见光——光线传感器「机器感官3」

神秘的光

你是否惧怕过黑暗?光在白天几乎无处不在,世界呈现出五彩缤纷的样子。当夜晚到来,在没有灯光和月光的环境下,一切颜色尽失,只有无边的黑暗围绕在你的周围。

人类是如此依赖光的生物,光对我们的生存至关重要,我们还通过它来探索宇宙和微观世界。通常我们说的“光”或“可见光”,是波长在400~700纳米范围之间,可被人眼感受到的的电磁辐射。

从整个电磁波的频率范围来看,可见光只是一个极其狭窄的范围。但就是在这个极其狭窄的范围里,我们通过眼睛,感受到世间万象。


见光——光线传感器「机器感官3」

可见光在电磁辐射的一个很狭窄的频率范围内


见光——光线传感器「机器感官3」

因为不同颜色的光在玻璃中的折射率不同,所以由各种单色光组成的白光经过三棱镜的时候被分开

地球上最主要的光源是太阳,也是整个生物界绝大部分能量的来源。在人类进入电气时代后,灯光驱散了黑暗,改变了整个地球夜晚的面貌。

见光——光线传感器「机器感官3」

NASA 2012年拍摄的地球夜景

光有几个基本的属性概念:

  • 光的速度:光速是30万公里/秒,它是如此之快,以至于人们很难察觉它的传输过程。
  • 反射:月亮之所以发光,是它反射了太阳光。光滑的表面(如镜子),会向一个方向反光。
  • 折射:光在某些材料中的传播比其他材料更慢。速度变化会导致光线改变方向。这种方向变化称为折射。这个现象导致游泳池的底部看上去比实际的要浅一些。
  • 光照强度:指单位面积上所接受可见光的能量,简称照度。使用勒克斯(Lux或lx)作为计量单位。
  • 光通量:光源在单位时间内发出的光量称为光源光通量,使用流明(lm)作为计量单位。

我们的眼睛是如何看到光的

为了看到事物,必须有光。要么物体本身发光,要么光线照在物体上,然后反射回我们的眼睛。我们的眼睛对某种称为可见光的光敏感。人眼属于自然界中被称为“ 相机型眼睛 ” 的眼睛。就像镜头将光聚焦到胶片上一样,眼睛中的角膜、晶状体等组成的结构,会将光聚焦到称为视网膜的感光膜上。 虹膜和瞳孔则会根据环境光的强度,像相机的光圈一样,通过调整瞳孔的大小来调整进光量,避免“过渡曝光”。

见光——光线传感器「机器感官3」

人眼的基本构造

由于是单镜片结构的晶状体,所以投射在视网膜上的图像实际上是倒像,但经过我们的大脑“处理”后,我们感受的画面又变成正像。

那视网膜又是如何把光线转换为图像呢?

见光——光线传感器「机器感官3」

视网膜里两类重要的感光细胞,是我们能“看见”的关键传感器

光线经过眼球到达最内层的视网膜,视网膜就相当于人眼这台相机的核心感光部件。数以百万计的感光细胞就内嵌在视网膜中。这些细胞主要分为两类:视锥细胞和视杆细胞。视锥细胞可以感知颜色和精细细节,视杆细胞则可以在弱光环境下实现单色视觉(光铭感度比视锥细胞高大约500~1000倍)。人眼的视网膜,大约分布了1.2亿个视杆细胞和大约600万个视锥细胞。

这些视觉细胞,将接收到的光线,转换为电信号,并通过视神经传递给大脑,最终由大脑处理变成我们看到的图像。

我们的眼睛是极精密光学设备,请小心爱护,谨慎使用。

光线传感器的工作原理

常见的光线传感器(又叫环境光传感器)和人眼的视杆细胞作用类似,主要用作检测环境光的的亮暗级别。传感器通常都是基于半导体的光电效应原理(光电效应的原理是在高于某特定频率的电磁波照射下,某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流。)开发,主要部件通常为光电晶体管。这个光电晶体管能通过光线的强度级别来检测有多少电流通过电路,因此,若传感器位于一个黑暗空间,它就只能够允许很小的电流通过;若检测到一个明亮的光线,则它就会允许一个大电流通过。通过和另一电阻串联,输出电阻的分压值,便能将变化的光信号变换为变化的电信号,并从模拟口输出。

见光——光线传感器「机器感官3」

光线传感器的应用

光线传感器已经广泛应用在手机、笔记本电脑、显示屏幕、电视等需要自动调节屏幕背光亮度的地方。

公共场所或公路的智能灯,在天色变暗的时候自动开启,天色变量的时候自动关闭。

越来越多的智能家居系统,都开始使用带光线传感器的设备,来获取环境光的数据对灯光等设备进行智能控制。

实战:制作一个亮度提醒器

本实战,参考柴火创客教育《智能家居 上册》 第5课 智能电灯。

课程展示使用了柴火创客教育 Grove Zero (后面简称G0)模块的 开源电子入门综合学习套件 ,G0 便捷的磁吸设计,让我们不用任何连线,就可以让模块直接连接工作。

下面,我们将制作一个自动灯装置:当光线传感器侦测到光的强度大到一个设定数值时,让可调彩灯亮红灯,否则就熄灭可调彩灯。

使用4个模块进行磁吸连接,这个装置就可以运作了。

见光——光线传感器「机器感官3」

接下来使用 CodeCraft (支持G0的图形化编程软件)进行编程,设置光线强度大于150,让可调彩灯常亮红灯,否则熄灭。

见光——光线传感器「机器感官3」

将程序上传到蓝牙主控后,开启电源开关,就可以进行测试了。尝试使用光源照射进行测试。


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