探究环境光传感器的原理

传感器技术 2021-10-20 4562

描述

环境光线传感器目前被广泛用于许多LCD显示应用，从消费电子到汽车应用，通过自动调节显示器亮度，它们能够帮助节约设备电池电量。此外，这些传感器在自然日光、荧光和白炽灯等各种光源下都能够出色工作。最近有很多这样的产品发布，而且它们都有一个共同的特性，即这些新开发的环境光线传感器能够匹配人眼的要求，这对于缓解眼睛疲劳非常重要。

环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗。例如，在手机、笔记本、平板电脑等移动应用中，显示器消耗的电量高达电池总电量的30%，采用环境光传感器可以最大限度地延长电池的工作时间。另一方面，环境光传感器有助于显示器提供柔和的画面。当环境亮度较高时，使用环境光传感器的液晶显示器会自动调成高亮度。当外界环境较暗时，显示器就会调成低亮度。。

环境光传感器技术原理

环境光传感系统实现需要三大部分：监测环境光强的光传感器、数据处理装置（通常是微控制器）、控制背光输入电流的执行器。

图1是实施背光控制的系统示范框图。在这套组合中，光传感器是关键的组成部分，因为它要向系统的其他模块提供环境光强信息。光传感器必须具备将光信号转换成电信号的信号转换器（譬如光电二极管或CdS光敏电阻）和信号放大和/或调节装置以及模/数转换器（ADC）。

数据处理

图1. 实施背光控制的系统框图

图2所示为分立光电二极管电路，从图中可以看出，该电路需要一个或多个运算放大器：一个用于电流到电压的转换，可能还需要一级放大，提供附加增益。它还包括一些分支电路，用于供电，确保高度可靠的信号链。而在空间极其宝贵的应用中，所需元件的数量过多可能导致空间受限问题。

数据处理

图2. 光电二极管电路分立设计

这里还存在一个更细微的问题。具体而言，理想情况下，应确保环境光的测量模拟了人眼对光线的响应机制。这通常借助CIE提供的视觉亮度曲线（图3）。然而，光电二极管很少能够完全模拟这种响应机制，因为它们通常具有很高的红外（IR）灵敏度。在IR强度较大的光照条件（譬如白炽灯或日光）下，这种红外灵敏度会造成错误地判断光线强度。

解决上述问题的方法之一是使用两个光电二极管：一个采用对可见光和红外光都很敏感的元件，另一个采用只对红外光敏感的元件。最终用前者的响应值减去后者的响应值，将红外干扰降至最小，获得准确的可见光响应。

环境光传感器的电气特性

1、暗电流小，低照度响应，灵敏度高，电流随光照度增强呈线性变化；

2、内置双敏感元，自动衰减近红外，光谱响应接近人眼函数曲线；

3、内置微信号CMOS放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大，工作电压范围宽，温度稳定性好；

4、可选光学纳米材料封装，可见光透过，紫外线截止、近红外相对衰减，增强了光学滤波效果；

5、符合欧盟RoHS指令，无铅、无镉。

选择环境光传感器的考虑因素

通常有几种方法能够对光进行检测，例如通过使用光电晶体管、光敏电阻或光电二极管来实现，但对于当今应用的总的光感要求而言，基于IC的单片光电二极管是最好的选择之一。

光电二极管是用于探测光并生成电流的半导体，它基于单晶硅片构造而成，与用于生产集成电路的晶体硅片类似。一个典型的传感器应用框架图包括一个光电二极管、一个电流放大器和一个无源低通滤波器，以检测并处理光输入引起的输出电压信号。能够将所有这些器件集成并采用小型封装对于终端用户而言是非常有益的，而且这恰恰就是当前的市场需求。

为应用选择适当光传感器时的另一个重要方面，是要理解对于应用而言，哪项重要规格是最为关键的，最需要关注哪一项。

一般来说，在选择一个光传感器时，需要着重考虑的因素如下：

1、光谱响应/IR抑制：环境光传感器应该仅对400nm至700nm的范围有感应。

2、Lux的最大范围：直射阳光可以多达130，000Lux，但是大多数应用要求最大范围为仅为10，000Lux。

3、低Lux光敏度：根据光传感器位于顶端的镜片的类别，光衰减可以为25-50%。如果低光敏度非常关键（《5Lux），必须注意选择可以在这个范围内工作的光传感器。

集成的信号调节（即放大器和ADC）：一些传感器可能提供非常小的封装，但是却需要一个外部放大器或无源元件来获取所需的输出信号。具有更高集成性的光传感器省去了对于外部元件（ADC、放大器、电阻器、电容器等）的需求。

4、功耗：对于要承受高Lux级（》10，000Lux）的光传感器来说，最好采用一个非线性光到模拟输出光传感器，或一个光到数字输出的光传感器。接下来还将对此进行详细说明。

5、封装大小：对于大多数应用来说，封装都是越小越好。现在可提供的封装为2.0×2.1mm光学DFN，而1.3×1.5mm 4-lead封装则是下一代封装。一旦确定了上述重要规格，需要考虑的下一个问题就是哪类输出信号最有助于目标应用。对于大多数光传感器，最常见的输出为线性输出电流。虽然这适用于一些应用，但现在有更多的可选项，其中包括线性电压输出、数字输出（通过I2C接口）或者非线性电流或电压输出。每种都具有它们的优势，如下所列。

6、线性模拟输出—电流或电压输出：更常见的感应器输出，快速响应时间（数字输出受限于积分时间），在控制器中集成ADC转换器，电压输出省去了对于外加电阻（将电流转换为电压）的需要并提供一个低阻抗输出。电流输出需要在输出添加无源元件来将电流转换为电压、设置传感器的增益范围并根据需要增加低通或高通滤波器。

7、非线性模拟输出——电流或电压输出：允许极弱光敏感度和最大动态范围（高达100 ，000Lux），感测光与人类察觉光的方式更加类似（非线性与线性），电压或电流非线性输出的选择，电压输出为低阻抗而电流输出为高阻抗。

8、数字输出：输出可以直接与控制器相连接（无需ADC），数字输出本身比模拟输出更具有噪声免疫性，允许传感器具有更多的数字功能（即更加智能的光传感器），更易于在通用I2C总线上的网络工作，更易于允许将多个光传感器置于同一个I2C总线上（地址选择引脚），恒定功耗（模拟输出电路损耗与入射光密度成正比）。

环境光传感技术的应用

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。

环境光传感器在汽车中的主要应用

A、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；

B、后座娱乐显示屏的背光控制

C、仪表盘组合仪表的背光

D、自动后视镜调光

E、自动头灯和雨量检测

F、后视摄像机控制

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。

主流环境光传感器及其特性

AMIS-74980x环境光线传感器使用该该公司专有的CMOS图像传感技术，对有发光显示器的设备来说更具设计灵活性也更为经济。对于移动电话、PDA、手持式显示器、LCD监视器、便携式DVD播放器、笔记本电脑、大型液晶显示器和MP3播放器，环境光线传感器都是经济实惠的理想解决方案。还非常适用于汽车应用中的车内影音系统、GPS显示器、前照灯、后视镜和仪表板。

AMIS-74980x是一种模拟/数字输出器件，它能够在3.0伏到3.6伏的电源电压范围、10~100kHz工作频率以及0℃到70℃的温度范围内具有优良的性能。它们在各种光源下均运行良好，包括自然光、荧光、传统白炽灯和卤素灯。此外，它们还有一个重要特点就是其暗电流非常低，这使显示控制器能够在低亮度环境下调节显示器亮度。该系列传感器还提供多种输出选择、编程能力和低功耗。

同样，欧司朗（OSRAM Opto Semiconductors Inc.）推出了据称是第一种用于移动产品的环境光传感器，可精确符合或者模拟人眼灵敏度曲线，使得移动产品的显示器及其亮度水平可做出更为精确的调整。该公司通过利用一种新型材料系统代替传统的硅材料，为这款型号为ALS SFH5711的传感器开发出了“人眼”特点。对数放大器集成电路（IC）使其能够以更大的精度探测更大的照度范围（从3勒克斯到30，000勒克斯以上），而且无需采用各种串联电阻，从而可以使产品设计的尺寸更小、精度更高。

ALS SFH5711也是欧司朗很受欢迎的SFH3410的增强型ChipLED版本。它采用非常小和强壮的表面贴装技术（SMT），可以节省消费应用的成本，同时提供优异的光学性能。ALS SFH5711的频谱灵敏度是560纳米（nm），模拟人眼最敏感的区域。ALS的V（兰姆达）特点代表人眼看见颜色的波长光谱曲线。通过更迅速地自动模拟人眼特点，ALS适合于调节显示器和组件亮度，以在经常变化的照明环境中创造最适宜阅读的条件。

采用2.3~5V的超低电压，该传感器具有电源效率，适合于自然光传感器应用，包括手机、数码相机、笔记本电脑、PDA和手持全球定位系统（GPS）。它们也可以用于汽车应用，根据环境光线来控制前灯的开关。

Avago Technologies（安华高科技）最近宣布也推出两款采用chipLED封装的新型环境亮度传感器产品。APDS-9005（6针脚）与APDS-9006（反向安装4针脚）为采用小型化chipLED环保无铅封装的模拟电流输出型环境亮度传感器（ALPS）产品，尖峰频谱响应在500nm，由ALPS提供的视觉化智能功能可以通过排除紫外光和红外线，能有效仿真人眼的响应范围。APDS-9005支持1.8V到5.5V电源，APDS-9006则支持2.4V到5.5V，两款传感器都可以在-40℃到+85℃的温度范围内工作，此外，器件本身更紧密的安排可以带来更加稳定的信赖度与高性能输出表现。

APDS-9005和APDS-9006环境亮度传感器在设计上紧密贴近人眼对光谱变化的反应曲线，可以大量降低功耗并延长电池使用时间，这些新型传感器适合移动产品与商业性LCD显示背光控制应用，如便携式设备、笔记本电脑、照明管理以及汽车内装等耗用大量电流的背光应用。它同样也可以用于打开或关闭室内和户外照明灯、路灯、电子标志和信号灯等。这些传感器在自然的阳光、荧光、传统的白炽灯和卤素灯等不同的光源下的表现同样出色。

美国凌耀科技股份有限公司（Capella Microsystems）表示，它的Filtron系列环境光度感应器能有效消除笔记本电脑、手机、DVD播放器、PDA、MP3播放器、iPod和GPS等便携式设备中过多的背光，从而延长这些移动产品的电池寿命。这些芯片可以检测到环境中的光度并调节LCD亮度，来符合人眼的要求。

这一系列中的CM3200HS（高灵敏度）、CM3200和CM3000光度感应器由光学滤波器、光电二极管、数字滤波器和9位D/A转换器（能够产生一个因环境光度不同而不同的模拟输出）组成。CM3200HS在0.5Lux到350Lux的环境光度范围下运行，而CM3200则在10Lux到10，000Lux的环境光度范围下运行。CM3000通过一个外置电阻器来设置外置比较仪的阈值，正是这个比较仪产生一个面向所需环境光度范围的开启或关闭输出信号。这一系列光度感应器的电能消耗一般为80微安，关闭状态下小于1nA，电压范围为2.7~5.5V。

凌耀科技表示，背光消耗的电池电量通常大于其它任何功能，新推出的CM3200HS、CM3200和CM3000可以把笔记本电脑的电池寿命最多提高41%，手机电池寿命最多提高100%。除了可以用于便携电子产品以外，Filtron系列产品还可用于控制等离子和LCD电视屏幕及汽车仪表板的亮度。

由于这些芯片贴近人眼的亮度要求，因此还可以降低人眼的疲劳，而且内置的数字滤光器消除了环境中荧光灯的闪烁。该公司声称，由于采用了专有的Filtron光过滤器技术，这些芯片是业内模拟人眼情况最好的产品。Filtron只检测450~650nm的波长。此外，这种光过滤技术据说是首次采用半导体工艺制造，消除了在光电二极管上面旋转塑料滤光器的额外步骤。

这些芯片采用混合信号技术制造，并包含大约7，000个晶体管。CM3200HS和CM3200可采用CMP封装，尺寸为3×4mm；也可以采用OPLGA封装，尺寸为1.8×2.35×1 mm。采用CMP封装时，两种器件1，000个批量的价格都是0.6美元。CM3000也提供上述两种封装，批量为1，000个时，CMP封装的价格是0.55美元。

此外，Vishay Intertechnology推出的环境光传感器TEMT6200F、TEPT5700和TEPT4400，面向高级汽车功能，这些器件可实现液晶显示器（LCD）自动亮度控制，并且支持使汽车驾驶者感到舒适及安全的功能。Vishay推出的这三款器件为设计人员提供了三种封装选择：表面贴装0805（TEMT6200F）、带引线5毫米平顶封装（TEPT5700）或3毫米平顶封装（TEPT4400）。

在汽车应用中，这些感应器将实现自动大灯控制，并可使隧道感应器以及显示器可自动调节，以适应环境亮度的变化。这些感应器提供了简单的双引脚连接，它们将用于通过控制键盘背光来降低消费类电子应用中的功耗，以及调节LCD的亮度。此外，这些感应器还是可替代基于镉的光敏电阻器的环保产品。

编辑：jq

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