智能手機(jī)中，LCD面板背光的耗電約占設(shè)備總耗電量的40%，因此，如果能讓背光亮度隨著環(huán)境光亮度而發(fā)生改變將帶來很多好處。在相對(duì)較暗的環(huán)境中，可透過降低顯示器亮度節(jié)省電力，同時(shí)還能緩解用戶的視覺疲勞，改善用戶的體驗(yàn)。
事實(shí)上，環(huán)境光傳感器(Ambient light sensors，ALS)已被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)中，用來提供環(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(yīng)用說起來簡(jiǎn)單，但實(shí)際做起來會(huì)遇到許多挑戰(zhàn)，那是因?yàn)橐环矫娴米屖‰娦Ч麎蛎黠@，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，這里可以說是寸土寸金，且同一組件必須能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)接近探測(cè)功能(靠近用戶臉部時(shí)可關(guān)閉顯示屏)和環(huán)境光量測(cè)功能。這些以及其他條件嚴(yán)重限制設(shè)計(jì)工程師，使其無法自由地進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
本文介紹在智能手機(jī)中實(shí)現(xiàn)環(huán)境光感測(cè)遇到的主要挑戰(zhàn)，以及如何克服這些挑戰(zhàn)，以實(shí)現(xiàn)背光燈更高的反應(yīng)靈敏度，并能精確地根據(jù)環(huán)境光來調(diào)整背光亮度。
明亮視覺反應(yīng)
首個(gè)難題就是光電二極管(photodiode)對(duì)光的反應(yīng)方式并不同于人眼。人類的眼睛對(duì)于紅外線(IR，波長(zhǎng)大于780nm)及紫外線(UV，波長(zhǎng)小于380nm)并不敏感，另一方面，標(biāo)準(zhǔn)的硅光電二極管一般會(huì)感測(cè)到波長(zhǎng)介于300nm和1,100nm的光線。
這就意味著設(shè)計(jì)師的第一個(gè)挑戰(zhàn)就是如何移除傳感器輸出中的紅外線和紫外線成分。ALS的功能是獲取射入智能手機(jī)顯示屏上的光線亮度(測(cè)量單位是照度流明(lux))，如果該亮度測(cè)量結(jié)果包含紫外線和紅外線以及可見光，它呈現(xiàn)給顯示屏背光控制器的并非是人眼真實(shí)所見，也就是說傳感器對(duì)環(huán)境光的反應(yīng)不同于人眼的“明亮視覺(photopic)”反應(yīng)?？傊?，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?yàn)樽匀还夂腿嗽旃舛紩?huì)含有紅外成分。例如，陽光(圖1)及來自白熾燈的光線就是如此。去除紅外線的一個(gè)有效方法就是在傳感器上迭加光學(xué)紅外線濾波器。然而在智能手機(jī)中，同一個(gè)傳感器一般也會(huì)被用于接近探測(cè)(伴隨著紅外線LED)，當(dāng)手機(jī)靠近使用者臉部時(shí)，用來關(guān)閉顯示屏及觸控控制器。

圖1 太陽光的光譜功率分布，其中的強(qiáng)功率紅外線成分對(duì)人眼而言是不可見的。

當(dāng)然，智能手機(jī)設(shè)計(jì)師可以僅針對(duì)接近感測(cè)另增一個(gè)獨(dú)立的紅外線光電二極管(IR photodiode)，但是這是一個(gè)冗雜的解決方案：如此一來，這樣的設(shè)計(jì)必須承擔(dān)ALS上的光學(xué)濾波器及獨(dú)立的紅外線光電二極管兩者的成本，紅外線光電二極管還會(huì)占據(jù)額外的空間，且必須在顯示器的表面開孔，讓紅外線通過。
艾邁斯半導(dǎo)體已針對(duì)這個(gè)問題提出一個(gè)更好的解決方案：雙二極管(dual-diode)模塊。其中一個(gè)光電二極管(如圖2中所示的Channel 0)用來感測(cè)全光譜，另一個(gè)(圖中的Channel 1)則主要用來感測(cè)光譜中的紅外線部分。從全光譜傳感器的輸出中減掉紅外線光電二極管的輸出，則可得到可見光的測(cè)量結(jié)果。

圖2 艾邁斯半導(dǎo)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系列。

這個(gè)傳感器對(duì)于紫外線很不敏感，而且在任何情況下的常見光源所發(fā)射的紫外線輻射皆極少。在大部分情況中，為了實(shí)現(xiàn)環(huán)境光感測(cè)而除去紫外線只要采用能吸收紫外線的包裝材料就足夠。
在除去ALS輸出的紅外線元素后，智能手機(jī)設(shè)計(jì)師現(xiàn)在得解決第二個(gè)問題：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(cè)而言，理想的視角是180度(這實(shí)際上是不可能的)，因?yàn)檫@是環(huán)境光射至顯示屏的角度，然而對(duì)接近感測(cè)而言卻是相反的：它需要的是窄視角，如此才能限制紅外線LED和紅外線傳感器之間出現(xiàn)串?dāng)_的可能性。比較理想的是紅外線傳感器應(yīng)該只感測(cè)使用者臉部反射的紅外光，而LED不應(yīng)直接照射到傳感器上，也不應(yīng)該檢測(cè)到來自觸控面板頂部及底部反射回來的光線。因此，必需針對(duì)ALS和紅外線傳感器之間的需求沖突進(jìn)行取舍。
透過實(shí)驗(yàn)，智能手機(jī)設(shè)計(jì)師發(fā)現(xiàn)90~110度的視角能提供高性能的接近探測(cè)，同時(shí)還能讓環(huán)境光感測(cè)系統(tǒng)表現(xiàn)良好；將角度縮窄至90度以下會(huì)明顯損害ALS的性能。此外，若系統(tǒng)以90度的視角工作，則觸控屏幕底部和感測(cè)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(jī)械設(shè)計(jì)問題。為了讓光線通過屏幕達(dá)到傳感器模塊，設(shè)計(jì)師必須在顯示屏開一個(gè)孔隙，OEM業(yè)者希望這個(gè)孔隙愈小愈好，以避免破壞觸控屏幕的圓潤(rùn)、平滑外型。他們也會(huì)在屏幕玻璃下表面添加油墨以掩蓋這個(gè)開孔，這會(huì)讓它變暗且讓它的顏色和手機(jī)外殼顏色融和在一起。油墨和開孔都會(huì)降低入射至傳感器模塊的光線強(qiáng)度。
此外，OEM業(yè)者必須在生產(chǎn)在線嚴(yán)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輸出產(chǎn)生5.9%的額外誤差。
第三個(gè)在智能手機(jī)中實(shí)現(xiàn)環(huán)境光感測(cè)會(huì)面臨的重大挑戰(zhàn)，在于需要處理非常高動(dòng)態(tài)范圍的光輸出。智能手機(jī)制造商想要讓顯示屏背光的亮度能被適當(dāng)設(shè)定，無論手機(jī)是處于幾乎完全黑暗(亮度低至0.1lux)還是陽光直接照射(亮度高至220klux)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(noise floor)。此外，設(shè)備的增益也應(yīng)能被控制從而可以適應(yīng)環(huán)境光亮度的變化。
微調(diào)的實(shí)施
本文已說明在智能手機(jī)中支配環(huán)境光感測(cè)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(shè)備的外觀、機(jī)械設(shè)計(jì)及油墨都有所不同，這就需要各個(gè)表征特性，才能開發(fā)出量身打造的亮度方程式。
這個(gè)方程式是用來精確地除去環(huán)境光的紅外成分，以及補(bǔ)償受限的視角。
為了實(shí)現(xiàn)這樣的表征特性，智能手機(jī)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及紫外線。然后在相同的照明條件下，透過高精度的lux表測(cè)量環(huán)境的照度，同時(shí)用ALS模塊測(cè)量環(huán)境的照度，然后以lux表的輸出為基準(zhǔn)來校正ALS的輸出。lux表的測(cè)光面應(yīng)該用遮光罩罩住，以模擬光傳感器受限的視角。
為表征傳感器模塊，例如像奧地利微電子的TMD27721或TMD27723，可使用以下的方程式：
CPL=(ATIME_ms×AGAINx)/20 Lux1=(C0DATA-a0×C1DATA)/CPL Lux2=(b0 × C0DATA-b1×C1DATA)/CPL Lux=MAX(Lux1, Lux2, 0)<、b>
在上述方程式中，CPL, a0, b0, b1是表征特性的參數(shù)。
CPL：每亮度計(jì)數(shù)(Counts per Lux)。 C0DATA：讀取自Channel 0的數(shù)據(jù)。 C1DATA：讀取自Channel 1的數(shù)據(jù)。 C0DATA-a0x C1DATA：加權(quán)計(jì)數(shù)紅外線比例高的光源。 b0xC0DATA-b1x C1DATA：加權(quán)計(jì)數(shù)紅外線比例低的光源。 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資料組，則表征特性將越精確。
定義適當(dāng)?shù)臋C(jī)械設(shè)計(jì)，在生產(chǎn)時(shí)嚴(yán)格控制油墨透射率，以及小心地進(jìn)行表征，則環(huán)境光感測(cè)的系統(tǒng)誤差可以被限制在不超過±15%范圍內(nèi)。在某些情況下，誤差可以小至±10%。對(duì)于調(diào)整背光亮度以降低功耗并改善使用者體驗(yàn)這個(gè)目的來說，這已夠好了。
當(dāng)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ALS，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(cè)的單機(jī)型裝置) 。針對(duì)此類應(yīng)用，奧地利微電子的TSL25911就是理想選擇。
總結(jié)
ALS已被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)中，用來提供環(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(yīng)用說起來簡(jiǎn)單，但實(shí)際做起來卻不易——那是因?yàn)橐环矫娴米屖‰娦Ч麎蛎黠@，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， 這里可以說是寸土寸金—組件必須能夠?qū)崿F(xiàn)接近探測(cè)(靠近使用者臉部時(shí)可關(guān)閉顯示屏)和主要環(huán)境光測(cè)量功能。這些及其他條件嚴(yán)重限制了設(shè)計(jì)工程師，使其無法自由地針對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。