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从光学传感器解读智能手机下半场格局的创新

来源:PCB人才网 时间:2019-11-21 作者:PCB人才网 浏览量:

如今,越来越多的手机开始取消3.5mm耳机接口,转而采用USB-C接口耳机或是无线蓝牙耳机,但消费者对音乐分辨率的要求却始终有增无减。一项调查显示,音质已成为消费者选择耳机或音箱产品时最看重的因素,76%的受访者为此投了赞成票,79%的受访者期待高分辨率的音频,并愿意为此支付更高的费用。

而在苹果AirPods的示范效应下,真无线立体声(TWS)耳机作为移动互联网入口的潜质逐步显现,亚马逊、谷歌、微软、华为等各路巨头纷纷布局抢占市场。调研数据称,2018年至2023年间,无线耳机市场的复合年增率将高达39%,而具备主动降噪(ANC)功能的无线耳机增幅更是惊人,达到了150%。

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耳机的未来是无线的

因此,真无线立体声被艾迈斯半导体(ams)先进光学传感器事业部经理及执行裁Jennifer Zhao列为智能手机三大主流趋势之首并不奇怪。除了主动降噪功能外,耳机行业还要求传感器能够同时提供入耳检、光学滑块音量调整等功能,挑战很大。

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ams先进光学传感器事业部经理及执行裁Jennifer Zhao

趋势二来自全面屏。从华为Mate 30 Pro的“曲面瀑布屏”,到屏占比99.6%的vivo NEX 3 “无界瀑布屏”,再到屏占比180.6%的小米MIX Alpha“环绕屏”,无边框全面屏手机在不断“消灭”实体按键的同时,也在源源不断的将越来越多的传感器放置于OLED屏下。

对于智能手机来说,将传感器放置在OLED屏下,可以确保最大屏占比。但是,前置边框通常是环境光/接近传感器所在的位置,如何使手机在减少边框的同时,还保留关键的触摸屏禁用和自动显示亮度/色彩调节功能呢?如何在屏下获得更好的ALS的性能和出色的红外(IR)抑制?如何避免屏下射光的影响?如何得到非失真的真实传感等?一系列的问题,都需要传感器厂商与屏厂在屏下管理方面展开更紧密的合作,利用小尺寸的环境光传感器、接近传感器帮助手机无失真的显示。

摄影增强成为趋势三应该不会引起太多争议。激光检自动对焦、AR/VR、自动白平衡、光源闪变检正成为手机厂商日益关注的功能体验,需要通过传感器来提升摄影效果。而Jennifer Zhao所领导的先进光学传感器事业部,正在通过将包括显示强度管理、摄像头/显示屏色彩平衡、1D ToF接近和距离传感在内的大量光学传感器集成进手机中,加速这一进程。

这一次,和水波纹说再见

现今的手机摄像头一般使用基本的三通道红/绿/蓝(RGB)传感器来估算图像增强系统中的颜色均衡,但能够实施滚动快门(Flicker)检的却很少。因此在相机的滚动快门工作期间,如果捕捉到闪变光源导致的可见光调制,那么拍摄的图像或视频就会带有导致失真的条带伪影。而TCS3408颜色传感器的推出,不仅可用于量环境光的色温和光强,还可以检光学的物理闪烁,使得手机摄像头图像增强系统能够消除人造光源导致的缺陷伪影。 

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TCS3408支持片上Flicker检,用于检通常由白炽灯或荧光灯产生的50Hz或60Hz光源闪变,并发读取五个环境光感通道(除了RGB通道之外,还额外增加了宽谱带通道和作为参考的全谱带通道)来准确量光的颜色和强度。众所周知,高阶闪变频率(最高2kHz)在当前以脉宽调制(PWM)为基础的LED光源中无处不在,当检到这些高阶闪变频率时,器件内部的状态寄存器会进行捕捉和报告,数字I2C接口则通过外部处理快速报告输出信息,智能手机摄像头的视频处理器在得到信息后,会自动将快门与场景中相对环境光输出的“开启”部分同步,从而消除失真的条带伪影,真实还原出用户眼中看到的图像。 

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今年2月,ams曾经发布过一款彩色(RGB)接近和闪变检传感器TCS3707,可在各种照明条件下精确量环境光的颜色和强度,内置的闪变检引擎可以检在50Hz或60Hz交流电周期内工作的任何人工光源闪烁,从而实现相机和闪光之间的色彩平衡。相比之下,TCS3408的性能是TCS3707的3倍,比竞争对手也要高出10倍片上光源闪烁检灵敏度和仅为一半的功耗。

围绕耳机的生态创新

大部分的真无线耳机都能做到耳机塞进耳朵时自动播放音乐,拔出时自动停止。这个巧妙的设计符合人们的使用习惯,也能节省电量,而这个功能是靠耳机中的光学传感器来实现的。

TWS耳机接近传感器主要用来实现无线耳机入耳/出耳检,帮助延长电池单次充电后的使用时间,所以检距离非常近。如果两颗这样的传感器配合使用,还能够通过光学滑块来进行音量调整,从而实现基本的无触摸手势控制。所以业界对它的要求就两点:一是体积小,二是精度高。

ams大中华区市场应用工程监Spencer Bai对此解释说,普通蓝牙耳机里通常只有一颗蓝牙芯片,但TWS耳机里往往要包含两颗。更多器件的集成会导致功耗增加,在这种情况下,TWS耳机就必须要能够及时区分工作和非工作时间,减少不必要的电量损耗,从而达到延长单次充点电后的使用时长。

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最新推出的TMD2635是一个完整的光-数字传感器模块,也是目前全球体积最小的数字接近传感器模块,其封装体积仅为1mm3,相比之前的2合1红外接近传感器模块体积缩小6倍。它集成了低功率红外VCSEL(垂直腔面发射激光器)发射器、两个用于近场和远场传感的传感器像素,以及数字快速模式I2C接口,全部纳入微型连接网格阵列(LGA)封装中。工作模式下平均功耗为70µA,睡眠模式下则为0.7µA。由于在设计中分离了近/远光电二极管失调发射器和检器的放置位置,使得TWS耳机产品的音频制造商们能够开发更小、更轻的工业设计耳机。

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ams在无线耳塞最优布局布线参考设计中增加AS3460和TMD2635传感器

其实,围绕耳机的生态创新是一盘大棋。除了TMD2635,ams在今年7月还推出了数字增强听觉方案AS3460用于TWS耳机主动降噪,并在无线耳塞最优布局布线参考设计中增加了数字MEMS麦克风和接近光传感器。未来,我们完全可以设想在耳塞内植入其他传感器,比如用于加速度传感器、健身器材用的心率传感器、温度传感器,以及触控传感器,从而使摘下耳机暂停音乐、上下滑动增减音量、血/心率检等功能变得触手可及。


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