Cảm biến quang học

Introduction Optical sensors are measuring devices in which a measured quantity is converted to an optical and, subsequently, an electrical signal by means of an optoelectronic transducer ([10]). Optical sensors belong to the class of contactless methods of measurement eliminating backward influence of a measuring device on an object of measurement. As output signals from optical sensors are of an electronic nature and the methods of their further conditioning are generally known, the main attention will be devoted to the optical part of a sensor. Giới thiệu Cảm biến quang học có phương tiện đo trong đó một số lượng đo được chuyển đổi đến một quang học và sau đó, một tín hiệu điện bằng phương tiện của một Optoelectronic transducer ([10]). Cảm biến quang thuộc về lớp học của các phương pháp tiếp xúc của đo lường loại bỏ lạc hậu, ảnh hưởng của một thiết bị đo trên một đối tượng của đo lường. Khi tín hiệu đầu ra từ bộ cảm biến quang học là một tính chất điện tử và các phương pháp điều thêm của họ thường được biết đến, được sự quan tâm chính sẽ được dành cho một phần của bộ cảm biến quang học một.

Optical sensors are measuring devices in which a measured quantity is converted

to an optical and, subsequently, an electrical signal by means of an optoelectronic

transducer ([10]) Optical sensors belong to the class of contactless methods of

measurement eliminating backward influence of a measuring device on an object of

measurement

As output signals from optical sensors are of an electronic nature and the

methods of their further conditioning are generally known, the main attention will be

devoted to the optical part of a sensor

Giới thiệu

Cảm biến quang học có phương tiện đo trong đó một số lượng đo được chuyển đổi đến một quang học và sau đó, một tín hiệu điện bằng phương tiện của một

Optoelectronic transducer ([10]) Cảm biến quang thuộc về lớp học của các phương pháp tiếp xúc của đo lường loại bỏ lạc hậu, ảnh hưởng của một thiết bị đo trên một đối tượng của đo lường.

Khi tín hiệu đầu ra từ bộ cảm biến quang học là một tính chất điện tử và các

phương pháp điều thêm của họ thường được biết đến, được sự quan tâm chính sẽ được dành cho một phần của bộ cảm biến quang học một.

2.1 Optical waveguides and fibers

The simplest structure of an optical fiber used in optical sensors consists of a

circular core with a cylindrical coating layer ([33])

The index of refraction of a core, nj, is always larger than that of coating, np The

zero loss propagation of light along the fiber requires the fulfillment of conditions

for the total internal reflection, which are reached

2.1 Waveguides và sợi quang

Cơ cấu đơn giản nhất của một sợi quang được sử dụng trong bộ cảm biến quang học bao gồm một

Thông tư nhân với một lớp sơn hình trụ ([33]).

Chỉ số của khúc xạ của lõi một, nj, luôn luôn lớn hơn của lớp phủ, np Cái

không mất tuyên truyền của ánh sáng dọc theo sợi đòi hỏi việc hoàn thành các điều kiện để phản ánh tổng số nội bộ, được đạt đếna

For internal reflection on the boundary between the core and the coating (Figure

2.1) the value of the critical angle may be found from the formula

Để phản ánh nội bộ trên ranh giới giữa lõi và các lớp phủ (Hình

2.1), giá trị của góc quan trọng có thể được tìm thấy từ công thức

The light introduced into the fiber with a certain angle will continue to reflect off

the walls of the fiber and thus can travel long distances in the fiber

Ánh sáng đưa vào sợi với một góc độ nào đó sẽ tiếp tục phản ánh giảm giá

các bức tường của sợi và do đó có thể di chuyển xa trong sợi.

2.2 Light sources and detectors

2.2.1 Light sources

From the variety of existing light sources (incandescent lamps, halogen lamps,

etc.) only semiconductor sources ([8],[9],[19]) will be briefly described

2.2.1.1 Semiconductor sources of light

Solid-state light sources such as light emitting diodes (LEDs) can produce light

by means of electroluminescence Under specific conditions coherent light can be

produced in laser diodes.

Other technologies such as the Texas Instruments’ micromirror devices, called

“digital light processors”, belong to the category of electronically-controlled light

2.2 Nguồn ánh sáng và thiết bị dò

2.2.1 Nguồn ánh sáng

Từ nhiều hiện có nguồn ánh sáng (đèn sợi đốt, đèn halogen,

vv) nguồn bán dẫn chỉ ([8], [9], [19]) sẽ được miêu tả ngắn gọn.

2.2.1.1 Bán dẫn nguồn của ánh sáng

Solid-state nguồn ánh sáng như điốt phát ra ánh sáng (LED) có thể sản xuất ra ánh sáng

bằng phương tiện của electroluminescence Dưới điều kiện cụ thể mạch lạc ánh sáng

có thể được

sản xuất tại điốt laser.

Các công nghệ khác như thiết bị micromirror của Texas Instruments ', gọi là

"Bộ vi xử lý kỹ thuật số ánh sáng", thuộc về chủng loại đèn điện tử điều khiển

sources important in measuring tasks working with structured light (machine vision,

videometry)

nguồn quan trọng trong đo lường công việc làm việc với ánh sáng có cấu trúc (máy tầm nhìn,

videometry).

Light Emitting Diode structure

LEDs are p-n junction devices constructed of junctions producing IR or visible

light (e.g gallium arsenide – GaAs, but not Si or Ge) The junction in an LED is

forward biased and when electrons cross the junction from the n- to the p-type

material, the electron–hole recombination process produces some photons in the IR

or visible range in a process called electroluminescence

An LED is a directional light source, with the maximum emitted power in the

direction perpendicular to the emitting surface (most of the energy is emitted within

20º of the direction of maximum light) Most of the LEDs include plastic lenses to

spread the light for a greater angle of visibility

Light emitting diode cấu trúc

LED là thiết bị xây dựng đường giao nhau của các mối nối pn IR sản xuất hoặc có thể nhìn thấy

ánh sáng (ví dụ như gali arsenide - GaAs, nhưng không phải Si hoặc Ge) Các đường giao nhau trong một LED là

chuyển tiếp điện tử thành kiến và khi băng qua đường giao nhau từ n-to-p các loại vật liệu, các electron-hole tái kết hợp quy trình sản xuất một số photon trong IR hoặc có thể nhìn thấy nhiều trong quá trình gọi là electroluminescence.

LED An là một nguồn ánh sáng định hướng, với sức mạnh được phát ra tối đa trong hướng vuông góc với bề mặt phát xạ (phần lớn năng lượng được phát ra trong vòng

20 º của sự chỉ đạo của ánh sáng tối đa) Hầu hết các đèn LED bao gồm các ống kính bằng nhựa để lan truyền ánh sáng cho một góc lớn hơn của tầm nhìn.

One way to construct an LED is to deposit three semiconductor layers on a

substrate (Figure 2.3) Between p-type and n-type semiconductor layers, an active

region emits light when an electron and hole recombine If the p-n combination is a

diode and when the diode is forward biased, holes from the p-type material and

electrons from the n-type material are both driven into the active region In this

particular design, the layers of the LED emit light all the way around the layered

structure The LED structure is placed in a tiny reflective cup so that the light from

the active layer will be reflected toward the desired exit direction

Một cách để xây dựng một đèn LED là tiền đặt cọc ba lớp bán dẫn trên một

chất nền (Hình 2,3) Giữa p-type và n-lớp bán dẫn loại, một hoạt động

khu vực phát ra ánh sáng khi một điện tử và recombine lỗ Nếu p-n là một sự kết hợp Diode và khi diode được chuyển thành kiến, lỗ từ p-vật liệu và kiểu

electron từ n-loại nguyên liệu đều được cả hai hướng vào các khu vực hoạt động Trong

đặc biệt là thiết kế, các lớp của đèn LED phát ra ánh sáng tất cả các con đường quanh lớp

cơ cấu Cơ cấu LED được đặt trong một chén nhỏ để phản chiếu ánh sáng từ

lớp hoạt động sẽ được phản ánh về phía hướng thoát ra mong muốn.

2.2.1.2 Laser diodes

Laser action (with the resultant monochromatic and coherent light output) can be

achieved in a p-n junction formed by two doped GaSe layers The two ends of the

structure need to be optically flat and parallel, with one end mirrored and the other

partially reflective The length of the junction must be precisely related to the

wavelength of the light to be emitted

The junction is forward biased and the recombination process produces light as

in the LED (incoherent) Above a certain current level the majority of the charge

carriers are in high energy states (population inversion) Population inversion

(Figure 2.5) leads to stimulated emission, the photons moving parallel to the

junction initiate a laser action

The photons produced by stimulated emission form a standing wave

(constructive interference) in the resonator The distance between the parallel highly

reflective mirrors of the optical resonator is matched to the wavelength of the laser

radiation and only a very small part of it is coupled out of the resonator

2.2.1.2 Laser diode

Laser hành động (với các kết quả đầu ra ánh sáng đơn sắc và mạch lạc) có thể được đạt được trong một đường giao nhau pn tạo thành bởi hai lớp doped GaSe Hai kết thúc của

cơ cấu cần phải được quang học phẳng và song song, với một đầu được nhân đôi và khác

một phần phản xạ Chiều dài của đường giao nhau phải được chính xác liên quan đến bước sóng của ánh sáng sẽ được phát ra.

Đường giao nhau này được chuyển thành kiến và quá trình tái kết hợp tạo ra ánh sáng như

trong (LED không liên tục) Trên một mức độ nhất định hiện hành của đa số phụ trách các

tàu sân bay nằm trong tiểu bang năng lượng cao (dân số đảo ngược) Dân số đảo ngược

(Hình 2,5) dẫn đến phát thải kích thích, các photon chuyển động song song với

đường giao nhau bắt đầu một hành động laser.

Các photon sản xuất bằng hình thức phát xạ kích thích một làn sóng đứng

(xây dựng can thiệp) trong các tiếng kêu vang Khoảng cách giữa song song các cao gương phản chiếu của tiếng kêu vang quang là phù hợp với bước sóng laser

bức xạ và chỉ có một phần rất nhỏ của nó là kết trên các tiếng kêu vang.

2.2.2 Light detectors

2.2.2.1 Photoresistors

Photoresistors are devices whose resistance changes upon light entering the

surface The most common materials for their fabrication are cadmium-based

materials (CdSe, CdS, CdTe), working in the visible range of the spectrum (400 nm

to 700 nm) In the infrared range (1.4 m to 3 m) lead-based materials prevail

(PbS, PbSe, PbTe) For the range from 3 m up to 1 mm indium-based materials

(InSb, InAs) and doped Si and Ge are suitable

Analysis shows that a single photon releases about 900 electrons for conduction

making a photoresistor work as a photomultiplier and therefore is a very sensitive

device

The time response of a photoresistors is usually slow (fractions of a second) and

they find applications in light switches (street lamps switching), automatic headlight

dimmers in cars, flame detection, measurement of density of toner in photocopying

machines, etc.).

2.2.2 Ánh sáng dò

2.2.2.1 Photoresistors

Photoresistors là thiết bị có sức đề kháng thay đổi theo ánh sáng vào

bề mặt Các tài liệu phổ biến nhất của họ được chế tạo dựa trên cadmium

vật liệu (CdSe, CdS, CdTe), làm việc trong phạm vi có thể nhìn thấy của quang phổ (400 nm

đến 700 nm) Trong phạm vi hồng ngoại (1,4 μm đến 3 μm) dẫn dựa trên các tài liệu m đến 3 μm đến 3 μm) dẫn dựa trên các tài liệu m) dẫn dựa trên các tài liệu

ưu tiên áp dụng

(PBS, PbSe, PbTe) Đối với phạm vi từ 3 μm đến 3 μm) dẫn dựa trên các tài liệu m đến 1 mm indi dựa trên nguyên vật liệu (InSb, InAs) và doped Si và Ge là phù hợp.

Phân tích cho thấy rằng một bản phát hành photon đơn khoảng 900 cho các điện tử dẫn điện

làm một công việc photoresistor như là một quang tử và do đó là rất nhạy cảm

thiết bị.

Các thời gian đáp ứng của một photoresistors thường chậm (phân số của giây) và

họ tìm thấy ứng dụng trong công tắc đèn (đèn đường chuyển mạch), đèn pha tự động Dimmers trong xe, ngọn lửa phát hiện, đo mật độ của mực in photocopy

máy móc, vv).

2.2.2.2 Photodiodes

If a p-n junction of a photodiode is forward biased and is exposed to light of a

proper wavelength, the current increase will be very small with respect to a dark

current If a junction is reverse biased, the current will increase quite noticeably

Impinging photons create electron–hole pairs Correspondingly, the created holes

flow to the negative terminal meaning that a photocurrent flows in the network The

voltage-to-current response of a typical photodiode is shown in Figure 2.6

2.2.2.2 Photodiodes

Nếu một đường giao nhau pn của photodiode là một thành kiến và mong được tiếp xúc với ánh sáng của một

bước sóng thích hợp, sự gia tăng hiện nay sẽ rất nhỏ đối với một tối

hiện tại Nếu đường giao nhau một là đảo ngược thành kiến, việc hiện tại sẽ tăng khá

rõ rệt.

Photon Impinging tạo cặp electron-lỗ Tương ứng, tạo ra các lỗ

dòng chảy đến ga phủ định nghĩa là một photocurrent chảy trong mạng Cái

điện áp-to-phản ứng hiện nay của một photodiode điển hình được hiển thị trong hình 2.6.

There are two general operating modes for a photodiode: the photoconductive

(PC) and the photovoltaic (PV)

Photoconductive mode of operation

In the PC mode the diode is reverse biased by a voltage less than zero (Figure

2.6) and the diode operates in the third quadrant of the V/A characteristic The

current is almost linearly proportional to the light intensity but instead of the current

the voltage drop on the load resistor LR connected in series is measured For small

LR the response to the step of the light intensity corresponds to bandwidths of

hundreds of MHz (when the junction is polarized in reverse direction its capacity

decreases)

Photovoltaic mode of operation

A typical photodiode (Figure 2.7) is composed of layers P+ N (p-n junction) and

layer N+ placed close to the contact electrode When the light is absorbed in the area

of the p-n junction, the electrical field in the depletion region causes a drift of holes

to domain P, and electrons to domain N As a result of this drift movement a positive

voltage appears on the anode of the diode The electron–hole pairs are generated in

the P+ domain with high concentration and thus will not contribute substantially to

the photocurrent

Có hai chế độ hoạt động chung cho một photodiode: các photoconductive

(PC) và quang điện (PV).

Photoconductive chế độ hoạt động

Ở chế độ máy tính diode là đảo ngược kiến bằng điện áp một ít hơn số không (Hình 2,6) và diode các hoạt động ở góc tọa độ thứ ba của V / A đặc trưng Cái

hiện nay gần như là tuyến tính tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng nhưng thay vì hiện nay

thả điện áp trên điện trở tải LR kết nối trong loạt được đo Ví nhỏ

LR những phản ứng bước của các cường độ ánh sáng tương ứng với băng thông của hàng trăm MHz (khi đường giao nhau được phân cực theo hướng ngược lại khả năng của mình

giảm).

Quang điện chế độ hoạt động

Một photodiode điển hình (hình 2,7) bao gồm các lớp P + N (pn đường giao nhau) và lớp N + được đặt gần với liên lạc điện cực Khi ánh sáng được hấp thụ trong khu vực của các đường giao nhau pn, lĩnh vực điện trong khu vực suy giảm gây ra trôi dạt của lỗ

P đến tên miền, và các điện tử đến tên miền N Do kết quả của phong trào này trôi dạt một tích cực

điện áp xuất hiện trên anôt của diode này Các cặp electron-lỗ được tạo ra trong

P + miền với nồng độ cao và vì vậy sẽ không đóng góp đáng kể vào

các photocurrent.

Eventually the electron–hole pairs generated by absorption in the depth are too

far from the depletion region and soon they will be recombined and lost for the

signal current

Due to the absorption of photons in the N domain, the concentration of the holes

increases The change in the concentration of the electrons by absorption is

negligible compared to the already high concentration of them in the N domain As a

result the holes diffuse towards the depletion region and even if the speed of

diffusion is small compared to the speed of the drift, they reach the depletion region

without being lost by recombination Once they reach the region their movement

(drift) is accelerated by the electric field of the depletion region Because the speed

of diffusion is much smaller than the speed of the drift movement and the reaction of

photodiode is slower with respect to the case, when carriers would have been

generated in the depletion region

Cuối cùng cặp electron-lỗ được tạo ra bởi sự hấp thụ ở độ sâu quá

xa khu vực suy giảm và họ sẽ sớm được recombined và mất cho

tín hiệu hiện hành.

Do sự hấp thu photon trong miền N, nồng độ của các lỗ

tăng Sự thay đổi nồng độ của các điện tử bởi sự hấp thụ được

không đáng kể so với nồng độ cao của họ đã ở miền N Là một

Kết quả các lỗ khuếch tán hướng về khu vực và ngay cả khi sự suy giảm tốc độ

phổ biến là nhỏ so với tốc độ của trôi, họ tiếp cận các khu vực suy giảm

mà không bị mất bằng cách tái kết hợp Một khi họ tiếp cận các khu vực chuyển động của họ

(drift) được tăng tốc bằng điện trường của khu vực suy giảm Bởi vì tốc độ

của khuếch tán là nhỏ hơn nhiều so với tốc độ của phong trào trôi và phản ứng của photodiode là chậm hơn đối với các trường hợp, khi các tàu sân bay sẽ được

tạo ra trong khu vực suy giảm.

When a photodiode operates at the load with zero resistance (short-circuit), the

intensity of the current is directly proportional to the light intensity

On the other hand, if the voltage across the diode is measured, voltage is then

approximately a logarithmic function of the illumination and reaches a typical value

of 0.3 to 0.5 V

As no bias is applied to the diode in the photovoltaic operating mode, there is no

dark current, so there is only thermal noise present This allows much better

sensitivities at low light levels However, the speed response is worse due to an

increase in the junction capacity and a response to longer wavelengths is also

reduced

PIN photodiode

The PIN photodiode (Figure 2.7) uses an extra high-resistance layer, I, between

the p and n layers to improve response time The light penetrates through the thin P+

layer to the intrinsic layer, I, where it is absorbed The speed of movement of the

generated charges is high due to the electrical field of the depletion region The

response time of the PIN photodiodes is of the order of several nanoseconds

Khi photodiode một hoạt động ở tải với số không kháng chiến (ngắn mạch), các cường độ của hiện tại là tỷ lệ thuận với cường độ ánh sáng.

Mặt khác, nếu điện áp qua các diode được đo, điện thế là sau đó

khoảng một hàm lôgarít của chiếu sáng và đạt tới một giá trị tiêu biểu

của 0,3-0,5 V.

Theo thiên vị không được áp dụng cho các diode ở chế độ hoạt động quang điện, không có

tối hiện tại, do đó, chỉ có tiếng ồn nhiệt hiện tại Điều này cho phép tốt hơn

nhạy cảm ở các cấp độ ánh sáng yếu Tuy nhiên, tốc độ phản ứng xấu do một

tăng dung lượng đường giao nhau và để đáp ứng một bước sóng dài hơn cũng là giảm.

PIN photodiode

2.2.2.3 Phototransistor

A phototransistor (Figure 2.7) operates as a combination of a reverse biased

photodiode and a conventional transistor The light incident on the collector-base

junction generates electron–hole pairs Electrons from the base and the collector

region flow toward the positive voltage source (for an npn transistor) and they are

returned to the collector through the emitter, where they are pulled into the collector

by the electric field The photon-induced base current is then amplified as in a

conventional transistor, which makes the phototransistor a very sensitive light

detector The V-A characteristics of the phototransistor differ from those of a

conventional transistor only in the fact that now the role of the base current is

illumination

2.2.2.4 Position Sensitive photo-Detectors (PSD)

Position sensitive photodetectors or “light potentiometers” are designed for

applications, where a measured quantity is converted to a position of the light beam

([13]) The substance of a PSD sensor is the generation of the electron–hole pairs in

an intrinsic layer

2.2.2.3 Phototransistor

Một phototransistor (Hình 2,7) hoạt động như là một sự kết hợp của một đảo ngược kiến

photodiode và một bóng bán dẫn truyền thống Các sự cố ánh sáng trên các bộ thu-base

đường giao nhau tạo ra cặp electron-lỗ Điện tử từ các cơ sở và các bộ thu

khu vực dòng chảy về hướng các nguồn điện áp tích cực (để có transistor NPN) và họ là

quay trở lại bộ thu thông qua emitter, nơi họ được kéo vào các bộ thu

bởi trường điện Các photon-induced cơ sở hiện nay là sau đó khuếch đại như trong một

thường bán dẫn, mà làm cho phototransistor một ánh sáng rất nhạy cảm

soi Các đặc tính VA của phototransistor những khác biệt với những người trong một tranzito thường chỉ có trong thực tế là bây giờ vai trò của các cơ sở hiện tại là

chiếu sáng.

2.2.2.4 Vị trí nhạy cảm ảnh-Detectors (PSD)

Photodetectors Vị trí nhạy cảm hoặc "potentiometers ánh sáng" được thiết kế cho ứng dụng, nơi một số lượng đo được chuyển đến một vị trí của các chùm ánh sáng ([13]) Các chất của một cảm biến PSD là thế hệ của electron-cặp lỗ trong

một lớp nội tại