關(guān)于常見(jiàn)光學(xué)傳感器研究進(jìn)展探討

王偉 湖北科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院

引言

到目前為止光學(xué)傳感器已經(jīng)發(fā)展相對(duì)成熟，光學(xué)傳感器的理論已經(jīng)被相繼完善，光學(xué)傳感器都已經(jīng)融入普通大眾的日常生活中。光學(xué)傳感器也已經(jīng)應(yīng)用到諸多領(lǐng)域之中。即便如此相關(guān)科研人員仍然致力于光學(xué)傳感器的研究。在光學(xué)科學(xué)研究領(lǐng)域依然需要性能更加強(qiáng)大的光學(xué)傳感器。使用新機(jī)理和高靈敏度的光學(xué)傳感器有利于光學(xué)研究領(lǐng)域的理論和技術(shù)突破，新型光學(xué)傳感器對(duì)光學(xué)邊緣領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)和探索相當(dāng)有意義。

一、光學(xué)傳感器發(fā)展簡(jiǎn)介

所謂光學(xué)傳感器就是光學(xué)原理測(cè)量數(shù)據(jù)的傳感器械。近幾十年來(lái)，電傳感器一直作為主流傳感器，電傳感器作為測(cè)量物理和機(jī)械現(xiàn)象的標(biāo)準(zhǔn)裝置在生活中應(yīng)用廣泛，可是由于電傳感器的電氣特性，電傳感器在信號(hào)獲取過(guò)程中容易被出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，容易受到電磁干擾等諸多弊端，在一些特種領(lǐng)域這些弊端會(huì)干擾數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度甚至電傳感器完全不適宜使用的。為了解決這一系列的問(wèn)題，科研人員把研究目光發(fā)放在了光學(xué)傳感器上。光學(xué)傳感器具有性能穩(wěn)定和非接觸無(wú)損測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。由于其光學(xué)特性，不會(huì)受電磁干擾和其他外界因素的影響，避免了像電傳感器那樣的弊端。而且隨著光電半導(dǎo)體材料技術(shù)革新，光學(xué)傳感器的制造成本大大降低，進(jìn)而推動(dòng)了光學(xué)傳感器的應(yīng)用。

二、常見(jiàn)傳統(tǒng)光學(xué)傳感器分類(lèi)

（一）光學(xué)圖像傳感器

圖像傳感器是利用光電半導(dǎo)體材料的光伏特性。通過(guò)微小感光單元將感光單元的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為與光信號(hào)成相應(yīng)線(xiàn)性關(guān)系的電壓信號(hào)，與光敏電阻，光敏二極管等感應(yīng)單個(gè)光源的光敏器件相比，圖像傳感器是將其受光面上的光像，分成許多微小感光單元，將其轉(zhuǎn)換成可用的電壓信號(hào)的一種功能器件。

1.圖像傳感器分類(lèi)：

CCD 與CMOS 都屬于圖像傳感器，但是兩者制造工藝不同，所帶來(lái)的傳感效果和傳感特點(diǎn)是不相同的。為了獲取高像素質(zhì)量的圖片，大眾日常使用的攝錄影機(jī)就是使用CCD 圖像傳感器。

CCD 圖像傳感器：

CCD 主要由二極管組成，加上其特有的工藝，使其具有諸多優(yōu)點(diǎn)①超高解析度，采集的最小像素的大小能夠達(dá)到微米 級(jí)別，可感測(cè)及識(shí)別精細(xì)物體，提高影像品質(zhì)；②感測(cè)動(dòng)態(tài)范圍廣，能夠同時(shí)偵測(cè)及分辨不同光強(qiáng)程度光信號(hào)，使系統(tǒng)能夠在不同光照度環(huán)境下使用，不因光照亮度差異而造成信號(hào)失真現(xiàn)象；③采集的光強(qiáng)信號(hào)和輸出的電壓信號(hào)具有良好的正比關(guān)系，采集信號(hào)的失真程度小，同時(shí)降低了處理失真所帶來(lái)的成本；④偵測(cè)波段廣，能夠感應(yīng)很寬波長(zhǎng)范圍的光波，增加了系統(tǒng)的感測(cè)光波的波段范圍；⑤具有高光子轉(zhuǎn)換效率，在一定程度內(nèi)能記錄很微弱的入射光，同時(shí)配合影像增強(qiáng)管即使遠(yuǎn)距離暗環(huán)境的條件下仍然可以感測(cè)。

由于CCD 具有出色的成像特性，在高精度測(cè)量領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用。在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)還會(huì)延續(xù)采用，但同時(shí)由于其成本高、能耗大的弊端制約了其市場(chǎng)應(yīng)用發(fā)展的范圍。

CMOS 圖像傳感器：

CMOS 傳感器采用一般半導(dǎo)體電路最常用的CMOS 工藝，CMOS 中文名稱(chēng)：互補(bǔ)性金屬氧化物半導(dǎo)體。主要是利用硅材料和鍺材料這兩種非金屬元素、金屬元素通過(guò)化學(xué)方法所制成的半導(dǎo)體材料，通過(guò)CMOS上帶負(fù)電和帶正電的晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的基本功能。這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片記錄和解讀便能重現(xiàn)光學(xué)影像。百萬(wàn)像素水平是使用CMOS 和CCD 的分界標(biāo)準(zhǔn)，由于工藝和材料特性等問(wèn)題早期CMOS 設(shè)備的像素等級(jí)完全無(wú)法與CCD 設(shè)備相比，但是隨著設(shè)備的升級(jí)和技術(shù)的革新現(xiàn)在百萬(wàn)像素級(jí)別的CMOS 圖像傳感器被大量使用在數(shù)碼相機(jī)，手機(jī)等設(shè)備上。由于CMOS 圖像傳感器與CCD 圖像傳感器相比具有便攜、電能消耗少、響應(yīng)速度快、而且價(jià)格相對(duì)便宜等特點(diǎn)，CMOS 圖像傳感器的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越普遍，在某些領(lǐng)域已經(jīng)完全可以取代CCD 圖像傳感器。

(二) 透射型光學(xué)傳感器

所謂投射性光傳感器就是指可以透過(guò)玻璃或別的較透明物質(zhì)然后對(duì)里面的東西進(jìn)行測(cè)量，比如對(duì)玻璃片地下的硅晶片進(jìn)行測(cè)量。常見(jiàn)的透射型傳感器主要是通過(guò)發(fā)射出具有一定穿透性的光線(xiàn)，然后感測(cè)反饋回來(lái)的光以獲取被測(cè)物的相關(guān)信息。在可穿戴智能設(shè)備上為了能實(shí)現(xiàn)檢測(cè)脈搏等功能，如當(dāng)前的智能手環(huán)系列產(chǎn)品，就是通過(guò)發(fā)射紅外線(xiàn)進(jìn)入手腕，由于脈搏跳動(dòng)手里的對(duì)紅外線(xiàn)的反射率會(huì)變化智能手環(huán)內(nèi)部的透射型光學(xué)傳感器就能通過(guò)反射率的變化感測(cè)到脈搏信息。透射型光學(xué)傳感器在醫(yī)療器械，信息產(chǎn)業(yè)等有諸多應(yīng)用。

（三）反射型光學(xué)傳感器

反射式光電傳感器包括光發(fā)射器和光接收器，在其對(duì)應(yīng)位置安裝一塊光反射面板，利用光的反射原理完成光電控制。可以用來(lái)檢測(cè)物體表面亮度和色彩的變化，也可以探測(cè)有傳感器周?chē)袩o(wú)障礙物體。

反射式光電傳感器廣泛應(yīng)用于光電開(kāi)關(guān)、計(jì)數(shù)和其他電子產(chǎn)品內(nèi)部。

三、光纖傳感器

由于常規(guī)光學(xué)傳感器在靈敏度、精確度和適應(yīng)性上不完全能夠滿(mǎn)足人們需求，所以光纖傳感器這一新型光學(xué)傳感器進(jìn)入大眾視野。光纖具有很多特別的性能。光纖傳感器不受電磁輻射的干擾，光纖易于安裝同時(shí)具有絕緣特性絕緣，不存在像普通含有電路的光學(xué)傳感器那樣的自感現(xiàn)象，光纖作為傳感器還有耐腐蝕的特點(diǎn)，能夠在特種條件下工作。

光纖傳感器的基本工作原理是將來(lái)自激光器的光源通過(guò)光纖輸送入到激光調(diào)制器中，待測(cè)數(shù)據(jù)作用于光纖導(dǎo)致光纖內(nèi)的激光的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，將激光調(diào)制器內(nèi)的光學(xué)信息與原來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，完成測(cè)量。

光纖傳感器已經(jīng)得到多發(fā)面的應(yīng)用，如光纖壓力傳感器，光纖溫度傳感器，光纖傳感器檢測(cè)水紋等。

四、結(jié)束語(yǔ)

光學(xué)傳感器在當(dāng)代發(fā)展迅速，由于光學(xué)傳感器的性能優(yōu)異，曾一度作為國(guó)家戰(zhàn)略發(fā)展領(lǐng)域。現(xiàn)階段的光學(xué)傳感器的廣泛用于民用設(shè)備、工業(yè)設(shè)備、醫(yī)療、國(guó)防、航空航天航海等領(lǐng)域。發(fā)展光學(xué)傳感器將會(huì)帶來(lái)許多便利，有理由預(yù)測(cè)在不久的將來(lái)光學(xué)傳感器會(huì)逐漸代替普通的電傳感器。光學(xué)傳感器的發(fā)展也將會(huì)更加迅速。