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挑战手机最小边框

作者:黄 洲时间:2019-09-25来源:电子产品世界收藏

  黄洲(艾迈斯半导体,上海201204)

本文引用地址:/article/201909/405209.htm

  摘要:如今手机的屏幕越来越趋向于超大屏占比的无边框设计,而想要做到这一点实属不易。由于受话器与摄像模组的性能非常依赖于尺寸,所以挑战无边框的重任便落到了缩小的占用面积之上。本文重点讨论了?樯杓频幕驹碛爰际跻,以及ams(艾迈斯半导体)的解决方案的优势所在。

  关键词:;光感;距感

  手机外观设计的潮流最近已经向无边框挑战,目的是更高的显示屏幕占比。但是手机正面的一些功能,比如受话器、前摄像头、光感和距感是必须存在的。减小这些功能?榈恼加妹婊鞘只杓乒こ淌σ恢辈恍概Φ姆较。由于受话器和摄像模组的性能非常依赖于尺寸,不太可能减小这两个模组的尺寸。因此,减小光感和距感的占用面积就变得非常关键。

  1 距感

  要从2017年20 mm的边框减小到2019年的0.8mm的边框,距感必须满足如下几个条件。①非常窄的模组或者器件。②集成红外激光发射器,而不是普通的LED,以达到非常小的尺寸和发射角度。③更严谨的光学设计以及相关经验。

  这些要求集合在一起,是不小的一个挑战。图1是刘海设计示意图。从表面看来和常规设计没有大的差异。但是从侧面看,与之前的设计最大的差别是芯片到触屏玻璃的距离(air gap)变得非常大。这在以往设计是大忌。因为根据光线反射和折射原理,大air gap会导致更多的发射光线被触屏玻璃反射回来,从而产生非常高的底噪,会将有效信号淹没,使得距感失效。

  为了解决这个问题,针对大air gap,设计师通常要考虑以下几点。

  1)底噪的考虑。底噪在这里特指当没有任何遮挡物的时候,传感器接收到的信号。图2中示意了由光源发出的红外光的主要反射路径。路径1和路径2对底噪的影响最大,路径3则次之。对于设计师来说,减小底噪就变成通过对挡墙的设计来控制3条路径的光线。当然,用VCSEL激光做光源,能使光束更集中容易控制,从而减小反射。图2 由光源发出的红外光的主要反射路径

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  2)公差控制。对于大air gap距感,制造中的公差控制是量产性能的关键。公差控制不仅能减小底噪,还可以使得红外光线由发射到接收的阻碍最小,接收信号最强。比如1 mm的开窗设计,如果公差是±0.25 mm,那么开窗就有可能到0.75 mm,这将阻挡一部分光线。针对不同的公差,设计师需要小心考虑挡墙的宽度、高度以及位置。才能将最终产品的性能控制在一个可接受范围内。

  3)关键点的设置。关键点是指:经过触屏玻璃玻璃折射后,发射视角和接收视角边缘的接收点。如下图3中蓝色光线及其相交点所示。关键点是由器件本身的视角、挡墙的位置一起决定的。关键点的选择主要是平衡底噪和盲区。关键点太低,则有过多的光线被触屏玻璃的上表面反射到接收,造成底噪偏高;关键点太高,则盲区太大,使得靠近触屏玻璃的物体反射的光线变少。当被测物的反射系数很小的时候(比如黑头发),就有可能反射能量不足,导致传感器“看不见”被测物。

  2 光感设计

  光感是指环境光传感器,可以让手机知道此时环境光亮度,从而调节屏幕亮度。环境光传感器因为没有发射,只有接收,因此相对比较简单。

  由于air gap过大,同时开窗太小,会严重影响传感器的视角,如图3红色角度所示。而视角太小,测得的亮度就会不准确,因为传感器看不到视角以外的光源。为了扩大视角,我们通常会想办法将光线扩散开来,让斜射到开窗的光线也能有一部分进入到传感器如图3黄色线条所示。一般有2种材质可以扩散光线:一种是白色油墨,油墨颗粒将光线无序的反射,部分斜射光线就能进入传感器;另一种是扩散膜,原理类似(如图4)。

  扩散膜的效果比白油墨好很多,但是价格高一些,且不方便组装。扩散光线会带来一个不利影响——降低透过率,因为部分光线被反射,或者散射到其他地方。透过率越低意味着到达传感器的光线就越少,测试精度就越差,对器件的灵敏度要求就更高。因此我们需要在透过率和扩散能力之间选择一个平衡点。通常来说,建议最低的总透过率不低于1%。这里包括触屏玻璃、油墨等光线经过的组件的透过率之积。

  当然,选择更高灵敏度的传感器可以给光学设计带来更多冗余。

  3 结论

  ams针对超窄边框的方案,是基于合适的模组设计、光学设计的经验和一系列测试数据而得到的,旨在帮助客户加快设计周期,并且提高良率。

  作者简介:

  黄洲,传感器资深应用工程师。在过去14年间,他在个人消费电子领域从事系统设计、芯片开发和应用工作。其手机设计经验横跨最早的功能手机和目前普及的智能手机,对手机系统级应用和设计有深入的了解和丰富的经验。

  本文来源于科技期刊《电子产品世界》2019年第10期第25页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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