笔记本电脑中光学传感器开发 数字ALS方案的五大优点

汤治邦  资深技术应用工程师   艾迈斯半导体台湾分公司

由于近年来智能设备的增长，传统笔记本电脑（NB）需要进行改革与创新，以吸引消费者。笔记本电脑制造商需要在其中加入各种新传感器以提升使用体验，光学传感器就是关键的一种。本文将介绍笔记本电脑中最新的光学传感器开发，并说明它们对笔记本电脑使用者的好处。

数字ALS方案的五大优点

环境光传感器（ALS）现在几乎是新的NB市场的标准功能了。如下图所示，通常将ALS放置在笔记本电脑显示屏的顶部边框上，以连续检测和监视用户环境的光线状况。藉由ALS，笔记本电脑会根据环境光的状况将屏幕亮度调亮或调暗，减少屏幕背光功耗并增强用户的视觉体验。

图1.环境光传感器在笔记本电脑上的配置

在笔记本电脑中设计ALS时，需要考虑很多因素。数字ALS解决方案在以下5个方面优于模拟解决方案：

（1）使用数字接口，可以连接多个器件在同一路I2C线路上。

（2）可以从极暗到明亮的日照流明情况下提供灵活性功能。

（3）可以藉由可编辑式功能降低杂散光源与50 / 60Hz闪烁光抑制。

（4）中断功能可以节省电池电量，无需像模拟方案需要持续性的轮询。

（5）通过ams专利双二极管技术阻挡不需要的IR能量，如下图所示。

ams的TSL2540是上述所有产品中最常见的ALS芯片，具有2.0 mm x 2.0mm x 0.5mm的小尺寸。该器件已在各种型号的全球品牌笔记本电脑中广泛采用。

图2.TSL2540内部方块图

XYZ传感器：更自然的视觉体验

与单纯使用ALS传感器相较，色彩XYZ传感器可提供更优越的升级体验：不仅提供环境流明Lux信息，还提供详细的用户环境光色温。对人眼来说XYZ传感器是最自然的光谱，因为RGB传感器无法计算色度坐标（xy）。某些光源不在普朗克轨迹（黑色虚线），仅使用RGB传感器，在测量这些光源的颜色时会出现重大误差。XYZ颜色测量的精度是RGB的5倍，人眼可以轻松辨识到XYZ传感器测量精度范围内的颜色变化。

图3.CIE色彩图中的普郎克轨迹

藉由接收XYZ信息，笔记本电脑可以获得准确的环境光CCT信息和数据，因此LCD显示器可以动态调整面板色温以完全适合用户环境的色温（即白平衡），而不只是基于当前LCD显示器制造的固定CCT校准点（通常LCD显示器在6500k CCT下校准）。下图中的图片显示了它的视觉性能，用户可以在其环境光条件下更自然地观看面板。左边是冷色温，右边是暖色温。

图4.冷色温与暖色温下使用XYZ传感器的比较

ams的TCS3430是优越的XYZ三色彩传感器，色域与我们对光的感知相匹配。除了准确的XYZ信息外，它还受益于以下独特技术。

（1）最小化红外光和紫外光谱成分的影响

（2）降低功耗

（3）藉由启动量测IR光的斜率以侦测IR光源.

（4）在变化的光源照明条件下可以实现准确的色彩和ALS

（5）最小化移动与瞬时误差

藉由ams出色的校准技术，TCS3430在各种光源条件下均可达到≤0.01Δxy色度精度≤3％CCT误差（CCTe）。

表1.TCS3430在各种光源下的Lux/CCT误差

高精度ToF：更智能的使用体验

飞行时间（ToF）传感器是一种用于手机和3D应用的创新技术，如图所示，通过测量红外光传播到物体并反射到ToF传感器的时间，从而检测物体与设备的距离。由于光速非常快，因此ToF SOC需要使用超短（ps）和精确的时间数字转换器（TDC）来非常精确地测量距离。

图5.飞行时间ToF技术

当在笔记本电脑中使用ToF技术，它可以用于检测用户是否坐在显示器前。如果是，则笔记本电脑立即唤醒显示屏以供用户登录，无需用户触摸键盘、鼠标、使用指纹解锁等。一旦检测到用户离开笔记本显示器，即可关闭屏幕或注销PC，以保护个人隐私，同时延长笔记本电脑的电池使用量。尤其是在现代商用NB中，当用户不使用但显示屏打开或NB仍处于活动模式时，往往会浪费大量电池能量。我们称此技术为用户存在检测，如下图所示。

图6.用户使用检测

除了用户存在检测外，ToF还可以用于检测用户行为。例如，NB可以动态且连续地检测用户距离，以优化NB配置，在短距离时, 调低麦克风/扬声器的音量，而在检测到长距离时（如电影模式下）调高音量。

ams的TMF8801是1D ToF传感器，可支持长达2.5m的距离，几乎覆盖了所有NB用户的工作距离。它采用dToF技术，具有高灵敏度单光子雪崩二极管SPAD检测和超快的时间数字转换器（TDC）架构，其VCSEL输出光脉冲小于500 ps（皮秒）。通过芯片上Cortex SOC和统计直方图处理，TMF8801可以在很高的可信度下达到2cm至2.5m的检测距离。由于其VCSEL从NB的顶部边框发射到用户眼中的是实体光线，TMF8801完全通过了19° FOI的一级（Class 1）人眼安全认证。TMF8801封装尺寸为2.2 mm x 3.6 mm x 1.0 mm，是业界最小的模块化封装。下图为TMF8801的框图。

图7.TMF8801方块图

总结

笔记本电脑不再是纯粹的被动式个人计算机，而是增加了更多传感器，将像头脑清晰的人类一样变得更加活跃和聪明。光学传感器在这里起着非常重要的作用，因为在我们的生活环境中，光是最直接存在于我们周遭的。环境光传感器提供准确的流明照度，而XYZ颜色传感器提供色温信息。此外，飞行时间传感器可以检测使用者距离或进行存在判断。我们期待看到更多的光学传感器在NB中得到采用。而毫无疑问的是，ams是该领域的卓越领先专家。

编辑：hfy