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TWI900841B - 環境光感測方法及環境光感測器 - Google Patents

環境光感測方法及環境光感測器

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TWI900841B
TWI900841B TW112112826A TW112112826A TWI900841B TW I900841 B TWI900841 B TW I900841B TW 112112826 A TW112112826 A TW 112112826A TW 112112826 A TW112112826 A TW 112112826A TW I900841 B TWI900841 B TW I900841B
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TW
Taiwan
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light
photosensitive element
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photosensitive
ambient light
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TW112112826A
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林裕閔
Original Assignee
昇佳電子股份有限公司
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Abstract

一種環境光感測方法及環境光感測器,其中該環境光感測方法包含以一感光元件感測通過一光學濾波器的光線,取得一光學訊號值;及由一運算單元接收該光學訊號值,並依據該光學訊號值計算一環境光照度值。藉此,本發明的環境光感測方法及環境光感測器可獲得準確性較高的環境光照度值,確保環境光的感測受不透光油墨影響程度降低。

Description

環境光感測方法及環境光感測器
本發明係關於一種感測環境光源強度的環境光感測方法及環境光感測器。
透過光感應技術(light sensing technology)所實現的光感測器廣泛使用於許多應用之中,其中的環境光感測器(ambient light sensor,ALS)可應用於電子產品中以感測環境光的強度,以供調整顯示螢幕的亮度,以提升使用便利性並延長電池使用時間。
在環境光感測器的基礎應用中,其感測結果需要能夠反應人眼所感知到的可見光強度,故一般會使用帶通濾波光感測器,使得收光元件的響應頻譜與人眼視效函數(CIE-Y)相近。 如此,當環境光源的光線打到此光感測器之後,便可得到與人眼所見的相對照度相當、或著具高相關性的讀值數據。
然而,為了外觀考量,現今的可攜式電子裝置皆朝向全面屏無孔設計的趨勢發展,為了隱藏設置在面板玻璃下方的光感測器,通常會在玻璃上塗佈油墨,這些油墨會阻擋可見光穿透而大致呈黑色來遮蔽光感測器。請參照第1圖所示,其係光線穿透塗佈一範例油墨的比例示意圖,可以看到可見光穿過油墨的比例會大受影響。
在這種情況下,請一併參照第2圖所示,其係光感測器對於不同波長光線的相對響應強度關係示意圖。其中曲線C1是原先設計來符合人眼視效函數的相對響應頻譜,然而當環境光必須通過上述油墨才能被光感測器接收時,該相對響應頻譜會受到影響而明顯變形,形成如曲線C2的相對響應頻譜。這會造成光感測器得到的讀值與人眼實際感知的相對照度相關性下降,進而使估算的照度準確度下降。
雖然可以嘗試針對光感測器進行個別調校補償來提升照度估算準確度,但實際上光感測器必須感測的環境光源條件繁多,更遑論不同廠牌的電子產品所使用的油墨種類皆不相同,這會造成校正困難而且補償結果難以符合所有的使用條件。
有鑑於此,現有的環境光感測器及感測方法顯有加以改良的必要,惟需注意光感測器對於成本的要求非常嚴格,若改良方案能夠提升感測準確度但需要增設過多的構件,在本領域的應用中仍然不具有市場價值。
本發明之目的,在於提供一種環境光感測方法及環境光感測模器,其適用於將環境光感測器設置在塗佈油墨的面板玻璃之下,並通過適當配置一光學濾波器來調整感光元件的感光特性,即可有效控制所產生之環境光照度值的誤差範圍,能夠大幅提升照度估算準確度,確保環境光的感測受該油墨影響程度降低。
本發明關於一種環境光感測方法,其包含以一感光元件感測通過一光學濾波器的光線,取得一光學訊號值;及由一運算單元接收該光學訊號值,並依據該光學訊號值計算一環境光照度值。其中,該光學濾波器被配置使得該感光元件的一有效感光波長範圍包含590nm~630nm,且該感光元件的一無效感光波長範圍包含700nm以上。
本發明亦關於一種環境光感測器,其包含一感光單元及一運算單元,該感光單元包含一感光元件及一光學濾波器,該光學濾波器覆蓋該感光元件的收光區域,該感光元件感測通過該光學濾波器的光線,取得一光學訊號值。該運算單元耦接該感光元件,以供接收該光學訊號值,並依據該光學訊號值計算一環境光照度值。其中,該光學濾波器被配置使得該感光元件的一有效感光波長範圍包含590nm~630nm,且該感光元件的一無效感光波長範圍包含700nm以上。
在說明書及請求項當中使用了某些詞彙指稱特定的元件,然,所屬本發明技術領域中具有通常知識者應可理解,製造商可能會用不同的名詞稱呼同一個元件,而且,本說明書及請求項並不以名稱的差異作為區分元件的方式,而是以元件在整體技術上的差異作為區分的準則。在通篇說明書及請求項當中所提及的「包含」為一開放式用語,故應解釋成「包含但不限定於」。再者,「耦接」一詞在此包含直接及間接的連接手段。因此,若文中描述一第一裝置耦接一第二裝置,則代表第一裝置可直接連接第二裝置,或可透過其他裝置或其他連接手段間接地連接至第二裝置。
請參閱第3圖,為了便於說明本發明之環境光感測方法及環境光感測器實施例,以下舉一電子裝置1為例,該電子裝置1可以為手機等各式可攜式電子裝置。該電子裝置1可以設置本發明一實施例的環境光感測器2,以構成能夠執行本發明之環境光感測方法一實施例的感測架構。該電子裝置1包含一控制單元11,該控制單元11耦接該環境光感測器2以控制其作動;或者,該控制單元11接收該環境光感測器2的所輸出的一環境光照度值,該環境光照度值可以被用作調整顯示螢幕亮度的參考基準。該環境光感測器2包含一感光單元21及一運算單元22。該感光單元21包含一感光元件211及一光學濾波器212,該感光元件211可以包含光電二極體或其他感光構造。該光學濾波器212覆蓋該感光元件211的收光區域,所述光學濾波器212可以改變感光元件211的感光特性。該運算單元22耦接於該感光元件211,以接收該感光元件211感測取得的一光學訊號值,並運算產生該環境光照度值數據。
其中,該光學濾波器212可以利用不同材質結構堆疊在感光元件211上而形成,例如通過設置單層或多層的鍍膜、塗層、光學微結構等來製作該光學濾波器212。或者,光學濾波器212也可以利用摻雜染劑在感光元件211的原有構造(例如:透鏡)上來形成。當然,光學濾波器212也可以是上述兩種結構的混合。
請一併參照第4圖所示,其系本發明之環境光感測器2實施例的運作狀態示意圖。該電子裝置1可以全面屏設計,故該環境光感測器2係設置於該電子裝置1的一面板玻璃12下方。如前所述,為了隱藏該環境光感測器2,該面板玻璃12通常會塗佈一層(或多層)油墨13。據此,環境光源L所包含的光線必須穿透該油墨13及該光學濾波器212,才能被該感光元件211所感測。而本發明環境光感測方法及環境光感測器實施例係通過配置該光學濾波器212,使該感光元件211的感光特性具有下列特徵,來達到提升照度估算準確度的技術效果。
請參照第5至9圖所示,其依序為能夠使本發明達成提升照度估算準確度之五種感光元件態樣的感光特性(即感光元件211對於不同波長光線的相對響應強度關係)示意圖。為便於描述感光特性的各項特徵,本發明說明書全文所述的一有效感光波長範圍可指該感光元件211的相對響應強度>40%之光線的波長範圍,且較佳係指相對響應強度>50%之光線的波長範圍;所述的一無效感光波長範圍可指該感光元件211的相對響應強度<20%之光線的波長範圍,且較佳係指相對響應強度<10%之光線的波長範圍。所述相對響應強度係指該感光元件211感測到之光線響應強度,相較於光線不通過光學濾波器212而為感光元件211所感測之結果的比值。
在第5至9圖所示的這五種態樣中,共同的特徵包含該感光元件211的有效感光波長範圍包含590nm~630nm,且該感光元件211的無效感光波長範圍包含700nm以上。例如在第9圖所示的第五種感光元件態樣中,該感光元件211的有效感光波長範圍就至少包含590nm~630nm。
再者,由於有效感光波長範圍至少含括至630nm,而無效感光波長範圍至少含括至700nm,這會使得感光元件211的相對響應強度在630nm至700nm之間發生劇烈變化。請參考第8圖所示的第四種感光元件態樣,該感光元件對於630nm~700nm之光線的相對響應強度係呈遞減,若橫軸以奈米(nm)為單位,其中相對響應強度90%與相對響應強度10%之兩點的一連接線S斜率會< -0.01067。而在所舉的其他四種感光元件態樣中,對於630nm~700nm之光線的相對響應強度遞減程度均更劇烈(故此連接線S的斜率會更小)。有另一種更簡單的方法可以體現對於630nm~700nm之光線的相對響應強度的變化幅度,同樣在第四種感光元件態樣中,相對響應強度90%之波長與相對響應強度10%之波長相差會< 75nm的一變化區間R。而在所舉的其他四種感光元件態樣中,此變化區間R會更狹窄。
本發明環境光感測方法及環境光感測器實施例正式通過讓感光元件211的相對響應強度在630nm至700nm之間大幅變化,來克服現有技術面臨當環境光必須通過油墨才能被光感測器接收時,相對響應頻譜會受到油墨影響而明顯變形,造成光感測器得到的讀值與人眼實際感知的相對照度相關性下降之問題。
本發明環境光感測方法及環境光感測器實施例,係以該感光元件211接收通過該油墨13及該光學濾波器212的光線,該光學濾波器212經設計使該感光元件211的感光特性至少包含以上特徵,再以該運算單元22接收該感光元件211的感測結果,並運算產生該環境光照度值數據。針對各種感光元件態樣之間差異之處,簡要說明如下。
在第8圖所示的第四種感光元件態樣中,該感光元件211的有效感光波長範圍係包含520nm~650nm。在第7圖所示的第三種感光元件態樣中,該感光元件211的有效感光波長範圍係包含500nm~660nm。在第6圖所示的第二種感光元件態樣中,該感光元件211的有效感光波長範圍係包含450nm~690nm。在第6圖所示的第二種感光元件態樣中,該感光元件211的有效感光波長範圍係包含400nm~690nm。另外,在第9圖所示的第五種感光元件態樣中,該感光元件211的有效感光波長範圍係包含了不連續的波長區間,惟其並不影響提升照度估算準確度的技術效果。
以上五種感光元件態樣,皆可使本發明環境光感測方法及環境光感測器實施例得以有效施行,來達成提升照度估算準確度的目的。然而為了避免篇幅冗長,在此先以第四種感光元件態樣所得到的量測結果進行說明。
環境光源L可以選擇為白熾光「A」、水平日光「HZ」、模擬日光「D65」,實際上申請人對於其他數種環境光源條件也都進行了量測,受限於篇幅恕不另行列出。控制使環境光源L的實際照度相同,所述實際照度可以利用標準照度計直接對環境光源L發出的光線進行量測得知。以該感光元件211接收通過油墨及該光學濾波器212的光線,再以該運算單元22接收該感光元件211的感測結果,並運算產生環境光照度值及其誤差。類似地,直接將現有技術中依照人眼視效函數(CIE-Y)設計的環境光感測器設置於油墨下方,以接收通過油墨的光線並對其感測結果進行等比例縮放,也可運算產生環境光照度值及其誤差。上述結果可對照如下表一所示,其中「Ink_H」、「Ink_M」、「Ink_L」係指三種不同厚度(或濃度)的油墨環境,這是考量到油墨塗佈的製程誤差,以及部分廠商針對不同機款、顏色本來就會調整油墨厚度或濃度而設計的測試條件。
表一
測試 條件 實際 照度 本發明讀值 誤差 現有技術讀值 誤差
D65(Ink_H) 1000 944.8 -5.52 1002.1 7.57
D65(Ink_M) 1000 960.7 -3.93 1022.8 9.77
D65(Ink_L) 1000 1011.4 1.14 1203.9 17.59
A(Ink_H) 1000 950.6 -4.94 879.6 -7.98
A(Ink_M) 1000 976.7 -2.33 894.9 -5.11
A(Ink_L) 1000 1065.2 6.52 1151.7 6.01
HZ(Ink_H) 1000 961.5 -3.85 759.6 -11.22
HZ(Ink_M) 1000 994.7 -0.53 756.5 -7.21
HZ(Ink_L) 1000 1109.1 10.91 1109.4 8.78
從表一可看出,運用本發明環境光感測方法及環境光感測器實施例所產生的環境光照度值數據,其誤差可以有效控制在約±10%以內,反觀現有技術在不同的測試條件下其誤差已嚴重影響照度估算準確度,即使嘗試進行個別調校補償,例如針對D65(Ink_L)的光源條件進行補償,仍然會導致經補償後的光感測器無法適用於其他的測試條件,更遑論實際應用中可能遭遇的各種不同環境光源L。
注意到,本發明環境光感測方法及環境光感測器實施例實際上是通過該光學濾波器212來改變該感光元件211的感光特性,故實際上額外設置的構件只有該光學濾波器212。更何況,現有技術依照人眼視效函數設計的環境光感測器也可能自帶光學帶通濾波器,在這種情況下本發明環境光感測方法及環境光感測器實施例可能僅需改變現有濾波器的構造或製程即可實施,其對於光感測器的成本影響微乎其微,故實際應用在電子裝置上具備高度市場價值。
本領域中具有通常知識者可以理解,現今的光感測器功能繁雜,可能還會設置用來執行其他功能的感光單元。據此,在不過度影響光感測器整體成本的前提下,本發明環境光感測方法及環境光感測器實施例還可以引入其他感光單元的感測結果來輔助估算該環境光照度值。舉例來說,如果該電子裝置1於該環境光感測器2或其他的光感測器中還設有不具有任何光學濾波器的感光單元,可有效感測廣域波長範圍(例如包含400nm~800nm)的光線照度,其感測結果即可被用來校正該運算單元22所運算產生的該環境光照度值數據,一種範例結果可如下表二所示。實務上,電子裝置1另外設置有廣域波長範圍、紅外光波長範圍或特定色光波長範圍的感光單元是很常見的,故欲實施本發明的人員可以視實際應用情況,來決定是否要引入其他感光單元的感測結果來輔助估算該環境光照度值。
表二
測試 條件 實際 照度 本發明讀值 (經校正) 誤差 現有技術讀值 誤差
D65(Ink_H) 1000 995.1 -0.49 1002.1 7.57
D65(Ink_M) 1000 1005.3 0.53 1022.8 9.77
D65(Ink_L) 1000 1033.0 3.30 1203.9 17.59
A(Ink_H) 1000 985.5 -1.45 879.6 -7.98
A(Ink_M) 1000 999.1 -0.09 894.9 -5.11
A(Ink_L) 1000 1039.0 3.90 1151.7 6.01
HZ(Ink_H) 1000 967.6 -3.24 759.6 -11.22
HZ(Ink_M) 1000 976.2 -2.38 756.5 -7.21
HZ(Ink_L) 1000 994.7 -0.53 1109.4 8.78
從表二可看出,運用本發明環境光感測方法及環境光感測器實施例,再引入其他感光單元的感測結果所估算產生的環境光照度值數據,其誤差甚至可以有效控制在±5%以內。而且實際實施係仰賴引入其他現有感光單元的感測結過,除了需額外設計的校正運算外,對於光感測器整體成本幾無任何影響。
更重要的是,在前述範例說明中皆只考慮了一種油墨,但在本領域中實際的情況是,不同廠商所生產的電子裝置通常會選用不同的油墨。請參考下表三,可以發現除了「Ink_6」油墨外,現有技術依照人眼視效函數設計的環境光感測器皆無法將照度估算誤差控制在約±10%以內。反觀運用本發明環境光感測方法及環境光感測器實施例針對每一種油墨皆能將照度估算誤差有效控制在約±10%以內,顯見本發明提升照度估算準確度的效果相當顯著。
表三
油墨編號 本發明讀值誤差 現有技術讀值誤差
D65 A HZ D65 A HZ
Ink_1 4.75 1.36 -2.78 17.59 6.01 8.78
Ink_2 7.13 7.24 4.64 19.20 9.43 13.64
Ink_3 6.57 2.74 1.55 17.06 -4.76 -8.78
Ink_4 -1.31 -2.56 -3.64 4.16 -9.16 -12.31
Ink_5 4.34 1.30 0.51 12.54 -6.89 -11.07
Ink_6 -0.43 2.72 3.61 4.76 -6.02 -8.17
Ink_7 2.62 -4.80 -7.59 9.23 -10.89 -16.01
Ink_8 2.10 -0.13 -3.76 14.02 1.70 3.09
事實上,即使是同一廠商所生產的不同產品或樣品也時常選用不同的油墨,更何況如同前述,每一種油墨皆可能存在不同的厚度或濃度,申請人對於各種不同油墨條件也都進行了量測,受限於篇幅恕不另行列出。然而,此更凸顯現有技術必須針對光感測器進行個別調校補償來提升照度估算準確度,在產品開發及製造的過程中皆造成了偌大的麻煩,可見應用本發明環境光感測方法及環境光感測器實施例確實具有高度市場價值。
綜上所述,本發明之環境光感測方法實施例及環境光感測器僅需通過適當配置一光學濾波器,來調整感光元件的感光特性,即可有效控制所產生之環境光照度值的誤差範圍,相較現有技術確實能夠大幅提升照度估算準確度。換言之,本發明之環境光感測方法實施例可適用於將環境光感測器設置在塗佈油墨的面板玻璃之下,來確保環境光感測準確性,且其對於光感測器的成本影響微乎其微,故實際應用在電子裝置上具備高度市場價值。
由實際量測得出的感測結果更可以確認,本發明之環境光感測方法實施例及環境光感測器實施例在各種不同環境光源條件或各種不同的油墨條件下皆具有良好的誤差控制能力。相較現有技術必須因應各種條件差異,針對光感測器進行個別調校補償來提升照度估算準確度,本發明確實具有高度的產業利用性與市場價值。
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。
1:電子裝置 11:控制單元 12:面板玻璃 13:油墨 2:環境光感測器 21:感光單元 211:感光元件 212:光學濾波器 22:運算單元 L:環境光源 S:連接線 R:變化區間 C1:相對響應曲線 C2:相對響應曲線
第1圖:其為光線穿透一範例油墨的比例示意圖; 第2圖:其為光感測器對於不同波長光線的相對響應強度關係示意圖; 第3圖:其為本發明之環境光感測方法一實施例使用之感測架構示意圖; 第4圖:其為本發明之環境光感測器一實施例的運作狀態示意圖; 第5圖:其為本發明實施例第一種感光元件態樣的感光特性示意圖; 第6圖:其為本發明實施例第二種感光元件態樣的感光特性示意圖; 第7圖:其為本發明實施例第三種感光元件態樣的感光特性示意圖; 第8圖:其為本發明實施例第四種感光元件態樣的感光特性示意圖; 第9圖:其為本發明實施例第五種感光元件態樣的感光特性示意圖。
1:電子裝置
11:控制單元
2:環境光感測器
21:感光單元
211:感光元件
212:光學濾波器
22:運算單元

Claims (10)

  1. 一種環境光感測方法,其包含: 以一感光元件感測通過一光學濾波器的光線,取得一光學訊號值;及 由一運算單元接收該光學訊號值,並依據該光學訊號值計算一環境光照度值; 其中,該光學濾波器被配置使得該感光元件的一有效感光波長範圍包含450nm~690nm,且該感光元件的一無效感光波長範圍包含700nm以上,該有效感光波長範圍係指該感光元件的相對響應強度大於40%之光線的波長範圍,該無效感光波長範圍係指該感光元件的相對響應強度小於20%之光線的波長範圍,其中,該感光元件對於630nm~700nm之光線的相對響應強度係呈遞減,且其中相對響應強度90%與相對響應強度10%之兩點連線的斜率小於 -0.01067。
  2. 如請求項1所述之環境光感測方法,其中,該有效感光波長範圍係指該感光元件的相對響應強度大於50%之光線的波長範圍,該無效感光波長範圍係指該感光元件的相對響應強度小於10%之光線的波長範圍。
  3. 如請求項1或2所述之環境光感測方法,其中,所述相對響應強度係指該感光元件感測到之光線強度,相較於光線不通過該光學濾波器而為感光元件所感測之結果的比值。
  4. 如請求項1或2所述之環境光感測方法,其中,該感光元件的有效感光波長範圍包含400nm~690nm。
  5. 一種環境光感測方法,其包含: 以一感光元件感測通過一光學濾波器的光線,取得一光學訊號值;及 由一運算單元接收該光學訊號值,並依據該光學訊號值計算一環境光照度值; 其中,該光學濾波器被配置使得該感光元件的一有效感光波長範圍包含450nm~690nm,且該感光元件的一無效感光波長範圍包含700nm以上,該有效感光波長範圍係指該感光元件的相對響應強度大於40%之光線的波長範圍,該無效感光波長範圍係指該感光元件的相對響應強度小於20%之光線的波長範圍,其中,該感光元件對於630nm~700nm之光線的相對響應強度係呈遞減,且其中相對響應強度90%之波長與相對響應強度10%之波長相差小於75nm。
  6. 一種環境光感測器,其包含: 一感光單元,包含一感光元件及一光學濾波器,該光學濾波器覆蓋該感光元件的收光區域,該感光元件感測通過該光學濾波器的光線,取得一光學訊號值,及 一運算單元,耦接該感光元件,以供接收該光學訊號值,並依據該光學訊號值計算一環境光照度值; 其中,該光學濾波器被配置使得該感光元件的一有效感光波長範圍包含450nm~690nm,且該感光元件的一無效感光波長範圍包含700nm以上,該有效感光波長範圍係指該感光元件的相對響應強度大於40%之光線的波長範圍,該無效感光波長範圍係指該感光元件的相對響應強度小於20%之光線的波長範圍,其中,該感光元件對於630nm~700nm之光線的相對響應強度係呈遞減,且其中相對響應強度90%與相對響應強度10%之兩點連線的斜率小於 -0.01067。
  7. 如請求項6所述之環境光感測器,其中,該有效感光波長範圍係指該感光元件的相對響應強度大於50%之光線的波長範圍,該無效感光波長範圍係指該感光元件的相對響應強度小於10%之光線的波長範圍。。
  8. 如請求項6或7所述之環境光感測器,其中,所述相對響應強度係指該感光元件感測到之光線強度,相較於光線不通過該光學濾波器而為感光元件所感測之結果的比值。
  9. 如請求項6或7所述之環境光感測器,其中,該感光元件的有效感光波長範圍包含400nm~690nm。
  10. 一種環境光感測器,其包含: 一感光單元,包含一感光元件及一光學濾波器,該光學濾波器覆蓋該感光元件的收光區域,該感光元件感測通過該光學濾波器的光線,取得一光學訊號值,及 一運算單元,耦接該感光元件,以供接收該光學訊號值,並依據該光學訊號值計算一環境光照度值; 其中,該光學濾波器被配置使得該感光元件的一有效感光波長範圍包含450nm~690nm,且該感光元件的一無效感光波長範圍包含700nm以上,該有效感光波長範圍係指該感光元件的相對響應強度大於40%之光線的波長範圍,該無效感光波長範圍係指該感光元件的相對響應強度小於20%之光線的波長範圍,其中,該感光元件對於630nm~700nm之光線的相對響應強度係呈遞減,且其中相對響應強度90%之波長與相對響應強度10%之波長相差小於75nm。
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