1、2本章教學本章教學: :p了解了解光學的基本知識，光柵傳感器的原理、光學系統光學的基本知識，光柵傳感器的原理、光學系統的構成、測量方法的構成、測量方法；p理解光電傳感器利用的各種效應的機理；理解光電傳感器利用的各種效應的機理；p掌握常用光電器件的結構、特性、測量電路、應用方掌握常用光電器件的結構、特性、測量電路、應用方法；的原理與應用；光纖傳感器的原理、特點法；的原理與應用；光纖傳感器的原理、特點與應用；與應用；3 光電器件或者光電元件是一種能夠將光量轉換為光電器件或者光電元件是一種能夠將光量轉換為電量的器件。光電傳感器就是以光電器件為檢測元件電量的器件。光電傳感器就是以光電器件為檢測元件的傳

2、感器，它先將被測非電量轉換成光量的變化，然的傳感器，它先將被測非電量轉換成光量的變化，然后通過光電器件將相應的光量轉換成電量。本章介紹后通過光電器件將相應的光量轉換成電量。本章介紹光電效應、光電器件、電荷耦合器件、光纖傳感器及光電效應、光電器件、電荷耦合器件、光纖傳感器及光柵傳感器。光柵傳感器。4原理原理 首先把首先把被測量的變化被測量的變化轉換成轉換成光信號的變化光信號的變化，然后通過光電器件變換成然后通過光電器件變換成電信號電信號。輻射源光學通路光電器件輸出輸出被測量被測量特性特性 頻譜寬、非接觸測量、體積小、重量輕等5 光電效應和光電效應和光電器件光電器件 電荷耦合器件電荷耦合器件 光纖

3、傳感器光纖傳感器 光柵傳感器光柵傳感器 本章本章重點重點：光電效應和光電效應和光電器件、光纖光電器件、光纖傳感器的原理、特傳感器的原理、特點與點與應用；應用；本章難點本章難點：電荷耦合攝像器件（）的原理。：電荷耦合攝像器件（）的原理。本章教學本章教學: :6n熱輻射光源熱輻射光源n氣體放電光源氣體放電光源n電致發光器件電致發光器件n激光器激光器 光源是光電式傳感器的一個組成部分，大多數光電光源是光電式傳感器的一個組成部分，大多數光電傳感器都離不開光源。傳感器都離不開光源。7一、熱輻射光源一、熱輻射光源n原理：熱物體都會向空間發出一定的光輻射n特點：物體溫度越高，輻射能量越大n代表：白熾燈、鹵鎢

4、燈8一、熱輻射光源一、熱輻射光源9二、氣體放電光源二、氣體放電光源原理：電流通過氣體會產生發光現象特點：改變氣體成分、壓力、電流、陰極材料和放電電流的大小，可以得到不同光譜范圍的輻射源體代表：日光燈10二、氣體放電光源二、氣體放電光源11三、電致發光器件三、電致發光器件原理：固體發光材料在電場激發下產生的發光現象稱為電致發光特點：體積小、壽命長、工作電壓低、響應速度快代表：發光二極管12四、激光器四、激光器定義：能夠產生光受激輻射放大現象的器件特點：單色性好、方向性好、亮度高分類：固體激光器、氣體激光器、半導體激光器、 液體激光器13光電傳感器的工作原理基于光電效應光電傳感器的工作原理基于光電

5、效應 光可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子光可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子光光子所組成，每一個光子能量為：子所組成，每一個光子能量為：Ehfh 普朗克常數，普朗克常數，6.62610-34J.s；f 光的頻率（光的頻率（s-1）。）。光電效應：光電效應：當光照射物體時，物體受到一連串具有能量的當光照射物體時，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，物體中的電子吸收入射光子的能量，而發生相光子的轟擊，物體中的電子吸收入射光子的能量，而發生相應的效應（如發射電子、電導率變化或產生電動勢）。應的效應（如發射電子、電導率變化或產生電動勢）。光電效應 ？141 1）外光電效應：）外光電效應：在光

6、照作用下，物體內電子逸出物體表面，形成光電流。在光照作用下，物體內電子逸出物體表面，形成光電流。 光子能量被電子吸收后，能量轉化為電子逸出功光子能量被電子吸收后，能量轉化為電子逸出功A0和動能，即：和動能，即：20012kEmvhfA 不同材料有不同的逸出功，對某種材料而言有一個頻率限，當入射光的不同材料有不同的逸出功，對某種材料而言有一個頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發電子，頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發電子，此頻率限成為此頻率限成為“紅紅限限”，其臨界波長，其臨界波長K K為：為：m電子質量；電子質量；v0電子逸出速度；電子逸出速度；A0物體的表

7、面電子逸出功。物體的表面電子逸出功。0/Khc Ac 光在真空中的速度。光在真空中的速度。逸出物體表面電子具有的動能逸出物體表面電子具有的動能光電效應按原理又分為以下光電效應按原理又分為以下3 3種：種：外光電效應典型元件有外光電效應典型元件有光電管、光電倍增管等。光電管、光電倍增管等。15光電效應按原理又分為以下光電效應按原理又分為以下3 3種：種：2 2）內光電效應：內光電效應：又稱光導電效應，又稱光導電效應， 在光照作用下，在光照作用下，物體導電性能（如電阻率發生變化）發生改變的現物體導電性能（如電阻率發生變化）發生改變的現象。典型的光電元件有象。典型的光電元件有光敏電阻等。光敏電阻等。

8、16光電效應按原理又分為以下光電效應按原理又分為以下3 3種：種：3 3）光生伏特效應：光生伏特效應：在光線作用下，能使物體產生在光線作用下，能使物體產生一定方向的電動勢的現象。典型光電元件有一定方向的電動勢的現象。典型光電元件有光電池、光電池、光敏（電）二極管、光敏（電）三極管等。光敏（電）二極管、光敏（電）三極管等。17光電管靈敏度低、體積大、易破損，已被固體光電器件所代替光電管靈敏度低、體積大、易破損，已被固體光電器件所代替 目前光電管主要用途：光電比色計等分析儀器、各種光學目前光電管主要用途：光電比色計等分析儀器、各種光學自動裝置自動裝置 光電倍增管用在光學測量儀器和光譜分析儀器中。光

9、電倍增管用在光學測量儀器和光譜分析儀器中。 18 當陰極受到適當波長的光線照射時便發射電子，電子被帶正電位當陰極受到適當波長的光線照射時便發射電子，電子被帶正電位的陽極所吸引，在光電管內就有電子流，在外電路中便產生了電流。的陽極所吸引，在光電管內就有電子流，在外電路中便產生了電流。A AK KA AK K金屬底層光電管金屬底層光電管 光透明光電管光透明光電管A陽極，陽極，K陰極陰極19真空光電管的伏安特性真空光電管的伏安特性 充氣光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管充氣光電管: : 構造和真空光電管基本相同，優點是靈敏度高。構造和真空光電管基本相同，優點是靈敏度高。所不同的僅僅是在玻

10、璃泡內充以少量的惰性氣體所不同的僅僅是在玻璃泡內充以少量的惰性氣體, ,其靈敏度隨其靈敏度隨電壓變化的穩定性、頻率特性等都比真空光電管差電壓變化的穩定性、頻率特性等都比真空光電管差 20 在入射光極為微弱時，光電管能產生的光電流就很小，在入射光極為微弱時，光電管能產生的光電流就很小，光電倍增管：放大光電流光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極組成：光電陰極+ +若干倍增極若干倍增極+ +陽極陽極 21 倍增系數倍增系數M等于各倍增電極的二次發射系數等于各倍增電極的二次發射系數i 的乘積。如果的乘積。如果n個倍增個倍增電極的電極的i 都一樣（都一樣（ ），則），則nM所以所以niI式中，式中，i為

11、光電陰極的光電流為光電陰極的光電流 i22231)光敏電阻的工作原理及結構當無光照時，光敏電阻值當無光照時，光敏電阻值( (暗電阻暗電阻) )很大，電路中電流很小很大，電路中電流很小 當有光照時，光敏電阻值當有光照時，光敏電阻值( (亮電阻亮電阻) )急劇減少，電流迅速增加急劇減少，電流迅速增加241)光敏電阻的工作原理及結構1.1.玻璃玻璃 2.2.光電導層光電導層 3.3.電極電極 4.4.絕緣襯底絕緣襯底 5.5.金屬殼金屬殼 6.6.黑色絕緣玻璃黑色絕緣玻璃 7.7.引線引線光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導體嚴密封裝光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導體嚴密封裝

12、在帶有玻璃的殼體中。在帶有玻璃的殼體中。半導體吸收光子而產生的光電效應，只限于光照的表面薄層。光敏電阻的電半導體吸收光子而產生的光電效應，只限于光照的表面薄層。光敏電阻的電極一般采用梳狀，可提高光敏電阻的靈敏度。極一般采用梳狀，可提高光敏電阻的靈敏度。252)光敏電阻的基本特性 伏安特性伏安特性 光照特性光照特性光譜特性光譜特性響應時間和頻率特性響應時間和頻率特性溫度特性溫度特性262)光敏電阻的基本特性-伏安特性伏安特性 在一定照度下，光敏電阻兩端所在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關系。加的電壓與光電流之間的關系。 光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積

13、以光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關。及散熱條件等因素有關。 在給定的偏壓情況下，光照度越大，在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；光電流也就越大； 在一定光照度下，加的電壓越大，在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒有飽和現象。光電流越大，沒有飽和現象。272)光敏電阻的基本特性-光照特性 光敏電阻的光電流與光強之光敏電阻的光電流與光強之間的關系。間的關系。 由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，一般在自動控制系統中常用作開關式光電信號傳感元件。一般在自動控制系

14、統中常用作開關式光電信號傳感元件。 282)光敏電阻的基本特性-光譜特性 光敏電阻對不同波長的光，靈敏度是不同的光敏電阻對不同波長的光，靈敏度是不同的 可見光區域可見光區域紅外區域紅外區域292)光敏電阻的基本特性-響應時間n光電導的弛豫現象：光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后。光電導的弛豫現象：光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后。n通常用響應時間通常用響應時間t t表示。表示。 302)光敏電阻的基本特性-頻率特性n不同材料的光敏電阻具有不同的響應時間，所以它們的不同材料的光敏電阻具有不同的響應時間，所以它們的頻率特性也就不盡相同。頻率特性也就不盡相同。 312)光敏電阻

15、的基本特性-溫度特性 光敏電阻受溫度的影響較大。當溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都下降。光敏電阻受溫度的影響較大。當溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都下降。 硫化鎘光敏電阻的溫度特性硫化鎘光敏電阻的溫度特性 121212%100)(CRTTRR溫度系數溫度系數: 在一定光照下，溫度每變化在一定光照下，溫度每變化11，光敏電阻阻值的平均變化率光敏電阻阻值的平均變化率 322)光敏電阻的基本特性-溫度特性 溫度對光譜特性影響 隨著溫度升高，光譜響隨著溫度升高，光譜響應峰值向短波方向移動。因應峰值向短波方向移動。因此，采取降溫措施，可以提此，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對長波光的響應。高光敏電阻對長

16、波光的響應。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 331 1）工作原理）工作原理 結構與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中。在電路中一般是處結構與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中。在電路中一般是處于反向工作狀態的于反向工作狀態的 光敏二極管光敏二極管341 1）工作原理）工作原理 與一般晶體管很相似，具有兩個與一般晶體管很相似，具有兩個pnpn結。把光信號轉換為電信號結。把光信號轉換為電信號同時，又將信號電流加以放大。同時，又將信號電流加以放大。 光敏晶體管 351 1）工作原理）工作原理362 2）基本特性光譜特性光譜特性 伏安特性伏安特性光照特性光照特性溫度特性溫度特

17、性頻率響應頻率響應372 2）基本特性-光譜特性入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降 硅和鍺光敏二極（晶體）管的光譜特性硅和鍺光敏二極（晶體）管的光譜特性 可見光或探測赤熱狀態物體時，一般都可見光或探測赤熱狀態物體時，一般都用硅管。用硅管。 在紅外光進行探測時，則鍺管較為適宜。在紅外光進行探測時，則鍺管較為適宜。 382 2）基本特性-伏安特性硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性 二極管二極管晶體管晶體管392 2）基本特性-光照特性硅光敏管的光照特性硅光敏管的光照特性 光敏二極管的光照特性曲線的線性較好光敏二極管的光照特性曲線的線性較好 402 2）基本特

18、性-溫度特性其暗電流及光電流與溫度的關系其暗電流及光電流與溫度的關系溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大。溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大。412 2）基本特性-頻率響應 具有一定頻率的調制光照射時，光敏管輸出的光電流具有一定頻率的調制光照射時，光敏管輸出的光電流( (或負載上的電或負載上的電壓壓) )隨頻率的變化關系隨頻率的變化關系 硅光敏晶體管的頻率響應硅光敏晶體管的頻率響應 42 有光線作用下實質上就是電源，電路中有了這種器件有光線作用下實質上就是電源，電路中有了這種器件就不再需要外加電源。就不再需要外加電源。 1. 1. 工作原理工作原理 2 2基本特性基本特性43

19、太陽能電池片太陽能電池片44- - - - -+ + + + +PN- - + - -+ + - + +PN光+-光照射光照射光電子空穴對光電子空穴對內建電場作用內建電場作用光生電光生電子被拉向子被拉向N區，光生空穴被拉向區，光生空穴被拉向P區區光電動勢光電動勢阻擋層阻擋層內建電場內建電場PN結結當光照到當光照到PN結區時，如果光子能量足夠大，將在結區附近激發結區時，如果光子能量足夠大，將在結區附近激發出電子出電子-空穴對，在空穴對，在N區聚積負電荷，區聚積負電荷，P區聚積正電荷，這樣區聚積正電荷，這樣N區區和和P區之間出現電位差區之間出現電位差。1）工作原理452）基本特性光譜特性光譜特性光

20、照特性光照特性頻率響應頻率響應 溫度特性溫度特性 穩定性穩定性462）基本特性-光譜特性光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的 472）基本特性-光照特性不同光照度下，光電流和光生電動勢是不同的。不同光照度下，光電流和光生電動勢是不同的。 短路電流與光照度成線性關系；開路電壓與光照度是非線性的短路電流與光照度成線性關系；開路電壓與光照度是非線性的光電池作為測量元件使用時，應把它當作電流源的形式來使用光電池作為測量元件使用時，應把它當作電流源的形式來使用 482）基本特性-光照特性 負載越小，光電流與照度之間的線性關系越好，而且線性范圍越寬負載越小，光電流與照度

21、之間的線性關系越好，而且線性范圍越寬 492）基本特性-頻率響應 指輸出電流隨調制光頻率指輸出電流隨調制光頻率變化的關系變化的關系 硅光電池具有較高的頻率響應硅光電池具有較高的頻率響應 , ,用于高速計數的光電轉換用于高速計數的光電轉換 502）基本特性-溫度特性 開路電壓和短路電流隨溫開路電壓和短路電流隨溫度變化的關系。度變化的關系。 關系到應用光電池的儀器關系到應用光電池的儀器的溫度漂移，影響到測量精度的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標。或控制精度等重要指標。硅光電池的溫度特性硅光電池的溫度特性( (照度照度1000lx)1000lx)512）基本特性-穩定性n當光電池密封良好

22、、電極引線可靠、應用合理時，光電當光電池密封良好、電極引線可靠、應用合理時，光電池的性能是相當穩定的池的性能是相當穩定的 硅光電池的性能比硒光電池更穩定硅光電池的性能比硒光電池更穩定 n影響性能和壽命因素影響性能和壽命因素：光電池的材料及制造工藝光電池的材料及制造工藝使用環境條件使用環境條件 52n模擬式傳感器模擬式傳感器n脈沖式傳感器脈沖式傳感器531）模擬式光電傳感器n基于光電器件的光電流隨光通量而發生變化，是基于光電器件的光電流隨光通量而發生變化，是光通量光通量的函數的函數 。對于光通量的任意一個選定值，對應的光電流就有一個對于光通量的任意一個選定值，對應的光電流就有一個確定的值，而光通

23、量又隨被測非電量的變化而變化，這確定的值，而光通量又隨被測非電量的變化而變化，這樣光電流就成為被測非電量的函數。樣光電流就成為被測非電量的函數。n這類傳感器將被測量轉換成連續變化的光電流，要求光這類傳感器將被測量轉換成連續變化的光電流，要求光電元件的光照特性為單值線性，而且光源的光照均勻恒電元件的光照特性為單值線性，而且光源的光照均勻恒定。定。 541）模擬式光電傳感器-光電比色高溫計 1 1物鏡；物鏡；2 2平面玻璃；平面玻璃；3 3光闌；光闌；4 4光導棒；光導棒；5 5分光鏡；分光鏡；6 6濾光片；濾光片；7 7硅光硅光電池；電池；8 8濾光片；濾光片；9 9硅光電池；硅光電池；1010

24、瞄準反射鏡；瞄準反射鏡；1111圓柱反射鏡；圓柱反射鏡；1212目鏡；目鏡；1313多夫棱鏡多夫棱鏡1414、1515硅光電池負載電阻；硅光電池負載電阻；1616可逆電機；可逆電機；1717電子電位差計電子電位差計552）脈沖式光電傳感器 光電器件的輸出僅有兩個穩定狀態，也就是光電器件的輸出僅有兩個穩定狀態，也就是“通通”與與“斷斷”的的開關狀態。開關狀態。 光電器件受光照時，有電信號輸出，光電器件不受光照時，無光電器件受光照時，有電信號輸出，光電器件不受光照時，無電信號輸出。屬于這一類的大多是作繼電器和脈沖發生器應用的光電信號輸出。屬于這一類的大多是作繼電器和脈沖發生器應用的光電傳感器，如測

25、量線位移、線速度、角位移、角速度電傳感器，如測量線位移、線速度、角位移、角速度( (轉速轉速) )的光電的光電脈沖傳感器等等。脈沖傳感器等等。 為此，要求光電元件靈敏度高，而對光照特性的線性要求不高。為此，要求光電元件靈敏度高，而對光照特性的線性要求不高。 562）脈沖式光電傳感器-光電式數字轉速表 60ZTNc 57精彩圖片欣賞（精彩圖片欣賞（1）58精彩圖片欣賞（精彩圖片欣賞（2）59精彩圖片欣賞（精彩圖片欣賞（3）60精彩圖片欣賞（精彩圖片欣賞（4）61精彩圖片欣賞（精彩圖片欣賞（5）62精彩圖片欣賞（精彩圖片欣賞（6）63精彩圖片欣賞（精彩圖片欣賞（7）64精彩圖片欣賞（精彩圖片欣賞（

26、8）是誰將美麗是誰將美麗留駐留駐？6570年代發展起來，發展自年代發展起來，發展自MOS器件器件 功能：功能：以電荷為信號，具有光電信號轉換、存儲、轉移及以電荷為信號，具有光電信號轉換、存儲、轉移及輸出信號電荷的功能。輸出信號電荷的功能。 用途：用途：廣泛用于圖像識別、傳輸；典型應廣泛用于圖像識別、傳輸；典型應 用：攝像機固態用：攝像機固態圖像拾取。圖像拾取。（Charge-Coupled Device，簡稱，簡稱CCD）是一種大規模金屬氧化物半導體集成電路器件是一種大規模金屬氧化物半導體集成電路器件66 電荷耦合器件電荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD）是按照一定規

27、律排列的）是按照一定規律排列的 MOS電容器電容器陣列組成的移位寄存器，在陣列組成的移位寄存器，在MOS電容器電容器陣列陣列加上輸入、輸出加上輸入、輸出端，便構成了端，便構成了CCD。可以實現可以實現光電轉換、信號儲存、轉移光電轉換、信號儲存、轉移(傳輸傳輸)、輸出、輸出、處理處理以及電子快門等一系列功能。以及電子快門等一系列功能。金屬金屬SiO2p-SiVG67具有以下一些具有以下一些特點特點：一般特性：一般特性：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長。體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長。分辨率高：分辨率高：線陣線陣7000Pixel、分辨能力、分辨能力7 m，面陣，面陣409640

28、96， 整機分辨能力整機分辨能力1000線以上。線以上。兼容性：兼容性：任選模擬、數字輸出形式，與同步信號、任選模擬、數字輸出形式，與同步信號、I/O接接 口及微機兼容，組成高性能系統。口及微機兼容，組成高性能系統。分類：分類：線陣和面陣器件。線陣和面陣器件。光電特性：光電特性：靈敏度高、動態范圍大。靈敏度靈敏度高、動態范圍大。靈敏度0.01Lx，動態范圍，動態范圍 106：1，信噪比，信噪比6070dB。68 MOS MOS電容的結構電容的結構1 1金屬金屬 2 2絕緣層絕緣層SiOSiO2 269V1=5VV2=10VV3=15VV1=5VP型或型或N型襯底型襯底SiO2電極電極 施加正電

29、壓于電極上施加正電壓于電極上P型區形成勢阱型區形成勢阱產生電子和空穴產生電子和空穴勢阱勢阱俘獲電子（與光強成正比）俘獲電子（與光強成正比）形成形成MOS光敏元（象素）光敏元（象素）光光70n當當MOSMOS電容器柵壓大于開啟電壓電容器柵壓大于開啟電壓U UG G，周圍電子迅速地聚，周圍電子迅速地聚集到電極下的半導體表面處，形成對于電子的勢阱。集到電極下的半導體表面處，形成對于電子的勢阱。 勢阱：深耗盡條件下的表面勢。勢阱：深耗盡條件下的表面勢。勢阱填滿：電子在半導體表面堆積后使平面勢下降。勢阱填滿：電子在半導體表面堆積后使平面勢下降。 71nCCDCCD的基本功能是存儲與轉移信息電荷的基本功能

30、是存儲與轉移信息電荷n為實現信號電荷的轉換為實現信號電荷的轉換： 1 1、必須使、必須使MOSMOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰鄰MOSMOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。2 2、控制相鄰、控制相鄰MOCMOC電容柵極電壓高低來調節勢阱深電容柵極電壓高低來調節勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深處淺，使信號電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深處3 3、在、在CCDCCD中電荷的轉移必須按照確定的方向。中電荷的轉移必須按照確定的方向。 72定向轉移的實現n在在CCDCCD的的MOSMOS陣列上劃分成以幾個相鄰陣列上劃分成以幾個相

31、鄰MOSMOS電荷為一單元的無限電荷為一單元的無限循環結構。每一單元稱為一位，將每一位中對應位置上的電循環結構。每一單元稱為一位，將每一位中對應位置上的電容柵極分別連到各自共同電極上，此共同電極稱相線。容柵極分別連到各自共同電極上，此共同電極稱相線。一位一位CCDCCD中含的電容個數即為中含的電容個數即為CCDCCD的相數。每相電極連接的電的相數。每相電極連接的電容個數一般來說即為容個數一般來說即為CCDCCD的位數。的位數。n通常通常CCDCCD有二相、三相、四相等幾種結構，它們所施加的時鐘有二相、三相、四相等幾種結構，它們所施加的時鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。脈沖也分別為二相、三相、四

32、相。n當這種時序脈沖加到當這種時序脈沖加到CCDCCD的無限循環結構上時，將實現信號電的無限循環結構上時，將實現信號電荷的定向轉移。荷的定向轉移。 73定向轉移的實現三相三相CCDCCD信息電荷傳輸原理圖信息電荷傳輸原理圖 74定向轉移的實現 1 3 2遮光層遮光層氧化物氧化物P型硅型硅金屬金屬讀出移位寄存器讀出移位寄存器 1 2 3tt1t2t3t4CCD時鐘電壓與電荷傳輸關系時鐘電壓與電荷傳輸關系讀出移位寄存器是電荷圖像輸出電路讀出移位寄存器是電荷圖像輸出電路75CCDCCD在用作信號處理或存儲器件時，電荷輸入采用電注入。在用作信號處理或存儲器件時，電荷輸入采用電注入。 CCDCCD通過輸

33、入結構對信號電壓或電流進行采樣，將信號電壓或通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣，將信號電壓或電流轉換為信號電荷。電流轉換為信號電荷。 CCDCCD在用作圖像傳感時，信號電荷由光生載流子得到，即光注在用作圖像傳感時，信號電荷由光生載流子得到，即光注入入 。電極下收集的電荷大小取決于照射光的強度和照射時間。電極下收集的電荷大小取決于照射光的強度和照射時間。76（a a）背面光注入）背面光注入（b b）電壓信號注入）電壓信號注入電荷注入方法電荷注入方法77電流輸出方式電流輸出方式浮置擴散放大器輸出方式浮置擴散放大器輸出方式浮置柵放大器輸出方式浮置柵放大器輸出方式78n利用利用CCDCCD的光電轉移

34、和電荷轉移的雙重功能，得的光電轉移和電荷轉移的雙重功能，得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在而將照射在CCDCCD上的光學圖像轉移成了電信號上的光學圖像轉移成了電信號“圖像圖像”。n由于由于CCDCCD能實現低噪聲的電荷轉移，并且所有光能實現低噪聲的電荷轉移，并且所有光生電荷都通過一個輸出電路檢測，且具有良好的生電荷都通過一個輸出電路檢測，且具有良好的一致性，因此，對圖像的傳感具有優越的性能。一致性，因此，對圖像的傳感具有優越的性能。n線列和面陣線列和面陣791)CCD線列圖像器件1 1CCDCCD轉移寄存器轉移寄存器 2 2轉移控制

35、柵轉移控制柵 3 3積蓄控制電極積蓄控制電極 4 4PDPD陣列陣列 SHSH轉移控制柵輸入端轉移控制柵輸入端 RSRS復位控制復位控制 V VODOD漏極輸出漏極輸出 OSOS圖像信號輸出圖像信號輸出 OGOG輸出控制柵輸出控制柵線型圖像傳感器結構線型圖像傳感器結構801)CCD線列圖像器件單通道線陣單通道線陣轉移柵轉移柵光積分單元光積分單元不透光不透光輸出移位寄存器移位寄存器一列光敏單元組成；一列光敏單元組成；由轉移柵及一系列移位寄存器組成。由轉移柵及一系列移位寄存器組成。光照產生的信號電荷存貯于感光區的光敏單元中，接通轉移光照產生的信號電荷存貯于感光區的光敏單元中，接通轉移柵后，信號電荷

36、流入傳輸區。傳輸區是遮光的，以防因光生噪聲電柵后，信號電荷流入傳輸區。傳輸區是遮光的，以防因光生噪聲電荷干擾導致圖像模糊。荷干擾導致圖像模糊。811)CCD線列圖像器件光積分光積分區區輸出輸出轉移柵轉移柵雙通道線陣雙通道線陣A寄存器寄存器B寄存器寄存器有兩個移位寄存器平行地配置在感光區的兩側。當光生有兩個移位寄存器平行地配置在感光區的兩側。當光生信號電荷積累后，時鐘脈沖接通轉移柵，信號電荷轉移到移位信號電荷積累后，時鐘脈沖接通轉移柵，信號電荷轉移到移位寄存器，奇數光敏單元的電荷轉移到寄存器，奇數光敏單元的電荷轉移到A寄存器，偶數光敏單元的寄存器，偶數光敏單元的電荷轉移到電荷轉移到B寄存器。雙通

37、道線陣總的轉移效率比單通道高。寄存器。雙通道線陣總的轉移效率比單通道高。822)面型固態圖像傳感器(a)x-y (a)x-y 選址選址 (b)(b)行選址行選址 (c)(c)幀場傳輸式幀場傳輸式 (d)(d)行間傳輸式行間傳輸式832)面型固態圖像傳感器輸出輸出面陣：光敏元排列成矩陣面陣：光敏元排列成矩陣光敏元面陣、光敏元面陣、存儲器面陣、存儲器面陣、讀出移位寄存讀出移位寄存器線陣。器線陣。842)面型固態圖像傳感器851 1尺寸測量尺寸測量2 2用于光學文字識別裝置用于光學文字識別裝置86被測對象長度被測對象長度LpnfanpML) 1(1pnllL21l1 視場視場l2傳感器的長度傳感器的

38、長度87光學文字識別裝置光學文字識別裝置(OCR)(OCR)原理原理 88RFID Tag汽車車牌汽車車牌RFID ReaderCCD後端資料庫後端資料庫後端電腦後端電腦觸發觸發存取資料存取資料收發信號收發信號拍照拍照通過通過API傳送傳送傳回信號傳回信號8990驅動電路驅動電路分類機構分類機構計算機計算機細化二值化細化二值化處理處理傳送帶傳送帶CCD透鏡透鏡1分類箱分類箱2391p 光光(導導)纖纖(維維)是是20世紀世紀70年代的重要發明之一，它與激光器、半導體年代的重要發明之一，它與激光器、半導體探測器一起構成了新的光學技術，創造了光電子學的新天地探測器一起構成了新的光學技術，創造了光電

39、子學的新天地(領域領域)。p 光纖傳感器始于光纖傳感器始于1977年，把待測量與光纖內的導光聯系起來就形成光年，把待測量與光纖內的導光聯系起來就形成光纖傳感器。纖傳感器。p特點：極高的靈敏度和準確度、固有的安全性、良好的抗電磁干擾能特點：極高的靈敏度和準確度、固有的安全性、良好的抗電磁干擾能力、高絕緣強度、耐力、高絕緣強度、耐 高溫、耐腐蝕、輕質、柔韌、寬頻帶。高溫、耐腐蝕、輕質、柔韌、寬頻帶。p應用：機械、電子儀器儀表、航空航天、通訊、生物醫學、環保、食應用：機械、電子儀器儀表、航空航天、通訊、生物醫學、環保、食品、化工品、化工 p測量對象：電流磁場、電壓電場、溫度、速度、振動、壓力、射線、

40、測量對象：電流磁場、電壓電場、溫度、速度、振動、壓力、射線、圖像圖像 92光導纖維的結構和導光原理光導纖維的結構和導光原理光導纖維的主要參數光導纖維的主要參數光纖傳感器結構原理光纖傳感器結構原理光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類光纖傳感器的特點光纖傳感器的特點光纖傳感器的應用光纖傳感器的應用93 圓柱形內芯和包層組成，而且內芯的折射率略大于包層圓柱形內芯和包層組成，而且內芯的折射率略大于包層的折射率（的折射率（n n2 2n arcsinNA arcsinNA，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消失；，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消失；i i arcsinNA arcsinNA，光線才可以進入

41、光纖被全反射傳播。，光線才可以進入光纖被全反射傳播。0sini101數值孔徑（數值孔徑（NANA）光纖模式光纖模式傳播損耗傳播損耗102反映纖芯接收光量的多少，標志光纖接收性能。反映纖芯接收光量的多少，標志光纖接收性能。意義：意義：無論光源發射功率有多大，只有無論光源發射功率有多大，只有2 2ii張角之內的光張角之內的光功率能被光纖接受傳播。功率能被光纖接受傳播。大的數值孔徑：有利于耦合效率的提高。大的數值孔徑：有利于耦合效率的提高。但數值孔徑太大，光信號畸變也越嚴重。但數值孔徑太大，光信號畸變也越嚴重。2221sinnnNAi103按傳輸模式分為單模光纖和多模光纖。按傳輸模式分為單模光纖和多

42、模光纖。階躍型的圓筒波導內傳播的模式數量表示為階躍型的圓筒波導內傳播的模式數量表示為 。/)(212221nndV希望希望V V小：小：d d不能太大，不能太大，n n2 2與與n n1 1之差很小之差很小 104損耗原因：損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響的輻射損耗等的影響 0201IAalgI傳播損耗（單位為傳播損耗（單位為dBdB） 式中式中, I, I光纖長度；光纖長度； a a單位長度的衰減；單位長度的衰減； I I0 0光導纖維輸入端光強；光導纖維輸入端光強； I I光導纖維輸出端光強。光導纖維輸出端光強。105目前

43、常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復合材料等。復合材料等。 在這些材料中，由于存在在這些材料中，由于存在雜質離子、原子的雜質離子、原子的缺陷缺陷等都會吸收光，從而造成材料損耗。等都會吸收光，從而造成材料損耗。是由于是由于材料密度及濃度不均勻材料密度及濃度不均勻引起的。光纖拉引起的。光纖拉制時制時粗細不均勻粗細不均勻，造成纖維尺寸沿軸線變化，造成纖維尺寸沿軸線變化， 同樣會引起同樣會引起光的散射損耗。另外纖芯和包層界面的光的散射損耗。另外纖芯和包層界面的不光滑、污染不光滑、污染等，等，也會造成嚴重的散射損耗。也會造成嚴重的散射損耗。是使用過程中可能產

44、生的一種損耗。是使用過程中可能產生的一種損耗。光纖彎曲光纖彎曲會會引起傳輸模式的轉換，激發高階模進入包層產生損耗。引起傳輸模式的轉換，激發高階模進入包層產生損耗。 106 以電為基礎的傳統傳感器是一種把測量的狀態轉變為可測的電信號的以電為基礎的傳統傳感器是一種把測量的狀態轉變為可測的電信號的裝置。它的電源、敏感元件、信號接收和處理系統以及信息傳輸均用金屬裝置。它的電源、敏感元件、信號接收和處理系統以及信息傳輸均用金屬導線連接，見圖導線連接，見圖(a)。 光纖傳感器則是一種把被測量的狀態轉變為可測的光信號的裝置。由光纖傳感器則是一種把被測量的狀態轉變為可測的光信號的裝置。由光發送器、敏感元件光發

45、送器、敏感元件(光纖或非光纖的光纖或非光纖的)、光接收器、信號處理系統以及光、光接收器、信號處理系統以及光纖構成，見圖纖構成，見圖(b)。由光發送器發出的光經源光纖引由光發送器發出的光經源光纖引導至敏感元件。這時，光的某一導至敏感元件。這時，光的某一性質受到被測量的調制，已調光性質受到被測量的調制，已調光經接收光纖耦合到光接收器，使經接收光纖耦合到光接收器，使光信號變為電信號，最后經信號光信號變為電信號，最后經信號處理得到所期待的被測量。處理得到所期待的被測量。光纖光纖信號處理信號處理光接收器光接收器敏感元件敏感元件光發送器光發送器（b）光纖傳感器）光纖傳感器信號處理信號處理電電 源源信號接收

46、信號接收敏感元件敏感元件（a）傳統傳感器）傳統傳感器 導線導線107光纖傳感器光學測量的基本原理 光就是一種電磁波光就是一種電磁波光的電矢量光的電矢量E)sin(tBE被測量調制：被測量調制：光的強度、偏振態（矢量光的強度、偏振態（矢量B B的方向）、頻率和相位的方向）、頻率和相位解調：解調：光的強度調制、偏振調制、頻率調制或相位調制光的強度調制、偏振調制、頻率調制或相位調制108傳感器傳感器光學現象光學現象被測量被測量光纖光纖分類分類干干涉涉型型光纖傳感器相位調光纖傳感器相位調制制干涉（磁致伸縮）干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）干涉（電致伸縮）SagnacSagnac效應效應光彈效應光彈效應

47、干涉干涉電流、磁場電流、磁場電場、電壓電場、電壓角速度角速度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、加速度、位移溫度溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非非干干涉涉型型光纖傳感器強度調制光纖傳感器強度調制遮光板斷光路遮光板斷光路半導體透射率的變化半導體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射振動膜或液晶的反射氣體分子吸收氣體分子吸收光纖漏泄模光纖漏泄模溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移振動、壓力、位移氣體濃度氣體濃

48、度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纖傳感器偏振調制光纖傳感器偏振調制法拉第效應法拉第效應泡克爾斯效應泡克爾斯效應雙折射變化雙折射變化光彈效應光彈效應電流、磁場電流、磁場電場、電壓電場、電壓溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纖傳感器頻率調制光纖傳感器頻率調制多普勒效應多普勒效應受激喇曼散射受激喇曼散射光致發光光致發光速度、流速、振動、加速度速度、流速、振動、加速度氣體濃度氣體濃度溫度溫度MMMMMMCbb109按折射率分布按折射率分布按傳輸模式按傳輸模式光纖在傳感器中的作用光纖在傳感器中的作用光受被測量調制的形式光受被測量調

49、制的形式光纖傳感器中對光信號的檢測方法不同光纖傳感器中對光信號的檢測方法不同 110按折射率分布按折射率分布折射率變化規律折射率變化規律分類分類階躍型階躍型梯度型梯度型 采用梯度型光纖時，光射入光纖后會自動地從界采用梯度型光纖時，光射入光纖后會自動地從界面向軸心會聚，因此也稱為聚焦光纖。面向軸心會聚，因此也稱為聚焦光纖。 階躍光纖的纖芯與包層間的折射率階躍變化的，階躍光纖的纖芯與包層間的折射率階躍變化的，即纖芯內的折射率分布大體上是均勻的，包層內即纖芯內的折射率分布大體上是均勻的，包層內的折射率分布也大體均勻，均可視為常數，但是的折射率分布也大體均勻，均可視為常數，但是纖芯和包層的折射率不同，

50、在界面上發生突變，纖芯和包層的折射率不同，在界面上發生突變，如圖如圖 所示。光線的傳播，依靠光在纖芯和包層界所示。光線的傳播，依靠光在纖芯和包層界面上發生的內全反射現象。面上發生的內全反射現象。梯度光纖纖芯內的折射率不是常量，而是從梯度光纖纖芯內的折射率不是常量，而是從中心軸線開始沿徑向大致按拋物線形狀遞減，中心軸線開始沿徑向大致按拋物線形狀遞減，中心軸折射率最大。因此，光纖在纖芯中傳中心軸折射率最大。因此，光纖在纖芯中傳播時會自動地從折射率小的界面向中心會聚，播時會自動地從折射率小的界面向中心會聚，光纖傳播的軌跡類似正弦波形。梯度光纖又光纖傳播的軌跡類似正弦波形。梯度光纖又稱為自聚焦光纖。稱

51、為自聚焦光纖。111 是指是指光波傳播的途徑和方式光波傳播的途徑和方式。對于不。對于不同入射角度的光線，在界面反射的次數是不同的，傳遞的同入射角度的光線，在界面反射的次數是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產生的橫向強度分布也是不同的，這就光波之間的干涉所產生的橫向強度分布也是不同的，這就是傳播模式不同。是傳播模式不同。 在光纖中傳播模式很多不利于光信號的傳播，因為同在光纖中傳播模式很多不利于光信號的傳播，因為同一種光信號采取很多模式傳播將使一部分光信號分為多個一種光信號采取很多模式傳播將使一部分光信號分為多個不同時間到達接收端的小信號，從而導致合成信號的畸變，不同時間到達接收端的小信號，從而導致

52、合成信號的畸變，因此希望光纖信號模式數量要少。因此希望光纖信號模式數量要少。112 一般纖芯直徑為一般纖芯直徑為212m，只能傳輸一種模式稱為，只能傳輸一種模式稱為。這類光纖傳輸性能好，信號畸變小，信息。這類光纖傳輸性能好，信號畸變小，信息容量大，線性好，容量大，線性好， 靈敏度高，靈敏度高， 但由于纖芯尺寸小，制但由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困難。造、連接和耦合都比較困難。 纖芯直徑較大（纖芯直徑較大（50100m），傳輸模式較多稱為），傳輸模式較多稱為，這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的，這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，故容易制造，連接和耦合差異，

53、但由于纖芯截面積大，故容易制造，連接和耦合比較方便。比較方便。113光纖在傳感器中的作用功能型功能型非功能型非功能型拾光型拾光型 114光纖在傳感器中的作用1 1）功能型（全光纖型）光纖傳感器）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖或特殊光纖)作傳作傳感元件，將感元件，將“傳傳”和和“感感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變彎曲、相變)的作用下，其光學的作用下，其光學特性特性(光強、相位、偏振態等光強、相位、

54、偏振態等)的變化來實現的變化來實現“傳傳”和和“感感”的功能。的功能。因此，傳感器中光纖是連續的。由于光纖連續，增加其長度，可因此，傳感器中光纖是連續的。由于光纖連續，增加其長度，可提高靈敏度。提高靈敏度。信號處理信號處理光受信器光受信器光纖敏感元件光纖敏感元件光發送器光發送器115光纖在傳感器中的作用 2 2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導光作用，只光纖僅起導光作用，只“傳傳”不不“感感”，對外界信息的，對外界信息的“感覺感覺”功能依靠其他物理性質的功能元件完成。光纖不連續。此類光纖功能依靠其他物理性質的功能元件完成。光纖不連續。此類光纖傳感器無

55、需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現，成本低。傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。信號處理信號處理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光發送器光發送器光纖光纖116光纖在傳感器中的作用 3 3）拾光型光纖傳感器）拾光型光纖傳感器 用光纖作為探頭，接收由被測對用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。計、輻射式光纖溫度傳感器等。 信號信號處理處理光受光

56、受信器信器光發送器光發送器光纖光纖耦合器耦合器被測對象被測對象117光纖在傳感器中的作用測測量量對對象象測測量量對對象象測測量量對對象象測測量量對對象象118根據光受被測對象的調制形式(a) (a) 強度調制型光纖傳感器強度調制型光纖傳感器(b) (b) 偏振調制光纖傳感器偏振調制光纖傳感器(c) (c) 頻率調制光纖傳感器頻率調制光纖傳感器(d) (d) 相位調制傳感器相位調制傳感器119根據光受被測對象的調制形式1 1）強度調制型光纖傳感器）強度調制型光纖傳感器 是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數的變化，而導致光

57、強度變化來實現敏感測量的傳感或反射等參數的變化，而導致光強度變化來實現敏感測量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質的吸收特性；振動膜或液晶器。有利用光纖的微彎損耗；各物質的吸收特性；振動膜或液晶的反射光強度的變化；物質因各種粒子射線或化學、機械的激勵的反射光強度的變化；物質因各種粒子射線或化學、機械的激勵而發光的現象；以及物質的熒光輻射或光路的遮斷等來構成壓力、而發光的現象；以及物質的熒光輻射或光路的遮斷等來構成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調制型光纖傳感器。振動、溫度、位移、氣體等各種強度調制型光纖傳感器。結構簡單、容易實現，成本低。結構簡單、容易實現，成本低。受光源強度波動和連接

58、器損耗變化等影響較大受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大 。120根據光受被測對象的調制形式2 2）偏振調制光纖傳感器）偏振調制光纖傳感器 是一種利用光偏振態變化來傳遞被測對象信息的傳感器。是一種利用光偏振態變化來傳遞被測對象信息的傳感器。有有利用光在磁場中媒質內傳播的法拉第效應做成的電流、磁場傳感利用光在磁場中媒質內傳播的法拉第效應做成的電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內傳播的泡爾效應做成的電場、器；利用光在電場中的壓電晶體內傳播的泡爾效應做成的電場、電壓傳感器；利用物質的光彈效應構成的壓力、振動或聲傳感器；電壓傳感器；利用物質的光彈效應構成的壓力、振動或聲傳感器；以及利用光纖

59、的雙折射性構成溫度、壓力、振動等傳感器。這類以及利用光纖的雙折射性構成溫度、壓力、振動等傳感器。這類傳感器可以避免光源強度變化的影啊，因此靈敏度高。傳感器可以避免光源強度變化的影啊，因此靈敏度高。121根據光受被測對象的調制形式3 3）頻率調制光纖傳感器）頻率調制光纖傳感器 是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發生是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發生變化來進行監測的傳感器。變化來進行監測的傳感器。有利用運動物體反射光和散射光的多有利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；利用普勒效應的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；

60、利用物質受強光照射時的喇曼散射構成的測量氣體濃度或監測大氣污物質受強光照射時的喇曼散射構成的測量氣體濃度或監測大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發光的溫度傳感器等。染的氣體傳感器；以及利用光致發光的溫度傳感器等。 122根據光受被測對象的調制形式 4 4）相位調制傳感器）相位調制傳感器 其基本原理是其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數發生變化，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產生的干涉或傳播常數發生變化，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產生的干涉條紋發生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而