觸控螢幕在靠近臉部時會被關掉，這個看似簡單的動作，是紅外線(IR)發射器、光學感測器及一些光學元件以驚人的精確度組裝而成才得以實現。在智慧型手機此類空間極其有限的產品中，對於失準或是發射及反射特性變異的容忍度是非常低的。
雖然接近功能可以透過離散式的紅外線發光二極體(IR LED)、光學感測器和其他元件來實現，但這會使得系統設計人員面臨相當大的開發風險，因為接近系統變得複雜，在開發及生產階段中，有許多因素會導致接近系統出錯。
本篇文章旨在探討設計和製造無故障接近感測系統所面臨的挑戰，並說明整合型光學模組製造業者為了消除量產終端產品的故障風險所做的努力(圖1)。
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| 圖1 典型的智慧型手機光學感測器和接近偵測器應用 |
避免誤判零故障 接近感測設計學問多
當智慧型手機被拿近使用者的耳朵時，透過偵測使用者的接近程度，智慧型手機會關閉顯示器背光和觸控螢幕，以節省電池壽命並有助於避免不當作用於觸控螢幕。手勢偵測則使用相同的這組元件來讓智慧型手機得以辨識簡單的手勢，例如螢幕捲動和按鍵選擇等。
接近和手勢偵測不僅需要光學感測器，還需有IR LED。IR LED依受控的順序進行脈衝，以測定使用者的接近程度及可能的使用者手勢。IR LED可與光學感測器分開，也可以和光學感測器整合在同一個封裝內。前一種方式被稱為離散式，後一種方式則是採用模組形式，環境光感測器和IR LED被整合在同一個封裝中。
為了瞭解模組為何可能是較佳選擇，接下來將針對智慧型手機實現接近和手勢偵測功能的系統層級問題提供簡短的背景說明。
在理論上，採用IR的接近偵測是相當簡單的。關於IR發射器，例如IR LED會朝須偵測的接近物體的大致方向產生人眼不可見的光模式(圖2)。發射光的一部分將從物體反彈並反射回感測器。如果物體不在發射光模式的視野內，也不在感測器視野內，或是物體太遠，則系統將不會感測到物體的存在。一旦反射訊號上升至高於環境雜訊基本水準，則感測器就可以根據反射訊號的強度開始辨別物體的接近程度。
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| 圖2 簡化的接近偵測系統 |
在現實世界的環境中，採用紅外光的接近檢測會因為一些物理限制而變得複雜。首先，在智慧型手機設計中，偵測系統是位於玻璃之下(圖3)。覆蓋其上的玻璃會引發幾個問題。當光通過玻璃時，光會被衰減並且折射(彎曲)，且小部分(通常約4%)的光會被反射。
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| 圖3 玻璃加入系統導致問題更複雜 |
反射光會引發最大的問題。因為玻璃如此靠近發射器，所以即使來自玻璃的反射光只有一小部分，但是這不被期望的反射光也很容易就超過來自偵測對象的反射光，因為從玻璃到偵測對象和返回玻璃的行進距離，會嚴重衰減行進中的光線訊號。如圖3所示，一些發射光線會由玻璃的表面內側和外側反射出來，若要創建可靠的系統，就必須減少這類反射。
玻璃反射/IR洩漏 光學串擾兩大難題
類似的問題是少量的紅外光會被直接發射至感測器。再來，由於感測器與IR LED發射器非常接近，所以即使是少量的訊號也會壓制來自偵測對象的反射光，這種效應有時被稱為IR洩漏。
大部分的光學串擾(Optical Crosstalk)來自於玻璃反射和IR洩漏。光學串擾是發射期間出現於感測器的任何不需要的訊號。在完美的系統中，唯有來自偵測對象的反射訊號才會出現在感測器上。
有幾個系統級物理設計元素可用來減輕玻璃蓋和IR洩漏引起的問題。可以在IR LED和感測器周圍放置光學屏障以防止不必要的訊號到達感測器。
理論上，圖4所示的光學屏障可以延伸涵蓋完整距離，從基板至玻璃，並能減少玻璃的反射。然而，機構設計是無法實現的，因為玻璃會在使用期間彎曲，且光學屏障與玻璃的接觸將增加玻璃可能破裂或破裂的可能性。
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| 圖4 建置光學屏障 |
幸運的是，有另一種解決問題的方法，透過在玻璃的頂部和底部使用非反射(吸收)油墨，可以大幅減少反射光量並且使得該問題易於管理。
在智慧型手機設計中，每一系統的功耗都至關重要，對於接近偵測系統而言也是如此。增加透鏡可縮窄IR LED的輻射發射模式，如此能減少光能量的浪費。降低光能量的浪費，這意謂IR LED能以較低的功率水準或更短的時間運作，並提供同樣效能，如此就能實現節能(圖5)。
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| 圖5 完整系統的關鍵尺寸 |
智慧型手機中的接近感測器設計非常小，有些所占用的空間甚至少於10立方毫米(mm2)。有許多尺寸必須被嚴格控制，其中一些尺寸如圖5所示，包括從LED到感測器的XY間距、光學屏障和玻璃之間的氣隙、LED及感測器至玻璃的Z高度、玻璃的厚度，還有LED和感測器與光學屏障間的距離。
在圖5中，關鍵點必須被嚴格控制，以確保智慧型手機正常運作。如果關鍵點距離玻璃表面太遠，則無法偵測靠近玻璃的物體，如果關鍵點在玻璃內部移動，則串擾將顯著增加。即使是幾10微米(μm)的移動也會完全破壞系統。在量產組裝時如何可靠地放置元件在高運作量(High Volume)環境中是智慧型手機製造商面臨的重大挑戰。
整合型光學模組問世 體積縮小更易設計
如前文所討論的，必須解決許多系統問題，才能在智慧型手機中創建可靠的接近設計。相較於離散式解決方案，模組提供一些固有優勢。模組能讓開發工作變得更為容易，並且能夠打造出更容易製造的產品。
例如，利用模組，許多隨著放置位置不同而來的空間尺寸問題，都被限縮至這一點，因此對整個系統進行建模和模擬就更容易，如此能減輕和加速開發工作。由於許多關鍵尺寸都已被包含於模組中，所以這些重要尺寸就不再是智慧型手機製造業者是需要解決的生產問題。
再者，採用模組能讓系統的光串擾成為可被預測的現象，可以建模和控制至容許極限。模組所提供更嚴格的公差，可以使得玻璃上的孔洞更小，智慧型手機設計更為美觀。圖6和圖7顯示典型模組TMD4903的實際外觀和內部橫截面。
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| 圖6 TMD4903模組 |
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| 圖7 TMD4903(內部橫截面) |
模組還能提供較離散式解決方案更多的優勢。首先，模組能在工廠內進行校準，以消除IR LED的輻射功率變異性。功率變異程度可能會超過30%，因此必須在智慧型手機製造過程中的某個時間點進行校準，以建立可靠的系統。相較於設計已組裝至智慧型手機後再進行校準，模組層級的校準更為容易。其次，整合IR LED，就能刪掉最終物料清單(BOM)中的一個項目(這可能就是一個額外的供應商)，如此能簡化製造過程。
此外，模組還解決了選擇能與光感測器最佳配對的IR LED的問題。IR LED的發射模式變化很大，光感測器的偵測特性也是如此。為獲得最佳效能，IR LED和光感測器必須充分「速配」，模組型方案可以確保這個條件。
(本文作者為奧地利微電子先進光感測部門資深產品經理)