CN113424448A

CN113424448A - 光学接近度传感器系统

Info

Publication number: CN113424448A
Application number: CN202080011805.XA
Authority: CN
Inventors: 刘建; K.施密德格; W.赫尔南德斯; H.泰勒; J.克里伯内格; G.R.凯利; M.克罗斯
Original assignee: Ams International AG
Current assignee: Ams International AG
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-09-21
Also published as: US20220109442A1; DE112020000680T5; WO2020157230A1; EP3918714A1; JP2022519117A; KR20210122290A

Abstract

一种装置包括显示屏幕以及设置在该显示屏幕后面的光学接近度传感器模块。该光学接近度传感器模块包括：光发射器，其可操作以产生具有用于透过该显示屏幕朝向目标对象传输的波长的光；以及光传感器，其可操作以感测由该目标对象反射并且具有该波长的光。该光学接近度传感器模块可包括用于减小由该光发射器产生的光束的最大能量密度的部件。用于减小该光束的该最大能量密度的该部件设置在该光发射器与该显示屏幕之间，以便截断由该光发射器产生的该光束。在某些情况中，存在多个光发射器，该多个光发射器可共同地操作以提供用于接近度感测的充分光学能量而不会在该显示屏幕上产生可见光斑。这些和其他技术可帮助减少或消除由来自该光发射器的能量所导致的显示屏幕失真。

Description

光学接近度传感器系统

技术领域

本公开涉及光学接近度感测系统。

背景技术

智能电话工业设计中的最近趋势是通过减小边框宽度并通过移除用于光学传感器的孔口以及用于麦克风、扬声器和/或指纹读取设备的其他孔来将剩余边框区域清除杂乱而最大化屏幕区域。另一方面，也存在增加光学传感器的数目以获得额外功能性的趋势。例如，在某些情况中，将光学接近度传感器整合至智能电话中以在使用者将智能电话靠近她的耳朵时促进调整显示屏幕亮度并减少显示器的总体能量消耗。光学接近度感测通常依赖于发射红外(IR)或近红外(NIR)光并测量从待检测对象反射回来的光能量。

智能电话市场中的另一趋势是采用有机发光显示器(OLED)。该趋势为将接近度传感器从智能电话的边框移动至OLED下方的位置创造了机会。因此，接近度传感器被埋入OLED后面，这允许包含IR及NIR辐射的某些光通过。然而，即使在屏幕显示黑色影像时，IR或NIR光的能量有时也会导致屏幕失真(例如，OLED屏幕上的亮斑，其可在某些条件下是可见的)。

发明内容

本公开描述用于帮助减少或消除由来自接近度传感器模块中的光发射器的能量导致的显示屏幕失真的技术。

例如，在一方面，本公开描述了一种装置，其包括显示屏幕以及设置在显示屏幕后面的光学接近度传感器模块。该光学接近度传感器模块包括：光发射器，其可操作以产生具有用于透过该显示屏幕朝向目标对象传输的波长的光；以及光传感器，其可操作以感测由该目标对象反射并具有该波长的光；该光学接近度传感器模块还包括用于减小由该光发射器产生的光束的最大能量密度的部件。用于减小该光束的该最大能量密度的该部件设置在该光发射器与该显示屏幕之间，以便截断(intersect)由该光发射器产生的该光束。

一些实施方式包括以下特征中的一个或多个。例如，在某些情况中，该显示屏幕是OLED显示屏幕。例如，用于减小该光束的该最大能量密度的该部件可包括微透镜、微透镜阵列和/或光学漫射器。用于减小该光束的该最大能量密度的该部件可操作以致使该光束径向扩散，以便减小入射到该OLED屏幕上的该光束的该最大能量密度。在一些实施方式中，离开用于减小该光束的该最大能量密度的该部件的光束具有比由该光发射器发射的该光束更大的半光束、半宽度。在某些情况中，该光发射器可操作以产生红外或近红外光。

根据另一方面，本公开描述了一种装置，其包括显示屏幕以及设置在显示屏幕后面的光学接近度传感器模块。该光学接近度传感器模块包括：多个光发射器，其可操作以产生用于透过该显示屏幕朝向目标对象传输的红外或近红外光；以及光传感器，其可操作以感测由该目标对象反射的红外或近红外光。该光发射器可共同地操作以提供用于接近度感测的充分光学能量。具体地，该光发射器使用于该接近度感测的该光学能量分散，从而减少该显示屏幕的失真。

在某些情况中，该光发射器中的每一个可操作以产生能量密度，使得入射到该显示屏幕的背侧上的光的最大能量密度减小，同时维持总能量，以促进接近度感测的性能。例如，该显示屏幕可以是OLED显示屏幕。

本公开还描述了一种方法，其包括：致使设置在显示屏幕后面的光学接近度传感器模块中的多个VCSEL中的每一个产生用于透过该显示屏幕朝向目标对象传输的红外或近红外光。该VCSEL中的每一个产生2.0mW的最大能量水平，优选是1.5mW的最大能量水平。该方法还包括感测由该目标对象反射的红外或近红外光，以及处理对应于所感测的红外或近红外光的信号以进行接近度感测。在一些实施方式中，该方法包括向多个VCSEL中的每一个施加2mA至3mA范围内的驱动电流。在某些情况下，这样的方法可以帮助消除或减少屏幕失真。

依据以下具体实施方式、附图及权利要求书，其他方面、特征及优点将是显而易见的。

附图说明

图1示出了包括显示屏幕后面的光学接近度传感器模块的主机设备的各种特征。

图2示出了根据第一实施方式的光学接近度传感器模块的细节。

图3A示出了根据某些实施方式的图2的接近度传感器的进一步细节。

图3B是图3A的俯视图。

图3C是通过图3B的线A-A的剖面图。

图4示出了微透镜阵列的第一示例。

图5示出了微透镜阵列的第二示例。

图6示出了根据第二实施方式的光学接近度传感器模块的细节。

图7示出了根据第三实施方式的光学接近度传感器模块的细节。

具体实施方式

如在图1中所示，主机设备10(诸如便携式计算设备(例如，智能电话、个人数字助理(PDA)、膝上型或可穿戴式))包括可直接设置在前玻璃20下方的OLED型或其他显示屏幕12。光学接近度传感器模块14直接设置在显示屏幕12的一部分的下方且可操作以朝向主机设备10外部的目标对象发射光(例如，红外或近红外辐射)并感测由该目标对象朝向传感器模块14反射回来的光。

电子控制单元(electronic control unit，ECU)16可操作以接收、处理和分析来自接近度传感器模块14的信号，并且作为响应，取决于(例如)所检测到的光量而执行指定动作。在某些情况中，例如，ECU 16可致使调整显示屏幕12的亮度。在某些情况中，检测/释放事件是中断驱动的，并且在接近度结果超过上限和/或下限阈值设置时发生。例如，ECU16可以是用于传感器集线器的处理器或便携式计算设备10中的一些其他处理器。可(例如)通过利用与像素串联的晶体管对每个像素施加PWM调制或通过调整可驱动每个像素的电流的总体范围来控制OLED的总体亮度。

如在图2的示例中所示，接近度传感器模块14包括发射器22(诸如可操作以发射IR或NIR辐射(例如，以940nm的波长)的发光二极管(LED)或垂直腔表面发射激光器(verticalcavity surface emitting laser，VCSEL))以及工厂校准的LED驱动器。接近度传感器模块14还包括可操作以感测由发射器22发射的具有相同波长的光的光传感器24，诸如光电二极管接收器。光电二极管接收器可包括可操作以处理来自光电二极管的信号的相关联电路。光发射器22和光电二极管接收器24中的每一个可(例如)被实施为相应的晶粒(即，半导体芯片)，并且可被安装在印刷电路板或其他基板34上。

一些光发射器产生光束，该光束的能量密度大体上形状如钟形曲线，即，其能量密度在发射器的中心光轴处或接近于该中心光轴处具有最大值，并且随着距该中心光轴的距离而降低。由发射器22产生的最大能量密度可以是充分高的，以致于在LED屏幕12上产生失真(如果未采取步骤来防止该失真的话)。

如在图2的示例中进一步示出的，接近度传感器模块14包括用于减小由光发射器22产生并入射到OLED屏幕12上的最大能量密度的部件。因此，在一些实施方式中，接近度传感器模块14包括设置在由发射器22发射的光束28的路径中的微透镜或微透镜阵列26。微透镜或微透镜阵列26在光束28入射到OLED屏幕12的背侧上之前截断该光束28且致使光束28在一定程度上径向扩散，从而减小入射到OLED屏幕上的光束30的最大能量密度。因此，一般而言，微透镜或微透镜阵列26产生比由发射器22单独产生的光束28更宽的光束30(例如，具有更大的半光束、半宽度的光束)。减小入射到OLED屏幕12上的光束30的最大能量密度可减少或消除屏幕失真(或至少减少或消除使用者对这种失真的感知)。此外，在某些情况中，微透镜阵列26可被实施以便提供更均匀的光束30。在某些情况中，微透镜或微透镜阵列26可操作以使得离开微透镜或微透镜阵列的光束30大体上垂直于OLED显示器的表面。该特征可帮助减少使可能由OLED屏幕12反射的光量照射到光传感器24上，从而减少光学串扰。

图3A至图3C示出了根据一些实施方式的接近度传感器模块14的进一步细节。在某些情况中，微透镜阵列26直接在发射器22上方覆盖约480μm²的面积。对于其他实施方式，微透镜阵列26的不同面积可以是适当的。图4示出了微透镜阵列26的特定示例，其包括以间距d1布置的圆形微透镜26A。在某些情况中，间距d1等于95μm，但对于其他实施方式，不同的值可以是适当的。图5示出了微透镜阵列26的另一示例，其包括以间距d2布置的六边形微透镜26B。在某些情况中，间距d2等于95μm，但对于其他实施方式，不同的值可以是适当的。

在一些实施方式中，替代微透镜或微透镜阵列或者除了微透镜或微透镜阵列之外，用于减小最大能量密度的部件包括光学漫射器。

如在图2以及图3A至图3C中进一步所示，模块14还可包括光学元件32(诸如透镜)，该光学元件在光传感器24上方并且可操作以朝向传感器24的光感测元件引导传入光(例如，由目标对象反射的光)。提供这样的光学元件32可帮助改良敏感性和噪声抑制。

在一些实施方式中，如在图6的示例中所示，多个光发射器22设置在接近度传感器模块114中并相对于彼此进行安置，以便使入射到OLED屏幕12上的所得光斑分散。在这种情况下，发射器22中的每一个可操作以产生较低的最大能量密度，使得入射到OLED屏幕12的背部上的IR或NIR光的密度减小，同时维持总能量，以实现令人满意的接近度感测的性能。例如，在某些情况中，替代将15mA的电流施加至每个VCSEL光发射器22，施加5mA的电流。对于其他实施方式，不同的电流值可以是适当的。在某些情况中，3mW/mm²的最大光学能量密度入射到OLED屏幕12的背部上。在某些情况下，每个VCSEL被操作以便产生约2.0mW的最大能量水平且优选地约1.5mW的最大能量水平(对应于针对某些VCSEL的约2mA至3mA的驱动电流)以防止屏幕失真。此外，虽然图6的示例示出三个发射器22，但其他实施方式可使用仅两个发射器或可使用三个以上的发射器。无论如何，使用多个发射器22来提供用于接近度感测的充分光学能量而不会将光能量集中于同一区域中使得不利地影响OLED屏幕像素(例如，以便避免在OLED屏幕上产生对于人类肉眼可见的光斑，或以便减少原本可能发生的失真)。

图7示出了组合图2与图3的技术的示例。接近度传感器模块214包括如结合图2至图5所描述的用于减小最大能量密度的部件26(例如，微透镜、微透镜阵列或漫射器)以及如结合图6所描述的多个光发射器22。

本公开中所引用的智能电话及其他主机计算设备的设计可包括一个或多个处理器、一个或多个存储器(例如RAM)、储存器(例如，磁盘或闪存)、用户接口(例如，其可包括小键盘、TFT LCD或OLED显示屏幕、触摸或其他手势传感器、相机或其他光学传感器、罗盘传感器、3D磁力计、3轴加速度计、3轴陀螺仪、一个或多个麦克风等，以及用于提供图形用户接口的软件指令)、这些元件之间的互连件(例如，总线)以及用于与其他设备进行通信的接口(其可为无线的(诸如GSM、3G、4G、CDMA、WiFi、WiMax、Zigbee或Bluetooth)和/或有线的(诸如通过以太网局域网、T-1因特网连接等))。

本说明书中所描述的主题和功能性操作的各种方面可被实施于包括本说明书中所公开的结构及其结构等同物的数字电子电路或计算机软件、固件或硬件中或者被实施于其中的一个或多个的组合中。因此，本说明书中所描述的主题的方面可被实施为一个或多个计算机程序产品，即，编码在计算机可读介质上的一个或多个计算机程序指令模块，以供数据处理装置执行或用以控制数据处理装置的操作。计算机可读介质可以是机器可读储存设备、机器可读储存基板、存储器设备、实现机器可读传播信号的物质组合物，或者其中的一个或多个的组合。除了硬件之外，装置还可包括创建用于所讨论计算机程序的执行环境的代码，例如，构成处理器固件的代码。

可以用包括编译语言或解译语言的任何形式的程序设计语言来编写计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)，并且可将该计算机程序部署成任何形式，包括部署为独立程序或部署为模块、组件、子例程，或适合在计算环境中使用的其他单元。计算机程序不必对应于文件系统中的文件。程序可被储存于保持其他程序或数据(例如，储存于标记语言文档中的一个或多个脚本)的文件的一部分中、被储存于专用于所讨论的程序的单个文件中，或被储存于多个协调文件(例如，储存一个或多个模块、子程序或代码部分的文件)中。计算机程序可经部署以在一个计算机上、或者位于一个地点处或跨越多个地点分布且通过通信网络互连的多个计算机上执行。

本说明书中所描述的处理和逻辑流程可由执行一个或多个计算机程序的一个或多个可编程处理器执行，以通过对输入数据进行操作并产生输出来执行功能。处理和逻辑流程也可由专用逻辑电路(例如，FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路))来执行，并且装置可实施为该专用逻辑电路。

以示例方式，适合于执行计算机程序的处理器包括通用微处理器和专用微处理器两者，以及任何种类的数字计算机的任何一个或多个处理器。一般而言，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或者这两者接收指令和数据。计算机的基本元件是用于执行指令的处理器以及用于储存指令和数据的一个或多个存储器设备。适合于储存计算机程序指令和数据的计算机可读介质包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，以示例的方式包括：半导体存储器设备(例如，EPROM、EEPROM和闪存设备)；磁盘(例如，内部硬盘或可移除盘)；磁光盘；以及CD ROM和DVD-ROM盘。处理器和存储器可由专用逻辑电路补充或并入专用逻辑电路中。

尽管本说明书含有许多细节，但不应将这些细节视为对本发明或可要求保护的范围的限制，而是应将其视为本发明的特定实施例所特有的特征的描述。在单独实施例的上下文中在本说明书中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实施。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可单独地或以任何适合子组合在多个实施例中实施。此外，虽然上文将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此要求保护，但来自所要求保护的组合的一个或多个特征在某些情况下可从该组合去除，并且该所要求保护的组合可针对于子组合或子组合的变型。

类似地，尽管在附图中以特定次序绘示操作，但不应将此理解为需要以所示特定次序或按顺序次序执行这样的操作，或执行所有所示出的操作以实现期望的结果。在某些情况下，多任务和并行处理可以是有利的。

已描述了多个实施方式。然而，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种修改。因此，其他实施方式也在权利要求的范围内。

Claims

1.一种装置，包括：

显示屏幕；以及

设置在所述显示屏幕后面的光学接近度传感器模块，所述光学接近度传感器模块包括：

光发射器，其能够操作以产生具有用于透过所述显示屏幕朝向目标对象传输的波长的光；

光传感器，其能够操作以感测由所述目标对象反射并且具有所述波长的光；以及

用于减小由所述光发射器产生的光束的最大能量密度的部件，其中用于减小所述光束的所述最大能量密度的所述部件设置在所述光发射器与所述显示屏幕之间，以便截断由所述光发射器产生的所述光束。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述显示屏幕是OLED显示屏幕。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中用于减小所述光束的所述最大能量密度的所述部件包括微透镜。

4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中用于减小所述光束的所述最大能量密度的所述部件包括微透镜阵列。

5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中用于减小所述光束的所述最大能量密度的所述部件包括光学漫射器。

6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中用于减小所述光束的所述最大能量密度的所述部件能够操作以致使所述光束径向扩散，以便减小入射到所述OLED屏幕上的所述光束的所述最大能量密度。

7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中离开用于减小所述光束的所述最大能量密度的所述部件的光束具有比由所述光发射器发射的所述光束更大的半光束、半宽度。

8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述光发射器能够操作以产生红外或近红外光。

9.一种装置，包括：

显示屏幕；以及

多个光发射器，其能够操作以产生用于透过所述显示屏幕朝向目标对象传输的红外或近红外光；以及

光传感器，其能够操作以感测由所述目标对象反射的红外或近红外光，

其中所述多个光发射器能够共同地操作以提供用于接近度感测的充分光学能量，所述光发射器使用于所述接近度感测的所述光学能量分散，从而减少所述显示屏幕的失真。

10.根据权利要求9所述的装置，其中所述光发射器中的每一个能够操作以产生能量密度，使得入射到所述显示屏幕的背侧上的光的最大能量密度减小，同时维持总能量，以促进接近度感测的性能。

11.根据权利要求9或10所述的装置，其中所述显示屏幕是OLED显示屏幕。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的装置，其中所述多个光发射器包括多个VCSEL，所述多个VCSEL中的每一个被操作以便产生2.0mW的最大能量水平。

13.根据权利要求9至11中任一项所述的装置，其中所述多个光发射器包括多个VCSEL，所述多个VCSEL中的每一个被操作以便产生1.5mW的最大能量水平。

14.一种方法，包括：

致使设置在显示屏幕后面的光学接近度传感器模块中的多个VCSEL中的每一个产生用于透过所述显示屏幕朝向目标对象传输的红外或近红外光，其中所述VCSEL中的每一个产生2.0mW的最大能量水平；

感测由所述目标对象反射的红外或近红外光；以及

处理对应于所感测的红外或近红外光的信号以进行接近度感测。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述多个VCSEL中的每一个产生1.5mW的最大能量水平。

16.根据权利要求14或15所述的方法，包括向所述多个VCSEL中的每一个施加2mA至3mA范围内的驱动电流。