使用 OPT4003-Q1 环境光传感器进行光源检测

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摘要

光传感器在需要从周围环境中提取照明信息的许多不同应用中变得越来越常见。除了强度和颜色信息之外，检测光源类型的需求在许多系统中变得越来越重要。OPT4003-Q1 是一款双通道环境光传感器 (ALS)，可测量可见光和近红外光 (NIR) 的强度。本应用报告介绍了如何使用 NIR 通道提供的信息来检测不同类型的光源。

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1 引言

对于不同的应用来说，检测光源产生的光的类型是一项重要功能。例如，在前照灯系统中，光源检测可用于区分阳光和人造光，以更准确地控制照明。自动显示亮度控制需要根据环境中的光类型进行不同的调节，因此有必要区分阳光和其他光源。

可见光与 NIR 光的比率对于不同的光源来说是独特的，这是本报告中讨论的光源检测的依据。图 1-1 展示了常见光源的可见光与 NIR 光比率。用于收集此数据的特定测试设置详见节 3。

图 1-1 OPT4003-Q1 可见光和 NIR 通道比率

2 光源检测

每种光源都有独特的发射光谱，这些光谱的特性取决于产生光的光源。例如，与 LED 灯泡相比，白炽灯泡产生的光谱中 NIR 区域的含量更高。通过关注环境光和 NIR 光的强度，可以区分不同的光源。OPT4003-Q1 NIR 通道对作出这一判断至关重要，因为它只对 800nm 到 1000nm 之间的波长敏感。此外，OPT4003-Q1 的可见光通道具有出色的 NIR 抑制能力，确保光谱响应与人眼非常接近。可见光通道具有出色的 IR 抑制能力，NIR 通道具有可见光抑制能力，可防止通道测量之间产生干扰。OPT4003-Q1 的独特架构与这些通道的卓越灵敏度相结合，实现了可靠的光源检测。

图 2-1 OPT4003-Q1 典型应用图

OPT4003-Q1 的通道 0（可见光）和通道 1 (NIR) 报告与测量光量成比例的 ADC 代码。计算通道 0 和通道 1 测量值的比率，可以得出特定光源类型的唯一值。该计算如方程式 1所示。

方程式 1.

$l i g h t s o u r c e r a t i o = \frac{v i s i b l e}{N I R} = \frac{C H 0 c o d e s}{C H 1 c o d e s}$

预计 LED 光源之间会有相似的比率，而这些比率可能与其他类型的光源不同。由于 LED 光源不产生 NIR 区域的内容，因此测得的 LED 比率应远高于白炽灯比率。因此，可见光测量值可能远远大于 NIR 测量值。请参阅节 5，了解有关常见光源光谱的更多详细信息。

有关器件测量和寄存器结构的更多详细信息，请参阅 OPT4003-Q1 数据表。

3 光源比率

图 3-1展示了 OPT4003-Q1 的测量数据。x 轴显示通道 0 代码与通道 1 代码的比率，y 轴列出光源类别。每个大类都包含不同的光源，如图 3-2 所示。

图 3-1 OPT4003-Q1 光源比率示例

图 3-2 OPT4003-Q1 光源比率的更多示例

使用 25 个 OPT4003-Q1 器件进行了测量，以确保器件之间保持稳定性。由此产生的光源比率具有清晰且明确的边界。对于此数据集，可以创建阈值来识别阳光和人造光源。表 4-2 列出了所有单个光源的最小和最大比率，如图 3-2 所示。每个类别中比率的变化是由于不同色温的光源被组合在一起。

表 3-1 OPT4003-Q1 测试数据比率

光源	最小测量比率	最大测量比率
阳光	6.31	6.97
LED	126.52	495.19
白炽灯	0.94	1.91
卤素灯	1.99	2.18

可以按照下面代码块中显示的相同模式，为每个光源类别定义阈值，从而进行具体区分。

if (ratio > 2.2 and ratio < 11):
     source = sunlight
else:
     source = artificial

4 设计和校准注意事项

任何环境光传感系统的机电设计都存在一些关键问题。合理的设计可以确保有足够的透光率来保证正常运行，而系统特定的校准则有助于确保性能。

4.1 覆盖材料

在许多环境光检测应用中，为了美观，传感器被放置在深色玻璃后面。材料类型和光谱透射属性将决定整体光透射水平。在任何应用中，OPT4003-Q1 传感器区域必须相对于任何窗口开口居中。图 4-1 中介绍了这些尺寸，通道 0 光电二极管用浅灰色表示，通道 1 光电二极管用深灰色表示。有关完整封装尺寸，请参阅 OPT4003-Q1 数据表第 10 节。

图 4-1 OPT4003-Q1 传感器位置

深色材料会使较少的光线来照亮传感器，从而影响精度。选择一种颜色足够深的材料在器件美观与传感器性能之间取得平衡非常重要。

在需要光源检测的汽车应用中，除了深色覆盖玻璃之外，OPT4003-Q1 还可以放置在挡风玻璃后面。

覆盖材料上使用的深色油墨通常能透过 2% 到 20% 的入射光，从而减少了照射到传感器上的光量，降低了传感器的弱光灵敏度。

例如，如果油墨在 50 勒克斯下透射 2% 的环境光，则传感器只能看到 1 勒克斯。系统分辨率可以根据覆盖材料的可传递性使用方程式 2 进行计算。

方程式 2.

{R e s o l u t i o n}_{S y s t e m} = \frac{{R e s o l u t i o n}_{S e n s o r} \times 100}{% T r a n s m i s s i o n}

有关正确窗口尺寸和覆盖玻璃补偿的更多详细信息，请参阅环境光传感器应用指南。