光譜傳感技術(shù)與光譜傳感器

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李寧遠(yuǎn)）光譜傳感在很多消費(fèi)、工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域被采用，可以完成很多新興的應(yīng)用，如顏色提取、認(rèn)證以及物質(zhì)、材料、流體的光譜分析。提到光譜大家很容易想到造價(jià)昂貴的光譜儀設(shè)備，其實(shí)不然，現(xiàn)在芯片級(jí)的光譜技術(shù)支持下的光譜傳感器已經(jīng)有了很多用例。

什么是光譜？

光譜的定義是將復(fù)合光經(jīng)過(guò)分光設(shè)備分成單色光，然后按波長(zhǎng)大小排列在一起的圖譜。光譜和電磁波是密不可分，電磁波大家很熟悉，電磁波是在空間中傳輸?shù)那揖哂兄芷谛宰兓碾姶艌?chǎng)。而電磁場(chǎng)我們都知道可以電生磁磁生電，它們兩個(gè)是一種相互依賴(lài)的關(guān)系。換句話(huà)說(shuō)，電磁波是在空間中傳輸?shù)囊环N能量，而這種能量它的頻率有大有小。因?yàn)樗俣榷际枪馑?，所以頻率的不同導(dǎo)致了其波長(zhǎng)不同。從最小波長(zhǎng)到最大波長(zhǎng)，是從倫琴射線到X射線到紫外，然后是我們平?？梢?jiàn)光，然后紅外、微波最后是無(wú)線波。每種波長(zhǎng)都有其適合的應(yīng)用。

光譜根據(jù)它的形成方式的不同，被分為三種類(lèi)型。第一種是發(fā)射光譜，它主要是靠熱或者是電激勵(lì)而形成的，被熱和電激勵(lì)之后能自發(fā)光，譬如我們生活中的光源。發(fā)射光譜可以分為連續(xù)光譜、線性光譜和帶狀光譜。連續(xù)光譜整個(gè)的光譜是沒(méi)有任何缺失的，很好理解。線性光譜只在某一個(gè)特定的波長(zhǎng)顯現(xiàn)光譜特征，在其他的部分是沒(méi)有光譜特征的。最后一種帶狀光譜帶狀方式在每個(gè)連續(xù)的波段是有光譜的，但是在某一個(gè)特定的波長(zhǎng)，它是沒(méi)有光譜。

第二種是吸收光譜，利用紫外、可見(jiàn)、紅外對(duì)一個(gè)外界的光源做一個(gè)攝能。自然界所有物質(zhì)都有著獨(dú)一無(wú)二的吸收光譜，吸收光譜大多數(shù)時(shí)候用來(lái)進(jìn)行有機(jī)化合物的成分分析。第三種光譜是散射光譜，同樣需要紫外、可見(jiàn)或者是紅外來(lái)作為額外的光源來(lái)照。散色光譜的信號(hào)非常的弱，檢測(cè)這種光譜并不是很容易，需要一些特定的技術(shù)。

光譜傳感器相較顏色傳感器優(yōu)勢(shì)在哪？又如何應(yīng)用？

顏色傳感器可以檢測(cè)顏色，為大家所熟知的是XYZ顏色傳感器和RGB傳感器，這種傳感器能直接檢測(cè)出顏色。光譜傳感器其實(shí)也是能夠顯示顏色的。那較之顏色傳感器，光譜傳感器能夠在檢測(cè)上發(fā)揮什么樣的優(yōu)勢(shì)呢？

我們知道基礎(chǔ)的三原色可以按照不同配比合成其他各種顏色，比如黃色可以由紅色和綠色調(diào)合出來(lái)，但是這種調(diào)合出來(lái)的顏色是沒(méi)有真正單波長(zhǎng)黃色的光譜特征的。調(diào)合而來(lái)的顏色和單波長(zhǎng)光的顏色看起來(lái)相同，但其實(shí)二者的光譜完全不同。光譜傳感器能夠匹配顏色還能匹配光譜，消除同色異譜的差錯(cuò)。顏色檢測(cè)是光譜傳感器應(yīng)用很多的一類(lèi)場(chǎng)景，在工業(yè)和醫(yī)療場(chǎng)景，尤其是醫(yī)療診斷方向一直很實(shí)用。

物質(zhì)分析也是光譜傳感器很常用一類(lèi)應(yīng)用，比如檢測(cè)某類(lèi)水果中的糖分含量，檢測(cè)某類(lèi)化學(xué)品中的組成成分。光譜檢測(cè)出來(lái)的光譜信息跟標(biāo)準(zhǔn)光譜信息去做比對(duì)，來(lái)判斷某類(lèi)物質(zhì)的含量。當(dāng)然，這也需要配套的檢測(cè)算法共同實(shí)現(xiàn)。

目前，在智能家居、智能照明、醫(yī)療保健、工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域，光譜傳感器有著廣泛的應(yīng)用。

光譜傳感芯片加持下的光譜傳感器

光譜傳感芯片的出現(xiàn)大大降低了實(shí)現(xiàn)光譜技術(shù)應(yīng)用的成本和技術(shù)難度，不再需要昂貴的光譜儀等設(shè)備。目前國(guó)外光學(xué)傳感器廠商在光譜傳感芯片上技術(shù)實(shí)力會(huì)領(lǐng)先一些，比較知名的像艾邁斯的光譜傳感技術(shù)，在光譜傳感芯片上創(chuàng)新了納米光學(xué)干涉濾光片技術(shù)，可在寬溫度范圍內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間正常使用和保持光譜穩(wěn)定性。在高精度工藝技術(shù)加持下，可以創(chuàng)建針對(duì)不同光譜傳感要求進(jìn)行優(yōu)化的帶通和遮光濾光片。

光譜傳感器能夠檢測(cè)的通道越多，其設(shè)計(jì)就越復(fù)雜，還涉及很多芯片級(jí)的技術(shù)校準(zhǔn)和光學(xué)級(jí)的技術(shù)校準(zhǔn)。目前領(lǐng)先的光學(xué)傳感廠商能在光譜傳感芯片上能做提供11個(gè)測(cè)量通道，多通道也意味著匹配了多個(gè)并行ADC來(lái)穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，達(dá)到高分辨、高波長(zhǎng)精度和幀率。

這種多通道高性能的光譜傳感器芯片有助于實(shí)現(xiàn)更出色的自動(dòng)白平衡、更可靠的光源識(shí)別，并且集成光源閃爍檢測(cè)功能，更準(zhǔn)確地再現(xiàn)色彩，最大限度地減少環(huán)境光源失真，從而獲得更清晰逼真的照片。

小結(jié)

目前光譜傳感在便攜設(shè)備領(lǐng)域進(jìn)展很快，這也得益于光譜傳感芯片在微型化方向上的快速發(fā)展。在盡可能小的尺寸下提供更多通道的光譜測(cè)量，光譜傳感器能夠在很多新領(lǐng)域打開(kāi)應(yīng)用空間。