DE112008003102T5

DE112008003102T5 - Näherungssensoren und Verfahren zum Erfassen von Nähe

Info

Publication number: DE112008003102T5
Application number: DE112008003102T
Authority: DE
Inventors: Xijian Fremont Lin; Zhong Campbell Li; Wendy San Jose Ng; Phillip J. Pleasanton Benzel; Oleg Los Altos Steciw
Original assignee: Intersil Americas LLC; Intersil Inc
Current assignee: Intersil Corp; Intersil Americas LLC
Priority date: 2007-11-14
Filing date: 2008-10-23
Publication date: 2010-09-30
Also published as: TWI434610B; KR101241676B1; CN101855512A; WO2009064597A3; TW201427492A; TW200930148A; US7907061B2; KR20100097682A; CN101855512B; WO2009064597A2; US20090121889A1

Abstract

Verfahren zur Verwendung bei der Überwachung der Nähe eines Objektes, umfassend:
(a) Steuern einer Lichtquelle;
(b) Erfassen einer Intensität sowohl von Umgebungslicht als auch von durch die Lichtquelle erzeugtem Licht, das von dem Objekt reflektiert wird, während einer oder mehrerer Zeitperioden;
(c) Erfassen der Intensität des Umgebungslichtes während einer oder mehrerer weiterer Zeitperioden, während die Lichtquelle kein Licht erzeugt; und
(d) Erzeugen eines Ausgangs, der die Intensität des erfassten von der Lichtquelle erzeugten Lichtes, das von dem Objekt reflektiert wird, anzeigt und der das Umgebungslicht einschließlich vorübergehender Veränderungen desselben kompensiert, auf Basis der bei Schritt (b) und (c) erfassten Intensitäten;
wobei der Ausgang zum Schätzen der Nähe des Objektes verwendet werden kann.

Description

PRIORITÄTSANSPRUCH
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der folgenden Anmeldungen: vorläufige US-Patentanmeldung Nr. 60/988,047 mit dem Titel ”Proximity Sensors and Methods for Sensing Proximity”, eingereicht am 14. November 2007, und US-Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 12/101,047 mit dem Titel ”Proximity Sensors and Methods for Sensing Proximity”, eingereicht am 10. April 2008.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst ein Näherungssensor einen Treiber, eine Fotodiode (PD) und einen Analog-Digital-Konverter (ADC). Außerdem kann der Näherungssensor eine Steuerung zum Steuern des Treibers umfassen. Der Treiber betreibt selektiv eine Lichtquelle, z. B. eine Infrarot-(IR-)-Licht emittierende Diode (LED). Die PD, die ein Stromsignal erzeugt, das die Intensität von durch die PD erfasstem Licht anzeigt, ist in der Lage, sowohl Umgebungslicht als auch von der Lichtquelle erzeugtes Licht zu erfassen, das von einem Objekt reflektiert wird. Der ADC empfängt einen oder mehrere Teile des von der PD erzeugten Stromsignals. Der ADC erzeugt einen oder mehrere digitale Ausgänge, die dazu verwendet werden können, die Nähe eines Objektes zu der PD zu schätzen, in einer Weise, die von der PD erfasstes Umgebungslicht und vorübergehende Veränderungen des erfassten Umgebungslichtes kompensiert.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Verwendung bei der Überwachung der Nähe eines Objektes das Erfassen einer Intensität sowohl von Umgebungslicht als auch von durch eine Lichtquelle erzeugtem Licht, das von dem Objekt reflektiert wird, während einer oder mehrerer Zeitperioden. Während einer oder mehrerer weiterer Zeitperioden wird die Intensität des Umgebungslichtes erfasst. Auf Basis der erfassten Intensitäten kann ein Ausgang erzeugt werden, der die Intensität des erfassten von der Lichtquelle erzeugten Lichtes anzeigt, das von dem Objekt reflektiert wird, wobei der Einfluss des Umgebungslichtes und vorübergehender Veränderungen desselben im Wesentlichen beseitigt ist. Ein solcher Ausgang kann zum Schätzen der Nähe des Objektes verwendet werden.
Weitere und alternative Ausführungsformen sowie die Merkmale, Aspekte und Vorteile der Ausführungsformen der Erfindung werden aus der unten stehenden detaillierten Beschreibung, den Zeichnungen und den Patentansprüchen besser ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A zeigt das Spektrum verschiedener Lichttypen.
1B zeigt eine exemplarische Spektralantwort einer Infrarot-(IR-)-Fotodiode.
2 zeigt einen monolithischen, kostengünstigen Niedrigleistungs-IR-Näherungssensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem entsprechenden möglichen Zeitdiagramm.
3 zeigt eine exemplarische Spektralantwort der Fotodiode (PD) des Näherungssensors aus 2.
4 zeigt eine Implementierung des Analog-Digital-Konverters (ADC) des Näherungssensors aus 2 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem entsprechenden möglichen Zeitdiagramm.
5 zeigt einen monolithischen Näherungssensor gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem entsprechenden möglichen Zeitdiagramm.
6 zeigt einen monolithischen Näherungssensor gemäß wiederum einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem entsprechenden möglichen Zeitdiagramm.
7 zeigt einen ADC mit dualem Eingang und einfachem Ausgang, der als der ADC in dem Näherungssensor aus 6 verwendbar ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt einen weiteren ADC mit dualem Eingang und einfachem Ausgang, der als der ADC in dem Näherungssensor aus 6 verwendbar ist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt ein Schema des 1-Bit-Digital-Analog-Konverters (DAC) gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der in dem ADC aus 8 verwendbar ist.
10 ist ein Ablaufdiagramm hoher Ebene, mit dem verschiedene Verfahren zur Bestimmung der Nähe eines Objektes gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zusammengefasst werden.
11 ist ein Blockdiagramm hoher Ebene eines Systems gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
HINTERGRUND
Infrarot-(IR-)-Näherungssensoren werden in Mobiltelefon- und Handgerätanwendungen immer beliebter. Beispielsweise kann der Sensor zum Steuern einer Berührungsbildschirm-Benutzeroberfläche für tragbare elektronische Geräte verwendet werden. Wenn ein Objekt, etwa der Finger einer Person, sich nähert, erfasst der Sensor das Objekt. Wenn das Objekt erfasst ist, kann eine Berührungsbildschirm-Benutzeroberfläche oder dergleichen eine Aktion durchführen, beispielsweise das Aktivieren oder Deaktivieren eines Hintergrundlichtes der Anzeige, das Anzeigen eines ”virtuellen Scrollrads”, Navigationsfeldes oder virtuellen Tastenfeldes usw.
Ein herkömmlicher IR-Näherungssensor mit Analogausgang umfasst typischerweise diskrete Bauteile, einschließlich einer Infrarot-(IR-)-Licht emittierenden Diode (LED), eines Schalters zum Ein- und Ausschalten der IR-LED und einer IR-Fotodiode (PD). Im normalen Betrieb führt der Schalter der IR-LED Strom zu. Das von der IR-LED emittierte IR-Licht (oder wenigstens ein Teil des IR-Lichtes) wird von einem Objekt reflektiert, wenn ein solches vorhanden ist, und von der PD empfangen. Die PD konvertiert das reflektierte Licht sowie Umgebungslicht in einen Strom, der an einen zu der Fotodiode parallel geschalteten Widerstand geht. Der analoge Ausgang ist die Spannung über den Widerstand. Die Intensität des von der Fotodiode empfangenen reflektierten IR-Lichtes wird mit einer Geschwindigkeit von ca. 1/(4·X^2) verringert, wobei X die Distanz zwischen dem Objekt und der PD ist. Wie gerade erwähnt, enthält jedoch das gesamte von der PD empfangene IR-Licht auch Umgebungs-IR-Licht, das aus Sonnenlicht, Halogenlicht, Glühlampenlicht, Fluoreszenzlicht usw. stammen kann. 1A zeigt das Spektrum dieser unterschiedlichen Lichttypen.
Um das Signal-Rausch-Verhältnis des Sensors zu verbessern, ist die PD des herkömmlichen Näherungssensors mit Analogausgang typischerweise mit einem relativ großen Sensorbereich und mit einem speziellen Baustein ausgebildet, der ein schmales Bandpassfilter aufweist, wobei die Spitze bei der Emissionswellenlänge der IR-LED liegt. Eine typische Spektralantwort einer solchen IR-PD ist in 1B gezeigt. Außerdem wird, um das Signal- Rausch-Verhältnis zu verbessern, typischerweise eine relativ hohe Stromstärke zum Betreiben der IR-LED verwendet, um ein stärkeres IR-Lichtsignal zu emittieren. Durch die Verwendung des großen Sensorbereichs, des speziellen Bausteins und der hohen Stromstärke sind solche herkömmlichen IR-Näherungssensoren für Mobiltelefon- und andere Handgerätanwendungen ungeeignet oder jedenfalls nicht optimal.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
2 zeigt einen monolithischen, kostengünstigen Niedrigleistungs-Näherungssensor 200 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der einen monolithischen Chip mit einer CMOS-integrierten Fotodiode 202, einem Analog-Digital-Konverter (ADC) 204, einem IR-LED-Treiber 206 und einer Zeitsteuerung 208 aufweist. Der IR-LED-Treiber 206, der von der Zeitsteuerung 208 gesteuert wird, betreibt selektiv eine externe IR-LED 210. Gemäß spezifischen Ausführungsformen ist die Fotodiode (PD) 202 eine gewöhnliche PN-Übergangs-Diode ohne Spektralfilter. Eine typische Spektralantwort einer solchen PD ist in 3 gezeigt. 4 zeigt eine mögliche Implementierung des ADC 204 und insbesondere einen ladungsausgeglichenen ADC 404.
Ein Vorteil des Sensors 200 aus 2 ist, dass durch die Bereitstellung direkter Konversion eines Fotostroms in einen digitalen Ausgang mit der Ausgangsmodulation des IR-LED-Treibers relativ geringe Stromsignale mit niedrigem Offset und hoher Auflösung verarbeitet werden können. Das Funktionsprinzip des Sensors 200 ist gemäß einer spezifischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das folgende:

– Während einer 1. Konversionszeit ist der IR-LED-Treiber 206 ausgeschaltet (d. h. der Schalter S0 in 2 ist offen), und entsprechend ist die externe IR-LED 210 ausgeschaltet (d. h. sie erzeugt kein IR-Licht). Der Ausgang des ADC 204 (DATEN1) zeigt die Intensität des Umgebungslichtes an (ist z. B. proportional dazu); und
– während einer 2. Konversionszeit ist der IR-LED-Treiber 206 eingeschaltet (d. h. der Schalter S0 ist geschlossen), und entsprechend ist die externe IR-LED 210 eingeschaltet (d. h. sie erzeugt IR-Licht).

Der Ausgang des ADC 204 (DATEN2) zeigt die Intensität des Umgebungslichtes und empfangenen IR-Lichtes aus der IR-LED 210 an (ist z. B. proportional dazu), das zu der PD 202 reflektiert und von ihr erfasst wird. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn sich kein Objekt in der Nähe des Sensors 200 befindet, im Wesentlichen kein von der IR-LED 210 erzeugtes IR-Licht zurück zu der PD reflektiert werden sollte und somit in diesem Zustand der Ausgang des ADC 204 (DATEN2) wiederum die Intensität des Umgebungslichtes anzeigt (z. B. proportional dazu ist). Bevorzugt sind daher die IR-LED 210 und die PD 202 relativ zueinander so angeordnet, dass kein IR-Licht direkt von der IR-LED 210 zu der PD 202 gelangen kann; vielmehr sollte die PD 202 bevorzugt nur Licht aus der IR-LED 210 erfassen, das von einem Objekt 201 in der Nähe des Sensors 200 reflektiert worden ist. Gemäß seiner vorliegenden Verwendung bedeutet der Ausdruck ”Umgebungslicht” Hintergrundlicht, d. h. in einer Innenraum- oder Außenumgebung bereits existierendes Licht, das nicht durch von der IR-LED 210 erzeugtes Licht verursacht ist. Solches Umgebungslicht umfasst Strahlung über einen breiten Wellenlängenbereich einschließlich IR-Wellenlängen.
Die Werte DATEN1 und DATEN2 können gespeichert werden (z. B. in einem Speicher 220, bei dem es sich um RAM, EPROM, Register usw. handeln kann), so dass ihre Subtraktion (z. B. durch einen Prozessor 230 oder digitale Subtraktionsschaltungen) ermöglicht wird. Der Wert DATEN1 zeigt die Intensität von Umgebungslicht an (das aus verschiedenen Lichtquellen entstehen kann, beispielsweise den in 1A gezeigten, und sowohl sichtbares als auch IR-Licht enthalten kann, wie aus dem in 3 gezeigten PD-Spektrum ersichtlich). Der Wert DATEN2 zeigt die Intensität sowohl des Umgebungslichtes als auch des von der IR-LED 210 erzeugten IR-Lichtes an, das von einem Objekt reflektiert und von der PD 202 erfasst wurde. Die Subtraktion kann eine gewichtete Subtraktion sein, z. B. wenn die 1. und die 2. Konversionszeit nicht dieselbe Dauer haben. Ändert sich das Umgebungslicht während der 1. und 2. Konversionszeiten nicht, so ergibt die Subtraktion DATEN2–DATEN1 einen Wert, der im Wesentlichen nur zu der Intensität des empfangenen IR-Lichtes aus der IR-LED proportional ist (d. h. der Einfluss des Umgebungslichtes wird heraussubtrahiert) und der steigen sollte, während ein Objekt sich dem Sensor 200 nähert und sich insbesondere der PD 202 nähert. Umgekehrt sollte der Wert von DATEN2–DATEN1 sich verringern, während ein Objekt sich von dem Sensor 200 entfernt. Entsprechend kann der Wert von DATEN2–DATEN1 zur Schätzung der Nähe des Objektes verwendet werden.
Wie in dem Zeitdiagramm aus 2 gezeigt, wechseln die DATEN1- und DATEN2-Ausgänge aus dem ADC 204 einander ab. Es kann eine Vielzahl von Werten (erzeugt durch Subtrahieren von DATEN1 von DATEN2) bestimmt und dann addiert werden (z. B. mit einem Integrator oder Akkumulator integriert oder akkumuliert werden), und der summierte Wert kann zur Schätzung der Nähe eines Objektes verwendet werden. Alternativ kann eine Vielzahl von Werten (erzeugt durch Subtrahieren von DATEN1 von DATEN2) bestimmt und dann gemittelt werden, und der gemittelte Wert kann zum Schätzen der Nähe eines Objektes verwendet werden. In einer weiteren Ausführungsform kann eine Vielzahl von DATEN1-Werten addiert werden (z. B. mit einem Integrator oder Akkumulator integriert oder akkumuliert werden), um ein summiertes DATEN1 zu erzeugen, eine Vielzahl von DATEN2-Werten kann addiert werden, um ein summiertes DATEN2 zu erzeugen, und das summierte DATEN kann dann von dem summierten DATEN2 subtrahiert werden, um einen Wert zu erzeugen, der zum Schätzen der Nähe eines Objektes verwendbar ist. In wiederum einer weiteren Ausführungsform kann eine Vielzahl von DATEN1-Werten gemittelt werden, um einen gemitteltes DATEN1 zu erzeugen, eine Vielzahl von DATEN2-Werten kann gemittelt werden, um ein gemitteltes DATEN2 zu erzeugen, und das gemittelte DATEN1 kann dann von dem gemittelten DATEN2 subtrahiert werden, um einen Wert zu erzeugen, der zum Schätzen der Nähe eines Objektes verwendbar ist. Dies sind nur einige Beispiele, die nicht einschränkend sein sollen.
Solange das Umgebungslicht sich im Verlauf der 1. und 2. Konversionszeiten nicht verändert, kann die Ausführungsform aus 2 hohe Empfindlichkeit für die Erfassung von Nähe bereitstellen, und zwar auch dann, wenn viel Umgebungslicht vorhanden ist, da der ADC 204 eine ausreichend hohe Anzahl Datenbits bereitstellen kann. Bei Mobiltelefon- und Handgerätanwendungen können Umgebungsveränderungen jedoch relativ schnell auftreten, so dass sich vorübergehende Veränderungen des Umgebungslichtes ergeben.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Konversionszeiten und DATEN-Werte unterschiedlich gezählt sein können. Anders ausgedrückt: Es kann sein, dass während einer 1. Konversionszeit die IR-LED 210 eingeschaltet ist und während einer 2. Konversionszeit die IR-LED ausgeschaltet ist. Unter Verwendung dieser Zählung würde der Wert DATEN1 die Intensität sowohl des Umgebungslichtes als auch des von der IR-LED 210 erzeugten IR-Lichtes anzeigen, das reflektiert und von der PD 202 erfasst wurde, und der Wert DATEN2 würde die Intensität des Umgebungslichtes anzeigen. Zum Schätzen der Nähe des Objektes könnte hier der Wert von DATEN1–DATEN2 verwendet werden.
5 zeigt einen monolithischen Näherungssensor 500 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier werden zwei ADCs 204₁ und 204₂ verwendet, und der IR-LED-Treiber 206 wird ein- und ausgeschaltet, z. B. mit einem Arbeitszyklus von 50%. Jede Einschaltzeit umfasst M Taktperioden, wobei M eine Ganzzahl (1, 2, 3 ...) ist. Der Ausgangsstrom der Fotodiode 202 wird entsprechend dem Zeitdiagramm zwischen den Eingängen der beiden ADCs 204₁ und 204₂ umgeschaltet. Mit dieser Dual-ADC- Architektur und diesem Schaltzeitschema wird die Wirkung der Umgebungslichtveränderung im Wesentlichen beseitigt. In dieser Ausführungsform kann zur Kompensation einer Verstärkungs-Fehlanpassung zwischen den beiden ADCs 204₁ und 204₂ , die Fehler bei der Erfassung von Nähe verursachen kann, eine Trimmschaltung zur Verbesserung der Verstärkungsanpassung verwendet werden. Der ladungsausgeglichene ADC 404, dargestellt in 4, kann zur Implementierung der beiden ADCs 204₁ und 204₂ verwendet werden.
6 zeigt einen monolithischen Näherungssensor 600 gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hier wird ein ADC 604 mit dualem Eingang und einfachem Ausgang verwendet. In spezifischen Ausführungsformen kann der ADC 604 mit dualem Eingang und einfachem Ausgang duale Integratoren aufweisen, wodurch jede Notwendigkeit einer Trimmschaltung eliminiert würde. Der Ausgang des ADC 604 ist im Wesentlichen nur zu der Intensität des empfangenen IR-Lichtes, das von der IR-LED 210 emittiert wird, proportional (d. h. die Wirkung des Umgebungslichtes ist im Wesentlichen beseitigt).
7 zeigt eine Ausführungsform eines für den ADC 604 in 6 verwendbaren ADC 702 mit dualem Eingang und einfachem Ausgang. 8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines für den ADC 604 in 6 verwendbaren ADC 804 mit dualem Eingang und einfachem Ausgang. Neben den in 7 und 8 gezeigten sind auch alternative Ausführungsformen eines ADC mit dualem Eingang und einfachem Ausgang möglich und liegen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Idealerweise realisiert der ADC mit dualem Eingang und einfachem Ausgang im Strommodus folgende Funktion: Daten = ((Iin1 – Iin2)/Iref)·2^N (1).
Dabei ist Daten der digitale Ausgang des ADC, N ist die Anzahl Bits im Ausgang des ADC, Iref ist der Referenzstrom und Iin1 und Iin2 sind die dualen Stromeingänge.
Mit Bezug auf 7 ist der ADC 702 mit dualem Eingang und einfachem Ausgang gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit zwei der herkömmlichen ADCs mit einfachem Eingang (ADC 704₁ und ADC 704₂ ) sowie einer digitalen Subtraktionsschaltung 708 implementiert. Der Ausgang lässt sich ausdrücken als Daten = (Iin1/Iref1 – Iin2/Iref2)·2^N (2).
Dabei sind Iin1 und Iin2 die Eingangsströme für den ADC 704₁ bzw. den ADC 704₂ , und Iref1 und Iref2 sind die Referenzströme der ADCs. Um die durch Gleichung (1) gegebene Funktion aus Gleichung (2) zu realisieren, sollte zur Verstärkungsanpassung, d. h. zur Anpassung von Iref1 an Iref2, eine Trimmschaltung verwendet werden. Je höher die Auflösung des ADC (d. h. je größer die Zahl der Ausgangsbits), desto schwieriger wäre die Implementierung einer solchen Trimmschaltung.
Die oben eingeführte 4 zeigt einige exemplarische Details des ADC 704₁ und des ADC 704₂ , wobei jeder ADC als herkömmlicher ADC 404 mit einfachem Eingang implementiert ist, der auf der Ladungsausgleichstechnik beruht. Wie in 4 gezeigt, kann jeder ADC einen Integrator 412, einen Komparator 414, ein D-Flipflop (dff) 416 und einen Zähler 418 aufweisen. Für jede Daten-(d. h. Analog-digital-)-Konversion mit N Bits werden 2^N Taktperioden benötigt. Während jeder Konversionszeit wird die Anzahl der 1en aus dem dff 416 gezählt, und für jede entsprechende 1 wird dem Integrator 412 eine Ladung von Tclock·Iref zugeführt. Dabei ist Tclock die Taktperiode und Iref ist der Referenzstrom. Entsprechend der Ladungserhaltung: Iin·Tclock·2^N = Iref·Tclock·Daten (3).
Dabei ist Iin der Eingangsstrom und Daten ist der Ausgang des Zählers. Die linke Seite der Gleichung steht für die gesamte durch den Eingangsstrom von dem Integrator entfernte Ladung, und die rechte Seite steht für die gesamte durch den Referenzstrom dem Integrator zugeführte Ladung. Aus (3) lässt sich der digitale Ausgang ausdrücken als Daten = (Iin/Iref)·2^N (4).
8 zeigt die Architektur des mit dualen Integratoren implementierten ADC 804 mit dualem Eingang und einfachem Ausgang entsprechend einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie oben erwähnt, kann der ADC 804 mit dualem Eingang zur Implementierung des ADC 604 mit dualem Eingang in 6 verwendet werden. Der ADC 804 realisiert die durch (1) gegebene Funktion und behebt gleichzeitig jede Notwendigkeit einer Trimmschaltung. Der ADC 804 ist mit einem Paar Integratoren 412_A und 412_B , einem Paar Komparatoren 414_A und 414_B , einem Paar D-Flipflops 416_A und 416_B sowie einem Aufwärts-Abwärts-Zähler 818 dargestellt. Der ADC 404 ist auch mit einem 1-Bit-DAC 820 und einer Zeitverzögerung 822 dargestellt. Die Funktionsweise des ADC 404 wird unten beschrieben. Der Einfachheit halber sei angenommen, dass M = 1:

– Bei SCHALTER = H ist der Ausgang aus dem Komparator 414_A , der den Ausgang des Integrators 412_A mit einer Vorspannung (vbias) vergleicht, aktiviert. Wenn eine 1 aus dem Ausgang des Komparators 414_A von dem dff 416_A an der Abfallflanke des Taktes zwischengespeichert wird, wird eine Ladung von 2·Iref·Tclock dem Integrator 412_A zugeführt; gleichzeitig wird die 1 von dem Aufwärts-Abwärts-Zähler 818 aufwärts gezählt.
– Bei SCHALTER = L ist der Ausgang aus dem Komparator 414_B , der den Ausgang des Integrators 412_B mit derselben Vorspannung (vbias) vergleicht, aktiviert. Wenn eine 1 aus dem Ausgang des Komparators 414_B von dem dff 416_B an der Abfallflanke des Taktes zwischengespeichert wird, wird eine Ladung von 2·Iref·Tclock dem Integrator 412_B zugeführt; gleichzeitig wird die 1 von dem Aufwärts-Abwärts-Zähler 818 abwärts gezählt.

Für jede Konversion lassen sich die Zahlen der Aufwärts- und Abwärtszählungen ausdrücken als IinA·Tclock·2^(N + 1) = (2·Iref)·Tclock·AUFWÄRTS (5) IinB·Tclock·2^(N + 1) = (2·Iref)·Tclock·ABWÄRTS (6).
Entsprechend (5) und (6) lässt sich der Ausgang des Aufwärts-Abwärts-Zählers 818 ausdrücken als Daten = AUFWÄRTS – ABWÄRTS = (Iin1/Iref)·2^N – (Iin2/Iref)·2^N = ((Iin1 – Iin2)/Iref)·2^N (7).
Gemäß einer Ausführungsform kann anstelle des Aufwärts-Abwärts-Zählers 818 ein Akkumulator verwendet werden.
9 zeigt ein Schema des 1-Bit-DAC (Digital-Analog-Konverters) 820 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, der drei Ausgänge erzeugt und der bei der ADC-Architektur mit dualen Integratoren sinnvoll ist. CtrlA wird zum Lenken des Referenzstroms zwischen den Ausgängen von vbias und IoutA verwendet; CtrlB wird zum Lenken des Referenzstroms zwischen dem Ausgang von vbias und IoutB verwendet. Wenn CtrlA = 1 und CtrlB = 0, fließt der Strom von Iref*2 zu IoutA. Wenn CtrlA = 0 und CtrlB = 1, fließt der Strom von Iref*2 zu IoutB. Wenn CtrlA = 0 und CtrlB = 0, fließt der Strom von Iref*2 zu Vbias. Wiederum unter Bezugnahme auf 8 gibt es keinen Fall, in dem CtrlA = 1 und CtrlB = 1, d. h. keinen Fall, in dem beide in Block 820 dargestellten Schalter geschlossen sind. Wieder unter Bezugnahme auf 9 werden das INVERTIERER-Gatter und zwei quergekoppelte NOR-Gatter zu CtrlA oder CtrlB zum Erzeugen zweier Paare einander überlappender Takte verwendet, um das Abschneiden des Referenzstroms während des Lenkvorgangs zu verhindern. Die drei ODER-Gatter werden zum Anpassen der Zeitverzögerungen von überlappenden Takten für jedes Paar verwendet. Alternative Ausgestaltungen des 1-Bit-DAC 820 sind möglich und liegen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung.
Die Verwendung alternativer Lichtquellen, d. h. neben einer LED, liegt innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung. Zum Beispiel kann zum Erzeugen von Licht anstelle einer LED eine Laserdiode verwendet werden. Alternativ kann eine Glühlampe anstelle einer LED verwendet werden. Dies sind nur einige Beispiele, die nicht einschränkend sein sollen. In den oben beschriebenen Ausführungsformen wurde die Lichtquelle (z. B. die LED 210) als IR-Licht erzeugend beschrieben. In alternativen Ausführungsformen kann eine gesteuerte Lichtquelle alternative Lichtwellenlängen erzeugen; beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, Licht im sichtbaren Spektrum (z. B. blaues, grünes oder rotes Licht).
Das Ablaufdiagramm hoher Ebene aus 10 dient der Beschreibung verschiedener Verfahren gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zur Verwendung bei der Überwachung der Nähe eines Objektes. Mit Bezug auf 10 wird bei Schritt 1000 eine Lichtquelle gesteuert, z. B. unter Verwendung einer Steuerung und/oder eines Treibers. Beispielsweise kann, wie oben beschrieben, die Lichtquelle selektiv ein- und ausgeschaltet werden. Bei Schritt 1002 wird während einer oder mehrerer Zeitperioden eine Intensität sowohl von Umgebungslicht als auch von durch die Lichtquelle erzeugtem Licht erfasst, das von dem Objekt reflektiert wird. Bei Schritt 1004 wird während einer oder mehrerer weiterer Zeitperioden die Intensität des Umgebungslichtes erfasst, während die Lichtquelle kein Licht erzeugt. Zum Beispiel können Erfassungsperioden des Schrittes 1002 und Erfassungsperioden der Zeit 1004 gemischt sein, wie oben beschrieben. Bei Schritt 1006 wird auf Basis der bei Schritt 1002 und 1004 erfassten Intensitäten ein Ausgang erzeugt, der die Intensität des erfassten von der Lichtquelle erzeugten Lichtes, das von dem Objekt reflektiert wird, anzeigt und der das Umgebungslicht einschließlich vorübergehender Veränderungen desselben kompensiert. Bevorzugt wird der Einfluss des Umgebungslichtes im Wesentlichen beseitigt, so dass das Umgebungslicht Schätzungen der Nähe des Objektes, die bei Schritt 1008 bestimmt werden können, nicht beeinflusst. Beispielsweise kann bei Schritt 1008 der bei Schritt 1006 erzeugte Ausgang mit einem oder mehreren Schwellenwerten verglichen werden, um die Nähe des Objektes zu schätzen. Gemäß bestimmten Ausführungsformen kann der Ausgang bei Schritt 1006 erzeugt werden, indem die bei Schritt 1004 erfasste Intensität von der bei Schritt 1002 erfassten Intensität subtrahiert wird. Eine solche Subtraktion kann eine gewichtete Subtraktion sein. Gemäß spezifischen Ausführungsformen wird ein Analog-Digital-Konverter (ADC) mit dualem Eingang und einfachem Ausgang zur Erzeugung des Ausgangs verwendet, der zur Schätzung der Nähe des Objektes verwendet werden kann, wie oben z. B. mit Bezug auf 6 und 8 beschrieben.
Näherungssensoren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in verschiedenen System verwendbar, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Mobiltelefone und Handgeräte. Mit Bezug auf das System 1100 aus 11 kann ein Näherungssensor (z. B. 200, 500 oder 600) beispielsweise verwendet werden, um zu steuern, ob ein Subsystem 1106 (z. B. ein Berührungsbildschirm, Hintergundlicht, virtuelles Scrollrad, virtuelles Tastenfeld, Navigationsfeld usw.) aktiviert oder deaktiviert wird. Zum Beispiel kann der Näherungssensor erfassen, wenn ein Objekt wie etwa der Finger einer Person sich nähert, und auf Basis der Erfassung ein Subsystem 1106 aktivieren (oder deaktivieren). Insbesondere können ein oder mehrere Ausgänge des Näherungssensors (z. B. 200, 500 oder 600) einem Komparator oder Prozessor 1104 zugeführt werden, der z. B. den Ausgang bzw. die Ausgänge des Näherungssensors mit einem Schwellenwert vergleichen kann, um zu bestimmen, ob sich das Objekt innerhalb eines Bereiches befindet, bei dem das Subsystem 1106 zu aktivieren ist (oder zu deaktivieren ist, je nachdem, was gewünscht wird). Es können mehrere Schwellenwerte verwendet werden, und auf Basis der erfassten Nähe eines Objektes kann mehr als eine mögliche Reaktion eintreten. Zum Beispiel kann eine erste Reaktion eintreten, wenn ein Objekt sich innerhalb eines ersten Nähebereiches befindet, und eine zweite Reaktion kann eintreten, wenn das Objekt sich in einem zweiten Nähebereich befindet.
Oben sind zwar verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden, es versteht sich jedoch, dass sie als Beispiele und nicht einschränkend angeführt wurden. Für den einschlägigen Fachmann ist ersichtlich, dass verschiedene Änderungen an Form und Details derselben vorgenommen werden können, ohne den Gedanken und Umfang der Erfindung zu verlassen.
Breite und Umfang der vorliegenden Erfindung sind durch keine der oben beschriebenen exemplarischen Ausführungsformen in irgendeiner Weise einzuschränken, sondern sind nur entsprechend den folgenden Ansprüchen und ihren Äquivalenten zu bestimmen.
Zusammenfassung
Ein Näherungssensor weist in einer Ausführungsform einen Treiber, eine Fotodiode (PD) und einen Analog-Digital-Konverter (ADC) auf. Der Näherungssensor kann auch eine Steuerung zum Steuern des Treibers aufweisen. Der Treiber betreibt selektiv eine Lichtquelle, z. B. eine Infrarot-(IR-)-Licht emittierende Diode (LED). Die PD, die ein Stromsignal erzeugt, das die Intensität von durch die PD erfasstem Licht anzeigt, ist in der Lage, sowohl Umgebungslicht als auch von der Lichtquelle erzeugtes Licht zu erfassen, das von einem Objekt reflektiert wird. Der ADC empfängt einen oder mehrere Teile des von der PD erzeugten Stromsignals. Der ADC erzeugt einen oder mehrere digitale Ausgänge, die zum Schätzen der Nähe eines Objektes zu dem PD verwendet werden können, in einer Weise, die von der PD erfasstes Umgebungslicht und vorübergehende Veränderungen des erfassten Umgebungslichtes kompensiert.

Claims

Verfahren zur Verwendung bei der Überwachung der Nähe eines Objektes, umfassend: (a) Steuern einer Lichtquelle; (b) Erfassen einer Intensität sowohl von Umgebungslicht als auch von durch die Lichtquelle erzeugtem Licht, das von dem Objekt reflektiert wird, während einer oder mehrerer Zeitperioden; (c) Erfassen der Intensität des Umgebungslichtes während einer oder mehrerer weiterer Zeitperioden, während die Lichtquelle kein Licht erzeugt; und (d) Erzeugen eines Ausgangs, der die Intensität des erfassten von der Lichtquelle erzeugten Lichtes, das von dem Objekt reflektiert wird, anzeigt und der das Umgebungslicht einschließlich vorübergehender Veränderungen desselben kompensiert, auf Basis der bei Schritt (b) und (c) erfassten Intensitäten; wobei der Ausgang zum Schätzen der Nähe des Objektes verwendet werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Schritt (b) umfasst, die Intensität sowohl von Umgebungslicht als auch von durch die Lichtquelle erzeugtem Licht, das von dem Objekt reflektiert wird, während einer ersten Vielzahl von Zeitperioden zu erfassen; und Schritt (c) umfasst, die Intensität des Umgebungslichtes während einer zweiten Vielzahl von Zeitperioden zu erfassen; wenigstens einige aus der ersten Vielzahl von Zeitperioden aus Schritt (b) mit wenigstens einigen aus der zweiten Vielzahl von Zeitperioden aus Schritt (c) gemischt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Schritt (d) umfasst, den Ausgang durch Subtrahieren eines oder mehrerer Werte, welcher bzw. welche die bei Schritt (c) erfasste Intensität anzeigen, von einem oder mehreren Werten, welcher bzw. welche die bei Schritt (b) erfasste Intensität anzeigen, zu erzeugen.
Verfahren gemäß Anspruch 3, wobei das Subtrahieren ein gewichtetes Subtrahieren sein kann.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Schritt (d) aufweist: Erhöhen eines Zählwertes eines Aufwärts-Abwärts-Zählers oder eines Akkumulators auf Basis der bei Schritt (b) erfassten Intensität; und Verringern eines Zählwertes des Aufwärts-Abwärts-Zählers oder des Akkumulators auf Basis der bei Schritt (c) erfassten Intensität; wobei der bei Schritt (d) erzeugte Ausgang ein Ausgang des Aufwärts-Abwärts-Zählers oder des Akkumulators ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Schritt (d) aufweist, einen Analog-Digital-Konverter (ADC) mit dualem Eingang und einfachem Ausgang zu verwenden, um den Ausgang zu erzeugen, der zum Schätzen der Nähe des Objektes verwendet werden kann.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Schritt (a) aufweist, während der einen oder mehreren Zeitperioden Infrarot-(IR-)-Licht zu erzeugen; Schritt (b) aufweist, während der einen oder mehreren Zeitperioden die Intensität sowohl von Umgebungslicht als auch des erzeugten IR-Lichtes, das von dem Objekt reflektiert wird, zu erfassen; und Schritt (c) aufweist, während der einen oder mehreren weiteren Perioden die Intensität des Umgebungslichtes zu erfassen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend: (e) Vergleichen des bei Schritt (d) erzeugten Ausgangs mit einem oder mehreren Schwellenwerten, um die Nähe des Objektes zu schätzen.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Schritt (a) umfasst, selektiv eine Infrarotlicht emittierende Diode (IR-LED) zu betreiben; und Schritt (b) umfasst, Licht an einer Fotodiode (PD) zu erfassen; wobei während der einen oder mehreren Zeitperioden aus Schritt (b) die Intensität des von der PD erfassten Lichtes sowohl Umgebungslicht als auch von einer IR-LED erzeugtes IR-Licht, das von dem Objekt reflektiert wird, anzeigt; und wobei während der einen oder mehreren Zeitperioden aus Schritt (c) die Intensität des von der PD erfassten Lichtes die Intensität des Umgebungslichtes anzeigt.
Näherungssensor, umfassend: einen Treiber zum selektiven Betreiben einer Lichtquelle; eine Fotodiode (PD), die ein Stromsignal erzeugt, welches die Intensität von durch die PD erfasstem Licht anzeigt, wobei die PD in der Lage ist, Umgebungslicht zu erfassen und von der Lichtquelle erzeugtes Licht zu erfassen, das von einem Objekt reflektiert wird; und einen Analog-Digital-Konverter (ADC), der einen oder mehrere Teile des von der PD erzeugten Stromsignals empfängt; wobei der ADC einen oder mehrere digitale Ausgänge, der bzw. die zum Schätzen der Nähe eines Objektes zu der PD verwendet werden können, in einer Weise erzeugt, die das von der PD erfasste Umgebungslicht und vorübergehende Veränderungen des erfassten Umgebungslichtes kompensiert.
Näherungssensor gemäß Anspruch 10, wobei, wenn der Treiber die Lichtquelle betreibt, der ADC einen oder mehrere erste digitale Werte erzeugt, welcher bzw. welche sowohl die Intensität von durch die PD erfasstem Umgebungslicht als auch eine Intensität des von der Lichtquelle erzeugten Lichtes, das von einem Objekt reflektiert und von der PD erfasst wird, anzeigen; und, wenn der Treiber die Lichtquelle nicht betreibt, der ADC einen oder mehrere zweite digitale Werte erzeugt, welcher bzw. welche die Intensität des von der PD erfassten Umgebungslichtes anzeigen.
Näherungssensor gemäß Anspruch 11, wobei eine Differenz zwischen den ersten und zweiten digitalen Werten die Intensität des von der Lichtquelle erzeugten Lichtes, das von dem Objekt reflektiert und von der PD erfasst wird, anzeigt; und die Differenz zwischen den ersten und zweiten digitalen Werten zum Schätzen der Nähe des Objektes relativ zu der PD verwendet werden kann.
Näherungssensor gemäß Anspruch 10, wobei der ADC einen ADC mit dualem Eingang und einfachem Ausgang umfasst; ein erster Eingang des ADC einen oder mehrere Teile des Stromsignals, erzeugt von der PD, empfängt, welcher bzw. welche sowohl die Intensität von durch die PD erfasstem Umgebungslicht als auch die Intensität des von der Lichtquelle erzeugten Lichtes, das von einem Objekt reflektiert und von der PD erfasst wird, anzeigen; und ein zweiter Eingang des ADC einen oder mehrere weitere Teile des Stromsignals, erzeugt von der PD, empfängt, welcher bzw. welche die Intensität des von der PD erfassten Umgebungslichtes anzeigen.
Näherungssensor gemäß Anspruch 13, wobei der ADC mit dualem Eingang und einfachem Ausgang umfasst: ein Paar Integratoren; ein Paar Komparatoren und einen 1-Bit-Digital-Analog-Konverter (DAC), der drei Ausgänge einschließlich eines ersten Referenzstroms, der einem der Integratoren zugeführt wird, eines zweiten Referenzstroms, der dem anderen Integrator zugeführt wird, und einer Referenzspannung, die den Komparatoren zugeführt wird, erzeugt.
Näherungssensor gemäß Anspruch 13, wobei der ADC mit dualem Eingang und einfachem Ausgang einen Aufwärts-Abwärts-Zähler aufweist, der selektiv aufwärts oder abwärts zählt, um dadurch an dem einfachen Ausgang einen digitalen Wert zu erzeugen, der die Intensität des von der Lichtquelle erzeugten Lichtes, das von dem Objekt reflektiert und von der PD erfasst wird, anzeigt.
Näherungssensor gemäß Anspruch 10, weiterhin umfassend: einen weiteren ADC, der einen oder mehrere weitere Teile des von der PD erzeugten Stromsignals empfängt; Schalter und eine Steuerung zum Steuern der Treiber und der Schalter; wobei die Steuerung die Schalter steuert, um Teile des von der PD erzeugten Stromsignals entweder zu dem ADC oder zu dem weiteren ADC zu leiten; wobei der ADC einen oder mehrere erste digitale Werte erzeugt, welcher bzw. welche sowohl eine Intensität des von der PD erfassten Umgebungslichtes als auch eine Intensität des von der Lichtquelle erzeugten Lichtes, das von einem Objekt reflektiert und von der PD erfasst wird, anzeigen; und wobei der weitere ADC einen oder mehrere zweite digitale Werte erzeugt, welcher bzw. welche die Intensität des von der PD erfassten Umgebungslichtes anzeigen.
Näherungssensor gemäß Anspruch 16, wobei eine Differenz zwischen den ersten und zweiten digitalen Werten die Intensität des von der Lichtquelle erzeugten Lichtes, das von dem Objekt reflektiert und von der PD erfasst wird, anzeigt; und die Differenz zwischen den ersten und zweiten digitalen Werten zum Schätzen der Nähe des Objektes relativ zu der PD verwendet werden kann.
Näherungssensor gemäß Anspruch 10, weiterhin umfassend: eine Steuerung zum Steuern des Treibers.
Näherungssensor gemäß Anspruch 18, wobei der Näherungssensor einen monolithischen Chip umfasst, der den Treiber, die Steuerung, die PD und den ADC aufweist.
Näherungssensor gemäß Anspruch 19, wobei der monolithische Chip aufweist: einen ersten Anschluss, der dazu ausgestaltet ist, mit einem Anschluss einer Licht emittierenden Diode oder Laserdiode verbunden zu sein, so dass der Treiber die Licht emittierende Diode oder Laserdiode selektiv betreiben kann.
Näherungssensor gemäß Anspruch 20, wobei der monolithische Chip weiterhin aufweist: einen Ausgangsanschluss, der dazu ausgestaltet ist, einen verschachtelten Strom aus ersten und zweiten digitalen Datenwerten auszugeben, wobei eine Differenz zwischen den ersten und zweiten digitalen Werten zum Schätzen der Nähe des Objektes relativ zu der PD verwendet werden kann.
Näherungssensor gemäß Anspruch 20, wobei der monolithische Chip weiterhin aufweist: einen Ausgangsanschluss, der dazu ausgestaltet ist, einen oder mehrere digitale Datenwerte auszugeben, der bzw. die zum Schätzen der Nähe des Objektes relativ zu der PD verwendet werden können.
Näherungssensor gemäß Anspruch 20, wobei der monolithische Chip weiterhin aufweist: einen ersten Ausgangsanschluss, der dazu ausgestaltet ist, einen oder mehrere erste digitale Datenwerte auszugeben, welcher bzw. welche sowohl die Intensität von durch die PD erfasstem Umgebungslicht als auch eine Intensität des von der Lichtquelle erzeugten Lichtes, das von einem Objekt reflektiert und von der PD erfasst wird, anzeigen; und einen zweiten Ausgangsanschluss, der dazu ausgestaltet ist, einen oder mehrere zweite digitale Datenwerte auszugeben, welcher bzw. welche die Intensität des von der PD erfassten Umgebungslichtes anzeigen; wobei eine Differenz zwischen den ersten und zweiten digitalen Werten die Intensität des von der Lichtquelle erzeugten Lichtes, das von dem Objekt reflektiert und von der PD erfasst wird, anzeigt; und wobei die Differenz zwischen den ersten und zweiten digitalen Werten zum Schätzen der Nähe des Objektes relativ zu der PD verwendet werden kann.
Näherungssensor, umfassend: einen Treiber zum selektiven Betreiben einer Lichtquelle; eine Fotodiode (PD), die ein Stromsignal erzeugt, das eine Intensität von durch die PD erfasstem Licht anzeigt; einen Analog-Digital-Konverter (ADC), der einen ersten Eingang, einen zweiten Eingang und einen Ausgang aufweist; eine Steuerung zum Steuern des Treibers und zum Steuern von Schaltern, die Teile des von der PD erzeugten Stromsignals an entweder den ersten Eingang oder den zweiten Eingang des ADC leiten; wobei der ADC einen Aufwärts-Abwärts-Zähler aufweist, der auf Basis der den ersten und zweiten Eingängen zugeführten Teile des Stromsignals selektiv aufwärts oder abwärts zählt, um dadurch einen Zählwert zu erzeugen, der von der Lichtquelle erzeugtes Licht, das von einem Objekt reflektiert und von der PD erfasst wird, anzeigt; und wobei der Zählwert, der an dem Ausgang des ADC bereitgestellt wird, zum Schätzen der Nähe eines Objektes zu der PD verwendet werden kann.
System, umfassend: einen Treiber zum selektiven Betreiben einer Lichtquelle; eine Fotodiode (PD), die ein Stromsignal erzeugt, das die Intensität von durch die PD erfasstem Licht anzeigt, wobei die PD in der Lage ist, Umgebungslicht zu erfassen und von der Lichtquelle erzeugtes Licht zu erfassen, das von einem Objekt reflektiert wird; und einen Analog-Digital-Konverter (ADC), der einen oder mehrere Teile des von der PD erzeugten Stromsignals empfängt; wobei der ADC einen oder mehrere digitale Ausgänge, welche die Nähe eines Objektes zu der PD anzeigen, in einer Weise erzeugt, die das von der PD erfasste Umgebungslicht und vorübergehende Veränderungen des erfassten Umgebungslichtes kompensiert; einen Komparator oder Prozessor, der den einen oder die mehreren digitalen Ausgänge empfängt und ein Subsystem auf Basis des einen oder der mehreren digitalen Signale, welches bzw. welche die Nähe des Objektes zu der PD anzeigen, aktiviert oder deaktiviert.