實現高效率的紅外線近接感測系統設計

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近接感測(proximity sensing)是以紅外線訊號的擷取與處理為基礎，一般需要兩個部份來構成光學前端：一個紅外線LED和一個光學感測器。紅外線LED針對感測物體發射一束紅外線訊號，部份訊號反射回來後，再經由紅外線CMOS光感測器進行偵測。透過晶片上的訊號調節與類比數位轉換後，數位化的紅外線訊號可再經過微處理器或MCU進行後續處理，以便應用於各種不同的近接感測用途。

一個典型的紅外線近接感測系統是由一個光學前端、類比混合訊號處理電路，以及一定的機械結構所組成。為了建置一款高效率的設計，最重要的必須瞭解近接感測的基本原理、電路構建模組、機械設計考量、近接感測演算法與典型近接特性。機械部份的設計通常必須根據不同應用平台權衡設計折衷，例如手機、PDA、筆記型電腦以及各種消費電子產品。設計折衷包括元件選擇、配置尺寸、玻璃鏡片特性、光學設計，以及應用程式演算法與軟體建置等。

整合環境光感測與近接感測系統不僅能測量出周圍的光環境，還能偵測正在接近或遠離的物體。這使得微處理器或MCU得以做出更複雜的控制與調整決定，進一步改善系統的能源效率，實現多種更為友善用戶的應用。例如，如果手機能夠知道你正把手機貼近耳朵來接聽電話，MCU就可以關掉閒置的子系統，例如顯示螢幕、鍵盤或觸控螢幕，以節省電源並避免用戶無意中誤觸其它按鍵。

紅外線近接感測的基本原理

紅外線近接感測可用以下的圖例加以簡單描述。圖1的實例顯示，當鄰近的偵測路徑內沒有感測物體存在時，近接感測器無法擷取到反射回來的紅外線訊號。

圖1，在近接偵測區內沒有任何感測物體存在。

相反地，當感測物體處於可偵測的距離時，如圖2所示，近接感測器便會擷取反射回來的紅外線訊號。近接讀數與擷取到的紅外線光訊號的強度成線性比例，而與距離的平方成反比。

圖2，在接近偵測區內存在感測物體。

典型的數位近接感測器建構模組

圖3顯示典型的數位環境光和近接感測器中的建構電路架構圖。光二極體陣列是訊號調節與擷取光學前端的元件。整合的ADC可以把擷取到的光訊號轉換成數位化的數據串流，然後再傳送至微控制器進行後續處理，以實現不同應用需求。

圖3：典型的近接感測器功能架構圖。

不同的配置指令可透過I2C介面寫入。用戶還可透過同一個數位介面讀取環境光和近接距離內的數據串流。中斷功能直接饋入MCU，以控制一個紅外線LED驅動器，針對近接探測週期所進行的編程與控制時脈週期，提供在發射紅外線訊號時所需的前向電流。

機械設計的考量

1)選擇紅外線LED

光學前端的另一項重要元件是紅外線LED。不同的紅外線LED具有不同的峰值波長、發光強度與視角。典型峰值波長為850nm～950nm的高亮度紅外線LED與ISL29011近接感測器的光譜可相互搭配。窄視角和更高的發光強度能夠增加近接探測的距離。因此，選擇一款視角、機械佔位面積、發光強度和功耗都比較均衡的紅外線LED至關重要。

2)元件配置尺寸

元件的配置在機械設計中起著十分關鍵的作用，它決定了近接探測的距離遠近。這其中包括許多決定性因素：如感測器和光障礙物之間的空間距離、光障礙物和紅外線LED之間的距離、障礙物高度的變化，以及是否使用光導管。圖4顯示了一款採用典型元件配置尺寸的近接感測系統解決方案。

圖4，典型的元件配置尺寸

3)玻璃觀景窗的尺寸與配置

對於一個平面鏡片而言，視角是塑膠或玻璃材料折射率的函數。更緊密的材料(折射率更高)有效視角更小，低密度介質的視角較寬。觀景窗鏡片的配置對於光感測器的視角存在一定的限制。觀景窗鏡片應直接配置於感測器的頂部，鏡片的厚度應該盡量輕薄，以減少光學密度的損失。

4)近接感測系統演算法

完成元件選擇與設計之後，一個穩定耐用的近接感測系統還需要光學感測器在各種環境光條件下針對不同的感測物體進行動態的自校準。採用一種優質的近接感測演算法至關重要，它能夠協助近接感測硬體智慧化避開來自不同的機械設計限制和惡劣週邊環境的重重障礙，從而持續且穩定地執行距離偵測作業。

5)典型的近接量測

在近接感測系統上採用了各種設計與建置方法後，即可實現一款適切的近接感測測試系統，如圖5所示。根據特定用戶的應用需求，環境光與近接感測系統均實現了最佳化。在均衡上述的設計折衷後，用戶能夠針對系統的各層面進行精確地調整，以滿足其應用要求。

圖5：4種不同LED驅動電流的近接感測系統。

光學基本原理

大多數光源發射出的光一般由可見光與紅外線光譜所組成。以lux(照明度單位)的觀點而言，不同的光源間存在著類似的可見光強度，但其紅外線光譜反應則差異甚大。在測量光的強度時，必須考慮到光的頻譜特性以及光學感測器的頻譜感測能力之差異。採用CMOS製程的光學感測器能夠探測到大多數紅外線輻射(峰值敏感度為880nm)，因而可能導致誤報真實環境(可見的)狀況。

對於像燈泡一類的光源，感測器訊號比人眼所看到的數量更多。由這類感測器控制的照明方案響應可能與環境光譜不符合，因而限制了最大的近接感測距離。為了建立更合適的調光或照明控制，使其作為近接感測系統解決方案的一部分，採用一顆能夠模擬人眼針對最大紅外線訊號加以反應的感測器是必不可少的。圖6顯示一個光學感測器的光譜響應，十分適合於環境光感測應用。該圖還顯示在近接感測時的紅外線波長光譜。

圖6，感測器的近接感測和感測器的環境光響應光譜

作者：Yong Luo，光感測器系統應用工程師

Tamara Schmitz，首席應用工程師

Intersil公司