光 传感器 的应用非常普遍。从便携式消费类市场(智能手机、PDA、台式PC以及便携式音乐播放器等)到消费类电视机市场(包括液晶、等离子、背投以及CRT电视等),再到医疗、工业及汽车市场,光传感器无处不在。其中,一些应用,如条形码阅读器、 激光 打印机和自动聚焦显微镜利用光学探测的反射光来对位置进行感应;另一些应用,如数码相机、手机和笔记本电脑等便携电子产品则利用光传感器来测量环境光量。
采用环境光传感器的系统产品能够提供更舒适的显示质量。这对于某些应用非常重要。例如,汽车仪表盘要求在所有环境光条件下都能达到清晰的显示效果。在白天,用户需要最大的亮度来实现最佳的可见度,但是这种亮度在夜间则显得太刺眼了。
光传感器给便携式应用带来了很多好处。带有光传感器的系统,能够自动检测条件变化并调节显示器的设置,以保证显示器处于最佳的亮度,进而降低总体功耗。例如,移动电话、笔记本电脑以及数码相机,通过采用环境光传感器可以自动进行显示器的亮度控制,从而延长 电池 的寿命。
光电 二极管 是最佳实现方式
光传感器包括 光敏电阻 、光电 晶体管 或光电二极管等几种。其中,最简单的光传感器是光敏 电阻 。低端光敏电阻由CdS(硫化镉)材料 制造 ,而比较昂贵的光敏电阻由GaAs材料制造。GaAs的能带间隙较小。它能够吸收 红外 光中的低能光子,并使电子跃迁到传导带。其照度范围从1勒克斯~100勒克斯。
光电二极管的复杂性要高一些。光子轰击半导体结,产生 电流 。要给光电二极管施加反向偏压。较大的反向偏压可以提高传感器的感应速度和线性度,但也提高了传感器的暗电流和散粒噪声(shotnoise)。光子轰击半导体结,将产生正向电流,降低反向偏压电流。在设计中,可以为光电二极管增加外部 电路 ,使I-V曲线线性化。
光电晶体管的一般特点与光电二极管一样,但增加了放大功能。它需要更大的偏置电流,但与电流相伴的噪声迫使传感器的灵敏度转向更高的勒克斯范围,即1000勒克斯~10万勒克斯。光电晶体管的检测响应时间与光电二极管相似,并可以利用偏置电流进行调整。偏置电流也可以随探测到的信号水平进行变化。光电晶体管能够粗略地确定环境光线水平,如室内/室外、白天/夜间以及明亮光线/阴影等状态,因此,需要外部电路对输出信号进行校准。
目前,基于IC的单片光电二极管是光传感器最好的实现方式之一。光电二极管由单晶硅制造而成。一个典型的传感器应用组件包括一个光电二极管、一个电流 放大器 和一个无源低通 滤波器 。对于终端用户来说,能够将所有这些器件集成到一个小型封装中非常重要。
光传感器六大指标
选择光传感器时,最重要的一点是理解哪项规格参数是最为关键的。一般来说,在选择一个光传感器时,需要着重考虑的因素包括光谱响应/IR抑制、最大勒克斯数、光敏度、集成的信号调节功能、功耗以及封装大小等6个重要规格。这6个规格的具体描述如下:
光谱响应/IR抑制:环境光传感器应该仅对400nm至700nm光谱的范围有感应。
最大勒克斯数:大多数应用为1万勒克斯。
光敏度:根据光传感器的镜片类别,光线通过镜片后,光衰减可以在25%-50%之间。低光敏度非常关键(《5勒克斯),必须选择可以在这个范围内工作的光传感器。
集成的信号调节功能(即放大器和 ADC ):一些传感器可能提供非常小的封装,但是却需要一个外部放大器或无源元件来获取所需的输出信号。具有更高集成度的光传感器省去了外部元件(ADC、放大器、 电阻器 、 电容器 等),具有更多的优势。
功耗:对于要承受高勒克斯(》1万勒克斯)的光传感器来说,最好采用非线性模拟输出或数字输出。
封装大小:对于大多数应用来说,封装都是越小越好。现在可提供的较小封装尺寸约为2.0mm×2.1mm。而尺寸为1.3mm×1.5mm的4引脚封装则是下一代封装。
一旦确定了上述重要规格参数,下一个需要考虑的问题就是哪类输出信号有助于目标应用的实现。
对于大多数光传感器来说,最常见的输出为线性模拟输出。虽然这一输出对于一些应用非常适合,但现在产品提供更多的输出选项,包括线性电压输出、数字输出(通过 I2C 接口)或者非线性电流或电压输出。每种输出都具有一定的优势。