隨著近年來在半導(dǎo)體模擬傳感器和封裝上的進步，現(xiàn)在的最終用戶在光傳感器上有了更廣的選擇余地,。今天,，設(shè)計者在消費類產(chǎn)品、汽車,、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用中使用了比以往更多的光傳感器,。這主要有幾個原因,，包括改進的適光響應(yīng)、小占位,、低功耗,、高集成度和易用。通常根據(jù)設(shè)計者和應(yīng)用所需要的功能性,、性能和環(huán)境功能性進行具體的選型,。
有幾個關(guān)鍵的技術(shù)因素可以幫助用戶和設(shè)計者決定如何選擇一款環(huán)境光傳感器。首先,，傳感器的輸出必須和光強成線性關(guān)系,，光譜波長敏感度應(yīng)該非常接近人眼。另外,，器件的輸出應(yīng)該直接和照射在集成的光敏二極管上的光強成正比,，540nm的峰值響應(yīng)接近人眼的峰值敏感度。大多數(shù)光傳感器都能夠感測到380nm～770nm的環(huán)境光,。
現(xiàn)在,，多數(shù)應(yīng)用的一個設(shè)計出發(fā)點是延長電池壽命,。節(jié)約能量的新辦法包括：確保優(yōu)化的亮度管理,，連同使用改進的光敏電阻和/或光敏二極管，這些器件的線性度更差,，通常要使用附加的放大器,。
現(xiàn)在有很多種不同類型的環(huán)境光傳感器能夠提供這些好處，包括模擬和數(shù)字輸出的傳感器,、超低功耗版本,、非線性版本，以及下一代低功耗,、超低亮度的版本,。目前最好的數(shù)字產(chǎn)品的光敏感度可以低至0.015Lux以下，動態(tài)范圍高達(dá)64,000 Lux,，所需的工作電流小于65mA,。這些產(chǎn)品還具有理想的光譜響應(yīng)和低誤差光輸出變化，并利用數(shù)學(xué)算法簡化使用,。市場上還出現(xiàn)了一些新型數(shù)字光傳感器,，從目前看，數(shù)字光傳感器是解決性能和靈活性問題的好辦法,，尤其是在汽車應(yīng)用當(dāng)中,，因為在汽車中使用的I2C數(shù)字輸出信號提供了更低的噪聲，能夠在同一條總線上將數(shù)個傳感器組網(wǎng),，很好地控制傳感器的特性,，還具有良好的總體性能,。
做為技術(shù)上的全球領(lǐng)導(dǎo)者，Intersil不斷擴大光傳感器家族,，并提供各種型號的產(chǎn)品,。Intersil對ISL29000系列產(chǎn)品進行了持續(xù)的增強和改進，功耗非常低,，為所有應(yīng)用提供了最佳的性能,。最近，Intersil發(fā)布了采用接近感測的ALS技術(shù)
光源
不同的光源具有不同的光譜特性,，使用者在做產(chǎn)品選型時,，需要了解這些特性。例如,，日光的光譜響應(yīng)非常寬,，大約有50%的光譜落在紅外區(qū)間?；跓艚z的光源,，如白熾燈和鹵素?zé)簦灿泻芨叩募t外輻射,。
舉例來說,，把光譜響應(yīng)做為選擇合適的光傳感器的準(zhǔn)則。普通的PIN光敏二極管(無論是無源的或有源的)本身就有很寬的光譜響應(yīng)區(qū)間,，從紫外(UV)一直到紅外(IR),。如果目的是設(shè)計一個只檢測可見光的環(huán)境光傳感器，這些器件就不適用了,，更何況紅外和紫外器件了,。因此，一個只“看見”可見光(380nm～770nm),，并能減小多余的紅外和紫外信號的光傳感器是最佳選擇,，例如ISL29020和ISL29023。
在下面的圖1中,，顯示了如何利用ISL29023測量不同的光源,。值得注意的是，在寬動態(tài)范圍內(nèi),，測量曲線與理想讀數(shù)線(虛線)之間的誤差很小,。如果我們想使用對紅外線特別敏感的傳感器，上面的圖會顯示,，測量曲線與理想讀數(shù)線有更大的偏離誤差,。(插入圖1)
要點在于：即便不是全部，至少大多數(shù)應(yīng)用都對光傳感器有所要求,，即準(zhǔn)確測量人眼能夠看見的可見光,，減弱帶有大量紅外和紫外成分的光線,。
光傳感器應(yīng)用-首先是PC機、電話,、PDA和新型汽車
下面是光傳感器在在不同的市場和應(yīng)用當(dāng)中的基本情況,。從智能手機、PDA,、筆記本電腦,、便攜式音樂播放器到類似的其他產(chǎn)品，光傳感器在便攜式消費類市場上所處可見,。光傳感器還被廣泛用在消費類電視機市場(TFT-LCD,、等離子、背投和CRT電視),，以及醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中?，F(xiàn)在，制造商正在開發(fā)針對汽車市場的新一代系統(tǒng),，并已經(jīng)投入使用,。
圍繞汽車工作環(huán)境，本文就設(shè)計問題和傳感器的效用給出了全景式的介紹,。光傳感器的主要應(yīng)用如下：
信息娛樂/導(dǎo)航/DVD系統(tǒng)的背光控制控制,，以便在各種環(huán)境光條件下顯示理想的亮度
后座娛樂顯示屏的背光控制
儀表盤組合儀表的背光(速度計，轉(zhuǎn)速表等)
自動后視鏡調(diào)光(通常需要兩個傳感器,，一個朝前,，一個朝后)
自動頭燈和雨量檢測(特定應(yīng)用,，根據(jù)需求而變)
后視攝像機控制(特定應(yīng)用,，根據(jù)用戶需求而變)
由于汽車需要在各種環(huán)境光條件下均具有完美的背光照明，因此憑借類似人眼的感測功能,，光傳感器已經(jīng)成為實現(xiàn)更舒適顯示質(zhì)量的最有效解決方案之一,，能夠滿足汽車的安全性和舒適性標(biāo)準(zhǔn)。
例如在白天,，用戶需要將亮度加到最大,，達(dá)到最好的可視效果。但是這種亮度在晚間就顯得太亮了,，因此一個具有有效的光譜響應(yīng)(良好的紅外減弱),、動態(tài)范圍和整體輸出信號調(diào)理的光傳感器很容易適應(yīng)這種應(yīng)用。用戶可以設(shè)定幾個閾值,，如低,、中或亮光，或是讓傳感器動態(tài)地改變背光的亮度,。
在汽車后視鏡調(diào)光中也采用了同樣的控制方法,。當(dāng)周圍環(huán)境變暗或在后視鏡中出現(xiàn)亮光時,，采用智能調(diào)光管理是再合適不過了。
對于便攜式應(yīng)用,，一個典型的顯示屏?xí)耐瑯佣嗟哪芰?，直到使用者改變系統(tǒng)設(shè)定，這通常是亮度控制,。在戶外等非常亮的地方,，使用者會提高顯示屏的亮度，這會增加系統(tǒng)功耗,。當(dāng)環(huán)境改變時,，如進入建筑物內(nèi)，大多數(shù)使用者并不會改變設(shè)定,，導(dǎo)致系統(tǒng)仍然處于高功耗狀態(tài),。利用光傳感器，系統(tǒng)能夠自動探測環(huán)境狀況的變化,，把顯示屏調(diào)整到最佳的亮度,，減少整體的能量消耗。在一般的消費類應(yīng)用中,，利用環(huán)境光傳感器反饋實現(xiàn)自動亮度控制,，還能夠大大延長智能手機、筆記本電腦,、PDA和數(shù)碼相機的電池壽命,。這種控制是很有用的，因為最近的研究顯示,，在一個筆記本電腦中,，顯示背光所消耗的電池電量要占到33%。
感測環(huán)境光并不是一個新想法,，但與光敏二極管不同的是,，用傳感器感測環(huán)境光的同時，能夠減弱多余的紅外光和紫外光,，而且是在一個非常小尺寸的封裝內(nèi)提供這些功能,，同時支持汽車標(biāo)準(zhǔn)AEC (Q-100)的嚴(yán)格要求，確保器件在-40℃～+105℃溫度范圍可靠工作,，并滿足其他標(biāo)準(zhǔn)的要求,。
要滿足AEC(Q-100) Grade 2對溫度的要求，還有一些光學(xué)方面的難題要解決,。任何光傳感器,、LED發(fā)射器或接收器，在連續(xù)高溫下(>85℃),，都會碰到封裝變色的問題(即變得不透明或發(fā)黃),。這個問題在標(biāo)準(zhǔn)IC封裝的系統(tǒng)中并不常見,，因此如果采用+125℃的擴展溫度黑色模具化合物來使系統(tǒng)更穩(wěn)定。
到目前為止,，所有涉及的環(huán)境光傳感器應(yīng)用都是在汽車駕駛倉內(nèi),，還沒有涉及在引擎?zhèn)}或車外環(huán)境中的應(yīng)用。即便有這樣的應(yīng)用,，光學(xué)封裝也不是針對這樣嚴(yán)酷的環(huán)境(+125℃或+150℃)而設(shè)計的,，因此在目前的光學(xué)封裝技術(shù)下，這些光傳感器很可能無法經(jīng)受這樣的環(huán)境,。
在選擇器件時,，要根據(jù)設(shè)計者需要什么樣的功能、性能和環(huán)境功能而定,。使用數(shù)字輸出的光傳感器,，設(shè)定過程就會變得相當(dāng)簡單明了。
數(shù)字輸出光傳感器的內(nèi)在優(yōu)勢包括高耐噪聲能力,、可通過I2C總線存取數(shù)據(jù),、可對傳感器編程，還有其他諸多特性,，使這些多功能產(chǎn)品成為很多工程師的選擇,。ISL29011的功能框圖(如下面的圖2所示)顯示，把該器件設(shè)計到任何系統(tǒng)當(dāng)中都是很簡單容易的,，而且系統(tǒng)還能從精確,、高度可編程的環(huán)境光傳感器獲得不少益處。
在ISL29000系列當(dāng)中,，ISL29011采用了最新和最先進的技術(shù),。該器件是集成的環(huán)境和紅外光至數(shù)字轉(zhuǎn)換器，帶有內(nèi)置的紅外LED驅(qū)動器和I2C接口(兼容SMBus),。器件提供了環(huán)境光感測功能,，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的背光/顯示屏亮度控制,，帶有中斷功能的紅外感測可實現(xiàn)接近估計,。(接近感測是一項重要功能，下面將討論更多的細(xì)節(jié)內(nèi)容)
為了進行環(huán)境光感測,，傳感器內(nèi)部的ADC采用電荷平衡A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)進行設(shè)計,。ADC的標(biāo)稱轉(zhuǎn)換時間是90ms，用戶可以根據(jù)振蕩器的頻率和ADC的分辨率,，在11μs～90ms區(qū)間內(nèi)進行調(diào)整,。ADC能夠抑制由人工光源產(chǎn)生的50Hz和60Hz閃爍噪聲。照度范圍選擇功能使用戶可以對照度范圍進行編程,，以優(yōu)化每勒克斯的計數(shù)值,。
對于接近感測,，當(dāng)內(nèi)部的紅外LED驅(qū)動器在用戶選定的調(diào)制頻率下，按照編程設(shè)定的時間周期關(guān)閉和開啟,，驅(qū)動外部的紅外LED時,，ADC會將來自光敏二極管陣列的輸出信號數(shù)字化。由于接近傳感器采用了噪聲消除機制,，可大幅抑制多余的紅外噪聲,，接近感測的數(shù)字輸出隨距離的增加而減小。驅(qū)動器的輸出電流是用戶可選的,，最高可達(dá)100mA,，能夠驅(qū)動不同類型的紅外發(fā)射LED。
最好的帶有接近感測功能的環(huán)境光傳感器提供了6種不同的工作模式,，可以通過I2C接口進行選擇,。這些模式包括：一次可編程的ALS和自動斷電的一次可編程紅外感測，一次可編程的接近感測,，可編程的連續(xù)ALS感測,，可編程的連續(xù)紅外感測，和可編程的連續(xù)接近感測,?？删幊痰囊淮尾僮髂Ｊ酱蟠蠼档土斯模驗榫o接著的自動關(guān)斷將整體的供電電流降至0.5μA以下,。
這些最新一代的重要器件可以在2.5V～3.63V的供電電壓下工作,，支持硬件和軟件中斷一直保持?jǐn)嘌誀顟B(tài)，直到主控制器通過I2C接口清除這些中斷,，開始進行環(huán)境光感測和接近探測,。
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，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(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