筆記本電腦中光學(xué)傳感器開(kāi)發(fā) 數(shù)字ALS方案的五大優(yōu)點(diǎn)

湯治邦 資深技術(shù)應(yīng)用工程師 艾邁斯半導(dǎo)體臺(tái)灣分公司

由于近年來(lái)智能設(shè)備的增長(zhǎng)，傳統(tǒng)筆記本電腦（NB）需要進(jìn)行改革與創(chuàng)新，以吸引消費(fèi)者。筆記本電腦制造商需要在其中加入各種新傳感器以提升使用體驗(yàn)，光學(xué)傳感器就是關(guān)鍵的一種。本文將介紹筆記本電腦中最新的光學(xué)傳感器開(kāi)發(fā)，并說(shuō)明它們對(duì)筆記本電腦使用者的好處。

數(shù)字ALS方案的五大優(yōu)點(diǎn)

環(huán)境光傳感器（ALS）現(xiàn)在幾乎是新的NB市場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)功能了。如下圖所示，通常將ALS放置在筆記本電腦顯示屏的頂部邊框上，以連續(xù)檢測(cè)和監(jiān)視用戶環(huán)境的光線狀況。藉由ALS，筆記本電腦會(huì)根據(jù)環(huán)境光的狀況將屏幕亮度調(diào)亮或調(diào)暗，減少屏幕背光功耗并增強(qiáng)用戶的視覺(jué)體驗(yàn)。

圖1.環(huán)境光傳感器在筆記本電腦上的配置

在筆記本電腦中設(shè)計(jì)ALS時(shí)，需要考慮很多因素。數(shù)字ALS解決方案在以下5個(gè)方面優(yōu)于模擬解決方案：

（1）使用數(shù)字接口，可以連接多個(gè)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，無(wú)需像模擬方案需要持續(xù)性的輪詢。

（5）通過(guò)ams專利雙二極管技術(shù)阻擋不需要的IR能量，如下圖所示。

ams的TSL2540是上述所有產(chǎn)品中最常見(jiàn)的ALS芯片，具有2.0 mm x 2.0mm x 0.5mm的小尺寸。該器件已在各種型號(hào)的全球品牌筆記本電腦中廣泛采用。

圖2.TSL2540內(nèi)部方塊圖

XYZ傳感器：更自然的視覺(jué)體驗(yàn)

與單純使用ALS傳感器相較，色彩XYZ傳感器可提供更優(yōu)越的升級(jí)體驗(yàn)：不僅提供環(huán)境流明Lux信息，還提供詳細(xì)的用戶環(huán)境光色溫。對(duì)人眼來(lái)說(shuō)XYZ傳感器是最自然的光譜，因?yàn)镽GB傳感器無(wú)法計(jì)算色度坐標(biāo)（xy）。某些光源不在普朗克軌跡（黑色虛線），僅使用RGB傳感器，在測(cè)量這些光源的顏色時(shí)會(huì)出現(xiàn)重大誤差。XYZ顏色測(cè)量的精度是RGB的5倍，人眼可以輕松辨識(shí)到XYZ傳感器測(cè)量精度范圍內(nèi)的顏色變化。

圖3.CIE色彩圖中的普郎克軌跡

藉由接收XYZ信息，筆記本電腦可以獲得準(zhǔn)確的環(huán)境光CCT信息和數(shù)據(jù)，因此LCD顯示器可以動(dòng)態(tài)調(diào)整面板色溫以完全適合用戶環(huán)境的色溫（即白平衡），而不只是基于當(dāng)前LCD顯示器制造的固定CCT校準(zhǔn)點(diǎn)（通常LCD顯示器在6500k CCT下校準(zhǔn)）。下圖中的圖片顯示了它的視覺(jué)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4.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(duì)光的感知相匹配。除了準(zhǔn)確的XYZ信息外，它還受益于以下獨(dú)特技術(shù)。

（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(dòng)量測(cè)IR光的斜率以偵測(cè)IR光源.

（4）在變化的光源照明條件下可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的色彩和ALS

（5）最小化移動(dòng)與瞬時(shí)誤差

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

表1.TCS3430在各種光源下的Lux/CCT誤差

高精度ToF：更智能的使用體驗(yàn)

飛行時(shí)間（ToF）傳感器是一種用于手機(jī)和3D應(yīng)用的創(chuàng)新技術(shù)，如圖所示，通過(guò)測(cè)量紅外光傳播到物體并反射到ToF傳感器的時(shí)間，從而檢測(cè)物體與設(shè)備的距離。由于光速非?？?，因此ToF SOC需要使用超短（ps）和精確的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）來(lái)非常精確地測(cè)量距離。

圖5.飛行時(shí)間ToF技術(shù)

當(dāng)在筆記本電腦中使用ToF技術(shù)，它可以用于檢測(cè)用戶是否坐在顯示器前。如果是，則筆記本電腦立即喚醒顯示屏以供用戶登錄，無(wú)需用戶觸摸鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、使用指紋解鎖等。一旦檢測(cè)到用戶離開(kāi)筆記本顯示器，即可關(guān)閉屏幕或注銷PC，以保護(hù)個(gè)人隱私，同時(shí)延長(zhǎng)筆記本電腦的電池使用量。尤其是在現(xiàn)代商用NB中，當(dāng)用戶不使用但顯示屏打開(kāi)或NB仍處于活動(dòng)模式時(shí)，往往會(huì)浪費(fèi)大量電池能量。我們稱此技術(shù)為用戶存在檢測(cè)，如下圖所示。

圖6.用戶使用檢測(cè)

除了用戶存在檢測(cè)外，ToF還可以用于檢測(cè)用戶行為。例如，NB可以動(dòng)態(tài)且連續(xù)地檢測(cè)用戶距離，以優(yōu)化NB配置，在短距離時(shí), 調(diào)低麥克風(fēng)/揚(yáng)聲器的音量，而在檢測(cè)到長(zhǎng)距離時(shí)（如電影模式下）調(diào)高音量。

ams的TMF8801是1D ToF傳感器，可支持長(zhǎng)達(dá)2.5m的距離，幾乎覆蓋了所有NB用戶的工作距離。它采用dToF技術(shù)，具有高靈敏度單光子雪崩二極管SPAD檢測(cè)和超快的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器（TDC）架構(gòu)，其VCSEL輸出光脈沖小于500 ps（皮秒）。通過(guò)芯片上Cortex SOC和統(tǒng)計(jì)直方圖處理，TMF8801可以在很高的可信度下達(dá)到2cm至2.5m的檢測(cè)距離。由于其VCSEL從NB的頂部邊框發(fā)射到用戶眼中的是實(shí)體光線，TMF8801完全通過(guò)了19° FOI的一級(jí)（Class 1）人眼安全認(rèn)證。TMF8801封裝尺寸為2.2 mm x 3.6 mm x 1.0 mm，是業(yè)界最小的模塊化封裝。下圖為T(mén)MF8801的框圖。

圖7.TMF8801方塊圖

總結(jié)

筆記本電腦不再是純粹的被動(dòng)式個(gè)人計(jì)算機(jī)，而是增加了更多傳感器，將像頭腦清晰的人類一樣變得更加活躍和聰明。光學(xué)傳感器在這里起著非常重要的作用，因?yàn)樵谖覀兊纳瞽h(huán)境中，光是最直接存在于我們周遭的。環(huán)境光傳感器提供準(zhǔn)確的流明照度，而XYZ顏色傳感器提供色溫信息。此外，飛行時(shí)間傳感器可以檢測(cè)使用者距離或進(jìn)行存在判斷。我們期待看到更多的光學(xué)傳感器在NB中得到采用。而毫無(wú)疑問(wèn)的是，ams是該領(lǐng)域的卓越領(lǐng)先專家。

編輯：hfy