第八章光电传感器

上午2时56分
（三）面阵式CCD图像传感器
上午2时56分
二，半导体光电位置敏感器件（PSD）
横向光电效应：当光照射到PN结上时，除了产生结电 势外，还将产生侧向光生电动势。
N区
电场
-
+ + +
P区
-
光生电 动势
N区
上午2时56分
-
P区
N区光生空穴被拉 向P区，P区光生电 子拉向N区.
光电池的结构原理
光电池工作原理图 光电池的构造图
上午2时56分
光电池的种类
硅光电池
硒光电池
上午2时56分
2，光电池基本特性 （1）光谱特性 见图8-8，不同材料， 峰值位置不同。可根据光源 光电池，以 获最佳光谱响应。 硅光电池：0.45～1.1um
光电倍增管基本特性
（2）放大倍数_M
在一定的工作电压下，光电倍 增管的阳极信号电流与阴极信号 电流之比。
M─倍增管放大倍数
iA M ik
工作电压增高，光电倍增管的放 大倍数也越大。 U↑→M↑→ F ↑
上午2时56分
（3）阳极特性：
阳极电流
阳极特性是指阳极电 流对于最后一级倍增 极和阳极间电压的关 系。 照射在光电阴极上的 光通量越大，相应阳 极电流越大。 对于电压：呈饱和曲 线
热电阻≈12～16倍冷电阻。 为防止启动时过电流，可采用恒流源 供电或灯丝预热。 2，电源电压： <额定电压→使用寿命长 >额定电压→使用寿命短
上午2时56分
（二）发光二极管（LED） （固体发光光源）
用半导体P-N结将电能 机理 机理
转化 光
在形成PN结时：
电子和空穴扩散。内电场 阻止电子和空穴的进一步扩 散。形成势垒。 在P-N结两端加电压：势垒 的高度和宽度减小，从而克 服能带势垒。 电子从N区流向P区， 空穴从P区流向N区。 电子空穴流过P-N结时，产 生复合，释放能量：发光
上午2时56分
§8－2光电传感器的基本元件
光电传感器的基本元件－光源、光学元件、光电元件
一，光源
热辐射光源： 白炽灯 普通电光源： 气体放电灯： 氖灯，日光灯 固体发光光源： 发光二极管
上午2时56分
（一）白炽灯 靠电能将灯丝加热至白炽而发光。 多采用钨丝作灯丝。
1，钨丝正电阻特性： 在工作时的电阻（热电阻）>>冷态 （20℃）时的电阻（冷电阻）。
上午2时56分
二，光学元件与光路：
即：反射镜、透镜 构成光路
光敏电阻
三，光电元件
光电元件就是用来把 光→电量 的一种器件
（一）光敏电阻（又称光导管）
原理 在光线作用下，电子吸收能量，从“键合状态”过渡 到“自由状态”，而引起材料电导率的变化（电阻值 变化），这种现象称为“光导效应”。 光照的光子能量→半导体材料→产生电子-空穴载流 子→电导率↑ （电阻率↓）
上午2时56分
光敏管的响应时间常数一般：
10 4 ~ 10 5 ( S )
（四） 光电倍增管
利用外光电效应和二次电子发射相结合， 把微弱的光输入转化为光电子，并使光电子获得倍增的一种光电 器件。
特点
放大倍数很高，可达106─108 ，用于 探测微弱信号； 光电特性的线性关系好 ； 工作频率高达100MHZ ； 性能稳定，使用方便 ； 供电电压高； 玻璃外壳，抗震性差； 价格昂贵，体积大；
暗电流随温度升高而增加。原因：热激发
上午2时56分 在一定温度范围内，温度的变化对光电流的影响较小。
（5）频率特性：
光敏管的频率响应是指具 有一定频率的调制光照射 时，光敏管输出的光电流 （或负载上的电压）随频 率的变化关系。 由曲线可知，减小负载 电阻RL，可以提高响应 频率，负载不变，频率 提高，输出降低。 应根据频率选择最佳 负载。
上午2时56分
（4）光电特性： 阳极电流Ia随照射到光阴极上的光 通量Φ的增大而增大。 ①饱和曲线 阳极电流
②光通量Φ ↑→Ia↑
例： 10 ~ 10
4 13
lm 线性3％
10
4
lm
非线性
上午2时56分
阳极电流Ia与光通量Φ关系：
4, 光电倍增管的基本电路
上午2时56分
§8－3新型光电元器件
U-I关系曲线
结论
上午2时56分
2、在给定电压下，光电流的大 小随光照的增强(lx)而增大。
光敏电阻主要参数和基本特性（续） （3）光照特性（光电特性）： 光敏电阻的光电流I与光通量 的关系曲线称为光敏电阻的光 照特性。 讨论
光电流与光通量关系曲线 （光电流）
饱和
∵呈曲线特性，I=f(Φ),非线性， 光照较大时，出现饱和。 ∴不宜做光通量变化的光 电元件，而作开关元件。 上午2时56分
Kr Kr
能量太小 不能达到PN结
硅: K r 0.98m K r max 锗: K r 1.5 m K r max
确定光源和光电器件的最佳 匹配 上午2时56分
光敏晶体管基本特性
（2）光照特性
照度 结论 1、光敏二极管线性好； 反向电压越大，光电流 越大； 2、光敏三极管起始灵 敏度底； 在大电流时有饱和现象。 （图中未画出）。
光敏电阻的光电流有惯性。 上升时间t1 下降时间t2=时间常数
上午2时56分
频率响 应较好
频率响 应较差
光敏电阻主要参数和基本特性（续）
（6）温度特性
1, 暗电阻 (暗电流 ) 2, 光电流 灵敏度 温度↑ 3, 光谱特性曲线 → （峰值）向短波 方向移动
lm（光通量）
光敏电阻主要参数和基本特性（续） （4）光谱特性：灵敏度K与波长关系 讨论 图8-5：不同材料的光敏电 阻具有不同的光谱特性，光源 的发光波长应当与光敏电阻光 谱特性峰值的波长相接近，以 提高灵敏度。
上午2时56分
光敏电阻主要参数和基本特性（续）
（5）响应时间与频率特性 频率特性－光电器件输出电压 （电流）的振幅或相对灵敏度 随入射光通量的调制频率的变 化关系。 时间常数－光敏电阻自停止光 照到电流下降到原来的63％所 需要的时间。
光电倍增管基本特性 3，基本特性 ： （1）积分灵敏度（阳极灵敏度）——

F
光阴极对于一定波长辐射的光的灵敏度称为光谱灵敏度。 对于复合光（白光）的灵敏度称为积分灵敏度，可以用光照 灵敏度表示：



F
F
M
─106数量级，单位A/lm； ─阴极积分灵敏度；
M—倍增管放大倍数。
上午2时56分
一般用电阻温度系数表示：

上午2时56分
R2 R1 100 % (T2 T1 ) R2
（二）光电池
1， 原理： 光生伏特 效应： PN结合 N区
+ +
由于热运动 电子 空穴
-
N区电子向P区扩散 P区 P区空穴向N区扩散 在PN结形成电场， 阻止扩散。 在光照作用下，
+ + + + +
光wenku.baidu.com
选择
硒光电池：0.34～0.57um
上午2时56分
（2）光照特性：
2，光电池基本特性 光生电动势与照度之特性
光电流密度与照度之特性 饱和
①开路电压曲线
E f ( E e)
光生电动势 照度
②短路电流曲线
J
c
f ( E e)
光电流密度
所谓光电池的短路电流 是指外接负载电阻相对于它 的内阻来讲很小时的电流值。
第八章：光电式传感器
上午2时56分
§8－1基本工作原理
光电式传感器基本原理：
被测量
光量变化
电量
光电式传感器基本元件：
核心
光电元件
光源
光学元件 （1）开关型
光电式传感器基本类型：
（光电转速表，光电继电器等）
（2）光通量变化型（光电位移计，光电式测振计等）
上午2时56分
（3）图像型
（CCD）
外光电效应——在光线的作用下，物体内的电子
光照愈强，阻值愈低。
上午2时56分
光敏电阻主要参数和基本特性 （1）光电流： 无光照─暗电阻 MΩ ─暗电流 有光照─亮电阻 ≤KΩ ─亮电流 光电流＝亮电流-暗电流
（2）伏安特性： 光敏电阻两端所加的电压与电流的 关系曲线。
1、在恒定的光照下，光敏电阻 是线性电阻，服从欧姆定律； 即外加电压越高，光电流越大；
上午2时56分
2，光电池基本特性 注意：短路电流JC与负载电阻有关，应实际实测 硅光电池在不同负载电阻情况的光照特性。
负载电阻↓→
J
c
f ( E e) _线性好
负载电阻>200Ω→
J
c
f ( E e) _显著变坏
负载 短 路 电 流
上午2时56分
2，光电池基本特性 光的调制频率f与相对输出电流 （3）频率特性： 之间的关系。
上午2时56分
上午2时56分
光电倍增管结构
倍增系统
光点阴极
——光窗（Input window ) ——光电阴极(Photo cathode) ——电子光学系统 ——电子倍增系统(Dynodes) ——阳极(Anode)
上午2时56分
光窗
由高速电子冲击而使物体产生 1，二次电子发射： 电子发射的现象。
逸出物体表面，而向外发射的现象。（光电管、光 电倍增管等）
上午2时56分
每个光子能量：
E hv
光的频率(s-1)
普朗克常数h=6.626×10－34（J.S）
光线F
K A
阴 阳
逸出功：A0
爱因斯坦光电效应方程：
1 2 hv A0 mV0 2 电子质量
讨论
电子逸出速度
i
光电管G
M
U
R
1、光电子能否产生取决于光子的能量是否大于该物体的表面逸出功； 2、入射光的光谱不变，产生的光电流与光强度成正比关系，光越强，意味 着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多；
上午2时56分
一，电荷耦合摄象器件 CCD
（Charge Coupled Device）
（一）基本组成部分
原理
一个完整的CCD器件由光敏元 阵列、读出移位寄存器、其它 辅助输入输出电路组成。
上午2时56分
1，MOS光敏元
组成结构： 图8-20 势阱→光生电子 →电荷色→象素（MOS） 光敏元阵→光生电荷图象 （与光照强度对应）
短路电流I（T）
曲线变化 ↗ 缓慢
结论
光电池作测量元件时， 为防温度漂移须恒温或温度 补偿。
上午2时56分
（三）光敏晶体管
一，光敏管的结构和工作原理 光敏二极管
反偏电压 光照→ PN结受光子轰击→ PN结产生电子-空穴对→ （光生）少数载流子增加→反向电流增大
上午2时56分
光照↑

转换
电流↑
上午2时56分
2，移位寄存器
读出移位寄存器是电荷 图像的输出电路，如图 所示。
它也是MOS结构，它是 在半导体的底部覆盖上 了一层遮光层，防止外 来光线的干扰。
读出移位寄存器结构原理
上午2时56分
3、电荷的输出
如图所示为利用二极管 的输出方式。
电荷输出
上午2时56分
（二）线阵式CCD图像传感器
光敏三极管：
光电流＝基极电流 集电极电流＝ ( 1) 基极电流 结论
上午2时56分
光敏三级管灵敏度优于光敏二极管
二，光敏晶体管基本特性 在一定照度下，光敏晶体管输出的光 （1）光谱特性：电流（或相对光谱灵敏度）随波长的 变化而变化。
相对光谱灵敏度：
K Kr 100 % K max
3、光电子逸出物体表面具有初动能，因此光电管即使没有阳极电压，也会 上午2时56分 有光电流产生。
内光电效应——受光照的物体电导率发生变化，
或产生光生电动势效应，称为内光电效应。 （1）光导效应－在光线的作用下，电子吸收光子能量从健合状 态过渡导自由状态而引起材料电阻率的变化。（光敏电阻） （2）光生伏特效应－在光线的作用下，能够使物体产生一定方 向电动势的现象。（光电池、光敏晶体管）
较高的频率响应
光电池作为测量、 计算、接收元件，时常 用调制光输入。则频率 特性指相对输出电流
随调制光的调制频率变 化的关系。见图8-10
较差
相对输出电流：
高频输出电流 I r 低频最大输出电流
上午2时56分
2，光电池基本特性 （4）温度特性：
当温度↗ 开路电压U（T） 曲线变化 ↘ 快 温度特性是指开路电压和短路电流 随温度变化的关系。
光电阴极
上午2时56分
阳极

I 2 二次电子发射数量 I1 一次电子发射数量
二次发射系数
几百万电子伏特动能的电子落到物体表面上 2，工作原理： 时，将一部分的能量传给该物体中的电子， 使这些电子从物体表面逸出。
原理图

D1
D3
A
D2
D4
K
上午2时56分
阴极
U D1 U D 2 U D 3 ... U R
上午2时56分
Ic(Ec)关系
光敏晶体管基本特性
（3）伏安特性：
1、光敏三极管比光敏 二级管灵敏度大上百倍； 2、在零偏压下时，光 敏二极管仍有光电流输 出，而三极管没有。 （这是由于光电二极 管存在光生伏特效应 的缘故）
上午2时56分
（4）温度特性：
（a）暗电流－温度特性
（b）光电流－温度特性