环境光传感优化了便携式显示器的可视性和电池寿命

将环境光传感器添加到平板电脑、智能手机和笔记本电脑等便携式设备可延长电池寿命，并实现针对环境优化的易于查看的显示器。本讨论涵盖了在便携式设备中使用此类传感器时出现的各种问题。

介绍

在当今日益互联的世界中，大多数便携式设备都带有允许用户访问和使用视频和互联网内容的显示屏。对功耗和观看舒适度的担忧导致许多这些设备都包含环境光传感器，以使设备能够感知其周围环境。在昏暗的环境中，显示器背光可以回拨以节省电池电量，而在明亮的环境中，增强字体和背景的使用可以通过使设备更具可读性来改善使用。本说明讨论了在设计带有环境光传感器的产品时要记住的一些应用注意事项。

光测量的光谱灵敏度

首先，考虑人眼对环境光的看法。我们的眼睛对光的敏感性通常用明视曲线来描述，也称为CIE曲线（图1）。它表明人眼对光谱的紫外（<400nm）和红外（>700nm）部分的波长视而不见。它还表明眼睛对绿光（~555nm）最敏感，对蓝色和红色波长不太敏感。因此，我们使用该灵敏度曲线的归一化版本来转换入射光功率密度（以μW/cm为单位指定）2） 到人眼的感光度单位（以勒克斯为单位）。在555nm处，1勒克斯相当于约0.15μW/cm2的光功率强度。

图1.明视曲线显示了眼睛对不同波长光的反应。绿光在眼睛中产生最大的响应，但眼睛无法看到光谱的红外（>700nm）或紫外线（<400nm）部分的光。

制造和技术带来的挑战使得实用的低成本环境光传感器（ALS）难以精确复制该光谱。也很难绝对彻底地拒绝红外和紫外线辐射。由于普通光源中的光谱含量较宽，即使与明视曲线的轻微偏差，再加上不完全的红外和紫外线抑制，也会对环境光传感器的亮度测量精度产生重大影响。

事实上，许多市售照度计很难与明视曲线完全匹配。因此，大多数照度计都指定了一个称为ƒ1'的参数，该参数通常用于表示照度计与明视CIE曲线的匹配程度。没有经验的用户在处理商用照度计时还应该记住另一个问题——许多电表声称已按照可追溯到美国国家标准与技术研究院 （NIST） 的标准进行校准。然而，实际上，这种说法只是断言，当使用白炽灯（A型）光源进行测试时，照度计会给出正确的读数。不保证非白炽光源（如荧光灯、阳光或 LED）的照度测量的准确性，即使此类光源更为常见。事实上，世界正朝着禁止在日常生活中使用白炽光源的方向发展，因为它们的能源效率很低。

因此，现代环境光传感器试图忍受与明视CIE曲线的不完全匹配，而是使用叠加原理来计算环境光亮度。当今市场上的大多数光传感器使用两种或多种不同类型的光电二极管，每种光电二极管对光谱的不同部分敏感。通过数学方式组合这些光电二极管输出，每个输出都具有适当调整的增益，可以使传感器输出相当精确的常用光源的环境亮度测量值。

例如，如果两种光电二极管类型PD1和PD2为两个入射光源提供不同的读数，则可以为每个光电二极管推导出一个增益常数，以便传感器为两个光源提供准确的照度读数：

光源 1 = 增益 1 × PD1 + 增益 2 × PD2
光源 2 = 增益 1 × PD1 + 增益 2 × PD2

光电二极管类型越多，可以紧密匹配的光源数量就越多。

日常生活中发现的光源光谱差异很大（图2）。在家庭和办公室中常见的光源中，荧光灯和白炽灯被认为是极端的，一种红外含量很少，另一种红外含量很高。因此，大多数环境光传感器的数据手册显示了比较这两种常见光源的响应（图 3）。

图2.这些图比较了太阳光（左上）、卤素灯/白炽灯（右上）、荧光灯（左下）和白光 LED（右下）的光谱。

图3.大多数环境光传感器的数据手册包括典型感光度与以勒克斯为单位的仪表读数的关系图。图中显示了MAX44009环境光传感器的响应。

光测量的动态范围

人眼对各种光线条件都很敏感。当光线调整到黑暗环境时（可能需要几分钟才能适应这种情况），眼睛可以检测到低至10的亮度水平-4勒克斯。在天平的另一端，即使在10点明亮的环境中，眼睛也有一些黑暗感。8勒克斯。

人们在现实生活中遇到的典型环境亮度通常要窄得多，范围从夜间户外的0.1勒克斯到办公室照明的300勒克斯，再到明亮阳光下的100，000勒克斯。大多数便携式设备只需要准确检测5勒克斯至约1000勒克斯的环境光强度。便携式显示器背光无法真正与太阳的能量竞争，对于低于一定水平的光环境，显示器只是简单地保持在最低亮度。

请注意，人眼对亮度的感知是对数的（类似于耳朵对声音的敏感性）。勒克斯水平必须增加近 10 倍，眼睛才会感觉到它的亮度是原来的两倍。然后，类似的传递函数将显示器背光亮度的理想百分比与相对环境照度相关联，如图4的线性和对数图所示。

图 4a.此线性图显示了背光强度与提供的相对勒克斯的关系。黑线是理想的对数曲线，蓝线是更适合使用微控制器代码实现的分段线性近似。

图 4b.这些曲线使用相对照度的对数刻度表示图4a的线性数据。黑线是理想的对数曲线，蓝线是更适合使用微控制器代码实现的分段线性近似。

因此，低光测量需要精细分辨率，而高照度测量则需要大分辨率。实现此方案的最简单方法可能是使用具有前端可编程增益的高分辨率转换器，这允许人们平衡高端大动态范围和低端测量的高灵敏度要求。

MAX44009与其他数字光传感器的不同之处在于它包含片内自动量程方案。该方案允许IC自动进行22位动态范围测量，从而提高代码效率，而无需微控制器重新配置寄存器。此外，这些测量值被压缩并以 12 位格式表示，实际上为光测量提供了伪对数步长。例如，MAX44009使用4位指数和8位尾数表示22位动态范围，在低光照水平下提供0.045 lux/计数的分辨率，在较高水平的环境光下提供更高的计数尺寸。

黑色玻璃的效果

现代电子设备的外观和感觉（工业设计）现在与它们提供的特性和功能一样重要。客户已经开始将现代便携式设备视为“他们是谁”的代表。例如，环境光传感器对设备很重要，但现在必须将这些传感器隐藏在视线之外，以免分散用户对产品外观和感觉的注意力。

对于玻璃面板，这种“遮盖”通常是通过在传感器开口处涂上一层薄薄的黑色墨水（吸收几乎所有入射光）来实现的。然后，通过墨水的少量光到达光传感器，从而实现环境光测量，同时允许面板保持光滑且不间断的黑色边框（图 5）。

图5.典型的平板电脑设计显示了在LCD显示屏周围使用黑色边框面板。环境光传感器的存在隐藏在用户的视野之外。

不幸的是，这种黑色墨水对光传感器的正常运行具有重要意义。它不仅会衰减到达传感器的光量，还会改变该光的光谱。首先，考虑光衰减问题。大多数黑色墨水只允许2%到10%的可见光通过，因此5勒克斯的外部光在传感器上只能变成0.1勒克斯！因此，光传感器需要高灵敏度。其次，光谱的变化使得虽然只有2%至10%的可见光穿过墨水，但它几乎所有入射红外辐射都通过传感器（图6）。

图6.这种典型的光谱分布特征了当今商业电子设备中发现的黑色墨水，显示了入射光的透射百分比与波长。

不均匀的光谱透射曲线提出了额外的要求，即大多数现代光传感器在黑色墨水下放置时需要重新校准以获得环境照度的准确读数。因此，在没有黑色墨水的情况下为精确测量光而选择的任何出厂设置都需要重新调整。因此，MAX44007环境光传感器允许访问多个内部光电二极管。这种灵活性使用户能够针对大多数应用定制和重新校准传感器响应。MAX44007的灵敏度为0.025 lux/LSB。

在光传感器中使用中断引脚

大多数应用不需要实时改变显示器背光强度，其目的是防止对杂散噪声（如传递阴影）的响应。相比之下，对环境光的持续变化的快速响应使用户能够保持与设备的完全互动，而不会因调整显示器亮度以提高可读性而分心。另请注意，光传感器的连续轮询（以检查环境电平是否发生变化）和在固件中实现噪声抑制会给应用程序的软件资源带来负担。它减慢了对用户命令的响应，并且由于微控制器处理的增加而增加了功耗。

因此，现代光传感器配备了一个强大的功能——中断引脚。传感器不断将环境光读数与内部可编程窗口阈值进行比较，并在光照水平超过这些阈值时生成中断，从而提醒主机微控制器光线条件确实发生了变化。在将中断实际标记到主机之前，使用持久计时器来消除由于环境光中虚假、持续时间短的波动而导致的错误触发。

使用中断引脚使传感器变得智能，并且仅在需要操作时才要求主机干预。然后，主机微控制器的处理资源可以专用于其他任务，或者微控制器可以通过保持低功耗等待状态来延长电池寿命。典型的应用电路（图7）演示了中断引脚的使用。请注意，与该引脚的漏极开路连接允许与多个器件和电源进行接线或连接。

图7.此典型应用电路适用于多点 I 上的环境光传感器2C 总线显示中断引脚与主机微控制器的连接。

结论

本文概述了在为现代便携式设备设计光传感器时经常遇到的一些应用注意事项。在开发初期建立时，与IC供应商的密切合作可以确保系统灵活可靠。

审核编辑：郭婷