Jak inteligentne czujniki rozszerzają naszą zdolność detekcji światła

Można wyobrazić sobie kamerę bezpieczeństwa stale monitorującą samochody na parkingu w nocy lub reflektory samochodu intuicyjnie przyciemniające i rozjaśniające się, gdy natężenie światła istotnie się zmienia, na przykład podczas wjazdu lub wyjazdu z tunelu. Innowacje w dziedzinie czujników światła otoczenia i czujników koloru pomagają określić, jak radzić sobie ze światłem wykraczającym poza to, co widzi ludzkie oko, zwiększając bezpieczeństwo i wydajność w zastosowaniach motoryzacyjnych i przemysłowych.

Zastosowania czujników światła otoczenia

Czujniki światła otoczenia i koloru umożliwiają inteligentne sterowanie oświetleniem w wielu zastosowaniach, poprawiając zużycie energii w domach i fabrykach oraz zwiększając bezpieczeństwo pojazdów dzięki adaptacyjnym reflektorom. Jednym z popularnych zastosowań czujników światła otoczenia jest detekcja dnia i nocy, która umożliwia automatyczną regulację oświetlenia zewnętrznego i systemów kamer bezpieczeństwa. W przypadku kamer ważne jest, aby czujniki światła otoczenia (ambient light sensors, ALS) charakteryzowały się wysokim współczynnikiem tłumienia podczerwieni, aby odfiltrować światło podczerwone z diod LED używanych do widzenia w nocy.

Wyzwania i wymagania projektowe

Projektowanie ALS i urządzeń wykrywających kolor wiąże się z wyzwaniami, takimi jak uzyskanie najwyższej dokładności, czułości i rozdzielczości, przy jednoczesnym uwzględnieniu ograniczeń obudowy i potrzeby integracji na poziomie systemu. Ponieważ wiele zastosowań wymaga precyzyjnych pomiarów światła do regulacji jasności wyświetlacza, sterowania oświetleniem samochodowym lub monitoringu wideo, typowe wymagania projektowe czujników światła otoczenia to wysoka dokładność i rozdzielczość. Czujniki ALS (przykładowo czujnik światła OPT4003-Q1 firmy TI), zapewniają elastyczność systemu w zależności od potrzeb aplikacji, umożliwiając czas reakcji na zmiany otoczenia z dostosowanymi czasami konwersji w zakresie od 600 μs do 800 ms na kanał w 12 krokach. Takie czasy konwersji sprawdzają się w zastosowaniach motoryzacyjnych, gdzie szybka regulacja jest niezbędna dla bezpieczeństwa podczas wjeżdżania i wyjeżdżania z tuneli. Czujnik OPT4003-Q1 może identyfikować źródła światła, w tym żarówki żarowe, halogenowe, światło słoneczne, diody LED i świetlówki, pomagając poprawić warunki pracy systemu, na przykład wykrywając, czy światło pochodzi z dobrze oświetlonego wnętrza, czy z zewnątrz, co wpływa na wybór reflektora.

System ALS można również wykorzystać do regulacji jasności w urządzeniach końcowych, takich jak pojazdy elektryczne (EV) i stacje ładowania pojazdów elektrycznych. Dzięki adaptacyjnej regulacji jasności ekran stacji ładowania pojazdów elektrycznych pozostaje widoczny w różnych warunkach oświetleniowych bez nadmiernego zużycia energii. Czujniki światła zwiększają również efektywność energetyczną i poprawiają komfort użytkowania wyświetlaczy w zastosowaniach elektroniki konsumenckiej, dzięki czemu urządzenia takie jak smartfony, laptopy, smartwatche i tablety są bardziej wydajne i płynne w obsłudze.

W zastosowaniach obrazowania i aplikacjach wykrywających kolor czujniki koloru zapewniają doskonały automatyczny balans bieli, kontrolę ekspozycji i wydajność w słabym oświetleniu, a także umożliwiają precyzyjną kalibrację kolorów wyświetlacza, jak pokazano na Rysunku 1.

Dwukanałowy czujnik ALS OPT4041 mierzy światło z charakterystyką widmową bardzo zbliżoną do charakterystyki ludzkiego oka i skutecznie filtruje zakłócenia w podczerwieni. Dopasowanie charakterystyki widmowej czujnika do charakterystyki ludzkiego oka jest kluczowe, ponieważ pomiary ALS pomagają w tworzeniu lepszych wrażeń oświetleniowych dla człowieka. Odrzucanie światła podczerwonego, którego ludzie nie widzą, jest kluczowym elementem tego dopasowania, co sprawia, że czujnik OPT4041 jest szczególnie skuteczny w zastosowaniach takich jak monitoring wizyjny. Czujnik OPT4041 może również rozpoznawać różne źródła światła i posiada szerokopasmowy kanał detekcji, który może wskazywać natężenie światła diod LED podczerwieni w kamerach.

Kolejnym wyzwaniem dla projektantów jest rozmiar obudowy i integracja. Wraz ze zmniejszaniem się rozmiarów elektroniki rośnie zapotrzebowanie na kompaktowe i elastyczne rozwiązania, które zmieszczą się w projektach o ograniczonej przestrzeni. Czujniki optyczne TI są dostępne w wielu wersjach obudów, w tym w obudowie PicoStar™ z czujnikiem skierowanym do dołu lub standardowych obudowach SOT (small-outline transistor). Ponadto rozwiązania TI z zakresu ALS i wykrywania koloru pomagają wydłużyć żywotność urządzeń oraz umożliwiają znaczne oszczędności energii i kosztów dzięki niskiemu poborowi mocy.

Wnioski

Czujniki światła otoczenia i koloru stają się coraz ważniejsze w coraz większej liczbie zastosowań: w motoryzacji urządzenia te poprawiają komfort użytkowania podczas jazdy nocą i w tunelach, a dzięki wyższemu współczynnikowi odrzucania podczerwieni, poprawiają także bezpieczeństwo w systemach kamer.

Wraz z rozwojem technologii można spodziewać się dalszych postępów w dziedzinie detekcji światła i koloru, takich jak skupienie się na wyższym współczynniku odrzucania podczerwieni, zintegrowane czujniki w organicznych wyświetlaczach LED w elektronice osobistej i samochodach, umożliwiające stosowanie ultracienkich ramek, a także jeszcze mniejszych obudów w zastosowaniach o ograniczonych rozmiarach. Czujniki światła otoczenia i koloru będą nadal poprawiać zdolność rozumienia i interakcji z naszym otoczeniem w sposób, którego jeszcze nie znamy.

Żródło: How intelligent sensors expand our detection of light, Celeste Waters, © Texas Instruments

Zapraszamy na TEK.day Gdańsk, 11 września 2025. Zapisz się tutaj!

Zdjęcie tytułowe: Freepik