CN105094309B - 光学感测模组以及移动装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学感测模组，其包含发光源、第一透镜以及感测器。该发光源用以产生光信号。该第一透镜具有第一光学中心轴。该感测器对应设置于该第一透镜的一侧。该感测器包含感光区，而该感光区的中心偏离该第一光学中心轴。该感测器用以接收该光信号受到物体反射所产生的反射信号，并据以产生感测结果。

Description

光学感测模组以及移动装置
技术领域
本发明涉及光学感测器，尤其涉及一种通过光学设计来改变非接触手势操作区域的光学感测模组及其相关的移动装置。
背景技术
由于光学感测模组会检测反射物(例如，使用者的手)所产生的反射光来辨识反射物的动作，移动装置(例如，智能手机)可通过设置光学感测模组于其中以实现非接触式的操作功能。为了避免与显示屏幕的设置空间重叠，光学感测模组会设置在显示屏幕的***。以图1所示的移动装置100为例，光学感测模组102设置于显示屏幕104的***。由于光学感测模组102的感测区域(手势操作区域RN)位于光学感测模组102设置之处的正上方，因此，使用者必须在移动装置100的边框的正上方进行非接触式的手势操作，以确保光学感测模组102可检测使用者的手所产生的反射信号。
然而，当使用者在进行非接触式的手势操作(例如，左右挥动)，使用者的手肘会很容易挡住显示屏幕，造成操作上的困扰。再者，当使用者初次进行非接触式的手势操作时，直觉上会在显示区域DN中央的正上方进行手势操作，而不是在光学感测模组102设置之处的正上方进行手势操作。换言之，使用者必须通过学习才能得知非接触式手势的操作区域。
因此，需要一种创新的光学感测设计以提供人性化的非接触式操作体验。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种通过光学设计来改变非接触手势操作区域的光学感测模组及其相关的移动装置，以解决上述问题。
依据本发明的一实施例，其公开了一种光学感测模组。该光学感测模组包含发光源、第一透镜以及感测器。该发光源用以产生光信号。该第一透镜具有第一光学中心轴。该感测器对应设置于该第一透镜的一侧。该感测器包含感光区，以及该感光区的中心以第一方向偏离该第一光学中心轴，该发光区的中心以第二方向偏离该第二光学中心轴，以及该第一方向与该第二方向的夹角小于90度，其中该感测器用以接收该光信号受到物体反射所产生的反射信号，并据以产生感测结果。
依据本发明的另一实施例，其公开了一种光学感测模组。该光学感测模组包含多个第一透镜、多个发光源、第二透镜以及感测器。各第一透镜具有第一光学中心轴。该多个发光源分别对应设置于该多个第一透镜的一侧。该多个发光源分别用以产生多个光信号，其中各发光源的发光区的中心偏离相对应的该第一光学中心轴，以及各发光源所产生的该光信号经由相对应的第一透镜入射至一物体。该第二透镜具有第二光学中心轴。该感测器对应设置于该第二透镜的一侧。该感测器包含感光区，以及该感光区的中心偏离该第一光学中心轴，其中该多个光信号受到该物体反射分别产生多个反射信号。该感测器用以接收经由该第二透镜入射至该感测器的该多个反射信号，并据以产生感测结果。对各发光源来说，各发光源相对应的该发光区的中心以第一方向偏离相对应的该第一光学中心轴，该感光区的中心以第二方向偏离该第二光学中心轴，以及该第一方向与该第二方向的夹角小于90度。
本发明所提供的光学感测模组可广泛应用于电子产品(例如，可携式移动装置，例如移动电话及平板电脑)之中，通过光学路径的设计来调整非接触式手势的操作区域，进而提供使用者直觉且便利的操作体验。
附图说明
图1为传统的移动装置的示意图。
图2为本发明光学感测模组的一实施例的示意图。
图3为本发明光学感测模组的另一实施例的示意图。
图4为本发明光学感测模组的另一实施例的示意图。
图5为本发明移动装置的一实施例的示意图。
图6示出了图5所示的光学感测模组的一实作例的俯视图。
图7示出了图6所示的感测器的侧视图。
图8示出了本发明感测器的感光区中心的一实施例的示意图。
图9示出了采用不同的发光源的设置位置来改变光信号的光学路径的一实施例的示意图。
图10为图5所示的光学感测模组的另一实作例的俯视图。
图11为采用光学透镜来改变光信号的光学路径的一实施例的示意图。
图12为本发明将发光源相对应的透镜倾斜以改变光信号的光学路径的一实施例的示意图。
图13为将图5所示的移动装置之中的光学感测模组倾斜特定角度的示意图。
图14为本发明调整发光源的发光锥角以调整手势操作区域的一实施例的示意图。
图15示出了本发明光学感测模组的手势感测区域与手势操作距离之间的关系的一实施例的示意图。
图16示出了光学感测模组的倾斜程度与无作用区之间的关系的一实施例的示意图。
图17为本发明光学感测模组的另一实施例的示意图。
图18为本发明光学感测模组的另一实施例的示意图。
主要部件附图标记：
100、500、1600 移动装置
102、202、302、402、502、1502、1702 光学感测模组
104、504 显示屏幕
210、610、910、1010、1110、1210、1410、 发光源
1412、1510、1710、1712、1714、1716
220、320、420、620、820、1520、1720 感测器
422 感测单元阵列
630、932、1032、1132、1232、1432、1530、1532 透镜
740 微透镜结构
DN、DT 显示区域
RN、RT、WR1、WR2、OR1、OR2、ORA、ORB 手势操作区域
PA、PB、PC、PD、P、PK 感测像素
SL、S1 光信号
SR、S2 反射信号
SA、AW、AX、AY、AZ 感光区
CP、CQ 感光区的中心
CS、CL 光学中心轴
DS、DL 方向
VL 视野范围
VP 一部分视野范围
P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9 位置
SE 发光区
CR 发光区的中心
d1、d2、DA、DB 距离
DZ1、DZ2 无作用区
CD 显示区域的中央
具体实施方式
利用光学路径的设计(例如，改变感测器在空间中的收光范围，和/或改变发光源在空间中的照明范围)，本发明所提供的光学感测架构可实现符合使用者的使用习惯的非接触式手势操作区域(或手势感测区域)。为了便于理解本发明的技术特征，以下是以依据反射信号的相位差来辨识非接触式手势的光学感测模组/电子装置来作范例说明，然而，本发明所提供的光学感测架构也可以应用于基于其他检测机制(例如，检测物体影像或计算物***置)来辨识非接触式手势的光学感测模组/电子装置。
图2示出了本发明光学感测模组的一实施例的示意图。在此实施例中，光学感测模组202可包含发光源(例如，红外光发光二极管、镭射二极管或紫外光发光二极管)210以及感测器(即，光学感测器)220，其中感测器220可包含多个感测像素PA～PC。当发光源210发射光信号SL时，感测器220便可接收光信号SL受到物体(即，使用者的手)反射所产生的反射信号SR，并据以产生感测结果。举例来说，在使用者的手由左往右挥动的期间，由于使用者的手处于移动状态，且多个感测像素PA～PC处于不同位置，因此多个感测像素PA～PC所分别接收的反射信号会具有不同的信号波形而产生相位差。感测器220便可据以产生该感测结果，而光学感测模组202可依据该感测结果来辨识出使用者的手势。
虽然图2所示的感测器220包含了三个感测像素PA～PC，然而这并非用来作为本发明的限制。在一设计变化中，感测器220可以只包含单一感测像素以判断接近与远离手势。在另一设计变化中，感测器220可以只包含两个感测像素以判断左右(或上下)挥动手势。在又一设计变化中，感测器220所包含的感测像素可大于三个。举例来说，在图3所示的实施例中，光学感测模组302所包含的感测器320可包含四个感测像素PA～PD。
另外，图3所示的多个感测像素PA～PD也可由感测单元阵列来实作。请参照图4，其为本发明光学感测模组的另一实施例的示意图。光学感测模组402的架构基于图2所示的光学感测模组202(或图3所示的光学感测模组302)的架构，两者之间主要的差别在于感测器420可包含感测单元阵列422。在此实施例中，感测单元阵列422可由具有M列、N行的感测像素(标示为P)的近接感测阵列来实作，其中M、N均为正整数。值得注意的是，在本发明所提供的感测器包含至少三个感测像素的情形下，本发明所提供的光学感测模组可用来辨识出空间中的任一种非接触手势(例如，挥动、远离、靠近或旋转手势)。此外，在本发明所提供的感测器包含感测单元阵列的情形下，本发明所提供的光学感测模组还可通过影像处理来计算出物体的位置及其移动轨迹。
将可辨识非接触式手势的光学感测模组设置于电子装置之中，可实作出具有非接触式操控功能的移动装置。请参照图5，其为本发明移动装置的一实施例的示意图。移动装置500可包含(但不限于)光学感测模组502以及显示屏幕504，其中显示屏幕504具有显示区域DT。值得注意的是，通过光学感测模组502内部的元件配置，即便光学感测模组502设置于显示区域DT之外(例如，移动装置500的边框)，光学感测模组502的感测区域(手势操作区域RT)在显示区域DT上的投影仍可包含显示区域DT的中心。进一步的说明如下。
请一并参照图5～图7。图6示出了图5所示的光学感测模组502的一实作例的俯视图，而图7示出了图6所示的感测器620的侧视图。在此实作例中，光学感测模组602可包含发光源610、透镜630以及感测器620，其中透镜630具有光学中心轴CS。感测器620对应设置于透镜630的一侧，并包含感光区SA，其中感光区SA的中心CP以方向DS偏离光学中心轴CS。发光源610可产生光信号S1，而感测器620可接收光信号S1受到物体(例如，使用者的手)反射所产生的反射信号S2，并据以产生感测结果以供手势辨识之用。请注意，为了便于理解感测器620偏离光学中心轴CS的设置样态，在图6与图7中示出了虚线矩形框以代表传统感测器的设置位置，即，传统感测器的感光区的中心对应透镜630的光学中心轴CS来设置，使得光学中心轴CS会通过(或相当接近)感光区的中心。另外，虽然图7所示的感测器620在平面上偏离光学中心轴CS来设置，然而这并非用来作为本发明的限制。举例来说，感测器620也可设置于非平面(例如，曲面)上。只要光学感测器的感光区中心偏离该光学感测器相对应的透镜的光学中心轴来设置，相关的设计变化均属于本发明的范畴。
在此实作例中，感测器620可包含感测单元阵列(例如，图4所示的感测单元阵列422)，因此，该感测单元阵列的中心像素可视为感光区SA的中心。另外，在感测器620包含彼此分开设置的至少一个感测像素的情形下，该至少一个感测像素所有的感光区域的中心可视为感光区SA的中心。以图8所示的感测器820为例，感测器820包含多个感测像素PW～PZ，其具有多个感光区AW～AZ。因此，多个感光区AW～AZ的几何中心CQ可视为感测器820的感光区中心。
另外，如图7所示，反射信号S2先入射至透镜630，再入射至感测器620。因此，在感测器620偏离光学中心轴CS来设置的情形下，即使以较大角度入射至透镜630的反射光也可以被感测器620所接收/检测。也就是说，感测器620所接收的反射光不会局限于从透镜630正上方入射至透镜630的反射光。更具体地说，由于感光区SA的中心CP偏离光学中心轴CS，因此，反射信号S2可以只从透镜630所具有的视野范围(field of view，FOV)VL之中的一部分视野范围VP(例如，10度至45度)内入射至透镜630，进而为感测器620所接收。由上可知，通过将感测器620偏离光学中心轴CS来设置，光学感测模组602可具有离轴感测/离轴观看(off-axis viewing)的功能，使得光学感测模组602的感测区域在显示区域DT上的投影不会局限于光学感测模组602的正上方。
此外，本发明所提供的光学感测模组还可包含微透镜结构以提升光学感测性能。举例来说，在图7所示的实施例中，光学感测模组602还可包含微透镜结构740，其设置于透镜630与感测器620之间，并可用来改变反射信号S2从透镜630入射至感测器620的路径。在一实作例中，从透镜630入射至感测器620的反射光可先由微透镜结构740汇聚，再入射至感测器620，所以可提升光学感测模组602的感测性能。
由于光学感测模组的手势操作区域是发光源的照射范围与感测器的感测范围的交集，因此，除了改变感测器与透镜的相对配置以将调整感测器的视野范围，本发明所提供的光学感测模组也可以通过改变发光源的设置位置以将光信号发射至显示屏幕(或显示区域)中心的上方周遭，使得使用者可以直接在显示屏幕(或显示区域)中心的上方操作手势(即，图6所示的手势操作区域RT在显示区域DT上的投影仍可包含显示区域DT的中心)。图9示出了采用不同的发光源的设置位置来改变光信号的光学路径的一实施例的示意图。由图9可知，发光源910在不同位置P1～P3所发射的光信号通过透镜932之后，会有不同的光学路径(不同的出光角度)。因此，即使光学感测模组的感测器并未偏离光学中心轴来设置，仍然可以通过改变发光源的设置位置来调整手势操作区域，使得使用者可在显示屏幕中心的上方进行手势操作。
本发明所提供的光学感测模组中发光源的位置与感测器的位置也可以同时偏离各自对应的光学中心轴。请连同图5来参照图10。图10为图5所示的光学感测模组502的另一实作例的俯视图。在此实作例中，光学感测模组1002可包含发光源1010、透镜1032以及图6所示的感测器620与透镜630。发光源1010对应设置于透镜1032的一侧，其中发光源1010所产生的光信号S1可经由透镜1032入射至物体(例如，使用者的手)，而感测器620可接收光信号S1受到该物体反射所产生的反射信号S2。透镜1032具有光学中心轴CL，而发光源1010的发光区SE的中心CR以方向DL偏离光学中心轴CL。相较于对应光学中心轴CL来设置的传统发光源(图10所示出的虚线矩形框为传统发光源的设置位置)，发光源1010所发射的光信号S1通过透镜1032之后的出光方向与光学中心轴CL之间会具有较大的夹角。由于感测器620也可接收以较大角度入射至透镜630的反射光，因此，光学感测模组1002的手势操作区域不会局限在光学感测模组1002的上方，甚至可延伸至显示屏幕504中央的上方。举例来说，方向DS与方向DL之间的夹角可小于90度，其意味着发光源1010所偏离的方向DS(相对于传统的发光源来说)在感测器620所偏离的方向DL(相对于传统的感测器来说)上的分量，与感测器620所偏离的方向DL同号。如此一来，可使发光源1010所发射的光线往感测器620的视野范围集中，进而提升光学感测模组1002的感测性能。
除了调整发光源的设置位置，也可以采用其他光学设计来改变发光源所产生的光信号的光学路径。请参照图11，其为采用光学透镜来改变光信号的光学路径的一实施例的示意图。由图11可知，发光源1110在不同位置P4～P6所发射的光信号通过菱镜1132之后，会有彼此平行的光学路径。换言之，位于不同位置P4～P6的发光源1110对应于不同的光学中心轴，因此，可通过设置光学透镜(例如，菱镜)来改变发光源所产生的光线的光学路径，以调整手势操作区域。举例来说，可将图10所示的透镜1032替换为图11所示的菱镜1132。在另一范例中，也可以将菱镜1132设置于图10所示的透镜1032的另一侧(即，透镜1032设置于发光源1010与菱镜1132之间)，来改变手势操作区域。值得注意的是，只要可以改变发光源的照射范围，也可以采用其他不同于菱镜的光学透镜。
请参照图12，其为本发明将发光源相对应的透镜倾斜以改变光信号的光学路径的一实施例的示意图。图12的上半部分示出了位于不同位置P7～P9的发光源1210所发射的光信号行经透镜1232所分别对应的光学路径。相较于图12的上半部分，在图12的下半部分中，透镜1232可倾斜特定角度，以改变发光源1210所发射的光信号行经透镜1232所分别对应的光学路径。如此一来，便可改变手势操作区域的位置。
值得注意的是，可以采用以上所述的其中一种或多种光学设计来调整手势操作区域的位置/范围。举例来说，可以仅采用涉及发光端(发光源及其对应的透镜)的光学设计来调整手势操作区域的位置/范围，也可以仅采用涉及感测端(感测器及其对应的透镜)的光学设计来调整手势操作区域的位置/范围，或者同时采用涉及发光端与涉及感测端的光学设计。另外，涉及发光端的光学设计概念也可以应用于感测端或整个光学感测模组。举例来说，可将图5所示的整个光学感测模组502倾斜特定角度(如图13所示；移动装置500的侧视图)，以达到调整手势操作区域的位置/范围的目的。
另外，也可以针对发光源的元件内部进行设计，以调整手势操作区域。请参照图14，其为本发明调整发光源的发光锥角以调整手势操作区域的一实施例的示意图。由图14可知，由于发光源1410的发光锥角大于发光源1412的发光锥角，因此发光源1410所产生的光线经过透镜1432所形成的照射范围会比较广，使得手势操作区域WR1会大于手势操作区域WR2。值得注意的是，由于发光源具有发光锥角的缘故，因此当使用者在适当距离外进行手势操作时，也可以增加手势操作的范围。请连同图5来参照图15。图15示出了本发明光学感测模组的手势感测区域与手势操作距离之间的关系的一实施例的示意图。光学感测模组1502可用来实作出图5所示的光学感测模组，并可包含发光源1510、感测器1520以及多个透镜1530与1532。在此实施例中，当使用者的手与显示屏幕504(或光学感测模组1502)之间的距离为距离d1时，光学感测模组1502可提供手势操作区域OR1(对应于距离d1的手势操作截面区域)；以及当使用者的手与显示屏幕504(或光学感测模组1502)之间的距离为距离d2时，光学感测模组1502可提供手势操作区域OR2。另外，由图15可知，当手势距离显示屏幕504越远，相对应的无作用区(dead zone)会越小(即，无作用区DZ2在距离d2所对应的范围小于无作用区DZ1在距离d1所对应的范围)。
光学感测模组所倾斜的角度也会影响相对应的无作用区的大小。请参照图16，其示出了光学感测模组的倾斜程度与无作用区之间的关系的一实施例的示意图。图16的上半部分示出了移动装置1600的光学感测模组(在图16中未示出)在未倾斜的情形下所对应的手势操作区域ORA，而图16的下半部分示出了移动装置1600的光学感测模组(在图16中未示出)在倾斜特定角度的情形下所对应的手势操作区域ORB。由图16可知，当使用者在移动装置1600的显示区域(在图16中未示出)的中央CD的上方进行手势操作时，倾斜角度较大的光学感测模组对应于较小的无作用区(距离DB小于距离DA)。换言之，当光学感测模组的倾斜角度较大时，使用者的手势可更贴近移动装置1600。值得注意的是，虽然以上是以倾斜整个光学感测模组来作为范例说明，然而，仅倾斜光学感测模组之中的感测器及/或发光源也可得到与图16相似的情形。
本发明所提供的光学感测模组也可以同时包含多个发光源。请参照图17，其为本发明光学感测模组的另一实施例的示意图。光学感测模组1702可包含多个发光源1710～1716以及感测器1720(在此实施例中，由感测像素PK来实作)，其中多个发光源1710～1716可依序轮流点亮。由于反射物(例如，使用者的手)处于移动状态，因此感测器1720所接收的多个发光源1710～1716的反射信号会具有不同的信号波形而产生相位差。感测器1720便可据以产生感测结果，而光学感测模组1702可依据该感测结果来辨识出使用者的手势。另外，当多个发光源1710～1716分别发射不同波段的光信号时，多个发光源1710～1716可同时启用，感测器1720可接收不同波段的反射信号，并据以产生该感测结果。虽然图17示出了四个发光源，然而，这并非用来作为本发明的限制。在一设计变化中，光学感测模组1702可以只包含两个发光源以判断左右(或上下)挥动手势。在另一设计变化中，光学感测模组1702可以只包含至少三个发光源，即可判断出空间中的任一种非接触手势(例如，挥动、远离、靠近或旋转手势)。另外，感测器1720也可以由感测单元阵列来实作(例如，感测器1720可由图4所示的感测器420来实作；如图18所示)。
另外，图5所示的光学感测模组502可由光学感测模组1702来实作。也就是说，以上所述关于光学感测模组的光学设计均可应用于多个发光源1710～1716与感测器1720。举例来说，光学感测模组1702另可包含多个第一透镜与第二透镜(图中未示出)，其中多个发光源1710～1716分别对应设置于该多个第一透镜的一侧，而感测器1720对应设置于该第二透镜的一侧。以图10所示的光学感测模组502为例，图17所示的多个发光源1710～1716至少其一与相对应的第一透镜可由图10所示的发光源1010与透镜1032来实作，以及图17所示的感测器1720与相对应的第二透镜可由图10所示的感测器620与透镜630来实作。也就是说，对于图17所示的各发光源来说，在各发光源的发光区的中心以第一方向偏离相对应的光学中心轴，感测器1720的感光区的中心以第二方向偏离相对应的光学中心轴的情形下，该第一方向与该第二方向的夹角可小于90度。值得注意的是，多个发光源1710～1716所分别对应的多个第一方向不一定会相同。由于本领域技术人员经由阅读图5～图16的相关说明之后，应可了解图17所示的光学感测模组1702的光学设计细节，所以进一步的说明在此便不再赘述。
本发明所提供的光学感测模组可广泛应用于电子产品(例如，可携式移动装置，诸如移动电话及平板电脑)之中，通过光学路径的设计来调整非接触式手势的操作区域，进而提供使用者直觉且便利的操作体验。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求书限定的内容所做的等效变化与修饰，都应属本发明的涵盖范围。

Claims (6)

1.一种光学感测模组，包含：
发光源，用以产生光信号；
第一透镜，具有第一光学中心轴；
第二透镜，具有第二光学中心轴，其中该发光源对应设置于该第二透镜的一侧；该发光源的发光区的中心偏离该第二光学中心轴；以及该发光源所产生的该光信号经由该第二透镜入射至物体；以及
感测器，对应设置于该第一透镜的一侧，该感测器包含感光区，该感光区的中心以第一方向偏离该第一光学中心轴，该发光区的中心以第二方向偏离该第二光学中心轴，以及该第一方向与该第二方向的夹角小于90度，其中该感测器用以接收该光信号受到物体反射所产生的反射信号，并据以产生感测结果。
2.如权利要求1所述的光学感测模组，其中该感测器为感测单元阵列。
3.如权利要求1所述的光学感测模组，其中该感测器所接收的该反射信号先入射至该第一透镜，再入射至该感测器；该第一透镜具有视野范围，以及该感测器所接收的该反射信号只会从该视野范围之中的一部分视野范围内入射至该第一透镜。
4.如权利要求3所述的光学感测模组，其中一部份视野范围为10度至45度之间。
5.如权利要求1所述的光学感测模组，还包含：
微透镜结构，设置于该第一透镜与该感测器之间，该微透镜结构用以改变该反射信号从该第一透镜入射至该感测器的路径。
6.一种光学感测模组，包含：
多个第一透镜，其中各第一透镜具有第一光学中心轴；
多个发光源，分别对应设置于该多个第一透镜的一侧，该多个发光源分别用以产生多个光信号，其中各发光源的发光区的中心偏离相对应的该第一光学中心轴，以及各发光源所产生的该光信号经由相对应的第一透镜入射至物体；
第二透镜，具有第二光学中心轴；以及
感测器，对应设置于该第二透镜的一侧，该感测器包含感光区，该感光区的中心偏离该第一光学中心轴，其中该多个光信号受到该物体反射分别产生多个反射信号；以及该感测器用以接收经由该第二透镜入射至该感测器的该多个反射信号，并据以产生感测结果；
其中对各发光源来说，各发光源相对应的该发光区的中心以第一方向偏离相对应的该第一光学中心轴，该感光区的中心以第二方向偏离该第二光学中心轴，以及该第一方向与该第二方向的夹角小于90度。
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