光学接近感测电路和用于光学接近感测的方法与流程

本公开涉及一种光学接近感测电路和用于光学接近检测的方法。

本公开的领域涉及接近感测，特别是光学接近感测，即，检测人类用户对感测电路的接近或通过采用光学装置确定用户和感测电路之间的距离。

接近传感器用于各种手持设备中，例如，移动电话、智能手机等，以检测用户对这种设备的接近，以便增强设备的用户界面功能性。智能手机已成为时尚的配件、用户生活方式的状态标志和表达。制造商花费很多精力设计移动电话。目标是提供轻巧、纤薄、时尚并且具有尽可能无缝的光学外观的设备。移动电话制造者致力于开发在边框设计中具有较小光学干扰的设备。这些干扰因素例如是环境光传感器和/或光学接近传感器的开口。

现有技术的光学接近传感器使用红外辐射，例如，波长为850nm至950nm的光，因为人类的眼睛不能看见这种辐射，但是已知传感器中采用的光电二极管对范围为300nm至1100nm的辐射敏感，并且因此能够检测所述辐射。

为了克服光学接近传感器所需的开口的问题的一种已知尝试包括在传感器的发射器和接收器的孔的顶部应用更多的油墨。但是结果降低了传感器的性能，增加了不必要的串扰，并且减少了检测距离。

仅依赖一个开口的其它实现方式又导致甚至更高的串扰。

因此，本公开的目的是提供一种光学接近感测电路和用于光学接近感测的方法，使手持设备中的光学接近感测不需要开口或孔。

该目的通过独立权利要求的主题来实现。实施例和改进在从属权利要求中限定。

除非另有说明，否则上述定义也适用于以下描述。

在一个实施例中，光学接近感测电路包括：光学发射装置，其准备发送具有不可见光谱的波长的信号；光转换材料，其准备将反射信号转换成可检测信号；以及光学接收装置，其与光学发射装置间隔开布置，但是在光学发射装置的可视范围内，并且准备检测可检测信号，由此提供测量信号。反射信号取决于信号从人类用户的反射。可检测信号具有可见范围内的波长。测量信号取决于光学接近感测电路和人类用户之间的距离。转换材料安装到光学接收装置。信号、反射信号和可检测信号中的每个是光学信号。

发射装置以具有比可见光更长的波长的电磁辐射的形式发送信号。因此，信号对人类用户是不可见的。信号以反射信号的形式从人类用户向光学接近感测电路反射。光转换材料将反射信号转换成可检测信号。光学接收装置检测可检测信号，由此提供测量信号。

由于使用发送具有比现有技术实现方式中更高的波长的信号的发射装置，并且随后将反射信号转换成具有更短的波长的可检测信号，因此提出的光学接近感测电路确保检测到用户对或朝向设备的接近或靠近，而不需要现有技术应用中需要的开口。换句话说，像智能手机一样的设备可以具有接近感测功能，而不需要通过采用提出的光学接近感测电路专门用于实现接近感测功能的位于该设备的表面处的开口。

术语“光学”涉及电磁辐射，该电磁辐射可以用几何或射线光学器件以及物理或波光学器件来描述。其例如涉及紫外线辐射uv、可见光或红外线辐射ir辐射。术语“光”通常是指电磁辐射特别是可见光、uv和/或ir。可见光谱是指波长为约400nm至700nm的光。不可见光谱是指波长为约700nm至10000nm的光。在本公开中，特别涉及不可见光谱的1000nm至2000nm的波长。

利用测量信号通过测量光学接近感测电路和用户之间的距离来检测接近或靠近。

光学接收装置布置为距离光学发射装置尽可能远，以便减少在光学接收装置中直接接收信号所产生的串扰。同时，将光学接收装置布置为确保能够检测反射信号，因此其布置在发射装置的可视范围内。

在改进中，光转换材料包括受激反斯托克斯拉曼散射srs材料。

对于例如提供从1200nm到630nm或从1500nm到980nm的转换，几种上转换材料是可用的。使用类似且具有较长波长的两个光子产生具有较短波长的一个光子的srs材料是优选的。同样，可以采用具有较高量子产率的材料。

在另外的实施中，光学发射装置包括至少一个发光二极管led，所述至少一个发光二极管准备发射波长为约1200nm的光作为信号。或者，所述光学发射装置包括垂直腔面发射激光器，所述垂直腔面发射激光器准备发射波长为约1500nm的光作为信号。

因此，发射的光具有更高的红外范围的波长，所述波长对人类用户是不可见的，但是能够穿过光学接近感测电路的表面以及诸如智能手机的设备，其中不需要这样的表面中的开口就能够实现。

在实施例中，光学接收装置包括至少一个光电二极管，所述至少一个光电二极管对范围为300nm至1100nm的光敏感。

由于将反射信号上转换成可检测信号，因此本领域技术人员已知的光电二极管能够用于光学接近感测电路。

在改进中，光电二极管实现为硅光电二极管，所述硅光电二极管在其正面或背面掺杂有上转换材料，。该改进中的上转换材料表示转换材料。

在另一实施例中，光学接近感测电路还包括安装在光学发射装置和光学接收装置之间的光学屏障。

为了进一步减少发射装置和接收装置之间的串扰，光学屏障布置在发射装置和接收装置之间。光学屏障阻止发射装置发送的信号直接到达光转换材料和/或接收装置。

在其他改进中，光学接近感测电路还包括安装在转换材料和光学接收装置之间的第一滤波器。第一滤波器准备透射波长为约950nm的光。另外或可替代地，光学接近感测电路包括第二滤波器，，其安装到转换材料，使得反射信号在到达转换材料之前穿过第二滤波器。第二滤波器准备透射波长范围为1400nm至1500nm的光。

第一滤波器例如是带通滤波器，所述第一滤波器通过除去不包含任何信号信息的不期望的波长来改善信号链的信噪比。第二滤波器处理反射信号。所述第二滤波器应用带通滤波以在转换之前优化反射信号。第二滤波器可以实现为干涉滤波器。

第一滤波器和第二滤波器分别增强反射信号或可检测信号的信噪比。第一滤波器和第二滤波器分别实现为光学滤波器。

在另一改进中，光学接近感测电路还包括安装到光学发射装置的第一光学透镜。第一光学透镜表示用于信号的光束成形单元。另外或可替代地，光学接近感测电路还包括安装到转换材料的第二光学透镜。第二光学透镜表示用于反射信号的光束成形单元。

第一光学透镜和第二光学透镜分别实现光学发射装置向光学接收装置的会聚的改进，反之亦然。能够改进可检测信号中以及随后的测量信号中能够实现的信噪比。

第一滤波器和第二滤波器，以及第一透镜和第二透镜能够以不同方式组合，以便进一步増强测量信号的信噪比。

在实施例中，光转换材料是半透明的。光学接收装置相对于光转换材料布置，使得反射信号穿过光转换材料以到达光学接收装置。在该实施例中，光学接近感测电路还包括阻挡层，所述阻挡层覆盖光学接收装置的表面和光学发射装置的表面。阻挡层准备阻止可检测信号离开光学接近感测电路。

在该实施例中，光路始于光学发射装置，例如，发射波长为约1200nm的信号的led，穿过阻挡层，从例如人类用户的皮肤反射，穿过阻挡层和转换材料，并且随后到达光学接收装置。阻挡层阻止可检测信号离开光学接近感测电路，使得人类用户将看不见这些光脉冲。阻挡层可以通过对信号和反射信号是透射的(即，在约1200nm是透射的)材料实现。用于这种材料的一个示例是黑色油墨。所述材料阻挡可检测信号的任何种类的背反射。光转换材料处于穿过模式，即，半透明的。

在可替代实施例中，光转换材料是反射性的。光学接收装置相对于转换材料布置，使得反射信号穿过光学接收装置，以到达转换材料。

在该实施例中，光路再次始于光学发射装置，例如，发射为约1500nm的波长的led，从用户反射，并且返回穿过光学接收装置，通过光转换材料被反射并上转换，并且随后在诸如硅光电二极管的光学接收装置中被检测到。相对于先前描述的实施例，光学接收装置翻转或转向。光学接收装置的诸如硅的材料对于反射信号的长的波长是透明的，反射信号通过光学接收装置的光电二极管发光。

有利地，该实施方式允许使用具有较高密度的上转换纳米晶体结构的转换材料，这提高了转换材料的光学效率。光学接收装置还可以通过具有背面照明光电二极管的硅裸片(die)实现。由于光学接收装置的定向，光学接收装置本身阻挡可见光向设备的用户的发射。因此，该实施例中不需要阻挡层。

在一个实施例中，手持设备具有准备形成设备的外表面并面向人类用户的边框。设备还具有根据上述实施例或改进中的一个的光学接近感测电路。边框具有对于信号透明的涂层。光学接近感测电路布置在边框的涂层下方。

手持设备可以以智能手机或移动电话或私人数字助理等的形式实现。设备的外表面由边框表示，即，本领域技术人员已知的蓝宝石玻璃或gorilla玻璃制成的玻璃面板。边框的不面向用户的侧面由涂层覆盖，该涂层例如由在800至1500nm范围(即，近红外nir范围)内透明的油墨或涂料实现。

由于上述光学接近感测电路的实现，边框不需要用于实现光学接近感测功能的开口。

在改进中，手持设备还包括安装在边框和光学接近感测电路之间的显示器。显示器包括液晶显示器lcd或有源矩阵有机发光二极管amoled显示器。显示器具有对信号透明的背面。光学接近感测电路布置在显示器的背面的下方。该改进中的边框的涂层包括用于容纳显示器的开口。

在该实施例中，光学接近感测电路在设备的显示器的后面实现。因为针对光学发射装置发射的信号使用较高的波长并且随后将反射信号转换成可检测信号，所以不需要设备的边框中的开口。显示器对这些较高的波长是透明的。

在改进中，手持设备还包括后处理部件，所述后处理部件具有积分器电路和反相器电路，所述反相器电路能够可选择性地联接到反相器电路的输入，所述后处理部件准备接收测量信号并且根据测量信号的积分来提供测量结果。

在一个实施例中，用于光学接近感测的方法具有以下步骤：

-产生和发送具有不可见光谱的波长的信号，

-接收反射信号，所述反射信号取决于信号从人类用户的反射，

-转换反射信号并且由此提供可见光谱的可检测信号，

-接收可检测信号并且由此提供测量信号，该测量信号取决于光学接近感测电路和人类用户之间的距离。

其中信号、反射信号和可检测信号中的每个是光学信号。

通过采用具有较大波长(即，不可见光谱的波长)的信号，并且将反射信号转换成可检测信号，该方法确保在不需要开口的情况下进行光学接近感测。

该方法可以通过上述光学接近感测电路实现。

在改进中，转换反射信号是通过将反射信号的波长从对于人类用户不可见的波长上转换成对于人类用户可见的波长作为可检测信号的波长来实现。

这种转换例如是通过上述转换材料实现的。

在进一步改进中，该方法包括对信号和/或反射信号进行成形，和/或对反射信号进行滤波。

如上所述，信号和/或反射信号可以通过例如光学透镜进行成形或形成。另外或可替代地，反射信号可以通过不同光学滤波器进行滤波。

下面参考附图使用示例性实施例详细解释了提出的光学接近感测电路和相应的方法。在功能上相同或具有相同作用的组件和电路元件具有相同的附图标记。只要电路部件或组件在功能上相互对应，在以下各图中将不再重复对其的描述。

图1示出具有提出的光学接近感测电路的提出的手持设备的第一实施例示例；

图2示出具有提出的光学接近感测电路的提出的手持设备的第二实施例示例；

图3示出具有提出的光学接近感测电路的提出的手持设备的第三实施例示例；

图4示出提出的手持设备的实施例示例；

图5示出光谱概览；

图6示出显示器的光谱透射率；

图7和图8分别示出了转换材料的特性图；

图9示出硅的光谱透射率；

图10示出阻挡层的光谱透射率；

图11示出提出的光学接近感测电路的测量结果。

图1示出具有提出的光学接近感测电路的提出的手持设备的第一实施例示例。

该设备具有光学接近感测电路1、边框17和具有显示器背面19的显示器18。设备的用户示出为人类用户20。

光学接近感测电路1包括：光学发射装置10，其准备发送信号s1；光转换材料11，其准备将反射信号s2转换成可检测信号s3；以及光学接收装置12，其与光学发射装置10间隔开布置，但是在光学发射装置的可视范围内。光转换材料11安装到光学接收装置12。信号s1、反射信号s2和可检测信号s3是光学信号。信号s1具有对于人类用户20不可见的波长。反射信号s2取决于信号s1从人类用户20的反射。可检测信号s3具有对人类用户20可见的波长。

边框17形成设备的外表面并且面向人类用户20。从用户20的角度来看，显示器18安装在边框17的下方，但是位于光学接近感测电路1的上方。显示器18包括ldc或amoled显示器。显示器18的背面19对于信号s1和反射信号s2是透明的。

在该实施例中，光学接近感测电路1还具有阻挡层14，所述阻挡层覆盖光学接收装置12的表面和光学发射装置10的表面，因而基本覆盖光学接近感测电路1的表面。根据示出的实施例，光学接近感测电路1还包括第一滤波器131，所述第一滤波器安装在转换材料11和光学接收装置12之间。第一滤波器131准备透射波长为约950nm的光。

为了检测人类用户20的接近或用于测量人类用户20到设备的距离，光学发射装置10发射具有对人类用户20不可见的波长的信号s1。为此，光学发射装置10包括发射波长为约1200nm的信号s1的led。由于阻挡层14对于波长为1200nm的光是透射的，并且仅阻挡可见光，信号s1穿过阻挡层14。之后，信号s1穿过显示器背面19、显示器18和边框17，并且然后从人类用户20的皮肤被反射。具有与信号s1的波长一致的波长的反射信号s2穿过边框17、显示器18、显示器背面19，并且经由阻挡层14进入光学接近感测电路1。反射信号s2然后通过光转换材料11转换成可检测信号s3。光转换材料11因而执行上转换，使得可检测信号s3的波长位于对人类用户20可见的范围内。可检测信号s3的波长例如在630nm的范围内。可检测信号s3随后在第一滤波器131中进行滤波，所述第一滤波器实现为例如除去阳光的分量以便优化测量信号的红色滤波器。最后，可检测信号s3到达光学接收装置12，由此提供测量信号，该测量信号取决于光学接近感测电路1和人类用户20之间的距离。阻挡层14阻止可检测信号s3离开感测电路1并被人类用户20注意到。

在示出的实施例中，光转换材料11在穿过模式下使用，因而是半透明的。或者，光学发射装置10可以实现为激光二极管或垂直腔表面发射激光器。

实现为薄膜晶体管(tft)的lcd或amoled显示器在1200nm下均显示出高水平的透射率。在该波长下，角扩散度也是低的。因此，通过使用波长为约1200nm的信号s1，例如，接近感测电路1可以在边框17和显示器18之后放置并且使用。因此，不必设置单独的孔来进行设备表面上的接近检测。由于更高的波长，阻止了amoled像素的激活。

在改进中，光学接近感测电路1的激活与显示器18的控制器同步，以便减少对光学显示器信号的干扰。具体地，接近感测电路1操作为使得在接近测量期间，为了避免显示器18的像素的发射变化对测量信号的影响，显示器18本身是稳定的，例如是打开的或关闭的。在示例性实施方案中，接近感测电路1在amoled显示器18更新之前三毫秒被激活。

在另外的改进中，设备具有后处理部件，也称为接近应用的同步多路分解器，所述同步多路分解器与接近感测电路1结合使用。所述后处理部件至少具有积分器电路和能够选择性地联接到反相器电路的输入的反相器电路。因此，为了确定人类用户20的接近，首先，接近感测电路1如上所述地操作，其中光学发射装置10发送信号s1，并且通过积分器电路对测量信号进行正积分。测量信号基本反映出反射信号和环境光的总和。之后，光学发射装置10关闭，积分器的输入处的反相器电路激活，并且继续对测量信号进行积分，测量信号现在主要反映出环境光。通过此负积分影响，根据测量信号除去诸如约970nm下的阳光的环境光，并且因此提供测量结果。

图2示出具有提出的光学接近感测电路的提出的手持设备的第二实施例示例。除了下文描述的差异，图2示出的实施例与图1示出的实施例一致。在该实施例中，设备具有光学接近感测电路1和进而带有涂层171的边框17。如上所述，边框17面向人类用户20。光学接近感测电路1布置在涂层171的下方。因此，与图1的实施例相比，该实施例中的设备不具有显示器。

除了图1的实施例之外，接近感测电路1具有第一光学透镜151、第二光学透镜152和第二滤波器132。第一光学透镜151安装到光学发射装置10，并且表示用于信号s1的光束成形单元。第二光学透镜152安装到转换材料11，并且表示用于反射信号s2的光束成形单元。第二滤波器132也安装到转换材料11，在该特定实施例中，第二滤波器132插在第二光学透镜152和光转换材料11之间。

在该实施例中，由光学发射装置10发射的信号s1穿过第一光学透镜151，由此成形或会聚，并穿过涂层171和边框17，并且从人类用户20被反射。产生的反射信号s2穿过边框17、涂层171和阻挡层14，所述阻挡层对于反射信号s2的波长是透射的。反射信号s2穿过第二光学透镜152，由此成形或会聚，然后穿过像带通滤波器一样工作并且仅透射波长范围为1400nm至1500nm的光的第二光学滤波器132，并且随后到达转换材料11。反射信号s2在这里被上转换为可检测信号s3，即，被上转换成波长为约630nm的可见光。可检测信号s3到达诸如光电二极管之类的光学接收装置12，该光学接收装置然后向下游处理器提供测量信号。可以实现为滤色器或干涉滤波器的第二光学滤波器132提高了光学信噪比。在该实施例中，转换材料11再次处于穿过模式。

图3示出具有提出的光学接近感测电路的提出的手持设备的第三实施例示例。除了下文描述的差异，图3示出的实施例与图1示出的实施例一致。在图3中，光学接近感测电路1以不同方式实现。电路1具有光学发射装置10、转换材料11和光学接收装置12。在该实施例中，光学接收装置12相对于转换材料11布置，使得反射信号s2穿过光学接收装置12，并且随后到达转换材料11。在该实施例中，转换材料11是反射性的，使得转换材料11产生的可检测信号s3如图3所示沿向上的方向前进。与图1和图2所示的实施例相比，光学接收装置12翻转，从而在图3中面朝下。已发现硅对于波长为1500nm的光是透明的。因此，反射信号s2在其被上转换之前仅穿过光学接收装置12的光电二极管。有利地，该实施例不需要阻挡层14。

该实施例中的光学发射装置10包括发射波长为约1500nm的光的led。或者，对于刚刚提及的光电二极管，能够在该实施例中使用具有背面照明光电二极管的硅裸片。转换材料11将反射信号s2上转换成具有为约980nm的更短波长的可检测信号s3。可检测信号s3通过光学接收装置12的光电二极管被感测到。

同样，在该实施例中，与关于图2所述的第二滤波器132类似，光学滤波器可以放置在转换材料11和光学接收装置12之间。

有利地，对于人类用户20可见的可检测信号s3的光由于其向上的方向被阻挡在光学接近感测电路1内。

上述实施例中的每个具有安装在光学发射装置10和光学接收装置12之间的光学屏障13，从而防止发射装置10和接收装置12之间的串扰。在示例性实施方案中，发射装置10、转换材料11和接收装置12安装在封装件中，所述封装件的材料阻止信号s1直接到达转换材料11和/或接收器12，从而实现光学屏障13。

图4示出提出的手持设备的实施例示例。在这种情况下，该设备是智能手机。箭头表示上述在设备的显示器下方操作的光学接近感测电路的示例性位置。

图5示出光谱概览。参考以纳米为单位的波长，比较光电二极管、人类眼睛的归一化敏感度和led的发射。曲线21示出已知人类眼睛的敏感度，其范围大致为400nm至680nm，最大值为555nm。曲线22示出现有技术的近红外led的发射，其范围为约825nm至1100nm，并且最大值为975nm。曲线23示出大致从300nm至1100nm的光电二极管的敏感度。

能够容易地确定，现有技术的光学接近传感器中使用的led的最大程度的发射发生在光电二极管的较不敏感的区域。因此，提出的光学接近感测电路使用具有更高波长的光学发射装置以及随后的反射信号的转换。

图6示出显示器的光谱透射率；示出与以纳米为单位的波长相关的amoled显示器的透射率的百分比。能够看出提出的光学接近感测电路中使用的波长(即，高于1100nm的波长)的透射率相当高。

图7示出可以在提出的光学接近感测电路中使用的通常转换材料的特性图。示出与上转换材料的1200nm到650nm的以纳米为单位的波长相关的相对强度。其中，nir是指近红外光谱，而vis是指可见光谱。

图8示出可以在提出的光学接近感测电路中使用的另一转换材料的特性图。在这里，示出与针对从1500nm到980nm进行上转换的两种不同转换材料的以纳米为单位的激发波长相关的归一化激发曲线。

与图7和图8有关的转换材料能够用于实现提出的光学接近感测设备。在选择转换材料时，必须确保使用受激反斯托克斯拉曼散射(stimulatedanti-stokesramanscattering)材料，所述材料吸收类似且较长波长的两个光子，以产生较短波长的一个光子。具有较高量子产率的材料是优选的。

图9示出硅的光谱透射率。示出了与波长(微米)相关的透射率百分比，所述波长是厚度为10mm的探针样品的通常波长。事实证明，在所提出的光学接近感测电路中使用的波长的透射率很高。

图10示出阻挡层的光谱透射率。示出了与以纳米为单位的波长相关的黑色油墨的透射率百分比。能够看出，用于实现阻挡层的黑色油墨的不同材料对于信号s1和反射信号s2的波长相对较高，但是所述材料阻挡可视范围内的可检测信号s3的波长。

图11示出提出的光学接近感测电路的测量结果。示出了与时间t相关的光学接近感测电路和人类用户之间的距离的倒置。不同曲线示出光接收装置中采用的各种光电二极管的不同测量结果。从顶部到底部示出诸如n阱二极管、红色光电二极管、蓝色光电二极管、绿色和透明沟道光电二极管之类的宽带光电二极管。该测量中的检测距离为约2cm。能够辨别，人类用户在第一时间段期间接近，在所述第一时间段内，人类用户和感测电路之间的距离以信号的更低或更高的强度反应出来。用户随后将自己从感测电路移开，并且然后再次接近感测电路。

能够看出，宽带光电二极管捕获大部分的可检测信号。

应该理解，除非另作说明，关于任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与描述的其他特征结合使用，并且还可以与任何其他实施例的一个或更多个特征，或任何其他实施例的任意组合结合使用。此外，在不脱离所附权利要求中限定的所提出的光学接近感测电路和相应方法的范围的情况下，也可以采用以上未描述的等同和修改。

附图标记列表

1光学接近感测电路

10发射装置

11转换材料

12接收装置

13光学屏障

131、132滤波器

14阻挡层

151、152透镜

17边框

171涂层

18显示器

19显示器背面

20人类用户

21、22、23曲线

s1信号

s2反射信号

s3可检测信号