전자 애플리케이션에서 광학 센서의 역할

이 문서에서는 광학 센서의 작동 원리, 광학 센서 유형, 광학 센서 선택 시 고려 사항 및 주요 응용 분야에 대해 간략히 설명합니다.

광학 센서는 입사 광선을 감지하고 전기 신호로 변환하도록 설계된 전자 부품입니다. 이러한 구성 요소는 입사광의 강도를 측정하고 이를 센서 유형에 따라 통합 측정 장치에서 읽을 수 있는 형태로 변환하는 데 유용합니다.

이 기사에서는 광학 센서의 작동 원리, 광학 센서 유형, 광학 센서 선택 시 고려 사항 및 주요 응용 분야에 대해 간략히 설명합니다.

광학 센서의 예. 이미지 제공:ROHM

광센서의 응용

광 센서는 산업, 소비자, 의료 및 자동차 분야에서 활용되는 전자 장치 및 장비의 유비쿼터스 구성 요소입니다.

의료 및 의료

전 세계적인 대유행으로 인한 비접촉식 감지에 대한 전례 없는 요구로 인해 건강 및 안전 규정 준수를 보장하기 위해 장기 의료 시설의 살균제 디스펜서에 광학 센서가 활용되었습니다.

기타 의료 응용 프로그램에는 호흡 분석 및 심박수 모니터링을 위한 생체의학 장치가 포함됩니다. 호흡 분석은 가변 다이오드 레이저를 사용하여 달성할 수 있으며, 피부를 통해 센서로 다시 반사되는 빛은 광혈류측정기(photoplethysmography)로 알려진 프로세스에서 사람의 심박수를 정확하게 모니터링할 수 있습니다. 휴대용 웨어러블 센서는 사용자의 건강 상태와 활력 징후를 자동 및 수동으로 추적하기 위해 광학 센서를 사용합니다.

산업/상업

산업 및 상업용 애플리케이션에서 광 센서는 거리 및 온도 감지 및 Industry 4.0 애플리케이션의 자동화에도 사용됩니다. 예를 들어, 광학 센서는 적외선 LED, 광 트랜지스터 및 투명 프리즘 팁을 통합하여 탱크 팜 및 탄화수소 정제소의 석유 수준과 같은 공정 엔지니어링 시설의 액체 수준을 감지할 수 있습니다.

광학 센서는 또한 공장 현장에 있는 구성 요소를 감지하여 자동화된 제어를 가능하게 합니다.

가전제품

광 센서는 배터리 수명을 연장하고 환경의 조명 양에 맞게 화면 밝기를 최적화하는 등의 이점으로 스마트폰과 같은 소비자 전자 제품의 주변광 감지에도 사용되고 있습니다.

아래 회로도(그림 1)는 마이크로컨트롤러와 자동 발광 제어가 장착된 LED 드라이버 IC를 통합하여 주변광의 양에 비례하는 출력 전류를 달성하고 사람의 눈의 분광 감도를 모방합니다.

그림 1. 주변광 센서 IC 블록 다이어그램. 이미지 제공:ROHM

포토 인터럽터와 반사형 포토센서는 산업용 및 소매용 3D 스캐너와 프린터의 광학 감지에 사용됩니다. 광학 센서는 침입자를 감지하기 위해 상업용 및 주거용 건물의 감시 장비에도 사용됩니다.

광센서의 종류

가장 일반적인 유형의 광학 센서는 다음과 같습니다.

<울>

전송형 포토 인터럽터 빛을 차단하여 물체의 존재를 감지하고 위치 감지 및 회전 속도 측정과 같은 애플리케이션에서 널리 활용됩니다.

반사 광센서 물체를 가로지르는 빛의 반사를 측정하여 물체의 움직임 감지

광전도성 기기 입사 광선을 흡수하여 전기 전도성이 됩니다.

포토다이오드 입사광을 전류로 변환

포토트랜지스터 베이스-컬렉터 접합이 빛에 노출될 때 포토다이오드와 유사한 결과를 얻음

광센서의 작동

광학 감지 기술이 효과적으로 작동하려면 단색의 작고 안정적인 광원이 필요합니다. 광학 센서 조명에 적합한 일반적인 광원에는 LED와 레이저가 있습니다.

발광 다이오드(LED)는 전자가 n 및 p 도핑된 반도체의 접합부에서 정공과 결합하여 광자의 방출을 도울 때 빛을 생성합니다. 반면에 레이저는 유리나 수정과 같은 특정 물질의 원자에 있는 전자의 전기적 여기에 의해 생성됩니다.

그림 2. 광 근접 센서 블록 다이어그램. 이미지 제공:ROHM

그러나 다양한 유형의 광학 센서는 약간 다르게 작동합니다.

출력단 기반 광트랜지스터가 광 차단기에서 구동할 수 있는 최대 전류는 수신하는 빛의 양에 따라 다릅니다. 광트랜지스터에 빛이 비치면(즉, 간격에 물체가 없는 경우) 광 차단기는 LOW 출력을 나타냅니다.

그림 3. 포토인터럽터 구성. 이미지 제공:ROHM

반대로, 포토 인터럽터는 물체가 있을 때 HIGH 출력을 나타냅니다. 엔지니어는 출력을 마이크로컨트롤러나 광학 제어용 논리 장치에 연결하여 포토 인터럽터의 기능을 활용할 수 있습니다.

디자인 고려 사항

응답 시간, 비용, 크기 및 감도는 광학 센서를 설계에 통합하려는 엔지니어에게 필수적인 고려 사항입니다.

응답 시간은 광학 센서가 입사광에 반응하는 데 걸리는 시간을 말하며 여러 응용 분야에서 중요합니다. 더 빠른 응답 시간은 일반적으로 더 높은 광학 감지 효율성을 가져옵니다. 많은 광학 센서(그림 4)는 지연, 상승 및 하강 시간 기능을 설명하기 위해 응답 시간 측정 회로를 설계에 통합합니다.

그림 4. RPI-246(왼쪽)과 RPI-44C1E(오른쪽) 제품 이미지. 이미지 제공:ROHM

마찬가지로 비용은 광학 센서를 설계하는 데 필수적인 요구 사항입니다. 하드웨어/소프트웨어 구매, 테스트, 연구 및 개발을 포함하여 많은 요소가 전체 광학 센서 설계 비용에 영향을 미칩니다.

센서는 유형 및 특정 용도에 따라 다양한 크기로 제공됩니다. 예를 들어, 일반적인 광 차단기 패키지 크기는 3.6 x 3.3mm에서 8 x 4.2mm입니다. 급속한 소형화로 인해 설계자는 고성능과 저렴한 비용이 균형을 이루는 더 작은 광학 센서를 선택하는 경우가 많습니다.

또한 설계자는 가시광선 및 적외선을 포함하여 더 넓은 스펙트럼의 빛에 민감한 센서를 선호합니다. 최대 ±40의 더 높은 감도는 최대 4배 더 빠른 근접 및 주변광 감지 측정을 달성할 수 있습니다.

광학 센서의 장점

광학 센서는 다음과 같은 다양한 응용 분야에서 여러 이점을 제공합니다.

<울>

경량 패키지

전자파 간섭(EMI) 내성

신뢰성

광역 다이내믹 레인지

고감도

또한 여러 화학적 및 물리적 현상을 모니터링하는 데 매우 적합하며 화학적으로 불활성이어서 위험하고 가연성 환경에서 매우 중요합니다.

또한, 팬데믹에 비추어 비접촉 감지의 필요성이 사상 최고입니다. 광학 센서는 안전 및 건강 규정 준수를 촉진하기 위해 산업 및 상업 환경에서 혁신적인 솔루션을 설계하는 데 사용할 수 있습니다.

전자 애플리케이션의 광학 감지를 위한 ROHM 솔루션

ROHM은 고성능 광학 센서 솔루션 제공업체입니다. ROHM 센서는 자동화, 모션 센싱, 측정, 보안, 감시 등 다양한 용도에서 중요한 높은 감도를 제공합니다.

광학 감지 솔루션에는 근접 및 주변광 센서, 광 차단기, 적외선 LED, 광센서, 광다이오드, 광트랜지스터, 주변광 센서 IC, 4방향 감지기가 포함됩니다. ROHM의 광학 센서는 넓은 작동 온도 범위(-25 ~ +85°C)를 제공하며 최적의 공간 절약을 위해 설치 면적이 작은 패키지로 제공됩니다.

ROHM의 광학 센싱 솔루션에 대한 자세한 내용은 웹사이트를 참조하십시오.

업계 기사는 업계 파트너가 편집 콘텐츠에 적합하지 않은 방식으로 All About Circuits 독자와 유용한 뉴스, 메시지 및 기술을 공유할 수 있는 콘텐츠 형식입니다. 모든 산업 기사는 독자에게 유용한 뉴스, 기술 전문 지식 또는 이야기를 제공하기 위해 엄격한 편집 지침을 따릅니다. 업계 기사에 표현된 관점과 의견은 파트너의 것이며 반드시 All About Circuits 또는 해당 작성자의 의견은 아닙니다.