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环境光传感器
∙环境光传感器（ALS）背光控制解决方案
∙2012年6月12日11:
04:
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摘要：
环境光传感器（ALS）集成电路正越来越多地用于各种显示器和照明设备，以节省电能，改善用户体验。
借助ALS解决方案，系统设计师可根据环境光强度，自动调节显示屏的亮度。
因为背光照明的耗电量在系统的总耗电量中占据很大的比例，实行动态的背光亮度控制，可节省大量的电能。
此外，它还能够改善用户体验，让显示屏亮度根据环境光条件自行调整到最佳状态。
关键字：
环境光传感器, 显示器, 背光控制
环境光传感器（ALS）集成电路正越来越多地用于各种显示器和照明设备，以节省电能，改善用户体验。
借助ALS解决方案，系统设计师可根据环境光强度，自动调节显示屏的亮度。
因为背光照明的耗电量在系统的总耗电量中占据很大的比例，实行动态的背光亮度控制，可节省大量的电能。
此外，它还能够改善用户体验，让显示屏亮度根据环境光条件自行调整到最佳状态。
系统实现需要三大部分：
监测环境光强的光传感器、数据处理装置（通常是微控制器）、控制背光输入电流的执行器。
背光控制：
环境光传感器
图1是实施背光控制的系统示范框图。
在这套组合中，光传感器是关键的组成部分，因为它要向系统的其他模块提供环境光强信息。
光传感器必须具备将光信号转换成电信号的信号转换器（譬如光电二极管或CdS光敏电阻）和信号放大和/或调节装置以及模/数转换器（ADC）。
图1.实施背光控制的系统框图
图2所示为分立光电二极管电路，从图中可以看出，该电路需要一个或多个运算放大器：
一个用于电流到电压的转换，可能还需要一级放大，提供附加增益。
它还包括一些分支电路，用于供电，确保高度可靠的信号链。
而在空间极其宝贵的应用中，所需元件的数量过多可能导致空间受限问题。
图2.光电二极管电路分立设计
这里还存在一个更细微的问题。
具体而言，理想情况下，应确保环境光的测量模拟了人眼对光线的响应机制。
这通常借助CIE提供的视觉亮度曲线（图3）。
然而，光电二极管很少能够完全模拟这种响应机制，因为它们通常具有很高的红外（IR）灵敏度。
在IR强度较大的光照条件（譬如白炽灯或日光）下，这种红外灵敏度会造成错误地判断光线强度。
解决上述问题的方法之一是使用两个光电二极管：
一个采用对可见光和红外光都很敏感的元件，另一个采用只对红外光敏感的元件。
最终用前者的响应值减去后者的响应值，将红外干扰降至最小，获得准确的可见光响应。
这种解决方案虽然有效，却增加了分立电路的占用空间。
通常还很难、甚至不可能让两个分立的光电二极管配合得足够紧密，以实现消除红外干扰的目的。
如果不配备精密放大器（譬如对数放大器），动态范围可能很小。
换句话说，很难利用这种组合获得可重复的结果。
图3.CIE曲线和典型的光电二极管
高集成度解决方案不仅能够获得比人眼光学系统更真实的光强数据，还能够节省大量空间MAX44009等环境光传感器，可将所有信号调节和模/数转换器集成在一个小封装（2mmx2mmUTDFN封装）内，从而在空间受限应用中有效节省电路板面积。
图4提供了MAX44009的功能框图，采用I²C通信协议，使其与微控制器的连接方式更简单，数据传输速度更快。
除此之外，该解决方案的高集成特性使其能够置于柔性电缆，安装在离主电路板距离合适的位置。
图4.MAX44009功能框图
背光控制：
调节显示屏亮度
该控制方案的第二部分是调节显示屏的背光亮度。
这可通过多种方式实现，具体取决于设备中的显示屏模块。
有两种最简单的方式，一种是借助脉冲宽度调制（PWM）方案的直接调节方式，另一种是采用显示屏控制器的间接调节方式。
许多显示屏模块如今都配有一个集成控制器，用户可以通过向控制器发送串行命令，直接设置背光亮度。
如果显示屏模块未配备集成控制器，还可安装一个简单的背光控制执行器，控制显示屏后面用于背光照明的白光LED灯的输入电流。
实现这种控制的一种简单办法是：
直接给LED串联一个场效应晶体管（FET），使用PWM信号快速打开、关闭FET（图5）。
然而，也可以利用单一芯片（用于LED控制的MAX1698升压转换器）准确、可靠地调节（图6），请参考应用笔记3866“Low-powerPWMoutputcontrolsLEDbrightness”，获取详细信息。
图5.简单的PMW控制电路
图6.基于MAX1698的LED亮度调节器
背光控制：
建立连接
最后一步就是在传感器和执行器之间建立连接，通过微控制器实现。
有人可能首先要问：
“环境光强如何映射到背光亮度?
”事实上，有些文献专门介绍了相关方案。
其中一种映射方式是，Microsoft®针对运行Windows®7¹操作系统的计算机提出的。
图7所示曲线是由Microsoft提供的，它可以将环境光强度映射到显示屏亮度（以全部亮度的百分比表示）。
图7.将环境光强映射为最佳显示屏亮度的曲线示例
这种特殊曲线可以用以下函数表示：
如果设备采用的是已集成亮度控制功能的LCD控制芯片，就可通过向芯片发送指令，轻松设置背光亮度。
如果设备采用的是PWM直接控制亮度，则要考虑如何将比例信号映射至显示屏亮度。
在MAX1698示例中，根据其产品说明书的介绍，可以将驱动电流映射为电压。
通过这个示例，我们可以假设LED电流强度几乎与其电流呈线性关系。
这样，我们就可以在上述等式中乘上一个系数，计算出PWM所映射的有效电压，该电压再被映射至LED电流，最后转化成显示屏亮度。
方案实施
最好不要从一个亮度级直接跳转到另一个亮度级，而是平滑上调和下调背光亮度，确保不同亮度等级之间无缝过渡。
为了达到这一目的，最好采用带有固定或不同亮度步长、可逐步调节亮度的定时中断，也可采用带有可控制LED输入电流的PWM值的定时中断，或者是能够发送到显示屏控制器的串行指令的定时中断。
图8提供了这种算法的一个示例。
图8.步进式亮度调节的算法示例
另一个问题是，系统响应环境光强变化的速度。
我们应尽量避免过快地改变亮度等级。
这是因为光强的瞬间变化（譬如一扇窗户打开或瞬间有一束光扫过）可能导致背光亮度发生不必要的变化，这往往会造成用户感觉不适。
并且，较长的响应时间还有助于减少微控制器对光传感器的检测次数，从而可以释放一定的微控制器资源。
最初级的方法就是每隔一两秒钟检查一次光传感器，然后相应地调整背光亮度。
更好的方法是，只有光线强度偏离特定范围一定时间后，才对背光亮度进行调节。
譬如，如果正常光强是200lux，我们可能只会在光强降到180lux以下或升至220lux以上，而且持续时间超过数秒的情况下才调节亮度。
幸运的是，MAX44009集成了中断引脚和阈值寄存器，可轻松实现这个目的。
环境光传感器
简介
原理
特性
考虑因素
编辑本段简介
环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗。
例如，在手机、笔记本、平板电脑等移动应用中，显示器消耗的电量高达电池总电量的30%，采用环境光传感器可以最大限度地延长电池的工作时间。
另一方面，环境光传感器有助于显示器提供柔和的画面。
当环境亮度较高时，使用环境光传感器的液晶显示器会自动调成高亮度。
当外界环境较暗时，显示器就会调成低亮度。
环境光传感器需要在在芯片上贴一个红外截止膜，甚至直接在硅片上镀制图形化的红外截止膜。
[1]
编辑本段原理
环境光传感器主要由光敏元件组成。
目前光敏元件发展迅速、品种繁多、应用广泛。
市场出售的有光敏电阻、光敏二极管、光电三极管、硅光电池等。
环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗。
例如，在手机、笔记本，GPS等移动等手持设备应用中，显示器消耗的电量高达电池总电量的30%，采用环境光传感器可以最大限度地延长电池的工作时间。
另一方面，环境光传感器有助于显示器提供柔和的画面。
当环境亮度较高时，使用环境光传感器的液晶显示器会自动调成高亮度。
当外界环境较暗时，显示器就会调成低亮度。
环境光传感器需要在在芯片上贴一个红外截止膜，甚至直接在硅片上镀制图形化的红外截止膜。
[1]
编辑本段特性
环境光传感器具有暗电流小，低照度响应，灵敏度高，电流随光照度增强呈线性变化；内置双敏感元，自动衰减近红外，光谱响应接近人眼函数曲线（如图，黑：
人眼响应曲线，蓝：
光敏电阻响应曲线，绿：
环境光响应曲线）；在选择适当的光传感器时的另一个考虑因素是选择一个带有理想光谱响应的传感器。
普通PIN光敏二极管或光敏电阻（无源或者有源）本身具有非常宽的光谱响应范围，包括IR射线乃至UV射线。
从理论上来说，用户需要选择一个仅能感应可见光（380~770nm）并削弱无用的IR、UV信号的光传感器，有些传感器中还内置微信号CMOS放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大，工作电压范围宽，温度稳定性好；可选光学纳米材料封装，可见光透过，紫外线截止、近红外相对衰减，增强了光学滤波效果；符合欧盟RoHS指令，无铅、无镉，目前市面上的光敏电阻达不到以上标准。
编辑本段考虑因素
通常有几种方法能够对光进行检测，例如通过使用光电晶体管、光敏电阻或光敏二极管来实现，但对于当今应用的总的光感要求而言，基于IC的单片光电二极管是最好的选择之一。
光电二极管是用于探测光并生成电流的半导体，它基于单晶硅片构造而成，与用于生产集成电路的晶体硅片类似。
一个典型的传感器应用框架图包括一个光电二极管、一个电流放大器和一个无源低通滤波器，以检测并处理光输入引起的输出电压信号。
能够将所有这些器件集成并采用小型封装对于终端用户而言是非常有益的，而且这恰恰就是当前的市场需求。
为应用选择适当光传感器时的另一个重要方面，是要理解对于应用而言，哪项重要规格是最为关键的，最需要关注哪一项。
一般来说，在选择一个光传感器时，需要着重考虑的因素如下：
（1）光谱响应/IR抑制：
环境光传感器应该仅对400nm至700nm的范围有感应。
（2）Lux的最大范围：
直射阳光可以多达130,000Lux，但是大多数应用要求最大范围为仅为10,000Lux。
（3）低Lux光敏度：
根据光传感器位于顶端的镜片的类别，光衰减可以为25-50%。
如果低光敏度非常关键（<5Lux），必须注意选择可以在这个范围内工作的光传感器。
集成的信号调节（即放大器和ADC）：
一些传感器可能提供非常小的封装，但是却需要一个外部放大器或无源元件来获取所需的输出信号。
具有更高集成性的光传感器省去了对于外部元件（ADC、放大器、电阻器、电容器等）的需求。
（4）功耗：
对于要承受高Lux级（>10,000Lux）的光传感器来说，最好采用一个非线性光到模拟输出光传感器，或一个光到数字输出的光传感器。
接下来还将对此进行详细说明。
（5）封装大小：
对于大多数应用来说，封装都是越小越好。
一旦确定了上述重要规格，需要考虑的下一个问题就是哪类输出信号最有助于目标应用。
对于大多数光传感器，最常见的输出为线性输出电流。
虽然这适用于一些应用，但现在有更多的可选项，其中包括线性电压输出、数字输出（通过I2C接口）或者非线性电流或电压输出。
（6）线性模拟输出—电流或电压输出：
更常见的感应器输出，快速响应时间（数字输出受限于积分时间），在控制器中集成ADC转换器，电压输出省去了对于外加电阻（将电流转换为电压）的需要并提供一个低阻抗输出。
电流输出需要在输出添加无源元件来将电流转换为电压、设置传感器的增益范围并根据需要增加低通或高通滤波器。
（7）非线性模拟输出——电流或电压输出：
允许极弱光敏感度和最大动态范围（高达100,000Lux），感测光与人类察觉光的方式更加类似（非线性与线性），电压或电流非线性输出的选择，电压输出为低阻抗而电流输出为高阻抗。
（8）数字输出：
输出可以直接与控制器相连接（无需ADC），数字输出本身比模拟输出更具有噪声免疫性，允许传感器具有更多的数字功能（即更加智能的光传感器），更易于在通用IC总线上的网络工作，更易于允许将多个光传感器置于同一个IC总线上（地址选择引脚），恒定功耗（模拟输出电路损耗与入射光密度成正比）。
并且对不同光源的光线响应比较相近，不会因不同光线而造成响应出现差异化，如下图所示（黑色为荧光灯响应曲线，红色为白炽灯响应曲线），可以看出环境光传感相对其它的光敏器件具有很好的光谱响应。
关于环境光传感器的介绍
文章出处：
zhuls发布时间：
2011/08/05|4286次阅读|10次推荐| 0条留言
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现代电测技术日趋成熟，由于具有精度高、便于微机相连实现自动实时处理等优点，已经广泛应用在电气量和非电气量的测量中。
然而电测法容易受到干扰，在交流测量时，频率响应不够宽及对耐压、绝缘方面有一定要求，在激光技术迅速发展的今天，已经能够解决上述的问题。
磁光效应传感器就是利用激光技术发展而成的高性能传感器。
激光，是本世纪60年代初迅速发展起来的又一新技术，它的出现标志着人们掌握和利用光波进入了一个新的阶段。
由于以往普通光源单色度低，故很多重要的应用受到限制，而激光的出现，使无线电技术和光学技术突飞猛进、相互渗透、相互补充。
现在，利用激光已经制成了许多传感器，解决了许多以前不能解决的技术难题，使它适用于煤矿、石油、天然气贮存等危险、易燃的场所。
磁光效应传感器的原理主要是利用光的偏振状态来实现传感器的功能。
当一束偏振光通过介质时，若在光束传播方向存在着一个外磁场，那么光通过偏振面将旋转一个角度，这就是磁光效应。
也就是可以通过旋转的角度来测量外加的磁场。
在特定的试验装置下，偏转的角度和输出的光强成正比，通过输出光照射激光二极管LD，就可以获得数字化的光强，用来测量特定的物理量。
有几个关键的技术因素可以帮助用户和设计者决定如何选择一款环境光传感器。
首先，传感器的输出必须和光强成线性关系，光谱波长敏感度应该非常接近人眼。
另外，器件的输出应该直接和照射在集成的光敏二极管上的光强成正比，540nm的峰值响应接近人眼的峰值敏感度。
大多数光传感器都能够感测到380nm～770nm的环境光。
现在有很多种不同类型的环境光传感器能够提供这些好处，包括模拟和数字输出的传感器、超低功耗版本、非线性版本，以及下一代低功耗、超低亮度的版本。
目前最好的数字产品的光敏感度可以低至0.015Lux以下，动态范围高达64,000Lux，所需的工作电流小于65mA。
这些产品还具有理想的光谱响应和低误差光输出变化，并利用数学算法简化使用。
市场上还出现了一些新型数字光传感器，从目前看，数字光传感器是解决性能和灵活性问题的好办法，尤其是在汽车应用当中，因为在汽车中使用的I2C数字输出信号提供了更低的噪声，能够在同一条总线上将数个传感器组网，很好地控制传感器的特性，还具有良好的总体性能。
光源
不同的光源具有不同的光谱特性，使用者在做产品选型时，需要了解这些特性。
在下面的图1中，显示了如何利用ISL29023测量不同的光源。
值得注意的是，在宽动态范围内，测量曲线与理想读数线之间的误差很小。
如果我们想使用对红外线特别敏感的传感器，上面的图会显示，测量曲线与理想读数线有更大的偏离误差。
要点在于：
即便不是全部，至少大多数应用都对光传感器有所要求，即准确测量人眼能够看见的可见光，减弱带有大量红外和紫外成分的光线。
光传感器应用-首先是PC机、电话、PDA和新型汽车
下面是光传感器在在不同的市场和应用当中的基本情况。
从智能手机、PDA、笔记本电脑、便携式音乐播放器到类似的其他产品，光传感器在便携式消费类市场上所处可见。
光传感器还被广泛用在消费类电视机市场，以及医疗和工业应用当中。
现在，制造商正在开发针对汽车市场的新一代系统，并已经投入使用。
围绕汽车工作环境，本文就设计问题和传感器的效用给出了全景式的介绍。
光传感器的主要应用如下：
信息娱乐/导航/DVD系统的背光控制控制，以便在各种环境光条件下显示理想的亮度
后座娱乐显示屏的背光控制
仪表盘组合仪表的背光
自动后视镜调光
自动头灯和雨量检测
后视摄像机控制
由于汽车需要在各种环境光条件下均具有完美的背光照明，因此凭借类似人眼的感测功能，光传感器已经成为实现更舒适显示质量的最有效解决方案之一，能够满足汽车的安全性和舒适性标准。
对于便携式应用，一个典型的显示屏会消耗同样多的能量，直到使用者改变系统设定，这通常是亮度控制。
在户外等非常亮的地方，使用者会提高显示屏的亮度，这会增加系统功耗。
当环境改变时，如进入建筑物内，大多数使用者并不会改变设定，导致系统仍然处于高功耗状态。
利用光传感器，系统能够自动探测环境状况的变化，把显示屏调整到最佳的亮度，减少整体的能量消耗。
在一般的消费类应用中，利用环境光传感器反馈实现自动亮度控制，还能够大大延长智能手机、笔记本电脑、PDA和数码相机的电池寿命。
这种控制是很有用的，因为最近的研究显示，在一个笔记本电脑中，显示背光所消耗的电池电量要占到33%。
感测环境光并不是一个新想法，但与光敏二极管不同的是，用传感器感测环境光的同时，能够减弱多余的红外光和紫外光，而且是在一个非常小尺寸的封装内提供这些功能，同时支持汽车标准AEC的严格要求，确保器件在-40℃～+105℃温度范围可靠工作，并满足其他标准的要求。
要满足AECGrade2对温度的要求，还有一些光学方面的难题要解决。
任何光传感器、LED发射器或接收器，在连续高温下，都会碰到封装变色的问题。
这个问题在标准IC封装的系统中并不常见，因此如果采用+125℃的扩展温度黑色模具化合物来使系统更稳定。
到目前为止，所有涉及的环境光传感器应用都是在汽车驾驶仓内，还没有涉及在引擎仓或车外环境中的应用。
即便有这样的应用，光学封装也不是针对这样严酷的环境而设计的，因此在目前的光学封装技术下，这些光传感器很可能无法经受这样的环境。
数字输出光传感器的内在优势包括高耐噪声能力、可通过I2C总线存取数据、可对传感器编程，还有其他诸多特性，使这些多功能产品成为很多工程师的选择。
ISL29011的功能框图（如下面的图2所示）显示，把该器件设计到任何系统当中都是很简单容易的，而且系统还能从精确、高度可编程的环境光传感器获得不少益处。
在ISL29000系列当中，ISL29011采用了最新和最先进的技术。
该器件是集成的环境和红外光至数字转换器，带有内置的红外LED驱动器和I2C接口。
器件提供了环境光感测功能，能够实现稳定的背光/显示屏亮度控制，带有中断功能的红外感测可实现接近估计。
为了进行环境光感测，传感器内部的ADC采用电荷平衡A/D转换技术进行设计。
ADC的标称转换时间是90ms，用户可以根据振荡器的频率和ADC的分辨率，在11μs～90ms区间内进行调整。
ADC能够抑制由人工光源产生的50Hz和60Hz闪烁噪声。
照度范围选择功能使用户可以对照度范围进行编程，以优化每勒克斯的计数值。
对于接近感测，当内部的红外LED驱动器在用户选定的调制频率下，按照编程设定的时间周期关闭和开启，驱动外部的红外LED时，ADC会将来自光敏二极管阵列的输出信号数字化。
由于接近传感器采用了噪声消除机制，可大幅抑制多余的红外噪声，接近感测的数字输出随距离的增加而减小。
驱动器的输出电流是用户可选的，最高可达100mA，能够驱动不同类型的红外发射LED。
最好的带有接近感测功能的环境光传感器提供了6种不同的工作模式，可以通过I2C接口进行选择。
这些模式包括：
一次可编程的ALS和自动断电的一次可编程红外感测，一次可编程的接近感测，可编程的连续ALS感测，可编程的连续红外感测，和可编程的连续接近感测。
可编程的一次操作模式大大降低了功耗，因为紧接着的自动关断将整体的供电电流降至0.5μA以下。
关于环境光传感器的介绍（2/2）
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2011/08/05|4287次阅读|10次推荐| 0条留言
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环境光感测的基本光学技术
大多数光源发出的光包含了可见光和红外波段的辐射。
如果按照流明来算，不同的光源可能具有相似的可见光强度，但是红外频段的响应就大不相同了。
在测量光强时，必须要考虑到光的光谱特征和光传感器的光谱敏感度。
采用CMOS工艺的光传感器能够探测到大多数红外辐射，会导致对真实环境状况的误报。
对于灯泡之类的光源，传感器的信号比人眼看到的数量要高很多。
由这类传感器控制的照明方案的响应可能与环境光谱并不相符，限制了接近感测的最长距离。
做为接近感测系统方案的一部分，要建立更合适的调光或照明控制，基本的要求是要有能够模仿人眼的传感器，并且是在具有最大红外信号的情况下。
图3显示了一个光传感器的光谱响应，非常适合环境光的感测。
图3还显示了用在接近感测中红外波长的光谱。
图3，环境光传感器和接近传感器的光谱响应
接近感测的重要性：
一个典型系统
接近感测的基本原理是：
红外LED发生红外光，红外光会从被照射物体上发射回来。
反射回来的红外光被红外传感器探测到，与物体的接近程度与探测到的红外光的量级成正比。
应用包括接近探测器；反射物体感测，环境光探测，背光控制和灯光控制。
接近感测是通过采集红外信号和数学处理实现的，通常需要两个部件来构成光学前端：
一个红外LED和一个光传感器。
红外LED向被感测物体发射出一束红外信号，该信号的一部分会反射回来，并被红外CMOS光传感器探测到。
通过片上的信号调理和模数转换，数字化的红外信号就可以送到微处理器进行后处理，用于各种接近感测用途。
一个典型的红外接近感测系统是由一个光学前端、模拟混合信号处理电路和一定的机械结构组成。
本文简述了基本的光学原理、电路功能模块、机械设计、接近感测算法和软件。
机械结构的设计通常与不同应用平台的设计折中有关，例如手机、PDA、笔记本电脑和各种消费类电子产品。
设计折中包括器件选择、放置尺寸、镜片特性和光学设计，以及应用算法和软件实施。
集成的环境光感测和接近感测系统会测量周围的光环境，也可以探测物体的靠近或离开。
这样微处理器或MCU就可以实现非常复杂的控制，或是调整设定，进一步提高以功耗来衡量的系统效率，就象许多其他应用那样。
接近传感器的光学基本原理
环境光传感器使用光的可见频率，接近传感器则使用紫外频段。
图4显示，当在接近探测路径上没有感测物体时，就不会有反射回来的红外信号被接近传感器捕获到。
接近读数回送到默认的基线计数器里。
当感测物体出现在红外LED和红外传感器之间中心点的可探测距离内时，接近传感器捕获到反射回来的红外信号，如图5所示。
接近读数与所捕获的红外光的信号强度呈线性比例关系，与距离的平方成反比。
图4，在接近探测区域没有感测物体
图5，在接近探测区域有感测物体
光传感器IC的设计经过不断演进，现在已经出现了集成的数字环境光和接近传感器。
这种先进的新一代器件提供了很多非常棒的设计特性，如在接近感测时的环境红外抑制，该功能让传感器在直射的日光下仍能正常工作。
另一个特性是提供了四个不同环境光敏感度范围，既可以感测到0.015lux的光强，也可以感测到64,000lux的光强。
中断功能用于产生报警或监控功能，判断环境光的级别或接近探测的级别是否超出了上限或低过了下限。
它还让用户能够通过数字接口，配置中断的持续时间。
典型的数字接近传感器功能框图
图6显示了一个典型数字环境光和接近传感器的电路功能框图。
光敏二极管阵列是光学前端的一部分，用于信号调理和采集。
集成的ADC将捕获到的光信号转换成数字数据流，由微控制器对数据进行后处理，用于实现不同的应用目标。
通过I2C接口，可以写入
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