生医-传感器：第9章光学传感器.ppt

第九章 光学传感器,生物医学工程教研室 冯博华 ,固态传感器是指利用材料的物理性质在外部因素作用发生变化，这一原理做成的传感器。这类传感器主要以半导体、电介质、铁电体等为敏感材料。与其它传感器相比有以下特点： 1. 基于物性变化，无运动部件，结构简单，体积小； 2. 动态响应好、且输出为电量； 3. 易于集成化、智能化； 4. 低功耗、安全可靠； 主要缺点有：线性度差、温漂大、过载能力差、性能参数离散性大。,光敏传感器 1.光电效应 2.光敏电阻 3.光电池 4.光敏二极管和光敏三极管 5. 光电传感器的类型及应用 电荷耦合图像传感器 1.图像传感器的基本原理 2.电荷耦合器件的结构与工作原理 3. CCD图像传感器 4. CCD图像传感器的特性参数,本章重点： 1. 掌握外光电效应和内光电效应，光敏二极管、三极管及光电池的结构原理； 2. 掌握CCD结构原理，了解CCD图像传感器工作原理；,一、光电效应 （一）外光电效应 在光作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。 光子具有能量，每个光子的能量为 若物体中电子吸收的入射光子能量足以克服逸出功 时，电子逸出物体表面。要使电子逸出，光子的能量必须大于物体的逸出功，超过部分的能量转化为电子的动能，即,光敏传感器,由上式可知： 只有当光子能量大于物体的表面逸出功时，才产生光电子。每种物体都对应一个红限频率，当入射光的频率大于该频率时才会产生光电子。 入射光的频谱成分不变时，产生的光电子数量与光强成正比。 光电子逸出物体表面时具有初始动能。,（二）内光电效应 内光电效应分为两类： 光导效应。 在光线作用下电子吸收光子能量从价带跃迁到导带，引起材料电阻率的变化。称为光导效应。 光生伏特效应。 在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。,二、光敏电阻 光敏电阻又称为光导管。 （一）光敏电阻的原理和结构 当光线照射到光电导体上时，若光导体为本征半导体，且光子能量足够高，光电导体内处于价带上的电子将跃迁到导带上去，从而使光电导体的电阻率降低。入射光子能量必须大于光导材料的禁带宽度，即,从上式可看出，一种光电导体存在一个波长极限 只有波长短于 的光线才能使光导体的电阻率降低。 光敏电阻的结构参见下图。,光辐射功率光谱密度 ： 在单位波长间隔内，光的实际功率(以w为单位)。 光通量： 能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的量度。单位是Lm(流明)。 光通量单位为流明（lm），定义为纯铂在熔化温度（约1770）时，其1/60平方米的表面面积于1球面度的立体角内所辐射的光量。,式中 是一个转换常数，过去也曾称为光功当量，现在叫最大光谱光效能，它的数值，是一个国际协议值，规定为 ，即表示在人眼视觉系统最敏感的波长(555nm)上，每瓦光功率相应的流明数。 为标准明视觉函数。视觉函数反映了人眼对不同波长光线的敏感程度。,照度：单位面积上的光通量。可表示为 照度单位为勒克斯（lx，lux）。1 lx=1 lm/m2。 以下是各种环境照度值：单位 lux 黑夜 0.001 - 0.02，月夜 0.02 - 0.3，阴天室内 5 50，阴天室外 50 500，晴天室内 100 1000，夏季中午太阳光下的照度 约为109，阅读书刊时所需的照度 50 60。,（二）光敏电阻的主要参数和基本特性 1. 暗电阻、亮电阻、光电流 光敏电阻在标准条件下，全暗后经过一段时间后测得的电阻值称为暗电阻，此时的电流称为暗电流。 光敏电阻在某一光照条件下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差成为光电流。 2. 光照特性 在一定电压下，光电流与入射光照度的关系，称为光照特性。参见后图。 3. 光谱特性,2006.11.10JC204-,光谱特性曲线参见下图。 4.伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端电压与电流之间的关系。,5. 频率特性 硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性参见下图。 6. 稳定性 参见上图。,7. 温度特性 温度特性参见下图。 （三）光敏电阻与负载的匹配 每一个光敏电阻都有一个最大耗散功率 。因此，有,光敏电阻测量电路参见下图。总电流,设照度变化时，光敏电阻值的变化量为 ，则此时电流为 由上两式得 当电流为 时，输出电压为 电流为 时，输出电压为,由上两式得 光敏电阻值及电源电压为已知，选择最佳的 值，可以获得最大的信号电压，上式对 求偏导，并令其为零，得 解上式得 因此，当负载电阻与光敏电阻值相等时，可得到最大信号电压。,上面讨论，是针对直流量考虑的，当用于交流情况时， 应选用较小的值，以提高高频响应。 三、光电池 （一）光电池的结构原理 硅光电池结构参见 右图。 在电阻率约为0.1 1cm的N型硅片上，扩 散硼形成P型层，将P型和 N型层引出，作为正负极。,光电池的工作原理是：PN结存在内建电场，当入射光足够强时，在PN结附近激发电子空穴对，在内建电场作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区，结果N区聚集负电荷，P区聚集正电荷。这样在N区和P区间出现电位差。,（二）基本特性 1. 光照特性 即光电池开路电动势和短路电流与照度的关系。,所谓短路电流是指外接负载电阻相对光电池内阻很小的情况下的输出电流。负载电阻越小，输出电流与照度的线性越好。参见下图。,2. 光谱特性 光电池的光谱特性决定于材料。硅和硒光电池的光谱特性参见下图。,3. 频率响应 光电池的频率响应参见下图。 4. 温度特性 参见右上图。从图上看出，短路电流比开路电压的温度特性要好。,（三）光电池的转换效率及最佳负载匹配 光电池最大输出电功率与输入光功率的比值，称为光电池的转换效率。硅光电池转换效率的理论值最大为24%，目前实际为10%15%。 光电池具有非线性内阻，因此输出电压随输出电流增大而非线性减小。光电池输出电压与输出电流的关系称为输出特性，输出特性曲线参见下图。入射光照度不同输出特性曲线不同。 参见下图，考虑负载电阻为线性电阻，显然负载电阻的U-I关系为一直线，该直线的斜率为负载电阻值，直线与光电池输出特性曲线的交点即为工作点，此时电压与电流的乘积即为光电池的输出功率。,上图中阴影部分的面积即为光电池的输出功率，改变负载电阻的值，可以使得对应阴影面积最大。此时负载电阻称为最佳负载电阻。 由于光照不同光电池的输出特性曲线也不同，因此，不同光照下最佳负载电阻值不同。,四、光敏二极管和光敏三极管 （一）光敏管的结构和工作原理 光敏二极管与一般二极管类似，其PN结装在管子的顶部，以便接受光照。光敏二极管在电路中通常工作在反向偏压状态。 光敏二极管的原理参见下图。,当光敏二极管受到光照时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量产生电子空穴对，使P区和N区的少数载流子浓度大大增加。在外加反偏压和内建电场的作用下，P区少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流增加，形成光电流。 光敏三极管与光敏二极管结构相似，内部有两个PN结。光敏三极管发射极做得很小，以扩大光照面积。 光敏三极管工作时基极开路，基极集电极处于反偏。当光照射到PN结附近时，使PN结附近产生电子空穴对，形成光电流。,光照集电结产生的光电流相当于三极管的基极电流，因此集电极电流被放大了 倍，从而使光敏三极管比光敏二极管灵敏度高。,光电流=基极电流,集电极电流,2006.11.13JC204-,（二）光敏管的基本特征 1. 光谱特性 在入射光功率（或光子流密度）一定时，输出光电流（或相对光谱灵敏度）随光波长的变化而变化，称为光敏管的光谱特性。,峰值约为1.41.5m,峰值约为0.80.9m,2. 伏安特性 在不同照度下光电流与外加电压的关系。由图上可看出，在零偏压时，二极管仍有光电流输出，而三极管没有，这是因为二极管存在光生伏特效应。,3. 光照特性 在一定偏压下，光电流与照度的关系，称为光照特性。,4. 频率响应 当入射光照度受正弦幅度调制时，输出光电流变化幅度与调制频率的关系，称为频率响应。 频率响应与管子的结构、工作状态、负载以及入射光波长有关。减小负载可提高响应频率，但输出电压幅度要降低。 光敏三极管通常 比光敏二极管的频率 响应差很多。,5. 暗电流温度特性与光电流温度特性 暗电流随温度升高而增加。在低照度时暗电流对测量影响较大，需要进行补偿。光电流受温度影响较小。,五、光电传感器的类型及应用 （一）光电传感器的类型 光电传感器测量系统按其输出量性质分为两类。 第一类是把被测量转换为连续变化的光电流。主要有下列情形。第二类是转换为断续的光电流。,（二）应用 1.光电耦合器 光电耦合器的作用是传送信号，同时避免电气连接。光电耦合器件主要用途： (1)信号隔离，通过消除环路电流，阻塞噪声信号和共模瞬变，改善信号质量 ； (2)电气绝缘，防止光电耦合器和灵敏电路因高压电势而引起损坏。 下图为长距离信号传输地电位差示意图。,采用光电隔离后，可以有效避免地电位的干扰。 光电耦合器件的结构形式参见下图。,光电耦合器有多种组合方式，参见下图。 光电耦合器件分为 线性和数字两种。下图 为光电耦合器的特性曲 线。,2. 光电转速计 利用光电器件测量转速，其组成见下图。,2007.11.1 JGLX303-,六、 PIN型硅光敏二极管 PIN型硅光敏二极管是一种高速光敏二极管。其设计思想是，为了得到高速响应，需要减小二极管的PN结的电容。为此在高浓度P型和N型硅片层间插入高阻抗的本征半导体层（I层），参见下图。,插入本征半导体层后可提高二极管的响应速度和灵敏度。通过插入本征层和限制受光面积，可以使结电容减小到普通PN结的1/1001/1000。来自P层外侧光子在主要在耗尽层内被吸收，激发产生载流子，形成光电流，由于本征层的存在，载流子在飘移过程中，很少或没有再复合，因而有较高的量子效率，从而提高灵敏度。 另一方面PIN型二极管可以加较高的反压，大大加强PN结电场，使光生载流子在结电场中的运动加速，减小飘移时间，进一步提高响应速度。通常PIN型光敏二极管响应时间可达1nS。,七、 雪崩式光敏二极管（APD） 雪崩式光敏二极管具有高速响应和放大功能。结构参见下图。在PN结的P层一侧再设置一层掺杂浓度极高的P+层，在PN结上施加较大的反偏压，利用PN结处产生的雪崩效应完成电子倍增。,使用时在元件两端加上近于击穿的反压。外来光子通过薄的P+层，被P层吸收，产生载流子。由于P层存在105V/cm的强电场，载流子从电场获得足够的能量，将价带上的电子激发，产生新的载流子，新的载流子在强电场作用下，再次激发出载流子，于是电子和空穴不断产生（雪崩效应），使光电流在内部倍增。倍增的放大倍数与外加电压和材料有关，通常倍增因子（倍增倍数） 式中 与材料、入射波长等有关的参数。 为击穿电压。通常 从数十到数百。,光敏传感器 1.光电效应 2.光敏电阻 3.光电池 4.光敏二极管和光敏三极管 5. 光电传感器的类型及应用 电荷耦合图像传感器 1.图像传感器的基本原理 2.电荷耦合器件的结构与工作原理 3. CCD图像传感器 4. CCD图像传感器的特性参数,一、图像传感器的基本原理 图像传感器的作用是将图像转换为电信号输出。数字图像获取的过程参见下图。,电荷耦合图像传感器,图像传感器对图像是一个空间取样过程。同样受取样定律约束。要从取样数据恢复原始图像，空间采样频率必须符合取样定律。,X方向采样间隔,Y方向采样间隔,设X方向采样间隔为 ，Y方向采样间隔为 ，则X、Y方向的空间采样频率为,X,空间采样频率等于空间采样间隔的倒数，按照采样定律空间采样频率必须大于图像最高空间频率分量的两倍。由于可以通过光学系统放大图像，降低图像的空间频率，因此对于图像传感器考虑的是传感器采样的点数即像素多少，而不是空间采样频率。通常在图像传感器前加一片光学低通滤波器。 对于家用数码相机使用的图像传感器，其像素多少的选择取决于需要输出照片的大小。通常5吋的照片200万（约16001200）像素就可以保证清晰了。而500万（约25801936 ）像素可以完美输出14吋的照片 。 由以上讨论可以看出，只要将多个光敏元件在平面上组成一个矩阵就构成图像传感器。但数百万个光敏元件的信号输出，需要合适的方法才能完成。,二、电荷耦合器件的结构与工作原理 （一）电荷耦合器件的结构 电荷耦合器件由多个MOS电容按一定规律排列而成的。MOS电容结构如下图。 当MOS电容无外加电压时，在理想情况下，能带（电子能量）从表面到内部是平坦的。 对于P型MOS电容，当金属极加上正电压时，空穴受排斥，离开表面，在半导体表面形成带负电的耗尽层。,当栅压上升到 时，半导体表面积累的电子浓度等于体内空穴浓度时的栅压，通常 称为MOS管的开启电压。 当栅压 大于开启电压 时，由于表面势升高，若周围存在电子，将迅速聚集到电极下的半导体表面处。此时在半导体表面形成了势阱。,（二）电荷耦合器件的工作原理 1. 电荷的定向转移 CCD的基本功能是存储与转移电荷。为了实现信号转移，必须使MOS电容阵列排列紧密，使相邻MOS电容的势阱沟通。通常相邻MOS电容电极间隙小于3m。根据MOS电容上的电压越高，势阱越深的原理，通过控制相邻MOS电容的电压高低调节势阱深度，使电荷由势阱浅的地方向深的地方流动。 如图，CCD的MOS阵列划分成以几个相邻MOS电容为一单元的循环结构。每一单元称为一位，将每一位中对应位置上的电容栅极分别连接到各自共同的电极上，此共同电极称为相。每一位CCD中包含的电容个数称为CCD的相数。通常CCD有二相、三相、四相等几种结构。,2. 电荷的注入 CCD图像传感器中信号电荷由光生载流子得到，即光注入。CCD作为信号处理或存储器件时电荷输入采用电注入。 3. 电荷的检测 CCD输出结构的作用是将CCD中信号电荷变换为电流或电压输出。参见后图。 从图上看出，A点电压的变化与CCD输出电荷的关系为 由于MOS管V2为源极跟随器，其电压增益为 于是,三、CCD图像传感器 （一）CCD图像传感器的原理 CCD图像传感器是利用CCD的光电转换和电荷转移功能。当波长一定的入射光照射CCD后，若CCD电极下形成势阱，则光生少数载流子聚集到势阱中，其数目与光强和时间的积分成正比。使用转移时钟将CCD的每位下的光生电荷依次转移出来，分别从同一输出电路上检测出，从而得到图像电信号。 （二）CCD线阵线阵图像器件 CCD线阵有光敏区、转移栅、模拟移位寄存器（即CCD）、胖零（即偏置）电荷注入电路、信号读出电路等几部分组成。,1. 器件中各部分的结构与功能,2. 器件工作过程 工作过程分为积分、转移、传输、输出、计数五个环节。,为了缩短转移时间，还有双边传输结构的CCD图像器件，如下图所示。,（三）面阵CCD图像器件 面阵图像器件的感光单元为二维矩阵排列，组成感光区。根据电荷转移方式不同分为行转移、帧转移、行间转移三种结构。,（四）彩色面阵CCD图像器件 3CCD结构 由分光棱镜和3片CCD图像传感器构成。分光棱镜将入射光线分成红绿蓝三种颜色图像分别投影到3片不同的CCD上 。,2. Bayer Pattern 结构 该方案源于柯达科学家Bryce Bayer博士在1976年的设计，是一种彩色滤镜阵列(Color Filter Array, CFA)，由绿色、红色和蓝色三种像素组成，其中人眼最敏感、光谱位置最宽的绿色占50，红色和蓝色各占 25。,Bayer Pattern 中每个象素只能感受一种色分量的灰度值，其它分量的灰度值可以通过插值方法得到。插值有多种方法，以固定插值法为例, Sensor Array Interpolation计算方法如下。 a. 偶数列第二行 B10象素RGB各个值为 B10(R)=(R1+R3+R17+R19)/4 B10(G)=( G2+G9+ G11+G18)/4 B10(B)=B10 其余各行类推。 b. 奇数列第三行 G18象素RGB各个值为 G18(R)=(R17+R19)/2 G18(G)=(G9+G11+G18+G25+G27)/5 G18(B)=(B10+B26)/2 其余各行类推。,R1,G2,B10,G9,R3,G4,B12,G11,R5,G6,B14,G13,R7,G8,B16,G15,R17,G18,B26,G25,R19,G20,B28,G27,R21,G22,B30,G29,R23,G24,B32,G31,当前可以在RGB的彩色滤波阵列中插入表征全色的白光，以改善提高彩色图像传感器在弱光下的灵敏度，减少了在弱光场景下的噪声。但是处理不好会牺牲图像传感器的色彩饱和度，所以需要改进彩色插值等算法。图像传感器领域正在研究这方面的技术。,四、CCD图像传感器的特性参数 （一）转移效率 电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时会产生损耗。假设原始电荷量为 ，在一次转移中有 的电荷正确转移到下一个势阱，则转移效率为 定义转移损耗为 则信号电荷转移N个电极后的电荷量为 时，总效率为,由上式可知，要保证总效率，转移效率必须达到99.99%99.999%。 （二）暗电流 CCD图像器件在既无光注入又无电注入情况下的输出信号称为暗电流。暗电流根本原因是半导体的热激发。 由于工艺的原因，CCD中暗电流密度分布是不均匀的。通常以平均暗电流密度来表征按电流大小。 按电流产生需要时间，势阱存在时间越长暗电流越大。 （三）CCD的噪声源 CCD的噪声源可归纳为三类：散粒噪声、转移噪声、热噪声。,1. 散粒噪声 光子流的随机性，造成了散粒噪声。它是原理性噪声。但它不会限制器件的动态范围。 2. 转移噪声 转移损失及界面态俘获是引起转移噪声的根本原因。转移噪声具有积累性和相关性。 3. 热噪声 它是信号电荷注入及检出时产生的。 （四）分辨能力 分辨能力是指图像传感器分辨图像细节的能力，它是图像传感器的重要参数。 调制深度与空间频率之间的关系，用它在零频率下的值归一化后，称为调制传递函数（MTF）。,（五）动态范围与线性度 CCD图像传感器动态范围的上限决定于光敏单元满阱信号容量，下限决定于图像器件能分辨的最小信号，即等效噪声。CCD图像器件的动态范围定义为 线性度是指照射光强与产生的信号电荷之间的线性程度。 （六）均匀性 均匀性是指CCD各感光单元对光强度响应的一致性。均匀性是决定测量精度的一个重要参数。,四、光电阵列器件在检测中的应用 （一）尺寸检测 1. 微小尺寸的检测 对微小尺寸的检测一般采用激光衍射法。用图像传感器检测衍射图像，得到实际尺寸。对于细丝尺寸检测参见图。当激光照射到细丝时，满足远场条件，在 时，可以得到夫琅和费衍射图像，衍射图像暗纹的间距为 用线阵光电器件检测条纹间的像元数 ，根据线阵单元的间距 ，即可算出条纹的宽度,2. 物体轮廓尺寸的检测 物体轮廓检测有两种，投影法和成像法。参见下图。,远心光学系统 在成像法中，物体成像的尺寸随物距改变而改变。 采用远心光学系统可以避免。,光阑,物体,像,（二） 表面缺陷检测 1. 透射法 透射法检测见下图。光源发出的光穿过被测物体后，投射到光电阵列器件上。,2. 反射法 反射法检测见下图。光源发出的光被被测物体反射后，投射到光电阵列器件上。,（三） 其它应用 1. 干涉图形的检测 干涉图形检测系统结构参见下图。,2.光学字符识别和图像传真 参见下图。,2007.11.08JGLX303-,作业： 1.光电效应可分为几类？说明原理并指出相应光电器件。 2.若采用波长为0.8 0.9 微米的红外光源时，采用哪几种光电元件作为检测元件？原因？ 3.CCD传感器的分类？线列CCD的组成及工作流程（简述）。,