如何選擇一款環境光傳感器

　　隨著近年來在半導體模擬傳感器和封裝上的進步，現在的最終用戶在光傳感器上有了更廣的選擇余地。今天，設計者在消費類產品、汽車、醫療和工業應用中使用了比以往更多的光傳感器。這主要有幾個原因，包括改進的適光響應、小占位、低功耗、高集成度和易用。通常根據設計者和應用所需要的功能性、性能和環境功能性進行具體的選型。

　　有幾個關鍵的技術因素可以幫助用戶和設計者決定如何選擇一款環境光傳感器。首先，傳感器的輸出必須和光強成線性關系，光譜波長敏感度應該非常接近人眼。另外，器件的輸出應該直接和照射在集成的光敏二極管上的光強成正比，540nm的峰值響應接近人眼的峰值敏感度。大多數光傳感器都能夠感測到380nm～770nm的環境光。

　　現在，多數應用的一個設計出發點是延長電池壽命。節約能量的新辦法包括：確保優化的亮度管理，連同使用改進的光敏電阻和/或光敏二極管，這些器件的線性度更差，通常要使用附加的放大器。

　　現在有很多種不同類型的環境光傳感器能夠提供這些好處，包括模擬和數字輸出的傳感器、超低功耗版本、非線性版本，以及下一代低功耗、超低亮度的版本。目前最好的數字產品的光敏感度可以低至0.015Lux以下，動態范圍高達64,000 Lux，所需的工作電流小于65mA。這些產品還具有理想的光譜響應和低誤差光輸出變化，并利用數學算法簡化使用。市場上還出現了一些新型數字光傳感器，從目前看，數字光傳感器是解決性能和靈活性問題的好辦法，尤其是在汽車應用當中，因為在汽車中使用的I2C數字輸出信號提供了更低的噪聲，能夠在同一條總線上將數個傳感器組網，很好地控制傳感器的特性，還具有良好的總體性能。

　　做為技術上的全球領導者，Intersil不斷擴大光傳感器家族，并提供各種型號的產品。Intersil對ISL29000系列產品進行了持續的增強和改進，功耗非常低，為所有應用提供了最佳的性能。最近，Intersil發布了采用接近感測的ALS技術。(在文章結尾處給出了最新的產品型號)歡迎轉載，本文來自電子發燒友網(http://www.3532n.com/)

　　光源

　　不同的光源具有不同的光譜特性，使用者在做產品選型時，需要了解這些特性。例如，日光的光譜響應非常寬，大約有50%的光譜落在紅外區間。基于燈絲的光源，如白熾燈和鹵素燈，也有很高的紅外輻射。

　　舉例來說，把光譜響應做為選擇合適的光傳感器的準則。普通的PIN光敏二極管(無論是無源的或有源的)本身就有很寬的光譜響應區間，從紫外(UV)一直到紅外(IR)。如果目的是設計一個只檢測可見光的環境光傳感器，這些器件就不適用了，更何況紅外和紫外器件了。因此，一個只“看見”可見光(380nm～770nm)，并能減小多余的紅外和紫外信號的光傳感器是最佳選擇，例如ISL29020和ISL29023。

　　在下面的圖1中，顯示了如何利用ISL29023測量不同的光源。值得注意的是，在寬動態范圍內，測量曲線與理想讀數線(虛線)之間的誤差很小。如果我們想使用對紅外線特別敏感的傳感器，上面的圖會顯示，測量曲線與理想讀數線有更大的偏離誤差。(插入圖1)

　　要點在于：即便不是全部，至少大多數應用都對光傳感器有所要求，即準確測量人眼能夠看見的可見光，減弱帶有大量紅外和紫外成分的光線。

　　光傳感器應用-首先是PC機、電話、PDA和新型汽車

　　下面是光傳感器在在不同的市場和應用當中的基本情況。從智能手機、PDA、筆記本電腦、便攜式音樂播放器到類似的其他產品，光傳感器在便攜式消費類市場上所處可見。光傳感器還被廣泛用在消費類電視機市場(TFT-LCD、等離子、背投和CRT電視)，以及醫療和工業應用當中。現在，制造商正在開發針對汽車市場的新一代系統，并已經投入使用。歡迎轉載，本文來自電子發燒友網(http://www.3532n.com/)

　　圍繞汽車工作環境，本文就設計問題和傳感器的效用給出了全景式的介紹。光傳感器的主要應用如下：

　　信息娛樂/導航/DVD系統的背光控制控制，以便在各種環境光條件下顯示理想的亮度

　　后座娛樂顯示屏的背光控制

　　儀表盤組合儀表的背光(速度計，轉速表等)

　　自動后視鏡調光(通常需要兩個傳感器，一個朝前，一個朝后)

　　自動頭燈和雨量檢測(特定應用，根據需求而變)

　　后視攝像機控制(特定應用，根據用戶需求而變)

　　由于汽車需要在各種環境光條件下均具有完美的背光照明，因此憑借類似人眼的感測功能，光傳感器已經成為實現更舒適顯示質量的最有效解決方案之一，能夠滿足汽車的安全性和舒適性標準。

　　例如在白天，用戶需要將亮度加到最大，達到最好的可視效果。但是這種亮度在晚間就顯得太亮了，因此一個具有有效的光譜響應(良好的紅外減弱)、動態范圍和整體輸出信號調理的光傳感器很容易適應這種應用。用戶可以設定幾個閾值，如低、中或亮光，或是讓傳感器動態地改變背光的亮度。

　　在汽車后視鏡調光中也采用了同樣的控制方法。當周圍環境變暗或在后視鏡中出現亮光時，采用智能調光管理是再合適不過了。

　　對于便攜式應用，一個典型的顯示屏會消耗同樣多的能量，直到使用者改變系統設定，這通常是亮度控制。在戶外等非常亮的地方，使用者會提高顯示屏的亮度，這會增加系統功耗。當環境改變時，如進入建筑物內，大多數使用者并不會改變設定，導致系統仍然處于高功耗狀態。利用光傳感器，系統能夠自動探測環境狀況的變化，把顯示屏調整到最佳的亮度，減少整體的能量消耗。在一般的消費類應用中，利用環境光傳感器反饋實現自動亮度控制，還能夠大大延長智能手機、筆記本電腦、PDA和數碼相機的電池壽命。這種控制是很有用的，因為最近的研究顯示，在一個筆記本電腦中，顯示背光所消耗的電池電量要占到33%。

　　感測環境光并不是一個新想法，但與光敏二極管不同的是，用傳感器感測環境光的同時，能夠減弱多余的紅外光和紫外光，而且是在一個非常小尺寸的封裝內提供這些功能，同時支持汽車標準AEC (Q-100)的嚴格要求，確保器件在-40℃～+105℃溫度范圍可靠工作，并滿足其他標準的要求。

　　要滿足AEC(Q-100) Grade 2對溫度的要求，還有一些光學方面的難題要解決。任何光傳感器、LED發射器或接收器，在連續高溫下(>85℃)，都會碰到封裝變色的問題(即變得不透明或發黃)。這個問題在標準IC封裝的系統中并不常見，因此如果采用+125℃的擴展溫度黑色模具化合物來使系統更穩定。

　　到目前為止，所有涉及的環境光傳感器應用都是在汽車駕駛倉內，還沒有涉及在引擎倉或車外環境中的應用。即便有這樣的應用，光學封裝也不是針對這樣嚴酷的環境(+125℃或+150℃)而設計的，因此在目前的光學封裝技術下，這些光傳感器很可能無法經受這樣的環境。

　　在選擇器件時，要根據設計者需要什么樣的功能、性能和環境功能而定。使用數字輸出的光傳感器，設定過程就會變得相當簡單明了。

　　數字輸出光傳感器的內在優勢包括高耐噪聲能力、可通過I2C總線存取數據、可對傳感器編程，還有其他諸多特性，使這些多功能產品成為很多工程師的選擇。ISL29011的功能框圖(如下面的圖2所示)顯示，把該器件設計到任何系統當中都是很簡單容易的，而且系統還能從精確、高度可編程的環境光傳感器獲得不少益處。歡迎轉載，本文來自電子發燒友網(http://www.3532n.com/)

　　在ISL29000系列當中，ISL29011采用了最新和最先進的技術。該器件是集成的環境和紅外光至數字轉換器，帶有內置的紅外LED驅動器和I2C接口(兼容SMBus)。器件提供了環境光感測功能，能夠實現穩定的背光/顯示屏亮度控制，帶有中斷功能的紅外感測可實現接近估計。(接近感測是一項重要功能，下面將討論更多的細節內容)

　　為了進行環境光感測，傳感器內部的ADC采用電荷平衡A/D轉換技術進行設計。ADC的標稱轉換時間是90ms，用戶可以根據振蕩器的頻率和ADC的分辨率，在11μs～90ms區間內進行調整。ADC能夠抑制由人工光源產生的50Hz和60Hz閃爍噪聲。照度范圍選擇功能使用戶可以對照度范圍進行編程，以優化每勒克斯的計數值。

　　對于接近感測，當內部的紅外LED驅動器在用戶選定的調制頻率下，按照編程設定的時間周期關閉和開啟，驅動外部的紅外LED時，ADC會將來自光敏二極管陣列的輸出信號數字化。由于接近傳感器采用了噪聲消除機制，可大幅抑制多余的紅外噪聲，接近感測的數字輸出隨距離的增加而減小。驅動器的輸出電流是用戶可選的，最高可達100mA，能夠驅動不同類型的紅外發射LED。

　　最好的帶有接近感測功能的環境光傳感器提供了6種不同的工作模式，可以通過I2C接口進行選擇。這些模式包括：一次可編程的ALS和自動斷電的一次可編程紅外感測，一次可編程的接近感測，可編程的連續ALS感測，可編程的連續紅外感測，和可編程的連續接近感測。可編程的一次操作模式大大降低了功耗，因為緊接著的自動關斷將整體的供電電流降至0.5μA以下。

　　這些最新一代的重要器件可以在2.5V～3.63V的供電電壓下工作，支持硬件和軟件中斷一直保持斷言狀態，直到主控制器通過I2C接口清除這些中斷，開始進行環境光感測和接近探測。歡迎轉載，本文來自電子發燒友網(http://www.3532n.com/)

　　環境光感測的基本光學技術

　　大多數光源發出的光包含了可見光和紅外波段的輻射。如果按照流明來算，不同的光源可能具有相似的可見光強度，但是紅外頻段的響應就大不相同了。在測量光強時，必須要考慮到光的光譜特征和光傳感器的光譜敏感度。采用CMOS工藝的光傳感器能夠探測到大多數紅外輻射(峰值敏感度在880nm)，會導致對真實環境(可見的)狀況的誤報。

　　對于燈泡之類的光源，傳感器的信號比人眼看到的數量要高很多。由這類傳感器控制的照明方案的響應可能與環境光譜并不相符，限制了接近感測的最長距離。做為接近感測系統方案的一部分，要建立更合適的調光或照明控制，基本的要求是要有能夠模仿人眼的傳感器，并且是在具有最大紅外信號的情況下。圖3顯示了一個光傳感器的光譜響應，非常適合環境光的感測。圖3還顯示了用在接近感測中紅外波長的光譜。

　　圖3，環境光傳感器和接近傳感器的光譜響應

　　接近感測的重要性：一個典型系統

　　接近感測的基本原理是：紅外LED發生紅外光，紅外光會從被照射物體上發射回來。反射回來的紅外光被紅外傳感器探測到，與物體的接近程度與探測到的紅外光的量級成正比。應用包括接近探測器;反射物體感測，環境光探測，背光控制和燈光控制。

　　接近感測是通過采集紅外信號和數學處理實現的，通常需要兩個部件來構成光學前端：一個紅外LED和一個光傳感器。紅外LED向被感測物體發射出一束紅外信號，該信號的一部分會反射回來，并被紅外CMOS光傳感器探測到。通過片上的信號調理和模數轉換，數字化的紅外信號就可以送到微處理器進行后處理，用于各種接近感測用途。

　　一個典型的紅外接近感測系統是由一個光學前端、模擬混合信號處理電路和一定的機械結構組成。本文簡述了基本的光學原理、電路功能模塊、機械設計、接近感測算法和軟件。機械結構的設計通常與不同應用平臺的設計折中有關，例如手機、PDA、筆記本電腦和各種消費類電子產品。

　　設計折中包括器件選擇、放置尺寸、鏡片特性和光學設計，以及應用算法和軟件實施。

　　集成的環境光感測和接近感測系統會測量周圍的光環境，也可以探測物體的靠近或離開。這樣微處理器或MCU就可以實現非常復雜的控制，或是調整設定，進一步提高以功耗來衡量的系統效率，就象許多其他應用那樣。例如，在使用者將手機移近他或她的耳朵，接聽來電時，一部配備了傳感器的手機就可以關閉屏幕，在用戶通話期間節約電池能量。

　　接近傳感器的光學基本原理

　　環境光傳感器使用光的可見頻率，接近傳感器則使用紫外頻段。圖4顯示，當在接近探測路徑上沒有感測物體時，就不會有反射回來的紅外信號被接近傳感器捕獲到。接近讀數回送到默認的基線計數器里。當感測物體出現在紅外LED和紅外傳感器之間中心點的可探測距離內時，接近傳感器捕獲到反射回來的紅外信號，如圖5所示。接近讀數與所捕獲的紅外光的信號強度呈線性比例關系，與距離的平方成反比。

　　圖4，在接近探測區域沒有感測物體

　　圖5，在接近探測區域有感測物體

　　光傳感器IC的設計經過不斷演進，現在已經出現了集成的數字環境光和接近傳感器。這種先進的新一代器件提供了很多非常棒的設計特性，如在接近感測時的環境紅外抑制，該功能讓傳感器在直射的日光下仍能正常工作。另一個特性是提供了四個不同環境光敏感度范圍，既可以感測到0.015lux的光強，也可以感測到64,000lux的光強。中斷功能用于產生報警或監控功能，判斷環境光的級別或接近探測的級別是否超出了上限或低過了下限。它還讓用戶能夠通過數字接口，配置中斷的持續時間。

　　典型的數字接近傳感器功能框圖

　　圖6顯示了一個典型數字環境光和接近傳感器的電路功能框圖。光敏二極管陣列是光學前端的一部分，用于信號調理和采集。集成的ADC將捕獲到的光信號轉換成數字數據流，由微控制器對數據進行后處理，用于實現不同的應用目標。通過I2C接口，可以寫入不同的配置命令，并用同一個數字接口讀出環境光和接近距離的數據流。中斷功能直接送到MCU，由MCU控制紅外LED驅動器，輸出所需的前向電流，讓分立的或集成的紅外LED發射出紅外信號。

　　圖6，典型的數字接近傳感器功能框圖

　　光學前端的另一個重要部件是紅外LED。不同的紅外LED具有不同的峰值波長、發光強度和視角。典型峰值波長為850nm～950nm的高發光強度紅外LED與接近傳感器ISL29011的光譜相匹配。窄視角和更高的發光強度可以擴大接近探測的距離。選擇紅外LED時，在視角、機械占位、發光強度和功耗之間取得折中和平衡是很重要的。

　　玻璃視窗的尺寸和放置位置

　　對于一個扁平的表面透鏡，視角是塑料或玻璃材料折射率的函數。如果材料的密度更大(折射率更高)，有效的視角就更小，因此低密度的材料會有更大的視角。視窗鏡片對光傳感器的視角有明確的限制。視窗鏡片應當直接放置在傳感器的頂部，鏡片的厚度應當盡量薄，以減少光強的損失。

　　接近傳感的系統算法

　　完成器件選型和設計之后，一個穩定耐用的接近感測系統還需要光學傳感器，在各種環境光條件下針對不同的感測物體進行動態自校準。一個優秀的接近感測算法是必不可少的，能夠幫助接近感測硬件巧妙地繞開來自不同的機械設計局限和惡劣的周邊環境的重重障礙，從而持續、穩定地探測距離。

　　在接近感測系統上采用了各種設計和實施技巧后，就能夠得到一個不錯的接近感測測試系統，如圖8所。環境光和接近感測系統根據特定用戶應用的要求進行了優化。在平衡了上述設計折中后，消費者能夠對系統的各個方面進行精準地調整，滿足應用的要求。