光电检测器件及应用.ppt

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1、3.2.4 3.2.4 光电耦合器件光电耦合器件 将将将将发光器件发光器件发光器件发光器件与与与与光电器件光电器件光电器件光电器件组合成一体，以组合成一体，以组合成一体，以组合成一体，以光作媒质光作媒质光作媒质光作媒质把输入端把输入端把输入端把输入端得到信号得到信号得到信号得到信号耦合耦合耦合耦合到输出端的器件。到输出端的器件。到输出端的器件。到输出端的器件。光电隔离器光电隔离器光电隔离器光电隔离器：电气隔离、消除噪声：电气隔离、消除噪声：电气隔离、消除噪声：电气隔离、消除噪声光电传感器光电传感器光电传感器光电传感器：检测物体位置、有无：检测物体位置、有无：检测物体位置、有无：检测物体位置、有

2、无分类分类分类分类发光器件：发光器件：发光器件：发光器件：发光二极管、半导体激光器、微形钨丝灯发光二极管、半导体激光器、微形钨丝灯发光二极管、半导体激光器、微形钨丝灯发光二极管、半导体激光器、微形钨丝灯光电器件：光电器件：光电器件：光电器件：光电二极管、光电三极管光电二极管、光电三极管 光敏电阻、光电池光敏电阻、光电池 1光电隔离器的类型光电隔离器的类型二极管型二极管型三极管型三极管型达林顿型达林顿型晶闸管驱动型晶闸管驱动型3.2.4 3.2.4 光电耦合器件光电耦合器件达林顿管：达林顿管：又称复合管，是将二只三极管连接在一起，组成一只等效又称复合管，是将二只三极管连接在一起，组成一只等效的新

3、的三极管。这个等效三极管的放大倍数是二者之积。的新的三极管。这个等效三极管的放大倍数是二者之积。达林顿管常用于功率放大器和稳压电源中。达林顿管常用于功率放大器和稳压电源中。晶闸管：晶闸管：是四层三端器件，是是四层三端器件，是 PNPN四层半导体结构。四层半导体结构。2发发光光器器件件光光敏敏器器件件被被测测物物体体槽式光电传感器器示意图槽式光电传感器器示意图槽式光电传感器实物图槽式光电传感器实物图+EC3.2.4 3.2.4 光电耦合器件光电耦合器件光电耦合器的电路符号光电耦合器的电路符号3绝缘玻璃绝缘玻璃发光二极管发光二极管透明绝缘体透明绝缘体光敏三极管光敏三极管塑料塑料发光二极管发光二极管

4、光敏三极管光敏三极管透明树脂透明树脂光电耦合器件的结构光电耦合器件的结构采采用用金金属属外外壳壳和和玻玻璃璃绝绝缘缘的的结结构构，在在其其中中部部对对接接，采采用用环环焊焊以以保保证证发发光光二二极极管管和和光光敏敏二二极极管对准，以此来提高灵敏度。管对准，以此来提高灵敏度。(a)金属密封型金属密封型(b)塑料密封型塑料密封型采采用用双双列列直直插插式式用用塑塑料料封封装装的的结结构构。管管心心先先装装于于管管脚脚上上，中中间间再再用用透透明明树树脂脂固固定定，具具有有集集光光作作用用，故此种结构灵敏度较高。故此种结构灵敏度较高。金属密封型金属密封型塑料密封型塑料密封型4光电耦合器的组合形式光

5、电耦合器的组合形式 (a)(b)(c)(d)该形式结构简单、成本低，通常用该形式结构简单、成本低，通常用于于50kHz以下工作频率的装置内。以下工作频率的装置内。该形式采用该形式采用高速开关管高速开关管构成的高速光构成的高速光电耦合器电耦合器,适用于适用于较高频率较高频率的装置中。的装置中。该组合形式采用了放大三极管构成的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，适用于高传输效率的光电耦合器，适用于直直接驱动和较低频率接驱动和较低频率的装置中。的装置中。该形式采用功能器件构成的该形式采用功能器件构成的高速、高高速、高传输效率传输效率的光电耦合器。的光电耦合器。5光电耦合器的特点光

6、电耦合器的特点n具有电隔离（具有电隔离（欧姆）功能；欧姆）功能；n信号传输单向（脉冲或直流），适用于模拟数字信号；信号传输单向（脉冲或直流），适用于模拟数字信号；n具有抗干扰和噪声能力；具有抗干扰和噪声能力；n响应速度快（微纳秒，直流兆赫兹）；响应速度快（微纳秒，直流兆赫兹）；n使用方便，可靠性高，体积小，寿命长；使用方便，可靠性高，体积小，寿命长；n既有耦合特性，又有隔离功能；既有耦合特性，又有隔离功能；6光电耦合器的特性参数光电耦合器的特性参数n直流电流传输比直流电流传输比主要特性：传输特性和隔离特性主要特性：传输特性和隔离特性n交流电流传输比交流电流传输比 是指直流工作状态下，耦合器件中

7、光电器件的输出电流与发是指直流工作状态下，耦合器件中光电器件的输出电流与发光原件输入电流之比。光原件输入电流之比。工作点的选择不同，电流传输比不同。工作点的选择不同，电流传输比不同。7光电耦合器的特性参数光电耦合器的特性参数n最高工作频率最高工作频率 取决于发光器件和光电器件的频率特性。取决于发光器件和光电器件的频率特性。光电耦合器件的频率特性测试电路：光电耦合器件的频率特性测试电路：输入等幅度的可调频信号，当测得输出信号电压的相输入等幅度的可调频信号，当测得输出信号电压的相对幅值降至时，所对应的频率。对幅值降至时，所对应的频率。8光电耦合器的抗干扰特性光电耦合器的抗干扰特性o输入阻抗很低；输

8、入阻抗很低；o干扰源的内阻很大，形成的电流很微弱；干扰源的内阻很大，形成的电流很微弱；o器件密封包装，不受外界光的干扰；器件密封包装，不受外界光的干扰；o器件寄生电容很小，绝缘电阻很大，很难通过器件的反器件寄生电容很小，绝缘电阻很大，很难通过器件的反馈引入干扰。馈引入干扰。光电耦合器件能抑制尖脉冲及各种噪声等干扰，实现信光电耦合器件能抑制尖脉冲及各种噪声等干扰，实现信息传输的高信噪比。息传输的高信噪比。原因如下：原因如下：9光电耦合器件的应用o代替脉冲变压器，可以耦合从代替脉冲变压器，可以耦合从零零到几兆赫兹的信号，失真到几兆赫兹的信号，失真小；小；o代替继电器，做代替继电器，做光电开关光电开

9、关用；用；o把不同电位的两组把不同电位的两组电路互连电路互连，完成电平匹配和电平转移；，完成电平匹配和电平转移；o电流驱动器件与光驱动器件相结合，实现电流驱动器件与光驱动器件相结合，实现高信噪比高信噪比；o作为计算机主机运输部与输入输出端的接口，提高作为计算机主机运输部与输入输出端的接口，提高计算计算机的可靠性机的可靠性；o在稳压电源中作为在稳压电源中作为过流保护器件过流保护器件，简单可靠。，简单可靠。103.2.5 3.2.5 光电位置敏感器件（光电位置敏感器件（PSDPSD）o工作原理：工作原理：当当入入射射光光点点落落在在器器件件感感光光面面的的不不同同位位置置时时，PSDPSD将将对对

10、应输出应输出不同的电信号不同的电信号。入入射射光光点点的的强强度度和和尺尺寸寸大大小小对对PSDPSD的的位位置置输输出出信信号号均均无关无关。o用途：用途：是是一一种种可可直直接接对对其其光光敏敏面面上上的的光光斑斑位位置置进进行行检检测的光电器件，可构成非接触高精度动态测量系统。测的光电器件，可构成非接触高精度动态测量系统。11o光入射位置光入射位置X XA A：oP P型层电流型层电流I I1 1、I I2 2：oN N型层电流型层电流I I0 0：3.2.5 3.2.5 光电位置敏感器件（光电位置敏感器件（PSDPSD）1213oPSD分为分为一维一维PSD和二维和二维PSD。o一维一

11、维PSD可以测定可以测定光点的一维位置坐标；光点的一维位置坐标；二维二维PSD可测可测光点的平面位置坐标。光点的平面位置坐标。3.2.5 光电位置敏感器件（光电位置敏感器件（PSD）14v CCD CCD图像传感器：图像传感器：用用CCDCCD的光电转换和电荷转移功能制成的。的光电转换和电荷转移功能制成的。CCD CCD（charge-coupled devices)charge-coupled devices)电荷耦合器件。电荷耦合器件。v MOSMOS图像传感器：图像传感器：用光敏二极管与用光敏二极管与MOSMOS晶体管构成的将光信号变成电荷或晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的，又称

12、自扫描光电二极管列阵（电流信号的，又称自扫描光电二极管列阵（SSPASSPA）。）。固态图像传感器固态图像传感器CCD图像传感器图像传感器MOS图像传感器图像传感器固态图像传感器固态图像传感器15固态图像传感器固态图像传感器特点：特点：v v 高度集成，包括光电信号转换、信号存储和传输、处理。高度集成，包括光电信号转换、信号存储和传输、处理。v v 以电荷转移为核心。以电荷转移为核心。v v 体积小、重量轻、功耗小、成本低。体积小、重量轻、功耗小、成本低。v v 广泛用于图像识别和传送。广泛用于图像识别和传送。分类：分类：vv 电荷耦合器件电荷耦合器件(CCD)(CCD)v v MOSMOS型

13、图像传感器型图像传感器(自扫描光电二极管阵列自扫描光电二极管阵列)v v 电荷注入器件电荷注入器件16将将光信号光信号变为变为电荷包电荷包，以，以电荷包电荷包的形式的形式存贮和传递信息存贮和传递信息。又称为又称为“排列起来的排列起来的MOSMOS电容阵列电容阵列”。一、一、MOSMOS光敏元的结构及原理光敏元的结构及原理 半导体与半导体与SiOSiO2 2界面电荷分布图界面电荷分布图 工艺：工艺：先在先在P-SiP-Si片上氧化一层片上氧化一层SiOSiO2 2介质层，其上再沉积一介质层，其上再沉积一层金属层金属AlAl作为栅极，在作为栅极，在P-P-SiSi半导体上制作下电极。半导体上制作下

14、电极。电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）固态图像传感器固态图像传感器17 给栅极加给栅极加V VG G正脉冲，金属电极充一些正电荷；正脉冲，金属电极充一些正电荷；电场将电场将P-SiP-Si的的SiOSiO2 2界面附近的空穴排斥走，界面附近的空穴排斥走，SiO SiO2 2附近出现附近出现耗尽层；耗尽层；半导体表面处于半导体表面处于非平衡状态非平衡状态，表面有贮存电荷的能力表面有贮存电荷的能力。将表面的这种状态将表面的这种状态称为称为电子势阱或表面势阱。电子势阱或表面势阱。1、势阱的形成、势阱的形成固态图像传感器固态图像传感器182、电子的堆积、电子的堆积 光照光照MOSMOS电容器

15、时，产生电子空穴对，少子电子会被吸收电容器时，产生电子空穴对，少子电子会被吸收到势阱中；到势阱中；光强越大，势阱中收集的电子数就越多；光强越大，势阱中收集的电子数就越多；MOS MOS电容器实现了光信号向电荷信号的转变。电容器实现了光信号向电荷信号的转变。若给光敏元阵列同时加上若给光敏元阵列同时加上VGVG，整个图像的光信号同时变，整个图像的光信号同时变为电荷包阵列，反映图像的明暗程度。为电荷包阵列，反映图像的明暗程度。固态图像传感器固态图像传感器19二、电荷转移原理二、电荷转移原理 若两个相邻若两个相邻MOSMOS光敏元加的栅压分别为光敏元加的栅压分别为V VG1G1、V VG2G2，且，且

16、V VG1G1V1 1,则则V VG2G2吸引电子能力强，形成的势阱深，则吸引电子能力强，形成的势阱深，则1 1中电子有向中电子有向2 2中下移中下移的趋势。的趋势。电子转移示意图电子转移示意图 固态图像传感器固态图像传感器 若串联很多光敏元，且使若串联很多光敏元，且使V VG1G1VVG2G2VVGNGN,可形成一个可形成一个输运电子路径输运电子路径,实现电子的转实现电子的转移。移。20三、三、CCDCCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数 1 1、转移效率、转移效率 当当CCDCCD中电荷包转移时，若中电荷包转移时，若Q Q1 1为转移一次后的电荷量，为转移一次后的电荷量，Q Q0

17、0为原始电荷，转移效率定义为：为原始电荷，转移效率定义为：2 2、分辨率分辨率 指分辨图像细节的能力，光像的两个相邻光强度最大指分辨图像细节的能力，光像的两个相邻光强度最大值之间的间隔，主要取决于感光单元的尺寸和间隔。值之间的间隔，主要取决于感光单元的尺寸和间隔。根据根据奈奎斯特奈奎斯特采样定理，采样定理，定义定义图像传感器的最高分辨图像传感器的最高分辨率率f fm m等于它的空间采样频率等于它的空间采样频率f f0 0的一半，即：的一半，即：固态图像传感器固态图像传感器213 3、暗电流、暗电流 起因于起因于热激发产生的电子热激发产生的电子-空穴对空穴对。电荷的积累时间越长，。电荷的积累时间

18、越长，影响越大。影响越大。暗电流产生不均匀总出现在固定图形、相同的单元上，暗电流产生不均匀总出现在固定图形、相同的单元上，利用信号处理，把出现暗电流尖峰的单元位置存贮在利用信号处理，把出现暗电流尖峰的单元位置存贮在PROMPROM（可编程只读存贮器）中，就能消除影响。（可编程只读存贮器）中，就能消除影响。限制了器件的灵敏度和动态范围。限制了器件的灵敏度和动态范围。4 4、灵敏度灵敏度指单位发射照度指单位发射照度H下，单位时间、单位面积下，单位时间、单位面积A收集的电量。收集的电量。N NS S为为t t时间内收集的载流子数，单位为时间内收集的载流子数，单位为mA/WmA/W。固态图像传感器固态图像传感器225 5、噪声、噪声 CCD CCD是低噪声器件。是低噪声器件。由于噪声叠加到信号电荷上，使信号电荷受到干扰。由于噪声叠加到信号电荷上，使信号电荷受到干扰。噪声的来源有噪声的来源有转移噪声、电注入噪声、信号输出噪转移噪声、电注入噪声、信号输出噪声、散粒噪声声、散粒噪声等。等。前三种可以采用有效措施来降低或消除，但散粒噪前三种可以采用有效措施来降低或消除，但散粒噪声不能消除，决定了图像传感器的噪声极限值。在低照声不能消除，决定了图像传感器的噪声极限值。在低照度、低反差下应用时更为显著。度、低反差下应用时更为显著。固态图像传感器固态图像传感器23谢谢 谢！谢！24