CN113098477A - 一种电流型光电转换器、装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电流型光电转换器、装置及方法，本发明中光电转换器包括：方形基座、透光片、光频转换单元、频率电流转换单元和金属盖板，本发明中光电转换装置包括：光频转换单元、频率电流转换单元、信号调理采集单元、信号处理单元、显示单元和直流稳压单元；本发明光电转换方法为，测量有光和无光条件下频率电流转换单元的输出电流，通过电流计算光信号强度；本发明可以克服现有光电转换器件均为将光信号转换成电流信号或者电压信号时存在暗电流的问题。

Description

一种电流型光电转换器、装置及方法
技术领域
本发明涉及光子学，具体涉及一种电流型光电转换器、装置及方法。
背景技术
光电转换器是利用材料的光电效应制作而成的探测器，它主要利用光电效应将光信号转换成电信号。自光电效应发现至今，光电转换器件获得了突飞猛进的发展，已广泛应用于各行各业。
目前常用的光电效应转换器件有光敏电阻、光电池、光电倍增器、光电二极管、光电三极管等，这些光电转换器件都是基于半导体材料制成。光检测能力取决于材料的本征能带结构属性，例如吸收系数，并且取决于半导体结的几个特征，例如掺杂分布、结深度、隔离结构深度(LOCOS或STI)等。
光敏电阻器是利用半导体的光电导效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。光电池是把光能直接变成电能的器件，可作为能源器件使用。光电倍增管一般用来检测强度较弱的光信号，其性能主要由光阴极、倍增极和极间电压决定。光电二极管和光电三极管利用了PN结的反向特性，没有光照时，PN结反向电流极其微弱；有光照时，PN结反向电流迅速增大产生光电流。光的强度越大，反向电流也越大。光的变化引起光电二极管或者光电三极管的电流发生变化。
当然，上述几种光电转换器件是将光信号转换成电流信号或者电压信号，也存在一定的缺陷和不足，比如：光敏电阻在强光照射下光电转换线性较差，光电驰豫过程较长，频率响应(器件检测变化很快的光信号的能力)很低。光电池的频率响应尤其是高频响应特性很差。光电倍增管主要用作微弱光信号检测，应避免强光直接入射。光电二极管和光电三极管都存在暗电流。暗电流必须预先测量，特别是当光电二极管被用作精密的光功率测量时，暗电流产生的误差必须认真考虑并加以校正。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种电流型光电转换器、装置及方法解决了现有光电转换器件均为将光信号转换成电流信号或者电压信号时存在暗电流的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种电流型光电转换器，包括：方形基座、透光片、光频转换单元、频率电流转换单元和金属盖板；
所述光频转换单元与频率电流转换单元通信连接；所述光频转换单元和频率电流转换单元固定于方形基座中；所述金属盖板和透光片分别与方形基座固定连接。
进一步地，方形基座的材料为陶瓷。
进一步地，光频转换单元包括：驱动电路和压电谐振式传感器；所述压电谐振式传感器的输出端与驱动电路的输入端连接。
进一步地，方形基座的内部两侧长边方向从下至上均包括：第一层台阶、第二层台阶、第三层台阶和第四层台阶；
所述第一层台阶的踏面和第二层台阶的垂面构成的区域为方形基座底部的凹槽；所述驱动电路和频率电流转换单元固定在凹槽中；所述凹槽底部的四个角的表面镀有金属层；所述第二层台阶的踏面镀有金属层，所述第二层台阶踏面的金属层与沿方形基座内壁到驱动电路的金属化走线连接；所述压电谐振式传感器固定于第二层台阶的踏面；所述透光片固定于第三层台阶；所述第四层台阶分布于方形基座的四周，其踏面镀有金属层；所述第四层台阶与金属盖板固定连接。
上述进一步方案的有益效果为：方形基座和开窗的金属盖板主要是与透光片一起，将驱动电路和频率电流转换单元封装起来，起密封作用，防止受到污染而影响其性能。
透光片的主要作用有二个，一是把入射光聚集起来，其聚焦点为压电谐振式传感器电极位置，聚焦点大小等于电极大小，以提高压电谐振式传感器的响应灵敏度和准确度；二是与方形基座、开窗的金属盖板一起将压电谐振式传感器封装起来，起密封作用，防止光电转换器受到污染而影响其性能。
进一步地，凹槽底部的镀有金属层的四个区域分别与方形基座底部的4个角处的焊盘一一对应连接。
进一步地，驱动电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、接地电阻R4、电阻R5、接地电阻R6、接地电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、接地电容C5、电容C6、接地电容C7、接地电容C8、电容C9、接地电容C10、稳压二极管D1、晶振Y1、电感L1、电感L2、放大器U1和三极管Q1；
所述电阻R1的一端作为驱动电路的输入端，其另一端分别与电感L1的一端、接地电容C1、稳压二极管D1的负极和电容C4的一端连接；所述电感L1的另一端分别与电容C2的一端、电容C3的一端和晶振Y1的一端连接；所述电容C4的另一端分别与电容C2的一端和电容C3的一端连接；所述稳压二极管D1的正极接地；所述三极管Q1的基极分别与电阻R2的一端、晶振Y1的另一端和电容C6的一端连接，其集电极与电阻R3的一端连接，其发射极分别与电容C6的一端、接地电容C7、接地电阻R4、电感L2的一端和电容C9的一端连接；所述放大器U1的输入端IN分别与电容C9的另一端、电阻R5的一端和接地电阻R6连接，其VCC端分别与电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、接地电容C5、电阻R5的另一端和接地电容C10连接；所述电感L2的另一端与接地电容C8连接；所述放大器U1的输出端OUT作为驱动电路的输出端。
进一步地，压电谐振式传感器包括：传感器晶片、第一传感器电极和第二传感器电极；所述传感器晶片固定在第一传感器电极和第二传感器电极之间。
一种电流型光电转换装置，包括：光频转换单元、频率电流转换单元、信号调理采集单元、信号处理单元、显示单元和直流稳压单元；
所述光频转换单元的输出端与频率电流转换单元的输入端连接；所述频率电流转换单元的输出端与信号调理采集单元的输入端通信连接；所述信号处理单元分别与信号调理采集单元的输出端和显示单元通信连接；所述直流稳压单元与光频转换单元电连接。
一种电流型光电转换方法，包括以下步骤：
S1、在无光信号照射光频转换单元的光窗口时，测量频率电流转换单元的输出电流，得到频率电流转换单元的无光输出电流；
S2、将光信号对准并照射到光频转换单元的光窗口，测量频率电流转换单元的输出电流，得到频率电流转换单元的有光输出电流；
S3、根据频率电流转换单元的无光输出电流和有光输出电流，计算光电转换器的光信号强度。
进一步地，步骤S3中计算光电转换器的光信号强度的公式为：
I1＝I0·(1+CLf·Lp)
I0＝Cf-I·f0
其中，I1为频率电流转换单元的有光输出电流，I0为频率电流转换单元的无光输出电流，CLf为光电转换器的光-频转换系数，Lp为光信号强度，Cf-I为频率-电流转换系数，f0为光频转换单元无光信号照射时输出的频率。
综上，本发明的有益效果为：
1、时间频率本身是七大基本物理量之一，可以作为计量标准，易于精确测量，所以本发明所述光电转换方法具有更高的精度；
2、本发明采用了电流型光电转换装置进行光电转换，利用传感器的光强-频率特性关系，首先将光照强度转换为频率量，然后通过频率电流转换电路转换为电流量，容易实现高精度测量；
3、该光电转换方法具有响应快速、响应频段宽等特点，配合集成的驱动电路和透光片，易于大批量生产；
4、本发明测量频率电流转换单元的无光输出电流和有光输出电流，根据无光输出电流和有光输出电流的对应关系，计算光电转换器的光信号强度，进而避免暗电流的影响。
附图说明
图1为一种电流型光电转换器的结构示意图；
图2为压电谐振式传感器的结构示意图；
图3为方形基座底部焊盘结构示意图；
图4为驱动电路的电路图；
图5为一种电流型光电转换方法的流程图；
图6为一种电流型光电转换装置的结构框图；
其中，1、方形基座；2、透光片；3、驱动电路；4、频率电流转换单元；5、压电谐振式传感器；6、导电胶；51、传感器晶片；52、第一传感器电极；53、第二传感器电极。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，一种电流型光电转换器，包括：方形基座1、透光片2、光频转换单元、频率电流转换单元4和金属盖板；
所述光频转换单元与频率电流转换单元通信连接；所述光频转换单元和频率电流转换单元4固定于方形基座1中；所述金属盖板和透光片2分别与方形基座1固定连接。
方形基座1的材料为陶瓷。
光频转换单元包括：驱动电路3和压电谐振式传感器5；所述压电谐振式传感器5的输出端与驱动电路3的输入端连接，并通过金丝绑定方式将压电谐振式传感器5的输出端与驱动电路3的输入端连接。压电谐振式传感器5包括：传感器晶片51、第一传感器电极52和第二传感器电极53；所述传感器晶片51固定在第一传感器电极52和第二传感器电极53之间，如图2所示。
方形基座1的内部两侧长边方向从下至上均包括：第一层台阶、第二层台阶、第三层台阶和第四层台阶；
所述第一层台阶的踏面和第二层台阶的垂面构成的区域为方形基座1底部的凹槽；所述驱动电路3和频率电流转换单元4通过绝缘胶固定在凹槽中；所述凹槽底部的四个角的表面镀有金属层；所述第二层台阶的踏面镀有金属层，所述第二层台阶踏面的金属层与沿方形基座1内壁到驱动电路3的金属化走线连接；所述压电谐振式传感器5下设有支架，该支架的一端通过导电胶6固定于第二层台阶的踏面，该支架的另一端与压电谐振式传感器5固定连接；所述透光片2通过绝缘胶固定于第三层台阶；所述第四层台阶分布于方形基座1的四周，其踏面镀有金属层；所述第四层台阶与金属盖板固定连接，第四层台阶相当于光电转换器的外壳，金属盖板上设有开窗，金属盖板上的开窗放置于四层台阶踏面，在真空条件下用缝焊方式进行密封封装。
凹槽底部的镀有金属层的四个区域分别与方形基座1底部的4个角处的焊盘一一对应连接。
如图3所示，将方形基座1底部的4个角处的焊盘以逆时针方向分别编号为1#～4#，4个引脚的焊盘形状为长方形，其中1#引脚带有封装标记，为小长方形焊盘被削去一部分。1#和2#引脚定义为接地端，3#引脚定义为输出端，4#引出脚定义为电源端。
驱动电路3通过绝缘胶固定到方形基座1的凹槽处，驱动电路3的电源端、接地端以金丝绑定方式分别接到与4#和1#引脚连接的凹槽底部的金属层区域。驱动电路3的输出端和接地端用金丝绑定方式连接到频率电流转换单元4的输入端和接地端。频率电流转换单元4的输出端和接地端以金丝绑定方式分别接到与3#和2#引脚连接的凹槽底部的金属层区域。
如图4所示，驱动电路3包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、接地电阻R4、电阻R5、接地电阻R6、接地电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、接地电容C5、电容C6、接地电容C7、接地电容C8、电容C9、接地电容C10、稳压二极管D1、晶振Y1、电感L1、电感L2、放大器U1和三极管Q1；
所述电阻R1的一端作为驱动电路3的输入端，其另一端分别与电感L1的一端、接地电容C1、稳压二极管D1的负极和电容C4的一端连接；所述电感L1的另一端分别与电容C2的一端、电容C3的一端和晶振Y1的一端连接；所述电容C4的另一端分别与电容C2的一端和电容C3的一端连接；所述稳压二极管D1的正极接地；所述三极管Q1的基极分别与电阻R2的一端、晶振Y1的另一端和电容C6的一端连接，其集电极与电阻R3的一端连接，其发射极分别与电容C6的一端、接地电容C7、接地电阻R4、电感L2的一端和电容C9的一端连接；所述放大器U1的输入端IN分别与电容C9的另一端、电阻R5的一端和接地电阻R6连接，其VCC端分别与电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、接地电容C5、电阻R5的另一端和接地电容C10连接；所述电感L2的另一端与接地电容C8连接；所述放大器U1的输出端OUT作为驱动电路3的输出端。
如图5所示，一种电流型光电转换方法，包括以下步骤：
S1、在无光信号照射光频转换单元的光窗口时，测量频率电流转换单元4的输出电流，得到频率电流转换单元4的无光输出电流；
S2、将光信号对准并照射到光频转换单元的光窗口，测量频率电流转换单元4的输出电流，得到频率电流转换单元4的有光输出电流；
S3、根据频率电流转换单元4的无光输出电流和有光输出电流，计算光电转换器的光信号强度。
步骤S3中计算光电转换器的光信号强度的公式为：
I1＝I0·(1+CLf·Lp)
Io＝Cf-I·f0
其中，I1为频率电流转换单元4的有光输出电流，I0为频率电流转换单元4的无光输出电流，CLf为光电转换器的光-频转换系数，Lp为光信号强度，Cf-I为频率-电流转换系数，f0为光频转换单元无光信号照射时输出的频率。
如图6所示，一种电流型光电转换装置，包括：光频转换单元、频率电流转换单元4、信号调理采集单元、信号处理单元、显示单元和直流稳压单元；
所述光频转换单元的输出端与频率电流转换单元4的输入端连接；所述频率电流转换单元4的输出端与信号调理采集单元的输入端通信连接；所述信号处理单元分别与信号调理采集单元的输出端和显示单元通信连接；所述直流稳压单元与光频转换单元电连接。
光频转换单元用于将光信号转换为频率信号。
驱动电路3用于电流型光电转换装置，使其正常工作，并输出频率；同时，驱动电路3带有温度补偿功能，可以抵消外界环境温度引起的驱动压电谐振式传感器5的频率漂移。
压电谐振式传感器5用于将照射到其表面的光信号转换为频率信号并通过驱动电路3输出。
频率电流转换单元4用于将驱动电路3的输出频率信号转换成电流信号。

Claims (10)

1.一种电流型光电转换器，其特征在于，包括：方形基座(1)、透光片(2)、光频转换单元、频率电流转换单元(4)和金属盖板；
所述光频转换单元与频率电流转换单元(4)通信连接；所述光频转换单元和频率电流转换单元(4)固定于方形基座(1)中；所述金属盖板和透光片(2)分别与方形基座(1)固定连接；所述频率电流转换单元(4)用于将光频转换单元的输出频率信号转换成电流信号。
2.根据权利要求1所述的电流型光电转换器，其特征在于，所述方形基座(1)的材料为陶瓷。
3.根据权利要求1所述的电流型光电转换器，其特征在于，所述光频转换单元包括：驱动电路(3)和压电谐振式传感器(5)；
所述压电谐振式传感器(5)的输出端与驱动电路(3)的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的电流型光电转换器，其特征在于，所述方形基座(1)的内部两侧长边方向从下至上均包括：第一层台阶、第二层台阶、第三层台阶和第四层台阶；
所述第一层台阶的踏面和第二层台阶的垂面构成的区域为方形基座(1)底部的凹槽；所述驱动电路(3)和频率电流转换单元(4)固定在凹槽中；所述凹槽底部的四个角的表面镀有金属层；所述第二层台阶的踏面镀有金属层，所述第二层台阶踏面的金属层与沿方形基座(1)内壁到驱动电路(3)的金属化走线连接；所述压电谐振式传感器(5)固定于第二层台阶的踏面；所述透光片(2)固定于第三层台阶；所述第四层台阶分布于方形基座(1)的四周，其踏面镀有金属层；所述第四层台阶与金属盖板固定连接。
5.根据权利要求4所述的电流型光电转换器，其特征在于，凹槽底部的镀有金属层的四个区域分别与方形基座(1)底部的4个角处的焊盘一一对应连接。
6.根据权利要求3所述的电流型光电转换器，其特征在于，所述驱动电路(3)包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、接地电阻R4、电阻R5、接地电阻R6、接地电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、接地电容C5、电容C6、接地电容C7、接地电容C8、电容C9、接地电容C10、稳压二极管D1、晶振Y1、电感L1、电感L2、放大器U1和三极管Q1；
所述电阻R1的一端作为驱动电路(3)的输入端，其另一端分别与电感L1的一端、接地电容C1、稳压二极管D1的负极和电容C4的一端连接；所述电感L1的另一端分别与电容C2的一端、电容C3的一端和晶振Y1的一端连接；所述电容C4的另一端分别与电容C2的一端和电容C3的一端连接；所述稳压二极管D1的正极接地；所述三极管Q1的基极分别与电阻R2的一端、晶振Y1的另一端和电容C6的一端连接，其集电极与电阻R3的一端连接，其发射极分别与电容C6的一端、接地电容C7、接地电阻R4、电感L2的一端和电容C9的一端连接；所述放大器U1的输入端IN分别与电容C9的另一端、电阻R5的一端和接地电阻R6连接，其VCC端分别与电阻R2的另一端、电阻R3的另一端、接地电容C5、电阻R5的另一端和接地电容C10连接；所述电感L2的另一端与接地电容C8连接；所述放大器U1的输出端OUT作为驱动电路(3)的输出端。
7.根据权利要求3所述的电流型光电转换器，其特征在于，所述压电谐振式传感器(5)包括：传感器晶片(51)、第一传感器电极(52)和第二传感器电极(53)；
所述传感器晶片(51)固定在第一传感器电极(52)和第二传感器电极(53)之间。
8.一种电流型光电转换装置，其特征在于，包括：光频转换单元、频率电流转换单元(4)、信号调理采集单元、信号处理单元、显示单元和直流稳压单元；
所述光频转换单元的输出端与频率电流转换单元(4)的输入端连接；所述频率电流转换单元(4)的输出端与信号调理采集单元的输入端通信连接；所述信号处理单元分别与信号调理采集单元的输出端和显示单元通信连接；所述直流稳压单元与光频转换单元电连接；所述光频转换单元包括：驱动电路(3)和压电谐振式传感器(5)；所述压电谐振式传感器(5)的输出端与驱动电路(3)的输入端连接；所述频率电流转换单元(4)用于将驱动电路(3)的输出频率信号转换成电流信号。
9.一种电流型光电转换方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在无光信号照射光频转换单元的光窗口时，测量频率电流转换单元(4)的输出电流，得到频率电流转换单元(4)的无光输出电流；
S2、将光信号对准并照射到光频转换单元的光窗口，测量频率电流转换单元(4)的输出电流，得到频率电流转换单元(4)的有光输出电流；
S3、根据频率电流转换单元(4)的无光输出电流和有光输出电流，计算光电转换器的光信号强度。
10.根据权利要求9所述的电流型光电转换方法，其特征在于，所述步骤S3中计算光电转换器的光信号强度的公式为：
I1＝I0·(1+CLf·Lp)
I0＝Cf-I·f0
其中，I1为频率电流转换单元(4)的有光输出电流，I0为频率电流转换单元(4)的无光输出电流，CLf为光电转换器的光-频转换系数，Lp为光信号强度，Cf-I为频率-电流转换系数，f0为光频转换单元无光信号照射时输出的频率。
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