Was ist ein Foto-IC?
Ein Foto-IC ist ein Bauelement, das ein lichtempfangendes Element und einen IC, der die Signale verarbeitet, in einem einzigen Gehäuse enthält und ein Bauteil mit anwendungsspezifischen Funktionen ist.
Foto-ICs können je nach ihrer Struktur in monosiliziumhaltige und hybride Typen unterteilt werden. Beim monosiliziumhaltigen Typ sind das lichtempfindliche Element und die Signalverarbeitungsschaltung auf demselben Chip untergebracht, so dass eine Verdrahtung zwischen dem lichtempfindlichen Element und der Signalverarbeitung überflüssig ist und der Chip sehr störungsresistent ist.
Hybridtypen bestehen aus einem lichtempfindlichen Element und einer Signalverarbeitungsschaltung auf unabhängigen Chips, die in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind. Der Vorteil besteht darin, dass die Form des Fotodetektors und die spektralen Ansprechcharakteristiken je nach Anwendung optimiert werden können, da die einzelnen Chips durch Drähte verbunden sind.
Anwendungen von Foto-ICs
Foto-ICs werden zur Erkennung von Licht verwendet. Es gibt eine Vielzahl von Bausteinen für unterschiedliche Zwecke. Die wichtigsten Verwendungszwecke von Foto-ICs sind:
- Beleuchtungsstärkemessgeräte zur Messung der Helligkeit von Beleuchtungen und Belichtungsmessgeräte für Kameras
- Empfänger für die Kommunikation über Lichtwellenleiter
- Encoder-Module zur Erfassung von Bewegungen und Drehwinkeln
- Farbsensoren, die zur Farberkennung in RGB aufgeschlüsselt werden
- Lichtunterbrechungsempfänger für die Objekterkennung durch Licht
- Abstandsmessgeräte zur Messung des Abstands zu einem Objekt mit Hilfe eines Dreiecksabstandsmesssystems
Funktionsweise von Foto-IC
Ein Foto-IC besteht aus einer Fotodiode, einem Fototransistor oder einem PSD (Position Sensitive Detector), der Licht empfängt und einen Strom erzeugt, einer Schaltung, die den Ausgangsstrom verstärkt, und einer Signalverarbeitungsschaltung, die das Signal unter Verwendung des verstärkten Ausgangs verarbeitet. Je nach Verwendungszweck gibt es eine Vielzahl von Produkten, die verschiedene Fotosensoren und Verarbeitungsschaltungen kombinieren.
Es gibt auch Foto-ICs, deren Ausgangssignal frequenzabhängig ist, allerdings handelt es sich dabei um spezielle Geräte. Sie bestehen aus einem Foto-IC und einer Stromfrequenz-Wandlerschaltung und verfügen über einen großen Dynamikbereich.
Photodetektoren haben je nach Gerät unterschiedliche spektrale Ansprechcharakteristiken, von denen keine mit der menschlichen visuellen Empfindlichkeit übereinstimmt. Die üblicherweise verwendete Silizium-Fotodiode hat eine Spitzenempfindlichkeit im Bereich von 900 nm bis 1000 nm, während die visuelle Empfindlichkeitscharakteristik des Menschen im Bereich von 400 nm bis 700 nm liegt und die Spitzenempfindlichkeit bei etwa 550 nm liegt, so dass das von der Fotodiode erfasste Helligkeitssignal und die vom Menschen wahrgenommene Helligkeit unterschiedlich sind.
Für Anwendungen, die der menschlichen Empfindlichkeit entsprechen müssen, wie z. B. Beleuchtungsstärkemessgeräte, müssen daher die spektralen Empfindlichkeitseigenschaften der Fotodioden durch einen Korrekturfilter für die visuelle Empfindlichkeit korrigiert werden.
Arten von Foto-ICs
Es gibt Foto-ICs mit verschiedenen Funktionen und Merkmalen. Die wichtigsten Typen sind die folgenden:
1. Entfernungsmessende Foto-IC
Foto-ICs werden zur Messung der Entfernung zu einem Objekt eingesetzt und verwenden ein PSD oder ein Fotosensor-Array als lichtempfangendes Element. In Kombination mit einem Lichtemitter, z. B. einer Nahinfrarot-LED, wird die Entfernung zu einem Objekt anhand der Position des vom Lichtemitter projizierten Scheinwerfers, der vom Objekt reflektiert wird und den Fotodetektor erreicht, nach dem Prinzip der dreieckigen Abstandsmessung berechnet.
2. RGB-Farbsensor
Ein Foto-IC zur Analyse der Farbe des einfallenden Lichts durch Vergleich des Ausgangs von drei Fotosensoren, die jeweils einen optischen Filter auf der Oberfläche von drei Fotodioden haben, von denen eine nur Rot (R), eine nur Blau (B) und eine nur Grün (G) durchlässt. Der Ausgang jedes Sensors zerlegt das einfallende Licht in seine RGB-Farbkomponenten und wird hauptsächlich in Messgeräten wie Farbbeleuchtungsstärke-Messgeräten verwendet.
3. Beleuchtungsstärkesensoren
Diese Sensoren werden zur Messung der Helligkeit des Beleuchtungslichts usw. verwendet. Es handelt sich um Foto-ICs mit lichtempfindlichen Elementen, die mithilfe eines Kompensationsfilters für die visuelle Empfindlichkeit o. Ä. den menschlichen spektralen Empfindlichkeitsmerkmalen nahekommen. Sie werden hauptsächlich in Beleuchtungsstärkemessern und Belichtungsmessern für fotografische Geräte verwendet.
4. Fotosensoren für die optische Kommunikation
Es handelt sich um Geräte für den Empfang optischer Kommunikation über Lichtwellenleiter. Sie werden an der Endfläche eines Lichtwellenleiters installiert, empfangen das übertragene optische Signal und wandeln es in ein elektrisches Signal um. Es gibt Geräte mit einer konvexen Linse auf der Vorderseite des Fotosensors, um die Lichtsammeleigenschaften zu verbessern.
5. Photoelektrische Schalter
Foto-ICs werden verwendet, um fotoelektrische Schalter in Kombination mit lichtemittierenden Elementen wie LEDs zu konfigurieren. Fotounterbrecher und Fotoempfänger für Fotoreflektoren gehören ebenfalls zu dieser Kategorie.
6. Foto-ICs für Encoder
Diese Foto-ICs haben in der Regel eine vierkanalige Fotodiodenanordnung. Sie sind so konfiguriert, dass sie die Drehrichtung und den Betrag der Drehung erkennen und einen zweiphasigen digitalen Ausgang entsprechend dem Zustand des Lichteingangs in die Fotodiodenanordnung liefern. In Kombination mit einem lichtemittierenden Element lässt sich ein Photointerrupter mit Encoderfunktion leicht konfigurieren.
7. Fernsteuerungs-Lichtempfänger-IC
Dies ist ein Empfänger-IC für Fernbedienungen, die Infrarotlicht verwenden, und wird in Fernbedienungssystemen verwendet, die in Fernsehgeräten, Aufzeichnungsgeräten und Klimaanlagen weit verbreitet sind. Er zeichnet sich dadurch aus, dass er mit einem Harz überzogen ist, das sichtbares Licht abschneidet, und dass er einen steilen Bandpassfilter hat, der der Blinkfrequenz des Senders entspricht (30 kHz bis 40 kHz). Er empfängt das Steuersignal des Senders und gibt es an die Verarbeitungsschaltungen des Geräts selbst weiter.