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屏下光感测器全面进入显示应用装置
更小、更弹性、更易整合

【作者: 謝承翰】2021年06月30日 星期三

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现今,环境光感测器(ALS)已成为手机、平板、笔电、电视、汽车、广告看板、智慧家电甚至户外照明的标准配备,无论苹果、惠普、丰田、通用等旗下产品都不难看见其踪迹。


它的用途是:根据环境的光线,调整电子产品萤幕亮度,当环境光感测器侦测到环境明亮时,会自动关闭容易消耗电力的萤幕背光源;反之则开启并调整光源,以达到人眼最舒适的光视感度,缓解视觉疲劳;同时,也能实现节省电子产品耗电量,延长电池寿命的目的。


此外,环境光感测器也可以使用在路灯,根据天色明暗自动关闭或开启;也可以使用在车灯上,例如进入隧道、接近黄昏或光线减弱时自动控制车灯。环境光感测器的工作就是持续进行量测,并协助处理器判断环境光照度,以启动萤幕背光源或照明,并且自动调整光线,无论在任何的照明环境下,都可以达到一致的输出亮度,让使用者体验最隹观看舒适度,提升体验并达到节能的目的。


想像一下,坐进驾驶座,智慧仪表板可以根据光线状态自动调光,让驾驶可以随时清楚看见仪表板资讯,智慧萤幕也会自动显示问候语、今天的天气状况;当你想要搜寻附近的美食餐厅,萤幕上会自动告知附近的热门美食餐厅位址、类型;又或者当你站在服饰店橱窗外,智慧看板会主动呈现欢迎讯息、今日新品与特惠商品,甚至最新流行的穿搭方式。


如今,人们生活周遭已围绕大大小小、形形色色的显示面板,这些面板共通点就是搭载背光源,帮助人们清楚看到画面显示的内容。然而,背光源耗电量高,约占显示器耗电量高达40%,若背光能因应环境光源去做明暗调节,可以节省不少电力。


根据市调机构Grand View Research指出,全球环境光感测器市场规模在2019年达28.5亿美元,预计2020~2027年年复合成长率达10.9%,包括智能居家、汽车仪表板与显示器、户外照明等应用都将带动环境光感测器市场规模持续扩大。


环境光感测器的技术原理


图一 : 苹果的Apple Watch 5就将环境光感测置於显示器之後。(source:allthings.how)
图一 : 苹果的Apple Watch 5就将环境光感测置於显示器之後。(source:allthings.how)

环境光感测器的技术原理,就是先透过光学滤波器过滤後的光转成讯号,经由类比数位转换器将类比形式的连续讯号转换为数位讯号,再透过环境光感测器内部I2C(机体汇流排电路)介面与外部的微控制器(MCU)系统处理输出的脉冲宽度调变(PWM)讯号,藉此对TFT LCD显示器模组中的背光源下指令,进行可适性的亮度明暗调整。


如今,环境光感测器的种类分为四类:光敏电阻、光二极体、光电晶体、整合放大电路的光电IC,其中光电IC是市场主流,优点涵盖光谱特性接近人眼对可见光的响应、更好的线性曲线、输出电流容易获得、内建中断唤醒功能等。


环境光感测器的主要供应商,包括艾迈斯半导体(ams AG)、博通(Broadcom)、威世科技(Vishay Intertechnology,Inc.)、德州仪器(TI)、罗姆半导体(ROHM)、欧司朗(OSRAM)、英特矽尔(Intersil)、II-VI、意法半导体、瑞萨、安森美、美高森美(Microsemi)、Melexis等。


供应商概况


图二 : 艾迈斯半导体把接近感测器和光感测器整合成一个更小的模组,进一步缩减边框体积。(source:ams)
图二 : 艾迈斯半导体把接近感测器和光感测器整合成一个更小的模组,进一步缩减边框体积。(source:ams)

艾迈斯半导体、博通(前身是安华高)、英特矽尔是全球前三大环境光感测器供应商,推出的产品都具有指标性的市场定位。


过去逾十年来,艾迈斯半导体持续在环境光感测器推陈出新,尤其在手机屏下光感测器居於领先地位。继推出适用於OLED(有机发光二极体)萤幕下的环境光感测器方案TCS3701,藉由RGB光线与红外光感测器、演算法及串扰补偿算法,实现精确测量环境光强度。


艾迈斯半导体再发布超小尺寸(1.1毫米×3.25毫米)、整合接近感测器、低功耗发射器、环境光感测器三合一的方案TMD2755,协助OEM(原始设备制造商)开发出窄边框显示萤幕的行动装置;以及发表可以实现无边框手机的高整合度环境光感测器方案TMD3719,这是艾迈斯半导体首次开发单一模组中整合环境光感测、接近侦测与频闪侦测的光学感测器,也是首款克服OLED萤幕背後环境光感测、接近侦测与频闪侦测重大技术挑战的方案,简化系统设计并减少智慧手机制造商的开发工作,且让手机厂商藉此能够实现突破性的产品。


特别是,2021年3月,艾迈斯半导体宣布,集团的母公司艾迈斯半导体全资子公司之一,ams Offer GmbH与欧司朗签订《控股和损益表转移协议》,双方何并之後,将成为光学解决方案的全球领导供应商,预期在环境光感测器将持续创新。


英特矽尔的环境光感测器将光电二极管与电流放大器进行高度整合,扩展了典型环境光感测器的实用性。ISL 29102是在单一IC上整合校准光电二极管、非线性电流放大器与微功率运算放大器。其中,整合的非线性电流放大器以平方根方式对光电二极管讯号进行放大与转换,扩大了光输入动态范围,同时在昏暗条件下保持良好的灵敏度;光电二极管阵列在550奈米处具有与人眼响应类似的峰值灵敏度。


尤其是,ISL 29102可以检测环境光强度,并输出比例电压,并将电流注入白光发光二极体(LED)驱动器的反??输入中。在明亮的环境中,环境光感测器像反??结点提供更多电流,因此降低白光LED输出电流并降低输出光强度,藉此延长电池寿命。


另外一款环境光感测器,同样使用校准光电二极管,以及微功率16位元模拟数位转换器(ADC)和一个串型I2C接囗。由於光电二极管的输出经过校准,通过电流放大器输入积分ADC,ADC排除50/60Hz噪音,再由I2C接囗输出数位讯号,在正常工作状态下,功耗可以小於65微安培。


意法半导体最新推出的全色域环境光感测器VD6281具备闪烁频率检测功能,可以用来提升手机与联网装置的拍照性能。这款产品主要系透过同时输出场景色温、紫外线辐射强度和光频讯息,为手机相机校正白平衡并增强色彩呈现效果,同时也可设定适合的曝光时间,避免闪烁的伪影发生,并消除照片和影片中的带状现象,尤其是在采用LED等新世代光源的场景中,效果最为明显。


此外,VD6281也堪称是目前市面上体积最小的多光谱环境感测器,可整合在大萤幕且窄小接囗的无边框智慧手机和智慧表内。


结语

随着手机、平板、笔电、电视、汽车、广告看板、智慧家电甚至户外照明,对於更大萤幕、更高效能镜头、更好的使用体验要求愈来愈高,也带动半导体公司持续推出更新一代的环境光感测器,除了让外界不断见识到更先进的环境光感测器方案,也藉此协助电子与照明品牌厂商开发出更令终端消费族群满意的商品。


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