Optoelektronische Sensoren erklärt

Optoelektronische Sensoren sind elektronische Bauelemente, die Licht als Mittel zur Erkennung und Messung bestimmter physikalischer Größen nutzen. Diese Sensoren sind in der Lage, Licht in elektrische Signale umzuwandeln, was die Analyse und Interpretation dieser Signale für verschiedene Anwendungen in der Technik ermöglicht. Dank einem Sender und Empfänger nutzen diese Sensoren Licht zur Erkennung und Messung bestimmter physikalischer Größen. Sie beruhen auf physikalischen Prinzipien, die mit der Wechselwirkung von Licht mit Halbleitermaterialien zusammenhängen. Diese Materialien haben Eigenschaften, die die Absorption, Reflexion oder Brechung von Licht ermöglichen, wodurch elektrische Ströme proportional zur Intensität des einfallenden Lichts erzeugt werden. Damit ermöglichen optoelektronische Sensoren die Erkennung und Messung physikalischer Größen mit Hilfe von Licht und bieten Vorteile wie hohe Empfindlichkeit, schnelle Reaktion und Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Störungen.

Die Funktionsweise von optoelektronischen Sensoren nutzt Licht und wandelt dieses mithilfe von Halbleitermaterialien in elektrische Signale um. Wenn Licht auf das Halbleitermaterial fällt, liefert es genügend Energie, damit die Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband springen und einen elektrischen Strom erzeugen, der proportional zur Lichtintensität ist (fotoelektrischer Effekt). So wandeln nach diesem Prinzip photovoltaische Solarzellen Licht in Strom um. Die elektrischen Signale werden dann verwendet, um einen Lichtstrahl auszusenden, der, wenn er von einem Objekt reflektiert wird, vom Sensor wieder empfangen und zur Berechnung von Form, Entfernung usw. verarbeitet wird. Da jedes Objekt Licht auf eine bestimmte Art und Weise aussendet, die von seiner Form, Farbe, Dicke, Größe und Entfernung abhängt, sind optoelektronische Sensoren in der Lage, diese Merkmale einfach anhand der Aussendung und des Empfangs des Lichtstrahls zu erkennen. Je nach Art und Aufbau erfassen optische Sensoren Lichtarten (d. h. elektromagnetische Strahlung) mit einer Wellenlänge, die von Ultraviolett über Laser bis zu Infrarot reicht.

Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung

Das vom menschlichen Auge wahrnehmbare Licht besteht aus elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 400 nm und 700 nm. OES (optoelektronische Sensoren) verwenden Strahlungen am oberen Ende des sichtbaren Spektrums (rot) oder darüber hinaus (infrarot). Infrarotlicht liegt bei Wellenlängen über 700 nm und bis zu 50.000 nm.

Die größere Wellenlänge des Infrarotlichts bedeutet, dass seine Energie gering ist und es mit den Atomen einer Materie in Kontakt kommen kann, ohne eine Reaktion auszulösen (im Gegensatz etwa zu ultraviolettem Licht). Infrarotstrahlung wird beispielsweise in der Physiotherapie eingesetzt, um Schmerzen und Steifheit zu lindern und die Regeneration von Weichteilverletzungen zu fördern.

Es gibt zweierlei Arten von optischen Sensoren: solche, die Licht erkennen, und solche, die Licht erzeugen. Optoelektronische Sensoren wie Fotodioden, Fototransistoren und Fotowiderstände sind beispielsweise Sensoren, die Licht erkennen. Licht emittierende Dioden (LED), Kathodenstrahlröhren (CRT) und Laserdioden sind dagegen Beispiele für optoelektronische Sensoren, die Licht erzeugen.

Fotodioden bestehen aus einem Halbleitermaterial (in der Regel Silizium) und werden typischerweise zum Lesen von Strichcodes und zur Aktivierung bestimmter elektronischer Geräte (Fernbedienungen, elektrische Schlösser, elektrische Türen usw.) eingesetzt. Sie werden auch in Rauchmeldern und in einer Reihe von medizinischen Instrumenten, z. B. in Computertomographen, verwendet.

Ein Phototransistor ist ein lichtempfindlicher, bipolarer Transistor; solche Transistoren sind viel empfindlicher als Fotodioden und werden in lichtempfindlichen Schaltungen eingesetzt. Ein Fototransistor kann Lichtstärken erkennen und den zwischen Emitter und Kollektor fließenden Strom in Abhängigkeit von der empfangenen Lichtstärke ändern.

Fotowiderstände sind Halbleiterbauelemente, deren elektrischer Widerstand abnimmt, wenn die Intensität des auf sie einfallenden Lichts zunimmt. Ihre Empfindlichkeit ist bei einer Wellenlänge von 550 nm am höchsten, was grünem Licht entspricht. Aufgrund dieser Eigenschaft sind Fotowiderstände besonders nützlich für Anwendungen, bei denen es um die Erkennung von sichtbarem Licht geht, wie z. B. bei Schutzschaltungen und Alarmsystemen.

Wie weiter unten erwähnt, hat optische Sensorik den großen Vorteil, dass sie hochpräzise Ergebnisse liefert, zuverlässig ist und keinen elektromagnetischen Störungen ausgesetzt ist. Es mag daher nicht überraschen, dass der ursprüngliche Einsatz dieser Sensoren für militärische Zwecke erfolgte. Sie können zur Erkennung nuklearer Strahlung sowie von Fahrzeugen an Land, in der Luft und sogar unter Wasser eingesetzt werden. Optoelektronische Sensoren, die Licht erzeugen, werden z. B. auch für die Nachtsicht im Infrarotbereich eingesetzt.

Im zivilen Leben sind optoelektronische Sensoren, wie zum Beispiel als Optokoppler, inzwischen allgegenwärtig. Von Scannern bis zu medizinischen Geräten, von ferngesteuerten Garagentoröffnern bis zu Farbmessgeräten in Chemielaboren und Diagnosegeräten zum Nachweis von Keimen in Fleisch. Sie werden auch in Verkaufs- und Kassenautomaten eingesetzt, da sie Form, Farbe, Bilder usw. der verwendeten Währungen erkennen können.

In medizinischen Geräten werden sie zum Beispiel zur Überwachung des Blutzuckerspiegels und der Herzfrequenz oder zur Analyse von Urin oder Blut eingesetzt. In der Industrie finden sich optoelektronische Sensoren in Fertigungsprozessen (z. B. zur Überwachung der Qualität von Form, Dichte, Farbe usw. der hergestellten Waren), in großen Druckern zur Ausrichtung des Papiers oder zur Verwaltung des Papierstands und allgemein in allen Arten von Roboteranwendungen. Die präventive Wartung ist einer der größten Vorteile, die der Einsatz von Sensoren in Industriemaschinen bietet. Durch die kontinuierliche Datenerfassung ist es möglich, Muster zu erkennen, die auf mögliche Ausfälle hinweisen. In Industriegebäuden spielen sie eine besondere Rolle für die Sicherheit (z. B. Einbruchschutz) und die Wartung (z. B. Überwachung der Beleuchtung, der Luftqualität, der Wasserqualität usw.).

Sicherheitserhöhung durch optoelektronische Sensoren

In Anbetracht des militärischen Umfelds, in dem optoelektronische Sensoren zuerst eingesetzt wurden, ist es nicht überraschend, dass sie gut geeignet sind, „unregelmäßige“ Ereignisse zu erkennen oder sogar zu verhindern. Die Bewegungserkennung ist ein hervorragendes Beispiel: Dieses Konzept kann verwendet werden, um das Eindringen in ein Gebäude zu erkennen, aber auch um Waren zu überwachen, die über ein Förderband transportiert werden.

In modernen Autos sind sie als Parksensoren bekannt. Die Hindernissensoren können jedes Objekt vor dem Auto erkennen, das eine Kollisionsgefahr darstellen könnte. Bei diesem System werden umso mehr Warnungen ausgegeben, je geringer der Abstand zum Objekt vor dem Fahrzeug ist, wobei in einigen Fällen sogar die Bremsen aktiviert werden.

Industrie-Sensoren werden für Sicherheitsvorhänge in Fertigungsprozessen eingesetzt, wo sie die Zufuhr von Materialien stoppen oder unerwünschte Objekte entfernen können. Sie werden auch zur Überwachung der sicheren Funktion von Roboteranwendungen oder zur stationären Überwachung von Gefahrenbereichen (z. B. Metallgießereien) eingesetzt. Die bereits erwähnte ständige Überwachung von Industriemaschinen zum Zweck der präventiven Wartung ist ebenfalls ein wichtiges Sicherheitsmerkmal von optoelektronischen Sensoren. Lichtschranken sind hierzu ein gutes Beispiel.

Vor- und Nachteile der Sensoren

Im Vergleich zu anderen Sensorarten bieten optoelektronische Sensoren erhebliche Vorteile, wie z. B.:

• keine elektromagnetischen Störungen, da sie nicht von magnetischen oder elektrischen Feldern beeinflusst werden
• eine extrem schnelle Reaktionszeit dank der Lichtgeschwindigkeit
• Kosteneinsparungen durch eine lange Lebensdauer, wodurch die Notwendigkeit einer intensiven Wartung und eines regelmäßigen Austauschs verringert wird
• Kompatibilität mit digitalen Systemen, was die Automatisierung und Integration mit digitalen Geräten ermöglicht
• hohe Empfindlichkeit und die Fähigkeit, minimale Schwankungen der Lichtintensität zu erkennen, was genaue Messungen ermöglicht

Auf der anderen Seite stehen die optoelektronischen Sensoren auch vor einigen Herausforderungen:

• die vergleichsweise hohen Anschaffungskosten sind oft ein maßgeblicher Faktor; sie sind aufgrund ihrer Komplexität und der zu ihrer Herstellung verwendeten Materialien teurer als herkömmliche Sensoren
• sie erfordern eine aufwendige Kalibrierung und Justierung, um eine hohe Messgenauigkeit zu gewährleisten
• verschiedene Lichtquellen können Interferenzen verursachen, was wiederum die Anwendung von Filter- und Kompensationstechniken erfordert

Für die breite Öffentlichkeit mag der Fortschritt von optoelektronischen Sensoren durch die kontinuierliche Entwicklung von selbstfahrenden Fahrzeugen vorangetrieben werden. So wurde beispielsweise die LiDAR-Technologie (Englisch für „Light Detection and Ranging“), die ursprünglich für die Verfolgung von Satelliten entwickelt wurde, weiterentwickelt, um 3D-Karten der unmittelbaren Umgebung des Fahrzeugs zu erstellen. Die Kollisionsvermeidungsfunktion des Fahrzeugs beruht auf dieser Technologie, die in den Sensoren eingesetzt wird. Der Einsatz von LiDAR ist jedoch nicht auf die Automobilindustrie beschränkt, sondern kann problemlos in Fertigungsprozessen mit allen Arten von beweglichen Teilen eingesetzt werden.

Der vielleicht wichtigste Trend in der Automobilindustrie, der sich in der Entwicklung immer ausgefeilterer Lösungen in allen Branchen widerspiegeln wird, ist die Fähigkeit von Sensoren und Geräten, miteinander zu “kommunizieren“. Die Sensoren werden nicht nur in der Lage sein, mehr Daten aus einer größeren Anzahl von Quellen und mit höherer Präzision in Echtzeit zu erfassen, sondern sie werden auch Daten austauschen können, um End-to-End-Lösungen anzubieten, die eine Reihe von Prognosen und Szenarien einbeziehen.

Optoelektronische Sensoren und KI

Optoelektronische Sensoren sind ein idealer Begleiter für den Einsatz von künstlicher Intelligenz (KI). Eine Kombination aus beidem ermöglicht es dem System, Objekte und Ereignisse zu erkennen und zu messen und dann kontinuierlich daraus zu lernen, indem es große Datenmengen verarbeitet. Sie ermöglicht auch die Kommunikation zwischen den Geräten, was wiederum eine automatische Parametrierung sowie Verwaltungsfunktionen zulässt. Dies bedeutet, dass die Sensoren in der Lage sein werden, ihre Funktionen anzupassen und zu verfeinern, und dass sie nicht mehr kalibriert werden müssen, da sie sich an die ständig ändernden Bedingungen anpassen können.

Die zunehmende Verbreitung dieser Geräte wurde durch die Entwicklung von Materialien begünstigt, die sperrige, dreidimensionale Geräte in ultradünne Schicht-Lösungen auf der Grundlage von Mikrostruktur-Materialien verwandelt haben, die in der Tat nur zweidimensional sind. Silizium wird nach wie vor im Mittelpunkt dieser Entwicklung stehen, aber es sind die Silizium-Verbundwerkstoffe, die die Qualität von optoelektronische Sensoren in Kombination mit KI weiter verbessern werden.