第9章 新型光电传感器

（2）电荷转移 CCD电荷耦合器件是以电荷为信号，而不是电压电流作信号 输出的。光敏元上的电荷还需经输出电路输出，这个输出过 程由读出移位寄存器完成. 读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、半导 体三部分组成。它与MOS光敏元的区别在于，半导体底部覆 盖一层遮光层，不接收光信号并防止外来光线干扰。 由三个十分邻近的电极组成 一个耦合单元； 在三个电极上分别施加脉冲 波Φ1Φ2Φ3，称三相时钟脉 冲（还有两相、四相）。
现在的光纤每公里衰减被 控制在5%。
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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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。
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


•
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
光在玻璃光纤中传输会剧烈衰减，经1公里衰减到1/100亿; 高锟在1966年7月发表论文证明：玻璃光纤中离子杂质对光 的衰减起决定性作用； 只要光纤每公里的光衰减量小于20分贝（即保留1%），就 可以用于通信； 美国康宁公司1970年发明一种特殊玻璃制造工艺，首次迈过 “20 分贝/公里”门槛。
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；
( 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
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；
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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
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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。
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NA = 0.2～0.4
c 30 0
2 θc
② 光纤模式（V） 光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式； 不同入射角度光线在界面上反射的次数不同， 光波之间干涉产生的强度、分布也各不相同； 模式值定义为：
V
2
0
( NA)
式中：α 为纤芯半径； 0 为入射光波长
模式值V小，就是α值小（即纤芯直径小μm）传播的模式 越少。只传播一种模式的光纤，称单模光纤。
单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度 高，但制造、连接困难。
光纤模式种类：
按折射率分布分为阶跃型（突变）、梯度型（渐变）； 按传播模式分为多模 ( 纤芯直径 D = 50～100 μm ) 单模 ( 纤芯直径 D = 3～10 μm )
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。
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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。
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电转换，信息存储、转移传输、 处理以及电子快门等功能。
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
NA sin c
空气中： NA
1 N0
N12 N 22
2 N12 N 2

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。
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。
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.
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。
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。
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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
一个MOS光敏元结构
把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包； CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元，每个金 属电极就是成百上千个势阱，产生成百上千的电荷包； 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么 这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。 这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。
如测量拉丝过程中丝的 线径、轧钢的直径、轴 类或杆类的直径等。
线阵CCD进行工件尺寸测量
装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。 CCD传感器应用时是将不同光源 与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜 及反射镜等各种光学元件结合使用。 CCD固态图像传感器作为摄像 机或像敏器件，取代摄像装置 的光学（电子束扫描）扫描系 统； 与其它摄像器件相比，尺寸小、 价廉、工作电压低、功耗小， 且不需要高压。
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
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。
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 )