ch09-CCD光纖編碼器課件

固態(tài)圖像傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為三類：電荷耦合器件（簡稱CCD）、MOS圖像傳感器（簡稱SSPA）和電荷注入器件（簡稱CID）。目前，前兩種用得較多。廣泛用于圖像傳輸與識別。例如，攝像機、數(shù)碼照相機、掃描儀、復(fù)印機和機器人的眼睛等。在本節(jié)中僅說明CCD圖像傳感器的工作原理與特性CCD圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為三類：電荷耦合器件（簡稱CC1CCD——固態(tài)圖像傳感器體積小、重量輕、析像度高、功耗低、低電壓驅(qū)動

線型CCD圖像傳感器

面型CCD圖像傳感器光電器件光像信息電信號圖像CCD——固態(tài)圖像傳感器線型CCD圖像傳感器面23數(shù)碼相機攝像機面型CCD圖像傳感器掃描儀復(fù)印機線型CCD圖像傳感器3數(shù)碼相機攝像機面型CCD圖像傳感器掃描儀復(fù)印機線型CC3ch09-CCD光纖編碼器課件4數(shù)碼相機工作原理

A/DMPU內(nèi)存LCDPC卡接口鏡頭CCD模/數(shù)轉(zhuǎn)換微處理器內(nèi)置存儲器液晶顯示器可移動存儲器接口數(shù)碼相機工作原理A/DMPU內(nèi)存LCDPC卡接口鏡頭CCD模5CCD的三層結(jié)構(gòu)：

聚光鏡片彩色濾鏡陣列感應(yīng)電路CCD的三層結(jié)構(gòu)：

聚光鏡片彩色濾鏡陣列感應(yīng)電路6CCD應(yīng)用專業(yè)CCD攝影實例（攝影：CP）--更多精彩，盡在finalpresentCCD應(yīng)用專業(yè)CCD攝影實例（攝影：CP）--更多精彩，盡在7CCD應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域：精密測量、非接觸無損檢測、文件掃描與航空遙感CCD應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域：精密測量、非接觸無損檢測、文件掃描與航空8一.電荷耦合器件(CCD)電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，簡稱CCD），它將光敏元陣列和讀出移位寄存器集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的圖像傳感器。它以電荷作為信號,基本功能是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移、輸出。廣泛應(yīng)用于自動控制和自動測量,尤其適用于圖像識別技術(shù)。一.電荷耦合器件(CCD)電荷耦合器件（Charge91.MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)及原理CCD器件完成對物體的成像，在其內(nèi)部形成與光像圖形相對應(yīng)的電荷分布圖形。CCD器件的基本單元結(jié)構(gòu)是MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。即在P型硅襯底上生長一層SiO2

(120nm),再在SiO2層上沉積金屬電極（柵極）構(gòu)成MOS結(jié)構(gòu)，它是CCD器件的最小工作單元，一個MOS電容器是一個光敏單元，可以感應(yīng)一個像素點。1.MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)及原理CCD器件完成對物體的成像，10A、勢阱的產(chǎn)生當(dāng)在金屬電極上加正壓U（襯底接地）時，P型硅襯底內(nèi)空穴被排斥入地，留下帶負(fù)電荷的負(fù)離子，形成耗盡層。此耗盡區(qū)對于電子來說是一個勢能特別低的區(qū)域，與周圍相比就像一個陷阱，稱為電子勢阱或表面勢阱。勢阱的深淺取決于U的大小，U增加，被排斥的空穴數(shù)增加，剩余的負(fù)電荷即增加，勢阱加深。A、勢阱的產(chǎn)生11B、電荷的存儲當(dāng)有光照射在硅片上時，產(chǎn)生光生電子—空穴對，其中的電子被附近的勢阱吸收，勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢阱附近的光強成正比：光強越大，產(chǎn)生的電子-空穴對越多，勢阱收集的電子數(shù)就越多。勢阱中的電子處于被存儲狀態(tài)，即使停止光照，只要電極上的電壓維持，電荷就一直存儲在勢阱中，即MOS電容能夠?qū)崿F(xiàn)對光照的記憶。CCD器件將物體的光像形成對應(yīng)的電像時，就是CCD器件中上千個相互獨立的MOS單元勢阱中存儲與光像對應(yīng)的電荷量的過程。B、電荷的存儲122.讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路研究如何實現(xiàn)勢阱下的電荷從一個MOS元位置轉(zhuǎn)移到另一個MOS元位置，并依次轉(zhuǎn)移傳輸出來。2.讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路研究如何實現(xiàn)勢阱下的13電荷（少子）注入方法：光注入（對攝像器件）、電注入（對移位寄存器）A、電荷的注入電荷（少子）注入方法：光注入（對攝像器件）、A、電荷的注入14B、電荷的定向轉(zhuǎn)移通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱的深淺。要求：多個MOS電容緊密排列且勢阱相互溝通。金屬電極上加電壓脈沖嚴(yán)格滿足相位要求。B、電荷的定向轉(zhuǎn)移15CCD的結(jié)構(gòu)MOS電容器件陣列+輸入輸出端=CCD三相CCD電極的結(jié)構(gòu)MOS上三個相鄰電極，每隔兩個所有電極接在一起。由3個相位差120°時鐘脈沖驅(qū)動。CCD的結(jié)構(gòu)MOS電容器件陣列+輸入輸出端=CCD16電荷（少子）定向轉(zhuǎn)移——三相控制方式經(jīng)過一個時鐘脈沖周期，電荷從前一級的一個電極下，轉(zhuǎn)移到下一級的同號電極下?！姾啥ㄏ蜣D(zhuǎn)移電荷（少子）定向轉(zhuǎn)移——三相控制方式經(jīng)過一個時鐘脈沖17C、電荷的輸出在輸出端P型硅襯底上擴散形成輸出二極管，二極管加反壓，在PN結(jié)形成耗盡層。輸出柵OG加壓使轉(zhuǎn)移到終端的電荷移到輸出二極管的耗盡區(qū)，從而在負(fù)載上形成脈沖電流。輸出電流的大小與電荷大小成正比，通過負(fù)載變?yōu)殡妷狠敵?。輸出二極管電流法C、電荷的輸出在輸出端P型硅襯底上擴散形成輸出二極管，二極管18二、線陣CCD圖像傳感器N位移位寄存器與N個光敏元一一對齊，各光敏元通向移位寄存器的各轉(zhuǎn)移溝道之間有溝阻隔開，使之只能通向移位寄存器的一個單元。一般應(yīng)使信號的轉(zhuǎn)移時間遠(yuǎn)小于攝像時間（光積分時間）。二、線陣CCD圖像傳感器N位移位寄存器與N個19

轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后，光敏單元開始下一行圖像信號積分采集?！貜?fù)進(jìn)行，相繼的行輸出，讀出電荷圖形光積分：光照感光單元，產(chǎn)生光生電子-空穴對，電子注入對應(yīng)的MOS勢阱中，光像變?yōu)殡娤瘛姾砂?。電荷轉(zhuǎn)移：積分周期結(jié)束，控制信號使轉(zhuǎn)移柵打開，光生電荷就通過轉(zhuǎn)移柵耦合到移位寄存器中，通過移位寄存器并行輸出。轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后，光敏單元開始下一行圖像信號積分20三、線性CCD圖像傳感器的應(yīng)用1、微小尺寸的檢測衍射圖像暗紋間距a為被測細(xì)絲直徑在線陣CCD得到的電脈沖信號中，兩個幅值為極小值之間的脈沖數(shù)為N，陣列單元的間距為l，則所以，三、線性CCD圖像傳感器的應(yīng)用1、微小尺寸的檢測衍射圖像暗紋21——上端受光照的像素數(shù)——下端受光照的像素數(shù)——視場范圍（2）測量小尺寸物體（測量物體輪廓尺寸）在正面或背面光照射下，被測物體通過透鏡聚集在CCD傳感器的光敏面上，圖像尺寸與被測尺寸成正比。——上端受光照的像素數(shù)——下端受光照的像素數(shù)——2223尺寸檢測2323四、面陣CCD圖像傳感器——在x、y兩個方向上都能實現(xiàn)電子自掃描分為行傳輸、幀傳輸、行間傳輸。組成：感光區(qū)、信號存儲區(qū)、輸出轉(zhuǎn)移部分四、面陣CCD圖像傳感器——在x、y兩個方向上都能實現(xiàn)2425缺點：易引起圖像模糊行傳輸25缺點：易引起圖像模糊行傳輸2526優(yōu)點：電極結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)移單元較密。缺點：需要附加存儲器。幀傳輸26優(yōu)點：幀傳輸2627優(yōu)點：幀傳輸一次轉(zhuǎn)移完成，器件操作簡單，圖像清晰。缺點：單元設(shè)計復(fù)雜，感光面積減少。——電視攝像系統(tǒng)最好方式。行間傳輸27優(yōu)點：幀傳輸一次轉(zhuǎn)移完成，器件操作簡單，圖像清晰?！?7ch09-CCD光纖編碼器課件289.4光纖傳感器光纖傳感器優(yōu)點：極高的靈敏度和精度，固有的安全性，良好的抗電磁干擾能力，高的絕緣度，耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌等。

光纖傳感器的應(yīng)用范圍非常廣泛，幾乎涉及國民經(jīng)濟的所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活。尤其是，它可以安全有效的在惡劣環(huán)境下使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術(shù)難題，具有很大的市場需求。應(yīng)用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測量。9.4光纖傳感器光纖傳感器優(yōu)點：極高的靈敏度和精度，固有29光纖傳感檢測系統(tǒng)：光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測器及解調(diào)器光纖傳感器的基本原理是光源的光經(jīng)入射光纖送入調(diào)制區(qū)，光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測參數(shù)相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)（如強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)出射光纖送入光探測器、解調(diào)器而獲得被測參數(shù)。光纖傳感檢測系統(tǒng)：光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測30一、光纖的傳光原理1、光纖結(jié)構(gòu)由纖芯、包層和保護(hù)層組成（石英玻璃5—100um)。核心部分是纖芯和包層，纖芯由高度透明的材料制成。包層的折射率n2略小于纖芯n1。保護(hù)層的作用是保護(hù)光纖不受外界侵蝕和機械擦傷，同時又增加光纖的柔韌，還可以以顏色區(qū)分各種光纖。一、光纖的傳光原理312、傳光原理光的全反射是光纖傳輸光的基礎(chǔ)。（1）光的全反射條件

光由纖芯到包層表面，由光的折射定律可知：

2、傳光原理光由纖芯到包層表面，由光的折射定律可知：32n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故n0≈1n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故n0≈33當(dāng)θr=90°的臨界狀態(tài)時，折射光沿界面方向傳播，此時的入射角為臨界角θcSinθc定義為“數(shù)值孔徑”NA（NumericalAperture）ArcsinNA是一個臨界角，θi>arcsinNA，光線進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失；θi<arcsinNA，光線才可以進(jìn)入光纖被全反射傳播。當(dāng)θr=90°的臨界狀態(tài)時，折射光沿界面方向傳播，此時的入34光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)1.數(shù)值孔徑（NA）2.光纖模式3.傳播損耗光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)1.數(shù)值孔徑（NA）351.數(shù)值孔徑（NA）反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖接收性能。意義：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θc張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。 大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。 但數(shù)值孔徑太大，光信號畸變也越嚴(yán)重。1.數(shù)值孔徑（NA）反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖接收362.光纖模式光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式不同入射角的光線，在界面反射的次數(shù)不同，傳遞的光波間的干涉亦不同，即為傳播模式不同。 在光導(dǎo)纖維中傳播模式很多對信息的傳輸是不利的，導(dǎo)致合成信號的畸變，因此我們希望模式數(shù)量越少越好。

2.光纖模式光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式373.傳播損耗損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響傳播損耗（單位為dB）式中,I——光纖長度；a——單位長度的衰減；I0——光導(dǎo)纖維輸入端光強；I——光導(dǎo)纖維輸出端光強。3.傳播損耗損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲38光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置光受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘枺?jīng)信號處理系統(tǒng)得到被測量。光源光探測器光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置光39三.光纖傳感器的分類光纖傳感器按功能的不同通常可分為功能型（傳感型）和非功能型（傳光型）。功能型光纖傳感器既傳光又是敏感元件。利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使光的特性（相位、強度、波長、偏振態(tài)）發(fā)生變化，再通過解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)得到被測量。只能使用單模光纖。光強調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型。測溫度、壓力、位移等。三.光纖傳感器的分類40

非功能型光纖傳感器（光通訊）光纖只作為光的傳輸回路。為了得到較大的受光量和傳輸光功率，非功能型光纖傳感器采用NA較大和芯徑較大的階躍型多模光纖。多數(shù)使用多模光纖，以傳輸更多的光量。非功能型光纖傳感器（光通訊）411.光強調(diào)制光纖傳感器按調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為：1.光強調(diào)制光纖傳感器按調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為：42光源發(fā)出的光經(jīng)入射光纖傳輸?shù)秸{(diào)制器（可動反射調(diào)制器、可動透射調(diào)制器、微彎調(diào)制器等），經(jīng)被測物理量調(diào)制后的光通過出射光纖傳輸?shù)焦怆娊邮掌鳌？蓜臃瓷湔{(diào)制器中出射光纖能收到多少光強，由入射光纖射出的光斑在反射屏上形成的基圓尺寸決定，基圓尺寸由反射屏到入射光纖的距離決定，距離受待測物理量（如微位移、熱膨脹等）的控制，因此出射光纖收到的光強調(diào)制信號代表了被測物理量的變化。光源發(fā)出的光經(jīng)入射光纖傳輸?shù)秸{(diào)制器（可動反射調(diào)432.相位調(diào)制將光纖的光分為兩束---干涉現(xiàn)象2.相位調(diào)制將光纖的光分為兩束---干涉現(xiàn)象44光強調(diào)制型光纖溫度傳感器三、光纖傳感器應(yīng)用實例光強調(diào)制型光纖溫度傳感器三、光纖傳感器應(yīng)用實例45光纖圖像傳感器工業(yè)用內(nèi)窺鏡光纖圖像傳感器工業(yè)用內(nèi)窺鏡46例：試計算n1=1.46,n2=1.45的階躍折射率光纖的數(shù)值孔徑值。如果光纖外部介質(zhì)的n0=1,求最大入射角的值。NA=0.17=9.8°例：試計算n1=1.46,n2=1.45的階躍折射率光纖的數(shù)47編碼器是將機械轉(zhuǎn)動的位移（模擬量）轉(zhuǎn)換成數(shù)字式電信號的傳感器。編碼器在角位移測量方面應(yīng)用廣泛，具有高精度、高分辨率、高可靠性的特點。光電式編碼器從結(jié)構(gòu)上可分為碼盤式和脈沖盤式兩種。9.5光電式編碼器9.5光電式編碼器48

碼盤式編碼器（絕對編碼器）碼盤式編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤（碼盤）、窄縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成。碼盤式編碼器（絕對編碼器）碼盤式編碼器主要由49六位二進(jìn)制碼盤碼盤由光學(xué)玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定編碼規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。六位二進(jìn)制碼盤碼盤由光學(xué)玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每50當(dāng)光源將光投射在碼盤上時，轉(zhuǎn)動碼盤，通過亮區(qū)的光線經(jīng)窄縫后，由光敏元件接收。光敏元件的排列與碼道一一對應(yīng)，對應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號分別為“1”和“0”。當(dāng)碼盤旋至不同位置時，光敏元件輸出信號的組合，反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移大小。編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進(jìn)制碼、十進(jìn)制碼、循環(huán)碼等。當(dāng)光源將光投射在碼編碼器碼盤按其所用碼制51對于6位二進(jìn)制碼盤，最內(nèi)圈碼盤一半透光，一半不透光，最外圈一共分成26=64個黑白間隔。每一個角度方位對應(yīng)于不同的編碼。例如零位對應(yīng)于000000（全黑）；第23個方位對應(yīng)于010111。

在測量時，只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置，就可以確定角位移，而與轉(zhuǎn)動的中間過程無關(guān)。對于6位二進(jìn)制碼盤，最內(nèi)圈碼盤一半透光，一52

采用二進(jìn)制編碼器時，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗大誤差。這主要是因為二進(jìn)制碼當(dāng)某一較高的數(shù)碼改變時，所有比它低的各位數(shù)碼均需同時改變。

一個n位二進(jìn)制碼盤的最小分辨率，即能分辨的角度為α=360°/2n，一個6位二進(jìn)制碼盤，其最小分辨的角度α≈5.6°。采用二進(jìn)制編碼器時，任何微小的制作誤差，都可能53

為了消除粗誤差，可用循環(huán)碼（格雷碼）代替二進(jìn)制碼。循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。如果任一碼道刻劃有誤差，且只可能有一個碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差，產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個比特。對于n位循環(huán)碼碼盤，與二進(jìn)制碼一樣，具有2n種不同編碼，最小分辨率α=360°/2n。

為了消除粗誤差，可用循環(huán)碼（格雷碼）代替二進(jìn)制54

脈沖盤式編碼器的輸出是一系列脈沖，需要一個計數(shù)系統(tǒng)對脈沖進(jìn)行加減(正向或反向旋轉(zhuǎn)時)累計計數(shù)，由兩圈相等角距的縫隙實現(xiàn)，外圈為增量碼道，內(nèi)圈為辨向碼道。一般還需要一個基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即零位基準(zhǔn)，才能完成角位移測量。

脈沖盤式編碼器（增量編碼器）脈沖盤式編碼器的輸出是一系列脈沖，需要一個計數(shù)系統(tǒng)對脈沖55光欄板上有兩個狹縫，其距離是碼盤上兩個相鄰狹縫距離的四分之一，并設(shè)置了兩組對應(yīng)的光敏元件（對應(yīng)圖中的A、B兩路信號）。四分之一間距保證了兩路信號的相位差為90°，便于辨向。光欄板上有兩個狹縫，其距離是碼盤上兩個相鄰狹縫距離的四分之一56辨向原理辨向原理57應(yīng)用轉(zhuǎn)速測量脈沖頻率法

在給定時間內(nèi)對編碼器發(fā)出的脈沖計數(shù)，然后由下式求出其轉(zhuǎn)速。式中，t——測速采樣時間N1——t內(nèi)所測脈沖個數(shù)N——編碼器每轉(zhuǎn)脈沖個數(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)速測量式中，t——測速采樣時間58脈沖周期法

通過計數(shù)編碼器的一個脈沖間隔內(nèi)（半個脈沖周期）的標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖個數(shù)來計算其轉(zhuǎn)速。要求時鐘脈沖頻率必須高于編碼器脈沖頻率。相應(yīng)的計算公式：式中，T——標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖周期N2——編碼器一個脈沖間隔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖輸出個數(shù)N——編碼器每轉(zhuǎn)脈沖個數(shù)脈沖周期法通過計數(shù)編碼器的一個脈沖間隔內(nèi)（半個脈沖周59例1：設(shè)某編碼器的額定工作參數(shù)是N=2048個脈沖/r，在0.2s時間內(nèi)測得8192個脈沖，求其轉(zhuǎn)速。例1：設(shè)某編碼器的額定工作參數(shù)是N=2048個脈沖/r，在060例2：設(shè)某編碼器的額定工作參數(shù)是N=1024個脈沖/r，標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖周期，測得編碼器輸出的兩個相鄰脈沖上升沿之間標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖輸出個數(shù)為1000個，求其轉(zhuǎn)速。例2：設(shè)某編碼器的額定工作參數(shù)是N=1024個脈沖/r，標(biāo)準(zhǔn)61產(chǎn)品產(chǎn)品62固態(tài)圖像傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為三類：電荷耦合器件（簡稱CCD）、MOS圖像傳感器（簡稱SSPA）和電荷注入器件（簡稱CID）。目前，前兩種用得較多。廣泛用于圖像傳輸與識別。例如，攝像機、數(shù)碼照相機、掃描儀、復(fù)印機和機器人的眼睛等。在本節(jié)中僅說明CCD圖像傳感器的工作原理與特性CCD圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為三類：電荷耦合器件（簡稱CC63CCD——固態(tài)圖像傳感器體積小、重量輕、析像度高、功耗低、低電壓驅(qū)動

線型CCD圖像傳感器

面型CCD圖像傳感器光電器件光像信息電信號圖像CCD——固態(tài)圖像傳感器線型CCD圖像傳感器面6465數(shù)碼相機攝像機面型CCD圖像傳感器掃描儀復(fù)印機線型CCD圖像傳感器3數(shù)碼相機攝像機面型CCD圖像傳感器掃描儀復(fù)印機線型CC65ch09-CCD光纖編碼器課件66數(shù)碼相機工作原理

A/DMPU內(nèi)存LCDPC卡接口鏡頭CCD模/數(shù)轉(zhuǎn)換微處理器內(nèi)置存儲器液晶顯示器可移動存儲器接口數(shù)碼相機工作原理A/DMPU內(nèi)存LCDPC卡接口鏡頭CCD模67CCD的三層結(jié)構(gòu)：

聚光鏡片彩色濾鏡陣列感應(yīng)電路CCD的三層結(jié)構(gòu)：

聚光鏡片彩色濾鏡陣列感應(yīng)電路68CCD應(yīng)用專業(yè)CCD攝影實例（攝影：CP）--更多精彩，盡在finalpresentCCD應(yīng)用專業(yè)CCD攝影實例（攝影：CP）--更多精彩，盡在69CCD應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域：精密測量、非接觸無損檢測、文件掃描與航空遙感CCD應(yīng)用應(yīng)用領(lǐng)域：精密測量、非接觸無損檢測、文件掃描與航空70一.電荷耦合器件(CCD)電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，簡稱CCD），它將光敏元陣列和讀出移位寄存器集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的圖像傳感器。它以電荷作為信號,基本功能是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移、輸出。廣泛應(yīng)用于自動控制和自動測量,尤其適用于圖像識別技術(shù)。一.電荷耦合器件(CCD)電荷耦合器件（Charge711.MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)及原理CCD器件完成對物體的成像，在其內(nèi)部形成與光像圖形相對應(yīng)的電荷分布圖形。CCD器件的基本單元結(jié)構(gòu)是MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。即在P型硅襯底上生長一層SiO2

(120nm),再在SiO2層上沉積金屬電極（柵極）構(gòu)成MOS結(jié)構(gòu)，它是CCD器件的最小工作單元，一個MOS電容器是一個光敏單元，可以感應(yīng)一個像素點。1.MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)及原理CCD器件完成對物體的成像，72A、勢阱的產(chǎn)生當(dāng)在金屬電極上加正壓U（襯底接地）時，P型硅襯底內(nèi)空穴被排斥入地，留下帶負(fù)電荷的負(fù)離子，形成耗盡層。此耗盡區(qū)對于電子來說是一個勢能特別低的區(qū)域，與周圍相比就像一個陷阱，稱為電子勢阱或表面勢阱。勢阱的深淺取決于U的大小，U增加，被排斥的空穴數(shù)增加，剩余的負(fù)電荷即增加，勢阱加深。A、勢阱的產(chǎn)生73B、電荷的存儲當(dāng)有光照射在硅片上時，產(chǎn)生光生電子—空穴對，其中的電子被附近的勢阱吸收，勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢阱附近的光強成正比：光強越大，產(chǎn)生的電子-空穴對越多，勢阱收集的電子數(shù)就越多。勢阱中的電子處于被存儲狀態(tài)，即使停止光照，只要電極上的電壓維持，電荷就一直存儲在勢阱中，即MOS電容能夠?qū)崿F(xiàn)對光照的記憶。CCD器件將物體的光像形成對應(yīng)的電像時，就是CCD器件中上千個相互獨立的MOS單元勢阱中存儲與光像對應(yīng)的電荷量的過程。B、電荷的存儲742.讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路研究如何實現(xiàn)勢阱下的電荷從一個MOS元位置轉(zhuǎn)移到另一個MOS元位置，并依次轉(zhuǎn)移傳輸出來。2.讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路研究如何實現(xiàn)勢阱下的75電荷（少子）注入方法：光注入（對攝像器件）、電注入（對移位寄存器）A、電荷的注入電荷（少子）注入方法：光注入（對攝像器件）、A、電荷的注入76B、電荷的定向轉(zhuǎn)移通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱的深淺。要求：多個MOS電容緊密排列且勢阱相互溝通。金屬電極上加電壓脈沖嚴(yán)格滿足相位要求。B、電荷的定向轉(zhuǎn)移77CCD的結(jié)構(gòu)MOS電容器件陣列+輸入輸出端=CCD三相CCD電極的結(jié)構(gòu)MOS上三個相鄰電極，每隔兩個所有電極接在一起。由3個相位差120°時鐘脈沖驅(qū)動。CCD的結(jié)構(gòu)MOS電容器件陣列+輸入輸出端=CCD78電荷（少子）定向轉(zhuǎn)移——三相控制方式經(jīng)過一個時鐘脈沖周期，電荷從前一級的一個電極下，轉(zhuǎn)移到下一級的同號電極下?！姾啥ㄏ蜣D(zhuǎn)移電荷（少子）定向轉(zhuǎn)移——三相控制方式經(jīng)過一個時鐘脈沖79C、電荷的輸出在輸出端P型硅襯底上擴散形成輸出二極管，二極管加反壓，在PN結(jié)形成耗盡層。輸出柵OG加壓使轉(zhuǎn)移到終端的電荷移到輸出二極管的耗盡區(qū)，從而在負(fù)載上形成脈沖電流。輸出電流的大小與電荷大小成正比，通過負(fù)載變?yōu)殡妷狠敵?。輸出二極管電流法C、電荷的輸出在輸出端P型硅襯底上擴散形成輸出二極管，二極管80二、線陣CCD圖像傳感器N位移位寄存器與N個光敏元一一對齊，各光敏元通向移位寄存器的各轉(zhuǎn)移溝道之間有溝阻隔開，使之只能通向移位寄存器的一個單元。一般應(yīng)使信號的轉(zhuǎn)移時間遠(yuǎn)小于攝像時間（光積分時間）。二、線陣CCD圖像傳感器N位移位寄存器與N個81

轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后，光敏單元開始下一行圖像信號積分采集?！貜?fù)進(jìn)行，相繼的行輸出，讀出電荷圖形光積分：光照感光單元，產(chǎn)生光生電子-空穴對，電子注入對應(yīng)的MOS勢阱中，光像變?yōu)殡娤瘛姾砂ｋ姾赊D(zhuǎn)移：積分周期結(jié)束，控制信號使轉(zhuǎn)移柵打開，光生電荷就通過轉(zhuǎn)移柵耦合到移位寄存器中，通過移位寄存器并行輸出。轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后，光敏單元開始下一行圖像信號積分82三、線性CCD圖像傳感器的應(yīng)用1、微小尺寸的檢測衍射圖像暗紋間距a為被測細(xì)絲直徑在線陣CCD得到的電脈沖信號中，兩個幅值為極小值之間的脈沖數(shù)為N，陣列單元的間距為l，則所以，三、線性CCD圖像傳感器的應(yīng)用1、微小尺寸的檢測衍射圖像暗紋83——上端受光照的像素數(shù)——下端受光照的像素數(shù)——視場范圍（2）測量小尺寸物體（測量物體輪廓尺寸）在正面或背面光照射下，被測物體通過透鏡聚集在CCD傳感器的光敏面上，圖像尺寸與被測尺寸成正比。——上端受光照的像素數(shù)——下端受光照的像素數(shù)——8485尺寸檢測2385四、面陣CCD圖像傳感器——在x、y兩個方向上都能實現(xiàn)電子自掃描分為行傳輸、幀傳輸、行間傳輸。組成：感光區(qū)、信號存儲區(qū)、輸出轉(zhuǎn)移部分四、面陣CCD圖像傳感器——在x、y兩個方向上都能實現(xiàn)8687缺點：易引起圖像模糊行傳輸25缺點：易引起圖像模糊行傳輸8788優(yōu)點：電極結(jié)構(gòu)簡單，轉(zhuǎn)移單元較密。缺點：需要附加存儲器。幀傳輸26優(yōu)點：幀傳輸8889優(yōu)點：幀傳輸一次轉(zhuǎn)移完成，器件操作簡單，圖像清晰。缺點：單元設(shè)計復(fù)雜，感光面積減少?！娨晹z像系統(tǒng)最好方式。行間傳輸27優(yōu)點：幀傳輸一次轉(zhuǎn)移完成，器件操作簡單，圖像清晰?！?9ch09-CCD光纖編碼器課件909.4光纖傳感器光纖傳感器優(yōu)點：極高的靈敏度和精度，固有的安全性，良好的抗電磁干擾能力，高的絕緣度，耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌等。

光纖傳感器的應(yīng)用范圍非常廣泛，幾乎涉及國民經(jīng)濟的所有重要領(lǐng)域和人們的日常生活。尤其是，它可以安全有效的在惡劣環(huán)境下使用，解決了許多行業(yè)多年來一直存在的技術(shù)難題，具有很大的市場需求。應(yīng)用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測量。9.4光纖傳感器光纖傳感器優(yōu)點：極高的靈敏度和精度，固有91光纖傳感檢測系統(tǒng)：光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測器及解調(diào)器光纖傳感器的基本原理是光源的光經(jīng)入射光纖送入調(diào)制區(qū)，光在調(diào)制區(qū)內(nèi)與外界被測參數(shù)相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)（如強度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化而成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)出射光纖送入光探測器、解調(diào)器而獲得被測參數(shù)。光纖傳感檢測系統(tǒng)：光源、入射光纖、出射光纖、光調(diào)制器、光探測92一、光纖的傳光原理1、光纖結(jié)構(gòu)由纖芯、包層和保護(hù)層組成（石英玻璃5—100um)。核心部分是纖芯和包層，纖芯由高度透明的材料制成。包層的折射率n2略小于纖芯n1。保護(hù)層的作用是保護(hù)光纖不受外界侵蝕和機械擦傷，同時又增加光纖的柔韌，還可以以顏色區(qū)分各種光纖。一、光纖的傳光原理932、傳光原理光的全反射是光纖傳輸光的基礎(chǔ)。（1）光的全反射條件

光由纖芯到包層表面，由光的折射定律可知：

2、傳光原理光由纖芯到包層表面，由光的折射定律可知：94n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故n0≈1n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故n0≈95當(dāng)θr=90°的臨界狀態(tài)時，折射光沿界面方向傳播，此時的入射角為臨界角θcSinθc定義為“數(shù)值孔徑”NA（NumericalAperture）ArcsinNA是一個臨界角，θi>arcsinNA，光線進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失；θi<arcsinNA，光線才可以進(jìn)入光纖被全反射傳播。當(dāng)θr=90°的臨界狀態(tài)時，折射光沿界面方向傳播，此時的入96光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)1.數(shù)值孔徑（NA）2.光纖模式3.傳播損耗光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)1.數(shù)值孔徑（NA）971.數(shù)值孔徑（NA）反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖接收性能。意義：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θc張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。 大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。 但數(shù)值孔徑太大，光信號畸變也越嚴(yán)重。1.數(shù)值孔徑（NA）反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖接收982.光纖模式光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式不同入射角的光線，在界面反射的次數(shù)不同，傳遞的光波間的干涉亦不同，即為傳播模式不同。 在光導(dǎo)纖維中傳播模式很多對信息的傳輸是不利的，導(dǎo)致合成信號的畸變，因此我們希望模式數(shù)量越少越好。

2.光纖模式光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式993.傳播損耗損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響傳播損耗（單位為dB）式中,I——光纖長度；a——單位長度的衰減；I0——光導(dǎo)纖維輸入端光強；I——光導(dǎo)纖維輸出端光強。3.傳播損耗損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲100光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置光受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，?jīng)信號處理系統(tǒng)得到被測量。光源光探測器光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置光101三.光纖傳感器的分類光纖傳感器按功能的不同通?？煞譃楣δ苄停▊鞲行停┖头枪δ苄停▊鞴庑停?。功能型光纖傳感器既傳光又是敏感元件。利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使光的特性（相位、強度、波長、偏振態(tài)）發(fā)生變化，再通過解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)得到被測量。只能使用單模光纖。光強調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型。測溫度、壓力、位移等。三.光纖傳感器的分類102

非功能型光纖傳感器（光通訊）光纖只作為光的傳輸回路。為了得到較大的受光量和傳輸光功率，非功能型光纖傳感器采用NA較大和芯徑較大的階躍型多模光纖。多數(shù)使用多模光纖，以傳輸更多的光量。非功能型光纖傳感器（光通訊）1031.光強調(diào)制光纖傳感器按調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為：1.光強調(diào)制光纖傳感器按調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為：104光源發(fā)出的光經(jīng)入射光纖傳輸?shù)秸{(diào)制器（可動反射調(diào)制器、可動透射調(diào)制器、微彎調(diào)制器等），經(jīng)被測物理量調(diào)制后的光通過出射光纖傳輸?shù)焦怆娊邮掌??？蓜臃瓷湔{(diào)制器中出射光纖能收到多少光強，由入射光纖射出的光斑在反射屏上形成的基圓尺寸決定，基圓尺寸由反射屏到入射光纖的距離決定，距離受待測物理量（如微位移、熱膨脹等）的控制，因此出射光纖收到的光強調(diào)制信號代表了被測物理量的變化。光源發(fā)出的光經(jīng)入射光纖傳輸?shù)秸{(diào)制器（可動反射調(diào)1052.相位調(diào)制將光纖的光分為兩束---干涉現(xiàn)象2.相位調(diào)制將光纖的光分為兩束---干涉現(xiàn)象106光強調(diào)制型光纖溫度傳感器三、光纖傳感器應(yīng)用實例光強調(diào)制型光纖溫度傳感器三、光纖傳感器應(yīng)用實例107光纖圖像傳感器工業(yè)用內(nèi)窺鏡光纖圖像傳感器工業(yè)用內(nèi)窺鏡108例：試計算n1=1.46,n2=1.45的階躍折射率光纖的數(shù)值孔徑值。如果光纖外部介質(zhì)的n0=1,求最大入射角的值。NA=0.17=9.8°例：試計算n1=1.46,n2=1.45的階躍折射率光纖的數(shù)109編碼器是將機械轉(zhuǎn)動的位移（模擬量）轉(zhuǎn)換成數(shù)字式電信號的傳感器。編碼器在角位移測量方面應(yīng)用廣泛，具有高精度、高分辨率、高可靠性的特點。光電式編碼器從結(jié)構(gòu)上可分為碼盤式和脈沖盤式兩種。9.5光電式編碼器9.5光電式編碼器110

碼盤式編碼器（絕對編碼器）碼盤式編碼器主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤（碼盤）、窄縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成。碼盤式編碼器（絕對編碼器）碼盤式編碼器主要由111六位二進(jìn)制碼盤碼盤由光學(xué)玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定編碼規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。六位二進(jìn)制碼盤碼盤由光學(xué)玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每112當(dāng)光源將光投射在碼盤上時，轉(zhuǎn)動碼盤，通過亮區(qū)的光線經(jīng)窄縫后，由光敏元件接收。光敏元件的排列與碼道一一對應(yīng)，對應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號分別為“1”和“0”。當(dāng)碼盤旋至不同位置時，光敏元件輸出信號的