光傳感器，也稱為光電探測器，用于檢測光的存在與否以及光的強度。這種傳感器能將光能轉換為電信號，隨后對電信號進行分析或將電信號用于觸發(fā)操作。光傳感器有著廣泛的應用，從控制顯示屏的亮度、調節(jié)相機的光圈，到向安全系統(tǒng)發(fā)送可能的入侵警報。本文討論了在常見用例中選擇光傳感器所需的功能，例如篡改檢測、晝夜檢測、LED 亮度調節(jié)、顯示屏亮度調節(jié)和顏色調節(jié)。

篡改檢測

篡改檢測應用中的光傳感器可檢測環(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械系統(tǒng)內部或周圍，經過編程可在環(huán)境光水平發(fā)生顯著變化（例如當有人打開、阻擋或篡改系統(tǒng)時）時觸發(fā)警報或提醒。此過程通常用于安防系統(tǒng)，如警報系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、ATM 和智能儀表，如圖 1 所示，用于檢測物理攻擊或繞過安全措施的企圖。使用光傳感器進行篡改檢測可以是一種可靠且具有成本效益的方法，用于增強器件和系統(tǒng)的安全性，并與其他安全措施和傳感器結合使用來提供全面的安全性。

功率和較寬的光譜范圍是篡改檢測的重要因素。寬光譜傳感器可檢測紫外線、可見光和紅外線光譜中任何類型的光變化。寬光譜對于篡改檢測來說是一個優(yōu)勢，因為任何光變化，無論光源或光源的類型，都可能表示發(fā)生篡改。許多篡改檢測器件都采用電池供電，并要求低功耗以實現(xiàn)較長的電池壽命。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

光傳感器可以通過測量環(huán)境光量來區(qū)分白天和黑夜。白天，戶外光線明亮而強烈。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。通過監(jiān)測光強度的變化，光傳感器可以準確地指示是白天還是黑夜。晝夜檢測用于各種應用，例如室外照明、駕駛員監(jiān)控攝像頭和安防系統(tǒng)。

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

通常，設置的光強度閾值決定了當光強度超過閾值時是白天還是黑夜。德州儀器(TI) 光傳感器具有中斷引腳，無需主機或處理器干預即可設置閾值觸發(fā)器，從而能夠節(jié)能。

圖 2：視頻監(jiān)控應用中的 OPT3005

LED 亮度調節(jié)

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

頻譜精度和功耗是 LED 亮度調節(jié)的重要傳感器特性。光譜精度取決于與可見光譜（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量值，導致系統(tǒng)認為它比實際要亮。通過抑制人眼光譜之外的其他類型的光，光傳感器可以感應光線亮度，這與人類感知光線的方式相當。許多低功耗應用（例如手持工具和電器）需要低功耗傳感器來延長電池壽命。

OPT3004 與可見光譜高度匹配，并在 ±85° 入射角范圍內抑制 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用。

圖 3：OPT3004 和人眼光譜曲線

顯示屏亮度調節(jié)

顯示屏亮度調節(jié)是光傳感器的常見應用，尤其是在智能手表、平板電腦和筆記本電腦等個人電子設備中。這些傳感器還用于汽車和工業(yè)應用，例如信息娛樂和人機界面。圖 4 展示了顯示系統(tǒng)中光傳感器的示例。光傳感器可測量環(huán)境光強度并相應地調節(jié)顯示屏亮度，從而提供舒適的觀看體驗并延長電池壽命。通常，亮度調節(jié)與環(huán)境亮度相匹配。當環(huán)境光強度較高時，顯示屏亮度會增加以提高可見性。當環(huán)境光強度較低時，顯示屏亮度將降低以避免不適，并降低系統(tǒng)功耗以延長顯示面板壽命。

尺寸、速度和分辨率是顯示屏應用的重要考慮因素。小封裝尺寸非常適合窄邊框和小型顯示設備，例如智能手表?？焖賯鞲衅骺蓪崿F(xiàn)快速調節(jié)，以適應照明條件的突然變化，從而提供無縫的用戶體驗。高分辨率對于更精細地控制顯示屏亮度至關重要，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，因此是此應用的理想選擇。德州儀器提供汽車級 OPT3001-Q1 和 OPT4001-Q1 環(huán)境光傳感器，適用于汽車應用和受高溫影響的終端設備。

圖 4：使用 OPT4001 的顯示屏亮度圖

顏色調節(jié)

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

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行顏色調節(jié)時最重要的考慮因素。高分辨率可確保傳感器能夠在弱光條件下或覆蓋材料內測量光強度，并進行細微的亮度調節(jié)。速度允許在顏色變化的照明條件之間實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。顏色空間會影響檢測到的顏色和傳感器的測量性能。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質量。

結論

光傳感器應用多種多樣，從簡單的光強度閾值到主動色彩調節(jié)顯示屏，不一而足。光傳感器可改善用戶體驗、優(yōu)化能耗并延長器件壽命。雖然光傳感器特性的重要性取決于具體應用，但基本設計注意事項包括頻譜響應、速度、分辨率、功率、尺寸和測量范圍。德州儀器提供多樣化的光傳感器產品系列，該產品系列包含適用于大多數(shù)應用的器件。隨著技術的進步和新的用例的出現(xiàn)，對光傳感器的需求不斷增長，從而推動創(chuàng)新并開發(fā)出能夠檢測周圍世界的技術。

審核編輯 黃宇