环境光传感器是什么？

环境光传感器是一种常用于手机、平板电脑和笔记本电脑等电子移动设备中的元件。其主要功能是用于检测环境的照度。当室内光线变暗时，人眼的瞳孔会放大。此时，如果电子产品屏幕亮度过高，人眼会感到不适。环境光传感器可以检测环境照度，然后将电子产品的屏幕亮度调节到人眼可接受的亮度，大大提高了用户体验。这种元件不仅节能，还能延长电子产品的电池寿命。

现代环境光传感器元件的技术水平已达到人眼最高光谱灵敏度。环境光传感器主要包括四类：硫化镉(CdS)光敏电阻、光电晶体管、光电二极管和集成放大电路的光电集成电路。其优缺点如下图所示：

图1 环境光传感器的分类及优缺点

环境光传感器需要进行哪些检测？

如上所述，环境光传感器已广泛应用于智能手机、平板电脑或笔记本电脑。当环境光传感器与这些电子产品集成时，需要确保环境光传感器的功能能够正常运行，不会受到电子产品本身包括其结构设计的影响，例如机械遮挡或屏幕自发光干扰。此外，对于环境光传感器元件本身，有许多重要的性能参数需要测试：

环境光传感器的重要性能参数有哪些？

一般包括：角度响应、动态范围、线性度、视场角(FOV)，以及不同环境色温的影响。

什么是环境光传感器的角度响应？什么是角度曲线？

这是指环境光传感器器件对不同入射角度光线的响应程度，其结果可以表示为角度曲线。以A品牌的环境光传感器为例，其角度曲线如下：

图2 A品牌环境光传感器的角度曲线

角度曲线和光强分布曲线有什么区别？

简单来说，角度曲线通常用于评估光电传感器的特性参数；而光强分布曲线用于评估光源的特性。环境光传感器的角度曲线含义已在上面2.1中描述，此处不再重复。至于光强分布曲线的含义，它指的是光源在不同角度下的照度强度。让我们以C品牌的发光二极管(LED)为例。其光强分布曲线在笛卡尔坐标系中表示如下：

图3 C品牌LED的光强分布曲线

什么是环境光传感器的动态范围？

人眼会根据环境的明暗调节瞳孔大小，使人能够在白天和黑夜都能确保清晰的视觉。环境光传感器对亮度的敏感度与人眼相似。ALS的敏感度性能由”动态范围”参数表示。

在烈日下，照度约为100,000勒克斯(Lux)，而进入黑暗房间时，照度可能不到1勒克斯(Lux)。环境光传感器的动态范围越大，适用的环境亮度范围就越宽。以美信(Maxim)的环境光传感器器件MAX44009为例，其宣称的动态范围为0.045勒克斯到188,000勒克斯。

什么是环境光传感器的线性度？

随着环境明暗的变化，环境光传感器会通过其光电转换机制输出相应的信号。当我们使用稳定且精确的标准光源照射环境光传感器时，由程序控制光源强度，其输出光强从0.1勒克斯到100,000勒克斯线性变化。此时，我们同时测量环境光传感器的输出信号，检查其信号强度是否也呈现同样的线性变化。这就是环境光传感器的线性度特性参数，如图4所示：

图4 T品牌ALS的线性度

什么是环境光传感器的视场角(FOV)？

这个特性参数FOV的值为角度，可以用两种方式表示：FFOV(全视场角)和HFOV(半视场角)。根据图5中的定义，FOV可以写作：

FOV = ±θ_1/2 或 FOV = θ

图5 环境光传感器的视场角(FOV)
(参考：T品牌规格书)

面对各种应用场景时，为了使环境光传感器器件能够正常工作，我们必须首先确保ALS能够有效检测光线，避免不当的外部遮挡影响功能。这个FOV特性参数可以清晰地表达环境光传感器所需的接光路径，使产品设计人员能够遵循并做出良好的设计。

这些重要参数应该如何测试？

如何测试环境光传感器的角度响应？

我们可以将待测的环境光传感器固定在轴上，并在一个可以根据轴旋转的悬臂上固定标准准直光源（如图6所示）。将垂直于环境光传感器受光面的角度定义为0度，与环境光传感器受光面平行的左右角度分别为+90度和-90度。触发悬臂，使标准准直光源的位置从-90度开始，连续移动到+90度。在此过程中，实时测量环境光传感器的信号。这样，我们就可以获得标准光源在180度等距离照射被测物的信号输出。通过在矩形坐标图上标记信号值，可以得到环境光传感器的角度响应数据，如上面的图2所示。

图6 Enlitech的ALS角度响应测量仪器内部结构

如何测试环境光传感器的视场角(FOV)？

测试方法与3.1相同。可以通过三角函数计算角度与信号强度数据来获得FOV（视场角）。

如何测试环境光传感器的线性度和动态范围？

我们线性地改变标准光源的强度，并在标准光源照射下实时测量环境光传感器输出的信号强度，从而了解环境光传感器的线性度。

如何选择合适的ALS测试仪器？

使用LED光源有什么优势？

选择测量仪器时，我们首先会考虑仪器的规格是否能满足测量需求，包括：准确度、分辨率、重复性、再现性、操作便利性等。此外，设备的价格和维护，甚至耗材的更换，也会是大多数人评估的重点。

• LED光源的高发光效率： LED发光效率可达50-200流明/瓦，且发光单色性好，光谱窄，作为光源无需滤光。
• LED光源耗电少： 良好的LED发光效率意味着省电。
• LED光源使用寿命长： 传统光源如白炽灯、荧光灯和卤钨灯使用电子光场辐射，灯丝容易烧毁。此外，热沉积和光衰减也是其弱点。LED元件的平均寿命为100,000小时，远优于传统光源。
• LED光源安全可靠： LED采用硅胶封装，可承受高强度机械冲击和振动，不易破损，且发热量相对较低，安全性高。
• LED响应速度： LED响应时间非常快，在微秒级别。
• LED在光学设计上有较大自由度： LED体积小，在设计产品时更容易匹配各种结构的布局和设计。此外，通过适当混合不同颜色的LED，配合适当的电路控制，可以自由混调出所需的光谱和色温。

标准光谱/色温有哪些？

经查询百度百科，我们整理出10种标准色温如下：

环境光传感器校准最常用的标准光谱有哪些？为什么要有这些标准光谱？各自代表什么含义？

环境光传感器校准最常用的标准光谱如上表所示。这些标准光谱和色温代表了人类日常生活中大部分的环境光状态。环境光传感器根据这些标准光谱和色温进行校准，使其在应用端能够更接近实际使用场景，为用户提供更好的实际体验。

普通环境光传感器的动态范围是多少？

在暗房中，环境光照度可能不到1勒克斯；当户外天气晴朗时，直射阳光下的环境照度约为100,000勒克斯。我们可以想象这样一种情况：人们在烈日下用智能手机查找最近上映的电影，然后走进电影院。在电影开始前，人们用手机浏览社交信息。这正是我们日常生活中发生的情况，这也意味着从100,000勒克斯到不到1勒克斯的环境照度范围应该是环境光传感器需要具备的合适动态范围特性。

准直光源有什么优势？

准直光的缺点是不易设计。要同时具备高准直性和空间均匀性的光源更是难上加难。

但是，使用准直光作为环境光传感器测试仪的光源具有以下优势：

• 光强度一致性： 光强度不会因样品的工作距离而改变
• 对准偏差影响小： 样品与旋转轴的对准偏差可以忽略不计。特别是Enlitech设计的光源，准直性和空间均匀性都很好。
• FOV测量能力： 可用于测量被测样品的FOV。

照度单位：什么是勒克斯？

照度是单位面积接收的光通量；可以理解为每单位面积获得多少光。照度的国际单位是勒克斯(lx=lux)或辐照度(ph=phot)，1勒克斯 = 1流明/平方米，1 ph = 1流明/平方厘米，1 ph = 10,000勒克斯。

照度的大小取决于光源的发光强度和物体与光源之间的距离。对于同一个光源，当光源距离是原来的两倍时，照度减小到原来的四分之一，呈现反平方关系。

几种常见的环境照度：

为什么环境光传感器(ALS)需要0.5勒克斯的测试分辨率？

这是针对低照度环境（例如：<5勒克斯），我们希望环境光传感器仍能保持足够的灵敏度特性，因此需要0.5勒克斯的测试分辨率。

关于环境光传感器制造商和环境光传感器产业结构等，将在本系列的第二篇文章中更详细地介绍，敬请关注。