用于计算、医疗和汽车的环境光传感器介绍和分析

环境光感测的基本光学技术

大多数光源发出的光包含了可见光和红外波段的辐射。如果按照流明来算，不同的光源可能具有相似的可见光强度，但是红外频段的响应就大不相同了。在测量光强时，必须要考虑到光的光谱特征和光传感器的光谱敏感度。采用CMOS工艺的光传感器能够探测到大多数红外辐射(峰值敏感度在880nm)，会导致对真实环境(可见的)状况的误报。

对于灯泡之类的光源，传感器的信号比人眼看到的数量要高很多。由这类传感器控制的照明方案的响应可能与环境光谱并不相符，限制了接近感测的最长距离。做为接近感测系统方案的一部分，要建立更合适的调光或照明控制，基本的要求是要有能够模仿人眼的传感器，并且是在具有最大红外信号的情况下。图3显示了一个光传感器的光谱响应，非常适合环境光的感测。图3还显示了用在接近感测中红外波长的光谱。



图3，环境光传感器和接近传感器的光谱响应

接近感测的重要性：一个典型系统

接近感测的基本原理是：红外LED发生红外光，红外光会从被照射物体上发射回来。反射回来的红外光被红外传感器探测到，与物体的接近程度与探测到的红外光的量级成正比。应用包括接近探测器；反射物体感测，环境光探测，背光控制和灯光控制。

接近感测是通过采集红外信号和数学处理实现的，通常需要两个部件来构成光学前端：一个红外LED和一个光传感器。红外LED向被感测物体发射出一束红外信号，该信号的一部分会反射回来，并被红外CMOS光传感器探测到。通过片上的信号调理和模数转换，数字化的红外信号就可以送到微处理器进行后处理，用于各种接近感测用途。

一个典型的红外接近感测系统是由一个光学前端、模拟混合信号处理电路和一定的机械结构组成。本文简述了基本的光学原理、电路功能模块、机械设计、接近感测算法和软件。机械结构的设计通常与不同应用平台的设计折中有关，例如手机、PDA、笔记本电脑和各种消费类电子产品。

设计折中包括器件选择、放置尺寸、镜片特性和光学设计，以及应用算法和软件实施。

集成的环境光感测和接近感测系统会测量周围的光环境，也可以探测物体的靠近或离开。这样微处理器或MCU就可以实现非常复杂的控制，或是调整设定，进一步提高以功耗来衡量的系统效率，就象许多其他应用那样。例如，在使用者将手机移近他或她的耳朵，接听来电时，一部配备了传感器的手机就可以关闭屏幕，在用户通话期间节约电池能量。

接近传感器的光学基本原理

环境光传感器使用光的可见频率，接近传感器则使用紫外频段。图4显示，当在接近探测路径上没有感测物体时，就不会有反射回来的红外信号被接近传感器捕获到。接近读数回送到默认的基线计数器里。当感测物体出现在红外LED和红外传感器之间中心点的可探测距离内时，接近传感器捕获到反射回来的红外信号，如图5所示。接近读数与所捕获的红外光的信号强度呈线性比例关系，与距离的平方成反比。



图4，在接近探测区域没有感测物体



图5，在接近探测区域有感测物体

光传感器IC的设计经过不断演进，现在已经出现了集成的数字环境光和接近传感器。这种先进的新一代器件提供了很多非常棒的设计特性，如在接近感测时的环境红外抑制，该功能让传感器在直射的日光下仍能正常工作。另一个特性是提供了四个不同环境光敏感度范围，既可以感测到0.015lux的光强，也可以感测到64,000lux的光强。中断功能用于产生报警或监控功能，判断环境光的级别或接近探测的级别是否超出了上限或低过了下限。它还让用户能够通过数字接口，配置中断的持续时间。

典型的数字接近传感器功能框图

图6显示了一个典型数字环境光和接近传感器的电路功能框图。光敏二极管阵列是光学前端的一部分，用于信号调理和采集。集成的ADC将捕获到的光信号转换成数字数据流，由微控制器对数据进行后处理，用于实现不同的应用目标。通过I2C接口，可以写入不同的配置命令，并用同一个数字接口读出环境光和接近距离的数据流。中断功能直接送到MCU，由MCU控制红外LED驱动器，输出所需的前向电流，让分立的或集成的红外LED发射出红外信号。



图6，典型的数字接近传感器功能框图

光学前端的另一个重要部件是红外LED。不同的红外LED具有不同的峰值波长、发光强度和视角。典型峰值波长为850nm～950nm的高发光强度红外LED与接近传感器ISL29011的光谱相匹配。窄视角和更高的发光强度可以扩大接近探测的距离。选择红外LED时，在视角、机械占位、发光强度和功耗之间取得折中和平衡是很重要的。

玻璃视窗的尺寸和放置位置