艾邁斯半導體Mathew Hubbard

　　環境光傳感器（ALS）或顏色傳感器已成為手機設計的必備功能選項。ALS可以測量顯示屏的入射環境光強度，讓處理器根據測量的環境照明條件調整顯示屏背光。這有助于改善觀看體驗并降低功耗。

　　用于顯示屏管理的ALS或顏色傳感器通常安裝于手機用戶端的頂部邊框，該位置可以不受遮擋地接收環境光。然而，高端智能手機新的設計趨勢是盡量減小甚至消除邊框，以實現顯示屏尺寸的最大化，且普遍使用OLED顯示屏。因此，手機制造商希望獲得一種能夠安裝在顯示屏下的環境光傳感系統。

　　毫無疑問，從OLED發光層后感知入射光非常困難。為此，光傳感技術供應商提出了各種解決方案。目前，艾邁斯半導體已研發出一種解決方案，該方案不僅大大超出手機制造商對測量精度的要求，而且兼顧了設計靈活性的考慮---可在顯示屏后的任何位置安裝ALS，并支持傳統邊框位置ALS器件采用的常見傳感器中樞架構。

　　本文介紹了推動ALS移到OLED顯示屏下的動因，并概述了使ALS器件能在發光屏下運行的創新技術。

　　顯示屏尺寸和性能：關鍵差異化優勢

　　面對利潤豐厚的高端智能手機市場，各廠商展開了激烈的市場競爭，而顯示屏尺寸和性能正是手機OEM擁有的兩大最強武器。長期以來，用戶一直非常重視手機的媒體播放器功能。用戶越來越看重手機渲染虛擬現實（VR）和增強現實（AR）內容以及播放傳統視頻和顯示圖像的能力。

　　這一需求正在推動傳統液晶顯示（LCD）技術向有機發光二極管（OLED）顯示技術的轉變：OLED技術具有更高的對比度，更生動準確的色彩再現，以及更低的功耗。OLED技術也可以實現更加靈活的結構，如曲面顯示屏或折疊屏幕。

　　但這會影響顯示屏性能的另一方面：對環境光的響應。如今，在黑暗環境中使用手機時，顯示屏會自動變暗，以避免眩光，并節省用電。而在明亮太陽光下使用手機時，顯示屏的亮度會上升，這樣就能保持感知對比度，讓用戶舒適地查看內容。

　　如果消費者看重顯示質量，他們也會考慮顯示尺寸：越大越好。當然，顯示屏的大小是有限制的：手機必須具備便攜性，便于手持。因此，為在給定尺寸范圍內最大限度地擴大顯示屏的尺寸，手機制造商希望消除邊框，并將可視顯示區延伸到手機殼的最頂部和最底部。

　　如果手機配備了顏色傳感器，而非ALS，它不僅能夠管理顯示屏亮度，還能管理顏色再現，使顯示屏適應不同的觀看環境，例如，熒光燈照明、LED照明和太陽自然光。

　　然而，邊框的消失和OLED顯示屏技術的發展，使得OEM廠商面臨巨大挑戰：無法繼續在邊框上安裝ALS器件或顏色傳感器，因為邊框位置可以不受阻礙地接收環境光。但又必須在某處安裝ALS或顏色傳感器，因為它們是實現顯示屏高效管理的關鍵因素。

　　這個“某處”是指OLED顯示屏下的某處。但如何從本身發出較高強度光線的屏幕下面感知入射的環境光呢？

　　超高靈敏度ALS

　　事實上，OLED顯示屏一定程度上是半透明的：復雜的結構可以散射入射光，而不會完全阻擋入射光。手機的OLED顯示屏下絕大部分面積是不透明的反光薄背板，因為要為顯示屏發出的光提供均勻的光學背景。但是如果在OLED背面反射膜層開一個小孔（直徑1mm），就可以使一部分環境光透過OLED達到放置在其后的ALS傳感器上。

　　在OLED屏下實現環境光傳感的難點在于，顯示屏發出的光也會到達ALS，從而干擾對環境光的測量。因此，挑戰在于如何從ALS器件光敏傳感器感知的環境光中減去OLED顯示屏發出的光，從而得到真實的環境光強度。

　　一種方法是利用OLED顯示屏的占空比。在低顯示亮度下，OLED顯示屏的亮度是通過PWM調制控制的，PWM的占空比小于100%，當屏幕變暗時，OLED顯示屏提供很短的“間隔時間”，屏幕熄滅。可以只在間隔時間觸發ALS操作，從而獲得純凈、無顯示屏發光干擾的環境光測量。

　　這種方法是可行的，但只解決了部分問題。因為顯示屏亮度較高時，占空比通常為100%。這意味著ALS必須具備處理顯示屏發光干擾的能力。

　　為滿足這一要求，研究人員提出了另一種方法：顯示同步。如果ALS知道上面像素顯示內容為黑色，則來自顯示屏的光學干擾程度為零或接近零。

　　同樣，這只是理論上可行的解決方案，但在實踐中，它要求兩個完全離散的函數——ALS和顯示驅動器IC （DDIC）之間緊密協調。目前的手機顯示架構很難實現這種協調。ALS有連接至傳感器中樞IC的單一接口，為支持的每個傳感器運行驅動程序。ALS的輸出通過中樞傳輸至手機應用處理器，顯示屏管理軟件也在其中運行。另外，將ALS連接到DDIC會給電路板布局和系統軟件增加相當大的額外復雜性。

　　因此，艾邁斯半導體開發了一種無需顯示同步的OLED屏下環境光傳感解決方案（盡管基于顏色傳感器而非ALS的復雜顯示屏管理系統可能仍然需要顯示同步）。全新艾邁斯半導體ALS解決方案，融合了性能大幅改善的光敏傳感器和艾邁斯半導體開發的先進軟件。

　　保持OLED屏后的測量精度

　　高效顯示屏管理要求ALS性能中的勒克斯測量精度至少為±10%（勒克司是亮度單位，也就是表面入射光的強度）。經過校準后，通常裝于手機邊框中的艾邁斯半導體ALS器件的勒克司測量精度提高至±5%

　　使OLED屏下的器件達到所需精度，比器件位于邊框上時要難得多。因此艾邁斯半導體開發了全新ALS芯片，具有很高的光敏性，比傳統邊框設計的ALS芯片高約10倍。

　　提高了勒克斯的檢測范圍和分辨率：該方法的優勢在于，即使環境光相對于顯示屏漏光較弱時，仍然能從檢測到的光強信號中減掉顯示屏的影響而得到實際環境光的強調。

　　這種OLED屏下ALS解決方案的運行還依賴于抵消顯示屏光的能力：這是通過艾邁斯半導體開發的復雜算法實現的。

　　正是這種高靈敏度硬件和復雜軟件的結合，使艾邁斯半導體ALS解決方案能夠高效運行。將最新一代艾邁斯半導體器件和算法融為一體的OLED屏下ALS系統，標定的勒克司測量精度優于±10%，遠超手機廠商所需的性能指標。

　　OLED顯示屏的光學漫射結構支持ALS器件的高效運行，這意味著傳感器在大多數入射角下工作，無需結構專門做寬視場設計。

　　逆集成趨勢

　　然而，這種漫射結構也意味著用于接近傳感的紅外發射器在OLED顯示屏下運行時會遇到重大挑戰。因此，最初的艾邁斯半導體OLED屏下ALS解決方案的環境光和接近傳感模塊并未完全集成。但隨著高端智能手機引入紅外用戶臉部識別技術，OEM將有其他接近傳感方案可選。

　　為了應對這種逆集成趨勢，艾邁斯半導體OLED屏下ALS解決方案還集成了LED硬件驅動和紅外接收器，可以配合外置IR LED實現接近檢測功能。如果紅外LED安裝在顯示屏邊緣最外側或分型線上，能夠清晰查看用戶的臉部，反射紅外光將由OLED屏下集成接收器進行檢測。

　　OLED屏下ALS：可靠的性能

　　因此，艾邁斯半導體提供了一種ALS解決方案，支持手機制造商消除新OLED技術顯示屏的邊框，以實現顯示屏尺寸最大化。

　　憑借艾邁斯半導體開發的高靈敏度半導體技術以及復雜的干擾補償算法，ALS功能可以在OLED屏下高效運行。該算法可以運行在外部或ams芯片內部。

　　這使手機制造商能夠保留實用的顯示亮度調整功能，使他們能夠在向OLED顯示技術過渡的過程中，采用當今用戶青睞的時尚無邊框顯示設計。

　　［結束］

　　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.

　　環境光傳感器（ALS）或顏色傳感器已成為手機設計的常見功能選項。ALS可以測量顯示屏的入射環境光強度，讓處理器根據測量的環境照明條件調整顯示屏背光。這有助于改善觀看體驗并降低功耗。

　　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.

　　用于顯示屏管理的ALS或顏色傳感器通常安裝于手機用戶側的頂部邊框，該位置可以不受阻礙地接收環境光。然而，高端智能手機的全新設計消除了邊框，以實現顯示屏尺寸的最大化。因此，手機制造商希望獲得一種能夠安裝在顯示屏下的環境光傳感系統。在新的無邊框手機設計中，這款顯示屏將普遍采用OLED顯示技術。

　　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.

　　為此，光傳感技術供應商提出了各種解決方案。目前，艾邁斯半導體已開發出一種解決方案，不僅大大超出手機制造商對測量精度的要求，還具備設計靈活性，可在顯示屏下PCB的任何位置安裝ALS，并支持傳統邊框安裝ALS器件所采用的常見傳感器中樞架構。

　　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.

　　本文介紹了推動ALS移到OLED顯示屏下的動因，并概述了使ALS器件能在發光屏后運行的創新技術。

　　Biography

　　簡介

　　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是艾邁斯半導體的市場總監，主管先進光學傳感器解決方案。他擁有20多年的半導體行業銷售、市場營銷和工程從業經驗。他的學術背景包括模擬、數字和混合信號、射頻和光學技術。過去8年，他一直專注于針對智能手機市場的半導體元器件，主要針對射頻和光學解決方案。