本文為大家介紹如何利用反射感測器的優勢，以簡化並改進微型光學感測器的設計。
反射感測器是設計微型光電開關的得力助手。它們精巧直觀，可用來簡化人機交互。這些感測器通常隱藏在紅外 ( IR ) 透鏡蓋後面，當手指或其他物體接觸鏡蓋表面時，感測器會迅速做出回應。
光學感測器或反射感測器可用來簡化設計過程，便於設計直觀、智慧且操作可靠的按鈕，是一種既簡單又高效的結構：
- 感測器一端裝有發射紅外光的發射器
- 當手指或任何物體靠近時，會受到這種光束的照射
- 反射信號在另一端的探測器產生光電流
這些感測器的工作是無形的，沒有運動部件或摩擦，幾乎沒有磨損。此外，光學感測器可以進行修正和微調，避免鏡蓋表面濕氣、水、污垢和劃痕的影響。即使帶著手套操作，它們也可以高效運行。需要特別注意的是，與應用集成的感測器一樣，要想取得理想的結果，必須考慮各種嚴峻挑戰。對於光學感測器來說，這些挑戰主要是應用環境和機械條件的限制。
環境挑戰
想像一下：陽光和典型光源等外部干擾會造成探測器環境雜訊，這是需要解決的問題。這種情況下，我們要考慮由週邊孔徑反射，以及鏡蓋表面污垢、水、濕氣或劃痕所引起的偏移電流。這種偏移電流會增大接近信號，提高輸出信號的總振幅。
如果設計階段不考慮這些因素，雜訊信號強度會增大到超過設定的閾值，從而導致誤測。為防止這種情況，設計感測器時應最大限度減少這些環境因素的影響，以保持正常的信噪比。
機械挑戰
為美觀起見，感測器通常隱藏在紅外透鏡蓋下面，或者光學感測器觀測孔保持最小尺寸。此外，為了給緊密排列在一起的多個按鈕留出空間，感測器占位面積應盡可能小。這樣一來，一方面感測器封裝尺寸受到嚴格的機械約束，另一方面對發射角度/觀測特性有嚴格要求。
應用場景
瞭解了採用反射感測器設計光電開關涉及的環境和機械挑戰，接下來我們深入探討三個具體應用場景。
01
陽光直射下工作的車載觸控開關
由於體積小巧，光學感測器按鈕可以放在車內任何地方。不過，為了適應車輛可變條件，必須達到高標準可靠性。同時，需要考慮溫度波動和陽光的影響等因素。
感測器可通過優化孔徑保證正確定向，以遮擋破壞性的陽光。此外，感測器封裝設計要消除所有引起麻煩的光波長。這意味著，感測器只對發射器波長範圍內的光做出回應，已濾除大部分環境雜訊。
您可以在探測器一端配置 DC 光抑制電路和高通濾波器，進一步增強感測器的功能，如圖 1 所示。這種電路確保只探測和放大脈衝發射器信號。
圖 1 ：探測器配置 DC 光抑制電路和高通濾波器
02
密閉空間光學按鈕面板
當設計需要在有限空間配置多個按鈕時，非常適合使用配有發射器的感測器，這種發射器可利用光照強度高，光輸出強的垂直腔面發射雷射器 ( VCSEL )。
VCSEL 窄發射角大大減小了鏡蓋造成的偏移，使感測器特別適合在透明材料下工作。此外，感測器的光照模式和緊湊尺寸允許其極為緊密地並排放置。事實上，排列密度僅受手指寬度的限制。得益於 VCSEL 的光照模式，您可以為鏡蓋找一個產生偏移最小的位置。這個最佳點最好由距離曲線來確定。
距離曲線（ 圖 2 ）表示感測器的相對輸出信號與透鏡或鏡片距離的關係。大約 2 mm 距離內信號足夠低。這表明理想情況下，鏡片應保持在這個範圍內，最大距離不超過 2 mm，以最大限度減小偏移，從而提高之前提到的信噪比。
ICrel - 相對集電極電流
z - 距離圖 2 ：距離曲線表示感測器相對輸出信號與透鏡或鏡片距離的關係。
03
適用於惡劣工業或醫療環境的按鈕
如您的目標是設計堅固耐用的按鈕，用於嚴苛的工業或醫療應用。光電按鈕表面光滑，沒有藏汙納垢的縫隙，因此便於清潔。然而，關鍵是感測器不能因液體或污垢觸發。
而且，即使手指定位不准，不是直接落在感測器上方，也可以識別按壓動作。由於紅外發射器的發射角寬，光電按鈕對鏡蓋表面污垢的敏感度下降。這種廣角發射擴大了光照功率的分佈區域。
此外，廣角發射便於探測未直接放在感測器上的手指。重要的是，這種環境中經常使用的手套不會造成問題，感測器很容易探測。
圖 3 模型是一種滿足這些標準的簡化版實用按鈕設計。
感測器在距感測器頂部 3 mm 、厚度為 2 mm 的紅外透鏡聚碳酸酯蓋下工作。孔徑設計足夠大，適應感測器廣角發射，從而最大限度減小偏移雜訊。圖 3為使其對陽光不敏感，設計採用圖 1 所示電路拓撲結構。發射器的脈衝頻率為 5 kHz 。
增加的高通濾波器使截止頻率低於脈衝頻率，且有效抑制 50 Hz 典型市電交流聲。輸出信號可直接連接模-數轉換器做進一步處理。
通過校準，感測器可以忽略孔徑引起的偏移。這種設計非常穩定，對外部因素造成的誤觸發具有很高的抵抗能力，性能極為可靠。
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