CN104776913B - 光学传感器和具有其的电子器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了光学传感器和具有光学传感器的电子器件。光学传感器包括：光波导，包含光致变色材料；光发射器，发射可见光以入射在所述光波导上；和光接收器，检测从光发射器发射并穿过光波导行进的可见光。当光波导暴露于UV光时，光波导对于可见光的透射率可以通过光致变色材料而改变。光学传感器和具有其的电子器件可以根据示范实施方式而不同地实现。
Description
技术领域
根据示范实施方式的装置和方法总体而言涉及传感器，例如能够检测紫外(UV)光的量的光学传感器。
背景技术
根据ISO 21348的规则，具有400nm或更小的波长的UV光基于波长而被分成各种波带。通过太阳光到达地球表面的UV光的98％或更多是UV-A范围的UV光。UV-A光具有315nm至400nm的波长。UV-A光对人的皮肤有影响，并会引起例如皮肤变黑现象或皮肤老化。来自太阳光的具有280nm至315nm波长的UV光被定义为UV-B范围的UV光(在下文，该UV光也可以被称为“UV-B光”)。到达地球表面的来自太阳光的UV光的大约2％是UV-B光。UV-B光对人体会具有严重的影响，引起例如皮肤癌、白内障或红斑现象。大部分UV-B光被臭氧层吸收。然而，由于近来的臭氧层耗尽，到达地球表面的UV-B光的量已经增加，由此增加了严重的环境问题。UV-C范围的UV光(在下文，该UV光也可以被称为“UV-C光”)具有在100nm-280nm范围内的波长。大部分UV-C光被大气吸收且几乎不到达地球表面。然而，UV-C光到达地球表面的臭氧层已经被耗尽的区域，诸如南半球。UV光在人体上的影响被不同地量化，UV指数表示量化的影响且被定义为通过合计在各个波长的加权值和UV强度的乘积而获得的值。
由于大气环境的变化和休闲运动的文化开展等等，在日常生活中增加了对UV光的暴露。UV指数使公众知悉暴露于UV光的危险从而防止过度暴露于UV光。当防止了过度暴露于UV光时，公众可以保持健康的生命，可以抑制社会医药费用的增加。
发明内容
为了计算UV指数，一个或多个示范实施方式提供能够检测UV光的量的传感器，例如，光学传感器。作为光学传感器，可以使用基于无机材料(诸如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氮化铟镓(InGaN)或氮化铝镓(AlGaN))的半导体型UV传感器。半导体型UV传感器可以配置为根据诸如带隙的电特征测量具有在预定范围的波长的UV光的量，但难以测量具有另一范围的波长的UV光。此外，由于半导体型UV传感器表现出根据入射角的严重的测量偏差，其在计算正确的UV指数方面具有局限性。
当广角镜头安装在光学传感器上时，可以减小根据入射角的测量偏差。这是因为安装在光学传感器上的广角镜头折射入射角，使得入射角可以减小。由于使用广角镜头增加了折射率，可以保持根据入射角的相对灵敏度。然而，由于镜头表面上的反射率增加，所以入射在光学传感器上的光的绝对量会减小。此外，由于广角镜头的安装，装备有例如UV指数测量装置的光学传感器的电子器件的尺寸会增加。
因此，示范实施方式的多个方面提供能够减小根据入射角的光量测量偏差例如UV光测量偏差的光学传感器和包括光学传感器的电子器件。
此外，示范实施方式的多个方面提供一种易于小型化并且能够减小根据入射角的测量偏差的光学传感器和包括光学传感器的电子器件。
根据示范实施方式的一方面，提供一种光学传感器，包括：光波导，包含光致变色材料；光发射器，配置为发射可见光以入射在光波导上；以及光接收器，配置为检测从光发射器发射且穿过光波导行进的可见光，其中当光波导暴露于紫外(UV)光时，光波导对于可见光的透射率可以通过光致变色材料而改变。
光致变色材料可以包括以下至少之一：二芳基乙烯、螺吡喃、螺噁嗪、苯并吡喃、俘精酸酐和俘精酰亚胺、二芳基乙烯及相关化合物、螺二氢中氮茚、偶氮化合物、多环芳香烃化合物、缩苯胺(anils)及相关化合物、多环醌(迫位芳氧基醌(periaryloxyquinones))、萘嵌间二氮杂苯螺环己二烯酮(Perimidinespirocyclohexadienones)、紫罗碱(viologens)及三芳基甲烷系衍生化合物。
光致变色材料可以包括以下至少之一：4-叔丁基-4’-甲氧基二苯甲酰甲烷、aberchrome TM540、N-乙氧基肉桂酸-3’(N-ethoxycinnamate-3’)、3’-二甲基螺(2H-5-硝基-1-苯并吡喃-2，2’-吲哚啉)、二芳基乙烯、1-苯氧基蒽醌(1-phenoxyanthraquinone)、6-NO2BIPS、侧链聚合物液晶(SPLC)、二螺[吲哚啉-萘并噁嗪](bis-SPO)、螺噁嗪部分和2-甲氧基萘基团(spirooxazine moiety and a 2-methoxynaphthalene group，SPO-NPh)、萘并噁嗪螺吲哚啉(naphthoxazine spiro indoline，NOS)、螺吡喃、2’-乙基己基-4-甲氧基-肉桂酸盐、杂靠厄二蒽酮内过氧化物(heterocoerdianthrone endoperoxide,HECDPO)和1,2-二杂芳基乙烯类化合物(1,2-dihetarylethenes)。
光致变色材料可以包括TiO2和AgCl中的至少一种。
光波导可以包括提供在一端的光入射表面和提供在另一端的光发射表面，光入射表面和光发射表面可以形成为关于光波导的纵向倾斜。
光学传感器可以包括具有形成在其一侧上的光波导凹陷的衬底，其中光波导形成在光波导凹陷中。
光发射器和光接收器可以设置在衬底的该一侧上，光发射器和光接收器的光轴可以分别在关于光入射表面和光发射表面倾斜的方向上排列。
光学传感器可以包括衬底，每个光发射器和光接收器可以安装在衬底上，其中光波导可以形成为在衬底的一侧上突出，每个光发射器和光接收器可以设置在光波导内。
光学传感器可以包括形成在光波导的表面上的光屏蔽膜，该光屏蔽膜配置为阻挡可见光从外部入射在光接收器上。
从光发射器发射的可见光可以被光屏蔽膜反射同时穿过光波导行进以入射在光接收器上。
至少一部分光屏蔽膜可以被去除以将光波导暴露到外部。
光学传感器可以包括设置为围绕光波导的至少周边的盖构件，其中盖构件阻挡可见光从外部入射在光接收器上。
提供多个光发射器和多个光接收器，光发射器的至少一个和光接收器的至少一个设置在盖构件内部以相应于彼此。
光学传感器可以包括：形成在盖构件顶部上的开口；以及安装在开口上的滤色器，其中滤色器透射具有引起包含在光波导中的光致变色材料的颜色改变的波长的UV光并阻挡具有其他波长的光。
因此，从光发射器发射并被光接收元件检测的可见光的量可以根据对于UV光的暴露量而改变。由此，可以计算UV指数。
根据另一示范实施方式的一方面，电子器件包括：盖构件，配置为透射光；光中断层，形成在盖构件上；开口，形成在光中断层中；以及至少一个光波导，设置在盖构件内并配置为相应于开口。光波导包含光致变色材料，使得光波导关于可见光的透射率被配置为在光波导通过开口暴露于UV光时改变。
电子器件可以包括：光发射器，配置为发射可见光以入射在光波导上；和光接收器，配置为检测从光发射器发射并穿过光波导行进的可见光。
电子器件可以包括设置为面对光中断层的衬底，其中光波导、光发射器和光接收器设置在衬底的一侧上。
电子器件可以包括具有形成在衬底的该一侧上的光波导凹陷，其中光波导形成在光波导凹陷中。
电子器件可以包括提供在光波导的一端的光入射表面和提供在光波导的另一端的光发射表面，其中每个光入射表面和光发射表面形成为关于光波导的纵向倾斜。
从光发射器发射的可见光可以被光入射表面反射或折射以入射在光波导上，穿过光波导行进的所述可见光可以被光发射表面反射或折射以入射在光接收器上。
根据另一示范实施方式的一方面，光学传感器包括：光波导，配置为根据外界光的波长而改变其透明度；光发射器，配置为朝向光波导的表面发射可见光；和光接收器，配置为检测已经穿过光波导的可见光的量。
光波导可以设置在衬底的凹陷部分中。
光波导可以包含光致变色材料。
由于包含光致变色材料的光波导根据对于UV光的暴露量而改变其透射率，根据一个或多个示范实施方式的光学传感器可以容易地计算UV指数。此外，与半导体型的UV传感器不同，光学传感器可以减小根据入射角的光量的测量偏差并可以容易地小型化。因此，可以将光学传感器安装在电子器件中，例如，安装在移动式通信终端、手机、多媒体装置等等中。此外，当光学传感器包括多个光波导时，可以根据包含在每个光波导中的光致变色材料的组分和含量而容易地计算不同波段的UV指数。
附图说明
通过结合附图的以下详细说明，本公开的以上及其他方面、特征和优点将更加明显，在附图中：
图1是示出根据示范实施方式的光学传感器的构造的视图；
图2是示出根据示范实施方式的光学传感器的构造的视图；
图3和图4是用于示出根据示范实施方式的光学传感器的操作的视图；
图5是示出提供有根据示范实施方式的光学传感器的电子器件的透视图；
图6是示出提供有根据示范实施方式的光学传感器的电子器件的截面图，其中电子器件处于被部分地切掉的状态；
图7是用于示出在根据示范实施方式的光学传感器中的光波导的变化的视图；
图8是示出根据示范实施方式的光学传感器的相对吸收率的变化的视图；
图9是示出根据示范实施方式的光学传感器的相对吸收率的变化的视图，其中苯系化合物被用作光学传感器的光致变色材料；
图10是示出根据示范实施方式的光学传感器的相对吸收率的变化的视图，其中螺吡喃系化合物被用作光学传感器的光致变色材料；
图11是示出根据示范实施方式的光学传感器的相对吸收率的变化的视图，其中乙腈(CH3CN)系化合物被用作光学传感器的光致变色材料；
图12至17是示出包含在根据示范实施方式的光学传感器的光波导中的示范性光致变色材料的视图；
图18是示出根据示范实施方式的光学传感器的构造的视图；
图19是示出根据示范实施方式的光学传感器的操作的视图；
图20是示出根据示范实施方式的所实现的光学传感器的视图；
图21是示出根据示范实施方式的所实现的光学传感器的截面图；以及
图22是示出根据示范实施方式的光学传感器的另一实现的示例的视图。
具体实施方式
将参考附图详细描述示范实施方式，但它们可以以各种形式实现而不局限于以下实施方式。然而，应该理解，本公开不局限于具体的实施方式，而是本公开包括在本公开的精神和范围内的所有修改、等同物以及替代物。
虽然包括诸如“第一”、“第二”等等序数的术语能被用于描述各种元件，但结构元件不被该术语限制。该术语仅用于区分一个元件与另一元件。例如，不背离本公开的范围，第一结构元件可以被称为第二结构元件。类似地，第二结构元件也可以被称为第一结构元件。如在此使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关项目的任何及所有组合。
此外，在附图中关于取向描述的相对术语“前表面”、“后表面”、“顶表面”、“底表面”等等可以被诸如第一和第二的序数替代。在诸如第一和第二的序数中，它们的次序以提到的次序确定，或任意地确定，必要时可以不任意地变化。
在本公开中，术语被用于描述示范实施方式，并不意欲限制本公开。如在此使用的，单数形式旨在也包括复数形式，除非上下文清楚地另外指示。在描述中，应该理解，术语“包括”或“具有”表明特征、数字、步骤、操作、结构元件、部件或其组合的存在，且不排除一个或多个另一特征、数字、步骤、操作、结构元件、部件或其组合的存在或添加的可能性。
在描述的示范实施方式中，术语诸如“大致”、“几乎”、“通常”和“基本上”可以用于表明引用的特性、参数或值不一定必须精确地准确，而是可以产生一程度的允许误差、测量误差、或者包括在测量精度及本领域技术人员已知的其他因素上的限制的偏差或变化，该程度为没有除去由任何特征提供的效果。
除非不同地限定，否则在此使用的所有术语，包括技术术语或科学术语，具有与本公开所属领域的技术人员所理解的相同的含义。如在通用词典中定义的那些术语一样的术语应被解释为具有与相关技术领域的上下文含义相同的含义，不应解释为具有理想化或过度形式化的含义，除非在本说明书中明确地如此限定。
当诸如“......中的至少一个”的表述在一列元件之前时，修饰元件的整个列表而不修饰列表中的各个元件。
在一个或多个示范实施方式中，电子器件可以是任意器件，电子器件可以被称为终端、便携式终端、移动终端、通信终端、便携式通信终端、便携式移动终端、显示装置等等。
例如，电子器件可以是智能电话、便携式电话、游戏机、电视机、显示单元、用于车辆的头戴式显示单元、笔记本计算机、膝上型计算机、平板个人计算机(PC)、个人媒体播放机(PMP)、个人数字助理(PDA)等等。电子器件可以实现为具有无线通信功能和袖珍尺寸的便携式通信终端。此外，电子器件可以是柔性器件或柔性显示单元。
电子器件可以与诸如服务器等等的外部电子器件通信，或者通过与外部电子器件的交互工作而执行操作。例如，电子器件可以通过网络将由照相机拍摄的图像和/或由传感器检测的位置信息发送到服务器。网络可以是移动式的通信网络或者蜂窝式通信网络、局域网(LAN)、无线局域网(WLAN)、宽域网(WAN)、国际互联网络、小范围网络(SAN)等等，但不限于此。
图1是示出根据示范实施方式的光学传感器的构造的视图。
如图1所示，根据示范实施方式的光学传感器10可以包括设置在衬底11上的光波导13、光发射元件15、和光接收元件17。
光波导13可以由在一个方向上延伸的形状的光纤形成，并可以包括光致变色材料。“光致变色材料”可以是在被暴露于具有特定波长的光时根据波长而改变其吸收率的材料。例如，光致变色材料可以具有以下性质。光致变色材料可以是正常地处于透明状态，因为其对于可见光范围内的光的吸收率低，且在暴露于UV光时变为不透明的，因为其对于可见光范围内的光的吸收率增加。光致变色材料例如可以包含化合物，诸如4-叔丁基-4’-甲氧基二苯甲酰甲烷、aberchrome TM540、N-乙氧基肉桂酸-3’(N-ethoxycinnamate-3’)、3’-二甲基螺(2H-5-硝基-1-苯并吡喃-2，2’-吲哚啉)、二芳基乙烯、1-苯氧基蒽醌(1-phenoxyanthraquinone)、6-NO2BIPS、侧链聚合物液晶(SPLC)、二螺[吲哚啉-萘并噁嗪](二-SPO)、螺噁嗪部分和2-甲氧基萘基团(spirooxazine moiety and a 2-methoxynaphthalene group，SPO-NPh，其由式1表示)、萘并噁嗪螺吲哚啉(naphthoxazinespiro indoline，NOS)、螺吡喃、2’-乙基己基-4-甲氧基-肉桂酸盐、杂靠厄二蒽酮内过氧化物(heterocoerdianthrone endoperoxide,HECDPO，其由式2表示)或者1,2-二杂芳基乙烯类化合物(1,2-dihetarylethenes)，以及衍生化合物、银(Ag)、氯(Cl)、氟(F)、溴(Br)、碘(I)和钛(Ti)。作为衍生化合物，可以使用二芳基乙烯、螺吡喃、螺噁嗪、苯并吡喃、俘精酸酐和俘精酰亚胺、二芳基乙烯及相关化合物、螺二氢中氮茚(spirodihydroindolizines)、偶氮化合物、多环芳香烃化合物、缩苯胺(anils)及相关化合物、多环醌(迫位芳氧基醌(periaryloxyquinones))、萘嵌间二氮杂苯螺环己二烯酮(Perimidinespirocyclohexadienones)、紫罗碱(viologens)及三芳基甲烷系衍生化合物。例如，可以包括以上列出的化合物及衍生物、TiO2和AgCl的组合中的至少一个的光致变色材料可以包括在光波导中。在日常生活中常见的产品当中，其颜色根据光量而变化的太阳镜或者隐形眼镜可以包含光致变色材料。
由于包含在其中的光致变色材料，光波导13在其暴露于UV光时可以改变其对于可见光的透射率。根据光致变色材料的组分和含量，当UV光照射到光波导13时引起光致变色材料的颜色改变的UV光的波段可以改变。此外，根据光波导13对于UV光的暴露量，光波导13对于可见光的透射率可以改变。
光发射元件15是发射可见光以入射在光波导13上的元件，且可以邻近于光波导13的一端设置。光发射元件15可以包括激光二极管(LD)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)和发光二极管(LED)。在图1中，由于光发射元件15设置在衬底11上几乎与光波导13相同的高度处，因此光发射元件可以由侧表面发光二极管形成。通过光发射元件15入射在光波导13上的可见光穿过光波导13行进。
光接收元件17配置为检测从光发射元件15发射且通过光波导13行进的可见光，并可以邻近于光波导13的另一端设置。光接收元件17可以包括光电二极管(PD)。
由光发射元件15输出的可见光可以保持为接近恒定。然而，由光接收元件17检测的可见光的量可以根据光波导13对于可见光的透射率而改变。例如，当光波导13暴露于UV光时，光波导13对于可见光的透射率降低，由光接收元件17检测的可见光的量可以减小。当期望计算UV指数时，可以基于由光接收元件17检测的可见光的量而计算UV指数。例如，在UV指数低的情况下，光波导13对于可见光的透射率增加，使得光接收元件17可以检测从光发射元件15发射的大部分可见光，例如，可见光的90％或更多。因此，在UV指数高的情况下，光波导13对于可见光的透射率降低，使得由光接收元件17检测的可见光的量可以减小。因此，可以基于由光接收元件17检测的可见光的量而计算UV指数。
光学传感器10可以包括多个光波导13、多个光发射元件15和多个光接收元件17。光波导13在其中包含的光致变色材料的组分和含量方面可以彼此不同。当光波导13中包含的光致变色材料的组分和含量彼此不同时，光波导13对于可见光的透射率可以分别根据UV光的不同波长而改变。因此，根据光波导13的数量，光学传感器10可以计算在多个不同波长范围内的相应的UV指数。
图2是示出根据另一示范实施方式的光学传感器的构造的视图。图3和图4是示出根据另一示范实施方式的光学传感器的操作的视图。
在示范实施方式的描述中，应当注意到，可以省略能够容易地通过先前的示范实施方式而理解的部件的描述。例如，可以省略对于光致变色材料的组分以及光发射元件和光接收元件的类型的详细说明。
如图2至4所示，根据示范实施方式的光学传感器20可以包括形成在衬底21的一侧上的光波导凹陷29，光波导23可以形成在光波导凹陷29中。光学传感器20可以包括安装在衬底21的一侧上的光发射元件25和光接收元件27。多个光波导凹陷(optical waveguideguides)29可以提供在衬底21上，形成在每个光波导凹陷29中的光波导23可以包含光致变色材料，光致变色材料的组分和含量可以不同于包含在形成于另一光波导凹陷中的光波导。
每个光波导23可以分别在其相反端提供有光入射表面23a和光发射表面23b。光入射表面23a和光发射表面23b可以设置为关于光波导23的纵向倾斜，例如，关于图3中的水平方向倾斜。虽然在示范实施方式的描述中被称为“光入射表面”和“光发射表面”，但可见光不一定必须通过光入射表面23a入射在光波导23上或者通过光发射表面23b从光波导23发射。例如，根据光波导23的结构以及光发射元件25和光接收元件27的布置，光入射表面23a和光发射表面23b可以如图3所示反射可见光。在示范实施方式中，可见光可以被光入射表面23a和光发射表面23b折射从而入射在光波导23上或者从光波导23发射。
光发射元件25和光接收元件27可以分别设置在邻近于光入射表面23a和光发射表面23b的位置，使得其光轴分别关于光入射表面23a和光发射表面23b倾斜。图3例示了这样的构造，其中可见光的入射或者发射在光波导23的顶侧上进行，且可见光由光入射表面23a和光发射表面23b反射。例如，光发射元件25可以由垂直腔表面发射激光二极管实现。
从光发射元件25发射的可见光可以通过顶侧入射在光波导23的一端，被光入射表面23a反射，然后穿过光波导23行进。当可见光到达光波导23的另一端时，光发射表面23b可以反射可见光从而使可见光被发射到光波导23的顶侧。光接收元件27可以检测从光波导23的另一端发射到光波导23的顶侧的可见光。
参照图4，当光波导23暴露于UV光时，光波导23对于可见光的透射率可以根据包含在光波导23中的光致变色材料的组分和UV光的波长而改变。由于光波导23对于可见光的透射率改变，所以被光接收元件27检测的可见光的量可以改变。因此，可以基于被光接收元件27检测的可见光的量而计算UV指数。
图5是示出提供有根据示范实施方式的光学传感器的电子器件的透视图。
在示范实施方式的描述中，将以使用移动式通信终端的电子器件100作为示例进行描述，但本公开不限于此。
例如，电子器件可以包括以下的至少一种：智能电话、平板个人计算机(PC)、移动式电话、电视电话、电子书阅读器、台式PC、膝上型PC、笔记本计算机、个人数字助理(PDA)、便携式多媒体播放器(PMP)、MP3播放器、移动式医疗装置、照相机、可穿戴装置(例如，头部安装式装置(HMD)诸如电子眼镜、电子衣服、电子手镯、电子项链、电子装饰物、电子文身和智能手表)。
根据示范实施方式，电子器件可以是提供有通信功能的智能家用器具。例如，智能家用器具可以包括以下至少一种：电视机、数字视频盘(DVD)播放器、音频设备、冰箱、空调、吸尘器、烤箱、微波炉、洗衣机、空气净化器、机顶盒、电视机盒(例如，Samsung HomeSyncTM、Apple TVTM或者Google TVTM)、游戏机、电子词典、电子钥匙、摄录机和电子像框。
根据示范实施方式，电子器件可以包括以下至少一种：各种医疗器材(例如，核磁共振血管造影(MRA)、核磁共振成像(MRI)、计算机断层成像(CT)、电影摄像机、和超声波机床)、导航系统、全球定位系统(GPS)接收器、行车数据记录仪(EDR)、飞行数据记录仪(FDR))、车载娱乐装置、船舶用电子设备(例如，船舶导航系统和回转罗盘)、航空电子装置、电子保密装置以及工业或家用机器人)。
根据示范实施方式，电子器件可以包括以下至少一种：包括信息交流功能的一件家具或一部分建筑物/结构、电子布告牌、电子签名接收装置、投影仪、各种测量仪表(例如，供水、电、燃气、电磁波等等的测量仪表)。电子器件可以是上述各种装置中的任何一个或者是上述各种装置中的两个或更多个的组合。此外，对于本领域技术人员来说明显的是，根据本公开的电子器件不局限于上述装置。
参照图5，电子器件100可以包括提供在壳101的前侧上的显示器件111、键区113和接收单元115。显示器件111可以由其中包括触摸面板的触摸屏配置。键区113可以设置在显示器件111之下，并可以包括主屏幕按钮、菜单按钮和后退按钮的布置。在壳101的横向侧上，可以设置电源键117、耳机插孔119等等。电源键117、耳机插孔119等等的位置可以根据电子器件的设计而被不同地改变。
电子器件100可以包括各种传感器。例如，电子器件100可以包括检测使用者的身体是否接近电子器件100的接近传感器、自动调节显示器件111的亮度的照度传感器(illumination sensor)121、感测电子器件100的位置及其变化的地磁传感器/陀螺传感器/GPS模块等等。
根据示范实施方式的光学传感器20可以与接近传感器或者照度传感器121一起邻近于接收单元115安装。
在下文，将参考图6更具体地描述安装在电子器件100中的具有光学传感器20的构造。
图6是示出包括根据示范实施方式的光学传感器的电子器件的截面图，其中电子器件处于被部分地切掉的状态。
电子器件100的显示器件111可以包括盖构件111a、显示单元111b和光中断层111c。
盖构件111a可以保护显示单元111b并发送通过显示单元111b输出的图形。因此，盖构件111a可以由透明材料制成，例如合成树脂，诸如透明压克力。替代地，盖构件111a可以由玻璃材料制成。当触摸面板被合并在盖构件111a中时，显示器件111可以被用作输入设备。在将盖构件111a组装到壳101时，光中断层111c可以形成在盖构件111a的周边边缘上以隐藏组装结构等等。光中断层111c可以通过涂覆有色颜料而形成。开口111d可以形成在光中断层111c中以暴露光学传感器20的光波导23。
光学传感器20的衬底21可以设置在盖构件111a的内表面上以面对光中断层111d。光波导23相应于开口111d定位，光发射元件25和光接收元件27可以设置在开口111d外部的光中断层111c上。从光发射元件25发射的可见光可以被光入射表面23a反射或者折射以穿过光波导23行进。
电子器件100可以通过光学传感器20计算UV指数，所计算的UV指数可以通过显示器件111输出。安装在电子器件100中的应用可以允许计算的UV指数被提供给服务供应商，使得服务供应商可以将接收的UV指数放在一起并提供各种生活信息项等等，包括该接收的UV指数。应用可以根据存储在其中的信息项和当前计算的UV指数允许各种生活信息项通过电子器件100被输出到用户。
图7是示出在根据示范实施方式的光学传感器中的光波导的变化的视图。图8是示出根据示范实施方式的光学传感器的相对吸收率的变化的视图。
如图7所示，当在透明状态下被暴露于UV光时，包含光致变色材料的光波导被转变为不透明状态，在暴露于可见光或热时，光波导再次被转变为透明状态。参照图8，包含如上所述的光致变色材料的光学传感器，例如该光波导，在透明状态下可以具有对于UV光的高的相对吸收率UA和对于可见光范围内的光的低的相对吸收率。当光致变色材料暴露于UV光时，对于具有另一波长的光(例如在可见光范围内的光)的相对吸收率VA可以增加。因此，当包含如上所述的光致变色材料的光波导暴露于UV光时，对于在可见光范围内的光的透射率会降低。
在图9至11中示出根据光致变色材料的组成物的更多示范性相对吸收率。
图9是示出根据示范实施方式的光学传感器的相对吸收率的变化的视图，其中苯系化合物被用作光学传感器的光致变色材料。
当被暴露于具有大约400nm的波长的UV光时，由苯系化合物制成的光致变色材料对于具有大约700nm的波长的光可以表现出增加的相对吸收率。因此，可以使用苯系化合物作为光致变色材料计算在UV-A范围内的UV光强度。
图10是示出根据示范实施方式的光学传感器的相对吸收率的变化的视图，其中螺吡喃(spiropyrane)系化合物被用作光学传感器的光致变色材料。
当被暴露于具有大约260nm的波长的UV光时，由螺吡喃系化合物制成的光致变色材料对于具有大约630nm的波长的光可以表现出增加的相对吸收率。因此，可以使用螺吡喃系化合物作为光致变色材料来计算具有200至300nm的波长的中紫外线(MU-V)范围或UV-B范围的UV光强度。
图11是示出根据示范实施方式的光学传感器的相对吸收率的变化的视图，其中乙腈(CH3CN)系化合物被用作光学传感器的光致变色材料。
当被暴露于具有大约370nm的波长的UV光时，由乙腈系化合物制成的光致变色材料对于具有大约650nm的波长的光可以表现出增加的相对吸收率。因此，可以使用乙腈系化合物作为光致变色材料计算UV-A范围内的UV光强度。
图12至17是示出包含在根据示范实施方式的光学传感器的光波导中的示范性光致变色材料的视图。
图12示出双-噻吩-3-基-全氟环戊烯化合物的结构，图13示出螺-断(spiro-mero)化合物的结构，图14示出二噻吩基乙烯(dithienylethene)化合物的结构。例如，该二噻吩基乙烯化合物可以是二噻吩基乙烯基环戊烷(dithienylethenyl cyclopentane)。图15示出偶氮苯化合物的结构，图16和17分别示出二噻吩基乙烯化合物的其他结构。
对于UV光或可见光的相对吸收率可以根据键合到如上所述形成光致变色材料的化合物的衍生化合物而改变。
通过键合CH3衍生化合物到图16中示出的二噻吩基乙烯化合物而获得的光致变色材料在透明状态下暴露于具有352nm的波长的UV光时可以表现出对于具有662nm的光的增加的相对吸收率。
表1表示如图17所示键合到二噻吩基乙烯化合物的衍生化合物Rx的种类，以及当包含衍生化合物Rx的光致变色材料表现出高的相对吸收率时测量的波长。
表1
如表1所表示的，光致变色材料根据衍生化合物的种类在不同的波长处可以表现出高的相对吸收率，即使形成光致变色材料的化合物相同。因此，当使用提供有包含具有不同组分的光致变色材料的多个光波导的光学传感器时，可以对于多个不同的波段分别计算UV光强度。
图18是示出根据示范实施方式的光学传感器的构造的视图。图19是示出根据示范实施方式的光学传感器的操作的视图。
参考图18和图19，光学传感器30可以包括光发射元件35和光接收单元37，每个光发射元件35和光接收单元37被安装在衬底31的一侧，光波导33可以形成为从衬底31的该一侧突出。每个光发射元件35和光接收元件37可以设置在光波导33内。光波导33可以包含光致变色材料，例如，在暴露于光时表现出改变的颜色的材料。光致变色材料可以表现出根据其组分和其所暴露的光的波长而改变的颜色。如上所述，表现出通过UV光而改变的颜色的光致变色材料可以包含在光波导33中。当光致变色材料暴露于UV光时，光波导33可以表现出改变的颜色，使得光波导33对于可见光的透射率(或吸收率)可以改变。光发射元件35发射可见光到光波导33内部，光接收元件37可以检测从光发射元件35发射的可见光。当光波导33对于可见光的透射率改变时，由光接收元件37检测的可见光的量被改变。这样，光学传感器30可以计算UV指数。
光学传感器30可以进一步包括形成在光波导33的表面上的光屏蔽膜39a。光屏蔽膜39a可以阻挡从外部入射在光接收元件37上的其他光，例如，可见光。此外，光屏蔽膜39a反射从光发射元件35发射的光使得该光穿过光波导33的内部行进。例如，光屏蔽膜39a可以允许从光发射元件35发射的光穿过光波导33的内部行进，同时阻挡入射在光波导33上的外界光。然而，光学传感器30可以包括通过去除光屏蔽膜39a的至少一部分而形成的开口39b，使得光波导33的一部分可以暴露于外部。在光屏蔽膜39a外部的光(例如，UV光)通过开口39b被辐照到光波导33的一部分，使得包含在光波导33中的光致变色材料可以改变其颜色。开口39b的位置可以适当地设置使得通过开口39b入射在光波导33上的外界光不到达光接收元件37。
通过开口39b入射在光波导33上的光引起光致变色材料的颜色改变，使得光波导33的一部分P可以改变其对于可见光的透射率。由于光波导33的部分P对于可见光的透射率改变，从光发射元件35发射并被光接收元件37检测的可见光的量改变，光学传感器30可以基于由光接收元件37检测的可见光的改变而计算UV指数。
图20是示出根据示范实施方式的所实现的光学传感器的视图。图21是示出根据示范实施方式的光学传感器的截面图。
参考图20和图21，光学传感器40可以包括形成为在衬底41的一侧突出的光波导43，光发射元件45和光接收元件47可以安装为在光波导43内相应于彼此。光学传感器40可以包括提供光屏蔽膜的功能的盖构件49a。盖构件49a可以安装在衬底41的该一侧上以围绕光波导43的至少一部分。例如，盖构件49a可以安装为围绕光波导43的周边，盖构件49a的顶部可以敞开。滤色器49b可以安装在盖构件49a的敞开的顶部上。滤色器49b可以反射可见光同时透射UV光。例如，滤色器49b可以反射外部可见光使其不入射在光波导43上，并可以透射具有引起包含在光波导43中的光致变色材料的颜色改变的波长的光(例如，UV光)。从光发射元件45发射并穿过光波导43内部行进的可见光也可以被滤色器49b反射以入射在光接收元件47上。如此，前面的示范实施方式的光屏蔽膜和开口可以通过示范实施方式的盖构件49a和滤色器49b而实现。
穿过滤色器49b入射在光波导43上的光(例如，UV光)引起光致变色材料的颜色改变，使得光波导43的至少P部分对于可见光的透射率可以改变。光学传感器40可以基于光波导43对于可见光的透射率的改变而计算UV指数。滤色器49b可以透射具有引起包含在光波导43中的光致变色材料的颜色改变的波长的光(例如，UV光)，而具有不同波长的光会被盖构件49a和滤色器49b阻挡。因此，光接收元件47可以检测从光发射元件45发射的光(例如，可见光)而不受外界环境的影响。
图22是示出根据示范实施方式的所实现的光学传感器的视图。
根据本示范实施方式的光学传感器50类似于前面的示范实施方式的光学传感器40，与光学传感器40的不同之处在于多个光波导设置在单个衬底上。因此，应当注意到，在本示范实施方式的描述中，对于可以容易地从前面的示范实施方式理解的组件给予相同的附图标记或将其省略，详细说明也可能被省略。
参照图22，光学传感器50可以包括一个或多个光波导43，例如，设置在衬底41的一侧上以彼此平行的一对光波导43。每个光波导43可以容纳光发射元件45和光接收元件47，光发射元件45和光接收元件47可以通过盖构件49a彼此分离。盖构件49a可以容纳彼此分离的光波导43。滤色器49b可以安装在盖构件49a的顶部从而仅透射具有引起包含在每个光波导43中的光致变色材料的颜色改变的波长的光(例如，UV光)。例如，滤色器49b可以仅透射UV光同时阻挡或反射可见光或红外光。从每个光发射元件45发射的可见光可以通过盖构件49a和滤色器49b而被阻挡或反射从而穿过每个光波导43的内部行进，由此被光接收元件47之一检测。
包含在光波导43中的光致变色材料的组分可以彼此不同。例如，光波导43之一可以包含其颜色被UV-A范围内的UV光改变的光致变色材料，光波导43中的另一个可以包含其颜色被UV-B范围内的UV光改变的光致变色材料。例如，根据本示范实施方式的光学传感器50可以计算多个波长范围中的每个的UV指数。
虽然已经参考一个或多个示例实施方式示出和描述了本公开，但将理解，本领域普通技术人员可以在其中进行形式和细节方面的各种改变而不背离由权利要求所定义的本公开的精神和范围。
例如，在一个或多个示范实施方式中，已经例示了其中光发射元件安装在光学传感器自身中的构造。然而，当光学传感器被安装在提供有照度传感器的电子器件中时，光发射元件不一定必须安装在光学传感器中。例如，照度传感器和光学传感器的光接收元件两者可以检测来自太阳光的可见光。然而，光接收元件可以检测穿过包含光致变色材料的光波导的可见光(来自太阳光的可见光)。因此，由照度传感器检测的可见光的量与由光接收元件检测的可见光的量可以相互比较，从而计算光波导的透射率，可以基于光波导的透射率而计算UV指数。
此外，虽然已经在一个或多个示范实施方式中例示了光学传感器从显示器件横向地设置在光中断层上的构造，但光学传感器可以提供在电子器件的横向侧或后侧上。
Claims (10)
1.一种光学传感器，包括：
光波导，包含光致变色材料；
光发射器，配置为发射可见光以入射在所述光波导上；和
光接收器，配置为检测从所述光发射器发射并穿过所述光波导行进的可见光，
其中当所述光波导暴露于紫外光时，所述光波导对于所述可见光的透射率被所述光致变色材料改变，使得由所述光接收器检测的可见光的量改变，
其中所述光学传感器还包括衬底，所述光发射器和所述光接收器的每个安装在所述衬底的相同表面上，
其中所述光波导形成为在所述衬底的一侧上突出，所述光发射器和所述光接收器的每个设置在所述光波导内，
其中光屏蔽膜形成在所述光波导的表面上并配置为阻挡可见光从外部入射在所述光接收器上，
其中从所述光发射器发射的所述可见光被所述光屏蔽膜反射同时穿过所述光波导行进以入射在所述光接收器上，
其中所述光屏蔽膜的至少一部分被去除以将所述光波导暴露到外部而接收来自外部的紫外光。
2.如权利要求1所述的光学传感器，其中所述光致变色材料包括以下至少之一：二芳基乙烯、螺吡喃、螺噁嗪、苯并吡喃、俘精酸酐和俘精酰亚胺、螺二氢中氮茚、偶氮化合物、多环芳香烃化合物、缩苯胺、多环醌(迫位芳氧基醌)、萘嵌间二氮杂苯螺环己二烯酮、紫罗碱及三芳基甲烷。
3.如权利要求1所述的光学传感器，其中所述光致变色材料包括以下至少之一：4-叔丁基-4’-甲氧基二苯甲酰甲烷、aberchrome TM540、N-乙氧基肉桂酸-3’、3’-二甲基螺(2H-5-硝基-1-苯并吡喃-2，2’-吲哚啉)、二芳基乙烯、1-苯氧基蒽醌、6-NO2BIPS、侧链聚合物液晶(SPLC)、二螺[吲哚啉-萘并噁嗪](bis-SPO)、螺噁嗪部分和2-甲氧基萘基团(SPO-NPh)、萘并噁嗪螺吲哚啉(NOS)、螺吡喃、2’-乙基己基-4-甲氧基-肉桂酸盐、杂靠厄二蒽酮内过氧化物(HECDPO)和1,2-二杂芳基乙烯。
4.如权利要求1所述的光学传感器，其中所述光致变色材料包括TiO2和AgCl中的至少一种。
5.一种电子器件，包括：
盖构件，配置为透射光；
光中断层，形成在所述盖构件上；
开口，形成在所述光中断层中；以及
至少一个光波导设置在所述盖构件内并配置为相应于所述开口，
其中所述光波导包含光致变色材料，使得所述光波导关于可见光的透射率被配置为在所述光波导通过所述开口暴露于UV光时改变，
其中所述电子器件还包括光发射器和光接收器，其中所述光发射器配置为发射可见光以入射在所述光波导上，所述光接收器配置为检测从所述光发射器发射并穿过所述光波导行进的可见光。
6.如权利要求5所述的电子器件，还包括：
衬底，设置为面对所述光中断层，
其中所述光波导、所述光发射器和所述光接收器设置在所述衬底的一侧。
7.如权利要求6所述的电子器件，还包括：
光波导凹陷，形成在所述衬底的所述一侧上,
其中所述光波导形成在所述光波导凹陷中。
8.如权利要求7所述的电子器件，还包括：
光入射表面，形成在所述光波导的一端；和
光发射表面，形成在所述光波导的另一端，
其中每个所述光入射表面和所述光发射表面形成为关于所述光波导的纵向倾斜。
9.如权利要求8所述的电子器件，其中从所述光发射器发射的所述可见光被所述光入射表面反射或折射以入射在所述光波导上，穿过所述光波导行进的所述可见光被所述光发射表面反射或折射以入射在所述光接收器上。
10.一种电子器件，包括：
盖构件，配置为透射光；
光中断层，形成在所述盖构件上；
开口，形成在所述光中断层中；以及
至少一个光波导设置在所述盖构件内并配置为相应于所述开口，
其中所述光波导包含光致变色材料，使得所述光波导关于可见光的透射率被配置为在所述光波导通过所述开口暴露于UV光时改变，
其中所述电子器件还包括照度传感器和光接收元件，其中所述照度传感器配置为检测来自太阳光的可见光，所述光接收元件配置为检测穿过所述光波导的可见光。
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