首先，探討一下人眼對環境光的視覺反應。人眼對光線的感應靈敏度通常用光譜光視效率(又稱CIE曲線)表示(圖1)。從圖中可以看出，人眼看不到光譜中的紫外線(< 400nm)和紅外線(> 700nm)，此外人眼對綠光(～555nm)最敏感，對藍光和紅光較為不敏感。為此，我們對該靈敏度曲線進行了標準化，將入射光功率密度(單位為μW/cm2)轉換為人眼的靈敏度單位(單位為lux)。波長為555nm時，1 lux相當於大約0.15μW/cm2的光功率密度。

 

圖1. 適光曲線給出了人眼對不同波長光線的視覺反應。人眼對綠光的反應最強，但卻看不到光譜中的紅外(> 700nm)或紫外(< 400nm)部分。

 

製造工藝和技術方麵的挑戰使得低成本環境光傳感器(ALS)很(hen)難(nan)準(zhun)確(que)複(fu)現(xian)人(ren)眼(yan)對(dui)光(guang)線(xian)的(de)視(shi)覺(jiao)反(fan)應(ying)，完(wan)全(quan)絕(jue)對(dui)地(di)抑(yi)製(zhi)紅(hong)外(wai)線(xian)和(he)紫(zi)外(wai)線(xian)也(ye)是(shi)一(yi)大(da)難(nan)題(ti)。由(you)於(yu)常(chang)見(jian)光(guang)源(yuan)的(de)光(guang)譜(pu)非(fei)常(chang)寬(kuan)
，即(ji)使(shi)略(lve)微(wei)偏(pian)離(li)適(shi)光(guang)曲(qu)線(xian)，再(zai)加(jia)上(shang)不(bu)能(neng)完(wan)全(quan)抑(yi)製(zhi)紅(hong)外(wai)線(xian)和(he)紫(zi)外(wai)線(xian)，就(jiu)會(hui)對(dui)環(huan)境(jing)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)造(zao)成(cheng)非(fei)常(chang)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)。

 

實際上
，許多商用照度計均無法準確匹配適光曲線。因此，大多數照度計都定義了一個f1參數，該參數用於說明照度計與光學CIE曲線的匹配程度。經驗不足的用戶在操作商用照度計時還應注意另外一個問題——許多照度計聲稱根據美國國家標準與技術研究院(NIST)的標準進行了校準。然而
，事實上這種聲明隻能說明照度計在采用白熾(A類)光源進行測試時能夠給出正確的讀數，但並不保證非白熾光源的測量精度
，例如熒光燈
、太陽光或LED——盡管此類光源更為常見。事實上，由於白熾光源的能效非常低
，各個國家正在積極推進在日常生活中禁止使用白熾光源。

 

因此
，現今的環境光傳感器均嚐試工作在與光學CIE曲qu線xian無wu法fa完wan全quan匹pi配pei的de情qing況kuang，並bing代dai之zhi以yi采cai用yong疊die加jia原yuan理li來lai計ji算suan環huan境jing光guang亮liang度du。現xian在zai市shi場chang上shang的de大da多duo數shu光guang傳chuan感gan器qi采cai用yong兩liang個ge或huo多duo個ge不bu同tong類lei型xing的de光guang電dian二er極ji管guan
，每mei個ge光guang電dian二er極ji管guan對dui光guang譜pu不bu同tong區qu域yu的de敏min感gan度du不bu同tong。對dui這zhe些xie光guang電dian二er極ji管guan的de輸shu出chu進jin行xing算suan術shu整zheng合he
，並bing對dui每mei個ge光guang電dian二er極ji管guan設she置zhi一yi個ge適shi當dang的de可ke調tiao增zeng益yi，傳chuan感gan器qi即ji可ke較jiao為wei準zhun確que地di測ce量liang常chang見jian環huan境jing光guang源yuan的de亮liang度du。

 

例如
，如果兩個不同類型的光電二極管PD1和PD2zhenduiliangzhongbutongderusheguangyuangeichubutongdedushu，jiukededaomeigeguangdianerjiguandezengyichangshu，congershichuanganqinenggouzailiangzhongguangyuanxiajuntigongzhunquedeguangqiangceliangzhi：

 

光源1 = 增益1 × PD1 + 增益2 × PD2

 

光源2 = 增益1 × PD1 + 增益2 × PD2

 

光電二極管的類型越多，則可精確匹配的光源數量就越多。

 

日常生活中常見光源的光譜區別非常大(圖2)。以住宅和辦公室中的常見光源為例，熒光燈和白熾燈的光譜成分就截然不同——熒光燈的紅外成分極低
，而白熾燈的紅外成分則高得多。因此，大多數環境光傳感器的數據資料都列出了這兩種常見光源的響應特性(圖3)。

 

圖2. 以上曲線為太陽光(左上)
、鹵素/白熾燈(右上)
、熒光燈(左下)和白光LED (右下)的光譜比較。

 

圖3. 大多數環境光傳感器的數據資料都包含典型光靈敏度與照度計讀數(lux)的對應關係。上圖所示為MAX44009環境光傳感器的響應曲線。

 

 

人眼對光照條件的敏感範圍很寬。在黑暗的環境中(可能需要數分鍾的時間以適應這種條件)，人眼能夠檢測到低至10-4 lux的亮度水平。在另一個極端環境下
，即使亮度高達108 lux
，人眼也能感知到黑暗。

 

人們在日常生活中常見的典型環境亮度通常要窄得多
，從夜間室外的0.1 lux到辦公室照明的300 lux

，再到太陽光下的100,000 lux。大多數便攜設備隻需準確檢測5 lux到大約1000 luxdehuanjingguangqiangdu。shijiyingyongzhong
，bianxieshebeixianshipingdebeiguangxiaoguobingbunenggouyutaiyangguangdeqiangduwanquanyizhi
，dangguangqiangdadaomougejiaodidengjishi

，xianshipingjikaishijiandandiweichizaizuidibeiguangliangdu。

 

值得注意的是，人眼對亮度的感知呈對數關係(類似於人耳對聲音的靈敏度)。光強增加幾乎10倍，而人眼隻能感知到兩倍的亮度變化。可以用一個類似的傳遞函數表示顯示屏背光亮度百分比與相對環境光強的對應關係，如圖4中的線性和對數曲線所示。

 

圖4a. 該線性曲線給出了背光強度與相對光強的對應關係。黑線為理想對數曲線，藍線采用折線近似法，更適於用微控製器代碼實現。

 

圖4b. 這些曲線為采用對數坐標表示相對光強時的圖4a中的線性數據。黑線為理想對數曲線
，藍線采用折線近似法，更適於用微控製器代碼實現。

 

由此可見
，在較低等級光強下
，需要較高的亮度測量分辨率

；在(zai)較(jiao)高(gao)等(deng)級(ji)的(de)光(guang)強(qiang)下(xia)
，采(cai)用(yong)一(yi)般(ban)的(de)分(fen)辨(bian)率(lv)就(jiu)足(zu)夠(gou)了(le)。實(shi)現(xian)這(zhe)一(yi)機(ji)製(zhi)的(de)最(zui)簡(jian)單(dan)方(fang)法(fa)是(shi)采(cai)用(yong)具(ju)有(you)前(qian)端(duan)可(ke)編(bian)程(cheng)增(zeng)益(yi)的(de)高(gao)分(fen)辨(bian)率(lv)轉(zhuan)換(huan)器(qi)，從(cong)而(er)平(ping)衡(heng)強(qiang)光(guang)下(xia)對(dui)寬(kuan)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)的(de)要(yao)求(qiu)，以(yi)及(ji)亮(liang)度(du)較(jiao)低(di)時(shi)對(dui)高(gao)靈(ling)敏(min)度(du)的(de)要(yao)求(qiu)。

 

MAX44009與其它數字光傳感器不同，它采用了片內自動量程調節機製。這種調節方法能夠使IC自動實現22位動態範圍測量，無需微控製器重新配置寄存器，從而提高了編碼效率。此外


，對測量結果進行壓縮，並以12位格式表示，從而為光測量提供了一個偽對數步長。以MAX44009為例，器件采用4位指數和8位尾數表示22位動態範圍
，低亮度條件下的分辨率可達0.045 lux/計數，環境光亮度較高時具有更高的計數值。

 

 

現代化電子設備的外觀和質感

，也就是其工業設計，與它們所提供的特性和功能同樣重要。用戶已經將現代化便攜設備視為一種“身份”的(de)象(xiang)征(zheng)。例(li)如(ru)
，環(huan)境(jing)光(guang)傳(chuan)感(gan)器(qi)對(dui)設(she)備(bei)非(fei)常(chang)重(zhong)要(yao)，但(dan)是(shi)現(xian)在(zai)將(jiang)這(zhe)些(xie)傳(chuan)感(gan)器(qi)隱(yin)藏(zang)起(qi)來(lai)使(shi)用(yong)戶(hu)不(bu)可(ke)見(jian)已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)一(yi)種(zhong)標(biao)準(zhun)做(zuo)法(fa)，從(cong)而(er)不(bu)影(ying)響(xiang)產(chan)品(pin)的(de)外(wai)觀(guan)和(he)質(zhi)感(gan)。

 

對於玻璃麵板
，通常在傳感器開口處加一層薄薄的黑色油墨(吸收幾乎所有的入射光)，將其“遮蓋”起來。少量光線透過油墨
，到達光傳感器，既能夠進行環境光測量，同時又使麵板保持有光滑、平整的黑色邊框(圖5)。

 

圖5. 典型的平板電腦設計，LCD顯示屏周圍采用黑色邊框麵板。用戶看不到隱藏在其後的環境光傳感器。

 

不bu幸xing的de是shi，這zhe層ceng黑hei色se油you墨mo在zai很hen大da程cheng度du上shang影ying響xiang了le光guang傳chuan感gan器qi的de正zheng常chang工gong作zuo
，不bu僅jin減jian弱ruo了le到dao達da傳chuan感gan器qi的de光guang強qiang，而er且qie還hai改gai變bian了le光guang譜pu。首shou先xian，討tao論lun光guang衰shuai減jian問wen題ti。大da多duo數shu黑hei色se油you墨mo僅jin允yun許xu2%至10%的可見光穿過
，5 lux的外部光源到達傳感器時僅剩0.1 lux！因此
，要求光傳感器具備較高的靈敏度。其次

，雖然隻有2%至10%的可見光能夠穿透油墨，但幾乎全部的入射紅外輻射均能夠穿透油墨到達傳感器，從而造成了光譜的改變(圖6)。

 

圖6. 上圖為目前商用電子設備中黑色油墨的典型光譜特性
，表示了入射光透射百分比與波長的關係。

 

不bu均jun勻yun的de光guang譜pu透tou射she特te性xing使shi得de目mu前qian大da多duo數shu光guang傳chuan感gan器qi必bi須xu重zhong新xin校xiao準zhun，以yi便bian在zai被bei置zhi於yu黑hei色se油you墨mo下xia方fang時shi仍reng能neng獲huo得de準zhun確que的de環huan境jing光guang測ce量liang讀du數shu
，也ye因yin此ci需xu要yao重zhong新xin調tiao節jie適shi用yong於yu無wu黑hei色se油you墨mo條tiao件jian下xia精jing確que光guang測ce量liang的de工gong廠chang設she置zhi。正zheng因yin為wei如ru此ci，MAX44007環境光傳感器允許操作多個內部光電二極管。這種靈活性使用戶能夠針對大多數應用調節和重新校準傳感器響應特性。MAX44007的靈敏度為0.025 lux/LSB。

 

 

daduoshuyingyongbuxuyaoshishigaibianxianshipingbeiguangqiangdu
，qimudeshifangzhixiangyingzaosheng

，lirulveguodeyinying。xiangbizhixia，kuaisuxiangyinghuanjingguangdeyizhibianhuanenggoushiyonghulianguandishiyongshebei，wuxufenxinweilegaishanxianshixiaoguoertiaojiexianshipingliangdu。ciwai，zaigujianzhongbuduanlunxunguangchuanganqi(以檢查環境光強度是否發生變化)和噪聲抑製電路對應用軟件資源來說也是一種負擔。這會增加微控製器處理負荷，進而延緩對用戶命令的響應速度
，並增大功耗。

 

因此，目前的光傳感器都配備了一個強大的功能——中(zhong)斷(duan)引(yin)腳(jiao)。傳(chuan)感(gan)器(qi)持(chi)續(xu)比(bi)較(jiao)環(huan)境(jing)光(guang)測(ce)量(liang)值(zhi)與(yu)內(nei)部(bu)可(ke)編(bian)程(cheng)窗(chuang)口(kou)門(men)限(xian)，並(bing)在(zai)光(guang)強(qiang)超(chao)出(chu)門(men)限(xian)時(shi)觸(chu)發(fa)一(yi)個(ge)中(zhong)斷(duan)，從(cong)而(er)向(xiang)主(zhu)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)報(bao)告(gao)光(guang)照(zhao)條(tiao)件(jian)發(fa)生(sheng)了(le)實(shi)質(zhi)性(xing)變(bian)化(hua)。通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)一(yi)個(ge)定(ding)時(shi)器(qi)
，定(ding)時(shi)器(qi)超(chao)時(shi)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)才(cai)向(xiang)主(zhu)控(kong)製(zhi)器(qi)報(bao)告(gao)中(zhong)斷(duan)，以(yi)避(bi)免(mian)環(huan)境(jing)光(guang)信(xin)號(hao)中(zhong)的(de)噪(zao)聲(sheng)和(he)短(duan)時(shi)波(bo)動(dong)引(yin)起(qi)誤(wu)操(cao)作(zuo)。

 

中(zhong)斷(duan)引(yin)腳(jiao)使(shi)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)應(ying)用(yong)變(bian)得(de)更(geng)為(wei)智(zhi)能(neng)
，隻(zhi)有(you)在(zai)需(xu)要(yao)操(cao)作(zuo)時(shi)才(cai)向(xiang)主(zhu)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)發(fa)出(chu)請(qing)求(qiu)。這(zhe)樣(yang)一(yi)來(lai)，主(zhu)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)的(de)資(zi)源(yuan)就(jiu)能(neng)夠(gou)分(fen)配(pei)給(gei)其(qi)它(ta)任(ren)務(wu)，或(huo)者(zhe)微(wei)控(kong)製(zhi)器(qi)可(ke)維(wei)持(chi)在(zai)低(di)功(gong)耗(hao)等(deng)待(dai)狀(zhuang)態(tai)，從(cong)而(er)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)壽(shou)命(ming)。典(dian)型(xing)應(ying)用(yong)電(dian)路(lu)(圖7)給出了中斷引腳的使用方法。需要注意的是

，該引腳的開漏連接允許“線或”連接至多個器件和信號源。

 

圖7. 多點I2C總線上的環境光傳感器典型應用電路，顯示了中斷引腳與主微控製器的連接方式。

 

 

本文概述了目前便攜設備的光傳感器設計中常見的應用注意事項。在開發早期確定方案，與IC供應商緊密合作
，可確保係統的靈活性和可靠性。

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