CN103134586B - 具有透镜的光感测装置 - Google Patents

Abstract

描述了光感测装置，其具有用于聚焦光线的透镜。在一个或多个实施例中，所述光感测装置包括基板，所述基板上形成有光电探测器。所述光电探测器能够探测光线并且提供响应于该光线的信号。所述装置还包括显示屏，其允许光线至少基本上通过所述显示屏。光学隔板在所述基板的表面上向显示屏延伸，并且被构造为至少基本上防止光学串扰传到所述光电探测器。所述装置还包括透镜，其邻近所述显示屏布置。所述透镜被构造为聚焦入射到透镜上的光线并且将被聚焦的光线传到所述光电探测器。

Description

具有透镜的光感测装置

相关申请的交叉引用

根据35U.S.C.§119（e），本申请要求2011年11月29日提交的标题为“LIGHT SENSING DEVICE HAVING A LENS”的美国临时专利申请No.61/564,341的优先权。美国临时专利申请No.61/564,341以其全文并入本文作为参考。

背景技术

诸如智能电话、平板装置、手提和台式电脑、数字媒体播放器等电子设备越来越多地采用光敏元件来控制由该装置提供的各种功能的操作。例如，光敏元件常被电子设备用来探测环境照明条件，以控制设备的显示屏和键盘的亮度。典型的光敏元件采用诸如光电二极管、光电晶体管等将接收到的光线转换为电信号（例如模拟的或数字的电流或电压）的光电探测器。

光感测装置常被用于手势或近距感测装置。手势感测装置能够探测基本平行于显示器表面的身体移动（例如“手势”），而使用者不用实际接触其中存在手势感测装置的设备。近距感测装置能够探测基本垂直于显示器表面的身体移动（例如接近显示器表面）。探测到的移动可随后被用作装置的输入指令。在实施例中，电子设备被编程，以识别不同的非接触手部动作，例如左至右、右至左、上至下、下至上、内至外、外至内等。手势和近距感测装置普遍用于诸如平板计算设备和智能电话等手持电子设备、以及诸如手提电脑、视频游戏机等其它便携式电子设备中。

发明内容

描述了光感测装置，其具有用于聚焦光线的透镜。在一个或多个实施例中，所述光感测装置包括基板，所述基板上形成有光电探测器。所述光电探测器能够探测光线并且提供响应于该光线的信号。所述装置还包括显示屏，其允许光线至少基本上通过所述显示屏。光学隔板在所述基板的表面上向显示屏延伸，并且被构造为至少基本上防止光学串扰传到所述光电探测器。所述装置还包括透镜，其邻近所述显示屏布置。所述透镜被构造为聚焦入射到透镜上的光线并且将被聚焦的光线传到所述光电探测器。

本发明内容被提供用于以简化的形式介绍发明思想的选择，该发明思想的选择将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不意图确定所要求保护的主题的关键特征或重要特征，也不意图用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

附图说明

具体实施方式参考附图来描述。在描述和附图中，相同的附图标记在不同的实例中可用于表示相应或相同的物件。

图1是示出了根据本公开的一个示例性实施例的光感测装置的图解性的局部侧剖视图，所述光感测装置具有照明光源、光电探测器、光学隔板、显示屏和接近所述显示屏布置的透镜，其中，所述透镜布置在壳内，并且定位在所述光电探测器对面。

图2是示出了根据本公开的另一示例性实施例的光感测装置的图解性的局部剖视图，其中，所述透镜布置在所述显示屏的内表面上，并且定位在所述光电探测器对面。

图3是示出了根据本公开的另一示例性实施例的光感测装置的图解性的局部剖视图，其中，所述光感测装置包括透镜支撑结构，所述透镜支撑结构被构造为将所述透镜保持在所述光电探测器对面的适当位置处。

图4是示出了根据本公开的另一示例性实施例的光感测装置的图解性的局部剖视图，其中，所述透镜布置在所述显示屏的外表面上。

具体实施方式

概述

手势或近距感测装置典型地包括光感测装置，以便检测接近该装置的身体移动。这些光感测装置被构造为用于检测从照明光源产生并且从接近所述传感器的客体（例如手指或手）反射的光线。为了收集更多的光线以增强信号，光感测装置可包括直接地形成于光电探测器的顶部上的透镜。然而，由于成本和工艺性的原因，可接受的透镜尺寸会受到光电探测器的限制，所述光电探测器可能要求高倍（短焦距）透镜，这增加了成本并且降低了所述探测器的信号幅度。由于所述探测器的幅度被降低，因此，照明光源可能需要较大的电流量来产生要由光电探测器探测的明显高于噪声的光信号。相应地，照明光源所需的较大的电流量消耗所述光感测装置的电池电源。

因此，所述光感测装置具有布置（例如形成、定位等）在接近该装置的显示屏处的透镜。通过在接近显示屏处定位透镜，透镜尺寸可不受光电探测器限制。例如，能够使用低倍（较长焦距）透镜。因而，照明光源的电池功率要求也可降低。在一个或多个实施例中，所述光感测装置包括基板，所述基板上形成有光电探测器。在一些实施例中，所述光感测装置还会包括被构造为产生光线的照明光源。在特定的实施例中，所述光感测装置可包括单个照明光源。所述光电探测器能够探测从所述照明光源发射的光线并且提供响应于该光线的信号。在另一特定的实施例中，所述光电探测器可被构造为四分段式的光电探测器。所述光感测装置还包括显示屏，其允许照明光线和反射光线至少基本上通过所述显示屏。光学隔板布置在所述照明光源和所述光电探测器之间，以至少基本上防止所述照明光源和所述光电探测器之间的光学串扰。所述传感器还包括布置在接近所述显示屏处的透镜。所述透镜被构造为聚焦入射到透镜上的光线并且将被聚焦的光线传到所述光电探测器。

在下述讨论中，描述了具有透镜的光感测装置的示例实施例。

示例性实施例

图1至图4示出了根据本公开的一个示例性实施例的光感测装置100。如图中示出的，所述光感测装置100包括基板102，其用于向一个或多个电子器件提供支撑。所述基板102还被构造为在所述光感测装置100的各种电子器件之间提供连接功能。例如，所述基板可包括印刷电路板（PCB）、柔性电路线束等。因此，所述基板102可为多种电子器件、例如数字集成电路、模拟集成电路或它们的组合提供支撑。

每个光感测装置100的所述基板102被图示为具有表面104。光电探测器106（例如，光敏元件）布置在所述基板102的表面104上。所述光电探测器106包括提供基底材料的半导体基板108，所述基底材料可被用来通过诸如光刻、离子注入、沉积、蚀刻等多种制造技术形成一个或更多个电子装置。所述半导体基板108可包括n型硅（例如掺杂有诸如V族元素[例如磷、砷、锑等]的一族载体元素的硅，以提供n型电荷载体元素给硅）或者p型硅（例如掺杂有诸如IIIA族元素[例如硼等]的一族载体元素的硅，以提供p型电荷载体元素给硅，或者掺杂有其它族元素的硅，以提供p型电荷载体元素）。尽管描述了硅基板，但应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，也可使用其它类型的基板。例如，所述半导体基板108可包括硅-锗、砷化镓等。

所述光电探测器106可通过多种方法被构造。例如，所述光电探测器106可包括光电传感器二极管、光电晶体管等。在一个实施例中，所述光电探测器106能够探测光线并且提供响应于该光线的信号。所述光电探测器106可通过将光线转换为基于被探测的光线的强度的电流或电压来提供信号。因此，一旦光电探测器暴露于光线下，可产生大量自由电子以产生电流。所述光电探测器106被构造为探测可见光谱和近红外光谱中的光线。应想到，这里使用的术语“光线”包含处于可见光谱和近红外光谱中的电磁辐射。所述可见光谱（可见光）包括处于从大约三百九十（390）纳米到大约七百五十（750）纳米的波长范围内的电磁辐射。类似地，所述近红外光谱（红外光）包括波长范围从大约七百（700）纳米到大约三（3）微米的电磁辐射。在一个或更多个实施例中，互补金属氧化物半导体（CMOS）制造技术可用来形成光电探测器106。

如上描述，所述光电探测器106被构造为探测光线并且提供响应于该光线的信号。在一个或多个实施例中，所述光感测装置100可被构造为用作或用于手势或近距感测装置（例如，探测诸如手或手指的客体何时被带到接近所述装置100的装置）中。在这种实施例中，当所述客体接近所述装置100时，所述光电探测器106探测从客体（例如手或手指）反射的光线。

所述光感测装置100还包括被构造为产生光线（例如近红外光或可见光）的照明光源110。因此，通过光电探测器106探测的光线（例如从接近所述光感测装置100的客体反射的光线）是从所述照明光源110产生和发射的光线。因此，所述光电探测器106被构造为探测特定波长的光线。例如，所述照明光源110可产生处于第一波长光谱中的光线。所述光电探测器106可被构造为探测仅处于第一波长光谱内的光线。在一个或多个实施例中，所述照明光源110可以是单个发光二极管、单个激光二极管或其它类型的光源。

在一种实施例中，所述光电探测器106可被构造为分段式光电探测器106。所述分段式光电探测器106可以是在功能上划分为多个分段的单个探测器，也可以是一组单独的光电探测器。例如，四分段式光电探测器在功能上等价于以四分布局排列的四（4）个单独的光电探测器。

所述装置100包括显示屏112，其被构造为至少基本上允许所述照明光源110发射的光线通过所述显示屏112。所述显示屏112也被构造为至少基本上允许从客体反射的光线通过所述显示屏112传到所述光电探测器106。例如，接近所述显示屏112的客体（例如手、手指等）可将从照明光源110产生的光线反射回通过所述显示屏112而传到所述光电探测器106。所述光电探测器106探测所反射的光线并提供响应于该光线的信号。所述显示屏112包括接近所述光电探测器106的第一表面114以及远离所述光电探测器106的第二表面116。在一个实施例中，所述显示屏112可由耐刮擦的材料等制造。

如图1至图4中示出，所述光电探测器106和所述照明光源110被在所述基板102和所述显示屏112之间延伸的光学隔板118隔开。所述光学隔板118被构造为防止所述照明光源110和所述光电探测器106之间产生光学串扰。例如，所述光学隔板118可至少基本上防止从照明光源110发射的反射光线到达所述光电探测器106。在一个实施例中，所述光学隔板118可以是铸造金属脊、模制的塑料凸起（patrician）、预成型的橡胶垫等。

所述装置100包括透镜120，以聚焦并传递入射到其上的光线（例如从多个角度入射到所述透镜120上的光线）。例如，所述透镜120可被构造为校准入射到透镜120上的光线。在一个或多个实施例中，所述透镜120可以是玻璃透镜、塑料透镜、球面透镜、非球面透镜、菲涅尔（Fresnel-type）型透镜等。

在如图1中示出的一个实施例中，所述透镜120可被布置在壳122内。所述壳122可连接到所述显示屏112，并且被构造为给所述显示屏112提供支撑和向所述光感测装置100的器件（例如基板102、光电探测器106、照明光源110等）提供防护。如图中示出，所述透镜120被装入所述壳122内，使得所述透镜120布置在所述光电探测器106对面。所述壳122可以多种方法构造。例如，所述壳可以是模制成形的合成物、塑料合成物等。

在如图2中示出的另一实施例中，所述透镜120布置在所述显示屏112的第一表面114上。因而，从接近装置100的客体反射的光线通过所述显示屏112（所述显示屏112上放置所述透镜120的部分）并被所述透镜120聚焦，然后被传到所述光电探测器106。所述透镜120可通过诸如光学胶合剂等合适的粘合材料被粘合在所述第一表面114上。

在如图3中示出的另一实施例中，所述透镜120布置在透镜支撑结构122内，所述透镜支撑结构122包括第一支撑部分124和第二支撑部分126。所述支撑部分124、126被构造为将所述透镜120保持在所述光电探测器106对面。透镜支撑结构122的所述第一支撑部分124还包括光学隔板118。因此，第一支撑部分124起着至少基本上防止所述照明光源110和所述光电探测器106之间的光学串扰的功能，并且还起着将所述透镜120至少部分保持在适当位置处的功能。如图中示出的，所述支撑部分124、126连接于所述基板102的表面104。

在如图4中示出的另一实施例中，所述透镜120布置在所述显示屏112的第二表面116上。除了聚焦和将被聚焦的光线传到所述光电探测器106外，所述透镜120也可用于允许用户定位出所述装置100的特别部分，该特别部分接收手势动作，并且随后通过某一特定的手部或手指的手势而无须身体接触所述显示屏来解锁所述装置。因此，用户可以在接近所述透镜120处提供特定的手指或手部的手势。所述光电探测器106可探测从所述特定手势反射的光线，并且响应于被探测的光线（例如基于所述特定的手势以特定的图案反射的光线）提供解锁信号。所述解锁信号可被用来解锁包含所述装置100的电子设备（例如，平板装置、智能电话等）。附加地，由于所述透镜120延伸超出由所述显示屏112的第一表面114所限定的平面，因此，用户能够感觉或看到所述透镜120放置在哪里。所述透镜120也可防止显示屏112接触诸如桌子或桌台表面等粗糙表面（例如所述显示屏112朝向一个表面定向时）。

结论

虽然已经以具体到结构特征和/或处理操作的语言描述了本主题，但是应该理解，在所附权利要求中限定的主题并不局限于上述的具体特征或操作。相反，上述的具体特征和操作是作为实施权利要求的示例性形式公开的。

Claims (18)

1.一种光感测装置，包括：

基板，其具有表面；

光电探测器，其布置在所述基板的表面上，所述光电探测器被构造为探测光线并且提供响应于该光线的信号；

光学隔板，其从所述表面向显示屏延伸，所述光学隔板被构造为至少基本上防止光学串扰传到所述光电探测器；以及

透镜，其被构造为邻近所述显示屏布置，所述透镜被构造为聚焦入射到所述透镜上的光线并将被聚焦的光线传到所述光电探测器，其中，所述透镜布置在所述显示屏的第二表面上，且所述透镜延伸超出由所述显示屏的第二表面所限定的平面。

2.如权利要求1所述的光感测装置，其特征在于，所述光感测装置还包括透镜支撑结构，所述透镜支撑结构布置在所述基板的表面上，所述透镜支撑结构包括第一支撑部分和第二支撑部分，所述第一和第二支撑部分被构造为将透镜保持在所述光电探测器对面。

3.如权利要求1所述的光感测装置，其特征在于，所述光感测装置还包括壳，所述壳至少部分地布置在所述基板和所述光电探测器上方，其中，所述透镜在所述光电探测器对面布置在所述壳内。

4.如权利要求1所述的光感测装置，其特征在于，所述透镜布置在所述显示屏的第一表面上。

5.如权利要求1所述的光感测装置，其特征在于，所述显示屏是一种耐刮擦的玻璃材料。

6.如权利要求1所述的光感测装置，其特征在于，所述光电探测器包括四分段式光电探测器。

7.如权利要求1所述的光感测装置，其特征在于，所述光电探测器被构造为产生解锁信号。

8.一种光感测装置，包括：

基板，其具有表面；

照明光源，其布置在所述基板的表面上，且所述照明光源被构造为产生光线；

光电探测器，其布置在所述基板的表面上，所述光电探测器被构造为探测从照明光源发射的光线并且提供响应于所述光线的信号；

光学隔板，其布置在所述照明光源和所述光电探测器之间，所述光学隔板被构造为至少基本上防止所述照明光源和所述光电探测器之间的光学串扰；以及

透镜，其被构造为邻近显示屏布置，所述透镜被构造为聚焦入射到所述透镜上的光线并将被聚焦的光线传到所述光电探测器，其中，所述透镜布置在所述显示屏的第二表面上，且所述透镜延伸超出由所述显示屏的第二表面所限定的平面。

9.如权利要求8所述的光感测装置，其特征在于，所述光感测装置还包括透镜支撑结构，所述透镜支撑结构布置在所述基板的表面上，所述透镜支撑结构包括第一支撑部分和第二支撑部分，所述第一和第二支撑部分被构造为将透镜保持在所述光电探测器对面。

10.如权利要求8所述的光感测装置，其特征在于，所述光感测装置还包括壳，所述壳至少部分地布置在所述基板和所述光电探测器上方，其中，所述透镜在所述光电探测器对面布置在所述壳内。

11.如权利要求8所述的光感测装置，其特征在于，所述透镜布置在所述显示屏的第一表面上。

12.如权利要求8所述的光感测装置，其特征在于，所述显示屏是一种耐刮擦的玻璃材料。

13.如权利要求8所述的光感测装置，其特征在于，所述光电探测器包括四分段式光电探测器。

14.如权利要求8所述的光感测装置，其特征在于，所述光电探测器被构造为产生解锁信号。

15.一种光感测装置，包括：

基板，其具有表面；

照明光源，其布置在所述基板的表面上，且所述照明光源被构造为产生光线；

光电探测器，其布置在所述基板的表面上，所述光电探测器被构造为探测从照明光源发射的光线并且提供响应于所述光线的信号；

光学隔板，其布置在所述照明光源和所述光电探测器之间，且所述光学隔板被构造为至少基本上防止所述照明光源和所述光电探测器之间的光学串扰；

透镜，其被构造为邻近显示屏布置，所述透镜被构造为聚焦入射到所述透镜上的光线并将被聚焦的光线传到所述光电探测器，其中，所述透镜布置在所述显示屏的第二表面上，且所述透镜延伸超出由所述显示屏的第二表面所限定的平面；以及

透镜支撑结构，其布置在所述基板的表面上，所述透镜支撑结构包括第一支撑部分和第二支撑部分，所述第一和第二支撑部分被构造为将所述透镜保持在所述光电探测器对面。

16.如权利要求15所述的光感测装置，其特征在于，所述显示屏是一种耐刮擦的玻璃材料。

17.如权利要求15所述的光感测装置，其特征在于，所述光电探测器包括四分段式光电探测器。

18.如权利要求15所述的光感测装置，其特征在于，所述光电探测器被构造为产生解锁信号。