利用红外线传感器实现接近感应应用

在消费电子产品中，接近感应作为一种探测用户身体或手部存在的方法，越来越为人们所接受。该技术也能够用于动作感应，如检测用户手势。用户手势作为一种输入，可以应用于许多设备，如手机、计算机和其他家用电子产品。
    要理解动作感应系统设计的理论基础，需要了解红外线(IR)与可见光的差异，探讨接近和动作感应系统如何在单一LED 下运行，以及动作感应在使用多个LED 进行多接近测量时如何工作。

当我们谈及"光"时，通常指的是来自太阳或灯具的可见光，然而，可见光仅占光谱范围中的一小部分。我们把可见光定义为人眼可以识别的所有光线，通常人眼可以识别的光线波长为380-750nm。那么，人眼无法识别的非可见光（如波长为850 nm 光）又如何呢？

IR 辐射光的波长为750nm-1000μm，IR 光与可见光有着相同的特性，例如反射率，而且它可以通过特殊灯泡或发光二极管生成。因为人眼无法看到IR 光，所以我们可以用它来完成一些特殊的人机界面任务，例如接近检测，而无需用户与系统进行任何直接接触。

IR 接近传感系统能够检测附近物体的存在，并根据检测结果做出反应。IR 接近检测的应用无处不在。 例如，手机可以使用接近传感技术检测通话时手机是否接近面部。当你把手机靠近耳边时，手机将检测 到头的存在，从而自动关闭屏幕以节省电能。其他接近感应系统的例子包括皂液器和饮水机，你可以把 手放在传感器附近（通常在皂液管或水龙头附近），以"非接触"而又卫生的方式获取皂液或水。

在高端 汽车上，外部防碰撞系统也使用接近检测，当汽车与其他汽车或者物体太靠近时，接近检测会提醒司机 注意。有些车辆还可以使用车内接近感应系统检测乘客的存在，从而调整安全装置（如安全气囊）。 接近检测通过专门设计的IR LED 实现。与IR LED 相对应的是光电二极管，它一般用来检测LED 发出 的IR 光。当IR LED 和光电二极管同方向放置时，光电二极管将不会检测到任何IR 光，除非有物体在 LED 的前面，将光反射回光电二极管。反射回光电二极管的光强与物体到光电二极管的距离逆向相 关。

图 1：一维空间动作检测

单一 LED 和光电二极管相结合可以检测一些动作，例如可以检测物体是否靠近或远离光电二极管，这 仅仅是一维空间检测。假设一个系统，其布局如图1 所示，单一LED 系统仅使用LED1 与IR 传感器。 图2 是三个手势动作过程中Silicon Labs Si1120 传感器感应IR LED 后的输出值，其中Y 轴是反射的 IR 光强，X 轴是时间。三个手势包括沿图1 X 轴从左到右的滑动，沿Y 轴从底部到顶部的滑动，以及 沿Z 轴由远及近，然后由近及远的往复动作。图2 表明，单一LED 系统不能区分这些手势，使用单一 LED，系统只能检测到物体正在接近或远离传感器，而不能判别其方向。

图 2：单一LED 系统性能分析

二维空间检测由位于不同位置的两个LED 和单个光电二极管组成。从LED1 得到一个测量值，然后快 速从LED2 获得另一个测量值，两个测量值被用于计算二维空间上的物体位置。其中一维空间是接近 LED1（左）或接近LED2（右），而另一维空间是接近或远离光电二极管。图3 是与图2 相同的三个 手势，其中白线代表从LED1 中读出的数据，红线代表从LED2 读出的数据。从左到右滑动过程中，白 线上升，然后是红线。当手从左到右滑动时，LED1 反射IR 光到传感器，然后是LED2。

图 3：二维空间中手势性能分析来源：互联网 [p]

三维空间动作检测由三个LED 和单个光电二极管组成。LED3 与LED1、LED2 不在同一直线上，如图 1 所示，可以把LED1 和LED2 之间的连线看作X 轴，LED1 和LED3 之间的连线看作Y 轴，从光电二 极管和LED 到被测物体之间的连线看作Z 轴。图4 显示了与图2 和图3 相同的测量过程，其中蓝线代 表LED3 的测量数据。当手从左向右滑动时，因为手在LED1 和LED3 上同时通过，LED1 和LED3 数 据线同时上升，然后是LED2 数据线。当手从底部向顶部滑动时，因为手先遇到来自LED3 的IR 光， LED3 数据线上升，然后是LED1 和LED2。当往复动作时，因为手在整个过程中都反射等量的LED 光，三个LED 测量值是相同的。

图 4：加入LED3 后，三维空间中动作性能分析

当 IR LED 和IR 传感器应用于产品时，这些组件通常不会用作装饰目的而放在外面，终端产品至少需 要一个开口或透明窗口，让IR 光透过。

IR LED 从窗口中照射出，被外部物体反射后，通过窗口进入Si1120 传感器。单一窗口配置的主要缺点 是：窗口将导致一些光线被内反射到Si1120，即使在检测范围内没有外部物体时，大量反射光也可能 导致传感器输出。

双窗口设计使用其中一个窗口用于IR LED，另一个窗口用于传感器。通过在LED 和传感器之间进行适 当的隔离，设计消除了内部反射的问题，为系统提供更好的敏感性和检测范围。

对于 IR 接近感应系统设计而言，选择何种IR LED 是一项非常重要的决定。IR LED 视角对最大检测距 离和范围有很大影响。从LED 射出的IR 光形成一个圆锥状，圆锥顶角（大多数LED 能量从这里输 出）被称为LED 视角。

图 5：窄视角和宽视角IR LED 的差异

所有的 LED 都有一个特定的视角，一个窄视角LED 意味着发出的能量更加集中，比宽视角LED 照射 的更远。这意味着使用窄视角IR LED 将在窄检测区域中形成更远的检测范围，图5 说明了窄视角和宽 视角IR LED 的差异。

当设计 IR 系统时，系统中被测物体的特点也是需要重点考虑的。除了用于检测手势，IR 接近感应系统 也能被用于检测无生命物体，如车库门（打开或关闭）。检测较大物体时，由于有更多的IR 光被反 射，检测距离将更远。物体的颜色是另一个需要考虑的因素，因为IR 光与可见光有相同特性，浅色物 体比深色物体反射更多光线。物体的颜色越深，越要接近IR 系统，因为仅有来自IR LED 的少量IR 光 被反射到IR 传感器。

在消费电子、工业和汽车领域应用中，许多电子系统从非接触式反射中受益。IR 接近感应为需要检测 物体存在的系统提供了一个最佳方法。接近感应也可用于检测最多三维空间内的动作，甚至是手势，使 得下一代电子产品的人机界面更先进、更直观。