智能手机环境光近传感器设计技巧分享

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。
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。
就环境光感测而言，理想的视角是180度(这实际上是不可能的)，因为这是环境光射至显示屏的角度，然而对接近感测而言却是相反的：它需要的是窄视角，如此才能限制红外线LED和红外线传感器之间出现串扰的可能性。比较理想的是红外线传感器应该只感测使用者脸部反射的红外光，而LED不应直接照射到传感器上，也不应该检测到来自触控面板顶部及底部反射回来的光线。因此，必需针对ALS和红外线传感器之间的需求冲突进行取舍。
透过实验，智能手机设计师发现90~110度的视角能提供高性能的接近探测，同时还能让环境光感测系统表现良好；将角度缩窄至90度以下会明显损害ALS的性能。此外，若系统以90度的视角工作，则触控屏幕底部和感测模块顶部之间的空气间隙必须要非常小。
视角并非是影响ALS性能的唯一机械设计问题。为了让光线通过屏幕达到传感器模块，设计师必须在显示屏开一个孔隙，OEM业者希望这个孔隙愈小愈好，以避免破坏触控屏幕的圆润、平滑外型。他们也会在屏幕玻璃下表面添加油墨以掩盖这个开孔，这会让它变暗且让它的颜色和手机外壳颜色融和在一起。油墨和开孔都会降低入射至传感器模块的光线强度。
此外，OEM业者必须在生产在线严格控制油墨的透射率变化。例如，如果使用透射率17%的油墨，仅仅±1%的油墨透射率变化就会造成ALS输出产生5.9%的额外误差。
第三个在智能手机中实现环境光感测会面临的重大挑战，在于需要处理非常高动态范围的光输出。智能手机制造商想要让显示屏背光的亮度能被适当设定，无论手机是处于几乎完全黑暗(亮度低至0.1lux)还是阳光直接照射(亮度高至220klux)的环境中。
这需要传感器在极宽的动态范围具有高的灵敏度，同时还要能维持极低的本底噪声(noise floor)。此外，设备的增益也应能被控制从而可以适应环境光亮度的变化。
微调的实施
本文已说明在智能手机中支配环境光感测的折中原则、双光电管解决方案的好处，以及OEM业者需要关注的 ALS模块特性，然而每一个设备的外观、机械设计及油墨都有所不同，这就需要各个表征特性，才能开发出量身打造的亮度方程式。
这个方程式是用来精确地除去环境光的红外成分，以及补偿受限的视角。
为了实现这样的表征特性，智能手机必需曝露于各种不同的光源中，这些光源会发出不同比例的红外线及紫外线。然后在相同的照明条件下，透过高精度的lux表测量环境的照度，同时用ALS模块测量环境的照度，然后以lux表的输出为基准来校正ALS的输出。lux表的测光面应该用遮光罩罩住，以模拟光传感器受限的视角。
为表征传感器模块，例如像奥地利微电子的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是表征特性的参数。
CPL：每亮度计数(Counts per Lux)。 C0DATA：读取自Channel 0的数据。 C1DATA：读取自Channel 1的数据。 C0DATA-a0x C1DATA：加权计数红外线比例高的光源。 b0xC0DATA-b1x C1DATA：加权计数红外线比例低的光源。 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资料组，则表征特性将越精确。
定义适当的机械设计，在生产时严格控制油墨透射率，以及小心地进行表征，则环境光感测的系统误差可以被限制在不超过±15%范围内。在某些情况下，误差可以小至±10%。对于调整背光亮度以降低功耗并改善使用者体验这个目的来说，这已够好了。
当然，OEM业者可能基于显示器背光控制之外的功能，而需要更高精确度的ALS，这需使用灵敏度极高的环境光传感器(例如不具有接近探测的单机型装置) 。针对此类应用，奥地利微电子的TSL25911就是理想选择。
总结
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，但实际做起来却不易——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—组件必须能够实现接近探测(靠近使用者脸部时可关闭显示屏)和主要环境光测量功能。这些及其他条件严重限制了设计工程师，使其无法自由地针对设计进行优化。