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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

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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:

Ambient Light Sensor/环境光传感器/CdS光敏电阻/Photo Diode/光电二极管/Photo Transistor/光敏晶体管/Photo IC/光电IC/线性曲线

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:

Angular Response

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:

Light Distribution Curve

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。

Linearity

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

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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。

角度响应﹅Angular Response﹅准直光

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6500KD65光源
2模拟北方平均太阳光7500KD75光源
3模拟太阳光5000KD50光源
4模拟欧洲商店灯光4000KTL84光源
5模拟美国商店灯光4100KCWF光源
6模拟另一种美国商店灯光3000KU30光源
7模拟指定的商店灯光3500KU35光源
8模拟家庭酒店暖色灯光2700KF灯
9模拟展示厅射灯2856KA光源
10模拟水平日光2300KHorizon

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。

5.Ambient Light Sensor厂商 (讯息即将发布,敬请持续关注)
6.Ambient Light Sensor产业结构 (讯息即将发布,敬请持续关注)

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