CN115856830A - 透过显示器干涉接近度和速度感测 - Google Patents

透过显示器干涉接近度和速度感测 Download PDF

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Abstract

本公开涉及透过显示器干涉接近度和速度感测。一种光学感测系统包括发射器侧和接收器侧，并且被配置为定位在电子设备的显示器下方。该发射器侧包括光发射器。该接收器侧包括光电二极管阵列。该发射器侧的该光发射器和该接收器侧的该光电二极管阵列经由波导光学耦接。由于该构造，该光学感测系统可作为干涉光学传感器进行操作。

Description

透过显示器干涉接近度和速度感测
相关申请的交叉引用
本申请是非临时性的并且根据35U.S.C.§119要求于2021年9月22日提交的并且名称为“Through-Display Interferometric Proximity and Velocity Sensing”的美国临时专利申请第63/247219号的权益，该临时专利申请的内容全文以引用方式并入。
技术领域
本文所述的实施方案涉及用于便携式电子设备的接近度感测系统，并且具体地涉及用于透过电子设备显示器感测对象接近度和速度的干涉光学感测系统。
背景技术
电子设备可包括接近度传感器。通常，接近度传感器是反射式红外传感器，该反射式红外传感器以红外光发射调制信号并且监测该调制光的反射幅值变化，以确定对象诸如用户是否在该电子设备的至少一个阈值距离内。在许多常规构造中，由接近度传感器发射的相当大部分光被电子设备本身的部分(例如，覆盖玻璃、外壳层等)反射，从而降低了信噪比。
对于被配置为透过电子设备的显示器进行操作的接近度传感器而言，发射光的自反射和散射可能特别成问题。因此，当用于检测该电子设备附近的对象时，进行操作以检测反射光的幅值变化的常规透过显示器接近度传感器表现出不期望的低准确度和精确度，从而经常导致该电子设备表现出意外的或不期望的行为，诸如：在意外的时间启用或禁用触摸屏；在意外的时间使显示器变暗或变亮；在意外的时间增大或减小扬声器音量；等等。
发明内容
本文所述的实施方案采用电子设备的形式，该电子设备包括用于检测该电子设备外部的对象的接近度和速度的光学感测系统。光学感测系统包括光发射器，该光发射器可以是一个红外激光器或红外激光器组。该光发射器被配置为朝向对象发射光以照亮该对象。在许多具体实施中，光学感测系统被配置为布置在电子设备的显示器下方。在此类构造中，光发射器被配置为发射光并透过显示器照亮对象。光学感测系统还包括光敏元件，诸如光电二极管。光电二极管可被配置为接收从对象反射的光，该光也可在许多构造中穿过显示器。
光学感测系统还包括光波导，该光波导耦接光发射器和光敏元件。由于该构造，因此该光学感测系统可作为干涉光学传感器，或者更具体地作为外差干涉仪进行操作。可在频域和/或时域中分析来自光学感测系统的输出，以确定对象相对于电子设备的速度以及对象与电子设备之间隔开的距离，该速度和该距离继而被电子设备使用以执行功能诸如禁用或启用显示器。
附图说明
现在将参考在附图示出的代表性实施方案。应当理解，以下描述并非旨在将本公开限制于一个所包括的实施方案。相反，本公开提供的该公开旨在涵盖可被包括在所述实施方案的实质和范围内并由所附权利要求限定的替代形式、修改形式和等同形式。
图1描绘了结合光学感测系统以检测对象的接近度和速度的电子设备，诸如本文所述。
图2描绘了如本文所述的光学感测系统的简化系统图。
图3描绘了如本文所述的包括耦接发射侧和接收侧的波导的光学感测系统的简化系统图。
图4A描绘了用诸如本文所述的光子集成电路实现的光学感测系统的系统图。
图4B描绘了用诸如本文所述的光子集成电路实现的光学感测系统的示意图。
图5描绘了诸如本文所述的光学感测系统的系统图。
图6为描绘了针对电子设备附近的对象的距离绘制的速度的图表。
图7为描绘了诸如本文所述的操作光学感测系统的另一方法的示例性操作的流程图。
图8为描绘了诸如本文所述的操作光学感测系统的另一方法的示例性操作的流程图。
在不同附图中使用相同或相似的附图标记来指示相似、相关或者相同的项目。
某些附图包括一个或多个示例性路径的矢量、射线、迹线和/或其他视觉表示，该一个或多个示例性路径可包括通过一种或多种介质的反射、折射、衍射等，该一个或多个示例性路径可由一个或多个光子、小波或其他传播电磁能采用或者可被呈现为表示一个或多个光子、小波或其他传播电磁能，该一个或多个光子、小波或其他传播电磁能源自附图所示的或在一些情况下从附图中省略的一个或多个光源或由一个或多个光源生成。应当理解，提供这些光或更一般而言电磁能(不论其光谱如何(例如，紫外光、可见光、红外光等))的简化视觉表示仅仅是为了促进理解本文所述的各种实施方案，并且因此可以不必按比例或以角度准确度或精确度呈现或示出，并且因此，并不旨在表明除了本文描述或引用的其他实施方案之外，所示实施方案以任何特定所示的角度、取向、偏振、颜色或方向接收、发射、反射、折射、聚焦和/或衍射光的任何偏好或要求。
附加地，应当理解，各个特征部和元件(以及其集合和分组)的比例和尺寸(相对的或绝对的)以及其间呈现的界限、间距和位置关系在附图中被提供，以仅用于促进对本文所述的各个实施方案的理解，并因此可不必要地被呈现或示出以进行缩放并且并非旨在指示对所示的实施方案的任何偏好或要求，以排除结合其所述的实施方案。
具体实施方式
本文所述的实施方案涉及布置在显示器下方/后方的光学感测系统，并且被配置为透过电子设备的显示器(例如，透过显示器的像素间区域)进行操作。更具体地，光学感测系统可被配置为透过显示器照亮感测系统的视场内的场景，并且可被配置为接收从该场景中的以及感测系统的该视场内的一个或多个对象反射的光。从该场景内的对象的表面或次表面反射的一些光再次穿过显示器，并且可由光学感测系统接收并且进行分析和/或过滤。
在一种配置中，如本文所述的光学感测系统被用作便携式电子设备的用户接近度传感器，该便携式电子设备具有电容式触摸屏诸如蜂窝电话。该便携式电子设备可使用来自用户接近度传感器的输出，以在用户将便携式电子设备定位在用户的头部附近时禁用电容式触摸屏，并且在用户从用户的头部收回便携式电子设备时重新启用电容式触摸屏。在更简单的表述中，如本文所述，能够作为用户接近度传感器进行操作的光学感测系统可用于防止对电容式触摸屏的非预期输入，以及/或者通过在用户将便携式电子设备放置或存储在口袋或包中时禁用显示器来节省设备功率。
如本文所述的光学感测系统包括发射侧(TX)和接收侧(RX)。与通过检测光强度变化(其可被称为亮度或功率变化)进行操作的常规光学感测系统相反，如本文所述的系统被配置为用作相干光学系统，从而利用接收侧处的光子混合以形成外差干涉仪。外差干涉仪经由波导、发射侧和接收侧比较两个路径，即场景照明路径(包括穿过显示器的往返行程，从靠近系统的对象反射)和通过光学耦接限定的基准路径。由于该构造，光学感测系统响应并利用光学场强衰减的原理，并且不像常规光学感测系统那样依赖于光强度变化。
如本领域的技术人员已知的，来自从其反射的光源或对象的光强度与距该光源或对象的距离的平方成反比例。换句话讲，依赖于测量光强度或亮度(例如，光学功率)的常规光学感测系统被配置为测量随着距离的平方减弱的信号。因此，常规透过显示器光学感测系统对噪声、反向散射、TX/RX串扰和其他干涉源非常敏感——尤其是随着距对象的距离增加。
此外，如果透过显示器或其他低透明度、高度反射和/或高吸收层或层组进行操作(作为一个示例，“显示叠层”至少部分地限定了用于电子设备的电子显示器)，则操作常规透过显示器光学感测系统的常规方法的问题可能特别成问题。例如，被配置用于透过显示器成像的显示器，尤其是高分辨率显示器可能仅表现出5％透射率。换句话讲，显示叠层以其他方式反射、衍射和/或吸收来自与其一起操作的常规光学感测系统的95％的功率输出。
在该构造中，由常规光学感测系统的接收侧接收的光必须再次穿过相同的显示叠层，这再次允许仅5％的入射光穿过其中。在该简化示例中，最多只能分析来自常规光学感测系统的0.25％的功率输出，以为该常规光学感测系统获得对应于对象接近度的有用信号。如本领域的技术人员已知的，这种0.25％的有用功率随着距常规光学感测系统的视场中的任何对象的距离的平方而经历减弱/衰减。因此，常规系统通常需要在至少一个阈值时间段(例如，200ms、500ms以及类似的尺度)内照亮场景，使得可由接收侧接收可用信号。
根据前述示例，应当理解，常规透过显示器光学感测系统依赖于接收到的光强度变化，以确定对象与电子设备的接近度最多表现出的较差性能并且耗费基本上所有功率输出以仅恢复最小可用信号。因此，常规透过显示器光学感测系统可能不适合与许多电子设备一起使用，尤其是低功率电子设备，诸如可穿戴电子设备或小外形电子设备。
相反，本文所述的系统利用光学场强衰减，该光学场强衰减不随着距对象或光源的距离的平方变化而减弱。换句话讲，通过利用基于场的方法，与常规基于强度的(基于功率的)系统相比，如本文所述的系统可表现出明显的信噪比增益。在一些情况下，与常规系统相比，基于场的方法表现出35db或更大的SNR增益。
此外，随着信噪比增加，本文所述的系统可操作基本上更短的时间段，从而节省大量功率。此外，随着信号质量提高，可对信号执行更详细且深度的分析，以进一步调谐、过滤或以其他方式解释从/由系统获得的信号。
更具体地，本文所述的实施方案涉及包括发射器侧和接收器侧的光学感测系统。发射器侧包括至少一个发光元件，该发光元件被配置为透过电子设备的显示器(诸如有机发光二极管显示器)发射光。更具体地，发射器侧包括至少一个发光元件，该至少一个发光元件被配置和定位成透过电子设备(诸如蜂窝电话或可穿戴电子设备)的显示器的有效显示区域的像素间区域发射红外激光。
由如本文所述的光学感测系统的发射器侧发射的光可在光学感测系统的视场内照亮靠近电子设备的自由空间中的对象。如上所述的示例性对象可以是电子设备的用户或操作员。来自这些对象的反射可部分地返回到光学感测系统，再次穿过显示器(以及显示器的像素间区域)以被接收器侧接收。
在许多情况下，发光元件包括激光器，通常被实现为竖直腔面发射激光器(VCSEL)，但这仅是一个示例并且可使用其他激光元件。为了简化描述，以下实施方案涉及包括至少一个VCSEL光源(下文称为“激光器”或“激光二极管”)的光学感测系统，该至少一个VCSEL光源发射包括传统不可见频带(例如，红外光)的光谱范围内的光。进一步地，尽管并非所有实施方案都需要如此，但参考以下许多实施方案所描述的示例性VCSEL光源被假定为如由美国国家标准协会(American National Standards Association)定义的1类激光器。
如本文所述的光学感测系统的接收器侧包括至少一个光敏元件，该至少一个光敏元件可以是对与具有在由发光元件发射的光带内的频率的光子的相互作用作出响应的光电二极管。在更简单的表述中，如果发光元件被配置为发射波长为450nm的蓝光，则接收侧的光电二极管可被选择和/或构造成在由具有450nm波长的光子照亮时生成(或修改)电信号。这仅是一个示例；在许多具体实施中，发光元件和相应的光电二极管可被配置为在电子设备的人类用户通常不可见的红外光带中进行操作。
为了简化描述，以下实施方案涉及具有接收侧光敏元件的光学感测系统，该接收侧光敏元件包括至少一个半导体光电二极管(下文简称为“光电二极管”)。光电二极管可被制造为具有光敏区域，并且可在光电导电模式下操作。如上所述，本文所述的示例性光电二极管的光敏区域可对由光学感测系统的激光二极管发射的光谱范围内的光作出响应。
除了前述构造之外，如本文所述的光学感测系统的发射器侧和接收器侧可经由光学感测系统内部的波导光学耦接，使得由发射器侧的发光元件发射的光被接收器侧的光电二极管接收。由于该构造，穿过显示器并已经从电子设备附近或靠近电子设备的对象反射的光可与穿过波导的光混合，从而引起相长干涉或相消干涉(换句话讲，形成外差干涉仪)，其继而可用于确定距对象的距离和/或对象的速度。
在许多示例中，光学感测系统可包括多个光敏元件和/或与一个或多个光敏元件相关联的多个光敏区域。在此类情况下，光电二极管可在平衡配置中操作，或者可单独采样。在一些情况下，光电二极管阵列可用于至少部分地生成电子设备附近的对象的多维映射或图像。
如上所述并且相对于本文所述的其他实施方案，光学感测系统可包括处理器和存储器，该处理器和该存储器可形成为或被限定为专用集成电路的一部分。存储器可存储当由处理器访问时使处理器实例化控制软件或固件的实例的指令。
固件可使专用集成电路(ASIC)针对和/或利用从光学感测系统的一个或多个光敏元件接收到的输出执行一个或多个分析操作。例如，ASIC可被配置为执行时域和/或频域分析以确定从一个或多个光敏元件接收到的输出的一个或多个特性或特征。作为一个示例，ASIC可被配置为识别中心频率、拍频、中频、相位(或相移)、时间延迟等。可利用这些数据中的任一者来通知对距结合光学感测系统的电子设备附近的对象的距离/或速度的确定。
更广义地，在一些实施方案中并且如上所述，光学感测系统可被配置用作移动或便携式电子设备的接近度传感器，但这仅是一个示例。
应当理解，任何合适的光学感测或成像系统均可利用本文所述的技术和架构来接收和/发射光。示例包括但不限于：测光计；光色传感器；接近度传感器；点阵投射器；测距仪；红外图像捕获系统；紫外图像捕获系统；直接飞行时间深度传感器；间接飞行时间深度传感器；等等。
例如，一些实施方案涉及电子设备，该电子设备包括显示器，诸如微尺度发光二极管显示器(“微型LED”)或有机发光二极管显示器(“OLED”)。这些示例性电子设备还可包括如本文所述的光学感测系统，该光学感测系统被配置为用作反射光学传感器，该反射光学传感器照亮视场并且监测该视场内的发射光的反射以推断光学反射对象(诸如电子设备的用户)存在于该视场内。
如上所述，光学感测系统被配置为在红外波长带中操作，并且定位在电子设备的显示器的有效显示区域的后表面上或耦接到该后表面并且/或者集成在电子设备的显示器的有效显示区域内。更具体地，如本文所用，短语显示器的有效显示区域的“后表面”是指显示器的与显示器从其发射光的表面(该表面在本文中称为显示器的“前表面”)相对的表面。
这样，并且由于该构造，光学感测系统可照亮显示器附近的对象，诸如用户。如本领域的技术人员可理解的，靠近显示器的对象会反射由光学感测系统发射的光中的一些光。对象反射光的一部分被引导回朝向显示器并且可由定位在显示器后方的光学感测系统捕获。接收到的光可与直接从发射侧(穿过波导)接收到的光混合以形成外差干涉仪。来自该干涉仪的输出可以是差分的或累积的。在许多示例中，该干涉仪的差分输出可被量化和/或数字化，然后由电子设备(或其他电路，诸如ASIC的分析电路或功能)消耗以执行或通知某些任务。
更一般地，电子设备可利用从光学感测系统接收到的信息来执行任何合适的任务或操作或者任务或操作组。示例包括但不限于：响应于从光学感测系统接收到对象与电子设备的距离比阈值距离更近的信息而禁用或减小电子设备的显示器的亮度；响应于从光学感测系统接收到对象与电子设备的距离比阈值距离更远的信息而启用或增加电子设备的显示器的亮度；响应于从光学感测系统接收到对象在电子设备附近(例如，距离满足阈值或在阈值范围内)的信息而启用或禁用电子设备的触摸或力输入系统；等等。
这样，更一般地并且广义地，本文所述的实施方案可用于促进对电子设备的显示器的前表面附近的对象及其速度的透过显示器检测(和/或成像)。
通过使用速度和距离两者测量结果(例如，作为一对)，例如，电子设备可更有效地确定用户是否有意地将电子设备举到用户的头部以及/或者从用户的头部有意地收回电子设备。在其他情况下，距离和速度可用于接收直接用户输入。例如，用户可在电子设备显示器上方挥手以消除或显示通知。这些示例不是穷举性的；本领域的技术人员可容易地理解，来自如本文所述的光学感测系统的输出可用于执行、协调和/或执行任何合适的电子设备功能或操作。
以下参考图1至图7讨论这些前述实施方案和其他实施方案。然而，本领域的技术人员将容易理解，本文相对于这些附图所给出的详细描述仅是为了解释，而不应被解释为限制性。
图1描绘了电子设备100，该电子设备包括外壳102，该外壳包封多个层的叠层(称为“显示叠层”)，该叠层配合以限定数字显示器，该数字显示器被配置为呈现视觉内容以向电子设备100的用户104传达信息、请求来自该用户的触摸或力输入以及/或者向该用户提供娱乐。在显示叠层后方以及外壳内可设置光学感测系统106，与本文所述的其他实施方案一样，该光学感测系统被配置为照亮用户104并接收来自该照明的反射，以便确定用户104的速度和/或将用户104与电子设备100隔开的距离。
该显示叠层可包括诸如以下的不以特定顺序的层或元件：触摸输入层；力输入层；触觉输出层；薄膜晶体管层；阳极层；阴极层；有机层；包封层；反射器层；加强层；注入层；传输层；偏光器层；抗反射层；液晶层；背光层；一个或多个粘合剂层；可压缩层；墨水层；掩膜层；等等。
为简单描述起见，以下实施方案涉及包括有机发光二极管显示器技术的显示叠层，并且除其他层以外该显示叠层可包括：反射背衬层；薄膜晶体管层；包封层；和发光层。然而，应当理解，这仅是一个例示性示例具体实施，并且其他显示器和显示叠层可利用其他显示技术或它们的组合来实现。可与诸如本文所述的显示叠层和/或显示器一起使用的另一显示技术的示例是微型发光二极管显示器。
显示叠层通常还包括输入传感器(诸如力输入传感器和/或触摸输入传感器)，以检测用户与由电子设备100的显示器的显示叠层限定的有效显示区域108物理交互的一个或多个特征。
有效显示区域108的特征通常在于布置能够单独控制的、物理地隔开的并且能够寻址的像素或子像素，这些像素或子像素以一种或多种像素密度并且以一个或多个像素或子像素分布图案进行分布。在更一般的表述中，有效显示区域108的特征通常在于布置能够单独寻址的分立发光区域或者与相邻或其他附近发光区域物理地隔开的区域。
在许多实施方案中，限定有效显示区域108的发光区域设置在或形成在可为柔性或刚性的透明衬底上。可形成诸如本文所述的透明衬底的示例性材料可包括聚对苯二甲酸乙二醇酯和/或玻璃。在其他情况下，可使用部分不透明的衬底；在此类实施方案中，衬底的处于限定在其上的像素之间的至少一部分衬底可以是部分或完全光学透明的。
此外，可由可布置在显示叠层上方或下方或者在其他情况下可与显示叠层集成在一起的电子设备100的输入传感器检测的示例性输入特征可包括但不限于：触摸位置；力输入位置；触摸手势路径、长度、持续时间和/或形状；力手势路径、长度、持续时间和/或形状；力输入的量级；多个同时的力输入；多个同时的触摸输入；等等。
由于这些构造，可促进电子设备100的用户104通过用该用户手指物理地触摸并且/或者施加力到有效显示区域108的任意或特定区域上方的输入表面来与显示器的有效显示区域108中所示的内容进行交互。
在这些实施方案中，与本文所述的其他实施方案一样，显示叠层另外被配置为促进透过显示器接近度感测。具体地，显示叠层还包括和/或耦接到光学感测系统106，该光学感测系统相对于显示叠层的后表面定位在外壳内以及/或者与显示叠层的后表面相接。由于该构造，光学感测系统106可由电子设备100操作以确定对象诸如用户104是否靠近电子设备100的有效显示区域108。
更具体地，在一个示例中，显示叠层限定光学感测孔或分立且隔开的光学感测孔阵列(未示出)，这些孔穿过背衬层或限定显示叠层的后表面的其他不透明层，从而允许光在两个或更多个有机发光二极管子像素或像素(本文称为“像素间”区域)之间从前表面到后表面(反之亦然)行进穿过显示叠层。
在一些情况下，光学感测孔采用矩形形状并且限定在有效显示区域108的中心区域上，但这可能不是必需的。
在其他情况下，光学感测孔采用圆形或椭圆形形状，并且设置在有效显示区域108的其他区域中。在一些实施方案中，可完全省略背衬层；光学感测孔可采用与有效显示区域108相同的大小和形状。
在一些实施方案中，具有不同形状的多个光学感测孔由不透明且吸光的背衬层或附加光学/机械结构隔开和支撑。这些孔中的每个孔可与相应的单独的光学感测系统相关联并且/或者可与光学感测系统106的不同TX或RX部分相关联。
在这些实施方案中，光学感测系统106可至少部分地定位在光学感测孔下方，以便收集和量化被引导穿过显示叠层的像素间区域的光，该光在与由显示叠层发射的光的行进方向基本上相反的方向上行进穿过显示叠层。在许多情况下，光学感测系统106的操作可与显示器的操作同步，使得光学感测系统106上方的显示器像素在光学感测系统进行操作以照亮用户104时关闭。在更广义的表述中，显示器可被配置为以特定刷新率或占空比进行操作；在特定像素的占空比关闭期间，光学感测系统106可进行操作。并非所有实施方案都需要有效显示区域104与光学感测系统106之间的这种同步操作。
更一般地，如上所述，光学感测系统106被配置为发射和捕获入射到显示器的前表面的光，该光穿过显示叠层的像素间区域。
在一些实施方案中，光学感测系统106可被配置为与显示器一起操作，使得显示器发射光以便照亮与显示器的前表面(或覆盖显示器的前表面的外保护层)接触的对象。在这些示例中，从显示器的一个或多个发光区域(例如，像素)发射的光可从对象的表面反射，并且然后可行进通过显示叠层，通过光学感测孔，并且可由光学感测系统106的至少一个光敏区或区域(例如，光电二极管)收集/吸收。
具体地，如相对于本文所述的其他实施方案所述，光学感测系统106可被配置为穿过光学感测孔发射光以及接收来自光学感测孔的光。由光学感测系统106发射和接收的光108可用于检测对象诸如用户104的存在、速度和/或接近度和/或范围。
图1中描绘的这些前述实施方案以及其各种另选方案和其变型通常出于解释的目的并且为了促进理解诸如本文所述的系统的各种配置和构造而被呈现。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，本文所呈现的具体细节中的一些细节可为实践特定的所述实施方案或其等同物所不需要的。
因此，应当理解，对特定实施方案的上述和下述描述出于例示和描述的特定目的而被呈现。这些描述并非旨在穷举或将本公开限制于本文所述的精确形式。相反，对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，根据上述教导内容，许多修改和变型是可能的。
一般地并且广义地，图2至图3描绘了诸如本文所述的光学感测系统的示例性剖视图。具体地，图2描绘了沿图1的线A-A截取的剖视图。在这些示例中，光学感测系统包括发射器侧(也称为“发射器模块”)和接收器侧(也称为“接收器模块”)以限定反射传感器。与本文所述的其他实施方案一样，发射器侧包括设置在本文称为发射器圆筒的圆筒内的发光元件，并且接收器侧包括设置在本文称为接收器圆筒的第二圆筒内的光敏元件。
由于单独的圆筒单独地包封发射器侧和接收器侧，发射器侧可基本上与接收器侧光学隔离，使得由发射器侧发射并且朝向显示器的光基本上不与由接收器侧接收的光发生干涉。然而，尽管该构造如上所述，但发射器侧和接收器侧可经由波导直接光学耦接。这样，波导可将基准光传送到接收侧，使得穿过显示器(场景“照明路径”)接收的光可与基准光(经由波导、“基准路径”发送)混合以用于外差干涉传感器。然后可分析来自外差干涉仪的差分输出和/或累积输出，以确定作为一个示例的场景照明路径与基准路径之间的拍频或中心频率或相移。
更广义地，由于该构造，当发光元件接收电流并且发射光时，该光离开发射器侧圆筒并进入波导，从而照亮发光元件的视场并将光传播到波导中。
如果对象(诸如用户)进入发光元件的视场，则由发光元件发射的光中的至少一部分光将朝向光学感测系统反射回来。反射光的一部分可进入接收器侧圆筒并且可与来自基准路径的光混合。组合接收光可照亮光敏元件，该光敏元件继而可生成与该组合接收光的一个或多个特性成比例的电流或电压。可针对从光敏元件输出的信号的模拟表示和/或数字表示来执行离散域、频域和/或时域分析。
例如，图2示出了电子设备200，其包括限定内部体积以包封和支撑定位在显示器204的后表面上的光学感测系统202的外壳。
光学感测系统202可用于检测对象206(其可以是电子设备200的用户)的接近度和/或速度。例如，如果电子设备200是便携式电子设备诸如蜂窝电话，则光学感测系统202可被用作接近度传感器，该接近度传感器确定蜂窝电话何时和/或是否应禁用电容式触摸屏(例如，当蜂窝电话的用户将蜂窝电话放在该用户的头部/耳朵附近时)。
与本文所述的其他实施方案一样，光学感测系统202可被配置为穿过显示器204发射光。该光离开电子设备200的外壳以照亮垂直于显示器204的外表面和/或从该外表面延伸出去的视场。
当对象206进入视场时，该光中的至少一部分光从对象206的外表面反射。反射光朝向显示器204的外表面重新定向。反射光中的至少一部分反射光可穿过显示器204并且可照亮光学感测系统202的接收侧。光学感测系统202可利用该照明来确定对象206是否靠近电子设备200的外表面或处于该外表面的至少一个阈值距离内。
光学感测系统202被包封在模块外壳208内，该模块外壳包封和支撑其内部部件中的至少一部分部件。与本文所述的其他实施方案一样，模块外壳208限定可由波导214光学耦接的发射器侧210和接收器侧212。具体地，模块外壳208限定一组圆筒，该组圆筒包括发射器圆筒和接收器圆筒，该发射器圆筒和该接收器圆筒彼此光学隔离以使其间的串扰最小化。
模块外壳208还包封和支撑ASIC，该ASIC包括至少一个处理器216和存储器218。在其他情况下，处理器216和存储器218可形成在单独的管芯上和/或在单独的集成电路封装内。处理器216可为通用处理器，该通用处理器被配置为访问存储器218以获得可执行指令、计算机代码和/或其他数字资产，处理器216可利用这些数字资产来例示应用程序、固件或其他软件过程或实例。
在其他情况下，处理器216可以是专门配置的处理器，该专门配置的处理器被配置为接收数字输入以及提供数字输出和/或模拟输出。因此，如本文所述，术语“处理器”是指在物理上和/或在结构上被配置为例示一个或多个类别或对象的任何软件和/或硬件实现的数据处理设备或电路，该一个或多个类别或对象被专门配置为执行数据的特定转换，包括被表示为可被存储在存储器(诸如存储器218)内和可从该存储器访问的程序中所包括的代码和/或指令的操作。该术语意在涵盖单个处理器或处理单元、多个处理器、多个处理单元、模拟或数字电路、或其他适当配置的计算元件或元件组合。
无论配置如何，处理器216都可在操作上和/或能够通信地耦接到存储器218和/或电子设备200或光学感测系统202的其他电子部件。
例如，处理器216可能够操作地耦接到发射器控制器和接收器控制器。由于这些构造，处理器216可用于与发射器控制器或接收器控制器一起执行一个或多个场校准操作，诸如本文所述。此类校准可包括但不限于：发射器控制器的发光元件的热校准；接收器控制器的光敏元件或光传感器的热校准；光学输出校准/调节该发射器控制器；等等。
如上所述，ASIC的存储器218可用于存储可由处理器216利用的资产。在其他情况下，存储器218可用于存储一个或多个查找表，该一个或多个查找表可用于实时校准(例如，场校准)或响应于来自电子设备200和光学感测系统202的指令，诸如本文所述。在某些其他实施方案中，光学感测系统202还可包括一个或多个光学元件，诸如发射器侧准直器和接收器侧集中器。
由于所描绘的构造，光学感测系统202可由处理器216实时校准，使得由发射器控制器发射的光可穿过显示器204(并且，具体地，在显示器204的像素层220的像素间区域之间)，从对象206反射，再次穿过显示器204和像素层220，并且进入接收器侧，此时该光可与穿过波导214的光混合。
图3描绘了诸如本文所述的光学感测系统的简化剖视图。光学感测系统300包括发光元件302，该发光元件被配置为将激光发射到分束器/波导304中。分束器/波导304可沿着两个路径(一个称为场景照明路径，并且一个称为基准路径)划分来自发光元件302的端口输出。穿过场景照明路径的光任选地穿过准直器306(或其他光学元件或光学元件组)，然后穿过散射介质308，该散射介质可以是电子设备的显示器的显示叠层。穿过基准路径的光通过分束器/波导304重新定向。
沿着场景照明路径穿过的光可从光学感测系统300的视场内的对象的表面或次表面(诸如电子设备的用户的皮肤)反射。
从对象反射的光可再次穿过散射介质308，任选地穿过集中器310，并且可重新进入分束器/波导304，此时该光与沿着基准路径的光混合。这样，如可以理解的，分束器/波导304用于重组包含在从对象反射的光内的相干光，并且因此用作外差干涉仪。一旦组合，就可在光敏元件312和/或光敏元件314处接收光。
发光元件302可以是任何合适的发光元件，但在许多实施方案中，发光元件302被实现为VCSEL并且被配置为发射红外光。在其他实施方案中，发光元件302是半导体光源，诸如但不限于：竖直外腔面发射激光器；发光二极管；有机发光二极管；共振腔发光二极管；微尺度发光二极管；超发光发光二极管；宽条形激光二极管；二极管泵浦激光器；模式锁定二极管激光器；红外频带激光器；紫外频带激光器；等等。发光元件302可被实现为单个元件或分立元件阵列。
光敏元件312和/或光敏元件314可以是任何合适的光敏元件或结构。为了简化描述，以下实施方案涉及半导体光电二极管(下文称为“光电二极管”)。该示例性光电二极管的光敏区域对由发光元件302发射的光谱范围内的光作出响应。与发光元件302一样，接收器侧的光敏元件312和/或光敏元件314可被实现为单个元件或元件阵列。
光敏元件312和/或光敏元件314两者以及发光元件302能够操作地或物理地耦接到ASIC。ASIC可被配置为用电流、调制电流或任何其他合适的电流控制的、功率控制的或电压控制的信号来驱动发光元件302。在许多示例中，ASIC被配置为用电流信号来驱动发光元件302，该电流信号被配置为使发光元件302将调制的红外光发射到光学感测系统300的视场中。另外，ASIC可被配置为从光敏元件312和/或光敏元件314接收电流、电压或功率信号。
图2至图3中描绘的这些前述实施方案以及其各种另选方案和其变型通常出于解释的目的并且为了促进理解诸如本文所述的系统的各种配置和构造而被呈现。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，本文所呈现的具体细节中的一些细节可为实践特定的所述实施方案或其等同物所不需要的。
因此，应当理解，对特定实施方案的上述和下述描述出于例示和描述的特定目的而被呈现。这些描述并非旨在穷举或将本公开限制于本文所述的精确形式。相反，对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，根据上述教导内容，许多修改和变型是可能的。
例如，并非所有实施方案都需要专用波导；在一些情况下，穿过显示叠层的一个或多个层的光可限定基准路径。在其他情况下，可经由多个波导和/或穿过显示叠层的多个路径来限定多个基准路径。
在其他情况下，光学感测系统可至少部分地实现为光子电路。例如，图4A描绘了限定如本文所述的光学感测系统的集成光子电路的简化系统图。光学感测系统400包括光子集成电路402，该光子集成电路形成在硅半导体电路404上方，该硅半导体电路限定专用集成电路，该专用集成电路被配置为执行或协调光学感测系统400的一个或多个操作。
光子集成电路402可包括一个或多个波导(例如，硅波导或氮化硅波导)，这些波导被配置为光学耦接从发射侧发射到光学感测系统400的接收侧的光。光子集成电路402可定位在下方和/或在其上形成一个或多个无源光学结构，诸如透镜、准直器或其他过滤器。在图中被识别为无源光学结构406的无源光学结构可包括一个或多个有源透镜结构或光学元件，诸如电致变色快门或液晶快门或其他电子控制的透镜或光学元件。
限定光学感测系统400的该叠层可定位在散射介质诸如显示器408下方。由于该构造，在通过光子集成电路402中限定的一个或多个波导将沿着场景照明路径发送的光与沿着基准路径发送的光重组之后，可在光敏元件412处接收经由发光元件410从发射侧发射的光。
图4B更详细地描绘了光子集成电路402。在该示例中，发光元件410可光学耦接到定向耦接器414。在一些示例中，定向耦接器414可用于向基准光电二极管416提供光学输入，该基准光电二极管继而可用于监测来自发光元件410的输出。例如，来自基准光电二极管416的输出可用于通知电流驱动发光元件410，例如用于维持来自发光元件410的光输出的特定或一致波长。在一些示例中，基准光电二极管可集成到发光元件410中和/或可完全省略。
定向耦接器414还可向光学耦接到一个或多个接收侧光电二极管(或平衡光电二极管对)的一个或多个基准路径提供输出。例如，在一个实施方案中，定向耦接器414向包括延迟回路420的第一波导418提供输出。延迟回路420的长度可随实施方案的不同而发生变化，并且在一个示例中可根据显示叠层的厚度进行通知。
来自第一波导418的输出可作为输入提供给平衡光电二极管对422(其可限定单个光敏元件)，该平衡光电二极管对可被定位成还接收沿着如上所述的场景照明路径的光。平衡光电二极管对422可提供组合输出424。
在一些实施方案中，可使用多于一个接收侧光敏元件。在这些情况下，光学感测系统400和光子集成电路402可包括和/或限定多个基准路径。例如，来自定向耦接器414的输出可作为输入提供给定向耦接器的功率分隔树，该树的每个分支耦接到唯一的和/或分立的基准路径。
为了简化说明，仅示出了被识别为定向耦接器426的单个附加定向耦接器。定向耦接器426向被识别为第二波导428的另一波导提供输入。
第二波导428可被配置有两个分支，其中一个分支包括馈入布拉格反射器432中的延迟线430。延迟线430可具有多达延迟回路420一半的延迟，但并非所有实施方案都需要如此。由于该构造，第二波导428可被配置用于特定频率响应性。其他波导(未示出)可被配置用于对光的其他频率作出响应。
来自第二波导428的输出可提供输出434，该输出还可作为输入提供给由一对光电二极管限定的光敏元件。
图4A至图4B中描绘的这些前述实施方案以及其各种另选方案和其变型通常出于解释的目的并且为了促进理解诸如本文所述的系统的各种配置和构造部分地实现在光子集成电路中而被呈现。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，本文所呈现的具体细节中的一些细节可为实践特定的所述实施方案或其等同物所不需要的。
因此，应当理解，对特定实施方案的上述和下述描述出于例示和描述的特定目的而被呈现。这些描述并非旨在穷举或将本公开限制于本文所述的精确形式。相反，对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，根据上述教导内容，许多修改和变型是可能的。
例如，图5描绘了诸如本文所述的光学感测系统的简化系统图。光学感测系统500被配置为透过散射介质(诸如电子设备的显示器)检测对象502的存在和/或速度和/或距离。在其他示例中，可能存在其他散射介质。
光学感测系统500包括发射器侧502和接收器侧504。发射器侧502包括被示出为光发射器506的发光元件。光发射器506从数模转换器508接收模拟功率或电流信号。
这样，由数模转换器508接收的数字电流值被转换成模拟电流，该模拟电流继而使光发射器506发射光(诸如调制的红外光)。
类似地，光学感测系统500包括接收器侧504，该接收器侧包括光敏元件510。光敏元件510被配置为接收从光发射器506发射的光。由光发射器506发射的光中的一些光可穿过散射介质(诸如散射介质512)，然后从对象(诸如对象514)反射。从光敏元件510输出的电流、电压和/或功率信号可作为输入由接收器侧504的模数转换器516接收。
此外，光敏元件510可被配置为接收来自光发射器506的光，该光穿过基准路径，该基准路径穿过波导518，诸如上文所述。
这样，并且由于该构造，光敏元件510接收从对象514反射的光和来自光发射器506(经由波导518)的光，从而混合这两个光以向模数转换器516提供单个干涉输出。
如上所述，可以频域、离散域或时域分析来自模数转换器516的输出，以估计与对象514相关联的距离和/或速度。例如，模数转换器516的输出可作为输入提供给频域分析块520，该频域分析块继而向距离和速度估计器522提供输出。一旦确定速度和距离(与特定的采样时间相关联)，就可为更高级别的系统524(诸如应用层或操作系统)生成信号。如上所述，在一个示例中，可使用速度和距离测量结果来进行将电话举到用户的头部以及从用户的头部收回电话的检测。
光学感测系统500也可包括其他操作部件。例如，在一些实施方案中，光学感测系统500包括波形发生器526，该波形发生器向驱动光发射器506的数模转换器508提供输入。波形发生器526可限定用于光发射器506的一个或多个操作模式，例如通过向光发射器506(在DC模式下)施加直流脉冲，或通过施加锯齿形波形来估计距离等。
来自波形发生器526的输出也可通过来自接收侧ADC和/或发射侧光电检测器(诸如光电检测器528)的输出进行通知。例如，如果光电检测器538检测到来自光发射器506的光输出发生移位(例如，由于温度或其他干扰源)，则波形发生器526可调节施加到光发射器506的波形以进行补偿。
图5中描绘的这些前述实施方案以及其各种另选方案和其变型通常出于解释的目的并且为了促进理解诸如本文所述的系统的各种配置和构造而被呈现。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，本文所呈现的具体细节中的一些细节可为实践特定的所述实施方案或其等同物所不需要的。
因此，应当理解，对特定实施方案的上述和下述描述出于例示和描述的特定目的而被呈现。这些描述并非旨在穷举或将本公开限制于本文所述的精确形式。相反，对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，根据上述教导内容，许多修改和变型是可能的。
例如，一般地并且广义地，应当理解，一旦通过如本文所述的系统获得速度和距离测量结果或估计，就可执行高阶分析。例如，可基于速度和距离的组合来检测“举高电话”或“放低电话”事件。作为一个示例，图6示出了在用户将电话举高到用户的头部然后放低电话时可观察到的速度与距离之间的示例性关系。在用户接听电话呼叫并随后结束电话呼叫时，可能会出现此类模式。
在该示例中，可跟踪速度和距离坐标(对)，使得当速度/距离对进入图600的特定区域时，将用户“举高”事件用信号通知给电子设备。换句话讲，只有当速度和距离两者都在区域602内时才会触发“举高电话”事件。类似地，只有当速度和距离两者都在区域604内时才会触发“放低电话”事件。
图6中描绘的这些前述实施方案以及其各种另选方案和其变型通常出于解释的目的并且为了促进理解被配置为准确地和/或精确地检测电子设备的显示器附近的对象的距离和速度两者的系统的各种用途而被呈现。然而，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，本文所呈现的具体细节中的一些细节可为实践特定的所述实施方案或其等同物所不需要的。
因此，应当理解，对特定实施方案的上述和下述描述出于例示和描述的特定目的而被呈现。这些描述并非旨在穷举或将本公开限制于本文所述的精确形式。相反，对于本领域的普通技术人员而言将显而易见的是，根据上述教导内容，许多修改和变型是可能的。
例如，在一些情况下，如本文所述的光学感测系统可被包括在按钮、键盘、相机、不透明(对于可见光而言)表面或任何其他合适的表面或输入元件中，以便检测距光学感测系统的视场附近或内的一个或多个对象的距离和/或速度。
图7为描绘了诸如本文所述的操作光学感测系统的另一方法的示例性操作的流程图。方法700包括选择近场或远场扫描模式的任选操作702。在这些示例中，该选择可由ASIC进行，如上所述。当经估计确定的距离小于特定阈值距离时，可使用近场扫描模式，而当经估计确定的距离大于特定阈值距离时，可使用远场扫描模式。
方法700包括选择扫描计划的操作704。示例性扫描计划包括多普勒扫描计划(检测频率和/或相位变化)、三角形扫描计划(监测拍频以确定距离)、调制扫描计划、IQ调制扫描计划等。
扫描计划可与如本文所述的光发射器施加的特定波形或波形组相关联。接下来，在操作706处，可根据扫描计划驱动光发射器。最后，在操作708处，可分析接收到的光(其可与基准路径光合并)。
图8为描绘了诸如本文所述的操作光学感测系统的另一方法的示例性操作的流程图。方法800包括确定距离和速度的操作802。例如，可通过多普勒效应来测量速度，并且可通过调制干涉来测量距离。在操作804处，可将速度和距离作为一对来分析，如上文参考图6所述。最后，在操作806处，可将对应于高阶事件的经过滤的输出(例如，“举高电话”或“放低电话”)传送到另一下游系统。
可以理解的是，尽管上面公开了许多实施方案，但相对于本文所述的方法和技术所提供的操作和步骤旨在为示例性的并且因此不是穷举的。可以进一步理解的是，针对特定的实施方案可以要求或者期望另选的步骤顺序或者更少或附加的操作。
如本文所用，在用术语“和”或“或”分开项目中任何项目的一系列项目之后的短语“中的至少一者”是将列表作为整体进行修饰，而不是修饰列表中的每个成员。短语“中的至少一者”不要求选择所列出的每个项目中的至少一个；相反，该短语允许包括项目中任何项目中的最少一者和/或项目的任何组合中的最少一者和/或项目中每个项目中的最少一者的含义。举例来说，短语“A、B和C中的至少一者”或“A、B或C中的至少一者”各自是指仅A、仅B或仅C；A、B和C的任意组合；和/或A、B和C中的每一者中的一者或多者。类似地，应当理解，针对本文提供的结合列表或分离列表而呈现的元素的顺序不应被解释为将本公开仅限于所提供的顺序。
如本文所用，术语“邻接”是指两个元件共用公共边界或以其他方式彼此接触，而术语“相邻”是指两个元件彼此接近并且可(或可不)彼此接触。因此，邻接的元件也是相邻的，但反过来却不一定成立。彼此“耦接”的两个元件可永久性地或可移除地物理地彼此耦接并且/或者在操作上或功能上彼此耦接。
尽管根据各种示例性实施方案和实现方式描述了上述公开，但应当理解，一个或多个单独实施方案中描述的各种特征、方面和功能不限于将它们应用于它们被描述的具体实施方案中，而是相反地它们可单独地或者以各种组合应用于本发明的一些实施方案中的一个或多个，而不论此类实施方案是否被描述以及此类特征是否作为所述实施方案的一部分被呈现。因此，本发明的广度和范围不应受任何上述示例性实施方案的限制，但相反地受本文所提供的权利要求书的限定。例如，任何固定式或便携式电子设备可包括诸如本文所述的光学感测系统。示例性电子设备包括但不限于：移动电话设备；平板设备；膝上型电脑设备；台式计算机；计算附件；外围输入设备；家用或商用联网设备；航空、航海、水下或陆地车辆控制设备或联网设备；移动娱乐设备；增强现实设备；虚拟现实设备；工业控制设备；数字钱包设备；家用或商用安全设备；可穿戴设备；健康或医疗设备；植入式设备；嵌入衣物的设备；时尚配饰设备；家用或工业电器；媒体设备；等等。

Claims (20)

1.一种电子设备，包括：
光学感测系统，所述光学感测系统用于检测所述电子设备外部的对象的接近度，所述光学感测系统包括：
光发射器，所述光发射器被配置为朝向所述对象发射光；
光传感器阵列，所述光传感器阵列包括至少两个光传感器，所述至少两个光传感器各自被配置为接收从所述对象反射的光；和
光波导，所述光波导光学耦接所述光发射器和所述光传感器阵列。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述光发射器包括激光器。
3.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述激光器是红外激光器。
4.根据权利要求3所述的电子设备，其中所述光波导由硅形成。
5.根据权利要求4所述的电子设备，其中所述光波导包括至少一个延迟回路。
6.根据权利要求5所述的电子设备，其中所述光波导包括定向耦接器，所述定向耦接器将所述延迟回路的输入光学耦接到所述光发射器的输出。
7.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述光传感器阵列包括至少一个红外光电二极管。
8.根据权利要求1所述的电子设备，包括显示器，其中所述光学感测系统被布置成使得所述光发射器被配置为穿过所述显示器发射光。
9.根据权利要求8所述的电子设备，其中所述光传感器阵列被配置为接收已经穿过所述显示器的从所述对象反射的光。
10.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述光波导包括分束器。
11.一种电子设备，包括：
外壳；
显示器，所述显示器在所述外壳内；和
光学感测系统，所述光学感测系统定位在所述外壳内并且在所述显示器后方，所述光学感测系统包括：
激光发射器，所述激光发射器被配置为穿过所述显示器朝向所述电子设备外部的对象发射光；
第一光电二极管和第二光电二极管，所述第一光电二极管和所述第二光电二极管各自被配置为接收已经穿过所述显示器的从所述对象反射的光；和
光波导，所述光波导光学耦接所述激光发射器以及所述第一光电二极管和所述第二光电二极管中的至少一者。
12.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述光波导将所述激光发射器光学耦接到所述第一光电二极管和所述第二光电二极管两者。
13.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述光学感测系统包括处理器，所述处理器被配置为接收来自所述第一光电二极管和所述第二光电二极管的输出，并且被配置为由此确定所述对象的速度和距所述对象的距离。
14.根据权利要求13所述的电子设备，其中所述光波导至少部分地限定在光子集成电路内。
15.根据权利要求14所述的电子设备，其中：
所述光波导是第一光波导，所述第一光波导将所述激光发射器光学耦接到所述第一光电二极管；并且
所述光学感测系统包括第二光波导，所述第二光波导将所述激光发射器光学耦接到所述第二光电二极管。
16.根据权利要求15所述的电子设备，其中所述第一波导和所述第二波导由硅形成，并且所述激光发射器被配置为发射红外光。
17.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述显示器是有机发光二极管显示器。
18.根据权利要求11所述的电子设备，其中所述光波导限定光学路径，所述光学路径包括所述显示器的至少一部分。
19.一种电子设备，包括：
外壳；
有机发光二极管显示器，所述有机发光二极管显示器在所述外壳内；和
光学接近度感测系统，所述光学接近度感测系统定位在所述外壳内并且在所述有机发光二极管显示器后方，所述光学感测系统包括：
准直器，所述准直器定位在所述有机发光二极管显示器下方；
红外激光器，所述红外激光器在所述准直器下方并且被配置为穿过所述准直器和所述有机发光二极管显示器朝向所述电子设备外部的对象发射红外激光；
光电二极管，所述光电二极管用于接收已经穿过所述有机发光二极管显示器的从所述对象反射的光；和
波导，所述波导光学耦接来自所述红外激光器的输出，并且耦接至所述光电二极管。
20.根据权利要求19所述的电子设备，其中所述波导包括至少一个延迟回路。
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