現(xiàn)代電測技術(shù)日趨成熟，由于具有精度高、便于微機(jī)相連實現(xiàn)自動實時處理等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在電氣量和非電氣量的測量中。然而電測法容易受到干擾，在交流測量時，頻率響應(yīng)不夠?qū)捈皩δ蛪骸⒔^緣方面有一定要求，在激光技術(shù)迅速發(fā)展的今天，已經(jīng)能夠解決上述的問題。
磁光效應(yīng)傳感器就是利用激光技術(shù)發(fā)展而成的高性能傳感器。激光，是本世紀(jì)60年代初迅速發(fā)展起來的又一新技術(shù)，它的出現(xiàn)標(biāo)志著人們掌握和利用光波進(jìn)入了一個新的階段。由于以往普通光源單色度低，故很多重要的應(yīng)用受到限制，而激光的出現(xiàn)，使無線電技術(shù)和光學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)、相互滲透、相互補(bǔ)充。現(xiàn)在，利用激光已經(jīng)制成了許多傳感器，解決了許多以前不能解決的技術(shù)難題，使它適用于煤礦、石油、天然氣貯存等危險、易燃的場所。
磁光效應(yīng)傳感器的原理主要是利用光的偏振狀態(tài)來實現(xiàn)傳感器的功能。當(dāng)一束偏振光通過介質(zhì)時，若在光束傳播方向存在著一個外磁場，那么光通過偏振面將旋轉(zhuǎn)一個角度，這就是磁光效應(yīng)。也就是可以通過旋轉(zhuǎn)的角度來測量外加的磁場。在特定的試驗裝置下，偏轉(zhuǎn)的角度和輸出的光強(qiáng)成正比，通過輸出光照射激光二極管LD，就可以獲得數(shù)字化的光強(qiáng)，用來測量特定的物理量。
有幾個關(guān)鍵的技術(shù)因素可以幫助用戶和設(shè)計者決定如何選擇一款環(huán)境光傳感器。首先，傳感器的輸出必須和光強(qiáng)成線性關(guān)系，光譜波長敏感度應(yīng)該非常接近人眼。另外，器件的輸出應(yīng)該直接和照射在集成的光敏二極管上的光強(qiáng)成正比，540nm的峰值響應(yīng)接近人眼的峰值敏感度。大多數(shù)光傳感器都能夠感測到380nm～770nm的環(huán)境光。
現(xiàn)在有很多種不同類型的環(huán)境光傳感器能夠提供這些好處，包括模擬和數(shù)字輸出的傳感器、超低功耗版本、非線性版本，以及下一代低功耗、超低亮度的版本。目前最好的數(shù)字產(chǎn)品的光敏感度可以低至0.015Lux以下，動態(tài)范圍高達(dá)64,000 Lux，所需的工作電流小于65mA。這些產(chǎn)品還具有理想的光譜響應(yīng)和低誤差光輸出變化，并利用數(shù)學(xué)算法簡化使用。市場上還出現(xiàn)了一些新型數(shù)字光傳感器，從目前看，數(shù)字光傳感器是解決性能和靈活性問題的好辦法，尤其是在汽車應(yīng)用當(dāng)中，因為在汽車中使用的I2C數(shù)字輸出信號提供了更低的噪聲，能夠在同一條總線上將數(shù)個傳感器組網(wǎng)，很好地控制傳感器的特性，還具有良好的總體性能。
光源
不同的光源具有不同的光譜特性，使用者在做產(chǎn)品選型時，需要了解這些特性。
在下面的圖1中，顯示了如何利用ISL29023測量不同的光源。值得注意的是，在寬動態(tài)范圍內(nèi)，測量曲線與理想讀數(shù)線之間的誤差很小。如果我們想使用對紅外線特別敏感的傳感器，上面的圖會顯示，測量曲線與理想讀數(shù)線有更大的偏離誤差。
要點在于：即便不是全部，至少大多數(shù)應(yīng)用都對光傳感器有所要求，即準(zhǔn)確測量人眼能夠看見的可見光，減弱帶有大量紅外和紫外成分的光線。
光傳感器應(yīng)用-首先是PC機(jī)、電話、PDA和新型汽車
下面是光傳感器在在不同的市場和應(yīng)用當(dāng)中的基本情況。從智能手機(jī)、PDA、筆記本電腦、便攜式音樂播放器到類似的其他產(chǎn)品，光傳感器在便攜式消費類市場上所處可見。光傳感器還被廣泛用在消費類電視機(jī)市場，以及醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中。現(xiàn)在，制造商正在開發(fā)針對汽車市場的新一代系統(tǒng)，并已經(jīng)投入使用。
圍繞汽車工作環(huán)境，本文就設(shè)計問題和傳感器的效用給出了全景式的介紹。光傳感器的主要應(yīng)用如下：
信息娛樂/導(dǎo)航/DVD系統(tǒng)的背光控制控制，以便在各種環(huán)境光條件下顯示理想的亮度
后座娛樂顯示屏的背光控制
儀表盤組合儀表的背光
自動后視鏡調(diào)光
自動頭燈和雨量檢測
后視攝像機(jī)控制
由于汽車需要在各種環(huán)境光條件下均具有完美的背光照明，因此憑借類似人眼的感測功能，光傳感器已經(jīng)成為實現(xiàn)更舒適顯示質(zhì)量的最有效解決方案之一，能夠滿足汽車的安全性和舒適性標(biāo)準(zhǔn)。
對于便攜式應(yīng)用，一個典型的顯示屏?xí)耐瑯佣嗟哪芰浚钡绞褂谜吒淖兿到y(tǒng)設(shè)定，這通常是亮度控制。在戶外等非常亮的地方，使用者會提高顯示屏的亮度，這會增加系統(tǒng)功耗。當(dāng)環(huán)境改變時，如進(jìn)入建筑物內(nèi)，大多數(shù)使用者并不會改變設(shè)定，導(dǎo)致系統(tǒng)仍然處于高功耗狀態(tài)。利用光傳感器，系統(tǒng)能夠自動探測環(huán)境狀況的變化，把顯示屏調(diào)整到最佳的亮度，減少整體的能量消耗。在一般的消費類應(yīng)用中，利用環(huán)境光傳感器反饋實現(xiàn)自動亮度控制，還能夠大大延長智能手機(jī)、筆記本電腦、PDA和數(shù)碼相機(jī)的電池壽命。這種控制是很有用的，因為最近的研究顯示，在一個筆記本電腦中，顯示背光所消耗的電池電量要占到33%。
感測環(huán)境光并不是一個新想法，但與光敏二極管不同的是，用傳感器感測環(huán)境光的同時，能夠減弱多余的紅外光和紫外光，而且是在一個非常小尺寸的封裝內(nèi)提供這些功能，同時支持汽車標(biāo)準(zhǔn)AEC的嚴(yán)格要求，確保器件在-40℃～+105℃溫度范圍可靠工作，并滿足其他標(biāo)準(zhǔn)的要求。
要滿足AEC Grade 2對溫度的要求，還有一些光學(xué)方面的難題要解決。任何光傳感器、LED發(fā)射器或接收器，在連續(xù)高溫下，都會碰到封裝變色的問題。這個問題在標(biāo)準(zhǔn)IC封裝的系統(tǒng)中并不常見，因此如果采用+125℃的擴(kuò)展溫度黑色模具化合物來使系統(tǒng)更穩(wěn)定。
到目前為止，所有涉及的環(huán)境光傳感器應(yīng)用都是在汽車駕駛倉內(nèi)，還沒有涉及在引擎?zhèn)}或車外環(huán)境中的應(yīng)用。即便有這樣的應(yīng)用，光學(xué)封裝也不是針對這樣嚴(yán)酷的環(huán)境而設(shè)計的，因此在目前的光學(xué)封裝技術(shù)下，這些光傳感器很可能無法經(jīng)受這樣的環(huán)境。
數(shù)字輸出光傳感器的內(nèi)在優(yōu)勢包括高耐噪聲能力、可通過I2C總線存取數(shù)據(jù)、可對傳感器編程，還有其他諸多特性，使這些多功能產(chǎn)品成為很多工程師的選擇。ISL29011的功能框圖（如下面的圖2所示）顯示，把該器件設(shè)計到任何系統(tǒng)當(dāng)中都是很簡單容易的，而且系統(tǒng)還能從精確、高度可編程的環(huán)境光傳感器獲得不少益處。
在ISL29000系列當(dāng)中，ISL29011采用了最新和最先進(jìn)的技術(shù)。該器件是集成的環(huán)境和紅外光至數(shù)字轉(zhuǎn)換器，帶有內(nèi)置的紅外LED驅(qū)動器和I2C接口。器件提供了環(huán)境光感測功能，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的背光/顯示屏亮度控制，帶有中斷功能的紅外感測可實現(xiàn)接近估計。
為了進(jìn)行環(huán)境光感測，傳感器內(nèi)部的ADC采用電荷平衡A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)進(jìn)行設(shè)計。ADC的標(biāo)稱轉(zhuǎn)換時間是90ms，用戶可以根據(jù)振蕩器的頻率和ADC的分辨率，在11μs～90ms區(qū)間內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。ADC能夠抑制由人工光源產(chǎn)生的50Hz和60Hz閃爍噪聲。照度范圍選擇功能使用戶可以對照度范圍進(jìn)行編程，以優(yōu)化每勒克斯的計數(shù)值。
對于接近感測，當(dāng)內(nèi)部的紅外LED驅(qū)動器在用戶選定的調(diào)制頻率下，按照編程設(shè)定的時間周期關(guān)閉和開啟，驅(qū)動外部的紅外LED時，ADC會將來自光敏二極管陣列的輸出信號數(shù)字化。由于接近傳感器采用了噪聲消除機(jī)制，可大幅抑制多余的紅外噪聲，接近感測的數(shù)字輸出隨距離的增加而減小。驅(qū)動器的輸出電流是用戶可選的，最高可達(dá)100mA，能夠驅(qū)動不同類型的紅外發(fā)射LED。
最好的帶有接近感測功能的環(huán)境光傳感器提供了6種不同的工作模式，可以通過I2C接口進(jìn)行選擇。這些模式包括：一次可編程的ALS和自動斷電的一次可編程紅外感測，一次可編程的接近感測，可編程的連續(xù)ALS感測，可編程的連續(xù)紅外感測，和可編程的連續(xù)接近感測。可編程的一次操作模式大大降低了功耗，因為緊接著的自動關(guān)斷將整體的供電電流降至0.5μA以下。
環(huán)境光感測的基本光學(xué)技術(shù)
大多數(shù)光源發(fā)出的光包含了可見光和紅外波段的輻射。如果按照流明來算，不同的光源可能具有相似的可見光強(qiáng)度，但是紅外頻段的響應(yīng)就大不相同了。在測量光強(qiáng)時，必須要考慮到光的光譜特征和光傳感器的光譜敏感度。采用CMOS工藝的光傳感器能夠探測到大多數(shù)紅外輻射，會導(dǎo)致對真實環(huán)境狀況的誤報。
對于燈泡之類的光源，傳感器的信號比人眼看到的數(shù)量要高很多。由這類傳感器控制的照明方案的響應(yīng)可能與環(huán)境光譜并不相符，限制了接近感測的最長距離。做為接近感測系統(tǒng)方案的一部分，要建立更合適的調(diào)光或照明控制，基本的要求是要有能夠模仿人眼的傳感器，并且是在具有最大紅外信號的情況下。圖3顯示了一個光傳感器的光譜響應(yīng)，非常適合環(huán)境光的感測。圖3還顯示了用在接近感測中紅外波長的光譜。
圖3，環(huán)境光傳感器和接近傳感器的光譜響應(yīng)
接近感測的重要性：一個典型系統(tǒng)
接近感測的基本原理是：紅外LED發(fā)生紅外光，紅外光會從被照射物體上發(fā)射回來。反射回來的紅外光被紅外傳感器探測到，與物體的接近程度與探測到的紅外光的量級成正比。應(yīng)用包括接近探測器；反射物體感測，環(huán)境光探測，背光控制和燈光控制。
接近感測是通過采集紅外信號和數(shù)學(xué)處理實現(xiàn)的，通常需要兩個部件來構(gòu)成光學(xué)前端：一個紅外LED和一個光傳感器。紅外LED向被感測物體發(fā)射出一束紅外信號，該信號的一部分會反射回來，并被紅外CMOS光傳感器探測到。通過片上的信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)換，數(shù)字化的紅外信號就可以送到微處理器進(jìn)行后處理，用于各種接近感測用途。
一個典型的紅外接近感測系統(tǒng)是由一個光學(xué)前端、模擬混合信號處理電路和一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。本文簡述了基本的光學(xué)原理、電路功能模塊、機(jī)械設(shè)計、接近感測算法和軟件。機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計通常與不同應(yīng)用平臺的設(shè)計折中有關(guān)，例如手機(jī)、PDA、筆記本電腦和各種消費類電子產(chǎn)品。
設(shè)計折中包括器件選擇、放置尺寸、鏡片特性和光學(xué)設(shè)計，以及應(yīng)用算法和軟件實施。
集成的環(huán)境光感測和接近感測系統(tǒng)會測量周圍的光環(huán)境，也可以探測物體的靠近或離開。這樣微處理器或MCU就可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的控制，或是調(diào)整設(shè)定，進(jìn)一步提高以功耗來衡量的系統(tǒng)效率，就象許多其他應(yīng)用那樣。
接近傳感器的光學(xué)基本原理
環(huán)境光傳感器使用光的可見頻率，接近傳感器則使用紫外頻段。圖4顯示，當(dāng)在接近探測路徑上沒有感測物體時，就不會有反射回來的紅外信號被接近傳感器捕獲到。接近讀數(shù)回送到默認(rèn)的基線計數(shù)器里。當(dāng)感測物體出現(xiàn)在紅外LED和紅外傳感器之間中心點的可探測距離內(nèi)時，接近傳感器捕獲到反射回來的紅外信號，如圖5所示。接近讀數(shù)與所捕獲的紅外光的信號強(qiáng)度呈線性比例關(guān)系，與距離的平方成反比。
圖4，在接近探測區(qū)域沒有感測物體
圖5，在接近探測區(qū)域有感測物體
光傳感器IC的設(shè)計經(jīng)過不斷演進(jìn)，現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了集成的數(shù)字環(huán)境光和接近傳感器。這種先進(jìn)的新一代器件提供了很多非常棒的設(shè)計特性，如在接近感測時的環(huán)境紅外抑制，該功能讓傳感器在直射的日光下仍能正常工作。另一個特性是提供了四個不同環(huán)境光敏感度范圍，既可以感測到0.015lux的光強(qiáng)，也可以感測到64,000lux的光強(qiáng)。中斷功能用于產(chǎn)生報警或監(jiān)控功能，判斷環(huán)境光的級別或接近探測的級別是否超出了上限或低過了下限。它還讓用戶能夠通過數(shù)字接口，配置中斷的持續(xù)時間。
典型的數(shù)字接近傳感器功能框圖
圖6顯示了一個典型數(shù)字環(huán)境光和接近傳感器的電路功能框圖。光敏二極管陣列是光學(xué)前端的一部分，用于信號調(diào)理和采集。集成的ADC將捕獲到的光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流，由微控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，用于實現(xiàn)不同的應(yīng)用目標(biāo)。通過I2C接口，可以寫入不同的配置命令，并用同一個數(shù)字接口讀出環(huán)境光和接近距離的數(shù)據(jù)流。中斷功能直接送到MCU，由MCU控制紅外LED驅(qū)動器，輸出所需的前向電流，讓分立的或集成的紅外LED發(fā)射出紅外信號。
圖6，典型的數(shù)字接近傳感器功能框圖
光學(xué)前端的另一個重要部件是紅外LED。不同的紅外LED具有不同的峰值波長、發(fā)光強(qiáng)度和視角。典型峰值波長為850nm～950nm的高發(fā)光強(qiáng)度紅外LED與接近傳感器ISL29011的光譜相匹配。窄視角和更高的發(fā)光強(qiáng)度可以擴(kuò)大接近探測的距離。選擇紅外LED時，在視角、機(jī)械占位、發(fā)光強(qiáng)度和功耗之間取得折中和平衡是很重要的。
玻璃視窗的尺寸和放置位置
對于一個扁平的表面透鏡，視角是塑料或玻璃材料折射率的函數(shù)。如果材料的密度更大，有效的視角就更小，因此低密度的材料會有更大的視角。視窗鏡片對光傳感器的視角有明確的限制。視窗鏡片應(yīng)當(dāng)直接放置在傳感器的頂部，鏡片的厚度應(yīng)當(dāng)盡量薄，以減少光強(qiáng)的損失。
接近傳感的系統(tǒng)算法
完成器件選型和設(shè)計之后，一個穩(wěn)定耐用的接近感測系統(tǒng)還需要光學(xué)傳感器，在各種環(huán)境光條件下針對不同的感測物體進(jìn)行動態(tài)自校準(zhǔn)。一個優(yōu)秀的接近感測算法是必不可少的，能夠幫助接近感測硬件巧妙地繞開來自不同的機(jī)械設(shè)計局限和惡劣的周邊環(huán)境的重重障礙，從而持續(xù)、穩(wěn)定地探測距離。
在接近感測系統(tǒng)上采用了各種設(shè)計和實施技巧后，就能夠得到一個不錯的接近感測測試系統(tǒng)，如圖8所。環(huán)境光和接近感測系統(tǒng)根據(jù)特定用戶應(yīng)用的要求進(jìn)行了優(yōu)化。在平衡了上述設(shè)計折中后，消費者能夠?qū)ο到y(tǒng)的各個方面進(jìn)行精準(zhǔn)地調(diào)整，滿足應(yīng)用的要求。
圖8，接近傳感距離與LED電流驅(qū)動強(qiáng)度
