第2章 光电式传感器.ppt

第第2 2章章 光电式传感器光电式传感器 将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把电元件。光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光电效应。作基础是光电效应。2.1 2.1 光电效应概述光电效应概述 光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。一一.外光电效应外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。力由下式确定。若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功出功A0A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量射。故要使一个电子逸出，则光子能量hh必须必须超出逸出功超出逸出功A0 A0，超过部分的能量，表现为逸出，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即电子的动能。即二二.内光电效应内光电效应 受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。为以下两大类。1 1）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。这种效应的器件有光敏电阻等。2 2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。一一.普通光电管普通光电管在一个真空泡内装有两个电在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。极：光电阴极和光电阳极。光电阴极通常是用逸出功小光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光壁上做成，其感光面对准光的照射孔。当光线照射到光的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产空间电子流，在外电路就产生电流。生电流。2.2 2.2 光电管光电管二二.光电倍增管光电倍增管1.1.结构与结构与原理原理由于真空由于真空光电管的光电管的灵敏度较灵敏度较低，因此低，因此人们便研人们便研制了光电制了光电倍增管，倍增管，其工作原其工作原理如图。理如图。2.主要参数主要参数1）倍增系数倍增系数 MM 电流放大倍数电流放大倍数MM与所加电压有关，一般在与所加电压有关，一般在105105108108之间。一般阳极之间。一般阳极和阴极的电压为和阴极的电压为1000V1000V2500V2500V，两个相邻的倍增电，两个相邻的倍增电极的电压差为极的电压差为50V50V100V100V。2）阴极灵敏度和总灵敏度）阴极灵敏度和总灵敏度 一个光子在阴极上一个光子在阴极上能够打出的平均电子能够打出的平均电子数焦作光电阴极的灵数焦作光电阴极的灵敏度。而一个光子在敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电阳极上产生的平均电子数焦灼光电倍增管子数焦灼光电倍增管的总灵敏度。的总灵敏度。光电倍增管的放大光电倍增管的放大倍数或总灵敏度如图倍数或总灵敏度如图所示。所示。光光电电池池是是一一种种直直接接将将光光能能转转换换为为电电能能的的光光电电器器件件。光光电电池池在在有有光光线线作作用用下下实实质质就就是是电电源源,电电路路中中有有了了这这种种器器件件就就不不需需要要外加电源。外加电源。一一.结构与工作原理结构与工作原理 光光电电池池的的工工作作原原理理是是基基于于“光光生生伏伏特特效效应应”。它它实实质质上上是是一一个个大大面面积积的的PNPN结结,当当光光照照射射到到PNPN结结的的一一个个面面,例例如如p p型型面面时时,若若光光子子能能量量大大于于半半导导体体材材料料的的禁禁带带宽宽度度,那那么么p p型型区区每每吸吸收收一一个个光光子子就就产产生生一一对对自自由由电电子子和和空空穴穴,电电子子空空穴穴对对从从表表面面向向内内迅迅速速扩扩散散,在在结结电电场场的的作作用用下下,最最后后建建立立一一个个与与光光照照强强度度有有关关的的电电动势。动势。2.3 光电池光电池二二.光电池的基本特性光电池的基本特性1.光谱特性光谱特性 硒光电池和硅光电池硒光电池和硅光电池的光谱特性如左图的光谱特性如左图 不同的光电池，光不同的光电池，光谱峰值的位置不同。谱峰值的位置不同。例如，硅光电池在例如，硅光电池在8000A附近，硒光电附近，硒光电池在池在5400A附近。附近。2.光照特性光照特性 光照度定义为电位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒光照度定义为电位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒克斯。克斯。Lx(W/m2)Lx(W/m2)反映短路电流、开路电压与光照度的关系。反映短路电流、开路电压与光照度的关系。短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。短路电流状态，可做检测元件。开路电压（负载电阻开路电压（负载电阻RLRL无限大时）与光照度的关系是非线性无限大时）与光照度的关系是非线性的的,并且当照度在并且当照度在2000 lx2000 lx时就趋于饱和了。光电池工作于开时就趋于饱和了。光电池工作于开路电压状态，可做开关元件。路电压状态，可做开关元件。3.温度特性温度特性 温度特性主要温度特性主要描述开路电压描述开路电压与短路电流随与短路电流随温度变化的情温度变化的情况。如图所示况。如图所示.把光电池作为把光电池作为测量器件应用测量器件应用时时,应保证温应保证温度恒定或采取度恒定或采取温度补偿措施。温度补偿措施。JMJ112V2A51KL39K470uf三三.光电池的应用光电池的应用1.自动干手器自动干手器手手放入干手器时，放入干手器时，手遮住灯泡发出的手遮住灯泡发出的光，光电池不受光光，光电池不受光照，晶体管基极正照，晶体管基极正偏而导通，继电器偏而导通，继电器吸合。风机和电热吸合。风机和电热丝通电，热风吹出丝通电，热风吹出烘手。手干抽出后，烘手。手干抽出后，灯泡发出光直接照灯泡发出光直接照射到光电池上，产射到光电池上，产生光生电动势，使生光生电动势，使三极管基射极反偏三极管基射极反偏而截止，继电器释而截止，继电器释放，从而切断风机放，从而切断风机和电热丝的电源。和电热丝的电源。2.路灯控制器2.4 光敏电阻光敏电阻为了防止周围介质的影响为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。范围内透射率最大。1.光敏电阻的结构光敏电阻的结构它是涂于玻璃底板上的一它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质薄层半导体物质,半导体半导体的两端装有金属电极的两端装有金属电极,金金属电极与引出线端相连接属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端光敏电阻就通过引出线端接入电路。接入电路。2.2.光敏电阻的工作原理光敏电阻的工作原理 光敏电阻又称光导管光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。料制成的光电器件。光敏电阻没有极性光敏电阻没有极性,纯纯粹是一个电阻器件粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。也可以加交流电压。无光照时无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大光敏电阻值（暗电阻）很大,电路电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧它的阻值（亮电阻）急剧减少减少,电路中电流迅速增大。电路中电流迅速增大。一般希望暗电一般希望暗电阻越大越好阻越大越好,亮电阻越小越好亮电阻越小越好,此时光敏电阻此时光敏电阻的灵敏度高。的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。亮电阻在几千欧以下。3 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数）暗电阻暗电阻光光敏敏电电阻阻在在不不受受光光时时的的阻阻值值称称为为暗暗电电阻阻,此此时时流流过过的的电电流流称为暗电流。称为暗电流。）亮电阻亮电阻光光敏敏电电阻阻在在受受光光照照射射时时的的电电阻阻称称为为亮亮电电阻阻,此此时时流流过过的的电电流称为亮电流。流称为亮电流。）光电流光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。亮电流与暗电流之差称为光电流。4 光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性1）伏安特性伏安特性：在一定照度下在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系阻两端的电压的关系一定光照，一定光照，R R一定，一定，I I正正比于比于U U。一定电压，一定电压，I I随着光照随着光照E E增强而增大。增强而增大。ERIERI。2)光照特性（光照特性（IE）光敏电阻的光光敏电阻的光照特性为非线照特性为非线性，不宜作检性，不宜作检测元件，主要测元件，主要用于自动控制用于自动控制中。中。3）光谱特性（光谱特性（Kr%）光光敏敏电电阻阻的的相相对对光光敏敏灵灵敏敏度度与与入入射射波波长长的的关关系系称称为为光光谱谱特性。特性。亦称为光谱响应。亦称为光谱响应。不同材料，其峰值波长不同。不同材料，其峰值波长不同。同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。响应电流不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。元件得到较高得相对灵敏度。4）温度特性温度特性温温度度变变化化影影响响光光敏敏电电阻阻的的光谱响应。光谱响应。硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱温温度度特特性性曲曲线线,它它的的峰峰值值随随着着温温度度上上升升向向波波长长短短的的方方向向移移动动。因因此此,硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻要要在在低低温温、恒恒温温的的条条件件下下使使用用。对对于于可可见见光光的的光光敏敏电电阻阻,其其温温度度影影响要小一些。响要小一些。5.光敏电阻的应用光敏电阻的应用1.光照度计光照度计 农作物日照时数测定。农作物日照时数测定。输出接单片机的输出接单片机的I/OI/O口，口，每每2 2分钟对此口查询分钟对此口查询1 1次，次，为高电平，计数一次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。为低电平，不计数。1 1天天查询查询720720次。次。无光照无光照V0=VL V0=VL 。有光照。有光照V0=VHV0=VH。2.环境照度监视器环境照度监视器3.带材跑偏检测仪带材跑偏检测仪2.5 光敏二极管与三极管光敏二极管与三极管一一.光敏二极管光敏二极管1.1.工作原理与结构工作原理与结构光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个PNPN结，两结，两根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不同之处在于光敏二极管的同之处在于光敏二极管的PNPN结状在管壳的顶部，可直接受结状在管壳的顶部，可直接受到光的照射，其结构和电路如图所示。到光的照射，其结构和电路如图所示。没有光照射时没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止状态工作于截止状态,这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。当光照射在当光照射在PNPN结上时结上时,光子打在光子打在PNPN结附近结附近,PN,PN结附近产生结附近产生光生电子和光生空穴对。从而使光生电子和光生空穴对。从而使P P区和区和N N区的少数载流子浓度大区的少数载流子浓度大大增加，因此在反向外加电压和内电场的作用下大增加，因此在反向外加电压和内电场的作用下,P,P区的少数载区的少数载流子渡越阻挡层进入流子渡越阻挡层进入N N区，区，N N区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入P P区区，从而使通过从而使通过PNPN结的反向电流大为增加，结的反向电流大为增加，形成光电流。这时形成光电流。这时二极管二极管处于导通状态。处于导通状态。光的照度越大光的照度越大,光电流越大。光电流越大。2.2.光敏二极管的基本特性光敏二极管的基本特性1 1）光谱特性）光谱特性 在入射度一定时，在入射度一定时，输出的光电流输出的光电流（或相对灵敏度）（或相对灵敏度）随光波波长的变随光波波长的变化而变化。一种化而变化。一种光敏二极管只对光敏二极管只对一定波长的入射一定波长的入射光敏感，这就是光敏感，这就是它的光谱特性。它的光谱特性。如图所示。如图所示。2）伏安特性）伏安特性3 3）光照特性）光照特性4 4）温度特性）温度特性温度变化对光敏二极管输出电流影响较小温度变化对光敏二极管输出电流影响较小,但对暗电流的影响但对暗电流的影响却十分显著却十分显著.3.光敏二极管的应用光敏二极管的应用1 1）光电路灯控制电路）光电路灯控制电路2）光强测量电路）光强测量电路二二.光敏三级管光敏三级管光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。1.1.工作原理与结构工作原理与结构基基极极开开路路，集集电电极极与与发发射射极极之之间间加加正正电电压压。当当光光照照射射在在集集电电结结上上时时,在在结结附附近近产产生生电电子子-空空穴穴对对,电电子子在在结结电电场场的的作作用用下下，由由P P区区向向N N区区运运动动，形形成成基基极极电电流流，放放大大倍倍形形成成集集电电极极电流（光电流）电流（光电流）,所以光电三极管有放大作用。所以光电三极管有放大作用。2.光敏三极管的基本特性光敏三极管的基本特性1 1）光谱特性与伏安特性光谱特性与伏安特性 光谱特性与二极管相同，光谱特性与二极管相同，伏安特性如图。伏安特性如图。2）温度特性与光照特性）温度特性与光照特性 温度特性与光敏二极管温度特性与光敏二极管相同，光照特性如图相同，光照特性如图3.光敏三极管的应用光敏三极管的应用1.脉冲编码器脉冲编码器2.转速传感器转速传感器2.6光电耦合器件光电耦合器件一一 光电耦合器光电耦合器 光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内,一般一般有金属封装和塑料封装两种。发光元件为发光二极管，受有金属封装和塑料封装两种。发光元件为发光二极管，受光元件为光敏三极管或光敏可控硅。它以光为媒介，实现光元件为光敏三极管或光敏可控硅。它以光为媒介，实现输入电信号耦合到输出端。输入电信号耦合到输出端。特点：特点：强弱电隔离。强弱电隔离。输入输出极之间绝缘电阻很高。耐压达输入输出极之间绝缘电阻很高。耐压达2000V2000V以上。以上。能避免输出端对输入端地线等的干扰。能避免输出端对输入端地线等的干扰。对对系统内部噪声有很强的抑制作用。系统内部噪声有很强的抑制作用。发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，对系统内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）对系统内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）光电耦合器的组合形式应用于自动控制电路中的强弱电隔离。应用于自动控制电路中的强弱电隔离。二二.光电开关光电开关 光光电电开开关关在在制制造造业业自自动动化化包包装装线线及及安安全全装装置置中中作作光光控控制制和和光光探探测测装装置置。可可实实现现限限位位控控制制、产产品品计计数数,料料位位检检测测，越越限限安安全全报报警警及及计计算算机机输输入入接接口口等等用途。用途。1.1.光电开关结构光电开关结构 透射式和反射式的光电开关。透射式和反射式的光电开关。利用输出电平的状态判断有无被测物。利用输出电平的状态判断有无被测物。2.基本电路（透射式）基本电路（透射式）如图（如图（a)(c)a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。(b)(b)无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。2.7 色敏光电传感器色敏光电传感器1.结构与基本原理结构与基本原理 色敏光电传感器相色敏光电传感器相当于两支结构不同当于两支结构不同的光电二极管的组的光电二极管的组合，故又称光电双合，故又称光电双结二极管结二极管2.基本特性基本特性1）光谱特性）光谱特性2）短路电流比波长特性）短路电流比波长特性 短路电流比波短路电流比波长特性是表征半长特性是表征半导体色敏器件对导体色敏器件对波长的识别能力，波长的识别能力，是赖以确定被测是赖以确定被测波长的基本特性。波长的基本特性。3.色敏光电传感器的应用色敏光电传感器的应用色彩信号处理电路色彩信号处理电路2.8 红外光传感器红外光传感器一.一.红外辐射红外辐射 红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在致在0.76-1000m,0.76-1000m,红外线在电磁波谱中的位置如下图。红外线在电磁波谱中的位置如下图。二二.红外光传感器的工作原理与结构红外光传感器的工作原理与结构 红外光传感器按工作原理可分为光量子型和热电红外光传感器按工作原理可分为光量子型和热电型两大类。型两大类。光量子型可直接把红外光转换成电能。如，红外光量子型可直接把红外光转换成电能。如，红外光敏电阻和红外光敏电阻和红外PNPN结型光生伏特器件，用于遥感结型光生伏特器件，用于遥感成像方面。成像方面。热电型吸收红外光后变为热能，使材料的温度升热电型吸收红外光后变为热能，使材料的温度升高，电学性能发生变化，人们利用这个现象制成高，电学性能发生变化，人们利用这个现象制成了测量光辐射的器件。如红外热释电传感器。了测量光辐射的器件。如红外热释电传感器。1.热释电效应热释电效应 对于某些材料对于某些材料 (如锆钛如锆钛酸铅系陶瓷以及钽酸锂、酸铅系陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘肽等硫酸三甘肽等)，具有，具有自发极化的特征。自发自发极化的特征。自发极化与温度有很大关系。极化与温度有很大关系。若温度因吸收红外光而若温度因吸收红外光而升高，则极化强度减少，升高，则极化强度减少，使单位面积上极化电荷使单位面积上极化电荷减少，释放一定量的吸减少，释放一定量的吸附电荷；若与一个电阻附电荷；若与一个电阻连成回路，会形成电流，连成回路，会形成电流，如图所示。如图所示。由实验证实，电阻上压降的变化为由实验证实，电阻上压降的变化为由于由于dT/dtdT/dt与红外线强度的变化成正比，结合上式，与红外线强度的变化成正比，结合上式，可得出输出电压正比与红外线强度的变化。可得出输出电压正比与红外线强度的变化。2.单元件热释电传感器的结构和等效电路单元件热释电传感器的结构和等效电路3.双元件（双元型）红外传感器双元件（双元型）红外传感器 此传感器专门用来检测人此传感器专门用来检测人体辐射的红外线能量。市体辐射的红外线能量。市场上常见有国产的场上常见有国产的SD02SD02、PH5324PH5324，日本的，日本的SCA02-1SCA02-1，美国的美国的P2288P2288等。等。SD02SD02由敏感单元、场效应由敏感单元、场效应管、高阻抗变换管、滤光管、高阻抗变换管、滤光窗等组成，并在氦气环境窗等组成，并在氦气环境下封装而成。下封装而成。三三.红外光传感器的应红外光传感器的应用用1.无线报警系统无线报警系统2.卫生间节水控制器卫生间节水控制器3.红外测温仪红外测温仪4.红外气体分析仪红外气体分析仪2.9 固态固态CCD图像传感器图像传感器 固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦合器件（简称合器件（简称CCDCCD）、）、MOSMOS图像传感器（简称图像传感器（简称SSPASSPA）和电荷注入器件（简称）和电荷注入器件（简称CIDCID）。）。目前，前两种用得较多。广泛用于图像传输与目前，前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。复印机和机器人的眼睛等。在本节中仅说明在本节中仅说明CCDCCD图像传感器的工作原理与图像传感器的工作原理与特性特性一一.电电荷荷耦合器件耦合器件(CCD)电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge Couple DeviceCharge Couple Device，简称简称CCDCCD），），它将光敏二极管阵列和读出移位寄它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。是一种金属氧化物半导体（传感器。是一种金属氧化物半导体（MOSMOS）集成集成电路器件，它以电荷作为信号电路器件，它以电荷作为信号,基本功能是进基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。广广泛应用于自动控制和自动测量泛应用于自动控制和自动测量,尤其尤其适用于图适用于图像识别技术像识别技术。1.MOS光敏单元的结构及原理光敏单元的结构及原理CCDCCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。移输出功能。CCDCCD器件的基本单元结构是器件的基本单元结构是MOSMOS（金金属属氧化物氧化物半导体）结构。即在半导体）结构。即在P P型硅衬底上型硅衬底上生长一层生长一层SiOSiO2 2(120nm),(120nm),再在再在 SiOSiO2 2层上层上沉积金属沉积金属铝构成铝构成MOSMOS结构，它是结构，它是CCDCCD器件的最小工作单元。器件的最小工作单元。A A、势阱的产生势阱的产生 MOSMOS的金属电极加正压，电极下的的金属电极加正压，电极下的P P型硅区型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于势阱。势阱的深浅取决于U U的大小。的大小。B B、电荷的存储电荷的存储 势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。正比。CCDCCD器件将物体的光像形成对应的电像器件将物体的光像形成对应的电像时，就是时，就是CCDCCD器件中上千个相互独立的器件中上千个相互独立的MOSMOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量。单元势阱中存储与光像对应的电荷量。2.读出移位寄存器读出移位寄存器是电荷图像的输出电路是电荷图像的输出电路研究如何实现势阱下的电荷从一个研究如何实现势阱下的电荷从一个MOSMOS元位置转移到另一个元位置转移到另一个MOSMOS元位置，并依元位置，并依次转移并传输出来。次转移并传输出来。A、电荷的定向转移电荷的定向转移 当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOSMOS电电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。要求：要求：多个多个MOSMOS电容紧密排列且势阱相互沟通。电容紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。B、三相三相CCD电极的结构电极的结构 MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由接在一起。由3个相位差个相位差120时钟脉冲驱动。时钟脉冲驱动。C、电荷的输出电荷的输出在输出端在输出端P P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在加反压，在PNPN结形成耗尽层。输出栅结形成耗尽层。输出栅OGOG加压使电荷转加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。通过负载变为电压输出。输出二极管电流法输出二极管电流法二二.CCD图像传感器图像传感器 1.1.线阵电荷耦合器件线阵电荷耦合器件线阵CCD结构原理图 （1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二极）光照光敏元，各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的管产生光生电子空穴对，电子注入对应的MOS势阱中，光像变为电像势阱中，光像变为电像电荷包。（光电荷包。（光积分）积分）（2）积分周期结束，控制信号使转移栅打）积分周期结束，控制信号使转移栅打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过移位寄存器并行输出。中，通过移位寄存器并行输出。（3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集。行图像信号积分采集。图7-12 各脉冲的波形和相位2.面阵型面阵型CCD图像传感器图像传感器 面阵型面阵型CCDCCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输三种。下面主要介绍前两种。和行间传输三种。下面主要介绍前两种。1 1）行传输（）行传输（LTLT）面阵）面阵CCDCCD2）帧传输（帧传输（FT）面阵）面阵CCD 光敏区和存储区分开，光敏区和存储区分开，光敏区在积分时间内，产生光敏区在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积与光像对应的电荷包，在积分周期结束后，利用时钟脉分周期结束后，利用时钟脉冲将整帧信号转移到读出寄冲将整帧信号转移到读出寄存器。然后，整帧信号再向存器。然后，整帧信号再向下移，进入水平读出移位寄下移，进入水平读出移位寄存器，串行输出。（一帧对存器，串行输出。（一帧对应光敏区应光敏区MOSMOS的数量）的数量）光敏区存储区读出寄存器三三.CCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数1.1.转移效率转移效率 当当CCDCCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q Q1 1为转移一次后的电荷量，为转移一次后的电荷量，Q Q0 0为原始电荷，则转移效率为原始电荷，则转移效率定义为定义为若转移损耗定义为若转移损耗定义为则电荷进行则电荷进行N N次转移时，总转移效率为次转移时，总转移效率为要求转移效率必须达到要求转移效率必须达到99.9999.9999.999%99.999%2.分辨率分辨率 CCDCCD图象传感器的分辨率用调制转移函数图象传感器的分辨率用调制转移函数MTFMTF表征。当光强以正弦变化的图像作用在传感器表征。当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变化为调上时，电信号幅度随光像空间频率的变化为调制转移函数制转移函数MTFMTF。根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率高分辨率f fm m等于它的空间采样频率等于它的空间采样频率f f0 0的一半，的一半，即即3.暗电流暗电流 暗电流起因于热激发产生的电子空穴暗电流起因于热激发产生的电子空穴对，是缺陷产生的主要原因。对，是缺陷产生的主要原因。CCDCCD器件器件暗电流越小越好。暗电流越小越好。4.4.灵敏度灵敏度 图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量，即位时间、单位面积发射的电量，即 四四.CCD图像传感器应用图像传感器应用 1、线阵、线阵CCD器件检测工件尺寸器件检测工件尺寸L工件尺寸，N覆盖的光敏单元d相邻光敏单元中心距离M光学系统放大率2d为图象末端两个光敏单元之间可能的最大误差。根据目前产品情况d0013003mm。2.线列线列CCD摄像系统摄像系统3.3.文字图像识别系统文字图像识别系统邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。的方式把数字依次读出。读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中。类箱中。驱动电路分类机构计算机细化二值化处理传送带CCD透镜1分类箱23邮政编码识别系统邮政编码识别系统2.10 2.10 光纤传感器光纤传感器一、光纤的传光原理一、光纤的传光原理1、光纤结构、光纤结构由纤芯和包层组成（石英玻璃由纤芯和包层组成（石英玻璃5100um)（n1n2)。外层一层尼龙保护套。外层一层尼龙保护套。2、传光原理、传光原理光的全内反射是光纤传输光的基础。（1）光的全反射条件 光由纤芯到包层表面，由光的折射定律可知：（2）数值孔径NA光由空气射入光纤端面，与轴成 角。即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）传输。传输。希望希望NA越大越好。它表明无论光源发射功率多越大越好。它表明无论光源发射功率多大，只有大，只有2 内的光才能被光纤接受，全反射内的光才能被光纤接受，全反射传输。传输。二二.光纤分类光纤分类1.1.按传输模式分单模光纤、多模光纤按传输模式分单模光纤、多模光纤.模的概念模的概念 光纤传输光波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成光纤传输光波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。当它在横向分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。当它在横向往返依次的相位变化为往返依次的相位变化为22的整数倍时，形成驻波。形成的整数倍时，形成驻波。形成驻波的光线组成为模。模是离散存在的。一定材质一定尺驻波的光线组成为模。模是离散存在的。一定材质一定尺寸的光纤只能传输特定模数的光波。寸的光纤只能传输特定模数的光波。模的确定模的确定光纤传输模数由归一化频率确定。光纤传输模数由归一化频率确定。芯径大，折射率差大（NA大），N大，多模。芯径小到6m,折射率差小到0.5%。N=1光纤只能传输一定波长光，单模。2.按折射率分布按折射率分布阶跃型光纤和梯度型光纤阶跃型光纤和梯度型光纤三三.光纤传感器的基本原理光纤传感器的基本原理光纤传感器通常可分为功能型（传感型）和非功能型（传光光纤传感器通常可分为功能型（传感型）和非功能型（传光型）型）。功能型光纤传感器功能型光纤传感器 用单模光纤，既传光又是敏感元件。用单模光纤，既传光又是敏感元件。（单模光纤只能传输某一角度和波长的单色光）（单模光纤只能传输某一角度和波长的单色光）光纤的传输特性受被测物理量作用而发生变化。光纤的传输特性受被测物理量作用而发生变化。使光纤中传输光的属性（相位、强度、波长、偏振态）被调使光纤中传输光的属性（相位、强度、波长、偏振态）被调制。光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。制。光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。测温度、压力、位移等。测温度、压力、位移等。非功能型光纤传感器（光通讯）非功能型光纤传感器（光通讯）光纤只作为光的传输回路。为了得到较大的受光光纤只作为光的传输回路。为了得到较大的受光量和传输光功率。非功能型光纤传感器采用量和传输光功率。非功能型光纤传感器采用NANA较较大和芯径较大的阶跃型多模光纤。大和芯径较大的阶跃型多模光纤。增大传输光的通量。增大传输光的通量。1.光强调制光强调制2.相位调制相位调制Mach-Zehnder干涉原理图3.偏振调制偏振调制光纤电流传感器光纤电流传感器 三、光纤传感器实例三、光纤传感器实例 1.1.光纤加速度传感器光纤加速度传感器 激激光光束束通通过过分分光光板板后后分分为为两两束束光光,透透射射光光作作为为参参考考光光束束,反反射射光光作作为为测测量量光光束束。当当传传感感器器感感受受加加速速度度时时,由由于于质质量量块块M M对对上上下下光光纤纤的的作作用用,从从而而使使光光纤纤被被拉拉伸伸,引引起起光光程程差差的的改改变变。相相位位改改变变的的激激光光束束由由单单模模光光纤纤射射出出后后与与参参考考光光束束会会合合产产生生干干涉涉效效应应。激激光光干干涉涉仪仪的的干干涉涉条条纹纹的的移移动动可可由由光光电电接接收收装装置置转转换换为为电电信信号号,(,(光光电电探探测测器器置置于于汇汇合合处处）经经过过处处理理电电路处理后便可正确地测出加速度值。路处理后便可正确地测出加速度值。由于光纤长度的变化，引起光束光程差的变化两束光经干涉仪产生相干条纹，相干条纹移过的数目与相位差成正比。一般用光电探测器计下干涉条纹移过的数目，经处理电路可算出相位差，即而算出加速度。2.光纤电流传感器光纤电流传感器3.光纤图像传感器光纤图像传感器4.光纤温度传感器光纤温度传感器2.11 激光传感器激光传感器一一.激光产生的机理激光产生的机理 原子在正常分布状态下，总是稳定的处于低能级原子在正常分布状态下，总是稳定的处于低能级E E1 1，如，如无外界作用，原子将长期保持这种稳定状态。一旦受到无外界作用，原子将长期保持这种稳定状态。一旦受到外界光子的作用，赋予原子一定的能量外界光子的作用，赋予原子一定的能量E E后，原子就从后，原子就从低能级低能级E E1 1跃迁到高能级跃迁到高能级E E2 2，这个过程称为光的受激吸收。，这个过程称为光的受激吸收。光受激后，其能量有下列关系：光受激后，其能量有下列关系：E=E=hh=E=E2 2-E-E1 1 E-E-光子的能量光子的能量 -光的频率光的频率 h-h-普朗克常数（普朗克常数（6.62310 6.62310-23-23J.s)J.s)受激辐射:处于高能级E2的原子在外来光的诱发下，从高能级E2 跃迁至低能级E1而发光。这个过程叫光的受激辐射。受激辐射的条件：根据外光电效应，只有外来光的频率等于激发态原子的某一固有频率（即红限频率）时,原子的受激辐射才能产生。粒子反转：在外来光的激发下，如果受激辐射大于受激吸收，原子在某高能级的数目就多于低能级的数目，像对于原