微波或微米波那样的电磁波的延长。与正是以光量子效应作其理论基础。固体图像传感器与把布设在半导体光敏二极管,光敏三极管衬底的许多感光小单元的光电信号用所控制的时钟脉冲读取出来的功能器件称固体图像传感器,这许多感光小单元简称“像素”或像点,它们本身在空间,电气工是独立的。固体图像传感器体积小重量轻,坚固耐用,抗冲击耐震动耗电少而且抗电磁干扰能力强失真度度极小,非常适合测试技术及图像识别技术,是计算机外部设备,扫描仪,数码相像的重要成像元件。将内量子效应 的单个元件的光传感器集成化,使之构
4、成小型的组或组测光信息用传感器,这就是固体图像传感器,有比例型积分型两种。由于集成化与电信号读取复杂原因,实际上在紫外,可见光区域多采用作为基本的积分型传感器,以型半导体元件为代表,积蓄在元件像素的电荷读取方法分为 电子开关的一地址方法与峪的电荷传送方法。型传感器可以认为是型晶体三极管与巧结光电二极管的组合,产生的载流子积蓄在管源极结合部。如图一所示。,输少甲创硅尹猫农路日日日日日日日日日日日图 一光信号使光电二极管动作并使电荷积蓄起来,晶体三极管作为读取开关,由移位寄存器发出的脉冲作为扫描信号。当在金属上加上 电压时,在半导体表面形成过渡层就成为电位阱,在这里存储电荷,若在相邻的电极上加工更
5、大的电压,便形成更深的电位阱,电荷就向邻接的电极移动。因此固体图像传感器是由光电变换电荷存储,电荷传送等三者简单构成同时进行动作并集成化。但当各元件同时射人光信号时,将引起信号混和,因此上述移位寄存器实际上是采用将光电变换部分与扫描部分分开的形式。二、与光电传感器的结构 与原理电荷藕合器件详笋一叩是利用光电效应制作的半导体器件,年发展至今,起步早技术成熟,在数码相机,扫描仪,数字摄像机中得到广泛应用。结构电荷藕合器是由众多 现已达两百万个微小光敏元件,电荷转移电路,电荷读取电路组成。半导体器件以一块杂质浓度较低的型硅片作为衬底,然后在硅片表面用高温氧化的方法覆盖二氧化硅仇绝缘层,在绝缘层上制作
6、金属铝 电极,金属铝上方放置光敏元件如图 二 所示。光敏元件在电荷祸合器件的表面成矩阵排列,每个元件代表一小像素,光线照到光敏元件上,就转换成电信号。为避免各光敏元件之间的信号相互干扰,在半导体型硅衬底上应有必要的隔离措施,高档的采用二氧化硅仇隔离,低档的在型衬底上制作反向结隔离。工作原理电荷藕合器采集图像信号,可分为三个过程,首 先将光信号转换成电荷,然 后暂时存 放在存储器中,最后用时钟脉冲顺序读出信号。采光积累电荷当人射光照射到光敏元件上时,由于光线光量子的激发,使光敏材料上的导电粒子电子空穴对增加,在金属 电极下的型硅衬底上表面形成电荷积累。人射光越强,在光敏材料 中激发的导 电粒子电
7、子空穴对越多,形成的电荷积累也越多。电荷的转移及电荷信息的读取为取出存储区中积累的电荷信息,在金属铝 电极和型硅衬底加上控制电压,使存储区中电荷向下一存储电荷区中转移,送至电荷信息读取电路,在时钟脉冲控制下顺序读出。电荷祸合器像 串行移位寄存器一样,以行为单位,一位一位地输出信息,实施电荷的转移输图二出。电荷转移和电路信息读取电路是一个构造较复杂的半导体电路,需在型硅衬底上制作电荷转移存储器,输出电极,还需有三组不同电源相配合方能输出电荷信息。电荷藕合器输出的是与人射光强度成比例的模拟信号,此信号需送往刀转换,经转换成一个与人射光强度成比例的二进制数,该二进制即对应一个像素的数据。然后送往微处
8、理器压缩成特定的图像格式再送到存储器存储。光电传感器互补金属氧化物场效应管简称。互补以金属侃二氧化碳而场效应管,一般情况是指一种高集成度大规模集成电路,光电传感器仍使用光敏元件为感光器件,光敏元件在排列方式上与电荷藕合器件相同,只是在光电转换后信息传送方式不同。光电传感器制作形式多样,本文以器件为例,介绍光电传感器的结构与工作原理。结构光电传感器以一块杂质浓度较低的型硅片作衬底,用扩散的方法在其表面制作两个高掺杂的十型区电极,这两个电极称为原极和漏极,然后在硅表面用高温氧化的方法覆盖二氧化硅 的绝缘层,在源极和漏极之间的绝缘层上制作一层金属铝,称为栅极。在金属铝的上方放置光敏元件,如图三所示。
9、工作原理光电传感器工作时,型硅衬底和源极接电源负极,漏极接电源正极。无光照射为和尤澳叹了滋抄吧漏艰。堵川梦权豁只膏 爹堵又 图岁工,源极与漏极之间无 电流通路,不能形成电,电阻上无电压输出。当人射光照射到金属铝上放置的光敏元件上时,由于光量子的激时流发在源极和漏极之间的型硅衬底表面积累电荷,从而形成电流通路,电流经电阻形成电压输出见图 三。人射光越强,在光敏元件中激发的导电粒子 电子空穴越多,从而使源极和漏极之间的电流越大,电阻上的输出电压也越高,电阻电压降直接反映人射光强度。光 电传感器输出仍是模拟电信号,需经转换电路转换为二进制数方可为微处理器读取,然后根据一定算法压缩成的待定格式文件存人
10、存储器。实际制作时,生产厂家通常将光电传感器,图像信号放大器,信号读取电路,模数转换电路,图像信号处理器集成在同一芯片上,使光电传感器对获得的图像信息读出及处理变得简单而快捷。三、与光电传感器的性能 比较,光电转换和使用相同的感光元件,具有相同的灵敏度和光谱特性,但光电转换后读取信息的方式不同。存储的电荷信息,需在同步信号控制下一位一位实施转移后读取,电荷信息的转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源配合,整个电路较为复杂。光电传感器经光电转换直接产生电流或电压信号,信号读取十分简单。电路结构电荷祸合器仅能输出模拟信号,输出的电信号还需经模数转换器,地址译码器,图像信号处理,并且还须提
11、供三组不同电压的电源 和同步时钟控制电路集成度很低,制作成本较高。光电传感器的加工采用半导体厂生产集成电路的流程,可把光敏元件,图像信号放大器,信号读取电路,模数转换器,图像信号处理器及控制器集成在一块芯片,还可附加存储器。所以一个系统的制作成本很低。信息的读取速度电荷祸合器需 要 在同步时钟控制下以行 为单位一位一位输出信息,速度较慢,而光电传感器在采集光信号 的同时就取出电信号,还能同时处理各单元的图像信号,速度比决得多。电源及耗 电量电荷藕合器大多需要三组电源供电,耗电量大。光电传感器只需要一个电源,耗电量非常小,仅为的十分之一,节能方面有很大优势。消除噪声方面电荷藕合器制作技术起步早,
12、技术成熟,采用州结或二氧化硅隔离层隔离噪声,成像质量相对光电传感器要好。由于光电传器集成度高,各光电元件,电路之间距离很近,相互之间光,电,磁干扰较严重,噪声对图像质量影响很大,使很长一段时间未进人实用。近来随着电路消噪技术的不断发展,为生产高密度优质低成本的图像传感器提供了良好的条件。四、和光电传感器的应用和光电传感器广泛应用在微机的外部设备和各种光电控制电路中。光电祸合器制作技术早,技术成熟,具有结构简单,自扫描,低噪声,长寿命,高精度,成像质量好,主要应用于数字相机,扫描仪,数字摄像机中。光电传感器具有集成度高,重量轻,体积小,耗电小,价格便宜,将会在办公及家用电脑,笔记本电脑,掌上 电脑,视频电话,扫描仪,数码相机,监视器,车载电话,指纹认证等图像输人领域得到广泛应用。
