功耗永久的課題，深入了解液晶亮度感測

移動電話與液晶電視使用數(shù)量急速增加，如何降低液晶顯示器的耗電量并改善影像畫質(zhì)，尤其是夜間使用時畫面太亮，眼睛容易疲勞，暗室內(nèi)畫面出現(xiàn)黑暈現(xiàn)象，已經(jīng)成為相關(guān)業(yè)者必須克服的課題。

近幾年因為亮度感測元件技術(shù)上的進步，利用分光特性接近人眼視感度的亮度感測元件，可以有效解決因為顯示器亮度所造成眼睛負擔。目前全球亮度感測元件潛在市場超過10億個，市場年需求高達6億支移動電話是目前主要市場，此外2008年出貨量預(yù)測將超過3000萬臺的液晶電視，及車用儀表、顯示器、照明燈具都是適用對象。

何謂亮度感測元件？

亮度感測元件具備感測夜間與白天戶外亮度的特性，若能充分應(yīng)用特性并作精密控制，理論上，可以解決各種電子設(shè)備因光源造成的影像不良等問題。例如，亮度感測元件可以隨時偵測周圍環(huán)境的光量多寡，自動調(diào)整背光模組的點燈狀況，有效降低可攜式產(chǎn)品的耗電量，延長電池的使用壽命。

在液晶電視的應(yīng)用方面，主要是液晶顯示器的點燈時間越久消費電力就越大，相對的散熱處理與散熱風扇的噪音則變成一個相當大的困擾，尤其是目前大型液晶電視的亮度大多超過500流明時，在明亮室內(nèi)畫面非常的亮麗，不過在黑暗室內(nèi)卻會出現(xiàn)波紋現(xiàn)象，而且畫面太亮容易造成眼睛疲勞，黑暗色影像的黑色浮動現(xiàn)象非常明顯，影像對比度則大幅降低。

一般液晶電視是根據(jù)各像素的液晶穿透率，調(diào)整背光模組的光線，達成灰階化顯示目的，大多數(shù)的背光模組光量卻有漏光現(xiàn)象，如果利用亮度感測元件偵測液晶電視使用環(huán)境的亮度，依此調(diào)整背光模組的亮度，除了影像黑色浮動外，灰階數(shù)相同的條件下，還可縮小亮度的動態(tài)范圍，進而提高黑色影像表現(xiàn)能力，降低最大亮度解除影像太亮的困擾，這代表著觀賞液晶電視時，消費者不會受到環(huán)境影響，隨時可以獲得高精細的影像。

亮度感測元件的功能

亮度感測元件是利用矽材料制成，基本上亮度感測元件可分成：光電晶體(Photo Transistor)、光二極體(Photo Diode)，及內(nèi)建增幅電路光二極體(簡稱為Photo IC)等這三大類。

由于光電晶體的價格是光學二極體的3/4，Photo IC的1/2左右，所以光電晶體主要是針對低成本要求等應(yīng)用。光電晶體利用光照 射產(chǎn)生的光電流，在10/Lux黑暗室內(nèi)大約是數(shù)10霢 ，1000/Lux明亮室內(nèi)則超過1mA ，不需利用增幅電路就可以輸出光電流，缺點是它的感測溫度變動非常大，例如某些光電晶體，85oC的輸出電流是-30oC的2倍左右。

光二極體則是感測溫度特性的改良品，它的實際應(yīng)用環(huán)境下的感測溫度分布低于±10%，缺點是光電流卻光學電晶體低三位數(shù)，所以必須利用增幅電路才能輸出光電流。

因為光二極體必須利用增幅電路，才能輸出與光電晶體同等的光電流，由于增幅電路的成本，使得光二極體的價格比光電晶體高2倍左右，不過，它的輸出光電流非常大，而且感度的溫度依存性很低，所以主要是應(yīng)用在高端亮度感測設(shè)備等領(lǐng)域。至于Photo IC主要是應(yīng)用在簡易亮度感測設(shè)備等領(lǐng)域。

上述三種亮度感測元件不論分光特性、形狀，以及與電路的整合性都各具特色，因此一般認為亮度感測元件未來勢必朝向：分光特性接近人眼對光線的感受、可隨意設(shè)置超小型外型封裝、可與芯片直接連接，短起動時間與操作容易等方向發(fā)展。

由于業(yè)者對分光特性非常重視，因此分光特性的開發(fā)競爭也最激烈。目前商品化的亮度感測元件，它的分光特性峰值大約是550--600nm，相當接近人眼的視感度峰值，不過似乎還無法滿足市場的需求，主要理由是隨著螢光燈、白熱燈、太陽光等光源的不同，輸出光電流會出現(xiàn)極大差異，例如白熱燈的輸出光電流是螢光燈的1.2--1.8倍，加上顯示器的亮度與人眼感受的亮度有差異，因此在不同環(huán)境下經(jīng)常因為光源的差異無法獲得預(yù)期效果。

造成上述現(xiàn)象主要原因是各光源的發(fā)光頻譜差異極大，加上亮度感測元件具備人眼無法感測紫外光與紅外光的感度，因此，德國OSRAM在2005年推出具備適合人眼視感度，而且分光特性峰值涵蓋短波長到長波長范圍的亮度感測元件，根據(jù)資料顯示，光源造成該元件的輸出電流差異可望低于10%以下。

亮度感測元件的未來發(fā)展動向

分光特性可通過亮度感測元件結(jié)構(gòu)上的改良獲得調(diào)整，基本上，它是改變pn極的接合位置，同時配合分光特性的峰值利用Filter去除紫外光與紅外光。新日本無線就是根據(jù)這個動作原理進行分光特性最佳化設(shè)計，再以光罩遮斷從光二極體側(cè)面入射的光線，而放棄原本Filter傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)；德國OSRAM并非是將傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)加以改善，而使采用新材質(zhì)與新結(jié)構(gòu)，大幅提升亮度感測元件的分光特性。

有關(guān)亮度感測元件外形封裝小型化，傳統(tǒng)的Photo IC由于額外設(shè)置增幅電路，容易造成芯片尺寸變大，此處若能充分利用增幅電路，理論上可以縮小光二極體與芯片尺寸。具體方法是提高增幅電路的等化值，藉此使光二極體與增幅電路的等化逆數(shù)呈一定比例縮小面積。

在封裝薄形化的方面，以TDK與半導(dǎo)體能源研究所共同開發(fā)的亮度感測元件為例，它是采用塑膠材料當作基板，開發(fā)厚度只有0.2mm與‘0402 size’、‘0603 size’等被動元件同等級的亮度感測元件；相比較之下，傳統(tǒng)玻璃基板的亮度感測元件卻高達0.6mm，此外該公司目前正著手開發(fā)內(nèi)建可使光電流增幅100倍增幅電路的Photo IC，外形尺寸則與‘2015 size’同等級。

亮度感測元件的操作性，除了在Photo IC內(nèi)部制作積體電路之外，各業(yè)者非常重視利用數(shù)字信號輸出亮度大小的改善。主要原因是亮度感測元件大多是模擬輸出，加上輸出電流幾乎與亮度成比例，因此輸出電流會因檢測亮度出現(xiàn)六位數(shù)的差異，這意味著精密控制光源的輸出，必須設(shè)置可以承接大電流變化的專用電路，然而實際上專用電路會引發(fā)制作成本暴增等嚴重后果，所以無專用電路又可輕易取得的亮度感測元件，成為各業(yè)者競相開發(fā)的目標。

由于亮度感測元件受光時會消耗電力，因此利用電池驅(qū)動的電子設(shè)備，尤其是可攜式電子產(chǎn)品為抑制電池的消耗電力，所以大多采用間斷式驅(qū)動亮度感測元件，然而亮度感測元件的電源電壓頻繁的ON/OFF動作，對Photo IC而言起動時間最少需要55ms，這段期間卻形成所謂的‘電力損失’，因此，東芝針對上述問題，時常對增幅電路施加電壓，同時在增幅電路后段設(shè)置切換電路，藉此電路縮短起動時間并降低消耗電力，根據(jù)測試結(jié)果顯示消耗電力是傳統(tǒng)元件一半以下。

所以，因為移動電話與液晶電視的普及化，追求更高的影像畫質(zhì)同時降低液晶顯示器的耗電量，已經(jīng)成為相關(guān)業(yè)者必須克服的課題。藉由最近幾年亮度感測技術(shù)上的進步，利用分光特性接近人眼視感度的亮度感測元件，可以有效解決上述問題。