OLED示屏后技术：全新环境光传感器技术大幅提升手机显示屏管理

　　艾迈斯半导体Mathew Hubbard

　　环境光传感器（ALS）或颜色传感器已成为手机设计的必备功能选项。ALS可以测量显示屏的入射环境光强度，让处理器根据测量的环境照明条件调整显示屏背光。这有助于改善观看体验并降低功耗。

　　用于显示屏管理的ALS或颜色传感器通常安装于手机用户端的顶部边框，该位置可以不受遮挡地接收环境光。然而，高端智能手机新的设计趋势是尽量减小甚至消除边框，以实现显示屏尺寸的最大化，且普遍使用OLED显示屏。因此，手机制造商希望获得一种能够安装在显示屏下的环境光传感系统。

　　毫无疑问，从OLED发光层后感知入射光非常困难。为此，光传感技术供应商提出了各种解决方案。目前，艾迈斯半导体已研发出一种解决方案，该方案不仅大大超出手机制造商对测量精度的要求，而且兼顾了设计灵活性的考虑---可在显示屏后的任何位置安装ALS，并支持传统边框位置ALS器件采用的常见传感器中枢架构。

　　本文介绍了推动ALS移到OLED显示屏下的动因，并概述了使ALS器件能在发光屏下运行的创新技术。

　　显示屏尺寸和性能：关键差异化优势

　　面对利润丰厚的高端智能手机市场，各厂商展开了激烈的市场竞争，而显示屏尺寸和性能正是手机OEM拥有的两大最强武器。长期以来，用户一直非常重视手机的媒体播放器功能。用户越来越看重手机渲染虚拟现实（VR）和增强现实（AR）内容以及播放传统视频和显示图像的能力。

　　这一需求正在推动传统液晶显示（LCD）技术向有机发光二极管（OLED）显示技术的转变：OLED技术具有更高的对比度，更生动准确的色彩再现，以及更低的功耗。OLED技术也可以实现更加灵活的结构，如曲面显示屏或折叠屏幕。

　　但这会影响显示屏性能的另一方面：对环境光的响应。如今，在黑暗环境中使用手机时，显示屏会自动变暗，以避免眩光，并节省用电。而在明亮太阳光下使用手机时，显示屏的亮度会上升，这样就能保持感知对比度，让用户舒适地查看内容。

　　如果消费者看重显示质量，他们也会考虑显示尺寸：越大越好。当然，显示屏的大小是有限制的：手机必须具备便携性，便于手持。因此，为在给定尺寸范围内最大限度地扩大显示屏的尺寸，手机制造商希望消除边框，并将可视显示区延伸到手机壳的最顶部和最底部。

　　如果手机配备了颜色传感器，而非ALS，它不仅能够管理显示屏亮度，还能管理颜色再现，使显示屏适应不同的观看环境，例如，荧光灯照明、LED照明和太阳自然光。

　　然而，边框的消失和OLED显示屏技术的发展，使得OEM厂商面临巨大挑战：无法继续在边框上安装ALS器件或颜色传感器，因为边框位置可以不受阻碍地接收环境光。但又必须在某处安装ALS或颜色传感器，因为它们是实现显示屏高效管理的关键因素。

　　这个“某处”是指OLED显示屏下的某处。但如何从本身发出较高强度光线的屏幕下面感知入射的环境光呢？

　　超高灵敏度ALS

　　事实上，OLED显示屏一定程度上是半透明的：复杂的结构可以散射入射光，而不会完全阻挡入射光。手机的OLED显示屏下绝大部分面积是不透明的反光薄背板，因为要为显示屏发出的光提供均匀的光学背景。但是如果在OLED背面反射膜层开一个小孔（直径1mm），就可以使一部分环境光透过OLED达到放置在其后的ALS传感器上。

　　在OLED屏下实现环境光传感的难点在于，显示屏发出的光也会到达ALS，从而干扰对环境光的测量。因此，挑战在于如何从ALS器件光敏传感器感知的环境光中减去OLED显示屏发出的光，从而得到真实的环境光强度。

　　一种方法是利用OLED显示屏的占空比。在低显示亮度下，OLED显示屏的亮度是通过PWM调制控制的，PWM的占空比小于100%，当屏幕变暗时，OLED显示屏提供很短的“间隔时间”，屏幕熄灭。可以只在间隔时间触发ALS操作，从而获得纯净、无显示屏发光干扰的环境光测量。

　　这种方法是可行的，但只解决了部分问题。因为显示屏亮度较高时，占空比通常为100%。这意味着ALS必须具备处理显示屏发光干扰的能力。

　　为满足这一要求，研究人员提出了另一种方法：显示同步。如果ALS知道上面像素显示内容为黑色，则来自显示屏的光学干扰程度为零或接近零。

　　同样，这只是理论上可行的解决方案，但在实践中，它要求两个完全离散的函数——ALS和显示驱动器IC （DDIC）之间紧密协调。目前的手机显示架构很难实现这种协调。ALS有连接至传感器中枢IC的单一接口，为支持的每个传感器运行驱动程序。ALS的输出通过中枢传输至手机应用处理器，显示屏管理软件也在其中运行。另外，将ALS连接到DDIC会给电路板布局和系统软件增加相当大的额外复杂性。

　　因此，艾迈斯半导体开发了一种无需显示同步的OLED屏下环境光传感解决方案（尽管基于颜色传感器而非ALS的复杂显示屏管理系统可能仍然需要显示同步）。全新艾迈斯半导体ALS解决方案，融合了性能大幅改善的光敏传感器和艾迈斯半导体开发的先进软件。

　　保持OLED屏后的测量精度

　　高效显示屏管理要求ALS性能中的勒克斯测量精度至少为±10%（勒克司是亮度单位，也就是表面入射光的强度）。经过校准后，通常装于手机边框中的艾迈斯半导体ALS器件的勒克司测量精度提高至±5%

　　使OLED屏下的器件达到所需精度，比器件位于边框上时要难得多。因此艾迈斯半导体开发了全新ALS芯片，具有很高的光敏性，比传统边框设计的ALS芯片高约10倍。

　　提高了勒克斯的检测范围和分辨率：该方法的优势在于，即使环境光相对于显示屏漏光较弱时，仍然能从检测到的光强信号中减掉显示屏的影响而得到实际环境光的强调。

　　这种OLED屏下ALS解决方案的运行还依赖于抵消显示屏光的能力：这是通过艾迈斯半导体开发的复杂算法实现的。

　　正是这种高灵敏度硬件和复杂软件的结合，使艾迈斯半导体ALS解决方案能够高效运行。将最新一代艾迈斯半导体器件和算法融为一体的OLED屏下ALS系统，标定的勒克司测量精度优于±10%，远超手机厂商所需的性能指标。

　　OLED显示屏的光学漫射结构支持ALS器件的高效运行，这意味着传感器在大多数入射角下工作，无需结构专门做宽视场设计。

　　逆集成趋势

　　然而，这种漫射结构也意味着用于接近传感的红外发射器在OLED显示屏下运行时会遇到重大挑战。因此，最初的艾迈斯半导体OLED屏下ALS解决方案的环境光和接近传感模块并未完全集成。但随着高端智能手机引入红外用户脸部识别技术，OEM将有其他接近传感方案可选。

　　为了应对这种逆集成趋势，艾迈斯半导体OLED屏下ALS解决方案还集成了LED硬件驱动和红外接收器，可以配合外置IR LED实现接近检测功能。如果红外LED安装在显示屏边缘最外侧或分型线上，能够清晰查看用户的脸部，反射红外光将由OLED屏下集成接收器进行检测。

　　OLED屏下ALS：可靠的性能

　　因此，艾迈斯半导体提供了一种ALS解决方案，支持手机制造商消除新OLED技术显示屏的边框，以实现显示屏尺寸最大化。

　　凭借艾迈斯半导体开发的高灵敏度半导体技术以及复杂的干扰补偿算法，ALS功能可以在OLED屏下高效运行。该算法可以运行在外部或ams芯片内部。

　　这使手机制造商能够保留实用的显示亮度调整功能，使他们能够在向OLED显示技术过渡的过程中，采用当今用户青睐的时尚无边框显示设计。

　　［结束］

　　Summary

　　概述

　　The ambient light sensor （ALS） or color sensor has become a common feature of mobile phone designs. An ALS measures the intensity of ambient light incident on the display screen， providing information that lets a processor adjust the brightness of the display backlight in response to the ambient lighting conditions. This provides for a better viewing experience and lower power consumption.

　　环境光传感器（ALS）或颜色传感器已成为手机设计的常见功能选项。ALS可以测量显示屏的入射环境光强度，让处理器根据测量的环境照明条件调整显示屏背光。这有助于改善观看体验并降低功耗。

　　An ALS or color sensor for display management is typically located in the bezel at the top of the user side of the phone， where it has an unimpeded view of the ambient light. New designs for high-end smartphones， however， have eliminated the bezel to maximize the size of the display. Mobile phone makers are therefore looking to implement an ambient light-sensing system which can be mounted behind the display. In the new bezel-less phone designs， this display will generally use OLED-display technology.

　　用于显示屏管理的ALS或颜色传感器通常安装于手机用户侧的顶部边框，该位置可以不受阻碍地接收环境光。然而，高端智能手机的全新设计消除了边框，以实现显示屏尺寸的最大化。因此，手机制造商希望获得一种能够安装在显示屏下的环境光传感系统。在新的无边框手机设计中，这款显示屏将普遍采用OLED显示技术。

　　Various approaches to the problem have been suggested by providers of light-sensing technology. Now ams has developed a solution which exceeds the mobile phone manufacturers’ requirement for measurement accuracy， while providing the design flexibility to locate the ALS anywhere on the PCB behind the display， and supporting the familiar sensor hub architecture used by conventional bezel-mount ALS devices.

　　为此，光传感技术供应商提出了各种解决方案。目前，艾迈斯半导体已开发出一种解决方案，不仅大大超出手机制造商对测量精度的要求，还具备设计灵活性，可在显示屏下PCB的任何位置安装ALS，并支持传统边框安装ALS器件所采用的常见传感器中枢架构。

　　This article describes the factors driving the trend to move the ALS behind the OLED display， and outlines the innovations which make it possible for an ALS device to operate behind an emissive screen.

　　本文介绍了推动ALS移到OLED显示屏下的动因，并概述了使ALS器件能在发光屏后运行的创新技术。

　　Biography

　　简介

　　Mathew Hubbard is the Director of Marketing for ams AG responsible for advanced optical sensor solutions. His two-decade-plus career spans various sales， marketing， and engineering roles in the semiconductor industry. His background includes analog， digital， mixed signal. RF and optical technologies. For the last eight years his focus has been on semiconductor components primarily targeting the smartphone market with an emphasis on RF and optical solutions.

　　Mathew Hubbard是艾迈斯半导体的市场总监，主管先进光学传感器解决方案。他拥有20多年的半导体行业销售、市场营销和工程从业经验。他的学术背景包括模拟、数字和混合信号、射频和光学技术。过去8年，他一直专注于针对智能手机市场的半导体元器件，主要针对射频和光学解决方案。