环境光检测优化便携设备显示屏设计方案

在"时时连接"的今天，大多数便携设备都将显示屏作为一大卖点，用户通过显示屏能够访问并观看视频和互联网信息。出于对功耗和观看舒适度等方面的考虑，许多设备配备了环境光传感器-为设备增添环境光检测功能。在昏暗环境下，可调低显示屏背光亮度，以节省电池电量;在明亮环境下，增强字体和背光亮度能够使设备显示更清晰，改善用户体验。本文讨论了设计带有环境光传感器的产品时需要注意的事项。

光测量的光谱灵敏度

首先，探讨一下人眼对环境光的视觉反应。人眼对光线的感应灵敏度通常用光谱光视效率(又称CIE曲线)表示(图1)。从图中可以看出，人眼看不到光谱中的紫外线(< 400nm)和红外线(> 700nm)，此外人眼对绿光(～555nm)最敏感，对蓝光和红光较为不敏感。为此，我们对该灵敏度曲线进行了标准化，将入射光功率密度(单位为μW/cm2)转换为人眼的灵敏度单位(单位为lux)。波长为555nm时，1 lux相当于大约0.15μW/cm2的光功率密度。

图1. 适光曲线给出了人眼对不同波长光线的视觉反应。人眼对绿光的反应最强，但却看不到光谱中的红外(> 700nm)或紫外(< 400nm)部分。

制造工艺和技术方面的挑战使得低成本环境光传感器(ALS)很难准确复现人眼对光线的视觉反应，完全绝对地抑制红外线和紫外线也是一大难题。由于常见光源的光谱非常宽，即使略微偏离适光曲线，再加上不能完全抑制红外线和紫外线，都会对环境光传感器的测量精度造成非常大的影响。

实际上，许多商用照度计均无法准确匹配适光曲线。因此，大多数照度计都定义了一个?1’参数，该参数用于说明照度计与光学CIE曲线的匹配程度。经验不足的用户在操作商用照度计时还应注意另外一个问题-许多照度计声称根据美国国家标准与技术研究院(NIST)的标准进行了校准，事实上这种声明只能说明照度计在采用白炽(A类)光源进行测试时能够给出精确读数，但并不保证非白炽光源的测量精度，例如荧光灯、太阳光或LED-而此类光源更为常见。事实上，由于白炽光源的能效非常低，各个国家正在积极推进日常生活中禁止使用白炽光源。

因此，现今的环境光传感器均无法完全匹配光学CIE曲线，而是采用叠加原理计算环境光亮度。现在市场上的大多数光传感器采用两个或多个不同类型的光电二极管，每个光电二极管对光谱不同区域的敏感度不同。对这些光电二极管的输出进行算术求和，并对每个光电二极管设置一个适当的可调增益，传感器即可较为准确地测量常见的环境光源亮度。

例如，如果两个不同类型的光电二极管PD1和PD2针对两种不同的入射光源给出了不同读数，可以得到每个光电二极管的增益常数，从而使传感器能够在两种光源下均提供准确的光强测量值：

光源1 = 增益1 × PD1 + 增益2 × PD2

光源2 = 增益1 × PD1 + 增益2 × PD2

光电二极管的类型越多，可精确匹配的光源数量就越多。

日常生活中常见光源的光谱区别非常大(图2)。以住宅和办公室中的常见光源为例，荧光灯和白炽灯的光谱成分就截然不同-荧光灯的红外成分极低，而白炽灯的红外成分则高得多。因此，大多数环境光传感器的数据资料都列出了这两种常见光源的响应特性(图3)。

图2. 以上曲线为太阳光(左上)、卤素/白炽灯(右上)、荧光灯(左下)和白光LED (右下)的光谱比较。

图3. 大多数环境光传感器的数据资料都包含典型光灵敏度与照度计读数(lux)的对应关系。上图所示为MAX44009环境光传感器的响应曲线。

光测量的动态范围

人眼对光照条件的敏感范围很宽。在黑暗的环境中(可能需要数分钟的时间以适应这种条件)，人眼能够检测到低至10-4 lux的亮度水平。在另一个极端环境下，即使亮度高达108 lux，人眼也能感知到黑暗。

人们在日常生活中常见的典型环境亮度通常要窄得多，从夜间室外的0.1 lux到办公室照明的300 lux，再到太阳光下的100,000 lux。大多数便携设备只需准确检测5 lux到大约1000 lux的环境光强度。实际应用中，便携设备显示屏的背光效果并不能够与太阳光的强度完全一致，当光强达到某个较低等级时，显示屏即开始简单地维持在最低背光亮度。

值得注意的是，人眼对亮度的感知呈对数关系(类似于人耳对声音的灵敏度)。光强增加几乎10倍，而人眼只能感知到两倍的亮度变化。可以用一个类似的传递函数表示显示屏背光亮度百分比与相对环境光强的对应关系，如图4中的线性和对数曲线所示。

图4a. 该线性曲线给出了背光强度与相对光强的对应关系。黑线为理想对数曲线，蓝线采用折线近似法，更适于用微控制器代码实现。

图4b. 这些曲线为采用对数坐标表示相对光强时的图4a中的线性数据