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TWI559023B - 可同時偵測紅外光和可見光之光學感測裝置 - Google Patents

可同時偵測紅外光和可見光之光學感測裝置 Download PDF

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TWI559023B
TWI559023B TW100110307A TW100110307A TWI559023B TW I559023 B TWI559023 B TW I559023B TW 100110307 A TW100110307 A TW 100110307A TW 100110307 A TW100110307 A TW 100110307A TW I559023 B TWI559023 B TW I559023B
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Description

可同時偵測紅外光和可見光之光學感測裝置
本發明相關於一種光學感測裝置，尤指一種可同時偵測紅外光和可見光之光學感測裝置。
光線是一種輻射電磁波，其波長分佈大致介於300nm(紫外線)到14,000nm(遠紅外線)之間。人眼能夠感覺得到的範圍一般稱為可見光(visible light)或環境光(ambient light)，其波長範圍約莫介於380nm到780nm之間。相較之下，紅外光(infrared radiation,IR)是波長介於微波與可見光之間的電磁波，波長在780nm至1400nm之間，具有很強熱效應和高穿透力，並容易於被物體吸收，在通訊、探測、醫療、軍事等方面有廣泛的用途。
光感測器是利用影像感測器來將光訊號轉換為電訊號的感測器，其中影像感測器可感測之波長範圍大約為400nm～1000nm。可見光感測器常被用來控管環境亮度。紅外光感測器又稱近距離感測器(proximity sensor)，常被應用在防盜監視系統上。
第1圖顯示了先前技術之可見光感測器量測到的透光頻譜。曲線R、G、B分別代表紅、綠、藍三原色光線之穿透率和波長的關係。如前所述，人眼幾乎無法感受到波長約莫大於780nm的非可見光，然而先前技術之可見光感測器在非可見光範圍卻會偵測到波峰，因此可能會造成誤判。舉例來說，當肉眼覺得週遭環境光線不足時，先前技術之可見光感測器可能會因為偵測到非可見光而誤判光線充足。因此，在許多應用中會要求光學感測裝置同時具備可見光感測器和近距離感測器的功能。
在美國專利公開號US 2006/0180886中揭露了一種可見光偵測器，在光敏元件上製作由銀(Ag)和氮化矽(Si3N4)交替堆疊之多層濾光片結構。此先前技術應用Fabry-Perot干涉原理來決定濾光片結構中每一層厚度，進而讓光敏元件之不同區域僅能偵測到特定波長範圍的光線，同時達到隔絕紅外線的功能。然而，此先前技術之製程太過複雜，容易使良率下降或增加成本。
本發明提供一種光學感測裝置，其包含一影像感測器和一處理單元。該影像感測器包含一第一畫素和一第二畫素，該第一畫素上覆蓋著一第一光學塗層，用來阻擋波長在一第一預定範圍之外的光線；以及一第二光學塗層，用來阻擋波長在一第二預定範圍之外的光線。該處理單元用來同時接收該第一畫素和該第二畫素所感測之畫素資料，並根據所接收之畫素資料產生一電子信號。
本發明另提供一種光學感測裝置，其包含一影像感測器和一處理單元。一影像感測器包含一第一畫素和一第二畫素。該第一畫素上覆蓋著一第一光學塗層，用來阻擋波長在一第一預定範圍之外的光線；以及一第二光學塗層，用來阻擋波長在一第二預定範圍之外的光線。該第二畫素上覆蓋著一第三光學塗層，用來阻擋波長在一第三預定範圍之外的光線。該處理單元用來同時接收該第一畫素和該第二畫素所感測之畫素資料，並根據所接收之畫素資料產生一電子信號。
以下實施方式係本發明之較佳實施例，為便於說明，與本發明不直接相關之元件已省略，同時元件彼此間之尺寸以及相對位置關係亦僅為便於說明，而非用以限制本發明。
第2A～2C圖為本發明第一實施例中光學感測裝置100A～100C之示意圖。光學感測裝置100A～100C各包含一影像感測器10、一近距離偵測單元SRIR，以及一可見光偵測單元SRRGB。影像感測器10包含兩畫素P1和P2，畫素P1上覆蓋著兩種光學塗層，而畫素P2上並未覆蓋著任何光學塗層。影像感測器10之畫素P1和P2可用來吸收光線，並產生相對應之電子訊號。近距離偵測單元SRIR和可見光偵測單元SRRGB為訊號處理器，可依據畫素P1和P2傳來之電子訊號計算出可見光和紅外光的強弱。
在本發明第一實施例之光學感測裝置100A中，畫素P1上覆蓋著一紅光光學塗層CR和一藍光光學塗層CB，其中紅光光學塗層CR僅讓紅色可見光通過(亦即能阻擋波長範圍大約介於600~780nm之外的其它可見光)，而藍光光學塗層CB僅讓藍色可見光通過(亦即能阻擋波長範圍大約介於380~500nm之外的其它可見光)。能通過紅光光學塗層CR之紅色可見光會被藍光光學塗層CB阻擋，而能通過藍光光學塗層CB之藍色可見光會被紅光光學塗層CR阻擋，因此即使以不同順序在畫素P1上覆蓋紅光光學塗層CR和藍光光學塗層CB，最終皆只有紅外光才能抵達畫素P1。第2A圖所示僅為本發明之實施例，紅光光學塗層CR和藍光光學塗層CB之覆蓋順序並不限定本發明之範疇。
在本發明第一實施例之光學感測裝置100B中，畫素P1上覆蓋著一紅光光學塗層CR和一綠光光學塗層CG，其中紅光光學塗層CR僅讓紅色可見光通過(亦即能阻擋波長範圍大約介於600~780nm之外的其它可見光)，而綠光光學塗層CB僅讓綠色可見光通過(亦即能阻擋波長範圍大約介於500~600nm之外的其它可見光)。能通過紅光光學塗層CR之紅色可見光會被綠光光學塗層CG，而能通過綠光光學塗層CG之綠色可見光會被紅光光學塗層CR阻擋，因此即使以不同順序在畫素P1上覆蓋紅光光學塗層CR和綠光光學塗層CG，最終皆只有紅外光才能抵達畫素P1。第2B圖所示僅為本發明之實施例，紅光光學塗層CR和綠光光學塗層CG之覆蓋順序並不限定本發明之範疇。
在本發明第一實施例之光學感測裝置100C中，畫素P1上覆蓋 著一綠光光學塗層CG和一藍光光學塗層CB，其中綠光光學塗層CG僅讓綠色可見光通過(亦即能阻擋波長範圍大約介於500~600nm之外的其它可見光)，而藍光光學塗層CB僅讓藍色可見光通過(亦即能阻擋波長範圍大約介於380~500nm之外的其它可見光)。能通過綠光光學塗層CG之綠色可見光會被藍光光學塗層CB阻擋，而能通過藍光光學塗層CB之藍色可見光會被綠光光學塗層CG阻擋，因此即使以不同順序在畫素P1上覆蓋綠光光學塗層CG和藍光光學塗層CB，最終皆只有紅外光才能抵達畫素P1。第2C圖所示僅為本發明之實施例，綠光光學塗層CG和藍光光學塗層CB之覆蓋順序並不限定本發明之範疇。
如前所述，畫素P1會吸收通過兩種光學塗層之紅外光，其吸收之入射光量由一第一曝光量EX1來表示。畫素P2會吸收紅外光和可見光，其吸收之入射光量由一第二曝光量EX2來表示。近距離偵測單元SRIR可依據第一曝光量EX1來得到一紅外光電子信號SRIR，而可見光偵測單元SRRGB可依據第一曝光量EX1和第二曝光量EX2之差值或比例來得到相關於可見光之電子信號SRGB。電子信號SRIR和SRGB可為電壓信號或電流信號。
第3圖顯示了光學感測裝置100A~100C中紅外光電子信號SRIR所對應之透光頻譜，第4圖顯示了光學感測裝置100A~100C中可見光電子信號SRGB所對應之透光頻譜。其中，縱軸代表光線穿透率(%)，而橫軸代表波長(nm)。本發明之光學感測裝置100A ~100C可利用近距離偵測單元SRIR來計算出紅外光的強弱，且利用可見光偵測單元SRRGB來計算出可見光的強弱。
第5A~5C圖為本發明第二實施例中光學感測裝置200A~200C之示意圖。光學感測裝置200包含一影像感測器10、一近距離偵測單元SRIR、一紅色可見光偵測單元SRR、一綠色可見光偵測單元SRG，以及一藍色可見光偵測單元SRB。影像感測器10包含四畫素P1~P4，畫素P1上覆蓋著兩種光學塗層，而畫素P2~P4上各覆蓋著一種特定光學塗層。影像感測器10之畫素P1~P4可用來吸收光線，並產生相對應之電子訊號。近距離偵測單元SRIR、紅色可見光偵測單元SRR、綠色可見光偵測單元SRG和藍色可見光偵測單元SRB為訊號處理器，可依據畫素P1~P4傳來之電子訊號計算出各種可見光和紅外光的強弱。
在本發明第二實施例之光學感測裝置200A中，畫素P1上覆蓋著一紅光光學塗層CR和一藍光光學塗層CB；在本發明第二實施例之光學感測裝置200B中，畫素P1上覆蓋著一紅光光學塗層CR和一綠光光學塗層CG；在本發明第二實施例之光學感測裝置200C中，畫素P1上覆蓋著一綠光光學塗層CG和一藍光光學塗層CB。其中，紅光光學塗層CR僅讓紅色可見光通過(亦即能阻擋波長範圍大約介於600~780nm之外的其它可見光)，綠光光學塗層CB僅讓綠色可見光通過(亦即能阻擋波長範圍大約介於500~600nm之外的其它可見光)，而藍光光學塗層CB僅讓藍色可見光通過(亦即能阻 擋波長範圍大約介於380~500nm之外的其它可見光)。如前所述，能通過某一特定光學塗層之特定可見光會被另一光學塗層阻擋，因此即使以不同順序在畫素P1上覆蓋紅光光學塗層CR、綠光光學塗層CB或藍光光學塗層CB，最終皆只有紅外光才能抵達畫素P1。第6A~6C圖所示僅為本發明之實施例，紅光光學塗層CR、綠光光學塗層CB或藍光光學塗層CB之覆蓋順序並不限定本發明之範疇。
另一方面，在本發明第二實施例之光學感測裝置200A~200C中，畫素P2上覆蓋著一紅光光學塗層CR，畫素P3上覆蓋著一綠光光學塗層CG，而畫素P4上覆蓋著一藍光光學塗層CB。其中，紅光光學塗層CR僅讓紅色可見光通過(亦即能阻擋波長範圍大約介於600~780nm之外的其它可見光)，綠光光學塗層CB僅讓綠色可見光通過(亦即能阻擋波長範圍大約介於500~600nm之外的其它可見光)，而藍光光學塗層CB僅讓藍色可見光通過(亦即能阻擋波長範圍大約介於380~500nm之外的其它可見光)。因此，只有紅色可見光才能抵達畫素P2，只有綠色可見光才能抵達畫素P3，而只有藍色可見光才能抵達畫素P4。
如前所述，畫素P1會吸收通過兩種光學塗層之紅外光，其吸收之入射光量由一第一曝光量EX1來表示。畫素P2會吸收通過一種光學塗層之紅外光和紅色可見光，其吸收之入射光量由一第二曝光量EX2來表示。畫素P3會吸收通過一種光學塗層之紅外光和綠色可見光，其吸收之入射光量由一第三曝光量EX3來表示。畫素P4 會吸收通過一種光學塗層之紅外光和藍色可見光，其吸收之入射光量由一第四曝光量EX4來表示。近距離偵測單元SRIR可依據第一曝光量EX1來得到一紅外光電子信號SRIR，紅色可見光偵測單元SRR可依據第一曝光量EX1和第二曝光量EX2之差值或比例來得到相關於紅色可見光之電子信號SR，綠色可見光偵測單元SRG可依據第一曝光量EX1和第三曝光量EX3之差值或比例來得到相關於綠色可見光之電子信號SG，而藍色可見光偵測單元SRB可依據第一曝光量EX1和第四曝光量EX4之差值或比例來得到相關於藍色可見光之電子信號SB。電子信號SRIR、SR、SG和SB可為電壓信號或電流信號。
第3圖同樣顯示了光學或測裝置200A~200C中紅外光電子信號SRIR所對應之透光頻譜，第6圖顯示了光學感測裝置200A~200C中紅色可見光之電子信號SR所對應之透光頻譜，第7圖顯示了光學感測裝置200A~200C中綠色可見光之電子信號SG所對應之透光頻譜，第8圖顯示了光學感測裝置200A~200C中藍色可見光之電子信號SB所對應之透光頻譜。其中，縱軸代表光線穿透率(%)，而橫軸代表波長(nm)。本發明之光學感測裝置200A~200C可利用近距離偵測單元SRIR來計算出紅外光的強弱，且利用各色可見光偵測單元SRR、SRG、SRB來分別計算出各可見光的強弱。
綜上所述，本發明提供一種製程單純的光學感測裝置，其利用不同光學塗層來同時提供近距離偵測單元和各色可見光偵測單元之 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。
10‧‧‧影像感測器
SRIR‧‧‧近距離偵測單元
SRRGB‧‧‧可見光偵測單元
SRR‧‧‧紅色可見光偵測單元
SRG‧‧‧綠色可見光偵測單元
SRB‧‧‧藍色可見光偵測單元
CR‧‧‧紅光光學塗層
CB‧‧‧藍光光學塗層
CG‧‧‧綠光光學塗層
P1~P4‧‧‧畫素
100A~100C、200A~200C‧‧‧光學感測裝置
第1圖顯示了先前技術之可見光偵測單元量測到的透光頻譜。
第2A~2C圖為本發明第一實施例中光學感測裝置之示意圖。
第3圖顯示了本發明光學感測裝置中紅外光電子信號所對應之透光頻譜。
第4圖顯示了本發明光學感測裝置中可見光電子信號所對應之透光頻譜。
第5A~5C圖為本發明第二實施例中光學感測裝置之示意圖。
第6圖顯示了本發明光學感測裝置中紅色可見光電子信號所對應之透光頻譜。
第7圖顯示了本發明光學感測裝置中綠色可見光電子信號所對應之透光頻譜。
第8圖顯示了本發明光學感測裝置中藍色可見光電子信號所對應之透光頻譜。
10．．．影像感測器
SRIR．．．近距離偵測單元
SRR．．．紅色可見光偵測單元
SRG．．．綠色可見光偵測單元
SRB．．．藍色可見光偵測單元
CR．．．紅光光學塗層
CB．．．藍光光學塗層
P1～P4．．．畫素
200A．．．光學感測裝置

Claims (6)

  1. 一種光學感測裝置，包含：一影像感測器，包括：一第一畫素，該第一畫素上覆蓋著一第一光學塗層及一第二光學塗層，該第一光學塗層用來阻擋波長在一第一預定範圍之外的光線，該第二光學塗層用來阻擋波長在一第二預定範圍之外的光線，且該第二光學塗層位於該第一光學塗層之上；及一第二畫素，該第二畫素上未覆蓋任何光學塗層；及一處理單元，耦接於該影像感測器，用於接收該第一畫素及該第二畫素的電子訊號，該處理單元包含：一近距離偵測單元，依據該第一畫素的電子訊號計算出一紅外光的強弱；及一可見光偵測單元，依據該第二畫素的電子訊號計算出一可見光的強弱；其中該第一預定範圍與該第二預定範圍無交集，且該光學感測裝置同時提供該可見光感測偵測單元和該近距離偵測單元的功能。
  2. 如請求項1所述之光學感測裝置，其中該第一預定範圍和第二預定範圍為一第一範圍、一第二範圍及一第三範圍其中之二，且該第一範圍的一值域X滿足380nm≦X<500nm，該第二範圍的一值域Y滿足500nm≦Y<600nm，及該第三範圍的一值域Z 滿足600nm≦Z<780nm。
  3. 如請求項1所述之光學感測裝置，其中該可見光偵測單元用來依據一第一曝光量和一第二曝光量之差值或比例來產生一可見光電子信號，其中該第一曝光量代表該第一畫素上所吸收之紅外光的一入射光量而該第二曝光量代表該第二畫素上所吸收之紅外光及可見光的一入射光量。
  4. 如請求項1所述之光學感測裝置，其中該近距離偵測單元用來依據一第一曝光量產生一紅外光電子信號，其中該第一曝光量代表該第一畫素上所吸收之紅外光的一入射光量。
  5. 一種光學感測裝置，包括：一第一畫素，覆蓋著一第一光學塗層及一第二光學塗層，該第一光學塗層用來阻擋波長在一第一預定範圍之外的光線，該第二光學塗層用來阻擋波長在一第二預定範圍之外的光線，且該第二光學塗層位於該第一光學塗層之上；一第二畫素，未覆蓋任何光學塗層；一近距離偵測單元，依據該第一畫素的電子訊號計算出一紅外光的強弱；及一可見光偵測單元，依據該第二畫素的電子訊號計算出一可見光的強弱；其中該第一預定範圍與該第二預定範圍無交集，且該光學感測 裝置同時提供該可見光感測偵測單元和該近距離偵測單元的功能。
  6. 如請求項5所述之光學感測裝置，其中該第一預定範圍和第二預定範圍為一第一範圍、一第二範圍及一第三範圍其中之二，且該第一範圍的一值域X滿足380nm≦X<500nm，該第二範圍的一值域Y滿足500nm≦Y<600nm，及該第三範圍的一值域Z滿足600nm≦Z<780nm。
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