如何選擇一款環(huán)境光傳感器

　　環(huán)境光感測的基本光學(xué)技術(shù)

　　大多數(shù)光源發(fā)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(yīng)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(shù)紅外輻射(峰值敏感度在880nm)，會導(dǎo)致對真實環(huán)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(shù)量要高很多。由這類傳感器控制的照明方案的響應(yīng)可能與環(huán)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(tǒng)方案的一部分，要建立更合適的調(diào)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(yīng)，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的光譜。

　　圖3，環(huán)境光傳感器和接近傳感器的光譜響應(yīng)

　　接近感測的重要性：一個典型系統(tǒng)

　　接近感測的基本原理是：紅外LED發(fā)生紅外光，紅外光會從被照射物體上發(fā)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(yīng)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。

　　接近感測是通過采集紅外信號和數(shù)學(xué)處理實現(xiàn)的，通常需要兩個部件來構(gòu)成光學(xué)前端：一個紅外LED和一個光傳感器。紅外LED向被感測物體發(fā)射出一束紅外信號，該信號的一部分會反射回來，并被紅外CMOS光傳感器探測到。通過片上的信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)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。

　　一個典型的紅外接近感測系統(tǒng)是由一個光學(xué)前端、模擬混合信號處理電路和一定的機械結(jié)構(gòu)組成。本文簡述了基本的光學(xué)原理、電路功能模塊、機械設(shè)計、接近感測算法和軟件。機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計通常與不同應(yīng)用平臺的設(shè)計折中有關(guān)，例如手機、PDA、筆記本電腦和各種消費類電子產(chǎn)品。

　　設(shè)計折中包括器件選擇、放置尺寸、鏡片特性和光學(xué)設(shè)計，以及應(yīng)用算法和軟件實施。

　　集成的環(huán)境光感測和接近感測系統(tǒng)會測量周圍的光環(huán)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(xiàn)非常復(fù)雜的控制，或是調(diào)整設(shè)定，進(jìn)一步提高以功耗來衡量的系統(tǒng)效率，就象許多其他應(yīng)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(guān)閉屏幕，在用戶通話期間節(jié)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頻率，接近傳感器則使用紫外頻段。圖4顯示，當(dāng)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(shù)回送到默認(rèn)的基線計數(shù)器里。當(dāng)感測物體出現(xiàn)在紅外LED和紅外傳感器之間中心點的可探測距離內(nèi)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(shù)與所捕獲的紅外光的信號強度呈線性比例關(guān)系，與距離的平方成反比。

　　圖4，在接近探測區(qū)域沒有感測物體

　　圖5，在接近探測區(qū)域有感測物體

　　光傳感器IC的設(shè)計經(jīng)過不斷演進(jìn)，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了集成的數(shù)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(shè)計特性，如在接近感測時的環(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。另一個特性是提供了四個不同環(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(jiān)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了下限。它還讓用戶能夠通過數(shù)字接口，配置中斷的持續(xù)時間。

　　典型的數(shù)字接近傳感器功能框圖

　　圖6顯示了一個典型數(shù)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(diào)理和采集。集成的ADC將捕獲到的光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，由微控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，用于實現(xiàn)不同的應(yīng)用目標(biāo)。通過I2C接口，可以寫入不同的配置命令，并用同一個數(shù)字接口讀出環(huán)境光和接近距離的數(shù)據(jù)流。中斷功能直接送到MCU，由MCU控制紅外LED驅(qū)動器，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(shù)字接近傳感器功能框圖

　　光學(xué)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(fā)光強度和視角。典型峰值波長為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，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

　　對于一個扁平的表面透鏡，視角是塑料或玻璃材料折射率的函數(shù)。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(yīng)當(dāng)直接放置在傳感器的頂部，鏡片的厚度應(yīng)當(dāng)盡量薄，以減少光強的損失。

　　接近傳感的系統(tǒng)算法

　　完成器件選型和設(shè)計之后，一個穩(wěn)定耐用的接近感測系統(tǒng)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)行動態(tài)自校準(zhǔn)。一個優(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來自不同的機械設(shè)計局限和惡劣的周邊環(huán)境的重重障礙，從而持續(xù)、穩(wěn)定地探測距離。

　　在接近感測系統(tǒng)上采用了各種設(shè)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(tǒng)，如圖8所。環(huán)境光和接近感測系統(tǒng)根據(jù)特定用戶應(yīng)用的要求進(jìn)行了優(yōu)化。在平衡了上述設(shè)計折中后，消費者能夠?qū)ο到y(tǒng)的各個方面進(jìn)行精準(zhǔn)地調(diào)整，滿足應(yīng)用的要求。

　　圖8，接近傳感距離與LED電流驅(qū)動強度