要理解動作感應系統設計的理論基礎，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，而無需用戶與系統進行任何直接接觸。

IR 接近傳感系統能夠檢測附近物體的存在，并根據檢測結果做出反應。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省電能。其他接近感應系統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”而又衛生的方式獲取皂液或水。

在高端 汽車上，外部防碰撞系統也使用接近檢測，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接近感應系統檢測乘客的存在，從而調整安全裝置（如安全氣囊）。 接近檢測通過專門設計的IR LED 實現。與IR LED 相對應的是光電二極管，它一般用來檢測LED 發出 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，其布局如圖1 所示，單一LED 系統僅使用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傳感器，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：互聯網

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 的測量數據。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 據線同時上升，然后是LED2 數據線。當手從底部向頂部滑動時，因為手先遇到來自LED3 的IR 光， LED3 數據線上升，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 傳感器應用于產品時，這些組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反射到Si1120，即使在檢測范圍內沒有外部物體時，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 當的隔離，設計消除了內部反射的問題，為系統提供更好的敏感性和檢測范圍。

對于 IR 接近感應系統設計而言，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 系統時，系統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 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，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 接近感應為需要檢測 物體存在的系統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的動作，甚至是手勢，使 得下一代電子產品的人機界面更先進、更直觀。