光傳感器，也稱為光電探測器，用于檢測光的存在與否以及光的強度。這種傳感器能將光能轉換為電信號，隨后對電信號進行分析或將電信號用于觸發操作。光傳感器有著廣泛的應用，從控制顯示屏的亮度、調節相機的光圈，到向安全系統發送可能的入侵警報。本文討論了在常見用例中選擇光傳感器所需的功能，例如篡改檢測、晝夜檢測、LED 亮度調節、顯示屏亮度調節和顏色調節。

篡改檢測

篡改檢測應用中的光傳感器可檢測環境光照水平閾值的照度（亮度）變化，從而表明器件或系統已被篡改。光傳感器通常放置在機械系統內部或周圍，經過編程可在環境光水平發生顯著變化（例如當有人打開、阻擋或篡改系統時）時觸發警報或提醒。此過程通常用于安防系統，如警報系統、門禁系統、ATM 和智能儀表，如圖 1所示，用于檢測物理攻擊或繞過安全措施的企圖。使用光傳感器進行篡改檢測可以是一種可靠且具有成本效益的方法，用于增強器件和系統的安全性，并與其他安全措施和傳感器結合使用來提供全面的安全性。

功率和較寬的光譜范圍是篡改檢測的重要因素。寬光譜傳感器可檢測紫外線、可見光和紅外線光譜中任何類型的光變化。寬光譜對于篡改檢測來說是一個優勢，因為任何光變化，無論光源或光源的類型，都可能表示發生篡改。許多篡改檢測器件都采用電池供電，并要求低功耗以實現較長的電池壽命。OPT3002具有 300nm 到 1000nm 的寬光譜范圍以及低電流，因此是低功耗篡改檢測的理想選擇。

圖 1：具有光傳感器的智能儀表方框圖

晝夜檢測

光傳感器可以通過測量環境光量來區分白天和黑夜。白天，戶外光線明亮而強烈。從明亮的日光到漆黑的夜晚，室外的光亮度在一天中不斷變化。通過監測光強度的變化，光傳感器可以準確地指示是白天還是黑夜。晝夜檢測用于各種應用，例如室外照明、駕駛員監控攝像頭和安防系統。

光傳感器的光譜響應與人眼的視覺響應高度匹配，并且具有很高的紅外線阻隔率。通過抑制人眼光譜之外的其他類型的光，光傳感器可以感應光線亮度，這與人類感應光線的方式相當。OPT3004 和 OPT4001與人眼光譜非常匹配，可抑制超過 99% 的紅外線。對于將 IR 引入環境的應用，例如可視門鈴、IP 網絡攝像頭和視頻監控，必須具有強大的紅外光抑制功能才能實現精確感應。如圖 2所示，OPT3005 光傳感器會抑制環境中的紅外線以及從蓋玻片反射回來的紅外線。OPT3005可在較大入射角下抑制 99.99% 以上（4 個以上數量級）的近紅外線 (NIR) 光，從而使該器件成為視頻監控應用的理想選擇。

通常，設置的光強度閾值決定了當光強度超過閾值時是白天還是黑夜。德州儀器（TI）光傳感器具有中斷引腳，無需主機或處理器干預即可設置閾值觸發器，從而能夠節能。

圖 2：視頻監控應用中的 OPT3005

LED 亮度調節

光傳感器可以測量環境中的環境光強度并相應地調整 LED 的輸出。該過程通常用于照明系統，以便根據周圍的照明條件優化 LED 的亮度。此功能不僅提高了照明系統的視覺舒適度和能效，還通過降低工作溫度來延長 LED 的使用壽命。用于 LED 亮度調節的光傳感器廣泛應用于家用電器、智能家居、電子外設和汽車內部照明，這些應用中的環境照明條件全天有很大差異。

頻譜精度和功耗是 LED 亮度調節的重要傳感器特性。光譜精度取決于與可見光譜（人眼可以看到的光譜）的緊密匹配，如圖 3所示。紫外光和紅外光漏光為光傳感器提供了更亮的測量值，導致系統認為它比實際要亮。通過抑制人眼光譜之外的其他類型的光，光傳感器可以感應光線亮度，這與人類感知光線的方式相當。許多低功耗應用（例如手持工具和電器）需要低功耗傳感器來延長電池壽命。

OPT3004 與可見光譜高度匹配，并在 ±85° 入射角范圍內抑制 99% 以上的紅外光。OPT3004具有 1.8μA 工作電流和 300nA 休眠電流，非常適合電池供電型應用。

圖 3：OPT3004 和人眼光譜曲線

顯示屏亮度調節

顯示屏亮度調節是光傳感器的常見應用，尤其是在智能手表、平板電腦和筆記本電腦等個人電子設備中。這些傳感器還用于汽車和工業應用，例如信息娛樂和人機界面。圖 4展示了顯示系統中光傳感器的示例。光傳感器可測量環境光強度并相應地調節顯示屏亮度，從而提供舒適的觀看體驗并延長電池壽命。通常，亮度調節與環境亮度相匹配。當環境光強度較高時，顯示屏亮度會增加以提高可見性。當環境光強度較低時，顯示屏亮度將降低以避免不適，并降低系統功耗以延長顯示面板壽命。

尺寸、速度和分辨率是顯示屏應用的重要考慮因素。小封裝尺寸非常適合窄邊框和小型顯示設備，例如智能手表。快速傳感器可實現快速調節，以適應照明條件的突然變化，從而提供無縫的用戶體驗。高分辨率對于更精細地控制顯示屏亮度至關重要，并且可以更靈活地將光傳感器隱藏在顏色較深的覆蓋材料（例如邊框）后面。TI 的OPT4001具有令人印象深刻的速度和分辨率，并且采用適合窄邊框的超小型封裝，因此是此應用的理想選擇。TI 提供汽車級 OPT300-Q1 和 OPT4001-Q1環境光傳感器，適用于汽車應用和受高溫影響的終端設備。

圖 4：使用 OPT4001 的顯示屏亮度圖

顏色調節

用于顏色調節的光傳感器可測量色溫并相應地調節顯示顏色。此過程通常用于電視、顯示器、筆記本電腦、智能手機和平板電腦，可根據周圍的光照條件優化顯示顏色。如圖 5所示，顯示屏的色溫可調整為較高或較低的溫度，以使色彩更加自然而準確。顯示屏還可以使用顏色傳感器調節顏色飽和度和對比度，從而提高視覺質量并減少眼睛疲勞。

分辨率、速度和顏色空間是進行顏色調節時最重要的考慮因素。高分辨率可確保傳感器能夠在弱光條件下或覆蓋材料內測量光強度，并進行細微的亮度調節。速度允許在顏色變化的照明條件之間實現平穩過渡。顏色空間會影響檢測到的顏色和傳感器的測量性能。兩種常用的顏色模型是 RGB 顏色空間和 XYZ 顏色空間。TI 提供高分辨率和高速 XYZ 光傳感器(OPT4048)和 RGB 光傳感器(OPT4060)。TI 色光傳感器可提高顯示或照明系統在各種照明條件下的顏色精度和視覺質量。

結論

光傳感器應用多種多樣，從簡單的光強度閾值到主動色彩調節顯示屏，不一而足。光傳感器可改善用戶體驗、優化能耗并延長器件壽命。雖然光傳感器特性的重要性取決于具體應用，但基本設計注意事項包括頻譜響應、速度、分辨率、功率、尺寸和測量范圍。TI 提供多樣化的光傳感器產品系列，該產品系列包含適用于大多數應用的器件。隨著技術的進步和新的用例的出現，對光傳感器的需求不斷增長，從而推動創新并開發出能夠檢測周圍世界的技術。