智能手機中，LCD面板背光的耗電約占設備總耗電量的40%，因此，如果能讓背光亮度隨著(zhù)環(huán)境光亮度而發(fā)生改變將帶來(lái)很多益處。在相對較暗的環(huán)境中，可通過(guò)降低顯示器亮度來(lái)節省電力，同時(shí)還能緩解使用者的視覺(jué)疲勞，改善使用者的體驗。

 

事實(shí)上，環(huán)境光傳感器(Ambient light sensors, ALS)已被廣泛應用于智能手機中，用來(lái)提供環(huán)境光亮度的相關(guān)信息，以支持背光 LED電源電路。然而，這個(gè)應用說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，但實(shí)際做起來(lái)會(huì )遇到許多挑戰，那是因為一方面得讓省電效果夠明顯，另一方面又得讓使用者看得舒服。

 

環(huán)境光傳感器必須被置于顯示屏的背面，這里可以說(shuō)是寸土寸金，且同一器件必須能夠同時(shí)實(shí)現接近探測功能(靠近使用者臉部時(shí)可關(guān)閉顯示屏)和環(huán)境光量測功能。這些以及其他條件嚴重限制了設計工程師，使其無(wú)法自由地優(yōu)化設計。

 

本文描述了在智能手機中實(shí)現環(huán)境光測量遇到的主要挑戰，并說(shuō)明了如何克服這些挑戰，以實(shí)現背光燈更高的反應靈敏度，并能精確地根據環(huán)境光來(lái)調整背光亮度。

 

 

首個(gè)難題就是光電二極管對光的反應方式并不同于人眼。人類(lèi)的眼睛對于紅外線(xiàn)(波長(cháng)大于780nm)及紫外線(xiàn)(波長(cháng)小于380nm)并沒(méi)有反應。另一方面，標準的硅光電二極管一般會(huì )感測到波長(cháng)介于300nm和1100nm的光線(xiàn)。

 

這就意味著(zhù)設計師的第一個(gè)挑戰就是如何移除傳感器輸出中的紅外線(xiàn)(IR)和紫外線(xiàn)(UV)成分。ALS的功能是獲取射至智能手機顯示屏上的光線(xiàn)亮度(測量單位是照度lux)。如果該亮度測量結果包含紫外線(xiàn)和紅外線(xiàn)以及可見(jiàn)光，它呈現給顯示屏背光控制器的并非是人眼真實(shí)所見(jiàn)，這即是說(shuō)傳感器對環(huán)境光的反應不同于人眼的“亮視覺(jué)”反應。簡(jiǎn)而言之，就是，傳感器“感受”到環(huán)境光亮度會(huì )比人眼感受到的亮度更高。

 

這是因為自然光和人造光都會(huì )含有紅外成分。例如，陽(yáng)光（圖1）及來(lái)自白熾燈的光線(xiàn)就是如此。去除紅外線(xiàn)的一個(gè)有效方法就是在傳感器上疊加光學(xué)紅外線(xiàn)濾波器。然而在智能手機中，同一個(gè)傳感器一般也會(huì )被用于接近探測(伴隨著(zhù)紅外線(xiàn)LED)，當手機靠近使用者臉部時(shí)，用來(lái)關(guān)閉顯示屏及觸控控制器。

 

圖1：太陽(yáng)光的光譜功率分布，其中的強功率紅外線(xiàn)成分對人眼而言是不可見(jiàn)的

 

當然，智能手機設計師可以?xún)H針對接近感測另增一個(gè)獨立的紅外線(xiàn)光電二極管(IR photodiode)，但是這是一個(gè)冗雜的解決方案：如此一來(lái)，這樣的設計必須承擔ALS上的光學(xué)濾波器及獨立的紅外線(xiàn)光電二極管兩者的成本，紅外線(xiàn)光電二極管還會(huì )占據額外的空間，且必須在顯示器的表面開(kāi)窗，讓紅外線(xiàn)通過(guò)。

 

艾邁斯半導體針對這個(gè)問(wèn)題提出一個(gè)解決方案：雙二極管模塊。其中一個(gè)光電二極管(如圖2中所示的Channel 0)用來(lái)感測全光譜，另一個(gè)(圖2中的Channel 1)則主要用來(lái)感測光譜中的紅外線(xiàn)部分。從全光譜傳感器的輸出中減掉紅外線(xiàn)光電二極管的輸出，則可得到可見(jiàn)光的測量結果。

 

這個(gè)傳感器對于紫外線(xiàn)很不敏感，而且在任何情況下的常見(jiàn)光源所發(fā)射的紫外線(xiàn)輻射皆極少。在大部分情況中，為了實(shí)現環(huán)境光感測而除去紫外線(xiàn)只要采用能吸收紫外線(xiàn)的包裝材料就夠了。

 

圖2：艾邁斯半導體雙二極管模塊系列之TMD2772的光譜靈敏度，其他產(chǎn)品還包含TMD27721及TMD27723

 

在除去ALS輸出的紅外線(xiàn)元素后，智能手機設計師現在得解決第二個(gè)問(wèn)題：如何限制ALS/接近傳感器模塊的視角，而且不影響其性能。這關(guān)乎ALS和接近傳感器之間的平衡。

 

就環(huán)境光感測而言，理想的視角是180度(這實(shí)際上是不可能的)，因為這是環(huán)境光射至顯示屏的角度，然而對接近感測而言卻是相反的：它需要的是窄視角，如此才能限制紅外線(xiàn)LED和紅外線(xiàn)傳感器之間出現串擾的可能性。比較理想的是紅外線(xiàn)傳感器應該只感測使用者臉部反射的紅外光，而LED不應直接照射到傳感器上，也不應該檢測到來(lái)自觸控面板頂部及底部反射回來(lái)的光線(xiàn)。因此，必須針對ALS和紅外線(xiàn)傳感器之間的需求沖突進(jìn)行取舍。

 

通過(guò)實(shí)驗，智能手機設計師發(fā)現90-110°的視角能提供高性能的接近探測，同時(shí)還能讓環(huán)境光感測系統表現良好。將角度縮窄至90° 以下會(huì )明顯損害ALS的性能。此外，若系統以90° 的視角工作，則觸控屏底部和感測模塊頂部之間的空氣間隙必須要非常小。

 

視角并非是影響ALS性能的唯一機械設計問(wèn)題。為了讓光線(xiàn)通過(guò)屏幕達到傳感器模塊，設計師必須在顯示屏開(kāi)一個(gè)窗。OEM業(yè)者希望這個(gè)窗愈小愈好，以避免破壞觸控屏幕的流暢外型。他們也會(huì )在屏幕玻璃下表面添加油墨以掩蓋這個(gè)開(kāi)窗，這會(huì )讓它變暗且讓它的顏色和手機外殼顏色融和在一起。油墨和開(kāi)窗都會(huì )降低射入至傳感器模塊的光線(xiàn)強度。此外，OEM業(yè)者必須在生產(chǎn)線(xiàn)上嚴格控制油墨的透射率變化。例如，如果使用透射率17%的油墨，僅僅±1%的油墨透射率變化就會(huì )造成ALS的輸出產(chǎn)生5.9%的額外誤差。

 

第三個(gè)在智能手機中實(shí)現環(huán)境光感測會(huì )面臨的重大挑戰，在于需要處理非常高動(dòng)態(tài)范圍的光輸出。智能手機制造商想要讓顯示屏背光的亮度能被適當設定，無(wú)論手機是處于幾乎完全黑暗(亮度低至0.1 lux)還是陽(yáng)光直接照射(亮度高至220 klux)的環(huán)境中。這需要傳感器在極寬的動(dòng)態(tài)范圍具有高的靈敏度，同時(shí)還要能維持極低的本底噪聲。此外，設備的增益也應能被控制從而可以適應環(huán)境光亮度的變化。

 

 

本文已說(shuō)明在智能手機中支配環(huán)境光感測的折中原則、雙光電管解決方案的好處，以及OEM業(yè)者需要關(guān)注的 ALS模塊特性，然而每一個(gè)設備的外觀(guān)、機械設計及油墨都有所不同，這就需要進(jìn)行校正,才能開(kāi)發(fā)出量身打造的亮度方程式。這個(gè)方程式是用來(lái)精確地除去環(huán)境光的紅外成分，以及補償受限的視角。

 

為了實(shí)現這樣的校正，智能手機必需曝露于各種不同的光源中，這些光源會(huì )發(fā)出不同比例的紅外線(xiàn)及紫外線(xiàn)。然后在相同的照明條件下，通過(guò)高精度的流明表測量環(huán)境的照度，同時(shí)用ALS模塊測量環(huán)境的照度，然后以流明表的輸出為基準來(lái)校正ALS的輸出。流明表的測光面應該用遮光罩罩住，以模擬光傳感器受限的視角。

 

要校正傳感器，例如像艾邁斯半導體的TMD27721或TMD27723，可使用以下方程式：

 

CPL = (ATIME_ms ×AGAINx) / 20

 

Lux1 = (C0DATA – a0×C1DATA) / CPL

 

Lux2 = (b0 ×C0DATA – b1 ×C1DATA) / CPL

 

Lux = MAX(Lux1, Lux2, 0)

 

在上述方程式中，CPL, a0, b0, b1是要校正的參數。

 

CPL: 每亮度計數(Counts per Lux)

 

C0DATA: 讀取自Channel 0的數據

 

C1DATA: 讀取自Channel 1的數據

 

C0DATA-a0x C1DATA: 加權計數紅外線(xiàn)比例高的光源

 

b0xC0DATA-b1x C1DATA: 加權計數紅外線(xiàn)比例低的光源

 

MAX: Lux1, Lux2 及0中的最大值

 

一般而言，在越多光源下收集越多的數據組，則校正越精確。

 

擁有適當的機械設計，在生產(chǎn)時(shí)嚴格控制油墨透射率，以及小心地進(jìn)行校正，則環(huán)境光感測的系統誤差可以被限制在不超過(guò)±15%范圍內。在某些情況下，誤差可以小至±10%。對于調整背光亮度以降低功耗并改善使用者體驗這個(gè)目的來(lái)說(shuō)，這已夠好了。當然，OEM業(yè)者可能基于顯示器背光控制之外的功能，而需要更高精確度的環(huán)境光傳感器，這需使用靈敏度極高的環(huán)境光傳感器(例如不具有接近探測的單機型裝置) 。

 

 

環(huán)境光傳感器已被廣泛應用于智能手機中，用來(lái)提供環(huán)境光亮度的相關(guān)信息，以支持背光 LED電源電路。然而，這個(gè)應用說(shuō)起來(lái)簡(jiǎn)單，但實(shí)際做起來(lái)卻不易，那是因為一方面得讓省電效果夠明顯，一方面又得讓使用者看得舒服。

 

ALS必須被置于顯示器屏幕的背面，這里可以說(shuō)是寸土寸金，且同一器件必須能夠實(shí)現接近探測(靠近使用者臉部時(shí)可關(guān)閉顯示屏)和環(huán)境光測量功能。這些及其他條件嚴重限制了設計工程師，使其無(wú)法自由地針對設計進(jìn)行最佳化。

 

文章來(lái)源于電子技術(shù)設計。