什麼是環境光感測器？

環境光感測器是一種常見於手機、平板電腦和筆記型電腦等行動裝置中的元件。其主要功能是用於偵測環境的照度。當室內光線昏暗時，人眼的瞳孔會放大，此時若電子產品螢幕亮度過高，會造成使用者眼睛不適。環境光感測器可以偵測周遭環境的照度，進而將電子產品的螢幕亮度調整至人眼可接受的程度，大幅提升使用者體驗。這個元件不僅節省能源，還可以延長電子產品的電池使用時間。

現代環境光感測器元件的技術水準已達到與人眼最高光譜敏感度相當的程度。環境光感測器主要包含四大類：硫化鎘光敏電阻、光電晶體、光電二極體，以及整合放大電路的光電IC。其優缺點說明如下：

圖1 環境光感測器的分類與優缺點

環境光感測器需要進行哪些檢測？

如前所述，環境光感測器已廣泛應用於智慧型手機、平板電腦或筆記型電腦。當環境光感測器與這些電子產品整合時，必須確保環境光感測器的功能可以正常運作，不會受到電子產品本身包括其結構設計的影響，例如機械遮蔽或螢幕自發光的干擾。此外，對於環境光感測器元件本身，有許多重要的效能參數需要測試：

環境光感測器的重要效能參數有哪些？

一般包含：角度響應、動態範圍、線性度、視場角(FOV)，以及不同環境色溫的影響。

什麼是環境光感測器的角度響應？什麼是角度曲線？

這是指環境光感測器元件對不同入射角度光線的響應程度，其結果可以呈現為角度曲線。以A廠牌的環境光感測器為例，其角度曲線如下：

圖2 A廠牌環境光感測器的角度曲線

角度曲線與光分布曲線有什麼不同？

簡單來說，角度曲線通常用於評估光電感測器的特性參數；光分布曲線則用於評估光源的特性。環境光感測器的角度曲線意義已在2.1中說明，在此不再贅述。至於光分布曲線的意義，則是指光源在不同角度的發光強度。讓我們以C廠牌的發光二極體(LED)為例，其光分布曲線在笛卡兒座標中呈現如下：

圖3 C廠牌LED的光分布曲線

什麼是環境光感測器的動態範圍？

人眼會依據環境的明暗調整瞳孔大小，使人們能在日夜間都確保清晰的視覺。環境光感測器對亮度的敏感度與人眼相似。ALS的敏感度表現以「動態範圍」這個參數來表示。

在烈日下，照度約為100,000Lux(Lux)，而當進入昏暗的房間時，照度可能甚至不到1Lux(Lux)。環境光感測器的動態範圍越大，代表其適用的環境亮度範圍越廣。以Maxim的環境光感測器元件MAX44009為例，其宣稱的動態範圍為0.045Lux至188,000Lux。

什麼是環境光感測器的線性度？

隨著環境的明暗變化，環境光感測器會透過其光電轉換機制輸出相對應的訊號。當我們使用穩定且精準的標準光源照射環境光感測器時，以程式控制光源強度，使其輸出光強度從0.1Lux到100,000Lux呈線性變化。此時，我們同步量測環境光感測器的輸出訊號，檢查其訊號強度是否也呈現相同的線性變化。這就是環境光感測器的線性度特性參數，如圖4所示：

圖4 T廠牌環境光感測器的線性度

什麼是環境光感測器的視場角(FOV)？

此特性參數FOV的數值為角度，可以用兩種方式表示：全視場角(FFOV)和半視場角(HFOV)。根據圖5的定義，FOV可以寫成：

FOV = ±θ_1/2 或 FOV = θ

圖5 環境光感測器的視場角(FOV)
(參考來源：T廠牌規格書)

面對各種應用場景時，為了讓環境光感測器元件功能正常運作，我們必須先確保ALS能有效接收光線，避免不當的外部遮蔽影響功能。這個FOV特性參數能清楚表達環境光感測器所需的受光路徑，讓產品設計師能據此進行良好的設計。

這些重要參數該如何測試？

如何測試環境光感測器的角度響應？

我們可以將待測的環境光感測器固定於軸心，並在可依軸心旋轉的懸臂上固定標準準直光源（如圖6所示）。將垂直於環境光感測器受光面的角度定義為0度，左右平行於環境光感測器受光面的角度分別為+90度與-90度。驅動懸臂，使標準準直光源的位置從-90度開始，持續移動至+90度。在此過程中，即時量測環境光感測器的訊號。如此一來，我們可以得到標準光源以等距離照射待測物180度的訊號輸出。將訊號值標示在直角座標圖上，即可得到環境光感測器的角度響應資料，如上述圖2所示。

圖6 恩耐科技環境光感測器角度響應量測儀器的內部結構

如何測試環境光感測器的視場角(FOV)？

測試方法與3.1相同。透過三角函數計算角度與訊號強度資料，即可得到FOV（視場角）。

如何測試環境光感測器的線性度和動態範圍？

我們以線性方式改變標準光源的強度，並在標準光源照射下即時量測環境光感測器輸出的訊號強度，藉此了解環境光感測器的線性度。

如何選擇適合的ALS測試儀器？

使用LED光源有什麼優點？

在選擇量測儀器時，我們首先會考慮儀器規格是否能滿足量測需求，包括：準確度、解析度、重複性、再現性、操作便利性等。此外，設備的價格與維護，甚至耗材的更換，也都是多數人評估的重點。

• LED光源具高發光效率： LED發光效率可達50-200流明/瓦特，且發光單色性佳、光譜窄，作為光源時無需濾光。
• LED光源耗電低： 良好的LED發光效率意味著省電。
• LED光源壽命長： 傳統光源如白熾燈、螢光燈和鹵素燈使用電子光場輻射，燈絲容易燒毀。此外，熱沉積和光衰減也是其弱點。LED元件平均壽命達10萬小時，遠優於傳統光源。
• LED光源安全可靠： LED以矽膠封裝，可承受高強度機械衝擊和震動，不易破損，且發熱相對較低，安全性高。
• LED反應速度： LED反應時間非常快，在微秒等級。
• LED具備高度光學設計自由度： LED體積小，在產品設計時較易配合各種結構的布局與設計。此外，透過適當混合不同顏色的LED，搭配適當的電路控制，可自由混調出所需的光譜與色溫。

什麼是標準光譜/色溫？

經過資料整理，我們歸納出10種標準色溫如下：

項目	光譜	色溫	標準光源
1	國際標準人工日光	6500K	D65光源
2	模擬北方平均日光	7500K	D75光源
3	模擬日光	5000K	D50光源
4	模擬歐洲商店照明	4000K	TL84光源
5	模擬美國商店照明	4100K	CWF光源
6	模擬另一種美國商店照明	3000K	U30光源
7	模擬特定商店照明	3500K	U35光源
8	模擬家庭或飯店暖色照明	2700K	F光源
9	模擬展示間聚光燈	2856K	A光源
10	模擬地平線日光	2300K	地平線光源

環境光感測器校正最常使用的標準光譜有哪些？為什麼要有這些標準光譜？各代表什麼意義？

環境光感測器校正最常使用的標準光譜如上表所示。這些標準光譜與色溫代表人類日常生活中最常見的環境光狀態。環境光感測器依據這些標準光譜與色溫進行校正，使其在應用端能更貼近實際使用情境，提供使用者更好的實際體驗。

一般環境光感測器的動態範圍是多少？

在昏暗的房間中，環境光照度可能不到1Lux；而在晴朗的戶外，直射陽光下的環境照度約為100,000Lux。我們可以想像這樣的情境：人們在烈日下使用智慧型手機查詢最近上映的電影，接著走進電影院。在電影開始前，人們使用手機瀏覽社群訊息。這正是我們日常生活中常見的情況，也意味著環境光感測器需要具備從100,000Lux到不到1Lux的適當動態範圍特性。

準直光源有什麼優點？

準直光的設計較為困難，要同時具備高準直性與空間均勻性的光源更是不易。

然而，使用準直光源作為環境光感測器測試儀器的光源具有以下優點：

• 光強度一致性： 光強度不會因樣品的工作距離而改變
• 對準影響最小化： 樣品對準與旋轉軸的偏差可忽略。特別是恩耐科技設計的光源，其準直性與空間均勻性都相當優異。
• FOV量測能力： 可用於量測待測樣品的視場角。

照度單位：什麼是Lux？

照度是指單位面積接收到的光通量；可以理解為單位面積獲得多少光量。照度的國際標準單位是Lux(lx=lux)或芳特(ph=phot)，1 勒克斯(Lux) = 1 流明/平方公尺(lm/m²)，1 芳特(ft) = 1 流明/平方公分(lm/cm²)，1芳特 = 10,000Lux。

照度的大小取決於光源的發光強度以及物體與光源的距離。對於相同的光源，當光源距離為原來的兩倍時，照度會降為原來的四分之一，呈現反平方關係。

以下是幾種常見的環境照度：

環境	照度（Lux）
晴天	100,000
陰天	500~60,000
夜間棒球場	400
辦公室	300
路燈下	5
滿月	0.2
星光	0.0003

為什麼環境光感測器(ALS)需要0.5Lux的測試解析度？

這是為了在低照度環境（例如：<5Lux）下，我們希望環境光感測器仍能維持足夠的敏感度特性，因此需要0.5Lux的測試解析度。

關於環境光感測器製造商與環境光感測器產業結構等內容，將在本系列的第二篇文章中更詳細介紹，敬請期待。