TW201606331A - 可操作以區別表示自一目標物反射之信號及表示一假性反射之信號之光電模組 - Google Patents

可操作以區別表示自一目標物反射之信號及表示一假性反射之信號之光電模組 Download PDF

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瑪利歐 賽桑那
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彼德 羅恩根
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Abstract

本發明描述可操作以執行光學感測之模組。該模組可操作以區別表示自一目標物反射之信號及表示一假性反射之信號(諸如來自主機裝置之蓋玻璃上的一污跡(即，一模糊或塗抹的標記))。指派至自該目標物反射之信號可用於各種目的，此取決於應用(例如，判定一物件之近接、一人之心率或一人之血氧位準)。

Description

可操作以區別表示自一目標物反射之信號及表示一假性反射之信號之光電模組
本發明係關於提供光學信號偵測之模組。
一些手持式計算裝置(諸如智慧型電話)可提供各種不同的光學功能，諸如一維(1D)或三維(3D)示意動作偵測、3D成像、近接偵測、周圍光感測及/或前置二維(2D)相機成像。
近接偵測器(例如)可用來偵測至一物件之距離(即，之近接)(至多約一米量級的距離)。在一些情況中，在主機裝置之透射窗或蓋玻璃上的一污跡(例如，手印)可產生一假性近接信號，其可危及所收集之近接資料的精確性。
本發明描述可操作以區別表示自一目標物反射之信號及表示一假性反射之信號的光電模組。亦描述模組，其中該模組中之特定光投射器可提供多個功能(例如，可用於一個以上操作模式中)。
例如，在一態樣中，一模組可操作以區別表示一目標物之信號及表示一假性反射之信號(例如，來自主機裝置之蓋玻璃上的一污跡 (即，一模糊或塗抹的標記))。該模組可包含可操作以將光投射出該模組的一光投射器，及包含空間分佈式光敏組件(例如，一感測器之像素)的一影像感測器，該等空間分佈式光敏組件對藉由光投射器所發射之一波長的光敏感。該模組包含處理電路，其可操作以從影像感測器之空間分佈式光敏組件讀取信號且將各自與光敏組件之若干特定者相關聯之峰值信號指派至自一目標物(例如，在主機裝置外部)之一反射或至一假性反射(例如，產生於一主機裝置之一透射窗上的一污跡)。
在一些實施方案中，一單一模組可用於下列應用之一或多者：近接感測、心率監測及/或反射脈博血氧濃度測定應用。在每一情況中，處理電路可區別假性信號(例如，表示藉由一蓋玻璃上之一污跡所引起之反射的信號)及目標信號(例如，在心率監測及/或反射脈博血氧濃度測定應用之情況中，表示自一物件(其近接待判定)或一人之手指或其他身體部分反射之信號)。接著，可取決於應用而處理目標信號，以獲得至一物件之一距離、判定一人之血氧位準或判定一人之心率。在一些實施方案中，模組除可用於前述應用之一或多者之外亦可用於立體成像。在一些成像應用中，新增提供結構化光之一光投射器可(例如)同樣為有利的。在一些實施方案中，一特定的光投射器可提供多個功能。例如，在一些情況中，當模組正在一閃光模式中操作或當該模組正在一反射脈博血氧濃度測定模式中操作時，可使用可操作以發射紅光的一光投射器。
一些實施方案在用於近接感測應用時，可提供增強的近接偵測。例如，一些實施方案包含一個以上光投射器以將光投射出模組至一目標物。同樣地，一些實施方案可包含一個以上光學通道。在一些情況中，該等特徵可幫助改良在物件之近接之計算中的精確性。
在另一態樣中，一近接感測模組包含一第一光學通道，該第一 光學通道被安置在具有空間分佈式光敏組件的一影像感測器上。一第一光投射器可操作以將光投射出模組。在第一光投射器與通道之光軸之間存在一第一基線距離。一第二光投射器可操作以將光投射出模組。在第二光投射器與光軸之間存在一第二基線距離。一影像感測器包含空間分佈式光敏組件，該等空間分佈式光敏組件對藉由第一光投射器所發射之一波長的光與藉由第二光投射器所發射之一波長的光敏感。處理電路可操作以讀取並處理來自影像感測器之空間分佈式光敏組件的信號。
在一些情況中，處理電路可操作以基於藉由第一與第二光投射器所發射的光來識別感測峰值信號之空間分佈式光敏組件之若干特定者，且可操作以至少部分基於該等空間分佈式光敏組件之若干特定者之位置來判定至模組外之一物件的一近接。在一些實例中，第一與第二基線距離彼此不同。在一些情況中，該等特徵可幫助增大可被偵測之近接的範圍。
在一些情況中，一特定的光學通道及其相關聯之空間分佈式光敏組件可用於除近接感測之外的其他功能。例如，相同的光學通道可用於近接感測以及成像或示意動作識別。在一些情況中，模組中之不同的成像器或光敏組件之不同的部分可取決於一特定應用所需的光學功能而在不同的電力模式中動態地操作。例如，一高電力模式可用於3D立體成像，而一低電力模式可用於近接及/或示意動作感測。因此，在一些情況中，可選擇性讀取並處理來自各自與不同的成像器相關聯之像素的信號，以減少電力消耗。
模組可包含多個光源(例如，垂直空腔表面發射雷射(VCSEL))，該等光源產生同調、指向性、光譜定義的光發射。在一些應用(例如，3D立體匹配)中，一高電力光源可為期望的，而在其他應用(例如，近接或示意動作感測)中，一低電力光源可為足夠的。模組可包 含高電力與低電力兩種光源，其可選擇性地開啟與關閉。藉由將低電力光源用於一些應用，可減少模組之總電力消耗。
因此，具有相對小佔用面積之一單一精巧模組可提供一系列不同的成像/感測功能且可(在一些實例中)在一高電力模式或一低電力模式中操作。在一些情況中，可達成增強的近接感測。在一些情況中，藉由將相同影像感測器之不同的區域用於各種功能，可減少智慧型電話或其他主機裝置之前蓋中之小開口的數目。
將從下列詳細描述、隨附圖式及申請專利範圍容易地明白其他態樣、特徵與優點。
100‧‧‧光學模組
102‧‧‧影像感測器/成像器
102A‧‧‧像素
102B‧‧‧像素
102C‧‧‧影像感測器
102D‧‧‧影像感測器
104‧‧‧影像感測器/成像器
106‧‧‧透鏡堆疊/發射器
108‧‧‧透鏡鏡筒
110‧‧‧印刷電路板(PCB)
112‧‧‧處理電路
113‧‧‧控制電路
114‧‧‧光投射器/光發射器
114A‧‧‧光投射器
114B‧‧‧光投射器
114C‧‧‧光投射器
114D‧‧‧光投射器
114E‧‧‧光投射器
116‧‧‧帶通濾光器
117‧‧‧線接合
118‧‧‧蓋玻璃
120‧‧‧透射窗
122‧‧‧污跡
124‧‧‧目標物
126‧‧‧光
128‧‧‧光
130‧‧‧光
134‧‧‧峰值
136‧‧‧峰值
138‧‧‧光軸
138A‧‧‧光軸
138B‧‧‧線
140‧‧‧像素
140A‧‧‧像素
140B‧‧‧像素
142‧‧‧光投射器/光源
144‧‧‧結構化光/結構化紅外線(IR)型樣
146‧‧‧周圍光
148‧‧‧準直光
154‧‧‧主要高解析度成像器
156‧‧‧透鏡堆疊
158‧‧‧透鏡鏡筒
160‧‧‧紅外線(IR)截止濾光器
162‧‧‧蓋玻璃
164‧‧‧自動聚焦總成
166‧‧‧周圍光感測器(ALS)
170‧‧‧光學器件總成
172‧‧‧透明蓋
174‧‧‧透鏡
176‧‧‧透鏡
178‧‧‧非透明光學部件
180‧‧‧間隔器
182‧‧‧擋板
184‧‧‧準直透鏡
186‧‧‧準直透鏡
188‧‧‧非透明垂直壁
200‧‧‧反射脈博血氧濃度測定模組
圖1繪示用於近接感測之一模組之一實例的一側視圖。
圖2繪示圖1之模組中之近接感測器的額外細節。
圖3繪示使用三角測量來計算一物件之近接的各種參量。
圖4A與圖4B繪示使用多個光學通道之近接感測的一實例。
圖5A與圖5B繪示包含用於近接感測之多個光投射器之一模組的一實例。
圖6繪示包含具有不同基線之多個光投射器之一模組的一實例。
圖7A至圖7C繪示包含依一角度投射光之一光投射器之一模組的實例。
圖7D繪示具有用於近接偵測之一傾斜視野之一模組之一實例的一側視圖；圖7E係繪示圖7D之特徵之一配置的一俯視圖；圖7F係繪示更多特徵之模組的另一側視圖。
圖8繪示將一結構化光型樣用於近接感測之一模組的一實例。
圖9繪示將一結構化光型樣用於成像之一模組的一實例。
圖10繪示將周圍光用於成像之一模組的一實例。
圖11繪示包含一高解析度主要成像器與一或多個副成像器之一模 組的一實例。
圖12A至圖12H繪示模組的各種配置，其中一或多個成像器共用一共同的影像感測器。
圖13A至圖13C繪示模組的各種配置，其中一主要成像器與一或多個副成像器具有分開的影像感測器。
圖14A至圖14C繪示包含一自動聚焦總成之模組的各種配置。
圖15繪示包含一周圍光感測器之一模組的一配置。
圖16A至圖16E繪示用於反射脈博血氧濃度測定及/或心率監測應用之模組的實例。
圖17A與圖17B繪示包含一多功能紅光投射器之模組的實例，該投射器可使用在一反射脈博血氧濃度測定模式、一閃光模式及/或一指示器模式中。
如圖1中所繪示，一光學模組100可操作以提供近接感測(即，偵測一物件之存在及/或判定其距離)。該模組100包含具有光敏區域(例如，像素)之一影像感測器102，該等光敏區域可(例如)在一單一積體半導體晶片(例如，一電荷耦合裝置(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)感測器)上實施。成像器104包含一透鏡堆疊106，其被安置在感測器102之光敏區域上。透鏡堆疊106可被放置在一透鏡鏡筒108中。感測器102可被安裝在一印刷電路板(PCB)110或其他基板上。電氣連接(例如，電線或覆晶晶片型連接)可從感測器102提供至PCB 110。亦可安裝(例如)在PCB 110上之處理電路112可讀取並處理來自成像器104的資料。該處理電路112可經實施(例如)作為具有適當的數位邏輯及/或其他硬體組件(例如，讀出暫存器；放大器；類比轉數位轉換器；時脈驅動器；時序邏輯；信號處理電路；及/或一微處理器)之一或多個半導體晶片中的一或多個積體電路。因此，該處理電路 112經組態以實施與此電路相關聯之各種功能。
模組100亦包含一光投射器114，諸如一雷射二極體或垂直空腔表面發射雷射，其可操作以發射同調、指向性、光譜定義的光發射。該光投射器114可經實施(例如)作為可投射紅外線(IR)光的一相對低電力VCSEL(例如，輸出在1至20毫瓦之範圍中的電力，較佳地約10毫瓦)。用於近接感測之光投射器114無需模擬紋理，且因此可僅將一光點投射至一物件上，該物件之距離或存在待基於自該物件反射的光而進行偵測。在一些實施方案中，該光投射器114可操作以發射光譜之IR部分中之一預定窄範圍的波長。在一些情況中，該光投射器114可發射在約850奈米+10奈米之範圍中、或在約830奈米+10奈米之範圍中、或在約940奈米+10奈米之範圍中的光。不同的波長與範圍可適於其他實施方案。藉由投射器114所發射的光可(例如)由主機裝置(例如，一智慧型電話)外部的一物件反射，使得反射光經引導回至影像感測器102。
在圖1之所繪示的模組中，成像器104包含安置(例如)在一透射窗上的一帶通濾光器116，該透射窗可採取一蓋玻璃118的形式。帶通濾光器116可經設計以過濾除藉由光投射器114所發射之波長的光之外的大體上所有IR光且可經實施(例如)作為一介電型帶通濾光器。
在一些情況中，模組100可提供增強的近接感測。例如，一VCSEL用作光投射器114可提供比一LED同調、更加指向性且光譜定義的光發射。此外，由於影像感測器102係由空間分佈式光敏組件(例如，一CMOS感測器之像素)組成，故可由處理電路112將所偵測之強度之峰值指派至主機裝置外部的一目標物124或至一假性反射(諸如來自主機裝置之透射窗120上的一污跡122(即，一模糊或塗抹的標記))(請參閱圖2)。
如圖2之實例中所展示，當光126從光投射器114發射至一物件124 (例如，一人耳)時，一些光128被該物件124反射並被影像感測器102偵測，且一些光130被主機裝置之透射窗120(例如，一智慧型電話之蓋玻璃)上的一污跡122反射並被影像感測器102偵測。如在圖2之下部中的圖形化描繪中所繪示，可由影像感測器102之像素以不同的強度偵測反射光128、130。反射之強度與分佈(即，曲線之形狀)對於物件124與污跡122可為明顯不同的。因此，處理電路112可基於預定準則而將峰值之一者(例如，峰值134)指派為表示物件之近接(即，距離)，且可基於預定準則而將峰值之另一者(例如，峰值136)指派為表示污跡122(或一些其他假性反射)。接著，處理電路112可使用一三角測量技術(例如)來計算物件124之距離「Z」。三角測量技術可部分基於光投射器114與光學通道之光軸138之間的基線距離「X」，及其中峰值134出現的像素140與光學通道之光軸138之間的距離「x」。可藉由處理電路112儲存或計算距離「x」與「X」。參考圖3：
其中「f」為透鏡堆疊之焦距，且Z為近接(即，至目標物124的距離)。由於所量測之強度係空間定義的且可被指派至物件124或至污跡122，故與物件124相關聯之所量測的光強度可更精確地與距離相關。此近接偵測可用於(例如)判定一使用者是否已將一智慧型電話或其他主機裝置移動至鄰近耳朵。若如此，則在一些實施方案中，智慧型電話中之控制電路可經組態以關閉顯示螢幕以節省電力。在一些實例中，處理電路112可使用假性反射(例如，污跡信號)與物件信號之間的距離作為進一步的輸入，以校正與物件124相關聯之所量測的強度。
在一些情況中，代替地或除使用一三角測量技術來計算物件124之近接之外，與物件124相關聯之峰值134的強度可使用儲存(例如)在 與處理電路112相關聯之記憶體中的一查找表或校準資料來與一近接(即，距離)關聯。
在一些實施方案中，可期望提供多個光學通道用於近接感測。因此，資料可從一個以上成像器104(或具有兩個或更多個光學通道的一成像器)進行讀取並處理，以便擴展用於偵測一物件之深度範圍。例如，藉由與一第一光學通道相關聯之像素102B所偵測的資料可用來偵測在相對遠離主機裝置之透射窗120的一位置處之一物件124的近接(圖4A)，而藉由一第二通道中之像素102A所偵測的資料可用來偵測在相對靠近透射窗120之一位置處之一物件124的近接(圖4B)。每一通道具有其自身的彼此不同的基線「B」(即，從光投射器114至通道之光軸138的距離)。
如圖5A與圖5B中所展示，在一些實例中，使用一單一光學通道來提供多個(例如，兩個)光投射器114A、114B用於近接感測可為有利的。該等光投射器114A、114B之各者可類似(例如)於上文所描述之光投射器114。可由影像感測器感測藉由光投射器114A、114B所發射並由物件124所反射的光。處理電路112可判定並識別其中峰值強度出現的像素140A、140B。在兩個像素140A、140B之間的距離「d」對應於物件124之近接「Z」。特定言之，距離「d」與近接「Z」成反比：
其中「f」為透鏡堆疊之焦距，「X1」為第一光投射器114B與光學通道之光軸138之間的距離(即，基線)，且「X2」為第二光投射器114A與光軸138之間的距離(即，基線)。一般言之，「Z」的值越大，像素140A、140B之間的距離「d」將越小。相反地，「Z」的值越小，像素140A、140B之間的距離「d」將越大。因此，由於圖5A中之「d」的值小於圖5B中之「d」的值，故處理電路112將判定物件124在 圖5A之方案中比在圖5B之方案中更遠。
在圖5A與圖5B之實例中，假定用於兩個光投射器114A、114B之基線(即，X1與X2的值)大體上彼此相同。然而，如圖6中所繪示，在一些實施方案中，基線可彼此不同。例如，具有較大基線(X2)之光投射器114A可用於偵測一相對遠的物件124之近接，而較小基線(X1)可用於偵測一相對近的物件之近接。提供具有不同基線之多個光投射器可幫助增大可藉由模組偵測之近接距離的總範圍(即，每一基線對應於一不同的近接範圍)。在一些實施方案中，相同的影像感測器102可操作以使用光投射器114A、114B之任一者來進行近接感測。在其他實施方案中，向每一各自光投射器114A、114B提供一不同的影像感測器。
在一些實施方案中，如圖7A中所繪示，模組包含一光投射器114C，其可操作以依相對於通道之光軸138的一角度(α)投射準直光，其中α=90°-β。在一些情況中，角度(β)在20°β<90°之範圍中，然而較佳地，角度(β)在45°β<90°之範圍中，且甚至更佳地，角度(β)在80°β<90°之範圍中。可另外提供模組114C，或提供該模組114C作為投射大體上與通道之光軸138平行的準直光之一光投射器的一替代品。如圖7B中所展示，在一些情況中，大體上與光軸138平行投射之準直光148在由物件124反射時，可不被影像感測器102所偵測。因此，提供依相對於光軸138之一角度發射準直光的一光投射器114C可幫助擴展可經偵測用於近接感測之距離的範圍。如圖7C之實例中所展示，近接(「Z」)可(例如)藉由處理電路112根據下列方程式計算：
在一些實施方案中，代替地(或另外地)提供依相對於發射通道之 光軸的一角度發射光之一發射器，近接偵測模組具有用於偵測通道的一傾斜視野(FOV)。在圖7D、圖7E與圖7F中繪示一實例，其展示包含一光發射器114及一影像感測器102之一模組。一光學器件總成170包含一透明蓋172，該透明蓋172被一非透明光學部件178側面地包圍。一間隔器180將光學部件178與PCB 110分離。線接合117可將光發射器114與影像感測器102電耦合至PCB 110。
光學器件總成170包含透明蓋172之表面上的一或多個光束塑形元件(例如，透鏡174、176)。透鏡174、176被配置在影像感測器102上，使得偵測通道之光軸138A依相對於一線138B之一角度(α)傾斜，該線138B係與影像感測器102之表面正交。透鏡174、176可相對於彼此位移。在一些實施方案中，角度α約為30°±10°。在一些實例中，其他角度可為適當的。一擋板182可經提供以降低將偵測到雜散光的可能性且以保護光學器件總成170。如圖7F中所繪示，在一些情況中，用於偵測通道之所得FOV可促進甚至對於非常靠近模組之物件側之物件(例如，在距模組0至30釐米之一範圍中的物件)的近接偵測。在一些實施方案中，所得FOV在約40°±10°的範圍中。可在一些實施方案中達成其他值。
雖然藉由發射器114所發射的光束可具有一相對小的發散(例如，10°至20°)，但在一些情況中，可期望在透明蓋172之表面上提供一或多個光束塑形元件(例如，準直透鏡184、186)，以便更進一步地減少外傳光束之發散(例如，2°至3°之總發散)。不僅可提供該等準直透鏡用於圖7D至圖7F之實例，而且同樣可用於本發明中所描述的其他實施方案之任意者。此外，在一些實施方案中，一非透明垂直壁188經提供以減少或消除光學串擾(即，以防止藉由發射器106所發射的光反射離開準直透鏡184、186且照射在影像感測器102上)。壁188可經實施(例如)作為自透明蓋172之成像器側的一突出物且可(例如)由黑色環 氧樹脂或其他聚合材料組成。在一些實施方案中，一單一模組可提供近接感測以及周圍光感測。如例如圖7E中所展示，此可藉由將一周圍光感測器(ALS)166與一或多個光束塑形元件(例如，透鏡)包含在模組中以將周圍光引導至ALS上來實現。較佳地，用於光ALS 166之透鏡提供至少120°的一FOV。在一些實施例中，模組之總尺寸可為非常小的(例如，1.5毫米(高度)×3毫米(長度)×2毫米(寬度))。
在一些情況中，如藉由圖8所繪示，模組包含一光投射器142，其可操作以將結構化光144(例如，一條紋型樣)投射至一物件124上。例如，具有適當的光學器件之一高電力雷射二極體或VCSEL(例如，輸出在20至500毫瓦之範圍中的電力，較佳地約150毫瓦)可用來發射光譜之IR部分中之一預定窄範圍的波長。在一些情況中，光投射器142可發射在約850奈米+10奈米之範圍中、或在約830奈米+10奈米之範圍中、或在約940奈米+10奈米之範圍中的光。不同的波長與範圍可適於其他實施方案。成像器102之FOV與光投射器142之FOV應包圍物件124。可另外提供結構化光投射器142，或提供該結構化光投射器142作為發射準直光之一單一光束的光投射器114之一替代品。
藉由光投射器142所發射的結構化光可導致正被投射至主機裝置(例如，一智慧型電話)外部之一物件124上之離散特徵(即，紋理)的一型樣144，模組位於該主機裝置中。藉由物件124所反射的光可經引導回至模組中之影像感測器102。藉由物件124所反射的光可由影像感測器102感測作為一型樣且可用於近接感測。一般言之，在所偵測之型樣中的分開距離x1與x2取決於物件124之距離(即，近接)而改變。因此，例如，假定焦距(「f」)、光投射器142與通道之光軸138之間的基線距離(「B」)及從結構化光源142發射之角度係已知的，則可藉由處理電路112使用一三角測量技術來計算近接(「Z」)。可將各種參量的值儲存(例如)在與處理電路112相關聯之記憶體中。或者，可從儲存 在模組之記憶體中的一查找表判定近接。在一些情況中，可基於對所量測之像差xi與一參考像差的一比較來判定物件124之近接，其中藉由模組之記憶體儲存參考像差與距離之間的一相關性。
在一些實施方案中，可使用與非結構化光投射器相同的三角測量方法依所投射之結構化光來計算距離。結構化光發射器亦可用於三角測量，此係因為其通常位於遠離成像器處(即，一大的基線)。大的基線實現更長距離上之更好的距離計算(經由三角測量)。
在一些實施方案中，用於近接感測之光學通道亦可用於其他功能(諸如成像)。例如，可由處理電路112處理藉由圖1中之影像感測器102之像素所偵測的信號，以便產生物件124之一影像。因此，在一些情況中，在前述模組之任意者中的每一光學通道可用於近接感測與成像。
如上文所記錄，一些實施方案包含兩個或更多個光學通道，該等光學通道之各者可操作以用於近接感測。在一些情況中，不同的通道可共用一共同的影像感測器，而在其他情況中，每一通道可與一不同的各自影像感測器相關聯，該等影像感測器之各者可在一共同的基板上。在其中多個通道用來獲取影像資料之實施方案中，處理電路112可結合從通道之二或多者所獲取的深度資訊以產生一場景或物件之三維(3D)影像。此外，在一些實例中，如藉由圖9所繪示，一光源(例如，一VCSEL或雷射二極體)142可用來將一結構化IR型樣144投射至一目標場景或物件124上。來自所投射之型樣144的光被物件124反射並藉由不同的成像器102A、102B所感測，用於立體匹配以產生3D影像。在一些情況中，結構化光提供額外的紋理用於匹配立體影像中之像素。來自經匹配之像素的信號亦可用來改良近接計算。此外，在一些實例中，如藉由圖10所指示，從物件124所反射的周圍光146可用於立體匹配(即，無需自光源142投射結構化光144)。
在一些實施方案中，藉由光源142所產生的結構化型樣144可用於成像以及近接感測應用。模組可包含兩個不同的光投射器，該等光投射器之一光投射器142投射用於成像之一結構化型樣144，及一第二光投射器114用於近接感測。每一光投射器可具有不同於另一投射器之光強度的一光強度。例如，較高電力光投射器142可用於成像，而較低電力光投射器114可用於近接感測。在一些情況中，一單一投射器可操作於兩個或更多個強度，其中較高強度用於成像，且較低強度用於近接感測。
為增強成像性能，如圖11中所展示，除如上文所描述的一或多個副成像器104之外，模組之一些實施方案亦包含一主要高解析度成像器154(例如，1920像素×1080像素)。該主要成像器154可操作以收集表示一主要二維(2D)影像之信號。如上文所描述之可用於近接感測的副成像器104亦可用來提供額外的副影像，該等副影像可用於立體匹配以提供3D影像或其他深度資訊。主要成像器154與副成像器104之各者包含專用像素。每一成像器154、104可具有其自身的各自影像感測器或可共用一共同的影像感測器102，其他成像器作為一鄰近總成之部分(如圖11之實例中所繪示)。主要成像器154可包含一透鏡堆疊156，其被安置在感測器102之光敏區域上。該透鏡堆疊156可被放置在一透鏡鏡筒158中。在一些情況中，主要成像器154包含一IR截止濾光器160，其被安置在(例如)一透射窗(諸如一蓋玻璃162)上。該IR截止濾光器160可經設計以過濾大體上所有的IR光，使得幾乎無IR光到達與主要光學通道相關聯之感測器102的光敏區域。因此，在一些情況中，IR截止濾光器可僅允許可見光通過。
圖12A至圖12H示意性地繪示各種光學模組之配置。每一模組至少包含可用於近接感測之一成像器104。一些模組包含一個以上成像器104或154(請參閱例如圖12C、圖12D、圖12G、圖12H)。該等模組 可操作用於近接感測以及成像(在一些情況中，包含3D立體成像)。此外，除一或多個副成像器104之外，一些模組亦包含一主要高解析度成像器154(請參閱例如圖12E至圖12H)。該等模組亦可提供近接感測以及成像。如上文所描述，一些模組可包含一單一光源114，其產生同調、指向性、光譜定義的準直光(請參閱例如圖12A、圖12C、圖12E、圖12G)。在其他情況中，模組可包含多個光源114、142，該等光源之一者發射準直光且該等光源之另一者產生結構化光(請參閱例如圖12B、圖12D、圖12F、圖12H)。
在圖12E至圖12H中所繪示之實例中，使用一共同的影像感測器102之不同區域來實施主要高解析度成像器154與副成像器104。然而，在一些實施方案中，可使用安裝在一共同的PCB 110上之分開的影像感測器102C、102D來實施主要成像器154與副成像器104(請參閱圖13A至圖13C)。每一模組可包含一或多個副成像器104。此外，每一模組可包含產生準直光之一單一光源114(請參閱例如圖13A)或多個光源114、142，該等光源之一者發射準直光之一單一光束，且該等光源之另一者產生結構化光(請參閱例如圖13B至圖13C)。其他配置同樣可行。
在前述模組配置(例如，圖12A至圖12H及圖13A至圖13C)之任意者中，處理電路112可經組態以實施一三角測量技術以計算一物件124之近接。此外，對於包含一個以上成像器之模組(12C至12H及13A至13C)，處理電路112可經組態以將一立體匹配技術用於一物件124之3D成像。
一些實施方案包含用於光學通道之一或多者的一自動聚焦總成164。在圖14A至圖14C中繪示實例。在一些實例中，於與模組之光學通道之一者相關聯的一自動聚焦總成164中可使用根據上文所描述之技術之任意者所獲得的近接資料。在一些情況中，於與在獲得近接資 料之模組外部之一成像器或光學通道相關聯的一自動聚焦總成中可使用近接資料。
再者，在一些實施方案中，如圖15中所展示，影像感測器102之一些像素可專用於一周圍光感測器(ALS)166。此一ALS可經整合至上文所描述之配置之任意者中。在其中在分開的影像感測器上提供主要成像器154與副成像器104之情境中(例如，圖13A至圖13C或圖14C)，可(例如)在與副成像器相同的影像感測器上提供ALS 166。
如上文所記錄，在一些實施方案中，不同的光源114、142可以彼此不同的電力操作，使得其發射彼此不同的光強度。在一些情況中，此可有利於幫助減少總電力消耗。
在一些實施方案中，安裝在PCB 110上之控制電路113(請參閱圖1與圖11)可提供信號給模組中之各種組件，以引起該模組選擇性地在一高電力模式或一低電力模式中操作，此取決於待由該模組獲取之資料的類型。例如，目標窗(加窗(windowing))操作可用來僅讀取並處理來自影像感測器102中之經選擇之像素的資料。因此，可藉由僅讀取並處理來自經選擇之像素(或經選擇之像素群組)的資料(而非讀取並處理所有像素)來減少電力消耗。例如，在一多通道模組中，當僅近接感測資料待被獲取時，目標窗將包含感測器在副通道104下之區域內的像素。來自未經選擇之所有其他像素的資料將無需被讀取並處理。因此，模組可提供空間動態電力消耗，其中感測器102之不同區域以不同電力操作。在一些情況中，此可導致減少的電力消耗。控制電路113可經實施(例如)作為具有適當的數位邏輯及/或其他硬體組件(例如，數位轉類比轉換器；微處理器)之一半導體晶片。因此，該控制電路113經組態以實施與此電路相關聯的各種功能。
作為一實例，在一低電力操作模式中，可讀取並處理來自副成像器104之近接資料。近接可基於藉由一低電力光投射器114所發射且 藉由一物件(例如，一人耳或手)所反射的光。若不獲取3D影像資料，則接著，將無需讀取並處理來自主要成像器154之資料，且高電力光投射器142將關閉。另一方面，當獲取3D影像資料時，模組可在一高電力模式中操作，其中高電力光投射器142經開啟以提供一結構化光型樣，且可讀取並處理來自主要成像器154中之像素的資料以及來自副成像器104中之像素的資料。
在一些實施方案中，用於近接感測之光學通道亦可用於示意動作感測。藉由低電力投射器114所發射的光(例如)可被一物件124(諸如一使用者的手)反射。隨著使用者移動手，處理電路112可讀取並處理來自副成像器104的資料，以便偵測此動作並相應地作出回應。表示手示意動作(諸如左右或上下動作)之信號可藉由處理電路112處理且用來(例如)喚醒主機裝置(即，裝置從一低電力睡眠模式至一較高電力模式的轉變)。參考圖12H、圖13C或圖14B，即使高電力光投射器142關閉(而低電力光投射器114開啟，用於示意動作或近接感測)，在一些情況中，仍可基於周圍光而讀取並處理來自主要成像器154的影像資料。
在前述實施方案中，在近接感測背景內容中，模組可操作以區別表示自一目標物之一反射的信號及表示一假性反射之信號。然而，類似的配置與技術同樣亦可用於其他反射式光感測應用。特定言之，下列特徵組合亦可用在設計用於反射脈博血氧濃度測定應用(例如，以偵測血氧位準)及/或心率監測(HRM)應用之模組中：至少一準直光源(例如，一VCSEL)；包含空間分佈式光敏組件之一陣列(例如，一像素陣列)的一影像感測器；及處理電路，其可操作以從空間分佈式光敏組件讀取信號且將與該等光敏組件之一第一者相關聯的一第一峰值信號指派至一假性反射，且將與該等光敏組件之一第二者相關聯的一第二峰值指派至自一目標物之一反射。接著，可藉由處理電路112 根據已知技術使用指派至目標物之信號(即，峰值)來獲得(例如)關於一人之血氧位準或心率的資訊。
脈博血氧計(例如)為一般用於衛生保健產業以無創地量測血液中之氧氣飽和度位準的醫學裝置。一脈博血氧計可指示使用者之百分比氧氣飽和度與脈博率。可出於許多不同的原因而使用脈博血氧計。例如，一脈博血氧計可用來監測在身體鍛鍊期間一個人的脈博率。具有一呼吸狀態的一個人或從一疾病或外科手術恢復的一患者可根據一醫師對於身體活動的建議而在鍛鍊期間戴上一脈博血氧計。例如，在飛行期間或在高海拔鍛鍊期間，個人亦可使用一脈博血氧計來監測氧氣飽和度位準以確保足夠的氧合。脈博血氧計(例如)可包含處理電路以判定氧氣飽和度與脈博率且可包含多個光發射裝置(諸如光譜之可見紅光部分(例如，660奈米)中的一裝置與光譜之紅外線部分(例如，940奈米)中的一裝置)。光束經引導至使用者之身體的一特定部分(例如，一手指)且經反射(部分)至一或多個光偵測器。藉由血液及軟組織所吸收之光量取決於血色素之濃度，且每一頻率之光吸收量取決於組織內之血色素的氧合程度。
在圖16A中繪示用於一反射脈博血氧濃度測定模組200之一配置的一實例，其包含第一光投射器114A與第二光投射器114B(例如，VCSEL)。該等光投射器114A、114B經組態使得來自一投射器之更大光量由含氧血液吸收，而來自第二投射器之更多光由去氧血液吸收。例如，第一光投射器114A可經配置以發射一第一波長的光(例如，紅外線光，例如，在940奈米處)，而第二光投射器114B可經配置以發射一第二、不同波長的光(例如，紅光，例如，在660奈米處)。當藉由投射器114A、114B所發射的光經引導至一人之手指(或身體之其他部分)時，一些光被吸收且一些光被反射至影像感測器104，該影像感測器104包含空間分佈式光敏組件(即，像素)且其對藉由光投射器 114A、114B之各者所發射的波長光敏感。
在圖16A至圖16E之模組中的處理電路可操作以將與光敏組件之一第一者相關聯的一或多個第一峰值信號指派至一假性反射(例如，自血氧計或其他主機裝置之一透射窗的一反射)且將與光敏組件之一第二者相關聯的一或多個第二峰值信號指派至自人之手指(或其他身體部分)的一反射(請參閱結合圖2之論述)。接著，處理電路112可根據已知技術使用指派至自目標物(例如，人之手指)反射之信號來判定血氧位準。例如，處理電路112可基於在展示弱散射或吸收之離線波長與展示強散射或吸收之線上波長之間的一不同信號來判定血氧位準。
在一些情況中，脈博血氧計模組包含一個以上成像器104(請參閱圖16B)。該模組亦可包含投射結構化光之一光投射器142(圖16C、圖16D、圖16E)。在一些實例中，該模組包含一主要成像器154，其可位於與副成像器104相同的影像感測器102上(請參閱例如圖16D)或位於一不同的影像感測器102C上(請參閱例如圖16E)。該等配置可允許相同的模組用於反射脈博血氧濃度測定應用以及立體成像應用。在一些實施方案中，圖16A至圖16E之配置可用於反射脈博血氧濃度測定應用以及近接感測應用。在該等情境中，光投射器之至少一者(例如，114A)與成像器之一者(例如，104)可用於反射脈博血氧濃度測定以及近接感測應用。
圖16A至圖16E之模組配置之各者亦可用於心率監測(HRM)應用。然而，與反射式脈博血氧濃度測定應用相比而言，僅需發射可由血液吸收之一波長的光之一光投射器(例如，投射器114A)。當用作一HRM模組時，藉由光投射器114A所發射的一些光可遇到一動脈血管，其中脈動血液流動可調變入射光之吸收。自動脈血管反射或散射的一些未吸收光可到達成像器104並由成像器104偵測。基於吸收隨時間之改變，可(例如)藉由處理電路112判定心率之一估計。當用於 HRM應用中時，處理電路112可操作以從成像器104讀取信號且將與光敏組件之一第一者相關聯的一第一峰值信號指派至一假性反射(例如，自一主機裝置之一透射窗的反射)且將與光敏組件之一第二者相關聯的一第二峰值指派至自一人之手指(或其他身體部分)的一反射(請參閱結合圖2之論述)。接著，指派至自目標物(例如，人的手指)反射之信號可被處理電路112根據已知技術用來估計人的心率。
在一些實施方案中，如圖17A與圖17B中所展示，可操作以發射各種波長的光之額外的光投射器可被提供在近光投射器114B處。光投射器114B、114C、114D及114E可各自發射(例如)紅、藍、綠及黃光。在一些情況中，光投射器114B至114E可被共同地用作一閃光模組，其中取決於膚色及/或所感測之周圍光而調諧由該閃光模組所產生之光的色彩。因此，控制電路113可調諧來自投射器114B至114E的光以產生一指定的總影響。此外，藉由將光投射器114B至114E放置在近主要通道154與副通道104及紅外線光投射器114A處，紅光投射器114B亦可用於如上文所描述之反射血氧濃度測定應用。此外，在一些情況中，個別光投射器114B至114E可由控制電路113個別地啟動以用作針對各種預定義事件之發生的視覺指示器(例如，指示一引入電子郵件訊息之接收，指示一電話呼叫之接收，或指示低電池電力)。當在指示器模式中操作時，光投射器114B至114E可使用比在閃光模式中操作時更少的電力。光投射器114B至114E可經實施(例如)作為LED、雷射二極體、VCSEL或其他類型的光發射器。控制電路113(請參閱圖1)可根據特定選擇模式提供信號以開啟及關閉各種光投射器112A至112E。
考慮到前述描述，一單一模組可用於下列應用之一或多者：近接感測、示意動作感測、心率監測、反射脈博血氧濃度測定、閃光及/或光指示器。對於近接感測及心率監測應用，僅需一單一光投射 器，雖然在一些情況中，可期望提供多個光投射器。對於脈博血氧濃度測定應用，同樣可提供一第二光投射器。運用適當的硬體及/或軟體來組態處理電路112與控制電路113以控制光投射器之開啟/關閉且讀取並處理來自成像器之信號。在每一情況中，處理電路112可使用上文所描述之技術來區別假性信號(例如，表示藉由一蓋玻璃上之一污跡所引起之反射的信號)及目標信號(例如，在心率監測及/或反射脈博血氧濃度測定應用之情況中，表示自其近接待被判定之一物件或一人之手指或其他身體部分反射的信號)。在一些實施方案中，除前述應用之一或多者之外，模組亦可用於立體成像。在一些成像應用中，新增提供結構化光之一光投射器可(例如)為有利的。
前述模組配置之任意者亦可用於其他應用，諸如判定一物件之溫度。例如，若成像器104對紅外線光敏感，則所偵測之信號的強度可表示溫度(即，一較高強度指示一較高溫度)。處理電路112可經組態以基於來自成像器之信號而使用已知技術來判定一人或物件之溫度。雖然來自投射器之光對於該等應用並非必需的，但在一些情況中，來自投射器(例如，114B)之光可用來指向其溫度待被感測之物件。
前述模組配置之任意者亦可用於判定一物件之速度。例如，處理電路112可使用來自成像器之信號以判定依據時間變化的一物件之近接。在一些情況中，若藉由處理電路112判定物件正移動遠離模組，則控制電路113可調整(例如，增大)由結構化光投射器142所發射之光的強度。
在一些實施方案中，前述模組可包含使用者輸入終端，用於接收表示待使用該模組之應用類型之一使用者選擇。接著，處理電路112將根據使用者選擇讀取並處理目標信號。同樣地，控制電路113將根據使用者選擇控制各種組件(例如，光投射器114)。
一般言之，在上文所描述之各種實施方案中之模組的光投射器應與成像器光學分離，使得來自光投射器之光並不直接地照射在成像器上。例如，一不透明壁或其他不透明結構可將光投射器與成像器分離。該不透明壁可(例如)由含有一非透明填料(例如，碳黑的一顏料、一無機填料或一染料)之一易流動聚合材料(例如，環氧樹脂、丙烯酸酯、聚胺基甲酸酯或聚矽氧)組成。
其他實施方案在申請專利範圍之範疇內。
102‧‧‧影像感測器/成像器
114‧‧‧光投射器
120‧‧‧透射窗
122‧‧‧污跡
124‧‧‧目標物
126‧‧‧光
128‧‧‧光
130‧‧‧光
134‧‧‧峰值
136‧‧‧峰值

Claims (43)

  1. 一種光電模組，其包括：一光投射器，其可操作以將光投射出該模組；一影像感測器，其包含對藉由該光投射器所發射之一波長的光敏感之空間分佈式光敏組件；及處理電路，其可操作以從該影像感測器之該等空間分佈式光敏組件讀取信號且將與該等光敏組件之一第一者相關聯的一第一峰值信號指派至一假性光學反射，且將與該等光敏組件之一第二者相關聯的一第二峰值信號指派至自一目標物之一光學反射。
  2. 如請求項1之模組，其中該處理電路進一步可操作以使用該第二光敏組件之一位置來判定至該目標物的一距離。
  3. 如請求項2之模組，其中該處理電路可操作以使用一三角測量技術來判定至該物件的該距離。
  4. 如請求項2之模組，其中該處理電路可操作以參考儲存在記憶體中之一查找表或校準資料來判定至該物件的該距離。
  5. 如請求項1至請求項4之任一者之模組，其中該影像感測器包括具有複數個像素之一互補金屬氧化物半導體(CMOS)感測器。
  6. 如請求項1至請求項4之任一者之模組，其中該光投射器包含一垂直空腔表面發射雷射。
  7. 如請求項1至請求項4之任一者之模組，其中該光投射器可操作以產生同調、指向性、光譜定義的光發射。
  8. 如請求項1至請求項4之任一者之模組，其包含該影像感測器上之一光學通道，其中該光投射器可操作以依相對於該光學通道之一光軸的一角度發射準直光。
  9. 如請求項1至請求項4之任一者之模組，其包含該影像感測器上之一光學器件總成，其中該模組之光偵測通道之一光軸依相對於一線的一角度傾斜，該線係與該影像感測器之一表面正交。
  10. 如請求項9之模組，其中該角度在30°±10°之一範圍中。
  11. 如請求項1至請求項4之任一者之模組，其具有用於光偵測之一視野，該視野依相對於一線的一角度傾斜，該線係垂直於該影像感測器之一表面。
  12. 如請求項1至請求項4之任一者之模組，其中該處理電路進一步可操作以處理來自該影像感測器之該等空間分佈式光敏組件的信號以獲得該物件之一影像。
  13. 如請求項1至請求項4之任一者之模組，其中該影像感測器之該等空間分佈式光敏組件係與一第一光學通道相關聯，該模組進一步包含與一第二光學通道相關聯之額外的空間分佈式光敏組件。
  14. 如請求項13之模組，其中該第一光學通道具有不同於該第二光學通道之一基線距離的一基線距離，其中相對於該光投射器量測該等基線距離。
  15. 如請求項13之模組，其中該處理電路可操作以使用來自與該第一光學通道相關聯之該影像感測器之該等空間分佈式光敏組件的信號來判定一第一距離範圍內之一物件的一近接，且使用與該第二光學通道相關聯之該等額外的空間分佈式光敏組件來判定一第二距離範圍內之一物件的一近接。
  16. 如請求項13之模組，其中與該第一光學通道相關聯之該等空間分佈式光敏組件及與該第二光學通道相關聯之該等空間分佈式光敏組件可操作以獲取表示該物件之各自影像的資料，且其中該處理電路可操作以基於所獲取之資料以獲得深度資料。
  17. 如請求項16之模組，其中該處理電路可操作以至少部分基於立體匹配以獲得該等影像之深度資料。
  18. 如請求項16之模組，其中該處理電路可操作以至少部分基於三角測量以獲得該等影像之深度資料。
  19. 如請求項13之模組，其中該處理電路可操作以將近接資料應用至與該等光學通道之一者相關聯的一自動聚焦總成，其中該近接資料係至少部分基於來自該影像感測器之信號。
  20. 如請求項13之模組，其中該處理電路可操作以將近接資料應用至與該模組外部之一成像器或光學通道相關聯的一自動聚焦總成，其中該近接資料係至少部分基於來自該影像感測器之信號。
  21. 如請求項1至請求項4之任一者之模組，其進一步包含一第二光投射器，該第二光投射器可操作以產生自該模組投射的結構化光。
  22. 如請求項21之模組，其可操作使得藉由該第二光投射器所產生的至少一些該結構化光由該物件反射且由該影像感測器之該等空間分佈式光敏組件感測，且其中該處理電路可操作以至少部分基於藉由該影像感測器之該等空間分佈式光敏組件回應於感測由該物件所反射的光而產生的信號以使用一三角測量技術來判定至該物件的該距離。
  23. 如請求項21之模組，其可操作使得藉由該第二光投射器所產生的至少一些該結構化光由該物件反射且由該影像感測器之該等空間分佈式光敏組件感測，且其中該處理電路可操作以基於藉由該結構化光所提供的紋理以匹配立體影像中之像素。
  24. 如請求項1至請求項4之任一者之模組，其中該影像感測器包含專用於周圍光感測之額外的光敏組件。
  25. 如請求項1之模組，其中該處理電路可操作以至少部分基於該第二峰值信號以判定一心率。
  26. 如請求項1之模組，其進一步包含一第二光投射器，其中每一光投射器可操作以發射不同於另一光投射器之一波長的光，且其中該處理電路可操作以從該等光敏組件讀取信號且將一些峰值信號指派至假性光學反射且將其他峰值信號指派至自一目標物之光學反射，該處理電路進一步可操作以至少部分基於指派至自該目標物之光學反射的該等峰值信號以判定一血氧位準。
  27. 一種光電模組，其包括：一第一光學通道，其被安置在具有空間分佈式光敏組件之一影像感測器上，該第一光學通道具有一光軸；一第一光投射器，其可操作以將光投射出該模組，在該第一光投射器與該光軸之間存在一第一基線距離；一第二光投射器，其可操作以將光投射出該模組，在該第二光投射器與該光軸之間存在一第二基線距離；一影像感測器，其包含空間分佈式光敏組件，該等空間分佈式光敏組件對藉由該第一光投射器所發射之一波長的光與藉由該第二光投射器所發射之一波長的光敏感；及處理電路，其可操作以讀取並處理來自該影像感測器之該等空間分佈式光敏組件的信號。
  28. 如請求項27之模組，其中該處理電路可操作以基於藉由該等第一與第二光投射器所發射的光來識別感測峰值信號之該等空間分佈式光敏組件之若干特定者，且至少部分基於該等空間分佈式光敏組件之若干特定者之位置來判定至該模組外部之一物件的一近接。
  29. 如請求項27之模組，其中該等第一與第二基線距離彼此不同。
  30. 如請求項29之模組，其中該影像感測器之該等空間分佈式光敏組件係與該第一光學通道相關聯，該模組進一步包含與一第二光學通道相關聯之額外的空間分佈式光敏組件。
  31. 如請求項30之模組，其中該處理電路可操作以至少部分基於來自與該第一光學通道相關聯之該等空間分佈式光敏組件的該等信號以判定至該模組外部之一物件的一近接，該處理電路進一步可操作以讀取並處理來自與該第二光學通道相關聯之該等額外的空間分佈式光敏組件之信號以獲得一高解析度影像。
  32. 如請求項31之模組，其中該等第一與第二光學通道被安置在相同的影像感測器上。
  33. 如請求項31之模組，其中該第二光學通道被安置在不同於該第一光學通道安置的該影像感測器之一影像感測器上。
  34. 一種方法，其包括：投射來自一光電模組之光；使用該模組中之空間分佈式光敏組件來感測反射光；基於該感測讀取並處理信號；及藉由該模組將與該等光敏組件之一第一者相關聯的一第一信號指派至一假性光學反射且將與該等光敏組件之一第二者相關聯的一第二信號指派至自一目標物之一光學反射。
  35. 如請求項34之方法，其進一步包含由該模組使用該第二光敏組件之一位置來判定至該物件的一距離。
  36. 如請求項35之方法，其包含由該模組使用一三角測量技術來判定至該物件的該距離。
  37. 如請求項35之方法，其包含由該模組使用儲存在記憶體中之一查找表或校準資料來判定至該物件的該距離。
  38. 如請求項34之方法，其包含至少部分基於該第二信號以判定一心率。
  39. 如請求項34之方法，其包含：投射兩種不同於該光電模組之波長的光；將一些該等所讀取之信號指派至假性光學反射且將其他所讀取之信號指派至自一目標物之光學反射；及至少部分基於指派至自該目標物之光學反射以判定一血氧位準。
  40. 一種光電模組，其包括：複數個光投射器，該等光投射器之各者可操作以依一不同的各自波長將光投射出該模組；一影像感測器，其包含空間分佈式光敏組件；及控制電路，其根據複數個操作模式之任一者來控制開啟及關閉該等光投射器之若干經選擇者，其中該等光投射器之至少一特定者可操作以當該模組正在一閃光模式中操作時以及當該模組正在一反射脈博血氧濃度測定模式中操作時開啟；及處理電路，其可操作以從該影像感測器之該等空間分佈式光敏組件讀取信號，且當該模組正在該反射脈博血氧濃度測定模式中操作時至少部分基於光以判定一血氧位準，該光係藉由該特定光投射器產生且藉由該模組外部之一物件反射回至該模組中。
  41. 如請求項40之模組，其中該特定光投射器可操作以產生紅光。
  42. 如請求項41之模組，其中該複數個光投射器進一步包含光投射器，該等光投射器之各者各自產生藍、綠或黃光，且該等光投射器之各者可操作以當該模組正在該閃光模式中操作時開啟。
  43. 如請求項41之模組，其中該複數個光投射器進一步包含可操作 以產生紅外線光的一光投射器，且其中當該模組正在該反射脈博血氧濃度測定模式中操作時，該處理電路可操作以至少部分基於光以判定一血氧位準，該光係藉由該紅外線光投射器所產生且藉由該模組外部之該物件反射回至該模組。
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