可操作以识别虚假反射并补偿由虚假反射导致的误差的光电模块

摘要

光电模块（100）可操作以在指示来自所关注对象的反射的信号与指示虚假反射的信号之间进行区分。各种模块通过专用虚假反射检测像素(126)可操作以识别虚假反射，并且在一些情况下，还会补偿由虚假反射导致的误差。

说明书

相关申请交叉引用

本申请要求以下美国临时专利申请的优先权益：2014年3月14日提交的序列号61/953,089；2014年4月18日提交的序列号61/981,235；2014年5月1日提交的序列号61/987,045；2014年5月22日提交的序列号62/001,858；以及2014年6月3日提交的序列号62/006,989。先前申请的内容以引用方式并入本文。

技术领域

本公开涉及提供光学信号检测的模块。

背景

一些手持计算装置诸如智能电话可以提供各种不同光学功能，例如一维(1D)或三维(3D)手势检测、3D成像、飞行时间或接近度检测、环境光感测和/或前向二维(2D)相机成像。

飞行时间(TOF)传感器，例如，可以用于检测至对象的距离。在一般情况下，TOF系统基于所发射的强度调制的光的相位测量技术，所述光由场景反射。反射光成像到传感器上，并且光产生的电子在传感器中解调。基于相位信息，对于每个像素，与场景中点的距离由与传感器关联的处理电路来确定。

另外，基于TOF的系统可经由脉冲测量技术来提供深度和/或距离信息。脉冲测量技术使用如上所述的发射器和传感器；然而，距离是由记录发射光反射回传感器的时间确定。

然而，在一些情况下，主机装置的透射窗口(例如，盖玻璃)上的污迹(例如，指纹或污垢)可产生虚假信号，这会损害距离计算的精确度。例如，由盖玻璃和/或污迹反射的光可入射至传感器上。此类光通常具有不同于由所关注对象反射的光的相移的相移。不同相移可导致不精确地确定至对象的距离。

概述

本公开描述了光电模块，所述光电模块可操作以在指示来自所关注对象的反射的信号与指示虚假反射的信号之间进行区分。具体地说，如下所述，各种模块可操作以识别虚假反射，并且在一些情况下，还会补偿由虚假反射导致的误差。

例如，在一方面，光电模块包括：光发射器，所述光发射器产生将从模块发射的光；空间分布光敏元件，所述空间分布光敏元件被布置来检测由模块外的对象反射的来自发射器的光；以及一或多个专用虚假反射检测像素。在一些实行方案中，光电模块进一步包括：电路，所述电路可操作以使用来自一或多个专用虚假反射检测像素的信号来校正虚假反射。例如，在一些情况下，电路可使用来自一或多个专用虚假反射检测像素的信号，将由存在于透射盖上的污迹反射的光的分量从由空间分布光敏元件检测的光的分量中析出。

在一些情况下，模块包括将由污迹、透射盖或其他组件反射的虚假光定向至专用虚假反射检测像素的反射体。同样，在一些情况下，模块包括将来自具有模块设置于其中的主机装置的透射盖的光定向至专用虚假反射检测像素的光导。

根据另一方面，光电模块包括光发射腔室和光检测腔室。第一无源光学元件设置于光发射腔室上方，并且第二无源光学元件设置于光检测腔室上方。光发射腔室中的光发射器可操作以将光朝向第一无源光学元件发射。光检测腔室中的解调像素被布置来检测由模块外的对象反射的来自发射器的光。此外，一或多个虚假反射检测像素也在光检测腔室中。一或多个光吸收区域提供于第二无源光学元件中或上并且对在由光发射器发射的波长下的光是大致上不透明的。

在一些实行方案中，光吸收区域界定从主机装置的透射盖的表面上的预先界定区域至一或多个虚假反射检测像素的窄直路径。在一些情况下，光吸收区域被布置来阻断从透射盖的一或多个预先界定区域反射的发射器光以免到达解调像素。此外，在一些实行方案中，在第二无源光学元件中或上可存在有一或多个光重定向元件，所述一或多个光重定向元件被布置来将入射到第二无源光学元件上的至少一些光朝向虚假反射检测像素并远离解调像素来重定向。在一些情况下，在第一无源光学元件中或上可存在一或多个光重定向元件，所述元件被布置来将入射到第一无源光学元件上的至少一些发射器光朝向预先界定区域来重定向。

另一方面，光电模块包括：光发射器，所述光发射器可操作以将光发射至模块外；以及解调像素，所述解调像素被布置来检测由模块外的对象反射回模块的发射器光。模块进一步包括：一或多个组合虚假反射检测参考像素；以及处理电路，所述处理电路用于校正虚假反射并且基于来自一或多个组合虚假反射检测参考像素的信号来补偿热漂移的。例如，在一些实行方案中，处理电路被配置成至少部分基于来自一或多个组合虚假反射检测参考像素的信号来校正虚假反射并且还配置成至少部分基于来自一或多个组合虚假反射检测参考像素的信号的相移来补偿热漂移。

另一方面描述一种操作包括解调像素的光电模块的方法。所述方法包括：将来自模块的光在第一调制频率下朝向模块外的对象发射；在解调像素中，检测在第一调制频率下从对象反射的光；将来自模块的光在第二调制频率下朝向模块外的对象发射；以及在解调像素中检测在第二调制频率下从对象反射的光。所述方法进一步包括识别由解调像素检测的信号中的分量，其中所述分量是由来自盖玻璃上的污迹的反射，或由来自盖玻璃、来自滤光器、或来自光电模块或具有光电模块设置于其中的主机装置中的另一光学或非光学元件的反射导致。所述方法包括减去分量，以便确定由对象反射的光导致的相移和振幅。

其他方面、特征和优势将从以下详细描述、附图和权利要求书变得显而易见。

附图简述

图1示出TOF传感器模块的实例。

图2是示出补偿虚假反射的方法的流程图。

图3是TOF传感器模块的另一实例。

图4是TOF传感器模块的另一实例。

图5示出TOF传感器模块的另一实例。

图6示出TOF传感器模块的一个实例。

图7示出TOF传感器模块的另一实例。

图8示出TOF传感器模块的另一实例。

图9示出TOF传感器模块的另一实例。

图10示出TOF传感器模块的另一实例。

图11是基于使用两个不同调制频率的TOF测量结果的相量图的实例。

详细描述

图1示出包括发光通道102和光检测通道104的光电模块100的实例。光发射器106(即，照明源)和TOF传感器108安装于印刷电路板(PCB)110的第一侧上，所述印刷电路板形成模块外壳的底侧。光发射器106可操作以产生相干、定向、光谱界定的光发射，其具有相对于发射轴的最小发散(例如，在10至20度范围内)。光发射器106的实例是激光二极管或垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)。

间隔物114连接至PCB 110的第一侧并且将PCB 110与光学构件116分隔。间隔物114可由材料(例如，环氧树脂)组成并且具有一定厚度以使得它对可由TOF传感器108检测的光的波长是大致上不透明的。间隔物114的内壁115提供模块的两个腔室(即，光发射腔室(通道)102和光检测腔室(通道)104)之间的光学隔离。

光学构件116包括用于每个通道102、104相应无源光学元件(例如，透镜)120A、120B。来自发射器106的光被定向至模块100外部，并且如果被对象反射回到模块的检测通道104，可被TOF传感器108感测。

TOF传感器108包括空间分布光敏元件(例如，像素)的阵列，以及读取并处理像素信号的逻辑和其他电子器件。像素可实施于例如单一集成半导体芯片(例如，CCD或CMOS传感器)中。发射器106和TOF传感器108可例如通过导电衬垫或引线接合来电气连接至PCB110。PCB 110进而可电气连接至主机装置内的其他组件(例如，智能电话)。TOF传感器108可操作以基于已知光速通过针对对象的每个点来测量传感器与对象之间的光信号的飞行时间来解析距离。电路TOF传感器108可使用来自像素的信号来计算例如光从发射器行进至所关注对象并且回到焦平面阵列所耗费的时间。

TOF传感器108可实施为例如集成传感器芯片。如图1中示出，TOF传感器108包括有源解调检测像素124、一或多个专用“虚假反射检测”像素126和一或多个参考像素128。虽然解调检测像素124的数目和布置可取决于实行方案而变化，但是在一些实行方案中，解调检测像素在3x3阵列中。在一些情况下，虚假反射检测像素可被称为污迹检测像素。每个虚假反射检测像素126可实施为例如CCD像素或光电二极管。解调检测像素124提供确定模块外的对象的接近度的主要信号。解调检测像素124优选地在光检测通道透镜120B下方居中。发射器106的中心光学发射轴优选地与发射器通道透镜120A对准。由虚假反射检测像素126感测的信号可用于校正虚假反射，诸如来自主机装置(例如，智能电话或其他手持计算装置)的透射盖(例如，盖玻璃)132上的污迹(即，模糊或涂抹标记诸如指纹或污垢)130的反射。在一些实行方案中，由虚假反射检测像素126感测的信号可用于校正由其他直接反射诸如来自盖玻璃、来自滤光器，或来自光电模块或主机装置中的其他光学/非光学组件的反射所导致的虚假反射。如果不执行此类校正，那么TOF传感器可产生虚假输出信号，这会损害所收集的接近度数据的精确度。来自发射器106的少量光可例如由透镜120A反射回到参考像素128。来自参考像素128的信号可用于补偿漂移且/或提供零距离测量。

传感器的处理电路可实施为例如具有适当数字逻辑和/或其他硬件组件(例如，读出寄存器；放大器；模拟-数字转换器；时钟驱动器；定时逻辑；信号处理电路；和/或微处理器)的一或多个半导体芯片中的一或多个集成电路。处理电路可驻留于与传感器108相同的半导体芯片中或在一或多个其他半导体芯片中。

在图1的实例中，间隔物114的内壁115提供模块的两个腔室(即，光发射通道102和光检测腔室通道104)之间的光学隔离。参考像素128位于发射器腔室102中，而解调检测像素124和专用虚假反射检测像素126位于检测腔室104中。内壁115防止例如由透镜120A反射回发射腔室102的发射器光入射到解调检测像素124上。

在本文描述的一些实例中，假定虚假反射可由主机装置的盖玻璃上的污迹导致。然而，以下描述的模块和技术也可适用于由其他直接反射诸如来自盖玻璃、来自滤光器、或来自光电模块或主机装置中的其他光学/非光学组件的反射导致的虚假反射。

优选地，虚假反射检测像素126应相对于解调检测像素124定位，使得在主机装置的盖132上不存在污迹时，虚假反射检测像素126至多感测只代表由模块100外部场景中的对象反射的光的相对低光学强度的信号。相比之下，当污迹130存在于主机装置的盖132的表面上时，污迹可将由外部对象反射的一些光朝向虚假反射检测像素126重定向以使得其感测显著较高光学强度。例如，虚假反射检测像素126可定位于传感器108上相对于解调检测像素124足够侧向距离(d)以使得，在主机装置的盖132上不存在污迹时，虚假反射检测像素126至多只感测由模块100外部场景中的对象反射的光的相对低光学强度。另一方面，主机装置的盖132的表面上的污迹130可导致由外部对象反射的一些光朝向虚假反射检测像素126重定向以使得它感测显著较高光学强度。

由虚假反射检测像素126感测的光学强度可由传感器的处理电路用于确定污迹是否存在于盖玻璃132上并且确定由有源像素124收集的多少光(即，振幅和相位)是归因于污迹而非所关注对象。例如，如图2示出，在每个TOF帧期间，传感器的控制电路可发起由虚假反射检测像素126感测的光的强度(DC)测量(区块200)。至少部分基于虚假反射检测像素输出，传感器的处理电路随后可确定污迹是否存在于盖玻璃132上(区块202)。具体地说，在一些实行方案中，由虚假反射检测像素126感测的高强度以及约零的TOF传感器输出(即，盖玻璃水平)指示在盖玻璃132的表面上存在对象。另一方面，由虚假反射检测像素126感测的高强度以及大于零的TOF测量指示存在污迹。此外，由虚假反射检测像素126感测的强度与污迹矢量幅度成比例。当污迹矢量相位可供传感器的处理电路利用时，处理电路可使用矢量减法来补偿由污迹导致的距离误差(区块204)。例如，由污迹130反射的光的强度可通过虚假反射像素126来测量。假设至污迹130的路径长度是传感器的处理电路已知的，那么还可确定相位(例如，作为校准过程的一部分)。如果虚假反射检测像素126上的光的幅度是已知的，那么源自从污迹130反射导致的入射于有源像素124上的光分量的幅度可通过传感器的处理电路来推断。由于从污迹130反射导致的光分量的相位可从在有源像素124处获得的测量信号中析出。

在一些实行方案中，如图3指示，光电模块包括将由污迹130反射的光朝向虚假反射检测像素126定向的反射体140。反射体140可定位于例如虚假反射检测像素126附近、恰好在主机装置的透射盖132下方。反射体140的存在可通过控制检测反射光的特定反射角度来增强通过虚假反射检测像素126来进行的感测。因此，在不存在污迹130时，来自发射器106的光134可到达模块外部的对象135，并且可由对象135反射，以通过解调检测像素124来感测。污迹130的存在可导致一些发射器光136反射回模块。反射体130可将一些此反射光朝向虚假反射检测像素126重定向。传感器的处理电路可使用通过虚假反射检测像素126感测的强度的变化(即，增加)来确定在透射盖132上存在污迹130和/或补偿由污迹导致的距离误差。

在一些情况下，由透射盖132上的污迹130反射的发射器光导致在盖的相对内部表面132A、132B之间的多次内反射142，如图4中示出。此类光142可例如通过透射盖132中的内反射来反射。然而，一些反射光142穿过例如盖132的传感器侧表面132A。此光144可通过在表面132A与像素126之间耦合的光导146来定向至虚假反射检测像素126。因此，在不存在污迹130时，来自发射器106的光134可到达模块外部的对象135，并且可由对象135反射，以通过解调检测像素124来感测。污迹130的存在可导致一些发射器光136、142反射回到模块。光导146可将此类光144引导至虚假反射检测像素126。传感器的处理电路可使用通过虚假反射检测像素126感测的强度的变化(即，增加)来确定在透射盖132上存在污迹130和/或补偿由污迹导致的距离误差。

图5示出可促进例如主机装置的盖玻璃132上的污迹130的增强检测的光电模块的另一个实行方案。在此实例中，污迹检测区域160界定于盖玻璃132的对象侧(即，外部)表面162上。预先指定的污迹检测区域160位于例如光发射器106(例如，VCSEL)的照明场(FOI)边缘附近，在TOF的解调检测像素124的视场(FOV)外部。如图5进一步示出，一或多个光吸收区域164提供于检测通道无源光学元件120B的材料中或上，以便只留下从盖玻璃132的污迹检测区域160到虚假反射检测像素126的相对窄直路径166。光吸收区域对于由光发射器发射的波长下的光是大致上不透明(即，不透光的)。虽然图5的实例示出两个此类光吸收区域164，但是其他实行方案可只包括单一光吸收区域，而一些实行方案可在检测通道无源光学元件120B的材料中具有超过两个光吸收区域。如果光发射器106发出例如红外线(IR)范围内的光，那么每个光吸收区域164可形成为IR吸收区域，例如，通过激光使无源光学元件120B的指定区域变黑或在无源光学元件120B的指定区域上沉积黑色铬的薄涂层。

图6示出光电模块200，它可帮助阻断由主机装置的盖玻璃132上的污迹130反射的至少一些光170，或由盖玻璃本身反射的光172，并且防止反射光入射到解调检测像素124上。模块200包括与光学发射路径174相交的无源光学元件(例如，透镜)120A，和与光学检测路径176相交的无源光学元件120B(例如，透镜)。在所示实例中，无源光学元件120A、120B均置于透明基板178的表面上。在其他实行方案中，无源光学元件120A、120B可为如例如图1所示的光学构件的一部分。

如图6进一步示出，检测通道的无源光学元件120B包括吸收由发射器106发射的波长下的光的一或多个光吸收区域180。在一些情况下，每个光吸收区域180形成为IR吸收区域，例如，通过激光使无源光学元件120B的指定区域变黑或在无源光学元件120B的指定区域上沉积黑色铬的薄涂层。光吸收区域180可定位于无源光学元件120B上，以便横断并有效地阻断由污迹反射的光170和/或由盖玻璃132反射的光172，否则这些光将入射到解调检测像素124上。另一方面，无源光学元件120B可将由污迹130反射的光的一些部分182朝向虚假反射检测像素126定向。同样，由模块200外部场景中的对象135反射的光可沿着穿过无源光学元件120B并且入射到解调检测像素124上的路径(例如，路径176)来反射。

图7示出光电模块202，其包括一或多个光重定向元件190，所述元件可将入射到检测通道的无源光学元件120B上的一些光192、194朝向虚假反射检测像素126并远离传感器108(即，远离解调检测像素124)来重定向。具体地说，如图7中示出，检测通道的表面光学元件120B可具有将光192、194朝向虚假反射检测像素126重定向的一或多个无源光学元件190，诸如折射或衍射透镜。在一些实行方案中，无源光学元件190整合于光学元件120B中。光重定向元件190可定位于无源光学元件120B上，以便横断并有效地阻断由污迹反射的光192和/或由盖玻璃132反射的光194，否则这些光可入射到解调检测像素124上。另一方面，由模块200外部场景中的对象135反射的光可沿着穿过无源光学元件120B并且入射到传感器的解调检测像素124上的路径(例如，路径176)来反射。

图8示出另一光电模块204，其中发射器通道的无源光学元件120A具有可将一些发射器光174朝向盖玻璃132的外表面132B上的特定区域133来重定向的一或多个光重定向元件196。每个光重定向元件196可为例如无源光学元件诸如折射或衍射元件。在一些实行方案中，光定向元件190整合于光学元件120B中。如果污迹130存在于盖玻璃132的表面132B上，那么由盖玻璃表面的特定区域133处的污迹130反射的光198穿过无源光学元件120B，所述元件将光198朝向虚假反射检测像素126定向。优选地，虚假反射检测像素126位于距传感器108的足够大侧向距离处，使得入射于虚假反射检测像素126上的光只(或至少主要)基于由污迹130反射的光而不是基于由对象135反射的光。检测通道的无源光学元件120B应被设计来将198来自污迹130的光以适当角度定向以使得光198入射到虚假反射检测像素126上。

在一些情况下，前述实例所描述的一个或多个特征可组合于单一模块中。图9示出模块206的一个此类实例，其中发射器通道光学元件122A包括如关于图8所描述的光定向元件196并且检测通道光学元件122B包括如关于图7所描述的光吸收区域180。可提供包括本公开描述的各种特征的其他组合的模组以改进模块在指示来自所关注对象的反射的信号与指示虚假反射的信号之间进行区别的能力。

如上所述，模块可包括与解调检测像素124分离的一或多个专用虚假反射检测像素126。如还描述，模块还可包括一或多个专用参考像素128，其可用于补偿热漂移/或和提供零距离测量(参见，例如，图1)。然而，在一些实行方案中，模块可包括充当组合参考和虚假反射检测像素的像素。实例在图10中示出，包括一或多个像素126A，所述像素输出可由传感器的处理电路用于校正诸如来自污迹的虚假反射并且还可补偿热漂移且/或提供零距离测量。例如，来自像素126A的信号可用于在模块的校准期间确定振幅和相位。在后续操作期间，像素126A的检测信号的振幅的变化可指示存在污迹并可用于校正由污迹导致的虚假反射。同样地，像素126A的检测信号的相移可用于补偿热漂移。

在一些实行方案中，代替专用污迹像素或除此外，从解调检测像素124获得的信号可用于确定由来自盖玻璃132的表面上的污迹130的反射导致的波分量(即，振幅、相位)。为此，由污迹反射导致的波分量可例如通过在两个不同调制频率下的重复测量来估算。假设污迹130与发射器106之间的距离对于模块的处理电路是已知的(例如，基于模块的存储器和/或校准中的以前存储值)，由于存在污迹130所导致的额外波分量可由处理电路来确定。任何此类额外波分量将为由解调检测像素124在两个调制频率下检测的信号所共有的。由污迹130导致的额外波分量可经由已知矢量操作技术来消除(即，减去)，并且可计算由模块外部所关注对象反射的光导致的波分量。所得相移然后可用于计算至对象135的距离。图11是示出如上所述使用两个不同调制频率的各种光分量的相量图300的实例。在图11中，302是由来自污迹的反射所导致的波分量(即，代表振幅、相位的矢量)，304是在低调制频率下从对象反射的光导致的波分量，306是表示在低调制频率下由对象和污迹反射的光的总和的波分量，308是在高调制频率下从对象反射的光导致的波分量，并且310是表示在高调制频率下由对象和污迹反射的光的总和的波分量。图11中的波分量(即，相量)302、304、306、308和310通过对应于在相应调制频率下测量的污迹的已知距离的相位来旋转。在相量图300中，两个相量306、310(分别代表在低和高解调频率下接收的光信号)位于圆上，其中心对应于污迹分量的振幅。因此，矢量操作可用于消除由污迹导致的波分量。

在一些实行方案中，增加所施用调制频率之间的差异可为有利的。此外，在一些情况下，较低频率可由两个DC测量(即，分别将照明接通和关断)来替代。

如前所述，前述的模块和技术可适用于校正由来自盖玻璃、来自滤光器，或来自光电模块或主机装置中的其他光学/非光学组件的反射导致的虚假反射引起的误差。

本文所描述的模块可有利地整合至空间非常宝贵的装置(诸如智能电话、平板和其他主机装置)中。

前述实例可作出各种修改。此外，在一些情况下，来自不同实例的特征可整合于同一模块中。其他实行方案在权利要求书的范围中。