【導讀】對于電子工程師來(lái)說(shuō)，自己的設計能夠在眾多競品中脫穎而出，無(wú)疑是令人興奮的事。想要修煉到這個(gè)境界，簡(jiǎn)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(mén)。如果要拉個(gè)清單，盤(pán)點(diǎn)一下有哪些創(chuàng )新技術(shù)值得關(guān)注，相信“光學(xué)技術(shù)”應該是榜上有名。
所謂的光學(xué)技術(shù)，就是基于光電效應衍生出來(lái)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)信息數據處理，打造針對特定應用的光學(xué)解決方案。實(shí)際上，光學(xué)技術(shù)由來(lái)已久，不過(guò)之前很長(cháng)一段時(shí)間其應用都是聚焦在一些專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域，而直到近年才越來(lái)越多地滲透到消費電子領(lǐng)域，特別是手機領(lǐng)域，受到更為廣泛的關(guān)注。
光學(xué)技術(shù)：不斷擴張的應用版圖
在這個(gè)過(guò)程中，不得不提的一個(gè)重要推手就是蘋(píng)果公司，其在2017年推出的iPhone X中，首次將一個(gè)基于3D結構光的Face ID人臉識別系統集成到了手機中。為了實(shí)現這一功能，蘋(píng)果在手機屏幕的“齊劉?！敝?，集成了一系列的光學(xué)組件，并在后端以性能強悍的處理器和優(yōu)化的算法提供強大的算力支撐。Face ID的成功最終讓人們意識到，光學(xué)技術(shù)的應用，還可以帶來(lái)如此大的想象空間。
圖1：iPhone X的Face ID人臉識別系統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(jué)到光學(xué)傳感技術(shù)應用版圖的擴張速度在加快，各個(gè)領(lǐng)域對于光學(xué)技術(shù)更廣闊應用空間的探索，猶如在光學(xué)領(lǐng)域開(kāi)啟了一次“地理大發(fā)現”。
機器視覺(jué)是光學(xué)檢測技術(shù)一個(gè)重要的發(fā)力點(diǎn)，其建立在性能和分辨率不斷提升的CMOS圖像傳感器基礎上，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(chē)、工業(yè)、機器人、消費電子等各個(gè)領(lǐng)域獲取海量的視覺(jué)信息，這些視覺(jué)信息最終被轉化為數據，成為高度自動(dòng)化的各類(lèi)智能應用的驅動(dòng)力。
圖2：CMOS圖像傳感器讓機器視覺(jué)無(wú)處不在
（圖源：ams OSRAM）
在圖像傳感器所提供的2D視覺(jué)信息基礎之上，人們對于借助光學(xué)技術(shù)進(jìn)一步獲取深度信息、構建3D立體視覺(jué)也充滿(mǎn)了興趣。為此，人們在結構光、雙目立體成像和ToF（飛行時(shí)間）三個(gè)技術(shù)路徑上不斷探索，其中尤以ToF技術(shù)的發(fā)展勢頭最為強勁。ToF技術(shù)的原理是通過(guò)向目標發(fā)射連續的特定波長(cháng)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(guò)計算光線(xiàn)往返的飛行時(shí)間或相位差，進(jìn)而獲得目標物體的深度信息。與其他技術(shù)相比，ToF具有抗干擾性強、動(dòng)態(tài)場(chǎng)景支持好、對算力要求不高、作用距離遠、系統復雜性低等特點(diǎn)，因此應用開(kāi)發(fā)尤為活躍。
圖3：ToF技術(shù)實(shí)現精準的深度信息測量
（圖源：ams OSRAM）
除了手機等消費電子市場(chǎng)，健康醫療與可穿戴領(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(gè)很好的案例。血氧儀的系統并不復雜，其分別通過(guò)紅光LED和紅外線(xiàn)LED交替發(fā)出光線(xiàn)，并由一個(gè)光電二極管接收經(jīng)過(guò)血管組織反射或透射的光信號，再根據含氧氣水平不同的血紅蛋白對紅光和紅外光線(xiàn)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療健康設備實(shí)現了便攜化和市場(chǎng)化，飛入尋常百姓家，守護每個(gè)人的健康。
圖4：光學(xué)生物傳感器守護每個(gè)人的健康
（圖源：ams OSRAM）
從眾多應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(jiàn)光、紅外領(lǐng)域，其在紫外領(lǐng)域同樣找到了堅實(shí)市場(chǎng)支點(diǎn)?；赨V-C的紫外消毒，一直是光學(xué)技術(shù)的典型應用，在新冠疫情流行期間，這一應用的需求更為迫切。在傳統的技術(shù)方案中，如何控制劑量，確保紫外消毒處理過(guò)程的經(jīng)濟性和安全性，一直是個(gè)難題。而基于新一代的 UV LED和UV傳感器，開(kāi)發(fā)者可以搭建起一個(gè)完整的控制閉環(huán)，針對不同應用精準調控紫外光的劑量和時(shí)間等參數，實(shí)現應用的智能化。
圖5：更經(jīng)濟更安全的智能化紫外消毒方案
（圖源：ams OSRAM）
上述幾個(gè)案例，僅僅是近年來(lái)我們觸手可及的光學(xué)技術(shù)的一些成功用例，而它們的出現就像是在市場(chǎng)的“水池”中拋入了一塊巨石，其激發(fā)出的漣漪也在向各個(gè)領(lǐng)域迅速擴散。
光學(xué)解決方案中有哪些技術(shù)要素？
現實(shí)中，打造一個(gè)完整的光學(xué)解決方案來(lái)實(shí)現design-win，需要開(kāi)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(shuō)的光源，它們通常需要按照應用的要求發(fā)射出特定光譜下的光線(xiàn)。隨著(zhù)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的應用日趨廣泛，并在越來(lái)越多的應用場(chǎng)景中取代傳統光源。
光學(xué)元件
它們主要是在光路上完成對光線(xiàn)的處理，如濾波、傳輸、反/折射等，應用中會(huì )通過(guò)多個(gè)元件的組合構成完整的光學(xué)模組。有時(shí)在這些光學(xué)模組中也會(huì )加入電子和機械組件，以完成對光學(xué)元件的調節和控制。
傳感器
也被稱(chēng)為探測器，是整個(gè)光學(xué)解決方案中十分關(guān)鍵的一環(huán)，其職責是將經(jīng)由光路采集到的光信號進(jìn)行光電轉化，形成可供后端電子系統識別和處理的電信號和數據。為了能夠應對不同應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(lèi)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、轉化、處理全過(guò)程中，信號鏈設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理，以及后端對于由光電信號轉化而來(lái)的數字信息（數據）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(gè)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(lái)越多的應用中，為用戶(hù)提供不一樣的體驗。
光學(xué)技術(shù)應用開(kāi)發(fā)，一站解決！
當然，我們也不難看出，光學(xué)技術(shù)固然可以讓產(chǎn)品設計更具差異化，更吸睛，但是想將上述所有這些軟硬件資源統合在一起，形成最終的方案和產(chǎn)品，對于很多開(kāi)發(fā)者來(lái)講也并非易事。
好在已經(jīng)有技術(shù)廠(chǎng)商洞察到了這一點(diǎn)，正在通過(guò)周密布局，力求為光學(xué)技術(shù)開(kāi)發(fā)者提供一個(gè)一站式的技術(shù)平臺。在這方面，ams OSRAM的表現尤為突出，他們圍繞著(zhù)傳感、照明、可視化幾條賽道，已經(jīng)構建起完備的產(chǎn)品組合，近年來(lái)推出的不少新品總是能夠直擊市場(chǎng)的“痛點(diǎn)”，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)品設計更加閃亮，更加卓爾不群。
Mira220
全局快門(mén)圖像傳感器
這是一款專(zhuān)為2D和3D消費類(lèi)和工業(yè)機器視覺(jué)應用而打造的220萬(wàn)像素近紅外（NIR）增強型全局快門(mén)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內部測試顯示，Mira220在使用940nm近紅外波長(cháng)下具有高信噪比和高量子效率，最高可達38%——這使其無(wú)懼昏暗的照明條件，并可搭配使用低功率發(fā)射器，從而降低系統總功耗。
同時(shí)，BSI技術(shù)還帶來(lái)了更小的裸片尺寸，堆疊式芯片設計使得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設備）的設計帶來(lái)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(chǎng)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(guò)I2C接口訪(fǎng)問(wèn)片上寄存器，輕松對傳感器進(jìn)行配置；數字相關(guān)雙采樣（CDS）和行噪聲校正功能可帶來(lái)出色的降噪性能?？梢?jiàn)，其在低功耗、小型化的新興光學(xué)應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(shí)現多個(gè)區域的目標檢測（最多8 x 8個(gè)區域），且能在每個(gè)區域中檢測多個(gè)物體，并確保精確的測量結果。因此，其特別適用于機器人等需要更強空間感知能力的應用。
作為一個(gè)高集成度的解決方案，TMF882x系列多區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(shí)間數字轉換器 (TDC) 和直方圖技術(shù)，以及與SPAD搭配使用的支持高達63°動(dòng)態(tài)可調視場(chǎng)的高品質(zhì)鏡頭。該傳感器可在片上執行所有原始數據處理，并通過(guò)I2C接口與主控制器通信，報告距離信息和置信值?？梢哉f(shuō)，只需一顆料，即可實(shí)現多區域ToF傳感的所有功能。
圖8：TMF882x系列多區域傳感器框圖
（圖源：ams OSRAM）
AS7331
3通道UV-A/B/C光譜傳感器
在紫外應用領(lǐng)域，AS7331光譜傳感器IC提供了一個(gè)低功耗、低噪聲、高集成的解決方案。該器件具有三個(gè)獨立的UVA、UVB和UVC通道，可通過(guò)光電二極管將光學(xué)輻射信號轉換為數字信號，并實(shí)現連續或觸發(fā)測量。
在應用中，AS7331通過(guò)增益、轉換時(shí)間和內部時(shí)鐘頻率提供可調的照度響應，從而設置靈敏度、滿(mǎn)量程范圍和LSB。AS7331可將設置增益和轉換時(shí)間配置中檢測到的輻射量顯示為數字計數。其具有12增益步進(jìn)范圍（每步為2）；同時(shí)，轉換時(shí)間可在15步進(jìn)范圍內進(jìn)行控制（每步為2）。借助輸入引腳 (SYN)，AS7331可以通過(guò)外部控制轉換時(shí)間，從而按需進(jìn)行測量值調節。
總而言之——AS7331所提供的精準而靈活的UV測量特性，能夠很好地實(shí)現紫外應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(gè)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(shí)現基于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PLD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(gè)PLD中都包含有3個(gè)外延堆疊發(fā)射器，以串聯(lián)方式連接，組合到單個(gè)封裝中。
該產(chǎn)品的主要技術(shù)特性包括：
● 波長(cháng)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)射器的設計上，ams OSRAM除了追求更高的性能，還在另一個(gè)創(chuàng )新維度頗有建樹(shù)——那就是提升產(chǎn)品的集成度，即在單一封裝內包含多個(gè)光源元件，為設計的小型化賦能。
SFH701x多片式LED就是其中一款很具代表性的產(chǎn)品，其在一個(gè)硅膠封裝中集成了2個(gè)綠光發(fā)射器 (530nm)、1個(gè)紅光發(fā)射器 (655nm) 和1個(gè)紅外發(fā)射器 (940nm)，每個(gè)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，采用SMT封裝，可以很方便地被集成在日益現代化的健康監控、心率監視、脈搏血氧儀等醫療健康應用中，大大簡(jiǎn)化產(chǎn)品的設計。
AS7038RB
生物傳感器解決方案
這是一款血氧飽和度（SpO2）測量專(zhuān)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)品和醫療產(chǎn)品中開(kāi)發(fā)創(chuàng )新型健康監測應用。
具體來(lái)講，AS7038RB在一個(gè)3.70 mm x 3.10 mm小型封裝中集成了1個(gè)高靈敏度光電二極管、4個(gè)LED驅動(dòng)器、1個(gè)模擬前端和1個(gè)程序發(fā)生器，而且厚度僅0.65mm！同時(shí)，AS7038RB還隨附進(jìn)行SpO2和心率測量所需的應用軟件。此外，該器件的模擬前端還支持同時(shí)進(jìn)行ECG測量，并且符合IEC 6060-2-47醫學(xué)標準的要求。
AS7038RB測量SpO2的準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能夠精準捕獲590nm-710nm和近紅外（800nm-1050nm）波長(cháng)頻段的信號，同時(shí)屏蔽其他波長(cháng)的環(huán)境光干擾。如果與高靈敏度光電二極管組合使用時(shí)，可實(shí)現非常高的光學(xué)信噪比。此外，集成式LED驅動(dòng)器可以調節驅動(dòng)電流，此特性讓開(kāi)發(fā)者得以靈活地兼顧系統功耗和測量性能，有利于延長(cháng)采用小電池供電設備的續航時(shí)間。
尺寸小、功能全、靈敏度和信噪比高、系統功耗低……集諸多優(yōu)勢特性于一身，因此AS7038RB可以被應用于多場(chǎng)景無(wú)創(chuàng )生命體征的監測，充分激發(fā)出應用開(kāi)發(fā)者的想象力。
圖10：AS7038RB生物傳感器系統框圖
（圖源：ams OSRAM）
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