智能光学传感器导入笔记本电脑

By Peter Tang

汤治邦

Sr. Staff Field ApplicaTIon Engineer （Taiwan）， ams.

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，传统笔记本计算机需要进行一些改革与进行创新，以吸引消费者购买或更新他们的新笔记本或个人计算机。 笔记本计算机制造商需要在NB中加入各种新传感器功能，其中关键的传感器之一就是采用光学传感器。 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。

环境光传感器（ALS）现在几乎新的NB市场的标准功能了。 如下图一所示，通常将ALS放置在笔记本计算机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采用，笔记本会根据环境光的状况将屏幕亮度向上调亮或向下调暗。 这样做的主要好处是减少屏幕背光功耗并增强用户的视觉体验。

图一， 环境光传感器在笔记本电脑上的配置。

在笔记本计算机中设计ALS时，需要考虑很多因素。 数字ALS解决方案在以下几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，不需要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，如图二所示。

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。 该器件已在所有各种型号的世界品牌笔记本计算机中广泛采用。

图二， TSL2540内部方块图。

与单纯使用ALS传感器相较，色彩XYZ传感器是种优越的升级体验。 不仅提供环境流明Lux 信息，还提供笔记本计算机用户的详细环境光色温。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测量颜色会导致在测量这些光源的颜色时出现重大误差。 XYZ颜色测量的精度是RGB的5倍。 人眼可以轻松检测到XYZ传感器的测量精度范围内的颜色变化。

图三， CIE色彩图中的普郎克轨迹。

藉由接收XYZ信息，NB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称之为白平衡，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4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。

图四， 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）。

表一，TCS3430在各种光源下的Lux/CCT误差。

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5所示，用于唤醒接近目的。 它测量红外光传播到物体并反射到ToF传感器以检测物体距离的时间。 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。

图五。时间飞时ToF技术

当在NB平台中使用ToF技术，它可以用于检测用户是否坐在显示器前。 如果是，则笔记本计算机的显示屏将立即唤醒以供用户登录，而无需触摸键盘，鼠标和指纹等。 相反，一旦用户不坐在笔记本显示器的前面，它将立即关闭屏幕或注销PC，以保护个人隐私。 除了保护隐私，还延长了NB或笔记本计算机的电池使用量。 尤其是在现代商用NB中，当用户不使用NB且显示屏打开或处于活动模式时，在NB待机模式下浪费大量电池能量。 我们称此技术为用户存在检测，如下图.6所示。

图六，用户使用检测

除了用户检测外，ToF还可以用于检测用户行为，例如接近或远离NB。 NB还可以动态且连续地检测用户距离，以优化NB配置，例如，在短距离时， 调低麦克风/扬声器的音量，而在例如电影模式下检测到长距离时调高音量。

ams的TMF8801是一维ToF传感器，可支持长达2.5m的距离，几乎覆盖了所有NB用户的所有工作距离。它采用直接ToF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 psec。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检测2cm至2.5m。由于VCSEL是从NB的顶部边框发射到用户的人眼的事实，因此TMF8801完全通过了19° FOI的第1级 Class 1眼睛安全认证。 TMF8801还是业界最小的2.2 x 3.6 x 1.0 mm模块化封装。图七示出了其框图。

图七， TMF8801方块图。

摘要

笔记本计算机不再是纯粹的被动式个人计算机，NB中增加了更多传感器。 它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，光是最直接的存在我们的周遭。 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判断是否为一个人。 我们期待看到更多的光学传感器在NB中得到采用。 毫无疑问的，ams是该领域的卓越领先专家。