专利名称：具有偏置补偿的光学接近传感器的制作方法
具有偏置补偿的光学接近传感器
优先权和相关申请
本申请要求以下申请的优先权:2012年I月27日提交的题为“OPTICAL PROXIMITYSENSORS WITH OFFSET COMPENSATION(具有偏置补偿的光学接近传感器)”的美国非临时专利申请 N0.13/360，168 ;以及 2011 年 11 月 11 日提交的题为“OPTICAL PROXIMITY SENSORSWITH OFFSET COMPENSATION(具有偏置补偿的光学接近传感器)”的美国临时专利申请N0.61/558, 989。
本申请涉及共同转让的2010年3月2日提交的题为“PR0XMITY SENSOR WITHIMPROVED AMBIENT LIGHT REJCT10N(改进的去除环境光的接近传感器)”美国专利申请N0.12/716，220。技术领域
本发明的实施例一般涉及补偿干扰光和/或去除环境光的光学接近传感器(optical proximity sensors)。
背景技术：
光学传感器，例如光学接近传感器，典型地包括光源和邻近的光敏光检测器。基于从光源发出的、被物体反射并被光检测器检测到的光的量，这种光学传感器可用于检测物体的存在性、估计物体的接近度和/或检测物体的移动。随着电池供电式手持装置的出现，例如移动电话，这些传感器的价值越来越重要。例如，来自移动电话电池的适当能量用于驱动显示器，当移动电话或其它装置靠近用户的耳朵(总之，当其不能被观察到时)时，关闭显示器或背光是有价值的。光学接近传感器就是用于此，及许多其它的应用。
对于其它示例，存在许多其它的应用，其中采用光学接近传感器能够检测物体的存在，从而带来了改进。这包括，感测机器上的保护盖何时被打开、纸张何时被正确地放置在打印机中、或操作者的手何时靠近运转的机器而处于危险中。光学接近传感器还可用作简单触摸或接近触摸(near-touch)激活式开关，也可在例如键盘、或在具有密封的但允许来自光源的光通过并在返回时被检测的塑料外壳的装置之类的应用中实施。
并非朝着目标物体传输、而是直接从光源向检测器传输的从光源到检测器的光，降低了整个装置感测距离的能力。这种光基本上在包装内的边侧传播，被认为是噪音或“漏光”，其不包含信息。为了减少、优选地阻止漏光，典型地使用不透明的光屏障以隔离光源和光检测器。然而，光屏障增加了光学传感器的复杂度、成本和尺寸。另外，光屏障通常是有瑕疵的，从而导致了在光屏障下方、上方和/或透过光屏障的漏光。
光学传感器通常与为玻璃、塑料或某种其它保护性透光材料的盖板一起使用(例如，放置在盖板后和/或被盖板覆盖)。举例来说，盖板可以是覆盖移动电话、便携式音乐播放器或个人数据助理(PDA)的屏幕的玻璃，或是覆盖膝上型计算机、上网本或平板计算机的屏幕的塑料。当在光学传感器上放置这种盖板时，光学传感器通常对镜面反射敏感。相似地，镜面反射降低了整个装置感测接近度的能力，这是由于镜面反射基本上是不包含信息的噪音。
鉴于以上情况，需要使直接从光源向光检测器传输的光最小化，同时，使镜面反射和/或其它内部反射光最小化。实现这些目标的常规尝试典型地涉及修改光学传感器的机械/结构设计。发明内容
在以下的详细描述中，参考了构成说明书的一部分的附图，这些附解地示出了具体的说明性实施例。可以理解，可采用其它实施例，以及可进行机械和电气的改变。因此，以下的详细描述内容并不旨在进行任何限制。在以下的描述中，从始至终，相似的标号或附图标记将用来指代相似的部分和元件。此外，参考标号的第一位标识了该参考标号首次出现的附图。
图1示出示例性光学传感器102，其可以是用于检测物体的存在性、估算物体的接近度和/或检测物体的移动的接近传感器。光学传感器102包括光检测器114(也称为光电检测器)，驱动器106，时序控制器108，和模-数转换器(ADC)116。驱动器106被时序控制器108输出的发射(TX)信号控制，以选择性地驱动光源104。光检测器114产生模拟信号(例如电流)，其指示入射在光检测器114上的光的强度。ADC将光检测器114产生的模拟信号(例如电流)转换成可用来检测物体122的存在性、接近度和/或移动的数字信号(例如N-位信号)。光源104可为例如一个或多个发光二极管(LED)或激光二极管，但不限于此。由于人眼不能察觉IR光线，光学接近传感器多采用红外(IR)光源，但可选地光源也可产生其它波长的光。光检测器可为例如一个或多个光电二极管(ro)，但不限于此。
驱动器106通常被示为包括电流源I1、和基于时序控制器108输出的发射(TX)信号被选择性地闭合的开关Si。当开关SI闭合，电流源I1产生的电流被提供至光源104的正极，从而选择性地发射光。可选地，TX信号可选择性地使电流被抽出以通过光源104，例如通过在光源104的阴极和低电压轨(例如接地)之间耦合开关S1和电流源I1，从而发射光。通过框122表示的传感器102检测在光学传感器感测区域内的物体及其接近度、存在性和/或移动。感测区域是指光学传感器能够检测物体的区域或范围。物体可在感测区域夕卜，例如，如果物体离光学传感器很远；或如果即使物体靠近光学传感器，但其相对于传感器放置使得光源发射的光不被反射回光检测器。
不透明的光屏障110被不出位于光源104和光检测器114之间，以隔离光源和光检测器。然而，如前所述，光屏障通常是有瑕疵的，从而导致了在光屏障下方、上方和/或透过光屏障的漏光。盖板124保护和/或掩盖光源104和光检测器114，可以是光学传感器102的一部分或是位于光学传感器102之外(例如，邻近)。这种盖板124，如前所述，可能导致镜面反射和/或其它内部反射。内部反射也可能来自包含在光学传感器102的其它物理部分。为了说明目的，盖板124不被视为处于光学传感器感测区域内的物体，这是由于，光学传感器优选地在如同盖板124不存在的情况下运行。
参考附图1，线条132表示光源104发射的、被物体122反射并入射在光电检测器114上的光。这种感兴趣的反射光导致光电检测器114产生信号(例如电流)，信号可被表示为K1*TX，其中Kl表示被物体122反射并入射在光检测器114上的光量，TX是为O或I的二进制值。
在附图1中，通常并不感兴趣(至少对检测物体122的接近度、存在性和/或移动而言)的光由虚线134表示，并且可由镜面反射和/或其它内部反射和/或在光屏障下方、上方和/或透过光屏障的漏光产生。这种通常不感兴趣(至少对检测物体122的接近度、存在性和/或移动而言)的光通常被称为干扰光并导致光电检测器114产生信号(例如，电流)，信号可被表不为K2*TX,其中Κ2表不入射在光检测器114上的干扰光的量,TX是为O或I的二进制值。这种干扰光降低了光学传感器102的动态范围，降低了光学传感器的检测范围。本文所使用的术语干扰光不包括可能来自阳光、卤素灯、白炽灯、荧光灯等的环境光。
从上述讨论中可以理解到，光检测器114(例如光电二极管)产生检测信号(例如Idiode)，其可被表示为Ididde = Κ1*ΤΧ+Κ2*ΤΧ(此时，忽略环境光)。正如上文所解释的，对于检测物体122的接近度、存在性和/或移动来说，Κ1*ΤΧ表示感兴趣的光，而Κ2*ΤΧ表示干扰光。换言之，由光检测器产生的检测信号(例如Ldiode)包括感兴趣的光以及干扰光。检测信号(例如Idi(KJ还可能包括环境光，其同样也是不感兴趣的(至少对检测物体122的接近度、存在性和/或移动而言)。存在多种不同的技术可减少和优选地最小化环境光的影响，其中的一些会在本文中描述。然而，下文最初的讨论并不会聚焦在环境光上。
正如所解释的，由光检测器114(例如，光电二极管)产生的检测信号(例如Idiode)可被表示为Ididde = Κ1*ΤΧ+Κ2*ΤΧ。根据本发明的具体实施例，模拟偏置信号(例如，偏置电流)，可被表示为Koff*TX，与检测信号组合以产生模拟补偿检测信号(例如Icomp)，也可称为模拟偏置补偿检测信号。这种偏置信号可用于补偿干扰光，以增加光学传感器的动态范围和检测范围。更特别地，通过采用偏置信号，Icomp= Idiode-Koff*TX =Kl*TX+K2*TX-Koff*TX。如果Koff = K2，则Icomp = K1*TX，干扰光的效果基本上被消除(例如，被抵消)。换言之，如果Koff = Κ2，则K2*TX-Koff*TX = O。更通常地，Koff被选择为K2*TX-Koff*TX=Y,Y是可被指定的可选(例如，可编程的)值。其中，Y可被指定为等于零，Y为除了零以外的值也在本发明的范围内，例如，所需的固定偏置值。换言之，可执行部分干扰光偏置抵消来实现所需固定偏置，而不是基本上或全部执行干扰光偏置抵消。
图1示出示例性光学接近传感器。
图2A-2D示出根据本发明多个实施例的光学接近传感器。
图2E示出光学接近传感器的实施例，其实现了附图2A-2D的实施例的一些益处，但被认为是较次的。
图3A和3B是示出接近度计数相对于距离的示例性曲线图，其用来示出本发明的实施例如何能够用于改进光学接近传感器的使用范围和检测距离。
图4提供根据本发明具体实施例的、在图2A-2D中示出的模_数转换器(ADC)的附加细节。
图5示出根据本发明实施例的接近检测的信号处理的时序图。
图6示出在具有附图4的ADA反馈的ADC中如何实现N-位和M-位ADC，以及相应的可能的时序图。
图7示出根据本发明另一实施例的光学接近传感器。
图8是根据本发明实施例的系统的高层框图。
图9是用于概括根据本发明多个实施例的方法的高层流程图。
具体实施方式
图2A不出根据本发明实施例的光学传感器202a。光学传感器202a包括光检测器114(同样称为光电检测器)，驱动器206，时序控制器208，和模-数转换器(ADC)216。驱动器206被时序控制器108输出的发射(TX)信号控制，以选择性地驱动光源104。光检测器114产生模拟信号(例如电流)，其表不入射在光检测器114上的光的强度。ADC转换器216将光检测器114产生的模拟信号(例如电流)转换成可用来检测物体122的存在性、接近度和/或移动的数字信号(例如N-位信号)。
驱动器206通常被示为包括电流源I1，和基于时序控制器208输出的发射(TX)信号选择性地闭合的开关Si。当开关S1闭合时，电流源I1产生的电流被提供至光源104的正极，从而选择性地发射光。可选地，TX信号可选择性地使电流抽出以通过光源104，例如通过在光源104的阴极和低电压轨(例如接地)之间耦合开关S1和电流源I1，从而发射光。
光学检测器202a还包括电流源12以选择性地提供偏置电流Koff，从而1。。_ =Kl*TX+K2*TX-Koff*TX。在图2A中，偏置电流与光检测器114和ADC 216的输入之间的信号路径内与检测信号相组合。这对增加ADC 216的动态范围产生影响，增加了光学传感器202a的检测范围。在参考附图2A-2D描述的本发明实施例中，光屏障110是可选的，因此以虚线示出，这是由于本发明的实施例可用于消除对任何光屏障的需要。在该实施例以及下文所描述的其它实施例中，在驱动器206驱动光源104以发射光的同时，TX信号选择性地使DAC 242(或262)产生偏置信号。其优点将在下文中描述。
图2B示出根据本发明实施例的光学传感器202b，其包括用于将存储的数字值转换成偏置信号(例如Koff*TX)的数-模转换器(DAC) 242。这种数字值可以存储在寄存器、随机存取存储器(RAM)，或一些其它存储装置中，共同由框244来表示。所存储的值可按照需要被编程和重编程，例如，使用诸如但不限于I2C总线之类的总线、或使用其它的数字接口。图2B中还示出可选的延迟模块210，其可用于有意地调节(例如，偏斜)提供至驱动光源104的驱动器206的TX信号和驱动产生偏置信号(例如Koff*TX)的DAC 242的TX信号之间的时序。延迟�？�210可用于优化性能，例如，在光源104在响应于驱动器206被启用而发射光之前需要时间的情况下。在本发明的其它实施例中可增加相似的延迟�？�210，包括图2A、2C和2D示出的实施例。
图2C示出根据本发明实施例的光学传感器202c，包括控制环以动态地设置提供至DAC 242的数字值，从而当光学传感器202c的感测区域内没有物体时，ADC 216的输出匹配框260中存储的偏置目标值。控制环被示为包括ADC 216、数字求和器256 (这种情况下作为减法器)、乘法器258、数字过滤器254和DAC 242。数字过滤器254可为积分器或累加器，但不限于此。�？�260可为例如寄存器、随机存取存储器(RAM)，或一些其它存储装置。
根据本发明的具体实施例，ADC 216被实现为具有模_数-模(ADA)反馈的ADC，如下文中参考图4和5所描述的，用来去除环境光。正如上文所解释的，基于从时序控制器208接收的TX信号，驱动器206选择性地驱动光源104以发射光。因此存在光源104不发射光(因此也没有源自光源的反射光入射在光检测器114上)的时段，但环境光仍入射在光检测器114上。在这种实施例中，以及其它实施例中，ADC 216在光源104被驱动以发射光的时段期间以及在光源104未被驱动发射光的时段期间执行部分模-数转换。这使得ADC216能用来去除环境光，这能从下文图4和5的讨论中理解到。然而，由于ADC 216在光源104未被驱动发射光的时段期间执行部分模-数转换，为能够精确补偿干扰光，产生模拟偏置信号应当与驱动光源104以发射光同步(即，从而在光源发射光的同时产生模拟偏置信号)。为了实现这种同步，TX信号用于控制驱动206以选择性地驱动光源104，以及控制模拟偏置信号(Koff*TX)的产生，如图2A-2D所示。举例来说，在图2A的实施例中，TX信号控制开关SI和S2，从而仅在光源104发射光时产生模拟偏置信号。在图2B-2D中，TX信号控制开关SI，并被提供以使能DAC 242和262的管脚，从而仅在光源104发射光时产生模拟偏置信号。
在图2A-2D中，当TX信号闭合开关SI时，驱动器206选择性地驱动光源。更通常地，驱动器206被认为具有接收TX信号的使能管脚，从而TX信号可作为使能信号(如其在图2B-2D对DAC 242和262中所做的)。
参考图2C，根据本发明，数字求和器256、数字过滤器254和乘法器258可在包括DAC 242和ADC 216的芯片外部，并可在芯片的制造或制造后测试中用来选择数字值存储在模块244中(图2B中)。可选地，这些部件可实现在与DAC 242、ADC 216和时序控制器208相同的芯片或芯片组中，存储在�？�244(图2B中)中的数字值可选择性地时常更新以补偿在盖板124上聚集的装饰(makeup)、油脂、刮痕等。举例来说，假定光学传感器是在更大系统中使用的子系统的一部分，存储在�？�244(图2B中)中的值可周期性地自动更新、或根据需求更新，只要在光学传感器的感测区域内没有物体122。本文描述的光学传感器之一可与执行环境光检测的另一光学传感器一起包括在用于接近检测的系统(例如，移动电话)中。根据实施例，如果光学接近传感器未检测其检测区域内的物体，同时光学环境光传感器检测到超过预定阈值的环境光，系统可确定此时为合适的时段，在该时段内用来产生偏置信号的值(例如，存储在图2B中�？�244中的值)可被自动更新。其它变型也是可能的，并在本发明的范围内。
时序控制器208也可向ADC216提供TX信号，从而ADC216与光源104同步。举例来说，如果ADC 216包括向上响下计数器，时序控制器208还可提供二进制向上/向下控制信号，其可指定什么时候计数器向上计数，什么时候计数器向下计数。此外，时序控制器208还可向ADC 216的部件提供其它时序控制信号。
在上述参考图2A-2C所描述的实施例中，通过组合模拟电流信号执行干扰光偏置补偿。在那些实施例中，ADC 216接收电流输入，DAC 242产生电流输出。在替换实施例中，可通过组合模拟电压信号来执行干扰光偏置补偿。举例来说，参考图2D，跨阻抗放大器(TIA) 264将光检测器114产生的电流检测信号转换成电压检测信号。另外，在图2D中，DAC262的输出为电压信号，可表示为Voff*TX。求和放大器266将DAC 262输出的电压信号与电压检测信号(Vdiode)组合，在此情况下求和放大器266确定其两个输入信号之差，从而产生电压补偿检测信号(Vcomp)。在输入端接收电压信号的ADC 276将电压补偿检测信号(Vcomp)转换成数字信号。使用产生表示入射到光检测器上的光量的电压(替代电流)的光检测器，也在本发明的范围内，这样可以消除对TIA 264的需要。
在上述参考图2A-2D所描述的实施例中，在模拟域中执行干扰光偏置补偿，即通过组合模拟信号。这导致补偿检测信号(Icomp或Vcomp)被提供至ADC(216或276)的输入端。
可选地，在数字域中执行干扰光偏置补偿是可能的，即在ADC将模拟检测信号(Idiode或Vdiode)转换成数字检测信号之后。换言之，通过组合数字信号来执行干扰光偏置补偿，即通过从数字检测信号中减去数字偏置补偿信号。这种替换的示例在图2E中示出。在数字域中执行干扰光偏置补偿可用于补偿至少一些干扰光，这种实施例需要更高分辨率、及增加的动态范围的ADC，这将增加光学传感器的成本和功率需求，还可能增加光学传感器的物理尺寸。举例来说，假定存在产生具有8位分辨率的补偿检测信号的需要/需求，即256个不同的码或“计数”。同样，假定干扰光可高达4倍地大于ADC全范围，这等效于ADC的两个全位分辨率。更特别地，假定干扰光导致192个偏置计数，使系统仅能解析64个不同的计数(即，256-192 = 64)。这降低了 2位系统分辨率。因此，如果在数字域中执行干扰光偏置补偿(即在ADC 216或276的模-数转换之后)，ADC 216 (或276)将需要另外的2位分辨率(即，需要10位ADC 216或276)以实现所需的8位系统分辨率。然而，增加ADC的尺寸并不是所期望的，因为这通常会增加ADC的成本和功率需求，并通常会增加ADC的物理尺寸。另外，ADC的分辨率越高，通常执行模-数转换所花时间越长(典型地，增加一位将使得电荷平衡ADC的转换时间翻倍)。因此，在数字域中执行干扰光偏置补偿(例如图2E所示)被认为次于在模拟域中执行干扰光偏置补偿，如在上文中参考图2A-2D所描述的。
在上文描述的实施例、以及将在下文中描述的实施例中，光检测器114通常被描述为产生模拟检测信号(例如，电流)的光电检测器，该模拟检测信号表示入射在光检测器114上的光的强度。然而，值得注意的是，光检测器还可包括附加的模拟信号处理和/或缓冲电路，例如模拟前端(AFE)、电流缓冲器和/或过滤器，但不限于此。共同地，这种电路可适于产生表示入射在光检测器上的光强的模拟检测信号。还值得注意的是，在ADC 216将模拟补偿检测信号(例如，Icomp)转换成数字信号之前，可以存在处理和/或过滤通过将模拟偏置信号(例如，Koff*TX)和模拟检测信号(例如，Idiode)相组合所产生的模拟补偿检测信号(例如，Icomp)的模拟处理和/或过滤电路。不论模拟补偿检测信号在被转换成数字信号之前是否被处理和/或过滤，提供至ADC 216的信号都简称为模拟补偿检测信号。
图3A为示出用于图1的光学传感器102的接近度计数相对于距离的示例性曲线图，该光学传感器不包括根据本发明实施例的偏置补偿。接近度计数表示ADC 116的输出。附图3A中示出的偏置不利地影响(即，减少了)光学传感器的使用范围。偏置的范围取决于干扰光的范围。举例来说，如果光源和光检测器之间没有屏障(例如，110)，偏置最可能是最大的。图3B是示出用于光学传感器的接近度计数相对于距离的示例性曲线图，该光学传感器包括根据本发明实施例的模拟偏置补偿(例如，光学传感器202a-202d之一)。在附图3B中，接近度计数表示ADC 216或276的输出。注意与图3A相比，图3B中光学传感器的使用范围如何获得了增加，如同检测距离。如上所述，在某些实施例中，并不是完全去除偏置，如图3B所示，本发明的实施例可用来将偏置降低至预定量(例如，目标偏置)。
由于接近传感器旨在包括环境光的用户环境中运行，这种传感器优选地即使在有强环境光的情况下仍能检测弱信号(对于较低功率运行和/或长距离检测)。然而，在这种传感器中，环境光产生的光电流常常主导传感器。这导致由于强环境光干扰，传感器可能易于被误触发、或在应当触发时不触发。
用于尝试去除环境光的一些常规技术采用预放大放大器(具有设置在放大器输入端的高通电阻电容(RC)网)，以通过信号的高频成分，阻挡低频成分。然而，这种解决方案有两个主要的缺点。首先，需要很大的电阻器和很大的电容器才能实现低截止频率，这并不是期望的，因为这些无源部件占用非常大的芯片面积且对寄生耦合噪声很敏感。其次，跨电阻器的电压随平均光电流不断变化，这导致预放大器的共同输入(因此整体性能)受环境光水平的直接影响。另一已使用的技术包括绕预放大器的主动反馈环路。在这种配置中，通过使用基于光电流信号的峰值的模拟电平检测来实现环境光去除。然而，这种技术假定平均电流是恒定的，需要重置机构，且运行速度很低。
根据本发明的具体实施例，为了去除环境光，ADC 216包括模_数-模(ADA)转换反馈环路。参考图4和5描述这种ADC的细节。
参考图4，示出具有反馈的ADC 416，其可用于实现图2A-2C中示出的ADC 216 ADC416包括具有N-位ADC 414的N-位前向通路。ADC 416还包括用于通过直接的光电二极管电流处理来去除环境光的M-位反馈环路。反馈环路包括M-位ADC 424和M-位DAC 430。反馈环路可称为ADA反馈环路，由于其包括模-数-模(ADA)转换。因此，ADC 416可称为具有ADA反馈的ADC。前向通路的N-位ADC 414的输出提供了 ADC 416的N-位输出，可以是图2A-2C中ADC 216的N-位输出。根据本发明的实施例，M < N(例如，M = 7，N = 8)。然而，M = N，*M > N也在本发明的范围内。从本说明书中的描述可以理解到，具有M-位ADA反馈环路的N-位ADC用来去除环境光，并增加接近感测的动态范围和敏感度。采用ADA反馈环路优于采用模拟反馈环路的一些优点包括更高的速度/更快的运行、更小的硅片尺寸以及更低的噪音。
根据实施例，M-位ADC 424和M-位DAC 430具有相同的全范围参考电流以降低、优选地移除M-位ADC 424和M-位DAC 430中增益错误的影响。M-位ADC 424可采用电荷平衡ADC，如附图6示出的示例，但不限于此。可采用诸如M-位二进制加权电流源来实现M-位DAC430，以节省电路尺寸，但不限于此。也可以使用电荷平衡ADC来实现N-位ADC414，其示例在图6中示出，但可具有与M-位ADC424不同的全范围参考电流，但不限于此。对于下文中的讨论，假定每个ADC包括计数器(例如，图6中的向上/向下计数器618)，计数器的输出为ADC的输出。根据下文中图6的讨论可以更好地理解上述内容。
图5(a)、(b)、(C)和(d)，统称为图5，示出信号处理的时序图，其用于根据本发明实施例采用了具有ADA反馈的ADC的接近检测。解释附图5(a)、(b)、(c)和(d)中的时序图时，同样参考图2A-2C和图4中的部件。
图5 (a)示出具有M-位ADA反馈环路416的N-位ADC(可用来实现ADC 216)的M-位ADC424、M-位DAC420、和N-位ADC414的时序，以及驱动器206的时序。图5 (b)示出未对干扰光进行任何补偿的模拟检测电流Id1-的时序。图5(c)示出包括对干扰光进行补偿的模拟补偿检测电流Ididde-Koff*的时序。图5 (d)示出被N-位ADC 414转换成N-位、和被M-位ADC 424转换成M-位的电流Iade的时序。根据图4和5可以理解到，当M-位DAC430关闭和干扰光补偿关闭时，Iadc = Idiode,当M-位DAC430打开和干扰光补偿打开时，Iadc=Idiode-Koff*TX-1dac，其中Idae是图4中M-位DAC 430的输出，Koff*TX是干扰光补偿的量。
在时段tl中(当M-位ADC424打开，M-位DAC430关闭，N-位ADC414关闭，以及驱动器206不驱动光源104时)，光检测器114响应于环境光产生光电二极管电流Iditjde,M-位 ADC 424 将 Idiode 转换成 M-位码(这期间，TX = O,因此 Idiode-Kt*TX = Idiode)。这导致了电流IatJ图4中)与时段tl中的Idiode基本上相同，这可从图5中理解到。当M-位ADC 424打开时，其将在输入端接收的模拟光电流转换成数字数据，数字数据在转换时间结束时被闭锁(例如，通过附图6中的锁存器620)，并被提供至M-位ADC 424的输出端(即使在M-位ADC 424从打开变至关闭之后)。同时，M-位ADC 424打开，并执行其转换:M_位DAC 430关闭且其输出为零；N-位ADC 414关闭，不执行转换且其输出为零。
在时段t2、t3和t4中(期间，M-位ADC424关闭，M-位DAC430打开)，在时段tl结束时M-位DAC 430在其数字输入端接收M-位ADC 424输出的M-位码，且基于该M-位码，M-位DAC 430输出表示时段tl内检测的环境光的模拟电流Ida。。
参考图5 (a)和5 (b),在时段t2中，驱动器206驱动光源104,这导致Idiode表不光检测器114检测的环境光,来自光源104、被物体122反射并被光检测器114检测的IR光，以及被光检测器检测的干扰光。参考图5(a)和5 (c),在时段t2中，Idiode-Koff*TX表不光检测器114检测的环境光和来自光源104、被物体122反射并被光检测器114检测的IR光。同时在时段t2中，N-位ADC 414打开，并向上计数。
在时段t3中，即使驱动器206不再驱动光源104，N-位ADC 414仍然打开并向上计数。这样的优点将在下文中解释。
在时段t4中(优选地，其长度为时段t2加上时段t3)，驱动器206不再驱动光源104，这导致Idiode-KoffTX(其中TX = O)仅表示被光检测器114检测的环境光。同时在时段t4中，N-位ADC414打开，并向下计数。
如图5 (d)所示，在时段 t2、t3 和 t4 中，Iadc = Idiode_Koff*TX-1dac。N-位 ADC 414在M-位DAC 430打开的两个时隙内处理信号Iadc= Idiode-Koff*TX-1dac.在一个时隙中，当光源104在该时隙的至少一部分中打开时，N-位ADC 414向上计数(转换)；在另一时隙中，当光源104关闭时，N-位ADC 414向下计数(转换)。根据实施例，光源104仅在N-位ADC向上计数的部分时间(例如，一半时间)被打开(例如，被驱动器206驱动)，以补偿光源驱动时序潜在的延迟，因而确保了当N-位ADC 414向上计数时，光检测器114仅检测被物体反射(源自光源)的光。换一种方式描述，根据实施例，N-位ADC414向上计数的时间量(即，时段t2和t3)长于光源104打开的时间量(即，仅时段t2)，以确保N-位ADC 414在光检测器202检测物体122反射的(源自光源104)光的整个时间内都在向上计数。
N-位ADC 414在向上和向下计数完成后输出N-位数据，其表示(例如，直接成比例)物体反射(源自光源104)的光所造成的光电二极管电流的Idote-Koff*TX成分，并独立于M-位DAC 424的输出电流和环境光产生的光电二极管电流之差，即来自ADA反馈环路的余值(residue)。接近检测的速度(包括完成ADA反馈环路和N-位ADC 414的向上响下计数)比采用传统跨阻抗放大器技术以去除环境光时可能的接近检测的速度快得多。
总之，ADA反馈环路大大地增加了接近感测的信号动态范围。具有特定光源时序的N-位ADC 414向上和向下计数的方案通过降低ADA反馈环路的余值效果大大地增加了接近感测的敏感度。
共同转让的2010年3月2日由Xijian Lin提交的题为“PROXMITY SENSOR WITHIMPROVED AMBIENT LIGHT REJCTION(改进的环境光去除的接近传感器)”的美国专利申请N0.12/716，220(代理人案号N0.ELAN-01236US1)提供了 ADC 414和ADA反馈环路的附加细节，该申请以引用的方式结合于此。
图6示出在具有图4的ADA反馈404的ADC中N-位ADC 414和M-位ADC 424如何被实现为电荷平衡ADC，以及相应的示例性时序图。如图6所示，每个ADC可包括积分器612、比较器614、D触发器616、计数器618和锁存器620。对于N-位ADC 414，计数器618优选地为向上/向下计数器，从而计数器可用于执行减法功能。对于M-位ADC 424，计数器仅需在一个方向上计数，例如，向上。
对于每个由N-位ADC 414执行的N位模-数转换,需要2~N个时钟周期。在每个转换时间内，来自dff616的1的数量被计数,对于每个相应的l,Tclock*Irefn的电荷被传送至积分器612。此处，Tclock为时钟周期，Irefn为与N-位ADC 414相关联的参考电流。根据电荷转换:
Iadc*Tclock*2~N = Irefn*Tc1ck^DataN (方程 1A)
此处，Iadc是在ADC输入端的电流，DataN是在模-数转换结束时计数器的输出，如锁存器620所闭锁的。方程的左侧表示通过输入电流从积分器中移除的总电荷，右侧表示通过参考电流向积分器传送的总电荷。根据方程1A，N-位ADC 414的数字输出(DataN)可被表不为:
DataN= (Iabcl/Irefn) *2'N- (Iabc2/Irefn) *2'N
= [ (Iabcl-1abc2) /Irefn*2'N (方程 IB)
在方程IB中，Iadcl是当N-位ADC414打开并向上计数时，N-位ADC414输入端的平均电流，Iabc2是当N-位ADC 414打开并向下计数时，N-位ADC 414输入端的平均电流。
相似地，对于每个由M-位ADC424执行的M位数据转换(即，模-数转换)，需要2~M个时钟周期。在每个转换时间内，来自dff616的I的数量被计数，对于每个相应的1，Tclock^Irefm的电荷被传送至积分器612。此处，Tclock为时钟周期，Irefm为与M-位ADC424相关联的参考电流。根据电荷转换:
Iadc*Tclock*2~M = Irefm*Tc1ck^DataM (方程 1C)
根据方程1C，M-位ADC 424的数字输出(DataM)可表示为:
DataM= (Iabc/Irefm)*2'N (方程 ID)
在方程式ID中，Iabc是当M-位ADC 424打开并向上计数时，M-位ADC 424输入端的平均电流。
根据实施例，N-位ADC 414和M-位ADC 424的多个部分可共享，以减小电路的尺寸，因而也减小芯片尺寸。举例来说，积分器612、比较器614、dff616、以及计数器618，或者它们的至少部分，可以共享。时序控制电路也可共享。
除此之外或作为替代，为了去除环境光，可在光检测器114上放置光学抗IR过滤器。这种抗IR过滤器可结合在盖板124中或盖板124上，或可在盖板124下方和/或下方。用于去除环境光的其它已知的和未来开发的技术可用于图2A-2D的实施例。
在图4、5中，ADC 416中的DAC 430产生的电流被标记为Idac。与之相比，图4、5中以及图2B和2C中，DAC 242产生的电流被标记为Koff*TX。在这些实施例中，Idac用于去除环境光，Koff*TX用于补偿干扰光。在图7的实施例中，将在下文中讨论，DAC 742产生用于去除环境光且补偿干扰光的模拟偏置信号。
参考附图7，根据本发明实施例的光学传感器702包括用于将存储的数字值转换成模拟偏置信号的DAC 742，该模拟偏置信号用于补偿干扰光和去除环境光。这种数字值可存储在寄存器、随机存取存储器(RAM)、或某些其它存储装置，共同标记为�？�714和716。存储的数字值可按照需要被编程和重编程，例如，使用诸如但不限于SPI或I2C总线之类的总线，和/或使用数字接口 718。参考图7，包括ADC216、环境光去除模块/寄存器714、求和器724和DAC 742的第一环路用于存储(在�？�714中)指示环境光的量的数字值，该环境光是当光源104未被驱动器206驱动时由光检测器114所检测的。包括ADC 216、干扰偏置模块/寄存器716、乘法器722、求和器724和DAC 742的第二环路，用于存储指示环境光的量的数字值，该环境光是当光源104被驱动器206驱动时由光检测器114所检测的。通过使用这两个环路，DAC 742输出的偏置补偿信号用于补偿干扰光并去除环境光。
本发明实施例的光学传感器可用在多种系统中，包括但不限于，移动电话、平板电脑、个人数据助理、笔记本电脑、上网本、其它手持装置以及非手持装置。参考附图8的系统800，举例来说，光学传感器(例如202a-202d中之一)可用于控制系统806 (例如，触摸屏、显示器、背光、虚拟滚动轮、虚拟键盘、导航板等)启用或禁用。举例来说，光学传感器可检测一个物体，例如个人手指什么时候接近，并基于检测使子系统806启用(或禁用)。更特别地，光学传感器(例如202a-202d中之一)的输出可被提供至比较器或处理器804，其可比较光学传感器的输出和一阈值以确定物体是否在应使子系统806启用(或禁用，基于需要)的范围内。可使用多个阈值(例如，存储的数值)，并基于检测的物体的接近度可产生多于一种可能的响应。举例来说，如果物体在第一接近范围内，可产生第一响应，而如果物体在第二接近范围内，产生第二响应。示例的响应可包括打开或停止，或启用或禁用，各种系统和/或子系统操作。
上文所描述的本发明的实施例，可用于减少或可能地消除干扰光(和环境光)可能对光学传感器产生的不利影响。正如上文所解释的，干扰光可由镜面反射和/或其它内部反射和/或在光屏障(例如，110)下方、上方和/或透过光屏障(例如，110)的漏光造成。本发明的实施例可用于补偿光屏障(例如，110)中的瑕疵，其中在光屏障的制造时可能产生瑕疵，和/或在包括掉落(dropped)或震动的光学传感器的系统中也可产生瑕疵，因该光学传感器可能损害或移动光屏障。如上所述，本发明的实施例也可用于消除对任何光屏障的需要。本发明的实施例可用于减少由盖板(例如，124)造成的镜面反射的不利影响，也应注意，根据本发明实施例的光学传感器还可用于无盖板的情形。
图9是用于概括根据本发明多个实施例的方法的高层流程图。这种方法用于包括光源和光检测器的光学传感器，该光学传感器可用于检测在该光学传感器的感测区域中物体的存在性、接近度和/或移动。参考图9，在步骤902中，光源选择性地被驱动，从而使光源选择性地发射光。在步骤904中，可产生模拟检测信号，其指示被光检测器检测的光强。如上文所解释的，被光检测器检测的光可包括光源发射的、被在光学传感器的感测区域中的物体反射的光(假定在感测区域中存在物体)。另外，被光检测器检测的光可包括干扰光，干扰光包括光源发射的、但不是被在光学传感器的感测区域中的物体反射的光。如上文所解释的，干扰光可由镜面反射和/或其它内部反射和/或光屏障下方、上方和/或透过光屏障的漏光造成。如果在光源和光检测器之间不存在光屏障，干扰光可包括从光源直接传输到光检测器的光。此外，光检测器检测的光可包括环境光。在步骤906中，产生模拟偏置信号(例如，模拟偏置电流)。如上所述，例如，参考附图2A-2D，模拟偏置信号可用于补偿包括在光检测器检测的光中的干扰光的至少部分(优选地，大部分、几乎全部、全部)。此夕卜，如上所述，例如，参考图7，模拟偏置信号也可用于去除包括在光检测器检测的光中的环境光的至少部分(优选地，大部分、几乎全部、全部)。在步骤908中，模拟偏置信号与模拟检测信号组合以产生模拟补偿检测信号(也称为模拟偏置补偿检测信号)。在步骤910中，模拟补偿检测信号被转换成ADC的数字信号。如上所述，例如参考图4-6，作为模-数转换的部分，例如采用ADA环路，可去除环境光。本发明实施例的方法也涉及选择和更新模拟偏置信号和/或用于生成模拟偏置信号的数字值。
上文描述了本发明的多个实施例，可以理解，它们以示例的形式提出，并非限制。本领域技术人员应该明白，在不背离本发明精神和范围的情况下，可以作出形式和细节上的多种改变。
本发明的广度和范围不受上述任一示例性实施例的限制，仅根据所附权利要求及其等同方案来定义。
附图中主要元件的附图标记列表
权利要求
1.一种光学接近传感器，能够用于检测在所述光学接近传感器的感测区域内的物体的存在性、接近度和/或移动，包括: 驱动器，适于选择性地驱动光源以发射光； 光检测器，适于产生指示由光检测器检测的光强的模拟检测信号，其中由光检测器检测的光包括 由光源发射的、被光学传感器的感测区域内的物体反射的光， 干扰光，包括由光源发射且被光检测器检测的、但不是被光学传感器的感测区域内的物体反射的光，和环境光；以及 偏置信号发生器，适于选择性地产生模拟偏置信号，所述模拟偏置信号与由光电检测器产生的模拟检测信号相组合，以产生模拟补偿检测信号； 其中所述模拟偏置信号补偿包括在由光检测器检测的光中的干扰光的至少部分。
2.如权利要求1的所述光学接近传感器，其特征在于，进一步包括: 模-数转换器(ADC)，适于将模拟补偿检测信号转换成数字补偿检测信号；以及其中，在ADC将模拟补偿检测信号转换成数字补偿检测信号之前，模拟偏置信号与模拟检测信号相组合以产生模拟补偿检测信号，从而增加ADC的动态范围。
3.如权利要求2所述的光学接近传感器，其特征在于，进一步包括: 时序控制器，配置成产生发射信号，用于将偏置信号发生器选择性地产生模拟偏置信号与驱动器选择性地驱动光源进行同步，从而在光源发射光的同时模拟偏置信号被产生。
4.如权利要求2所述的光学接近传感器，其特征在于，ADC输出的数字补偿检测信号指示物体对光检测器的接近度，其中被光检测器检测的环境光的至少大部分被去除，以及干扰光的至少大部分被补偿。
5.如权利要求4所述的光学接近传感器，其特征在于， 偏置信号发生器包括输出模拟偏置信号的数模转换器(DAC);以及 偏置信号发生器的DAC接收指示干扰光的量的数字信号。
6.如权利要求2所述的光学接近传感器，其特征在于， 偏置信号发生器包括输出模拟偏置信号的数-模转换器(DAC)； 偏置信号发生器的DAC接收指示干扰光的量和环境光的量的数字信号；以及由偏置信号发 生器的DAC输出的模拟偏置信号还去除了包括在由光检测器检测的光中的环境光的至少部分。
7.如权利要求4所述的光学接近传感器，其特征在于，ADC是具有模-数-模(ADA)反馈的ADC。
8.如权利要求7所述的光学接近传感器，其特征在于，具有ADA反馈的ADC包括: M-位ADC，适于: 接收第一模拟信号，所述第一模拟信号指示在光源未被驱动发射光的第一时段，由光检测器检测的环境光强度，以及 将第一模拟信号转换成M-位数据,所述M-位数据指不在光源未被驱动发射光的第一时段，由光检测器检测的环境光强度； M-位数-模转换器(DAC),适于:接收由M-位ADC产生的M-位数据，所述M-位数据指示在光源未被驱动发射光的第一时段，由光检测器检测的环境光强度，以及 将M-位数据转换成第二模拟信号，所述第二模拟信号指示在光源未被驱动发射光的第一时段，由光检测器检测的环境光强度；以及N-位ADC，适于: 接收第三模拟信号，所述第三模拟信号指示在另一时段由光检测器检测的光强，其中减去了 M-位DAC产生的第二模拟信号，以及 将第三模拟信号转换成N-位数据，所述N-位数据是具有ADA反馈的ADC输出的数字偏置补偿检测信号； 其中，在所述另一时段的一部分中，光源被驱动以发射光，在所述另一时段的另一部分中，光源未被驱动发射光。
9.如权利要求8所述的光学接近传感器，其特征在于: 所述另一时段中光源被驱动以发射光的所述部分短于所述另一时段中光源未被驱动发射光的所述另一部分；以及 N-位ADC包括向上-向下计数器，所述计数器在部分所述另一时段期间向上计数，其中在所述部分所述另一时段的至少一部分中光源被驱动以发射光，且所述计数器在所述另一时段剩余部分期间向下计数，从而产生计数值，其中在所述另一时段结束时的计数值为N-位数据，所述N-位数据指示物体对光检测器的接近度，其中被光检测器检测的环境光的至少大部分被去除，以及干扰光的至少大部分被补偿。
10.如权利要求1所述的光学接近传感器，其特征在于，在光源和光检测器之间不存在被配置成光学地隔离光源和光检测器的不透明屏障。
11.一种用于光学接近传感器的方法，所述光学接近传感器包括光源和光检测器，所述光检测器用于检测在所述光学接近传感器的感测区域内的物体的存在性、接近度和/或移动，所述方法包括: (a)选择性地驱动光源以使光源选择性地发射光； (b)产生指示由 光检测器检测的光强的模拟检测信号，其中由光检测器检测的光包括 由光源发射的、被在光学传感器的感测区域内的物体反射的光， 干扰光，包括由光源发射且被光检测器检测的、但不是被在光学传感器的感测区域内的物体反射的光，和环境光； (C)产生模拟偏置信号； (d)组合模拟偏置信号与模拟检测信号，以产生模拟补偿检测信号；以及 其中所述模拟偏置信号补偿包括在由光检测器检测的光中的干扰光的至少部分。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括: (c.1)存储数字值；以及 (c.2)将数字值转换成模拟偏置信号。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括: (c.1)存储用于补偿干扰光的第一数字值； (c.2)存储用于去除环境光的第二数字值；以及(c.3)将第一和第二数字值转换成模拟偏置信号； 其中所述模拟偏置信号还去除了包括在由光检测器检测的光中的干扰光的至少部分。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于，进一步包括: (e)使用模-数转换器(ADC)将模拟补偿检测信号转换成数字补偿检测信号； 其中，在步骤(e)之前，所述模拟偏置信号与模拟检测信号相组合以产生模拟补偿检测信号，从而增加用于执行步骤(e)的ADC的动态范围。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，步骤(e)包括: (e.1)产生第一模拟信号,所述第一模拟信号指不在光源未被驱动发射光的第一时段，由光检测器检测的光强； (e.2)将第一模拟信号转换成M-位数据，所述M-位数据指示在光源未被驱动发射光的第一时段，由光检测器检测的光强； (e.3)将M-位数据转换成第二模拟信号，所述第二模拟信号指示在光源未被驱动发射光的第一时段，由光检测器检测的光强； (e.4)产生第三模拟信号，所述第三模拟信号指示在另一时段由光检测器检测的光强，其中减去了 M-位DAC产生的第二模拟信号；以及 (e.5)将第三模拟信号转换成N-位数据，所述N-位数据是数字偏置补偿检测信号；其中，在所述另一时段的一部分中，光源被驱动以发射光，在所述另一时段的另一部分中，光源未被驱动发射光。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，步骤(c)包括: (c.1)从数字补偿检测信号的值中减去偏置目标值以产生目标偏置数字补偿检测信号; (c.2)数字地过滤目标偏置数字补偿检测信号，以产生经过滤的目标偏置数字补偿检测信号；以及 (c.3)使用数-模转换器(DAC)将目标偏置数字补偿检测信号转换成模拟偏置信号。
17.—种系统,包括 : 光学接近传感器，用于检测在所述光学接近传感器的感测区域内的物体的存在性、接近度和/或移动； 子系统，能够被启用和禁用；以及 比较器或处理器，接收光学接近传感器的数字输出，并基于光学接近传感器的所述数字输出启用和禁用子系统； 其中光学接近传感器包括 驱动器，适于选择性地驱动光源以发射光； 光检测器，适于产生指示由光检测器检测的光强的模拟检测信号，其中由光检测器检测的光包括 由光源发射的、被在光学传感器的感测区域内的物体反射的光， 干扰光，包括由光源发射且被光检测器检测的、但不是被在光学传感器的感测区域内的物体反射的光，和环境光；以及 偏置信号发生器，适于选择性地产生模拟偏置信号，所述模拟偏置信号与由光电检测器产生的模拟检测信号相组合，以产生模拟补偿检测信号； 模-数转换器(ADC)，适于将模拟补偿检测信号转换成数字补偿检测信号；以及其中所述模拟偏置信号补偿包括在由光检测器检测的光中的干扰光的至少部分；其中在ADC将模拟补偿检测信号转换成数字补偿检测信号之前，模拟偏置信号与模拟检测信号相组合以产生模拟补偿检测信号，从而增加ADC的动态范围；以及其中数字补偿检测信号包含光学接近传感器的数字输出。
18.如权利要求17所述的系统，其特征在于，光学接近传感器还包括: 时序控制器，配置成产生发射信号，用于将偏置信号发生器选择性地产生模拟偏置信号与驱动器选择性地驱动光源进行同步，从而在光源发射光的同时模拟偏置信号被产生。
19.如权利要求17所述的系统，其特征在于: 光学接近传感器的ADC为具有模-数-模(ADA)反馈的ADC ；以及具有ADA反馈的ADC的数字输出指示物体对光检测器的接近度，其中被光检测器检测的环境光的至少大部分被去除，以及干扰光的至少大部分被补偿。
20.如权利要求17所述的系统，其特征在于，在光源和光检测器之间不存在被配置成光学地隔离光源和光检测器的不`透明屏障。
全文摘要
公开一种具有偏置补偿的光学接近传感器。该光学接近传感器包括驱动器、光检测器和偏置信号发生器。驱动器选择性地驱动光源。光检测器产生指示由光检测器检测的光强的模拟检测信号。所检测的光包括由光源发射并被在光学传感器的感测区域内的物体反射的光、干扰光和环境光。干扰光包括由光源发射且被光检测器检测的、但不是被在光学传感器的感测区域内的物体反射的光。偏置信号发生器适于选择性地产生模拟偏置信号，该模拟偏置信号与由光电检测器产生的模拟检测信号相组合，以产生模拟补偿检测信号。模拟偏置信号补偿包括在由光电检测器检测的光中的干扰光的至少部分。
文档编号G01S17/02GK103105612SQ201210069729
公开日2013年5月15日 申请日期2012年1月31日 优先权日2011年11月11日
发明者K·C·戴尔, X·林 申请人:英特赛尔美国有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
