CN114689171B - 数字光学传感器及环境光监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光学技术领域，公开了一种数字光学传感器及环境光监测装置，该数字光学传感器包括：感光电路、转换处理器、寄存器、对外接口、震荡电路和存储器；感光电路包括用于感应可见光的第一光电二极管和红外光的第二光电二极管，第一光电二极管和第二光电二极管分别用于感应待测区域的相应色光和红外光，并转换为电流输出至转换处理器；存储器存储转换算法；转换处理器将电流转换成数值，再根据转换算法及标定参数将数值转换成包括色温和照度的光参数，并将光参数存储在相应的注册地址位；寄存器通过对外接口将光参数传输至外部处理器；震荡电路为转换处理器提供工作频率。该数字光学传感器体积小、功耗低及价格便宜，且能实时传输光参数。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种数字光学传感器及环境光监测装置。
背景技术
目前，对光参数，如：色温、照度等的检测通常需要专业的检测仪，这些专业的检测仪往往成本高昂，体积大，检测多个光参数时可能需要多个相应的检测仪，而且这些专业的检测仪无法与物联网连接并实时上传数据以做到无人实时监控。
发明内容
本发明提出一种数字光学传感器及环境光监测装置，解决传统的光参数检测仪存在的价格昂贵，体积大并无法实时传输的技术问题。
本发明的一种数字光学传感器，包括：感光电路、转换处理器、寄存器、对外接口、震荡电路和存储器；
所述感光电路包括用于感应可见光的第一光电二极管和红外光的第二光电二极管，所述第一光电二极管和第二光电二极管分别用于感应待测区域的相应色光和红外光，并将相应色光和红外光分别转换为电流输出至所述转换处理器；
所述存储器用于存储转换算法；
所述转换处理器用于将所述电流转换成数值，再根据所述转换算法及标定参数将所述数值转换成包括色温和照度的光参数，并给出所述寄存器的注册地址位，将所述光参数存储在相应的注册地址位，所述标定参数的值通过预先采用相应光学仪器或固定光环境得到光参数的测量值和所述数值代入所述转换算法逆推得到；
所述寄存器通过所述对外接口将所述光参数传输至外部处理器；
所述震荡电路为所述转换处理器提供工作频率。
其中，所述转换算法如下：
其中，RB ratio ：感应红光的第一光电二极管读出电流转换得到数值与感应蓝光的第一光电二极管读出电流转换得到数值之间的色比；
R：感应红光的第一光电二极管读出电流转换得到的数值；
G：感应绿光的第一光电二极管读出电流转换得到的数值；
B：感应蓝光的第一光电二极管读出电流转换得到的数值；
IR：感应红外光的第二光电二极管读出电流转换得到的数值；
T coE ：标定参数，默认计算值为1；
CCT：色温；
IRa 1：标定参数，红外数据量程限值10000 ~ 40000；
IRa 2：标定参数，红外数据量程限值1000 ~ 2500；
PT：标定参数，默认为0.92543 ~ 1.28632；
x T ：标定参数，默认为0.03752 ~ 0.1；
NB：代入Area函数使用；
Ba 1：标定参数，默认为-0.1 ~ -0.18；
Ba 2：标定参数，默认为1 ~ 1.96；
Pb：标定参数，默认为1 ~ 1.87；
x b ：标定参数，默认值为4000 ~ 4500；
NR：代入Area公式函数使用；
Ra 1：标定参数，默认值为25 ~ 38；
Ra 2：标定参数，默认值为0.5 ~ 0.8；
Pr：标定参数，默认值为1.8 ~ 2.3；
x r ：默认值为400 ~ 510；
Area：代入Lux函数使用；
Gain set ：增益设定；
Time set ：时序设定；
Lux：照度值；
Main coE ：标定参数，默认计算值为0.012；
Sub coE1：标定参数，默认计算值为0.0000005；
Sub coE2：标定参数，默认计算值为0.0013；
所述Gain set 和Time set 为设置参数。
其中，所述光参数还包括：波长λ和光谱I，所述转换算法还包括计算所述波长λ和光谱I的算法如下：
λ =(2.898 × 1000000)/ CCT
I =1.52(B’×I B ) + (G’×I G ) + (R’×I R ) + (IR’×I IR )
其中，
：波长为λ时的光密度；
IA：标定参数，默认值为40 ~ 80，根据不同色光取值不同；
EXP：指数函数；
B’：蓝光对应的标定参数，LED光源代入值2784，卤素光源代入值732；
I B ：将蓝光对应的IA、
和
代入
公式得出的数值；
G’：绿光对应的标定参数，LED光源代入值3217，卤素光源代入值1934；
I G ：将绿光对应的IA、
和
代入
公式得出的数值；
R’：红光对应的标定参数，LED光源代入值1246，卤素光源代入值2689；
I R ：将红光对应的IA、
和
代入
公式得出的数值；
IR’：红外光对应的标定参数，LED光源代入值17，卤素光源代入值1336；
I IR ：将红外光对应的IA、
和
代入
公式得出的数值。
其中，所述第一光电二极管包括：三个红色涂层光电二极管、三个绿色涂层光电二极管和三个蓝色涂层光电二极管，所述第二光电二极管为三个。
其中，所述第一光电二极管对应区域还设有用于使可见光通过的第一滤片，所述第二光电二极管对应区域还设有用于使不可见光通过的第二滤片。
其中，第一光电二极管所在区域和第二光电二极管所在区域间隔一定距离设置。
其中，所述存储器还用于录入用户设定的转换算法及标定参数。
其中，所述转换处理器包括：电流读取模块、第一运算放大器、第二运算放大器、模数转换器和光参数运算模块；
所述电流读取模块用于读取所述电流；
所述第一运算放大器用于将所述电流运算放大后传输至所述第二运算放大器；
所述第二运算放大器用于将所述电流调整校正成正弦波；
所述模数转换器用于将所述正弦波转换成所述数值；
所述光参数运算模块用于根据所述转换算法及标定参数将所述数值转换成包括色温和照度的光参数。
本发明还提供了一种环境光监测装置，包括：外部处理器及上述任一项所述的数字光学传感器，所述外部处理器连接所述数字光学传感器；所述数字光学传感器将实时监测到的环境光的实时光参数发送至所述外部处理器。
本发明的数字光学传感器通过高灵敏度光电二极管感应待测区域的相应色光及红外光，利用光学接收面反射原理输出不同电流，以电流为基本输入，并将电流转换成数值，之后根据所述转换算法及标定参数将所述数值转换成包括色温和照度的光参数，该数字光学传感器体积小、功耗低及价格便宜，该色温和照度可通过对外接口与物联网设备连接，实现了数据实时上传。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种数字光学传感器结构示意图；
图2为图1的数字光学传感器中光电二极管的排布示意图；
图3为图1的数字光学传感器中转换处理器结构示意图；
图4为本发明的一种环境光监测装置结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明第一实施例提供了一种数字光学传感器，如图1所示，包括：感光电路1、转换处理器2、寄存器3、对外接口4、震荡电路5和存储器6。
感光电路1包括用于感应可见光的第一光电二极管和红外光的第二光电二极管，第一光电二极管和第二光电二极管分别用于感应待测区域的相应色光和红外光，并将相应色光和红外光分别转换为电流输出至转换处理器2。具体地，多个第一光电二极管和第二光电二极管形成并联电路，所有光电二极管阳极接电源VDD，阴极接地VSS。图1中，第一光电二极管包括：红色涂层光电二极管r、绿色涂层光电二极管g和蓝色涂层光电二极管b，第二光电二极管为红外光电二极管ir，即感光电路1包括：红色涂层光电二极管r、绿色涂层光电二极管g、蓝色涂层光电二极管b和红外光电二极管ir，各光电二极管并联连接。第一光电二极管在晶圆叠层做好的时候是没有颜色的，在晶圆制作好以后，在晶圆表面做涂层（coating）处理，涂上相应的颜色。
存储器6用于存储转换算法。
转换处理器2用于将所述电流转换成数值，再根据转换算法及标定参数将数值转换成包括色温和照度的光参数，并给出寄存器3的注册地址位，将光参数存储在相应的注册地址位。其中，标定参数的值通过预先采用相应光学仪器或固定光环境得到光参数的测量值和数值代入所述转换算法逆推得到，例如：对于色温，采用专用的色温仪测量待测区域光的色温，可测量多个待测区域光的色温，并连同相应的数值代入转换算法中色温计算公式，不同的待测区域测得的色温及相应数值形成多组色温计算公式，多组公式联立逆推得到标定参数，固定光环境中，如：色温、照度等光参数为已知量。
寄存器3通过对外接口4将数值传输至外部处理器（如：单片机），具体地，对外接口4可以是I2C标准接口，通过SDA（双向数据线）和SCL（时钟线）连接外部处理器，ADDR（地址线）用于连接寄存器3的使能端，若外部处理器只连接一个数字光学传感器，那么ADDR接地、接电源或悬空均可；如果检测面积大则外部处理器连接两个数字光学传感器，一个外部处理器一个IO口管理两个数字光学传感器，那么其中一个寄存器的ADDR接电源，为高电平地址，另一个寄存器的ADDR接地，为低电平地址，外部处理器通过选择高电平地址或低电平地址来读取不同寄存器中的数值。
震荡电路5（OSC）为转换处理器2提供工作频率。
本实施例的数字光学传感器通过高灵敏度光电二极管感应待测区域的相应色光及红外光，利用光学接收面反射原理输出不同电流，以电流为基本输入，并将电流转换成数值，之后根据所述转换算法及标定参数将所述数值转换成包括色温和照度的光参数，该数字光学传感器体积小（可以做到1050μm×795μm）、功耗低（供电电压只需3~5V，正常的待机工耗在1uA左右，工作时的极限功耗在100uA以下，可根据实际情况调整）及价格便宜，该色温和照度可通过对外接口与物联网设备连接，实现了数据实时上传。
本实施例中，转换处理器2采用的所述转换算法如下：
RB ratio ：感应红光的第一光电二极管读出电流转换得到数值与感应蓝光的第一光电二极管读出电流转换得到数值之间的色比；
R：感应红光的第一光电二极管读出电流转换得到的数值；
G：感应绿光的第一光电二极管读出电流转换得到的数值；
B：感应蓝光的第一光电二极管读出电流转换得到的数值；
IR：感应红外光的第二光电二极管读出电流转换得到的数值；
T coE ：标定参数，默认计算值为1；
CCT：色温；
IRa 1：标定参数，红外数据量程限值10000 ~ 40000；
IRa 2：标定参数，红外数据量程限值1000 ~ 2500；
PT：标定参数，默认为0.92543 ~ 1.28632；
x T ：标定参数，默认为0.03752 ~ 0.1；
NB：代入Area函数使用；
Ba 1：标定参数，默认为-0.1 ~ -0.18；
Ba 2：标定参数，默认为1 ~ 1.96；
Pb：标定参数，默认为1 ~ 1.87；
x b ：标定参数，默认值为4000 ~ 4500；
NR：代入Area公式函数使用；
Ra 1：标定参数，默认值为25 ~ 38；
Ra 2：标定参数，默认值为0.5 ~ 0.8；
Pr：标定参数，默认值为1.8 ~ 2.3；
x r ：默认值为400 ~ 510；
Area：代入Lux函数使用；
Gain set ：增益设定；
Time set ：时序设定；
Lux：照度值；
Main coE ：标定参数，默认计算值为0.012；
Sub coE1：标定参数，默认计算值为0.0000005；
Sub coE2：标定参数，默认计算值为0.0013；
所述Gain set 和Time set 为设置参数，按照转换处理器2的芯片材料特性对应数学逻辑设定。
本实施例中，光参数还包括：波长λ和光谱I，所述转换算法还包括计算所述波长λ和光谱I的算法如下：
λ =(2.898 × 1000000)/ CCT
I =1.52(B’×I B ) + (G’×I G ) + (R’×I R ) + (IR’×I IR )
其中，
：波长为λ时的光密度；
IA：标定参数，默认值为40 ~ 80，根据不同色光取值不同；
EXP：指数函数；
B’：蓝光对应的标定参数，LED光源代入值2784，卤素光源代入值732；
I B ：将蓝光对应的IA、
和
代入
公式得出的数值，即此时I B =
；
G’：绿光对应的标定参数，LED光源代入值3217，卤素光源代入值1934；
I G ：将绿光对应的IA、
和
代入
公式得出的数值，即此时I G =
；
R’：红光对应的标定参数，LED光源代入值1246，卤素光源代入值2689；
I R ：将红光对应的IA、
和
代入
公式得出的数值，即此时I R =
；
IR’：红外光对应的标定参数，LED光源代入值17，卤素光源代入值1336；
I IR ：将红外光对应的IA、
和
代入
公式得出的数值，即此时I IR =
。
例如：下表1中，IA、
和
对应不同色光的取值。
表1 IA、
和
对应不同色光的取值
如图2所示，为数字光学传感器表面各光电二极管的分布图，优选地，每个颜色的第一光电二极管和第二光电二极管均有三个。第一光电二极管包括：三个红色涂层光电二极管、三个绿色涂层光电二极管和三个蓝色涂层光电二极管，第二光电二极管包括三个红外光电二极管。各光电二极管均为三个的情况下，由电流转换出的数值为三个相同色光光电二极管各自感应电流转换数值的平均值，以及三个红外光电二极管各自感应电流转换数值的平均值，在保证数字光学传感器整体体积较小的情况下得到的数值更准确，因为，对于一种颜色，三个光电二极管对同一个预定点位进行了三次采样，最终转换出的数值的平均值更准确。例如：上述公式中R代表光电二极管2r，5r，11r输出电流经过转换处理器2转换出来数值的平均值；G代表3g，6g，9g输出电流经过转换处理器2转换出来数值的平均值；B代表1b，7b，10b输出电流经过转换处理器2转换出来数值的平均值；IR代表4 ir，8 ir，12 ir输出电流经过转换处理器2转换出来数值的平均值。
因为可见光是一种波长在380nm到780nm范围内的电磁波，为了过滤其他波长的干扰，在数字光学传感器表面第一光电二极管对应区域还设有用于使可见光通过的第一滤片，同理，第二光电二极管对应区域还设有用于使不可见光通过的第二滤片。
如图2所示，第一光电二极管所在区域和第二光电二极管所在区域间隔一定距离设置，以避免可见光和不可见光的相互干扰。而且一个光电二极管所占面积为50μm×46μm，集成度高，可大大减小数字光学传感器的体积。
本实施例中存储器6还用于录入用户设定的转换算法及参数设定。具体地，用户可根据实际情况，对算法进行改进及参数设置，算法的改进或参数设置可重新录入存储器6以覆盖原有的算法及参数。这些用户设定的相关算法一次设定后就存储在存储器6中，不需要每次开机时都要执行用户设定的步骤。
如图3所示，转换处理器2包括：电流读取模块21、第一运算放大器22、第二运算放大器23、模数转换器24和光参数运算模块25。
电流读取模块21用于读取所述电流，即读取光电二极管感应的电流。
第一运算放大器22用于将电流运算放大后传输至第二运算放大器23。光电二极管在感光后会产生细微的电流，因此需要放大处理。
第二运算放大器23用于将所述电流调整校正成正弦波。
模数转换器24用于将正弦波转换成所述数值。
光参数运算模块25用于根据所述转换算法及标定参数将所述数值转换成包括色温和照度的光参数。光参数运算模块25可以为写入有上述公式的转换算法的固件。
本实施例的数字光学传感器应用领域广泛，可以应用在任何对光检测的应用领域，例如：智慧农业中，植物补光照明正在蓬勃发展，因为不同植物的生长特性需要不同波长和光谱的光源补充光合作用，以达到缩短生长周期，反季收获的目的。数字光学传感器将实时感应植物照明环境中各种光的参数，包括光谱/色温/波长/照度对应的数值发送至所述外部处理器，外部处理器根据数值来判断植物照明环境是否处于正常状态。不同的植物在不同光环境下光合作用表现不同，通过数字光学传感器感应植物补光照明区域可以得到色温CCT、照度LUX、波长及光谱，外部处理器根据当前色温CCT、照度LUX、波长及光谱判断是否适合植物生长的光参数值，如果不适合则通过植物照明系统进行调节。
还可以用于家居物联网领域，通过实时监测屋内的环境光对照明灯具进行调节。对室内光环境的监测包括：当前的色温和照度，并配合已有光环境智能调节照明系统调节到预设的使人感觉舒适的色温和照度。
本发明第二实施例提供了一种环境光监测装置，如图4所示，包括：外部处理器200及上述的数字光学传感器100，所述外部处理器200连接数字光学传感器100，数字光学传感器100将实时监测到的环境光的实时光参数发送至外部处理器200。外部处理器200根据实际情况对实时光参数进行处理，包括：外部处理器200判断实时光参数是否达到预设的光参数阈值等处理，光参数阈值预先存储在外部处理器200中。例如：通过数字光学传感器100感应植物补光照明区域可以得到色温CCT、照度LUX、波长及光谱，外部处理器200根据当前色温CCT、照度LUX、波长及光谱判断是否适合植物生长的光参数值，如果不适合则将实时光参数反馈至植物照明系统以进行调节。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种数字光学传感器，其特征在于，包括：感光电路、转换处理器、寄存器、对外接口、震荡电路和存储器；
所述感光电路包括用于感应可见光的第一光电二极管和红外光的第二光电二极管，所述第一光电二极管和第二光电二极管分别用于感应待测区域的相应色光和红外光，并将相应色光和红外光分别转换为电流输出至所述转换处理器；
所述存储器用于存储转换算法；
所述转换处理器用于将所述电流转换成数值，再根据所述转换算法及标定参数将所述数值转换成包括色温和照度的光参数，并给出所述寄存器的注册地址位，将所述光参数存储在相应的注册地址位，所述标定参数的值通过预先采用相应光学仪器或固定光环境得到光参数的测量值和所述数值代入所述转换算法逆推得到；
所述寄存器通过所述对外接口将所述光参数传输至外部处理器；
所述震荡电路为所述转换处理器提供工作频率，
所述转换算法如下：
其中，RB ratio ：感应红光的第一光电二极管读出电流转换得到数值与感应蓝光的第一光电二极管读出电流转换得到数值之间的色比；
R：感应红光的第一光电二极管读出电流转换得到的数值；
G：感应绿光的第一光电二极管读出电流转换得到的数值；
B：感应蓝光的第一光电二极管读出电流转换得到的数值；
IR：感应红外光的第二光电二极管读出电流转换得到的数值；
T coE ：标定参数，默认计算值为1；
CCT：色温；
IRa 1：标定参数，红外数据量程限值10000 ~ 40000；
IRa 2：标定参数，红外数据量程限值1000 ~ 2500；
PT：标定参数，默认为0.92543 ~ 1.28632；
x T ：标定参数，默认为0.03752 ~ 0.1；
NB：代入Area函数使用；
Ba 1：标定参数，默认为-0.1 ~ -0.18；
Ba 2：标定参数，默认为1 ~ 1.96；
Pb：标定参数，默认为1 ~ 1.87；
x b ：标定参数，默认值为4000 ~ 4500；
NR：代入Area公式函数使用；
Ra 1：标定参数，默认值为25 ~ 38；
Ra 2：标定参数，默认值为0.5 ~ 0.8；
Pr：标定参数，默认值为1.8 ~ 2.3；
x r ：默认值为400 ~ 510；
Area：代入Lux函数使用；
Gain set ：增益设定；
Time set ：时序设定；
Lux：照度值；
Main coE ：标定参数，默认计算值为0.012；
Sub coE1：标定参数，默认计算值为0.0000005；
Sub coE2：标定参数，默认计算值为0.0013；
所述Gain set 和Time set 为设置参数。
2.根据权利要求1所述的数字光学传感器，其特征在于，所述光参数还包括：波长λ和光谱I，所述转换算法还包括计算所述波长λ和光谱I的算法如下：
λ =(2.898 × 1000000)/ CCT
I =1.52(B’×I B ) + (G’×I G ) + (R’×I R ) + (IR’×I IR )
其中，
：波长为λ时的光密度；
IA：标定参数，默认值为40 ~ 80，根据不同色光取值不同；
EXP：指数函数；
B’：蓝光对应的标定参数，LED光源代入值2784，卤素光源代入值732；
I B ：将蓝光对应的IA、
和
代入
公式得出的数值；
G’：绿光对应的标定参数，LED光源代入值3217，卤素光源代入值1934；
I G ：将绿光对应的IA、
和
代入
公式得出的数值；
R’：红光对应的标定参数，LED光源代入值1246，卤素光源代入值2689；
I R ：将红光对应的IA、
和
代入
公式得出的数值；
IR’：红外光对应的标定参数，LED光源代入值17，卤素光源代入值1336；
I IR ：将红外光对应的IA、
和
代入
公式得出的数值。
3.根据权利要求2所述的数字光学传感器，其特征在于，所述第一光电二极管包括：三个红色涂层光电二极管、三个绿色涂层光电二极管和三个蓝色涂层光电二极管，所述第二光电二极管为三个。
4.根据权利要求3所述的数字光学传感器，其特征在于，所述第一光电二极管对应区域还设有用于使可见光通过的第一滤片，所述第二光电二极管对应区域还设有用于使不可见光通过的第二滤片。
5.根据权利要求3所述的数字光学传感器，其特征在于，第一光电二极管所在区域和第二光电二极管所在区域间隔一定距离设置。
6.根据权利要求1所述的数字光学传感器，其特征在于，所述存储器还用于录入用户设定的转换算法及标定参数。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的数字光学传感器，其特征在于，所述转换处理器包括：电流读取模块、第一运算放大器、第二运算放大器、模数转换器和光参数运算模块；
所述电流读取模块用于读取所述电流；
所述第一运算放大器用于将所述电流运算放大后传输至所述第二运算放大器；
所述第二运算放大器用于将所述电流调整校正成正弦波；
所述模数转换器用于将所述正弦波转换成所述数值；
所述光参数运算模块用于根据所述转换算法及标定参数将所述数值转换成包括色温和照度的光参数。
8.一种环境光监测装置，其特征在于，包括：外部处理器及权利要求1~7中任一项所述的数字光学传感器，所述外部处理器连接所述数字光学传感器；所述数字光学传感器将实时监测到的环境光的实时光参数发送至所述外部处理器。
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