用于计算、医疗和汽车的环境光传感器介绍和分析

　　随着近年来在半导体模拟传感器和封装上的进步，现在的最终用户在光传感器上有了更广的选择余地。今天，设计者在消费类产品、汽车、医疗和工业应用中使用了比以往更多的光传感器。这主要有几个原因，包括改进的适光响应、小占位、低功耗、高集成度和易用。通常根据设计者和应用所需要的功能性、性能和环境功能性进行具体的选型。

　　有几个关键的技术因素可以帮助用户和设计者决定如何选择一款环境光传感器。首先，传感器的输出必须和光强成线性关系，光谱波长敏感度应该非常接近人眼。另外，器件的输出应该直接和照射在集成的光敏二极管上的光强成正比，540nm的峰值响应接近人眼的峰值敏感度。大多数光传感器都能够感测到380nm～770nm的环境光。

　　现在，多数应用的一个设计出发点是延长电池寿命。节约能量的新办法包括：确保优化的亮度管理，连同使用改进的光敏电阻和/或光敏二极管，这些器件的线性度更差，通常要使用附加的放大器。

　　现在有很多种不同类型的环境光传感器能够提供这些好处，包括模拟和数字输出的传感器、超低功耗版本、非线性版本，以及下一代低功耗、超低亮度的版本。目前最好的数字产品的光敏感度可以低至0.015Lux以下，动态范围高达64,000 Lux，所需的工作电流小于65mA。这些产品还具有理想的光谱响应和低误差光输出变化，并利用数学算法简化使用。市场上还出现了一些新型数字光传感器，从目前看，数字光传感器是解决性能和灵活性问题的好办法，尤其是在汽车应用当中，因为在汽车中使用的I2C数字输出信号提供了更低的噪声，能够在同一条总线上将数个传感器组网，很好地控制传感器的特性，还具有良好的总体性能。

　　做为技术上的全球领导者，Intersil不断扩大光传感器家族，并提供各种型号的产品。Intersil对ISL29000系列产品进行了持续的增强和改进，功耗非常低，为所有应用提供了最佳的性能。最近，Intersil发布了采用接近感测的ALS技术。(在文章结尾处给出了最新的产品型号)

　　光源

　　不同的光源具有不同的光谱特性，使用者在做产品选型时，需要了解这些特性。例如，日光的光谱响应非常宽，大约有50%的光谱落在红外区间。基于灯丝的光源，如白炽灯和卤素灯，也有很高的红外辐射。

　　举例来说，把光谱响应做为选择合适的光传感器的准则。普通的PIN光敏二极管(无论是无源的或有源的)本身就有很宽的光谱响应区间，从紫外(UV)一直到红外(IR)。如果目的是设计一个只检测可见光的环境光传感器，这些器件就不适用了，更何况红外和紫外器件了。因此，一个只“看见”可见光(380nm～770nm)，并能减小多余的红外和紫外信号的光传感器是最佳选择，例如ISL29020和ISL29023。

　　在下面的图1中，显示了如何利用ISL29023测量不同的光源。值得注意的是，在宽动态范围内，测量曲线与理想读数线(虚线)之间的误差很小。如果我们想使用对红外线特别敏感的传感器，上面的图会显示，测量曲线与理想读数线有更大的偏离误差。(插入图1)

　　要点在于：即便不是全部，至少大多数应用都对光传感器有所要求，即准确测量人眼能够看见的可见光，减弱带有大量红外和紫外成分的光线。

　　光传感器应用－首先是PC机、电话、PDA和新型汽车

　　下面是光传感器在在不同的市场和应用当中的基本情况。从智能手机、PDA、笔记本电脑、便携式音乐播放器到类似的其他产品，光传感器在便携式消费类市场上所处可见。光传感器还被广泛用在消费类电视机市场（TFT-LCD、等离子、背投和CRT电视），以及医疗和工业应用当中。现在，制造商正在开发针对汽车市场的新一代系统，并已经投入使用。

　　围绕汽车工作环境，本文就设计问题和传感器的效用给出了全景式的介绍。光传感器的主要应用如下：

　　信息娱乐/导航/DVD系统的背光控制控制，以便在各种环境光条件下显示理想的亮度

　　后座娱乐显示屏的背光控制

　　仪表盘组合仪表的背光（速度计，转速表等）

　　自动后视镜调光(通常需要两个传感器，一个朝前，一个朝后)

　　自动头灯和雨量检测(特定应用，根据需求而变)

　　后视摄像机控制(特定应用，根据用户需求而变)        

　　由于汽车需要在各种环境光条件下均具有完美的背光照明，因此凭借类似人眼的感测功能，光传感器已经成为实现更舒适显示质量的最有效解决方案之一，能够满足汽车的安全性和舒适性标准。

　　例如在白天，用户需要将亮度加到最大，达到最好的可视效果。但是这种亮度在晚间就显得太亮了，因此一个具有有效的光谱响应(良好的红外减弱)、动态范围和整体输出信号调理的光传感器很容易适应这种应用。用户可以设定几个阈值，如低、中或亮光，或是让传感器动态地改变背光的亮度。

　　在汽车后视镜调光中也采用了同样的控制方法。当周围环境变暗或在后视镜中出现亮光时，采用智能调光管理是再合适不过了。

　　对于便携式应用，一个典型的显示屏会消耗同样多的能量，直到使用者改变系统设定，这通常是亮度控制。在户外等非常亮的地方，使用者会提高显示屏的亮度，这会增加系统功耗。当环境改变时，如进入建筑物内，大多数使用者并不会改变设定，导致系统仍然处于高功耗状态。利用光传感器，系统能够自动探测环境状况的变化，把显示屏调整到最佳的亮度，减少整体的能量消耗。在一般的消费类应用中，利用环境光传感器反馈实现自动亮度控制，还能够大大延长智能手机、笔记本电脑、PDA和数码相机的电池寿命。这种控制是很有用的，因为最近的研究显示，在一个笔记本电脑中，显示背光所消耗的电池电量要占到33%。

　　感测环境光并不是一个新想法，但与光敏二极管不同的是，用传感器感测环境光的同时，能够减弱多余的红外光和紫外光，而且是在一个非常小尺寸的封装内提供这些功能，同时支持汽车标准AEC (Q-100)的严格要求，确保器件在-40℃～+105℃温度范围可靠工作，并满足其他标准的要求。

　　要满足AEC(Q-100) Grade 2对温度的要求，还有一些光学方面的难题要解决。任何光传感器、LED发射器或接收器，在连续高温下(>85℃)，都会碰到封装变色的问题(即变得不透明或发黄)。这个问题在标准IC封装的系统中并不常见，因此如果采用+125℃的扩展温度黑色模具化合物来使系统更稳定。

　　到目前为止，所有涉及的环境光传感器应用都是在汽车驾驶仓内，还没有涉及在引擎仓或车外环境中的应用。即便有这样的应用，光学封装也不是针对这样严酷的环境(+125℃或+150℃)而设计的，因此在目前的光学封装技术下，这些光传感器很可能无法经受这样的环境。

　　在选择器件时，要根据设计者需要什么样的功能、性能和环境功能而定。使用数字输出的光传感器，设定过程就会变得相当简单明了。

　　数字输出光传感器的内在优势包括高耐噪声能力、可通过I2C总线存取数据、可对传感器编程，还有其他诸多特性，使这些多功能产品成为很多工程师的选择。ISL29011的功能框图(如下面的图2所示)显示，把该器件设计到任何系统当中都是很简单容易的，而且系统还能从精确、高度可编程的环境光传感器获得不少益处。

　　在ISL29000系列当中，ISL29011采用了最新和最先进的技术。该器件是集成的环境和红外光至数字转换器，带有内置的红外LED驱动器和I2C接口(兼容SMBus)。器件提供了环境光感测功能，能够实现稳定的背光/显示屏亮度控制，带有中断功能的红外感测可实现接近估计。(接近感测是一项重要功能，下面将讨论更多的细节内容)

　　为了进行环境光感测，传感器内部的ADC采用电荷平衡A/D转换技术进行设计。ADC的标称转换时间是90ms，用户可以根据振荡器的频率和ADC的分辨率，在11μs～90ms区间内进行调整。ADC能够抑制由人工光源产生的50Hz和60Hz闪烁噪声。照度范围选择功能使用户可以对照度范围进行编程，以优化每勒克斯的计数值。

　　对于接近感测，当内部的红外LED驱动器在用户选定的调制频率下，按照编程设定的时间周期关闭和开启，驱动外部的红外LED时，ADC会将来自光敏二极管阵列的输出信号数字化。由于接近传感器采用了噪声消除机制，可大幅抑制多余的红外噪声，接近感测的数字输出随距离的增加而减小。驱动器的输出电流是用户可选的，最高可达100mA，能够驱动不同类型的红外发射LED。

　　最好的带有接近感测功能的环境光传感器提供了6种不同的工作模式，可以通过I2C接口进行选择。这些模式包括：一次可编程的ALS和自动断电的一次可编程红外感测，一次可编程的接近感测，可编程的连续ALS感测，可编程的连续红外感测，和可编程的连续接近感测。可编程的一次操作模式大大降低了功耗，因为紧接着的自动关断将整体的供电电流降至0.5μA以下。

　　这些最新一代的重要器件可以在2.5V～3.63V的供电电压下工作，支持硬件和软件中断一直保持断言状态，直到主控制器通过I2C接口清除这些中断，开始进行环境光感测和接近探测。

　　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

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　　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

　　对于一个扁平的表面透镜，视角是塑料或玻璃材料折射率的函数。如果材料的密度更大(折射率更高)，有效的视角就更小，因此低密度的材料会有更大的视角。视窗镜片对光传感器的视角有明确的限制。视窗镜片应当直接放置在传感器的顶部，镜片的厚度应当尽量薄，以减少光强的损失。

　　接近传感的系统算法

　　完成器件选型和设计之后，一个稳定耐用的接近感测系统还需要光学传感器，在各种环境光条件下针对不同的感测物体进行动态自校准。一个优秀的接近感测算法是必不可少的，能够帮助接近感测硬件巧妙地绕开来自不同的机械设计局限和恶劣的周边环境的重重障碍，从而持续、稳定地探测距离。

　　在接近感测系统上采用了各种设计和实施技巧后，就能够得到一个不错的接近感测测试系统，如图8所。环境光和接近感测系统根据特定用户应用的要求进行了优化。在平衡了上述设计折中后，消费者能够对系统的各个方面进行精准地调整，满足应用的要求。

图8，接近传感距离与LED电流驱动强度