光學傳感技術是許多精密儀器和監視器的基礎，因為它們是非破壞性和非侵入性的。隨著用于光電容積描記圖（PPG）的集成光學傳感器和模擬前端設備的普及，這些光學傳感器也可以變得更加緊湊，組件更少，功耗更低。

光學傳感非常通用。光從光發射器穿過感興趣的區域。光沿其光路與目標分析物相互作用，產生的輻射被光電探測器捕獲。發射光和接收到的光之間的差異提供了有關檢測區域中分析物的信息。

透射系統將接收器直接放置在發射光的路徑中，而反射系統則依賴于反射光或反向散射光（圖 1）。在實際實現中，容納光發射器和光電傳感器的外殼材料也可以反射光，因此通常將光電探測器放置在與發射光成一定角度的位置，以減輕直接反射的干擾。大多數光在發射后沿著其路徑傳播，似乎不受影響，但一小部分光被散射到各個方向，盡管在每個方向上的強度不同。無論發射器和傳感器配置如何，這種類型的光學傳感中使用的原理都依賴于這種散射效應。

圖1.如圖所示，在光學傳感中，發射光和接收到的光之間的差異提供了有關檢測區域中分析物的數據。

說散射發生在光“反彈”其路徑中的粒子時是不準確的。光是一種電磁波，它與某些分子中天然存在的電荷不平衡相互作用。這些電荷被吸收入射的電磁輻射激發，然后重新發射。相互作用的結果取決于粒子的大小和光的顏色（波長）。

瑞利散射方程在討論光束與沿其路徑的粒子相互作用時的影響時經常被引用。瑞利方程如下：

其中
Isca是粒子在角度θ處的散射光強度，
Io是發射的光強度，
r是散射粒子主直徑的一半，
n是光的折射（真空中的光速除以材料中的光速之比），
R是粒子與光發射器之間的距離，并且
λ是發射光的波長。

為了簡化討論，我們可以只關注反向散射配置。在這種情況下，cos2θ = 1，背向散射光強度是粒徑r和光波長λ的函數。設計人員可能會得出這樣的結論：可以通過用兩種不同波長的光詢問相同的粒子并捕獲背散射光強度來求解r的值。

雖然說明這個概念很有用，但情況要復雜得多。最重要的是，瑞利方程只有在以下情況下才是一個很好的估計

λ是發射光的波長，并且m或是周圍介質的折射率，通常是空氣。

紅外LED光的常見波長約為880 nm，而許多灰塵或煙霧顆粒的尺寸為幾微米。Mie散射提出了一個更完整的模型，它適用于球形粒子的光吸收或散射，適用于不同的粒徑。不幸的是，Mie散射的數學方程要復雜得多。

考慮固定角度的差異散射光強度。對散射材料的折射率m有顯著的依賴性，它以以下復數給出：

散射的相對大小取決于折射率，而折射率又取決于構成散射粒子的材料。然而，一般來說，我們可以確認，當粒子尺寸小于光的波長時，散射幅度很低，而當它們大于波長時，當我們保持所有其他因素不變時，散射幅度很大。

任何真實場景的復雜性使得對結果進行建模是不切實際的。例如

Mie理論僅限于球形粒子，而真實粒子形狀不規則

顆粒不會由均勻的材料或均勻的尺寸組成

為了克服這些復雜性，工程師們憑經驗解決了一些粒子傳感問題。通過用不同波長的光詢問相同的粒子懸浮液，可以通過研究每個波長的散射光大小的差異來獲得有關粒子的信息，同時保持其他一切不變。Mie建議工程師必須仔細選擇詢問波長，因為折射率的差異會混淆差分散射幅度。成功實施的唯一方法是獲取大量經驗數據，并確保它們涵蓋反映真實世界用例的反射粒子的所有合理一致性和構成。

審核編輯：郭婷