长距离光传感用LED
在用LED和激光器取代白炽灯做光传感器光源的过程中,厂商和最终用户享受到了半导体的固有优势：体积小、功耗低、易于大量生产和寿命长。随着微电子技术的进一步发展,光传感器厂商开发出了更小、更强的器件。
不过,LED的设计使它不能用于光源和目标之间的距离超过几厘米的光束中断应用。因此,激光器是长距离用途的通常选择,但是对最终用户来说,激光器可能存在一些安全问题。
虽然LED本身经历了根本的小型化发展过程,从以前的5毫米LED缩小到目前0603规格的SMD,但是LED外壳一直是光传感器小型化的限制因素。这意味着光传感器厂商的产品不得不低就半导体厂商的规格。这个尺寸限制对中等尺寸的传感器不是问题,但它给制造微型器件带来相当大的限制。
问题的产生
对传感器不断小型化的努力受到一个根本的限制：LED芯片本身的尺寸和结构。从LED的光垒的发射部分发出的理想光束是平行于光轴的同轴光束,孔径角尽可能接近0°。
理论表明,在平行光束中,光源的光学图像的一致性只适用于靠近透镜光轴的区域和采用点光束光源。偏离这些基本条件会导致发散、不同质或不可控散射效应等错误。
只要聚光透镜的距离和直径相对LED芯片的实际光发射表面足够大,光源点像就有足够的精确度。因为标准半导体芯片的有效正表面通常是正方形,边缘长度约250～350微米,所以只要透镜直径在厘米量级就行。
如果透镜直径缩小到仅有几毫米,这种情况产生的偏差非常大,即使透镜精确定位,孔径角仍会有几度。例如,2毫米的发射光垒会产生5°～7°的孔径角（半角）,而且不能再进一步缩小。
当前LED的正表面结构（见图1）对光传感器应用不理想。它的中央有一个金属化的电接触层,占有效正表面的30%～40%。对无限远准确聚焦的最佳透镜会产生中央暗斑。
对透镜直径和芯片直径之比小于30的微型光学器件来说,接触面的这种光学效应非常明显。在一定距离上,上述暗斑可能超过接收器件的直径。这意味着即使做到沿光轴精确对准和最大光能输出,但接收器件收到的信号仍会很差,或者根本收不到信号。
提出解决方案
为什么LED芯片的正表面结构要采用如此不方便的设计呢？据推测,全球生产的LED用于光传感器的比例非常低,以致半导体厂商几乎不会考虑光传感器的需求。此外,上述问题只出现在较小的光学器件中,这只占整个光传感器市场的一小部分。
LED的主要用途是显示功能,不需要很强的会聚光束。显示器件通常要求从各个角度容易辨认,这是对LED的主要要求。
产品实例
图2是一个克服了上述局限的光传感器专用LED的实例。该器件的整个正表面成为电极,电极上有一个精确的圆形孔径发射光。
将该器件电连接所需的接触面放在外侧防止干扰光发射。缩小的孔径角适合小于2毫米的光学器件。
虽然与普通LED相比,该器件的可用光能总量最初较低,但因为光束聚焦能力较强,所以微型传感器性能会大大提高。该器件最重要的改善是光束的同一性,光束可以在距透镜任何距离聚焦成圆形。
用以上提到的例子,孔径角可以从4°～5°缩小到低于1.2°。例如,距离100毫米,5°的孔径角意味着光斑的直径是17.5毫米。1°的孔径角意味着光斑缩小到3.5毫米,能给传感器提供更多
