奇怪的知识增加了!你的笔记本电脑为何这么懂你?

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汤治邦

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,传统笔记本电脑(NB)需要进行改革与创新,以吸引消费者。笔记本电脑制造商需要在其中加入各种新传感器以提升使用体验,光学传感器就是关键的一种。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。

数字ALS方案的五大优点

环境光传感器(ALS)现在几乎是新的NB市场的标准功能了。如下图所示,通常将ALS放置在笔记本电脑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,笔记本电脑会根据环境光的状况将屏幕亮度调亮或调暗,减少屏幕背光功耗并增强用户的视觉体验。

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图1.环境光传感器在笔记本电脑上的配置

在笔记本电脑中设计ALS时,需要考虑很多因素。数字ALS解决方案在以下5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,无需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,如下图所示。

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。该器件已在各种型号的全球品牌笔记本电脑中广泛采用。

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图2.TSL2540内部方块图

XYZ传感器:更自然的视觉体验

与单纯使用ALS传感器相较,色彩XYZ传感器可提供更优越的升级体验:不仅提供环境流明Lux信息,还提供详细的用户环境光色温。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传感器,在测量这些光源的颜色时会出现重大误差。XYZ颜色测量的精度是RGB的5倍,人眼可以轻松辨识到XYZ传感器测量精度范围内的颜色变化。

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图3.CIE色彩图中的普郎克轨迹

藉由接收XYZ信息,笔记本电脑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(即白平衡),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。

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图4.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)。

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表1.TCS3430在各种光源下的Lux/CCT误差

高精度ToF:更智能的使用体验

飞行时间(ToF)传感器是一种用于手机和3D应用的创新技术,如图所示,通过测量红外光传播到物体并反射到ToF传感器的时间,从而检测物体与设备的距离。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。

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图5.飞行时间ToF技术

当在笔记本电脑中使用ToF技术,它可以用于检测用户是否坐在显示器前。如果是,则笔记本电脑立即唤醒显示屏以供用户登录,无需用户触摸键盘、鼠标、使用指纹解锁等。一旦检测到用户离开笔记本显示器,即可关闭屏幕或注销PC,以保护个人隐私,同时延长笔记本电脑的电池使用量。尤其是在现代商用NB中,当用户不使用但显示屏打开或NB仍处于活动模式时,往往会浪费大量电池能量。我们称此技术为用户存在检测,如下图所示。

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图6.用户使用检测

除了用户存在检测外,ToF还可以用于检测用户行为。例如,NB可以动态且连续地检测用户距离,以优化NB配置,在短距离时, 调低麦克风/扬声器的音量,而在检测到长距离时(如电影模式下)调高音量。

ams的TMF8801是1D ToF传感器,可支持长达2.5m的距离,几乎覆盖了所有NB用户的工作距离。它采用dToF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 ps(皮秒)。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达到2cm至2.5m的检测距离。由于其VCSEL从NB的顶部边框发射到用户眼中的是实体光线,TMF8801完全通过了19° FOI的一级(Class 1)人眼安全认证。TMF8801封装尺寸为2.2 mm x 3.6 mm x 1.0 mm,是业界最小的模块化封装。下图为TMF8801的框图。

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图7.TMF8801方块图

总结

笔记本电脑不再是纯粹的被动式个人计算机,而是增加了更多传感器,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,光是最直接存在于我们周遭的。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进行存在判断。我们期待看到更多的光学传感器在NB中得到采用。而毫无疑问的是,ams是该领域的卓越领先专家。