人類對光的研究起源于古希臘，哲學(xué)家們開始思考視覺是如何工作的。

柏拉圖和畢達(dá)哥拉斯等思想家認(rèn)為，我們的眼睛會發(fā)出微弱的光線進(jìn)行探測。這些光線將收集我們周圍物體的信息，并以某種方式將這些信息帶回給我們。

本期小明就帶你們踏上一場奇幻的旅程，去追光！去探索那隱藏在光電傳感器背后的神秘光源世界。想象一下，我們像是勇敢的追光者，手持探險燈，一步步揭開那些讓傳感器“眼睛”閃閃發(fā)光的秘密。

準(zhǔn)備好了嗎？那就讓我們一起，走進(jìn)這場光與電的奇妙探險吧！

本期小明就帶大家一起深究到底~

本文將探討回歸反射型光電傳感器的工作原理，并詳細(xì)分析為什么普通的鏡子不能作為反光板使用，將討論角度限制、接收難度、設(shè)計要求以及選擇技巧等方面的問題。

光源：照亮萬物的魔法棒

首先，咱們得從光源說起。光源就像是自然界的魔法棒，它能讓黑暗的世界變得五彩斑斕。簡單來說，光源就是能夠發(fā)出光線的物體或裝置。所有的電磁輻射的頻譜被稱為電磁頻譜。可見光是波長大約在380-700納米之間的電磁波。

在我們的日常生活中，太陽、電燈、手機(jī)屏幕……這些都是光源的化身。而在傳感器的世界里，光源更是扮演著至關(guān)重要的角色，幾乎所有的傳感器都是光電+的成果，它們就像是傳感器的“眼睛”，幫助傳感器捕捉著世界的光影變化。

接下來，我將詳細(xì)介紹傳感器常用的四類光源：LED可見光、LED紅外燈珠、LD半導(dǎo)體激光器、VCSEL垂直腔面發(fā)射激光器

一、LED可見光

照亮生活的多彩精靈

接下來，咱們要聊聊LED可見光。這家伙，簡直就是我們?nèi)粘Ｉ钪械摹靶√枴?，無處不在，又無所不能。

LED可見光，顧名思義，就是能發(fā)出可見光的LED燈。它的全名是發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode），是一種能把電能轉(zhuǎn)化為光能的半導(dǎo)體器件。和傳統(tǒng)的白熾燈、熒光燈相比，LED燈簡直就是節(jié)能環(huán)保的代名詞。它體積小、壽命長、發(fā)光效率高，而且顏色豐富多樣，從溫暖的黃色到清冷的藍(lán)色，應(yīng)有盡有。

在光電傳感器中，LED可見光也是一位重要的角色。它不僅可以用來照明，還可以用來傳輸信息。比如，在可見光通信系統(tǒng)中，LED燈就能像魔法師一樣，把電信號變成光信號，再通過空氣傳播出去，接收端再把它變回電信號，實現(xiàn)信息的無線傳輸。這種技術(shù)不僅綠色環(huán)保，還能有效避免電磁波的干擾，非常適合在室內(nèi)、醫(yī)院等需要低電磁輻射的環(huán)境中應(yīng)用。

明治的紅藍(lán)光傳感器

二、LED紅外燈珠

夜視儀背后的隱形俠

再來說說LED紅外燈珠吧。這家伙，簡直就是夜視儀下的隱形俠，雖然你看不見它發(fā)出的光，但它卻能在黑暗中默默守護(hù)著你的安全。

LED紅外燈珠是一種特殊的LED燈珠，它發(fā)出的光線主要是紅外光，人眼是看不見的。但是，對于一些特殊的傳感器來說，紅外光就像是它們的“第二雙眼睛”，能夠幫助它們在黑暗中捕捉到更多的信息。

想象一下，在漆黑的夜晚，當(dāng)你打開手電筒時，只能照亮眼前的一小塊區(qū)域。但是，如果手電筒里裝的是LED紅外燈珠，那么即使你看不見光，紅外傳感器也能通過捕捉紅外光來感知周圍的環(huán)境，就像是擁有了超能力一樣。

紅外技術(shù)原理的傳感器利用紅外線為介質(zhì)，通過測量紅外信號的發(fā)射與接收時間差來計算物體的距離。這種傳感器具有測量范圍廣、響應(yīng)時間短、精度高等優(yōu)點，尤其適合在惡劣的工業(yè)環(huán)境中使用。

三、LD半導(dǎo)體激光器

激光界的“小鋼炮”

接下來，咱們要認(rèn)識的第一個主角就是LD半導(dǎo)體激光器，也就是大家常說的激光二極管（Laser Diode）。這家伙，簡直就是激光界的“小鋼炮”，別看它體積小，能量可是杠杠的！

想象一下，LD半導(dǎo)體激光器就像是一個超級能量包，里面裝滿了蓄勢待發(fā)的光子。這些光子可不是省油的燈，它們一個個都像是訓(xùn)練有素的特種兵，方向明確、能量集中，一旦發(fā)射出去，就能輕松穿透各種障礙，完成各種高難度的任務(wù)。

LD半導(dǎo)體激光器的工作原理其實挺有趣的。它利用半導(dǎo)體材料中的電子躍遷來產(chǎn)生激光。簡單來說，就是給半導(dǎo)體材料加點電，讓里面的電子興奮起來，從低能級跳到高能級，然后再從高能級跳回低能級時，就釋放出能量，這些能量就轉(zhuǎn)化成了激光。

在光電傳感器中，LD半導(dǎo)體激光器可是個香餑餑。它的激光束方向性好、單色性好、相干性好，簡直是天生的測量和定位神器。無論是激光測距、激光打印，還是激光醫(yī)療、激光通信，都能看到它的身影。

明治的激光傳感器

四、VCSEL垂直腔面發(fā)射激光器

最后，咱們要介紹的是VCSEL垂直腔面發(fā)射激光器。CSEL（vertical- cavity surfac- emitting laser）中文翻譯為 垂直腔面發(fā)射激光器，是近年來發(fā)展如火如荼的新一代半導(dǎo)體激光器。這家伙，就像是激光界的“小巨人”，雖然身材小巧，但能量驚人。

VCSEL是一種節(jié)省空間的激光源。一個VCSEL的單個發(fā)射器可以小到幾微米寬，幾十微米高，導(dǎo)致實際的晶粒尺寸（包括墊子、遮擋區(qū)域等）在所有尺寸上都小于100微米。

為了獲得更多的輸出功率，在裸片上增加發(fā)射器是很簡單的，只要按一定的間距或節(jié)距將它們并排布置即可。具有數(shù)百個發(fā)射器和多瓦輸出功率的實用VCSEL裸片小于1平方毫米。雖說通常需要額外的封裝，然而，完整的照明解決方案可以在幾平方毫米內(nèi)實現(xiàn)。

VCSEL激光器是一種特殊的半導(dǎo)體激光器，它的激光是垂直于頂面射出的。這種設(shè)計不僅使得VCSEL激光器具有較小的遠(yuǎn)場發(fā)散角，光束更加集中和穩(wěn)定，還使得它的閾值電流更低，調(diào)制頻率更高。簡單來說，就是VCSEL激光器能夠用更小的電流產(chǎn)生更穩(wěn)定、更高速的激光束。

在光電傳感器中，VCSEL激光器可是個多面手，它具有RGB色彩飽和高、像素點尺寸小等特點，可以生產(chǎn)高色彩飽和高分辨率的集成激光顯示，且兼?zhèn)浔匾?D掃描技術(shù)。它廣泛應(yīng)用于光纖通信、人臉識別、3D傳感等領(lǐng)域。比如，在人臉識別技術(shù)中，VCSEL激光器能夠發(fā)射出高密度的激光點陣，幫助攝像頭快速捕捉人臉的三維信息，實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的人臉識別。

此外，VCSEL激光器還是3D傳感技術(shù)的核心元件之一，特別是在智能手機(jī)、虛擬現(xiàn)實（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）設(shè)備中發(fā)揮著重要作用。它能讓設(shè)備“看”到更立體的世界，實現(xiàn)更精準(zhǔn)的手勢識別、空間定位和環(huán)境感知。

想象一下，當(dāng)你戴上裝備了VCSEL激光器的VR眼鏡，整個世界仿佛就在你眼前重生。你不僅能看到逼真的虛擬場景，還能通過手勢與虛擬物體互動，體驗前所未有的沉浸感。這一切的背后，都是VCSEL激光器默默工作，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再轉(zhuǎn)化為設(shè)備能夠理解的指令。

此外，隨著智能駕駛被人們所關(guān)注，LiDAR（激光雷達(dá)）的研發(fā)也成為科研界和產(chǎn)業(yè)界的一大熱點，車規(guī)級高功率脈沖VCSEL陣列芯片作為LiDAR（激光雷達(dá)）的核心器件，具有非常廣闊的市場前景

VCSEL激光器之所以能夠在這些高科技產(chǎn)品中大放異彩，還得益于它的一些獨特優(yōu)勢。首先，它的體積小、重量輕，非常適合集成到各種便攜式設(shè)備中。其次，它的功耗低、效率高，能夠在保證性能的同時，延長設(shè)備的續(xù)航時間。最重要的是，VCSEL激光器具有出色的可靠性和穩(wěn)定性，能夠在各種復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定工作，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和實時性。

當(dāng)然，光電傳感器的世界遠(yuǎn)不止這些。除了我們剛才介紹的LD半導(dǎo)體激光器、LED可見光、LED紅外燈珠和VCSEL垂直腔面發(fā)射激光器之外，還有許多其他類型的光源和傳感器技術(shù)正在不斷發(fā)展和創(chuàng)新。它們各自擁有獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用場景，共同構(gòu)成了光電傳感器的龐大家族。

在這個充滿奇跡的家族中，每一種光源都像是擁有特殊能力的魔法師，它們用光的力量點亮了世界的每一個角落。而光電傳感器則像是擁有敏銳觸角的偵探，時刻捕捉著光線的變化，將世界的模樣轉(zhuǎn)化為我們可以理解和利用的信息。

在未來的日子里，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，光電傳感器的世界將會變得更加精彩紛呈。讓我們一起期待那些即將到來的奇跡吧！

好了，親愛的追光者們，今天的旅程就到這里了。希望你們喜歡這次的光電傳感器探險之旅，并且從中收獲到知識和樂趣。記得關(guān)注我們的下一次追光之旅哦！下次見！

參考文獻(xiàn)

1.李惠青,張杰,崔大復(fù)等.高功率垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器優(yōu)化設(shè)計研究[J].物理學(xué)報,2004(09):2986-2990.?

2.郝永芹,馮源,王菲等.808nm大孔徑垂直腔面發(fā)射激光器研究[J].物理學(xué)報,2011,60(06):293-297.?

3.G. Shen, P. Lian et al. “Novel edge-emitted LDs, VCSELs and LEDs with multi-active regions.” 2001 6th International Conference on Solid-State and Integrated Circuit Technology. Proceedings (Cat. No.01EX443) (2001). 1239-1243 vol.2.?

4.張保平,蔡麗娥,張江勇等.GaN基垂直腔面發(fā)射激光器的研制[J].廈門大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2008,No.206(05):617-619.?

5.劉維清,鄒文強(qiáng),黃瑞強(qiáng)等.垂直腔面發(fā)射激光器的特性分析[J].江西理工大學(xué)學(xué)報,2007,No.128(04):68-71.?

6.Tian Guo-don. “Application of LD light source.” (2013).?

7.劉頌豪,廖?？?李春吉等.發(fā)光二極管（LED）和半導(dǎo)體激光器（LD）的應(yīng)用前景展望[J].華南師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1996(01):3-11.?

8.劉東紅,劉增水.顯示用途的VCSEL激光源研制[J].山西師范大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,29(04):37-40.?

9.陳良惠,楊國文,劉育銜.半導(dǎo)體激光器研究進(jìn)展[J].中國激光,2020,47(05):13-31.?

10.Y. Nishida, K. Naito et al. “Optical Sensors Constructed for an LD Pumped Solid-State Laser System.” (1992). 411-419.?

11.Ikechukwu P I ,黃仕宏 ,李雨佳 , et al.光纖傳感用激光光源技術(shù)[J].光電工程,2018,45(09):5-15.?

12.一種LED光線傳感器及檢測方法[J].傳感器世界,2014,20(06):52.?

13.P. Dietz and Jennifer Alford. “LEDs as sensors.” SIGGRAPH Studio (2019).?

14.曹生現(xiàn),楊善讓,李永生等.一種具有激光光源的高靈敏光電傳感器的設(shè)計[J].傳感器與微系統(tǒng),2007,No.180(02):71-72+75.?

15.繆軍,陳凡華.SLD1型半導(dǎo)體激光光源[J].光學(xué)儀器,1995(Z1):62-66.?

16.Shangbin Li, Xianqing Jin et al. “The LD and quantum dot-based white light sources for joint lighting and visible light communications.” International Conference on Wireless Communications and Signal Processing (2019). 1-5.?

17.張令翊,莊杰佳,趙夔等.第四代光源[J].強(qiáng)激光與粒子束,2001(01):51-55.?

18.柳強(qiáng),鞏馬理,閆平等.LD泵浦的Yb∶YAG激光器最新進(jìn)展[J].激光與紅外,2002(01):3-6.?

19.M. Crowley, V. Kovanis et al. “Breakthroughs in Semiconductor Lasers.” IEEE Photonics Journal (2012). 565-569.?

20.半導(dǎo)體激光泵浦固體激光器的新進(jìn)展和應(yīng)用前景?[1994-05-20]

21.Li Xue. “New progress in semiconductor lasers and their applications.” (2001).?

22.張瑞華.半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢及最新研制動態(tài)[J].半導(dǎo)體技術(shù),1991(01):8-14.?

23.Y. Suematsu. “Advances in Semiconductor Lasers.” (1985). 32-39.?

24.Y. Nannichi. “Recent Progress in Semiconductor Lasers.” (1977). 2089.?

25.李學(xué)千.半導(dǎo)體激光器的最新進(jìn)展及其應(yīng)用[J].長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院學(xué)報,1997(04):56-63.?

26.M. Craford. “Visible LEDs: the trend toward high-power emitters and remaining challenges for solid state lighting.” SPIE Optics + Photonics (2002).?

27.Muqing Liu, B. Rong et al. “Evaluation of LED application in general lighting.” (2007). 074002-074007.?

28.D. Pelka and Kavita Patel. “An overview of LED applications for general illumination.” SPIE Optics + Photonics (2003).?

29.E. Altendorf. “Visible LED alternatives for high-radiance applications.” SPIE OPTO (2003).?

30.M. Bessho and K. Shimizu. “The Latest Trends in LED Lighting.” (2011). 315-320.?

31.James M. Gee, J. Tsao et al. “Prospects for LED lighting.” SPIE Optics + Photonics (2004).?

32.Claudio R. B. S. Rodrigues, P. S. Almeida et al. “An experimental comparison between different technologies arising for public lighting: LED luminaires replacing high pressure sodium lamps.” 2011 IEEE International Symposium on Industrial Electronics (2011). 141-146.?

33.姚鋮. 微變焦LED紅外照明器研究[D].長春理工大學(xué),2014.?

34.劉鑫. 紅外激光照明實用化技術(shù)研究[D].西安電子科技大學(xué),2015.?

35.林介本,吳榮琴,郭震寧等.新型紅外LED器件的光電性能及其應(yīng)用[J].光源與照明,2021,No.157(08):37-39.?

36.N. Ledentsov, O. Makarov et al. “High Speed VCSEL Technology and Applications.” Journal of Lightwave Technology (2022). 1749-1763.?

37.A. Larsson, J. Gustavsson et al. “Advances in VCSELs for Communication and Sensing.” IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics (2010). 1552-1567.?

38.Chih-Hsien Cheng, Wei-Chi Lo et al. “Review of VCSELs for Complex Data-Format Transmission Beyond 100-Gbit/s.” IEEE Photonics Journal (2021). 1-13.?

39.邢茹萍,馬淑芳,單恒升等.高速850/980 nm垂直腔面發(fā)射激光器的研究進(jìn)展[J].中國材料進(jìn)展,2021,40(04):290-296.?

40.徐漢陽,田思聰,韓賽一等.53 Gbit/s高速單模940 nm垂直腔面發(fā)射激光器[J].發(fā)光學(xué)報,2022,43(07):1114-1120.?

41.A. Larsson, P. Westbergh et al. “High-speed VCSELs for short reach communication.” (2011). 014017.?

42.田國棟.LED光源的應(yīng)用探索[J].電子設(shè)計工程,2013,21(18):22-24.?

43.A. N. Osagie-Bolaji and O. Asikhia. “Comparative Assessments of CFLs, Incandescent and LEDs Bulbs for Energy Efficient Lighting System in Building.” (2020). 24-29.?

44.M. Reyes, S. Gallagher et al. “Evaluation of Visual Performance When Using Incandescent, Fluorescent, and LED Machine Lights in Mesopic Conditions.” Annual Meeting of the IEEE Industry Applications Society (2009). 1