CN102880286B - 使用单个照明源的光学手势感测器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种使用单个照明源的光学手势感测器。具体地，涉及一种手势感测设备，其包括单个光源和在此统称为分块式光电感测器的多分块式单个光电感测器、或光电感测器阵列。光修改结构将反射光从光源中继到分块式光电感测器的不同分块上。光修改结构可以是光学透镜结构或机械结构。光电感测器的不同的分块感测反射光并且输出对应的感测电压信号。控制电路接收并且处理感测电压信号以确定相对于分块式光电感测器的目标运动。
Description
相关申请
本申请要求具有相同发明人的、于2011年5月5日提交的序列号为61/483,034、标题为“Gesture Sensing Method and Apparatus”的美国临时申请的优先权。本申请通过引用将该序列号为61/483,034的美国临时申请整体并入。
技术领域
本发明涉及用于电子设备的显示器。更具体地，本发明涉及感测和确定物理手势的设备。
背景技术
手势感测器是一种人类接口设备，该设备支持在无需用户实际触摸手势感测器位于其中的设备的情况下检测物理运动。检测到的运动可以随后被用作设备的输入命令。在一些应用中，设备被编程为识别不同的非接触手运动，诸如左到右、右到左、上到下、下到上、进到出和出到进手运动。手势感测器已经在诸如平板计算设备和智能电话之类的手持设备以及诸如膝上式计算机之类的其他便携式设备中得到了广泛应用。手势感测器也被实施在检测视频游戏玩家的运动的视频游戏控制台中。
最常规的手势感测器实现方式使用三个或更多个诸如发光二极管(LED)之类的照明源、以及诸如光电检测器之类的光感测器。照明源被接连接通和关断或闪烁，以便使得感测器从闪烁的光的反射获得空间信息。图1图示了常规手势感测器的简化框图。光电感测器4位于LED 1、LED 2和LED 3附近。控制电路5被编程为接连接通和关断LED 1-LED3并且分析由光电感测器4感测到的所得的测量。图2图示了用于使用图1的手势感测器检测运动目标的示例性方法。通过观察来自相同轴的LED的感测信号之间的相对延迟来检测运动。例如，为了检测左到右或右到左运动，如图2中所示，比较由LED 1和LED 2感测的信号。LED 1在与LED 2不同的时间闪烁。LED 1和LED 2位于已知位置并且按已知序列接通和关断。当来自LED的光射到在LED之上运动的目标时，光被运动目标反射回到光电感测器4。所感测的反射光被转换为电压信号，该电压信号被发送到控制电路5。控制电路5包括使用LED位置、LED发光序列和所接收的感测数据来确定目标的相对运动的算法。
图2示出了对于左到右运动的情况的感测电压信号。感测电压信号是电压-时间曲线。标记为“来自LED 1的信号”的曲线示出了从LED 1的重复的闪烁所得的感测电压。曲线的低部分指示目标未在经过LED 1之上或附近。换言之，目标不在光电感测器4的“视场”内，凭借该视场从LED 1发射的光可以被目标反射到光电感测器4上。如果目标不在光电感测器4的与LED 1相关的视场内，则光电感测器4并不感测从LED 1发射的光的任何反射。曲线的高部分指示目标正经过LED 1之上或附近。标记为“来自LED 2的信号”的曲线示出了从LED2的重复的闪烁所得的感测电压。当LED 1接通时，LED 2关断，反之亦然。当目标位于LED 1之上或附近时，与LED 1的闪烁相关的感测电压为高，而与LED 2的闪烁相关的感测电压为低。当目标位于两个LED(LED 1和LED 2)之间的中间时，光电感测器4从LED 1和LED 2两者的闪烁检测反射光。当目标位于LED 2之上或附近时，与LED 2的闪烁相关的感测电压为高，而与LED 1的闪烁相关的感测电压为低。当目标不位于LED 1或LED 2之上或LED 1和LED 2之间时，光电感测器4不感测与任一LED相关联的反射光，并且对应的感测电压电平为低。
对于左到右运动，如图2中所示，“来自LED 1的信号”的感测电压电平在“来自LED2的信号”的感测电压电平之前变为高。换言之，当目标从左到右运动时，“来自LED 2的信号”的电压-时间曲线相对于“来自LED 1的信号”的电压-时间曲线延迟。
图2还示出了对于右到左运动的情况的感测电压信号。对于右到左运动，如图2的左侧的两个电压-时间曲线所示，“来自LED 2的信号”的感测电压电平在“来自LED 1的信号”的感测电压电平之前变高。换言之，当目标从右到左运动时，“来自LED 1的信号”的电压-时间曲线相对于“来自LED 2的信号”的电压-时间曲线延迟。
其中上和下被视作y轴上的运动的上下运动使用LED 2和LED 3以及对应的电压-时间数据来类似地确定。控制电路5从光电感测器4接收感测电压并且按与上面关于x轴描述的方式类似的方式确定y轴上的相对目标运动。
多照明源配置的一个缺点是多个照明源部件必须被集成在设备中。随着设备尺寸的不断减小，附加的部件是不期望的。
发明内容
一种手势感测设备，包括单个光源和在此统称为分块式光电感测器的多分块式单个光电感测器、或光电感测器阵列。光修改结构将反射光从光源中继到分块式光电感测器的不同分块上。光修改结构可以是光学透镜结构或机械结构。光电感测器的不同的分块感测反射光并且输出对应的感测电压信号。控制电路接收并且处理感测电压信号以确定相对于分块式光电感测器的目标运动。
在一个方面中，公开了一种用于确定物理手势的设备。该设备包括单个照明源；多个光感测器；光修改结构，其将反射光中继到多个光感测器，其中反射光是来自单个照明源的被目标物体反射的光；以及处理电路，其耦合到多个光感测器以分析从多个光感测器接收的依赖于时间的信号，并且确定该设备附近的目标物体定向运动。
照明源可以是发光二极管。每个光感测器可以是光电二极管。多个光感测器可以是单独的光感测器的阵列或是被划分为多个分块的单个光感测器。在一些实施例中，光修改结构是光学透镜结构。在其他实施例中，光修改结构是机械结构，该机械结构被配置为依赖于目标物体相对于多个光感测器的位置而选择性地阻挡光的一部分。在机械结构的情况下，每个光感测器可以被形成为多个单元结构，每个单元结构具有两个光电二极管，此外其中机械结构可以包括多个壁结构，每个单元具有一个壁结构，其中壁结构位于两个光电二极管之间。在一些实施例中，每个壁结构的顶层具有不覆盖两个光电二极管中的任一个光电二极管的外周界。在其他实施例中，每个壁结构的顶层具有部分覆盖两个光电二极管中的每个光电二极管的外周界。每个壁结构可以包括多个金属层和多个介电层，介电层使每个金属层隔开，其中每个介电层包括耦合到在介电层的两侧上的金属层的多个金属通孔。在一些实施例中，多个壁结构使用半导体制造工艺来制造。
在一些实施例中，每个壁结构垂直于一个或多个光电二极管的顶表面。在其他实施例中，每个光感测器包括多个单元结构，每个单元结构包括一个或多个光电二极管，此外其中机械结构包括多个壁结构，每个单元具有一个壁结构，其中壁结构与一个或多个光电二极管的顶表面呈不垂直的角度。在该不垂直配置中，每个壁结构可以包括按照梯级结构配置的多个金属层和多个通孔。
在一些实施例中，每个光感测器包括多个单元结构，每个单元结构包括两个光电二极管，此外其中机械结构包括多个有槽金属层，每个单元具有一个有槽金属层，其中有槽金属层位于两个光电二极管之上，并且有槽金属层的开槽与两个光电二极管之间的中心点对准。每个单元还可以包括位于光电二极管和有槽金属层之间的介电层，其中介电层是光学透明的。在其他实施例中，多个光感测器形成在集成电路芯片上，并且每个光感测器是光电二极管，此外其中机械结构包括耦合到集成电路芯片的芯片封装体，该芯片封装体包括位于每个光电二极管之间的壁结构。
附图说明
图1图示了常规手势感测器的简化框图。
图2图示了用于使用图1的手势感测器检测运动目标的示例性方法。
图3图示了根据一个实施例的手势感测设备的概念图。
图4和图5图示了从响应于在多个方向上运动的目标而从分块式光电感测器输出的信号生成的示例性复合信号。
图6图示了根据一个实施例的日晷配置的截面图。
图7图示了图6的单元的顶视图。
图8图示了旋转了90度的图7的单元。
图9图示了被配置为形成四个分块的多个单元的顶视图。
图10图示了根据备选实施例的日晷配置的截面图。
图11图示了根据又一备选实施例的日晷配置的截面图。
图12图示了根据一个实施例的针孔配置的截面图。
图13图示了图12的单元的顶视平面图。
图14图示了根据一个实施例的冠层配置的截面图。
图15图示了根据一个实施例的拐角四元配置的顶视图。
图16图示了图15的拐角四元配置的截面图。
图17图示了在百叶窗配置中使用的成角度壁的一个示例性实现方式。
图18图示了百叶窗配置中的相邻单元。
图19图示了根据一个实施例的微四元单元配置的顶视图。
具体实施方式
本申请的实施例涉及一种手势感测设备。本领域普通技术人员将认识到，对手势感测设备的以下详细描述仅仅是例示性的，并且不以任何方式旨在是限制性的。拥有本公开的益处的本领域技术人员将容易地联想到手势感测设备的其他实施例。
现在将详细对如附图中所图示的手势感测设备的实现方式进行参考。贯穿附图和以下详细描述，将使用相同的参考标记来指代相同或相似的部分。为清晰起见，并未示出和描述在此描述的实现方式的全部常规特征。当然，将理解，在任何这样的实际实现方式的开发中，将很可能将进行许多特定于实现方式的决定以便实现开发者的特定目标，诸如符合应用和商业相关约束，并且这些特定目标可以在实现方式之间以及在开发者之间变化。此外，将理解，这样的开发努力可能是复杂和耗时的，但仍然将是对于拥有本公开的益处的本领域普通技术人员来说的常规工程任务。
手势感测设备的实施例包括单个光源和多分块式单个光电感测器、或光电感测器的阵列。通过添加诸如光学透镜结构或机械结构之类的光修改结构，反射光可以被聚焦和/或引导到光电感测器的不同的分块上。光电感测器的不同的分块同时感测反射光，并且来自每个分块的相对幅度指示目标的运动。控制电路接收和处理来自分块式光电感测器的感测数据，以确定相对于分块式光电感测器的目标运动。一个光感测器的配置比多源配置更紧凑并且更廉价。该手势感测设备的另一优点是用户可以通过手势传达设备命令而无需激活触摸屏控制器或使用机械按钮。这提供了显著的功率和成本节省。
图3图示了根据一个实施例的手势感测设备的概念图。手势感测设备10包括表示为LED 11的单个照明源和分块式光电感测器12。在一些实施例中，分块式光电感测器12被配置为仅感测特定的一个或多个光波长，诸如由照明源11发射的波长。这样的配置可以通过使用滤光器来实施。分块式光电感测器12可以是功能上划分为多个分块的单个感测器或单独的光电感测器的阵列。例如，四元分块式光电感测器功能上等效于布置成四元布局的四个单独的光电感测器。如在此所使用的，对“分块”的引用指代单个感测器内的被划分的分块或指代感测器阵列中的单独的感测器。图3在将分块式光电感测器12示出为竖直(上面的标记为12的元件)以及用于示出不同分块(下面的标记为12的元件)的平面图两者。
在图3的示例性配置中，分块式光电感测器12包括四个分块：分块A、分块B、分块C和分块D。尽管四分块检测器是最简单的实现方式，但应理解可以增加分块的数目以增加***的分辨率。随着分块的数目增加，信号处理电子电路变得越来越复杂。每个分块彼此隔离。LED 11位于分块式光电感测器12附近。当运动目标经过LED 11和分块式光电感测器12附近时，来自LED 11的光输出被运动目标反射到分块式光电感测器12上。手势感测设备10还包括光学透镜结构13以将光聚焦到分块式光电感测器12上。聚焦透镜对来自分块式光电感测器12之上的空间中的诸如手的手势之类的运动目标的反射光进行聚焦。应理解，仅在光学透镜结构13的“视场”内的反射光被聚焦到分块式光电感测器12上。虽然光学透镜结构13在图3中被示出为单个元件13，但光学透镜结构13表示用于将光引导到分块式光电感测器12的任何数目的透镜和/或光学元件。光学透镜结构和/或光感测器的示例性实现方式在以下申请中描述：共有并且共同待决的于2011年5月26日提交的标题为“Light SensorHaving Glass Substrate With Lens Formed Therein”的美国临时专利中请序列号61/490,568以及共有并且共同待决的于2011年5月31日提交的标题为“Light Sensor HavingGlass Substrate With Lens Formed Therein”的美国临时专利申请序列号61/491,805，上述申请都通过引用整体并入于此。分块式光电感测器12的每个分块向控制电路14输出分块信号，在该控制电路14处处理分块信号。
LED 11被连续地或周期性地激励以照亮目标。从目标反射的光引起在每个分块式光电感测器上的分块信号。这些分块信号被处理并且存储在缓冲存储器中，该缓冲存储器与控制电路14集成或与控制电路14分离。控制电路14分析所存储的数据并且确定是否已检测到有效手势。也可以使用相同的数据从而使得分块式光电感测器12作为接近感测器而工作。相同的光电感测器结构可以与不同的信号处理电路一同使用从而使得手势感测设备也作为环境光感测器而工作。
当LED 11通电或闪烁时，如果目标在分块式光电感测器12之上的附近空间内，则目标被照亮。运动目标在图3中被概念地图示为平面反射器。目标反射被光学透镜结构13成像到分块式光电感测器12上。图3的示例图示了目标的右到左运动。随着目标的边缘运动经过成像区域的中心，目标边缘的聚焦的像跨过分块式光电感测器12运动。分块A和分块C首先响应于运动的像，随后是分块B和分块D。控制电路14被编程为检测该事件序列，并且识别右到左目标运动。类似地，可以通过相反的序列识别左到右目标运动，并且可以使用正交的信号集合识别上到下目标运动和下到上目标运动两者。可以通过感测四个分块A-D的和的绝对幅度(这也是接近测量)来识别进出目标运动。
图4和图5图示了从响应于在多个方向上运动的目标而从分块式光电感测器12输出的信号生成的示例性复合信号。复合信号是两个或更多个分块信号的复合，每个分块信号提供所感测的电压-时间数据。图4和图5中示出的复合信号和分析复合信号的方法示出了关于如何分析分块信号以确定目标运动的一个示例性方法。应理解，备选的分析方法可以应用于分块信号以确定相对目标运动。
参考图4，为了确定目标是从右到左运动还是从左到右运动，来自分块A和分块C的分块信号被加在一起以形成复合信号A+C，并且来自分块B和分块D的信号被加在一起以形成复合信号B+D。图4图示了对应于确定目标的右到左运动或左到右运动的示例性复合信号。从复合信号A+C减去复合信号B+D以形成差分复合信号(A+C)-(B+D)。如果存在右到左运动，则如图4的左下曲线所示，差分复合信号(A+C)-(B+D)具有正峰值然后具有负峰值。如果存在左到右运动，则如图4的右下曲线所示，差分复合信号(A+C)-(B+D)具有负峰值然后具有正峰值。
在图3中注意到，目标的运动方向与像在分块式光电感测器12上的运动方向相反。由于光学透镜结构13使得像倒逆。在下面详细描述的备选实施例中，光学透镜结构被若干个机械结构中的一个机械结构替换。在这些备选配置的一些实施例中，分块式光电感测器12上的像按照与目标相同的方向运动，并且图4中所示的复合信号(A+C)和(B+D)被互换，并且差分复合信号(A+C)-(B+D)被反转。如图3中所示，当目标从左到右运动时，分块式光电感测器12上的像从左到右运动。如应用于图4，当目标从右到左运动时，则像初始地出现在分块A和分块C上，因为目标在右边，而像尚未出现在分块B和分块D上，并且如图4的左上曲线所示，所得的复合信号A+C开始增加，而复合信号B+D保持为零。随着目标向左运动，像开始出现在分块B+D上同时仍出现在分块A+C上，并且如图4的左中曲线所示，所得的复合信号B+D开始增加。最终，像完全出现在全部分块A至分块D上。当目标像的尾边缘运动离开分块A和分块C时，复合信号A+C返回到零，并且形成差分复合信号(A+C)-(B+D)的负峰值。
类似地，当目标从左到右运动时，像初始地出现在分块B和分块D上，因为目标在左边，而像尚未出现在分块A和分块C上，并且如图4的右上曲线所示，所得的复合信号B+D开始增加，而复合信号A+C保持为零。随着目标向右运动，像开始出现在分块A+C上同时仍出现在分块B+D上，并且如图4的右中曲线所示，所得的复合信号A+C开始增加。最终，像完全出现在全部分块A至分块D上。当目标像的尾边缘运动离开分块B和分块D时，复合信号B+D返回到零，并且形成差分复合信号(A+C)-(B+D)的正峰值。
类似地确定上下运动。为了确定目标是从上到下运动还是从下到上运动，来自分块A和分块B的分块信号被加在一起以形成复合信号A+B，并且来自分块C和分块D的信号被加在一起以形成复合信号C+D。图5图示了对应于确定目标的上到下运动或下到上运动的示例性复合信号。从复合信号A+B减去复合信号C+D以形成差分复合信号(A+B)-(C+D)。如果存在下到上运动，则如图5的左下曲线所示，差分复合信号(A+B)-(C+D)具有正峰值然后具有负峰值。如果存在上到下运动，则如图5的右下曲线所示，差分复合信号(A+B)-(C+D)具有负峰值然后具有正峰值。
当目标从下到上运动时，像初始地出现在分块A和分块B上，而像尚未出现在分块C和分块D上。如图5的左上曲线所示，所得的复合信号A+B开始增加，而复合信号C+D保持为零。随着目标向下运动，像开始出现在分块C+D上同时仍出现在分块A+B上，并且如图5的左中曲线所示，所得的复合信号C+D开始增加。最终，像完全出现在全部分块A至分块D上。如在右到左运动中那样，对于下到上运动，如图5的左下曲线所示，差分复合信号(A+B)-(C+D)呈现正峰值然后呈现负峰值。可以容易看到，如图5的右下曲线所示，相反的运动，即上到下运动形成类似的差分复合信号(A+B)-(C+D)，但具有相反相位。
执行附加的处理以确定朝向和远离分块式光电感测器的运动，该运动被称作进出运动。为了确定进出运动，全部四个分块A、B、C、D被相加以形成复合信号A+B+C+D。如果复合信号A+B+C+D在给定时段上增加，则确定存在朝向分块式光电感测器的运动，或朝内运动。如果复合信号A+B+C+D在给定时段上减少，则确定存在远离分块式光电感测器的运动，或朝外运动。
通常，酌情测量分块并且处理分块信号以确定复合信号的幅度改变。这些幅度改变当在时间上与其他复合信号的幅度改变相比时，确定将光反射回到分块式光电感测器的目标的相对运动。
在备选实施例中，使用机械结构来替换光学透镜结构。机械结构被用于影响反射光如何被引导至分块式光电感测器。第一机械结构被称作日晷配置。日晷配置实施从分块式光电感测器的感测器表面突出的物理“壁”。随着目标跨过分块式光电感测器之上的空间运动，壁有效地在各个感测器分块上投下“阴影”。该阴影被跟踪，并且对应地确定目标运动。
图6图示了根据一个实施例的日晷配置的截面图。日晷配置提供了用于将反射光引导到光电感测器(在本实例中为光电二极管)上的机械装置。中心结构是用于阻挡反射光的物理日晷壁。壁的两侧上的两个N-EPI到P-衬底结形成两个光电二极管。壁是被构建成使两个光电二极管隔开的一系列金属层。在图6的示例性配置中，壁包括第一金属层M1、第二金属层M2、第三金属层M3和顶金属层TM。每个金属层被钝化层隔开，该钝化层诸如其中形成有通孔的二氧化硅。使用常规半导体工艺技术形成金属层、钝化层和通孔。壁形成在被掺杂以形成也被称作单元的光电二极管的衬底上。第一光电二极管(或光电二极管单元A)由N-EPI到P-衬底结形成。金属接触M1耦合到N-EPI区以便与光电二极管单元A阴极形成接触。P-衬底充当光电二极管阳极，并且它对于两个光电二极管单元A和B是公共的。存在通过在光电二极管单元A的N-EPI层顶部添加P-阱层而形成的附加的光电二极管。P-阱的接触在P-阱的端部形成，其未在图6中示出。在一些实施例中，当不使用手势功能时，P-阱光电二极管被用于测量环境光。这样的配置和功能在共有的、于2010年9月23日提交的标题为“DoubleLayer Photodiodes in Ambient Light Sensors and Proximity Detectors”的美国专利申请序列号12/889,335中描述，该申请通过引用以其整体并入于此。第二光电二极管(或光电二极管单元B)按照与光电二极管A单元相同的方式形成。两个光电二极管单元A和B由延伸通过N-EPI区并且接触P-衬底的两个P+扩散隔离。N-EPI的孤岛形成在两个P+隔离扩散之间。该孤岛形成附加的二极管，该附加的二极管收集可能从光电二极管单元A之下迁移并且本应被光电二极管单元B收集的任何杂散光电流。该附加的二极管还收集可能从光电二极管单元B之下迁移并且本应被光电二极管单元A收集的任何杂散光电流。两个P+隔离扩散和它们之间的N-EPI孤岛一起形成A/B隔离区。A/B隔离区的三个元件都被第一金属层M1短路，该第一金属层M1在顶金属层TM处连接到地。在复合的A/B隔离区中收集的任何光电流都被分流到地，从而减少光电二极管单元A和光电二极管单元B之间的串扰。
图6中的结构是包括光电二极管单元A、光电二极管单元B、隔离区和壁的单元。图7图示了图6的单元的顶视图。该单元被配置为确定左右运动，因为壁被垂直对准于要确定的运动方向，即左右。为了确定上下运动，如图8中所示，单元被旋转90度。在图8的单元配置中，壁结构被垂直对准于要确定的上下运动。创建单元的一个原因是光电二极管单元的尺寸受到限制，具体地是光电二极管单元远离壁结构延伸的宽度受到限制。这限制了可以用于测量反射光的表面面积。图9图示了根据一个实施例的被配置为形成四个块的多个单元的顶视图。每个单元由隔离区I与相邻单元隔离。在图9中，块1由交替的光电二极管单元A和光电二极管单元B的阵列构成。块1与块4相同，块4也包括交替的光电二极管单元A和光电二极管单元B的阵列。块1和块4两者中的全部光电二极管单元A被短路在一起以形成聚集的A节点。使单元的阵列聚集增加信号强度。类似地，块1和块4两者中的全部光电二极管单元B被聚集在一起以形成单个B节点。使用相同的连接方案来从块2和块3中的交替的光电二极管单元C和光电二极管单元D形成C节点和D节点。块2和块3中的光电二极管单元相对于块1和块4中的光电二极管单元旋转90度。以此方式，存在四个不同的信号，分别来自节点A、B、C和D中的每个节点。
在左右方向和上下方向上的目标运动再次通过分析差分信号来确定。为了确定左右方向上的目标运动，形成差分信号A-B。按照与和图3的四元单元配置有关的差分复合信号(A+C)-(B+D)类似的方式分析差分信号A-B。为了确定上下方向上的目标运动，形成差分信号C-D。按照与和图3的四元单元配置有关的差分复合信号(A+B)-(C+D)类似的方式分析差分信号C-D。
图6中所示的单元结构是示例性日晷配置，并且也可想到备选结构。图10图示了根据一个备选实施例的日晷配置的截面图。在图10的备选配置中，备选地形成壁，并且备选地掺杂下面的衬底。在该实施例中，两个光电二极管单元A和B之间的隔离区由单个P+扩散构成。与图6的隔离区相比较小的图10的隔离区允许增加的封装密度。P-阱和N-EPI区接触在阵列的端部形成，其未在图10中示出。衬底中的P+隔离区在顶金属层TM处连接到地。
图11图示了根据又一备选实施例的日冕配置的截面图。在图11的备选配置中，备选地形成壁，并且备选地掺杂下面的衬底。在该配置中，光电二极管单元不包括P-阱。N-EPI接触在阵列的端部形成，其未在图11中示出。光电二极管单元A和光电二极管单元B之间的P+隔离区在顶金属层TM处连接到地。在该实施例中，不存在P-阱层允许制造与图6相比更窄的光电二极管单元A和光电二极管单元B。该结构提供与图6相比较更高的单元封装密度。
第二机械结构被称作细条(pinstripe)配置。图12图示了根据一个实施例的细条配置的截面图。细条配置提供了用于将反射光引导到光电感测器(在本实例中为光电二极管)上的机械装置。细条配置类似于针孔照相机，其中针孔已经被伸长为条或槽。衬底中的两个N-EPI部分形成光电二极管单元A和光电二极管单元B的阴极，而P-衬底形成公共阳极。金属层M3形成在单元之上，并且开槽形成在金属层中。金属层形成在光学透明的诸如二氧化硅之类的层间介电质上。金属层和开槽使用常规半导体制造工艺来形成。在一些实施例中，单元结构使用常规CMOS、数字半导体制造工艺来形成。图13图示了图12的单元的顶视平面图。如图13中所示，开槽沿单元的长度对准。开槽可以走行单元的整个长度或部分长度。
在操作中，反射光穿过开槽并且入射到光电二极管、N-EPI部分。当目标位置在开槽的右侧时，从目标反射的光穿过开槽并且入射到左侧光电二极管单元A。随着目标从右到左运动，更多反射光入射到左侧光电二极管单元A，直至目标经过临界角，在该处较少反射光入射到左侧光电二极管单元A，并且相反，反射光开始入射到右侧光电二极管单元B。当目标在槽正上方时，即在跨越点处，从光电二极管单元A和光电二极管单元B接收的信号相同。这是最高整体信号强度的位置，并且也是两个信号之间的差A-B为零的位置。随着目标继续向左运动，更多反射光入射到右侧光电二极管单元B，并且差信号A-B改变符号并且变为负。在目标的进一步向左运动之后，零反射光入射到左侧光电二极管单元A。类似于日晷配置，针孔配置的多个单元相邻定位以形成块，并且来自单独的光电二极管单元A的信号被聚集在一起以形成公共A节点。对于B信号到D信号使用相同类型的信号聚集。开槽的对准确定待确定的目标运动的方向。例如，图13中的开槽的横向对准被用于确定上下运动。诸如图13中的单元那样对准的多个单元形成被配置为测量上下运动的分块。开槽的纵向对准被用于确定左右运动。在示例性配置中，按照与图9中所示的具有日晷配置的那些分块类似的方式来对准具有细条配置的分块，其中分块A和分块D被配置为确定左右运动，而分块B和分块C被配置为确定上下运动。按照与上述日晷配置相同的方式使用差分信号来确定左右方向和上下方向上的目标运动。
在备选配置中，金属层和开槽可以用使得光能够通过限定的区域进入而在别处阻挡光的任何类型的光阻挡元件来替换，所述光阻挡元件诸如MEMS(微机电***)器件或其他抬升的或部分浮动元件，其中所述阻挡元件由光学透明材料支撑或悬置在开槽附近的空气之上。MEMS器件是由电驱动的非常小的机械器件。
一个备选实施例是将细条概念应用于四元单元设计以产生微四元单元。图19图示了根据一个实施例的微四元单元配置的顶视图。微四元单元由小四元单元的阵列构成。全部单独A分块被聚集在一起以形成单个A信号，并且B分块、C分块、D分块也类似。四元单元的阵列由具有让光通过的方形或圆形开口的金属层覆盖。按照与针对细条概念描述的方式类似的方式使用半导体工艺形成金属层。四元单元A到四元单元D的尺寸、金属层间隔、以及金属层中的开口的尺寸与半导体工艺中典型可获得的尺寸一致。金属层中的开口被定位以使得当光在开口正上方时，全部单元被均等地但部分地照亮。当光的角度改变时，四个单元的相对照亮变得不平衡。按照与前面针对图3描述的方式相同的方式处理四个信号A到D。
第三机械结构被称作冠层配置。冠层配置与细条配置类似地操作，不同之处在于，不是如针孔配置中那样反射光通过单元结构的中心的开槽到达单元的光电二极管，而是单元结构的中心被“冠层”覆盖并且该结构的周边侧打开以允许反射光到达单元的光电二极管。图14图示了根据一个实施例的冠层配置的截面图。冠层配置提供了用于将反射光引导到光电感测器(在本实例中为光电二极管)上的机械装置。两个N-EPI部分形成光电二极管单元A和光电二极管单元B。顶金属层TM形成单元结构的中心之上的冠层，从而覆盖光电二极管的内部分而不覆盖其外部分。顶金属层是作为使两个光电二极管单元A和B隔开而构建的一系列金属层而形成的壁的顶层。按照与日晷配置的壁结构类似的方式形成壁结构，不同之处在于，冠层配置的顶金属层TM在两个光电二极管单元A和B的部分之上延伸。顶金属层TM的在两个光电二极管单元A和B之上延伸的部分形成在光学透明的诸如二氧化硅之类的层间介电质(未示出)上。与细条配置和日晷配置类似，冠层配置的多个单元相邻定位以形成分块，并且多个分块被配置和定向为确定左右和上下运动。反射光由光电二极管单元A和光电二极管单元B感测，并且与上述细条配置和日晷配置类似地收集和处理感测电压。
第四机械结构被称作拐角四元配置。拐角四元配置在概念上在使用位于光电感测元件之间的物理壁方面与日晷配置类似，不同之处在于，不是如日晷配置中那样在硅级实施该壁并且对于每个分块具有多个单元，而是拐角四元配置实施在芯片封装体级，其中壁形成在分块之间。图15图示了根据一个实施例的拐角四元配置的顶视图。图16图示了图15的拐角四元配置的截面图。在图15和图16中所示的示例性配置中，光电感测器分块A-D被形成为集成电路芯片上的四个光电二极管。这四个光电二极管可以视作与图3的四个光电二极管相同，不同之处在于，不是使用图3的紧密间隔的四元几何形状，而是光电二极管被隔开并且放置在衬底的四个拐角中。集成电路芯片被封装在芯片封装体中，该芯片封装体包括由阻挡光(诸如从运动目标反射的光)的光不透明材料制成的壁。芯片封装体的在光电二极管之上的部分由光学透明材料制成。拐角四元配置中的壁的高度足够高，从而使得每个分块是单个感测器元件，这与日晷配置和冠层配置中的多个单元不同。目标运动的确定按照与日晷配置类似的方式确定，但无需针对给定分块聚集单独的单元电压。拐角四元配置包括具有芯片封装体级大小的壁，这与包括具有晶体管级大小的壁的日晷配置不同。
第五机械结构被称作百叶窗配置。百叶窗配置类似于日晷配置，不同之处在于，每个单元中的壁结构形成为与光电二极管单元成不垂直的角度，这与日晷配置中的垂直角度不同。如图17所示，通过按照梯级配置形成金属层和通孔来制造成角度的壁。另外，如图18所示，百叶窗配置中的每个单元包括位于成角度的壁的一侧的单个光电二极管单元。在百叶窗配置中，四个分块中的每个分块面向不同的90度方向。例如，分块A配置有成向左角度的壁，分块B配置有成向上角度的壁，分块C配置有成向下角度的壁，而分块D配置有成向右角度的壁。换言之，每个分块具有不同的视场。使用这些对准，按照与上述日晷配置相同的方式使用差分信号确定左右方向和上下方向上的目标运动。应理解，可以使用备选对准。
在一些实施例中，在光电感测器顶上添加滤光器以滤除具有不同于照明源的波长的光。
示例性实施例描述具有四个对称配置的分块(或光电感测器)的手势感测设备。应理解，在此所描述的概念可以延伸到对称或不对称地配置的多于四个分块，如光电分块或感测器的NxN、NxM、圆形或其他形状的阵列。
已经就并入细节以促进对手势感测设备的构造和操作的原理的理解的特定实施例而言描述了手势感测设备。在此对具体实施例及其细节的此类参考并不旨在限制所附权利要求的范围。对于本领域技术人员而言将明显的是，可以对被选为例示的实施例中进行修改而不脱离手势感测设备的精神实质和范围。
Claims (9)
1.一种用于确定物理手势的设备，包括：
单个照明源；
多个光感测器；以及
光修改结构，所述光修改结构用于将反射光中继到所述多个光感测器，其中所述反射光是来自所述单个照明源的被目标物体反射的光；
处理电路，所述处理电路耦合到所述多个光感测器以分析从所述多个光感测器接收的依赖于时间的信号，并且确定所述设备附近的目标物体定向运动；
其中所述光修改结构被配置为选择性地阻挡所述光的一部分，并且
其中所述光修改结构包括通过按照梯级结构配置多个金属层和多个通孔而形成的壁结构。
2.根据权利要求1所述的设备，其中每个光感测器包括光电二极管。
3.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个光感测器包括单独的光感测器的阵列。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个光感测器包括被划分为多个分块的单个光感测器。
5.根据权利要求1所述的设备，其中每个光感测器包括多个单元结构，每个单元结构包括两个光电二极管，此外其中所述光修改结构包括多个壁结构，每个单元具有一个壁结构，其中每个单元中的所述壁结构位于所述两个光电二极管之间。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述光修改结构的顶层具有不与所述两个光电二极管中的任一个光电二极管交叠的外周界。
7.根据权利要求5所述的设备，其中每个单元中的所述壁结构包括多个金属层和多个介电层，介电层使每个金属层隔开，其中每个介电层包括耦合到在所述介电层的两侧上的金属层的多个金属通孔。
8.根据权利要求5所述的设备，其中每个单元中的所述壁结构与所述两个光电二极管的顶表面呈不垂直的角度。
9.根据权利要求1所述的设备，其中每个光感测器包括多个单元结构，每个单元结构包括一个或多个光电二极管，此外其中所述光修改结构包括多个壁结构，每个单元具有一个壁结构，其中每个单元中的所述壁结构与所述一个或多个光电二极管的顶表面呈不垂直的角度。
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