新型传感器——光纤传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,5,章,新型传感器,5.1,光纤传感器,光,(,导,),纤,(,维,),是,20,世纪,70,年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地,(,领域,),。光纤的出现产生了光纤通信技术，特别是光纤在有线通信广的优势越来越突出，它为人类,21,世纪的通信基础一,信息高速公路奠定了基础，为多媒体,(,符号、数字、语音、图形和动态图像,),通信提供了实现的必需条件。由于光纤只有许多新的特性，所以不仅在通信方面，而且在其他方面也提出了许多新的应用方法。例如，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。光纤传感器始于,1977,年，经过,20,余年的研究，光纤传感器取得了十分重要的进展，目前正进入研究和实用并存的阶段。它对军事、航天航空技术和生命科学等的发展起着十分重要的作用。随着新兴学科的交叉渗透，它将会出现更广阔的应用前景。,一、光纤结构和传光原理,光纤结构十分简单，它是一种多层介质结构的圆柱体，圆柱体由纤芯、包层和护层组成。,纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，制成根细的圆柱体，其直径在,5,75m,内。有时在主体材料中掺人极微量的其他材料如二氧化锗或五氧化二磷等，以便提高的折射率。围绕纤芯的是一层圆柱形套层,(,包层,),，包层可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在,100,200m,范围内。包层材料一船为,SiO,2,，,也有的掺人极微量的三氧化二硼或四氧化硅。与纤芯掺杂的目的不同，包层掺杂的目的是为了降低其对光的折射率。包层外面还更涂一些涂料，其作用是保护光纤不受外来的损害，增加光纤的机械强度。光纤最外层是一层塑料保护管，其颜色用以区分光缆中各种不同的光纤。光缆是内多,根光纤组成。并在光纤间填入阻水油膏以此保证光缆传光性能。光缆主要用于光纤通信。,我们知道，光纤是利用光的内全反射规律，将入射光传递到另一端的。它的具体结构和传光原理已在,光纤通信基础,课程中作过详细介绍，本课程不再重复。,二、光纤分类,根据光纤的折射率、光纤材料、传输模式、光纤用途和制造工艺，有如下几种分类方法：,1,阶跃型和梯度型光纤,根据光纤的折射率分布函数，普通光纤可分为阶跃型和梯区型两类。,阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，如下图,(a),所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。,梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大,致按抛物线形状递减，中心轴折射率最大。因此，光纤在纤芯中传播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形。梯度光纤又称为自聚焦光纤。,2,按材料分类,(1),高纯度石英,(SiO,2,),玻璃纤维。,这种材料的光损耗比较小，在波长,1.2m,时、最低损耗约为,0.47dB/km,。,(2),多组分玻璃光纤,用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长,0.84m,时，最低损耗为,3.4dB/km,。,(3),塑料光纤。,用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。当,0.63m,时，损耗高达,100,200 dB/km,；,但重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。,3,按传榆模数分类,(1),单模光纤,单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近光的波长。单模光纤通常是指跃变光纤中，内芯尺寸很小，光纤传输模数很少，原则上只能传送一种模数的光纤，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好、频带很宽，具有较好的线性度；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合。,(2),多模光纤。,多模光纤纤芯直径约为,50,m,，,纤芯直径远大于光的波长。通常是指跃变光纤中，内芯尺寸较大，传输模数很多的光纤。这类光纤性能较差，带宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、连接耦合比较方便，也得到了广泛应用。,4,按用途分类,(1),通信光纤。,用于光通信系统，实际使用中大多使用光缆（多根光纤组成的线缆），是光通信的主要传光介质。,(2),非通信光纤。,这类光纤有低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤和多模梯度光纤等几类。四、光纤传感器基本工作原即及类型,1,光纤传感器基本工作原理,光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与输入调制区的光相互作用后，导致光的某些特性,(,如光的强,度、,波长、频率、相位、偏振态等,),发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后获得被测参数。,2,光纤传感器的类型,光纤传感器按其传感器原理分为两大类：一类是传光型，也称为非功能型光纤传感器；另一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。前者多数使用多模光纤，后者常使用单模光纤。,在传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的,其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。,传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料，作为其敏感元件，这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传,光介,质是光纤，所以来用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求。,传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数。,传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤,(,或特殊光纤,),作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素,(,弯曲、相变,),的作用下，使其某些光学特性发生变化，对输入的光产生某种调制作用，使在光纤内传输的光的强度、相位、偏振态等特性发生变化，从而实现传和感的功能。因此，传感器中的光纤是连续的。,传感型,光纤传感器在结构上比传光型光纤传感器简单，,传感型,光纤传感器的光纤是连续的，可以少用一些光耦合器件。但是，为了光纤能接受外界物理量的变化，往往需要采用特殊光纤来作探头，这样就增加,了传感器制造的难度。随着对光纤传感器基本原理的深入研究和各种持殊光纤的大量问世，高灵敏度的功能型光纤传感器必将得到更广泛的应用。,3,光纤传感器的特点,光纤传感器有以下三大特点，因而得到广泛的应用。,(1),光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗小。2),光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。,(3),光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。,五、光纤传感器的调制器原理,光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能。从图,12-4,和图,12-5,可知，光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制。研究光纤传感器的调制器，就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用。外界信号可能引起光的某些特性,(,如强度、波长、频率、相位、偏振态等,),变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制。下面将分别介绍几种常用的调制原理。,1,强度调制,利用被测量的作用改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量被测量，称为强度调制。其原理如图,12-6,所示。,当一恒定光源的光波,I,IN,注入调制区，在外力场强,Is,的作用下，输出光波的强度被,Is,所调制，载有外力场信息的出射光,I,OUT,的包络线与,Is,形状相同，光（强度）探测器的输出电流,I,D,(,或电压,),也反映出了作用力场。同理，可以利用其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调,制器。,强度调制是光纤传感器使用最早的调制方法，其特点是技术简单可靠、价格低廉。可采用多模光纤，光纤的连接器和,耦合,器均已商品化。光源可采用,LED,和白炽灯等非相干光源，探测器一般用光电二极管、三极管和光电池等。,(1),微小的线性位移和角位移调制方法,这种调制方法使用两根光纤，一根为光的入射光纤，另一根为光被调制后的出射光纤，如下图所示。两根光纤的间距为,2,3m,，,端面为平面，两者对置。通常入射光纤固定，外界作用（如压力、张力等）使得出射光纤作横向或纵向位移或转动，于是出射光纤输出的光强被其位移所调制。,若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤，径向位移,d,与功率耦合系数,T,之间存在下列关系：,式中,S,0,为光纤中的光斑尺寸；,T,和,d,的关系为高斯型曲线。这种调制方法可以测量,10,m,以内的位移量。,2),微弯损耗光强调制,根据模态理论，当光纤轴向受力而发生微小弯曲时，光纤中的部分光会折射到纤芯的包层中去，不产生全折射，这样将引起纤芯中的光强发生变化。因此，可以通过对纤芯或包层中光的能量变化来测量外界作用，如应力、重量、加速度等物理量。,微弯光纤压力传感器由两块波形板或其他形状的变形器构成。其中一块活动，另一块固定。变形器一般采用有机合成材料（如尼龙、有机玻璃等）制成。一根光纤从一对变形器之间通过，当变形器的活动部分受到外力的作用时，光纤将发生周期性微弯曲，引起传播光的散射损耗，使光在芯模中重新分配一部分从纤芯耦合到包层，另一部分光反射回纤芯。当外界力增大时，泄漏到包层的散射光增,大，光纤纤芯的输出光强度减小；当外界力减小时，光纤纤芯的输出光强度增强。它们之间呈线性关系，如上图所示。由于光强度受到调制，通过检测泄漏包层的散射光强或光纤纤芯中透射光强度的变化即可测出压力或位移的变化。,(3),吸收特性的强度调制,x,、,射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而可以构成强度调制器，用来测量各种辐射量，其原理如下图,(a),所示。用不同材料制成的光纤对不同射线的敏感程度是不一样的，由此还可以鉴别不同的射线。例如铅玻璃光纤对,x,、,射线和中子射线特别灵敏，并且这种材料的光纤在小剂量射线照射时，具有较好的线性，可以测量射线的辐射剂量。,2,频率调制,利用外界作用改变光纤中光的波长或频率，通过检测光纤中光的波长或频率的变化来测量各种物理量,这两种调制方式分别称为波长调制和频率调制。波长调制技术比强度调制技术用得少，其原因是解调技术比较复杂,。,频率调制技术目前主要利用多普勒效应来实现。光纤常采用传光型光纤。光学多普勒效应告诉我们：当光源,S,发射出的光，经运动的物体散射后，观察者所见到的光波频率,f,l,相对于原频率,f,0,发生了变化，如图所示。,S,为光源，,N,为运动物体，,M,为观察者所处的位置，若物体,N,的运动速度为,，,其运动方向与,NS,和,MN,的夹角分别为,1,和,2,，,则从,S,发出的光频率,f,0,经运动物体,N,散射后，观察者在,M,处观察到的运动物体反射的频率为,f,l,，,根据多普勒效应，它们之问有如下关系：,(,式中,c,为光速）,证明：设在运动的物体,N,上观测到的光波频率为,f,/,，,则,M,点观测到从运动物体,N,上发出的光波频率：,由于,c,，,所以可以忽略式中的平方项。,与机械波不同，光波（电磁波）存在横向多普勒效应。,根据上述的近似公式，可以设计出激光多普勒光纤流速测量系统，如下图所示。设激光光源频率为,f,0,，,经半反射镜和聚焦透镜进入光纤射入到被测物流体，当流体以速度,运动时，根据多普勒效应，其向后散射光的频率为,f,0,+,f,或,f,0,-,f,（,视流向而定），向后散射光与光纤端面反射光（参考光）经聚焦透镜和半反射镜，由检偏器检出相同振动方向的光，探测器检测出端面反射光,f,0,与向后散射光,f,0,+,f,或,f,0,-,f,的差拍的拍频,f,，,由此可知流体的的流速。,光纤多普勒流速测量系统,3,偏振调制,根据电磁场理论，光波是一种横波；光振动的电场矢量,E,和磁场矢量,H,始终与传播方向垂直。如果光波的电场矢量,E,和磁场矢量,H,方向（与,E,垂直）在传播过程中保持不变，这种光称为线偏振光。线偏振光电场矢量（,E,）,方向与传播方向组成的面称为线偏振光的振动面。包含波的射线并与振动面方向垂直的面称为偏振面。光在传播中，,E,、,H,的大小不变，而振动方向绕传播轴均匀地转动，矢量端点轨迹为圆，这种光称为圆偏振光；如果矢量轨迹为一个椭圆，这种光称为椭圆偏振光。如果自然光在传播过程中，受到外界的作用而使各个振动方向上强度不等，使某一方向的振动比其他方向占优势，这种光称为部分偏振光。如果外界作用使自然光的振动方向只有一个，这种现象称为起偏（形成完全偏振光）。利用光波的这些偏振性质，可以制成光纤的偏振调制传感器。光纤传感器中的偏振调制器常用电光、磁光、光弹等物理效应进行调制。（注意，关于光的振动方向通常是指电场矢量,E,的方向）,法拉第效应（磁光效应）,某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量,E,旋转角,与光在物质中通过的距离,L,和磁场强度,H,成正比，即,利用法拉第效应可以测量磁场。其测量原理如右图所示。,式中,V,物质的弗尔德常数。,普克尔效应（一次电光效应）,当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体将呈现双折射现象，这种现象被称为,Pockels,效应，如下图所示。并且，这种双折射正比于所加电场的一次方，所以普克尔效应又称为线性电光效应。,在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为,式中：,n,0,正常折射率；,d,e,电光系数；,U,加在晶体片上的电压；,光波长；,L,晶体长度；,d,场方向晶体厚度。,光弹效应,在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力材关，这种现象称为光弹效应。由光弹效应产生的偏振光的相位变化为：,式中：,K,物质光弹性常数；,P,施加在物体上的压强；,L,光波通过材料的长度。,此时出射光强为：,利用物质的光弹效应可以构成压力、振动、位移等光纤传感器。,关于双折射现象的说明,一束光在各向同性介质（如玻璃）的表面所产生的折射光只有一束，这是一般的常识。然而，对于光学性质随方向而异的一些晶体（各向异性介质），一束入射光常有被分解为两束的现象，这就是双折射现象。请注意，这种现象不是因为不同频率的光在介质中的折射率不同而产生的，而是由于各向异性介质的折射率对不同入射角的光不是常数而产生的。通过各向异性介质折射的光，若对于任意的入射角，其入射角,o,光和,e,光示意图,角的,不同而变化时，这种光称为,非寻常光,，简称为,e,光。,o,光和,e,光都是线偏振光，但是，光矢量（电矢量）等振动方向不同。,o,光的电矢量垂直于自己的主平面，而,e,光的电矢量则在自己的主平面内振动，如上图所示。在光弹效应和普克尔效应中所说的相位变化，实际上是指这两种光的相位差。,的正,弦与折射角的正弦值比为一常数（即通常所说的折射率）时，这种光称为,寻常光,，简称为,o,光；若其入射角的正弦与折射角的正弦值比随入射,六、,偏振调制调制型光纤传感器的应用举例,光纤电流传感器,偏振调制调制型光纤传感器中最典型的例子是高压传输线用光纤电流传感器，其基本原理是前述介绍的法拉第效应（磁光效应）。,当平面偏振光在强度为,H,的磁场作用下，线偏振光在物质中通过的距离,L,时电矢量,E,旋转角,为：。如果这个磁场是由长直载流导线产生的，根据安培环路定律：,式中：,I,载流导线中的电流强度；,r,导线外任一观测点到导线的垂直距离。由此可见，只要根据磁光效应，利用光纤传感器测量出导线,外任一点,r,的磁场强度,H,，,即可得到导线中的电流,I,。,为了利用光纤测量导线中的电流，可以将单模光纤绕在载流导线上，形成一个半径为,r,的螺线管，光纤螺线管的光纤长度为,L,。,在强度为,H,的磁场作用下，通过光纤的线偏振光的振动面将会产生的偏转，只要检测出这个偏转角即可知道导线中电流,I,的大小。,光纤电流传感器原理示意图,然而，目前直接测量偏振光振动面的偏转角需要借助成套的机电伺服系统，不仅系统繁杂，测量精度也不太高，所以常常采用将偏振光振动面偏转角的信息变换成光的强度后再进行测量。,当光纤材料和光纤螺线管确定之后，由激光器出射后经起偏器所形成的线偏振光，经显微目镜耦合通过光纤到达检偏器时的振动面偏转角仅与电流,I,有关（实际上是与电流在半径,r,处所产生的磁场,H,有关）：,设载流导线中的电流,I,为零时，线偏振光振动方向在检偏器处的与,Y,轴平行，检偏器,P,（,普通检偏器）的方位为,；,I,0,时的方位为,，在,P,上的投影（即光探测器的输出信号强度）为,J,，则,检偏器方向设置,在,=0,附近，,=45,时检测的灵敏度最高。也就是说，为了获得较高的灵敏度，检偏器的方位应与,I,=0,时到达线偏器的线偏振光的振动方向成,45,角。此时：,通常,很小，所以，,。由此可见，,J,与,I,成线性关系。,七、光纤图像传感器,光纤图像传感器是靠光纤传像束实现图像传输的。传像束由光纤按阵列排列而成，一根传像束一般由数万到几十万条直径为,l0,20,m,的光纤组成，每条光纤传送一个像素信息。用传像束可以对图像进行传递、分解、合成和修正。传像束式的光纤图像传感器在医疗、工业、军事部门有着广泛的应用。,工业用内窥镜在工业生产的某些过程中，经常需要检查某些系统内部结构状况，而这些系统由于种种原因不能打开或靠近观察，采用光纤图像传感器可解决这一难题。将探头事先放入系统内部，通过光纤传像束的传输可以在系统外部,观察、监视系统内部情况，其工作原理如上图所示。该传感器主要由物镜、传像束、传光束、目镜或图像显示器组成。光源发出的光通过传光束照射到待观测物体上，再由物镜对待观测物体成像，经传像束把待观测物体的各个像素传送到目镜或图像显示设备上，观察者便可对该图像进行分析处理。,另一种结构形式如下图所示。内部结构的图像通过传像束送到,CCD,器件上，可以把光的图像信息转换成电信号送入微机进行相应的处理，微机的输出可以通过伺服装置，实现跟踪、控制等,医用内窥镜,医用内窥镜的示意图如左下图所示。它由末端的物镜、光纤图像导管（传像束）、顶端的目镜和控制手柄组成。照明光是通过图像导管外层光纤照射到被观察物体上，反射光通过传像束输出。,由于光纤柔软，自由度大、末端通过手柄控制能偏转，传输图像失真小，因此，它是检查和诊断人体内各部位疾病和进行某些外科手术的重要仪器。,5,.,2,图像传感器,现代人类生活中，人们迫切需要获取信息，而人类获取的总信息量的,80,以上是通过视觉器官得到的。所以图像传感器,(,Imaging Sensor,缩写为,IS,，,又称成像器件、摄像器件,),作为现代视觉信息获取的一种基础器件，因其能实现信息的获取、转换和视觉功能的扩展,(,光谱拓宽、灵敏度范围扩大,),，能给出直观、真实、层次最多、内容最丰富的可视图像信息，所以在现代社会中得到了越来越广泛的应用。,图像传感器的功能是把光学图像转换为电信号，即把入射到传感器光敏面上按空间分布的光强信息,(,可见光和非可见光,),、转换为按时序串行输出的电信号,视频信号，而视频信号能再现入射的光辐射图像。把空间图像转换为按时序变化的电信号的过程称为扫描。,50,年代前，摄像的任务主要都是用各种电子束摄像管,(,如光导摄像管、飞点扫描管等,),来完成。,60,年代后期，随着半导体集成电路技术，特别是,MOS,集成电路工艺的成熟，各种固体图像传感器得到迅速发展，到,70,年代末期。已有一系列产品在军事、民用各方面得到广泛席用。,线阵固体图像感器的发展曲线,（,CCPD:,电荷耦合光电二极管列阵）,固体图象传感器,(Solid State Imaging Sensor,缩写为,SSIS),主要有三大类型、一种是电荷耦合器件,(Charge Coupled Device,简称,CCD),，,第二种是,MOS,图象传感器,，,又称自扫描光电二极管列阵,(Self Scanned Photodiode Array,，,简称,SSPA),，,第三种是电荷注入器件,(Charge Injection Device,，,简称,CID),。,目前前两种用得比较多。,同电子束摄像管相比，固体图象传感器有以下显著优点：,(1),全固体化，体积很小，重量轻，工作电压和功耗都很低；耐冲击性好可靠性高，寿命长。,(2),基本上不保留残象,(,电子束摄象管有,1520,的残象,),，无象元烧伤、扭曲，不受电磁干扰。,(3),红外敏感性。硅的,SSPA,光谱响应：,0.201.0,；,CCD,可作成红外敏感型；,CID,主要用于光谱响应大于,35,的红外敏感器件。,(4),象元尺寸的几何位置精度高,(,优于,1),，因而可用于不接触精密尺寸测量系统。,(5),视频信号与微机接口容易,主要应用领域：小型化黑白,/,彩色,TV,摄象机；传真通讯系统；光学字符识别（,OCR:Optical Character Recognition,）；,工业检测与自动控制；医疗仪器；多光谱机载和星载遥感；天文应用；,军事应用。,5,.,2,.,1 CCD,图像传感器,一、,CCD,器件的结构,CCD,摄像器件由光敏（光积分）单元和电荷转移单元（读出移位寄存器）组成，每个光敏单元对应一个象素如下图所示。各单元的基本结构如右图所示，由金属、绝缘层、半导体构成。,V,G,加正向偏压后在半导体内形成“电子势阱（耗尽区）”，势阱的深度由,V,G,的大小来控制。电子势阱可以用来存放电子，这些电子的注入方式既可用“光注入”（光敏单元采用光注入），也可以用“电注入”（转移电荷时采用电注入）。,对于光敏单元，当受到光线照射时，在光子的作用下，半导体内产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱俘获。这种光生电子作为反映光强的载体,电荷包被收集，成为光电荷注入，这就是,CCD,摄像器件的光电变换过程。势阱内电荷包的大小与光照强度和光照时间成正比。,光敏单元电子势阱的电荷包可以通过转移栅的作用并行地转移到读出移位寄存器（电荷转移单元）中，读出移位寄存器在读出脉冲（三相或四相脉冲）的作用下把各个来自光敏单元的电荷包读出，从而获得各个像素的亮度值。,光线,读出移位寄存器的,工作原理,是依靠,MOS,电容与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。当,MOS,电容栅压,V,G,增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。,电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当,V,G,增加，势阱变深；当,V,G,减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。,对于二维,CDD,（,面列阵）电荷的转移方式主要有,2,种：,“,帧间转移式,(FT),”,；,“,帧行间转移式,(FIT),”,。,5.2.2 CMOS,图像传感器,CMOS,图像传感器从原理可分为无源像素传感器,PPS(Passive-Pixel Sensor),和有源像素传感器,APS(ActivePixel Sensor),两大类。从结构上讲，主要包括光敏二极管型无源、有源像素图像传感器和光电栅型有源像素图像传感器。,下图简单的说明了光敏二极管型无源图像传感器和光敏二极管型有源图像传感器感光单元的结构,。,一、,光敏二极管型,CMOS,图像传感器结构,在光敏二极管型无源图像传感器中,，,光敏二极管受光照将光子变成电子,，,通过行选择开关将电荷读到列输出线上,；在,光敏二极管型有源,CMOS,图像传感器中,，,则通过复位开关和行选择开关将放大后的光生的电荷读到感光阵列外部的信号放大电路,。,无源像素图像传感器仅仅是一种具有行选择开关的光电二极管,，,通过控制行选择开关把光生的电荷信号传送到像素阵列外的放大器,；,有源像素图像传感器的每个像元内部都包含一个有源单元,，,即包含由一个或多个晶体管组成的放大电路在像元内部先进行电荷放大再被读出到外部电路。,二、光电栅型有源像素图像,CMOS,传感器,光电栅型,APS CMOS,像素单元框图如右图所示。像素单元包括光电栅,PG,（,Photogate,）、,浮置扩输出,FD(Flcating,Diffusion),、,传输电栅,TX(Transfer Gate),、,复位晶体管,MR(Reset Transistor),、,作为源极跟随器的输入晶体管,MIN,、,以及行晶体管,MX,，,实际上，每个像元内部就是一个小小的表面沟道,CCD,。,每列单元共用一个读出电路，它包括第一源极跟随器的负载晶体管,MLN,以及两个用于存储信号电平和复位电平的双采样和保持电路。这种对复位和信号电平同时采样的相关双采样电路,CDS,能抑制来自像元浮置节点的复位噪声。,CCD,和,CMOS,使用相同的光敏材料，因而受光后产生电子的原理相同,并且具有相同的灵敏度和光谱特性，但是读取过程不同：,CCD,是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移，整个电路非常复杂；,CMOS,则以类似,DRAM,的方式读出信号，电路简单。,CCD,的时钟驱动、逻辑时序和信号处理等其他辅助功能难以与,CCD,集成到一块芯片上，这些功能可由,3,8,个芯片组合实现，同时还需要一个多通道非标准供电电压来满足特殊时钟驱动的需要；而借助于大规模集成制造工艺，,CMOS,图像传感器能容易地把上述功能集成到单一芯片上。,CCD,大多需要三种电源供电，功耗较大，体积也比较大,.CMOS,只需一个,(3,5)V,单电源，其功耗相当于,CCD,的,1/10,；高度集成,CMOS,芯片可以做的比人的大拇指还小。到目前为止，面向数码相机的,CCD,固体摄像元件的最高像素已超过,800,万，而像素最高为,1680,万的,CMOS,图像传感器正在开发中。,需要指出，电荷耦合器件（,CCD,）,并不仅限图像传感器这一种应用，它在模拟信号处理方面也有很好的应用价值。,5.3,激光与红外传感器,(,探测器,),5.3.1,激光传感器,一、激光的特点与激光器,1,激光的特性,方向性强：,激光光束的发散角很小，在几公里之外的的光斑直径可以小于几厘米。由于它的能量高度集中，一台高能量的红宝石激光器发射的激光会聚后,能产生几百万度的高温，可以瞬间熔化一切金属。,单色性好：,激光的频率宽度很窄，是最好的单色光。例如，普通光源中，单色性最好的是同位素氪,86,86,Kr,灯发出的光，其中心波长,605.7nm,，,4.710,-3,nm,，,而氦氖激光器发出的红色激光的波长,632.8nm,，,在,10,-6,nm,的数量级上。,相干性好：,激光的时间相干性和空间相干性都很好。所谓相干性好就是指两束光在相遇区域内相互叠加后，能形成较清晰的干涉图样或能接收到稳定的拍频信号。时间相干性是指同一光源在相干时间,内的不同时刻发出的光，经过不同路程相遇可以产生的干涉现象，可以用路程差即相干长度来反映；空间相干性是指同一光源发出的光，在一定大小的空间区域内相遇可以产生的干涉现象，可以用相干面积来度量。由于激光的传播方向、振动态、频率、相位完全一致，因此，激光具有优良的时间和空间相干性。,2,激光器及其特性,固体激光器,它的工作介质为固态物质。尽管其种类很多，但其结构大致相同，特点是体积小而坚固，功率大。目前，输出功率可达几十兆瓦。常用的固体激光器有红宝石激光器、掺铷的钇铝石榴石激光器,(,简称,YAG,激光器,),和铷玻璃激光器等。,液体激光器,它的工作物质是液体。液体激光器最大特点是它发出的激光波长可在一定的波段内连续可调，可连续工作而不降低效率。液体激光器可分为有机液体染料激光器、无机液体激光器和聚合物激光器等。较为重要的是有机染料激光器。,气体激光器,工作物质是气体。其特点是小巧,能连续工作,单色性好，但是输出功率不及固体激光器。目前，已开发了各种气体原子、离子、金属蒸气、气体分子激光器。常用的有,CO,2,激光器、氦氖激光器和,CO,激光器等。,半导体激光器,半导体激光器是继固体和气体激光器之后发展起来的一种效率高、体积小、重量轻、结构简单，但输出功率小的激光器。其中有代表性的是砷化镓激光器。半导体激光器广泛应用于飞机、军舰、坦克、火炮上瞄准、制导、测距等和家用电器上。,二、激光探测器的应用,激光技术有着非常广泛的应用，如激光精密机械加工、激光通信、激光音响、激光影视、激光武器和激光检测等。激光检测具有测量精度高、范围大，检测时间短及非接触式测量等优点，主要用来测量长度、位移、速度、振动等参数。,1,激光测距,激光测距是激光测量中一个很重要的方面。如飞机测量其前方目标的距离，激光潜艇定位等。激光测距首先测量激光射向目标，而后又测量经目标反射到激光器的往返一次所需要的时间间隔,t,，,则探测器到目标的距离,D,为：,式中：,c,激光传播速度,(310,8,m/s),；,t,激光射向目标而又返回激光接收器所需要的时间间隔。,时间间隔,t,可利用精密时间间隔测量仪测量。目前，国产时间间隔测量仪的单次分辨率达,20ps,。,由于激光方向性强,功率大,单色性好，这些对于测量远距离，判别目标方位，提高接收系统的信噪比和保证测量的精确性等起着很重要的作用。激光测距的精度主要取决于时间间隔测量的精度和激光的散射。例如，,D,1500km,，,激光往返一次所需要的时间间隔,t,为,10ms1ns,，,1ns,为测时误差。若忽略激光散射，则测距误差为,15cm,；,若测时精度为,0.1ns,，,则测距误差可达,1.5cm,。,若采用无线电波测量，其误差比激光测距误差大得多。,在激光测距的基础上，发展了激光雷达。,2,激光测流速,激光测速应用得最多的是激光多普勒流速计，它可以测量火箭燃料的流速，飞行器喷射气流的速度，风洞气流速度以及化学反应中粒子的大小及会聚速度等。,流速计主要包括光学系统和多普勒信号处理两大部分。激光器,1,发射出来的单色平行光经聚焦透镜,2,聚焦到被测流体区域内，运动粒子使一部分激光散射，散射光与未散光之间发生频移。散射光与未散射光分别由两个接收透镜,2,和,4,接收，再经平面镜,5,和分光镜,6,重合后，在光电倍增管,7,中叠加产生差拍，光电倍增管将输出一个与拍频,f,/,相同的交流信号；对这个拍频信号进行处理，即可获得动粒子的流速,。,运动物体,(),所,引起的光学多普勒频偏,f,=2,f,/,式中,d,为光波的波速，所以频偏与速度,成正比。,激光多普勒流速测量的另一个优点是通过改变透镜的会聚点，可测量出流场中不同位置的流速，这是其它测量手段无法比拟的。,3,激光陀螺,陀螺式惯性导航的关键部件。传统上使用的是机械陀螺，机械陀螺工作时需要绕轴线高速旋转，存在轴承摩擦和磨损。激光陀螺可以避免这个弊端。,激光陀螺由一个环型激光器构成，如下图所示。激光器向左右两端射出激光束，经全反射镜,R,1,、,R,2,和半反射镜,R,3,一路顺时针传播，另一路逆时针传播，透过的光束,R,3,经棱镜,D,合成一束由接收器接收。当陀螺固定不动，逆、顺时针传播的两束光的频率相同，当陀螺以角频率,旋转时，两束光将会产生多普勒频差，在接收器中出现差拍信号。多普勒频差大小为：,式中：,S,环形面积；,L,环路总长度：,激光波长。,接收器,激光器,激光陀螺示意图,激光器,调制器,电机,行扫描照相机原理示意图,4.,激光行扫描照相机,激光制导航弹及引导头示意图,2,4,2,4,1,3,4.,激光制导航弹及引导头原理,5.3.2,红外辐射传感器,红外辐射技术作为一门新兴技术科学，在科学研究、军事工程和医学方面起着极其重要的作用。应用领域十分广阔，例如红外制导火箭、红外成像、红外遥感等。红外辐射技术的核心是红外辐射传感器。,一、红外辐射的基本特点,红外辐射就是红外光，其波长从,1,1000m,。,红外光是太阳光谱的一部分，其波长范围及在电磁波谱中的位置如图所示。,红外光的最大特点就是具有光热效应，辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。红外光一种不可见光，与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外光在真空中的传播速度为,310,8,m/s,。,红外光在介质中传播会产生衰减，在金属中传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。不同的气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。研究分析表明，对于波长为,1,5m,、,8,14m,区域的红外光具有比较大的“透明度”。即这些波长的红外光能较好地穿透大气层。,自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都能产生红外光辐射。,红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的，热能强度也不一样。例如，黑体,(,能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体,),、镜体,(,能全部反射红外辐射的物体,),、透明体,(,能全部穿透红外辐射的物体,),和灰体,(,能部分反射或吸收红外辐射的物体,),将产生不同的光热效应。严格来讲，自然界并不存在黑体、镜体和透明体，而绝大部分物体都属于灰体。,上述这些特性就是把红外光辐射技术用于卫星遥感遥测、红外跟踪等军事和科学研究项目的重要理论依据。,二、红外辐射的基本定律,1,希尔霍夫定律,希尔霍夫定律指出一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能。如果几个物体处于同一温度场中，各物体的热发射本领正比于它的吸收本领,这就是希尔霍夫定律。可用下面公式表示：,E,r,aE,0,，,式中：,E,r,物体在单位面积和单位时间内发射出来的辐射能；,a,该物体对辐射能的吸收系数；,E,0,等价于黑体在相同温度下发射的能量，它是常数。,黑体是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体，黑体的吸收本领与波长和温度无关，即,a,1,。,黑体吸收本领最大，加热后，它的发射热辐射也比任何物体都要大，,2,斯忒藩,玻尔兹曼定律,物体温度越高，它辐射出来的能量越大。可用下面公式表示：,式中：,E,某物体在温度,T,时单位面积和单位时间的红外辐射总能量；,斯忒藩,玻尔兹曼常数,(,5.669710,-12,W/cm,2,K,4,；,比辐射率，即物表表辐射本领域黑体辐射本领之比值，黑体的,=1,；,T,物体的绝对温度。,该定律表明，物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度的四次方成正比，并与,成正比。物体温度越高，其表面所辐射的能量就越大。,3,维恩位移定律,热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。实验证明，物体峰值辐射波长,m,与物体的自身的绝对温度,T,成反比。即,上式称为维思位移定律。下图给出了分谱辐射出射度,M,与波长,的分布与温度的关系。从图所示曲线可知，峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移。当温度不很高时，降值辐射波长在红外区域。,三、红外探测器,(,传感器,),能将红外辐射量变化转换成电量变换的装置称为红外探测器,(,红外传感器,),，红外探测器是根据,热电效应,和,光子效应,制成的。前者为,热敏探测器,，后者为,光子探测器,。从理论上讲，热探测器对入射的各种波长的辐射能量全部吸收，它是一种对红外光波无选择的红外传感器。光子探测器常用的光子效应有外光电效应、内光电效应,(,光生伏特效应、光电导效应,),和光电磁效应。,热敏探测器对红外辐射的响应时间比光电探测器的响应时间要长得多。前者的响应时间一般在,ms,以上，而后者只有,ns,量级。热探测器不需要冷却，光子探测器多数要冷却。,1,红外探测器的基本参数,(,为了便于设计和选用,),红外探测器主要技术参数有下列几项：,(1),响应率,所谓红外探测器的响应率就是其输出电压与输入的红外辐射功率之比,式中,r,响应率,(V/W),；,U,0,输出电压,(V),；,P ,红外辐射功率,(W),。,(3),噪声等效功率,(NEP),若投射到探测器上的红外辐射功率所产生的输出电压正好等于探测器本身的噪声电压，这个辐射功率就叫做噪声等效功率,(NEP),。,噪声等效功率是一个可测量的量。,设入射辐射的功率为,P,，,测得的输出电压为,U,0,，,然后除去辐射源，测得探测器的噪声电压为,U,N,，,则按比例计算，要使,U,