可见光定位传感器：可见光传感器LX1970的原理及应用

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可见光传感器ＬＸ１９７０的原理及应用

作者：潘

建

来源：《电子世界》
2004
年第
03
期

LX1970
是一款采用新技术、具有模仿人眼感光效应的光传感器。该器件是专为监视平板
显示器的亮度控制系统的环境光线而设计的。它有一个独特的光电二极管阵列，在
520nm
时
有一个尖峰响应而在紫外和红外波长时就急剧衰减。这个光电二极管阵列具有非常精确、线性
和可重复的电流转换功能。光电流通过内部集成的一个高增益的运放后从电流源和电流接收两
个管脚输出。这些电流通过在一个或两个管脚之间增加一个电阻就能转换成电压，电压增益决
定于电阻值，典型的取值范围在
10
～
50
ｋ
Ω
之间。图
1
所示为
LX1970
的管脚排列。它具有像
人眼一样灵敏、无需滤光器、只需一个外加元件、无需外加放大器和低成本易使用的优点，可
广泛应用于对任何光照或显示应用的自动亮度控制系统中。

工作原理

LX1970
的引脚功能如附表所示。为了把光能量从
μW/cm2
转换成
cd/m2
就必须详细说明
一下光电系统。光电系统可以看作是光能的传递和接收系统，辐射能从目标
(
辐射源
)
发出后经
过中间介质、光学系统，最后被光电器件接收。光能的强弱是否能使接收器感受，这是光电系
统一个很重要的指标。光度学研究对可见光的能量的计算，它使用的参量称为光度量。以人的
视觉习惯为基础建立。
cd/m2
是衡量点亮的平板表面亮度强弱的单位。
μW/cm2
是衡量可见的
和不可见的光通量和电磁辐射通量强度的单位。转换的第一步就是把发光强度转换成通过了一
个对应的滤波片的照明通量。在正常环境中使用的是光适应曲线，在黑暗环境中使用的是暗适
应曲线。如果光波仅仅只有一种波长，只需一张表就会给出从
μW/m2
转换到
lx(lumens/m2)
的
转换因数。如果多使用一种光波，光的光谱就必须采用合适的滤光片才能测定总的照度。对于
适应于人眼的正常光线而言，最灵敏的波长是
555nm
。在
555nm
，转换的因数为
683lx=1W/m2=100μW/cm2
，因此，
555nm
时，
14.6μW/cm2=100lx
。转换的下一步就是把照度
变成亮度。照度的单位是
lx
或者
lumens/m2
。亮度的单位是
cd/m2
或者
lumens/m2-
球面度。假
设一束光照在一个理想的全反射的球面上，那么从
lx
到
cd/m2
的转换因数就是
3.14lx
产生
1cd/m2
。

如果光传感器有一个真实的光电响应，它就会产生和该束光强度相对应的输出电流，而不
管这束光的颜色。

应用实例

图
2
是一个没有用户干预的，应用
LX1970
进行自动减低亮度的实例。根据所需要的最小
亮度范围和斜率选择电阻
R1
和
R2
的值，选择
C2
来调整响应时间。
Vdd
接
3.3V
或者
5V
，
VOUT
接转换器的亮度输入或者
LED
的驱动控制器。

可见光传感器LX1970的原理及应用 第1张" title="可见光定位传感器：可见光传感器LX1970的原理及应用 第1张-传感器知识网"/>

可见光定位传感器：可见光传感器定义及分类

可见光传感器是将可见光作为探测对象，并转换成输出信号的器件。可见光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一。可见光传感器按照探测原理划分，主要分为以下几类：

森霸股份的可见光传感器产品主要涉及光敏电阻、光敏三极管、CMOS线性可见光传感器，其特性及应用领域如下：

类别

主要特性

应用领域

光敏电阻

光敏电阻是一种半导体材料制成的电阻，通常以环氧树脂材料封装，属半导体光敏器件。其电阻随着光照度的变化而变化，可利用这一特性制成不同形状和受光面积的光敏电阻。其具有灵敏度高，反应速度快，光谱特性一致性好等特点，另外在高温、高湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，光谱响应接近人眼函数曲线。

光控开关、光控玩具、户外照明、光电控制、相机测光、安防等

光敏三极管

光敏三极管是一种基级接受光线变化的三极管，其结构与普通三极管相似，也有电流放大作用，通常基极不引出。其内部的光电效应和电极无关，可以使用直流电源，并且电流输出稳定；它的灵敏度和半导体材料以及入射光的波长有关，感光波段广泛，灵敏度较高，性能稳定。使用寿命长，具有一定的线性，符合RoHS指令等。

智能家居、智能农业、摄像机、数码相机、智能手机、可穿戴设备等

CMOS线性可见光传感器

CMOS线性可见光传感器采用标准的半导体制造工艺，其内部芯片集成光电流放大器，而外围电路简单，可节省终端产品的制造成本。体积小，重量轻；响应速度较快，处理功能强，测量精度高。

可见光传感器细分领域概况
可见光传感器是将可见光作为探测对象，并转换成输出信号的器件。可见光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一，森霸股份的可见光传感器产品主要有光敏电阻、光敏三极管、CMOS线性可见光传感器等。下表为上述几种主要类型可见光传感器的性能对比：

序号

可见光传感器按技术含量分类

可见光传感器类型

价格

特性

响应

1

中低端传感器

光敏电阻

较低

阻值随光照变化

慢

光敏三极管

相对较高

电流随光照呈指数变化

快

2

高端传感器

CMOS线性可见光传感器

较高

电流随光照呈线性变化

快

在中低端可见光传感器中，光敏三极管的综合性能总体优于光敏电阻，在性能、应用范围等因素影响下，光敏三极管凭借着良好的综合性能，逐渐替代光敏电阻将成为大势所趋。
而以CMOS线性可见光传感器为代表的高端可见光传感器，其因暗电流小、灵敏度高、低照度响应、电流随光照度增强呈线性变化等特性，具备广泛的背光调节及节能控制等市场，广泛应用于电视机、电脑显示器、LED背光、智能手机、数码相机等产品，是可见光传感器未来重要的发展方向之一。

可见光定位传感器：可见光传感器的分类及应用领域

可见光传感器是将可见光作为探测对象，并转换成输出信号的器件。可见光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之一。可见光传感器按照探测原理划分，主要分为以下几类：
可见光传感器
传感器是能感受有规律的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。可见光传感器是将可见光作为被测量，并转换成输出信号的器件。
在中低端可见光传感器中，光敏三极管的综合性能总体优于光敏电阻，在性能、应用范围等因素影响下，光敏三极管凭借着良好的综合性能，逐渐替代光敏电阻将成为大势所趋。
光敏电阻是一种半导体材料制成的电阻，通常以环氧树脂材料封装，属半导体光敏器件。其电阻随着光照度的变化而变化，可利用这一特性制成不同形状和受光面积的光敏电阻。其具有灵敏度高，反应速度快，光谱特性一致性好等特点，另外在高温、高湿的恶劣环境下，还能保持高度的稳定性和可靠性，光谱响应接近人眼函数曲线。
光敏三极管是一种基级接受光线变化的三极管，其结构与普通三极管相似，也有电流放大作用，通常基极不引出。其内部的光电效应和电极无关，可以使用直流电源，并且电流输出稳定；它的灵敏度和半导体材料以及入射光的波长有关，感光波段广泛，灵敏度较高，性能稳定。使用寿命长，具有一定的线性，符合RoHS 指令等。
CMOS 线性可见光传感器采用标准的半导体制造工艺，其内部芯片集成光电流放大器，而外围电路简单，可节省终端产品的制造成本。体积小，重量轻；响应速度较快，处理功能强，测量精度高。
可见光传感器
著名传感器线上商城工采网从韩国GENICOM公司进口了两款质量和性能都很优秀的可见光传感器，分别是芯片小于0.4mm，SMD3528封装,铟镓氮材料,PN型光电二极管,光伏模式操作，高响应，低暗电流的可见光传感器 - GVBL-S12SD，以及芯片小于0.4mm，TO-46封装，铟镓氮材料，PN型光电二极管，光伏模式操作 的可见光传感器 - GVGR-T10GD。广泛应用于UV LED监控（385，405nm等）、蓝光LED监控、UVA波段紫外灯监控以及UV固化等领域。
可见光传感器的四点特性：
1、暗电流小，低照度响应，灵敏度高，电流随光照度增强曾线性变化。
2、内置双敏感源，自动衰减近红外，光谱响应接近人眼函数曲线。
3、内置微信号CMOS放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大，工作电压范围宽，温度稳定性好。
4、可选光学纳米材料封装，可见光透过，紫外线截止、近红外相对衰减，增强了光学滤波效果。
可见光传感器的应用领域：
1、背光调节:电视机、电脑显示器、LED背光、手机、数码相机等。
2、节能控制:室外广告机、感应照明器具、玩具。
3、仪器仪表:测量光照度的仪器及工程控制。
4、环保替代:替代传统光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。

可见光定位传感器：基于成像传感器的可见光定位理论与技术研究

【摘要】：LED(Light-Emitting Diode)可见光定位技术是在可见光通信基础上,利用LED的位置码及其发出光信号所携带的信息,对目标接收机进行定位。它具有定位精度高、实现简单、无电磁干扰等优点;可广泛应用于大型商场、地铁等公共场所及医院、科学实验室等射频敏感场所。成像传感器(Image Sensor,IS)的空间分离特性使其能够空间分离不同白光LED光源发出的信号,空间分离有用信号源与噪声源,从而有效地滤除噪声并检测出有用信号。并且随着移动终端及可穿戴设备上相机或成像传感器的广泛普及,使得研究基于IS的LED可见光定位技术具有了实际的应用需求。基于IS的LED可见光定位技术涉及LED可见光通信、计算机视觉与摄影测量等多个学科。其中,如何确定成像传感器接收机(简称成像接收机)的位置及姿态,并提高其定位精度及定姿精度是研究的难点。因此,研究基于IS的LED可见光定位具有重要理论意义和应用价值。本文提出了成像接收机位置的参数估计算法,以及成像接收机姿态的参数估计算法;该研究为基于IS的LED可见光定位技术奠定了统计分析的理论基础。进而确定了定位估计精度与定姿估计精度的理论极限,即克拉美罗下界(Cramér-Rao Lower Bound,CRLB);理论极限的确定,为LED光源、成像传感器以及收发机之间的通信距离等参数优化设计指明方向;在此基础上,提出了I2V(Infrastructure-to-Vehicle)车辆定位算法、V2V(Vehicle-to-Vehicle)相邻车间距及相邻车方向估计算法,为室外场景下基于IS的可见光定位应用提供理论基础,并具有实际的指导意义。论文的主要研究工作及贡献如下:(1)针对LED成像点的观测值受高斯白噪声影响情况,提出了室内成像接收机位置的最大似然估计算法,该参数估计算法为基于IS的LED可见光定位技术奠定了统计分析的理论基础;然后,确定了室内成像接收机定位估计精度的理论极限,即克拉美罗下界(CRLB),CRLB提供了无偏估计的均方误差所能达到的绝对下限;最后仿真分析了典型室内场景下收发机参数对CRLB的影响,仿真结果表明:室内成像接收机的定位估计精度,与成像接收机距LED发射平面的垂直距离、成像接收机的透镜焦距、像素宽度以及帧速率等参数有关。可实现精确的室内成像接收机定位,定位精度一般处于毫米量级。(2)为了精确确定相机或成像传感器在三维空间中的空间状态,提出了室内成像接收机的位置与方位旋转角的联合最大似然估计算法,实现了成像接收机的姿态估计;进而确定了室内成像接收机定姿估计精度的理论极限,即CRLB;最后,通过数值仿真分析了典型室内场景下收发机参数对CRLB的影响,仿真结果表明:室内成像接收机的定姿估计精度,与所用LED的数目以及成像接收机的透镜焦距、像素宽度、帧速率等参数有关。可实现精确的室内成像接收机姿态估计,其中位置估计误差一般处于厘米量级,方位旋转角估计误差一般小于1度。(3)针对I2V室外场景下的基于IS的LED可见光定位,提出了I2V车辆定位的最大似然估计(MLE)与最小二乘估计(LSE)算法,利用交通路口的LED交通信号灯发出的信号以及LED光源在车载成像接收机中的图像对车辆进行定位;然后确定了车辆定位估计精度的CRLB,并将CRLB与MLE算法、LSE算法的均方定位误差性能进行了比较;最后仿真分析了典型室外场景中收发机参数对CRLB的影响,仿真结果表明通信距离恒定时,室外I2V车辆定位的估计精度取决于所用的LED数目,以及成像接收机的透镜焦距、像素宽度、帧速率等参数。当LED阵列发射机与成像接收机的通信距离为30米时,可实现精确的I2V车辆定位,定位估计误差一般小于0.1米。(4)针对V2V室外场景下的基于IS的LED可见光定位,提出了一种V2V相邻车间距估计方法,利用前车的LED光源在后车的车载成像接收机内的成像来估计前后相邻车之间的间距;进而利用最大似然姿态估计算法确定前后相邻车辆之间的方向旋转角度;最后进行了数值仿真,仿真结果表明前后相邻车之间的距离估计精度取决于LED成像中心的估计精度,且前后相邻车方位旋转角的估计精度与相邻车间距有关,当前后相邻车间距小于35米时,相邻车方位旋转角估计误差一般小于1度。