传感器用到的光学元件及光学原理（一）

很多传感器都运用到了光学器件以及光学中的一些原理。这也是我做这个技术专栏的初衷，希望能给更多的技术人员，或者是销售人员，加深对光学元件与光学原理的理解。

光的反射，折射，吸收，干涉，偏振及传播速度等光学现象，对于传感器设计者来说利用价值非常高。而光学元件有助于我们通过多种方式控制光。
由于光学元件的学习需要光学的理论基础，今天我先来给大家温故一下光学知识。

1.光子能量

我们知道，光可以用于感知各种激励信号，如距离，运动状态，温度，化学组成和压力等的非常有效的能量形式。光具有电磁特性，既能把它看成是能量量子的传播，也能把它看成是电磁波的传播。现在这一令人困惑的二重性可用量子电动力学很好地解释，并且量子和波的特性均可用于传感器中

电磁波普依据频率划分为不同不部分，每一部分都有专门的名字：紫外光（UV），可见光，近红外光，中红外光和远红外光等。“光”这个词特指波长在0.1~100um范围的电磁波。
波长小于可见光最小波长的光————称之为紫外线
大于可见光最大波长的光————称之为红外线
其中紫外光波长的上限值约为0.38um，红外光的范围细分为3个领域：分别是近红外（0.75~1.5um），中红外（1.5~5um），远红外（5-100um）。

电磁波波普的各个部分对应着不同物理学的分支的研究领域，并且在实际应用中也对应着不一样的工程领域。光在真空中的速度C0与波长无关，可得到以下关系表达式

然而，当光并非在真空中时，而是在某些介质中传播时，它的速度较低。我们知道光在真空中或任何介质中的频率由波长λ决定，则可得到下式

上式中，C为介质中的光速。光子的能量又由频率决定，如下式

由以上式子我们不难得出，光子能量与物体绝对温度成正比。因此，物体温度越高，其所在的辐射的光子能量越强。

紫外光与可见光很容易被基于光电效应的传感器探测到，因为其光子能量相对较大。而物体温度下降，波长增大，向红外波段移动时，探测难度则越来越大。例如，近红外光波长为1um，能量为1.24eV,因此在1Um波段工作的光学量子探测器必须能对此水平的能量具有良好的响应能力。如果波长继续向中，远红外波段移动，光子能量更小。人的皮肤34℃辐射的近红外和远红外的光子能量约为0.13eV,比红外光的能量要低一个个数量级，对它的探测更加困难。这就是为什么低能量的辐射通常不是由量子探测器而是由热探测器探测到的。不同于量子探测器能够对单个光量子做出响应，热探测器对光量子的敏感度则低多了，因为它们只会对传感元件在吸收光量子时温度的升高做出响应，而这需要大量的光子。

2.光的偏振
电磁波还有一个性质，即偏振性，具体电说就是平面偏振。这意味着电磁波中所有点的交变电场矢量是平行的，同样它们的磁场矢量也是相互平行的，但是因为大多数电磁辐射传感器对电场很敏感，在处理与传感技术相关的偏振问题时，我们只关注电场。如下图a所示，波沿X方向传播，电场矢量与y方向平行，因此波在y方向振动。由波传播方向（x轴）和偏振方向（y轴）确定的平面称为偏振面。对于偏振光来说，场矢量没有其他方向。

图b描述的是由太阳或白炽灯产生的光，其偏振方向是任意的，此外大多数激光发射器的光束是偏振光。如果非偏振光穿过偏振滤波器，那么只有特定面的光才能穿过，输出电场如图c,偏振滤波器只允许电场矢量与其偏振片后被偏振，滤波器的偏振方向在制作过程中已被设定好，将一定数目的长链分子内嵌到柔软的塑料薄片上，然后拉伸薄片从而使分子互相平行排列。偏振滤波器广泛用于液晶显示屏以及一些光学传感器中。

3.光的散射
我们知道在空旷并且远离巨大的天文星体的空间中，光是沿直线传播的。但如果空间不完全是空的，那么上述规则可能会被打破。散射是一种电磁现象，通过介质中的一处或多处局部局部不均匀性，使得光偏离直线传播路径，不均匀性的例子有烟雾颗粒，灰尘，细菌，水滴和气体分子等等。当一个粒子的直径大于入射光的波长且其恰好处在光的传播路径中时，它将称为一个光反射器（见图b），反射遵循下述的规定。

小粒子可引起不同类型的散射现象，尤其是直径比光波长小10倍的粒子。简单来说，小粒子的散射机制可以解释为对光能的吸收及各个方向的重新发射（见图a）。散射理论研究对不同折射率小的球状物如气泡，水滴，甚至密度波动等散射的电磁辐射。对于一个很小的粒子而言，散射粒子的确切形状通常不重要，通常可以等效为具有相同体积的球体。光经过纯气体时的固有散射是由于气体分子四处移动时的微观密度波动引起的，这些波动的规模通常很小，足以应用瑞利模型。

散射取决于粒子的尺寸或者不规则性，光的波长，以及散射光和入射光之间的角度。这种散射机制是天空在晴天呈现出蓝色的主要原因。因为正上方角度的太阳光中，蓝色光的波长较短，相对于波长较长的红外光散射现象更强烈，显著偏离了太阳光的传播方向。但是，当太阳落山时，在接近太阳的方向上，天空呈现橙色和红色，这正是因为此时较长波长的红光散射更强烈。在晚上，天空呈现黑色，因为太阳光光束此时在大气层上方通过，没有散射，所以此时地球上是观察不到散射光的。因此对于应用粒子散射原理的传感器，既可以测量光密度，也可以测量散射光谱的移动

光的散射可以用来检测气体和液体中的微小杂质，并且可以感应流体中颗粒的浓度。可以感应粉尘的烟雾报警器及感应粉尘及其浓度的空气净化检测气同样也是用了这个原理。

4几何光学
几何光学中，我们用“光线”来对光的传播作抽象化解读。光线意指光在均匀的介质中以直线路径进行传播。我们可以把光堪称是一个始终移动的边，或者更简单地理解为垂直于这条边的一条线。

在控制光之前，我们首先需要产生光。产生光的途径有很多种。有的光源是自然存在的，不随人的意志而改变，而另一些光源则必须纳入到测量装置中。自然光源包括太阳，月亮，星星，火星等天体。人造光源包括电灯泡力的灯丝，发光二极管，气体放电灯，激光器灯灯。

光产生之后，可通过多种方式对其进行控制，下图给出了几种传感器中控制光的粒子。这些方法大部分涉及光传播方向的改变，还有一些方法则是对特定波长的光进行了选择性阻断。后者称为过滤。在反射镜，棱镜，光波导，光纤和反射物等辅助下，光的方向可以通过反射作用而改变，同样，在透镜，棱镜，化学溶液，晶体，有机材料和生物学物体辅助下，光的方向也可以通过折射作用改变，当光线通过这些物体时，光的特性可以通过折射作用改变。当光线通过这些物体时，光的特性可通过被测激励信号来改变（调制），而传感器设计者的任务就是将该调制过程转换成与激励信号相关的电信号。那么光的哪些参数可以调制呢？如光的强度，传播方向，偏振，光谱特性都能被调制，甚至光速及光波的相位也能改变。

当开发传感器时，我们既要考虑辐射测量，又要考虑光度测量。前者是关于光功率及其控制，后者则是关于光照（亮度）及其控制。