將環(huán)境光傳感器添加到平板電腦、智能手機和筆記本電腦等便攜式設備可延長電池壽命，并實現(xiàn)針對環(huán)境優(yōu)化的易于查看的顯示器。本討論涵蓋了在便攜式設備中使用此類傳感器時出現(xiàn)的各種問題。

介紹

在當今日益互聯(lián)的世界中，大多數(shù)便攜式設備都帶有允許用戶訪問和使用視頻和互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的顯示屏。對功耗和觀看舒適度的擔憂導致許多這些設備都包含環(huán)境光傳感器，以使設備能夠感知其周圍環(huán)境。在昏暗的環(huán)境中，顯示器背光可以回撥以節(jié)省電池電量，而在明亮的環(huán)境中，增強字體和背景的使用可以通過使設備更具可讀性來改善使用。本說明討論了在設計帶有環(huán)境光傳感器的產(chǎn)品時要記住的一些應用注意事項。

光測量的光譜靈敏度

首先，考慮人眼對環(huán)境光的看法。我們的眼睛對光的敏感性通常用明視曲線來描述，也稱為CIE曲線（圖1）。它表明人眼對光譜的紫外（<400nm）和紅外（>700nm）部分的波長視而不見。它還表明眼睛對綠光（~555nm）最敏感，對藍色和紅色波長不太敏感。因此，我們使用該靈敏度曲線的歸一化版本來轉(zhuǎn)換入射光功率密度（以μW/cm為單位指定）2） 到人眼的感光度單位（以勒克斯為單位）。在555nm處，1勒克斯相當于約0.15μW/cm2的光功率強度。

圖1.明視曲線顯示了眼睛對不同波長光的反應。綠光在眼睛中產(chǎn)生最大的響應，但眼睛無法看到光譜的紅外（>700nm）或紫外線（<400nm）部分的光。

制造和技術帶來的挑戰(zhàn)使得實用的低成本環(huán)境光傳感器（ALS）難以精確復制該光譜。也很難絕對徹底地拒絕紅外和紫外線輻射。由于普通光源中的光譜含量較寬，即使與明視曲線的輕微偏差，再加上不完全的紅外和紫外線抑制，也會對環(huán)境光傳感器的亮度測量精度產(chǎn)生重大影響。

事實上，許多市售照度計很難與明視曲線完全匹配。因此，大多數(shù)照度計都指定了一個稱為?1'的參數(shù)，該參數(shù)通常用于表示照度計與明視CIE曲線的匹配程度。沒有經(jīng)驗的用戶在處理商用照度計時還應該記住另一個問題——許多電表聲稱已按照可追溯到美國國家標準與技術研究院 （NIST） 的標準進行校準。然而，實際上，這種說法只是斷言，當使用白熾燈（A型）光源進行測試時，照度計會給出正確的讀數(shù)。不保證非白熾光源（如熒光燈、陽光或 LED）的照度測量的準確性，即使此類光源更為常見。事實上，世界正朝著禁止在日常生活中使用白熾光源的方向發(fā)展，因為它們的能源效率很低。

因此，現(xiàn)代環(huán)境光傳感器試圖忍受與明視CIE曲線的不完全匹配，而是使用疊加原理來計算環(huán)境光亮度。當今市場上的大多數(shù)光傳感器使用兩種或多種不同類型的光電二極管，每種光電二極管對光譜的不同部分敏感。通過數(shù)學方式組合這些光電二極管輸出，每個輸出都具有適當調(diào)整的增益，可以使傳感器輸出相當精確的常用光源的環(huán)境亮度測量值。

例如，如果兩種光電二極管類型PD1和PD2為兩個入射光源提供不同的讀數(shù)，則可以為每個光電二極管推導出一個增益常數(shù)，以便傳感器為兩個光源提供準確的照度讀數(shù)：

光源 1 = 增益 1 × PD1 + 增益 2 × PD2
光源 2 = 增益 1 × PD1 + 增益 2 × PD2

光電二極管類型越多，可以緊密匹配的光源數(shù)量就越多。

日常生活中發(fā)現(xiàn)的光源光譜差異很大（圖2）。在家庭和辦公室中常見的光源中，熒光燈和白熾燈被認為是極端的，一種紅外含量很少，另一種紅外含量很高。因此，大多數(shù)環(huán)境光傳感器的數(shù)據(jù)手冊顯示了比較這兩種常見光源的響應（圖 3）。

圖2.這些圖比較了太陽光（左上）、鹵素燈/白熾燈（右上）、熒光燈（左下）和白光 LED（右下）的光譜。

圖3.大多數(shù)環(huán)境光傳感器的數(shù)據(jù)手冊包括典型感光度與以勒克斯為單位的儀表讀數(shù)的關系圖。圖中顯示了MAX44009環(huán)境光傳感器的響應。

光測量的動態(tài)范圍

人眼對各種光線條件都很敏感。當光線調(diào)整到黑暗環(huán)境時（可能需要幾分鐘才能適應這種情況），眼睛可以檢測到低至10的亮度水平-4勒克斯。在天平的另一端，即使在10點明亮的環(huán)境中，眼睛也有一些黑暗感。8勒克斯。

人們在現(xiàn)實生活中遇到的典型環(huán)境亮度通常要窄得多，范圍從夜間戶外的0.1勒克斯到辦公室照明的300勒克斯，再到明亮陽光下的100，000勒克斯。大多數(shù)便攜式設備只需要準確檢測5勒克斯至約1000勒克斯的環(huán)境光強度。便攜式顯示器背光無法真正與太陽的能量競爭，對于低于一定水平的光環(huán)境，顯示器只是簡單地保持在最低亮度。

請注意，人眼對亮度的感知是對數(shù)的（類似于耳朵對聲音的敏感性）。勒克斯水平必須增加近 10 倍，眼睛才會感覺到它的亮度是原來的兩倍。然后，類似的傳遞函數(shù)將顯示器背光亮度的理想百分比與相對環(huán)境照度相關聯(lián)，如圖4的線性和對數(shù)圖所示。

圖 4a.此線性圖顯示了背光強度與提供的相對勒克斯的關系。黑線是理想的對數(shù)曲線，藍線是更適合使用微控制器代碼實現(xiàn)的分段線性近似。

圖 4b.這些曲線使用相對照度的對數(shù)刻度表示圖4a的線性數(shù)據(jù)。黑線是理想的對數(shù)曲線，藍線是更適合使用微控制器代碼實現(xiàn)的分段線性近似。

因此，低光測量需要精細分辨率，而高照度測量則需要大分辨率。實現(xiàn)此方案的最簡單方法可能是使用具有前端可編程增益的高分辨率轉(zhuǎn)換器，這允許人們平衡高端大動態(tài)范圍和低端測量的高靈敏度要求。

MAX44009與其他數(shù)字光傳感器的不同之處在于它包含片內(nèi)自動量程方案。該方案允許IC自動進行22位動態(tài)范圍測量，從而提高代碼效率，而無需微控制器重新配置寄存器。此外，這些測量值被壓縮并以 12 位格式表示，實際上為光測量提供了偽對數(shù)步長。例如，MAX44009使用4位指數(shù)和8位尾數(shù)表示22位動態(tài)范圍，在低光照水平下提供0.045 lux/計數(shù)的分辨率，在較高水平的環(huán)境光下提供更高的計數(shù)尺寸。

黑色玻璃的效果

現(xiàn)代電子設備的外觀和感覺（工業(yè)設計）現(xiàn)在與它們提供的特性和功能一樣重要?？蛻粢呀?jīng)開始將現(xiàn)代便攜式設備視為“他們是誰”的代表。例如，環(huán)境光傳感器對設備很重要，但現(xiàn)在必須將這些傳感器隱藏在視線之外，以免分散用戶對產(chǎn)品外觀和感覺的注意力。

對于玻璃面板，這種“遮蓋”通常是通過在傳感器開口處涂上一層薄薄的黑色墨水（吸收幾乎所有入射光）來實現(xiàn)的。然后，通過墨水的少量光到達光傳感器，從而實現(xiàn)環(huán)境光測量，同時允許面板保持光滑且不間斷的黑色邊框（圖 5）。

圖5.典型的平板電腦設計顯示了在LCD顯示屏周圍使用黑色邊框面板。環(huán)境光傳感器的存在隱藏在用戶的視野之外。

不幸的是，這種黑色墨水對光傳感器的正常運行具有重要意義。它不僅會衰減到達傳感器的光量，還會改變該光的光譜。首先，考慮光衰減問題。大多數(shù)黑色墨水只允許2%到10%的可見光通過，因此5勒克斯的外部光在傳感器上只能變成0.1勒克斯！因此，光傳感器需要高靈敏度。其次，光譜的變化使得雖然只有2%至10%的可見光穿過墨水，但它幾乎所有入射紅外輻射都通過傳感器（圖6）。

圖6.這種典型的光譜分布特征了當今商業(yè)電子設備中發(fā)現(xiàn)的黑色墨水，顯示了入射光的透射百分比與波長。

不均勻的光譜透射曲線提出了額外的要求，即大多數(shù)現(xiàn)代光傳感器在黑色墨水下放置時需要重新校準以獲得環(huán)境照度的準確讀數(shù)。因此，在沒有黑色墨水的情況下為精確測量光而選擇的任何出廠設置都需要重新調(diào)整。因此，MAX44007環(huán)境光傳感器允許訪問多個內(nèi)部光電二極管。這種靈活性使用戶能夠針對大多數(shù)應用定制和重新校準傳感器響應。MAX44007的靈敏度為0.025 lux/LSB。

在光傳感器中使用中斷引腳

大多數(shù)應用不需要實時改變顯示器背光強度，其目的是防止對雜散噪聲（如傳遞陰影）的響應。相比之下，對環(huán)境光的持續(xù)變化的快速響應使用戶能夠保持與設備的完全互動，而不會因調(diào)整顯示器亮度以提高可讀性而分心。另請注意，光傳感器的連續(xù)輪詢（以檢查環(huán)境電平是否發(fā)生變化）和在固件中實現(xiàn)噪聲抑制會給應用程序的軟件資源帶來負擔。它減慢了對用戶命令的響應，并且由于微控制器處理的增加而增加了功耗。

因此，現(xiàn)代光傳感器配備了一個強大的功能——中斷引腳。傳感器不斷將環(huán)境光讀數(shù)與內(nèi)部可編程窗口閾值進行比較，并在光照水平超過這些閾值時生成中斷，從而提醒主機微控制器光線條件確實發(fā)生了變化。在將中斷實際標記到主機之前，使用持久計時器來消除由于環(huán)境光中虛假、持續(xù)時間短的波動而導致的錯誤觸發(fā)。

使用中斷引腳使傳感器變得智能，并且僅在需要操作時才要求主機干預。然后，主機微控制器的處理資源可以專用于其他任務，或者微控制器可以通過保持低功耗等待狀態(tài)來延長電池壽命。典型的應用電路（圖7）演示了中斷引腳的使用。請注意，與該引腳的漏極開路連接允許與多個器件和電源進行接線或連接。

圖7.此典型應用電路適用于多點 I 上的環(huán)境光傳感器2C 總線顯示中斷引腳與主機微控制器的連接。

結(jié)論

本文概述了在為現(xiàn)代便攜式設備設計光傳感器時經(jīng)常遇到的一些應用注意事項。在開發(fā)初期建立時，與IC供應商的密切合作可以確保系統(tǒng)靈活可靠。

審核編輯：郭婷