环境光检测优化便携设备显示屏设计

光测量的动态范围

　　人眼对光照条件的敏感范围很宽。在黑暗的环境中(可能需要数分钟的时间以适应这种条件)，人眼能够检测到低至10-4 lux的亮度水平。在另一个极端环境下，即使亮度高达108 lux，人眼也能感知到黑暗。

　　人们在日常生活中常见的典型环境亮度通常要窄得多，从夜间室外的0.1 lux到办公室照明的300 lux，再到太阳光下的100,000 lux。大多数便携设备只需准确检测5 lux到大约1000 lux的环境光强度。实际应用中，便携设备显示屏的背光效果并不能够与太阳光的强度完全一致，当光强达到某个较低等级时，显示屏即开始简单地维持在最低背光亮度。

　　值得注意的是，人眼对亮度的感知呈对数关系(类似于人耳对声音的灵敏度)。光强增加几乎10倍，而人眼只能感知到两倍的亮度变化。可以用一个类似的传递函数表示显示屏背光亮度百分比与相对环境光强的对应关系，如图4中的线性和对数曲线所示。

　　图4a. 该线性曲线给出了背光强度与相对光强的对应关系。黑线为理想对数曲线，蓝线采用折线近似法，更适于用微控制器代码实现。

　　图4b. 这些曲线为采用对数坐标表示相对光强时的图4a中的线性数据。黑线为理想对数曲线，蓝线采用折线近似法，更适于用微控制器代码实现。

　　由此可见，在较低等级光强下，需要较高的亮度测量分辨率;在较高等级的光强下，采用一般的分辨率就足够了。实现这一机制的最简单方法是采用具有前端可编程增益的高分辨率转换器，从而平衡强光下对宽动态范围的要求，以及亮度较低时对高灵敏度的要求。

　　MAX44009与其它数字光传感器不同，内部带有自动量程调节机制。这种调节方法能够使IC自动实现22位动态范围测量，无需微控制器重新配置寄存器，从而提高了编码效率。此外，对测量结果进行压缩，并以12位格式表示，从而为光测量提供了一个伪对数步长。以MAX44009为例，器件采用4位指数和8位尾数表示22位动态范围，低亮度条件下的分辨率可达0.045 lux/计数，环境光亮度较高时具有更高的计数值。

　　黑玻璃效应

　　现代化电子设备的外观和质感，也就是其工业设计，与它们所提供的特性和功能同样重要。用户已经将现代化便携设备视为一种“身份”的象征。例如，环境光传感器对设备非常重要，但目前比较流行的做法是将这些传感器隐藏起来，以免影响产品的外观和质感。

　　对于玻璃面板，通常在传感器开口处加一层薄薄的黑色油墨(吸收几乎所有的入射光)，将其“遮盖”起来。少量光线透过油墨，到达光传感器，既能够进行环境光测量，同时又使面板保持有光滑、平整的黑色边框(图5)。

　　图5. 典型的平板电脑设计，LCD显示屏周围采用黑色边框面板。用户看不到隐藏在其后的环境光传感器。

　　不幸的是，这层黑色油墨在很大程度上影响了光传感器的正常工作，不仅减弱了到达传感器的光强，而且还改变了光谱。首先，讨论光衰减问题。大多数黑色油墨仅允许2%至10%的可见光穿过，5 lux的外部光源到达传感器时仅剩0.1 lux!因此，要求光传感器具备较高的灵敏度。其次，虽然只有2%至10%的可见光能够穿透油墨，但几乎全部的入射红外辐射均能够穿透油墨到达传感器，从而造成了光谱的改变(图6)。

　　图6. 上图为目前商用电子设备中黑色油墨的典型光谱特性，表示了入射光透射百分比与波长的关系。

　　不均匀的光谱透射使得大多数光传感器必须重新校准，以便在置于黑色油墨下方时仍能获得准确的环境光测量读数，需要重新调节无黑色玻璃条件下精确测量环境光的工厂设置。正因如此，MAX44007环境光传感器提供了多个内部光电二极管。这种灵活性使用户能够针对大多数应用进行调节，重新校准传感器响应特性。MAX44007的灵敏度为0.025 lux/LSB。