研究硅光電池在平視顯示器中的應(yīng)用

鄭琦林 廖曉芮 葉飛 張陽

摘要：當(dāng)前在平視顯示器中開始廣泛應(yīng)用硅光電池。此次研究主要是探討分析硅光電池在平視顯示器中的應(yīng)用。首先分析了光伏探測器特點及其工作區(qū)特點，按照上述特點對平視顯示器光補償電路進行優(yōu)化設(shè)計，全面提升電池應(yīng)用效果。

關(guān)鍵詞：硅光電池 平視顯示器 應(yīng)用分析

在現(xiàn)代航空器中平視顯示器屬于顯示系統(tǒng)，可以確保飛行員利用玻璃屏幕獲取飛行信息。然而由于飛機面向太陽進行飛行時，會由于外部光線強弱變化導(dǎo)致飛行員無法清晰觀察到平視顯示器。為了消除此種問題，需要應(yīng)用光電檢測方法。外部光線處于正常狀態(tài)時，飛行員可以清晰觀察到平視顯示器。若存在外部光線干擾時，可以補償平視顯示器畫面光感，避免對飛行員飛行安全性造成影響。光電探測主要是將光輻射能量使用光敏元件轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌驕y量的物理量，例如電流和電壓等。因此，光電探測器主要是將光信號轉(zhuǎn)化為電信號元件器。由于在光電探測器中光電池比較特殊，類型繁多，其中硅光電池已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到實踐操作中。相比于普通顯示器來說，平視顯示器極易受到外部光線影響，背景畫面會受到地面環(huán)境影響。因此在復(fù)雜環(huán)境下，平視顯示器顯示可讀性設(shè)計和評價問題已經(jīng)成為了未來研究方向。本文通過分析硅光電池在平視顯示器中的應(yīng)用，希望能夠有效處理飛行員視線干擾問題。

一、硅光電池工作原理分析

在光照作用下，物質(zhì)吸收光子能量，激發(fā)自由電子的現(xiàn)象就被稱為內(nèi)光電效應(yīng)，此種效應(yīng)主要包含光伏效應(yīng)和光電導(dǎo)效應(yīng)。其中前者主要是在一定波長光照射于非均勻半導(dǎo)體?；趦?nèi)建電場作用，半導(dǎo)體內(nèi)部會產(chǎn)生光電壓。硅光電池主要是通過光伏效應(yīng)將光能轉(zhuǎn)化為電能。此種器件具備較高的轉(zhuǎn)換效率，使用安全性高，且不會造成環(huán)境污染問題，因此被廣泛應(yīng)用到計量檢測，光電技術(shù)，自動化控制和光能應(yīng)用等領(lǐng)域。

（一）光伏探測器伏安特點分析

光伏探測器主要是通過PN結(jié)光伏效應(yīng)制作的探測器，因此光伏探測器的伏安常用公式如下：

在上式中，I表示探測器電力。表示反向飽和電流。e表示電子電荷，u表示探測器電壓，表示玻爾茲曼常數(shù)，T表示器件溫度。

（二）硅光電池工作特性

在光伏探測器中，硅光電池是外偏電壓在零時的工作模式。硅光電池處于第四象限。通過負(fù)載電阻RL上的電壓能夠展現(xiàn)出輸出功率。詳情見圖1：

從圖1能夠看出，最佳負(fù)載線將硅光電池線性工作區(qū)域劃分為光電壓區(qū)域和光電流區(qū)域。對于光電流區(qū)域來說，隨著光照強度的變化，硅光電池給予負(fù)載光電流信號也在持續(xù)變化。光照功率與光電流呈正比關(guān)系。在光電壓區(qū)域范圍內(nèi)，隨著光照強度的變化，硅光電池輸出提供給負(fù)載的電壓信號也會出現(xiàn)相應(yīng)變化情況，此時光照強度與光電壓為正比關(guān)系。

如果在運行期間需要將光電流信號進行放大處理，則必須應(yīng)用電流放大器。此時光信號越小，輸出電流就會越大。在此種輸出模式下，必須持續(xù)減小負(fù)載電阻率。如果需要將電壓信號進行放大處理，則必須應(yīng)用電壓放大器。此時光電池輸出電壓會隨著負(fù)載電阻的增大而升高。為了全面滿足輸出線性度，需要適當(dāng)降低負(fù)載電阻阻值，或者將負(fù)載電阻數(shù)值選擇在0.8R。

二、設(shè)計硅光電池

在實際應(yīng)用平視顯示器時，外部光線變化比較明顯，有時會處于黑暗光線，有時候會處于太陽光線正對面。當(dāng)對比度比較小時，將導(dǎo)致飛行員無法清晰觀察到HuD畫面。因此為了降低外部光線干擾導(dǎo)致HuD畫面，需要通過硅光電池線性工作區(qū)域光電壓放大特點。對平視顯示器光補償電路進行優(yōu)化設(shè)計。對于光線檢測檢測來說，若外部光線強度比較大時，將會相應(yīng)增強硅光電池輸出電壓，因此兩者之間存在良好的線性關(guān)系。因硅光電池開路電壓最大不會超過0.6V，因此在設(shè)計平視顯示器時應(yīng)當(dāng)確保光補償電路如圖2所示：

在對放大器輸出端電壓進行計算時可以發(fā)現(xiàn)，硅光電池中光電壓與放大器輸出端電壓之間存在良好的線性關(guān)系，通過運算放大器反饋電阻能夠確定線性系數(shù)。將硅光電池與平視顯示器進行連接時，能夠?qū)﹄娐妨炼冗M行調(diào)節(jié)。當(dāng)飛行員所面對的光線處于正常光照值或者處于比較黑暗的光照值時，硅光電池不會輸出電壓：如果飛行員所面對的光線處于較強光照值時，此時硅光電池就會輸出電壓，并且會相應(yīng)增加平視顯示器亮度調(diào)節(jié)電路的輸出電壓，提升平視顯示器畫面亮度，此時就會對內(nèi)部光感靈敏度進行調(diào)節(jié)。

三、結(jié)束語

綜上所述，硅光電池屬于性能優(yōu)良的光電檢測器件，具備良好的線性度和低成本。因此可以被廣泛應(yīng)用到各行業(yè)領(lǐng)域。因此在平視顯示器中應(yīng)用硅光電池時，首先需要了解硅光電池的工作特點及其原理，這樣能夠充分發(fā)揮出硅光電池的作用，為航空業(yè)提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。