隨著近年來在半導(dǎo)體模擬傳感器和封裝上的進(jìn)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(jì)者在消費(fèi)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(gè)原因，包括改進(jìn)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(jì)者和應(yīng)用所需要的功能性、性能和環(huán)境功能性進(jìn)行具體的選型。
有幾個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)因素可以幫助用戶和設(shè)計(jì)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(qiáng)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(qiáng)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(gè)設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)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(jìn)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(dòng)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?yàn)樵谄囍惺褂玫腎2C數(shù)字輸出信號(hào)提供了更低的噪聲，能夠在同一條總線上將數(shù)個(gè)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(kuò)大光傳感器家族，并提供各種型號(hào)的產(chǎn)品。Intersil對ISL29000系列產(chǎn)品進(jìn)行了持續(xù)的增強(qiáng)和改進(jìn)，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)。(在文章結(jié)尾處給出了最新的產(chǎn)品型號(hào))
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(shí)，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。基于燈絲的光源，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(jì)一個(gè)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(gè)只“看見”可見光(380nm～770nm)，并能減小多余的紅外和紫外信號(hào)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(dòng)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(huì)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(diǎn)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(jī)、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(jī)、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(fèi)類市場上所處可見。光傳感器還被廣泛用在消費(fèi)類電視機(jī)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。現(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(jì)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(jì)，轉(zhuǎn)速表等）
自動(dòng)后視鏡調(diào)光(通常需要兩個(gè)傳感器，一個(gè)朝前，一個(gè)朝后)
自動(dòng)頭燈和雨量檢測(特定應(yīng)用，根據(jù)需求而變)
后視攝像機(jī)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(shí)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(gè)具有有效的光譜響應(yīng)(良好的紅外減弱)、動(dòng)態(tài)范圍和整體輸出信號(hào)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(gè)閾值，如低、中或亮光，或是讓傳感器動(dòng)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(shí)，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(gè)典型的顯示屏?xí)耐瑯佣嗟哪芰浚钡绞褂谜吒淖兿到y(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(huì)提高顯示屏的亮度，這會(huì)增加系統(tǒng)功耗。當(dāng)環(huán)境改變時(shí)，如進(jìn)入建筑物內(nèi)，大多數(shù)使用者并不會(huì)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(dòng)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(fèi)類應(yīng)用中，利用環(huán)境光傳感器反饋實(shí)現(xiàn)自動(dòng)亮度控制，還能夠大大延長智能手機(jī)、筆記本電腦、PDA和數(shù)碼相機(jī)的電池壽命。這種控制是很有用的，因?yàn)樽罱难芯匡@示，在一個(gè)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(gè)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(shí)，能夠減弱多余的紅外光和紫外光，而且是在一個(gè)非常小尺寸的封裝內(nèi)提供這些功能，同時(shí)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(huì)碰到封裝變色的問題(即變得不透明或發(fā)黃)。這個(gè)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(kuò)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(jì)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(shí)，要根據(jù)設(shè)計(jì)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(huì)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(jì)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(jìn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)接近估計(jì)。(接近感測是一項(xiàng)重要功能，下面將討論更多的細(xì)節(jié)內(nèi)容)
為了進(jìn)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(jìn)行設(shè)計(jì)。ADC的標(biāo)稱轉(zhuǎn)換時(shí)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(jìn)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(jìn)行編程，以優(yōu)化每勒克斯的計(jì)數(shù)值。
對于接近感測，當(dāng)內(nèi)部的紅外LED驅(qū)動(dòng)器在用戶選定的調(diào)制頻率下，按照編程設(shè)定的時(shí)間周期關(guān)閉和開啟，驅(qū)動(dòng)外部的紅外LED時(shí)，ADC會(huì)將來自光敏二極管陣列的輸出信號(hào)數(shù)字化。由于接近傳感器采用了噪聲消除機(jī)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(dòng)器的輸出電流是用戶可選的，最高可達(dá)100mA，能夠驅(qū)動(dòng)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(jìn)行選擇。這些模式包括：一次可編程的ALS和自動(dòng)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。可編程的一次操作模式大大降低了功耗，因?yàn)榫o接著的自動(dòng)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(jìn)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(qiáng)度，但是紅外頻段的響應(yīng)就大不相同了。在測量光強(qiáng)時(shí)，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(huì)導(dǎo)致對真實(shí)環(huán)境(可見的)狀況的誤報(bào)。
對于燈泡之類的光源，傳感器的信號(hào)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(hào)的情況下。圖3顯示了一個(gè)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(gè)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(huì)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(jí)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(hào)和數(shù)學(xué)處理實(shí)現(xiàn)的，通常需要兩個(gè)部件來構(gòu)成光學(xué)前端：一個(gè)紅外LED和一個(gè)光傳感器。紅外LED向被感測物體發(fā)射出一束紅外信號(hào)，該信號(hào)的一部分會(huì)反射回來，并被紅外CMOS光傳感器探測到。通過片上的信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字化的紅外信號(hào)就可以送到微處理器進(jìn)行后處理，用于各種接近感測用途。
一個(gè)典型的紅外接近感測系統(tǒng)是由一個(gè)光學(xué)前端、模擬混合信號(hào)處理電路和一定的機(jī)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(jī)械設(shè)計(jì)、接近感測算法和軟件。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)通常與不同應(yīng)用平臺(tái)的設(shè)計(jì)折中有關(guān)，例如手機(jī)、PDA、筆記本電腦和各種消費(fèi)類電子產(chǎn)品。
設(shè)計(jì)折中包括器件選擇、放置尺寸、鏡片特性和光學(xué)設(shè)計(jì)，以及應(yīng)用算法和軟件實(shí)施。
集成的環(huán)境光感測和接近感測系統(tǒng)會(huì)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(shí)現(xiàn)非常復(fù)雜的控制，或是調(diào)整設(shè)定，進(jìn)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(jī)移近他或她的耳朵，接聽來電時(shí)，一部配備了傳感器的手機(jī)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(shí)，就不會(huì)有反射回來的紅外信號(hào)被接近傳感器捕獲到。接近讀數(shù)回送到默認(rèn)的基線計(jì)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(diǎn)的可探測距離內(nèi)時(shí)，接近傳感器捕獲到反射回來的紅外信號(hào)，如圖5所示。接近讀數(shù)與所捕獲的紅外光的信號(hào)強(qiáng)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(jì)經(jīng)過不斷演進(jìn)，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(jìn)的新一代器件提供了很多非常棒的設(shè)計(jì)特性，如在接近感測時(shí)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(gè)特性是提供了四個(gè)不同環(huán)境光敏感度范圍，既可以感測到0.015lux的光強(qiáng)，也可以感測到64,000lux的光強(qiáng)。中斷功能用于產(chǎn)生報(bào)警或監(jiān)控功能，判斷環(huán)境光的級(jí)別或接近探測的級(jí)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(shí)間。
典型的數(shù)字接近傳感器功能框圖
圖6顯示了一個(gè)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(hào)調(diào)理和采集。集成的ADC將捕獲到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，由微控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，用于實(shí)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(gè)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(dòng)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(hào)。
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(gè)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(qiáng)度和視角。典型峰值波長為850nm～950nm的高發(fā)光強(qiáng)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(qiáng)度可以擴(kuò)大接近探測的距離。選擇紅外LED時(shí)，在視角、機(jī)械占位、發(fā)光強(qiáng)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(gè)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(huì)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(qiáng)的損失。
接近傳感的系統(tǒng)算法
完成器件選型和設(shè)計(jì)之后，一個(gè)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(jìn)行動(dòng)態(tài)自校準(zhǔn)。一個(gè)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(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)和實(shí)施技巧后，就能夠得到一個(gè)不錯(cuò)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(jìn)行了優(yōu)化。在平衡了上述設(shè)計(jì)折中后，消費(fèi)者能夠?qū)ο到y(tǒng)的各個(gè)方面進(jìn)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(dòng)強(qiáng)度
