關于常見光學傳感器研究進展探討

王偉 湖北科技學院電子與信息工程學院

引言

到目前為止光學傳感器已經發展相對成熟，光學傳感器的理論已經被相繼完善，光學傳感器都已經融入普通大眾的日常生活中。光學傳感器也已經應用到諸多領域之中。即便如此相關科研人員仍然致力于光學傳感器的研究。在光學科學研究領域依然需要性能更加強大的光學傳感器。使用新機理和高靈敏度的光學傳感器有利于光學研究領域的理論和技術突破，新型光學傳感器對光學邊緣領域的開發和探索相當有意義。

一、光學傳感器發展簡介

所謂光學傳感器就是光學原理測量數據的傳感器械。近幾十年來，電傳感器一直作為主流傳感器，電傳感器作為測量物理和機械現象的標準裝置在生活中應用廣泛，可是由于電傳感器的電氣特性，電傳感器在信號獲取過程中容易被出現數據丟失，容易受到電磁干擾等諸多弊端，在一些特種領域這些弊端會干擾數據的準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題，科研人員把研究目光發放在了光學傳感器上。光學傳感器具有性能穩定和非接觸無損測量等優點。由于其光學特性，不會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。而且隨著光電半導體材料技術革新，光學傳感器的制造成本大大降低，進而推動了光學傳感器的應用。

二、常見傳統光學傳感器分類

（一）光學圖像傳感器

圖像傳感器是利用光電半導體材料的光伏特性。通過微小感光單元將感光單元的光信號轉換為與光信號成相應線性關系的電壓信號，與光敏電阻，光敏二極管等感應單個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，將其轉換成可用的電壓信號的一種功能器件。

1.圖像傳感器分類：

CCD 與CMOS 都屬于圖像傳感器，但是兩者制造工藝不同，所帶來的傳感效果和傳感特點是不相同的。為了獲取高像素質量的圖片，大眾日常使用的攝錄影機就是使用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，使其具有諸多優點①超高解析度，采集的最小像素的大小能夠達到微米 級別，可感測及識別精細物體，提高影像品質；②感測動態范圍廣，能夠同時偵測及分辨不同光強程度光信號，使系統能夠在不同光照度環境下使用，不因光照亮度差異而造成信號失真現象；③采集的光強信號和輸出的電壓信號具有良好的正比關系，采集信號的失真程度小，同時降低了處理失真所帶來的成本；④偵測波段廣，能夠感應很寬波長范圍的光波，增加了系統的感測光波的波段范圍；⑤具有高光子轉換效率，在一定程度內能記錄很微弱的入射光，同時配合影像增強管即使遠距離暗環境的條件下仍然可以感測。

由于CCD 具有出色的成像特性，在高精度測量領域中被廣泛應用。在很長時間內還會延續采用，但同時由于其成本高、能耗大的弊端制約了其市場應用發展的范圍。

CMOS 圖像傳感器：

CMOS 傳感器采用一般半導體電路最常用的CMOS 工藝，CMOS 中文名稱：互補性金屬氧化物半導體。主要是利用硅材料和鍺材料這兩種非金屬元素、金屬元素通過化學方法所制成的半導體材料，通過CMOS上帶負電和帶正電的晶體管來實現光電轉換的基本功能。這兩個互補效應所產生的電流即可被處理芯片記錄和解讀便能重現光學影像。百萬像素水平是使用CMOS 和CCD 的分界標準，由于工藝和材料特性等問題早期CMOS 設備的像素等級完全無法與CCD 設備相比，但是隨著設備的升級和技術的革新現在百萬像素級別的CMOS 圖像傳感器被大量使用在數碼相機，手機等設備上。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、響應速度快、而且價格相對便宜等特點，CMOS 圖像傳感器的應用已經越來越普遍，在某些領域已經完全可以取代CCD 圖像傳感器。

(二) 透射型光學傳感器

所謂投射性光傳感器就是指可以透過玻璃或別的較透明物質然后對里面的東西進行測量，比如對玻璃片地下的硅晶片進行測量。常見的透射型傳感器主要是通過發射出具有一定穿透性的光線，然后感測反饋回來的光以獲取被測物的相關信息。在可穿戴智能設備上為了能實現檢測脈搏等功能，如當前的智能手環系列產品，就是通過發射紅外線進入手腕，由于脈搏跳動手里的對紅外線的反射率會變化智能手環內部的透射型光學傳感器就能通過反射率的變化感測到脈搏信息。透射型光學傳感器在醫療器械，信息產業等有諸多應用。

（三）反射型光學傳感器

反射式光電傳感器包括光發射器和光接收器，在其對應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。可以用來檢測物體表面亮度和色彩的變化，也可以探測有傳感器周圍有無障礙物體。

反射式光電傳感器廣泛應用于光電開關、計數和其他電子產品內部。

三、光纖傳感器

由于常規光學傳感器在靈敏度、精確度和適應性上不完全能夠滿足人們需求，所以光纖傳感器這一新型光學傳感器進入大眾視野。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，光纖易于安裝同時具有絕緣特性絕緣，不存在像普通含有電路的光學傳感器那樣的自感現象，光纖作為傳感器還有耐腐蝕的特點，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自激光器的光源通過光纖輸送入到激光調制器中，待測數據作用于光纖導致光纖內的激光的光學性質發生變化，將激光調制器內的光學信息與原來的數據進行比較分析，完成測量。

光纖傳感器已經得到多發面的應用，如光纖壓力傳感器，光纖溫度傳感器，光纖傳感器檢測水紋等。

四、結束語

光學傳感器在當代發展迅速，由于光學傳感器的性能優異，曾一度作為國家戰略發展領域。現階段的光學傳感器的廣泛用于民用設備、工業設備、醫療、國防、航空航天航海等領域。發展光學傳感器將會帶來許多便利，有理由預測在不久的將來光學傳感器會逐漸代替普通的電傳感器。光學傳感器的發展也將會更加迅速。