Ambient Light Sensor环境光传感器的完整介绍 – 从组件工作原理﹅如何检测﹅重要性能参数﹅应用范围﹅主要制造商与产业结构说起
1.什么是环境光传感器？
环境光传感器(Ambient Light Sensor)是一种组件，普遍用于手机，平板计算机，笔记本电脑等电子行动装置，他的作用主要用来侦测环境的照度。当室内的灯光暗淡下来，眼睛瞳孔会放大，此时若电子产品屏幕亮度过高，人眼将会感到不适。环境光传感器可侦测环境照度，进而将电子产品的屏幕亮度调整至人类眼睛可接受的亮度，大幅提升使用者体验。此组件不单可节省能源，更可延长电子产品的电池寿命。
现代环境光传感器组件的科技水平，已经达到人类眼睛光视感度。环境光传感器主要包含四大类：CdS光敏电阻﹅光敏晶体管(Photo Transistor)、光电二极管(Photo Diode)，以及整合了放大电路的光电IC。其优缺以图示说明如下：
图1. Ambient Light Sensor环境光传感器的分类与优缺点介绍
2.环境光传感器需要进行哪些检测？
如前所述，环境光传感器已广泛用在智能型手机﹅平板计算机或是笔记本电脑上。环境光传感器与这些电子产品整合时，需确保环境光传感器的功能可以正常运作，不会受到电子产品本身与结构设计的影响，例如：机构遮蔽或屏幕自发光的干扰。除此之外，针对环境光传感器组件本身，还有许多重要性能参数需要检测：
2.1 环境光传感器组件的重要性能参数有哪些?
一般包括：角度响应(Angular Response)﹅动态范围(Dynamic Range)﹅线性度(Linearity)﹅视野(Field of View, FOV)，以及不同色温的环境光对环境光传感器的影响?
2.2 环境光传感器的Angular Response是什么？角度曲线又是什么？
这是指环境光传感器组件对于不同角度的入射光的响应程度，其结果可以用角度曲线来呈现。以A厂牌的环境光传感器为例，其角度曲线如下：
图2. A厂牌环境光传感器的角度曲线
2.3 角度曲线与配光曲线，两者意义有什么不同？
简单的说，角度曲线通常是用于评价光电传感器的特性参数；配光曲线则是属于评价光源的特性参数。环境光传感器角度曲线的意义，已说明如上述2.1，故不再赘述。至于配光曲线的意义，则是指光源于不同角度的照射强度。我们再以Cree的发光二极管(LED)为例，其配光曲线以直角坐标方式呈现如下：
图3. C厂牌发光二极管的配光曲线
2.4 环境光传感器的动态范围(Dynamic Range)是什么？
人眼会随着环境明暗，调整瞳孔大小，让人无论在明亮或者昏暗的环境中，均能确保视线清晰。环境光传感器具有近似人眼对亮度的敏感度，此敏感度性能的好坏，指针就是动态范围(Dynamic Range)。
在烈日底下，照度大约为100,000勒克斯(Lux)，当进入暗室，照度可能连1勒克斯(Lux)都不到。环境光传感器的动态范围愈大，则可适用的环境亮度范围也就愈广泛。以Maxim的环境光传感器组件MAX44009为例子，其标榜的动态范围为0.045 Lux ~ 188,000 Lux。
2.5 环境光传感器的线性度(Linearity)是什么？
随着环境明暗程度的变化，环境光传感器透过其光电转换机制，会输出相对应的讯号。当我们使用一个稳定且精密的标准光源照射环境光传感器时，透过程控此光源的强度，使其输出光强从0.1 Lux~100,000 Lux呈现线性的变化，此时我们同步量测环境光传感器组件的输出讯号，检视其讯号强度是否也呈现相同的线性变化。此即环境光传感器的线性度(Linearity)特性参数，如下图4所示。
图4. T厂牌环境光传感器的线性度特性
2.6 环境光传感器的视野(Field of View, FOV)是什么？
FOV这个特性参数的数值是角度，可采用两种表达方式：FFOV (Full Field of View)与HFOV (Half Field of View)。依据图5的定义，FOV可以写成：
FOV = ±θ1/2 或 FOV = θ
图5 环境光传感器视野(Field of View, FOV)的定义
(引用自T厂牌产品规格书)
当面对各种不同的应用场景时，为了让环境光传感器组件可以正常发挥功能，我们首要须确保组件能够有效侦测到光线，避免受到外部不当的遮蔽而影响功能。FOV这个特性参数可明确表达环境光传感器所需的收光路径，让产品设计者可以有所依循，产出好的设计方案。
3. 这些重要参数应如何测试？
3.1 如何测试环境光传感器的角度响应？
我们可以将待测的环境光传感器固定在轴心处，并将一个标准准直光源固定在一个可依此轴心旋转的悬臂上(如图6所示)。定义垂直于环境光传感器受光面的角度为0度，向左 & 向右平行于环境光传感器受光面的角度分别为+90度 & -90度。启动此悬臂，使标准准直光源的位置从-90度出发，持续旋转到+90度的位置停止，过程中实时量测此环境光传感器的讯号，如此一来，我们就能取得标准光源以180度等距照射此待测物所输出的讯号。将此讯号数值标注在直角坐标图上，就能获得这个环境光传感器的角度响应数据，如同前述图2所示。
图6 光焱科技传感器角度响应量测仪内部构造图
3.2 如何测试环境光传感器的FOV？
测试方法与3.1相同，将其角度 vs. 讯号强度的数据透过三角函数运算，即可得到FOV (Field of View)。
3.3 环境光传感器的线性度与动态范围该如何测试？
我们依线性改变标准光源的强度，并实时量测在此标准光源照射下，环境光传感器所输出的讯号强度，即可得知这个环境光传感器的线性度。
4.要如何选用适当的量测仪器？
选用量测仪器时，我们首要会考虑仪器规格是否能满足量测的需求，包括：精准度﹅分辨率﹅再现性﹅再生性﹅操作便利性等。除此之外，设备的价格与保养维修，甚至是耗材更换，也会是多数人评估的重点。
4.1 使用 LED光源的好处为何？
- LED光源发光效率高：LED发光效率可达50-200流明/瓦，而且发光的单色性好，光谱窄，无需过滤。
- LED光源耗电量少：LED发光效率好即代表省电。
- LED光源使用寿命长：白炽灯、荧光灯、卤钨灯是采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧，热沉积、光衰减等特点。而LED组件平均寿命达10万小时，远胜传统光源。
- LED光源安全可靠性强：LED经硅胶封装，可承受高强机械冲击和震动，不易破碎，且发热量相对较低，安全性高。
- LED响应速度快：LED响应时间非常快，在微秒级别。
- LED的光学设计自由度大：LED体积小，在进行产品设计时，较容易搭配各种结构的布置和设计。另外，适当混合不同光色的LED，再加上适当的电路控制，即可自由的混光调制所需的各种光谱与色温。
4.2 标准光谱与色温有哪些？
经查询百度百科，我们整理10种标准色温如下表：
| 項次 | 光谱 | 色温 | 标准灯 |
|---|---|---|---|
| 1 | 国际标准人工日光 | 6500K | D65光源 |
| 2 | 模拟北方平均太阳光 | 7500K | D75光源 |
| 3 | 模拟太阳光 | 5000K | D50光源 |
| 4 | 模拟欧洲商店灯光 | 4000K | TL84光源 |
| 5 | 模拟美国商店灯光 | 4100K | CWF光源 |
| 6 | 模拟另一种美国商店灯光 | 3000K | U30光源 |
| 7 | 模拟指定的商店灯光 | 3500K | U35光源 |
| 8 | 模拟家庭酒店暖色灯光 | 2700K | F灯 |
| 9 | 模拟展示厅射灯 | 2856K | A光源 |
| 10 | 模拟水平日光 | 2300K | Horizon |
4.3 常用于环境光传感器标定的标准光谱是哪些？为什么要有这些标准光谱？分别代表什么意义？
常用于环境光传感器标定的标准光谱，即如上表所示。这些标准光谱与色温，代表着人类多数日常生活的环境光状态。环境光传感器依据这些标准光谱与色温来标定，在应用面才能贴近实际使用状况，提供使用者较好的实际体验。
4.4 一般环境光测器的动态范围有多大？
在暗室中，环境光的照度可小于1 Lux；户外天气晴朗时，阳光直射下的环境光照度约为100,000 Lux。我们试着模拟这样的情境：民众拿着智能型手机在大太阳下查找近期上映的电影，然后，到了电影院，进入了放映厅准备看电影，在电影正式开演前，滑滑手机浏览社群讯息。这正是我们在日常生活中经常发生的情境，这也表示从100,000 Lux到不足1 Lux的环境照度范围，应该是环境光传感器需具备的动态范围特性。
4.5 准直光源的优势？
准直光的缺点是：不易设计。若要同时具备高准直及空间均匀度的光源更不容易。
但是，采用准直光作为环境光传感器测试仪的光源有以下优势：
- 光强度不受样品的工作距离所改变
- 样品对准与旋转轴心的偏差可以忽略。尤其Enlitech所设计的光源准直性及空间均匀度都很好
- 可用来做待测样品FOV的量测
4.6 照度单位说明：什么是Lux？
照度（illuminance）是每单位面积所接收到的光通量；可理解为：单位面积内获得多少光。照度的SI制单位是勒克斯（lx=lux）或辐透（ph=phot），1勒克斯=1流明/平方米，1 辐透 = 1流明/平方厘米，1 辐透 = 10,000勒克斯。
照度的大小取决于光源的发光强度，及被照体和光源之间的距离。对于同样光源而言，当光源的距离为原先的两倍时，照度减为原先的四分之一，呈平方反比关系。
常见的几种环境照度：
| 环境 | 照度 (Lux) |
|---|---|
| 烈日 | 100,000 |
| 阴天 | 500~60,00 |
| 夜间棒球场 | 400 |
| 办公室 | 300 |
| 路灯 | 5 |
| 满月 | 0.2 |
| 星光 | 0.0003 |
4.7 为什么环境光传感器ALS需要 0.5 Lux的测试分辨率？
这是为了在弱光的环境下(例如：<5 Lux)，我们希望环境光传感器仍能保有足够的灵敏度特性，所以需要0.5 Lux的测试分辨率。
更多有关Ambient Light Sensor厂商及Ambient Light Sensor产业结构 等，将在本系列的第二篇文章进行更详细的介绍，敬请期待。
