CN112097902A - 光传感器及其感测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高感度的光传感器和一种光感测方法，其中，该高感度的光传感器包括一光感测元件、一第一积分器及一三角积分模拟数字转换器。该光感测元件用以在一测量时间感测光而产生一第一电流。该第一积分器耦接该光感测元件，用以接收该第一电流并产生一第一积分信号。该三角积分模拟数字转换器耦接该第一积分器，用以将该第一积分信号转换为一感测值。

Description

光传感器及其感测方法
技术领域
本发明是有关一种传感器，特别是一种光传感器及其感测方法。
背景技术
为了根据周遭的光强度变化而改变屏幕的亮度，手机需要一光传感器来感测环境光(ambient light)。光传感器通常使用一光感测元件来侦测光并转换为光电流(photocurrent)，再根据该光电流的值来判断光的强度。近来，为了提高手机的屏占比(screen-to-body ratio)，光传感器被设置在有机发光二极管(organic light-emitting diode；OLED)面板的背面。由于光穿过OLED面板时，光的强度会减弱，因此在OLED面板背面的光传感器所获得的光电流变得非常小，无法准确的判断光的强度。延长光传感器的曝光(exposure)时间(或称测量时间)可以获得较大的光电流。然而，随着OLED面板的帧率(frame rate)越来越高，可以供光传感器进行感测的时间越来越短。在这样的限制下，如何准确的侦测到环境光的强度，成为需要克服的难题。
发明内容
本发明的目的之一，在于提出一种光传感器及其感测方法。
本发明的目的之一，在于提出一种具有较佳信号噪声比的光传感器。
根据本发明，一种高感度的光传感器包括一光感测元件、一第一积分器及一三角积分模拟数字转换器。该光感测元件用以在一测量时间感测光而产生一第一电流。该第一积分器耦接该光感测元件，用以接收该第一电流并产生一第一积分信号。该三角积分模拟数字转换器耦接该第一积分器，用以将该第一积分信号转换为一感测值。
根据本发明，一种光感测方法包括下列步骤：在一测量时间感测光以产生一第一电流；对该第一电流进行积分以产生一第一积分信号；以及通过一三角积分模拟数字转换器将该第一积分信号转换为一感测值。
本发明的光传感器及其感测方法可以在短暂的测量时间(例如1ms)准确的判断光强度。此外，三角积分模拟数字转换器能够降低第一积分信号中的噪声，使得本发明的光传感器具有较佳信号噪声比。
附图说明
图1显示本发明光传感器的实施例。
图2显示图1中光感测元件及第一积分器的实施例。
图3显示图1中三角积分模拟数字转换器的实施例。
图4显示图3中第二积分信号V2的波形。
附图标记说明：10-光传感器；12-光感测元件；122-光二极管；14-第一积分器；142-运算放大器；16-三角积分模拟数字转换器；162-第二积分器；1622-运算放大器；164-量化器；1642-比较器；1644-正反器；1646-计数器；166-重置电路；18-第二积分信号V2的波形。
具体实施方式
图1显示本发明光传感器的实施例。图1的光传感器10包括一光感测元件12、一第一积分器14及一三角积分模拟数字转换器(sigma-delta analog-to-digital converter；ΣΔADC)16。光感测元件12用于在一测量时间(或称曝光时间)T感测环境光，以产生一第一电流Iph。第一积分器14耦接光感测元件12，用于对光感测元件12产生的第一电流Iph进行积分以产生一第一积分信号V1。三角积分模拟数字转换器16耦接第一积分器14，用以将第一积分器14提供的第一积分信号V1转换成一数字的感测值So。光传感器10可以是设置在可携式电子装置中，例如手机或平板计算机。连接光传感器10的电路可根据感测值So来判断光强度的大小进而执行某些操作，例如调整屏幕的亮度。
图2显示图1中光感测元件12及第一积分器14的实施例。在图2中，光感测元件12为一光二极管(photo diode)，但本发明并不限于此。光二极管接收光线L1而产生电流Iph。图2的第一积分器14为一电容转导放大器(capacitive trans-impedance amplifier；CTIA)，其包括一运算放大器142、一电容C1及一开关SW1。运算放大器142具有一非反相输入端(non-inverting input)、一反相输入端(inverting input)及一输出端，其中该非反相输入端接地，该反相输入端连接光感测元件12。电容C1连接在运算放大器142的反相输入端及输出端之间。电容C1与运算放大器142的组合在测量时间T对第一电流Iph进行积分以产生第一积分信号
Figure BDA0002616931770000031
开关SW1连接在运算放大器142的输出端及三角积分模拟数字转换器16之间。在光传感器10感测环境光的测量时间T的期间，开关SW1被导通(turn on)以使第一积分器14提供第一积分信号V1给三角积分模拟数字转换器16。在测量时间T结束时，开关SW1被关闭(turn off)。在图2的实施例中，开关SW1是设置在第一积分器14中，但本发明并不限此，开关SW1也可以设置在第一积分器14以外的位置。例如开关SW1可以设置在光感测元件12的输出端及第一积分器14之间、在第一积分器14与三角积分模拟数字转换器16之间或者在三角积分模拟数字转换器16中。
图3显示图1中三角积分模拟数字转换器16的实施例，其是以一阶的三角积分模拟数字转换器为例来说明，但本发明并不限于此。图3的三角积分模拟数字转换器16包括一第二积分器162、一量化器164及一重置电路166。第二积分器162耦接第一积分器14，并对第一积分信号V1进行积分以产生一第二积分信号V2。第二积分器162包括电阻R1、电容C2及运算放大器1622。电阻R1连接在第一积分器14及运算放大器1622的反相输入端之间，用以将第一积分信号V1转换为电流I1。电容C2连接在运算放大器1622的反相输入端及输出端之间，而运算放大器1622的非反相输入端接地。电容C2及运算放大器1622的组合在测量时间T对电流I1进行积分以产生第二积分信号
Figure BDA0002616931770000041
在测量时间T为1ms的情况下，适当的选择电容C1、电阻R1及电容C2，可以使第二积分信号V2为第一电流Iph的五百倍以上。因此，即使在第一电流Iph非常小且测量时间T很短暂的情况下，本发明仍可通过第一电流Iph准确的判断环境光的强度，进而产生感测值So。
重置电路166耦接第二积分器162及量化器164。重置电路166用于重置第二积分器162以使第二积分信号V2归零。在重置之后，第二积分器162重新对第一积分信号V1进行积分以再次产生第二积分信号V2。重置电路166包括一电阻R2及一开关SW2。电阻R2与开关SW2串联在接地端及运算放大器1622的反相输入端之间。开关SW2是由一重置信号Sr控制导通或关闭。当开关SW2导通时，运算放大器1622的反相输入端接地，使得第二积分信号V2下降至零。
量化器164耦接第二积分器162与重置电路166。量化器164是用以在第二积分信号V2大于一预设值VT时，使重置电路166重置第二积分器162，以及计数该第二积分信号V2在测量时间T内大于预设值VT的次数以产生该感测值So。在图3的实施例中，量化器164包括一比较器1642、一正反器1644及一计数器1646，但本发明不限于此。比较器1642耦接第二积分器162，用以比较第二积分信号V2及一预设值VT以产生一比较信号Sc。在第二积分信号V2大于预设值VT时，比较信号Sc为1。正反器1644耦接比较器1642，其根据该比较信号Sc产生一重置信号Sr以控制重置电路166。在本实施例中，正反器1644在输出端Q的输出被用来作为重置信号。在比较信号Sc为1时，输出端Q的输出为1使得重置电路166的开关SW2导通。计数器1646耦接正反器1644，其根据正反器1644在输出端Q的输出(也就是重置信号Sr)产生传感器So。计数器1646在测量时间T内计数正反器1644输出为1的次数而产生感测值So。换言之，计数器1646可以被理解为是在测量时间T内，计数第二积分信号V2大于预设值VT的次数以产生感测值So。
在光传感器10测量环境光时，第二积分信号V2的变化如图4的波形18所示。在时间t0～t1期间，第二积分信号V2逐渐增加。在时间t1时，第二积分信号V2大于预设值VT，此时重置信号Sr为1而重置第二积分器162，使第二积分信号V2归零。在重置后，第二积分器162重新对第一积分信号V1进行积分，使得在时间t2时，第二积分信号V2再次上升至预设值VT。第二积分信号V2会不断重复上升及归零，直至测量时间T结束。由于第一积分信号V1会随时间增加而上升，因此随着时间增加，第二积分信号V2的上升速度也越快，第二积分信号V2每次归零后再上升到预设值VT的时间会越来越短。
在图3的实施例中，为避免第二积分信号V2超出第二积分器162的饱和电压(Saturation voltage)，预设值VT会低于该饱和电压。
本发明的光传感器10利用第一积分器14及第二积分器162二段式放大第一电流Iph以产生第二积分信号V2，因此光传感器10可以在短暂的测量时间T(例如1ms)获得足够大的第二积分信号V2来判断光强度。故本发明的光传感器10具有较佳的感度。
另外，本发明的第二积分器162还可以降低第一积分信号V1中的噪声，因而可以提高光传感器10的信号噪声比(signal-to-noise ratio；SNR)。
以上对于本发明的较佳实施例所作的叙述为阐明的目的，而无意限定本发明精确地为所揭露的形式，基于以上的教导或从本发明的实施例学习而作修改或变化是可能的，实施例为解说本发明的原理以及让熟习该项技术者以各种实施例利用本发明在实际应用上而选择及叙述，本发明的技术思想企图由权利要求范围及其均等来决定。

Claims (12)

1.一种高感度的光传感器，其特征在于，包括：
一光感测元件，用以在一测量时间感测光而产生一第一电流；
一第一积分器，耦接该光感测元件，接收该第一电流并产生一第一积分信号；以及
一三角积分模拟数字转换器，耦接该第一积分器，用以将该第一积分信号转换为一感测值。
2.如权利要求1的光传感器，其特征在于，该光感测元件包括一光二极管。
3.如权利要求1的光传感器，其特征在于，该第一积分器包括电容转导放大器。
4.如权利要求1的光传感器，其特征在于，该三角积分模拟数字转换器包括：
一第二积分器，耦接该第一积分器，根据该第一积分信号产生一第二积分信号；
一重置电路，耦接该第二积分器，用于重置该第二积分器；以及
一量化器，耦接该第二积分器与该重置电路，该量化器在该第二积分信号大于一预设值时使该重置电路重置该第二积分器，以及计数该第二积分信号在该测量时间内大于该预设值的次数以产生该感测值。
5.如权利要求4的光传感器，其特征在于，该量化器包括：
一比较器，耦接该第二积分器，用以比较该第二积分信号及该预设值以产生一比较信号；
一正反器，耦接该比较器，根据该比较信号产生一重置信号以控制该重置电路；
一计数器，耦接该正反器，根据该重置信号产生该感测值。
6.如权利要求4的光传感器，其特征在于，该预设值低于该第二积分器的饱和电压。
7.如权利要求1的光传感器，其特征在于，该测量时间为1ms。
8.一种光感测方法，其特征在于，包括下列步骤：
A.在一测量时间感测光，以产生一第一电流；
B.对该第一电流进行积分以产生一第一积分信号；以及
C.通过一三角积分模拟数字转换器将该第一积分信号转换为一感测值。
9.如权利要求8的光感测方法，其特征在于，步骤B包括使用一电容转导放大器对该第一电流进行积分。
10.如权利要求8的光感测方法，其特征在于，步骤C包括：
C1.对该第一积分信号进行积分以产生一第二积分信号；
C2.在该第二积分信号大于一预设值时，将该第二积分信号归零，并且回到步骤C1；以及
C3.计数该第二积分信号在该测量时间内大于该预设值的次数以产生该感测值。
11.如权利要求10的光感测方法，其特征在于，该步骤C1包括使用一第二积分电路对该第一积分信号进行积分，以及该预设值小于该第二积分电路的饱和电压。
12.如权利要求8的光感测方法，其特征在于，更包括设定测量时间为1ms。
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