為智慧型手機設計最佳化環境光/近接感測器

作者 : Steven Li/奧地利微電子應用經理

智慧型手機中,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環境光亮度而發生改變將帶來很多好處…

智慧型手機中,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環境光亮度而發生改變將帶來很多好處。在相對較暗的環境中,可透過降低顯示器亮度節省電力,同時還能緩解使用者的視覺疲勞,改善使用者的體驗。

事實上,環境光感測器(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資訊,以支援背光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,一方面又得讓使用者看得舒服。

ALS必須被置於顯示器螢幕的背面,這裡可以說是寸土寸金,且同一元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幕)和環境光量測功能。這些以及其他條件嚴重限制設計工程師,使其無法自由地進行優化設計。

本文介紹在智慧型手機中實現環境光感測遇到的主要挑戰,以及如何克服這些挑戰,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。

明亮視覺反應

首個難題就是光電二極體(photodiode)對光的反應方式並不同於人眼。人類的眼睛對於紅外線(IR,波長大於780nm)及紫外線(UV,波長小於380nm)並不敏感,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1,100nm的光線。

這就意味著設計師的第一個挑戰就是如何移除感測器輸出中的紅外線和紫外線成分。ALS的功能是獲取射入智慧型手機顯示幕上的光線亮度(測量單位是照度流明(lux)),如果該亮度測量結果包含紫外線和紅外線以及可見光,它呈現給顯示幕背光控制器的並非是人眼真實所見,也就是說感測器對環境光的反應不同於人眼的「明亮視覺(photopic)」反應。總之,感測器「感受」到環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感測器上疊加光學紅外線濾波器。然而在智慧型手機中,同一個感測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,用來關閉顯示幕及觸控控制器。

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圖1 太陽光的光譜功率分佈,其中的強功率紅外線成分對人眼而言是不可見的。


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孔,讓紅外線通過。

奧地利微電子已針對這個問題提出一個更好的解決方案:雙二極體(dual-diode)模組。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(圖中的Channel 1)則主要用來感測光譜中的紅外線部分。從全光譜感測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。

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圖2 奧地利微電子雙二極體模組系列之TMD2772的光譜靈敏度,其他產品還包含TMD27721及TMD27723系列。


這個感測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足夠。

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/接近感測器模組的視角,而且不影響其性能。這關乎ALS和接近感測器之間的平衡。

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幕的角度,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和紅外線感測器之間出現串擾的可能性。比較理想的是紅外線感測器應該只感測使用者臉部反射的紅外光,而LED不應直接照射到感測器上,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,必需針對ALS和紅外線感測器之間的需求衝突進行取捨。

透過實驗,智慧手機設計師發現90~110度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度以下會明顯損害ALS的性能。此外,若系統以90度的視角工作,則觸控螢幕底部和感測模組頂部之間的空氣間隙必須要非常小。

視角並非是影響ALS性能的唯一機械設計問題。為了讓光線通過螢幕達到感測器模組,設計師必須在顯示幕開一個孔隙,OEM業者希望這個孔隙愈小愈好,以避免破壞觸控螢幕的圓潤、平滑外型。他們也會在螢幕玻璃下表面添加油墨以掩蓋這個開孔,這會讓它變暗且讓它的顏色和手機外殼顏色融和在一起。油墨和開孔都會降低入射至感測器模組的光線強度。

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輸出產生5.9%的額外誤差。

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幕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0.1lux)還是陽光直接照射(亮度高至220klux)的環境中。

這需要感測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雜訊(noise floor)。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。

微調的實施

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模組特性,然而每一個設備的外觀、機械設計及油墨都有所不同,這就需要各個表徵特性,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。

為了實現這樣的表徵特性,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,透過高精度的lux表測量環境的照度,同時用ALS模組測量環境的照度,然後以lux表的輸出為基準來校正ALS的輸出。lux表的測光面應該用遮光罩罩住,以模擬光感測器受限的視角。

為表徵感測器模組,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)

在上述方程式中,CPL, a0, b0, b1是表徵特性的參數。

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:加權計數紅外線比例高的光源。
b0xC0DATA-b1x C1DATA:加權計數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,則表徵特性將越精確。

定義適當的機械設計,在生產時嚴格控制油墨透射率,以及小心地進行表徵,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ALS,這需使用靈敏度極高的環境光感測器(例如不具有接近探測的單機型裝置) 。針對此類應用,奧地利微電子的TSL25911就是理想選��。

總結

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資訊,以支援背光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。

ALS必須被置於顯示器螢幕的背面, 這裡可以說是寸土寸金—元件必須能夠實現接近探測(靠近使用者臉部時可關閉顯示幕)和主要環境光測量功能。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。

本文闡述在智慧型手機中實現環境光測量遇到的重大挑戰,並說明如何克服這些挑戰。本文說明以下需求:

˙ 除去ALS所量測的光線中的紅外線。
˙ 克服ALS曝露的視角限制。
˙提供環境光在高動態範圍的精確量測。

本文說明了最新一代環境光感測器,並針對智慧型手機的環境光亮度測量提供新選擇。

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