12 光电传感器(第十章)

1、第十章 光电传感器主要内容：10.1 光电效应 10.2 光电器件10.3 光纤传感器10.4 CCD图像传感器10.5 光栅式传感器 1 1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。 2一、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780106nm 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。 光谱分布如图所示。 概 述3远紫外近紫外可

2、见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/m波数/cm-1频率/Hz光子能量/eV1061051041035105510451031015510141014510131001015050.551015101631018光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波长和频率的关系为 的单位为Hz，的单位为cm。 =31010cm / s4光都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为h普朗克常数，6

3、.62610-34Js；光的频率（单位s-1）。可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。5光源（发光器件）1.白炽光源 用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，一般白炽灯的辐射光谱是连续的。 发光范围：可见光、大量红外线和紫外线。 特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差。 62.气体放电光源利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。 气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。 7低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射

4、波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，目前荧光剂的选择范围很广，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如，照明日光灯。 气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/21/3。83.发光二极管（LEDLight Emitting Diode） 由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快寿命长、体积小、重量轻，因此获得广泛的应用. 半导体中，由于空穴和电子的扩散，在PN结处形成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴则由P区注入

5、到N区，称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子形式放出能量，因而有发光现象。9 电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）。所放出的光子能量用h表示，h为普朗克常数，为光的频率。则普朗克常数h=6.610-34J.s；光速c=3108m/s；Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.610-19J。 hc=19.810-26mWs=12.410-7meV。可见光的波长近似地认为在710-7m以下，所以制作发光二极管的材料，其禁带宽度至少应大于h c /=1.8 eV 普通二极管是用锗或硅制

6、造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。10 发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。U/V I/mA 注意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。一般而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V以下。 -10 -5 0 12GaAsP(红)GaAsP(绿)11 发光二极管的光谱特性如图所示。图中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长p 。除峰值波长p决定发光颜色之外，峰的宽度（用

7、描述）决定光的色彩纯度，越小，其光色越纯。0.20.40.60.8 1.0 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs发光二极管的光谱特性/nm相对灵敏度124、激光器激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24m到远红外整个光频波段范围。激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器13（1）固体激光器典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明

8、的第一台激光器。它的工作物质是固体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激光器）和钕玻璃激光器等。特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到几十太瓦。 固体激光器在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。 14（2）气体激光器工作物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。 15（3）半导体激光器与

9、前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。 （4）液体激光器种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。 16 光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号，具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛

10、。 光敏器件种类很多， 如： 光电管、 光敏二极管、 光电倍增管、 光敏三极管、 光敏电阻、 光电池、 光电耦合器、 光纤等等。 光信号光电传感器电信号17指纹锁指纹门禁光 电 鼠 标18料位自动控制电动扶梯自动启停 光电开关19 第一节 光电效应光电效应可分为： 外光电效应 内光电效应 光电导效应 光生伏特效应 定义：对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作是一连串光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应

11、，这种物理现象称为光电效应。20(1)外光电效应在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。 每个光子具有的能量是： 普朗克常数( ) 光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大 J.S 21由能量守恒定律有：爱因斯坦光 电效应方程A 电子的逸出功； 一个电子逸出的动能（能量）；光照射物体时，物体中电子吸收入射光子的能量E ，当物体吸入的能量超出逸出功A时电子就会逸出物体表面，产生光电子发射。超出的能量就表现在电子逸出的动能上。 能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。 22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，称为红限频率或波长限。光线

12、频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。23 紫外管外形 当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。 紫外线24(2)内光电效应光电导效应： 入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应 这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，由于在

13、入射光作用下电子吸收光子能量，从价带激发到导带过度到自由状态，同时价带也因此形成自 由空穴，使导带电子和价带空 穴浓度增大引起电阻率减小。 为使电子从价带激发到导带， 入射光子的能量E0应大于禁带 宽度的能量Eg。 基于光电导效应的光电器件 有光敏电阻。导带价带电 子 吸 收 光 子 能 量禁带光 E0自由状态EgE0电 子25光生伏特效应： 光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？ 下面分两种情况讨论： 不加偏压时的PN结 处于反偏时的PN结PN电子空穴- - -+ + +-+光源26 不加偏压时的PN结(势垒效应/结光电效应）

14、 当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁带宽度（E0 Eg）,可激发出电子空穴对在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动势. 基于这种效应的器件有光电池PN电子空穴- - -+ + +-+光源27 处于反偏时的PN结： 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； 有光照时，光子能量足够大产生光生电子空穴对， 在PN结电场作用下，电子 N，空穴 P运动， 形成光电流；光电二极管一般反向连接。 电流方向与反向电流一致， 光照越大光电流越大。 具有这种性能的器件有： 光敏二极管、光敏晶体管 从原理上讲，不加偏压的 光电二极管就是光电池。EPN电

15、子空穴- - -+ + +-+光源I28 第二节 光电器件（1）光电管 光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极、阳极，光阴极涂有光敏材料，当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（EA），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形 成电子流，电流在回路电阻 R上 产生正比于电流大小的压降。入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比 29光电管主要用于：分光光度计、 光电比色计等分析仪器 和各种自动装置 。30（2）光电倍增管 光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做

16、光电转换元件。 光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。31入射光阴极K第一倍增极第二倍增极第三倍增极第四倍增极阳极A32 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几A，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大，下图为其内部结构示意图。1. 结构和工作原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。即光

17、电倍增管的放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。33（1）倍增系数M 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数的乘积。如果n个倍增电极的都相同，则M= 因此，阳极电流 I 为 I = i i 光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数为 = I / i =M与所加电压有关，M在105108之间，稳定性为1左右，加速电压稳定性要在0.1以内。如果有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间的电压为10002500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50100V。对所加电压越稳越好，这

18、样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。 2. 主要参数34 103 104 105 106255075100125极间电压/V 放大倍数光电倍增管的特性曲线35（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm(光通量流明)，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。 36（3）暗电流和本底脉冲 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里

19、避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。 如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。 37光电倍增管的光照特性与直线最大偏离是3%10131010109107105103101在45mA处饱和10141010106102光通量/1m阳极电流/ A（4）光电倍增管的光谱特性 光谱

20、特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。对于较好光谱特性的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。38（3）光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应 结构：在玻璃底板上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。AE电极半导体玻璃底板RLEIRG391. 光敏电阻的工作原理和结构 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使

21、光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光导体材料的禁带宽度Eg，即 h= = Eg(eV) 式中和入射光的频率和波长。 一种光电导体，存在一个照射光的波长限C，只有波长小于C的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加。40 光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体限，因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一

22、般采用硫状图案，结构见下图。41光敏电阻 当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。421-光导层; 2-玻璃窗口; 3-金属外壳; 4-电极;5-陶瓷基座; 6-黑色绝缘玻璃; 7-电阻引线。RG1234567(a)结构 (b)电极 (c)符号它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种硫状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图（c）是光敏电阻的代表符号。CdS光敏电阻的结构和符号43光敏电阻光照特性 无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值； 有光照时，电阻值随光强增加而降低； 光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。 光敏

23、电阻主要参数 暗电阻 无光照时的电阻； 暗电流 无光照时的电流； 亮电阻、亮电流 受光照时的阻值、电流； 光电流 亮电流与暗电流之差称光电流 。 光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。 实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。 44光敏电阻演示 当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）45 伏安特性 给定偏压 光照越大光电流越大； 给定光照度 电压越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性 曲

24、线不弯曲、无饱和， 但受最大功耗限制。 光照度 Lx = lm （流明）/s 单位面积的光通量 46光照特性下图表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一般在自动控制系统中用作光电开关。012345I/mA L/lx1000200047温度特性 温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。如图所示。有时为了提高灵敏度，或为了能

25、够接收较长波段的辐射，将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。光敏电阻温度特性48(4) 光敏二极管和光敏三极管光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。 特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高; 广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。 电梯平层用光电开关光电开关器件49 光敏二极管 光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个PN结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率大面积受光，PN结面积比一般二极管大。注：发光二极管与光敏二极管不同，发光二极管利用固体材料发光（电致发光），材料不同发光颜色不同，是一种将电能 光能的器

26、件，加正向电压时，在N-P的电子、空穴结合过程中发射一定频率的光信号。工作时加正向电压。PN光RL 光PN50工作原理： 光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态， 无光照时，反向电阻很大， 反向电流很小； 有光照时，PN结处产生光生 电子空穴对； 在电场作用下形成光电流， 光照越强光电流越大； 光电流方向与反向电流一致。 REDg51光敏二极管 将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。 52 光敏二极管的反向偏置接线及光电特性 在没有光照时，由于二极管反向偏置，反向电流（暗电流）很小。 当光照增加时，光电流I与光

27、照度成正比关系。 光敏二极管的反向偏置接法UO+光照53 基本特性： 光照特性 图是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。光电流与照度成线性关系。 54 伏安特性 当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。 温度特性， 由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。 55 光敏三极管 与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极集电极结作为光敏二极管，集电结做受光结，另外集电极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。 大多数光敏晶体管的基极无引线，无论NPN、PNP一般集电结加反偏。玻璃封装上

28、有个小孔，让光照射到基区。NNPcbe56ICIBeEBECIERCRbcbNNP普通三极管ICeECIERCcNNPb光敏三极管基区很薄，基极一般不接引线；集电极面积较大。57硅（Si）光敏晶体极管一般都是NPN结构，光照射在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。 58 光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很

29、难区别。 59(5)光电池（有源器件） 光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，太阳能电池，所以广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。 光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。硒、硅光电池转换效率高、价廉；砷化镓材料的光谱响应与太阳光谱吻合、耐高温和宇宙射线。光 电 池 符 号60光电池外形光敏面61 结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下面有一抗反射膜，下电极是一层衬底铝。 原理：当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.

30、2V0.6V电压50mA电流。 光电池结构 光电池工作原理图 62 光照特性 开路电压光生电动势与照度之间关系；开路电压与光照度关系是非线性关系，开路电压在照度2000lx趋于饱和，非线性。 短路电流光电流与照度之间关系称短路电流曲线，短路电流是指外接负载相对内阻很小时的光电流。 实验证明，RL小线性范围好，具体根据光照大小而定，通常RL100 作控制元件时当电流源使用。光电池光照特性 63 光照特性 实验证明，RL小线性范围好，具体根据光照大小而定，通常RL100 作控制元件时当电流源使用。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx50 10010005000RL=064光电池电路连接 光电池作为电源使用时的不同连接。需要高电压时应将光电池串联使用； 需要大电流时应将光电池并联