遠紅外線穿透率量測裝置

報告題名：

遠紅外線穿透率量測裝置

作者：張嘉珉 系級：電子四乙 學號：D9572860 開課老師：陳德請 課程名稱：奈米應用概論 開課系所：電機系 開課學年： 97 學年度 第二學期

中文摘要

紅外線透鏡係使用在紅外線光譜區域，此區域人眼看不到，無法利用一般量測可 見光透鏡的穿透率方法量測紅外線透鏡的穿透率，因此增加量測紅外線透鏡球面 穿透率的困難度。本研究利用紅外線感測元件(Thermopile sensor)與紅外線準直光 束光源進行物體穿透率的量測。本實驗使用紅外線準直光束光源、熱電堆檢知器 (Thermopile)、OP 放大器與 A/D IC 及微處理器…等所組成遠紅外線穿透率量測 裝置。熱電堆將熱輻射轉換成電子信號，此電子信號在被 OP 放大器放大，類比 電壓信號經A/D IC 轉換成數位再經 8051 微處理器處理結果由 LCD 顯示器顯 示，以實現即時量測目的。本裝置使用紅外線準直光束大小2mm，藍寶石光學 平板1mm，穿透率量測重覆性精度可達 5%。

關鍵字：

紅外線、穿透率、熱電堆檢知器

目 次

一、前言………3 二、穿透率原理………3 三、系統架構………4 四、實驗方法與結果………8 五、結論………10 六、參考文獻………11

一、前言

近年來，隨著光電產業蓬勃發展、產值不斷提升，光學元件需求愈殷切，尤其在 光學系統的輕量化、小型化與高精度化後，光學系統對光學元件加工與組裝的公 差的要求更嚴謹，因此對於光學元件的檢測日益重要。有鑑於此，我們需不斷提 升光學元件檢測技術，且針對業界需求開發新型量測機台。一般可見光光學元件 穿透率檢測方式是採取光譜儀。至於紅外線光學元件因為係使用在不可見光區， 眼睛看不到，無法利用可見光光學元件穿透率量測方法進行量測，而紅外線光學 元件穿透率量測的人才相當缺乏，資源也比較少，相對提高量測困難度，而紅外 線光學元件量測裝備也比較昂貴。本文所採用光電式紅外線準直光束穿透率測試 裝置係針對紅外線光學元件穿透率量測所設計，這個技術係結合(1)紅外線準直光

束與thermopile sensor、(2)放大電路與 A/D IC 及(3)微處理器單元等三種技術。

二、穿透率原理

一般而言，當一個平面波碰到一個介面，在不考慮介質吸收的情況下，部份波被 折射，部份被反射。而描述穿透與反射跟入射場的比值叫做Fresnel 方程式。幾 何光學中折射與反射定律，入射光束、折射光束、反射光束與界面的法線是在同 一平面上。由求解麥克斯威爾方程式，並加上必要的邊界條件給出與幾何光學一 樣的結果：反射角與入射角一樣，但差個正負號，而折射角依Snell 定律而定。 由入射光傳播向量、反射、折射及法線構成的平面叫做入射面，如圖 1 所示電場 永遠都可以分成二個分量，一個與入射面平行，另一則是與入射面垂直。平行的 分量被稱p、π 或者 TM（transverse magnetic）偏振，而垂直分量被稱作 s、σ或

TE（transverse electric）偏振，（s 源自德文「senkrecht」，意指正交）。如果我們

註記入射角叫θi，折射角叫θt，而反射光振幅與入射光振幅比值叫做r，透射（折

射）光振幅與入射光振幅比值t，則Fresnel 方程式如下：

在方程（1）~（4）中，n 是入射光所在介質的折射率，n'是折射光所在介質的折

射率。另外我們假設介質的磁導率μ（permeability）與真空中一樣（μ=μ'=μ0）。

其形如下： ∗

=

_{s s} s

r

r

R

_,

R

_p

=

r

_p

r

_p∗ ₍₅₎ 可以證得

1

2 2

=

+

_s s

t

r

_,

r

_p 2

+

t

_p 2

=

1

₍₆₎ 式（6）可以解釋成光在二介電物質的界面上能量是守恆的。一般而言，s 跟 p 偏振反射率是不一樣的，只有在正向入射時，反射率才會一樣，亦即： 2 , ,

⎥⎦

⎤

⎢⎣

⎡

′

+

′

−

=

=

n

n

n

n

R

R

_{s normal p normal (7)} 考慮典型空氣、玻璃介面（n=1.0,n'=1.5），式（7）告訴我們一個熟知的結果：一 個未鍍膜的玻璃反射光介面有 4％反射損光。，每個光束的入射電場在一介面會 被分成s 和 p 的分量。之後，Fresnel 方程式會用來計算透射場的振幅。而每個光 束的 s 與 p 方向是由光束方向及法線向量來決定。通常在面上的每個光束都會不 同。所以對一個非平面波入射在非平面上整個s 及 p 方向，通常不容易定出。

圖 1 反射、折射及法線構成的平面

三、系統架構

本系統光電感測單元與一般可見光光電感測單元架構相似，最大差別是IR 準直

光源使用thin film IR emitter 與檢知器係採用熱型檢知器(thermo detector)。圖 2

所示為遠紅外線光學元件穿透率量測系統裝置示意圖，由(1)紅外線準直光束與 thermopile sensor、(2)放大電路與 A/D IC 及(3)微處理器圖所組成。圖 3(a)所示為 IR emitter 外觀圖(IR-55)，圖 3(b)所示為 IR emitter 配上拋物面鏡形成準直系統外 觀圖，圖 3(c)所示為 IR 準直光源外觀尺寸圖(IR-55)，圖 3(d)所示為 IR 光源調制 特性圖。

圖 2 遠紅外線光學元件穿透率量測系統裝置示意圖

圖 3(a) A 1 W thin film infra red source 外觀圖(IR-55)

圖 3(b) IR 熱源加上拋物面反射鏡 圖 3(c) IR 準直光源外觀尺寸圖 光學平板 Thermopile OP 放 大器與 A/D 轉換器 微 處 理 器 顯 示 器 紅外線準 直光束

圖 3(d) IR 光源調制特性 IR-55 有效發射面積 2.25 mm2 (1.5 x 1.5 mm)需擴束為外徑 30mm，調制頻率最高達 100Hz，使用 TO-5 包裝，工作溫度 500℃~750℃ ，壽命約三年。本研究使用熱型 檢知器的熱電堆係由 116 個小型熱感測單元所組成，小型熱感測單元直徑大小為 545μm，用金屬殼封裝，熱電堆檢知器單元(thermopile)前有一 5μm ~12μm 的 寬頻光譜視窗濾光片，其外型如圖 4 所示。 (a)底視圖 (b)側視圖 (c) thermopile實體圖 圖4 熱電堆感測器外觀圖 熱電堆檢知器光電參數特性如表 1 所列，輸出電壓與輸入溫度特性如圖 5 所示， 圖 5 中 A 與 E 為不同光譜特性的濾光片。表 2 所列為一般紅外線光學材料光學 特性表。因為紅外線信號非常弱，thermopile 之後需使用低雜訊的高放大倍率的 OP 放大器放大。為提高系統解析度 OP 放大器之後使用 13 Bit 的 A/D converter 轉換成數位信號，此數位信號在經微處理器處理。

表1 光電參數特性表

表2 紅外線材料光學特性表

四、實驗方法與結果

本實驗所使用元件與裝置詳述如下： (1)測試物品：藍寶石、矽、壓克力等三種光學平板，藍寶石與矽穿透率光譜圖如 圖 6 及圖 7 所示。 (2)精密鏡片夾具：要求垂直度與平行度。 (3)遠紅外線光學元件穿透率量測系統。 (4)實驗方法 a.確認遠紅外線光學元件穿透率量測系統在最佳運作狀況。 b Alignment 紅外線準直光束與 Thermopile 在同一水平面及同一光軸，使 Thermopile 輸出信號最大。 c.將藍寶石光學平板置於遠紅外線光學元件穿透率量測系統裝置中。 d.調整藍寶石光學平板垂直於紅外線準直光束，使Thermopile 接受到穿透信號最 大 e.改變遠紅外線光源強弱，量取不同穿透信號。 f.進行藍寶石光學平板穿透率分析。

圖6 藍寶石穿透率光譜圖 圖7 矽穿透率光譜圖 (5)實驗結果 藍寶石、矽與壓克力等三種光學平板量測結果如表 3 所列，穿透率大小為矽 ＞藍寶石＞壓克力。紅外線幾乎不穿透壓克力，矽與藍寶石穿透率量測結果與原 廠提供資料一致。 表 3 穿透率量測數據(環境溫度 25℃) 光源距離(cm) 無待測物 藍寶石 矽 壓克力 7 3.52 V 1.45 V 3.26 V 1.34 V 8 2.75 V 1.42 V 2.68 V 1.36 V 9 2.34 V 1.39 V 2.20 V 1.37 V 10 2.15 V 1.36 V 2.01 V 1.38 V 11 2.00 V 1.34 V 2.84 V 1.37 V 12 1.89 V 1.32 V 1.75 V 1.37 V 備註 無光源Thermopile 輸出 1.36V±0.1V

五、結論

本研究利用紅外線感測元件(Thermopile sensor)與紅外線準直光束光源進行物體 穿透率的量測。本實驗使用紅外線準直光束光源、熱電堆檢知器(Thermopile)、 OP 放大器與 A/D IC 及微處理器…等所組成遠紅外線穿透率量測裝置。熱電堆將 熱輻射轉換成電子信號，此電子信號在被 OP 放大器放大，類比電壓信號經 A/D IC 轉換成數位再經 8051 微處理器處理結果由 LCD 顯示器顯示，以實現即時量測目 的。本裝置使用紅外線準直光束大小 2mm，藍寶石光學平板 1mm，穿透率量測 重覆性精度可達 5%。

六、參考文獻

1. Smith ,Warren J., Modern Lens Design, McGraw Hill, N.Y., 1992. 2. http://www.escoproducts.com/html/sapphire.html

3. http://www.alkor.net/Silicon.html

4.http://www.analog.com/zh/technical-library/technical-articles/design-center/technica l-articles/Using_Thermopile_Sensor_in_IR_Digital_Thermometers/resources/fca.ht ml