环境光检测优化便携设备显示屏设计

引言

在“时时连接”的今天，大多数便携设备都将显示屏作为一大卖点，用户通过显示屏能够访问并观看视频和互联网信息。出于对功耗和观看舒适度等方面的考虑，许多设备配备了环境光传感器—为设备增添环境光检测功能。在昏暗环境下，可调低显示屏背光亮度，以节省电池电量；在明亮环境下，增强字体和背光亮度能够使设备显示更清晰，改善用户体验。本文讨论了设计带有环境光传感器的产品时需要注意的事项。

光测量的光谱灵敏度

首先，探讨一下人眼对环境光的视觉反应。人眼对光线的感应灵敏度通常用光谱光视效率(又称CIE曲线)表示(图1)。从图中可以看出，人眼看不到光谱中的紫外线(< 400nm)和红外线(> 700nm)，此外人眼对绿光(～555nm)最敏感，对蓝光和红光较为不敏感。为此，我们对该灵敏度曲线进行了标准化，将入射光功率密度(单位为µW/cm2)转换为人眼的灵敏度单位(单位为lux)。波长为555nm时，1 lux相当于大约0.15µW/cm2的光功率密度。

图1. 适光曲线给出了人眼对不同波长光线的视觉反应。人眼对绿光的反应最强，但却看不到光谱中的红外(> 700nm)或紫外(< 400nm)部分。

制造工艺和技术方面的挑战使得低成本环境光传感器(ALS)很难准确复现人眼对光线的视觉反应，完全绝对地抑制红外线和紫外线也是一大难题。由于常见光源的光谱非常宽，即使略微偏离适光曲线，再加上不能完全抑制红外线和紫外线，都会对环境光传感器的测量精度造成非常大的影响。

实际上，许多商用照度计均无法准确匹配适光曲线。因此，大多数照度计都定义了一个ƒ1'参数，该参数用于说明照度计与光学CIE曲线的匹配程度。经验不足的用户在操作商用照度计时还应注意另外一个问题—许多照度计声称根据美国国家标准与技术研究院(NIST)的标准进行了校准，事实上这种声明只能说明照度计在采用白炽(A类)光源进行测试时能够给出精确读数，但并不保证非白炽光源的测量精度，例如荧光灯、太阳光或LED—而此类光源更为常见。事实上，由于白炽光源的能效非常低，各个国家正在积极推进日常生活中禁止使用白炽光源。

因此，现今的环境光传感器均无法完全匹配光学CIE曲线，而是采用叠加原理计算环境光亮度。现在市场上的大多数光传感器采用两个或多个不同类型的光电二极管，每个光电二极管对光谱不同区域的敏感度不同。对这些光电二极管的输出进行算术求和，并对每个光电二极管设置一个适当的可调增益，传感器即可较为准确地测量常见的环境光源亮度。

例如，如果两个不同类型的光电二极管PD1和PD2针对两种不同的入射光源给出了不同读数，可以得到每个光电二极管的增益常数，从而使传感器能够在两种光源下均提供准确的光强测量值：

光源1 = 增益1 × PD1 + 增益2 × PD2

光源2 = 增益1 × PD1 + 增益2 × PD2

光电二极管的类型越多，可精确匹配的光源数量就越多。

日常生活中常见光源的光谱区别非常大(图2)。以住宅和办公室中的常见光源为例，荧光灯和白炽灯的光谱成分就截然不同—荧光灯的红外成分极低，而白炽灯的红外成分则高得多。因此，大多数环境光传感器的数据资料都列出了这两种常见光源的响应特性(图3)。

图2. 以上曲线为太阳光(左上)、卤素/白炽灯(右上)、荧光灯(左下)和白光LED (右下)的光谱比较。

图3. 大多数环境光传感器的数据资料都包含典型光灵敏度与照度计读数(lux)的对应关系。上图所示为MAX44009环境光传感器的响应曲线。

光测量的动态范围

人眼对光照条件的敏感范围很宽。在黑暗的环境中(可能需要数分钟的时间以适应这种条件)，人眼能够检测到低至10-4 lux的亮度水平。在另一个极端环境下，即使亮度高达108 lux，人眼也能感知到黑暗。

人们在日常生活中常见的典型环境亮度通常要窄得多，从夜间室外的0.1 lux到办公室照明的300 lux，再到太阳光下的100,000 lux。大多数便携设备只需准确检测5 lux到大约1000 lux的环境光强度。实际应用中，便携设备显示屏的背光效果并不能够与太阳光的强度完全一致，当光强达到某个较低等级时，显示屏即开始简单地维持在最低背光亮度。

值得注意的是，人眼对亮度的感知呈对数关系(类似于人耳对声音的灵敏度)。光强增加几乎10倍，而人眼只能感知到两倍的亮度变化。可以用一个类似的传递函数表示显示屏背光亮度百分比与相对环境光强的对应关系，如图4中的线性和对数曲线所示。

图4a. 该线性曲线给出了背光强度与相对光强的对应关系。黑线为理想对数曲线，蓝线采用折线近似法，更适于用微控制器代码实现。

图4b. 这些曲线为采用对数坐标表示相对光强时的图4a中的线性数据。黑线为理想对数曲线，蓝线采用折线近似法，更适于用微控制器代码实现。

由此可见，在较低等级光强下，需要较高的亮度测量分辨率；在较高等级的光强下，采用一般的分辨率就足够了。实现这一机制的最简单方法是采用具有前端可编程增益的高分辨率转换器，从而平衡强光下对宽动态范围的要求，以及亮度较低时对高灵敏度的要求。

MAX44009与其它数字光传感器不同，内部带有自动量程调节机制。这种调节方法能够使IC自动实现22位动态范围测量，无需微控制器重新配置寄存器，从而提高了编码效率。此外，对测量结果进行压缩，并以12位格式表示，从而为光测量提供了一个伪对数步长。以MAX44009为例，器件采用4位指数和8位尾数表示22位动态范围，低亮度条件下的分辨率可达0.045 lux/计数，环境光亮度较高时具有更高的计数值。

黑玻璃效应

现代化电子设备的外观和质感，也就是其工业设计，与它们所提供的特性和功能同样重要。用户已经将现代化便携设备视为一种“身份”的象征。例如，环境光传感器对设备非常重要，但目前比较流行的做法是将这些传感器隐藏起来，以免影响产品的外观和质感。

对于玻璃面板，通常在传感器开口处加一层薄薄的黑色油墨(吸收几乎所有的入射光)，将其“遮盖”起来。少量光线透过油墨，到达光传感器，既能够进行环境光测量，同时又使面板保持有光滑、平整的黑色边框。

不幸的是，这层黑色油墨在很大程度上影响了光传感器的正常工作，不仅减弱了到达传感器的光强，而且还改变了光谱。首先，讨论光衰减问题。大多数黑色油墨仅允许2%至10%的可见光穿过，5 lux的外部光源到达传感器时仅剩0.1 lux！因此，要求光传感器具备较高的灵敏度。其次，虽然只有2%至10%的可见光能够穿透油墨，但几乎全部的入射红外辐射均能够穿透油墨到达传感器，从而造成了光谱的改变(图6)。

图6. 上图为目前商用电子设备中黑色油墨的典型光谱特性，表示了入射光透射百分比与波长的关系。

不均匀的光谱透射使得大多数光传感器必须重新校准，以便在置于黑色油墨下方时仍能获得准确的环境光测量读数，需要重新调节无黑色玻璃条件下精确测量环境光的工厂设置。正因如此，MAX44007环境光传感器提供了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进行调节，重新校准传感器响应特性。MAX44007的灵敏度为0.025 lux/LSB。

光传感器中断引脚的使用

大多数应用不需要实时改变显示屏背光强度，其目的是防止响应杂散噪声，例如掠过的阴影。相比之下，快速响应环境光的一致变化能够使用户连贯地使用设备，无需分心为了改善显示效果而调节显示屏亮度。此外，在固件中不断轮询光传感器(以检查环境光强度是否发生变化)和噪声抑制电路对应用软件资源来说也是一种负担。这会增加微控制器处理负荷，进而延缓对用户命令的响应速度，并增大功耗。

因此，目前的光传感器都配备了一个强大的功能—中断引脚。传感器持续比较环境光测量值与内部可编程窗口门限，并在光强超出门限时触发一个中断，向主控制器报告光照条件发生了实质性变化。通常采用一个定时器，定时器超时的情况下才向主控制器报告中断，以避免环境光信号中的噪声和短时波动引起误操作。

中断引脚使传感器应用更加智能化，只有在需要操作时才向主控制器发出请求。这样一来，主控制器的资源可以分配给其它任务，或将微控制器维持在低功耗等待状态，从而延长电池寿命。典型应用电路(图7)给出了中断引脚的使用方法。需要注意的是，该引脚的开漏连接允许“线或”连接多个器件和信号源。

图7. 多点I2C总线上的环境光传感器典型应用电路，显示了中断引脚与主控制器的连接方式。

总结

本文概述了目前便携设备的光传感器设计中常见的问题。在开发早期确定方案，与IC供应商紧密合作，可确保系统的灵活性和可靠性。