光電式傳感器的工作原理

第7章光電式傳感器

將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為光電傳感器或光電元件。光電式傳感器的工作原理是：首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光光源光電電光通路光電器件信號(hào)處理被測(cè)量被測(cè)量輸出圖7-1光電式傳感器的組成原理光的基本性質(zhì)牛頓——微粒說(shuō)根據(jù)光直線傳播現(xiàn)象，對(duì)反射和折射做了解釋不能解釋較為復(fù)雜的光現(xiàn)象：干涉、衍射和偏振波動(dòng)理論惠更斯、楊氏和費(fèi)涅耳等解釋光的干涉和衍射現(xiàn)象麥克斯韋電磁理論：光是一種電磁波光量子說(shuō)1900年普朗克在研究黑體輻射時(shí)，提出輻射的量子論1905年，愛因斯坦在解釋光電發(fā)射現(xiàn)象時(shí)提出光量子的概念光子的能量與光的頻率成正比光具有波粒二象性7.1光電效應(yīng)光照射到物體表面上使物體發(fā)射電子、或?qū)щ娐拾l(fā)生變化、或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)等，這種因光照而引起物體電學(xué)特性發(fā)生改變統(tǒng)稱為光電效應(yīng)光電效應(yīng)包括外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)

一束光是由一束以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。光子具有能量，每個(gè)光子具有的能量由下式確定：E=h·v

式中：h——普朗克常數(shù)=6.626×10-34(J·s)

υ——光的頻率（s-1或Hz）。

光的波長(zhǎng)越短，即頻率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其光子的能量也就越小。在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光照射物體，可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能量超過(guò)逸出功A0時(shí)，電子就會(huì)逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射，超過(guò)部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。根據(jù)能量守恒定理E=h·v式中：m——電子質(zhì)量；

v0——電子逸出速度。

該式為愛因斯坦光電效應(yīng)方程式,由式可知：光子能量必須超過(guò)逸出功A0，才能產(chǎn)生光電子；入射光的頻譜成分不變，產(chǎn)生的光電子與光強(qiáng)成正比；光電子逸出物體表面時(shí)具有初始動(dòng)能，因此對(duì)于外光電效應(yīng)器件，即使不加初始陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生，為使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓。根據(jù)能量守恒定理一般地說(shuō)，原子內(nèi)部各個(gè)電子既繞著原子核做軌道運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又做自旋運(yùn)動(dòng)，就像地球既繞著太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，同時(shí)又自轉(zhuǎn)那樣。但是，原子內(nèi)部的電子可以通過(guò)與外界交換能量而從一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變?yōu)榱硪环N運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)于每一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)說(shuō)，原子具有確定的內(nèi)部能量值，對(duì)應(yīng)為一個(gè)能級(jí)。同一種元素的原子，能級(jí)的情況是相同的。習(xí)慣將能量值大的能級(jí)稱為高能級(jí)，能量值小的能級(jí)稱為低能級(jí)，原子的最低能級(jí)稱為基態(tài)。處于高能級(jí)E2的原子是不穩(wěn)定的，即使沒有外界作用，也將自發(fā)地躍遷到低能級(jí)E1，發(fā)射一個(gè)頻率為υ能量為hυ＝E2－El的光子，如下圖所示。大量處于高能級(jí)的原子，它們各自獨(dú)立地發(fā)射一列列頻率相同的光波。處于低能級(jí)E1的原子受到能量為hυ＝E2－El的光子作用時(shí)，吸收這一光子而躍遷到高能級(jí)E2的過(guò)程。E2E1E2E1自發(fā)輻射光hυ＝E2－ElE2E1E2E1入射光hυ＝E2－El原子吸收入射光子并躍遷到高能級(jí)處于高能級(jí)E2的原子，受能量為hυ＝E2－El的外來(lái)光子作用而躍遷到低能級(jí)E1，并發(fā)射一個(gè)與外來(lái)一樣的光子。受激輻射的光與入射光具有相同的頻率、位相、偏振方向和傳播方向。E2E1E2E1入射光hυ＝E2－El受激輻射光hυ＝E2－El入射光hυ＝E2－El內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類：

1.光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，對(duì)于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。

2.光生伏特效應(yīng)在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池。7.2外光電效應(yīng)器件

基于外光電效應(yīng)工作原理制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。光電管光電管的典型結(jié)構(gòu)是將球形玻璃殼抽成真空，在內(nèi)半球面上涂一層光電材料作為陰極，球心放置小球形或小環(huán)形金屬作為陽(yáng)極。

光電管的工作原理當(dāng)適當(dāng)波長(zhǎng)的入射光線穿過(guò)光窗照到光陰極上時(shí)，由于外光電效應(yīng)，光電子就從極層內(nèi)發(fā)射至真空。在外電場(chǎng)的作用下，光電子在極間作加速運(yùn)動(dòng)，最后被高電位的陽(yáng)極接收，在陽(yáng)極電路內(nèi)就可測(cè)出光電流，其大小取決于光照強(qiáng)度和光陰極的靈敏度等因素。光電倍增管光電倍增管的結(jié)構(gòu)：光電倍增管由光陰極、次陰極(也叫倍增電極，俗稱打拿極)以及陽(yáng)極三部分組成，如圖所示。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成，倍增極是在鎳或銅—鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，倍增極通常為9級(jí)～14級(jí)。陽(yáng)極是最后用來(lái)收集電子的，它輸出的是電流脈沖。光電倍增管的工作原理：光電倍增管有兩種高壓偏置方式：一種是陰極接地，陽(yáng)極接一個(gè)高的正電壓；另一種是陽(yáng)極經(jīng)過(guò)一個(gè)適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻接地，而使陰極具有一個(gè)高的負(fù)電壓。通常采用陽(yáng)極接地的方法，如圖7-7所示，其優(yōu)點(diǎn)在于可直接將陽(yáng)極連至一個(gè)直流放大測(cè)量系統(tǒng)或光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)。光電倍增管的倍增系數(shù)與工作電壓的關(guān)系是光電倍增管的重要特性。隨著工作電壓的增加，倍增系數(shù)N相應(yīng)增加，其輸出電流也相應(yīng)增加。

光敏電阻

1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻又稱光導(dǎo)管，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級(jí)，亮電阻值在幾千歐以下。7.3內(nèi)光電效應(yīng)器件光敏電阻結(jié)構(gòu)(a)光敏電阻結(jié)構(gòu)；(b)光敏電阻電極；(c)光敏電阻接線圖為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案。2.光敏電阻的主要參數(shù)

(1)暗電阻光敏電阻在不受光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為暗電流。

(2)亮電流光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為亮電流。

(3)光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。3.光敏電阻的基本特性

(1)伏安特性在一定照度下，流過(guò)光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。圖7-10為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。由圖可見，光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其I-U曲線為直線。說(shuō)明其阻值與入射光量有關(guān)，而與電壓電流無(wú)關(guān)。（2）光照特性光敏電阻的光照特性是描述光電流I和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系，不同材料的光照特性是不同的，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性是非線性的。圖7-11為硫化鎘光敏電阻的光照特性。圖7-10硫化鎘光敏電阻的伏安特性單位面積所接受的入射光的量，單位：勒克斯［lx］，相當(dāng)于1平方米面積上接受到1個(gè)流明的光通量。圖7-11光敏電阻的光照特性圖7-12光敏電阻的光譜特性光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。(3)光譜特性圖7-13硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性(4)溫度特性光敏電阻和其它半導(dǎo)體器件一樣，受溫度影響較大。溫度變化時(shí)，影響光敏電阻的光譜響應(yīng)，同時(shí)光敏電阻的靈敏度和暗電阻也隨之改變，尤其是響應(yīng)于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。圖7-13為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線，它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。因此，硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對(duì)于可見光的光敏電阻，其溫度影響要小一些。光敏電阻具有光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用廣泛。此外許多光敏電阻對(duì)紅外線敏感，適宜于紅外線光譜區(qū)工作。光敏電阻的缺點(diǎn)是型號(hào)相同的光敏電阻參數(shù)參差不齊，并且由于光照特性的非線性，不適宜于測(cè)量要求線性的場(chǎng)合，常用作開關(guān)式光電信號(hào)的傳感元件。光敏二極管和光敏三極管

1.結(jié)構(gòu)原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射（見圖7-14）。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)，它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此光敏二極管在不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)PN結(jié)，如圖7-15（a）所示，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積。光敏晶體管接線如圖7-9(c)、(d)所示，大多數(shù)光敏晶體管的基極無(wú)引出線，當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓，當(dāng)光照射在集電結(jié)時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會(huì)有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍，所以光敏晶體管有放大作用。圖7-15NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和基本電路圖7-16光敏二極(晶體)管的光譜特性2.基本特性

(1)光譜特性光敏管的光譜特性是指在一定照度時(shí)，輸出的光電流（或用相對(duì)靈敏度表示）與入射光波長(zhǎng)的關(guān)系。(a)硅光敏二極管;(b)硅光敏晶體管(2)伏安特性光電池光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池在有光線作用時(shí)實(shí)質(zhì)就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面，例如P型面時(shí)，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴，電子-空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場(chǎng)的作用下，最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。圖7-18為硅光電池原理圖。圖7-18硅光電池原理圖

光電池基本特性有以下幾種：

(1)光譜特性光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光的靈敏度是不同的。圖7-20為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從圖中可知，不同材料的光電池，光譜響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)是不同的，硅光電池波長(zhǎng)在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為0.4~1.2μm，而硒光電池只能為0.38~0.75μm?？梢姡韫怆姵乜梢栽诤軐挼牟ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)得到應(yīng)用。圖7-16硅光電池的光譜特性(2)光電特性光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。圖7-21為硅光電池的開路電壓和短路電流與光照的關(guān)系曲線。從圖中看出，短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度呈線性關(guān)系，開路電壓（即負(fù)載電阻RL無(wú)限大時(shí)）與光照度的關(guān)系是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)就趨于飽和了。因此檢測(cè)連續(xù)變化的光照度時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量減小負(fù)載電阻，使光電池在接近短路的狀態(tài)工作，也就是把光電池作為電流源來(lái)使用，在光信號(hào)斷續(xù)變化的場(chǎng)合，也可以把光電池作為電壓源使用。圖7-21硅光電池的光照特性(3)溫度特性光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。光電池的溫度特性如圖7-22所示。從圖中看出，開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對(duì)光電池的工作有很大影響，因此把它作為測(cè)量元件使用時(shí)，最好能保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。圖7-22硅光電池的溫度特性

（4）頻率特性圖7-23分別給出硅光電池和硒光電池的頻率特性，橫坐標(biāo)表示光的調(diào)制頻率。由圖可見，硅光電池有較好的頻率響應(yīng)。

圖7-23硅光電池的頻率特性7.4光電式傳感器的應(yīng)用光電耦合器光電耦合器件是由發(fā)光元件(如發(fā)光二極管)和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號(hào)的光電器件。光電耦合器的發(fā)光元件和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。發(fā)光器件通常采用砷化鎵發(fā)光二極管，其管芯由一個(gè)PN結(jié)組成，隨著正向電壓的增大，正向電流增加，發(fā)光二極管產(chǎn)生的光通量也增加。光電接收元件可以是光敏二極管和光敏三極管，也可以是達(dá)林頓光敏管。圖7-24光電耦合器組合形式圖7-24為光敏三極管和達(dá)林頓光敏管輸出型的光電耦合器。為了保證光電耦合器有較高的靈敏度，應(yīng)使發(fā)光元件和接收元件的波長(zhǎng)匹配。2.光電開關(guān)光電開關(guān)是一種利用感光元件對(duì)變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、“關(guān)”信號(hào)的器件。圖7-25是一種透射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過(guò)它們之間時(shí)，會(huì)阻斷光路，使接收元件接收不到來(lái)自發(fā)光元件的光，這樣就起到了檢測(cè)作用。圖7-26是一種反射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點(diǎn)一般即為待測(cè)物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過(guò)時(shí)，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時(shí)則接收不到。光電開關(guān)的特點(diǎn)是小型、高速、非接觸，而且與TTL、MOS等電路容易結(jié)合。

用光電開關(guān)檢測(cè)物體時(shí)，大部分只要求其輸出信號(hào)有“高-低”之分即可。下圖是光電開關(guān)的基本電路示例。光電開關(guān)的基本電路光電式傳感器的應(yīng)用設(shè)計(jì)實(shí)例聲光控延時(shí)開關(guān)聲光控延時(shí)開關(guān)是集聲學(xué)、光學(xué)和延時(shí)技術(shù)為一體組成的自動(dòng)照明開關(guān)，廣泛用于樓道、建筑走廊、洗漱室、廁所、廠房、庭院等公共場(chǎng)所，是現(xiàn)代極理想的新穎綠色照明開關(guān)，并延長(zhǎng)燈泡使用壽命。實(shí)現(xiàn)了“人來(lái)燈亮，人去燈熄”，杜絕了長(zhǎng)明燈，免去了在黑暗中尋找開關(guān)的麻煩，尤其是上下樓道帶來(lái)不便。圖7-31為聲光控延時(shí)開關(guān)的電路原理圖—分析電路原理該電路的聲敏元件是駐極體話筒，若聲敏元件采用壓電式器件，則只需將電阻斷開即可。該電路通過(guò)修改可以用于路燈自動(dòng)控制，在白天，由于光敏電阻的作用使得路燈（負(fù)載RL）不亮，而到了晚上，光敏電阻的阻值很大，路燈被點(diǎn)亮，由于有延時(shí)電路和，即使晚上有強(qiáng)烈的閃電，路燈也不會(huì)熄滅。該電路的具體修改方法是去除聲控電路，即把的2腳與三極管的集電極斷開，將1、2腳短接。同理，該電路還可以改為聲控延時(shí)開關(guān)。

7.5圖像傳感器電荷耦合器件電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice,縮寫為CCD）是一種大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路光電器件。它以電荷為信號(hào)，具有光電信號(hào)轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)移并讀出信號(hào)電荷的功能。CCD自1970年問世以來(lái)，由于其獨(dú)特的性能而發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于航天、遙感、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、天文及通訊等軍用及民用領(lǐng)域信息存儲(chǔ)及信息處理等方面，尤其適用以上領(lǐng)域中的圖像識(shí)別技術(shù)。1.CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理（1）結(jié)構(gòu)CCD是由若干個(gè)電荷耦合單元組成的。其基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）電容器，如7-32所示。它以P型（或N型）半導(dǎo)體為襯底，上面覆蓋一層厚度約120nm的SiO2，再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極而構(gòu)成MOS電容轉(zhuǎn)移器件。這樣一個(gè)MOS結(jié)構(gòu)稱為一個(gè)光敏元或一個(gè)像素。將MOS陣列加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了CCD器件。(2)工作原理構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器。與其它電容器一樣，MOS電容器能夠存儲(chǔ)電荷。如果MOS電容器中的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)正電壓Ug時(shí)，P型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受到排斥，半導(dǎo)體內(nèi)的少數(shù)載流子（電子）吸引到P-Si界面處來(lái)，從而在界面附近形成一個(gè)帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)，也稱表面勢(shì)阱。對(duì)帶負(fù)電的電子來(lái)說(shuō)，耗盡區(qū)是個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域。如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生了電子-空穴對(duì)，由此產(chǎn)生的光生電子就被附近的勢(shì)阱所吸收，勢(shì)阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比，存儲(chǔ)了電荷的勢(shì)阱被稱為電荷包，而同時(shí)產(chǎn)生的空穴被排斥出耗盡區(qū)。并且在一定的條件下，所加正電壓Ug越大，耗盡層就越深，Si表面吸收少數(shù)載流子表面勢(shì)(半導(dǎo)體表面對(duì)于襯底的電勢(shì)差)也越大，這時(shí)勢(shì)阱所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。2.CCD電荷的轉(zhuǎn)移CCD器件基本結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷腗OS光敏元，這些光敏元使用同一半導(dǎo)體襯底，氧化層均勻、連續(xù)，相鄰金屬電極間隔極小且相互絕緣，很好地保證了相鄰勢(shì)阱的耦合以及電荷的轉(zhuǎn)移。任何可移動(dòng)的電荷都將力圖向表面勢(shì)大的位置移動(dòng)。為了保證信號(hào)電荷按確定的方向和路線轉(zhuǎn)移，在MOS光敏元陣列上所加的各路電壓脈沖要求嚴(yán)格滿足相位要求。實(shí)現(xiàn)電荷有控制的定向轉(zhuǎn)移，有二相、三相等多種轉(zhuǎn)移控制方式。所謂三相控制，將MOS光敏電極分成三組，其結(jié)構(gòu)如圖7-33所示。

在同一線陣列的每三個(gè)MOS光敏電極分成三組，在其電極上面分別給以相位依次相差的時(shí)鐘脈沖控制電壓

當(dāng)t=t1時(shí)，Φ1相處于高電平，Φ2、Φ3相處于低電平，在電極1、4下面出現(xiàn)勢(shì)阱，存儲(chǔ)了電荷。在t=t2時(shí)，Φ2相也處于高電平，電極2、5下面出現(xiàn)勢(shì)阱。由于相鄰電極之間的間隙很小，電極1、2及4、5下面的勢(shì)阱互相耦合，使電極1、4下的電荷向電極2、5下面勢(shì)阱轉(zhuǎn)移。隨著Φ1電壓下降，電極1、4下的勢(shì)阱相應(yīng)變淺。在t=t3時(shí)，有更多的電荷轉(zhuǎn)移到電極2、5下勢(shì)阱內(nèi)。在t=t4時(shí)，只有Φ2處于高電平，信號(hào)電荷全部轉(zhuǎn)移到電極2、5下面的勢(shì)阱內(nèi)。隨著控制脈沖的變化，信號(hào)電荷便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到終端，實(shí)現(xiàn)了電荷的耦合與轉(zhuǎn)移。CCD輸出端結(jié)構(gòu)3.CCD圖像傳感器的分類電荷耦合器件用于固態(tài)圖像傳感器中，作為攝像或像敏的器件。

CCD固態(tài)圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。感光部分是指在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的由若干光敏單元組成的陣列元件，光敏單元簡(jiǎn)稱“像素”。固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號(hào)“圖像”，即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成正比的、大小不等的電荷包空間分布，然后利用移位寄存器的移位功能將電信號(hào)“圖像”傳送，經(jīng)輸出放大器輸出。

根據(jù)光敏元件排列形式的不同，CCD固態(tài)圖像傳感器可分為線型和面型兩種。（1）線型CCD圖像傳感器線型CCD圖像傳感器是由一列MOS光敏單元和一列CCD移位寄存器構(gòu)成的，光敏單元與移位寄存器之間有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵，基本結(jié)構(gòu)如圖7-35(a)所示。轉(zhuǎn)移控制柵控制光電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移，一般使信號(hào)轉(zhuǎn)移時(shí)間遠(yuǎn)小于光積分時(shí)間。在光積分周期里，各個(gè)光敏元中所積累的光電荷與該光敏元上所接收的光照強(qiáng)度和光積分時(shí)間成正比，光電荷存儲(chǔ)于光敏單元的勢(shì)阱中。當(dāng)轉(zhuǎn)移控制柵開啟時(shí)，各光敏單元收集的信號(hào)電荷并行地轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器的相應(yīng)單元。當(dāng)轉(zhuǎn)移控制柵關(guān)閉時(shí)，MOS光敏元陣列又開始下一行的光電荷積累。同時(shí)，在移位寄存器上施加時(shí)鐘脈沖，將已轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器內(nèi)的上一行的信號(hào)電荷由移位寄存器串行輸出，如此重復(fù)上述過(guò)程。圖7-35線型CCD圖像傳感器（a）單行結(jié)構(gòu)；（b）雙行結(jié)構(gòu)

圖7-35（b）為CCD的雙行結(jié)構(gòu)圖。光敏元中的信號(hào)電荷分別轉(zhuǎn)移到上下方的移位寄存器中，然后在時(shí)鐘脈沖的作用下向終端移動(dòng)，在輸出端交替合并輸出。這種結(jié)構(gòu)與長(zhǎng)度相同的單行結(jié)構(gòu)相比較，可以獲得高出兩倍的分辨率；同時(shí)由于轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，使CCD電荷轉(zhuǎn)移損失大為減少；雙行結(jié)構(gòu)在獲得相同效果情況下，又可縮短器件尺寸。由于這些優(yōu)點(diǎn)，雙行結(jié)構(gòu)已發(fā)展成為線型CCD圖像傳感器的主要結(jié)構(gòu)形式。線型CCD圖像傳感器可以直接接收一維光信息，不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號(hào)輸出，為了得到整個(gè)二維圖像的視頻信號(hào)，就必須用掃描的方法。線型CCD圖像傳感器主要用于測(cè)試、和光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)等方面。(2)面型CCD圖像傳感器按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構(gòu)成面型CCD圖像傳感器。面型CCD圖像傳感器有三種基本類型：線轉(zhuǎn)移型、幀轉(zhuǎn)移型和行間轉(zhuǎn)移型，如圖7-36所示。

圖7-36（a）為線轉(zhuǎn)移面型CCD的結(jié)構(gòu)圖。它由行掃描發(fā)生器、感光區(qū)和輸出寄存器等組成。行掃描發(fā)生器將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，驅(qū)動(dòng)脈沖將信號(hào)電荷一位位地按箭頭方向轉(zhuǎn)移，并移入輸出寄存器，輸出寄存器亦在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下使信號(hào)電荷經(jīng)輸出端輸出。這種轉(zhuǎn)移方式具有有效光敏面積大，轉(zhuǎn)移速度快，轉(zhuǎn)移效率高等特點(diǎn)，但電路比較復(fù)雜，易引起圖像模糊。

圖7-36（b）為幀轉(zhuǎn)移面型CCD的結(jié)構(gòu)圖。它由光敏元面陣（感光區(qū)）、存儲(chǔ)器面陣和輸出移位寄存器三部分構(gòu)成。圖像成像到光敏元面陣，當(dāng)光敏元的某一相電極加有適當(dāng)?shù)钠珘簳r(shí)，光生電荷將收集到這些光敏元的勢(shì)阱里，光學(xué)圖像變成電荷包圖像。當(dāng)光積分周期結(jié)束時(shí)，信號(hào)電荷迅速轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器面陣，經(jīng)輸出端輸出一幀信息。當(dāng)整幀視頻信號(hào)自存儲(chǔ)器面陣移出后，就開始下一幀信號(hào)的形成。這種面型CCD的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光敏單元密度高，但增加了存儲(chǔ)區(qū)。

圖7-36（c）所示結(jié)構(gòu)是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。它將光敏單元與垂直轉(zhuǎn)移寄存器交替排列。在光積分期間，光生電荷存儲(chǔ)在感光區(qū)光敏單元的勢(shì)阱里；當(dāng)光積分時(shí)間結(jié)束，轉(zhuǎn)移柵的電位由低變高，信號(hào)電荷進(jìn)入垂直轉(zhuǎn)移寄存器中。隨后，一次一行地移動(dòng)到輸出移位寄存器中，然后移位到輸出器件，在輸出端得到與光學(xué)圖像對(duì)應(yīng)的一行行視頻信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)的感光單元面積減小，圖像清晰，但單元設(shè)計(jì)復(fù)雜。面型CCD圖像傳感器主要用于攝像機(jī)及測(cè)試技術(shù)。圖像傳感器的應(yīng)用

CCD圖像傳感器在許多領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用。前面介紹的電荷耦合器件(CCD)具有將光像轉(zhuǎn)換為電荷分布，以及電荷的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移等功能，所以它是構(gòu)成CCD固態(tài)圖像傳感器的主要光敏器件，取代了攝像裝置中的光學(xué)掃描系統(tǒng)或電子束掃描系統(tǒng)。

CCD圖像傳感器具有高分辨率和高靈敏度，具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，這些特點(diǎn)決定了它可以廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測(cè)量，尤其適用于圖像識(shí)別技術(shù)。CCD圖像傳感器在檢測(cè)物體的位置、工件尺寸的精確測(cè)量及工件缺陷的檢測(cè)方面有獨(dú)到之處。下面是一個(gè)利用CCD圖像傳感器進(jìn)行工件尺寸檢測(cè)的例子。

圖為應(yīng)用線型CCD圖像傳感器測(cè)量物體尺寸系統(tǒng)。物體成像聚焦在圖像傳感器的光敏面上，視頻處理器對(duì)輸出的視頻信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理，整個(gè)過(guò)程由微機(jī)控制完成。根據(jù)光學(xué)幾何原理，可以推導(dǎo)被測(cè)物體尺寸的計(jì)算公式，即式中：n——覆蓋的光敏像素?cái)?shù)；p——像素間距；M——倍率。

微機(jī)可對(duì)多次測(cè)量求平均值，精確得到被測(cè)物體的尺寸。任何能夠用光學(xué)成像的零件都可以用這種方法，實(shí)現(xiàn)不接觸的在線自動(dòng)檢測(cè)的目的。CCD圖像傳感器工件尺寸檢測(cè)系統(tǒng)7.6光纖與光纖傳感器

光纖傳感器(FiberOpticalSensor，F(xiàn)OS)是1970年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)，它是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。光纖傳感器和傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一定的優(yōu)點(diǎn)，如不受電磁干擾，體積小，重量輕，可繞曲，靈敏度高，耐腐蝕，高絕緣強(qiáng)度，防爆性好，集傳感與傳輸于一體，能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等。光纖傳感器能用于溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和PH值等70多個(gè)物理量的測(cè)量，在自動(dòng)控制、在線檢測(cè)、故障診斷、安全報(bào)警等方面具有極為廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。

光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱光纖，它是一種特殊結(jié)構(gòu)的光學(xué)纖維，結(jié)構(gòu)如圖7-37所示。中心的圓柱體叫纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫包層。纖芯和包層通常由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2，光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)。在包層外面還常有一層保護(hù)套，多為尼龍材料，以增加機(jī)械強(qiáng)度。光導(dǎo)纖維

1.光纖結(jié)構(gòu)圖7-37光纖的基本結(jié)構(gòu)2光纖的分類1）.按傳輸模式分類光纖模式是指光波傳播的途徑和方式。對(duì)于不同入射角度的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強(qiáng)度分布也是不同的，這就是傳播模式不同。光纖按其傳輸模式分為單模光纖和多模光纖。2）.按折射率的變化分類光纖按折射率的變化可分為階躍型光纖和漸變型(梯度型)光纖。3）.按構(gòu)成光纖的材料分類從構(gòu)成光纖的材料看，有石英玻璃光纖和塑料光纖兩大類，從性能和可靠性考慮，當(dāng)前大都采用玻璃光纖。3.光纖傳光原理眾所周知，光在空間是直線傳播的。在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨著光纖能傳送很遠(yuǎn)的距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。設(shè)有一段圓柱形光纖，如圖8-34所示，它的兩個(gè)端面均為光滑的平面。當(dāng)光線射入一個(gè)端面并與圓柱的軸線成θi角時(shí)，在端面發(fā)生折射進(jìn)入光纖后,又以φi角入射至纖芯與包層的界面，光線有一部分透射到包層，一部分反射回纖芯。但當(dāng)入射角θi小于臨界入射角θc時(shí)，光線就不會(huì)透射界面，而全部被反射，光在纖芯和包層的界面上反復(fù)逐次全反射，呈鋸齒波形狀在纖芯內(nèi)向前傳播，最后從光纖的另一端面射出，這就是光纖的傳光原理。圖7-34光纖的傳光原理臨界入射角θc入射角θi為滿足光在光纖內(nèi)的全內(nèi)反射，光入射到光纖端面的入射角θi應(yīng)滿足

光纖傳感器與以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器相比較，在測(cè)量原理上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機(jī)—電測(cè)量為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以光學(xué)測(cè)量為基礎(chǔ)。光是一種電磁波，其波長(zhǎng)從極遠(yuǎn)紅外的lmm到極遠(yuǎn)紫外線的10nm。它的物理作用和生物化學(xué)作用主要因其中的電場(chǎng)而引起。因此，討論光的敏感測(cè)量必須考慮光的電矢量E的振動(dòng)，即A——電場(chǎng)E的振幅矢量；ω——光波的振動(dòng)頻率；φ——光相位；t——光的傳播時(shí)間。可見，只要使光的強(qiáng)度、偏振態(tài)(矢量A的方向)、頻率和相位等參量之一隨被測(cè)量狀態(tài)的變化而變化，或受被測(cè)量調(diào)制，那么，通過(guò)對(duì)光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，獲得所需要的被測(cè)量的信息。

光纖傳感器組成原理以及分類

1.光纖傳感器的工作原理及組成

光纖傳感器原理實(shí)際上是研究光在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界信號(hào)（溫度、壓力、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、電場(chǎng)等）與光的相互作用，即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理。外界信號(hào)可能引起光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等光學(xué)性質(zhì)的變化，從而形成不同的調(diào)制。光纖傳感器一般分為兩大類：一類是利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的傳感器，稱為功能型（FunctionalFiber，縮寫為FF）傳感器，又稱為傳感型傳感器；另一類是光纖僅僅起傳輸光的作用，它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受被測(cè)量的變化，這類傳感器稱為非功能型（Non-FunctionalFiber，縮寫為NFF）傳感器，又稱為傳光型傳感器。

在用途上，非功能型傳感器要多于功能型傳感器，而且非功能型傳感器的制作和應(yīng)用也比較容易，所以目前非功能型傳感器品種較多。功能型傳感器的構(gòu)思和原理往往比較巧妙，可解決一些特別辣手的問題。但無(wú)論哪一種傳感器，最終都利用光探測(cè)器將光纖的輸出變?yōu)殡娦盘?hào)。光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖的）、光探測(cè)器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖等組成，如圖7-35所示。由光源發(fā)出的光通過(guò)源光纖引到敏感元件，被測(cè)參數(shù)作用于敏感元件，在光的調(diào)制區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)接收光纖耦合到光探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后經(jīng)信號(hào)處理得到所需要的被測(cè)量。圖7-35光纖傳感器組成示意圖（a）傳感型；（b）傳光型傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類干涉型相位調(diào)制光線傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓角速度振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非

干

涉

型

強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)制光纖溫度傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓、溫度振