光學感測器的種類

光學感測器的定義 光學感測器是利用光敏元件將 光訊號轉換為電訊號的感測 器。現在常用光敏元件的感應 波長在可見光波長附近﹐如紅 外線波長和紫外線波長。光學感 測器不只是應用於光的測量﹐ 更常用於作為探測元件﹐組成 其它類型的感測器﹐對非電量 （如溫度等）進行檢測﹐只要 將這些非電量轉換為光訊號的 變化﹐便可實現對非電量的檢 測。圖是光學感測器的實物 圖。

光學感測器可分為: 1.紅外線感測器 2.紫外線感測器 3.光纖感測器 4.色彩感測器 5.CCD圖像感測器

紅外線感測器 紅外線感測器採用熱電型紅外線光敏元件和量子型紅外線光敏元件來製作。我們常用來作防盜報警﹑來客告知和非接觸開關等。紅外線領域的熱釋電紅外線感測器就是採用熱電型紅外線光敏元件來製作。它採用的基本原理是熱釋電效應﹐即當一些晶體受熱時﹐在晶體的兩端將會產生數量相等的但正負相反的電荷﹐產生電極化現象。在熱電型紅外線光敏元件兩端並聯上電阻﹐當元件受熱時﹐電阻上就有電流通過﹐在電阻的兩端就能得到電壓訊號。

紅外線感測器的用途

紫外線感測器 紫外線感測器是一種專門用來檢測紫外線的光電器件。它對紫外線特別敏感﹐尤其對木材﹑化纖織物﹑紙張﹑油類﹑塑料橡膠和可燃氣體等燃燒時產生的紫外光反應特別強烈。其工作原理如圖所示。紫外線感測器的陰極和陽極之間加有電壓﹐當紫外線透過石英玻璃管照在陰極時﹐由於陰極上涂敷有電子放射物質﹐陰極就會發射光電子﹐在強電場的作用下﹐光電子被吸向陽極﹐光電子高速運動時與管內的氣體分子相碰撞而使氣體分子電離﹐氣體電離產生的電子再與氣體分子相碰撞﹐最終使陰極和陽極間被大量的光電子和離子所充斥﹐引起光放電現象﹐電路中形成很大的電流。

紫外線感測器的應用 近年來，由於新需求的出現，紫外線探測引起了人們的極大關注。民用及軍用產業都需要有更好的紫外線探測儀器，以用於引擎控制、太陽紫外線監測、光源校正、紫外光天文學、火焰感測器、導彈羽流檢測以及空對空安全通信等應用。這些應用由於其具有高精密性、低功耗及高穩定性等特點，故半導體元件是紫外線感測器的最佳選擇。儘管這些元件對可見及紅外光也很敏感，且在高能輻射下容易老化，但成熟的矽製程可為紫外線探測提供廉價而又高效的解決方案。

光纖感測器 光纖感測器是利用光纖，將光源所產生的光波導引至待測區，待測區中物理量，如應力／應變、溫度、折射率…，的變化將造成光波特性的變化，分析光波特性的改變，即可推得待測區中物理量之變化。由於光纖具有徑細質輕，訊息在其中傳遞，有高頻寬、不受電磁場干擾、同一光纖多點量測等優點，光纖目前已有廣泛應用於航太、醫學、化學…等各領域，至於工程量測，也有在航太結構的研究，嘗試將光纖埋入機身各部，形成可即時監控的智慧型結構，以增加航空器飛行的安全，或是將光纖鑲埋在橋樑及建築結構體中，作為即時的安全監控系統。

光纖的基本構造 光纖的基本構造如圖一所示，光纖本質上是一軸對稱圓柱結構的光波導（optical waveguide），由軸心往徑向，大致上可依折射率的不同分成纖核（core）、纖殼（cladding）及外面作為保護的纖衣（coating）三層。其中纖核的直徑，依光纖種類的不同，約略為8～62.5 μm，而纖殼大小的範圍則在100～200μm間。事實上，纖核和纖殼為光纖傳遞光線的基本要件。但為能應用於各種不同的嚴苛環境中，故光纖一般除了在纖殼外層塗佈上約200～1000μm不等的聚合物（polymer）材質作為保護外，最後再使用尼龍製成的外皮包覆做成商用光纖，或依使用上的需求，將八、十六甚至三十二蕊的光纖製成光纜。

光纖感測器的類型 依不同的調變機制，光纖感測器可分成很多類型。然而這些不同的類型，如依感測調變作用發生的地點劃分，則可簡單地分成三大類，分別是：(1)「非本質型」；(2)「本質型」和介於這兩者間的(3)Evanescent型。 所謂「非本質型」或Extrinsic感測方式，是指光波被光纖導引至待測區後，暫時離開光纖，被外在環境調制，然後再耦合進光纖中，傳遞至訊號處理儀器，進行解讀。換言之，光纖的角色僅為訊號傳輸線，不參與感測作用。 Evanescent 型感測器是利用光纖受到環境的影響而導致在其內傳輸的光能量逸出或損失，從而推導該待測環境參數，在此型感測器雖與非本質型感測器同樣牽涉到光能量離開光纖，但調變機制在光纖內發生，逸出光纖的光能量不再導入光纖，光纖的角色不僅為訊號傳輸線，同時也是感測元件。 在「本質型」或Intrinsic感測器中，光波基本不離開光纖，外在環境的改變造成光纖內部特性的改變，從而影響光波的某些特性（如波長） 光纖各種調變機制，最後所量測的訊號為光能量的強度。如前所述，光纖本身的彎曲本來就會導致光能量的衰減。此外，光源的不穩定及接頭狀況的變化等皆會導致不同程度的光能量衰減。這些因素與待測區物理量的變化無關，卻會影響所量測的光能量強度的準確性。因此，採用這些調變機制，必須有可靠的參考訊號以剔除與待測區物理量的變化無關的影響。另一方面，假如所調變的光波特性為波長等與光能量無關的量，則較不受上述與待測區物理量的變化無關的因素所影響。

光纖感測器的應用 目前在光纖感測器的應用方面有：土木結構如橋樑及建築結構體安全監測、航太結構量測、核電廠管路、石油開採機具、帆船船桅、軌道工程及腐蝕感測等。 國外曾使用在海上鑽油台之豎管（riser），豎管之功用為注入水及導出油氣，豎管必須從油井底部通到地面的鑽油平台，傳統之豎管為鋼製，重量相當可觀，為節省重量，有嘗試研發以高分子複合材料製造，並使用光纖光柵感測器以掌握其受力/變形情形，監測其結構的完整性。此外，工業界也在討論在輸油管上應用光纖光柵監測其完整性及腐蝕的問題。 光纖感測器應用在結構完整性的監測仍未十分普及，其中一個重要原因是訊號的擷取，解讀等相關技術，與實務應用的需求仍存在一定的距離，值得選擇適當的項目投入研究，以趕上國際應用技術。例如混凝土或橋樑結構在受到撞擊或振動災害後，其內部可能出現龜裂，如能加以監測，則可提高結構的可靠度。又例如複合材料所製造的構件，如能利用鑲埋在內部的光纖感測器隨時監測其完整性或健康狀況，即可大幅提高該等結構的安全性。

色彩感測器 色彩感測器主要有三種不同類型，分別為光轉換成光電流、光轉換成類比電壓以及光轉換成數位輸出等，前者僅代表實際光感測器的輸入部分，由於未經處理過的光電流信號相當微弱，因此必須加以放大，以便將它轉換到可使用的位準大小。因此，大部分實際使用的類比輸出色彩感測器，最少都會整合一個轉阻放大器來提供電壓輸出。 將光信號轉換為類比電壓輸出的色彩感測器，通常搭配色彩濾光的系列光二極體以及內建電流到電壓轉換電路(通常為轉阻放大器)所組成，請見圖1.2，每個光二極體上所感受到的光會被轉換成一個光電流，大小則依亮度以及經濾光後的光波長而定。如果沒有濾光片，標準的矽質光二極體基本上可以偵測由紫外線到可見光範圍的波長，最高嚮應值則在光譜近紅外線部份的800 nm與950 nm範圍處。紅、綠、藍穿透式色彩濾光片能讓光二極體的光譜響應，並進行調整與最佳化，設計良好的濾光片將能夠帶來相當接近人類眼睛的光譜響應，而光二極體所產生的光電流，則使用一個電流到電壓轉換器轉換成為VRout、VGout與VBout輸出。

色彩感測模式 在色彩感測方面，主要有兩種模式- 反射式與穿透式。 在色彩感測方面，主要有兩種模式- 反射式與穿透式。 反射式感測 在進行反射式感測時，色彩感測器會偵測由物體表面所反射的光，這時光源與色彩感測器被安排接近受測目標的表面，由光源，如白熾燈、螢光燈、白光LED或經調整的RGB LED模組等發出的光經表面反射，並透過色彩感測器加以測量。表面反射光的色彩為表面本身色彩的函數，例如當白光照射在紅色表面時，反射光為紅色，反射的紅色光進入色彩感測器後會產生R、G、B輸出電壓，透過對這三個電壓值進行解析，就能決定偵測到的色彩顏色，由於三個輸出電壓會隨著反射光的強度線性增加，因此色彩感測器也同時測量了物體表面的反射能力。 穿透式感測 以穿透式模式運作時，感測器被安排在面對光源處，色彩感測器搭配濾光片的光二極體陣列會將進入光信號轉換成R、G、B光電流，接著放大並轉換為類比電壓。由於光信號的所有三個輸出值都會隨著光的強度線性增加，因此感測器可測量光的色彩以及整體的強度。 穿透式感測可以用來決定透明介質，例如玻璃或透明塑膠、液體或氣體的顏色，在這類應用中，光會在進入色彩感測器前經過透明介質，因此透明介質的色彩就可以由色彩感測器的電壓來決定

不同色彩感測器的比較 1.光到光電流轉換器 光到光電流轉換器基本上只包含一個光二極體，或是搭配濾光片的光二極體來將光信號轉換為光電流，同時可以透過外部電路將光電流轉換為比例電壓輸出，接著這個電壓可以再透過類比數位轉換器轉換成數位型式，並提供給微控器。 優點 : 帶來設計彈性，放大器的增益與頻寬，以及類比數位轉換器的速度與解析度可依不同應用選擇 缺點： 額外的組裝成本 增加設計複雜度 2.光到類比電壓轉換器 光到類比電壓轉換器包含搭配濾光片的光二極體陣列，並整合一個轉阻放大器，需搭配外部電路將類比電壓轉換為數位輸出，再送到數位信號處理器。 優點： 簡化週邊電路設計 ‧ 改善空間使用效率 ‧ 降低組裝成本 缺點： 反應時間由內建電流電壓轉換器，如轉阻放大器決定 ‧ 需要額外的類比數位轉換器將電壓輸出轉換為數位型式 3.光到數位電壓轉換器 光到數位電壓轉換器包含搭配RGB濾光片的光二極體陣列、一個類比數位轉換器以及做為通訊與靈敏度控制的數位核心電路，輸出可以透過如兩線式串列介面直接與微控器或其他邏輯控制電路介接，以進行進一步的信號處理，不需任何其他元件。 優點： 提供抗雜訊干擾能力 ‧ 簡化週邊電路設計 ‧ 改善空間使用效率 ‧ 降低組裝成本 代價： 與微控器或PC介接，只能透過兩線式串列介面模式進行 ‧ 反應時間由內建類比與數位電路決定 ‧ 類比數位轉換的解析度固定

圖像感測器 圖象感測器也是採用光電轉換原理﹐它用來攝取平面光學圖象並將其轉換為電子圖象訊號的器件。圖象感測器具有兩個功能。第一是將光訊號轉換為電訊號﹔第二是將平面圖象的像素進行點陣取樣。因為圖象感測器主要用於攝像﹐因此又稱為攝像管。圖象感測器發展非常迅速﹐從光電攝像管﹑超光電攝像管﹑光導攝像管﹑二次電子導電硅管到最新發展的電荷耦合（CCD）圖象感測器。圖4.1c是圖象感測器實物圖。

圖像感測器的差異 CCD與CMOS感測器是當前被普遍採用的兩種圖像感測器，兩者都是利用感光二極體進行光電轉換，將圖像轉換為數位資料，而其主要差異是數位資料傳送的方式不同。 如下圖所示，CCD感測器中每一行中每一個象素的電荷資料都會依次傳送到下一個象素中，由最底端部分輸出，再經由感測器邊緣的放大器進行放大輸出；而在CMOS感測器中，每個象素都會鄰接一個放大器及A/D轉換電路，用類似記憶體電路的方式將資料輸出。 由於資料傳送方式不同，因此CCD與CMOS感測器在效能與應用上也有諸多差異，這些差異包括： 1.靈敏度差異 2.成本差異 3.解析度差異 4.雜訊差異 5.功耗差異 綜上所述，CCD感測器在靈敏度、解析度、雜訊控制等方面都優於CMOS感測器，而CMOS感測器則具有低成本、低功耗、以及高整合度的特點。不過，隨著CCD與CMOS感測器技術的進步，兩者的差異有逐漸縮小的態勢，例如，CCD感測器一直在功耗上作改進，以應用於移動通信市場(這方面的代表業者為Sanyo)；CMOS感測器則在改善解析度與靈敏度方面的不足，以應用于更高端的圖像產品。

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