湯治邦 資深技術應用工程師 艾邁斯半導體臺灣分公司

由于近年來智能設備的增長，傳統筆記本電腦（NB）需要進行改革與創新，以吸引消費者。筆記本電腦制造商需要在其中加入各種新傳感器以提升使用體驗，光學傳感器就是關鍵的一種。本文將介紹筆記本電腦中最新的光學傳感器開發，并說明它們對筆記本電腦使用者的好處。

數字ALS方案的五大優點

環境光傳感器（ALS）現在幾乎是新的NB市場的標準功能了。如下圖所示，通常將ALS放置在筆記本電腦顯示屏的頂部邊框上，以連續檢測和監視用戶環境的光線狀況。藉由ALS，筆記本電腦會根據環境光的狀況將屏幕亮度調亮或調暗，減少屏幕背光功耗并增強用戶的視覺體驗。

圖1.環境光傳感器在筆記本電腦上的配置

在筆記本電腦中設計ALS時，需要考慮很多因素。數字ALS解決方案在以下5個方面優于模擬解決方案：

（1）使用數字接口，可以連接多個器件在同一路I2C線路上。

（2）可以從極暗到明亮的日照流明情況下提供靈活性功能。

（3）可以藉由可編輯式功能降低雜散光源與50 / 60Hz閃爍光抑制。

（4）中斷功能可以節省電池電量，無需像模擬方案需要持續性的輪詢。

（5）通過ams專利雙二極管技術阻擋不需要的IR能量，如下圖所示。

ams的TSL2540是上述所有產品中最常見的ALS芯片，具有2.0 mm x 2.0mm x 0.5mm的小尺寸。該器件已在各種型號的全球品牌筆記本電腦中廣泛采用。

圖2.TSL2540內部方塊圖

XYZ傳感器：更自然的視覺體驗

與單純使用ALS傳感器相較，色彩XYZ傳感器可提供更優越的升級體驗：不僅提供環境流明Lux信息，還提供詳細的用戶環境光色溫。對人眼來說XYZ傳感器是最自然的光譜，因為RGB傳感器無法計算色度坐標（xy）。某些光源不在普朗克軌跡（黑色虛線），僅使用RGB傳感器，在測量這些光源的顏色時會出現重大誤差。XYZ顏色測量的精度是RGB的5倍，人眼可以輕松辨識到XYZ傳感器測量精度范圍內的顏色變化。

圖3.CIE色彩圖中的普郎克軌跡

藉由接收XYZ信息，筆記本電腦可以獲得準確的環境光CCT信息和數據，因此LCD顯示器可以動態調整面板色溫以完全適合用戶環境的色溫（即白平衡），而不只是基于當前LCD顯示器制造的固定CCT校準點（通常LCD顯示器在6500k CCT下校準）。下圖中的圖片顯示了它的視覺性能，用戶可以在其環境光條件下更自然地觀看面板。左邊是冷色溫，右邊是暖色溫。

圖4.冷色溫與暖色溫下使用XYZ傳感器的比較

ams的TCS3430是優越的XYZ三色彩傳感器，色域與我們對光的感知相匹配。除了準確的XYZ信息外，它還受益于以下獨特技術。

（1）最小化紅外光和紫外光譜成分的影響

（2）降低功耗

（3）藉由啟動量測IR光的斜率以偵測IR光源.

（4）在變化的光源照明條件下可以實現準確的色彩和ALS

（5）最小化移動與瞬時誤差

藉由ams出色的校準技術，TCS3430在各種光源條件下均可達到≤0.01Δxy色度精度≤3％CCT誤差（CCTe）。

表1.TCS3430在各種光源下的Lux/CCT誤差

高精度ToF：更智能的使用體驗

飛行時間（ToF）傳感器是一種用于手機和3D應用的創新技術，如圖所示，通過測量紅外光傳播到物體并反射到ToF傳感器的時間，從而檢測物體與設備的距離。由于光速非常快，因此ToF SOC需要使用超短（ps）和精確的時間數字轉換器（TDC）來非常精確地測量距離。

圖5.飛行時間ToF技術

當在筆記本電腦中使用ToF技術，它可以用于檢測用戶是否坐在顯示器前。如果是，則筆記本電腦立即喚醒顯示屏以供用戶登錄，無需用戶觸摸鍵盤、鼠標、使用指紋解鎖等。一旦檢測到用戶離開筆記本顯示器，即可關閉屏幕或注銷PC，以保護個人隱私，同時延長筆記本電腦的電池使用量。尤其是在現代商用NB中，當用戶不使用但顯示屏打開或NB仍處于活動模式時，往往會浪費大量電池能量。我們稱此技術為用戶存在檢測，如下圖所示。

圖6.用戶使用檢測

除了用戶存在檢測外，ToF還可以用于檢測用戶行為。例如，NB可以動態且連續地檢測用戶距離，以優化NB配置，在短距離時, 調低麥克風/揚聲器的音量，而在檢測到長距離時（如電影模式下）調高音量。

ams的TMF8801是1D ToF傳感器，可支持長達2.5m的距離，幾乎覆蓋了所有NB用戶的工作距離。它采用dToF技術，具有高靈敏度單光子雪崩二極管SPAD檢測和超快的時間數字轉換器（TDC）架構，其VCSEL輸出光脈沖小于500 ps（皮秒）。通過芯片上Cortex SOC和統計直方圖處理，TMF8801可以在很高的可信度下達到2cm至2.5m的檢測距離。由于其VCSEL從NB的頂部邊框發射到用戶眼中的是實體光線，TMF8801完全通過了19° FOI的一級（Class 1）人眼安全認證。TMF8801封裝尺寸為2.2 mm x 3.6 mm x 1.0 mm，是業界最小的模塊化封裝。下圖為TMF8801的框圖。

圖7.TMF8801方塊圖

總結

筆記本電腦不再是純粹的被動式個人計算機，而是增加了更多傳感器，將像頭腦清晰的人類一樣變得更加活躍和聰明。光學傳感器在這里起著非常重要的作用，因為在我們的生活環境中，光是最直接存在于我們周遭的。環境光傳感器提供準確的流明照度，而XYZ顏色傳感器提供色溫信息。此外，飛行時間傳感器可以檢測使用者距離或進行存在判斷。我們期待看到更多的光學傳感器在NB中得到采用。而毫無疑問的是，ams是該領域的卓越領先專家。

編輯：hfy