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液晶显示器在各种应用中无处不在，广泛应用在恒温器，医疗手持终端，汽车中控系统，平板电脑和笔记本电脑等领域。在这些应用中，设计人员需要弄清楚如何在没有眼睛疲劳的情况下使显示器，在保证显示信息可读性的同时尽可能地减少功率消耗。为了满足这些要求，可以通过使用环境光传感器（ALS）感测环境照明亮度来确定显示亮度。ALS必须安装在显示屏后面，然后通过环境光水平来确定可接受的显示亮度，同时最小化功耗。
本文评估了两种常见的ALS技术，旨在最大限度的优化屏幕显示效果，解决并协调LCD屏幕的亮度和功耗的平衡，以节省能源并提供适当的屏幕亮度。
LCD照明优化的第一步是使用ALS准确地感测环境光，人类可见光波长范围约为400nm至约750nm（如图1所示）。在早期的液晶显示器调光方案中，光电二极管应用较为广泛。光电二极管是一种固态器件，是一种较为合理的环境光照条件传感器件。光电二极管可以将光信号转换为电流信号，从而实现对光照强度的感知。 
图1 可见光电磁波谱（400 nm到750 nm）
使用光电二极管设计的环境光感测产品有一个很重要设计问题是：如何从光电二极管的信号中捕获人眼光谱范围。尽管硅光电二极管的光灵敏度范围（约300nm至1100nm）与人类视觉范围不匹配，但仍存在有用的重叠（如图2所示）。所以，设计的关键在于将硅二极管频谱响应范围转换为人体光谱响应范围。 
图2 光电二极管光谱响应与人眼光谱响应对比图
人类的期望是让每台机器和仪器都符合我们的视觉要求。ALS测量设备显示屏上的照度。没有光学滤波，这种测量将包括可见光，以及紫外线（UV）和红外线。 UV和IR信号相结合，使环境可见光看起来更亮。结果，显示器的背光控制器输出将使在环境光条件下对显示器的明视或人类响应变得令人不愉快。为了实现更精确的映射，设计人员使用光电二极管，光学滤波器，放大器和转换器来修改环境光。通过将这些元素集成到一个ALS设备中，这变得更容易。因此，ALS的目标是从传感器的输出中去除IR和UV分量并呈现人眼光谱响应，同时将整体LCD亮度保持在舒适的水平（如图3所示）。
图3 光电二极管结合外围电路将环境信号映射到人眼光谱响应范围
上述方式虽然能够将环境信号映射到人眼光谱响应范围之内，但是外围电路设计复杂，故障点数多，稳定性较差。为了解决上述应用的弊端。市面上出现了一些专用的ALS器件。比如生产ALS解决方案的供应商ROHM半导体公司。ROHM生产的ALS器件采用了IRCUT滤波器。其中BH1745NUC-E2是一款数字16位串行输出型彩色传感器，其主要应用在调整电视，手机或平板电脑LCD背光等应用领域。
这些新型的半导体器件开辟了新的应用形式，它们具有允许单独的红色，绿色和蓝色（RGB）颜色感测的滤色器。利用红色，绿色，蓝色和透明光学滤光片，透明滤光片允许未滤光的光进入光电二极管，ALS设备通过四个独立的光电二极管可感应到四个光谱。具有高灵敏度，宽动态范围的特点，是在不同光照条件下使用的理想色彩传感器解决方案。BH1745NUC-E2通过透明滤光片感应紫外和红外光，并在红色，绿色和蓝色之前使用IRCUT滤光片（如图4所示）。 
图4 ROHM的BH1745NUC-E2典型应用框图（左边为滤光片）
BH1745NUC-E2的IRCUT滤波器位于红色，绿色和蓝色光学滤波器之前，允许人体光谱响应通过模数转换器（ADC）。IRCUT滤光片在阻挡红外光的同时通过可见光。透明滤光片有助于生成逼真的调光算法，以体现色彩真实性和更低的功耗；另外，每个16位ADC的增益都经过预编程，可以产生最准确的视觉体验映射（光谱响应如图5所示）。BH1745NUC-E2的宽动态范围（0.005~40k lux）和出色的IRCUT特性使其适合于获得环境光的照度和色温。除此之外，ROHM还提供新款色彩传感器BH1749NUC作为新型LCD调光解决方案。 
图5 BH1745NUC-E2红色，绿色，蓝色，透明（RGBC）光谱响应
ALS可用于测量可见光的强度，从而以最小的功耗为用户提供可读的LCD显示。ROHM的目标是使这些传感器的光谱响应与人眼的响应紧密匹配，并保持最低的功耗。但是，每款ALS器件都在光学滤波，视觉色彩放大，ADC分辨率等方面有不同的特性。这为设计人员提供了一些在LCD设计中创新和差异的自由度。
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发表于 2019-7-12 16:11:31
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