KR20220112675A - 광학 경로 연장기를 갖는 광학 간섭측정 근접 센서 - Google Patents

광학 경로 연장기를 갖는 광학 간섭측정 근접 센서 Download PDF

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KR20220112675A
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네이선 쇼우
대릴 아이. 불리스
통 첸
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애플 인크.
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Abstract

광학 근접 센서는 광학 근접 센서의 기하학적 경로 길이의 대응하는 연장없이 광학 근접 센서의 광학 경로 길이를 연장하는 광학 경로 연장기를 포함한다. 광학 경로 연장기는 광학 근접 센서를 통하는 광학 경로를 따라 위치된 고굴절률 재료일 수 있다. 광학 경로 연장기는 광학 근접 센서 내에서 이동하는 광의 방향을 변경하도록 구성된 하나 이상의 방향전환 특징부들을 포함할 수 있다. 광학 경로 연장기는 그것을 통과하는 광에 모멘텀-의존적 전달 함수를 적용함으로써 광학 근접 센서 내의 기하학적 경로의 연장을 모방하도록 구성된 광자 컴포넌트를 포함할 수 있다.

Description

광학 경로 연장기를 갖는 광학 간섭측정 근접 센서{OPTICAL INTERFEROMETRY PROXIMITY SENSOR WITH OPTICAL PATH EXTENDER}
본 명세서에 기재된 실시예들은 광학 센서들에 관한 것으로, 특히, 물체까지의 거리, 및/또는 그것의 속도를 결정하도록 구성된 광학 간섭측정 근접 센서들에 관한 것이다.
전자 디바이스는 전자 디바이스의 사용자와 같은 물체 또는 표면으로부터 자유 공간 내의 그 전자 디바이스를 분리하는 거리를 측정 또는 추정하기 위한 시스템 또는 센서 - 본 명세서에서는 "근접 센서"로 지칭됨 -를 포함할 수 있다. 그러나, 종래의 근접 센서들은 만족스러운 감지 성능을 달성하기 위하여 광학 경로를 따라 자유 공간을 필요로 할 수 있고, 이는 근접 센서들 및 디바이스들이 전개되는 그것들의 두께 증가에 기여한다.
본 명세서에 기재된 실시예들은 광학 경로 연장기를 포함하는 광학 근접 센서를 참조한다. 광학 경로 연장기는 광원과 광학 근접 센서의 하우징 내의 개구 사이에 위치될 수 있다. 광원은 물체를 조명하고 재귀반사 신호를 수집하여 자기혼합 간섭측정에 기초하여 그 물체까지의 거리 및/또는 그것의 속도를 결정하도록 구성된다. 광학 경로 연장기는 광학 근접 센서의 광학 경로 길이를 증가할 수 있고, 그럼으로써 광학 근접 센서가 유사 또는 개선된 감지 성능을 달성하면서 전통적인 광학 근접 센서들과 비교하여 감소된 두께를 갖도록 한다.
이제, 첨부 도면들에 도시된 대표적인 실시예들을 참조할 것이다. 하기의 설명이 본 개시내용을 하나의 포함된 실시예로 한정하고자 하는 것이 아님을 이해해야 한다. 반대로, 본 명세서에 제공된 개시내용은, 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 기술된 실시예들의 사상 및 범주 내에 포함될 수 있는 대안예들, 수정예들 및 등가물들을 포함하고자 한다.
도 1은 전자 디바이스에 가까운 물체까지의 거리, 및/또는 그것의 속도를 결정하기 위하여 본 명세서에 기재된 바와 같이, 근접 센서를 포함하는 전자 디바이스의 개략적 표현을 도시한다.
도 2는 VCSEL 광원과 통합된 광학 경로 연장기를 갖는 예시 광학 근접 센서를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 예시 광학 근접 센서들을 도시하며, 이는 광학 근접 센서들의 광학 경로 길이를 증가시키는 방향전환 특징부들을 포함한다.
도 4a 및 도 4b는 예시 광학 근접 센서들을 도시하며, 광학 근접 센서들의 광학 경로 길이를 증가시키는 광자 컴포넌트들을 포함한다.
도 5a는 전자 디바이스에 가까운 물체까지의 거리, 및/또는 그것의 속도를 결정하기 위하여 본 명세서에 기재된 바와 같이, 근접 센서를 포함하는 다른 전자 디바이스의 개략적 표현을 도시한다.
도 5b는 전자 디바이스의 이동 표면까지의 거리, 및/또는 그것의 속도를 결정하기 위하여 본 명세서에 기재된 바와 같은 근접 센서를 포함하는 다른 전자 디바이스의 개략적 표현을 도시한다.
도 6a는 전자 디바이스의 입력 영역에 대한 사용자의 손가락까지의 거리, 및/또는 그것의 속도를 결정하기 위하여 본 명세서에 기재된 바와 같이 근접 센서를 포함하는 전자 디바이스의 개략적 표현을 도시한다.
도 6b는 전자 디바이스의 터치-입력 영역에 대한 사용자의 손가락까지의 거리, 및/또는 그것의 속도를 결정하기 위하여 본 명세서에 기재된 바와 같이 근접 센서를 포함하는 전자 디바이스의 개략적 표현을 도시한다.
도 6c는 전자 디바이스의 사용자가 힘을 가할 수 있는 전자 디바이스의 이동 표면까지의 거리, 및/또는 그것의 속도를 결정하기 위하여 본 명세서에 기재된 바와 같은 근접 센서를 포함하는 전자 디바이스의 개략적 표현을 도시한다.
도 6d는 전자 디바이스의 사용자가 힘을 가할 수 있는 전자 디바이스의 이동 표면까지의 거리, 및/또는 그것의 속도를 결정하기 위하여 본 명세서에 기재된 바와 같은 근접 센서를 포함하는 전자 디바이스의 다른 개략적 표현을 도시한다.
도 7은 본 명세서에 기재된 바와 같은 근접 센서를 동작시키는 방법의 예시 동작들을 도시하는 흐름도이다.
도 8은 본 명세서에 기재된 동작들을 수행할 수 있는 전자 디바이스의 샘플 전기 블록도를 도시한다.
상이한 도면들에서 동일한 또는 유사한 도면 부호들의 사용은 유사하거나, 관련되거나, 동일한 항목을 표시한다.
첨부 도면들에서 크로스-해칭(cross-hatching) 또는 음영의 사용은 일반적으로, 인접하는 요소들 사이의 경계들을 명확하게 하고 도면들의 가독성을 용이하게 하기 위해 제공된다. 따라서, 크로스-해칭 또는 음영의 존재 여부는, 특정한 재료, 재료 속성들, 요소 비율, 요소 치수, 유사하게 도시된 요소들의 공통점, 또는 첨부 도면들에 도시된 임의의 요소에 대한 임의의 다른 특성, 성질, 또는 속성에 대한 어떠한 선호도 또는 요건도 암시하거나 나타내지 않는다.
유사하게, 소정 첨부 도면들은 하나 이상의 예시 경로들의 벡터, 선, 트레이스 및/또는 기타 시각적 표현을 포함하고 - 이는 반사, 하나 이상의 매체를 통한 굴절, 회절 등을 포함할 수 있음 - 이는 첨부 도면들에 도시되거나 또는 일부 경우들에서, 첨부 도면들로부터 생략된 하나 이상의 광원들로부터 유래된 하나 이상의 광자들에 의해 취해질 수 있다. 이러한 광의 단순화된 시각적 표현은 단지 본 명세서에 기재된 다양한 실시예들의 이해를 용이하게 하도록 제공되며, 따라서, 반드시 각도적 정밀성 또는 정확성으로 스케일링되거나 또는 이를 이용하여 표시 또는 도시될 필요는 없고, 이와 같이, 본 명세서에 기재 또는 참조된 다른 실시예들을 제외하고, 도시된 실시예가 임의의 특정 예시된 각도, 배향, 편광, 색상, 또는 방향에서 광을 수광, 방출, 반사, 굴절, 집중, 및/또는 회절시키기 위한 어떠한 선호 또는 요건, 나타내도록 의도되지 않음이 이해된다.
또한, 다양한 특징부들 및 요소들(및 이들의 집합들 및 그룹들) 및 그 사이에 제공된 경계들, 분리들, 및 위치 관계들의 비율들 및 치수들(상대적 또는 절대적인)은 첨부된 도면들에서 단지 본 명세서에 기술된 다양한 실시예들의 이해를 용이하게 하기 위해 제공되고, 따라서 반드시 축척에 맞게 나타내어지거나 도시되지 않을 수 있으며, 도시된 실시예에 대해, 그를 참조하여 기술된 실시예들의 제외에 대한 어떠한 선호도 또는 요건도 나타내도록 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
본 명세서에 기재된 실시예들은 전자 디바이스를 위한 광학 근접 센서에 관한 것이다. 이 실시예들은 통상적으로 광학 근접 센서에 대해 그 물체까지의 거리 및/또는 그 물체의 속도를 결정하기 위하여 광 빔을 광학 근접 센서에 가까운 물체를 향해 조사하도록 방사된 수직 공동 표면-방출 레이저("VCSEL")를 포함한다. 물체까지의 거리 및/또는 물체의 속도는 물체의 외부 표면으로부터 방사 빔의 반사에 기초하여 결정될 수 있다. 물체는 광학 근접 센서를 포함하는 전자 디바이스 내부에, 또는 외부에 있을 수 있다. 광 빔은 본 명세서에서 "파장 변조"로 지칭되는, 특정 패턴에 따라 변조되는 파장을 가질 수 있다.
광학 근접 센서는 광학 근접 센서의 광학 경로 길이를 연장함으로써 광학 근접 센서의 두께를 감소시키는 하나 이상의 하나 이상의 광학 경로 연장기들을 포함할 수 있다. 결과적으로, 광학 근접 센서는 전자 디바이스 내의 공간을 덜 차지할 수 있고/있거나 광학 근접 센서는 전통적인 광학 근접 센서보다 더 작고, 더 얇은 디바이스 내에 배치될 수 있다.
광학 경로 연장기는 다양한 방식들 중 임의의 방식으로 광학 근접 센서의 광학 경로 길이를 연장시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 광학 경로 연장기는 광학 근접 센서를 통하는 광학 경로를 따라 위치된 고굴절률 재료일 수 있다. 일부 경우들에서, 광학 경로 연장기는, 예를 들어 VCSEL 광원의 기판과 같이 VCSEL 광원과 통합될 수 있고, 이는 도 2에 관련하여 더 상세하게 논의되는 바와 같다.
광학 경로 연장기는 VCSEL 광원과 윈도우 사이에서 이동하는 광의 방향을 변경하도록 구성된 하나 이상의 방향전환 특징부들을 포함할 수 있고, 도 3a 및 도 3b에 관하여 더 상세하게 논의된 바와 같다. 추가적으로 또는 대안적으로, 광학 경로 연장기는 그것을 통과하는 광에 모멘텀-의존적 전달 함수를 적용함으로써 광학 근접 센서 내의 기하학적 경로의 연장을 모방하도록 구성된 광자 컴포넌트를 포함할 수 있고, 이는 도 4a 및 도 4b에 관해 더 상세하게 논의된 바와 같다.
설명의 간략함을 위하여, 예시 실시예들은 비가시광 주파수 대역을 포함하는 스펙트럼 범위 내의 광(예컨대, 적외선 또는 자외선 광)을 방출하도록 구성된 VCSEL를 참조하는 것으로 이해된다. 그러나, 이것은 단지 일례일뿐이고 다른 실시예에서들, 하나 초과의 VCSEL이 사용될 수 있거나(예컨대, 임의의 적합한 패턴으로 배치된 VCSEL들의 어레이), 추가적으로 또는 대안적으로, 가시광 주파수 대역을 포함하는 스펙트럼 범위 내의 광을 방출하도록 구성된 하나 이상의 VCSEL들이 사용될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 또한, 모든 실시예들에 필요로 하는 것은 아니지만, 후속하는 많은 실시예들을 참조하여 기재된 예시 VCSEL은 Class 1 레이저로 이해되지만, 미국 국가 표준 협회(American National Standards Association)에 의해 정의된 바와 같은 광전 모듈 또는 시스템에서 동작하고; 다른 경우들에서, 고출력 레이저가 사용될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 본 명세서에 기재된 실시예들은 다른 레이저들(예컨대, 에지 방출 레이저(EEL), 수직 외부-공동 표면-방출 레이저(VECSEL), 수평 공동 표면-방출 레이저(HCSEL), 퀀텀 캐스케이드 레이저(QCL), 솔리드 스테이트 레이저, 섬유 레이저 등) 및/또는 쿼시-결맞음 및 비-결맞음 광원(예컨대, 발광 다이오드(LED), RC-LED, 초발광 다이오드(SLD) 등)을 포함할 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 광학 근접 센서의 VCSEL로부터 방출된 빔은 물체로부터 반사될 수 있다. 반사된 광의 적어도 일부분은 VCSEL로 다시 지향되어 VCSEL의 양자 우물 층으로 복귀(즉, 재진입)하여, 그것의 동작을 방해하고 VCSEL의 전기 속성을 변경한다. VCSEL의 전기 및/또는 광학 속성의 변화는 (1) 광학 근접 센서로부터 물체의 표면까지의 거리 및 (2) VCSEL에 의해 방출된 광의 파장에 관련된다.
VCSEL에 의해 방출된 광의 파장이 - 변조되었든 또는 고정되었든 - 공지되어 있기 때문에, 예를 들어 간섭 모드 도약을 카운팅하거나 또는 (예컨대, 주파수 도메인 분석을 통해) 비트 주파수의 속성을 정량화함으로써, 임의의 측정된 간섭(또한 "자기혼합" 효과로 지칭됨)은 물체의 표면과 광학 근접 센서를 분리하는 상대 변위에 상관될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 이 상대 변위는 물체의 표면과 광학 근접 센서를 분리하는 절대 거리에 더 상관될 수 있다. 이 거리는 본 명세서에서 광학 근접 센서와 물체의 표면을 분리하는 "측정된 거리"로 지칭된다. 이해될 수 있는 바와 같이, 이러한 구성은 통상적으로 "자기혼합(self-mixing)" 간섭측정(interferometry) 또는 반사측정(reflectometry)으로 지칭되는 효과를 이용한다.
이들 전술된 실시예들 및 다른 실시예들은 도 1 내지 도 8을 참조하여 아래 논의된다. 그러나, 당업자들은 이러한 도면들과 관련하여 본 명세서에서 제공되는 상세한 설명이 설명의 목적을 위한 것일 뿐이며, 제한적인 것으로 해석되지 않아야 한다는 것을 쉽게 인식할 것이다.
도 1은 전자 디바이스(102)의 하우징 내에 배치된 광학 근접 센서(110)에 대한 가시선 축을 따라 물체(104)까지의 거리(
Figure pat00001
) 및/또는 물체(104)의 속도(
Figure pat00002
)를 측정하도록 구성된 전자 디바이스(102)의 개략적 표현(100)을 도시한다. 전자 디바이스는 전력 제어기(122), 프로세싱 유닛(124), 및 메모리(126)를 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 전력 제어기(122), 프로세싱 유닛(124), 및/또는 메모리(126)는 광학 근접 센서(110)의 일부로서 포함된다. 다른 경우들에서, 전력 제어기(122), 프로세싱 유닛(124), 및/또는 메모리(126)는 전자 디바이스(102)의 별개의 컴포넌트들이다.
광학 근접 센서(110)는 하나 이상의 VCSEL 광원들(112), 윈도우(114), 및 하나 이상의 광학 경로 연장기들(116)을 포함할 수 있다. 광범위하게, 광학 근접 센서(110)는 물체(104)까지의 거리(
Figure pat00003
) 및/또는 그것의 속도(
Figure pat00004
)를 결정하는 데 사용될 수 있다. 광학 경로 연장기(들)(116)는 광학 근접 센서의 겉보기 광학 두께를 넘어 광학 경로 길이를 연장시킴으로써 광학 근접 센서(110)의 두께를 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 광학 근접 센서(110)는 전자 디바이스(102) 내의 공간을 덜 차지할 수 있고/있거나 광학 근접 센서가 유사 또는 개선된 감지 성능을 달성하면서 전통적인 광학 근접 센서보다 더 작고, 더 얇은 디바이스 내에 배치될 수 있다. 예시 광학 경로 연장기들이 도 2 내지 도 4b에 관하여 더 상세하게 논의되어 있다.
전력 제어기(122)는 VCSEL 광원(112)에 결합된다. 이 컴포넌트들의 각각은 - 특정 실시예들 또는 구현예들에서 요구 또는 선호될 수 있는 광학 근접 센서(110)의 다른 컴포넌트들과 함께 - 전체적으로 또는 부분적으로 컴포넌트 인클로저 내에 배치될 수 있다. 광학 근접 센서(110)는 또한 VCSEL 광원(112)으로부터 방출된 광이 컴포넌트 인클로저를 통과하여 물체(104)의 표면을 조명하도록 구성된 윈도우(114)를 포함한다. 도시된 실시예에서, VCSEL 광원(112)은 VCSEL 광원(112)으로부터 방출된 광이 윈도우(114)를 횡단하고 물체(104)의 표면(이는 사용자, 전자 디바이스의 내부 표면 등일 수 있음)을 조명하도록 윈도우(114)에 정렬된다.
이러한 예들에서, 프로세싱 유닛(124)은 전력 제어기(122)로 하여금 삼각형 전류 파형(또는 기타 적합한 주기적 또는 비주기적 파형)을 생성하여 전류를 VCSEL 광원(112)에 주입하게 하도록 구성될 수 있다. 단순화를 위해, 광을 방출하고 자기혼합을 촉진하기 위한 VCSEL 광원으로의 전류 주입 동작은, 변조이든 또는 다른 방법이든, 본 명세서에 기재된 바와 같은 전력 제어기에 의한 것이든 또는 프로세싱 유닛에 의한 것이든, 본 명세서에서 광원을 "구동"하는 것으로 지칭된다.
물체(104)로부터의 반사는 윈도우(114)를 횡단해서 VCSEL 광원(112)으로 다시 진입하여 거리(d)에 직접 관련된 자기혼합 간섭을 유발한다. 일부 경우들에서, 전력 제어기(122)는 자기혼합 효과로 인한 VCSEL 광원(112)의 전력 출력의 변동을 정량화 및/또는 달리 결정하기 위하여(예컨대, 아래 식 2 및 식 3 참조) VCSEL 광원(112)에 광학적으로 커플링된 하나 이상의 포토다이오드들로부터의 전력 출력을 모니터링하도록 추가로 구성될 수 있다.
광학 근접 센서(110)는 VCSEL 광원(112)과 타겟(104) 사이에서 연장되는 기하학적 경로 길이(l)를 가질 수 있다. 광학 근접 센서(110)는 연관 광학 경로 길이(OPL)를 가질 수 있는데, 이는 기하학적 경로 길이(l)와 광학 근접 센서(110)의 굴절률의 곱과 동일하다. 굴절률은 광학 근접 센서(110)의 기하학적 경로 길이(l)를 따라 달라질 수 있는데, 이 경우에 광학 경로 길이는 다음과 같이 식 1에 의해 표현될 수 있다:
Figure pat00005
식 1,
여기서 n은 기하학적 경로(C)를 따라 거리의 함수로서의 국소 굴절률이다.
광학 경로 길이는 광이 광학 근접 센서(110)의 기하학적 경로를 횡단하는 데 걸리는 시간(즉, 비행시간)에 비례한다. 위에서 언급된 바와 같이, 광학 경로 연장기(116)는 VCSEL 광원(112)과 윈도우(114) 사이의 기하학적 경로(도 1에서 l′로 표시됨)의 일부분을 따라 굴절률을 증가시킴으로써 기하학적 경로 길이(l)의 대응하는 연장 없이 광학 근접 센서(110)의 광학 경로 길이를 연장할 수 있다.
광학 경로 연장기(116)는 다양한 방식들 중 임의의 방식으로 광학 근접 센서(110)의 광학 경로 길이를 연장시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 광학 경로 연장기(116)는 VCSEL 광원(112)과 윈도우(114) 사이에 위치된 고굴절률 재료일 수 있다. 일부 경우들에서, 광학 경로 연장기(116)는 윈도우(114)와 통합될 수 있다. 일부 경우들에서, 광학 경로 연장기(116)는, 예를 들어 하부-발광(플립 칩) VCSEL 광원의 기판과 같이 VCSEL 광원(112)과 통합될 수 있고, 이는 도 2에 관련하여 더 상세하게 논의되는 바와 같다.
광학 경로 연장기(116)는 VCSEL 광원(112)과 윈도우(114) 사이에서 이동하는 광의 방향을 변경하여 접힌 경로를 생성하도록 구성된 하나 이상의 방향전환 특징부들을 포함할 수 있고, 도 3a 및 도 3b에 관하여 더 상세하게 논의된 바와 같다. 추가적으로 또는 대안적으로, 광학 경로 연장기(116)는 그것을 통과하는 광에 모멘텀-의존적 전달 함수를 적용함으로써 광학 근접 센서 내의 기하학적 경로의 연장을 모방하도록 구성된 광자 컴포넌트를 포함할 수 있고, 이는 도 4a 및 도 4b에 관해 더 상세하게 논의된 바와 같다.
위에서 언급된 바와 같이, 광학 근접 센서(110)는 물체(104)까지의 거리(
Figure pat00006
) 및/또는 그것의 속도(
Figure pat00007
)를 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 파장 변조는 광학 근접 센서(110)에 의해 광학 근접 센서(110)에 대해 물체(104)까지의 거리(
Figure pat00008
), 및 그것의 속도(
Figure pat00009
)를 동시에 검출하는 데 사용될 수 있다. 파장 변조는 VCSEL 광원(112)에 공급되는 구동 전류를 변조함으로써 달성될 수 있다.
일 예시적인 파장 변조는 "업 사이클(up cycle)"(VCSEL 광원(112)에 공급되는 전류, 및 그에 따라, 그로부터 방출된 방사된 빔의 파장은 특정 비율로 선형적으로 증가함) 및 "다운 사이클"(VCSEL 광원(112)에 공급되는 전류 및 그로부터 방출된 방사된 빔의 파장은 동일한 특정 비율로 선형적으로 감소함)을 포함하는 삼각형 파형을 이용한다. 이 예에서, 물체(104)가 실제로 움직이고 있는지 여부에 상관 없이, 파장의 기복은 광학 근접 센서(110)를 향한 물체(104)의 움직임 및 광학 근접 센서(110)로부터 멀어지는 물체(104)의 움직임을 효과적으로 모방할 수 있다. 이러한 예들에서, 자기혼합 간섭 효과에 의해 영향을 받는 - VCSEL 광원(112)으로부터의 전력 출력의 주파수 성분은 아래 제시된 식 2에 의해 설명될 수 있다.
더 구체적으로는, 식 2(아래)에서, 정량(
Figure pat00010
)은, 광학 근접 센서(110)의 VCSEL 광원(112)이 파장(
Figure pat00011
)의 광을 방출하는 특정 시간(
Figure pat00012
)의 자기혼합의 결과로서 광학 근접 센서(110)의 VCSEL 광원(112)으로부터의 전력 출력이 변조되는 주파수를 나타낸다. 정량(
Figure pat00013
)은 기저대역 주파수 또는 중간 주파수(IF)를 나타낼 수 있는데, 이는 통상적으로 광학 캐리어 주파수(파장) 및 그것의 변조보다 수십배 더 낮고, 무선 주파수 전자장치에 의해 용이하게 샘플링된다.
물체까지의 절대 거리(
Figure pat00014
)가 변함에 따라(이는 총 왕복 거리(
Figure pat00015
)의 절반과 동일함), 시간(
Figure pat00016
)에 VCSEL 광원(112)에 의해 수광된 광은 동일한 시간(
Figure pat00017
)에 VCSEL 광원(112)에 의해 방출된 광과는 상이한 파장을 갖는데, 그 이유는 두 빔의 파장들이 파장의 시간에 따른 변화율(
Figure pat00018
)에 이전에 방출된 광이 VCSEL 광원(112)으로부터 물체까지 그리고 다시 돌아오는 왕복 거리(
Figure pat00019
)를 횡단하는 데 필요한 총 왕복 비행 시간을 곱한 것에 관련된 양만큼 상이하기 때문이라는 것이 이해될 수 있다.
이러한 방식으로, VCSEL 광원(112)의 전력 출력은 삼각형 파형을 따른다(예컨대,
Figure pat00020
의 비율로 VCSEL 광원(112)으로 주입되는 전류). 또한, VCSEL 광원(112)으로부터의 전력 출력은 상이한 파장들의 광이 특정 방식으로 서로 간섭함으로 인한 보강 또는 상쇄 간섭의 효과에 대응하는 삼각형 파형에 중첩되는 간섭 신호를 갖는다.
더 구체적으로는, 중첩된 간섭은 물체까지의 절대 거리에 - 또는, 더 구체적으로는, 왕복하는 데 필요한 왕복 시간 - 기초하고, 결과적으로, VCSEL 광원(112)에 주입되는 전류의 변화율(
Figure pat00021
)에 기초하는 파장의 변화율(
Figure pat00022
)에 기초하여 결정되는 광의 2개의 특정 파장들 사이에서 일어나는 보강 및 상쇄 간섭 "모드" 전환 횟수(예컨대, 또한 비트 주파수로도 지칭됨)에 대응한다.
다른 방식으로 설명하면, 시간(
Figure pat00023
)에 VCSEL 광원(112)으로부터 방출된 광의 파장은 시간(
Figure pat00024
)에 VCSEL 광원(112)으로부터 방출된 광의 파장과는 파장의 변화율(
Figure pat00025
)에 의해 결정된 양만큼 상이하다. 이러한 방식으로, 상이한 파장들의 광이 (변화율(
Figure pat00026
)에 기초하여) 상이한 시간에 방출되기 때문에, 상이한 파장들의 광이 특정 파장이 방출된 시간에 기초하여 VCSEL 광원(112) 내에서 수광될 것이다.
이와 같이, 일반적으로 그리고 광범위하게, VCSEL 광원(112)으로부터의 전력 출력의 주파수 성분(예컨대, 정량(
Figure pat00027
))은 VCSEL 광원(112)과 물체(104)를 분리하는 OPL에 직접 관련되는 것이 이해될 수 있다.
또한, 정량(
Figure pat00028
)은 물체(104)의 속도(
Figure pat00029
)로 인한 하나 이상의 도플러 효과의 결과로서 증가 또는 감소할 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 예를 들어, 물체(104)가 광학 근접 센서를 향해 (예컨대, 방출된 빔의 전파 방향에 평행하게) 이동하는 경우, 주파수(
Figure pat00030
)는 증가할 수 있다. 대안적으로, 물체(104)가 광학 근접 센서로부터 멀리 (예컨대, 방출된 빔의 전파 방향에 평행하게) 이동하는 경우, 주파수(
Figure pat00031
)는 감소될 수 있다.
위에서 참조된 값들에 관련된 식 2는 다음과 같다:
Figure pat00032
식 2
더 일반적인 형태에서, 물체(104)의 움직임의 방향 - 또는 더 구체적으로는, 방출된 빔의 전파 방향에 대한 물체(104)의 움직임의 각도(
Figure pat00033
) -도 또한 고려될 수 있다. 식 3은, 이러한 더 일반적인 형태를 표현하며, 다음과 같다:
Figure pat00034
식 3
식 2 또는 식 3을 이용하여,
Figure pat00035
로 표현되는 물체(104)까지의 거리, 및 그 물체(104)의 속도(
Figure pat00036
)는 삼각형 변조 파형의 업 사이클 및 다운 사이클 동안 VCSEL 광원에 의해 소모되는 전력의 주파수 성분의 하나 이상의 특성들을 모니터링함으로써 용이하게 결정될 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 톱니 변조 파형에서, v 는 연속적인 사이클들 사이의 시간적 및/또는 스펙트럼 상 변화로부터 유도될 수 있다. 후속하는 소정 실시예들을 참조하여 기재된 바와 같이, VCSEL 광원으로부터 획득된 이러한 측정치들은 보조 VCSEL 광원으로부터 획득된 유사한 측정치에 응답하여 교정, 조정, 또는 달리 수정될 수 있다. 주의할 점은 f t 는 소정 샘플링 주파수 또는 대역폭(fs)에서 샘플링될 수 있다는 것이다. 결과적으로, [0, f s ] 도메인으로부터의 f t 의 임의의 값들은 접히거나 또는 [0, f s ] 도메인으로 다시 반영되어, 식 2는 그에 따라 조정될 것이다.
본 명세서에 제시된 실시예들, 식 3의 d rt 는 유사하거나 또는 더 얕은 광학 깊이(t)로 증가될 수 있고, 이는 더 높은 무선 주파수를 향해 측정된 f t 의 시프트를 초래한다. 지배적인 낮은 주파수 노이즈 플로어로부터(예컨대, 낮은 주파수 드라이버, 레이저 및 검출기 노이즈, 및/또는 비선형성 잔차들로부터) f t 의 이동은, 더 얇은 디바이스 폼 팩터뿐만 아니라, 더 높은 검출 신호-대-잡음비, 더 넓은 공간적 감지 범위, 및 더 우수한 공간 감지 정확도를 가능하게 한다.
많은 실시예들에서, 광학 근접 센서(110)는 삼각형 파형 변조를 이용하여 VCSEL 광원(또는 VCSEL들의 어레이)로부터 거리 및 속도 정보 둘 모두를 획득하도록 구성되지만, 이는 단지 일 예일 뿐이고 다른 구성들 및 변조 기술들이 사용될 수 있음이 이해될 수 있다.
VCSEL 광원(들)(112)은 기판 또는 반도체 다이 상에 형성된 VCSEL 광원들일 수 있고; 간단한 예시 및 설명을 위하여 도시된 실시예는 이러한 구성요소들 중 다수를 생략하는데, 이는 본 명세서에 제시된 다른 도면들을 참조하여 더 상세하게 설명되어 있다. 많은 경우들에서, VCSEL 광원(112)은 보호 인클로저, 포팅(potting), 또는 봉지재(전자 디바이스(102)의 임의의 하우징 또는 인클로저를 포함함) 내에 배치되어 손상을 방지한다.
광학 근접 센서(110)의 VCSEL 광원(들)(112)은 패턴 또는 어레이로 형성될 수 있지만, 이는 필요하지 않을 수 있다. 광학 근접 센서(110)의 VCSEL 광원(들)(112)은 임의의 수의 적합한 재료들 또는 재료들의 조합으로 형성될 수 있다. 일 예시 실시예에서, 광학 근접 센서(110)의 VCSEL 광원(들)(112) 각각은, 제한 또는 명시적 요건 없이 다음을 포함한다: 제1 분산 브래그 반사기 층(distributed Bragg reflector layer); 방출 개구를 한정하는 산화물 층; 다중-양자 우물 구조; 제2 분산 브래그 반사기 층 등. 다른 예들에서, 추가적인 또는 더 적은 층들이 요구될 수 있다.
임의의 고정식 또는 휴대용 전자 디바이스 본 명세서에 기재된 바와 같은 광학 근접 센서를 포함할 수 있다. 예시 전자 디바이스들은 모바일 폰 디바이스들; 태블릿 디바이스들; 랩톱 디바이스들; 데스크톱 컴퓨터들; 컴퓨팅 액세서리들; 주변기기 입력 디바이스들; 가정용 또는 사업용 네트워킹 디바이스들; 공중, 해상, 해저, 또는 지상 차량 제어 디바이스들 또는 네트워킹 디바이스들; 모바일 엔터테인먼트 디바이스들; 증강 현실 디바이스들; 가상 현실 디바이스들; 산업용 제어 디바이스들; 디지털 지갑 디바이스들; 가정용 또는 사업용 보안 디바이스들; 웨어러블 디바이스들; 헤드-장착형 디바이스들; 핸드-헬드 제어기들; 건강 또는 의료 디바이스들; 이식가능 디바이스들; 의류-내장 디바이스들; 패션 액세서리 디바이스들; 가정용 또는 산업용 기기들; 미디어 기기들 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
유사하게, 광학 근접 센서(110)는 전자 디바이스에 의해 다수의 적합한 목적들을 위해 활용될 수 있다. 예시적인 목적들은 다음을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다: 전자 디바이스의 입력 표면 또는 컴포넌트에 대한 사용자의 손가락(또는 기타 물체, 예컨대 스타일러스)의 거리 및 속도를 검출하는 것; 전자 디바이스의 입력 표면 또는 컴포넌트로의 사용자의 신체(또는 임의의 다른 물체)의 거리 및 속도를 검출하는 것; (예컨대, 사용자 또는 스타일러스와 같은 기타 물체에 의한) 힘의 인가에 의해 야기된 변형으로 인한 전자 디바이스의 하우징의 표면에서의 편향을 검출하는 것 등.
유사하게, 광학 근접 센서(110)는 임의의 수의 적합한 광학 경로 연장기, 렌즈, 또는 빔-성형 요소들을 포함할 수 있다. 예시들은 다음을 포함하지만 이에 한정되지 않는다: 반사기; 미러; 반투명 렌즈 윈도우; 투명 렌즈 윈도우; 오목 렌즈; 볼록 렌즈; 경사 렌즈; 마이크로렌즈; 매크로 렌즈; 시준기; 편광기; 컬러 필터들; 적외선 차단 필터; 적외선 통과 필터; 광섬유 케이블; 등.
많은 실시예들에서, 광학 근접 센서(110)는 플라스틱 또는 아크릴 재료로 형성된 컴포넌트 인클로저를 포함하고; 유리 및 금속을 포함하는 기타 전도성 또는 비전도성/절연성 재료들이 또한 적합할 수 있다. 컴포넌트 인클로저는 단일 재료로 형성될 수 있거나, 대안적으로, 적합한 방식으로 (예컨대, 접착제, 용접 등에 의해) 서로 결합된 상이한 재료들의 다중 층들 또는 영역들로 형성될 수 있다.
광학 근접 센서(110)의 컴포넌트 인클로저는 불투명 또는 투명일 수 있거나, 또는 투명 영역들 및 불투명 영역들을 포함할 수 있다. 컴포넌트 인클로저는 하나 이상의 반사 영역들 또는 지역들을 포함할 수 있다.
많은 실시예들에서, 컴포넌트 인클로저는 컴포넌트 인클로저를 통해 한정되거나, 또는 그 안에 형성된 개구에 배치된 렌즈(114) 또는 윈도우를 포함한다. 통상적으로, 렌즈 또는 윈도우는 VCSEL 광원(112) 바로 위에 배치되고, 그것과 정렬된다. 이러한 구성의 결과로서, VCSEL 광원(112)으로부터 방출/방사된 광 빔은 광학 근접 센서(110)의 컴포넌트 인클로저로부터 외측으로 전파될 수 있다. 이러한 구성의 추가적인 결과로서, 물체(104)의 표면으로부터 반사할 수 있는 방출/방사된 빔의 하나 이상의 반사들은 VCSEL 광원(112)에 의해 수광될 수 있다.
많은 실시예들에서, 광학 근접 센서(110)는 또한 VCSEL 광원(112)에 인접하게 배치되거나, 또는 그 안에 통합된 하나 이상의 포토다이오드들을 포함한다. 이러한 예들에서, 광학 근접 센서(110)(또는, 더 구체적으로는, 광학 근접 센서(110)의 회로 또는 프로세서 또는 광학 근접 센서(110)에 통신가능하게 결합된 회로 또는 프로세서)는 포토다이오드로부터의 전력 출력을 모니터링하여 VCSEL 광원(112)의 전력 출력의 비팅 주파수와 같은 하나 이상의 성능 특성들을 결정할 수 있다(예컨대, 식 2 및 식 3 참조). 그러나, 이러한 전술된 예는 단지 일례일 뿐임을 이해할 수 있고; VCSEL 광원에 의한 전력 출력 및/또는 VCSEL 광원의 전력 소비를 모니터링 및/또는 측정하는 것은 다수의 적합한 방식들로 수행될 수 있다.
본 명세서에 기재된 다른 실시예들과 같이, VCSEL 광원(112)은 광학 근접 센서(110)의 컴포넌트 인클로저로부터 외측으로 레이저 광의 빔을 방출하도록 구성될 수 있다. 도시된 실시예에서, VCSEL 광원(112)은 일반적으로 전자 디바이스(102)의 하우징의 에지에 수직인 방향으로 광을 방출/방사하도록 배향된다. 그러나, 이는 단지 일례일뿐이고 기타 방출 또는 방사 방향들이 가능하거나 심지어 선호된다는 것(예컨대, 디바이스 하우징의 에지에 측방향으로의 타겟 속도를 결정함)이 이해될 수 있다.
본 명세서에 기재된 다른 실시예들과 같이, VCSEL 광원(112)은 물체(104)로부터 방출/방사된 빔의 반사를 수광하도록 추가로 구성된다. 이 반사는 VCSEL 광원(112) 내에 자기혼합 간섭을 초래할 수 있고, 결국, VCSEL 광원(112)의 전력 출력에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, (예컨대, 전술된 바와 같이, 포토다이오드의 출력을 모니터링함으로써) VCSEL 광원(112)의 전력 출력을 모니터링하는 것은 방출 빔의 광학 축을 따라 물체(104)의 거리(
Figure pat00037
) 및 속도(
Figure pat00038
)를 결정 및/또는 계산하는 데 사용될 수 있다. (예컨대, 식 2 및 식 3 참조).
광학 근접 센서(110) 및 전자 디바이스(102)는 임의의 적합한 방식으로 통신가능하게 또는 기능적으로 커플링될 수 있다. 더 구체적으로는, 광학 근접 센서(110)는 임의의 적합한 디지털 또는 아날로그 형태 또는 포맷에 응하여 임의의 프로토콜에 따라, 임의의 적합한 방식으로, 전자 디바이스(102)의 프로세서 또는 시스템에 거리 및/또는 속도 정보(VCSEL 광원(112)의 자기혼합에 기초하여 계산 또는 달리 결정됨)를 전달하도록 구성될 수 있다.
또한, 위에서 언급된 바와 같이, 전자 디바이스(102)는 고정용 및 휴대용 전자 디바이스 둘 모두를 포함하는 임의의 적합한 전자 디바이스일 수 있다. 일 실시예에서, 전자 디바이스(102)는 스마트 워치와 같은 웨어러블 전자 디바이스이다. 이 예에서, 사용자(물체(104)로 표현됨)가 전자 디바이스(102)와 상호작용하는 동안, 전자 디바이스(102)는 광학 근접 센서(110)를 이용하여 그 사용자까지의 거리 및 그 사용자의 속도를 결정할 수 있다. 예를 들어, 전자 디바이스(102)는 광학 근접 센서(110)로부터 전송된 신호를 이용하여 사용자가 스마트 워치를 착용하고 있는지 또는 스마트 워치를 사용자의 얼굴을 향해 지향시키고 있는지 여부를 결정할 수 있다.
더 구체적으로는, 일부 실시예들에서, 전자 디바이스(102)는 사용자가 거리 임계치 또는 속도 임계치와 같은 하나 이상의 임계치들을 넘어야 한다고 결정하면 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 이러한 임계치들은 가변적이거나 또는 고정될 수 있고 전자 디바이스(102)의 메모리에 의해 설정, 및/또는 그 안에 저장될 수 있다. 일부 예들에서, 임계치들은 사용자 설정, 애플리케이션 설정, 또는 운영 체제 설정 또는 동작 모드에 기초할 수 있다. 다른 경우들에서, 이러한 임계치들은, 적어도 부분적으로, 전자 디바이스(102)의 프로세서에 의해 실행 또는 예시되는 특정 애플리케이션에 기초할 수 있다. 예를 들어, 전화 애플리케이션과 연관된 임계치 세트는 게임 애플리케이션과 연관된 임계치 세트와 상이할 수 있다. 임의의 적합한 형태 또는 포맷으로 저장 또는 액세스되는 임의의 적합한 임계치 또는 임계치들의 세트는 광학 근접 센서(110)로부터 수신된 신호에 응답하여 전자 디바이스(102)의 하나 이상의 거동들을 통지하는 데 사용될 수 있다는 것이 이해될 수 있다.
하나의 특정 실시예에서, 사용자가 전자 디바이스(102)로부터 먼 거리에 있다고 결정되면 전자 디바이스(102)는 전자 디바이스(102)의 스크린을 디스에이블할 수 있다.
다른 특정 실시예에서, 전자 디바이스(102)는 사용자의 거리 및 속도에 기초하여 전자 디바이스(102)의 디스플레이 또는 전력 설정을 수정할 수 있다. 예시들은 다음을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다: 광학 근접 센서(110)로부터 사용자가 디스플레이를 커버하고 있다는 신호를 수신하면 디스플레이 또는 디스플레이 영역의 밝기를 감소시키는 단계; 광학 근접 센서(110)로부터 사용자가 디스플레이를 커버하고 있다는 신호를 수신하면 디스플레이의 밝기를 증가시키는 단계; 사용자가 손가락을 디스플레이 근처에 배회한다는 신호를 광학 근접 센서(110)로부터 수신하면 그래픽 사용자 인터페이스의 사용자 인터페이스 요소(예컨대, 리스트의 항목, 버튼 등)를 강조하는 단계; 사용자가 손가락을 전자 디바이스(102)(예컨대, 로터리 입력 디바이스, 누름-버튼 입력 디바이스, 터치 입력 디바이스 등)의 입력 컴포넌트 근처에서 배회한다는 신호를 광학 근접 센서(110)로부터 수신하면 그래픽 사용자 인터페이스의 사용자 인터페이스 요소를 강조 또는 달리 수정하는 단계; 등.
다른 실시예에서, 전자 디바이스(102)는 광학 근접 센서(110)로부터 수신된 간섭측정 신호를 이용하여 사용자들의 생체측정 정보(예컨대, 사용자 심박수 패턴, 혈압, 호흡, 저작, 말하기, 제스처 및 이동 등)를 모니터링 및/또는 인증할 수 있다. 다른 실시예에서, 전자 디바이스(102)는 광학 근접 센서(110)로부터 수신된 간섭측정 신호를 이용하여 특정 물질, 입자 갯수, 표면 텍스처, 서브표면 텍스처 등을 포함하지만 이에 한정되지 않는 타겟 속성들을 측정할 수 있다.
다른 실시예에서, 전자 디바이스(102)는 셀룰러 폰과 같은 휴대용 전자 디바이스일 수 있다. 이러한 예들에서, 전자 디바이스(102)는 광학 근접 센서(110)로부터 수신된 속도 또는 거리 신호를 이용하여 전자 디바이스의 사용자가 셀룰러 폰을 사용자의 귀로 갖다댈 때 전자 디바이스(102)의 터치-감응형 디스플레이를 디스에이블 또는 인에이블하기 위한 적절한 시간을 결정할 수 있다.
다른 실시예에서, 전자 디바이스(102)는 광학 근접 센서(110)로부터 수신된 속도 또는 거리 신호를 이용하여 전자 디바이스(102)가 떨어지고 있는지 또는 곧 표면에 충격을 가할지 결정할 수 있다.
다른 실시예에서, 전자 디바이스(102)는 차량 액세서리 또는 부착물일 수 있다. 이러한 예들에서, 전자 디바이스(102)는 광학 근접 센서(110)로부터 수신된 속도 또는 거리 신호를 이용하여 다른 차량, 보행자, 또는 거리 위험물까지의 거리, 및/또는 그것의 속도를 결정할 수 있다.
다른 실시예에서, 전자 디바이스(102)는 광학 근접 센서(110)와 같은 광학 근접 센서를 전자 디바이스(102)의 입력/출력 통신 포트 또는 전력 포트 내에 위치시킬 수 있다. 이러한 예들에서, 전자 디바이스(102)는 광학 근접 센서(110)로부터 수신된 속도 또는 거리 신호를 이용하여 케이블이 포트 내에 적절히 안착되어 있는지, 케이블이 너무 빠르게 또는 전자 디바이스(102) 등에 손상을 줄 수 있는 방식으로 제거되는지 결정할 수 있다.
전술한 예시 실시예들은 총망라한 것이 아니고 본 명세서에 기재된 바와 같은 광학 근접 센서는 전자 디바이스에 의해 임의의 적합한 방식으로 이용되어 전자 디바이스에 대한 공지된 또는 공지되지 않은 물체 또는 표면의 거리 및/또는 속도를 결정할 수 있다는 것이 이해될 수 있다.
예를 들어, 일부 실시예들에서, 전자 디바이스는 본 명세서에 기재된 바와 같은 하나 초과의 광학 근접 센서들을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 전자 디바이스는 라인과 같은 패턴으로 배열된 광학 근접 센서들의 어레이를 포함할 수 있다.
많은 경우들에서, 본 명세서에 기재된 바와 같은 광학 근접 센서는 전자 디바이스의 하우징 내에 배치되고 하우징에 의해 한정된 투명 개구와 정렬될 수 있지만, 이는 필수사항은 아니다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 광학 근접 센서는 디스플레이 뒤에 배치될 수 있다. 다른 경우들에서, 광학 근접 센서는 완전히 전자 디바이스 하우징 내에 배치될 수 있다. 이러한 예들에서, 광학 근접 센서는 사용자가 의도적인 힘을 그 표면에 가함으로 인해 야기될 수 있는 전자 디바이스의 표면의 편향 또는 변형을 검출하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 광학 근접 센서는, 디스플레이 뒤에서, 완전히 전자 디바이스의 하우징 내에 위치된다. 이 예에서, 전자 디바이스의 사용자가 디스플레이에 힘을 인가할 때, 디스플레이는 변형 또는 만곡되어, 디스플레이와 광학 근접 센서 사이의 거리를 단축시킬 수 있다. 광학 근접 센서는, 결국, 전자 디바이스의 프로세서 - 및/또는 광학 근접 센서의 프로세서 -에 의해 힘 입력의 크기에 상관될 수 있는 이 편향을 검출 및 측정할 수 있다.
본 명세서에 언급된 바와 같이, 본 명세서에 논의된 광학 경로 연장기들은 광학 근접 센서의 광학 경로 길이를 다양한 방식들 중 임의의 방식으로 연장시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 광학 경로 연장기는 고굴절률 재료일 수 있다. 도 2는 VCSEL 광원(212)에 통합된 광학 경로 연장기(216)를 갖는 예시 광학 근접 센서(210)를 도시한다. 광학 근접 센서(210)는 본 명세서에 논의된 광학 근접 센서들(예컨대, 광학 근접 센서(110))과 유사할 수 있고, VCSEL 광원(212), 윈도우(214), 및 인클로저(230)를 포함하는 유사한 구조 및/또는 기능을 가질 수 있다. 광학 근접 센서(210)는 광학 근접 센서를 통해 광학 경로를 연장하도록 구성된 광학 경로 연장기(216)를 포함할 수 있다. 광학 경로 연장기(216)는 고굴절률 재료를 포함하는 기판일 수 있다. 적합한 고굴절률 재료들의 예들은 갈륨 비소, 질화갈륨, 유리, 중합체, 화학적 코팅 등을 포함한다.
일부 경우들에서 광학 경로 연장기(216)는 VCSEL 광원(212)의 기판 또는 다른 컴포넌트일 수 있다. 도 2에 도시된 실시예에서, VCSEL 광원(212)은 플립 칩 VCSEL이고, 이는 광이 VCSEL 칩이 형성된 기판(232)을 통해 상향으로 발화됨을 의미한다. 기판(232)은 갈륨 비소와 같은 고굴절률 재료로 형성되어, 기판(232)이 광학 경로 연장기(216)의 적어도 일부분을 형성하도록 할 수 있다.
많은 전통적인 플립 칩 VCSEL들에서, 이 기판은 칩의 두께를 줄이기 위하여 제조 후에 (예컨대, 0.4 mm, 0.1 mm, 또는 그 이하로)박화된다. 도 2의 실시예에서, 기판(232)은 VCSEL 파장들에서 두께에 걸쳐 최소 광학 손실을 갖도록 설계되고, 박화되지 않거나 또는 전통적인 VCSEL들보다는 덜 박화된다. 이는 광이 광학 경로 연장기(216)의 고굴절률 재료를 통해 이동하는 광학 근접 센서의 기하학적 경로의 비율을 증가시킴으로써 광학 근접 센서(210)의 광학 경로 길이를 추가로 연장시킬 수 있다. 일부 경우들에서, 기판(232)의 두께(t)는 0.25 mm 내지 2 mm, 0.4 mm 내지 1 mm, 0.6 mm 내지 0.8 mm 등이다. 기판(232)의 굴절률은 1.5 내지 4.5, 3 내지 4, 3.2 내지 4.8 등일 수 있다. 결과적으로, 광학 경로 길이는 기판(232)의 두께의 2.5 내지 5 배, 기판(232)의 두께의 3 내지 4.5 배 등일 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 본 명세서에 논의된 광학 경로 연장기들은 광학 근접 센서의 광학 경로를 따라 이동하는 광의 방향을 변경하도록 구성된 하나 이상의 방향전환 특징부들을 포함할 수 있다. 도 3a 및 도 3b는 예시 광학 근접 센서들(310a, 310b)을 도시하며, 이는 광학 근접 센서들의 광학 경로 길이를 증가시키는 방향전환 특징부들을 포함한다. 광학 근접 센서들(310a, 310b)은 본 명세서에 논의된 광학 근접 센서들(예컨대, 광학 근접 센서들(110, 210))과 유사할 수 있고, VCSEL 광원(312), 윈도우(314), 광학 경로 연장기들(316a, 316b), 및 인클로저(330)를 포함하는 유사한 구조 및/또는 기능을 가질 수 있다.
도 3a를 참조하면, 광학 경로 연장기(316a)는 광학 경로 연장기를 통해 연장되는 광 경로(334a)를 한정할 수 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 광 경로(334a)의 길이는 광학 경로 연장기(316a)의 두께(t)보다 현저히 길어서, 두께(t)보다 두꺼운 광학 경로 연장기를 통한 광학 경로 길이를 야기할 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 광학 경로 길이는 두께(t)의 2.5 내지 5 배, 두께(t)의 3 내지 4.5 배 등일 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 광학 경로 연장기(316a)는 광 경로(334a)가 광학 경로 연장기(316a)를 통해 연장됨에 따라 광 경로(334a)의 방향을 1회 이상 변경하기 위한 방향전환 특징부들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3a에서, 광 경로(334a)는 방향을 2회 변경한다. 광학 경로 연장기(316a)는 광 경로의 방향을 변경하기 위한 미러들(340a, 340b) 또는 기타 적합한 방향전환 특징부들을 포함할 수 있다. 광학 경로 연장기(316a)는 광학 경로 연장기(316a)로/로부터 광을 지향시키는 광학 특징부들(342a, 342b)과 같은 추가 광학 특징부들을 포함할 수 있다. 광학 특징부들(342a, 342b)은 시준기, 렌즈 등을 포함할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 미러들(340a, 340b)은 도 3a에 도시된 바와 같이 편형하고/하거나 서로 평행할 필요는 없다. 이러한 배향의 자유는 광학 경로 연장기의 빔 포인팅 및 형상화 기능을 넘어서는 추가적인 빔 포인팅 및 형상화 기능을 가능하게 할 수 있다.
광학 경로 연장기(316a)를 통한 광 경로(334a)는 2회 방향을 변경하지만, 다양한 실시예들에서, 광 경로는 임의의 횟수만큼 방향을 변경할 수 있다. 도 3b를 참조하여, 광학 경로 연장기(316b)는 광학 경로 연장기를 통한 광 경로(334b)를 한정할 수 있다. 광 경로(334a)와 유사하게, 광 경로(334b)의 길이는 광학 경로 연장기(316b)의 두께(t)보다 현저히 길어서, 두께(t)보다 두꺼운 광학 경로 연장기를 통한 광학 경로 길이를 야기할 수 있다. 일부 경우들에서, 광학 경로 연장기(316b)를 통한 광의 방향전환은 광학 경로 연장기(316b)의 표면들로부터의 내부전반사(또는 거의-내부전반사)의 결과로서 일어날 수 있다.
일부 경우들에서, 광학 경로 연장기들(316a, 316b)은 광학 경로 연장기를 통한 광학 경로 길이를 추가적으로 증가시키기 위하여 유리, 중합체, 화학적 코팅 등을 포함하는 고굴절률 재료들을 추가적으로 또는 대안적으로 포함할 수 있다. 광학 경로 연장기들(316a, 316b)의 방향전환 특징부들 및 광학 특징부들은 임의의 적합한 광학 경로 연장기, 렌즈, 또는 빔-성형 요소들을 포함할 수 있다. 예시들은 다음을 포함하지만 이에 한정되지 않는다: 반사기; 미러; 반투명 렌즈 윈도우; 투명 렌즈 윈도우; 오목 렌즈; 볼록 렌즈; 경사 렌즈; 마이크로렌즈; 매크로 렌즈; 시준기; 편광기; 컬러 필터들; 적외선 차단 필터; 적외선 통과 필터; 광섬유 케이블; 등. 본 명세서에 기재된 광학 경로 연장기들을 위한 재료(들)는 간섭측정 감지에 유리하도록 높은 처리량, 낮은 확산 또는 백화, 낮은 색분산 및/또는 기타 광학적, 기계적, 및/또는 화학적 속성들에 대하여 선택 또는 설계될 수 있다.
위에서 언급된 바와 같이, 본 명세서에 논의된 광학 경로 연장기들은 광학 근접 센서 내의 기하학적 경로의 연장을 모방하도록 구성된 광자 컴포넌트를 포함할 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 예시 광학 근접 센서들(410a, 410b)을 도시하며, 이는 광학 근접 센서들의 광학 경로 길이를 증가시키는 광자 컴포넌트들(416a, 416b)을 포함한다. 광학 근접 센서들(410a, 410b)은 본 명세서에 논의된 광학 근접 센서들(예컨대, 광학 근접 센서들(110, 210, 310a, 310b))과 유사할 수 있고, VCSEL 광원(412), 윈도우(414), 및 인클로저(430)를 포함하는 유사한 구조 및/또는 기능을 가질 수 있다.
광자 컴포넌트들(416a, 416b)은 VCSEL 광원(412)과 윈도우(414) 사이에 위치될 수 있고, 광자 컴포넌트의 두께보다 상당히 더 긴 길이만큼 광을 효과적으로 전파하기 위해 광자 컴포넌트를 통과하는 광에 전달 함수를 적용하도록 구성될 수 있다. 일부 경우들에서, 각각의 광자 컴포넌트(416a, 416b)은 그것을 통과하는 광에 모멘텀-의존적 전달 함수를 적용한다. 광자 컴포넌트들(416a, 416b)은 광자 컴포넌트들의 두께보다 더 긴 광학 경로 길이를 갖는 상이한 매체를 통해 광의 전파를 기술하는 퓨리에 전달 함수를 재현할 수 있다. 광자 컴포넌트들(416a, 416b)은 광자 컴포넌트들(416a, 416b)을 빠져나오는 광선들이 그것들의 대응하는 입사 광선들에 평행하도록 광의 전파 각도를 보존할 수 있다.
다양한 실시예들에서, 광자 컴포넌트들(416a, 416b)은 다양한 방식들로 구현될 수 있다. 일부 경우들에서, 도 4a에 도시된 바와 같이, 광자 컴포넌트(416a)는 배경 매체의 굴절률보다 작거나 같은 굴절률을 갖는 평면-평행 플레이트일 수 있다. 일부 경우들에서, 광자 컴포넌트(416a)는 방해석 결정과 같은 단축 광 결정 슬래브를 포함하는데, 그것의 축은 그것의 입구 및 출구 면에 수직으로 배향된다. 일부 경우들에서, 도 4b에 도시된 바와 같이, 광자 컴포넌트(416b)는 두께가 상이한 다중 층들을 갖는 메타재료이다. 메타재료는 규소 및 이산화규소로 형성된 교번층들을 포함할 수 있다.
전술한 예들은 총망라한 것은 아니며; 일반적으로 그리고 광범위하게 전자 디바이스는 임의의 적합한 목적 또는 기능을 위하여 본 명세서에 기재된 바와 같은 하나 이상의 광학 근접 센서들을 이용할 수 있다는 것이 이해될 수 있다. 예를 들어, 도 5a는 본 명세서에 기재된 바와 같은, 광학 근접 센서(510)에 대한 물체(504)까지의 거리(
Figure pat00039
) 및/또는 물체(504)의 속도를 측정하도록 구성된 전자 디바이스(502)의 개략적 표현(500a)을 도시한다. 이 예시 실시예에서, 광학 근접 센서(510)는 광학 근접 센서(510)로부터 방출된 광을 각도(
Figure pat00040
)로 방향전환하는 빔-성형 렌즈를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 그리고 이러한 구성의 결과로서, 전자 디바이스(502) 및 광학 근접 센서(510)는 여러 방향에서 또는 여러 축들(예컨대,
Figure pat00041
및
Figure pat00042
)을 따라 속도를 결정할 수 있다. 이러한 방식으로, (옵션적으로) 하나 이상의 추가 광학 근접 센서들과 함께, 전자 디바이스(502)는 다중-축 속도 및 거리를 결정할 수 있다.
또 다른 실시예들이 다른 방식들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 5b는 광학 근접 센서(510)를 이용하여 가요성 표면(508)까지의 거리(
Figure pat00043
) 및 그 가요성 표면(508)의 하나 이상의 변형 또는 굴곡의 속도(
Figure pat00044
)를 측정하도록 구성된 전자 디바이스(502)의 개략적 표현(500b)을 도시한다. 이러한 방식으로, 그리고 이러한 구성의 결과로서, 가요성 표면(508)의 굴곡은 전자 디바이스(502)에 의해 정량화될 수 있다.
이들 및 관련 예들을 확장하면, 도 6a 내지 도 6d는 본 명세서에 기재된 바와 같은, 광학 근접 센서에 대한 다양한 예시적 사용 사례들을 도시하도록 제시된다. 이러한 특징부들은 스마트 워치와 같은 웨어러블 전자 디바이스를 도시하지만, 이는 단지 일례일뿐이라는 것이 이해될 수 있다. 본 명세서에 기재된 바와 같은 광학 근접 센서는 임의의 적합한 전자 디바이스에 통합되어 임의의 적합한 목적을 위해 이용될 수 있다.
예를 들어, 도 6a는 사용자에 의해 (예컨대, 손목밴드(604)를 통해) 착용될 수 있는 하우징(602)을 포함하는 웨어러블 전자 디바이스(600)를 도시한다. 이 예에서, 광학 근접 센서(606)는 하우징(602) 내에 포함되고 사용자가 상호작용할 수 있는 그래픽 사용자 인터페이스(608a)를 한정하는 디스플레이(608)의 주변 또는 베젤 영역에 대해 위치될 수 있다. 이러한 구성의 결과로서, 광학 근접 센서(606)는 입력 컴포넌트(612)에 대해 사용자의 손가락(610)의 거리(
Figure pat00045
) 및/또는 속도(
Figure pat00046
)를 검출, 측정, 또는 달리 결정하도록 구성 및 배향될 수 있다. 입력 컴포넌트(612)는 회전 입력 컴포넌트(예컨대, 크라운); 누름-버튼 입력 컴포넌트; 고체-상태 입력 컴포넌트 등을 포함하지만, 이에 한정되지 않는 임의의 적합한 입력 컴포넌트일 수 있다.
이 예시 실시예에서, 웨어러블 전자 디바이스(600)는 사용자의 손가락(610)이 입력 컴포넌트(612)에 접근하고 있다고 결정되면 제1 기능을 수행하고, 사용자의 손가락(610)이 입력 컴포넌트(612)로부터 떨어지거나 멀리 이동하고 있다고 결정되면 제2 기능을 수행하고, 사용자의 손가락(610)이 입력 컴포넌트(612) 근처 또는 그 위에 배회하고 있다고 결정되면 제3 기능을 수행하도록 구성될 수 있다. 이러한 예들은 총망라한 것이 아니며 웨어러블 전자 디바이스(600)는 광학 근접 센서에 의해 결정되는 바와 같이 입력 컴포넌트(612)에 대한 사용자의 손가락(610)의 거리(
Figure pat00047
) 및/또는 속도(
Figure pat00048
)에 기초하여 임의의 적합한 기능 또는 동작을 수행할 수 있음이 이해될 수 있다.
예를 들어, 일 실시예에서, 웨어러블 전자 디바이스(600)는 입력 컴포넌트(612)와 사용자의 손가락(610) 사이의 거리(
Figure pat00049
)의 변화에 응답하여 그래픽 사용자 인터페이스 요소(608b)의 위치, 특성, 크기, 색상, 또는 기타 품질을 수정할 수 있다.
다른 예에서, 도 6b는 손목밴드(604)를 통해 사용자에 결합되도록 구성된 하우징(602)을 포함하는 웨어러블 전자 디바이스(600)를 도시한다. 광학 근접 센서(606)는, 본 명세서에 기재된 바와 같은, 그래픽 사용자 인터페이스(608a)를 렌더링하는 디스플레이(608) 뒤에 배치될 수 있다. 일 예에서, 광학 근접 센서(606)는 디스플레이(608)의 픽셀간 영역을 통해 광을 방출하도록 구성된다.
이 예에서, 광학 근접 센서(606)는 디스플레이(608) 및/또는 그래픽 사용자 인터페이스(608a)에 대한 사용자의 손가락(610)의 거리(
Figure pat00050
) 및/또는 속도(
Figure pat00051
)를 검출, 측정, 또는 달리 결정하도록 구성 및 배향될 수 있다. 디스플레이(608)는 터치-감응형 스크린 또는 디스플레이; 힘-감응형 스크린 또는 디스플레이; 햅틱-출력 표면 등으로서 또는 이를 이용하여 구현될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
이 예시 실시예에서, 본 명세서에 기재된 다른 실시예들과 같이, 웨어러블 전자 디바이스(600)는 광학 근접 센서에 의해 결정된 바와 같이 디스플레이(608)에 대한 사용자의 손가락(610)의 거리(
Figure pat00052
) 및/또는 속도(
Figure pat00053
)- 및/또는 시간에 따른 그것의 변화 -에 기초하여 임의의 적합한 기능 또는 동작을 수행하도록 구성될 수 있다.
다른 예에서, 도 6c는 손목밴드(604)를 통해 사용자에 부착될 수 있는 하우징(602)을 포함하는 웨어러블 전자 디바이스(600)를 도시한다. 본 명세서에 기재된 바와 같은 광학 근접 센서는 하우징(602) 내에 배치될 수 있다. 이 예에서, 광학 근접 센서는 디스플레이(608)에 의해 렌더링되는 그래픽 사용자 인터페이스(608a)에 사용자의 손가락(610)에 의해 인가되는 하향 힘으로 인해 야기되는 디스플레이(608)의 편향 거리(
Figure pat00054
) 및/또는 속도(
Figure pat00055
)를 검출, 측정, 또는 달리 결정하도록 구성 및 배향될 수 있다. 디스플레이(608)는 도 6b를 참조하여 기재된 것과 동일한 방식으로 구성될 수 있어서, 이 설명은 반복되지 않는다.
이 예시 실시예에서, 본 명세서에 기재된 다른 실시예들과 같이, 웨어러블 전자 디바이스(600)는 광학 근접 센서에 의해 결정된 바와 같이 디스플레이(608)에 대한 사용자의 손가락(610)의 거리(
Figure pat00056
) 및/또는 속도(
Figure pat00057
) - 및/또는 시간에 따른 그것의 변화 -에 기초하여 임의의 적합한 기능 또는 동작을 수행하도록 구성될 수 있다. 많은 예들에서, 웨어러블 전자 디바이스(600)는 디스플레이(608)의 편향 거리(
Figure pat00058
) 및/또는 속도(
Figure pat00059
) 중 적어도 하나를 힘 입력(
Figure pat00060
)의 크기로 상관시키거나 또는 달리 변환하도록 구성될 수 있다.
또 다른 예에서, 도 6d는 손목밴드(604)를 통해 사용자에 부착될 수 있는 하우징(602)을 포함하는 웨어러블 전자 디바이스(600)를 도시한다. 광학 근접 센서(606)는, 본 명세서에 기재된 바와 같이, 하우징(602)의 측벽에 인접한 하우징(602) 내에 배치될 수 있다. 더 구체적으로는, 이 예에서, 광학 근접 센서(606)는 사용자에 의해 가해지는 힘(
Figure pat00061
)으로부터 야기되는 하우징 측벽 또는 하우징 섹션의 편향 거리(
Figure pat00062
) 및/또는 속도(
Figure pat00063
)를 검출, 측정, 또는 달리 결정하도록 구성 및 배향될 수 있다.
이 예시 실시예에서, 본 명세서에 기재된 다른 실시예들과 같이, 웨어러블 전자 디바이스(600)는 광학 근접 센서에 의해 결정되는 바와 같이 사용자의 손가락(610)에 의해 인가되는 힘(
Figure pat00064
) - 및/또는 시간에 따른 그것의 변화 -의 크기의 결정에 기초하여 임의의 적합한 기능 또는 동작을 수행하도록 구성될 수 있다.
도 1 내지 도 6b에 도시된 전술한 실시예들 및 이들의 다양한 대안들 및 변형들이, 일반적으로, 설명의 목적을 위해 제시되고, 본 명세서에 기재된 바와 같은, 광학 근접 센서의 다양한 가능한 구조들의 이해를 용이하게 한다. 그러나, 본 명세서에 제시된 특정 상세사항들 중 일부가 특정 설명된 실시예 또는 그의 등가물을 실시하는 데 요구되지 않을 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.
도 7은 본 명세서에 기재된 바와 같은 근접 센서를 동작시키기 위한 방법(700)의 예시 동작들을 도시하는 흐름도이다. 방법(700)은 (예컨대, 본 명세서에 기재된 바와 같이, VCSEL에 광학적으로 커플링된 포토다이오드의) 출력 신호의 주파수 성분이 모니터링되는 동작(702)을 포함한다. 다음으로, 동작(704)에서, 거리 및/또는 속도 정보는 동작(702)의 모니터링된 주파수 성분에 기초하여 결정될 수 있다.
도 8은 본 명세서에 기재된 동작들을 수행할 수 있는 전자 디바이스(800)의 샘플 전기 블록도를 도시한다. 전자 디바이스(800)는 일부 경우들에서 전자 디바이스들(102, 502, 602) 및/또는 광학 근접 센서들(110, 210, 310, 410, 510, 610)을 포함하는, 도 1 내지 도 7을 참조하여 기재된 전자 디바이스들 중 임의의 것의 형태를 취할 수 있다. 전자 디바이스(800)는 디스플레이(812), 프로세싱 유닛(802), 전원(814), 메모리(804) 또는 저장 디바이스, 입력 디바이스들(806), 및 출력 디바이스들(810)중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 경우들에서, 전자 디바이스(800)의 다양한 구현예들은 이러한 컴포넌트들 중 일부 또는 전부가 없을 수 있고/있거나 추가적 또는 대안적 컴포넌트들을 포함할 수 있다.
프로세싱 유닛(802)은 전자 디바이스(800)의 동작들의 일부 또는 전부를 제어할 수 있다. 프로세싱 유닛(802)은 전자 디바이스(800)의 컴포넌트들의 일부 또는 전부와 직접적으로 또는 간접적으로 통신할 수 있다. 예를 들어, 시스템 버스 또는 다른 통신 메커니즘(816)은 프로세싱 유닛(802), 전원(814), 메모리(804), 입력 디바이스(들)(806), 및 출력 디바이스(들)(810) 사이의 통신을 제공할 수 있다.
프로세싱 유닛(802)은 데이터 또는 명령어들을 프로세싱, 수신, 또는 송신할 수 있는 임의의 전자 디바이스로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 유닛(802)은 마이크로 프로세서, CPU(central processing unit), ASIC(application-specific integrated circuit), DSP(digital signal processor), 또는 이러한 디바이스들의 조합들일 수 있다. 본 발명에 기술된 바와 같이, 용어 "프로세싱 유닛"은 단일의 프로세서 또는 프로세싱 유닛, 다수의 프로세서들, 다수의 프로세싱 유닛들, 또는 다른 적합하게 구성된 컴퓨팅 요소 또는 요소들을 포괄하도록 의도된다.
전자 디바이스(800)의 컴포넌트들은 다수의 프로세싱 유닛들에 의해 제어될 수 있음에 유의해야 한다. 예를 들어, 전자 디바이스(800)의 선택 컴포넌트들(예컨대, 입력 디바이스(806))은 제1 프로세싱 유닛에 의해 제어될 수 있고, 전자 디바이스(800)의 다른 컴포넌트들(예컨대, 디스플레이(812))은 제2 프로세싱 유닛에 의해 제어될 수 있으며, 여기서 제1 및 제2 프로세싱 유닛들은 서로 통신 상태에 있을 수 있거나 그렇지 않을 수 있다.
전원(814)은 전자 디바이스(800)에 에너지를 제공할 수 있는 임의의 디바이스를 이용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 전원(814)은 하나 이상의 배터리들 또는 재충전가능 배터리들일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전원(814)은 전자 디바이스(800)를 벽 콘센트와 같은 다른 전원에 연결하는 전원 커넥터 또는 전원 코드일 수 있다.
메모리(804)는 전자 디바이스(800)에 의해 사용될 수 있는 전자 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(804)는 예를 들어, 오디오 및 비디오 파일, 문서 및 애플리케이션, 디바이스 설정 및 사용자 선호도, 타이밍 신호, 제어 신호, 및 데이터 구조 또는 데이터베이스와 같은 전자 데이터 또는 콘텐츠를 저장할 수 있다. 메모리(804)는 임의의 유형의 메모리로서 구성될 수 있다. 단지 예로서, 메모리(804)는 랜덤 액세스 메모리, 판독 전용 메모리, 플래시 메모리, 제거가능한 메모리, 다른 유형의 저장 요소들, 또는 이러한 디바이스들의 조합들로서 구현될 수 있다.
다양한 실시예들에서, 디스플레이(812)는, 예를 들어 운영 체제, 사용자 인터페이스, 및/또는 전자 디바이스(800)의 애플리케이션들(예컨대, 채팅 사용자 인터페이스, 이슈-추적 사용자 인터페이스, 이슈-발견 사용자 인터페이스 등)과 연관된 그래픽 출력을 제공한다. 일 실시예에서, 디스플레이(812)는 하나 이상의 센서들을 포함하고, 사용자로부터 입력들을 수신하도록 터치-감응형(예컨대, 단일-터치, 멀티-터치) 및/또는 힘-감응형 디스플레이로서 구성된다. 예를 들어, 디스플레이(812)는 터치 센서(예컨대, 용량성 터치 센서) 및/또는 힘 센서와 통합되어 터치- 및/또는 힘-감응형 디스플레이를 제공할 수 있다. 디스플레이(812)는 전자 디바이스(800)의 프로세싱 유닛(802)에 동작가능하게 커플링된다.
디스플레이(812)는, 액정 디스플레이(LCD) 기술, 발광 다이오드(LED) 기술, 유기 발광 디스플레이(OLED) 기술, 유기 전기발광(OEL) 기술, 또는 다른 유형의 디스플레이 기술을 포함하지만, 이에 제한되지 않는 임의의 적합한 기술로 구현될 수 있다. 일부 경우들에서, 디스플레이(812)는 전자 디바이스(800)의 인클로저의 적어도 일부분을 형성하는 커버 아래에 위치되어 이를 통해 보일 수 있다.
다양한 실시예들에서, 입력 디바이스들(806)은 입력들을 검출하기 위한 임의의 적합한 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 입력 디바이스들(806)의 예들은 광 센서들, 온도 센서들, 오디오 센서들(예컨대, 마이크로폰들), 광학 또는 시각적 센서들(예컨대, 카메라들, 가시광 센서들, 또는 비가시광 센서들), 근접 센서들, 터치 센서들, 힘 센서들, 기계적 디바이스들(예컨대, 크라운들, 스위치들, 버튼들, 또는 키들), 진동 센서들, 배향 센서들, 모션 센서들(예컨대, 가속도계들 또는 속도 센서들), 위치 센서들(예컨대, GPS(global positioning system) 디바이스들), 열 센서들, 통신 디바이스들(예컨대, 유선 또는 무선 통신 디바이스들), 저항성 센서들, 자기 센서들, 전기활성 중합체들(EAP들), 변형 게이지들, 전극들 등, 또는 이들의 일부 조합을 포함한다. 각각의 입력 디바이스(806)는 하나 이상의 특정 유형들의 입력을 검출하고, 검출된 입력에 대응하는 신호(예컨대, 입력 신호)를 제공하도록 구성될 수 있다. 신호는 예를 들어 프로세싱 유닛(802)에 제공될 수 있다.
전술된 바와 같이, 일부 경우들에서, 입력 디바이스(들)(806)는 터치-감응형 디스플레이를 제공하기 위하여 디스플레이(812)와 통합된 터치 센서(예컨대, 용량성 터치 센서)를 포함한다. 유사하게, 일부 경우들에서, 입력 디바이스(들)(806)는 힘-감응형 디스플레이를 제공하기 위하여 디스플레이(812)와 통합된 힘 센서(예컨대, 용량성 힘 센서)를 포함한다.
출력 디바이스들(810)은 출력들을 제공하기 위한 임의의 적합한 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 출력 디바이스들(810)의 예들은 광 방출기들, 오디오 출력 디바이스들(예컨대, 스피커들), 시각적 출력 디바이스들(예컨대, 조명들 또는 디스플레이들), 촉각적 출력 디바이스들(예컨대, 햅틱 출력 디바이스들), 통신 디바이스들(예컨대, 유선 또는 무선 통신 디바이스들) 등, 또는 이들의 일부 조합을 포함한다. 각각의 출력 디바이스(810)는 하나 이상의 신호들(예컨대, 프로세싱 유닛(802)에 의해 제공된 출력 신호)을 수신하고, 그 신호에 대응하는 출력을 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 경우들에서, 입력 디바이스들(806) 및 출력 디바이스들(810)은 단일 디바이스로서 함께 구현된다. 예를 들어, 입력/출력 디바이스 또는 포트는 무선 및/또는 유선 네트워크 연결과 같은 통신 네트워크를 통해 전자 신호를 송신할 수 있다. 무선 및 유선 네트워크 접속들의 예들은, 셀룰러, Wi-Fi, 블루투스, IR, 및 이더넷 접속들을 포함하지만, 이에 한정되지 않는다.
프로세싱 유닛(802)은 입력 디바이스들(806) 및 출력 디바이스들(810)에 동작가능하게 결합될 수 있다. 프로세싱 유닛(802)은 입력 디바이스들(806) 및 출력 디바이스들(810)과 신호들을 교환하도록 적응될 수 있다. 예를 들어, 프로세싱 유닛(802)은 입력 디바이스(806)에 의해 검출된 입력에 대응하는, 입력 디바이스(806)로부터의 입력 신호를 수신할 수 있다. 프로세싱 유닛(802)은 수신된 입력 신호를 해석하여, 입력 신호에 응답하여 하나 이상의 출력들을 제공하고/하거나 이를 변화시킬지 여부를 결정할 수 있다. 이어서, 프로세싱 유닛(802)은 출력들을 적절한 대로 제공하고/하거나 변화시키기 위해, 출력 디바이스들(810) 중 하나 이상에 출력 신호를 전송할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 항목들 중 임의의 것을 구분하기 위해 용어 "및" 또는 "또는"을 갖는 일련의 항목들 뒤에 오는 어구 "중 적어도 하나"는 리스트의 각각의 멤버보다는 리스트를 전체적으로 수식한다. 어구 "중 적어도 하나"는 열거된 각각의 항목 중 적어도 하나의 선택을 요구하지 않고, 오히려, 이 어구는 항목들 중 임의의 것 중 최소 하나, 및/또는 항목들의 임의의 조합 중 최소 하나, 및/또는 항목들의 각각의 것 중 최소 하나를 포함하는 의미를 허용한다. 예시의 방식으로, 어구 "A, B 및 C 중 적어도 하나" 또는 어구 "A, B 또는 C 중 적어도 하나" 각각은 오직 A, 오직 B 또는 오직 C; A, B, 및 C의 임의의 조합; 및/또는 A, B, 및 C 각각 중 하나 이상을 지칭한다. 유사하게, 본 명세서에 제시된 결합적 또는 분리적 목록에 대하여 제시된 구성요소들의 순서는 제공된 그 순서대로 본 개시내용을 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다는 것이 이해될 수 있다.
많은 실시예들이 위에 개시되어 있으나, 본 명세서에 기재된 방법들 및 기술들에 관련하여 제시된 동작들 및 단계들은 예시로서 의도된 것이며 따라서 총망라하는 것이 아니라는 것을 이해할 수 있다. 당업자는 또한 대안적인 단계 순서 또는 더 적거나 추가적인 동작들이 특정 실시예들에 대해 필요하거나 바람직할 수 있다는 것을 인식할 수 있다.
전술한 개시내용이 다양한 예시적 실시예들 및 구현예들과 관련하여 기술되었으나, 하나 이상의 개별적 실시예들에 기술된 다양한 특징들, 양태들 및 기능성은 그들이 기술된 특정 실시예에서의 적용가능성에 제한이 없으며, 오히려 이러한 실시예들이 기술되었는지 여부, 그리고 이러한 특징들이 기술된 실시예의 일부로서 제시되었는지 여부와 관계없이, 단일 또는 다양한 조합으로서 본 발명의 일부 실시예들 중 하나 이상에 적용될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 따라서, 본 발명의 범위 및 범주는 전술한 예시적인 실시예들 중 어떠한 것에 의해서도 제한되지 않아야 하며, 대신에 본 명세서에서 제시된 청구항들에 의해 한정된다.

Claims (20)

  1. 전자 디바이스로서,
    개구를 한정하는 하우징;
    적어도 부분적으로 상기 하우징 내에 위치된 자기혼합 근접 센서 - 상기 자기혼합 근접 센서는:
    상기 개구를 통해 광 빔을 방출하도록 구성된 수직 공동 표면-방출 레이저(VCSEL) 광원; 및
    상기 VCSEL 광원과 상기 개구 사이에서 연장되는 두께를 갖는 광학 경로 연장기 - 상기 광학 경로 연장기는 상기 두께의 적어도 3 배인 광학 경로 길이를 가짐 -를 포함함 -; 및
    상기 하우징 내에 위치되고 상기 자기혼합 근접 센서에 동작가능하게 결합된 프로세싱 유닛 - 상기 프로세싱 유닛은 상기 자기혼합 근접 센서의 출력 신호를 이용하여 타겟까지의 거리를 결정하도록 구성됨 -을 포함하는, 전자 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자기혼합 근접 센서는,
    상기 개구 내에 위치되고 상기 타겟을 향해 상기 광 빔을 지향시키도록 구성된 렌즈; 및
    자기혼합 간섭 효과를 위한 상기 VCSEL 광원의 전력 출력을 모니터링하도록 구성된 전력 제어기를 추가로 포함하고,
    상기 광학 경로 연장기는 상기 VCSEL 광원과 상기 렌즈 사이에 위치되는, 전자 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광학 경로 길이는 3.5 내지 4.5 mm이고;
    상기 광학 경로 연장기의 상기 두께는 0.8 내지 1.5 mm인, 전자 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 VCSEL 광원은 플립 칩 VCSEL이고;
    상기 광학 경로 연장기는 상기 플립 칩 VCSEL의 갈륨 비소 기판을 포함하는, 전자 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 기판의 기판 두께는 0.4 내지 1mm이고;
    상기 기판의 굴절률은 3 내지 4인, 전자 디바이스.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광학 경로 연장기는 상기 광 빔이 상기 광학 경로 연장기를 통과함에 따라 그것의 방향을 변경하도록 구성된 하나 이상의 방향전환 특징부들을 포함하는, 전자 디바이스.
  7. 제1항에 있어서, 상기 광학 경로 연장기는 모멘텀-의존적 전달 함수를 상기 광 빔에 적용하도록 구성된 광자 컴포넌트를 포함하는, 전자 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 광자 컴포넌트는 규소 및 이산화규소의 교번층들로 구성된 메타재료를 포함하는, 전자 디바이스.
  9. 전자 디바이스를 위한 광학 근접 센서로서,
    인클로저;
    상기 인클로저 내에 위치되고 물체를 향해 결맞음 광 빔을 방출하도록 구성된 수직 공동 표면-방출 레이저(VCSEL) 광원;
    상기 VCSEL 광원에 광학적으로 커플링된 포토다이오드;
    상기 VCSEL 광원과 상기 물체 사이에 위치되고 3 내지 4의 굴절률을 갖는 광학 경로 연장기; 및
    전력 제어기 - 상기 전력 제어기는:
    상기 포토다이오드의 전력 출력을 모니터링하고;
    적어도 부분적으로, 상기 포토다이오드의 상기 전력 출력에 기초하여 상기 광 빔을 반사하는 상기 물체의 속성을 결정하도록 구성됨 -를 포함하는, 광학 근접 센서.
  10. 제9항에 있어서, 상기 속성은 거리, 속도, 또는 가속도 중 하나인, 광학 근접 센서.
  11. 제9항에 있어서, 상기 물체는 전자 디바이스의 하우징의 내부 표면인, 광학 근접 센서.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 인클로저는 개구를 한정하고;
    상기 VCSEL 광원은 상기 결맞음 빔이 상기 개구를 통과하도록 상기 개구와 정렬되는, 광학 근접 센서.
  13. 제12항에 있어서, 상기 광학 근접 센서는 상기 개구 내에 배치된 렌즈를 추가로 포함하는, 광학 근접 센서.
  14. 제9항에 있어서, 상기 전력 제어기는 상기 VCSEL 광원을 삼각형 전류 파형으로 구동하도록 구성된, 광학 근접 센서.
  15. 전자 시계로서,
    개구를 한정하는 하우징;
    적어도 부분적으로 상기 하우징 내에 위치되고 그래픽 출력을 제공하도록 구성된 디스플레이;
    회전 입력을 수신하도록 구성된 회전 입력 컴포넌트; 및
    적어도 부분적으로 상기 하우징 내에 위치된 광학 근접 센서 - 상기 광학 근접 센서는:
    상기 개구를 통해 광 빔을 방출하도록 구성된 수직 공동 표면-방출 레이저(VCSEL) 광원; 및
    상기 VCSEL 광원의 광 경로에 위치된 광학 경로 연장기 - 상기 광학 경로 연장기는 상기 광학 경로 연장기의 두께에 적어도 3 배인 광학 경로 길이를 가짐 -을 포함함 -; 및
    상기 하우징 내에 위치되고 상기 광학 근접 센서에 동작가능하게 결합된 프로세싱 유닛 - 상기 프로세싱 유닛은 상기 광학 근접 센서의 출력 신호에 기초하여 상기 그래픽 출력을 수정하도록 구성됨 -을 포함하는, 전자 시계.
  16. 제15항에 있어서, 상기 광학 경로 연장기는 3 내지 4의 굴절률을 갖는 상기 VCSEL 광원의 기판을 포함하는, 전자 시계.
  17. 제15항에 있어서, 상기 프로세싱 유닛은:
    상기 광학 근접 센서의 상기 출력 신호를 이용하여 사용자의 손가락과 상기 회전 입력 컴포넌트 사이의 거리에 대한 변화를 결정하고;
    상기 거리에 대한 변화에 기초하여 상기 그래픽 출력을 수정하도록 구성된, 전자 시계.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 디스플레이는 터치-감응형 스크린이고;
    상기 광학 근접 센서는 상기 터치-감응형 스크린을 통해 상기 광 빔을 방출하도록 구성된, 전자 시계.
  19. 제18항에 있어서, 상기 프로세싱 유닛은:
    상기 광학 근접 센서의 상기 출력 신호를 이용하여 상기 터치-감응형 스크린에 대한 사용자의 손가락의 위치를 결정하고;
    상기 사용자의 손가락의 위치에 기초하여 상기 그래픽 출력을 수정하도록 구성된, 전자 시계.
  20. 제18항에 있어서, 상기 프로세싱 유닛은:
    상기 광학 근접 센서의 상기 출력 신호를 이용하여 상기 터치-감응형 스크린에 가해지는 힘을 결정하고;
    상기 힘에 기초하여 상기 그래픽 출력을 수정하도록 구성된, 전자 시계.
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