第八章光電式傳感器

1、概述概述: :概述概述指紋鎖指紋鎖門禁門禁光光 電電 鼠鼠 標(biāo)標(biāo)概述概述光電開關(guān)二、光源（發(fā)光器件）二、光源（發(fā)光器件）1、鎢絲白熾燈、鎢絲白熾燈 8.1 8.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 傳統(tǒng)的光敏器件利用各種光電效應(yīng)，光電效應(yīng)可分為：傳統(tǒng)的光敏器件利用各種光電效應(yīng)，光電效應(yīng)可分為： 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 8.1 8.1 光電器件光電器件 光線作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外光電效應(yīng)。光線作用下，電子逸出物體表面向外發(fā)射稱外光電效應(yīng)。 8.1 8.1 光電器件光電器件 在在 光被看作是具有一定能量的光粒子組成，光被看作是具有一

2、定能量的光粒子組成， 光照射物光照射物體時(shí)，物體中的電子吸收入射光子的能量，每個(gè)光子體時(shí)，物體中的電子吸收入射光子的能量，每個(gè)光子具有的能量是：具有的能量是： Ehh 8.1 8.1 光電器件光電器件 20012EhmvA 由能量守恒定律有：（愛因斯坦光電效應(yīng)方程）由能量守恒定律有：（愛因斯坦光電效應(yīng)方程）u光電導(dǎo)效應(yīng)：光電導(dǎo)效應(yīng)： 入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。入射光強(qiáng)改變物質(zhì)導(dǎo)電率的物理現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。 這種效應(yīng)幾乎所有高電阻這種效應(yīng)幾乎所有高電阻 率半導(dǎo)體都有，為使電子從率半導(dǎo)體都有，為使電子從 價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，入射光子 的能量的能量E E0 0

3、應(yīng)大于禁帶寬度應(yīng)大于禁帶寬度EgEg。 8.1 8.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻光敏電阻。 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1 8.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) u光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)： 光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在光生伏特效應(yīng)是半導(dǎo)體材料吸收光能后，在PNPN結(jié)結(jié)上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。上產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.18.1.1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具有很高的靈敏度，很好的光譜特光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到

4、紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，因此應(yīng)用比較廣小、重量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。泛。 A金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖光導(dǎo)電材料絕緣襯低引線電極引線光電導(dǎo)體 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.18.1.1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8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.1 光敏電阻光敏電阻 2 2）伏安特性：在一定的照度下，流過光敏電阻的電）伏安特性：在一定的照度下，流過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流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱

5、為光敏電阻的伏安特性。特性。 給定偏壓給定偏壓 光照越大光電流越大；光照越大光電流越大； 給定光照度給定光照度 電壓越大光電流越大；電壓越大光電流越大； 光敏電阻的伏安特性光敏電阻的伏安特性 曲線不彎曲、曲線不彎曲、 無飽和，無飽和， 但受最大功耗限制。但受最大功耗限制。 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.1 光敏電阻光敏電阻 2.光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.1 光敏電阻光敏電阻 特性特性4 4） 光譜特性：光敏電阻的相對(duì)光敏靈敏度與入射波長(zhǎng)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。的關(guān)系稱為光敏電阻的光

6、譜特性。 光敏電阻靈敏度與入射光波長(zhǎng)有關(guān)光敏電阻靈敏度與入射光波長(zhǎng)有關(guān); ; 對(duì)于不同材料光敏電阻的靈敏度不一樣。對(duì)于不同材料光敏電阻的靈敏度不一樣。 例圖：例圖： 硫化鎘（硫化鎘（CdSCdS）0.30.30.8(m)0.8(m)硫化砣（硫化砣（TISTIS）0.30.31.4(m)1.4(m) 硫化鉛（硫化鉛（PbSPbS）1.01.03.5(m) 3.5(m) 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.1 光敏電阻光敏電阻 2.光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.1 光敏電阻光敏電阻 2.光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性5 5） 頻率特性頻率

7、特性 這里所說的頻率不是入射光的頻率，這里所說的頻率不是入射光的頻率，而是指入射光強(qiáng)度變化的頻率。當(dāng)光而是指入射光強(qiáng)度變化的頻率。當(dāng)光敏電阻受到脈沖光的作用時(shí)，光電流敏電阻受到脈沖光的作用時(shí)，光電流并不立即上升到穩(wěn)態(tài)值，這個(gè)上升過并不立即上升到穩(wěn)態(tài)值，這個(gè)上升過程要經(jīng)歷一段時(shí)間，同樣，光照停止程要經(jīng)歷一段時(shí)間，同樣，光照停止后光電流也不立刻從穩(wěn)態(tài)值下降到暗后光電流也不立刻從穩(wěn)態(tài)值下降到暗電流，也需要一段時(shí)間。這表明，光電流，也需要一段時(shí)間。這表明，光敏電阻中光電流隨光強(qiáng)度的變化具有敏電阻中光電流隨光強(qiáng)度的變化具有一定的慣性，通常用時(shí)間常數(shù)一定的慣性，通常用時(shí)間常數(shù)表示。表示。 6 6） 溫度特

8、性溫度特性 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.1 光敏電阻光敏電阻 2.光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性硅光敏二極管結(jié)構(gòu)硅光敏二極管結(jié)構(gòu) 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.2 光敏晶體管光敏晶體管 1.光敏二極管光敏二極管8.1 8.1 光電器件光電器件 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.光敏二極管光敏二極管8.1 8.1 光電器件光電器件 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 2.光敏晶體管光敏晶體管 與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極- -集電極作為光敏二極管，作為受光結(jié)，集電

9、極作為光敏二極管，作為受光結(jié)，所以所以基極基極的尺的尺寸做的很大，寸做的很大，以擴(kuò)大光照面積，且基極無引線，集電以擴(kuò)大光照面積，且基極無引線，集電極加反偏。光敏晶體管的工作原理分為光電轉(zhuǎn)換和光極加反偏。光敏晶體管的工作原理分為光電轉(zhuǎn)換和光電流放大兩個(gè)過程。電流放大兩個(gè)過程。光電池種類很多，光電池種類很多，8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.3 光電池光電池 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.3 光電池光電池 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.3 光電池光電池 （有源器件）（有源器件） 太陽能手機(jī)充電器太陽能手機(jī)充電器太陽能供 LED電警示太陽能電池v 電路連接電路連接 8

10、.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.3 8.1.3 光電池（有源器件）光電池（有源器件） 硅管的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為硅管的發(fā)射結(jié)導(dǎo)通電壓為0.6V0.6V0.7V0.7V，光電池的，光電池的 0.5V0.5V電壓起不到控制作用，可將兩個(gè)光電池串聯(lián)電壓起不到控制作用，可將兩個(gè)光電池串聯(lián) 后接入基極，或用偏壓電阻產(chǎn)生附加電壓。后接入基極，或用偏壓電阻產(chǎn)生附加電壓。 有光照度變化時(shí)，引起基極電流有光照度變化時(shí)，引起基極電流IbIb變化，集電極變化，集電極 電流發(fā)生電流發(fā)生倍的變化。倍的變化。光電池電路連接光電池電路連接 隨著光電技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種新的功能器件隨著光電技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一種新的功能

11、器件光電耦合器件。光電耦合器件光電耦合器件。光電耦合器件又稱光電隔離器。又稱光電隔離器。 光電耦合器是將發(fā)光器件光電耦合器是將發(fā)光器件(LED)(LED)和光敏器件和光敏器件( (光敏二、光敏二、三極管三極管) )緊密組裝在一起，密封在一個(gè)對(duì)外隔光的封裝緊密組裝在一起，密封在一個(gè)對(duì)外隔光的封裝之內(nèi)形成的一個(gè)電之內(nèi)形成的一個(gè)電- -光光- -電器件。電器件。 這種器件在信息的傳輸過程中是用光作為媒介把輸這種器件在信息的傳輸過程中是用光作為媒介把輸入邊和輸出邊的電信號(hào)耦合在一起的。入邊和輸出邊的電信號(hào)耦合在一起的。 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.4 8.1.4 光電耦合器件光電耦合器件

12、特點(diǎn)：特點(diǎn)：輸入輸出完全隔離，有獨(dú)立輸入輸出完全隔離，有獨(dú)立的輸入輸出阻抗，器件有很的輸入輸出阻抗，器件有很強(qiáng)的抗干擾能力和隔離性能強(qiáng)的抗干擾能力和隔離性能可避免振動(dòng)、噪聲干擾。可避免振動(dòng)、噪聲干擾。 特別適宜做數(shù)字電路開關(guān)特別適宜做數(shù)字電路開關(guān)信號(hào)傳輸、邏輯電路隔離器信號(hào)傳輸、邏輯電路隔離器計(jì)算機(jī)測(cè)量、控制系統(tǒng)中做計(jì)算機(jī)測(cè)量、控制系統(tǒng)中做 無觸點(diǎn)開關(guān)等。無觸點(diǎn)開關(guān)等。 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.4 8.1.4 光電耦合器件光電耦合器件 光電隔離器光電隔離器 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.4 8.1.4 光電耦合器件光電耦合器件 右圖是右圖是CMOSCMOS電路電電

13、路電平轉(zhuǎn)到平轉(zhuǎn)到TTLTTL電路電平電路電平的電路圖。該電路中的電路圖。該電路中輸入是輸入是2020伏到伏到0 0伏伏的脈沖，輸出是的脈沖，輸出是0 0伏伏到到5 5伏的脈沖，前后伏的脈沖，前后電路完全是隔離的。電路完全是隔離的。 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.4 8.1.4 光電耦合器件光電耦合器件 回路的隔離電路 被控制的回路被控制的回路2 2接接220V220V交流交流電，而回路電，而回路1 1是電源電壓很低是電源電壓很低的直流控制電路。在使用中，的直流控制電路。在使用中，為了防止被控回路對(duì)控制回為了防止被控回路對(duì)控制回路的影響，兩種電路的電源路的影響，兩種電路的電源及信號(hào)要

14、求隔離。及信號(hào)要求隔離。 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.5 8.1.5 光電器件的測(cè)量方法光電器件的測(cè)量方法. . 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.4 8.1.4 光電耦合器件光電耦合器件 光電器件的測(cè)量方法光電器件的測(cè)量方法 透明度混蝕度紙的白度工件表面粗糙度工件的尺寸振動(dòng)測(cè)量照度計(jì)高溫計(jì) 8.1 8.1 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） ChargeChargeCoupled DevicesCoupled Devices 電荷耦合器件：又稱電荷耦合器件：又稱CCDCCD圖象傳感器，是一種大規(guī)模圖象傳感器，是一種大規(guī)模集成電路光電器件。具有光

15、電轉(zhuǎn)換，信息存儲(chǔ)、延時(shí)、集成電路光電器件。具有光電轉(zhuǎn)換，信息存儲(chǔ)、延時(shí)、傳輸、處理等功能。構(gòu)成具有自掃描功能的圖象傳感器。傳輸、處理等功能。構(gòu)成具有自掃描功能的圖象傳感器。 特點(diǎn)：集成度高、尺寸小、電壓低（特點(diǎn)：集成度高、尺寸小、電壓低（DC7DC712V12V）, ,功功耗小。耗小。 該技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了各種視頻裝置的普及和微型化，該技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了各種視頻裝置的普及和微型化，應(yīng)用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用應(yīng)用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各個(gè)領(lǐng)域。等各個(gè)領(lǐng)域。 8.1 8.1 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） ChargeChar

16、geCoupled DevicesCoupled Devices 8.1 8.1 光電器件光電器件 電荷耦合器件電荷耦合器件 8.1 8.1 光電器件光電器件 電荷耦合器件電荷耦合器件 基于基于CCDCCD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)機(jī)、平板掃描儀、指紋機(jī) 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.5 8.1.5 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） 一個(gè)一個(gè)MOSMOS光敏元結(jié)構(gòu)光敏元結(jié)構(gòu) MOSMOS光敏單元光敏單元CCDCCD結(jié)構(gòu)及工作原理：結(jié)構(gòu)及工作原理： CCD CCD器件的基本單元結(jié)構(gòu)是器件的基本單元結(jié)

17、構(gòu)是MOSMOS（金屬（金屬氧化物氧化物半半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。即在導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。即在P P型硅襯底上生長(zhǎng)一層型硅襯底上生長(zhǎng)一層SiOSiO2 2(120nm),(120nm),再在再在SiOSiO2 2層上沉積金屬構(gòu)成層上沉積金屬構(gòu)成MOSMOS結(jié)構(gòu)，它是結(jié)構(gòu)，它是CCDCCD器件的器件的最小工作單元最小工作單元。 因?yàn)樗怯山饘僖驗(yàn)樗怯山饘?M)(M)氧化物氧化物(O)(O)半導(dǎo)體半導(dǎo)體(S)(S)三三層所組成，故稱層所組成，故稱MOSMOS結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。構(gòu)成構(gòu)成CCDCCD的基本的基本單元是單元是MOSMOS電容電容器，與其它電器，與其它電容器一樣，容器一樣，MOSMOS電容器能夠存電容器能夠存儲(chǔ)

18、電荷。儲(chǔ)電荷。一個(gè)一個(gè)MOSMOS光敏元結(jié)構(gòu)光敏元結(jié)構(gòu) 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.5 8.1.5 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） CCDCCD結(jié)構(gòu)及工作原理：結(jié)構(gòu)及工作原理： 當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)正電壓當(dāng)在金屬電極上施加一個(gè)正電壓U Ug g時(shí)，時(shí)，P P型硅中的型硅中的多數(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）吸引到子（電子）吸引到P-SiP-Si界面處來，從而在界面附近形界面處來，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，勢(shì)阱的深成一個(gè)帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)，也稱表面勢(shì)阱，勢(shì)阱的深淺取決于淺取決

19、于Ug的大小。對(duì)帶負(fù)電的電子來說，耗盡區(qū)是的大小。對(duì)帶負(fù)電的電子來說，耗盡區(qū)是個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域。個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域。 當(dāng)有光線入射到硅片上時(shí)，光子作用下產(chǎn)生電子當(dāng)有光線入射到硅片上時(shí)，光子作用下產(chǎn)生電子空穴對(duì)，空穴被電場(chǎng)作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近空穴對(duì)，空穴被電場(chǎng)作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢(shì)阱（俘獲），此時(shí)勢(shì)阱內(nèi)吸的電子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。勢(shì)阱（俘獲），此時(shí)勢(shì)阱內(nèi)吸的電子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。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，所加正電壓排斥出耗盡區(qū)。并且在一定的條件下，所加正電壓U Ug g越越大，

20、耗盡層就越深，這時(shí)勢(shì)阱所能大，耗盡層就越深，這時(shí)勢(shì)阱所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。 一個(gè)一個(gè)MOSMOS光敏元結(jié)構(gòu)光敏元結(jié)構(gòu) 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.5 8.1.5 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） CCDCCD結(jié)構(gòu)及工作原理：結(jié)構(gòu)及工作原理：CCDCCD結(jié)構(gòu)示意圖結(jié)構(gòu)示意圖 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.5 8.1.5 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） 8.1 8.1 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） 一個(gè)一個(gè)MOSMOS結(jié)構(gòu)元稱為結(jié)構(gòu)元稱為MOSMOS光敏元或一個(gè)光敏元或一個(gè)

21、像素，像素，CCDCCD器器件內(nèi)是在硅片上制作成千上萬的件內(nèi)是在硅片上制作成千上萬的MOSMOS元，每個(gè)金屬電極元，每個(gè)金屬電極加電壓，就形成成千上加電壓，就形成成千上萬萬個(gè)勢(shì)阱；個(gè)勢(shì)阱； 存儲(chǔ)電荷的多少正比于照射的光強(qiáng)，存儲(chǔ)電荷的多少正比于照射的光強(qiáng)，如果照射在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照度相應(yīng)的光生電荷圖象。元就感生出一幅與光照度相應(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。這就是電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)基本原理。 8.1 8.1 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（

22、CCDCCD） 2651801339066453322 8.1 8.1 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） a）單行結(jié)構(gòu)）單行結(jié)構(gòu) b）雙行結(jié)構(gòu)）雙行結(jié)構(gòu)線型線型CCD圖像傳感器圖像傳感器 8.1 8.1 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） 電荷轉(zhuǎn)移原理電荷轉(zhuǎn)移原理 8.1 8.1 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） 讀出移位寄存器結(jié)構(gòu)讀出移位寄存器結(jié)構(gòu)當(dāng)當(dāng)t = t1t = t1時(shí)刻，時(shí)刻，11電極下出現(xiàn)勢(shì)阱存入光電荷電極下出現(xiàn)勢(shì)阱存入光電荷 當(dāng)當(dāng)t = t2t = t2時(shí)刻，兩個(gè)勢(shì)阱形成大的勢(shì)阱存入光電荷。時(shí)刻，

23、兩個(gè)勢(shì)阱形成大的勢(shì)阱存入光電荷。 當(dāng)當(dāng)t = t3t = t3時(shí)刻，時(shí)刻，11中電荷全部轉(zhuǎn)移至中電荷全部轉(zhuǎn)移至22。 當(dāng)當(dāng)t = t4t = t4時(shí)刻，時(shí)刻，22中電荷向中電荷向33勢(shì)阱轉(zhuǎn)移。勢(shì)阱轉(zhuǎn)移。 當(dāng)當(dāng)t = t5t = t5時(shí)刻，時(shí)刻，33中電荷向下一個(gè)中電荷向下一個(gè)11勢(shì)阱轉(zhuǎn)移。勢(shì)阱轉(zhuǎn)移。 8.1 8.1 光電器件光電器件 8.1.5 8.1.5 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） 讀出移位寄存器三相時(shí)鐘脈沖讀出移位寄存器三相時(shí)鐘脈沖 8.1 8.1 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） v 電荷轉(zhuǎn)移原理電荷轉(zhuǎn)移原理 這一傳輸過程依次下去，信號(hào)電荷按設(shè)

24、計(jì)好的這一傳輸過程依次下去，信號(hào)電荷按設(shè)計(jì)好的方向，在時(shí)鐘脈沖控制下從寄存器的一端轉(zhuǎn)移到方向，在時(shí)鐘脈沖控制下從寄存器的一端轉(zhuǎn)移到另一端。另一端。 這樣一個(gè)傳輸過程，實(shí)際上是一個(gè)這樣一個(gè)傳輸過程，實(shí)際上是一個(gè)電荷耦合過電荷耦合過程程，所以稱電荷耦合器件，擔(dān)任電荷傳輸?shù)膯卧苑Q電荷耦合器件，擔(dān)任電荷傳輸?shù)膯卧Q移位寄存器。稱移位寄存器。 8.1 8.1 光電器件光電器件 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD） 光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱光纖簡(jiǎn)稱光纖 光纖傳感器是光纖傳感器是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)展術(shù)，光

25、纖最早用于通訊，隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，光纖傳光纖傳感器得到進(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(diǎn)：器有如下特點(diǎn)： 不受電磁干擾，防爆性能好，不會(huì)漏電打火；不受電磁干擾，防爆性能好，不會(huì)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、高壓可以用于高溫、高壓. .絕緣性能好，耐腐蝕。絕緣性能好，耐腐蝕。 光纖傳感器可測(cè)量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變光纖傳感器可測(cè)量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量

26、8.2 8.2 光纖傳感器光纖傳感器 8.2 8.2 光纖傳感器光纖傳感器8.2.18.2.1光纖的結(jié)構(gòu)及其傳光光纖的結(jié)構(gòu)及其傳光 1)1)光纖結(jié)構(gòu)：光纖結(jié)構(gòu)： 12sinsinirnn 8.2 8.2 光纖傳感器光纖傳感器8.2.18.2.1光纖的結(jié)構(gòu)及其傳光光纖的結(jié)構(gòu)及其傳光 2)2)光纖傳光原理：光纖傳光原理： 光的折射示意圖光的折射示意圖臨界狀態(tài)示意圖臨界狀態(tài)示意圖光的全反射示意圖光的全反射示意圖122sinsin90cnnn21sincnn21arcsincnn0112sinsinsinsiniinnnn10sinsininn90i 21sinsininn21111000022221

27、212010sinsinsin(90)cos1 sin11 (sin)siniiiinnnnnnnnnnnnnnn 8.2 8.2 光纖傳感器光纖傳感器8.2.18.2.1光纖的結(jié)構(gòu)及其傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)及其傳光原理 2)2)光纖傳光原理：光纖傳光原理： 2212sincnnNAsincNC 8.2 8.2 光纖傳感器光纖傳感器8.2.18.2.1光纖的結(jié)構(gòu)及其傳光光纖的結(jié)構(gòu)及其傳光 2)2)光纖傳光原理：光纖傳光原理： 2221201sinsininnn 光纖的傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不同角光纖的傳播基于光的全反射。當(dāng)光線以不同角 度入射到光纖端面時(shí)，在端面發(fā)生折射后進(jìn)入光纖；度入射到光

28、纖端面時(shí)，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射角減小到某一角度減小到某一角度cc時(shí)，時(shí)，光線全部反射。光線全部反射。 v 只要只要2c2c，光在纖芯和包層界面上經(jīng)若干次，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。全反射向前傳播，最后從另一端面射出。 8.2 8.2 光纖傳感器光纖傳感器8.2.18.2.1光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理 2)2)光纖的傳光原理：光纖的傳光原理：8.2 8.2 光纖傳感器光纖傳感器8.2.28.2.2光纖的性能（幾個(gè)重要參數(shù)）光纖的性能（幾個(gè)重要參數(shù)） 數(shù)值孔徑（數(shù)值孔徑（NANA） 臨界入射角臨界

29、入射角cc的正弦函數(shù)定義為光纖的數(shù)值孔徑的正弦函數(shù)定義為光纖的數(shù)值孔徑. . 221201sincNAnnn空氣中：空氣中：2212NAnn12()nnv 可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（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)。NANA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，只要在大，只要在2c2c張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、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(huì)進(jìn)入包層漏傳播。若入射

30、角超出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包層漏光。光。 一般一般NANA越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會(huì)更越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會(huì)更容易。但容易。但NANA越大光信號(hào)畸變?cè)酱?，要選擇適當(dāng)。越大光信號(hào)畸變?cè)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，石英光纖的數(shù)值孔徑一般為：纖的數(shù)值孔徑一般為：0.20.4NA光纖模式光纖模式 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)傳感器是以上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機(jī)機(jī)電測(cè)量電測(cè)量為基礎(chǔ)，而光纖傳為基礎(chǔ)，

31、而光纖傳感器則以感器則以光學(xué)測(cè)量光學(xué)測(cè)量為基礎(chǔ)。為基礎(chǔ)。 光是一種電磁波，其波長(zhǎng)從極遠(yuǎn)紅外的光是一種電磁波，其波長(zhǎng)從極遠(yuǎn)紅外的lmm到極遠(yuǎn)紫外線的到極遠(yuǎn)紫外線的10nm。它的。它的物理作用物理作用和和生物化學(xué)作用生物化學(xué)作用主要因其中的電場(chǎng)而引起。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)，即的振動(dòng)，即A電場(chǎng)電場(chǎng)E的振幅矢量；的振幅矢量；光波的振動(dòng)頻率；光波的振動(dòng)頻率；光相位；光相位；t光的傳播時(shí)間。光的傳播時(shí)間。 可見，只要使光的可見，只要使光的強(qiáng)度強(qiáng)度、偏振態(tài)偏振態(tài)( (矢量矢量A的方向的方向) )、頻率頻率和和相位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，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，通過對(duì)光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)