永久的课题 深入了解液晶亮度感测

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。

    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。