【導讀】在“時時連接”的今天，大多數便攜設備都將顯示屏作為一大賣點，用戶通過顯示屏能夠訪問并觀看視頻和互聯網信息。出于對功耗和觀看舒適度等方面的考慮，許多設備已經配備了環境光傳感器——目的是使設備能夠檢測周圍的環境情況。在昏暗的環境下，可調低顯示屏背光亮度，以節省電池電量；在明亮的環境下，增強字體和背光亮度能夠使設備顯示更清晰，改善用戶體驗。本文討論了設計帶有環境光傳感器的產品時需要注意的事項。
光測量的光譜靈敏度
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相當于大約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。
制造工藝和技術方面的挑戰使得低成本環境光傳感器(ALS)很難準確復現人眼對光線的視覺反應，完全絕對地抑制紅外線和紫外線也是一大難題。由于常見光源的光譜非常寬，即使略微偏離適光曲線，再加上不能完全抑制紅外線和紫外線，就會對環境光傳感器的測量精度造成非常大的影響。
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，該參數用于說明照度計與光學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，事實上這種聲明只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，但并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，由于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嘗試工作在與光學CIE曲線無法完全匹配的情況，并代之以采用疊加原理來計算環境光亮度。現在市場上的大多數光傳感器采用兩個或多個不同類型的光電二極管，每個光電二極管對光譜不同區域的敏感度不同。對這些光電二極管的輸出進行算術整合，并對每個光電二極管設置一個適當的可調增益，傳感器即可較為準確地測量常見環境光源的亮度。
例如，如果兩個不同類型的光電二極管PD1和PD2針對兩種不同的入射光源給出不同的讀數，就可得到每個光電二極管的增益常數，從而使傳感器能夠在兩種光源下均提供準確的光強測量值：
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)的對應關系。上圖所示為MAX44009環境光傳感器的響應曲線。
光測量的動態范圍
人眼對光照條件的敏感范圍很寬。在黑暗的環境中(可能需要數分鐘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。大多數便攜設備只需準確檢測5 lux到大約1000 lux的環境光強度。實際應用中，便攜設備顯示屏的背光效果并不能夠與太陽光的強度完全一致，當光強達到某個較低等級時，顯示屏即開始簡單地維持在最低背光亮度。
值得注意的是，人眼對亮度的感知呈對數關系(類似于人耳對聲音的靈敏度)。光強增加幾乎10倍，而人眼只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系，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系。黑線為理想對數曲線，藍線采用折線近似法，更適于用微控制器代碼實現。
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，更適于用微控制器代碼實現。
由此可見，在較低等級光強下，需要較高的亮度測量分辨率；在較高等級的光強下，采用一般的分辨率就足夠了。實現這一機制的最簡單方法是采用具有前端可編程增益的高分辨率轉換器，從而平衡強光下對寬動態范圍的要求，以及亮度較低時對高靈敏度的要求。
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制。這種調節方法能夠使IC自動實現22位動態范圍測量，無需微控制器重新配置寄存器，從而提高了編碼效率。此外，對測量結果進行壓縮，并以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位動態范圍，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。
黑玻璃效應
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”的象征。例如，環境光傳感器對設備非常重要，但是現在將這些傳感器隱藏起來使用戶不可見已經成為一種標準做法，從而不影響產品的外觀和質感。
對于玻璃面板，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，同時又使面板保持有光滑、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面板。用戶看不到隱藏在其后的環境光傳感器。
不幸的是，這層黑色油墨在很大程度上影響了光傳感器的正常工作，不僅減弱了到達傳感器的光強，而且還改變了光譜。首先，討論光衰減問題。大多數黑色油墨僅允許2%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，雖然只有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系。
不均勻的光譜透射特性使得目前大多數光傳感器必須重新校準，以便在被置于黑色油墨下方時仍能獲得準確的環境光測量讀數，也因此需要重新調節適用于無黑色油墨條件下精確光測量的工廠設置。正因為如此，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。
光傳感器中斷引腳的使用
大多數應用不需要實時改變顯示屏背光強度，其目的是防止響應噪聲，例如掠過的陰影。相比之下，快速響應環境光的一致變化能夠使用戶連貫地使用設備，無需分心為了改善顯示效果而調節顯示屏亮度。此外，在固件中不斷輪詢光傳感器(以檢查環境光強度是否發生變化)和噪聲抑制電路對應用軟件資源來說也是一種負擔。這會增加微控制器處理負荷，進而延緩對用戶命令的響應速度，并增大功耗。
因此，目前的光傳感器都配備了一個強大的功能——中斷引腳。傳感器持續比較環境光測量值與內部可編程窗口門限，并在光強超出門限時觸發一個中斷，從而向主微控制器報告光照條件發生了實質性變化。通常采用一個定時器，定時器超時的情況下才向主控制器報告中斷，以避免環境光信號中的噪聲和短時波動引起誤操作。
中斷引腳使傳感器的應用變得更為智能，只有在需要操作時才向主微控制器發出請求。這樣一來，主微控制器的資源就能夠分配給其它任務，或者微控制器可維持在低功耗等待狀態，從而延長電池壽命。典型應用電路(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制器的連接方式。
總結
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，可確保系統的靈活性和可靠性。
