智能手機環(huán)境光/近接傳感器設(shè)計難點解析

　　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)生改變將帶來很多好處。在相對較暗的環(huán)境中，可透過降低顯示器亮度節(jié)省電力，同時還能緩解用戶的視覺疲勞，改善用戶的體驗。

　　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，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實現(xiàn)接近探測功能（靠近用戶臉部時可關(guān)閉顯示屏）和環(huán)境光量測功能。這些以及其他條件嚴(yán)重限制設(shè)計工程師，使其無法自由地進行優(yōu)化設(shè)計。

　　本文介紹在智能手機中實現(xiàn)環(huán)境光感測遇到的主要挑戰(zhàn)，以及如何克服這些挑戰(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。

　　明亮視覺反應(yīng)

　　首個難題就是光電二極管（photodiode）對光的反應(yīng)方式并不同于人眼。人類的眼睛對于紅外線（IR，波長大于780nm）及紫外線（UV，波長小于380nm）并不敏感，另一方面，標(biāo)準(zhǔn)的硅光電二極管一般會感測到波長介于300nm和1，100nm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和紫外線成分。ALS的功能是獲取射入智能手機顯示屏上的光線亮度（測量單位是照度流明（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，也就是說傳感器對環(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迭加光學(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孔，讓紅外線通過。

　　艾邁斯半導(dǎo)體已針對這個問題提出一個更好的解決方案：雙二極管（dual-diode）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。

　　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足夠。

　　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，必需針對ALS和紅外線傳感器之間的需求沖突進行取舍。

　　透過實驗，智能手機設(shè)計師發(fā)現(xiàn)90~110度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度以下會明顯損害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(dá)到傳感器模塊，設(shè)計師必須在顯示屏開一個孔隙，OEM業(yè)者希望這個孔隙愈小愈好，以避免破壞觸控屏幕的圓潤、平滑外型。他們也會在屏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傳感器模塊的光線強度。

　　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造成ALS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0.1lux）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（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)的實施

　　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，這就需要各個表征特性，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)這樣的表征特性，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，透過高精度的lux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lux表的輸出為基準(zhǔn)來校正ALS的輸出。lux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。

　　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資料組，則表征特性將越精確。

　　定義適當(dāng)?shù)臋C械設(shè)計，在生產(chǎn)時嚴(yán)格控制油墨透射率，以及小心地進行表征，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的單機型裝置） 。針對此類應(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—組件必須能夠?qū)崿F(xiàn)接近探測（靠近使用者臉部時可關(guān)閉顯示屏）和主要環(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)計進行優(yōu)化。