智能光學傳感器導入筆記本電腦

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(tǒng)筆記本計算機需要進行一些改革與進行創(chuàng)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(fā)，并說明它們對筆記本電腦使用者的好處。

環(huán)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(xù)檢測和監(jiān)視用戶環(huán)境的光線狀況。 藉由ALS采用，筆記本會根據環(huán)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(huán)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(yōu)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(jié)省電池電量，不需要像模擬方案需要持續(xù)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(yōu)越的升級體驗。 不僅提供環(huán)境流明Lux 信息，還提供筆記本計算機用戶的詳細環(huán)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(huán)境光CCT信息和數據，因此LCD顯示器可以動態(tài)調整面板色溫以完全適合用戶環(huán)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(huán)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(yōu)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(chuàng)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?？?，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(tài)且連續(xù)地檢測用戶距離，以優(yōu)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(tǒng)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(fā)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(yè)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(huán)境中，光是最直接的存在我們的周遭。 環(huán)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。