環(huán)境光檢測優(yōu)化便攜設(shè)備顯示屏設(shè)計(jì)

光測量的動態(tài)范圍

　　人眼對光照條件的敏感范圍很寬。在黑暗的環(huán)境中(可能需要數(shù)分鐘的時間以適應(yīng)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(huán)境下，即使亮度高達(dá)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(huán)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(shù)便攜設(shè)備只需準(zhǔn)確檢測5 lux到大約1000 lux的環(huán)境光強(qiáng)度。實(shí)際應(yīng)用中，便攜設(shè)備顯示屏的背光效果并不能夠與太陽光的強(qiáng)度完全一致，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)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(shù)關(guān)系(類似于人耳對聲音的靈敏度)。光強(qiáng)增加幾乎10倍，而人眼只能感知到兩倍的亮度變化?？梢杂靡粋€類似的傳遞函數(shù)表示顯示屏背光亮度百分比與相對環(huán)境光強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系，如圖4中的線性和對數(shù)曲線所示。

　　圖4a. 該線性曲線給出了背光強(qiáng)度與相對光強(qiáng)的對應(yīng)關(guān)系。黑線為理想對數(shù)曲線，藍(lán)線采用折線近似法，更適于用微控制器代碼實(shí)現(xiàn)。

　　圖4b. 這些曲線為采用對數(shù)坐標(biāo)表示相對光強(qiáng)時的圖4a中的線性數(shù)據(jù)。黑線為理想對數(shù)曲線，藍(lán)線采用折線近似法，更適于用微控制器代碼實(shí)現(xiàn)。

　　由此可見，在較低等級光強(qiáng)下，需要較高的亮度測量分辨率;在較高等級的光強(qiáng)下，采用一般的分辨率就足夠了。實(shí)現(xiàn)這一機(jī)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(zhuǎn)換器，從而平衡強(qiáng)光下對寬動態(tài)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(shù)字光傳感器不同，內(nèi)部帶有自動量程調(diào)節(jié)機(jī)制。這種調(diào)節(jié)方法能夠使IC自動實(shí)現(xiàn)22位動態(tài)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(jié)果進(jìn)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(shù)步長。以MAX44009為例，器件采用4位指數(shù)和8位尾數(shù)表示22位動態(tài)范圍，低亮度條件下的分辨率可達(dá)0.045 lux/計(jì)數(shù)，環(huán)境光亮度較高時具有更高的計(jì)數(shù)值。

　　黑玻璃效應(yīng)

　　現(xiàn)代化電子設(shè)備的外觀和質(zhì)感，也就是其工業(yè)設(shè)計(jì)，與它們所提供的特性和功能同樣重要。用戶已經(jīng)將現(xiàn)代化便攜設(shè)備視為一種“身份”的象征。例如，環(huán)境光傳感器對設(shè)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(chǎn)品的外觀和質(zhì)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(dá)光傳感器，既能夠進(jìn)行環(huán)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(shè)計(jì)，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(huán)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(dá)傳感器的光強(qiáng)，而且還改變了光譜。首先，討論光衰減問題。大多數(shù)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(dá)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(dá)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(shè)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(guān)系。

　　不均勻的光譜透射使得大多數(shù)光傳感器必須重新校準(zhǔn)，以便在置于黑色油墨下方時仍能獲得準(zhǔn)確的環(huán)境光測量讀數(shù)，需要重新調(diào)節(jié)無黑色玻璃條件下精確測量環(huán)境光的工廠設(shè)置。正因如此，MAX44007環(huán)境光傳感器提供了多個內(nèi)部光電二極管。這種靈活性使用戶能夠針對大多數(shù)應(yīng)用進(jìn)行調(diào)節(jié)，重新校準(zhǔn)傳感器響應(yīng)特性。MAX44007的靈敏度為0.025 lux/LSB。