摘要:

本文聚焦德州儀器（TI）產品，詳細闡述環境光傳感器與顏色傳感器在汽車領域的應用。開篇列舉 TI 環境光傳感器在汽車自動大燈控制、車內顯示設備亮度調節及車內氛圍營造等方面的實際應用實例，展現其對汽車智能化功能實現的重要作用。接著深入解釋 TI 環境光傳感器的常見參數，幫助讀者理解其性能指標。隨后最后對 TI 顏色傳感器展開介紹，涵蓋其功能特性等內容。同時針對環境光傳感器和顏色傳感器常見疑問點進行解析，消除讀者困惑。最后詳細講解環境光傳感器和顏色傳感器的產線校準流程和步驟，幫助客戶由了解到實際應用。通過對 TI 傳感器在汽車領域多方面的探討，為讀者呈現全面且深入的 TI 傳感器應用指南，助力讀者了解 TI 傳感器如何推動汽車行業向智能化、舒適化發展。

環境光傳感器在汽車上的應用實例

在科技飛速發展的當下，越來越多的汽車開始使用環境光傳感器，這一趨勢正深刻改變著汽車的使用體驗。環境光傳感器宛如汽車的 "光感衛士"，在現代汽車中扮演著至關重要的角色。從功能實現上看，環境光傳感器能夠精準檢測車外環境的光線強度，并將光信號巧妙轉化為電信號，進而自動調控汽車的多項關鍵功能。比如自動大燈控制：光傳感器可檢測車外光線的強度。當光線變暗時，如在夜間或進入隧道時，傳感器會自動觸發車輛大燈開啟；當光線變亮時，如白天或駛出隧道，大燈則自動關閉或切換為低光模式，為駕駛員提供良好的視野，同時避免不必要的能源消耗。

車內氛圍燈調節：根據環境光的變化自動調整車內氛圍燈的亮度和顏色。在白天，氛圍燈可以調暗或保持關閉狀態，以免影響駕駛員視線；而在夜間，氛圍燈可以自動變亮，并根據不同的駕駛模式或用戶偏好調整顏色，營造舒適的駕乘環境。

顯示屏亮度調節：車內的中控顯示屏、儀表盤等顯示設備會根據周圍光線條件自動調節亮度。在強光下，如陽光直射時，顯示屏會自動提高亮度，確保內容清晰可見；在弱光環境中，顯示屏則降低亮度，防止光線過強刺激眼睛，同時也能節省能源。

后視鏡自動防眩目：光傳感器能探測到后方車輛大燈的強光，并自動調節后視鏡的反射率，減少眩光對駕駛員視線的干擾，提高夜間行車的安全性。

天窗自動控制：一些車輛的天窗可以根據光線強度自動調節開合程度。在陽光強烈時，天窗可能會自動關閉或調整為遮陽模式，以減少車內熱量積聚和眩光；而在光線較柔和時，天窗可以自動打開，讓車內獲得更多自然光線和新鮮空氣。

TI 環境光傳感器OPT4001-Q1有著高速，高分辨率，超小型Picostar封裝，強大的紅外抑制功能，高人眼光譜匹配度，支持色溫檢測等卓越性能，深度融入汽車的照明、顯示、氛圍營造等多個關鍵環節，更為駕駛者和乘客帶來便捷、安全且舒適的優質出行體驗，圖1.1展示了TI環境光傳感器在汽車上的應用實例。

環境光傳感器介紹和參數解釋

TI 的 OPT4001-Q1 是一款汽車級高速高精度數字環境光傳感器。在性能特性上，OPT4001-Q1 通過高速 I2C 接口實現高精度、高速的光 / 數轉換。它采用精密光學濾波技術，光譜響應與人眼的明視響應高度契合，同時具備出色的近紅外（NIR）阻隔能力，能有效去除常見光源中的近紅外成分，確保測量的光強度精準可靠。?

在每個范圍內均呈現高度線性響應，測量范圍可達 400μlux 至 107klux，擁有 28 位有效動態范圍。其內置自動滿標度照度范圍選擇邏輯，可依據輸入光條件自動切換測量范圍，在不同光照環境下都能提供良好的分辨率，無需用戶手動根據照度級別選擇增益設置 。?

OPT4001-Q1 擁有 12 個可配置的轉換時間，范圍從 600μs 到 800ms，能很好地適配各種對高速和高精度有需求的汽車應用場景。例如在自動大燈控制場景中，快速的轉換時間可及時響應環境光變化，精準控制大燈的開啟與關閉；在車內顯示設備亮度調節方面，合適的轉換時間可保證屏幕亮度根據環境光實時、穩定地調整，為駕乘人員帶來舒適的視覺體驗 。?

TI OPT4001 - Q1 采用的 PicoStar? 封裝，具備極為緊湊的外形尺寸，0.84mm×1.05mm×0.226mm。如此小巧的外形設計，使其在對空間布局要求嚴苛的應用場景中展現出顯著優勢，尤其是在柔性印刷電路板（FPC）這類對空間利用效率有強烈限制的領域，能夠有效契合其緊湊的空間結構，在有限空間內實現高效安裝與穩定運行，極大程度滿足了相關應用對于傳感器小型化、高集成度的需求 。

轉換時間：

轉換時間指的是自測量起始至測量完成所歷經的時長，其中包含將測量結果更新至寄存器所需的時間。該時間跨度通常在幾百微秒至整秒之間，可供用戶按需選擇。以TI的 OPT4001-Q1 為例，其轉換時間可在 600 us至 800 ms之間靈活調整，共計設有 12 個檔位。

在實際應用場景中，客戶往往期望轉換時間越短越好。然而，需注意的是，采用較快的轉換時間，通常會致使傳感器靈敏度下降，同時測量噪聲增大。反之，若轉換時間設置得過慢，同樣可能在實際應用中帶來不便。光傳感器在多數應用場景下，會利用lux讀數，使系統依據環境光變化做出響應，如對屏幕亮度進行調節。若轉換時間過長，會在環境光變化與屏幕亮度調整之間，產生顯著的延遲現象。

因此，理想狀態是選用最快的轉換時間，同時該時間需能滿足應用程序對靈敏度的要求。以 OPT4001-Q1 采用的超小型 PicoStar?封裝為例，若需測量 5m lux的光照強度，50 ms即為可選擇的最快轉換時間。該轉換速度不僅極為迅速，且具備較高的靈敏度，能夠滿足市面上近乎所有相關應用的需求 。

近紅外光抑制功能：

在光傳感技術體系中，近紅外光抑制功能是衡量傳感器性能的關鍵要素。紅外光位于可見光譜范圍之外，當環境存在紅外光干擾時，普通傳感器易受影響，致使讀數呈現的環境亮度高于實際值，進而產生顯著的lux（照度單位）誤差，且該誤差難以通過常規校準手段予以消除。同時，在現實世界中的許多光源都含有大量人眼無法察覺的紅外光成分。如果傳感器測量到人眼看不見的紅外光，那么就無法準確反映真實的人體體驗。

在實際應用場景中，無論是強光直射的戶外，還是室內多種光源混合的環境，TI 的 OPT3001 與 OPT4001-Q1 傳感器憑借出色的近紅外光抑制能力，確保輸出精準的可見光測量數據，為各類對環境光檢測精度要求嚴苛的應用，提供了堅實有力的支持。

顏色傳感器介紹

顏色傳感器在顯示設備領域具備關鍵作用，能夠精準測量色溫，并據此對顯示顏色進行智能調節。其應用場景廣泛，涵蓋電視、顯示器、筆記本電腦、智能手機、平板電腦以及汽車顯示屏等諸多設備，通過依據周圍光照條件的變化，優化顯示顏色，為用戶帶來更為舒適的視覺體驗。

在汽車顯示屏的應用場景中，由于汽車主要行駛于戶外環境，一天內不同時間、不同場景下會面臨各異的環境色溫，如圖 3.1 所示。色溫，作為描述光線顏色冷暖程度的物理量，在不同時段以及不同類型光源下會顯著變化，其通常變化范圍介于 1500 開爾文至 10000 開爾文之間。實際生活中，如圖3.2所示，環境色溫的變化情況豐富多樣，例如在陰天或者處于濃重陰影下時，白色呈現出的視覺效果更偏向藍色，即冷色調；而清晨和傍晚時分，陽光則明顯偏向紅色，呈現出 "暖色調"。

在汽車顯示屏若缺乏對顏色的有效管理與調節機制時，顯示內容在不同光照條件下將顯得極為突兀。圖 3.3 展示了未使用色溫傳感器的顯示屏顯示效果，與紙張顯示效果對比，可清晰看出該顯示屏的亮度與顏色和周圍環境存在明顯不匹配，極大影響視覺感受。

TI推出的車規級顏色傳感器 OPT4058-Q1，能夠有效助力顯示器實現亮度與顏色和環境顏色的精準匹配，具體效果如圖 3.4 所示。借助 TI 色溫傳感器 OPT4058-Q1，顯示器能夠智能適應光照條件，呈現效果如同紙張般自然，不僅顯著提升了用戶體驗，還能有效減輕用戶眼睛疲勞，為汽車駕乘者提供更為舒適的視覺環境。

常見疑問點解析

自動滿量程設置的最大轉換時間

OPT3001/4001-Q1 具備自動滿量程范圍設置功能（Automatic Full - Scale Range Setting），該功能優勢顯著，用戶無需預先預測并手動設置傳感器的最佳測量范圍。在此模式下，設備能夠依據每次測量時面臨的不同照明條件，自動選定最為適配的滿量程范圍，極大地提升了用戶使用的便捷性。然而，在實際應用場景中，客戶常咨詢在此模式下的最長轉換時間相關問題。?

當外界環境亮度發生急劇變化，例如從低亮度瞬間躍升至最大亮度時，若此時照度值超出設備當前設定的滿量程范圍，照度測量進程將即刻終止，且此次無效測量結果不會被報告。一旦檢測到刻度未達最大值，設備會自動將刻度提升一級，并基于新刻度重新開展測量工作。因此，在自動滿量程范圍設置模式下，面對快速增加的光瞬變情況，測量完成并輸出報告所需的時間，有可能長于 CONVERSION_TIME 配置寄存器所指示的常規時間。?

具體而言，在外界環境亮度急劇變化期間，設備會暫時停止當前的亮度測量，隨即進行一次時長為 10 ms（此時間為轉換時間的 10%）的測量操作，用以重新評估量程范圍，之后再啟動新一輪測量。以轉換時間設定為 100 毫秒為例，設備啟動測量后，若在 90 毫秒時，傳感器遭遇超出其量程范圍的光線照射，設備將立即中止此次測量，耗時 10 毫秒（需注意，OPT3001-Q1 重新評估時間為 10ms，而 OPT4001-Q1 僅需 600us，該重新評估的時間是固定的）重新評估新的測量范圍，隨后重新開始新一輪測量，這一系列操作會導致連續測量之間的時間延長至 200 毫秒。一般情況下，該延長時間不會超過常規轉換時間的 2 倍。即便將傳感器反復暴露于急劇的環境亮度變化場景中（如通過迅速開關光源進行測試，該情況一般只會出現在實驗測試過程中），雖然會進一步延長總轉換時間，但總轉換時間也不會超過常規轉換時間的3倍 。

環境光傳感器的精度問題

環境光傳感器的誤差構成包含兩個主要部分。其一為因測量不同光源而產生的誤差，此誤差源于芯片自身特性，無法通過常規校準手段消除。在 OPT3001/4001-Q1 的規格書中，明確標注該類誤差值為 4%，這是一個具有典型性且適用于各類光源的規格參數。實際上，針對大多數常見光源，其測量精度誤差均能控制在 3% 以內，具體可參考圖 3 與表4.1 所示。?

其二為芯片出廠時，不同單體芯片間存在的測量輸出結果誤差（Measurement output result），對于 OPT3001/4001-Q1，該誤差范圍為 ±10%。不過，此誤差可由客戶在產線環節進行校準。經校準后，不同單體芯片之間的此類誤差能夠得以消除。故而，在經過完善校準流程后，對于大多數光源，TI的環境光傳感器可實現測量精度達到 3% 及以下。值得注意的是，該誤差在整個測量范圍內呈現高度線性特征。舉例來說，若在 1000 lux 光照強度下誤差為 ±3%，那么在 2000 lux 光照強度時，其誤差依然維持在 ±3% 。

產線校準流程

由上述精度問題的描述可知，不同的環境光傳感器，即便來自同一批次，在芯片出廠時，不同單體芯片間也存在測量輸出結果誤差。且在光感芯片上會覆蓋一層油墨涂層，會進一步改變環境傳感器的精度，因此在產線上進行校準是必要的。經校準后，對于大多數光源，TI 的環境光傳感器可實現測量精度達到 3% 及以下，下面來詳細介紹關傳感器的產線校準流程。

環境光傳感器產線校準流程

在 TI 環境光傳感器的產線校準環節，需將已知光照強度的標準光源照射至傳感器，進而從傳感器讀取相應數據。通過精確的計算方式，獲取一個校準因數，旨在讓傳感器讀數能夠精準反映實際光照強度，這一操作過程即為校準。在校準過程中，標準光源的穩定性至關重要，并且需具備一系列可被接受的讀數范圍。在此建議采用電流調光方式，而非脈沖寬度調制（PWM）調光。原因在于，PWM 調光易引發光照強度的快速不穩定變化，這會對校準的準確性產生負面影響。此外，為確保校準測量不受外界環境光干擾，需配備一個能夠有效阻擋環境光的黑暗外殼。?

鑒于校準過程中已知照射在傳感器上的光照強度，此數據可用于確定補償系數，并將其寫入每個芯片單元。為存儲該校準因子，每個芯片單元均需配備非易失性存儲器，如 EEPROM 芯片。測試與校準軟件負責確定補償系數，并將其準確寫入相應內存。以下為一個測試示例，所有芯片單元經過校準后，均能與校準光源給出的 500 lux 光照強度精準匹配。

校準因子的計算公式為：校準因子 =（實際照度值）/（傳感器報告照度值）。

顏色傳感器校準流程：

對于顏色傳感器，需要使用矩陣方程來計算顏色值和光照強度（lux）。

將已知且穩定的光源照射到傳感器上，兩種類型的光源或許足以調校顏色矩陣，需要一個黑暗的外殼來阻擋環境光，并且需要色度計作為參考。

校準步驟如下：

1. 用色度計和 OPT4058-Q1 測量光源 A。從色度計讀取 X、Y、Z 值，從 OPT4058-Q1 讀取 CH0、CH1、CH2 數值。
2. 根據 OPT4058 的數值計算 X、Y、Z 值。
3. 計算每個通道的縮放因子，以確保每個單元與參考色度計相匹配。
4. 對所有光源重復步驟 1 至 3。
5. 縮放 OPT4058-Q1 每個通道的讀數，使其與參考值匹配。
   

   TI 光源校準設備：

   在光傳感器校準領域，若采用普通光源實施校準工作，普通光源自身誤差通常可達約 20%。TI針對這一問題，專門研發了用于光傳感器校準的設備 ——TI Light（TI Lightbox） 。TI Light 能夠將校準光源的精度提升至 1% 以下，極大地優化了校準效果。目前，TI Light 已在ti.com發布，可便捷獲取，助力相關用戶開展更為精準的光傳感器校準作業 。LIGHTSOURCE01EVM Development kit | TI.com

總結

本文圍繞TI產品，深入探討了環境光傳感器和顏色傳感器在汽車領域的應用與特性。TI 環境光傳感器憑借高速 ，高精度、近紅外光抑制、與人眼契合的光譜響應以及寬測量范圍等特性，在自動大燈控制、車內顯示設備亮度調節和車內氛圍營造等關鍵場景中發揮著重要作用。顏色傳感器可精準測量色溫，進而調節汽車顯示屏等設備的顯示顏色，為駕乘者帶來更舒適的視覺體驗。針對這兩類傳感器常見疑問點的解析，有效消除了讀者在理解和使用上的困惑。同時，詳細的產線校準流程介紹，從穩定光源照射、標準光源選擇、環境光干擾防護到校準因數獲取及補償系數寫入，為傳感器的精準應用提供了實操指導。TI 光傳感器以其卓越的技術優勢，切實推動著汽車行業朝著智能化、舒適化方向大步邁進，為汽車智能化發展注入了強大動力，也為相關從業者和研究人員提供了極具價值的參考。