數位環境光及距離感測器 Everlight APM-16D24-310 應用手冊 V1.1

一、簡介： 

    APM-16D24-310-DF8/TR8為數位I2C介面之感測器，其中整合了環境光感測元件(Ambient Light  Sensor; ALS)、接近式感測(Proximity Sensor; PS)與紅外線(IR)為一體之共同模組。ALS 可以感測到和 人眼接收感覺類似的光源，並讓相關的應用產品根據感測到的光源資訊做相應的開、關及自動調整控制(例如：暗環境下的補光或是降低螢幕背光亮度)，以達到省電及安全的目的；PS 則是跟 IR 搭配用來偵 測物體距離的遠或近，以此控制產品的開或關。 

                           圖一、APM-16D24-310-DF8/TR8 內部方塊圖 

二、  環境光感測部分：照度(Illuminance)轉換方式： 

    地球上充滿了各種波長的電磁波，依波長從短到長可分為紫外線(Ultraviolet; UV)、可見光(Visible  Light)及紅外線(Infrared; IR)，而照度定義的可見光為人眼可見的電磁頻譜，其波長為 380~770nm， 而 ALS 主要就是偵測此段波長的電磁波強度。 

                           圖二、電磁波波長分類 

    在 380~770nm 的可見光波段中，在較明亮環境中人眼對 555nm 波長的綠色光最為敏感，而假設 其他可見光波長跟555nm的光產生同樣亮暗感覺所需的光通量為X(λ，則555nm的光通量和其他 X(λ) 的比值可描出所謂的視見函數(visual sensitivity function)。照度的定義是需參考視見函數的，因不同的 光源在不同的波長會有不同的輻射強度，而 ALS 的鍍膜並不會跟視見函數完全相同，故 ALS 得到的Count 值須經過轉換才能得到照度值(Lux)。不同光譜的光源可能會得到不同的 Count 值，這樣換算出 的照度值也會有差異。 

    億光的 APM-16D24-310-DF8/TR8 因內部封有三顆不同鍍膜的光二極體(Photo Diode; PD)，如下 圖三，不同的 PD 對不同光譜的光會有不同響應，利用此特性可區分出不同的光源，然後根據不同的光 源給予不同的換算公式，如此可解決上述相同照度下，不同光譜的光源若用相同公式會得到不同照度值 的問題。 

                           圖三、APM-16D24-310-DF8/TR8 各 PD 及人眼光譜響應圖 

    把 ALS channel 讀到的 count 值轉換成照度流程如下： 

1. 準備不同的光源，例如：白光 LED、螢光燈、白熾燈及標準光源 D65…等，還有標準件(標準照度計)。 

2. 使用第一種光源同時照射ALS及照度計，接著紀錄照度計的讀值Ev，並適當調整暫存器(Register) ALS_GAIN(0x04)及 ALS_TIME(0x05)的設定，同時記錄 ALS CH0(0x1C, 0x1D)及 CH1(0x1E,  0x1F)的讀值。調整時，需考量最大使用環境照度，設計當 ALS 的輸出飽和時的處理。 

3. 把 CH0/CH1 的比值當成 R(1)。
4. 計算係數 K(1) = Ev/CH0。
5. 此光源的照度 Lux = CH0 * K(1)
6. 換第二種光源並重複上述步驟 1~5，可得到不同的比值 R(n)及係數 K(n)。
7. 把相對應的光源跟比值 R(n)及係數 K(n)搭配就可得到不同光源的 Lux 轉換公式。

       底下圖四為 ALS 讀值轉換成照度流程圖。 

                           圖四、ALS 暫存器讀值轉換成照度流程圖 

• l  在做區分光源的 R(n)分組時，須保留切換緩衝區(buffer)。 
• l  計算係數 K(n)時，建議讓 K 值小於 2，若 K 值過大，可回到第 2 步調整暫存器 ALS_GAIN(0x04)及 ALS_TIME(0x05)的設定。 
• l  每顆 APM-16D24-310-DF8/TR8 鍍膜及製程都會有些微差異，換算出的 Lux 也會有誤差，故若產品要求的精確度較高時，需針對每顆 APM 進行校準。 
• l  ALS_TIME(暫存器 0x05)是 ALS 的 ADC 轉換時間，此暫存器值設越大表示積分時間越長，而輸出的解析度也會越高，此值最大為 0xFF，但只要設到 0x3F 就可得到 16 bit(0~65535)的最大輸 出解析度。除非要量測非常低亮度的情況或是受限機構造成 ALS 進光量太少才須把值設超過 0x3F，此值越大 ALS 的量測時間也越久，詳細數字可參考規格書。 
• l  ALS_GAIN(暫存器 0x04)則是調整 ALS 內部放大器的增益值(一般設定為 0x00 即可，除非進光量 較小可設為 0x01)，此值越大，在同光源下的輸出值越大，此設定並不會增加 ALS 的量測時間。 
• l  APM-16D24-310-DF8/TR8 也有中斷觸發功能，若有需要使用，詳細的使用方式及暫存器設定方式可參考規格書。 
• l  可利用程式控制實現 de-bounce 或 smooth 機制，避免環境光快速變化時，受控產品會有閃爍現象發生。 

三、  接近感測(PS)部分： 

       接近式感測器通常使用在判斷物體與 APM 距離之遠、近。其原理為利用 IR LED 發射紅外線並靠 APM內的PD偵測被物體反射回來的紅外線強度，利用其所偵測到的強度來判斷距離遠近。接近感測(PS) 動作原理請參考圖五。 

                           圖五、接近感測原理 

       因外部環境可能也會有 IR 成分的干擾存在，為避免干擾，APM 並不會持續不間斷的發射 IR，而是 利用脈衝(Pulse)的方式並偵測有發射及無發射時的變異量，判斷是否為物體接近時反射的 IR。當物體越 靠近感測器，則 APM 讀到的的數值就會越高，把不同距離得到的讀值記錄下來可畫出類似圖六的距離 跟 APM 讀值關係圖。以圖六為例，能分辨的距離範圍約為 1~7 公分。
 

                           圖六、物體距離偵測曲線圖 

• l  不同的材料會有不同的反射率。顏色越深，表面越粗糙的物體反射率越差，得到的讀值及畫出的曲線也會不同。 
• l  不同的暫存器(Register)設定會得到不同的特性曲線。 

              從圖六可發現在偵測距離最遠時的讀值不為 0，原因是若 ID 設計不想讓使用者直接看到 APM 本體，通常會在 APM 上方加半透明的 cover lens，而此 lens 會造成 IR 在機構內反射，使得 APM 會有 一背景雜訊存在。APM 及 lens 間的間隙(gap)也會影響 PS 的性能，示意圖如圖七。 

                           圖七、加上 Lens 後產生的機構內反射 

       PS 在調整參數時常會用到底下幾個暫存器，分別是 LED_CTRL(0x06)、PS_GAIN (0x07)、PS_PULSE  (0x08)、PS_TIME(0x09)、PS_OFFSET_L(0x14) 及 PS_OFFSET_H(0x15)。其中 LED_CTRL 及 PS_PULSE 是跟 IR 發射有關的暫存器；PS_GAIN、PS_TIME、PS_OFFSET_L 及 PS_OFFSET_H 則是跟 PD 接收有關 的暫存器。底下為暫存器的特性說明： 

• l  PS_GAIN 是調整 PS 內部放大器的增益值，預設值為 0，一般此值可設為 0x00 或 0x01。 
• l  PS_TIME 是 PS 的 ADC 轉換時間，此暫存器值設越大表示積分時間越長，而輸出的解析度也會越高，此值最大為 0x0F，此時解析度為 12 bit(0~4095)。此值越大 PS 的量測時間也越久，詳細 數字可參考規格書。若 APM 整體量測時間可接受，建議此值可設為 0x0F(最大解析度)。 
• l  LED_CTRL 此暫存器有兩個功能，分別是 bit 6 及 7 的 IR LED 驅動電流調整及 bit 0~5 的 IR LED脈衝寬度(pulse width)調整。圖八及圖九分別為其他條件固定下 IR LED 驅動電流及脈衝寬度調 整造成的曲線變化趨勢圖。 

                           圖八、LED 驅動電流調整變化趨勢
 

                           圖九、LED 脈衝寬度調整變化趨勢 

• l  PS_PULSE 是調整每個週期 IR LED 發射 PULSE 的次數，此值越大 PS 的偵測週期就越久，圖十為其調整趨勢變化圖。

                           圖十、調整 LED pulse count 趨勢變化圖 

• l  PS_OFFSET_L 及 PS_OFFSET_H 是用來補償底躁造成的干擾(尤其是有加上 lens 的情況)，圖八~ 十可看出加入 PS_OFFSET 對 PS 功能的影響，其設定值建議稍低於量出的底躁值(若高於底躁值 會造最大量測距離縮短)。 

四、  機構開孔建議： 

                           圖十一、開孔建議 

• l  增加 Dwindow 長度、縮短 Dairgap 距離或降低 DTP 厚度可增加 APM 的效能。 
• l  Dairgap 建議小於 0.4mm，DTP 建議小於 0.7mm。 
• l  開孔的建議公式可參考如下： Dwindow= tanθIR x (Dairgap + DTP) + tanθS x (Dairgap + DTP) + Dwidth 

• l  舉例:   假設 Dairgap = 0.3mm, DTP = 0.7mm, Dwidth = 2.37mm, θIR = 5°, θS = 25°   則  Dwindow= tan25° x             (0.3+0.7) + tan5° x (0.3+0.7) + 2.37  ≒ 2.92mm 

• l  開孔尺寸算出後，可依預估組裝公差，加大開孔尺寸。 
• l  若有加 Lens，則穿透率越高越好，若考量 ID 設計無法設太高，建議穿透率 550nm > 25%；940nm > 85%。 
• l  若 Dairgap 太大，可加裝如圖十二的軟性膠套增加密合度，降低底躁。 
• l  上述圖八~十都是在加上一 550nm 穿透率 17%、940nm 穿透率 90%的 lens 且在 APM 及 lens中間無間隙的情況下量出的曲線。Dairgap 對距離感測的性能影響可參考圖十三。 

                           圖十二、加裝軟性膠套圖 

                           圖十三、Air gap 對 APM 的影響