長距離光傳感用LED
在用LED和激光器取代白熾燈做光傳感器光源的過程中,廠商和最終用戶享受到了半導(dǎo)體的固有優(yōu)勢(shì)：體積小、功耗低、易于大量生產(chǎn)和壽命長。隨著微電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展,光傳感器廠商開發(fā)出了更小、更強(qiáng)的器件。
不過,LED的設(shè)計(jì)使它不能用于光源和目標(biāo)之間的距離超過幾厘米的光束中斷應(yīng)用。因此,激光器是長距離用途的通常選擇,但是對(duì)最終用戶來說,激光器可能存在一些安全問題。
雖然LED本身經(jīng)歷了根本的小型化發(fā)展過程,從以前的5毫米LED縮小到目前0603規(guī)格的SMD,但是LED外殼一直是光傳感器小型化的限制因素。這意味著光傳感器廠商的產(chǎn)品不得不低就半導(dǎo)體廠商的規(guī)格。這個(gè)尺寸限制對(duì)中等尺寸的傳感器不是問題,但它給制造微型器件帶來相當(dāng)大的限制。
問題的產(chǎn)生
對(duì)傳感器不斷小型化的努力受到一個(gè)根本的限制：LED芯片本身的尺寸和結(jié)構(gòu)。從LED的光壘的發(fā)射部分發(fā)出的理想光束是平行于光軸的同軸光束,孔徑角盡可能接近0°。
理論表明,在平行光束中,光源的光學(xué)圖像的一致性只適用于靠近透鏡光軸的區(qū)域和采用點(diǎn)光束光源。偏離這些基本條件會(huì)導(dǎo)致發(fā)散、不同質(zhì)或不可控散射效應(yīng)等錯(cuò)誤。
只要聚光透鏡的距離和直徑相對(duì)LED芯片的實(shí)際光發(fā)射表面足夠大,光源點(diǎn)像就有足夠的精確度。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體芯片的有效正表面通常是正方形,邊緣長度約250～350微米,所以只要透鏡直徑在厘米量級(jí)就行。
如果透鏡直徑縮小到僅有幾毫米,這種情況產(chǎn)生的偏差非常大,即使透鏡精確定位,孔徑角仍會(huì)有幾度。例如,2毫米的發(fā)射光壘會(huì)產(chǎn)生5°～7°的孔徑角（半角）,而且不能再進(jìn)一步縮小。
當(dāng)前LED的正表面結(jié)構(gòu)（見圖1）對(duì)光傳感器應(yīng)用不理想。它的中央有一個(gè)金屬化的電接觸層,占有效正表面的30%～40%。對(duì)無限遠(yuǎn)準(zhǔn)確聚焦的最佳透鏡會(huì)產(chǎn)生中央暗斑。
對(duì)透鏡直徑和芯片直徑之比小于30的微型光學(xué)器件來說,接觸面的這種光學(xué)效應(yīng)非常明顯。在一定距離上,上述暗斑可能超過接收器件的直徑。這意味著即使做到沿光軸精確對(duì)準(zhǔn)和最大光能輸出,但接收器件收到的信號(hào)仍會(huì)很差,或者根本收不到信號(hào)。
提出解決方案
為什么LED芯片的正表面結(jié)構(gòu)要采用如此不方便的設(shè)計(jì)呢？據(jù)推測(cè),全球生產(chǎn)的LED用于光傳感器的比例非常低,以致半導(dǎo)體廠商幾乎不會(huì)考慮光傳感器的需求。此外,上述問題只出現(xiàn)在較小的光學(xué)器件中,這只占整個(gè)光傳感器市場(chǎng)的一小部分。
LED的主要用途是顯示功能,不需要很強(qiáng)的會(huì)聚光束。顯示器件通常要求從各個(gè)角度容易辨認(rèn),這是對(duì)LED的主要要求。
產(chǎn)品實(shí)例
圖2是一個(gè)克服了上述局限的光傳感器專用LED的實(shí)例。該器件的整個(gè)正表面成為電極,電極上有一個(gè)精確的圓形孔徑發(fā)射光。
將該器件電連接所需的接觸面放在外側(cè)防止干擾光發(fā)射�？s小的孔徑角適合小于2毫米的光學(xué)器件。
雖然與普通LED相比,該器件的可用光能總量最初較低,但因?yàn)楣馐劢鼓芰^強(qiáng),所以微型傳感器性能會(huì)大大提高。該器件最重要的改善是光束的同一性,光束可以在距透鏡任何距離聚焦成圓形。
用以上提到的例子,孔徑角可以從4°～5°縮小到低于1.2°。例如,距離100毫米,5°的孔徑角意味著光斑的直徑是17.5毫米。1°的孔徑角意味著光斑縮小到3.5毫米,能給傳感器提供更多
