第四章 光电式传感器2资料

第四章光电式传感器4．0光电式传感器4．1光源与光辐射体4．1．1光的特性4．1．2光源与光辐射体4．2光电效应及器件4．2．1外光电效应4．2．2内光电效应4．2．3热探测器4．3光电器件的特性4．3．1光照特性4．3．2光谱特性4．3．3响应时间4．3．4峰值探测率4．3．5温度特性4．4探测器噪声和低噪声电子设计4．4．1噪声4．4．2探测器噪声的类型4．4．3低噪声电子设计4．5新型光电检测器4．5．1光位置传感器（PSD）4．5．2量子阱探测器(QWIP)4．5．3光电磁探测器4．5．4固态图像传感器4．6激光传感技术4．6．1干涉测试技术4．6．2衍射测试技术4．6．3激光多普勒测速技术4．7光纤传感器4．7．1光纤传感器基础4．7．2光纤传感器中几种常用的光强调制技术4．7．3光纤干涉传感器原理4．8光电式传感器4．8．1光电式传感器的类型4．8．2光电尺寸测量举例4．8．3激光传感技术实例4．8．4光纤传感器实例4．8．5机器人视觉传感器4.0光电式传感器光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和军事装置中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是固态图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。光源光通路光电元件测量放大光量光量电量电量输出X1X2图4-1光电式传感器的组成光电式传感器通常由四部分组成，如图4-1所示。图中x1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。光电元件（敏感元件）只能敏感照射其上光的功率（光的电场分量），本篇将讲述各种结构都是通过调制，例如干涉、衍射、光谱、······等原理，最终反映在单光电元件点位置处时域变化光功率，或阵列传感器上一、二维的空域上的光功率分布。这里将可见光、红外光、激光、光纤等传感器技术纳入本编一并讲解，寻求其共性规律统一讲述。4．1光源与光辐射体4．1．1光的特性光是电磁波谱中的一员，不同波长光的分布如图4-2所示，这些光的频率（波长）各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。hvhv由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子（光子）流，一种频率的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为（式4-1）式中h-普郎克常数，h＝6.626×10－34J•s可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。对于光的计量有两种描述方法：一种是测量其客观物理实质的辐射度学量，另一种是测量其对人眼生理作用的光度学量，表4-1和表4-2分别给出辐射度学量和光度学量及单位。名称（中英文）符号单位名称单位代号辐射能（Radiantenergy）Q焦耳J辐射通量（Radiantflux）Φ瓦特W辐射强度(Radiantintensity)I瓦/球面度W/sr辐射度（Radiantexintence）M瓦/米2W/m2辐射亮度（Radiance）L瓦/米2·球面度W/m2·sr辐照度（Irradiane）E瓦/米2W/m2表4-1辐射度学量名称（中英文）符号单位名称单位代号光能量（Luminousenergy）Q流明·秒lm·s光通量（Luminousflux）Φ流明lm光强度（Luminousintensity）I坎德拉流明/球面度cdlm/sr发光度（Luminousexintence）M流明/米2·球面度lm/m2光亮度（Luminance）L坎德拉/米2（尼特）流明/米2·球面度cd/m2（nit）lm/m2·sr光照度（Illuminance）E流明/米2（勒克斯）lm/m2（lx）表4-2光度学量在辐射度学量中当指明特定光谱条件下的辐射量（单位波长短的辐射量）时还有：光谱辐射通量、光谱辐射出射度、光谱辐射强度等等对应量。MI历史上曾定义1流明等于一支蜡烛从1米外投射在一平方米的表面上的光的数量。现在定义绝对黑体在铂的凝固温度下，从5.305*10³cm²面积上辐射出来的光通量为1lm。人眼在白昼对于波长λ=555nm的绿光最敏感，在该波长辐射度学量与光度学量可建立1W=683lm数量关系，许多图像传感器商品常用光度学量标明其性能。4．1．2光源与光辐射体工程检测中遇到的光，可以由各种发光器件产生，也可以是物体的辐射光。众所周知，自然界中任何物体，只要其温度高于绝对零度，都能辐射红外线。本节将介绍各种发光器件及物体的红外辐射。一、白炽光源白炽光源中最常用的是钨丝灯，它产生的光，谱线较丰富，包含可见光与红外光。使用时，常加用滤色片来获得不同窄带频率的光。二、气体放电光源气体放电光源光辐射的持续，不仅要维持其温度，而且有赖于气体的原子或分子的激发过程。原子辐射光谱呈现许多分离的明线条，称为线光谱。分子辐射光谱是一段段的带，称为带光谱。线光谱和带光谱的结构与气体成分有关。白炽灯气体放电光源目前常用的有碳弧、低压水银弧、高压水银弧、钠弧、氖弧灯等。高低压水银弧灯的光色近于日光；钠弧灯发出的光呈黄色，发光效率特别高（200lm／W）；氖弧灯功率最大，光色也与日光相近。三、发光二极管发光二极管是一种电致发光的半导体器件，它与钨丝白炽灯相比具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、便于与集成电路相匹配等优点，因此得到广泛应用。发光二极管可用LED表示，它的种类很多，其发光波长见表4-3。GaAs1-xPx、GaP、SiC发出的是可见光，而GaAs、Si、Ge为红外光。材料GeSiGaAsGaAs1-xPxGaPSiCλ/nm18501110867867∽550550435发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。砷磷化镓发光二极管，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。一般情况下（在几十毫安电流范围内），LED单位时间发射的光子数与单位时间内注入到二极管导带中的电子数成正比，即输出光强与输入电流成正比。电流的进一步增加会使LED输出产生非线性，甚至导致器件损坏。表4-3发光二极管光波峰值波长12EEhv四、激光器激光是新颖的高亮度光，它是由各类气体、固体或半导体激光器产生的频率单纯的光。1、激光的形成在正常分布状态下，原子多处于稳定的低能级E1，如无外界的作用，原子可长期保持此状态。但在外界光子作用下，赋予原子一定的能量，原子就从低能级E1跃迁到高能级E2，这个过程称为光的受激吸收。光子能量与原子能级跃迁的关系为处在高能级E2的原子在外来光的诱发下，跃迁至低能级E1而发光，这个过程称为光的受激辐射。受激辐射发出的光子与外来光子具有完全相同的频率、传播方向、偏振方向。一个外来光子诱发出一个光子，在激光器中得到两个光子，这两个光子又可诱发出两个光子，得到四个光子，这些光子进一步诱发出其他光子，这个过程称为光放大。如果通过光的受激吸收，使介质中处于高能级的粒子比处于低能级的多--“粒子数反转”，则光放大作用大于光吸收作用。这时受激辐射占优势，光在这种工作物质内被增强，这种工作物质就称为增益介质。若增益介质通过提供能量的激励源装置形成粒子数反转状态，这时大量处于低能级的原子在外来能量作用下将跃迁到高能级。（式4-2）为了使受激辐射的光具有足够的强度，还须设置一个光学谐振腔。光学谐振腔内设有两个面对面的反射镜：一个为全反射镜，另一个为半反半透镜。当沿轴线方向行进的光遇到反射镜后，就被反射折回，如此在两反射镜间往复运行并不断对有限容积内的工作物质进行受激辐射，产生雪崩式的放大，从而形成了强大的受激辐射光--激光，通过半反半透镜输出。可见，激光的形成必须具备三个条件：（1）具有能形成粒子数反转状态的工作物质--增益介质；（2）具有供给能量的激励源；（3）具有提供反复进行受激辐射场所的光学谐振腔。2、激光的特性（1）方向性强、亮度高：激光束的发散角很小，一般约0.18°，这比普通光和微波小2～3个数量级。因此，立体角极小，一般可小至10－8rad；激光能量在空间高度集中，其亮度比普通光源高百万倍。（2）单色性好：光源发射光的光谱范围愈窄，光的单色性就愈好。普通光中单色性最好的是同位素Kr灯所发出的光，其中心波长λ＝605.7nm，Δλ＝0.00047nm，氦氖激光器λ＝632.8nm，Δλ＝10－6nm。可见，激光具有很好的单色性。（3）相干性好：光的相干性是指两光束相遇时，在相遇区域内发出的波相叠加，并能形成较清晰的干涉图样或能接收到稳定的拍频信号。由同一光源在相干时间Δt内不同时刻发出的光，经过不同路程相遇，将产生干涉。这种相干性，称为时间相干性。同一时间，由空间不同点发出的光的相干性，称为空间相干性。激光是受激辐射形成的，对于各个发光中心发出的光波，其传播方向、振动方向、频率和相位均完全一致，因此激光具有良好的时间和空间相干性。3、激光器及其特点（1）固体激光器固体激光器的工作物质是固体。这类激光器结构大致相同，共同特点是小而坚固，脉冲功率高。（2）气体激光器工作物质是气体。气体激光器的特点是能连续工作，单色性好，但输出功率不及固体激光器。工作波长为0.638pm或1.15μrn的氦氖激光器是一种最常用的气体激光器。它使用方便，亮度很高。工作波长为10.6μrn的二氧化碳激光器是工作在远红外波段的功率较高的光源，常用于探测大气成分的光雷达中。工作波长为0.5l6μrn的氩离子激光器具有很高的亮度。（3）液体激光器工作物质是液体，其中较重要的是有机染料激光器。液体激光器的最大特点是发出的激光波长可以在一定范围内连续调节，而不降低效率。（4）半导体激光器半导体激光器的特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单；缺点是输出功率较小。半导体激光器增益带宽特别高，但使用时需注意其输出特性的非线性，以及输出随光学负载（返回到激光器的外部反射率）的变化而变化。（5）光纤激光器所谓光纤激光器就是在光纤材料中含增益介质并用光纤构成光学谐振腔的激光器。主要特点如下：1）由于光纤激光器的谐振腔内无光学镜片，具有免调节、免维护、高稳定性的优点。2）由于光纤激光器的工作光纤可以盘绕，可以把体积做得非常小。3）光纤导出，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工利用，大大地简化了机械系统的设计。4）对工作环境要求低，对灰尘、震荡、冲击、湿度、温度等具有很高的容忍度。5）由于光纤激光系统的散热性能非常好，易于达到轻小便携的目的。6）电光效率高，综合电光效率高达20%以上（YAG固体激光器的综合电光效率在3%左右）。极大地节约了工作时的电耗，节约了运行成本。7）超长的工作寿命和免维护时间，平均免维护时间在10万小时以上。8）光纤激光器可以实现从1000nm-2000nm的不同波长输出，使得它可以应用于更广泛的领域。五、红外辐射红外辐射又称红外光，其频率和波长范围见图4-2所示，从紫光到红光热效应逐渐增大，而热效应最大的为红外光。在自然界中只要物体本身具有一定温度（高于绝对零度），都能辐射红外光。例如电机、电器、炉火、甚至冰块都能产生红外辐射，又称热辐射。红外光和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物体称为透明体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。严格地讲，在自然界中，不存在黑体、镜体与透明体。1、热辐射体的分类热辐射体根据辐射体的光谱发射率的变化规律分为黑体、灰体、选择性辐射体三类。一个辐射体的发射率定义为该辐射体的辐射出射度与同温度下黑体的辐射出射度之比，即tMtMtb（式4-3）TMb式中是黑体的辐射出射度。TMTMb一个物体的光谱发射率定义为该物体的光谱辐射出射度与同温度下黑体的光谱辐射出射度之比，即TMTMb（式4-4）