專利名稱：具有周圍光線檢測能力的遠距接近及/或運動檢測器的制作方法
具有周圍光線檢測能力的遠距接近及/或運動檢測器優先權本申請案主張下列美國專利申請案的優先權· 2009 年 4 月四日由 Theodore D. Rees 提交的標題為 “LONG RANGE PROXIMITY AND/OR MOTION DETECTOR WITH AMBIENT LIGHT DETECTION CAPABILITIES (具有周圍光線檢測能力的遠距接近及/或運動檢測器)”的美國臨時專利申請案第61/173，951號(律師檔案編號ELAN-01229US0)；以及· 2010 年 4 月 26 日由 Theodore D. Rees 提交的標題為 “LONG RANGE PROXIMITY AND/OR MOTION DETECTOR WITH AMBIENT LIGHT DETECTION CAPABILITIES (具有周圍光線檢測能力的遠距接近及/或運動檢測器)”的美國專利申請案第12/767，443號(律師檔案編號 ELAN-012^US1)。背景諸如光學接近傳感器的光學傳感器可含有包含一個或多個發光元件(例如LED) 的光源以及鄰近的光敏光線檢測器，其中該傳感器可按照來自一個或多個LED的返回到該傳感器的反射光線的量來估計物體的接近程度。近年來，這些傳感器的價值隨著以電池操作的手持式裝置(諸如移動電話)的進展而愈趨重要。例如，移動電話的電池中相當程度能量是用于驅動顯示器，并且當將移動電話或其他裝置攜至靠近使用者的耳朵時(即無法觀看時)能夠關閉該顯示器或是背光可為有利。光學接近傳感器已經為此目的以及許多其他的應用項目而使用。對于其他范例而言，有許多能夠較佳由光學接近傳感器來檢測物體的出現的其他應用項目。這些的范圍包含當開啟機械上的保護蓋時進行感測、正確地定位打印機內的紙張，或者是操作者的手部在當靠近運作中機器時的風險。光學接近傳感器亦可用作簡易觸摸或近觸摸啟動開關，且可實現于許多應用項目里，像是鍵盤或者是具有經密封且可供來自光源的光線通過并在返回時由檢測器感測的塑料外殼的裝置。可獲用各種不同形式的光學傳感器以檢測物體的存在或缺少。例如，一些光學傳感器被配置成感測運動，并且在當檢測到運動時開啟燈光。一些光學傳感器被配置成感測周圍光并且在黑暗時開啟燈光。另一范例，自動對焦相機通常被配置成具備紅外LED，并且利用經由該相機光學元件所收到的光線以在黯淡光線條件下進行自動對焦。此外，光中斷器模塊可按許多形式存在以檢測物體在光源與光線檢測器之間通過。例如，車庫門開啟器 (還用以關閉車庫門)通常會利用紅外線(IR)光源及遠端光線檢測器以避免物體或人員在關閉中的車庫門下方處受到擠壓。該等僅為各種類型的光學傳感器及其運用方式的其中數項范例。

發明內容
本發明之特定實施例關于一種可用于周圍光線檢測、接近檢測和運動檢測的光學傳感器系統，以及含有此光學傳感器系統的大型系統與相關方法。根據本發明的一實施例，光學傳感器系統含有前端、周圍光線通道、接近通道和運動通道。該前端被配置成接收利用光線檢測器所產生的檢測光線信號，其中該檢測光線信號表示檢測周圍光線和由光源所產生(而由一個或多個物體所反射)的檢測射頻(RF)光線兩者。此外，該前端被配置成輸出檢測周圍光線信號(ALQ及檢測RF光線信號。由該前端所輸出的檢測ALS主要是表示該檢測光線信號中代表該檢測周圍光線的部分。而由該前端所輸出的檢測RF光線信號則主要是表示該檢測光線信號中代表該檢測RF光線的部分。 該檢測ALS和該檢測RF光線信號的區別在于該檢測周圍光線信號含有該檢測光線信號的低頻成分，而該檢測RF光線信號則是含有從源自該光源的光線所獲的檢測光線信號的高頻成分。該檢測RF光線可歸因于自一個或多個靜止物體所反射的光線以及自一個或多個運動物體所反射的光線。該周圍通道可配置成產生一個或多個表示該檢測周圍光線的周圍輸出信號。該接近通道可被配置成根據該檢測RF光線信號產生一個或多個表示物體相對于該系統的接近的接近輸出信號。該運動通道可配置成根據該檢測RF光線信號產生一個或多個表示物體相對于該系統之運動的運動輸出信號。根據一實施例，該光學傳感器系統還可含有一電路，該電路被配置成放大及濾波 (由該前端所輸出)檢測RF光線信號，并且輸出經放大及濾波的RF光線信號，該RF光線信號被提供給接近通道及運動通道兩者。配置成放大并濾波該檢測RF光線信號的電路可包含增益電路、解調器及低通濾波器。該增益電路可被配置成自該前端接收該檢測RF光線信號且放大該檢測RF光線信號。該解調器可被配置成接收由該增益電路輸出的信號，且輸出具有與該經放大RF光線信號的RF振幅成正比的低頻內容并且含有高頻偽像的信號。該低通濾波器可被配置成接收由該解調器輸出的信號，并且輸出表示該經放大RF光線信號的低頻內容而將該高頻偽像濾除的信號。該接近通道及該運動通道各者皆可接收由該低通濾波器所輸出的信號。根據一實施例，該光學傳感器系統亦可含有驅動器(其配置成驅動該光源)及一個或多個時序電路，此等電路配置成控制該解調器和該驅動器的時序。在一特定實施例里， 一個或多個時序電路驅動該光源而使該光源產生具有至少如IMHz頻率的脈沖化光線信號。根據一實施例，該運動通道的增益經設定為大于該接近通道的增益，因而該運動通道能測到物體運動的最大距離大于該接近通道能檢測到該物體出現的最大距離。根據一實施例，該接近通道的位移和增益基于該運動通道所檢測的運動而調整。 例如，該接近通道的位移和增益可基于由該運動通道所檢測的運動而調整，因此，該接近通道能夠對在該系統的視野中進行運動的感興趣物體和該系統的視野中的非感興趣靜止物體加以區別。根據下面給出的詳細說明、附圖以及權利要求，本發明的其他和替代實施方式以及特征、方面和優點將變得更加顯而易見。


圖1是根據本發明的一實施例的光學傳感器系統的方塊圖。圖2是根據本發明的一實施例的圖1的光學傳感器系統的前端的電路圖。圖3是根據本發明的一實施例的圖1的光學傳感器系統的RF增益及濾波電路的電路圖。
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圖4是根據本發明的一實施例的圖1的光學傳感器系統的解調器和低通濾波器的電路圖。圖5是根據本發明的一實施例的圖1的光學傳感器系統的接近通道的電路圖。圖6是根據本發明的一實施例的圖1的光學傳感器系統的運動通道的電路圖。圖7是根據本發明的一實施例的用以描述圖1的光學傳感器系統的周圍通道的電路圖。圖8是含有根據本發明的一實施例的光學傳感器系統的大型系統的高階方塊圖。
具體實施例方式根據本發明的一實施例，一種集成式光學傳感器包含經集成或遠端光源(例如 LED)，此光源被配置成于系統內以供多項應用，其中包含檢測周圍光線水平、檢測物體或人員的接近(基于該光源與該光線檢測器間之光線傳通的量值)，及檢測運動(基于該光源與該光線檢測器間之光線傳通的暫態變化)。根據一實施例，接近檢測與運動檢測功能完全或大致與周圍光線檢測無關，然此等三項功能可共享相同的光線檢測器。根據一實施例， 該系統包含控制接口，此接口可為例如串行接口。在另一實施例里，該系統并不含有控制接口。根據一實施例，該系統的輸出為模擬。在另一實施例里，該系統的輸出為數字，而此輸出可經由串行接口提供，然非必要。本發明的特定實施例的特性為多項構件的組合，藉以形成適用于各種檢測操作的檢測系統。圖1是根據本發明一實施例的光學傳感器系統102的方塊圖。左上方處為光線檢測器104(例如，光二極管)，其經后方偏壓并連接于前端106。后文將對該前端106進一步詳述，其可將檢測光線信號中響應于周圍光線的部分(又稱為檢測周圍光線信號)與檢測光線信號中響應于由光源124(例如，光源以諸如在IMHz至IOMHz之間的大于周圍光線的頻率及所預期諧波的RF頻率進行脈沖化)產生的RF光線的部分(又稱為檢測RF信號) 分開。較佳的是，例如紅外發光二極管(IR LED)的光源IM及光線檢測器104相對于彼此布置，使得沒有任何光線能夠自光源1 直接傳播至該光線檢測器104。相反地，該光線檢測器104較佳地應僅檢測來自光源IM而被反射離開接近光學傳感器系統102處的物體的光線。如本文中所使用的術語，周圍光線是指背景光線，亦即既已存在于戶內或戶外環境中而非由光源1 產生的光線。此周圍光線包括位于廣泛波長范圍上的輻射，包含頂波長在內。根據一實施例，前端106可配置成接收利用光線檢測器104所產生的檢測光線信號，其中檢測光線信號表示檢測周圍光線和由該光源1 所產生的檢測射頻(RF)光線兩者。此外，該前端106可配置成輸出周圍光線信號(又稱為ALS輸出)及RF光線信號(又稱為RF輸出)。由該前端106所輸出的檢測周圍光線信號主要表示該檢測光線信號中代表該檢測周圍光線的部分。由該前端106所輸出的檢測RF光線信號則主要是表示該檢測光線信號中代表該檢測RF光線的部分。該檢測RF光線可歸因于反射離開一個或多個靜止物體的光線以及反射離開一個或多個運動物體的光線。該檢測周圍光線信號和該檢測RF光線信號之間的區別在于該檢測周圍光線信號含有該檢測光線信號的低頻成分，而該檢測RF光線信號則含有從源自該光源的光線所獲的檢測光線信號的高頻成分。該檢測周圍光線信號可經預放大并呈現至周圍通道108而于其內加以處理。該檢測RF光線信號在呈現至解調器112之前會先通過額外的RF增益及濾波電路110，在一實施例里解調器112可執行整流及同步檢測。分離檢測周圍光線信號與檢測RF光線信號的本質在于該檢測周圍光線為低頻且藉由該周圍通道108所濾波通過，而該檢測RF信號為高頻并且被傳入解調器112內。該解調器112通過來自時序電路114的信號在相位上對該檢測 RF信號進行截波及/或倍增。時序電路114是由振蕩器116所驅動。在一實施例里，該振蕩器116被調諧至接近該前端106和該額外RF增益電路110的帶通的中心。根據本發明一實施例，該前端106的其他細節將于后文參照圖2及7進一步討論。根據本發明一實施例，該額外RF增益電路110的其他細節將于后文參照圖3進一步討論。該光線檢測器104 (又可稱為光學傳感器、光學檢測器或光檢測器)可包含一個或多個光線檢測構件，諸如但不限于光電阻器、光伏電池、光二極管、光晶體管、電荷耦合元件 (CCD)等等，它們可產生表示該所檢測光線的量的電流或電壓。該光源124(又可稱為光學源)可包含一個或多個發光構件，諸如但不限于發光二極管(LED)、有機LED (OLED)、塊發射 LED、表面發射LED、垂直腔表面發光激光器(VCSEL)、超熒光發光二極管(SLED)、激光二極管、像素二極管等等。該光源可產生頂光線或具有一些其他波長的光線。由于其不可見性而因此經常使用紅外光線。可用于同步檢測的解調器112輸出具有與該RF振幅成正比的低頻內容并且含有各種高頻偽像的信號。此信號被傳過低通濾波器118而僅留下該信號的低頻內容。該低頻信號基本上僅為由該光源1 最初產生并經反射至該光線檢測器104的檢測RF信號的測量。由于在該前端106中進行濾波處理并且該RF增益級110阻擋低頻且使該檢測RF信號通過，因此所出現的低頻內容或周圍信號極為微少。根據本發明的一實施例，該解調器112 及該低通濾波器118的額外細節將于后文中參照圖4而討論。該低通濾波器118所輸出的低頻信號被傳入接近通道1 及運動通道1 兩者內。根據一實施例，該低通濾波器118具有約IKHz的切截頻率，如此讓該接近通道1 能夠響應于“快速”運動。該運動通道128可執行在約IHz范圍內的額外低通濾波處理以增加運動的檢測范圍。其他切截頻率與濾波范圍亦在本發明的范圍內。在一實施例里，該接近通道1 基本上為直接耦接放大器(DC amp)，其具有可被設定(例如，經由串行接口 130 或處理器140或按其他方式)的低可調增益及位移調整，以令該接近檢測的最小至最大范圍落入該通道126的規定限制內。當用于近端物體檢測時，該接近通道126的所增加增益可約為切，原因是該檢測RF光線信號已經被放大以獲得較大RF信號。然而，若該接近通道 126用于遠端物體檢測，運用該運動通道128的輔助以在提高增益前先協助設定該接近通道126的位移確為有用。該接近通道126的輸出可按模擬形式或選擇性通過一個或多個比較器(例如圖5中的U7及U8)以提供一個或多個數字輸出，或可被發送給模擬至數字(A/ D)轉換器136，在此可由該串行接口 130、該處理器140或一些其他方式加以存取。根據本發明一實施例，該接近通道126的額外細節將于后文中參照圖5所討論。該運動通道1 亦接收由該低通濾波器118所輸出而基本上不受周圍光線影響的相同低頻信號。其目的為感測導致在該光源1 與該光線檢測器104間之光線傳通產生變化的細微運動。在一實施例里，該運動通道1 通過具有高增益以及可控制位移調整來達
8此目的。在該運動通道128中所增加的增益是根據在該RF增益級110里獲得多少增益而定的，而這又取決于發生多少“DC”反射。可提高該增益，一直到熱噪聲信號變成顯著為止， 例如約30mV。對于更為特定的范例，若該RF增益為2V/uA(受限于約500nA靜態反射)且熱噪聲位水平為3pA，則該運動增益可約為5000。在此配置下，可利用該運動通道128的輸出處的信號觀察來自于該前端106的噪聲信號。該周圍反饋位移調整可被凍結以令該周圍通道108用作極高增益接近檢測器，或可被減緩以供檢測光線傳通內的微小運動變化，或可被加快以自光線傳通信號內的重大變化迅速復原。根據本發明之一實施例，該運動通道128的額外細節將于后文中參照圖6所討論。該振蕩器116可含有鎖相回路(PLL)且被設定在與該光源IM所產生的信號的RF 頻率相同的頻率，然此并非必要。作為一 PLL，該振蕩器116可經鎖定于外部時鐘，使得多個傳感器系統可同步運作而不致產生干擾。該系統可視需要產生時鐘信號，該時鐘信號對于其他的傳感器系統作為外部時鐘信號的來源。時序電路114自振蕩器116接收輸入，且自寄存器132及/或控制邏輯134及/或處理器140接收控制信號。時序電路114的兩項主要輸出為饋送至解調器112的信號及饋送至該光源驅動器120的信號。這兩個信號的相位可為相同然非必要。例如，在相位相對頻率上可能會有相當尖銳的變化通過處理該檢測RF 信號的元件。此外，在該光源驅動器120里可能會出現顯著的延遲。另外，可能會由于光源 124與物體(對其進行運動及/或接近檢測)及該光線檢測器104之間的距離而導致顯著的延遲，其中這一延遲會增加光源驅動器120所產生的信號與解調器112輸出的信號間的額外相位位移。在一種可能操作模式下，調整所使用的時序信號且連同自該解調器112所觀察到的信號的振幅，可用以測量自光源1 至光線檢測器104的時間延遲，并由此測量物體的距離。其他的時序信號可控制A/D轉換器136所執行的轉換。此外，時序電路可用以通過以低占空比來操作系統來降低功耗。串行接口 130可為任何類型，包含但不限于“串行外圍接口(PSI) ”及“集成電路間連接(I2C)”。串行接口 130可對參數和控制寄存器132和選擇性A/D輸出寄存器進行寫入和讀出。寄存器132可連接至系統102的各種元件以設定增益、相位及濾波參數。A/D 轉換器136可接收各種模擬輸入(例如自運動通道128、接近通道1 及/或周圍通道108 等)并藉以輸出各種數字輸出。還示出選擇性處理器140，以供執行及/或輔助本文所討論各種功能。處理器140 可位于光學傳感器系統102內或于分離/遠端處，但與光學傳感器系統102通信。取決于實現方式，可將光源IM及/或光線檢測器104視為光學傳感器系統102 的集成部份，或者可視為與光學傳感器系統102分離/遠離，但確由光學傳感器系統102控制及使用。前端圖2說明根據本發明一實施例非前端級106(后文亦簡稱為該前端)的實現。圖2 所示部分電路亦可被視為周圍通道108的一部份，如后文如圖7討論所能了解。例如前述， 由光線檢測器104所檢測的光線可包含周圍光線，及源自于被光源驅動器120所驅動或由另一與該電路的時鐘同相位驅動光源124的電路所驅動的光源124的光線(其被一個或多個物體所反射離開)。在光源1 發射頂光線的情況下，此光線可通過選擇性頂濾波器202以提高RF頂光線與周圍光線之間的分離。該選擇性頂濾波器202雖非必要，然降低周圍成分確能改善該RF信噪比(SNI )。同時如前述，光源IM可產生除頂光線以外的光線，而在此情況下該選擇性濾波器202的通帶可為不同。同時或另者，在一實施例里，可將一透鏡設置在該光線檢測器104的前方以增加敏感度。該光線檢測器104對該光線(可或可不通過該選擇性濾波器20 進行檢測，此檢測器可經集成于該電路106內或在其外部。在一實施例里，該光線檢測器104(例如，光二極管)經集成于該前端106內，相信這可減少射頻電磁信號的拾取。由光線檢測器104所收到的光線被轉換成電流信號(或另一電壓信號)，此信號可稱為檢測光線信號。在大部份情況下，周圍光線為低頻光線，其中包含陽光、人工產生的光線(例如欲以照明室內或街道或人行道)及來自非感興趣的運動物體的陰影。從而，周圍光線亦可包含來自人工來源的諸如IOOHz或120Hz的較高頻變化，而具有來自直接由電力線所驅動的光線的各種較高諧波。該周圍光線亦可包含來自以小型變壓器電路在IOOKHz頻率范圍及其等諧波內所驅動之日光燈照明的甚為更高頻率。因此，期望該光源的RF頻率仍以較高頻率所驅動，使得周圍光線與光源1 所產生的光線間存在有顯著頻率間隔。較高頻率雖基于上述理由而為較佳，然確存有由耗電量、放大器的增益帶寬乘積及光源中(多個)發光構件的響應時間所施加的許多限制。因此，最佳RF頻率是一種設計選擇，但確建議該頻率應高于IMHz且可能高達約10MHz。在頻率方面可有優化。較高頻率可提供將檢測周圍光線信號從該檢測RF光線信號較佳地分離，并且傾向于提供較佳的信噪比。然較高頻率確較難以處置，并且需要較高的電力電路進行處理。假設該光線檢測器104產生為電流的檢測光線信號(又稱為光檢測器電流或光檢測器電流信號)，則表示檢測周圍光線及RF光線兩者的檢測光線信號被提供至放大器Ul的反向(_)輸入，這導致在該放大器Ul的輸出處能夠響應于光電流增加而出現大揚升電壓。 在該放大器Ul輸出處的電壓揚升可經由電阻器Rl提供反饋電流。如此，在第一部份里，該電流光線檢測器信號會通過該電阻器Rl以在該放大器Ul的輸出處提供輸出電壓。該放大器Ul的輸出亦經由電阻器R2連接至另一放大器U2的反向(_)輸入。這會在該放大器U2的輸出處引生由電容器C2的充電所決定的下降電壓。然后在該放大器U2 輸出處的該下降電壓增加晶體管Ql及Q2的導電性，并且也將電流饋送返回該光線檢測器 104 (例如光二極管)。在一實施例里，該晶體管Ql可較單個FET為復雜，以控制其導電性并令其可在大小上進行切換。由于該放大器U2的輸出相較于放大器Ul的輸出為緩慢改變， 因此光檢測器電流的高頻成分通過該電阻器Rl以提供該檢測RF輸出，而同時該較低頻率成分通過該晶體管Ql以提供該檢測ALS輸出。如此，較緩慢(亦即較低頻率)的周圍光線會被分導至該晶體管Q1，而較快速(亦即較高頻率)的RF信號則是被分導至該電阻器R1。相較于晶體管Q2，晶體管Ql可具備各種大小且可由控制寄存器132、處理器140 或自動切換電路加以控制，此切換電路可對在電阻器R3處獲得的檢測周圍光線信號(ALS) 輸出的大小產生響應。如此，無論檢測周圍光線的大小為何，都可能會被晶體管Ql所吸收。 應注意到若晶體管Ql在大小上切換，則R2亦應在大小上切換，故而濾波特征基本上能夠維持與由包含放大器U1、放大器U2及晶體管Ql在內的回路所提供的高通濾波器相同。總結而言，前端106提供一種機制，藉以將檢測光線信號的高頻成分(又稱為檢測 RF信號或RF輸出)傳通至檢測RF信號輸出(提供給額外的RF增益及濾波電路110)，而同時將較低頻率周圍信號(又稱為檢測ALS或ALS輸出)傳通至該ALS輸出(提供給周圍通道108)。增加的RF增益及濾波圖3說明增加的濾波及RF增益級110的實施例。該配置系類似于該前端106，然光線檢測器104被來自該前端RF輸出的電壓(稱為RF輸入)及電阻器R4所取代。在圖3 內的元件與圖2所示者相同或類似的位置，這些元件以等同方式然附以一“’”符號所標注， 例如圖3中的U2’與圖2中的U2相同或類似。通過電阻器R4的電流包含RF部份，且可含有可能根據其頻率而散逸于前端106的殘留低頻部份。如此，該增加的濾波及增益級110 進行下列兩項工作提供額外的RF增益，并且提供額外的濾波處理以將該檢測周圍信號的剩余部份與該檢測RF信號進一步分離。可選擇性將電容器(未予圖示)串聯增加于電阻器R4以提供進一步的高通濾波處理。然而，這一電容需要為高值以容納小型電阻器R4，并且若電阻器R4改變則亦需改變。可改變電阻器R4以控制增加的RF增益級的增益。因此電阻器R4(以及本文討論的其他電阻器)可被編程，以供這種變更。改變電阻器R4并不會對濾波特征造成顯著影響。解調器及低通濾波器圖4說明該解調器112及該低通濾波器118的實施例。例如前述，該解調器112 可執行整流及同步檢測。該檢測RF信號(由該增加的RF增益及濾波級110所輸出)被呈現給電阻器R8，其作為該低通濾波器的一部份且亦作為斬波晶體管(例如FET) Q3及Q4與該RF放大器U1’之間的隔離。來自時序電路114且與期望的RF信號同相位的CHOP信號被傳入FET驅動器402，此驅動器可開啟及關閉FET Q3及Q4，讓檢測RF信號能被傳至電阻器R9及電容器C3，而在此可對該信號進行濾波。提供單位增益放大器TO以將經濾波RF信號緩沖至下一級。在此應指出檢測RF信號可被視為由兩個成份所組成一者為該光源IM 與該光線檢測器104間所有靜止反射的總和，另一者則為來自待檢測的非靜止目標物體的信號。該等靜止反射通常來自于近端物體(然非必要)，而待檢測的非靜止目標物體則通常位于遠端。因此，該檢測物體的相位可能會離開較大型近端“串音”信號的相位而為延遲。 根據一實施例，該CHOP信號經調整為與通常較微弱的物體信號同相位。亦可運用許多替代性的斬波器配置。例如，全波斬波器可按一方式傳遞正RF信號而按另一方式傳遞負RF信號，然后將這兩項結果合并以提高增益。另一種可行方式為該解調器112執行尖峰采樣和保持，隨后為低通濾波器。該低通濾波器118的頻率可按該接近信號的帶寬要求所選定。可增加低通濾波器內的衰減(Roll-off)極點的數量以減弱較高頻噪聲。此系切截頻率與噪聲水平間的折衷。接近通道根據實現而定，接近通道1 可用于僅檢測在該光學傳感器系統102的標定范圍內目標物體的出現，及/或該目標物體距該光學傳感器系統102的相對距離。圖5說明接近通道1 的一實施例。對該接近通道1 的輸入被饋送至可變電阻器R10，其可設定放大器U6的增益。根據實現而定，可變電阻器RlO可由控制邏輯134及/或處理器140及/或透過圖1所示串行接口 130所控制。電容器Cll及電阻器Rll設定接近通道126的低通濾波器。換言之，以電阻器Rll 及電容器Cll所配置的放大器TO構成放大低通信濾波器。可增加額外低通濾波器以進一步降低噪聲。該放大器U6的輸出為模擬接近信號，其是所檢測的RF振幅的測度。假設所有其他條件等同，一般說來，目標物體愈接近光學傳感器系統102，則RF振幅即愈大。然而例如后述，此可隨著操作范圍的改變而有所變化，例如經由調整一位移。一個或多個寄存器(例如寄存器132或其他寄存器)、數模轉換器(DAC) 502及電阻器R2提供一種可編程機制以供控制放大器TO的位移，并因而控制該接近通道的位移。例如根據實現而定，這些元件可由控制邏輯Π4及/或處理器140及/或透過圖1所示串行接口 130來控制，以控制該放大器TO的位移。藉由提供增益及位移的彈性，即能針對特定應用項目來修改該接近的操作范圍。在圖5中，兩個比較器U7及U8由固定或可編程電壓 Vl及V2饋送以供設定閾值，且藉此進行對接近信號是高位或低位以表示近端接近或遠端接近的數字決策。可視需要使用或多或少的比較器。此外，可將該模擬接近輸出饋送至A/ D轉換器136并由該處理器140讀回，或令其可直接在引腳上可用于進一步模擬處理。運動通道圖6說明運動通道128的實施例。對該運動通道128的輸入呈現給可變或可編程的電阻器或DAC的電阻器R13，其依次會控制施加于放大器U9的反向(_)輸入的電流。以電阻器R14及電容器C14所配置的放大器U9構成放大低通濾波器。放大器U9的輸出被施加于比較器U10，其在此產生邏輯上/下信號，被呈現給上/下計數器602。該上/下計數器602亦經饋送可變速率時鐘，因而將可按該時鐘所決定的速率且依比較器UlO的輸出所控制的方向進行上行(Up)計數或下行(Down)計數。該可變速率時鐘(VAR CLK)的速率可由例如該處理器140控制。如此，若該比較器UlO的輸出為低，這表示該運動檢測器輸出上的負性條件，則該計數器602將上行計數，并且若該比較器UlO的輸出為高，這表示正性運動檢測信號的條件，則將會下行計數。該計數器602的輸出會被提供給DAC 604，其將電壓施加至電阻器R15。當計數器602上行計數時，DAC604的輸出上升而增加流至該電阻器R15 的電流，如此將會向下推動運動放大器U9的輸出。故而含有該放大器U9、比較器U10、上/ 下計數器602、DAC 604及電阻器R15的回路可運作以將放大器U9的輸出復原至VREF。此復原可依照能夠改變該VAR CLK的控制器(例如該處理器140)所欲而停止、緩慢運行或快速運行。此項反饋系統基本上構成能夠消除該信號里DC成分的高通濾波器。在一實施例里，該VAR CLK會首先被快速運行，以將該放大器U9的輸出降下至 VREF0然后會減慢至相當低的速率，因而能夠抵消掉檢測信號內的任何漂移。該檢測信號內的任何快速變化將造成該U9的輸出揚升或落降，如此將會觸發其他比較器Ull或U12的其中一者，而亦對它們提供以相對應的閾值電壓V3及V4。按此方式，若一物體正在趨近，則該比較器Ull將輸出正性信號，并且若物體正在移行，則比較器U12將輸出正性信號。該模擬運動輸出亦可被饋送至該A/D轉換器136。該接近通道1 與該運動通道1 之間的差異與增益和帶寬相關。在該接近通道 126里，該增益在正常情況下為低，故而能夠獲得寬廣的位置范圍而無需改變增益。該帶寬可為較高，理由是增益較低。而另一方面，該運動通道1 欲擁有最大增益及低帶寬，因此可在最遠距離進行運動檢測。由于增益很高，故而應有一便捷方式以供消除該檢測信號的絕對大小上的漂移，并亦有一種方式以利若該檢測信號的大小出現突發性的劇烈變化則能夠進行快速復原。此即為該VAR CLK的切入點，基本上會自動進行該控制器須另予處理。周圍通道
12路的一些，并用以根據本發明一實施例說明周圍通道 108的實現。QlDAC 702及晶體管Q2可為來自前端級106的低頻反饋元件。在此，Ql可藉由令 Ql為多個晶體管而作為DAC (稱為QlDAC 702)，該多個晶體管配置并聯選定數量的晶體管來控制Ql的寬度。然后，假設Q2的寬度固定，行經Q2的電流可為行經Ql的電流乘以W2/ W1，其中W2為Q2的寬度且Wl為Ql的選定寬度。根據一實施例，多個晶體管Ql可依二進制寬度構成，因此可藉由二進制數值直接選擇Ql的總寬度。可利用切換網路(未予圖示) 以供選定各種Ql寬度。可透過該串行接口 130及/或該處理器140編程寄存器704(可為寄存器132之一)來控制這一切換網路。在此Ql可配置為DAC而非單一晶體管，讓其能調整大小以將所求的周圍電流傳至該光線檢測器104(例如光二極管)。例如在直接陽光照射下，一 Imm平方的光二極管可提供達600uA的電源。但在黑暗里，該周圍電流可忽略不計。藉由改變該晶體管Ql相對該晶體管Q2的導電性，該Ql DAC 702可充當該檢測周圍信號上的范圍調整。這對在周圍黑暗下該Ql DAC 702的導電性為最小化時，該前端信噪比(SNR)方面具有優點。以電阻器R13 及電容器C13配置的放大器U13構成放大低通濾波器。藉由具有該范圍調整DAC 702，自該晶體管Q2傳入電阻器R13及電容器C13的信號在大小上可相對固定而不論周圍振幅如何。檢測ALS可被饋送至該A/D轉換器136以形成檢測ALS的細微解析。總ALS振幅可如 Ql DAC增益及該ALS A/D振幅的乘積所算得。因為Ql和Q2具有相同的柵極和源極電壓，因此Ql和Q2的電流與Ql和Q2的大小(例如寬度)成正比，如此可讓這些晶體管能夠用作增益級。而由于Ql的寬度為可變， 所以Ql和Q2亦可合稱為可變增益級。在圖7實施例里，周圍通道的輸出被示為模擬輸出。可利用一個或多個比較器以產生數字輸出，或可使用A/D轉換器(例如136)以產生數字輸出。替代性實現亦為可行。增益調整存在有許多可行的對光學傳感器系統102進行的增益調整，每一個可經調適以達成特定期望操作。例如后文所述，該前端106的RF增益可為固定。然對于該前端106而言，為了適當運作，應最好將Ql DAC 702設定于適當水平處，以對周圍光線進行RF光線濾波。藉由透過A/D轉換器136來觀察所檢測ALS的振幅，可對Ql DAC 702的增益進行調整 (例如藉由處理器140)。在一實施例里，若該檢測ALS的振幅低于完整比例的約1/8，則可藉由減少Ql的大小(例如寬度)以提高該Ql DAC 702的增益；并且若該檢測ALS的振幅高于完整比例的約1/4，則可藉由增加Ql的大小(例如寬度)以降低Ql DAC 702的增益。 這提供該檢測周圍光線信號在顯著擾動下仍可被Ql DAC 702所吸收的空間。在名義上，若該前端106的第一增益級具有適于處理該最大RF信號振幅的固定增益則可為有利。此最大振幅將出現在物體將大量光線自該光源1 反射至該光線檢測器 104時。此情況會出現在在將鏡子放置在靠近該光源IM及該光線檢測器104處，因而該光源1 看似直接相對且接近該光線檢測器104。若該光源(例如LED)是按50mW峰-峰發光且圖像分離為2cm，同時該LED在一半強度處其展開角度為+/_30度，則光電流為例如約 240uA峰-峰(pk-pk)。在此，該前端106的電阻器Rl可減少至約4K，以保持該檢測RF信號于IV pk-pk。當在一遠處位置檢測時，此4K電阻值是在低側。然而，在此情況下可能會減少該光源信號的振幅，如此可另獲降低耗電量的益處。所以，根據一實施例，Rl的數值可保持為固定(例如為200K)，這可將光源功率減少至ImW而無須切換該電阻器Rl的數值。 故而第一調整項目可為對該光源124(例如LED或其他(多個)發光構件)之驅動電流的振幅。為知曉如何調整該光源驅動電流，可考量來自附加RF級的檢測RF信號大小。此可自該接近通道126隨即獲用。在此，該接近通道1 的位移可藉由將VREF自該位移調整 DAC 502施加至該電阻器R12而保留不變。然后，可藉由設定于IX或2X處的接近增益來注記接近信號的大小。若接近信號過大，則首先可降低該附加RF級110的增益。而若當該附加RF級110的增益為一時該接近信號依舊過大，則減少光源驅動電流，如此可節省電力。另一方面有可能在開機時該接近信號的大小為過小。此時，該程序可首先提高該附加RF級110的增益，且若仍為不足，則增加流至該光源124的驅動電流。其最終可為最大化，因為可達到最大RF增益和最大光源驅動電流。該運動檢測器通道128的增益可按下列方式所設定。可對可變時鐘(VARCLK)進行調整，因此能夠將該運動檢測器通道128的輸出處的基線電壓保持為接地(亦即零)，而具有約為IHz的帶寬。然后可提高該運動檢測器通道128的增益，直到來/去比較器Ull 及U12開始檢測信號，或該增益已經為最大化為止。若來/去比較器Ull及U12此時已檢測噪聲，則可將運動檢測器通道1 的增益減少約1/2。之后，可對該VAR CLK進行調整，因而能夠消去漂移且檢測運動。在光源在相當寬廣角度上投射光線的情況下，運動檢測器通道128的本質為任何超越過某一距離的運動將不會呈現出檢測足夠大而被檢測到的信號， 以將運動檢測限制在某一半徑內。期望該運動檢測器增益可自動完成，即使在該檢測領域內出現一些運動時亦然。 若未出現運動，則前述程序確能運作。在該系統知曉運動正發生的情況下，該運動檢測器通道1 的增益可尋求總是將該增益調整為一標稱噪聲水平。正如就平均而言可有上/下計數器以將該運動信號保持在VREF處，亦可有上/計數器及GAIN DAC將該運動輸出噪聲水平保持在低于平均標稱的檢測水平的標稱水平處。若該增益未凍結，則該運動檢測器通道 1 成為相對運動檢測器，這主要可實現檢測較大的運動。下一調整可以是接近通道1 的增益及位移的調整。先前已解釋可調整該附加RF 增益級110的增益以將該接近通道1 的大小設定于可用范圍內。然而，此范圍可能并非如所期望地敏感。所要求的是該接近通道126的增益及位移使近端及遠端比較器U7和U8可出現在距VREF約+/-0. 5V的水平處、或該ADC 136的范圍是在從完整比例的1/4處的可用最小值至該完整比例的3/4處的可用最大值。獲得此增益及位移調整的一方式是通過利用使用者與系統間的交互。以低增益開始，使用者可在近端與遠端位置之間移動一物體(或其本人)且自該ADC 136取得讀數。從這兩個讀數即可算出該增益及位移調整。然而，由于此方法需要使用者介入而可能并非所樂見。給定該運動通道128的增益可自動調整以檢測高于噪聲底限的運動，若能自動輔助于自動調整該接近通道126的增益和位移而無需使用者介入則可為有用。該運動通道 1 可檢測范圍內的目標運動。然而，若該目標物體位于范圍外或是靜止時則無法進行檢測。因此，該運動通道1 所提供的唯一有用信息為，若檢測到運動，則該目標是在范圍之內，并且該接近信號大于反射的DC成分。為便于討論，假設當該目標在范圍外時該接近通道126的理想輸出為零。若該附加位移為零，該接近通道1 將因該固定反射而具有正性輸出。為達到該理想條件，有必要增加該附加位移，如此當已知目標出現時(當由該運動通道1 檢測運動時)，該目標可降低該接近通道126的輸出而趨向零。若該附加位移過大， 則該接近通道126的輸出將成為負性。如此，該接近位移的控制器(例如處理器140)可利用一種算法，其中若檢測運動并且該接近輸出為正性則增加該接近位移，且若該接近輸出為負性而無論運動如何，則減少該接近位移。最終，該控制器將發現正確的位移。總結而言， 該運動感測及接近感測的組合可提供自動增益及物移調整，使得能夠檢測物體而使用者無須在校調程序中進行介入。一些其他控制器的處理器140可執行這一自動校調程序。后文中將對其進一步詳細解釋。根據一實施例，該運動通道1 的增益被設定為大于該接近通道1 的增益，因此該運動通道1 所能檢測物體運動的最大距離大于接近通道1 所能檢測出現該物體的最大距離。這是因為該運動通道1 經AC耦接并且具有僅受限于該系統的熱噪聲的增益，低達該信號的數微微(Pico)安培。然而，該接近通道126由于經DC耦接，因此需要處置整個所收到的RF振幅，其通常會是在數百納(Nano)安培的范圍內。在常見光學設計里，所傳送的RF光線容允在例如45度的寬廣范圍上展開。在此配置中，待檢測的物體可將反饋信號提供給該光線檢測器104，而當該待檢測物體達到約1-2 公尺的距離時，此信號即變成低于該前端106的微微安培的噪聲限制。因而在此配置中，該運動通道1 可檢測在約1-2公尺范圍內的運動；不過，該接近通道1 可能仍自附近的靜止物體(包含其內封置有該光線檢測器104的設備)收到大靜態信號。一個在前述光學系統里可能重要的問題為該待檢測的物體是否位在該檢測范圍內。該運動通道1 可回答該問題-若該檢測物體像是運動以改變所反射信號振幅。然而，假使該檢測物體非常緩慢移動進入或離開該范圍，則只有該經DC耦接的接近通道1 (理論上)才能夠作出此決定。 潛在問題為該接近通道126只有在該檢測閾值被設定為比背景數百納安培高數微微安培方才能作出“在范圍內”的決定。為作出此項決定，應自該低通振幅信號中減去位移而后跟隨一大增益。此即為該運動通道1 能夠輔助該接近通道1 之處。當檢測到運動時，可調整對該接近通道126的位移以產生為零的最終接近信號。因而，在該接近位移調整后可提高該接近通道126的增益。此僅為該接近通道126的一種可行使用。該接近通道126的另一種使用為運用于近端物體檢測，其中它仍用于決定該接近位移調整，然該接近通道126 的增益維持在低位，因而能夠測量并檢測大的物體信號。光學傳感器系統的示范性使用方式圖8為根據本發明一實施例的含有光學傳感器系統102的大型系統的高階方塊圖。本發明實施例的光學傳感器系統可應用于各種大型系統，包含移動電話、手持式裝置、 電腦系統及/或其部分(例如電腦顯示監視器)，然不限于此。現參照圖8的系統800，例如該光學傳感器系統102可用以控制是否啟動或關閉子系統806 (例如顯示屏幕、觸控屏、背光、虛擬滾輪、虛擬鍵盤、導航店等等)、及/或該子系統的亮度。例如，該光學傳感器系統102的運動通道1 及/或接近通道1 可在諸如某人員的手指之類的物體趨近時進行檢測且基于該檢測結果而啟動(或是關閉)該子系統 806。此外，該周圍通道108可用以在適當情況下調整該子系統806的亮度。例如，可將該光學傳感器系統102的一個或多個輸出提供給比較器及/或處理器804，其可例如將該光學傳感器系統102的(多個)輸出與一個或多個閾值進行比較，以決定該物體是否在其中應啟用(或停止，根據需要而定)該子系統806的一范圍內。可使用多個閾值且可依照物體的檢測接近出現一種以上的可能響應。例如，若物體位于第一接近范圍內，則可出現第一響應，而且若該物體位于第二接近范圍內，則可出現第二響應。亦可將該比較器及/或處理器 804或其部分的功能性納入該光學傳感器系統102內。 上述描述是本發明的優選實施例。出于說明和描述目的而提供這些實施例，但它們不旨在窮舉或將本發明限制在所公開的精確形式。許多改型和變化對本領域內技術人員而言是明顯的。這些實施例的選擇和描述是為了最好地闡述本發明的原理及其實踐應用， 由此使本領域內技術人員理解本發明。
權利要求
1.一種配置成用于周圍光線檢測、接近檢測及運動檢測的系統，所述系統包含 前端，配置為接收利用光線檢測器產生的檢測光線信號，其中所述檢測光線信號表示檢測周圍光線及由光源產生的檢測射頻(RF)光線兩者；輸出檢測周圍光線信號，其主要表示所述檢測光線信號中表示檢測周圍光線的部分；且輸出檢測RF光線信號，其主要表示所述檢測光線信號中表示檢測RF光線的部分； 周圍通道，配置為依據所述檢測周圍光線信號來產生表示該檢測周圍光線的一個或多個周圍輸出信號；接近通道，配置為依據檢測RF光線信號來產生表示物體相對系統的接近程度的一個或多個接近輸出信號；以及運動通道，配置為依據檢測RF光線信號來產生表示物體相對于系統的運動的一個或多個運動輸出信號。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，檢測RF光線歸因于反射離開一個或多個靜止物體的光線以及反射離開一個或多個移動物體的光線。
3.如權利要求1所述的系統，進一步包含電路，配置成放大及濾波所述檢測RF光線信號，并且輸出經放大及濾波的RF光線信號以被提供給所述接近通道及所述運動通道兩者。
4.如權利要求3所述的系統，其特征在于，配置成放大及濾波所述檢測RF光線信號的電路包含增益電路，配置成自所述前端接收所述檢測RF信號，并且放大所述檢測RF光線信號； 解調器，配置成接收由增益電路所輸出的信號，并且輸出具有與經放大RF光線信號的 RF振幅成正比的低頻內容而且包含高頻偽像的信號；以及低通濾波器，配置成接收由解調器所輸出的信號，并且輸出表示經放大RF光線信號的低頻內容而高頻偽像被濾除的信號；其中所述接近通道及所述運動通道各自接收由低通濾波器所輸出的信號。
5.如權利要求4所述的系統，進一步包含 驅動器，配置成驅動所述光源；以及一個或多個時序電路，配置成控制所述解調器和所述驅動器的時序。
6.如權利要求5所述的系統，其特征在于，所述一個或多個時序電路驅動所述光源，使得所述光源產生具有至少IMHz的頻率的脈沖化光線信號。
7.如權利要求6所述的系統，其特征在于，所述運動通道的增益被設定為大于所述接近通道的增益。
8.如權利要求7所述的系統，其特征在于，所述運動通道的增益被設定為噪聲所允許的那樣高，以在最大距離處檢測目標運動。
9.如權利要求1所述的系統，其特征在于，所述接近通道的位移及增益基于所述運動通道所檢測的運動而調整。
10.如權利要求9所述的系統，進一步包含控制器，配置成基于所述運動通道所檢測的運動來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邏輯、處理器及/或串行接口來實現。
11.一種配置成用于接近檢測及運動檢測的系統，所述系統包含 前端，配置為接收利用光線檢測器所產生的檢測光線信號，其中所述檢測光線信號表示檢測周圍光線及由光源所產生的檢測射頻(RF)光線兩者；且輸出檢測RF光線信號，其主要表示所述檢測光線信號中表示所述檢測RF光線的部分；接近通道，配置為依據所述檢測RF光線信號或其經放大及/或經濾波版本來產生表示物體相對所述系統的接近程度的一個或多個接近輸出信號；以及運動通道，配置為依據所述檢測RF光線信號或其經放大及/或經濾波版本來產生表示物體相對所述系統的運動一個或多個運動輸出信號。
12.如權利要求11所述的系統，其特征在于，所述運動通道的增益被設定為大于所述接近通道的增益。
13.如權利要求12所述的系統，其特征在于，所述運動通道的增益被設定為噪聲所允許的那樣高，以在最大距離處檢測目標運動。
14.如權利要求11所述的系統，其特征在于，所述接近通道的位移及增益基于所述運動通道所檢測的運動而調整。
15.如權利要求14所述的系統，進一步包含控制器，配置成基于所述運動通道所檢測的運動來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邏輯、處理器及/或串行接口來實現。
16.一種用于周圍光線檢測、接近檢測及運動檢測的方法，所述方法包含(a)接收利用光線檢測器所產生的檢測光線信號，其中所述檢測光線信號表示檢測周圍光線及由光源所產生的檢測射頻(RF)光線兩者；(b)基于所接收的檢測光線信號產生檢測周圍光線信號及檢測RF光線信號，其中所述檢測周圍光線信號主要表示所述檢測光線信號中表示檢測周圍光線的部分，以及其中所述檢測RF光線信號主要表示所述檢測光線信號中表示檢測RF光線的部分；(c)將所述檢測RF光線信號或其經放大及/或經濾波版本提供給接近通道及運動通道兩者；(d)利用所述接近通道以基于所述檢測RF光線信號或其經放大及/或經濾波版本來產生表示物體相對所述系統的接近程度的接近輸出信號；以及(e)利用所述運動通道以基于所述檢測RF光線信號或其經放大及/或經濾波版本來產生表示物體相對所述系統的運動的一個或多個運動輸出信號。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述檢測RF光線具有高于所述檢測周圍光線的頻率。
18.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述檢測RF光線信號被同步檢測。
19.如權利要求16所述的方法，進一步包含基于由所述運動通道所檢測的運動以調整所述接近通道的位移及增益。
20.如權利要求16所述的方法，其特征在于步驟(d)包含基于所述檢測RF光線信號的振幅或其經放大及/或經濾波版本，利用所述接近通道以產生表示物體相對所述系統的接近程度的接近輸出信號；以及步驟(e)包含基于所述檢測RF光線信號的振幅或其經放大及/或經濾波版本，利用所述運動通道以產生表示物體相對所述系統的運動的一個或多個運動輸出信號。
全文摘要
本發明提供可用于周圍光線檢測、接近檢測和運動檢測的光學傳感器系統，以及含有此光學傳感器系統的大型系統與相關方法。在一實施例里，該光學傳感器系統含有前端、周圍光線通道、接近通道和運動通道。在一實施例里，可依據由該運動通道所檢測到的運動來調整該接近通道的位移與增益。
文檔編號G01B11/00GK102422122SQ201080019292
公開日2012年4月18日 申請日期2010年4月28日 優先權日2009年4月29日
發明者T·D·里斯 申請人:英特賽爾美國股份有限公司