光与图像传感器

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1、《现代检测技术》孔斌2012.3.5光与图像传感器内容概要光传感器简介光电传感器光电成像技术与图像传感器一些新进展介绍1光传感器简介1.1光传感器的定义1.2光传感器的用途1.3光传感器的类型及原理1.4典型光传感器举例电磁波谱图光其实是电磁波中的很小一部分可见光科学上定义在390nm-780nm，人眼能看到的范围在312nm-1050nm甚至更广1.1光传感器的定义通常是指能敏感到紫外到红外波长范围的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。紫外波长：0.2~0.4um人眼可见波长：0.4~0.7um(380~780nm)红外波长：0.7~1um~1mm1.2光传感器的用

2、途•测光•计数•自动控制•摄影、录像•测温•测距•……1.3光传感器的类型及原理——量子探测器又称光子探测器或光电转换器，其工作原理是基于一些物质和材料的光电效应。——热探测器其工作原理是基于一些材料的热电效应。探测器吸收红外能量后，产生温度变化，从而产生电效应。热辐射检测传感器绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体温度(K)，遵循普朗克辐射定律。应用：冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题。1.4典型光传感器举例——光电传感器光敏电阻、光电二极管、红外传感器——图像传感器CCD、CMOS2光电传感器2.1光电效应2.2光电传感器2.

3、3光纤传感器2.1光电效应内光电效应半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，称为内光电效应。应用：照相机自动测光光控灯工业控制光电鼠标相机测距反射式光电传感器光控灯：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。光敏二极管外形与一般二极管一样，只是其管壳上有一嵌着玻璃的窗口，以便光线射入。为增加受光面积，PN结的面积做得较大。光敏二极管工作在反向偏置状态下，并与负载电阻相串联。当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（＜uA），称为光敏二

4、极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。光敏三极管除了具有将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。其外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极——发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+

5、β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。2.1光电效应（2）光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。+++−−−PN以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。光电池原理2.2光电传感器光电传感器的基本形式有四种：辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。光电开关能够处理光的强度变化，主要用来检测物体。由发射器、接收器和检测电路三部分组成：发射器对准目标发射光

6、束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）或激光二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间断地运行。接收器由光电二极管或光电三极管组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面的是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。（1）对射型光电开关由发射器和接收器组成，结构上是两者相互分离的，在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化。特点：辨别不透明的反光物体；有效距离大（位于同一轴线上的光电开关可以相互分开达50米）；不易受干扰，可以可靠地在野外或者有灰尘的环境中使用；装置的消耗高，两个单元都必须敷设

7、电缆。（2）漫反射型光电开关由发射器和接收器构成单个的标准部件。开关发射光束时，目标产生漫反射，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化。特点：有效作用距离由目标的反射能力（表面性质和颜色）决定，典型值一直到3米；较小的装配开支；采用背景抑制功能调节测量距离；易受灰尘干扰，对目标反射性能敏感。（3）镜面反射型光电开关由发射器和接收器构成的情况是一种标准配置，从发射器发出的光束在对面的反射镜被反射，即返回接收器，当光束被中断时会产生一个开关信号的变化。光的通过时间是两倍的信号持续时间。特点：辨别不透明的物体；有效作用距离从0.1米至2