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1、传感器原理及应用,第9章光电式传感器,9.1 新型固态光电器件 9.1.1 普通光敏器件阵列（1）象限探测器,当被测体位置发生变化时，来自目标的辐射量使象限间产生差异，这种差异会引起象限间信号输出变化，从而确定目标方位，同时可起制导、跟踪、搜索、定位等作用。,(2)光敏管阵列,将光敏二极管以线列或面阵形式集合在一起，用来同时探测被测物体各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件。,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,9.1 新型固态光电器件 9.1.2 PSD光电位置传感器,PSD用于测量光斑的位置或位置的移动量 光束入射光敏层,在入射位置产生与入射辐射成正比的信号电荷,该电荷形
2、成的光电流(I1 , I2)由信号电极1和2输出，为公共电极 X: 位置信号 I0 = I1 + I2,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,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。 特点： 1.集成度高、尺寸小、电压低（DC712V）功耗小。 2.空间分辨率高，线阵分辨能力可达7m，面阵分辨率在1000电视线以上； 3.光电灵敏度高，好的器件可达0.01lx；动态范围大，106：1；信噪比60-70dB； 4.可选模拟、数字不同输出形式，便于和计算机连机。,9.2 电荷耦合器件（CCD） Ch
3、arge Coupled Devices,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,9.2 电荷耦合器件,该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。,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,基于CCD光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机,9.2电荷耦合器件,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,CCD基本结构分两部分： MOS光敏元阵列； MOS（金属氧化物半导体） 读出移位寄存器。 电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元， 一个光敏元又称一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则
4、地排列。,CCD结构示意图,显微镜下的MOS元表面,CCD基本结构和工作原理,9.2电荷耦合器件,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,一个MOS光敏元当金属电极上加正电 压时，由于电场作用，电极下P型硅区里 空穴被排斥入地成耗尽区。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，光子作用下 产生电子空穴对，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。,一个MOS光敏元结构,9.2 电荷耦合器件,电荷存储原理：,CCD基本结构和工作原理,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,电荷存储原理：,一个MOS光敏元结构,一个MO
5、S结构元为MOS光敏元或一个像素，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，每个金属电极加电压就形成成百上千个势阱，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。,9.2 电荷耦合器件,CCD基本结构和工作原理,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,265180,13390,6645,3322,分辨率（像素）不同的图象比较,9.2 电荷耦合器件,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,光敏元上的电荷还需经输出电路输出，而CCD电荷耦合
6、器件是以电荷为信号而不是电压电流作信号输出的。 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，半导体底部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。,读出移位寄存器结构,9.2 电荷耦合器件,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123，称三相时钟脉冲。,电荷转移原理（读出移位寄存器）,CCD基本结构和工作原理,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,t = t1时刻，1电极下出现势阱存入光电荷 t = t2时刻，两个势阱形成大势阱存入电荷 t = t3时刻，1中电荷全部转移至2。 t = t4时刻，2中电荷向3势阱转移。 t
7、= t5时刻，3电荷向下一个1势阱转移,读出移位寄存器三相时钟脉冲,9.2 电荷耦合器件,电荷转移原理（读出移位寄存器）,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,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。,9.2 电荷耦合器件,电荷转移原理（读出移位寄存器）,电荷信息转移原理,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,输出结构： 在CCD阵列的末端制作（扩散）一个N+区，形成反向偏置二极管，收集信号电荷控制A点电位变化，二极管反偏形成一个深势阱，转移3电极下的
8、电荷包越过输出栅OG，电荷包流入势阱中，在负载电阻RL形成输出电流I0 ，输出电流I0与电荷成正比。, 电荷耦合器信号输出方式,9.2 电荷耦合器件,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,CCD信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种,以电压输出型为例： 有浮置扩散放大器（FDA）、浮置栅放大器（FGA） 由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管VT2的栅极电位：, 电荷耦合器信号输出方式,9.2 电荷耦合器件,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述 内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据； 外部参数描述的是与
9、CCD应用有关的性能指标主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率。, CCD的特性参数,9.2 电荷耦合器件,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,9.2 电荷耦合器件,CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、行间转移结构CCD。, CCD器件,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,线阵CCD结构 线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅，1024位线阵，由1024个光敏元1024个读出移位寄存器组成。 读出移位寄存器的输出端
10、Ga将存储的电荷信息一位位输出。,单沟道CCD结构, CCD器件,9.2 电荷耦合器件,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,电荷输出控制 光敏元曝光时光积分，金属电极加正向脉冲电压p， 光敏元吸收光生电荷，积累很快结束； 转移控制栅加转移脉冲T ，转移控制栅打开，光敏元俘获的光生电荷经转移控制栅耦合到移位寄存器；这是一并行输出过程，转移栅关闭； 接着三个时钟脉冲123工作，读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出信息，这一过程是一串行输出过程。,单 沟 道 CCD 结 构,电荷输出控制波形, CCD器件线阵CCD结构,9.2 电荷耦合器件,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,64位线阵CCD结
11、构,9.2 电荷耦合器件,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,面阵电荷耦合器（二维） 面型CCD是把光敏元件排列成二维矩阵形式， 主要用于摄象机及测量技术 传输读出结构有不同类型，基本构成有： 线转移方式 帧转送方式（Frame Transfer CCD） 行间转送方式（Inter Line Transfer CCD）,9.2 电荷耦合器件,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,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，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。 CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方
12、法，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诞生后，首先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在CCD光敏元上造成影像，利用CCD测量几何量，CCD输出的脉冲表征测量工件的尺寸或缺陷； 例如用CCD识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；用于传真技术，文字、图象识别。 自动流水线，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机。, CCD传感器的应用,9.2 电荷耦合器件,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,线阵CCD进行工件尺寸测量,实例1：,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,实例2：,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,测量原理: 在荧光灯的
13、玻璃管生产过程中，总是需要不断测 量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生 产过程进行调整，以便提高产品质量。 玻璃管的平均外径12mm,壁厚1.2mm,要求测量 精度为外径0.1mm,壁厚0.05mm。利用CCD配合 适当的光学系统，对玻璃管相关尺寸进行实时监测， 用平行光照射玻璃管，成像物镜将尺寸影像投影 在CCD光敏像元阵列面上。,实例2：,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像 的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间 亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的 壁厚成像。 成像物镜的放大倍率为，CCD相元尺寸为t， 上壁厚、下壁厚分别
14、为n1、n2 ，外径尺寸的脉冲 数（即像元个数）为N，测量结果有：,分别为上壁厚、 下壁厚，外径尺寸。,实例2：,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,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扫描系统（电子束扫描），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; 作为机器人视觉系统；,M2A摄影胶囊（Mouth anus）由发光二极管做光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，6小时后排除体外，可拍摄2万多张图片，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。,M2A胶囊 CCD在医疗诊断中的应用, CCD传感器的应用,传感器原理及应用,第9章光
15、电式传感器,光导纤维简称光纤 光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。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。,9.3 光纤传感器,传感器原理及应用,第9章光电式传感器,9.3 光纤传感器 （1）光纤的结构和传输原理 光纤结构：,主要由三部分组成 中心纤芯； 外层包层； 护套尼龙料。,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（N1N2）。,基本采用石英玻璃，有
16、不同掺杂,根据纤芯到包层的折射率的变化规律分： 阶跃型光纤： 梯度型光纤：,按传输模式分： 单模光纤：只能传播一种模式，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。 多模光纤：纤芯直径较大，传播模式较多，性能较差，带宽较窄，制造容易，耦合容易。,按纤芯材料分： 玻璃光纤：用常规玻璃制成，损耗很低； 塑料光纤：用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但 重量轻，成本低，柔软性好； 石英光纤：光损耗比较小。,沿光纤传输的光可以分解为沿轴向和沿截面的两个平面波成分； 如果沿截面传输的波在纤芯和包层之间产生全反射，且每一往复传输的相位变化是2的正数倍，就会形成驻波； 只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光波才能在光纤中传播，这些光波称为模。,模的概念,斯乃尔定理（Snells Law）,当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时，界面处光的传输满足折射定理：,全反射时的临界角满足：,传感器原理及应用,第
