光學(xué)傳感技術(shù)是許多精密儀器和監(jiān)視器的基礎(chǔ)，因為它們是非破壞性和非侵入性的。隨著用于光電容積描記圖（PPG）的集成光學(xué)傳感器和模擬前端設(shè)備的普及，這些光學(xué)傳感器也可以變得更加緊湊，組件更少，功耗更低。

光學(xué)傳感非常通用。光從光發(fā)射器穿過感興趣的區(qū)域。光沿其光路與目標(biāo)分析物相互作用，產(chǎn)生的輻射被光電探測器捕獲。發(fā)射光和接收到的光之間的差異提供了有關(guān)檢測區(qū)域中分析物的信息。

透射系統(tǒng)將接收器直接放置在發(fā)射光的路徑中，而反射系統(tǒng)則依賴于反射光或反向散射光（圖 1）。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，容納光發(fā)射器和光電傳感器的外殼材料也可以反射光，因此通常將光電探測器放置在與發(fā)射光成一定角度的位置，以減輕直接反射的干擾。大多數(shù)光在發(fā)射后沿著其路徑傳播，似乎不受影響，但一小部分光被散射到各個方向，盡管在每個方向上的強(qiáng)度不同。無論發(fā)射器和傳感器配置如何，這種類型的光學(xué)傳感中使用的原理都依賴于這種散射效應(yīng)。

圖1.如圖所示，在光學(xué)傳感中，發(fā)射光和接收到的光之間的差異提供了有關(guān)檢測區(qū)域中分析物的數(shù)據(jù)。

說散射發(fā)生在光“反彈”其路徑中的粒子時是不準(zhǔn)確的。光是一種電磁波，它與某些分子中天然存在的電荷不平衡相互作用。這些電荷被吸收入射的電磁輻射激發(fā)，然后重新發(fā)射。相互作用的結(jié)果取決于粒子的大小和光的顏色（波長）。

瑞利散射方程在討論光束與沿其路徑的粒子相互作用時的影響時經(jīng)常被引用。瑞利方程如下：

其中
Isca是粒子在角度θ處的散射光強(qiáng)度，
Io是發(fā)射的光強(qiáng)度，
r是散射粒子主直徑的一半，
n是光的折射（真空中的光速除以材料中的光速之比），
R是粒子與光發(fā)射器之間的距離，并且
λ是發(fā)射光的波長。

為了簡化討論，我們可以只關(guān)注反向散射配置。在這種情況下，cos2θ = 1，背向散射光強(qiáng)度是粒徑r和光波長λ的函數(shù)。設(shè)計人員可能會得出這樣的結(jié)論：可以通過用兩種不同波長的光詢問相同的粒子并捕獲背散射光強(qiáng)度來求解r的值。

雖然說明這個概念很有用，但情況要復(fù)雜得多。最重要的是，瑞利方程只有在以下情況下才是一個很好的估計

λ是發(fā)射光的波長，并且m或是周圍介質(zhì)的折射率，通常是空氣。

紅外LED光的常見波長約為880 nm，而許多灰塵或煙霧顆粒的尺寸為幾微米。Mie散射提出了一個更完整的模型，它適用于球形粒子的光吸收或散射，適用于不同的粒徑。不幸的是，Mie散射的數(shù)學(xué)方程要復(fù)雜得多。

考慮固定角度的差異散射光強(qiáng)度。對散射材料的折射率m有顯著的依賴性，它以以下復(fù)數(shù)給出：

散射的相對大小取決于折射率，而折射率又取決于構(gòu)成散射粒子的材料。然而，一般來說，我們可以確認(rèn)，當(dāng)粒子尺寸小于光的波長時，散射幅度很低，而當(dāng)它們大于波長時，當(dāng)我們保持所有其他因素不變時，散射幅度很大。

任何真實(shí)場景的復(fù)雜性使得對結(jié)果進(jìn)行建模是不切實(shí)際的。例如

Mie理論僅限于球形粒子，而真實(shí)粒子形狀不規(guī)則

顆粒不會由均勻的材料或均勻的尺寸組成

為了克服這些復(fù)雜性，工程師們憑經(jīng)驗解決了一些粒子傳感問題。通過用不同波長的光詢問相同的粒子懸浮液，可以通過研究每個波長的散射光大小的差異來獲得有關(guān)粒子的信息，同時保持其他一切不變。Mie建議工程師必須仔細(xì)選擇詢問波長，因為折射率的差異會混淆差分散射幅度。成功實(shí)施的唯一方法是獲取大量經(jīng)驗數(shù)據(jù)，并確保它們涵蓋反映真實(shí)世界用例的反射粒子的所有合理一致性和構(gòu)成。

審核編輯：郭婷