利用照度感测元件改善液晶显示器画质与耗电

随着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，黑暗室内画面出现黑晕现象，已经成为相关业者必需克服的课题。所幸的是最近几年（图1）照度感测元件（photo sensor device）技术上的进步，利用分光特性接近人眼视感度度的照度感测元件，可以有效解决上述问题。

根据国外业者统计资料显示，全球照度感测元件潜在市场超过10亿个，其中每年市场需求高达6亿支移动电话是目前主要市场，除此之外，2008年出货量预测将超过3000万台的液晶电视，以及车用仪表、显示器、照明灯具都是适用对象，有鑑于此，本文将深入探讨照度感测元件的应用与发展。
　

照度感测元件的特性
如图2所示，照度感测元件具备感测夜间户外只有 （Lux；照度单位），乃至于晴天户外亮度超过的特性，换句话说若能充分应用上述特性并作精密控制，理论上可以彻底解决各种电子设备因光源造成的影像不良等问题。例如照度感测元件可以随时侦测周围环境的光量多寡，自动调整背光模阻的点灯状况，进而有效降低可携式电子产品的电池消费电力（耗电量），同时延长通话与待机时间与电池的使用寿命（图3（a））。

有关液晶电视的应用，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非常棘手的问题，尤其是目前大型液晶电视的辉度大多超过时，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，影像对比则大幅降低。由于一般液晶电视是根据各画素的液晶穿透率，调整背光模组的光线达成灰阶化显示目的，然而过多的背光模组光量却有漏光之虞，如果利用照度感测元件侦测液晶电视视听环境的亮度，依此调整背光模组的辉度，除了影像黑色浮动之外，灰阶数相同的条件下还可以缩小亮度的动态范围（dynamic range），进而提高黑色影像表现能力（图3（b）），并降低最大辉度解除影像太亮的困扰，这意味着观赏液晶电视时，消费者不会受到视听环境的影响，随时可以获得细腻的影像。
　

 照度感测元件的功能
如图4所示，照度感测元件是利用材料制成，基本上照度感测元件可以分成三大类:

‧光电晶体（Photo Transistor）。
‧ 光二极管（Photo Diode）。
‧ 内建增幅电路光二极管（以下简称为Photo IC）。

由于光电晶体的价格是光学二极管的3/4，Photo IC的1/2左右，所以光电晶体主要是应用在要求低元件成本等领域。光电晶体利用光照射产生的光电流，在黑暗室内大约是数十，明亮室内则超过，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，的输出电流是的2倍左右。

光二极管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佈低于，缺点是光电流却光学电晶体低三位数，所以必需利用增幅电路就才能输出光电流；至于Photo IC主要是应用在简易照度感测设备等领域。

如上所述光二极管必需利用增幅电路，才能输出与光电晶体同等的光电流，由于增幅电路的成本，使得光二极管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阶照度感测设备等领域。2004年松下发表的新世代光二极管，它的感度温度变化低于，时的输出光电流更高达。

上述三种照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，因此一般认为照度感测元件未来势必朝下列方向发展:

①分光特性接近人眼对光线的感受。
②可随意设置超小型外型封装。
③可与LSI直接连接，短起动时间与操作容易。

由于厂商对分光特性非常重视，因此分光特性的开发竞争也最激烈。如表1所示目前商品化的照度感测元件，它的分光特性峰值大约是，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倍，加上显示器的辉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，加上照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推出具备适合人眼视感度，而且分光特性峰值含盖短波长到长波长范围的照度感测元件；OSRAM表示，光源造成该元件的输出电流差异可望低于以下（图5）。
　

 照度感测元件的发展动向
如图6所示，分光特性可透过照度感测元件结构上的改良获得调整，基本上它是改变的接合位置（吸光产生电力），同时配合分光特性的峰值利用光学滤光片（filter）去除紫外光与红外光。新日本无线根据上述动作原理进行分光特性最佳化设计，再以光罩（mask）遮断从光二极管侧面入射的光线，藉此捨弃光学滤光片传统结构；德国OSRAM则採用新材质与新结构，未使用传统的改善对策，大幅提升照度感测元件的分光特性。

有关照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，容易造成晶片尺寸变大，此处若能充分利用增幅电路，理论上可以缩小光二极管与晶片尺寸。具体方法是提高增幅电路的等化值，藉此使光二极管与增幅电路的等化逆数呈一定比例缩小面积。图7是日本东芝依此改良上述结构，并使用小型封装技术，制成外形尺寸与光电晶体与光二极管同等级，大小只有的Photo IC。
　

有关封装薄形化的发展，以TDK与半导体能源研究所共同开发的照度感测元件为例，它是採用塑胶材料当作基板，开发厚度只有与「0402 size」、「0603 size」等被动元件同等级的照度感测元件；相较之下传统玻璃基板的照度感测元件却高达（图8），该公司也在开发内建可以使光电流增幅100倍增幅电路的Photo IC，外形尺寸则与「2015 size」同等级（图8（b））。
　

有关照度感测元件的操作性，除了在Photo IC内部制作积体电路之外，各厂商非常重视利用数位信号输出照度大小的改善。主要原因是照度感测元件大多是类比输出，加上输出电流几乎与照度成比例，因此输出电流会因检测照度出现六位数的差异，这意味着精密控制光源的输出，必需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以轻易取得的照度感测元件，成为各厂商竞相开发的目标。

图9是滨松光电（photonics）的新型照度感测元件，该元件可以将照度大小转换成脉冲振盪频率形式的输出信号，该公司同时推出可以改变脉冲宽度，而且可以直接与微处理器连接的照度感测元件；OSRAM推出可以输出对数显示光电流，而且操作非常方便的照度感测元件，该元件计划应用在汽车仪表等领域；东芝则开发起动时间缩短至1/5的新型照度感测元件。

由于照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，所以大多採用间断式驱动照度感测元件，然而照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，这段期间却形成所谓的「电力损失」，因此东芝公司针对上述问题，常时对增幅电路施加电压，同时在增幅电路后段设置切换电路（图10），试图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。
　

 结语
以上介绍照度感测元件的技术发展态势。由于行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需克服的课题。

最近几年照度感测元件（photo sensor device）技术上的进步，利用分光特性接近人眼视感度度的照度感测元件，可以有效解决上述问题。此外，根据统计资料显示，全球照度感测元件潜在市场超过10亿个，这包含6亿支移动电话与接近近千万台的液晶电视，以及车用仪表、显示器、照明灯具都是适用对象。期盼藉由本文的介绍，提醒业者降低液晶显示器制作成本的同时，提高影像品质等产品区隔化技巧也是不可忽略的一环。