用于计算、医疗和汽车的环境光传感器

　　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。

　　这些最新一代的重要器件可以在2.5V～3.63V的供电电压下工作，支持硬件和软件中断一直保持断言状态，直到主控制器通过I2C接口清除这些中断，开始进行环境光感测和接近探测。

　　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(峰值敏感度在880nm)，会导致对真实环境(可见的)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。例如，在使用者将手机移近他或她的耳朵，接听来电时，一部配备了传感器的手机就可以关闭屏幕，在用户通话期间节约电池能量。

　　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，可以写入不同的配置命令，并用同一个数字接口读出环境光和接近距离的数据流。中断功能直接送到MCU，由MCU控制红外LED驱动器，输出所需的前向电流，让分立的或集成的红外LED发射出红外信号。

 
图6，典型的数字接近传感器功能框图

　　光学前端的另一个重要部件是红外LED。不同的红外LED具有不同的峰值波长、发光强度和视角。典型峰值波长为850nm～950nm的高发光强度红外LED与接近传感器ISL29011的光谱相匹配。窄视角和更高的发光强度可以扩大接近探测的距离。选择红外LED时，在视角、机械占位、发光强度和功耗之间取得折中和平衡是很重要的。

　　玻璃视窗的尺寸和放置位置

　　对于一个扁平的表面透镜，视角是塑料或玻璃材料折射率的函数。如果材料的密度更大(折射率更高)，有效的视角就更小，因此低密度的材料会有更大的视角。视窗镜片对光传感器的视角有明确的限制。视窗镜片应当直接放置在传感器的顶部，镜片的厚度应当尽量薄，以减少光强的损失。

　　接近传感的系统算法

　　完成器件选型和设计之后，一个稳定耐用的接近感测系统还需要光学传感器，在各种环境光条件下针对不同的感测物体进行动态自校准。一个优秀的接近感测算法是必不可少的，能够帮助接近感测硬件巧妙地绕开来自不同的机械设计局限和恶劣的周边环境的重重障碍，从而持续、稳定地探测距离。

　　在接近感测系统上采用了各种设计和实施技巧后，就能够得到一个不错的接近感测测试系统，如图8所。环境光和接近感测系统根据特定用户应用的要求进行了优化。在平衡了上述设计折中后，消费者能够对系统的各个方面进行精准地调整，满足应用的要求。

 
图8，接近传感距离与LED电流驱动强度