光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射(吸收)式、漫反射式、遮光式(光束阻档)三大类。所谓透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上；所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上；所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射刭光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。

光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯作为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。

光电式坐标传感器设计介绍

引言

    小区域坐标测量技术有着重要的工程应用价值，坐标传感器是这一领域的关键部件，采用光电元件设计是因为以其高精度、高分辨率、大动态范围，利用光敏元件上的光电流随光强变动而变化这一现象实现几何增量，设计成光电传感器，可广泛地应用于静态测量、动态测量及自动化控制等领域。

    为了满足实际工程的需要，小区域坐标测量技术正逐步受到重视，但是目前关于传感器应用的文献中，对此方面论述的不多。本文就传感器的工作原理、电路设计、及其应用和检测信息的处理方法进行了论述。

    1、光电传感器工作原理

    光电传感器的基本转换原理是将被测量参数转换成光信号的变化，然后将光信号作用于光电元件转换成电信号的输出。常用的光电传感器是采用发光二极管作为光源，光源经过透镜聚焦于空间某一点。如果在该点有障

    碍物，光就照不到光敏二极管上，电路处于偏置状态，PN结截止，反向电流很小。当没有障碍物遮挡时，光照到光敏二极管上时，PN结附近产生电子——空穴对，并在外.电场和内电场的共同作用下，漂移过PN结，产生光电流。此时，光电流与光照强度成正比，光敏二极管处于导通状态。

    具体方法是在光源侧使用发光二极管，在受光侧使用光敏二极管，并将信号处理电路集成制作在一块芯片上。它的特点是体积小，可靠性高，工作电源电压范围宽，接口电路的复杂程度大幅度减少，可直接与TTL，LSTTL和CMLS电路芯片连接。

    2、光电传感器测量位移和方向的工作原理

    2.1传感器的结构设计

    如果将被测旋转圆盘置于光电断续器的发光与受光侧之间，圆盘上有许多狭缝，圆盘旋转，光源发出的光间隔地被狭缝遮挡，受光侧得到断续的强光和弱光信号。如图1所示，若旋转圆盘没有旋转，光路检测的光束没有被遮挡，测量电路中，X光敏二极管上输出电压波形，Y光敏二极管上的输出电压波形是相同的，相位是相差π/2的。若圆盘旋转，双输出型的输出电压波形如图2所示，（仅画出Q1的时序图，Q2的时序图道理一样）圆盘转动方向若向左，Q2输出电压相位落后被屏蔽；反之，圆盘向右旋转，Q1输出电压相位超落后被屏蔽。因此，两个输出电压的相位关系反映圆盘的旋转方向，圆盘的位移可以通过Q1，Q2输出脉冲个数的代数和得到。

    2.2传感器的电路设计

    X光敏二极管与Y光敏二极管在相位上相差π/2，所以它们在光电元件上取得的信号必是相差π/2。当圆盘作正向转动时，X信号超前Y信号。因为电路比较复杂，采用美国Lattice半导体公司推出的ispEXPXRT软件对CPLD器件进行硬件编程，如图3所示电路图是基于CPLD设计的。或门C1产生的信号作为D锁存器Q1的置位端只许X产生的正脉冲通过，而D锁存器Q2因为C1作用时Y信号尚在低电平，信号被屏蔽，Q2输出低电平，门电路在加减计数器中作加法运算。当圆盘作反方向转动时，则Y产生的负值信号超前X产生的信号，或门C1产生的信号作为D锁存器Q2的置位端只让Y产生的负脉冲通过，而D锁存器Q1因为C1作用时X信号尚在低电平，信号被屏蔽，Q1输出低电平，门电路在可逆计数器中作减法运算。这样就完成了辨向过程。OUT0是输出，OUT1是进位，Z是控制端输入。工作原理图如图4所示。

    3、光电式坐标传感器的结构设计及坐标算法

    3.1结构设计

    在实际的设计过程中，首先根据需要设计传感器的测量精度及范围。精度可以通过计算圆盘上的狭缝密度完成，传感器圆盘的形状及尺寸大小由测量范围来确定，整个传感器系统结构框图如图5所示。

                                图5 [page_break]

    测量结构如图6所示，由四个光敏二极管(元件1、2、4、6)、两个光源（发光二极管3、5）、位移圆盘7、方向圆盘9及传动轴8组成。将传感器垂直配置，分别代表位移z和Φ移动方向，组成一个二维传感器。

图6

    3.2坐标算法

    当被测物坐标发生时，圆盘7转动，光敏二极管4和光敏二极管6通道的信号发生变化，通过接口电路自动传输到计算机里，计算机自动对输入通道的信号进行数据采集。如果前进或者后退的角度发生变化，位移圆盘9角度也随着发生变化，通过传动轴转动带动方向圆盘产生转动，使得圆盘9上的狭缝通断光敏二极管上的光照，发出与前进或后退相应的电脉冲信号，通过接口电路自动传输到计算机里，对输入通道的信号进行数据采集。并将采集的数据进行储存，形成数据库，以备计算机通过数据计算确定自身的坐标位置，并通过相应接口进行数据输出。相对坐标XN、YN计算公式如下：

    XN=Z*cosYN=Z*sin

    为了确保测量精度，计算机的采样时间不能太大，应该接近光电传感器的反映时间，最好同步，或者成倍数关系。

    3.3坐标与电压的转换

    根据光——电转换原理，输出的电压变化规律也正好是周期变化，变化的灵敏度与狭缝之间的距离有关，狭缝之间的距离可以根据需要加工，但受到工艺和技术水平的限制，也可以通过计算机特性补偿得到。

    3.4输入信号的线性化处理

    若输入与输出量之间为直线性比例关系，称为线性关系。然而理想的线性关系的传感器极少。为了实现其线性化可采用电子电路，也可以使用计算机的修正功能。

    4、测试结果

    将自行设计的传感器，应用于足球机器人场地与球门的坐标位置测试，在1.000m×1.000m的平面场地上进行测试，测量数据与实际数据比较如下：

    上图表明在较小的区域内，采用低成本的组合传感器完成坐标的自动检测，并且输出比较稳定，抗干扰能力强，达到预期设计要求。

    5、结论

    通过本文给出的设计方法，设计出光电式坐标传感器，它具有集成化特点，灵敏度高，抗干扰性强、体积小等特点，可广泛地应用于静态测量、动态测量及自动化控制等领域。因此，光电式坐标传感器具有广泛的实用性。缺点：测量中注意传感器测量地连续性，不可中途中断使用，需要专业安装技能，光源应与使用场合匹配。需要今后在此方面不断的努力，改进和完善坐标传感器的功能。

CMOS图像传感器简述  http://www.opticsky.com.cn/html/27/20070611307.html

数码相机和可拍照式便携设备的兴起，使得CMOS图像传感器这个名词进入大众的视野，而这种产品也成为了半导体产品中增长最快的一种。其实，在几年前，CMOS传感器还没有今天这样耀眼的地位，那时的它还只能仰望强大的对手CCD传感器。但是，仅仅是几年的功夫，它就可以同CCD分庭抗礼了。

和CCD的对比

CCD（charge couple device）的学名叫电荷耦合器件，是一种利用了半导体的光电效应转化光信号的阵列器件。在CCD中，每个单元感受到的光信号经过传递汇总后再统一转化成电信号。它的图像失真度较低，一直是高端影像产品的首选。但是，CCD也有自己的缺点，因为信号是在单元中依次传递的，就需要外部准确的时钟发生器和驱动电路相配合，结果造成产品体积和功耗的增大。

CMOS的基本感光原理与CCD相同，不过其制作工艺和结构与CCD大不相同。CMOS的名称来源它的制造工艺，这是一种半导体工业的通用工艺，因而可以在同一基片上集成时序、控制和信号处理电路，极大地降低了成本。在CMOS传感器中，每个单元感应到的光信号都可由邻近的放大器及ADC直接传送到内存中。不过，漏电流是它的一个天生缺陷，由此导致的图像质量下降是其多年一直面临的巨大挑战。

在相当一段时间内，两者就成为了高档和通用的代表。不过，事无绝对，随着CMOS工艺的进步，两者之间的距离正在逐步缩短。因为CMOS工艺一直在前进，漏电流的问题也在逐步得到改善，而其低功耗的传统也得到了继承。最新型CMOS产品，譬如Micron的CMOS图像传感器，其像素分辨率已经达到了惊人的1000万像素，这种质的变化使CMOS传感器的触角已经开始进入CCD所占据的传统领域。

市场的要求

市场对图像传感器有什么要求呢？其实与对其他半导体产品的要求一样，就是多功能集成、低价格，当然还有性能。不过，这三者之间要达成一种平衡，对于集成度和成本的要求是厂家最为关注的。从上文就可以看到，CMOS图像传感器最接近这两项要求。CMOS工艺适合于生产数字芯片，这就给图像传感器集成DSP带来了天然的便利条件，再加上原本就在一起的ADC，一个数字图像处理系统就成型了。举一个例子，Micron的MT9V131就是一个典型的例子，它是一个1/4英寸VGA CMOS图像传感器，集成了一个可编程处理器和10位ADC，数据速率为1200～1350mpix/s，动态范围可达60dB。类似的产品还有OmniVision的OV7141-C01A，Avago的ADCC-3960等。也正是因为这些产品的出现，促使了CMOS图像传感器得到了更广泛的应用。

开拓新兴市场

医疗和消费以经不能算是新兴市场了，因为它们已经发展的相当成熟了。这里要说的是安全产品市场。这个市场最初的重点在于电缆、模拟输出和闭路电视系统上面，当这一切发展到无以发展的时候，人们又将注意力投入到基础的摄像设备上。因为CMOS传感器的图像质量得到了前所未有的提高，而在功耗和成本方面仍具有优势，这就使得它们能够快速的进驻这个热点市场。而且，DVR技术的兴起，也使得CMOS传感器的优势明显化，因为它能高效的同数字监控系统结合在一起。

家用安全产品市场在整个大市场中发展的最快。得益与家庭网络（DSL、有线电视等）的发展，用户已经不需要考虑布线的因素，他们需要的只是功能强大的摄像前端设备。以Micron的MT9V135 为例，这个1/4 英寸的 VGA CMOS图像传感器能通过电视、计算机显示器或现成系统中组装的接收器传送 NTSC 或 PAL 格式的数字或模拟输出，这就为家庭用户省去了一笔布线的费用。

工业安全市场的要求和家用有些区别，对宽泛动态范围的要求成为了第一要素。因为安全摄像头往往工作在不受控制的光照条件下，所以它们要能在捕获低光度的同时又捕获直接光线。100dB或更高指标的CMOS图像传感器已经出现了，像是Micron的MT9V032和美国国家半导体的LM9618等一批产品都属此类。

可以说，在这个市场上，CMOS图像传感器的优点得到了充分的发挥。

结语

CMOS图像传感器的发展是迅猛的，CCD器件12年取得的进展，CMOS产品只用了3年就达到了。如果以这个速度来计算，CMOS独步天下的局面很快就要到来了。不过，CCD技术也没有停滞，SuperCCD技术的出现就是一个信号。所以说，CMOS要取得全面的成功，还是需要一定时间的。

CCD图像传感器  http://www.opticsky.com.cn/html/27/200707081052.html

线阵CCD：用一排像素扫描过图片，做三次曝光——分别对应于红、绿、蓝 三色滤镜，正如名称所表示的，线性传感器是捕捉一维图像。初期应用于广告界拍摄静态图像，线性阵列，处理高分辨率的图像时，受局限于非移动的连续光照的物体。
   
       三线传感器CCD：在三线传感器中，三排并行的像素分别覆盖RGB滤镜，当捕捉彩色图片时，完整的彩色图片由多排的像素来组合成。三线CCD传感器多用于高端数码相机，以产生高的分辨率和光谱色阶。
   
       交织传输CCD：这种传感器利用单独的阵列摄取图像和电量转化，允许在拍摄下一图像时在读取当前图像。交织传输CCD通常用于低端数码相机、摄像机和拍摄动画的广播拍摄机。
   
       全幅面CCD：此种CCD具有更多电量处理能力，更好动态范围，低噪音和传输光学分辨率，全幅面CCD允许即时拍摄全彩图片。全幅面CCD由并行浮点寄存器、串行浮点寄存器和信号输出放大器组成。全幅面CCD曝光是由机械快门或闸门控制去保存图像，并行寄存器用于测光和读取测光值。图像投摄到作投影幕的并行阵列上。此元件接收图像信息并把它分成离散的由数目决定量化的元素。这些信息流就会由并行寄存器流向串行寄存器。此过程反复执行，直到所有的信息传输完毕。接着，系统进行精确的图像重组。
       
       数码相机曝光的整个流程：
   
       1． 机械快门打开，CCD曝光

       2． 在CCD内部光信号转为电信号

       3． 快门关闭，阻塞光线。

       4． 电量传送到CCD输出口转化为信号。

       5． 信号被数字化，数字资料输入内存。

       6． 图像资料被进行处理，显示在LCD或电脑上。
   
   
       面阵数码相机如何解决彩色图像的曝光？
   
       1．三块CCD同时曝光的方法

第一种方法是采取了三块CCD芯片同时曝光的方法，它可以在一次曝光拍摄的同时，捕捉到所有的彩色信息。当光线通过镜头射向CCD表面的时候，由一个特制的棱镜式分光镜，将影像的成像光速成分射到三个不同的CCD平面。每一个CCD只记录红绿蓝色光中一种色光的彩色信息，并且只再现一种色彩，然后通过软件的对准处理，合成为一幅完整的全彩色画面。
   
       由于人类的眼睛对于光谱绿色波段的光色最为敏感，有些数码相机在安排滤色片的时候使用两排绿滤色片来记录绿光信息，而使用第三排红色和蓝色的马赛克滤色片来分别记录红光和蓝光的信息。由于红色和蓝色信息存在间隙，这里需要由计算机采取的插值计算方法来增加附加它的彩色信息。
   
   
       2、单一芯片三次曝光的拍摄方式
   
       面阵排列数码相机捕捉彩色信息的第二种方法是“单一芯片三次曝光的拍摄方式”。采取这样的方法时，数码相机镜头的前方需要安装一个滤色片转轮，拍照时必须通过转轮中的红绿蓝三块滤色片，分别做三次单独的曝光，分别记录下红绿蓝光的彩色信息。最后照相机的软件将三次曝光的影像信息结合在一起，构成为全彩色的影像。
   
       使用这样的方法时，由于是用三次曝光来记录彩色信息，显然，摄影者使用这样一台面阵的数码相机，就只能局限于拍摄静态物体。此外，由于三次拍摄条件可能出现的差异，很可能产生数码相机的软件不能适当重新组合影像的问题。特别是曝光过程中，光源发生的波动也都会改变影像的彩色平衡。三次曝光的数码相机可以用来拍摄动态的单色影像（包括黑白照片），这是因为在滤色片转轮上，除了三块红绿蓝滤色之外，还有一块透明的滤色片，它是用来黑白影像做单次曝光拍摄时使用的。由于只需要一次曝光，因而它可以拍摄动态物体。
   
       3、单芯片一次曝光的拍摄方式
第三种方式是“单芯片一次曝光的拍摄方式”。在这一方式中，每一单个的像素都以两种方式覆盖着不同的红，绿，蓝色滤色片，一种是条纹覆盖法，另一种是马赛马克图案交错覆盖法。有些芯片上的绿滤色片多于红色和蓝色滤色片，这是因为需要去适应人眼视觉在可见光谱中对绿色更为敏感的特点。这样，较多地使用绿色滤色片可以改善影像的分辨率。

每一个感光的像素只能捕获一种
彩色，它需要从相邻的像素那里获得更多的彩色信息，这是采取插值的计算方法实现的。如果不正确的彩色信息被赋值于像素之中，那么插值的效果也会出现问题，这通常在高反差影像的边缘部分表现得最为明显，比如黑色的文字，常常会出现彩色的镶边。
   
       CCD在图像运作的三大角色：
   
       1． 曝光，通过离散的像素将光信号变为电信号。

       当入射光以光子的形式落在像素阵列上时，就获得一个图像。每一个光子相对应的能量被硅吸收就发生反应产生一个（电子-孔）电量组，每一个像素所能收集到的电子数，线性地取决于光亮的程度和曝光的时间，非线性的取决于波长。
   
       2． 电量转移，在CCD内部进行电量转移。

       一旦电量被集中并保持在像素的结构中，就一定会使在物理上与像素分离的侦测放大器得到电量，当一个像素的电量移动时，同时相对应的像素的电量都会移动。
   
       电量对电压的转换并输出放大。
   
       CCD后背
   
       CCD是60年代末期由贝尔试验室发明。开始作为一种新型的PC存储电路，很快CCD具有许多其他潜在的应用，包括信号和图像（硅的光敏性）处理。
   
       CCD 是在薄的硅晶片上处理一系列不同的功能，在每一个硅晶片上分布几个相同的IC等可产生功能的元件，被选择的IC从硅晶片上切下包装在载体里用在系统上。