第九章 新型光电传感器.ppt

传感器原理和应用，第九章光电传感器，9.1新型固体光电设备9.1.1常规感光设备阵列(1)象限探测器在引起象限间信号输出变化的象限间信号输出变化的同时，起到诱导、跟踪、搜索、定位等作用。(2)光敏感管阵列，通过线或阵列将感光二极管组合在一起，同时检测测量对象各部分提供的不同光信息并将它们转换为电信号的装置。传感器原理和应用、第9章光电传感器、9.1新型固体光电设备9.1.2PSD光电位置传感器、PSD用于测量光斑位置或位置的移动量的光束入射感光层、入射位置入射辐射成比例的信号电荷、信号电极1和2形成的光电流(I1、I2)由信号电极1和2输出，3电荷耦合器件具有光电转换、信息存储、传输、处理和电子快门等功能。特性：1。强度高、尺寸小，电压低(DC7至12V)功耗低。2.高空间分辨率，最高7m的线性分辨率，超过1000 electrical视线的阵列分辨率；光电灵敏度高，设备好，最高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、方便性和计算机连接。9.2电荷耦合设备(CCD)CCD-Charge-coupled devices，传感器原理和应用，第9章光电传感器，9.2电荷耦合设备，该技术的发展是宇宙、遥感、天文、通信、工业、农业、传感器原理和应用、第9章光电传感器、基于CCD光电耦合器的输入设备：数码相机、数码相机、平板扫描仪、指纹识别器、9.2电荷耦合设备、传感器原理和应用、第9章光电传感器、CCD基本结构为MOS光敏元件阵列；金属-氧化物-半导体(MOS)读取移位寄存器。电荷耦合器件在半导体硅晶片上制造数百(万)个光敏源，一个光敏源也称为像素，在半导体硅平面上，光敏源以线性排列或排列规律排列。CCD结构图，显微镜MOS元件表面，CCD基本结构和工作原理，9.2电荷耦合装置，传感器原理和应用，第9章光电传感器，MOS感光元件在向金属电极添加正电压时，由于电场作用，电极下p型硅区域的空孔被推进耗尽区域。电子是一种很低的势能，叫做“势阱”。当光线进入硅晶片时，光子会产生电子。孔被电场作用推走耗尽区域，光电被周围的势阱(捕获)捕获，此时从势阱中吸收的光子数与光的强度成正比。MOS光敏源结构，9.2电荷耦合器件，电荷存储原理：CCD基本结构和工作原理，传感器原理和应用，第9章光电传感器，电荷存储原理：MOS光敏源结构，MOS光敏源或像素，在势阱中收集的光生电子称为电荷包；在CCD装置内，硅晶片上制造了数百个MOS元素，每个金属电极和电压形成数百个势阱，生产数百个电荷包。光在对光敏感的分子上照射是明亮、黑暗的阴影荡漾的形象，就会产生对光有反应的光生电荷图像。这是电荷耦合器件光电物理效应的基本原理。9.2电荷耦合器件，CCD基本结构和工作原理，传感器原理和应用，第9章光电传感器，265180，13390，6645，3332，分辨率(像素)的不同图像比较，9.2电荷耦合器件，读出移位寄存器也是由金属电极、氧化物和半导体三部分组成的MOS结构。与MOS感光元件不同的是，半导体底部复盖着防止外部光线干扰的阴影。读取由三个非常相邻的电极组成的移位寄存器结构，9.2电荷耦合装置。将脉冲波 1 2 3应用于三个电极，称为三相时钟脉冲。电荷转移原理(读取移位寄存器)，CCD基本结构和工作原理，传感器原理和应用，第9章光电传感器，t=t1小时， 1电极下的势阱是光电荷t=t2小时，两个势阱是电荷t=t3小时， 1的电荷T=t4小时， 2电荷 3势井移动。T=t5小时， 3电荷下 1势阱移动，读出移位寄存器三相时钟脉冲，9.2电荷耦合器件，电荷移动原理(读出移位寄存器)，传感器原理和应用，第9章光电传感器，不同瞬时势阱深度变化，按照电荷设计的方向，在时钟脉冲控制下，从寄存器的一端到另一端这种传输过程实际上是电荷耦合过程，因此被称为电荷耦合器件，负责电荷传输的单位被称为移位寄存器。9.2电荷耦合器件，电荷转移原理(读出移位寄存器)，电荷信息传递原理，传感器原理和应用，第9章光电传感器，输出结构：在CCD阵列末端生成(扩散)n个区域，形成逆偏置二极管，收集信号电荷控制a点电位变化，二极管逆偏差很深的炮，电荷耦合器件信号输出方式，9.2电荷耦合器件，传感器原理和应用，第9章光电传感器，CCD信号电荷输出方式主要有电流输出，电压输出，电压输出方式。例如，以电压输出类型为例，浮动扩散放大器(FDA)、由浮动扩散区收集的流动栅格放大器(FGA)使用由浮动扩散区收集的信号电荷来控制放大管VT2的栅极电位。电荷耦合器件信号输出方式，9.2电荷耦合器件，传感器原理和应用，第9章光电传感器，CCD器件的物理性能可以使用描述CCD存储和传输信号电荷相关特性的特性参数，说明设备理论设计的重要依据。外部参数描述了CCD应用的相关性能指标，主要包括电荷转移效率、传输损失率、工作频率、电荷储存容量、灵敏度、分辨率等。CCD特性参数、9.2电荷耦合装置、传感器原理和应用、9章光电传感器、9.2电荷耦合装置、CCD装置分为单通道CCD、双通道CCD、帧传输结构CCD、线路传输结构CCD等多种形式的CCD阵列CCD。CCD设备、传感器原理和应用、第9章光电传感器、线性CCD结构线性CCD传感器由MOS感光元件热和移位寄存器热并行构成。感光元件和移位寄存器之间是由1024个感光元件1024个读移位寄存器组成的传输控制门，1024个水印阵列。读取移位寄存器的输出面Ga逐位输出存储的电荷信息。单通道CCD结构，CCD设备，9.2电荷耦合设备，传感器原理和应用，第9章光电传感器，电荷输出控制光敏元件曝光光积分，金属电极加正向脉冲电压p，光敏元件吸收光生成电荷，积累马上结束；传输控制栅加传输脉冲T，传输控制栅打开，感光元件捕获光生成电荷移动控制栅，并通过移位寄存器；这是并行输出过程，传输网格关闭。然后，三个时钟脉冲 1 2 3工作，读取移位寄存器的输出端Ga 1位输出信息。这是串行输出过程。，单通道CCD结构，电荷输出控制波形，CCD设备线性CCD结构，9.2电荷耦合设备，传感器原理和应用，第9章光电传感器，64位阵列CCD结构，9.2电荷耦合设备，传感器原理和应用，第9章光电传感器， 9.2电荷耦合装置、传感器原理和应用、第九章光电传感器、CCD传感器用于组合透镜、透镜、光纤、过滤器和镜子等各种光学元件，主要用于组装光相机、相机、工业显示器。 CCD应用技术是光、机、电、计算机相结合的先进技术，是非常有效的非接触检测方法，CCD广泛用于在线检测大小、位移、速度、定位和自动聚焦等。CCD诞生后，首先在工业测试中制作了测量长度的光电传感器，物体通过物镜在CCD光敏源上制作图像，使用CCD测量几何量，用CCD输出的脉冲特性测量工件的大小或缺陷；例如，使用CCD识别集成电路焊点模式，而不是点穿孔仪。用于传真技术、文本、图像识别。自动管道，机床，自动售货机，自动监控装置，指纹识别器。CCD传感器的应用，9.2电荷耦合元件，传感器原理和应用，第9章光电传感器，线性CCD是工件大小的测量，例如1:传感器原理和应用，第9章光电传感器，例如2:传感器原理和应用，第9章光电传感器，玻璃管的平均外径需要12mm，壁厚1.2mm，测量准确度0.1mm，壁厚0.05mm。与适当的光学系统一起使用CCD实时监控玻璃管相关尺寸，用远光源照射玻璃管，成像物镜将尺寸图像投影到CCD感光像素阵列表面。示例2:传感器原理和应用，第九章光电传感器，玻璃管成像的透射率分布，因此玻璃管成像的两个暗带反映玻璃管外径大小，中亮带反映玻璃管内径大小，暗带是玻璃管的壁厚成像。图像物镜的放大系数为，CCD上元素大小为t，上壁厚度，下壁厚度为n1，N2，外径大小的脉冲数(即图元数)为n，测量值为：分别为上壁厚度、下壁厚度、外径大小。示例2:传感器原理和应用，第9章光电传感器，CCD固态图像传感器作为相机或图像传感器，取代了相机设备的光扫描系统(电子束扫描)，比其他相机设备更小，更便宜，工作电压低，功耗小，不需要高压；是机器人视觉系统，M2A照相胶囊由发光二极管发光，CCD制作相机，每秒拍两次快门，6小时后在身体外拍2万张以上的照片，信号发送到内存，删除内存后，接入计算机下载图像。M2A胶囊CCD在医疗诊断中的应用，CCD传感器的应用，传感器原理和应用，第九章光电传感器，光纤简称光纤传感器是20世纪70年代中期开发的新技术，光纤最初用于通信，光纤技术的发展使光纤传感器得到了进一步发展。与其他传感器相比，光纤传感器具有无电磁干扰、防爆性能、漏电保护和防火等特点。可以根据需要做成各种形状，也可以弯曲。可用于高温、高压、绝缘性能、耐蚀性。9.3光纤传感器，传感器原理和应用，9章光电传感器，9.3光纤传感器(1)光纤结构和传输原理光纤结构：主要由3部分组成的中心核心；外部包层；外部尼龙材质。，光纤的光导电性取决于芯和包层的特性，芯折射率N1略大于包层折射率N2 (n1 N2)。基本上有石英玻璃，不同的掺杂，根据从核心到包层的折射率变化进行分类：阶跃光纤：渐变光纤：按传输模式：单模光纤：只能传播一种模式，单模光纤具有最佳性能，失真少，容量大，线性性，灵敏度高，但制造，以及多模式光纤：芯径大，传播模式多，性能差，带宽窄，制造容易，耦合容易。按芯材料：玻璃纤维：用普通玻璃制成，损失很低；塑料纤维：用人工合成导光胶制作，损失大，但重量轻，成本低，柔软性好。石英光纤：光损失比较小。沿光纤传输的光可以沿轴和沿截面分解成两个平面波分量。沿截面传输的波在核心和包层之间产生全反射，当每个往返传输的相位变化为2 的正数倍时，形成驻波。只有以能形成驻波的特定角度发射光纤的光波才能在光纤中传播，这种光波称为模式。模式的概念，SnellsLaw由光密度材料(折射率高)入射到光塑性材料时，界面中光的传输基于折射定理：满足反射的临界角度：传感器原理和应用，第九章光电传感器，光纤的传播基于光的反射原理。光线以不同角度入射到光纤端面时，折射到端面，然后进入光纤。光线从光纤端入射角下降到角度c时，光线全部反射。光全部反射时的入射角c与 c一样，称为在核心和包层接口上通过多次完全反射向前传播后从另一端发射的阈值角。9.3光纤传感器(1)光纤结构和传输原理光纤传播原理：生成反射光的最大入射角为snel定理：传感器原理和应用，第9章光电传感器，为了确保反射光，反射光条件( c)为Snell (snell)从空气中可以看出，光纤临界入射角的大小由光纤本身的特性(N1，N2)决定，9.3光纤传感器(1)光纤的结构和传输原理，光纤传播原理：传感器原理和应用，第9章光电传感器，9.3光纤传感器(2)光纤的性能(2)入射角超出此范围，光线进入包内泄漏。一般NA越大，纤维和光源之间的结合就越容易。但是，NA越大，狂热扭曲就越大，因此必须做出适当的选择。产品光纤不提供折射率n的数字光圈。石英光纤的数字孔径通常表示基准轴、传感器原理和应用、第九章光电传感器、光纤模式表示光波沿光纤传播的方法和方法，入射角光在接口上反射的次数不同。光波之间干涉产生的强度分布也不同，模式值为：样式中：是芯半径；入射波长。9.3光纤传感器(2)光纤性能(几个重要参数)光纤模式(v)，传感器原理和应用，第9章光电传感器，模式讨论：模式值越大，允许传播的模式值越大。在信息传播中，模式越少越好。在同一光信号中使用多个模式时，光信号可以到达多个信号中的不同时间，从而导致合成信号失真。模式值v较小。