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1、第五讲第五讲 光电传感器光电传感器光电传感器光波光波v光谱：光波：波长为10106nm的电磁波可见光：波长380780nm紫外线：波长10380nm波长300380nm称为近紫外线波长200300nm称为远紫外线波长10200nm称为极远紫外线红外线：波长780103nm波长3m（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3m的红外线称为远红外线光电传感器光谱分布图光电传感器主要内容主要内容v光电效应v光学器件的基本特性参数v外光电效应器件v内光电效应器件v测量原理v光电器件的应用光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。光
2、电传感器光电效应光电效应光电效应是指当光照射到物体上时，物体受到一连串具有能量光子的轰击，于是物体中的电子吸收了光子的能量而产生电效应，包括发射电子，产生电动势发射电子，产生电动势或或改变电导率改变电导率等。光电效应分为外光电效应和内光电效应两类。1，外光电效应在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的光子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管光电管、光电倍增管光电倍增管等。光电传感器光子是具有能量的粒子，每个光子的能量为：E=hh普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）根据爱因斯坦的假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个
3、电子从物体表面逸出，必须是光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射到金属释放电子所需时间不超过10-9s。光电传感器根据能量守恒定理，可以得到爱因斯坦光电效应方程：式中m电子质量；v0电子逸出速度。光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红线频率或波长限。光束频率低于红线频率时，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红线频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于
4、红线频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。光电传感器当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。因为光强越大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。光电传感器2，内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，多发生在半导体内。内光电效应，多发生在半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。（1）光电导效应光电导体在光的作用下
5、，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻有光敏电阻。光电传感器过程：当光照射到半导体材料上时当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，使其由价带越过禁带跃入导带，使材料中导带内的电子和价带内空穴浓度增加，从而使电导率变大。光电传感器为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即：式中和分别为入射光的频率和波长。材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光
6、电导体的电导率增加。光电传感器（2）光生伏特效应某些半导体或电介质材料某些半导体或电介质材料，在光线作用下，能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。当光线照射于半导体PN结时，在PN结两端就会产生一定的电位差，并将在外回路中产生电流。基于这种效应的光电器件有光电池和光敏二极管、光敏三极管。太阳能电池的原理太阳能电池的原理太阳能电池的原理太阳能电池的原理“光伏产业光伏产业光伏产业光伏产业”光电传感器光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数（1）响应度k光电器件输出电压光电器件输出电压VO与入射光功率与入射光功率PI之比称为响应度之比称为响应度k，即：k=VO/PI=VO/(HA
7、d)式中，VO是器件的输出电压，PI为入射光敏面的辐射功率，Ad是器件受光面积，H为光敏面的辐射照度。k的单位是(V/W)。响应度k是表征光电器件输出信号能力的特征量。光电传感器（2）光谱特性不同光电器件对于不同波长()的同强度辐射所产生响应度不一样。光电器件的响应度与入射波长关系是其光谱特性。光谱特性曲线描述不同波长的入射光所产生器件响应度的曲线。归一化的响应度峰值频率截止频率光电传感器（3）等效噪声功率当光敏器件在光照条件下产生的响应电压与该器件的噪声电压值相等（即信噪比为1）时，将入射到探测器上的光辐射功率定义为等效噪声功率，用NEP（瓦）表示：NEP=Pi/(Vo/Vn)式中，Vo为输
8、出电压有效值，Vn为噪声均方根电压值，Vo/Vn称为信号噪声比，Pi为入射光功率。这里的噪声电压是指光电器件本身产生的随机电压，而不是电源不稳定等外界因素产生的。等效噪声功率表示由于噪声存在，一个光电器件在检测信号时有一个阈值，低于这个阈值的辐射信号是无法检测到的。等效噪声功率越小，光敏器件性能越好。光电传感器（4）响应时间也称时间常数，决定器件频率响应带宽。响应时间描述光电器件对入射光响应的快慢性能参数。（5）线性度线性度是指光电器件输出光电流（或电压）与输入光功率成比例的程度和范围。在光照时正确使用偏置电路可保持线性关系，否则会出现非线性。光电传感器外光电效应器件外光电效应器件利用物质在光
9、的照射下发射电子的外光电效应制成的光电器件，一般都是真空或充气的光电器件，如光电管光电管和光电倍增管光电倍增管。一，光电管1，结构与工作原理光电管由在真空玻璃管中密封的一个阴极和一个阳极构成，阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有感光材料，不同材料的光谱特性不同，常用的有银、钙、锑等。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。光电传感器光电管:光电传感器光电管结构示意图（a），光电管工作电路（b）（a）（b）光电传感器光电倍增管：光电传感器二，光电倍增管(photomultiplier,PMT)当入射光很微弱时，普通光电管的产生的光电流很小，不容易探测，这时常用光电倍增管对电流进行放大。1，
10、结构和工作原理光电倍增管是在高真空管中一个光电阴极和多个倍增电极，各个倍增电极均加有电压，且电压依次增高，从而使电子流不断倍增。由于它可以将极其微弱的入射光转换放大的电子流，因此具备更灵敏的光检测能力。在无热生电子的情况下，它甚至能够对单光子进行检测。光电传感器光电倍增管示意图图中K为阴极，A为阳极。D1、D2、Dn为倍增电极，在阴极和阳极间加入1000V2500V的高压，各电极电位相差约100V左右，从阴极到阳极逐级升高。光电传感器2，主要特征参数（1）电流放大倍数M（电流增益）：电流放大倍数是指在一定工作电压下，光电倍增管阳极信号电流IA与阴极电流IK的比值，即M=IA/IK。在一般正常条
11、件下，M值为104108，与加在光电倍增管上的总电压成正比，稳定性为1%左右。（2）灵敏度：指照射的单位光通量使阳极产生的饱和光电流值，单位是A/lm，也可理解为入射一个光子后在阳极上能收集到平均电子数。它是描述光电倍增管将光信号转变为电信号的能力，其大小与极间所加的电压有关。光电传感器 （3）暗电流： 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室中避光使用，使其只对入射光起作用，但由于电压、温度、倍增管材料等因素的影响，在加上工作电压后，即使没有光信号输入阳极也会有电流产生，此电流的支流分量（平均值）称为暗电流。 暗电流决定了光电倍增管可检测光通量的阙值。光电传感器3，光电管、光电倍增管的应用
12、在生物医学工程领域，光电管、光电倍增管常用于探测光学信号。这些探测仪器包括生化仪器、医用射线仪器等。光电管成本较低，要求直流电压低，但灵敏度光电管成本较低，要求直流电压低，但灵敏度也低，多用于光信号较强的光学分析仪器也低，多用于光信号较强的光学分析仪器；光电倍增管光电倍增管灵敏度高，放大倍数高，性能稳定，广泛用于弱光线的灵敏度高，放大倍数高，性能稳定，广泛用于弱光线的测量，尤其是对各种射线的探测测量，尤其是对各种射线的探测。光电管和光电倍增管均可在分光光度计中得到应用。分光光度计是根据比尔定律，测定物质对某一区域不同波长光吸收的大小，进而测出物质在溶液中的浓度和得到其光谱特性。常用于核酸，蛋白
13、定量以及细菌生常用于核酸，蛋白定量以及细菌生长浓度的定量，长浓度的定量，在生化分析中是必不可少的仪器。光电传感器光电器件的应用光电器件的应用分光光度计：光电传感器分光光度计组成原理框图光电传感器分光光度计原理框图比色皿光电传感器溶液对单色光的吸收规律单色光通过溶液时遵从朗伯特比尔（Lambert-Beer）定律：I=I0e-kCL式中，I为透射光强度；I0为入射光强度；C为溶液的浓度；L为溶液的厚度；k为消光系数或叫吸收系数。上式表明当I0、k和L不变时，浓度C越大，则光被吸收的越多，I越小，因此通过测量入射光强度就可以求出溶液的浓度C。光电传感器式中，T表示透光度（transmittance
14、）又称透光率。溶液的浓度C越稀，透光度T越大。但透光度T值与浓度C的大小不成线性关系，所以常用另一种形式吸光度A（absorbance）表示。比尔定律的另外两种表示形式为可见，当k和L不变时，浓度C和吸光度A成线性比例关系。如果已测得吸光度A的值，就能很容易的算出浓度C。光电传感器应用条件：比尔定律的使用是有条件的，如果溶液的浓度太大，则比尔定律不成立；入射光必须是较好的单色光，如果入射光单色性差，则会造成较大的误差；求浓度较精确的方法是先测定标准曲线，采用最小二乘法确定系数，或利用计算机进行分析计算，尽可能减少误差。光电传感器实际测量溶液浓度时常采用比较法或比色法，用两个同样的比色杯，L和T
15、均相等。一个盛待测溶液，另一个盛浓度已知的同品种溶液（成为标准溶液），由于两者为同品种溶液，用同一波长测量时吸收系数k相等。分别测量两种溶液的吸光度值A，其大小与浓度的关系为：待测溶液：标准溶液：两式相比较有：比较法求浓度C即：光电传感器光电器件的应用光电器件的应用分光光度计：光电传感器光电比色计：光电传感器光电比色计：1聚光镜；2滤光器；3硒光电池；4被分析样品；5标准样品光电传感器光电池：内光电效应器件内光电效应器件光电传感器一、光电池光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于
16、光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。光电池是一种用途很广的光敏器件，它的优点是体积小、重量轻、结构简单、寿命长、性能稳定、光照灵敏度较高、光谱响应频带较宽,尤其在小型化和微功耗仪器中，它是常用的换能器件。光电传感器光电池的命名方式：把光电池的半导体材料的名称冠于光电池(或太阳能电池)之前。如，硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池。l硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光转换效率高，寿命长，适于接受红外光。l硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值
17、波长0.56m)，最适宜制造照度计。l砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。光电传感器光电池的示意图硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质(如硼)形成PN结。当当光光照照到到PN结结区区时时，如如果果光光子子能能量量足足够够大大，将将在在结结区区附附近近激激发发出出电电子子- -空空穴穴对对，在在N区区聚聚积积负负电电荷荷，P区区聚聚积积正正电电荷荷，这这样样N区区和和P区区之之间间出出现现电电位位差差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流
18、流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理+光PNSiO2RL(a)光电池的结构图I光(b)光电池的工作原理示意图P N光电传感器光电池的基本特性（1）光谱特性 光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适合测量可见光。硅光电池应用的范围400nm-1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池的应用范围很宽。1硒光电池2硅光电池光电传感器（2）频率特性光电池的频率响应就是指光电池的输出电流随照射光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极间电
19、容大，故频率特性较差。图示为光电池的频率响应曲线。由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。1硒光电池2硅光电池光电传感器L/klxL/klx5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc /V0.10.20.30.40.50.30.1012345Uoc/VIsc /mAIsc/mA(a)硅光电池(b)硒光电池（3）光照特性曲线开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线。开路电压短路电流短路电流光电传感器短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的情况下的短路
20、电流。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx5010010005000RL=0光电传感器将光电池用作测量元件时，是作为电流源使用的，利用的是其短路电流与光照度呈线性关系的特点。图中硅光电池与运算放大器相连，处于零偏置状态，其等效负载电阻为零，因此这种电路也称为零偏置电路。此时运算放大器的输出电压等于硅光电池短路电流Isc与放大器反馈电阻R1的乘积，即Uo=IscR1上式
21、描述了运算放大器输出电压与入射光照度之间具有良好的线性关系。光电传感器光敏二极管：光电传感器二，光敏二极管光敏二极管(photodiode)又称光电二极管，是一种半导体光电转换器件，其基本工作原理是当光照射半导体的PN结时，在反向电压的作用下在反向电压的作用下，其反向电流随光照度变化而变化，实现将光信号转换成电信号的功能。光敏二极管响应速度快，体积小，价格低，坚实耐用。与普通二极管相比，光敏二极管的特点是结面积较大。施加反向电压PN光光敏二极管符号RL PN光电传感器普通的PN结型光敏二极管的暗电流较大，响应速度也不快，在要求响应速度快，线性度好和微弱信号检测的测量系统中常采用PIN型光敏二极
22、管和雪崩型光敏二极管。PIN型光敏二极管与PN结型光敏二极管不同之处在于其P区和N区之间加入一层本征材料I层，以增加对光的本征吸收。因此，与PN结型光敏二极管相比，PIN型光敏二极管具有灵敏度高，线性度好，响应速度快，噪声低，暗电流小等特点。（1）PIN型光敏二极管P-SiN-SiI-SiPIN管结构示意图光电传感器（2）雪崩型光敏二极管雪崩型光敏二极管(APD)是基于雪崩效应的光敏二极管，具有自身的电流增益。其工作原理是利用高反向偏置电压，在PN结区产生一个很强的电场，当光照射PN结并产生电子-空穴对时，在强电场区的光生载流子被加速运动而获得足够能量，由此发生雪崩效应而获得电流增益。雪崩光敏
23、二极管的灵敏度和响应速度更高，频率响应可达103MHz，灵敏度为106s/lm，其缺点是非线性较大，容易受温度影响。光电传感器光敏二极管的伏安特性曲线在第象限时，表明光敏二极管反向偏置，这是光敏二极管的工作区。第象限的曲线说明，反向电流随入射光光照度的增强而增大，在一定的反向电压范围内，反向电流的大小几乎与反向电压的高低无关，但是与光照度成正比。因此，在入射光光照度一定的条件下，反向偏置的光敏二极管相当于一个恒流源。想要正常使用光敏二极管，通常应选择合适的工作点（I0,U0）和输出负载RL，以保证光敏二极管工作在线性区光电传感器光敏二极管的测量电路光敏二极管加反向电压E，选择合适的负载电阻使其
24、工作在线性区，光电流在负载电阻RL上产生成比例的电压。对于交流信号采用电容耦合后接交流放大器。光电传感器光敏晶体管：光电传感器三，光敏晶体管与光敏二极管相同，光敏晶体管(phototransistor)也是一种半导体光电转换器件，兼有晶体管的放大特点，光敏感性比光敏二极管更好，是常用的光电转换器件之一。光敏晶体管由两个PN结构成，其中以NPN型为常见。与普通晶体管相比，在内部结构上，光敏晶体管的集电结面积较大，发射结面积较小，目的是扩大光照面积；在外形上多数只有集电极c，发射极e，引线基极b作为光敏感极无引线接出。光电传感器普通三极管光敏三极管光电传感器v当集电极加上正电压，基极开路时，集电极
25、处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时，会产生电子-空穴对，在内电场的作用下，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍。PPNNNPe b bc RL Eec光电传感器光敏三极管的主要特性：（1 1）光谱特性）光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光/4000800012000 16000100806040200光电传感器光敏晶体管的光照特性I /AL/lx200400600800100001.02.03.0（2 2）光照特性）光照特性光电传感器暗电流/mA光电流/mA1020 30 40 50 60 7
26、0T /C25050100020030040010 20 30 40 50 60 70 80T/C光敏晶体管的温度特性（3 3）温度特性）温度特性光电传感器（5 5）光敏三极管的频率特性）光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。010010005005000 1000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%图4.3-15光敏晶体管的频率特性光电传感器光敏晶体管的应用电路：光敏晶体管的灵敏度比二极管高，但有更大的暗电流和较大的噪声，且响应速度比光敏二
27、极管慢。常见的光敏晶体管有硅光敏晶体管和锗光敏晶体管。(a)电流控制电路(b)电压控制电路光电传感器光电式脉搏波传感器光电容积描记法用于测量脉搏波，其原理是利用光电信号来测量脉搏容积的变化。当血管内血容量变化时，组织对光的吸收程度相应发生变化，可利用光电传感器进行测量，该变化反映出血液脉动的基本参数情况。光电传感器光电传感器光固态图像传感器光固态图像传感器光固态图像传感器是高度集成的半导体光电传感器，是将光学图像信号转换为相应电信号的器件。光固态图像传感器有光敏元件阵列和电荷转移器件组成。CCD与CMOS传感器是被普遍采用的两种图像传感器，两者都是利用感光二极管(photodiode)进行光电
28、转换，将图像转换为数字数据，而其主要差异是信号传送的方式不同。光电传感器1.CCD图像传感器CCD具有噪声低、质量轻、成像精度高和可低电压驱动等优点，目前已广泛应用于微光电视摄像、信息存储、图像处理、自动控制和机器人等领域。光电传感器CCD图像传感器图像传感器vCCD（ChargeCoupledDevice）图像传感器由CCD电荷耦合器件制成，是固态图像传感器的一种，是贝尔实验室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年发明的新型半导体传感器。v它是在MOS集成电路基础上发展起来的，能进行图像信息光电转换、存储、延时和按顺序传送。v它的集成度高、功耗小、结构简单、耐冲击、寿命长、性能
29、稳定，因而被广泛应用。光电传感器CCDCCD电荷耦合器件是按一定规律排列的电荷耦合器件是按一定规律排列的MOSMOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）半导体）电容器组成的阵列。电容器组成的阵列。CCDCCD由基本电荷耦合单元组成，它是在由基本电荷耦合单元组成，它是在P P型型( (或或N N型型) )硅衬底上生长一层硅衬底上生长一层厚度约为厚度约为120nm120nm的的SiO2 SiO2 ，再在，再在Si02Si02层上依次沉积铝电极而构成电容层上依次沉积铝电极而构成电容式转移器。将式转移器。将MOSMOS阵列加上输入、输出端阵列加上输入、输出端, ,便构成了便构成了CCDCCD。CCD的基本
30、电荷耦合单元示意图光电传感器v每一个MOS电容器实际上就是一个光敏元件。v 当光照射到MOS电容器的P型硅衬底上时，会产生电子空穴对（光生电荷），电子被栅极吸引存储在陷阱中。入射光强，则光生电荷多，入射光弱，则光生电荷少。v无光照的MOS电容器则无光生电荷。v若停止光照，由于陷阱的作用，电荷在一定时间内也不会消失，可实现对光照的记忆。MOS电容器可以被设计成线阵或面阵。一维的线阵接收一条光线的照射。二维的面阵接收一个平面的光线的照射。光电传感器景物景物CCD面阵面阵存储存储显示显示透镜透镜滤光片滤光片放大器放大器图图5-2 面阵面阵MOS电容器的光电转换电容器的光电转换 光电传感器电荷定向转移
31、过程实现电荷定向转移的条件是：连续地按一定时间间隔依次偏置栅极，当正实现电荷定向转移的条件是：连续地按一定时间间隔依次偏置栅极，当正电压依次加到栅极上，电荷逐步移到电势极小值处，最后从漏极移出。这电压依次加到栅极上，电荷逐步移到电势极小值处，最后从漏极移出。这种方法可以扩展到任意多个栅极，为减少电极数目，加快转移速度，采用种方法可以扩展到任意多个栅极，为减少电极数目，加快转移速度，采用相控制方式。（三相驱动）相控制方式。（三相驱动）光电传感器vMOS电容器实质上是一种光敏元件与移位寄存器合而为一的结构，称为光积蓄式结构光积蓄式结构，这种结构最简单。v但是因光生电荷的积蓄时间比转移时间长得多，所
32、以再生图像往往产生“拖尾”，图像容易模糊不清。v另外，直接采用MOS电容器感光虽然有不少优点，但它对蓝光的透过率差，灵敏度低。v现在更多地在CCD图像传感器上使用的是光敏元件与移位寄存器分离式的结构，如图5-3所示。 光电传感器 (a)单读式单读式 （b）双读示）双读示 图图5-3 光敏元件与移位寄存器分离式结构光敏元件与移位寄存器分离式结构 CCD电容器阵列在这里只起移位寄存器的作用。它的灵敏度极高，在低照度下也能获得清晰的图像，在强光下也不会烧伤感光面。双读式结构，与长度相同的单读式式相比较，可以获得高出两倍的分辨率。电荷损失减少，保证分辨率。器件尺寸缩短。 光电传感器模拟信号传输移位寄存
33、器 奇数传输门 偶数传输门 模拟信号传输移位寄存器视频信号放大器视频输出信号GND时钟信号+Ucc 2048 2047 光电元件阵列 2 1图图5-4 线阵线阵CCD内部框图内部框图 光电传感器面型CCD图像传感器面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构形式，如图所示。 面阵CCD图像传感器由双读式结构线阵构成，它有多种类型。常见的有行转移（LT）、帧转移（FT）和行间转移（ILT）方式。光电传感器行转移（LT）帧转移（FT）光电传感器行间转移（ILT）方式光电传感器彩色CCD图像传感器v被测景物的图像的每一个光点由彩色矩阵滤光片分解为红、绿、蓝三个光点
34、，分别照射到每一个像素的三个光敏二极管上，各自产生的光生电荷分别代表该像素红、绿、蓝三个光点的亮度。v经输出和传输后，可在显示器上重新组合，显示出每一个像素的原始彩色。光电传感器光电传感器固态图像传感器输出信号具有如下特点：(1)与光像位置对应的时间先后性，即能输出时间系列信号；(2)串行的各个脉冲可以表示不同信号，即能输出模拟信号；(3)能够精确反映焦点面信息，即能输出焦点面信号。光电传感器2 CMOS 图像传感器图像传感器CMOS图像传感器是按一定规律排列的互补型金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）组成的阵列。光电传感器vCMOS型光电转换器件型光电转换器件vCMOS型放大器：以增强型
35、NMOS场效应管V1作为共源放大管，以增强型PMOS场效应管V2、V3构成的镜像电流源作为有源负载，就构成了CMOS型放大器。图图5-6 CMOS型放大器型放大器光电传感器图图5-6 CMOS型放大器型放大器光电传感器v与CMOS型放大器源极相连的P型半导体衬底充当光电变换器的感光部分。v 当CMOS型放大器的栅源电压uGS=0时，CMOS型放大器处于关闭状态，即iD=0。 v当积蓄过程结束，栅源之间加上开启电压时，源极通过漏极负载电阻对外接电容充电形成电流即为光信号转换为电信号的输出。 光电传感器CMOS图像传感器v利用CMOS型光电变换器件可以做成CMOS图像传感器。v由CMOS衬底直接受
36、光信号照射产生并积蓄光生电荷的方式不大采用。v现在更多地采用光敏元件与CMOS型放大器分离式的结构。CMOS线型图像传感器构成线型图像传感器构成光电传感器vCMOS线型图像传感器由光敏二极管和CMOS型放大器阵列以及扫描电路集成在一块芯片上制成。v一个光敏二极管和一个CMOS型放大器组成一个像素。光敏二极管阵列在受到光照时，便产生相应于入射光量的电荷。v扫描电路以时钟脉冲的时间间隔轮流给CMOS型放大器阵列的各个栅极加上电压，CMOS型放大器轮流进入放大状态，将光敏二极管阵列产生的光生电荷放大输出。光电传感器vCMOS面型图像传感器则是由光敏二极管和CMOS型放大器组成的二维像素矩阵，并分别设
37、有XY水平与垂直选址扫描电路。v 水平与垂直选址扫描电路发出的扫描脉冲电压，由左到右，由上到下，分别使各个像素的CMOS型放大器处于放大状态。v 二维像素矩阵面上各个像素的光敏二极管光生和积蓄的电荷依次放大输出。 光电传感器CMOS图像传感器的应用图像传感器的应用vCMOS图像传感器与CCD图像传感器一样，可用于自动控制、自动测量、摄影摄像、图像识别等各个领域。vCMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。vCMOS的耗电量只有普通CCD的1/3左右。vCMOS图像传感器用于数码相机有助于改善人们心目中数码相机是“电老虎”的不良印象。 光电传感器CCD和和CMOS比较比较vCCD传感器在灵敏度
38、、分辨率、噪声控制等方面都优于CMOS传感器，而CMOS传感器则具有低成本、低功耗、以及高整合度的特点。v不过，随着CCD与CMOS传感器技术的进步，两者的差异有逐渐缩小的态势，例如，CCD传感器一直在功耗上作改进，以应用于移动通信市场；CMOS传感器则在改善分辨率与灵敏度方面的不足，以应用于更高端的图像产品。光电传感器光电耦合器的作用光电耦合器的作用v光电耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。v输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入输出间的隔离的作用。v由于光耦合器输入输出间互
39、相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输资讯中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在微机数字通信及即时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加其工作的可靠性。光电传感器光电耦合器光电耦合器光电耦合器是由一发光元件和一光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。绝缘玻璃发光二极管透明绝缘体光敏三极管塑料发光二极管光敏三极管透明树脂1. 1. 光电耦合器的结构光电耦合器的结构采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此
40、来提高灵敏度。(a)金属密封型(b)塑料密封型采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。光电传感器2. 2. 光电耦合器的组合形式光电耦合器的组合形式(a)(b)(c)(d)光电耦合器的组合形式该形式结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内。该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。光电传感器v思考题：v1.光电器件有哪几种，属于何种光电效应？v2.叙述外光电效应的光电倍增管的工作原理。若某光电倍增管的4，倍增极数目为n=10,输出阳极电流为20A。试求光电倍增管的电流放大倍数和阴极电流大小。v3.试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异,给出什么情况下应选用哪种器件最为合适的评述。光电传感器THE END光电传感器
