典型光电检测器件.pptx
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1、1光电检测器件光电检测器件是利用物质的光电效应把是利用物质的光电效应把光信号转换成电信号的器件光信号转换成电信号的器件.光电检测器件分为两大类光电检测器件分为两大类:光子光子(光电子光电子)检测器件检测器件热电检测器件热电检测器件2光电效应光电效应光照射到物体表面上使物体发射电子、或导光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等,这种因电率发生变化、或产生光电动势等,这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应电效应光电效应包括光电效应包括外光电效应外光电效应和和内光电效应内光电效应3外光电效应外光电效应:物体受光照后向外发射
2、电子:物体受光照后向外发射电子多发生于金属和金属氧化物多发生于金属和金属氧化物内光电效应内光电效应:物体受到光照后所产生的光电:物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部子只在物质内部而不会逸出物体外部多多发生在半导体发生在半导体内光电效应又分为内光电效应又分为光电导光电导效应和效应和光生伏特光生伏特效效应应42 2、外光电元件、外光电元件紫外管紫外管 当入射紫外线当入射紫外线照射在紫外管阴极照射在紫外管阴极板上时,电子克服板上时,电子克服金属表面对它的束金属表面对它的束缚而逸出金属表面,缚而逸出金属表面,形成电子发射。紫形成电子发射。紫外管多用于紫外线外管多用于紫外线测量、火
3、焰监测等。测量、火焰监测等。紫外线紫外线5n光电管光电管 光电管的阴极受光电管的阴极受到从光窗透进的光照到从光窗透进的光照射后,向真空发射光射后,向真空发射光电子,这些光电子向电子,这些光电子向阳极作加速运动,形阳极作加速运动,形成空间电子流,光电成空间电子流,光电流的数值取决于阴极流的数值取决于阴极的灵敏度与光强。停的灵敏度与光强。停止光照,外电路将无止光照,外电路将无电流输出。电流输出。AKAK6K为光电阴极为光电阴极,A为光电阳极;为光电阳极;D1、D2、D3等若干个光电倍增极等若干个光电倍增极(又称二次发射极又称二次发射极),涂有光敏物质。,涂有光敏物质。光电倍增管光电倍增管 光电倍增
4、管的光电倍增管的电流是逐级增加电流是逐级增加的。由于光电倍的。由于光电倍增管具有放大作增管具有放大作用,因此适用做用,因此适用做灵敏的弱光探测灵敏的弱光探测器。器。72、内光电效应内光电效应 当光照在物体上,使物体的电导率发生当光照在物体上,使物体的电导率发生变化,或产生光生电动势的现象。分为变化,或产生光生电动势的现象。分为光光电导效应和光生伏特效应(光伏效应)。电导效应和光生伏特效应(光伏效应)。8光敏电阻:当光敏电阻受到光照时,光敏电阻:当光敏电阻受到光照时,阻值减小。阻值减小。9大面积光电池大面积光电池10红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形 红外发射管红外发射管红外接收管红外
5、接收管11光热效应光热效应光热效应:材料受光照射后,光子能量与晶格相光热效应:材料受光照射后,光子能量与晶格相互作用,振动加剧,温度升高,材料的性质发生互作用,振动加剧,温度升高,材料的性质发生变化变化热释电效应热释电效应:介质的极化强度随温度变化而变:介质的极化强度随温度变化而变化,引起电荷表面电荷变化的现象化,引起电荷表面电荷变化的现象辐射热计效应辐射热计效应:入射光的照射使材料由于受热:入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象而造成电阻率变化的现象温差电效应温差电效应:由两种材料制成的结点出现稳差:由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势,回路中产生电流而在两结点间产生
6、电动势,回路中产生电流1213光电检测器件光电检测器件光子器件光子器件光子器件光子器件热电器件热电器件热电器件热电器件真空器件真空器件真空器件真空器件固体器件固体器件固体器件固体器件光电管光电管光电倍增管光电倍增管真空摄像管真空摄像管变像管变像管像增强管像增强管光敏电阻光敏电阻光电池光电池光电二极管光电二极管光电三极管光电三极管光纤传感器光纤传感器电荷耦合器件电荷耦合器件CCD CMOS热电偶热电偶/热电堆热电堆热辐射计热辐射计/热敏电热敏电阻阻热释电探测器热释电探测器14CCD-Charge Coupled DeviceCMOS-Complementary Metal-Oxide Semic
7、onductorCIS(接触式图像传感器)(接触式图像传感器)典型的光电探测器典型的光电探测器15提到提到CCDCCD与与CMOSCMOS,不得不说到数码相机。,不得不说到数码相机。与传统相机相比,传统相机使用与传统相机相比,传统相机使用“胶卷胶卷”作为其作为其记录资讯的载体,而记录资讯的载体,而数码数码相机的相机的“胶卷胶卷”就是其就是其成像感光器件,而且是与相机一体的,是数码相成像感光器件,而且是与相机一体的,是数码相机的心脏。机的心脏。感光器是数码相机的核心,也是最关键的技术。感光器是数码相机的核心,也是最关键的技术。数码相机的发展道路,可以说就是感光器的发展数码相机的发展道路,可以说就
8、是感光器的发展道路。道路。目前数码相机的核心成像部件有两种:一种是广目前数码相机的核心成像部件有两种:一种是广泛使用的泛使用的CCDCCD(电荷耦合)元件;另一种是(电荷耦合)元件;另一种是CMOSCMOS(互补金属氧化物半导体)器件。(互补金属氧化物半导体)器件。16数码相机数码相机 vs vs 胶卷式相机胶卷式相机1.1.经过镜头光聚焦在经过镜头光聚焦在CCDCCD(CMOSCMOS)上)上 2.CCD2.CCD(CMOSCMOS)将光转)将光转换成电信号换成电信号 3.3.经处理器加工,记经处理器加工,记录在记忆体上录在记忆体上4.4.显示器输出或显示器输出或打印打印1.1.经过镜头光聚
9、焦在经过镜头光聚焦在胶片上胶片上2.2.胶片上的感光剂随胶片上的感光剂随光发生化学变化光发生化学变化 3.3.变化了的感光剂胶变化了的感光剂胶片经显影液显像片经显影液显像 4.4.呈现在相纸上呈现在相纸上17相机相机(成像成像)原理原理18192021数码相机的视网膜数码相机的视网膜CCD(Charge Coupled Device)电荷电荷耦合元件耦合元件CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)互补性氧化金属半导体互补性氧化金属半导体 可记录光线变化的半导体可记录光线变化的半导体22CCD-Charge Coupled Device,电荷电荷
10、耦合元件耦合元件C C上感光元件的表面具有储存电荷的能力上感光元件的表面具有储存电荷的能力,以百万像素以百万像素megapixel 为单位为单位。光电转换光电转换当其表面感受到光线时,会将电荷反当其表面感受到光线时,会将电荷反应在元件上应在元件上 23电电荷荷耦耦合合器器件件(Charge Charge Couple Couple DeviceDevice)是是一一种种大大规规模模金金属属氧氧化化物物半半导导体体(MOSMOS)集集成成电电路路光光电电器器件件。它它以以电电荷荷为为信信号号,具具有有光光电电信信号号转转换换、存存储储、转移转移和和读出信号电荷读出信号电荷的功能。的功能。CCDC
11、CD自自19701970年年问问世世以以来来,由由于于其其独独特特的的性性能能而而发发展展迅迅速速,广广泛泛应应用用于于航航天天、遥遥感感、工工业业、农农业业、天天文文及及通通讯讯等等军军用用及及民民用用领领域域信信息息存存储储及及信信息息处处理理等等方方面,尤其适用以上领域中的图像获取。面,尤其适用以上领域中的图像获取。24251.CCD1.CCD的结构及工作原理的结构及工作原理CCDCCD是是由由若若干干个个电电荷荷耦耦合合单单元元组组成成的的。其其基基本本单单元元是是MOSMOS(金金属属-氧氧化化物物-半半导导体体)电电容容器器。它它以以P P型型(或或N N型型)半半导导体体为为衬衬
12、底底,上上面面覆覆盖盖一一层层厚厚度度约约120 120 nmnm的的SiOSiO2 2,再再在在SiOSiO2 2表表面面依依次次沉沉积积一一层层金金属属电电极极而而构构成成MOSMOS电电容容转转移移器器件件。这这样样一一个个MOSMOS结结构构称称为为一一个个光光敏敏元元或或一一个个像像素素。将将MOSMOS阵阵列加上输入、列加上输入、输出结构就构成了输出结构就构成了CCDCCD器件。器件。2627CCDCCD的突出特点的突出特点:是以:是以电荷电荷作为信号,而作为信号,而不同于其它大多数器件是以电流或者电不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。压为信号。它将它将光敏二极管阵列光敏二
13、极管阵列和和读出移位寄存器读出移位寄存器集成为一体,构成具有自扫描功能的图集成为一体,构成具有自扫描功能的图像传感器。是一种金属氧化物半导体像传感器。是一种金属氧化物半导体(MOSMOS)集成电路器件)集成电路器件,基本功能是进行基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。28主要由三部分组成:主要由三部分组成:信号输入、电荷信号输入、电荷转移、信号输出。转移、信号输出。输入部分:将信号电荷引入到的第一输入部分:将信号电荷引入到的第一个转移栅极下的势阱中,称为个转移栅极下的势阱中,称为电荷注入电荷注入。光注入:用于摄像机。用光敏元件代替输光注入:用于摄
14、像机。用光敏元件代替输入二极管。当光照射入二极管。当光照射CCDCCD硅片时,在栅极附硅片时,在栅极附近的半导体体内产生电子近的半导体体内产生电子空穴对,其多空穴对,其多数载流子被栅极电压排开,少数载流子则数载流子被栅极电压排开,少数载流子则被收集在势阱中形成信号电荷。被收集在势阱中形成信号电荷。的工作原理的工作原理29在栅极上施加按一定规律变化、大小在栅极上施加按一定规律变化、大小超过阈值的电压,则在半导体表面形成超过阈值的电压,则在半导体表面形成不同不同深浅的势阱深浅的势阱。势阱用于存储信号电荷,其深。势阱用于存储信号电荷,其深度同步于信号电压变化,使阱内信号电荷沿度同步于信号电压变化,使
15、阱内信号电荷沿半导体表面传输,最后从输出二极管送出视半导体表面传输,最后从输出二极管送出视频信号。频信号。为了实现电荷的定向转移,在为了实现电荷的定向转移,在CCDCCD的的MOSMOS阵列阵列上划分成以几个相邻上划分成以几个相邻MOSMOS电荷为一单元的循电荷为一单元的循环结构。一位环结构。一位CCDCCD中含的中含的MOSMOS个数即为个数即为CCDCCD的的像素。像素。30A A、势阱的产生、势阱的产生 MOSMOS的金属电极加正压,电极下的的金属电极加正压,电极下的P P型硅区域内空穴被赶尽,留下带负电荷型硅区域内空穴被赶尽,留下带负电荷的负离子,其中无导电的载流子,形成耗的负离子,其
16、中无导电的载流子,形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于于U U的大小。的大小。31B B、电荷的存储、电荷的存储 势阱具有存储电荷的功能,势阱内所势阱具有存储电荷的功能,势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。光强成正比。CCDCCD器件将物体的光像形成对应的电器件将物体的光像形成对应的电像时,就是像时,就是CCDCCD器件中上千个相互独立的器件中上千个相互独立的MOSMOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量。单元势阱中存储与光像对应的电荷量。32C C、电荷的输出、电荷的输出在输出端在输出端P P型
17、硅衬底上扩散形成输出二极管,二极管型硅衬底上扩散形成输出二极管,二极管加反压,在加反压,在PNPN结形成耗尽层。输出栅结形成耗尽层。输出栅OGOG加压使电荷加压使电荷转移到二极管的耗尽区,作为二极管的少数载流子转移到二极管的耗尽区,作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比,通过负载变为电压输出。正比,通过负载变为电压输出。33势阱的概念势阱的概念0481216UG=5VUG=10VUG=15VUG10V10V空势空势阱阱填充填充1/3的势的势阱阱全满势阱全满势阱lMOS电容存储信号电荷的容量电容存储信号电荷的容量 Q=C
18、OX UG A34电荷耦合电荷耦合三相三相CCD中电荷的转移过程中电荷的转移过程2V 10V2V2V存有电荷的势阱存有电荷的势阱352V 10V 210V2V新势阱新势阱l三相三相CCD中电荷的转移过程中电荷的转移过程362V 10V10V2Vl三相三相CCD中电荷的转移过程中电荷的转移过程372V 102V10V2V电荷移动电荷移动l三相三相CCD中电荷的转移过程中电荷的转移过程382V 2V10V2Vl三相三相CCD中电荷的转移过程中电荷的转移过程39l三相三相CCD中电荷的转移过程中电荷的转移过程2V10V 110V2V 210V2V 340CCD的特点体积小,可靠性高,寿命长。体积小,
19、可靠性高,寿命长。空间分辨率高,可以获得很高的定位和测量精度。空间分辨率高,可以获得很高的定位和测量精度。灵敏度高,动态范围大,红外敏感性强,信噪比高灵敏度高,动态范围大,红外敏感性强,信噪比高 。高速扫描,基本上不保留残象高速扫描,基本上不保留残象集成度高集成度高可用于非接触精密尺寸测量系统。可用于非接触精密尺寸测量系统。无像元烧伤、扭曲,不受电磁干扰。无像元烧伤、扭曲,不受电磁干扰。有数字扫描能力。像元的位置可由数字代码确定,便有数字扫描能力。像元的位置可由数字代码确定,便于与计算机结合接口。于与计算机结合接口。41CCDCCD的特性参数的特性参数像素数量,像素数量,CCD尺寸,最低照度,
20、信噪比等尺寸,最低照度,信噪比等像素数像素数是指是指CCD上感光元件的数量。上感光元件的数量。4444万万(768*576768*576)、)、100100万(万(1024*10241024*1024)、)、200200万万(1600*12001600*1200)、)、600600万(万(2832*21282832*2128)信噪比信噪比:典型值为:典型值为46分贝分贝感光范围感光范围 可见光、红外可见光、红外42的类型线阵线阵:光敏元排列为一行的称为线阵,:光敏元排列为一行的称为线阵,像元数从像元数从128128位至位至50005000位位不等,由于生产厂家不等,由于生产厂家像元数的不同,市
21、场上有数十种型号的器件可像元数的不同,市场上有数十种型号的器件可供选用。供选用。面阵面阵CCDCCD:器件像元排列为一平面,它包含若:器件像元排列为一平面,它包含若干行和列的结合。干行和列的结合。目前达到实用阶段的像元数由目前达到实用阶段的像元数由2525万至数百万万至数百万个个不等,按照片子的尺寸不同有不等,按照片子的尺寸不同有1 13 3英寸、英寸、l l2 2英寸、英寸、2 23 3英寸以至英寸以至1 1英寸之分。英寸之分。43线阵线阵CCDCCD:一行,扫描;体积小,价格低;:一行,扫描;体积小,价格低;面阵面阵CCDCCD:整幅图像;直观;价格高,体积大;整幅图像;直观;价格高,体积
22、大;44线阵线阵CCD每次只拍摄图像的一条线,这种每次只拍摄图像的一条线,这种CCDCCD精度高,精度高,速度慢,无法用来拍摄移动的物体,也无速度慢,无法用来拍摄移动的物体,也无法使用闪光灯。法使用闪光灯。传真机或扫描仪用的线性传真机或扫描仪用的线性CCDCCD每次捕捉一细每次捕捉一细长条的光影长条的光影 45其他其他CCD柯达柯达 DSCDSC系列系列46彩彩色色CCDCCD CCD 的像素本身只会的像素本身只会对光的强度有反应对光的强度有反应,对光的色彩则完全没有对光的色彩则完全没有分辨能力,所以单分辨能力,所以单纯纯 CCD CCD 本身,只能拍得本身,只能拍得灰度的影像。灰度的影像。如
23、果要拍到彩色的影像,便要在如果要拍到彩色的影像,便要在 CCD CCD 的每的每一个一个像素前加上三原色的滤镜,使每一个像素前加上三原色的滤镜,使每一个光电体也只能接收和量度其中一种原色的光电体也只能接收和量度其中一种原色的光度强弱:光度强弱:R R 滤镜可让红光通过;滤镜可让红光通过;G G 滤镜滤镜只让绿光通过;只让绿光通过;B B 滤镜则只准蓝光通过。滤镜则只准蓝光通过。47CCD CCD 的三层结构:的三层结构:上:增光镜片上:增光镜片中:色块网格中:色块网格下:感应线路下:感应线路 48面阵面阵CCD处理色彩方法有二种:处理色彩方法有二种:1、G-R-G-B(红、绿、红、绿)(红、绿
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