TWI734649B - 近接感測裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種近接感測裝置，包含環境光校正數位類比轉換器以及串擾校正數位類比轉換器等，針對環境光的干擾及不同情境反射的串擾，快速產生校正參數，即時修正感測信號，避免或降低電子裝置誤判的情況。

Description

近接感測裝置
本發明涉及一種近接感測裝置，特別涉及一種能夠消除環境光及玻璃表面油脂或貼模串擾(crosstalk)的近接感測裝置。
智慧型電子裝置通常能夠感測環境光變化或使用者的行為，進而回饋相對應的程序，例如手機可感應環境光的亮度而調整螢幕亮度，或者感測手機貼近耳朵而關閉螢幕，又如無線耳機入耳時啟動音訊，從耳朵卸下時關閉通信以節省功耗。
近接感測裝置常用來感測裝置環境光變化以及物體接近裝置的情況。近接感測裝置基本上具有發光二極體(例如Light emitting diode, LED)、光感測器(例如Photodiode, PD)以及微控制器(Micro control unit, MCU)。當物體接近時，發光二極體發出檢測光，經物體反射後被光感測器接收轉換成電訊號，經微控制器計算以測量物體與裝置的距離。
在此過程中，近接感測裝置除了接收待測物反射的光線外，還會接收環境光(ambient light) 以及由外部殼體玻璃或汙垢等非待測物反射的光線，形成串擾(crosstalk)，影響感測器的量測結果的準確性。近接感測裝置上的玻璃，在近接感測裝置封裝前須校正而將其濾除即可，環境光、玻璃蓋上的保護膜以及污漬反射的串擾，僅能在使用者啟動電子裝置時消除。
目前已有多數消除非待測物反射的光線串擾的方式，但皆未針對自然光或照明等非反射的光線進行消除，因應新世代電子產品中距離感測器的準確性及反應時間要求，提供準確及快速校正的技術方案為目前須解決的課題。
為了解決上述問題，本發明提供了一種近接感測裝置，包含： 一控制模組； 一發光模組，包含一發光元件以及一驅動器，該驅動器耦接該發光元件以及該控制模組，該驅動器受該控制模組，驅動該發光元件發出一檢測光； 一光接收模組，接收一外部光並產生的一光感測訊號； 一類比前端模組(AFE)，透過一一號切換單元(SW1)耦接該光接收模組，用以接收該光感測訊號，並輸出一類比訊號； 一類比數位轉換器(ADC)，透過一五號切換單元(SW5)耦接至該類比前端模組，用以接收該類比訊號，以及輸出一操作訊號至一控制模組； 一同步序向類比數位轉換器(one cycle clock base ADC)，透過一六號切換單元(SW6)耦接至該類比前端模組與該控制模組，用以接收該類比訊號，並輸出一校正訊號至該控制模組；以及 一環境光校正數位類比轉換器(DAC)，耦接至該控制模組，以及透過一二號切換單元(SW2)耦接至該光接收模組，用以輸出一環境光校正訊號至該光接收模組，其中 該控制模組控制該一號切換單元、該五號切換單元、該六號切換單元以及該二號切換單元形成開路或閉路，該一號切換單元與該五號切換單元形成閉路時，形成一操作模式，該一號切換單元與該六號切換單元形成閉路時，形成一校正模式。
本發明使使用一串擾校正數位類比轉換器對串擾訊號進行粗校正(coarse tune)及精校正(fine tune)。
本發明更包含一第一串擾校正數位類比轉換器及一第二串擾校正數位類比轉換器分別作為串擾訊號的粗校正(coarse tune)及精校正(fine tune)。
以下各實施例配合圖式，用以說明本發明之精神，讓本技術領域之人士能清楚理解本發明之技術，但非用以限制本發明的範圍，本發明之專利權範圍應由請求項界定。特別強調，圖式僅為示意之用，並非代表元件實際之尺寸或數量，部份細節可能也不完全繪出，以求圖式之簡潔。
電子裝置啟動時，先進入校正模式(calibration mode)，再進入操作模式。本發明提供的近接感測裝置通常應用於智慧型手機、平板電腦或無線耳機等需要有近物感測功能的電子裝置。提供以下四類的干擾源，提供校正的邏輯電子迴路(calibration logic circuit)：
(1) 近接感測裝置上蓋玻璃反射所衍生的串擾，通常在其出廠前，進行校正(粗校正)，消除串擾。
(2) 電子裝置螢幕上的保護膜的反射所生串擾，通常在貼膜或換模時， 重新啟動電子裝置時，以自動或手動，進行粗校正，消除串擾。
(3) 殘留上蓋玻璃的油漬反射所衍生的串擾，隨使用情況不同，需動態進行校正以消除油汙反射的光線串擾。
(4) 環境光的干擾，電子裝置暴露在自然光或照明下，穿過保護膜即上蓋玻璃，被光二極體吸收，影響感測器而發生感測錯誤或無法感測的情況，在使用環境光線變化時，即需要重新校正。
上述(1)及(2)的串擾信號通常不隨使用而改變，校正頻率低，採用粗校正(coarse calibration)消除對應串擾訊號，利用同步序向類比數位轉換器 (one cycle clock base ADC)，可在一個時脈週期內消除串擾；相對的，(3) 及(4) 隨環境變化快，校正頻率高，採用精微校正(fine calibration)，逐步消除此類型干擾。本發明可消除上述(1)-(4)的干擾，特別是在不影響系統操作下，快速消除(3)及(4)的干擾。
本發明提供串擾粗消除迴路(circuit of coarse crosstalk cancellation)，用消除玻璃蓋板以及保護膜的串擾信號飄移(signal offset)，串擾微消除迴路(circuit of fine crosstalk cancellation)，用來消除污漬的串擾信號飄移，以及環境光消除迴路(circuit of ambient light cancellation)，用來消除環境光干擾信號飄移。要特別說明，利用控制器控制不同迴路的啟閉，進而達到消除串擾或干擾的功能。
本發明採用同步序向類比數位轉換器，其可加快轉換效率。一般類比轉數位是一週期轉換一位元狀態的數位信號，輸出電壓做為下一週期輸入電壓的比較電壓，若輸入電壓高於比較電壓，對應於該週期的輸出位元狀態為”1”,若輸入電壓低於比較電壓，則輸出位元狀態”0”，如此經多週期後將類比電路轉換為多位元的數位信號。同步序向類比數位轉換器則在一周期內完成類比數位轉換，常見N位元(N-bit)的同步序向類比數位轉換器如圖1所示。本發明之一實施例採用4位元的同步序向類比數位轉換器，在一般類比數位轉換器需經過四週期轉換，採用同步序向類比數位轉換器僅需要一週期。
請參考圖1，簡單說明同步序向類比數位轉換器之原理。參考電壓(V ref)串接一串連電阻，每一電阻節點的分壓與輸入電壓(V in)比較，因串聯電阻節點之分壓，離參考電壓源越遠，節點的分壓隨之降低，不同節點的分壓如高於輸入電壓(V in)則輸出位元狀態”1”，分壓低於輸入電壓(V in)輸出位元狀態”0”，因而可同步(one cycle)方式將類比信號轉換為數位電壓。
請參閱圖2，為本發明近接感測裝置的電路配置圖。
本發明的近接感測裝置10的主要電路設計包含：控制模組、驅動器104、發光元件105、光接收模組106、濾光片107、環境光校正數位類比轉換器108、第一串擾校正數位類比轉換器109、第二串擾校正數位類比轉換器110、類比前端模組111 (Analog front end, AFE)、同步序向類比數位轉換器112 (one cycle clock base ADC)以及類比數位轉換器113 (ADC)。控制模組包含微控制器101、數位訊號處理器102及時序控制器103。
光接收模組106，其周圍可選擇設置濾光片107，而能夠接收不同顏色的光，濾除不同顏色的光串擾或干擾。光接收模組106透過一號切換單元SW1與類比前端模組111(analog front end, AFE)連接。
在一實施例中，類比前端模組111包含積分器以及訊號放大器(圖未示)。類比前端模組111對應於感測光可輸出感測信號。分別透過六號切換單元SW6連接同步序向類比數位轉換器112，以及五號切換單元SW5連接類比數位轉換器113。
一號切換單元SW1以及六號切換單元SW6為閉路，五號切換單元SW5為開路，形成校正模式。此模式，同步序向類比數位轉換器112與微控制器101導通，將感測信號轉換為校正信號。同步序向類比數位轉換器112在一個週期內，即可產生校正信號，加快了校正模式的運作。
一號切換單元SW1以及五號切換單元SW5為閉路，六號切換單元SW6為開路，形成操作模式。此模式，類比數位轉換器113與微控制器101導通，透過校正參數，能夠從感測信號中濾除串擾及干擾。
微控制器101具有判斷記錄校正電路單元，能夠判斷校正是否完成，產生切換成操作模式的訊號，以及記錄校正模式所產生的校正參數。微控制器101透過數位訊號處理器102產生一時脈控制信號，傳輸給時序控制器103。
時序控制器103依據時脈控制信號，控制所有切換單元SW1、SW2、SW3、SW4、SW5、SW6以及驅動器104形成閉路或開路。
環境光校正數位類比轉換器108用來產生環境光校正信號，透過二號切換單元SW2連接光接收模組106，將環境光校正信號傳輸給光接收模組106。
第一串擾校正數位類比轉換器109用來產生串擾粗校正信號(例如蓋板30及保護膜所生的串擾信號)，透過三號切換單元SW3連接光接收模組106，將粗校正信號傳輸給光接收模組106。
第二串擾校正數位類比轉換器110用來產生串擾精校正信號(例如蓋板30上油漬所生串擾)，透過四號切換單元SW4連接光接收模組106，將精校正信號傳輸給光接收模組106。
發光元件105可為發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)或紅外光(IR)等微型發光元件。發光元件105發出的檢測光50，當外部待測物20越接近時，對應的待測物反射光51越強，串擾或干擾不隨著待測物20的距離而有明顯的變化。
在操作模式(switching to the operation mode)下，一號切換單元SW1以及五號切換單元SW5為閉路，六號切換單元SW6為開路。光接收模組106接收感測光，其包含外部待測物反射光51、蓋板反射光52、保護膜及污漬的反射光以及環境光40 (如陽光)等，將訊號傳送到類比前端模組111，經類比數位轉換器113，傳送給微控制器101，經校正訊號消除串擾訊號，留下待測物反射光51的訊號，透過數位訊號處理器102傳送給電子裝置。其中待測物反射光51的校正訊號是利用校正模式所產生的。
在校正模式(switching to the calibration mode)下，一號切換單元SW1以及六號切換單元SW6為閉路，SW5為開路。光接收模組106接收感測光，將信號傳送到類比前端模組111，經同步序向類比數位轉換器112，傳送給微控制器101。
需要特別說明的是，透過二號切換單元SW2、三號切換單元SW3或/及第四切換單元SW4，可得到不同來源的校正信號。
如要得到環境光校正信號，可將驅動器104關閉，避免串擾信號，二號切換單元SW2閉路，以及三號切換單元SW3及第四切換單元SW4開路。環境光校正數位類比轉換器108輸出環境光校正訊號V ambient_DAC至光接收模組106，經同步序向類比數位轉換器112轉換成環境光校正信號，傳輸給微控制器101。
如要得到串擾粗校正信號，將驅動器104開啟，三號切換單元SW3閉路，二號切換單元SW2閉路。第一串擾校正數位類比轉換器109輸出第一串擾校正訊號V ICT_DAC1至光接收模組106，經同步序向類比數位轉換器112轉換成串擾粗校正信號，傳輸給微控制器101。
如要得到串擾精校正信號，將驅動器104開啟，四號切換單元SW4閉路，二號切換單元SW2閉路。第二串擾校正數位類比轉換器110輸出第二串擾校正訊號V ICT_DAC2至光接收模組106，經同步序向類比數位轉換器112轉換成串擾精校正信號，傳輸給微控制器101。
控制二號切換單元SW2、三號切換單元SW3、四號切換單元SW4以及驅動器104，即可得到環境光校正信號、串擾粗校正信號以及串擾精校正信號，經過微控制器101處理並儲存成校正參數。
明顯的，第一串擾校正數位類比轉換器109及第二串擾校正數位類比轉換器110都是處理反射所生串擾，電路亦可整合成單一串擾串擾校正數位類比轉換器，再透過控制器啟動不同的校正。例如玻璃上蓋封裝前，或保護膜更換後，調整為串擾粗校正信號，對於污漬等情況，調整為串擾精校正信號。
以下結合時序圖(半週期開啟，半週期關閉，或50% duty PWM)，詳細說明不同校正參數的產生方法。
請參考圖3說明環境光校正參數的產生方式。環境光校正階段，發光元件105關閉，光接收模組106僅接收環境光。一號切換單元SW1隨時脈周期而形成閉路及開路，二號切換單元SW2在第一周期開路，第二周期後與一號切換單元SW1同步，隨時脈周期而形成閉路及開路。
第一週期二號切換單元SW2開路，環境光校正訊號V ambient_DAC不會耦合至同步序向類比數位轉換器112，環境光建立類比數位轉換器112的輸出訊號強度V ADC的上限(upper bound)及下限(lower bound)，即初始化感測範圍。
第二周期後，一號切換單元SW1與二號切換單元SW2同步，在週期的工作期間，環境光校正訊號V ambient_DAC耦合至同步序向類比數位轉換器112，逐步建立環境光校正訊號V ambient_DAC至穩定植，而能夠逐步從類比數位轉換器112的輸出訊號強度V ADC中濾除，經數周期，可濾除或降低到訊號V ADC強度的下限，產生環境光校正訊號，並產生環境光校正參數。
請參考圖4說明串擾粗校正參數以及串擾精校正參數的產生方式。串擾校正階段，發光元件105隨時脈開啟或關閉(亮暗閃爍的脈衝光)，光接收模組106接收環境光之干擾以及發光元件在玻璃上蓋、保護膜及/或油漬的反射光之串擾。
說明串擾校正信號的產生方式。本實施例，使用第一串擾校正數位類比轉換器109產生串擾粗校正信號，以及使用第二串擾校正數位類比轉換器110產生串擾精校正信號。
串擾粗校正參數產生階段，一號切換單元SW1隨時脈而形成閉路及開路，三號切換單元SW3與一號切換單元SW1同步，隨時脈形成閉路及開路。串擾精校正參數產生階段，四號切換單元SW4與一號切換單元SW1同步，隨時脈形成閉路及開路。
本實施例，第一及第二周期，三號切換單元SW3與一號切換單元SW1同步，隨時脈形成閉路及開路，四號切換單元SW4形成開路，先產生串擾粗校正參數，第三周期後，四號切換單元SW4與一號切換單元SW1同步，隨時脈形成閉路及開路，經數個週期，產生串擾精校正參數。
第一週期，同步序向類比數位轉換器112設定初始感測範圍，即建立輸出訊號強度V ADC的上限(upper bound)及下限(lower bound)。在此期間內，環境光干擾信號、發光模組的反射串擾信號以及第一串擾校正數位類比轉換器109所輸出的第一串擾校正訊號V ICT_DAC1同時耦合至同步序向類比數位轉換器112。
第二周期，從輸出訊號V ADC濾除該第一串擾校正訊號V ICT_DAC1，產生串擾粗校正參數。
第三週期，第二串擾校正數位類比轉換器110逐步調整串擾精校正訊號V ICT_DAC2至穩定值，串擾精校正訊號V ICT_DAC2耦合至同步序向類比數位轉換器112，而可逐步從輸出訊號強度V ADC中濾除，經數個週期後，產生串擾精校正參數。
經上述先後產生粗校正參數及精校正參數，結合成完整串擾校正參數。明顯的，粗校正與精校正可採用兩個迴路完成，如上述的實施例。另一實施例，將第一串擾校正數位類比轉換器109以及第二串擾校正數位類比轉換器110整合成單一串擾校正數位類比轉換器，整合不同週期所產生的串擾粗校正參數及串擾粗校正參數，再結合成一完整串擾校正參數。
綜上所述，本發明的近接感測裝置，利用同步序向類比數位轉換器，結合環境光校正路及串擾校正迴路，縮短產生校正參數所需時間，在不影響使用者操作習慣下，快速提供校正參數。
10:距離感測器 20:待測物 30:蓋板 40:環境光 50:檢測光 51:待測物反射光 52:蓋板反射光 101:微控制器 102:數位訊號處理器 103:時序控制器 104:驅動器 105:發光元件 106:光接收模組 107:濾光片 108:環境光校正數位類比轉換器 109:第一串擾校正數位類比轉換器 110:第二串擾校正數位類比轉換器 111:類比前端模組 112:同步序向類比數位轉換器 113:類比數位轉換器 SW1:一號切換單元 SW2:二號切換單元 SW3:三號切換單元 SW4:四號切換單元 SW5:五號切換單元 SW6:六號切換單元 V ADC:輸出訊號 V ambient_DAC:環境光校正訊號 V ICT_DAC1:第一串擾校正訊號 V ICT_DAC2:第二串擾校正訊號
圖1為一實施例之同步序向類比數位轉換器邏輯電路圖。
圖2為本發明一實施例之近接感測裝置的邏輯電路圖。
圖3為本發明於環境光校正數據訊號的時序圖之實施例。
圖4為本發明於串擾校正數據訊號的時序圖之實施例。
10:近接感測裝置
20:待測物
30:蓋板(Cover Glass)
40:環境光
50:檢測光
51:待測物反射光
52:蓋板反射光
101:微控制器
102:數位訊號處理器
103:時序控制器
104:光驅動元件
105:發光元件
106:光接收元件(Photo Diode)
107:濾光片(wafer coating)
108:環境光校正數位類比轉換器
109:第一串擾校正數位類比轉換器
110:第二串擾校正數位類比轉換器
111:類比前端模組
112:同步序向類比數位轉換器
113:類比數位轉換器
SW1:一號切換單元
SW2:二號切換單元
SW3:三號切換單元
SW4:四號切換單元
SW5:五號切換單元
SW6:六號切換單元

Claims (8)

  1. 一種近接感測裝置，包含： 一控制模組； 一發光模組，包含一發光元件以及一驅動器，該驅動器耦接該發光元件以及該控制模組，該驅動器受該控制模組，驅動該發光元件發出一檢測光； 一光接收模組，接收一外部光並產生的一光感測訊號； 一類比前端模組(AFE)，透過一一號切換單元(SW1)耦接該光接收模組，用以接收該光感測訊號，並輸出一類比訊號； 一類比數位轉換器(ADC)，透過一五號切換單元(SW5)耦接至該類比前端模組，用以接收該類比訊號，以及輸出一操作訊號至該控制模組； 一同步序向類比數位轉換器(one cycle clock base ADC)，透過一六號切換單元(SW6)耦接至該類比前端模組與該控制模組，用以接收該類比訊號，並輸出一校正訊號至該控制模組；以及 一環境光校正數位類比轉換器(DAC)，耦接至該控制模組，以及透過一二號切換單元(SW2)耦接至該光接收模組，該二號切換單元受該控制模組控制，如形成閉路時，輸出一環境光校正訊號至該光接收模組，其中 該控制模組控制該一號切換單元、該五號切換單元、該六號切換單元以及該二號切換單元形成開路或閉路， 該五號切換單元形成閉路且該六號切換單元形成開路，形成一操作模式(operation mode)，以及 該五號切換單元形成開路且該六號切換單元形成閉路，形成一校正模式(calibration mode)。
  2. 如請求項1所述之近接感測裝置，更包含一第一串擾校正數位類比轉換器(cross-talk DAC)，耦接至該控制模組，以及透過一三號切換單元(SW3)耦接至該光接收模組，該三號切換單元受該控制模組控制，形成閉路時，輸出一第一串擾校正訊號至該光接收模組。
  3. 如請求項2所述之近接感測裝置，其中該第一串擾校正數位類比轉換器，受該控制模組之控制，先產生一串擾粗校正參數，後產生一串擾精校正參數，再結合該串擾粗校正參數以及該串擾精校正參數形成一串擾校正參數。
  4. 如請求項2所述之近接感測裝置，更包含一第二串擾校正數位類比轉換器，耦合至該控制模組，以及透過一四號切換單元(SW4)耦接該光接收模組，該四號切換單元受該控制模組控制，形成閉路時，輸出一第二串擾校正訊號至該光接收模組。
  5. 如請求項4所述之近接感測裝置，其中該第一串擾校正數位類比轉換器產生一串擾粗校正參數，該第二串擾校正數位類比轉換器產生一串擾精校正參數，再結合該串擾粗校正參數以及該串擾精校正參數成一串擾校正參數。
  6. 如請求項1所述之近接感測裝置，其中該控制模組包含一微控制器、一數位訊號處理器及一時序控制器，其中 當處於校正模式，該微控制器接收該校正訊號，產生並記錄一校正參數，透過該數位訊號處理器轉換成一時脈控制信號，將該時脈控制信號傳送給該時序控制器，用以控制該近接感測裝置的切換開關以及該發光模組， 當處於操作模式，該微控制器接收該操作訊號，利用該校正參數修正該操作訊號。
  7. 如請求項1所述之近接感測裝置，其中該類比前端模組包含一積分器以及一訊號放大器。
  8. 如請求項1所述之近接感測裝置，其中該同步序向類比數位轉換器為一四位元之同步序向類比數位轉換器。
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