Choć technologia czujników optycznych nie jest zbyt długo obecna w branży motoryzacyjnej, to jest nierozerwalnie związana z nowoczesnymi pojazdami. Tworzenie cyfrowego obrazu wokół samochodu było początkowo fanaberią producentów motoryzacyjnych klasy premium, ale rozpowszechnione użycie tej technologii jest obecnie usankcjonowane prawnie, obowiązkowymi elementami systemów jazdy autonomicznej i wspomagania jazdy.

W dzisiejszym artykule opowiemy o działaniu i budowie czujników optycznych, a następnie przedstawimy kilka praktycznych przykładów ich zastosowania w branży motoryzacyjnej.

Światło

Czujniki indukcyjne wykrywają metale, czujniki pojemnościowe wykrywają ciała stałe i ciecze w odpowiednich strefach, zaś czujniki optyczne są zaprojektowane do wykrywania znacznie bardziej ulotnego zjawiska, czyli światła.

Mówiąc inaczej, to dzięki światłu widzimy nasze otoczenie – i oczywiście dzięki naszym oczom, które same w sobie są czujnikiem optycznym. Według fizyki, światło jest falą elektromagnetyczną składającą się z fotonów, czyli inaczej kwantów światła, absorbowanych lub odbijanych przez różne powierzchnie.

Wykrywanie obecności tych właśnie cząstek jest zadaniem optycznego przełącznika zbliżeniowego.

Działanie

W praktyce czujniki niekoniecznie włączają się wraz z pojawieniem się światła – charakter ich działania zawsze zależy od tego, co chcemy wykryć.

Czujniki optyczne wykorzystują kombinację urządzeń optycznych i elektronicznych do wskazywania obecności różnych obiektów – czy to przedmiotu czy danego materiału. Światło, jako fala elektromagnetyczna, jest wykrywane przez system za pomocą fotodiod lub fototranzystorów stanowiących część odbiornikową czujnika. Ogromną zaletą tej konstrukcji jest to, że jest ona niezwykle kompaktowa. Czujniki tego typu pracują głównie ze światłem podczerwonym lub czerwonym – źródłem światła jest prawie zawsze dioda elektroluminescencyjna, czyli LED, stanowiąca część nadajnikową czujnika. Sama dioda LED jest wykonana z arsenku galu i aluminium, a obsługiwana długość fal wynosi od 880 nanometrów w przypadku podczerwieni do 600 nanometrów w przypadku emisji światła widzialnego.

Jeśli czujnik jest przystosowany do pracy ze światłem widzialnym, jego regulacja jest znacznie łatwiejsza, ponieważ oś optyczną źródła światła można wykryć gołym okiem, a tłumienie polimerowych światłowodów w tym zakresie długości fal jest stosunkowo niewielkie.

Praktyczne zastosowania ma również światło podczerwone: jest używane tam, gdzie wymagana jest większa jasność, a wiązka musi przebyć większą odległość. Ponadto kolejną zaletą światła podczerwonego jest mniejsza podatność czujnika na zakłócenia z zewnątrz.

Oczywiście nie oznacza to, że efektywności pracy czujnika nie można regulować. W celu eliminacji, a przynajmniej znacznego ograniczenia, zakłóceń z otoczenia, sygnał optyczny jest poddawany modulacji z jednoczesną synchronizacją częstotliwości impulsów nadajnika i odbiornika. Sygnał optyczny jest ponadto poddawany modulacji, a w przypadku podczerwieni stosuje się również filtry świetlne.

W przypadku jednokierunkowych i odbiciowych bramek świetlnych wyróżnia się następujące stany przełączania:

• NO, tj. normalnie otwarty: wyjście odbiornika zamyka się, jeśli ścieżka wiązki światła nie zostanie przerwana przez żadne ciało obce lub materiał.
• NC, tj. normalnie zamknięty: wyjście odbiornika zamyka się, gdy obiekt przecina ścieżkę wiązki światła.

Podobne warunki można również zaobserwować w przypadku odbiciowych przełączników zbliżeniowych:

• NO: wyjście czujnika zamyka się, jeśli przed czujnikiem znajduje się ciało lub materiał.
• NC: wyjście czujnika zamyka się, jeśli przed czujnikiem nie znajduje się żaden obiekt.

Wersje specjalne: kamery

W palecie urządzeń optycznych szczególne miejsce zajmują kamery. Bardzo istotna różnica między tradycyjnymi czujnikami optycznymi a kamerami polega na tym, że podczas gdy te pierwsze mogą jedynie wykrywać zmiany wpływające na ich wiązki światła, kamery są w stanie tworzyć kompletne obrazy na bazie informacji odbieranych przez ich czujniki. Dla wielu branż otwiera to zupełnie nowe możliwości.

Kamera zbiera światło dzięki układowi optycznemu, który przerzuca je na powierzchnię światłoczułą, która następnie przekształca intensywność i częstotliwość promieniowania elektromagnetycznego w informacje. Kiedyś odbywało się to metodą chemiczną, ale dziś odbywa się wyłącznie sposobem elektronicznym.

Pojawienie się obrazowania cyfrowego dało ogromny impuls do rozwoju technologii kamer. W ostatnich dziesięcioleciach pojawiło się kilka zasad obrazowania (takich jak CCD lub CMOS), które są coraz częściej wykorzystywane między innymi w przemyśle motoryzacyjnym.

Jedną z głównych właściwości kamer jest rozmiar sensora, zazwyczaj podawany w calach. Ciekawostką jest fakt, że wartość nominalna zazwyczaj nie jest tożsama z rzeczywistym rozmiarem sensora. Standardowe 1-calowe obiektywy okrągłe mają w przybliżeniu 16 mm światłoczułej prostokątnej powierzchni.

Kolejnym ważnym parametrem jest rozdzielczość, czyli liczba pikseli, które można wyświetlić. Im wyższa rozdzielczość, tym mniejszy rozmiar piksela przy tym samym rozmiarze obiektywu. W rezultacie wyższa rozdzielczość nie jest idealna we wszystkich przypadkach, ponieważ mniejsze piksele są mniej wrażliwe na światło i mogą generować więcej szumów.

Technologia CMOS

Obecnie istnieje wiele metod obrazowania cyfrowego – pokrótce przedstawimy jedną z nich.

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor – komplementarny półprzewodnik z tlenków stali) to połączenie tranzystora MOSFET typu P i N. Każdy element obrazu ma oddzielny wzmacniacz, który wzmacnia ładunek na każdym pikselu – dlatego są one również nazywane czujnikami z aktywnymi pikselami.

Wcześniej preferowane były czujniki CCD, ponieważ były bardziej czułe i działały z mniejszym poziomem szumów. Obecnie jednak, dzięki rozwojowi technologii CMOS stały się konkurencyjne pod każdym względem i można je uznać za najbardziej powszechną wersję.

Czujniki optyczne w samochodach

Różne systemy jazdy autonomicznej i ADAS są praktycznie niewyobrażalne bez czujników optycznych. Wiele systemów jazdy autonomicznej wykorzystuje na przykład technologię LIDAR (light detection and ranging – wykrywanie i pomiar światła), czyli technologię laserowych czujników odległości, ale samochody Tesla rozwiązują kwestię autonomicznej jazdy samochodu tylko za pomocą kamer.

Niezbędne są również przednie, tylne i boczne kamery i/lub lasery systemów ADAS, przy czym połowa czujników optycznych jest przeznaczona do obsługi dynamicznie zmieniającego się w czasie rzeczywistym działania matrycowych reflektorów LED.