光學傳感器通過將光線轉(zhuǎn)換為電信號來檢測和測量光強。這些傳感器連接到會對光線變化做出響應的電觸發(fā)器上。光學傳感器被用于各種設備中，包括計算機和運動探測器。

光學傳感器的類型

光學傳感器背后的主要原理是光的傳輸和接收。被目標物體反射或阻斷的光會通過幾種光學設備進行分析，這取決于材料的類型，如木材、金屬、塑料或透明及有色產(chǎn)品。

光學傳感器依賴于各種光源，這些光源必須是單色的、耐用的和緊湊的，以確�？煽康男阅�。兩種最常用的光源是發(fā)光二極管（LED）和激光（LASER）。

光學傳感器可以放置在設備的外部或內(nèi)部。外部光學傳感器，也稱為外傳感器，收集并傳輸特定量的光。相比之下，內(nèi)部或內(nèi)傳感器通常用于測量光的彎曲或方向變化。內(nèi)傳感器通常嵌入在光纖或其他設備中。

光學傳感器的選擇取決于應用。例如，在光電導設備中，光學傳感器通過將入射光的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化來測量電阻。在太陽能電池中，傳感器將入射光轉(zhuǎn)換為輸出電壓，而光電二極管將入射光轉(zhuǎn)換為輸出電流。類似地，光電晶體管是一種雙極晶體管，其功能類似于光電二極管，但提供內(nèi)部增益。以下是一些常見類型的光學傳感器及其功能：

穿透式傳感器

在穿透式傳感器中，發(fā)射器和接收器位于彼此對面。當光束被阻斷時，接收器將中斷解釋為開關信號。這些傳感器可以覆蓋相當大的操作距離，并準確檢測物體表面、結構和顏色。

反射式傳感器

反射式傳感器的發(fā)射器和接收器位于同一系統(tǒng)內(nèi)。像穿透式傳感器一樣，這些傳感器通過開關機制操作，并且可以覆蓋大的操作距離。它們可以獨立且準確地檢測任何阻斷光束的物體。

漫反射傳感器

在漫反射傳感器中，接收器和發(fā)射器集成在一個系統(tǒng)中。這些傳感器檢測從物體表面反射的光，使基于反射光的準確檢測成為可能。

圖片:搜狗截圖20241231080125.png

光學傳感器應用的最新進展

生物醫(yī)學和醫(yī)療保健應用

光學傳感器越來越多地用于生物醫(yī)學和醫(yī)療保健應用中，用于疾病診斷、藥物發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測生物過程。這些傳感器能夠檢測疾病生物標志物、傳染性病原體如細菌和病毒，以及人類代謝產(chǎn)物如激素和神經(jīng)遞質(zhì)。

最近的進展，包括無標記光學方法和基于熒光的檢測，提高了識別癌癥、檢測自身免疫抗體和研究活細胞蛋白活動的能力。

例如，最近開發(fā)了一種基于綠色合成的金納米顆粒的光學生物傳感器，用于檢測CD44癌癥生物標志物。這種生物傳感器顯示出高靈敏度和特異性，檢測限為0.111 pM，覆蓋廣泛的濃度范圍（42.9 aM至100 nM），提供了一種成本效益高且環(huán)保的方法。

光纖和表面等離子共振生物傳感器也用于測量治療藥物、檢測毒素和分析微生物及基因組數(shù)據(jù)。這些進展展示了光學傳感器在醫(yī)療保健和生物技術研究中的重要性日益增長。

農(nóng)業(yè)和獸醫(yī)應用

在農(nóng)業(yè)和獸醫(yī)科學中，光學傳感器用于檢測病原體、農(nóng)藥殘留和作物病害，以及監(jiān)測食品產(chǎn)品的質(zhì)量，如牛奶、肉類、水果和蔬菜。它們還用于分析土壤質(zhì)量并識別污染物。

例如，可以使用結合了乙酰膽堿酯酶的錐形光纖光學傳感器檢測廣泛使用的有機磷酸酯農(nóng)藥甲基對 硫磷（MPT）。同樣，使用蒸發(fā)波光學傳感器有效識別了水和乳制品中發(fā)現(xiàn)的磺胺二甲嘧啶藥物殘留。

先進的方法，包括光子晶體和錐形光纖，進一步提高檢測尿素和病原體的靈敏度。還開發(fā)了基于紙的藻類生物傳感器，用于識別納米封裝的農(nóng)藥，為確保食品安全和應對農(nóng)業(yè)挑戰(zhàn)提供了實用工具。

工業(yè)過程與監(jiān)控

光學傳感器廣泛應用于工業(yè)過程中，以提高生物加工、廢水分析和食品生產(chǎn)等領域的過程控制、質(zhì)量保證和安全。

在組織工程中，光學傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測細胞活動。在制藥生產(chǎn)中，它們被用于協(xié)助藥物發(fā)現(xiàn)和開發(fā)。此外，它們在納米級生物醫(yī)學應用和光學設備制造中也至關重要。

在禽類行業(yè)中，光學傳感器提供了一種可靠的方法來檢測抗生素，有助于解決對抗生素耐藥性的擔憂。它們對納米級生物醫(yī)學應用和光學設備制造的可適應性強調(diào)了它們在各種工業(yè)過程中的實用性。

軍事和國防

在軍事和國防領域，光學傳感器用于檢測生物和化學威脅、監(jiān)測士兵健康和提高作戰(zhàn)準備狀態(tài)。諸如發(fā)光、熒光、消逝波和表面等離子共振（SPR）傳感器等技術被應用于識別炭疽桿菌和肉毒梭菌神經(jīng)毒素等病原體。

光學傳感器在檢測化學劑方面也很有效，包括使用基于氧化石墨烯和單壁碳納米管生物傳感器等技術檢測芥子 氣和炸藥如2,4,6-三硝基甲苯（T NT）。這些進步展示了光學傳感器在提高防御能力和應對生物、化學和爆炸威脅方面的作用。

光學傳感器產(chǎn)業(yè)的未來

光學行業(yè)預計在未來幾年將顯著增長，這一增長由材料科學、納米技術和人工智能（AI）的進步推動。微型化和集成方面的創(chuàng)新使得可穿戴設備、智能手機和醫(yī)療系統(tǒng)等領域的高性能緊湊型傳感器的開發(fā)成為可能。

量子光學和光子傳感器等新興技術正在提高靈敏度和精確度，在安全通信、量子計算和高級成像等領域創(chuàng)造新機會。全球光學傳感器市場在光纖、光子學和機器視覺等領域也在增長。

AI用于實時數(shù)據(jù)分析正在改變包括自動駕駛汽車、智慧城市和個性化醫(yī)療保健在內(nèi)的行業(yè)。隨著電信、航空航天和環(huán)境監(jiān)測等領域需求的增加，光學傳感器預計將繼續(xù)作為技術進步的核心。

德州儀器、意法半導體和濱松光子等領先公司不斷推進光學傳感器技術。例如，濱松開發(fā)了用于高速成像的CMOS傳感器，廣泛應用于科學研究和工業(yè)應用。

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