CN104034415A - 环境光感测方法及其感测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环境光感测方法及其感测装置，包括以下步骤：首先，获得灵敏度设定与曝光时间，且依据灵敏度设定与曝光时间获得光感测器的感测信号。然后，当感测信号为可获得时，判断感测信号的强度是否位于预设范围内，其中预设范围具有上限值以及下限值。接着，依据对感测信号的强度的判断结果来更新光感测器的灵敏度设定与曝光时间。再来，依据更新后的灵敏度设定与曝光时间来获得光感测器的感测信号。

Description

环境光感测方法及其感测装置

技术领域

本发明有关于一种光感测器，且特别是有关于一种环境光感测方法及其感测装置。

背景技术

环境光感测器(Ambient Light Sensor，ALS)提供近似于人眼的光线反应。显示器的亮度的管理可以延长行动式电池的寿命和提供最佳的视觉观看经验，不论显示器是在室内或户外使用。

在行动电话的应用方面，已着色的玻璃或是黑色的玻璃往往被使用于提升行动电话的外观美感。然而，黑色玻璃带给了环境光感测器一个特殊的挑战，因为当环境光穿过黑色玻璃而射入光感测器时，环境光的光谱会被黑色玻璃改变(或失真)。黑色玻璃典型的穿透率如图1所示。黑色玻璃对于红外光(IR light)的光谱具有较高的穿透率。不像可见光光谱，所述红外光光谱对于人眼是无法察觉的。

隐藏在黑色玻璃后的光感测器可能需要相当广的动态范围，同时维持可以接收的解析度，以此感测室内光(主要是具有相当低量红外光的荧光灯或白色发光二极管光源)与户外光(主要是具有相当大量红外光的阳光)。

现有的扩展光感测器的动态感测范围的方式叙述如下。首先，光感测器的模拟/数字转换器(ADC)的输出是与入射光在对数值域(Logarithmic Domain)是呈线性关系。再者，应该使用具有较高解析度的模拟/数字转换器的光感测器。例如：相较于16位(16bit)的模拟/数字转换器，使用20位(20bit)的模拟/数字转换器可以提升动态感测范围至16倍。然而，前者的实现方式会减低解析度。后者的实现方式会在提升解析度的同时，以成正比的方式增加模拟/数字转换器的数据转换(data conversion)时间，如此会大幅度地减少光感测器的数据转换速度。

发明内容

本发明提供一种环境光感测方法及其感测装置，依据入射环境光的强度，以智慧式的切换增益设定，如此可以扩展光感测器的动态感测范围而不牺牲光感测器的解析度。

本发明实施例提供一种环境光感测方法，包括以下步骤：首先，获得灵敏度设定与曝光时间，且依据灵敏度设定与曝光时间获得光感测器的感测信号。然后，当感测信号为可获得时，判断感测信号的强度是否位于预设范围内，其中预设范围具有上限值以及下限值。接着，依据对感测信号的强度的判断结果来更新光感测器的灵敏度设定与曝光时间。再来，依据更新后的灵敏度设定与曝光时间来获得光感测器的感测信号。

本发明实施例提供一种环境光感测方法，包括以下步骤：首先，获得一灵敏度设定与一曝光时间，且依据该灵敏度设定与该曝光时间获得一光感测器的一粗略感测信号，其中该粗略感测信号是在短于一曝光时间M倍的一粗略曝光时间之内获得，其中M大于1。然后，当该粗略感测信号为可获得时，判断该粗略感测信号的强度是否位于一预设范围内，其中该预设范围具有一上限值以及一下限值。接着，当该粗略感测信号的强度不位于该预设范围内时，更新该光感测器的该灵敏度设定与该曝光时间。再来，当该粗略感测信号的强度位于该预设范围内时，依据更新后的该灵敏度设定与更新后的该曝光时间获得该光感测器的一感测信号。

本发明实施例提供一种环境光感测装置，包括光感测器与控制器。光感测器具有灵敏度设定，在被环境光照射时产生感测信号。控制器获得灵敏度设定与曝光时间。控制器依据灵敏度设定以及曝光时间周期性地获得光感测器的感测信号。控制器在感测信号为可获得时判断感测信号的强度是否位于预设范围内。所述预设范围具有上限值以及下限值。控制器依据对感测信号的强度的判断结果更新光感测器的灵敏度设定以及曝光时间。控制器依据更新后的灵敏度设定以及更新后的曝光时间获得感测信号。

本发明实施例提供一种环境光感测装置，包括光感测器与控制器。光感测器具有灵敏度设定，在被环境光照射时产生感测信号。控制器获得灵敏度设定与曝光时间。控制器依据灵敏度设定以及曝光时间获得光感测器的粗略感测信号。粗略感测信号是在短于曝光时间M倍的粗略曝光时间之内获得，其中M大于1。控制器在粗略感测信号为可获得时判断粗略感测信号的强度是否位于预设范围内，其中预设范围具有上限值以及下限值。当粗略感测信号的强度不位于预设范围内时，控制器更新光感测器的灵敏度设定以及曝光时间。当粗略感测信号的强度位于预设范围内时，控制器依据更新后的灵敏度设定以及更新后的曝光时间获得感测信号。

为使能更进一步了解本发明的特征及技术内容，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，但是此等说明与所附图式仅系用来说明本发明，而非对本发明的权利范围作任何的限制。

附图说明

图1是传统的典型黑色玻璃对于入射光波长的响应的曲线图。

图2A是本发明实施例提供的环境光感测装置的方块图。

图2B是本发明实施例提供的环境光感测方法的流程图。

图3是本发明实施例提供的光感测器的输出的曲线图。

图4是本发明实施例提供的当光感测器的取样率甚短于实际积分时间的情况下的时序图。

图5是本发明实施例提供的当光感测器的取样率与实际积分时间相近的情况下的时序图。

图6是本发明实施例提供的光感测器实现强制重启的时序图。

图7是本发明另一实施例提供的环境光感测方法的流程图。

图8是本发明另一实施例提供的在实际数据积分之前进行粗数据积分的的时序图。

其中，附图标记说明如下：

1：环境光感测装置

11：光感测器

12：控制器

S101、S103、S105、S107、S201、S203、S205、S207：步骤流程

T0、T1、T2、T3、T4：时间点

具体实施方式

〔环境光感测方法及其感测装置的实施例〕

环境光感测器的灵敏度可以被调整。依据进入光感测器的环境光，估计据此所测量到的电流是否超出光感测器所预设的线性感测范围，如可以调整光感测器的灵敏度以供下次感测时使用。如此的自动增益演算法可以内建在感测芯片中或设计在感测芯片外的控制器的层级而被实现。依据本发明，光感测器的动态范围可以延伸到1000倍，同时不牺牲光感测器的解析度与数据转换(data conversion)速度。

光感测器的灵敏度可以被调整为在芯片上具有多种增益设定，或将光感测器以多个单位的时间框(Time Frame)(或称为讯框)来曝光，或者混和上述的两种方式。图2A揭示环境光感测装置1包括光感测器11和控制器12。

图2B揭示自动增益控制演算法以主控制器依据入射的环境光来自动调整光感测器的灵敏度设定的方式实现。在步骤S101中，获得灵敏度设定、曝光时间，且依据灵敏度设定与曝光时间获得光感测器的感测信号。此演算法起始于读取光感测器的状态暂存器，状态暂存器将光感测器的电流的灵敏度设定(与增益有关)、曝光时间(或称为积分时间)告知控制器。如果光感测器是可用时，新的数据可以被获得(即感测信号为可获得)。

接下来，在步骤S103中，当感测信号为可获得时，判断感测信号的强度是否位于预设范围内，其中预设范围具有一个上限值以及一个下限值。当新的感测信号NDATA是可获得时，控制器可以由光感测器的数据暂存器读取感测信号，并判断感测信号NDATA是否在预设的(线性)范围内(NDATA_MIN<NDATA<NDATA_MAX)。其中，NDATA_MAX是上限值，NDATA_MIN是下限值。

接着，在步骤S105中，依据对感测信号的强度的判断结果来更新光感测器的灵敏度设定与曝光时间。当感测信号NDATA是大于上限值时，减少光感测器的灵敏度一个刻度(GAIN=GAIN-1，例如图3所示的由GAIN2改变至GAIN1)。当感测信号NDATA的强度是位于预设范围内(NDATA_MIN<NDATA<NDATA_MAX)时，维持光感测器的灵敏度。换句话说，如果感测信号NDATA的强度是位于(线性的)预设范围内，光感测器的灵敏度不需要改变，且光感测器将可用目前的增益设定(对应于灵敏度)继续下次的测量。如果感测信号NDATA是大于上限值NDATA_MAX，此时可能光感测器已经饱和，光感测器的灵敏度则可以被减少一个刻度，以供下次的测量。同样地，如果感测信号NDATA是小于下限值NDATA_MIN，此时可能光感测器没有足够的灵敏度来真测较弱的环境光，且光感测器的数据转换可能敏感于量子误差(quantization error)，则光感测器的灵敏度可以被增加一个刻度，以供下次的测量。所导致的新的增益设定(或称为灵敏度设定)可以分别被更新至增益暂存器和曝光时间暂存器，且下一次的数据转换会基于此更新后的设定。

另外，前面所定义的预设范围可以增加迟滞项，以避免光感测器的增益设定(或灵敏度设定)的切换过于频繁，尤其是在感测信号NDATA相当接近于的预设范围的边界时，或者是因为相邻的增益设定之间的继承的增益误差(inherited gain error)。例如：线性的预设范围可以是(NDATA_MIN*(1–HYS))<NDATA<(NDATA_MAX*(1+HYS))，其中，HYS是迟滞因子。如此，上限值NDATA_MAX是加上第一迟滞项HYS*NDATA_MAX而被增加，下限值NDATA_MIN是减去第二迟滞项HYS*NDATA_MIN而被减少。

图3揭示了利用自动增益控制演算法实现的光感测器因应于环境光的输出的曲线图。若没有自动增益的控制，在光感测器饱和或者光感测器的感测效果受到模拟/数字转换器的量子误差影响之前，则光感测器只能侦测介于103倍(1000倍)的照度范围内的环境光，例如：可参考，增益GAIN2的范围，其范围介于数个转换成数(converted count)至1000个转换成数之间。若具有自动增益演算法，光感测器所能感测到的环境光可以涵盖106倍(1,000,000倍)的照度范围。

接着，在步骤S107中，依据更新后的灵敏度设定与曝光时间来获得光感测器的感测信号。在步骤S107之后，整体的增益控制的循环可以配合更新后的增益和曝光时间被再重新执行一次。

更进一步，获得光感测器的感测信号的方式(即步骤S101)可以一个取样时间来被周期性地执行。所述取样时间包括数据积分时间与待命时间，其中数据积分时间是曝光时间。图4绘示了当光感测器使用的取样率甚慢于实际的数据积分时间的情况下的时序图。这是在行动电话的典型的应用情况，由此可以减少光感测器的功率消耗。光感测器的数据的取样周期或测量周期可以时间区间T2-T0来定义，此时实际的数据积分时间或曝光时间是以时间区间T1-T0来定义。在时间区间T2-T1内，光感测器可以待命或在睡眠模式，以此减少光感测器的总电流消耗(也即功率消耗)。光感测器可以在时间T2被唤醒以进行新的数据积分动作。当控制器的数据撷取率至少是快于光感测器的数据取样率的两倍以上时，在光感测器进行下次数据取样的周期前，新获得的增益设定(如果有需要的话)可以及时被更新。

图5绘示了当光感测器使用的取样率相当接近于于实际的数据积分时间的情况下的时序图。既然控制器的数据撷取率是与光感测器的数据取样率相当，如此有很高的机率使获得的增益设定是在光感测器进行下次数据取样的周期开始后才被更新。如此，为了反映出具有更新后的增益设定的数据，将会有至少一个且至多有两个的取样周期的延迟(T4-T2)。

为了使反映出具有更新后的增益设定的数据的时间最小化，光感测器可以实施一个强制重启的特征，此特征允许使用者以更新后的增益设定来重新启动数据取样周期，不论光感测器是在睡眠模式(sleep mode)或主动模式(active mode)。换句话说，为了获得光感测器的感测信号，控制器可以执行一个强制重启程序以在取样周期内(T2-T0)的任一时间点重新获得感测信号。

图6揭示光感测器实现强制重启的时序图。如图6所示，新的数据在时间T2被读取，加设此数据的强度是落在光感测器工作的灵敏度的预设范围之外，新的增益设定将在时间T3被更新。光感测器可以被强制重启，即使光感测器是在执行数据积分的过程当中。如此，将只有一个短暂的延迟(T4-T2)，所述短暂的延迟归因于暂存器的更新延迟和光感测器的强制重启的延迟，相较于数据取样周期，所述延迟是可以被忽略的。

〔环境光感测方法及其感测装置的另一实施例〕

本发明的另一实施例揭露，在实际的数据积分之前实施一个粗略数据积分程序，以在开始一个完整的数据积分(即实际的数据积分)之前先判断光感测器的电流水平的最佳的增益设定。粗数据积分意指，牺牲光感测器的解析度以获得较快的数据转换速度。如果光感测器的解析度减少M倍，则数据转换速度所花的时间也可以被减少M倍。

即使粗数据积分所得的数据的解析度低于实际的数据积分的解析度，粗数据积分所得的数据仍足以用于找寻最佳的增益设定。图7揭示了利用粗数据积分方式实现的流程图。首先，在步骤S201中，获得灵敏度设定、曝光时间，且依据灵敏度设定与曝光时间获得光感测器的粗略感测信号，其中粗略感测信号是在短于曝光时间M倍的粗略曝光时间之内获得，其中M大于1。接着在步骤S203中，当粗略感测信号为可获得时，判断粗略感测信号的强度是否位于预设范围内，其中预设范围具有一个上限值NDATA_MAX/M以及一个下限值NDATA_MIN/M。上限值NDATA_MAX/M是比前一实施例的上限值NDATA_MAX小M倍。下限值NDATA_MIN/M是比前一实施例的下限值NDATA_MAX小M倍。

另外，当考虑迟滞因子，线性的预设范围可以是(NDATA_MIN/M*(1–HYS))<NDATA<(NDATA_MAX/M*(1+HYS))，其中HYS是迟滞因子。如此，上限值NDATA_MAX/M是加上第一迟滞项HYS*NDATA_MAX/M而被增加，下限值NDATA_MIN/M是减去第二迟滞项HYS*NDATA_MIN/M而被减少。

如果粗略感测信号不是在预设范围内，则进行步骤S205。在步骤S205中，更新光感测器的灵敏度设定与曝光时间。值得一提的是，粗略曝光时间可以被更新，当曝光时间被更新时，因为粗略曝光时间是比曝光时间小M倍。光感测器的灵敏度设定可以依据下述的方式被更新。当粗略感测信号NDATA’的强度大于上限值NDATA_MAX/M时，控制器减少光感测器的灵敏度一刻度。当粗略感测信号NDATA’的强度小于下限值NDATA_MIN/M时，控制器增加光感测器的灵敏度一刻度。或者，当粗略感测信号NDATA’的强度位于预设范围(NDATA_MAX/M<NDATA’<NDATA_MIN/M)内时，控制器维持光感测器的灵敏度。在步骤S205之后，再次执行步骤S201。

如果粗略感测信号NDATA’的强度是位于预设范围内，则进行步骤S207。在步骤S207中，依据更新后的灵敏度设定与更新后的曝光时间获得光感测器的感测信号NDATA(进行实际数据积分来获得)。

换句话说，当光感测器以比曝光时间少M倍的粗略曝光时间进行数据积分时，光感测器所输出的数据可以预期是比完整的数据积分小M倍。同样地，线性的预设范围的边界也是小了M倍。所以，粗数据积分的数据是与预设范围的边界NDATA_MIN/M与NDATA_MAX/M做比较。进行粗数据积分的循环可能会重复进行几次，直到最佳的增益设定被找到。完整的数据积分将依据被找到的最佳增益设定来进行。另一个新的数据积分的循环可以由粗数据积分与最新得到的增益设定而再次地重复。

图8揭示了在进行实际数据积分之前先进行粗数据积分的实线方式的时序图。粗数据积分时间(T2-T0)应该比实际数据积分区间(T4-T2)短很多，以致于粗数据积分将不会明显地降低光感测器的整体数据转换速率(T4-T0)。此种实现方式也可以确保每一个实际数据积分依据光源的强弱来使用最佳的增益设定。

〔实施例的可能功效〕

综上所述，本发明实施例所提供的环境光感测方法及其感测装置，可以扩展光感测器的动态范围而不降低光感测器的解析度，同时光感测器的数据转换速率可能不会明显地降低。粗数据积分程序可以被应用来减少光感测器的数据转换时间。环境光感测器的灵敏度可以依据评估测量到的入射的环境光是否超出光感测器的(线性的)预设范围，以致于光感测器的灵敏度可以被调整且用于下一次的光测量。此种自动增益控制的演算法可以以内建于光感测器的芯片而实现，或者实现在光感测器芯片之外的控制器的层级。依据本发明实施例所述，光感测器的动态感测范围可以被扩展至1000倍，而不牺牲光感测器的解析度和数据转换速度。更进一步，强制重启程序可以应用到此方法以提升数据转换速率。

以上所述仅为本发明的实施例，其并非用以局限本发明的专利范围。

Claims (17)

1.一种环境光感测方法，其特征在于，包括：

获得一灵敏度设定与一曝光时间，且依据该灵敏度设定与该曝光时间获得一光感测器的一感测信号；

当该感测信号为可获得时，判断该感测信号的强度是否位于一预设范围内，其中该预设范围具有一上限值以及一下限值；

依据对该感测信号的强度的判断结果来更新该光感测器的该灵敏度设定与该曝光时间；以及

依据更新后的该灵敏度设定与该曝光时间来获得该光感测器的该感测信号。

2.根据权利要求1所述的环境光感测方法，其特征在于，其中更新该灵敏度设定的步骤包括：

当该感测信号的强度大于该上限值时，减少该光感测器的灵敏度一刻度；

当该感测信号的强度小于该下限值时，增加该光感测器的灵敏度一刻度；以及

当该感测信号的强度位于该预设范围内时，维持该光感测器的灵敏度。

3.根据权利要求1所述的环境光感测方法，其特征在于，其中获得该光感测器的该感测信号的步骤包括：

以一取样周期来周期性地获得该感测信号，其中该取样周期包括一数据积分时间以及一待命时间，该数据积分时间是该曝光时间。

4.根据权利要求3所述的环境光感测方法，其特征在于，其中获得该光感测器的该感测信号的步骤还包括：

执行一强制重启程序以在该取样周期内的任一时间点重新获得该感测信号。

5.根据权利要求1所述的环境光感测方法，其特征在于，其中该上限值是加上一第一迟滞项而被增加，该下限值是减去一第二迟滞项而被减少。

6.一种环境光感测方法，其特征在于，包括：

获得一灵敏度设定与一曝光时间，且依据该灵敏度设定与该曝光时间获得一光感测器的一粗略感测信号，其中该粗略感测信号是在短于一曝光时间M倍的一粗略曝光时间之内获得，其中M大于1；

当该粗略感测信号为可获得时，判断该粗略感测信号的强度是否位于一预设范围内，其中该预设范围具有一上限值以及一下限值；

当该粗略感测信号的强度不位于该预设范围内时，更新该光感测器的该灵敏度设定与该曝光时间；以及

当该粗略感测信号的强度位于该预设范围内时，依据更新后的该灵敏度设定与更新后的该曝光时间获得该光感测器的一感测信号。

7.根据权利要求6所述的环境光感测方法，其特征在于，其中在判断该粗略感测信号的强度是否位于该预设范围内的步骤之后，且在获得该光感测器的该感测信号的步骤之前，还包括：

当该灵敏度设定与该曝光时间改变后，依据更新后的该灵敏度设定与更新后的该曝光时间重新获得该粗略感测信号；

重新判断该粗略感测信号的强度是否位于一预设范围内；

依据对该粗略感测信号的强度的重新判断结果，重新更新该光感测器的该灵敏度设定与该曝光时间。

8.根据权利要求6所述的环境光感测方法，其特征在于，其中更新该灵敏度设定的步骤包括：

当该粗略感测信号的强度大于该上限值时，减少该光感测器的灵敏度一刻度；

当该粗略感测信号的强度小于该下限值时，增加该光感测器的灵敏度一刻度；以及

当该粗略感测信号的强度位于该预设范围内时，维持该光感测器的灵敏度。

9.根据权利要求6所述的环境光感测方法，其特征在于，其中获得该光感测器的该感测信号的步骤包括：

以一取样周期来周期性地获得该感测信号，其中该取样周期包括一数据积分时间以及一待命时间。

10.根据权利要求6所述的环境光感测方法，其特征在于，其中该上限值是加上一第一迟滞项而被增加，该下限值是减去一第二迟滞项而被减少。

11.一种环境光感测装置，其特征在于，包括：

一光感测器，具有一灵敏度设定，在被环境光照射时产生一感测信号；以及

一控制器，获得该灵敏度设定、一曝光时间，该控制器依据该灵敏度设定以及该曝光时间周期性地获得该光感测器的该感测信号，该控制器在该感测信号为可获得时判断该感测信号的强度是否位于一预设范围内，其中该预设范围具有一上限值以及一下限值，该控制器依据对该感测信号的强度的判断结果更新该光感测器的该灵敏度设定以及该曝光时间，该控制器依据更新后的该灵敏度设定以及更新后的该曝光时间获得该感测信号。

12.根据权利要求11所述的环境光感测装置，其特征在于，其中当该感测信号的强度大于该上限值时，该控制器减少该光感测器的灵敏度一刻度，当该感测信号的强度小于该下限值时，该控制器增加该光感测器的灵敏度一刻度，当该感测信号的强度位于该预设范围内时，该控制器维持该光感测器的灵敏度。

13.根据权利要求11所述的环境光感测装置，其特征在于，其中该控制器执行一强制重启程序以在一取样周期内的任一时间点重新获得该感测信号。

14.根据权利要求11所述的环境光感测装置，其特征在于，其中该上限值是加上一第一迟滞项而被增加，该下限值是减去一第二迟滞项而被减少。

15.一种环境光感测装置，其特征在于，包括：

一光感测器，具有一灵敏度设定，在被环境光照射时产生一感测信号；以及

一控制器，获得该灵敏度设定、一曝光时间，该控制器依据该灵敏度设定以及该曝光时间获得该光感测器的一粗略感测信号，其中该粗略感测信号是在短于一曝光时间M倍的一粗略曝光时间之内获得，其中M大于1，该控制器在该粗略感测信号为可获得时判断该粗略感测信号的强度是否位于一预设范围内，其中该预设范围具有一上限值以及一下限值，当该粗略感测信号的强度不位于该预设范围内时，该控制器更新该光感测器的该灵敏度设定以及该曝光时间，当该粗略感测信号的强度位于该预设范围内时，该控制器依据更新后的该灵敏度设定以及更新后的该曝光时间获得该感测信号。

16.根据权利要求15所述的环境光感测装置，其特征在于，其中当该粗略感测信号的强度大于该上限值时，该控制器减少该光感测器的灵敏度一刻度，当该粗略感测信号的强度小于该下限值时，该控制器增加该光感测器的灵敏度一刻度，当该粗略感测信号的强度位于该预设范围内时，该控制器维持该光感测器的灵敏度。

17.根据权利要求15所述的环境光感测装置，其特征在于，其中该上限值是加上一第一迟滞项而被增加，该下限值是减去一第二迟滞项而被减少。