光学传感器的应用及解决方案

光学传感器系统通常包括传感器，光源，光纤和测量装置;当发生相变时，传感器充当光电触发器。用于过程控制，医疗诊断，成像和遥感应用，光学传感器正在经历各种产品的快速发展，包括将在本文中讨论的一些值得注意的部分。

今天有许多类型的光学传感器，包括基于激光器，成像系统和/或光纤的传感器。光学传感器提供诸如电磁抗扰度，电隔离，宽动态范围，多路复用能力以及紧凑和轻便的重要特征。

光学传感系统是测量电场和磁场以及电流的理想选择。光纤传感器具有固有的介电性质;它们提供传感器头与地电位的电流隔离，并且对电磁干扰不太敏感。几乎所有的电场和磁场应用光纤传感器都使用光纤连接到一些其他材料，其中光纤用于监测该材料的任何变化，并应用电场和磁场，而不是测量实际物理，光学性质的变化。光本身（如强度，偏振，相位，波长和光谱分布）。这对于电场是必要的，因为光纤的玻璃基质排除了普克尔斯效应，其产生双折射（基本上是双折射，当光线穿过各向异性材料时光线分解为两条光线）在光学介质中由恒定或变化的电场。

典型应用

现在让我们来研究一些有代表性的光学传感器及其所服务的应用。

虽然许多光学传感器支持诸如监视系统，生物监测，环境控制等应用，但其他光学传感器基于小型，廉价，电池供电的电子微传感器设备。看一下Avago的两个这样的光学传感器，第一个是ADNS-7550（图1）集成模制引线框架密度推理协议（DIP）导航传感器。 DIP技术以极低的能源成本和恒定的运行时间提供统计上可靠和准确的局部密度估算。

该传感器基于该公司的LaserStream技术，该技术通过光学采集顺序表面图像（帧）并在数学上确定运动的方向和幅度来测量位置的变化。 ADNS-7550在单个封装中包含传感器和垂直腔表面发射激光器（VCSEL）。与大多数基于氧化物的单模VCSEL相比，这类VCSEL在宽输出功率范围内保持单模工作，功耗显着低于LED，并且用于光学导航应用。

该解决方案包含一个图像采集系统（IAS），通过镜头和照明系统获取微观表面图像。图像由数字信号处理器（DSP）处理，数字信号处理器计算Δx和Δy相对位移值。微控制器在将数据发送到主机PC或游戏控制台之前将数据转换为PS2，USB或RF信号。

图1：Avago ADNS-7550采用单个封装，具有传感器和VCSEL。

Avago的LaserStream技术是世界上第一个用于高性能导航的激光照明系统。当在鼠标应用中使用时，鼠标能够比基于LED的鼠标更精确地跟踪更光滑的表面。

功能包括宽工作电压：4.0至5.25 V，小尺寸，集成模制引线框架板上芯片封装，高速运动检测高达30 ips和8 g，运动检测引脚输出，内部振荡器 - 无需时钟输入，可选择400-，800，1200，1600，2000-cpi分辨率。应用包括激光鼠标，光学跟踪球和集成模制引线框输入设备。

相比之下，Avago ADNS-2700（图2）是一款紧凑型单芯片USB光学鼠标传感器，专为在计算机鼠标中实现非机械跟踪引擎而设计。该传感器基于光学导航技术，包含图像采集系统（IAS），数字信号处理器（DSP）和USB流输出。在该传感器中，IAS通过由调整透镜提供的透镜和照明系统获取微观表面图像。这些图像由DSP处理以确定运动的方向和距离。 DSP生成Δx和Δy相对位移值，这些值被转换为USB运动数据。它基于光学导航技术，通过光学获取连续的表面图像（帧）并在数学上确定运动的方向和幅度来测量位置的变化。

传感器采用8引脚光学封装，设计用于ADNS-5100-001微调透镜，ADNS LED组件夹和LED。这些部件共同提供了完整而紧凑的鼠标传感器。没有移动部件，不需要精确的光学对准，便于大批量组装。

图2：ADNS-2700单芯片USB光电鼠标传感器。

输出格式为USB。该器件符合HID Revision 1.11规范，并与USB Revision 2.0兼容。帧速率在传感器内部变化，以实现跟踪和速度性能，无需使用许多寄存器。默认分辨率指定为每英寸1，000个计数，运动速率最高为30英寸/秒。可以通过添加PC板，开关和Z形轮，塑料外壳和电缆来构建完整的鼠标。应用包括有线光学鼠标，轨迹球和集成输入设备。

光学传感器还用于测量环境光，并根据环境光可用性和亮度控制LED背光LCD显示器的亮度，以实现能效和显示可视性。其中一种设备是ROHM的BH1603FVC模拟电流输出型环境光传感器IC（图3）。

图3：ROHM BH1603FVC模拟电流输出环境光传感器。

BH1603FVC用于获取环境光数据，用于调节手机的LCD和键盘背光，以节省电力和提高可视性。其他应用包括PDP电视，笔记本电脑，便携式游戏机，数码相机，数码摄像机，PDA，LCD监视器和显示器以及汽车导航系统。功能包括紧凑的表面贴装封装3.0 x 1.6 mm，光谱灵敏度非常接近人眼，输出电流与亮度成比例，最小电源电压为2.4 V，内置关断功能，3级可控输出电流增益，1.8 V逻辑输入接口，低灵敏度变化（±15％）。

调整背光强度以补偿环境光线水平的变化可以节省操作选定电子设备所需总功率的50％或更多，从而显着改善通话时间并扩展设备的功能集。为了提供卓越的性能，必须在宽范围的环境光条件和光源下以均匀的方式进行背光亮度控制。

距离测量传感器在多种应用中非常重要，包括无触点开关提供的节能。提供数字输出的一个单元是Sharp GP2Y0Di10Z0F（图4），它由光电二极管，红外发光二极管和信号处理电路的集成组合而成。由构成该单元的三个部分提供的三角测量最小化了反射率，环境温度和操作持续时间对距离检测的影响。如果物体存在于指定的距离范围内，传感器的输出电压将保持高电平，从而使传感器也可用于接近传感器应用。

图4：Sharp GP2Y0D810Z0F距离测量传感器单元。

符合RoHS标准的传感器的特点包括数字输出，100 mm的短检测距离，13.6 x 7 x 7.95 mm的薄型封装尺寸，5 mA消耗电流，27至6.2 V的电源电压，以及对阳光的耐受性。

光学距离测量传感器可用于各种工业，商业和研究应用。它们通常通过使用可见光或红外激光束将光点投射到目标上来工作，目标是要测量距离的表面。然后通过诸如三角测量和改进的飞行时间的装置测量从光点返回光检测元件的距离。距离测量传感器的选择标准包括最大范围，灵敏度，目标反射率和镜面反射率，精度和分辨率，环境条件和采样率。下一步是什么？太赫兹传感器

微纳米结构等材料的最新进展，包括太赫兹（THz）辐射的新频段，更强大的网络功能，小型化和低功耗能力为光学传感器开辟了广泛的应用。

太赫兹（10 12 Hz）部分的电磁波谱位于微波和红外线之间。通常，松散地定义为从约0.3THz（波长1mm）延伸至约10THz（波长30μm）。

THz频域中的电磁辐射具有独特的性质，使其特别适用于从生物医学成像，国家安全和包装货物检测到遥感和光谱学的应用。一种独特的能力是THz波可以穿透各种非导电材料。它们可以穿过衣服，纸张，纸板，木材，砖石，塑料和陶瓷，以便可以检查包装物体的尺寸或化学成分，但它们不能穿透金属并且在水中强烈减弱。

半导体光电导也可以用于在称为“Grischkowsky天线”的布置中检测THz脉冲;用于THz频率范围的偶极天线被图案化为绝缘半导体（通常为GaAs）上的传输线。通过飞秒激光脉冲对天线进行门控开关。只有当激光脉冲在半导体中产生光载流子时，电流才会在THz电场的方向上流动。通过扫描窄栅极激光脉冲和THz脉冲之间的时间延迟，可以测量THz波的电场作为时间的函数。这种探测器也被称为“光电导天线”，已用于时域光谱（TDS）。¹