实验室用智能设备环境光传感器校准专用光源设计方案

1.设计背景
理想的环境光传感器（以下简称ALS）应与人眼有相同的光谱响应。但因技术和成本因素限制，现实中多采用RGB三基色探测器组合或者宽光谱响应的单颗探测器代替，这类似于采用探测器对环境光进行“采样”，通过分析采样数据来识别各种光环境，显然RGB三基色探测器组合采样点数比单颗探测器更多，获得的环境光信息也更为丰富，所以理论上能更好的识别光环境，进而有助于提升屏幕亮度调整等应用的智能程度。
RGB三基色探测器“采样”质量无疑会极大影响ALS性能。良好的校准是ALS的性能必要保障。最理性的校准是将待测ALS放置在各种真实环境里，测试其响应，但是这在速度和经济上都不可行。采用卤素灯、荧光灯或氙灯等作为光源的光环境模拟设备，也因为体积大，成本高和操作复杂等缺陷局限在实验室应用领域。对于产线应用环境，高均匀度，高稳定度，体积小，速度快，价格低和寿命长的校准光源才是最合适的。针对此需求，Randn开发了智能设备环境光传感器校准的专用光源。该光源采用RGB三色LED光源来实现对各种环境光的模拟，并且预设其输出强度，使得客户可以方便的切换。
2. 设计原理
下图是一款典型的RGB传感器的响应曲线和结构图。

图中的RBG三个通道获得的信号积分之比，即可被用来区别各种环境光。其中的绿色分量与人眼响应曲线有些接近，可以用来获取近似的照度值。
为了便于分析，我们将其响应提取成数据，并绘制出下图。

下图则列出了CIE标准的环境光，包括室内室外和外加的两种LED光源。这些光的能量分布都进行了归一化处理，我们要使用它们来计算其在RGB三个通道的能量积分。

具体的说这些光源包括：
1.3000K黑体，接近A光源和典型的卤钨灯；
2.CIE F2冷白荧光灯；
3.CIE F11 Philips TL84, Ultralume 40；
4.CIE D50 白天阳光；
5.3000K LED光源；
6.4780K LED光源；
这些光源的色坐标和色温如下表。

为了能达到上述要求，校准光源需要可以调节在RGB波段的输出，以模拟上述光源落在其中的能量积分。公式如下：

其中：
S是落在每个探测器（R,G,B）信号能量积分
Sλ是探测器的光谱响应率，见图2
Pλ是光源的相对光谱能量分布，见图3
表2列出了计算结果。

为了便于比较，我们将G通道作为基准，用B和R除以G，得到下表。这样就有了各种环境光在RGB ALS下的理论响应了。而Randn设计的光源可以轻松实现这些比例关系。

ALS的作用除了判别当前环境光的属性，还需要判断光线的强弱。通常是用照度这个指标。客户目前建议使用6500K色温的光源来实现照度校准。所以光源里也会集成6500K的LED作照度校准用。

3. 设计方案与系统指标
根据客户要求A光源和D55光源输出输出，并且输出照度不低于100,000lux，并且要求最小可以按照100lux这个量级的输出，要去切换速度快，并且要求有良好的均匀性。根据这个要求，
我们精心选择了多颗LED作为照度校准输出光源，保证LED光源的色温都保持在A光源的色温值、D55光源的色温值。我们现在采取的建议是通过软件控制，来调节电流的方式实现照度大小的变化。积分球方面我们为了适应客户尺寸需求可以设计开口正对或者向下的结构。内部采用美国 Spectraflect涂料，其在可见光部分的反射率可以达到96%-98%，这是确保光在从出口射出前充分反射的前提，提高输出照度，也就是高度均匀性的前提。充分的混合，不仅仅是照度均匀性的保证也是色度均匀性的保证。

硬件指标：
1. 积分球尺寸：4inch
2. 积分球开口大小1inch
3. 开口方式：圆形，开口向下
4. 照度均匀性 >=96%
5. 照度范围：100Lux-6500Lux
6. 涂层反射率 >=96% (VIS)
7. LED波长，色温
a) 380-780nm
b) D55色温
8. 电源的功率，电流电压精度
a) 功率 30V*5A
b) 电流精度 0.05% + 1mA
c) 电压精度 0.01% + 2mV
9. 使用寿命：20000小时 （理想条件下）
10. 重量：标准光源模块<5 kg