获取环境光数据调节LCD的光传感器解决方案
eeskill 2022-08-02

亮是如何亮起来的? 明亮度或光的亮度以勒克斯为单位来计算。 直射阳光计为 100,000 勒克斯,而街灯则仅有 20 勒克斯。 人眼长时间盯着明亮、耀眼的显示器就会感到疲劳,直到近年来人们才认识到这是操作计算机和其它消费电子设备不可避免的副作用。 但是如今的环境光传感器能够消除大量潜在的不舒适和压力。 这些电子元件称作“光电探测器”,能够检测并不断测量其所在环境的光量,以尽可能接近于人眼的方式觉察亮度。 其典型应用就是匹配人眼需求,通过调光方式调节亮度,从而减少眼睛的压力。

环境光传感器也可以在光线变暗时起作用,从而让路灯自动打开,在光线变得昏暗或进入隧道时打开汽车大灯,或在光线变化时调节车内仪表板背光,以便驾驶员能够看见。 类似的是,在手机触摸屏中,环境光传感器可通过帮助处理器决定所需提供的照明量来启动背光照明,并在不要求背光或环境光足够人眼使用时自动调低背光。 同时,传感器会不断地测量,以便设备能够随时调节显示,使输出始终表现一致,而不管光照条件如何变化。

环境光传感器能够处理各种各样的光源,从自然阳光到日光灯和白炽灯,通过优化显示来获得舒适的观看效果,从而改进用户体验并节省电力,而不管是什么光,变化得如何快。

真实世界实例

现在市场上有很多不同的环境光类型传感器,每个都其各自的优势和劣势。 现有我们来看看几款有代表性的光传感器,每一款在模仿人眼的方式上都有少许不同。

TSL2591 由ams-TAOS USA制造(图 1),是一款具有较高敏感度的光到数字转换器,能够将光强度转换为可由 I²C接口直接处理的数字信号输出。 该器件在单一 CMOS集成电路上集成了一个宽带光电二极管(可见加红外)和一个红外反应二极管。 两个集成ADC将光电二极管电流转换为表示每个通道上测得的辐照度的数字输出。 这种输出可以输入微处理器,其中以勒克斯计的环境光级别是使用经验公式推导出来的,接近于人眼反应。 TSL 2591 支持传统级别中断,保持断言,直到固件清除它。

图 1:TSL2591框图。

此器件接近人眼反应,为灵活操作提供信号。 因此适合用在深色玻璃下面,工作能耗低,休眠状态时仅消耗 3.0 μA 电流。

TSL2591 包括两个 ADC,用于对来自两个光电二极管的电流进行积分处理。 两个通道的积分是同时进行的。 转换周期结束时,转换结果分别传送到通道 0 和通道 1 数据寄存器。 数据传送采用双缓冲方式,以确保数据的完整性。 传送完成后,器件自动开始下一个积分周期。 无须外部电路进行信号调节。 由于器件输出是数字信号,因此相对模拟方式,可有效摈除噪声干扰。

ROHM 的 BH1603FVC 模拟电流输出类型环境光传感器 IC(图 2)是一种模拟电流输出环境光传感器,特别适合用于获取环境光数据来调节 LCD 和手机键盘背光。 这款传感器能够节省电能并改进可视效果。

具体特性包括:3.0 x 1.6 mm 紧凑表面贴装式封装、接近人眼的光谱敏感性、与亮度成正比的输出电流、2.4 V 的最小低供应电压以及内置关断功能。

图 2:ROHM BH1603FVC 框图。

器件封装在紧凑的 3.0 x 1.6 mm 的表面贴装外壳中,具有与人眼敏感度相似的灵敏度,输出电流与亮度成正比,使用最小的 2.4 V 供应电压。

应用包括手机、液晶电视、笔记本电脑、游戏机、数码相机、PDA 和液晶显示器。 为帮助工程师进一步了解产品,ROHM 提供了产品培训模块对环境光传感器进行介绍。 课程覆盖 BH1603FVC 及其数字版 BH1710FVC。

对于以要求低功耗为目标的应用来说,Maxim 提供的 MAX44009(图 3)带有集成光电二极管和 ADC,并提供 I²C 数字接口。 芯片封装在透明的外壳中,以便测量环境光。 位于 IC 内部的光电二极管能够将光转换为电流,再由低功耗电路将其处理成一个数字位流。 片载可编程中断功能消除了器件对该数据的连续轮询,这奠定了器件实现低功耗的基础。小于 1µA 工作电流,该器件被各大供应商视为业内功耗最低的环境光传感器。

除了超低电流消耗外,该器件的还具有 0.045 勒克斯到 188,000 勒克斯的宽动态光范围,这是一个超过 4,000,000:1 的范围

该器件见证了传感器技术在模仿人眼功能方面所走的漫漫长路,它能够以人眼一样的方式检测亮度。 该传感器对光线具有与人眼类似的光谱敏感度。 但是人眼敏感度在 560 nm(绿光波长)时达到峰值敏感度,且对蓝光 (~470 nm) 和红光 (~630) 的敏感度却特别地低。 人眼看不见红外线 (>700 nm) 和紫外线 (<400 nm)。

图 3:MAX44009与人眼相当的光谱敏感度。

光谱间的差异影响亮度测量,因为硅光电二极管也收集某些红外辐射。 具有红外成份的光源(如阳光)将会显示出比我们人眼觉察到的要亮。 MAX44009 具有良好的红外拒绝和内部红外补偿机制,可以最大程度地减少这种影响,从而给出一个精确的勒克斯反应。

环境光传感器需要反应可见光,但要对紫外光或红外线无反应。Vishay的TEMT6200FX01 设计目标也是尽可能匹配人眼的光谱敏感度。 这是一个硅 NPN 外延平面光电二极管,封装在一个小型、透明的 0805 表面贴装外壳中,跟人眼一样对可见光敏感,峰值敏感度波长为 550 nm。 器件采用传说中的红外过滤环氧树脂技术,对非可见光具有最小的灵敏度。 这有助于防止自然光或人造光源(如白炽灯或卤素灯泡)中红外成份的的干扰。

从控制光到优化 LCD 可见性,或者通过控制键盘背光照明来节省电池电力,工程师们总可以找到各式各样符合其应用要求的环境光传感器。

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