CN116224346A - 近接传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种近接传感器，包括一光源、一光学感测元件及一积分电路。在一测量时间内，该光源多次启动及关闭。在该光源被启动及被关闭时，该光学感测元件感测周遭的光线分别产生一第一电流及一第二电流。该积分电路积分该第一电流及该第二电流分别产生一第一积分信号及一第二积分信号以供判断是否有物体接近。当该光源被启动时，储存目前的该第二积分信号并以储存的该第一积分信号为起始值积分该第一电流。当该光源被关闭时，储存目前的该第一积分信号并以储存的该第二积分信号为起始值积分该第二电流。
Description
技术领域
本发明是有关一种光学传感器，特别是关于一种近接传感器。
背景技术
图1显示传统的近接传感器。图2显示图1的近接传感器的电路图。如图1及图2所示，近接传感器10包括一光源11以及一光学感测电路12。光源11包括串联的发光二极管(LED)111及光源开关SW1。当控制信号S1控制光源开关SW1导通(on)时，LED 111发出光线L1。光线L1接触到物体20后会被物体20反射回到近接传感器10。光学感测电路12感测被物体20反射回来的反射光L1’以判断物体20是否接近。光学感测电路12包括一光学感测元件121、一积分电路122、一比较器123、一重置电路124及一计数器125。光学感测元件121感测反射光L1’及环境光以产生电流Iph。积分电路122耦接光学感测元件121，用以积分电流Iph’产生一积分信号Pout，其中在重置电路124的重置开关SW2断开(off)的情况下，电流Iph’＝Iph，在重置电路124的重置开关SW2导通(on)的情况下，电流Iph’＝Iph-If。积分电路122包括一运算放大器1221及一电容C1，其中运算放大器1221的反相输入端及非反相输入端分别耦接光学感测元件121及接地端GND，电容C1连接在运算放大器1221的反相输入端及输出端之间。比较器123耦接积分电路122，用以比较积分信号Pout及参考电压Vref，以产生一比较信号D1，其中参考电压Vref作为一临界值。当积分信号Pout大于参考电压Vref时，比较器123送出的比较信号D1为高准位，重置电路124的重置开关SW2导通，进而重置积分信号Pout。重置电路124包括一电流源1241及一重置开关SW2，其中重置开关SW2连接在电流源1241及积分电路122之间，并且受控于比较信号D1。当重置开关SW2因应比较信号D1而导通时，电流源1241提供电流If以重置积分信号Pout。计数器125耦接比较器123，用以计数比较信号D1为高准态的次数以产生一感测值O。光学感测电路12依据感测值O判断物体20是否接近。
然而，光学感测电路12除了感测反射光L1’之外，也会感测到周遭的环境光，因此要准确判断反射光L1’的强度，就必需消除环境光的干扰。图3是用以说明图2的近接传感器10的感测方法，其中波形30为控制信号S1，波形31为环境光的强度。参照图2及图3，近接传感器10在一测量时间Ts内对光线进行感测以判断是否有物体20接近，每一个测量时间Ts包含一光源启动时段Ton及一光源关闭时段Toff，其中光源启动时段Ton与光源关闭时段Toff的时间长度相等。在光源启动时段Ton期间且在物体20接近的情况下，控制信号S1导通光源开关SW1，此时光源11发出光线L1，而光学感测电路12感测反射光L1’和环境光以产生感测值O1。在光源关闭时段Toff期间，控制信号S1打开(off)光源开关SW1，此时光源11停止发出光线L1，光学感测电路12感测环境光以产生感测值O2。理论上通过将感测值O1减去感测值O2可以消除环境光的干扰以取得反射光L1’的强度。
然而，如图3的波形31所示，环境光的强度并非一成不变的。在光源启动时段Ton所感测到的环境光强度可能不同于光源关闭时段Toff所感测到的环境光强度。举例来说，当光源启动时段Ton的环境光强度明显大于光源关闭时段Toff的环境光强度时，将前述感测值O1减去感测值O2后并无法消除环境光的干扰，造成近接传感器10可能在没有物体20接近的情况下，误判为有物体接近。
发明内容
本发明的目的，在于提出一种降低环境光干扰的近接传感器。
本发明提供一种近接传感器，包括一光源、一光学感测元件、一积分电路、一比较器、一第一计数器、一第二计数器以及一重置电路。该光源是用以产生一光线，在一测量时间内，该光源被多次启动及关闭。该光学感测元件是用以感测该光线被一物体反射所产生的反射光及一环境光，其中当该光源被启动时，该光学感测元件产生一第一电流，当该光源被关闭时，该光学感测元件产生一第二电流。该积分电路耦接该光学感测元件，用以积分该第一电流及该第二电流分别产生一第一积分信号及一第二积分信号。该比较器耦接该积分电路，用以将该第一积分信号及该第二积分信号与一临界值比较以产生一比较信号，当该第一积分信号大于该临界值时，该比较信号为一第一准位以重置该第一积分信号，当该第二积分信号大于该临界值时，该比较信号为该第一准位以重置该第二积分信号。该第一计数器耦接该比较器，用以计数在该测量时间内的多个该光源被启动的时段中该比较信号为该第一准位的次数，以产生一第一感测值。该第二计数器耦接该比较器，用以计数在该测量时间内的多个该光源被关闭的时段中该比较信号为该第一准位的次数，以产生一第二感测值。该重置电路耦接该积分电路，在该光源被启动时，该重置电路因应该比较信号重置该第一积分信号，在该光源被关闭时，该重置电路因应该比较信号重置该第二积分信号。该积分电路包括一运算放大器、一第一电容、一第一开关、一第二电容以及一第二开关。该运算放大器具有一非反相输入端、一反相输入端及一输出端，其中该非反相输入端耦接一接地端，该反相输入端耦接该光学感测元件。该第一开关与该第一电容串联，而且该第一电容与该第一开关是耦接于该反相输入端及该输出端之间。该第一开关在该光源启动时导通以使该第一电容产生该第一积分信号。该二开关与该第二电容串联且与该第一开关并联，该第二电容与该第二开关是耦接于该反相输入端及该输出端之间。该第二开关在该光源关闭时导通以使该第二电容产生该第二积分信号。
本发明的近接传感器的光源会在一测量时间内被多次启动及关闭，因此本发明的光源启动时段与光源关闭时段的时间长度较短，使得相邻的光源启动时段及光源关闭时段的环境光强度的差异较小，这可以有效地降低环境光的干扰，提高近接传感器的准确度。
附图说明
图1显示传统的近接传感器。
图2显示图1的近接传感器的电路图。
图3是用以说明图2的近接传感器的感测方法。
图4显示本发明的近接传感器。
图5显示图4中重置电路的另一实施例。
图6是用以说明本发明的近接传感器的感测方法。
附图标记说明：10-近接传感器；11-光源；111-发光二极管；12-光学感测电路；121-光学感测元件；122-积分电路；1221-运算放大器；123-比较器；124-重置电路；1241-电流源；125-计数器；20-物体；30-控制信号S1的波形；31-环境光的强度；40-近接传感器；41-光源；411-发光二极管；42-光学感测电路；421-光学感测元件；422-积分电路；4221-运算放大器；423-比较器；424-重置电路；4241-电流源；425-第一计数器；426-第二计数器；427-信号处理器。
具体实施方式
图4显示本发明的近接传感器。在图4中，近接传感器40包括一光源41以及一光学感测电路42。光源41用于产生一光线L1。光源41包括串联的发光二极管(LED)411及光源开关SW1。在其他实施例中，LED 411也可以用其他发光元件取代。当控制信号S2控制光源开关SW1导通时，LED 411发出光线L1。光线L1接触到物体20后会被物体20反射回到近接传感器40。光学感测电路42感测被物体20反射回来的反射光L1’以判断物体20是否接近。光学感测电路42包括一光学感测元件421、一积分电路422、一比较器423、一重置电路424、一第一计数器425、一第二计数器426及一信号处理器427。光学感测元件421用于感测环境光及/或反射光L1’以产生电流Iph。光学感测元件421可以是但不限于光二极管(photo diode)。积分电路422耦接光学感测元件421，用以积分电流Iph’产生一积分信号Pout，其中在重置电路424的重置开关SW2打开(off)的情况下，电流Iph’＝Iph，在重置电路424的重置开关SW2导通(on)的情况下，电流Iph’＝Iph-If。积分电路422包括一运算放大器4221、一第一电容C1、一第二电容C2、一第一开关SW3及一第二开关SW4。运算放大器4221的反相输入端及非反相输入端分别耦接光学感测元件421及接地端GND。第一电容C1与第一开关SW3串联，并且是连接在运算放大器4221的反相输入端及输出端之间。第二电容C2与第二开关SW4串联，并且是连接在运算放大器4221的反相输入端及输出端之间。第二电容C2和第二开关SW4与第一电容C1和第一开关SW3并联。控制信号S2及S2分别控制第一开关SW3及第二开关SW4，其中控制信号S2为控制信号S2的反相信号。比较器423耦接积分电路422，用以比较积分信号Pout及参考电压Vref以产生一比较信号D1，其中参考电压Vref作为一临界值。当积分信号Pout大于参考电压Vref时，比较信号D1为高准位(即，第一准位)以导通重置电路424的重置开关SW2，进而重置积分信号Pout。重置电路424包括一电流源4241及一重置开关SW2，其中重置开关SW2连接在电流源4241及积分电路422之间。当重置开关SW2导通时，电流源4241提供电流If以重置积分信号Pout。第一计数器425耦接比较器423，用以计数在该测量时间Ts内的多个光源41被启动的时段(如图6的多个光源启动时段Ton1、Ton2、Ton3及Ton4)中比较信号D1为高准位的次数，以产生一第一感测值O_on。第二计数器426耦接比较器423，用以计数在测量时间Ts内的多个光源41被关闭的时段(如图6的多个光源关闭时段Toff1、Toff2、Toff3及Toff4)中比较信号D1为高准位的次数，以产生一第二感测值O_off。积分电路422、比较器423、重置电路424、第一计数器425及第二计数器426的组合可视为一模拟数字转换器。信号处理器427耦接该第一计数器425及第二计数器426，依据第一感测值O_on及第二感测值O_off判断物体20是否接近。在一实施例中，信号处理器427也可以设置在近接传感器40的外部。
图5显示图4中重置电路424的另一实施例。图5的重置电路424包括为一开关电容(switch-C)电路连接一参考电压Vref。该开关电容电路包括一电容C3、一第一重置开关SW5、一第二重置开关SW6、一第三重置开关SW7及一第四重置开关SW8。第一重置开关SW5耦接在电容C3的第一端及积分电路422之间，受控于比较信号D1。第二重置开关SW6耦接在电容C3的第一端及接地端GND之间，受控于信号
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为比较信号D1的反相信号。第三重置开关SW7耦接在电容C3的第二端及参考电压Vref之间，受控于比较信号D1。参考电压Vref是由一电压源(图中未示出)提供。第四重置开关SW8耦接在电容C3的第二端及接地端GND之间，受控于信号/>
当比较信号D1为高准位时，第一重置开关SW5及第三重置开关SW7导通而第二重置开关SW6及第四重置开关SW8打开，电容C3提供电流If以重置积分信号Pout。
图6是用以说明本发明的近接传感器的感测方法，其中波形50为参考电压Vref，波形51为积分信号Pout，波形52为控制信号S2，波形53为环境光的强度。如图6所示，本发明中用以控制光源41的控制信号S2，在一测量时间Ts内具有多个脉冲。换言之，在相同的测量时间Ts下，相较于传统的近接传感器10的光源11只被启动及关闭一次，本发明的光源41会被多次启动及关闭。本发明的光源41的光源启动时段Ton1、Ton2、Ton3及Ton4与光源关闭时段Toff1、Toff2、Toff3及Toff4的时间长度小于图3的光源启动时段Ton与光源关闭时段Toff，因此相邻的光源启动时段及光源关闭时段(如Ton1及Toff1)的环境光强度的差异较小。将光源启动时段Ton1、Ton2、Ton3及Ton4与光源关闭时段Toff1、Toff2、Toff3及Toff4所感测到的感测值相减时，可以有效地降低环境光的影响，提高近接传感器40的准确度。在图6中，光源启动时段Ton1的时间长度等于光源关闭时段Toff1的时间长度，光源启动时段Ton2的时间长度等于光源关闭时段Toff2的时间长度，光源启动时段Ton3的时间长度等于光源关闭时段Toff3的时间长度，光源启动时段Ton4的时间长度等于光源关闭时段Toff4的时间长度。
接下来说明本发明的近接传感器40在测量时间Ts的操作，为了方便说明，以下将光源启动时段Ton1、Ton2、Ton3及Ton4中光学感测元件421产生的电流Iph称为第一电流，将光源关闭时段Toff1、Toff2、Toff3及Toff4中光学感测元件421产生的电流Iph称为第二电流。
参照图4及图6，在光源启动时段Ton1期间，控制信号S2为高准位(high)，开关SW1被导通以使光源41发出光线L1，光学感测元件421感测反射光L1’及环境光产生第一电流Iph＝Iph’。此时，积分电路422的第一开关SW3及第二开关SW4分别被导通(on)及打开(off)，积分电路422通过运算放大器4221及电容C1对第一电流Iph进行积分以产生积分信号Pout＝P1(以下称P1为第一积分信号)。在光源启动时段Ton1结束时，控制信号S2变为低准位以使第一开关SW3被打开而第二开关SW4被导通，此时电容C1会储存目前的第一积分信号P1的数值。为方便理解，图6中的积分信号Pout的波形51在光源启动时段Ton1、Ton2、Ton3及Ton4以粗体线显示，即积分信号Pout的第一积分信号P1部分以粗体线表示。
在光源关闭时段Toff1期间，控制信号S2为低准位(low)，开关SW1被打开以使光源41被关闭，光学感测元件421感测环境光产生第二电流Iph＝Iph’。此时，积分电路422的第一开关SW3及第二开关SW4分别被打开及导通，因此积分电路422通过运算放大器4221及电容C2对第二电流Iph进行积分以产生积分信号Pout＝P2(以下称P2为第二积分信号)。在光源关闭时段Toff1结束时，控制信号S2变为高准位以使第一开关SW3被导通而第二开关SW4被打开，此时电容C2会储存目前的第二积分信号P2的数值，电容C1会提供原先储存的第一积分信号P1，换言之，积分信号Pout会回到光源启动时段Ton1结束时的数值。
在光源启动时段Ton2期间，控制信号S2再次导通开关SW1及SW3并且打开开关SW4。此时光源41再次发出光线L1，光学感测元件421感测反射光L1’及环境光产生第一电流Iph＝Iph’，积分电路422对第一电流Iph进行积分以使第一积分信号P1再次上升，其中积分电路422的第一积分信号P1在光源启动时段Ton2的起始值Von1为电容C1先前储存的第一积分信号P1的数值。如图6的时间t1所示，当第一积分信号P1大于参考电压Vref(临界值)时，比较器423送出的比较信号D1为高准位，使得重置电路424的开关SW2导通，进而重置第一积分信号P1，使得第一积分信号P1回到一预设的起始值V0。此时第一计数器425被控制信号S2启动而第二计数器426被控制信号S2关闭，因应比较信号D1为高准位，第一计数器425的计数值加1。第一积分信号P1回到起始值V0后，积分电路422持续对第一电流Iph进行积分，使得第一积分信号P1再次持续上升。在光源启动时段Ton2结束时，控制信号S2变为低准位以使第一开关SW3被打开而第二开关SW4被导通，此时电容C1会储存目前的第一积分信号P1的数值，电容C2会提供原先储存的第二积分信号P2，换言之，积分信号Pout会回到光源关闭时段Toff1结束时的数值。
在光源关闭时段Toff2期间，开关SW1被打开以使光源41被关闭，光学感测元件421感测环境光产生第二电流Iph＝Iph’。此时，积分电路422的第一开关SW3被打开，第二开关SW4被导通。积分电路422通过运算放大器4221及电容C2对第二电流Iph进行积分，使得第二积分信号P2持续上升，其中积分电路422的第二积分信号P2在光源关闭时段Toff2的起始值Voff1为电容C2先前储存的第二积分信号P2的数值。在光源关闭时段Toff2结束时，控制信号S2变为高准位以使第一开关SW3被导通而第二开关SW4被打开，此时电容C2会储存目前的第二积分信号P2的数值，电容C1会提供原先储存的第一积分信号P1。
在光源启动时段Ton3期间，开关SW1被导通以使光源41发出光线L1，光学感测元件421感测反射光L1’及环境光产生第一电流Iph＝Iph’。积分电路422对第一电流Iph进行积分，使得第一积分信号P1持续上升，其中积分电路422的第一积分信号P1在光源启动时段Ton3的起始值Von2为电容C1先前储存的第一积分信号P1。如图6的时间t2所示，当第一积分信号P1大于参考电压Vref(临界值)时，比较器423送出的比较信号D1为高准位，开关SW2被打开，使得第一积分信号P1被重置回到起始值V0。此时第一计数器425被启动，因应比较信号D1为高准位，第一计数器425的计数值加1。在光源启动时段Ton3结束时，控制信号S2变为低准位以使第一开关SW3被打开而第二开关SW4被导通，此时电容C1会储存目前的第一积分信号P1的数值，电容C2会提供原先储存的第二积分信号P2。
在光源关闭时段Toff3期间，开关SW1被打开以使光源41被关闭，光学感测元件421感测环境光产生第二电流Iph＝Iph’。积分电路422对第二电流Iph_off1进行积分，使得第二积分信号P2从光源关闭时段Toff2结束时的准位Voff2开始上升。在光源关闭时段Toff3结束时，控制信号S2变为高准位以使第一开关SW3被导通而第二开关SW4被打开，此时电容C2会储存目前的第二积分信号P2的数值，电容C1会提供原先储存的第一积分信号P1。
在光源启动时段Ton4期间，开关SW1被导通以使光源41发出光线L1，光学感测元件421感测反射光L1’及环境光产生第一电流Iph＝Iph’。积分电路422对第一电流Iph进行积分，使得第一积分信号P1从光源启动时段Ton3结束时的准位Von3开始上升。在光源启动时段Ton4结束时，控制信号S2变为低准位以使第一开关SW3被打开而第二开关SW4被导通，此时电容C1会储存目前的第一积分信号P1的数值，电容C2会提供原先储存的第二积分信号P2。
在光源关闭时段Toff4期间，开关SW1被打开以使光源41被关闭，光学感测元件421感测环境光产生第二电流Iph＝Iph’。积分电路422对第二电流Iph进行积分，使得第二积分信号P2从光源关闭时段Toff3结束时的准位Voff3开始上升。如图6的时间t3所示，当第二积分信号P2大于参考电压Vref(临界值)时，比较器423送出的比较信号D1为高准位，重置电路424的开关SW2导通，使得第二积分信号P2被重置回到起始值V0。此时第一计数器425被控制信号S2关闭而第二计数器426被控制信号S2启动。因为比较信号D1为高准位，第二计数器426的计数值加1。
在测量时间Ts结束时，第一计数器425及第二计数器426依据各自的计数值分别产生一第一感测值O_on及一第二感测值O_off给信号处理器427。信号处理器427依据第一感测值O_on及第二感测值O_off判断是否有物体20接近。例如，信号处理器427可以将第一感测值O_on减去第二感测值O_off得到一差值，当该差值大于或等于一预设值时，信号处理器427判断有物体20接近，当该差值小于一预设值时，信号处理器427判断没有物体20接近。
在图6的实施例中，控制信号S2在测量时间Ts期间具有4个脉冲，但本发明不限于此，控制信号S2在测量时间Ts期间的脉冲数量可依需求增加或减少。只要控制信号S2在测量时间Ts期间的脉冲数量大于1，都在本发明技术方案的范围内。
本发明的近接传感器40在光源启动时段Ton1、Ton2、Ton3及Ton4与光源关闭时段Toff1、Toff2、Toff3及Toff4是使用同一个积分电路422来积分电流Iph’，因而可以避免不同积分电路之间的偏差(offset)所导致的误差。具体来说，如果在光源启动时段Ton1、Ton2、Ton3及Ton4使用一第一积分电路来积分电流Iph’，在光源关闭时段Toff1、Toff2、Toff3及Toff4使用一第二积分电路来积分电流Iph’，当该第一积分电路与该第二积分电路进行切换时，该第一积分电路与该第二积分电路之间的偏差将使得光学感测元件421的寄生电容产生一巨大的伪电流，进而导致该第一积分电路或该第二积分电路产生错误的积分信号，降低近接传感器的准确度。
以上所述仅是本发明的实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (4)
1.一种近接传感器，其特征在于，包括：
一光源，用以产生一光线，在一测量时间内，该光源被多次启动及关闭；
一光学感测元件，用以感测该光线被一物体反射所产生的反射光及一环境光，其中当该光源被启动时，该光学感测元件产生一第一电流，当该光源被关闭时，该光学感测元件产生一第二电流；
一积分电路，耦接该光学感测元件，用以积分该第一电流及该第二电流分别产生一第一积分信号及一第二积分信号，该积分电路包括：
一运算放大器，具有一非反相输入端、一反相输入端及一输出端，其中该非反相输入端耦接一接地端，该反相输入端耦接该光学感测元件；
一第一电容；
一第一开关，在该光源启动时导通，该第一开关与该第一电容串联，该第一电容与该第一开关是耦接于该反相输入端及该输出端之间，用以产生该第一积分信号；
一第二电容；以及
一第二开关，在该光源关闭时导通，该二开关与该第二电容串联且与该第一开关并联，该第二电容与该第二开关是耦接于该反相输入端及该输出端之间，用以产生该第二积分信号；
一比较器，耦接该积分电路，用以将该第一积分信号及该第二积分信号与一临界值比较以产生一比较信号，当该第一积分信号大于该临界值时，该比较信号为一第一准位以重置该第一积分信号，当该第二积分信号大于该临界值时，该比较信号为该第一准位以重置该第二积分信号；
一第一计数器，耦接该比较器，用以计数在该测量时间内的多个该光源被启动的时段中该比较信号为该第一准位的次数，以产生一第一感测值；
一第二计数器，耦接该比较器，用以计数在该测量时间内的多个该光源被关闭的时段中该比较信号为该第一准位的次数，以产生一第二感测值；以及
一重置电路，耦接该积分电路，在该光源被启动时，该重置电路因应该比较信号为该第一准位重置该第一积分信号，在该光源被关闭时，该重置电路因应该比较信号为该第一准位重置该第二积分信号。
2.如权利要求1所述的近接传感器，其特征在于，该重置电路包括：
一电流源；以及
一重置开关，耦接在该电流源及该积分电路之间，该重置开关因应该比较信号而导通。
3.如权利要求1所述的近接传感器，其特征在于，该重置电路包括一开关电容电路连接一参考电压，该开关电容电路包括：
一电容，具有一第一端及一第二端；
一第一重置开关，耦接在该第一端及该积分电路之间；
一第二重置开关，耦接在该第一端及一接地端之间；
一第三重置开关，耦接在该第二端与该参考电压之间；以及
一第四重置开关，耦接在该第二端及该接地端之间；
其中，在该第一积分信号或该第二积分信号大于一临界值时，该第一重置开关及该第三重置开关被导通而该第二重置开关及该第四重置开关被打开，以重置该第一积分信号或该第二积分信号。
4.如权利要求1所述的近接传感器，其特征在于，还包括一信号处理器耦接该第一计数器及该第二计数器，依据该第一感测值及该第二感测值判断该物体是否接近。
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