光电位置传感器

二相驱动
输出寄存器
检波二极管 视频输出
垂直转移 寄存器
感光区
二相驱动
光栅报时钟
(c)
图(c)所示结构是用得最多的一种结构形式。 它将图(b)中感光元件与存储元件相隔排列。即一 列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。 在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开 ，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫 周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上 移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信 号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形 成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但 单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。
线型CCD图像传感器
3．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。 图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄 存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路 将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上 ，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极 管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像 信号。这种结构易于引起图像模糊。
(b)
(c)
(d)
光电耦合器的组合形式
2. 光电开关
光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收， 并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得 最终的控制输出“开”、 “关”信号的器件。 图 8-21 为典型的光电开关结构图。图 (a) 是一种透射式的光 电开关， 它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。 当不透明 的物体位于或经过它们之间时， 会阻断光路，使接收元件接收 不到来自发光元件的光，这样就起到了检测作用。 图(b)是一种 反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平 面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体 经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时 则接收不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与 TTL、 MOS 等电路容易结合。
目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能 生产的产品的单元数也越来越多，最多已达1024×1024 像元。我国也能生产512×320像元的面型CCD图像传感 器。
5、光ห้องสมุดไป่ตู้耦合器件



光电耦合器件是由发光元件（如发光二极 管）和光电接收元件合并使用, 以光作为 媒介传递信号的光电器件。 光电耦合器中的发光元件通常是半导体的 发光二极管, 光电接收元件有光敏电阻、 光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。 根据其结构和用途不同，又可分为用于实 现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物 体的光电开关。
输入 输入 输出
输出
(a )
(b )
图8-20 光电耦合器组合形式
三、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。
1. 光电耦合器的结构
绝缘玻璃 发光二极管 发光二极管 塑料
光敏三极管
透明绝缘体 (a)金属密封型
透明树脂
光敏三极管 (b)塑料密封型
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，以此来提高灵敏度。
1．太阳电池电源
太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、 调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载 供电，则加一个直流－交流变换器，太阳电池电源系 统框图如图。
调节控制器
阻塞二极管
太阳 电池 方阵 直 流 负 载 逆 变 器 交 流 负 载
太阳能电池电源系统
2．光电池在光电检测和自动控制方面的应用
光电池作为光电探测使用时，其基本原理
与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造
工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外
加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率
特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、 光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、 紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。
光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路
防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。 为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量， 因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报 警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输 过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加， 光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到 达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的 强弱便可反映烟道浊度的变化。
2．线型CCD图像传感器
线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行 且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅, 如图4.4-4(a)所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公 共电极 , 由一个 P 型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照 射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚 集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成 正比。在光积分时间结束时 , 转移栅上的电压提高 ( 平时 低电压 ), 与 CCD 对应的电极也同时处于高电压状态。然 后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷 并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降 低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积 分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将 存储的电荷从CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复 地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。
2 3 2 3 在待测转速的轴上固 定一个涂上黑白相间 条纹的圆盘，它们具 有不同的反射率。当 转轴转动时，反光与 不反光交替出现，光 电敏感器件间断地接 收光的反射信号，转 换为电脉冲信号。
1 (a)
1 (b)
光电数字式转速表工作原理图
三、光电池应用
光电池主要有两大类型的应用： 将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能 转换成电能，即太阳能电池。这是全世界范围内人们所 追求、探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已 在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、 日常生活和交通事业中得到广泛应用。目前太阳电池发 电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳电池技术 不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池定将获得更广泛 的应用。 将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度 高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的 光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主 要用于光电检测和自动控制系统中。 光电池应用举例如下：
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。
2. 光电耦合器的组合形式
光电耦合器的组合形式有多种，如图4.4-7所示。
(a)
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。
3.2.7 光电位置传感器（PSD)
Position Sensitive Detectors
二、光固态图象传感器
光固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件 集 合 而 成 。 它 的 核 心 是 电 荷 转 移 器 件 CTD(Charge Transfer Device), 最常用的是电荷耦合器件 CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年问世以后，由于它的低 噪声等特点，CCD图象传感器广泛的被应用在微光电视 摄像、信息存储和信息处理等方面。
图 (a)为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相 似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相 同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系 统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行 纠正，以此达到跟踪的目的。
+12V R2
R5 R6 R4
BG1 R1
W
BG2 R3
(a) 光电追踪电路
图 (b) 所示电路为光电开关，多用于自动控制系统 中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。 当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大 于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目 的。
平行 光源 烟道
光电 探测
放大
显示
刻度 校正
报警器
吸收式烟尘浊度检测系统原理图
二、光电转速传感器
下图是光电数字式转速表的工作原理图。 图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘， 在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达 光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲 信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由 该脉冲频率决定。
反射物 发光元件 窗 接收元件 壳体 接收元件 发光元件
壳体
导线 导线 (a ) (b )
图8-21 (a) 透射式； (b) 反射式
＋Vcc ＋Vcc R CD45 8 4 R R
＋Vcc
SN7 41 4
(a )
(b )
(c)
图8-22 光电开关的基本电路
第五节 光电传感器的应用举例
一、烟尘浊度监测仪
二相驱动
视频输出
P2 P3
P1
沟阻 感光区 析像单元
检波二极管 行 扫 描 发 生 器
输 出 寄 存 器
感光区
二相驱动
P1 P2 P3
存储区
视频输出
P2 P3
P1
输出栅
串行读出
(a)
(b) 面型CCD图像传感器结构
图（ b ）所示结构增加了具有公共水平方向 电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周 期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的 电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结 束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期 内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是 将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器， 该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信 号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始 下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、 电极简单等优点，但增加了存储器。
Ф3
0
t0 t1 t2
t3
t
P1
P2
P3
P1 P2 P3
t=t3 (a )
(b)
电荷转移过程
三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电 极 P1,P2,P3, 依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲 Φ1 ， Φ2 ， Φ3，见图（ b ）。 CCD 电荷的注入通常有光注入、 电注入和热注入等方式。图(b)采用电注入方式。当P1极 施加高电压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）；当P2极加 上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来 在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）；当P1回 到低电位时，电荷包全部流入 P2 下的势阱中（ t=t2 ）。 然后，p3 的电位升高， P2 回到低电位，电荷包从 P2 下转 到P3下的势阱（t=t3），以此控制，使P1下的电荷转移到 P3下。随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一 端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子， 送入放大器处理，便实现电荷移动。
1．CCD的结构和基本原理
输入栅 Ф1 输入二极管
Ф2
Ф3
输出栅 输出二极管
SiO2
P型Si 耗尽区
电荷转移方向
CCD的MOS结构
CCD 是由若干个电荷耦合单元组成，该单 元的结构如图所示。 CCD 的最小单元是在 P 型 （或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的 SiO2 ， 再 在 SiO2 层 上 依 次 沉 积 铝 电 极 而 构 成 MOS的电容式转移器。将MOS阵列加上输入、 输出端，便构成了CCD。 当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬 底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正 偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子） 被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中 Ф1 极下），形成电荷包（势阱）。对于 N 型硅 衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流 子为空穴。
目前，实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如 图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移 到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用 下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形 成了原来光敏信号电荷的顺序。
光积分单元 转移栅 不透光的电荷转移结构 (a) 光积分区 转移栅 (b) 输出 输出
如何实现电荷定向转移呢？电荷转移的控制方法， 非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相 等控制方式之分。下面以三相控制方式为例说明控制电 荷定向转移的过程。见图
P1 P 2 P3
P 1 P 2 P3 t=t0 Ф
P1
P2
P3
P1
P2 P3
t=t1
Ф1
Ф2
P1 P 2
P3
P1 P2 P3 t=t2