第五讲 光学类传感器原理及应用
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损耗。
PN结
激光束
பைடு நூலகம்
第二节 光学传感器用光源
光源的分类和基本要求 激光光源 发光二极管 普通光源 同 LD相比， LED单色性、 方向性和亮度差很多； 但驱动电路简单，无须 反馈控制，寿命长。是 •白炽灯 光纤通讯、光纤传感的 • 气体导电灯 重要光源。
第三节 光敏晶体管
入射光 基极电极 发射极 保护膜 (SiO2) N Ic=Ib 基极 极电极 Ic
第一节 光纤传感器基础知识
一、光纤的结构
包层 纤芯 外套
二、光纤的种类
阶跃型 按从纤芯到包层折 射率变化规律分类
梯度型
多模光纤与单模光纤
• 按光的传输模式分类，可以将光纤分为多模光 纤和单模光纤。阶跃型和梯度型光纤一般为多 模光纤 • 模的概念：只有能形成驻波的那些以特定角度 射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光波称 为模。V=d(n12-n22)1/2/
3. 噪声等效照度NEI：噪声归一化至单位带宽时， 提供比值为1的信噪比所需的最小辐射通量密 度
第二节 光学传感器用光源
偏压引线
光源的分类和基本要求 激光光源
• 分类：非相干光源和 P型掺杂 相干光源。前者包括 产生激光的三个条件： 1、 白炽灯、发光二极管； N型掺杂 要产生足够的粒子数反 后者包括各种激光器。 转分布；2、要有合适的 • 光谐振腔，形成激光振 基本要求：功率、信 荡； 3、满足一定的阈值 噪比、光谱特性和相 条件，使总增益大于总 干性
输出电压V0(V)
3 2 1
可见光
红外光
600
0
-1 -2 -3 -4 -5
波长(nm)
800 1000
400
第五节 光纤传感器
• 特点：极高的灵敏度和准确度、固有的安全性、 良好的抗电磁干扰能力、高绝缘强度、耐高温、 耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带。 • 应用：机械、电子仪器仪表、航空航天、通讯、 生物医学、环保、食品、化工… … • 测量对象：电流磁场、电压电场、温度、速度、 振动、压力、射线、图像… …
一、CCD结构
V1=5V V3=15V V2=10V V1=5V P型或N型衬底 SiO2 电极
二、CCD时钟电压与电荷传输关系
1 2
3
1 2 3
t
三、固态图像传感器
• 分类 线型：主要用于传真、测试、文字识别 面型：电视摄像器件
1、单通道线型固态传感器结构
光积分单元
转移栅 输出 不透光
100
膜片振动m
－
+
放大 滤波
光纤速度、加速度传感器
光纤传感器优缺点
• 优点：功能光纤本身是敏感器件，加长光纤长 度，可以大大提高灵敏度； • 抗电磁干扰，安全。 • 缺点：技术难度大、结构复杂、调整困难。
第六节 CCD图像传感器
• 组成原理：集成半导体光敏传感器，以电荷转 移器件为核心，包括光电信号转换、传输和处 理等部分。 • 特点：重量轻、体积小、结构简单、功耗小、 成本低。 • 用途：广泛用于图像识别、传输；典型应用： 摄像机固态图像拾取。 • CCD：Charge Coupled Device 电荷藕合器件， 发展自MOS器件，具有光电转换、信号存储和 传输功能。
4. 什么是阶跃型光纤和梯度型光纤？什么是多模和单模光纤？
5. 试推导光纤入射孔径公式。 6. 试画出光纤传感器的四种应用结构，并给出其中一种的实 际应用系统组成示意图。 7. 简单介绍CCD图像传感器的应用范围或实例。
黑化膜 电极
Ps Q 或 ＝ T T
Ps 电极
自然极化Ps
P s
强电解质
P s
T
T
热释电式红外光敏元件构造
导光筒 聚乙稀光窗 红外光 铝基板 FET阻抗变换及放大元件 PZT红外光敏材料 引出电极 封装树脂 Rg Rs E D S
红外传感器件的应用
• 将红外传感器排成线型或面型矩阵可以构成红外图像传 感器，应用到遥感、医学或军事上 • 热释电传感器在应用上分为主动式 (检测静止或者移动极 缓慢的人体及物体 )和被动式 (检测运动人体极物体 ) 两种 方式。
第五讲 光学类传感器原理及应用
光学传感器光源；半导体色敏传感 器；光纤传感器；固态图像传感器； 热释电红外传感器；
第一节 光学传感器基础
光谱范围：10~106nm 波长(nm)
10
102 103
名称
远紫外区域 紫外区域 可见光区域，近红外区域 红外区域
104
105 106
远红外区域
一、光学传感器类型
• 噪声
埃菲尔铁塔鸟瞰
5、CCD器件应用举例
• CCD线阵在姿态检测中的应用
反光贴片
凸透镜 CCD线阵
• 速度及方向传感器
x
y
第七节 红外热释电传感器
• 红外测量特点：
(1) 红外光不受周围可见光的影响，所以可以在同样条 件下昼夜测量； (2) 只要待测对象自身具有一定温度就会发射红外光， 因此不必另备光源； (3) 大气对某种特定波长范围的红外光吸收很少，所以 适用于遥感技术。
彩色组合等级：色 调、色值和色度
传统测色系统原理
光
分 光 计
探 测 器
信 号 处 理 系 统
PD1
半导体色敏器件的结构 I
SC1
电极1
电极2
PD2
ISC2 电极 3 输入光 短波 长波
电极1
电极2 SiO2
P N P
电极3
双结硅光敏二极管应用电路
入射光
PD1
V
PD2
色敏传感器系统的V-f 特性曲线
安装、系统组成
• 通过调节，使其对人的灵敏度距离仅为 1.5m左 右，而对20m远快速通过的车辆反应灵敏可靠 • 安在公路正上方，或调低灵敏度安装在公路旁 • 系统组成框图：
传感器 放大器 双限比较器
计数器
译码显示器
思考题
1. 作为光学用光源，激光光源和普通 LED光源相对的特点是 什么？ 2. 光学传感器件主要的技术指标有哪些？ 3. 给出传统测色原理框图；色敏半导体的分色原理是什么？
P
Ib N N+
Ccb
Cbe
发射极
集电极
集电极
达林顿光敏三极管等效电路
发射极 100
光敏三极管典型光谱特性
80 60 40 20 400 600 800 1000 (nm)
第四节 半导体色敏传感
• 颜色：不同波长的电磁辐射作用于人的视觉器 官所产生的视觉感受。 • 颜色分类：
黑色、白色、过渡 的灰度
三、光纤的传光原理
• 全反射 n2<n1 n1
1 2
n1 sin 1 n2 sin 2
1
• 全反射临界角c
n2 n1 sin c n2 sin 90 n2 c sin n1
阶跃型光纤传光示意图
n2
0
1
1
n1
?若空气的光折射率为n0，要使光纤的入射光在 光纤纤芯内全反射，则0至多为多少？
四、光纤特性
• 数值孔径：
1 2 N A sin c n12 n2 0.57 n0
• 损耗：费涅尔反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗以 及弯曲损耗等。定义损耗系数
10 Pi lg ， L 光纤长度 L Po
• 色散：输入光脉冲在光纤传输中由于光波的群速度不 同而出现的脉冲展宽现象。表征传输带宽。 • 容量；拉抗强度；集光本领等。
2、双通道线型图像传感器结构
光积分区 转移栅 输出
3、面型固态图像传感器
光照
输出
4、CCD摄像器件的主要特性
• 分辨率：用MTF表征，当图像以正弦变化的 光强作用在传感器上时，电信号幅度随空间 频率的变化称为调制转移函数。 • 暗电流：限制器件的灵敏度和动态范围。
• 光谱特性。(蓝光和黄光反射率高)
五、光纤传感器的结构及特性
• 光纤传感器分类
1. 电流磁场、电压电场； 1. 2. 功能型传感器：传感 温度 型、探测型 3. 速度 4. 2. 5. 振动、压力 非功能型传感器：传 射线 光型、结构型、强度 6. 型、混合型 图像
• 光纤传感器可测参量
光纤传感器的基本结构
测 量 对 象
测 量 对 象
即： I
浸油
显微镜 起偏器
激光器
I1
显微镜 起偏器
电流 导线
I2
I1 I 2 I1 I 2
输出
光接受器 信号处理
关闭中的戴高乐机场2-E
光纤液位传感
?
基于磁致伸缩效应的光纤磁传感器
解调器
磁致伸缩材料 (金属玻璃)
100k Hz 弱磁场测量
非功能型光纤传感器测温应用
1.5
1.4 相对光强 E1 光源光谱
• 对光学波段的入射电磁辐射产生输出的传感器，称为 光学传感器，或光学探测器。 • 按探测机理分为两大类型：光子（量子）探测光传感 器和热探测光传感器
光子探测光传感器 光电导光传感器 光生伏特光传感器 光电导结光传感器 光电磁光传感器 热电堆光传感器 辐射热计光传感器 热释电光传感器 Golay光传感器
50
GaAs光吸收 谱特性 E240
1.3 T1
1.2 1.1 GaAs半导体 T 光吸收片 3 T2 T1<T2<T3
30
20 10
透过率%
输出
0.8
0.9 波长 m
1.0
温度测量范围：-20~300C；误差3C；强电场环境
反射光强调制型光纤传感应用
100 80 60
反射光强%
P
40 20 20 40 60 80
热探测光传感器
二、光学传感器的特性参数
• 表征器件工作特性的参数，以便对各类器件的 性能进行分析、评价和比较。
1. 灵敏度：描述光传感器对光辐射的敏感程度。 用S()或S(T, ,f)表示 2. 响应度：针对以内光电效应工作的光传感器， 定义为传感器输出量 U( 电压或电流幅值 ) 与给 定入射光通量(或功率P)之比：R=U/P
• 热释电效应产生的极化电荷不是永存的，一般要在器件 前方加装一个周期性遮断被测红外信号的机械装置，以 使器件接受红外光能而引起的温度作周期性的变化，进 而使得测量过程中始终存在比例于红外光强的极化电荷。
在车辆计数系统中的应用 • 传感器选择：P2288
1 2 S1 Rg S2 3
探测距离 10m，可 通过配用电路调节 敏感波长5~15m， 可有效消除可见光 极其中大部分红外 线干扰
例题参考答案
解： 由Snell 法则可求得1的全反射临界角为 n2 sin 1 n1 而光从空气进入光纤的折射角 n0 sin 0 n1 sin 1 n1 cos 1 (1 1 / 2) 又由于 sin 2 1 cos2 1 1, 所以
2 n12 n2 0 arcsin n0
测 量 对 象
测 量 对 象
透射光强% 100 80 60 40 20 0 0.5 1.0 1.5 2.0
光纤传感器举例：基于微弯效应测压力
F
外力N
光强调制；相位调制；偏振态调制；波长调制
H
I 2R
偏振态调制型光纤电流传感器
VLI 2R V 维德常数，V 3.7 10 4 ( rad/A ) 法拉第偏转 VLH 信号处理输出 p I1 I 2 VLI sin 2VNI I1 I 2 R p 2VN
• 红外光敏器件分热型和量子型两类。热释电式红外 传感器是热型红外传感器件的一种。
热释电效应原理
• 热释电效应(Pyroelectricity effect)红外传感器的研发历史近20多年 • 某些晶体得到加热，其晶体表面会自然极化而出现电荷；尤以钛 酸钡BaTiO3的热释电效应最为显著。
光
T>0
PN结
激光束
பைடு நூலகம்
第二节 光学传感器用光源
光源的分类和基本要求 激光光源 发光二极管 普通光源 同 LD相比， LED单色性、 方向性和亮度差很多； 但驱动电路简单，无须 反馈控制，寿命长。是 •白炽灯 光纤通讯、光纤传感的 • 气体导电灯 重要光源。
第三节 光敏晶体管
入射光 基极电极 发射极 保护膜 (SiO2) N Ic=Ib 基极 极电极 Ic
第一节 光纤传感器基础知识
一、光纤的结构
包层 纤芯 外套
二、光纤的种类
阶跃型 按从纤芯到包层折 射率变化规律分类
梯度型
多模光纤与单模光纤
• 按光的传输模式分类，可以将光纤分为多模光 纤和单模光纤。阶跃型和梯度型光纤一般为多 模光纤 • 模的概念：只有能形成驻波的那些以特定角度 射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光波称 为模。V=d(n12-n22)1/2/
3. 噪声等效照度NEI：噪声归一化至单位带宽时， 提供比值为1的信噪比所需的最小辐射通量密 度
第二节 光学传感器用光源
偏压引线
光源的分类和基本要求 激光光源
• 分类：非相干光源和 P型掺杂 相干光源。前者包括 产生激光的三个条件： 1、 白炽灯、发光二极管； N型掺杂 要产生足够的粒子数反 后者包括各种激光器。 转分布；2、要有合适的 • 光谐振腔，形成激光振 基本要求：功率、信 荡； 3、满足一定的阈值 噪比、光谱特性和相 条件，使总增益大于总 干性
输出电压V0(V)
3 2 1
可见光
红外光
600
0
-1 -2 -3 -4 -5
波长(nm)
800 1000
400
第五节 光纤传感器
• 特点：极高的灵敏度和准确度、固有的安全性、 良好的抗电磁干扰能力、高绝缘强度、耐高温、 耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带。 • 应用：机械、电子仪器仪表、航空航天、通讯、 生物医学、环保、食品、化工… … • 测量对象：电流磁场、电压电场、温度、速度、 振动、压力、射线、图像… …
一、CCD结构
V1=5V V3=15V V2=10V V1=5V P型或N型衬底 SiO2 电极
二、CCD时钟电压与电荷传输关系
1 2
3
1 2 3
t
三、固态图像传感器
• 分类 线型：主要用于传真、测试、文字识别 面型：电视摄像器件
1、单通道线型固态传感器结构
光积分单元
转移栅 输出 不透光
100
膜片振动m
－
+
放大 滤波
光纤速度、加速度传感器
光纤传感器优缺点
• 优点：功能光纤本身是敏感器件，加长光纤长 度，可以大大提高灵敏度； • 抗电磁干扰，安全。 • 缺点：技术难度大、结构复杂、调整困难。
第六节 CCD图像传感器
• 组成原理：集成半导体光敏传感器，以电荷转 移器件为核心，包括光电信号转换、传输和处 理等部分。 • 特点：重量轻、体积小、结构简单、功耗小、 成本低。 • 用途：广泛用于图像识别、传输；典型应用： 摄像机固态图像拾取。 • CCD：Charge Coupled Device 电荷藕合器件， 发展自MOS器件，具有光电转换、信号存储和 传输功能。
4. 什么是阶跃型光纤和梯度型光纤？什么是多模和单模光纤？
5. 试推导光纤入射孔径公式。 6. 试画出光纤传感器的四种应用结构，并给出其中一种的实 际应用系统组成示意图。 7. 简单介绍CCD图像传感器的应用范围或实例。
黑化膜 电极
Ps Q 或 ＝ T T
Ps 电极
自然极化Ps
P s
强电解质
P s
T
T
热释电式红外光敏元件构造
导光筒 聚乙稀光窗 红外光 铝基板 FET阻抗变换及放大元件 PZT红外光敏材料 引出电极 封装树脂 Rg Rs E D S
红外传感器件的应用
• 将红外传感器排成线型或面型矩阵可以构成红外图像传 感器，应用到遥感、医学或军事上 • 热释电传感器在应用上分为主动式 (检测静止或者移动极 缓慢的人体及物体 )和被动式 (检测运动人体极物体 ) 两种 方式。
第五讲 光学类传感器原理及应用
光学传感器光源；半导体色敏传感 器；光纤传感器；固态图像传感器； 热释电红外传感器；
第一节 光学传感器基础
光谱范围：10~106nm 波长(nm)
10
102 103
名称
远紫外区域 紫外区域 可见光区域，近红外区域 红外区域
104
105 106
远红外区域
一、光学传感器类型
• 噪声
埃菲尔铁塔鸟瞰
5、CCD器件应用举例
• CCD线阵在姿态检测中的应用
反光贴片
凸透镜 CCD线阵
• 速度及方向传感器
x
y
第七节 红外热释电传感器
• 红外测量特点：
(1) 红外光不受周围可见光的影响，所以可以在同样条 件下昼夜测量； (2) 只要待测对象自身具有一定温度就会发射红外光， 因此不必另备光源； (3) 大气对某种特定波长范围的红外光吸收很少，所以 适用于遥感技术。
彩色组合等级：色 调、色值和色度
传统测色系统原理
光
分 光 计
探 测 器
信 号 处 理 系 统
PD1
半导体色敏器件的结构 I
SC1
电极1
电极2
PD2
ISC2 电极 3 输入光 短波 长波
电极1
电极2 SiO2
P N P
电极3
双结硅光敏二极管应用电路
入射光
PD1
V
PD2
色敏传感器系统的V-f 特性曲线
安装、系统组成
• 通过调节，使其对人的灵敏度距离仅为 1.5m左 右，而对20m远快速通过的车辆反应灵敏可靠 • 安在公路正上方，或调低灵敏度安装在公路旁 • 系统组成框图：
传感器 放大器 双限比较器
计数器
译码显示器
思考题
1. 作为光学用光源，激光光源和普通 LED光源相对的特点是 什么？ 2. 光学传感器件主要的技术指标有哪些？ 3. 给出传统测色原理框图；色敏半导体的分色原理是什么？
P
Ib N N+
Ccb
Cbe
发射极
集电极
集电极
达林顿光敏三极管等效电路
发射极 100
光敏三极管典型光谱特性
80 60 40 20 400 600 800 1000 (nm)
第四节 半导体色敏传感
• 颜色：不同波长的电磁辐射作用于人的视觉器 官所产生的视觉感受。 • 颜色分类：
黑色、白色、过渡 的灰度
三、光纤的传光原理
• 全反射 n2<n1 n1
1 2
n1 sin 1 n2 sin 2
1
• 全反射临界角c
n2 n1 sin c n2 sin 90 n2 c sin n1
阶跃型光纤传光示意图
n2
0
1
1
n1
?若空气的光折射率为n0，要使光纤的入射光在 光纤纤芯内全反射，则0至多为多少？
四、光纤特性
• 数值孔径：
1 2 N A sin c n12 n2 0.57 n0
• 损耗：费涅尔反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗以 及弯曲损耗等。定义损耗系数
10 Pi lg ， L 光纤长度 L Po
• 色散：输入光脉冲在光纤传输中由于光波的群速度不 同而出现的脉冲展宽现象。表征传输带宽。 • 容量；拉抗强度；集光本领等。
2、双通道线型图像传感器结构
光积分区 转移栅 输出
3、面型固态图像传感器
光照
输出
4、CCD摄像器件的主要特性
• 分辨率：用MTF表征，当图像以正弦变化的 光强作用在传感器上时，电信号幅度随空间 频率的变化称为调制转移函数。 • 暗电流：限制器件的灵敏度和动态范围。
• 光谱特性。(蓝光和黄光反射率高)
五、光纤传感器的结构及特性
• 光纤传感器分类
1. 电流磁场、电压电场； 1. 2. 功能型传感器：传感 温度 型、探测型 3. 速度 4. 2. 5. 振动、压力 非功能型传感器：传 射线 光型、结构型、强度 6. 型、混合型 图像
• 光纤传感器可测参量
光纤传感器的基本结构
测 量 对 象
测 量 对 象
即： I
浸油
显微镜 起偏器
激光器
I1
显微镜 起偏器
电流 导线
I2
I1 I 2 I1 I 2
输出
光接受器 信号处理
关闭中的戴高乐机场2-E
光纤液位传感
?
基于磁致伸缩效应的光纤磁传感器
解调器
磁致伸缩材料 (金属玻璃)
100k Hz 弱磁场测量
非功能型光纤传感器测温应用
1.5
1.4 相对光强 E1 光源光谱
• 对光学波段的入射电磁辐射产生输出的传感器，称为 光学传感器，或光学探测器。 • 按探测机理分为两大类型：光子（量子）探测光传感 器和热探测光传感器
光子探测光传感器 光电导光传感器 光生伏特光传感器 光电导结光传感器 光电磁光传感器 热电堆光传感器 辐射热计光传感器 热释电光传感器 Golay光传感器
50
GaAs光吸收 谱特性 E240
1.3 T1
1.2 1.1 GaAs半导体 T 光吸收片 3 T2 T1<T2<T3
30
20 10
透过率%
输出
0.8
0.9 波长 m
1.0
温度测量范围：-20~300C；误差3C；强电场环境
反射光强调制型光纤传感应用
100 80 60
反射光强%
P
40 20 20 40 60 80
热探测光传感器
二、光学传感器的特性参数
• 表征器件工作特性的参数，以便对各类器件的 性能进行分析、评价和比较。
1. 灵敏度：描述光传感器对光辐射的敏感程度。 用S()或S(T, ,f)表示 2. 响应度：针对以内光电效应工作的光传感器， 定义为传感器输出量 U( 电压或电流幅值 ) 与给 定入射光通量(或功率P)之比：R=U/P
• 热释电效应产生的极化电荷不是永存的，一般要在器件 前方加装一个周期性遮断被测红外信号的机械装置，以 使器件接受红外光能而引起的温度作周期性的变化，进 而使得测量过程中始终存在比例于红外光强的极化电荷。
在车辆计数系统中的应用 • 传感器选择：P2288
1 2 S1 Rg S2 3
探测距离 10m，可 通过配用电路调节 敏感波长5~15m， 可有效消除可见光 极其中大部分红外 线干扰
例题参考答案
解： 由Snell 法则可求得1的全反射临界角为 n2 sin 1 n1 而光从空气进入光纤的折射角 n0 sin 0 n1 sin 1 n1 cos 1 (1 1 / 2) 又由于 sin 2 1 cos2 1 1, 所以
2 n12 n2 0 arcsin n0
测 量 对 象
测 量 对 象
透射光强% 100 80 60 40 20 0 0.5 1.0 1.5 2.0
光纤传感器举例：基于微弯效应测压力
F
外力N
光强调制；相位调制；偏振态调制；波长调制
H
I 2R
偏振态调制型光纤电流传感器
VLI 2R V 维德常数，V 3.7 10 4 ( rad/A ) 法拉第偏转 VLH 信号处理输出 p I1 I 2 VLI sin 2VNI I1 I 2 R p 2VN
• 红外光敏器件分热型和量子型两类。热释电式红外 传感器是热型红外传感器件的一种。
热释电效应原理
• 热释电效应(Pyroelectricity effect)红外传感器的研发历史近20多年 • 某些晶体得到加热，其晶体表面会自然极化而出现电荷；尤以钛 酸钡BaTiO3的热释电效应最为显著。
光
T>0