光電測試技術

光電測試技術摘要：光電測試是采用光電的方法對帶有待測信息的光輻射的測試。因此，在任何光電測試系統(tǒng)中，都離不開一定形式的光源，在解決某些具體光電測試問題時，正確合理的選擇光源，往往是成功的關鍵。關鍵字：光源光電測試器激光干涉測量激光多普勒測速光電測試系統(tǒng) AbstractPhotoelectrictestingisusingphotoelectricmethodwithinformationoftestedopticalradiationmeasurement,therefore,inanyphotoelectricmeasuringsystem,thelightsourcecannotdowithoutsomeformof,cansolvesomespecificphotoelectrictestproblems,lightsourceselectionreasonable,isoftenthekeytosuccess.： Key：lightPhotoelectrictesterlaserinterferometrylaserDopplervelocPhotoelectrictestingsystem光電測試的起源、應用、發(fā)展引言在微電子技術蓬勃發(fā)展的同時，人們發(fā)現(xiàn)可以利用光電各自的優(yōu)勢來為我們服務。比如激光器，光電探測器，太陽電池如等方面都需要光電結合。這就是早期的光電子學。隨著光電子學的發(fā)展，人們研究完全利用光來處理信息，于是誕生了光子學。所以可以說，先有了光電子學，又有了光子學。而最終的發(fā)展會是光電的再次統(tǒng)一，即更高一個層次上的光電子學。起源：1.光的產(chǎn)生：光輻射有平衡輻射和非平衡輻射兩大類。平衡輻射是熾熱物體的光輻射，所以又稱熱輻射。它起因于物體的溫度，只要物體的溫度高于絕對零度，這個物體就處在該溫度下的熱平衡狀態(tài)，并發(fā)出相應于這一溫度的熱輻射，物體的溫度比較低時，只輻射紅外光，隨著物體溫度的升高，發(fā)出的光波的波長逐漸向可見光區(qū)擴展。熱輻射光譜只取決于輻射物體的溫度及發(fā)射能力，是連續(xù)光譜，一般白織燈的光輻射就屬于平衡輻射。 發(fā)光是一種非平衡輻射，非平衡輻射是在某種外界作用的激發(fā)下，物體偏離原來的熱平衡狀態(tài)而產(chǎn)生的光輻射光是從實物中發(fā)射出來的，因此實物是由大量的各種帶電粒子組成的。粒子在不斷地運動，當它們的運動受到騷擾時可能發(fā)射出電磁波在此用簡單的孤立原子來說明這個問題，原子內有若干個電子圍繞原子核運動，其運動有多種可能狀態(tài)，不可狀態(tài)對應不同能量，即形成能級。在原子內這些能級的能量是不連續(xù)的，或者說是一系列分立的能級，能量大的稱為高能級，能量低的稱為低能級，最低的稱為基態(tài)，在正常情況下，電子總是處在能量最低的運動狀態(tài)。 激發(fā)是一個能量轉移的過程，一個系統(tǒng)在被激發(fā)時便從激光源得到能量，由低能態(tài)E1，越到高能態(tài)E2;電子受激勵躍遷到較高能級只能維持很短的時間，很快就要回到低能級，這個激發(fā)態(tài)向下回到低能級的過程中，必然釋放出多余的能量。由于能量必須守衡，故多余的能量便可能光的形式釋放出來，這就是激發(fā)發(fā)光。激發(fā)發(fā)光的波長取決于系統(tǒng)在高低能態(tài)時的能量差E1—E2=ΔE，ΔE正是發(fā)生出光子所需的能量。如果有外來的激勵，電子獲得一定能量，就可能進入激發(fā)態(tài)區(qū)，當電子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時，能量從E1變到E2，光子的頻率ε=hν光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規(guī)范玻色子。光子是電磁輻射的載體，而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。與大多數(shù)基本粒子相比，光子的靜止質量為零，這意味著其在真空中的傳播速度是光速。與其他量子一樣，光子具有波粒二象性：光子能夠表現(xiàn)出經(jīng)典波的折射、干涉、衍射等性質；而光子的粒子性則表現(xiàn)為和物質相互作用時不像經(jīng)典的粒子那樣可以傳遞任意值的能量，光子只能傳遞量子化的能量。對可見光而言，單個光子攜帶的能量約為4×10-19焦耳，這樣大小的能量足以激發(fā)起眼睛上感光細胞的一個分子，從而引起視覺。除能量以外，光子還具有動量和偏振態(tài)，但單個光子沒有確定的動量或偏振態(tài)。 因為原子有很多可能的能級，因而原子受激勵后能發(fā)射出多種頻率的光，這些頻率是分立的，通過適當?shù)膬x器可以把它們比例顯示出來分立現(xiàn)狀光譜，成為原子光譜，其中每一條譜線代表一個頻率的光。任何一塊很小的物體采用適當?shù)募睿缮A為蒸汽，氣態(tài)中的原子都是互不相關的可以看成許多孤立的原子。受激勵的每一個原子都可能發(fā)射出光子。光子的總和既是肉眼能看到或儀器所能測量到的電磁輻射。各個原子發(fā)射光子的過程基本上是互相獨立的，即使是完全相同的兩個能級之間的躍遷。光子發(fā)射的時間也有先有后。原子在發(fā)射光子時取向也有各種可能，光子因而可以向各個方向發(fā)射?；妶龅恼饎臃较蛞灿懈鞣N可能。因此，發(fā)射出來的光沒有單一的發(fā)射方向。也就是說，光子發(fā)射的時間、方向電場相應偏振方向都是隨機的，這樣的光就是非相干的自然光。從量子躍遷的角度來認識，固體中的光散射常常主要是一些高階的量子躍遷過程。以在半導體中點陣振動的喇曼散射為例，它主要的是如下的過程：半導體吸收一個入射光光子，產(chǎn)生一對電子空穴，電子（或空穴）再發(fā)射或吸收一個或幾個聲子，然后，通過發(fā)射一個散射光光子而復合。初態(tài)與終態(tài)的能量守恒與動量守恒關系給出入射光與散射光的頻率與波矢關系。應注意，在高階量子躍遷過程中,初態(tài)與中間態(tài)并不要求能量守恒;在上述例子中并不要求產(chǎn)生的電子空穴對的能量與入射光光子能量相同，也不要求電子（或空穴）發(fā)射或吸收聲子的過程能量守恒。但如果中間態(tài)接近于能量守恒時，過程的幾率會大大增加。在光散射中，這叫做共振散射。通常的光散射中,發(fā)射散射光子的過程主要是自發(fā)輻射;但當入射光很強時，一定條件下，也會變成主要靠受激發(fā)射。這時把后者叫做受激散射。而把前者叫做自發(fā)散射。有時，從光傳播的規(guī)律著眼，把受激散射叫做非線性散射，自發(fā)散射叫線性散射。當然，這種從量子躍遷角度的理論分析與前面從極化率的漲落的角度的分析，實質上是一致的。2光的產(chǎn)生方法：（1）電致發(fā)光[1](英文electroluminescent)，又可稱電場發(fā)光，簡稱EL，是通過加在兩電極的電壓產(chǎn)生電場，被電場激發(fā)的電子碰擊發(fā)光中心，而引致電子解級的躍進、變化、復合導致發(fā)光的一種物理現(xiàn)象。電致發(fā)光物料的例子包括摻雜了銅和銀的硫化鋅和藍色鉆石。目前電致發(fā)光的研究方向主要為有機材料的應用。電致發(fā)光板是以電致發(fā)光原理工作的。電致發(fā)光板是一種發(fā)光器件，簡稱冷光片、EL燈、EL發(fā)光片或EL冷光片，它由背面電極層、絕緣層、發(fā)光層、透明電極層和表面保護膜組成，利用發(fā)光材料在電場作用下產(chǎn)生光的特性，將電能轉換為光能。（2）光致發(fā)光：物體依賴外界光源進行照射，從而獲得能量，產(chǎn)生激發(fā)導至發(fā)光的現(xiàn)象，它大致經(jīng)過吸收、能量傳遞及光發(fā)射三個主要階段，光的吸收及發(fā)射都發(fā)生于能級之間的躍遷，都經(jīng)過激發(fā)態(tài)。而能量傳遞則是由于激發(fā)態(tài)的運動。紫外輻射、可見光及紅外輻射均可引起光致發(fā)光。如磷光與熒光（3）熱發(fā)光：處于次穩(wěn)定狀態(tài)固定的能量，隨著溫度的上升而活化變成電子的激發(fā)能，進而再以光子的形式放出稱此物理現(xiàn)象為熱發(fā)光。植物的葉或葉綠體在低溫下用光照射后，當溫度上升時便可觀察到熱發(fā)光。其光譜與葉綠素a的熒光光譜類似。 2光源的基本選擇要求為了適應各種不同場合的實際需要,存在各種不同光學性質和結構特點的光源.在具體的光學測量系統(tǒng)中,應按實際工作的要求選擇光源.這些要求主要包括以下幾個方面.1.對光源發(fā)光光譜特性的要求光學測量系統(tǒng)中總是要求光源特性滿足測量的需要.其中重要的要求之一,就是光源發(fā)光的光譜特性必須滿足測量系統(tǒng)的需要,按照測量任務不同,要求的光譜范圍亦不同,如可見光區(qū),紫外光區(qū)或紅外光區(qū)等.系統(tǒng)對光譜范圍的要求都應在選擇光源時給予滿足.光學測量中常用光源為增大測量系統(tǒng)的信噪比,引入光源和光電探測器之間光譜匹配系數(shù)的概念,以此描述兩光譜特性間的重合程度或一致性.光譜匹配系數(shù)αSλWλ∞∞A1SλWλα==∫WλSλdλ/∫Wλdλ00A2A2式中Wλ為波長λ時光源光輻射通量A1的相對值;Sλ為波長λ時光電探測器靈敏度的相對值.λA1和A2的物理意義如圖所示,它們分布表示SλWλ和Wλ兩曲線所圍成的面積,由此可見,是光源與探測器配合工作時α產(chǎn)生的光電信號與光源總通量的比值.實際選擇時,應綜合兼顧二者的特性,使α盡可能大些光學測量中常用光源.對光源發(fā)光強度的要求為確保光學測量系統(tǒng)正常工作,通常對所采用的光源的強度有一定的要求.光源強度過低,系統(tǒng)獲得信號過小,以致無法正常檢測;光源強度過高,又會導致系統(tǒng)工作的非線性,有時可能損壞系統(tǒng),待測物或者光電探測器.因此設計時,必須對探測器所需獲得的最大,最小光通量進行準確估計,并按估計來選擇光源.3.對光源穩(wěn)定性的要求不同的測量系統(tǒng)對光源三維穩(wěn)定性有著不同的要求.通常對于以光強幅度變化來得到被測量的系統(tǒng),對光源的穩(wěn)定性要求較高;而對以光的相位,頻率等參數(shù)來得到被測量的系統(tǒng),對光源的穩(wěn)定性要求可稍低些.穩(wěn)定光源發(fā)光的方法很多,可采用穩(wěn)壓電源供電,也可采用穩(wěn)流電源供電或者采用反饋控制光源的輸出.同,通常將光源分成兩大類:自然光源:太陽,月亮,星星等這些光源對地面輻射通常不穩(wěn)定且無法控制,很少在光學測量系統(tǒng)中采用,通常作為雜散光需要予以消除或抑制它對測量的影響.應用光電探測器：光電探測器的工作原理是基于光電效應，熱探測器基于材料吸收了光輻射能量后溫度升高，從而改變了它的電學性能，它區(qū)別于光子探測器的最大特點是對光輻射的波長無選擇性。光電子發(fā)射器件：光電管與光電倍增管是典型的光電子發(fā)射型（外光電效應）探測器件。其主要特點是靈敏度高，穩(wěn)定性好，響應速度快和噪聲小，是一種電流放大器件。尤其是光電倍增管具有很高的電流增益，特別適于探測微弱光信號；但它結構復雜，工作電壓高，體積較大。光電倍增管一般用于測弱輻射而且響應速度要求較高的場合，如人造衛(wèi)星的激光測距儀、光雷達等。光電導器件：利用具有光電導效應的半導體材料做成的光電探測器稱為光電導器件，通常叫做光敏電阻。在可見光波段和大氣透過的幾個窗口，即近紅外、中紅外和遠紅外波段，都有適用的光敏電阻。光敏電阻被廣泛地用于光電自動探測系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、導彈制導、紅外光譜系統(tǒng)等。硫化鎘CdS和硒化鎘CdSe光敏電阻是可見光波段用得最多的兩種光敏電阻；硫化鉛PbS光敏電阻是工作于大氣第一個紅外透過窗口的主要光敏電阻，室溫工作的PbS光敏電阻響應波長范圍1.0～3.5微米，峰值響應波長2.4微米左右；銻化銦InSb光敏電阻主要用于探測大氣第二個紅外透過窗口，其響應波長3～5μm；碲鎘汞器件的光譜響應在8～14微米，其峰值波長為10.6微米，與CO2激光器的激光波長相匹配，用于探測大氣第三個窗口（8～14微米）光電探測器件的應用選擇，實際上是應用時的一些事項或要點。在很多要求不太嚴格的應用中，可采用任何一種光電探測器件。不過在某些情況下，選用某種器件會更合適些。例如，當需要比較大的光敏面積時，可選用真空光電管，因其光譜響應范圍比較寬，故真空光電管普遍應用于分光光度計中。當被測輻射信號微弱、要求響應速度較高時，采用光電倍增管最合適，因為其放大倍數(shù)可達to'以上，這樣高的增益可使其信號超過輸出和放大線路內的噪聲分量，使得對探測器的限制只剩下光陰極電流中的統(tǒng)計變化。因此，在天文學、光譜學、激光測距和閃爍計數(shù)等方面，光電倍增管得到廣泛應用。固體光電探測器用途非常廣。CdS光敏電阻因其成本低而在光亮度控制（如照相自動曝光）中得到采用；光電池是固體光電器件中具有最大光敏面積的器件，它除用做探測器件外，還可作太陽能變換器；硅光電二極管體積小、響應快、可靠性高，而且在可見光與近紅外波段內有較高的量子效率，困而在各種工業(yè)控制中獲得應用。硅雪崩管由于增益高、響應快、噪聲小，因而在激光測距與光纖通信中普遍采用。為了提高傳輸效率并且無畸變地變換光電信號，光電探測器不僅要和被測信號、光學系統(tǒng)相匹配，而且要和后續(xù)的電子線路在特性和工作參數(shù)上相匹配，使每個相互連接的器件都處于最佳的工作狀態(tài)?，F(xiàn)將光電探測器件的應用選擇要點歸納如下：光電探測器必須和輻射信號源及光學系統(tǒng)在光譜特性上相匹配。如果測量波長是紫外波段，則選用光電倍增管或專門的紫外光電半導體器件；如果信號是可見光，則可選用光電倍增管、光敏電阻和Si光電器件；如果是紅外信號，則選用光敏電阻，近紅外選用Si光電器件或光電倍增管；光電探測器的光電轉換特性必須和入射輻射能量相匹配。其中首先要注意器件的感光面要和照射光匹配好，因光源必須照到器件的有效位置，如光照位置發(fā)生變化，則光電靈敏度將發(fā)生變化。如光敏電阻是一個可變電阻，有光照的部分電阻就降低，必須使光線照在兩電極間的全部電阻體上，以便有效地利用全部感光面。光電二極管、光電三極管的感光面只是結附近的一個極小的面積，故一般把透鏡作為光的入射窗，要把透鏡的焦點與感光的靈敏點對準。一股要使入射通量的變化中心處于檢測器件光電特性的線性范圍內，以確保獲得良好的線性輸出。對微弱的光信號，器件必須有合適的靈敏度，以確保一定的信噪比和輸出足夠強的電信號；光電探測器必須和光信號的調制形式、信號頻率及波形相匹配，以保證得到?jīng)]有頻率失真的輸出波形和良好的時間響應。這種情況主要是選擇響應時間短或上限頻率高的器件，但在電路上也要注意匹配好動態(tài)參數(shù)；光電探測器必須和輸入電路在電特性上良好地匹配，以保證有足夠大的轉換系數(shù)、線性范圍、信噪比及快速的動態(tài)響應等；為使器件能長期穩(wěn)定可靠地工作，必須注意選擇好器件的規(guī)格和使用的環(huán)境條件，并且要使器件在額定條件下使用；光電探測器功能上的提升現(xiàn)下的金屬探測器除了基本的探測警報功能外,一般都會提供許多各廠商精心研發(fā)的特殊功能，如：地表平衡的功能：以利機器正確比對是否發(fā)現(xiàn)金屬物而非干擾；選取功能：利用不同金屬物體對磁場反應差異特性來遴選或排除不同類別之金屬物件且警報提示深度的標示，可以告知所探測到的金屬物體被埋藏的可能深度；面積的標示：可以顯示探測到的金屬物體大小，提供操作人員研判是否符合開挖的需求；語音的提示：可以立刻以語音提醒操作人員，比如燈光的照明-提供燈光以利于夜間運作。各種金屬探測器的實際用途按功能市場分析：全金屬探測器：能檢測到所有不同材質的金屬雜質，所以這款產(chǎn)品在全球市場來說，占有率是最高的，也比較受到各種用戶的喜愛。而且這款產(chǎn)品用途很廣，主要用于專門用于肉類、菌類、糖果、飲料、糧食、果蔬、乳制品、水產(chǎn)品、保健品、添加劑和調味品等食品中的鐵金屬以及非鐵金屬雜質的檢測；用于化工原料、橡膠、塑膠、紡織品、皮革、化纖、玩具中的金屬雜質檢測用于醫(yī)藥、保健品、生物制品、化妝品、禮品、包裝、紙品中的金屬雜質；鐵金屬探測器，又叫“檢針機”“驗針機”“過針機”這類產(chǎn)品只能用于檢測鐵金屬雜質，主要用于服裝，紡織等縫制品行業(yè)，用于檢測縫制品生產(chǎn)過程中遺留中產(chǎn)品中的斷針。特別提醒：檢針機不能應用于食品行業(yè)，因為檢針機主要靠物理磁場和電磁場磁力檢測，（檢針機的探測頭里面是磁鐵），檢針機的靈敏度會隨著磁鐵的磁性減弱而降低，所以這款設備使用壽命較短，再加上檢針機只能檢測鐵金屬，市場上面臨淘汰的局面；鋁箔金屬探測器：主要用于檢測鋁膜或者鋁鉑包裝的產(chǎn)品。工來生產(chǎn)中的很多藥品，食品都用鋁膜或者鋁鉑包裝，只能用這類設備來檢測。這款產(chǎn)品技術水平比較高，價格比較昂貴。一般價格在三十萬以上。按用途來劃分：手持金屬探測器：最早應用于機場，車間，碼頭，傳揚，場館的公共安檢；工業(yè)上主要用于防止企業(yè)含量有金屬萬分的產(chǎn)品流失；最近幾年在中國市場也應用在各種