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屏下光感測器全面進入顯示應用裝置
更小、更彈性、更易整合

【作者: 謝承翰】   2021年06月30日 星期三

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現今,環境光感測器(ALS)已成為手機、平板、筆電、電視、汽車、廣告看板、智慧家電甚至戶外照明的標準配備,無論蘋果、惠普、豐田、通用等旗下產品都不難看見其蹤跡。


它的用途是:根據環境的光線,調整電子產品螢幕亮度,當環境光感測器偵測到環境明亮時,會自動關閉容易消耗電力的螢幕背光源;反之則開啟並調整光源,以達到人眼最舒適的光視感度,緩解視覺疲勞;同時,也能實現節省電子產品耗電量,延長電池壽命的目的。


此外,環境光感測器也可以使用在路燈,根據天色明暗自動關閉或開啟;也可以使用在車燈上,例如進入隧道、接近黃昏或光線減弱時自動控制車燈。環境光感測器的工作就是持續進行量測,並協助處理器判斷環境光照度,以啟動螢幕背光源或照明,並且自動調整光線,無論在任何的照明環境下,都可以達到一致的輸出亮度,讓使用者體驗最佳觀看舒適度,提升體驗並達到節能的目的。


想像一下,坐進駕駛座,智慧儀表板可以根據光線狀態自動調光,讓駕駛可以隨時清楚看見儀表板資訊,智慧螢幕也會自動顯示問候語、今天的天氣狀況;當你想要搜尋附近的美食餐廳,螢幕上會自動告知附近的熱門美食餐廳位址、類型;又或者當你站在服飾店櫥窗外,智慧看板會主動呈現歡迎訊息、今日新品與特惠商品,甚至最新流行的穿搭方式。


如今,人們生活周遭已圍繞大大小小、形形色色的顯示面板,這些面板共通點就是搭載背光源,幫助人們清楚看到畫面顯示的內容。然而,背光源耗電量高,約佔顯示器耗電量高達40%,若背光能因應環境光源去做明暗調節,可以節省不少電力。


根據市調機構Grand View Research指出,全球環境光感測器市場規模在2019年達28.5億美元,預計2020~2027年年複合成長率達10.9%,包括智能居家、汽車儀表板與顯示器、戶外照明等應用都將帶動環境光感測器市場規模持續擴大。


環境光感測器的技術原理


圖一 : 蘋果的Apple Watch 5就將環境光感測置於顯示器之後。(source:allthings.how)
圖一 : 蘋果的Apple Watch 5就將環境光感測置於顯示器之後。(source:allthings.how)

環境光感測器的技術原理,就是先透過光學濾波器過濾後的光轉成訊號,經由類比數位轉換器將類比形式的連續訊號轉換為數位訊號,再透過環境光感測器內部I2C(機體匯流排電路)介面與外部的微控制器(MCU)系統處理輸出的脈衝寬度調變(PWM)訊號,藉此對TFT LCD顯示器模組中的背光源下指令,進行可適性的亮度明暗調整。


如今,環境光感測器的種類分為四類:光敏電阻、光二極體、光電晶體、整合放大電路的光電IC,其中光電IC是市場主流,優點涵蓋光譜特性接近人眼對可見光的響應、更好的線性曲線、輸出電流容易獲得、內建中斷喚醒功能等。


環境光感測器的主要供應商,包括艾邁斯半導體(ams AG)、博通(Broadcom)、威世科技(Vishay Intertechnology,Inc.)、德州儀器(TI)、羅姆半導體(ROHM)、歐司朗(OSRAM)、英特矽爾(Intersil)、II-VI、意法半導體、瑞薩、安森美、美高森美(Microsemi)、Melexis等。


供應商概況


圖二 : 艾邁斯半導體把接近感測器和光感測器整合成一個更小的模組,進一步縮減邊框體積。(source:ams)
圖二 : 艾邁斯半導體把接近感測器和光感測器整合成一個更小的模組,進一步縮減邊框體積。(source:ams)

艾邁斯半導體、博通(前身是安華高)、英特矽爾是全球前三大環境光感測器供應商,推出的產品都具有指標性的市場定位。


過去逾十年來,艾邁斯半導體持續在環境光感測器推陳出新,尤其在手機屏下光感測器居於領先地位。繼推出適用於OLED(有機發光二極體)螢幕下的環境光感測器方案TCS3701,藉由RGB光線與紅外光感測器、演算法及串擾補償算法,實現精確測量環境光強度。


艾邁斯半導體再發布超小尺寸(1.1毫米×3.25毫米)、整合接近感測器、低功耗發射器、環境光感測器三合一的方案TMD2755,協助OEM(原始設備製造商)開發出窄邊框顯示螢幕的行動裝置;以及發表可以實現無邊框手機的高整合度環境光感測器方案TMD3719,這是艾邁斯半導體首次開發單一模組中整合環境光感測、接近偵測與頻閃偵測的光學感測器,也是首款克服OLED螢幕背後環境光感測、接近偵測與頻閃偵測重大技術挑戰的方案,簡化系統設計並減少智慧手機製造商的開發工作,且讓手機廠商藉此能夠實現突破性的產品。


特別是,2021年3月,艾邁斯半導體宣布,集團的母公司艾邁斯半導體全資子公司之一,ams Offer GmbH與歐司朗簽訂《控股和損益表轉移協議》,雙方何併之後,將成為光學解決方案的全球領導供應商,預期在環境光感測器將持續創新。


英特矽爾的環境光感測器將光電二極管與電流放大器進行高度整合,擴展了典型環境光感測器的實用性。ISL 29102是在單一IC上整合校準光電二極管、非線性電流放大器與微功率運算放大器。其中,整合的非線性電流放大器以平方根方式對光電二極管訊號進行放大與轉換,擴大了光輸入動態範圍,同時在昏暗條件下保持良好的靈敏度;光電二極管陣列在550奈米處具有與人眼響應類似的峰值靈敏度。


尤其是,ISL 29102可以檢測環境光強度,並輸出比例電壓,並將電流注入白光發光二極體(LED)驅動器的反饋輸入中。在明亮的環境中,環境光感測器像反饋結點提供更多電流,因此降低白光LED輸出電流並降低輸出光強度,藉此延長電池壽命。


另外一款環境光感測器,同樣使用校準光電二極管,以及微功率16位元模擬數位轉換器(ADC)和一個串型I2C接口。由於光電二極管的輸出經過校准,通過電流放大器輸入積分ADC,ADC排除50/60Hz噪音,再由I2C接口輸出數位訊號,在正常工作狀態下,功耗可以小於65微安培。


意法半導體最新推出的全色域環境光感測器VD6281具備閃爍頻率檢測功能,可以用來提升手機與聯網裝置的拍照性能。這款產品主要係透過同時輸出場景色溫、紫外線輻射強度和光頻訊息,為手機相機校正白平衡並增強色彩呈現效果,同時也可設定適合的曝光時間,避免閃爍的偽影發生,並消除照片和影片中的帶狀現象,尤其是在採用LED等新世代光源的場景中,效果最為明顯。


此外,VD6281也堪稱是目前市面上體積最小的多光譜環境感測器,可整合在大螢幕且窄小接口的無邊框智慧手機和智慧錶內。


結語

隨著手機、平板、筆電、電視、汽車、廣告看板、智慧家電甚至戶外照明,對於更大螢幕、更高效能鏡頭、更好的使用體驗要求愈來愈高,也帶動半導體公司持續推出更新一代的環境光感測器,除了讓外界不斷見識到更先進的環境光感測器方案,也藉此協助電子與照明品牌廠商開發出更令終端消費族群滿意的商品。


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