第9章 光学传感器Word文档下载推荐.docx

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光学传感器具有非接触性，不受电干扰，高灵敏度、高精度、高时空分辨率，可进行全场三维测试等有别于其它传统传感器的显著特点。

因此，它的应用领域十分广泛，凡是能与光波（场）相互作用而引起光波特性或参数改变的物理量（场）、生物量、化学量皆可作用之。

9.1无源电光式传感器

1893年，Pockels证实了加电场后在某些晶体内线性电光效应现象的存在。

在最初70多年里，根据这一原理做了许多实验，利用电光晶体研制了各种传感器，在绝大部分应用中，电信号是直接加到晶体电极上，目的是有效地调制光束。

在最近十几年里，开始设计能有效接收电磁信号而又不对被测信号有较大扰动的天线，把天线连接到电光晶体的调制电极上来进行电磁信号的传感测试。

与传统的电测有源探头、同轴电缆传输的传感器相比，基于电光效应原理研制的各类传感器具有宽频带、探头部分无源化、抗干扰能力强、对被测对象扰动极小、灵敏度高等突出优点，使其成为近年来国际上高电压（HV）、核电磁脉冲（NEMP）、高功率微波（HPM）及电磁兼容（EMC）等领域研究和应用的热点。

9.1.1无源电光式传感器传感原理

人们发现，沿着某些晶体的某一轴线传播的入射光会在外加电场作用下，产生双折射现象，这种寻常光（o光）与非常光（e光）的折射率变化由外加电场引起并与外加电场强度成正比的现象，称为线性电光效应。

由于o光和e光的折射率不同，两光束在晶体中的传播速度也不相等，出射晶体后二者产生相位差ΔΦ，随外加电场呈线性变化。

对于体电光晶体，ΔΦ与外加在晶体极板上的电压V成正比，与晶体的半波电压Vπ成反比，二光束出射时干涉生成强度调制波，通过探测输出光强度就可以获得外加电场（信号）的波形、幅度等信息。

体电光晶体的原理应用光路图，如图9.1-1所示。

图9.1-1体电光晶体原理应用图

在光探测器上得到的光强Io可以表示为

（9.1-1）

式（9.1-1）可用图9.1-2所示的传输函数曲线来表示

图9.1-2传输函数曲线

为了使输出光强与外加电压成线性关系，通常在起偏器和电光晶体之间加一λ/4波片，从而使两双折射光束之间施加π/2的固定相移。

此时式（9.1-1）变为

（9.1-2）

当外加电压V较小时（V<

<

Vπ），sin（πV/Vπ）≈（πV/Vπ），上式变为

（9.1-3）

因此，外加电压V和光探测器输出（去除直流分量）近似成线性关系。

依据上述原理，可以设计成各种电光式传感器应用系统。

9.1.2基于体电光晶体的传感器

一种用来测高电压的基于体电光晶体的传感器系统如图9.1-3所示。

图9.1-3体电光晶体光纤传感测高电压系统

在电光晶体的两对应截面镀上金属膜，做成电极极板，被测电压经电容分压后接到电光晶体的金属电极上。

当一定强度的激光通过光纤射入传感器时，首先通过偏振器变为线偏振光，λ/4波片把线偏振光变为圆偏振光，光束进入电光晶体后，由于极板间电场的存在，引起线性电光效应，圆偏振光变为椭圆偏振光，椭圆偏振光的椭圆度与外加电压大小直接相关。

椭圆光出射晶体后经过检偏器再入射到光纤中，通过探测此时光纤中光强就可以推算出外加电压的大小。

把天线连接到电光晶体的电极上，就可以进行电磁信号的测试，较常采用的是用金属偶极子天线，偶极子天线作为电小天线等效为一电容Ca，而体电光晶体也等效为一电容Cb，经两电容分压后加到电光晶体上的实际电压为

（9.1-4）

这时，测得的信号波形与频率无关，可直接探测得到电磁信号的真实原波形。

9.1.3基于集成光波导调制器的传感器

基于体电光晶体的传感器由于大多采用分立光学元件，且由于电光晶体的温度稳定性差，在实际用于传感测试时，系统要达到很高的可靠性和稳定性比较困难。

因此，随着近年来集成光学的进展，根据电光效应的原理，制作了各种光波导电光调制器，如Mach-Zehnder式幅度调制器，它是在铌酸锂单晶衬底上，用微细加工方法制造的钛扩散条形光波导干涉仪，根据光波的工作波长控制波导参数，使其成为只传播基模的单模波导。

在对称的调制电极上加上调制电压，则两臂中的光波将受到大小相等，符号相反的电场的相位调制。

经相位调制的两束光在第二个分支处再汇合进入输出段光波导，并干涉生成强度调制波，通过探测其强度，就可推算出外加在调制器上的电压的大小。

实际用于传感测试时，如图9.1-4所示，Mach-Zehnder式光调制器，两臂相差波导波长的四分之一，使合并光束互相有π/2的相位差，从而使器件自然偏置点位于线性区中部，保证系统最佳工作和有最高的动态范围，以获得最佳的线性。

图9.1-4一种传感测试用Mach-Zehnder式光调制器（两干涉臂光程差λ/4）

当用于探测空间电磁信号时，把调制器的两电极分别与偶极子天线相连。

系统工作时，偶极子天线把空间电磁信号感应出的电压通过光调制器调制输入光束，两光束在出射时干涉形成强度调制波。

其输出光强Po与输入光强Pi之间的传输函数为

式中：

ΔΦ为光出射时，两光束总相位差；

Φ0为两臂光程差引起的固有相移。

当Φ0为π/2时，则上式变为

（9.1-5）

就这样，接收天线上感应出来的反映电磁信号幅度等信息的电压波形就调制到光载波上，从而通过探测输出光强度就可以获得电磁信号的波形、幅度信息。

其典型应用系统如图9.1-5所示。

图9.1-5基于光波导调制器的传感器应用系统

采用设计合理的集成光波导调制器作为传感核心，可靠性大大提高。

全系统，尤其是传感器体积很小，应用非常灵活方便，具有许多一般传感器无法比拟的突出优点。

但是，偶极子天线与光波导调制器之间的连接往往产生一个小电感，从而影响了全系统的工作带宽。

90年代初，Kuwabara等人又设计了一种新型传感器，把金属镀在铌酸锂衬底上，做成锥形偶极天线与光调制器电极相连，使得传感器更加集成化，灵敏度很高，且提高了带宽（100Hz～2.5GHz），可用来测试人体及辐射源附近的电场强度。

上述两种传感器在LiNbO3波导边上都有金属电极作为感应电场的天线。

但金属电极会对被测电场产生非常微小的扰动，而且在高电压情况下，电极间的短距离可能会产生电弧，损坏光波导调制器。

近几年来，Naghski等人研制了一种没有金属电极的Mach-Zehnder干涉仪电场传感器（图9.1-6），其制造技术包括选择衬底区反转和质子交换波导结构。

利用其中一臂的逆还原性对电场进行响应。

两干涉臂的不对称是通过Z切LiNbO3衬底的逆还原技术实现的。

外电场使一干涉臂相位提前而在另一臂引起相位延迟。

就使得在Y分支截面汇合处产生推挽式光干涉，相位调制变为强度调制。

为了实现在线性区工作，把两光程引起的静态相位差调整到π/2，即满足π/2相位点条件。

图9.1-6无金属电极Mach-Zehnder干涉式光调制器结构图

9.2微型红外线传感器

红外线是位于可见光和微波之间的电磁波，其波长范围从0.75μm到几百μm，波长上限并不确定。

自然界里一切物体都在辐射电磁波，根据玻尔兹曼定律，物体的辐射本领RT与绝对温度T的关系为

（9.2-1）

式中ε为物体的辐射率。

由上式可见，任何绝对温度不为零的物体的辐射本领都不为零。

在温度较低时，热辐射中绝大部分是肉眼不能见的红外线。

随着温度的升高，辐射的总功率增大，光强的分布由长波向短波转移。

如果我们的眼睛能看见红外光，那么即便是在没有月光的黑夜里，周围也将是一片熠熠生辉的世界。

一般来讲，热一些的物体显得更亮，冷一些的物体相对暗一些。

通过测量热辐射的功率来确定物体温度的技术称为红外测温技术。

近年来，红外测温技术从一维测量发展为二维测量，其应用领域不断扩大，在国民经济和军事中具有重要的应用，见表9.2-1。

表9.2-1红外测温技术的应用

红外检测按测量原理可分为两类：

第一类，红外光作为负载能量，与光量子检测器发生作用，产生载流子，形成电信号，这一类传感器称为量子型传感器，其灵敏度较高，但有色散效应，信号强弱与波长有关；

另一类则利用红外辐射的热效应，称热释电传感器，其优点是没有色散效应，但灵敏度较低，相应速度较慢。

按测量方式来区分，可分为全场分析与逐点分析。

全场分析是用红外成像镜头把物体的温度分布图像成像在二维传感器阵列（典型的探测阵列是IRCCD）上，从而获得物体空间温度场（严格地说是辐射场）的全场分布，其信息量很大，但温度分辨率和空间分辨率都不高。

全场分布探测系统又称红外热像仪。

逐点分析则是把场空间的一个局部区域的热辐射聚焦在单个探测器上，并通过已知物体的辐射率ε，将辐射功率转化为温度，即局部区域的平均温度，其温度测量精度较高。

如果需要探测一个较大区域的稳定温度场，则必须通过扫描的方式逐点对温度场采样。

逐点分析系统通常称为红外测温仪。

红外测温仪由聚焦光学部件、调制器、探测元件和信号处理系统构成，如图9.2-1所示。

传统的红外测温仪的主要缺点是光学镜头过于复杂（如图9.2-1所示的反射型聚焦镜），信号从调制器到探测器的动作过慢，时间常数较大，仪器整体尺寸和重量嫌大等。

而实际应用对检测的要求越来越高，要求仪器小型化和超小型化。

不仅精度要求高，而且要求测量快速或暂态的温度场的变化。

因此，国际上正致力于开发小型、高效、快速、精度、节能、成本低的红外测温仪。

红外检测常用于人体检测。

检测的项目包括人体位置、移动方向，或者用于清点人数、防盗等，将此信息反馈给空调、照明设备或报警设备。

这些都对红外检测器提出了越来越高的要求。

特别是在保证精度的前提下实现仪器的小型化甚至微型化，成为当前红外测温仪发展的一个十分重要的趋势。

而要实现这一目标，仪器的3个主要部件——聚焦镜头、调制器和探测部件都必须更新。

实现小型化和微型化，这一更新换代的过程，与物理学和光电子学的最新发展有重要的联系。

图9.2-1红外测温仪的构造

9.2.1衍射光学型聚焦镜

热辐射场与普通的可见光场相比，有两个显著的特征。

首先，在大部分应用中，仪器用于探测常温甚至低温的物体。

热辐射光强极大值对应的波长λm与绝对温度T的关系为

（9.2-2）

例如300℃的物体在5μm处有最强的辐射，而接近室温物体的λm在10μm附近。

由于常用的光学玻璃的截止频率约为3μm，所以红外测温仪的聚焦镜通常有两类：

一类是反射型，如图9.2-1所示；

另一类是透射型，镜头用晶体材料制成，例如硅、砷化镓等，这些材料在中红外甚至远红外都是透明的。

其次，热辐射场一般比较弱，加上红外探测器的灵敏度度很低，为了提高灵敏度，聚焦光学系统的孔径都必须做得较大。

反射型镜头结构复杂，调节不方便，而短焦距大孔径的晶体透镜厚度很大，不仅重量大，而且价格昂贵，均不能满足新型的测温仪的要求。

近年来，衍射型光学元件DOE（即二元光学元件BOE）发展很快，其特点如下：

⑴容易做到超薄化、集成化；

⑵集光特性好，衍射效率高，实现了广角、高数值孔径化；

⑶由于采用大规模集成电路制造技术，因而能成批处理，可大量生产，成本低，有均一性。

这些特点完全适用于红外检测技术，因而DOE已成为红外测温仪新一代的聚焦镜，衍射型微型镜头集光原理如图9.2-2所示。

图9.2-2衍射型微型镜头集光原理

镜头通常用硅作为基本材料，从工作原理上来看，聚焦型DOE透镜与传统的菲涅耳透镜相似，它由许多同心的圆环构成，每个圆环在yz截面中的图形都是一个小棱镜，把光线折转射向共同的焦点。

为了适应于半导体集成电路的制作工艺，棱镜的斜面（实际上是曲面而不是平面）制成2N个台阶（N≥3），形成锯齿状，锯齿形进一步简化为内接齿形的台阶形。

随着N的扩大，焦点处光斑变小，衍射效率提高。

一般N=4时，可达到衍射效率的81%,用在红外检测仪中已足够。

一个典型的红外检测仪用超小型DOE的规格如表9.2-2所示。

表9.2-2红外检测仪用DOE透镜规格

由于硅的折射率约为3.4，加工深度较小，刻蚀时间较短，容易正确控制截面的形状。

总的来说，采用DOE元件作为聚光镜是红外测温仪迈向小型化和超小型化的重要步骤。

9.2.2薄膜型红外探测器

除了上面讲到的红外探测阵列（IRCCD）以外，红外传感器还有量子型传感器和热电型传感器两大类。

量子型传感器按动作和元件构造可分为以下4类：

光导电型（Photoconductive）、光电动势型（Photovoltaic）、MIS型和肖特基型（Schottkydiode）。

红外测温仪常用的是热电型传感器，通常用的材料一般都是用钽酸锂、陶瓷等材料制成。

这一类传感器有以下缺点：

⑴由于电容的限制，探测的受光面积有限；

⑵为防止热的交调失真，各元件间必须保持一定的间隔，因此体积难以缩小；

⑶由于热容量较大，因此热响应速度很低，通常响应时间为50～100ms以上；

⑷稳定性、测量重复性均不理想。

热电型传感器的工作原理是热释电效应，该效应主要是在热电介质的表面进行的，因此，近年来薄膜型传感器备受关注。

1997年，日本松下电气公司率先应用磁控管喷镀技术，在MgO单晶体上喷镀Pb1-xLaxTi1-x/4O3（简称PLT）薄膜而制成红外传感器。

薄膜型红外传感器构造如图9.2-3所示。

在MgO单结晶板上，Pt是下层电极，NiCr是作为红外吸收膜的上层电极，PLT是热电薄膜。

红外检测部分是由聚酰亚胺树脂和Pt电极所构成。

红外检测部下方的微型空槽，用光刻法形成（称MgO微型机械加工技术）。

有了这个构造，能使元件的热容量变小，热响应加快，能控制向基板的热扩散，实现基板的高灵敏度化和小型化。

薄膜的厚度仅在2μm以内，红外检测部的面积虽然很小，但是有足够的电容量。

图9.2-3薄膜型红外传感器

薄膜化是红外传感器实现探测器小型化、微型化的第二个重要因素，与此同时还提高了系统的响应速度和灵敏度。

9.3光学纳米测量方法

纳米测量技术是纳米科学的一个重要分支。

亚微米到纳米精度的测量已经成为目前工业发展和科学发展中迫切需要解决的问题，例如，半导体工业中的高精度模板的制造和定位，高精度传感器的标定；

在科学研究中的量子物理学、化学、分子生物学等都需要很高的测量精度。

因此，无论是对国民经济各部门还是军事领域等，纳米测量都有着巨大意义。

目前，能够进行纳米测量的方法主要有：

非光学方法和光学方法两大类。

前者包括：

SPM法，电容、电感测微法；

后者则包括：

X光干涉仪法，各种形式的激光干涉仪法和光学光栅等方法。

虽然以扫描探针显微镜（SPM）为代表的非光学纳米测量方法能够实现纳米甚至亚纳米的测量分辨率，但是这些方法在溯源到米定义的时候，仍然需要利用激光干涉仪等光学方法进行标定和校正，因此光学纳米测量方法的研究在世界上倍受重视。

表9.3-1给出了目前使用的各种纳米测量方法的性能指标。

通过表9.3-1我们对各种测量方法的性能指标有一个非常直观的了解。

表9.3-1各种纳米测量方案的比较

9.3.1频率跟踪方法（F-P干涉仪）

当光学谐振腔的光学腔长L的变化δL与谐振频率f的变化δf之间满足如下的关系：

δf=（δL/L）f时，经过与标准的碘稳频激光器或碘吸收谱线比对L、f值是可以测量得到的，于是通过测量δf就可以得到δL。

典型的光频为1014Hz，所以从理论上讲这种方法的测量精度可以达到皮米量级的，这在所有的光学纳米测量方法中是测量精度最高的。

图9.3-1就是利用这种原理的干涉仪系统的框图。

它的应用范围主要是针对高精度的传感器的标定，晶体晶格常数的测定等等。

图9.3-1F-P干涉仪原理图

很多科学家正在进行这种方法的研究，主要集中在利用这种方法的高精度，同时要扩大系统的测量范围，其中面临的一个困难是如何解决好环境因素的影响。

中国计量科学院（NIM）研制的F-P干涉仪测量系统改进的方法是当工作激光器将要发生跳模的时候，人为改变激光器的腔长使其输出光的频率进入下一个模式的线性区，从而扩大测量范围。

目前，在现有实验条件下，整套系统能够在±

1μm的范围内实现纳米精度的测量和数十毫米内的亚微米测量。

这种干涉仪的主要不足是受环境影响大，特别是需要对环境温度严格控制。

9.3.2外差干涉仪

外差干涉仪是对基本的迈克尔逊干涉仪的改进，它使用了频差在几兆到几千兆赫兹的两个频率的光波作为干涉仪的光源。

两个频率的光波可以由双波长激光器得到，也可以利用声光调制器、电光调制等频移器件移动激光器的输出光频来实现。

它的基本原理是将被测位移量引入到外差信号的频率或者相位变化中，再将这种变化测量出来。

由于外差信号的频率比光频低得多，光电信号电子细分以后，系统的测量精度很容易提高。

图9.3-2一个典型的外差干涉仪

外差干涉仪最大的特点是在保证测量精度的前提下可以实现很大的范围测量，是应用最为广泛的干涉仪，例如在美国NIST的分子测量机中使用的就是外差干涉仪的形式。

而且目前市场上已经有分辨率达到纳米量级的商业干涉仪问世，例如美国HP公司利用塞曼效应产生的双频激光器开发出的干涉仪系列产品，分辨率小于1nm的商业干涉仪也正在研究改进当中。

图9.3-2中所示的是利用声光调制器的外差干涉仪方案。

它的设计目的是用作微型机器人致动器位移测量的反馈系统，实验结果表明它的测量分辨率为0.132nm，测量范围在10mm；

整个系统的测量带宽为100kHz；

加入了外差干涉仪的微型机器人运动系统移动精度小于1.0nm。

另外，美国国家标准技术局（NIST）研制的分子测量机中就采用了外差干涉仪加上光学倍频和电子细分相结合的激光干涉仪方案，测量精度为0.1nm。

9.3.3偏振干涉仪

最初的偏振光干涉仪形式并不适于纳米测量，但是经过进一步研究表明，利用偏振分光镜、四分之一波片等光学元件完全可以构成平面型纳米偏振干涉仪。

这些干涉仪通常具有共光路和倍光程的特点：

共光路使环境改变的影响大大降低，倍光程则可以提高系统的分辨率。

图9.3-3是日本的ShigeruHosoe提出的平面干涉仪方案。

其中综合考虑了纳米测量的各种因素，其中45°

倾斜的石英晶片决定了后续光路的共光路、平行、反射等性质，具有无死程误差和适于大批量制造的特点。

这个系统的特点是：

以平面镜为测量镜和参考镜，因此非常适合于X-Y平面工作台的位移测量；

在整个光路中共光路部分所占比例比其它干涉仪高得多，它的几何光程为86mm，其中共光路部分占33%，是普通商业干涉仪的5倍。

由温度引起的变化δOP/δT≈366.4nm/K，实验中对位移测量结果的影响小于1nm/K；

测量的分辨率小于0.6nm（LSB-1）。

也有研究人员将外差光源引入到偏振干涉仪中，以达到纳米测量的目的。

图9.3-3一种共光路偏振干涉仪

9.3.4调频干涉仪方法

随着半导体制造技术的不断发展，出现了越来越多的性能优异的半导体激光器，这使得光源频率调制技术得以应用。

在纳米测量技术中，调频光源干涉仪也显示出强大的能力。

图9.3-4中给出了一种调频干涉仪的方案。

它采用了两个热稳频、电流调制的半导体激光器光源。

半导体激光器采用正弦调制，经过干涉仪和信号处理最终可实现100μm内的亚纳米精度的测量。

这种方案原理较新，符合当前的动态高速、高精度测量的发展趋势，因此是一种非常有潜力的方法。

图9.3-4调频干涉仪

9.3.5光栅干涉仪

对于测量范围较大的激光干涉仪和需要测量较长时间的干涉仪（如应用在集成电路生产过程中），空气温度、气压、湿度以及CO2含量的变化，都会形成测量误差，误差随干涉仪光程差增大而增加。

如果采用光栅作为分光元件，使其衍射光束相干，可以构成光栅干涉仪，被测位移不再影响光程差。

测量的基准也由波长变为光栅常数。

影响测量精度的多种因素变成只有光栅温度，显著改善了测量的稳定性。

这对某些场合的精密测量是有益的。

图9.3-5光栅干涉仪

图9.3-5是一个典型的激光全息光栅干涉仪。

这个干涉仪的光源是激光半导体二极管，它的使用进一步减小了系统的结构和成本。

光源发出的光射到直线反射光栅上，+1和-1级衍射光分别被反射镜反射到光电探测器D1和D2上形成干涉信号。

图9.3-5所示的系统经过电子细分能够实现0.02nm测量分辨率和4.5mm的测量范围。

这一类系统具有低造价、结构简单、受环境影响小的特点，虽然在应用中，它们的测量分辨率会有相应程度的下降，但是这种方法为我们利用已有技术实现更高的要求提供了一种思路。

9.3.6纳米环境的建立

分辨率达到1nm的位移测量激光干涉仪系统已经研制成功并用于商业目的，分辨率小于1nm的干涉仪也正在研究之中。

但是，随着纳米技术的发展，分辨率指标已经不能适于新的要求，人们的目标也向着实现纳米精度的方向前进。

要实现纳米精度，系统对环境的变化非常敏感，例如，空气的温度、湿度、压力的变化，环境中的振动以及操作者引入的温度场变化和声学扰动等等都会给测量带来极其不利的影响。

因此，建立一个适合纳米测量的纳米环境是保证精度的一个重要方面。

纳米环境的建立方法是：

⑴采用各种隔离措施，包括气浮式、电磁式和机械式隔振系统，一方面可以减小外界振动对测量系统的影响，另一方面的作用是将测量系统的振动固有频率远离振动源的频率，从而达到测量系统对振动“不”敏感的效果。

⑵加入恒温室，保证环境温度的稳定。

但是，由于纳米测量系统一般还要求尽量扩大测量范围（几百微米到几毫米的范围），这对整个恒温室的温控要求过于严格。

例如，理论分析表明通光口径在5mm的K9玻璃元件，当温度变化1K时，光程的误差为5nm～10nm，如果整个系统达到纳米的测量精度，整个恒温室必须保证温度变化小于1/1000K，这是不现实的，所以一般的纳米测量系统还带有二级温控系统，以求在一个相对较小的范围内达到更高的温控精度（一个典型的指标为小于1/1000K）。

⑶在要求大测量范围时，真空室也被广泛应用。

可以认为，尽管真空室的使用极大地消除了环境变化的影响，特别是空气扰动带来的影响。

但是另一方面，它也往往限制了整个测量系统的应用范围，不太符合纳米测量的发展趋势。

⑷另一重要方面是：

在干涉仪系统的设计过程中注意分析各种误差因素，设计合适的结构以克服环境的影响。