如何選擇一款環(huán)境光傳感器

　　環(huán)境光感測的基本光學技術

　　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，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

　　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)學處理實現(xiàn)的，通常需要兩個部件來構成光學前端：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。通過片上的信號調理和模數(shù)轉換，數(shù)字化的紅外信號就可以送到微處理器進行后處理，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。本文簡述了基本的光學原理、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，例如手機、PDA、筆記本電腦和各種消費類電子產(chǎn)品。

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

　　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)非常復雜的控制，或是調整設定，進一步提高以功耗來衡量的系統(tǒng)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，接聽來電時，一部配備了傳感器的手機就可以關閉屏幕，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)回送到默認的基線計數(shù)器里。當感測物體出現(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的設計經(jīng)過不斷演進，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(shù)字數(shù)據(jù)流，由微控制器對數(shù)據(jù)進行后處理，用于實現(xiàn)不同的應用目標。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(tǒng)算法

　　完成器件選型和設計之后，一個穩(wěn)定耐用的接近感測系統(tǒng)還需要光學傳感器，在各種環(huán)境光條件下針對不同的感測物體進行動態(tài)自校準。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)特定用戶應用的要求進行了優(yōu)化。在平衡了上述設計折中后，消費者能夠對系統(tǒng)的各個方面進行精準地調整，滿足應用的要求。

　　圖8，接近傳感距離與LED電流驅動強度