第9章 新型光电传感器

• • • •
在一根率减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传输1Km后， 光强下降到入射时的1/10。 3dB/Km相当光纤传输1Km后，光强衰减到入射时的一半； 性能优良的光纤传播损耗可达 0.16dB/Km。 光纤的接头有光信号放大装置。
9.3.3 光波调制技术
电参量传感器中，通常是由被测量引起电阻、电容、 电感等电参量的变化，将这些电参量转换为电流、电 压的变化进行检测。 光纤传感器通过光调制器技术，使光的某些特性受被 测量的作用，如光强、偏振方向、颜色、波长等等。
动
静光栅
%相对强度
光栅调制实现压力测量
2.5 5 7.5
X相对位移
μm
反射式强度调制
由多根光纤束组成入射、接收光纤， 被测物体将光束反射回光纤，经反向 传输后由光敏器件接收。光强的大小 随被测物体的特征不同而不同。 特征包括： 被测物体与光纤端面的距离； 被测物体表面的光洁度（反射率）； 相对倾角。 特点：非接触、探头小、线性度好、 频响高、测量范围在100μm以内。
单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。 有特殊要求的称特殊光纤。
③ 传播损耗（A） 光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲的辐射 损耗影响，不可避免的要有损耗，用衰减率A表示：
10 lg( I1 / I 2 ) ( dB / Km) l I1、I 2 -分别为输出光强和输入光强； A l 为光纤的长度。


•
透射式强度调制
光纤端面为平面，入射光纤不动； 出射光纤可横向、纵向、转动，出 射光强受位移信号的调制。
接收光强与两圆的交叠面积有关。 对单模光纤，颈项位移X与光功率 耦合系数T 之间关系为高斯型曲线： S 入 射
X
出 射
光 探 测 器
•
T A
T exp x / s , s0 光斑尺寸
第9章 新型光敏传感器
主要内容：
9.1 新型固态光敏传感器 9.2 CCD（电荷耦合器件） 9.3 光纤传感器
9.2 电荷耦合器件 CCD （ Charge — Coupled Devices ）
电荷耦合器件，又称CCD图象传感器，是一种大规模 集成电路光电器件；
电荷耦合器件具有光Байду номын сангаас转换，信息存储、转移传输、 处理以及电子快门等功能。
特点： • 高集成度、尺寸小、电压低（DC-7～12V）、功耗小; • 线阵分辨能力几μm，空间分辨率高，面阵分辨率在 1000电视线以上； • 光电灵敏度高，可达0.01lx ；信噪比60～70dB；动态 范围大; • 可选模拟、数字不同输出形式，便于和计算机连机。
CCD 技术的发展促进了各种视 频装置的普及和微型化; 应用遍及航天、遥感、天文、 通讯、工业、农业、军用等各 个领域。
2 2 0
X
为了获得线性和灵敏度， 工作点应选择在A点
• •
透射式开关调制 入射、接收光纤固定不动，当光纤端面有物体运动时， 出射光纤的光强变化。 遮光屏物与其它敏感元件相连，如膨胀元件。
透镜 透镜
光源S 入射 P 光调制实现气压测量 出射 弹性薄膜
接收D
透射式光栅调制
• • 一个固定、一个移动，当光栅作相对运动时，通过光栅间的光 强会发生变化。 设栅距、栅宽5μm，当动栅相对位移10μm时，光强变化一个周 期.
9.3.1 光纤结构和传光原理 (1) 光纤结构 主要由三部分组成 中心——纤芯； 外层——包层； 护套——尼龙塑料。
光纤的光导材料基本采用石英玻璃，其中有不同掺杂。
• 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质， • 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2（N1＞N2）。
(2) 光纤的传光原理 光纤的传播基于光的全反射原理。当光线以不同角度入 射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ 减小到某一角度θc 时，光线全 部反射。光线全部被反射时的入射角θc 称临界角; 因此只要满足全反射条件即θ＜θc ，光在纤芯和包层界 面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。
读出移位寄存器结构
电荷转移过程 三相时钟脉冲频率相同，相位差120°； t = t1 时刻，Φ1 电极下出现势阱存入光电荷 t = t2 时刻，Φ1Φ2下两个势阱形成大势阱存入电荷 t = t3 时刻，Φ1 中电荷向Φ2势阱转移 t = t4 时刻，Φ2 电极下的荷向Φ3势阱转移 t = t5 时刻，Φ3 电极下的荷向下一个传输单元转移
☻ 光纤模式（V）讨论： V
2
0
( NA)
波的反射中相位变化2π整数倍的光波形成驻波—称模， 驻波才能在光纤中传播，光纤只能传播一定数量的模。 模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中， 希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使 光信号分不同时间到达，多个信号导致合成信号畸变。
( N1 N 2 )
2θc
☻ NA意义讨论：
• NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大， 只有2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若 入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。
一般NA (N1>>N2)越大集光能力越强，光纤与光源间耦 合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要适当。 产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA 石英光纤的数值孔径一般为
现在的光纤每公里衰减被 控制在5%。
•
•
光纤最早用于通讯，高锟的发明使通 信高速公路得到迅猛的发展。 随着光纤技术的发展，光纤传感器得 到进一步发展。光纤传感器是20世纪 70年代中期发展起来的一门新技术。
•
与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点： 不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火； 可根据需要做成各种形状，可以弯曲； 可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。
c arcsin(
1 N0
2 N12 N 2 )
由于空气中折射率近似为 N 0 1 全反射的临界入射角可表示为
几种常用介质的折射率 媒质 空气 水 普通玻璃 冕牌玻璃 火石玻璃 重火石玻璃 折射率 1.00029 1.333 1.468 1.516 1.603 1.755
c arcsin( N12 N 22 )
读出移位寄存器三相时钟脉冲
不同时刻势阱深度变化，使电荷按设计好的方向，在时钟 脉冲控制下，电荷从寄存器的一端转移到另一端。 这样一个传输过程，实际上是一个电荷耦合过程，所以称 电荷耦合器件，担任电荷传输的单元称移位寄存器。
读出移位寄存器三相时钟脉冲控制电荷转移过程
3. 信号输出方式
CCD信号电荷的输出的方式主要有： 电流输出、电压输出两种
265×180
66×45
133×90
33×22
图象比较
CCD基本结构分两部分： • • MOS光敏元阵列 读出移位寄存器
一个MOS光敏元结构
读出移位寄存器
2. 电荷存储转移原理 （1）电荷存储 一个MOS光敏元（金属—氧化物—半导体） 当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下形成 耗尽区。对电子而言是一势能很低的区域，称“势阱”。 有光线入射到硅片上时，产生光生电子-空穴对，空穴被 电场作用排斥出耗尽区，而光电子被附近势阱俘获，此 时势阱内吸的光子数与光强度成正比。

光波的特征参数主要以光强度和光颜色两个最直观的特 征表现出来的;
目前光电器件只能测量光的强度和颜色，其他物理量是 通过这两个量间接测量的。
下面分别讨论对光的强度、相位、频率的调制方法。
(1) 光的强度调制
利用外界物理量改变光纤中的光强度，通过测量光强的变化测 量被测信息。 根据传感器探头结构形式可分为：透射、反射、折射。
用于传真技术，文字、图象识别 • 例如用CCD识别集成电路焊点图案， 代替光点穿孔机的作用；
•
• •
自动流水线装置，机床、自动售货 机、自动监视装置、指纹机;
作为机器人视觉系统。 CCD被广泛用于在线检测尺寸、位 移、速度、定位和自动调焦等方面。
CCD检测仪
数字显微镜
9.3
•
光纤传感器
2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟(光纤之父) 以及两位美国科学家。 • 获奖理由：光在纤维中的传输以用于光学通信。
• • • •
数字摄像机 数字照相机 平板扫描仪 指纹机等
基于CCD电荷耦合器件设备
9.2.1 CCD基本原理及特性 1. 结构
• 电荷耦合器件是在半导体硅片上制作 成百上千个光敏元 • 一个光敏元又称一个像素； • 光敏元按线阵或面阵有规则地排列。
显微镜下的MOS元表面
CCD结构示意图
• 相同面积上的光敏元不同时分辨率（像素）不同
电流输出
电压输出
9.2.3 CCD传感器的应用
利用CCD测量几何量 • • CCD诞生后首先在工业检测中制成测量长度的传感器； 物体通过物镜在CCD光敏元上造成影像，CCD输出的脉 冲数表征测量工件的尺寸。
CCD应用技术是光、机、 电和计算机相结合的高 新技术，作为一种有效 的非接触检测方法；
法线
反射定律 折射定律
'
入射光
'
反射光 L
N1 sin N2 sin '
分界面
'
折射光
• 全反射条件 入射角 θ ≤ θc（临界入射角 ） 光疏介质（n2）
光密介质（n1）
由斯乃尔（Snell）折射定律可导出， 当端面外介质折射率为N0时，光射入 纤芯时实现全反射的临界入射角为
可见，光纤临界入射角的 大小是由光纤本身的性质 （N1、N2）决定的，与光 纤的几何尺寸(直径)无关。
9.3.2 光纤的性能（几个重要参数） ① 数值孔径（NA） 临界入射角θc的正弦函数定义为光纤的数值孔径