工学光电式传感器

工学光电式传感器第1页/共167页工作过程：被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将被测信息调整到光波上，可改变光波的强度、相位、空间分布和频谱分布；光电器件将光信号转换为电信号；电信号经后续电路解调分离出被测信息，实现测量。

第七章光电式传感器特点：频谱宽、不受电磁干扰影响、非接触测量、体积小、重量轻、造价低等。第2页/共167页光波：波长10~106nm电磁波。可见光波长：380~780nm；红外线波长：780~106nm；紫外线波长：10~380nm；电磁波谱图7.1光源波长300~380nm称为近紫外线波长200~300nm称为远紫外线波长10~200nm称为极远紫外线波长频率第3页/共167页

红外线：波长780—106nm

波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3μm的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/mm7.1光源第4页/共167页电磁波谱图7.1光源第5页/共167页7.1光源光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。光的粒子性：光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。第6页/共167页光源是光电式传感器的重要组成部分。选择光源要考虑哪些因素？波长谱分布相干性体积造价功率7.1光源光源分类：热辐射光源气体放电光源激光器电致发光器件等第7页/共167页定义：热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。实例：白炽灯、卤钨灯；白炽灯特点：白炽灯为可见光源，但它的能量只有15%左右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约1－1.5μm，因此可用作近红外光源。卤钨灯7.1.1热辐射光源第8页/共167页定义：电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。特点：气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。7.1.2气体放电光源第9页/共167页实例：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长约为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。特例：若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高效率的氙灯，它的光谱与日光非常接近。目前氙灯又可以分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。

7.1.2气体放电光源第10页/共167页定义：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。

发光二极管的结构：7.1.3电致发光器件－发光二极管电极控制层N型半导体电极绝缘层P型半导体第11页/共167页发光二极管的发光原理：在N型半导体上扩散或者外延生长一层P型半导体，PN结两边掺杂浓度呈递减分布。当PN结接正向电压时，N区电子向P区运动，与P区空穴结合时发出一定频率的光，光子频率取决于PN结的价带和导带之间的能隙，改变能隙大小可以改变二极管的发光频谱。

发光二极管的发光强度与电流成正比，这个电流约在几十毫安之内，太大会引起输出光强饱和，甚至损坏器件，使用时常串连一电阻。7.1.3电致发光器件－发光二极管第12页/共167页发光二极管的结构发光二极管的发光强度与电流成正比，这个电流约在几十毫安之内，太大会引起输出光强饱和，甚至损坏器件，使用时常串连一电阻。电极控制层N型半导体电极绝缘层P型半导体7.1.3电致发光器件－发光二极管第13页/共167页激光产生的过程：某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如特定频率的辐射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收）；如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子（受激发射）；由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大。

具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。

7.1.4激光器第14页/共167页激光器的优点：单色性好、方向性好和亮度高。种类：激光器种类繁多，按工作物质分类固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器。7.1.4激光器第15页/共167页固体激光器的典型实例就是红宝石激光器，它是人类发明的第一种激光器，诞生于1960年。红宝石激光器的工作介质是掺0.5%铬的氧化铝（即红宝石），激光器采用强光灯作泵浦，红宝石吸收其中的蓝光和绿光，形成粒子数反转，受激发出深红色的激光（波长约694nm）；Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）是另一种常见的固体激光器，与红宝石激光器相比，对光泵的要求较低，可见光甚至近红外都可以作其光泵，这种激光器发出的波长为1.06μm的红外光。(一)固体激光器第16页/共167页特点：气体介质的密度低得多，因而单位体积能够实现的离子反转数目也低得多，为了弥补气体密度低的不足，气体激光器的体积一般都比较大。气体介质均匀，激光稳定性好，另外气体可在腔内循环，有利于散热，这是固体激光器所不具备的。由于气体吸收线宽比较窄，气体激光器一般不宜采用光泵作激励，更多的是采用电作激励。

种类：氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。

(二)气体激光器第17页/共167页（1）氦-氖激光器是实验室常见的激光器，具有连续输出激光的能力。它能够输出从红外的3.3μm到可见光等一系列谱线，其中632.8nm谱线在光电传感器中应用最广，该谱线的相干性和方向性都很好，输出功率通常小于1mW，可以满足很多光电传感器的要求。（2）氩离子、氪离子激光器功率比氦氖激光器大，氩离子发出可见的蓝光和绿光，比较典型的谱线有488nm和514.5nm等,氪离子发出的是红光（647.1－752.5nm）。(二)气体激光器第18页/共167页（3）二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的输出波长为10.6μm。（4）氮气分子激光器输出波长为337nm，在脉冲工作方式下功率可达到兆瓦量级，脉冲宽度可达到纳秒量级。能够工作在紫外的还有一些准分子激光器，目前能够提供从353nm到193nm的激光输出。(二)气体激光器第19页/共167页半导体激光器除了具有一般激光器的特点外，还具有体积小、能量高的特点，特别是它对供电电源的要求极其简单，使之在很多科技领域得到了广泛应用。半导体激光器虽然也是固体激光器，但是同红宝石、Nd:YAG和其它固体激光器相比，半导体的能级宽得多，更类似于发光二极管，但谱线却比发光二极管窄得多。半导体激光器的特征是通过掺加一定的杂质改变半导体的性质，杂质能够增加导带的电子数目或者增加价带的空穴数目，当半导体接正向电压时，载流子很容易通过PN结，多余的载流子参加复合过程，能量被释放发出激光。目前半导体激光器可以选择的波长主要局限在红光和红外。(三)半导体激光器第20页/共167页光电器件的作用：光信号电信号光电器件的种类：热探测型：将光信号的能量变为自身温度变化，然后再将温度变化转变为相应的电信号，探测器对波长没有选择性，只与接收到的总能量有关，在一些特殊场合具有非常重要的应用价值，尤其是远红外区域；光子探测型：基于光电效应原理，即利用光子本身能量激发载流子，这类探测器有一定的截止波长，只能探测短于这一波长的光线，但它们响应速度快，灵敏度高，使用最为广泛。

7.2光电器件第21页/共167页原理：

基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器优点：

能够接收超低能量的光子，具有宽广和平坦的光谱响应，尤其适用于红外的探测。种类：测辐射热电偶测辐射热敏电阻热释电探测器7.2.1热探测器第22页/共167页1、测辐射热电偶与常规热电偶相似，只是在电偶的一个接头上增加光吸收涂层，当有光线照射到涂层上，电偶接头的温度随之升高，造成温差电势。7.2.1热探测器2、测辐射热敏电阻用热敏电阻代替了热电偶，当有光线照射到涂层上，首先引起温度的变化，热敏电阻再将温度转化为电阻值的变化。第23页/共167页3、热释电探测器某些物质（如硫酸三甘肽、铌酸锂等）吸收光辐射后将其转换成热能，使得晶体本身的温度升高，温度变化将居里温度以下的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。

注意：当有光辐射到铁电体薄片，引起薄片温度升高，表面电荷减少，相当于释放了一部分电荷，如果辐射持续作用，表面电荷将达到新的平衡，不再释放电荷，即恒定辐射输出为零。7.2.1热探测器第24页/共167页热释电探测器的优点：①具有较宽的频率响应，工作频率接近MHz，远超其它热探测器的工作频率；②热释电器件的探测率高；③热释电器件可以有大面积均匀的敏感面，而且工作时可以不外加接偏置电压；④与热敏电阻相比，它受环境温度变化的影响更小；⑤热释电器件的强度和可靠性比其它多数热探测器都要好，易于制作。7.2.1热探测器第25页/共167页光子探测器的作用原理是基于一些物质的光电效应。光能是由分离的能团——光子组成，光子的能量E和频率f的关系

E=hf

h——普朗克常数，h=6.626×l0-34（J·s）

光电效应：光照射在物体上可看成是一连串具有能量为E的光子轰击物体，如果光子的能量足够大，物质内部电子在吸收光子后就会摆脱内部力的束缚，成为自由电子，自由电子可能从物质表面逸出，也可能参与物质内部的导电过程，这种现象称为光电效应。

7.2.2光子探测器第26页/共167页金属金属氧化物半导体光照

电子光电效应是光电传感器的基本转换原理。外光电效应和内光电效应。内光电效应光照半导体电子在物体内部运动外光电效应金属金属氧化物光照电子逸出物体表面

光电效应第27页/共167页外光电效应：物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。（3）逸出的光电子具有动能。（4）从光照至发射电子，时间<10-9s。爱因斯坦光电效应方程：（1）光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功。（2）入射光频谱成分一定时，产生的光电流和光强成正比。

外光电效应第28页/共167页内光电效应：当光照在物体上，使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应。1、光电导效应基于这种效应的光电器件有光敏电阻等。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。禁带导带价带

Eg电子能量E自由电子所占能带hυ≧Eg不存在电子所占能带价电子所占能带禁带导带价带

Eg电子能量E光生电子空穴对

内光电效应第29页/共167页（1）势垒效应（结光电效应）光照射PN结时，若hu≧Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管等。2、光生伏特效应

内光电效应第30页/共167页（2）侧向光电效应

当半导体光电器件受光照不均匀时，因载流子浓度梯度而产生侧向光电效应。光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对，光照部分载流子浓度比未受光照部分大，出现浓度梯度，因而载流子要扩散。（3）处于反偏的PN结

无光照时，反向电阻很大，反向电流很小。

有光照时，光子能量足够大产生光生电子—空穴对，在PN结电场作用下，形成光电流，电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大器件：光敏二、三极管。

内光电效应第31页/共167页利用外光电效应制成的光电器件称光电发射探测器。光电发射探测器主要有真空光电管和光电倍增管等。激发出电子的条件：

要使一个电子从物质表面逸出，光子具有的能量必须大于该物质表面的逸出功A0，不同的材料具有不同的逸出功；因此对某种材料而言便有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时；不论光强多大，也不能激发电子，反之，被照射的物质便能激发出电子，此频率限称为“红限”；其临界波长λK为λK=hc/A0

(一)光电发射探测器第32页/共167页结构组成：在一个抽成真空或充以惰性气体的玻璃泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料（如铯）涂敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。光电管的结构示意图阳极光电阴极光窗1、光电管第33页/共167页1、光电管工作原理：当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。外电路串入一适当阻值的电阻，在该电阻上的电压降或电路中的电流大小都与光强成函数关系，从而实现了光电转换。第34页/共167页结构组成：光电阴极、光电倍增极、阳极。倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，且电位逐级升高。

2、光电倍增管入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极第35页/共167页工作原理：当有入射光照射时，阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射。这样，在阴极和阳极间的电场作用下，逐级产生二次电子发射，电子数量迅速递增。典型的倍增管一般有10个左右的倍增极，相邻极之间加有200－400V的电压，阴极和阳极间的总电压差可达几千伏，电流增益为105左右。

2、光电倍增管第36页/共167页光电特性：光电管两端所加电压不变时，光通量Φ与光电流I间的关系。如图所示，对于氧铯阴极的光电管，I与Φ呈线性关系，但对于锑铯阴极的光电管，当光通量较大时，I与Φ呈非线性关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。光电管的光电特性(一)光电发射探测器－基本特性第37页/共167页伏安特性：入射光的频率及光通量一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系。阳极电压较低时，阴极发射的部分电子到达阳极，其余返回阴极；阳极电压增高，电流增大，阴极发射的电子全部到达阳极时，电流稳定，处于饱和状态。光电管的伏安特性(一)光电发射探测器－基本特性第38页/共167页光谱特性：光电阴极材料对光谱有选择性，光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波波长之间的关系称为光电管的光谱特性。氧铯阴极锑铯阴极(一)光电发射探测器－基本特性第39页/共167页基于光电导效应的光电器件称为光敏电阻（半导体材料），也叫光导管。(二)光电导探测器基本原理：导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eghv>Eg

或λ<hc/Eg第40页/共167页(二)光电导探测器基本原理：半导体材料在黑暗环境下，内部电子为原子所束缚，处于价带上，不能自由移动，半导体的电阻值很高。当受到光照时，价带中的电子受到光子激发，由价带跃迁到导带，使导带的电子和价带的空穴数目增加，半导体材料电导率变大。

电子跃迁条件：hv>Eg

或λ<hc/Eg

。第41页/共167页A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体RGRLEI光敏电阻两端带有金属电极，加上电压，便有电流通过，若有光线照射，则电流增大。由于光电导效应只限于受光照的表面层，因此光敏电阻通常做得很薄。为了得到高的灵敏度，电极做成梳状。(二)光敏电阻第42页/共167页光电导探测器主要用于探测波长较长，光电二极管和倍增管无法探测的红外区域。如PbS探测器探测波长达3.4μm，灵敏度峰值在2μm。(二)光敏电阻主要参数暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流暗电阻：光敏电阻在未受到光照时的阻值，此时流过的电流为暗电流。亮电阻：在受到光照时的电阻，此时的电流称为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。第43页/共167页描述光电流与光照强度之间的关系。多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。(二)光敏电阻－基本特性1、光电特性0

0.20.40.60.81.01.20.300.250.20

0.150.10

0.05光敏电阻的光照特性光敏电阻的光电流：

第44页/共167页光谱响应：光敏电阻灵敏度与入射波长有关。材料与相对灵敏度峰位波长：硫化镉，300～800nm，在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。硫化铅，1000～2500nm，响应于近红外和中红外区,常用做火焰探测器的探头。2、光谱特性0.5

1.01.52.02.53.03.510080

60

4020

0光敏电阻的光谱特性(二)光敏电阻－基本特性第45页/共167页所加电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。但受最大功耗限制。在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。3、伏安特性(二)光敏电阻－基本特性光敏电阻的伏安特性50100654

32

1第46页/共167页光敏电阻硫化铅的温度特性，峰值随温度上升向波长短的方向移动。4、温度特性(二)光敏电阻－基本特性01.02.03.04.010080

6040

20光敏电阻的温度特性第47页/共167页光敏电阻的频率特性5、频率特性(二)光敏电阻－基本特性第48页/共167页初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏电阻的主要优点。(二)光敏电阻－基本特性6、稳定性第49页/共167页工作原理与光电导型相似，其差别只是光照在半导体结上。光电结型探测器主要有光敏二级管和光敏晶体管两种。其中，光敏二极管探测器最为常用，又可分为普通光敏二极管和雪崩二极管等。常规的二极管和三极管都用金属壳密封，以防光照。而光电结型的光敏管则必须使P-N结受最大光照射。

(三)光电结型探测器第50页/共167页PN光光敏二极管符号RL

PN光敏二极管接线1、光敏二极管第51页/共167页工作原理：当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流Id

；1、光敏二极管第52页/共167页受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光生电流。光敏二极管的光谱带宽与材料有关，硅光敏二极管0.4-1.1mm，峰值0.9mm，锗光敏二极管带宽0.6-1.8mm，峰值1.5mm。1、光敏二极管第53页/共167页2、雪崩光敏二极管工作原理：通过反向电压击穿，引起电流增大，类似于光电倍增管原理：当反向偏置接近反向击穿电压时，一个入射光子激发出一个电子，电子通过碰撞电离又产生更多的二次电子－空穴对。雪崩光敏二极管的功率比一般光敏二极管大104倍左右。第54页/共167页基本结构：具有两个P-N结，基极一般无引出线。3、光敏晶体管（三极管）

RLEPNP基极集电极发射极光第55页/共167页工作原理：光电转换：光照时，一个反向偏置结给出几mA电流；光电流放大：同样条件，晶体管的集电极－发射极产生几mA电流，即该结激发的光电流放大b倍。壳体顶部用透明材料做成聚光镜，光线聚焦到N型材料上，增大了P-N结电流。3、光敏晶体管（三极管）

第56页/共167页光敏管的光谱特性指在一定照度时，输出的光电流(或用相对灵敏度表示)与入射光波长的关系。硅和锗光敏管光谱特性：硅的峰值波长约为0.9mm，锗的峰值波长约为1.5mm，此时灵敏度最大，当入射光波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降。400

6008001000120014001600180010080

6040200一般锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。(三)光电结型探测器－基本特性1、光谱特性第57页/共167页硅光敏晶体管的伏安特性，纵坐标为光电流，横坐标为集电极-发射极电压。与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只需把光通量看作基极电流即可。晶体管具有放大作用，在同样照度下，光电流比相应的二极管大上百倍。246810121443210(三)光电结型探测器－基本特性2、伏安特性锗光敏晶体管的伏安特性第58页/共167页光敏管的频率特性是指光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率响应时间达10ms。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应范围，但输出电压响应也减小。光敏晶体管的频率特性(三)光电结型探测器－基本特性3、频率特性第59页/共167页光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。从光敏晶体管的温度特性曲线可看出：温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。因此，光敏晶体管作为测量元件时，在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。(三)光电结型探测器－基本特性4、温度特性锗光敏晶体管的温度特性第60页/共167页光敏三极管的光照特性近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。故光敏三极管既可做线性转换元件，也可做开关元件。(三)光电结型探测器－基本特性5、光电特性光敏晶体管的光电特性第61页/共167页

光生伏特效应：半导体器件受到光照射时会产生一定方向的电动势，而不需要外部电源。可见光作光源的光电池：硅光电池、硒光电池等。

硅光电池（硅太阳能电池）的工作原理：(四)光电伏特型探测器＋－接线点接线点光薄P层P-N结N层结构原理符号第62页/共167页硅光电池（硅太阳能电池）的工作原理：N型硅片上扩散P型杂质形成大面积P-N结，P层很薄。P-N结内电场阻止空穴、电子自由扩散。光照结区，光子使电子由价带跃迁至导带，结区附近激发出电子－空穴对，内电场将电子推向N区，空穴拉向P区。故P区和N区分别带正、负电，形成电位差，即光生伏特效应。(四)光电伏特型探测器第63页/共167页硅太阳能电池的优点：轻便、简单，不产生气体或热污染；用于不便铺设电缆的地区、宇宙飞行器等。(四)光电伏特型探测器P型硒层N型氧化镉层金属基板＋－P-N结光符号结构原理第64页/共167页对不同波长的光，光电池的灵敏度是不同的。从硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线可知，不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在800nm附近，硒光电池在500nm附近。20406080100硒硅入射光波长λ/nm040060080010001200相对灵敏度/%光电池的光谱特性(四)光电伏特型探测器－基本特性1、光谱特性第65页/共167页不同光照射下有不同光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压与光强是非线性的，且在2000lx时趋于饱和。2、光电特性(四)光电伏特型探测器－基本特性第66页/共167页光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。从硅光电池和硒光电池的频率特性曲线可知，硒光电池的频率响应较差，而硅光电池的较好。硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。光电池的频率特性(四)光电伏特型探测器－基本特性3、频率特性第67页/共167页光电池温度特性，描述光电池的开路电压和短路电流随温度的变化。温度漂移影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。从硅光电池温度特性可知，开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。硅光电池的温度特性(四)光电伏特型探测器－基本特性4、温度特性第68页/共167页7.3.1电荷耦合器件概念：电荷耦合器件(Charge-CoupledDevices)，简称CCD。历史：美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯1969年共同发明了CCD图像传感器。2009年被授予诺贝尔物理学奖；应用：CCD图像传感器：数码照相机的电子眼，通过用电子捕获光线来替代以往的胶片成像，摄影技术彻底革新；这一发明也推动了医学和天文学的发展，在疾病诊断、人体透视及显微外科等领域都有着广泛用途。——获奖成就介绍评语7.3电荷耦合器件和位置敏感器件第69页/共167页结构：是一种大规模金属氧化物半导体(MOS)集成电路光电器件，集MOS光敏单元阵列和读出移位寄存器于一体，构成具有自扫描功能的图像传感器；功能：CCD以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、移位并读出信号电荷的功能。7.3.1电荷耦合器件第70页/共167页(一)MOS光敏单元CCD是由若干个电荷耦合单元组成。基本单元是MOS（Metal-OxideSemiconductor）光敏元。MOS单元结构：以P或N型半导体为衬底；上面覆盖一层厚度约120nm的氧化层SiO2作为电解质；再在SiO2表面依次沉积一层金属电极为栅电极，形成金属-氧化物-半导体的MOS结构单元。

第71页/共167页空穴耗尽区：金属电极上施加正电压、衬底接地时，在电场作用下，靠近氧化层的P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，从而形成一个空穴耗尽区。显微镜下MOS元表面势阱:耗尽区对带负电的电子而言是一个势能很低的区域,称为势阱(一)MOS光敏单元第72页/共167页

施加正电压于电极上——P型区形成势阱——产生电子和空穴——势阱俘获电子（与光强成正比）——形成MOS光敏元（象素）光(一)MOS光敏单元第73页/共167页像素：一个MOS光敏元为一个像素；电荷包：一个势阱所收集的光生电荷为一个电荷包；MOS光敏单元阵列：在半导体硅片上制成几百或几千个相互独立的MOS光敏单元（如1024×768

），在金属电极上加上正电压，就会形成几百或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏单元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏单元就形成一幅与光照强度相对应的光生电荷图像，即将整个图像的光信号转换为电荷包阵列。(一)MOS光敏单元第74页/共167页MOS光敏元的光电转换功能将投射到光敏元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布。CCD电荷耦合器件直接产生的为电荷信号而不是电压、电流信号。移位寄存器的作用：移位寄存器的移位功能将光生电荷“图像”转移出来，从输出电路上检测到幅度与光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转换为电信号图像。也称为读出移位寄存器。(二)读出移位寄存器第75页/共167页移位寄存器的结构MOS结构，由金属电极、氧化物、半导体三部分组成。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。(二)读出移位寄存器132遮光层氧化物P型硅金属第76页/共167页(二)读出移位寄存器电荷转移过程：第77页/共167页t=t1：f1相处于高电平，f2、f3相处于低电平，电极f1下出现势阱，存入电荷。t=t2：f1、f2相处于高电平，f3相处于低电平，电极f1、f2下都出现势阱。因两电极靠的很近，电荷就从f1电极下耦合到f2电极下。t=t3：更多的电荷耦合到电极f2下。t=t4：只有f2相处于高电平，电荷全部耦合到电极f2下。至此信息电荷转移了一位。t=t5：电荷又耦合到电极f3下。t=t6：电荷又转移到下一位的电极f1下。(二)读出移位寄存器第78页/共167页转移栅光敏元不透光输出移位寄存器原理：光照产生的信号电荷存贮于感光区的光敏单元中，接通转移栅后，信号电荷流入传输区。传输区是遮光的，以防因光生噪声电荷干扰导致图像模糊。(三)线阵电荷耦合器件组成:单排MOS光敏元阵列、转移栅、读出移位寄存器第79页/共167页工作过程：光学成像系统将图像成像在CCD的光敏面上，光敏单元开始电荷积累，这一过程也称光积分。施加电压脉冲fp，势阱吸收附近的光生电荷将其转变为电荷包。转移栅施加转移脉冲ft，转移栅开启，各光敏单元的光生电荷并行转移到读出移位寄存器的相应单元输出。当转移栅关闭时，MOS光敏单元阵列开始下一行的光电荷积累过程。读出移位寄存器串行输出各位的信息。说明：CCD输出脉冲的幅度取决于对应光敏元所受光强；输出脉冲频率和驱动脉冲f1等的频率相一致。(三)线阵电荷耦合器件第80页/共167页组成:光敏元面阵、存储器面阵、读出移位寄存器(线阵)(四)面阵电荷耦合器件第81页/共167页工作过程：在光积分时间，各个光敏单元曝光，吸收光生电荷。曝光结束后，在转移脉冲控制下，光敏元面阵的电荷信号全部迅速转移到对应的存储器区暂存。此后光敏元面阵开始第二次光积分。与此同时，存储器面阵存储的光生电荷自存储器底部向下一排一排转移到读出移位寄存器中，然后再顺次从读出移位寄存器输出，完成二维图像信息向二维电信息的转换。(四)面阵电荷耦合器件第82页/共167页工件尺寸检测：依据工件成像轮廓覆盖的光敏单元数目来计算工件尺寸。工件尺寸测量系统(五)CCD应用举例第83页/共167页例如：光学系统放大率为1/M

，则工件尺寸N－覆盖的光敏单元数目；d－相邻光敏单元的中心距离；±2d－图像末端两个光敏单元之间可能的最大误差(五)CCD应用举例第84页/共167页物体缺陷检查：检查对象：表面有缺陷的不透明物体；体内有缺陷的透明物体。判断缺陷的依据：缺陷与材料背景有足够反差，且缺陷面大于两个光敏单元，CCD可察觉。实例：磁带的小孔，钞票的缺陷；玻璃中的针孔、气泡、夹杂物。(五)CCD应用举例第85页/共167页位置敏感器件(PositionSensitiveDetector，PSD)是一种对其感光面上入射光点位置敏感的器件，也称为坐标光电池。PSD有两种，一维PSD和二维PSD。一维PSD用于测定光点的一维坐标位置，二维PSD用于测定光点的二维坐标位置，其工作原理与一维PSD相似。PSD器件在光点位置测量方面有许多优点。其对光斑的形状无严格要求，即其输出信号与光斑是否聚焦无关；另外，它可以连续测量光斑在PSD上的位置，且分辨力高，一维PSD的位置分辨力高达0.2mm。7.3.2位置敏感器件(PSD)第86页/共167页PSD有两种：一维PSD和二维PSD一维PSD的感光面大多为细长的矩形条。主要用来测量光点在一维方向上的位置或位置移动量。二维PSD的感光面是方形的。用来测定光点在平面上的二维（x，y）坐标。7.3.2位置敏感器件(PSD)第87页/共167页

PSD一般为PIN结构。在硅板的底层表面上以胶合的方式制成2片均匀的P和N电阻层，在P和N电阻层之间注入离子而产生I层，即本征层。在P层表面电阻层的两端各设置一个输出电极。(一)PSD的工作原理第88页/共167页

当一束具有一定强度的光点从垂直于P的方向照射到PSD的I层时，光点附近就会产生电子-空穴对，在PN结电场的作用下，空穴进入P区，电子进入N区。由于P区掺杂浓度相对较高，空穴迅速沿着P区表面向两侧扩散，最终导致P层空穴横向(X方向)浓度呈现梯度变化，这时，同一层面上的不同位置呈现一定的电位差，这种现象称为横向光电效应。(一)PSD的工作原理第89页/共167页

PSD通常工作在反向偏压状态，即PSD的公共极3接正电压，输出电极1、2分别接地。这时，流经电极3的电流I0与入射光的强度成正比，流经电极1、2的电流I1、I2与入射光点的位置有关，由于P层为均匀电阻层，因此，I1、I2与入射光点到相应电极的距离成反比，并且有I0=I1+I2。(一)PSD的工作原理第90页/共167页如果将坐标原点设置在PSD器件的中心点，I1、I2与I0之间存在如下关系：式中：L为PSD的长度；XA为入射光点的位置。光斑能量中心相对于器件中心位置XA，只与I1和I2电流的差值及总电流I0之间的比值有关，与入射光能的大小无关。(一)PSD的工作原理第91页/共167页

PSD是检测受光面上点状光束的中心(光强度中心)位置的光敏感器件，因此，通常在PSD前面设置聚光透镜，在受光面上得到光点，使用时应选择最适宜的受光面积的PSD，确保光点进入受光面。(二)PSD的特性1、受光面积第92页/共167页在PSD外部有遮挡的情况下，由于周围的干扰光不能进入PSD，在其敏感波长范围内，采用任何光源PSD都能正常工作。然而，对于有环境杂光干扰的情况，过强的环境光会将来自信号光源的光“淹没”。这时，要采用可见光截止型窗口材料的PSD，信号光源可以使用红外LED及白炽灯。2、信号光源与敏感波长范围第93页/共167页在PSD受光面上光点高速移动时，若信号光源为调制信号，PSD的响应时间就应该考虑。PSD的电极间基本相当于电阻工作，因此需要高速响应工作时，就应该选用电极间电阻小的PSD，在较大的反偏电压和较小的电容状态下使用。3、响应速度第94页/共167页PSD的位置检测误差是指测量时，实际的光点位置与检测的光点位置的差值，最大为全受光长度的2%～3%。PSD的位置检测特性近似于线性。图示为典型一维PSD(S1544)位置检测误差曲线，由曲线可知，越接近中心位置的检测误差越小。4、位置检测误差因此，利用PSD来检测光斑位置时，应尽量使光点靠近器件中心。第95页/共167页位置分辨力是指在PSD受光面上能够检测出的最小位置变化，用受光面上的距离表示。

即在电流差较小的情况下，电流I1、I2中含有的噪声电流分量决定了位置分辨力。5、位置分辨力第96页/共167页1966年，高锟就在光纤物理学上取得了突破性成果，计算出如何使光在光导纤维中进行远距离传输。这项成果最终促使光纤通信系统问世，正是光纤通信为当今互联网的发展铺平了道路。7.4光纤传感器高锟因在“有关光在纤维中的传输及用于光学通信方面”做出了突破性成就，获2009年诺贝尔物理学奖，1/2奖金。光纤之父-高锟获2009年诺贝尔物理学奖第97页/共167页概念：光导纤维（OpticalFiber），简称光纤。光纤的应用：7.4光纤传感器1、光纤通信技术：

一根头发般细小的光纤，其传输的信息量相等于一条饭桌般粗大的铜“线”。高锟发明了石英玻璃，制造出世界上第一根光导纤维。在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就。光纤电缆第98页/共167页2、光纤传感器：

光纤与敏感元件组合或利用本身的特性，可以做成各种传感器。光纤传感器的优点：抗电磁干扰能力强；柔软性好；集传感与传输一体，可构成分布式传感测量。测量对象：位移、速度、液位、压力、流量、温度、电流、磁场等。7.4光纤传感器第99页/共167页(一)光纤的结构光纤材料：基本为石英玻璃，有不同掺杂。纤芯——中心的圆柱体包层——围绕着纤芯的圆形外层护套——在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料，以增加机械强度。7.4.1光纤传感器的基本知识结构：纤芯、包层、保护层。第100页/共167页n1——纤芯材料的折射率；n2——包层材料的折射率。Δ=1-n2/n1，相对折射率差，一般为0.005~0.140。光纤导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2。(一)光纤的结构第101页/共167页光在光纤中传播基于光的全反射。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成q角时，在端面发生折射进入光纤后,又以f角入射至纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。但当f角大于纤芯与包层间的临界角fc时，光线就不会透射界面，而全部被反射。(二)光纤的传光原理

光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端面射出。这就是光纤的传光原理。第102页/共167页光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质决定的，与光纤的几何尺寸无关。实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。这里光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。(二)光纤的传光原理

fc

纤芯与包层间的临界角第103页/共167页NA=n0sinqc称为光纤的数值孔径。NA的值越大，光源到光纤的耦合效率越高。NA决定于光纤的折射率，与光纤几何尺寸无关。根据斯奈尔折射定律设当f达到临界角fc时的入射角为qc，可得(二)光纤的传光原理

第104页/共167页纤芯材料：玻璃光纤、塑料光纤、混合光纤等。传输模式：单模光纤；多模光纤。光纤中传输的光，可分解为沿轴向和沿截面径向传播的两种平面波成分。沿截面径向传播的光波在纤芯与包层的界面上产生全反射，因此当它在径向每一次往返传输（相邻两次反射）的相位变化是2π的整数倍时，就在截面内形成驻波。这只有形成驻波的光才能在光纤中传播。一个驻波一个模。光纤中只能传输有限个模。(三)光纤的分类

第105页/共167页折射率分布：阶跃型光纤、梯度型光纤。阶跃型(三)光纤的分类

梯度型阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致。梯度型：折射率呈聚焦型。折射率轴线上最大，离开轴线逐步降低，边沿处与包层区一样。第106页/共167页(三)光纤的分类

梯度型光纤在中心轴折射率最大，沿径向逐渐变小，n1的分布规律如下特点：频带宽，信号畸变小，易达到全反射，但制造困难。梯度型光纤又称自聚焦光纤。第107页/共167页(一)

功能型光纤传感器光纤既是光传播的介质，又对被测量敏感。光波的振幅（光强）、相位和偏振态随光纤的环境（如应变、压力、温度、电场、磁场等）而改变。(二)

非功能型光纤传感器光纤仅作为光传播的介质，要与其他敏感元件组成传感器。7.4.2光纤传感器第108页/共167页是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器1、光强度调制型有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型第109页/共167页被测量通过影响光纤的全内反射实现光强度调制。调制条件为调制途径：①改变光纤几何形状，实现力、位移和压强等的测量。图a；②改变纤芯或包层折射率，如可采用不同的包层材料。图b光强被油滴调制。1、光强度调制型第110页/共167页光强度调制型光纤传感器原理图a)光纤弯曲b)折射率变化1、光强度调制型第111页/共167页工作原理：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术检测相位变化，从而检测出待测的物理量。压力、应变、温度、磁场等被测量可通过影响光纤的长度、折射率和内部应力等引起光信号相位的变化。常用的干涉仪有四种：迈克尔逊、马赫-琴特、萨古纳克、法布里-珀罗。其共同点是：光源发出的光都要分成两束或更多束，沿不同路径传播后，分离的光束又组合在一起产生干涉现象。2、光相位调制型第112页/共167页马赫-琴特干涉仪调制相位原理如图所示：2、光相位调制型第113页/共167页2、光相位调制型第114页/共167页外界因素使光纤中偏振态发生变化，并能加以检测的光纤传感器为偏振态调制型。如利用磁旋效应做成的高压传输线用的光纤电流传感器。3、光偏振态调制型单模光纤绕N圈第115页/共167页其旋转角度与被测电流I的关系为：

q=KVNI

KV是磁光系数当N确定后，旋光角度q只与导体中的电流I成正比。出射的光经棱镜被分成两束振动方向互相垂直的偏振光，分别送入两个光接收器，把接收光强标准化合成为P，得到：

P=Kq K和光纤特性有关的一个常数由上2式就可以测出被测电流I。优点：量程大，灵敏度高3、光偏振态调制型第116页/共167页3、光偏振态调制型通过标准化处理可使得测量结果不受绝对光强、激光器漂移、光纤衰减的影响。实例分析：如果采用硅光纤，KV=3.3*10-4(º)/(安·匝)，沃拉斯特棱镜有0.1º的分辨力，则传感器分辨力为300A/匝，可测电流达10A。可见，该方法的优点是量程大，灵敏度高，输出与输入端电绝缘。第117页/共167页1、光纤位移传感器(二)非功能型光纤传感器a)原理图b)位移和输出的关系从发射光纤出射的光经过被测物体的表面被反射后，由接收光纤传送到光电接收器件。接收到的光量和被测位移的关系见图b。初始线性段适合测量微小位移；峰值处适合测量表面粗糙度。第118页/共167页a)原理图b)位移和输出的关系瞬逝波光纤位移传感器原理图a：两光纤端面斜切，两斜切面抛光。两斜切面的距离小于光波的波长。则光线在接收光纤中形成全内反射。接收光纤中耦合到的光量和被测的两斜切面的位移d的关系曲线见图b。量程范围是光波波长数量级，灵敏度可达到纳米级。1、光纤位移传感器第119页/共167页2、光纤温度传感器光纤温度传感器除了有相位调制型、光强调制型和偏振光型外，还有很多方法。其中一种结构是把半导体材料夹在发射光纤与接收光纤之间，当温度变化时半导体的透光率随之变化，接收光纤接收到光量也变化。第120页/共167页光栅：在玻璃（或金属）尺或玻璃（或金属）尺盘上进行刻划，可得到一系列黑白相间、间隔细小的条纹，不刻划处透光，刻划处不透光，这种具有周期性的刻线分布的光学元件称为光栅。7.5光栅式传感器第121页/共167页光栅式传感器的特点：精度高。大量程测量且具有高分辨力。可实现动态测量，易于实现测量及数据处理自动化具有较强的抗干扰能力。光栅式传感器应用：几何量、振动、速度、应力、应变7.5光栅式传感器第122页/共167页计量光栅：利用莫尔条纹现象进行精密测量的光栅。种类：按基体材料的不同主要可分为金属光栅和玻璃光栅；按刻线的形式不同可分为振幅光栅和相位光栅；按光线的走向又可分为透射光栅和反射光栅；按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。7.5.1计量光栅的种类第123页/共167页测量对象：长度、直线位移；特点：刻线相互平行，又称光栅尺。栅线密度：每毫米长度内的栅线数，表示长光栅栅线的疏密程度。例如栅线间距W=0.02mm时，栅线密度为50线/mm。

透射长光栅示意图a——栅线的宽度（不透光）b——栅线间宽（透光）a+b=W——光栅的栅距（也称光栅常数），通常a=b=W/2(一)长光栅第124页/共167页长光栅有振幅光栅和相位光栅两种形式。振幅光栅是对入射光波的振幅进行调制，也叫黑白光栅，它又可分为透射光栅和反射光栅两种。在玻璃的表面上制作透明与不透明间隔相等的线纹，可制成透射光栅；在金属的镜面上或玻璃镀膜（如铝膜）上制成全反射或漫反射相间，二者间还有吸收的线纹，可制成反射光栅。栅线密度20~125线/mm。相位光栅（闪耀光栅）是对入射光波的相位进行调制，它也有透射光栅和反射光栅两种形式。栅线密度600线/mm以上。

闪耀光栅刻线断面(一)长光栅第125页/共167页定义：刻划在玻璃圆盘上的光栅称为圆光栅，也称光栅盘。测量对象：角度或角位移。

主要参数：整圆刻线数；栅距角（也称节距角）d，它是指圆光栅上相邻两条栅线之间的夹角。种类：径向光栅，其栅线延长线全部通过光栅盘的圆心；切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点几到几个毫米的小圆相切。(二)圆光栅第126页/共167页(一)

形成的光学原理

莫尔条纹通常是由两块光栅叠加形成的，为了避免摩擦，光栅之间留有间隙，对于栅距较大的振幅光栅，可以忽略光的衍射。图为两光栅以很近的距离重叠的情况。W1——标尺光栅1的光栅常数；W2——指示光栅2的光栅常数；θ——两光栅栅线的夹角。7.5.2莫尔条纹第127页/共167页在a-a线上，两光栅的栅线透光部分与透光部分叠加，光线透过透光部分形成亮带；在b-b线上，两光栅透光部分分别另一光栅的不透光部分叠加，互相遮挡，光线透不过形成暗带，这种由光栅重叠形成的明案相间的光学图案称为莫尔条纹。长光栅莫尔条纹的宽度为

(一)形成的光学原理第128页/共167页第129页/共167页第130页/共167页前提：栅距很小的光栅(W＜0.005mm)，或相位光栅。莫尔条纹形成的衍射理论分析第131页/共167页分析：光栅G1产生了0,±1,±2,……等n级衍射光，光栅G1的衍射光束到达光栅G2时将进一步被衍射，G1的n级衍射光，其中每一级的衍射光束对光栅G2来说都是一组入射光束，并由光栅G2又衍射成n级衍射光（因为两光栅的W相同，又是单色光），所以从光栅副出射的衍射光束的数目为n2个。

每支衍射光束都用它在两个光栅上衍射的级次序号来表示，例如经光栅G1衍射的0级光束，经过光栅G2后衍射成0级、±1级、…等衍射光束就用(0,0)、(0,1)、(0,-1)、……表示。莫尔条纹形成的衍射理论分析第132页/共167页由光栅G1产生的第p级衍射光又经光栅G2产生的第q级衍射光束就可以用(p,q)表示。p+q相等的光束，用其p+q值来称作该组光束为某级组，如0级组，1级组，-1级组，……。理论推导可以证明，每一级组中的光束是相互平行的，即光束方向相同。每一级组中的诸光束相互干涉，就形成了莫尔条纹。其中，p+q=1和p+q=-1级组光束强度变化幅度最大，它们形成莫尔条纹的基波条纹。其它各光束级组形成莫尔条纹的高次谐波。莫尔条纹形成的衍射理论分析第133页/共167页莫尔条纹的移动量和移动方向与两光栅的相对位移量和位移方向有着严格的对应关系。(二)莫尔条纹的特性当主光栅1向右运动一个栅距W1时，莫尔条纹向下移动一个条纹间距B；如果主光栅1向左运动，莫尔条纹则向上移动。光栅传感器在测量时，可以根据莫尔条纹的移动量和移动方向判定光栅的位移量和位移的方向。1、运动对应关系第134页/共167页第135页/共167页由于两光栅的夹角q很小，若它们的光栅常数相等，设为W，可得到如下近似关系可见莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为1/q

。例如：W=0.02mm，q=0.1°，则B=11.4592mm，放大倍数约为573倍。所以尽管栅距很小，难以观察，但莫尔条纹却清晰可见。有利于布置接收莫尔条纹信号的光电器件。2、位移放大作用第136页/共167页莫尔条纹是由光栅的大量栅线（常为数百条）共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，在很大程度上消除了栅线的局部缺陷和短周期误差的影响，个别栅线的栅距误差或断线及疵病对莫尔条纹的影响很微小，从而提高了光栅传感器的测量精度。3、误差平均效应第137页/共167页（1）横向莫尔条纹

当两光栅栅距相等W1＝W2=W时，以夹角q相交形成的莫尔条纹称为横向莫尔条纹。（2）光闸莫尔条纹

当W1=W2=W，且q=0时，莫尔条纹的宽度趋于无穷大，两光栅相对移动时，对入射光就像闸门一样时启时闭，故称为光闸莫尔条纹。(三)莫尔条纹的种类1、长光栅的莫尔条纹第138页/共167页

光闸莫尔条纹第139页/共167页（1）径向光栅莫尔条纹在几何量测量中，径向光栅主要使用两种莫尔条纹：圆弧形莫尔条纹和光闸莫尔条纹。圆弧形莫尔条纹两块栅距角d相同的径向光栅以不大的偏心叠合，如图所示。在光栅的各部分栅线的交角q不同，便形成了不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹。2、圆光栅的莫尔条纹横向纵向斜向第140页/共167页圆弧形莫尔条纹主要特点：莫尔条纹是对称的两簇圆形条纹，它们的圆心排列在两光栅中心连线的垂直平分线上。莫尔条纹的宽度不是定值，它随条纹位置的不同而不同。位于偏心方向垂直位置上的条纹近似垂直于栅线，称这部分为横向莫尔条纹。沿着偏心方向的条纹近似平行于栅线，成为纵向莫尔条纹。在实际使用中，主要应用横向莫尔条纹这部分。2、圆光栅的莫尔条纹第141页/共167页光闸莫尔条纹

将栅距角d相同的两块圆光栅同