TWI786403B

TWI786403B - 光學接近性感測器模組及包含該模組的設備，以及減少顯示螢幕之失真的方法

Info

Publication number: TWI786403B
Application number: TW109116088A
Authority: TW
Inventors: 喬治理查凱利; 赫爾穆特泰勒; 約瑟夫凱爾貝爾納格; 惠特尼埃爾南德斯; 健劉; 克勞斯許密德格; 麥特克羅埃斯
Original assignee: 瑞士商Ａｍｓ國際有限公司
Priority date: 2020-05-14
Filing date: 2020-05-14
Publication date: 2022-12-11
Also published as: TW202142892A

Abstract

一種設備包含一顯示螢幕及經安置於該顯示螢幕後面之一光學接近性感測器模組。該光學接近性感測器模組包含：一光發射器，其可操作以產生具有一波長之光，該光透過該顯示螢幕朝向一目標物件傳輸；及一光感測器，其可操作以感測由該目標物件反射且具有該波長之光。該光學接近性感測器模組可包含用於減小由該光發射器產生之一光束之一最大能量密度的構件。用於減小該光束之該最大能量密度之該構件係安置於該光發射器與該顯示螢幕之間，以便與由該光發射器產生之該光束相交。在某些情形中，存在多個光發射器，該多個光發射器係共同地可操作以提供用於接近性感測之充分光學能量而不會在該顯示螢幕上產生一可見光點。此等及其他技術可幫助減少或消除由來自該等光發射器之能量所導致的顯示螢幕失真。

Description

光學接近性感測器模組及包含該模組的設備，以及減少顯示螢幕之失真的方法

本發明係關於光學接近性感測系統。

智慧型電話工業設計中之一最近趨勢係藉由減小邊框寬度並藉由移除用於光學感測器之孔口以及用於麥克風、揚聲器及/或指紋讀取裝置之其他孔來將剩餘邊框區域清除雜亂而最大化螢幕區域。另一方面，亦存在增加光學感測器之數目以獲得額外功能性之一趨勢。舉例而言，在某些情形中，將一光學接近性感測器整合至智慧型電話中以在使用者將智慧型電話靠近她的耳朵時促進調整顯示螢幕亮度並減少顯示器之總體能量消耗。光學接近性感測通常依賴於發射紅外線(IR)或近紅外線(NIR)光並量測自待偵測之物件往回反射之光能量。

智慧型電話市場中之另一趨勢係採用有機發光顯示器(OLED)。此趨勢為將接近性感測器自智慧型電話之邊框移動至OLED下方之一位置提供一機會。因此，將接近性感測器埋入OLED後面，此允許包含IR及NIR輻射之某些光通過。然而，IR或NIR光之能量有時導致螢幕失真(例如，OLED螢幕上之一亮光點，其可在某些條件下係可見的)，即使在螢幕顯示黑色影像時。

本發明闡述用於幫助減少或消除由來自一接近性感測器模組中之光發射器之能量導致的顯示螢幕失真之技術。

根據本發明之一態樣，提供一種光學接近性感測器模組，其包含：一光發射器，其可操作以產生具有一波長之光，該光透過該顯示螢幕朝向一目標物件傳輸；一光感測器，其可操作以感測由該目標物件反射並具有該波長之光；及用於減小由該光發射器產生之一光束之一最大能量密度之構件，其中用於減小該光束之該最大能量密度之該構件安置於該光發射器與該顯示螢幕之間，以便與由該光發射器產生之該光束相交。

根據本發明之另一態樣，提供一種經組態以安置於一設備之一顯示螢幕後面之光學接近性感測器模組，該光學接近性感測器模組包含：複數個光發射器，其可操作以產生紅外線或近紅外線光，該紅外線或近紅外線光透過該顯示螢幕朝向一目標物件傳輸；及一光感測器，其可操作以感測由該目標物件反射之紅外線或近紅外線光。該複數個光發射器共同地可操作以提供用於接近性感測之充分光學能量，該等光發射器分散用於該接近性感測之該光學能量，藉此減少該顯示螢幕之失真。

根據本發明之仍另一態樣，提供一種方法，其包括：致使位於安置於一顯示螢幕後面之一光學接近性感測器模組中之複數個VCSEL中之每一者產生紅外線或近紅外線光，該紅外線或近紅外線光透過該顯示螢幕朝向一目標物件傳輸，其中該等VCSEL中之每一者產生2.0mW或更小之一能量位準；感測由該目標物件反射之紅外線或近紅外線光；及處理對應於該所感測紅外線或近紅外線光之信號以進行接近性感測。

舉例而言，在一項態樣中，本發明闡述一種設備，該設備包含一顯示螢幕及安置於該顯示螢幕後面之一光學接近性感測器模組。該光學接近性感測器模組包含：一光發射器，其可操作以產生具有一波長之光，該光透過該顯示螢幕朝向一目標物件傳輸；及一光感測器，其可操作以感測由該目標物件反射並具有該波長之光。該光學接近性感測器模組亦包含用於減小由該光發射器產生之一光束之一最大能量密度之構件。用於減小該光束之該最大能量密度之該構件安置於該光發射器與該顯示螢幕之間，以便與由該光發射器產生之該光束相交。

某些實施方案包含以下特徵中之一或多者。舉例而言，在某些例項中，該顯示螢幕係一OLED顯示螢幕。舉例而言，用於減小該光束之該最大能量密度之該構件可包含一微透鏡、一微透鏡陣列及/或一光學漫射器。用於減小該光束之該最大能量密度之該構件可操作以致使該光束徑向傳播，以便減小入射於該OLED螢幕上之該光束之該最大能量密度。在某些實施方案中，射出用於減小該光束之該最大能量密度之該構件之一光束具有比由該光發射器發射之該光束大的一半束、半寬度。在某些例項中，該光發射器可操作以產生紅外線或近紅外線光。

根據另一態樣，本發明闡述一種設備，該設備包含一顯示螢幕及安置於該顯示螢幕後面之一光學接近性感測器模組。該光學接近性感測器模組包含：多個光發射器，其可操作以產生紅外線或近紅外線光，該紅外線或近紅外線光透過該顯示螢幕朝向一目標物件傳輸；及一光感測器，其可操作以感測由該目標物件反射之紅外線或近紅外線光。該等光發射器共同地可操作以提供用於接近性感測之充分光學能量。特定而言，該等光發射器分散用於該接近性感測之該光學能量，藉此減少該顯示螢幕之失真。

在某些例項中，該等光發射器中之每一者可操作以產生一能量密度，使得減小入射於該顯示螢幕之一背側上之光之一最大能量密度，同時維持總能量以促進接近性感測效能。舉例而言，該顯示螢幕可為一OLED顯示螢幕。

本發明亦闡述一種方法，該方法包含：致使位於安置於一顯示螢幕後面之一光學接近性感測器模組中之複數個VCSEL中之每一者產生紅外線或近紅外線光，該紅外線或近紅外線光透過該顯示螢幕朝向一目標物件傳輸。該等VCSEL中之每一者產生2.0mW之一最大能量位準，且較佳地1.5mW之一最大能量位準。該方法進一步包含：感測由該目標物件反射之紅外線或近紅外線光；及處理對應於該所感測紅外線或近紅外線光之信號以進行接近性感測。在某些實施方案中，該方法包含：將處於2mA至3mA之一範圍內之一驅動電流施加至該複數個VCSEL中之每一者。在某些情形中，此等方法可幫助消除或減少螢幕失真。

依據以下詳細說明、附圖及申請專利範圍將容易明瞭其他態樣、特徵及優點。

10:主機裝置/便攜式計算裝置

12:有機發光顯示器型顯示螢幕/其他顯示螢幕/顯示螢幕/發光二極體螢幕/有機發光顯示器螢幕

14:光學接近性感測器模組/感測器模組/接近性感測器模組/模組

16:電子控制單元

20:前玻璃

22:發射器/光發射器/垂直腔表面發射雷射光發射器

24:光感測器/光電二極體接收器/感測器

26:微透鏡/微透鏡陣列/構件

26A:圓形微透鏡

26B:六邊形微透鏡

28:光束

30:光束

32:光學元件

34:印刷電路板/其他基板

114:接近性感測器模組

d1:間距

d2:間距

圖1圖解說明包含位於一顯示螢幕後面之一光學接近性感測器模組之一主機裝置之各種特徵。

圖2圖解說明根據一第一實施方案之光學接近性感測器模組之細節。

圖3A圖解說明根據某些實施方案之圖2之接近性感測器之進一步細節。

圖3B係圖3A之一俯視圖。

圖3C係穿過圖3B之線A-A之一剖面圖。

圖4圖解說明一微透鏡陣列之一第一實例。

圖5圖解說明一微透鏡陣列之一第二實例。

圖6圖解說明根據一第二實施方案之光學接近性感測器模組之細節。

圖7圖解說明根據一第三實施方案之光學接近性感測器模組之細節。

如在圖1中所展示，一主機裝置10(諸如一便攜式計算裝置(例如，一智慧型電話、個人數位助理(PDA)、膝上型或可穿戴式))包含可直接安置於一前玻璃20下方之一OLED型或其他顯示螢幕12。一光學接近性感測器模組14直接安置於顯示螢幕12之一部分下方且可操作以朝向主機裝置10外部之一目標物件發射光(例如，紅外線或近紅外線輻射)並感測由該目標物件朝向感測器模組14往回反射之光。

一電子控制單元(ECU)16係可操作以接收、處理及分析來自接近性感測器模組14之信號，且作為響應，取決於(舉例而言)所偵測到之光量而執行一指定動作。在某些情形中，舉例而言，ECU 16可致使調整顯示螢幕12之亮度。在某些例項中，偵測/釋放事件被中斷驅動且在接近性結果超過上臨限設定及/或下臨限設定時發生。舉例而言，ECU 16可為用於感測器中樞之一處理器或便攜式計算裝置10中之某一其他處理器。可(舉例而言)藉由利用與像素串聯之一電晶體對每一像素施加PWM調變或藉由調整可驅動每一像素之電流之總體範圍來控制OLED的總體亮度。

如在圖2之實例中所展示，接近性感測器模組14包含一發射器22，諸如可操作以發射IR或NIR輻射(例如，以940nm之一波長)之一發光二極體(LED)或一垂直腔表面發射雷射(VCSEL)，以及一工廠校準之 LED驅動器。接近性感測器模組14亦包含可操作以感測由發射器22發射之具有相同波長之光之一光感測器24，諸如一光電二極體接收器。光電二極體接收器可包含可操作以處理來自光電二極體之信號的相關聯電路。光發射器22及光電二極體接收器24中之每一者可(舉例而言)被實施為各別晶粒(亦即，半導體晶片)且可被安裝於一印刷電路板或其他基板34上。

某些光發射器產生一光束，該光束之能量密度大體上形狀如一鐘形曲線，亦即，其能量密度在發射器之中心光軸處或接近於該中心光軸具有一最大值，且隨著距該中心光軸之距離而降低。由發射器22產生之最大能量密度可為充分高的，以致於在LED螢幕12上產生一失真(若未採取步驟來防止此失真的話)。

如在圖2之實例中進一步圖解說明，接近性感測器模組14包含用於減小由光發射器22產生並入射於OLED螢幕12上之最大能量密度的構件。因此，在某些實施方案中，接近性感測器模組14包含經安置於由發射器22發射之光束28之路徑中之一微透鏡或微透鏡陣列26。微透鏡或微透鏡陣列26在光束28入射於OLED螢幕12之背側上之前與該光束相交且致使光束28稍微徑向傳播，藉此減小入射於OLED螢幕上之光束30的最大能量密度。因此，一般而言，微透鏡或微透鏡陣列26產生比由發射器22單獨產生之光束28寬之一光束30(例如，具有比光束28大之一半束、半寬度之一光束)。減小入射於OLED螢幕12上之光束30的最大能量密度可減少或消除螢幕失真(或至少減少或消除使用者對此失真之感知)。此外，在某些例項中，微透鏡陣列26可經實施以便提供更均勻之一光束30。在某些例項中，微透鏡或微透鏡陣列26係可操作使得離開微透鏡或微透鏡陣列之光束30大體上垂直於OLED顯示器之表面。此特徵可幫助減少使可由 OLED螢幕12反射之光量照射於光感測器24上，藉此減少光學串擾。

圖3A至圖3C圖解說明根據某些實施方案之接近性感測器模組14之進一步細節。在某些情形中，微透鏡陣列26直接在發射器22上方覆蓋約480μm²之一面積。微透鏡陣列26之不同面積可對於其他實施方案係適當的。圖4圖解說明一微透鏡陣列26之一特定實例，其包含以一間距d1配置之圓形微透鏡26A。在某些例項中，間距d1等於95μm，但不同值可對於其他實施方案係適當的。圖5圖解說明一微透鏡陣列26之另一實例，其包含以一間距d2配置之六邊形微透鏡26B。在某些例項中，間距d2等於95μm，但不同值可對於其他實施方案係適當的。

在某些實施方案中，替代微透鏡或微透鏡陣列或者除了微透鏡或微透鏡陣列之外，用於減小最大能量密度之構件包含一光學漫射器。

如在圖2及圖3A至圖3C中進一步展示，模組14亦可包含一光學元件32(諸如一透鏡)，該光學元件位於光感測器24上方且可操作以朝向感測器24之光感測元件引導傳入光(例如，由目標物件反射之光)。提供此一光學元件32可幫助改良敏感性及雜訊拒斥。

在某些實施方案中，如在圖6之實例中所展示，多個光發射器22設置於一接近性感測器模組114中並相對於彼此進行安置，以便分散入射於OLED螢幕12上之所得光點。在此情形中，發射器22中之每一者可操作以產生一較低最大能量密度，使得減小入射於OLED螢幕12之背部上之IR或NIR光之密度，同時維持總能量以達成令人滿意的接近性感測效能。舉例而言，在某些例項中，替代將15mA之一電流施加至每一VCSEL光發射器22，施加5mA之一電流。不同電流值可對於其他實施方案係適當的。在某些例項中，3mW/mm²之一最大光學能量密度入射於OLED螢幕12之背部上。在某些情形中，每一VCSEL經操作以便產生約2.0mW之一最大能量位準且較佳地約1.5mW之一最大能量位準(對應於針對某些VCSEL之約2mA至3mA之驅動電流)以防止螢幕失真。此外，雖然圖6之實例展示三個發射器22，但其他實施方案可使用僅兩個發射器或可使用三個以上發射器。無論如何，使用多個發射器22來提供用於接近性感測之充分光學能量而不會將光能量集中於同一區域中使得不利地影響OLED螢幕像素(例如，以便避免在OLED螢幕上產生對於無輔助人眼係可見之一光點，或以便減少原本可能發生之失真)。

圖7圖解說明組合圖2與圖6之技術之一實例。因此，接近性感測器模組214包含如結合圖2至圖5所闡述之用於減小最大能量密度之構件26(例如，一微透鏡、一微透鏡陣列或一漫射器)，以及如結合圖6所闡述之多個光發射器22。

本發明中所參考之智慧型電話及其他主機計算裝置之設計可包含一或多個處理器、一或多個記憶體(例如RAM)、儲存裝置(例如，一磁碟或快閃記憶體)、一使用者介面(例如，其可包含一小鍵盤、一TFT LCD或OLED顯示螢幕、觸控或其他姿勢感測器、一相機或其他光學感測器、一羅盤感測器、一3D磁力計、一3軸加速計、一3軸陀螺儀、一或多個麥克風等，以及用於提供一圖形使用者介面之軟體指令)、此等元件之間的互連件(例如，匯流排)及用於與其他裝置進行通信之一介面(其可為無線的(諸如GSM、3G、4G、CDMA、WiFi、WiMax、Zigbee或Bluetooth)及/或有線的(諸如透過一乙太網區域網路、一T-1網際網路連接等))。

本說明書中所闡述之標的物及功能性操作的各種態樣可被實施於包含本說明書中所揭示之結構及其結構等效物的數位電子電路或電腦軟體、韌體或硬體中或者被實施於其中之一或多者的組合中。因此，本說明書中所闡述之標的物的態樣可被實施為一或多個電腦程式產品，亦即，經編碼於一電腦可讀媒體上的一個或多個電腦程式指令模組，以供資料處理設備執行或用以控制資料處理設備的操作。電腦可讀媒體可為一機器可讀儲存裝置、一機器可讀儲存基板、一記憶體裝置、實現一機器可讀所傳播信號之一物質組合物，或者其中之一或多者之一組合。除了硬體之外，設備亦可包含建立用於所討論電腦程式之一執行環境的程式碼，例如，構成處理器韌體之程式碼。

可以包含編譯語言或解譯語言之任何形式的程式設計語言來寫入一電腦程式(亦稱為一程式、軟體、軟體應用程式、腳本或程式碼)，且可將該電腦程式部署成任何形式，包含部署為一獨立程式或部署為一模組、組件、子常式，或適合在一計算環境中使用之其他單元。一電腦程式不必對應於一檔案系統中之一檔案。一程式可被儲存於保持其他程式或資料(例如，儲存於一標記語言文件中之一或多個腳本)之一檔案之一部分中、被儲存於專用於所討論之程式之一單個檔案中，或被儲存於多個經協調檔案(例如，儲存一或多個模組、子程式或程式碼之若干部分的檔案)中。一電腦程式可經部署以在一個電腦上或者位於一個位點處或跨越多個位點分佈且藉由一通信網路互連的多個電腦上執行。

本說明書中所闡述之程序及邏輯流程可係由執行一或多個電腦程式之一或多個可程式化處理器執行，以藉由對輸入資料進行操作並產生輸出來執行功能。該等程序及邏輯流程亦可由特殊用途邏輯電路(例如，一FPGA(場可程式化閘陣列)或一ASIC(特殊應用積體電路))來執行，且亦可將設備實施為該特殊用途邏輯電路。

以實例方式，適合於執行一電腦程式之處理器包含一般用途微處理器及特殊用途微處理器兩者，以及任何種類之數位電腦之任何一個或多個處理器。一般而言，一處理器將自一唯讀記憶體或一隨機存取記憶體或者此兩者接收指令及資料。一電腦之基本元件係用於執行指令之一處理器及用於儲存指令及資料之一或多個記憶體裝置。適合於儲存電腦程式指令及資料之電腦可讀媒體包含所有形式之非揮發性記憶體、媒體及記憶體裝置，以實例之方式包含：半導體記憶體裝置(例如，EPROM、EEPROM及快閃記憶體裝置)；磁碟(例如，內部硬碟或可抽換式磁碟)；磁光碟；以及CD ROM及DVD-ROM磁碟。處理器及記憶體可由特殊用途邏輯電路補充或併入於特殊用途邏輯電路中。

儘管本說明書含有諸多特定細節，但不應將此等特定細節視為對本發明或可主張之範圍之限制，而是應將其視為本發明之特定實施例所特有之特徵之說明。在單獨實施例之內容脈絡中於本說明書中闡述之特定特徵亦可以組合方式實施於一單個實施例中。相反地，在一單個實施例之內容脈絡中闡述之各種特徵亦可單獨地或以任何適合子組合形式實施於多個實施例中。此外，雖然上文可將特徵闡述為以某些組合起作用且甚至最初主張如此，但來自一所主張組合之一或多個特徵在某些情形中可自該組合去除，且該所主張組合可針對於一子組合或一子組合之變化形式。

類似地，儘管在圖式中以一特定次序繪示操作，但不應將此理解為需要以所展示之特定次序或以按順序次序執行此等操作，或執行所有所圖解說明之操作以達成合意結果。在某些情形下，多任務及並行處理可為有利的。

已闡述若干個實施方案。然而，可在不背離本發明之精神及範疇之情況下做出各種修改。因此，其他實施方案亦在申請專利範圍之範疇內。