環境光感測器
智慧光學感測器拳拳到肉 筆電顯色/測距更趨精準
ALS為當今全球筆電標配
環境光感測器(ALS)現在幾乎成為新NB市場的標準功能。如圖1所示,通常將ALS放置於筆記型電腦顯示螢幕的頂部邊框上,以連續檢測和監視使用者環境的光線狀況。藉由採用ALS,筆電會根據環境光的狀況將螢幕亮度向上調亮或向下調暗。這樣做的主要好處是減少螢幕背光功耗並增強使用者的視覺體驗。
圖1 環境光感測器在筆記型電腦上的配置。
在筆電中設計ALS時需考慮諸多因素。數位ALS解決方案有幾點優於類比方案:
.使用數位接口,可以連接多個元件在同一路I2C線路上。
.可從極暗到明亮的日照流明情況下提供靈活性功能。
.可藉由可編輯式功能降低雜散光源與50/60Hz閃爍光抑制。
.中斷功能可節省電池電量,不需像類比方案持續性的輪詢。
.透過專利雙二極管技術阻擋不需要的IR能量。
XYZ感測器精準掌握真實顏色
與單純使用ALS感測器相較,色彩XYZ感測器是種優良的升級體驗(圖2)。不僅提供環境流明Lux訊息,亦提供筆記型電腦使用者詳細環境光色溫。
圖2 CIE色彩圖中的普朗克軌跡。
對人眼來說XYZ感測器為最自然的光譜,因為RGB感測器無法計算色度坐標(xy)。某些光源不在普朗克軌跡(虛線處),僅使用RGB測量顏色會導致測量光源顏色時出現重大誤差。
而XYZ顏色測量精度是RGB的5倍,人眼可以輕易檢測XYZ感測器測量精度範圍內的顏色變化。藉由接收XYZ訊息,NB可以獲得準確環境光CCT訊息及數據。
因此LCD顯示器可以動態調整面板色溫以適合使用者環境的色溫,稱之為白平衡,而不只是基於當前LCD顯示器製造的固定CCT校準點(通常LCD顯示器在6500k CCT下校準)。
而艾邁斯半導體(ams)的TCS3430為XYZ三色彩感測器之一,色域與人們對光的感知相匹配。除準確的XYZ訊息外,其還具備以下技術:
.最小化紅外光和紫外光譜成分影響
.降低功耗。
.藉由啟動量測IR光的斜率以偵測IR光源。
.在變化光源照明條件下可實現準確的色彩和ALS。
.最小化移動與暫態誤差。
藉由校準技術,其於各種光源條件均可達≤0.01Δxy色度精度≤3%CCT誤差(CCTe)(表1)。
表1 TCS3430在各種光源下的Lux/CCT
飛時測距實現使用者存在偵測
飛行時間(ToF)感測器是用於手機和3D應用的創新技術,如圖3所示,用於喚醒接近目的,其測量紅外光傳播到物體並反射到ToF感測器以偵測物體距離的時間。由於光速非常快,因此ToF SoC需要使用超短(ps)及精確的時間數位轉換器(TDC)以精確測量距離。
圖3 飛時測距(ToF)技術。
當在NB平台中使用ToF技術,可偵測使用者是否坐在顯示器前。如果是,則筆記型電腦的顯示螢幕將立即喚醒以供使用者登錄,毋須觸摸鍵盤、滑鼠和指紋等;若使用者不坐在筆記型顯示器前,將立即關閉螢幕或登出PC,以保護個人隱私;此外,更延長NB或筆記型電腦電池使用量,尤其於現代商用NB中,當使用者不使用NB且顯示螢幕打開或處於活動模式時,在待機模式將浪費大量電池能量—此技術為使用者存在偵測,如下圖4所示。
圖4 用戶使用檢測。
除了使用者偵測外,ToF還可用於偵測使用者行為,如接近或遠離NB。NB還可動態連續偵測使用者距離以優化NB配置,如於短距離時調低麥克風/揚聲器的音量;於電影模式偵測長距離時調高音量。
以ams的TMF8801一維ToF感測器為例,其可支援達2.5m的距離,幾乎覆蓋使用者的工作距離;採直接ToF技術,具高靈敏度單光子雪崩二極管SPAD偵測和快速時間數位轉換器(TDC)架構,且垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)輸出光脈衝小於500psec。透過晶片上Cortex SoC和統計直方圖處理,感測器可在高可信度下偵測2cm至2.5m(圖5)。
圖5 TMF8801方塊圖。
筆記型電腦不再是純粹被動式個人電腦,NB中增加更多感測器,將如頭腦清晰的人類般變得更加活躍及聰明。光學感測器在此凝聚非常重要的作用,因為在人們的生活環境中,光最直接存在於人們周遭;環境光感測器提供準確流明照度,而XYZ顏色感測器提供色溫訊息;飛行時間感測器可偵測使用者距離或判斷其是否為一個人。未來期待看到更多光學感測器獲筆電採用。
(本文作者為艾邁斯半導體資深技術應用工程師)
意法新型全色域環境光感測器具備閃爍頻率檢測功能
意法半導體(ST)發布創新的全色域環境光感測器(Ambient Light Sensor, ALS)。這款型號為VD6281新款感測器能夠讓智慧型手機拍出更美的照片,呈現在螢幕上的視覺具備更加準確的數據。透過同時輸出場景色溫、紫外線(UVA)輻射強度和光頻訊息,VD6281可為相機校正白平衡並增強色彩呈現效果,同時設定適合的曝光時間,避免閃爍的偽影發生,並消除照片和影片中的帶狀現象,尤其是在採用LED等現代光源的場景中效果特別明顯。
意法半導體影像產品部門總經理Eric Aussedat表示,VD6281是利用ST所累積特有的相機系統相關經驗,開發出先進多光譜環境光感測器,我們的環境光和閃爍頻率感測器研發藍圖可完善ST市場領先的FlightSense飛時(Time-of-Flight, ToF)產品組合。隨著數量越來越多的手機內建高品質、高解析度的相機鏡頭,我們的目標是提供智慧型手機相機白平衡校正和閃爍偽影消除解決方案。配備VD6281的手機已於2018年推出,後續還將有多款搭載VD6281的手機上市。
VD6281的外形小巧,尺寸為1.83×1.0×0.55mm,是目前市面上最小的多光譜環境光感測器,其可整合在高屏佔比且窄小接口的無邊框智慧型手機和智慧腕錶內。該感測器採用高性能,以及direct-deposition濾片材料以達到6個獨立的色頻:紅、綠、藍、近紅外、UVA和透明,在120度廣視角提供卓越的色彩感應能力和優越的相對色溫(Color-Correlated Temperature, CCT)預測能力,即使在低對比度場景、低光或異國情調的人造光等惡劣的光照條件下,也能輔助白平衡演算法進行準確的運算。
意法半導體研發創新的光電二極體結構和一個獲得專利的類比輸出元件,以提升靈敏度並降低系統雜訊,同時保持較小的晶片尺寸。VD6281的靈敏度是市面上其他顏色感測器的5倍,可以與配套晶片或閃光燈LED一起整合在玻璃覆材後面、光學模組內部或者安裝在不透明的手機背蓋上,以其支援最佳工業設計。透過出色的靈敏度和雜訊控制性能,可達到UVA、RGB和IR同步感應。擷取的UVA訊息可以幫助相機系統確定使用者是在室內還是在室外,並在人造光或自然光場景內輔助圖像顯色。VD6281可以檢測低至1mL的光照度,運作時間小於8ms(1個120fps影片幀數),在ALS模式下運作功耗小於1mW。
VD6281還嵌入了閃爍檢測引擎專利技術,可檢測人造光瞬間變化。該感測器還可以檢測50Hz至2kHz的閃爍頻率,包括LED發射產生的PWM方波訊號,其精度高於3%。在檢測環境光的同時,VD6281可以輸出類比和數位格式的閃爍頻率訊息,配合演算法和主處理器,其能夠獨特地檢測場景中的多個光頻諧波,即使同時存在多個傳統光源(包括鎢絲燈、鹵素等、霓虹燈、螢光燈和LED)的場景中,拍攝出來的照片或影片也不會出現「banding effect」。
意法半導體的VD6281模組簡單易用(6個腳位),基於I2C介面,並可與Android平台相容的完整軟體驅動程式,使整合變得簡單快速。該模組封裝可過回流焊,無鉛且符合RoHS標準。