可見光定位傳感器：可見光傳感器LX1970的原理及應(yīng)用
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可見光傳感器ＬＸ１９７０的原理及應(yīng)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(shù)、具有模仿人眼感光效應(yīng)的光傳感器。該器件是專為監(jiān)視平板
顯示器的亮度控制系統(tǒng)的環(huán)境光線而設(shè)計的。它有一個獨(dú)特的光電二極管陣列，在
520nm
時
有一個尖峰響應(yīng)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(fù)的電流轉(zhuǎn)換功能。光電流通過內(nèi)部集成的一個高增益的運(yùn)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(zhuǎn)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(yōu)點(diǎn)，可
廣泛應(yīng)用于對任何光照或顯示應(yīng)用的自動亮度控制系統(tǒng)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(zhuǎn)換成
cd/m2
就必須詳細(xì)說明
一下光電系統(tǒng)。光電系統(tǒng)可以看作是光能的傳遞和接收系統(tǒng)，輻射能從目標(biāo)
(
輻射源
)
發(fā)出后經(jīng)
過中間介質(zhì)、光學(xué)系統(tǒng)，最后被光電器件接收。光能的強(qiáng)弱是否能使接收器感受，這是光電系
統(tǒng)一個很重要的指標(biāo)。光度學(xué)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(xí)慣為基礎(chǔ)建立。
cd/m2
是衡量點(diǎn)亮的平板表面亮度強(qiáng)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(qiáng)度的單位。轉(zhuǎn)換的第一步就是把發(fā)光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成通過了一
個對應(yīng)的濾波片的照明通量。在正常環(huán)境中使用的是光適應(yīng)曲線，在黑暗環(huán)境中使用的是暗適
應(yīng)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(zhuǎn)換到
lx(lumens/m2)
的
轉(zhuǎn)換因數(shù)。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(yīng)于人眼的正常光線而言，最靈敏的波長是
555nm
。在
555nm
，轉(zhuǎn)換的因數(shù)為
683lx=1W/m2=100μW/cm2
，因此，
555nm
時，
14.6μW/cm2=100lx
。轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)換因數(shù)就是
3.14lx
產(chǎn)生
1cd/m2
。
如果光傳感器有一個真實(shí)的光電響應(yīng)，它就會產(chǎn)生和該束光強(qiáng)度相對應(yīng)的輸出電流，而不
管這束光的顏色。
應(yīng)用實(shí)例
圖
2
是一個沒有用戶干預(yù)的，應(yīng)用
LX1970
進(jìn)行自動減低亮度的實(shí)例。根據(jù)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(diào)整響應(yīng)時間。
Vdd
接
3.3V
或者
5V
，
VOUT
接轉(zhuǎn)換器的亮度輸入或者
LED
的驅(qū)動控制器。
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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(zhuǎn)換成輸出信號的器件。可見光傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一?？梢姽鈧鞲衅靼凑仗綔y原理劃分，主要分為以下幾類：
森霸股份的可見光傳感器產(chǎn)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(yīng)用領(lǐng)域如下：
類別
主要特性
應(yīng)用領(lǐng)域
光敏電阻
光敏電阻是一種半導(dǎo)體材料制成的電阻，通常以環(huán)氧樹脂材料封裝，屬半導(dǎo)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(yīng)速度快，光譜特性一致性好等特點(diǎn)，另外在高溫、高濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，光譜響應(yīng)接近人眼函數(shù)曲線。
光控開關(guān)、光控玩具、戶外照明、光電控制、相機(jī)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(jié)構(gòu)與普通三極管相似，也有電流放大作用，通?；鶚O不引出。其內(nèi)部的光電效應(yīng)和電極無關(guān)，可以使用直流電源，并且電流輸出穩(wěn)定；它的靈敏度和半導(dǎo)體材料以及入射光的波長有關(guān)，感光波段廣泛，靈敏度較高，性能穩(wěn)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(nóng)業(yè)、攝像機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)、可穿戴設(shè)備等
CMOS線性可見光傳感器
CMOS線性可見光傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造工藝，其內(nèi)部芯片集成光電流放大器，而外圍電路簡單，可節(jié)省終端產(chǎn)品的制造成本。體積小，重量輕；響應(yīng)速度較快，處理功能強(qiáng)，測量精度高。
可見光傳感器細(xì)分領(lǐng)域概況
可見光傳感器是將可見光作為探測對象，并轉(zhuǎn)換成輸出信號的器件?？梢姽鈧鞲衅魇悄壳爱a(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，森霸股份的可見光傳感器產(chǎn)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(shù)含量分類
可見光傳感器類型
價格
特性
響應(yīng)
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(shù)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(yōu)于光敏電阻，在性能、應(yīng)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(yīng)、電流隨光照度增強(qiáng)呈線性變化等特性，具備廣泛的背光調(diào)節(jié)及節(jié)能控制等市場，廣泛應(yīng)用于電視機(jī)、電腦顯示器、LED背光、智能手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品，是可見光傳感器未來重要的發(fā)展方向之一。
可見光定位傳感器：可見光傳感器的分類及應(yīng)用領(lǐng)域
可見光傳感器是將可見光作為探測對象，并轉(zhuǎn)換成輸出信號的器件。可見光傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一?？梢姽鈧鞲衅靼凑仗綔y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(guī)律的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yōu)于光敏電阻，在性能、應(yīng)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(dǎo)體材料制成的電阻，通常以環(huán)氧樹脂材料封裝，屬半導(dǎo)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(yīng)速度快，光譜特性一致性好等特點(diǎn)，另外在高溫、高濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，光譜響應(yīng)接近人眼函數(shù)曲線。
光敏三極管是一種基級接受光線變化的三極管，其結(jié)構(gòu)與普通三極管相似，也有電流放大作用，通?；鶚O不引出。其內(nèi)部的光電效應(yīng)和電極無關(guān)，可以使用直流電源，并且電流輸出穩(wěn)定；它的靈敏度和半導(dǎo)體材料以及入射光的波長有關(guān)，感光波段廣泛，靈敏度較高，性能穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造工藝，其內(nèi)部芯片集成光電流放大器，而外圍電路簡單，可節(jié)省終端產(chǎn)品的制造成本。體積小，重量輕；響應(yīng)速度較快，處理功能強(qiáng)，測量精度高。
可見光傳感器
著名傳感器線上商城工采網(wǎng)從韓國GENICOM公司進(jìn)口了兩款質(zhì)量和性能都很優(yōu)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(yīng)，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(yīng)用于UV LED監(jiān)控（385，405nm等）、藍(lán)光LED監(jiān)控、UVA波段紫外燈監(jiān)控以及UV固化等領(lǐng)域。
可見光傳感器的四點(diǎn)特性：
1、暗電流小，低照度響應(yīng)，靈敏度高，電流隨光照度增強(qiáng)曾線性變化。
2、內(nèi)置雙敏感源，自動衰減近紅外，光譜響應(yīng)接近人眼函數(shù)曲線。
3、內(nèi)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(wěn)定性好。
4、可選光學(xué)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(qiáng)了光學(xué)濾波效果。
可見光傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域：
1、背光調(diào)節(jié):電視機(jī)、電腦顯示器、LED背光、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等。
2、節(jié)能控制:室外廣告機(jī)、感應(yīng)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(huán)保替代:替代傳統(tǒng)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(shù)研究
【摘要】：LED(Light-Emitting Diode)可見光定位技術(shù)是在可見光通信基礎(chǔ)上,利用LED的位置碼及其發(fā)出光信號所攜帶的信息,對目標(biāo)接收機(jī)進(jìn)行定位。它具有定位精度高、實(shí)現(xiàn)簡單、無電磁干擾等優(yōu)點(diǎn);可廣泛應(yīng)用于大型商場、地鐵等公共場所及醫(yī)院、科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(fā)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(shè)備上相機(jī)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(shù)具有了實(shí)際的應(yīng)用需求?；贗S的LED可見光定位技術(shù)涉及LED可見光通信、計算機(jī)視覺與攝影測量等多個學(xué)科。其中,如何確定成像傳感器接收機(jī)(簡稱成像接收機(jī))的位置及姿態(tài),并提高其定位精度及定姿精度是研究的難點(diǎn)。因此,研究基于IS的LED可見光定位具有重要理論意義和應(yīng)用價值。本文提出了成像接收機(jī)位置的參數(shù)估計算法,以及成像接收機(jī)姿態(tài)的參數(shù)估計算法;該研究為基于IS的LED可見光定位技術(shù)奠定了統(tǒng)計分析的理論基礎(chǔ)。進(jìn)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(fā)機(jī)之間的通信距離等參數(shù)優(yōu)化設(shè)計指明方向;在此基礎(chǔ)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(yīng)用提供理論基礎(chǔ),并具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。論文的主要研究工作及貢獻(xiàn)如下:(1)針對LED成像點(diǎn)的觀測值受高斯白噪聲影響情況,提出了室內(nèi)成像接收機(jī)位置的最大似然估計算法,該參數(shù)估計算法為基于IS的LED可見光定位技術(shù)奠定了統(tǒng)計分析的理論基礎(chǔ);然后,確定了室內(nèi)成像接收機(jī)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(dá)到的絕對下限;最后仿真分析了典型室內(nèi)場景下收發(fā)機(jī)參數(shù)對CRLB的影響,仿真結(jié)果表明:室內(nèi)成像接收機(jī)的定位估計精度,與成像接收機(jī)距LED發(fā)射平面的垂直距離、成像接收機(jī)的透鏡焦距、像素寬度以及幀速率等參數(shù)有關(guān)?？蓪?shí)現(xiàn)精確的室內(nèi)成像接收機(jī)定位,定位精度一般處于毫米量級。(2)為了精確確定相機(jī)或成像傳感器在三維空間中的空間狀態(tài),提出了室內(nèi)成像接收機(jī)的位置與方位旋轉(zhuǎn)角的聯(lián)合最大似然估計算法,實(shí)現(xiàn)了成像接收機(jī)的姿態(tài)估計;進(jìn)而確定了室內(nèi)成像接收機(jī)定姿估計精度的理論極限,即CRLB;最后,通過數(shù)值仿真分析了典型室內(nèi)場景下收發(fā)機(jī)參數(shù)對CRLB的影響,仿真結(jié)果表明:室內(nèi)成像接收機(jī)的定姿估計精度,與所用LED的數(shù)目以及成像接收機(jī)的透鏡焦距、像素寬度、幀速率等參數(shù)有關(guān)。可實(shí)現(xiàn)精確的室內(nèi)成像接收機(jī)姿態(tài)估計,其中位置估計誤差一般處于厘米量級,方位旋轉(zhuǎn)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(fā)出的信號以及LED光源在車載成像接收機(jī)中的圖像對車輛進(jìn)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(jìn)行了比較;最后仿真分析了典型室外場景中收發(fā)機(jī)參數(shù)對CRLB的影響,仿真結(jié)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(shù)目,以及成像接收機(jī)的透鏡焦距、像素寬度、幀速率等參數(shù)。當(dāng)LED陣列發(fā)射機(jī)與成像接收機(jī)的通信距離為30米時,可實(shí)現(xiàn)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(jī)內(nèi)的成像來估計前后相鄰車之間的間距;進(jìn)而利用最大似然姿態(tài)估計算法確定前后相鄰車輛之間的方向旋轉(zhuǎn)角度;最后進(jìn)行了數(shù)值仿真,仿真結(jié)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(zhuǎn)角的估計精度與相鄰車間距有關(guān),當(dāng)前后相鄰車間距小于35米時,相鄰車方位旋轉(zhuǎn)角估計誤差一般小于1度。
