在“時(shí)時(shí)連接”的今天，大多數便攜設備都將顯示屏作為一大賣(mài)點(diǎn)，用戶(hù)通過(guò)顯示屏能夠訪(fǎng)問(wèn)并觀(guān)看視頻和互聯(lián)網(wǎng)信息。出于對功耗和觀(guān)看舒適度等方面的考慮，許多設備配備了環(huán)境光傳感器—為設備增添環(huán)境光檢測功能。在昏暗環(huán)境下，可調低顯示屏背光亮度，以節省電池電量;在明亮環(huán)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(hù)體驗。本文討論了設計帶有環(huán)境光傳感器的產(chǎn)品時(shí)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(huán)境光的視覺(jué)反應。人眼對光線(xiàn)的感應靈敏度通常用光譜光視效率(又稱(chēng)CIE曲線(xiàn))表示(圖1)。從圖中可以看出，人眼看不到光譜中的紫外線(xiàn)(< 400nm)和紅外線(xiàn)(> 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(xiàn)進(jìn)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(cháng)為555nm時(shí)，1 lux相當于大約0.15µW/cm²的光功率密度。

圖1. 適光曲線(xiàn)給出了人眼對不同波長(cháng)光線(xiàn)的視覺(jué)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(shù)方面的挑戰使得低成本環(huán)境光傳感器(ALS)很難準確復現人眼對光線(xiàn)的視覺(jué)反應，完全絕對地抑制紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)也是一大難題。由于常見(jiàn)光源的光譜非常寬，即使略微偏離適光曲線(xiàn)，再加上不能完全抑制紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)，都會(huì )對環(huán)境光傳感器的測量精度造成非常大的影響。
實(shí)際上，許多商用照度計均無(wú)法準確匹配適光曲線(xiàn)。因此，大多數照度計都定義了一個(gè)ƒ1’參數，該參數用于說(shuō)明照度計與光學(xué)CIE曲線(xiàn)的匹配程度。經(jīng)驗不足的用戶(hù)在操作商用照度計時(shí)還應注意另外一個(gè)問(wèn)題—許多照度計聲稱(chēng)根據美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)的標準進(jìn)行了校準，事實(shí)上這種聲明只能說(shuō)明照度計在采用白熾(A類(lèi))光源進(jìn)行測試時(shí)能夠給出精確讀數，但并不保證非白熾光源的測量精度，例如熒光燈、太陽(yáng)光或LED—而此類(lèi)光源更為常見(jiàn)。事實(shí)上，由于白熾光源的能效非常低，各個(gè)國家正在積極推進(jìn)日常生活中禁止使用白熾光源。
因此，現今的環(huán)境光傳感器均無(wú)法完全匹配光學(xué)CIE曲線(xiàn)，而是采用疊加原理計算環(huán)境光亮度�，F在市場(chǎng)上的大多數光傳感器采用兩個(gè)或多個(gè)不同類(lèi)型的光電二極管，每個(gè)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(jìn)行算術(shù)求和，并對每個(gè)光電二極管設置一個(gè)適當的可調增益，傳感器即可較為準確地測量常見(jiàn)的環(huán)境光源亮度。
例如，如果兩個(gè)不同類(lèi)型的光電二極管PD1和PD2針對兩種不同的入射光源給出了不同讀數，可以得到每個(gè)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(lèi)型越多，可精確匹配的光源數量就越多。
日常生活中常見(jiàn)光源的光譜區別非常大(圖2)。以住宅和辦公室中的常見(jiàn)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(huán)境光傳感器的數據資料都列出了這兩種常見(jiàn)光源的響應特性(圖3)。

圖2. 以上曲線(xiàn)為太陽(yáng)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(huán)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(guān)系。上圖所示為MAX44009環(huán)境光傳感器的響應曲線(xiàn)。

光測量的動(dòng)態(tài)范圍
人眼對光照條件的敏感范圍很寬。在黑暗的環(huán)境中(可能需要數分鐘的時(shí)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(gè)極端環(huán)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(jiàn)的典型環(huán)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(yáng)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(huán)境光強度。實(shí)際應用中，便攜設備顯示屏的背光效果并不能夠與太陽(yáng)光的強度完全一致，當光強達到某個(gè)較低等級時(shí)，顯示屏即開(kāi)始簡(jiǎn)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(guān)系(類(lèi)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�？梢杂靡粋�(gè)類(lèi)似的傳遞函數表示顯示屏背光亮度百分比與相對環(huán)境光強的對應關(guān)系，如圖4中的線(xiàn)性和對數曲線(xiàn)所示。

圖4a. 該線(xiàn)性曲線(xiàn)給出了背光強度與相對光強的對應關(guān)系。黑線(xiàn)為理想對數曲線(xiàn)，藍線(xiàn)采用折線(xiàn)近似法，更適于用微控制器代碼實(shí)現。

圖4b. 這些曲線(xiàn)為采用對數坐標表示相對光強時(shí)的圖4a中的線(xiàn)性數據。黑線(xiàn)為理想對數曲線(xiàn)，藍線(xiàn)采用折線(xiàn)近似法，更適于用微控制器代碼實(shí)現。
由此可見(jiàn)，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(shí)現這一機制的最簡(jiǎn)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(dòng)態(tài)范圍的要求，以及亮度較低時(shí)對高靈敏度的要求。
MAX44009與其它數字光傳感器不同，內部帶有自動(dòng)量程調節機制。這種調節方法能夠使IC自動(dòng)實(shí)現22位動(dòng)態(tài)范圍測量，無(wú)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(jìn)行壓縮，并以12位格式表示，從而為光測量提供了一個(gè)偽對數步長(cháng)。以MAX44009為例，器件采用4位指數和8位尾數表示22位動(dòng)態(tài)范圍，低亮度條件下的分辨率可達0.045 lux/計數，環(huán)境光亮度較高時(shí)具有更高的計數值。

黑玻璃效應
現代化電子設備的外觀(guān)和質(zhì)感，也就是其工業(yè)設計，與它們所提供的特性和功能同樣重要。用戶(hù)已經(jīng)將現代化便攜設備視為一種“身份”的象征。例如，環(huán)境光傳感器對設備非常重要，但目前比較流行的做法是將這些傳感器隱藏起來(lái)，以免影響產(chǎn)品的外觀(guān)和質(zhì)感。
對于玻璃面板，通常在傳感器開(kāi)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(lái)。少量光線(xiàn)透過(guò)油墨，到達光傳感器，既能夠進(jìn)行環(huán)境光測量，同時(shí)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?chē)�采用黑色邊框面板。用�?hù)看不到隱藏在其后的環(huán)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(wèn)題。大多數黑色油墨僅允許2%至10%的可見(jiàn)光穿過(guò)，5 lux的外部光源到達傳感器時(shí)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(jiàn)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(cháng)的關(guān)系。
不均勻的光譜透射使得大多數光傳感器必須重新校準，以便在置于黑色油墨下方時(shí)仍能獲得準確的環(huán)境光測量讀數，需要重新調節無(wú)黑色玻璃條件下精確測量環(huán)境光的工廠(chǎng)設置。正因如此，MAX44007環(huán)境光傳感器提供了多個(gè)內部光電二極管。這種靈活性使用戶(hù)能夠針對大多數應用進(jìn)行調節，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(shí)時(shí)改變顯示屏背光強度，其目的是防止響應雜散噪聲，例如掠過(guò)的陰影。相比之下，快速響應環(huán)境光的一致變化能夠使用戶(hù)連貫地使用設備，無(wú)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(xún)光傳感器(以檢查環(huán)境光強度是否發(fā)生變化)和噪聲抑制電路對應用軟件資源來(lái)說(shuō)也是一種負擔。這會(huì )增加微控制器處理負荷，進(jìn)而延緩對用戶(hù)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(gè)強大的功能—中斷引腳。傳感器持續比較環(huán)境光測量值與內部可編程窗口門(mén)限，并在光強超出門(mén)限時(shí)觸發(fā)一個(gè)中斷，向主控制器報告光照條件發(fā)生了實(shí)質(zhì)性變化。通常采用一個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器超時(shí)的情況下才向主控制器報告中斷，以避免環(huán)境光信號中的噪聲和短時(shí)波動(dòng)引起誤操作。
中斷引腳使傳感器應用更加智能化，只有在需要操作時(shí)才向主控制器發(fā)出請求。這樣一來(lái)，主控制器的資源可以分配給其它任務(wù)，或將微控制器維持在低功耗等待狀態(tài)，從而延長(cháng)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(kāi)漏連接允許“線(xiàn)或”連接多個(gè)器件和信號源。

圖7. 多點(diǎn)I²C總線(xiàn)上的環(huán)境光傳感器典型應用電路，顯示了中斷引腳與主控制器的連接方式。

總結
本文概述了目前便攜設備的光傳感器設計中常見(jiàn)的問(wèn)題。在開(kāi)發(fā)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。