實驗室用智能設備環(huán)境光傳感器校準專用光源設計方案
1.設計背景
理想的環(huán)境光傳感器（以下簡稱ALS）應與人眼有相同的光譜響應。但因技術和成本因素限制，現實中多采用RGB三基色探測器組合或者寬光譜響應的單顆探測器代替，這類似于采用探測器對環(huán)境光進行“采樣”，通過分析采樣數據來識別各種光環(huán)境，顯然RGB三基色探測器組合采樣點數比單顆探測器更多，獲得的環(huán)境光信息也更為豐富，所以理論上能更好的識別光環(huán)境，進而有助于提升屏幕亮度調整等應用的智能程度。
RGB三基色探測器“采樣”質量無疑會極大影響ALS性能。良好的校準是ALS的性能必要保障。最理性的校準是將待測ALS放置在各種真實環(huán)境里，測試其響應，但是這在速度和經濟上都不可行。采用鹵素燈、熒光燈或氙燈等作為光源的光環(huán)境模擬設備，也因為體積大，成本高和操作復雜等缺陷局限在實驗室應用領域。對于產線應用環(huán)境，高均勻度，高穩(wěn)定度，體積小，速度快，價格低和壽命長的校準光源才是最合適的。針對此需求，Randn開發(fā)了智能設備環(huán)境光傳感器校準的專用光源。該光源采用RGB三色LED光源來實現對各種環(huán)境光的模擬，并且預設其輸出強度，使得客戶可以方便的切換。
2. 設計原理
下圖是一款典型的RGB傳感器的響應曲線和結構圖。
圖中的RBG三個通道獲得的信號積分之比，即可被用來區(qū)別各種環(huán)境光。其中的綠色分量與人眼響應曲線有些接近，可以用來獲取近似的照度值。
為了便于分析，我們將其響應提取成數據，并繪制出下圖。
下圖則列出了CIE標準的環(huán)境光，包括室內室外和外加的兩種LED光源。這些光的能量分布都進行了歸一化處理，我們要使用它們來計算其在RGB三個通道的能量積分。
具體的說這些光源包括：
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 白天陽光；
5.3000K LED光源；
6.4780K LED光源；
這些光源的色坐標和色溫如下表。
為了能達到上述要求，校準光源需要可以調節(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是落在每個探測器（R,G,B）信號能量積分
Sλ是探測器的光譜響應率，見圖2
Pλ是光源的相對光譜能量分布，見圖3
表2列出了計算結果。
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，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下的理論響應了。而Randn設計的光源可以輕松實現這些比例關系。
ALS的作用除了判別當前環(huán)境光的屬性，還需要判斷光線的強弱。通常是用照度這個指標?？蛻裟壳敖ㄗh使用6500K色溫的光源來實現照度校準。所以光源里也會集成6500K的LED作照度校準用。
3. 設計方案與系統(tǒng)指標
根據客戶要求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這個量級的輸出，要去切換速度快，并且要求有良好的均勻性。根據這個要求，
我們精心選擇了多顆LED作為照度校準輸出光源，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。我們現在采取的建議是通過軟件控制，來調節(jié)電流的方式實現照度大小的變化。積分球方面我們?yōu)榱诉m應客戶尺寸需求可以設計開口正對或者向下的結構。內部采用美國 Spectraflect涂料，其在可見光部分的反射率可以達到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：
1. 積分球尺寸：4inch
2. 積分球開口大小1inch
3. 開口方式：圓形，開口向下
4. 照度均勻性 >=96%
5. 照度范圍：100Lux-6500Lux
6. 涂層反射率 >=96% (VIS)
7. LED波長，色溫
a) 380-780nm
b) 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 （理想條件下）
10. 重量：標準光源模塊<5 kg
