環(huán)境光檢測優(yōu)化便攜設備顯示屏設計方案

在“時(shí)時(shí)連接”的今天，大多數便攜設備都將顯示屏作為一大賣(mài)點(diǎn)，用戶(hù)通過(guò)顯示屏能夠訪(fǎng)問(wèn)并觀(guān)看視頻和互聯(lián)網(wǎng)信息。出于對功耗和觀(guān)看舒適度等方面的考慮，許多設備配備了環(huán)境光傳感器—為設備增添環(huán)境光檢測功能。在昏暗環(huán)境下，可調低顯示屏背光亮度，以節省電池電量;在明亮環(huán)境下，增強字體和背光亮度能夠使設備顯示更清晰，改善用戶(hù)體驗。本文討論了設計帶有環(huán)境光傳感器的產(chǎn)品時(shí)需要注意的事項。

光測量的光譜靈敏度

首先，探討一下人眼對環(huán)境光的視覺(jué)反應。人眼對光線(xiàn)的感應靈敏度通常用光譜光視效率(又稱(chēng)CIE曲線(xiàn))表示(圖1)。從圖中可以看出，人眼看不到光譜中的紫外線(xiàn)( 400nm)和紅外線(xiàn)(> 700nm)，此外人眼對綠光(～555nm)最敏感，對藍光和紅光較為不敏感。為此，我們對該靈敏度曲線(xiàn)進(jìn)行了標準化，將入射光功率密度(單位為μW/cm2)轉換為人眼的靈敏度單位(單位為lux)。波長(cháng)為555nm時(shí)，1 lux相當于大約0.15μW/cm2的光功率密度。

圖1. 適光曲線(xiàn)給出了人眼對不同波長(cháng)光線(xiàn)的視覺(jué)反應。人眼對綠光的反應最強，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)方面的挑戰使得低成本環(huán)境光傳感器(ALS)很難準確復現人眼對光線(xiàn)的視覺(jué)反應，完全絕對地抑制紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)也是一大難題。由于常見(jiàn)光源的光譜非常寬，即使略微偏離適光曲線(xiàn)，再加上不能完全抑制紅外線(xiàn)和紫外線(xiàn)，都會(huì )對環(huán)境光傳感器的測量精度造成非常大的影響。

實(shí)際上，許多商用照度計均無(wú)法準確匹配適光曲線(xiàn)。因此，大多數照度計都定義了一個(gè)?1’參數，該參數用于說(shuō)明照度計與光學(xué)CIE曲線(xiàn)的匹配程度。經(jīng)驗不足的用戶(hù)在操作商用照度計時(shí)還應注意另外一個(gè)問(wèn)題—許多照度計聲稱(chēng)根據美國國家標準與技術(shù)研究院(NIST)的標準進(jìn)行了校準，事實(shí)上這種聲明只能說(shuō)明照度計在采用白熾(A類(lèi))光源進(jìn)行測試時(shí)能夠給出精確讀數，但并不保證非白熾光源的測量精度，例如熒光燈、太陽(yáng)光或LED—而此類(lèi)光源更為常見(jiàn)。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，現今的環(huán)境光傳感器均無(wú)法完全匹配光學(xué)CIE曲線(xiàn)，而是采用疊加原理計算環(huán)境光亮度?，F在市場(chǎng)上的大多數光傳感器采用兩個(gè)或多個(gè)不同類(lèi)型的光電二極管，每個(gè)光電二極管對光譜不同區域的敏感度不同。對這些光電二極管的輸出進(jìn)行算術(shù)求和，并對每個(gè)光電二極管設置一個(gè)適當的可調增益，傳感器即可較為準確地測量常見(jiàn)的環(huán)境光源亮度。

例如，如果兩個(gè)不同類(lèi)型的光電二極管PD1和PD2針對兩種不同的入射光源給出了不同讀數，可以得到每個(gè)光電二極管的增益常數，從而使傳感器能夠在兩種光源下均提供準確的光強測量值：

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(lèi)型越多，可精確匹配的光源數量就越多。

日常生活中常見(jiàn)光源的光譜區別非常大(圖2)。以住宅和辦公室中的常見(jiàn)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，大多數環(huán)境光傳感器的數據資料都列出了這兩種常見(jiàn)光源的響應特性(圖3)。

圖2. 以上曲線(xiàn)為太陽(yáng)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. 大多數環(huán)境光傳感器的數據資料都包含典型光靈敏度與照度計讀數(lux)的對應關(guān)系。上圖所示為MAX44009環(huán)境光傳感器的響應曲線(xiàn)。

光測量的動(dòng)態(tài)范圍

人眼對光照條件的敏感范圍很寬。在黑暗的環(huán)境中(可能需要數分鐘的時(shí)間以適應這種條件)，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108 lux，人眼也能感知到黑暗。

人們在日常生活中常見(jiàn)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(yáng)光下的100,000 lux。大多數便攜設備只需準確檢測5 lux到大約1000 lux的環(huán)境光強度。實(shí)際應用中，便攜設備顯示屏的背光效果并不能夠與太陽(yáng)光的強度完全一致，當光強達到某個(gè)較低等級時(shí)，顯示屏即開(kāi)始簡(jiǎn)單地維持在最低背光亮度。

值得注意的是，人眼對亮度的感知呈對數關(guān)系(類(lèi)似于人耳對聲音的靈敏度)。光強增加幾乎10倍，而人眼只能感知到兩倍的亮度變化?？梢杂靡粋€(gè)類(lèi)似的傳遞函數表示顯示屏背光亮度百分比與相對環(huán)境光強的對應關(guān)系，如圖4中的線(xiàn)性和對數曲線(xiàn)所示。

圖4a. 該線(xiàn)性曲線(xiàn)給出了背光強度與相對光強的對應關(guān)系。黑線(xiàn)為理想對數曲線(xiàn)，藍線(xiàn)采用折線(xiàn)近似法，更適于用微控制器代碼實(shí)現。