【導讀】環境光線傳感器目前被廣泛用于許多LCD顯示應用，從消費電子到汽車應用，通過自動調節顯示器亮度，它們能夠幫助節約設備電池電量。此外，這些傳感器在自然日光、熒光和白熾燈等各種光源下都能夠出色工作。最近有很多這樣的產品發布，而且它們都有一個共同的特性，即這些新開發的環境光線傳感器能夠匹配人眼的要求，這對于緩解眼睛疲勞非常重要。
環境光傳感器可以感知周圍光線情況，并告知處理芯片自動調節顯示器背光亮度，降低產品的功耗。例如，在手機、筆記本、平板電腦等移動應用中，顯示器消耗的電量高達電池總電量的30%，采用環境光傳感器可以最大限度地延長電池的工作時間。另一方面，環境光傳感器有助于顯示器提供柔和的畫面。當環境亮度較高時，使用環境光傳感器的液晶顯示器會自動調成高亮度。當外界環境較暗時，顯示器就會調成低亮度。。
環境光傳感器技術原理
環境光傳感系統實現需要三大部分：監測環境光強的光傳感器、數據處理裝置(通常是微控制器)、控制背光輸入電流的執行器。
圖1是實施背光控制的系統示范框圖。在這套組合中，光傳感器是關鍵的組成部分，因為它要向系統的其他模塊提供環境光強信息。光傳感器必須具備將光信號轉換成電信號的信號轉換器(譬如光電二極管或CdS光敏電阻)和信號放大和/或調節裝置以及模/數轉換器(ADC)。
圖1. 實施背光控制的系統框圖
圖2所示為分立光電二極管電路，從圖中可以看出，該電路需要一個或多個運算放大器：一個用于電流到電壓的轉換，可能還需要一級放大，提供附加增益。它還包括一些分支電路，用于供電，確保高度可靠的信號鏈。而在空間極其寶貴的應用中，所需元件的數量過多可能導致空間受限問題。
圖2. 光電二極管電路分立設計
這里還存在一個更細微的問題。具體而言，理想情況下，應確保環境光的測量模擬了人眼對光線的響應機制。這通常借助CIE提供的視覺亮度曲線(圖3)。然而，光電二極管很少能夠完全模擬這種響應機制，因為它們通常具有很高的紅外(IR)靈敏度。在IR強度較大的光照條件(譬如白熾燈或日光)下，這種紅外靈敏度會造成錯誤地判斷光線強度。
圖3. CIE曲線和典型的光電二極管
解決上述問題的方法之一是使用兩個光電二極管：一個采用對可見光和紅外光都很敏感的元件，另一個采用只對紅外光敏感的元件。最終用前者的響應值減去后者的響應值，將紅外干擾降至最小，獲得準確的可見光響應。
環境光傳感器的電氣特性
1、暗電流小，低照度響應，靈敏度高，電流隨光照度增強呈線性變化；
2、內置雙敏感元，自動衰減近紅外，光譜響應接近人眼函數曲線；
3、內置微信號CMOS放大器、高精度電壓源和修正電路，輸出電流大，工作電壓范圍寬，溫度穩定性好；
4、可選光學納米材料封裝，可見光透過，紫外線截止、近紅外相對衰減，增強了光學濾波效果；
5、符合歐盟RoHS指令，無鉛、無鎘。
選擇環境光傳感器的考慮因素
通常有幾種方法能夠對光進行檢測，例如通過使用光電晶體管、光敏電阻或光電二極管來實現，但對于當今應用的總的光感要求而言，基于IC的單片光電二極管是最好的選擇之一。
光電二極管是用于探測光并生成電流的半導體，它基于單晶硅片構造而成，與用于生產集成電路的晶體硅片類似。一個典型的傳感器應用框架圖包括一個光電二極管、一個電流放大器和一個無源低通濾波器，以檢測并處理光輸入引起的輸出電壓信號。能夠將所有這些器件集成并采用小型封裝對于終端用戶而言是非常有益的，而且這恰恰就是當前的市場需求。
為應用選擇適當光傳感器時的另一個重要方面，是要理解對于應用而言，哪項重要規格是最為關鍵的，最需要關注哪一項。
一般來說，在選擇一個光傳感器時，需要著重考慮的因素如下：
1、光譜響應/IR抑制：環境光傳感器應該僅對400nm至700nm的范圍有感應。
2、Lux的最大范圍：直射陽光可以多達130,000Lux，但是大多數應用要求最大范圍為僅為10,000Lux。
3、低Lux光敏度：根據光傳感器位于頂端的鏡片的類別，光衰減可以為25-50%。如果低光敏度非常關鍵(<5Lux)，必須注意選擇可以在這個范圍內工作的光傳感器。
集成的信號調節(即放大器和ADC)：一些傳感器可能提供非常小的封裝，但是卻需要一個外部放大器或無源元件來獲取所需的輸出信號。具有更高集成性的光傳感器省去了對于外部元件(ADC、放大器、電阻器、電容器等)的需求。
4、功耗：對于要承受高Lux級(>10,000Lux)的光傳感器來說，最好采用一個非線性光到模擬輸出光傳感器，或一個光到數字輸出的光傳感器。接下來還將對此進行詳細說明。
5、封裝大小：對于大多數應用來說，封裝都是越小越好。現在可提供的封裝為2.0×2.1mm光學DFN，而1.3×1.5mm 4-lead封裝則是下一代封裝。一旦確定了上述重要規格，需要考慮的下一個問題就是哪類輸出信號最有助于目標應用。對于大多數光傳感器，最常見的輸出為線性輸出電流。雖然這適用于一些應用，但現在有更多的可選項，其中包括線性電壓輸出、數字輸出(通過I2C接口)或者非線性電流或電壓輸出。每種都具有它們的優勢，如下所列。
6、線性模擬輸出—電流或電壓輸出：更常見的感應器輸出，快速響應時間(數字輸出受限于積分時間)，在控制器中集成ADC轉換器，電壓輸出省去了對于外加電阻(將電流轉換為電壓)的需要并提供一個低阻抗輸出。電流輸出需要在輸出添加無源元件來將電流轉換為電壓、設置傳感器的增益范圍并根據需要增加低通或高通濾波器。
7、非線性模擬輸出——電流或電壓輸出：允許極弱光敏感度和最大動態范圍(高達100 ,000Lux)，感測光與人類察覺光的方式更加類似(非線性與線性)，電壓或電流非線性輸出的選擇，電壓輸出為低阻抗而電流輸出為高阻抗。
8、數字輸出：輸出可以直接與控制器相連接(無需ADC)，數字輸出本身比模擬輸出更具有噪聲免疫性，允許傳感器具有更多的數字功能(即更加智能的光傳感器)，更易于在通用I2C總線上的網絡工作，更易于允許將多個光傳感器置于同一個I2C總線上(地址選擇引腳)，恒定功耗(模擬輸出電路損耗與入射光密度成正比)。
環境光傳感技術的應用
隨著近年來在半導體模擬傳感器和封裝上的進步，現在的最終用戶在光傳感器上有了更廣的選擇余地。今天，設計者在消費類產品、汽車、醫療和工業應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、小占位、低功耗、高集成度和易用。通常根據設計者和應用所需要的功能性、性能和環境功能性進行具體的選型。
有幾個關鍵的技術因素可以幫助用戶和設計者決定如何選擇一款環境光傳感器。首先，傳感器的輸出必須和光強成線性關系，光譜波長敏感度應該非常接近人眼。另外，器件的輸出應該直接和照射在集成的光敏二極管上的光強成正比，540nm的峰值響應接近人眼的峰值敏感度。大多數光傳感器都能夠感測到380nm～770nm的環境光。
環境光傳感器在汽車中的主要應用
A、信息娛樂/導航/DVD系統的背光控制控制，以便在各種環境光條件下顯示理想的亮度；
B、后座娛樂顯示屏的背光控制
C、儀表盤組合儀表的背光
D、自動后視鏡調光
E、自動頭燈和雨量檢測
F、后視攝像機控制
由于汽車需要在各種環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，光傳感器已經成為實現更舒適顯示質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準。
主流環境光傳感器及其特性
AMIS-74980x環境光線傳感器使用該該公司專有的CMOS圖像傳感技術，對有發光顯示器的設備來說更具設計靈活性也更為經濟。對于移動電話、PDA、手持式顯示器、LCD監視器、便攜式DVD播放器、筆記本電腦、大型液晶顯示器和MP3播放器，環境光線傳感器都是經濟實惠的理想解決方案。還非常適用于汽車應用中的車內影音系統、GPS顯示器、前照燈、后視鏡和儀表板。
AMIS-74980x是一種模擬/數字輸出器件，它能夠在3.0伏到3.6伏的電源電壓范圍、10~100kHz工作頻率以及0℃到70℃的溫度范圍內具有優良的性能。它們在各種光源下均運行良好，包括自然光、熒光、傳統白熾燈和鹵素燈。此外，它們還有一個重要特點就是其暗電流非常低，這使顯示控制器能夠在低亮度環境下調節顯示器亮度。該系列傳感器還提供多種輸出選擇、編程能力和低功耗。
同樣，歐司朗(OSRAM Opto Semiconductors Inc.)推出了據稱是第一種用于移動產品的環境光傳感器，可精確符合或者模擬人眼靈敏度曲線，使得移動產品的顯示器及其亮度水平可做出更為精確的調整。該公司通過利用一種新型材料系統代替傳統的硅材料，為這款型號為ALS SFH5711的傳感器開發出了“人眼”特點。對數放大器集成電路(IC)使其能夠以更大的精度探測更大的照度范圍(從3勒克斯到30,000勒克斯以上)，而且無需采用各種串聯電阻，從而可以使產品設計的尺寸更小、精度更高。
ALS SFH5711也是歐司朗很受歡迎的SFH3410的增強型ChipLED版本。它采用非常小和強壯的表面貼裝技術(SMT)，可以節省消費應用的成本，同時提供優異的光學性能。ALS SFH5711的頻譜靈敏度是560納米(nm)，模擬人眼最敏感的區域。ALS的V(蘭姆達)特點代表人眼看見顏色的波長光譜曲線。通過更迅速地自動模擬人眼特點，ALS適合于調節顯示器和組件亮度，以在經常變化的照明環境中創造最適宜閱讀的條件。
采用2.3~5V的超低電壓，該傳感器具有電源效率，適合于自然光傳感器應用，包括手機、數碼相機、筆記本電腦、PDA和手持全球定位系統(GPS)。它們也可以用于汽車應用，根據環境光線來控制前燈的開關。
Avago Technologies(安華高科技)最近宣布也推出兩款采用chipLED封裝的新型環境亮度傳感器產品。APDS-9005(6針腳)與APDS-9006(反向安裝4針腳)為采用小型化chipLED環保無鉛封裝的模擬電流輸出型環境亮度傳感器(ALPS)產品，尖峰頻譜響應在500nm，由ALPS提供的視覺化智能功能可以通過排除紫外光和紅外線，能有效仿真人眼的響應范圍。APDS-9005支持1.8V到5.5V電源，APDS-9006則支持2.4V到5.5V，兩款傳感器都可以在-40℃到+85℃的溫度范圍內工作，此外，器件本身更緊密的安排可以帶來更加穩定的信賴度與高性能輸出表現。
APDS-9005和APDS-9006環境亮度傳感器在設計上緊密貼近人眼對光譜變化的反應曲線，可以大量降低功耗并延長電池使用時間，這些新型傳感器適合移動產品與商業性LCD顯示背光控制應用，如便攜式設備、筆記本電腦、照明管理以及汽車內裝等耗用大量電流的背光應用。它同樣也可以用于打開或關閉室內和戶外照明燈、路燈、電子標志和信號燈等。這些傳感器在自然的陽光、熒光、傳統的白熾燈和鹵素燈等不同的光源下的表現同樣出色。
美國凌耀科技股份有限公司(Capella Microsystems)表示，它的Filtron系列環境光度感應器能有效消除筆記本電腦、手機、DVD播放器、PDA、MP3播放器、iPod和GPS等便攜式設備中過多的背光，從而延長這些移動產品的電池壽命。這些芯片可以檢測到環境中的光度并調節LCD亮度，來符合人眼的要求。
這一系列中的CM3200HS(高靈敏度)、CM3200和CM3000光度感應器由光學濾波器、光電二極管、數字濾波器和9位D/A轉換器(能夠產生一個因環境光度不同而不同的模擬輸出)組成。CM3200HS在0.5Lux到350Lux的環境光度范圍下運行，而CM3200則在10Lux到10,000Lux的環境光度范圍下運行。CM3000通過一個外置電阻器來設置外置比較儀的閾值，正是這個比較儀產生一個面向所需環境光度范圍的開啟或關閉輸出信號。這一系列光度感應器的電能消耗一般為80微安，關閉狀態下小于1nA，電壓范圍為2.7~5.5V。
凌耀科技表示，背光消耗的電池電量通常大于其它任何功能，新推出的CM3200HS、CM3200和CM3000可以把筆記本電腦的電池壽命最多提高41%，手機電池壽命最多提高100%。除了可以用于便攜電子產品以外，Filtron系列產品還可用于控制等離子和LCD電視屏幕及汽車儀表板的亮度。
由于這些芯片貼近人眼的亮度要求，因此還可以降低人眼的疲勞，而且內置的數字濾光器消除了環境中熒光燈的閃爍。該公司聲稱，由于采用了專有的Filtron光過濾器技術，這些芯片是業內模擬人眼情況最好的產品。Filtron只檢測450~650nm的波長。此外，這種光過濾技術據說是首次采用半導體工藝制造，消除了在光電二極管上面旋轉塑料濾光器的額外步驟。
這些芯片采用混合信號技術制造，并包含大約7,000個晶體管。CM3200HS和CM3200可采用CMP封裝，尺寸為3×4mm；也可以采用OPLGA封裝，尺寸為1.8×2.35×1 mm。采用CMP封裝時，兩種器件1,000個批量的價格都是0.6美元。CM3000也提供上述兩種封裝，批量為1,000個時，CMP封裝的價格是0.55美元。
此外，Vishay Intertechnology推出的環境光傳感器TEMT6200F、TEPT5700和TEPT4400，面向高級汽車功能，這些器件可實現液晶顯示器(LCD)自動亮度控制，并且支持使汽車駕駛者感到舒適及安全的功能。Vishay推出的這三款器件為設計人員提供了三種封裝選擇：表面貼裝0805(TEMT6200F)、帶引線5毫米平頂封裝(TEPT5700)或3毫米平頂封裝(TEPT4400)。在汽車應用中，這些感應器將實現自動大燈控制，并可使隧道感應器以及顯示器可自動調節，以適應環境亮度的變化。這些感應器提供了簡單的雙引腳連接，它們將用于通過控制鍵盤背光來降低消費類電子應用中的功耗，以及調節LCD的亮度。此外，這些感應器還是可替代基于鎘的光敏電阻器的環保產品。
本文轉載自傳感器技術。
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