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 TCS230色(se)彩(cai)傳(chuan)感(gan)器(qi)，為(wei)用(yong)戶(hu)提(ti)供(gong)了(le)眾(zhong)多(duo)選(xuan)項(xiang)，以(yi)適(shi)應(ying)其(qi)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)領(ling)域(yu)。與(yu)其(qi)他(ta)光(guang)探(tan)測(ce)器(qi)相(xiang)比(bi)，矽(gui)基(ji)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)不(bu)僅(jin)具(ju)有(you)更(geng)廣(guang)泛(fan)的(de)用(yong)途(tu)
，而(er)且(qie)它(ta)們(men)與(yu)其(qi)他(ta)電(dian)路(lu)的(de)集(ji)成(cheng)也(ye)非(fei)常(chang)容(rong)易(yi)
，通(tong)常(chang)這(zhe)使(shi)得(de)它(ta)們(men)成(cheng)為(wei)更(geng)節(jie)省(sheng)成(cheng)本(ben)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。這(zhe)也(ye)是(shi)它(ta)們(men)的(de)采(cai)用(yong)率(lv)如(ru)此(ci)之(zhi)高(gao)的(de)部(bu)分(fen)原(yuan)因(yin)。盡(jin)管(guan)矽(gui)基(ji)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)應(ying)用(yong)廣(guang)泛(fan)
，但(dan)能(neng)否(fou)選(xuan)擇(ze)到(dao)最(zui)合(he)適(shi)的(de)該(gai)種(zhong)儀(yi)器(qi)將(jiang)對(dui)設(she)計(ji)性(xing)能(neng)產(chan)成(cheng)巨(ju)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)。幸(xing)運(yun)的(de)是(shi)
，根(gen)據(ju)大(da)量(liang)應(ying)用(yong)，現(xian)在(zai)已(yi)形(xing)成(cheng)了(le)用(yong)於(yu)選(xuan)擇(ze)集(ji)成(cheng)矽(gui)基(ji)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)通(tong)用(yong)標(biao)準(zhun)。
　　
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(shu)LTD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
　　
zaixuduoyingyongzhong，guangtanceqinengfoujiangguangqiangdebianhuazhuanhuanchengyouyongshuchudesudushiyingkaolvdeyixiangzhongyaoyinsu。yushuchuleixingwuguan，guangdianerjiguandepianzhihechicunshijuedingchuanganqizhuanhuansududezhuyaoyinsu：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shiLTV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LED的de接jie近jin探tan測ce器qi
，需xu要yao隻zhi對dui近jin紅hong外wai區qu域yu光guang譜pu能neng量liang進jin行xing響xiang應ying的de傳chuan感gan器qi。並bing且qie這zhe個ge傳chuan感gan器qi一yi定ding不bu能neng對dui可ke見jian光guang區qu域yu的de光guang能neng進jin行xing響xiang應ying。要yao達da到dao這zhe樣yang的de目mu的de，可ke以yi使shi用yong外wai部bu可ke見jian光guang阻zu擋dang濾lv波bo器qi，或huo者zhe選xuan擇ze帶dai有you集ji成cheng濾lv波bo器qi的de探tan測ce器qi。如ru果guo應ying用yong需xu要yao隻zhi對dui可ke見jian光guang區qu域yu響xiang應ying
，也ye需xu要yao進jin行xing同tong樣yang的de考kao慮lv，比bi如ru色se度du測ce量liang。這zhe需xu要yao濾lv除chu太tai陽yang以yi及ji其qi他ta光guang源yuan的de近jin紅hong外wai能neng量liang，方fang法fa是shi使shi用yong外wai部bu或huo者zhe集ji成cheng的de紅hong外wai阻zu擋dang濾lv波bo器qi。這zhe種zhong類lei型xing的de應ying用yong也ye需xu要yao紅hong

、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
　　
yixieyingyongyoushixuyaosoujikongjianxinxi。zheshikeyicaiyongxuduofenliqijianhuozhejichengguangxuexianxingliezhenlaiwancheng。jichengdeguangxuexianxingliezhenyouxuduoxiangyuanhuoxiangsuzucheng，tamentongchangpailiezaiyitiaozhixianshang。xiangsuzhongxinzhijiandejulibeichengweixiangsujieju，tongchangyimeiyingcunneidedianshu(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。