傳統的人機介面設計依靠機械式按鍵為用戶提供系統輸入，然而，隨著智慧型手機、可攜式遊樂器、個人導航以及其他設備的日益普及，這些設備更加關注更具潛力與吸引力的用戶介面方式--具備近接感應能力的觸控螢幕。
觸控螢幕是一種能夠檢測觸控存在和位置的顯示設備，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。今日許多微控制器(MCU)整合相應的嵌入式電路，使其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存在與否，例如手或用戶的身體，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。當檢測到用戶離開時，可關閉螢幕以節省電力。
動作檢測執行特定功能
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，可讓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，而且也可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，須了解紅外線(IR)與可見光的差異，探討近接和動作感應系統如何在單一白色發光二極體(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。
一般談及「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。
通常都把可見光定義為人眼可以識別的所有光線，而人眼可以識別的光線波長為380～750奈米(nm)。那麼，人眼無法識別的非可見光如波長為850奈米光又如何呢？
IR射光的波長為750奈米～1,000微米(μm)。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，而毋須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臉部。當把手機靠近耳邊時，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還包括皂液器和飲水機，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。在高級汽車上，外部防碰撞系統也採用近接檢測，當汽車與其他汽車或物體太靠近時，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。
IR LED/光電二極體發揮綜效
近接檢測透過專門設計的IR LED來完成。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，其布局如圖1所示。單一LED系統僅使用LED1與IR感測器。
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| 圖1 一維空間動作檢測 |
圖2是三個手勢動作過程中芯科實驗室(Silicon Laboratories)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2的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顯示，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。
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| 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A線代表從LED1中讀出的數據，B線代表從LED2讀出的數據。從左到右滑動過程中，A線上升，然後是B線。當手從左到右滑動時，LED1反射IR光到感測器，然後是LED2。
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| 圖3 二維空間中手勢性能分析 |
觸控螢幕提供近接感應
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C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。
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| 圖4 加入LED3後，三維空間中動作性能分析 |
視窗設計讓感測商品化
當IR LED和IR感測器應用於產品時，這些元件通常不會當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。
視角寬窄攸關檢測範圍
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照射得更遠。這說明了使用窄視角IR LED將在窄檢測區域中形成更遠的檢測範圍，圖5指明了窄視角和寬視角IR LED的差異。
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| 圖5 窄視角和寬視角IR LED的差異 |
被測物體也須納入考量
當設計IR系統時，系統中被測物體的特點也是須要慎重考量的。除了用於檢測手勢外，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須要考量的因素，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近接感應為須要檢測物體存在的系統提供一個最佳方法。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精密先進、更直覺化。
(本文作者任職於芯科實驗室)