Актуальные технологии и применения датчиков автомобильных систем активной безопасности

Часть 3. Элементная база датчиков света и цвета

В третьей части статьи рассматриваются актуальные для многих автомобильных применений датчики света/цвета (датчики окружающего света и другие) и сравниваются разнообразные предложения элементной базы датчиков, представленные на современном автомобильном рынке.

Введение

Без датчиков окружающего света и дождя уже нельзя представить новый автомобиль верхнего рыночного сегмента, а исполнения автомобильных дисплеев и видеокамер с расширенными функциями — и без датчиков цвета. Полезную роль датчиков окружающего света в автомобильной безопасности, повышении эстетики, эргономики и комфортабельности автомобилей определяют их следующие основные функции и применения:

• минимизация аварий вследствие снижения отвлечения водителя различными современными средствами коммуникации: как то сотовые телефоны, навигационные системы, системы ночного видения, беспроводной Интернет, развлечения — приборы и системы группы Entertainment (контроль расположения и содержания дисплеев, допустимых режимов и функций, положения и выделения экранных управляющих элементов);
• повышение видимости и эргономики восприятия содержания дисплеев водителем в условиях яркого солнечного света — уменьшение бликов дисплеев, взаимодействующих также с бликами стекол и зеркал, зеркального отражения и диффузного рассеяния дисплеев и в условиях очень низкой освещенности, при смене положения водителя (регулировка различных характеристик дисплея при изменении угла обзора);
• повышение эстетики и эргономики восприятия водителем любой визуальной информации (дороги, дисплеев, зеркал заднего вида), минимизация усталости и напряжения глаз за счет регулировки различных характеристик по сигналам от датчиков;
• автоматический контроль влияния освещенности на яркость и контрастность дисплеев (для уменьшения отвлечения водителя и эргономики), адаптация фотоэлектрических датчиков и дисплейного оборудования к освещению от источников с различными спектральными характеристиками (оптимально, если яркость дисплея и окружающего света совпадают, причем окружающий свет должен быть немного темнее, чем ярко-белый на дисплее);
• контроль изображений, получаемых с помощью камер (контроль апертуры, баланса белого и т. д.);
• контроль интенсивности подсветки дисплеев;
• контроль подсветки клавиатур и выделения экранных кнопок;
• максимальное исключение ручных настроек дисплеев и многоуровневых систем меню, автоматизация переключения настроек дисплеев с целью уменьшения отвлечения водителя;
• датчики дождя, автоматическое включение и корректировка скорости работы стеклоочистителей — все это освобождает водителя от ручного переключения;
• контроль электрохроматических зеркал— автоматическое затемнение по сигналам от датчиков окружающего света и света приближающегося автомобиля;
• контроль включения и затемнения автоматического освещения (фар и в салоне);
• автоматическое затемнение дисплеев, например, при включении фар и последующая автоматическая активация при их выключении, определение приоритетов в задачах управления, таких как игнорирование затемнения дисплеев при ошибочном включении фар при достаточном окружающем освещении;
• контроль солнечного освещения датчиками Sun load sensors — детекторами положения и интенсивности источника солнечного света для автоматического включения и регулировки систем кондиционирования и отопления, открытия/закрытия люков;
• различение видимого и инфракрасного излучения;
• повышение срока службы дисплеев, батарей и других устройств.

Многие из вышеперечисленных автомобильных применений датчиков света/цвета очевидны, но некоторые требуют специального пояснения, в особенности те, которые связаны с развитием дисплейных технологий FPD — LCD [20–34]. Монохромные или цветные LCD в настоящее время широко распространены в сотовых телефонах, автомобильных навигационных системах и других терминалах.

LCD-дисплеи представляют собой неизлучающие устройства и требуют освещения от источника света — как правило, задней подсветки, которая применяется для трансмиссионных или трансрефлективных дисплеев.

Трансрефлективные датчики, используя комбинацию переднего окружающего освещения и задней подсветки, обеспечивают наилучшую читаемость в широком диапазоне окружающих условий.

Наиболее распространены методы подсветки LCD Cold Cathode Fluorescent Tubes/Lamps (CCFT/L) и массивами светодиодов. Значительной проблемой, ассоциируемой с задней подсветкой, является заметное потребление батарейной мощности, что наиболее важно для портативных устройств (ток потребления подсветки порядка 100–400 мА), и уменьшение срока службы (актуальная проблема любых дисплеев, включая автомобильные). От сотовых телефонов к автомобильным приборным панелям и дисплейным системам мигрируют также полезные опции подсветки приборных панелей, клавишных и экранных кнопок меню.

Оптимальное решение для повышения автомобильной безопасности и наработки на отказ, минимизации отвлечения водителя при необходимости ручного включения подсветки и разбора клавишных и экранных функций — использование подсветки только тогда, когда это необходимо: в условиях темноты или слабого окружающего освещения, при детектировании которых подсветка автоматически включается. В условиях дневного света или при достаточном освещении в салоне подсветка не требуется, для чего выполняется ее автоматическое отключение.

Также важно учесть, что если яркость и контраст дисплея не отрегулированы, LCD может вызывать блики, приводящие к искажению или потере визуальной информации, а также к дискомфорту и напряжению глаз водителя.

Ключевой компонент в детектировании условий окружающего света с целью контроля подсветки, яркости или контрастности дисплеев — датчик окружающего света, имеющий спектральную характеристику, для получения максимальной точности регулировки дисплейных функций, по возможности максимально приближенную к спектральной чувствительности человеческого глаза (максимум которой приходится на 550 нм).

К расширенным дисплейным функциям относятся:

• контроль цветовой температуры для оптимального восприятия визуальной информации — интеллектуальная корректировка цветов, регулировка контрастности дисплея, баланса белого камеры и т. д.;
• корректировка цветов светодиодов— индикаторов и подсветки.

Для этого существует возможность детектирования окружающего света датчиками цвета в формате RGB.

Типичным сенсорным элементом, обнаруживающим свет, является фотодиод либо фототранзистор, принцип детектирования цвета в формате RGB также довольно прост — над одним из трех или четырех фотодиодов, объединенных в группу, размещается цветной фильтр (красный, зеленый, синий; два голубых элемента часто используются для компенсации низкой чувствительности кремния к голубому свету), пропускающий к фотодиоду свет только одного выбранного цвета (длины волны). Но современный автомобильный рынок создает потребность в датчиках света/цвета с высокими рабочими характеристиками, надежностью, точностью, специальными возможностями, при этом отличающихся низкой ценой.

В первую очередь, как для автомобильных, так и для неавтомобильных дисплейных применений (сотовых телефонов, ноутбуков и других) важно учитывать, что стандартные кремниевые фотодетекторы характеризуются максимальной чувствительностью в инфракрасном диапазоне, поэтому, если они используются для контроля подсветки дисплея, результаты будут неточными — в основном, из-за различий в инфракрасных спектрах различных источников света. Разные спектральные эмиссии источников и спектральная чувствительность детекторов, включая человеческий глаз, показаны на рис. 27а [31–32].

Рис. 27. Требования к спектральной характеристике фотодетекторов:
а)— различная спектральная эмиссия от источников света с одинаковой яркостью и различная спектральная чувствительность фотодетекторов;
б)— уровни фототоков кремниевых фотодетекторов при детектировании света от различных источников с одинаковой яркостью

Различия в эмиссиях и спектральных характеристиках фотодетекторов главным образом влияют на измерение яркости и корректировку настроек дисплея. Источники света с заметной IR-составляющей будут восприниматься обычным фотодетектором как яркие, хотя человеческий глаз их не видит (рис. 27б), и вырабатывают сбойные управляющие команды затемнения дисплеев (подсветки), зеркал или фар. За пределами дисплейных применений любая информация, предназначенная для визуального восприятия человеком или контроля, должна корректироваться датчиками окружающего света, эмулирующими человеческий глаз. Многие компании представили сегодня на различные рынки датчики Ambient Light Sensor (ALS), эмулирующие человеческий глаз по пиковой спектральной чувствительности (550 нм) кривой, но наиболее точные результаты достигаются при максимальном приближении (совмещении) кривой спектральной чувствительности к кривой видности (или Vl-кривой). Насколько этого удается достичь производителям, становится ясным из обзора элементной базы датчиков, которая подробно рассматривается в данной статье. Необходимо отметить, что датчики со спектральной чувствительностью, отличной от характеристики глаза человека, могут быть полезны в других применениях — например, для обнаружения только инфракрасного освещения с целью его регистрации или компенсации либо автоматической обработки сцен.

Оценить в цифрах влияние некорректной подсветки и настроек дисплеев на число аварий довольно сложно, но в настоящее время статистика постепенно накапливается. Значительное внимание исследованиям влияния на дорожную безопасность различных вспомогательных действий, отвлекающих водителя, уделяет NHTSA. Так, еще в 1996 году NHTSA установила, что отвлечение водителя в различных его формах — это 20–30% от числа аварий, причем основную долю рискованных отвлечений составляют именно визуальные, а не слуховые и другие (дополнительную информацию можно получить на сайте www.nhtsa.dot.gov).

NHTSA в 2002 году опросила 4010 водителей о наиболее обычных отвлечениях, которыми оказались:

• разговор с пассажирами — 81%;
• переключение радиостанций и замена CD или кассет — 66%;
• еда или питье — 49%;
• входящие звонки на сотовые телефоны — 26%, исходящие — 25%;
• дела, связанные с детьми, сидящими на заднем сиденье, — 24%;
• разбор карты или выяснение маршрута12%.

Очевидно, что с увеличением продаж навигационных и других телематических систем важность датчиков систем контроля дисплеев и камер возрастает.

По статистике 2005 года (в исследовании принимало участие 100 водителей; около 80% из 72 записанных аварий и 65% из 761 ситуации, близкой к аварийным, показали, что они произошли в результате отвлечения водителя) в числе наиболее обычных факторов отвлечения оказались:

• дорожные знаки, другие водители — 37% в опросе, 29% по числу аварий;
• другие пассажиры, включая детей, — 19% в опросе, 11% по числу аварий;
• объекты или управление внутри автомобиля — 16% в опросе, 11% по числу аварий;
• сотовые телефоны — 2% в опросе и 2% по числу аварий.

Помимо того, важность датчиков окружающего света для новых разработок диктуется рыночной ситуацией. У некоторых водителей все еще вызывает сомнение полезность датчиков окружающего света и цвета и связь функций, таких как автоматическая подсветка дисплеев, с дорожной безопасностью, при этом автоматическое отключение развлечений при определенных окружающих условиях и вовсе воспринимается как нежелательное неудобство.

Тем не менее, все больше владельцев автомобилей при покупке навигационной системы или телевизора отдают предпочтение дисплеям с повышенными рабочими характеристиками и дополнительными функциями, зеркалам заднего вида, оснащенными датчиками дождя и т. д.

Основными рабочими характеристиками автомобильных датчиков света, помимо спектральной характеристики чувствительности, являются [20–34]:

• тип интерфейса (актуален цифровой интерфейс, который позволяет минимизировать число внешних компонентов, необходимых для обработки сигнала, он обеспечивает непрерывное подключение сигнала к контролируемому электронному оборудованию, гарантирует повышение помехоустойчивости, снижение цены и времени разработки);
• программируемость;
• быстрое время срабатывания — обычно время нарастания фронта импульса фототока при тестовом импульсном воздействии (рис. 28);
• значительный динамический диапазон;
• чувствительность;
• спектральный диапазон;
• угол, на котором чувствительность уменьшается вдвое (характеризующий механический угол обзора);
• уровни темновых токов;
• допуски и погрешности и др.

Рис. 28. Определение времени срабатывания датчика SFH 5711 [33]

Сравнительные технические характеристики многих актуальных автомобильных датчиков приведены в таблице 2.

Таблица 2. Элементная база датчиков света/цвета

Элементная база датчиков света, представленная на современном рынке

Компания Texas Advanced Optoelectronic Solutions (TAOS) Inc. с 1998 года разрабатывает и производит интегральные оптоэлектронные датчики, комбинирующие фотодетекторы и функциональность ИС со смешиванием сигнала. Датчики компании TAOS Inc. предназначены максимально упростить последующую обработку сигнала во внешней схеме и уменьшить число необходимых дискретных компонентов. Текущая линейка фотодатчиков TAOS включает (табл. 2, рис. 29–30):

• преобразователи свет–напряжение — недорогие фотодиоды с интегрированным трансимпедансным усилителем, формирующим выход аналогового напряжения;
• преобразователи свет–частота с высоким динамическим диапазоном измерения интенсивности света и импульсным выходом;
• линейные сенсорные массивы для сканирования изображений, энкодеров;
• датчики окружающего света — цифровые измерители уровня освещенности в люксах, спектральная характеристика чувствительности которых приближена к спектральной характеристике человеческого глаза;
• датчики цвета с RGB-фильтрами для определения, подавления и измерения цветов (цветные преобразователи свет–напряжение или цвет–частота);
• рефлективные датчики света/цвета с RGB-фильтрами, отличающиеся высокой чувствительностью, встроенными цветными светодиодами и аналоговым выходом напряжения.

Рис. 29. Преобразователи свет/цвет–напряжение компании TAOS Inc.:
а–в — типичный преобразователь свет–напряжение (TSL12S):
а — функциональная диаграмма;
б — спектральная характеристика чувствительности (пик на 640 нм);
в — типичное нормализованное выходное напряжение датчиков (TSL257) в зависимости от углового смещения;
г — спектральная характеристика чувствительности инфракрасного датчика TSL267 (пик на 940 нм);
д, е — спектральные характеристики преобразователей цвет–напряжение TSLR257, TSLG257, TSLB257 — собственные (д) и с применением внешнего фильтра HOYA CM500 (е);
ж — зависимость соотношения Power Supply Rejection Ratio (PSRR) датчика TSL257 от частоты

Преобразователи свет–напряжение LTV обеспечивают аналоговый выход, пропорциональный интенсивности света, для последующей оцифровки выходного напряжения АЦП и в одной КМОП ИС комбинируют фотодиод и трансимпедансный усилитель (с крутизной характеристики, определяемой резистором обратной связи) (рис. 29а). Текущая номенклатура датчиков LTV включает порядка 23 наименований. Необходимо отметить, что рекомендуемая рабочая температура всех устройств — только 0…+70 °C при допустимых рабочих пределах –25…+85 °C, что ограничивает возможные автомобильные применения многих LTV (желательно размещать их только внутри кабины).

LTV измеряют окружающий свет, поглощение или отражение света. Многие устройства характеризуются значительной спектральной чувствительностью — в диапазонах 320–1050 нм (TSL12S, TSL14S) (рис. 29б) или 350–1000 нм (TSL250R, TSL254R). Компанией представлены также датчики со срабатыванием только в инфракрасной области спектра — в диапазоне 850-1000 нм (TSL260R, TSL260RD и TSL261RD, TSL267 — рис. 29г). Для повышения точности измерений эти датчики снабжаются интегральными фильтрами, удаляющими свет видимого спектра.

Нормализованный выход преобразователей в зависимости от углового смещения примерно одинаков и для датчика TSL257 проиллюстрирован рис. 29в.

Преобразователи LTV TSLB257, TSLG257, TSLR257 представляют собой высокочувствительные интегрированные датчики света, снабженные интегрированным фильтром цвета в формате RGB (на цвет указывает буква в обозначении датчика), размещенным над фотодиодом. Спектральная характеристика фотодиода будет иметь вид, показанный на рис. 29 д, е. Эти датчики могут использоваться как для корректировки цветов дисплея, так и в качестве датчиков окружающего света в формате RGB, детектирующих или сбрасывающих свет определенного цвета.

Преобразователи TSLx257, TSL257, TSL257T, а также датчики TSL267 — это малошумящие датчики (200 мкВ rms на 1 кГц) с пропорциональным аналоговым выходом, то есть они обеспечивают выходное напряжение, пропорциональное напряжению питания. Эти устройства характеризуются также высоким динамическим соотношением отклонения скачков напряжения питания Power Supply Rejection Ratio (PSRR), который определяется как

и составляет порядка 35 дБ на 1 кГц с U_DD(f=0)= 5 В и U_out (f = 0) = 2 В (рис. 29 ж).

Преобразователи TSL250R, TSL250RD, TSL251R, TSL251RD, TSL252R, TSL253R, TSL254R, TSL260R, TSL260RD, TSL261R, TSL261RD, TSL262R отличаются сниженными темновыми (смещающими) напряжениями — 10 мВ максимум.

Преобразователи свет–частота LTF и свет/цифровой код LTD (LTD известны также как датчики окружающего света ALS) выполняют аналогичные функции обнаружения света и обработки сигнала, но включают в ИС интегральный преобразователь ток–частота и (или) АЦП, что позволяет подключать датчик непосредственно к микроконтроллеру (рис. 30–31).

Рис. 30. Автомобильные преобразователи свет/цвет–частота компании TAOS Inc.:
а–ж — преобразователь свет–частота автомобильного назначения TSL237:
а— функциональная диаграмма;
б— зависимость выходной частоты от интенсивности освещения;
в, г— нормализованная выходная частота в зависимости от вертикального (в) и горизонтального (г) смещения датчика;
д— график зависимости темновой частоты от окружающей температуры;
е— спектральная чувствительность датчика;
ж— схема подключения TSL237 к микроконтроллеру;
з, и— спектральные характеристики преобразователей цвет–частота TCS230 — собственные (з) и с применением внешнего фильтра HOYA CM500 (и);
к— нормализованная выходная частота в зависимости от углового смещения датчика

Выход LTF— прямоугольная импульсная волна с 50%-ным рабочим циклом, частота которой прямо пропорциональна интенсивности света, действующего на фотодиод (рис. 30а, б). Типичные зависимости уменьшения выходной частоты LTF при угловом смещении проиллюстрированы рис. 30в, г.

Текущая линейка преобразователей LTF включает три программируемых датчика TCS230, TSL230R и TSL230RD с максимальной выходной частотой в 1 МГц и 5 стандартных устройств (TSL235R, TSL237, TSL237T, TSL238D, TSL245R). Динамический диапазон многих LTF достигает 120 дБ. Программируемые LTF поддерживают входной динамический диапазон 160 дБ, регулируемую входную чувствительность, масштабирование выхода — до 100-кратного замедления периода цикла.

TSL237 и TSL237T отличаются низкой темновой частотой <2 Гц на 50 °C (рис. 30д), так же как и TSL238 (<2 Гц на 25 °C).

За исключением TCS230 и TSL245R, типичная спектральная чувствительность LTF находится в диапазоне длин волн 350–1000 нм.

В диапазоне от 320 до 700 нм устройства являются температурно скомпенсированными (диапазон рабочих температур всех устройств — (–25…+70 °C). TSL237, TSL237T, TSL238D специально рекомендуются компанией для автомобильных применений и могут поставляться в расширенном диапазоне температур. Программируемый RGB-датчик TCS230 также предлагается компанией в расширенной температурной версии TCS230D с рабочей температурой –40… +85 °C. Для TSL237, TSL237T, а также для TCS230 и TSL230RD дополнительно специфицируется стабильный температурный коэффициент 200 ppm/°C.

TSL245R — это инфракрасный датчик LTF диапазона длин волн 850–1000 нм.

LTF TCS230 представляет собой цветной датчик на основе массива фотодиодов 8^8 размерами 120^120 мкм с RGB-фильтрами. Решетка фотодиодов программируемого датчика TCS230 состоит из 16 групп по 4 элемента в каждой. Четыре типа фотодиодов помогают минимизировать эффекты неоднородности смежного излучения. Каждая группа включает красный, зеленый, синий датчики и Clear — датчик без фильтра. Таким образом, 16 фотодиодов оснащено голубыми фильтрами, 16 — красными, 16 — зелеными, и 16 фотодиодов— без фильтров. Выход фотодиода каждого цвета — частотный, или прямоугольная волна частотой, прямо пропорциональной интенсивности света — смешанного (Clear) или выбранного цвета.

Все 16 фотодиодов того же самого цвета соединяются параллельно, какой из типов фотодиодов используется, контролируется двумя логическими входами ИС.

Спектральная характеристика датчика TCS230 и высокий допустимый угол отклонения от оптической оси проиллюстрированы рис. 30з–к.

Максимальное разрешение и точность с частотными измерениями получаются при накоплении импульсов, или методе интеграции. Частотные измерения обеспечивают признак усреднения джиттера, возникающего вследствие шумов. Разрешение ограничивается доступными регистрами и временем измерения. Частотные измерения также хорошо подходят для детектирования медленно изменяющихся или постоянных световых уровней и для чтения средних световых уровней в течение коротких промежутков времени. Интеграция импульсов в течение длительного периода времени может эффективно измерять экспозицию камеры (сумму света, действующего на данную область в течение определенного периода времени).

Преобразователи LTD компании TAOS включают в КМОП ИС два фотодиода — фотодиод, чувствительный в диапазоне 350–1100 нм, и фотодиод, блокирующий видимый свет — чувствительный в инфракрасном спектре, а также интегральный АЦП и интерфейсную часть (рис. 31). Два стандартных выходных формата LTD — SMBus (www.smbus.org/specs) и I2C.

Рис. 31. Датчики окружающего света компании TAOS Inc. — преобразователи свет/цифровой код TSL2560, TSL2561, рекомендованные для автомобильных применений:
а — функциональная диаграмма датчиков;
б — спектральная характеристика чувствительности датчиков, приближенная к чувствительности человеческого глаза;
в — нормализованный выход в зависимости от углового смещения датчика

Стандартное применение LTD — измерение интенсивности окружающего света в лк по сигналам от фотодиодов без применения фильтра. Как известно, цифровой выход более устойчив к шумам, в сравнении с аналоговым выходом. Любые LTD могут использоваться также в автомобильных применениях, требованием которых является двухпроводной интерфейс. Линейка LTD включает пять датчиков — TSL2550 и TSL2560/1/2/3 (рис. 31). Динамический диапазон датчиков TSL2560/1/2/3 — выше 110 дБ (40 000:0,1).

Спектральное срабатывание всех LTD (TSL2560/1/2/3 и TSL2550) — в диапазоне длин волн 350–1100 нм. Эти преобразователи отличаются тем, что их спектральное срабатывание приближено к спектральной чувствительности человеческого глаза (рис. 31б), и они подходят для подсветки дисплеев, освещения клавиатур и других аналогичных применений. Угол уменьшения чувствительности вдвое — порядка ±60° (рис. 31в).

Помимо автомобильных, существуют такие применения для этих датчиков, как ноутбуки, сотовые телефоны, камеры, контроль уличного освещения, системы безопасности и другие, для которых компанией в первую очередь рекомендован датчик TSL2550, работающий в диапазоне температур 0…70 °C. Для автомобильных применений разработаны версии этого датчика с рабочей температурой –40…+85 °C — TSL2550D (SOIC-8) и TSL2550T (T-4), компания TAOS рекомендует применять и ALS TSL2560/1/2/3. Рекомендуемая рабочая температура этих устройств –30…+70 °C, тип корпуса и интерфейс выбираются при заказе.

Преобразователи TSL256x поддерживают программируемую функцию прерывания, что устраняет необходимость опроса датчика по величине интенсивности света. Цель прерывания в том, чтобы обнаружить значимое изменение в интенсивности света. Понятие значимого изменения может быть определено потребителем — как по интенсивности, так и по времени изменения в интенсивности. Устройства TSL256x отличаются способностью определять порог выше и ниже текущего уровня света. Прерывание генерируется, если величина преобразования АЦП превышает любой из этих пределов. TSL2562 и TSL2563 — датчики, отличающиеся низкой ценой.

Таким образом, многие перечисленные выше датчики TAOS Inc. с учетом их рабочей температуры, температурного коэффициента, напряжения питания или динамического диапазона подходят для тех или иных автомобильных задач. Например, датчики окружающего света ALS и преобразователь светчастота TSL237 компания рекомендует для применений в задних камерах и для видеомониторинга пассажиров. ALS обеспечивает контроль апертуры и баланс белого КМОП камеры, преобразователь свет–частота предназначен для обеспечения контроля апертуры—широкого динамического диапазона.

Датчик окружающего света ALS, основываясь на условиях окружающего света, позволяет регулировать интенсивность подсветки HUD, контролировать влияние солнечного света и корректировать автоматическое освещение. Преобразователь свет–частота TSL237 и другие рекомендуются компанией для использования в датчиках дождя, которые в настоящее время находят увеличивающийся спрос в автомобилях верхнего ценового класса. Текущие модели датчиков дождя дополнительно измеряют окружающий свет — для автоматического включения/выключения фар.

Преобразователи свет–частота или свет–напряжение компания предполагает использовать в натяжителях ремня и для контроля положения сиденья — совместно с линейными массивами. Многие другие потенциальные применения датчиков окружающего света могут возникнуть с целью компенсации и контроля показаний разнообразных оптических датчиков.

Новые автомобильные системы все более широко используют возможности датчиков цвета. Применение интегрированного АЦП для оцифровки усиленных выходов фотодиодов с типичным разрешением в 8–12 бит позволяет получить выходные сигналы, пригодные для непосредственного подключения к микроконтроллеру. Этот метод менее гибкий по сравнению с классическим принципом на основе трех или четырех дискретных фотодиодов с RGB-фильтрами над их поверхностями, который позволяет оптимизировать для конкретного применения за счет подбора дискретной электроники усиление, частотную полосу усилителя, скорость и разрешение АЦП, но в то же время и менее трудоемкий и дорогостоящий.

Интегрированные датчики компании TAOS Color LTV TSLR257, TSLG257, TSLB257 и LTF TCS230, которые составляют линейку актуальных¹ датчиков цвета, предлагаемых компанией, позволяют уменьшить число внешних компонентов, занимаемое ими место на плате, трудоемкость сборки и снизить цену.

Недостатком цветных LTV является чувствительность к шумам и невозможность динамического изменения усиления и чувствительности.

Цветные LTF дополнительно исключают трансимпедансный усилитель, АЦП и повышают устойчивость датчика к шумам. Ограничения метода преобразования RGB-частоты — в применениях с малой световой интенсивностью. Низкий световой уровень и, соответственно, низкие частоты означают увеличенное время измерений.

В дальнейшем компания TAOS планирует осуществить переход от компонентно-центрированных решений к ASIC-решениям, которые включают также консультационную поддержку клиентов и инженерный сервис.

Компания Avago Technologies выпускает для подсветки дисплеев и аналогичных задач три датчика окружающего света серии ALPS:

HSDL-9000 (недорогой датчик в PLCC корпусе), HSDL-9001 (недорогой датчик в корпусе QFN) и APDS-9002/3 (миниатюрные и недорогие датчики). Пиковая спектральная чувствительность всех датчиков согласована с максимумом спектральной чувствительности человеческого глаза (на 550 нм). Существенное отличие между человеческим глазом и кремниевым фотодиодом в том, что фотодиод также регистрирует свет в инфракрасной области спектра (пик кремниевых фотодиодов лежит в диапазоне 700–1100 нм), что зависит от условий окружающего освещения.

Разные источники света имеют различные спектральные характеристики, следовательно, уровни выходного сигнала фотодиода, дающие информацию об интенсивности освещения, могут различаться в зависимости от источника. Поэтому электрические помехи, наводимые источниками света, которые интерферируют с полезным сигналом датчика, должны быть отфильтрованы, что реализовано, например, в датчиках HSDL-9000 и других, рекомендованных компанией для автомобильных применений — приборных панелей, контроля переднего света и задней подсветки дисплеев. Фотодиод датчика HSDL-9000 производится по специальной технологии, которая использует многослойную фильтрацию света для достижения эмуляции человеческого глаза (рис. 32г).

Рис. 32. Датчики окружающего света серии ALPS Avago Technologies:
а–г— датчик HSDL=9000;
а — внешний вид цифровых датчиков HSDL=9000 в PLCC корпусе, рекомендованных для автомобильных применений;
б — функциональная диаграмма и схема применения датчика HSDL=9000;
в — участок, иллюстрирующий интегрированные элементы схемы датчика;
г — спектральная характеристика чувствительности датчика;
д — внешний вид фотодиодов HSDL=9001 в корпусе QFN;
е — функциональная диаграмма и схема применения датчика HSDL=9001;
ж — внешний вид фотодиодов APDS=9002 в корпусе chipLED;
з — схема применения APDS=9002

HSDL-9000 — это высокоинтегрированный ALS с цифровым выходом, включающий все необходимые схемные компоненты для прямого подключения к микроконтроллеру (кремниевый фотодиод, трансимпедансный усилитель, преобразующий фототок в напряжение, ФНЧ, отфильтровывающий гармоники в электрическом спектре многих источников света, компаратор с гистерезисом во избежание перебрасывания уровней вследствие шумов) (рис. 32а–г). Возможность использования трех цифровых уровней и специальный аналоговый вывод для контроля усиления позволяет осуществлять тюнинг для достижения необходимого уровня чувствительности.

HSDL-9000 может быть объединен с TFT LCD, продажи которых для автомобильной индустрии резко возрастают, — для сбережения мощности подсветки и повышения срока службы дисплея, контроля яркости и контраста. Микроконтроллер по сигналам от датчика будет управлять, например, ASIC дисплея.

HSDL-9001 (рис. 32д–е) — недорогой датчик на основе фотодиода с токовым выходом в миниатюрном корпусе QFN для поверхностного монтажа — альтернатива HSDL-9000 для других вариантов дизайна.

APDS-9002/3/4/5 (рис. 32ж–з) — недорогие ALS в миниатюрном корпусе chipLED для поверхностного монтажа, отличающиеся особо низкой ценой. Датчики включают спектрально согласованный фототранзистор. Выходным сигналом датчика является фототок. Основное назначение этих датчиков — для портативных устройств, но они могут быть использованы и в автомобильных применениях, что позволяет их рабочая температура –40…+85 °C.

Семейство датчиков цвета в формате RGB Avago включает устройства ADJD-S313-QR999, HDJD-S722-QR999 и ADJD-E622-QR999.

ADJD-S313-QR999 — цифровой датчик (двухпроводной последовательный выход) с рабочей температурой 0…+70 °C, HDJD-S722-QR999 — аналоговый датчик с рекомендуемой рабочей температурой 0…+70 °C, но допускающий работу при –40…+85 °C.

ADJD-E622-QR999 (рис. 33) — датчик цвета, введенный в августе 2006 года и разработанный специально для автомобильных применений, эффективный в стоимостном отношении. Данное устройство малого размера представляет собой преобразователь свет/цвет–напряжение. Основу датчика составляет массив фотодиодов и три трансимпедансных усилителя, интегрированные в КМОП ИС.

Рис. 33. Автомобильный датчик цвета ADJD=E622=QR999 Avago Technologies:
а — функциональная диаграмма датчика;
б — спектральная характеристика

Массив фотодиодов покрывается RGB-фильтрами, за счет чего датчик преобразует отфильтрованные выходы фотодиодов в три аналоговых выхода напряжения. Рабочая температура устройства –40…+85 °C, но рекомендуемые рабочие условия — при температуре 0…+70 °C, так же как и для двух других датчиков цвета от Avago, названных выше.

Датчик ADJD-E622-QR999 квалифицирован в соответствии с автомобильным стандартом AEC-Q100 и сконструирован для таких автомобильных применений, как освещение и подсветка приборных панелей, контроль освещения в салоне, панелей и дисплеев навигационных систем и т. д. Для этого датчика Avago Technologies выпускает набор разработчика HDJD-JD06 (рис. 34) и контроллер HDJD-J822, с помощью которого может быть сформирована система контроля цветов, работающая в замкнутом цикле.

Рис. 34. Набор разработчика HDJD=JD06 для автомобильного датчика цвета ADJD=E622=QR999 Avago Technologies:
а — плата контроллера датчика цвета;
б — модуль датчика;
в — CD с программным обеспечением;
г — USB=кабель

Vishay Intertechnology, Inc. (Vishay Semiconductors, Inc.) с 2004 года выпускает миниатюрный кремниевый планарный фототранзистор NPN TEMT6000 в корпусе 1206 (4^2) мм для поверхностного монтажа, основным назначением которого является автоматическая задняя подсветка или затемнение дисплеев в ответ на изменения в окружающем освещении (рис. 35а–в). Пиковая чувствительность датчика — на 570 нм (желто-зеленые участки видимого спектра). Устройство отличается повышенной чувствительностью к видимому спектру и подавляет инфракрасный спектр — для максимальной адаптации к человеческому зрению. Датчик TEMT6000 отличается широким углом уменьшения чувствительности вдвое в ±60°.

Рис. 35. Оптоэлектронные датчики Vishay Semiconductor:
а — внешний вид фототранзистора NPN TEMT6000 в корпусе SMD;
б — спектральная характеристика фототранзистора;
в — внешний вид фототранзистора NPN TEMT6200F в корпусе SMD;
г — спектральная характеристика фототранзистора;
д — относительная чувствительность датчика к источнику света в зависимости от углового смещения;
е — внешний вид фототранзистора TEPT5700;
ж — спектральная характеристика фототранзистора;
з — относительная чувствительность датчика к источнику света в зависимости от углового смещения;
и — внешний вид фототранзистора TEPT4400;
к — внешний вид и функциональная схема рефлективного датчика TCND3000

Применения устройства включают как сотовые телефоны, ноутбуки и плазменные телевизоры, так и устройства автомобильных приборных панелей. Рабочая температура датчика –40…85 °C. Цена порядка $35,00 за 100 штук в количестве от 50 000.

В 2006 году компания Vishay добавила к семейству фотодатчиков, которое включает также рефлективные датчики и оптопрерыватели, три датчика ALS, предназначенные для автоматического контроля яркости LCD-дисплеев и реализации других функций с целью повышения комфорта водителя и безопасности: фототранзистор NPN TEMT6200F в корпусе для поверхностного монтажа 0805 и фототранзисторы TEPT5700 в 5-миллиметровом фотодиодном корпусе с плоским верхом и 3-миллиметровый датчик TEPT4400. Углы уменьшения вдвое чувствительности к интенсивности составляют ±60° для TEMT6200F, ±50° для TEPT5700 и ±30° для TEPT4400.

Максимальная спектральная чувствительность датчиков TEMT6200F — на длине волны 550 нм, TEPT5700 и TEPT4400 — на 570 нм. Прежде компания выпускала, помимо TEMT6000, датчик TEPT5600 в 5-миллиметровом корпусе.

Все эти устройства в двухвыводных корпусах по цене для клиента порядка $0,25 в количестве от 1 млн в год, помогают снижать энергопотребление за счет контроля яркости и подсветки дисплеев и клавиш в широком диапазоне применений. Цена снижается также за счет того, что внешний усилитель для этих датчиков — фототранзисторов — не требуется. В автомобильной сфере, где в первую очередь рекомендуется TEMT6200F, датчики ALS помогают осуществлять автоматический контроль фар, обнаружение туннелей и автоматически корректировать яркость дисплеев в зависимости от интенсивности окружающего света.

Среди других фотодатчиков Vishay автомобильного назначения интересен, например, миниатюрный рефлективный оптический датчик TCND3000 (рис. 35к), способный работать при ярком солнечном свете до 200 кЛюкс. Датчик позволяет определять приближение на расстоянии 2 см и обнаруживать касание (touch-функция) на расстоянии в 1 см от поверхности датчика. TCND3000 включает IR-источник света с пиковой чувствительностью на 870 нм (для исключения влияния на сигнал окружающего света) и фотодиод. Датчик комбинируется со схемой E909.01 на основе технологии ELMOS Semiconductor HALIOS (High Ambient Light Independent Optical System). Это устройство предлагается как недорогая альтернатива механическим переключателям — для повышения функциональности и уровня дизайна многих систем, включая автомобильные. Рабочий температурный диапазон –40…+85 °C.

Размеры корпуса TCND3000 5^2,6^3 мм, угол, на котором чувствительность уменьшается вдвое, составляет ±20°. Цена датчика невелика — $65 за 100 единиц в количестве от 50 000.

Microsemi Corp. выпускает линейку датчиков окружающего света видимого спектра, эмулирующих человеческий глаз, которая включает датчик общецелевого назначения LX1970 с линейным токовым выходом, датчик LX1971 с выходом square root и широким для автомобильных применений, миниатюрный двухвыводный датчик для недорогих клиентских применений LX1972. Рабочая температура всех устройств –40…+85 °C.

В отличие от многих неспециализированных датчиков, LX197x не требуют оптических фильтров для защиты от влияния ультрафиолетовых и инфракрасных длин волн, наводящих ошибки при настройке яркости с использованием обычных датчиков.

LX1970 в корпусе MSOP-8 представляет собой фотодиодный массив с интегрированными усилителями и токовой передаточной функцией. Пиковое спектральное срабатывание датчика — на 520 нм.

LX1971 — датчик света с уникальным диодным размещением, совместимый (pin to pin) с LX1970, также эмулирующий человеческий глаз (пик на 520 нм), и резким подавлением ультрафиолетовых и IR-лучей, но отличающийся более широким динамическим диапазоном (рис. 36а–г). Применения датчика включают контроль уличного или искусственного освещения, затемнителей или экранов, автомобильные задачи, решаемые посредством ALS, и контроль подсветки/затемнения дисплеев. Токовая передаточная функция датчика представляет собой квадратный корень от усиленного сигнала. Для оценки LX1971 Microsemi выпускает также оценочный комплект (рис. 36д).

Рис. 36. Датчики окружающего света Microsemi, рекомендованные для автомобильных применений:
а–г — датчик окружающего света LX1971:
а — внешний вид датчиков; б— функциональная диаграмма;
в, г — схема применения датчика (в) и выходная характеристика (г);
д — оценочный комплект датчика LX1971;
е–и — автомобильный датчик окружающего света LX1973B: е — функциональная диаграмма; ж— схема применения датчика;
з — выходная характеристика; и— спектральная характеристика датчика

LX1972 — недорогой кремниевый датчик света, эмулирующий человеческий глаз (пик на 520 нм), но с IR-срабатыванием менее чем ±5% и спектральной чувствительностью более 900 нм. Диодный массив датчика обеспечивает токовую передаточную функцию. Выходной фототок датчика может быть использован непосредственно или преобразован в напряжение. Токовые зеркала усиливают фототок до уровня чувствительности, который может быть преобразован в масштабируемое напряжение со стандартным номиналом внешнего резистора.

Новейшим дополнением к линейке устройств автомобильного назначения Microsemi является LX1973 (рис. 36е–и) — датчик с широким динамическим диапазоном и частично экспоненциальной выходной характеристикой, с технологией отмены темновых токов, оптимизированный для восприятия уровней низкого света. С 8-битным АЦП датчик детектирует уровни освещенности от 0,001 до 500 лк. LX1973 также отличается высоким PSRR в 35 дБ.

LX1973 рассчитан на автомобильные применения, такие как автоматический контроль яркости автомобильных дисплеев и фар или контроль контрастности зеркал заднего вида. LX1973 также подходит для многих других применений — например, ноутбуков, LCD-телевизоров и т. п.

OSRAM Opto Semiconductors предлагает на автомобильный рынок высокоточный датчик ALS SFH 5711 (рис. 37а–ж) со спектральной чувствительностью, максимально приближающейся к спектральной характеристике чувствительности человеческого глаза — с адаптацией к окружающему освещению и подавлением IR-лучей (рис. 37е). Логарифмический выход датчика SFH 5711 (рис. 37б–г) обеспечивает работу датчика с высокой точностью в широком динамическом диапазоне. Передаточная функция составляет 10 мкА/дек. Угол уменьшения чувствительности вдвое — ±60°. SFH 5711 отличается низким температурным коэффициентом. Напряжение питания датчика 2,3–5 В. Размеры корпуса составляют 2,8^2,2^1,1 мм с чувствительной областью 0,4^0,4 мм. Основные применения этого датчика — автомобильные, включая контроль дисплеев, приборных панелей, подсветки, фар, дисплеев HUD. В сотовых телефонах устройство может быть использовано для контроля подсветки дисплеев и клавиатур.

Рис. 37. Примеры датчиков окружающего света OSRAM Opto Semiconductors:
а–ж — высокоточный датчик окружающего света SFH 5711:
а — внешний вид датчика;
б — функциональная диаграмма;
в — выходной ток Iout в зависимости от яркости EV в лк; Iout = S *log(EV/E0) с E0 = 1 лк и S = 10 мкА/дек (логарифмический выход преобразует равные соотношения детектируемых уровней яркости EV1, EV2 в уровни выходного тока с равными шагами (I2, I1));
г — сравнение схем применения детектора с линейным выходом (слева) и детектора с логарифмическим выходом (справа): для достижения достаточного разрешения при различных уровнях яркости рабочий диапазон линейного детектора регулируется различными резисторами;
д — спектральные чувствительности всех датчиков окружающего света OSRAM в сравнении с кремниевым фотодиодом и человеческим глазом;
е — прочтения детекторов различных источников света, но с одинаковой яркостью (значения нормализованы к источнику света A (2856 K); данные измерений яркости показывают значительные отклонения стандартного Si фотодиода вследствие его чувствительности к инфракрасным лучам и высокую точность измерений датчика SFH 5711);
ж — характеристика уменьшения чувствительности датчика SFH 5711 в зависимости от углового смещения;
з — датчик=фотодиод SFH 2430 автомобильного назначения;
и — относительная чувствительность датчика SFH 2430 в зависимости от углового смещения;
к — датчик=фототранзистор SFH 3410 автомобильного назначения; л — фототранзистор SFH 3710 для промышленных применений

Другие ALS автомобильного назначения OSRAM — это фототранзистор SFH 3410 с подавлением IR света и SFH 2430 — фотодиод с высокими рабочими характеристиками и очень заметным подавлением IR-лучей (рис. 37з–к, рис. 37е). Компания также выпускает SFH 3710 для промышленных применений (рис. 37л). Дополнительные сведения по датчикам OSRAM можно получить на сайте компании.

Помимо ALS, компания OSRAM производит и разрабатывает многие другие оптоэлектронные излучатели, например, IR-светодиоды, мощные лазеры и детекторы, привнося свой вклад в дорожную безопасность — надежность и точность. В настоящем OSRAM совместно с партнерами разрабатывает инфракрасную систему ночного зрения на основе мощных лазеров.

Заключение

Датчики окружающего света/цвета играют все более возрастающую роль в автомобильных применениях, начиная от датчиков дождя и контроля работы стеклоочистителей до оптимального управления подсветкой и корректировки настроек дисплеев, автоматического включения/выключения фар и контроля контрастности зеркал заднего вида. Низкая цена, эффективность и достаточно высокий уровень многих технологий датчиков света/цвета дают возможность разработчикам повышать эргономику дисплеев, приборных панелей, зеркал и качество визуального восприятия информации, предоставляемой камерами, оптимизировать цветопередачу, выполнять контроль экранных цветовых режимов и доступных функций в зависимости от окружающих условий. Все эти полезные признаки помогают повышать видимость объектов, окружающих автомобиль, и уменьшать отвлечение водителя, привнося тем самым заметный вклад в дорожную безопасность.

Литература

20. Ambient Light Sensing and Safety for In-vehicles Displays. Lee G. W. White Paper Texas Advanced Optoelectronic Solutions, Inc. www.taosinc.com/downloads/pdf/in-vehicle.pdf
21. Ambient Light Sensing. Presentation for Safety for In-vehicles Displays. Lee G. W. Texas Advanced Optoelectronic Solutions, Inc. Oct, 2003. www.taosinc.com/ downloads/pdf/PV2003.pdf
22. Berlien J., King R. Choosing color sensors. Three cost-effective approaches have advantages and tradeoffs., Texas Advanced Optoelectronic Solutions. www.electronicproducts.com/ShowPage.asp?SECTION=3700&PRIMID=&FileName=JUNTAO1.JUN2003
23. Berlien J. Color Classification with the TCS230. Identifying and Sorting Colors by Hue. Texas Advanced Optoelectronic Solutions. 3/4/04. www.taosinc.com/application.asp?cateid=11&appid=18, www.taosinc.com/downloads/pdf/ DN11_Color.pdf
24. Holland W. E. Automotive Design and Optoelectronic Sensors— An Emerging Alliance That Promises to Light the Road to the Future. Automotive Market Specialist, Texas Advanced Optoelectronic Solutions, Inc. (Plano, TX) www.taosinc.com/downloads/pdf/gamt2003.pdf
25. Ambient Light Sensing using Agilent HSDL-9000. White Paper Agilent Technologies, Inc. May 2003. www.avagotech.com/assets/downloadDocument.do?id=1876 (файл 5988-9361EN.pdf)
26. Agilent HSDL-9000/1. General Application Guide. Application Note 5099. Dec 2004. www.avagotech.com/assets/downloadDocument.do?id=997
27. ADJD-E622-QR999 RGB Color Sensor in QFN Package. Data Sheet. Avago Technologies, June,2006. www.avagotech.com/assets/download-Document.do?id=5361 (AV01-0143EN.pdf)
28. HDJD-JD06 Development Kit User guide. Avago Technologies. August 14, 2006. www.avagotech.com/ assets/downloadDocument.do?id=8641(AV01-0358EN.pdf)
29. LX1971Wide Range Visible Light Sensor. PRODUCTION DATA SHEET. Rev. 1.1b,2005-08-10. Microsemi Integrated Products. www.microsemi.com/datasheets/lx1971.pdf
30. LX1973. Automotive Light Sensor. PRODUCTION DATA SHEET Rev. 1.0 2006-01-04. Microsemi Integrated Products Division. www.microsemi.com/datasheets/lx1973.pdf
31. Silicon eye— Ambient Light Sensor. The New Silicon Sensor Seeing Light The Way. Техническая информация OSRAM Technologies. www.catalog.OSRAM-os.com/media/_en/ Graphics/00030937_0.pdf
32. Ambient Light Sensors. General Application Note. OSRAM Opto Semiconductors, Jul 2006. www.catalog.osram-os.com/media/_en/Graphics/00039056_0.pdf
33. High accuracy Ambient Light Sensor SFH 5711. Application Note. OSRAM Opto Semiconductors, 2006. www.catalog.osram-os.com/media/_en/Graphics/00039059_0.pdf
34. Ambient Light Sensors SFH3410, SFH3710. Application Note. OSRAM Opto Semiconductors, 2006. www.catalog.osram-os.com/media/_en/Graphics/00039053_0.pdf

Светлана СЫСОЕВА

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы