第四章光電式傳感器

4．1光源與光輻射體光是電磁波譜中的一員，光的頻率（波長）各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。由光的粒子說可知，光是以光速運動著的粒子（光子）流，一種頻率的光由能量相同的光子所組成，每個光子的能量為g=hv

目前一頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．1．2光源與光輻射體白熾光源氣體放電光源發(fā)光二極管激光器紅外輻射目前二頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點激光器激光是新穎的高亮度光，它是由各類氣體、固體或半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的頻率單純的光激光的形成必須具備三個條件：（1）具有能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)--增益介質(zhì)；（2）具有供給能量的激勵源；（3）具有提供反復(fù)進(jìn)行受激輻射場所的光學(xué)諧振腔。目前三頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點激光的特性方向性強(qiáng)、亮度高單色性好相干性好 目前四頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點激光器種類固體激光器氣體激光器液體激光器半導(dǎo)體激光器光纖激光器目前五頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點紅外輻射 從紫光到紅光熱效應(yīng)逐漸增大，而熱效應(yīng)最大的為紅外光。在自然界中只要物體本身具有一定溫度（高于絕對零度），都能輻射紅外光。例如電機(jī)、電器、爐火、甚至冰塊都能產(chǎn)生紅外輻射，又稱熱輻射。 紅外光和所有電磁波一樣，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紅外輻射的物體稱為黑體；能全部反射的物體稱為鏡體；能全部透過的物體稱為透明體；能部分反射、部分吸收的物體稱為灰體。嚴(yán)格地講，在自然界中，不存在黑體、鏡體與透明體。目前六頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點熱輻射體根據(jù)輻射體的光譜發(fā)射率的變化規(guī)律分為黑體、灰體、選擇性輻射體三類。一個輻射體的發(fā)射率定義為該輻射體的輻射出射度與同溫度下黑體的輻射出射度之比，即

ε(t)=M(t)/Mb(t)目前七頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點熱輻射的基本規(guī)律普朗克公式目前八頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點目前九頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點目前十頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點目前十一頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點目前十二頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．2光電效應(yīng)及器件所謂光電效應(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)。這里將紫外光、可見光和紅外光做統(tǒng)一考慮，把光電探測器分為光子探測器和熱探測器。在光子探測器中研究外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩類。目前十三頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．2．1外光電效應(yīng)在光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。 當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，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。光電子逸出物體表面具有初始動能，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。目前十四頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點目前十五頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．2．2內(nèi)光電效應(yīng) 光照射在半導(dǎo)體材料上，材料中處于價帶的電子吸收光子能量，通過禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)電子濃度和價帶內(nèi)空穴增多，即能量必須大于材料的禁帶寬度△Eg（圖4-7）才能產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)，因此叫內(nèi)光電效應(yīng)的臨界波長λO＝1293／△Eg（mm）。通常純凈半導(dǎo)體的禁帶寬度為1eV左右，例如鍺的△Eg＝0.75eV，硅的△Eg＝1.2eV。 內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。半導(dǎo)體受到光照時會產(chǎn)生光生電子-空穴對，使導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線愈強(qiáng)，阻值愈低。這種光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)，基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻和反向偏置工作的光敏二極管與三極管；光生伏特效應(yīng)是光照引起PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)。目前十六頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點光敏電阻光敏電阻是一種電阻器件。使用時，可加直流偏壓（無固定極性），或加交流電壓目前十七頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．2．3熱探測器熱探測器也通稱為能量探測器，其原理是利用輻射的熱效應(yīng)，通過熱電變換來探測輻射。入射到探測器光敏面的輻射被吸收后，引起響應(yīng)元的溫度升高，響應(yīng)元材料的某一物理量隨之而發(fā)生變化。利用不同物理效應(yīng)可設(shè)計出不同類型的熱探測器，其中最常用的有電阻溫度效應(yīng)（熱敏電阻）、溫差電效應(yīng)（熱電偶、熱電堆）和熱釋電效應(yīng)目前十八頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．3光電器件的特性光電傳感器的光照特性、光譜特性以及峰值探測率、響應(yīng)時間等幾個主要參數(shù)，都取決于光電器件的性能。目前十九頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．3．1光照特性光電器件的靈敏度可用光照特性來表征，它反映了光電器件輸入光量與輸出光電流（光電壓）之間的關(guān)系。光敏電阻的光照特性呈非線性,光敏晶體管的靈敏度和線性度均好，因此在軍事、工業(yè)自動控制和民用電器中應(yīng)用極廣，既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。目前二十頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．3．2光譜特性光電器件的光譜特性是指相對靈敏度K與入射光波長λ之間的關(guān)系，又稱光譜響應(yīng)為了提高光電傳感器的靈敏度，對于包含光源與光電器件的傳感器，應(yīng)根據(jù)光電器件的光譜特性合理選擇相匹配的光源和光電器件。對于被測物體本身可作光源的傳感器，則應(yīng)按被測物體幅射的光波波長選擇光電器件。目前二十一頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．3．3響應(yīng)時間光電器件的響應(yīng)時間反映它的動態(tài)特性，響應(yīng)時間小，表示動態(tài)特性好。對于采用調(diào)制光的光電傳感器，調(diào)制頻率上限受響應(yīng)時間的限制。光敏電阻的響應(yīng)時間一般為10－1～10－3s，光敏晶體管約為2×10－5s，光敏二極管的響應(yīng)速度比光敏三極管高一個數(shù)量級，硅管比鍺管高一個數(shù)量級。目前二十二頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．3．4峰值探測率峰值探測率源出于紅外探測器，后來沿用到其它光電器件。無光照時，由于器件存在著固有的散粒噪聲以及前置放大器輸入端的熱噪聲，光探測器件將產(chǎn)生輸出，這一噪聲輸出常以噪聲等效功率PNE表征。PNE定義為：產(chǎn)生與器件暗電流大小相等的光電流的入射光量。它等于入射到光敏器件上能產(chǎn)生信號噪聲比為1的幅射功率值。PNE與光敏器件的有效光敏面積A和探測系統(tǒng)帶寬紂有關(guān)，而且是平方律關(guān)系。因此探測器件的性能常用峰值探測率D*表征，D*值大，噪聲等效功率小，光電器件性能好。即目前二十三頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．3．5溫度特性 溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度，同時對光譜特性也有很大影響。一般來說，光敏器件的光譜響應(yīng)峰值隨溫度升高而向短波方向移動。因此，采取降溫措施，往往可以提高光敏電阻對長波長的響應(yīng)。在定溫條件下工作的光電器件由于靈敏度隨溫度而變，因此高精度檢測時有必要進(jìn)行溫度補償或使它在恒溫條件下工作。目前二十四頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．4探測器噪聲和低噪聲電子設(shè)計4．4．1噪聲 研究噪聲的目的是為了了解傳感器系統(tǒng)，特別是光電系統(tǒng)所受的限制，這里所說的噪聲是指探測器、電路元件產(chǎn)生的隨機(jī)電起伏。本質(zhì)上講，大多數(shù)物理量都是不連續(xù)的或顆粒狀的。例如：電流是由電子流組成的，每一個電子都帶有一份獨立的電荷，電子通過電路中某一點的速率的隨機(jī)起伏，就表現(xiàn)為電噪聲。目前二十五頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．4．2探測器噪聲的類型Johnson噪聲也稱熱噪聲，存在于所有探測器,一個電阻器就是一個熱噪聲發(fā)生器。熱平衡時，電阻元件中的電荷載流子的隨機(jī)運動在元件兩端產(chǎn)生的隨機(jī)電壓。當(dāng)電阻溫度上升時，電荷載流子的平均動能增加，則噪聲電壓增加。熱噪聲存在于所有探測器，其噪聲電壓可表達(dá)為目前二十六頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．4．3低噪聲電子設(shè)計一、噪聲系數(shù) 噪聲系數(shù)也叫噪聲因素，是器件或電路對于噪聲的品質(zhì)因素。如一個放大電路的增益為G，則它的噪聲系數(shù)定義為：目前二十七頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點微弱信號檢測（WeakSignalDetection）技術(shù)概述1、相干檢測2、時域信號的平均處理3、離散信號的計數(shù)處理目前二十八頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．5新型光電檢測器4．5．1光位置傳感器（PSD）半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）目前二十九頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．5．2量子阱探測器(QWIP) 量子阱探測器(QWIP)：將兩種半導(dǎo)體材料A和B用人工方法薄層交替生長形成超晶格，在其界面，能帶有突變。電子和空穴被限制在低勢能阱A層內(nèi)，能量量子化，稱為量子阱。利用量子阱中能級電子躍遷原理可以做紅外探測器。目前三十頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點目前三十一頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．5．3光電磁探測器光磁電（PEM）效應(yīng)目前三十二頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點 CCD的基本原理CCD器件就是由大量的在同一襯底上集成的MOS電容陣列。CCD的基本功能就是要具有在勢阱中存儲信號電荷，并將其轉(zhuǎn)移的能力，故CCD又可稱移位寄存器。目前三十三頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點 三、CCD圖像傳感器1、線型CCD圖像傳感器2、面型CCD圖像傳感器目前三十四頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點1、線型CCD圖像傳感器

線型圖像傳感器是由一列感光單元（稱為光敏元陣列）和一列CCD并行而構(gòu)成的。光敏元和CCD之間有一個轉(zhuǎn)移控制柵，基本結(jié)構(gòu)如圖所示。目前三十五頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點2、面型CCD圖像傳感器線型CCD圖像傳感器只能在一個方向上實現(xiàn)電子自掃描。為獲得二維圖像，除了必須采用龐大的機(jī)械掃描裝置外，另一個突出的缺點是每個像素的積分時間僅相當(dāng)于一個行時，信號強(qiáng)度難以提高。目前三十六頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點四、光敏二極管CMOS圖像傳感器光敏二極管CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)目前主要有兩種：無源像素圖像傳感器PPS(PassivePixelSensor)和有源像素圖像傳感器APS(ActivePixelSensor)目前三十七頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點CMOS的兩種像素結(jié)構(gòu)目前三十八頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點CMOS芯片組成框圖目前三十九頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點 五、高速光電器件光電傳感器的響應(yīng)速度是重要指標(biāo)，隨著光通信及光信息處理技術(shù)的提高，一批高速光電器件應(yīng)運而生。1、PIN結(jié)光電二極管（PIN-PD）2、雪崩式光電二極管（APD）目前四十頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．6激光傳感技術(shù)利用光學(xué)原理，通過光波的一些物理特性進(jìn)行精密測試，是一種非常重要的測試技術(shù)方法。由于光學(xué)測試方法具有非接觸、高靈敏度、高精度以及動態(tài)性、實時性等優(yōu)點，因此其在實際應(yīng)用中具有廣闊的前景。目前四十一頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．6．1干涉測試技術(shù)光的干涉現(xiàn)象主要是由于光的波動性-光的電磁波本質(zhì)。干涉測試是以光學(xué)干涉原理為基礎(chǔ)進(jìn)行精密測試的技術(shù)，通常是以干涉條紋的形式來反映被測物理量的信息，因此其測量靈敏度都達(dá)到了光波長的量級.目前四十二頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點目前四十三頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點目前四十四頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點目前四十五頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點目前四十六頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．6．2衍射測試技術(shù)激光具有非常好的單色性、高亮度和方向性，使實際測試應(yīng)用中比較容易產(chǎn)生清晰的衍射圖像。激光衍射測試方法是一種發(fā)展很快的非接觸精密測試方法，由于其操作簡單、計算方便、性能穩(wěn)定、靈敏度高等優(yōu)點.目前四十七頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．6．3激光多普勒測速技術(shù)一、光學(xué)多普勒效應(yīng)測速的基本原理

根據(jù)愛因斯坦狹義相對論，可以得到多普勒效應(yīng)的光波頻移量。當(dāng)光源相對于探測器運動時，如圖所示，為光源相對于探測器的運動速度，探測器接收到的光波頻率為目前四十八頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點光學(xué)多普勒效應(yīng)目前四十九頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點二、光學(xué)多普勒頻移的測量—光外差方法在大多數(shù)實際測量應(yīng)用中，是利用了光學(xué)外差檢測方法來對頻移量進(jìn)行測量的。這一方法源于無線電技術(shù)中的外差檢波原理，將兩束頻率不同的光波入射具有平方律響應(yīng)的光電探測器（如光電倍增管、硅光二極管、雪崩二極管等）中，兩光波在探測器中疊加混頻，由于光波頻率很高，原入射光波以及它們的和頻等高頻成分的振蕩速度太快，超過了探測器的響應(yīng)時間，探測器輸出的只是它們的時間平均值，只有差頻成分存在隨時間變化的信號輸出，這被稱為光學(xué)外差檢測技術(shù)。目前五十頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．7光纖傳感器光纖是20世紀(jì)后半葉的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體光電探測器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，即光電子學(xué)新領(lǐng)域。光纖的最初研究是為了通訊。由于光纖具有許多新的特性，因此在其他領(lǐng)域也發(fā)展了許多新的應(yīng)用，其中之一就是構(gòu)成光纖傳感器。目前五十一頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．7．1光纖傳感器基礎(chǔ)一、光纖波導(dǎo)原理

光纖的基本結(jié)構(gòu)與波導(dǎo)目前五十二頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．7．2光纖傳感器中幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù)一、微彎效應(yīng)

微彎調(diào)制器原理圖目前五十三頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點四、偏振調(diào)制與解調(diào)1、調(diào)制原理（1）普克耳（Pockels）效應(yīng)（2）法拉第磁光效應(yīng)（3）光彈效應(yīng)目前五十四頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．7．3光纖干涉?zhèn)鞲衅髟砟壳拔迨屙揬總數(shù)七十八頁\編于十八點目前五十六頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點目前五十七頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點目前五十八頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．8．2光電尺寸測量舉例線型CCD傳感器測量物體尺寸的基本原理目前五十九頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點外徑檢測系統(tǒng)目前六十頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．8．3激光傳感技術(shù)實例一、激光位移干涉儀

激光位移干涉儀通常采用經(jīng)典的邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，由于使用了激光，光源的相干性和亮度均較好，因此一般情況下不需要用小孔光闌來提高相干度，由于激光的相干長度較長，在實際應(yīng)用中無需補償板即可進(jìn)行較大長度和位移的測量。目前六十一頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點采用角隅棱鏡的光路目前六十二頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點二、雙頻激光外差干涉儀目前六十三頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點三、激光衍射測試技術(shù)1、間隙計量法

所謂間隙計量法就是通過測量參考物與被測物之間的間隙所形成的衍射暗條紋位置或位置的變化，來達(dá)到測量位置、位移的目的，它是激光衍射測試技術(shù)的主要方法目前六十四頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點四、激光多普勒測速1、移相法這種方法是用兩個光電探測器同時進(jìn)行光學(xué)外差檢測。2、移頻法由于光學(xué)外差檢測技術(shù)只能測量出兩光波頻率差的絕對值，因此無法對運動速度方向進(jìn)行判斷。若在外差檢測之前人為使兩光波之一的頻率產(chǎn)生一個確定的移動，則就可以對差額的正負(fù)進(jìn)行判斷。目前六十五頁\總數(shù)七十八頁\編于十八點4．8．4光纖傳感器實例一、光纖角速度傳感器（光纖陀螺）

光纖角速度傳感器又名光纖