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永久的课题 深入了解液晶亮度感测

来源:IT168 更新日期:2006-11-03 作者:佚名

何谓亮度感测元件?

    移动电话与液晶电视使用数量急速增加,如何降低液晶显示器的耗电量并改善影像画质,尤其是夜间使用时画面太亮,眼睛容易疲劳,暗室内画面出现黑晕现象,已经成为相关业者必须克服的课题。

    近几年因为亮度感测元件技术上的进步,利用分光特性接近人眼视感度的亮度感测元件,可以有效解决因为显示器亮度所造成眼睛负担。目前全球亮度感测元件潜在市场超过10亿个,市场年需求高达6亿支移动电话是目前主要市场,此外2008年出货量预测将超过3000万台的液晶电视,及车用仪表、显示器、照明灯具都是适用对象。

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    亮度感测元件具备感测夜间与白天户外亮度的特性,若能充分应用特性并作精密控制,理论上,可以解决各种电子设备因光源造成的影像不良等问题。例如,亮度感测元件可以随时侦测周围环境的光量多寡,自动调整背光模组的点灯状况,有效降低可携式产品的耗电量,延长电池的使用寿命。

    在液晶电视的应用方面,主要是液晶显示器的点灯时间越久消费电力就越大,相对的散热处理与散热风扇的噪音则变成一个相当大的困扰,尤其是目前大型液晶电视的亮度大多超过500流明时,在明亮室内画面非常的亮丽,不过在黑暗室内却会出现波纹现象,而且画面太亮容易造成眼睛疲劳,黑暗色影像的黑色浮动现象非常明显,影像对比度则大幅降低。

    一般液晶电视是根据各像素的液晶穿透率,调整背光模组的光线,达成灰阶化显示目的,大多数的背光模组光量却有漏光现象,如果利用亮度感测元件侦测液晶电视使用环境的亮度,依此调整背光模组的亮度,除了影像黑色浮动外,灰阶数相同的条件下,还可缩小亮度的动态范围,进而提高黑色影像表现能力,降低最大亮度解除影像太亮的困扰,这代表着观赏液晶电视时,消费者不会受到环境影响,随时可以获得高精细的影像。

亮度感测元件的功能

    亮度感测元件是利用矽材料制成,基本上亮度感测元件可分成:光电晶体(Photo Transistor)、光二极体(Photo Diode),及内建增幅电路光二极体(简称为Photo IC)等这三大类。

    由于光电晶体的价格是光学二极体的3/4,Photo IC的1/2左右,所以光电晶体主要是针对低成本要求等应用。光电晶体利用光照射产生的光电流,在10/Lux黑暗室内大约是数10霢 ,1000/Lux明亮室内则超过1mA ,不需利用增幅电路就可以输出光电流,缺点是它的感测温度变动非常大,例如某些光电晶体,85oC的输出电流是-30oC的2倍左右。

    光二极体则是感测温度特性的改良品,它的实际应用环境下的感测温度分布低于±10%,缺点是光电流却光学电晶体低三位数,所以必须利用增幅电路才能输出光电流。

    因为光二极体必须利用增幅电路,才能输出与光电晶体同等的光电流,由于增幅电路的成本,使得光二极体的价格比光电晶体高2倍左右,不过,它的输出光电流非常大,而且感度的温度依存性很低,所以主要是应用在高端亮度感测设备等领域。至于Photo IC主要是应用在简易亮度感测设备等领域。

    上述三种亮度感测元件不论分光特性、形状,以及与电路的整合性都各具特色,因此一般认为亮度感测元件未来势必朝向:分光特性接近人眼对光线的感受、可随意设置超小型外型封装、可与芯片直接连接,短起动时间与操作容易等方向发展。

    由于业者对分光特性非常重视,因此分光特性的开发竞争也最激烈。目前商品化的亮度感测元件,它的分光特性峰值大约是550--600nm,相当接近人眼的视感度峰值,不过似乎还无法满足市场的需求,主要理由是随着萤光灯、白热灯、太阳光等光源的不同,输出光电流会出现极大差异,例如白热灯的输出光电流是萤光灯的1.2--1.8倍,加上显示器的亮度与人眼感受的亮度有差异,因此在不同环境下经常因为光源的差异无法获得预期效果。

    造成上述现象主要原因是各光源的发光频谱差异极大,加上亮度感测元件具备人眼无法感测紫外光与红外光的感度,因此,德国OSRAM在2005年推出具备适合人眼视感度,而且分光特性峰值涵盖短波长到长波长范围的亮度感测元件,根据资料显示,光源造成该元件的输出电流差异可望低于10%以下。

亮度感测元件的未来发展动向

    分光特性可通过亮度感测元件结构上的改良获得调整,基本上,它是改变pn极的接合位置,同时配合分光特性的峰值利用Filter去除紫外光与红外光。新日本无线就是根据这个动作原理进行分光特性最佳化设计,再以光罩遮断从光二极体侧面入射的光线,而放弃原本Filter传统结构;德国OSRAM并非是将传统结构加以改善,而使采用新材质与新结构,大幅提升亮度感测元件的分光特性。

    有关亮度感测元件外形封装小型化,传统的Photo IC由于额外设置增幅电路,容易造成芯片尺寸变大,此处若能充分利用增幅电路,理论上可以缩小光二极体与芯片尺寸。具体方法是提高增幅电路的等化值,藉此使光二极体与增幅电路的等化逆数呈一定比例缩小面积。

    在封装薄形化的方面,以TDK与半导体能源研究所共同开发的亮度感测元件为例,它是采用塑胶材料当作基板,开发厚度只有0.2mm与‘0402 size’、‘0603 size’等被动元件同等级的亮度感测元件;相比较之下,传统玻璃基板的亮度感测元件却高达0.6mm,此外该公司目前正着手开发内建可使光电流增幅100倍增幅电路的Photo IC,外形尺寸则与‘2015 size’同等级。

    亮度感测元件的操作性,除了在Photo IC内部制作积体电路之外,各业者非常重视利用数字信号输出亮度大小的改善。主要原因是亮度感测元件大多是模拟输出,加上输出电流几乎与亮度成比例,因此输出电流会因检测亮度出现六位数的差异,这意味着精密控制光源的输出,必须设置可以承接大电流变化的专用电路,然而实际上专用电路会引发制作成本暴增等严重后果,所以无专用电路又可轻易取得的亮度感测元件,成为各业者竞相开发的目标。

    由于亮度感测元件受光时会消耗电力,因此利用电池驱动的电子设备,尤其是可携式电子产品为抑制电池的消耗电力,所以大多采用间断式驱动亮度感测元件,然而亮度感测元件的电源电压频繁的ON/OFF动作,对Photo IC而言起动时间最少需要55ms,这段期间却形成所谓的‘电力损失’,因此,东芝针对上述问题,时常对增幅电路施加电压,同时在增幅电路后段设置切换电路,藉此电路缩短起动时间并降低消耗电力,根据测试结果显示消耗电力是传统元件一半以下。

    所以,因为移动电话与液晶电视的普及化,追求更高的影像画质同时降低液晶显示器的耗电量,已经成为相关业者必须克服的课题。藉由最近几年亮度感测技术上的进步,利用分光特性接近人眼视感度的亮度感测元件,可以有效解决上述问题。

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