[科普中国]-环境光传感器

环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗。例如，在手机、笔记本、平板电脑等移动应用中，显示器消耗的电量高达电池总电量的30%。

简介环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗。例如，在手机、笔记本、平板电脑等移动应用中，显示器消耗的电量高达电池总电量的30%，采用环境光传感器可以最大限度地延长电池的工作时间。另一方面，环境光传感器有助于显示器提供柔和的画面。当环境亮度较高时，使用环境光传感器的液晶显示器会自动调成高亮度。当外界环境较暗时，显示器就会调成低亮度。 环境光传感器需要在在芯片上贴一个红外截止膜，甚至直接在硅片上镀制图形化的红外截止膜1。

原理环境光传感器主要由光敏元件组成。光敏元件发展迅速、品种繁多、应用广泛。市场出售的有光敏电阻、光敏二极管、光电三极管、硅光电池等。环境光传感器可以感知周围光线情况，并告知处理芯片自动调节显示器背光亮度，降低产品的功耗。例如，在手机、笔记本，GPS等移动等手持设备应用中，显示器消耗的电量高达电池总电量的30%，采用环境光传感器可以最大限度地延长电池的工作时间。另一方面，环境光传感器有助于显示器提供柔和的画面。当环境亮度较高时，使用环境光传感器的液晶显示器会自动调成高亮度。当外界环境较暗时，显示器就会调成低亮度。环境光传感器需要在在芯片上贴一个红外截止膜，甚至直接在硅片上镀制图形化的红外截止膜2。

光照度传感器的工作原理光照度传感器为热电效应原理，感应元件采用绕线电镀式多接点热电堆，其表面涂有高吸收率的黑色涂层。热接点在感应面上，而冷结点则位于机体内， 冷热接点产生温差电势。在线性范围内，输出信号和太阳辐照度成正比。为减小温度的影响则配有温度补偿线路，为了防止环境对其性能的影响，则用两层石英玻璃 罩，罩是经过精密的光学冷加工磨制而成的。

特性环境光传感器具有暗电流小，低照度响应，灵敏度高，电流随光照度增强呈线性变化等特性；内置双敏感元，自动衰减近红外，光谱响应接近人眼函数曲线（如图，黑：人眼响应曲线，蓝：光敏电阻响应曲线，绿：环境光响应曲线）；在选择适当的光传感器时的另一个考虑因素是选择一个带有理想光谱响应的传感器。普通PIN光敏二极管或光敏电阻(无源或者有源)本身具有非常宽的光谱响应范围，包括IR射线乃至UV射线。从理论上来说，用户需要选择一个仅能感应可见光(380~770nm)并削弱无用的IR、UV信号的光传感器，有些传感器中还内置微信号CMOS放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大，工作电压范围宽，温度稳定性好；可选光学纳米材料封装，可见光透过，紫外线截止、近红外相对衰减，增强了光学滤波效果；符合欧盟RoHS指令，无铅、无镉，市面上的光敏电阻达不到以上标准1。

考虑因素通常有几种方法能够对光进行检测，例如通过使用光电晶体管、光敏电阻或光敏二极管来实现，但对于当今应用的总的光感要求而言，基于IC的单片光电二极管是最好的选择之一。光电二极管是用于探测光并生成电流的半导体，它基于单晶硅片构造而成，与用于生产集成电路的晶体硅片类似。一个典型的传感器应用框架图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，以检测并处理光输入引起的输出电压信号。能够将所有这些器件集成并采用小型封装对于终端用户而言是非常有益的，而且这恰恰就是当前的市场需求。

为应用选择适当光传感器时的另一个重要方面，是要理解对于应用而言，哪项重要规格是最为关键的，最需要关注哪一项。一般来说，在选择一个光传感器时，需要着重考虑的因素如下：

（1）光谱响应/IR抑制：环境光传感器应该仅对400nm至700nm的范围有感应。

（2）Lux的最大范围：直射阳光可以多达130,000Lux，但是大多数应用要求最大范围为仅为10,000Lux。

（3）低Lux光敏度：根据光传感器位于顶端的镜片的类别，光衰减可以为25-50%。如果低光敏度非常关键(10,000Lux)的光传感器来说，最好采用一个非线性光到模拟输出光传感器，或一个光到数字输出的光传感器。接下来还将对此进行详细说明。

（5）封装大小：对于大多数应用来说，封装都是越小越好。一旦确定了上述重要规格，需要考虑的下一个问题就是哪类输出信号最有助于目标应用。对于大多数光传感器，最常见的输出为线性输出电流。虽然这适用于一些应用，但有更多的可选项，其中包括线性电压输出、数字输出(通过I2C接口)或者非线性电流或电压输出。

（6）线性模拟输出—电流或电压输出：更常见的感应器输出，快速响应时间(数字输出受限于积分时间)，在控制器中集成ADC转换器，电压输出省去了对于外加电阻(将电流转换为电压)的需要并提供一个低阻抗输出。电流输出需要在输出添加无源元件来将电流转换为电压、设置传感器的增益范围并根据需要增加低通或高通滤波器。

（7）非线性模拟输出——电流或电压输出：允许极弱光敏感度和最大动态范围(高达100 ,000Lux)，感测光与人类察觉光的方式更加类似(非线性与线性)，电压或电流非线性输出的选择，电压输出为低阻抗而电流输出为高阻抗。

（8）数字输出：输出可以直接与控制器相连接(无需ADC)，数字输出本身比模拟输出更具有噪声免疫性，允许传感器具有更多的数字功能(即更加智能的光传感器)，更易于在通用IC总线上的网络工作，更易于允许将多个光传感器置于同一个IC总线上(地址选择引脚)，恒定功耗(模拟输出电路损耗与入射光密度成正比)。并且对不同光源的光线响应比较相近，不会因不同光线而造成响应出现差异化，（黑色为荧光灯响应曲线，红色为白炽灯响应曲线），可以看出环境光传感相对其它的光敏器件具有很好的光谱响应3。

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学