TW202413927A

TW202413927A - 物體偵測之光學感測裝置、電子設備及方法

Info

Publication number: TW202413927A
Application number: TW112135713A
Authority: TW
Inventors: 張群偉
Original assignee: 美商光程研創股份有限公司
Priority date: 2022-09-27
Filing date: 2023-09-19
Publication date: 2024-04-01

Abstract

本文中描述了用於偵測物體的方法及裝置。裝置包括光接收器，被配置用於接收至少兩道具有第一波長及第二波長的光線。裝置亦包括記憶體，被配置用於儲存複數個調整參數；以及處理器，被配置用於：在未偵測到物體的情況下，比較在第一波長的第一參考光強度及在第二波長的第二參考光強度，以取得狀態指數；根據狀態指數從記憶體存取對應調整參數，用於調整閾值；以及將從物體反射的反射光強度與經調整的閾值比較，以確定偵測資訊。

Description

物體偵測之光學感測裝置、電子設備及方法

本申請係關於光學感測器，特別是關於一種使用具有至少兩個波長波段的光學感測器，以偵測物體之存在的電子設備。

光學感測器被使用於許多系統，諸如智慧電話、可穿戴電子設備、機器人及自動駕駛等，用於接近偵測、2D/3D影像偵測、物體辨識、圖像增強、材料辨認、色彩融合、健康監控及其它有關應用。在一些場景中，光學感測器被操作來偵測對物體的接近度。因此，偵測之準確度具有挑戰性。

本公開內容揭露了一種具有光學感測裝置的電子設備，光學感測裝置利用具有至少兩個波長波段的一個或多個光學感測器，以偵測物體之存在。這樣，具有光學感測裝置的電子設備可以根據偵測結果以更智慧的方式切換其各種功能。光學感測裝置可操作於不同波長範圍，包括可見光（例如，波長範圍380 nm到780 nm，或者如由特定應用定義的相似波長範圍）及不可見光。不可見光包括近紅外光（NIR，例如，波長範圍從780 nm到1400 nm，或者如由特定應用定義的相似波長範圍）及短波長紅外光（SWIR，例如，波長範圍從1400到3000 nm，或者如由特定應用定義的相似波長範圍）。

當電子設備被多次使用或放置於不同的環境中時，污染物可能會出現在光學感測裝置或電子設備之表面。當電子設備佩戴在用戶身上時，污染物可能會干擾測量到的反射光線。因此，電子設備偵測到的物體存在之資訊可能不準確，從而影響用戶體驗。電子設備依據電子設備之狀況動態地校準閾值會是需要的。

光學感測器可以發射光線並接收反射光線。當物體未被偵測到時，電子設備可以使用反射光線來偵測光學感測器上的污染物。基於這些偵測到的污染物，可以調整用於用光學感測器偵測物體（例如，偵測用戶）的距離閾值，以使電子設備能夠在存在這些污染物的情況下，經由光學感測器正確地偵測物體。

本文中描述了本公開內容之各個態樣。

本公開內容之一個態樣係關於一種光學感測裝置，被配置用於偵測物體。該裝置包括光接收器，被配置用於接收至少兩道具有第一波長及第二波長的光線。該裝置亦包括記憶體，被配置用於儲存複數個調整參數，以及處理器，被配置用於：在未偵測到物體的情況下，比較在第一波長的第一參考光強度及在第二波長的第二參考光強度，以取得狀態指數；根據狀態指數從記憶體存取對應的調整參數，用於調整閾值；以及將從物體反射的反射光強度與經調整的閾值比較，以確定偵測資訊。

在一些實現方式中，光學感測裝置進一步包括光發射器，被配置用於發出具有第一波長及第二波長的至少兩道光線。

在一些實現方式中，光接收器包括第一光電子器件，被配置用於接收具有第一波長的第一光線，以及第二光電子器件，被配置用於接收具有第二波長的第二光線。

在一些實現方式中，第二波長大於第一波長。

在一些實現方式中，當反射光強度高於經調整的閾值時，處理器指示偵測資訊為近距離。

在一些實現方式中，處理器被配置用於以對應的調整參數調整另一個閾值，當反射光強度低於經調整的另一個閾值時，指示偵測資訊為遠距離。

在一些實現方式中，經調整的閾值由對應的調整參數乘以閾值來確定。

在一些實現方式中，第一波長在NIR光範圍中，第二波長在SWIR光範圍中。

在一些實現方式中，狀態指數由計算第一參考光強度對第二參考光強度的比值來取得。

在一些實現方式中，記憶體包括查找表，用來儲存複數個調整參數。

在一些實現方式中，光學感測裝置進一步包括外殼，光接收器、記憶體及處理器容置於其中。

在一些實現方式中，處理器可以由數位信號處理器、特定應用積體電路、數位電路或軟體模組來實現。

本公開內容之另一個態樣係關於一種電子設備。電子設備包括如上所述的光學感測裝置，其中電子設備可以根據偵測資訊操作於正常操作模式或節電模式下。

在一些實現方式中，電子設備是耳機、腕表或頭戴設備。

本公開內容之另一個態樣係關於一種由光學感測裝置指示偵測資訊之方法。該方法包括：藉由光接收器在未偵測到物體的情況下，在第一時間接收在第一波長的第一參考光強度及在第二波長的第二參考光強度、由處理器比較第一參考光強度及第二參考光強度，以取得狀態指數、根據狀態指數從記憶體存取對應的調整參數，用於調整閾值、以及將反射光強度與經調整的閾值比較，以確定偵測資訊。

在一些實現方式中，對應的調整參數是從儲存於記憶體中的查找表存取的。

在一些實現方式中，該方法包括由光發射器發射具有第一波長的測試光線至物體，其中測試光線之一部分從物體反射指向光接收器。

在一些實現方式中，處理器根據經調整的不同閾值來指示不同偵測資訊。

在一些實現方式中，光學感測裝置被包括於電子設備中，其中電子設備是耳機、腕表或頭戴設備。

以下各個實施例隨同圖式以說明本公開內容之概念。在圖式或描述中，相似或相同的部件使用相同的參考標記，並且在圖式中，元件之形狀、厚度或高度可以合理擴展或縮減。本申請中列出的各個實施例只是用來說明本申請，並且不是用來限制本申請之範疇。對本申請做出的任何明顯變更或變化並未脫離本申請之精神及範疇。

電子設備（例如，耳機、AR/VR可穿戴裝備等）具有複數種功能及/或複數種操作模式。當電子設備佩戴在用戶身上或從用戶身上移除時，它可以操作於不同的操作模式下，以滿足用戶之體驗。舉例來說，當電子設備從用戶身上移除時，它可以操作於節電模式下。當電子設備佩戴在用戶身上時，它可以操作於正常操作模式下。光學感測裝置可以佈置於電子設備上，以接收來自用戶的反射光線，並將反射光強度與一閾值比較，以確定電子設備是否佩戴在用戶身上。當電子設備被多次使用或放置於不同的環境中時，污染物可能出現在光學感測裝置或電子設備之表面上。當電子設備佩戴在用戶身上時，污染物可能會干擾測量到的反射光線。因此，電子設備偵測到的物體存在之資訊可能不準確，從而影響用戶體驗。電子設備依據電子設備之狀況動態地校準閾值會是需要的。

圖1示出根據本公開內容之一個實施例的電子設備100之視圖。電子設備100可以是可穿戴設備或便攜式設備。可穿戴設備可以是耳機、腕表、頭戴設備或其它可穿戴電子設備。便攜式設備可以是行動電話、平板電腦、膝上型電腦、電腦滑鼠、電腦觸控筆或其他配件。本文中描述圖1中示出的電子設備100為耳機之示例。電子設備100包括本體11以及佈置於本體11中的光學感測裝置10。本體11被配置用於接近或接觸物體，諸如皮膚。可選地，電子設備100可以包括連接至本體11的突出部12。在耳機之示例中，本體11可以放置於用戶之耳朵中以播放音訊。

圖2示出根據本公開內容之一個實施例的光學感測裝置10之示意圖。光學感測裝置10包括位於外殼1中的光接收器2、光發射器3、處理器4以及記憶體5。光發射器3包括多波段發光器，並且被配置用於發出至少兩道具有不同波長的光線。在一個實施例中，從光發射器3發出的第一光線具有第一峰值波長W1，以偵測物體之存在。從光發射器3發出的第二光線具有大於第一峰值波長W1的第二峰值波長，以增強偵測之準確度。舉例來說，第一光線是近紅外光（NIR），並且具有相對於皮膚的第一反射率。第二光線是短波長紅外光（SWIR），並且具有相對於皮膚的第二反射率，其中第二反射率低於第一反射率。

光接收器2包括多波段光學偵測器，被配置用於接收至少兩道在不同波長的光線，該兩道不同波長的光線對應於從光發射器3發出的光線。處理器4耦接至光接收器2及光發射器3。記憶體5耦接至處理器4。記憶體5包括查找表，以儲存複數個調整參數，用於動態地調整閾值。

處理器4被配置用於控制光接收器2及光發射器3之啟動、處理來自光接收器2的接收光強度、從記憶體5存取調整參數、動態地調整閾值以指示物體偵測。

光接收器2可以包括單個光電子器件，或者設置為一個陣列的複數個光電子器件。在一個實施例中，光接收器2包括複數個光電子器件，被配置用於接收複數道具有不同波長的光線。在另一個實施例中，光接收器2可以包括電連接至光電子器件的電子組件，用於傳輸信號或提供功率。電子組件可以包括電阻器、電容器、電感器或積體電路（IC）。光電子器件可以包括支撐基板，以及由支撐基板支撐的偵測區。偵測區可以包括鍺（Ge）或III-V族材料化合物（例如，GaAs），被配置用於吸收光子。支撐基板可以包括不同於偵測區的材料，諸如矽。光接收器2可以根據應用偵測可見光或不可見光。可見光可以包括藍色、藏青色、綠色、黃色或紅色光。不可見光可以包括NIR或SWIR。

光發射器3可以是半導體發光元件，諸如發光二極體（LED）、雷射二極體或有機發光二極體（OLED）。光發射器3可以發出對應於光接收器2之可偵測波長的光線。處理器4可以由數位信號處理器（DSP）、通用處理器（general purpose processor）、特定應用積體電路（ASIC）、數位電路、軟體模組或其任何組合來實現。

圖3A～3B示出根據本公開內容之一個實施例的光學感測裝置10之接收光強度之變動之圖解。圖3A示出光學感測裝置10操作於用來檢測物體之存在的波長W1時，光學感測裝置10之接收光強度之變動。圖3B示出光學感測裝置10操作於用來增強偵測之準確度的波長W2時，光學感測裝置10之接收光強度之變動。每條曲線表示光接收器在各種狀態下，光學感測裝置10（或電子設備100）和物體之間具有不同距離時接收到的反射光強度。一般來說，反射光強度隨與物體距離越遠而越低。距離D1表示電子設備100接近物體，例如耳機放置於耳朵中。距離D2表示電子設備從物體移除，例如耳機從耳朵移除。距離Dn表示電子設備100遠離物體，例如電子設備100之光學路徑未指向用戶。在這種狀態下，光接收器2接收很少或接收不到來自物體的反射光線，並且可以偵測到來自環境的參考光線。曲線M0表示沒有污染物位於光學感測裝置10（或電子設備100）之外表面。不同曲線M1～Mn表示光學感測裝置10對應於不同污染物位於光學感測裝置10（或電子設備100）之外表面上所接收的光線。參見圖3A中的曲線M0，當光學感測裝置10之外表面是乾淨的並且沒有被污染物覆蓋時，光學感測裝置10可以測量在距離D1處的反射光強度TH _M0(D1)、在距離D2處的反射光強度TH _M0(D2)以及在距離Dn處的參考光強度R _ref1(M0)。TH _M0(D1)可以被設定為近距離或物體存在的預設閾值。TH _M0(D2)可以被設定為遠距離或遠離物體的預設閾值。因此，處理器4可以連續地將反射光強度與預設閾值TH _M0(D1)及TH _M0(D2)比較，以確定物體之存在與否（例如，用戶是否已佩戴或移除耳機）。當反射光強度高於預設閾值TH _M0(D1)時，處理器4指示距離為D1（意味著物體存在）並輸出偵測結果為“ON”以切換電子設備100至操作模式（例如，開始播放音樂、開始偵測心率等）。當反射光強度低於預設閾值TH _M0(D2)時，處理器4指示距離為D2（意味著遠離物體）並輸出偵測結果為“OFF”以切換電子設備100至節電模式（例如，停止播放音樂、停止偵測心率等）。

當光學感測裝置10之外表面被不同污染物覆蓋時，在D1、D2處的接收光強度會因不同污染物而異。如果閾值未經校準，距離D1、D2的判斷可能因不同污染物而異，這會產生不良的用戶體驗。舉例來說，如果處理器4使用固定的預設閾值TH _M0(D1)、TH _M0(D2)來與反射光強度比較，處理器4在狀態M1下不會在D1處輸出偵測結果為“ON”，因為接收光強度未達到TH _M0(D1)。因此，電子設備100不能正確地偵測物體之存在並切換至正確的操作模式。為了幫助避免不準確的偵測資訊，處理器4隨不同污染物動態地調整閾值是需要的。舉例來說，如果污染物M2覆蓋在電子設備100上，處理器4應動態地調整預設閾值TH _M0(D1)、TH _M0(D2)為TH _M2(D1)、TH _M2(D2)，用於與反射光強度比較以取得準確的偵測資訊。如圖3A中所示，參考光強度R _ref1(M1～Mn)在距離Dn處因不同污染物而異。參考光強度R _ref1(M1～Mn)可以在未偵測到物體（例如電子設備100之光學路徑未指向用戶）的時間測量。理想地，處理器4可以根據R _ref1(M1～Mn)判斷電子設備上有什麼污染物，並動態地調整適當的閾值以在電子設備操作於波長W1時指示偵測資訊。然而，有些接收光強度R _ref1(M1～Mn)彼此相似或與R _ref1(M0)相似，例如，如圖3A中所示，接收光強度R _ref1(M1)及R _ref1(M2)彼此相似。因此，處理器4不能辨別哪種污染M1、M2在電子設備上。所以，處理器4不能動態地調整適當的閾值以與反射光強度比較，亦不能在電子設備操作於波長W1時準確地指示物體存在之偵測資訊。

如圖3B中所示，光學感測裝置10操作於不同於波長W1的波長W2，例如在SWIR波段中。參考光強度R _ref2(M1～Mn)可因不同污染物而異。在這個示例中，參考光強度R _ref2(M1)與R _ref2(M2)彼此不同，因此處理器4可以使用這個資料來確定有什麼污染物，以及動態地調整適當的閾值來偵測物體之存在。當電子設備操作於波長W2時，可以在未偵測到物體的時間，在距離Dn處測量參考光強度R _ref2(M1～Mn)。在一些實施例中，參考光強度R _ref2(M1～Mn)低於參考光強度R _ref1(M1～Mn)，因為具有波長W2的光線被所偵測物體之材料或環境吸收得更多。處理器4可以比較R _ref1及R _ref2以取得狀態指數用於準確地判斷電子設備100上有什麼污染物，並動態地調整適當的閾值以指示準確的偵測資訊。在一個實施例中，狀態指數由計算比值R _ref1/R _ref2來取得。在另一個實施例中，狀態指數由計算R _ref1和R _ref2之間的差值來取得。狀態指數不限於前述方法，並且可以由其它數學計算方法來取得。

圖4示出根據本公開內容之一個實施例的儲存於記憶體5中的查找表。查找表示出狀態指數R(Mn)與對應污染物Mn之調整參數Pn的關係。處理器4可以在未偵測到物體的一時間計算狀態指數R(Mn)。然後，處理器4可以根據狀態指數R(Mn)從查找表存取調整參數Pn，以動態地調整閾值用於與反射光強度比較來指示偵測資訊。以污染物M1為例，污染物M1是覆蓋於光學感測裝置10（或電子設備100）上的濕防曬霜。光學感測裝置10在未偵測到物體的時間測量R _ref1(M1)及R _ref2(M1)。處理器4可以取得狀態指數R(M1)，並根據R(M1)從記憶體5中儲存的查找表存取調整參數P1。隨後，處理器4可以動態地調整預設閾值TH _M0(D1)為TH _M1(D1)，並調整預設閾值TH _M0(D2)為TH _M1(D2)（例如，圖3A中的TH _M1(D1)及TH _M1(D2)）。舉例來說，TH _M1(D1) = P1 × TH _M0(D1)，TH _M1(D2) = P1 × TH _M0(D2)。然後，處理器4可以連續地將反射光強度與經調整的閾值TH _M1(D1)及TH _M1(D2)比較，以指示偵測資訊。如圖4中所示，查找表包括複數個調整參數Pn，其可以對應於不同污染物之狀態指數R(Mn)，諸如濕防曬霜、乾防曬霜、濕乳液、乾乳液、用戶耳垢或其它污染。

圖5示出根據本公開內容之一個實施例的由光學感測裝置指示偵測資訊之步驟。步驟1001為光接收器2在未偵測到物體的情況下，在第一時間接收在第一波長W1的第一參考光強度及在第二波長W2的第二參考光強度。步驟1002為處理器4比較第一參考光強度及第二參考光強度，以取得狀態指數。步驟1003為處理器4根據狀態指數從記憶體5中儲存的查找表存取對應的調整參數P，用於調整閾值。步驟1004為光發射器3發出具有第一波長W1的測試光線至物體，並且光接收器2在晚於第一時間的第二時間接收來自物體具有第一波長W1的反射光線。詳細地，反射光線是一部分的測試光線從物體反射並且指向光接收器。步驟1005為處理器4將反射光強度與經調整的閾值做比較，以指示偵測資訊。

圖6示出光學感測器600，其可以是光接收器2之一個示例。光學感測器600包括第一基板610及第二基板630。第一基板610包括感測區612（例如，III-V族材料），經由（諸）導線622電耦接（例如，打線接合）至第二基板630之感測電路632（例如，CMOS電路）。

圖7示出光學感測器700，其可以是光接收器2之另一個示例。光學感測器700包括第一基板710及第二基板730，兩者可以是矽基板。第一基板710及第二基板730經由接合界面720（例如，氧化物或任何其它合適材料）晶圓接合（wafer-bonded）。第一基板710包括多個感測區712(1)～712(N)，其中N為正整數。在一些實施例中，多個感測區712(1)～712(N)可包括鍺，沉積於第一基板710上。第二基板730包括多個對應電路區732(1)～732(N)。多個感測區712(1)～712(N)及多個對應電路區732(1)～732(N)經由導線722通過接合界面720電耦接。

儘管本公開內容已經通過示例及根據優選實施例進行了描述，應當理解本公開內容不限於此。相反地，本公開內容旨在覆蓋各種變更以及相似安排及程序，並且所附申請專利範圍之範疇因此應給予最廣泛的解釋，以涵蓋所有此類變更以及相似安排及程序。

100:電子設備 10:光學感測裝置 11:本體 12:突出部 1:外殼 2:光接收器 3:光發射器 4:處理器 5:記憶體 W1:第一波長 W2:第二波長 D1、D2、Dn:距離 M0～Mn:曲線（污染物） R _ref1(Mn)、R _ref2(Mn):參考光強度 TH:預設閾值 R(Mn):狀態指數 Pn:調整參數 1001、1002、1003、1004、1005:步驟 600、700:光學感測器 610、710:第一基板 612、712(1)～712(N):感測區 720:接合界面 622、722:導線 630、730:第二基板 632:感測電路 732(1)～732(N):電路區

結合隨附圖式參考以下實施方式的詳細描述，本申請之前述各個態樣及許多優點將變得更容易理解：

圖1示出根據本公開內容之一個實施例的電子設備之視圖。

圖2示出根據本公開內容之一個實施例的光學感測裝置之示意圖。

圖3A–3B示出根據本公開內容之一個實施例的光學感測裝置之接收光強度之變動之圖解。

圖4示出根據本公開內容之一個實施例的儲存於記憶體中的查找表。

圖5示出根據本公開內容之一個實施例的由光學感測裝置指示偵測資訊之步驟。

圖6示出根據本公開內容之一個實施例的光學感測器。

圖7示出根據本公開內容之另一個實施例的光學感測器。

100:光學感測裝置

1:外殼

2:光接收器

3:光發射器

4:處理器

5:記憶體

Claims

一種光學感測裝置，被配置用於偵測一物體，包含：一光接收器，被配置用於接收具有一第一波長及一第二波長的至少兩道光線；一記憶體，被配置用於儲存複數個調整參數；以及一處理器，被配置用於：在未偵測到該物體的情況下，比較在該第一波長的一第一參考光強度及在該第二波長的一第二參考光強度，以取得一狀態指數；根據該狀態指數從該記憶體存取一對應調整參數，用於調整一閾值；以及將從該物體反射的一反射光強度與經調整的該閾值比較，以確定一偵測資訊。
如請求項1之光學感測裝置，進一步包含一光發射器，被配置用於發出至少兩道具有該第一波長及該第二波長的光線。
如請求項1之光學感測裝置，其中該光接收器包含一第一光電子器件，被配置用於接收具有該第一波長的一第一光線，以及一第二光電子器件，被配置用於接收具有該第二波長的一第二光線。
如請求項1之光學感測裝置，其中該第二波長大於該第一波長。
如請求項1之光學感測裝置，其中當該反射光強度高於經調整的該閾值時，該處理器指示該偵測資訊為近距離。
如請求項1之光學感測裝置，其中，該處理器被配置以該對應調整參數調整另一個閾值，當該反射光強度低於經調整的該另一個閾值時，指示該偵測資訊為遠距離。
如請求項1之光學感測裝置，其中經調整的該閾值由該對應調整參數乘以該閾值來確定。
如請求項1之光學感測裝置，其中該第一波長在NIR（近紅外）光範圍中，該第二波長在SWIR（短波長紅外）光範圍中。
如請求項1之光學感測裝置，其中該狀態指數由計算該第一參考光強度對該第二參考光強度的一比值來取得。
如請求項1之光學感測裝置，其中該記憶體包含一查找表，用來儲存該複數個調整參數。
如請求項1之光學感測裝置，進一步包含一外殼，該光接收器、該記憶體及該處理器容置於其中。
如請求項1之光學感測裝置，其中該處理器由數位信號處理器、特定應用積體電路、數位電路或軟體模組來實現。
一種電子設備，包含：如請求項1之光學感測裝置；並且該電子設備可以根據該偵測資訊操作於正常操作模式或節電模式下。
如請求項13之電子設備，其中該電子設備是一耳機、一腕表或一頭戴設備。
一種由一光學感測裝置指示一偵測資訊之方法，包含：藉由一光接收器，在未偵測到物體的情況下，在一第一時間接收在一第一波長的一第一參考光強度及在一第二波長的一第二參考光強度；由一處理器比較該第一參考光強度及該第二參考光強度，以取得一狀態指數；根據該狀態指數從一記憶體存取一對應的調整參數，用於調整一閾值；以及將一反射光強度與經調整的該閾值比較，以確定該偵測資訊。
如請求項15之方法，其中該對應的調整參數是從儲存於該記憶體中的一查找表存取的。
如請求項15之方法，進一步包含由一光發射器發射具有該第一波長的一測試光線至物體，其中該測試光線之一部分從該物體反射指向該光接收器。
如請求項15之方法，其中該狀態指數由計算該第一參考光強度對該第二參考光強度的一比值來取得。
如請求項15之方法，其中該處理器根據經調整的不同閾值來指示不同偵測資訊。
如請求項15之方法，其中該光學感測裝置被包括於一電子設備中，其中該電子設備是一耳機、一腕表或一頭戴設備。