用于光學(xué)式鄰近偵測(cè)器的精確度估計(jì)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的實(shí)施例大致上關(guān)于光學(xué)式鄰近偵測(cè)器及與隨著光學(xué)式鄰近偵測(cè)器所使 用的方法，且特別是關(guān)于產(chǎn)生指示在光學(xué)式鄰近偵測(cè)器和一對(duì)象之間的距離的距離值以及 產(chǎn)生指示該距離值的精確度的精確度值的光學(xué)式鄰近偵測(cè)器。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)式鄰近偵測(cè)器(其也可被稱作光學(xué)式鄰近傳感器或光學(xué)式鄰近偵測(cè)傳感器） 通常包括或使用光源及鄰近感旋光性光偵測(cè)器。此光學(xué)式鄰近偵測(cè)器可用以基于源自光源 的自對(duì)象反射且由光偵測(cè)器偵測(cè)的光來偵測(cè)對(duì)象的存在、估計(jì)對(duì)象的鄰近(例如，至對(duì)象的 距離)及/或偵測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)。在此等偵測(cè)器特定地用以偵測(cè)至對(duì)象的距離的情況下，此等 偵測(cè)器也可被稱作光學(xué)式距離偵測(cè)器或光學(xué)距離傳感器。在此等偵測(cè)器依賴于飛行時(shí)間 (time- 〇f-flight;TOF)原理偵測(cè)至對(duì)象的距離的情況下，此等偵測(cè)器還可被稱作光學(xué)T0F 傳感器、光學(xué)T0F鄰近傳感器、光學(xué)T0F鄰近偵測(cè)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(cè)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(cè)器已用于此及許多其他應(yīng)用。
[0003] 對(duì)于其他實(shí)例，存在對(duì)象的存在可有利地經(jīng)由光學(xué)式鄰近偵測(cè)器偵測(cè)的許多其他 應(yīng)用。此等范圍自感測(cè)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。也可將光學(xué)式鄰近偵測(cè)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(cè)器感 測(cè)的塑料外殼的裝置的應(yīng)用中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的實(shí)施例是關(guān)于光學(xué)式鄰近偵測(cè)器、供光學(xué)式鄰近偵測(cè)器使用的方法，及 包括光學(xué)式鄰近偵測(cè)器的系統(tǒng)。根據(jù)某些實(shí)施例，一種光學(xué)式鄰近偵測(cè)器包括驅(qū)動(dòng)器、光偵 測(cè)器、模擬前端，及數(shù)字后端。驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)光源以發(fā)射光。光偵測(cè)器產(chǎn)生指示所發(fā)射光的反 射離開對(duì)象并入射于光偵測(cè)器上的一部分的量值及相位的光偵測(cè)信號(hào)。模擬前端包括放大 電路，及輸出數(shù)字光偵測(cè)信號(hào)或指示其的數(shù)字同相信號(hào)及正交相位信號(hào)的一或多個(gè)模擬至 數(shù)字轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital converter ;ADC)。數(shù)字后端包括距離計(jì)算器及精確度估 計(jì)器。距離計(jì)算器取決于由模擬前端的ADC輸出的數(shù)字光偵測(cè)信號(hào)或數(shù)字同相信號(hào)及正交 相位信號(hào)而產(chǎn)生數(shù)字距離值。精確度估計(jì)器產(chǎn)生指示數(shù)字距離值的精確度的精確度值。
【附圖說明】
[0005] 圖1說明光學(xué)式鄰近偵測(cè)器的實(shí)施例。
[0006]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(cè)器的光學(xué)式鄰近偵測(cè)器 在操作模式期間使用方法的高階流程圖。
[0007] 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(cè)器的光學(xué)式鄰近偵測(cè)器 在動(dòng)態(tài)增益及相位偏移校準(zhǔn)模式期間使用方法的高階流程圖。
[0008] 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(cè)器的光學(xué)式鄰近偵測(cè)器 在串?dāng)_校準(zhǔn)模式期間使用方法的高階流程圖。
[0009] 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(cè)器的光學(xué)式鄰近偵測(cè)器 在靜態(tài)相位偏移校準(zhǔn)模式期間使方法的高階流程圖。
[0010] 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。
[0011]圖4說明根據(jù)實(shí)施例的光學(xué)式鄰近偵測(cè)器的實(shí)施例。
[0012] 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(cè)器(諸如圖4中 介紹的光學(xué)式鄰近偵測(cè)器)使用方法的高階流程圖。
[0013] 圖6為用以描述用于提供精確度估計(jì)以供光學(xué)式鄰近偵測(cè)器(諸如圖4中介紹的光 學(xué)式鄰近偵測(cè)器)使用方法的高階流程圖。
[0014] 圖7說明根據(jù)實(shí)施例的系統(tǒng)，其包括在圖1或圖4中介紹的光學(xué)式鄰近偵測(cè)器。
[0015] 附圖標(biāo)記說明：
[0016] 102-光學(xué)式鄰近偵測(cè)器/光學(xué)式距離偵測(cè)器；103-不透明光障壁；104-紅外光源； 105-對(duì)象/目標(biāo)；106-光偵測(cè)器；107-校準(zhǔn)參考信號(hào)產(chǎn)生器；108-模擬前端電路/前端/模擬 前端；109-電壓供應(yīng)器；110-驅(qū)動(dòng)器；111-DC光電流(DCPC)模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC); 112-數(shù) 字后端電路/數(shù)字后端；120-時(shí)序產(chǎn)生器；122-放大器；130-增益調(diào)整電路；132-放大電路/ 模擬放大電路；140-IQ解調(diào)器電路/IQ解調(diào)器；142i_混頻器；142q_混頻器；144i_模擬低通 濾波器；144q_模擬低通濾波器；146i_模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC);146q_模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC); 150-增益調(diào)整控制器；152-數(shù)字濾波器；153-動(dòng)態(tài)增益及相位偏移修正器；154-串?dāng)_ 修正器；156-相位及量值計(jì)算器；158-靜態(tài)相位偏移修正器；160-緩存器；162-內(nèi)存；164-距 離計(jì)算器；166-精確度估計(jì)器;202~256-方法步驟;402-光學(xué)式鄰近偵測(cè)器;404-溫度傳感 器;406-供電電壓傳感器;408-前向電壓降傳感器(Vf傳感器）；410_數(shù)字電路及/或微控制 器單元(MCU); 502~518-方法步驟;602~616-方法步驟;700-系統(tǒng)；704-比較器或處理器； 706-子系統(tǒng)；I-頻道;Idem-同相解調(diào)變信號(hào);Q-頻道;QDem-正交相位解調(diào)變信號(hào)；Sw-開關(guān)； Vcc-供電電壓。
【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(cè)器102。在光學(xué)式鄰近偵測(cè)器102 用于偵測(cè)至對(duì)象(例如，105)的距離的情況下，光學(xué)式鄰近偵測(cè)器102可替代性地被稱作光 學(xué)式距離偵測(cè)器102。在光學(xué)式鄰近偵測(cè)器102依賴于飛行時(shí)間（T0F)原理偵測(cè)至對(duì)象的距 離的情況下，其也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(cè)器或類似者。參看圖1，將光學(xué)式鄰近偵測(cè)器102展示為包括紅外光源104、光偵 測(cè)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。還可將光源 104及光偵測(cè)器106視為模擬前端電路108的一部分。模擬前端電路108也可被稱作模擬前端 (analog front-end; AFE)、前端頻道或簡稱為前端。類似地，數(shù)字后端電路108也可被稱作 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)還可提供至前端108。時(shí)序產(chǎn)生器120還可包括用以產(chǎn)生可由光學(xué)式鄰近偵測(cè)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(cè)器 102還展示為包括產(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。還有可能由電壓供 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)或紅外線激光二極管， 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(cè)器中，但因?yàn)槿搜鄄荒?偵測(cè)IR光，所以光源可替代性地產(chǎn)生其他波長的光。因此，紅外光源104可更一般地被稱作 光源104。光偵測(cè)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(cè)器106將偵測(cè)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PD，則光偵測(cè)器106將使偵測(cè)的光轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。除非另有敘述，否則為 了方便描述的緣故而假定光偵測(cè)器106為在光導(dǎo)模式中操作的ro。
[0019 ]根據(jù)實(shí)施例，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(cè)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)化信噪比（s igna 1 -to-noi se rati〇; SNR)，及IQ解調(diào)變 以簡化數(shù)字后端處理。根據(jù)實(shí)施例，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(cè)器102與目標(biāo)105之間的距離之相位。數(shù)字 后端112還可修正靜態(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)實(shí)施例，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144:1、1449及模擬至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(31^1(^-1:〇-(1丨8；^31;六0〇 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)實(shí)施例，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 位及量值計(jì)算器156及靜態(tài)相位偏移修正器158。數(shù)字后端112還展示為包括距離計(jì)算器164 及精確度估計(jì)器166。根據(jù)實(shí)施例，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。可使用DSP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)塊也是可能的。在某些實(shí)施例中，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(cè)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)電路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)（也被稱作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(其也 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(cè)器102的感測(cè)區(qū)（也就是，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(cè)器106上。響應(yīng)于偵測(cè)到光，光偵測(cè)器106產(chǎn)生指示偵測(cè) 的光的量值及相位的光偵測(cè)信號(hào)。光偵測(cè)信號(hào)的量值可取決于(例如）目標(biāo)105與光學(xué)式鄰 近偵測(cè)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(cè)信號(hào)的量值愈大。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(cè)信號(hào)的量值將比若目標(biāo)具有黑色或另一低反射性 色彩大。相比之下，光偵測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器106偵測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器106產(chǎn)生的光偵測(cè)信號(hào)提供至增益調(diào)整電路130前，光偵測(cè)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(cè)器106產(chǎn)生指示偵測(cè)的光的量值及相位的電壓信號(hào)或是電流信號(hào)，可選 放大器122還可用以將電流信號(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(t