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如何正確選擇光感測器

摘要
因應歐洲環保需求,也就是RoHs規範限制,這篇技術報告提供對測量可見光時,因為紫外線、及近紅外線因素干擾,在測量上產生的困擾而提供使用者做選擇時的基本知識。提供客戶選擇光感測元件時對特定之應用之所需,做對的選擇。 選擇偵測器一般必需考慮包含:

• 光源光譜特性
• 光功率搭配
• 電路空間限制
• 影像大小
• 訊號與雜訊比
• 頻寬與反應速度
• 價格

簡介
對系統商而言,市場上可選用的低價光感測元件不外於Photodiodes, Photo-transistor, Photo IC。鑒於工程與時間壓力,一般公司可能由非光電專家進行對光感測器元件之評估。本文希望能提供特定方法與原則供工程人員可以快速而正確的評估各種偵測器,選擇適合其使用的感測器的技術與建議。

現有之光感測器
光感測元件應用非常寬廣,可量測到單一光子之特定光電儀器至可控制數千瓦光功率之高速雷射焊接與切割系統。幸好有各種光偵測器供選擇,以下為常用廉價之感測技術,其特性總結為表1

光感測器之比較      
  Silicon  Photodiode Photo-transistor Photo IC
可用波長 0.3-1.1 0.4-1.1 0.2-1.1
性能價格比 正常
感度 很好 很好 很好
線性
動態範圍 很好
穩定性 很好
重復性 正常 正常
價格 很低 正常

矽光二極管 (Silicon-Photodiodes Sensor)(簡稱PD)
PD為光感應之半導體元件。

濾片矽光二極管 (Human Vision Silicon-Photodiodes Sensor)(簡稱PDV)
這類感測器使用的材料主要為矽半導體晶片,感應面積為2.410×2.410mm,透過濾片修正符合人眼函數對可見光的感測,阻隔紅外線的干擾。

濾片矽光二極管及矽光二極管,共有特點如下:
• 偵測功率範圍由pico-watt至mili-watt
• 偵測波長範圍由200nm至1100nm(UV-Visible –NIR)
• 體積小而輕
• 感度與重覆性佳
• 穩定性極佳且反應速度快至10 Nanosecond
• 感光面積可大至10 square centimeter
• 小面積,價位低,約USD0.25/pc

PD之應用一般需要前置放大器以提高其輸出,但如果光功率高時亦可加一付載電阻,即可提供適當之電壓,,和 TTL匹配。

光電晶體( Photo-transistor)(簡稱PT)
光電晶體是電晶體設計,用於捕捉光子並包裝於透明之封裝裡。一般他們比PD使用要更簡易一些。內建放大增益由100倍至數千倍之多,可直接加一付載電阻,即可提供適當之電壓,與 TTL匹配。因為PT價格低,方便使用又與TTL之訊號水準相配,因此在超過數百 nano-watt光功率範圍內,PT是最常用之元件。和PD比較,PT並無顯著的缺點,但其頻寬與線性相對較有限制,且其各別PT之間其感度之差異非常之大,使用時會對工程人員造成很大困擾。

光電(Photo IC)
目前最新產品,將增益內建於PD之內以提高其電流輸出。

光源光譜特性對光感測器之影響
以上對感測器之討論為電性與其他因素。光源光譜特性對光感測器之影響,一般比較難在非光電專長人員之間討論,大多數的工程人員亦較不熟悉此一技術。但是光源光譜特性對光感測器之影響之巨大遠超過我們的想像。

常見光源:
• 白熾燈(鎢絲燈,滷素燈)
• 放電燈(日光燈,水銀燈….)
• 太陽(早,午,晚,陰,晴,雨,不同緯度)

常見光源光譜如下
數列1:白熾燈, 數列2: 太陽, 數列3: 放電燈1
數列4: 放電燈2 ,數列5: 標準人眼光譜

光感測器之光譜特性
** PD與PT光譜特性相近,不分別討論**

不同感測器於不同光源之下,與標準人眼之比較

(一) 以標準光源(A光源)為基準
光源/感測器 PD(PT) STD-eye PDV
放電燈2 9.400 lux 10.0  lux 9.700 lux
太陽 1.000 lux 10.0  lux 10.30 lux
白熾燈 10.00 lux 10.0  lux 10.00 lux
放電燈1 1.100 lux 10.0  lux 10.40 lux
Table1
(二)以太陽光為基準
光源/感測器 PD STD-eye PDV
放電燈2 9.400 lux 10.0  lux 9.400 lux
太陽 10.00 lux 10.0  lux 10.00 lux
白熾燈 100.0 lux 10.0  lux 9.700 lux
放電燈1 11.00 lux 10.0  lux 10.10 lux
Table2

於Tab1中以標準A光源(白熾燈)為基準調整 PD 與PDV 之線路,使其輸出相同於標準人眼感測器,再用此三種感測器量測其他光源,對標準人眼感測器輸出歸一化,得到之結果。
於Tab2中以太陽光為基準調整 PD 與PDV 之線路,使其輸出相同於標準人眼感測器,再用此三種感測器量測其他光源,對標準人眼感測器輸出歸一化,得到之結果。

建議
在光源環境非單一的環境下,PT 與PD易受不同光源影響,其誤差可達10倍之多,而PDV則可在各種光源之下均有精準之結果。