紅外線近接感應人機介面設計要素
觸控螢幕是一類能夠檢測觸控存在和位置的顯示設備，它們可以讓用戶透過螢幕直接與設備進行互動，而不是機械式按鍵或像滑鼠一樣的其他間接設備。今天許多微控制器（MCU）整合了相應的嵌入式電路，使得他們能夠被應用於觸控螢幕控制。微控制器能夠用於設定門限，提供雜訊消除而盡可能減少誤觸，實現支援多種不同類型觸控輸入的主機韌體，例如單點觸控、多點觸控和輕敲等。
為了進一步改善人機介面的表現能力，設計工程師可以為其添加近接感測器，單一近接感測器可用於檢測物體的存在與否，例如手或者用戶身體。這種能力在許多應用中非常有用。例如，電腦顯示器能夠使用嵌入式近接檢測器感應用戶的存在。當檢測到用戶不在時，它可以關閉螢幕，以節省電力；當感應到用戶返回時，再重新啟動螢幕。
另一種迅速流行的人機介面技術是動作檢測，這種動作感知能力是指系統具備識別物體移動以便執行特定功能的能力。例如，手機應用程式可能會允許用戶透過晃動一下手機來進行翻頁。若添加第二個近接感測器到設計中，可使得設備具有一維空間動作檢測的能力。透過客製化韌體，兩個近接感測器與微處理器緊密配合，不僅能提供動作存在檢測能力，而且也能檢測出動作發生的方向。
要理解動作感應系統設計的理論基礎，需要瞭解紅外線(IR)與可見光的差異，探討近接和動作感應系統如何在單一LED下運行，以及動作感應在使用多個LED進行多重近接測量時如何工作。
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，可見光僅占光譜範圍中的一小部分。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380-750 nm。那麼，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，而且它可以經由特殊燈泡或發光二極體產生。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介面任務，例如近接檢測，而無需用戶與系統進行任何直接接觸。
IR近接感測系統能夠檢測附近物體的存在，並根據檢測結果做出反應。IR近接檢測的應用無處不在。例如，手機可以使用近接感測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，而自動關閉螢幕以節省電能。其他近接感應系統的例子包括皂液器和飲水機，你可以把手放在感測器附近（通常在皂液管或水龍頭附近），以“非接觸式”這種衛生的方式獲取皂液或水。在高階汽車上，外部防碰撞系統也使用近接檢測，當汽車與其他汽車或者物體太靠近時，近接檢測會提醒司機注意。有些車輛還可以使用車內近接感應系統檢測乘客的存在，繼而調整安全裝置（如安全氣囊）。
近接檢測透過專門設計的IR LED實現。與IR LED相對應的是光電二極體（photodiode），它一般用來檢測LED發出的IR光。當IR LED和光電二極體同方向放置時，光電二極體將不會檢測到任何IR光，除非有物體在LED的前面，將光反射回光電二極體。反射回光電二極體的光強與物體到光電二極體的距離逆向相關。
單一LED和光電二極體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體，這僅僅是一維空間檢測。假設一個系統，其佈局如圖1所示。單一LED系統僅使用LED1與IR感測器。
圖1：一維空間動作檢測
圖2是三個手勢動作過程中Silicon Labs Si1120感測器感應IR LED後的輸出值。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、然後由近及遠的往復動作。圖2表明，單一LED系統不能區分這些手勢，使用單一LED，系統只能檢測到物體正在接近或遠離感測器，而不能判別其方向。
圖2：單一LED系統性能分析
二維空間檢測由位於不同位置的兩個LED和單個光電二極體組成。從LED1得到一個測量值，然後快速從LED2獲得另一個測量值，兩個測量值被用於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體。圖3是與圖2相同的三個手勢，其中白線代表從LED1中讀出的數據，紅線代表從LED2讀出的數據。從左到右滑動過程中，白線上升，然後是紅線。當手從左到右滑動時，LED1反射IR光到感測器，然後是LED2。
圖3：二維空間中手勢性能分析
三維空間動作檢測由三個LED和單個光電二極體組成，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，從光電二極體和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的測量資料。當手從左向右滑動時，因為手在LED1和LED3上同時通過，LED1和LED3資料線同時上升，然後是LED2資料線。當手從底部向頂部滑動時，因為手先遇到來自LED3的IR光，LED3資料線上升，然後是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後，三維空間中動作性能分析
當IR LED和IR感測器應用於產品時，這些元件通常不會用作裝飾目的而放在外面，終端產品至少需要一個開口或透明視窗，讓IR光透過。
IR LED從視窗中照射出，被外部物體反射後，透過視窗進入Si1120感測器。單一視窗配置的主要缺點是：視窗將導致一些光線被內反射到Si1120，即使在檢測範圍內沒有外部物體時，大量反射光也可能導致感測器輸出。
雙視窗設計使用其中一個視窗用於IR LED，另一個視窗用於感測器。透過在LED和感測器之間進行適當的隔離，此設計消除了內部反射的問題，為系統提供更好的靈敏度和檢測範圍。
對於IR近接感應系統設計而言，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範圍有很大影響。從LED射出的IR光形成一個圓錐狀，圓錐頂角（大多數LED能量從這裡輸出）被稱為LED視角。
所有的LED都有一個特定的視角，一個窄視角LED意味著發出的能量更加集中，比寬視角LED照射的更遠。這意味著使用窄視角IR LED將在窄檢測區域中形成更遠的檢測範圍，圖5說明了窄視角和寬視角IR LED的差異。
圖5：窄視角和寬視角IR LED的差異
當設計IR系統時，系統中被測物體的特點也是需要慎重考量的。除了用於檢測手勢，IR近接感應系統也能被用於檢測無生命物體，如車庫門（打開或關閉）。檢測較大物體時，由於有更多的IR光被反射，檢測距離將更遠。物體的顏色是另一個需要考量的因素，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，因為僅有來自IR LED的少量IR光被反射到IR感測器。
在消費電子、工業和汽車領域應用中，許多電子系統從非接觸式反射中受益。IR近接感應為需要檢測物體存在的系統提供了一個最佳方法。近接感應也可用於檢測最多三維空間內的動作，甚至是手勢，使得下一代電子產品的人機介面更先進、更直觀。
** 本文章曾刊載於新電子 **
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