Nowy czujnik kolorowego światła otoczenia z wykrywaniem migotania

 

Rys. 1. Względna czułość widmowa detektora Si i ludzkiego oka

Czujnik ALS (Ambient Light Sensor) to popularny sensor zawarty w telewizorach, laptopach lub smartfonach. Jest to fotodektor o charakterystyce czułości takiej samej, jaką mają ludzkie oczy. Takie czujniki są używane wszędzie, gdzie ustawienia systemu muszą być dostosowane do warunków oświetlenia otoczenia postrzeganego przez ludzi.

Popularne obszary aplikacyjne to:

• oszczędzanie energii akumulatora w urządzeniach mobilnych poprzez regulację jasności podświetlenia ekranu,
• automatyczne przyciemnianie telewizorów i monitorów LCD,
• automatyczne ściemnianie paneli sterujących i informacyjnych, np. w samochodach,
• sterowanie reflektorami w samochodach,
• automatyczne ściemnianie lamp do budynków biurowych, oświetlenia zewnętrznego i sygnałów drogowych.

Dopasowanie spektralne

 

Rys. 2. Czułość ludzkiego oka vs widmo emisji świetlówki i żarówki

Jasność to termin opisujący, jak intensywne jest źródło światła. Technicznie pojęcie jasności to natężenie oświetlenia i jest ono mierzone w luksach. Jasność świecy z odległości 1 m to 1 luks, pochmurny dzień zapewnia natężenie ok. 3000 luksów, a bezpośrednie oświetlenie światłem słonecznym to ok. 100 tys. luksów.

Z kolei czułość widmowa to obszar spektrum światła, w którym dany detektor jest najbardziej efektywny. Standardowe fotodetektory krzemowe (Si) mają zakres odpowiedzi widmowej od 1100 do 350 nm z czułością piku około 880 nm.

Ludzkie oczy wykrywają jednak znacznie węższy zakres długości fal, a mianowicie od 400 do 700 nm z czułością piku przy 560 nm (rys. 1). Co więcej, większość źródeł światła emituje światło widzialne i podczerwone. Różne źródła światła mogą mieć podobną widzialną jasność (luksy), ale różne emisje IR (rys. 2).

Te różnice w charakterystyce emisji i czułości widmowej detektora muszą być brane pod uwagę podczas pomiaru jasności. Standardowe detektory Si, które wykrywają głównie promieniowanie IR (czułość szczytowa przy 880 nm), mogą dać fałszywy odczyt co do rzeczywistych warunków widocznych w otoczeniu. Innymi słowy, dla źródeł światła z wysokim udziałem światła podczerwonego, sygnał otrzymany przez standardowy detektor Si sugeruje znacznie jaśniejszą sytuację, niż nasze oczy rzeczywiście widzą.

Aby uzyskać bardziej odpowiednią regulację przyciemniania lub oświetlenia, jest niezbędne, aby znaleźć czujnik, który emuluje ludzkie oczy tak dokładnie, jak to możliwe.

Stąd czujniki ALS są wprawdzie oparte na detektorach Si, ale używają różnych struktur chipowych i filtrów, które przesuwają czułość piku i tłumią promieniowanie IR. Stopień dopasowania czułości widmowej czujnika i krzywa ludzkiego oka jest wskaźnikiem jakości czujnika ALS.

VD6281

 

Rys. 3. Schemat blokowy czujnika ALS VD6281

VD6281 to pełnokolorowy sensor pozwalający regulować odcień podświetlenia ekranu stosownie do oświetlenia miejsca. Czujnik zapewnia ocenę poziomu promieniowania ultrafioletowego (UVA) i informacji o częstotliwości migotania oświetlenia, aby uniknąć powstawania artefaktów, dudnień w obrazie, zwłaszcza w scenach oświetlonych współczesnymi źródłami LED.

VD6281 jest najmniejszym dostępnym wielospektralnym czujnikiem światła otoczenia, umożliwiającym integrację z większością urządzeń. Jego 6-pinowa obudowa BGA ma wymiary 1,83×1,0 ×0,55 mm. Na wyjściu dane są wysyłane przez I²C, ale możliwa jest też praca z użyciem linii GPIO i odpytywania z użyciem mikrokontrolera. Każdy kolor jest mierzony indywidualnie.

Wysoka jakość metrologiczna

Czujnik wykorzystuje wysokowydajny materiał filtrujący i realizuje 6 niezależnych kanałów pomiarowych dla kolorów podstawowych, jak czerwony, zielony, niebieski. Mierzony jest tutaj także poziom oświetlenia w zakresie bliskiej podczerwieni oraz UVA. Jest także tzw. kanał przezroczysty - bez filtra.

Razem zapewnia to doskonałą zdolność wykrywania kolorów, możliwość określania CCT (temperatura barwowa) przy szerokim polu widzenia 120º, umożliwiając stworzenie dokładnie działających algorytmów regulacji balansu bieli, dających dobre efekty nawet w trudnych warunkach, w tym w scenach o niskim kontraście, słabym oświetleniu lub egzotycznym sztucznym oświetleniu, co jest zasługą wbudowanego w czujnik 24-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego. Czułość progowa wynosi ok. 0,001 luksa, przy cyklu pomiarowym 8 ms i poborze mocy rzędu 1 mW.

Konstrukcja

 

Rys. 4. Widok obudowy VD6281 oraz szkic okna pomiarowego

W czujniku pracują fotodiody o innowacyjnej konstrukcji i opatentowany pomiarowy układ analogowy, pozwalający na zwiększenie czułości i zmniejszenie szumów, zachowując jednocześnie niewielki obszar aktywny sensora. VD6281 jest do 5 razy bardziej czuły niż inne czujniki kolorów dostępne na rynku, umożliwiając integrację za szklaną osłoną, wewnątrz modułu optycznego z innym układem scalonym lub wewnątrz lampy błyskowej. Może też działać przez półprzezroczystą tylną obudowę urządzenia przemysłowego.

Wyodrębnione do osobnego kanału pomiarowego informacje na temat poziomu promieniowania w zakresie UVA mogą pomóc określić, czy użytkownik jest w pomieszczeniu, czy na zewnątrz.

Flicker

Sensor realizuje także funkcję detektora migotania i wykrywa szybkie zmiany natężenia sztucznego oświetlenia w paśmie od 50 Hz do 2 kHz z dokładnością większą niż 3%, w tym sygnały PWM generowane przez emisje lamp LED. VD6281 może udostępniać informacje dotyczące migotania zarówno w formacie analogowym, jak i cyfrowym równolegle z działaniem ALS.

W połączeniu z odpowiednim algorytmem może wykrywać wiele harmonicznych w oświetleniu, nawet w scenach ze złożoną mieszanką konwencjonalnych źródeł światła, w tym wolframowych, halogenowych, neonowych, fluorescencyjnych i LED.

Czujnik jest zasilany napięciem 1,8 V, przy aktywnych 5 kanałach pomiarowych pobiera 450 μA. Pracuje w zakresie temperatur od -30 do +85ºC, co pozwala wykorzystać go w zastosowaniach przemysłowych.