【導(dǎo)讀】本文描述了在智能手機中實現(xiàn)環(huán)境光測量遇到的主要挑戰(zhàn)，并說明了如何克服這些挑戰(zhàn)，以實現(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。
智能手機中，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)生改變將帶來很多益處。在相對較暗的環(huán)境中，可通過降低顯示器亮度來節(jié)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。
事實上，環(huán)境光傳感器(Ambient light sensors, ALS)已被廣泛應(yīng)用于智能手機中，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，這個應(yīng)用說起來簡單，但實際做起來會遇到許多挑戰(zhàn)，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，這里可以說是寸土寸金，且同一器件必須能夠同時實現(xiàn)接近探測功能(靠近使用者臉部時可關(guān)閉顯示屏)和環(huán)境光量測功能。這些以及其他條件嚴(yán)重限制了設(shè)計工程師，使其無法自由地優(yōu)化設(shè)計。
本文描述了在智能手機中實現(xiàn)環(huán)境光測量遇到的主要挑戰(zhàn)，并說明了如何克服這些挑戰(zhàn)，以實現(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。
亮視覺反應(yīng)
首個難題就是光電二極管對光的反應(yīng)方式并不同于人眼。人類的眼睛對于紅外線(波長大于780nm)及紫外線(波長小于380nm)并沒有反應(yīng)。另一方面，標(biāo)準(zhǔn)的硅光電二極管一般會感測到波長介于300nm和1100nm的光線。
這就意味著設(shè)計師的第一個挑戰(zhàn)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能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(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所見，這即是說傳感器對環(huán)境光的反應(yīng)不同于人眼的“亮視覺”反應(yīng)。簡而言之，就是，傳感器“感受”到環(huán)境光亮度會比人眼感受到的亮度更高。
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(xué)紅外線濾波器。然而在智能手機中，同一個傳感器一般也會被用于接近探測(伴隨著紅外線LED)，當(dāng)手機靠近使用者臉部時，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，其中的強功率紅外線成分對人眼而言是不可見的
當(dāng)然，智能手機設(shè)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管(IR photodiode)，但是這是一個冗雜的解決方案：如此一來，這樣的設(shè)計必須承擔(dān)ALS上的光學(xué)濾波器及獨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占據(jù)額外的空間，且必須在顯示器的表面開窗，讓紅外線通過。
艾邁斯半導(dǎo)體針對這個問題提出一個解決方案：雙二極管模塊。其中一個光電二極管(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管的輸出，則可得到可見光的測量結(jié)果。
這個傳感器對于紫外線很不敏感，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，為了實現(xiàn)環(huán)境光感測而除去紫外線只要采用能吸收紫外線的包裝材料就夠了。
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
在除去ALS輸出的紅外線元素后，智能手機設(shè)計師現(xiàn)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(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沖突進行取舍。
通過實驗，智能手機設(shè)計師發(fā)現(xiàn)90-110°的視角能提供高性能的接近探測，同時還能讓環(huán)境光感測系統(tǒng)表現(xiàn)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(tǒng)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(shè)計問題。為了讓光線通過屏幕達到傳感器模塊，設(shè)計師必須在顯示屏開一個窗。OEM業(yè)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(yè)者必須在生產(chǎn)線上嚴(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造成ALS的輸出產(chǎn)生5.9%的額外誤差。
第三個在智能手機中實現(xiàn)環(huán)境光感測會面臨的重大挑戰(zhàn)，在于需要處理非常高動態(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(dāng)設(shè)定，無論手機是處于幾乎完全黑暗(亮度低至0.1 lux)還是陽光直接照射(亮度高至220 klux)的環(huán)境中。這需要傳感器在極寬的動態(tài)范圍具有高的靈敏度，同時還要能維持極低的本底噪聲。此外，設(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。
參數(shù)微調(diào)
本文已說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，然而每一個設(shè)備的外觀、機械設(shè)計及油墨都有所不同，這就需要進行校正,才能開發(fā)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(huán)境光的紅外成分，以及補償受限的視角。
為了實現(xiàn)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，通過高精度的流明表測量環(huán)境的照度，同時用ALS模塊測量環(huán)境的照度，然后以流明表的輸出為基準(zhǔn)來校正ALS的輸出。流明表的測光面應(yīng)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(dǎo)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(shù)。
CPL: 每亮度計數(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)計數(shù)紅外線比例高的光源
b0xC0DATA-b1x C1DATA: 加權(quán)計數(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數(shù)據(jù)組，則校正越精確。
擁有適當(dāng)?shù)臋C械設(shè)計，在生產(chǎn)時嚴(yán)格控制油墨透射率，以及小心地進行校正，則環(huán)境光感測的系統(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%。對于調(diào)整背光亮度以降低功耗并改善使用者體驗這個目的來說，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) 。
總結(jié)
環(huán)境光傳感器已被廣泛應(yīng)用于智能手機中，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，這個應(yīng)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。
ALS必須被置于顯示器屏幕的背面，這里可以說是寸土寸金，且同一器件必須能夠?qū)崿F(xiàn)接近探測(靠近使用者臉部時可關(guān)閉顯示屏)和環(huán)境光測量功能。這些及其他條件嚴(yán)重限制了設(shè)計工程師，使其無法自由地針對設(shè)計進行最佳化。
文章來源于電子技術(shù)設(shè)計。
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