相信光！6款光学解决方案，每一款都能让你的产品设计自带光芒！
【导读】对于电子工程师来说，自己的设计能够在众多竞品中脱颖而出，无疑是令人兴奋的事。想要修炼到这个境界，简单地堆料肯定不行，找到创新技术的加持才是不二法门。如果要拉个清单，盘点一下有哪些创新技术值得关注，相信“光学技术”应该是榜上有名。
所谓的光学技术，就是基于光电效应衍生出来的一系列技术，其能够赋能光信号的发射、传输、感测，以及相关信息数据处理，打造针对特定应用的光学解决方案。实际上，光学技术由来已久，不过之前很长一段时间其应用都是聚焦在一些专业领域，而直到近年才越来越多地渗透到消费电子领域，特别是手机领域，受到更为广泛的关注。
光学技术：不断扩张的应用版图
在这个过程中，不得不提的一个重要推手就是苹果公司，其在2017年推出的iPhone X中，首次将一个基于3D结构光的Face ID人脸识别系统集成到了手机中。为了实现这一功能，苹果在手机屏幕的“齐刘海”中，集成了一系列的光学组件，并在后端以性能强悍的处理器和优化的算法提供强大的算力支撑。Face ID的成功最终让人们意识到，光学技术的应用，还可以带来如此大的想象空间。
图1：iPhone X的Face ID人脸识别系统中采用了一系列光学组件（图源：网络）
在那之后，我们明显感觉到光学传感技术应用版图的扩张速度在加快，各个领域对于光学技术更广阔应用空间的探索，犹如在光学领域开启了一次“地理大发现”。
机器视觉是光学检测技术一个重要的发力点，其建立在性能和分辨率不断提升的CMOS图像传感器基础上，模拟人眼对于2D图像信号的捕捉和感知，进而代替人眼在安防、汽车、工业、机器人、消费电子等各个领域获取海量的视觉信息，这些视觉信息最终被转化为数据，成为高度自动化的各类智能应用的驱动力。
图2：CMOS图像传感器让机器视觉无处不在
（图源：ams OSRAM）
在图像传感器所提供的2D视觉信息基础之上，人们对于借助光学技术进一步获取深度信息、构建3D立体视觉也充满了兴趣。为此，人们在结构光、双目立体成像和ToF（飞行时间）三个技术路径上不断探索，其中尤以ToF技术的发展势头最为强劲。ToF技术的原理是通过向目标发射连续的特定波长的红外光脉冲，再由特定的传感器接收被测物体传回的光信号，通过计算光线往返的飞行时间或相位差，进而获得目标物体的深度信息。与其他技术相比，ToF具有抗干扰性强、动态场景支持好、对算力要求不高、作用距离远、系统复杂性低等特点，因此应用开发尤为活跃。
图3：ToF技术实现精准的深度信息测量
（图源：ams OSRAM）
除了手机等消费电子市场，健康医疗与可穿戴领域也在成为光电技术发展的沃土。在新冠疫情流行期间，成为爆款的血氧仪就是一个很好的案例。血氧仪的系统并不复杂，其分别通过红光LED和红外线LED交替发出光线，并由一个光电二极管接收经过血管组织反射或透射的光信号，再根据含氧气水平不同的血红蛋白对红光和红外光线的吸收量的差异，计算出血液中含氧的百分比。光学技术的发展，催生出高性能、高集成度的生物传感器，成功地让血氧仪的医疗健康设备实现了便携化和市场化，飞入寻常百姓家，守护每个人的健康。
图4：光学生物传感器守护每个人的健康
（图源：ams OSRAM）
从众多应用案例我们还可以看出，光学技术的创新是“全光谱”，除了上面提到的可见光、红外领域，其在紫外领域同样找到了坚实市场支点。基于UV-C的紫外消毒，一直是光学技术的典型应用，在新冠疫情流行期间，这一应用的需求更为迫切。在传统的技术方案中，如何控制剂量，确保紫外消毒处理过程的经济性和安全性，一直是个难题。而基于新一代的 UV LED和UV传感器，开发者可以搭建起一个完整的控制闭环，针对不同应用精准调控紫外光的剂量和时间等参数，实现应用的智能化。
图5：更经济更安全的智能化紫外消毒方案
（图源：ams OSRAM）
上述几个案例，仅仅是近年来我们触手可及的光学技术的一些成功用例，而它们的出现就像是在市场的“水池”中抛入了一块巨石，其激发出的涟漪也在向各个领域迅速扩散。
光学解决方案中有哪些技术要素？
现实中，打造一个完整的光学解决方案来实现design-win，需要开发者组合不同的技术要素。这些技术要素包括：
光发射器
就是我们通常说的光源，它们通常需要按照应用的要求发射出特定光谱下的光线。随着固态照明技术的发展，凭借低功耗、小型化、更环保等优势，LED的应用日趋广泛，并在越来越多的应用场景中取代传统光源。
光学元件
它们主要是在光路上完成对光线的处理，如滤波、传输、反/折射等，应用中会通过多个元件的组合构成完整的光学模组。有时在这些光学模组中也会加入电子和机械组件，以完成对光学元件的调节和控制。
传感器
也被称为探测器，是整个光学解决方案中十分关键的一环，其职责是将经由光路采集到的光信号进行光电转化，形成可供后端电子系统识别和处理的电信号和数据。为了能够应对不同应用对不同光信号感测的需求，传感器也逐渐演化出了多种类型，诸如光传感器、图像传感器、生物传感器等等。
相关芯片和算法
即在光电信号的采集、放大、传输、转化、处理全过程中，信号链设计需要用到的软硬件资源，主要包括前端对于模拟信号的调理，以及后端对于由光电信号转化而来的数字信息（数据）的处理。这也是光学解决方式智能化的关键所在。
图6：光学解决方案所需的技术要素
（图源：ams OSRAM）
值得一提的是，将上述几种或者是所有的技术要素整合在一起，打造高集成度解决方案，已经成为光学技术演进发展的一个重要方向。藉此光学技术就能够更方便地被植入到越来越多的应用中，为用户提供不一样的体验。
光学技术应用开发，一站解决！
当然，我们也不难看出，光学技术固然可以让产品设计更具差异化，更吸睛，但是想将上述所有这些软硬件资源统合在一起，形成最终的方案和产品，对于很多开发者来讲也并非易事。
好在已经有技术厂商洞察到了这一点，正在通过周密布局，力求为光学技术开发者提供一个一站式的技术平台。在这方面，ams OSRAM的表现尤为突出，他们围绕着传感、照明、可视化几条赛道，已经构建起完备的产品组合，近年来推出的不少新品总是能够直击市场的“痛点”，让人眼前一亮。
今天，我们就为大家介绍几款这样的产品，它们中的每一款都能够让你的产品设计更加闪亮，更加卓尔不群。
Mira220
全局快门图像传感器
这是一款专为2D和3D消费类和工业机器视觉应用而打造的220万像素近红外（NIR）增强型全局快门图像传感器。由于采用了先进的背照（BSI）技术，Mira220具有非常高的灵敏度和量子效率——ams OSRAM内部测试显示，Mira220在使用940nm近红外波长下具有高信噪比和高量子效率，最高可达38%——这使其无惧昏暗的照明条件，并可搭配使用低功率发射器，从而降低系统总功耗。
同时，BSI技术还带来了更小的裸片尺寸，堆叠式芯片设计使得Mira220封装尺寸缩小到了5.3mm x 5.3mm，这为空间受限的产品（如智能眼镜和AR/VR设备）的设计带来了更大的灵活性 。上述这些特性令Mira220在竞争激烈的图像传感器市场中十分抢眼。
Mira220传感器的其他特性还包括：有效分辨率1600px x 1400px，最大位深度为12位，光学格式为1/2.7”；传感器支持外部触发、加窗以及水平或垂直镜像等片上操作；MIPI CSI-2接口可以方便地与处理器或FPGA连接，还可通过I2C接口访问片上寄存器，轻松对传感器进行配置；数字相关双采样（CDS）和行噪声校正功能可带来出色的降噪性能。可见，其在低功耗、小型化的新兴光学应用中是一款很有竞争力的产品。
图7：Mira220图像传感器框图
（图源：网络）
TMF882x
多区域ToF传感器
TMF882x系列是ams OSRAM推出的第三代ToF传感器产品，与前两代产品相比，其最大不同就是可以实现多个区域的目标检测（最多8 x 8个区域），且能在每个区域中检测多个物体，并确保精确的测量结果。因此，其特别适用于机器人等需要更强空间感知能力的应用。
作为一个高集成度的解决方案，TMF882x系列多区域传感器在单一紧凑型模块化封装中，集成了垂直腔面发射激光器（VCSEL）、单光子雪崩二极管 (SPAD) 阵列、时间数字转换器 (TDC) 和直方图技术，以及与SPAD搭配使用的支持高达63°动态可调视场的高品质镜头。该传感器可在片上执行所有原始数据处理，并通过I2C接口与主控制器通信，报告距离信息和置信值。可以说，只需一颗料，即可实现多区域ToF传感的所有功能。
图8：TMF882x系列多区域传感器框图
（图源：ams OSRAM）
AS7331
3通道UV-A/B/C光谱传感器
在紫外应用领域，AS7331光谱传感器IC提供了一个低功耗、低噪声、高集成的解决方案。该器件具有三个独立的UVA、UVB和UVC通道，可通过光电二极管将光学辐射信号转换为数字信号，并实现连续或触发测量。
在应用中，AS7331通过增益、转换时间和内部时钟频率提供可调的照度响应，从而设置灵敏度、满量程范围和LSB。AS7331可将设置增益和转换时间配置中检测到的辐射量显示为数字计数。其具有12增益步进范围（每步为2）；同时，转换时间可在15步进范围内进行控制（每步为2）。借助输入引脚 (SYN)，AS7331可以通过外部控制转换时间，从而按需进行测量值调节。
总而言之——AS7331所提供的精准而灵活的UV测量特性，能够很好地实现紫外应用中对于光照剂量和安全性的控制，让产品的智能化水平上一个新台阶。
图9：AS7331 UV-A/B/C光谱传感器框图
（图源：ams OSRAM）
Metal Can??
Nanostack脉冲激光二极管
在介绍了几款传感器产品之后，让我们将目光转向ams OSRAM的光发射器产品。
ams OSRAM的Metal Can?? Nanostack脉冲激光二极管 (PLD) ，是采用紧凑型TO-56封装的大功率短脉冲激光器，是实现基于ToF技术的距离和速度测量不可或缺的光发射器。
由于采用了Nanostack技术，该PLD可经由小型激光孔径提供高光输出功率，并具有出色的可靠性。每个PLD中都包含有3个外延堆叠发射器，以串联方式连接，组合到单个封装中。
该产品的主要技术特性包括：
● 波长范围：895nm至915nm；905nm（典型值）
● 峰值输出功率：120W
● 工作电压：11V
● 阈值电流：0.6A
● 适合从1ns到100ns的短激光脉冲
● 工作温度范围：-40°C至+85°C
● 采用坚固的TO-56 Metal Can封装（直径5.6mm）
● 重量：312.0mg（近似值）
SFH701x
多片式LED
在光发射器的设计上，ams OSRAM除了追求更高的性能，还在另一个创新维度颇有建树——那就是提升产品的集成度，即在单一封装内包含多个光源元件，为设计的小型化赋能。
SFH701x多片式LED就是其中一款很具代表性的产品，其在一个硅胶封装中集成了2个绿光发射器 (530nm)、1个红光发射器 (655nm) 和1个红外发射器 (940nm)，每个发射器都可单独控制。该多片式LED发射器模块具有2kV的ESD防护，采用SMT封装，可以很方便地被集成在日益现代化的健康监控、心率监视、脉搏血氧仪等医疗健康应用中，大大简化产品的设计。
AS7038RB
生物传感器解决方案
这是一款血氧饱和度（SpO2）测量专用传感器，其将小尺寸、多功能和高性能信号链整合在一起，非常适合在空间受限的消费产品和医疗产品中开发创新型健康监测应用。
具体来讲，AS7038RB在一个3.70 mm x 3.10 mm小型封装中集成了1个高灵敏度光电二极管、4个LED驱动器、1个模拟前端和1个程序发生器，而且厚度仅0.65mm！同时，AS7038RB还随附进行SpO2和心率测量所需的应用软件。此外，该器件的模拟前端还支持同时进行ECG测量，并且符合IEC 6060-2-47医学标准的要求。
AS7038RB测量SpO2的准确性很大程度上得益于ams OSRAM独有的晶圆级干涉滤光片技术，该技术使得AS7038RB能够精准捕获590nm-710nm和近红外（800nm-1050nm）波长频段的信号，同时屏蔽其他波长的环境光干扰。如果与高灵敏度光电二极管组合使用时，可实现非常高的光学信噪比。此外，集成式LED驱动器可以调节驱动电流，此特性让开发者得以灵活地兼顾系统功耗和测量性能，有利于延长采用小电池供电设备的续航时间。
尺寸小、功能全、灵敏度和信噪比高、系统功耗低……集诸多优势特性于一身，因此AS7038RB可以被应用于多场景无创生命体征的监测，充分激发出应用开发者的想象力。
图10：AS7038RB生物传感器系统框图
（图源：ams OSRAM）
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