液晶顯示器 (LCD) 在各種應用中無處不在，廣泛應用于溫控器、醫療手持終端、汽車儀表、平板電腦和筆記本電腦等領域。在這些應用中，設計人員需要找到合適的方法，讓顯示內容盡可能清晰可辨，又不會導致眼疲勞，同時盡可能降低耗電量。

為了滿足這些要求，可以先使用環境光傳感器 (ALS) 來感測環境照明亮度，從而確定顯示亮度。ALS 必須安裝在顯示屏后面，然后通過環境光水平來確定既為人可接受又能盡量降低功耗的顯示亮度。

本文評估了三種 ALS 技術的能力，并解決了 LCD 屏光強度和功率調整方面的挑戰，從而節省能耗并提供適當的屏幕亮度。

準確測量可視波段

LCD 照明優化的第一步是使用 ALS 準確地感測環境光。人類可見光波長范圍約為 400 納米 (nm) 至約 750 nm（圖 1）。光電二極管是一種固態器件，是該應用中最合理的環境光照條件感測器件。光電二極管可以將光信號轉換為電流信號。

圖 1：可見光僅占電磁波譜的一小部分，范圍從 400 nm 到 750 nm。（圖片來源：ECN）

盡管硅光電二極管的光敏范圍（約 300 nm 至 1100 nm）并不完全匹配人類視覺范圍，但重疊部分依然可為我們所用（圖 2）。

圖 2：人眼光譜響應與硅光電二極管光譜響應的對比，顯示出有用的重疊區域。（圖片來源：Texas Instruments）

該設計的第一個挑戰是從光電二極管的信號中捕獲人眼光譜范圍。

轉換為人體光譜響應

人們期望每臺機器和儀器都符合我們的視覺要求。ALS 可測量設備顯示屏上的照度。無濾光情況下，可測量到的光包括可見光以及紫外 (UV) 和紅外 (IR) 光。紫外和紅外信號相結合，使環境可見光看起來更亮。因此，在環境光條件下，顯示器的背光控制器輸出會讓人體的視覺感官對顯示感到不適。

為了實現精確的映射，設計人員需要使用光電二極管、濾光片、放大器和轉換器來改變環境光。通過將這些元件集成到一個 ALS 器件中，這變得更容易了。因此，ALS 的目標是從傳感器的輸出中去除紅外和紫外分量并呈現人眼光譜響應，同時將整體 LCD 亮度保持在令人舒適的水平（圖 3）。

圖 3：光學濾波元器件和其他內部元器件以及計算讓 OPT3001 ALS 能夠將輸入環境信號映射到人眼光譜響應。（圖片來源：Texas Instruments）

這些改進的半導體特性開辟了新的應用，目前的器件包括可實現單獨的紅色、綠色和藍色 (RGB) 感測的濾色片。

專用的紫外和紅外濾光片

利用紅色、綠色、藍色和透明濾光片（其中，透明濾光片允許未過濾的光進入光電二極管），ALS 器件通過四個獨立的光電二極管感應四種光譜。利用四個過濾的光電二極管信號，ALS 產生三原色 (RGB) 的數字返回值，第四個返回值用于環境響應，第五個返回值用于阻擋紅外光 (IRCUT)。高靈敏度、寬動態范圍和五個濾光片使 ALS 成為可在各種照明條件下使用的理想色彩傳感器解決方案。

生產 ALS 解決方案的供應商包括 ROHM Semiconductor、ams、Texas Instruments、ON Semiconductor、OSRAM Opto Semiconductors, Inc 和 Vishay Semiconductor / Opto Division 等等。現在我們來評估 ROHM Semiconductor、ams 和 Texas Instruments 的 ALS 器件。

ROHM Semiconductor ALS 器件使用 IRCUT 濾光片

ROHM Semiconductor BH1745NUC-E2 數字 16 位串行輸出型色彩傳感器 IC 的目標應用就是可調整電視、手機或平板電腦 LCD 背光的 ALS。

BH1745NUC-E2 通過透明濾光片感測紫外光和紅外光，并在紅色、綠色和藍色濾光片前面使用 IRCUT 濾光片（圖 4）。

圖 4：ROHM BH1745NUC-E2 數字 16 位串行輸出型色彩傳感器 IC 在 IRCUT 濾光片外部具有透明濾光片。（圖片來源：ROHM）

使用 BH1745NUC-E2 時，IRCUT 濾光片位于紅色、綠色和藍色濾光片前，允許人眼光譜響應傳入模數轉換器 (ADC)。IRCUT 濾光片在阻擋紅外線的同時允許可見光通過。透明濾光片有助于生成人眼感覺逼真的調光算法，以實現色彩真實性并降低功耗。每個 16 位 ADC 的增益都經過預編程，以根據視覺體驗產生最準確的映射（圖 5）。

圖 5：BH1745NUC-E2 紅色、綠色、藍色、透明 (RGBC) 光譜響應。（圖片來源：ROHM）

BH1745NUC-E2 的寬動態范圍（0.005 - 40k lux）和出色 IRCUT 特性使之適合用于獲取環境光的照度和色溫。

ams ALS 紅外濾光片可對所有其他濾光片進行預濾光

帶有紅外濾光片的 ams TCS34727FN 彩色光數轉換器的目標應用包括電視、手機、平板電腦、計算機和監視器。目前的 TCS34727FN ALS 策略是使用五個濾光片構成的不同配置。TCS34727FN 的濾光片配置是在所有四個色彩濾光片（紅色、綠色、藍色和透明）前面首先使用紅外遮光濾光片（圖 6）。

圖 6：TCS34727FN 16 位 ALS 器件具有阻擋其他四個濾光片的紅外濾光屏。（圖片來源：ams）

TCS34727FN 器件具有四個積分 ADC，可同時將放大的光電二極管電流轉換為 16 位數字值。紅外阻擋濾光片可最大限度地減少入射光、紅外光譜分量，從而實現精確的色彩測量。高敏感性、寬動態范圍以及紅外遮光濾光片使得 ALS 成為可在各種照明條件下使用的理想色彩傳感器解決方案（圖 7）。

圖 7：TCS34727FN RGBC 頻譜響應指定了每個濾光片的特性和每個 ADC 的增益。（圖片來源：ams）

TCS34727FN 應用于帶顯示器的產品，如手機、筆記本電腦和電視，用于感測照明環境。該器件可有效支持顯示亮度自動調節，實現最佳觀看和節能效果。TCS3472 可以在各次光感測測量之間進入低功耗等待狀態，以進一步降低平均功耗。

Texas Instruments ALS 可阻隔 99% 的紅外光

Texas Instruments OPT3001DNPT ALS 的目標應用包括顯示器背光控制、照明控制系統以及平板電腦和筆記本電腦。利用高度匹配人眼響應的傳感器光譜響應，該器件可測量可見光的強度（圖 8）。為了實現這一功能，該器件具有一個前端濾光片，在將感應光傳遞到積分 ADC 之前，能阻隔超過 99% 的紅外光。

圖 8：Texas Instruments OPT3001系統框圖顯示，在將檢測到的信號傳遞到積分 ADC 之前，濾光片阻隔了 99% 的紅外光。（圖片來源：Texas Instruments）

該 DC 具有 23 位有效動態范圍，可自動調整增益范圍。這一單芯片照度計可抑制紅外光信號，同時仍可以測量可見光的強度。無論光源如何，OPT3001 的精確光譜響應和強大紅外阻隔能力，使得該器件都能精確測量人眼所見的光強度。

工業設計為了美觀需要將傳感器安裝在深色玻璃下，強大的紅外阻隔有助于保持高精度。

背光顯示器可能會出現一個有趣的問題，即光測量在不同的光輸入和光源下會發生變化。例如，深色玻璃透射紅外光信號。白熾燈較高的紅外波長可因玻璃透光率到達傳感器。憑借其 99% 的紅外阻隔，OPT3001 僅測量可見區域內的光線，并將人眼響應映射到四個集合 ADC 響應（圖 9）。

圖 9：OPT3001 捕獲可見光譜及人眼響應（左），并將人眼響應與四個集合 ADC 響應（右）映射。（圖片來源：Texas Instruments）

為了幫助實現人眼的反應，OPT3001 具有自動增益設置功能，可自動響應輸入光照水平。該器件能保持在最佳范圍內，在不同范圍間具有良好的分辨率和高精確度。不同增益范圍間的相對精度為 0.2%。

總結

ALS 可用于測量可見光的強度，從而以最小的功耗為用戶提供清晰可辨的 LCD 顯示。每個制造商的目標都是使這些傳感器的光譜響應高度匹配人眼響應，包括顯著的紅外阻隔率，同時保持最低功率，而無論光源或應用類型如何。

然而，這是一個主觀做法，因為本文中的每個 ALS 各不相同，他們具有不同的濾光形式、視覺色彩放大以及 ADC 分辨率和滿意度。因此，ALS 器件的結果類似于音頻行業面臨的挑戰：一個人可能會接受某個解決方案的外觀或聲音，而另一個人可能會完全拒絕。這在一定程度上為設計人員提供了在 LCD 設計中表達創意和差異化的空間。