智慧型手機環境光感測及接近感測的硬體設計

智慧型手機中，LCD面板背光的耗電約佔設備總耗電量的40%，因此，如果能讓背光亮度隨著環境光亮度而發生改變將帶來很多益處。在相對較暗的環境中，可通過降低顯示器亮度來節省電力，同時還能緩解使用者的視覺疲勞，改善使用者的體驗。iZZednc

事實上，環境光傳感器(Ambient light sensors, ALS)已被廣泛應用於智慧型手機中，用來提供環境光亮度的相關信息，以支持背光 LED電源電路。然而，這個應用說起來簡單，但實際做起來會遇到許多挑戰，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。iZZednc

環境光傳感器必須被置於顯示屏的背面，這裡可以說是寸土寸金，且同一器件必須能夠同時實現接近探測功能(靠近使用者臉部時可關閉顯示屏)和環境光量測功能。這些以及其他條件嚴重限制了設計工程師，使其無法自由地優化設計。iZZednc

本文描述了在智慧型手機中實現環境光測量遇到的主要挑戰，並說明了如何克服這些挑戰，以實現背光燈更高的反應靈敏度，並能精確地根據環境光來調整背光亮度。iZZednc

亮視覺反應

首個難題就是光電二極體對光的反應方式並不同於人眼。人類的眼睛對於紅外線(波長大於780nm)及紫外線(波長小於380nm)並沒有反應。另一方面，標準的矽光電二極體一般會感測到波長介於300nm和1100nm的光線。iZZednc

這就意味著設計師的第一個挑戰就是如何移除傳感器輸出中的紅外線(IR)和紫外線(UV)成分。ALS的功能是獲取射至智慧型手機顯示屏上的光線亮度(測量單位是照度lux)。如果該亮度測量結果包含紫外線和紅外線以及可見光，它呈現給顯示屏背光控制器的並非是人眼真實所見，這即是說傳感器對環境光的反應不同於人眼的「亮視覺」反應。簡而言之，就是，傳感器「感受」到環境光亮度會比人眼感受到的亮度更高。iZZednc

這是因為自然光和人造光都會含有紅外成分。例如，陽光（圖1）及來自白熾燈的光線就是如此。去除紅外線的一個有效方法就是在傳感器上疊加光學紅外線濾波器。然而在智慧型手機中，同一個傳感器一般也會被用於接近探測(伴隨著紅外線LED)，當手機靠近使用者臉部時，用來關閉顯示屏及觸控控制器。iZZednc

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圖1：太陽光的光譜功率分布，其中的強功率紅外線成分對人眼而言是不可見的

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當然，智慧型手機設計師可以僅針對接近感測另增一個獨立的紅外線光電二極體(IR photodiode)，但是這是一個冗雜的解決方案：如此一來，這樣的設計必須承擔ALS上的光學濾波器及獨立的紅外線光電二極體兩者的成本，紅外線光電二極體還會佔據額外的空間，且必須在顯示器的表面開窗，讓紅外線通過。iZZednc

艾邁斯半導體針對這個問題提出一個解決方案：雙二極體模塊。其中一個光電二極體(如圖2中所示的Channel 0)用來感測全光譜，另一個(圖2中的Channel 1)則主要用來感測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體的輸出，則可得到可見光的測量結果。iZZednc

這個傳感器對於紫外線很不敏感，而且在任何情況下的常見光源所發射的紫外線輻射皆極少。在大部分情況中，為了實現環境光感測而除去紫外線只要採用能吸收紫外線的包裝材料就夠了。iZZednc

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圖2：艾邁斯半導體雙二極體模塊系列之TMD2772的光譜靈敏度，其他產品還包含TMD27721及TMD27723

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在除去ALS輸出的紅外線元素後，智慧型手機設計師現在得解決第二個問題：如何限制ALS/接近傳感器模塊的視角，而且不影響其性能。這關乎ALS和接近傳感器之間的平衡。iZZednc

就環境光感測而言，理想的視角是180度(這實際上是不可能的)，因為這是環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LED和紅外線傳感器之間出現串擾的可能性。比較理想的是紅外線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，也不應該檢測到來自觸控面板頂部及底部反射回來的光線。因此，必須針對ALS和紅外線傳感器之間的需求衝突進行取捨。iZZednc

通過實驗，智慧型手機設計師發現90-110°的視角能提供高性能的接近探測，同時還能讓環境光感測系統表現良好。將角度縮窄至90° 以下會明顯損害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。iZZednc

視角並非是影響ALS性能的唯一機械設計問題。為了讓光線通過屏幕達到傳感器模塊，設計師必須在顯示屏開一個窗。OEM業者希望這個窗愈小愈好，以避免破壞觸控屏幕的流暢外型。他們也會在屏幕玻璃下表面添加油墨以掩蓋這個開窗，這會讓它變暗且讓它的顏色和手機外殼顏色融和在一起。油墨和開窗都會降低射入至傳感器模塊的光線強度。此外，OEM業者必須在生產線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造成ALS的輸出產生5.9%的額外誤差。iZZednc

第三個在智慧型手機中實現環境光感測會面臨的重大挑戰，在於需要處理非常高動態範圍的光輸出。智慧型手機製造商想要讓顯示屏背光的亮度能被適當設定，無論手機是處於幾乎完全黑暗(亮度低至0.1 lux)還是陽光直接照射(亮度高至220 klux)的環境中。這需要傳感器在極寬的動態範圍具有高的靈敏度，同時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境光亮度的變化。iZZednc

參數微調

本文已說明在智慧型手機中支配環境光感測的折中原則、雙光電管解決方案的好處，以及OEM業者需要關注的 ALS模塊特性，然而每一個設備的外觀、機械設計及油墨都有所不同，這就需要進行校正,才能開發出量身打造的亮度方程式。這個方程式是用來精確地除去環境光的紅外成分，以及補償受限的視角。iZZednc

為了實現這樣的校正，智慧型手機必需曝露於各種不同的光源中，這些光源會發出不同比例的紅外線及紫外線。然後在相同的照明條件下，通過高精度的流明表測量環境的照度，同時用ALS模塊測量環境的照度，然後以流明表的輸出為基準來校正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。iZZednc

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：iZZednc

CPL = (ATIME_ms ×AGAINx) / 20iZZednc

Lux1 = (C0DATA – a0×C1DATA) / CPLiZZednc

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

Lux = MAX(Lux1, Lux2, 0)

在上述方程式中，CPL, a0, b0, b1是要校正的參數。iZZednc

CPL: 每亮度計數(Counts per Lux)iZZednc

C0DATA: 讀取自Channel 0的數據iZZednc

C1DATA: 讀取自Channel 1的數據iZZednc

C0DATA-a0x C1DATA: 加權計數紅外線比例高的光源iZZednc

b0xC0DATA-b1x C1DATA: 加權計數紅外線比例低的光源iZZednc

MAX: Lux1, Lux2 及0中的最大值iZZednc

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，在生產時嚴格控制油墨透射率，以及小心地進行校正，則環境光感測的系統誤差可以被限制在不超過±15%範圍內。在某些情況下，誤差可以小至±10%。對於調整背光亮度以降低功耗並改善使用者體驗這個目的來說，這已夠好了。當然，OEM業者可能基於顯示器背光控制之外的功能，而需要更高精確度的環境光傳感器，這需使用靈敏度極高的環境光傳感器(例如不具有接近探測的單機型裝置) 。iZZednc

總結

環境光傳感器已被廣泛應用於智慧型手機中，用來提供環境光亮度的相關信息，以支持背光 LED電源電路。然而，這個應用說起來簡單，但實際做起來卻不易，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。iZZednc

ALS必須被置於顯示器屏幕的背面，這裡可以說是寸土寸金，且同一器件必須能夠實現接近探測(靠近使用者臉部時可關閉顯示屏)和環境光測量功能。這些及其他條件嚴重限制了設計工程師，使其無法自由地針對設計進行最佳化。iZZednc

註：Steven Li，艾邁斯半導體公司應用經理

《電子技術設計》2016年8月刊版權所有，謝絕轉載。iZZednc

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