第六章 光电传感器,第一节 光电效应及光电元件 第二节 光的产生和常见光源 第三节 光电传感器的类型及应用 第四节 CCD图像传感器概述 第五节 电荷耦合器件(CCD) 第六节 CCD的主要特性 第七节 CCD应用举例,光电式传感器概念,光电式传感器（或称光敏传感器） 是利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。 按工作原理分类 光电效应传感器 红外热释电探测器 固体图像传感器 光纤传感器,2019年5月19日,2,第一节 光电效应及光电元件,光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部件。 光电器件工件的物理基础：光电效应。 光电效应分为：内光电效应、外光电效应,2019年5月19日,3,外光电效应,当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。 即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。 根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。,2019年5月19日,4,光电管,2019年5月19日,5,光电倍增管,2019年5月19日,6,内光电效应,内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象 这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种,2019年5月19日,7,2019年5月19日,8,光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。如光敏电阻。 光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池。,内光电效应分类,2019年5月19日,9,一、光敏电阻传感器,（一） 光敏电阻的结构和工作原理,光敏电阻的结构与电路连接,2019年5月19日,10,如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：,2019年5月19日,11,光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积及工艺简单，故应用广泛。,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，致使光导体的电导率变大。,光敏电阻又称光导管是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。 无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。,2019年5月19日,12,2019年5月19日,13,（二）光敏电阻的主要参数和基本特性,1、暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流 光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流为暗电流。 在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。 亮电流与暗电流之差为光电流。,2019年5月19日,14,（2）光照特性 用于描述光电流与光照强度之间的关系。,多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。,光敏电阻的光照特性,2019年5月19日,15,（3）光谱特性,硫化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰值在红外区域。,图8-3 光敏电阻的光谱特性,故选用时要把元件和光源结合起来考虑。,2019年5月19日,16,(4) 伏安特性,所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。,在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。,图8-2 光敏电阻的伏安特性,500mW,101x,1001x,10001x,2019年5月19日,17,（5） 频率特性,时间常数：光敏电阻自停止光照起，到电流下降为原来的63%所需要的时间。,图8-12 光敏电阻的频率特性,多数光敏电阻的时间常数都很大。,2019年5月19日,18,(6) 温度特性,峰值随温度上升向波长短的方向移动。,图8-13 光敏电阻的光谱温度特性,2019年5月19日,19,初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏电阻的主要优点。 光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下几乎是无限长的。,（7）稳定性,2019年5月19日,20,二、 光敏二极管和光敏晶体管,1. 光敏二极管,光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。,光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。,2019年5月19日,21,2019年5月19日,22,2019年5月19日,23,I,当光照射时，光敏二极管处于导通状态。,当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。,2019年5月19日,24,2019年5月19日,25,2. 光敏三极管,集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且基极一般不接引线。,2019年5月19日,26,普通三极管,2019年5月19日,27,光敏三极管 基区很薄，基极一般不接引线； 集电极面积较大。,2019年5月19日,28,当集电极加上正电压，基极开路 时，集电结处于反向偏置状态。 当光线照射在集电结的基区时， 产生电子、空穴对，光生电子被 拉到集电极，基区留下空穴，使 基极与发射极间的电压升高，相当于给发射结加了正向偏压，使电子大量流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍。,基本工作线路：,2019年5月19日,29,3. 光敏晶体管的主要特性,(1) 光谱特性,存在一个最佳灵敏度波长,2019年5月19日,30,(2) 伏安特性,与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特 性一样。只需把光电流看作基极电流即可。,2019年5月19日,31,(3) 光照特性,故光敏三极管既可做线性转换元件， 也可做开关元件,近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。,2019年5月19日,32,(4) 温度特性,温度变化对光电流的影响很小，对暗电流的影响很大。故电子线路中应对暗电流进行温度补偿。,2019年5月19日,33,(5) 频率特性,减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降低。故使用时要根据频率选择最佳的负载电阻。硅管的响应频率比锗管的好。,几种硅光电二极管的特性参数,2019年5月19日,34,2019年5月19日,35,第二节 光电池,光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。,2019年5月19日,36,光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。,硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。 硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。 砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源方面应用最广。,2019年5月19日,37,光电池的结构和工作原理,光电池的结构图,硅光电池的结构如图。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结。,2019年5月19日,38,图8-11 光电池的工作原理示意图,当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。,若将PN结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,2019年5月19日,39,一、光谱特性,故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。,硅光电池的光谱峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。,图8-12 光电池的光谱特性,2019年5月19日,40,（二） 光照特性,不同光照射下有不同光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。,图8-13 光电池的光照特性,开路电压与光强是非线性的，且在2000 lx时趋于饱和。光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。,2019年5月19日,41,（三） 温度特性 主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。,开路电压随温度升高而下降的速度较快。 短路电流随温度升高而缓慢增加。 因此作测量元件时应考虑进行温补。,图8-14 光电池的温度特性,2019年5月19日,42,（四） 频率特性,硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。,光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。,光电池的频率特性,第二节 光的产生和常见光源,一、光的产生 二、常见光源,(一) 光的辐射,光是从实物中发射出来的，是以电磁波形式传播的物质。发光物质受激发而发光包括两个过程：激励和复合。激励是指在外界作用下，物体内带电粒子吸收能量，电子由低能态跃迁到高能态的过程常称为受激吸收。此时，受激物体处于非平衡状态。复合是指电子由高能态回到低能态，同时释放能量的过程。,(二) 光的产生方法,1.电致发光 2.光致发光 3.化学发光 4.热发光,2019年5月19日,46,第三节 红外传感器,一、 红外辐射 红外辐俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.761000 m，红外线在电磁波谱中的位置如图8-15 所示。工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。,2019年5月19日,47,图8 15 电磁波谱图,2019年5月19日,48,红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、 折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。,2019年5月19日,49, 红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的，空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。而红外线在通过大气层时，有三个波段透过率高，它们是22.6m、35 m和814 m，统称它们为“大气窗口”。这三个波段对红外探测技术特别重要，因此红外探测器一般都工作在这三个波段（大气窗口）之内。,自然界中只要物体具有一定温度（高于绝对零度），都能辐射红外光。例如电机、电器、炉火、甚至冰块都能产生红外辐射。 红外光和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物体称为透明体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体，严格地讲，在自然界中不存在黑体、镜体与透明体。,2019年5月19日,50,2019年5月19日,51,室温下，反射光,1100K，自身辐射光,1、基尔霍夫（Kirchhoff）定律,一个黑白花盘子的两张照片,原来白底的地方吸收的少（反射的多），发射的光强也就弱；原来黑花纹的部分吸收的多（反射的少），发射的光强也就强；,基尔霍夫（Gustav Robert Kirchhoff,18241887）德国物理