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可見光定位傳感器：可見光傳感器LX1970的原理及應用

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可見光傳感器ＬＸ１９７０的原理及應用

作者：潘

建

來源：《電子世界》
2004
年第
03
期

LX1970
是一款采用新技術、具有模仿人眼感光效應的光傳感器。該器件是專為監視平板
顯示器的亮度控制系統的環境光線而設計的。它有一個獨特的光電二極管陣列，在
520nm
時
有一個尖峰響應而在紫外和紅外波長時就急劇衰減。這個光電二極管陣列具有非常精確、線性
和可重復的電流轉換功能。光電流通過內部集成的一個高增益的運放后從電流源和電流接收兩
個管腳輸出。這些電流通過在一個或兩個管腳之間增加一個電阻就能轉換成電壓，電壓增益決
定于電阻值，典型的取值范圍在
10
～
50
ｋ
Ω
之間。圖
1
所示為
LX1970
的管腳排列。它具有像
人眼一樣靈敏、無需濾光器、只需一個外加元件、無需外加放大器和低成本易使用的優點，可
廣泛應用于對任何光照或顯示應用的自動亮度控制系統中。

工作原理

LX1970
的引腳功能如附表所示。為了把光能量從
μW/cm2
轉換成
cd/m2
就必須詳細說明
一下光電系統。光電系統可以看作是光能的傳遞和接收系統，輻射能從目標
(
輻射源
)
發出后經
過中間介質、光學系統，最后被光電器件接收。光能的強弱是否能使接收器感受，這是光電系
統一個很重要的指標。光度學研究對可見光的能量的計算，它使用的參量稱為光度量。以人的
視覺習慣為基礎建立。
cd/m2
是衡量點亮的平板表面亮度強弱的單位。
μW/cm2
是衡量可見的
和不可見的光通量和電磁輻射通量強度的單位。轉換的第一步就是把發光強度轉換成通過了一
個對應的濾波片的照明通量。在正常環境中使用的是光適應曲線，在黑暗環境中使用的是暗適
應曲線。如果光波僅僅只有一種波長，只需一張表就會給出從
μW/m2
轉換到
lx(lumens/m2)
的
轉換因數。如果多使用一種光波，光的光譜就必須采用合適的濾光片才能測定總的照度。對于
適應于人眼的正常光線而言，最靈敏的波長是
555nm
。在
555nm
，轉換的因數為
683lx=1W/m2=100μW/cm2
，因此，
555nm
時，
14.6μW/cm2=100lx
。轉換的下一步就是把照度
變成亮度。照度的單位是
lx
或者
lumens/m2
。亮度的單位是
cd/m2
或者
lumens/m2-
球面度。假
設一束光照在一個理想的全反射的球面上，那么從
lx
到
cd/m2
的轉換因數就是
3.14lx
產生
1cd/m2
。

如果光傳感器有一個真實的光電響應，它就會產生和該束光強度相對應的輸出電流，而不
管這束光的顏色。

應用實例

圖
2
是一個沒有用戶干預的，應用
LX1970
進行自動減低亮度的實例。根據所需要的最小
亮度范圍和斜率選擇電阻
R1
和
R2
的值，選擇
C2
來調整響應時間。
Vdd
接
3.3V
或者
5V
，
VOUT
接轉換器的亮度輸入或者
LED
的驅動控制器。

可見光傳感器LX1970的原理及應用 第1張" title="可見光定位傳感器：可見光傳感器LX1970的原理及應用 第1張-傳感器知識網"/>

可見光定位傳感器：可見光傳感器定義及分類

可見光傳感器是將可見光作為探測對象，并轉換成輸出信號的器件。可見光傳感器是目前產量最多、應用最廣的傳感器之一。可見光傳感器按照探測原理劃分，主要分為以下幾類：

森霸股份的可見光傳感器產品主要涉及光敏電阻、光敏三極管、CMOS線性可見光傳感器，其特性及應用領域如下：

類別

主要特性

應用領域

光敏電阻

光敏電阻是一種半導體材料制成的電阻，通常以環氧樹脂材料封裝，屬半導體光敏器件。其電阻隨著光照度的變化而變化，可利用這一特性制成不同形狀和受光面積的光敏電阻。其具有靈敏度高，反應速度快，光譜特性一致性好等特點，另外在高溫、高濕的惡劣環境下，還能保持高度的穩定性和可靠性，光譜響應接近人眼函數曲線。

光控開關、光控玩具、戶外照明、光電控制、相機測光、安防等

光敏三極管

光敏三極管是一種基級接受光線變化的三極管，其結構與普通三極管相似，也有電流放大作用，通常基極不引出。其內部的光電效應和電極無關，可以使用直流電源，并且電流輸出穩定；它的靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關，感光波段廣泛，靈敏度較高，性能穩定。使用壽命長，具有一定的線性，符合RoHS指令等。

智能家居、智能農業、攝像機、數碼相機、智能手機、可穿戴設備等

CMOS線性可見光傳感器

CMOS線性可見光傳感器采用標準的半導體制造工藝，其內部芯片集成光電流放大器，而外圍電路簡單，可節省終端產品的制造成本。體積小，重量輕；響應速度較快，處理功能強，測量精度高。

可見光傳感器細分領域概況
可見光傳感器是將可見光作為探測對象，并轉換成輸出信號的器件。可見光傳感器是目前產量最多、應用最廣的傳感器之一，森霸股份的可見光傳感器產品主要有光敏電阻、光敏三極管、CMOS線性可見光傳感器等。下表為上述幾種主要類型可見光傳感器的性能對比：

序號

可見光傳感器按技術含量分類

可見光傳感器類型

價格

特性

響應

1

中低端傳感器

光敏電阻

較低

阻值隨光照變化

慢

光敏三極管

相對較高

電流隨光照呈指數變化

快

2

高端傳感器

CMOS線性可見光傳感器

較高

電流隨光照呈線性變化

快

在中低端可見光傳感器中，光敏三極管的綜合性能總體優于光敏電阻，在性能、應用范圍等因素影響下，光敏三極管憑借著良好的綜合性能，逐漸替代光敏電阻將成為大勢所趨。
而以CMOS線性可見光傳感器為代表的高端可見光傳感器，其因暗電流小、靈敏度高、低照度響應、電流隨光照度增強呈線性變化等特性，具備廣泛的背光調節及節能控制等市場，廣泛應用于電視機、電腦顯示器、LED背光、智能手機、數碼相機等產品，是可見光傳感器未來重要的發展方向之一。

可見光定位傳感器：可見光傳感器的分類及應用領域

可見光傳感器是將可見光作為探測對象，并轉換成輸出信號的器件。可見光傳感器是目前產量最多、應用最廣的傳感器之一。可見光傳感器按照探測原理劃分，主要分為以下幾類：
可見光傳感器
傳感器是能感受有規律的被測量，并按照一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。可見光傳感器是將可見光作為被測量，并轉換成輸出信號的器件。
在中低端可見光傳感器中，光敏三極管的綜合性能總體優于光敏電阻，在性能、應用范圍等因素影響下，光敏三極管憑借著良好的綜合性能，逐漸替代光敏電阻將成為大勢所趨。
光敏電阻是一種半導體材料制成的電阻，通常以環氧樹脂材料封裝，屬半導體光敏器件。其電阻隨著光照度的變化而變化，可利用這一特性制成不同形狀和受光面積的光敏電阻。其具有靈敏度高，反應速度快，光譜特性一致性好等特點，另外在高溫、高濕的惡劣環境下，還能保持高度的穩定性和可靠性，光譜響應接近人眼函數曲線。
光敏三極管是一種基級接受光線變化的三極管，其結構與普通三極管相似，也有電流放大作用，通常基極不引出。其內部的光電效應和電極無關，可以使用直流電源，并且電流輸出穩定；它的靈敏度和半導體材料以及入射光的波長有關，感光波段廣泛，靈敏度較高，性能穩定。使用壽命長，具有一定的線性，符合RoHS 指令等。
CMOS 線性可見光傳感器采用標準的半導體制造工藝，其內部芯片集成光電流放大器，而外圍電路簡單，可節省終端產品的制造成本。體積小，重量輕；響應速度較快，處理功能強，測量精度高。
可見光傳感器
著名傳感器線上商城工采網從韓國GENICOM公司進口了兩款質量和性能都很優秀的可見光傳感器，分別是芯片小于0.4mm，SMD3528封裝,銦鎵氮材料,PN型光電二極管,光伏模式操作，高響應，低暗電流的可見光傳感器 - GVBL-S12SD，以及芯片小于0.4mm，TO-46封裝，銦鎵氮材料，PN型光電二極管，光伏模式操作 的可見光傳感器 - GVGR-T10GD。廣泛應用于UV LED監控（385，405nm等）、藍光LED監控、UVA波段紫外燈監控以及UV固化等領域。
可見光傳感器的四點特性：
1、暗電流小，低照度響應，靈敏度高，電流隨光照度增強曾線性變化。
2、內置雙敏感源，自動衰減近紅外，光譜響應接近人眼函數曲線。
3、內置微信號CMOS放大器、高精度電壓源和修正電路，輸出電流大，工作電壓范圍寬，溫度穩定性好。
4、可選光學納米材料封裝，可見光透過，紫外線截止、近紅外相對衰減，增強了光學濾波效果。
可見光傳感器的應用領域：
1、背光調節:電視機、電腦顯示器、LED背光、手機、數碼相機等。
2、節能控制:室外廣告機、感應照明器具、玩具。
3、儀器儀表:測量光照度的儀器及工程控制。
4、環保替代:替代傳統光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管。

可見光定位傳感器：基于成像傳感器的可見光定位理論與技術研究

【摘要】：LED(Light-Emitting Diode)可見光定位技術是在可見光通信基礎上,利用LED的位置碼及其發出光信號所攜帶的信息,對目標接收機進行定位。它具有定位精度高、實現簡單、無電磁干擾等優點;可廣泛應用于大型商場、地鐵等公共場所及醫院、科學實驗室等射頻敏感場所。成像傳感器(Image Sensor,IS)的空間分離特性使其能夠空間分離不同白光LED光源發出的信號,空間分離有用信號源與噪聲源,從而有效地濾除噪聲并檢測出有用信號。并且隨著移動終端及可穿戴設備上相機或成像傳感器的廣泛普及,使得研究基于IS的LED可見光定位技術具有了實際的應用需求。基于IS的LED可見光定位技術涉及LED可見光通信、計算機視覺與攝影測量等多個學科。其中,如何確定成像傳感器接收機(簡稱成像接收機)的位置及姿態,并提高其定位精度及定姿精度是研究的難點。因此,研究基于IS的LED可見光定位具有重要理論意義和應用價值。本文提出了成像接收機位置的參數估計算法,以及成像接收機姿態的參數估計算法;該研究為基于IS的LED可見光定位技術奠定了統計分析的理論基礎。進而確定了定位估計精度與定姿估計精度的理論極限,即克拉美羅下界(Cramér-Rao Lower Bound,CRLB);理論極限的確定,為LED光源、成像傳感器以及收發機之間的通信距離等參數優化設計指明方向;在此基礎上,提出了I2V(Infrastructure-to-Vehicle)車輛定位算法、V2V(Vehicle-to-Vehicle)相鄰車間距及相鄰車方向估計算法,為室外場景下基于IS的可見光定位應用提供理論基礎,并具有實際的指導意義。論文的主要研究工作及貢獻如下:(1)針對LED成像點的觀測值受高斯白噪聲影響情況,提出了室內成像接收機位置的最大似然估計算法,該參數估計算法為基于IS的LED可見光定位技術奠定了統計分析的理論基礎;然后,確定了室內成像接收機定位估計精度的理論極限,即克拉美羅下界(CRLB),CRLB提供了無偏估計的均方誤差所能達到的絕對下限;最后仿真分析了典型室內場景下收發機參數對CRLB的影響,仿真結果表明:室內成像接收機的定位估計精度,與成像接收機距LED發射平面的垂直距離、成像接收機的透鏡焦距、像素寬度以及幀速率等參數有關。可實現精確的室內成像接收機定位,定位精度一般處于毫米量級。(2)為了精確確定相機或成像傳感器在三維空間中的空間狀態,提出了室內成像接收機的位置與方位旋轉角的聯合最大似然估計算法,實現了成像接收機的姿態估計;進而確定了室內成像接收機定姿估計精度的理論極限,即CRLB;最后,通過數值仿真分析了典型室內場景下收發機參數對CRLB的影響,仿真結果表明:室內成像接收機的定姿估計精度,與所用LED的數目以及成像接收機的透鏡焦距、像素寬度、幀速率等參數有關。可實現精確的室內成像接收機姿態估計,其中位置估計誤差一般處于厘米量級,方位旋轉角估計誤差一般小于1度。(3)針對I2V室外場景下的基于IS的LED可見光定位,提出了I2V車輛定位的最大似然估計(MLE)與最小二乘估計(LSE)算法,利用交通路口的LED交通信號燈發出的信號以及LED光源在車載成像接收機中的圖像對車輛進行定位;然后確定了車輛定位估計精度的CRLB,并將CRLB與MLE算法、LSE算法的均方定位誤差性能進行了比較;最后仿真分析了典型室外場景中收發機參數對CRLB的影響,仿真結果表明通信距離恒定時,室外I2V車輛定位的估計精度取決于所用的LED數目,以及成像接收機的透鏡焦距、像素寬度、幀速率等參數。當LED陣列發射機與成像接收機的通信距離為30米時,可實現精確的I2V車輛定位,定位估計誤差一般小于0.1米。(4)針對V2V室外場景下的基于IS的LED可見光定位,提出了一種V2V相鄰車間距估計方法,利用前車的LED光源在后車的車載成像接收機內的成像來估計前后相鄰車之間的間距;進而利用最大似然姿態估計算法確定前后相鄰車輛之間的方向旋轉角度;最后進行了數值仿真,仿真結果表明前后相鄰車之間的距離估計精度取決于LED成像中心的估計精度,且前后相鄰車方位旋轉角的估計精度與相鄰車間距有關,當前后相鄰車間距小于35米時,相鄰車方位旋轉角估計誤差一般小于1度。