Chương CẢM BIẾN QUANG 2.1 Tính chất đơn vị đo ánh sáng 2.1.1 Tính chất ánh sáng Như biết, ánh sáng vừa có tính chất sóng vừa có tính chất hạt Ánh sáng dạng sóng điện từ, vùng ánh sáng mắt nhìn thấy có bước sóng từ 0,4 - 0,75 µ m Vận tốc truyền ánh sáng chân không c = 299.792 km/s, môi trường vật chất vận tốc truyền sóng giảm, xác định theo c công thức: v= n n - chiết suất môi trường • Phổ ánh sáng 0,395 0,490 0,455 0,575 0,590 0,750 0,650 vàng cực tím lam tím cam lục hồng ngoại đỏ λ(µm) 0,1 0,01 cực tím 0,4 0,75 1,2 trông h.n.ngắn thấy 10 30 hồng ngoại Hình 2.1 Phổ ánh sáng 100 h ngoại xa • Mối quan hệ tần số ν bước sóng λ ánh sáng xác định biểu thức: - Khi môi trường chân không : c λ= - Khi môi trường ν vật chất : v λ = Trong ν tầnνsố ánh sáng • Tính chất hạt ánh sáng thể qua tương tác ánh sáng với vật chất Ánh sáng gồm hạt nhỏ gọi photon, hạt mang lượng định, lượng phụ thuộc tần số ν ánh sáng: W = hν h - số φ Planck (h = 6,6256.10-34J.s) Bước sóng xạ ánh sáng dài tính chất sóng thể rõ, ngược lại bước sóng ngắn tính chất hạt thể rõ 2.1.2 Các đơn vị đo quang a Đơn vị đo lượng - Năng lượng xạ (Q): lượng lan truyền hấp thụ dạng xạ đo Jun (J) - Thông lượng ánh sáng (Φ ): công suất phát xạ, lan truyền hấp thụ đo dQ Watt (W): Φ= dt (2.2) - Cường độ ánh sáng (I): luồng lượng phát theo hướng cho trước ứng với đơn vị góc khối, tính Watt/steriadian dΦ I= (2.3) dΩ - Độ chói lượng (L): tỉ số cường độ ánh sáng phát phần tử bề mặt có diện tích dA theo hướng xác định diện tích hình chiếu dAn phần tử mặt phẳng P vuông góc với hướng dI L= = dA.cosθ , với θ • Trong dAn n dA P mặt phẳng dA chứa • Độ chói lượng đo Watt/Steriadian m2 góc • Độ rọi lượng (E): tỉ số luồng lượng thu phần tử bề mặt diện tích phần tử dΦ E= Độ rọi lượngdA đo watt/ m2 b Đơn vị đo thị giác Độ nhạy mắt người ánh sáng có bước sóng khác khác Hình 2.2 biểu diễn độ nhạy tương đối mắt V(λ ) vào bước sóng Độ nhạy tương đối mắt V(λ) 0,5 λ (µm) 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Hình 2.2 Đường cong độ nhạy tương đối λmax mắt 2.2 Cảm biến quang dẫn 2.2.1 Hiệu ứng quang dẫn • Hiệu ứng quang dẫn tượng giải phóng hạt mang điện vật liệu tác dụng ánh sáng làm tăng độ dẫn điện vật liệu • Trong chất bán dẫn, điện tử liên kết với hạt nhân, để giải phóng điện tử khỏi nguyên tử cần cung cấp cho lượng tối thiểu lượng liên kết Wlk Khi điện tử giải phóng khỏi nguyên tử, tạo thành hạt dẫn vật liệu • Dòng điện qua chuyển tiếp:  qVd  I = I exp − I   kT  Khi chiếu sáng điôt xạ có bước sóng nhỏ bước sóng ngưỡng, xuất thêm cặp điện tử - lỗ trống Để hạt dẫn tham gia dẫn điện cần phải ngăn cản tái hợp chúng, tức nhanh chóng tách rời cặp điện tử lỗ trống Sự tách cặp điện tử - lỗ trống xẩy vùng nghèo nhờ tác dụng điện trường • Để tăng khả mở rộng vùng nghèo người ta dùng điôt PIN, với loại điôt cần điện áp ngược vài vôn mở rộng vùng nghèo toàn lớp bán dẫn I Φ P − I + N Hình 2.11 Cấu tạo điôt loại PIN • Chế độ quang dẫn: Sơ đồ nguyên lý gồm nguồn Es phân cực ngược điôt điện trở Rm để đo tín hiệu Ir -40 Thông lượng Vd ES Rm VR -30 -20 50µW -10 20 100µW 40 150µW 60 200µW a) b) Ir Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý chế độ làm việc 2.3.2 Sơ đồ ứng dụng photodiot a) Sơ đồ làm việc chế độ quang dẫn Đặc trưng chế độ quang dẫn: + Độ tuyến tính cao + Thời gian hồi đáp ngắn + Dải thông lớn  R2  V0 = R m 1+ I r R1   • Sơ đồ ES CP1 R2 R1 − + − + Rm Rm Ir R2 V0 − + ES R1+R2 C2 V0 R1 a) b) Hình 2.17 Sơ đồ mạch đo dòng ngược chế độ quang dẫn a) Sơ đồ sở nhanh b) Sơ đồ tác động Khi tăng điện trở Rm làm giảm nhiễu Tổng trở vào mạch khuếch đại phải lớn để tránh làm giảm điện trở tải hiệu dụng điôt b) Sơ đồ mạch chế độ quang thế: R2 Rm _ IOC + _ + Vco V0 R1 R1=Rm a) b) Hình 2.18 Sơ đồ mạch đo chế độ quang a) Sơ đồ tuyến tính b) Sơ đồ logarit V0 Đặc trưng chế độ quang thế: + Có thể làm việc chế độ tuyến tính logarit tuỳ thuộc vào tải + nhiễu + Thời gian hồi đáp lớn + Dải thông nhỏ + Nhạy cảm với nhiệt độ chế độ logarit 2.4 Phototranzito (tranzitor quang) 2.4.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Phototranzito tranzito mà vùng bazơ chiếu sáng, điện áp đặt lên bazơ, có điện áp C, đồng thời chuyển tiếp B-C phân cực ngược Điện | + a) b) C B E c) Hình 2.19 Phototranzito a) Sơ đồ mạch điện b) Sơ đồ tương đương c) Tách cặp điện tử lỗ trống chiếu sáng 2.4.2 Sơ đồ dùng phototranzito Phototranzito dùng làm chuyển mạch, làm phần tử tuyến tính + + a) b) + c) + + d) Hình 2.21 Photodiotzito chế độ chuyển mạch a) Rơle b) Rơle sau khuếch đại c) Cổng logic d) Thyristo Hình 2.10 Tranzitor quang điều khiển rơle 2.5 Cảm biến quang điện phát xạ 2.5.1 Hiệu ứng quang điện phát xạ Hiệu ứng quang điện phát xạ hay gọi tượng điện tử giải phóng khỏi bề mặt vật liệu tạo thành dòng chiếu vào chúng xạ ánh sáng có bước sóng nhỏ ngưỡng định thu lại nhờ tác dụng điện trường Cơ chế phát xạ điện tử chiếu sáng vật liệu xẩy theo ba giai đoạn: • Hấp thụ photon giải phóng điện tử bên vật liệu • Điện tử vừa giải phóng di chuyển đến bề mặt • Điện tử thoát khỏi bề mặt vật liệu 2.5.2 Tế bào quang điện chân không Tế bào quang điện chân không gồm ống hình trụ có cửa sổ suốt, hút chân không (áp suất ~ 10-6 - 10-8 mmHg) Trong ống đặt catot có khả phát xạ chiếu sáng anot Φ K A A K A K Hình 2.24 Sơ đồ cấu tạo tế bào quang điện chân không • Sơ đồ Ia (µA) A Ia 4,75 mW E 2,37 mW K Rm 0,95 mW a) 20 40 b) 60 80 100 120 Vak (V) Hình 2.25 Sơ đồtích tương đương đặcgian tính V-I tế bào quang điện chânsự không + Vùng điện không đặc trưng tăng mạnh dòng điện áp tăng + Vùng bảo hoà đặc trưng phụ thuộc không đáng kể dòng vào điện áp 2.6 Mã vạch (Bar code) Mã vạch hệ mã quy ước dùng hệ thống sản xuất để nhận dạng, phân loại, kiểm tra …các chi tiết, hàng hóa Có nhiều loại mã vạch phổ biến UPC (mã sản phẩm thông dụng – Universal Product Code), mã OCR (nhận dạng ký tự quang – Optical Character Recognition) Mã vạch vạch đậm mảnh dùng để mã hóa số hay chử cái, mã vạch in trực tiếp lên sản phẩm in riêng dán lên sản phẩm ... 2. 2 biểu diễn độ nhạy tương đối mắt V(λ ) vào bước sóng Độ nhạy tương đối mắt V(λ) 0,5 λ (µm) 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Hình 2. 2 Đường cong độ nhạy tương đối λmax mắt 2. 2 Cảm biến quang dẫn 2. 2.1... hiệu quang: dùng tế bào quang dẫn để thu biến tín hiệu quang thành xung điện Các xung ánh sáng ngắt quảng thể qua xung điện, sở lập mạch đếm vật đo tốc độ quay đĩa 2. 3 Photođiot (điot quang) 2. 3.1... -10 20 100µW 40 150µW 60 20 0µW a) b) Ir Hình 2. 12 Sơ đồ nguyên lý chế độ làm việc 2. 3 .2 Sơ đồ ứng dụng photodiot a) Sơ đồ làm việc chế độ quang dẫn Đặc trưng chế độ quang dẫn: + Độ tuyến tính