光电技术-色敏光生状重点.ppt

1、3.2.5 色敏光生伏特器件,色敏光生伏特器件是根据人眼视觉的三原色原理，利用不同结深PN结光电二极管对不同波长光谱灵敏度的差别，实现对彩色光源或物体颜色的测量。色敏光生伏特器件具有结构简单、体积小、重量轻，变换电路容易掌握，成本低等特点被广泛应用于颜色测量与颜色识别等领域。 例如彩色印刷生产线中色标位置的判别，颜料、染料的颜色测量与判别，彩色电视机荧光屏彩色的测量与调整等等，是一种非常有发展前途的新型半导体光电器件。,1双色硅色敏器件的工作原理,双色硅色敏光传感器的结构和等效电路如图3-19所示。它是在同一硅片上制作两个深浅不同PN结的光电二极管PD1和PD2组成的。,浅PN结的PD1的光谱

2、响应峰值在蓝光范围，深结PD2的光谱响应峰值在红光范围。,双结光电二极管只能通过测量单色光的光谱辐射功率与黑体辐射相接近的光源色温来确定颜色。用双结光电二极管测量颜色时，通常测量两个光电二极管的短路电流比（ISC2/ ISC1）与入射波长的关系（如图3-21所示），从关系曲线中不难看出，每一种波长的光都对应于一个短路电流比值，根据短路电流比值判别入射光的波长，达到识别颜色的目的。,如图3-22(a)所示的“CIEl931-RGB系统标准色度观 察者光谱三刺激值曲线rgb”。从曲线中看到/r、/g、/b光谱三刺激值有一部分为负值，计算很不方便，又难以理解。因此1931年CIE,新的国际通用色度系

3、统，称为“CIEl931-XYZ系统”。它是在CIE1931-RGB系统的基础上改用三个假想的原色x、y、z所建立的一个新的色度系统。,在该系统中也定出了匹配等能量光谱色的三刺激值 、 、 ，得出了如图3-22(b)所示的“CIEl931-XYZ标准色度观察者光谱三刺激值曲线xyz”。根据以上理论，对任何一种颜色，都可由颜色的三刺激值X、Y、Z表示，计算公式为,x,y,z,(3-27),可以识别混合色光的三色色敏光电器件。图3-23为非晶态硅集成全色色敏传感器的结构示意图。,它是在一块非晶态硅基片上制作三个检测元件，并分别配上R、G、B滤色片，得到如图3-24所示的近似于CIE1931-RGB

4、系统光谱三刺激值曲线，通过R、G、B输出电流的比较，即可识别物体的颜色。,图3-25为一种典型硅集成三色色敏器件的颜色识别电路方框图。从标准光源光发出的光，经被测物反射，投射到色敏传感器后，R、G、B三个光电二极管输出不同的光电流，经运算放大器放大、AD转换，将变换后的数字信号输入到微处理器中。,测量前应对放大器进行调整，使标准光源发出的光，经标准白板反射后，照到色敏器件上时应满足,R=G=B=33%,3.2.6 光伏器件组合器件,光伏器件组合件是在一块硅片上制造出按一定方式排列的具有相同光电特性的光伏器件阵列。它广泛应用于光电跟踪、光电准值、图像识别和光电编码等应用中。用光电组合器件代替由分

5、立光伏器件组成的变换装置，不仅具有光敏点密集量大，结构紧凑，光电特性一致性好，调节方便等优点，而且它独特的结构设计可以完成分立元件无法完成的检测工作。,1、象限阵列光伏器件组合件,2、线阵列光伏器件组合件,3、楔环阵列组合件,3.2.7 光电位置敏感器件（PSD）,1. PSD器件的工作原理,当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为xA时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻p型层分别由电极1与2输出。设p型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过n型层上电极的电流I0为I1和I2之和。,I0= I1+I2,2.

6、一维PSD器件,一维PSD器件主要用来测量光斑在一维方向上的位置或位置移动量的装置。图3-34（a）为典型一维PSD器件S1543的结构示意图，其中1和2为信号电极，3为公共电极。它的光敏面为细长的矩形条。,图3-35所示，为一维PSD位置检测电路原理图，光电流I1经反向放大器A1放大后分别送给放大器A3与A4，而光电流I2经反向放大器A2放大后也分别送给放大器A3与A4，放大器A3为加法电路，完成光电流I1与I2相加的运算（放大器A5用来调整运算后信号的相位）；放大器A4用作减法电路，完成光电流I2与I1相减的运算。,3.二维PSD器件,如图3-36（a）所示，在正方形的PIN硅片的光敏面上

7、设置2对电极，分别标注为Y1，Y2和X3，X4，其公共N极常接电源Ubb。二维PSD器件的等效电路如图3-36（b）所示,为了减少测量误差常将二维PSD器件的光敏面进行改进，改进后的PSD光敏面如图3-37所示图形，四个引出线分别从四个对角线端引出，光敏面的形状好似正方形产生了枕形畸变。这种结构的优点是光斑在边缘的测量误差被大大地减少。,3.3 光生伏特器件的偏置电路,3.3.1 反向偏置电路,图3-40所示为光生伏特器件的反向偏置电路。其中图（a）为反向偏置电路的原理电路图，图（b）为反向偏置电路图。光生伏特器件在反向偏置状态，PN结势垒区加宽，有利于光生载流子的漂移运动，使光生伏特器件的线

8、性范围和光电变换的动态范围加宽。,1.反向偏置电路的输出特性,在如图3-40所示的反向偏置电路中，Ubb时，流过负载电阻RL的电流IL为,2.输出电流、电压与辐射量间的关系,暗电流都很小，可以忽略不计。,反向偏置电路的输出电压与入射辐射量的关系为,输出信号电压U为,例3-1 用2CU2D光电二极管探测激光器输出的调制信号e,=20 +5sint（W）的辐射通量时，若已知电源电压为15V，2CU2D的光电流灵敏度Si=0.5A/W，结电容Cj=3 pF，引线分布电容Ci=7 pF，试求负载电阻RL=2M时该电路的偏置电阻RB为多少？并计算输出信号电压最大情况下的最高截止频率为多少？,解 首先求出

9、入射辐通量的峰值m m=20+5=25W 再求出2CU2D的最大输出光电流Im Im=Sim =12.5(A) 设输出信号电压最大时的偏置电阻为RB，则 RBRL=Ubb/Im=1.2M,于是可以求出偏置电阻RB值为 RB=3 M 输出电压最大时的最高截止频率fb为,3.反向偏置电路的设计与计算 反向偏置电路的设计与计算常采用图解法，根据光电三极管（或光伏器件）的反向偏置电路图与其输出特性曲线，可以求解出任何入射辐射作用下的输出电压信号。也可以根据题目的要求，设计出偏置电路的各种参数。,例3-2 已知某光电三极管的伏安特性曲线如图3-42所示。当入射光通量为正弦调制量v,=55 +40sint

10、 lm时，要得到5V的输出电压，试设计该光电三极管的变换电路，并画出输入输出的波形图，分析输入与输出信号间的相位关系。,解 : 首先根据题目的要求，找到入射光通量的最大值与最小值 max=55+40=95 lm min=5540=15 lm 在特性曲线中画出光通量的变化波形，补充必要的特性曲线。,再根据题目对输出信号电压的要求，确定光电三极管集电极电压的变化范围，本题要求输出电压为5V，指的是有效值，集电极电压变化范围应为双峰值。即 Uce=22U14V 根据偏置电路可知，入射为最大时输出电压应最小，但不能进入饱和区。为此，在max特性曲线的“拐点”右侧找一点“A”并做垂线交横轴于“C”点，从“C” 向右量14V，找“D”点。由“D”做垂线交入射为最小的min特性曲线与“B”。通过“A”、 “B”做直线，此线即为负载线。由负载线可以得到负载电阻RL和电源电压Ubb。 显然， “C”点电压为3.7V ， “D”点电压为17.7V 。电源电压Ubb 近似为19V，取标称电压20V。,电源电压Ubb取标称电压20V后可以适当地修正负载线，RL=5k。 根据入射光通量正弦变化关系可以在特性曲线的电压坐标轴上画出输出电压信号的波形如图所示。 由波形图可以看出输出电压信号与入射辐射为反向关系。,3.3.2 零伏置电路,如图3-43所示为采用高输入阻抗放大器构成的近似零伏偏置电