第08章+光電式傳感器+109頁(yè)

1、8.1 光電器件光電器件8.2 光纖傳感器光纖傳感器 第8章 光電式傳感器 8.1 光電器件光電器件 1. 外光電效應(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 （8-1） 式中： h普朗克常數(shù)=6.62610-34(Js) 光的頻率（s-1）。 所以光的波長(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?；谕夤怆娦?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

2、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 02021Amvhv（8-2） 式中：m電子質(zhì)量； v0電子逸出速度。 式（8-2）為愛(ài)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。 2021mv 2. 內(nèi)光電效應(yīng)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

3、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。 8.1.1 光敏電阻光敏電阻 1. 光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻的結(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(méi)有極性，

4、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。 光敏電阻的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，圖8-1（a）為金屬封裝的硫化鎘光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，稱為光導(dǎo)層。半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過(guò)引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響，在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層

5、漆膜，漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大。為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案， 如圖8-1（b）所示。 圖8 - 1（c）為光敏電阻的接線圖。 圖 8-1 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) 光敏電阻接線圖金屬電極半導(dǎo)體玻璃底板電源檢流計(jì)RLEI(a)(b)(c)Ra 2. 光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù) 光敏電阻的主要參數(shù)有： (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

6、之差稱為光電流。 3. 光敏電阻的基本特性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8-2為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。由圖可見(jiàn)，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8-3為硫化鎘光敏電阻的光照特性。 圖 8-2 硫化鎘光敏電阻的伏安特性 403020100I / mA10010001 x500 mW1001 x功率200

7、U / V101 x圖8-3 光敏電阻的光照特性 0.050.100.150.200.250.300.350.4000.20.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4I / mA / lm圖8-4 光敏電阻的光譜特性 Sr / (%) / A2040608010001.53硫化鉛硫化鉈硫化鎘 (3) 光譜特性 光敏電阻對(duì)入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光有不同的靈敏度。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)。圖8-4 為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。 對(duì)應(yīng)于不同波長(zhǎng)，光敏電阻的靈敏度是不同的，而且不同材料的光敏電阻光譜響應(yīng)曲線也不

8、同。從圖中可見(jiàn)硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見(jiàn)光區(qū)域，常被用作光度量測(cè)量（照度計(jì)）的探頭。而硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū)， 常用做火焰探測(cè)器的探頭。 圖8-5 光敏電阻的頻率特性 100806040200101001 00010 000硫化鎘硫化鉛S /( %)f / Hz （4） 頻率特性 實(shí)驗(yàn)證明，光敏電阻的光電流不能隨著光強(qiáng)改變而立刻變化，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時(shí)間常數(shù)表示。 大多數(shù)的光敏電阻時(shí)間常數(shù)都較大， 這是它的缺點(diǎn)之一。 不同材料的光敏電阻具有不同的時(shí)間常數(shù)（毫秒數(shù)量級(jí)）， 因而它們的頻率特性也就各不相同。 圖8-5為硫化鎘和硫化鉛光敏電阻

9、的頻率特性， 相比較，硫化鉛的使用頻率范圍較大。 圖 8-6 硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 1.02.03.04.00204060801002020 / mS / (%) (5) 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8-6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(jiàn)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)

10、、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(kāi)關(guān)式光電信號(hào)的傳感元件。 表表 8-1 幾種光敏電阻的特性參數(shù)幾種光敏電阻的特性參數(shù) 8.1.2 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管 1. 結(jié)構(gòu)原理結(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(jiàn)圖8-7）。 光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)（見(jiàn)圖8-8），在沒(méi)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)

11、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)。 圖 8-7 光敏二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和符號(hào) NP光圖 8-8 光敏二極管接線圖 RLE 光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)PN結(jié)，如圖8-9（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8-9（b）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

12、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倍，所以光敏晶體管有放大作用。 光敏晶體管的光電靈敏度雖然比光敏二極管高得多，但在需要高增益或大電流輸出的場(chǎng)合，需采用達(dá)林頓光敏管。圖8-10是達(dá)林頓光敏管的等效電路，它是一個(gè)光敏晶體管和一個(gè)晶體管以共集電極連接方式構(gòu)成的集成器件。由于增加了一級(jí)電流放大，所以輸出電流能力大大加強(qiáng)，甚至可以不必經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大，便可直接驅(qū)動(dòng)靈敏繼電器。但由于無(wú)光照時(shí)的暗電流也增大，因此適合于開(kāi)關(guān)狀態(tài)或位式信號(hào)的光電變換。 圖 8 - 9 NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和基本電路

13、NPc光Nebbec(a)(b)RLE圖8-10 達(dá)林頓光敏管的等效電路 (a) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型； (b) 基本電路 ce 2. 基本特性基本特性 (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。硅和鍺光敏二（晶體）極管的光譜特性曲線如圖8-11所示。從曲線可以看出，硅的峰值波長(zhǎng)約為0.9m，鍺的峰值波長(zhǎng)約為1.5 m， 此時(shí)靈敏度最大，而當(dāng)入射光的波長(zhǎng)增長(zhǎng)或縮短時(shí)，相對(duì)靈敏度都會(huì)下降。一般來(lái)講， 鍺管的暗電流較大，因此性能較差， 故在可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。但對(duì)紅外光的探測(cè)， 用鍺管較為適宜。 圖 8-11 光敏二極

14、(晶體)管的光譜特性10080604020041028102121021610220102入射光鍺硅 / nmS / (%) (2) 伏安特性 圖8-12（a）為硅光敏二極管的伏安特性，橫坐標(biāo)表示所加的反向偏壓。當(dāng)光照時(shí)，反向電流隨著光照強(qiáng)度的增大而增大， 在不同的照度下，伏安特性曲線幾乎平行，所以只要沒(méi)達(dá)到飽和值，它的輸出實(shí)際上不受偏壓大小的影響。 圖8-12（b）為硅光敏晶體管的伏安特性。 縱坐標(biāo)為光電流， 橫坐標(biāo)為集電極-發(fā)射極電壓。 從圖中可見(jiàn)， 由于晶體管的放大作用， 在同樣照度下， 其光電流比相應(yīng)的二極管大上百倍。 圖 8-12 硅光敏管的伏安特性(a) 硅光敏二極管; (b) 硅

15、光敏晶體管 0.100.080.060.040.02I / mA1200 1x1000 1x800 1x600 1x400 1x200 1x010 2030405010864201020304050500 1x400 1x300 1x200 1x100 1xI / mA反向電壓/ V集電極發(fā)射極電壓/ V(a)(b)圖8-13 光敏晶體管的頻率特性 100806040200110100100 k10 kRL1 kS / (%)f / kHz （3） 頻率特性 光敏管的頻率特性是指光敏管輸出的光電流（或相對(duì)靈敏度）隨頻率變化的關(guān)系。光敏二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光電器件中最好的一種，普通光敏二極管

16、頻率響應(yīng)時(shí)間達(dá)10s。光敏晶體管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，圖8-13為光敏晶體管頻率特性，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)范圍，但輸出電壓響應(yīng)也減小。 圖 8-14 光敏晶體管的溫度特性100255020 30 40 50 60 7010 20 30 40 50 60 70 80100200300400溫度 / 暗電流 / mA光電流 / A溫度 / (a)(b) (4) 溫度特性 光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。光敏晶體管的溫度特性曲線如圖8-14所示。 從特性曲線可以看出，溫度變化對(duì)光電流影響很小(圖(b)，而對(duì)暗電流影響很大(圖(a)， 所以在電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流

17、進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。 表表 8-2 2CU型硅光敏二極管的型硅光敏二極管的基本參數(shù)基本參數(shù) 表表8-3 3DU型硅光敏晶體管型硅光敏晶體管的基本參數(shù)的基本參數(shù) 8.1.3 光電池光電池 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

18、動(dòng)勢(shì)。 圖8-15為硅光電池原理圖。 圖 8-15 硅光電池原理圖 (a) 結(jié)構(gòu)示意圖； (b) 等效電路 A硼擴(kuò)散層SiO2膜P型電極N型硅片PN結(jié)電極AII(a)(b) 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8-16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0.8m附近，硒光電池在0.5m附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為0.41.2m，而硒光電池只能為0.380.75m?？梢?jiàn)，硅光電池可以在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)得到應(yīng)用。 (2) 光照特性# 光電池在不同光照度下

19、， 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8-17為硅光電池的開(kāi)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(kāi)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2000 lx時(shí)就趨于飽和了。因此用光電池作為測(cè)量元件時(shí)， 應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來(lái)使用， 不宜用作電壓源。 圖8-16 硅光電池的光譜特性 0400600800 1000120020406080100 / nmS / %硒硅圖 8-17 硅光電池的光照特性 0.30.20.10光生電流 / mA0.60.40.202 0004 000短路電流開(kāi)路電

20、壓光生電壓 / V照度 / lx （3） 頻率特性 圖8-18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(jiàn)，硅光電池有較好的頻率響應(yīng)。 圖8-18 硅光電池的頻率特性 1500 3000 4500 6000 7500020406080100f / Hz相對(duì)光電流 / (%)硒光電池硅光電池 (4) 溫度特性 光電池的溫度特性是描述光電池的開(kāi)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8-19所示。從圖中看出，開(kāi)路電壓隨溫度升高而下降的速度較

21、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 8-19 硅光電池的溫度特性 2040608010001002003004005002.22.01.8開(kāi)路電壓短路電流溫度 / U / mVI / mA表表8-4 硅光電池硅光電池2CR型特性參數(shù)型特性參數(shù) 表表8-4 硅光電池硅光電池2CR型特性參數(shù)型特性參數(shù) 8.1.4 光電耦合器件光電耦合器件 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。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，它又可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器

22、和用于檢測(cè)有無(wú)物體的光電開(kāi)關(guān)。 1. 光電耦合器光電耦合器 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8-20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。 圖8-20 光電耦合器組合形式 輸入輸出輸入輸出(a)(b) 2. 光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān) 光電開(kāi)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

23、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(kāi)”、 “關(guān)”信號(hào)的器件。 圖8-21為典型的光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)圖。圖(a)是一種透射式的光電開(kāi)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(b)是一種反射式的光電開(kāi)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(méi)有物體時(shí)則接收不到。光電開(kāi)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(kāi)關(guān)檢測(cè)物體時(shí)，大部

24、分只要求其輸出信號(hào)有“高-低” (1-0) 之分即可。 圖8 - 22 是光電開(kāi)關(guān)的基本電路示例。圖（a）、（b）表示負(fù)載為CMOS比較器等高輸入阻抗電路時(shí)的情況，圖（c）表示用晶體管放大光電流的情況。 光電開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作為光控制和光探測(cè)裝置?？稍谧詣?dòng)控制系統(tǒng)中用作物體檢測(cè)， 產(chǎn)品計(jì)數(shù)， 料位檢測(cè)，尺寸控制， 安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等。 圖8-21 光電開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)(a) 透射式； (b) 反射式 發(fā)光元件窗接收元件殼體導(dǎo)線接收元件發(fā)光元件殼體導(dǎo)線(a)(b)反射物圖8-22 光電開(kāi)關(guān)的基本電路 R VccCD4584(a)R Vcc(b)R Vcc(c)S

25、N74148.1.5 電荷耦合器件電荷耦合器件 電荷耦合器件（Charge Couple Device, 縮寫(xiě)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(wèn)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8-23(a)所示

26、。 它以P型（或N型）半導(dǎo)體為襯底，上面覆蓋一層厚度約120 nm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。 圖8-23 MOS電容器（a） MOS電容截面； （b） 勢(shì)阱圖 金屬Ug氧化物SiO2溝阻耗盡區(qū)(勢(shì)阱)襯底少數(shù)載流子PSi勢(shì)阱信號(hào)電荷表面勢(shì)(a)(b) (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

27、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， 如圖8-23(b)所示。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。 CCD的信號(hào)是電

28、荷，那么信號(hào)電荷是怎樣產(chǎn)生的呢？CCD的信號(hào)電荷產(chǎn)生有兩種方式： 光信號(hào)注入和電信號(hào)注入。CCD用作固態(tài)圖像傳感器時(shí)， 接收的是光信號(hào)， 即光信號(hào)注入。圖8-24（a）是背面光注入方法，如果用透明電極也可用正面光注入方法。 當(dāng)CCD器件受光照射時(shí)，在柵極附近的半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其多數(shù)載流子（空穴）被排斥進(jìn)入襯底，而少數(shù)載流子（電子）則被收集在勢(shì)阱中， 形成信號(hào)電荷， 并存儲(chǔ)起來(lái)。 存儲(chǔ)電荷的多少正比于照射的光強(qiáng)，從而可以反映圖像的明暗程度， 實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。所謂電信號(hào)注入，就是CCD通過(guò)輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流進(jìn)行采樣，將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷。圖8-24（b）是用

29、輸入二極管進(jìn)行電注入，該二極管是在輸入柵襯底上擴(kuò)散形成的。當(dāng)輸入柵IG加上寬度為t的正脈沖時(shí)，輸入二極管PN結(jié)的少數(shù)載流子通過(guò)輸入柵下的溝道注入1電極下的勢(shì)阱中，注入電荷量Q=IDt。 8-24 電荷注入方法（a） 背面光注入； （b） 電注入 PSi(a)tIDnIG1231PSiQ IDt(b) CCD最基本的結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷腗OS電容器， 這些電容器用同一半導(dǎo)體襯底制成，襯底上面涂覆一層氧化層， 并在其上制作許多互相絕緣的金屬電極，相鄰電極之間僅隔極小的距離，保證相鄰勢(shì)阱耦合及電荷轉(zhuǎn)移。對(duì)于可移動(dòng)的電荷信號(hào)都將力圖向表面勢(shì)大的位置移動(dòng)。為保證信號(hào)電荷按確定方向和路線轉(zhuǎn)移， 在各

30、電極上所加的電壓嚴(yán)格滿足相位要求， 下面以三相（也有二相和四相）時(shí)鐘脈沖控制方式為例說(shuō)明電荷定向轉(zhuǎn)移的過(guò)程。把MOS光敏元電極分成三組， 在其上面分別施加三個(gè)相位不同的控制電壓1、2、3，見(jiàn)圖8-25（b）， 控制電壓1、2、3的波形見(jiàn)圖8 - 25（a）所示。 圖8-25 三相CCD時(shí)鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系(a) 三相時(shí)鐘脈沖波形； (b) 電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程 123t1t2t3t4(a)ot圖8-25 三相CCD時(shí)鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系(a) 三相時(shí)鐘脈沖波形； (b) 電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程 213123456一級(jí)二級(jí)t t1t t2t t3t t4(b)PSi 當(dāng)t=t1時(shí)，1相處于高電平，2、3相處

31、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)，2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1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2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。 圖8-26是CCD輸出端結(jié)構(gòu)示意圖。它實(shí)際上是在CCD陣列的末端襯底上制作一個(gè)輸出二極管，當(dāng)輸出二極管加上反向偏

32、壓時(shí)，轉(zhuǎn)移到終端的電荷在時(shí)鐘脈沖作用下移向輸出二極管，被二極管的PN結(jié)所收集，在負(fù)載RL上就形成脈沖電流Io。輸出電流的大小與信號(hào)電荷大小成正比，并通過(guò)負(fù)載電阻RL變?yōu)樾盘?hào)電壓Uo輸出。 圖圖8-26 CCD輸出端結(jié)構(gòu)輸出端結(jié)構(gòu) ERLUoIoOG321PSiNSi 2. CCD的應(yīng)用（的應(yīng)用（CCD固態(tài)圖像傳感器）固態(tài)圖像傳感器） 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)

33、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8-27（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

34、的勢(shì)阱中。當(dāng)轉(zhuǎn)移控制柵開(kāi)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(kāi)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8-27 線型CCD圖像傳感器（a） 單行結(jié)構(gòu)； （b） 雙行結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵光敏單元移位寄存器光敏單元輸出輸出(a)(b)移位寄存器1移位寄存器2 圖8-27（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

35、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、 傳真和光學(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

36、轉(zhuǎn)移型和行間轉(zhuǎn)移型， 如圖8 - 28 所示。 圖8-28（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8-28 面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu) (a) 線轉(zhuǎn)移型； (b) 幀轉(zhuǎn)移型； (c) 隔離轉(zhuǎn)移型 感光區(qū)二相驅(qū)動(dòng)二相驅(qū)動(dòng)視頻輸出檢波二極管輸出寄存器輸出移位寄存器輸出光光敏元面陣存儲(chǔ)器面陣輸出移位

37、寄存器輸出垂直轉(zhuǎn)移寄存器光敏單元轉(zhuǎn)移控制柵(a)(b)(c)行掃描發(fā)生器 圖8-28（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(kāi)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8-28（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

38、。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)。 8.1.6 光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器的應(yīng)用 1. 火焰探測(cè)報(bào)警器火焰探測(cè)報(bào)警器 圖8-29是采用以硫化鉛光敏電阻為探測(cè)元件的火焰探測(cè)器電路圖。硫化鉛光敏電阻的暗電阻為1 M, 亮電阻為0.2 M(在光強(qiáng)度0.01 W/m2下測(cè)試)， 峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為2.2 m

39、，硫化鉛光敏電阻處于V1管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為6 V， 電流約為6 A。V1管集電極電阻兩端并聯(lián)68 F的電容，可以抑制100 Hz以上的高頻， 使其成為只有幾十赫茲的窄帶放大器。 V2、V3構(gòu)成二級(jí)負(fù)反饋互補(bǔ)放大器，火焰的閃動(dòng)信號(hào)經(jīng)二級(jí)放大后送給中心控制站進(jìn)行報(bào)警處理。采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長(zhǎng)時(shí)間使用后，器件阻值的變化不至于影響輸出信號(hào)的幅度， 保證火焰報(bào)警器能長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。 圖8-29 火焰探測(cè)報(bào)警器電路圖 120 k120 k220 k68 68 pbs820 k3.9 MV1V21 k32 k125 150 k3.9 MV34.7 n12 V中心站放大器

40、 2. 光電式緯線探測(cè)器光電式緯線探測(cè)器 光電式緯線探測(cè)器是應(yīng)用于噴氣織機(jī)上， 判斷緯線是否斷線的一種探測(cè)器。 圖8-30為光電式緯線探測(cè)器原理電路圖。 當(dāng)緯線在噴氣作用下前進(jìn)時(shí)，紅外發(fā)光管VD發(fā)出的紅外光， 經(jīng)緯線反射，由光電池接收，如光電池接收不到反射信號(hào)時(shí)，說(shuō)明緯線已斷。因此利用光電池的輸出信號(hào)，通過(guò)后續(xù)電路放大、 脈沖整形等， 控制機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)還是關(guān)機(jī)報(bào)警。 由于緯線線徑很細(xì)，又是擺動(dòng)著前進(jìn)，形成光的漫反射，削弱了反射光的強(qiáng)度，而且還伴有背景雜散光，因此要求探緯器具有高的靈敏度和分辨率。為此，紅外發(fā)光管VD采用占空比很小的強(qiáng)電流脈沖供電，這樣既能保證發(fā)光管使用壽命， 又能在瞬間有強(qiáng)光射

41、出，以提高檢測(cè)靈敏度。一般來(lái)說(shuō)，光電池輸出信號(hào)比較小，需經(jīng)放大、脈沖整形，以提高分辨率。 圖8-30 光電式緯線探測(cè)器原理電路圖多諧振蕩器ARfVD發(fā)光發(fā)射接收探頭Uo 3. 燃?xì)馄骶咧械拿}沖點(diǎn)火控制器燃?xì)馄骶咧械拿}沖點(diǎn)火控制器 由于燃?xì)馐且兹?、易爆氣體，所以對(duì)燃?xì)馄骶咧械狞c(diǎn)火控制器的要求是安全、 穩(wěn)定、 可靠。為此電路中有這樣一個(gè)功能， 即打火確認(rèn)針產(chǎn)生火花， 才可以打開(kāi)燃?xì)忾y門；否則燃?xì)忾y門關(guān)閉， 這樣就保證使用燃?xì)馄骶叩陌踩浴?圖8-31為燃?xì)馄骶咧懈邏捍蚧鸫_認(rèn)電路原理圖。在高壓打火時(shí)，火花電壓可達(dá)1萬(wàn)多伏，這個(gè)脈沖高電壓對(duì)電路工作影響極大， 為了使電路正常工作，采用光電耦合器VB進(jìn)行

42、電平隔離， 大大增加了電路抗干擾能力。當(dāng)高壓打火針對(duì)打火確認(rèn)針?lè)烹姇r(shí)，光電耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光， 耦合器中的光敏三極管導(dǎo)通，經(jīng)V1、V2、V3放大，驅(qū)動(dòng)強(qiáng)吸電磁閥，將氣路打開(kāi)， 燃?xì)馀龅交鸹慈紵?。若高壓打火針與打火確認(rèn)針之間不放電， 則光電耦合器不工作，V1等不導(dǎo)通， 燃?xì)忾y門關(guān)閉。 圖8-31 燃?xì)鉄崴鞯母邏捍蚧鸫_認(rèn)原理圖 V2R7R6VDVccR5R4C2R3R2R1C1TVB高壓打火針打火確認(rèn)針V3強(qiáng)吸閥線圈V1 4. CCD圖像傳感器應(yīng)用圖像傳感器應(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

43、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8-32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

44、 MnpD （8-3） 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。 圖8-32 CCD圖像傳感器工件尺寸檢測(cè)系統(tǒng) 視頻處理器控制器微機(jī)CCDD被測(cè)物體成像透鏡8.2 光光 纖纖 傳傳 感感 器器 光纖傳感器是20世紀(jì)70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

45、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。 8.2.1 光纖結(jié)構(gòu)及其傳光原理光纖結(jié)構(gòu)及其傳光原理 1. 光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)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8-33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。 圖8-33 光纖的基本結(jié)構(gòu)纖芯 n1

46、包層 n2保護(hù)層 2. 光纖傳光原理光纖傳光原理 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i角時(shí)，在端面發(fā)生折射進(jìn)入光纖后, 又以i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i小于臨界入射角c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8-34 光纖的傳光原理2ci

47、in0n2n1纖芯包層根據(jù)斯涅耳（Snell）光的折射定律，由圖8-34可得 sinsinsinsin2110nnnnii（8-4） （8-5） 式中，n0為光纖外界介質(zhì)的折射率。 若要在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射， 則界面上的光線臨界折射角c=90，即 c=90。 而 212122111sin1sin1cos2sinsinnnnnnnniii當(dāng)=c=90時(shí)，有 22211sinnnn(8-7) (8-6) 所以，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i應(yīng)滿足 222101arcsinnnnci一般光纖所處環(huán)境為空氣，則n0=1，這樣式（8-8）可表示為 2221arcsin

48、nnci 實(shí)際工作時(shí)需要光纖彎曲，但只要滿足全反射條件，光線仍然繼續(xù)前進(jìn)。可見(jiàn)這里的光線“轉(zhuǎn)彎”實(shí)際上是由光的全反射所形成的。 （8-8）（8-9）8.2.2 光纖基本特性光纖基本特性 1. 數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑（NA） 數(shù)值孔徑（NA）定義為 222101sinnnnNAc（8-10） 數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領(lǐng)的一個(gè)重要參數(shù)，即反映光纖接收光量的多少。其意義是：無(wú)論光源發(fā)射功率有多大，只有入射角處于2c的光椎角內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。如入射角過(guò)大， 光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。光纖的NA越大，表明它的集光能力越強(qiáng)，一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于提高耦合效率； 但數(shù)值孔徑過(guò)大，會(huì)造成光信號(hào)畸變。所

49、以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值，如石英光纖數(shù)值孔徑一般為0.20.4。 2. 光纖模式光纖模式 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。在光纖中傳播模式很多不利于光信號(hào)的傳播，因?yàn)橥环N光信號(hào)采取很多模式傳播將使一部分光信號(hào)分為多個(gè)不同時(shí)間到達(dá)接收端的小信號(hào)，從而導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變，因此希望光纖信號(hào)模式數(shù)量要少。 一般纖芯直徑為212m，只能傳輸一種模式稱為單模光纖。這類光纖的傳輸性能好，信號(hào)畸變小，信息容量大，線性好， 靈敏度高， 但由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困難。 纖

50、芯直徑較大（50100m），傳輸模式較多稱為多模光纖。 這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，故容易制造，連接和耦合比較方便。 3. 光纖傳輸損耗光纖傳輸損耗 光纖傳輸損耗主要來(lái)源于材料吸收損耗、 散射損耗和光波導(dǎo)彎曲損耗。 目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復(fù)合材料等。 在這些材料中，由于存在雜質(zhì)離子、原子的缺陷等都會(huì)吸收光，從而造成材料吸收損耗。 散射損耗主要是由于材料密度及濃度不均勻引起的，這種散射與波長(zhǎng)的四次方成反比。因此散射隨著波長(zhǎng)的縮短而迅速增大。 所以可見(jiàn)光波段并不是光纖傳輸?shù)淖罴巡ǘ?，在近紅外波段（11.7m）有最小的傳輸損耗。因此長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖已成

51、為目前發(fā)展的方向。 光纖拉制時(shí)粗細(xì)不均勻，造成纖維尺寸沿軸線變化， 同樣會(huì)引起光的散射損耗。另外纖芯和包層界面的不光滑、污染等，也會(huì)造成嚴(yán)重的散射損耗。 光波導(dǎo)彎曲損耗是使用過(guò)程中可能產(chǎn)生的一種損耗。光波導(dǎo)彎曲會(huì)引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換，激發(fā)高階模進(jìn)入包層產(chǎn)生損耗。 當(dāng)彎曲半徑大于10cm時(shí)，損耗可忽略不計(jì)。 8.2.3 光纖傳感器光纖傳感器 1. 光纖傳感器的工作原理及組成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（Functional Fiber， 縮寫(xiě)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 Functional Fiber， 縮寫(xiě)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