CN103542930A - 光感应式感测装置 - Google Patents

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CN103542930A CN201310284646.2A CN201310284646A CN103542930A CN 103542930 A CN103542930 A CN 103542930A CN 201310284646 A CN201310284646 A CN 201310284646A CN 103542930 A CN103542930 A CN 103542930A
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张鸿德
吴高彬
方智仁
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Abstract

本发明提供一种光感应式感测装置。该光感应式感测装置适用于环境光感测操作、近接感测操作、对象位置感测操作以及手势识别感测操作。该光感应式感测装置包含可见光感测器、红外光感测器、n个红外线发光二极管、多个红外线发光二极管驱动器以及控制电路。该多个红外线发光二极管驱动器用以驱动该n个红外线发光二极管，其中n为正整数。该控制电路用以控制该可见光感测器、该红外光感测器以及该多个红外线发光二极管驱动器的操作，以执行相对应的感测操作。该光感应式感测装置可以是光感应式感测器、感测集成电路或感测模块。

Description

光感应式感测装置
技术领域
本发明是关于光感应式感测器设计，尤指一种具有光检测电路的光感应式感测器设计，其是应用于环境光感测、近接感测、对象检测以及手势识别。本发明亦可应用于一主机装置，其中该主机装置是采用上述感测器设计来实现一种或多种应用功能，其包含环境光感测、近接感测、对象检测及/或手势识别功能。
背景技术
光感应技术(light sensing technology)是广泛使用于许多应用之中，举例来说，环境光感测器(ambient light sensor，ALS)可应用于笔记本型计算机(laptoppersonal computer，laptop PC)及移动电话(cell phone)以感测环境光的强度，并且自动调整液晶显示屏幕(liquid crystal display screen，LCD screen)的背光源(backlight)以延长电池寿命。光感测器亦可用于测量空间中的距离或位置，举例来说，移动装置(mobile device)通常会包含近接感测器(proximity sensor)，一般来说，近接感测器可经由不同的实作方式来实现，例如，电感式感测器(inductive sensor)、电容式感测器(capacitive sensor)、磁感测器(magnetic sensor)以及光电感测器(photoelectric sensor)，其中光感应式的光电感测器是已日益普及。另外，光感应技术的其它重要应用(例如，对象检测(object presencedetection)以及手势识别(gesture recognition))亦是大众瞩目的焦点。
然而，由于智能型装置(smart device)已相当普遍，故智能型装置之中的感测器个数也越来越多以便提供更丰富的人机互动(human device interaction)操控，因此，亟需具有多功能的光感测器以供移动装置与智能型装置之用。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种具有光检测电路的光感应式感测器设计，以实现环境光感测、近接感测、对象检测以及手势识别功能。
为了实现上述目的，本发明提供一种光感应式感测装置，其包含有一可见光二极管(visible light photodiode)、一红外光二极管(infrared photodiode，IRphotodiode)、一放大器(amplifier)、一自动增益控制(auto-gain control，AGC)电路、一模拟数字转换器(analog-to-digital converter，ADC)、一数字滤波器(digital filter)、一多工器(multiplexer)、一时序控制器(timing controller)、一温度感测器(temperature sensor)、一参考电压产生电路(voltage reference)、一振荡器(oscillator)、用来驱动n个红外线发光二极管(infrared light emitting diode，IR LED)的一红外线发光二极管驱动器(IR LED driver)、一控制寄存器(controlregister)、一数据寄存器(data register)、一内部集成电路接口(inter-integratedcircuit interface，I2C interface)以及一中断接口(interrupt interface)。该可见光二极管与该红外光二极管均会将光子转换为电子，而电子接着会经由该放大器转换为电压。该时序控制器用以设定由该放大器所启动的积分时间。该放大器利用将部分的反馈电容(feedback capacitor)短路来提供可编程增益(programmable gain)。该模拟数字转换器将放大后的模拟信号转换为一数字计数输出(digital count out)。该数字计数输出接着会被传送至该数字滤波器以计算出与环境光强度(例如，以勒克斯(Lux)为单位的照度)、距离或手势相关的信号。该数字滤波器用以接收该模拟数字转换器的输出，并据以输出至该多工器。该多工器用以接收该模拟数字转换器与该数字滤波器的输出，并据以输出至该数据寄存器。该温度感测器用以感测温度并将感测的结果输出至该数字滤波器与该多工器。该红外线发光二极管驱动器用以驱动该n个红外线发光二极管。该控制寄存器用以设定该时序控制器。该数据寄存器用以接收该多工器的输出。该内部集成电路接口连接于序列时钟线(serial clock line，SCL)以及序列数据线(serial data line，SDA)。该中断接口将信号输出至中断总线(interrupt bus，INTB)。上述的序列时钟线、序列数据线以及中断总线是均连接于外部的主机装置(host)。
附图说明
图1为本发明光感应式感测装置的一实施例的示意图。
图2为本发明光感应式感测装置的操作方法的一实施例的流程图。
图3为本发明光感应式感测装置的环境光感测操作的方法的一实施例的流程图。
图4为本发明光感应式感测装置的近接感测操作的方法的一实施例的流程图。
图5为本发明光感应式感测装置的对象位置感测操作/手势识别感测操作的方法的一实施例的流程图。
[标号说明]
100 光感应式感测装置       101 可见光感测器
102 红外光感测器           103 放大器
104 自动增益控制电路       105 模拟数字转换器
106 数字滤波器             107 多工器
108 时序控制器             109 温度感测器
110 参考电压产生电路       111 振荡器
112 红外线发光二极管驱动器 113 控制寄存器
114 数据寄存器             115 内部集成电路接口
116 中断接口               IR_LED1、IR_LEDn红外线发光二极管
VDD、GND   电压端          SCL  序列时钟线
SDA 序列数据线             INTB  中断总线
具体实施方式
请参阅图1，其为本发明光感应式感测装置的一实施例的示意图。由图1可知，光感应式感测装置100包含一可见光感测器(visible light sensor)101(例如，一可见光二极管)、一红外光感测器(infrared photodiode sensor，IRsensor)102(例如，一红外光二极管)、一放大器103、一自动增益控制电路104、一模拟数字转换器105、一数字滤波器106、一多工器107、一时序控制器108、一温度感测器109、一参考电压产生电路110、一振荡器111、用来驱动n个红外线发光二极管(标示为IR_LED1～IR_LEDn)的一红外线发光二极管驱动器112、一控制寄存器113、一数据寄存器114、一内部集成电路接口115以及一中断接口116。另外，电压端VDD以及电压端GND可提供上述电路元件所需的电压。
可见光感测器101与红外光感测器102所产生的信号均会输入至放大器103，其中时序控制器108与自动增益控制电路104可作为放大器103的增益选择器(gain selector)。自动增益控制电路104的输入连接于模拟数字转换器105的输出，以及自动增益控制电路104的输出连接于放大器103。模拟数字转换器105接收放大器103与时序控制器108的输出，并据以输出至数字滤波器106与多工器107。数字滤波器106用以接收时序控制器108与模拟数字转换器105的输出，并据以输出至多工器107。多工器107用以接收模拟数字转换器105与数字滤波器106的输出，并据以输出至数据寄存器114。时序控制器108接收控制寄存器113的输出，并据以输出至放大器103、自动增益控制电路104、模拟数字转换器105以及数字滤波器106。温度感测器109用以感测温度并将感测的结果输出至数字滤波器106与多工器107。红外线发光二极管驱动器112用以驱动该n个红外线发光二极管(标示为IR_LED1～IR_LEDn)。控制寄存器113用以设定时序控制器108。114数据寄存器用以接收多工器107的输出。内部集成电路接口115连接于序列时钟线(serial clock line)SCL以及序列数据线(serial data line)SDA。中断接口116将信号输出至中断总线(interrupt bus)INTB。上述的序列时钟线SCL、序列数据线SDA以及中断总线INTB均连接于一主机装置(未显示于图1)(例如，一个人计算机(personal computer，PC)或一移动装置)，以提供该主机装置进一步利用本发明所提供的光感应式感测装置的检测/识别结果，或提供该主机装置显示本发明所提供的光感应式感测装置的检测/识别结果。
上述各电路元件的功能是说明如下。可见光感测器101用以接收环境中的可见光，以及红外光感测器102用以接收自多个红外线发光二极管IR_LED1～IR_LEDn发射且经由一对象反射的红外光。值得注意的是，红外光感测器102是对应于像素(pixel)0，而可见光感测器101是对应于像素1。放大器103将所感测的光线转换为模拟信号，接着再通过增益选择来放大所转换的模拟信号。自动增益控制电路104根据所感测的光线的照度(luminance)来调整放大器103的积分时间及增益，并据以作为感测操作的设定。于此实施例中，光感应式感测装置100至少包含一模拟数字转换器(例如，模拟数字转换器105)以将模拟信号转换为数字信号，此外，所转换的数字信号可分别被传送至数字滤波器106(进行滤波处理)与多工器107。多工器107可直接选取经滤波处理的信号(数字滤波器106的输出)或未经滤波处理的信号(模拟数字转换器105的输出)两者的其中之一，并将所选取的信号输出至数据寄存器114以储存之。时序控制器108用以控制整个光感应式感测装置100中所有的时序序列(timing sequence)。温度感测器109用以感测温度，而参考电压产生电路110用以提供一偏压(bias voltage)予光感应式感测装置100之中一部分的模拟电路。振荡器111为整个光感应式感测装置100的时钟信号源(clocksource)。红外线发光二极管112用以驱动n个红外线发光二极管(分别标示为IR_LED1～IR_LEDn)。控制寄存器113用以储存指令集(instruction set)，而数据寄存器114则是用来储存感测/识别结果的数据。内部集成电路接口115用以传输并接收来自于一主机装置(例如，个人计算机或移动装置)的指令与数据，因此，内部集成电路接口115可分别作为与外部序列时钟线SCL以及序列数据线SDA进行数据传输的接口。中断接口116用以中断该主机装置正在执行的操作，并通知该主机装置光感应式感测装置100的操作状态。另外，光感应式感测装置100所产生的光感测结果可提供给该主机装置做进一步的应用，或显示于该主机装置上。
为了分别实现环境光感测操作、近接感测操作、对象位置感测操作(objectposition detection sensing，OPDS)以及手势识别感测操作(gesture recognitionsensing，GRS)，本发明所提供的光感应式感测装置可提供不同的操作方式。在光感应式感测装置100用于执行环境光感测操作的情形下，其可采用可见光感测器101以感测环境中可见光的照度。在光感应式感测装置100用于执行近接感测操作的情形下，其可驱动至少一红外线发光二极管以发射红外光，而所发射的红外光接着会被一对象所反射并由红外光感测器102所接收，以计算该对象的近接感测结果。在光感应式感测装置100用于执行对象位置感测操作的情形下，其可驱动排列于一平面(例如，X－Y二维平面(two-dimensional plane))上的n个红外线发光二极管(例如，多个红外线发光二极管IR_LED1～IR_LEDn)相继地(sequentially)发射红外光，而相继发射的红外光接着会被一对象反射，且由红外光感测器102于不同的时间点所接收，因此该主机装置便可利用不同时间点所感测的红外光来得到该对象于该平面上所对应的位置。相似地，在光感应式感测装置100用于执行手势识别感测操作的情形下，其可驱动排列于一空间(例如，N维空间(N-dimensional space))中的n个红外线发光二极管(例如，多个红外线发光二极管IR_LED1～IR_LEDn)相继地发射红外光，而相继发射的红外光接着会被一对象反射，且由红外光感测器102于不同的时间点所接收，因此该主机装置便可利用不同时间点所感测的红外光来得到该对象于该空间中所对应的位置，并据以决定该对象的动作(例如，手势动作)。值得注意的是，由于可见光感测器101是对应于像素1，以及红外光感测器102是对应于像素0，因此，环境光感测操作会需要一并搭配像素0与像素1，然而，近接感测操作、对象位置感测操作以及手势识别感测操作仅需要搭配像素0即可完成操作。进一步的说明如下。
请参阅图2，其为本发明光感应式感测装置的操作方法的一实施例的流程图。于步骤201中，可选择该光感应式感测装置的操作模式(例如，一环境光感测模式、一近接感测模式、一对象位置感测模式/手势识别感测模式)。于步骤202中，可对一数字滤波器进行设定。于步骤203中，可判断是否有选取该环境光感测模式，若是，则执行步骤204以进行一环境光感测操作；反之，则执行步骤205以判断是否有选取该近接感测模式。于步骤205中，若判断出有选取该近接感测模式，则执行步骤206以进行一近接感测操作；反之，则执行步骤207以进行一对象位置感测操作/手势识别感测操作。在根据所选取的感测模式来完成欲执行的该环境光感测操作、该近接感测操作，或该对象位置感测操作/手势识别感测操作之后，结束感测操作流程。
请连同图1来参阅图3。图3为本发明光感应式感测装置的环境光感测操作的方法的一实施例的流程图，其中该方法可应用于图1所示的光感应式感测装置100。于步骤301中，可藉由像素0与像素1来进行光检测操作。于步骤302中，利用放大器103及/或自动增益控制电路104来放大像素0与像素1所产生的检测信号，且所产生的检测信号可被转换为电压信号，其中转换前后的信号放大是依据积分时间与增益来决定之。于步骤303中，模拟数字转换器105可将像素0的模拟信号(亦即，电压信号)转换为数字信号，以及将像素1的模拟信号(亦即，电压信号)转换为数字信号。于步骤304中，可将像素0与像素1所分别对应的数据(亦即，所转换的数字信号)输出至数据寄存器114。于步骤305中，该主机装置可经由内部集成电路接口115来读取并显示数据寄存器114所储存的数据。
请连同图1来参阅图4。图4为本发明光感应式感测装置的近接感测操作的方法的一实施例的流程图，其中该方法可应用于图1所示的光感应式感测装置100。于步骤401中，可选取n个红外线发光二极管IR_LED1～IR_LEDn之中的至少一红外线发光二极管，并驱动所选取的红外线发光二极管同时发射红外光。于步骤402中，于所选取的红外线发光二极管处于启动(on)状态之下，对像素0进行光检测操作。于步骤403中，于所选取的红外线发光二极管处于关闭(off)状态之下，对像素0进行光检测操作。于步骤404中，利用放大器103及/或自动增益控制电路104来放大像素0所产生的检测信号，且所产生的检测信号可被转换为电压信号，其中转换前后的信号放大是依据积分时间与增益来决定之。于步骤405中，模拟数字转换器105可将像素0的模拟信号(亦即，电压信号)转换为数字信号。于步骤406中，可将像素0所对应的数据(亦即，所转换的数字信号)输出至数据寄存器114。于步骤407中，该主机装置可经由内部集成电路接口115来读取并显示数据寄存器114所储存的数据。
请连同图1来参阅图5。图5为本发明光感应式感测装置的对象位置感测操作/手势识别感测操作的方法的一实施例的流程图，其中该方法可应用于图1所示的光感应式感测装置100。对象位置感测/手势识别感测的操作流程是相似于上述的近接感测的操作流程，而两者之间主要的差别仅在于各红外线发光二极管是相继地发射红外光。由图5可知，于步骤501中，可驱动各红外线发光二极管以相继地发射红外光，并针对每一红外线发光二极管执行以下步骤。
于步骤502中，在所选取的红外线发光二极管处于启动状态之下，对像素0进行光检测操作。于步骤503中，在所选取的红外线发光二极管处于关闭状态之下，对像素0进行光检测操作。于步骤504中，利用放大器103及/或自动增益控制电路104来放大像素0所产生的检测信号，而所产生的检测信号可被转换为电压信号，其中转换前后的信号放大是依据积分时间与增益来决定之。于步骤505中，模拟数字转换器105可将像素0的模拟信号(亦即，电压信号)转换为数字信号。于步骤506中，可将像素0所对应的数据(亦即，所转换的数字信号)输出至数据寄存器114。于步骤507中，该主机装置可经由内部集成电路接口115来读取并显示数据寄存器114所储存的数据。于步骤508中，判断是否所有的红外线发光二极管均已完成上述操作。若是，则结束感测操作流程；反之，回到步骤502。
值得注意的是，于上述环境光感测、近接感测以及对象位置感测/手势识别感测的操作流程中，所感测的结果会写入数据寄存器中，此外，可传送一中断指令给主机装置，以使主机装置可经由序列数据线来读取数据寄存器的数据。本发明所提供的光感应式感测装置另可定义门坎值(threshold)，并且只有在感测结果超过所定义的门坎值时，才会将中断指令传送给主机。另外，本领域技术人员应可了解，本发明所提供的感测操作方法可应用于不同的硬件架构，换言之，本发明所提供的光感应式感测装置可以是感测器、感测集成电路(sensor integrated circuit，sensor IC)或感测模块。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (12)

1.一种光感应式感测装置，其用于一环境光感测操作、一近接感测操作、一对象位置感测操作以及一手势识别感测操作，该光感应式感测装置包含：
一可见光感测器，具有一第一像素，用以感测光线以产生一第一检测信号；
一红外光感测器，具有一第二像素，用以感测光线以产生一第二检测信号；
n个红外线发光二极管，其中n为正整数；
多个红外线发光二极管驱动器，耦接于该n个红外线发光二极管，用以驱动n个红外线发光二极管；以及
一控制电路，耦接于该可见光感测器、该红外光感测器以及该红外线发光二极管驱动器，其中该控制电路用以控制该可见光感测器、该红外光感测器以及该多个红外线发光二极管驱动器的操作，以执行一感测操作。
2.根据权利要求1所述的光感应式感测装置，其中该红外光感测器所感测的光线包含由该n个红外线发光二极管所发射的光线被反射后的红外光。
3.根据权利要求1所述的光感应式感测装置，其中在该光感应式感测装置应用于该环境光感测操作的情形下，该控制电路会控制该多个红外线发光二极管驱动器关闭该n个红外线发光二极管，以及该控制电路会致能该可见光感测器与该红外光感测器以藉由该第一像素与该第二像素来进行该环境光感测操作。
4.根据权利要求1所述的光感应式感测装置，其中在该光感应式感测装置应用于该近接感测操作、该对象位置感测操作以及该手势识别感测操作其中之一感测操作的情形下，该控制电路只会致能该红外光感测器以藉由该第二像素来进行该感测操作。
5.根据权利要求1所述的光感应式感测装置，其中在该光感应式感测装置应用于该近接感测操作的情形下，该控制电路会控制该多个红外线发光二极管驱动器激活该n个红外线发光二极管的至少其一，其中当有多个红外线发光二极管被启动时，所启动的该多个红外线发光二极管会同时发光。
6.根据权利要求1所述的光感应式感测装置，其中在该光感应式感测装置应用于该对象位置感测操作的情形下，该n个红外线发光二极管是排列于一二维平面上，以及该控制电路会控制该多个红外线发光二极管驱动器启动该n个红外线发光二极管，以致使所启动的红外线发光二极管会相继地发光。
7.根据权利要求1所述的光感应式感测装置，其中在该光感应式感测装置应用于该手势感测操作的情形下，该n个红外线发光二极管是排列于一空间，该控制电路会控制该多个红外线发光二极管驱动器启动该n个红外线发光二极管以致使所启动的红外线发光二极管会相继地发光，以及该红外光感测器根据各红外线发光二极管的发光时间点来产生该第二检测信号。
8.根据权利要求1所述的光感应式感测装置，其中该控制电路包含：
一时序控制器，耦接于该多个红外线发光二极管驱动器，用以控制该多个红外线发光二极管驱动器启动该n个红外线发光二极管的时序序列。
9.根据权利要求1所述的光感应式感测装置，其中该光感应式感测装置还包含：
一放大器，耦接于该可见光感测器、该红外光感测器与该控制电路，用以根据一积分时间与一增益来将该第一检测信号与该第二检测信号的至少其一转换为一电压信号，其中转换前后的信号放大是依据该积分时间与该增益来决定之；以及
一模拟数字转换器，耦接于该放大器以及该控制电路，用以将该电压信号转换为一数字信号。
10.根据权利要求9所述的光感应式感测装置，其中该光感应式感测装置还包含：
一自动增益控制电路，耦接于该放大器、该模拟数字转换器与该控制电路；
其中该放大器是连同该自动增益控制电路来根据该积分时间与该增益将该第一检测信号与该第二检测信号的至少其一转换为该电压信号。
11.根据权利要求10所述的光感应式感测装置，其中该控制电路包含：
一时序控制器，耦接于该自动增益控制电路，用以控制该自动增益控制电路的操作时序。
12.根据权利要求1所述的光感应式感测装置，其中该光感应式感测装置还定义一门坎值，并只有在该第一检测信号或该第二检测信号超过所定义的该门坎值时，才会将一中断指令传送给一主机。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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