環(huán)境光檢測優(yōu)化便攜設(shè)備顯示屏設(shè)計(jì)方案

在“時(shí)時(shí)連接”的今天，大多數(shù)便攜設(shè)備都將顯示屏作為一大賣點(diǎn)，用戶通過顯示屏能夠訪問并觀看視頻和互聯(lián)網(wǎng)信息。出于對(duì)功耗和觀看舒適度等方面的考慮，許多設(shè)備配備了環(huán)境光傳感器—為設(shè)備增添環(huán)境光檢測功能。在昏暗環(huán)境下，可調(diào)低顯示屏背光亮度，以節(jié)省電池電量;在明亮環(huán)境下，增強(qiáng)字體和背光亮度能夠使設(shè)備顯示更清晰，改善用戶體驗(yàn)。本文討論了設(shè)計(jì)帶有環(huán)境光傳感器的產(chǎn)品時(shí)需要注意的事項(xiàng)。

光測量的光譜靈敏度

首先，探討一下人眼對(duì)環(huán)境光的視覺反應(yīng)。人眼對(duì)光線的感應(yīng)靈敏度通常用光譜光視效率(又稱CIE曲線)表示(圖1)。從圖中可以看出，人眼看不到光譜中的紫外線( 400nm)和紅外線(> 700nm)，此外人眼對(duì)綠光(～555nm)最敏感，對(duì)藍(lán)光和紅光較為不敏感。為此，我們對(duì)該靈敏度曲線進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，將入射光功率密度(單位為μW/cm2)轉(zhuǎn)換為人眼的靈敏度單位(單位為lux)。波長為555nm時(shí)，1 lux相當(dāng)于大約0.15μW/cm2的光功率密度。

圖1. 適光曲線給出了人眼對(duì)不同波長光線的視覺反應(yīng)。人眼對(duì)綠光的反應(yīng)最強(qiáng)，但卻看不到光譜中的紅外(> 700nm)或紫外( 400nm)部分。

制造工藝和技術(shù)方面的挑戰(zhàn)使得低成本環(huán)境光傳感器(ALS)很難準(zhǔn)確復(fù)現(xiàn)人眼對(duì)光線的視覺反應(yīng)，完全絕對(duì)地抑制紅外線和紫外線也是一大難題。由于常見光源的光譜非常寬，即使略微偏離適光曲線，再加上不能完全抑制紅外線和紫外線，都會(huì)對(duì)環(huán)境光傳感器的測量精度造成非常大的影響。

實(shí)際上，許多商用照度計(jì)均無法準(zhǔn)確匹配適光曲線。因此，大多數(shù)照度計(jì)都定義了一個(gè)?1’參數(shù)，該參數(shù)用于說明照度計(jì)與光學(xué)CIE曲線的匹配程度。經(jīng)驗(yàn)不足的用戶在操作商用照度計(jì)時(shí)還應(yīng)注意另外一個(gè)問題—許多照度計(jì)聲稱根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了校準(zhǔn)，事實(shí)上這種聲明只能說明照度計(jì)在采用白熾(A類)光源進(jìn)行測試時(shí)能夠給出精確讀數(shù)，但并不保證非白熾光源的測量精度，例如熒光燈、太陽光或LED—而此類光源更為常見。事實(shí)上，由于白熾光源的能效非常低，各個(gè)國家正在積極推進(jìn)日常生活中禁止使用白熾光源。

因此，現(xiàn)今的環(huán)境光傳感器均無法完全匹配光學(xué)CIE曲線，而是采用疊加原理計(jì)算環(huán)境光亮度?，F(xiàn)在市場上的大多數(shù)光傳感器采用兩個(gè)或多個(gè)不同類型的光電二極管，每個(gè)光電二極管對(duì)光譜不同區(qū)域的敏感度不同。對(duì)這些光電二極管的輸出進(jìn)行算術(shù)求和，并對(duì)每個(gè)光電二極管設(shè)置一個(gè)適當(dāng)?shù)目烧{(diào)增益，傳感器即可較為準(zhǔn)確地測量常見的環(huán)境光源亮度。

例如，如果兩個(gè)不同類型的光電二極管PD1和PD2針對(duì)兩種不同的入射光源給出了不同讀數(shù)，可以得到每個(gè)光電二極管的增益常數(shù)，從而使傳感器能夠在兩種光源下均提供準(zhǔn)確的光強(qiáng)測量值：

光源1 = 增益1 × PD1 + 增益2 × PD2

光源2 = 增益1 × PD1 + 增益2 × PD2

光電二極管的類型越多，可精確匹配的光源數(shù)量就越多。

日常生活中常見光源的光譜區(qū)別非常大(圖2)。以住宅和辦公室中的常見光源為例，熒光燈和白熾燈的光譜成分就截然不同—熒光燈的紅外成分極低，而白熾燈的紅外成分則高得多。因此，大多數(shù)環(huán)境光傳感器的數(shù)據(jù)資料都列出了這兩種常見光源的響應(yīng)特性(圖3)。

圖2. 以上曲線為太陽光(左上)、鹵素/白熾燈(右上)、熒光燈(左下)和白光LED (右下)的光譜比較。

圖3. 大多數(shù)環(huán)境光傳感器的數(shù)據(jù)資料都包含典型光靈敏度與照度計(jì)讀數(shù)(lux)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。上圖所示為MAX44009環(huán)境光傳感器的響應(yīng)曲線。

光測量的動(dòng)態(tài)范圍

人眼對(duì)光照條件的敏感范圍很寬。在黑暗的環(huán)境中(可能需要數(shù)分鐘的時(shí)間以適應(yīng)這種條件)，人眼能夠檢測到低至10-4 lux的亮度水平。在另一個(gè)極端環(huán)境下，即使亮度高達(dá)108 lux，人眼也能感知到黑暗。

人們在日常生活中常見的典型環(huán)境亮度通常要窄得多，從夜間室外的0.1 lux到辦公室照明的300 lux，再到太陽光下的100,000 lux。大多數(shù)便攜設(shè)備只需準(zhǔn)確檢測5 lux到大約1000 lux的環(huán)境光強(qiáng)度。實(shí)際應(yīng)用中，便攜設(shè)備顯示屏的背光效果并不能夠與太陽光的強(qiáng)度完全一致，當(dāng)光強(qiáng)達(dá)到某個(gè)較低等級(jí)時(shí)，顯示屏即開始簡單地維持在最低背光亮度。

值得注意的是，人眼對(duì)亮度的感知呈對(duì)數(shù)關(guān)系(類似于人耳對(duì)聲音的靈敏度)。光強(qiáng)增加幾乎10倍，而人眼只能感知到兩倍的亮度變化?？梢杂靡粋€(gè)類似的傳遞函數(shù)表示顯示屏背光亮度百分比與相對(duì)環(huán)境光強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖4中的線性和對(duì)數(shù)曲線所示。

圖4a. 該線性曲線給出了背光強(qiáng)度與相對(duì)光強(qiáng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。黑線為理想對(duì)數(shù)曲線，藍(lán)線采用折線近似法，更適于用微控制器代碼實(shí)現(xiàn)。