光譜光波：波長為10—106nm的電磁波可見光：波長380—780nm紫外線：波長10—380nm，波長300—380nm稱為近紫外線波長200—300nm稱為遠(yuǎn)紫外線波長10—200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，紅外線：波長780—106nm

波長3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。第七章光電式與光導(dǎo)式傳感器可見光譜在電磁波譜中的位置光電傳感器的構(gòu)成：光源、光學(xué)通路、光電元件。應(yīng)用：1、光量變化的非電量；2、能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。特點(diǎn)：非接觸、響應(yīng)快、性能可靠。被測(cè)量的變化光信號(hào)的變化電信號(hào)的變化光電式傳感器的應(yīng)用可歸納為四種基本形式，即輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。透射式是指被測(cè)物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測(cè)物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上，因此又稱之為吸收式

遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物光遮其中一部份，使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測(cè)物體在光路位置有關(guān)。反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物上，再從被測(cè)物體表面反射后投射到光電元件上光照射在物體上可以看成是一連串的具有一定能量的光子轟擊這些物體的表面；光子與物體之間的聯(lián)接體是電子。所謂光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電效應(yīng)可分成外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩類一、外光電效應(yīng)在光的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象叫做外光電效應(yīng)。第一節(jié)光電效應(yīng)與光電器件愛因斯坦光電效應(yīng)方程： 1.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。各種不同的材料具有不同的逸出功A，因此對(duì)某特定材料而言，將有一個(gè)頻率限νo(或波長限λo)，稱為“紅限”。當(dāng)入射光的頻率低于νo時(shí)(或波長大于λo)，不論入射光有多強(qiáng)，也不能激發(fā)電子；當(dāng)入射頻率高于νo時(shí)，不管它多么微弱也會(huì)使被照射的物體激發(fā)電子，光越強(qiáng)則激發(fā)出的電子數(shù)目越多。紅限波長可用下式求得：

2.當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(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)也就越多。3.光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能mv02/2

，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會(huì)有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有：光電管、光電倍增管二、內(nèi)光電效應(yīng)當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)

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)過度到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強(qiáng),光電材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。

自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶禁帶導(dǎo)帶價(jià)帶Eg電子能量Eh≧Eg過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對(duì)于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個(gè)照射光波長限λ0，只有波長小于λ0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。式中ν、λ分別為入射光的頻率和波長。為了實(shí)現(xiàn)能級(jí)的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即：基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。２．光生伏特效應(yīng)：在光作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。基于該效應(yīng)的器件有光電池和光敏二極管、三極管。

①勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）光照射PN結(jié)時(shí)，若h≧Eg，使價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對(duì)，在阻擋層內(nèi)電場(chǎng)的作用下，電子偏向N區(qū)外側(cè)，空穴偏向P區(qū)外側(cè)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光生電動(dòng)勢(shì)。PN②側(cè)向光電效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，光照部分產(chǎn)生電子空穴對(duì)，載流子濃度比未受光照部分的大，出現(xiàn)了載流子濃度梯度，引起載流子擴(kuò)散，如果電子比空穴擴(kuò)散得快，導(dǎo)致光照部分帶正電，未照部分帶負(fù)電，從而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，即為側(cè)向光電效應(yīng)光敏電阻光敏二極管光敏三極管光電池光電耦合器光電管光電倍增管光敏晶閘管光電傳感器的外觀光電池一、光電管及其基本特性１．結(jié)構(gòu)與工作原理三、外光電效應(yīng)器件——光電管和光電倍增管２．主要性能（1）光電管的伏安特性在一定的光照射下，對(duì)光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性真空光電管充氣光電管光通量:光源每秒鐘所發(fā)出光的量之總和，用于表示燈管射出的光的量，即發(fā)光量。通用符號(hào)ф表示，單位為流明(Lm)發(fā)光強(qiáng)度：光源在某一給定方向的單位立體角內(nèi)發(fā)射的光通量稱為光源在該方向的發(fā)光強(qiáng)度，簡稱光強(qiáng)，常用I來表示，單位為坎德拉（cd）。光照度:光照度是光源照射在被照物體單位面積上的光通量。常用E來表示，單位為勒克斯(lx)或流明平方米(lm/m2)1勒克斯(lx)相當(dāng)于每平方米被照面上光通量為1流明(lm)時(shí)的照度。夏季陽光強(qiáng)烈的中午地面照度約5000lx，冬天晴天時(shí)地面照度約2000lx，晴朗的月夜地面照度約0.2lx（2）光電管的光照特性當(dāng)光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系。光照特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度圖7-5光電管的光照特性255075100200.51.52.0光通量/1mIA/μA1.02.511-銀氧銫陰極2-銻銫陰極(3)光電管的光譜特性一般光電陰極材料不同的光電管有不同的紅限頻率，因此它們可用于不同的光譜范圍。另外，同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同。以GD-4型光電管為例，陰極是用銻銫材料制成，其紅限λc=700nm，對(duì)可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應(yīng)用于各種光電式自動(dòng)檢測(cè)儀表中。對(duì)紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外探測(cè)器。對(duì)紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。國產(chǎn)光電管的技術(shù)參數(shù)由陰極、次陰極（倍增電極）、陽極組成陰極由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料形成。次陰極可達(dá)30級(jí)。通常為12~14級(jí)。使用時(shí)在各個(gè)倍增電極上均加上電壓，陰極電位最低，以后依次升高，陽極最高。相鄰兩個(gè)倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場(chǎng)。2、光電倍增管及其基本特性由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。光電倍增管主要由光陰極K、倍增極D和陽極A組成，并根據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進(jìn)行真空封裝。K當(dāng)有光子入射到光陰極K上，只要光子的能量大于光陰極材料的脫出功，就會(huì)有電子從陰極的表面逸出而成為光電子。在K和D1之間的電場(chǎng)作用下，光電子被加速后轟擊第一倍增極D1，從而使D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射，每一個(gè)電子的轟擊約可產(chǎn)生3～5個(gè)二次電子，這樣就實(shí)現(xiàn)了電子數(shù)目的放大。D1產(chǎn)生的二次電子被D2和D1之間的電場(chǎng)加速后轟擊D2，……。這樣的過程一直持續(xù)到最后一級(jí)倍增極Dn，每經(jīng)過一級(jí)倍增極，電子數(shù)目便被放大一次，倍增極的數(shù)目有8～13個(gè)，最后一級(jí)倍增極Dn發(fā)射的二次電子被陽極A收集。若倍增電極有n級(jí)，各級(jí)的倍增率為б，則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是бn，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。K如果n個(gè)倍增電極二次發(fā)射電子的數(shù)目相同,則Ｍ＝δin，因此陽極電流為Ｉ＝i·δin,光電倍增管的電流放大倍數(shù)為：M與所加的電壓有關(guān)。一般陽極和陰極之間的電壓為1000~2500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電位差為50~100V。主要參數(shù)：（1）倍增系數(shù)M：等于各個(gè)倍增電極的2次發(fā)射電子數(shù)δi

的乘積。一個(gè)光子在陰極能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫光電倍增管的總靈敏度.(2)光電陰極靈敏度和光電管的總靈敏度最大靈敏度可達(dá)10A/lm不能受強(qiáng)光照射。圖7-7光電倍增管的特性曲線255075100125106極間電壓/V倍增系數(shù)M105104103（3）暗電流和本底脈沖由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流。在其受人眼看不到的宇宙射線的照射后，光電倍增管會(huì)有電流信號(hào)輸出—本底脈沖。(4)光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的相似國產(chǎn)光電倍增管的技術(shù)參數(shù)四、內(nèi)光電效應(yīng)器件——光敏電阻、光電池、光敏二極管與光敏三極管1光敏電阻（1）結(jié)構(gòu)和原理光敏電阻又稱光導(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A電極半導(dǎo)體玻璃底板RLIRGEE圖7-7光敏電阻的結(jié)構(gòu)與電路連接如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大?。喊惦娏?越小越好)光敏電阻演示當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子—空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強(qiáng)，光導(dǎo)材料價(jià)帶上的電子將激發(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。光敏電阻具有很高的靈敏度、很好的光譜特性、很長的使用壽命、高度的穩(wěn)定性能、小的體積及工藝簡單，故應(yīng)用廣泛。2.光敏電阻的特性（1）暗電阻、亮電阻、與光電流光敏電阻在未受到光照時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過的電流為暗電流。在受到光照時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差為光電流。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。實(shí)用的光敏電阻的暗電阻往往超過1MΩ,甚至高達(dá)100MΩ，而亮電阻則在幾kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在102～106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。(4)伏安特性所加的電壓越高，光電流越大，而且沒有飽和的現(xiàn)象。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照增強(qiáng)而增大0102030405050100150200250I/μAU/V圖7-8光敏電阻的伏安特性（3）光敏電阻的光照特性用于描述光電流與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。多數(shù)是非線性的。不宜做線性測(cè)量元件，一般用做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。0.050.100.150.200.2500.20.40.60.81.0光通量/lm光電流/mA圖7-9光敏電阻的光照特性（3）光敏電阻的光譜特性硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域，硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。故選用時(shí)要把元件和光源結(jié)合起來考慮。圖7-10光敏電阻的光譜特性0500100015002000250020406080100硫化鎘硫化鉈硫化鉛入射光波長/nm相對(duì)靈敏度/%（5）光敏電阻的頻率特性時(shí)間常數(shù)：光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63%所需要的時(shí)間。入射光調(diào)制頻率/Hz相對(duì)靈敏度/%01010210310420406080100硫化鎘硫化鉛圖7-11光敏電阻的頻率特性當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。多數(shù)光敏電阻的時(shí)間常數(shù)都很大。(6)溫度特性峰值隨溫度上升向波長短的方向移動(dòng)。2040608010001.02.03.04.05.0λ/μm相對(duì)靈敏度（%）+20oC-20oC圖7-12光敏電阻的光譜溫度特性

2、光電池

光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的光電器件。由于它可把太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，因此又稱為太陽能電池。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。故光電池是有源元件。光電池有硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池和硒光電池。硅光電池的價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效率低、壽命短，適于接收可見光。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性與太陽光譜最吻合，且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。適于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測(cè)器等方面應(yīng)用。（1）結(jié)構(gòu)原理圖7-13光電池的結(jié)構(gòu)圖下電極梳狀電極SiO2抗反射膜PN硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖。它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成PN結(jié)。圖7-14光電池的工作原理示意圖RLI---mAV+++

PN當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中就有電流流過。若將外電路斷開，就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。2.基本特性（１）光譜特性故硒光電池適用于可見光，常用于分析儀器、測(cè)量儀表。如用照度計(jì)測(cè)定光的強(qiáng)度。硅光電池的光譜峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。20406080100硒硅入射光波長λ/nm040060080010001200相對(duì)靈敏度/%圖7-15光電池的光譜特性(2)光照特性①不同光照射下有不同光電流和光生電動(dòng)勢(shì)。②短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。圖7-16光電池的光照特性開路電壓0.10.30.2照度/lx020004000光生電流/mA0.20.60.4光生電壓/V短路電流③開路電壓與光強(qiáng)是非線性的，且在2000lx時(shí)趨于飽和。④光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)把它作為電流源的形式來使用，不宜用作電壓源，且負(fù)載電阻越小越好硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用于高速記數(shù)、有聲電影等方面。(3)頻率特性光電池的頻率特性是反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系。圖7-17光電池的頻率特性20406080100硒光電池硅光電池015003000450060007500相對(duì)光電流/%入射光調(diào)制頻率/Hz(4)溫度特性主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快。短路電流隨溫度升高而緩慢增加。因此作測(cè)量元件時(shí)應(yīng)考慮進(jìn)行溫補(bǔ)。圖7-18光電池的溫度特性開路電壓溫度/℃光生電流/mA1.82.22.0光生電壓/V短路電流1002003004005000204060801003、光敏二極管和光敏三極管1.一般光敏二極管光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。光敏二極管的光照特性是線性的，適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。RL

光PNPN光當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。(2)高速光電二極管1.PIN結(jié)光電二極管PIN

P、N間加了層很厚的高電阻率的本征半導(dǎo)體I。P層做的很薄。比普通的光電二極管施加較高的反偏壓。入射光照射在P層上，由于P層很薄，大量的光被較厚的I層吸收，激發(fā)較多的載流子形成光電流；又PIN結(jié)光電二極管比PN結(jié)光電二極管施加較高的反偏置電壓，使其耗盡層加寬。當(dāng)P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合后，在交界處形成電子和空穴的濃度差別，因此，N區(qū)的電子要向P區(qū)擴(kuò)散，P區(qū)空穴向N區(qū)擴(kuò)散。圖7-21PIN光電二極管偏壓價(jià)帶導(dǎo)帶信號(hào)光信號(hào)光電極電極輸出端PINP區(qū)一邊失去空穴，留下帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去電子，留下帶正電的雜質(zhì)離子，在PN交界面形成空間電荷，即在交界處形成了很薄的空間電荷區(qū)，在該區(qū)域中，多數(shù)載流子已擴(kuò)散到對(duì)方而復(fù)合掉，即消耗盡了，耗盡層的電阻率很高。擴(kuò)散越強(qiáng)，耗盡層越寬，PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，加速了光電子的定向運(yùn)動(dòng)，大大減小了漂移時(shí)間，因而提高了響應(yīng)速度。PIN結(jié)光電二極管仍然具有一般PN結(jié)光電二極管的線性特性。

2.雪崩式光電二極管（APD）在PN結(jié)的P區(qū)外增加一層摻雜濃度極高的P+層，且在其上加上高反偏壓。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偏壓輸出端價(jià)帶導(dǎo)帶信號(hào)光信號(hào)光電極電極P+IN圖7-22雪崩式二極管這種管子工作電壓很高，約100～200kV，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)極強(qiáng)，初始電子（一次電子）在高電場(chǎng)區(qū)獲得足夠能量而加速運(yùn)動(dòng)。高速運(yùn)動(dòng)的電子和晶格原子相碰撞，使晶格原子電離，產(chǎn)生新的電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的二次電子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，致使載流子雪崩式倍增因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于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。2.光敏三極管集電結(jié)一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積，且基極一般不接引線。PPN

becNNPe

bc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)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí)，產(chǎn)生電子、空穴對(duì)，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，相當(dāng)于給發(fā)射結(jié)加了正向偏壓，使電子大量流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的?倍。基本工作線路：cbeRL3.光敏晶體管的主要特性(1)光譜特性存在一個(gè)最佳靈敏度波長2040608010040080012001600入射光波長/nm鍺硅相對(duì)靈敏度（%）0硅的峰值波長為9000?，鍺的峰值波長為15000?。由于鍺管的暗電流比硅管大，因此鍺管的性能較差。故在可見光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；但對(duì)紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí),則采用鍺管較合適。(2)伏安特性01234

5外加電壓（V）20406080I（mA)2500Lx2000Lx1500Lx1000Lx500Lx與一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣。只需把光電流看作基極電流即可。(3)光照特性1.02.03.02004006008001000Lx0I(μA)故光敏三極管既可做線性轉(zhuǎn)換元件，也可做開關(guān)元件近似線性關(guān)系。但光照足夠大時(shí)會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。(4)溫度特性暗電流（mA)1030507002550oC200400100300

500光電流（μA)103050700oC溫度變化對(duì)光電流的影響很小，對(duì)暗電流的影響很大。故電子線路中應(yīng)對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償。(5)頻率特性減小負(fù)載電阻可以提高響應(yīng)頻率，但將使輸出降低。故使用時(shí)要根據(jù)頻率選擇最佳的負(fù)載電阻。硅管的響應(yīng)頻率比鍺管的好。0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光調(diào)制頻率/HZ相對(duì)靈敏度/%門窗防盜控制自動(dòng)扶梯自動(dòng)啟停對(duì)射式光電開關(guān)汽車通過檢測(cè)汽車噴涂控制圍墻監(jiān)護(hù)警戒遠(yuǎn)距對(duì)射式光電開關(guān)庫房衛(wèi)士安全警戒擴(kuò)散反射式光電開關(guān)料位控制煙霧報(bào)警帶材對(duì)中控制缺料檢測(cè)斜度檢測(cè)擴(kuò)散反射式光電開關(guān)裂縫檢測(cè)鏡面反射式光電開關(guān)透明玻璃瓶檢測(cè)長度控制限距式光電開關(guān)產(chǎn)品計(jì)數(shù)液位檢測(cè)氣流量監(jiān)測(cè)檢測(cè)有無蓋限距式光電開關(guān)料徑控制行程控制轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)超速或滯速判別光電開關(guān)式標(biāo)志傳感器透明薄膜上標(biāo)志檢測(cè)電度表轉(zhuǎn)速檢測(cè)儀表指針位置檢測(cè)標(biāo)志檢測(cè)光幕傳感器自動(dòng)裝配機(jī)的侵入檢測(cè)機(jī)器人工作區(qū)安全檢測(cè)車庫門車輛通過檢測(cè)上料機(jī)和卸料機(jī)的侵入檢測(cè)220VC1路燈CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路燈自動(dòng)控制器BG2BG3BG42CR天黑：BG1導(dǎo)通，J動(dòng)作，路燈亮；天亮：光電池電動(dòng)勢(shì)，BG1截止，J釋放，路燈滅。例2：光電轉(zhuǎn)距測(cè)量儀光柵盤：有機(jī)玻璃，數(shù)量相等的黑色條紋無轉(zhuǎn)矩作用：光柵盤1的透光部位對(duì)準(zhǔn)光柵盤2的黑色部分，無信號(hào)有轉(zhuǎn)距作用：扭轉(zhuǎn)，光柵盤間有角度，透光窗口，與轉(zhuǎn)矩成正比例3：太陽能電池電源系統(tǒng)調(diào)節(jié)控制器太陽電池方陣直流負(fù)載逆變器交流負(fù)載發(fā)電裝置：單體太陽能電池——太陽電池組件——陣列調(diào)節(jié)控制器：充放電自動(dòng)控制阻塞二極管：避免蓄電池對(duì)太陽電池放電例：測(cè)量心率脈搏跳動(dòng)-生物組織血液量變化-傳輸光的性能變化變化速率-心率手指光反射強(qiáng)度變化的測(cè)量例：戒煙缸彈煙灰：顯示“吸煙有害健康”例：大米分選機(jī)大米及雜質(zhì)在光照下，發(fā)出不同光信號(hào)例：可逆計(jì)數(shù)器運(yùn)動(dòng)方向出入場(chǎng)人數(shù)統(tǒng)計(jì)一、煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對(duì)煙塵源進(jìn)行監(jiān)測(cè)、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測(cè)的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測(cè)器的光減少，因而光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。平行光源光電探測(cè)放大顯示刻度校正 報(bào)警器吸收式煙塵濁度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖煙道二、光電轉(zhuǎn)速傳感器231231(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。圖(a)是在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。三、光電池應(yīng)用光電池主要有兩大類型的應(yīng)用：將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽能電池。這是全世界范圍內(nèi)人們所追求、探索新能源的一個(gè)重要研究課題。太陽能電池已在宇宙開發(fā)、航空、通信設(shè)施、太陽電池地面發(fā)電站、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。目前太陽電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競爭，但是隨著太陽電池技術(shù)不斷發(fā)展，成本會(huì)逐漸下降，太陽電池定將獲得更廣泛的應(yīng)用。將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用，需要光電池具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短等特性，但不必需要像太陽電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率。這一類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。光電池應(yīng)用舉例如下：1．太陽電池電源太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載供電，則加一個(gè)直流－交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。太陽能電池電源系統(tǒng)

調(diào)節(jié)控制器逆變器交流負(fù)載太陽電池方陣直流負(fù)載阻塞二極管2．光電池在光電檢測(cè)和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用光電池作為光電探測(cè)使用時(shí)，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時(shí)不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測(cè)距、激光準(zhǔn)直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等。(a)光電追蹤電路

光電池在檢測(cè)和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2圖(a)為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當(dāng)入射光通量相同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí)，電路輸出差動(dòng)信號(hào)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的(b)光電開關(guān)圖(b)所示電路為光電開關(guān)，多用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。無光照時(shí)，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，產(chǎn)生較高的電動(dòng)勢(shì)，只要光強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開關(guān)目的。BG2BG1+12VC

J

R1

R2(c)光電池觸發(fā)電路圖(c)為光電池觸發(fā)電路。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，使單穩(wěn)態(tài)或雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，改變其工作狀態(tài)或觸發(fā)器件(如可控硅)導(dǎo)通。R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW+12V5G23(d)光電池放大電路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432圖(d)為光電池放大電路。在測(cè)量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場(chǎng)合，可用該電路作前置級(jí)，把微弱光電信號(hào)進(jìn)行線性放大，然后帶動(dòng)指示機(jī)構(gòu)或二次儀表進(jìn)行讀數(shù)或記錄。

在實(shí)際應(yīng)用中，主要利用光電池的光照特性、光譜特性、頻率特性和溫度特性等，通過基本電路與其它電子線路的組合可實(shí)現(xiàn)或自動(dòng)控制的目的。電荷耦合器件(CCD)是典型的固體圖象傳感器，它是1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室的W·S·Boyle(威拉德·博伊爾)和G·E·Smith(喬治·史密斯)發(fā)明的，它與光敏二極管陣列集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的CCD圖象傳感器。它不僅作為高質(zhì)量固體化的攝象器件成功地應(yīng)用于廣播電視、可視電話和無線電傳真，而且在生產(chǎn)過程自動(dòng)檢測(cè)和控制等領(lǐng)域已顯示出廣闊的前景和巨大的潛力。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（ChargeTransferDevice），最常用的是電荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）。由于它具有光電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)、延時(shí)和將電信號(hào)按順序傳送等功能，以及集成度高、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛地應(yīng)用。1.CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理CCD是一種半導(dǎo)體器件，由若干個(gè)電荷耦合單元組成。CCD的最小單元是在P型(或N型)硅襯底上生長一層厚約120nm的SiO2，再在SiO2層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅電極而構(gòu)成金屬-氧化物-半導(dǎo)體的電容式轉(zhuǎn)移器。其中，“金屬”為SiO2層上沉積的金屬或摻雜多晶硅電極，稱為“柵極”；半導(dǎo)體硅作為底電極，俗稱“襯底”；“氧化物”為兩電極之間夾的絕緣體SiO2。

MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)及原理

CCD器件完成對(duì)物體的成像，在其內(nèi)部形成與光像圖形相對(duì)應(yīng)的電荷分布圖形。這就要求它的基本單元具有存儲(chǔ)電荷的功能，同時(shí)還具有電荷轉(zhuǎn)移輸出功能。CCD器件的基本單元結(jié)構(gòu)是MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。即在P型硅襯底上生長一層SiO2(120nm),再在SiO2層上沉積金屬鋁構(gòu)成MOS結(jié)構(gòu)，它是CCD器件的最小工作單元。A、勢(shì)阱的產(chǎn)生

MOS的金屬電極加正壓，電極下的P型硅區(qū)域內(nèi)空穴被趕盡，留下帶負(fù)電荷的負(fù)離子，其中無導(dǎo)電的載流子，形成耗盡層。它是電子的勢(shì)阱。勢(shì)阱的深淺取決于U的大小。B、電荷的存儲(chǔ)勢(shì)阱具有存儲(chǔ)電荷的功能，勢(shì)阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。

CCD器件將物體的光像形成對(duì)應(yīng)的電像時(shí)，就是CCD器件中上千個(gè)相互獨(dú)立的MOS單元?jiǎng)葳逯写鎯?chǔ)與光像對(duì)應(yīng)的電荷量。2.讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路研究如何實(shí)現(xiàn)勢(shì)阱下的電荷從一個(gè)MOS元位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)MOS元位置，并依次轉(zhuǎn)移并傳輸出來。A、電荷的定向轉(zhuǎn)移當(dāng)外加電壓一定時(shí)，勢(shì)阱的深度隨勢(shì)阱中的電荷量的增加而線性減少。由此通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢(shì)阱的深淺。要求：多個(gè)MOS電容緊密排列且勢(shì)阱相互溝通。金屬電極上加電壓脈沖嚴(yán)格滿足相位要求。B、三相CCD電極的結(jié)構(gòu)

MOS上三個(gè)相鄰電極，每隔兩個(gè)所有電極接在一起。由3個(gè)相位差120°時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)。C、電荷的輸出在輸出端P型硅襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管，二極管加反壓，在PN結(jié)形成耗盡層。輸出柵OG加壓使電荷轉(zhuǎn)移到二極管的耗盡區(qū)，作為二極管的少數(shù)載流子形成反向電流輸出。輸出電流的大小與電荷大小成正比，通過負(fù)載變?yōu)殡妷狠敵?。輸出二極管電流法P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向Ф1Ф2Ф3輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管

SiO2

CCD的MOS結(jié)構(gòu)當(dāng)向SiO2表面的電極加正偏壓時(shí)，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)（勢(shì)阱），耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域內(nèi)（如圖中Ф1極下），形成電荷包（勢(shì)阱）。對(duì)于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時(shí)，少數(shù)載流子為空穴。電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電極的步進(jìn)控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下圖以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。

P1

P1

P2

P2

P3

P3

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P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3tФ(b)電荷轉(zhuǎn)移過程t=t0t=t1t=t2t=t30

P1

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P2P3

P3

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P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3tФ(b)電荷轉(zhuǎn)移過程t=t0t=t1t=t2t=t30三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Φ1，Φ2，Φ3，見圖（b）。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式。圖(b)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)，由于兩電勢(shì)下面勢(shì)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）；

P1

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P2P3

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P2

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P3

P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3tФ(b)電荷轉(zhuǎn)移過程t=t0t=t1t=t2t=t30當(dāng)P1回到低電位時(shí)，電荷包全部流入P2下的勢(shì)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(shì)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)。2．線型CCD圖像傳感器線型CCD圖像傳感器由一行列光敏元件與一行CCD并行且對(duì)應(yīng)的構(gòu)成一個(gè)主體,在它們之間設(shè)有一個(gè)轉(zhuǎn)移控制柵。在每一個(gè)光敏元件上都有一個(gè)梳狀公共電極,由一個(gè)P型溝阻使其在電氣上隔開。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時(shí),光敏元件聚集光電荷,進(jìn)行光積分,光電荷與光照強(qiáng)度和光積分時(shí)間成正比。在光積分時(shí)間結(jié)束時(shí),轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時(shí)低電壓),與CCD對(duì)應(yīng)的電極也同時(shí)處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時(shí),在電荷耦合移位寄存器上加上時(shí)鐘脈沖,將存儲(chǔ)的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個(gè)過程重復(fù)地進(jìn)行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。實(shí)用的線型CCD圖像傳感器為雙行結(jié)構(gòu)，如圖（b）所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號(hào)電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位寄存器中，在控制脈沖的作用下，自左向右移動(dòng)，在輸出端交替合并輸出，就形成了原來光敏信號(hào)電荷的順序。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)輸出線型CCD圖像傳感器主要用于測(cè)試、傳真和光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)等方面。3．面型CCD圖像傳感器面型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。目前存在三種基本類型：線轉(zhuǎn)移型、幀轉(zhuǎn)移型和行間轉(zhuǎn)移型。

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)圖(a)所示結(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，驅(qū)動(dòng)脈沖將信號(hào)電荷一位位地按箭頭方向轉(zhuǎn)移，并移入輸出寄存器，輸出寄存器亦在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下使信號(hào)電荷經(jīng)輸出端輸出,輸出信號(hào)由信號(hào)處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號(hào)。這種轉(zhuǎn)移方式具有有效光敏面積大，轉(zhuǎn)移速度快，轉(zhuǎn)移效率高等特點(diǎn)，但電路比較復(fù)雜，易引起圖像模糊(a)線轉(zhuǎn)移型析像單元(b)幀轉(zhuǎn)移型溝阻P1

P2P3P1

P2P3P1

P2P3感光區(qū)存儲(chǔ)區(qū)視頻輸出輸出柵串行讀出圖（b）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)移出后，就開始下一幀信號(hào)的形成。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)(c)行間轉(zhuǎn)移型圖(c)是將圖(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，感光單元面積減小，圖像清晰。目前，面型CCD圖像傳感器使用得越來越多，所能生產(chǎn)的產(chǎn)品的單元數(shù)也越來越多，最多已達(dá)1024×1024像元。我國也能生產(chǎn)512×320像元的面型CCD圖像傳感器，面型CCD圖像傳感器主要用于攝像機(jī)及測(cè)試技術(shù)。四、CCD應(yīng)用舉例——CCD特異細(xì)胞自動(dòng)顯微系統(tǒng)

CCD特異細(xì)胞自動(dòng)顯微系統(tǒng)是以線陣CCD作光電探測(cè)器，由微機(jī)控制的生物細(xì)胞圖像自動(dòng)處理的一種具有自動(dòng)調(diào)焦、視場(chǎng)篩選、自動(dòng)測(cè)光和自動(dòng)拍攝細(xì)胞圖像的系統(tǒng)。

1、工作原理由光學(xué)-機(jī)械混合式CCD掃描機(jī)械輸出的顯微鏡圖像，經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換后變換成數(shù)字化圖像，存人計(jì)算機(jī)內(nèi)存。對(duì)圖像信息分析后，當(dāng)需要對(duì)涂片進(jìn)行調(diào)焦時(shí)，微機(jī)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)載物平臺(tái)，使之沿垂直方向上下移動(dòng)，進(jìn)行調(diào)焦。當(dāng)需要變換視場(chǎng)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)載物平臺(tái)作平面內(nèi)x，y兩方向移動(dòng)即可。當(dāng)圖像處理結(jié)果表明需要記錄下某個(gè)視場(chǎng)時(shí)，微機(jī)可進(jìn)入測(cè)光和拍攝子程序，計(jì)算出光強(qiáng)的大小，按自動(dòng)曝光方程，求解出一個(gè)合適的曝光時(shí)間T。通過控制接口電路，以實(shí)現(xiàn)上緊快門、卷片、開啟快門、延時(shí)曝光以及快門關(guān)閉等操作。尺寸自動(dòng)檢測(cè)快速自動(dòng)檢測(cè)工件尺寸的系統(tǒng)有一個(gè)測(cè)量臺(tái)，在其上裝有光學(xué)系統(tǒng)、圖象傳感器、和微處理機(jī)等。被測(cè)工件成像在CCD圖象傳感器的光敏陣列上，產(chǎn)生工件輪廓的光學(xué)邊緣。時(shí)鐘和掃描脈沖電路對(duì)每個(gè)光敏元順次詢問，視頻輸出饋送到脈沖計(jì)數(shù)器，并把時(shí)鐘選送入脈沖計(jì)數(shù)器，啟動(dòng)陣列掃描的掃描脈沖也用來把計(jì)數(shù)器復(fù)位到零。復(fù)位之后，計(jì)數(shù)器計(jì)算和顯示由視頻脈沖選通的總時(shí)鐘脈沖數(shù)。顯示數(shù)N就是工件成象覆蓋的光敏元數(shù)目，根據(jù)該數(shù)目來計(jì)算工件尺寸。用CCD攝像機(jī)做三角法測(cè)量物體位移及輪廓2009年10月6日瑞典皇家科學(xué)院宣布，將2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國華裔科學(xué)家高錕以及美國科學(xué)家威拉德·博伊爾和喬治·史密斯。

瑞典皇家科學(xué)院說，高錕在“有關(guān)光在纖維中的傳輸以用于光學(xué)通信方面”取得了突破性成就，他將獲得今年物理學(xué)獎(jiǎng)一半的獎(jiǎng)金，共500萬瑞典克朗（約合70萬美元）；博伊爾和史密斯發(fā)明了半導(dǎo)體成像器件——電荷耦合器件（CCD）圖像傳感器，分享了2009年物理學(xué)獎(jiǎng)另一半獎(jiǎng)金?；静捎檬⒉Ａ?，主要由三部分組成中心——纖芯；外層——包層；護(hù)層——尼龍料。光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，纖芯折射率n1略大于包層折射率n2（n1

＞n2

）。第三節(jié)

光導(dǎo)式（光纖）傳感器一、光纖結(jié)構(gòu)100~200μm包層玻璃纖維尼龍外層涂敷層纖芯外層直徑1mm光纖是一種由高度透明的石英（或其他材料）經(jīng)復(fù)雜的工藝?yán)贫傻墓獠▽?dǎo)材料。光纖的典型結(jié)構(gòu)為多層同軸圓柱體，一般是由折射率較高的纖芯、折射率較低的包層以及涂敷層和護(hù)套構(gòu)成，其剖面結(jié)構(gòu)如圖所示。纖芯和包層作為光纖結(jié)構(gòu)的主體，對(duì)光波的傳播起著決定性作用。涂敷層與護(hù)套的作用則是隔離雜散光、提高光纖強(qiáng)度、保護(hù)光纖等。在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合不加涂敷層和護(hù)套的光纖稱為裸光纖光纖的傳光原理二、光纖的傳光原理眾所周知,光在空間是直線傳播的。在光纖中,光的傳輸限制在光纖中,并隨著光纖能傳送很遠(yuǎn)的距離,光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。設(shè)有一段圓柱形光纖，如圖所示，它的兩個(gè)端面均為光滑的平面。當(dāng)光線射入一個(gè)端面并與圓柱的軸線成θi角時(shí)，在端面發(fā)生折射進(jìn)入光纖后,又以φi角入射至纖芯與包層的界面，光線有一部分透射到包層，一部分反射回纖芯。但當(dāng)入射角θi小于臨界入射角θc時(shí)，光線就不會(huì)透射界面，而全部被反射，光在纖芯和包層的界面上反復(fù)逐次全反射，呈鋸齒波形狀在纖芯內(nèi)向前傳播，最后從光纖的另一端面射出，這就是光纖的傳光原理。（a）折射角大于入射角：（b）臨界狀態(tài)：（c）全反射：

可見，光纖臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)（n1、n2）決定的，與光纖的幾何尺寸無關(guān)。當(dāng)光由光密物質(zhì)射向光疏物質(zhì)時(shí)，發(fā)生折射

根據(jù)斯涅耳（Snell）光的折射定律，由圖可得臨界角僅與介質(zhì)的折射率的比值有關(guān)若要在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，則界面上的光線臨界折射角

=90°，即

而當(dāng)

時(shí)，有所以，為滿足光在光纖內(nèi)的全內(nèi)反射，光入射到光纖端面的入射角θi應(yīng)滿足一般光纖所處環(huán)境為空氣，則n0=1，實(shí)際工作時(shí)需要光纖彎曲，但只要滿足全反射條件，光線仍然繼續(xù)前進(jìn)?？梢娺@里的光線“轉(zhuǎn)彎”實(shí)際上是由光的全反射所形成的。實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角為：當(dāng)NA＜1時(shí)．集光能力與NA的平方成正比；當(dāng)NA≧1時(shí)，集光能力達(dá)到最大。從公式可知、纖芯和包層介質(zhì)的折射率差值越大，數(shù)值孔徑越大，光纖的集光能力超強(qiáng)。歸一化頻率f:光纖的孔徑：當(dāng)光線經(jīng)某一子午面射入光纖時(shí)，光纖端面的臨界入射角的兩倍角稱為光纖的孔徑角。NA意義討論：NA表示光纖的集光能力，無論光源的發(fā)射功率有多大，只要在2θc張角之內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。若入射角超出這一范圍，光線會(huì)進(jìn)入包層漏光。一般NA越大集光能力越強(qiáng)，光纖與光源間耦合會(huì)更容易。但NA越大光信號(hào)畸變?cè)酱?，要選擇適當(dāng)。產(chǎn)品光纖不給出折射率N，只給數(shù)值孔徑NA。三、光纖分類光纖按纖芯和包層材料的性質(zhì)分類，有玻璃光纖和塑料光纖兩類；按折射率分有階躍型和梯度型二種。光纖的另一種分類方法是按光纖的傳播模式來分，可分為多模光纖和單模光纖兩類。多模光纖多用于非功能型（NonFunctionalFiber，縮寫為NFF）光纖傳感器；單模光纖多用于功能型（FunctionalFiber，縮寫為FF）光纖傳感器。功能型光纖傳感器：這類傳感器利用光纖本身對(duì)外界被測(cè)對(duì)象具有敏感能力和檢測(cè)功能，光纖不僅起到傳光作用，而且在被測(cè)對(duì)象作用下，如光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光學(xué)特性得到調(diào)制，調(diào)制后的信號(hào)攜帶了被測(cè)信息。非功能型光纖傳感器：傳光型光纖傳感器的光纖只當(dāng)作傳播光的媒介，待測(cè)對(duì)象的調(diào)制功能是由其它光電轉(zhuǎn)換元件實(shí)現(xiàn)的，光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。1．階躍型和梯度型光纖

.階躍光纖：纖芯折射率是均勻階躍分布，包層內(nèi)的折射率分布也大體均勻．折射率為常數(shù)；但是，在纖芯和包層的界面上呈臺(tái)階狀，如圖所示。在纖芯內(nèi)．中心光線沿光纖軸線傳播，通過軸線的子午光線(光的射線永遠(yuǎn)在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)．這種光線稱為子午光線)呈鋸齒形軌跡.梯度光纖:纖芯內(nèi)的折射率不是常量，而是從中心軸線開始沿徑向大致按拋物線形狀遞減，中心軸折射率最大。因此，光纖在纖芯中傳播時(shí)會(huì)自動(dòng)地從折射率小的界面向中心會(huì)聚，光纖傳播的軌跡類似正弦波形。梯度光纖又稱為自聚焦光纖這兩種光纖傳輸模的總數(shù)N可表示為:f大的光纖傳輸?shù)哪?shù)多，稱為多模光纖纖芯直徑較粗（幾十微米以上）的，能傳播幾百個(gè)以上的模，纖芯很細(xì)的(5—10um)只能傳輸一個(gè)模(基模)，稱之為單模光纖2．按材料分類

(1)高純度石英(SiO2)玻璃纖維。這種材料的光損耗比較小,在波長λ＝1.2μm時(shí)、最低損耗約為0.47dB/km。

(2)多組分玻璃光纖用常規(guī)玻璃制成，損耗也很低。如硼硅酸鈉玻璃光纖，在波長λ＝0.84μm時(shí)，最低損耗為3.4dB/km。

(3)塑料光纖。用人工合成導(dǎo)光塑料制成，其損耗較大。當(dāng)λ＝0.63μm時(shí)，損耗高達(dá)100～200dB/km；但重量輕，成本低，柔軟性好，適用于短距離導(dǎo)光。3．按傳榆模數(shù)分類

(1)單模光纖單模光纖纖芯直徑僅有幾微米，接近光的波長。單模光纖通常是指躍變光纖中，內(nèi)芯尺寸很小，光纖傳輸模數(shù)很少，原則上只能傳送一種模數(shù)的光纖，常用于光纖傳感器。這類光纖傳輸性能好、頻帶很寬，具有較好的線性度；但因內(nèi)芯尺寸小，難以制造和耦合

(2)多模光纖。多模光纖纖芯直徑約為50μm，纖芯直徑遠(yuǎn)大于光的波長。通常是指躍變光纖中，內(nèi)芯尺寸較大，傳輸模數(shù)很多的光纖。這類光纖性能較差，帶寬較窄；但由于芯子的截面積大，容易制造、連接耦合比較方便，也得到了廣泛應(yīng)用。4．按用途分類

(1)通信光纖。用于光通信系統(tǒng)，實(shí)際使用中大多使用光纜（多根光纖組成的線纜），是光通信的主要傳光介質(zhì)。

(2)非通信光纖。這類光纖有低雙折射光纖、高雙折射光纖、涂層光纖、液芯光纖和多模梯度光纖等幾類。四、光纖傳感器基本工作原即及類型

1．光纖傳感器基本工作原理光纖傳感器的基本工作原理是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與輸入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的某些特性(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(cè)器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。2．光纖傳感器的類型光纖傳感器按其傳感器原理分為兩大類：一類是傳光型，也稱為非功能型光纖傳感器，多數(shù)使用多模光纖；另一類是傳感型，或稱為功能型光纖傳感器，常使用單模光纖。傳光型光纖傳感器中，光纖僅作為傳播光的介質(zhì),對(duì)外界信息的“感覺”功能是依靠其它功能元件來完成的。傳感器中的光纖是不連續(xù)的，其間有中斷，中斷的部分要接上其他介質(zhì)的敏感元件。調(diào)制器可能是光譜變化的敏感元件或其他敏感元件。光纖在傳感器中僅起傳光作用。傳光型光纖傳感器主要利用已有的其他敏感材料,作為其敏感元件，這樣可以利用現(xiàn)有的優(yōu)質(zhì)敏感元件來提高光纖傳感器的靈敏度。傳光介質(zhì)是光纖，所以采用通信光纖甚至普通的多模光纖就能滿足要求。傳光型光纖傳感器占據(jù)了光纖傳感器的絕大多數(shù)傳感型光纖傳感器是利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)功能的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。在這類傳感器中，光纖不僅起傳光的作用，同時(shí)利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，使其某些光學(xué)特性發(fā)生變化，對(duì)輸入的光產(chǎn)生某種調(diào)制作用，使在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)傳和感的功能。因此，傳感器中的光纖是連續(xù)的。3．光纖傳感器的特點(diǎn)光纖傳感器有以下三大特點(diǎn)，因而得到廣泛的應(yīng)用。

(1)光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能，傳光損耗小

(2)光纖傳感器頻帶寬，可進(jìn)行超高速測(cè)量，靈敏度和線性度好。

(3)光纖傳感器體積很小，重量輕，能在惡劣環(huán)境下進(jìn)行非接觸式、非破壞性以及遠(yuǎn)距離測(cè)量。五、光纖傳感器的調(diào)制器原理光纖傳感器原理的核心是如何利用光纖的各種效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外界被測(cè)參數(shù)的“傳”和“感”的功能。光纖傳感器的核心就是光被外界輸入?yún)?shù)的調(diào)制。研究光纖傳感器的調(diào)制器，就是研究光在調(diào)制區(qū)與外界被測(cè)參數(shù)的相互作用。外界信號(hào)可能引起光的某些特性(如強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等)變化，從而構(gòu)成強(qiáng)度、波長、頻率、相位和偏振態(tài)等調(diào)制。1．強(qiáng)度調(diào)制利用被測(cè)量的作用改變光纖中光的強(qiáng)度，再通過光強(qiáng)的變化來測(cè)量被測(cè)量，稱為強(qiáng)度調(diào)制。其原理如圖所示。

當(dāng)一恒定光源的光波Iin注入調(diào)制區(qū)，在外力場(chǎng)強(qiáng)Is的作用下，輸出光波的強(qiáng)度被Is所調(diào)制，載有外力場(chǎng)信息的出射光IOUT

的包絡(luò)線與Is形狀相同，光（強(qiáng)度）探測(cè)器的輸出電流ID(或電壓)也反映出了作用力場(chǎng)。同理，可以利用其他各種對(duì)光強(qiáng)的調(diào)制方式，如光纖位移、光柵、反射式、微彎、模斑、斑圖、輻射等來調(diào)制入射光，從而形成相應(yīng)的調(diào)制器。

(1)小的線性位移和角位移調(diào)制方法這種調(diào)制方法使用兩根光纖，一根為光的入射光纖，另一根為光被調(diào)制后的出射光纖，如下圖所示。兩根光纖的間距為2～3μm，端面為平面，兩者對(duì)置。通常入射光纖固定，外界作用（如壓力、張力等）使得出射光纖作橫向或縱向位移或轉(zhuǎn)動(dòng)，于是出射光纖輸出的光強(qiáng)被其位移所調(diào)制，利用這一調(diào)制過程可測(cè)量位移量若入射和出射光纖均采用相同性能的單模光纖，徑向位移d與功率耦合系數(shù)T

之間存在下列關(guān)系：式中S0為光纖中的光斑尺寸；T和d的關(guān)系為高斯型曲線。這種調(diào)制方法可以測(cè)量10μm以內(nèi)的位移量。

(2)微彎損耗光強(qiáng)調(diào)制根據(jù)模態(tài)理論，當(dāng)光纖軸受力而發(fā)生微小彎曲時(shí)，光纖中的部分光會(huì)折射到纖芯的包層中去，不產(chǎn)生全折射，這樣將引起纖芯中的光強(qiáng)發(fā)生變化。因此，可以通過對(duì)纖芯或包層中光的能量變化來測(cè)量外界作用，如應(yīng)力、重量、加速度等物理量。

微彎光纖壓力傳感器由兩塊波形板或其他形狀的變形器構(gòu)成。其中一塊活動(dòng)，另一塊固定。變形器一般采用有機(jī)合成材料(如尼龍、有機(jī)玻璃等)制成。一根光纖從一對(duì)變形器之間通過，當(dāng)變形器的活動(dòng)部分受到外力的作用時(shí)，光纖將發(fā)生周期性微彎曲，引起傳播光的散射損耗，使光在芯模中重新分配一部分從纖芯耦合到包層，另一部分光反射回纖芯。當(dāng)外界力增大時(shí)，泄漏到包層的散射光增大，光纖纖芯的輸出光強(qiáng)度減小；當(dāng)外界力減小時(shí)，光纖纖芯的輸出光強(qiáng)度增強(qiáng)。它們之間呈線性關(guān)系，如上圖所示。由于光強(qiáng)度受到調(diào)制，通過檢測(cè)泄漏包層的散射光強(qiáng)或光纖纖芯中透射光強(qiáng)度的變化即可測(cè)出壓力或位移的變化。優(yōu)點(diǎn)：光纖微彎傳感器的光功率維持在光纖內(nèi)部，這樣可以免除周圍環(huán)境污染的影響，適宜在惡劣環(huán)境中使用。另外還有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)范圍寬、線性度較好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

(3)吸收特性的強(qiáng)度調(diào)制

x、γ射線等輻射會(huì)引起光纖材料的吸收損耗增加，使光纖的輸出功率降低，從而可以構(gòu)成強(qiáng)度調(diào)制器，用來測(cè)量各種輻射量，其原理如下圖(a)所示。用不同材料制成的光纖對(duì)不同射線的敏感程度是不一樣的，由此還可以鑒別不同的射線。

2．波長調(diào)制和頻率調(diào)制

波長調(diào)制:利用被測(cè)量改變光纖中光的波長，再通過檢測(cè)光波長的變化來測(cè)量各種被測(cè)量。波長調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)是它對(duì)引起光纖或連接器的某些器件的穩(wěn)定性不敏感，因此被廣泛應(yīng)用于液體濃度的化學(xué)分析、磷光和熒光現(xiàn)象分析、黑體輻射分析及法布里-珀羅等光學(xué)濾波器上。其缺點(diǎn)是解調(diào)技術(shù)較復(fù)雜。但采用光學(xué)濾波或雙波長檢測(cè)技術(shù)后，可使解調(diào)技術(shù)簡化。

頻率調(diào)制:利用外界作用改變光纖中光的波長或頻率，通過檢測(cè)光纖中光的波長或頻率的變化來測(cè)量各種物理量多普勒效應(yīng)：當(dāng)光源S發(fā)射出的光，經(jīng)運(yùn)動(dòng)的物體散射后，觀察者所見到的光波頻率f1相對(duì)于原頻率f0發(fā)生了變化，如圖所示。S為光源，N為運(yùn)動(dòng)物體，M為觀察者所處的位置，若物體N的運(yùn)動(dòng)速度為υ，其運(yùn)動(dòng)方向與NS和MN的夾角分別為和

，則從S發(fā)出的光頻率f0經(jīng)運(yùn)動(dòng)物體N散射后,觀察者在M處觀察到的運(yùn)動(dòng)物體反射的頻率為fl，根據(jù)多普勒效應(yīng)，它們有如下關(guān)系：設(shè)激光光源頻率為f0，經(jīng)分束器，半反射鏡和聚焦透鏡進(jìn)入光纖射入到被測(cè)物流體，當(dāng)流體以速度υ運(yùn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)多普勒效應(yīng)，其向后散射光的頻率為f0+Δf或f0-Δf（視流向而定），它與（f0-f1）的光在光電探測(cè)器中混頻后，形成（f1±Δf）的振蕩信號(hào)，通過測(cè)量Δf，可換算出血流速度

υ3.相位調(diào)制相位調(diào)制的基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測(cè)干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。

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(cè)基帶的延遲時(shí)間、幅度大小的變化來測(cè)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。時(shí)分調(diào)制系統(tǒng)中,光脈沖被耦合到各測(cè)量點(diǎn)上,通過被測(cè)量調(diào)制區(qū)返回到輸入端,通過檢測(cè)返回脈沖位置的變化就能知道外界的物理量，如位移、壓力、溫度等。這種系統(tǒng)就是一種串聯(lián)分布陣列的離散傳感器系統(tǒng)，稱為準(zhǔn)分系統(tǒng)，或稱為多路系統(tǒng)連續(xù)分布系統(tǒng)，它是利用光纖中微小不均勻性產(chǎn)生瑞利背向散射，通過光纖時(shí)域反射計(jì)(OTDR)技術(shù)來決定外界物理量的變化，如光纖的斷裂、裂紋以及不正常的損耗等，所以稱為全分布傳感器系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的空間分辨率由脈寬和檢測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間決定。

5．偏振調(diào)制根據(jù)電磁場(chǎng)理論,光波是一種橫波;光振動(dòng)的電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量H始終與傳播方向垂直。如果光波的電場(chǎng)矢量E和磁場(chǎng)矢量H的振動(dòng)方向在傳播過程中保持不變,只有它的大小隨相位變化,這種光稱為線偏振光。線偏振光的E和H與傳播方向組成的面稱為線偏振光的振動(dòng)面，與光的E和H振動(dòng)方向垂直且包含傳播方向的面稱為偏振面。光在傳播中，E、H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,受到外界的作用而使各個(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(shì),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),這種現(xiàn)象稱為起偏(形成完全偏振光)⑴法拉第效應(yīng)（磁光效應(yīng)）某些物質(zhì)在磁場(chǎng)作用下，線偏振光通過時(shí)其振動(dòng)面會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第效應(yīng)。光的電矢量E旋轉(zhuǎn)角θ與光在物質(zhì)中通過的距離L和磁場(chǎng)強(qiáng)度H成正比，即式中V—物質(zhì)的弗爾德常數(shù)⑵普克爾效應(yīng)（一次電光效應(yīng)）當(dāng)壓電晶體受光照射，并在與光照正交的方向上加以高壓電場(chǎng)時(shí)，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象，這種現(xiàn)象被稱為Pockels效應(yīng)。這種雙折射正比于所加電場(chǎng)的一次方，所以普克爾效應(yīng)又稱為線性電光效應(yīng)。在晶體中，兩正交的偏振光的相位變化為n0—正常折射率；de—電光系數(shù)；U—加在晶體片上的電壓λ—光波長；L—晶體長度；d—場(chǎng)方向晶體厚度

※關(guān)于雙折射現(xiàn)象的說明一束光在各向同性介質(zhì)（如玻璃）的表面所產(chǎn)生的折射光只有一束，這是一般的常識(shí)。然而，對(duì)于光學(xué)性質(zhì)隨方向而異的一些晶體（各向異性介質(zhì)），一束入射光常有被分解為兩束的現(xiàn)象，這就是雙折射現(xiàn)象。請(qǐng)注意，這種現(xiàn)象不是因?yàn)椴煌l率的光在介質(zhì)中的折射率不同而產(chǎn)生的，而是由于各向異性介質(zhì)的折射率對(duì)不同入射角的光不是常數(shù)而產(chǎn)生的。通過各向異性介質(zhì)折射的光，若對(duì)于任意的入射角，其入射角的正o光和e光示意圖不同而變化時(shí)，這種光稱為非尋常光，簡稱為e光。o光和e光都是線偏振光，但是，光矢量（電矢量）等振動(dòng)方向不同。o光的電矢量垂直于自己的主平面，而e光的電矢量則在自己的主平面內(nèi)振動(dòng)，如上圖所示。在光彈效應(yīng)和普克爾效應(yīng)中所說的相位變化，實(shí)際上是指這兩種光的相位差弦與折射角的正弦值比為一常數(shù)（即通常所說的折射率）時(shí)，這種光稱為尋常光，簡稱為o光；若其入射角的正弦與折射角的正弦值比隨