那么一定有不少工程師想過這個問題
鏡子也可以反光
可以用鏡子來替代反光板嗎？
本期小明就帶大家一起深究到底~
本文將探討回歸反射型光電傳感器的工作原理，并詳細分析為什么普通的鏡子不能作為反光板使用，將討論角度限制、接收難度、設(shè)計要求以及選擇技巧等方面的問題。
回歸反射光電的工作原理
回歸反射型光電傳感器由發(fā)射光源的投光器和接收反射光的受光器組成。當投光器發(fā)出的光線照射到反光板上并被反射回受光器時，傳感器檢測到這種光的來回路徑，從而探測到目標物體的存在。
可以看出，回歸反射型光電傳感器是一種利用反射原理完成光電控制作用的傳感器。在這種傳感器中，反光板的作用是將發(fā)射器發(fā)出的光反射回來，以便接收器能夠接收到光信號。然而，反光板不能用鏡子來替代，主要原因在于鏡子的反射方式差異。
反射方式差異：鏡子產(chǎn)生的是二維的鏡面反射，即光線按照特定角度反射出去，而漫反射則是光線向各個方向反射。
在回歸反射型光電傳感器中，要求光線能夠向多個方向反射，以便接收器能夠接收到足夠的光信號。使用的是三維的平面反光板，其反射光連續(xù)通過三個互相垂直的反射面后以與入射光完全相反的方向反射出去。鏡面反射的光束只有一個方向，很難調(diào)整反射光束到達接收器內(nèi)。
平面鏡只有在光線落在正入射的特定情況下才能實現(xiàn)反向反射。相比之下，角錐反射棱鏡可以在大范圍的入射角上進行反射。這使得它在難以實現(xiàn)對準，存在振動或必須移動后向反射器的應(yīng)用中非常有用。
接收難度：即使能夠調(diào)整鏡面反射的光束進入接收器，但由于Sensor的接收器面較小，對光線的入射角度和位置有較高要求。在生產(chǎn)過程中，設(shè)備移動產(chǎn)生的振動可能導(dǎo)致光束稍有偏差，從而無法被接收器正確接收，嚴重影響生產(chǎn)。
應(yīng)用場景限制：雖然鏡子在攝影等領(lǐng)域有其獨特的用途，如產(chǎn)生特殊的光影效果，但在回歸反射型光電傳感器中，需要的是穩(wěn)定、可靠的光信號傳輸，而不是特殊的光影效果。
因此，雖然鏡子在理論上可以反射光線，但由于其反射角度和聚焦特性的限制，以及成本和環(huán)境適應(yīng)性的考量，在回歸反射型光電傳感器中并不適合用作反光板。專業(yè)的反光板設(shè)計能夠更好地滿足各種應(yīng)用場景的需求，提供穩(wěn)定的性能和足夠的檢測距離。
反光板的原理
首先，我們需要了解回歸反射型光電傳感器的工作原理。它通常由光源、接收器和信號處理器組成。光源發(fā)出一束光線，經(jīng)過透鏡聚焦后照射到目標物體上，即反光板上；部分光線被反光板反射回傳，進入接收器。接收器接收到的光信號經(jīng)過放大和濾波處理后，通過信號處理器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸出。
在設(shè)計回歸反射型光電傳感器時，需要考慮到各種可能的入射角度，因此使用專門的反光板材料可以確保在較大角度范圍內(nèi)都能獲得良好的反射效果。反光板的設(shè)計是為了確保光線能夠被有效地反射，并且盡可能地減少不必要的光線反射。它需要有一個特定的角度來反射光線，以便使其被接收器準確地接收。
回歸反射光電傳感器的工作原理基于其獨特的光學設(shè)計。當光源從傳感器的發(fā)射器發(fā)出，光線直接照射到反光板的背面平面上。這個平面被特別設(shè)計，以便光線能夠均勻且高效地分布在其上。
一旦光線接觸到反光板的背面，它會被迅速且有效地反射。這種反射并非簡單的鏡面反射，而是利用了反光板材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)，使得光線能夠按照特定的角度和路徑被反射回去。這種設(shè)計確保了光線能夠最大限度地回到傳感器的接收器部分，從而提高傳感器的檢測精度和靈敏度。
角隅反射鏡陣列
角隅反射鏡（Corner Reflector, CCR）的原理基于幾何光學中的反射定律，即光線在入射到平面鏡時，會按照入射角等于反射角的原則進行反射。角隅反射鏡通常由三個相互垂直的平面鏡組成，形成一個角錐體結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得任何方向入射的光線都能被地逆向反射回去。
具體來說，當光線入射到角隅反射鏡的一個面時，它會被反射到下一個面，然后再次反射回原方向或繼續(xù)反射到第三個面。這一過程確保了光線能夠沿著原始路徑返回，或者在多面體結(jié)構(gòu)中循環(huán)反射，從而實現(xiàn)高度的方向性
反光板正是基于角隅反射鏡陣列而成，在反射過程中，光線通過正方形的底部與空氣的交界面。這個交界面是一個關(guān)鍵的反射點，因為空氣的折射率與反光板材料的折射率不同，光線在通過這個界面時會發(fā)生折射和反射。然而，由于反光板的特殊設(shè)計和優(yōu)化，這些物理現(xiàn)象被巧妙地利用，以確保光線能夠按照預(yù)定的路徑反射回去。
小明實拍
當反射光線回到傳感器的接收器時，接收器會檢測光線的強度和方向，從而判斷前方是否有物體遮擋或反射板的位置是否發(fā)生變化。這種檢測方式具有高度的可靠性和穩(wěn)定性，因為即使在光線條件較差或環(huán)境干擾較大的情況下，傳感器仍然能夠準確地檢測到反射光線的變化。
我們可以做一個直觀的實驗：把兩面鏡子邊緣用膠帶粘在一起，直立放置在桌子上呈“L”形。把第三面鏡子鏡面朝上平放在桌上，把L形鏡子放置其上。就形成了一個角隅全反鏡。
摘自《Mirror Magic》
觀察自己在三鏡交接處的鏡像，你會發(fā)現(xiàn)，不管自己如何移動，鏡中圖像像是自帶追蹤技能般固定在那個角落不曾移動。同樣地，如果用手電筒光無論從哪個角度直接照射該角落，可以看到強烈的反射光，因此自行車、汽車等車尾反射鏡都是由多個小角隅全反鏡組合而成。
反光板的設(shè)計要求
傳感器反光板的設(shè)計要求主要涉及到光學性能、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、材料選擇和制造工藝等方面。我們可以總結(jié)出以下幾點關(guān)鍵設(shè)計要求：
減少初始彎曲：為了提高系統(tǒng)的光學檢測靈敏度，需要優(yōu)化反光板的初始彎曲?？梢酝ㄟ^減薄反光板上的金層厚度或制作帶加強筋的反光板來實現(xiàn)這一目標。
提高曲率半徑和靈敏度：通過減薄金層厚度或增加加強筋，可以顯著提高反光板的曲率半徑，從而提高系統(tǒng)的光學檢測靈敏度。例如，減薄金層厚度可以使曲率半徑提高至原來的4.71倍，而帶加強筋的反光板曲率半徑提高至原來的4.29倍。
考慮光學特性與光源匹配：隨著LED或LD等固體發(fā)光器件的使用，光學系統(tǒng)需要重新設(shè)計以適應(yīng)這些光源的不同發(fā)光角度和光效。這要求反光板設(shè)計能夠有效控制LED的出射光，以提高光能利用率和出光效率。
結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造工藝：在設(shè)計傳感器外殼時，不僅要滿足功能和可靠性要求，還需要考慮模具設(shè)計與制造、注塑成型、產(chǎn)品裝配等方面的要求。這包括材料選擇、發(fā)射器與接收器的固定方式、關(guān)鍵尺寸的確定以及注塑成型過程中的常見缺陷等。
逆向設(shè)計的應(yīng)用：逆向設(shè)計技術(shù)可以用于優(yōu)化光子器件的設(shè)計，使其更加高效、魯棒，并且能夠在商業(yè)硅光子工藝中可靠地大規(guī)模生產(chǎn)。這種方法適用于空間模式復(fù)用器、波長解復(fù)用器、方向耦合器和功率分配器等設(shè)備。
反光板的選擇
為了確保最佳性能，回歸反射型光電傳感器的反光板通常會針對特定的應(yīng)用場景進行設(shè)計。這些反光板可以是高反射率的塑料或金屬材料，它們能夠均勻地反射光線，不受入射角度的影響。
在選擇反光板時，需要考慮以下幾個因素：
反射率：反光板的反射率越高，傳感器的檢測距離就越遠。
尺寸和形狀：根據(jù)傳感器的安裝位置和檢測范圍來選擇合適的尺寸和形狀。
耐候性：戶外或惡劣環(huán)境下使用的反光板應(yīng)具備良好的耐候性。
安裝方便：易于安裝和調(diào)整的反光板可以節(jié)省設(shè)置和維護的時間和成本。
總結(jié) 反光板的設(shè)計
總的來說，回歸反射光電傳感器的反光板設(shè)計確實充分利用了光學原理和材料特性，使得光線能夠在特定角度下被高效、準確地反射回傳感器接收器，從而確保了傳感器能夠地進行檢測和測量。
在實際應(yīng)用中，反光板的性能直接影響到回歸反射光電傳感器的測量精度和穩(wěn)定性。因此，設(shè)計師們在選擇反光板材料時，會充分考慮其反射率、耐候性、耐磨性等因素，確保反光板能夠在各種環(huán)境下保持穩(wěn)定的反射性能。
隨著科技的不斷發(fā)展，回歸反射光電傳感器的反光板設(shè)計也在不斷創(chuàng)新和優(yōu)化。一些新型的反光板材料被開發(fā)出來，它們不僅具有更高的反射率和更好的耐候性，還能夠適應(yīng)更廣泛的工作溫度和光線條件。這些新型反光板的出現(xiàn)，進一步提高了回歸反射光電傳感器的性能和可靠性。
此外，隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的快速發(fā)展，回歸反射光電傳感器也在智能化和網(wǎng)絡(luò)化方面取得了新的進展。通過與智能控制系統(tǒng)和云計算平臺的結(jié)合，回歸反射光電傳感器可以實現(xiàn)更復(fù)雜的檢測任務(wù)，為工業(yè)自動化、智能交通等領(lǐng)域提供更加全面、高效的解決方案。
參考文獻：
1. 毛亮,史海濤,程騰等.焦平面陣列反光板的優(yōu)化設(shè)計與制作[J].光學學報,2013,33(01):61-68.
2. Weilian Guo, Yunguang Zheng et al. “Optical negative resistance detector with LBT structure.” SPIE/COS Photonics Asia (2002).
3. G. Patow and X. Pueyo. “A Survey of Inverse Surface Design From Light Transport Behavior Specification.” Computer graphics forum (Print) (2005).
4. Alexander Piggott, E. Y. Ma et al. “Inverse-Designed Photonics for Semiconductor Foundries.” ACS Photonics (2019).
5. S. Taya, M. Abadla et al. “Evanescent Wave Sensors with a Left-Handed Material as a Substrate.” (2012). 478-499.
6. Dominic F. Sanchez, M. Chun et al. “Design study for a three-sided reflective pyramid wavefront sensor for Shane AO.” Astronomical Telescopes + Instrumentation (2020).
7. Wen Jian-hu. “Design and Manufacturing of Housing for Transmissive and Reflective Optical Sensors.” (2013).
8. 翁建華.槽型與反射型光電傳感器外殼的設(shè)計與制造[J].機械工程師,2013,No.269(11):10-12.
9. 夏智鋒. 基于LED光源的反光和背光器件的探索與設(shè)計[D].廣東工業(yè)大學,2016.
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