将MOS电容阵列有秩序的排列组成阵列型器件,即CCD。因其可以转移和存储信息电荷,故而一般用作模拟信号处理、摄像器、存储器、模拟延迟线、移位寄存器等。利用CCD图像传感器电荷转移和光电转换的能力,大量紧密排列的独立像元组成了CCD的光敏区,当它的感光面被特定波长的光照射时,信号电荷被各像元收集,且与光强及光照时间成正相关。通过时钟信号,每行像素的信号电荷被存储到模拟移位寄存器上,之后以电压的形式串行输出。CCD在当位置探测器件应用时,类似的原理,通过“摄相”,依据成像器件光敏元的大小和输出脉冲的个数计算出光斑的位置。CCD这种方式的优点在于,可以再同一时间对很多光斑进行测量,在光线较暗的地方,可以设定闭值来解除背景。还有就是,它检测的精确度较高。同样,它也有一定的缺点:1、CCD的像素大小使得它的分辨率受限,因为它是阵列型器件,故而分辨率通常为4--7μm;2、它的输出方式要通过扫描,这样的话需要很多专门的处理器以及多重电源偏置,从而使响应速度降低;3、CCD对光源、被测物体表面以及各级成像系统要求较高,因为它的摄像是对光斑而言的。另外,因其整个制作过程中工序繁杂,故而合格率低,所以相对来说价格比较昂贵。
象限探测器,作为一种特殊的光电探测器,一般应用于准直、跟踪、定位等方面。用光刻把圆形光敏面切割成数个等面积、同形状且位置对称的区域(即二、四、六、八象限)。每个象限类似等同于一个光点二极管,应用时通过对比各象限电流从而确定光斑位置。它的优点在于,可以探测目标不间断的变化,分辨率也比较高,响应速度快。但同样也具有缺点,即:在应用中,需要光斑同时横跨四个象限,而且要大小均匀,形状对称,故而对于小光斑或者不对称不均匀的光斑不适宜。再者,因为各象限之间存在空隙,所以存在盲区无法探测。
本文所讲的位置敏感探测器(PSD)是基于不均与半导体的横向光电效应、对粒子位置或入射光敏感的光电器件。区别于上面提到的位置探测器,PSD因其连续性,解决了阵列器件分辨率受像元大小限制的问题。它的基本构造类似于光电二极管,通常的制作方法是在半导体衬底表面扩散或加入杂质从而形成PN结,同时在侧面和扩散面形成电极,当不均匀的光照射到光敏面时,基于横向光电效应,电势差在与结平面平行的方向产生,光生电流在扩散层被分流,由电极来引导电流,因为电流与光斑重心位置有关联,所以依据电流,可以直接地、不间断的检测入射光斑的位置。这种工作方式,因为是整体集中模拟输出,所以不需要扫描,但缺点在于不能同一时间测多个光斑。对比其他的位置探测器,PSD具有分辨率高、信号处理相对简单、响应速度快、对光源、光学系统的要求较低、光谱响应宽、同时检测光强等优点,所以它主要用于角度、距离、位移、位置以及可以间接转换为光斑重心位置或位移的各类物理量的非接触、快速、高精度测量。在监控、高能物理实验、三维形貌测量、军事、航空对接、汽车避障、自动聚焦、土木工程和工业检测领域有广泛的应用,是一种前景非常广阔的器件。
如果把各个光斑的位置比作很多掉落的针的话,为了找到这些针,光电二极管阵列和CCD采用的是逐点找寻的方法,而PSD则是用磁铁来找到这些针。PSD不用考虑光斑的外形,通过重心位置,高效快捷的达到目的,毫不夸张的说,PSD完全称的上是检测器件中的佼佼者。