TWI665462B - 距離感測器及距離感測模組 - Google Patents

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Abstract

一種距離感測器，用於一無開孔機構，包含有一控制電路，產生一控制訊號；一第一發光元件，以根據該控制電路之該控制訊號發射一第一光源；一第二發光元件，以根據該控制電路之該控制訊號發射一第二光源；以及一感光元件，耦接於該控制電路，感測經由一物件反射後的該第一光源及該第二光源，以根據感測到之該第一光源及該第二光源之發光強度，判斷該距離感測器與該物件之一距離；其中，該感光元件與該第一發光元件具有一第一距離，該感光元件與該第二發光元件具有一第二距離，並且該第二距離大於該第一距離。

Description

距離感測器及距離感測模組
本發明係指一種距離感測器及距離感測模組，尤指一種應用於無孔機構的距離感測器及距離感測模組。
由於智慧型手機、可攜式行動裝置等電子裝置的進步與發展，距離感測器(Proximity Sensor，PS)及環境光線感測器(Ambient Light Sensor，ALS)已廣泛地應用於電子裝置，以感測行動裝置與物件之間的距離或感測物件是否存在，藉此，電子裝置可根據周圍環境光線強度而自動調整顯示螢幕的亮度。舉例來說，距離感測器可用來偵測一使用者的臉部與電子裝置的顯示螢幕之間的距離。藉此，當距離感測器靠近使用者的臉部時，電子裝置即可自動地調暗顯示螢幕並關閉觸控功能，以避免使用者的臉部於通話中誤觸顯示螢幕而中斷對話。
由於當距離感測器應用於電子裝置時，距離感測器的上方需要開孔，以搭配一發光二極體(Light-emitting Diode，LED)發光穿透開孔，進而透過反射的光強度判斷與物體之間的距離。然而，為了外觀考量，隨著當前的智慧型手機的開孔逐漸縮小或無孔的趨勢，當距離感測器應用於無孔機構的面板時，距離感測器的LED所發出的光會被面板的一保護玻璃的反射，導致應用於 無孔機構的距離感測器的底噪(crosstalk)值大幅上升，進而影響距離感測器的感度。舉例而言，美國公告第US8581193號專利、美國公開第US20160054175號專利以及中國公開第CN102967362A號專利也各自提供了用於電子裝置的光感測器以用來感測物件與電子裝置之間的距離，但皆未解決距離感測器應用於無孔機構時，無法有效感測物件的問題。
因此，如何改善距離感測器應用於無孔機構時，無法有效地感測物件距離的問題，便成為業界亟欲探討的議題。
為了解決上述的問題，本發明提出一種應用於無孔機構的距離感測器及距離感測模組。
本發明揭露一種距離感測器，用於一無開孔機構，包含有一控制電路，產生一控制訊號；一第一發光元件，耦接於該控制電路，以根據該控制電路之該控制訊號發射一第一光源；一第二發光元件，耦接於該控制電路，以根據該控制電路之該控制訊號發射一第二光源；以及一感光元件，耦接於該控制電路，感測經由一物件反射後的該第一光源及該第二光源，以根據感測到之該第一光源及該第二光源之發光強度，判斷該距離感測器與該物件之一距離；其中，該感光元件與該第一發光元件具有一第一距離，該感光元件與該第二發光元件具有一第二距離，並且該第二距離大於該第一距離。
本發明另揭露一種距離感測模組，包含有一保護玻璃；一第一遮罩層，覆蓋於該保護玻璃之一內表面，並且該第一遮罩層為一無孔遮罩層；以及 一距離感測器，透過發射光源並接收反射後的光源，以判斷與一物件之一距離，其中，該距離感測器包含有一控制電路，產生一控制訊號；一第一發光元件，耦接於該控制電路，以根據該控制電路之該控制訊號發射一第一光源；一第二發光元件，耦接於該控制電路，以根據該控制電路之該控制訊號發射一第二光源；以及一感光元件，耦接於該控制電路，感測經由該物件反射後的該第一光源及該第二光源，以根據感測到之該第一光源及該第二光源之發光強度，判斷該距離感測器與該物件之該距離；其中，該感光元件與該第一發光元件具有一第一距離，該感光元件與該第二發光元件具有一第二距離，並且該第二距離大於該第一距離。
10、20‧‧‧距離感測模組
102‧‧‧距離感測器
104‧‧‧控制電路
106‧‧‧感光元件
108‧‧‧電流放大電路
A1‧‧‧第一開孔
A2‧‧‧第二開孔
CG‧‧‧保護玻璃
L1‧‧‧近距離發光元件
L2‧‧‧遠距離發光元件
M1‧‧‧第一遮罩層
M2‧‧‧第二遮罩層
VLEDA‧‧‧電壓源
第1圖為本發明實施例之一距離感測模組之示意圖。
第2圖為本發明實施例之另一距離感測模組之示意圖。
第3A圖至第3D圖分別為本發明實施例之距離感測器之電路示意圖。
第4A圖至第4C圖分別為本發明實施例之距離感測器之電路示意圖。
請參考第1圖，第1圖為本發明實施例一距離感測模組10之示意圖。距離感測模組10包含有一保護玻璃CG、一第一遮罩層M1及一距離感測器102，其中，距離感測器102包含有一控制電路104、一感光元件106、一近距離發光元件L1及一遠距離發光元件L2。距離感測模組10可用於具有一觸控功能的一電子裝置。保護玻璃CG用來保護距離感測器102以防止灰塵或人為磨損距離感測器102。第一遮罩層M1覆蓋於保護玻璃CG之一內表面，並且第一遮罩層M1為一無 孔遮罩層。在一實施例中，第一遮罩層M1為一油墨層，其中油墨層的顏色可以是白色、紅色等不同顏色，以作為顯現於電子裝置的觸控面板的顏色，但不以此為限制。距離感測器102用來感測一物件與電子裝置的觸控面板的一距離，其中近距離發光元件L1以及遠距離發光元件L2根據控制電路104之一控制訊號分別發射一近距離光源以及一遠距離光源。因此，感光元件106用來感測經由物件反射後的近距離光源及遠距離光源，進而根據反射後的近距離光源及遠距離光源之發光強度，判斷距離感測器102與物件之距離。值得注意的是，本發明之距離感測模組10之感光元件106與近距離發光元件L1具有一第一距離，感光元件106與遠距離發光元件L2具有一第二距離，並且第二距離大於第一距離。如此一來，本發明透過感測元件106感測近距離發光元件L1以及遠距離發光元件L2所產生的不同發光強度的光源，即使第一遮罩層M1為一無孔機構，也能正確地判斷物件與電子裝置之間的距離。
詳細來說，請繼續參考第2圖，第2圖為本發明實施例之另一距離感測模組20之示意圖。為求簡潔，第2圖沿用與第1圖相同的元件。第2圖與第1圖不同處在於，距離感測模組20另包含一第二遮罩層M2，第二遮罩層M2覆蓋於第一遮罩層M1之一內表面。在一實施例中，第二遮罩層M2可為一不透明塗層(opaque coated layer)，因此，第二遮罩層M2可用來遮住電子裝置的內部電路，以避免一使用者可直接看到內部的電路。除此之外，第二遮罩層M2另包含有一第一開孔A1及一第二開孔A2，使得近距離發光元件L1透過第一開孔A1以及保護玻璃CG發出近距離光源，遠距離發光元件A2透過第二開孔A2以及保護玻璃CG發出遠距離光源。接著，距離感測器102的感光元件106透過第一開孔A1接收經由物件反射後的近距離光源及遠距離光源。近距離光源具有一第一發光強度，遠距離光源具有一第二發光強度，在一實施例中，第一發光強度小於第二發光 強度，並且遠距離發光元件L2與感光元件106的距離相較近距離發光元件L1與感光元件106的距離要較遠。舉例來說，近距離發光元件L1與感光元件106的第一距離可以是1毫米(mm)~8mm；遠距離發光元件L2與感光元件106的第二距離可以是8mm~25mm，但不限於此。在此情形下，由於近距離光源L1的第一發光強度較小，對距離感測器102的感光元件106所接收到的底噪(Crosstalk)值因此而大幅地降低，而遠距離發光元件L2仍可針對遠距離之物件進行距離感測，以判斷物件與電子裝置的距離。此外，由於在本實施例中設有第二遮罩層M2，可輔助吸收遠距離發光元件L2所發出而未穿出保護玻璃CG的光源，以降低這些未穿出保護玻璃CG的光源抵達感光元件106時的強度，亦有助於降低感光元件106所接收到的底噪值。
舉例來說，在無孔機構的架構下，當現有技術的距離感測模組僅具有單一發光元件，且單一發光元件為電流100毫安培(mA)的一紅外線發光二極體(Infrared Light-emitting Diode，IR LED)時，在此情形下，物件與僅具有單一發光元件的距離感測模組的光感測值的感測結果如表格1所示。
當沒有物件時，且發光元件發出光源後，則感光元件接收的光感測 值(即底噪值)為12,000；當物件為距離2公分之一灰卡時，則感光元件接收的光感測值為12,005，已接近感光元件接收的底噪值；當物件為距離3公分(或以上)之灰卡時，則感光元件接收的光感測值為12,000，已和感光元件接收的底噪值無法區隔。在此情形下，由於發光元件所發出的光源在無孔機構的架構下穿透率過低，使得感光元件接收到大量的發光元件所發出而未穿出保護玻璃CG的光源，因此，底噪值也隨之提高，進而造成感光元件的感度不足。因此，在無孔機構下的距離感測模組無法正確地感測物件與電子裝置之間的距離。
相較之下，在本發明之一實施例中，本發明之距離感測模組20在無孔機構的架構下，若近距離發光元件L1及遠距離發光元件L2為相同功率之IR LED，近距離光源發光元件L1與感光元件106的距離為1mm，遠距離發光元件L2與感光元件106的距離為13mm，並且近距離發光元件與遠距離發光元件L2的電流分別為25mA及150mA時，物件與距離感測模組20的光感測值的感測結果如表格2所示。
當沒有物件時，當近距離發光元件L1與遠距離發光元件L2分別發出近距離光源及遠距離光源後，則感光元件106接收到的光感測值(即底噪值)為 2,250；當物件為距離3公分之灰卡時，則感光元件106接收到的光感測值為2,495；當物件為距離4公分之灰卡時，則感光元件106接收到的光感測值為2,520；當物件為距離0公分之黑卡時，則感光元件106接收到的光感測值為2,520(大於當物件為距離3公分之灰卡時的底噪值)。如此一來，本發明的距離感測模組20在無孔機構下，可大幅降低沒有物件時的底噪值，進而改善感光元件106的感度，以正確地感測物件與電子裝置之間的距離。
值得注意的是，在上述實施例中，由於流經近距離發光元件L1與遠距離發光元件L2的電流大小不同，其電流大小可以分別為5~25mA以及100~200mA，使得近距離光源及遠距離光源的發光強度不同。然而，近距離發光元件L1及遠距離發光元件L2的功率、流經近距離發光元件L1與遠距離發光元件L2的電流大小並不以此為限制，只要是能夠用來發出不同光源亮度的組態，其餘種類的發光元件形式也適用於本發明。也就是說，本發明的距離感測模組20透過發光強度較弱的近距離光源以偵測近距離的物件，進而符合黑卡距離0公分的特性要求，使得距離感測模組20於應用於電子裝置時，不會因為貼近黑髮或黑色物體而過於接近底噪值；另一方面，距離感測模組20透過發光強度較強的遠距離光源以偵測較遠距離的物件。再者，從表格1以及表格2可知，本發明的距離感測模組20可顯著地降低沒有物件時所偵測到的底噪值。如此一來，本發明的距離感測模組20不需要進一步進行除噪(Crosstalk Cancellation)機制，以於無孔的機構下，正確地感測物件與電子裝置之間的距離。
值得注意的是，若將前述實施態樣的距離發光元件L2與感光元件106的距離增加為21mm，物件與距離感測模組20的光感測值的感測結果將如表格3所示。
當沒有物件時，當近距離發光元件L1與遠距離發光元件L2分別發出近距離光源及遠距離光源後，則感光元件106接收到的光感測值(即底噪值)為1,100；當物件為距離3公分之灰卡時，則感光元件106接收到的光感測值為1,340；當物件為距離4公分之灰卡時，則感光元件106接收到的光感測值為1,230；當物件為距離0公分之黑卡時，則感光元件106接收到的光感測值為1,265(大於當物件為距離4公分之灰卡時的底噪值)。如此一來，相較前述實施態樣可更進一步降低沒有物件時的底噪值，且由於物件為距離0公分之黑卡，光感測值仍然大於物件為距離4公分之灰卡時的底噪值，故仍然滿足黑卡距離0公分的特性要求元件106的感度，以正確地感測物件與電子裝置之間的距離。
由於距離感測模組10、20透過感測反射後的近距離光源以及遠距離光源的第一發光強度及第二發光強度，以判斷物件與電子裝置之間的距離，因此，在一實施例中，當近距離發光元件L1及遠距離發光元件L2若為相同功率的IR LED時，本發明之距離感測器102透過控制電路104所產生的控制訊號以控制流經近距離發光元件L1及遠距離發光元件L2的電流。本發明可透過單通道電流源或雙通道電流源實現近距離發光元件L1及遠距離發光元件L2的電流控制，進 而達到以不同電流大小驅動近距離發光元件L1及遠距離發光元件L2，使得近距離發光元件L1及遠距離發光元件L2的發光強度不同。
關於以不同電流大小驅動近距離發光元件L1及遠距離發光元件L2的實施例，請進一步繼續參考第3A圖至第3D圖。第3A圖至第3D圖分別為本發明實施例之距離感測器102之電路示意圖。如第3A圖至第3D圖所示，當以單通道電流源實現距離感測器102時，距離感測器102可另包含一電流放大電路108用來放大一電流。因此，當近距離發光元件L1設置於控制電路104內部或者外部時，距離感測器102以一電流源以及電流放大電路108驅動近距離發光元件L1以及遠距離發光元件L2，使得近距離發光元件L1及遠距離發光元件L2發出不同發光強度的光源。
在另一實施例中，請繼續參考第4A圖至第4C圖。如第4A圖至第4C圖所示，當以雙通道電流源實現距離感測器102時，能夠以同一電壓源VLEDA驅動近距離發光元件L1以及遠距離發光元件L2，進而透過兩個電流源使得近距離發光元件L1及遠距離發光元件L2發出不同發光強度的光源，不需另以電流放大器來驅動發光元件。也就是說，本發明的距離感測器102可利用各種電路架構控制使得流經近距離發光元件L1以及遠距離發光元件L2的電流大小不同，進而產生不同發光強度的光源。
由上述可知，本發明各實施例可透過不同發光元件所產生的光源的發光強度，以於應用在無孔機構時，進行距離感測的功能。需注意的是，前述實施例係用以說明本發明之精神，本領域具通常知識者當可據以做適當之修飾，而不限於此。舉例來說，可採用具有不同功率、不同尺寸、不同型號的近 距離發光元件L1及遠距離發光元件L2，在此情形下，便不需以不同的電流來驅動發光元件，即可產生發光強度不同的光源；或者，透過增設遮罩來來改變光強度、調整第二遮罩層M2的第一開孔A1及第二開孔A2的大小，也可以改變近距離發光元件L1及遠距離發光元件L2所產生的發光強度；又或者，距離感測模組的第一遮罩層M1及第二遮罩層M2的材質選擇可根據電子裝置或使用者的需求而改變，皆不限於此，均屬本發明之範疇。
綜上所述，本發明的距離感測模組透過感光元件感測經由物件反射後的不同發光強度的光源，進而判斷物件的距離。如此一來，本發明的距離感測模組可於應用在電子裝置的表面為無孔機構時，進而提升電子裝置的美觀，並提供距離感測的功能。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

Claims (19)

  1. 一種距離感測器，用於一無開孔機構，該無開孔機構包含一第一遮罩層，該第一遮罩層為一無孔遮罩層，包含有：一控制電路，產生一控制訊號；一第一發光元件，耦接於該控制電路，以根據該控制電路之該控制訊號發射一第一光源；一第二發光元件，耦接於該控制電路，以根據該控制電路之該控制訊號發射一第二光源；以及一感光元件，耦接於該控制電路，感測經由一物件反射後的該第一光源及該第二光源，以根據感測到之該第一光源及該第二光源之發光強度，判斷該距離感測器與該物件之一距離；其中，該第一發光元件、該第二發光元件與該感光元件位於該第一遮罩層的同一側，該感光元件與該第一發光元件具有一第一距離，該感光元件與該第二發光元件具有一第二距離，並且該第二距離大於該第一距離。
  2. 如請求項1所述之距離感測器，其中該第一光源之一第一發光強度小於該第二光源之一第二發光強度。
  3. 如請求項2所述之距離感測器，其中該距離感測器根據該第一光源之第一發光強度偵測一近距離物件，以及該距離感測器根據該第二光源之第二發光強度，偵測一遠距離物件。
  4. 如請求項2所述之距離感測器，其中該第一發光元件與該第二發光元件為具有不同功率的發光元件。
  5. 如請求項2所述之距離感測器，其中該控制訊號為相關於該第一發光元件及該第二發光元件之一電流大小。
  6. 如請求項1所述之距離感測器，其中該第一發光元件及該第二發光元件分別為一紅外線發光二極體。
  7. 如請求項1所述之距離感測器，其中該近距離發光元件與感光元件的第一距離為1毫米(mm)~8mm；該遠距離發光元件與該感光元件的第二距離是8mm~25mm。
  8. 一種距離感測模組，包含有：一保護玻璃；一第一遮罩層，覆蓋於該保護玻璃之一內表面，並且該第一遮罩層為一無孔遮罩層；以及一距離感測器，透過發射光源並接收反射後的光源，以判斷與一物件之一距離，其中，該距離感測器包含有：一控制電路，產生一控制訊號；一第一發光元件，耦接於該控制電路，以根據該控制電路之該控制訊號發射一第一光源；一第二發光元件，耦接於該控制電路，以根據該控制電路之該控制訊號發射一第二光源；以及一感光元件，耦接於該控制電路，感測經由該物件反射後的該第一光源及該第二光源，以根據感測到之該第一光源及該第二光源之發光強度，判斷該距離感測器與該物件之該距離；其中，該第一發光元件、該第二發光元件與該感光元件位於該第一遮罩層的同一側，該感光元件與該第一發光元件具有一第一距離，該感光元件與該第二發光元件具有一第二距離，並且該第二距離大於該第一距離。
  9. 如請求項8所述之距離感測模組，其中該第一光源之一第一發光強度小於該第二光源之一第二發光強度。
  10. 如請求項9所述之距離感測器，其中該距離感測器根據該第一光源之第一發光強度偵測一近距離物件，以及該距離感測器根據該第二光源之第二發光強度，偵測一遠距離物件。
  11. 如請求項9所述之距離感測模組，其中該第一發光元件與該第二發光元件為具有不同功率的發光元件。
  12. 如請求項9所述之距離感測模組，其中該控制訊號為相關於該第一發光元件及該第二發光元件之一電流大小。
  13. 如請求項9所述之距離感測器，其中該第一發光元件及該第二發光元件分別為一紅外線發光二極體。
  14. 如請求項8所述之距離感測模組，其中該第一遮罩層為一油墨層。
  15. 如請求項8所述之距離感測器，其中該近距離發光元件與感光元件的第一距離為1mm~8mm；該遠距離發光元件與該感光元件的第二距離是8mm~25mm。
  16. 如請求項8所述之距離感測模組，其中該距離感測模組另包含有：一第二遮罩層，覆蓋於該第一遮罩層之一內表面，並且該第二遮罩層具有複數個開孔。
  17. 如請求項16所述之距離感測模組，其中該第二遮罩層為一不透明塗層。
  18. 如請求項16所述之距離感測模組，其中該第一發光元件透過該複數個開孔之一第一開孔發出該第一光源，該第二發光元件透過該複數個開孔之一第二開孔發出該第二光源。
  19. 如請求項16所述之距離感測模組，其中該距離感測器之該感光元件透過該複數個開孔之一第一開孔接收反射後的光源。
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