中心議題：

• 光傳感器通用標準
• 光傳感器轉換速率
• 光傳感器光譜響應
• 光傳感器光學列陣

光傳感器，也稱為光探測器
，可以生長在各種不同的襯底上：鍺

、砷化镓銦
、磷(lin)化(hua)镓(jia)以(yi)及(ji)矽(gui)。所(suo)有(you)這(zhe)些(xie)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)都(dou)具(ju)有(you)可(ke)變(bian)的(de)光(guang)譜(pu)和(he)時(shi)間(jian)響(xiang)應(ying)及(ji)應(ying)用(yong)功(gong)能(neng)
，但(dan)是(shi)這(zhe)類(lei)非(fei)矽(gui)基(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)空(kong)間(jian)相(xiang)對(dui)較(jiao)窄(zhai)
，而(er)矽(gui)基(ji)傳(chuan)感(gan)器(qi)則(ze)廣(guang)泛(fan)適(shi)用(yong)於(yu)醫(yi)療(liao)

、工業及商業等領域。
　　
矽基光探測器，比如集成了RGB濾波器的TAOS TCS230secaichuanganqi，weiyonghutigonglezhongduoxuanxiang，yishiyingqiguangfandeyingyonglingyu。yuqitaguangtanceqixiangbi，guijiguangchuanganqibujinjuyougengguangfandeyongtu，erqietamenyuqitadianludejichengyefeichangrongyi，tongchangzheshidetamenchengweigengjieshengchengbendejiejuefangan。zheyeshitamendecaiyonglvrucizhigaodebufenyuanyin。jinguanguijiguangchuanganqiyingyongguangfan

，dannengfouxuanzedaozuiheshidegaizhongyiqijiangduishejixingnengchanchengjudadeyingxiang。xingyundeshi，genjudaliangyingyong，xianzaiyixingchengleyongyuxuanzejichengguijiguangchuanganqidetongyongbiaozhun。
　　
通用標準
　　
在矽基IC探測器領域，為特定的應用選擇最適合的探測器需要考慮諸多因素。這些因素包括光轉換的類型
、轉換速率以及光譜響應。集成的光傳感器可以將光轉換成不同種類的輸出，包括將光轉換成電流(LTC)

，電壓(LTV)，頻率(LTF)以及數字信號(LTD)。它們對光做出響應並以快慢不等的相應速度輸出
，速度(響應時間)從幾毫秒到幾納秒不等。矽基探測器的光譜響分布於電磁頻譜近紫外(300nm)到近紅外(1100nm)這一範圍內，包含了可見光(400～700nm)。應當注意的是

，在這一範圍內，光譜響應並不一致。雖然上述3項標準並不是選擇光傳感器時需要考慮的唯一因素
，但它們極大地縮小了選擇範圍，這樣可以對相似的器件類型使用最後的標準(比如成本和封裝)進行選擇。
　　
光轉換
　　
LTV和LTC器件分別將光能轉換成電壓和電流輸出。這兩種器件有許多相同的應用並可以交互使用。所以，請記住，在下麵有關LTV器件的討論中

，如果你使用電流替換電壓
，那麼討論結果也將適用於LTC器件。LTV器件在感應到光的強度時
，它的輸出電壓會增大或減小。器件的動態範圍是介於最小和最大輸出電壓之間的範圍。最小的電壓等級/輸出稱為暗電壓(Vd)
，出現在輸入光強度為0的時候。最大或飽和電壓級別對應於光電二極管能夠轉換的最大光能量的輸入;即使光能量輸入超過該值
，輸出電壓仍將保持不變。　LTV/C探tan測ce器qi適shi用yong於yu需xu要yao監jian測ce光guang強qiang瞬shun間jian變bian化hua的de應ying用yong領ling域yu，例li如ru，在zai某mou條tiao生sheng產chan線xian上shang，有you必bi要yao檢jian測ce快kuai速su移yi動dong的de傳chuan送song帶dai上shang每mei個ge物wu體ti經jing過guo某mou一yi點dian時shi光guang強qiang的de變bian化hua。通tong常chang，需xu要yao安an裝zhuang一yi個geA/D轉換器，作為傳感器和微處理器或其他類型控製器之間的接口。LTF器件將光能轉換成某種波形，波形的頻率與被感應的光強成正比。LTF器件的動態範圍由它的最小和最大輸出頻率決定。當輸入光強為0時，輸出是最小頻率或暗頻率。而最大或滿刻度頻率是輸出頻率不再隨著光強的增加而增加時的頻率。
　　
LTF的動態範圍遠遠超過LTV器件，它適用於需要更高分辨率的應用場合。例如，動態範圍是4V而噪聲(暗電壓)是4mV的線性LTV器件可以提供1000個階梯，而動態範圍是1MHz，噪聲(暗頻率)是0.5Hz的LTF可以提供200萬個階梯
，TAOSTSL237即為一例。LTF的頻率輸出需要使用一個頻率計數器或者微處理器進行處理。LTD器件將光強轉換成數字數據。然後
，數字數據被存儲在內部寄存器之中，在那裏
，數據將隨著落在傳感器上的光強變化而成正比變化。LTD器件與微處理器之間通常使用各種不同協議之中的某一種作為接口，其中包括SMbus
、I2C和SPI。這zhe種zhong器qi件jian的de動dong態tai範fan圍wei是shi寄ji存cun器qi最zui大da和he最zui小xiao取qu值zhi之zhi差cha。其qi數shu字zi接jie口kou也ye使shi得de這zhe些xie器qi件jian有you一yi定ding的de可ke編bian程cheng性xing，可ke用yong來lai控kong製zhi增zeng益yi以yi及ji積ji分fen時shi間jian等deng量liang。大da多duo數shuLTD器件是可尋址的
，這意味著多個器件可以在單根總線上共存，從而將互連成本降到最低。TAOSTSL2563是帶有可編程增益和積分時間的LTD器件的一個例子。這個傳感器通過I2C接口為編程狀態提供了中斷功能。
　　
轉換速率
　　
在zai許xu多duo應ying用yong中zhong，光guang探tan測ce器qi能neng否fou將jiang光guang強qiang的de變bian化hua轉zhuan換huan成cheng有you用yong輸shu出chu的de速su度du是shi應ying考kao慮lv的de一yi項xiang重zhong要yao因yin素su。與yu輸shu出chu類lei型xing無wu關guan，光guang電dian二er極ji管guan的de偏pian置zhi和he尺chi寸cun是shi決jue定ding傳chuan感gan器qi轉zhuan換huan速su度du的de主zhu要yao因yin素su：光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)越(yue)大(da)，電(dian)容(rong)越(yue)大(da)

，對(dui)光(guang)強(qiang)的(de)響(xiang)應(ying)就(jiu)越(yue)慢(man)。因(yin)此(ci)，反(fan)向(xiang)偏(pian)壓(ya)被(bei)用(yong)來(lai)增(zeng)加(jia)轉(zhuan)換(huan)速(su)率(lv)。請(qing)注(zhu)意(yi)
，通(tong)常(chang)情(qing)況(kuang)下(xia)，對(dui)於(yu)集(ji)成(cheng)傳(chuan)感(gan)器(qi)轉(zhuan)換(huan)速(su)度(du)的(de)確(que)定(ding)起(qi)限(xian)製(zhi)作(zuo)用(yong)的(de)因(yin)素(su)是(shi)集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)，而(er)不(bu)是(shi)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)。盡(jin)管(guan)略(lve)有(you)不(bu)同(tong)，但(dan)是(shi)LTV和LTC器件都可以被共同歸類為光模擬信號轉換(LTA)器件。因為除了光電二極管之外，LTA器件隻需要很少的電路——電流放大器(CA)或者跨阻放大器(TIA)，所以該種器件提供了比LTF或LTD器件更快的響應時間。LTA器件的速度可通過輸出的上升和下降時間進行測量。如上所述，它不僅受偏置和光電二極管尺寸的影響
，而且還與CA或者TIA的電容有關。除了受光電二極管的限製，LTF器件還增加了電流到頻率的轉換時間。通常，轉換會在電流轉換到目標頻率輸出的一個周期內完成。因此
，LTF器件響應產生1kHz波形的光強比響應產生1MHz波形的光強要慢。如果要測量極弱的光強，對這一點的考慮會非常重要。LTD器件的速度與LTA或者LTF器件有些不同，因為LTD器件通常不是連續地在輸出總線上放置數據;並且通常隻有在控製器發出請求時，它才提供數據。此時
，數據才會被載入到數據寄存器。因而，轉換速率由總線的速度決定。
　　
光譜響應
　　
了解應用的光譜感應要求
，並使用具有合適的光譜響應的傳感器與之匹配，這是一項重要的係統考慮。例如，使用近紅外LEDdejiejintanceqi，xuyaozhiduijinhongwaiquyuguangpunengliangjinxingxiangyingdechuanganqi。bingqiezhegechuanganqiyidingbunengduikejianguangquyudeguangnengjinxingxiangying。yaodadaozheyangdemude，keyishiyongwaibukejianguangzudanglvboqi，huozhexuanzedaiyoujichenglvboqidetanceqi。ruguoyingyongxuyaozhiduikejianguangquyuxiangying，yexuyaojinxingtongyangdekaolv，biruseduceliang。zhexuyaolvchutaiyangyijiqitaguangyuandejinhongwainengliang，fangfashishiyongwaibuhuozhejichengdehongwaizudanglvboqi。zhezhongleixingdeyingyongyexuyaohong

、綠和藍(RGB)濾波器，外部的或者集成的都可以。

　　圖1 傳感類型與集成度
　　
光學列陣
　　
一yi些xie應ying用yong有you時shi需xu要yao搜sou集ji空kong間jian信xin息xi。這zhe時shi可ke以yi采cai用yong許xu多duo分fen立li器qi件jian或huo者zhe集ji成cheng光guang學xue線xian性xing列lie陣zhen來lai完wan成cheng。集ji成cheng的de光guang學xue線xian性xing列lie陣zhen由you許xu多duo像xiang元yuan或huo像xiang素su組zu成cheng
，它ta們men通tong常chang排pai列lie在zai一yi條tiao直zhi線xian上shang。像xiang素su中zhong心xin之zhi間jian的de距ju離li被bei稱cheng為wei像xiang素su截jie距ju，通tong常chang以yi每mei英ying寸cun內nei的de點dian數shu(dpi)給出。400dpi器件的像素截距是63.5μm。空間分辨率直接與dpi數值對應;dpi越大
，空間分辨率越高。對於給定的dpi，像素集的數目決定了器件的有效長度;例如，400dpi128像素的TAOS TSL1401的有效長度大約為8mm。這些器件的輸出可以是模擬的(通常是電壓)或數字的。這些器件的速度由積分時間(光被允許照射器件的時間)和時鍾速率決定。對大多數應用而言，線性列陣是通過像素數、有效長度、分辨率和時鍾速率來選擇的。線性列陣是掃描型應用最理想的選擇，但是它也適用於位置和邊緣探測。
　　
結束選擇
　　
一旦根據轉換類型、速率以及光譜響應縮小了選擇範圍
，最後的選擇就要基於其他標準，比如封裝類型
、溫度範圍，當然還有成本。典型的工作溫度範圍是商用(0～70℃)，工業用(-40～85℃)，汽車(-40～105℃)以及軍用(-55～125℃)通常

，成本與矽的尺寸成正比。並且，矽基尺寸越大，成本越高。光的應用傾向於更高的係統集成，見圖1，集成度越高，傳感器的複雜度越高，但各部件對應用所起的作用卻越低。