第七章光电式传感器

1、1(1) (1) 零件的识别与定位零件的识别与定位领域：工业、农业、领域：工业、农业、 航天、军事等航天、军事等1 1、工业检测、工业检测例：双目立体视觉检测系统例：双目立体视觉检测系统 简单视觉的机器人系统简单视觉的机器人系统 自动连接引线、对准自动连接引线、对准芯片和封装；芯片和封装； 自动安装部件，自动焊自动安装部件，自动焊接或自动切割加工、自接或自动切割加工、自动浇注系统等。动浇注系统等。 第七章第七章 光电式与光导式传感器光电式与光导式传感器应用应用2(2) (2) 零件尺寸的在线测量零件尺寸的在线测量(3) (3) 零件外观及内部缺陷检测零件外观及内部缺陷检测芯片定位芯片定位芯片管

2、脚检测芯片管脚检测钢板厚度的在线测量钢板厚度的在线测量 木料检测原理木料检测原理例：木料检测：缺陷、体积例：木料检测：缺陷、体积 (4) (4) 产品分类、分组产品分类、分组(5) (5) 产品标识、编码识别产品标识、编码识别苹果分级、分色、配色苹果分级、分色、配色商品条码、印鉴、标签商品条码、印鉴、标签3“手手-眼眼”定位：定位： 两个摄像机两个摄像机 - 两幅平面图像两幅平面图像 - 三维场景信息三维场景信息 用于：目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航用于：目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航 无人驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人无人驾驶汽车

3、、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人实例：美国实例：美国Sojourner系列和系列和Rocky系列火星探测移动机器人系列火星探测移动机器人2 2、机器人导航、机器人导航4“机遇机遇”号火星车拍摄号火星车拍摄火星土壤的显微照片火星土壤的显微照片 “勇气勇气”号火星车号火星车发回的彩色照片发回的彩色照片美国勇气号和机遇号火星探测移动机器人美国勇气号和机遇号火星探测移动机器人53、生物医学图像分析、生物医学图像分析（1）医学临床诊断）医学临床诊断 ： X射线、射线、B超、超、CT、核磁共振（、核磁共振（MRI）医学影像融合分析医学影像融合分析 细胞个数统计细胞个数统计 CT图像图像 自动检测：染色

4、体切片、癌细胞切片、超声波图象自动检测：染色体切片、癌细胞切片、超声波图象6三维人体扫描三维人体扫描7（2）生物图像分析：形状、组织切片、染色体配对、细菌、病毒、）生物图像分析：形状、组织切片、染色体配对、细菌、病毒、 病原体外形尺寸检测、颜色识别、表面损伤检测以及组织分析病原体外形尺寸检测、颜色识别、表面损伤检测以及组织分析叶片细胞显微放大图片叶片细胞显微放大图片 转基因大豆孢子转基因大豆孢子例：水果分类；发芽土豆；杂草识别例：水果分类；发芽土豆；杂草识别 84 4、遥感图像分析：、遥感图像分析：卫星遥感图像卫星遥感图像 - 气象卫星（红外成象气象卫星（红外成象 - 云图云图 - 气象状况）

5、气象状况） 资源卫星（多光谱成象资源卫星（多光谱成象 - 地质、矿藏、森林、灾害）地质、矿藏、森林、灾害） 海洋卫星（合成孔径雷达成象海洋卫星（合成孔径雷达成象 - 海洋、海浪、海滩）海洋、海浪、海滩） 航空摄影图像航空摄影图像 - （多目成象（多目成象 - 大地测量、测绘）大地测量、测绘）交通交通 - 车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测安全安全 - 指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关）指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关）监视监视 - 超市、商店防盗、银行监控，停车场、电梯闭路电视超市、商

6、店防盗、银行监控，停车场、电梯闭路电视6、军事与国防：军事与国防：5、监控、安防、交通管理：监控、安防、交通管理：超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象7、办公与家电：办公与家电：办公设备办公设备 - 数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪家用电器家用电器 - 数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃9第一节第一节 光电效应与光电器件光电效应与光电器件 一、一、 外光电效应

7、外光电效应特点：速度快-从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。 需足够光能-光子能量 表面溢出功A0原理：光 物体表面 光电子发射 光电传感器的物理基础就是光电效应，光电效应分为光电传感器的物理基础就是光电效应，光电效应分为外光电效应外光电效应和和内内光电效应光电效应两大类。两大类。hE 0221Amvh爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程1、不同物质具有不同的逸出功，即每一无题都有一个对应的光频阀值，、不同物质具有不同的逸出功，即每一无题都有一个对应的光频阀值，称为红限频率或波长限。称为红限频率或波长限。2、入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强度成正比。光强越大，、入射光的频谱成

8、分不变时，产生的光电流与光强度成正比。光强越大，入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。3、光电子逸出物体表面具有初始动能，因此即使没有外加电压，也会有光、光电子逸出物体表面具有初始动能，因此即使没有外加电压，也会有光电流产生。电流产生。10 二、内光电效应二、内光电效应 原理：导带禁带价带半导体能带图光电导效应光电导效应： 器件：光敏电阻原理：光 电子-空穴对 导电性 电阻光生伏特效应光生伏特效应: 原理 （1）结光电效应： 光PN结（无偏置） 光生电子空穴对 电子N, 空穴P 电动势 器件：光电池 、光敏二极管、光敏三极管光 半导体 电子吸收光子能量

9、 跃迁 电子-空穴对当光照射到物体上，使物体的电阻率发生变化或者产生光生电动势的现象。当光照射到物体上，使物体的电阻率发生变化或者产生光生电动势的现象。光子能量光子能量 禁带宽度禁带宽度 （本征激发）（本征激发）（2）测向光电效应11三、外光电效应器件三、外光电效应器件 利用外光电效应制成的器件一般都是真空的或者充气的光电器件。利用外光电效应制成的器件一般都是真空的或者充气的光电器件。原理：光 阴极 光电子 阳极 空间电子流外接电阻 压降U=f(I)1、光电管、光电管特点：简单，灵敏度低 （充入惰性气体灵敏度增加，但同时带来一系列缺点。） 由阴极和阳极组成，并密封在一个真空玻璃管内。阴极装在玻

10、璃管内由阴极和阳极组成，并密封在一个真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，上面涂有光电发射材料。阳极用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻壁上，上面涂有光电发射材料。阳极用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管中央。璃管中央。 充气光电管使在真空光电管内充入少量的惰性气体。光电子在由阴极飞往阳极的途中，与惰性气体相碰撞而使气体电离，产生更多的电子，增大了光电流。122、光电倍增管光电倍增管原理：光 阴极 光电倍增极 阳极 电流3、应用：开关测量 光电开关 ，计数特点：光电流大，灵敏度高 倍增率=n , -单极倍增率（36） n-倍增极数（414）结构：阴极、阳极、倍增极（次阴极） 倍增极多的可达30级，通

11、常为1214级 各个电极上都加有电压。阴极电位最低，各个倍增极的电位依次升高，阳极电位最高。因此在相邻两个电极之间存在电位差，从而使电子加速。同时倍增极由次级发射材料制成，在电子轰击下，能产生更多的“次级电子”niI131、光敏电阻：光敏电阻： 原理：电阻器件，加直流偏压，无极性 无光照-电子-空穴对很少-电阻大(暗电阻) 有光照-电子-空穴对增多-导电性增强 特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定批量生产，价格便宜 材料：金属硫化物、硒化物、碲化物。 结构：金属或者塑料封装-防潮四、内光电效应器件四、内光电效应器件（1）结构和原理）结构和原理14（2）光敏电阻的特性）光敏电阻的特性暗电阻、

12、亮电阻与光电流暗电阻、亮电阻与光电流伏安特性伏安特性暗电阻：光敏电阻未受到光照射时的电阻。此时流过的电流为暗电流暗电阻：光敏电阻未受到光照射时的电阻。此时流过的电流为暗电流亮电阻：光敏电阻受到光照射时的电阻值。亮电阻：光敏电阻受到光照射时的电阻值。亮电流亮电流光电流：亮电流与暗电流之差。光电流：亮电流与暗电流之差。暗电阻越大、亮电阻越小，光敏电阻的灵敏度越高。暗电阻越大、亮电阻越小，光敏电阻的灵敏度越高。 在一定的照度下，电压越高、光电流在一定的照度下，电压越高、光电流越大，没有饱和现象。越大，没有饱和现象。 但是但是U不能太大，以免损坏光敏电阻。不能太大，以免损坏光敏电阻。15光照特性光谱特

13、性光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性用于描述光电流和光照强度（光通量）之间的关系。用于描述光电流和光照强度（光通量）之间的关系。 不同光敏电阻的光照特性不同。不同光敏电阻的光照特性不同。 绝大多数光敏电阻的光照特性是非线性的，不宜作测量元件，一般绝大多数光敏电阻的光照特性是非线性的，不宜作测量元件，一般用作开关式光电转换器。用作开关式光电转换器。光谱特性光谱特性不同波长的光，光敏电阻的灵敏度不同，因而在选用光敏电阻不同波长的光，光敏电阻的灵敏度不同，因而在选用光敏电阻时应结合光源的种类选择。时应结合光源的种类选择。硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域。硫化镉的峰值在可见光区域，

14、而硫化铅的峰值在红外区域。16动态特性光敏电阻的响应时间和频率特性光敏电阻的响应时间和频率特性响应时间：光电流不能立即随着光照响应时间：光电流不能立即随着光照的变化而变化，存在一个惰性，用时间的变化而变化，存在一个惰性，用时间常数来描述，即响应时间。常数来描述，即响应时间。大多数光敏电阻的时间常数都较大，这大多数光敏电阻的时间常数都较大，这是它的缺点之一。是它的缺点之一。频率特性：又称为动态特性。光敏电阻频率特性：又称为动态特性。光敏电阻的灵敏度随调制频率变化的关系。的灵敏度随调制频率变化的关系。由图可知，硫化铅的频率特性较好。由图可知，硫化铅的频率特性较好。温度特性温度特性:温度升高，暗电阻

15、和灵敏度都下降温度升高，暗电阻和灵敏度都下降温度升高，光谱特性曲线向短波方向移动温度升高，光谱特性曲线向短波方向移动17连接方式：开路电压输出-(a) 短路电流输出-(b) 2、光电池、光电池原理： 光PN结电子N, 空穴P 电动势 光电能光电池 （硅光电池、硒光电池）特点：有源器件，轻便、简单、无污染， 动态特性好（硅） 工作于可见光波段-太阳能电池18特性：光照特性-开路电压输出：非线性(电压-光强)，灵敏度高 且在2000lx时就趋于饱和 短路电流输出：线性好(电流-光强) ，灵敏度低 所以作测量元件使用时应做电流源来使用。 光谱特性-硅电池：0.51.2m(红-红外)，峰值0.8 m(

16、近红外) 硒电池：0.30.7m(紫-红)，峰值0.5 m(绿) 可见光2、光电池、光电池19光电池的频率特性：光电池的频率特性：硅光电池的频率特性非常好（动态响应快）。硅光电池的频率特性非常好（动态响应快）。这是硅光电池在所有光电元件中最突出的优点。这是硅光电池在所有光电元件中最突出的优点。可用于高速计数和有声电影。可用于高速计数和有声电影。光电池的温度特性：光电池的温度特性：短路电流和开路电压随温度变化：短路电流和开路电压随温度变化：温度升高时，开来电压较快下降，温度升高时，开来电压较快下降，而短路电流缓慢增加。而短路电流缓慢增加。应用：宇航飞行仪器，仪表电源，便携仪表(计算器) - 开关

17、测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）203、光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管原理： 半导体PN结- 无光时-高阻特性，微弱电流暗电流，A； 光照时-电子N,空穴P 光电流 光照愈强 - 光电流愈大即：无光照时，光敏二极管截止；有光照时，光敏二极管导通 光电流与照度之间呈线性关系。PN应用：线性转换元件，开关元件， 光照特性光谱特性（1）一般光敏二极管（）一般光敏二极管（光电二极管, PD: Photo-Diode）21（2）高速光电二极管）高速光电二极管PIN结光电二极管：结光电二极管： 它与一般光敏二极管的区别在于它与一般光敏二极管的区别在于P区和区和N区之间增加了一层

18、很厚的高电阻率区之间增加了一层很厚的高电阻率的本征半导体（的本征半导体（I）。同时将）。同时将P层做得很薄。层做得很薄。 在在PIN结上加较高的反偏电压，使其耗结上加较高的反偏电压，使其耗尽层加宽，内电场加强。这样载流子在尽层加宽，内电场加强。这样载流子在经过经过PIN结时被加速，大大减小了漂移结时被加速，大大减小了漂移时间，提高了响应速度。时间，提高了响应速度。由于由于P层很薄，大量的光子被较厚的层很薄，大量的光子被较厚的I层层吸收，激发较多的载流子形成光电流；吸收，激发较多的载流子形成光电流； 响应速度快，灵敏度高，线性好， 用于光通讯，光测量22PN + P+ APD 响应速度快，灵敏度

19、高，线性差， 用于光通讯脉冲编码雪崩式光电二极管（雪崩式光电二极管（APD）加高反偏电压时，以加高反偏电压时，以P层为中心的两侧产生层为中心的两侧产生极强的内电场。极强的内电场。光照时，光照时， P+层激发的电子在高电场的作用下以层激发的电子在高电场的作用下以高速通过高速通过P层，并在层，并在P区产生碰撞电离，形成区产生碰撞电离，形成大量新的电子空穴对，同样被加速再次碰撞大量新的电子空穴对，同样被加速再次碰撞电离，形成雪崩效应。电离，形成雪崩效应。23（3）光敏三极管）光敏三极管（光电三极管, PT: Photo-Triode） 原理：光敏二极管（bc结）+ 三极管特点：灵敏度高于光敏二极管，

20、光谱特性动态特性特性：光照特性-灵敏度高于光敏二极管，线性好 光谱特性-单峰性 动态特性-响应速度低于光敏二极管24说明说明：对于各种光电元件： （1）暗电流：无光照时输出电流 热噪声 （2）温度特性：温度 灵敏度、光谱特性 降温、恒温、温度补偿 （3）器件材料： 硅 好于 锗25 第二节 固态图像传感器 固态图像传感器由光敏元件和电荷转移器件集合而成。它的核固态图像传感器由光敏元件和电荷转移器件集合而成。它的核心是电荷转移器件心是电荷转移器件CTDCTD。最常用的是电荷耦合器。最常用的是电荷耦合器CCDCCD（Charge Charge Coupled DeviceCoupled Devic

21、e）。）。 于年在贝尔试验室研制成功，之后由日商进行于年在贝尔试验室研制成功，之后由日商进行第二阶段开发使之成熟并开始量产，其发展历程已经将近第二阶段开发使之成熟并开始量产，其发展历程已经将近多年，从初期的多万像素已经发展至目前主流应用的多年，从初期的多万像素已经发展至目前主流应用的万像素。万像素。 又可分为又可分为线型（线型（LinearLinear）与面型（）与面型（AreaArea）两种）两种，其中线型，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSCDSC）、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。）、摄录影机、

22、监视摄影机等多项影像输入产品上。 CCDCCD应用在数码相机上已经是上个世纪应用在数码相机上已经是上个世纪9090年代的事情了，年代的事情了，19901990年世界上第一台数码相机诞生在美国，被安装在卫星上，短短年世界上第一台数码相机诞生在美国，被安装在卫星上，短短的的1010多年时间，多年时间，CCDCCD就已从最初的就已从最初的1010多万像素发展至目前家用多万像素发展至目前家用主流主流200200400400万像素，甚至应用于高档数码相机的万像素，甚至应用于高档数码相机的500500万上千万上千万以上像素。万以上像素。26一、一、CCD的单元结构和基本原理的单元结构和基本原理由若干个电荷

23、耦合单元组成，电荷耦合单元的结构如图所示。由若干个电荷耦合单元组成，电荷耦合单元的结构如图所示。 在在P型（或型（或N型）硅衬底上生成一层厚度约为型）硅衬底上生成一层厚度约为120nm的的SiO2，再在，再在SiO2上面依次沉淀铝电极而成。它的结构仍然是金属氧化物半导体，所以上面依次沉淀铝电极而成。它的结构仍然是金属氧化物半导体，所以称为称为MOS型的电容式转移器。但没有扩散漏极和源极。将型的电容式转移器。但没有扩散漏极和源极。将MOS阵列加上输阵列加上输入、输出端，便构成了入、输出端，便构成了CCD。1、结构、结构27 在表面电极加正偏压时（在表面电极加正偏压时（N型衬底加负偏压），型衬底加

24、负偏压），P型衬底中形成耗尽层型衬底中形成耗尽层（势阱），耗尽层的深度随正偏电压升高而增大。衬底中的少数载流子电子（势阱），耗尽层的深度随正偏电压升高而增大。衬底中的少数载流子电子被被吸引到最深的势阱吸引到最深的势阱，但是没有源极提供电子，靠本身的少数载流子形成导，但是没有源极提供电子，靠本身的少数载流子形成导电沟道的时间很长，需要零点几秒甚至几十秒。所以不会形成导电沟道。电沟道的时间很长，需要零点几秒甚至几十秒。所以不会形成导电沟道。282、电荷的储存、电荷的储存 若若P2的电位比其他相邻的两个电极都高，则电极的电位比其他相邻的两个电极都高，则电极P2下面的耗尽层要比其下面的耗尽层要比其他电

25、极下的耗尽层深，形成势阱。若势阱边缘两侧有负电荷存在，在电场力他电极下的耗尽层深，形成势阱。若势阱边缘两侧有负电荷存在，在电场力作用下，会落入势阱，储存起来。作用下，会落入势阱，储存起来。 因为衬底本身的少数载流子自由电子不能马上填满势阱，而数字系统的因为衬底本身的少数载流子自由电子不能马上填满势阱，而数字系统的时钟脉冲周期远小于十分之几秒，因此在时钟脉冲控制下，势阱中的电荷只时钟脉冲周期远小于十分之几秒，因此在时钟脉冲控制下，势阱中的电荷只与是否有电荷注入（输入信息），而与衬底本身无关。与是否有电荷注入（输入信息），而与衬底本身无关。293、电荷的定向转移、电荷的定向转移 每一个像素上有三个

26、金属电极每一个像素上有三个金属电极P1、P2、P3，依次在其上施加三个相位不同控，依次在其上施加三个相位不同控制脉冲制脉冲11、22、3（三相时钟脉冲控制）。（三相时钟脉冲控制）。 输入栅加高电压，电荷通过输入二极管注入。设输入栅加高电压，电荷通过输入二极管注入。设t0时刻，时刻，P1到达最高正电到达最高正电压，其下方形成的势阱最深，电荷被吸引到压，其下方形成的势阱最深，电荷被吸引到P1下方形成电荷包。下方形成电荷包。t1时刻时刻P2上加上加上和上和P1相等的高电压，则在两电极下同时形成势阱（势阱耦合），电荷在两电相等的高电压，则在两电极下同时形成势阱（势阱耦合），电荷在两电极下分布。极下分布

27、。t2时刻，时刻，P1回到低电位，电荷包全部落入回到低电位，电荷包全部落入P2下的势阱。然后电荷移下的势阱。然后电荷移动到动到P3下形成电荷包。这样电荷由下形成电荷包。这样电荷由CCD一端移至终端。这时在输出栅上加高电一端移至终端。这时在输出栅上加高电压，使输出二极管反偏收集电荷，并将电荷送至放大器。压，使输出二极管反偏收集电荷，并将电荷送至放大器。30二、线型二、线型CCD图像传感器基本结构图像传感器基本结构 线型线型CCD图像传感器由一行光敏元件与一行图像传感器由一行光敏元件与一行CCD并行且对应地构成一个并行且对应地构成一个主体。在他们之间设有一个转移控制栅（对应主体。在他们之间设有一个

28、转移控制栅（对应CCD上的电极）。每一个光敏上的电极）。每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极（对应于输入栅），由一个元件上都有一个梳状公共电极（对应于输入栅），由一个P型沟阻使电气上隔型沟阻使电气上隔开。开。 当光照射到光敏元件（如光敏二极管）时，且梳状电极加高电压，光敏当光照射到光敏元件（如光敏二极管）时，且梳状电极加高电压，光敏元件聚集光电荷。光电荷与光照强度和光照时间成比例。光照结束后，转移元件聚集光电荷。光电荷与光照强度和光照时间成比例。光照结束后，转移栅上电平提高，然后降低梳状电极电压，各光敏元件中积累的光电荷并行转栅上电平提高，然后降低梳状电极电压，各光敏元件中积累的光电荷并行转移

29、到移位寄存器中（电荷的储存）。转移完毕后，转移栅电平降低，梳状电移到移位寄存器中（电荷的储存）。转移完毕后，转移栅电平降低，梳状电极电压升高，准备接受下一次光照信号。同时在移位寄存器上加时钟脉冲，极电压升高，准备接受下一次光照信号。同时在移位寄存器上加时钟脉冲，将存储的电荷从将存储的电荷从CCD中转移，由输出端输出。中转移，由输出端输出。31线型线型CCD主要应用于扫描仪和传真机，下面简单介绍扫描仪的工作原理。主要应用于扫描仪和传真机，下面简单介绍扫描仪的工作原理。平板式扫描仪的外部结构平板式扫描仪的外部结构上盖主要是将要扫描的原稿压紧，以防止扫描灯光线泄露。 原稿台主要是用来放置扫描原稿的地

30、方，其四周设有标尺线以方便原稿放置 32平板式扫描仪的内部结构（反射型）平板式扫描仪的内部结构（反射型）扫描头的光源一般采用冷阴极辉光放电灯管，灯管两端没有灯丝，只有一根电极 反光镜将原稿的信息反射到镜头上，由镜头将扫描信息传送到CCD感光器件，最后由CCD将照射到的光信号转换为电信号。扫描精度即是指扫描仪的光学分辨率，主要是由镜头的质量和CCD的数量决定。由于受制造工艺的限制，目前普通扫描头的最高分辨率为20000像素 33扫描仪对图像画面进行扫描时，线性扫描仪对图像画面进行扫描时，线性CCD将扫描图像分割成线状，每条线的将扫描图像分割成线状，每条线的宽度大约为宽度大约为10 m。光源将光线

31、照射到待扫描的图像原稿上，产生反射光。光源将光线照射到待扫描的图像原稿上，产生反射光(反反射稿所产生的射稿所产生的)或透射光或透射光(透射稿所产生的透射稿所产生的)，然后经反光镜组反射到线性，然后经反光镜组反射到线性CCD中。中。CCD图像传感器根据反射光线强弱的不同转换成不同大小的电荷或电流，图像传感器根据反射光线强弱的不同转换成不同大小的电荷或电流，经经AD转换处理，将电信号转换成数字信号，即产生一行图像数据。同时，转换处理，将电信号转换成数字信号，即产生一行图像数据。同时，机械传动机构在控制电路的控制下，步进电机旋转带动驱动皮带，从而驱动机械传动机构在控制电路的控制下，步进电机旋转带动驱

32、动皮带，从而驱动光学系统和光学系统和CCD扫描装置在传动导轨上与待扫原稿做相对平行移动，将待扫扫描装置在传动导轨上与待扫原稿做相对平行移动，将待扫图像原稿一条线一条线的扫入，最终完成全部原稿图像的扫描。如下图所示。图像原稿一条线一条线的扫入，最终完成全部原稿图像的扫描。如下图所示。 多数平板式扫描仪使用光电耦合器多数平板式扫描仪使用光电耦合器(CCD)为光电转换元件，它在图像扫描为光电转换元件，它在图像扫描设备中最具代表性。设备中最具代表性。 34 如图所示为线性图所示为线性CCD。CCD图像传感器是平板式扫描仪的核图像传感器是平板式扫描仪的核心，其主要作用就是将照射到其上的光图像转换成电信号

33、。将心，其主要作用就是将照射到其上的光图像转换成电信号。将CCD图像传感器放大，可以发现在图像传感器放大，可以发现在10m的间隔上并行排列着数千的间隔上并行排列着数千个个CCD图像单元，这些图像单元规则地排成一线，当光线照射到图像单元，这些图像单元规则地排成一线，当光线照射到图像传感器的感光面上时，每个图像传感器的感光面上时，每个CCD图像单元都接受照射其上的图像单元都接受照射其上的光线，并根据感应到的光线强弱，产生相应的电荷。然后，若干光线，并根据感应到的光线强弱，产生相应的电荷。然后，若干电荷以并行的顺序进行传输电荷以并行的顺序进行传输。 35扫描仪的简单工作过程就是利用光电元件将检测到的

34、光信号转换成电信号，再将电信号通过模拟数字转换器转化为数字信号传输到计算机中。无论何种类型的扫描仪，它们的工作过程都是将光信号转变为电信号。所以，光电转换是它们的核心工作原理 。扫描仪的工作过程扫描仪的工作过程36(1) CCD(1) CCD的种类：的种类：CCDCCD摄像机摄像机按成象器件分类：线阵按成象器件分类：线阵CCD、面阵、面阵CCD按颜色分类：黑白摄像机、彩色摄像机按颜色分类：黑白摄像机、彩色摄像机按输出信号分类：模拟式、数字式按输出信号分类：模拟式、数字式 黑白摄像机：信息量小，时间、空间少黑白摄像机：信息量小，时间、空间少彩色摄像机：信息量大，时间、空间彩色摄像机：信息量大，时

35、间、空间多多线阵线阵CCD：一行，扫描；：一行，扫描；体积小，价格低；体积小，价格低；面面阵阵CCD: 整幅图像；直观；价格高，体积大；整幅图像；直观；价格高，体积大；按扫描方式分类：逐行扫描、隔行扫描按扫描方式分类：逐行扫描、隔行扫描 逐行扫描：高速运动，避免边缘模糊逐行扫描：高速运动，避免边缘模糊 数字摄像机数字摄像机 - 电子快门电子快门 曝光时间曝光时间: 1/50s1/50s、1/125s1/125s、1/250s1/250s、1/500s1/500s、1/1000s1/1000s、1/2000s1/2000s、1/4000s1/4000s、1/8000s1/8000s、1/1600

36、0s1/16000s、1/32000s 1/32000s 按形状分类：长形、短形、方块形、半球形、单板形按形状分类：长形、短形、方块形、半球形、单板形 37在移动终端的应用在移动终端的应用 固体图像传感器最有市场前景的应用领域是移动电视电话、笔记本电脑固体图像传感器最有市场前景的应用领域是移动电视电话、笔记本电脑等移动终端的移动图像商品群、电视摄像机、数码相机等。这些个人仪器的等移动终端的移动图像商品群、电视摄像机、数码相机等。这些个人仪器的市场规模很大。另一方面，随着通信网络传送线路的带宽的不断扩展，这种市场规模很大。另一方面，随着通信网络传送线路的带宽的不断扩展，这种大容量通信线路有可能从

37、家庭和个人向世界进行动态图像传送。大容量通信线路有可能从家庭和个人向世界进行动态图像传送。在安保领域的应用在安保领域的应用 在在IT化进展以后，个人方便进行信息发送和电子商务也成了问题。为了在化进展以后，个人方便进行信息发送和电子商务也成了问题。为了在网络上安全进行电子商务，人们开发了叫做生物计量安全技术的个人认证技术，网络上安全进行电子商务，人们开发了叫做生物计量安全技术的个人认证技术，不仅能把口令而且能把个人一生中普遍具有的脸部特征、声音、虹彩图样等作不仅能把口令而且能把个人一生中普遍具有的脸部特征、声音、虹彩图样等作为认证手段的技术。在这些应用中，为了避免外来光的影响，提高识别精度，为认

38、证手段的技术。在这些应用中，为了避免外来光的影响，提高识别精度，往往采用近红外线摄像。图像传感器可用作近红外图像识别图像输入装置。往往采用近红外线摄像。图像传感器可用作近红外图像识别图像输入装置。 38在基础交通设施中的应用在基础交通设施中的应用 世界各国都在开发交通方面的世界各国都在开发交通方面的ITS（智能交通系统）。这可以理解为包括（智能交通系统）。这可以理解为包括汽车在内的交通信息网络，是大规模进行交通管理和控制能量消费的系统。现汽车在内的交通信息网络，是大规模进行交通管理和控制能量消费的系统。现在正在进行许多摄像机应用仪器的开发，例如高速公路交通量的监视、隧道内在正在进行许多摄像机应

39、用仪器的开发，例如高速公路交通量的监视、隧道内的监视、交叉点的监视、收费站的自动化等。从车辆方面来看，有车辆驾驶状的监视、交叉点的监视、收费站的自动化等。从车辆方面来看，有车辆驾驶状态监视器（脱离行车路线监视）、驾驶员打瞌睡监视、为自动驾驶的行车线和态监视器（脱离行车路线监视）、驾驶员打瞌睡监视、为自动驾驶的行车线和障物识别、实时记录事故状况的记录仪等等。估计每一辆汽车需使用障物识别、实时记录事故状况的记录仪等等。估计每一辆汽车需使用5台台6台台摄像机。摄像机。在其他方面的应用在其他方面的应用 在在ITS方面开发的摄像机都要直接满足监视摄像机的规格。虽然监视摄方面开发的摄像机都要直接满足监视摄

40、像机的规格。虽然监视摄像机要由人来观察摄像装置的图像信号，但也可以成为与图像处理装置相像机要由人来观察摄像装置的图像信号，但也可以成为与图像处理装置相结合的机器视觉装置。预计组装进特定处理电路的摄像机和与谁都会使用结合的机器视觉装置。预计组装进特定处理电路的摄像机和与谁都会使用的无线技术相结合的摄像机将会形成新的市场。的无线技术相结合的摄像机将会形成新的市场。像素像素 - CCD- CCD每一个元素，像素越多，图像越清晰每一个元素，像素越多，图像越清晰 39固体图像传感器还有一种重要类型为固体图像传感器还有一种重要类型为CMOS。 互补金属氧化物半导体（互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感

41、）图像传感 器与电荷耦合器件（器与电荷耦合器件（CCD）图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。而得到重视和发展。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，直主宰着图像传感器市场。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器

42、过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。 CMOS器件具有集成度高、体积小、重量轻、功耗低、兼容性好、成器件具有集成度高、体积小、重量轻、功耗低、兼容性好、成品率高，制造成本低品率高，制造成本低 等一系列优点。如耗电量不到的等一系列优点。如耗电量不到的1/10，售价也，售价也比便宜比便宜1/3。 几年时间，以万像素至万像素为界，之上的应用领域中，将仍几年时间，以万像素至万像素为界，之上的应用领域中，将仍以主流，之

43、下的产品中，将开始以传感器为主流。以主流，之下的产品中，将开始以传感器为主流。 CCD占占据市场的是日商，目前占据市场主要地位的是北美厂商据市场的是日商，目前占据市场主要地位的是北美厂商 40绝缘玻璃发光二极管透明绝缘体光敏三极管塑料发光二极管光敏三极管透明树脂1. 1. 光电耦合器的结构光电耦合器的结构采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此来提高灵敏度。(a)金属密封型(b)塑料密封型采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。光电耦合器光电耦合器 光电耦合器是由一发光元件和一

44、光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。41光电转速传感器2312 31(a)(b)光电数字式转速表工作原理图 下图是光电数字式转速表的工作原理图。下图是光电数字式转速表的工作原理图。 图图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。该脉冲频率

45、决定。 在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。42220VC1路灯CJD-108V200F200FC2C3100FR1R3R5R7R4R6R7R2J470k200k10k4.3kBG1280k25k57k10k路灯自动控制器路灯自动控制器BG2BG3BG42CR43第三节第三节 光导式（光纤）传感器光导式（光纤）传感器 1870年，英国皇家科学院一位名叫廷德尔的先生，当众表演了一个实验：他用光照亮盛水器内壁小孔，让水从孔内流出，使大家看到光不再直线前进，而是顺着水流弯曲传送

46、。 100年后，人们根据英籍华人高锟和德国人霍克曼的研究成果，从石英年后，人们根据英籍华人高锟和德国人霍克曼的研究成果，从石英中提炼出高纯度的玻璃纤维，同样可使光线弯曲传送。这被认为是现代光导中提炼出高纯度的玻璃纤维，同样可使光线弯曲传送。这被认为是现代光导纤维的诞生日，高锟与霍克曼因而被誉为世界纤维的诞生日，高锟与霍克曼因而被誉为世界“光纤之父光纤之父”。 1976年，赵梓森在武汉邮电科学研究院年，赵梓森在武汉邮电科学研究院“拉拉”出中国第一根光纤。出中国第一根光纤。 1978年，我国在上海年，我国在上海武汉间首次进行光缆试验。武汉间首次进行光缆试验。在信息传输中，每秒通过的信息量用兆在信息

47、传输中，每秒通过的信息量用兆/秒来代表。光纤的带宽可以达到秒来代表。光纤的带宽可以达到30M/秒以上，是普通宽带的秒以上，是普通宽带的30倍倍 . 44 光纤是上世纪光纤是上世纪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。光纤的出现产生了光通信技术，成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。光纤的出现产生了光通信技术，它为人类它为人类21世纪的通信基础世纪的通信基础信息高速公里奠定了基础，为多媒体（符号、信息高速公里奠定了基础，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

48、件。数字、语音、图形和动态图像）通信提供了实现的必需条件。以以Internet接入技术为例：接入技术为例：网络可分为网络可分为Internet骨干网和骨干网和Internet接入网：接入网：骨干网：国家批准的可以直接和国外直接连接的城市级高速互联网。它由所有骨干网：国家批准的可以直接和国外直接连接的城市级高速互联网。它由所有 用户共享、负责传输大范围的骨干数据流。国内各种用户想接入到国外用户共享、负责传输大范围的骨干数据流。国内各种用户想接入到国外 都得通过这些骨干网。都得通过这些骨干网。 骨干网基于光纤。骨干网基于光纤。接入网：负责将用户的局域网或计算机连接到骨干网。它是用户与接入网：负责将

49、用户的局域网或计算机连接到骨干网。它是用户与Internet连接连接 的最后一步，因此又称为的最后一步，因此又称为最后一千米。最后一千米。接入网根据使用的通信媒体可分为：有线接入网和无线接入网。有线接入网又可接入网根据使用的通信媒体可分为：有线接入网和无线接入网。有线接入网又可分为铜线接入网、光纤接入网和光纤同轴电缆混合接入网等。无线接入分为固定分为铜线接入网、光纤接入网和光纤同轴电缆混合接入网等。无线接入分为固定接入和移动接入。接入和移动接入。45 Internet接入技术有很多种。总体上分为窄带接入和宽带接入。宽带是指用接入技术有很多种。总体上分为窄带接入和宽带接入。宽带是指用户接入数据速

50、率达到户接入数据速率达到2Mbps及以上，可以提供及以上，可以提供24小时在线的网络基础设备和服小时在线的网络基础设备和服务。务。 电话拨号电话拨号是个人用户接入是个人用户接入Internet最早使用的方式之一，截至最早使用的方式之一，截至2004年年6月月30日，中国日，中国8700万上网用户中，使用拨号上网的用户仍有万上网用户中，使用拨号上网的用户仍有5155万人，占万人，占59.3。电话拨号接入非常简单，只需一个调制解调器（电话拨号接入非常简单，只需一个调制解调器（modem)、一根电话线即可，但、一根电话线即可，但速度很慢，理论上只能提供速度很慢，理论上只能提供33.6Kbps的上行（

51、从用户到网络）速度和的上行（从用户到网络）速度和56K的下的下行（从网络到用户）速度。行（从网络到用户）速度。 目前采用的宽带技术主要是目前采用的宽带技术主要是xDSL（Digital Subscriber Line） .即数字用户线即数字用户线路。目前主要流行的有路。目前主要流行的有ADSL（Asymmetric DSL）和）和VDSL（Very high speed DSL）. ADSL即非对称数字用户线路，被欧美等发达国家誉为即非对称数字用户线路，被欧美等发达国家誉为“现代信息高速现代信息高速公路上的快车公路上的快车”。简单地说，。简单地说，ADSL是利用分频的技术把普通电话线路所传是利

52、用分频的技术把普通电话线路所传输的低频信号和高频信号分离。输的低频信号和高频信号分离。3400Hz以下供电话使用；以下供电话使用；3400Hz以上的高以上的高频部分供上网使用，即在同一铜线上分别传送数据和语音信号，数据信号频部分供上网使用，即在同一铜线上分别传送数据和语音信号，数据信号并不通过电话交换机设备。这样既可以提供高速传输：并不通过电话交换机设备。这样既可以提供高速传输：1.5Mbps8.2Mbps；而且在上网的同时不影响电话的正常使用，这也意味着使用而且在上网的同时不影响电话的正常使用，这也意味着使用ADSL上网时，上网时，并不需要缴付另外的电话费。并不需要缴付另外的电话费。(1.0

53、5.7) 46 FTTH（Fiber To the Home）将是未来宽带接入网发展的最终形式。从而彻将是未来宽带接入网发展的最终形式。从而彻底解决底解决“最后一千米最后一千米”的瓶颈问题。速度可达到的瓶颈问题。速度可达到100M甚至甚至1G。 2005年年4月月14号，全国首家号，全国首家FTTH试点在武汉开通。但是由于成本及服务内试点在武汉开通。但是由于成本及服务内容的限制，普及仍有相当的距离。目前已开通用户户，带宽达到至容的限制，普及仍有相当的距离。目前已开通用户户，带宽达到至，用户可享受固定电话、宽带上网、传送等，用户可享受固定电话、宽带上网、传送等“三网合一三网合一”的综的综合业务合

54、业务 。相关统计数据显示，截至年月，日本已有用户。相关统计数据显示，截至年月，日本已有用户万户左右，计划到年底发展到万户。美国计划到年万户左右，计划到年底发展到万户。美国计划到年发展用户万户。发展用户万户。， 光纤传感器落后于光通信，是近年来出现的新技术，可以用来测量多种光纤传感器落后于光通信，是近年来出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的

55、环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70多多种。种。 目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然未完成由实验室向产品化的过渡。由于光纤传感器未能跨越产品化的门槛，未完成由实验室向产品化的过渡。由于光纤传感器未能跨越产品化的门槛，并未象光纤通信产业那样成指数型增长，许多与我们日常生活密切相关的传并未象光纤通信产业那样成指数型增长，许多与我们日常生活密切相关的传感器产品（如交通管理、警报装置等）和大量的测试仪器依然依赖于进口，感器产

56、品（如交通管理、警报装置等）和大量的测试仪器依然依赖于进口，亟待发展的空间非常广阔。亟待发展的空间非常广阔。 47一、光纤的结构一、光纤的结构光纤是一种多层介质结构的圆柱体。由光纤是一种多层介质结构的圆柱体。由纤芯、包层和护层纤芯、包层和护层组成。组成。光纤的体积小、重量轻，便于敷设。加塑套后的外径也小于光纤的体积小、重量轻，便于敷设。加塑套后的外径也小于1mm，再加上光，再加上光纤材料比重小，因而制成光缆后，直径比电缆细，重量也轻很多。例如一根纤材料比重小，因而制成光缆后，直径比电缆细，重量也轻很多。例如一根18芯的光缆每公里约重芯的光缆每公里约重150kg，而，而18芯同轴电缆每公里约重芯

57、同轴电缆每公里约重11吨吨。经过表面。经过表面涂敷的光纤具有很好的可挠性，便于敷设，可架空或置入管道。涂敷的光纤具有很好的可挠性，便于敷设，可架空或置入管道。石英光纤的主要成分石英光纤的主要成分SiO2是地球最主要的成分之一。而传统通信电缆的主要是地球最主要的成分之一。而传统通信电缆的主要材料为稀有金属铜，其资源严重紧缺，这样使用光纤作为传输媒介可以节省材料为稀有金属铜，其资源严重紧缺，这样使用光纤作为传输媒介可以节省大量的越来越宝贵的金属材料。大量的越来越宝贵的金属材料。 纤芯纤芯材料的主体是二氧化硅（材料的主体是二氧化硅（SiO2）或塑）或塑料。制成很细的圆柱体，直径在料。制成很细的圆柱体

58、，直径在575微米微米内。有时掺入其他材料以提高光的折射率。内。有时掺入其他材料以提高光的折射率。 包层包层是围绕纤芯的圆柱形套层。可以是单是围绕纤芯的圆柱形套层。可以是单层，也可以是多层，直径控制在层，也可以是多层，直径控制在100200微微米内。材料为米内。材料为SiO2，有时掺杂以降低光的折，有时掺杂以降低光的折射率。包层外还有射率。包层外还有涂敷层涂敷层，以保护光纤并增，以保护光纤并增加其机械强度。加其机械强度。 护层护层：最外层的塑料保护管：最外层的塑料保护管光缆光缆：由多根光纤组成，由光纤外的护层颜色不同区分各种光纤。：由多根光纤组成，由光纤外的护层颜色不同区分各种光纤。48二、光

59、纤的传光原理二、光纤的传光原理 当光线以一较小的入射角当光线以一较小的入射角1（光线和法线之间的夹角），由折（光线和法线之间的夹角），由折射率（射率（n1）较大的光密物质射向折）较大的光密物质射向折射率（射率（n2）较小的光疏物质（即）较小的光疏物质（即n1n2）时，则一部分入射光以折射）时，则一部分入射光以折射角角2折射入光疏物质，其余部分以折射入光疏物质，其余部分以1角度反射回光密物质。角度反射回光密物质。当入射角增大至临界角当入射角增大至临界角c时，折射光沿着界面传播，即折射角时，折射光沿着界面传播，即折射角o90221sinnnc当入射角大于临界角时，光线不会再透过界面，而被全反射。当

60、入射角大于临界角时，光线不会再透过界面，而被全反射。49 根据这一原理，只要使光线射入光纤端面时，光与光轴的夹角在一定范围内，根据这一原理，只要使光线射入光纤端面时，光与光轴的夹角在一定范围内，光线就不会射出光纤的纤芯。即光线在纤芯与包层的界面不断产生光线就不会射出光纤的纤芯。即光线在纤芯与包层的界面不断产生全反射全反射而向前而向前传播，这就是光纤传光的基本原理。传播，这就是光纤传光的基本原理。 光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向（剖面方向）传播光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向（剖面方向）传播的两种平面波成分。沿纵向传播的光波直接到达另一端。的两种平面波成分。沿纵