光傳感器，也稱為光電探測(cè)器，用于檢測(cè)光的存在與否以及光的強(qiáng)度。這種傳感器能將光能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，隨后對(duì)電信號(hào)進(jìn)行分析或?qū)㈦娦盘?hào)用于觸發(fā)操作。光傳感器有著廣泛的應(yīng)用，從控制顯示屏的亮度、調(diào)節(jié)相機(jī)的光圈，到向安全系統(tǒng)發(fā)送可能的入侵警報(bào)。本文討論了在常見(jiàn)用例中選擇光傳感器所需的功能，例如篡改檢測(cè)、晝夜檢測(cè)、LED 亮度調(diào)節(jié)、顯示屏亮度調(diào)節(jié)和顏色調(diào)節(jié)。

篡改檢測(cè)

篡改檢測(cè)應(yīng)用中的光傳感器可檢測(cè)環(huán)境光照水平閾值的照度（亮度）變化，從而表明器件或系統(tǒng)已被篡改。光傳感器通常放置在機(jī)械系統(tǒng)內(nèi)部或周圍，經(jīng)過(guò)編程可在環(huán)境光水平發(fā)生顯著變化（例如當(dāng)有人打開(kāi)、阻擋或篡改系統(tǒng)時(shí)）時(shí)觸發(fā)警報(bào)或提醒。此過(guò)程通常用于安防系統(tǒng)，如警報(bào)系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、ATM 和智能儀表，如圖 1 所示，用于檢測(cè)物理攻擊或繞過(guò)安全措施的企圖。使用光傳感器進(jìn)行篡改檢測(cè)可以是一種可靠且具有成本效益的方法，用于增強(qiáng)器件和系統(tǒng)的安全性，并與其他安全措施和傳感器結(jié)合使用來(lái)提供全面的安全性。

功率和較寬的光譜范圍是篡改檢測(cè)的重要因素。寬光譜傳感器可檢測(cè)紫外線、可見(jiàn)光和紅外線光譜中任何類型的光變化。寬光譜對(duì)于篡改檢測(cè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槿魏喂庾兓?，無(wú)論光源或光源的類型，都可能表示發(fā)生篡改。許多篡改檢測(cè)器件都采用電池供電，并要求低功耗以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的電池壽命。OPT3002 具有 300nm 到 1000nm 的寬光譜范圍以及低電流，因此是低功耗篡改檢測(cè)的理想選擇。

圖 1：具有光傳感器的智能儀表方框圖

晝夜檢測(cè)

光傳感器可以通過(guò)測(cè)量環(huán)境光量來(lái)區(qū)分白天和黑夜。白天，戶外光線明亮而強(qiáng)烈。從明亮的日光到漆黑的夜晚，室外的光亮度在一天中不斷變化。通過(guò)監(jiān)測(cè)光強(qiáng)度的變化，光傳感器可以準(zhǔn)確地指示是白天還是黑夜。晝夜檢測(cè)用于各種應(yīng)用，例如室外照明、駕駛員監(jiān)控?cái)z像頭和安防系統(tǒng)。

光傳感器的光譜響應(yīng)與人眼的視覺(jué)響應(yīng)高度匹配，并且具有很高的紅外線阻隔率。通過(guò)抑制人眼光譜之外的其他類型的光，光傳感器可以感應(yīng)光線亮度，這與人類感應(yīng)光線的方式相當(dāng)。OPT3004 和 OPT4001 與人眼光譜非常匹配，可抑制超過(guò) 99% 的紅外線。對(duì)于將 IR 引入環(huán)境的應(yīng)用，例如可視門鈴、IP 網(wǎng)絡(luò)攝像頭和視頻監(jiān)控，必須具有強(qiáng)大的紅外光抑制功能才能實(shí)現(xiàn)精確感應(yīng)。如圖 2 所示，OPT3005 光傳感器會(huì)抑制環(huán)境中的紅外線以及從蓋玻片反射回來(lái)的紅外線。OPT3005 可在較大入射角下抑制 99.99% 以上（4 個(gè)以上數(shù)量級(jí)）的近紅外線 (NIR) 光，從而使該器件成為視頻監(jiān)控應(yīng)用的理想選擇。

通常，設(shè)置的光強(qiáng)度閾值決定了當(dāng)光強(qiáng)度超過(guò)閾值時(shí)是白天還是黑夜。德州儀器(TI) 光傳感器具有中斷引腳，無(wú)需主機(jī)或處理器干預(yù)即可設(shè)置閾值觸發(fā)器，從而能夠節(jié)能。

圖 2：視頻監(jiān)控應(yīng)用中的 OPT3005

LED 亮度調(diào)節(jié)

光傳感器可以測(cè)量環(huán)境中的環(huán)境光強(qiáng)度并相應(yīng)地調(diào)整 LED 的輸出。該過(guò)程通常用于照明系統(tǒng)，以便根據(jù)周圍的照明條件優(yōu)化 LED 的亮度。此功能不僅提高了照明系統(tǒng)的視覺(jué)舒適度和能效，還通過(guò)降低工作溫度來(lái)延長(zhǎng) LED 的使用壽命。用于 LED 亮度調(diào)節(jié)的光傳感器廣泛應(yīng)用于家用電器、智能家居、電子外設(shè)和汽車內(nèi)部照明，這些應(yīng)用中的環(huán)境照明條件全天有很大差異。

頻譜精度和功耗是 LED 亮度調(diào)節(jié)的重要傳感器特性。光譜精度取決于與可見(jiàn)光譜（人眼可以看到的光譜）的緊密匹配，如圖 3 所示。紫外光和紅外光漏光為光傳感器提供了更亮的測(cè)量值，導(dǎo)致系統(tǒng)認(rèn)為它比實(shí)際要亮。通過(guò)抑制人眼光譜之外的其他類型的光，光傳感器可以感應(yīng)光線亮度，這與人類感知光線的方式相當(dāng)。許多低功耗應(yīng)用（例如手持工具和電器）需要低功耗傳感器來(lái)延長(zhǎng)電池壽命。

OPT3004 與可見(jiàn)光譜高度匹配，并在 ±85° 入射角范圍內(nèi)抑制 99% 以上的紅外光。OPT3004 具有 1.8μA 工作電流和 300nA 休眠電流，非常適合電池供電型應(yīng)用。

圖 3：OPT3004 和人眼光譜曲線

顯示屏亮度調(diào)節(jié)

顯示屏亮度調(diào)節(jié)是光傳感器的常見(jiàn)應(yīng)用，尤其是在智能手表、平板電腦和筆記本電腦等個(gè)人電子設(shè)備中。這些傳感器還用于汽車和工業(yè)應(yīng)用，例如信息娛樂(lè)和人機(jī)界面。圖 4 展示了顯示系統(tǒng)中光傳感器的示例。光傳感器可測(cè)量環(huán)境光強(qiáng)度并相應(yīng)地調(diào)節(jié)顯示屏亮度，從而提供舒適的觀看體驗(yàn)并延長(zhǎng)電池壽命。通常，亮度調(diào)節(jié)與環(huán)境亮度相匹配。當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)度較高時(shí)，顯示屏亮度會(huì)增加以提高可見(jiàn)性。當(dāng)環(huán)境光強(qiáng)度較低時(shí)，顯示屏亮度將降低以避免不適，并降低系統(tǒng)功耗以延長(zhǎng)顯示面板壽命。

尺寸、速度和分辨率是顯示屏應(yīng)用的重要考慮因素。小封裝尺寸非常適合窄邊框和小型顯示設(shè)備，例如智能手表?？焖賯鞲衅骺蓪?shí)現(xiàn)快速調(diào)節(jié)，以適應(yīng)照明條件的突然變化，從而提供無(wú)縫的用戶體驗(yàn)。高分辨率對(duì)于更精細(xì)地控制顯示屏亮度至關(guān)重要，并且可以更靈活地將光傳感器隱藏在顏色較深的覆蓋材料（例如邊框）后面。德州儀器的 OPT4001 具有令人印象深刻的速度和分辨率，并且采用適合窄邊框的超小型封裝，因此是此應(yīng)用的理想選擇。德州儀器提供汽車級(jí) OPT3001-Q1 和 OPT4001-Q1 環(huán)境光傳感器，適用于汽車應(yīng)用和受高溫影響的終端設(shè)備。

圖 4：使用 OPT4001 的顯示屏亮度圖

顏色調(diào)節(jié)

用于顏色調(diào)節(jié)的光傳感器可測(cè)量色溫并相應(yīng)地調(diào)節(jié)顯示顏色。此過(guò)程通常用于電視、顯示器、筆記本電腦、智能手機(jī)和平板電腦，可根據(jù)周圍的光照條件優(yōu)化顯示顏色。如圖 5 所示，顯示屏的色溫可調(diào)整為較高或較低的溫度，以使色彩更加自然而準(zhǔn)確。顯示屏還可以使用顏色傳感器調(diào)節(jié)顏色飽和度和對(duì)比度，從而提高視覺(jué)質(zhì)量并減少眼睛疲勞。

圖 5：熱色、中性（一張紙）、冷色 CCT 示例

分辨率、速度和顏色空間是進(jìn)行顏色調(diào)節(jié)時(shí)最重要的考慮因素。高分辨率可確保傳感器能夠在弱光條件下或覆蓋材料內(nèi)測(cè)量光強(qiáng)度，并進(jìn)行細(xì)微的亮度調(diào)節(jié)。速度允許在顏色變化的照明條件之間實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過(guò)渡。顏色空間會(huì)影響檢測(cè)到的顏色和傳感器的測(cè)量性能。兩種常用的顏色模型是 RGB 顏色空間和 XYZ 顏色空間。德州儀器提供高分辨率和高速 XYZ 光傳感器 (OPT4048) 和 RGB 光傳感器 (OPT4060)。德州儀器色光傳感器可提高顯示或照明系統(tǒng)在各種照明條件下的顏色精度和視覺(jué)質(zhì)量。

結(jié)論

光傳感器應(yīng)用多種多樣，從簡(jiǎn)單的光強(qiáng)度閾值到主動(dòng)色彩調(diào)節(jié)顯示屏，不一而足。光傳感器可改善用戶體驗(yàn)、優(yōu)化能耗并延長(zhǎng)器件壽命。雖然光傳感器特性的重要性取決于具體應(yīng)用，但基本設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)包括頻譜響應(yīng)、速度、分辨率、功率、尺寸和測(cè)量范圍。德州儀器提供多樣化的光傳感器產(chǎn)品系列，該產(chǎn)品系列包含適用于大多數(shù)應(yīng)用的器件。隨著技術(shù)的進(jìn)步和新的用例的出現(xiàn)，對(duì)光傳感器的需求不斷增長(zhǎng)，從而推動(dòng)創(chuàng)新并開(kāi)發(fā)出能夠檢測(cè)周圍世界的技術(shù)。

審核編輯 黃宇