光传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种光传感器。在基板(2)的表面(2A)设置有3个发光元件(3)～(5)和1个感光元件(6)。信号处理电路(11)的运算处理部(15)从来自感光元件(6)的光检测信号(S0)分离出3个反射光信号(Sr1)～(Sr3)。运算处理部(15)使反射光信号(Sr2)偏移，并且对反射光信号(Sr1)、(Sr2)的波形整体的差分的平方和进行运算。运算处理部(15)根据该运算值为最小时的偏移量(x21)，来运算出反射光信号(Sr1)、(Sr2)的相位差(T21)。基于相同的处理，运算处理部(15)运算出反射光信号(Sr2)、(Sr3)的相位差(T32)。运算处理部(15)根据相位差(T21)、(T32)，来确定被检测物体(Obj)的移动方向。
【专利说明】光传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及利用发光元件和感光元件来对被检测物体的存在、移动进行检测的光传感器。
【背景技术】
[0002]众所周知有一种利用发光元件和感光元件对手指或手等被检测物体的移动进行检测的光传感器(例如参照专利文献1、非专利文献I)。利用这一现有技术的光传感器中，以包围I个感光元件周围的方式设有3个发光元件，对于3个发光元件的每一个，对来自被检测物体的反射光进行感光，根据3个反射光的相位差来检测被检测物体的移动。
现有技术文献专利文献
[0003]专利文献1:日本专利特开2011-227574号公报非专利文献
[0004]非专利文献1:“SiliconLabsAN580”，[online],互联网 < URL:http://www.si labs, com/pages/DownloadDoc.aspx ? FILEURL = Support % 20Docu ments/TechnicalDocs/AN580.pdf&src = Documentat1nffebPart >
【发明内容】
[0005]在专利文献I所记载的光传感器中，对于3个反射光分别检测出大于规定阈值的上升沿时刻或小于规定阈值的下降沿时刻，根据该上升沿时刻或下降沿时刻的时间差来求出相位差。在非专利文献I所记载的光传感器中，分别检测出3个反射光的波形峰值，根据该峰值的时间差来求出相位差。然而，这些方法中存在如下问题:当流过感光元件的3个电流值的波形互不相同时，无法正确地求出反射光的相位差，导致发生移动方向的误检测。
[0006]本发明是鉴于上述问题而得到的，本发明的目的在于提供一种能够抑制移动方向的误检测的光传感器。
[0007](I).为了解决上述问题，本发明的光传感器具备:基板；安装于该基板的表面的至少3个发光元件；控制该至少3个发光元件的发光动作的发光控制单元；以及安装于所述基板的表面的至少I个感光元件，利用所述感光元件对从所述发光元件射出的光经由被检测物体反射后的光进行感光，由此检测出该被检测物体的存在和移动，该光传感器的特征在于，还具有:反射光信号获取单元，该反射光信号获取单元利用所述感光元件对来自所述至少3个发光元件的光经由所述被检测物体反射后的光进行感光，根据从所述感光元件输出的光检测信号，获取与来自所述3个发光元件的光相对应的3个反射光信号；相位差运算单元，该相位差运算单元根据3个所述反射光信号的波形整体之差或者相关性，求出各自的相位差；以及移动方向确定单元，该移动方向确定单元根据至少2个所述相位差来确定所述被检测物体的移动方向。
[0008]根据本发明，由于使用至少3个发光元件，因此例如在3个发光元件的光经由被检测物体反射时，通过检测出各个反射光的相位差，从而能够检测到在与基板的表面平行的2个轴方向上的动作。另外，通过检测出反射光的强度，还能够检测到在与基板垂直的方向上的动作。
[0009]另外，由于相位差运算单元根据3个反射光信号的波形整体之差或者相关性来求出各自的相位差，因此即使在流过感光元件的3个电流值的波形互不相同时，也能够参照这些波形整体之差或相关性来求出各自的相位差。因此，相比于利用反射光信号的峰值等来求出相位差的情况，能够提高相位差的检测精度。而且，由于移动方向确定单元利用由相位差运算单元所求出的相位差来判定被检测物体的移动方向，所以能够抑制对于移动方向的误检测。
[0010](2).在本发明中，所述相位差运算单元在求出2个所述反射光信号的相位差时，在使其中一个所述反射光信号在时间上偏移规定的偏移量的状态下，对其与另一个所述反射光信号之差的平方在整个波形内进行求和，将求得的加法值为最小的偏移量设为相位差。
[0011]根据本发明，相位差运算单元在求出2个反射光信号的相位差时，在使其中一个反射光信号在时间上偏移规定的偏移量的状态下，对其与另一个反射光信号之差的平方在整个波形内进行求和，将求得的加法值为最小的偏移量设为相位差。因此，能够参照2个反射光信号的波形整体之差来求出相位差，能够提高相位差的检测精度。
[0012](3).在本发明中，所述相位差运算单元在求出2个所述反射光信号的相位差时，在使其中一个所述反射光信号在时间上偏移规定的偏移量的状态下，对2个所述反射光信号进行乘加运算，将求得的运算值为最大的偏移量设为相位差。
[0013]根据本发明，相位差运算单元在求出2个反射光信号的相位差时，在使其中一个反射光信号在时间上偏移规定的偏移量的状态下，对2个反射光信号进行乘加运算，将求得的运算值为最大的偏移量设为相位差。因此，能够参照2个反射光信号的波形整体的相互关联来求出相位差，能够提高相位差的检测精度。
[0014](4).在本发明中，所述发光控制单元使所述至少3个发光元件分别以脉冲发光的方式进行分时发光。
[0015]根据本发明，由于发光控制单元使至少3个发光元件分别以脉冲发光的方式进行分时发光，因此利用I个感光元件就能检测出来自各个发光元件的反射光。因此，能够降低感光元件的个数，能够削减元件数量以降低制造成本。
[0016](5).在本发明中，所述发光元件是垂直腔面发射激光器。
[0017]根据本发明，由于发光元件是垂直腔面发射激光器，因此相比于使用了例如发光二极管等的情况，能够减小光的出射角，提高检测分辨率，能够提高S/N。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是表示第一实施方式所涉及的光传感器的立体图。
图2是表示图1中的光传感器的俯视图。
图3是从图2中的箭头II1-1II方向观察光传感器后得到的剖视图。
图4是表示第一、第二实施方式所涉及的光传感器的框图。
图5是表示发光信号和反射光信号的时间变化的特性曲线图。 图6是表示用于确定被检测物体的移动方向的整体处理的流程图。
图7是表示图6中的相位差T21的运算处理的流程图。
图8是表示图6中的相位差T32的运算处理的流程图。
图9是表示图6中的移动方向的确定处理的流程图。
图10是表示2个相位差和光传感器的角度之间的关系的说明图。
图11是表示2个相位差的比率和光传感器的角度之间的关系的说明图。
图12是表示用于根据2个相位差的比率来确定光传感器的角度的映射的说明图。
图13是表示使被检测物体在X轴方向上移动的状态的说明图。
图14是表示使被检测物体在X轴方向上移动时反射光信号的时间变化的特性曲线图。 图15是表示使被检测物体在Y轴方向上移动的状态的说明图。
图16是表示使被检测物体在Y轴方向上移动时反射光信号的时间变化的特性曲线图。 图17是表示用被检测物体覆盖光传感器的上方的状态的说明图。
图18是从图17中的箭头XVII1- XVIII方向观察后得到的说明图。
图19是表示被检测物体通过光传感器的上方时反射光信号的时间变化的特性曲线图。
图20是表示在手沿X轴方向移动时遮住来自3个发光元件的光的手指个数对于所有发光元件为相同状态的说明图。
图21是表示与图20相对应的反射光信号的时间变化的特性曲线图。
图22是表示在手沿X轴方向移动时遮住来自3个发光元件的光的手指个数对于每个发光元件都为不同状态的说明图。
图23是表示与图22相对应的反射光信号的时间变化的特性曲线图。
图24是表示反射光信号Srl、Sr2的差分的平方和与偏移量之间的关系的特性曲线图。 图25是表示反射光信号Sr1、Sr2的时间变化的特性曲线图。
图26是表示反射光信号Sr2、Sr3的差分的平方和与偏移量之间的关系的特性曲线图。 图27是表示反射光信号Sr2、Sr3的时间变化的特性曲线图。
图28是表示第二实施方式所涉及的相位差T21的运算处理的流程图。
图29是表示第二实施方式所涉及的相位差T32的运算处理的流程图。
图30是示意性地以省去透明树脂层的方式来表示第三实施方式所涉及的光传感器的俯视图。
【具体实施方式】
[0019]下面，参照附图详细地说明本发明实施方式所涉及的光传感器。
[0020]在图1至图4中示出了第一实施方式所涉及的光传感器I。光传感器I具有基板
2、发光元件3?5、感光元件6、信号处理电路11等。
[0021]基板2是利用绝缘材料来形成的平板。作为基板2，例如采用印刷布线基板。在基板2的表面2A上安装发光兀件3?5和感光兀件6。
[0022]发光兀件3?5安装于基板2的表面2A上，且射出红外光或可见光。发光兀件3?5的光轴通常为例如与基板2的表面2A垂直的方向(Z轴方向)。作为发光元件3?5，例如使用发光二极管(LED)、激光二极管(LD)、垂直腔面发射激光器(VCSEL =VerticalCavity Surface Emitting Laser)。为了提高检测分辨率且提高S/N,优选采用原本出射角较小的VCSEL来作为发光元件3?5。
[0023]在基板2的表面2A上，3个发光元件3?5配置于不并排成一条直线的位置上。因此，在基板2的表面2A上，在3个发光元件3?5的内部形成三角形区域TA。
[0024]感光兀件6安装于基板2的表面2A上,且对红外光或可见光进行感光。作为感光兀件6,例如米用光电二极管(PD)、光电三极管等。感光兀件6配置在基板2的表面2A的三角形区域TA的范围内。另外，感光元件6也可以配置在三角形区域TA的外侧。
[0025]在基板2的表面2A形成有透明树脂层7。透明树脂层7覆盖基板2的整个表面2A,对发光兀件3?5和感光兀件6进行密封。在透明树脂层7上,在与各个发光兀件3?5相对应的位置形成有发光元件用透镜7A?7C。发光元件用透镜7A?7C形成为朝上方突起的大致半球形。
[0026]发光元件用透镜7A?7C的中心和发光元件3?5的安装位置一致。因此，来自发光元件3?5的光束的光轴沿着Z轴方向。另外，也可以通过错开发光元件用透镜7A?7C的中心和发光元件3?5的安装位置，从而使来自发光元件3?5的光束倾斜于Z轴方向。在此情况下，优选使来自发光元件3?5的光束的光轴向着三角形区域TA的外侧射出，以使得后述的相位差T21、T32变大。
[0027]在透明树脂层7上，在与感光元件6相对应的位置形成感光元件用透镜7D。感光元件用透镜7D也与发光元件用透镜7A?7C —样形成为半球形。感光元件用透镜7D使从外部射入的光集中到感光元件6。
[0028]发光元件用透镜7A?7C及感光元件用透镜7D与对发光元件3?5及感光元件6进行密封的透明树脂层7形成为一体，但也可以与透明树脂层7分开设置。
[0029]接着，对与发光元件3?5及感光元件6相连接的信号处理电路11进行说明。
[0030]如图4所示，信号处理电路11具有发光元件驱动部12、光检测信号放大部13、滤波部14以及运算处理部15。
[0031]发光元件驱动部12以与运算处理部15协作的方式来构成发光控制单元。发光元件驱动部12与发光元件3?5相连接，并根据来自运算处理部15的控制信号来输出发光信号Stl?St3。具体而言,发光兀件驱动部12将用于使发光兀件3?5发光的驱动电流提供给发光兀件3?5。
[0032]光检测信号放大部13与感光元件6相连接，对由感光元件6所提供的光检测信号SO进行电流一电压转换，且对经电流一电压转换后的光检测信号SO进行放大。滤波部14与光检测信号放大部13的后级相连接，并从由光检测信号放大部13所输出的光检测信号SO中除去噪声。
[0033]然后，信号处理电路11利用发光元件驱动部12来驱动发光元件3?5，并利用光检测信号放大部13和滤波部14，将与来自被检测物体Obj的反射光相对应的光检测信号SO输出到运算处理部15。
[0034]运算处理部15例如是微机处理器，进行如下处理或控制:对发光元件3?5的发光进行控制的处理、从光检测信号SO分离出与发光兀件3?5相对应的3个反射光信号Srl?Sr3的处理、根据3个反射光信号Srl?Sr3来检测被检测物体Obj的存在或移动的处理、以及对光传感器I的整体控制等。
[0035]具体而言，运算处理部15将用于控制发光元件3?5的检测光强度或时序的控制信号提供给发光元件驱动部12，以对应于该控制信号的方式来使发光元件3?5发光。此处，发光元件驱动部12分别向发光元件3?5提供脉冲状的驱动电流，以作为发光信号Stl?St3。发光信号Stl?St3的脉冲具有一定的发光间隔TO，且每个发光元件3?5以不同的时序进行输出。由此，发光兀件3?5分别以脉冲发光且分时的方式进行发光(参照图5)。
[0036]另外，只要发光元件3?5分时地进行脉冲发光即可。因此，例如在发光元件3停止发光的同时，下一个发光元件4开始发光即可。
[0037]另外，运算处理部15执行图6所示的程序。在该程序中，按照下面所示的步骤来确定被检测物体Obj的移动方向。
[0038]在步骤I中，读取出从感光元件6经由光检测信号放大部13及滤波部14而提供的光检测信号S0。在步骤2中，从光检测信号SO分离出3个反射光信号Srl?Sr3。
[0039]此处，由于发光兀件3?5以互不相同的时序进行分时发光,所以对于发光兀件3?5的每个发光时刻，都会对来自各发光元件3?5的光经被检测物体Obj反射后的反射光进行感光。因此，通过从光检测信号SO获取与发光信号Stl?St3同步的3个信号，能够分离出基于分别来自发光元件3?5的光的反射光的信号。
[0040]因此，运算处理部15在发光元件3?5的每个发光时刻获取光检测信号S0，且分离出与发光兀件3?5的反射光相对应的3个反射光信号Srl?Sr3。此时，反射光信号Srl?Sr3相当于对在每个发光时刻提取出的脉冲状的光检测信号SO进行包络线检波后得到的信号。
[0041]在此情况下，由于利用I个感光元件6能够检测出各个发光元件3?5的反射光，因此，能够减少感光元件6的个数，且能够减少元器件的个数并降低制造成本。
[0042]在接下去的步骤3中，运算出反射光信号Sr1、Sr2之间的相位差T21，在步骤4中，运算出反射光信号Sr2、Sr3之间的相位差T32。此时，根据反射光信号Srl?Sr3的波形整体之差，来运算相位差T21、T32。然后，在步骤5中，根据这些相位差T21、T32，来确定被检测物体Obj的移动方向。
[0043]接着，参照附图7对图6中的步骤3所示的相位差T21的运算处理进行说明。
[0044]在步骤11中，根据反射光信号Sr1、Sr2，确定波形的开始时刻t0和结束时刻tl，从而作为用于计算波形整体的差分的范围。此处，将反射光信号Sr2中大于规定阈值的上升沿时刻设为开始时刻t0，反射光信号Sr2中小于规定阈值的下降沿时刻设为结束时刻tl，以此为例进行说明。
[0045]另外，开始时刻t0和结束时刻tl并不仅限于上述情况，例如也可以设定为反射光信号Srl的上升沿时刻和下降沿时刻。另外，可以根据反射光信号Sr1、Sr2之中上升沿时刻和下降沿时刻的时间差较大的那个反射光信号，来设定开始时刻to和结束时刻tl，也可以根据上升沿时刻和下降沿时刻的时间差较小的那个反射光信号，来设定开始时刻to和结束时刻tl。而且，可以根据反射光信号Srl、Sr2之中上升沿时刻较早的那个反射光信号，来设定开始时刻t0和结束时刻tl。另外，在能够预测被检测物体Obj的大小或移动速度的情况下，可据此来预先设定开始时刻to和结束时刻tl的时间差。
[0046]在步骤12中，根据反射光信号Srl、Sr2，确定反射光信号Sr2的波形向负方向侧或正方向侧偏移的最大值(±xO)，以作为相位差T21的检测范围。偏移量X的最大值(±xO)例如根据反射光信号Sr2的波形的开始时刻tO和结束时刻tl的时间差来设定。偏移量X的最大值(±x0)例如可以是与反射光信号Sr2的波形的开始时刻tO和结束时刻tl的时间差相同程度的值，也可以是其一半左右的值。
[0047]另外，偏移量的最大值(±x0)例如可以设定为比反射光信号Sr2的波形的开始时刻to和结束时刻tl的时间差要小的值，也可以设定为比其要大的值。另外，偏移量的最大值(±x0)也可以根据反射光信号Srl的波形来设定。只要偏移量的最大值(±x0)能够以试验的方式进行预测，则可以根据基于试验得到的值来预先设定偏移量的最大值(±x0)。
[0048]在步骤13中，将偏移量X的初始值设定为负的最大值(一x0)。在步骤14中，使用下面数学式I所示的函数Zdl (x)，使反射光信号Sr2在时间上偏移一偏移量X，在此状态下，运算反射光信号Sr2与反射光信号Srl之间的差分的平方和。另外，函数Zdl (x)用于运算离散值的总和，但也可以用于运算连续值的积分。
[0049][数学式I]
?.<:1t \ ；: Ji I \ ； St I “.I !/I
[0050]在接下去的步骤15中，使偏移量X增大预先设定好的规定值」x(」X > 0)，在步骤16中，判定偏移量X是否大于正的最大值(+x0)。规定值」X相当于相位差T21的检测间隔，且设定为小于最大值(+x0)的值。
[0051]然后，当在步骤16中判定为“否”时，重复步骤14、15的处理。另一方面，当在步骤16中判定为“是”时，由于偏移量X变得大于正的最大值(+x0)，因此，转移至步骤17，将函数Zdl (x)为最小的偏移量x21作为相位差T21来输出。
[0052]接着，参照附图8对图6中的步骤4所示的相位差T32的运算处理进行说明。
[0053]相位差T32的运算处理所涉及的步骤21?27与相位差T21的运算处理所涉及的步骤11?17基本相同。因此，在步骤21中，根据反射光信号Sr2、Sr3，确定波形的开始时刻tO和结束时刻tl，从而作为用于计算波形整体的差分的范围。在步骤22中，根据反射光信号Sr2、Sr3，确定反射光信号Sr2的波形向负方向侧或正方向侧偏移的最大值(±x0)，以作为相位差T32的检测范围。在步骤21、22中，例如设定与步骤11、12等值的时刻tO、tl和偏移量X的最大值(±x0)。
[0054]在步骤23中，将偏移量X的初始值设定为负的最大值(一x0)。在步骤24中，使用下面数学式2所示的函数Zd2 (x)，使反射光信号Sr3在时间上偏移一偏移量X，在此状态下，运算反射光信号Sr3与反射光信号Sr2之间的差分的平方和。另外，函数Zd2(x)用于运算离散值的总和，但也可以用于运算连续值的积分。
[0055][数学式2]
Zd2Cil= IfSsii 1- N Si；；* I if
I t,.
[0056]在接下去的步骤25中，使偏移量X增大预先设定好的规定值」x(」x>0)，在步骤26中，判定偏移量X是否大于正的最大值(+x0)。然后，当在步骤26中判定为“否”时，重复步骤24、25的处理。另一方面，当在步骤26中判定为“是”时，转移至步骤27，将函数Zd2 (x)为最小的偏移量x32作为相位差T32来输出。
[0057]另外，为了提高相位差T21、T32的精度，优选将作为波形范围的开始时刻tO和结束时刻tl的时间差、以及作为偏移量X的范围的最大值(±x0)设定为尽可能大的值，或者优选将规定值^ X设定为尽可能小的值。然而，随着波形范围和偏移量X的范围变大、规定值」X变小，运算量会增大，且处理速度会降低。因此，在相位差T21、T32的精度所允许的范围内，将积分的范围和偏移量X的范围设定为尽可能小的值，将规定值^ X设定为尽可能大的值。
[0058]接着，参照附图9至图12对图6中的步骤5所示的移动方向的确定处理进行说明。
[0059]在步骤31中，基于下面的数学式3的公式，求出相位差T21和相位差T32的比率
f(0)o
[0060][数学式3]
【权利要求】
1.一种光传感器，具备: 基板； 安装于该基板的表面的至少3个发光元件； 控制该至少3个发光元件的发光动作的发光控制单元；以及 安装于所述基板的表面的至少I个感光元件， 利用所述感光元件对从所述发光元件射出的光经由被检测物体反射后的光进行感光，由此检测出该被检测物体的存在和移动， 该光传感器的特征在于，还具有: 反射光信号获取单元，该反射光信号获取单元利用所述感光元件对来自所述至少3个发光元件的光经由所述被检测物体反射后的光进行感光，根据从所述感光元件输出的光检测信号，获取与来自所述3个发光元件的光相对应的3个反射光信号； 相位差运算单元，该相位差运算单元根据3个所述反射光信号的波形整体之差或者相关性，求出各自的相位差；以及 移动方向确定单元，该移动方向确定单元根据至少2个所述相位差来确定所述被检测物体的移动方向。
2.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于， 所述相位差运算单元在求出2个所述反射光信号的相位差时，在使其中一个所述反射光信号在时间上偏移规定的偏移量的状态下，对其与另一个所述反射光信号之差的平方在整个波形内进行求和，将求得的加法值为最小的偏移量设为相位差。
3.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于， 所述相位差运算单元在求出2个所述反射光信号的相位差时，在使其中一个所述反射光信号在时间上偏移规定的偏移量的状态下，对2个所述反射光信号进行乘加运算，将求得的运算值为最大的偏移量设为相位差。
4.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于， 所述发光控制单元使所述至少3个发光元件分别以脉冲发光的方式进行分时发光。
5.如权利要求1所述的光传感器，其特征在于， 所述发光元件是垂直腔面发射激光器。
【文档编号】G06F3/041GK104205020SQ201380015398
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月6日 优先权日:2012年3月19日
【发明者】石川宽人 申请人:株式会社村田制作所