关于常见光学传感器研究进展探讨

王伟 湖北科技学院电子与信息工程学院

引言

到目前为止光学传感器已经发展相对成熟，光学传感器的理论已经被相继完善，光学传感器都已经融入普通大众的日常生活中。光学传感器也已经应用到诸多领域之中。即便如此相关科研人员仍然致力于光学传感器的研究。在光学科学研究领域依然需要性能更加强大的光学传感器。使用新机理和高灵敏度的光学传感器有利于光学研究领域的理论和技术突破，新型光学传感器对光学边缘领域的开发和探索相当有意义。

一、光学传感器发展简介

所谓光学传感器就是光学原理测量数据的传感器械。近几十年来，电传感器一直作为主流传感器，电传感器作为测量物理和机械现象的标准装置在生活中应用广泛，可是由于电传感器的电气特性，电传感器在信号获取过程中容易被出现数据丢失，容易受到电磁干扰等诸多弊端，在一些特种领域这些弊端会干扰数据的准确度甚至电传感器完全不适宜使用的。为了解决这一系列的问题，科研人员把研究目光发放在了光学传感器上。光学传感器具有性能稳定和非接触无损测量等优点。由于其光学特性，不会受电磁干扰和其他外界因素的影响，避免了像电传感器那样的弊端。而且随着光电半导体材料技术革新，光学传感器的制造成本大大降低，进而推动了光学传感器的应用。

二、常见传统光学传感器分类

（一）光学图像传感器

图像传感器是利用光电半导体材料的光伏特性。通过微小感光单元将感光单元的光信号转换为与光信号成相应线性关系的电压信号，与光敏电阻，光敏二极管等感应单个光源的光敏器件相比，图像传感器是将其受光面上的光像，分成许多微小感光单元，将其转换成可用的电压信号的一种功能器件。

1.图像传感器分类：

CCD 与CMOS 都属于图像传感器，但是两者制造工艺不同，所带来的传感效果和传感特点是不相同的。为了获取高像素质量的图片，大众日常使用的摄录影机就是使用CCD 图像传感器。

CCD 图像传感器：

CCD 主要由二极管组成，加上其特有的工艺，使其具有诸多优点①超高解析度，采集的最小像素的大小能够达到微米 级别，可感测及识别精细物体，提高影像品质；②感测动态范围广，能够同时侦测及分辨不同光强程度光信号，使系统能够在不同光照度环境下使用，不因光照亮度差异而造成信号失真现象；③采集的光强信号和输出的电压信号具有良好的正比关系，采集信号的失真程度小，同时降低了处理失真所带来的成本；④侦测波段广，能够感应很宽波长范围的光波，增加了系统的感测光波的波段范围；⑤具有高光子转换效率，在一定程度内能记录很微弱的入射光，同时配合影像增强管即使远距离暗环境的条件下仍然可以感测。

由于CCD 具有出色的成像特性，在高精度测量领域中被广泛应用。在很长时间内还会延续采用，但同时由于其成本高、能耗大的弊端制约了其市场应用发展的范围。

CMOS 图像传感器：

CMOS 传感器采用一般半导体电路最常用的CMOS 工艺，CMOS 中文名称：互补性金属氧化物半导体。主要是利用硅材料和锗材料这两种非金属元素、金属元素通过化学方法所制成的半导体材料，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现光电转换的基本功能。这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片记录和解读便能重现光学影像。百万像素水平是使用CMOS 和CCD 的分界标准，由于工艺和材料特性等问题早期CMOS 设备的像素等级完全无法与CCD 设备相比，但是随着设备的升级和技术的革新现在百万像素级别的CMOS 图像传感器被大量使用在数码相机，手机等设备上。由于CMOS 图像传感器与CCD 图像传感器相比具有便携、电能消耗少、响应速度快、而且价格相对便宜等特点，CMOS 图像传感器的应用已经越来越普遍，在某些领域已经完全可以取代CCD 图像传感器。

(二) 透射型光学传感器

所谓投射性光传感器就是指可以透过玻璃或别的较透明物质然后对里面的东西进行测量，比如对玻璃片地下的硅晶片进行测量。常见的透射型传感器主要是通过发射出具有一定穿透性的光线，然后感测反馈回来的光以获取被测物的相关信息。在可穿戴智能设备上为了能实现检测脉搏等功能，如当前的智能手环系列产品，就是通过发射红外线进入手腕，由于脉搏跳动手里的对红外线的反射率会变化智能手环内部的透射型光学传感器就能通过反射率的变化感测到脉搏信息。透射型光学传感器在医疗器械，信息产业等有诸多应用。

（三）反射型光学传感器

反射式光电传感器包括光发射器和光接收器，在其对应位置安装一块光反射面板，利用光的反射原理完成光电控制。可以用来检测物体表面亮度和色彩的变化，也可以探测有传感器周围有无障碍物体。

反射式光电传感器广泛应用于光电开关、计数和其他电子产品内部。

三、光纤传感器

由于常规光学传感器在灵敏度、精确度和适应性上不完全能够满足人们需求，所以光纤传感器这一新型光学传感器进入大众视野。光纤具有很多特别的性能。光纤传感器不受电磁辐射的干扰，光纤易于安装同时具有绝缘特性绝缘，不存在像普通含有电路的光学传感器那样的自感现象，光纤作为传感器还有耐腐蚀的特点，能够在特种条件下工作。

光纤传感器的基本工作原理是将来自激光器的光源通过光纤输送入到激光调制器中，待测数据作用于光纤导致光纤内的激光的光学性质发生变化，将激光调制器内的光学信息与原来的数据进行比较分析，完成测量。

光纤传感器已经得到多发面的应用，如光纤压力传感器，光纤温度传感器，光纤传感器检测水纹等。

四、结束语

光学传感器在当代发展迅速，由于光学传感器的性能优异，曾一度作为国家战略发展领域。现阶段的光学传感器的广泛用于民用设备、工业设备、医疗、国防、航空航天航海等领域。发展光学传感器将会带来许多便利，有理由预测在不久的将来光学传感器会逐渐代替普通的电传感器。光学传感器的发展也将会更加迅速。