環境光感測器(ALS)或色彩感測器，已成為手機設計的共同特性。ALS會測量入射在顯示器上的環境光強度，這些資訊將提供給處理器，使其能根據環境照明條件調整顯示器的背光亮度，使其提供更好的觀看體驗並降低功耗。
支援顯示器管理的ALS或色彩感測器，通常位於手機正面頂部的邊框中，放在這個位置，感測器可以無阻礙地觀察環境光。然而，為了最大化顯示器的尺寸，高階智慧型手機的新設計已經消除了邊框，因此，手機製造商正在尋求可安裝在顯示器後面的環境光感測系統。
在新的無邊框手機設計中，顯示器通常是採用有機發光二極體(OLED)顯示技術。要在發光層後面感測入射光，毫無疑問一項艱鉅的挑戰。針對這個問題，光感測技術的提供者已經提出了各種解決方法，舉例來說，艾邁斯半導體(ams)開發出一種解決方案，其所提供的測量精度超出手機製造商的要求，同時提供了設計靈活性，可以將ALS放在顯示器後面，並支援傳統ALS(安裝於邊框)常使用的感測器中樞架構。
將ALS放在OLED顯示器後面已形成趨勢，本文將說明是哪些因素驅動著此一趨勢，並介紹是哪些創新的出現，使得ALS裝置能在發光層後面運作如常。
顯示尺寸/效能 手機關鍵差異化因素
在激烈的高利潤高階手機市場爭奪戰中，顯示器尺寸和效能是手機OEM業者可利用的最強大武器之一。使用者一直以來將手機做為媒體播放器，且有越來愈多使用者將手機渲染虛擬現實(VR)和擴增實境(AR)內容，以及傳統影片和影像的能力列入考慮。
這種需求推動了一項改變，也就是從傳統液晶顯示器(LCD)技術轉向OLED顯示技術。OLED技術提供更高的對比度、更生動和準確的色彩重現，以及更低的功耗，而結構靈活性也可以打造出邊緣彎曲或是螢幕可折疊此類的顯示器。
這可能必須冒著影響另一顯示效能的風險，也就是對於環境光的響應。在黑暗條件下使用手機時，螢幕會自動變暗，以避免眩光並節省電力。在明亮的陽光下使用手機，螢幕亮度會上升，以維持觀看時的對比度，讓使用者能舒適地瀏覽內容。
如果消費者重視顯示品質，他們就也會考慮顯示尺寸：愈大愈好。當然，顯示器的尺寸是受限的，畢竟手機得易於攜帶且握在手中。因此，為了在既定的面積限制內最大化螢幕尺寸，手機製造商現在希望能消除邊框，將可視顯示區域伸展至手機機體的頂部和底部。
如果手機有色彩感測器而不是ALS，它不僅可以管理螢幕亮度，還可以管理色彩重現，使顯示器運作能夠適應不同的觀看條件，例如日光燈、LED照明，以及太陽自然光等。然而，消除邊框和轉向OLED顯示技術，導致那些被用來安裝在邊框上的ALS或色彩感測器無法再被使用，這些元件需要能夠無阻礙地觀察環境光。也基於此，環境光感測功能是高效顯示管理的關鍵要素在於ALS或色彩感測器必須被安裝在某處。
在實際應用上，「某處」其實就是指OLED顯示器的後面。然而，要如何才能感測入射到螢幕表面的環境光？為了提供生動、引人入勝的觀看體驗，手機螢幕本身表面就已發出夠強的光了。
工作週期/顯示同步著手 ALS靈敏度提升有妙方
事實上，OLED顯示器某種程度是透明的：OLED顯示器的複雜結構會擴散入射光，但不會阻擋入射光。手機的OLED顯示器背面襯有透明、反光的薄層，能為顯示器的發光提供一致的光學背景。背襯薄層開有一個直徑約1mm的小孔，使得環境光能通過OLED顯示器，到達安裝在其下方PCB上的ALS。
要實現OLED顯示器後(Behind-OLED)環境光感測是十分困難的，因為顯示器發出的光也會到達ALS，這會干擾環境光的測量。因此，挑戰在於由ALS光電感測器量測到的環境光數值，需減去OLED顯示器發出的光，如此才能得出真正的環境光強度測量值。
被提出的方法之一，是利用OLED顯示器的工作週期(Duty Cycle)。當顯示亮度較低時，OLED顯示器將以小於100%的工作週期運作，在螢幕變暗時會提供短暫的「黑畫面時間」，這能啟動ALS僅在黑畫面期間運作，如此就能獲得不受到螢幕光干擾的環境光測量。這個方法是有效的，但無法提供完整的解決方案，因為當顯示器以較高亮度運作時，其工作週期會達到100%，這就意謂ALS必須能夠處理螢幕光的干擾。
另一種被提出可滿足該要求不同方法是：顯示同步。如果ALS可以知道顯示在其正上方的像素內容何時是暗的，則來自顯示器的光學干擾程度將為零，或是趨近零。同樣地，這在理論上是一個可行的解決方案，但在實際應用中，這需要兩種完全獨立的功能，也就是ALS和顯示驅動器IC(DDIC)彼此之間能夠緊密配合。現今的行動顯示架構使得這種配合極難實現。ALS以單一介面連結至感測器中樞IC，針對其所支援的感測器，這顆IC負責運作感測器的驅動器。來自ALS的輸出通過此中樞，並且傳遞至手機的應用處理器，由該處理器的顯示管理軟體處理。此外，將ALS連結至DDIC，將導致電路板布局和系統軟體變得極為複雜。
因此，ams已經開發出的Behind-OLED環境光感測解決方案，不需要顯示同步(不過，如果不是採用ALS，而是採用色彩感測器的複雜顯示管理系統，則可能需要顯示同步)。ams僅針對ALS開發全新解決方案，在光感測器效能及進階軟體方面取得重大進展。
維持Behind-OLED量測精度
有效顯示管理的ALS效能要求，是照度(Lux流明)測量精度至少需為±10%，Lux是照度單位，或是入射至表面的光強度。在手機中進行校準時，安裝在邊框內的ams ALS裝置通常可達到優於±5%的Lux量測精度。
同樣是達到所需精度，相較於安裝在邊框內，安裝在OLED螢幕後面時要困難多了。這就是為什麼ams研發出全新ALS晶片，它的光敏性極高，比傳統用來安裝於邊框內的ALS晶片高出十倍。這種高靈敏度提供了非常寬廣且完整的Lux量測範圍，如此的好處在於，從總測量值中減去由顯示器貢獻的極大Lux值時，可以偵測到由環境光貢獻的的較小Lux值。
Behind-OLED的ALS解決方案運作，還有賴於抵消螢幕光影響的能力，這項能力由ams開發的複雜演算法加以實現。拜此種高靈敏度硬體和複雜軟體的結合所賜，ams ALS解決方案得以有效運作。採用最新一代ams元件和演算法實現的ALS-behind-OLED系統，其校準的Lux量測精度優於±10%，超出手機製造商設定的效能目標。
ALS裝置的有效運作，是由OLED顯示器的光學漫射結構所支援，這意味著感測器能在大部分的入射角度下工作，不需要寬視野。
不整合設計當道 ALS/接近感測各自獨立
然而，這種漫射結構也意謂著，當用於接近感測的紅外線(IR)發射器是在OLED顯示器後面運作時，將遇到重大挑戰。因此，ams首度推出的Behind-OLED ALS解決方案並不全面整合環境光和接近感測模組。然而，隨著高階智慧型手機導入採用IR的用戶臉部辨識技術，OEM業者可以選擇其他的接近感測方法。
為了因應這種「不整合」趨勢，ams Behind-OLED解決方案提供用於外部LED的整合型IR LED驅動器和接近接收器。當IR LED被放置在顯示器的最邊緣，或是分界線時，可以清晰看到使用者的臉部，且整合型Behind-OLED接收器可以偵測到反射的紅外光。
歸功於ams開發的高靈敏度半導體技術，以及可在外部或在ALS裝置本身實現的極為複雜的干擾補償演算法，ALS功能得以在OLED顯示器後面有效運作。這使得手機製造商在過渡至OLED顯示技術，發展受到今日使用者青睞的新時尚無邊框顯示器設計的過程中，依然能夠保留極有價值的顯示器亮度調節功能。
(本文作者為ams行銷協理)