光传感器,也称为光探测器,能够生长在各种不同的衬底上:锗、砷化镓铟、磷化镓以及硅。所有这些光传感器都具有可变的光谱和时刻呼应及运用功用,可是这类非硅基传感器的运用空间相对较窄,而硅基传感器则广泛适用于医疗、工业及商业等范畴。
硅基光探测器,比方集成了RGB滤波器的TAOS TCS230颜色传感器,为用户供给了很多选项,以习惯其广泛的运用范畴。与其他光探测器比较,硅基光传感器不只具有更广泛的用处,而且它们与其他电路的集成也十分简单,一般这使得它们成为更节约本钱的解决方案。这也是它们的采用率如此之高的部分原因。虽然硅基光传感器运用广泛,但能否挑选到最适宜的该种仪器将对规划功用产成巨大的影响。走运的是,依据很多运用,现在已形成了用于挑选集成硅基光传感器的通用规范。
通用规范
在硅基IC探测器范畴,为特定的运用挑选最适合的探测器需求考虑许多要素。这些要素包含光转化的类型、转化速率以及光谱呼应。集成的光传感器能够将光转化成不同品种的输出,包含将光转化成电流(LTC),电压(LTV),频率(LTF)以及数字信号(LTD)。它们对光做出呼应并以快慢不等的相应速度输出,速度(呼应时刻)从几毫秒到几纳秒不等。硅基探测器的光谱响散布于电磁频谱近紫外(300nm)到近红外(1100nm)这一规模内,包含了可见光(400~700nm)。应当留意的是,在这一规模内,光谱呼应并不一起。虽然上述3项规范并不是挑选光传感器时需求考虑的仅有要素,但它们极大地缩小了挑选规模,这样能够对类似的器材类型运用最终的规范(比方本钱和封装)进行挑选。
光转化
LTV和LTC器材分别将光能转化成电压和电流输出。这两种器材有许多相同的运用并能够交互运用。所以,请记住,鄙人面有关LTV器材的评论中,假如你运用电流替换电压,那么评论成果也将适用于LTC器材。LTV器材在感应到光的强度时,它的输出电压会增大或减小。器材的动态规模是介于最小和最大输出电压之间的规模。最小的电压等级/输出称为暗电压(Vd),出现在输入光强度为0的时分。最大或饱满电压等级对应于光电二极管能够转化的最大光能量的输入;即便光能量输入超越该值,输出电压仍将坚持不变。 LTV/C探测器适用于需求监测光强瞬间改变的运用范畴,例如,在某条出产线上,有必要检测快速移动的传送带上每个物体经过某一点时光强的改变。一般,需求装置一个A/D转化器,作为传感器和微处理器或其他类型操控器之间的接口。LTF器材将光能转化成某种波形,波形的频率与被感应的光强成正比。LTF器材的动态规模由它的最小和最大输出频率决议。当输入光强为0时,输出是最小频率或暗频率。而最大或满刻度频率是输出频率不再跟着光强的添加而添加时的频率。
LTF的动态规模远远超越LTV器材,它适用于需求更高分辨率的运用场合。例如,动态规模是4V而噪声(暗电压)是4mV的线性LTV器材能够供给1000个阶梯,而动态规模是1MHz,噪声(暗频率)是0.5Hz的LTF能够供给200万个阶梯,TAOSTSL237即为一例。LTF的频率输出需求运用一个频率计数器或许微处理器进行处理。LTD器材将光强转化成数字数据。然后,数字数据被存储在内部寄存器之中,在那里,数据将跟着落在传感器上的光强改变而成正比改变。LTD器材与微处理器之间一般运用各种不同协议之中的某一种作为接口,其间包含SMbus、I2C和SPI。这种器材的动态规模是寄存器最大和最小取值之差。其数字接口也使得这些器材有必定的可编程性,可用来操控增益以及积分时刻等量。大多数LTD器材是可寻址的,这意味着多个器材能够在单根总线上共存,从而将互连本钱降到最低。TAOSTSL2563是带有可编程增益和积分时刻的LTD器材的一个比方。这个传感器经过I2C接口为编程状况供给了中止功用。
转化速率
在许多运用中,光探测器能否将光强的改变转化成有用输出的速度是应考虑的一项重要要素。与输出类型无关,光电二极管的偏置和尺度是决议传感器转化速度的主要要素:光电二极管越大,电容越大,对光强的呼应就越慢。因此,反向偏压被用来添加转化速率。请留意,一般情况下,关于集成传感器转化速度的确认起约束效果的要素是集成电路,而不是光电二极管。虽然略有不同,可是LTV和LTC器材都能够被一起归类为光模拟信号转化(LTA)器材。由于除了光电二极管之外,LTA器材只需求很少的电路——电流放大器(CA)或许跨阻放大器(TIA),所以该种器材供给了比LTF或LTD器材更快的呼应时刻。LTA器材的速度可经过输出的上升和下降时刻进行丈量。如上所述,它不只受偏置和光电二极管尺度的影响,而且还与CA或许TIA的电容有关。除了受光电二极管的约束,LTF器材还添加了电流到频率的转化时刻。一般,转化会在电流转化到方针频率输出的一个周期内完结。因此,LTF器材呼应发生1kHz波形的光强比呼应发生1MHz波形的光强要慢。假如要丈量极弱的光强,对这一点的考虑会十分重要。LTD器材的速度与LTA或许LTF器材有些不同,由于LTD器材一般不是接连地在输出总线上放置数据;而且一般只要在操控器宣布恳求时,它才供给数据。此刻,数据才会被载入到数据寄存器。因此,转化速率由总线的速度决议。
光谱呼应
了解运用的光谱感应要求,并运用具有适宜的光谱呼应的传感器与之匹配,这是一项重要的体系考虑。例如,运用近红外LED的挨近探测器,需求只对近红外区域光谱能量进行呼应的传感器。而且这个传感器必定不能对可见光区域的光能进行呼应。要到达这样的意图,能够运用外部可见光阻挠滤波器,或许挑选带有集成滤波器的探测器。假如运用需求只对可见光区域呼应,也需求进行相同的考虑,比方色度丈量。这需求滤除太阳以及其他光源的近红外能量,办法是运用外部或许集成的红外阻挠滤波器。这品种型的运用也需求红、绿和蓝(RGB)滤波器,外部的或许集成的都能够。