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1、自动检测与转换技术物理及电子工程学院 杨恒E-mail:shanksyounggmail 2023/4/22第六章第六章光电式传感器光电式传感器内容：内容：光电器件光电器件CCD传感器传感器以光电器件作为转换元件的传感器以光电器件作为转换元件的传感器优点：响应快、性能稳、非接触。优点：响应快、性能稳、非接触。2023/4/23物质受到光照会发生某些电学特性的变更，物质受到光照会发生某些电学特性的变更，这一现象称为光电效应。这一现象称为光电效应。光电效应：光电效应：光电子放射效应光电子放射效应（外光电效应）（外光电效应）光电导效应光电导效应（内光电效应）（内光电效应）光生伏特效应光生伏特效应三种
2、类型三种类型发生在物体内部发生在物体内部发生在物体表面发生在物体表面半导体半导体金属金属光电器件光电器件2023/4/24当物质受到光照射时，电子得到了足够的光当物质受到光照射时，电子得到了足够的光能会从物质表面上放射出来的现象，称为光电子能会从物质表面上放射出来的现象，称为光电子放射。放射。一般光电管和光电倍增管就是利用这种原理一般光电管和光电倍增管就是利用这种原理制成的。制成的。光电子放射效应（外光电效应）光电子放射效应（外光电效应）当物质受到光的照射时，载流子的浓度增当物质受到光的照射时，载流子的浓度增加，加，电导率增大的现象，称为光电导效应。电导率增大的现象，称为光电导效应。光敏电阻就
3、是利用这种效应制成的。光敏电阻就是利用这种效应制成的。光电导效应光电导效应（内外光电效应）（内外光电效应）光电式传感器光电式传感器2023/4/25当物质受到光的照射时，两种材料的界面上当物质受到光的照射时，两种材料的界面上产生电动势的效应，称为光生伏特效应。产生电动势的效应，称为光生伏特效应。光电池就是利用这种效应制成的。光电池就是利用这种效应制成的。光生伏特效应（内外光电效应）光生伏特效应（内外光电效应）光电放射型器件光电放射型器件非电量非电量转换转换光亮变化光亮变化光子光子光电光电器件器件光电效应光电效应电流电流（电子）（电子）光电式传感器光电式传感器6.1.2 6.1.2 光电管光电管
4、一一概念概念:光电管：光电管：将微弱光信号转换成电将微弱光信号转换成电信号的真空电子器件。光电管通常用信号的真空电子器件。光电管通常用于自动限制、光度学测量和强度调制于自动限制、光度学测量和强度调制光的检测。如用于保安与警报系统、光的检测。如用于保安与警报系统、计数与分类装置、影片音膜复制与还计数与分类装置、影片音膜复制与还音、彩色胶片密度测量以及色度学测音、彩色胶片密度测量以及色度学测量等。量等。二二结构和工作原理结构和工作原理:图图8-15甲是一种真空光电管，玻璃泡里的甲是一种真空光电管，玻璃泡里的空气已经抽出，有的光电管的玻璃泡里充有空气已经抽出，有的光电管的玻璃泡里充有少量的惰性气体少
5、量的惰性气体(如氩、氖、氦等如氩、氖、氦等)泡的内泡的内半壁涂有碱金属，例如钠、锂、铯，作为阴半壁涂有碱金属，例如钠、锂、铯，作为阴极极K泡内另有一阳极泡内另有一阳极A运用时像图运用时像图8-15乙乙那样把它连在电路里，当光照射到光电管的那样把它连在电路里，当光照射到光电管的阴极阴极K时，电路里就产生电流，电流的强度取时，电路里就产生电流，电流的强度取决于照射光的强度光电管不能用强光照射，决于照射光的强度光电管不能用强光照射，否则简洁老化失效光电管产生的电流很弱，否则简洁老化失效光电管产生的电流很弱，应用时可以用放大器把它放大应用时可以用放大器把它放大三三光电管的类型光电管的类型基于外光电效应
6、的基本光电转换器件真空光电基于外光电效应的基本光电转换器件真空光电管和充气光电管两类。管和充气光电管两类。真空光电管真空光电管:真空光电管（又称电子光电管）真空光电管（又称电子光电管）由封装于真空管内的光电阴极和阳极构成。当由封装于真空管内的光电阴极和阳极构成。当入射光线穿过光窗照到光阴极上时，由于外光入射光线穿过光窗照到光阴极上时，由于外光电效应（见光电式传感器），光电子就从极层电效应（见光电式传感器），光电子就从极层内放射至真空。在电场的作用下，光电子在极内放射至真空。在电场的作用下，光电子在极间作加速运动间作加速运动,最终被高电位的阳极接收最终被高电位的阳极接收,在阳极在阳极电路内就可测
7、出光电流，其大小取决于光照强电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光阴极的灵敏度等因素。度和光阴极的灵敏度等因素。依据光阴极和阳极的形态和设置的不同，依据光阴极和阳极的形态和设置的不同，光电管一般可分为光电管一般可分为5种类型。种类型。中心阴极型：这种类型由于阴极面积很中心阴极型：这种类型由于阴极面积很小，受照光通量不大，仅适用于低照度探小，受照光通量不大，仅适用于低照度探测和光子初速度分布的测量。测和光子初速度分布的测量。中心阳极型：这种类型由于阴极面积大，中心阳极型：这种类型由于阴极面积大，对入射聚焦光斑的大小限制不大；又由于对入射聚焦光斑的大小限制不大；又由于光电子从光阴极飞向阳极
8、的路程相同，电光电子从光阴极飞向阳极的路程相同，电子渡越时间的一样性好子渡越时间的一样性好;其缺点是光电子接其缺点是光电子接收特性差收特性差,须要较高的阳极电压（图须要较高的阳极电压（图a）。）。半圆柱面阴极型：这种结构有利于增加极间绝半圆柱面阴极型：这种结构有利于增加极间绝缘性能和削减漏电流（图缘性能和削减漏电流（图b）。）。平行平板极型：这种类型的特点是光电子从阴平行平板极型：这种类型的特点是光电子从阴极飞向阳极基本上保持平行直线的轨迹，电极对于极飞向阳极基本上保持平行直线的轨迹，电极对于光线入射的一样性好。光线入射的一样性好。带圆筒平板阴极型：它的特点是结构紧凑、体带圆筒平板阴极型：它的
9、特点是结构紧凑、体积小、工作稳定。积小、工作稳定。充气光电管充气光电管:充气光电管（又称离子光电管）由封装于充气充气光电管（又称离子光电管）由封装于充气管内的光阴极和阳极构成。它不同于真空光电管的管内的光阴极和阳极构成。它不同于真空光电管的是，光电子在电场作用下向阳极运动时与管中气体是，光电子在电场作用下向阳极运动时与管中气体原子碰撞而发生电离现象。由电离产生的电子和光原子碰撞而发生电离现象。由电离产生的电子和光电子一起都被阳极接收，正离子却反向运动被阴极电子一起都被阳极接收，正离子却反向运动被阴极接收。因此在阳极电路内形成数倍于真空光电管的接收。因此在阳极电路内形成数倍于真空光电管的光电流。
10、光电流。充气光电管的电极结构也不同于真空光电管。充气光电管的电极结构也不同于真空光电管。常用的电极结构有中心阴极型、半圆柱阴极型和平常用的电极结构有中心阴极型、半圆柱阴极型和平板阴极型。充气光电管最大缺点是在工作过程中灵板阴极型。充气光电管最大缺点是在工作过程中灵敏度衰退很快，其缘由是正离子轰击阴极而使放射敏度衰退很快，其缘由是正离子轰击阴极而使放射层的结构破坏。层的结构破坏。充气光电管按管内充气不同可分为单纯气体型和混充气光电管按管内充气不同可分为单纯气体型和混合气体型。合气体型。单纯气体型：这种类型的光电管多数充氩气，优单纯气体型：这种类型的光电管多数充氩气，优点是氩原子量小，电离电位低，
11、管子的工作电压点是氩原子量小，电离电位低，管子的工作电压不高。有些管内充纯氦或纯氖，使工作电压提高。不高。有些管内充纯氦或纯氖，使工作电压提高。混合气体型：这种类型的管子常选氩氖混合气体，混合气体型：这种类型的管子常选氩氖混合气体，其中氩占其中氩占10左右。由于氩原子的存在使处于亚左右。由于氩原子的存在使处于亚稳态的氖原子碰撞后即能复原常态，因此削减惰稳态的氖原子碰撞后即能复原常态，因此削减惰性。性。四四光电管的特性光电管的特性五五(1).光电管的光谱特性光电管的光谱特性六六光电管的光谱特性是指光电管在光电管的光谱特性是指光电管在工作电压不便的条件下，入射光的波长与工作电压不便的条件下，入射光
12、的波长与其确定灵敏度（即量子效率）的关系。光其确定灵敏度（即量子效率）的关系。光电管的光谱特性主要取决于阴极材料，常电管的光谱特性主要取决于阴极材料，常用的阴极材料有银氧铯光电阴极、锑铯光用的阴极材料有银氧铯光电阴极、锑铯光电阴极、铋银氧铯光电阴极及多硷光电阴电阴极、铋银氧铯光电阴极及多硷光电阴极等，前两种阴极运用比较广泛。极等，前两种阴极运用比较广泛。七七由光电管的光谱特性曲线可以看由光电管的光谱特性曲线可以看出，不同阴极材料制成的光电管有着不同出，不同阴极材料制成的光电管有着不同的灵敏度较高的区域，应用时应依据所测的灵敏度较高的区域，应用时应依据所测光谱的波长选用相应的光电管。例如被测光谱
13、的波长选用相应的光电管。例如被测光的成分是红光，选用银氧铯阴极光电管光的成分是红光，选用银氧铯阴极光电管就可以得到较高的灵敏度。就可以得到较高的灵敏度。(2).光电管的伏安特性光电管的伏安特性光电管的伏安特性是指在确定光通光电管的伏安特性是指在确定光通量照射下，光电管阳极与阴极之间的电压量照射下，光电管阳极与阴极之间的电压UA与光电流与光电流I之间的关系。之间的关系。5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012阳极与末级倍增极间的电压/VIA/A光电管的伏安特性光电管的伏安特性光电管在确定光通量照射下，光电管阴极在光电管在确定光通量照射下，光电管
14、阴极在单位时间内放射确定量的光电子，这些光电子分单位时间内放射确定量的光电子，这些光电子分散在阳极与阴极之间的空间，若在光电管阳极上散在阳极与阴极之间的空间，若在光电管阳极上施加电压施加电压UA，则光电子被阳极吸引收集，形成回，则光电子被阳极吸引收集，形成回路中的光电流路中的光电流I。当阳极电压上升，阳极放射的。当阳极电压上升，阳极放射的光电子指引一部分被阳极收集，其余部分仍返回光电子指引一部分被阳极收集，其余部分仍返回阴极。随着阳极电压的上升，阳极在单位时间内阴极。随着阳极电压的上升，阳极在单位时间内收集到的光电子数增多，光电流收集到的光电子数增多，光电流I也增加。假如也增加。假如阳极电压上
15、升到确定数值时，阴极在单位时间内阳极电压上升到确定数值时，阴极在单位时间内放射的光电子全部被阳极收集，称为饱和状态，放射的光电子全部被阳极收集，称为饱和状态，以后阳极电压上升，光电流以后阳极电压上升，光电流I也不会增加也不会增加。（3）光电管的光照特性光电管的光照特性通通常常指指当当光光电电管管的的阳阳极极和和阴阴极极之之间间所所加加电电压压确确定定时时，光光通通量量与与光光电电流流之之间间的的关关系系为为光光电电管管的的光光照照特特性性。其其特特性性曲曲线线如如图图所所示示。曲曲线线1表示氧铯阴极光电表示氧铯阴极光电255075100200.51.5 2.0/1mIA/A1.02.51管的光
16、照特性，光电管的光照特性，光电流流I与光通量成线性与光通量成线性关系。曲线关系。曲线2为锑铯为锑铯阴极的光电管光照特阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。性，它成非线性关系。光照特性曲线的斜率光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光（光电流与入射光光通量之间比）称为光通量之间比）称为光电管的灵敏度。电管的灵敏度。(4).光电管的光电特性光电管的光电特性是指光电管阳极电压和入射光频谱不便的条件下，入射光的光通量与光电流I之间的关系，在光电管阳极电压足够大，使光电管工作在饱和状态条件下，入射光通量和光电流线性关系，参见图6所示。(5).暗电流假如将光电管置于无光的黑暗条件下，当光电管施加正常的运用电压
17、时，光电管产生微弱的电流，此时电流称为暗电流。暗电流的产生主要是由漏电流引起的。6.1.3光敏电阻光敏电阻光敏电阻是由具有内光电效应的光导材料制成的，为光敏电阻是由具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻器件。纯电阻器件。优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小，重量轻，优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小，重量轻，性能稳定，机械强度高，耐冲击和振动，寿命长，价性能稳定，机械强度高，耐冲击和振动，寿命长，价格低。格低。1光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性（1）光电流。光敏电阻在不受光照射时的阻值称为）光电流。光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻（暗阻），此时的电流称为暗电流；光敏电阻暗电阻
18、（暗阻），此时的电流称为暗电流；光敏电阻在受光照射时的阻值称为亮电阻（亮阻），此时的电在受光照射时的阻值称为亮电阻（亮阻），此时的电流称为亮电流；亮电流与暗电流之差称为光电流。流称为亮电流；亮电流与暗电流之差称为光电流。暗阻越大越好，亮阻越小越好，也就是光电流要尽可暗阻越大越好，亮阻越小越好，也就是光电流要尽可能大，这样光敏电阻的灵敏度就越高。能大，这样光敏电阻的灵敏度就越高。（2）伏安特性。在确定的照度下，加在光敏电阻两端的电）伏安特性。在确定的照度下，加在光敏电阻两端的电压与光电流之间的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性曲线。压与光电流之间的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性曲线。在外加电压确
19、定时，光电流的大小随光照的增加而增加；外在外加电压确定时，光电流的大小随光照的增加而增加；外加电压越高，光电流也越大，而且没有饱和现象。加电压越高，光电流也越大，而且没有饱和现象。（3）光照特性。在确定外加电压下，光敏电阻的光电流与）光照特性。在确定外加电压下，光敏电阻的光电流与光通量的关系曲线，称为光敏电阻的光照特性。光敏电阻的光通量的关系曲线，称为光敏电阻的光照特性。光敏电阻的光照特性曲线是非线性的，所以光敏电阻不宜做定量检测元光照特性曲线是非线性的，所以光敏电阻不宜做定量检测元件，而常用作光电开关。件，而常用作光电开关。（4）光谱特性。光敏电阻对于不同波长）光谱特性。光敏电阻对于不同波长
20、l的入射光，其相对的入射光，其相对灵敏度是不同的。灵敏度是不同的。（5）频率特性。当光敏电阻受到光照射时，光电流要经过）频率特性。当光敏电阻受到光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，而在停止光照后，光电流也不马一段时间才能达到稳态值，而在停止光照后，光电流也不马上为零，这是光敏电阻的时延特性。上为零，这是光敏电阻的时延特性。（6）光谱温度特性。光敏电阻受温度影响较大，随着温度）光谱温度特性。光敏电阻受温度影响较大，随着温度的上升，暗阻和灵敏度都下降。的上升，暗阻和灵敏度都下降。2光敏电阻质量的测试 将万用表置于R1kW挡，把光敏电阻放在距离25W白炽灯50cm远处（其照度约为100lx
21、），可测得光敏电阻的亮阻；再在完全黑暗的条件下干脆测量其暗阻值。假如亮阻值为几千到几十千欧姆，暗阻值为几兆到几十兆欧姆，则说明光敏电阻质量良好。6.1.4光敏晶体管光敏晶体管1光敏二极管光敏二极管（1）工作原理。光敏二极管是基于半导体光生伏特效应）工作原理。光敏二极管是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光敏元件。在不受光照射时，光敏二极管的原理制成的光敏元件。在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。（2）光敏二极管的检测方法。用欧姆表检测时，先让光）光敏二极管的检测方法。用欧姆表检测时，先让光照射在光敏二极管
22、管芯上，测出其正向电阻，其阻值与照射在光敏二极管管芯上，测出其正向电阻，其阻值与光照强度有关，光照越强，正向阻值越小；然后用一块光照强度有关，光照越强，正向阻值越小；然后用一块遮光黑布拦住照射在光敏二极管上的光线，测量其阻值，遮光黑布拦住照射在光敏二极管上的光线，测量其阻值，这时正向电阻应马上变得很大。这时正向电阻应马上变得很大。2光敏三极管（1）工作原理。光敏三极管也是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光敏元件，分为PNP型和NPN型两种。当光照射在PN结旁边，PN结产生光生电子-空穴对，在PN结处内电场作用下，做定向运动，形成光电流，因此PN结的反向电流大大增加，由于光照射放射结产生的光电
23、流相当于三极管的基极电流，因此集电极电流是光电流的b倍。（2）基本特性。）基本特性。光谱特性。光谱特性。伏安特性。伏安特性。光照特性。光照特性。温度特性。温度特性。时间常数。时间常数。（3）光敏三极管的检测方法。用一块黑布遮住照射在光敏三）光敏三极管的检测方法。用一块黑布遮住照射在光敏三极管的光，选用万用表的极管的光，选用万用表的RkW挡，测量其两引脚间的正、反挡，测量其两引脚间的正、反向电阻，若均为无限大时则为光敏三极管；拿走黑布，则万用向电阻，若均为无限大时则为光敏三极管；拿走黑布，则万用表指针向右偏转到表指针向右偏转到1530kW处，偏转角越大，说明其灵敏度处，偏转角越大，说明其灵敏度越
24、高。越高。6.1.5光电池光电池光电池也是基于半导体光生伏特效应的原理制成的，是自发光电池也是基于半导体光生伏特效应的原理制成的，是自发电式有源器件。应用最多的是硅光电池、硒光电池、砷化钾电式有源器件。应用最多的是硅光电池、硒光电池、砷化钾光电池和锗光电池等。光电池和锗光电池等。1光谱特性光电池的相对灵敏度光电池的相对灵敏度Kr与入射光波长与入射光波长l之间的关系称为光谱之间的关系称为光谱特性。不同材料光电池的光谱峰值位置是不同的。特性。不同材料光电池的光谱峰值位置是不同的。2光照特性光生电动势U与照度Ee之间的特性曲线称为开路电压曲线；光电流密度Je与照度Ee之间的特性曲线称为短路电流曲线。
25、短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，这是光电池的主要优点之一；开路电压与光照度之间的关系是非线性的，并且在照度为2 000lx的照射下就趋于饱和了。3频率特性光电池的频率特性是光的调制频率f与光电池的相对输出电流Ir之间的关系曲线。4温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压U、短路电流I随温度t变更的曲线。开路电压随温度增加而下降得较快，而短路电流随温度上升而增加得却很缓慢。红外传感器红外传感器 6.2.1 红外辐射红外辐射的物理本质是热辐射。一个炙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。而且红外线被物体吸取时，可以显
26、著地转变为热能。6.2.2 红外探测器红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。1热探测器热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸取辐射能后引起温度上升，进而使有关物理参数发生相应变更，通过测量物理参数的变更，便可确定探测器所吸取的红外辐射。2光子探测器光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电子的相互作用，变更电子的能量状态，引起各种电学现象（这一过程也称为光子效应）。通过测量材料电子性质的变更，可以知道红外辐射的强弱。光电式传感器应用举例光电式传感器应用举例6.3.1光敏电阻传感器的应用光敏电阻传感器的应用如图如图6.19所示为带材跑偏检测装置的工作
27、原理和测量电路图。所示为带材跑偏检测装置的工作原理和测量电路图。6.3.2光敏晶体管的应用光敏晶体管的应用1光电耦合器光电耦合器光电耦合器是将一个发光器件和一个光敏元件同光电耦合器是将一个发光器件和一个光敏元件同时封装在一个壳体内组合而成的转换元件。当有时封装在一个壳体内组合而成的转换元件。当有电流流过发光二极管时便产生一个光源，此光照电流流过发光二极管时便产生一个光源，此光照射到封装在一起的光敏元件后产生一个与发光二射到封装在一起的光敏元件后产生一个与发光二极管正向电流成比例的集电极电流。极管正向电流成比例的集电极电流。2脉冲编码器脉冲编码器 3光电转速传感器光电转速传感器6.3.3光电池的
28、应用光电池的应用光电池主要有两大类型的应用：一是将其作为光生光电池主要有两大类型的应用：一是将其作为光生伏特器件运用，干脆将太阳能转换为电能，即太阳伏特器件运用，干脆将太阳能转换为电能，即太阳能电池；另一类是将光电池作为光电转换器应用，能电池；另一类是将光电池作为光电转换器应用，须要它具有灵敏度高，响应时间短等特性，主要应须要它具有灵敏度高，响应时间短等特性，主要应用于光电检测和自动限制系统。用于光电检测和自动限制系统。1太阳能电池电源太阳能电池电源太阳能电池电源系统主要由太阳能电池方阵、蓄电太阳能电池电源系统主要由太阳能电池方阵、蓄电池组、调整限制器和堵塞二极管组成。若要向沟通池组、调整限制
29、器和堵塞二极管组成。若要向沟通负载供电，则加一个直流负载供电，则加一个直流-沟通变换器（逆变器）。沟通变换器（逆变器）。图6.24 太阳能电池电源系统方框图2光电报警电路光电报警电路当太阳光照射光电池时，当太阳光照射光电池时，SCR有了门极触发电压，此时有了门极触发电压，此时SCR导导通，负载接通。电位器通，负载接通。电位器R调整光电平使报警器发出声响。调整光电平使报警器发出声响。6.3.4红外测温仪红外测温仪红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于来测量温度的。当物体的温度低于1000时，它向时，它向外辐射的不再是
30、可见光而是红外光了，故可用红外外辐射的不再是可见光而是红外光了，故可用红外探测器检测温度。如接受分别出所需波段的滤光片，探测器检测温度。如接受分别出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在随意红外波段。可使红外测温仪工作在随意红外波段。光电开关光电开关光电开关器件是以光电元件、三极管为核心，配以继电器组光电开关器件是以光电元件、三极管为核心，配以继电器组成的一种电子开关。当开关中的光敏元件受到确定强度的光成的一种电子开关。当开关中的光敏元件受到确定强度的光照射时就会产生开关动作。照射时就会产生开关动作。基本光电开关电路 光电断续器光电断续器光电断续器的工作原理与光电开关的相同，但其光电放射器、光
31、电断续器的工作原理与光电开关的相同，但其光电放射器、接收器放置于一个体积很小的塑料壳体中，所以两者能牢靠接收器放置于一个体积很小的塑料壳体中，所以两者能牢靠地对准。光电断续器也可分为遮断型和反射型两种。地对准。光电断续器也可分为遮断型和反射型两种。CCD图像传感器及应用图像传感器及应用电耦合器件（电耦合器件（ChargeCoupledDevice,CCD）是）是20世纪世纪70年头在年头在MOS集成电路技术基础上发展起来的新型半导体器件。集成电路技术基础上发展起来的新型半导体器件。它具有光电转换、信息存储和传输等功能，具有集成度高、它具有光电转换、信息存储和传输等功能，具有集成度高、功耗小、辨
32、别力高、动态范围大等优点。功耗小、辨别力高、动态范围大等优点。1CCD的光敏元结构及存储电荷的原理的光敏元结构及存储电荷的原理当在金属电极上施加一正偏压、在没有光照的状况下，光敏当在金属电极上施加一正偏压、在没有光照的状况下，光敏元中的电子数目很少。光敏元受到从衬底方向射来的光照后，元中的电子数目很少。光敏元受到从衬底方向射来的光照后，产生光生电子产生光生电子空穴对。电子被栅极上的正电压所吸引，存空穴对。电子被栅极上的正电压所吸引，存储在光敏元中，称为储在光敏元中，称为“电子包电子包”。光照越强，光敏元收集到。光照越强，光敏元收集到的电子越多，所俘获的电子数目与入射到势阱旁边的光强成的电子越多
33、，所俘获的电子数目与入射到势阱旁边的光强成正比，从而实现了光与电子之间的转换正比，从而实现了光与电子之间的转换。图6.30 MOS电容器组成的光敏元半导体硅片上制有几百万个相互独立、排列规则的光敏元，称半导体硅片上制有几百万个相互独立、排列规则的光敏元，称为光敏元阵列。若照射到阵列上的是一幅明暗起伏的图像，那为光敏元阵列。若照射到阵列上的是一幅明暗起伏的图像，那么光敏元会产生一幅与光照强度对应的么光敏元会产生一幅与光照强度对应的“光生电荷图像光生电荷图像”，这，这就是就是CCD摄像器件的光电转换原理。摄像器件的光电转换原理。2CCD光敏元件信号的读出CCD的光敏元获得的光生电荷图像必需逐位读取
34、，才能辨别每一个像素获得的光强，所以CCD内部制作了与像素数目同一数量级的“读出移位寄存器”，该移位寄存器转移的是模拟信号，有别于数字电路中的数码移位寄存器。CCD图像传感器的分类图像传感器的分类 1线阵CCD线阵线阵CCD由排列成直线的由排列成直线的MOS光敏元阵列、转移栅、读出移光敏元阵列、转移栅、读出移位寄存器、视频信号电路和时钟电路等组成。位寄存器、视频信号电路和时钟电路等组成。2面阵CCD面阵面阵CCD由感光区、信号存储区和输出移位寄存器等组成。由感光区、信号存储区和输出移位寄存器等组成。3彩色CCD单色单色CCD只能得到具有灰度信号的图像，为了得到彩色图像只能得到具有灰度信号的图像
35、，为了得到彩色图像信号，可将信号，可将3个像素一组，排列成等边三角形或其他方式。个像素一组，排列成等边三角形或其他方式。CCD图像传感器的应用图像传感器的应用 1线阵CCD在钢板宽度测量中的应用运用线阵CCD可以测量带材的边缘位置宽度，它具有数字式测量的特点：精确度高、漂移小等。2.CCD数码照相机简介数码相机(Digital Camera,DC)，其实质是一种非胶片相机，它接受CCD作为光电转换器件，将被摄物体的图像以数字形式记录在存储器中。线阵CCD测量钢板宽度的示意图 小小结结本章主要介绍了光电式传感器的基本学问。光电式传感器是本章主要介绍了光电式传感器的基本学问。光电式传感器是将光通量
36、转换为电量的一种传感器，它的基础是光电转换元将光通量转换为电量的一种传感器，它的基础是光电转换元件的光电效应。光电测量方法一般具有结构简洁、非接触、件的光电效应。光电测量方法一般具有结构简洁、非接触、高精度、高辨别率、高牢靠性和响应快等优点。光电效应可高精度、高辨别率、高牢靠性和响应快等优点。光电效应可分为内光电效应、外光电效应和光生电动势效应等。分为内光电效应、外光电效应和光生电动势效应等。本章具体介绍了光电管、光敏电阻、光电池等光电元件的工本章具体介绍了光电管、光敏电阻、光电池等光电元件的工作原理及其基本特性，以及红外传感器的基本原理和红外探作原理及其基本特性，以及红外传感器的基本原理和红外探测器及光电式传感器的一些典型应用测器及光电式传感器的一些典型应用。