1、下頁(yè)下頁(yè)返回返回第第9 9章章 光電式傳感器光電式傳感器 9.1 概述概述 9.2 光電效應(yīng)與光電器件光電效應(yīng)與光電器件 9.3 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用 9.4 CCD固體圖像傳感器固體圖像傳感器 9.5 光纖傳感器光纖傳感器 本章要點(diǎn)本章要點(diǎn) 光電式傳感器是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。光電式傳感器是將光通量轉(zhuǎn)換為電量的一種傳感器。光電式傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)。光電式傳感器的基礎(chǔ)是光電轉(zhuǎn)換元件的光電效應(yīng)。9.1概述9.1.1 光電式傳感器的類(lèi)別光電式傳感器的類(lèi)別 光電式傳感器（或稱光敏傳感器）光電式傳感器（或稱光敏傳感器） 是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電

2、壓、電是利用光電器件把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)（電壓、電流、電阻等）的裝置。流、電阻等）的裝置。 按工作原理分類(lèi)按工作原理分類(lèi) 光電效應(yīng)傳感器光電效應(yīng)傳感器 紅外熱釋電探測(cè)器紅外熱釋電探測(cè)器 固體圖像傳感器固體圖像傳感器 光纖傳感器光纖傳感器 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回l 紅外熱釋電探測(cè)器紅外熱釋電探測(cè)器 主要是利用輻射的紅外光（熱）照射材料時(shí)引起材料電學(xué)主要是利用輻射的紅外光（熱）照射材料時(shí)引起材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化或產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)原理制成的一類(lèi)器件。性質(zhì)發(fā)生變化或產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)原理制成的一類(lèi)器件。l 固體圖像傳感器固體圖像傳感器 主要是用主要是用CCD電荷耦合器件的光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移功能制電荷耦合器件的

3、光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移功能制成成CCD圖像傳感器。圖像傳感器。l 光纖傳感器光纖傳感器 利用發(fā)光管（利用發(fā)光管（LED）或激光管（）或激光管（LD）發(fā)射的光，經(jīng)光纖）發(fā)射的光，經(jīng)光纖傳輸?shù)奖粰z測(cè)對(duì)象，被檢測(cè)信號(hào)調(diào)制后，光沿著光導(dǎo)纖維傳輸?shù)奖粰z測(cè)對(duì)象，被檢測(cè)信號(hào)調(diào)制后，光沿著光導(dǎo)纖維反射或送到光接收器，經(jīng)接收解調(diào)后變成電信號(hào)。反射或送到光接收器，經(jīng)接收解調(diào)后變成電信號(hào)。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回l光電效應(yīng)傳感器光電效應(yīng)傳感器 光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：因光照引起物體電學(xué)特性改變的因光照引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象，包括光照射到物體上使物體發(fā)射電子，現(xiàn)象，包括光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)

4、生光生電動(dòng)勢(shì)等。或電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)等。特點(diǎn)：特點(diǎn)： 光電式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、高精度、高分光電式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)（不受電磁輻射影響，本辨率、高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)（不受電磁輻射影響，本身也不輻射電磁波）、可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量等特點(diǎn)；身也不輻射電磁波）、可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量等特點(diǎn)； 可直接檢測(cè)光信號(hào)，間接測(cè)量溫度、壓力、位移、速度、可直接檢測(cè)光信號(hào)，間接測(cè)量溫度、壓力、位移、速度、加速度等；加速度等； 發(fā)展速度快、應(yīng)用范圍廣，具有很大的應(yīng)用潛力。發(fā)展速度快、應(yīng)用范圍廣，具有很大的應(yīng)用潛力。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回9

5、.1.2 9.1.2 光電式傳感器的基本形式光電式傳感器的基本形式 由光路及電路兩大部分組成由光路及電路兩大部分組成 光路部分實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)對(duì)光量的控制和調(diào)制光路部分實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)對(duì)光量的控制和調(diào)制 電路部分完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)電路部分完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)傳輸與輸出等傳輸與輸出等下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回四種基本形式四種基本形式 透射式透射式 反射式反射式 輻射式輻射式 開(kāi)關(guān)式開(kāi)關(guān)式下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回9.2 光電效應(yīng)與光電器件光電效應(yīng)與光電器件 光可認(rèn)為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個(gè)光子所光可認(rèn)為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個(gè)

6、光子所具有的能量具有的能量E與其頻率大小成正比。光照射在物體上就可看成與其頻率大小成正比。光照射在物體上就可看成是一連串的具有能量為是一連串的具有能量為E（ E=hf）的粒子轟擊在物體上。所謂的粒子轟擊在物體上。所謂光電效應(yīng)即是由于物體吸收了能量為光電效應(yīng)即是由于物體吸收了能量為E的光后產(chǎn)生的電效應(yīng)。的光后產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電效應(yīng)可分為：光電效應(yīng)可分為：9.2.1 外光電效應(yīng)型光電器件外光電效應(yīng)型光電器件 指在光的照射下，材料中的電子逸出表面的現(xiàn)象。指在光的照射下，材料中的電子逸出表面的現(xiàn)象。 光電管及光電倍增管均屬這一類(lèi)。光電管及光電倍增管均屬這一類(lèi)。 0221EAhfmvk下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返

7、回返回1. 光電管及其特性光電管及其特性|一、一、構(gòu)造構(gòu)造圖圖9-2 光電管的結(jié)構(gòu)與測(cè)量電路光電管的結(jié)構(gòu)與測(cè)量電路下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回二、二、特性特性 光照特性光照特性 表示當(dāng)光電管的陽(yáng)極電壓一定時(shí)，陽(yáng)極電流表示當(dāng)光電管的陽(yáng)極電壓一定時(shí)，陽(yáng)極電流I I與與入射在陰極上光通量入射在陰極上光通量之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 伏安特性伏安特性 當(dāng)入射光的頻譜及光通量一定時(shí)，陽(yáng)極與陰極之當(dāng)入射光的頻譜及光通量一定時(shí)，陽(yáng)極與陰極之間的電壓同光電流的關(guān)系叫伏安特性。間的電壓同光電流的關(guān)系叫伏安特性。 圖圖9-3 9-3 光電管的伏安特性光電管的伏安特性下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 光

8、譜特性光譜特性 光電管對(duì)光譜有選擇性：保持光通量和陽(yáng)極電光電管對(duì)光譜有選擇性：保持光通量和陽(yáng)極電壓不變，陽(yáng)極電流與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系叫光電管的壓不變，陽(yáng)極電流與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。光譜特性。 l不同光電陰極材料的光電管，對(duì)同一波長(zhǎng)的光有不同的靈敏度；不同光電陰極材料的光電管，對(duì)同一波長(zhǎng)的光有不同的靈敏度；l同一種陰極材料的光電管對(duì)于不同波長(zhǎng)的光的靈敏度也不同。同一種陰極材料的光電管對(duì)于不同波長(zhǎng)的光的靈敏度也不同。圖圖9-3 光電倍增管外形結(jié)構(gòu)及電路光電倍增管外形結(jié)構(gòu)及電路2. 光電倍增管及其特性光電倍增管及其特性下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 倍增系數(shù)倍增系數(shù) M 陽(yáng)極電流陽(yáng)極電流 光

9、電倍增管的電流放大倍數(shù)光電倍增管的電流放大倍數(shù) 光電倍增管靈敏度比普通光電管高（光電倍增管靈敏度比普通光電管高（105-108）倍，）倍，一般用于微弱光照條件。一般用于微弱光照條件。nIi Mi /nI i6-3數(shù)，一般倍增電極的電子發(fā)射系下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回n=9-11n=9-11 內(nèi)光電效應(yīng)是指在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能內(nèi)光電效應(yīng)是指在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象 內(nèi)光電效應(yīng)可分為：內(nèi)光電效應(yīng)可分為： 因光照引起半導(dǎo)體電阻率變化的因光照引起半導(dǎo)體電阻率變化的光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 因光照產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的因光照產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光生伏特效應(yīng)

10、光生伏特效應(yīng)9.2.2 9.2.2 內(nèi)光電效應(yīng)光電器件及其特性內(nèi)光電效應(yīng)光電器件及其特性下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回| 采用具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻元采用具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。件，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。1. 光敏電阻光敏電阻圖圖9-8 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及表示符號(hào)光敏電阻的結(jié)構(gòu)及表示符號(hào) 典型器件典型器件下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回| 優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，體積小、重量輕，光譜響應(yīng)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，體積小、重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬，機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊和振動(dòng)，壽命長(zhǎng)，范圍寬，機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊和振動(dòng)，壽命長(zhǎng)，性能穩(wěn)定。性能穩(wěn)定。

11、| 缺點(diǎn)：使用時(shí)需要有外部電源，同時(shí)當(dāng)有電流缺點(diǎn)：使用時(shí)需要有外部電源，同時(shí)當(dāng)有電流通過(guò)它時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱的問(wèn)題。通過(guò)它時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱的問(wèn)題。| 材料：硫化物材料：硫化物（C Cd dS S、P Pb bS S、T Tl lS S） 硒化物（硒化物（C Cd dSeSe、P Pb bSeSe） 碲化物（碲化物（P Pb bTeTe）等）等| 應(yīng)用：照相機(jī)自動(dòng)嚗光、電視機(jī)亮度自動(dòng)應(yīng)用：照相機(jī)自動(dòng)嚗光、電視機(jī)亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)、燈光（航標(biāo)燈）自動(dòng)控制等。調(diào)節(jié)、燈光（航標(biāo)燈）自動(dòng)控制等。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，通常工作于反向工作結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，通常工作于反向

12、工作狀態(tài)，當(dāng)不受光線照射時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)受光狀態(tài)，當(dāng)不受光線照射時(shí)，處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)受光線照射時(shí)，處于導(dǎo)通狀態(tài)。線照射時(shí)，處于導(dǎo)通狀態(tài)。2. 2. 光敏二極管光敏二極管下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3.3.光敏三極管：光敏三極管： 光電流相當(dāng)于三極管的基極，集電極電流是光電光電流相當(dāng)于三極管的基極，集電極電流是光電流的流的 倍，比光敏二極管具有更高的靈敏度。倍，比光敏二極管具有更高的靈敏度。4. 光電池光電池下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是自發(fā)電式有源光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是自發(fā)電式有源器件。它有較大面積的器件。它有較大面積的PN結(jié)，

13、當(dāng)光照射在結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)上時(shí)，在PN結(jié)附近激發(fā)電子結(jié)附近激發(fā)電子-空穴對(duì)，在電場(chǎng)作用下，電子、空穴產(chǎn)空穴對(duì)，在電場(chǎng)作用下，電子、空穴產(chǎn)生定向移動(dòng)，在生定向移動(dòng)，在PN結(jié)的兩端產(chǎn)生電位差。結(jié)的兩端產(chǎn)生電位差。硅光電池硅光電池硒光電池硒光電池下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回一、光電（照）特性一、光電（照）特性 光電特性是指這些半導(dǎo)體光電元件產(chǎn)生的光電流與光光電特性是指這些半導(dǎo)體光電元件產(chǎn)生的光電流與光照之間的關(guān)系。照之間的關(guān)系。 圖圖9-9 半導(dǎo)體光電元件的光電特性半導(dǎo)體光電元件的光電特性硒光敏電阻光敏晶體管硅光電池 特性特性下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回二、伏安特性二、伏安特性 伏安特性是指光

14、照一定時(shí)，這些光電元件的端電伏安特性是指光照一定時(shí)，這些光電元件的端電壓壓U與電流與電流I之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。圖圖9-10 半導(dǎo)體光電元件的伏安特性半導(dǎo)體光電元件的伏安特性下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 半導(dǎo)體光電元件對(duì)不同波長(zhǎng)的光，其靈敏度是不同的，因半導(dǎo)體光電元件對(duì)不同波長(zhǎng)的光，其靈敏度是不同的，因?yàn)橹挥心芰看笥诎雽?dǎo)體材料禁帶寬度的那些光子才能激發(fā)出為只有能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度的那些光子才能激發(fā)出光生電子光生電子空穴對(duì)。而光子能量的大小與光的波長(zhǎng)有關(guān)。空穴對(duì)。而光子能量的大小與光的波長(zhǎng)有關(guān)。三、光譜特性三、光譜特性 圖圖9-11 半導(dǎo)體光電元件的光譜特性半導(dǎo)體光電元件的光譜特性下頁(yè)下頁(yè)上

15、頁(yè)上頁(yè)返回返回四、頻率特性四、頻率特性 半導(dǎo)體光電元件的頻率特性是指它們的輸出電信號(hào)半導(dǎo)體光電元件的頻率特性是指它們的輸出電信號(hào)與調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。與調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。圖圖9-12 半導(dǎo)體光電元件的頻率特性半導(dǎo)體光電元件的頻率特性下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回五、溫度特性五、溫度特性 半導(dǎo)體材料易受溫度的影響，它直接影響光電流的半導(dǎo)體材料易受溫度的影響，它直接影響光電流的值。因此需要討論這些光電元件的溫度特性，以便選用值。因此需要討論這些光電元件的溫度特性，以便選用合適的工作溫度。合適的工作溫度。圖圖9-13 半導(dǎo)體光電元件的溫度特性半導(dǎo)體光電元件的溫度特性1.02.03.04.002040

16、60801002020 / mS / (%)硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回9.3 9.3 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用 要使光電式傳感器能很好地工作。除了合理選要使光電式傳感器能很好地工作。除了合理選用光電轉(zhuǎn)換元件外，還必須配備合適的光源、可靠用光電轉(zhuǎn)換元件外，還必須配備合適的光源、可靠的光學(xué)通路和合理的測(cè)量電路。的光學(xué)通路和合理的測(cè)量電路。被測(cè)量被測(cè)量X X1 1直接對(duì)光源作用直接對(duì)光源作用被測(cè)量被測(cè)量X X2 2 作用于光學(xué)通路，對(duì)光通量進(jìn)行解調(diào)作用于光學(xué)通路，對(duì)光通量進(jìn)行解調(diào)1 光源及光學(xué)通路光源及光學(xué)通路 光源光源上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè) 熱輻射光源：利用

17、發(fā)熱物體向空間發(fā)出一定的光輻射熱輻射光源：利用發(fā)熱物體向空間發(fā)出一定的光輻射 （如白熾燈、鹵鎢燈等）。（如白熾燈、鹵鎢燈等）。 氣體放電光源：利用電流通過(guò)氣體放電的現(xiàn)象（發(fā)光）氣體放電光源：利用電流通過(guò)氣體放電的現(xiàn)象（發(fā)光） （如日光燈、低壓汞燈、氙燈、氦燈等）。（如日光燈、低壓汞燈、氙燈、氦燈等）。 電致發(fā)光器件：利用固體發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生電致發(fā)光器件：利用固體發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生 發(fā)光現(xiàn)象（如發(fā)光二極管）。發(fā)光現(xiàn)象（如發(fā)光二極管）。 激光器：即光受激輻射放大，分為固體激光器、氣體激激光器：即光受激輻射放大，分為固體激光器、氣體激 光器、半導(dǎo)體激光器和液體激光器等。光器、半導(dǎo)體激光

18、器和液體激光器等。 光學(xué)通路光學(xué)通路 包括透鏡、濾光片、棱鏡、光通量包括透鏡、濾光片、棱鏡、光通量調(diào)制器、光柵等。調(diào)制器、光柵等。 上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回2. 應(yīng)用電路應(yīng)用電路圖圖9-14 真空光電管的差接測(cè)量電路真空光電管的差接測(cè)量電路 1. 1.光源光源 2.2.小鏡小鏡 3.6.3.6.透鏡透鏡 4.4.光闌光闌 5.5.被測(cè)物被測(cè)物 7.8.7.8.真空光電管真空光電管 V1V1、V2 V2 放大管放大管下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回光控閃爍安全警示燈光控閃爍安全警示燈圖圖9-25 9-25 路燈自動(dòng)控制器電路路燈自動(dòng)控制器電路下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回光敏三極管應(yīng)用

19、電路光敏三極管應(yīng)用電路下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回圖圖9-26 9-26 光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回Nfn60下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回天幕靶天幕靶下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回光電耦合器結(jié)構(gòu)圖光電耦合器結(jié)構(gòu)圖光電耦合器（光電耦合器（optical coupleroptical coupler，英文縮寫(xiě)為，英文縮寫(xiě)為OCOC） 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回圖圖9-28 光電耦合器光電耦合器光電耦合器特性曲線光電耦合器特性曲線下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回作用：作用： 脈沖及直流電平轉(zhuǎn)換脈沖及直流電平轉(zhuǎn)換 開(kāi)關(guān)信號(hào)傳輸開(kāi)關(guān)信號(hào)傳輸 不同邏輯電路接口不同邏輯電路接口 抗干擾抗干擾 高低壓隔

20、離等。高低壓隔離等。燃?xì)庠畹拿}沖點(diǎn)火控制器燃?xì)庠畹拿}沖點(diǎn)火控制器下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回9.4 CCD固體圖像傳感器固體圖像傳感器電荷耦合器件（電荷耦合器件（Charge Couple Device, 縮寫(xiě)為縮寫(xiě)為CCD）是一種）是一種大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體（大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路光電器件。）集成電路光電器件。它是它是1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室的年貝爾實(shí)驗(yàn)室的WSBoyle和和GESmith發(fā)明的，它與光發(fā)明的，它與光敏二極管陣列集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的敏二極管陣列集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的CCD圖像圖像傳感器。可實(shí)現(xiàn)傳感器。可實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、 存儲(chǔ)、

21、存儲(chǔ)、 轉(zhuǎn)移并讀出信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移并讀出信號(hào)電荷的功能。的功能。它不僅作為高質(zhì)量固體化的攝像器件成功地應(yīng)用于廣播電視、它不僅作為高質(zhì)量固體化的攝像器件成功地應(yīng)用于廣播電視、可視電話和無(wú)線電傳真，而且在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)和控制等可視電話和無(wú)線電傳真，而且在生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)檢測(cè)和控制等領(lǐng)域已顯示出廣闊的前景和巨大的潛力。領(lǐng)域已顯示出廣闊的前景和巨大的潛力。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回1. CCD的工作原理的工作原理（1） 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) CCD是由若干個(gè)電荷耦合單元組成的。其基本單元是是由若干個(gè)電荷耦合單元組成的。其基本單元是MOS（金屬（金屬-氧化物氧化物-半導(dǎo)體）電容器。半導(dǎo)體）電容器。 一個(gè)一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)稱為一

22、結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)光敏元或一個(gè)像素。將個(gè)光敏元或一個(gè)像素。將MOS陣列加上輸入、陣列加上輸入、 輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了成了CCD器件。器件。 P型型 MOS光敏元光敏元 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回(2) 電荷存儲(chǔ)原理電荷存儲(chǔ)原理當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)正電壓當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)正電壓U Ug g時(shí)，時(shí)，P P型硅中的多數(shù)載流子（空型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受到排斥，半導(dǎo)體內(nèi)的少數(shù)載流子（電子）吸引到穴）受到排斥，半導(dǎo)體內(nèi)的少數(shù)載流子（電子）吸引到P-SiP-Si界面處界面處來(lái)，從而在界面附近形成一個(gè)帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)，也稱勢(shì)阱。對(duì)帶來(lái)，從而在界面附近形成一個(gè)帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)，也稱勢(shì)阱。對(duì)帶負(fù)電的電

23、子來(lái)說(shuō)，耗盡區(qū)是個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域。負(fù)電的電子來(lái)說(shuō)，耗盡區(qū)是個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域。在一定的條件下，所加正電壓在一定的條件下，所加正電壓U Ug g越大，耗盡層就越深，勢(shì)阱所能容越大，耗盡層就越深，勢(shì)阱所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。 如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生了電子如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生了電子- -空空穴對(duì)，光生電子被附近的勢(shì)阱所吸收，而空穴被排斥出耗盡區(qū)。勢(shì)穴對(duì)，光生電子被附近的勢(shì)阱所吸收，而空穴被排斥出耗盡區(qū)。勢(shì)阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢(shì)阱附近的光強(qiáng)

24、成正比。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程 （3）電荷轉(zhuǎn)移原理）電荷轉(zhuǎn)移原理下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回t t1 1時(shí)刻，時(shí)刻， 高電平，其電極下高電平，其電極下形成勢(shì)阱，存儲(chǔ)信息電荷。形成勢(shì)阱，存儲(chǔ)信息電荷。t t2 2時(shí)刻，時(shí)刻， 高電平，高電平， 電極下形成勢(shì)阱，電荷從電極下形成勢(shì)阱，電荷從 電電極耦合到極耦合到 電極。電極。t t3 3時(shí)刻，信息電荷開(kāi)始從第一時(shí)刻，信息電荷開(kāi)始從第一組向第二組轉(zhuǎn)移。組向第二組轉(zhuǎn)移。 t t4 4時(shí)刻，轉(zhuǎn)移完畢。時(shí)刻，轉(zhuǎn)移完畢。為了保證信息電荷按確定的方為了保證信息電荷按確定的方向和路線轉(zhuǎn)移，在向和路線轉(zhuǎn)移，在MOSMOS光敏元光敏元陣列上所加

25、的各相電壓脈沖要陣列上所加的各相電壓脈沖要求嚴(yán)格滿足相位要求。求嚴(yán)格滿足相位要求。 121、1221、（4 4）電荷注入）電荷注入PSi(a)tIDnIG1231PSiQ IDt(b)電荷注入方法電荷注入方法（a） 光信號(hào)注入；光信號(hào)注入； （b） 電信號(hào)注入電信號(hào)注入 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回（5）電荷的輸出）電荷的輸出 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回圖圖9-34 電荷的輸出電荷的輸出l 電荷數(shù)量電荷數(shù)量光的強(qiáng)弱光的強(qiáng)弱l 電荷順序電荷順序光的位置光的位置放大器放大器脈沖輸出脈沖輸出2. CCD固體圖像傳感器的分類(lèi)固體圖像傳感器的分類(lèi) 線陣型線陣型CCD圖像傳感器圖像傳感器 將光敏元件排列成直線，

26、主要用于尺寸監(jiān)測(cè)、傳真、文字將光敏元件排列成直線，主要用于尺寸監(jiān)測(cè)、傳真、文字識(shí)別等。識(shí)別等。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 面陣型面陣型CCDCCD圖像傳感器圖像傳感器 將光敏元件排列成矩陣，主要用于攝像。將光敏元件排列成矩陣，主要用于攝像。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回3. 特性參數(shù)特性參數(shù)n 光電轉(zhuǎn)移效率光電轉(zhuǎn)移效率 n 總轉(zhuǎn)移效率總轉(zhuǎn)移效率n 分辨率分辨率10QQ(1)NNNoQQ 分辨率是指攝像器件對(duì)物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力，是分辨率是指攝像器件對(duì)物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力，是圖像傳感器最重要的特性，主要取決于感光單元之間的距離。圖像傳感器最重要的特性，主要取決于感光單元之間的距離。即相同感光面積

27、下光敏單元的密度。即相同感光面積下光敏單元的密度。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回轉(zhuǎn)移損耗n 靈敏度及光譜響應(yīng)靈敏度及光譜響應(yīng) 靈敏度是指單位發(fā)射照度下，單位時(shí)間、單位面積發(fā)射的靈敏度是指單位發(fā)射照度下，單位時(shí)間、單位面積發(fā)射的電量。電量。 光譜響應(yīng)光譜響應(yīng)圖圖9.37 光譜靈敏度特性光譜靈敏度特性下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回n 動(dòng)態(tài)范圍動(dòng)態(tài)范圍飽和曝光量和等效曝光量的比值稱為飽和曝光量和等效曝光量的比值稱為CCD的動(dòng)態(tài)范圍的動(dòng)態(tài)范圍CCD器件的動(dòng)態(tài)范圍一般在器件的動(dòng)態(tài)范圍一般在103104數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)n 暗電流暗電流 暗電流是缺陷產(chǎn)生的主要原因。暗電流的產(chǎn)生不均勻，會(huì)在暗電流是缺陷產(chǎn)生的主要原因。暗電流

28、的產(chǎn)生不均勻，會(huì)在圖像傳感器中出現(xiàn)固定圖形，限制器件的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。圖像傳感器中出現(xiàn)固定圖形，限制器件的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。 與溫度密切有關(guān)，溫度每降低與溫度密切有關(guān)，溫度每降低1010，暗電流約減小一半。，暗電流約減小一半。n 噪聲噪聲 CCDCCD是低噪聲器件，但由于其他因素產(chǎn)生的噪聲會(huì)疊加到信號(hào)是低噪聲器件，但由于其他因素產(chǎn)生的噪聲會(huì)疊加到信號(hào)電荷上，使信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移受到干擾。電荷上，使信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移受到干擾。 噪聲的來(lái)源有轉(zhuǎn)移噪聲、散粒噪聲、電注入噪聲、信號(hào)輸入噪聲的來(lái)源有轉(zhuǎn)移噪聲、散粒噪聲、電注入噪聲、信號(hào)輸入噪聲等。噪聲等。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回4. 應(yīng)用應(yīng)用CCD固體圖像傳感

29、器的應(yīng)用主要在以下幾方面：固體圖像傳感器的應(yīng)用主要在以下幾方面：計(jì)量檢測(cè)儀器：工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的尺寸、位置、表面計(jì)量檢測(cè)儀器：工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的尺寸、位置、表面缺陷的非接觸在線檢測(cè)、距離測(cè)定等。缺陷的非接觸在線檢測(cè)、距離測(cè)定等。光學(xué)信息處理：光學(xué)文字識(shí)別、標(biāo)記識(shí)別、圖形識(shí)光學(xué)信息處理：光學(xué)文字識(shí)別、標(biāo)記識(shí)別、圖形識(shí)別、傳真、攝像等。別、傳真、攝像等。生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化：自動(dòng)工作機(jī)械、自動(dòng)售貨機(jī)、自生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化：自動(dòng)工作機(jī)械、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)搬運(yùn)機(jī)、監(jiān)視裝置等。動(dòng)搬運(yùn)機(jī)、監(jiān)視裝置等。軍事應(yīng)用：導(dǎo)航、跟蹤、偵查軍事應(yīng)用：導(dǎo)航、跟蹤、偵查(帶攝像機(jī)的無(wú)人駕帶攝像機(jī)的無(wú)人駕駛飛機(jī)、衛(wèi)星偵查駛飛機(jī)、衛(wèi)星偵查)。下

30、頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射圖像產(chǎn)生夫瑯和費(fèi)衍射圖像 圖像暗紋間距：圖像暗紋間距：同時(shí)基于光敏陣列器件得到的脈沖數(shù)同時(shí)基于光敏陣列器件得到的脈沖數(shù)N和陣列單元間距和陣列單元間距有：有： 所以被測(cè)細(xì)絲或小孔的直徑：所以被測(cè)細(xì)絲或小孔的直徑：/dLadNl/()aLdLNll下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回u微小尺寸自動(dòng)檢測(cè)微小尺寸自動(dòng)檢測(cè)02100)(NNNNLLx00210)(LNNNNLxn pM)(210NNNn00LpNM p-像素的間距倍率u大尺寸物體光學(xué)成像大尺寸物體光學(xué)成像下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回覆蓋的光敏像素?cái)?shù)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 一、一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理光導(dǎo)纖維的

31、結(jié)構(gòu)和傳輸原理 9.5 光纖傳感器光纖傳感器9.5.1光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維( (簡(jiǎn)稱光纖簡(jiǎn)稱光纖) )是用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃絲制成的，是用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃絲制成的，每一根光導(dǎo)纖維由一個(gè)圓柱形纖芯和包層組成，而且纖芯的折射率每一根光導(dǎo)纖維由一個(gè)圓柱形纖芯和包層組成，而且纖芯的折射率略大于包層的折射率。涂覆層保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)械擦傷，略大于包層的折射率。涂覆層保護(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)械擦傷， 同時(shí)增加光纖的柔韌性，以延長(zhǎng)光纖壽命。同時(shí)增加光纖的柔韌性，以延長(zhǎng)光纖壽命。下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回二、光導(dǎo)纖維的種類(lèi)二、光導(dǎo)纖維的種類(lèi) 1. 光導(dǎo)纖維按其折射變化情況分為：

32、光導(dǎo)纖維按其折射變化情況分為： 階躍型階躍型 漸變型漸變型 2. 按其傳輸模式多少來(lái)分：按其傳輸模式多少來(lái)分： 上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)單模光纖單模光纖多模光纖多模光纖單模：信號(hào)畸變小，線性好，靈敏度高，但纖芯細(xì)，制造困難；單模：信號(hào)畸變小，線性好，靈敏度高，但纖芯細(xì)，制造困難；多模：傳輸模式多，制造容易，但性能較差多模：傳輸模式多，制造容易，但性能較差圖圖9-26 光導(dǎo)纖維的種類(lèi)光導(dǎo)纖維的種類(lèi)上頁(yè)上頁(yè)返回返回下頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回9.5.2 光纖傳感器的工作原理光纖傳感器的工作原理2211sinnsinn?12/arcsinnnc=90=90) )2() 1(sin02221022

33、21nnnnnnNAc數(shù)值孔徑下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 數(shù)值孔徑只取決于折射率，與光纖的幾何尺寸、光源數(shù)值孔徑只取決于折射率，與光纖的幾何尺寸、光源的發(fā)射功率等因素?zé)o關(guān)。的發(fā)射功率等因素?zé)o關(guān)。 數(shù)值孔徑是光纖的一個(gè)重要參數(shù)，它能反映光纖的集數(shù)值孔徑是光纖的一個(gè)重要參數(shù)，它能反映光纖的集光能力，光纖的光能力，光纖的NANA越大，表明它可以在較大入射角越大，表明它可以在較大入射角 范圍內(nèi)輸入全反射光，集光能力就越強(qiáng)，光纖與光源范圍內(nèi)輸入全反射光，集光能力就越強(qiáng)，光纖與光源的耦合越容易，即實(shí)現(xiàn)全反射越容易。的耦合越容易，即實(shí)現(xiàn)全反射越容易。 數(shù)值孔徑越大，光信號(hào)的畸變也越大。故要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑越大

34、，光信號(hào)的畸變也越大。故要適當(dāng)選擇NANA的大小，石英光纖的的大小，石英光纖的NA=0.2-0.4NA=0.2-0.4（即（即 =11.5 =11.523.523.5）c下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，耐高壓，本質(zhì)安全，抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，耐高壓，本質(zhì)安全，在易燃環(huán)境下安全可靠。在易燃環(huán)境下安全可靠。 靈敏度高。靈敏度高。 重量輕，體積小，外形可變。重量輕，體積小，外形可變。 測(cè)量對(duì)象廣泛。測(cè)量對(duì)象廣泛。 頻帶寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大。頻帶寬，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大。 對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，這對(duì)于醫(yī)藥生物領(lǐng)域的應(yīng)用極為對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小，這對(duì)于醫(yī)藥生物領(lǐng)域的應(yīng)用極為有利。有利。 便于

35、復(fù)用，便于成網(wǎng)。便于復(fù)用，便于成網(wǎng)。 成本低。成本低。 下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回 性能特點(diǎn)性能特點(diǎn) 分類(lèi)分類(lèi)下頁(yè)下頁(yè)上頁(yè)上頁(yè)返回返回功能型（傳感型）光纖傳感器功能型（傳感型）光纖傳感器 是利用光纖本身的特性把光纖是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖作為敏感元件，被測(cè)量對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄟM(jìn)行調(diào)制，使傳內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄟM(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓庑盘?hào)的強(qiáng)度、相位、頻輸?shù)墓庑盘?hào)的強(qiáng)度、相位、頻率或偏振等特性發(fā)生變化，再率或偏振等特性發(fā)生變化，再通過(guò)對(duì)被調(diào)制過(guò)的信號(hào)進(jìn)行解通過(guò)對(duì)被調(diào)制過(guò)的信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測(cè)信號(hào)。調(diào)，從而得出被測(cè)信號(hào)。非功能型（傳光型）光纖傳感器非功能型（傳光型）光纖傳感器 是利用其他敏感元件感受被測(cè)是利用其他敏感元件感受被測(cè)量的變化，與