CN201255663Y - 一种智能可见光传感器 - Google Patents
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Abstract
一种智能可见光传感器，包括多个光电二极管对组成的阵列，每个光电二极管对中两个光电二极管具有不同的响应光谱特性，每个光电二极管对连接一对两二极管输出的光电流进行处理的处理电路，处理电路处理后的输出电流信号与光谱的关系与人眼的感光特性一致，处理电路的输出连接一多路选择器，多路选择器的输出连接一对数放大器，每个光电对管都包含上下两个光电管，它们的P－N结N层的厚度不同；其中上面光电管PN结N层具有较厚的感光元，下面光电管PN结N层具有较薄的感光元。本实用新型增加了传感器的亮度响应范围，排除了近红外线和紫外线干扰，成像稳定性好。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种传感器，具体涉及一种智能可见光传感器。
背景技术
传统的光传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器，它的敏感波长在可见光波长附近，包括近红外波段和紫外波段，不能对紫外线和红外线进行有效的衰减。在光电性能上，它的光电输出特性是非线性的；在光谱特性上，由于制造技术和材料的原因，这种普通的光传感器都是用普通的硅基材料，是广谱光感应，响应峰值是850纳米，虽然对可见光有光电流输出，但不是峰值响应区，传感器的峰值响应在500-700纳米，极容易受到近红外线和紫外线干扰，使得用其制造的整机的稳定性差。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种能够模仿人眼感光效应的光传感器，能够对可见光实现光电转换，自动适应环境光的强度，工作稳定可靠，响应速度快，精度高，体积小。
本实用新型的技术解决方案是：
一种智能可见光传感器，包括多个光电二极管对组成的阵列，每个光电二极管对中两个光电二极管具有不同的响应光谱特性，每个光电二极管对连接一对两二极管输出的光电流进行处理的处理电路，所述处理电路处理后的输出电流信号与光谱的关系与人眼的感光特性一致，所述处理电路的输出连接一多路选择器，所述多路选择器的输出连接一对数放大器，其特殊之处在于：所述每个光电对管都包含上下两个光电管，它们的P-N结N层的厚度不同；其中上面光电管PN结N层具有较厚的感光元，下面光电管PN结N层具有较薄的感光元。
上述处理电路包括依次连接的前置放大器和比较器。
上述光电二极管对为2个、3个或4个。
本实用新型采用新的硅基材料，在IC内部应用差值原理进行了响应峰值修正，传感器的峰值响应在500-700纳米，符合人眼光强函数曲线，其光谱特性及灵敏度都与人眼十分相似；应用内部集成电路技术，将光电元件的非线性进行修正、内部稳压处理，从而使得传感器的输出电流和一段范围内的波长光照度完全是线性关系，一致性和电源抑制得以保证。
本实用新型可以促使目前很多照明和显示设备得到科学合理的使用，这样不仅可以节约用电，同时也可使设备使用寿命大大延长。这种可实现环境光检测的智能可见光传感器，可以通过监测环境光的亮度，适时调整照明设备或显示器的亮度，使得这些设备能在满足人眼视觉感觉的同时，节约用电量。
本实用新型采用多个光电二极管对组成一个阵列，每个光电二极管对中两个光电二极管具有不同的响应光谱特性，通过后续的电路对两二极管输出的光电流进行处理，使得处理后的输出电流信号与光谱的关系与人眼的感光特性一致。采用光电二极管对阵列是为了使传感器能够对大范围变化的光亮度进行响应。
每个光电对管都包含两个光电管，它们的P-N结N层的厚度不同，光谱响应特性也不同，通过内部包含的处理电路，使其总输出光电流的光谱特性和人眼的感光特性相似。整个结构中包含有4个光电对管以及相应的处理电路(在实际设计中，根据光电对管的响应特性也可以用3个，甚至2个光电对管)。采用多个光电对管是为了实现可见光传感器大的感光动态范围，不同的光电对管响应不同的光强，根据环境光强的变化，多路选择器(MUX)选通不同的放大电路。选通信号由4个比较器产生，VR1，VR2，VR3和VR4是四个参考信号，当光电流I1、I2、I3或I4经放大后超过对应的参考信号时，其相应的通路选通，其它通路的信号无法通过。
对数放大电路是用来实现输出光电流的线性校正。光电流和光强度通常呈指数关系，将光电流进行对数运算后，可输出与光强呈线性关系的电流信号。
为了增加传感器的亮度响应范围，采用探测器阵列，不同的探测器对不同亮度范围进行检测。对于检测暗光的探测器采取提高电流放大器的增益，对于检测亮光的探测器采取降低其电流放大器的增益，这样既能使暗光情况下光电流比较大，又可使其在亮光情况下不至于饱和。
以硅材料为基底的光电探测器响应峰值波长一般在700-900nm，通过改变P-N结N层的厚度，可以改变响应光谱特性。选用两种N层厚度不同的探测器配对，通过硬件电路将两路光电流结合，使得传感器的响应峰值波长达到520-580nm，和人眼的感光特性相似。
光电探测器的光电流和接收到的光强一般呈指数关系，要使光电流能够和光强达到线性关系，在传感器内部采用集成化的对数放大器，实现线性化。
附图说明
图1是智能可见光传感器结构图；
图2是光电对管内部结构图；
图3是光电流和光照度的关系；
图4传感器感光元排列图；
图5是多路选择工作原理。
具体实施方式
本实用新型在光电对管内有一对结构不同的光电二极管。它们对光谱的响应不同：光电管A的PN结中N层较厚，而光电管B中的N层较薄，光电管A对红外波段的响应B强，而光电管B在可见偏紫外波段的响应较强。将Ia和Ib结合起来，并经过适当的算法计算即可得出一个光谱响应特性与人眼一致的响应曲线。图2中是一种经验的算法。
光电管A和B分别产生光电流Ia和Ib，在后续电路中Ib被放大n1倍，Ia则被放大n2倍，放大后的Ia和Ib在经过一个减法器，输出总的光电流Io：
Io＝n1×Ib-n2Ia
从以上公式可以看出，由于Ia在红外波段相应比较强，经过计算即可减弱，而Ib在可见偏紫外波段比较强，在计算中予以加强。
硅光电二极管中光电流与光照强度一般不呈线性关系，大致呈指数关系，如图3所示。所以为了使得可见光传感器的输出光电流与光强呈线性关系，必须进行线性校正。在图1中各路光电信号经过多路选择器选择后，进入一个对数放大器，对光电流信号进行线性化。
光电二极管的光电流在光强较弱时，非常微弱，当光强增加到一定程度时，光电流突然开始急剧增加，再到一定光强时，光电流开始饱和，几乎不再增加。在实际使用中，如果光强变化范围不大，则可以根据需要选择适当的光电流曲线段，进行处理；而对于大范围的光强变化，则很难全部顾及。
每个光电对管都包含两个光电管，它们的P-N结N层的厚度不同，光谱响应特性也不同，通过内部包含的处理电路，使其总输出光电流的光谱特性和人眼的感光特性相似。整个结构中包含有4个光电对管以及相应的处理电路(在实际设计中，根据光电对管的响应特性也可以用3个，甚至2个光电对管)。采用多个光电对管是为了实现可见光传感器大的感光动态范围，不同的光电对管响应不同的光强，根据环境光强的变化，多路选择器(MUX)选通不同的放大电路。选通信号由4个比较器产生，VR1，VR2，VR3和VR4是四个参考信号，当光电流I1、I2、I3或I4经放大后超过对应的参考信号时，其相应的通路选通，其它通路的信号无法通过。
对数放大电路是用来实现输出光电流的线性校正。光电流和光强度通常呈指数关系，将光电流进行对数运算后，可输出与光强呈线性关系的电流信号。
具体的在传感器中采用了四个光电二极管对，如图4所示。图中上面四个为PN结N层较厚的感光元，而下面四个为PN结N层较薄的感光元。一上一下两个感光元组成一个光电对管。
具体增大动态范围的实现是通过四个光电对管(即D1、D2、D3和D4)分别用于检测不同的光亮度，参看图1和图5。当光亮度很弱时，光电对管D1工作，其相应的放大电路A1选通；随着亮度的增加，D2、D3和D4相继开始工作，其相应的放大器也开始工作。在实际工作时由于电路中的多路选择器(MUX)每次只能选通一路，所以当一个光电管对及其相应的电路开始工作时，其它光电管对的信号无法通过。多路选择器的选通信号是由放大电路输出信号和一个参考信号进行比较而产生，当输出信号大于参考信号时比较器输出为高电平，选通相应的通路，否则，不选通。
Claims (3)
1.一种智能可见光传感器，包括多个光电二极管对组成的阵列，每个光电二极管对中两个光电二极管具有不同的响应光谱特性，每个光电二极管对连接一对两二极管输出的光电流进行处理的处理电路，所述处理电路处理后的输出电流信号与光谱的关系与人眼的感光特性一致，所述处理电路的输出连接一多路选择器，所述多路选择器的输出连接一对数放大器，
其特征在于：所述每个光电对管都包含上下两个光电管，它们的P-N结N层的厚度不同；其中上面光电管PN结N层具有较厚的感光元，下面光电管PN结N层具有较薄的感光元。
2.根据权利要求1所述智能可见光传感器，其特征在于：所述处理电路包括依次连接的前置放大器和比较器。
3.根据权利要求1或2所述智能可见光传感器，其特征在于：所述光电二极管对为2个、3个或4个。
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