1、主要内容：主要内容：概述概述 概述概述光光 电电 鼠鼠 标标概述概述光电开关概述概述光栅光栅光纤光纤光电管光电管光敏电阻光敏电阻 8.1 8.1 光电效应光电效应 传统的光敏器件利用各种光电效应，传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为：光电效应可分为：外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应 光电导效应光电导效应 光生伏特效应光生伏特效应 8.1 8.1 光电效应光电效应 (1)(1)外光电效应外光电效应 在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。光电效应。光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个光照射物体时，电子吸收入射光子的能
2、量，每个 光子具有的能量是：光子具有的能量是：EhhJ S 普朗克常数普朗克常数()光的频率（光的频率（Hz），波长短，频率高，能量），波长短，频率高，能量大 8.1 8.1 光电效应光电效应 如果光子的能量如果光子的能量E E大于电子的逸出功大于电子的逸出功A A，超出的，超出的能量表现在电子逸出的功能，电子逸出物体表面，能量表现在电子逸出的功能，电子逸出物体表面，产生光电子发射。产生光电子发射。能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。于物体表面的电子逸出功。2012EhmvA由能量守恒定律有：由能量守恒定律有：u光电导效应：光
3、电导效应：入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。这种效应几乎所有高电阻这种效应几乎所有高电阻 率半导体都有，为使电子从率半导体都有，为使电子从 价带激发到导带，入射光子价带激发到导带，入射光子 的能量的能量E E0 0应大于禁带宽度应大于禁带宽度EgEg。基于光电导效应的光电器件基于光电导效应的光电器件 有有光敏电阻光敏电阻。8.1 8.1 光电效应光电效应(2)(2)内光电效应内光电效应 过程：过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内
4、的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg 8.1 8.1 光电效应光电效应(2)(2)内光电效应内光电效应 u光生伏特效应：光生伏特效应：光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PNPN结上产生电动势的效应。结上产生电动势的效应。为什么为什么PNPN结会因光照产生光生伏特效应呢？结会因光照产生光生伏特效应呢？有下面两种情况：有下面两种情况：当光照射在当光照射在PNPN结时，如果电子能量大于半导体禁带结时，如果电子能量大于半导体禁带 宽度（宽度（E0 E0 EgEg）,可激发出电子可激发出电子空穴对，在
5、空穴对，在 PNPN结内电场作用下空穴移向结内电场作用下空穴移向P P区，而电子移向区，而电子移向N N区，区，使使P P区和区和N N区之间产生电压，区之间产生电压，这个电压就是光生电动势这个电压就是光生电动势.基于这种效应的器件有基于这种效应的器件有 光电池光电池 8.1 8.1 光电效应光电效应(2)(2)内光电效应内光电效应 处于反偏的处于反偏的PNPN结（结（P P接电源负极，接电源负极，N N接电源正极接电源正极）：）：无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，光子能量足够大产生光生电子有光照时，光子能量足够大产生光生电子空穴对，空穴对，
6、在在PNPN结电场作用下，形成光电流，结电场作用下，形成光电流，电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。具有这种性能的器件有：具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管光敏二极管、光敏晶体管.8.1 8.1 光电效应光电效应(2)(2)内光电效应内光电效应8.2 8.2 光电器件光电器件 1 1、光电管、光电管 RUI光强 当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E E大于电子的逸出功大于电子的逸出功A A（E EA A），会有电子逸出产生），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，电子发射。
7、电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻电流在回路电阻R R上产生上产生 正比于电流大小的压降。正比于电流大小的压降。因此因此 8.2 8.2 光电器件光电器件 1 1、光电管、光电管 8.2 8.2 光电器件光电器件 1 1、光电管、光电管 8.2 8.2 光电器件光电器件 2 2、光电倍增管、光电倍增管 光照很弱时，光电管产生光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元是光电倍增管做光电转换元件。件。光
8、电倍增管是利用二光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放子，将光电流在管内进行放大。大。8.2 8.2 光电器件光电器件 3 3、光敏电阻、光敏电阻 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结光敏电阻的工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。膜。光敏电阻结构及符号光敏电阻结构及符号 8.2 8.2 光电器光电器3 3、光敏电阻、光敏
9、电阻 光敏电阻光照特性光敏电阻光照特性 无光照时，内部电子被原子束缚具有很高的电阻值；无光照时，内部电子被原子束缚具有很高的电阻值；有光照时，电阻值随光强增加而降低；有光照时，电阻值随光强增加而降低；光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。光敏电阻主要参数光敏电阻主要参数 暗电阻暗电阻无光照时的电阻；无光照时的电阻；暗电流暗电流无光照时的电流；无光照时的电流；亮电阻、亮电流亮电阻、亮电流受光照时的阻值、电流；受光照时的阻值、电流；光电流光电流亮电流与暗电流之差称光电流亮电流与暗电流之差称光电流。8.2 8.2 光电器件光电器件 3 3、光敏电
10、阻、光敏电阻 伏安特性伏安特性 给定偏压给定偏压 光照越大光电流越大；光照越大光电流越大；给定光照度给定光照度 电压越大光电流越大；电压越大光电流越大；光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和，曲线不弯曲、无饱和，但受最大功耗限制。但受最大功耗限制。8.2 8.2 光电器件光电器件 3 3、光敏电阻、光敏电阻基本特性基本特性光敏电阻伏安特性光敏电阻伏安特性 光谱特性光谱特性 光敏电阻灵敏度与入射波长有关光敏电阻灵敏度与入射波长有关;光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关，材料与相对灵敏度峰位波长材料与相对灵敏度峰位波长 例图：例图：硫化镉（硫
11、化镉（CdSCdS）0.30.30.8(m)0.8(m)硫化铅（硫化铅（PbSPbS）1.01.03.5(m)3.5(m)锑化铟（锑化铟（InSbInSb）1.01.07.3(m)7.3(m)8.2 8.2 光电器件光电器件 3 3、光敏电阻、光敏电阻基本特性基本特性 8.2 8.2 光电器件光电器件 3 3、光敏电阻、光敏电阻基本特性基本特性光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性 8.2 8.2 光电器件光电器件 3 3、光敏电阻、光敏电阻基本特性基本特性 温度特性温度特性 温度变化影响温度变化影响 光敏电阻的灵敏度、光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。暗电流和光谱响应。光敏电阻温度特性光敏电
12、阻温度特性 8.2 8.2 光电器件光电器件 4 4、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。光敏晶体管工作原理主要基于光生伏特效应。特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高可靠性高;广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。自动报警、自动计数等领域和装置。8.2 8.2 光电器件光电器件 4 4、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 （1）光敏二极管）光敏二极管 光敏二极管结构与一光敏二极管结构与一般二极管相似，它
13、们都般二极管相似，它们都有一个有一个P PN N结，并且都结，并且都是单向导电的非线性元是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率件。为了提高转换效率大面积受光，大面积受光，PNPN结面积结面积比一般二极管大。比一般二极管大。硅光敏二极管结构硅光敏二极管结构 工作原理：工作原理：光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时，反向电阻很大，无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；反向电流很小；有光照时，有光照时，PNPN结处产生光生结处产生光生 电子空穴对；电子空穴对；在电场作用下形成光电流，在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；光照越强光电流越大；
14、光电流方向与反向电流一致。光电流方向与反向电流一致。8.2 8.2 光电器件光电器件 4 4、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管基本电路光敏二极管基本电路 v 基本特性：基本特性：光照特性，光照特性，图是硅光敏二极管在小图是硅光敏二极管在小 负载电阻下的光照特性。负载电阻下的光照特性。光电流与照度成线性关系。光电流与照度成线性关系。光敏二极管光照特性光敏二极管光照特性 8.2 8.2 光电器件光电器件 4 4、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光谱特性，光谱特性，当入射波长当入射波长900nm900nm时，响应下降，因波长长，时，响应下降，因波长长，光子能量小
15、于禁带宽度，不产生电子光子能量小于禁带宽度，不产生电子空穴对；空穴对；当入射波长当入射波长900nm900nm时，响应也逐渐下降，波长短时，响应也逐渐下降，波长短 的光穿透深度小，使光电流减小。的光穿透深度小，使光电流减小。8.2 8.2 光电器件光电器件 4 4、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 硅光敏二极管光谱响应硅光敏二极管光谱响应 光敏晶极管光谱响应光敏晶极管光谱响应 光敏二极管伏光敏二极管伏安特性安特性 伏安特性伏安特性 当反向偏压较低时，光当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，感，随反向偏压的加大，光生电流趋于饱和，这光生电流
16、趋于饱和，这时光生电流与所加偏压时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光几乎无关，只取决于光照强度。照强度。8.2 8.2 光电器件光电器件 4 4、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 温度特性，温度特性，由于反向饱和电流与温由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度二极管的暗电流对温度变化很敏感。变化很敏感。8.2 8.2 光电器件光电器件 4 4、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管暗电流与温度关系光敏二极管暗电流与温度关系 频率响应频率响应:光敏管的频率响应是指光敏光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变管输出的
17、光电流随频率的变化关系。光敏管的频响与本化关系。光敏管的频响与本身的物理结构、工作状态、身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素负载以及入射光波长等因素有关。图光敏二极管频率响有关。图光敏二极管频率响应曲线说明调制频率高于应曲线说明调制频率高于1000Hz1000Hz时，硅光敏晶体管灵时，硅光敏晶体管灵敏度急剧下降。敏度急剧下降。光敏二极管频率响应曲线 8.2 8.2 光电器件光电器件 4 4、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 与普通晶体管不同的是，与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极光敏晶体管是将基极集电极集电极结作为光敏二极管，集电结做结作为光敏二极管，集电结做受光
18、结，另外发射极的尺寸做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。的很大，以扩大光照面积。大多数光敏晶体管的基极大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃无引线，集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到封装上有个小孔，让光照射到基区。基区。8.2 8.2 光电器件光电器件 4 4、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管光敏三极管光敏晶极管结构光敏晶极管结构 硅（硅（SiSi）光敏晶体极管一般都是）光敏晶体极管一般都是NPNNPN结构，光照射结构，光照射在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向在集电结的基区，产生电子、空穴，光生电子被拉向集电极，基区留下正
19、电荷（空穴），使基极与发射极集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极之间的电压升高，这样，发射极便有大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。在负载电阻流增益。在负载电阻RLRL上的上的输出电压为：输出电压为：8.2 8.2 光电器件光电器件 4 4、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏三极管光敏三极管0pLViR晶体管电流放大系数晶体管电流放大系数 光敏晶体管具有放大作用，伏安特性曲线光敏晶体管具有放大作用，伏安特性曲线 如图所示如图所示 8.2 8.2
20、光电器件光电器件 4 4、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管 光敏晶体管等效电路光敏晶体管等效电路 光敏晶体管伏安特性光敏晶体管伏安特性 光敏晶体管的光谱特性光敏晶体管的光谱特性 硅材料的光敏管峰值波长在硅材料的光敏管峰值波长在0.9m0.9m附近（可见光）附近（可见光）灵敏度最大；灵敏度最大；可见光或探测赤热状可见光或探测赤热状 物体时一般都用硅管物体时一般都用硅管 锗管的峰值波长约为锗管的峰值波长约为 1.5m1.5m（红外光）（红外光）对红外进行探测时用对红外进行探测时用 锗管较适宜。锗管较适宜。8.2 8.2 光电器件光电器件 4 4、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三
21、极管 光敏三极管光敏三极管光敏晶体管光谱特性 光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直光电池工作原理也是基于光生伏特效应，可以直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控源，广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。制等。光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。电池、砷化镓、氧化铜等等。8.2 8.2 光电器件光电器件 5 5、光电池（有源器件）光电池（有源器件）光光 电电 池池 符符 号号 8.2 8.2 光电器件光电器件 5
22、5、光电池（有源器件）光电池（有源器件）太阳能手机充电器太阳能手机充电器太阳能供 LED电警示太阳能电池 结构：光电池实质是一个大面积结构：光电池实质是一个大面积PNPN结，上电极为栅结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。状受光电极，下电极是一层衬底铝。原理：当光照射原理：当光照射PNPN结的一个面时，电子结的一个面时，电子空穴对空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生的电动势。一般可产生0.2V0.2V0.6V0.6V电压电压50mA50mA电流。电流。8.2 8.2 光电器件光电器件 5 5、光电池（有源
23、器件）光电池（有源器件）光电池结构光电池结构 光电池工作原理图光电池工作原理图 光照特性光照特性 开路电压，光生电动势与照度之间关系称开开路电压，光生电动势与照度之间关系称开路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线路电压曲线，开路电压与光照度关系是非线性关系，在照度性关系，在照度2000lx2000lx下趋于饱和。下趋于饱和。短路电流，短路电流与照度之间关系称短路短路电流，短路电流与照度之间关系称短路电流曲线曲线，短路电流是指外接负载电流曲线曲线，短路电流是指外接负载RLRL相相对内阻很小时的光电流。对内阻很小时的光电流。8.2 8.2 光电器件光电器件 5 5、光电池（有源器件）光电池（有源器
24、件）光电池光照特性光电池光照特性 光电池光照与负载的关系光电池光照与负载的关系 光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源光电池作为测量元件使用时，一般不做电压源使用，而作为电流源的形式应用。使用，而作为电流源的形式应用。8.2 8.2 光电器件光电器件 5 5、光电池（有源器件）光电池（有源器件）光谱特性光谱特性 光电池对不同波长的光灵敏光电池对不同波长的光灵敏度不同，度不同，硅光电池的光谱响应峰值在硅光电池的光谱响应峰值在0.8m0.8m附近，波长范围附近，波长范围0.40.41.2m1.2m。硅光电池可在很宽的。硅光电池可在很宽的波长范围内应用。波长范围内应用。硒光电池光谱响应峰值在硒光电
25、池光谱响应峰值在0.5m0.5m附近附近,波波 长范围长范围0.380.380.75m0.75m。8.2 8.2 光电器件光电器件 5 5、光电池（有源器件）光电池（有源器件）光光电池电池谱特性谱特性 8.2 8.2 光电器件光电器件 5 5、光电池（有源器件）光电池（有源器件）频率特性频率特性 频率特性指光电池相对频率特性指光电池相对 输出电流与光的调制频输出电流与光的调制频 率之间关系。率之间关系。硅、硒光电池的频率特硅、硒光电池的频率特 性不同，硅光电池频率性不同，硅光电池频率 响应较好硒光电池较差。响应较好硒光电池较差。所以高速计数器的转换所以高速计数器的转换 一般采用硅光电池作为一般
26、采用硅光电池作为 传感器元件。传感器元件。8.2 8.2 光电器件光电器件 5 5、光电池（有源器件）光电池（有源器件）硅、硒光电池的频率特性硅、硒光电池的频率特性 8.2 8.2 光电器件光电器件 5 5、光电池（有源器件）光电池（有源器件）温度特性温度特性v 电路连接电路连接 光电池作为控制元件时通常接非线性负载，光电池作为控制元件时通常接非线性负载，控制晶体管工作。控制晶体管工作。光电池作为电源使用时，根据使用要求进行光电池作为电源使用时，根据使用要求进行连接。连接。需要高电压时应将光电池串联使用；需要高电压时应将光电池串联使用；需要大电流时应将光电池并联使用。需要大电流时应将光电池并联
27、使用。8.2 8.2 光电器件光电器件 5 5、光电池（有源器件）光电池（有源器件）硅管的发射结导通电压为硅管的发射结导通电压为0.6V0.6V0.7V0.7V，光电池的，光电池的 0.5V0.5V电压起不到控制作用，可将两个光电池串联电压起不到控制作用，可将两个光电池串联 后接入基极，或用偏压电阻产生附加电压。后接入基极，或用偏压电阻产生附加电压。有光照度变化时，引起基极电流有光照度变化时，引起基极电流IbIb变化，集电极变化，集电极 电流发生电流发生倍的变化。电流倍的变化。电流IcIc与光照近似线性关系。与光照近似线性关系。光电池电路连接光电池电路连接 又称光电隔离器又称光电隔离器 “光耦
28、光耦”器件由发光元件和接收光敏元件（光敏电器件由发光元件和接收光敏元件（光敏电 阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，发光阻、光敏二极管、晶体管等）集成在一起，发光 管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用 下控制输出电流大小。通过电下控制输出电流大小。通过电光、光光、光电，电，两次转换进行输入输出耦合。两次转换进行输入输出耦合。8.2 8.2 光电器件光电器件 6 6、光电耦合器件光电耦合器件 “光耦光耦”集成器件的特点：输入输出完全隔离，集成器件的特点：输入输出完全隔离，有独立的输入输出抗，器件有很强的抗干扰能有独立的输入输出抗，器件有很强的抗干
29、扰能力和隔离性能可避免振动、噪声干扰。力和隔离性能可避免振动、噪声干扰。特别适宜做数字电路特别适宜做数字电路 开关信号传输、逻辑开关信号传输、逻辑 电路隔离器、计算机电路隔离器、计算机 测量、控制系统中做测量、控制系统中做 无触点开关等。无触点开关等。8.2 8.2 光电器件光电器件 6 6、光电耦合器件光电耦合器件（1）组成开关电路 图1电路中，当输入信号ui为低电平时，晶体管V1处于截止状态，光电耦合器B1中发光二极管的电流近似为零，输出端Q11、Q12间的电阻很大，相当于开关“断开”；当ui为高电平时，v1导通，B1中发光二极管发光，Q11、Q12间的电阻变小，相当于开关“接通”该电路因
30、Ui为低电平时，开关不通，故为高电平导通状态同理，图2电路中，因无信号(Ui为低电平)时，开关导通，故为低电平导通状态（2）功率驱动电路中的光电隔离）功率驱动电路中的光电隔离 在微机控制系统中，大量应用的是开关量的控制，这些开关量一般经过微机的IO输出，而IO的驱动能力有限，一般不足以驱动一些电磁执行器件，需加接驱动介面电路，为避免微机受到干扰，须采取隔离措施。如可控硅所在的主电路一般是交流强电回路，电压较高，电流较大，不易与微机直接相连，可应用光耦合器将微机控制信号与可控硅触发电路进行隔离 在马达控制电路中，也可采用光耦来把控制电路和马达高压电路隔离开。马达靠MOSFET或IGBT功率管提供
31、驱动电流，功率管的开关控制信号和大功率管之间需隔离放大级。在光耦隔离级放大器级大功率管的连接形式中，要求光耦具有高输出电压、高速和高共模抑制。注意事项注意事项（1）在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用）在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离独立的电源，若两端共用一个电源，则光电耦合器的隔离作用将失去意义。作用将失去意义。（2）当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所）当用光电耦合器来隔离输入输出通道时，必须对所有的信号（包括数位量信号、控制量信号、状态信号）全有的信号（包括数位量信号、控制量信号、状态信号）全部隔离，使得被隔离
32、的两边没有任何电气上的联系，否则部隔离，使得被隔离的两边没有任何电气上的联系，否则这种隔离是没有意义的。这种隔离是没有意义的。8.2 8.2 光电器件光电器件 （3 3）光电耦合器件的应用光电耦合器件的应用 光电耦合器用于光电耦合器用于天然气点火器电路天然气点火器电路 8.2 8.2 光电器件光电器件 7 7、光电开关光电开关 （1）工作原理）工作原理 光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有
33、能反射光线的物体均检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，发射器上转换为光信号射出，接收器接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。工作原理图工作原理图1所示。多数光电开关选用的是波长接近可见光的所示。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线红外线光波光波型。型。（2）光电开关的分类）光电开关的分类 漫反射式光电开关漫反射式光电开关：它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光
34、线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。镜反射式光电开关镜反射式光电开关：它亦集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。对射式光电开关对射式光电开关：它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器，当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体为不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测装置。槽式光电开关槽式光电开关：它通常采用标准的U字型结构，其
35、发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了开关量信号。槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，并且它能分辨透明与半透明物体,使用安全可靠。（3）光电开关的特性参数光电开关的特性参数 检测距离检测距离：是指检测体按一定方式移动，当开关动作时测得的基准位置（光电开关的感应表面）到检测面的空间距离。额定动作距离指接近开关动作距离的标称值。回差距离回差距离：动作距离与复位距离之间的绝对值。响应频率响应频率：在规定的1s的时间间隔内，允许光电开关动作循环的次数。输出状态输出状态：分常开和常闭。当无检测物体时，常开型的光电开关所接通的负载由于光电
36、开关内部的输出晶体管的截止而不工作，当检测到物体时，晶体管导通，负载得电工作。检测方式检测方式：根据光电开关在检测物体时发射器所发出的光线被折回到接收器的途径的不同，可分为漫反射式、镜反射式、对射式等。指向角指向角：见光电开关的指向角示意图,即如图4的下部三个小图所示。表面反射率表面反射率：漫反射式光电开关发出的光线需要经检测物表面才能反射回漫反射开关的接受器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接受器接收到光线的强度。粗糙的表面反射回的光线强度必将小于光滑表面反射回的强度,而且，被检测物体的表面必须垂直于光电开关的发射光线。被检测物体光电开关移动方向光电开关被检测物体检测距离回差值动作
37、（接通）复位（断开）基准轴被测物反光镜漫反射式镜反射式接受器发射器对射式（4）使用注意事项 红外线传感器属漫反射型的产品，所采用的标准检测体为平面的白色画纸。红外线光电开关在环境照度高的情况下都能稳定工作，但原则上应回避将传感器光轴正对太阳光等强光源。对射式光电开关最小可检测宽度为该种光电开关透镜宽度的80%。当使用感性负载（如灯、电动机等）时，其瞬态冲击电流较大，可能劣化或损坏交流二线的光电开关，在这种情况下，请将负载经过交流继电器来转换使用。红外线光电开关的透镜可用擦镜纸擦拭，禁用稀释溶剂等化学品，以免永久损坏塑料镜。针对用户的现场实际要求，在一些较为恶劣的条件下，如灰尘较多的场合，所生产
38、的光电开关在灵敏度的选择上增加了50%，以适应在长期使用中延长光电开关维护周期的要求。产品均为SMD工艺生产制造，并经严格的测试合格后才出厂，在一般情况下使用均不会出现损坏。为了避免意外性发生，请用户在接通电源前检查接线是否正确，核定电压是否为额定值。消除背景物的影响（5）应用举例）应用举例 从图6可以看出光电开关的各种应用。其中，图6（a）为光电开关用于对材料的定位剪切控制；图6（b）为用光电开关来控制液面位的上下限值，当液面位高于或低于上下极限液面位时，光电开关控制电路可使阈门打开或关闭，使液面位的高度保持在上下限之间；图6（c）为利用物体对光的遮挡作用，检测物体的通过个数，或物体是否存在
39、；图6（d）为利用光的直线传播性，检验产品是否等高排列；图6（e）为将光电开关用在流水生产线上，来检测产品的个数；图6（f）为用光电开关检测液面位的高低。透射式透射式反射式反射式光电鼠标的工作原理是：在光电鼠标内部有光电鼠标的工作原理是：在光电鼠标内部有一个发光二极管，通过该发光二极管发出的一个发光二极管，通过该发光二极管发出的光线，照亮光电鼠标底部表面（这就是为什光线，照亮光电鼠标底部表面（这就是为什么鼠标底部总会发光的原因）。然后将光电么鼠标底部总会发光的原因）。然后将光电鼠标底部表面反射回的一部分光线，经过一鼠标底部表面反射回的一部分光线，经过一组光学透镜，传输到一个光感应器件（微成组光
40、学透镜，传输到一个光感应器件（微成像器）内成像。这样，当光电鼠标移动时，像器）内成像。这样，当光电鼠标移动时，其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄的连贯图像。最后利用光电鼠标内部的一块专用贯图像。最后利用光电鼠标内部的一块专用图像分析芯片（图像分析芯片（DSP，即数字微处理器）对，即数字微处理器）对移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，移动轨迹上摄取的一系列图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位。而完成光标的定
41、位。CCDCCD（Charged Coupled DeviceCharged Coupled Device，电荷耦合器件），电荷耦合器件）是由一系列排得很紧密的是由一系列排得很紧密的MOSMOS电容器组成。它的突出电容器组成。它的突出特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的特点是以电荷作为信号，实现电荷的存储和电荷的转移。因此，转移。因此，CCDCCD工作过程的主要问题是信号电荷的工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测。产生、存储、传输和检测。特点：集成度高、尺寸小、电压低（特点：集成度高、尺寸小、电压低（DC7DC712V12V）、）、功耗小。功耗小。该技术的发展促进了各种
42、视频装置的普及和微型该技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型 化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农 业、军用等各个领域。业、军用等各个领域。8.2 8.2 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）ChargeChargeCoupled DevicesCoupled Devices 8.2 8.2 光电器件光电器件 电荷耦合器件电荷耦合器件 8.2 8.2 光电器件光电器件 电荷耦合器件电荷耦合器件 基于基于CCDCCD光电耦器件的输入光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机机
43、、平板扫描仪、指纹机 8.2 8.2 光电器件光电器件 电荷耦合器件电荷耦合器件 图象传感器发展趋势 CCD CCD基本结构分两部分：基本结构分两部分：MOSMOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）半导体）光敏元阵列；光敏元阵列；读出移位寄存器。读出移位寄存器。电荷耦合器件是在半导体硅片上电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元，制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元又称一个像素，在半一个光敏元又称一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线阵或面导体硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。阵有规则地排列。8.2 8.2 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）C
44、CDCCD基本结构和工作原理基本结构和工作原理CCDCCD结构示意图结构示意图 显微镜下的MOS元表面 8.2 8.2 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）v 电荷存储原理：电荷存储原理：当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下 P P型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称是一势能很低的区域，称“势阱势阱”。有光线入射到硅。有光线入射到硅 片上时，光子作用下产生片上时，光子作用下产生 电子电子空穴对，空穴被电空穴对，空穴被电 场作用排斥出耗尽区，而场作
45、用排斥出耗尽区，而 电子被附近势阱（俘获），电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与此时势阱内吸的光子数与 光强度成正比。光强度成正比。一个一个MOSMOS光敏元结构光敏元结构 8.2 8.2 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）一个一个MOSMOS结构元为结构元为MOSMOS光敏元或一个像素，光敏元或一个像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；CCDCCD器件内是在硅片上制作成百上千的器件内是在硅片上制作成百上千的MOSMOS元，元，每个金属电极加电压，就形成成百上千个势阱；每个金属电极加电压，就形成成百上千个势
46、阱；如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。8.2 8.2 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）2651801339066453322分辨率不同的图象比较 v 电荷转移原理（读出移位寄存器）电荷转移原理（读出移位寄存器）光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，光敏元上的电荷需要经过电路进行输出，CCDCCD电荷电荷 耦合器件是耦合器件是以
47、电荷为信号而不是电压电流以电荷为信号而不是电压电流。读出移位寄存器也是读出移位寄存器也是MOSMOS结构，由金属电极、氧化结构，由金属电极、氧化 物、半导体三部分组成。物、半导体三部分组成。它与它与MOSMOS光敏元的区别在于，半导体底部覆盖了一光敏元的区别在于，半导体底部覆盖了一 层遮光层，防止外来光线干扰。层遮光层，防止外来光线干扰。由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元；由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元；在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲在三个电极上分别施加脉冲波三相时钟脉冲 123123。8.2 8.2 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）电荷转移原理（读
48、出移位寄存器）电荷转移原理（读出移位寄存器）8.2 8.2 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）读出移位寄存器结构读出移位寄存器结构当当t=t1t=t1时刻，时刻，11电极下出现势阱存入光电荷电极下出现势阱存入光电荷 当当t=t2t=t2时刻，两个势阱形成大的势阱存入光电荷。时刻，两个势阱形成大的势阱存入光电荷。当当t=t3t=t3时刻，时刻，11中电荷全部转移至中电荷全部转移至22。当当t=t4t=t4时刻，时刻，22中电荷向中电荷向33势阱转移。势阱转移。当当t=t5t=t5时刻，时刻，33中电荷向下一个中电荷向下一个11势阱转移。势阱转移。8.2 8.2 光电器件
49、光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）读出移位寄存器三相时钟脉冲读出移位寄存器三相时钟脉冲 v 电荷转移原理电荷转移原理 这一传输过程依次下去，信号电荷按设计好的这一传输过程依次下去，信号电荷按设计好的方向，在时钟脉冲控制下从寄存器的一端转移到方向，在时钟脉冲控制下从寄存器的一端转移到另一端。另一端。这样一个传输过程，实际上是一个这样一个传输过程，实际上是一个电荷耦合过电荷耦合过程程，所以称电荷耦合器件，担任电荷传输的单元，所以称电荷耦合器件，担任电荷传输的单元称移位寄存器。称移位寄存器。8.2 8.2 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）u CCDCCD
50、信号电荷的输出的方式主要有信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输电流输出、电压输出两种出两种,以电压输出型为例：以电压输出型为例：有浮置扩散放大器（有浮置扩散放大器（FDAFDA）、浮置栅放大器（）、浮置栅放大器（FGAFGA）由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管VT2VT2的栅的栅极电位：极电位：/outFDUQ C式中，式中，FDC为为浮置扩散节点上的总电容。浮置扩散节点上的总电容。8.2 8.2 光电器件光电器件 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD）电荷耦合器信号输出方式电荷耦合器信号输出方式 输出信号电压为输出信号电压为 ：1mLout
