Optické senzory: Měřicí systémy na bázi světla v různých odvětvích

Optické senzory, známé také jako světelné senzory nebo fotoelektrické snímače, jsou zařízení, která přeměňují světlo na elektrický signál. Tyto všestranné senzory nacházejí uplatnění v široké škále průmyslových odvětví, od průmyslové automatizace a lékařské diagnostiky až po monitorování životního prostředí a spotřební elektroniku. Jejich schopnost neinvazivně a na dálku měřit různé parametry z nich činí nepostradatelné nástroje moderní technologie.

Základy optických senzorů

Jak optické senzory fungují

Základní princip optických senzorů spočívá v interakci světla s cílovým objektem nebo látkou. Když světlo interaguje s cílem, mohou se změnit jeho vlastnosti (intenzita, vlnová délka, polarizace). Tyto změny jsou poté detekovány senzorem, převedeny na elektrický signál a zpracovány za účelem získání relevantních informací. Různé typy optických senzorů využívají různé světelné zdroje, detektory a techniky zpracování signálu.

Základní systém optického senzoru se obvykle skládá z následujících komponent:

• Světelný zdroj: Vyzařuje světlo, které může být viditelné, infračervené (IR), ultrafialové (UV) nebo dokonce laserové světlo.
• Optický prvek: Tento prvek může zahrnovat čočky, filtry, zrcadla nebo optická vlákna, která se používají k zaostření, nasměrování nebo úpravě světelného paprsku.
• Cíl/Vzorek: Měřený objekt nebo látka.
• Detektor: Přeměňuje světelný signál na elektrický signál. Mezi běžné detektory patří fotodiody, fototranzistory a fotonásobiče (PMT).
• Jednotka pro zpracování signálu: Zesiluje, filtruje a zpracovává elektrický signál z detektoru za účelem získání požadovaného měření.

Typy optických senzorů

Optické senzory se dělí podle principu fungování, světelného zdroje, detektoru a aplikace. Zde je přehled některých běžných typů:

• Fotoelektrické senzory: Tyto senzory detekují přítomnost nebo nepřítomnost objektu měřením změny intenzity světla. Běžně se používají v průmyslové automatizaci pro detekci objektů, snímání polohy a počítání. Fotoelektrické senzory se dodávají ve třech hlavních typech:
• Jednocestné závory: Vysílač a přijímač jsou umístěny proti sobě. Objekt přeruší paprsek, čímž dojde ke spuštění senzoru.
• Reflexní senzory: Vysílač a přijímač jsou ve stejném pouzdře a světelný paprsek se odráží zpět od reflektoru. Objekt přeruší paprsek mezi senzorem a reflektorem.
• Difuzní senzory: Vysílač a přijímač jsou ve stejném pouzdře. Senzor detekuje světlo odražené přímo od objektu.
• Vláknové optické senzory: Tyto senzory používají optická vlákna k přenosu světla k a od snímacího bodu. Jsou ideální pro aplikace v drsném prostředí, dálkové snímání a lékařskou diagnostiku. Vláknové optické senzory mohou měřit různé parametry, včetně teploty, tlaku, napětí a indexu lomu.
• Obrazové snímače: Obrazové snímače, jako jsou CCD (charge-coupled device) a CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) snímače, zachycují obrazy přeměnou světla na elektrické signály. Jsou široce používány v digitálních fotoaparátech, lékařském zobrazovacím zařízení a systémech strojového vidění.
• Spektrometry: Tyto senzory měří spektrum světla a poskytují informace o složení a vlastnostech látky. Spektrometry se používají v různých aplikacích, včetně chemické analýzy, monitorování životního prostředí a lékařské diagnostiky. Fungují tak, že rozkládají světlo na jeho jednotlivé vlnové délky a poté měří intenzitu každé vlnové délky.
• Senzory přiblížení: Tyto senzory detekují přítomnost blízkých objektů bez fyzického kontaktu vysíláním světelného paprsku a detekcí změn v odraženém světle. Používají se v mobilních telefonech, automobilových aplikacích a robotice.
• Převodníky světlo-napětí (LTV) a světlo-frekvence (LTF): Tyto integrované obvody převádějí intenzitu světla přímo na napěťový nebo frekvenční výstup, což zjednodušuje propojení s mikrokontroléry a jinými elektronickými obvody. Používají se při snímání okolního světla, v expozimetrech a optických kodérech.

Aplikace optických senzorů v různých odvětvích

Průmyslová automatizace

Optické senzory hrají klíčovou roli v automatizaci průmyslových procesů, zvyšování efektivity a zajišťování kontroly kvality. Používají se pro:

• Detekce a počítání objektů: Fotoelektrické senzory detekují přítomnost nebo nepřítomnost objektů na výrobní lince, což umožňuje automatické počítání a třídění. Například ve stáčírně v Německu se jednocestné závory používají k počítání lahví pohybujících se po dopravníkovém pásu, což zajišťuje přesné plnění a balení.
• Snímání polohy: Optické senzory přesně určují polohu pohyblivých částí ve strojích, což usnadňuje přesné řízení a synchronizaci. V japonské automobilové továrně se reflexní senzory používají k ověření správného umístění automobilových dílů na montážní lince.
• Kontrola kvality: Obrazové snímače kontrolují výrobky na přítomnost vad a zajišťují, že se na trh dostanou pouze vysoce kvalitní položky. Například v textilním průmyslu v Indii se obrazové snímače používají k detekci vad v tkaninách během procesu tkaní.
• Robotika: Optické senzory poskytují robotům schopnost vnímat své okolí, což jim umožňuje navigovat, manipulovat s objekty a provádět složité úkoly. Ve skladu ve Spojených státech používají roboti senzory LiDAR (Light Detection and Ranging) k mapování svého okolí a vyhýbání se překážkám při přepravě zboží.

Lékařské přístroje

Optické senzory jsou nezbytnými součástmi různých lékařských přístrojů, které poskytují neinvazivní monitorování fyziologických parametrů v reálném čase. Používají se pro:

• Pulzní oxymetrie: Měří saturaci krve kyslíkem pomocí technik absorpce světla. Pulzní oxymetry se hojně používají v nemocnicích a na klinikách po celém světě ke sledování respiračního stavu pacientů.
• Monitorování glykémie: Neinvazivní glukózové senzory používají blízkou infračervenou (NIR) spektroskopii k měření hladiny glukózy v krvi přes kůži. Probíhá výzkum zaměřený na vývoj přesných a spolehlivých neinvazivních glukometrů pro lidi s diabetem.
• Endoskopie: Vláknové optické endoskopy umožňují lékařům vizualizovat vnitřní orgány a tkáně, což umožňuje včasnou detekci a diagnostiku onemocnění. Endoskopie je běžný postup používaný po celém světě k diagnostice stavů, jako je rakovina tlustého střeva a vředy.
• Lékařské zobrazování: Obrazové snímače se používají v rentgenových přístrojích, skenerech MRI a dalších lékařských zobrazovacích zařízeních k vytváření detailních snímků lidského těla. Tyto snímky jsou nezbytné pro diagnostiku a léčbu široké škály zdravotních stavů.

Monitorování životního prostředí

Optické senzory hrají zásadní roli při monitorování podmínek životního prostředí, detekci znečišťujících látek a hodnocení kvality vody a ovzduší. Používají se pro:

• Monitorování kvality ovzduší: Spektrometry a další optické senzory měří koncentraci znečišťujících látek v ovzduší, jako je ozón, oxid dusičitý a pevné částice. Monitorovací stanice kvality ovzduší jsou rozmístěny ve městech po celém světě ke sledování úrovně znečištění a ochraně veřejného zdraví.
• Monitorování kvality vody: Optické senzory měří zákal, barvu a chemické složení vody a poskytují informace o kvalitě vody a úrovni znečištění. V říčních systémech v Evropě se optické senzory používají ke sledování hladin dusičnanů a fosforečnanů, které mohou přispívat k vodnímu květu.
• Monitorování klimatu: Satelitní optické senzory měří teplotu Země, oblačnost a vegetační pokryv a poskytují data pro výzkum a monitorování změny klimatu. Systém NASA pro pozorování Země (Earth Observing System) využívá různé optické senzory ke sběru dat o klimatu a životním prostředí Země.
• Analýza půdy: Spektroskopické techniky se používají k určení složení půdy, obsahu živin a úrovně kontaminace. To umožňuje lepší zemědělské postupy a správu životního prostředí. V zemědělském výzkumu v Brazílii se optické senzory používají k analýze vzorků půdy a optimalizaci aplikace hnojiv.

Spotřební elektronika

Optické senzory jsou integrovány do široké škály spotřební elektroniky, kde zlepšují funkčnost a uživatelský zážitek. Používají se pro:

• Snímání okolního světla: Převodníky světlo-napětí upravují jas obrazovky chytrých telefonů a notebooků na základě okolních světelných podmínek, čímž zlepšují viditelnost a šetří energii baterie. Senzory okolního světla jsou standardní součástí většiny moderních chytrých telefonů a tabletů.
• Snímání přiblížení: Senzory přiblížení detekují, když si uživatel drží telefon u ucha, a deaktivují dotykovou obrazovku, aby se zabránilo náhodným dotykům. Senzory přiblížení se v chytrých telefonech používají k zabránění náhodným kliknutím během telefonních hovorů.
• Rozpoznávání gest: Obrazové a infračervené senzory umožňují rozpoznávání gest v herních konzolích a dalších zařízeních, což uživatelům umožňuje interagovat se zařízením pomocí gest rukou. Microsoft Kinect používá infračervené a obrazové senzory ke sledování pohybů a gest uživatelů.
• Optická myš: LED dioda a obrazový snímač sledují pohyb myši po povrchu.

Letectví a obrana

Optické senzory jsou klíčové v leteckých a obranných aplikacích díky své přesnosti a spolehlivosti v drsných prostředích:

• Dálkový průzkum: Satelity používají hyperspektrální zobrazovače k analýze zemského povrchu pro správu zdrojů, monitorování životního prostředí a vojenské zpravodajství. Satelity vybavené optickými senzory se používají k monitorování odlesňování v amazonském deštném pralese.
• Navádění a navigace: Hvězdná čidla používají optické senzory k určení orientace kosmické lodi identifikací hvězd. Jsou klíčové pro přesnou navigaci ve vesmíru.
• Zaměřovací systémy: Vojenská letadla a drony používají infračervené senzory a laserové dálkoměry k identifikaci a sledování cílů. Tyto systémy poskytují kritické situační povědomí a zaměřovací schopnosti.

Výhody optických senzorů

• Bezkontaktní měření: Optické senzory mohou měřit parametry bez fyzického kontaktu s cílem, čímž se zabrání poškození nebo kontaminaci.
• Vysoká citlivost: Optické senzory dokáží detekovat velmi malé změny intenzity nebo vlnové délky světla, což umožňuje přesná měření.
• Rychlá doba odezvy: Optické senzory mají obvykle rychlou dobu odezvy, což umožňuje monitorování a řízení v reálném čase.
• Dálkové snímání: Vláknové optické a jiné optické senzory lze použít pro dálkové snímání v drsných nebo nepřístupných prostředích.
• Všestrannost: Optické senzory mohou měřit širokou škálu parametrů, včetně teploty, tlaku, napětí, chemického složení a posunutí.

Omezení optických senzorů

• Citlivost na okolní světlo: Okolní světlo může rušit měření optických senzorů, což vyžaduje pečlivé stínění a kalibraci.
• Prach a znečištění: Prach, nečistoty a další kontaminanty mohou blokovat nebo rozptylovat světlo, což ovlivňuje přesnost měření optických senzorů.
• Cena: Některé optické senzory, jako jsou spektrometry a obrazové snímače s vysokým rozlišením, mohou být relativně drahé.
• Složitost: Návrh a implementace systémů s optickými senzory může být složitá a vyžaduje specializované znalosti v oblasti optiky, elektroniky a zpracování signálu.

Budoucnost optických senzorů

Oblast optických senzorů se neustále vyvíjí a probíhající výzkum a vývoj se zaměřuje na zlepšení výkonu, snížení nákladů a rozšíření aplikací. Mezi klíčové trendy patří:

• Miniaturizace: Vývoj menších a kompaktnějších optických senzorů, umožňující integraci do přenosných zařízení a nositelné technologie.
• Integrace s IoT: Integrace optických senzorů s internetem věcí (IoT), umožňující dálkové monitorování a analýzu dat.
• Pokročilé materiály: Použití nových materiálů, jako jsou nanomateriály a metamateriály, ke zvýšení citlivosti a selektivity optických senzorů.
• Umělá inteligence (AI): Aplikace technik umělé inteligence a strojového učení ke zlepšení přesnosti a efektivity analýzy dat z optických senzorů. Například algoritmy AI mohou být použity k automatické identifikaci vad na snímcích pořízených optickými senzory.
• Biofotonika: Rostoucí využívání optických technik v biologických a lékařských aplikacích, což vede k pokroku v diagnostice, terapeutice a personalizované medicíně.

Nové technologie

• Hyperspektrální zobrazování: Zachycuje obrazy v širokém rozsahu elektromagnetického spektra a poskytuje podrobné spektrální informace o objektu.
• Optická koherentní tomografie (OCT): Využívá světelné vlny k zachycení trojrozměrných obrazů s vysokým rozlišením z nitra opticky rozptylujících médií (např. biologické tkáně).
• Křemíková fotonika: Integruje optické funkce na křemíkové čipy, což umožňuje výrobu kompaktních a levných optických senzorů.

Výběr správného optického senzoru

Výběr vhodného optického senzoru pro konkrétní aplikaci vyžaduje pečlivé zvážení několika faktorů:

• Měřený parametr: Určete konkrétní parametr, který se má měřit (např. přítomnost/nepřítomnost, vzdálenost, barva, teplota, chemické složení).
• Snímací rozsah a rozlišení: Definujte požadovaný snímací rozsah a rozlišení pro měření.
• Podmínky prostředí: Zvažte provozní prostředí, včetně teploty, vlhkosti, vibrací a vystavení kontaminantům.
• Přesnost a spolehlivost: Vyhodnoťte požadovanou přesnost a spolehlivost senzoru pro danou aplikaci.
• Cena a dostupnost: Zvažte cenu senzoru a jeho dostupnost od renomovaných dodavatelů.
• Požadavky na integraci: Posuďte snadnost integrace senzoru do celkového systému.

Globální tržní trendy

Globální trh s optickými senzory zažívá významný růst, který je poháněn rostoucí poptávkou z různých průmyslových odvětví. Mezi klíčové tržní trendy patří:

• Rostoucí poptávka v automobilovém průmyslu: Zvyšující se zavádění optických senzorů v automobilových aplikacích, jako jsou pokročilé asistenční systémy řidiče (ADAS) a autonomní řízení.
• Rostoucí přijetí ve zdravotnictví: Rozšiřující se používání optických senzorů v lékařských přístrojích pro diagnostiku, monitorování a terapii.
• Zvyšující se zaměření na monitorování životního prostředí: Rostoucí povědomí o environmentálních problémech a rostoucí poptávka po optických senzorech pro monitorování kvality ovzduší a vody.
• Expanze ve spotřební elektronice: Pokračující integrace optických senzorů do chytrých telefonů, nositelných zařízení a další spotřební elektroniky.

Trh s optickými senzory je vysoce konkurenční a mnoho společností nabízí širokou škálu produktů a služeb. Mezi klíčové hráče na trhu patří:

• Hamamatsu Photonics K.K. (Japonsko)
• ams AG (Rakousko)
• Texas Instruments Incorporated (USA)
• ON Semiconductor Corporation (USA)
• Vishay Intertechnology, Inc. (USA)

Závěr

Optické senzory jsou všestranné a výkonné nástroje pro měření a snímání s aplikacemi v mnoha průmyslových odvětvích. Jejich schopnost poskytovat bezkontaktní, vysoce citlivá měření v reálném čase z nich činí nezbytné součásti moderní technologie. Jak se technologie neustále vyvíjí, budou optické senzory hrát stále důležitější roli při formování naší budoucnosti.