第8章 光电式传感器 Photoelectric sensors第8章 光电式传感器光电器件和特性 (photoelectric devices and features)第8章 光电式传感器概述 (overview)8.18.28.3新型光电器件（自学） (new photoelectric devices)8.4光电式传感器应用 (applications of photoelectric sensors)8.5光 源 (light sources)光电式传感器通常由四部分组成，如图8-1X1 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。 光电传感器是各种光电检测(photoelectric inspection) 系统中实现光电转换(photoelectric conversion)的关键元件 ，它是把光信号转变成为电信号的器件。 图8-1 光电传感器的组成形式8.1 概述一、光谱（spectrum of light）光波：波长为10106nm的电磁波(electromagnetic wave) 可见光(visible lights)：波长380780nm 紫外线(Ultraviolet rays)：波长10380nm波长300380nm称为近紫外线波长200300nm称为远紫外线波长10200nm称为极远紫外线 红外线(Infrared rays)：波长780106nm波长3m（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3m 的红外线称为远红外线。第二节 光源 (light sources)8.2 光源 光是电磁波谱(Electromagnetic wave spectrum)中的一员; 这些光的频率(波长)各不相同; 都具有反射(reflection)、折射(refraction)、散 射(dispersion)、衍射(diffraction)、干涉 (interference)和吸收(absorption)等性质。8.2 光源远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55 波长/m波数/cm-1频率/Hz光子能量/eV1061051041035105510451031015510141014510131001015050.551015101631018=31010cm / s光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速 c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波长和频率 的关系为的单位为Hz，的单位为cm。 8.2 光源8.2 光源二、光源（发光器件） 1、热辐射光源(钨丝白炽灯 Tungsten lamp)热辐射(heat radiation)光源是通过将物体加热后产生热辐射来实现照明 的，温度越高光越亮。用钨丝(Tungsten filament)通电加热作为光辐射源最 为普通，一般白炽灯(incandescent lamp)的辐射光谱是连续的发光范围：可 见光、大量红外线(infrared)和紫外线(ultraviolet-UV)，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。在普通白炽灯基础上制作的发光器件有卤素灯(Halide lamp)，例如溴Bromine钨灯和碘Iodine钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。 热辐射光源特点：（1）光源谱线丰富，主要涵盖可见光和红外光，适用于 大部分光电传感器；（2）发光效率低；（3）发热大，超过80%的能量转化 为热量；（4）寿命短，一般为1000小时左右；（5）动态特性差，但对接收 光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处；（6）易碎，电压高。8.2 光源2、气体放电灯(Gas electric discharge lamps)定义：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。气体放电灯的光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改 变气体的成分、压力、阴极材料(Cathode material)和放电电流大小，可得到 主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯(Mercury lamp)、氢灯(Hydrogen lamp)、钠灯(Sodium lamp) 、镉灯(Cadmium lamp)、氦灯(Helium lamp)是光谱仪器中常用的光源，统 称为光谱灯(Spectrum lamps)。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐 射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源(Monochromic light source)。如果光谱灯涂以荧光剂(fluorescent agent)，由于光线与涂层材料 的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选 择可以使气体放电发出某一范围的波长，如：照明日光灯(fluorescent lamp) 。 气体放电光源的特点是：效率高，省电，功率大，消耗的能量仅为白 炽灯1/21/3。8.2 光源3、发光二极管LED（Light Emitting Diode）由半导体PN结(PN junction)构成，其工作电压低、响应速 度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。在半导体PN结中，P区的空穴(hole)由于扩散而移动到N区 ，N区的电子(electron)则扩散到P区，在PN结处形成势垒 (barrier)，从而抑制了空穴和电子的继续扩散(diffuse)。当PN结 上加有正向(forward)电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区 ，空穴则由P区注入到N区。所注入到P区里的电子和P区里的空 穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同 时伴随着以光子(photon)形式放出能量，因而有发光现象。8.2 光源与热辐射光源和气体放电光源相比，LED具有突出的特点： 体积小，可以平面封装，属于固体光源，耐震动； 无辐射，无污染，是真正的绿色光源； 功耗低，仅为白炽灯的1/8，荧光灯的1/2，发热少，是典型 的冷光源； 寿命长，一般可达10万小时，是荧光灯的数十倍； 相应快，一般点亮只需1毫秒，适于快速通断和光开关； 供电电压低，易于数字控制，与电路和计算机系统连接方便 ； 在达到相同照度的条件下，LED价格比较贵。目前，LED的应用越来越广泛，特别随着白色LED的出现和价 格的下跌，LED将替代现有的照明光源得到普遍推广。8.2 光源电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度。所 放出的光子能量用h表示，h为普朗克常数，为光的频率。则普朗克Planck常数h = 6.610-34J.s；光速c = 3108m/s； Eg的单位为电子伏（eV），1eV=1.610-19J。hc=19.810-26mWs=12.410-7meV。可见光的波长近似地认为在710-7m以下，所以制作发 光二极管的材料，其禁带宽度(Energy gap)至少应大于 h c /=1.8 eV 普通二极管是用锗Germanium或硅Silicon制造的，这两种 材料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，显然不能使用。8.2 光源常用的砷化镓(Gallium Arsenide)和磷化镓(Gallium Phosphide) 两种材料固溶体(Solid solution) ，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓 的比例，当x0.35时，可得到Eg1.8eV的材料。改变x值还可 以决定发光波长，使在550900nm间变化，它已经进入红外 区。与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表。材料波长/nm材料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400630SiC480ZnxCd1-xTe590830GaP565,680GaAs1-xPx550900GaAs900InPxAs1-x9103150InP920InxGa1-xAs8501350表8-1 LED材料和波长8.2 光源发光二极管的伏安特性(Volt-Ampere characteristic)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。图为砷磷化镓发光 二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。注意，图上的横坐标(Abscissa)正负值刻度比例不同。一般而言，发光 二极管的反向击穿电压大于5V，为了安全起见，使用时反向电压应在5V以下 。U/VI/mA-10-5 0 12GaAsP(红)GaAsP(绿)8.2 光源发光二极管的光谱特性(Spectral characteristic)如图所示。图 中砷磷化镓的曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到 不同的峰值波长p。除峰值波长p决定发光颜色之外，峰Ridge 的宽度（）决定光的色彩纯度，越小，其光色越纯。0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsP p=670nmp=655n mGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs发光二极管的光谱特性/nm相对灵敏度8.2 光源4、激光器 LASER激光(LASER-Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具 有高方向性(Directivity)、高单色性(Monochromaticity)和高亮 度(Brightness)三个重要特性。激光波长从0.24m到远红外整 个光频波段范围。激光器种类繁多，按工作物质分类： u 固体激光器Solid State laser(如红宝石激光器Ruby Laser) u 气体激光器Gas Laser(如氦-氖气体激光器He-Ne Laser 、二氧化碳激光器CO2 Laser) u 半导体激光器(如砷化镓激光器GaAs Laser) u 液体激光器Liquid Laser。 u 化学激光器Chemical Laser。8.2 光源（1）固体激光器 Solid State Laser典型实例是1960年人类发明的第一台激光器：红宝石 (Ruby)激光器，它的工作物质是固体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器（简称YAG激光 器）和钕玻璃激光器等。特点：小而坚固、功率高，钕玻璃激光器(Neodymium glass Laser)是目前脉冲输出功率(Impulse output power)最 高的器件，已达到几十太瓦(Trillion Watt 1,000,000,000,000)。8.2 光源（2）气体激光器 Gas Laser工作物质是气体。种类：各种原子(Atom)、离子(Ion)、金属蒸汽(Metal steam) 、气体分子(Gas molecule)激光器。常用的有氦氖(He-Ne) 激光器、氩离子(Argon Ion)激光器、氪(Krypton)离子激光器 ，以及二氧化碳激光器、准分子激光器(Excimer Laser)等， 其形状像普通的放电管一样，能连续工作，单色性好。它们 的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。 8.2 光源（3）半导体激光器 Semiconductor Laser 与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。 特点：效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜在飞机、军 舰、坦克上应用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄 准敌机。其缺点是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的 波长主要局限在红光和红外区域。 （4）液体激光器 Liquid Laser 种类：螯合物液体激光器(Chelate liquid laser)、无机液体激光器 和有机染料激光器(Organic dye laser)，其中较为重要的是有机 染料激光器。 特点：发出的激光波长可在一段范围内调节，而且效率也不会 降低，因而它能起着其他激光器不能起的作用。