【導讀】對于電子工程師來說，自己的設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)新技術值得關注，相信“光學技術”應該是榜上有名。
所謂的光學技術，就是基于光電效應衍生出來的一系列技術，其能夠賦能光信號的發(fā)射、傳輸、感測，以及相關信息數據處理，打造針對特定應用的光學解決方案。實際上，光學技術由來已久，不過之前很長一段時間其應用都是聚焦在一些專業(yè)領域，而直到近年才越來越多地滲透到消費電子領域，特別是手機領域，受到更為廣泛的關注。
光學技術：不斷擴張的應用版圖
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結構光的Face ID人臉識別系統(tǒng)集成到了手機中。為了實現這一功能，蘋果在手機屏幕的“齊劉海”中，集成了一系列的光學組件，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，光學技術的應用，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組件（圖源：網絡）
在那之后，我們明顯感覺到光學傳感技術應用版圖的擴張速度在加快，各個領域對于光學技術更廣闊應用空間的探索，猶如在光學領域開啟了一次“地理大發(fā)現”。
機器視覺是光學檢測技術一個重要的發(fā)力點，其建立在性能和分辨率不斷提升的CMOS圖像傳感器基礎上，模擬人眼對于2D圖像信號的捕捉和感知，進而代替人眼在安防、汽車、工業(yè)、機器人、消費電子等各個領域獲取海量的視覺信息，這些視覺信息最終被轉化為數據，成為高度自動化的各類智能應用的驅動力。
圖2：CMOS圖像傳感器讓機器視覺無處不在
（圖源：ams OSRAM）
在圖像傳感器所提供的2D視覺信息基礎之上，人們對于借助光學技術進一步獲取深度信息、構建3D立體視覺也充滿了興趣。為此，人們在結構光、雙目立體成像和ToF（飛行時間）三個技術路徑上不斷探索，其中尤以ToF技術的發(fā)展勢頭最為強勁。ToF技術的原理是通過向目標發(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，進而獲得目標物體的深度信息。與其他技術相比，ToF具有抗干擾性強、動態(tài)場景支持好、對算力要求不高、作用距離遠、系統(tǒng)復雜性低等特點，因此應用開發(fā)尤為活躍。
圖3：ToF技術實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，健康醫(yī)療與可穿戴領域也在成為光電技術發(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過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的吸收量的差異，計算出血液中含氧的百分比。光學技術的發(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)療健康設備實現了便攜化和市場化，飛入尋常百姓家，守護每個人的健康。
圖4：光學生物傳感器守護每個人的健康
（圖源：ams OSRAM）
從眾多應用案例我們還可以看出，光學技術的創(chuàng)新是“全光譜”，除了上面提到的可見光、紅外領域，其在紫外領域同樣找到了堅實市場支點?；赨V-C的紫外消毒，一直是光學技術的典型應用，在新冠疫情流行期間，這一應用的需求更為迫切。在傳統(tǒng)的技術方案中，如何控制劑量，確保紫外消毒處理過程的經濟性和安全性，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)，針對不同應用精準調控紫外光的劑量和時間等參數，實現應用的智能化。
圖5：更經濟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技術的一些成功用例，而它們的出現就像是在市場的“水池”中拋入了一塊巨石，其激發(fā)出的漣漪也在向各個領域迅速擴散。
光學解決方案中有哪些技術要素？
現實中，打造一個完整的光學解決方案來實現design-win，需要開發(fā)者組合不同的技術要素。這些技術要素包括：
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，并在越來越多的應用場景中取代傳統(tǒng)光源。
光學元件
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，應用中會通過多個元件的組合構成完整的光學模組。有時在這些光學模組中也會加入電子和機械組件，以完成對光學元件的調節(jié)和控制。
傳感器
也被稱為探測器，是整個光學解決方案中十分關鍵的一環(huán)，其職責是將經由光路采集到的光信號進行光電轉化，形成可供后端電子系統(tǒng)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型，諸如光傳感器、圖像傳感器、生物傳感器等等。
相關芯片和算法
即在光電信號的采集、放大、傳輸、轉化、處理全過程中，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的數字信息（數據）的處理。這也是光學解決方式智能化的關鍵所在。
圖6：光學解決方案所需的技術要素
（圖源：ams OSRAM）
值得一提的是，將上述幾種或者是所有的技術要素整合在一起，打造高集成度解決方案，已經成為光學技術演進發(fā)展的一個重要方向。藉此光學技術就能夠更方便地被植入到越來越多的應用中，為用戶提供不一樣的體驗。
光學技術應用開發(fā)，一站解決！
當然，我們也不難看出，光學技術固然可以讓產品設計更具差異化，更吸睛，但是想將上述所有這些軟硬件資源統(tǒng)合在一起，形成最終的方案和產品，對于很多開發(fā)者來講也并非易事。
好在已經有技術廠商洞察到了這一點，正在通過周密布局，力求為光學技術開發(fā)者提供一個一站式的技術平臺。在這方面，ams OSRAM的表現尤為突出，他們圍繞著傳感、照明、可視化幾條賽道，已經構建起完備的產品組合，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品，它們中的每一款都能夠讓你的產品設計更加閃亮，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)機器視覺應用而打造的220萬像素近紅外（NIR）增強型全局快門圖像傳感器。由于采用了先進的背照（BSI）技術，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近紅外波長下具有高信噪比和高量子效率，最高可達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技術還帶來了更小的裸片尺寸，堆疊式芯片設計使得Mira220封裝尺寸縮小到了5.3mm x 5.3mm，這為空間受限的產品（如智能眼鏡和AR/VR設備）的設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，輕松對傳感器進行配置；數字相關雙采樣（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、小型化的新興光學應用中是一款很有競爭力的產品。
圖7：Mira220圖像傳感器框圖
（圖源：網絡）
TMF882x
多區(qū)域ToF傳感器
TMF882x系列是ams OSRAM推出的第三代ToF傳感器產品，與前兩代產品相比，其最大不同就是可以實現多個區(qū)域的目標檢測（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、時間數字轉換器 (TDC) 和直方圖技術，以及與SPAD搭配使用的支持高達63°動態(tài)可調視場的高品質鏡頭。該傳感器可在片上執(zhí)行所有原始數據處理，并通過I2C接口與主控制器通信，報告距離信息和置信值?？梢哉f，只需一顆料，即可實現多區(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
在紫外應用領域，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輻射信號轉換為數字信號，并實現連續(xù)或觸發(fā)測量。
在應用中，AS7331通過增益、轉換時間和內部時鐘頻率提供可調的照度響應，從而設置靈敏度、滿量程范圍和LSB。AS7331可將設置增益和轉換時間配置中檢測到的輻射量顯示為數字計數。其具有12增益步進范圍（每步為2）；同時，轉換時間可在15步進范圍內進行控制（每步為2）。借助輸入引腳 (SYN)，AS7331可以通過外部控制轉換時間，從而按需進行測量值調節(jié)。
總而言之——AS7331所提供的精準而靈活的UV測量特性，能夠很好地實現紫外應用中對于光照劑量和安全性的控制，讓產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品之后，讓我們將目光轉向ams OSRAM的光發(fā)射器產品。
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，是實現基于ToF技術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，該PLD可經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，以串聯方式連接，組合到單個封裝中。
該產品的主要技術特性包括：
● 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——那就是提升產品的集成度，即在單一封裝內包含多個光源元件，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，采用SMT封裝，可以很方便地被集成在日益現代化的健康監(jiān)控、心率監(jiān)視、脈搏血氧儀等醫(yī)療健康應用中，大大簡化產品的設計。
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品和醫(yī)療產品中開發(fā)創(chuàng)新型健康監(jiān)測應用。
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進行ECG測量，并且符合IEC 6060-2-47醫(yī)學標準的要求。
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，該技術使得AS7038RB能夠精準捕獲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，可實現非常高的光學信噪比。此外，集成式LED驅動器可以調節(jié)驅動電流，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可以被應用于多場景無創(chuàng)生命體征的監(jiān)測，充分激發(fā)出應用開發(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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