专利名称：具有周围光线检测能力的远距接近及/或运动检测器的制作方法
具有周围光线检测能力的远距接近及/或运动检测器优先权本申请案主张下列美国专利申请案的优先权· 2009 年 4 月四日由 Theodore D. Rees 提交的标题为 “LONG RANGE PROXIMITY AND/OR MOTION DETECTOR WITH AMBIENT LIGHT DETECTION CAPABILITIES (具有周围光线检测能力的远距接近及/或运动检测器)”的美国临时专利申请案第61/173，951号(律师档案编号ELAN-01229US0)；以及· 2010 年 4 月 26 日由 Theodore D. Rees 提交的标题为 “LONG RANGE PROXIMITY AND/OR MOTION DETECTOR WITH AMBIENT LIGHT DETECTION CAPABILITIES (具有周围光线检测能力的远距接近及/或运动检测器)”的美国专利申请案第12/767，443号(律师档案编号 ELAN-012^US1)。背景诸如光学接近传感器的光学传感器可含有包含一个或多个发光元件(例如LED) 的光源以及邻近的光敏光线检测器，其中该传感器可按照来自一个或多个LED的返回到该传感器的反射光线的量来估计物体的接近程度。近年来，这些传感器的价值随着以电池操作的手持式装置(诸如移动电话)的进展而愈趋重要。例如，移动电话的电池中相当程度能量是用于驱动显示器，并且当将移动电话或其他装置携至靠近使用者的耳朵时(即无法观看时)能够关闭该显示器或是背光可为有利。光学接近传感器已经为此目的以及许多其他的应用项目而使用。对于其他范例而言，有许多能够较佳由光学接近传感器来检测物体的出现的其他应用项目。这些的范围包含当开启机械上的保护盖时进行感测、正确地定位打印机内的纸张，或者是操作者的手部在当靠近运作中机器时的风险。光学接近传感器亦可用作简易触摸或近触摸启动开关，且可实现于许多应用项目里，像是键盘或者是具有经密封且可供来自光源的光线通过并在返回时由检测器感测的塑料外壳的装置。可获用各种不同形式的光学传感器以检测物体的存在或缺少。例如，一些光学传感器被配置成感测运动，并且在当检测到运动时开启灯光。一些光学传感器被配置成感测周围光并且在黑暗时开启灯光。另一范例，自动对焦相机通常被配置成具备红外LED，并且利用经由该相机光学元件所收到的光线以在黯淡光线条件下进行自动对焦。此外，光中断器�？榭砂葱矶嘈问酱嬖谝约觳馕锾逶诠庠从牍庀呒觳馄髦渫ü�。例如，车库门开启器 (还用以关闭车库门)通常会利用红外线(IR)光源及远端光线检测器以避免物体或人员在关闭中的车库门下方处受到挤压。该等仅为各种类型的光学传感器及其运用方式的其中数项范例。
发明内容
本发明之特定实施例关于一种可用于周围光线检测、接近检测和运动检测的光学传感器系统，以及含有此光学传感器系统的大型系统与相关方法。根据本发明的一实施例，光学传感器系统含有前端、周围光线通道、接近通道和运动通道。该前端被配置成接收利用光线检测器所产生的检测光线信号，其中该检测光线信号表示检测周围光线和由光源所产生(而由一个或多个物体所反射)的检测射频(RF)光线两者。此外，该前端被配置成输出检测周围光线信号(ALQ及检测RF光线信号。由该前端所输出的检测ALS主要是表示该检测光线信号中代表该检测周围光线的部分。而由该前端所输出的检测RF光线信号则主要是表示该检测光线信号中代表该检测RF光线的部分。 该检测ALS和该检测RF光线信号的区别在于该检测周围光线信号含有该检测光线信号的低频成分，而该检测RF光线信号则是含有从源自该光源的光线所获的检测光线信号的高频成分。该检测RF光线可归因于自一个或多个静止物体所反射的光线以及自一个或多个运动物体所反射的光线。该周围通道可配置成产生一个或多个表示该检测周围光线的周围输出信号。该接近通道可被配置成根据该检测RF光线信号产生一个或多个表示物体相对于该系统的接近的接近输出信号。该运动通道可配置成根据该检测RF光线信号产生一个或多个表示物体相对于该系统之运动的运动输出信号。根据一实施例，该光学传感器系统还可含有一电路，该电路被配置成放大及滤波 (由该前端所输出)检测RF光线信号，并且输出经放大及滤波的RF光线信号，该RF光线信号被提供给接近通道及运动通道两者。配置成放大并滤波该检测RF光线信号的电路可包含增益电路、解调器及低通滤波器。该增益电路可被配置成自该前端接收该检测RF光线信号且放大该检测RF光线信号。该解调器可被配置成接收由该增益电路输出的信号，且输出具有与该经放大RF光线信号的RF振幅成正比的低频内容并且含有高频伪像的信号。该低通滤波器可被配置成接收由该解调器输出的信号，并且输出表示该经放大RF光线信号的低频内容而将该高频伪像滤除的信号。该接近通道及该运动通道各者皆可接收由该低通滤波器所输出的信号。根据一实施例，该光学传感器系统亦可含有驱动器(其配置成驱动该光源)及一个或多个时序电路，此等电路配置成控制该解调器和该驱动器的时序。在一特定实施例里， 一个或多个时序电路驱动该光源而使该光源产生具有至少如IMHz频率的脉冲化光线信号。根据一实施例，该运动通道的增益经设定为大于该接近通道的增益，因而该运动通道能测到物体运动的最大距离大于该接近通道能检测到该物体出现的最大距离。根据一实施例，该接近通道的位移和增益基于该运动通道所检测的运动而调整。 例如，该接近通道的位移和增益可基于由该运动通道所检测的运动而调整，因此，该接近通道能够对在该系统的视野中进行运动的感兴趣物体和该系统的视野中的非感兴趣静止物体加以区别。根据下面给出的详细说明、附图以及权利要求，本发明的其他和替代实施方式以及特征、方面和优点将变得更加显而易见。
图1是根据本发明的一实施例的光学传感器系统的方块图。图2是根据本发明的一实施例的图1的光学传感器系统的前端的电路图。图3是根据本发明的一实施例的图1的光学传感器系统的RF增益及滤波电路的电路图。
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图4是根据本发明的一实施例的图1的光学传感器系统的解调器和低通滤波器的电路图。图5是根据本发明的一实施例的图1的光学传感器系统的接近通道的电路图。图6是根据本发明的一实施例的图1的光学传感器系统的运动通道的电路图。图7是根据本发明的一实施例的用以描述图1的光学传感器系统的周围通道的电路图。图8是含有根据本发明的一实施例的光学传感器系统的大型系统的高阶方块图。
具体实施例方式根据本发明的一实施例，一种集成式光学传感器包含经集成或远端光源(例如 LED)，此光源被配置成于系统内以供多项应用，其中包含检测周围光线水平、检测物体或人员的接近(基于该光源与该光线检测器间之光线传通的量值)，及检测运动(基于该光源与该光线检测器间之光线传通的暂态变化)。根据一实施例，接近检测与运动检测功能完全或大致与周围光线检测无关，然此等三项功能可共享相同的光线检测器。根据一实施例， 该系统包含控制接口，此接口可为例如串行接口。在另一实施例里，该系统并不含有控制接口。根据一实施例，该系统的输出为模拟。在另一实施例里，该系统的输出为数字，而此输出可经由串行接口提供，然非必要。本发明的特定实施例的特性为多项构件的组合，藉以形成适用于各种检测操作的检测系统。图1是根据本发明一实施例的光学传感器系统102的方块图。左上方处为光线检测器104(例如，光二极管)，其经后方偏压并连接于前端106。后文将对该前端106进一步详述，其可将检测光线信号中响应于周围光线的部分(又称为检测周围光线信号)与检测光线信号中响应于由光源124(例如，光源以诸如在IMHz至IOMHz之间的大于周围光线的频率及所预期谐波的RF频率进行脉冲化)产生的RF光线的部分(又称为检测RF信号) 分开。较佳的是，例如红外发光二极管(IR LED)的光源IM及光线检测器104相对于彼此布置，使得没有任何光线能够自光源1 直接传播至该光线检测器104。相反地，该光线检测器104较佳地应仅检测来自光源IM而被反射离开接近光学传感器系统102处的物体的光线。如本文中所使用的术语，周围光线是指背景光线，亦即既已存在于户内或户外环境中而非由光源1 产生的光线。此周围光线包括位于广泛波长范围上的辐射，包含顶波长在内。根据一实施例，前端106可配置成接收利用光线检测器104所产生的检测光线信号，其中检测光线信号表示检测周围光线和由该光源1 所产生的检测射频(RF)光线两者。此外，该前端106可配置成输出周围光线信号(又称为ALS输出)及RF光线信号(又称为RF输出)。由该前端106所输出的检测周围光线信号主要表示该检测光线信号中代表该检测周围光线的部分。由该前端106所输出的检测RF光线信号则主要是表示该检测光线信号中代表该检测RF光线的部分。该检测RF光线可归因于反射离开一个或多个静止物体的光线以及反射离开一个或多个运动物体的光线。该检测周围光线信号和该检测RF光线信号之间的区别在于该检测周围光线信号含有该检测光线信号的低频成分，而该检测RF光线信号则含有从源自该光源的光线所获的检测光线信号的高频成分。该检测周围光线信号可经预放大并呈现至周围通道108而于其内加以处理。该检测RF光线信号在呈现至解调器112之前会先通过额外的RF增益及滤波电路110，在一实施例里解调器112可执行整流及同步检测。分离检测周围光线信号与检测RF光线信号的本质在于该检测周围光线为低频且藉由该周围通道108所滤波通过，而该检测RF信号为高频并且被传入解调器112内。该解调器112通过来自时序电路114的信号在相位上对该检测 RF信号进行截波及/或倍增。时序电路114是由振荡器116所驱动。在一实施例里，该振荡器116被调谐至接近该前端106和该额外RF增益电路110的带通的中心。根据本发明一实施例，该前端106的其他细节将于后文参照图2及7进一步讨论。根据本发明一实施例，该额外RF增益电路110的其他细节将于后文参照图3进一步讨论。该光线检测器104 (又可称为光学传感器、光学检测器或光检测器)可包含一个或多个光线检测构件，诸如但不限于光电阻器、光伏电池、光二极管、光晶体管、电荷耦合元件 (CCD)等等，它们可产生表示该所检测光线的量的电流或电压。该光源124(又可称为光学源)可包含一个或多个发光构件，诸如但不限于发光二极管(LED)、有机LED (OLED)、块发射 LED、表面发射LED、垂直腔表面发光激光器(VCSEL)、超荧光发光二极管(SLED)、激光二极管、像素二极管等等。该光源可产生顶光线或具有一些其他波长的光线。由于其不可见性而因此经常使用红外光线。可用于同步检测的解调器112输出具有与该RF振幅成正比的低频内容并且含有各种高频伪像的信号。此信号被传过低通滤波器118而仅留下该信号的低频内容。该低频信号基本上仅为由该光源1 最初产生并经反射至该光线检测器104的检测RF信号的测量。由于在该前端106中进行滤波处理并且该RF增益级110阻挡低频且使该检测RF信号通过，因此所出现的低频内容或周围信号极为微少。根据本发明的一实施例，该解调器112 及该低通滤波器118的额外细节将于后文中参照图4而讨论。该低通滤波器118所输出的低频信号被传入接近通道1 及运动通道1 两者内。根据一实施例，该低通滤波器118具有约IKHz的切截频率，如此让该接近通道1 能够响应于“快速”运动。该运动通道128可执行在约IHz范围内的额外低通滤波处理以增加运动的检测范围。其他切截频率与滤波范围亦在本发明的范围内。在一实施例里，该接近通道1 基本上为直接耦接放大器(DC amp)，其具有可被设定(例如，经由串行接口 130 或处理器140或按其他方式)的低可调增益及位移调整，以令该接近检测的最小至最大范围落入该通道126的规定限制内。当用于近端物体检测时，该接近通道126的所增加增益可约为切，原因是该检测RF光线信号已经被放大以获得较大RF信号。然而，若该接近通道 126用于远端物体检测，运用该运动通道128的辅助以在提高增益前先协助设定该接近通道126的位移确为有用。该接近通道126的输出可按模拟形式或选择性通过一个或多个比较器(例如图5中的U7及U8)以提供一个或多个数字输出，或可被发送给模拟至数字(A/ D)转换器136，在此可由该串行接口 130、该处理器140或一些其他方式加以存取。根据本发明一实施例，该接近通道126的额外细节将于后文中参照图5所讨论。该运动通道1 亦接收由该低通滤波器118所输出而基本上不受周围光线影响的相同低频信号。其目的为感测导致在该光源1 与该光线检测器104间之光线传通产生变化的细微运动。在一实施例里，该运动通道1 通过具有高增益以及可控制位移调整来达
8此目的。在该运动通道128中所增加的增益是根据在该RF增益级110里获得多少增益而定的，而这又取决于发生多少“DC”反射。可提高该增益，一直到热噪声信号变成显著为止， 例如约30mV。对于更为特定的范例，若该RF增益为2V/uA(受限于约500nA静态反射)且热噪声位水平为3pA，则该运动增益可约为5000。在此配置下，可利用该运动通道128的输出处的信号观察来自于该前端106的噪声信号。该周围反馈位移调整可被冻结以令该周围通道108用作极高增益接近检测器，或可被减缓以供检测光线传通内的微小运动变化，或可被加快以自光线传通信号内的重大变化迅速复原。根据本发明之一实施例，该运动通道128的额外细节将于后文中参照图6所讨论。该振荡器116可含有锁相回路(PLL)且被设定在与该光源IM所产生的信号的RF 频率相同的频率，然此并非必要。作为一 PLL，该振荡器116可经锁定于外部时钟，使得多个传感器系统可同步运作而不致产生干扰。该系统可视需要产生时钟信号，该时钟信号对于其他的传感器系统作为外部时钟信号的来源。时序电路114自振荡器116接收输入，且自寄存器132及/或控制逻辑134及/或处理器140接收控制信号。时序电路114的两项主要输出为馈送至解调器112的信号及馈送至该光源驱动器120的信号。这两个信号的相位可为相同然非必要。例如，在相位相对频率上可能会有相当尖锐的变化通过处理该检测RF 信号的元件。此外，在该光源驱动器120里可能会出现显著的延迟。另外，可能会由于光源 124与物体(对其进行运动及/或接近检测)及该光线检测器104之间的距离而导致显著的延迟，其中这一延迟会增加光源驱动器120所产生的信号与解调器112输出的信号间的额外相位位移。在一种可能操作模式下，调整所使用的时序信号且连同自该解调器112所观察到的信号的振幅，可用以测量自光源1 至光线检测器104的时间延迟，并由此测量物体的距离。其他的时序信号可控制A/D转换器136所执行的转换。此外，时序电路可用以通过以低占空比来操作系统来降低功耗。串行接口 130可为任何类型，包含但不限于“串行外围接口(PSI) ”及“集成电路间连接(I2C)”。串行接口 130可对参数和控制寄存器132和选择性A/D输出寄存器进行写入和读出。寄存器132可连接至系统102的各种元件以设定增益、相位及滤波参数。A/D 转换器136可接收各种模拟输入(例如自运动通道128、接近通道1 及/或周围通道108 等)并藉以输出各种数字输出。还示出选择性处理器140，以供执行及/或辅助本文所讨论各种功能。处理器140 可位于光学传感器系统102内或于分离/远端处，但与光学传感器系统102通信。取决于实现方式，可将光源IM及/或光线检测器104视为光学传感器系统102 的集成部份，或者可视为与光学传感器系统102分离/远离，但确由光学传感器系统102控制及使用。前端图2说明根据本发明一实施例非前端级106(后文亦简称为该前端)的实现。图2 所示部分电路亦可被视为周围通道108的一部份，如后文如图7讨论所能了解。例如前述， 由光线检测器104所检测的光线可包含周围光线，及源自于被光源驱动器120所驱动或由另一与该电路的时钟同相位驱动光源124的电路所驱动的光源124的光线(其被一个或多个物体所反射离开)。在光源1 发射顶光线的情况下，此光线可通过选择性顶滤波器202以提高RF顶光线与周围光线之间的分离。该选择性顶滤波器202虽非必要，然降低周围成分确能改善该RF信噪比(SNI )。同时如前述，光源IM可产生除顶光线以外的光线，而在此情况下该选择性滤波器202的通带可为不同。同时或另者，在一实施例里，可将一透镜设置在该光线检测器104的前方以增加敏感度。该光线检测器104对该光线(可或可不通过该选择性滤波器20 进行检测，此检测器可经集成于该电路106内或在其外部。在一实施例里，该光线检测器104(例如，光二极管)经集成于该前端106内，相信这可减少射频电磁信号的拾取。由光线检测器104所收到的光线被转换成电流信号(或另一电压信号)，此信号可称为检测光线信号。在大部份情况下，周围光线为低频光线，其中包含阳光、人工产生的光线(例如欲以照明室内或街道或人行道)及来自非感兴趣的运动物体的阴影。从而，周围光线亦可包含来自人工来源的诸如IOOHz或120Hz的较高频变化，而具有来自直接由电力线所驱动的光线的各种较高谐波。该周围光线亦可包含来自以小型变压器电路在IOOKHz频率范围及其等谐波内所驱动之日光灯照明的甚为更高频率。因此，期望该光源的RF频率仍以较高频率所驱动，使得周围光线与光源1 所产生的光线间存在有显著频率间隔。较高频率虽基于上述理由而为较佳，然确存有由耗电量、放大器的增益带宽乘积及光源中(多个)发光构件的响应时间所施加的许多限制。因此，最佳RF频率是一种设计选择，但确建议该频率应高于IMHz且可能高达约10MHz。在频率方面可有优化。较高频率可提供将检测周围光线信号从该检测RF光线信号较佳地分离，并且倾向于提供较佳的信噪比。然较高频率确较难以处置，并且需要较高的电力电路进行处理。假设该光线检测器104产生为电流的检测光线信号(又称为光检测器电流或光检测器电流信号)，则表示检测周围光线及RF光线两者的检测光线信号被提供至放大器Ul的反向(_)输入，这导致在该放大器Ul的输出处能够响应于光电流增加而出现大扬升电压。 在该放大器Ul输出处的电压扬升可经由电阻器Rl提供反馈电流。如此，在第一部份里，该电流光线检测器信号会通过该电阻器Rl以在该放大器Ul的输出处提供输出电压。该放大器Ul的输出亦经由电阻器R2连接至另一放大器U2的反向(_)输入。这会在该放大器U2的输出处引生由电容器C2的充电所决定的下降电压。然后在该放大器U2 输出处的该下降电压增加晶体管Ql及Q2的导电性，并且也将电流馈送返回该光线检测器 104 (例如光二极管)。在一实施例里，该晶体管Ql可较单个FET为复杂，以控制其导电性并令其可在大小上进行切换。由于该放大器U2的输出相较于放大器Ul的输出为缓慢改变， 因此光检测器电流的高频成分通过该电阻器Rl以提供该检测RF输出，而同时该较低频率成分通过该晶体管Ql以提供该检测ALS输出。如此，较缓慢(亦即较低频率)的周围光线会被分导至该晶体管Q1，而较快速(亦即较高频率)的RF信号则是被分导至该电阻器R1。相较于晶体管Q2，晶体管Ql可具备各种大小且可由控制寄存器132、处理器140 或自动切换电路加以控制，此切换电路可对在电阻器R3处获得的检测周围光线信号(ALS) 输出的大小产生响应。如此，无论检测周围光线的大小为何，都可能会被晶体管Ql所吸收。 应注意到若晶体管Ql在大小上切换，则R2亦应在大小上切换，故而滤波特征基本上能够维持与由包含放大器U1、放大器U2及晶体管Ql在内的回路所提供的高通滤波器相同。总结而言，前端106提供一种机制，藉以将检测光线信号的高频成分(又称为检测 RF信号或RF输出)传通至检测RF信号输出(提供给额外的RF增益及滤波电路110)，而同时将较低频率周围信号(又称为检测ALS或ALS输出)传通至该ALS输出(提供给周围通道108)。增加的RF增益及滤波图3说明增加的滤波及RF增益级110的实施例。该配置系类似于该前端106，然光线检测器104被来自该前端RF输出的电压(称为RF输入)及电阻器R4所取代。在图3 内的元件与图2所示者相同或类似的位置，这些元件以等同方式然附以一“’”符号所标注， 例如图3中的U2’与图2中的U2相同或类似。通过电阻器R4的电流包含RF部份，且可含有可能根据其频率而散逸于前端106的残留低频部份。如此，该增加的滤波及增益级110 进行下列两项工作提供额外的RF增益，并且提供额外的滤波处理以将该检测周围信号的剩余部份与该检测RF信号进一步分离。可选择性将电容器(未予图示)串联增加于电阻器R4以提供进一步的高通滤波处理。然而，这一电容需要为高值以容纳小型电阻器R4，并且若电阻器R4改变则亦需改变。可改变电阻器R4以控制增加的RF增益级的增益。因此电阻器R4(以及本文讨论的其他电阻器)可被编程，以供这种变更。改变电阻器R4并不会对滤波特征造成显著影响。解调器及低通滤波器图4说明该解调器112及该低通滤波器118的实施例。例如前述，该解调器112 可执行整流及同步检测。该检测RF信号(由该增加的RF增益及滤波级110所输出)被呈现给电阻器R8，其作为该低通滤波器的一部份且亦作为斩波晶体管(例如FET) Q3及Q4与该RF放大器U1’之间的隔离。来自时序电路114且与期望的RF信号同相位的CHOP信号被传入FET驱动器402，此驱动器可开启及关闭FET Q3及Q4，让检测RF信号能被传至电阻器R9及电容器C3，而在此可对该信号进行滤波。提供单位增益放大器TO以将经滤波RF信号缓冲至下一级。在此应指出检测RF信号可被视为由两个成份所组成一者为该光源IM 与该光线检测器104间所有静止反射的总和，另一者则为来自待检测的非静止目标物体的信号。该等静止反射通常来自于近端物体(然非必要)，而待检测的非静止目标物体则通常位于远端。因此，该检测物体的相位可能会离开较大型近端“串音”信号的相位而为延迟。 根据一实施例，该CHOP信号经调整为与通常较微弱的物体信号同相位。亦可运用许多替代性的斩波器配置。例如，全波斩波器可按一方式传递正RF信号而按另一方式传递负RF信号，然后将这两项结果合并以提高增益。另一种可行方式为该解调器112执行尖峰采样和保持，随后为低通滤波器。该低通滤波器118的频率可按该接近信号的带宽要求所选定。可增加低通滤波器内的衰减(Roll-off)极点的数量以减弱较高频噪声。此系切截频率与噪声水平间的折衷。接近通道根据实现而定，接近通道1 可用于仅检测在该光学传感器系统102的标定范围内目标物体的出现，及/或该目标物体距该光学传感器系统102的相对距离。图5说明接近通道1 的一实施例。对该接近通道1 的输入被馈送至可变电阻器R10，其可设定放大器U6的增益。根据实现而定，可变电阻器RlO可由控制逻辑134及/或处理器140及/或透过图1所示串行接口 130所控制。电容器Cll及电阻器Rll设定接近通道126的低通滤波器。换言之，以电阻器Rll 及电容器Cll所配置的放大器TO构成放大低通信滤波器。可增加额外低通滤波器以进一步降低噪声。该放大器U6的输出为模拟接近信号，其是所检测的RF振幅的测度。假设所有其他条件等同，一般说来，目标物体愈接近光学传感器系统102，则RF振幅即愈大。然而例如后述，此可随着操作范围的改变而有所变化，例如经由调整一位移。一个或多个寄存器(例如寄存器132或其他寄存器)、数模转换器(DAC) 502及电阻器R2提供一种可编程机制以供控制放大器TO的位移，并因而控制该接近通道的位移。例如根据实现而定，这些元件可由控制逻辑Π4及/或处理器140及/或透过图1所示串行接口 130来控制，以控制该放大器TO的位移。藉由提供增益及位移的弹性，即能针对特定应用项目来修改该接近的操作范围。在图5中，两个比较器U7及U8由固定或可编程电压 Vl及V2馈送以供设定阈值，且藉此进行对接近信号是高位或低位以表示近端接近或远端接近的数字决策。可视需要使用或多或少的比较器。此外，可将该模拟接近输出馈送至A/ D转换器136并由该处理器140读回，或令其可直接在引脚上可用于进一步模拟处理。运动通道图6说明运动通道128的实施例。对该运动通道128的输入呈现给可变或可编程的电阻器或DAC的电阻器R13，其依次会控制施加于放大器U9的反向(_)输入的电流。以电阻器R14及电容器C14所配置的放大器U9构成放大低通滤波器。放大器U9的输出被施加于比较器U10，其在此产生逻辑上/下信号，被呈现给上/下计数器602。该上/下计数器602亦经馈送可变速率时钟，因而将可按该时钟所决定的速率且依比较器UlO的输出所控制的方向进行上行(Up)计数或下行(Down)计数。该可变速率时钟(VAR CLK)的速率可由例如该处理器140控制。如此，若该比较器UlO的输出为低，这表示该运动检测器输出上的负性条件，则该计数器602将上行计数，并且若该比较器UlO的输出为高，这表示正性运动检测信号的条件，则将会下行计数。该计数器602的输出会被提供给DAC 604，其将电压施加至电阻器R15。当计数器602上行计数时，DAC604的输出上升而增加流至该电阻器R15 的电流，如此将会向下推动运动放大器U9的输出。故而含有该放大器U9、比较器U10、上/ 下计数器602、DAC 604及电阻器R15的回路可运作以将放大器U9的输出复原至VREF。此复原可依照能够改变该VAR CLK的控制器(例如该处理器140)所欲而停止、缓慢运行或快速运行。此项反馈系统基本上构成能够消除该信号里DC成分的高通滤波器。在一实施例里，该VAR CLK会首先被快速运行，以将该放大器U9的输出降下至 VREF0然后会减慢至相当低的速率，因而能够抵消掉检测信号内的任何漂移。该检测信号内的任何快速变化将造成该U9的输出扬升或落降，如此将会触发其他比较器Ull或U12的其中一者，而亦对它们提供以相对应的阈值电压V3及V4。按此方式，若一物体正在趋近，则该比较器Ull将输出正性信号，并且若物体正在移行，则比较器U12将输出正性信号。该模拟运动输出亦可被馈送至该A/D转换器136。该接近通道1 与该运动通道1 之间的差异与增益和带宽相关。在该接近通道 126里，该增益在正常情况下为低，故而能够获得宽广的位置范围而无需改变增益。该带宽可为较高，理由是增益较低。而另一方面，该运动通道1 欲拥有最大增益及低带宽，因此可在最远距离进行运动检测。由于增益很高，故而应有一便捷方式以供消除该检测信号的绝对大小上的漂移，并亦有一种方式以利若该检测信号的大小出现突发性的剧烈变化则能够进行快速复原。此即为该VAR CLK的切入点，基本上会自动进行该控制器须另予处理。周围通道
12路的一些，并用以根据本发明一实施例说明周围通道 108的实现。QlDAC 702及晶体管Q2可为来自前端级106的低频反馈元件。在此，Ql可藉由令 Ql为多个晶体管而作为DAC (称为QlDAC 702)，该多个晶体管配置并联选定数量的晶体管来控制Ql的宽度。然后，假设Q2的宽度固定，行经Q2的电流可为行经Ql的电流乘以W2/ W1，其中W2为Q2的宽度且Wl为Ql的选定宽度。根据一实施例，多个晶体管Ql可依二进制宽度构成，因此可藉由二进制数值直接选择Ql的总宽度。可利用切换网路(未予图示) 以供选定各种Ql宽度。可透过该串行接口 130及/或该处理器140编程寄存器704(可为寄存器132之一)来控制这一切换网路。在此Ql可配置为DAC而非单一晶体管，让其能调整大小以将所求的周围电流传至该光线检测器104(例如光二极管)。例如在直接阳光照射下，一 Imm平方的光二极管可提供达600uA的电源。但在黑暗里，该周围电流可忽略不计。藉由改变该晶体管Ql相对该晶体管Q2的导电性，该Ql DAC 702可充当该检测周围信号上的范围调整。这对在周围黑暗下该Ql DAC 702的导电性为最小化时，该前端信噪比(SNR)方面具有优点。以电阻器R13 及电容器C13配置的放大器U13构成放大低通滤波器。藉由具有该范围调整DAC 702，自该晶体管Q2传入电阻器R13及电容器C13的信号在大小上可相对固定而不论周围振幅如何。检测ALS可被馈送至该A/D转换器136以形成检测ALS的细微解析。总ALS振幅可如 Ql DAC增益及该ALS A/D振幅的乘积所算得。因为Ql和Q2具有相同的栅极和源极电压，因此Ql和Q2的电流与Ql和Q2的大小(例如宽度)成正比，如此可让这些晶体管能够用作增益级。而由于Ql的宽度为可变， 所以Ql和Q2亦可合称为可变增益级。在图7实施例里，周围通道的输出被示为模拟输出。可利用一个或多个比较器以产生数字输出，或可使用A/D转换器(例如136)以产生数字输出。替代性实现亦为可行。增益调整存在有许多可行的对光学传感器系统102进行的增益调整，每一个可经调适以达成特定期望操作。例如后文所述，该前端106的RF增益可为固定。然对于该前端106而言，为了适当运作，应最好将Ql DAC 702设定于适当水平处，以对周围光线进行RF光线滤波。藉由透过A/D转换器136来观察所检测ALS的振幅，可对Ql DAC 702的增益进行调整 (例如藉由处理器140)。在一实施例里，若该检测ALS的振幅低于完整比例的约1/8，则可藉由减少Ql的大小(例如宽度)以提高该Ql DAC 702的增益；并且若该检测ALS的振幅高于完整比例的约1/4，则可藉由增加Ql的大小(例如宽度)以降低Ql DAC 702的增益。 这提供该检测周围光线信号在显著扰动下仍可被Ql DAC 702所吸收的空间。在名义上，若该前端106的第一增益级具有适于处理该最大RF信号振幅的固定增益则可为有利。此最大振幅将出现在物体将大量光线自该光源1 反射至该光线检测器 104时。此情况会出现在在将镜子放置在靠近该光源IM及该光线检测器104处，因而该光源1 看似直接相对且接近该光线检测器104。若该光源(例如LED)是按50mW峰-峰发光且图像分离为2cm，同时该LED在一半强度处其展开角度为+/_30度，则光电流为例如约 240uA峰-峰(pk-pk)。在此，该前端106的电阻器Rl可减少至约4K，以保持该检测RF信号于IV pk-pk。当在一远处位置检测时，此4K电阻值是在低侧。然而，在此情况下可能会减少该光源信号的振幅，如此可另获降低耗电量的益处。所以，根据一实施例，Rl的数值可保持为固定(例如为200K)，这可将光源功率减少至ImW而无须切换该电阻器Rl的数值。 故而第一调整项目可为对该光源124(例如LED或其他(多个)发光构件)之驱动电流的振幅。为知晓如何调整该光源驱动电流，可考量来自附加RF级的检测RF信号大小。此可自该接近通道126随即获用。在此，该接近通道1 的位移可藉由将VREF自该位移调整 DAC 502施加至该电阻器R12而保留不变。然后，可藉由设定于IX或2X处的接近增益来注记接近信号的大小。若接近信号过大，则首先可降低该附加RF级110的增益。而若当该附加RF级110的增益为一时该接近信号依旧过大，则减少光源驱动电流，如此可节省电力。另一方面有可能在开机时该接近信号的大小为过小。此时，该程序可首先提高该附加RF级110的增益，且若仍为不足，则增加流至该光源124的驱动电流。其最终可为最大化，因为可达到最大RF增益和最大光源驱动电流。该运动检测器通道128的增益可按下列方式所设定。可对可变时钟(VARCLK)进行调整，因此能够将该运动检测器通道128的输出处的基线电压保持为接地(亦即零)，而具有约为IHz的带宽。然后可提高该运动检测器通道128的增益，直到来/去比较器Ull 及U12开始检测信号，或该增益已经为最大化为止。若来/去比较器Ull及U12此时已检测噪声，则可将运动检测器通道1 的增益减少约1/2。之后，可对该VAR CLK进行调整，因而能够消去漂移且检测运动。在光源在相当宽广角度上投射光线的情况下，运动检测器通道128的本质为任何超越过某一距离的运动将不会呈现出检测足够大而被检测到的信号， 以将运动检测限制在某一半径内。期望该运动检测器增益可自动完成，即使在该检测领域内出现一些运动时亦然。 若未出现运动，则前述程序确能运作。在该系统知晓运动正发生的情况下，该运动检测器通道1 的增益可寻求总是将该增益调整为一标称噪声水平。正如就平均而言可有上/下计数器以将该运动信号保持在VREF处，亦可有上/计数器及GAIN DAC将该运动输出噪声水平保持在低于平均标称的检测水平的标称水平处。若该增益未冻结，则该运动检测器通道 1 成为相对运动检测器，这主要可实现检测较大的运动。下一调整可以是接近通道1 的增益及位移的调整。先前已解释可调整该附加RF 增益级110的增益以将该接近通道1 的大小设定于可用范围内。然而，此范围可能并非如所期望地敏感。所要求的是该接近通道126的增益及位移使近端及远端比较器U7和U8可出现在距VREF约+/-0. 5V的水平处、或该ADC 136的范围是在从完整比例的1/4处的可用最小值至该完整比例的3/4处的可用最大值。获得此增益及位移调整的一方式是通过利用使用者与系统间的交互。以低增益开始，使用者可在近端与远端位置之间移动一物体(或其本人)且自该ADC 136取得读数。从这两个读数即可算出该增益及位移调整。然而，由于此方法需要使用者介入而可能并非所乐见。给定该运动通道128的增益可自动调整以检测高于噪声底限的运动，若能自动辅助于自动调整该接近通道126的增益和位移而无需使用者介入则可为有用。该运动通道 1 可检测范围内的目标运动。然而，若该目标物体位于范围外或是静止时则无法进行检测。因此，该运动通道1 所提供的唯一有用信息为，若检测到运动，则该目标是在范围之内，并且该接近信号大于反射的DC成分。为便于讨论，假设当该目标在范围外时该接近通道126的理想输出为零。若该附加位移为零，该接近通道1 将因该固定反射而具有正性输出。为达到该理想条件，有必要增加该附加位移，如此当已知目标出现时(当由该运动通道1 检测运动时)，该目标可降低该接近通道126的输出而趋向零。若该附加位移过大， 则该接近通道126的输出将成为负性。如此，该接近位移的控制器(例如处理器140)可利用一种算法，其中若检测运动并且该接近输出为正性则增加该接近位移，且若该接近输出为负性而无论运动如何，则减少该接近位移。最终，该控制器将发现正确的位移。总结而言， 该运动感测及接近感测的组合可提供自动增益及物移调整，使得能够检测物体而使用者无须在校调程序中进行介入。一些其他控制器的处理器140可执行这一自动校调程序。后文中将对其进一步详细解释。根据一实施例，该运动通道1 的增益被设定为大于该接近通道1 的增益，因此该运动通道1 所能检测物体运动的最大距离大于接近通道1 所能检测出现该物体的最大距离。这是因为该运动通道1 经AC耦接并且具有仅受限于该系统的热噪声的增益，低达该信号的数微微(Pico)安培。然而，该接近通道126由于经DC耦接，因此需要处置整个所收到的RF振幅，其通常会是在数百纳(Nano)安培的范围内。在常见光学设计里，所传送的RF光线容允在例如45度的宽广范围上展开。在此配置中，待检测的物体可将反馈信号提供给该光线检测器104，而当该待检测物体达到约1-2 公尺的距离时，此信号即变成低于该前端106的微微安培的噪声限制。因而在此配置中，该运动通道1 可检测在约1-2公尺范围内的运动；不过，该接近通道1 可能仍自附近的静止物体(包含其内封置有该光线检测器104的设备)收到大静态信号。一个在前述光学系统里可能重要的问题为该待检测的物体是否位在该检测范围内。该运动通道1 可回答该问题-若该检测物体像是运动以改变所反射信号振幅。然而，假使该检测物体非常缓慢移动进入或离开该范围，则只有该经DC耦接的接近通道1 (理论上)才能够作出此决定。 潜在问题为该接近通道126只有在该检测阈值被设定为比背景数百纳安培高数微微安培方才能作出“在范围内”的决定。为作出此项决定，应自该低通振幅信号中减去位移而后跟随一大增益。此即为该运动通道1 能够辅助该接近通道1 之处。当检测到运动时，可调整对该接近通道126的位移以产生为零的最终接近信号。因而，在该接近位移调整后可提高该接近通道126的增益。此仅为该接近通道126的一种可行使用。该接近通道126的另一种使用为运用于近端物体检测，其中它仍用于决定该接近位移调整，然该接近通道126 的增益维持在低位，因而能够测量并检测大的物体信号。光学传感器系统的示范性使用方式图8为根据本发明一实施例的含有光学传感器系统102的大型系统的高阶方块图。本发明实施例的光学传感器系统可应用于各种大型系统，包含移动电话、手持式装置、 电脑系统及/或其部分(例如电脑显示监视器)，然不限于此。现参照图8的系统800，例如该光学传感器系统102可用以控制是否启动或关闭子系统806 (例如显示屏幕、触控屏、背光、虚拟滚轮、虚拟键盘、导航店等等)、及/或该子系统的亮度。例如，该光学传感器系统102的运动通道1 及/或接近通道1 可在诸如某人员的手指之类的物体趋近时进行检测且基于该检测结果而启动(或是关闭)该子系统 806。此外，该周围通道108可用以在适当情况下调整该子系统806的亮度。例如，可将该光学传感器系统102的一个或多个输出提供给比较器及/或处理器804，其可例如将该光学传感器系统102的(多个)输出与一个或多个阈值进行比较，以决定该物体是否在其中应启用(或停止，根据需要而定)该子系统806的一范围内。可使用多个阈值且可依照物体的检测接近出现一种以上的可能响应。例如，若物体位于第一接近范围内，则可出现第一响应，而且若该物体位于第二接近范围内，则可出现第二响应。亦可将该比较器及/或处理器 804或其部分的功能性纳入该光学传感器系统102内。 上述描述是本发明的优选实施例。出于说明和描述目的而提供这些实施例，但它们不旨在穷举或将本发明限制在所公开的精确形式。许多改型和变化对本领域内技术人员而言是明显的。这些实施例的选择和描述是为了最好地阐述本发明的原理及其实践应用， 由此使本领域内技术人员理解本发明。
权利要求
1.一种配置成用于周围光线检测、接近检测及运动检测的系统，所述系统包含 前端，配置为接收利用光线检测器产生的检测光线信号，其中所述检测光线信号表示检测周围光线及由光源产生的检测射频(RF)光线两者；输出检测周围光线信号，其主要表示所述检测光线信号中表示检测周围光线的部分；且输出检测RF光线信号，其主要表示所述检测光线信号中表示检测RF光线的部分； 周围通道，配置为依据所述检测周围光线信号来产生表示该检测周围光线的一个或多个周围输出信号；接近通道，配置为依据检测RF光线信号来产生表示物体相对系统的接近程度的一个或多个接近输出信号；以及运动通道，配置为依据检测RF光线信号来产生表示物体相对于系统的运动的一个或多个运动输出信号。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，检测RF光线归因于反射离开一个或多个静止物体的光线以及反射离开一个或多个移动物体的光线。
3.如权利要求1所述的系统，进一步包含电路，配置成放大及滤波所述检测RF光线信号，并且输出经放大及滤波的RF光线信号以被提供给所述接近通道及所述运动通道两者。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，配置成放大及滤波所述检测RF光线信号的电路包含增益电路，配置成自所述前端接收所述检测RF信号，并且放大所述检测RF光线信号； 解调器，配置成接收由增益电路所输出的信号，并且输出具有与经放大RF光线信号的 RF振幅成正比的低频内容而且包含高频伪像的信号；以及低通滤波器，配置成接收由解调器所输出的信号，并且输出表示经放大RF光线信号的低频内容而高频伪像被滤除的信号；其中所述接近通道及所述运动通道各自接收由低通滤波器所输出的信号。
5.如权利要求4所述的系统，进一步包含 驱动器，配置成驱动所述光源；以及一个或多个时序电路，配置成控制所述解调器和所述驱动器的时序。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述一个或多个时序电路驱动所述光源，使得所述光源产生具有至少IMHz的频率的脉冲化光线信号。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述运动通道的增益被设定为大于所述接近通道的增益。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述运动通道的增益被设定为噪声所允许的那样高，以在最大距离处检测目标运动。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述接近通道的位移及增益基于所述运动通道所检测的运动而调整。
10.如权利要求9所述的系统，进一步包含控制器，配置成基于所述运动通道所检测的运动来控制所述接近通道的位移及增益；其中所述控制器利用控制逻辑、处理器及/或串行接口来实现。
11.一种配置成用于接近检测及运动检测的系统，所述系统包含 前端，配置为接收利用光线检测器所产生的检测光线信号，其中所述检测光线信号表示检测周围光线及由光源所产生的检测射频(RF)光线两者；且输出检测RF光线信号，其主要表示所述检测光线信号中表示所述检测RF光线的部分；接近通道，配置为依据所述检测RF光线信号或其经放大及/或经滤波版本来产生表示物体相对所述系统的接近程度的一个或多个接近输出信号；以及运动通道，配置为依据所述检测RF光线信号或其经放大及/或经滤波版本来产生表示物体相对所述系统的运动一个或多个运动输出信号。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述运动通道的增益被设定为大于所述接近通道的增益。
13.如权利要求12所述的系统，其特征在于，所述运动通道的增益被设定为噪声所允许的那样高，以在最大距离处检测目标运动。
14.如权利要求11所述的系统，其特征在于，所述接近通道的位移及增益基于所述运动通道所检测的运动而调整。
15.如权利要求14所述的系统，进一步包含控制器，配置成基于所述运动通道所检测的运动来控制所述接近通道的位移及增益； 其中所述控制器利用控制逻辑、处理器及/或串行接口来实现。
16.一种用于周围光线检测、接近检测及运动检测的方法，所述方法包含(a)接收利用光线检测器所产生的检测光线信号，其中所述检测光线信号表示检测周围光线及由光源所产生的检测射频(RF)光线两者；(b)基于所接收的检测光线信号产生检测周围光线信号及检测RF光线信号，其中所述检测周围光线信号主要表示所述检测光线信号中表示检测周围光线的部分，以及其中所述检测RF光线信号主要表示所述检测光线信号中表示检测RF光线的部分；(c)将所述检测RF光线信号或其经放大及/或经滤波版本提供给接近通道及运动通道两者；(d)利用所述接近通道以基于所述检测RF光线信号或其经放大及/或经滤波版本来产生表示物体相对所述系统的接近程度的接近输出信号；以及(e)利用所述运动通道以基于所述检测RF光线信号或其经放大及/或经滤波版本来产生表示物体相对所述系统的运动的一个或多个运动输出信号。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述检测RF光线具有高于所述检测周围光线的频率。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述检测RF光线信号被同步检测。
19.如权利要求16所述的方法，进一步包含基于由所述运动通道所检测的运动以调整所述接近通道的位移及增益。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于步骤(d)包含基于所述检测RF光线信号的振幅或其经放大及/或经滤波版本，利用所述接近通道以产生表示物体相对所述系统的接近程度的接近输出信号；以及步骤(e)包含基于所述检测RF光线信号的振幅或其经放大及/或经滤波版本，利用所述运动通道以产生表示物体相对所述系统的运动的一个或多个运动输出信号。
全文摘要
本发明提供可用于周围光线检测、接近检测和运动检测的光学传感器系统，以及含有此光学传感器系统的大型系统与相关方法。在一实施例里，该光学传感器系统含有前端、周围光线通道、接近通道和运动通道。在一实施例里，可依据由该运动通道所检测到的运动来调整该接近通道的位移与增益。
文档编号G01B11/00GK102422122SQ201080019292
公开日2012年4月18日 申请日期2010年4月28日 优先权日2009年4月29日
发明者T·D·里斯 申请人:英特赛尔美国股份有限公司
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