液晶顯示器 (LCD) 在各種應(yīng)用中無(wú)處不在，廣泛應(yīng)用于溫控器、醫(yī)療手持終端、汽車(chē)儀表、平板電腦和筆記本電腦等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，設(shè)計(jì)人員需要找到合適的方法，讓顯示內(nèi)容盡可能清晰可辨，又不會(huì)導(dǎo)致眼疲勞，同時(shí)盡可能降低耗電量。

為了滿足這些要求，可以先使用環(huán)境光傳感器 (ALS) 來(lái)感測(cè)環(huán)境照明亮度，從而確定顯示亮度。ALS 必須安裝在顯示屏后面，然后通過(guò)環(huán)境光水平來(lái)確定既為人可接受又能盡量降低功耗的顯示亮度。

本文評(píng)估了三種 ALS 技術(shù)的能力，并解決了 LCD 屏光強(qiáng)度和功率調(diào)整方面的挑戰(zhàn)，從而節(jié)省能耗并提供適當(dāng)?shù)钠聊涣炼取?/p>

準(zhǔn)確測(cè)量可視波段

LCD 照明優(yōu)化的第一步是使用 ALS 準(zhǔn)確地感測(cè)環(huán)境光。人類(lèi)可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍約為 400 納米 (nm) 至約 750 nm（圖 1）。光電二極管是一種固態(tài)器件，是該應(yīng)用中最合理的環(huán)境光照條件感測(cè)器件。光電二極管可以將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)。

圖 1：可見(jiàn)光僅占電磁波譜的一小部分，范圍從 400 nm 到 750 nm。（圖片來(lái)源：ECN）

盡管硅光電二極管的光敏范圍（約 300 nm 至 1100 nm）并不完全匹配人類(lèi)視覺(jué)范圍，但重疊部分依然可為我們所用（圖 2）。

圖 2：人眼光譜響應(yīng)與硅光電二極管光譜響應(yīng)的對(duì)比，顯示出有用的重疊區(qū)域。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

該設(shè)計(jì)的第一個(gè)挑戰(zhàn)是從光電二極管的信號(hào)中捕獲人眼光譜范圍。

轉(zhuǎn)換為人體光譜響應(yīng)

人們期望每臺(tái)機(jī)器和儀器都符合我們的視覺(jué)要求。ALS 可測(cè)量設(shè)備顯示屏上的照度。無(wú)濾光情況下，可測(cè)量到的光包括可見(jiàn)光以及紫外 (UV) 和紅外 (IR) 光。紫外和紅外信號(hào)相結(jié)合，使環(huán)境可見(jiàn)光看起來(lái)更亮。因此，在環(huán)境光條件下，顯示器的背光控制器輸出會(huì)讓人體的視覺(jué)感官對(duì)顯示感到不適。

為了實(shí)現(xiàn)精確的映射，設(shè)計(jì)人員需要使用光電二極管、濾光片、放大器和轉(zhuǎn)換器來(lái)改變環(huán)境光。通過(guò)將這些元件集成到一個(gè) ALS 器件中，這變得更容易了。因此，ALS 的目標(biāo)是從傳感器的輸出中去除紅外和紫外分量并呈現(xiàn)人眼光譜響應(yīng)，同時(shí)將整體 LCD 亮度保持在令人舒適的水平（圖 3）。

圖 3：光學(xué)濾波元器件和其他內(nèi)部元器件以及計(jì)算讓 OPT3001 ALS 能夠?qū)⑤斎氕h(huán)境信號(hào)映射到人眼光譜響應(yīng)。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

這些改進(jìn)的半導(dǎo)體特性開(kāi)辟了新的應(yīng)用，目前的器件包括可實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的紅色、綠色和藍(lán)色 (RGB) 感測(cè)的濾色片。

專(zhuān)用的紫外和紅外濾光片

利用紅色、綠色、藍(lán)色和透明濾光片（其中，透明濾光片允許未過(guò)濾的光進(jìn)入光電二極管），ALS 器件通過(guò)四個(gè)獨(dú)立的光電二極管感應(yīng)四種光譜。利用四個(gè)過(guò)濾的光電二極管信號(hào)，ALS 產(chǎn)生三原色 (RGB) 的數(shù)字返回值，第四個(gè)返回值用于環(huán)境響應(yīng)，第五個(gè)返回值用于阻擋紅外光 (IRCUT)。高靈敏度、寬動(dòng)態(tài)范圍和五個(gè)濾光片使 ALS 成為可在各種照明條件下使用的理想色彩傳感器解決方案。

生產(chǎn) ALS 解決方案的供應(yīng)商包括 ROHM Semiconductor、ams、Texas Instruments、ON Semiconductor、OSRAM Opto Semiconductors, Inc 和 Vishay Semiconductor / Opto Division 等等。現(xiàn)在我們來(lái)評(píng)估 ROHM Semiconductor、ams 和 Texas Instruments 的 ALS 器件。

ROHM Semiconductor ALS 器件使用 IRCUT 濾光片

ROHM Semiconductor BH1745NUC-E2 數(shù)字 16 位串行輸出型色彩傳感器 IC 的目標(biāo)應(yīng)用就是可調(diào)整電視、手機(jī)或平板電腦 LCD 背光的 ALS。

BH1745NUC-E2 通過(guò)透明濾光片感測(cè)紫外光和紅外光，并在紅色、綠色和藍(lán)色濾光片前面使用 IRCUT 濾光片（圖 4）。

圖 4：ROHM BH1745NUC-E2 數(shù)字 16 位串行輸出型色彩傳感器 IC 在 IRCUT 濾光片外部具有透明濾光片。（圖片來(lái)源：ROHM）

使用 BH1745NUC-E2 時(shí)，IRCUT 濾光片位于紅色、綠色和藍(lán)色濾光片前，允許人眼光譜響應(yīng)傳入模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)。IRCUT 濾光片在阻擋紅外線的同時(shí)允許可見(jiàn)光通過(guò)。透明濾光片有助于生成人眼感覺(jué)逼真的調(diào)光算法，以實(shí)現(xiàn)色彩真實(shí)性并降低功耗。每個(gè) 16 位 ADC 的增益都經(jīng)過(guò)預(yù)編程，以根據(jù)視覺(jué)體驗(yàn)產(chǎn)生最準(zhǔn)確的映射（圖 5）。

圖 5：BH1745NUC-E2 紅色、綠色、藍(lán)色、透明 (RGBC) 光譜響應(yīng)。（圖片來(lái)源：ROHM）

BH1745NUC-E2 的寬動(dòng)態(tài)范圍（0.005 - 40k lux）和出色 IRCUT 特性使之適合用于獲取環(huán)境光的照度和色溫。

ams ALS 紅外濾光片可對(duì)所有其他濾光片進(jìn)行預(yù)濾光

帶有紅外濾光片的 ams TCS34727FN 彩色光數(shù)轉(zhuǎn)換器的目標(biāo)應(yīng)用包括電視、手機(jī)、平板電腦、計(jì)算機(jī)和監(jiān)視器。目前的 TCS34727FN ALS 策略是使用五個(gè)濾光片構(gòu)成的不同配置。TCS34727FN 的濾光片配置是在所有四個(gè)色彩濾光片（紅色、綠色、藍(lán)色和透明）前面首先使用紅外遮光濾光片（圖 6）。

圖 6：TCS34727FN 16 位 ALS 器件具有阻擋其他四個(gè)濾光片的紅外濾光屏。（圖片來(lái)源：ams）

TCS34727FN 器件具有四個(gè)積分 ADC，可同時(shí)將放大的光電二極管電流轉(zhuǎn)換為 16 位數(shù)字值。紅外阻擋濾光片可最大限度地減少入射光、紅外光譜分量，從而實(shí)現(xiàn)精確的色彩測(cè)量。高敏感性、寬動(dòng)態(tài)范圍以及紅外遮光濾光片使得 ALS 成為可在各種照明條件下使用的理想色彩傳感器解決方案（圖 7）。

圖 7：TCS34727FN RGBC 頻譜響應(yīng)指定了每個(gè)濾光片的特性和每個(gè) ADC 的增益。（圖片來(lái)源：ams）

TCS34727FN 應(yīng)用于帶顯示器的產(chǎn)品，如手機(jī)、筆記本電腦和電視，用于感測(cè)照明環(huán)境。該器件可有效支持顯示亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)最佳觀看和節(jié)能效果。TCS3472 可以在各次光感測(cè)測(cè)量之間進(jìn)入低功耗等待狀態(tài)，以進(jìn)一步降低平均功耗。

Texas Instruments ALS 可阻隔 99% 的紅外光

Texas Instruments OPT3001DNPT ALS 的目標(biāo)應(yīng)用包括顯示器背光控制、照明控制系統(tǒng)以及平板電腦和筆記本電腦。利用高度匹配人眼響應(yīng)的傳感器光譜響應(yīng)，該器件可測(cè)量可見(jiàn)光的強(qiáng)度（圖 8）。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，該器件具有一個(gè)前端濾光片，在將感應(yīng)光傳遞到積分 ADC 之前，能阻隔超過(guò) 99% 的紅外光。

圖 8：Texas Instruments OPT3001系統(tǒng)框圖顯示，在將檢測(cè)到的信號(hào)傳遞到積分 ADC 之前，濾光片阻隔了 99% 的紅外光。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

該 DC 具有 23 位有效動(dòng)態(tài)范圍，可自動(dòng)調(diào)整增益范圍。這一單芯片照度計(jì)可抑制紅外光信號(hào)，同時(shí)仍可以測(cè)量可見(jiàn)光的強(qiáng)度。無(wú)論光源如何，OPT3001 的精確光譜響應(yīng)和強(qiáng)大紅外阻隔能力，使得該器件都能精確測(cè)量人眼所見(jiàn)的光強(qiáng)度。

工業(yè)設(shè)計(jì)為了美觀需要將傳感器安裝在深色玻璃下，強(qiáng)大的紅外阻隔有助于保持高精度。

背光顯示器可能會(huì)出現(xiàn)一個(gè)有趣的問(wèn)題，即光測(cè)量在不同的光輸入和光源下會(huì)發(fā)生變化。例如，深色玻璃透射紅外光信號(hào)。白熾燈較高的紅外波長(zhǎng)可因玻璃透光率到達(dá)傳感器。憑借其 99% 的紅外阻隔，OPT3001 僅測(cè)量可見(jiàn)區(qū)域內(nèi)的光線，并將人眼響應(yīng)映射到四個(gè)集合 ADC 響應(yīng)（圖 9）。

圖 9：OPT3001 捕獲可見(jiàn)光譜及人眼響應(yīng)（左），并將人眼響應(yīng)與四個(gè)集合 ADC 響應(yīng)（右）映射。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

為了幫助實(shí)現(xiàn)人眼的反應(yīng)，OPT3001 具有自動(dòng)增益設(shè)置功能，可自動(dòng)響應(yīng)輸入光照水平。該器件能保持在最佳范圍內(nèi)，在不同范圍間具有良好的分辨率和高精確度。不同增益范圍間的相對(duì)精度為 0.2%。

總結(jié)

ALS 可用于測(cè)量可見(jiàn)光的強(qiáng)度，從而以最小的功耗為用戶提供清晰可辨的 LCD 顯示。每個(gè)制造商的目標(biāo)都是使這些傳感器的光譜響應(yīng)高度匹配人眼響應(yīng)，包括顯著的紅外阻隔率，同時(shí)保持最低功率，而無(wú)論光源或應(yīng)用類(lèi)型如何。

然而，這是一個(gè)主觀做法，因?yàn)楸疚闹械拿總€(gè) ALS 各不相同，他們具有不同的濾光形式、視覺(jué)色彩放大以及 ADC 分辨率和滿意度。因此，ALS 器件的結(jié)果類(lèi)似于音頻行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)：一個(gè)人可能會(huì)接受某個(gè)解決方案的外觀或聲音，而另一個(gè)人可能會(huì)完全拒絕。這在一定程度上為設(shè)計(jì)人員提供了在 LCD 設(shè)計(jì)中表達(dá)創(chuàng)意和差異化的空間。