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3.9.4 电荷耦合器件（CCD）
▪ 2）读出移位寄存器
a) 势阱耦合与电荷转移
b) 控制时钟波形图
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3.9.4 电荷耦合器件（CCD）
（2）CCD传感器的应用 ▪ CCD传感器利用光敏元件的光电转换功能将
透射到光敏元件上的光学图像转换为电信号 “图像”，即光强的空间分布转换为与光强 成比例的、大小不等的电荷包空间分布，然 后经读出移位寄存器的移位功能将电信号 “图像”转送，并输出放大器输出。依照其 光敏元件排列方式的不同，CCD传感器主要 分为线阵、面阵两种。
图 3.78 计算机与外设互连电路
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3.9.3 光电耦合器件
3）提高驱动能力。采用如达林顿电路和可控硅 输出型等形式的光电隔离器，不但可以实现 隔离作用，而且还具有较强的带负载的能力， 利用这类光电隔离器，微机输出信号可以直 接驱动负载。
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3.9.3 光电耦合器件
（2）光电开关 光电开关是通过把光的强度变化转变为电信号变化， 并以此来实现控制的一种电子开关。对金属或非金 属都能作出反应，无机械磨损，无电火花，是一种 安全、可靠、长寿命、无触点的开关。在一些简单 的自动控制场合，因输入信号往往是开关信号（高 电平或低电平），其控制量也是开关量，即接通电 源或断开电源等，故可用电子开关在一定距离内检 测物体的有无。
+ Vcc1 1kΩ
+ Vcc2 1kΩ
输出
V1
1kΩ
输入
20kΩ
图 3.77 传输隔离电路示意图
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3.9.3 光电耦合器件
2）实现电平转换。
Vc +5V +12V
R2 74LS04
1 输入信号 (来自微机)
R1
输出 (去执行机构)
G
R2
来自机 械系统
+5V R1
去微机
G
a) 控制输出
b) 信息输入
▪ 3）作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可 用于机床、自动售货机、自动搬运车以及自动监视 装置等方面。
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3.9.4 电荷耦合器件（CCD）
▪ 当所用光源含红外光时，可在透镜与传感器 之间加红外滤光片。若所用光源过强时，可 再加一滤光片。
▪ 利用几何光学知识，可以很容易地推导出 被测对象长度L与系统诸参数之间的关系：
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3.9.3 光电耦合器件
发
收
发 被检测物体
a) 对射式光电开关
收 反光板
b) 反光板反射式光电开关 图 3.79 光电式光电开关工作示意图一
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反光板
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3.9.3 光电耦合器件
▪ 光电开关以其结构和工作方式的不同，可分 为沟式、对射式、反光板反射式、扩散反射 式、聚焦式、光纤式等类型。
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3.9.4 电荷耦合器件（CCD）
▪ 在非电量的测量中，CCD传感器的主要用途大致可 归纳为以下三个方面：
▪ 1）组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损 伤、自动焦点等。
▪ 2）用作光学信息处理装置的输入环节，例如用于 传真技术、光学文字识别技术(OCR)与图像识别技 术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等 方面。
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3.9.4 电荷耦合器件（CCD）
▪ MOS光敏元结构及其势阱
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3.9.4 电荷耦合器件（CCD）
▪ （1）电荷耦合器件原理 ▪ 电荷耦合器件分为线阵器件和面阵器件两种，其基
本组成部分是MOS光敏元列阵和读出移位寄存器。 ▪ CCD最基本结构是一系列彼此非常靠近的相互独立
的MOS电容器，它们按线阵或面阵有规则地排列， 且用同一半导体衬底制成，衬底上面覆盖一层氧化 物，并在其上制作许多金属电极，各电极按三相 （也有二相和四相）配线方式连接。
11 1 ab f
M b np aL
L 1 np ( a 1)np Mf
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3.9.4 电荷耦合器件（CCD）
12 4
驱动 电路
3 放大
计数、
L
运算、
显示
np
a
b
1－红外滤光片 2－滤光片 3－线阵 CCD 传感器 4－透镜 图 3.83 尺寸测量基本原理
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3.9.5 光电式传感器
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3.9.4 电荷耦合器件（CCD）
CCD器件有两个特点：一是它在半导体硅片上制有 成百上千个(甚至数百万个)光敏元，它们按线阵或 面阵有规则地排列。当物体通过物镜成像于半导硅 平面上时。这些光敏元就产生与照在它们上面的光 强成正比的光生电荷。二是它具有自扫描能力，亦 即将光敏元上产生的光生电荷依次有规则地串行输 出，输出的幅值与对应的光敏元上的电荷量成正比。 由于它具有集成度高、分辨率高、固体化、低功耗 和自扫描能力等一系列优点。
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3.9.3 光电耦合器件
发、收
发、收
a) 扩散反射式光电开关
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3.9.3 光电耦合器件
发、收
发、收
聚焦点 被检测物 b) 聚焦式光电开关
光纤
被检测物 c) 光纤式光电开关
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3.9.4 电荷耦合器件（CCD）
电荷耦合器件(Charge—Coupled Devices， 简称CCD)是一种在70年代初问世的新型半导 体器件。利用CCD作为转换器件的传感器， 称为CCD传感器，或称CCD图像传感器。
3.9.3 光电耦合器件
光电耦合器（光电隔离器）是利用发光元件与光 敏元件封装为一体组合
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&
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3.9.3 光电耦合器件
（1）光电隔离器
光电隔离器由一发光二极管和光敏晶体管封装在同一个 管壳内组成，在装配上要使LED辐射能量能有效地耦合到光 敏晶体管上。
▪ 光电式传感器的工作原理如图3.84所示。首 先把被测量的变化转换成光信号的变化，然 后通过光电传感元件变换成电信号。
▪ 这种传感器具有结构简单、隔离性能好、可 靠性高、体积小、重量轻、价廉、灵敏度高 和反应快等优点。在自动化、检测技术领域 应用非常广泛。
选用哪种形式的光电隔离器要根据使用要求和目的来确 定当然在实用中都应尽量选用结构简单的组合形式的器件， 且无论选用何种组合形式，均要使发光元件与接收元件的工 作波长相匹配，保证器件具备较高的灵敏度。
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3.9.3 光电耦合器件
▪ 光电隔离器主要应用与以下几个方面：
1）将输入与输出端两部分电路的地线分隔开，并各自使用一 套电源供电