TWI422799B - 具有周圍光線偵測能力之遠距近接及／或動作偵測器 - Google Patents

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Description

具有周圍光線偵測能力之遠距近接及/或動作偵測器
本發明實施例概略有關於光學感測器。
優先權
本申請案主張下列美國專利申請案的優先權：
●2009年4月29日由Theodore D. Rees申審而標題為「具有周圍光線偵測能力之遠距近接及/或動作偵測器」之美國臨時專利申請案第61/173,951號(律師檔案編號ELAN-01229US0)；以及
●2010年4月26日由Theodore D. Rees申審而標題為「具有周圍光線偵測能力之遠距近接及/或動作偵測器」之美國專利申請案第12/767,443號(律師檔案編號ELAN-01229US1)。
像是光學近接感測器的光學感測器可含有包含一或更多發光二極體(即如LED)的光源以及鄰近的光敏光線偵測器，其中該感測器可按照從該等一或更多LED返回到該感測器之反射光線的規模來估計一物體的近接程度。近年來，這些感測器的價值隨著以電池運作之手持式裝置(像是行動電話)的進展而愈趨重要。例如，行動電話的電池中相當程度能量是用於驅動顯示器，並且當將行動電話或其他裝置攜至靠近使用者的耳朵時(即無法眼睛觀看時)能夠關閉該顯示器或是背光可為有利。光學近接感測器既已為此目的以及許多其他的應用項目而運用。
對於其他範例而言，有許多能夠較佳由光學近接感測器來偵測一物體之出現的其他應用項目。這些項目的範圍包含當開啟機械上的保護蓋時進行感測、正確地定位印表機內的紙張，或者是一操作者的手部在當靠近運作中機器時的風險。一光學近接感測器亦可運用作為簡易碰觸或近碰觸啟動開關，同時可為實作於許多應用項目裡，像是鍵盤或者是具有經密封然可供來自光源之光線在返回時通過該偵測器並予感測之塑膠外殼的裝置。
可獲用各種不同形式的光學感測器以對一物體的出現或缺少進行偵測。例如，一些光學感測器係經組態以感測周圍光線，並且在當黑暗時開啟一光線。另一範例為自動對焦相機，此等通常經組態為具備一紅外線LED，並且利用經由該相機光學元件所收到的光線以在黯淡光線條件下進行自動對焦。此外，光中斷器模組可按許多形式存在以供偵測一物體通過於一光源與一光線偵測器之間。例如，停車場機門開啟器(此者亦用以關閉停車場機門)通常會利用一紅外線(IR)光源及一遠端光線偵測器以避免物體或人員在關閉中的停車場機門下方處受到擠壓。該等僅為各種類型之光學感測器及其運用方式的其中數項範例。
本發明之特定實施例是關於一種可用於周圍光線偵測、近接偵測和動作偵測的光學感測器系統，以及含有此一光學感測器系統之大型系統與相關方法。
根據本發明之一實施例，一光學感測器系統含有一前端、一周圍光線通道、一近接通道和一動作通道。該前端係經組態以接收一利用光線偵測器所產生的偵測光線信號，其中該偵測光線信號是表示由一光源所產生(而由一或更多物體所反射)的偵測周圍光線和偵測射頻(RF)光線兩者。此外，該前端係經組態以輸出一偵測周圍光線信號(ALS)及一偵測RF光線信號。由該前端所輸出的偵測ALS主要是表示該偵測光線信號中代表該偵測周圍光線的部分。而由該前端所輸出的偵測RF光線信號則主要是表示該偵測光線信號中代表該偵測RF光線的部分。該偵測ALS和該偵測RF光線信號的區別是在於該偵測周圍光線信號含有該偵測光線信號的低頻成分，而該偵測RF光線信號則是含有從源自該光源的光線所獲之偵測光線信號的高頻成分。該偵測RF光線可肇因於自一或更多靜止物體所反射的光線以及自一或更多動作物體所反射的光線。該周圍通道可經組態以產生一或更多表示該偵測周圍光線的周圍輸出信號。該近接通道可經組態以根據該偵測RF光線信號產生一或更多表示一物體相對於該系統之近接的近接輸出信號。該動作通道可經組態以根據該偵測RF光線信號產生一或更多表示一物體相對於該系統之動作的動作輸出信號。
根據一實施例，該光學感測器系統亦可含有一電路，其係經組態以放大及濾波(由該前端所輸出)偵測RF光線信號，同時輸出一經放大及濾波的RF光線信號俾提供予該近接通道及該動作通道兩者。經組態以放大並濾波該偵測RF光線信號的電路可包含增益電路、一解調變器及一低通濾波器。該增益電路可經組態以自該前端接收該偵測RF光線信號且放大該偵測RF光線信號。該解調變器可經組態以接收由該增益電路輸出的信號，且輸出具有與該經放大RF光線信號之RF振幅成正比的低頻內容並且含有高頻項部的一信號。該低通濾波器可經組態以接收由該解調變器輸出的信號，並且輸出一表示該經放大RF光線信號之低頻內容而將該高頻項次濾除的信號。該近接通道及該動作通道各者皆可接收由該低通濾波器所輸出的信號。
根據一實施例，該光學感測器系統亦可含有一驅動器(其經組態以驅動該光源)及一或更多時序電路，此等電路係經組態以控制該解調變器和該驅動器的時序。在一特定實施例裡，該等一或更多時序電路驅動該光源而使該光源產生具有至少如1MHz頻率的脈衝化光線信號。
根據一實施例，該動作通道的增益係經設定為大於該近接通道的增益，因而該動作通道能測到一物體動作的最大距離大於該近接通道能偵到該物體出現的最大距離。
根據一實施例，該近接通道的位移和增益係基於該動作通道所偵測之動作而調整。例如，該近接通道的位移和增益可為依照由該動作通道所偵測之動作而調整，因此，該近接通道能夠對在該系統之視野中進行動作的所欲物體和該系統之視野中的非所欲靜止物體加以區別。
自後文所載詳細說明、圖式及申請專利範圍將更顯見其它與替代性實施例及本發明實施例的特性、特點和優勢。
根據本發明之一實施例，一種整合式光學感測器包含一經整合或遠端光源(即如LED)，此光源係經組態於一系統內以供多項應用，其中包含：偵測周圍光線位準、偵測一物體或人員的近接(依照該光源與該光線偵測器間之光線傳通的量值)，及偵測動作(依照該光源與該光線偵測器間之光線傳通的暫態變化)。根據一實施例，該等近接偵測與動作偵測功能係完全或大致與該周圍光線偵測無關，然此等三項功能可共享相同的光線偵測器。根據一實施例，該系統包含一控制介面，此介面可為即如一序列介面。在另一實施例裡，該系統並不含有該控制介面。根據一實施例，該系統的輸出為類比式。在另一實施例裡，該系統的輸出為數位式，而此輸出可為透過一序列介面所提供，然非必要。
本發明之特定實施例的特性為多項構件的組合，藉以形成一適用於各種偵測作業的偵測系統。
圖1係根據本發明一實施例中一光學感測器系統102的方塊圖。左上方處為一光線偵測器104(即一光二極體)，其係經後方偏壓並連接於一前端106。後文將對該前端106進一步詳述，其可區別由該光源124(即如該光源係按像是在1 MHz至10 MHz之間大於該周圍光線的一頻率及所預期諧波之RF頻率所脈衝化)產生之偵測光線信號中回應於部分該周圍光線(又稱為偵測周圍光線信號)及該偵測光線信號中回應於部分該RF光線(又稱為偵測RF信號)。
最好，即如紅外線發光二極體(IR LED)之光源124及該光線偵測器104係相對於另一者所排置，使得沒有任何光線能夠自該光源124直接行旅至該光線偵測器104。相反地，該光線偵測器104最好應僅偵測來自該光源124而被反射離近接該光學感測器系統102處之物體的一光線。即如本揭中所使用者，該詞彙「周圍光線」是指背景光線，亦即既已存在於戶內或戶外境況中而非由該光源124產生之光線所致生的光線。此周圍光線包括位於廣泛波長範圍上的輻射，包含IR波長在內。
根據一實施例，該前端106可經組態以接收一藉由利用該光線偵測器104所產生的偵測光線信號，其中該偵測光線信號是表示由該光源124所產生的偵測周圍光線和偵測射頻(RF)光線兩者。此外，該前端106可經組態以輸出一周圍光線信號(又稱為ALS輸出)及一RF光線信號(又稱為RF輸出)。由該前端106所輸出的偵測周圍光線信號主要是表示該偵測光線信號中代表部分該偵測周圍光線。由該前端106所輸出的偵測RF光線信號則主要是表示該偵測光線信號中代表部分該偵測RF光線。該偵測RF光線可肇因於反射離出一或更多靜止物體的光線以及反射離出一或更多動作物體的光線。該偵測周圍光線信號和該偵測RF光線信號的區別是在於該偵測周圍光線信號含有該偵測光線信號的低頻成分，而該偵測RF光線信號則是含有從源自該光源的光線所獲之偵測光線信號的高頻成分。
該偵測周圍光線信號可經預放大並呈現至一周圍通道108而於其內加以處理。該偵測RF光線信號在呈現至一解調變器112之前會先通過額外的RF增益及濾波電路110，其在一實施例裡可執行整流及同步偵測作業。區別該偵測周圍光線信號於該偵測RF光線信號的基本要素在於該偵測周圍光線為低頻且藉由該周圍通道108所濾波通過，而該偵測RF信號為高頻並且被傳入該解調變器112內。該解調變器112藉來自時序電路114的一信號在相位上對該偵測RF信號進行截波及/或倍增。該等時序電路114是由一振盪器116所驅動。在一實施例裡，該振盪器116係經諧調以接近該前端106和該額外RF增益電路110之帶通的中心。根據本發明一實施例，該前端106的其他細節將於後文參照圖2及7進一步討論。根據本發明一實施例，該額外RF增益電路110的其他細節將於後文參照圖3進一步討論。
該光線偵測器104(又可稱為光學感測器、光學偵測器或光偵測器)可包含一或更多光線偵測構件，像是然不限於光電阻器、光伏電池、光二極體、光電晶體、電荷耦合元件(CCD)等等，其等可產生表示該所偵測光線之規模的電流或電壓。該光源124(又可稱為光學來源)可包含一或更多發光構件，像是然不限於發光二極體(LED)、有機LED(OLED)、大量發射LED、表面發射LED、垂直腔體表面發光雷射(VCSEL)、超光輻二極體(SLED)、雷射二極體、像素二極體等等。該光源可產生IR光線或具有一些其他波長的光線。由於其不可見性而因此經常使用紅外光線。
可用於同步偵測的解調變器112輸出具有與該RF振幅成正比之一低頻內容並且含有各種高頻項次的信號。此信號被傳過一低通濾波器118而僅留下該信號的低頻內容。該低頻信號基本上僅為由該光源124原先產生並經反射至該光線偵測器104之偵測RF信號的測量。由於在該前端106中進行濾波處理並且該RF增益級110阻擋低頻而使該偵測RF信號通過，因此所出現的低頻內容或周圍信號極為微少。根據本發明之一實施例，該解調變器112及該低通濾波器118的額外細節將於後文中參照圖4而討論。
該低通濾波器118所輸出的低頻信號被傳入一近接通道126及一動作通道128兩者內。根據一實施例，該低通濾波器118具有約1 KHz的切截頻率，如此讓該近接通道126能夠對於「快速」動作有所回應。該動作通道128可執行在約1 Hz範圍內的額外低通濾波處理以增加動作的偵測範圍。其他切截頻率與濾波範圍亦歸屬本發明範疇。在一實施例裡，該近接通道126基本上為一直接耦接放大器(DC amp)，具有可予設定(即如經由一序列介面130或一處理器140或按其他方式)的低度可調整增益及位移調整，以令該近接偵測的最小至最大範圍落入該通道126的標定限制內。當使用於近端物體偵測時，該近接通道126的所另加增益可約為5x，原因是該偵測RF光線信號既經放大以獲得較大RF信號。然而，若該近接通道126使用於遠端物體偵測，運用該動作通道128的輔助以在提高增益前先協助設定該近接通道126的位移確為有用。該近接通道126的輸出可按類比形式或選擇性通過一或更多比較器(即如圖5的U7及U8)以提供一或更多數位輸出，或可發送予一類比至數位(A/D)轉換器136，在此可由該序列介面130、該處理器140或一些其他方式加以存取。根據本發明一實施例，該近接通道126的額外細節將於後文中參照圖5所討論。
該動作通道128亦接收由該低通濾波器118所輸出而基本上不受周圍光線影響的相同低頻信號。其目的為感測獲以在該光源124與該光線偵測器104間之光線傳通產生變化的些微動作。在一實施例裡，該動作通道128是藉由具有高增益以及可控制位移調整俾達此目的。在該動作通道128中所另加的增益是根據在該RF增益級110裡獲得多少增益而定，而此增益又是依照發生多少「DC」反射而定。可提高該增益，一直到熱雜訊信號變成顯著為止，即如約30mV。對於更為特定的範例，若該RF增益為2V/uA(受限於約500nA靜態反射)且熱雜訊位準為3pA，則該動作增益可約為5000。在此組態下，可利用該動作通道128之輸出處的信號觀察來自於該前端106的雜訊信號。
該周圍回饋位移調整可經凍結以令該周圍通道108運作如一極高增益近接偵測器，或可為緩慢以供偵測光線傳通內的名目動作變化，或可為快速以自光線傳通信號內的重大變化迅速復原。根據本發明之一實施例，該動作通道128的額外細節將於後文中參照圖6所討論。
該振盪器116可含有一鎖相迴路(PLL)且被設定在與該光源124所產生之信號的RF頻率相同之頻率，然此並非必要。作為一PLL，該振盪器116可經鎖定於一外部時脈，故多個感測器系統可同步運作然不致產生干擾。該系統可視需要產生一時脈信號以對於其他的感測器系統作為該外部時脈信號的來源。該等時序電路114自該振盪器116接收一輸入，且自該等暫存器132及/或該控制邏輯134及/或該處理器140接收控制信號。該等時序電路114的兩項主要輸出為饋送至該解調變器112的信號及饋送至該光源驅動器120的信號。這兩個信號的相位可為相同然非必要。例如，在相位相對頻率上可能會有相當尖銳的變化通過處理該偵測RF信號的元件。此外，在該光源驅動器120裡可能會出現顯著的延遲。同時，可能會由於該光源124與物體(對其進行動作及/或近接偵測)及該光線偵測器104之間的距離而導致顯著的延遲，而此一延遲會增加該光源驅動器120所產生之信號與該解調變器112所輸出之信號間的額外相位位移。在一種可能操作模式下，調整所使用的時序信號且連同自該解調變器112所觀察到之信號的振幅，可供以測量自該光源124至該光線偵測器104的時間延遲，且因此一物體的距離。其他的時序信號可控制該A/D轉換器136所執行的轉換作業。此外，該等時序電路可用以藉由按低工作週期來操作該系統俾降低耗電量。
該序列介面130可為任何類型者，包含然不限於「序列週邊介面(PSI)」及「積體電路間連接(I2C)」。該序列介面130可對參數及控制暫存器132及一選擇性A/D輸出暫存器進行寫入和讀出。該等暫存器132可連接至該系統102的各種元件以設定增益、相位及濾波參數。該A/D轉換器136可接收各種類比輸入(即如自該動作通道128、該近接通道126及/或該周圍通道108等)並藉以輸出各種數位輸出。
一選擇性處理器140亦經顯示以供執行及/或輔助本揭所討論各種功能。該處理器140可位於該光學感測器系統102內或於分離/遠端處然與該光學感測器系統102通訊。
根據實作方式而定，可將該光源124及/或該光線偵測器104視為該光學感測器系統102的一整合部份，或者可視為分離/遠端於該光學感測器系統102然確由該光學感測器系統102加以控制及使用。
前端
圖2說明根據本發明一實施例中該前端級106(後文亦簡稱為該前端)的實作。圖2所示部分電路亦可被視為該周圍通道108的一部份，即如後文如圖7討論所能瞭解。即如前述，由該光線偵測器104所偵測的光線可包含周圍光線，及源自於被該光源驅動器120所驅動或由另一與該電路之時脈同相位驅動該光源124的電路所驅動之光源124的光線(其是由一或更多物體所反射離出)。其中該光源124發射IR光線，而此光線可通過一選擇性IR濾波器202以提高該RF IR光線與周圍光線之間的分離結果。該選擇性IR濾波器202雖非必要，然降低周圍成分確能改善該RF信號對雜訊比(SNR)。同時如前述，該光源124可產生除IR光線以外的光線，而在此情況下該選擇性濾波器202的通帶可為不同。同時或另者，在一實施例裡，可將一透鏡設置在該光線偵測器104的前方以利增加敏感度。
該光線偵測器104對該光線(可或無須通過該選擇性濾波器202)進行偵測，此偵測器可經整合於該電路106內或外部。在一實施例裡，該光線偵測器104(即如一光二極體)係經整合於該前端106內，如此據信可減少射頻電磁信號的拾取處理。由該光線偵測器104所收到的光線被轉換成電流信號(或另一電壓信號)，此信號可稱為偵測光線信號。在大部份情況下，該周圍光線為低頻光線，其中包含陽光、人工產生的光線(即如欲以照明一屋室或路街或人行道)及來自非所欲動作物體的陰影。從而，該周圍光線亦可包含來自人工來源之像是100Hz或120Hz光線的較高頻變異項，而具有來自直接由電力線所驅動之光線的各種較高諧波。該周圍光線亦可包含來自以小型變壓器電路在100KHz頻率範圍及其等諧波內所驅動之日光燈照明的甚為更高頻率。因此，所欲者為該光源的RF頻率係依一較高頻率所驅動，然同時該周圍光線與該光源124所產生之光線間存在有顯著頻率間隔。較高頻率雖基於上述理由而為較佳，然確存有由耗電量、放大器之增益帶寬乘積及該光源中(多個)發光構件之應時間所施加的許多限制。因此，最佳RF頻率係一設計選擇，但確建議該頻率應高於1MHz且可能上達約10MHz。在頻率方面可有一優化處理。較高頻率可供以將該偵測周圍光線信號較佳地分離於該偵測RF光線信號，並且傾向於提供較佳的信號對雜訊比。然較高頻率確較難以處置，並且需要較高的電力電路進行處理。
假設該光線偵測器104產生一屬於電流的偵測光線信號(又稱為光偵測器電流或光偵測器電流信號)，則會將表示偵測周圍光線及RF光線兩者的偵測光線信號提供至一放大器U1的反向(-)輸入，如此令以在該放大器U1的輸出處能夠回應於光電流增加而出現大型揚升電壓。在該放大器U1輸出處的電壓揚升可經由一電阻器R1提供回饋電流。如此，在第一部份裡，該電流光線偵測器信號會通過該電阻器R1藉以在該放大器U1的輸出處提供一輸出電壓。
該放大器U1的輸出亦經由一電阻器R2連接至一進一步放大器U2的反向(-)輸入。這會在該放大器U2的輸出處引生由電容器C2之充電情況所決定的落降電壓。然後在該放大器U2輸出處的此一落降電壓增加電晶體Q1及Q2的導電性，並且也將電流饋送返回該光線偵測器104(即如光二極體)。在一實施例裡，該電晶體Q1可較單一FET為複雜，藉以控制其導電性並令其可在大小上進行切換。由於該放大器U2的輸出相較於該放大器U1的輸出為緩慢改變，因此該光偵測器電流的高頻成分通過該電阻器R1以提供該偵測RF輸出，而同時該較低頻率成分通過該電晶體Q1以提供該偵測ALS輸出。如此，較緩慢(亦即較低頻率)的周圍光線會被分導至該電晶體Q1，而較快速(亦即較高頻率)的RF信號則是被分導至該電阻器R1。
相較於該電晶體Q2，該電晶體Q1可具備各種大小且可由該等控制暫存器132、該處理器140或另以自動切換電路加以控制，此切換電路可對在一電阻器R3處所獲得之偵測周圍光線信號(ALS)輸出的大小產生回應。如此，無論該偵測周圍光線的大小為何，都可能會被該電晶體Q1所吸收。應注意到若該電晶體Q1在大小上切換，則該R2亦應在大小上切換，故而濾波特徵基本上能夠維持與由包含該放大器U1、該放大器U2及該電晶體Q1在內之迴路所提供的高通濾波器相同。
總結而言，該前端106可提供一種機制，藉以將該偵測光線信號的高頻成分(又稱為偵測RF信號或RF輸出)傳通至該偵測RF信號輸出(提供予該額外RF增益及濾波電路110)，而同時將該較低頻率周圍信號(又稱為偵測ALS或ALS輸出)傳通至該ALS輸出(提供予該周圍通道108)。
另加之RF增益及濾波
圖3說明一另加之濾波及RF增益級110的實施例。該組態係類似於該前端106，然該光線偵測器104被來自該前端RF輸出的電壓(稱為RF in)及一電阻器R4所取代。其中圖3內的元件與圖2所示者相同或類似，此等元件係依等同方式然附以一「’」符號所標註，即如圖3中的U2’係相同或類似於圖2中的U2。行經該電阻器R4的電流包含一RF部份，同時可含有一可能根據其頻率而散逸於該前端106的殘留低頻部份。如此，該另加之濾波及增益級110進行下列兩項作業：提供額外的RF增益，並且提供額外的濾波處理以將該偵測周圍信號的剩餘部份進一步分離於該偵測RF信號。可選擇性將一電容器(未予圖示)串聯增置於該電阻器R4以提供進一步的高通濾波處理。然而，此一電容會需要為高值以利容納該小型電阻器R4，並且若該電阻器R4改變則亦需予改變。可改變該電阻器R4以控制該另加之RF增益級的增益。故而該電阻器R4(以及本揭討論的其他電阻器)可為可程式化以供此一變更。改變該電阻器R4並不會對濾波特徵造成顯著影響。
解 調變器及低通濾波器
圖4說明該解調變器112及該低通濾波器118的實施例。即如前述，該解調變器112可執行整流及同步偵測作業。該偵測RF信號(由該另加之RF增益及濾波級110所輸出)被呈現予該電阻器R8，其是作為該低通濾波器的一部份且亦作為該等截切電晶體(即如FET)Q3及Q4與該RF放大器U1’之間的隔離。來自該等時序電路114且與該所欲RF信號同相位的CHOP信號被傳入FET驅動器402，此等驅動器可開啟及關閉該等FET Q3及Q4，讓該偵測RF信號能被傳至一電阻器R9及一電容器C3，而在此可對該信號進行濾波。一單位增益放大器U5係經供置以將該經濾波RF信號緩衝傳至次一級。在此應指出該偵測RF信號可被視為由兩個成份所組成：一者為該光源124與該光線偵測器104間之所有靜止反射的總和，另一者則為來自待予偵測之非靜止目標物體的信號。該等靜止反射通常來自於近端物體(然非必要)，而待予偵測的非靜止目標物體則通常位於遠端。因此，該偵測物體的相位可能會離於該較大型近端「串音」信號的相位而為延遲。根據一實施例，該CHOP信號係經調整為與通常較微弱的物體信號同相位。亦可運用許多替代性的截切器組態。例如，一全波截切器可按一方式傳通正RF信號而按另一方式傳通負RF信號，然後將這兩項結果合併以提高增益。另一種可行方式為該解調變器112執行尖峰採樣且持存作業，隨後為一低通濾波器。
該低通濾波器118的頻率可按該近接信號的帶寬要求所選定。可增加該低通濾波器內之衰減(Roll-off)極點的數量以減弱較高頻雜訊。此係切截頻率與雜訊位準間的取捨。
近接通道
根據實作而定，該近接通道126可用於僅偵測在該光學感測器系統102之標定範圍內一目標物體的出現，及/或該目標物體距該光學感測器系統102的相對距離。圖5說明該近接通道126的一實施例。對該近接通道126的輸入被饋送至一可變電阻器R10，其可設定該放大器U6的增益。根據實作而定，該可變電阻器R10可由該控制邏輯134及/或該處理器140及/或透過圖1所示序列介面130所控制。
一電容器C11及一電阻器R11設定該近接通道126的低通濾波器。換言之，以該電阻器R11及該電容器C11所組態的放大器U6係構成一放大低通訊濾波器。可增置一額外低通濾波器以進一步降低雜訊。該放大器U6的輸出為類比近接信號，其係所偵測之RF振幅的測度。假設所有其他條件等同，一般說來，一目標物體愈接近該光學感測器系統102，則該RF振幅即愈大。然而即如後述，此係可隨著操作範圍之改變而有所變化，即如經由調整一位移。
一或更多暫存器(即如暫存器132或其他暫存器)、一數位至類比轉換器(DAC) 502及一電阻器R2提供一種可程式化機制以供控制該放大器U6的位移，並因而控制該近接通道的位移。例如根據實作而定，這些元件可由該控制邏輯134及/或該處理器140及/或透過圖1所示序列介面130來控制，以控制該放大器U6的位移。藉由提供增益及位移的彈性即能針對特定應用項目來裁製該近接的操作範圍。在圖5中，兩個比較器U7及U8係以固定或可程式化電壓V1及V2饋送以供設定門檻值，且藉此進行對該近接信號是高位或低位以表示近端近接或遠端近接的數位決策。可視需要使用或多或少的比較器。此外，可將該類比近接輸出饋送至該A/D轉換器136並由該處理器140讀回，或令其可直接在一腳釘上獲用以供進一步類比處理。
動作通道
圖6說明一動作通道128的實施例。對該動作通道128的輸入係經呈現予一可變或可程式化電阻器或一DAC之電阻器R13，其依次會控制經施加於一放大器U9之反向(-)輸入的電流。以一電阻器R14及一電容器C14所組態的放大器U9構成一放大低通訊濾波器。該放大器U9的輸出被施加於一比較器U10，其在此係產生一邏輯上/下信號俾呈現予一上/下計數器602。該上/下計數器602亦經饋送一可變速率時脈，因而將可按該時脈所決定的一速率且依該比較器U10之輸出所控制的方向進行上行(Up)計數或下行(Down)計數。該可變速率時脈(VAR CLK)的速率可由即如該處理器140控制。如此，若該比較器U10的輸出為低，這表示該動作偵測器輸出上的負性條件，則該計數器602將上行計數，並且若該比較器U10的輸出為高，這表示一正性動作偵測信號的條件，則將會下行計數。該計數器602的輸出會被提供給一DAC 604，其將一電壓施加予一電阻器R15。當該計數器602上行計數時，該DAC 604的輸出上升而增加流至該電阻器R15的電流，如此將會向下推動該動作放大器U9的輸出。故而含有該放大器U9、該比較器U10、該上/下計數器602、該DAC 604及該電阻器R15的迴路可運作以將該放大器U9的輸出復原至VREF。此復原可依照能夠改變該VAR CLK的控制器(即如該處理器140)所欲而停止、緩慢運行或快速運行。此項回饋系統基本上是構成一能夠消除該信號裡DC成分的高通濾波器。
在一實施例裡，該VAR CLK會首先被快速運行，俾將該放大器U9的輸出降下至VREF。然後會減慢至一相當低的速率，因而能夠抵消掉該偵測信號內的任何漂移。該偵測信號內的任何快速變化將造成該U9的輸出揚升或落降，如此將會觸發其他比較器U11或U12的其中一者，而該等亦經提供以相對應的門檻值電壓V3及V4。按此方式，若一物體正在趨近，則該比較器U11將輸出一正性信號，並且若一物體正在移行，則該比較器U12將輸出一正性信號。該類比動作輸出亦可被饋送至該A/D轉換器136。
該近接通道126與該動作通道128之間的差異與增益和帶寬相關。在該近接通道126裡，該增益在正常情況下為低，故而能夠獲得寬廣的位置範圍而無需改變增益。該帶寬可為較高，理由是增益較低。而另一方面，該動作通道128係欲以擁有最大增益及低帶寬，因此可依最遠距離來進行動作偵測。由於增益為高，故而應有一便捷方式以供消除該偵測信號之絕對大小上的漂移，並亦有一種方式以利若該偵測信號的大小出現突發性的劇烈變化則能夠進行快速復原。此即為該VAR CLK的切入點，該者基本上會自動進行該控制器須另予處理者。
周圍通道
圖7含有一部份圖2所示的相同電路，並係用以根據本發明一實施例說明該周圍通道108的一實作。
該Q1 DAC 702及該電晶體Q2可為來自該前端級106的低頻回饋元件。在此，Q1可藉由令Q1為複數個電晶體而作為一DAC(稱為Q1 DAC 702)，其等係經組態以使能並聯一選定數量的電晶體而供控制Q1的寬度。然後，假設Q2的寬度固定，行經Q2的電流可為行經Q1的電流乘以W2/W1，其中W2為Q2的寬度且W1為Q1的選定寬度。根據一實施例，該等複數個電晶體Q1可為依二進位寬度所構成，因此可藉由二進位數值直接選擇Q1的總寬度。可利用一切換網路(未予圖示)以供選定各種Q1寬度。可透過該序列介面130及/或該處理器140以程式化一暫存器704(可為該等暫存器132中一者)以控制此一切換網路。
在此Q1可經組態如一DAC而非單一電晶體，讓其能調整大小以將所求的周圍電流傳至該光線偵測器104(即如光二極體)。例如在直接陽光照射下，一1mm平方的光二極體可提供達600uA的電源。然在黑暗裡該周圍電流可忽略不計。藉由改變該電晶體Q1相對該電晶體Q2的導電性，該Q1 DAC 702可充當該偵測周圍信號上的範圍調整。這對在周圍黑暗下該Q1 DAC 702的導電性為最小化時，該前端信號對雜訊比(SNR)方面具有優點。以一電阻器R13及一電容器C13所組態的放大器U13可構成一放大低通濾波器。藉由具有該範圍調整之DAC 702，自該電晶體Q2傳入該電阻器R13及該電容器C13的信號在大小上可被令為相對固定而不論該周圍振幅如何。該偵測ALS可被饋送至該A/D轉換器136以形成該偵測ALS的細微解析。總ALS振幅可依如該Q1 DAC增益及該ALS A/D振幅的乘積所算得。
因為Q1和Q2具有相同的閘極和源極電壓，因此Q1和Q2的電流係與Q1和Q2的大小(即如寬度)成正比，如此可讓這些電晶體能夠運作如一增益級。而由於Q1的寬度為可變，所以Q1和Q2亦可共集地稱為可變增益級。
在圖7實施例裡，該周圍通道的輸出係以一類比輸出顯示。可利用一或更多比較器以產生數位輸出或運用一A/D轉換器(即如136)以產生數位輸出。替代性實施例亦為可行。
增益調整
存在有許多可行方式以對該光學感測器系統102進行增益調整，該等各者可經調適以利達成一特定所欲操作。即如後文所述，該前端106的RF增益可為固定。然對於該前端106而言，若欲適當運作則應最好將該Q1 DAC 702設定於一適當位準處，以對周圍光線進行RF光線濾波。藉由透過該A/D轉換器136來觀察該偵測ALS的振幅，可對該Q1 DAC 702的增益進行調整(即如藉由該處理器140)。在一實施例裡，若該偵測ALS的振幅低於完整比例的約1/8，則可藉由減少Q1的大小(即如寬度)以提高該Q1 DAC 702的增益；並且若該偵測ALS的振幅高於完整比例的約1/4，則可藉由增加Q1的大小(即如寬度)以降低該Q1 DAC 702的增益。這可供該偵測周圍光線信號能夠在顯著擾動下仍可被該Q1 DAC 702所吸收的空間。
在名目上，若該前端106的第一增益級具有一適於處處該最大RF信號振幅的固定增益則可為有利。此最大振幅將出現在一物體將大量光線自該光源124反射至該光線偵測器104時。此一情況會出現在若將一映鏡放置在靠近該光源124及該光線偵測器104處，因而該光源124看似宛如直接相對且接近該光線偵測器104。若該光源(即如LED)是按50mW峰對峰發光且影像分離為2cm，同時該LED在一半強度處其展開角度為+/-30度，則光電流為即如約240uA峰對峰(pk-pk)。在此，該前端106的電阻器R1可減少至約4K，藉以保持該偵測RF信號於1V pk-pk。當在一遠處位置偵測時，此4K電阻值是在低側。然而，在此情況下可能會減少該光源信號的振幅，如此可另獲降低耗電量的益處。所以，根據一實施例，R1的數值可保持為固定(即如為200K)，這可將光源功率減少至1mW而無須切換該電阻器R1的數值。故而第一調整項目可為對該光源124(即如LED或其他(多個)發光構件)之驅動電流的振幅。
為知曉如何調整該光源驅動電流，可考量來自該等附加RF級的偵測RF信號大小。此係可自該近接通道126隨即獲用。在此，該近接通道126的位移可藉由將VREF自該位移調整DAC 502施加予該電阻器R12而留下未變。然後，可藉由經設定於1X或2X處之近接增益來註記該近接信號的大小。若該近接信號過大，則首先可降低該附加RF級110的增益。而若當該附加RF級110的增益為一單位時該近接信號依舊過大，則減少該光源驅動電流，如此可節省電力。
另一方面有可能在開機時該近接信號的大小為過小。此時，該程序可首先提高該附加RF級110的增益，且若仍為不足，則增加流至該光源124的驅動電流。其最終可為最大化，因為可觸抵最大RF增益和最大光源驅動電流。
該動作偵測器通道128的增益可按下列方式所設定。可對可變時脈(VAR CLK)進行調整，因此能夠將該動作偵測器通道128之輸出處的底限電壓保持為接地(亦即零)，而具有約為1Hz的帶寬。然後可提高該動作偵測器通道128的增益，直到該等入方/出方比較器U11及U12開始偵測信號、或該增益既經為最大化為止。若該等入方/出方比較器U11及U12此時既已偵測雜訊，則可將該動作偵測器通道128的增益減少約。之後，可對該VAR CLK進行調整，因而能夠消去漂移且偵測動作。就光源在相當寬廣角度上投射光線的情況下，該動作偵測器通道128的本質為任何超越過某一距離的動作將不會呈現出偵測足夠大的信號，藉以將動作偵測限制在某一半徑內。
該動作偵測器增益可自動完成係所欲，即使在該偵測領域內出現一些動作時亦然。若未出現動作，則前述程序確能運作。在該系統知曉動作正發生的情況下，該動作偵測器通道128的增益可尋求總是將該增益調整為一標稱雜訊位準。就平均而言即可有一上/下計數器以將該動作信號保持在VREF處，亦可有一上/計數器及一GAIN DAC將該動作輸出雜訊位準保持在低於平均標稱之偵測位準的一標稱位準處。若該增益未凍結，則該動作偵測器通道128成為相對動作偵測器，這主要可供偵測較大的動作情況。
次一調整為調整該近接通道126的增益及位移。先前既已解釋可調整該附加RF增益級110的增益以將該近接通道126的大小設定於一可用範圍內。然而，此一範圍可能並非如所欲者般敏感。所冀求者為該近接通道126的增益及位移係使該等近端及遠端比較器U7和U8可出現在距VREF約+/-0.5V的位準處、或該ADC 136的範圍是在從完整比例之1/4處的可用最小值至該完整比例之3/4處的可用最大值。獲得此增益及位移調整的一方式是藉由利用該使用者與該系統間的互動。以低增益開始，一使用者可在近端與遠端位置之間移動一物體(或其本人)且自該ADC 136取得讀數。從這些讀數即可算出該增益及位移調整結果。然而，由於此方法需要使用者介入而可能並非所樂見。
給定該動作通道128的增益可自動調整以偵測高於雜訊底限的動作，若能自動輔助於自動調整該近接通道126的增益和位移而無需使用者介入則可為有用。該動作通道128可當在範圍內時偵測目標的動作。然而，若該目標物體位於範圍外或是靜止時則無法進行偵測。因此，該動作通道128所提供的唯一有用資訊為，若偵測動作，則該目標是在範圍之內，並且該近接信號大於反射的DC成分。為便於討論，假設當該目標位在範圍外時該近接通道126的理想輸出為零。若該附加位移為零，該近接通道126將因該固定反射而具有正性輸出。為獲致該理想條件，有必要增加該附加位移，如此當已知出現時(當由該動作通道128偵測動作時)，該目標可降低該近接通道126的輸出而趨向零。若該附加位移過大，則該近接通道126的輸出將成為負性。如此，該近接位移的控制器(即如處理器140)可利用一演算法，其中若偵測動作並且該近接輸出為正性則增加該近接位移，且若該近接輸出為負性而無論動作如何，則減少該近接位移。最終，該控制器將發現正確的位移。總結而言，該動作感測及近接感測的組合可提供自動增益及物移調整，使得能夠偵測一物體而使用者無須在校調程序中進行介入。一些其他控制器的處理器140可執行此一自動校調程序。後文中將對其進一步詳細解釋。
根據一實施例，該動作通道128的增益被設定為大於該近接通道126的增益，因此該動作通道128所能偵測一物體之動作的最大距離係大於該近接通道126所能偵測出現該物體的最大距離。這是因為該動作通道128係經AC耦接並且具有一僅受限於該系統之熱雜訊的增益，低達該信號的數微微(Pico)安培。然而，該近接通道126由於係經DC耦接，因此需要處置整個所收到的RF振幅，其通常會是在數百奈(Nano)安培的範圍內。
在一常見光學設計裡，所傳送RF光線可容允在即如45度的寬廣範圍上展開。在此組態中，一待予偵測的物體可將回饋信號提供予該光線偵測器104，而當該待予偵測物體觸抵約1-2公尺的距離時，此信號即變成低於該前端106的微微安培之雜訊限制。因而在此組態中，該動作通道128可偵測在約1-2公尺範圍內的動作；不過，該近接通道126可能仍自附近的靜止物體(包含其內封置有該光線偵測器104的設備)收到一大型靜態信號。一個在前述光學系統裡可能具有重要性的問題為：該待予偵測的物體是否位在該偵測範圍內。該動作通道128可回應此一問題-若該偵測物體像是移動作以改變所反射信號振幅。然而，假使該偵測物體是非常緩慢移動進入或離開該範圍，則只有該經DC耦接近接通道126(理論上)才能夠作出此一決定。潛在問題為該近接通道126只有在該偵測門檻值被設定為高於該背景數百奈安培之數微微安培方才能作出此一「範圍內」決定。為作出此項決定，應自該低通振幅信號中減去一位移而後隨一大型增益。此即為該動作通道128能夠輔助該近接通道126之處。當偵測到動作時，可調整對該近接通道126的位移藉以產生一為零的最終近接信號。因而，在該近接位移調整後可提高該近接通道126的增益。此僅為該近接通道126的一種可行使用方式。該近接通道126的另一種可行使用方式為運用於近端物體偵測，其中該者仍可用於決定該近接位移調整，然該近接通道126的增益維持在低位，因而能夠測量並偵測大型的物體信號。
光學感測器系統的示範性使用方式
圖8為根據本發明一實施例中含有一光學感測器系統102之大型系統的高階方塊圖。本發明實施例的光學感測器系統可應用於各種大型系統，包含行動電話、手持式裝置、電腦系統及/或其部分(即如電腦顯示監視器)，然不限於此。
現參照圖8的系統800，例如該光學感測器系統102可用以控制是否啟動或關閉一子系統806(即如顯示螢幕、觸控螢幕、背光、虛擬滾輪、虛擬鍵盤、巡覽板等等)、及/或該子系統的亮度。例如，該光學感測器系統102的動作通道128及/或近接通道126可在像是某人員的手指之一物體趨近時進行偵測且基於該偵測結果而啟動(或是關閉)該子系統806。此外，該周圍通道108可用以在適當情況下調整該子系統806的亮度。例如，可將該光學感測器系統102的一或更多輸出提供給一比較器及/或處理器804，其可即如將該光學感測器系統102的(多個)輸出比較於一或更多門檻值，藉以決定該物體是否位在其中應致能(或解能，根據所欲者而定)該子系統806的一範圍內。可使用多個門檻值且可依照一物體的偵測近接出現一種以上的可能回應。例如，若一物體位於一第一近接範圍內，則可出現一第一回應，而且若該物體位於一第二近接範圍內，則可出現一第二回應。亦可將該比較器及/或處理器804或其部分的功能性納入該光學感測器系統102內。
前揭說明係為描述本發明較佳實施例。該等實施例既已為敘述和說明之目的而提供，然非欲以將本發明窮列或侷限於所揭示的精確形式。熟諳本項技藝之人士將即能顯知眾多修改和變化項目。實施例係經選擇且描述以最佳地說明本發明原理及其實際應用，藉以利於其他熟諳本項技藝之人士能夠瞭解本發明。
102．．．光學感測器系統
104．．．光線偵測器
106．．．前端
108．．．周圍通道
110．．．RF增益和濾波電路
112．．．解調變器
114．．．時序電路
116．．．振盪器
118．．．低通濾波器
120．．．光源驅動器
124．．．光源
126．．．近接通道
128．．．動作通道
130．．．序列介面
132．．．暫存器
134．．．控制邏輯
136．．．類比至數位(A/D)轉換器
140．．．處理器
202．．．選擇性IR濾波器
402．．．FET驅動器
502．．．數位至類比(D/A)轉換器
602．．．上/下計數器
604．．．數位至類比(D/A)轉換器
702．．．Q1 DAC
704．．．暫存器
800．．．系統
804．．．處理器及/或比較器
806．．．子系統
C2,C2’,C3,C11,C13,C14．．．電容器
Q1,Q2,Q1’,Q3,Q4．．．電晶體
R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7,R8,R9,R10,R11,R12,R14,R15．．．暫存器(其中至少一些為可程式化)
U1,U2,U1’,U2’,U5,U6,U9,U10,U13．．．放大器
U7,U8,U11,U12．．．經組態為比較器的放大器
圖1係根據本發明之一實施例中一光學感測器系統的方塊圖。
圖2係根據本發明之一實施例中圖1光學感測器系統之前端的電路圖。
圖3係根據本發明之一實施例中圖1光學感測器系統之RF增益及濾波電路的電路圖。
圖4係根據本發明之一實施例中圖1光學感測器系統之解調變器和低通濾波器的電路圖。
圖5係根據本發明之一實施例中圖1光學感測器系統之近接通道的電路圖。
圖6係根據本發明之一實施例中圖1光學感測器系統之動作通道的電路圖。
圖7係根據本發明之一實施例中用以描述圖1光學感測器系統之周圍通道的電路圖。
圖8係含有一根據本發明之一實施例的光學感測器系統之大型系統的高階方塊圖。
102．．．光學感測器系統
104．．．光線偵測器
106．．．前端
108．．．周圍通道
110．．．RF增益和濾波電路
112．．．解調變器
114．．．時序電路
116．．．振盪器
118．．．低通濾波器
120．．．光源驅動器
124．．．光源
126．．．近接通道
128．．．動作通道
130．．．序列介面
132．．．暫存器
134．．．控制邏輯
136．．．類比至數位(A/D)轉換器
140．．．處理器

Claims (20)

  1. 一種經組態以用於周圍光線偵測、近接偵測及動作偵測的系統，該系統包含：一前端，其係經組態為：接收利用一光線偵測器所產生的一偵測光線信號，其中該偵測光線信號表示由一光源所產生的偵測周圍光線及偵測射頻(RF)光線兩者；輸出一偵測周圍光線信號，其主要表示該偵測光線信號中表示該偵測周圍光線的部分；且輸出一偵測RF光線信號，其主要表示該偵測光線信號中表示該偵測RF光線的部分；一周圍通道，其係經組態為依據該偵測周圍光線信號來產生一或更多周圍輸出信號以表示該偵測周圍光線；一近接通道，其係經組態為依據該偵測RF光線信號來產生一或更多近接輸出信號以表示一物體相對該系統的近接程度；以及一動作通道，其係經組態為依據該偵測RF光線信號來產生一或更多動作輸出信號以表示一物體相對於該系統之動作。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該偵測RF光線肇因於反射離於一或更多靜止物體的光線以及反射離於一或更多移動物體的光線。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之系統，進一步包含：一電路，其係經組態以放大及濾波該偵測RF光線信號，並且輸出一經放大及濾波之RF光線信號以被提供予該近接通道及該動作通道兩者。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之系統，其中經組態以放大及濾波該偵測RF光線信號的電路包含：增益電路，其係經組態以自該前端接收該偵測RF信號，並且放大該偵測RF光線信號；一解調變器，其係經組態以接收由該增益電路所輸出的信號，並且輸出具有與該經放大RF光線信號之RF振幅成正比的低頻內容而且包含高頻項次的一信號；以及一低通濾波器，其係經組態以接收由該解調變器所輸出的信號，並且輸出用以表示該經放大RF光線信號之低頻內容而高頻假影既經濾除的一信號；其中該近接通道及該動作通道各者接收由該低通濾波器所輸出的信號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之系統，進一步包含：一驅動器，其係經組態以驅動該光源；以及一或更多時序電路，其係經組態以控制該解調變器和該驅動器的時序。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之系統，其中該一或更多時序電路驅動該光源，使得該光源產生具有至少1MHz之一頻率的一脈衝化光線信號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之系統，其中該動作通道的一增益係經設定為大於該近接通道的增益。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中該動作通道的增益係經設定如雜訊般高而允許以於一最大距離處偵測目標動作。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該近接通道的位移及增益係基於該動作通道所偵測的一動作而調整。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之系統，進一步包含：一控制器，其係經組態以基於該動作通道所偵測的動作來控制該近接通道的位移及增益；其中該控制器係利用控制邏輯、一處理器及/或一序列介面所實作。
  11. 一種經組態以用於近接偵測及動作偵測的系統，該系統包含：一前端，其係經組態為：接收利用一光線偵測器所產生的一偵測光線信號，其中該偵測光線信號表示由一光源所產生的偵測周圍光線及偵測射頻(RF)光線兩者；且輸出一偵測RF光線信號，其主要表示該偵測光線信號中表示該偵測RF光線的部分；一近接通道，其係經組態為依據該偵測RF光線信號或其一經放大及/或經濾波版本來產生一或更多近接輸出信號以表示一物體相對該系統之近接程度；以及一動作通道，其係經組態為依據該偵測RF光線信號或其一經放大及/或經濾波版本來產生一或更多動作輸出信號以表示一物體相對該系統之動作。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之系統，其中該動作通道的一增益係經設定為大於該近接通道的增益。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之系統，其中該動作通道的增益係經設定如雜訊般高而允許以於一最大距離處偵測目標動作。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之系統，其中該近接通道的位移及增益係基於該動作通道所偵測的動作而調整。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之系統，進一步包含：一控制器，其係經組態以基於該動作通道所偵測的動作來控制該近接通道的位移及增益；其中該控制器係利用控制邏輯、一處理器及/或一序列介面所實作。
  16. 一種用於周圍光線偵測、近接偵測及動作偵測的方法，該方法包含：(a)接收利用一光線偵測器所產生的一偵測光線信號，其中該偵測光線信號表示由一光源所產生的偵測周圍光線及偵測射頻(RF)光線兩者；(b)基於所接收的偵測光線信號產生一偵測周圍光線信號及一偵測RF光線信號，其中該偵測周圍光線信號主要表示該偵測光線信號中表示該偵測周圍光線的部分，以及其中該偵測RF光線信號主要表示該偵測光線信號中表示該偵測RF光線的部分；(c)將該偵測RF光線信號或其一經放大及/或經濾波版本提供予一近接通道及一動作通道兩者；(d)利用該近接通道以基於該偵測RF光線信號或其一經放大及/或經濾波版本來產生用以表示一物體相對該系統之近接程度的一近接輸出信號；以及(e)利用該動作通道以基於該偵測RF光線信號或其一經放大及/或經濾波版本來產生用以表示一物體相對該系統之動作的一或更多動作輸出信號。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該偵測RF光線具有高於該偵測周圍光線的一頻率。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中該偵測RF光線信號係經同步偵測。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之方法，進一步包含基於由該動作通道所偵測的動作以調整該近接通道的位移及增益。
  20. 如申請專利範圍第16項所述之方法，其中：步驟(d)包含基於該偵測RF光線信號或其一經放大及/或經濾波版本，利用該近接通道以產生用以表示一物體相對該系統之近接程度的近接輸出信號；以及步驟(e)包含基於該偵測RF光線信號或其一經放大及/或經濾波版本，利用該動作通道以產生用以表示一物體相對該系統之動作的一或更多動作輸出信號。
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