用于光學(xué)式鄰近偵測器的開路修正的制作方法
【專利說明】
[0001] 優(yōu)先權(quán)要求
[0002] 本申請(qǐng)案主張2014年10月24日申請(qǐng)的美國臨時(shí)專利申請(qǐng)案第62/068, 257號(hào)及 2015年5月21日申請(qǐng)的美國專利申請(qǐng)案第14/718, 563號(hào)的優(yōu)先權(quán)，該等申請(qǐng)案以引用的 方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明是有關(guān)光學(xué)式鄰近偵測器、供光學(xué)式鄰近偵測器使用的方法和包含光學(xué)式 鄰近偵測器的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0004] 光學(xué)式鄰近偵測器（其亦可被稱作光學(xué)式鄰近傳感器或光學(xué)式鄰近偵測傳感器） 通常包括或使用光源及鄰近感旋光性光偵測器。此光學(xué)式鄰近偵測器可用以基于源自光源 的自對(duì)象反射且由光偵測器偵測的光來偵測對(duì)象的存在、估計(jì)對(duì)象的鄰近（例如，至對(duì)象 之距離）及/或偵測對(duì)象的運(yùn)動(dòng)。在此等偵測器特定地用以偵測至對(duì)象的距離的情況下， 此等偵測器亦可被稱作光學(xué)式距離偵測器或光學(xué)距離傳感器。在此等偵測器依賴于飛行時(shí) 間（time-of-flight ;T0F)原理偵測至對(duì)象的距離的情況下，此等偵測器亦可被稱作光學(xué) T0F傳感器、光學(xué)T0F鄰近傳感器、光學(xué)T0F鄰近偵測器或類似者。隨著電池操作式手持型 裝置（諸如，移動(dòng)電話）的出現(xiàn)，此等偵測器/傳感器的價(jià)值已變得更重要。舉例而言，來 自移動(dòng)電話電池的大量能量用以驅(qū)動(dòng)顯示器，且在當(dāng)使移動(dòng)電話或其他裝置處于用戶的耳 部（其中無論如何不能觀看移動(dòng)電話或其他裝置）時(shí)關(guān)斷顯示器或背光方面存在價(jià)值。光 學(xué)式鄰近偵測器已用于此及許多其他應(yīng)用。
[0005] 對(duì)于其他實(shí)例，存在對(duì)象的存在可有利地藉由光學(xué)式鄰近偵測器偵測的許多其他 應(yīng)用。此等范圍自感測機(jī)械上已打開保護(hù)蓋、紙已經(jīng)正確地定位于打印機(jī)中或操作者的手 有危險(xiǎn)地在操作機(jī)器附近的時(shí)間。亦可將光學(xué)式鄰近偵測器用作簡單觸碰或近觸碰啟動(dòng)式 開關(guān)，且可將其實(shí)施于如鍵盤或具有經(jīng)密封但允許來自光源的光穿過且反過來由偵測器感 測的塑料外殼的裝置的應(yīng)用中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的具體實(shí)例是關(guān)于光學(xué)式鄰近偵測器、供光學(xué)式鄰近偵測器使用的方法， 及包括光學(xué)式鄰近偵測器的系統(tǒng)。根據(jù)某些具體實(shí)例，光學(xué)式鄰近偵測器包括驅(qū)動(dòng)器、光偵 測器、模擬前端、感測修正因子（例如，溫度、供電電壓及/或前向電壓降）的傳感器，及數(shù) 字后端。驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)光源發(fā)射光。光偵測器產(chǎn)生指示反射離開對(duì)象并入射于光偵測器上的 該發(fā)射光的一部分的大小及相位的光偵測信號(hào)。模擬前端接收光偵測信號(hào)并輸出提供至數(shù) 字后端的數(shù)字光偵測信號(hào)或數(shù)字同相信號(hào)及正交相位信號(hào)。數(shù)字后端執(zhí)行對(duì)于由模擬前端 的一部分所引起的增益及/或相位的動(dòng)態(tài)變化的閉路修正，使用多項(xiàng)式等式及感測的修正 因子以執(zhí)行對(duì)于溫度、供電電壓及/或前向電壓降的動(dòng)態(tài)變化的開路修正，且輸出距離值。
【附圖說明】
[0007] 圖1說明光學(xué)式鄰近偵測器的具體實(shí)例。
[0008] 圖2A為用以描述用于由諸如圖1中介紹的光學(xué)式鄰近偵測器的光學(xué)式鄰近偵測 器在操作模式期間使用的方法的高階流程圖。
[0009] 圖2B為用以描述用于由諸如圖1中介紹的光學(xué)式鄰近偵測器的光學(xué)式鄰近偵測 器在動(dòng)態(tài)增益及相位偏移校準(zhǔn)模式期間使用的方法的高階流程圖。
[0010] 圖2C為用以描述用于由諸如圖1中介紹的光學(xué)式鄰近偵測器的光學(xué)式鄰近偵測 器在串?dāng)_校準(zhǔn)模式期間使用的方法的高階流程圖。
[0011] 圖2D為用以描述用于由諸如圖1中介紹的光學(xué)式鄰近偵測器的光學(xué)式鄰近偵測 器在靜態(tài)相位偏移校準(zhǔn)模式期間使用的方法的高階流程圖。
[0012] 圖3說明由圖1中介紹的驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的例示性重復(fù)率及例示性脈沖寬 度。
[0013] 圖4說明根據(jù)具體實(shí)例的光學(xué)式鄰近偵測器的具體實(shí)例。
[0014] 圖5為用以描述用于對(duì)殘余誤差執(zhí)行開路修正以供光學(xué)式鄰近偵測器（諸如圖4 中介紹的光學(xué)式鄰近偵測器）使用的方法的高階流程圖。
[0015] 圖6為用以描述用于提供精確度的估計(jì)以供光學(xué)式鄰近偵測器（諸如圖4中介紹 的光學(xué)式鄰近偵測器）使用的方法的高階流程圖。
[0016] 圖7說明根據(jù)具體實(shí)例的系統(tǒng)，其包括在圖1或圖4中介紹的光學(xué)式鄰近偵測器。
【具體實(shí)施方式】
[0017] 圖1說明2014年9月24日申請(qǐng)的名為「Optical Proximity Detectors」的共同 讓渡的美國專利申請(qǐng)案第14/495, 688號(hào)揭示的光學(xué)式鄰近偵測器102。在光學(xué)式鄰近偵 測器102用于偵測至對(duì)象（例如，105)的距離的情況下，光學(xué)式鄰近偵測器102可替代性 地被稱作光學(xué)式距離偵測器102。在光學(xué)式鄰近偵測器102依賴于飛行時(shí)間（T0F)原理偵 測至對(duì)象的距離的情況下，其亦可更特定地稱作光學(xué)式T0F距離傳感器、光學(xué)式T0F鄰近傳 感器、光學(xué)式T0F鄰近偵測器或類似者。參看圖1，將光學(xué)式鄰近偵測器102展示為包括紅 外光源104、光偵測器106、模擬前端電路108、數(shù)字后端電路112、驅(qū)動(dòng)器110及時(shí)序產(chǎn)生 器120。亦可將光源104及光偵測器106視為模擬前端電路108的一部分。模擬前端電路 108亦可被稱作模擬前端（analog front-end ;AFE)、前端頻道或簡稱為前端。類似地，數(shù)字 后端電路112亦可被稱作數(shù)字后端、后端頻道或簡稱為后端。時(shí)序產(chǎn)生器120可包括（例 如）輸出高頻信號(hào)（例如，4. 5MHz或5MHz)的本地振蕩器，及將高頻信號(hào)移相90度的移相 器。如以下將按額外細(xì)節(jié)來描述，高頻信號(hào)（例如，4. 5MHz或5MHz)可經(jīng)提供至驅(qū)動(dòng)器110 及前端108,且移相90度的高頻信號(hào)亦可提供至前端108。時(shí)序產(chǎn)生器120亦可包括用以 產(chǎn)生可由光學(xué)式鄰近偵測器102的各種其他區(qū)塊使用的其他頻率（例如較低及/或較高頻 率）的信號(hào)的電路。光學(xué)式鄰近偵測器102亦展示為包括產(chǎn)生標(biāo)記為Vcc的供電電壓的電 壓供應(yīng)器109。由電壓供應(yīng)器109輸出的供電電壓可用以直接向模擬前端108及數(shù)字后端 112兩者的各種組件供電。亦有可能由電壓供應(yīng)器109輸出的供電電壓升壓或降壓至用以 向模擬前端108及/或數(shù)字后端112的特定組件供電的一或多個(gè)其他電壓。
[0018] 紅外光源104可為（例如）一或多個(gè)紅外線發(fā)光二極管（LED)或紅外線雷射二極 管，但不限于此。雖然紅外線（infrared ;IR)光源常用于光學(xué)式鄰近偵測器中，但因?yàn)槿搜?不能偵測IR光，所以光源可替代性地產(chǎn)生其他波長之光。因此，紅外光源104可更一般地 被稱作光源104。光偵測器106可為（例如）一或多個(gè)光電二極管（photodiode ;Ρ?)，但不 限于此。當(dāng)實(shí)施為在光導(dǎo)模式中操作的Η)時(shí)，光偵測器106將偵測的光轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。 若實(shí)施為在光電模式中操作的H)，則光偵測器106將使偵測的光轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。除非另 有敘述，否則為了此描述之故而假定光偵測器106為在光導(dǎo)模式中操作的ro。
[0019] 根據(jù)具體實(shí)例，前端108接收廣泛范圍的在高頻（例如，4. 5MHz或5MHz)下的輸 入電流（來自光偵測器106)，且調(diào)節(jié)信號(hào)以用于數(shù)字化。此調(diào)節(jié)可包括調(diào)整增益以增大且 較佳地優(yōu)化動(dòng)態(tài)范圍，濾波以增大且較佳地優(yōu)化信雜比（signal-to-noise ratio ;SNR)，及 IQ解調(diào)變以簡化數(shù)字后端處理。根據(jù)具體實(shí)例，數(shù)字后端112執(zhí)行額外濾波，修正動(dòng)態(tài)增益 及相位偏移誤差，修正串?dāng)_誤差，且計(jì)算指示光學(xué)式鄰近偵測器102與目標(biāo)105之間的距離 的相位。數(shù)字后端112亦可修正靜態(tài)相位偏移誤差。另外，數(shù)字后端112產(chǎn)生用于模擬前 端108的一或多個(gè)控制信號(hào)。以下描述模擬前端108及數(shù)字后端112的額外細(xì)節(jié)。
[0020] 仍參看圖1，根據(jù)具體實(shí)例，模擬前端108包括放大器122、增益調(diào)整電路130、IQ 解調(diào)器電路140、模擬低通濾波器144i、144q及模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器（analog-to-digital ; ADC)146i、146q。雖然將ADC 146i及146q說明為兩個(gè)分開的ADC，但可替代地使用單一 ADC，在該情況下，該單一 ADC在I頻道與Q頻道之間時(shí)間共享。根據(jù)具體實(shí)例，數(shù)字后端112 包括增益調(diào)整控制器150、一或多個(gè)數(shù)字濾波器152、動(dòng)態(tài)增益及相位偏移修正器153、串?dāng)_ 修正器154、相位及大小計(jì)算器156及靜態(tài)相位偏移修正器158。數(shù)字后端112亦展示為包 括距離計(jì)算器164及精確度估計(jì)器166。根據(jù)具體實(shí)例，數(shù)字后端112內(nèi)的區(qū)塊中的每一者 是使用數(shù)字信號(hào)處理器（digital signal processor ;DSP)實(shí)施。替代性地，數(shù)字后端112 內(nèi)的區(qū)塊中的每一者可使用數(shù)字電路來實(shí)施?？墒褂肈SP實(shí)施數(shù)字后端112的區(qū)塊中的一 些而使用數(shù)字電路實(shí)施其他區(qū)塊亦是可能的。在某些具體實(shí)例中，距離計(jì)算器164及精確 度估計(jì)器166中的一或兩者是在數(shù)字后端112外部實(shí)施，且視需要在光學(xué)式鄰近偵測器外 部實(shí)施。舉例而言，精確度估計(jì)器166可通過專用數(shù)字芯片或主機(jī)MCU實(shí)施，但不限于此。
[0021] 驅(qū)動(dòng)器110取決于由時(shí)序產(chǎn)生器120產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)（亦被稱作IrDr時(shí)序 信號(hào)）產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)可為（例如）4. 5MHz方波信號(hào)，但不限于此。此驅(qū)動(dòng) 信號(hào)用以驅(qū)動(dòng)紅外光源104,回應(yīng)于此，紅外光源104發(fā)射紅外光。發(fā)射的紅外光的調(diào)變頻 率（其亦可被稱作載波頻率）取決于驅(qū)動(dòng)時(shí)序信號(hào)的頻率（例如，4. 5MHz)。換言之，在紅 外光源104由4. 5MHz驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)的情況下，則發(fā)射的紅外光的載波頻率將為4. 5MHz。
[0022] 若在光學(xué)式鄰近偵測器102的感測區(qū)（亦即，視野及范圍）內(nèi)存在一目標(biāo)105(其 可更一般化地被稱作對(duì)象105)，則由紅外光源104發(fā)射的紅外光將自目標(biāo)105反射，且反射 的紅外光的一部分將入射于光偵測器106上。響應(yīng)于偵測到光，光偵測器106產(chǎn)生指示偵 測的光的大小及相位的光偵測信號(hào)。光偵測信號(hào)的大小可取決于（例如）目標(biāo)105與光學(xué) 式鄰近偵測器102之間的距離及目標(biāo)的色彩。一般而言，在所有其他事物皆相等的情況下， 目標(biāo)105愈靠近，則光偵測信號(hào)的大小愈大。另外，在所有其他事物皆相等的情況下，若目 標(biāo)具有白色，或另一高度反射性色彩，則光偵測信號(hào)的大小將比若目標(biāo)具有黑色或另一低 反射性色彩大。相比之下，光偵測信號(hào)的相位應(yīng)主要地取決于目標(biāo)105與光學(xué)式鄰近偵測 器102之間的距離，且不應(yīng)取決于目標(biāo)105的色彩或反射率。
[0023] 雖未展示于圖1中，但一或多個(gè)光學(xué)濾光片可位于光偵測器106的前部以反射及/ 或吸收不關(guān)注的波長。對(duì)于更特定實(shí)例，一或多個(gè)光學(xué)濾光片可用以拒絕環(huán)境可見光且使 紅外線光通過?？墒褂糜糜诰芙^及/或補(bǔ)償環(huán)境可見光的替代及/或額外技術(shù)，如此項(xiàng)技 術(shù)中已知。
[0024] 由光源104發(fā)射且由光偵測器106偵測的紅外光（其尚未反射離開對(duì)象105)被 考慮為降低總體裝置或系統(tǒng)感測距離的能力的光學(xué)串?dāng)_。一些此光可直接自光源104行進(jìn) 至光偵測器106。為了減少且較佳地防止光直接自光源104行進(jìn)至光偵測器106,可使用不 透明光障壁（在圖1中展示為組件103)來將光源104與光偵測器106隔離。然而，光障壁 常常不完美，導(dǎo)致在障壁下、上及/或經(jīng)由障壁的光泄漏。另外，光學(xué)串?dāng)_可自鏡面反射及/ 或其他類型的反向散射產(chǎn)生，尤其在光源104及光偵測器106由玻璃或塑料蓋板覆蓋的情 況下，如此項(xiàng)技術(shù)中已知。
[0025] 在將由光偵測器106產(chǎn)生的光偵測信號(hào)提供至增益調(diào)整電路130前，光偵測信號(hào) 可由可選放大器122(其具有固定增益）放大。取決于需要在電壓域或是電流域中執(zhí)行信號(hào) 處理，且取決于光偵測器106產(chǎn)生指示偵測的光的大小及相位的電壓信號(hào)或是電流信號(hào)， 可選放大器122亦可用以將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換至電壓信號(hào)，或反之亦然。舉例而言，放大器122 可為具有固定增益的跨阻抗放大器（transimpedance amplifier ;TIA)。本文中描述的多 數(shù)信號(hào)一般被稱作信號(hào)，而不指定該信號(hào)為電流信號(hào)或是電壓信號(hào)。此是因?yàn)槿Q于實(shí)施， 可使用任一類型的信號(hào)。除非另有敘述，否則將假定放大器122為將由光偵測器106產(chǎn)生 的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換至電壓信號(hào)的跨阻抗放大器（TIA)，且由前端108進(jìn)行的進(jìn)一步處理在電 壓域中進(jìn)行，如與電流域相反。放大器122與增益調(diào)整電路130共同地或個(gè)別地可被稱作 放大電路132,或更特定言之，被稱作模擬放大電路132。
[0026] 光學(xué)式鄰近偵測器102亦展示為包括DC光電流（DC photocurrent ;DCPC)模擬/ 數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC) 111，其用以產(chǎn)生指示在紅外光源104未發(fā)射紅外光時(shí)由光偵測器106產(chǎn) 生的DC電流的數(shù)字值。換言之，DCPC ADC 111用以量測光學(xué)式鄰近偵測器102的散粒噪 聲。DCPC ADC 111的輸出提供至精確度估計(jì)器166,其在下文更詳細(xì)地論述。
[0027] 仍參看圖1，增益調(diào)整電路130包括由增益調(diào)整控制器150控制的至少一個(gè)可變?cè)?益放大器（VGA)。在此文件內(nèi)，光偵測信號(hào)當(dāng)在本文中使用該術(shù)語時(shí)為指示由光偵測器106 偵測的光的大小及相位的信號(hào)，不管該信號(hào)是否由可選固定增益放大器122放大。增益調(diào) 整電路130取決于自增益調(diào)整控制器150接收的一或多個(gè)增益調(diào)整信號(hào)調(diào)整光偵測信號(hào)的 振幅，如以下將按額外細(xì)節(jié)來描述。增益調(diào)整電路130的輸出（其可被稱作經(jīng)振幅調(diào)整的 光偵測信號(hào)）經(jīng)提供至IQ解調(diào)器140。更一般而言，模擬放大電路132