TWI841198B - 近接感測器 - Google Patents
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Abstract
一種近接感測器，包括一光源、一光學感測元件及一積分電路。在一量測時間內，該光源多次啟動及關閉。在該光源被啟動及被關閉時，該光學感測元件感測周遭的光線分別產生一第一電流及一第二電流。該積分電路積分該第一電流及該第二電流分別產生一第一積分信號及一第二積分信號以供判斷是否有物體接近。當該光源被啟動時，儲存目前的該第二積分信號並以儲存的該第一積分信號為起始值積分該第一電流。當該光源被關閉時，儲存目前的該第一積分信號並以儲存的該第二積分信號為起始值積分該第二電流。
Description
本發明是有關一種光學感測器，特別是關於一種近接感測器。
圖1顯示傳統的近接感測器。圖2顯示圖1的近接感測器的電路圖。如圖1及圖2所示，近接感測器10包括一光源11以及一光學感測電路12。光源11包括串聯的發光二極體(LED)111及光源開關SW1。當控制信號S1控制光源開關SW1導通(on)時，LED 111發出光線L1。光線L1接觸到物體20後會被物體20反射回到近接感測器10。光學感測電路12感測被物體20反射回來的反射光L1’以判斷物體20是否接近。光學感測電路12包括一光學感測元件121、一積分電路122、一比較器123、一重置電路124及一計數器125。光學感測元件121感測反射光L1’及環境光以產生電流Iph。積分電路122耦接光學感測元件121，用以積分電流Iph’產生一積分信號Pout，其中在重置電路124的重置開關SW2斷開(off)的情況下，電流Iph’=Iph，在重置電路124的重置開關SW2導通(on)的情況下，電流Iph’=Iph-If。積分電路122包括一運算放大器1221及一電容C1，其中運算放大器1221的反相輸入端及非反相輸入端分別耦接光學感測元件121及接地端GND，電容C1連接在運算放大器1221的反相輸入端及輸出端之間。比較器123耦接積分電路122，用以比較積分信號Pout及參考電壓Vref，以產生一比較信號D1，其中參考電壓Vref作為一臨界值。當積分信號Pout大於參考電壓Vref時，比較器123送出的比較信號D1為高準位，重置電路124的重置開關SW2導通，進而重置積分信號Pout。重置電路124包括一電流源1241及一重置開關SW2，其中重置開關SW2連接在電流源1241及積分電路122之間，並且受控於比較信號D1。當重置開關SW2因應比較信號D1而導通時，電流源1241提供電流If以重置積分信號Pout。計數器125耦接比較器123，用以計數比較信號D1為高準態的次數以產生一感測值O。光學感測電路12依據感測值O判斷物體20是否接近。
然而，光學感測電路12除了感測反射光L1’之外，也會感測到周遭的環境光，因此要準確判斷反射光L1’的強度，就必需消除環境光的干擾。圖3是用以說明圖2的近接感測器10的感測方法，其中波形30為控制信號S1，波形31為環境光的強度。參照圖2及圖3，近接感測器10在一量測時間Ts內對光線進行感測以判斷是否有物體20接近，每一個量測時間Ts包含一光源啟動時段Ton及一光源關閉時段Toff，其中光源啟動時段Ton與光源關閉時段Toff的時間長度相等。在光源啟動時段Ton期間且在物體20接近的情況下，控制信號S1導通光源開關SW1，此時光源11發出光線L1，而光學感測電路12感測反射光L1’和環境光以產生感測值O1。在光源關閉時段Toff期間，控制信號S1打開(off)光源開關SW1，此時光源11停止發出光線L1，光學感測電路12感測環境光以產生感測值O2 。理論上通過將感測值O1減去感測值O2可以消除環境光的干擾以取得反射光L1’的強度。
然而，如圖3的波形31所示，環境光的強度並非一成不變的。在光源啟動時段Ton所感測到的環境光強度可能不同於光源關閉時段Toff所感測到的環境光強度。舉例來說，當光源啟動時段Ton的環境光強度明顯大於光源關閉時段Toff的環境光強度時，將前述感測值O1減去感測值O2後並無法消除環境光的干擾，造成近接感測器10可能在沒有物體20接近的情況下，誤判為有物體接近。
本發明的目的，在於提出一種降低環境光干擾的近接感測器。
根據本發明，一種近接感測器，包括一光源、一光學感測元件、一積分電路、一比較器、一第一計數器、一第二計數器以及一重置電路。該光源是用以產生一光線，在一量測時間內，該光源被多次啟動及關閉。該光學感測元件是用以感測該光線被一物體反射所產生的反射光及一環境光，其中當該光源被啟動時，該光學感測元件產生一第一電流，當該光源被關閉時，該光學感測元件產生一第二電流。該積分電路耦接該光學感測元件，用以積分該第一電流及該第二電流分別產生一第一積分信號及一第二積分信號。該比較器耦接該積分電路，用以將該第一積分信號及該第二積分信號與一臨界值比較以產生一比較信號，當該第一積分信號大於該臨界值時，該比較信號為一第一準位以重置該第一積分信號，當該第二積分信號大於該臨界值時，該比較信號為該第一準位以重置該第二積分信號。該第一計數器耦接該比較器，用以計數在該量測時間內的多個該光源被啟動的時段中該比較信號為該第一準位的次數，以產生一第一感測值。該第二計數器耦接該比較器，用以計數在該量測時間內的多個該光源被關閉的時段中該比較信號為該第一準位的次數，以產生一第二感測值。該重置電路耦接該積分電路，在該光源被啟動時，該重置電路因應該比較信號重置該第一積分信號，在該光源被關閉時，該重置電路因應該比較信號重置該第二積分信號。該積分電路包括一運算放大器、一第一電容、一第一開關、一第二電容以及一第二開關。該運算放大器具有一非反相輸入端、一反相輸入端及一輸出端，其中該非反相輸入端耦接一接地端，該反相輸入端耦接該光學感測元件。該第一開關與該第一電容串聯，而且該第一電容與該第一開關是耦接於該反相輸入端及該輸出端之間。該第一開關在該光源啟動時導通以使該第一電容產生該第一積分信號。該二開關與該第二電容串聯且與該第一開關並聯，該第二電容與該第二開關是耦接於該反相輸入端及該輸出端之間。該第二開關在該光源關閉時導通以使該第二電容產生該第二積分信號。
本發明的近接感測器的光源會在一量測時間內被多次啟動及關閉，因此本發明的光源的光源啟動時段與光源關閉時段的時間長度較短，使得相鄰的光源啟動時段及光源關閉時段的環境光強度的差異較小，這可以有效地降低環境光的干擾，提高近接感測器的準確度。
圖4顯示本發明的近接感測器。在圖4中，近接感測器40包括一光源41以及一光學感測電路42。光源41用於產生一光線L1。光源41包括串聯的發光二極體(LED)411及光源開關SW1。在其他實施例中，LED 411也可以用其他發光元件取代。當控制信號S2控制光源開關SW1導通時，LED 411發出光線L1。光線L1接觸到物體20後會被物體20反射回到近接感測器40。光學感測電路42感測被物體20反射回來的反射光L1’以判斷物體20是否接近。光學感測電路42包括一光學感測元件421、一積分電路422、一比較器423、一重置電路424、一第一計數器425、一第二計數器426及一信號處理器427。光學感測元件421用於感測環境光及/或反射光L1’以產生電流Iph。光學感測元件421可以是但不限於光二極體(photo diode)。積分電路422耦接光學感測元件421，用以積分電流Iph’產生一積分信號Pout，其中在重置電路424的重置開關SW2打開(off)的情況下，電流Iph’=Iph，在重置電路424的重置開關SW2導通(on)的情況下，電流Iph’=Iph-If。積分電路422包括一運算放大器4221、一第一電容C1、一第二電容C2、一第一開關SW3及一第二開關SW4。運算放大器4221的反相輸入端及非反相輸入端分別耦接光學感測元件421及接地端GND。第一電容C1與第一開關SW3串聯，並且是連接在運算放大器4221的反相輸入端及輸出端之間。第二電容C2與第二開關SW4串聯，並且是連接在運算放大器4221的反相輸入端及輸出端之間。第二電容C2和第二開關SW4與第一電容C1和第一開關SW3並聯。控制信號S2及分別控制第一開關SW3及第二開關SW4，其中控制信號為控制信號S2的反相信號。比較器423耦接積分電路422，用以比較積分信號Pout及參考電壓Vref以產生一比較信號D1，其中參考電壓Vref作為一臨界值。當積分信號Pout大於參考電壓Vref時，比較信號D1為高準位(即，第一準位)以導通重置電路424的重置開關SW2，進而重置積分信號Pout。重置電路424包括一電流源4241及一重置開關SW2，其中重置開關SW2連接在電流源4241及積分電路422之間。當重置開關SW2導通時，電流源4241提供電流If以重置積分信號Pout。第一計數器425耦接比較器423，用以計數在該量測時間Ts內的多個光源41被啟動的時段(如圖6的多個光源啟動時段Ton1、Ton2、Ton3及Ton4)中比較信號D1為高準位的次數，以產生一第一感測值O_on。第二計數器426耦接比較器423，用以計數在量測時間Ts內的多個光源41被關閉的時段(如圖6的多個光源關閉時段Toff1、Toff2、Toff3及Toff4)中比較信號D1為高準位的次數，以產生一第二感測值O_off。積分電路422、比較器423、重置電路424、第一計數器425及第二計數器426的組合可視為一類比數位轉換器。信號處理器427耦接該第一計數器425及第二計數器426，依據第一感測值O_on及第二感測值O_off判斷物體20是否接近。在一實施例中，信號處理器427也可以設置在近接感測器40的外部。
圖5顯示圖4中重置電路424的另一實施例。圖5的重置電路424包括為一開關電容(switch-C)電路連接一參考電壓Vref。該開關電容電路包括一電容C3、一第一重置開關SW5、一第二重置開關SW6、一第三重置開關SW7及一第四重置開關SW8。第一重置開關SW5耦接在電容C3的第一端及積分電路422之間，受控於比較信號D1。第二重置開關SW6耦接在電容C3的第一端及接地端GND之間，受控於信號，其中信號為比較信號D1的反相信號。第三重置開關SW7耦接在電容C3的第二端及參考電壓Vref之間，受控於比較信號D1。參考電壓Vref是由一電壓源(圖中未示出)提供。第四重置開關SW8耦接在電容C3的第二端及接地端GND之間，受控於信號。當比較信號D1為高準位時，第一重置開關SW5及第三重置開關SW7導通而第二重置開關SW6及第四重置開關SW8打開，電容C3提供電流If以重置積分信號Pout。
圖6是用以說明本發明的近接感測器的感測方法，其中波形50為參考電壓Vref，波形51為積分信號Pout，波形52為控制信號S2，波形53為環境光的強度。如圖6所示，本發明中用以控制光源41的控制信號S2，在一量測時間Ts內具有多個脈衝。換言之，在相同的量測時間Ts下，相較於傳統的近接感測器10的光源11只被啟動及關閉一次，本發明的光源41會被多次啟動及關閉。本發明的光源41的光源啟動時段Ton1、Ton2、Ton3及Ton4與光源關閉時段Toff1、Toff2、Toff3及Toff4的時間長度小於圖3的光源啟動時段Ton與光源關閉時段Toff，因此相鄰的光源啟動時段及光源關閉時段(如Ton1及Toff1)的環境光強度的差異較小。將光源啟動時段Ton1、Ton2、Ton3及Ton4與光源關閉時段Toff1、Toff2、Toff3及Toff4所感測到的感測值相減時，可以有效地降低環境光的影響，提高近接感測器40的準確度。在圖6中，光源啟動時段Ton1的時間長度等於光源關閉時段Toff1的時間長度，光源啟動時段Ton2的時間長度等於光源關閉時段Toff2的時間長度，光源啟動時段Ton3的時間長度等於光源關閉時段Toff3的時間長度，光源啟動時段Ton4的時間長度等於光源關閉時段Toff4的時間長度。
接下來說明本發明的近接感測器40在量測時間Ts的操作，為了方便說明，以下將光源啟動時段Ton1、Ton2、Ton3及Ton4中光學感測元件421產生的電流Iph稱為第一電流，將光源關閉時段Toff1、Toff2、Toff3及Toff4中光學感測元件421產生的電流Iph稱為第二電流。
參照圖4及圖6，在光源啟動時段Ton1期間，控制信號S2為高準位(high)，開關SW1被導通以使光源41發出光線L1，光學感測元件421感測反射光L1’及環境光產生第一電流Iph =Iph’。此時，積分電路422的第一開關SW3及第二開關SW4分別被導通(on)及打開(off)，積分電路422通過運算放大器4221及電容C1對第一電流Iph進行積分以產生積分信號Pout=P1(以下稱P1為第一積分信號)。在光源啟動時段Ton1結束時，控制信號S2變為低準位以使第一開關SW3被打開而第二開關SW4被導通，此時電容C1會儲存目前的第一積分信號P1的數值。為方便理解，圖6中的積分信號Pout的波形51在光源啟動時段Ton1、Ton2、Ton3及Ton4以粗體線顯示，即積分信號Pout的第一積分信號P1部分以粗體線表示。
在光源關閉時段Toff1期間，控制信號S2為低準位(low)，開關SW1被打開以使光源41被關閉，光學感測元件421感測環境光產生第二電流Iph=Iph’。此時，積分電路422的第一開關SW3及第二開關SW4分別被打開及導通，因此積分電路422通過運算放大器4221及電容C2對第二電流Iph進行積分以產生積分信號Pout=P2(以下稱P2為第二積分信號)。在光源關閉時段Toff1結束時，控制信號S2變為高準位以使第一開關SW3被導通而第二開關SW4被打開，此時電容C2會儲存目前的第二積分信號P2的數值，電容C1會提供原先儲存的第一積分信號P1，換言之，積分信號Pout會回到光源啟動時段Ton1結束時的數值。
在光源啟動時段Ton2期間，控制信號S2再次導通開關SW1及SW3並且打開開關SW4。此時光源41再次發出光線L1，光學感測元件421感測反射光L1’及環境光產生第一電流Iph=Iph’，積分電路422對第一電流Iph進行積分以使第一積分信號P1再次上升，其中積分電路422的第一積分信號P1在光源啟動時段Ton2的起始值Von1為電容C1先前儲存的第一積分信號P1的數值。如圖6的時間t1所示，當第一積分信號P1大於參考電壓Vref(臨界值)時，比較器423送出的比較信號D1為高準位，使得重置電路424的開關SW2導通，進而重置第一積分信號P1，使得第一積分信號P1回到一預設的起始值V0。此時第一計數器425被控制信號S2啟動而第二計數器426被控制信號S2關閉，因應比較信號D1為高準位，第一計數器425的計數值加1。第一積分信號P1回到起始值V0後，積分電路422持續對第一電流Iph進行積分，使得第一積分信號P1再次持續上升。在光源啟動時段Ton2結束時，控制信號S2變為低準位以使第一開關SW3被打開而第二開關SW4被導通，此時電容C1會儲存目前的第一積分信號P1的數值，電容C2會提供原先儲存的第二積分信號P2，換言之，積分信號Pout會回到光源關閉時段Toff1結束時的數值。
在光源關閉時段Toff2期間，開關SW1被打開以使光源41被關閉，光學感測元件421感測環境光產生第二電流Iph=Iph’。此時，積分電路422的第一開關SW3被打開，第二開關SW4被導通。積分電路422通過運算放大器4221及電容C2對第二電流Iph進行積分，使得第二積分信號P2持續上升，其中積分電路422的第二積分信號P2在光源關閉時段Toff2的起始值Voff1為電容C2先前儲存的第二積分信號P2的數值。在光源關閉時段Toff2結束時，控制信號S2變為高準位以使第一開關SW3被導通而第二開關SW4被打開，此時電容C2會儲存目前的第二積分信號P2的數值，電容C1會提供原先儲存的第一積分信號P1。
在光源啟動時段Ton3期間，開關SW1被導通以使光源41發出光線L1，光學感測元件421感測反射光L1’及環境光產生第一電流Iph=Iph’。積分電路422對第一電流Iph進行積分，使得第一積分信號P1持續上升，其中積分電路422的第一積分信號P1在光源啟動時段Ton3的起始值Von2為電容C1先前儲存的第一積分信號P1。如圖6的時間t2所示，當第一積分信號P1大於參考電壓Vref(臨界值)時，比較器423送出的比較信號D1為高準位，開關SW2被打開，使得第一積分信號P1被重置回到起始值V0。此時第一計數器425被啟動，因應比較信號D1為高準位，第一計數器425的計數值加1。在光源啟動時段Ton3結束時，控制信號S2變為低準位以使第一開關SW3被打開而第二開關SW4被導通，此時電容C1會儲存目前的第一積分信號P1的數值，電容C2會提供原先儲存的第二積分信號P2。
在光源關閉時段Toff3期間，開關SW1被打開以使光源41被關閉，光學感測元件421感測環境光產生第二電流Iph=Iph’。積分電路422對第二電流Iph_off1進行積分，使得第二積分信號P2從光源關閉時段Toff2結束時的準位Voff2開始上升。在光源關閉時段Toff3結束時，控制信號S2變為高準位以使第一開關SW3被導通而第二開關SW4被打開，此時電容C2會儲存目前的第二積分信號P2的數值，電容C1會提供原先儲存的第一積分信號P1。
在光源啟動時段Ton4期間，開關SW1被導通以使光源41發出光線L1，光學感測元件421感測反射光L1’及環境光產生第一電流Iph =Iph’。積分電路422對第一電流Iph進行積分，使得第一積分信號P1從光源啟動時段Ton3結束時的準位Von3開始上升。在光源啟動時段Ton4結束時，控制信號S2變為低準位以使第一開關SW3被打開而第二開關SW4被導通，此時電容C1會儲存目前的第一積分信號P1的數值，電容C2會提供原先儲存的第二積分信號P2。
在光源關閉時段Toff4期間，開關SW1被打開以使光源41被關閉，光學感測元件421感測環境光產生第二電流Iph=Iph’。積分電路422對第二電流Iph進行積分，使得第二積分信號P2從光源關閉時段Toff3結束時的準位Voff3開始上升。如圖6的時間t3所示，當第二積分信號P2大於參考電壓Vref(臨界值)時，比較器423送出的比較信號D1為高準位，重置電路424的開關SW2導通，使得第二積分信號P2被重置回到起始值V0。此時第一計數器425被控制信號S2關閉而第二計數器426被控制信號S2啟動。因為比較信號D1為高準位，第二計數器425的計數值加1。
在量測時間Ts結束時，第一計數器425及第二計數器426依據各自的計數值分別產生一第一感測值O_on及一第二感測值O_off給信號處理器427。信號處理器427依據第一感測值O_on及第二感測值O_off判斷是否有物體20接近。例如，信號處理器427可以將第一感測值O_on減去第二感測值O_off得到一差值，當該差值大於或等於一預設值時，信號處理器427判斷有物體20接近，當當該差值小於一預設值時，信號處理器427判斷沒有物體20接近。
在圖6的實施例中，控制信號S2在量測時間Ts期間具有4個脈衝，但本發明不限於此，控制信號S2在量測時間Ts期間的脈衝數量可依需求增加或減少。只要控制信號S2在量測時間Ts期間的脈衝數量大於1，都在本發明技術方案的範圍內。
本發明的近接感測器40在光源啟動時段Ton1、Ton2、Ton3及Ton4與光源關閉時段Toff1、Toff2、Toff3及Toff4 是使用同一個積分電路422來積分電流Iph’，因而可以避免不同積分電路之間的偏差(offset)所導致的誤差。具體來說，如果在光源啟動時段Ton1、Ton2、Ton3及Ton4使用一第一積分電路來積分電流Iph’，在光源關閉時段Toff1、Toff2、Toff3及Toff4使用一第二積分電路來積分電流Iph’，當該第一積分電路與該第二積分電路進行切換時，該第一積分電路與該第二積分電路之間的偏差將使得光學感測元件421的寄生電容產生一巨大的偽電流，進而導致該第一積分電路或該第二積分電路產生錯誤的積分信號，降低近接感測器的準確度。
以上所述僅是本發明的實施例而已，並非對本發明做任何形式上的限制，雖然本發明已以實施例揭露如上，然而並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明技術方案的範圍內，當可利用上述揭示的技術內容作出些許更動或修飾為等同變化的等效實施例，但凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。
10:近接感測器
11:光源
111:發光二極體
12:光學感測電路
121:光學感測元件
122:積分電路
1221:運算放大器
123:比較器
124:重置電路
1241:電流源
125:計數器
20:物體
30:控制信號S1的波形
31:環境光的強度
40:近接感測器
41:光源
411:發光二極體
42:光學感測電路
421:光學感測元件
422:積分電路
4221:運算放大器
423:比較器
424:重置電路
4241:電流源
425:第一計數器
426:第二計數器
427:信號處理器
圖1顯示傳統的近接感測器。
圖2顯示圖1的近接感測器的電路圖。
圖3是用以說明圖2的近接感測器的感測方法。
圖4顯示本發明的近接感測器。
圖5顯示圖4中重置電路的另一實施例。
圖6是用以說明本發明的近接感測器的感測方法。
40:近接感測器
41:光源
411:發光二極體
42:光學感測電路
421:光學感測元件
422:積分電路
4221:運算放大器
423:比較器
424:重置電路
4241:電流源
425:第一計數器
426:第二計數器
427:信號處理器
Claims (4)
- 一種近接感測器，包括： 一光源，用以產生一光線，在一量測時間內，該光源被多次啟動及關閉； 一光學感測元件，用以感測該光線被一物體反射所產生的反射光及一環境光，其中當該光源被啟動時，該光學感測元件產生一第一電流，當該光源被關閉時，該光學感測元件產生一第二電流； 一積分電路，耦接該光學感測元件，用以積分該第一電流及該第二電流分別產生一第一積分信號及一第二積分信號，該積分電路包括： 一運算放大器，具有一非反相輸入端、一反相輸入端及一輸出端，其中該非反相輸入端耦接一接地端，該反相輸入端耦接該光學感測元件； 一第一電容； 一第一開關，在該光源啟動時導通，該第一開關與該第一電容串聯，該第一電容與該第一開關是耦接於該反相輸入端及該輸出端之間，用以產生該第一積分信號； 一第二電容；以及 一第二開關，在該光源關閉時導通，該二開關與該第二電容串聯且與該第一開關並聯，該第二電容與該第二開關是耦接於該反相輸入端及該輸出端之間，用以產生該第二積分信號； 一比較器，耦接該積分電路，用以將該第一積分信號及該第二積分信號與一臨界值比較以產生一比較信號，當該第一積分信號大於該臨界值時，該比較信號為一第一準位以重置該第一積分信號，當該第二積分信號大於該臨界值時，該比較信號為該第一準位以重置該第二積分信號； 一第一計數器，耦接該比較器，用以計數在該量測時間內的多個該光源被啟動的時段中該比較信號為該第一準位的次數，以產生一第一感測值； 一第二計數器，耦接該比較器，用以計數在該量測時間內的多個該光源被關閉的時段中該比較信號為該第一準位的次數，以產生一第二感測值；以及 一重置電路，耦接該積分電路，在該光源被啟動時，該重置電路因應該比較信號為該第一準位重置該第一積分信號，在該光源被關閉時，該重置電路因應該比較信號為該第一準位重置該第二積分信號。
- 如請求項1的近接感測器，其中該重置電路包括： 一電流源；以及 一重置開關，耦接在該電流源及該積分電路之間，該重置開關因應該比較信號而導通。
- 如請求項1的近接感測器，其中該重置電路包括一開關電容電路連接一參考電壓 ，該開關電容電路包括： 一電容，具有一第一端及一第二端； 一第一重置開關，耦接在該第一端及該積分電路之間； 一第二重置開關，耦接在該第一端及一接地端之間； 一第三重置開關，耦接在該第二端與該參考電壓之間；以及 一第四重置開關，耦接在該第二端及該接地端之間； 其中，在該第一積分信號或該第二積分信號大於一臨界值時，該第一重置開關及該第三重置開關被導通而該第二重置開關及該第四重置開關被打開，以重置該第一積分信號或該第二積分信號。
- 如請求項1的近接感測器，更包括一信號處理器耦接該第一計數器及該第二計數器，依據該第一感測值及該第二感測值判斷該物體是否接近。
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