CCT

貿澤電子(Mouser)日前宣布與身為智慧感測器解決方案商將近20年的Amphenol i2s簽訂全球代理協議。貿澤供貨的Amphenol i2s產品系列包含CCT、IPS、IPT和VSP壓力感測器。 氣候控制壓力發射器(CCT)特別設計用來測量汽車空調(HVAC)冷卻液壓力。感測器採用氣密密封且堅固的鋁合金外殼，還有高品質的不鏽鋼製測量元件，可測量不同壓力範圍，為適用於汽車空調(HVAC)系統的經濟實惠型解決方案選擇。感測器係針對汽車業需求量身調整，且能滿足目前的電磁相容性(EMC)和靜電放電(ESD)法規。 IPS和IPT壓力感測器是專為需要高耐用度和媒介相容性的應用所設計。即使在嚴峻的氣候狀況下，在不佳的操作條件下，或暴露於高強度震動下使用，感測器於整個使用壽命期間內都能提供精準且穩定的測量結果。不鏽鋼製的壓力感測器元件可測量高達600bar的絕對與相對壓力，適合機油、汽油、柴油、氫燃料(H2)、壓縮天然氣(CNG)和液化石油氣(LPG)等應用。 VSP感測器採用堅固且可浸入式的設計，且符合汽車的ESD和EMC標準，是汽車和商用車任何機油壓力應用的選擇。VSP即使在嚴峻的氣候狀況下亦能測量額定壓力範圍高達600bar的絕對與相對壓力，作業溫度最高可到150°C。

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)

例如，現今智慧型手機、電腦和電視所使用的電子顯示器能夠顯示數百萬種顏色。電子裝置製造業者已能掌握環境光顏色對顯示器感知顏色的影響，且了解如何根據不斷變化的場景光源動態改變這些顏色。本文將討論白平衡技術的效益，以及其對於螢幕顯示顏色的真實性和準確性的顯著影響。 光源變化影響人眼顏色感知 光源，也就是環境光的光譜含量，會影響人眼對被觀察物體的顏色感知。物體被放在中午的日光下，則人眼會看到藍色色調被強化。原因在於，此時的日光是來自於陽光和天光的獨特組合。在白熾燈泡(相關色溫可能為2700K)的人工照明環境中，人眼看到的相同物體會顯得更有金黃色調。各種光源的光譜含量比較如圖1所示。 圖1　各種標準國際照明委員會(CIE)光源的光譜功率分布。 圖片來源：SchwartzD 當在不同光照條件下觀看印刷在紙上的圖像時，眼睛易於察覺色彩隨著光源變化而有不同的效果，然而，顯示器不是以這種方式工作。在環境光感測器被普遍整合至智慧型手機和筆記型電腦之前，顯示器的控制器並未考慮顯示器被觀看時的環境光特性。基於這個理由，顯示器是固定預設白點色溫6500K的液晶顯示器(LCD)，最近則有有機發光二極體(OLED)螢幕。6,500K是由國際照明委員會(CIE)產業標準機構所明定，如圖1所示的D65參考光源，其相關色溫(CCT)值類似於明亮的正午日光，藍色部分在光譜功率分布中占有極大比例。 這意味著，在與正午陽光相同的環境條件下，顯示器螢幕上的圖像顯示方式，非常相似於印刷在紙張上的相同圖像的呈現方式。螢幕顯示和印刷圖像都偏藍色。但是，在偏向暖光的照明環境，例如暖白色3,000K LED下觀看時，印刷圖像看起來比較橙黃色，這是因為光源具有更大的紅色/黃色光譜部分，藍色部分較小。沒有調整顯示器白點的強大方法，電子產品製造商僅針對其顯示器提供一個固定的D65白點預設選擇 ，如此就造成在螢幕上呈現的圖像具有強烈藍色色調，與之前相同。 印刷閱讀與顯示器閱讀之差異 閱讀紙張印刷內容時，人類可以閱讀很長時間，眼睛的壓力最小。在具有固定D65白點的顯示器觀看相同內容，顯示器發出的大量藍光會產生不利影響，導致數位用眼過勞，並影響人們的良好睡眠品質。 智慧型手機市場近期成長趨緩，希望創造產品差異化的手機OEM業者，現在可以提供一種被稱為「紙張式(Paper Like)」閱讀的顯示器新功能，作法是將顯示器的白點改變至較溫暖的色溫。新型高精度XYZ色彩感測器最近開始供應，這讓紙張式閱讀得以實現，此一新型感測器具有最佳光環境色溫測量功能，用於調整顯示器的白點(從D65冷藍色到暖白色)。 不過，紙張式閱讀可以最大限度地減少數位用眼疲勞，此外，在睡眠前幾小時自動將顯示器調整到較暖的白點，能為用戶帶來生理上的好處。科學已證明人眼的光學生物效應，以及接收藍光如何刺激喚醒時間的生理機制。科學研究證明，藍光可以抑制褪黑激素的產生，而褪黑激素是人體的天然鬆弛劑，有助於人們獲得良好的睡眠。缺乏褪黑激素使人感到清醒，這可能會影響身體的晝夜節律週期。 XYZ色彩科學已可用於量產紙張 利用現代光學濾波器技術，我們現在能以適合消費電子應用的成本，採用濾色器來匹配人眼的精度。電子製造商已有能力採用XYZ彩色濾光片，進而量產紙張式技術。這些濾光器直接沉積在光學感測器產品的裸晶片上。不像傳統的RGB色彩感測器提供±10%的CCT精度，CIE XYZ彩色濾光片的精度優於±1~5%。CCT精度需求源於1931年發展的色彩空間標準，稱為CIE xy色度圖(圖2)。 圖2　標準CIE色度圖說明 人造光源往往採用較暖的色溫，住宅照明為最溫暖的2,700~3,100K。辦公室照明通常是3,100~4,500K。日光色溫可以從中午的6,000K，到日出前，或是日落之後無雲陰涼處的15,000K。若我們觀看的顯示器白點色溫不同於周圍環境，則我們對各種色彩的感知會受到影響。 在暖光燈光環境中觀看具有中性或冷白點的彩色顯示器，相較於在冷光照明環境中觀看，前者看起來更藍。調整顯示器的白點以匹配環境照明，將盡可能最小化(如果不能消除)此影響。CIE色度圖擷取電磁能譜中380nm至780nm之間的可見光波長，這是人眼能感知的範圍。圖3顯示了人眼的錐狀細胞對於短、中、長等波長類型的歸一化光譜靈敏度。   圖3　人眼的錐狀細胞對於短、中、長等波長類型的歸一化光譜靈敏度。 這種反應是由視網膜的短、中和長型錐狀細胞的神經反應所驅動，對可見光譜的紅色、綠色或藍色部分波長的敏感度最高。錐狀細胞的波長靈敏度跨越相當大的範圍並相互重疊；為簡單起見，將每條曲線歸一在此圖。視網膜中三種錐狀細胞的相對反應，足以解釋色彩視覺，以及色彩可以透過多組色彩匹配函數來表徵，所有色彩匹配函數都是錐狀細胞反應函數的線性變換，且是透過彼此延伸。 圖4顯示了中(M)波長反應如何被定義為適光視圖(Photopic View)，並且被用於定義照度(In Lux)，而這是因為綠色波長最接近人類所見；人類對綠色更敏感，對紅色和藍色較不敏感。   圖4　綠色通道適光反應最接近人類所見，來自CIE適光光度函數。 測量平面上方從各個方向照射至表面某個點上的所有可見光總量，這就是照度(Lux)，這是亮度的度量單位。XYZ三色刺激(Tristimulus)人眼反應(圖5)被定義而且被稱為CIE1931 2Ｏ標準觀測者(Standard Ob-server)，並且用於連結可見光譜波長，以及用於色彩視覺的生理感知顏色。   圖5　CIE1931 2O標準觀測者色彩匹配函數或XYZ 三色刺激(Tristimulus)人眼反應 色彩可分為亮度(或照度，以Lux測量)和色度(以xy色度參數測量)。圖2的色度圖是一個工具，用以指名人眼如何經驗特定光譜的光線。它沒有指定物件的顏色，因為在觀看物件時觀察到的色度，取決於用戶周圍的環境光。 人類視覺系統 人類的視覺系統非常複雜，它與我們大腦的視覺處理引擎，也就是視覺皮層緊密耦合。即使光照條件發生變化，人腦也能夠識別物體的顏色。我們看待色彩的方式並不固定；相反的，它是一種相對的感知。當光源類型改變時，人類會改變他們對所觀看顏色的「感知」，因為物體的表面、光源類型和我們的眼睛之間存在動態關係。 我們的視覺系統可以調整長、中、短錐狀細胞對光譜含量的反應。人眼具有色彩適應機制，以了解不同的環境光條件，如此一來，我們能做出反應，使白色和灰色物體在不同的環境光照條件下看起來仍是白色和灰色的。色度自適應原理的光學增益調整如圖6所示。   圖6　色度適應 提供光譜功率分布(SPD)反應的XYZ色彩感測器如圖7所示。   圖7　TCS3430的XYZ光譜功率分布 XYZ光譜反應是基於人眼，以此提供關於人們如何感知顏色的更準確的資訊。雖然有將RGB值轉換為XYZ的方法，但RGB光譜反應函數並不是精確的色彩匹配函數，因此轉換產生的數值與人眼感知色彩的方式並不匹配。透過緊密匹配人眼的色彩反應，來自XYZ感測器的數據能以一種與人眼相似的方式偵測色彩差異。使用高精度XYZ色彩感測器輸出測量入射光的CIE XYZ三色刺激值，可在測量環境光照條件時提供最佳結果。在圖8中，我們顯示了CIE色度圖中的普朗克軌跡(Lanckian Locus)。   圖8　CIE1931色彩空間色度圖，圖解普朗克軌跡 在圖示中，中間的實曲線被稱為普朗克軌跡。軌跡上的每個點對應於黑體色溫以及相應的CCT值。將顯示器的白點調整至環境色溫，假定顯示器實際知道環境光的色溫。由於螢光燈和LED光源並不總是完全落在這個普朗克軌跡上，因此最好將白點驅動到環境照明的實際色度座標值，而不是默認為普朗克軌跡上的相對應色溫。 自適應顯示技術改變色彩反射感知 圖9說明這種自適應顯示技術的工作原理。在下面的燈箱中，兩支智慧手機嵌入至兩張相同的圖片中。透過改變光源來展示紙張式技術。這樣做也會改變我們對反射色彩的感知。   圖9　紙張式技術展示，顯示在較溫暖的照明環境中，藍光非常明顯 在圖示中，右側的顯示器缺少XYZ色彩感測器並連續發出D65光。左側顯示器有一個TCS3430色彩感測器，可精確測量環境光照條件的任何變化，並使用顯示演算法(圖10)，讓顯示器呈現類似印刷紙張的效果。   圖10　環境測量色溫的RGB乘數值建議。 此顯示器具有8位元RGB乘數值，因此y軸上的數值範圍建議為0到256(因為28 =256)，x軸上的值是來自XYZ色彩感測器的色溫測量值。從圖10可以看出，針對6500K的測量色溫，建議的RGB主顯示驅動器數值應設定為256紅色、256綠色和256藍色，將顯示器驅動到D65白點。例如，當從2,700K白熾燈測量到較低色溫時，應顯示256紅色、195綠色和130藍色。 當6,500K燈泡點亮時，左側顯示器測量環境光，應用演算法推薦RGB值256, 256, 256，將顯示器驅動至與右側顯示器完全相同的白點。結果是兩個顯示器看起來相同。印刷的背板顏色完全融入兩個顯示器的顯示內容。 當關閉6,500K燈泡並開啟溫度較高的3,000K螢光燈時，環境光線會變暖，左側顯示螢幕會自動調整到較暖的白點以匹配新的3,000K環境光線。由於藍光成分減少，印刷圖像看起來更為橙黃色。我們觀看印刷圖片所感知的顏色略有變化。沒有色彩感測器的顯示器持續顯示相同的偏藍D65白點，在暖光的3,000K環境中非常明顯。在這種情況下，很明顯地，右側顯示器看起來更藍，而左側顯示器針對3,000K照明環境自動調整白點，使其顯示器產生類似印刷的可讀性。 關閉3,000K燈泡並開啟更溫暖的2,700K白熾燈，由於藍光含量較少，環境光線變得更加溫暖，更加黃橙色。此外，左顯示器和我們對印刷圖像內容的感知顏色進一步改變。左側顯示器自動將其白點調整為有利於2,700K環境照明環境的白點，其中右側D65白點顯示器發出相同的偏藍的藍光內容。 光學濾波器技術大增減少用眼疲勞 傳統上，智慧型手機、電腦和電視OEM製造商為顯示器提供固定白點，並針對單一預設白點提供手動或當天時間設定，但是效果有限，因為它無法涵蓋不同的照明條件。幸運的是，透過光學濾波器技術的進步，能以大量消費電子市場可接受的價格提供人眼水準的精度，這是一種能夠自動測量環境照明條件的好方法，讓顯示器可以呈現紙張式的觀看效果。 當我們在反射光環境中，以及在電子顯示器上觀看內容時，環境照明條件的改變將顯著影響我們對觀看色彩的感知。現在，科學已證明具有固定D65白點的顯示器對我們的身體有著生理作用影響。在環境照明條件改變下，自動將顯示器白點調整為最佳化設定，已被證明能提供生理上的好處，可以最大幅減少數位用眼疲勞，同時幫助我們在夜間擁有更佳的睡眠品質。 (本文作者為ams進階光學解決方案部門的資深產品行銷經理)