光電式與光導(dǎo)式

1、關(guān)于光電式和光導(dǎo)式第一張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 光電效應(yīng)和光電器件 光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。一、外光電效應(yīng) 在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面而向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。 向外發(fā)生的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。第二張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。 不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，因此對(duì)某種材料而言有一個(gè)頻率限（光頻閥值），當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，也不能激發(fā)出電子；反之，當(dāng)入射光的頻率高于此極限頻率時(shí)，即使光線微弱也會(huì)有

2、光電子發(fā)射出來，這個(gè)頻率限稱為“紅限頻率”。紅限波長：第三張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng)入射光的頻率成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也越多。 逸出表面的光電子具有初始動(dòng)能 ，即光電器件，即使沒加陽極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生，為了使光電流為零，必須加負(fù)的截至電壓，而且截至電壓與入射光的頻率成正比。第四張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月二、內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)物體受到光照時(shí)，其電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類：1. 光電導(dǎo)效應(yīng)； 在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀

3、態(tài)，從而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻第五張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 物理過程：當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光電導(dǎo)體材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，致使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg電子能量E電子能級(jí)示意圖第六張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光導(dǎo)材料的禁帶寬度：第七張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 材料的光電導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對(duì)于一種光電導(dǎo)材料，總

4、存在一個(gè)照射光臨界波長。只有波長小于c的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級(jí)間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。第八張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2.光生伏特效應(yīng) 在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)。光電池、光敏二極管、光敏三極管 （1）勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） 接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射到其接觸區(qū)域時(shí)，便引起光電動(dòng)勢，即結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例：光線照射=光子能量禁帶寬度=電子躍遷=電子空穴對(duì)=電子移向N區(qū)外側(cè)（空穴移向P區(qū)外側(cè)）=P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電=光電動(dòng)勢。第九張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）側(cè)向光電效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體光電

5、器件受光照不均勻時(shí)，則將產(chǎn)生濃度梯度而產(chǎn)生光電勢，稱這種現(xiàn)象為側(cè)向光電效應(yīng)。 當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對(duì)時(shí)，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子要擴(kuò)散。 如果電子遷移率比空穴大，那么空穴擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電勢。第十張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月光電式傳感器的分類： 按照用途光電管、光電倍增管光敏電阻、光導(dǎo)管光電池、光電晶體外光電效應(yīng)器件光電導(dǎo)效應(yīng)器件光生伏特效應(yīng)器件按傳輸方式直射式反射式透鏡式光電器件有反射鏡式光電器件無反射鏡式

6、光電器件第十一張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月三、外光電效應(yīng)器件1.光電管：有真空光電管和充氣光電管光照在陰極，陽極收集陰極逸出的電子，在外電場作用下形成電流第十二張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）主要性能 光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、峰值探測率和溫度特性來描述。第十三張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 光電管的伏安特性：在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陽極所加電壓與陽（陰）極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系。 注：真空光電管一般工作在飽和部分。第十四張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月光電管的光照特性：指當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電

7、壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系。 光照特性曲線的斜率(光電流與入射光光通量之間比)稱為光電管的靈敏度。第十五張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月光電管的光譜特性：由于光陰極對(duì)光譜有選擇特性，因此光電管對(duì)光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系稱為光電管的光譜特性。 同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同。 對(duì)于光陰極材料不同的光電管，有不同的紅限頻率，用于不同的光譜范圍。 光譜特性：對(duì)不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極光譜響應(yīng)范圍。第十六張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第十七張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2.光電倍增管第十八張

8、，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 光電倍增管的工作原理建立在光電發(fā)射和二次發(fā)射的基礎(chǔ)上，獲得大的光電流。 結(jié)構(gòu)：(1)光陰極：由半導(dǎo)體光電材料銻銫制成；(2)次陰極（倍增電極）：在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級(jí)(3)陽極：是最后用來收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時(shí)，可產(chǎn)生很大的光電流。第十九張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月常見的幾種光電倍增管結(jié)構(gòu)圖第二十張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月主要參數(shù) 倍

9、增系數(shù):等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)的乘積。 倍增系數(shù)與所加電壓有關(guān)，若電壓波動(dòng)，則倍增系數(shù)也波動(dòng)。 光電陰極靈敏度：一個(gè)光子在陰極能打出的平均電子數(shù)。 光電倍增管總靈敏度：一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)。 極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓不能太高，太高反而會(huì)使陽極電流不穩(wěn)。103104105106255075100125極間電壓/V 放大倍數(shù)光電倍增管的特性曲線第二十一張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月暗電流：沒有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽極仍有電流。 本底脈沖：閃爍計(jì)數(shù)器的暗電流。原因：熱電子發(fā)射、極間漏電流、場致發(fā)射等。一般在使用光電倍增管時(shí)，必須把管子放在暗室里避光使用

10、，使其只對(duì)入射光起作用；暗電流對(duì)于測量微弱光強(qiáng)和精確測量的影響很大，通?？梢杂醚a(bǔ)償電路加以消除。光電倍增管的光譜特性：與光電管的光譜特性相似取決于光電陰極的材料性能。第二十二張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。1.光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊、耐振動(dòng)、抗過載能力強(qiáng)和壽命長等。不足：需要外部電源，有電流時(shí)會(huì)發(fā)熱。四、內(nèi)光電效應(yīng)器件第二十三張，PPT共八十

11、七頁，創(chuàng)作于2022年6月光敏電阻的結(jié)構(gòu)：管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個(gè)歐姆接觸電極的光電半導(dǎo)體，一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，電極一般采用硫狀圖案。第二十四張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月無光照時(shí)其阻值很高；當(dāng)受到光照時(shí)，由于光電效應(yīng)使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，電阻值下降，則流過負(fù)載電阻的電流計(jì)其兩端電壓也隨之變化。RGRLEI第二十五張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月光敏電阻的特性 暗電阻、亮電阻與光電流 暗電阻：光敏電阻在室溫條件下，無光照時(shí)測量的電阻值。 暗電流：無光照時(shí)，在給定電壓下流過暗電阻的電流。 亮電阻：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。 亮電

12、流：在某一光照下，流過此時(shí)亮電阻的電流。 光電流：亮電流與暗電流之差。光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。第二十六張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月光敏電阻的伏安特性在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。 在給定電壓下，光照度越強(qiáng)，光電流越大。 在一定的光照度下，所加的電壓越高，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。 注意：電壓不能無限地增大，因?yàn)槿魏喂饷綦娮瓒际茴~定功率、最高工作電壓和額定電流的限制。CdS光敏電阻的伏安特性第二十七張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月光敏電阻的光照特性在一

13、定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。通常，光照特性曲線均呈非線性，因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。光敏電阻的光照特性第二十八張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月光敏電阻的光譜特性：照射光波長與光電流的關(guān)系，光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。光敏電阻的光譜特性在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的效果。第二十九張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間和頻率特性 光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的延遲性。不同材料的光敏電阻時(shí)延特性不同，所以其頻率特性也不同。 硫化鉛的使用 頻率范圍最大

14、。20406080 100I / %f / Hz010102103104硫化鉛硫化鎘第三十張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月光敏電阻的溫度特性光敏電阻的性能(靈敏度、暗電阻)受溫度的影響較大。隨著溫度的升高，其暗電阻和靈敏度下降，光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動(dòng)。為了提高靈敏度或?yàn)榱四軌蚪邮蛰^長波段的輻射，將元件降溫使用。第三十一張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2.光電池光電池是利用光生伏特效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)變成電能的器件，又稱為太陽能電池。光電池常用的材料是硅和硒，也可以使用鍺、硫化鎘、砷化鎵和氧化亞銅等。 硅光電池價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。 硒光電池

15、光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見光(響應(yīng)峰值波長0.56m)，最適宜制造照度計(jì)。 砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合。且工作溫度最高，因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。 第三十二張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。硅光電池是用單晶硅制成，在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積的P-N結(jié)，P層做得很薄，從而使光線能穿透照到P-N結(jié)上。第三十三張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十四張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十五張，P

16、PT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十六張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十七張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十八張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十九張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月3.光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管的結(jié)構(gòu)及圖示第四十一張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月光敏二極管 光敏二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾A到幾十A。 按材料分，

17、光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光敏二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光敏二極管。第四十二張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 光電二極管的P-N結(jié)裝在管的頂部,上面有一個(gè)透鏡制成的窗口，以便入射光集中在P-N結(jié)；光電二極管使用時(shí)往往工作在反向偏置狀態(tài)。光敏二極管的電路連接圖 光敏二極管在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似，其處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)。光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關(guān)系。第四十三張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月

18、（2）高速光電二極管提高光電傳感器的響應(yīng)速度PIN結(jié)光電二極管 PIN管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：(1)在P和N之間增加了一層很厚的高電阻率本征半導(dǎo)體(I)。(2)將P層做得很薄。因此當(dāng)有光照時(shí)，耗盡層加寬，PN結(jié)內(nèi)電場加強(qiáng)，從而加速了光電子的定向運(yùn)動(dòng)，縮短了漂移時(shí)間，因而提高了響應(yīng)速度。廣泛應(yīng)用于光通信和光信號(hào)檢測技術(shù)。第四十四張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月雪崩式光電二極管（APD） 雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。 特點(diǎn)：在PN結(jié)的P型區(qū)外側(cè)增加一層摻雜濃度極高的P+層。 APD的響應(yīng)時(shí)間極短，靈敏度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。第四十五張，PPT

19、共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）光敏三極管 光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益；只是它的發(fā)射極很大,以擴(kuò)大光的照射面積，且其基極無引出線。當(dāng)集電極加上正電壓，基極開路時(shí)，集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。光敏三極管的電路連接圖第四十六張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十七張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十八張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月二極管的光電流與所加偏壓幾乎無關(guān)恒流源。三極管的偏壓對(duì)光電流有明顯的影響，當(dāng)光照度保持一定，偏壓較小時(shí)，光電流隨著偏壓的增大而增大，偏壓增大到一定程度時(shí)，光電流處于近似飽和狀態(tài)。第四十九張

20、，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第五十一張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 固態(tài)圖像傳感器 固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件CTD, 最常用的是電荷耦合器件CCD。CCD自1970年問世以后，由于它的低噪聲等特點(diǎn)，CCD圖象傳感器廣泛的被應(yīng)用在微光電視攝像、信息存儲(chǔ)和信息處理等方面。（1）線型CCD圖像傳感器（2）面型CCD圖像傳感器（3）新型高清晰度圖像傳感器第五十二張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向123輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管 SiO2

21、CCD的單元結(jié)構(gòu)和基本原理 CCD的MOS結(jié)構(gòu)電荷定向轉(zhuǎn)移的控制方法：二相、三相等。第五十三張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1P1P2P2P3P3t=t0t=t1t=t2t=t3123t0t1t2t30電荷轉(zhuǎn)移過程 三相控制是在線陣列的每一個(gè)像素上有三個(gè)金屬電極P1,P2,P3,依次在其上施加三個(gè)相位不同的控制脈沖1,2,3。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式。這里采用電注入方式。當(dāng)P1極施加高電壓時(shí)，在P1下方產(chǎn)生電荷包（t=t0）；當(dāng)P2極加上同樣的電壓時(shí)，

22、由于兩電勢下面勢阱間的耦合，原來在P1下的電荷將在P1、P2兩電極下分布（t=t1）；當(dāng)P1回到低電位時(shí)，電荷包全部流入P2下的勢阱中（t=t2）。然后，p3的電位升高，P2回到低電位，電荷包從P2下轉(zhuǎn)到P3下的勢阱（t=t3），以此控制，使P1下的電荷轉(zhuǎn)移到P3下。隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理，便實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)。第五十四張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵(a)(b)線型CCD圖像傳感器輸出線型CCD圖像傳感器基本結(jié)構(gòu) 線型CCD圖像傳感器由光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移柵

23、、CCD、偏置電荷注入電路、信號(hào)讀出電路組成。線型CCD有單邊傳輸結(jié)構(gòu)和雙邊傳輸結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)移效率單邊的比雙邊的差。第五十五張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月面型CCD圖像傳感器基本結(jié)構(gòu)面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號(hào)存儲(chǔ)區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移部分組成。面型CCD能夠檢測二維的平面圖像。根據(jù)傳輸和讀出方式不同，面型CCD主要有行傳輸、行間傳輸兩種。主要有以下三種典型結(jié)構(gòu)。第五十六張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月二相驅(qū)動(dòng)視頻輸出行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅(qū)動(dòng)感光區(qū)該結(jié)構(gòu)由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，由垂直

24、方向的寄存器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號(hào)由信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)易于引起圖像模糊。第五十七張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月溝阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3 感光區(qū) 存儲(chǔ)區(qū)析像單元 視頻輸出輸出柵串行讀出該結(jié)構(gòu)增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲(chǔ)區(qū)。在正常垂直回掃周期內(nèi)，具有公共水平方向電極的感光區(qū)所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲(chǔ)區(qū)。在垂直回掃結(jié)束后，感光區(qū)回復(fù)到積光狀態(tài)。在水平消隱周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)的整個(gè)電荷圖像向下移動(dòng)，每次總是將存儲(chǔ)區(qū)最底部一行的電荷信號(hào)移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動(dòng)以視頻信號(hào)輸出。當(dāng)整幀視頻信號(hào)自存儲(chǔ)

25、移出后，就開始下一幀信號(hào)的形成。該CCD結(jié)構(gòu)具有單元密度高、電極簡單等優(yōu)點(diǎn)，但增加了存儲(chǔ)器。第五十八張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月光柵報(bào)時(shí)鐘二相驅(qū)動(dòng)輸出寄存器檢波二極管 視頻輸出垂直轉(zhuǎn)移寄存器感光區(qū)二相驅(qū)動(dòng)該結(jié)構(gòu)是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。它將結(jié)構(gòu)b中感光元件與存儲(chǔ)元件相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲(chǔ)單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移控制柵打開，電荷信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)。隨后，在每個(gè)水平回掃周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)中整個(gè)電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號(hào)在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號(hào)輸出。這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡單，但單元設(shè)計(jì)復(fù)雜

26、，感光單元面積減小，圖像清晰。第五十九張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月新型高清晰圖像傳感器簡介光電導(dǎo)涂層固體攝像器件（PSID）：是一種既具有小的像素面積又能提高靈敏度和寬動(dòng)態(tài)范圍的高清晰固體攝像機(jī)。工藝：利用Hg（汞）-敏化光-CVD（化學(xué)氣相淀積）方法制作應(yīng)用：HDTV攝像和數(shù)碼照相機(jī)第六十張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月CCD圖像傳感器的工作原理一個(gè)完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCD工作時(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)，光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移位寄存器相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的作用下，將信號(hào)電荷順

27、次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號(hào)可接到示波器、圖像顯示器或其他信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備中，可對(duì)信號(hào)再現(xiàn)或進(jìn)行存儲(chǔ)處理。第六十一張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 光導(dǎo)式（光纖）傳感器光導(dǎo)式傳感器實(shí)際是利用光在光纖中傳導(dǎo)引起光的特性發(fā)生變化而研制的一種傳感器。光導(dǎo)式傳感器的核心是光導(dǎo)纖維。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測量的特點(diǎn)。 電絕緣性能好。 抗電磁干擾能力強(qiáng)。 非侵入性。 高靈敏度。 容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場等物理量。第六十二張，PPT共八十

28、七頁，創(chuàng)作于2022年6月一、光纖結(jié)構(gòu)光纖是用光透射率高的電介質(zhì)(如石英、玻璃、塑料等)構(gòu)成的光通路。它是一種多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的圓柱體，由纖芯、包層和護(hù)層組成。第六十三張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月斯乃爾定理(1) 當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，其折射角大于入射角，即n1n2時(shí)，ri。 可見，入射角i增大時(shí)，折射角r也隨之增大，且始終ri。 n1sini=n2sinr (2)當(dāng)r=90時(shí)，i仍90，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑?，稱為臨界狀態(tài)。sinrsin901 = sini0=n2/n1 = i0=arcsin(n2/n1)n1n2ri(b)臨界狀態(tài)示意圖 n1n2

29、ri(a)光的折射示意圖 n1n2ri(c)光全反射示意圖(3)當(dāng)ii0并繼續(xù)增大時(shí)，r90，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，其出射光不再折射而全部反射回來。式中：i0臨界角第六十四張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月二、光纖的傳光原理光線在纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射而向前傳播，光在光纖內(nèi)經(jīng)過若干次的全反射，光就能從光纖的一端以光速傳播到另一端，這就是光纖傳光的基本原理。第六十五張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月三、光纖分類按光纖折射率的分布函數(shù)高純度石英玻璃纖維多組分玻璃光纖塑料光纖按材料階躍型梯度型按傳輸模數(shù)單模光纖多模光纖按用途通信光纖非通信光纖第六十六張，PPT共八十七頁，

30、創(chuàng)作于2022年6月四、光纖傳感器基本工作原理及類型1.光纖傳感器基本工作原理 將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。第六十七張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2.光纖傳感器的類型傳光型非功能型光纖傳感器。此時(shí)，光纖僅作為傳播光的介質(zhì)。對(duì)外界信息的感覺功能由其他物理性質(zhì)的功能元件完成。第六十八張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月傳感型功能型光纖傳感器。此時(shí)，光纖不僅起傳光的作用，而且還利用光纖在外界因素（彎

31、曲、相變）的作用下，其光學(xué)特性（光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等）的變化來實(shí)現(xiàn)傳和感的功能。第六十九張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月五、光纖傳感器的調(diào)制器原理光的調(diào)制和解調(diào)可分為：強(qiáng)度、相位、偏振、頻率和波長等方式。光的調(diào)制過程就是將一攜帶信息的信號(hào)疊加到載波光波上；完成這一過程的器件叫做調(diào)制器。在光纖傳感器中，光的解調(diào)過程通常是將載波光攜帶的信號(hào)轉(zhuǎn)換成光的強(qiáng)度變化，然后由光電探測器進(jìn)行檢測。第七十張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月1.強(qiáng)度調(diào)制 光纖傳感器中光強(qiáng)度調(diào)制是被測對(duì)象引起載波光強(qiáng)度變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測對(duì)象進(jìn)行檢測的方式。光強(qiáng)度變化可以直接用光電探測器進(jìn)行檢測。 外界物理量 光強(qiáng)

32、的變化第七十一張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月強(qiáng)度調(diào)制方法之一：小線性位移和角位移調(diào)制方法。使用兩根光纖，一為光的入射光纖，一為調(diào)制后光的出射光纖。通常入射光纖不動(dòng)，外界因素使得出射光纖作橫向或縱向位移或移動(dòng)，于是出射光纖輸出的光強(qiáng)被其位移所調(diào)制。第七十二張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月強(qiáng)度調(diào)制方法之二：微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制。根據(jù)模態(tài)理論，當(dāng)光纖軸向受力而微彎時(shí)，光纖中的部分光會(huì)折射到纖芯的包層中去，不產(chǎn)生全反射，這樣將引起纖芯中的光強(qiáng)發(fā)生變化。因此，可通過對(duì)纖芯或包層的能量變化來測量外界力如應(yīng)力、重量、加速度等物理量。第七十三張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月強(qiáng)度調(diào)制

33、方法之三：吸收特性的強(qiáng)度調(diào)制。通過不同材料的光纖對(duì)不同射線的敏感程度不一樣這一特性，可鑒別不同的射線。第七十四張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月2.波長調(diào)制和頻率調(diào)制利用外界因素改變光纖中光的波長或頻率，然后，通過檢測光纖中的波長或頻率的變化來測量各種物理量的原理，分別稱為波長調(diào)制和頻率調(diào)制。3. 相位調(diào)制利用外界因素改變光纖中光波的相位，通過檢測光波相位變化來測量物理量的原理稱為相位調(diào)制。4. 時(shí)分調(diào)制利用外界因素調(diào)制返回信號(hào)的基帶頻譜，通過檢測基帶的延遲時(shí)間、幅度大小的變化來測量各種物理量的大小和空間分布的方法，稱為時(shí)分調(diào)制。第七十五張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月5.

34、偏振調(diào)制光在傳播中，光波的電場矢量和磁場矢量的大小不變，而振動(dòng)方向繞傳播軸均勻地轉(zhuǎn)動(dòng)，矢量端點(diǎn)軌跡為一個(gè)圓，這種光稱為圓偏振光。如果矢量軌跡為一個(gè)橢圓，這種光稱為橢圓偏振光。如果自然光在傳播過程中，收到外界的作用而造成各個(gè)振動(dòng)方向上強(qiáng)度不等，使某一方向的振動(dòng)比其他方向占優(yōu)勢，所造成的這種光稱為部分偏振光。如果外界作用使自然光的振動(dòng)方向只有一個(gè)，造成的光稱為完全偏振光。光纖傳感器中的偏振調(diào)制器常用電光、磁光、光彈等物理效應(yīng)進(jìn)行調(diào)制。第七十六張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（1）法拉第效應(yīng)當(dāng)平面偏振光在磁場作用下，使偏振光的振動(dòng)面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。第七十七張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（2）普克爾（Pockels）效應(yīng) 當(dāng)壓電片受光照射并在其正交的方向上加以高壓，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為Pockels效應(yīng)。第七十八張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月O光e-光雙折射雙折射雙折射 方解石 自然光第七十九張，PPT共八十七頁，創(chuàng)作于2022年6月（3）光彈效應(yīng) 在垂直于光波傳播方向上施加應(yīng)力，被施加應(yīng)力的材料將使光產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，折射率與應(yīng)力有關(guān)，這