要理解動作感應系統(tǒng)設計的理論基礎,，需要了解紅外線" title="紅外線">紅外線(IR)與可見光的差異，探討接近和動作感應系統(tǒng)如何在單一LED 下運行,，以及動作感應在使用多個LED 進行多接近測量時如何工作,。

當我們談及“光”時，通常指的是來自太陽或燈具的可見光,，然而,，可見光僅占光譜范圍中的一小部分。我們把可見光定義為人眼可以識別的所有光線,，通常人眼可以識別的光線波長為380-750nm,。那么，人眼無法識別的非可見光（如波長為850 nm 光）又如何呢,？

IR 輻射光的波長為750nm-1000μm,，IR 光與可見光有著相同的特性，例如反射率,，而且它可以通過特殊燈泡或發(fā)光二極管生成,。因為人眼無法看到IR 光，所以我們可以用它來完成一些特殊的人機界面任務,，例如接近檢測,，而無需用戶與系統(tǒng)進行任何直接接觸。

IR 接近傳感系統(tǒng)能夠檢測附近物體的存在,，并根據(jù)檢測結果做出反應,。IR 接近檢測的應用無處不在。 例如,，手機可以使用接近傳感技術檢測通話時手機是否接近面部,。當你把手機靠近耳邊時，手機將檢測 到頭的存在,，從而自動關閉屏幕以節(jié)省電能,。其他接近感應系統(tǒng)的例子包括皂液器和飲水機,，你可以把 手放在傳感器" title="傳感器">傳感器附近（通常在皂液管或水龍頭附近），以“非接觸”而又衛(wèi)生的方式獲取皂液或水,。

在高端 汽車上,，外部防碰撞系統(tǒng)也使用接近檢測，當汽車與其他汽車或者物體太靠近時,，接近檢測會提醒司機 注意,。有些車輛還可以使用車內(nèi)接近感應系統(tǒng)檢測乘客的存在，從而調(diào)整安全裝置（如安全氣囊）,。 接近檢測通過專門設計的IR LED 實現(xiàn),。與IR LED 相對應的是光電二極管，它一般用來檢測LED 發(fā)出 的IR 光,。當IR LED 和光電二極管同方向放置時,，光電二極管將不會檢測到任何IR 光，除非有物體在 LED 的前面,，將光反射回光電二極管,。反射回光電二極管的光強與物體到光電二極管的距離逆向相 關。

圖 1：一維空間動作檢測

單一 LED 和光電二極管相結合可以檢測一些動作,，例如可以檢測物體是否靠近或遠離光電二極管,，這 僅僅是一維空間檢測。假設一個系統(tǒng),，其布局如圖1 所示,，單一LED 系統(tǒng)僅使用LED1 與IR 傳感器。 圖2 是三個手勢動作過程中Silicon Labs Si1120 傳感器感應IR LED 后的輸出值,，其中Y 軸是反射的 IR 光強,，X 軸是時間。三個手勢包括沿圖1 X 軸從左到右的滑動,，沿Y 軸從底部到頂部的滑動,，以及 沿Z 軸由遠及近，然后由近及遠的往復動作,。圖2 表明,，單一LED 系統(tǒng)不能區(qū)分這些手勢,，使用單一 LED,，系統(tǒng)只能檢測到物體正在接近或遠離傳感器，而不能判別其方向,。

圖 2：單一LED 系統(tǒng)性能分析

二維空間檢測由位于不同位置的兩個LED 和單個光電二極管組成,。從LED1 得到一個測量值，然后快 速從LED2 獲得另一個測量值,，兩個測量值被用于計算二維空間上的物體位置,。其中一維空間是接近 LED1（左）或接近LED2（右），而另一維空間是接近或遠離光電二極管。圖3 是與圖2 相同的三個 手勢,，其中白線代表從LED1 中讀出的數(shù)據(jù),，紅線代表從LED2 讀出的數(shù)據(jù)。從左到右滑動過程中,，白 線上升,，然后是紅線。當手從左到右滑動時,，LED1 反射IR 光到傳感器,，然后是LED2。

圖 3：二維空間中手勢性能分析    來源：互聯(lián)網(wǎng)

三維空間動作檢測由三個LED 和單個光電二極管組成,。LED3 與LED1,、LED2 不在同一直線上，如圖 1 所示,，可以把LED1 和LED2 之間的連線看作X 軸,，LED1 和LED3 之間的連線看作Y 軸，從光電二 極管和LED 到被測物體之間的連線看作Z 軸,。圖4 顯示了與圖2 和圖3 相同的測量過程,，其中藍線代 表LED3 的測量數(shù)據(jù)。當手從左向右滑動時,，因為手在LED1 和LED3 上同時通過,，LED1 和LED3 數(shù) 據(jù)線同時上升，然后是LED2 數(shù)據(jù)線,。當手從底部向頂部滑動時,，因為手先遇到來自LED3 的IR 光， LED3 數(shù)據(jù)線上升,，然后是LED1 和LED2,。當往復動作時，因為手在整個過程中都反射等量的LED 光,，三個LED 測量值是相同的,。

圖 4：加入LED3 后，三維空間中動作性能分析

當 IR LED 和IR 傳感器應用于產(chǎn)品時,，這些組件通常不會用作裝飾目的而放在外面,，終端產(chǎn)品至少需 要一個開口或透明窗口，讓IR 光透過,。

IR LED 從窗口中照射出,，被外部物體反射后，通過窗口進入Si1120 傳感器,。單一窗口配置的主要缺點 是：窗口將導致一些光線被內(nèi)反射到Si1120,，即使在檢測范圍內(nèi)沒有外部物體時,，大量反射光也可能 導致傳感器輸出。

雙窗口設計使用其中一個窗口用于IR LED,，另一個窗口用于傳感器,。通過在LED 和傳感器之間進行適 當?shù)母綦x，設計消除了內(nèi)部反射的問題,，為系統(tǒng)提供更好的敏感性和檢測范圍,。

對于 IR 接近感應系統(tǒng)設計而言，選擇何種IR LED 是一項非常重要的決定,。IR LED 視角對最大檢測距 離和范圍有很大影響,。從LED 射出的IR 光形成一個圓錐狀，圓錐頂角（大多數(shù)LED 能量從這里輸 出）被稱為LED 視角,。

圖 5：窄視角和寬視角IR LED 的差異

所有的 LED 都有一個特定的視角,，一個窄視角LED 意味著發(fā)出的能量更加集中，比寬視角LED 照射 的更遠,。這意味著使用窄視角IR LED 將在窄檢測區(qū)域中形成更遠的檢測范圍,，圖5 說明了窄視角和寬 視角IR LED 的差異。

當設計 IR 系統(tǒng)時,，系統(tǒng)中被測物體的特點也是需要重點考慮的,。除了用于檢測手勢，IR 接近感應系統(tǒng) 也能被用于檢測無生命物體,，如車庫門（打開或關閉）,。檢測較大物體時，由于有更多的IR 光被反 射,，檢測距離將更遠,。物體的顏色是另一個需要考慮的因素，因為IR 光與可見光有相同特性,，淺色物 體比深色物體反射更多光線,。物體的顏色越深，越要接近IR 系統(tǒng),，因為僅有來自IR LED 的少量IR 光 被反射到IR 傳感器,。

在消費電子、工業(yè)和汽車領域應用中,，許多電子系統(tǒng)從非接觸式反射中受益,。IR 接近感應為需要檢測 物體存在的系統(tǒng)提供了一個最佳方法。接近感應也可用于檢測最多三維空間內(nèi)的動作,，甚至是手勢,，使 得下一代電子產(chǎn)品的人機界面更先進,、更直觀,。