如何以低功率即時達到最佳化顯示亮度

許多應用都使用液晶顯示器 (LCD)，包括恆溫器、手持醫療終端機、汽車儀錶板、平板裝置，以及筆記型電腦。在這些應用中，設計師需要想辦法讓顯示內容容易閱讀，避免造成眼睛疲勞，但同時又要儘可能減少功耗。

為了滿足這些要求，可使用環境光感測器 (ALS) 先感測環境光亮度，再決定顯示器的亮度。ALS 必須安裝於顯示螢幕背後，依據環境光亮度決定可接受的顯示器亮度，同時最大程度減少功耗。

本文評估了三種 ALS 技術，並解決了有關 LCD 螢幕的強度與功率調整難題，確保在節省能源的同時，提供恰當的螢幕亮度。

準確測量視覺頻譜

最佳化 LCD 亮度的第一步是使用 ALS 準確感測環境光。人類可見的頻譜波長範圍約為 400 nm 至 750 nm (圖 1)。對於這一應用，固態元件光電二極體是最適當的環境光感測元件。光電二極體能將光線轉換為電流。

圖 1：可見光只佔電磁頻譜的一小部分，其範圍從 400 nm 至 750 nm。(圖片來源：ECN)

雖然矽光電二極體的感光範圍 (約 300 nm 至 1100 nm) 並不完全符合人類的可見範圍，但仍存在有用的重疊 (圖 2)。

圖 2：人眼與矽光電二極體的頻譜響應對比，顯示了有用的重疊部分。(圖片來源：Texas Instruments)

在此設計中，第一個挑戰就是要從光電二極體的訊號中擷取人眼可見的頻譜範圍。

轉換為人眼頻譜響應

人們期望所有的機器與儀器都能符合我們的視覺需求。ALS 可測量裝置顯示器的亮度。若未進行光學濾波，其測量結果除了可見光之外，還會包含紫外線 (UV) 和紅外線 (IR)。而 UV 和 IR 訊號的合併會使環境可見光看起來更亮。這樣一來，顯示器背光控制器的輸出結果就會使人類感官對環境光條件下的顯示產生不適感。

要準確建立感測器與人眼的對應，設計師必須使用光電二極體、光學濾波器、放大器及轉換器來修正環境光。而將這些元件整合到一個 ALS 裝置中，可讓這個過程變得更為簡單。ALS 的目的是從感測器的輸出中去除 IR 和 UV 部分，並呈現出人眼的頻譜響應，同時確保 LCD 的整體亮度維持在舒適的程度 (圖 3)。

圖 3：依託光學濾波器和其他內部元件，以及精心的計算，OPT3001 ALS 能把輸入環境訊號對應至人眼頻譜響應。(圖片來源：Texas Instruments)

這些改良的半導體特性開闢了新的應用。在這些應用中，ALS 裝置現已包含色彩濾波器，可單獨感測紅、綠和藍三色 (RGB)。

UV 和 IR 專用光學濾波器

利用紅、綠、藍和透明光學濾波器，ALS 裝置能使用四個獨立的光電二極體來感測四個頻譜，其中透明濾波器可讓未經濾波的光進入光電二極體。使用四種經過濾波的光電二極體訊號，ALS 會產生三原色 (RGB) 的數位反饋，並產生第四個反饋來響應環境以及第五個反饋來阻擋紅外線 (IRCUT)。ALS 具有高靈敏度、寬廣的動態範圍和五個濾波器，因此非常適合作為色彩感測器解決方案，用於各種照明環境。

生產 ALS 解決方案的廠商包含 ROHM Semiconductor、ams、Texas Instruments、ON Semiconductor、OSRAM Opto Semiconductors, Inc 和 Vishay Semiconductor / Opto Division 等。現在我們來評估 ROHM Semiconductor、ams 和 Texas Instruments 的 ALS 裝置。

ROHM Semiconductor 的 ALS 裝置使用 IRCUT 濾波器

ROHM Semiconductor 的 BH1745NUC-E2 數位 16 位元序列輸出型色彩感測器 IC 的目標應用是用於調整電視、手機或平板電腦之 LCD 背光的 ALS。

BH1745NUC-E2 透過透明濾波器感測 UV 和 IR 光，並在紅、綠、藍濾波器之前使用 IRCUT 濾波器 (圖 4)。 

圖 4：ROHM BH1745NUC-E2 數位 16 位元序列輸出型色彩感測器 IC 在 IRCUT 濾波器之外還配有透明濾波器。(圖片來源：ROHM)

在 BH1745NUC-E2 中，IRCUT 濾波器位於紅、綠、藍光學濾波器之前，允許人眼頻譜響應通過類比數位轉換器 (ADC)。IRCUT 濾波器在阻擋紅外線的同時通過可見光。透明濾波器有助於生成逼真的調光演算法，實現真實的亮度和更低的功耗。另外，每個 16 位元 ADC 的增益都經過預先編程，可產生最準確的視覺體驗對應 (圖 5)。

圖 5：BH1745NUC-E2 的紅、綠、藍和透明 (RGBC) 頻譜響應。(圖片來源：ROHM)

BH1745NUC-E2 具備寬廣的動態範圍 (0.005 至 40k lux) 和出色的 IRCUT 特性，因此非常適合用於獲取環境光的照度和色溫。

ams 的 ALS IR 濾波器為所有其他濾波器進行前置濾波

ams 的 TCS34727FN 彩色光數位轉換器配有 IR 濾波器，其目標應用為電視、手持裝置、平板、電腦和監視器。目前，TCS34727FN 的 ALS 策略是使用不同的組態來安排五個光學濾波器。TCS34727FN 的濾波器組態在一開始便使用 IR 遮光濾光片遮擋四個 (紅、綠、藍、透明) 色彩濾波器 (圖 6)。

圖 6：TCS34727FN 16 位元 ALS 裝置使用 IR 濾波片遮擋其他四個濾波器。(圖片來源：ams)

TCS34727FN 裝置有四個積分 ADC，可同時將放大的光電二極體電流轉換為 16 位元的數位值。IR 遮光濾光片能最小化進入的光線和紅外頻譜分量，因而能實現準確的色彩測量。該 ALS 具有高靈敏度和寬廣的動態範圍，還配有 IR 遮光濾光片，因而非常適合作為色彩感測器解決方案，用於各種照明環境 (圖 7)。

圖 7：TCS34727FN RGBC 頻譜響應指定了每個光學濾波器的特性以及每個 ADC 的增益。(圖片來源：ams)

TCS34727FN 應用於基於顯示器的產品，如手機、筆記型電腦及電視，來感測光線環境。該元件能有效啟用自動調整顯示器亮度的功能，以最佳化顯示和節省能源。TCS3472 能在測量感光的空檔進入低功率等待狀態，進一步減少平均功耗。

Texas Instruments ALS 過濾 99% 的紅外線

Texas Instruments OPT3001DNPT ALS 的目標應用是顯示器背光控制、光線控制系統以及平板與筆記型電腦。該元件測量可見光的強度，其感測器頻譜響應與人眼響應高度對應 (圖 8)。為了實現這一目標，該元件設有一個前置光學濾波器，能夠在感測光線進入積分 ADC 之前，過濾掉超過 99% 的紅外線。

圖 8：Texas Instruments OPT3001 系統方塊圖顯示，光學濾波器在將感測訊號傳遞給積分 ADC 之前已過濾掉 99% 的紅外線。(圖片來源：Texas Instruments)

該 ADC 具有 23 位元有效動態範圍並能自動調整增益範圍。這個單晶片照度計能拒絕紅外線訊號，同時測量可見光的強度。無論是何種光源，OPT3001 精確的頻譜響應和強大的紅外線抑制功能，都能讓該裝置準確測量人眼所見的光強度。

若因工業設計上對美觀的需求，須將感測器裝設於深色玻璃之下，強大的紅外線抑制能力亦有助於保持高準確度。

背光顯示器可能會產生一個有趣的問題，那就是在不同的光線輸入或來源下，光線測量結果可能會有所變化。舉例來說，深色玻璃能透射紅外線訊號。而白熾燈光線具有很高的紅外線波長，可因玻璃的透射率而傳到感測器。OPT3001 能夠拒絕 99% 的紅外線，只測量可見光的部分，將人眼頻譜響應對應至四個整合的 ADC 響應 (圖 9)。

圖 9：OPT3001 擷取可見光頻譜與人眼響應 (左圖)，並將人眼響應對應至四個整合的 ADC 響應 (右圖)。(圖片來源：Texas Instruments)

為了實現人眼的響應，OPT3001 提供自動增益設定功能，能根據輸入光線亮度自動進行調整。該元件能保持在最佳範圍內，在不同增益範圍下維持良好的解析度與準確度。不同增益範圍之間的相對準確度為 0.2%。

結論

ALS 可用於測量可見光的強度，以最低的功耗為使用者提供清晰的 LCD 顯示內容。所有製造商的目標都是要將感測器的頻譜響應精確對應至人眼的響應，包括無論在何種光源或應用下，均能在維持最低功率的同時大幅拒絕紅外線。

然而，這個設計是極為主觀的，因為本文提到的每個 ALS 都是不同的，它們具有不同的光學濾波方式、不同的可見光顏色放大，以及不同的 ADC 解析度和滿意度。因此，ALS 裝置輸出所面臨的挑戰與音訊產業的很類似：一個人可以接受的視覺或聲音解決方案，對另外一個人來說也許完全無法接受。這讓設計師在設計 LCD 時有了很大的發揮空間，能夠充分體現自己的創意和差異度。