OLED示屏后技術(shù)：全新環(huán)境光傳感器技術(shù)大幅提升手機(jī)顯示屏管理

　　艾邁斯半導(dǎo)體Mathew Hubbard

　　環(huán)境光傳感器（ALS）或顏色傳感器已成為手機(jī)設(shè)計(jì)的必備功能選項(xiàng)。ALS可以測(cè)量顯示屏的入射環(huán)境光強(qiáng)度，讓處理器根據(jù)測(cè)量的環(huán)境照明條件調(diào)整顯示屏背光。這有助于改善觀看體驗(yàn)并降低功耗。

　　用于顯示屏管理的ALS或顏色傳感器通常安裝于手機(jī)用戶端的頂部邊框，該位置可以不受遮擋地接收環(huán)境光。然而，高端智能手機(jī)新的設(shè)計(jì)趨勢(shì)是盡量減小甚至消除邊框，以實(shí)現(xiàn)顯示屏尺寸的最大化，且普遍使用OLED顯示屏。因此，手機(jī)制造商希望獲得一種能夠安裝在顯示屏下的環(huán)境光傳感系統(tǒng)。

　　毫無(wú)疑問(wèn)，從OLED發(fā)光層后感知入射光非常困難。為此，光傳感技術(shù)供應(yīng)商提出了各種解決方案。目前，艾邁斯半導(dǎo)體已研發(fā)出一種解決方案，該方案不僅大大超出手機(jī)制造商對(duì)測(cè)量精度的要求，而且兼顧了設(shè)計(jì)靈活性的考慮---可在顯示屏后的任何位置安裝ALS，并支持傳統(tǒng)邊框位置ALS器件采用的常見(jiàn)傳感器中樞架構(gòu)。

　　本文介紹了推動(dòng)ALS移到OLED顯示屏下的動(dòng)因，并概述了使ALS器件能在發(fā)光屏下運(yùn)行的創(chuàng)新技術(shù)。

　　面對(duì)利潤(rùn)豐厚的高端智能手機(jī)市場(chǎng)，各廠商展開(kāi)了激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，而顯示屏尺寸和性能正是手機(jī)OEM擁有的兩大最強(qiáng)武器。長(zhǎng)期以來(lái)，用戶一直非常重視手機(jī)的媒體播放器功能。用戶越來(lái)越看重手機(jī)渲染虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）內(nèi)容以及播放傳統(tǒng)視頻和顯示圖像的能力。

　　這一需求正在推動(dòng)傳統(tǒng)液晶顯示（LCD）技術(shù)向有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示技術(shù)的轉(zhuǎn)變：OLED技術(shù)具有更高的對(duì)比度，更生動(dòng)準(zhǔn)確的色彩再現(xiàn)，以及更低的功耗。OLED技術(shù)也可以實(shí)現(xiàn)更加靈活的結(jié)構(gòu)，如曲面顯示屏或折疊屏幕。

　　但這會(huì)影響顯示屏性能的另一方面：對(duì)環(huán)境光的響應(yīng)。如今，在黑暗環(huán)境中使用手機(jī)時(shí)，顯示屏?xí)詣?dòng)變暗，以避免眩光，并節(jié)省用電。而在明亮太陽(yáng)光下使用手機(jī)時(shí)，顯示屏的亮度會(huì)上升，這樣就能保持感知對(duì)比度，讓用戶舒適地查看內(nèi)容。

　　如果消費(fèi)者看重顯示質(zhì)量，他們也會(huì)考慮顯示尺寸：越大越好。當(dāng)然，顯示屏的大小是有限制的：手機(jī)必須具備便攜性，便于手持。因此，為在給定尺寸范圍內(nèi)最大限度地?cái)U(kuò)大顯示屏的尺寸，手機(jī)制造商希望消除邊框，并將可視顯示區(qū)延伸到手機(jī)殼的最頂部和最底部。

　　如果手機(jī)配備了顏色傳感器，而非ALS，它不僅能夠管理顯示屏亮度，還能管理顏色再現(xiàn)，使顯示屏適應(yīng)不同的觀看環(huán)境，例如，熒光燈照明、LED照明和太陽(yáng)自然光。

　　然而，邊框的消失和OLED顯示屏技術(shù)的發(fā)展，使得OEM廠商面臨巨大挑戰(zhàn)：無(wú)法繼續(xù)在邊框上安裝ALS器件或顏色傳感器，因?yàn)檫吙蛭恢每梢圆皇茏璧K地接收環(huán)境光。但又必須在某處安裝ALS或顏色傳感器，因?yàn)樗鼈兪菍?shí)現(xiàn)顯示屏高效管理的關(guān)鍵因素。

　　這個(gè)“某處”是指OLED顯示屏下的某處。但如何從本身發(fā)出較高強(qiáng)度光線的屏幕下面感知入射的環(huán)境光呢？

　　事實(shí)上，OLED顯示屏一定程度上是半透明的：復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以散射入射光，而不會(huì)完全阻擋入射光。手機(jī)的OLED顯示屏下絕大部分面積是不透明的反光薄背板，因?yàn)橐獮轱@示屏發(fā)出的光提供均勻的光學(xué)背景。但是如果在OLED背面反射膜層開(kāi)一個(gè)小孔（直徑1mm），就可以使一部分環(huán)境光透過(guò)OLED達(dá)到放置在其后的ALS傳感器上。

　　在OLED屏下實(shí)現(xiàn)環(huán)境光傳感的難點(diǎn)在于，顯示屏發(fā)出的光也會(huì)到達(dá)ALS，從而干擾對(duì)環(huán)境光的測(cè)量。因此，挑戰(zhàn)在于如何從ALS器件光敏傳感器感知的環(huán)境光中減去OLED顯示屏發(fā)出的光，從而得到真實(shí)的環(huán)境光強(qiáng)度。

　　一種方法是利用OLED顯示屏的占空比。在低顯示亮度下，OLED顯示屏的亮度是通過(guò)PWM調(diào)制控制的，PWM的占空比小于100%，當(dāng)屏幕變暗時(shí)，OLED顯示屏提供很短的“間隔時(shí)間”，屏幕熄滅?？梢灾辉陂g隔時(shí)間觸發(fā)ALS操作，從而獲得純凈、無(wú)顯示屏發(fā)光干擾的環(huán)境光測(cè)量。

　　這種方法是可行的，但只解決了部分問(wèn)題。因?yàn)轱@示屏亮度較高時(shí)，占空比通常為100%。這意味著ALS必須具備處理顯示屏發(fā)光干擾的能力。

　　為滿足這一要求，研究人員提出了另一種方法：顯示同步。如果ALS知道上面像素顯示內(nèi)容為黑色，則來(lái)自顯示屏的光學(xué)干擾程度為零或接近零。

　　同樣，這只是理論上可行的解決方案，但在實(shí)踐中，它要求兩個(gè)完全離散的函數(shù)——ALS和顯示驅(qū)動(dòng)器IC （DDIC）之間緊密協(xié)調(diào)。目前的手機(jī)顯示架構(gòu)很難實(shí)現(xiàn)這種協(xié)調(diào)。ALS有連接至傳感器中樞IC的單一接口，為支持的每個(gè)傳感器運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序。ALS的輸出通過(guò)中樞傳輸至手機(jī)應(yīng)用處理器，顯示屏管理軟件也在其中運(yùn)行。另外，將ALS連接到DDIC會(huì)給電路板布局和系統(tǒng)軟件增加相當(dāng)大的額外復(fù)雜性。

　　因此，艾邁斯半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了一種無(wú)需顯示同步的OLED屏下環(huán)境光傳感解決方案（盡管基于顏色傳感器而非ALS的復(fù)雜顯示屏管理系統(tǒng)可能仍然需要顯示同步）。全新艾邁斯半導(dǎo)體ALS解決方案，融合了性能大幅改善的光敏傳感器和艾邁斯半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的先進(jìn)軟件。

　　高效顯示屏管理要求ALS性能中的勒克斯測(cè)量精度至少為±10%（勒克司是亮度單位，也就是表面入射光的強(qiáng)度）。經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后，通常裝于手機(jī)邊框中的艾邁斯半導(dǎo)體ALS器件的勒克司測(cè)量精度提高至±5%

　　使OLED屏下的器件達(dá)到所需精度，比器件位于邊框上時(shí)要難得多。因此艾邁斯半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)了全新ALS芯片，具有很高的光敏性，比傳統(tǒng)邊框設(shè)計(jì)的ALS芯片高約10倍。

　　提高了勒克斯的檢測(cè)范圍和分辨率：該方法的優(yōu)勢(shì)在于，即使環(huán)境光相對(duì)于顯示屏漏光較弱時(shí)，仍然能從檢測(cè)到的光強(qiáng)信號(hào)中減掉顯示屏的影響而得到實(shí)際環(huán)境光的強(qiáng)調(diào)。

　　這種OLED屏下ALS解決方案的運(yùn)行還依賴于抵消顯示屏光的能力：這是通過(guò)艾邁斯半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的復(fù)雜算法實(shí)現(xiàn)的。

　　正是這種高靈敏度硬件和復(fù)雜軟件的結(jié)合，使艾邁斯半導(dǎo)體ALS解決方案能夠高效運(yùn)行。將最新一代艾邁斯半導(dǎo)體器件和算法融為一體的OLED屏下ALS系統(tǒng)，標(biāo)定的勒克司測(cè)量精度優(yōu)于±10%，遠(yuǎn)超手機(jī)廠商所需的性能指標(biāo)。

　　OLED顯示屏的光學(xué)漫射結(jié)構(gòu)支持ALS器件的高效運(yùn)行，這意味著傳感器在大多數(shù)入射角下工作，無(wú)需結(jié)構(gòu)專門做寬視場(chǎng)設(shè)計(jì)。

　　然而，這種漫射結(jié)構(gòu)也意味著用于接近傳感的紅外發(fā)射器在OLED顯示屏下運(yùn)行時(shí)會(huì)遇到重大挑戰(zhàn)。因此，最初的艾邁斯半導(dǎo)體OLED屏下ALS解決方案的環(huán)境光和接近傳感模塊并未完全集成。但隨著高端智能手機(jī)引入紅外用戶臉部識(shí)別技術(shù)，OEM將有其他接近傳感方案可選。

　　為了應(yīng)對(duì)這種逆集成趨勢(shì)，艾邁斯半導(dǎo)體OLED屏下ALS解決方案還集成了LED硬件驅(qū)動(dòng)和紅外接收器，可以配合外置IR LED實(shí)現(xiàn)接近檢測(cè)功能。如果紅外LED安裝在顯示屏邊緣最外側(cè)或分型線上，能夠清晰查看用戶的臉部，反射紅外光將由OLED屏下集成接收器進(jìn)行檢測(cè)。

　　因此，艾邁斯半導(dǎo)體提供了一種ALS解決方案，支持手機(jī)制造商消除新OLED技術(shù)顯示屏的邊框，以實(shí)現(xiàn)顯示屏尺寸最大化。

　　憑借艾邁斯半導(dǎo)體開(kāi)發(fā)的高靈敏度半導(dǎo)體技術(shù)以及復(fù)雜的干擾補(bǔ)償算法，ALS功能可以在OLED屏下高效運(yùn)行。該算法可以運(yùn)行在外部或ams芯片內(nèi)部。

　　這使手機(jī)制造商能夠保留實(shí)用的顯示亮度調(diào)整功能，使他們能夠在向OLED顯示技術(shù)過(guò)渡的過(guò)程中，采用當(dāng)今用戶青睞的時(shí)尚無(wú)邊框顯示設(shè)計(jì)。

　　Summary

　　概述

　　The ambient light sensor （ALS） or color sensor has become a common feature of mobile phone designs. An ALS measures the intensity of ambient light incident on the display screen， providing information that lets a processor adjust the brightness of the display backlight in response to the ambient lighTIng condiTIons. This provides for a better viewing experience and lower power consumpTIon.

　　環(huán)境光傳感器（ALS）或顏色傳感器已成為手機(jī)設(shè)計(jì)的常見(jiàn)功能選項(xiàng)。ALS可以測(cè)量顯示屏的入射環(huán)境光強(qiáng)度，讓處理器根據(jù)測(cè)量的環(huán)境照明條件調(diào)整顯示屏背光。這有助于改善觀看體驗(yàn)并降低功耗。

　　An ALS or color sensor for display management is typically located in the bezel at the top of the user side of the phone， where it has an unimpeded view of the ambient light. New designs for high-end smartphones， however， have eliminated the bezel to maximize the size of the display. Mobile phone makers are therefore looking to implement an ambient light-sensing system which can be mounted behind the display. In the new bezel-less phone designs， this display will generally use OLED-display technology.

　　用于顯示屏管理的ALS或顏色傳感器通常安裝于手機(jī)用戶側(cè)的頂部邊框，該位置可以不受阻礙地接收環(huán)境光。然而，高端智能手機(jī)的全新設(shè)計(jì)消除了邊框，以實(shí)現(xiàn)顯示屏尺寸的最大化。因此，手機(jī)制造商希望獲得一種能夠安裝在顯示屏下的環(huán)境光傳感系統(tǒng)。在新的無(wú)邊框手機(jī)設(shè)計(jì)中，這款顯示屏將普遍采用OLED顯示技術(shù)。

　　Various approaches to the problem have been suggested by providers of light-sensing technology. Now ams has developed a soluTIon which exceeds the mobile phone manufacturers’ requirement for measurement accuracy， while providing the design flexibility to locate the ALS anywhere on the PCB behind the display， and supporting the familiar sensor hub architecture used by conventional bezel-mount ALS devices.

　　為此，光傳感技術(shù)供應(yīng)商提出了各種解決方案。目前，艾邁斯半導(dǎo)體已開(kāi)發(fā)出一種解決方案，不僅大大超出手機(jī)制造商對(duì)測(cè)量精度的要求，還具備設(shè)計(jì)靈活性，可在顯示屏下PCB的任何位置安裝ALS，并支持傳統(tǒng)邊框安裝ALS器件所采用的常見(jiàn)傳感器中樞架構(gòu)。

　　This article describes the factors driving the trend to move the ALS behind the OLED display， and outlines the innovations which make it possible for an ALS device to operate behind an emissive screen.

　　本文介紹了推動(dòng)ALS移到OLED顯示屏下的動(dòng)因，并概述了使ALS器件能在發(fā)光屏后運(yùn)行的創(chuàng)新技術(shù)。

　　Biography

　　簡(jiǎn)介

　　Mathew Hubbard is the Director of Marketing for ams AG responsible for advanced optical sensor solutions. His two-decade-plus career spans various sales， marketing， and engineering roles in the semiconductor industry. His background includes analog， digital， mixed signal. RF and optical technologies. For the last eight years his focus has been on semiconductor components primarily targeting the smartphone market with an emphasis on RF and optical solutions.

　　Mathew Hubbard是艾邁斯半導(dǎo)體的市場(chǎng)總監(jiān)，主管先進(jìn)光學(xué)傳感器解決方案。他擁有20多年的半導(dǎo)體行業(yè)銷售、市場(chǎng)營(yíng)銷和工程從業(yè)經(jīng)驗(yàn)。他的學(xué)術(shù)背景包括模擬、數(shù)字和混合信號(hào)、射頻和光學(xué)技術(shù)。過(guò)去8年，他一直專注于針對(duì)智能手機(jī)市場(chǎng)的半導(dǎo)體元器件，主要針對(duì)射頻和光學(xué)解決方案。