CN107219939B - 光学手指导航模块和用于延长ofn模块的寿命的方法 - Google Patents
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Abstract
一种光学手指导航模块包括：光源，所述光源安装在窗口板下方，所述窗口板形成在所述模块的外壳上；驱动器，所述驱动器用于将电流输出到所述光源；环境传感器，所述环境传感器用于感测环境情况且提供信号；以及传感器集成电路，所述传感器集成电路包括处理器，所述处理器与所述环境传感器联接，用于读取所述信号且基于针对所述光源定制的且使用补偿因数从补偿算法导出的补偿曲线来生成所述信号所对应的补偿电流。还公开了一种用于延长该模块的寿命的方法。
Description
技术领域
本申请涉及光学手指导航(optical finger navigation，OFN)模块，且尤其涉及用于极端温度操作的OFN模块。本申请还涉及用于通过使光源的操作时间最小化且补偿OFN模块中的环境变化来延长OFN模块的寿命的方法。
背景技术
光源为OFN模块的最关键的部件之一。OFN模块的操作将依赖于从跟踪表面的光反射以确定其跟踪运动。根据运动传感器技术，发光二极管(Light-Emitting Diode，LED)和垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，VCSEL)将为光源的选项。通常，LED和VCSEL二者被设计用于室温操作。它们在室温下将具有最好的发光效率。
光功率为影响跟踪性能的至关重要的因素。为了使在高温和低温下的光功率变化最小化，将需要对于光源的电流补偿。LED/VCSEL的温度特性在光源中变化很大。为了提供最好操作条件，针对单个光源将需要定制的补偿曲线。在该情况下，将需要专用存储器空间来存储用于每个光源的补偿设置。然而，该需求在现有的OFN IC中未被合适地解决，因此通常仅留有受限的存储器空间。需要开发具有最小存储器使用率的用于温度补偿的补偿算法。
而且，在正常操作下，根据跟踪状态，光源将由处于不同频率和占空比的脉冲信号来驱动。当未检测到跟踪表面时，脉冲频率和占空比将较低。当检测到跟踪表面时，脉冲频率和占空比将被升高以赶上运动。基于该物体检测算法，光源需要一直操作在脉冲模式下。期望开发具有近距离传感器的OFN以使光源的操作时间最小化，且从而延长OFN模块的寿命。
因此，需要优化OFN模块的操作机制以使其对于高温和低温下的操作更可靠，从而将通过使操作时间最小化且优化光源在极端温度期间的驱动电流来增加模块的寿命。
提供对背景的以上描述以帮助理解光学手指导航模块，但是对背景的以上描述不被承认为描述或构成光学手指导航模块的相关现有技术、或不应当将任何引用文献视为破坏本申请的权利要求的可专利性的材料。
发明内容
按照一方面，提供了一种用于极端温度操作的光学手指导航模块，所述模块包括：外壳，所述外壳包括顶部窗口板和底部电气基板；光源，所述光源安装在所述顶部窗口板下方；发射器驱动器，所述发射器驱动器用于将电流输出到所述光源；光电检测器和数字信号处理器，所述光电检测器和所述数字信号处理器分别用于捕获和处理来自所述光源的光信号；温度传感器，所述温度传感器安装在所述底部电气基板上，用于感测环境温度且提供温度信号；传感器集成电路，所述传感器集成电路包括主处理器，所述主处理器与所述温度传感器联接、且用于读取所述温度信号、且基于针对所述光源定制的且使用多个补偿因数从温度补偿算法导出的补偿曲线来生成所述温度信号所对应的补偿电流；存储器，所述存储器与所述主处理器联接，用于存储所述补偿因数；以及电容感测电路，所述电容感测电路用于感测所述窗口板的顶部上的跟踪物体。
按照另一方面，提供了一种光学手指导航模块，包括：光源，所述光源安装在窗口板下方，所述窗口板形成在所述模块的外壳上；发射器驱动器，所述发射器驱动器用于将电流输出到所述光源；环境传感器，所述环境传感器安装在所述外壳的内部，用于感测环境情况且提供表示所述环境情况的信号；以及传感器集成电路，所述传感器集成电路包括主处理器，所述主处理器与所述环境传感器联接、且用于读取所述信号、且基于针对所述光源定制的且使用多个补偿因数从补偿算法导出的补偿曲线来生成所述信号所对应的补偿电流。
在一实施例中，所述环境传感器可以为用于感测周围温度的温度传感器。所述多个补偿因数包括高温因数和低温因数，每个因数包括端点补偿电流和中间点补偿电流，最大端点补偿电流由用于驱动所述光源的所述发射器驱动器的功率来确定。
在一实施例中，所述主处理器借助I/O接口与所述环境传感器联接。
所述的光学手指导航模块，还可以包括光电二极管阵列和数字信号处理器，所述光电二极管阵列和所述数字信号处理器分别用于在所述窗口板上检测到跟踪表面之后捕获和处理来自所述光源的光信号。
所述的光学手指导航模块，还可以包括与所述主处理器联接的存储器，所述存储器用于存储所述多个补偿因数，每个补偿因数具有1字节至2字节的存储器使用率。
所述的光学手指导航模块，还可以包括有孔的传感器盖，所述有孔的传感器盖用于覆盖所述传感器集成电路。
所述的光学手指导航模块，还可以包括近距离传感器，所述近距离传感器用于检测所述窗口板的顶部上的跟踪物体。所述近距离传感器可以为布置在所述模块的底部电气基板下面的感测膜形式的压电式力传感器。所述压电式力感测膜可以借助电气连接与所述电气基板电连接。
在一实施例中，所述近距离传感器可以为用于使用电容感测电路检测所述模块上的电容变化的电容传感器。所述电容感测电路可以包括涂覆在所述外壳的在所述窗口板和底部电气基板之间的内表面上的金属涂层，在所述底部电气基板上安装有所述光源、所述环境传感器和所述传感器集成电路。所述金属涂层可以通过物理气相沉积、或溅射和电镀沉积来形成。
在一实施例中，所述环境传感器可以被集成到所述传感器集成电路中。
按照又一方面，提供了一种用于通过使光源的操作时间最小化且补偿光学手指导航模块中的环境变化而延长所述光学手指导航模块的寿命的方法，所述光学手指导航模块具有光源和用于将电流输出到所述光源的发射器驱动器。所述方法可以包括：在所述模块的外壳的内部提供用于感测环境情况的环境传感器；读取由所述环境传感器提供的表示所述环境情况的信号；基于针对所述光源定制的且使用多个补偿因数从补偿算法导出的补偿曲线来生成所述信号所对应的补偿电流；以及控制所述发射器驱动器将所述补偿电流输出到所述光源。
在一实施例中，所述环境传感器可以为温度传感器。所述多个补偿因数可以包括高温因数和低温因数，每个因数包括端点补偿电流和中间点补偿电流，最大端点补偿通过用于驱动所述光源的所述发射器驱动器的功率来确定。
所述的方法还可以包括使处于不同温度的所述光源特征化；确定用于每个温度的电流补偿且根据所述电流补偿产生实际电流值；将所述实际电流值转化为补偿因数；以及使用1字节至2字节将所述补偿因数存储在存储器中。
所述的方法，还可以包括准备且存储针对每种光源定制的一条补偿曲线。
所述的方法，还可以包括提供近距离传感器，所述近距离传感器用于：当将跟踪物体放在形成在所述模块的所述外壳上的窗口板的顶部上时，感测所述跟踪物体。
在一实施例中，所述近距离传感器可以为布置在所述模块的所述外壳下面的感测膜形式的压电式力传感器。
在一实施例中，所述近距离传感器可以为用于使用电容感测电路检测所述模块上的电容变化的电容传感器，所述电容感测电路包括沉积在所述模块的所述外壳的内表面上的金属涂层。
尽管相对于特定实施方式示出且描述了光学手指导航模块，但很显然，对于本领域的技术人员而言，在阅读和理解说明书之后，将想到等效物和修改。本申请中的光学手指导航模块包括所有这类的等效物和修改，且仅受权利要求的范围限制。
附图说明
现在将参照附图以示例方式描述光学手指导航模块的具体实施方式，附图中：
图1a为根据本申请的第一实施方式的用于极端温度操作的光学手指导航模块的剖视图。
图1b为图1a的光学手指导航模块的框图。
图2a为根据本申请的第二实施方式的用于极端温度操作的光学手指导航模块的剖视图。
图2b为图2a的光学手指导航模块的框图。
图3a示出用于极端温度操作的光学手指导航模块的温度补偿算法。
图3b示出存储在用于极端温度操作的光学手指导航模块中的补偿设置。
图4为用于极端温度操作的光学手指导航模块的第一实施方式和第二实施方式的操作的流程图。
图5a为根据本申请的第三实施方式的用于极端温度操作的光学手指导航模块的剖视图。
图5b示出根据本申请的实施方式的用于极端温度操作的光学手指导航模块的外壳结构。
图6a为根据本申请的第四实施方式的用于极端温度操作的光学手指导航模块的剖视图。
图6b示出根据本申请的实施方式的光学手指导航模块与力感测膜的连接。
图7为具有近距离传感器的用于极端温度操作的光学手指导航模块的操作的流程图。
具体实施方式
现在详细参考光学手指导航模块的优选实施方式，在下面的描述中还提供了它的实施例。虽然详细描述了光学手指导航模块的示例性实施方式，但是对于本领域技术人员来说，很显然某些特征为了清楚起见而并未示出，因为对理解光学手指导航模块而言不是非常重要。
此外，应该理解，光学手指导航模块不限于下面描述的特定实施方式，在不偏离本发明的精神或范围的前提下，本领域技术人员可以做出各种改变和修改。例如，不同示例性实施方式中的元件和/或特征可以在本说明书和所附权利要求的范围内互相组合和/或互相替代。
此外，在本领域的普通技术人员阅读本说明书，附图和所附权利要求之后，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的改进和修改被视为落入本申请的精神和范围内。
需要注意的是，在整个说明书和权利要求中，当提到一个元件与另一个元件“联接”或“连接”时，不一定意味着一个元件紧固，固定，或附接到另一个元件上。相反，术语“联接”或“连接”的意思是一个元件与另一个元件直接或间接连接，或者与另一个元件机械或电通信。
图1a为根据本申请的第一实施方式的用于极端温度操作的光学手指导航(OFN)模块的剖视图，以及图1b为图1a的光学手指导航模块的框图。
该光学手指导航模块可以包括外壳108，该外壳108具有顶部窗口板109和底部电气基板107。光源103、环境传感器104和传感器集成电路(Integrated Circuit，IC)105可以被安装在底部电气基板107上。传感器集成电路105可以包括发射器驱动器111、I/O接口112、主处理器113、光电检测器(光电二极管阵列)和数字信号处理器(Digital SignalProcessor，DSP)114、以及存储器115。
光源103可以被安装在顶部窗口板109下方。光源103可以为发光二极管、垂直腔面发射激光器、或任何其它合适的光源。发射器驱动器111可以用于将电流输出到光源103。光电二极管阵列和DSP 114可以分别用于捕获和处理来自光源103的光信号。
环境传感器104可以被安装在外壳108内部的底部电气基板107上，用于感测环境情况且提供表示该环境情况的信号。在本实施方式中，环境传感器104为用于感测周围温度且提供温度信号的温度传感器。应当理解，环境传感器104可以为能够感测可影响光学手指导航模块的操作的环境情况的任何其它传感器(例如近距离传感器)。
主处理器113可以与温度传感器104联接，用于读取温度信号且基于针对光源103定制的且使用多个补偿因数从温度补偿算法导出的补偿曲线来生成该温度信号所对应的补偿电流。存储器115可以与主处理器113联接，用于存储补偿因数。
主处理器113可以借助I/O接口112从温度传感器104读取周围温度。主处理器113可以基于存储在存储器115中的补偿因数来控制发射器驱动器111的输出电流。发射器驱动器111可以输出电流以启动光源103。来自光源103的光可以传输穿过窗口板109。
如果在窗口板109的顶部具有跟踪物体(例如手指)101，则来自光源103的光将被跟踪物体101的跟踪表面反射。有孔的传感器盖106可以覆盖传感器IC 105且可以仅允许指定的输出光路102和返回光路110中的光信号被反射到光电二极管阵列114以及阻挡其它杂散光。反射的光信号然后可以被数字信号处理器114和主处理器113处理，以及然后借助电气接口107将电信号从OFN模块传输到外部设备。本文中所使用的术语“电气接口”与“电气基板”以及“印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)”可互换。
图2a为根据本申请的第二实施方式的用于极端温度操作的光学手指导航模块的剖视图，以及图2b为图2a的光学手指导航模块的框图。第二实施方式中的OFN模块的结构与第一实施方式中的OFN模块的结构相同。唯一区别在于，环境传感器202可以被集成到传感器IC 201中。
图3a示出用于极端温度操作的光学手指导航模块的温度补偿算法。
为了确保随温度而稳定的跟踪性能，需要确保反射的光信号的强度是强且稳定的。为了实现这点，光源输出功率应当是随温度而稳定的。
根据温度特性，光源103通常需要不同的驱动电流以随温度而保持类似的输出光功率级别。不同种类的光源可以具有不同的温度依赖特性。为了保持稳定的功率输出，对于每种光源103，需要定制的电流补偿曲线302。
在现有的OFN模块中没有提出适当的光源温度特性，因此通常仅具有用于补偿因数的有限的存储器空间。在传统实践中，用于各种光源的单一的预定补偿曲线301被应用。然而，这种过度补偿通常将缩短光源和OFN模块的寿命。
因此，具有最小存储器使用率的补偿算法可以为每个光源提供最佳拟合。
图3b示出存储在用于极端温度操作的光学手指导航模块中的补偿因数。
补偿因数可以具有用于每个补偿因数的1字节至2字节的最小存储器使用率。补偿因数可以被分为两组，即高温因数304和低温因数305。高温因数304和低温因数305均可以进一步被分为两组，即端点补偿电流306和中间点补偿电流307、端点补偿电流308和中间点补偿电流309。如在图3a中的实施方式所示，室温25℃可以为基准温度。-40℃可以为低温(Low Temperature，LT)端点、-10℃可以为低温(LT)中间点、85℃可以为高温(HighTemperature，HT)端点、以及55℃可以为高温(HT)中间点。本文中所使用的“高温”指的是高于室温的温度；以及“低温”指的是低于室温的温度。
最大端点补偿电流“X”取决于光源驱动器111的能力。不同的驱动器111可以具有不同的最大端点补偿电流“X”。最大中间点补偿电流307、最大中间点补偿电流309可以被固件限制为X/2。在1字节因数310和2字节因数311中，端点补偿电流的分辨率可以分别等于X/8和X/32。在1字节因数310和2字节因数311中，中间点补偿电流的分辨率分别为X/4和X/16。根据光源温度特性，补偿电流X可以为正的和负的。
在实际应用中，需要首先使处于不同温度的光源特征化、确定每个温度所需的电流补偿、以及从电流补偿产生实际电流值、将该实际电流值转化为补偿因数、以及然后将该补偿因数存储在存储器115中。
图4为用于极端温度操作的光学手指导航模块的第一实施方式和第二实施方式的操作的流程图。
401：主处理器103将从环境传感器104、环境传感器201(在这些实施方式中，温度传感器)读取温度。
402：基于温度和存储在存储器115内部的补偿曲线，主处理器113将计算最合适的驱动电流，然后控制发射器驱动器111将该电流输出到光源103。光源103可以由低频且低占空比的脉冲来驱动。
403：然后光脉冲将传输穿过窗口板109。光电二极管阵列114将基于反射的光强度确定跟踪表面的存在。
404：如果跟踪表面存在，则将提高电流脉冲的频率和占空比，从而提高帧速率以赶上运动。
405：光电二极管阵列和DSP 114将接收且处理反射的信号，然后将该信号转化为运动数据。
406：当不再检测跟踪表面时，将使光源驱动脉冲恢复为低频和低占空比。
图5a为根据本申请的第三实施方式的用于极端温度操作的光学手指导航模块的剖视图，以及图5b示出根据本申请的实施方式的用于极端温度操作的光学手指导航模块的外壳结构。
金属涂层501可以被涂覆在外壳108的在窗口板109和电气基板107之间的内表面上，在该电气基板107上安装有光源103、环境传感器202和传感器IC201。
除了用于发送和接收光学信号的区域502以外，所有的其它区域可以被金属涂层501覆盖。外壳108可以通过银胶(silver epoxy)附接到印制电路板(PCB)，以及PCB印制线可以将信号路由到电容感测电路。
当手指101放在外壳108的顶部时，手指101和金属涂层501可以通过窗口板109形成电容器。可以使电容的变化从金属涂层501传递到PCB 107，然后传递到电容传感器202。
金属涂层501可以通过不同的薄金属膜沉积法来形成，该薄金属膜沉积法诸如物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)、以及溅射和电镀沉积。
为了更好的可靠性和电容灵敏度，具有更好的氧阻抗性和水阻抗性以及高导电率(>1e-5S/m)的金属对于金属涂层是优选的。诸如金、银、铂和铝的金属可以为选项。
图6a为根据本申请的第四实施方式的用于极端温度操作的光学手指导航模块的剖视图。
OFN模块可以在电气基板107的底部设置有压电式力感测膜601。当物体或手指101按压在窗口板109的顶部上时，压电式力感测膜601可以感测力并将压力转化为电压。可以将电信号从压电式力感测膜601传输到电气基板107，然后输入到环境传感器202中。
图6b示出根据本申请的实施方式的光学手指导航模块与压电式力感测膜的连接。压电式力感测膜601可以借助电连接(例如电线、PCB排线等)铰接地电连接到OFN模块的电气接口107。
图7为具有近距离传感器的用于极端温度操作的光学手指导航模块的操作的流程图。环境传感器(在本实施方式中指的是近距离传感器)601可以用于检测跟踪表面。
701：近距离传感器一直起作用，用以检测跟踪表面。当未检测到跟踪表面时，光源103将关闭。
702：当检测到跟踪表面时，主处理器113将从环境传感器(此处指的是温度传感器)202读取背面温度。
703：主处理器113将基于存储在存储器115内部的补偿因数计算驱动电流，从而计算光源驱动电流，以及然后对应地控制发射器驱动器111输出该电流。
704：光电二极管阵列和DSP 114将捕获且处理反射光，然后将信号发送回主处理器113。主处理器113将使数据转化为跟踪运动，并借助电气基板107上报到外部设备。
705：如果未检测到跟踪表面，则光源将被禁用。
虽然特别参考多个优选实施方式示出并描述了光学手指导航模块，但是应该注意，在不偏离所附权利要求的范围的情况下，可以进行各种其他变化或修改。
Claims (21)
1.一种用于极端温度操作的光学手指导航模块，所述模块包括：
(a)外壳，所述外壳包括顶部窗口板和底部电气基板；
(b)光源，所述光源安装在所述顶部窗口板下方；
(c)发射器驱动器，所述发射器驱动器用于将电流输出到所述光源；
(d)光电检测器和数字信号处理器，所述光电检测器和所述数字信号处理器分别用于捕获和处理来自所述光源的光信号；
(e)温度传感器，所述温度传感器安装在所述底部电气基板上，用于感测环境温度且提供温度信号；
(f)传感器集成电路，所述传感器集成电路包括主处理器，所述主处理器与所述温度传感器联接，用于读取所述温度信号、且基于针对所述光源定制的且使用多个补偿因数从温度补偿算法导出的补偿曲线来生成所述温度信号所对应的补偿电流；
(g)存储器，所述存储器与所述主处理器联接，用于存储所述补偿因数；以及
(h)电容感测电路，所述电容感测电路用于感测所述窗口板的顶部上的跟踪物体；
其中，所述多个补偿因数包括高温因数和低温因数，每个因数包括端点补偿电流和中间点补偿电流，最大端点补偿电流由用于驱动所述光源的所述发射器驱动器的功率来确定。
2.一种光学手指导航模块，包括：
(a)光源，所述光源安装在窗口板下方，所述窗口板形成在所述模块的外壳上；
(b)发射器驱动器，所述发射器驱动器用于将电流输出到所述光源；
(c)环境传感器，所述环境传感器安装在所述外壳的内部，用于感测环境情况且提供表示所述环境情况的信号；以及
(d)传感器集成电路，所述传感器集成电路包括主处理器，所述主处理器与所述环境传感器联接，用于读取所述信号、且基于针对所述光源定制的且使用多个补偿因数从补偿算法导出的补偿曲线来生成所述信号所对应的补偿电流；
其中，所述多个补偿因数包括高温因数和低温因数，每个因数包括端点补偿电流和中间点补偿电流，最大端点补偿电流由用于驱动所述光源的所述发射器驱动器的功率来确定。
3.如权利要求2所述的光学手指导航模块，其中，所述环境传感器为用于感测周围温度的温度传感器。
4.如权利要求2所述的光学手指导航模块，其中，所述主处理器借助I/O接口与所述环境传感器联接。
5.如权利要求2所述的光学手指导航模块，还包括光电二极管阵列和数字信号处理器，所述光电二极管阵列和所述数字信号处理器分别用于在所述窗口板上检测到跟踪表面之后捕获和处理来自所述光源的光信号。
6.如权利要求2所述的光学手指导航模块，还包括与所述主处理器联接的存储器，所述存储器用于存储所述多个补偿因数，每个补偿因数具有1字节至2字节的存储器使用率。
7.如权利要求2所述的光学手指导航模块，还包括有孔的传感器盖，所述有孔的传感器盖用于覆盖所述传感器集成电路。
8.如权利要求2所述的光学手指导航模块，还包括近距离传感器，所述近距离传感器用于检测所述窗口板的顶部上的跟踪物体。
9.如权利要求8所述的光学手指导航模块，其中，所述近距离传感器为布置在所述模块的底部电气基板下面的感测膜形式的压电式力传感器。
10.如权利要求9所述的光学手指导航模块，其中，所述压电式力感测膜借助电气连接与所述电气基板电连接。
11.如权利要求8所述的光学手指导航模块，其中，所述近距离传感器为用于使用电容感测电路检测所述模块上的电容变化的电容传感器。
12.如权利要求11所述的光学手指导航模块，其中，所述电容感测电路包括涂覆在所述外壳的在所述窗口板和底部电气基板之间的内表面上的金属涂层，在所述底部电气基板上安装有所述光源、所述环境传感器和所述传感器集成电路。
13.如权利要求12所述的光学手指导航模块，其中，所述金属涂层通过物理气相沉积、或溅射和电镀沉积来形成。
14.如权利要求2所述的光学手指导航模块，其中，所述环境传感器被集成到所述传感器集成电路中。
15.一种用于通过使光源的操作时间最小化且补偿光学手指导航模块中的环境变化而延长所述光学手指导航模块的寿命的方法，所述光学手指导航模块具有光源和用于将电流输出到所述光源的发射器驱动器，所述方法包括：
(a)在所述模块的外壳的内部提供用于感测环境情况的环境传感器；
(b)读取由所述环境传感器提供的表示所述环境情况的信号；
(c)基于针对所述光源定制的且使用多个补偿因数从补偿算法导出的补偿曲线来生成所述信号所对应的补偿电流；以及
(d)控制所述发射器驱动器将所述补偿电流输出到所述光源；
其中，所述多个补偿因数包括高温因数和低温因数，每个因数包括端点补偿电流和中间点补偿电流，最大端点补偿通过用于驱动所述光源的所述发射器驱动器的功率来确定。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述环境传感器为温度传感器。
17.如权利要求16所述的方法，还包括：
(a)使处于不同温度的所述光源特征化；
(b)确定用于每个温度的电流补偿且根据所述电流补偿产生实际电流值；
(c)将所述实际电流值转化为补偿因数；以及
(d)使用1字节至2字节将所述补偿因数存储在存储器中。
18.如权利要求15所述的方法，还包括准备且存储针对每种光源定制的一条补偿曲线。
19.如权利要求15所述的方法，还包括提供近距离传感器，所述近距离传感器用于：当将跟踪物体放在形成在所述模块的所述外壳上的窗口板的顶部上时，感测所述跟踪物体。
20.如权利要求19所述的方法，其中，所述近距离传感器为布置在所述模块的所述外壳下面的感测膜形式的压电式力传感器。
21.如权利要求19所述的方法，其中，所述近距离传感器为用于使用电容感测电路检测所述模块上的电容变化的电容传感器，所述电容感测电路包括沉积在所述模块的所述外壳的内表面上的金属涂层。
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