新型光電傳感器

1、 新型固態(tài)光電器件新型固態(tài)光電器件 9.1.1 普通光敏器件陣列普通光敏器件陣列（1）象限探測器）象限探測器當(dāng)被測體位置發(fā)生變化時，來自目標(biāo)的輻射量使象限間產(chǎn)生差異，這當(dāng)被測體位置發(fā)生變化時，來自目標(biāo)的輻射量使象限間產(chǎn)生差異，這種差異會引起象限間信號輸出變化，從而確定目標(biāo)方位，同時可起制種差異會引起象限間信號輸出變化，從而確定目標(biāo)方位，同時可起制導(dǎo)、跟蹤、搜索、定位等作用。導(dǎo)、跟蹤、搜索、定位等作用。(2)光敏管陣列光敏管陣列n將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來同時探測被測物體將光敏二極管以線列或面陣形式集合在一起，用來同時探測被測物體各部位提供的不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號

2、的器件。各部位提供的不同光信息，并將這些信息轉(zhuǎn)換為電信號的器件。 9.1 9.1 新型固態(tài)光電器件新型固態(tài)光電器件 9.1.2 PSD光電位置傳感器光電位置傳感器PSD用于測量光斑的位置或位置的移動量光束入射光敏層,在入射位置產(chǎn)生與入射輻射成正比的信號電荷,該電荷形成的光電流(I1 , I2)由信號電極1和2輸出，為公共電極X: 位置信號I0 = I1 + I2 202ALxIIL102ALxIIL2121AIIxLIIL光LxAI1I2I0層i 層層 電荷耦合器件，又稱電荷耦合器件，又稱CCDCCD圖象傳感器，是一種大圖象傳感器，是一種大規(guī)模集成電路光電器件；電荷耦合器件具有規(guī)模集成電路光電

3、器件；電荷耦合器件具有光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換，信息存儲信息存儲、轉(zhuǎn)移傳輸轉(zhuǎn)移傳輸、處理以及電子快門處理以及電子快門等功能。等功能。 特點：特點： 1.1.集成度高、尺寸小、電壓低（集成度高、尺寸小、電壓低（DC7DC712V12V）功耗小。）功耗小。 2.2.空間分辨率高，線陣分辨能力可達(dá)空間分辨率高，線陣分辨能力可達(dá)7m7m，面陣分辨率，面陣分辨率在在10001000電視線以上；電視線以上； 3.3.光電靈敏度高，好的器件可達(dá)光電靈敏度高，好的器件可達(dá)0.01lx0.01lx；動態(tài)范圍大，；動態(tài)范圍大，106106：1 1；信噪比；信噪比60-70dB60-70dB； 4.4.可選模擬、數(shù)字不同輸

4、出形式，便于和計算機(jī)連機(jī)。可選模擬、數(shù)字不同輸出形式，便于和計算機(jī)連機(jī)。 9.2 9.2 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） Charge Charge Coupled Devices Coupled Devices 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件該技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)該技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了各種視頻裝置的了各種視頻裝置的普及和微型化，應(yīng)普及和微型化，應(yīng)用遍及航天、遙感、用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各個農(nóng)業(yè)、軍用等各個領(lǐng)域。領(lǐng)域?；诨贑CDCCD光電耦器件的輸入光電耦器件的輸入設(shè)備：數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字相設(shè)備：數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、數(shù)字相機(jī)、平板掃描儀、指紋機(jī)

5、機(jī)、平板掃描儀、指紋機(jī) 9.2 9.2電荷耦合器件電荷耦合器件 CCDCCD基本結(jié)構(gòu)分兩部分：基本結(jié)構(gòu)分兩部分： MOSMOS光敏元光敏元陣列；陣列； MOSMOS（金屬（金屬氧化物氧化物半導(dǎo)體）半導(dǎo)體） 讀出讀出移位寄存器移位寄存器。電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上 制作成百上千（萬）個光敏元，制作成百上千（萬）個光敏元， 一個光敏元又稱一個像素，在半一個光敏元又稱一個像素，在半 導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面導(dǎo)體硅平面上光敏元按線陣或面 陣有規(guī)則地排列。陣有規(guī)則地排列。CCDCCD結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 顯微鏡下的MOS元表面CCDCCD基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作

6、原理 9.2 9.2電荷耦合器件電荷耦合器件 一個一個MOSMOS光敏元光敏元當(dāng)金屬電極上加正電當(dāng)金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下壓時，由于電場作用，電極下P P型硅區(qū)里型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子而言，空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子而言，是一勢能很低的區(qū)域，稱是一勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱勢阱”。 有光線入射到硅片上時，光子作用下有光線入射到硅片上時，光子作用下產(chǎn)生電子產(chǎn)生電子空穴對，空穴被電場作用排斥空穴對，空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū)，而光電子被附近勢阱（俘獲），出耗盡區(qū)，而光電子被附近勢阱（俘獲），此時勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。此時勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。

7、一個一個MOSMOS光敏元結(jié)構(gòu)光敏元結(jié)構(gòu) 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件v 電荷存儲原理：電荷存儲原理：CCDCCD基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理v 電荷存儲原理：電荷存儲原理：一個一個MOSMOS光敏元結(jié)構(gòu)光敏元結(jié)構(gòu) 一個一個MOSMOS結(jié)構(gòu)元為結(jié)構(gòu)元為MOSMOS光敏元光敏元或一個或一個像素像素，把一個勢阱所收集的光生電子稱為一個把一個勢阱所收集的光生電子稱為一個電荷電荷包；包；CCDCCD器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的MOSMOS元，每個金屬電極加電壓就形成成百上元，每個金屬電極加電壓就形成成百上千個勢阱，產(chǎn)生成百上千的電荷包；千個勢阱，產(chǎn)生

8、成百上千的電荷包； 如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與光的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應(yīng)的光生電荷圖象。這就是電荷耦合照度響應(yīng)的光生電荷圖象。這就是電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)基本原理。器件的光電物理效應(yīng)基本原理。 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件CCDCCD基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理2651801339066453322分辨率（像素）不同的圖象比較 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件 光敏元上的電荷還需經(jīng)輸出電路輸出，而光敏元上的電荷還需經(jīng)輸出電路輸出，而CCDCCD電荷耦合電荷耦合

9、器件是以器件是以電荷電荷為信號而不是電壓電流作信號輸出的。為信號而不是電壓電流作信號輸出的。 讀出移位寄存器也是讀出移位寄存器也是MOSMOS結(jié)構(gòu)，由金屬電極、氧化物、結(jié)構(gòu)，由金屬電極、氧化物、半導(dǎo)體三部分組成。它與半導(dǎo)體三部分組成。它與MOSMOS光敏元的區(qū)別在于，半導(dǎo)體底光敏元的區(qū)別在于，半導(dǎo)體底部覆蓋了一層遮光層，防止外來光線干擾。部覆蓋了一層遮光層，防止外來光線干擾。讀出移位寄存器結(jié)構(gòu)讀出移位寄存器結(jié)構(gòu) 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件由三個十分鄰近的電由三個十分鄰近的電極組成一個耦合單元；極組成一個耦合單元；在三個電極上分別施加在三個電極上分別施加脈沖波脈沖波123123，稱

10、，稱三相時鐘脈沖。三相時鐘脈沖。 v 電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器）電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器）CCDCCD基本結(jié)構(gòu)和工作原理基本結(jié)構(gòu)和工作原理t = t1t = t1時刻，時刻，11電極下出現(xiàn)勢阱存入光電荷電極下出現(xiàn)勢阱存入光電荷t = t2t = t2時刻，兩個勢阱形成大勢阱存入電荷時刻，兩個勢阱形成大勢阱存入電荷t = t3t = t3時刻，時刻，11中電荷全部轉(zhuǎn)移至中電荷全部轉(zhuǎn)移至22。t = t4t = t4時刻，時刻，22中電荷向中電荷向33勢阱轉(zhuǎn)移。勢阱轉(zhuǎn)移。t = t5t = t5時刻，時刻，33電荷向下一個電荷向下一個11勢阱轉(zhuǎn)移勢阱轉(zhuǎn)移 讀出移位寄存器三相時鐘脈沖讀出移位

11、寄存器三相時鐘脈沖 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件v 電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器）電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器）不同時刻勢阱深度變化，使電荷按設(shè)計好的方向，在時不同時刻勢阱深度變化，使電荷按設(shè)計好的方向，在時鐘脈沖控制下從寄存器的一端轉(zhuǎn)移到另一端。這樣一個鐘脈沖控制下從寄存器的一端轉(zhuǎn)移到另一端。這樣一個傳輸過程，實際上是一個傳輸過程，實際上是一個電荷耦合過程電荷耦合過程，所以稱電荷耦，所以稱電荷耦合器件，擔(dān)任電荷傳輸?shù)膯卧Q移位寄存器。合器件，擔(dān)任電荷傳輸?shù)膯卧Q移位寄存器。 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件v 電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器）電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器）電

12、荷信息轉(zhuǎn)移原理電荷信息轉(zhuǎn)移原理u 輸出結(jié)構(gòu)：輸出結(jié)構(gòu)： 在在CCDCCD陣列的末端制作（擴(kuò)散）一個陣列的末端制作（擴(kuò)散）一個N+N+區(qū)，形成反區(qū)，形成反向偏置二極管，收集信號電荷控制向偏置二極管，收集信號電荷控制A A點電位變化，二極點電位變化，二極管反偏形成一個深勢阱，轉(zhuǎn)移管反偏形成一個深勢阱，轉(zhuǎn)移3 3電極下的電荷包越過電極下的電荷包越過輸出柵輸出柵OGOG，電荷包流入勢阱中，在負(fù)載電阻電荷包流入勢阱中，在負(fù)載電阻RLRL形成輸形成輸出電流出電流I I0 0 ，輸出電流，輸出電流I I0 0與電荷成正比。與電荷成正比。 電荷耦合器信號輸出方式電荷耦合器信號輸出方式 9.2 9.2 電荷耦合

13、器件電荷耦合器件u CCDCCD信號電荷的輸出的方式主要有信號電荷的輸出的方式主要有電流輸出、電壓輸出兩種電流輸出、電壓輸出兩種, ,以以電壓輸出型為例：電壓輸出型為例： 有浮置擴(kuò)散放大器（有浮置擴(kuò)散放大器（FDAFDA）、浮置柵放大器（）、浮置柵放大器（FGAFGA） 由浮置擴(kuò)散區(qū)收集的信號電荷來控制放大管由浮置擴(kuò)散區(qū)收集的信號電荷來控制放大管VT2VT2的柵極電位：的柵極電位： 電荷耦合器信號輸出方式電荷耦合器信號輸出方式 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件 CCD CCD器件的物理性能可以用特性參數(shù)來描述器件的物理性能可以用特性參數(shù)來描述內(nèi)部參數(shù)內(nèi)部參數(shù)描述的是描述的是CCDCCD

14、存儲和轉(zhuǎn)移信號電荷有關(guān)的特性存儲和轉(zhuǎn)移信號電荷有關(guān)的特性, ,是器件理論設(shè)計的重要依據(jù)；是器件理論設(shè)計的重要依據(jù)；外部參數(shù)外部參數(shù)描述的是與描述的是與CCDCCD應(yīng)用有關(guān)的性能指標(biāo)主要包括以應(yīng)用有關(guān)的性能指標(biāo)主要包括以下內(nèi)容：電荷轉(zhuǎn)移效率、轉(zhuǎn)移損失率、工作頻率、電荷存下內(nèi)容：電荷轉(zhuǎn)移效率、轉(zhuǎn)移損失率、工作頻率、電荷存儲容量、靈敏度、分辨率。儲容量、靈敏度、分辨率。 CCD CCD的特性參數(shù)的特性參數(shù) 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件 CCD CCD器件分為器件分為線陣線陣CCDCCD和和面陣面陣CCDCCD，結(jié)構(gòu)上有多種不同，結(jié)構(gòu)上有多種不同形

15、式，如單溝道形式，如單溝道CCDCCD、雙溝道、雙溝道CCDCCD、幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)、幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCDCCD、行間、行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)CCDCCD。 CCD CCD器件器件 CCD圖像傳感器圖像傳感器 CCD圖像傳感器圖像傳感器v 線陣線陣CCDCCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 線陣線陣CCDCCD傳感器是由一列傳感器是由一列MOSMOS光敏元和一列移位寄存器并行光敏元和一列移位寄存器并行構(gòu)成。光敏元和移位寄存器之間有一個轉(zhuǎn)移控制柵，構(gòu)成。光敏元和移位寄存器之間有一個轉(zhuǎn)移控制柵，10241024位線位線陣，由陣，由10241024個光敏元個光敏元10241024個讀出移位寄存器組成。個讀出移位寄存器組成。 讀出移位

16、寄存器的輸出端讀出移位寄存器的輸出端GaGa將存儲的電荷信息一位位輸出。將存儲的電荷信息一位位輸出。單溝道單溝道CCDCCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) CCD CCD器件器件 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件電荷輸出控制電荷輸出控制光敏元曝光時光敏元曝光時光積分，金屬電極加正向脈沖電壓光積分，金屬電極加正向脈沖電壓pp，光敏元吸收光生電荷，積累很快結(jié)束；光敏元吸收光生電荷，積累很快結(jié)束；轉(zhuǎn)移控制柵加轉(zhuǎn)移脈沖轉(zhuǎn)移控制柵加轉(zhuǎn)移脈沖T T ，轉(zhuǎn)移控制柵打開，光敏元俘獲的，轉(zhuǎn)移控制柵打開，光敏元俘獲的光生電荷經(jīng)轉(zhuǎn)移控制柵耦合到移位寄存器；這是一并行輸出過程，光生電荷經(jīng)轉(zhuǎn)移控制柵耦合到移位寄存器；這是一并行輸出過

17、程，轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉；轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉；接著三個時鐘脈沖接著三個時鐘脈沖123123工作，讀出移位寄存器的輸出端工作，讀出移位寄存器的輸出端GaGa一位位輸出信息，這一過程是一串行輸出過程。一位位輸出信息，這一過程是一串行輸出過程。單單溝溝道道CCDCCD結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)電荷輸出控制波形電荷輸出控制波形 CCD CCD器件器件線陣線陣CCDCCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件 6464位線陣位線陣CCDCCD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件v 面陣電荷耦合器（二維）面陣電荷耦合器（二維） 面型面型CCDCCD是把光敏元件排列成二維矩陣形式，是把光敏元件排列成二維矩陣形式， 主

18、要用于攝象機(jī)及測量技術(shù)主要用于攝象機(jī)及測量技術(shù) 傳輸讀出結(jié)構(gòu)有不同類型，基本構(gòu)成有：傳輸讀出結(jié)構(gòu)有不同類型，基本構(gòu)成有： 線轉(zhuǎn)移方式線轉(zhuǎn)移方式 幀轉(zhuǎn)送方式（幀轉(zhuǎn)送方式（Frame Transfer CCDFrame Transfer CCD） 行間轉(zhuǎn)送方式（行間轉(zhuǎn)送方式（Inter Line Transfer CCDInter Line Transfer CCD） 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件CCDCCD傳感器應(yīng)用時是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導(dǎo)纖維、濾光鏡及傳感器應(yīng)用時是將不同光源與透鏡、鏡頭、光導(dǎo)纖維、濾光鏡及反射鏡等各種光學(xué)元件結(jié)合，主要用來裝配輕型攝像機(jī)、攝像頭、反射鏡等各

19、種光學(xué)元件結(jié)合，主要用來裝配輕型攝像機(jī)、攝像頭、工業(yè)監(jiān)視器。工業(yè)監(jiān)視器。CCDCCD應(yīng)用技術(shù)是光、機(jī)、電和計算機(jī)相結(jié)合的高新技術(shù)，作為一種非應(yīng)用技術(shù)是光、機(jī)、電和計算機(jī)相結(jié)合的高新技術(shù)，作為一種非常有效的非接觸檢測方法，常有效的非接觸檢測方法，CCDCCD被廣泛用于在線檢測尺寸、位移、速被廣泛用于在線檢測尺寸、位移、速度、定位和自動調(diào)焦等方面。度、定位和自動調(diào)焦等方面。CCDCCD誕生后，首先在工業(yè)檢測中制成測量長度的光電傳感器，物體通過誕生后，首先在工業(yè)檢測中制成測量長度的光電傳感器，物體通過物鏡在物鏡在CCDCCD光敏元上造成影像，利用光敏元上造成影像，利用CCDCCD測量幾何量，測量幾何

20、量，CCDCCD輸出的脈沖表輸出的脈沖表征測量工件的尺寸或缺陷；征測量工件的尺寸或缺陷；例如用例如用CCDCCD識別集識別集成電路焊點圖案，代替光點穿孔機(jī)的作用；成電路焊點圖案，代替光點穿孔機(jī)的作用；用于傳真用于傳真技術(shù)，文字、圖象識別。技術(shù)，文字、圖象識別。自動流水線，機(jī)床、自動售貨機(jī)、自動監(jiān)視裝置、指紋機(jī)。自動流水線，機(jī)床、自動售貨機(jī)、自動監(jiān)視裝置、指紋機(jī)。 CCD CCD傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用 9.2 9.2 電荷耦合器件電荷耦合器件線陣CCD進(jìn)行工件尺寸測量實例實例1 1： 測量拉絲過程中絲的線徑、軋鋼的直徑、機(jī)械加工的軸類測量拉絲過程中絲的線徑、軋鋼的直徑、機(jī)械加工的軸類或桿類的直

21、徑等等，這里以玻璃管直徑與壁厚的測量為例?；驐U類的直徑等等，這里以玻璃管直徑與壁厚的測量為例。玻璃管玻璃管CCDCCD視頻信號視頻信號 實例實例2 2：測量原理測量原理: : 在熒光燈的玻璃管生產(chǎn)過程中，總是需要不斷測在熒光燈的玻璃管生產(chǎn)過程中，總是需要不斷測量玻璃管的外圓直徑及壁厚，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對生量玻璃管的外圓直徑及壁厚，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對生產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)整，以便提高產(chǎn)品質(zhì)量。產(chǎn)過程進(jìn)行調(diào)整，以便提高產(chǎn)品質(zhì)量。 玻璃管的平均外徑玻璃管的平均外徑12mm,12mm,壁厚壁厚1.2mm,1.2mm,要求測量要求測量精度為外徑精度為外徑0.1mm,0.1mm,壁厚壁厚0.05mm0.05mm。利用

22、。利用CCDCCD配合配合適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，對玻璃管相關(guān)尺寸進(jìn)行實時監(jiān)測，適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，對玻璃管相關(guān)尺寸進(jìn)行實時監(jiān)測， 用平行光照射玻璃管，成像物鏡將尺寸影像投影用平行光照射玻璃管，成像物鏡將尺寸影像投影在在CCDCCD光敏像元陣列面上。光敏像元陣列面上。實例實例2 2： 由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間亮帶反映了玻璃管內(nèi)徑大小，而暗帶則是玻璃管的亮帶反映了玻璃管內(nèi)徑大小，而暗帶則是玻璃管的壁厚成像。壁厚成像。 成像物鏡的放大倍率為成像物鏡的放大倍率為，CCD

23、CCD相元尺寸為相元尺寸為t t，上壁厚、下壁厚分別為上壁厚、下壁厚分別為n1n1、n2 n2 ，外徑尺寸的脈沖，外徑尺寸的脈沖數(shù)（即像元個數(shù)）為數(shù)（即像元個數(shù)）為N N，測量結(jié)果有：測量結(jié)果有： 1122/dntdn tDN t 分別為上壁厚、分別為上壁厚、下壁厚，外徑尺寸。下壁厚，外徑尺寸。 1d2dD實例實例2 2：CCDCCD固態(tài)圖像傳感器作為攝像機(jī)或像敏器件，取代攝像裝置的光學(xué)固態(tài)圖像傳感器作為攝像機(jī)或像敏器件，取代攝像裝置的光學(xué)掃描系統(tǒng)（電子束掃描），與其它攝像器件相比，尺寸小、價廉、掃描系統(tǒng)（電子束掃描），與其它攝像器件相比，尺寸小、價廉、工作電壓低、功耗小，且不需要高壓工作電壓

24、低、功耗小，且不需要高壓; ;作為機(jī)器人視覺系統(tǒng)；作為機(jī)器人視覺系統(tǒng)； M2AM2A攝影膠囊（攝影膠囊（Mouth anusMouth anus）由發(fā)光二極管做光源，由發(fā)光二極管做光源，CCDCCD做做攝像機(jī)，每秒鐘兩次快門，攝像機(jī)，每秒鐘兩次快門，6 6小時后排除體外，可拍攝小時后排除體外，可拍攝2 2萬萬多張圖片，信號發(fā)射到存儲器，多張圖片，信號發(fā)射到存儲器，存儲器取下后接入計算機(jī)將圖存儲器取下后接入計算機(jī)將圖像進(jìn)行下載。像進(jìn)行下載。 M2AM2A膠囊膠囊 CCDCCD在醫(yī)療診斷中的應(yīng)用在醫(yī)療診斷中的應(yīng)用 CCD CCD傳感器的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維簡稱簡稱光纖光纖 光纖傳感器是

25、光纖傳感器是2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù)，年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù)，光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感光纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感器得到進(jìn)一步發(fā)展。與其它傳感器相比較，光纖傳感器得到進(jìn)一步發(fā)展。與其它傳感器相比較，光纖傳感器有如下特點：器有如下特點： 不受電磁干擾，防爆性能好，不會漏電打火；不受電磁干擾，防爆性能好，不會漏電打火； 可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲；可根據(jù)需要做成各種形狀，可以彎曲； 可以用于高溫、高壓、絕緣性能好，耐腐蝕。可以用于高溫、高壓、絕緣性能好，耐腐蝕。9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感器 9.3 9.3 光纖

26、傳感器光纖傳感器 （1 1）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理 光纖結(jié)構(gòu)：光纖結(jié)構(gòu)：主要由三部分組成主要由三部分組成 中心中心纖芯；纖芯； 外層外層包層；包層； 護(hù)套護(hù)套尼龍料。尼龍料。 光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)， 纖芯折射率纖芯折射率N1N1略大于包層折射率略大于包層折射率N2N2（N1N1N2N2）。）?；静捎檬⒉ＡВ胁煌瑩诫s基本采用石英玻璃，有不同摻雜根據(jù)纖芯到包層的折射率的變化規(guī)律分： 階躍型光纖： 梯度型光纖：按傳輸模式分按傳輸模式分： 單模光纖：只能傳播一種模式，單模光纖性能最好，畸變單模光纖：只能傳播一種模式

27、，單模光纖性能最好，畸變小、容量大、線性好、靈敏度高，但制造、連接困難。小、容量大、線性好、靈敏度高，但制造、連接困難。 多模光纖：纖芯直徑較大，傳播模式較多，性能較差，帶多模光纖：纖芯直徑較大，傳播模式較多，性能較差，帶寬較窄，制造容易，耦合容易。寬較窄，制造容易，耦合容易。按纖芯材料分：按纖芯材料分：玻璃光纖：用常規(guī)玻璃制成，損耗很低；玻璃光纖：用常規(guī)玻璃制成，損耗很低；塑料光纖：用人工合成導(dǎo)光塑料制成，其損耗較大，但塑料光纖：用人工合成導(dǎo)光塑料制成，其損耗較大，但 重量輕，成本低，柔軟性好；重量輕，成本低，柔軟性好；石英光纖：光損耗比較小。石英光纖：光損耗比較小。 沿光纖傳輸?shù)墓饪梢苑纸?/p>

28、為沿光纖傳輸?shù)墓饪梢苑纸鉃檠剌S向沿軸向和和沿截面沿截面的的兩個平面波成分；兩個平面波成分； 如果沿截面?zhèn)鬏數(shù)牟ㄔ诶w芯和包層之間產(chǎn)生全如果沿截面?zhèn)鬏數(shù)牟ㄔ诶w芯和包層之間產(chǎn)生全反射，且每一往復(fù)傳輸?shù)南辔蛔兓欠瓷?，且每一往?fù)傳輸?shù)南辔蛔兓?2的正的正數(shù)倍，就會形成數(shù)倍，就會形成駐波駐波； 只有能形成駐波的那些以特定角度射入光纖的只有能形成駐波的那些以特定角度射入光纖的光波才能在光纖中傳播，這些光波稱為光波才能在光纖中傳播，這些光波稱為模模。模模的概念的概念112212sinsin()nnnn斯乃爾定理（斯乃爾定理（Snells LawSnells Law） 當(dāng)光由光密物質(zhì)當(dāng)光由光密物質(zhì)( (折射

29、率大折射率大) )入射至光疏物質(zhì)時，入射至光疏物質(zhì)時，界面處光的傳輸滿足折射定理：界面處光的傳輸滿足折射定理：n1n2 (a) (a)光的折射示意圖光的折射示意圖 12參考軸參考軸n1n2(b)臨界狀態(tài)示意圖臨界狀態(tài)示意圖 12參考軸參考軸n1n2(c)(c)光全反射示意圖光全反射示意圖12參考軸參考軸全反射時的臨界角滿足：全反射時的臨界角滿足：221sin(90 )cnnv 光纖的傳播基于光的光纖的傳播基于光的全反射全反射原理。當(dāng)光線以不同角度入原理。當(dāng)光線以不同角度入射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖；射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖；v 光線在光纖端面入射角光線在光纖端面入

30、射角減小到某一角度減小到某一角度cc時，光線時，光線全部反射。全部反射。v 光線全部被反射時的入射角光線全部被反射時的入射角cc稱稱臨界角臨界角，只要，只要cc，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次全反射向前傳播，最后從另一端面射出。從另一端面射出。 9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感器 （1 1）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理 光纖的傳光原理：光纖的傳光原理：001111sinsincosnnn2201201sinnnn 產(chǎn)生全反射的最大入射角由斯乃爾定理得：產(chǎn)生全反射的最大入射角由斯乃爾定理得：2111010sinsincosnnnnn1

31、n2011參考軸參考軸參考軸參考軸為保證全反射，必須滿足全反射條件（即為保證全反射，必須滿足全反射條件（即cc）由斯乃爾（由斯乃爾（SnellSnell）折射定律可導(dǎo)出，外介質(zhì)折射率為）折射定律可導(dǎo)出，外介質(zhì)折射率為n n0 0射入纖芯時實現(xiàn)全反射的臨界入射角為：射入纖芯時實現(xiàn)全反射的臨界入射角為： 221201arcsin()cNNN空氣中空氣中01N Q2212arcsin()cNNv 可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（N1N1、N2N2）決定的，與光纖的幾何尺寸無關(guān)。）決定的，與光纖的幾何尺寸無關(guān)。9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感

32、器 （1 1）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理）光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理 光纖的傳光原理：光纖的傳光原理：9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感器（2 2）光纖的性能（幾個重要參數(shù)）光纖的性能（幾個重要參數(shù)） 數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑（NANA）221201sincNANNN空氣中：空氣中：2212NANN12()NNNANA意義討論：意義討論：NANA表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只要在表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2c2c張角之張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會進(jìn)入內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會進(jìn)入包層漏光。包層漏光

33、。一般一般NANA越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會更容易。但越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會更容易。但NANA越大光信號越大光信號畸變越大，要選擇適當(dāng)?；冊酱?，要選擇適當(dāng)。產(chǎn)品光纖不給出折射率產(chǎn)品光纖不給出折射率N N只給數(shù)值孔徑只給數(shù)值孔徑NANA，石英光纖的數(shù)值孔徑一般為：，石英光纖的數(shù)值孔徑一般為：0.20.4NA :參考軸參考軸 光纖模式是指光波沿光纖傳播的途徑和方式，不同入射角光纖模式是指光波沿光纖傳播的途徑和方式，不同入射角度光線在界面上反射的次數(shù)不同。光波之間的干涉產(chǎn)生的度光線在界面上反射的次數(shù)不同。光波之間的干涉產(chǎn)生的強(qiáng)度分布也不同，模式值定義為：強(qiáng)度分布也不同，模式

34、值定義為： 02()VNA式中：式中：為纖芯半徑為纖芯半徑；0為入射波長為入射波長。9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感器（2 2）光纖的性能（幾個重要參數(shù)）光纖的性能（幾個重要參數(shù)） 光纖模式（光纖模式（V V）模式討論：模式討論：模式值越大，允許傳播的模式值越多。在信息傳播中，模式值越大，允許傳播的模式值越多。在信息傳播中，希望模式數(shù)越少越好，若同一光信號采用多種模式會使希望模式數(shù)越少越好，若同一光信號采用多種模式會使光信號分不同時間到達(dá)多個信號，導(dǎo)致合成信號畸變。光信號分不同時間到達(dá)多個信號，導(dǎo)致合成信號畸變。模式值模式值V V小，就是小，就是值小，即纖芯直徑小，只能傳播一種值小，即纖芯直

35、徑小，只能傳播一種模式，稱單模光纖。單模光纖性能最好，畸變小、容量模式，稱單模光纖。單模光纖性能最好，畸變小、容量大、線性好、靈敏度高，但制造、連接困難。大、線性好、靈敏度高，但制造、連接困難。除單模光纖外，還有多模光纖（階躍多模、梯度多模），除單模光纖外，還有多模光纖（階躍多模、梯度多模），單模和多模光纖是當(dāng)前光纖通訊技術(shù)最常用的普通光纖。單模和多模光纖是當(dāng)前光纖通訊技術(shù)最常用的普通光纖。 9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感器 （2 2）光纖的性能（幾個重要參數(shù)）光纖的性能（幾個重要參數(shù)） 光纖模式（光纖模式（V V） 光纖在傳播時，由于材料的吸收、散射和彎曲的輻射光纖在傳播時，由于材料的吸

36、收、散射和彎曲的輻射損耗影響，不可避免的要有損耗，用衰減率損耗影響，不可避免的要有損耗，用衰減率A A表示：表示： 1210lg(/)(/)IIAdB Kml在一根衰減率為在一根衰減率為10dB/Km10dB/Km的光纖中，表示當(dāng)光纖傳輸?shù)墓饫w中，表示當(dāng)光纖傳輸1Km1Km后，后，光強(qiáng)下降到入射時的光強(qiáng)下降到入射時的1/101/10。 9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感器 （2 2）光纖的性能（幾個重要參數(shù)）光纖的性能（幾個重要參數(shù)） 傳播損耗（傳播損耗（A A） 吸收損耗： 物質(zhì)的吸收作用將使傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮?，造成光能的損失。與組成光纖的材料的電子受激躍遷和分子共振有關(guān)。 散射損耗： 由于

37、材料密度的微觀變化，成分起伏，以及在制造光纖過程中產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)上的不均勻性或缺陷引起的。 彎曲損耗：光纖彎曲時部分光纖內(nèi)的光會因散射而損失掉，造成損耗。傳播損耗分類：傳播損耗分類： 光纖耦合器是實現(xiàn)光信號分路光纖耦合器是實現(xiàn)光信號分路/合路的功能器件。合路的功能器件。 耦合分為強(qiáng)耦合和弱耦合兩種。耦合分為強(qiáng)耦合和弱耦合兩種。 有拼接式、熔融拉錐式和腐蝕光纖耦合器。有拼接式、熔融拉錐式和腐蝕光纖耦合器。 光纖強(qiáng)耦合光纖強(qiáng)耦合是光纖纖芯間形成是光纖纖芯間形成直通直通, ,傳輸模直接進(jìn)入耦合臂。傳輸模直接進(jìn)入耦合臂。 光纖弱耦合光纖弱耦合是通過光纖的彎曲是通過光纖的彎曲, ,或使其耦合處成錐狀或使其耦

38、合處成錐狀, ,于是于是, ,纖纖芯中的部分傳導(dǎo)模變?yōu)榘鼘幽Ｐ局械牟糠謧鲗?dǎo)模變?yōu)榘鼘幽? ,再由包層進(jìn)入耦合臂中的纖芯再由包層進(jìn)入耦合臂中的纖芯, ,形成傳導(dǎo)模。形成傳導(dǎo)模。4 4、 光纖耦合光纖耦合(a) 拼接型光纖耦合器 將每根光纖埋入玻璃塊的弧形槽中,在光纖側(cè)面進(jìn)行研磨拋光,使光纖耦合處的包層厚度達(dá)到一定的要求,然后將兩根光纖拼接在一起.（b） 熔融拉錐型光纖耦合器 將兩根光纖稍加扭絞,用微火炬對耦合部位進(jìn)行加熱,在熔融過程中拉伸光纖,最后拉細(xì)成型。此時,在兩根光纖的耦合部位形成雙錐區(qū),兩根光纖包層合并在一起,纖芯變細(xì),形成了一個新的合成光波通路,從而構(gòu)成弱耦合。(C) 腐蝕光纖耦合器

39、將要耦合的光纖的局部外套去掉,扭絞在一起,浸蝕光纖的耦合部位,腐蝕掉大部分包層,并將兩根光纖的纖芯緊緊接觸在一起,然后進(jìn)行加固。還可通過控制扭力或張力,調(diào)節(jié)光纖間距,以達(dá)到調(diào)節(jié)光纖耦合強(qiáng)弱的目的。 9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感器 (3) (3) 光纖傳感器光纖傳感器光波調(diào)制技術(shù)強(qiáng)度調(diào)制相位調(diào)制頻率調(diào)制光纖傳感器功能型非功能型1 1）光強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器）光強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實現(xiàn)敏感測量收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。的

40、傳感器。2 2）頻率調(diào)制光纖傳感器）頻率調(diào)制光纖傳感器 是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進(jìn)行監(jiān)測的傳感器。變化來進(jìn)行監(jiān)測的傳感器。3 3）相位調(diào)制傳感器）相位調(diào)制傳感器 利用各種干涉技術(shù)對光的相位變化進(jìn)行測量的光纖傳感器。利用各種干涉技術(shù)對光的相位變化進(jìn)行測量的光纖傳感器。其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化

41、，通過檢測干涉條紋的變化量來確定所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。 9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感器 (3) (3) 光纖傳感器光纖傳感器光的頻率調(diào)制光的頻率調(diào)制 相關(guān)的物理效應(yīng)：光學(xué)多普勒效應(yīng) 即由于觀察者和目標(biāo)的相對運動，觀察者接收到的光波頻率要發(fā)生改變。V光源光源探測器探測器運動運動粒子粒子12f0f1 9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感器 (3) (3) 光纖傳感器光纖傳感器 如果一束光頻率為如果一束光頻率為f f0 0的光入射到相對于探測器速度的光入射到相對于探測器速度為為v v

42、的運動物體上，則從運動物體反射的光頻率的運動物體上，則從運動物體反射的光頻率f f1 1為：為：10120120coscos)1coscos)vvfffc（v v被測物體的運動速度；被測物體的運動速度；c c電磁波的傳播速度；電磁波的傳播速度；0 0發(fā)射信號的波長。發(fā)射信號的波長?？梢姡罕粶y物體的運動速度可用多普勒頻率描述?？梢姡罕粶y物體的運動速度可用多普勒頻率描述。 9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感器 (3) (3) 光纖傳感器光纖傳感器激光多普勒光纖測速系統(tǒng)激光多普勒光纖測速系統(tǒng) 光纖目前可以測量光纖目前可以測量7070多種物理量，光纖的類型較多，多種物理量，光纖的類型較多，大致可分為大

43、致可分為功能型功能型和和非功能型非功能型兩類。兩類。 9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感器 (3) (3) 光纖傳感器光纖傳感器這類傳感器利用光纖本身這類傳感器利用光纖本身對外界被測對象具有敏感對外界被測對象具有敏感能力和檢測功能，光纖不能力和檢測功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在僅起到傳光作用，而且在被測對象作用下，如光強(qiáng)、被測對象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號得到調(diào)制，調(diào)制后的信號攜帶了被測信息。攜帶了被測信息。 9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感器(3) (3) 光纖傳感器光纖傳感器FFFF （Function Fibre Optil

44、SensorFunction Fibre Optil Sensor） 功能型（功能型（又稱傳感型）又稱傳感型） 9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感器 (3) (3) 光纖傳感器光纖傳感器 分束器分束器1 1把激光器的把激光器的輸出光束分成兩部分，輸出光束分成兩部分，經(jīng)上、下光路的傳輸后經(jīng)上、下光路的傳輸后又重新合路，使其在光又重新合路，使其在光檢測器處互相干涉。這檢測器處互相干涉。這種干涉儀靈敏度，可精種干涉儀靈敏度，可精確到確到10-13nm 10-13nm 。但實現(xiàn)。但實現(xiàn)非常困難，限制在實驗非常困難，限制在實驗室工作。室工作。馬赫馬赫澤德干涉儀澤德干涉儀9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感

45、器(3)(3)光纖傳感器光纖傳感器 “全光纖全光纖”干涉儀：干涉儀：在上圖所示馬赫在上圖所示馬赫澤德干涉儀中澤德干涉儀中, ,用兩只用兩只3dB3dB耦合器代替兩只分束器。它們可以把激光器的輸出光束分成相耦合器代替兩只分束器。它們可以把激光器的輸出光束分成相等的兩束光等的兩束光, ,也可以使從兩個光路傳來的光重新合并。這樣就可以也可以使從兩個光路傳來的光重新合并。這樣就可以直接把激光器的輸出光束耦合到光纖內(nèi)直接把激光器的輸出光束耦合到光纖內(nèi), ,也可以相似地把光纖輸出也可以相似地把光纖輸出直接耦合到兩個光探測器中。因此直接耦合到兩個光探測器中。因此, ,在光源和檢測器之間在光源和檢測器之間,

46、,該干涉該干涉儀只包含光纖元件。儀只包含光纖元件。傳光型傳光型光纖傳感器的光纖只光纖傳感器的光纖只當(dāng)作傳播光的媒介，待測對當(dāng)作傳播光的媒介，待測對象的調(diào)制功能是由其它光電象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)的，光纖的狀轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。光作用。9.3 9.3 光纖傳感器光纖傳感器 (3)(3)光纖傳感器光纖傳感器非功能型（非功能型（又稱傳光型）又稱傳光型）NFFNFF（Non-Function Fibre Optil SensorNon-Function Fibre Optil Sensor）(1) 光柵式光纖水聲傳感器纖芯纖芯包層包層輸入光輸入光輸出光輸出光可動?xùn)趴蓜訓(xùn)殴潭殴潭?兩根光纖的端面間兩根光纖的端面間相隔一微小間隙相隔一微小間隙, ,間隙間隙中放置一對光柵中放置一對光柵, ,光柵光柵由等寬的全透射和全反由等寬的全透射和全反射射( (不透光的不透光的) )交替形成交替形成的柵格構(gòu)成。當(dāng)這兩個的柵格構(gòu)成。當(dāng)這兩個光柵發(fā)生相對移動時光柵發(fā)生相對移動時, ,光的透射強(qiáng)度就隨之發(fā)光的透射強(qiáng)度就隨之發(fā)生變化。生變化。 輸出光纖輸出光纖輸入光纖輸入光纖光柵光柵膜片膜片 利用半導(dǎo)體材料的能量隙隨溫度幾乎成線性變化。利用半導(dǎo)體材料的能量隙隨溫度幾乎成線性變