事實上，環境光傳感器(Ambient light sensors
，ALS)已被廣泛應用於智能手機中，用來提供環境光亮度的相關信息
，以支持背光LED電dian源yuan電dian路lu。然ran而er

，這zhe個ge應ying用yong說shuo起qi來lai簡jian單dan
，但dan實shi際ji做zuo起qi來lai會hui遇yu到dao許xu多duo挑tiao戰zhan
，那na是shi因yin為wei一yi方fang麵mian得de讓rang省sheng電dian效xiao果guo夠gou明ming顯xian
，一yi方fang麵mian又you得de讓rang使shi用yong者zhe看kan得de舒shu服fu。
 

ALS必須被置於顯示器屏幕的背麵
，這裏可以說是寸土寸金，且同一組件必須能夠同時實現接近探測功能(靠近用戶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製設計工程師
，使其無法自由地進行優化設計。
 

本ben文wen介jie紹shao在zai智zhi能neng手shou機ji中zhong實shi現xian環huan境jing光guang感gan測ce遇yu到dao的de主zhu要yao挑tiao戰zhan，以yi及ji如ru何he克ke服fu這zhe些xie挑tiao戰zhan，以yi實shi現xian背bei光guang燈deng更geng高gao的de反fan應ying靈ling敏min度du，並bing能neng精jing確que地di根gen據ju環huan境jing光guang來lai調tiao整zheng背bei光guang亮liang度du。
 

首個難題就是光電二極管(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，另一方麵，標準的矽光電二極管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))，ruguogailiangduceliangjieguobaohanziwaixianhehongwaixianyijikejianguang
，tachengxiangeixianshipingbeiguangkongzhiqidebingfeishirenyanzhenshisuojian，yejiushishuochuanganqiduihuanjingguangdefanyingbutongyurenyande“明亮視覺(photopic)”反應。總之
，傳感器“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)jilaizibaichidengdeguangxianjiushiruci。quchuhongwaixiandeyigeyouxiaofangfajiushizaichuanganqishangdiejiaguangxuehongwaixianlvboqi。ranerzaizhinengshoujizhong，tongyigechuanganqiyibanyehuibeiyongyujiejintance(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製器。 

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。

 

當然，智能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管(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(shang)的(de)光(guang)學(xue)濾(lv)波(bo)器(qi)及(ji)獨(du)立(li)的(de)紅(hong)外(wai)線(xian)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)兩(liang)者(zhe)的(de)成(cheng)本(ben)，紅(hong)外(wai)線(xian)光(guang)電(dian)二(er)極(ji)管(guan)還(hai)會(hui)占(zhan)據(ju)額(e)外(wai)的(de)空(kong)間(jian)，且(qie)必(bi)須(xu)在(zai)顯(xian)示(shi)器(qi)的(de)表(biao)麵(mian)開(kai)孔(kong)
，讓(rang)紅(hong)外(wai)線(xian)通(tong)過(guo)。  
 

艾邁斯半導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果。

圖2 艾邁斯半導體雙二極管模塊係列之TMD2772的光譜靈敏度，其他產品還包含TMD27721及TMD27723係列。   
 

這(zhe)個(ge)傳(chuan)感(gan)器(qi)對(dui)於(yu)紫(zi)外(wai)線(xian)很(hen)不(bu)敏(min)感(gan)，而(er)且(qie)在(zai)任(ren)何(he)情(qing)況(kuang)下(xia)的(de)常(chang)見(jian)光(guang)源(yuan)所(suo)發(fa)射(she)的(de)紫(zi)外(wai)線(xian)輻(fu)射(she)皆(jie)極(ji)少(shao)。在(zai)大(da)部(bu)分(fen)情(qing)況(kuang)中(zhong)，為(wei)了(le)實(shi)現(xian)環(huan)境(jing)光(guang)感(gan)測(ce)而(er)除(chu)去(qu)紫(zi)外(wai)線(xian)隻(zhi)要(yao)采(cai)用(yong)能(neng)吸(xi)收(shou)紫(zi)外(wai)線(xian)的(de)包(bao)裝(zhuang)材(cai)料(liao)就(jiu)足(zu)夠(gou)。
 

在除去ALS輸出的紅外線元素後，智能手機設計師現在得解決第二個問題：如何限製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。
  

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，如此才能限製紅外線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隻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麵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衝突進行取舍。
   

透過實驗
，智能手機設計師發現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係統表現良好
；將角度縮窄至90度以下會明顯損害ALS的性能。此外
，若係統以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孔隙，OEM業者希望這個孔隙愈小愈好，以避免破壞觸控屏幕的圓潤、平ping滑hua外wai型xing。他ta們men也ye會hui在zai屏ping幕mu玻bo璃li下xia表biao麵mian添tian加jia油you墨mo以yi掩yan蓋gai這zhe個ge開kai孔kong，這zhe會hui讓rang它ta變bian暗an且qie讓rang它ta的de顏yan色se和he手shou機ji外wai殼ke顏yan色se融rong和he在zai一yi起qi。油you墨mo和he開kai孔kong都dou會hui降jiang低di入ru射she至zhi傳chuan感gan器qi模mo塊kuai的de光guang線xian強qiang度du。  
 

此外，OEM業者必須在生產在線嚴格控製油墨的透射率變化。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(di)三(san)個(ge)在(zai)智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)中(zhong)實(shi)現(xian)環(huan)境(jing)光(guang)感(gan)測(ce)會(hui)麵(mian)臨(lin)的(de)重(zhong)大(da)挑(tiao)戰(zhan)
，在(zai)於(yu)需(xu)要(yao)處(chu)理(li)非(fei)常(chang)高(gao)動(dong)態(tai)範(fan)圍(wei)的(de)光(guang)輸(shu)出(chu)。智(zhi)能(neng)手(shou)機(ji)製(zhi)造(zao)商(shang)想(xiang)要(yao)讓(rang)顯(xian)示(shi)屏(ping)背(bei)光(guang)的(de)亮(liang)度(du)能(neng)被(bei)適(shi)當(dang)設(she)定(ding)，無(wu)論(lun)手(shou)機(ji)是(shi)處(chu)於(yu)幾(ji)乎(hu)完(wan)全(quan)黑(hei)暗(an)(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(noise floor)。此外

，設備的增益也應能被控製從而可以適應環境光亮度的變化。
  

微調的實施   

本文已說明在智能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，這就需要各個表征特性
，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wei了le實shi現xian這zhe樣yang的de表biao征zheng特te性xing，智zhi能neng手shou機ji必bi需xu曝pu露lu於yu各ge種zhong不bu同tong的de光guang源yuan中zhong，這zhe些xie光guang源yuan會hui發fa出chu不bu同tong比bi例li的de紅hong外wai線xian及ji紫zi外wai線xian。然ran後hou在zai相xiang同tong的de照zhao明ming條tiao件jian下xia
，透tou過guo高gao精jing度du的delux表測量環境的照度
，同時用ALS模塊測量環境的照度
，然後以lux表的輸出為基準來校正ALS的輸出。lux表的測光麵應該用遮光罩罩住，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。   
 

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，則表征特性將越精確。    
 

定義適當的機械設計，在生產時嚴格控製油墨透射率
，以及小心地進行表征
，則環境光感測的係統誤差可以被限製在不超過±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製之外的功能，而需要更高精確度的ALS，這需使用靈敏度極高的環境光傳感器(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就是理想選擇。   
 

總結  

ALS已被廣泛應用於智能手機中，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——那是因為一方麵得讓省電效果夠明顯，一方麵又得讓使用者看得舒服。  
 

ALS必須被置於顯示器屏幕的背麵
， 這裏可以說是寸土寸金—組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)和主要環境光測量功能。這些及其他條件嚴重限製了設計工程師
，使其無法自由地針對設計進行優化。

 

 

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