By Peter Tang

湯治邦

Sr. Staff Field Application Engineer （Taiwan）， ams.

資深技術應用工程師， 艾邁斯半導體***分公司。

由于近年來智能設備的增長，傳統筆記本計算機需要進行一些改革與進行創新，以吸引消費者購買或更新他們的新筆記本或個人計算機。 筆記本計算機制造商需要在NB中加入各種新傳感器功能，其中關鍵的傳感器之一就是采用光學傳感器。 本文將介紹筆記本電腦中最新的光學傳感器開發，并說明它們對筆記本電腦使用者的好處。

環境光傳感器（ALS）現在幾乎新的NB市場的標準功能了。 如下圖一所示，通常將ALS放置在筆記本計算機顯示屏的頂部邊框上，以連續檢測和監視用戶環境的光線狀況。 藉由ALS采用，筆記本會根據環境光的狀況將屏幕亮度向上調亮或向下調暗。 這樣做的主要好處是減少屏幕背光功耗并增強用戶的視覺體驗。

圖一， 環境光傳感器在筆記本電腦上的配置。

在筆記本計算機中設計ALS時，需要考慮很多因素。 數字ALS解決方案在以下幾個方面優于模擬解決方案

（1）使用數字接口，可以連接多個器件在同一路I2C 線路上。

（2）可以從極暗到明亮的日照流明情況下提供靈活性功能。

（3）可以藉由可編輯式功能降低雜散光源與50 / 60Hz閃爍光抑制。

（4）中斷功能可以節省電池電量，不需要像模擬方案需要持續性的輪詢。

（5）通過ams專利雙二極管技術阻擋不需要的IR能量，如圖二所示。

ams的TSL2540是上述所有產品中最常見的ALS芯片，具有2.0 mm x 2.0mm x 0.5mm的小尺寸。 該器件已在所有各種型號的世界品牌筆記本計算機中廣泛采用。

圖二， TSL2540內部方塊圖。

與單純使用ALS傳感器相較，色彩XYZ傳感器是種優越的升級體驗。 不僅提供環境流明Lux 信息，還提供筆記本計算機用戶的詳細環境光色溫。對人眼來說XYZ傳感器是最自然的光譜，因為RGB傳感器無法計算色度坐標（xy）。 某些光源不在普朗克軌跡（黑色虛線）， 僅使用RGB測量顏色會導致在測量這些光源的顏色時出現重大誤差。 XYZ顏色測量的精度是RGB的5倍。 人眼可以輕松檢測到XYZ傳感器的測量精度范圍內的顏色變化。

圖三， CIE色彩圖中的普郎克軌跡。

藉由接收XYZ信息，NB可以獲得準確的環境光CCT信息和數據，因此LCD顯示器可以動態調整面板色溫以完全適合用戶環境的色溫稱之為白平衡，而不只是基于當前LCD顯示器制造的固定CCT校準點。（通常LCD顯示器 在6500k CCT下校準）。 下圖4中的圖片顯示了它的視覺性能，用戶可以在其環境光條件下更自然地觀看面板。 左邊是冷色溫，右邊是暖色溫。

圖四， 冷色溫與暖色溫下使用XYZ 傳感器的比較。

ams的TCS3430是優越的XYZ三色彩傳感器，色域與我們對光的感知相匹配。 除了準確的XYZ信息外，它還受益于以下獨特技術。

（1）最小化紅外光和紫外光譜成分的影響

（2）降低功耗

（3）藉由啟動量測IR光的斜率以偵測IR光源。

（4）在變化的光源照明條件下可以實現準確的色彩和ALS

（5）最小化移動與瞬時誤差

藉由ams出色的校準技術，TCS3430在各種光源條件下均可達到≤0.01Δxy色度精度≤3％CCT誤差（CCTe）。

表一，TCS3430在各種光源下的Lux/CCT誤差。

飛行時間（ToF）傳感器是一種用于手機和3D應用的創新技術，如圖5所示，用于喚醒接近目的。 它測量紅外光傳播到物體并反射到ToF傳感器以檢測物體距離的時間。 由于光速非常快，因此ToF SOC需要使用超短（ps）和精確的時間數字轉換器（TDC）來非常精確地測量距離。

圖五。時間飛時ToF技術

當在NB平臺中使用ToF技術，它可以用于檢測用戶是否坐在顯示器前。 如果是，則筆記本計算機的顯示屏將立即喚醒以供用戶登錄，而無需觸摸鍵盤，鼠標和指紋等。 相反，一旦用戶不坐在筆記本顯示器的前面，它將立即關閉屏幕或注銷PC，以保護個人隱私。 除了保護隱私，還延長了NB或筆記本計算機的電池使用量。 尤其是在現代商用NB中，當用戶不使用NB且顯示屏打開或處于活動模式時，在NB待機模式下浪費大量電池能量。 我們稱此技術為用戶存在檢測，如下圖.6所示。

圖六，用戶使用檢測

除了用戶檢測外，ToF還可以用于檢測用戶行為，例如接近或遠離NB。 NB還可以動態且連續地檢測用戶距離，以優化NB配置，例如，在短距離時， 調低麥克風/揚聲器的音量，而在例如電影模式下檢測到長距離時調高音量。

ams的TMF8801是一維ToF傳感器，可支持長達2.5m的距離，幾乎覆蓋了所有NB用戶的所有工作距離。它采用直接ToF技術，具有高靈敏度單光子雪崩二極管SPAD檢測和超快的時間數字轉換器（TDC）架構，其VCSEL輸出光脈沖小于500 psec。通過芯片上Cortex SOC和統計直方圖處理，TMF8801可以在很高的可信度下檢測2cm至2.5m。由于VCSEL是從NB的頂部邊框發射到用戶的人眼的事實，因此TMF8801完全通過了19° FOI的第1級 Class 1眼睛安全認證。 TMF8801還是業界最小的2.2 x 3.6 x 1.0 mm模塊化封裝。圖七示出了其框圖。

圖七， TMF8801方塊圖。

摘要

筆記本計算機不再是純粹的被動式個人計算機，NB中增加了更多傳感器。 它將像頭腦清晰的人類一樣變得更加活躍和聰明。 光學傳感器在這里起著非常重要的作用，因為在我們的生活環境中，光是最直接的存在我們的周遭。 環境光傳感器提供準確的流明照度，而XYZ顏色傳感器提供色溫信息。 此外，飛行時間傳感器可以檢測使用者距離或判斷是否為一個人。 我們期待看到更多的光學傳感器在NB中得到采用。 毫無疑問的，ams是該領域的卓越領先專家。