如何实时优化显示亮度以实现低功耗

液晶显示器 (LCD) 在各种应用中无处不在，广泛应用于温控器、医疗手持终端、汽车仪表、平板电脑和笔记本电脑等领域。在这些应用中，设计人员需要找到合适的方法，让显示内容尽可能清晰可辨，又不会导致眼疲劳，同时尽可能降低耗电量。

为了满足这些要求，可以先使用环境光传感器 (ALS) 来感测环境照明亮度，从而确定显示亮度。ALS 必须安装在显示屏后面，然后通过环境光水平来确定既为人可接受又能尽量降低功耗的显示亮度。

本文评估了三种 ALS 技术的能力，并解决了 LCD 屏光强度和功率调整方面的挑战，从而节省能耗并提供适当的屏幕亮度。

准确测量可视波段

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 400 纳米 (nm) 至约 750 nm（图 1）。光电二极管是一种固态器件，是该应用中最合理的环境光照条件感测器件。光电二极管可以将光信号转换为电流信号。

图 1：可见光仅占电磁波谱的一小部分，范围从 400 nm 到 750 nm。（图片来源：ECN）

尽管硅光电二极管的光敏范围（约 300 nm 至 1100 nm）并不完全匹配人类视觉范围，但重叠部分依然可为我们所用（图 2）。

图 2：人眼光谱响应与硅光电二极管光谱响应的对比，显示出有用的重叠区域。（图片来源：Texas Instruments）

该设计的第一个挑战是从光电二极管的信号中捕获人眼光谱范围。

转换为人体光谱响应

人们期望每台机器和仪器都符合我们的视觉要求。ALS 可测量设备显示屏上的照度。无滤光情况下，可测量到的光包括可见光以及紫外 (UV) 和红外 (IR) 光。紫外和红外信号相结合，使环境可见光看起来更亮。因此，在环境光条件下，显示器的背光控制器输出会让人体的视觉感官对显示感到不适。

为了实现精确的映射，设计人员需要使用光电二极管、滤光片、放大器和转换器来改变环境光。通过将这些元件集成到一个 ALS 器件中，这变得更容易了。因此，ALS 的目标是从传感器的输出中去除红外和紫外分量并呈现人眼光谱响应，同时将整体 LCD 亮度保持在令人舒适的水平（图 3）。

图 3：光学滤波元器件和其他内部元器件以及计算让 OPT3001 ALS 能够将输入环境信号映射到人眼光谱响应。（图片来源：Texas Instruments）

这些改进的半导体特性开辟了新的应用，目前的器件包括可实现单独的红色、绿色和蓝色 (RGB) 感测的滤色片。

专用的紫外和红外滤光片

利用红色、绿色、蓝色和透明滤光片（其中，透明滤光片允许未过滤的光进入光电二极管），ALS 器件通过四个独立的光电二极管感应四种光谱。利用四个过滤的光电二极管信号，ALS 产生三原色 (RGB) 的数字返回值，第四个返回值用于环境响应，第五个返回值用于阻挡红外光 (IRCUT)。高灵敏度、宽动态范围和五个滤光片使 ALS 成为可在各种照明条件下使用的理想色彩传感器解决方案。

生产 ALS 解决方案的供应商包括 ROHM Semiconductor、ams、Texas Instruments、ON Semiconductor、OSRAM Opto Semiconductors, Inc 和 Vishay Semiconductor / Opto Division 等等。现在我们来评估 ROHM Semiconductor、ams 和 Texas Instruments 的 ALS 器件。

ROHM Semiconductor ALS 器件使用 IRCUT 滤光片

ROHM Semiconductor BH1745NUC-E2 数字 16 位串行输出型色彩传感器 IC 的目标应用就是可调整电视、手机或平板电脑 LCD 背光的 ALS。

BH1745NUC-E2 通过透明滤光片感测紫外光和红外光，并在红色、绿色和蓝色滤光片前面使用 IRCUT 滤光片（图 4）。 

图 4：ROHM BH1745NUC-E2 数字 16 位串行输出型色彩传感器 IC 在 IRCUT 滤光片外部具有透明滤光片。（图片来源：ROHM）

使用 BH1745NUC-E2 时，IRCUT 滤光片位于红色、绿色和蓝色滤光片前，允许人眼光谱响应传入模数转换器 (ADC)。IRCUT 滤光片在阻挡红外线的同时允许可见光通过。透明滤光片有助于生成人眼感觉逼真的调光算法，以实现色彩真实性并降低功耗。每个 16 位 ADC 的增益都经过预编程，以根据视觉体验产生最准确的映射（图 5）。

图 5：BH1745NUC-E2 红色、绿色、蓝色、透明 (RGBC) 光谱响应。（图片来源：ROHM）

BH1745NUC-E2 的宽动态范围（0.005 - 40k lux）和出色 IRCUT 特性使之适合用于获取环境光的照度和色温。

ams ALS 红外滤光片可对所有其他滤光片进行预滤光

带有红外滤光片的 ams TCS34727FN 彩色光数转换器的目标应用包括电视、手机、平板电脑、计算机和监视器。目前的 TCS34727FN ALS 策略是使用五个滤光片构成的不同配置。TCS34727FN 的滤光片配置是在所有四个色彩滤光片（红色、绿色、蓝色和透明）前面首先使用红外遮光滤光片（图 6）。

图 6：TCS34727FN 16 位 ALS 器件具有阻挡其他四个滤光片的红外滤光屏。（图片来源：ams）

TCS34727FN 器件具有四个积分 ADC，可同时将放大的光电二极管电流转换为 16 位数字值。红外阻挡滤光片可最大限度地减少入射光、红外光谱分量，从而实现精确的色彩测量。高敏感性、宽动态范围以及红外遮光滤光片使得 ALS 成为可在各种照明条件下使用的理想色彩传感器解决方案（图 7）。

图 7：TCS34727FN RGBC 频谱响应指定了每个滤光片的特性和每个 ADC 的增益。（图片来源：ams）

TCS34727FN 应用于带显示器的产品，如手机、笔记本电脑和电视，用于感测照明环境。该器件可有效支持显示亮度自动调节，实现最佳观看和节能效果。TCS3472 可以在各次光感测测量之间进入低功耗等待状态，以进一步降低平均功耗。

Texas Instruments ALS 可阻隔 99% 的红外光

Texas Instruments OPT3001DNPT ALS 的目标应用包括显示器背光控制、照明控制系统以及平板电脑和笔记本电脑。利用高度匹配人眼响应的传感器光谱响应，该器件可测量可见光的强度（图 8）。为了实现这一功能，该器件具有一个前端滤光片，在将感应光传递到积分 ADC 之前，能阻隔超过 99% 的红外光。

图 8：Texas Instruments OPT3001系统框图显示，在将检测到的信号传递到积分 ADC 之前，滤光片阻隔了 99% 的红外光。（图片来源：Texas Instruments）

该 DC 具有 23 位有效动态范围，可自动调整增益范围。这一单芯片照度计可抑制红外光信号，同时仍可以测量可见光的强度。无论光源如何，OPT3001 的精确光谱响应和强大红外阻隔能力，使得该器件都能精确测量人眼所见的光强度。

工业设计为了美观需要将传感器安装在深色玻璃下，强大的红外阻隔有助于保持高精度。

背光显示器可能会出现一个有趣的问题，即光测量在不同的光输入和光源下会发生变化。例如，深色玻璃透射红外光信号。白炽灯较高的红外波长可因玻璃透光率到达传感器。凭借其 99% 的红外阻隔，OPT3001 仅测量可见区域内的光线，并将人眼响应映射到四个集合 ADC 响应（图 9）。

图 9：OPT3001 捕获可见光谱及人眼响应（左），并将人眼响应与四个集合 ADC 响应（右）映射。（图片来源：Texas Instruments）

为了帮助实现人眼的反应，OPT3001 具有自动增益设置功能，可自动响应输入光照水平。该器件能保持在最佳范围内，在不同范围间具有良好的分辨率和高精确度。不同增益范围间的相对精度为 0.2%。

总结

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清晰可辨的 LCD 显示。每个制造商的目标都是使这些传感器的光谱响应高度匹配人眼响应，包括显著的红外阻隔率，同时保持最低功率，而无论光源或应用类型如何。

然而，这是一个主观做法，因为本文中的每个 ALS 各不相同，他们具有不同的滤光形式、视觉色彩放大以及 ADC 分辨率和满意度。因此，ALS 器件的结果类似于音频行业面临的挑战：一个人可能会接受某个解决方案的外观或声音，而另一个人可能会完全拒绝。这在一定程度上为设计人员提供了在 LCD 设计中表达创意和差异化的空间。