環境光檢測優化便攜設備顯示屏設計

光測量的動態范圍

　　人眼對光照條件的敏感范圍很寬。在黑暗的環境中(可能需要數分鐘的時間以適應這種條件)，人眼能夠檢測到低至10-4 lux的亮度水平。在另一個極端環境下，即使亮度高達108 lux，人眼也能感知到黑暗。

　　人們在日常生活中常見的典型環境亮度通常要窄得多，從夜間室外的0.1 lux到辦公室照明的300 lux，再到太陽光下的100,000 lux。大多數便攜設備只需準確檢測5 lux到大約1000 lux的環境光強度。實際應用中，便攜設備顯示屏的背光效果并不能夠與太陽光的強度完全一致，當光強達到某個較低等級時，顯示屏即開始簡單地維持在最低背光亮度。

　　值得注意的是，人眼對亮度的感知呈對數關系(類似于人耳對聲音的靈敏度)。光強增加幾乎10倍，而人眼只能感知到兩倍的亮度變化。可以用一個類似的傳遞函數表示顯示屏背光亮度百分比與相對環境光強的對應關系，如圖4中的線性和對數曲線所示。

　　圖4a. 該線性曲線給出了背光強度與相對光強的對應關系。黑線為理想對數曲線，藍線采用折線近似法，更適于用微控制器代碼實現。

　　圖4b. 這些曲線為采用對數坐標表示相對光強時的圖4a中的線性數據。黑線為理想對數曲線，藍線采用折線近似法，更適于用微控制器代碼實現。

　　由此可見，在較低等級光強下，需要較高的亮度測量分辨率;在較高等級的光強下，采用一般的分辨率就足夠了。實現這一機制的最簡單方法是采用具有前端可編程增益的高分辨率轉換器，從而平衡強光下對寬動態范圍的要求，以及亮度較低時對高靈敏度的要求。

　　MAX44009與其它數字光傳感器不同，內部帶有自動量程調節機制。這種調節方法能夠使IC自動實現22位動態范圍測量，無需微控制器重新配置寄存器，從而提高了編碼效率。此外，對測量結果進行壓縮，并以12位格式表示，從而為光測量提供了一個偽對數步長。以MAX44009為例，器件采用4位指數和8位尾數表示22位動態范圍，低亮度條件下的分辨率可達0.045 lux/計數，環境光亮度較高時具有更高的計數值。

　　黑玻璃效應

　　現代化電子設備的外觀和質感，也就是其工業設計，與它們所提供的特性和功能同樣重要。用戶已經將現代化便攜設備視為一種“身份”的象征。例如，環境光傳感器對設備非常重要，但目前比較流行的做法是將這些傳感器隱藏起來，以免影響產品的外觀和質感。

　　對于玻璃面板，通常在傳感器開口處加一層薄薄的黑色油墨(吸收幾乎所有的入射光)，將其“遮蓋”起來。少量光線透過油墨，到達光傳感器，既能夠進行環境光測量，同時又使面板保持有光滑、平整的黑色邊框(圖5)。

　　圖5. 典型的平板電腦設計，LCD顯示屏周圍采用黑色邊框面板。用戶看不到隱藏在其后的環境光傳感器。

　　不幸的是，這層黑色油墨在很大程度上影響了光傳感器的正常工作，不僅減弱了到達傳感器的光強，而且還改變了光譜。首先，討論光衰減問題。大多數黑色油墨僅允許2%至10%的可見光穿過，5 lux的外部光源到達傳感器時僅剩0.1 lux!因此，要求光傳感器具備較高的靈敏度。其次，雖然只有2%至10%的可見光能夠穿透油墨，但幾乎全部的入射紅外輻射均能夠穿透油墨到達傳感器，從而造成了光譜的改變(圖6)。

　　圖6. 上圖為目前商用電子設備中黑色油墨的典型光譜特性，表示了入射光透射百分比與波長的關系。

　　不均勻的光譜透射使得大多數光傳感器必須重新校準，以便在置于黑色油墨下方時仍能獲得準確的環境光測量讀數，需要重新調節無黑色玻璃條件下精確測量環境光的工廠設置。正因如此，MAX44007環境光傳感器提供了多個內部光電二極管。這種靈活性使用戶能夠針對大多數應用進行調節，重新校準傳感器響應特性。MAX44007的靈敏度為0.025 lux/LSB。