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CN116973996A - 光感测器 - Google Patents

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CN116973996A
CN116973996A CN202210424314.9A CN202210424314A CN116973996A CN 116973996 A CN116973996 A CN 116973996A CN 202210424314 A CN202210424314 A CN 202210424314A CN 116973996 A CN116973996 A CN 116973996A
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CN
China
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light
incident surface
guide element
incident
sensor
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Application number
CN202210424314.9A
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English (en)
Inventor
赖哲毅
沈俊明
李锦奎
陈志嘉
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Qisda Optronics Suzhou Co Ltd
Qisda Corp
Original Assignee
Qisda Optronics Suzhou Co Ltd
Qisda Corp
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Publication date
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Priority to US17/832,774 priority patent/US12123767B2/en
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Abstract

本发明提供一种光感测器，包括一个光电转换元件以及一个导光元件。导光元件具有一个第一入光面和一个出光面，以容许一个入射光由第一入光面进入导光元件，再由出光面向外出射至光电转换元件；其中入光面和出光面至少一者具有一个单一曲面。

Description

光感测器
技术领域
本发明涉及光电半导体元件，尤其是涉及一种光感测器。
背景技术
环境光感测器(Ambient Light Sensor，ALS)是一种光电半导体元件，其运用光子、电子的交互作用，如激发辐射、吸收等机制作为光/电讯号转换的元件。目前已普遍应用于手机、平板电脑或笔记型电脑等移动终端。甚至用于汽车，液晶电视等日常生活当中。环境光感测器用来识别四周环境的光度，以控制移动终端的显示器的光源，调整荧幕亮度，令使用者观看显示器荧幕时更清晰亮丽，得到更漂亮画质的效果。
另外，当移动终端进入光量多的环境时，环境光感测器可因应四周环境的光度，控制显示器将背光关闭。反之，在夜间光量少时，则可以控制显示器开启背光。藉由机动调光，可以减少背光的电力消耗，提升移动终端的续航时间。然而，由于环境光为一种无方向性杂乱不均匀的光，因此容易使得环境光感测器误判环境光源强度，导致显示器发生非预期的动作，影响操作体验。
因此，有需要提供一种先进的光感测器，来解决习知技术所面临的问题。
发明内容
基于上述目的，本发明提出一种光感测器，其包括：光电转换元件；以及导光元件，具有第一入光面和出光面，以容许入射光由该第一入光面进入该导光元件，再由该出光面向外出射至该光电转换元件；其中该入光面和该出光面中的至少一者具有单一曲面。
较佳的，该第一入光面具有第一曲面；该出光面具有第二曲面。
较佳的，该第一曲面和该第二曲面具有相同弧度。
较佳的，该导光元件包括透光材料和多个粒子分散于该透光材料之中，该多个散射粒子的平均粒径小于该入射光的波长。
较佳的，该入射光为可见光。
较佳的，还包括不透光反光层，该不透光反光层包覆于该导光元件表面，用以将进入该导光元件的该入射光限定在该第一入光面和该出光面之间传导。
较佳的，还包括滤光层，位于该第一入光面的外侧，用以过滤该入射光。
较佳的，该第一入光面实质上为平面；该出光面具有曲面，且该第一入光面具有微结构。
较佳的，该微结构包括斜面与该平面夹一个角度，该角度小于该入射光的入射角。
较佳的，该导光元件还包括第二入光面，与该第一入光面隔离，且与该第一入光面朝向相同的第一方向。
较佳的，该导光元件还包括第三入光面；该第一入光面面对第一方向；该第三入光面面对第二方向，且该第二方向与该第一方向的夹角为一非180°角。
基于上述目的，本发明还提出一种光感测器，其包括：光电转换元件；以及导光元件，具有第一入光面和出光面，以容许入射光由该第一入光面进入该导光元件，再由该出光面向外出射至该光电转换元件；其中该导光元件还包括第二入光面，与该第一入光面隔离，且与该第一入光面朝向相同的第一方向。
较佳的，该导光元件还包括第三入光面；该第一入光面面对第一方向；该第三入光面面对第二方向，且该第二方向与该第一方向的夹角为一非180°角。
与现有技术相比，本发明提供一种光感测器，光感测器包括导光元件和光电转换元件，环境光源由至少一个入光面进入导光元件，再由单一出光面向外出射至光感测器的光电转换元件。藉由控制导光元件的入光面和出光面这两者中至少一者的表面弧度和/或微结构，并可选择地(optional)在导光元件中添加多个散射粒子，以提升其对于环境光源的均光能力，避免光感测器误判环境光源，而发生非预期的动作。
附图说明
图1为本发明的一实施例所绘示的一种具有光感测器的智能手机的结构前视图；
图2为沿着图1所示切线S1绘示的光感测器剖面结构的局部放大图；
图3为根据本发明的另一实施例所绘示的一种光感测器的剖面结构局部放大图；
图4为根据本发明的又一实施例所绘示的一种光感测器的剖面结构的局部放大图；
图5为根据本发明的再一实施例所绘示的一种光感测器的剖面结构的局部放大图；
图6为根据本发明的又另一实施例所绘示的一种光感测器的剖面结构的局部放大图；
图7为根据本发明的再另一实施例所绘示的一种光感测器的剖面结构的局部放大图；以及
图8为根据本发明的又再一实施例所绘示的一种光感测器的剖面结构的局部放大图。
具体实施方式
为使对本发明的目的、构造、特征、及其功能有进一步的了解，兹配合实施例详细说明如下。
本发明是提供一种光感测器，可以提升其对于环境光源的收光与均光能力，避免光感测器误判环境光源，而发生非预期的动作。为了对本发明上述实施例及其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举多个较佳实施例，并配合所附图式作详细说明。
但必须注意的是，这些特定的实施案例与方法，并非用以限定本发明。本发明仍可采用其他特征、元件、方法及参数来加以实施。较佳实施例的提出，仅为用以例示本发明的技术特征，并非用以限定本发明的申请专利范围。该技术领域中具有通常知识者，将可根据以下说明书的描述，在不脱离本发明的精神范围内，作均等的修饰与变化。在不同实施例与图式之中，相同的元件，将以相同的元件符号加以表示。
本发明中所述的光感测器200，可以(但不限定)内建于(例如，手机、平板电脑或笔记型电脑等)电子设备之中。例如，在本发明的一些实施例中，光感测器200可以内建于智能手机10之中。请参照图1，图1为根据本发明的一实施例所绘示的一种具有光感测器200的智能手机10的结构前视图。智能手机10包括壳体11、显示面板12、麦克风部13、扬声器部14、光感测器200。显示面板12采用触控式荧幕，除显示功能以外还兼具输入功能。光感测器200设置于壳体11的内部，用以感测由外部入射的环境光。在本实施例中，光感测器200并未暴露于智能手机10的壳体11外部，而是藉由具有透光性的表面面板15与外部隔离。外部环境光L可以穿过表面面板15而入射至光感测器200。
请参照图2，图2为沿着图1所示切线S1绘示的光感测器200局部放大结构剖面图。光感测器200包括一个光电转换元件202以及一个导光元件201。导光元件201具有一个入光面201a和一个出光面201b。入光面201a面对壳体11的表面面板15；出光面201b面对光电转换元件202；藉以容许外部环境光L穿过表面面板15之后，由入光面201a进入导光元件201，再由出光面201b向外出射至光电转换元件202。
在本发明的一些实施例中，出光面201b可以与光电转换元件202直接接触，进入导光元件201的外部环境光L，可以通过出光面201b和光电转换元件202的接触介面(未绘示)，直接进入光电转换元件202。而在本实施例中，出光面201b和光电转换元件202之间可以包括一个空气介质17。进入导光元件201的外部环境光L，须由出光面201b像外出设，通过空气介质17后方能进入光电转换元件202。
光电转换元件202，可以是(但不限定为)一种光电二极管(photodiode)元件、电荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)或增强型电荷耦合元件(Intensified CCD，ICCD)，电性连接于智能手机10的电路基板18上，利用光电效应(photovoltaic effect)能感应入射光线，并将而产生电流或电压讯号，再通过电路基板18的导线将讯号传递至智能手机10的中央处理器(CPU)(未绘示)。
在本发明的一些实施例中，导光元件201可以是由一种透光材料(例如，聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、玻璃或其他透光材料)所构成的光导(light guide)结构；且导光元件201的入光面201a和出光面201b中的至少一者具有一个单一曲面，可用以将穿过表面面板15而入射至光感测器200的环境光L加以收拢。在本发明的一些实施例中，导光元件201可以还包括一个不透光反光层206，包覆于导光元件201表面，用以将进入导光元件201的入射光(例如，外部环境光L)限定在入光面201a和出光面201b之间传导。不透光反光层206形成于导光元件201除入光面201a和出光面201b以外的表面，光线在导光元件201的壁上反射，最终自出光面201b射出，避免了漏光导致的亮度衰减。不透光反光层206采用高反射率材质制成，其包覆导光元件201的方式包括但不限于PVD、电镀、喷涂等。
本发明中所谓的单一曲面是指:导光元件201平行环境光L入射方向D1的剖面轮廓的两端具有单一的弧形线段。例如在本实施例中(如图2所绘示)，导光元件201的入光面201a和出光面201b两者都具有一个单一曲面。其中，入光面201a具有第一曲面201c(弧形线段)；出光面201b具有一第二曲面201d(弧形线段)；且第一曲面201c和第二曲面201d可以具有相同的弧度。但在另一实施例中第一曲面201c和第二曲面201d可以具有不同的弧度。在一较佳的实施例中，出光面201b于光电转换元件202的投影面积大于入光面201a于光电转换元件202的投影面积，以增加捕获在导光元件201内部传播的光线，并将其收拢投射至光电转换元件202。在一实施例中，导光元件201的边缘还朝向方向D1延伸，以便于直接封装于光电转换元件202周侧；导光元件201的边缘还可朝向垂直于D1的方向向外延伸，以与封装壳体结合后再封装于光电转换元件202外侧；本发明不以此为限。
在本发明的一些实施例中，导光元件201还可以可选择地包括多个散射粒子203分散于透光材料之中，且这些散射粒子203的平均粒径可以小于入射至光感测器200中的光环境光L的波长。例如，在本实施例中，入射至光感测器200中的光环境光L可以被限定为一种波长范围约介于360纳米(nm)至830纳米之间的可见光。散射粒子203的平均粒径，可以介于50纳米至300纳米之间，较佳介于100纳米至250纳米之间。光线在导光元件201的介质中传播时，遇到散射粒子203时会产生反射或散射的现象，适当密度和粒径的散射粒子203可以使得光线在导光元件201介质中充分均匀，从而自出光面201b射出而到达光电转换元件202的光线强度更为均匀，最终实现匀化捕获的环境光L的亮度，进而有效防止光电转换元件202误判环境光L。在一较佳的实施例中，出光面201b于光电转换元件202的投影面积大于入光面201a于光电转换元件202的投影面积，以增加捕获在导光元件201内部传播的光线，并将其收拢投射至光电转换元件202。
而为了控制入射至光感测器200的环境光L的波长，在本发明的一些实施例中，光感测器200还可以包括一个光学滤波器204，可选择地设置于光电转换元件200导光元件201的入光面201a的外侧，入光面201a与壳体11的表面面板15之间。在本实施例中，光学滤波器204可以是一种滤光层。利用光学滤波器204可以将入射至导光元件201的其他光线阻断，例如波长范围约介于830纳米至2500纳米的近红外线和/或波长范围约介于100纳米至360纳米的紫外光。将光电转换元件202所接收到的光线限定在较窄的范围，降低杂散光的影响，避免其他波长范围的光线干扰电流或电压讯号的转换，进而防止光感测器200误判环境光L。光学滤波器204可通过镀膜、贴附等方式设置于导光元件201的入光面201a的外侧。
请参照图3，图3为根据本发明的另一实施例所绘示的一种光感测器300的局部放大结构剖面图。光感测器300的结构大致与图2所绘示的光感测器200相似，两者的差别在于:光感测器300中导光元件301的入光面301a实质上为一平面301c；导光元件301的出光面301b为一个单一曲面301d。由于光感测器300的其他结构已详述如上，故不再赘述。
请参照图4，图4为根据本发明的又一实施例所绘示的一种光感测器400的剖面结构局部放大图。光感测器400的结构大致与图3所绘示的光感测器300相似，两者的差别在于:光感测器400中导光元件401的入光面401a还具有一个微结构405。在本发明的一些实施例中，微结构405可以是由多个凸出于入光面401a外侧的凸出部所构成。在本发明的另一些实施例中，微结构405可以是由多个凹设于入光面401a外侧的凹陷部所构成。在本实施例中，微结构405包多个凸出于入光面401a外侧的棱镜(prism)所构成。其中，棱镜片包括一个斜面405a，与入光面401a(平面)夹一个角度θ；且角度θ实质小于环境光L垂直入光面401a的入射角α。微结构405，减少了入射到入射面401a的光线被反射出去的机会，使得尽可能多的光线进入导光元件401内部。
值得注意的是，虽然在本实施例中微结构405为设置于实质上为平面的入光面401a上，微结构405为整齐排列的凸出矩阵，但微结构405的位置、型态与排列方式并不以此为限。在本发明的一些实施例中，微结构405可以是以任何一种型态与排列方式设置在导光元件401的(实质上为平面或曲面)的入光面401a和/或出光面401b的凸出部、凹陷部或两者组合的结构。
请参照图5，图5为根据本发明的再一实施例所绘示的一种光感测器500的剖面结构局部放大图。光感测器500的结构大致与图2所绘示的光感测器200相似，两者的差别在于:光感测器500中导光元件501的入光面501a实质上为一个单一曲面501c；导光元件501的出光面501b为一平面501d。由于光感测器500的其他结构已详述如上，故不再赘述。请参照图6，图6为根据本发明的又另一实施例所绘示的一种光感测器600的剖面结构局部放大图。光感测器600的结构大致与图2所绘示的光感测器200相似，两者的差别在于光感测器600中导光元件601包括两个相互隔离的第一入光面601a和第二入光面601k，且第一入光面601a和第二入光面601k位于光感测器600的同一侧面，且朝向相同的方向D1。
详言之，导光元件601包括一个本体601T、一个第一连接部601M和一个第二连接部601N。导光元件601的出光面601b位于本体601T的下方边缘，且面对光电转换元件202。第一连接部601M和第二连接部601N彼此分离，且分别由本体601T朝向壳体11的表面面板15延伸，并在延伸的终端定义出第一入光面601a和第二入光面601k，使第一入光面601a和第二入光面601k彼此平行，且朝向垂直于表面面板15的方向(例如，方向D1)，并面对表面面板15；进而使外部环境光L，穿过表面面板15后，分别由第一入光面601a和第二入光面601k入射进入第一连接部601M和第二连接部601N，传播至本体601T，再由出光面601b出射至光电转换元件202。通过上述分离分布的第一入光面601a、第二入光面601k的结构，可以在小幅度增加收光面积的情况下，增加了收光范围，有利于更准确地判断外部环境光L的实际情况。
请参照图7，图7为根据本发明的又再一实施例所绘示的一种光感测器700的剖面结构局部放大图。光感测器700的结构大致与图6所绘示的光感测器600相似，两者都包括两个相互隔离的第一入光面701a和第二入光面701k，但两者的差别在于:第一入光面701a和第二入光面701k彼此分离，且分别朝向不相同的两个方向D1和D2，使方向D1和D2夹一个非180°角(例如，90°角)。
详言之，导光元件701包括一个本体701T、第一连接部701M和第二连接部701N。导光元件701的出光面701b位于本体701T的下方边缘，且面对光电转换元件202。第一连接部701M和第二连接部701N彼此分离；且第一连接部701M由本体701T的一端往壳体11的表面面板15延伸，并在延伸的终端定义出第一入光面701a，朝向垂直于表面面板15的方向D1，并面对表面面板15；进而使外部无方向性的环境光L，穿过表面面板15后，由第一入光面701a入射进入第一连接部701M，传播至本体701T后，再由出光面701b出射至光电转换元件202。
第二连接部701N由本体701T的另一端往壳体11的侧面面板16延伸，并在延伸的终端定义出第二入光面701k，朝向垂直于侧面面板16的方向D2，并面对侧面面板16；进而使外部环境光L穿过侧面面板16后，由第二入光面701k入射至第二连接部701N中，传播至本体701T后，再由出光面701b出射至光电转换元件202。通过上述分离分布的第一入光面701a、第二入光面701k的结构，可以在小幅度增加收光面积的情况下，增加了收光范围，且收光范围不会局限于同一侧面，有利于更准确地判断外部环境光L的实际情况。
请参照图8，图8为根据本发明的又再一实施例所绘示的一种光感测器800的剖面结构局部放大图。光感测器800的结构大致与图7所绘示的光感测器700相似，两者的差别在于:光感测器800中的导光元件801同时包括三个相互隔离的第一入光面801a、第二入光面801k和第三入光面801g。其中，第一入光面801a和第二入光面801k彼此平行，且朝向相同的方向(例如，方向D1)；第三入光面801g与第一入光面801a和第二入光面801k垂直，且朝向另一个不同的方向(例如，方向D2)。
详言之，导光元件801包括一个本体801T、一个第一连接部801M、第二连接部801N和第三连接部801O。导光元件801的出光面801b位于本体801T的下方边缘，且面对光电转换元件202。第一连接部801M和第二连接部801N彼此分离，且分别由本体801T朝向壳体11的表面面板15延伸，并在延伸的终端分别定义出第一入光面801a和第二入光面801k，使第一入光面801a和第二入光面801k彼此平行，且朝向垂直于表面面板15的方向D1，并面对壳体11的表面面板15；进而使外部环境光L，穿过表面面板15后，分别由第一入光面801a和第二入光面801k入射进入第一连接部801M和第二连接部801N，传播至本体801T后，再由出光面801b出射至光电转换元件202。
第三连接部801O由本体801T的另一端往壳体11的侧面面板16(透光面板)延伸，并在延伸的终端定义出第三入光面801g，朝向垂直于侧面面板16的方向D2，并对准侧面面板16；进而使外部环境光L，穿过侧面面板16后，由第三入光面801g入射至第三连接部801O中，传播至本体801T后，再由出光面801b出射至光电转换元件202。通过上述分离分布的第一入光面801a、第二入光面801k的结构，可以在小幅度增加收光面积的情况下，增加了收光范围，且收光范围不会局限于同一侧面，有利于更准确地判断外部环境光L的实际情况。还可于边、角位置设置多个入光面，以增加收光的角度。
根据上述实施例，提供电子装置一种光感测器，其中光感测器包括一种导光元件和光电转换元件，环境光源由至少一个入光面进入导光元件，再由单一个出光面向外出射至光感测器的光电转换元件。藉由控制导光元件之入光面和出光面这两者中至少一者的表面弧度和/或微结构，并可选择地在导光元件中添加多个散射粒子，以提升其对于环境光源的收光与均光能力，避免光感测器误判环境光源，而发生非预期的动作。
本发明已由上述相关实施例加以描述，然而上述实施例仅为实施本发明的范例。必需指出的是，已揭露的实施例并未限制本发明的范围。相反地，在不脱离本发明的精神和范围内所作的更动与润饰，均属本发明的专利保护范围。

Claims (13)

1.一种光感测器，其特征在于，包括：
光电转换元件；以及
导光元件，具有第一入光面和出光面，以容许入射光由该第一入光面进入该导光元件，再由该出光面向外出射至该光电转换元件；其中该入光面和该出光面中的至少一者具有单一曲面。
2.如权利要求1所述的光感测器，其特征在于，该第一入光面具有第一曲面；该出光面具有第二曲面。
3.如权利要求2所述的光感测器，其特征在于，该第一曲面和该第二曲面具有相同弧度。
4.如权利要求1所述的光感测器，其特征在于，该导光元件包括透光材料和多个粒子分散于该透光材料之中，该多个散射粒子的平均粒径小于该入射光的波长。
5.如权利要求4所述的光感测器，其特征在于，该入射光为可见光。
6.如权利要求1所述的光感测器，其特征在于，还包括不透光反光层，该不透光反光层包覆于该导光元件表面，用以将进入该导光元件的该入射光限定在该第一入光面和该出光面之间传导。
7.如权利要求1所述的光感测器，其特征在于，还包括滤光层，位于该第一入光面的外侧，用以过滤该入射光。
8.如权利要求1所述的光感测器，其特征在于，该第一入光面实质上为平面；该出光面具有曲面，且该第一入光面具有微结构。
9.如权利要求8所述的光感测器，其特征在于，该微结构包括斜面与该平面夹一个角度，该角度小于该入射光的入射角。
10.如权利要求1所述的光感测器，其特征在于，该导光元件还包括第二入光面，与该第一入光面隔离，且与该第一入光面朝向相同的第一方向。
11.如权利要求1所述的光感测器，其特征在于，该导光元件还包括第三入光面；该第一入光面面对第一方向；该第三入光面面对第二方向，且该第二方向与该第一方向的夹角为一非180°角。
12.一种光感测器，其特征在于，包括：
光电转换元件；以及
导光元件，具有第一入光面和出光面，以容许入射光由该第一入光面进入该导光元件，再由该出光面向外出射至该光电转换元件；其中该导光元件还包括第二入光面，与该第一入光面隔离，且与该第一入光面朝向相同的第一方向。
13.如权利要求12所述的光感测器，其特征在于，该导光元件还包括第三入光面；该第一入光面面对第一方向；该第三入光面面对第二方向，且该第二方向与该第一方向的夹角为一非180°角。
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