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(yáng)

摘要：當(dāng)前在平視顯示器中開(kāi)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(cè)器特點(diǎn)及其工作區(qū)特點(diǎn)，按照上述特點(diǎn)對(duì)平視顯示器光補(bǔ)償電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(jī)面向太陽(yáng)進(jìn)行飛行時(shí)，會(huì)由于外部光線強(qiáng)弱變化導(dǎo)致飛行員無(wú)法清晰觀察到平視顯示器。為了消除此種問(wèn)題，需要應(yīng)用光電檢測(cè)方法。外部光線處于正常狀態(tài)時(shí)，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(shí)，可以補(bǔ)償平視顯示器畫(huà)面光感，避免對(duì)飛行員飛行安全性造成影響。光電探測(cè)主要是將光輻射能量使用光敏元件轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌驕y(cè)量的物理量，例如電流和電壓等。因此，光電探測(cè)器主要是將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)元件器。由于在光電探測(cè)器中光電池比較特殊，類(lèi)型繁多，其中硅光電池已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到實(shí)踐操作中。相比于普通顯示器來(lái)說(shuō)，平視顯示器極易受到外部光線影響，背景畫(huà)面會(huì)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(jì)和評(píng)價(jià)問(wèn)題已經(jīng)成為了未來(lái)研究方向。本文通過(guò)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(wèn)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(zhǎng)光照射于非均勻半導(dǎo)體?；趦?nèi)建電場(chǎng)作用，半導(dǎo)體內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生光電壓。硅光電池主要是通過(guò)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(huì)造成環(huán)境污染問(wèn)題，因此被廣泛應(yīng)用到計(jì)量檢測(cè)，光電技術(shù)，自動(dòng)化控制和光能應(yīng)用等領(lǐng)域。

（一）光伏探測(cè)器伏安特點(diǎn)分析

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

在上式中，I表示探測(cè)器電力。表示反向飽和電流。e表示電子電荷，u表示探測(cè)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(cè)器中，硅光電池是外偏電壓在零時(shí)的工作模式。硅光電池處于第四象限。通過(guò)負(fù)載電阻RL上的電壓能夠展現(xiàn)出輸出功率。詳情見(jiàn)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(duì)于光電流區(qū)域來(lái)說(shuō)，隨著光照強(qiáng)度的變化，硅光電池給予負(fù)載光電流信號(hào)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(qiáng)度的變化，硅光電池輸出提供給負(fù)載的電壓信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)變化情況，此時(shí)光照強(qiáng)度與光電壓為正比關(guān)系。

如果在運(yùn)行期間需要將光電流信號(hào)進(jìn)行放大處理，則必須應(yīng)用電流放大器。此時(shí)光信號(hào)越小，輸出電流就會(huì)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(hào)進(jìn)行放大處理，則必須應(yīng)用電壓放大器。此時(shí)光電池輸出電壓會(huì)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(jì)硅光電池

在實(shí)際應(yīng)用平視顯示器時(shí)，外部光線變化比較明顯，有時(shí)會(huì)處于黑暗光線，有時(shí)候會(huì)處于太陽(yáng)光線正對(duì)面。當(dāng)對(duì)比度比較小時(shí)，將導(dǎo)致飛行員無(wú)法清晰觀察到HuD畫(huà)面。因此為了降低外部光線干擾導(dǎo)致HuD畫(huà)面，需要通過(guò)硅光電池線性工作區(qū)域光電壓放大特點(diǎn)。對(duì)平視顯示器光補(bǔ)償電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)于光線檢測(cè)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，若外部光線強(qiáng)度比較大時(shí)，將會(huì)相應(yīng)增強(qiáng)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(kāi)路電壓最大不會(huì)超過(guò)0.6V，因此在設(shè)計(jì)平視顯示器時(shí)應(yīng)當(dāng)確保光補(bǔ)償電路如圖2所示：

在對(duì)放大器輸出端電壓進(jìn)行計(jì)算時(shí)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(guò)運(yùn)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(jìn)行連接時(shí)，能夠?qū)﹄娐妨炼冗M(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)飛行員所面對(duì)的光線處于正常光照值或者處于比較黑暗的光照值時(shí)，硅光電池不會(huì)輸出電壓：如果飛行員所面對(duì)的光線處于較強(qiáng)光照值時(shí)，此時(shí)硅光電池就會(huì)輸出電壓，并且會(huì)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(huà)面亮度，此時(shí)就會(huì)對(duì)內(nèi)部光感靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，硅光電池屬于性能優(yōu)良的光電檢測(cè)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(shí)，首先需要了解硅光電池的工作特點(diǎn)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)。