CN103675829A - 用于传感器系统的虚拟检测器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于传感器系统的虚拟检测器。具体公开了一种接近度和光感测装置，其包括具有位于基板上的光发射器和沿光发射器的与基板相对的一侧定位的光学元件的发光隔间。该装置还包括包含位于基板上的光检测器和沿光检测器的与基板相对的一侧定位的光学元件的光接收隔间。中间壁沿大致与基板垂直的方向延伸且位于发光隔间与光接收隔间之间。该装置还包括位于中间壁的面向光接收隔间的一侧的反射元件，反射元件能够将轴外光束反射到光检测器上，以在光检测器上形成否则在反射器后面形成的虚像的实像。还描述其它的实施例。

Description

用于传感器系统的虚拟检测器

技术领域

本发明的实施例针对具有更大的传感器视角的光和接近度感测装置。还描述其它的实施例并要求它们的权利。

背景技术

诸如Apple Inc.的

多功能装置的便携式手持电子装置在其前面上具有触摸屏，在该前面上有用于电话的听筒扬声器或接收器。当装置在电话呼叫中保持抵靠在用户的耳朵上时，接近度检测器通过使用内置于装置中的红外传感器自动感测该条件，并且基于此关断装置的触摸敏感显示屏。接近度检测器还可自动感测装置然后在什么时候离开用户的耳朵，在这种离开的情况下，触摸屏被重新激活。通过测量红外传感器的发射器和互补检测器的信号实现这一点，这里，发射器传送被附近的对象（例如，用户的头）反射并被检测器拾取的红外信号。较强的接收信号可被检测器解释为意味着对象较近，而较弱的接收信号意味着对象较远。

在许多情况下，接近度传感器与感测环境可见光强度的环境光传感器（ALS）组合。环境光检测器处理使用所感测的可见光强度以例如调整触摸屏显示照明。ALS应具有比接近度传感器大的视场（FOV），使得来自所有不同方向的光可被检测。但是，当接近度感测装置和ALS装置被非常近地封装在一起时，ALS的视场可能必须限于接近度感测装置的视场。

发明内容

本发明的实施例针对具有更大的视场的光和接近度感测装置。接近度和光感测装置可包括具有位于基板上的光发射器和沿光发射器的与基板相对的一侧定位的光学元件的发光隔间。还可设置包含位于基板上的光检测器和沿光检测器的与基板相对的一侧定位的与通向检测器的光路对准的光学元件的光接收隔间。中间壁沿基本上与基板垂直的方向延伸，并且位于发光隔间与光接收隔间之间以防止发射器与检测器之间的串话。

为了增加视场，该装置还包含反射元件。反射元件可位于中间壁的面向光接收隔间的一侧。反射元件可以是能够将轴外光束反射到光检测器上以在光检测器上形成否则在反射器后面形成的虚像的实像的镜面反射器。

以上的发明内容不包括本发明的所有方面的详尽的列表。可以设想，本发明包含可从以上概述的各种方面的所有适当的组合实施的所有系统和方法以及在以下的具体实施方式中公开并且在通过本申请提交的权利要求中具体指出的那些。这些组合具有没有在以上的发明内容中具体陈述的特定的优点。

附图说明

在类似的附图标记表示类似的要素的附图中，作为例子而不是限制示出实施例。应当注意，在本公开中提到的“一种”或“一个”实施例未必指的是同一实施例，并且，它们意味着至少一个。

图1A是感测装置的一个实施例的断面侧视图。

图1B是图1A的感测装置的一个方面的断面侧视图。

图2是感测装置的一个实施例的虚拟检测方面的断面侧视图。

图3是具有更大的视角的感测装置的一个实施例的断面侧视图。

图4是其中可实现感测装置的实施例的手持装置的透视图。

图5是其中可实现感测装置的实施例的系统的框图。

具体实施方式

在本部分中，参照附图解释本发明的几个优选实施例。每当在实施例中描述的部分的形状、相对位置和其它方面没有被清楚限定时，本发明的范围不仅仅限于示出的部分，这些部分仅是出于解释的目的。并且，虽然大量的细节被阐述，但可以理解，可以在没有这些细节的情况下实施本发明的一些实施例。在其它的情况下，公知的结构和技术没有被详细示出以避免混淆本说明书的理解。

图1A是感测装置的一个实施例的断面侧视图。在一个实施例中，感测装置100可以是接近度和光感测装置。在这一方面，感测装置100可被用于检测物体到装置的接近度以及检测装置周围的环境光的强度。本实施例的一个实现可使用红外（IR）光的发射器和IR光的检测器以感测接近度（当感测来自发射器的IR光时）。检测器还可感测来自发射器以外的来源的光以提供ALS功能。例如，检测器可感测环境内的可见光的强度，这些可见光诸如来自太阳或其它室内/户外照明源（例如，灯泡）。基于感测的光的强度，在其中实现感测装置100的装置可改变其操作（例如，显示屏功能和/或照明）。虽然这里描述了接近度和光感测装置，但是，可以设想，在一些实施例中，装置100不一定必须具有两种功能。

在示出的实施例中，感测装置100包含发射器102和检测器104。发射器102可产生并发射例如上述的红外（IR）频带中的光。例如，发射器102可以是诸如发光二极管（LED）的半导体光源。检测器104可被配置为检测从发射器102以及感测装置100外面的周围环境发射的光的强度的变化。在这一方面，检测器104可用作环境光检测器以及接近度检测器。作为代表，检测器104可以是能够感测IR和环境光并将其转换成可然后通过在其中实现它的装置处理的电流或电压的光电二极管或其它类型的光电检测器。检测器104可以是单个检测器，或者可包含多于一个检测器，例如，被配置为检测环境光的一个检测器和被配置为检测IR光的另一检测器。

可在在基板112上形成的第一隔间106内在基板112的一部分内安装或形成发射器102。可在第二隔间108内在基板112的一部分内安装或形成检测器104。在一个实施例中，基板112是印刷电路板（PCB），该印刷电路板具有设置在其上面的印迹、导线接合焊盘和/或通路，以辅助发射器102和检测器104与在其中实现感测装置100的电子装置之间的电信号的传送。发射器102也可与接近度传感器电路144电气耦合，并且检测器102可与接近度传感器电路140和ALS电路142两者电气耦合。电路可以是允许与发射器102和/或检测器104相关的信号被电子装置使用以改变其操作（例如，关断显示屏）的信号处理电路。

第一和第二隔间106、108可在中间壁110的相对的两侧上形成。中间壁110从基板112延伸并且防止发射器102与检测器104之间的串话。串话指的是，来自发射器的杂散光被检测器检测，由此导致模仿真实接近度或物体检测信号的不希望的错误信号。因此，中间壁110可由能够阻挡来自检测器的发射器杂散信号的任意类型的材料制成，例如，由陶瓷、金属、聚酰亚胺或对IR光不透明的其它类似的材料制成。

感测装置100还可包含光学元件118和光学元件120。光学元件118、120可以是装配于在隔间106、108中的每一个的顶壁内形成的开口114、116内的透镜。光学元件118位于发射器102上，使得从发射器102发射的光通过光学元件118到达周围环境。光学元件120位于检测器104上，使得从附近物体反射出去的来自发射器102的光以及来自环境的环境光通过光学元件102到达检测器104。各光学元件118、120可被配置为沿希望的方向透镜和折射到来或出去的光。例如，在一些实施例中，光学元件118、120可以是可集中透射光并因此增加聚焦于附近的物体或检测器104上的光量的鼓形透镜。在接近度检测的情况下，这是特别有利的，因为这可增加接近度检测距离。但应理解，虽然这里公开了示例性的光学元件，但是这些特征是任选的，并且可在一些实施例中被省略。

在一些实施例中，窗口122还可位于发射器102和检测器104上。窗口122可由透明或半透明材料形成，使得它基本上不改变感测装置100的光学特性。窗口122可以是感测装置100的一部分，或者形成为在其中实现感测装置100的便携式电子装置的一部分。

返回感测装置100的光和接近度检测功能，在环境光传感器的情况下，希望传感器能够感测或检测来自所有不同方向的到来的光。换句话说，希望环境光传感器具有相对较大的视场（FOV）和视角。应当理解，这里，术语“视场”或“FOV”一般指的是可从检测器104的视点观看的区域。术语“视角”可被理解为指的是限定FOV的圆锥的角度。但是，接近度检测器不需要这种大的FOV。因此，当例如ALS集成于考虑较窄的FOV和视角而设计的现有的接近度传感器封装内时，可包含ALS的性能。并且，即使在被设计用于集成的ALS和接近度感测系统的封装的情况下，FOV和视角也会受到来的光束穿过的开口（例如，开口116）的尺寸限制，并且在一些情况下受相关的光学元件（例如，光学元件120）的尺寸限制。对于小型便携式装置来说，尤其如此，小型便携式装置诸如是其中感测装置100封装可被限制为例如约2.4mm×2.7mm平方印迹的蜂窝电话。另外，由于相对较小的封装尺寸，发射器102和检测器104被限制为具有不大于它们的各自的隔间尺寸的尺寸。

作为结果，关于光学元件120的光轴126离轴的轴外光束124处于检测器FOV外面并且通过光学元件120传送到中间壁110中。术语“轴外光束”或“轴外射束”意在表示关于光轴126形成角度（α）的一个或多个到来的光束。换句话说，它们不与光轴126平行。例如，在一个实施例中，轴外光束124关于光轴126形成至少20度的角度（α），例如，形成至少30度的角度（α）。轴外光束124可以是西侧轴外光束，意味着它们从西侧进入感测装置100（如图1A所示）。重要的是，特别是对于感测装置100的环境光感测功能，检测器104能够检测这些轴外光束124。感测装置100因此还包含能够向检测器104反射轴外光束124的反射元件128。

在一个实施例中，反射元件128沿中间壁110面向光学元件120和检测器104并且处于两者之间的部分被定位。反射元件128的反射表面130可以是基本上与基板112垂直定向的平坦、大致平面状的表面。在一个实施例中，反射表面130是能够产生到来的轴外光束124的镜面状反射的镜面反射器。镜面反射指的是表面将形成光束的光线的集中束反射为集中束的能力。这与光束的光线中的每一个沿许多不同的方向反射和漫射的漫反射相反。在一个示例性实施例中，由反射表面130实现的镜面反射的程度可表征为至少约80%在5度圆锥±2度内。换句话说，参照图1B可以更清楚地理解，入射光束132被反射表面130反射，以使得构成光束的反射或镜面光线134的至少80%，更优选至少90%，限制于5度圆锥±2度。

具有反射表面130的反射元件128可由能够实现上述镜面反射的任何材料制成。作为代表，在一个实施例中，反射元件128由被抛光（例如，化学抛光）以形成反射表面130的平坦金属件制成。金属件可插入模制到中间壁110中。作为替代方案，反射元件128可以是施加到中间壁110上以产生反射表面的反射涂层。反射涂层可以是例如诸如在制作反射镜时使用的银或铝材料。在另一实施例中，中间壁110自身可由金属材料制成并且其表面可被抛光以形成具有上述的能够镜面反射的平滑平坦的反射表面130的反射元件128。应当理解，未抛光的金属中间壁不能实现镜面反射，原因是，在没有抛光或其它的处理步骤的情况下，金属材料会漫射并且可吸收任何入射光。

作为反射表面130的镜面性的结果，在感测装置100内产生增加检测器104的FOV和视角使得影响接收器尺寸的虚拟检测器。特别地，如图2所示，轴外光束124当追踪到它们的收敛点时产生处于反射元件128后面的虚像202。轴外光束124因此处于检测器104的视角外面。但是，反射表面130通过产生虚像202到检测器104上的类似于镜子的反射来解决该问题。由于反射表面130在一些实施例中反射各轴外光束124的光能（即，光线）的至少80%，因此，检测器104检测到来的光束，如同它是处于反射元件128后面的虚像202。

通过比较没有反射元件128的情况下的检测器104的视角和具有反射元件128的视角，可以更好地理解检测器104的FOV和视角的增加。这种比较如图3所示。例如，如图3所示，检测器104具有由于例如选择提高接近度感测功能的光学元件120所导致的相对较窄的FOV302和视角304。例如，在一个实施例中，检测器视角304可关于光轴126处于约10度～约20度的范围内。换句话说，在没有反射元件128的情况下，检测器104不能感测或检测大于例如10度离轴的到来的光束。

反射元件128的添加形成比检测器视角304宽的第二视角306。在一些实施例中，反射元件视角306可大于10度离轴，例如，大于10度离轴，或者从约10度到约40度，更具体地，从约25度到约35度，或者30度。因此，在一个实施例中，可以说，反射元件128将检测器104的视角增加了10度或更大，如角度（β）所示。在这一方面，反射元件128允许检测器104检测离轴大于10或20度，例如30度的光束。

注意，由于反射元件128沿中间壁110定位，因此，视角关于西侧轴外光束（如图3所示的从西侧向着反射元件128的到来光束）增加。检测器104可检测任何东侧轴外光束（如图3所示的来自东侧的到来光束），如通过跨基板112的左侧部分增加检测器的尺寸（如图3所示），原因是在该区域中不存在限制检测器尺寸的中间壁。作为替代方案，在其中希望关于东侧轴外光束角度具有较大视角的实施例中，可向面向检测器104的相对的隔间壁添加具有与反射元件128类似的反射性能的反射元件。

现在转到图4，该图示出其中实现有感测装置100的便携式手持装置400的示例性实施例。在该示图中，近端用户在手中握持装置400。感测装置100可在开口402附近位于手持装置400的外壳内。开口402可在手持装置400的前面内形成，使得当用户将电话贴近脸部时它可感测到用户的接近。但是，可以设想，感测装置100可与在手持装置400的其它部分中（例如在装置400的底部、顶部或侧部内）形成的开口相关。在一个实施例中，开口402可在听筒接收器404和感测装置100内被关联。在其它的实施例中，开口402被配置为仅容纳感测装置100。

手持装置400可包含使得用户能够访问在显示屏406上示出的包括例如呼叫、文本消息、声音邮件、电子邮件、因特网、调度、照片和音乐的特征的各种能力。另外，手持装置400可包含麦克风408和扬声器410以允许对于装置400输入和/或输出音频信号。当用户例如在装置听筒模式中在呼叫中将手持装置400保持到他们的头部上时，听筒接收器扬声器404（可位于装置400的顶端部分上）可抵靠用户耳朵定位。在这种情况下，感测装置100位于用户的嘴的大致方向以接收从嘴发射的声音信号。装置100内的发射器104将例如IR光束从开口402发射出。光束然后从用户反射开，并且，基于光束的强度，手持装置400可确定用户的接近度，并且例如，当装置400被确定为接近用户的脸时，禁用触摸屏显示器406。另外，当感测装置100检测到相对较低的环境光强度水平时，显示照明可减少以例如节省电池电力。

应当理解，虽然在图4中示出诸如来自Cupertino，Calif.的AppleComputer，Inc.的

的手持装置，但是可在可受益于光和接近度感测装置的许多电子装置内实现感测装置100。例如，可在台式计算机、笔记本计算机或其它便携式计算装置内实现感测装置100。在又一些实施例中，可在诸如便携式音乐和/或视频媒体播放器、娱乐系统或个人数字助理（PDA）的数字媒体播放器，或通用计算机系统，或专用计算机系统，或另一装置内的嵌入装置，或不包含媒体播放器的蜂窝电话，或组合这些装置的方面或功能的装置（例如，在一个便携式装置中组合诸如

的媒体播放器与PDA、娱乐系统和蜂窝电话）内实现感测装置100。

图5示出了其中可实现感测装置100的装置500的实施例的框图。在示出的实施例中，装置500是无线通信装置。可在图4所示的装置内包含无线装置500，虽然手持装置400的替代性实施例可包含比无线装置500或多或少的部件。

无线装置500可包含天线系统502。无线装置500还可包含与天线系统502耦合以通过天线系统502传送和/或接收声音、数字数据和/或媒体信号的射频（RF）收发器504。

还可设置数字处理系统506以控制数字RF收发器和管理声音、数字数据和/或媒体信号。例如，数字处理系统506可以是通用处理装置，诸如微处理器和控制器。数字处理系统506也可以是专用处理装置，诸如ASIC（专用集成电路）、FPGA（场可编程门阵列）或DSP（数字信号处理器）。数字处理系统506还可包含与无线装置500的其它部件接口连接的其它装置。例如，数字处理系统506可包含与无线装置500的其它部件接口连接的模数和数模转换器。

还可在无线装置500中包含与数字处理系统耦合的存储装置508。存储装置508可存储用于无线装置500的数据和/或操作程序。存储装置508可以是例如任意类型的固态或磁存储装置。

还可设置与数字处理系统506耦合以接收用户输入（例如，电话号码、名字、地址、媒体选择等）或者向远端用户输出信息的一个或多个输入装置510。示例性的输入装置可以是例如键盘、触摸板、触摸屏、与显示装置组合的指示装置或类似输入装置中的一个或多个。

显示装置518可与数字处理系统506耦合以显示诸如消息、电话呼叫信息、联系信息、图片、电影和/或标题的信息，或通过输入装置510选择的媒体的其它指示。显示装置518可以是例如LCD显示装置。在一个实施例中，显示装置518和输入装置510可一起集成于同一装置（例如，触摸屏LCD，诸如与诸如LCD显示装置的显示装置一体化的多触摸输入面板）中。可以理解，无线装置500可包含多个显示器。

还可设置电池514以向包含数字RF收发器504、数字处理系统506、存储装置508、输入装置510、音频换能器516、接近度和ALS传感器522（例如，感测装置100）的系统的部件供给操作电力。电池514可以为例如可再充电或不可再充电的锂或镍金属氢化物电池。无线装置500还可包含可包含一个或多个扬声器、接收器和至少一个麦克风的音频换能器516。

接近度和ALS传感器522可与数字处理系统506耦合。接近度和ALS传感器522可包含例如光和/或接近度传感器（例如，感测装置100）、加速计、触摸输入面板、环境噪声传感器、温度传感器、陀螺仪、铰链检测器、位置确定装置、取向确定装置、移动传感器、声音传感器、射频电磁波传感器和其它类型的传感器和它们的组合中的一个或多个。基于通过接近度和ALS传感器522获取的数据，可自动地通过数字处理系统执行各种响应，诸如，例如，激活或减活背光518A、改变输入装置510的设定（例如，作为有意的用户输入，在处理或不处理来自输入装置的任何输入数据之间切换）和其它的响应和它们的组合。

更具体而言，接近度和ALS传感器522可包含提供与光有关的数据的一个或多个ALS或接近度传感器（例如，感测装置100）。可通过数字处理系统506分析数据以确定是否要调整无线装置500的一个或多个设定。可通过感测装置100的环境光传感器特征提供指示该传感器周围的光强度的水平的环境光水平数据。例如，可从设置在装置的不同位置上的两个或更多个环境光传感器获得环境光差分数据。例如，一个环境光传感器可处于装置的一侧，而另一环境光传感器可处于装置的另一侧。可通过比较来自装置的两个不同侧面或表面上的这两个环境光传感器的数据，确定光强度水平的差异。

存在光传感器的各种可能的用途。例如，光传感器可与接近度传感器一起使用，以确定装置什么时候被放在口袋中以导致装置仅被设定于振动模式或者设定于具有可听响铃的振动模式。在另一例子中，响应光传感器确定环境光非常低，并且可选地响应用户已将装置设为在环境光非常低时可见地照亮以表示电话呼入，装置可在较暗时自动被置于“光铃”模式，使得作为来自装置的可听铃声的替代，显示器可见地闪烁（例如，通过重复接通和关断背光）以指示电话呼入。光传感器的另一示例性用途包括使用它作为指示暗房间（或环境）变亮（例如，太阳升起或者通向暗房间的门被打开以使光进入房间）的报警。光传感器也可被用于在感测到较低的环境光水平时导致装置自动用作光源（例如，实际上，作为闪光灯）。

虽然在附图中描述和表示了某些实施例，但应理解，这些实施例仅是范围较宽的发明的示例而不是限制，并且，由于本领域技术人员可想到各种其它的修改，因此本发明不限于示出和描述的特定的构成和配置。例如，虽然这里描述了便携式手持装置，但是可以设想，可在包括但不限于台式计算机或电视机等的其它类型的装置中实现感测装置。因此，描述应被视为示例而不是限制。

Claims (20)

1.一种接近度和光感测装置，包括：

发光隔间，具有位于基板上的用于接近度感测的光发射器、和沿光发射器的与基板相对的一侧定位的光学元件；

光接收隔间，具有位于基板上的光检测器、和沿光检测器的与基板相对的一侧定位的光学元件；

沿基本上与基板垂直的方向延伸的中间壁，所述中间壁位于发光隔间与光接收隔间之间；和

位于中间壁的面向光接收隔间的一侧的反射元件，所述反射元件能够将轴外光束反射到光检测器上，以在光检测器上形成否则会在反射器后面形成的虚像的实像。

2.根据权利要求1的装置，其中，光检测器能够检测从发光器件发射的可见光和红外（IR）光。

3.根据权利要求1的装置，其中，反射元件具有大致平坦的反射表面。

4.根据权利要求1的装置，其中，反射元件是安装于中间壁上的大致平坦的模制金属件。

5.根据权利要求1的装置，其中，中间壁是金属结构，并且反射元件是该金属结构的化学抛光部分。

6.根据权利要求1的装置，其中，反射元件是镜面反射器。

7.根据权利要求1的装置，其中，反射元件能够在5度的圆锥内镜面反射轴外光束的至少80%。

8.根据权利要求1的装置，其中，轴外光束关于光学元件的光轴离轴至少30度。

9.一种接近度和光感测装置，包括：

位于基板上的光发射器；

位于基板上的光检测器，光检测器被配置为检测来自光发射器和该光发射器以外的源的光束；和

位于光发射器与光检测器之间的反射器，所述反射器具有大致与基板表面垂直并且面向检测器的大致平坦的反射表面，反射表面能够向光检测器镜面反射轴外光束。

10.根据权利要求9的装置，其中，光发射器以外的所述源是能够发射可见光的环境光源。

11.根据权利要求9的装置，还包括：

光学元件，沿光检测器的与基板相对的一侧定位，用于向光检测器传送光束。

12.根据权利要求9的装置，其中，光发射器和光检测器在反射器的相对侧容纳于单独的隔间中。

13.根据权利要求9的装置，其中，反射表面由抛光的金属材料制成。

14.根据权利要求11的装置，其中，轴外光束在20度～30度的范围内关于光学元件的光轴离轴。

15.根据权利要求11的装置，其中，反射表面能够向着光检测器镜面反射轴外光束的能量的至少80%。

16.一种接近度和光感测装置，包括：

光检测器件，包含光检测器和被配置为限定第一视角并向光检测器传送第一视角内的到来光束的光学元件；和

位于光检测器与光学元件之间的大致平坦的反射器，所述大致平坦的反射器限定比第一视角宽的第二视角，并将第一视角外面的到来光束反射到光检测器上。

17.根据权利要求16的装置，还包括：

发光器件，包含光发射器和光学元件，其中，发光器件通过中间壁与光检测器件分开，并且反射器沿着中间壁定位。

18.根据权利要求17的装置，其中，光检测器能够检测环境光和从光发射器发射的光。

19.根据权利要求16的装置，其中，第二视角具有比第一视角大至少10度的视角。

20.根据权利要求16的装置，其中，第二视角允许光检测器检测关于光学元件的光轴离轴至少30度的轴外光束。

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