TWI911385B - 顯示器後的鄰近感測 - Google Patents

Abstract

一種光學裝置1包含顯示器2，此顯示器2包含顯示器電路系統；及光學感測器3，配置在顯示器2後面，此光學感測器3包含用於將光發射通過顯示器2之發射器、及用於接收通過顯示器2反射回來的光之接收器。顯示器2的吸收率係與波長相關，且發射器構造成以顯示器之吸收率低於5%的波長發射光。

Description

顯示器後的鄰近感測

本揭示內容有關光學感測，且尤其是但不排外地有關顯示器後的光學鄰近感測。

鄰近感測係使用於許多包括如同智慧型手機之行動裝置的現代電子裝置，由此測量至物體之距離。例如，智慧型手機中之鄰近感測器可使用於偵測使用者何時將手機放在他的耳朵上，而作為其回應，顯示器可被關掉。

光學鄰近偵測典型測量反射光之強度以判定至物體的距離。於傳統裝置中，鄰近感測器係位於此裝置之蓋玻璃後面，與顯示器相鄰之某處，此顯示器係包含顯示器的光發射器(例如LED)及控制此等發射器之顯示器電路系統的印刷電路板組件。

鑑於市場上出現對於顯示器延伸至裝置邊緣之需求，希望將鄰近感測器定位在顯示器後面。以下為諸多與此解決方案相關聯之問題： a)由於顯示器的低傳輸率及高反射率，信噪比(SNR)低； b)當光發送通過顯示器時，顯示器之顏色外觀可變得失真； c)傳統的鄰近感測器不能判定至物體之絕對距離，因為信號係藉由物體的未知反射率所調制。

為解決a)、即低信噪比問題之常見策略係增加照明功率，實施光發射器與光接收器之間的大分隔，其減少串音量，並減去接收器側上之串音。然而，增加的功率會導致功耗增加，並使顯示失真之問題變得更糟。增加發射器與接收器之間的分隔使感測器模組變得較大，其在行動裝置中係不希望的，且減去此串音可能產生不準確的結果。

為解決b)、即顯示失真問題之常用策略係降低照明功率或放寬照明光束，以便降低光功率密度。然而，減少功率將降低SNR，而更寬的照明光束需要更高之模組或此模組與顯示器之間的額外之分隔空間用於放寬光束。

總之，將鄰近感測器定位在顯示器後面的問題係顯示器性能會遭受感測器的負面影響，且緩解此情況之當前策略對感測器的SNR具有負面影響，而SNR業已遭受顯示器之光學特性的負面影響。

因此，本揭示內容之目的係至少解決現有技術中所識別之一些問題。

本揭示內容有關光學感測器(例如光學鄰近感測器)，且尤其是有關包含顯示器的裝置，於此感測器係位於顯示器後面。

根據本揭示內容之第一態樣，其提供有包含顯示器的光學裝置，此顯示器包含顯示器電路系統(例如金屬線、通孔等)、及配置在顯示器後面之光學感測器。光學感測器包含用於將光發射通過顯示器之發射器、及用於接收通過顯示器反射回來的光之接收器(發射器及接收器可為同一實體)。顯示器的吸收率係與波長相關，且顯示器之吸收率在第一波長為50%。發射器係構造成以大於第一波長的第二波長發射光。第一波長係顯示器之吸收率為50%的特定點。

尤其是，顯示器之吸收率在第二波長可為少於5%。

顯示器(例如LED、OLED或μLED)將吸收及反射大部分的透射光。吸收率將取決於顯示器之材料及厚度，但重要的是亦取決於光的波長。顯示器將具有吸收光譜，且因此感測器發射器係構造成在較長之波長(第二波長)操作。藉此，對於具有特定顯示器的裝置，吸收更少之光，並可改善感測器的SNR。

顯示器之吸收光譜典型朝較短的波長增加。例如，吸收率可從1100 nm持續增加至300 nm。因此，顯示器在光感測器波長處之透射率可為大於吸收帶範圍中的顯示器透射率(例如，低於1100 nm)。

較佳的是，為了確保高傳輸率，感測器之波長發射係使得顯示器在所述波長的光之吸收率係至少低於5%。

顯示器典型包含半導體材料，其中半導體材料的吸收率係與波長及厚度相關。顯示器之吸收率可藉由與顯示器具有相同厚度的半導體材料層之吸收率來近似。例如，100μm厚的半導體材料層於第三波長處具有5%之吸收率，且發射器的波長(第二波長)可接著為大於第三波長。例如，感測器之發射波長可為使得具有100μm的厚度之半導體材料對於具有感測器發射波長之光的透射率係為至少95%。半導體材料典型為矽，但亦可例如為GaAs或GaN。

典型地，顯示器(例如CMOS顯示器)包含矽，其將為顯示器中的光吸收率之主要成因。因此，發射器的波長可被選擇為大於矽具有高吸收係數之波長。例如，可選擇發射波長，使得對於具有此發射波長的光，矽之吸收係數低於1 cm ^-1。矽的吸收率(及因此透射率)之波長依賴性在一定程度上取決於矽的厚度，這就是為什麼指定100μm之厚度，其可為例如智慧型手機中的顯示器之典型厚度。對於許多裝置，用於顯示器的透射率及顯示器之半導體材料的透射率具有相同或類似之波長依賴性。

第一波長典型在400 nm至1100 nm的範圍中。有利的是，感測器之發射波長可為高於1100 nm。例如，第二波長可為在1100 nm至1600 nm的範圍中。藉由使用具有超過1100 nm之波長的非可見光，能消除或顯著地減少顯示失真。第二波長可為比第一波長至少大100 nm。

顯示器典型係構造成當在使用時顯示影像，且發射器可為構造成以不扭曲影像之強度發射第二波長的光。所使用之長波長可允許發射器的光強度(亦即功率)增加而不對顯示器具有負面影響。

感測器可為鄰近感測器，用於判定至顯示器前面之物體的距離，及/或用於判定此體之速度。較佳的是，感測器係自混合干涉(SMI)感測器。SMI感測器可為非常微型化，並可使用於絕對距離及速度測量。SMI偵測可為對背景光不敏感，因為SMI係針對特定波長。任何不相干之光(如同背景光)可僅對基於SMI之偵測具有小的影響，而與來自發射器本身之相干光成對比。

SMI感測器可構造成用於電偵測(亦稱為電感測)，其中光學裝置係構造成監視輸入至SMI感測器的發射器之電壓或電流。電偵測允許SMI偵測而不需要分離的光感測器。另一選擇係，SMI感測器可構造成用於光學偵測(亦稱為光學感測)，其中光學裝置包含用於測量藉由發送器所發送之光強度的光偵測器。SMI中之光學偵測可比電偵測具有更小的雜訊。

發射器可為垂直孔腔表面發射雷射器(VCSEL)、邊緣發射器雷射器(EEL)、及量子點雷射器(QDL)之其中一者。例如，發射器可為GaAs系的VCSEL。VCSEL可為尤其適合，因為它可為在如同1150 nm或甚至1200 nm之長波長操作，同時亦佔用很少的空間。發射器可具有InGaAs、GaInNAs或GaInNAsSb量子阱。

當發射波長必需於1200 nm與1600 nm之間時，基於GINA(GaInNAs)或GINAS(GaInNAsSb)材料之長波長VCSEL係尤其有吸引力。

如請求項1至17中任一項的光學裝置，其中光學裝置係平板電腦、智慧型手機、及電腦螢幕之其中一者的至少一部分。此裝置對於無邊框(edge-to-edge)之顯示器裝置可為尤其有益的。

根據本揭示內容之第二態樣，其提供有偵測顯示器前的物體之方法。此方法包含將光發射通過顯示器，並接收從物體反射回來且通過此顯示器的光。顯示器之吸收率係波長相關的，且顯示器之吸收率在第一波長為50%。發射光的步驟包含發射具有大於第一波長之波長的光。

吸收光譜典型顯現為階梯函數，其中吸收率在某一波長以上迅速下降。藉由使用大於吸收率已下降至50%之波長的發射波長，發射波長典型係在此階梯之後(亦即於較長的波長)。

較佳地係，從物體反射回來之光係在發射器中接收，並造成發射器輸出的變化，其中測量發射器輸出的變化以判定至物體的距離或速度。發射器輸出之變化可藉由測量輸入至發射器的電流或電壓來測量。另一選擇係，發射器輸出之變化可藉由測量藉由發射器所發射的光之光強度來測量。

圖1顯示光學裝置1的實施例之示意圖。此裝置具有顯示器2(例如，LED、OLED或μLED顯示器)，顯示器2包含用於控制顯示器以便顯示影像的顯示器電路系統。鄰近感測器3位於顯示器2後面，且構造成偵測顯示器2前面之物體。此裝置更包含用於保護顯示器2的蓋玻璃4。在使用中，鄰近感測器3發射通過顯示器2及通過蓋玻璃4透射之光。此光係從蓋玻璃前面的物體5反射。所反射之光係透射回來並通過蓋玻璃4、通過顯示器2及回至感測器3。接收的光係使用來偵測物體5(例如，測量至物體之距離及/或速度)。

顯示器2典型係由矽所製成，並包含金屬電路系統(例如，銅金屬線及通孔)。金屬電路系統造成大部分光從顯示器2反射，藉此降低整體傳輸率。此外，矽材料將取決於光的波長吸收一部分光。總的來說，顯示器2之透射率可為約5%左右，亦即僅從感測器3發射約5%之光係透射通過顯示器2。此光的損失既發生在光從裝置1透射出去之時候，且亦發生於光反射回來並通過顯示器2至感測器3的時候。

因此，為了有足夠之光反射回至感測器3，可需要高光強度。然而，顯示器2可遭受高光強度的干涉。例如，顯示器2中的像素之強度變化，且黑點可形成在具有高強度的照射上。為了減輕此情況，感測器3係構造成使用足夠遠離可見光譜之長波長。有了適當的長波長，顯示器2就不會遭受干涉，或僅只遭受輕微之干涉。對於基於矽的顯示器2、感測器3可構造成發射具有高於1100 nm之波長的光。

由於顯示器材料(例如矽)之吸收光譜(看圖5a)，顯示器2將具有與波長相關的傳輸率(看圖5b)。典型地，顯示器將具有短於1000 nm之波長的低傳輸率(取決於顯示器材料及厚度)，且感測器3係構造成在較長之波長下操作。因此，藉由感測器3所使用的長波長既增加傳輸率(並從而增加SNR)，又減少顯示器失真之風險。

顯示器的最小(或減少)透射率大致上對應於顯示器之最大吸收率，因為來自顯示器電路系統的反射率在很大程度上與波長無關。感測器3可構造成於顯示器之吸收率的絕對值最多為5%之波長下操作。例如，這可為在比發生吸收躍遷步驟的波長高至少100 nm或至少200 nm的波長(圖5a)。例如，如果顯示器之吸收步驟約在950 nm的波長發生，接著感測器3可構造成在1050 nm或更高的波長操作。

鄰近感測器3包含作為雷射器的發射器、如同VCSEL、EEL或QDLs。GaAs系雷射器(例如VCSEL)在直至約1150 nm或1200 nm的波長仍工作良好。

對於超過1200 nm或1400 nm或甚至更高的較長波長，GalnNAs系雷射器(例如VCSEL)技術可於GaAs基材上製成，但典型之功率轉換效率低於帶有InGaAs量子阱的傳統GaAs系VCSEL。

對於超過1200 nm或1400 nm或更高之較長波長，GaInNAsSb系雷射器(例如VCSEL)技術亦可在GaAs基材上製成，但這減小其功率轉換效率。

感測器3可為SMI感測器，其中感測器3的發射器及接收器係相同的，且配置感測器3，使得光被反射進入發射器。發射器包含諧振器(例如VCSEL中之雷射器孔腔)。於諧振器中，發射器所生成的光與從物體5反射回至發射器的光發生相干混合(亦即在發射器中直接生成之光與反射回至發射器的光之間存在有干涉)。這影響發射器輸出，且所發射的光取決於相干混合。因此，發射器輸出(或相關參數)可使用來判定至物體5之距離及/或速度。例如，至發射器的供應信號(亦即輸入電壓或電流)可使用作為偵測物體5之參數。另一選擇係，可使用光學偵測，其中用光偵測器直接測量發射光的強度，用於判定距離/速度。

對於SMI偵測，光從作為諧振光源之發射器(亦即具有光在其中傳播的光學諧振器)、例如雷射器發射，且離開諧振器之一部分光係反饋進入諧振器，例如於光已藉由例如反射或散射來與物體相互作用之後。反饋光與諧振器中的光相互作用，並藉由干涉在光源中引入擾動。此影響可被感測，且可為與物體之相互作用有關，如同至物體的距離或此物體之速度(相對光源/諧振器出口鏡)。可光學地完成感測，其中例如使用光電二極體監視所發射的光強度。例如，分光器可定位成接近出口鏡，以讓離開出口鏡之大部分光通過並將小部分光反射至光電偵測器。另一選擇係，諧振器的另一面鏡片可製成部分透射式(例如，99%而不是100%反射)，且光偵測器定位成接近所述鏡片。這可為比使用分光器更微型化之解決方案。另一選擇係，可電性地完成感測，其中監視用於光源的饋送信號。例如，如果光源係用恆定電流所驅動，就可判定電壓中之變化。如果光源係以恆定的電壓所驅動，反之就可判定電流中之變化。電信號可比在光學上獲得的信號具有更大的雜訊。

使用基於SMI之感測可消除對光波長敏感的偵測器之需要，因為光被雷射器所接收回來。這亦避免藉由在其波長範圍的邊緣使用偵測器、或加入非矽偵測器來偵測長波長而造成之SNR損失。

此外，基於SMI的感測器可為非常小，這對行動裝置(例如智慧型手機及智慧型手錶)中的應用非常重要。基於SMI之偵測對背景光亦非常不敏感，並可施行絕對距離及/或速度的測量。

雖然用於SMI之光學偵測可提供準確的結果，但對於超過約1100 nm或1150 nm之長波長，可能需要基於不同半導體材料(例如InGaAs、GaInNAs、GaInNAsSb或Ge)的光偵測器，其可增加裝置1之複雜性及成本。

因此，用於SMI的電偵測可為有利的。它可施行更小之形狀因數(因為不需要額外的光偵測器)，並避免因必須偵測具有相對較長波長例如1100 nm以上的光之問題(例如，成本增加及選擇比例如Si更難處理的半導體材料之問題)。

從顯示器2及/或蓋玻璃4反射回至發射器可能會對SMI偵測造成問題。然而，由於顯示器/蓋玻璃與感測器3之間的距離相當短，與至物體5之距離相比，從顯示器/蓋玻璃反射的信號可從物體5所反射之信號過濾掉。為了進一步減少來自顯示器/蓋玻璃的反射量，可使用將光線聚焦在蓋玻璃4外側(更接近物體5)之透鏡。另一選擇或另外地，發射器可傾斜偏離垂直軸(例如達1至3度)，以避免從顯示器/蓋玻璃回來的鏡面反射。從物體5所反射之光將傾向於更加擴散，且因此受傾斜的發射器之影響較小。

鄰近感測器3可使用於簡單地指示在某一距離閾值內的物體之存在，而不是使用於測量至所述物體的絕對距離。

圖2顯示光學裝置1之實施例的示意圖，此光學裝置可為圖1之光學裝置1。為了利於理解，不同圖面中的實施例之類似或同等特徵已給予相同的參考數字，且不意欲限制所說明之實施例。光學裝置1包含具有顯示器電路系統6(例如用於連接至顯示像素的金屬線)之顯示器2、蓋玻璃4、及包含發射器7及接收器8之光學感測器3。發射器7發射透射通過顯示器2並從物體5反射的光9。所反射之光10透射通過顯示器2至接收器8。飛行時間(TOF)或強度測量可使用於偵測物體5。

圖3顯示光學裝置1的另一實施例，當使用SMI感測器3時，其可為圖1之光學裝置1。光學裝置1包含具有顯示器電路系統6的顯示器2、蓋玻璃4、及包含發射器7之光學感測器3，此發射器7作為雷射器(例如VCSEL)亦作為感測器3的接收器8。發射器7發射透射通過顯示器2並從物體5反射之光9。所反射的光10係透射通過顯示器2至接收器8。感測器3更包含電偵測模組11，其使用於測量發射器7之輸入電壓及/或輸入電流。所測量的電流或電壓係指示雷射器內側之光的干涉，並可使用於偵測物體。例如，可從所測量之電壓或電流判定物體的絕對距離及/或速度。

這可為尤其有用之實施例，其中用於更高的傳輸率及更少之顯示失真/擾動的發射器7之長波長(例如λ＞1100nm)係與SMI結合，其不需要能夠偵測長波長的分離的偵測器。

圖4顯示光學裝置1的另一實施例，當使用SMI感測器3時，光學裝置可為圖1之光學裝置1。光學裝置1係類似於圖3的光學裝置，但不是使用電偵測模組，而是使用分離的光偵測器12來測量來自感測器3的發射器7之光強度。物體5可藉由所測量的強度來偵測。

圖5a顯示在300 nm至1200 nm範圍中之矽的吸收係數。吸收率係朝較短波長強烈地增加(對數標度)。從此曲線圖，任何矽厚度之傳輸率T都可用以下表達式計算：T=exp(-α*t)，於此α係吸收係數，且t是矽厚度(此表達式沒有考慮到折射率)。

圖5b顯示從用於諸多厚度(10微米、100微米及1000微米)的吸收係數(圖5a)所計算之矽的傳輸光譜。吾人可看到對於100微米之矽厚度、1100 nm以上的波長可為適合供使用於所揭示之裝置。

圖6顯示不同半導體材料對光隨著波長變化的靈敏度。靈敏度與光的吸收率有關，因為不能感測透射通過材料之光。如從曲線圖可看出，與矽相比，GaAs在較低波長(約800 nm)處具有最大靈敏度。因此，如果使用具有基於GaAs的顯示器之裝置，鄰近感測器可於較低波長下操作。應選擇波長，使得其長於顯示材料之最大靈敏度的波長。

圖7係流程圖，顯示方法鄰近偵測之步驟，以便判定至顯示器前的物體之距離或速度。此方法可使用上述光學裝置(例如圖1的光學裝置1)來進行。此方法包含發射通過顯示器之光(步驟S1)，並在發射器中接收從物體反射回來並通過顯示器的光(步驟S2)。此方法更包含測量發射器輸出中之變化(步驟S3)，並使用所測量的變化，判定至物體之距離或物體的速度(步驟S4)。此變化可從至發射器之電(電壓或電流)輸入所推斷或判定。

儘管上面提及的敘述使用鄰近感測器來進行顯示器後感測，但熟諳之技術人員將理解，任何另一光學感測裝置可同樣地使用來代替鄰近感測器，且替代之配置將仍然於所主張的揭示內容之範圍內。

儘管上面已敘述特定實施例，但是請求項並不限於那些實施例。所揭示的每一特徵都可單獨或與本文所揭示之其他特徵適當地結合而併入任何所敘述的實施例中。

1:光學裝置 2:顯示器 3:感測器 4:蓋玻璃 5:物體 6:顯示器電路系統 7:發射器 8:接收器 9:所發射之光 10:反射光 11:電偵測模組 12:光偵測器

下面參考附圖敘述本揭示內容的特定實施例，其中 圖1描繪根據本揭示內容之實施例的光學裝置； 圖2描繪具有分離的發射器及接收器的光學裝置之實施例； 圖3描繪具有自混合干涉(SMI)感測器及電偵測模組的光學裝置之另一實施例； 圖4描繪具有SMI感測器的光學裝置之另一實施例，其中使用光學感測； 圖5a描繪顯示矽的光譜吸收係數之曲線圖； 圖5b描繪顯示用於諸多厚度的矽之光譜傳輸的曲線圖； 圖6描繪顯示不同半導體材料對光之靈敏度隨著波長變化之另一曲線圖；及 圖7描繪根據本揭示內容之實施例的方法之流程圖。

1:光學裝置

2:顯示器

3:感測器

4:蓋玻璃

5:物體

Claims (20)

1. 一種光學裝置(1)，包含： 顯示器(2)，包含顯示器電路系統(6)； 光學感測器(3)，配置在該顯示器(2)後面，該光學感測器(3)包含用於將光(9)發射通過該顯示器(2)之發射器(7)、及用於接收反射回來並通過該顯示器(2)的光(10)之接收器(8)； 其中該顯示器(2)的吸收率係與波長相關，且該顯示器(2)之吸收率在第一波長下為50%，而該發射器(7)係構造成以大於該第一波長的第二波長發射光，其中該第二波長係使得該顯示器(2)對於具有該第二波長之光的吸收率小於5%。
2. 如請求項1的光學裝置(1)，其中該顯示器(2)包含半導體材料，其中該半導體材料之吸收率係與波長相關，且具有100μm的厚度之該半導體材料在第三波長處具有5%的吸收率，及其中該第二波長係大於該第三波長。
3. 如請求項2的光學裝置(1)，其中該第二波長係使得具有100μm之厚度的半導體材料對於具有該第二波長的光之透射率係為至少95%。
4. 如請求項2的光學裝置(1)，其中該半導體材料為矽。
5. 如請求項1的光學裝置(1)，其中該第一波長係在300 nm至1000 nm之範圍中。
6. 如請求項1的光學裝置(1)，其中該第二波長係大於1100 nm。
7. 如請求項1的光學裝置(1)，其中該第二波長係比該第一波長大至少100 nm。
8. 如請求項1的光學裝置(1)，其中該顯示器(2)係構造成當在使用時顯示影像，且該發射器(7)係構造成以不扭曲該影像之強度發射在第二波長的光。
9. 如請求項1的光學裝置(1)，其中該感測器(3)係鄰近感測器，用於判定至該顯示器(2)前面之物體的距離，及/或用於判定該物體之速度。
10. 如請求項1的光學裝置(1)，其中該感測器(3)係自混合干涉(SMI)感測器。
11. 如請求項10的光學裝置(1)，其中該SMI感測器(3)係構造成用於電偵測，其中該光學裝置(1)係構造成監視輸入至該SMI感測器(3)之發射器(7)的電壓或電流。
12. 如請求項10的光學裝置(1)，其中該SMI感測器(3)構造成用於光學偵測，其中該光學裝置(1)包含用於測量藉由發送器所發送之光強度的光偵測器。
13. 如請求項1的光學裝置(1)，其中該發射器(7)係垂直孔腔表面發射雷射器(VCSEL)、邊緣發射器雷射器(EEL)、及量子點雷射器(QDL)之其中一者。
14. 如請求項13的光學裝置(1)，其中該發射器(7)係GaAs系的VCSEL。
15. 如請求項13的光學裝置(1)，其中該發射器(7)具有InGaAs、GaInNAs或GaInNAsSb量子阱。
16. 如請求項1的光學裝置(1)，其中該光學裝置(1)係平板電腦、智慧型手機、及電腦螢幕之其中一者的至少一部分。
17. 一種偵測顯示器(2)前面之物體的方法，該方法包含： 使用配置在該顯示器(2)後面之光學感測器(3)將光發射通過該顯示器(2)； 使用該光學感測器之接收器接收從該物體反射回來並通過該顯示器(2)之光，其中該顯示器(2)的吸收率係波長相關的，且該顯示器(2)之吸收率在第一波長為50%，而發射光的步驟包含發射具有大於該第一波長之第二波長的光，其中該第二波長係使得該顯示器(2)對於具有該第二波長之光的吸收率小於5%。
18. 如請求項17的方法，其中從該物體反射回來之光係在該發射器(7)中接收，並造成該發射器輸出的變化，其中測量發射器輸出的變化以判定至該物體的距離或速度。
19. 如請求項18的方法，其中該發射器輸出的變化係藉由測量輸入至該發射器(7)的電流或電壓來測量。
20. 如請求項18的方法，其中該發射器輸出的變化係藉由測量藉由該發射器(7)所發射的光之光強度來測量。