传感器原理与应用第八章 光电传感器.ppt

第八章光电传感器第一节常用光电器件一 光敏电阻二 光电池三 光敏二极管和光敏晶体管四 常用光电器件的应用第二节光栅传感器一 莫尔条纹二 光栅传感器的组成三 辨向原理四 细分技术第三节固态图像传感器一 CCD基本结构二 CCD工作原理三 CCD图像传感器的结构 第八章光电传感器 光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器 它的物理基础是光电效应 具有结构简单 性能可靠 精度高 反应快等优点 在现代测量和自动控制系统中 应用非常广泛 是一种很有发展前途的新型传感器 一般由光源 光学器件 光电元件三部分组成 光源发射出一定光通量的光线 由光电元件接受 在检测时 被测量使光源发射出的光通量变化 因而使接受光通量的光电元件的输出电量也发生变化 实现将被测量转换成电量 输出的电量可以是模拟量 也可以是数字量 光是一种电磁波 不同波长的光分布如图这些光的频率 波长 虽然不相同 但都有反射 折射 散射 衍射 干涉和吸收等性质 光电传感器常用光源有 白帜灯光源 气体放电光源 碳灯 低压高压水银灯 钠弧灯 汕弧灯 气体激光器 氦氖 二氧化碳 氩离子激光器 固态激光器 半导体激光器 发光二极管等 第一节常用光电器件光是由具有一定能量的粒子组成 根据爱因斯坦光粒子学说 每个光子所具有的能量E与其频率f的大小成正比 即E hf 式中h 6 626 10 34J S 为普朗克常数 光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的轰击 物体吸收光子能量而产生相应的电效应 即光电效应 这是实现光电转换的物理基础 光电器件的作用原理是基于一些物质的光电效应 光电效应依其表现形式的不同 通常可分为三大类 光电导效应 光照改变半导体的导电率 从而引起半导体电阻值的变化效应 光敏电阻属于这类光电效应器件 光生伏特效应 光照改变半导体PN结电场 从而引起PN结电势的变化效应 故又称PN结光电效应 光电池 光敏晶体管等属于这类光电效应器件 光电发射效应 某些物质 如金属丝 在光的照射下 能从表面向外部发射电子的现象 称之为光电发射效应 利用这种效应制作的光电器件有光电管和光电倍增管 光电发射效应发生在物体的表面 因而又称之为外光电效应 相应地 光电导效应和光生伏特效应被称为内光电效应 本文下面仅介绍几种常见的内光电效应器件及其应用 从阴极开始及在每个倍增极间依次加上加速电压 设每极倍增率为 经过N次倍增极后 光电倍增管的光电流倍增到 N 称为二次电子反射比 因此 有非常小的光功率输入可得到相当大的电流 半导体光电导效应内部机理如图8 1所示 一 光敏电阻1 光敏电阻的光电效应光敏电阻是典型的光电导效应器件 无光照时 其阻值很高 有光照时 其阻值大大下降 光照越强阻值越低 光照停止 又恢复高阻状态 图8 1光电导效应能带图 半导体受光照时 其共价键中的价电子吸收光子能量 由价带穿越禁带到达导带 成为光生自由电子 使得半导体中自由电子 空穴对增加 导电率提高 电阻值下降 光照停止时 失去光子能量的光生自由电子又重新迭落回价带与空穴复合 自由电子 空穴对减少 导电率下降 电阻值提高 图中Eg称为禁带宽度 价电子吸收的光子能量E Eg时 才能穿越禁带成为自由电子 光照越强 具有能量E的光子数越多 光生自由电子 空穴对越多 电阻值越小 光照停止或光强减小使E Eg时 光生自由电子又迭回价带成为价电子 使电阻值增加或恢复高阻状态 每个光子所具有的能量E数学表达式 E hf hc 频率越高 或波长越短 光子所具有的能量就越大 产生自由光生电子的入射光临界波长 0为满足E Eg有 0 1242 Eg nm Si的禁带宽度Eg为1 2ev Ge0 75ev 硫化镉cds2 4ev CdSe1 8ev 说明 1 光照越强 表明具有hf能量的光子数越多 价带电子吸收光子能量的机会越多 成为导带电子机会越 电导率越大 2 空穴在价带内运动参与导电 电子在导带内运动参与导电 紫外光光子能量大于红外光电子能量 图8 2是光敏电阻光电效应实验电路 当偏压U一定时 检流计指示电流I的大小决定于光敏电阻上的光照强度 图8 2光敏电阻光电效应实验电路 无光照时 检流计指示的电流很小 此时的电流称之为暗电流 此时光敏电阻的阻值很高 相应称之为暗电阻 暗电阻通常为兆欧级 有光照时 检流计指示的电流较大 此电流称之为亮电流 此时 光敏电阻的阻值显著减小 相应称之为亮电阻 亮电阻一般为千欧以内 由光照所产生的自由电子 空穴流称之为光电流 显然光电流是亮电流与暗电流之差 由于暗电流很小 在工程分析时可把亮电流看成光电流 2 光敏电阻种类光敏电阻是一个纯电阻性两端器件 适用于交 直流电路 因而应用广泛 种类很多 对光照敏感的半导体光敏元件都可以制成光敏电阻 目前人类已开发应用的光波频谱范围为0 1HZ 1021HZ 相应的波长为3 109m 0 3Pm 半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波 按其最佳工作波长范围可分为三类 1 对紫外光敏感元件紫外光是指紫外线 波长 10 380nm 的内侧光波 波长约300 380nm 对这类光敏感的材料有氧化锌 ZnO 硫化锌 ZnS 硫化镉 CdS 硒化镉 CdSe 等 这类敏感元件适于作 射线检测及光电控制电路 2 对可见光敏感元件可见光波长范围约380 760nm 对这类光敏感的材料有硒 Se 硅 Si 锗 Ge 及硫化铊 TiS 硫化镉 CdS 等 尤其是TiS光敏元件 它既适用于可见光 也适用于红外光 这类敏感元件适用了光电计数 光电耦合 光电控制等场合 3 对红外光敏感元件红外光是红外线 波长 760 1 106nm 的内侧光波 波长约760 6000nm 对这类光敏感的材料有硫化铅 PbS 硒化铅 PbSe 锑化铟 InSb 等 这类敏感元件主要用来探测不可见目标 图8 3部分光敏元件的光谱特性 3 光敏电阻的基本特性 1 光谱 响应 特性光敏电阻的光谱特性是指光电流对不同波长单色光的相对灵敏度 图8 3表示部分光敏元件的光谱特性 其中硫化锌对波长为300nm左右的紫外光最敏感 硫化镉光敏波长的峰值在670nm左右 硫化铊的敏感波长范围很宽 约300 1400nm 其峰值波长为1000nm左右 硫化铅具有很宽的敏感波长范围 其峰值波长约2300nm 0 7峰值左右为敏感波长峰值范围 光照强度 照度 是物体被照明的程度 也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比 单位是Ix l勒克斯是1流明的光通量均匀照射在1平方米面积上所产生的照度 光照强度的测量用照度计 光照 产生自由电子空穴对 光照停止 电子空穴复合 需要一定时间 灯光控制器安装在驾驶室仪表板上方 傍晚尾灯亮 光线更暗前灯亮 会车时 还具有自动变光功能 当光照射到PN结上时 如果光子能量足够大 就将在PN结附近激发出大量的电子 空穴对 在PN结电场作用下 N区的光生空穴被拉向P区 P区的光生电子被拉向N区 其结果在P区聚积正电荷 带正电 在N区聚积负电荷 带负电 即在P区和N区间形成一定伏特数的电位差 称之为光生电势 图8 8光电池的光电效应 2 光电池的基本特性光电池的种类很多 如硒光电池 锗光电池 硅光电池 砷化镓光电池 氧化亚铜光电池等 不同种类光电池性能差异很大 其中硅光电池性能最好 其光谱范围宽 频率特性好 换能效率高 且工作性能稳定 1 光谱特性光电池对不同波长光的灵敏度是不同的 不同材料的光电池对入射光波长的敏感范围是不同的 图8 9为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线 从图中可知 硅光电池敏感波长范围是450 1100nm 峰值波长为800nm 硒光电池敏感波长范围是380 750nm 峰值波长在500附近 可见 硅光电池适应光波长的范围比硒光电池宽得很多 图8 9光电池的光谱特性 图中短路电流是指光电流输出端短路时的电流 即光生电流 硅光电池短路电流密度约为15 30mA cm2 此电流在很宽的光照范围内都具有线性关系 因而光电池宜作电流源使用 图中开路电压是指光电池输出端开路时的电压 即光生电势 单片硅光电池的开路电压约为0 45 0 6V 此电压在2000LX以内光照下趋于线性 在2000LX以上为非线性 因而光电池不宜作电压源使用 图8 11是光电池开路电压和短路电流的实验电路 在此实验电路中 忽略了光电池PN结结电容及PN结漏电流的影响 由图可知 硅光电池的开路电压随温度升高而迅速下降 温度每上升1 开路电压约降低3mV 硅光电池的短路电流随温度升高而缓慢上升 温度每上升1 短路电流约增加2 A 由于温度变化对光电池的光电转换性能影响很大 因而光电池在作为测量元件使用时 一定要有恒温或温度补偿措施 同时 在强光照射时必须考虑光电池PN结的热容限及散热措施 通常 硅光电池使用温度不允许超过125 光电池种类很多 但主要的是硅光电池 国产系列有方型和圆型 适用于光电检测 近红外探测 光电读出 光电耦合 光栅测距 光电开关 硅蓝光电池作色探测器 及太阳能电池等 三 光敏二极管和光敏晶体管1 光敏管的光电效应光敏二极管和光敏晶体管也是典型的光生伏特性效应器件 图8 14是光敏二极管的原理结构和基本电路 图8 14光敏二极管原理结构和基本电路 工作于反向偏置状态下的光敏二极管具有典型的光生伏特效应 无光照射时 处于反偏状态下的光敏二极管呈高阻截止状态 只有少数载流子形成极小的暗电流 当有光照射时 光生电子和空穴在PN结电场和外加反向偏压的共同作用下 形成光电流I 光照越强 光激发的光生电子和空穴越多 形成的光电流越大 光敏二极管呈低阻导通状态 图8 15是光敏晶体管的原理结构和基本电路 图8 15光敏晶体管原理结构和基本电路 光敏晶体管是在光敏二极管的基础上 为了获得更大的电流增益 根据一般三极管的电流放大原理 利用硅或锗单晶制成的NPN或PNP结构 如图8 15所示 光敏晶体管亦有发射区 基区和集电区 基区是受光区 为了扩大光的照射面 基区的面积比较大 光敏晶体管的基区通常无电极引线 工作时相当于基极开路 因而无光照射 只能形成很小的暗电流 当有光照射时 基区产生的光生电子和空穴形成基极电流 此电流在外加集电结反偏电压作用下 放大而成为集电极电流 由此可见光敏晶体管有光照时的输出电流是光生电流的 倍 因而有比光敏二极管更高的灵敏度 2 光照特性光敏二极管与光敏晶体管的光照特性有明显不同 以硅管为例如图8 17所示 光敏二极管的光照特性近似为线性关系 光敏晶体管的光照特性为非线性 照度较小时 光电流随光照度加强而缓慢增加 当光照度较大时 光电流又趋于饱和 放大倍数在小电流和大电流时都要下降的缘故 光敏晶体管不利于弱光和强光检测 a 光敏二极管 b 光敏晶体管图8 17硅光敏管的光照特性 3 伏安特性图8 18为硅光敏管在不同照度下的伏安特性 由图可见光敏管的输出电流与所加的偏置电压关系不大 具有近似的恒流特性 光敏晶体管比光敏二极管的光电流大近百倍 因而具有更高的灵敏度 光敏二极管在零偏压下就有一定的电流输出 光敏晶体管有一段死区电压 a 光敏二极管 b 光敏晶体管图8 18硅光敏管的伏安特性 5 温度特性无论是硅管还是锗管 对温度的变化都比较敏感 温度升高 热激发产生的电子 空穴对增加 使暗电流上升 尤其是锗管 其暗电流较大 温度特性较差 如图8 20 a 所示 温度升高对光电流影响不大 如图8 20 b 所示 对于在高温低照度下工作的光敏晶体管 此时暗电流上升 亮电流下降 使信噪比减小 为了提高信噪比 应采取相应的温度补偿或降温措施 图8 20光敏管的温度特性 四 常用光电器件的应用常用光电器件用途很广 可组成各种实用的光电传感器 下面仅举几例 1 光电耦合器光电耦合器是由一个发光器件和一个光电转换器件组成 一般用金属或塑料外壳封装 其中发光器件通常都是发光二极管 光电转换器件一般是光敏二极管或光敏晶体管 如图8 21所示 图8 21光电耦合器的组合形式 a 通用光耦 b 高速光耦 c 高效光耦 d 高速高效率光耦 1 光电转换器光电耦合器按光电转换器的不同可分为四种类型 如图8 21所示 图中 a 的光电转换器是一只光敏晶体管 这种光耦结构简单 成本低 常用于50KHZ以下工作频率 称之为通用光耦 图中 b 的光电转换器是由一只光敏二极管和一只高速开关管组成 由于光敏二极管比光敏三极管的响应速度快得多 光敏二极管与高速开关管配合 可获得1 s左右的响应速度 故称这种光耦为高速光耦 图中 c 的光电转换器是由一只光敏晶体管和一只放大管组成 此时虽然入射的光很小 但输出电流可达几十mA 故称其为高效光耦 可以直接驱动后级电路或执行器 图中 d 的光电转换器是一个具有高速 高效率的固态光电转换器件 称之为高速高效光耦 用于高速大功率电路中 2 发光二极管发光二极管是只有一个PN结的半导体器件 最常用的发光二极管是砷化镓发光二极管 它和普通二极管一样 管芯是一个具有单向导电性能的PN结 在正向偏压作用下 PN结空间电荷区势垒下降 引起过量的载流子注入 注入的电子与空穴加速复合时释放出光子能量 即把电能转换成光能 砷化镓发光二极管的峰值波长约880nm 940nm 发出的是近红外光波 对硅和锗光敏器件都比较敏感 2 光电转速计图8 24是光电转速计原理图和计数输出电路 这里的光源可以是自炽灯泡 光电转换器是一只光敏晶体管 当旋转轴转动时 光通过遮光盘上的透光孔照射到光敏晶体管3DU33上 将光信号转换为电信号 经4069反向器整形输出电脉中 根据电脉冲的个数就知道旋转轴的转速 图8 24光电转速计 a 原理图 b 电路图 3 反射式固体表面粗糙度计图8 25是固体表面粗糙度计原理图 光源发出一定照度的光入射到被测固定的表面上 一部分被表面吸收 一部分反射到光电池上 被测表面越光滑 反射到光电池上的光越强 光电池输出电压越大 根据电压表指示的电压数 就可以判断被测表面的粗糙度 图8 25固体表面粗糙度计 4 透射式薄膜厚度计图8 26是薄膜厚度计原理图 光源发出一定照度的光经准直透镜调制成平行光束 垂直入射到被测薄膜上 一部分被薄膜吸收和反射 一部分穿过薄膜出射到光电池上 薄膜越薄 出射光越强 光电池输出电压越大 根据这种原理 不但可以用于检测薄膜的厚度 印刷机纸张监控 还可以检测液体的混浊度 或气体和固体的透明度 图8 26薄膜厚度计 5 红外遥控器红外遥控器在现代工业控制和家用电器中的应用越来越广泛 红外遥控器由红外遥控信号发射器 红外遥控信号接收器 遥控指令编码器等部分组成 红外遥控信号发射器电路如图8 27所示 图8 27红外信号发生器电路图 红外遥控信号发射器由键盘矩阵 M50642AP集成电路信号发生器 陶瓷谐振器 砷化镓红外发光二极管等组成 M50642AP集成信号发生器主要由键输入编码电路 键位扫描脉冲电路 键命令译码电路 多重键判别电路 定时器电路 振荡电路 编码调制电路和输出缓冲电路等组成 图8 28是红外遥控信号接收器应用电路 由光敏二极管和CX20106集成电路组成 集成电路内部设置有放大电路 整形电路 滤波电路及限幅电路等 红外遥控信号发射器发射出的遥控信号 被红外信号接收器接收后 调理成二进制数字脉冲由脚7输出 再送入遥控器接口电路 红外遥控器具有电路结构简单 成本低 操作方便 功能强等优点 红外遥控器在室内使用时 由于近红外光波具有可见光的反射特性 红外信号发射器发射的红外光波 可以通过室内的墙壁反射到红外信号接射器的光敏二极管上 因而发射器不必对准接收器 这样可以提高遥控的方便性 特别适合于家用电器的遥控 图8 28红外信号接收器电路图 一 常用光电器件及工作原理1 光敏电阻无光照高阻有光照电阻光照越强电阻2 光电池pN无光照无光生电势有光照产生光生电势p n 或光生电流光照越强光生电势光生电流3 光敏二极管I反偏工作无光照高阻有光照在pn结电场 外加电场共同作用下 形成光电流4 光敏三极管I无光照基极开路暗电流小有光照产生光生电流Ib集电极电流IC 倍光生电流 二 光谱特性光敏电阻 光电流对不同波长单色光的相对灵敏度 制成光敏电阻的材料不同 灵敏度不同 光电池 光生电势对不同波长单色光的敏感程度 光敏管 光电流对不同波长单色光的敏感程度 三 光照特性光敏电阻 偏压一定时 光电流I与光照强度E的关系 E愈大 I愈大 非线性 光电池 光生电势U或光生短路电流与光照强度E的关系 E愈大 U愈大 非线性 E愈大 I愈大 线性 适于作电流源负载电阻小的场合 光敏管 光电流I与光照强度E的关系 E愈大 I愈大 硅光敏二极管近似线性 硅光敏三极管非线性 光照较大时 光电流I趋于饱和 四 四 伏安特性光敏电阻 光照强度一定时 其端电压U与光电流I的关系 U愈大 I愈大 线性关系 有最大允许功耗 最大允许电压参数要求 光敏管 一定照度下 光敏二极管反向偏压与偏流关系 两者关系不大 近似恒流 二极管零偏压下有暗电流 光敏三极管集射间电压与集电极电流的关系 近似恒流 有死区电压 五 频率特性光敏电阻 光电流I与入射光调制频率f的响应特性 f愈高 Kr电流相对灵敏度愈低 光照愈强 响应时间愈短 光电池 光电池输出电流与入射光调制频率f的关系特性 硅管频率特性好于锗管 光敏管 输出电流I与入射光调制频率f的响应特性 光敏二极管是半导体光敏器件中最好的 负载电阻愈大 频率特性愈差 硅管好于锗管 六 温度特性光敏电阻 工作特性受温度影响特性 T 暗电阻 暗电流 敏感光波长左移 光电池 开路电压U 或短路电流I随温度变化的关系 TU 3mv 度 I 2 A 度 须恒温 或温度补偿 光敏管 输出电流与温度变化关系 T 暗电流 高温低照度下 暗电流大 亮电流小 信噪比下降 须降温或温度补偿 T对亮电流影响不大 第二节光栅传感器光栅传感器是用于测位移的光电传感器 光透过光栅照射到光电器件上 根据光栅的莫尔条纹现象 可实现角位移或线位移的测量 用来测量角位移的光栅称作圆光栅 用来测量直线位移的光栅称作直光栅 其工作原理是一样的 这里仅介绍直线位移光栅传感器 一 莫尔条纹1 光栅光栅又称光栅尺 光栅尺是由在光学玻璃上面均匀刻有许多线条 形成规则排列的透光和不透光的明暗条纹所组成 如图8 29所示 图中m为暗条 不透光条 宽度 n为亮条 透光条 宽度 W m n称之为光栅的栅距或光栅常数 通常 即亮条和暗条具有相同的宽度 亮条 或暗条 密度有每毫米10 25 50 100线 mm等 图8 29直光栅尺 2 莫尔条纹形成把光栅常数W相等的两光栅尺相对叠合在一起 并使两光栅尺栅条之间保持很小的夹角 如图8 30 a 所示 在与栅条近乎垂直的方向出现明暗相间的条纹 称之为莫尔条纹 图中在a a线上的两光栅尺重合 光线可从其缝隙中透过 形成亮带 在b b线上 两光栅尺彼此错开 挡住光线通过 形成暗带 图8 30 a 莫尔条纹的形成 图8 30 b 莫尔条纹的间距 3 莫尔条纹的主要特性 1 莫尔条纹的间距对光栅常数W具有放大作用由式 8 1 可知 由于形成莫尔条纹的两光栅尺的夹角 1rad 即BH等于1 倍的W 例如 当W 0 02mm 0 01rad时 则BH 2mm 将W放大了100倍 2 莫尔条纹具有消除光栅尺局部缺陷引起的误差由于光栅尺在制作时工艺的分散性 难免有的光栅尺的栅条或栅条间距存在着局部缺陷 但这些缺陷不会引起莫尔条纹的误差 因为在测量时 光电元件上接收到的光信号 是透过众多栅条形成亮带的光信号 光栅尺的局部缺陷对亮带透光量影响极小 3 莫尔条纹的移动大小和方向可以反映两光栅尺相对移动大小和方向由图8 30可知 当固定斜光栅尺 左右移动直光栅尺时 莫尔条纹则作上下移动 若被测体跟随直光栅尺移动 则可根据莫尔条纹移动的大小和方向 判断被测体移动的大小和方向 二 光栅传感器的组成根据莫尔条纹特性制作的光栅位移传感器 按光路形成方式可分为两大类 即反射式光栅传感器和透射式光栅传感器 1 透射式光栅传感器图8 31是透射式光栅传感器原理图 图8 31透射式光栅传感器图 2 透镜的作用是把光源发出的光变换成平行光束 垂直投射到主光栅上 3 主光栅又称标尺光栅 它有固定的光栅常数W 亮条宽度n和暗条宽度m 通常 测位移时 被测体保持与主光栅相同的位移大小和方向 1 光源常用钨丝灯泡或砷化镓发光二极管 钨丝灯泡有较大的输出功率 较宽的工作温度范围 40 130 但使用寿命短 要定期更换 砷化镓发光二极管输出功率低 工作温度范围 66 100 也略小 但其与光敏晶体管组合比钨丝灯泡与光敏晶体管组合转换效率高 约30 且响应速度快 约2 s 可使光源工作在触发状态 以减小功耗和热耗散 4 指示光栅比主光栅短得多 通常具有与主光栅相同的光栅常数和亮 暗条宽度 测位移时 指示光栅不动 主光栅移动 5 光电元件常用光电池或光敏晶体管 在光电元件输出端常接放大器 以获得尽可能大的信号输出 以提高抗干扰能力 2 反射式光栅传感器图8 32是反射式光栅传感器原理图 光源发射的光 经聚光镜和物镜后形成平行光束 以一定的角度穿过指示光栅 射向主光栅 这里的主光栅不形成透射光 照射到主光栅上的光产生反射光后与指示光栅形成莫尔条纹 此莫尔条纹光再经反射镜反射 物镜组聚焦后投射到光电元件上 以实现位移的测量 8 32反射式光栅传感器 三 辨向原理利用莫尔条纹测量位移时 由单个光电元件接收的莫尔条纹光信号 只能是随莫尔条纹移动而强弱变化的光信号 这种光强变化不能反映莫尔条纹的移动方向 为了辨别莫尔条纹移动方向 至少需要两个光电元件接收莫尔条纹光信号 如图8 33 a 所示 在相距1 4莫尔条纹间距BH上分别安装一个光电元件1和2 当主光栅移动时 透过莫尔条纹的光照射到两光电元件上 两光电元件将产生相位差为 2的电信号 透过莫尔条纹的光理论上是三角波 但由于光的衍射作用 其结果照射到光电元件上的光波接近正弦波 因而光电元件输出的电压u1和u2是相差 2的正弦波 图8 33 b 是辨向电路 a 两光电元件 b 辨向电路图8 33光栅传感器辨向原理 c 主光栅左移 d 主光栅右移图8 33光栅传感器辨向原理 c 主光栅左移 d 主光栅右移图8 33光栅传感器辨向原理 四 细分技术由前面分析可知 主光栅每位移一个栅距W 辨向电路就产生一个电脉冲 即分辨率为一个栅距 例如 若光栅尺刻线密度为每毫米100条 则栅距W 1000 m 100 10 m 即分辨率为10 m 增加光栅尺刻线密度 可以提高分辨率 但加大了光栅尺的制作难度 为了提高分辨率 目前普遍采取的方法是 在选择合适的栅距W前提下 对栅距W进行细分 即使主光栅每位移一个栅距 产生多个脉冲输出 即减小辨向电路输出脉冲间隔 提高计数脉冲的频率 故又称倍频细分 下面介绍两种基本的细分技术 1 四倍频直接细分 1 用四个相距1 4莫尔条纹间距BH光电元件当采用四个相距1 4莫尔条纹间距BH光电元件接收莫尔条纹的透过光时 在四个光电元件上将产生依次相差 2相角的四个正弦电压信号 用鉴零器分别取4个信号的零电平 即在每个信号有负到正过零点时发出一个脉冲 此时 主光栅每位移一个栅距 辨向电路将输出四个电脉冲 实现四倍频直接细分 这种细分的方法受到安装光电元件个数的限制 不可能得到很高的细分 在采用四细分情况下 栅距为4 每mm250条刻线 的光栅 分辨率可从4 提高到1 2 对u1 和u2 都取反如图8 33 b 辨向电路 若对u2 也取反 则可得到u1 u1 和u2 u2 四个矩形脉冲 即在主光栅位移一个栅距W期间 可以得到四个等间隔的计数触发脉冲 从而实现四倍频直接细分 但这种细分的方法受到辨向电路结构的限制 也不可能得到很高的细分 四倍频直接细分方法简单 可用于分辨率要求不太高的场合 此式 8 6 说明 选择不同的R1和R2 可得到 在0 2 范围内变化 对应地可以获得主光栅移动量X在0 W范围内细分 从理论上说 在0 W范围内是可以任意细分 从而得到很高的位移分辨率 实际上受多方面影响 分得越细 误差越大 因而这种细分也是有限的 光栅位移传感器多用于机床加工及精密仪器中 直光栅移动范围最大为1000mm 分辨率可达0 1 m 圆光栅可测整圆角度 分辩率可达0 5s 第三节固态图像传感器固态图像传感器是指在同一半导体衬底上生成若干个光敏单元与移位寄存器构成一体的集成光电器件 其功能是把按空间分布的光强信息转换成按时序串行输出的电信号 即将其感光面上的光像转换成与光像成相应比例关系的电信号 图像 固态图像传感器与电视摄像管相比 具有体积小 重量轻 耗电少 耐振动 抗电磁干扰 坚固耐用等优点 目前不足之处是分辩率不高 图像质量还赶不上摄像管 固态图像传感器的敏感元件有多种类型 目前应用最广泛的是电荷耦合器件 ChargeCoupledDevice CCD 还有电荷注入器件CID 戽链式器件BBD及MOS等器件 电荷耦合器件CCD是一个硅光敏半导体器件 由MOS光敏元件阵列 光电转换 和读出移位寄存器组成 感光原理 图像是由像素组成行 由行组成帧 对于黑白图像来说 每个像素应根据光的强弱得到大小不同的电信号 并且在光照停止之后仍能把电信号的大小保持记忆 直到把信息传送出去 这样才能构成图像传感器 光电转换 电荷读出 一 CCD基本结构CCD是由按一定规律排列的MOS 金属一氧化物一半导体 阵列组成 阵列中的每一个基本单元是一个MOS电容器 MOS基本单元是在P型 或N型 硅单晶的衬底上生成一层很薄 约120nm 的SiO2绝缘层 再在其上沉积一层金属铝电极 因而具有金属一氧化物一半导体三层结构 如图8 35 a 所示 a 单元结构 b 等效电容图8 35MOS基本单元 当衬底采用P型Si时 金属电极上应加正偏压 即AL电极为正 衬底为负 在正偏压作用下 界面Si侧的正离子 P型半导体中的多数载流子 受到排斥 形成一个耗尽区 此耗尽区剩下有多余的负离子 少数载流子 故称之为少子耗尽区 耗尽区是一个低电势区 故又称其为势阱 正偏压越大 势阱越深 能收集的电子越多 但是 在外界没有电荷注入的情况下 只有热生电子掉入势阱而形成暗电流 如此同时热生空穴流向衬底 并很快达到热平衡状态 这一短暂的过程 称之为热驰豫过程 达到稳定状态的MOS基本单元可等效为一个电容器 如图8 35 b 所示 其等效电容为 式中COX 以SiO2为介质的电容 Cd 以衬底Si为介质的耗尽区电容 8 7 二 CCD工作原理1 信号电荷的注入在没有外界电荷注入时 CCD各单元势阱可看成空阱 CCD中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到 CCD用作图像传感器时 信号电荷由光生载流子即光注入得到 当有光照时 光子能量大于半导体禁带宽度 光生电子在正偏压下迅速注入势阱 光照越强 注入的光生电子就越多 此时势阱中的光生电子数反映光照强度 故称势阱中的电荷为信号电荷 这样 就把光的强弱变成电荷的数量的多少 实现光电的转换 势阱中的电子是被存储状态 即使停止光照 一定时间内不会丢失 实现对光的记忆 由于CCD的MOS单元密集 相邻两单元间距小于3 m 众多单元势阱收集的不等信号电荷数 可以反映一幅空间的光图像 总之 CCD结构实质上是一个微小的MOS电容 用它构成像素 即可感光 又可留下潜影 感光作用是靠光强产生的积累电荷 潜影是各个像素留在电容器里的电荷不等形成的 若能设法将各个电容器里的电荷依次传送到输出电路 再组成行和帧 并经过显影 就实现了图像的传递 CCD用作信号处理或存储器件时 电荷输入采用电注入 2 信号电荷的转移为了实现信号电荷的读出 首先需要将各势阱中的信号电荷转移到移位寄存器中去 信号电荷的转移是在每次曝光结束时 通过转移栅的控制 即时迅速地将各势阱中的信号电荷一次并行转移至移位寄存器 移位寄存器也是MOS结构 与感光区的MOS结构完全一样 只是多了一个遮光层 通常在衬底的底部 避免进入移位寄存器的信号电荷再次感光 3 信号电荷的读出移位寄存器中的信号电荷是在一定相序的偏置脉冲电压作用下 按照一定的方向移位输出 目前 偏置脉冲电压可分二相 三相和四相 下面以三相脉冲驱动结构为例 介绍信号电荷的读出操作 图8 36三相时钟脉冲电压前沿陡峭 后沿倾斜 图8 36是MOS阵列移位寄存器三相偏置脉冲电压 各MOS单元分三组 如MOS1 4 7 为一组 MOS2 5 8 为一组 MOS3 6 9 为一组 各组的电极同接于一相脉冲电压下 如 1接MOS1 4 7 2接MOS2 5 8 3接MOS3 6 9 在三相时钟脉冲电压 1 2 3作用下 移位寄存器中的信号电荷由左向右移位串行输出 如图8 37所示 当时钟t0 t t1时 1为高电平 接于 1下的MOS1 4 7 各单元电极下的势阱最深 接收的信号电荷最多 2和 3均为低电平 接于 2和 3下的各单元电极下无势阱 如图8 37 a 所示 当时钟t1 t t3时 1电平下降 2为高电平 此时接于 1下的各单元势阱中的电荷向 2极下右移 接于 1下的各单元势阱由深变浅 接于 2下的MOS2 5 8 各单元电极下有深阱 3仍为低电平 接于 3下的各单元电极下仍无势阱 如图8 37 b 所示 当时钟t3 t t5时 1变为低电平 接于 1下的各单元势阱消失 此时 2电平下降 3变为高电平 接于 2下的各单元势阱中的电荷向 3极下右移 接于 2下的各单元势阱由深变浅 接于 3下的MOS3 6 9 各单元电极下的势阱变为深阱 图8 37移位寄存器中信号电荷的左移 由上分析可知 MOS阵列中的信号电荷是按照一定的时序不断地注入 并行转移寄存 串行移位输出 通常电荷注入 感光 时间较长 20 30ms 以获得足够的光强信息 转移寄存和输出的时间短 s级 且采取遮光措施 避免信号电荷受到干扰而使输出的图像模糊 由图8 37分析的信号电荷转移的过程 实际上是相邻MOS单元电荷耦合的过程 因而把这种MOS阵列结构的器件称之为电荷耦合器件 CCD 由于不象摄像管需要电子束扫描 故又称自扫描器件 这种具有感光 摄像 光电转换 信号电荷转移及串行输出的CCD功能器件 成像速度快 目前广泛应用于对运动物体的摄像 传真 遥测 文字或图像信息的识别等许多领域 三 CCD图像传感器的结构利用CCD功能器件制成的