O 电信号】 CCD图像传感器 图240CCD图像传感器的工作示意 方法。当光照射CCD硅片时，在栅极附近的半导体体内产生电子-空穴对，其多数载流子被 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。 ②电荷的输出目前CCD的输出 方式主要是电流输出、浮置扩散放大器 输出和浮置册极放大器输出三种，其中 前两种输出为破坏性一次输出，只有浮 西离定器 ⊙B⊙色片 置栅极放大器输出为非破坏性输出。 (4)CCD图像传感器的工作示意 图2-40所示为CCD图像传惑器的 多色图像 工作示意。光学信息输人传感器，经光 电变换、电荷存储而形成电信号。 2.62人工视觉系统 图2-41为人工视觉系统的硬件组 图堂 色片 成。硬件有图像输人、图豫处理、图像 计惊机 存储和图像输出4个部分，图像输人通 过视觉传感器和测距传感器将被测对象 的物理信息转化为3维光学图像。图像 经光由变换后转换为电信号，通过扫描 采样将图像分解为许多像素，并把像素 图像存储 图像输出 数据存入计算机中。利用软件将图像进 图2-41人工视觉系统的硬件组成 行进波、校正等处理，然后进行图像处 理和特征提取，用于识别物体。图像可以存储，也可以软拷贝或打印输出。关于图像处理的 知识请参考相关书籍 2.7色彩传感器 色彩传感器起源于机器视觉系统的研究，今年得到飞速发展并进人实用阶段。色彩传感 器是由单晶硅及非晶态硅制成的半导体器件。色彩传感器根据人眼视觉的三色原理，利用结 27
深不同的PN结光电二极管对各种波长的光谱灵敏度的差别，实现对光源或物体的颜色测 量。由于它具有结构简单、体积小、成本低等特点而被广泛应用于与颜色鉴别有关的各个领 域中。例如工业生产上自动检测纸、纸浆、颜料的颜色，医学上对皮肤、内脏、牙齿等颜色 的测定，商业上对家电中彩色电视机的彩色调整等等，是非常有发展前途的一种新型半导体 光电器件。 2.7.1色彩传感器的工作原理 图242所示为色彩传感器的结构示意和等效电路，它由在同一块硅片上制造两个深浅 不同的PN结构成（浅结为PD,它对波长短的光电灵敏度高，PD为深结，它对波长长 的光电灵敏度高)，这种结构又称为双结光电二极管。双结型光电二极管的光谱响应特性如 图2-43短路电流比入射光波长的关系曲线所示。 电极 P PD. (问等效电路 图2-42色彩传感器结构和等效电路 双结光电二极管只能通过测量单色光的波长。当用双结光电二极管作颜色测量时，一般 是测出此器件中两个硅光电二极管的短路 电流比(Ie/1)与人射光波长的关系 (见图2-43)。由图可知，每一种波长的光 都对应于一短路电流比值，再根据短路电 流比值的不同来判别入射光的波长以达到 001 识别颜色的目的。 对于多种波长组成的混合色光，即使 64000060 已知这些混合色光的光谱特性、计算和精 确检测的复杂程度都有增加了许多。图2 图243短路电流比人射光波长的关系曲线 44为可以识别混合色光的具有三基色的硅 集成化三色色敏器件结构。在同一块非晶硅基片上制作出三个非晶硅检出部分，并分别配上 红、绿、蓝三块滤色片，构成一个整体。根据已知的非晶硅全色色敏器件的光谱特性曲线， 如图245所示。通过比较R、G、B的输出，就能够识别出物体的颜色。 2.7.2双结型色彩传感器的副色由路 图246是一种双结型色彩传感器的测色电路。图中PD,、PD2为双结硅光伏二极管， 它们的输出分别连接到运算放大器A和A,的反相输人端，即将运算放大器作电流输人 型使用。连接在A,和Az的反相输入端与输出端之间的VD,和VD2是两只二极管，用作对数变 28
☑皿@ 背面电松 非品态鞋 透明导电 玻璃基板 色器 图2-44具有三基色的硅集成化三色色嫩器件结构 图245非品硅全色色敏帮件的光谱特性曲线 换元件，在工作时它们并不改变A:和A:的短路电流的性质。因此有可能在人射功率的宽 广范围内稳定地测定光的波长，即测定物体的颜色或光的颜色。A,为一差动放大器用于实 现对两个输入电压（即A,和A,的输出电压）的减法运算，该测色电路的输出电压U。(a) 与不同颜色的波长之间的关系可用式(？21)表示 u,=U.g()贤 (2-21） 式中，U,为常数，V。根据式(2-21)，可以得到图246测色电路的输出电压U。与波 长之间的关系如图2-47所示。只要测出了输出电压。，就可根据这个由线图确定出人射 单色光的波长。 00 10 长nam 图2-46双结型色彩传感器的测色电路 图2-47测色电路的输出电压U,和 波长之间的关系 2.8光电传感器 光电传感器是将光信号转变为易于测量的电信号的器件。光探测器是光电传感器实现光 电转换的关键部件。光探测器的工作主要基于光辐射与物质的相互作用所产生的光电效应和 热效应。 当光照射光电材料时，材料发射电子或者其电导率发生变化，或者产生感生电动势的现 象统称为光电效应。光电效应的实质是入射光与物质中束缚于品格的电子或自由电子的相互 29
作用。按照是否发射电子，光电效应分内光电效应和外光电效应。内光电效应包括光电导效 应、光伏效应、光子牵引效应和光磁电效应。 热效应是指某些物质的性质随人射光 的加热作用引起的温度变化而变化的现象。 热效应包括热释电效应、温差电效应等。 2.8.1光敏电阻 光电导 光敏电阴是利用具有光电导效应的半导 体材料做成的光电探测器。图2-48为光敏电 阻的原理及符号。在均质的光电半导体两带 加上一定电压，当用光照射光电导体时，由 光照产生的光生载流子在外加电场作用下沿 图248光敏电阻的工作原理及符号 一定方向运动，在电路中产生电流。利用光 敏电阻的制造工艺，可以制造出很多派生器件，如光电位计、光桥和光电藕台器等。 光敏电阻体积小、灵敏度高、稳定 性好、价格低，广泛应用干家用电器等 光机电一信化产品中。例如在申视机中 100k 做亮度自动调节、照相机的自动喉光等 (3V 图2-49所示为照相机电子测光系统的电 路原理。根据光敏电阻的工作原理， 照度越强，光敏电阻的阻值越小；反之 阻值越大。如果光照度太小或者太大 只有一个发光二极管发光。调节孔板位 1201 置，使电路中的两个发光二极管同时均 匀发光，则表明曝光适度。电路中的热 敏电阻用于光敏电阻的湿度补偿。 图249照相机电子测光系统的电路原理 282 光电二极管和光电三极管 光电二极管和光电三极管是一种比较简单的外光电效应器件，属于近红外线接收管。它 们将接收到的光的变化变成电流的变化，经过放大及信导处理，用于各种控制目的。例如电 视遥控器、条形码读出器等。 图2-50所示为红外遥控接收电路。 光电二极管接收发射的红外光脉冲信号，经过结星 图250红外遥控接收电路
场效应管放大，再经过运算放大器效人100倍后， 0+12y 输人比较器进行比较。输出信号送人4528组成的 单稳态电路及达林顿驱动电路，驱动负载。 图2-51为磁带终端检测电路。当磁带终端成 为透明带时，光电三极管接收到红外发光二极管发 射的红外线而产生光电流，使光电三极管VT:处 于饱和状态而截止，输出低电平，进而控制磁带主 轴的驱动电机。 2.8.3红外传感器 自然界存在的物体都会放射出不同波长的红外 阳251磁带终骥检测电路 线。红外线传感器能够检测物体发射的红外线，用于测量、成像或控制。红外传惑器按照工 作原理分为量子型和热型。热型红外线光敏元件具有灵敏度较低、响应速度较慢、价格便 宜、能在室温环境下工作等特点。量子型红外线光敏元件正好相反，热释电型红外传感器 用广泛，此处只介绍该类型的传感器。 若使某些强介电质物质的表面温度发生变化，随着温度的上升或下降，在这些物质表面 上就会产生电荷的变化，这种现象为热释电效应。具有热释电效应的材料有铁偕酸铅 (PZT).硫酸三甘钛(LATGS)等。 图2-52所示为热释电红外传感器的结构和电路。传感器的敏感元件是P2T,在其上下 两面做上电极，并涂一层黑色的氧化膜。热释电红外传感器诵常需要增加一个用翅料制成的 特殊设计的光学透镜（菲涅尔透镜），提高传感器的接收灵敏度，而且检测距离增大(10 以上)。热释电红外传感器的用途广泛，主要用于防盗、自动门、火灾报警、非接触温度测 量和其他光机电一体化产品中。 )管相 FET 够元件 源极 (结构绍成 )控制电铬 图2-52热释电红外传感器的结构组成和控倒电路 图2-53所示为高级宾馆、公共场所经常见到的白动门控制电路。采用波长为8~10如m的 热释电红外传感器来检测人体发射出的红外线。当人体进入探测范围后，红外传感器输出一交 流电压，电压的频率与人体移动的速度有关。交流电压经过2级耦合放大后，接入电压比较器 的反相端。当设有人进入探测范围，反相端电压大于同相端电压，比较器输出低电平；当有人 进人时，比较器翻转，输出高电平，当人走动时，则榆出一串脉冲。红外探测电路分别安装在 门的两侧，无论人进门还是出门，都可以深测。如果有人进门或者出门，红外探测电路输出高 电平，使三极管VT导通，55电路的引角2变成低电平，引角3则输出高电平，使继电器吸 31