CN111765968A - 一种用于环境光传感芯片照度检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明旨在提供一种结构简单、使用方便、成本较低且适用性较强的用于环境光传感芯片照度检测系统，同时还提供了一种测试精度高、适用于室内外环境光的利用如上述的用于环境光传感芯片照度检测系统对环境光传感芯片照度进行检测的检测方法。上述用于环境光传感芯片照度检测系统包括测试光源装置和与所述测试光源装置相配合的积分球及照度监控模组，所述积分球上设有第一出光口和第二出光口，所述第一出光口和所述第二出光口对称设置在所述积分球上，所述照度监控模组与所述第一出光口相配合，测试时，待测ALS位于所述第二出光口的下方并与所述第二出光口的中心线同心。本发明可应用于照度检测的技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及照度检测的技术领域，特别涉及一种用于环境光传感芯片照度检测系统及方法。
背景技术
近年来，环境光传感器（Ambient Light Sensor，简称 ALS），目前被广泛用于许多LCD显示应用，从消费电子到汽车应用，通过自动调节显示器亮度，它们能够帮助节约设备电池电量。此外，如果外部光照强烈，而屏幕亮度不够，则难以看清屏幕显示内容；相反，环境较暗而屏幕过亮，则人眼会觉得屏幕非常刺眼，时间长久，则容易造成视疲劳。
通常，环境光传感器设置在显示屏的附近，这样与显示屏所处的环境照度基本相同，ALS所测试出的照度也就是显示屏所接受的照度，显示屏通过外界照度的大小可以调节自身的亮度。环境光传感器通过接受外部光线可以产生一定的光电流，而光电流大小与外界的环境光的强弱成正比。 通过光电流与外界照度的响应关系，就可以得知屏幕上的照度，从而反馈出信号，来调节屏幕的亮度。
为了准确测出外界环境光照度，则在测量前需要对ALS进行照度标定，从而得到外部照度与光电流响应的线性关系，即系数K。 目前市面上的校准方法采用一个或多个发光强度已知的光源，通过照射ALS的白光通道产生一定的光电流，从而得出照度与光电流的响应关系，这种方法通常算法简便，但精度不高，因为环境光中的可见光范围为380nm～780nm，芯片对各个光谱响应比例不同，不同的光谱在相同的照度下可生的光电流也不一致。 也有设备采用利用红外线占总光谱能量的比例，引入一个修正系数α，可以得到不同色温下芯片对照度的响应，这种算法比较复杂，且仅仅适用于室外环境光，在出现同色异谱现象时，具有相同的色温可能会有不同的光谱组成，目前越来越多的电子产品出现在室内应用场景，室内环境光的光谱组成较外部环境光复杂，一些照明所包含的红外分量非常少，此时这种方法会有失效的可能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、使用方便、成本较低且适用性较强的用于环境光传感芯片照度检测系统，同时还提供了一种测试精度高、适用于室内外环境光的包括上述用于环境光传感芯片照度检测系统及该检测系统的检测方法。
本发明所采用的技术方案是：本发明包括测试光源装置和与所述测试光源装置相配合的积分球及照度监控模组，所述积分球上设有第一出光口和第二出光口，所述第一出光口和所述第二出光口对称设置在所述积分球上，所述照度监控模组与所述第一出光口相配合，测试时，待测ALS位于所述第二出光口的下方并与所述第二出光口的中心线同心。
进一步，所述照度监控模组包括光谱仪、光纤和余弦探测器，所述余弦探测器通过所述光纤与所述光谱仪连接，所述余弦探测器的感光面331位于所述第一出光口的上方并与所述第一出光口同心设置。
一种利用如上述的用于环境光传感芯片照度检测系统对环境光传感芯片照度进行检测的检测方法，包括如下步骤：
a、制作光谱响应曲线图：所述待测ALS为一种通道数量为五的环境光感应芯片，分为R、G、B、C、IR Channel通道，分别对红、绿、蓝、白、红外光谱响应，根据各通道的响应曲线制作响应曲线图；
b、确定灵敏度主要差异的校正因子：根据步骤a的曲线图确定各单色通道对于白光通道的相对响应关系，将白光通道的最大响应系数设置为1，因各通道对于相同光谱的最大相对响应不一致，引入校正因子CFR、CFG、CFB，三个单色通道的校正因子分别等于1与相应通道的最大相对响应之比；
c、确定各单色通道的光谱光视效率
：不同频率的光有不同的光视效率，光视效率为
，其中常量Km=683lm/w；
d、确定各单色通道响应分量占比：用一均匀白光点亮，照射ALS，三个通道输出电流值，将R、G、B三个通道分别记为IR、IG、IB，对原始数据乘以校正因子，有IR’=IR*CFR 、IG’=IG*CFG、IB’=IB*CFB，则IPR=IR’/(IR’+IG’+IB’)，IPG=IG’/(IR’+IG’+IB’)，IPB=IB’/(IR’+IG’+IB’)，且IPR+IPG+IPB=1；
e、确定白光通道的光谱光视效率：利用白光通道对于整个可见光波段都响应，求对照度的响应系数，其总的光谱光视效率等于各个单色通道乘以各自所占分量之和=K（C）= K(R)*IPR+ K(G)*IPG+ K(B)*IPB；其中，K(R)为红光通道，K(G)为绿光通道，K(B)为蓝光通道；
f、确定白光通道光谱响应系数：利用白光通道对于整个可见光波段都响应，求对应照度的响应系数，保持光源的发光通量至光谱仪显示的照度值依旧为E，测试白光通道产生一个电流值Ic，建立等式：E=K（C）*R（C）*Ic，R（C）为白光通道的响应系数，E、K（C）、Ic 为已知量，得R（C）；
g、计算照度值：由步骤f中的R（C），有方程E=K（C）*R（C）*Ic，等式中，
E为待测的值；
Ic为所述待测ALS所响应的电流值；
R（C）根据步骤f得出；
K（C）根据步骤d和步骤e的方法，解出所述待测ALS的白光通道对于处于测量状态下环境光的光谱光视效率。
本发明的有益效果是：所述用于环境光传感芯片照度检测系统采用的结构包括测试光源装置和与所述测试光源装置相配合的积分球及照度监控模组，所述积分球上设有第一出光口和第二出光口，所述第一出光口和所述第二出光口对称设置在所述积分球上，所述照度监控模组与所述第一出光口相配合，测试时，待测ALS位于所述第二出光口的下方并与所述第二出光口的中心线同心，所以，与现有的检测系统相比，本发明整体结构简单，成本较低，采用积分球作为均匀光源，可靠性、稳定性较高，可兼容不同种类的ALS,此外还增加了照度监控模组，具有实时补偿的效果，能够有效降低测量过程中因抖动或灯源老化带来的影响。
另外，上述用于环境光传感芯片照度检测系统的检测方法包括：a、制作光谱响应曲线图；b、确定灵敏度主要差异的校正因子；c、确定各单色通道的光谱光视效率
；d、确定各单色通道响应分量占比；e、确定白光通道的光谱光视效率；f、确定白光通道光谱响应系数；g、计算照度值。检测方法采用了引入校正因子的方式，可以校正单通道的灵敏度差异，求得了各通道的光谱光视效率；还可根据各通道分量占比求出白光通道的光谱光视效率，较为精确地算出不同光谱比例下的照度值；不使用红外通道，避免了红外光线对照度测量的影响；测试精度高，且适用于室内外环境光。
附图说明
图1是本发明的平面结构示意图；
图2是所述照度监控模组的平面结构示意图；
图3是本发明实施例一的光谱响应曲线图；
图4是本发明实施例一的光谱光视效率图；
图5是本发明实施例一的标定及测量流程图；
图6是本发明实施例二的标定流程图；
图7是本发明实施例二的测量流程图；
图中，线1为Blue、线2为Clear、线3为Green、线4为Red、线5为IR Channel。
具体实施方式
实施例一：
如图1至图5所示，在本发明中，所述用于环境光传感芯片照度检测系统包括测试光源装置1和与所述测试光源装置1相配合的积分球2及照度监控模组3，所述积分球2上设有第一出光口21和第二出光口22，所述第一出光口21和所述第二出光口22对称设置在所述积分球2上，所述照度监控模组3与所述第一出光口21相配合，测试时，待测ALS4位于所述第二出光口22的下方并与所述第二出光口22的中心线同心。所述测试光源装置1用于提供光源照入，可以为一单一的均匀白光，也可以为可调的多色温光源，所述积分球2可确保光源均匀，保证稳定性和可靠性；所述照度监控模组3可以有效防止测量过程中因为抖动或灯源老化对测量所造成的影响，做到实时补偿；所述第一出光口21和所述第二出光口22应当对称设置在是积分球2的两极，所述第一出光口21和所述第二出光口22的直径相等，记为d，所述第一出光口21和所述第二出光口22在所述积分球2位置上对称，其表面亮度相等，亮度值记为L，若所述积分球2内部直径为D，两个出光口的直径为d，需满足所述积分球2的开口面积比例不大于所述积分球2内表面面积的5%，等式关系为：2*d²≤0.05*4D²，所述积分球2的出光口为一均匀朗伯辐射的面光源，在各个方向亮度相等；所述待测ALS4由于属于嵌在电子产品内部，所述待测ALS4的光轴垂直于其接收表面，对于大角度的光线无法接收，将其可接收到光线的与光轴所成的夹角定义为单边视场角（field of view，FOV），记为θ，所述待测ALS4与所述积分球2的所述第二出光口22的中心距离为H1，为了确保所述待测ALS4能够全部接收到光源的光线，需满足D/2L＜tanθ。所述第一出光口21在所述待测ALS4表面产生的照度记为E1 ，E1=πL/(2H1)²+1；可见，本发明整体结构简单，成本较低，采用积分球作为均匀光源，可靠性、稳定性较高，可兼容不同种类的ALS,此外还增加了照度监控模组，具有实时补偿的效果，能够有效降低测量过程中因抖动或灯源老化带来的影响。
在本实施例中，所述照度监控模组3包括光谱仪31、光纤32和余弦探测器33，所述余弦探测器33通过所述光纤32与所述光谱仪31连接，所述余弦探测器33的感光面331位于所述第一出光口21的上方并与所述第一出光口21同心设置。所述照度监控模组3在使用前先经过辐照度校准，以保证精确度；所述光谱仪31的光谱测试范围包含380nm～780nm的可见光波段即可，所述余弦探测器33通过所述光纤32与所述光谱仪31连接，所述余弦探测器33的感光面331经过标定过的所述光谱仪31可以测量出所述感光面331的照度E2，所述感光面331与所述积分球2的第二出光口22同心，距所述第二出光口22的直线距离为H2，E2=πL/(2H1)²+1,H1=H2=10mm；所述光谱仪31所测得的感光面331照度与所述待测ALS4所处位置的照度相等,此时所述待测ALS4所响应的电流值对应实际的环境光照度；在所述照度监控模组3经过辐照度校准后，所述光谱仪31、所述光纤32、所述余弦探测器33不可拆卸分离，否则需要重新校准。需要说明的是，所述光纤33的弯曲半径需大于其自身直径的30倍。
一种利用如上述的用于环境光传感芯片照度检测系统对环境光传感芯片照度进行检测的检测方法，包括如下步骤：
a、制作光谱响应曲线图：选取的所述待测ALS4为一种通道数量为五的环境光感应芯片，分为R、G、B、C、IR Channel通道，分别对红、绿、蓝、白、红外光谱响应，由于R、G、B三个通道是在比较窄的一段光谱区间内对波长响应的，可以将其看作是一个对单色光响应的通道，其对应波长为响应最大峰值处，其光谱响应曲线如说明书附图3所示，图中，线1对应B通道、线2对应C通道、线3对应G通道、线4对应R通道、线5对应IR Channel通道。
b、确定灵敏度主要差异的校正因子：根据已知ALS的相对光谱响应曲线（a步骤可知），确定各单色通道相对于白光通道的相对响应关系，将白光通道的最大响应系数设置为1，由于各个通道对于相同光谱的最大相对响应不一致，为了计算正确，需要对其进行补偿，由此引入一个校正因子（也可称之为补偿因子）CFR、CFG、 CFB，三个单色通道的校正因子分别等于1与相应通道的最大相对响应之比，其中，CFR=1/0.92=1.087，CFG=1/0.62=1.613，CFB=1/0.53=1.887。
c、确定各单色通道的光谱光视效率
：人眼对不同颜色的光的响应程度是不一样的，不同频率的光有不同的光视效率，光视效率为
，其中常量Km=683lm/w；人眼对555nm的绿光响应最为敏感，此时
=1 ，其余波段0＜
＜1，红外和紫外波段
=0；各色亮光的光谱光视效率图如说明书附图4所示，由说明书附图4可知，R、G、B三通道的光谱光视效率分别为K(R)=683*0.3=204lm/W、 K(G)=683*0.9=614.7lm/W、K(B)=683*0.1=68.3lm/W。
d、确定各单色通道响应分量占比：用一均匀白光点亮，照射ALS，此时光谱仪所显示的照度为E，三个通道会输出电流值，可以是安培的形式，也可以是count值的形式，在此采用count值的形式，将R、G、B三个通道分别记为IR、IG、IB，真正的响应值需要对原始数据乘以校正因子，因此对原始数据乘以校正因子，有IR’=IR*CFR 、IG’=IG*CFG、IB’=IB*CFB，则IPR=IR’/(IR’+IG’+IB’)，IPG=IG’/(IR’+IG’+IB’),IPB=IB’/(IR’+IG’+IB’),且IPR+IPG+IPB=1。
e、确定白光通道的光谱光视效率：本方案中，利用白光通道对于整个可见光波段都响应，求出其对照度的响应系数，其总的光谱光视效率等于各个单色通道乘以各自所占分量之和：K（C）= K(R)*IPR+ K(G)*IPG+ K(B)*IPB。
f、确定白光通道光谱响应系数：本申请中，利用白光通道对于整个可见光波段都响应，求出其对应照度的响应系数，保持光源的发光通量至光谱仪显示的照度值为E，测试白光通道产生一个电流值Ic，则可以建立下列等式：E=K（C）*R（C）*Ic，R（C）为白光通道的响应系数，上述等式中，E、K（C）、Ic 为已知量，可得R（C）。
g、计算照度值：在步骤f完成后，根据求出的R（C） ，依然有下列方程：
E=K（C）*R（C）*IC；
等式中的左边为待测的值，等式中的右边为已知的值，分为三个部分：
Ic为ALS所响应的电流值，可以通过ALS所响应的原始值；
R（C）为步骤f中求解出来的量；
K（C）可以使用步骤d 和e的方法，求解出所述待测ALS4的白光通道对于处于测量状态下环境光的光谱光视效率，根据三个已知量，可以求得测试时环境光的照度值。
上述步骤中，步骤a至f为标定过程，步骤g为测量过程。
本发明所包含的检测方法与现有技术相比具有以下优点：本方法在标定步骤简化，逻辑简单，计算方法简便，充分应用已知的准确度可靠信息，摒弃了不必要的测量过程和冗余的算法，在保证测量精度的同时，可以节约大量的测试时间，适合自动化检测装置。
实施例二：
如图1、图2、图3、图4、图6及图7所示，本实施例所采用的检测系统与实施例一一致，不同之处在于检测方法，具体内容如下：
将校准光源的白光更换为多色温光源，多色温光源发出n种不同色温的光，多色温光源的包含了多种不同颜色的单色光源，通过调整每种光源的能量占比分量，实现色温调节的功能多色温光源的色温范围不小于2800K～6500K。本实施例中光源的色温调节范围为2800K～10000K，多色温光源的色温步进可以是100K，可以是200K，也可以是500K，其步进范围可以根据检测精度和效率自行定义，在本实施例中，选用200K步进。
1.校准过程
（1）将光源点亮，调节色温至2800K，此时照度监控系统的照度读数显示为E；
（2）读取ALS的R、G、B、C四个通道的电流响应：IR、IG、IB、IC；
（3）同上述标定方案的步骤d一样，可以求得三个通道的分量占比： IPR=IR’/(IR’+IG’+IB’)，IPG=IG’/(IR’+IG’+IB’),IPB=IB’/(IR’+IG’+IB’)；由于上述三个分量恒等于1，实际过程中只需考虑任意两个分量的值，选用 IPR和IPG；
（4）在此色温下的照度 E=Kx*Ic，X∈（1，n），n为光源色温的数量，E 为光谱检测系统的已知量，Ic为ALS白光通道的输出电流，可以求得此色温下的照度与光电流的响应系数关系Kx；
（5）调节光源的色温，重复步骤（1）～（4），可以建立起K（白光通道的响应系数）与IPR和IPG的关系，进而拟合出一条曲线。
标定校准流程图如附图6所示。
2.测试过程：将ALS芯片放置于环境光中，利用R、G、B三个通道的响应分量占比，可以求解白光通道的响应系数K，Ic为白光通道的电流响应。根据公式E= K *Ic可求解出所在环境光的照度。
测试流程图如附图7所示。
虽然本发明的实施例是以实际方案来描述的，但是并不构成对本发明含义的限制，对于本领域的技术人员，根据本说明书对其实施方案的修改及与其他方案的组合都是显而易见的。
Claims (3)
1.一种用于环境光传感芯片照度检测系统，其特征在于：包括测试光源装置（1）和与所述测试光源装置（1）相配合的积分球（2）及照度监控模组（3），所述积分球（2）上设有第一出光口（21）和第二出光口（22），所述第一出光口（21）和所述第二出光口（22）对称设置在所述积分球（2）上，所述照度监控模组（3）与所述第一出光口（21）相配合，测试时，待测ALS（4）位于所述第二出光口（22）的下方并与所述第二出光口（22）的中心线同心。
2.根据权利要求1所述的一种用于环境光传感芯片照度检测系统，其特征在于：所述照度监控模组（3）包括光谱仪（31）、光纤（32）和余弦探测器（33），所述余弦探测器（33）通过所述光纤（32）与所述光谱仪（31）连接，所述余弦探测器（33）的感光面（331）位于所述第一出光口（21）的上方并与所述第一出光口（21）同心设置。
3.一种利用如权利要求2所述的用于环境光传感芯片照度检测系统对环境光传感芯片照度进行检测的检测方法，包括如下步骤：
a、制作光谱响应曲线图：所述待测ALS（4）为一种通道数量为五的环境光感应芯片，分为R、G、B、C、IR Channel通道，分别对红、绿、蓝、白、红外光谱响应，根据各通道的响应曲线制作响应曲线图；
b、确定灵敏度主要差异的校正因子：根据步骤a的曲线图确定各单色通道对于白光通道的相对响应关系，将白光通道的最大响应系数设置为1，因各通道对于相同光谱的最大相对响应不一致，引入校正因子CFR、CFG、CFB，三个单色通道的校正因子分别等于1与相应通道的最大相对响应之比；
c、确定各单色通道的光谱光视效率
：不同频率的光有不同的光视效率，光视效率为
，其中常量Km=683lm/w；
d、确定各单色通道响应分量占比：用一均匀白光点亮，照射ALS，三个通道输出电流值，将R、G、B三个通道分别记为IR、IG、IB，对原始数据乘以校正因子，有IR’=IR*CFR、IG’=IG*CFG、IB’=IB*CFB，则IPR=IR’/(IR’+IG’+IB’)，IPG=IG’/(IR’+IG’+IB’)，IPB=IB’/(IR’+IG’+IB’)，且IPR+IPG+IPB=1；
e、确定白光通道的光谱光视效率：利用白光通道对于整个可见光波段都响应，求对照度的响应系数，其总的光谱光视效率等于各个单色通道乘以各自所占分量之和=K（C）= K(R)*IPR+ K(G)*IPG+ K(B)*IPB；其中，K(R)为红光通道，K(G)为绿光通道，K(B)为蓝光通道；
f、确定白光通道光谱响应系数：利用白光通道对于整个可见光波段都响应，求对应照度的响应系数，保持光源的发光通量至光谱仪（31）显示的照度值为E，测试白光通道产生一个电流值Ic，建立等式：E=K（C）*R（C）*Ic，R（C）为白光通道的响应系数，E、K（C）、Ic 为已知量，得R（C）；
g、计算照度值：由步骤f中的R（C），有方程E=K（C）*R（C）*Ic，等式中，
E为待测的值；
Ic为所述待测ALS（4）所响应的电流值；
R（C）根据步骤f得出；
K（C）根据步骤d和步骤e的方法，解出所述待测ALS（4）的白光通道对于处于测量状态下环境光的光谱光视效率。
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| CN202010553628.XA Pending CN111765968A (zh) | 2020-06-17 | 2020-06-17 | 一种用于环境光传感芯片照度检测系统及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111765968A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117232647A (zh) * | 2023-11-10 | 2023-12-15 | 深圳市鑫达辉软性电路科技有限公司 | 一种设有光感机构孔的智能穿戴fpc光感测试系统 |
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2020
- 2020-06-17 CN CN202010553628.XA patent/CN111765968A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117232647A (zh) * | 2023-11-10 | 2023-12-15 | 深圳市鑫达辉软性电路科技有限公司 | 一种设有光感机构孔的智能穿戴fpc光感测试系统 |
| CN117232647B (zh) * | 2023-11-10 | 2024-02-06 | 深圳市鑫达辉软性电路科技有限公司 | 一种设有光感机构孔的智能穿戴fpc光感测试系统 |
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