智能手机中,LCD面板背光的耗电约占设备总耗电量的40%,因此,如果能让背光亮度随着环境光亮度而发生改变将带来很多益处。在相对较暗的环境中,可通过降低显示器亮度来节省电力,同时还能缓解使用者的视觉疲劳,改善使用者的体验。

事实上,环境光传感器(Ambient light sensors, ALS)已被广泛应用于智能手机中,用来提供环境光亮度的相关信息,以支持背光 LED电源电路。然而,这个应用说起来简单,但实际做起来会遇到许多挑战,那是因为一方面得让省电效果够明显,另一方面又得让使用者看得舒服。

环境光传感器必须被置于显示屏的背面,这里可以说是寸土寸金,且同一器件必须能够同时实现接近探测功能(靠近使用者脸部时可关闭显示屏)和环境光量测功能。这些以及其他条件严重限制了设计工程师,使其无法自由地优化设计。

本文描述了在智能手机中实现环境光测量遇到的主要挑战,并说明了如何克服这些挑战,以实现背光灯更高的反应灵敏度,并能精确地根据环境光来调整背光亮度。

亮视觉反应

首个难题就是光电二极管对光的反应方式并不同于人眼。人类的眼睛对于红外线(波长大于780nm)及紫外线(波长小于380nm)并没有反应。另一方面,标准的硅光电二极管一般会感测到波长介于300nm和1100nm的光线。

这就意味着设计师的第一个挑战就是如何移除传感器输出中的红外线(IR)和紫外线(UV)成分。ALS的功能是获取射至智能手机显示屏上的光线亮度(测量单位是照度lux)。如果该亮度测量结果包含紫外线和红外线以及可见光,它呈现给显示屏背光控制器的并非是人眼真实所见,这即是说传感器对环境光的反应不同于人眼的“亮视觉”反应。简而言之,就是,传感器“感受”到环境光亮度会比人眼感受到的亮度更高。

这是因为自然光和人造光都会含有红外成分。例如,阳光(图1)及来自白炽灯的光线就是如此。去除红外线的一个有效方法就是在传感器上叠加光学红外线滤波器。然而在智能手机中,同一个传感器一般也会被用于接近探测(伴随着红外线LED),当手机靠近使用者脸部时,用来关闭显示屏及触控控制器。

20160804 A01

图1:太阳光的光谱功率分布,其中的强功率红外线成分对人眼而言是不可见的

当然,智能手机设计师可以仅针对接近感测另增一个独立的红外线光电二极管(IR photodiode),但是这是一个冗杂的解決方案:如此一来,这样的设计必须承担ALS上的光学滤波器及独立的红外线光电二极管两者的成本,红外线光电二极管还会占据额外的空间,且必须在显示器的表面开窗,让红外线通过。

艾迈斯半导体针对这个问题提出一个解決方案:双二极管模块。其中一个光电二极管(如图2中所示的Channel 0)用来感测全光谱,另一个(图2中的Channel 1)则主要用来感测光谱中的红外线部分。从全光谱传感器的输出中减掉红外线光电二极管的输出,则可得到可见光的测量结果。

这个传感器对于紫外线很不敏感,而且在任何情况下的常见光源所发射的紫外线辐射皆极少。在大部分情况中,为了实现环境光感测而除去紫外线只要采用能吸收紫外线的包装材料就够了。

20160804 A02

图2:艾迈斯半导体双二极管模块系列之TMD2772的光谱灵敏度,其他产品还包含TMD27721及TMD27723

在除去ALS输出的红外线元素后,智能手机设计师现在得解决第二个问题:如何限制ALS/接近传感器模块的视角,而且不影响其性能。这关乎ALS和接近传感器之间的平衡。

就环境光感测而言,理想的视角是180度(这实际上是不可能的),因为这是环境光射至显示屏的角度,然而对接近感测而言却是相反的:它需要的是窄视角,如此才能限制红外线LED和红外线传感器之间出现串扰的可能性。比较理想的是红外线传感器应该只感测使用者脸部反射的红外光,而LED不应直接照射到传感器上,也不应该检测到来自触控面板顶部及底部反射回来的光线。因此,必须针对ALS和红外线传感器之间的需求冲突进行取舍。

通过实验,智能手机设计师发现90-110°的视角能提供高性能的接近探测,同时还能让环境光感测系统表现良好。将角度缩窄至90° 以下会明显损害ALS的性能。此外,若系统以90° 的视角工作,则触控屏底部和感测模块顶部之间的空气间隙必须要非常小。

视角并非是影响ALS性能的唯一机械设计问题。为了让光线通过屏幕达到传感器模块,设计师必须在显示屏开一个窗。OEM业者希望这个窗愈小愈好,以避免破坏触控屏幕的流畅外型。他们也会在屏幕玻璃下表面添加油墨以掩盖这个开窗,这会让它变暗且让它的颜色和手机外壳颜色融和在一起。油墨和开窗都会降低射入至传感器模块的光线强度。此外,OEM业者必须在生产线上严格控制油墨的透射率变化。例如,如果使用透射率17%的油墨,仅仅±1%的油墨透射率变化就会造成ALS的输出产生5.9%的额外误差。

第三个在智能手机中实现环境光感测会面临的重大挑战,在于需要处理非常高动态范围的光输出。智能手机制造商想要让显示屏背光的亮度能被适当设定,无论手机是处于几乎完全黑暗(亮度低至0.1 lux)还是阳光直接照射(亮度高至220 klux)的环境中。这需要传感器在极宽的动态范围具有高的灵敏度,同时还要能维持极低的本底噪声。此外,设备的增益也应能被控制从而可以适应环境光亮度的变化。

参数微调

本文已说明在智能手机中支配环境光感测的折中原则、双光电管解决方案的好处,以及OEM业者需要关注的 ALS模块特性,然而每一个设备的外观、机械设计及油墨都有所不同,这就需要进行校正,才能开发出量身打造的亮度方程式。这个方程式是用来精确地除去环境光的红外成分,以及补偿受限的视角。

为了实现这样的校正,智能手机必需曝露于各种不同的光源中,这些光源会发出不同比例的红外线及紫外线。然后在相同的照明条件下,通过高精度的流明表测量环境的照度,同时用ALS模块测量环境的照度,然后以流明表的输出为基准来校正ALS的输出。流明表的测光面应该用遮光罩罩住,以模拟光传感器受限的视角。

要校正传感器,例如像艾迈斯半导体的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是要校正的参数。

CPL: 每亮度计数(Counts per Lux)

C0DATA: 读取自Channel 0的数据

C1DATA: 读取自Channel 1的数据

C0DATA-a0x C1DATA: 加权计数红外线比例高的光源

b0xC0DATA-b1x C1DATA: 加权计数红外线比例低的光源

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数据组,则校正越精确。

拥有适当的机械设计,在生产时严格控制油墨透射率,以及小心地进行校正,则环境光感测的系统误差可以被限制在不超过±15%范围内。在某些情况下,误差可以小至±10%。对于调整背光亮度以降低功耗并改善使用者体验这个目的来说,这已够好了。当然,OEM业者可能基于显示器背光控制之外的功能,而需要更高精确度的环境光传感器,这需使用灵敏度极高的环境光传感器(例如不具有接近探测的单机型装置) 。

总结

环境光传感器已被广泛应用于智能手机中,用来提供环境光亮度的相关信息,以支持背光 LED电源电路。然而,这个应用说起来简单,但实际做起来却不易,那是因为一方面得让省电效果够明显,一方面又得让使用者看得舒服。

ALS必须被置于显示器屏幕的背面,这里可以说是寸土寸金,且同一器件必须能够实现接近探测(靠近使用者脸部时可关闭显示屏)和环境光测量功能。这些及其他条件严重限制了设计工程师,使其无法自由地针对设计进行最佳化。

注:Steven Li,艾迈斯半导体公司应用经理

《电子技术设计》2016年8月刊版权所有,谢绝转载。

20160630000123