CN103995581A - 光学感测装置以及图像感测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光学感测装置以及图像感测装置，其中该光学感测装置包含红外光产生元件、N个第一检测元件、第二检测元件与处理电路。该N个第一检测元件用以检测红外光，且分别检测不同的N个可见光波段。该第二检测元件用以检测红外光，并与可见光隔离。于第一感测模式，该处理电路依据该N个第一检测元件所产生的N个第一检测信号以及该第二检测元件所产生的参考信号来得到色彩信息。于第二感测模式，该N个第一检测元件与该第二检测元件于该红外光产生元件开启时产生(N+1)个第二检测信号、于关闭时产生(N+1)个第三检测信号；该处理电路依据该(N+1)个第二、第三检测信号来识别手势信息。

Description

光学感测装置以及图像感测装置
技术领域
本发明是关于光学感测，尤指一种将多种功能集成于同一检测元件的光学感测装置。
背景技术
由于移动装置的使用者界面不断地进步，使用者可享有更友善的操控体验。光学传感器为移动装置主要的元件之一，其可提供环境光感测与近接感测的功能。然而，为了有较佳的显示重现与色彩平衡(例如，红色、绿色与蓝色的权重)，移动装置也会需要环境色彩或色彩温度感测的功能。
另外，现今的移动装置的触控屏幕还具有非接触式手势识别功能，因此，使用者于驾驶车辆、手拿着食物或手持维修工具时，仍可与移动装置进行互动。然而，这些附加的功能会增加生产成本或需要额外的空间，而成本与空间的增加对于移动装置来说均是不乐见的。
因此，需要一种整合多种功能且具有低生产成本的感测机制来解决上述问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种将多种功能整合于同一检测元件的光学感测装置，来解决上述问题。
本发明的另一目的在于提供一种将多种功能整合于同一检测元件的图像感测装置，以实现具有色彩感测、环境光感测、手势识别、近接感测、图像感测与深度信息感测的三维图像感测装置。
依据本发明的一实施例，其揭示一种光学感测装置。该光学感测装置包含一红外光产生元件、N个第一检测元件、一第二检测元件以及一处理电路，其中N为正整数。每一第一检测元件用以检测红外光以及可见光，该N个第一检测元件分别检测不同的N个可见光波段。该第二检测元件用以检测红外光，其中该第二检测元件是与可见光隔离。该处理电路耦接于该N个第一检测元件与该第二检测元件。于一第一感测模式中，该N个第一检测元件因应来自于一对象的光线来产生N个第一检测信号，该第二检测元件因应来自于该对象的光线来产生一参考信号，以及该处理电路依据该N个第一检测信号以及该参考信号来得到该对象的一色彩信息。于一第二感测模式中，该N个第一检测元件与该第二检测元件于该红外光产生元件开启时检测反射自该对象的光线以产生(N+1)个第二检测信号，并于该红外光产生元件关闭时检测反射自该对象的光线以产生(N+1)个第三检测信号，以及该处理电路依据该(N+1)个第二检测信号与该(N+1)个第三检测信号来识别该对象的一手势信息。
依据本发明的一实施例，其揭示一种图像感测装置。该图像感测装置包含一红外光产生元件、多个主像素以及一处理电路，其中N为正整数。每一主像素包含N个第一子像素以及一第二子像素。每一第一子像素用以检测红外光以及可见光，该N个第一子像素分别检测不同的N个可见光波段。该第二子像素用以检测红外光，其中该第二子像素是与可见光隔离。该处理电路耦接于该多个主像素。于一第一感测模式中，每一主像素的该N个第一子像素因应来自于一对象的光线来产生N个第一检测信号，每一主像素的该第二子像素因应来自于该对象的光线来产生一参考信号，以及该处理电路依据每一主像素的该N个第一检测信号以及相对应的参考信号来得到该对象的一图像信息。于一第二感测模式中，每一主像素于该红外光产生元件开启时检测反射自该对象的光线以产生一第二检测信号，并于该红外光产生元件关闭时检测反射自该对象的光线以产生一第三检测信号，以及该处理电路依据每一主像素的该第二检测信号与相对应的该第三检测信号来得到该对象的一深度信息。
本发明所提供的光学感测装置/图像感测装置可广泛应用于各种电子装置(例如，移动装置、笔记本型计算机及/或一体成型计算机)。本发明所提供的光学感测机制可以只采用四个检测元件来实现环境光感测、近接感测、色彩感测与手势感测的功能，故可大幅减少生产成本。本发明所提供的光学感测机制另可应用于像素阵列，以实现多功能的三维图像感测装置。
附图说明
图1为本发明光学感测装置的一实施例的示意图。
图2为本发明光学感测装置的另一实施例的示意图。
图3为图2所示的多个光检测器与相对应的像素布局的一实作范例的示意图。
图4为本发明多个光检测器与相对应的像素布局的一实作范例的示意图。
图5为本发明多个光检测器与相对应的像素布局的另一实作范例的示意图。
图6为本发明光学感测装置的一实施例的功能方块示意图。
图7为图6所示的多个检测元件的一实作范例的示意图。
图8为图6所示的多个检测元件的另一实作范例的示意图。
图9为图6所示的N个第一检测元件与第二检测元件的元件架构的一实施例的截面图。
图10为图9所示的多个滤光片的入射光波长与穿透率之间的关系的一实作范例的示意图。
图11为图9所示的多个光检测器的入射光波长与穿透率之间的关系的一实作范例的示意图。
图12为图9所示的多个像素的入射光波长与穿透率之间的关系的一实作范例的示意图。
图13为图6所示的N个第一检测元件与第二检测元件的元件架构的另一实施例的截面图。
图14为图13所示的涂布层的入射光波长与穿透率之间的关系的一实作范例的示意图。
图15为图13所示的涂布层的入射光波长与穿透率之间的关系的另一实作范例的示意图。
图16为图9所示的多个像素的入射光波长与穿透率之间的关系的一实作范例的示意图。
图17为图9所示的多个像素的入射光波长与穿透率之间的关系的另一实作范例的示意图。
图18为图8所示的多个像素于手势识别模式中检测信号强度与时间的关系图。
图19为本发明图像感测装置的一实施例的功能方块示意图。
图20为图像感测装置操作于不同感测模式下像素布局的一实作范例的示意图。
[标号说明]
具体实施方式
本发明所提供的光学感测机制可将多个检测元件(例如，光检测器/像素)整合于单一光学感测装置，并且利用色彩光谱涂布(及/或滤光片设计)与相关的算法来实作出具有双重功能的检测元件，进一步减少所需的检测元件个数。为了便于理解本发明的技术特征，以下先以整合多个检测元件的实作范例来说明之。
请参阅图1，其为本发明光学感测装置的一实施例的示意图。于此实施例中，光学感测装置100可包含多个检测元件以实现色彩感测功能，其中该多个检测元件可包含多个光检测器DI、DG、DR与DB。多个光检测器DI、DG、DR与DB可分别为红外光感测像素的至少一部分、绿光感测像素的至少一部分、红光感测像素的至少一部分以及蓝光感测像素的至少一部分(感测像素未绘示于图1中)，并可分别用来检测红外光、绿光、红光以及蓝光。光学感测装置100还可包含一处理电路110以及一控制电路120。处理电路110可用来对多个光检测器DI、DG、DR与DB所产生的检测信号(例如，电信号)进行处理，以得到环境/对象的色彩信息。控制电路120则可用来控制感测像素的感测操作以及处理电路110的信号处理操作。
由于光学感测装置100可利用光检测器DI来检测环境中的红外光来得到/判断环境中的光源信息，故可进一步提升色彩感测的准确性。举例来说，当处理电路110依据光检测器DI所产生的检测信号而得到环境中的光源信息时，处理电路110还可依据所得到的光源信息来调整多个光检测器DG、DR与DB所得到的检测信号，以获得更接近真实的色彩信息。
实作上，处理电路110可包含(但不限于)一相关双取样电路(correlateddouble sampling circuit，CDS)112、一模拟数字转换器(analog-to-digitalconverter，ADC)113、一数字信号处理电路(digital signal processing circuit，DSP)114、一内部集成电路接口(inter-integrated circuit interface，I2Cinterface)115以及一数据暂存器116。相关双取样电路112可将多个光检测器DI、DG、DR与DB所产生的检测信号进行取样操作，模拟数字转换器113可对相关双取样电路112的取样结果进行模拟数字转换，数字信号处理电路114则可对模拟数字转换器113的转换结果进行后续数字处理，而数据暂存器116可用来储存处理后的数据。内部集成电路接口115则可用于芯片之间的通讯与数据传输，并可耦接于对应于串行时钟线(serial clock line，SCL)(未绘示于图1中)的焊垫(pad)SCL以及对应于串行数据线(serial data line，SDA)(未绘示于图1中)的焊垫SDA。由于本领域技术人员应可了解处理电路110之中各电路元件的操作细节，故进一步的说明在此便不再赘述。
于此实施例中，控制电路120可包含(但不限于)一控制暂存器122、参考电压产生电路(reference voltage generation circuit)123、一红外线发光二极管驱动器(infrared lightemitting diode driver)124(标示为「IR驱动器」)、一振荡器125、一启动重置电路(power-on reset，POR)126以及一中断电路127。红外线发光二极管驱动器124可经由焊垫IR_LED来控制一红外线发光二极管(未绘示于图1中)，以及中断电路127可自焊垫INTB接收一中断信号(未绘示于图1中)。焊垫VDD则是耦接于一供应电源(未绘示于图1中)，而焊垫GND耦接于一接地电压(未绘示于图1中)。由于本领域技术人员应可了解控制电路120之中各电路元件的操作细节，故进一步的说明在此便不再赘述。
请参阅图2，其为本发明光学感测装置的另一实施例的示意图。于此实施例中，光学感测装置200可包含多个检测元件以整合近接感测、环境光检测以及手势识别的功能，其中该多个检测元件可包含图1所示的光检测器DI以及多个光检测器DA、DGI0、DGI1、DGI2与DGI3。光学感测装置200还可包含一红外线发光二极管IRE、一处理电路210、一控制电路220以及一温度感测器230。红外线发光二极管IRE可用来发射红外光，因此，于红外线发光二极管IRE开启时，光检测器DA便可检测反射自一对象(位于光学感测装置200的周遭；未绘示于图2中)的红外光，并据以产生一检测信号至处理电路210以供近接感测之用。
光检测器DA可为环境光感测像素(未绘示于图2中)的至少一部分，用来检测环境光强度，并据以产生一检测信号至处理电路210以供环境光检测之用。多个光检测器DGI0、DGI1、DGI2与DGI3可于红外线发光二极管IRE开启时检测反射自该对象的红外光，并据以产生多个检测信号至处理电路210以供手势识别之用。于一实作范例中，多个光检测器DGI0、DGI1、DGI2与DGI3可设置为一2乘2感测阵列(亦即，2乘2像素阵列)，因此，当处理电路210对该2乘2感测阵列所产生的检测信号进行处理时，由于多个光检测器DGI0、DGI1、DGI2与DGI3设置在不同的位置，处理电路210便可依据该2乘2感测阵列所产生的检测信号之间的相位差来识别手势。请连同图2来参阅图3。图3为图2所示的多个光检测器DI、DA、DGI0、DGI1、DGI2和DGI3与相对应的像素布局的一实作范例的示意图。由图3可知，多个光检测器DI、DA、DGI0、DGI1、DGI2和DGI3分别对应于多个像素PX0～PX5。像素PX2可检测红外光反射信号，并以环境中的红外光强度为参考基准来进行近接感测；像素PX3则可用来检测环境光强度。多个像素PX0、PX1、PX4与PX5可作为手势感测像素，其中控制电路220可同时致能多个像素PX0、PX1、PX4与PX5，而处理电路210可对多个像素PX0、PX1、PX4与PX5所产生的检测信号进行积分处理，因此，当该对象移动时(例如，使用者的手自像素PX0移动至像素PX4)，多个像素PX0、PX1、PX4与PX5所产生的检测信号会具有相位差(例如，各像素的信号强度极大值发生于不同的时间点，或各像素的信号波形与时间有不同的相关性)，而处理电路210便可据以识别该对象的手势信息。
请注意，图3所示的像素配置是仅供说明之需，并非用来作为本发明的限制，也就是说，多个像素PX0～PX5的布局并不限于以阵列来排列之。另外，处理电路210也可以依据上述的2乘2感测阵列(亦即，图3所示的多个像素PX0、PX1、PX4与PX5)所产生的检测信号来得到该对象的图像，进而识别该对象所对应的手势。值得注意的是，该2乘2感测阵列可具有相当高的帧率(frame rate)(例如，每秒100～2000帧)，因此，于积分处理期间所处理的检测信号会相当稳定，使用者几乎不会感受到图像/信号的跳动。
请参阅图2，处理电路210可包含(但不限于)一相关双取样电路212、一模拟数字转换器213、一数字信号处理电路214以及一内部集成电路接口215，其中内部集成电路接口215可耦接于对应于串行时钟线(未绘示于图2中)的焊垫SCL以及对应于串行数据线(未绘示于图2中)的焊垫SDA。另外，控制电路220可包含(但不限于)一控制暂存器222、参考电压产生电路223、一红外线发光二极管驱动器224、一振荡器225、一启动重置电路226以及一中断电路227。红外线发光二极管驱动器224可经由焊垫LEDK来控制红外线发光二极管IRE，其中红外线发光二极管IRE另耦接于焊垫LEDA。中断电路127可自焊垫INTB接收一中断信号(未绘示于图2中)。焊垫VDD则是耦接于一供应电源(未绘示于图2中)，焊垫GND耦接于一接地电压(未绘示于图2中)，而焊垫NC为不连接(not connected，NC)焊垫。由于本领域技术人员应可了解处理电路210以及控制电路220之中各电路元件的操作细节，故进一步的说明在此便不再赘述。
图2所示的感测功能的整合概念也可以应用于色彩感测。请参阅图4，其为本发明多个光检测器与相对应的像素布局的一实作范例的示意图。图4所示的像素布局是基于图3所示的像素布局，两者之间主要的差别在于手势感测像素是替换为色彩感测像素。具体来说，图4所示的像素布局包含图2所示的多个像素PX2与PX3；多个像素PX0’、PX1’与PX5’分别对应于图1所示的多个光检测器DG、DR与DB；以及像素PX4’系对应于用来产生一黑色参考电平的光检测器DK(亦即，像素PX4’可视为暗像素(dark/black pixel))。值得注意的是，由于光检测器DK可与可见光隔离(optically shielded)，故所产生的黑色参考电平可代表环境中的噪声。多个光检测器DG、DR与DB所产生的检测信号便可藉由扣除光检测器DK所产生的黑色参考电平来以提升色彩感测质量。简言之，多个像素PX0’～PX5’可采用图2所示的具有6个光检测器的感测架构，并整合了近接感测、环境光检测以及色彩感测的功能。
为了提供将近接感测、环境光检测、色彩感测以及手势识别功能整合于同一光学感测装置(或同一芯片)，可将图3与图4所示的像素布局整合之。请参阅图5，其为本发明多个光检测器与相对应的像素布局的另一实作范例的示意图。于此实作范例中，图5所示的像素布局包含图3所示的多个像素PX0～PX5以及图4所示的多个像素PX0’、PX1’、PX4’与PX5’，换言之，可利用10个像素(或光检测器)来实现近接感测、环境光检测、色彩感测以及手势识别功能。
如上所述，本发明另可采用利用色彩光谱涂布及/或滤光片设计来实作出具有双重功能的检测元件，进一步减少所需的检测元件个数。请参阅图6，其为本发明光学感测装置的一实施例的功能方块示意图。于此实施例中，光学感测装置600可包含(但不限于)一红外光产生元件602(例如，图2所示的红外线发光二极管IRE)、N个第一检测元件604_1～604_N、一第二检测元件606、一环境光检测元件607、一近接检测元件608、一处理电路610以及一控制电路620，其中N为正整数。每一第一检测元件与第二检测元件606均可用来检测红外光，此外，每一第一检测元件另可用来检测可见光，其中N个第一检测元件604_1～604_N可分别检测不同的N个可见光波段也就是说，也就是说，不同的第一检测元件可对不同的可见光波段产生响应。第二检测元件606则可与可见光光学隔离(optically shielded)(例如，暗像素)，也就是说，第二检测元件606不会对可见光产生响应，因此，第二检测元件606所产生的检测信号的信号成份可视为并非由可见光所引起的噪声干扰(例如，制程因素)。为了简洁起见，以下先说明采用具有双重功能的检测元件所实作的光学感测装置的操作细节，而上述的第一检测元件与第二检测元件的色彩光谱涂布以及滤光片设计的相关细节容后再叙。
环境光检测元件607可用来检测环境光以产生一环境光检测信号SA，而近接检测元件608可用来检测红外光(例如，红外光产生元件602所产生的红外光信号IRL经由对象OB反射而产生的红外光信号IRR)以产生一近接感测信号SP。
处理电路610耦接于N个第一检测元件604_1～604_N、第二检测元件606、环境光检测元件607以及近接检测元件608，用以对N个第一检测元件604_1～604_N、第二检测元件606、环境光检测元件607以及近接检测元件608所产生的检测信号进行处理以得到相关的感测信息。控制电路620则可用来控制红外光产生元件602的作动、N个第一检测元件604_1～604_N、第二检测元件606、环境光检测元件607与近接检测元件608的检测操作，以及处理电路610的信号处理操作。
值得注意的是，由于每一第一检测元件均可用来检测红外光与可见光(亦即，具有红外光通过波段与可见光通过波段)，故可具有多重感测功能。举例来说，于一第一感测模式中(例如，色彩感测模式)，N个第一检测元件604_1～604_N可因应来自于对象OB的光线VL来产生N个检测信号CS1～CSN，其中N个检测信号CS1～CSN可分别挟带不同的N个可见光波段的检测信息(例如，包含红光波段、绿光波段与蓝光波段的检测信息)，此外，第二检测元件606可因应光线VL来产生一检测信号CSK(亦即，几乎不会对可见光产生响应的一参考信号)，其中检测信号CSK可挟带非可见光引起的噪声信息。接下来，处理电路610便可依据N个检测信号CS1～CSN以及检测信号CSK来得到对象OB的色彩信息。
于一第二感测模式中(例如，手势识别模式)，N个第一检测元件604_1～604_N与第二检测元件606均可于红外光产生元件602开启时(亦即，发射红外光信号IRL)检测反射自对象OB的光线以产生(N+1)个检测信号GS1～GSN+1，其中(N+1)个检测信号GS1～GSN+1-主要是因应红外光信号IRR(对象OB反射红外光信号IRL所产生的反射信号)而产生。另外，N个第一检测元件604_1～604_N与第二检测元件606另于红外光产生元件602关闭时(亦即，未发射红外光)检测反射自对象OB的光线以产生(N+1)个检测信号GS1’～GSN+1’，其中(N+1)个检测信号GS1’～GSN+1’--可视为针对对象OB反射环境中红外光所产生的反射信号进行检测而得到的感测结果。接下来，处理电路610便可依据(N+1)个检测信号GS1～GSN+1与(N+1)个检测信号GS1’～GSN+1’--来识别对象OB的手势信息。
为了进一步了解本发明的技术特征，以下是以采用感测像素来实作图6所示的检测元件的实作方式来作为范例说明。然而，本领域技术人员应可了解本发明并不局限于此。请一并参阅图6与图7。图7为图6所示的多个检测元件的一实作范例的示意图。于此实作范例中，图6所示的N个第一检测元件604_1～604_N可由N个感测像素来实作之，其中该N个感测像素可包含像素P0、P1与P5(亦即，N大于或等于3)，以及多个像素P0、P1与P5可分别用来检测可见光之中的绿光波段、红光波段以及蓝光波段。另外，图6所示的第二检测元件606可由像素P4(例如，暗像素)来实作之，图6所示的环境光检测元件607可由像素P3来实作之，以及图6所示的近接检测元件608可由像素P2来实作之。
值得注意的是，由于多个像素P0～P5于不同的感测模式中可能有不同的感测用途，因此，图7的右半部绘示了于色彩感测模式下的像素布局，并标示出各像素于色彩感测模式下的感测用途，其中图7的右半部所示的多个像素P0～P5的像素布局可采用图4所示的像素布局；图7的左半部则绘示了于手势识别模式下的像素布局，并标示出各像素于手势识别模式下的感测用途，其中图7的左半部所示的多个像素P0～P5的像素布局可采用图3所示的像素布局。
具体来说，在光学感测装置600操作于色彩感测模式的情形下(亦即，如图7的右半部所示)，由于多个像素P0、P1与P5除了均可检测环境中的红外光之外，另可分别用来检测可见光之中的绿光波段、红光波段以及蓝光波段，因此，可将多个像素P0、P1与P5分别视为绿色像素(标示为「G」)、红色像素(标示为「R」)与蓝色像素(标示为「B」)。另外，像素P4仅对红外光有响应，因此，可将像素P4视为一暗像素(或黑像素)，并标示为「K」。像素P2与像素P3则可分别用于近接感测(标示为「IR」)与环境光检测(标示为「CLR」)。当多个像素P0、P1、P4与P5因应来自对象OB的光线而产生多个检测信号CSG、CSR、CSB与CSK时，处理电路610可依据多个检测信号CSG、CSR与CSB之中的每一检测信号与检测信号CSK之间的信号差来得到对象OB的色彩信息。举例来说，处理电路610可直接将检测信号CSG与检测信号CSK相减，除了消弭/减少检测信号CSG之中所挟带的红外光信息(来自于环境中)，并可消弭/减少环境中影响绿光波段的感测结果的噪声干扰。相似地，处理电路610可直接将检测信号CSR/CSB与检测信号CSK相减，以得到更准确的色彩信息。然而，此仅供说明之需，并非用来作为本发明的限制。于一设计变化中，处理电路610也可参照检测信号CSK来调整检测信号CSG/CSR/CSB，接着再对检测信号CSG/CSR/CSB进行处理以得到色彩信息。
在光学感测装置600操作于手势识别模式的情形下(亦即，如图7的左半部所示)，由于多个像素P0、P1、P4与P5均可用来检测红外光，因此，多个像素P0、P1、P4与P5可视为多个手势感测像素，并可分别标示为「GIR0」、「GIR1」、「GIR3」与「GIR2」。另外，像素P2与像素P3仍可分别用于近接感测(标示为「IR」)与环境光检测(标示为「CLR」)。当红外光产生元件602开启时，多个像素P0、P1、P4与P5可检测反射自对象OB的光线以产生多个检测信号GSG、GSR、GSK与GSB，以及当红外光产生元件602关闭时，多个像素P0、P1、P4与P5可检测反射自对象OB的光线以产生多个检测信号GSG’、GSR’、GSK’与GSB’。处理电路610便可依据多个像素P0、P1、P4与P5之中每一像素于红外光产生元件602开启时所产生的检测信号(例如，检测信号GSG/GSR/GSK/GSB)与红外光产生元件602关闭时所产生的检测信号(例如，检测信号GSG’/GSR’/GSK’/GSB’)两者之间的信号差来识别对象OB的手势信息。
举例来说，处理电路610可直接将检测信号GSG与检测信号GSG’相减，除了消弭像素P0所检测到的可见光信息(例如，红光感测结果)，并可消弭/减少环境中红外光对感测结果的影响。相似地，处理电路610可直接将检测信号GSR与检测信号GSR’相减、将检测信号GSK与检测信号GSK’相减，以及将检测信号GSB与检测信号GSB’相减，进而得到更准确的手势信息。然而，此仅供说明之需，并非用来作为本发明的限制。于一设计变化中，处理电路610也可参照检测信号GSG’/GSR’/GSK’/GSB’来调整检测信号GSG/GSR/GSK/GSB，接着再对检测信号GSG/GSR/GSK/GSB进行处理以得到手势信息。
除了应用于色彩感测与手势识别之外，本发明所提供的检测元件(感测像素)另可应用于其它感测用途。于一实作范例中，由于图6所示的N个第一检测元件604_1～604_N(或图7所示的多个像素P0、P1与P5)与第二检测元件606(或图7所示的多个像素P4)均可用来检测红外光，因此，N个第一检测元件604_1～604_N与第二检测元件606的其中之一另可用于近接感测，亦即，N个第一检测元件604_1～604_N与第二检测元件606之中的至少一第一检测元件可切换地用于近接感测。于另一实作范例中，由于环境光的频谱接近于绿光波段，因此，图6所示的N个第一检测元件604_1～604_N之中用来检测绿光波段的一检测元件另可用来检测环境光，也就是说，N个第一检测元件604_1～604_N之中的至少一第一检测元件可切换地检测绿光波段以及环境光。请参阅图8，其为图6所示的多个检测元件的另一实作范例的示意图。图8所示的像素布局是基于图7所示的像素布局，两者之间的主要差别在于图7所示的像素P2的近接感测功能是由图8所示的多个像素P0、P1、P4与P5的其中之一来取代之，以及图7所示的像素P3的环境光检测功能是由图8所示的像素P0来取代之。与前述实施例相仿的说明在此便不再赘述。
由上可知，本发明所提供具有多重感测功能的检测元件可减少所需的元件个数，举例来说，采用图6所示的光学感测装置600的架构以及图8所示的像素布局，仅需4个感测像素即可同时实现色彩感测、手势识别、环境光检测以及近接感测的功能。
以上仅供说明之需，并非用来作为本发明的限制。举例来说，图7/图8所示的像素P0、P1、P4与P5也可以分别由一青色像素、一品红色像素、一黄色像素与一黑色像素来实作之(亦即，印刷四原色)，其中该青色像素、该品红色像素、该黄色像素与该黑色像素均具有红外光检测能力。另外，图6所示的N个第一检测元件604_1～604_N的个数并不限于3个。于一实作范例中，本发明所提供的光学感测装置也可以仅包含图8所示的像素P0与像素P2，便可整合色彩感测(例如，仅对绿光进行感测)、手势识别(例如，可识别对象OB的移动方向)、环境光检测以及近接感测的功能于单一光学感测装置。于另一实作范例中，图6所示的N个第一检测元件604_1～604_N的个数也可以大于3个，以应用于图像感测之中。简言之，只要是利用可检测多个波段(同时涵盖红外光波段与可见光波段)的检测元件来实作出具有多功能感测的光学感测装置，均遵循本发明的发明精神。
为了说明采用利用色彩光谱涂布及/或滤光片设计来实作出具有双重功能的检测元件的相关细节，以下是以滤光片与光检测器的堆栈架构来作为范例说明，然而，本领域技术人员应可了解这并非用来作为本发明的限制。请参阅图9，其为图6所示的N个第一检测元件604_1～604_N与第二检测元件606的元件架构的一实施例的截面图。于此实施例中，N个第一检测元件604_1～604_N是由图7/图8所示的多个像素P0、P1与P5来实作之(亦即，N等于3)，以及第二检测元件606是由图7/图8所示的多个像素P4来实作之。由图9可知，光学感测装置600另可包含一基板902，其可用于设置检测元件及/或其它电路元件。像素P0可包含一光检测器912_G以及一滤光片916_G，像素P1可包含一光检测器912_R以及一滤光片916_R，像素P5可包含一光检测器912_B以及一滤光片916_B，以及像素P4可包含一光检测器912_K以及一滤光片916_K。光检测器912_G、912_R、912_B与912_K均设置于基板902上，而滤光片916_G、916_R、916_B与916_K分别对应光检测器912_G、912_R、912_B与912_K来设置，其中各光检测器与相对应的滤光片之间可沉积一介电层922。
值得注意的是，本发明所提供的滤光片可同时具有可见光与红外光检测能力。举例来说，本发明所提供的滤光片可由薄膜滤光片来实作之(但本发明并不局限于此)，故可藉由薄膜材料的调整来实作出同时具有可见光与红外光检测能力的滤光片。请参阅图10，其为图9所示的多个滤光片916_G、916_R、916_B与916_K的入射光波长与穿透率之间的关系的一实作范例的示意图。于此实作范例中，滤光片916_G的通过波段(例如，穿透率大于一预定值)仅包含绿光波段以及红外光波段；滤光片916_R的通过波段仅包含红光波段以及红外光波段；滤光片916_B的通过波段仅包含蓝光波段以及红外光波段；以及滤光片916_K的通过波段仅包含红外光波段。
由于图9所示的光检测器912_G/912_R/912_B/912_K光检测器是经由相对应的滤光片来进行光检测操作，因此，图9所示的多个像素P0、P1、P4与P5的感测频谱可依据各像素相对应的光检测器感测频谱与相对应的滤光片感测频谱来决定之。请连同图10来参阅图11与图12。图11为图9所示的多个光检测器912_G、912_R、912_B与912_K的入射光波长与穿透率之间的关系的一实作范例的示意图，以及图12为图9所示的多个像素P0、P1、P4与P5的入射光波长与穿透率之间的关系的一实作范例的示意图，其中每一像素的感测频谱是依据图11所示的光检测器感测频谱与图10所示的滤光片感测频谱来决定。为了简洁起见，是假设多个光检测器912_G、912_R、912_B与912_K均具有大致相同的感测频谱，然而，这并非用来作为本发明的限制。由图10与图12可知，滤光片916_G的通过波段仅包含像素P0所对应的可见光波段(亦即，绿光波段)以及红外光波段；滤光片916_R的通过波段仅包含像素P1所对应的可见光波段(亦即，红光波段)以及红外光波段；滤光片916_B的通过波段仅包含像素P5所对应的可见光波段(亦即，蓝光波段)以及红外光波段；以及滤光片916_K的通过波段仅包含像素P4所对应的红外光波段。
另外，由图11可知，各光检测器的感测频谱具有较广的检测波段，故可应用于环境光检测，换言之，图2所示的光检测器DA、图6所示的环境光检测元件607以及图7所示的像素P3均可采用具有图11所示的感测频谱的光检测器来实作之。于另一实作范例中，光检测器912_G/912_R/912_B/912_K也可以搭配高透光率的滤光片来实作出环境光检测元件。
图9所示的元件架构另可包含一涂布层以进一步提升感测质量。请参阅图13，其为图6所示的N个第一检测元件604_1～604_N与第二检测元件606的元件架构的另一实施例的截面图。图13所示的元件架构是基于图9所示的元件架构，而两者之间主要的差别在于图13所示的元件架构还包含一涂布层1332(亦即，光学感测装置600另可包含一涂布层1332)。于此实施例中，涂布层1332可对应多个像素P0、P1、P4与P5来设置，举例来说，各滤光片与介电层922之间可沉积(或涂布)涂布层1332。于一设计变化中，涂布层1332也可以涂布于每一滤光片接收光线的一侧。因此，当光线入射至一像素(例如，多个像素P0、P1、P4与P5的其一)时，相对应的光检测器便可经由相对应的滤光片以及涂布层1332来进行光检测操作。
请参阅图14，其为图13所示的涂布层1332的入射光波长与穿透率之间的关系的一实作范例的示意图。由图14可知，涂布层1332可允许可见光通过，并具有一特定红外光截止波段(例如，波长大于900奈米)。请参阅图15，其系为图13所示的涂布层1332的入射光波长与穿透率之间的关系的另一实作范例的示意图。由图15可知，涂布层1332可允许可见光通过，并具有一特定红外光通过波段(例如，波长位于850奈米附近)。
请连同图10、图11与图14来参阅图16。图16为图9所示的多个像素P0、P1、P4与P5的入射光波长与穿透率之间的关系的一实作范例的示意图，其中每一像素的感测频谱是依据图11所示的光检测器感测频谱、图10所示的滤光片感测频谱以及图14所示的涂布层感测频谱来决定。由图10与图14可知，各滤光片的通过波段均包含图14所示的该特定红外光截止波段，因此，可决定出各像素的红外光检测波段，而图6所示的红外光产生元件602便可参照所决定的红外光检测波段来发射相对应波长的红外光。
请连同图10、图11与图15来参阅图17。图17为图9所示的多个像素P0、P1、P4与P5的入射光波长与穿透率之间的关系的另一实作范例的示意图，其中每一像素的感测频谱是依据图11所示的光检测器感测频谱、图10所示的滤光片感测频谱以及图15所示的涂布层感测频谱来决定。相似地，由图10与图15可知，各滤光片的通过波段均包含图15所示的该特定红外光通过波段，因此，可决定出各像素的红外光检测波段，而图6所示的红外光产生元件602便可参照所决定的红外光检测波段来发射相对应波长的红外光。
请注意，图10～图12以及图14～图17所示的感测频谱图是仅供说明之需，并非用来作为本发明的限制。
请连同图6、图8来参阅图18。图18为图8所示的多个像素P0、P1、P4与P5于手势识别模式中检测信号强度与时间的关系图。于此实施例中，每一像素的检测信号强度可对应于红外光产生元件602开启时所产生的检测信号与红外光产生元件602关闭时所产生的检测信号两者之间的信号差。当使用者的手由左至右挥动时(例如，对象OB由像素P0/P4移动至像素P1/P5；未绘示于图8中)，可得到如图8所示的信号波形。处理电路610可对每一像素所对应的信号差进行一互相关处理(cross correlation)以识别对象OB的手势信息。举例来说，处理电路610可针对多个像素P0、P1、P4与P5所对应的检测信号强度进行互相关计算，以得到相对应的多个信号波形彼此重迭的时间以及关联性(例如，信号强度出现波峰的次序)，来判断对象OB的移动轨迹(例如，方向、距离)，进而识别出对象OB的手势信息。由于本领域技术人员应可了解互相关处理的相关细节，故进一步的说明在此便不再赘述。
本发明所提供的具有多重感测功能的检测元件也可用来实作出图像感测装置。请参阅图19，其为本发明图像感测装置的一实施例的功能方块示意图。图像感测装置1900的架构是基于图6所示的光学感测装置600，两者之间主要的差别在于检测元件的配置方式。由图19可知，图像感测装置1900可包含(但不限于)多个主像素MP1～MPQ(Q为正整数)以及图6所示的红外光产生元件602、处理电路610与控制电路620。每一主像素可包含N个第一子像素(例如，N个第一子像素SP1,1～SP1,N)以及一第二子像素(例如，第二子像素SP1,N+1)，其中N为正整数，每一主像素的该N个第一子像素可由图6所示的N个第一检测元件604_1～604_N来实作之，以及每一主像素的该第二子像素可由图6所示的第二检测元件606来实作之。
由于多个主像素MP1～MPQ分别具有不同的位置(例如，排列为一像素阵列)，且每一主像素均可检测出色彩信息，因此，图像感测装置1900可基于光学感测装置600检测出色彩信息的操作原理来得到对象OB的图像信息。另外，由于多个主像素MP1～MPQ分别具有不同的位置，且均可用于检测红外光，因此，图像感测装置1900可基于光学感测装置600检测出手势信息的操作原理来得到对象OB的深度信息。
请连同图19来参阅图20。图20为图像感测装置1900操作于不同感测模式下像素布局的一实作范例的示意图。于此实作范例中，多个主像素MP1～MPQ可为一像素阵列，每一主像素可为一2乘2阵列(亦即，N等于3)，每一主像素的该N个第一子像素均可由图8所示的多个像素P0、P1与P5(亦即，红色、绿色与蓝色子像素)来实作之，以及每一主像素的该第二子像素均可由图8所示的像素P4(亦即，暗像素或黑色子像素)来实作之。在图像感测装置1900操作于一第一感测模式(例如，图像感测模式)的情形下，每一主像素的红色、绿色与蓝色子像素均可因应来自于对象OB的光线来产生相对应的检测信号，每一主像素的黑色子像素可因应来自于对象OB的光线来产生参考信号，而处理电路610便可依据每一主像素的检测信号与相对应的参考信号(例如，相对应的信号差)来得到图像信息。
在图像感测装置1900操作于一第二感测模式(例如，深度信息感测模式)的情形下，每一主像素可于红外光产生元件602开启时检测反射自对象OB的光线以产生相对应的检测信号，并于红外光产生元件602关闭时检测反射自对象OB的光线以产生相对应的检测信号，而处理电路610便可依据每一主像素于红外光产生元件602开启时所产生的检测信号与红外光产生元件602关闭时所产生的检测信号(例如，两者之间的信号差)来得到对象OB的深度信息。
举例来说，主像素MP1之中的每一子像素(亦即，像素P0/P1/P4/P5)可于红外光产生元件602开启时检测反射自对象OB的光线以产生一第一辅助信号，而处理电路610可对多个像素P0、P1、P4与P5所产生的多个第一辅助信号进行运算处理(例如，将该多个第一辅助信号相加或平均)，以得到主像素MP1对应于红外光产生元件602开启时的一检测信号。另外，主像素MP1之中的每一子像素(亦即，像素P0/P1/P4/P5)可于红外光产生元件602关闭时检测反射自对象OB的光线以产生一第二辅助信号，而处理电路610可对多个像素P0、P1、P4与P5所产生的多个第二辅助信号进行运算处理(例如，将该多个第一辅助信号相加或平均)，以得到主像素MP1对应于红外光产生元件602关闭时的另一检测信号。接下来，处理电路610便依据该检测信号与该另一检测信号的信号差来计算出对象OB与图像感测装置1900之间的距离(亦即，深度)，其中该检测信号与该另一检测信号的信号差大致正比于对象OB与图像感测装置1900之间的距离倒数的平方。
于一设计变化中，红外光产生元件602所发射的红外光信号IRL可以具有一预定图纹，因此，处理电路610便可依据该检测信号与该另一检测信号的信号差来得到一深度地图图像，并将该预定图纹与该深度地图图像作比较以得到对象OB的深度信息。举例来说，处理电路610可针对每一主像素计算出该预定图纹与该深度地图图像之间的偏移量，并据以产生一偏移信息，进而参照该偏移信息来得到对象OB的深度信息。由于本领域技术人员应可了解通过发射具有预定图纹的光线来检测对象的深度信息的操作细节，故进一步的说明在此便不再赘述。
综上所述，本发明所提供的光学感测机制可将环境光感测、近接感测、色彩感测与手势感测、深度信息感测的功能整合于单一感测装置/芯片之中，而所需的检测器(或像素)的个数最少仅需4个。另外，本发明所提供的光学感测机制另可应用于像素阵列，以实现多功能的三维图像感测装置。
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 (20)

1.一种光学感测装置，包含：
一红外光产生元件；
N个第一检测元件，每一第一检测元件用以检测红外光以及可见光，该N个第一检测元件分别检测不同的N个可见光波段，其中N为正整数；
一第二检测元件，用以检测红外光，其中该第二检测元件是与可见光隔离；以及
一处理电路，耦接于该N个第一检测元件与该第二检测元件，其中于一第一感测模式中，该N个第一检测元件因应来自于一对象的光线来产生N个第一检测信号，该第二检测元件因应来自于该对象的光线来产生一参考信号，以及该处理电路依据该N个第一检测信号以及该参考信号来得到该对象的一色彩信息；以及于一第二感测模式中，该N个第一检测元件与该第二检测元件于该红外光产生元件开启时检测反射自该对象的光线以产生(N+1)个第二检测信号，并于该红外光产生元件关闭时检测反射自该对象的光线以产生(N+1)个第三检测信号，以及该处理电路依据该(N+1)个第二检测信号与该(N+1)个第三检测信号来识别该对象的一手势信息。
2.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中于该第一感测模式中，该处理电路依据每一第一检测信号与该参考信号之间的信号差来得到该色彩信息。
3.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中于该第二感测模式中，该处理电路依据每一第一检测元件所产生的第二检测信号与第三检测信号之间的信号差以及该第二检测元件所产生的第二检测信号与第三检测信号之间的信号差来识别该手势信息。
4.根据权利要求3所述的光学感测装置，其中该处理电路对该N个第一检测元件所对应的N个信号差以及该第二检测元件所对应的信号差进行一互相关处理以识别该手势信息。
5.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中N大于或等于3；以及该N个第一检测元件包含用来检测红光波段的一感测像素、用来检测绿光波段的一感测像素以及用来检测蓝光波段的一感测像素。
6.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中该第二检测元件为一暗像素。
7.根据权利要求1所述的光学感测装置，还包含：
一基板，其中该N个第一检测元件与该第二检测元件之中的每一检测元件包含有：
一光检测器，设置于该基板上；以及
一滤光片，对应该光检测器来设置，其中该光检测器经由该滤光片来进行光检测操作；
其中每一第一检测元件的滤光片的通过波段仅包含该第一检测元件所对应的可见光波段与红外光波段，以及该第二检测元件的滤光片的通过波段仅包含该第二检测元件所对应的红外光波段。
8.根据权利要求7所述的光学感测装置，还包含：
一涂布层，对应该N个第一检测元件与该第二检测元件来设置，其中该涂布层具有一特定红外光截止波段，以及该N个第一检测元件与该第二检测元件之中的每一检测元件的滤光片的通过波段均包含该特定红外光截止波段；
其中该光检测器经由该滤光片以及该涂布层来进行光检测操作。
9.根据权利要求7所述的光学感测装置，还包含：
一涂布层，对应该N个第一检测元件与该第二检测元件来设置，其中该涂布层具有一特定红外光通过波段，以及该N个第一检测元件与该第二检测元件之中的每一检测元件的滤光片的通过波段均包含该特定红外光通过波段；
其中该光检测器经由该滤光片以及该涂布层来进行光检测操作。
10.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中该N个第一检测元件之中的至少其中一个用来可切换地检测绿光波段以及环境光。
11.根据权利要求1所述的光学感测装置，其中该N个第一检测元件之中与该第二检测元件的至少其中一个可切换地用于近接感测。
12.根据权利要求1所述的光学感测装置，还包含：
一第三检测元件，耦接于该处理电路，用来检测环境光以产生一环境光检测信号。
13.根据权利要求1所述的光学感测装置，还包含：
一第三检测元件，耦接于该处理电路，用来检测红外光以产生一近接感测信号。
14.一种图像感测装置，包含
一红外光产生元件；
多个主像素，其中每一主像素包含有：
N个第一子像素，每一第一子像素用以检测红外光以及可见光，该N个第一子像素分别检测不同的N个可见光波段，其中N为正整数；以及
一第二子像素，用以检测红外光，其中该第二子像素是与可见光隔离；以及
一处理电路，耦接于该多个主像素，其中于一第一感测模式中，每一主像素的该N个第一子像素因应来自于一对象的光线来产生N个第一检测信号，每一主像素的该第二子像素因应来自于该对象的光线来产生一参考信号，以及该处理电路依据每一主像素的该N个第一检测信号以及相对应的参考信号来得到该对象的一图像信息；以及于一第二感测模式中，每一主像素于该红外光产生元件开启时检测反射自该对象的光线以产生一第二检测信号，并于该红外光产生元件关闭时检测反射自该对象的光线以产生一第三检测信号，以及该处理电路依据每一主像素的该第二检测信号与相对应的该第三检测信号来得到该对象的一深度信息。
15.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中于该第一感测模式中，该处理电路依据每一主像素所产生的每一第一检测信号与相对应的参考信号之间的信号差来得到该图像信息。
16.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中于该第二感测模式中，该处理电路依据每一主像素所产生的该第二检测信号与该第三检测信号之间的信号差来得到该深度信息。
17.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中于该第二感测模式中，每一主像素的该N个第一子像素与相对应的该第二子像素于该红外光产生元件开启时检测反射自该对象的光线以产生(N+1)个第一辅助信号，并于该红外光产生元件关闭时检测反射自该对象的光线以产生(N+1)个第二辅助信号；以及该处理电路对该(N+1)个第一辅助信号进行运算处理以得到该主像素的该第二检测信号，以及对该(N+1)个第二辅助信号进行运算处理以得到该主像素的该第三检测信号。
18.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中于该第二感测模式中，该红外光产生元件发射一预定图纹的红外光，该处理电路依据每一主像素所产生的该第二检测信号与该第三检测信号之间的信号差来得到一深度地图图像，以及将该预定图纹与该深度地图图像作比较以得到该对象的该深度信息。
19.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中N大于或等于3；每一主像素的该N个第一子像素包含用来检测红光波段的一感测像素、用来检测绿光波段的一感测像素以及用来检测蓝光波段的一感测像素；以及该第二子像素为一暗像素。
20.根据权利要求14所述的图像感测装置，其中N等于3；每一主像素为一2乘2阵列；以及该多个主像素为一像素阵列。
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