【導(dǎo)讀】對于電子工程師來說，自己的設(shè)計能夠在眾多競品中脫穎而出，無疑是令人興奮的事。想要修煉到這個境界，簡單地堆料肯定不行，找到創(chuàng)新技術(shù)的加持才是不二法門。如果要拉個清單，盤點一下有哪些創(chuàng)新技術(shù)值得關(guān)注，相信“光學(xué)技術(shù)”應(yīng)該是榜上有名。
所謂的光學(xué)技術(shù)，就是基于光電效應(yīng)衍生出來的一系列技術(shù)，其能夠賦能光信號的發(fā)射、傳輸、感測，以及相關(guān)信息數(shù)據(jù)處理，打造針對特定應(yīng)用的光學(xué)解決方案。實際上，光學(xué)技術(shù)由來已久，不過之前很長一段時間其應(yīng)用都是聚焦在一些專業(yè)領(lǐng)域，而直到近年才越來越多地滲透到消費電子領(lǐng)域，特別是手機(jī)領(lǐng)域，受到更為廣泛的關(guān)注。
光學(xué)技術(shù)：不斷擴(kuò)張的應(yīng)用版圖
在這個過程中，不得不提的一個重要推手就是蘋果公司，其在2017年推出的iPhone X中，首次將一個基于3D結(jié)構(gòu)光的Face ID人臉識別系統(tǒng)集成到了手機(jī)中。為了實現(xiàn)這一功能，蘋果在手機(jī)屏幕的“齊劉海”中，集成了一系列的光學(xué)組件，并在后端以性能強(qiáng)悍的處理器和優(yōu)化的算法提供強(qiáng)大的算力支撐。Face ID的成功最終讓人們意識到，光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，還可以帶來如此大的想象空間。
圖1：iPhone X的Face ID人臉識別系統(tǒng)中采用了一系列光學(xué)組件（圖源：網(wǎng)絡(luò)）
在那之后，我們明顯感覺到光學(xué)傳感技術(shù)應(yīng)用版圖的擴(kuò)張速度在加快，各個領(lǐng)域?qū)τ诠鈱W(xué)技術(shù)更廣闊應(yīng)用空間的探索，猶如在光學(xué)領(lǐng)域開啟了一次“地理大發(fā)現(xiàn)”。
機(jī)器視覺是光學(xué)檢測技術(shù)一個重要的發(fā)力點，其建立在性能和分辨率不斷提升的CMOS圖像傳感器基礎(chǔ)上，模擬人眼對于2D圖像信號的捕捉和感知，進(jìn)而代替人眼在安防、汽車、工業(yè)、機(jī)器人、消費電子等各個領(lǐng)域獲取海量的視覺信息，這些視覺信息最終被轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，成為高度自動化的各類智能應(yīng)用的驅(qū)動力。
圖2：CMOS圖像傳感器讓機(jī)器視覺無處不在
（圖源：ams OSRAM）
在圖像傳感器所提供的2D視覺信息基礎(chǔ)之上，人們對于借助光學(xué)技術(shù)進(jìn)一步獲取深度信息、構(gòu)建3D立體視覺也充滿了興趣。為此，人們在結(jié)構(gòu)光、雙目立體成像和ToF（飛行時間）三個技術(shù)路徑上不斷探索，其中尤以ToF技術(shù)的發(fā)展勢頭最為強(qiáng)勁。ToF技術(shù)的原理是通過向目標(biāo)發(fā)射連續(xù)的特定波長的紅外光脈沖，再由特定的傳感器接收被測物體傳回的光信號，通過計算光線往返的飛行時間或相位差，進(jìn)而獲得目標(biāo)物體的深度信息。與其他技術(shù)相比，ToF具有抗干擾性強(qiáng)、動態(tài)場景支持好、對算力要求不高、作用距離遠(yuǎn)、系統(tǒng)復(fù)雜性低等特點，因此應(yīng)用開發(fā)尤為活躍。
圖3：ToF技術(shù)實現(xiàn)精準(zhǔn)的深度信息測量
（圖源：ams OSRAM）
除了手機(jī)等消費電子市場，健康醫(yī)療與可穿戴領(lǐng)域也在成為光電技術(shù)發(fā)展的沃土。在新冠疫情流行期間，成為爆款的血氧儀就是一個很好的案例。血氧儀的系統(tǒng)并不復(fù)雜，其分別通過紅光LED和紅外線LED交替發(fā)出光線，并由一個光電二極管接收經(jīng)過血管組織反射或透射的光信號，再根據(jù)含氧氣水平不同的血紅蛋白對紅光和紅外光線的吸收量的差異，計算出血液中含氧的百分比。光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，催生出高性能、高集成度的生物傳感器，成功地讓血氧儀的醫(yī)療健康設(shè)備實現(xiàn)了便攜化和市場化，飛入尋常百姓家，守護(hù)每個人的健康。
圖4：光學(xué)生物傳感器守護(hù)每個人的健康
（圖源：ams OSRAM）
從眾多應(yīng)用案例我們還可以看出，光學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新是“全光譜”，除了上面提到的可見光、紅外領(lǐng)域，其在紫外領(lǐng)域同樣找到了堅實市場支點?；赨V-C的紫外消毒，一直是光學(xué)技術(shù)的典型應(yīng)用，在新冠疫情流行期間，這一應(yīng)用的需求更為迫切。在傳統(tǒng)的技術(shù)方案中，如何控制劑量，確保紫外消毒處理過程的經(jīng)濟(jì)性和安全性，一直是個難題。而基于新一代的 UV LED和UV傳感器，開發(fā)者可以搭建起一個完整的控制閉環(huán)，針對不同應(yīng)用精準(zhǔn)調(diào)控紫外光的劑量和時間等參數(shù)，實現(xiàn)應(yīng)用的智能化。
圖5：更經(jīng)濟(jì)更安全的智能化紫外消毒方案
（圖源：ams OSRAM）
上述幾個案例，僅僅是近年來我們觸手可及的光學(xué)技術(shù)的一些成功用例，而它們的出現(xiàn)就像是在市場的“水池”中拋入了一塊巨石，其激發(fā)出的漣漪也在向各個領(lǐng)域迅速擴(kuò)散。
光學(xué)解決方案中有哪些技術(shù)要素？
現(xiàn)實中，打造一個完整的光學(xué)解決方案來實現(xiàn)design-win，需要開發(fā)者組合不同的技術(shù)要素。這些技術(shù)要素包括：
光發(fā)射器
就是我們通常說的光源，它們通常需要按照應(yīng)用的要求發(fā)射出特定光譜下的光線。隨著固態(tài)照明技術(shù)的發(fā)展，憑借低功耗、小型化、更環(huán)保等優(yōu)勢，LED的應(yīng)用日趨廣泛，并在越來越多的應(yīng)用場景中取代傳統(tǒng)光源。
光學(xué)元件
它們主要是在光路上完成對光線的處理，如濾波、傳輸、反/折射等，應(yīng)用中會通過多個元件的組合構(gòu)成完整的光學(xué)模組。有時在這些光學(xué)模組中也會加入電子和機(jī)械組件，以完成對光學(xué)元件的調(diào)節(jié)和控制。
傳感器
也被稱為探測器，是整個光學(xué)解決方案中十分關(guān)鍵的一環(huán)，其職責(zé)是將經(jīng)由光路采集到的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，形成可供后端電子系統(tǒng)識別和處理的電信號和數(shù)據(jù)。為了能夠應(yīng)對不同應(yīng)用對不同光信號感測的需求，傳感器也逐漸演化出了多種類型，諸如光傳感器、圖像傳感器、生物傳感器等等。
相關(guān)芯片和算法
即在光電信號的采集、放大、傳輸、轉(zhuǎn)化、處理全過程中，信號鏈設(shè)計需要用到的軟硬件資源，主要包括前端對于模擬信號的調(diào)理，以及后端對于由光電信號轉(zhuǎn)化而來的數(shù)字信息（數(shù)據(jù)）的處理。這也是光學(xué)解決方式智能化的關(guān)鍵所在。
圖6：光學(xué)解決方案所需的技術(shù)要素
（圖源：ams OSRAM）
值得一提的是，將上述幾種或者是所有的技術(shù)要素整合在一起，打造高集成度解決方案，已經(jīng)成為光學(xué)技術(shù)演進(jìn)發(fā)展的一個重要方向。藉此光學(xué)技術(shù)就能夠更方便地被植入到越來越多的應(yīng)用中，為用戶提供不一樣的體驗。
光學(xué)技術(shù)應(yīng)用開發(fā)，一站解決！
當(dāng)然，我們也不難看出，光學(xué)技術(shù)固然可以讓產(chǎn)品設(shè)計更具差異化，更吸睛，但是想將上述所有這些軟硬件資源統(tǒng)合在一起，形成最終的方案和產(chǎn)品，對于很多開發(fā)者來講也并非易事。
好在已經(jīng)有技術(shù)廠商洞察到了這一點，正在通過周密布局，力求為光學(xué)技術(shù)開發(fā)者提供一個一站式的技術(shù)平臺。在這方面，ams OSRAM的表現(xiàn)尤為突出，他們圍繞著傳感、照明、可視化幾條賽道，已經(jīng)構(gòu)建起完備的產(chǎn)品組合，近年來推出的不少新品總是能夠直擊市場的“痛點”，讓人眼前一亮。
今天，我們就為大家介紹幾款這樣的產(chǎn)品，它們中的每一款都能夠讓你的產(chǎn)品設(shè)計更加閃亮，更加卓爾不群。
Mira220
全局快門圖像傳感器
這是一款專為2D和3D消費類和工業(yè)機(jī)器視覺應(yīng)用而打造的220萬像素近紅外（NIR）增強(qiáng)型全局快門圖像傳感器。由于采用了先進(jìn)的背照（BSI）技術(shù)，Mira220具有非常高的靈敏度和量子效率——ams OSRAM內(nèi)部測試顯示，Mira220在使用940nm近紅外波長下具有高信噪比和高量子效率，最高可達(dá)38%——這使其無懼昏暗的照明條件，并可搭配使用低功率發(fā)射器，從而降低系統(tǒng)總功耗。
同時，BSI技術(shù)還帶來了更小的裸片尺寸，堆疊式芯片設(shè)計使得Mira220封裝尺寸縮小到了5.3mm x 5.3mm，這為空間受限的產(chǎn)品（如智能眼鏡和AR/VR設(shè)備）的設(shè)計帶來了更大的靈活性 。上述這些特性令Mira220在競爭激烈的圖像傳感器市場中十分搶眼。
Mira220傳感器的其他特性還包括：有效分辨率1600px x 1400px，最大位深度為12位，光學(xué)格式為1/2.7”；傳感器支持外部觸發(fā)、加窗以及水平或垂直鏡像等片上操作；MIPI CSI-2接口可以方便地與處理器或FPGA連接，還可通過I2C接口訪問片上寄存器，輕松對傳感器進(jìn)行配置；數(shù)字相關(guān)雙采樣（CDS）和行噪聲校正功能可帶來出色的降噪性能?？梢?，其在低功耗、小型化的新興光學(xué)應(yīng)用中是一款很有競爭力的產(chǎn)品。
圖7：Mira220圖像傳感器框圖
（圖源：網(wǎng)絡(luò)）
TMF882x
多區(qū)域ToF傳感器
TMF882x系列是ams OSRAM推出的第三代ToF傳感器產(chǎn)品，與前兩代產(chǎn)品相比，其最大不同就是可以實現(xiàn)多個區(qū)域的目標(biāo)檢測（最多8 x 8個區(qū)域），且能在每個區(qū)域中檢測多個物體，并確保精確的測量結(jié)果。因此，其特別適用于機(jī)器人等需要更強(qiáng)空間感知能力的應(yīng)用。
作為一個高集成度的解決方案，TMF882x系列多區(qū)域傳感器在單一緊湊型模塊化封裝中，集成了垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）、單光子雪崩二極管 (SPAD) 陣列、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (TDC) 和直方圖技術(shù)，以及與SPAD搭配使用的支持高達(dá)63°動態(tài)可調(diào)視場的高品質(zhì)鏡頭。該傳感器可在片上執(zhí)行所有原始數(shù)據(jù)處理，并通過I2C接口與主控制器通信，報告距離信息和置信值。可以說，只需一顆料，即可實現(xiàn)多區(qū)域ToF傳感的所有功能。
圖8：TMF882x系列多區(qū)域傳感器框圖
（圖源：ams OSRAM）
AS7331
3通道UV-A/B/C光譜傳感器
在紫外應(yīng)用領(lǐng)域，AS7331光譜傳感器IC提供了一個低功耗、低噪聲、高集成的解決方案。該器件具有三個獨立的UVA、UVB和UVC通道，可通過光電二極管將光學(xué)輻射信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并實現(xiàn)連續(xù)或觸發(fā)測量。
在應(yīng)用中，AS7331通過增益、轉(zhuǎn)換時間和內(nèi)部時鐘頻率提供可調(diào)的照度響應(yīng)，從而設(shè)置靈敏度、滿量程范圍和LSB。AS7331可將設(shè)置增益和轉(zhuǎn)換時間配置中檢測到的輻射量顯示為數(shù)字計數(shù)。其具有12增益步進(jìn)范圍（每步為2）；同時，轉(zhuǎn)換時間可在15步進(jìn)范圍內(nèi)進(jìn)行控制（每步為2）。借助輸入引腳 (SYN)，AS7331可以通過外部控制轉(zhuǎn)換時間，從而按需進(jìn)行測量值調(diào)節(jié)。
總而言之——AS7331所提供的精準(zhǔn)而靈活的UV測量特性，能夠很好地實現(xiàn)紫外應(yīng)用中對于光照劑量和安全性的控制，讓產(chǎn)品的智能化水平上一個新臺階。
圖9：AS7331 UV-A/B/C光譜傳感器框圖
（圖源：ams OSRAM）
Metal Can??
Nanostack脈沖激光二極管
在介紹了幾款傳感器產(chǎn)品之后，讓我們將目光轉(zhuǎn)向ams OSRAM的光發(fā)射器產(chǎn)品。
ams OSRAM的Metal Can?? Nanostack脈沖激光二極管 (PLD) ，是采用緊湊型TO-56封裝的大功率短脈沖激光器，是實現(xiàn)基于ToF技術(shù)的距離和速度測量不可或缺的光發(fā)射器。
由于采用了Nanostack技術(shù)，該P(yáng)LD可經(jīng)由小型激光孔徑提供高光輸出功率，并具有出色的可靠性。每個PLD中都包含有3個外延堆疊發(fā)射器，以串聯(lián)方式連接，組合到單個封裝中。
該產(chǎn)品的主要技術(shù)特性包括：
● 波長范圍：895nm至915nm；905nm（典型值）
● 峰值輸出功率：120W
● 工作電壓：11V
● 閾值電流：0.6A
● 適合從1ns到100ns的短激光脈沖
● 工作溫度范圍：-40°C至+85°C
● 采用堅固的TO-56 Metal Can封裝（直徑5.6mm）
● 重量：312.0mg（近似值）
SFH701x
多片式LED
在光發(fā)射器的設(shè)計上，ams OSRAM除了追求更高的性能，還在另一個創(chuàng)新維度頗有建樹——那就是提升產(chǎn)品的集成度，即在單一封裝內(nèi)包含多個光源元件，為設(shè)計的小型化賦能。
SFH701x多片式LED就是其中一款很具代表性的產(chǎn)品，其在一個硅膠封裝中集成了2個綠光發(fā)射器 (530nm)、1個紅光發(fā)射器 (655nm) 和1個紅外發(fā)射器 (940nm)，每個發(fā)射器都可單獨控制。該多片式LED發(fā)射器模塊具有2kV的ESD防護(hù)，采用SMT封裝，可以很方便地被集成在日益現(xiàn)代化的健康監(jiān)控、心率監(jiān)視、脈搏血氧儀等醫(yī)療健康應(yīng)用中，大大簡化產(chǎn)品的設(shè)計。
AS7038RB
生物傳感器解決方案
這是一款血氧飽和度（SpO2）測量專用傳感器，其將小尺寸、多功能和高性能信號鏈整合在一起，非常適合在空間受限的消費產(chǎn)品和醫(yī)療產(chǎn)品中開發(fā)創(chuàng)新型健康監(jiān)測應(yīng)用。
具體來講，AS7038RB在一個3.70 mm x 3.10 mm小型封裝中集成了1個高靈敏度光電二極管、4個LED驅(qū)動器、1個模擬前端和1個程序發(fā)生器，而且厚度僅0.65mm！同時，AS7038RB還隨附進(jìn)行SpO2和心率測量所需的應(yīng)用軟件。此外，該器件的模擬前端還支持同時進(jìn)行ECG測量，并且符合IEC 6060-2-47醫(yī)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
AS7038RB測量SpO2的準(zhǔn)確性很大程度上得益于ams OSRAM獨有的晶圓級干涉濾光片技術(shù)，該技術(shù)使得AS7038RB能夠精準(zhǔn)捕獲590nm-710nm和近紅外（800nm-1050nm）波長頻段的信號，同時屏蔽其他波長的環(huán)境光干擾。如果與高靈敏度光電二極管組合使用時，可實現(xiàn)非常高的光學(xué)信噪比。此外，集成式LED驅(qū)動器可以調(diào)節(jié)驅(qū)動電流，此特性讓開發(fā)者得以靈活地兼顧系統(tǒng)功耗和測量性能，有利于延長采用小電池供電設(shè)備的續(xù)航時間。
尺寸小、功能全、靈敏度和信噪比高、系統(tǒng)功耗低……集諸多優(yōu)勢特性于一身，因此AS7038RB可以被應(yīng)用于多場景無創(chuàng)生命體征的監(jiān)測，充分激發(fā)出應(yīng)用開發(fā)者的想象力。
圖10：AS7038RB生物傳感器系統(tǒng)框圖
（圖源：ams OSRAM）
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