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光學感測

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艾邁斯推手機BOLED環境光/接近/頻閃感測模組

艾邁斯半導體(ams)日前發布首款在單一模組中整合環境光感測、接近偵測和頻閃偵測的光學感測器,該感測器模組針對在手機OLED螢幕後方運作進行了最佳化調整。 ams憑藉其在光學感測器設計方面的技術創新和專業知識開發出TMD3719。它是第一款克服OLED顯示器後方環境光感測,接近偵測和頻閃偵測等重大技術挑戰的設備,手機廠商將因此能實現突破性的工業設計產品。 作為「Behind OLED」(BOLED)光學感測的完整解決方案,TMD3719讓智慧型手機製造商能夠將通常置於OLED螢幕「瀏海」位置的感測器移到OLED螢幕後方,滿足消費者拿掉邊框的要求。消費者從此可以享受覆蓋手機整個正面的螢幕顯示範圍。 TMD3719是首個具備整合功能的BOLED應用模組,協助OEMS提供關鍵的消費性功能。包括根據照明環境顯示自動亮度控制;接近感測以實現通話期間觸控螢幕自動關閉功能,以及在人造光源中相機影像擷取時的頻閃偵測功能,以消除條紋和其他假影。 ams整合光學感測器業務部門策略專案總監Darrell Benke表示,ams的技術可以將環境光感測和接近偵測從傳統的邊框位置轉移到極具挑戰性的BOLED位置,此處可見光和紅外光的透射率均小於5%。憑藉ams在TMD3719等產品上的創新,智慧型手機製造商能夠使高顯示比例成為常見的功能。為了滿足智慧型手機製造商及其客戶的需求,ams將在未來幾年繼續發揚並迭代BOLED技術發展。
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ams針對無邊框手機推出Behind OLED技術

感測器解決方案供應商艾邁斯半導體(ams)日前發布了在單一模組中整合環境光感測、接近偵測和頻閃偵測的光學感測器,該感測器模組針對在手機OLED螢幕後方運作進行最佳化調整。 ams針對無邊框手機推出Behind OLED技術 ams整合光學感測器業務部門策略專案總監Darrell Benke表示,ams的技術可以將環境光感測和接近偵測從傳統的邊框位置轉移到極具挑戰性的BOLED位置,此處可見光和紅外光的透射率均小於5%。憑藉TMD3719等產品的創新,智慧型手機製造商能夠使高顯示比例成為常見的功能。為了滿足智慧型手機製造商及其客戶的需求,ams將在未來幾年繼續研發並更新BOLED技術發展。 ams開發的TMD3719克服OLED顯示器後方環境光感測,接近偵測和頻閃偵測等重大技術挑戰的設備,手機廠商將因此能實現突破性的工業設計產品。Behind OLED(BOLED)光學感測解決方案,透過TMD3719協助智慧型手機製造商將通常置於OLED螢幕「瀏海」位置的感測器移到OLED螢幕後方,滿足消費者使用無邊框手機的期待,從此可以享受覆蓋手機整個正面的螢幕顯示範圍。TMD3719是首個具備整合功能的BOLED應用模組,協助OEMS提供關鍵的消費性功能。包括根據照明環境顯示自動亮度控制;接近感測則實現通話期間觸控螢幕自動關閉功能,以及在人造光源中相機影像擷取時的頻閃偵測,能夠消除條紋和其他假影。 TMD3719具有ams最新專利(包括申請中)的創新,可實現BOLED螢幕條件的環境光感測和接近偵測器。包括: ・環境光感測與顯示操作同步,以提取真實的光強度並根據感測器的光測量值中消除顯示輻射。 ・三個接近紅外線VCSEL(垂直共振腔面射型雷射)發射器可優化功率發射,以實現最佳偵測距離,同時分散發射物以減少顯示幕的IR激發。這樣可以有效消除可見的顯示失真。 透過將環境光感測,接近偵測和頻閃偵測整合到單個設備中,ams簡化了系統設計並減少了智慧型手機製造商的開發工作。在TMD3719比之前的光學感測器更進一步,整合了用於頻閃的演算法。晶片內建頻閃偵測處理減低了主處理器的負擔,降低頻閃偵測結果的延遲情形,並因而可以全面偵測環境光的頻閃頻率,從相機拍攝的影像中去除條紋等不必要的假影。TMD3719光學感測器採用表面安裝的6.35mm x 3.00mm x 1.00mm封裝。目前ams可提供樣品,並可根據客戶需求提供評估板。
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模擬皮膚吸收/散射光源 光學式心率感測橫越萬重山

PPG感測器重皮膚模擬 PPG感測器為光學式心律感測器,可分為穿透式或反射式。反射式PPG感測器之量測區域較不受限,因此可運用於手腕上量測,目前已廣泛應用於消費市場中,如:運動手環、智慧手表。反射式PPG感測器架構包含LED光源、光偵測器、擋牆與蓋板。LED光源與光偵測器放置於同側,光線由LED光源出發,入射皮膚組織與血管後,產生反射散射光,最終由光偵測器接收。 圖1 PPG感測器原理示意圖 要於光學軟體中設計PPG感測器,皮膚組織的模擬就顯得特別的重要,皮膚組織屬於生物組織的一種,生物組織具有兩項重要的光學屬性:吸收與 散射。吸收特性的模擬,通常以穿透率表達。假設光線通過厚度為L的組織,則穿透率計算遵循比爾-朗伯定律(Beer–Lambert law): 其中ma為吸收係數,單位為mm-1 。射特性則由Henyey Greenstein散射模型描述,以下為公式: 其中q為散射角度,g為異向性係數,此係數值介於-1至+1之間,可影響散射的分布。 圖2 Henyey Greenstein散射模型之異向性係數變化 LightTools提供多種體散射材料模型,包含Henyey Greenstein散射模型,可用於生物組織之模擬。 圖3 LightTools體散射材料模型 透過Henyey Greenstein體散射模型,可自訂生物組織材料,如:皮膚。設定之係數包含:折射率、吸收率、平均自由程MFP (mm)/散射係數(μs) /傳播散射係數(μs’)、異向性係數(g)與穿透率。 圖4 LightTools之Henyey Greenstein體散射模型 LightTools提供內建之生物組織材料資料庫,這些材料使用Henyey Greenstein體散射模型進行定義,使用者可以直接選擇適當的生物組織材料進行使用。 圖5 LightTools生物組織材料資料庫 皮膚組織模型的建構可直接套用材料資料庫中內建的生物組織材料,模型各層之間的介面則可使用自動光膠功能,去除中間的空氣層,確保模擬正確性。 圖6 皮膚組織架構與光膠設定 在LightTools中以平行光源入射皮膚模型的模擬結果(圖7)。 圖7 皮膚模型、光線預覽與照度分布結果 模擬/設計/分析 以下內容將介紹PPG感測器之案例,說明如何在LightTools中建立模型,並進行模擬、分析與設計。PPG感測器模型包含:LED 光源、光偵測器、擋牆、底座、外殼、封裝膠與蓋板。透過LightTools內建之物件功能與布林運算功能可建立PPG感測器之幾何模型。 圖8 運動手環主體與PPG感測器 光偵測器、擋牆、底座與外殼之表面光學材質設定為吸收,蓋板與封裝膠表面光學材質為平滑光學,設定非涅爾損耗。蓋板材料折射率為1.43,封裝膠則使用內建資料庫材料DowcorningMS_1003_Moldable_Silicone。 圖9 封裝膠使用內建之Dowcorning MS_1003 Silicone材料 光源以表面光源建構,光強度Imax為1.5 mcd。光譜之波段為綠光,中心波長為:535 nm。光形與光譜則如圖10與11。 圖10  LED光源光形 圖11 LED光源光譜 在光偵測器物件之上表面直接建構表面接收器,偵測器之光譜響應則可以利用鍍膜功能進行設定。 圖12 接收器之光譜響應 如果希望模擬外在環境光對於PPG感測器的影響,使用內建太陽光源工具建立太陽光源。 圖13 太陽光源實用工具 圖14 太陽光譜與日曬資料 直射太陽光與漫射太陽光皆設定光源定位區域,限定光線朝向定位區域追跡,以提升光線採樣效率。 圖15 太陽光源之定位區域設定 初步的模擬結果如圖16,LED光源入射皮膚組織,經皮膚組織體散射後追跡至光偵測器,此光線路徑通常為弧狀的路線,稱之為Banana-Shaped Light。 圖16 PPG 感測器模擬之Banana-Shaped Light光線預覽 光偵測器接收的光線可能來自LED光源或外在環境光,有用的訊號為LED光源入射皮膚組織,經體散射至光偵測器的光線,其他的雜散光則可能干擾有用的訊號。雜散光的來源可能來自LED光源入射蓋板表面,反射至光偵測器,或者當蓋板未完全接觸皮膚表面時,LED光源入射皮膚表面,反射至光偵測器。除此之外,也可能由環境光間接入射光偵測器。在LightTools中使用接收器過濾器、區域分析與光線路徑功能,可區分出這些光線,協助後續分析與設計。 此案例使用的過濾器包含光源過濾器與體積介面過濾器。光源過濾器可分析LED光源或環境光的貢獻,體積介面過濾器則可分析經皮膚組織體散射的光線。 圖17 接收器過濾器設定 若要顯示過濾器過濾出的光線預覽,則可使用區域分析功能。將區域尺寸與網格範圍設定相同的大小,切換過濾器條件時,即可顯示相對應的預覽光線。 圖18 區域分析功能 為了方便分析不同的過濾器條件之狀態,可透過配置功能,在同一個模型下設定多種配置條件,使用者可快速切換至不同的配置進行模擬或分析。 圖19 配置功能 圖20 不同配置條件的結果   雜散光分析則可藉由光線路徑功能,記錄光線在系統行進的所有光學路徑,結果包含各路徑的功率、光線數與循序經過每個表面的資訊。 圖21 LED光源之雜散光分析 當系統中無擋牆設計時,LED光源光線入射蓋板之前後表面,反射至光偵測器形成雜散光,加入擋牆後,蓋板前表面之反射已阻隔,仍有蓋板後表面之反射,但能量已減弱。   圖22 加入擋牆前後的差異 藉由參數分析程式進行分析,可探討擋牆厚度變化對於蓋板後表面反射雜光的影響,此工具可掃描不同的模型條件,並自動化儲存網格數據、圖像與模型於特定資料夾中。 圖23 參數分析程式 擋牆寬度需設定為變數,接收器的入射功率則設定為評價函數進行掃描,寬度由0.1 mm到0.4 mm,每0.05mm掃描一個值,共7筆數據,最終設計中,寬度在0.35mm時,已可阻擋大部分的雜光。 圖24 掃描不同擋牆厚度的結果 光源與光偵測器間距亦會影響有效訊號與雜散光,因此第二部份我們試著改變光源與光偵測器間距,分析有效訊號與雜散光之間的能量變化,以設計出較佳的結果。利用參數控制定義LED與光偵測器之距離參數,並建立訊號與雜訊之比例運算式。 圖25 參數控制設定 再藉由參數分析程式進行分析,將光源與光偵測器的間距設定為變數,各接收器的入射功率與能量值設定為評價函數,掃描光源與光偵測器的間距,由1.5mm到2.3mm,每0.1mm掃描一個值,共9筆數據。 圖26 光源與光偵測器的間距掃描結果 由掃描結果可得知,光源與光偵測器的間距為1.5 mm時,LED光源之皮膚組織體散射能量較強,LED光源之雜散光能量較低,訊雜比為2.36。 圖27 光源與光偵測器間距為1.5mm的結果 最後,將光源數量增加為兩顆LED,LED以對稱方式排布,可提高有效訊號的能量,降低環境光的影響。 圖28 最終設計的PPG感測器模型 最終的模型,皮膚組織的體散射能量增加,訊雜比則由原本2.36提升至3.99。 圖29 雙顆LED光源的設計結果 (本文作者為思渤科技應用工程師)
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艾邁斯新NIR影像感測器優化3D視覺感測系統

高效能感測器解決方案供應商艾邁斯半導體(ams)日前推出CMOS全局快門(CGSS)近紅外線(NIR)影像感測器,作為最近發表的3D系統的進一步發展。CGSS130讓臉部識別、支付認證等3D光學感測應用能以遠低於替代方案的功耗運作。OEM客戶將能以更長的單次充電使用時間作為電池供電設備關鍵的產品區隔,同時支援更複雜的感測器功能。 ams副總裁暨ISS部門總經理Stephane Curral表示,繼2020年稍早ams與SmartSens Technology開始合作夥伴的關係,很高興宣布推出首款內建CGSS130電壓NIR增強型全局快門影像感測器的3D主動立體視覺(ASV)參考設計。此一1.3M像素堆疊式BSI感測器在940nm波段提供高量子效率(QE),適合電池供電設備應用。此外,透過一次提供照明、接收器和軟體等3D系統主要組件,ams協助客戶以更低成本打造出效能優異的產品,同時更快速將產品上市。 新推出的CGSS130感測器對於NIR波長的靈敏度四倍於市場上多數其他產品,可靠偵測3D感測系統中超低功率IR發射器的反射。由於IR發射器在臉部識別及其他3D感測應用中是主要耗電元件,因此CGSS130的採用將使製造商能有效延長行動設備的電池使用時間。同時,也讓可穿戴設備和其他僅有極小電池的產品有機會搭載臉部識別功能,甚至因為高靈敏度擴展相同功率條件下的測量範圍,因而實現臉部識別以外的創新應用。
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