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智能手机环境光/近接传感器设计难点解析

  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好处。在相对较暗的环境中,可透过降低显示器亮度节省电力,同时还能缓解用户的视觉疲劳,改善用户的体验。

本文引用地址:

  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,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,且同一组件必须能够同时实现接近探测功能(靠近用户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设计工程师,使其无法自由地进行优化设计。

  本文介绍在智能手机中实现环境光感测遇到的主要挑战,以及如何克服这些挑战,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。

  明亮视觉反应

  首个难题就是光电二极管(photodiode)对光的反应方式并不同于人眼。人类的眼睛对于红外线(IR,波长大于780nm)及紫外线(UV,波长小于380nm)并不敏感,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1,100nm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和紫外线成分。ALS的功能是获取射入智能手机显示屏上的光线亮度(测量单位是照度流明(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,也就是说传感器对环境光的反应不同于人眼的“明亮视觉(photopic)”反应。总之,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迭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。

  

  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决方案: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孔,让红外线通过。

  艾迈斯半导体已针对这个问题提出一个更好的解决方案:双二极管(dual-diode)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。

  

  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系列。

  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足够。

  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。