光谱传感技术与光谱传感器

电子发烧友网报道（文/李宁远）光谱传感在很多消费、工业和医疗领域被采用，可以完成很多新兴的应用，如颜色提取、认证以及物质、材料、流体的光谱分析。提到光谱大家很容易想到造价昂贵的光谱仪设备，其实不然，现在芯片级的光谱技术支持下的光谱传感器已经有了很多用例。
 
什么是光谱？
 
光谱的定义是将复合光经过分光设备分成单色光，然后按波长大小排列在一起的图谱。光谱和电磁波是密不可分，电磁波大家很熟悉，电磁波是在空间中传输的且具有周期性变化的电磁场。而电磁场我们都知道可以电生磁磁生电，它们两个是一种相互依赖的关系。换句话说，电磁波是在空间中传输的一种能量，而这种能量它的频率有大有小。因为速度都是光速，所以频率的不同导致了其波长不同。从最小波长到最大波长，是从伦琴射线到X射线到紫外，然后是我们平常可见光，然后红外、微波最后是无线波。每种波长都有其适合的应用。
 
光谱根据它的形成方式的不同，被分为三种类型。第一种是发射光谱，它主要是靠热或者是电激励而形成的，被热和电激励之后能自发光，譬如我们生活中的光源。发射光谱可以分为连续光谱、线性光谱和带状光谱。连续光谱整个的光谱是没有任何缺失的，很好理解。线性光谱只在某一个特定的波长显现光谱特征，在其他的部分是没有光谱特征的。最后一种带状光谱带状方式在每个连续的波段是有光谱的，但是在某一个特定的波长，它是没有光谱。
 
第二种是吸收光谱，利用紫外、可见、红外对一个外界的光源做一个摄能。自然界所有物质都有着独一无二的吸收光谱，吸收光谱大多数时候用来进行有机化合物的成分分析。第三种光谱是散射光谱，同样需要紫外、可见或者是红外来作为额外的光源来照。散色光谱的信号非常的弱，检测这种光谱并不是很容易，需要一些特定的技术。
 
光谱传感器相较颜色传感器优势在哪？又如何应用？
 
颜色传感器可以检测颜色，为大家所熟知的是XYZ颜色传感器和RGB传感器，这种传感器能直接检测出颜色。光谱传感器其实也是能够显示颜色的。那较之颜色传感器，光谱传感器能够在检测上发挥什么样的优势呢？
 
我们知道基础的三原色可以按照不同配比合成其他各种颜色，比如黄色可以由红色和绿色调合出来，但是这种调合出来的颜色是没有真正单波长黄色的光谱特征的。调合而来的颜色和单波长光的颜色看起来相同，但其实二者的光谱完全不同。光谱传感器能够匹配颜色还能匹配光谱，消除同色异谱的差错。颜色检测是光谱传感器应用很多的一类场景，在工业和医疗场景，尤其是医疗诊断方向一直很实用。
 
物质分析也是光谱传感器很常用一类应用，比如检测某类水果中的糖分含量，检测某类化学品中的组成成分。光谱检测出来的光谱信息跟标准光谱信息去做比对，来判断某类物质的含量。当然，这也需要配套的检测算法共同实现。
 
目前，在智能家居、智能照明、医疗保健、工业检测领域，光谱传感器有着广泛的应用。
 
光谱传感芯片加持下的光谱传感器
 
光谱传感芯片的出现大大降低了实现光谱技术应用的成本和技术难度，不再需要昂贵的光谱仪等设备。目前国外光学传感器厂商在光谱传感芯片上技术实力会领先一些，比较知名的像艾迈斯的光谱传感技术，在光谱传感芯片上创新了纳米光学干涉滤光片技术，可在宽温度范围内长时间正常使用和保持光谱稳定性。在高精度工艺技术加持下，可以创建针对不同光谱传感要求进行优化的带通和遮光滤光片。
 

多光谱传感器，艾迈斯

 
光谱传感器能够检测的通道越多，其设计就越复杂，还涉及很多芯片级的技术校准和光学级的技术校准。目前领先的光学传感厂商能在光谱传感芯片上能做提供11个测量通道，多通道也意味着匹配了多个并行ADC来稳定地实现信号处理，达到高分辨、高波长精度和帧率。
 
这种多通道高性能的光谱传感器芯片有助于实现更出色的自动白平衡、更可靠的光源识别，并且集成光源闪烁检测功能，更准确地再现色彩，最大限度地减少环境光源失真，从而获得更清晰逼真的照片。
 
小结
 
目前光谱传感在便携设备领域进展很快，这也得益于光谱传感芯片在微型化方向上的快速发展。在尽可能小的尺寸下提供更多通道的光谱测量，光谱传感器能够在很多新领域打开应用空间。