光电传感器在生活中的应用-

CCD 构造 CCD 工作过程可分为电荷存储、电荷转移、电荷输出和图像信息还原 四个阶段。
二、CCD 工作过程
1、电荷存储 构成CCD基本单位是MOS电容器，类似于MOS晶体管结构，和其他电容器一样，MOS 电容器能够储存电荷。当金属电极(称为栅)加正电／玉04(衬底接地)，在电压的 作用下，就会产生—个垂直于衬底表面的电场。在此电场的作用下，P型硅中的 多子空穴被向下排斥，形成耗尽层。电子在那里势能较底，可以形象化地说， 形成了电子的势阱，势阱中能够容纳多少个电子，取决于势阱的“深浅”，栅电 压越大，势阱越深。 2、电荷转移 若CCD基本单位MOS电容器之间排列足够紧密(通常相邻MOS电容电极间隙小于 31-Lm)，使相邻MOS电容的势阱相互沟通。即相互耦合。那么就可使信号电荷(电 子)在各个势阱中转移，并力图向表面势S最大的位置堆积。因此，在各个栅极上 加以不同幅值的正向脉冲C，就可改变它们对应的MOS的表面势s，亦即可改变势 阱深度，从而使信号电荷由浅阱向深阱自由移动。就电荷转移方式来讲，CCD有 二相、三相、四相等多种结构形式。 3、电荷输出 电荷输出结构有多种形式，如“电流输出”结构、“浮置扩散输出”结构及“浮 置栅输出”结构。其中“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出”结构应用最广泛。
• CCD(Charge Coupled Devices，CCD)由大量独立光敏元件组成，每个光敏元
件也叫—个像素。这些光敏元件通常是按矩阵排列的，光线透过镜头照射到 光电二极管上，并被转换成电荷。每个元件上的电荷量取决于它所受到的光 照强度，图像光信号转换为电信号。当 CCD 工作时，CCD 将各个像素的信息 经过模傲转换器处理后变成数字信号，数字信号以一一定格式压缩后存入缓 存内，然后图像数据根据不间的需要以数字信号和视频信号的方式输出。
关键字：光电传感器；CCD 图像传感器
正文
一、CCD 的工作方式
• CCD 和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼
的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成 视觉感应。 CCD 经过长达 35 年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。 CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电 子线路矩阵所组成。
图7 光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系，来达到测量目
的的，因此光电传感器的光源扮演着很重要的角色，光电传感器的电源要是一个 恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性， 常用光源有以下几种：
1、发光二极管 是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功 耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广 泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。
结图
构
4
示 意 图
光 电 倍
增
从图中可以看到光电倍增管也有一个阴极 K 和一个阳极 A，与光电管不同的 是在它的阴极和阳极间设置了若干个二次发射电极，D1、D2、D3…它们称为第一 倍增电极、第二倍增电极、…，倍增电极通常为 10～15 级。光电倍增管工作时， 相邻电极之间保持一定电位差，其中阴极电位最低，各倍增电极电位逐级升高， 阳极电位最高。当入射光照射阴极 K 时，从阴极逸出的光电子被第一倍增电极 D1 加速，以高速轰击 D1 ，引起二次电子发射，一个入射的光电子可以产生多个 二次电子， D1 发射出的二次电子又被 D1、D2 问的电场加速，射向 D2 并再次产 生二次电子发射……，这样逐级产生的二次电子发射，使电子数量迅速增加，这 些电子最后到达阳极，形成较大的阳极电流。若倍增电极有 n 级，各级的倍增率 为σ ，则光电倍增管的倍增率可以认为是σN ，因此，光电倍增管有极高的灵 敏度。在输出电流小于 1mA 的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的 线性关系。光电倍增管的这个特点，使它多用于微光测量。
图 5 光敏电阻的伏安特性 5、光电特性 光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称 为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。
三、光电传感器
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的 基本结构如图 6，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元 件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件 三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多, 传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常 广泛.
万方__ 光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。
光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足 够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的
导电性，这种现象成为外光电效应
根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为 hv(v 为光波频率，h 为普朗克常数，h＝6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率 的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交 给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部 分转换成电子能量。根据能量守恒定律：
结构、“浮置扩散输}Ij'’结构及“浮置栅输出”结 构。其中“浮置扩散输出”结构及“浮置栅输出” 结构应用最广泛，结构如下图： ∞∞ 图4CCD输出端形式 (a)浮置扩散输出(b)浮置栅输出 3．4图象信息还原 Bayer方式滤色器，R—G墙-G四个单元为 一组，G是R和B的两倍，因为人眼的视锥细胞 对绿色更敏感。现在数码相机普遍采用的方式： R—G卜B—Gb混合色亮度等于R、G、B各分量亮 度之和，根据R、G、B三分量比例来还原色彩。 4CCD主要参数 CCD主要参数有：总像素、有效像素、尺寸、 灵敏度、量子效率、光谱响应特性、转移效率、不 均匀度、动态范围、采样精度、线性度、噪声等。 图6光电二板管光谱响应 4．4转移效率 转移效率-q是指电荷包在进行每一次转移 中的效率，即电荷包从—个栅转移到下—个栅 时，有部分的电荷转移过去，余下1一-q部分没 有被转移。由于CCD中信号电荷包大都要经历 上千次的转移。即使值几乎接近1，但其总效率 往往仍然很低。例如，如果转移效率为0．999，转 移2000次的话．总效率只有0．135。S0009CCD 的转移效率为0．99999,平均转移2000次，总效 率为0．98。 4．5不均匀度 CCD成像器件不均匀性包括光敏元不均 匀和CCD(CMOS)不均匀。一般CCD是近似均 匀的，即每次转移效率是一样的。光敏元响应不 均匀是由于工艺过程及材料不均匀引起的．画 索越多，均匀性问题越突出，不均匀度是影响像 素提高的因素，也是成品率下降的重要原因。 CCD的成品率—般不足50％。 4．6动态范围／采样精度 上限取决于光敏礁粤阱容量，下限取决予 CCD能分辨的最小信号，即等效噪声信号。 动态范围=光敏元满阱信号辟效噪声信号 采样精度是指输出电荷经Aft)转换成数字 信号的位田it)数。采样精度越高，层次越多，图像 审
光电传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、 可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点， 因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。当前， 世界上光电传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光电 技术的日趋成熟，对光电传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。
流 I，在负载电阻 R L 上的电压 U0
光电管的光电特性如图 3 所示，从图中可知，在光通量不太大时，光电特 性基本是一条直线。
图 1 光电光结构示意图
图 2 光电管测量电路
图 3 光电管的光电特性
2.光电倍曾管 由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电 流能力的光电倍增管。图 4 是光电倍增管结构示意图。
式中，m 为电子质量,v 为使光电子逸出阴极表面的必要条件是 h>A。由于不同材料具
有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入
射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限
称为“红限”。相应的波长为
二、光电元件及特性
式中，c 为光速，A 为逸出功。 1 m 2 h - A 2
根据外光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。 1.光电管 光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，光 它的外形和结构如图 1 所示，半圆筒形金属片制成的阴极 K 和位于阴极轴心的金 属丝制成的阳极 A 封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光 子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量 增加 h。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功 A 时，它就可以克服金属表面 束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子，光电子逸出金属表面后的初
3、光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材料 的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电 阻的特性和参数如下：
1）暗电阻 光敏电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时 流过电阻的电流称为暗电流。 2)亮电阻 光敏电阻置于室温和一定光照条件下测得稳定电阻值称为亮电 阻，此时流过电阻的电流称为亮电流。 4、伏安特性 光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的电流间的关系称为 伏安特性，如图 5 所示。从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏 电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。
光电传感器在生活中的应用
——CCD 图像传感器
摘要：
在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人 们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来 实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。 由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光 电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精 度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术 中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。