光學(xué)傳感器的應(yīng)用及解決方案

光學(xué)傳感器系統(tǒng)通常包括傳感器，光源，光纖和測量裝置;當(dāng)發(fā)生相變時(shí)，傳感器充當(dāng)光電觸發(fā)器。用于過程控制，醫(yī)療診斷，成像和遙感應(yīng)用，光學(xué)傳感器正在經(jīng)歷各種產(chǎn)品的快速發(fā)展，包括將在本文中討論的一些值得注意的部分。

今天有許多類型的光學(xué)傳感器，包括基于激光器，成像系統(tǒng)和/或光纖的傳感器。光學(xué)傳感器提供諸如電磁抗擾度，電隔離，寬動(dòng)態(tài)范圍，多路復(fù)用能力以及緊湊和輕便的重要特征。

光學(xué)傳感系統(tǒng)是測量電場和磁場以及電流的理想選擇。光纖傳感器具有固有的介電性質(zhì);它們提供傳感器頭與地電位的電流隔離，并且對電磁干擾不太敏感。幾乎所有的電場和磁場應(yīng)用光纖傳感器都使用光纖連接到一些其他材料，其中光纖用于監(jiān)測該材料的任何變化，并應(yīng)用電場和磁場，而不是測量實(shí)際物理，光學(xué)性質(zhì)的變化。光本身（如強(qiáng)度，偏振，相位，波長和光譜分布）。這對于電場是必要的，因?yàn)楣饫w的玻璃基質(zhì)排除了普克爾斯效應(yīng)，其產(chǎn)生雙折射（基本上是雙折射，當(dāng)光線穿過各向異性材料時(shí)光線分解為兩條光線）在光學(xué)介質(zhì)中由恒定或變化的電場。

典型應(yīng)用

現(xiàn)在讓我們來研究一些有代表性的光學(xué)傳感器及其所服務(wù)的應(yīng)用。

雖然許多光學(xué)傳感器支持諸如監(jiān)視系統(tǒng)，生物監(jiān)測，環(huán)境控制等應(yīng)用，但其他光學(xué)傳感器基于小型，廉價(jià)，電池供電的電子微傳感器設(shè)備?？匆幌翧vago的兩個(gè)這樣的光學(xué)傳感器，第一個(gè)是ADNS-7550（圖1）集成模制引線框架密度推理協(xié)議（DIP）導(dǎo)航傳感器。 DIP技術(shù)以極低的能源成本和恒定的運(yùn)行時(shí)間提供統(tǒng)計(jì)上可靠和準(zhǔn)確的局部密度估算。

該傳感器基于該公司的LaserStream技術(shù)，該技術(shù)通過光學(xué)采集順序表面圖像（幀）并在數(shù)學(xué)上確定運(yùn)動(dòng)的方向和幅度來測量位置的變化。 ADNS-7550在單個(gè)封裝中包含傳感器和垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）。與大多數(shù)基于氧化物的單模VCSEL相比，這類VCSEL在寬輸出功率范圍內(nèi)保持單模工作，功耗顯著低于LED，并且用于光學(xué)導(dǎo)航應(yīng)用。

該解決方案包含一個(gè)圖像采集系統(tǒng)（IAS），通過鏡頭和照明系統(tǒng)獲取微觀表面圖像。圖像由數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）處理，數(shù)字信號(hào)處理器計(jì)算Δx和Δy相對位移值。微控制器在將數(shù)據(jù)發(fā)送到主機(jī)PC或游戲控制臺(tái)之前將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PS2，USB或RF信號(hào)。

圖1：Avago ADNS-7550采用單個(gè)封裝，具有傳感器和VCSEL。

Avago的LaserStream技術(shù)是世界上第一個(gè)用于高性能導(dǎo)航的激光照明系統(tǒng)。當(dāng)在鼠標(biāo)應(yīng)用中使用時(shí)，鼠標(biāo)能夠比基于LED的鼠標(biāo)更精確地跟蹤更光滑的表面。

功能包括寬工作電壓：4.0至5.25 V，小尺寸，集成模制引線框架板上芯片封裝，高速運(yùn)動(dòng)檢測高達(dá)30 ips和8 g，運(yùn)動(dòng)檢測引腳輸出，內(nèi)部振蕩器 - 無需時(shí)鐘輸入，可選擇400-，800，1200，1600，2000-cpi分辨率。應(yīng)用包括激光鼠標(biāo)，光學(xué)跟蹤球和集成模制引線框輸入設(shè)備。

相比之下，Avago ADNS-2700（圖2）是一款緊湊型單芯片USB光學(xué)鼠標(biāo)傳感器，專為在計(jì)算機(jī)鼠標(biāo)中實(shí)現(xiàn)非機(jī)械跟蹤引擎而設(shè)計(jì)。該傳感器基于光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)，包含圖像采集系統(tǒng)（IAS），數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）和USB流輸出。在該傳感器中，IAS通過由調(diào)整透鏡提供的透鏡和照明系統(tǒng)獲取微觀表面圖像。這些圖像由DSP處理以確定運(yùn)動(dòng)的方向和距離。 DSP生成Δx和Δy相對位移值，這些值被轉(zhuǎn)換為USB運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。它基于光學(xué)導(dǎo)航技術(shù)，通過光學(xué)獲取連續(xù)的表面圖像（幀）并在數(shù)學(xué)上確定運(yùn)動(dòng)的方向和幅度來測量位置的變化。

傳感器采用8引腳光學(xué)封裝，設(shè)計(jì)用于ADNS-5100-001微調(diào)透鏡，ADNS LED組件夾和LED。這些部件共同提供了完整而緊湊的鼠標(biāo)傳感器。沒有移動(dòng)部件，不需要精確的光學(xué)對準(zhǔn)，便于大批量組裝。

圖2：ADNS-2700單芯片USB光電鼠標(biāo)傳感器。

輸出格式為USB。該器件符合HID Revision 1.11規(guī)范，并與USB Revision 2.0兼容。幀速率在傳感器內(nèi)部變化，以實(shí)現(xiàn)跟蹤和速度性能，無需使用許多寄存器。默認(rèn)分辨率指定為每英寸1，000個(gè)計(jì)數(shù)，運(yùn)動(dòng)速率最高為30英寸/秒?？梢酝ㄟ^添加PC板，開關(guān)和Z形輪，塑料外殼和電纜來構(gòu)建完整的鼠標(biāo)。應(yīng)用包括有線光學(xué)鼠標(biāo)，軌跡球和集成輸入設(shè)備。

光學(xué)傳感器還用于測量環(huán)境光，并根據(jù)環(huán)境光可用性和亮度控制LED背光LCD顯示器的亮度，以實(shí)現(xiàn)能效和顯示可視性。其中一種設(shè)備是ROHM的BH1603FVC模擬電流輸出型環(huán)境光傳感器IC（圖3）。

圖3：ROHM BH1603FVC模擬電流輸出環(huán)境光傳感器。

BH1603FVC用于獲取環(huán)境光數(shù)據(jù)，用于調(diào)節(jié)手機(jī)的LCD和鍵盤背光，以節(jié)省電力和提高可視性。其他應(yīng)用包括PDP電視，筆記本電腦，便攜式游戲機(jī)，數(shù)碼相機(jī)，數(shù)碼攝像機(jī)，PDA，LCD監(jiān)視器和顯示器以及汽車導(dǎo)航系統(tǒng)。功能包括緊湊的表面貼裝封裝3.0 x 1.6 mm，光譜靈敏度非常接近人眼，輸出電流與亮度成比例，最小電源電壓為2.4 V，內(nèi)置關(guān)斷功能，3級(jí)可控輸出電流增益，1.8 V邏輯輸入接口，低靈敏度變化（±15％）。

調(diào)整背光強(qiáng)度以補(bǔ)償環(huán)境光線水平的變化可以節(jié)省操作選定電子設(shè)備所需總功率的50％或更多，從而顯著改善通話時(shí)間并擴(kuò)展設(shè)備的功能集。為了提供卓越的性能，必須在寬范圍的環(huán)境光條件和光源下以均勻的方式進(jìn)行背光亮度控制。

距離測量傳感器在多種應(yīng)用中非常重要，包括無觸點(diǎn)開關(guān)提供的節(jié)能。提供數(shù)字輸出的一個(gè)單元是Sharp GP2Y0Di10Z0F（圖4），它由光電二極管，紅外發(fā)光二極管和信號(hào)處理電路的集成組合而成。由構(gòu)成該單元的三個(gè)部分提供的三角測量最小化了反射率，環(huán)境溫度和操作持續(xù)時(shí)間對距離檢測的影響。如果物體存在于指定的距離范圍內(nèi)，傳感器的輸出電壓將保持高電平，從而使傳感器也可用于接近傳感器應(yīng)用。

圖4：Sharp GP2Y0D810Z0F距離測量傳感器單元。

符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)的傳感器的特點(diǎn)包括數(shù)字輸出，100 mm的短檢測距離，13.6 x 7 x 7.95 mm的薄型封裝尺寸，5 mA消耗電流，27至6.2 V的電源電壓，以及對陽光的耐受性。

光學(xué)距離測量傳感器可用于各種工業(yè)，商業(yè)和研究應(yīng)用。它們通常通過使用可見光或紅外激光束將光點(diǎn)投射到目標(biāo)上來工作，目標(biāo)是要測量距離的表面。然后通過諸如三角測量和改進(jìn)的飛行時(shí)間的裝置測量從光點(diǎn)返回光檢測元件的距離。距離測量傳感器的選擇標(biāo)準(zhǔn)包括最大范圍，靈敏度，目標(biāo)反射率和鏡面反射率，精度和分辨率，環(huán)境條件和采樣率。下一步是什么？太赫茲傳感器

微納米結(jié)構(gòu)等材料的最新進(jìn)展，包括太赫茲（THz）輻射的新頻段，更強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，小型化和低功耗能力為光學(xué)傳感器開辟了廣泛的應(yīng)用。

太赫茲（10 12 Hz）部分的電磁波譜位于微波和紅外線之間。通常，松散地定義為從約0.3THz（波長1mm）延伸至約10THz（波長30μm）。

THz頻域中的電磁輻射具有獨(dú)特的性質(zhì)，使其特別適用于從生物醫(yī)學(xué)成像，國家安全和包裝貨物檢測到遙感和光譜學(xué)的應(yīng)用。一種獨(dú)特的能力是THz波可以穿透各種非導(dǎo)電材料。它們可以穿過衣服，紙張，紙板，木材，磚石，塑料和陶瓷，以便可以檢查包裝物體的尺寸或化學(xué)成分，但它們不能穿透金屬并且在水中強(qiáng)烈減弱。

半導(dǎo)體光電導(dǎo)也可以用于在稱為“Grischkowsky天線”的布置中檢測THz脈沖;用于THz頻率范圍的偶極天線被圖案化為絕緣半導(dǎo)體（通常為GaAs）上的傳輸線。通過飛秒激光脈沖對天線進(jìn)行門控開關(guān)。只有當(dāng)激光脈沖在半導(dǎo)體中產(chǎn)生光載流子時(shí)，電流才會(huì)在THz電場的方向上流動(dòng)。通過掃描窄柵極激光脈沖和THz脈沖之間的時(shí)間延遲，可以測量THz波的電場作為時(shí)間的函數(shù)。這種探測器也被稱為“光電導(dǎo)天線”，已用于時(shí)域光譜（TDS）。1