選擇一款環(huán)境光傳感器關(guān)鍵的技術(shù)因素

　　大多數光源發(fā)出的光包含了可見(jiàn)光和紅外波段的輻射。如果按照流明來(lái)算，不同的光源可能具有相似的可見(jiàn)光強度，但是紅外頻段的響應就大不相同了。在測量光強時(shí)，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(huì )導致對真實(shí)環(huán)境(可見(jiàn)的)狀況的誤報。

　　對于燈泡之類(lèi)的光源，傳感器的信號比人眼看到的數量要高很多。由這類(lèi)傳感器控制的照明方案的響應可能與環(huán)境光譜并不相符，限制了接近感測的最長(cháng)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(gè)光傳感器的光譜響應，非常適合環(huán)境光的感測。圖3還顯示了用在接近感測中紅外波長(cháng)的光譜。

　　圖3，環(huán)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(gè)典型系統

　　接近感測的基本原理是：紅外LED發(fā)生紅外光，紅外光會(huì )從被照射物體上發(fā)射回來(lái)。反射回來(lái)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(huán)境光探測，背光控制和燈光控制。

　　接近感測是通過(guò)采集紅外信號和數學(xué)處理實(shí)現的，通常需要兩個(gè)部件來(lái)構成光學(xué)前端：一個(gè)紅外LED和一個(gè)光傳感器。紅外LED向被感測物體發(fā)射出一束紅外信號，該信號的一部分會(huì )反射回來(lái)，并被紅外CMOS光傳感器探測到。通過(guò)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(jìn)行后處理，用于各種接近感測用途。

　　一個(gè)典型的紅外接近感測系統是由一個(gè)光學(xué)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(jiǎn)述了基本的光學(xué)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(guān)，例如手機、PDA、筆記本電腦和各種消費類(lèi)電子產(chǎn)品。

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

　　集成的環(huán)境光感測和接近感測系統會(huì )測量周?chē)墓猸h(huán)境，也可以探測物體的靠近或離開(kāi)。這樣微處理器或MCU就可以實(shí)現非常復雜的控制，或是調整設定，進(jìn)一步提高以功耗來(lái)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(tīng)來(lái)電時(shí)，一部配備了傳感器的手機就可以關(guān)閉屏幕，在用戶(hù)通話(huà)期間節約電池能量。

　　接近傳感器的光學(xué)基本原理

　　環(huán)境光傳感器使用光的可見(jiàn)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(méi)有感測物體時(shí)，就不會(huì )有反射回來(lái)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(xiàn)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(diǎn)的可探測距離內時(shí)，接近傳感器捕獲到反射回來(lái)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(xiàn)性比例關(guān)系，與距離的平方成反比。

　　圖4，在接近探測區域沒(méi)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(jīng)過(guò)不斷演進(jìn)，現在已經(jīng)出現了集成的數字環(huán)境光和接近傳感器。這種先進(jìn)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(shí)的環(huán)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(gè)特性是提供了四個(gè)不同環(huán)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(chǎn)生報警或監控功能，判斷環(huán)境光的級別或接近探測的級別是否超出了上限或低過(guò)了下限。它還讓用戶(hù)能夠通過(guò)數字接口，配置中斷的持續時(shí)間。

　　典型的數字接近傳感器功能框圖

　　圖6顯示了一個(gè)典型數字環(huán)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(xué)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(jìn)行后處理，用于實(shí)現不同的應用目標。通過(guò)I2C接口，可以寫(xiě)入不同的配置命令，并用同一個(gè)數字接口讀出環(huán)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(dòng)器，輸出所需的前向電流，讓分立的或集成的紅外LED發(fā)射出紅外信號。

　　圖6，典型的數字接近傳感器功能框圖

　　光學(xué)前端的另一個(gè)重要部件是紅外LED。不同的紅外LED具有不同的峰值波長(cháng)、發(fā)光強度和視角。典型峰值波長(cháng)為850nm～950nm的高發(fā)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(fā)光強度可以擴大接近探測的距離。選擇紅外LED時(shí)，在視角、機械占位、發(fā)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(gè)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(huì )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(gè)穩定耐用的接近感測系統還需要光學(xué)傳感器，在各種環(huán)境光條件下針對不同的感測物體進(jìn)行動(dòng)態(tài)自校準。一個(gè)優(yōu)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(kāi)來(lái)自不同的機械設計局限和惡劣的周邊環(huán)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(shí)施技巧后，就能夠得到一個(gè)不錯的接近感測測試系統，如圖8所。環(huán)境光和接近感測系統根據特定用戶(hù)應用的要求進(jìn)行了優(yōu)化。在平衡了上述設計折中后，消費者能夠對系統的各個(gè)方面進(jìn)行精準地調整，滿(mǎn)足應用的要求。

　　圖8，接近傳感距離與LED電流驅動(dòng)強度

　　不同的光源具有不同的光譜特性，使用者在做產(chǎn)品選型時(shí)，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?；跓艚z的光源，如白熾燈和鹵素燈，也有很高的紅外輻射。

　　舉例來(lái)說(shuō)，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(wú)論是無(wú)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(gè)只檢測可見(jiàn)光的環(huán)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(gè)只“看見(jiàn)”可見(jiàn)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(dòng)態(tài)范圍內，測量曲線(xiàn)與理想讀數線(xiàn)(虛線(xiàn))之間的誤差很小。如果我們想使用對紅外線(xiàn)特別敏感的傳感器，上面的圖會(huì )顯示，測量曲線(xiàn)與理想讀數線(xiàn)有更大的偏離誤差。(插入圖1)

　　要點(diǎn)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(jiàn)的可見(jiàn)光，減弱帶有大量紅外和紫外成分的光線(xiàn)。

　　光傳感器應用-首先是PC機、電話(huà)、PDA和新型汽車(chē)

　　下面是光傳感器在在不同的市場(chǎng)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(lè )播放器到類(lèi)似的其他產(chǎn)品，光傳感器在便攜式消費類(lèi)市場(chǎng)上所處可見(jiàn)。光傳感器還被廣泛用在消費類(lèi)電視機市場(chǎng)(TFT-LCD、等離子、背投和CRT電視)，以及醫療和工業(yè)應用當中?，F在，制造商正在開(kāi)發(fā)針對汽車(chē)市場(chǎng)的新一代系統，并已經(jīng)投入使用。