實(shí)驗(yàn)室用智能設(shè)備環(huán)境光傳感器校準(zhǔn)專(zhuān)用光源設(shè)計(jì)方案
1.設(shè)計(jì)背景
理想的環(huán)境光傳感器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)ALS）應(yīng)與人眼有相同的光譜響應(yīng)。但因技術(shù)和成本因素限制，現(xiàn)實(shí)中多采用RGB三基色探測(cè)器組合或者寬光譜響應(yīng)的單顆探測(cè)器代替，這類(lèi)似于采用探測(cè)器對(duì)環(huán)境光進(jìn)行“采樣”，通過(guò)分析采樣數(shù)據(jù)來(lái)識(shí)別各種光環(huán)境，顯然RGB三基色探測(cè)器組合采樣點(diǎn)數(shù)比單顆探測(cè)器更多，獲得的環(huán)境光信息也更為豐富，所以理論上能更好的識(shí)別光環(huán)境，進(jìn)而有助于提升屏幕亮度調(diào)整等應(yīng)用的智能程度。
RGB三基色探測(cè)器“采樣”質(zhì)量無(wú)疑會(huì)極大影響ALS性能。良好的校準(zhǔn)是ALS的性能必要保障。最理性的校準(zhǔn)是將待測(cè)ALS放置在各種真實(shí)環(huán)境里，測(cè)試其響應(yīng)，但是這在速度和經(jīng)濟(jì)上都不可行。采用鹵素?zé)?、熒光燈或氙燈等作為光源的光環(huán)境模擬設(shè)備，也因?yàn)轶w積大，成本高和操作復(fù)雜等缺陷局限在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)于產(chǎn)線應(yīng)用環(huán)境，高均勻度，高穩(wěn)定度，體積小，速度快，價(jià)格低和壽命長(zhǎng)的校準(zhǔn)光源才是最合適的。針對(duì)此需求，Randn開(kāi)發(fā)了智能設(shè)備環(huán)境光傳感器校準(zhǔn)的專(zhuān)用光源。該光源采用RGB三色LED光源來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)各種環(huán)境光的模擬，并且預(yù)設(shè)其輸出強(qiáng)度，使得客戶(hù)可以方便的切換。
2. 設(shè)計(jì)原理
下圖是一款典型的RGB傳感器的響應(yīng)曲線和結(jié)構(gòu)圖。
圖中的RBG三個(gè)通道獲得的信號(hào)積分之比，即可被用來(lái)區(qū)別各種環(huán)境光。其中的綠色分量與人眼響應(yīng)曲線有些接近，可以用來(lái)獲取近似的照度值。
為了便于分析，我們將其響應(yīng)提取成數(shù)據(jù)，并繪制出下圖。
下圖則列出了CIE標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境光，包括室內(nèi)室外和外加的兩種LED光源。這些光的能量分布都進(jìn)行了歸一化處理，我們要使用它們來(lái)計(jì)算其在RGB三個(gè)通道的能量積分。
具體的說(shuō)這些光源包括：
1.3000K黑體，接近A光源和典型的鹵鎢燈；
2.CIE F2冷白熒光燈；
3.CIE F11 Philips TL84, Ultralume 40；
4.CIE D50 白天陽(yáng)光；
5.3000K LED光源；
6.4780K LED光源；
這些光源的色坐標(biāo)和色溫如下表。
為了能達(dá)到上述要求，校準(zhǔn)光源需要可以調(diào)節(jié)在RGB波段的輸出，以模擬上述光源落在其中的能量積分。公式如下：
其中：
S是落在每個(gè)探測(cè)器（R,G,B）信號(hào)能量積分
Sλ是探測(cè)器的光譜響應(yīng)率，見(jiàn)圖2
Pλ是光源的相對(duì)光譜能量分布，見(jiàn)圖3
表2列出了計(jì)算結(jié)果。
| blue | green | red | |
| 3000K BB | 9.92 | 32.65 | 37.02 |
| CIEF11 | 5.1 | 29.22 | 8.1 |
| CIEF2 | 11.05 | 29.22 | 12.58 |
| D50 | 36.51 | 76.15 | 50.45 |
| 3000K SSL | 13.83 | 47.14 | 40.71 |
| 4760K SSL | 19.36 | 47.04 | 24.59 |
為了便于比較，我們將G通道作為基準(zhǔn)，用B和R除以G，得到下表。這樣就有了各種環(huán)境光在RGB ALS下的理論響應(yīng)了。而Randn設(shè)計(jì)的光源可以輕松實(shí)現(xiàn)這些比例關(guān)系。
ALS的作用除了判別當(dāng)前環(huán)境光的屬性，還需要判斷光線的強(qiáng)弱。通常是用照度這個(gè)指標(biāo)?？蛻?hù)目前建議使用6500K色溫的光源來(lái)實(shí)現(xiàn)照度校準(zhǔn)。所以光源里也會(huì)集成6500K的LED作照度校準(zhǔn)用。
3. 設(shè)計(jì)方案與系統(tǒng)指標(biāo)
根據(jù)客戶(hù)要求A光源和D55光源輸出輸出，并且輸出照度不低于100,000lux，并且要求最小可以按照100lux這個(gè)量級(jí)的輸出，要去切換速度快，并且要求有良好的均勻性。根據(jù)這個(gè)要求，
我們精心選擇了多顆LED作為照度校準(zhǔn)輸出光源，保證LED光源的色溫都保持在A光源的色溫值、D55光源的色溫值。我們現(xiàn)在采取的建議是通過(guò)軟件控制，來(lái)調(diào)節(jié)電流的方式實(shí)現(xiàn)照度大小的變化。積分球方面我們?yōu)榱诉m應(yīng)客戶(hù)尺寸需求可以設(shè)計(jì)開(kāi)口正對(duì)或者向下的結(jié)構(gòu)。內(nèi)部采用美國(guó) Spectraflect涂料，其在可見(jiàn)光部分的反射率可以達(dá)到96%-98%，這是確保光在從出口射出前充分反射的前提，提高輸出照度，也就是高度均勻性的前提。充分的混合，不僅僅是照度均勻性的保證也是色度均勻性的保證。
硬件指標(biāo)：
1. 積分球尺寸：6inch
2. 積分球開(kāi)口大小1inch
3. 開(kāi)口方式：圓形
4. 照度均勻性 >=96%
5. 照度范圍：100Lux-100000Lux
6. 涂層反射率 >=96% (VIS)
7. LED波長(zhǎng)，色溫
a) 380-780nm
b) A光色溫
c) D55色溫
8. 電源的功率，電流電壓精度
a) 功率 30V*5A
b) 電流精度 0.05% + 1mA
c) 電壓精度 0.01% + 2mV
9. 使用壽命：20000小時(shí) （理想條件下）
10. 重量：標(biāo)準(zhǔn)光源模塊<5 kg
11. 配備光線長(zhǎng)度≥1m
1． 系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用6inch積分球，開(kāi)口大小1inch，可以覆蓋傳感器Sensor的區(qū)域面積大小。
2． 精心篩選A光源色溫和D55色溫的LED作為核心的光源
3． 精心設(shè)計(jì)的Led光源的燈座和散熱冷卻裝置，保證LED光源輸出的穩(wěn)定。
4． 采用兩個(gè)直流電源，一個(gè)用于給A光源光源進(jìn)行供電，一個(gè)給D55光源供電。所有的LED均勻分布在積分球的四個(gè)位置上，保證開(kāi)口輸出的照度的均勻性。
5． 輸出的照度會(huì)預(yù)先在工廠校準(zhǔn)，并且提供校準(zhǔn)的測(cè)試報(bào)告
6． 通過(guò)軟件可以控制照度的輸出，并且切換不同色溫光源
7． 在積分球開(kāi)口配備標(biāo)準(zhǔn)光纖的適配器，可以直接光纖輸出用于照射客戶(hù)的手機(jī)傳感器。
8． 客戶(hù)可以通過(guò)自己的色亮計(jì)可以驗(yàn)證和監(jiān)控光源的輸出情況。
