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。


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。

....繼續閱讀請連結EDN Taiwan官網