CN106644061A - 环境光检测系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种具有环境光检测系统的电子设备。所述环境光检测系统包括：光学开窗、微纳光学元件和环境光传感器，所述微纳光学元件位于所述光学开窗和所述环境光传感器之间，所述环境光检测系统用于使光线从所述光学开窗入射到所述微纳光学元件并透过所述微纳光学元件被所述环境光传感器接收，所述微纳光学元件具有微纳光学结构，所述微纳光学结构用于改变入射光线的方向。本申请利用微纳光学元件，实现对入射光路的改变，减少了入射光因吸收和反射造成的损失，光线在透过该微纳光学元件时的损失变小，增大了环境光传感器接收光的范围。
Description
技术领域
本申请涉及光技术领域，特别涉及一种电子设备及环境光检测系统。
背景技术
对于手机、笔记本电脑、平板电脑等电子设备，环境光传感器(ambient lightsensor,ALS)系统为主要的光电传感器系统之一，主要用于接收环境光，通过检测环境光的变化来控制电子设备的屏幕亮度，以最大限度地延长电池的工作时间，并且有助于屏幕提供柔和的画面，达到更好的用户感受。如图1所示是现有技术电子设备中的ALS系统示意图，环境光传感器安装在玻璃盖板下方，其接收环境光的范围一方面由其上方玻璃盖板上的环境光开窗尺寸(直径)大小决定，开窗尺寸越大，环境光传感器的接收范围越大。然而为了实现外观的美观性、颜色一致性，玻璃盖板上的环境光开窗尺寸通常要尽量小。另一方面，环境光传感器的接收范围也由该环境光传感器到开窗的距离d决定，距离越近，环境光传感器的接收范围越大。然而实际的产品因为考虑安装误差、周边器件的影响、组装简易性等因素，传感器距离开窗较远。这两方面的因素导致环境光传感器存在接收范围小的缺点。现有技术采用半透明的均光油墨来达到扩大接收范围的目的。
如图2所示，半透明均光油墨中添加有氧化锌或者氧化钛等微粒，对入射光起到扩散作用，能够在一定程度上提高环境光传感器的接收范围。然而，半透明均光油墨中的扩散微粒对入射光也具有反射和吸收作用，降低了入射光的透过率。通常情况下，随着扩散微粒含量的增大，入射光的扩散角度增大，光学环境光传感器的接收范围增大，但入射光的透过率也迅速降低，这导致光学环境光传感器的灵敏度降低。接收范围和透过率很难达到一个平衡。
发明内容
本申请提供具有环境光检测系统的电子设备，该环境光检测系统可以增大环境光传感器的光线接收范围，且不会影响光的透过率。
该环境光检测系统包括：光学开窗、微纳光学元件和环境光传感器，所述微纳光学元件位于所述光学开窗和环境光传感器之间，所述环境光检测系统用于使光线从所述光学开窗入射到所述微纳光学元件并透过所述微纳光学元件被所述环境光传感器接收，所述微纳光学元件具有微纳光学结构，所述微纳光学结构用于改变入射光线的方向。
可选的，所述光学开窗由玻璃盖板、外观油墨和遮光油墨构成；所述玻璃盖板靠近所述微纳光学元件的一面涂覆有外观油墨；所述遮光油墨涂覆于所述外观油墨之上，但在光学开窗内不涂覆所述遮光油墨；所述光学开窗用于使入射到所述外观油墨的光线透过该光学开窗以被所述环境光传感器接收；所述遮光油墨的入射光透过率远小于所述外观油墨的入射光透过率。一般电子设备例如手机，有多种颜色，为了确保美观，使得光学开窗跟外观保持一致性，通常光学开窗处的玻璃盖板也保留有外观油墨。可选的，也可以不涂覆外观油墨。
可选的，所述微纳光学元件的面积大于所述光学开窗的面积。如此可以确保所有进入光学开窗的光线都入射到微纳光学元件。
可选的，所述微纳光学结构为微透镜阵列，指结构尺寸在微米级别的多个微透镜在高透光的基底材料上按一定的方式排列组成的结构。微透镜包括凸面镜或凹面镜。每个微透镜(凸面镜或凹面镜)可以对入射到其上的光线发生折射，从而改变入射光线方向。可选的，所述微透镜的有效焦距可以为所述光学开窗到所述环境光传感器距离的0.05～0.5倍。所述微透镜的焦比值可以为为1。微透镜可以按照正方形或者菱形的方式排布，这种排布方式可以保证在单位面积上凸面镜或凹面镜的填充率达到填充因子为π/4(正方形排布)或π/2(菱形排布。
可选的，所述微纳光学结构为菲涅尔透。菲涅尔透镜可以将透镜中心左右对称角度的入射光线汇集到环境光传感器上，增大光接收范围。可选的，该菲涅尔透镜的有效焦距为光学开窗到环境光传感器距离的0.05～0.5倍左右，菲涅尔透镜结构层的厚度为光学开窗到环境光传感器距离的0.01～1倍。菲涅尔透镜可以包括内圈和外圈，内圈可以为圆冠或圆锥结构，也可以为锯锯齿结构。在微纳工艺中，内圈为锯锯齿结构更容易生产加工。
可选的，所述微纳光学结构为微结构扩散板，所述微结构扩散板的表面具有锯锯齿结构。
可选的，微结构扩散板的入射光面的锯锯齿结构深宽比C2＝h2/D2，出射光面的锯锯齿结构深宽比C1＝h1/D1，C2大于0.5，C1大于1。
可选的，D2大于D1。
可选的，所述微纳光学元件包括胶层、基底层和微纳光学结构层，所述基底层的一面具有所述微纳光学结构层，另一面具有所述胶层，以便通过所述胶层将所述微纳光学元件与所述光学开窗耦合在一起。
可选的，所述微纳光学元件包括胶层和微纳光学结构层，所述胶层涂覆于光学开窗所在的玻璃盖板上，所述微纳光学结构层是通过将刻有所述微纳光学结构的模板在外力作用下施压于所述胶层并经过固化而获得的。
可选的，所述微纳光学元件包括导光元件和微纳光学结构层，所述微纳光学结构层是通过一体注塑的方式成型于所述导光元件的一面上。可选的，可以通过结构件及所述电子设备的本体将该导光元件固定在光学开窗和光线接收器之间。所述导光元件的截面为T形结构。
可选的，微纳光学元件所用的材料的光透过率大于90％。
本申请提供的环境光检测系统，利用微纳光学元件，实现对入射光路的改变，减少了入射光因吸收和反射造成的损失，光线在透过该微纳光学元件时的损失变小，增大了光传感器接收光的范围。
附图说明
图1是现有技术光传感器系统的结构示意图；
图2是现有技术均光油墨扩散例子的光路示意图；
图3是本申请实施例的光学开窗示意图；
图4是本申请提供的具有环境光检测系统的电子设备的结构示意图；
图5是现有技术的均光油墨与本申请的微纳光学元件的光线入射与出射路径示意图；
图6是本申请实施例提供的微透镜阵列立体示意图；
图7是本申请提供的微透镜阵列的光线入射与出射路径示意图；
图8是本申请实施例提供的菲涅尔透镜侧视图与俯视图；
图9是本申请实施例提供的菲涅尔透镜内圈的结构示意图；
图10是本申请实施例提供的菲涅尔透镜的光线入射与出射路径示意图；
图11是本申请实施例提供的一种微结构扩散板的结构示意图；
图12是本申请实施例提供的一种微结构扩散板的尺寸设计示意图；
图13是本申请实施例提供的另一种微结构扩散板出射面的结构，以及光线入射与出射路径示意图；
图14是本申请实施例提供的一种微纳光学元件的结构示意图；
图15是本申请实施例提供的另一种微纳光学元件的结构及组装示意图；
图16是本申请实施例提供的又一种微纳光学元件的结构示意图；
图17是本申请实施例提供电子设备中的环境光检测系统的导光元件组装示意图。
具体实施方式
本申请的一个实施例提供的环境光检测系统，包括至少一个环境光传感器、光学开窗和一种微纳光学元件。依靠该环境光检测系统，进入该光学开窗的环境光线被微纳光学元件偏转一个角度，并被引导至环境光传感器上。如图3所示，对于消费类电子设备(如手机)，光学开窗300可以由玻璃盖板301、外观油墨302和遮光油墨303组成。外观油墨采用整面涂覆的形式涂覆在玻璃盖板上起到实现外观颜色美观和遮蔽光传感器的效果。遮光油墨涂覆在外观油墨上，但在环境光传感器的正上方一定区域(开窗位置)不涂覆，从而使得在该开窗范围内入射光的透过率保持不变，而在其他有遮光油墨的区域入射光透过率可以降低到0.0001％。通过这种油墨涂覆的方式实现外观遮蔽、实现光学开窗的目的。
如图4所示，本申请提供了具有环境光检测系统的电子设备，包括境光检测系统、玻璃盖板和本体。该环境光检测系统包括：图3所示的光学开窗300和微纳光学元件401和环境光传感器402。微纳光学元件401位于光学开窗400和环境光传感器402之间。环境光透过外观油墨，入射到光学开窗300，从该光学开窗300入射到微纳光学元件401并透过该微纳光学元件401后被该环境光传感器402接收。微纳光学元件401上具有微纳光学结构403。光学开窗的直径Φ1，环境光传感器的光接收面直径Φ2，光学开窗到环境光传感器的光接收面的距离为d。光学开窗、微纳光学元件和环境光传感器在同一个光轴上，其尺寸以及之间的距离可根据环境光检测系统所在的电子设备本体尺寸要求而决定。
微纳光学结构以不同角度偏转进入光学开窗的光线，改变入射光线的方向，扩大环境光传感器的光接收范围。图5所示是采用均光油墨和采用微纳光学元件的不同光路示意图。以角度θ入射到光学开窗的光线，通过均光油墨后光路没有改变，没有被环境光传感器接收到。而以同一个角度θ入射到光学开窗的光线，经过微纳光学元件后产生折射，被偏转了一个角度β，从而被环境光传感器接收到。因此，利用微纳光学元件可以扩大环境光传感器的光接收范围，从而提高环境光传感器的FOV(视角，field of view)。通常，微纳光学元件的面积大于光学开窗的面积，以尽可能确保将所有进入光学开窗的光线都入射到微纳光学元件上。微纳光学元件所可采用光透过率大于90％的树脂材料，例如PMMA(polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)、PET(Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PC(Polycarbonates，聚碳酸酯)、PA(Polyamide,聚酰胺)等。
本申请的微纳光学结构可以设计为多种不同的结构，下面以微透镜阵列、菲涅尔透镜以及微结构扩散板等结构为例加以介绍。
如图6所示，微透镜阵列为一种结构尺度在微米级别的凸面镜或凹面镜在高透光的基底材料上按一定的方式排列形成的阵列。如图7所示，每个微透镜均对入射到其上的光线发生折射，因此可以达到改变入射光线方向的目的。微透镜阵列中凸面镜或凹面镜，可以应用在消费类电子产品中，透镜有效焦距可以为光学开窗到环境光传感器距离d的0.05～0.5倍之间，微透镜的焦比值可以为1。微纳光学元件的厚度可以在50um到0.5d之间。为了达到更好的增大环境光接收范围的目的，凸面镜或凹面镜可以按照正方形或菱形的方式排布，这种排布方式可以保证在单位面积上凸面镜或凹面镜的填充率达到填充因子为π/4(正方形排布)或π/2(菱形排布)。在整个接收光范围内，微透镜阵列可以具有周期性的结构，这种结构可以在在无需对位的情况下，使环境光传感器接收到的光强分布为左右对称。当然，具体实现时也可以采用非周期性的结构。
如图8所示，菲涅尔透镜结构包括内圈的圆冠或圆锥结构，以及在同一表面的菲涅尔棱镜结构。该菲涅尔棱镜不同于内圈的结构，呈现环状。在一个实施方式中，菲涅尔透镜的内圈也可以不是圆冠或圆锥，截面图可以是如图9所示的齿形。如图10所示，入射光线通过菲涅尔透镜面后光路被改变。菲涅尔透镜可以将透镜中心左右对称角度的入射光线偏转到环境光传感器上，实现增大光接收范围的目的。菲涅尔透镜可以使光传感器的光强分布曲线为左右对称，有利于光检测的可靠性。本实施例的菲涅尔透镜结构，有效焦距为光学开窗到环境光传感器距离d的0.05～0.5倍之间，同时菲涅尔透镜结构层的厚度为0.01d～1d之间。
微结构扩散板的表面具有锯齿结构。微结构扩散板的出射光方向的一面具有锯齿结构，入射光的一面可以是平面或者也具有锯齿结构。如图11所示，是微结构扩散板的一个例子，微结构扩散板的入射光的一面具有较宽锯齿结构，出射光的一面具有较细的锯齿结构。
微结构扩散板的尺寸设计的一个例子如图12所示，假设其中一个锯齿结构的深宽比C1＝h1/D1，另一个锯齿结构的深宽比C2＝h2/D2。其中，C2对应的面为光入射面，h2为锯齿结构的高度，取C2>0.5，可确保导光板达到最大透过率并在可见光波长范围内保持稳定。C1对应的面为出射光面，C1>1。其中，D2可以介于1.0um和2.0um之间，D1可以设计为0.4um到1.4um之间。若考虑成本，入射面D2可以采用宽齿，出射面D1可以采用细齿，即D2大于D1。入射光的一面采用较宽的锯齿结构有利于加工、减少加工成本，而出射光的一面决定了光线的折射效果，较细的结构可以确保光的接收范围。当然，两个面的锯齿结构的尺寸可以设计成一样的。
锯齿结构可以是周期性的，也可以是非周期性的。图11所示周期性的锯齿结构。图13则是另一种微结构扩散板的结构及光路示意图，出射光一面的锯齿结构是不规则的，光线经过该不规则的锯齿结构后被折射，并被环境光传感器接收。
以上介绍了微纳光学结构的几种实施方式，在实际运用中，还可以有其他的结构，也可以几种结构的组合。比如中间部分是菲涅尔透镜，周围是微透镜结构。
下面介绍包含有微纳光学结构的微纳光学元件的结构及制作方法。
如图14所示，微纳光学元件可以包括微纳光学结构层和至少一层基底层，其中基底层起到光线引导的作用，基底层的材料可以为PMMA(polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)、PET(Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PC(Polycarbonates，聚碳酸酯)、PA(Polyamide,聚酰胺)等透光率在90％以上的树脂材料。制作过程中，首先将光学压印胶均匀涂覆在基底层上，利用刻有微纳光学结构(例如微透镜阵列、菲涅尔透镜或微结构扩散板)的模板，在外力的作用下将涂覆在基底层上的压印胶压入模板上的结构中，随后通过UV光照或是热固化等方式实现压印胶的固化。这是一种简单、高效并廉价的生产方式。可以利用OCA(Optically Clear Adhesive)光学胶或是光学双面胶将基底层和微纳结构层组成的微纳光学元件同光学开窗耦合在一起。该微纳光学元件的面积大于光学开窗的面积，以便将所有进入光学开窗的光线偏转到环境光传感器上。
如图15所示，微纳光学元件可以包括一层微纳光学结构层和胶层。制作过程中，可以直接将光学压印胶均匀涂覆在起承载作用的玻璃盖板光学开窗上，利用刻有菲涅尔结构的模板在外力的作用下将压印胶压入模板上的结构中，随后通过UV光照或是热固化的方式实现压印胶的固化，相比图14所示的实施方式，没有基底层和光学耦合层。微纳光学元件的面积大于等于光学开窗的面积，以便将所有进入光学开窗的光线偏转到光线接收器上。
如图16所示，微纳光学元件可以包括至少一个导光元件和微纳光学结构层，微纳光学结构层可以通过一体注塑的方式直接成型于导光元件上。一体注塑的方式可以是，可以在一定温度下，通过搅拌完全熔融的高透光率塑料材料，用高压射入含有微纳光学结构(例如微透镜阵列、菲涅尔透镜或微结构扩散板)的模腔，经冷却固化后得到复制模腔结构的注塑件。该带有微纳光学结构的面同光学开窗以及光线接收器处于同一个轴上。
如图17所示，导光元件1701可以不需要通过OCA光学胶或是光学双面胶同玻璃盖板光学开窗耦合在一起，可以通过电子设备内的结构件1702将导光元件1701固定在玻璃盖板光学开窗和光线接收器之间。该导光元件可以呈T字结构，两侧的结构件卡入T字结构的两侧，从而将导光元件固定在电子设备本体内。该导光元件的受光面(T型顶部)朝向玻璃盖板光学开窗且面积不小于光学开窗面积，该导光元件的出光面(T形底部)朝向光线接收器面且面积不小于光线接收器面积。
环境光传感器接收入射光的范围和接收入射光的强度将影响环境光检测系统的整体性能，好的环境光检测系统需要提高接收光的范围和强度(光透过率)。本申请的技术方案利用微纳光学结构来改变入射光的光路，使得入射光通过微纳光学结构之后光路偏转向环境光传感器，增大了环境光传感器接收光的范围。在一些测试中，现有的均光油墨方案的FOV在75°～90°之间，同样的条件下，利用本申请的微纳光学元件的方案，FOV得到了提高，可以达到90°～130°甚至更高。合理设计的微纳光学元件对光线的反射和吸收很少，减少了光损失，提高了接收光的强度。可以利用微纳加工技术如压印、注塑等成熟技术实现微纳光学元件的大规模低成本加工，同时利用微纳光学元件尺寸小的优点解决了消费类电子产品对空间的要求。可采用多种安装方式实现微纳光学元件和环境光检测系统的耦合。
本申请的技术方案适用于多种应用场景，例如可以用在电子设备如手机、PDA、平板、监控设备、GPS设备等。本申请的该技术方案也可以用于所有使用环境光检测的场景，例如楼宇检测设备，车用设备中等。
Claims (11)
1.一种具有环境光检测系统的电子设备，其特征在于；
所述环境光检测系统包括：光学开窗、微纳光学元件和环境光传感器，所述微纳光学元件位于所述光学开窗和所述环境光传感器之间，所述环境光检测系统用于使光线从所述光学开窗入射到所述微纳光学元件并透过所述微纳光学元件被所述环境光传感器接收，所述微纳光学元件具有微纳光学结构，所述微纳光学结构用于改变入射光线的方向。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其特征在于，所述微纳光学结构包括微透镜阵列、菲涅尔透镜或微结构扩散板。
3.根据权利要求2所述的电子设备，其特征在于，所述微透镜的有效焦距为所述光学开窗到所述环境光传感器距离的0.05～0.5倍，所述微透镜的焦比值为1。
4.根据权利要求2所述的电子设备，其特征在于，所述菲涅尔透镜的有效焦距为光学开窗到环境光传感器距离的0.05～0.5倍，菲涅尔透镜结构层的厚度为所述光学开窗到环境光传感器距离的0.01～1倍。
5.根据权利要求2所述的电子设备，其特征在于，所述微结构扩散板的表面具有锯锯齿结构。
6.根据权利要求5所述的电子设备，其特征在于，所述微结构扩散板的入光面和出光面均有锯锯齿结构。
7.根据权利要求1所述的电子设备，其特征在于，所述微结构扩散板的入射光面的锯齿结构深宽比C2＝h2/D2，出射光面的锯齿结构深宽比C1＝h1/D1，C2大于0.5，C1大于1。
8.根据权利要求7所述的电子设备，其特征在于，D2大于D1。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的电子设备，其特征在于，所述微纳光学元件包括导光元件和微纳光学结构层，所述微纳光学结构层是通过一体注塑的方式成型于所述导光元件的一面上。
10.根据权利要求9所述的电子设备，其特征在于，所述导光元件被结构件及所述电子设备的本体固定在光学开窗和光线接收器之间。
11.根据权利要求1至9任意一项所述的电子设备，其特征在于，所述微纳光学元件的材料为光透过率90％以上的树脂材料。
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