光檢測(cè)電路的制作方法
【專(zhuān)利摘要】提供了一種電子光檢測(cè)電路，該電子光檢測(cè)電路用于在背光條件下檢測(cè)光敏部件上的強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)。所述電路包括：所述光敏部件，具體地，作為光位置檢測(cè)器，用于檢測(cè)所述光信號(hào)光斑在檢測(cè)窗內(nèi)的擊中位置；放大器，該放大器具有連接至所述光敏部件的輸出端的高輸入電阻；以及背光抑制電路。所述背光抑制電路與所述放大器并聯(lián)地連接至所述光敏部件的輸出端，并且包括電子有源諧振器結(jié)構(gòu)。所述有源諧振器結(jié)構(gòu)按向所述光敏部件的輸出端提供負(fù)載阻抗的以下方式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)：針對(duì)低頻提供低負(fù)載阻抗，以抑制所述光敏部件的自然背光飽和與人工背光飽和，而在所述強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)的頻率下提供高負(fù)載阻抗。
【專(zhuān)利說(shuō)明】光檢測(cè)電路
[0001]本發(fā)明總體上涉及根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分用于在背光條件下檢測(cè)光敏部件上的強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)的電子光檢測(cè)電路，并且涉及根據(jù)權(quán)利要求11的前序部分用于評(píng)估背光條件下的光斑的方法。
[0002]在激光測(cè)平【技術(shù)領(lǐng)域】，激光旋轉(zhuǎn)器或線激光器被用于跨越可以水平、垂直或傾斜達(dá)希望的角度的水準(zhǔn)面。激光平面通常被激光接收器所檢測(cè)，激光接收器檢測(cè)激光在檢測(cè)窗內(nèi)部的擊中位置，以確定接收器相對(duì)于激光平面的位置。該檢測(cè)窗(或接收器窗)是激光接收器裝置處的位置，其被具體實(shí)施為對(duì)激光束進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)該光束在檢測(cè)窗內(nèi)的擊中點(diǎn)的位置，以確定激光束的光軸在至少一個(gè)方向上相對(duì)于接收器裝置的位置。在許多實(shí)施方式中，中心(檢測(cè)窗長(zhǎng)度的一半)是激光束的希望水平面，并且接收器通過(guò)指示性的或量化的方法來(lái)指示相對(duì)于理想位置的偏差。與投射激光平面的人工觀察相比，激光束的電子接收允許擴(kuò)展激光測(cè)平的距離范圍、日光條件下的可用性等。與它們的競(jìng)爭(zhēng)者相比，具有許多不同的功能、性能以及成本優(yōu)勢(shì)的許多類(lèi)型的激光接收器是已知的。這些裝置可以包括許多附加的特征，像光學(xué)水平指示、聲學(xué)水平指示、距離確定、角確定、數(shù)據(jù)通信、接收器-旋轉(zhuǎn)器配對(duì)等，這些不是本發(fā)明的主要范圍。
[0003]這種激光測(cè)平實(shí)現(xiàn)的某些示例為:示出了旋轉(zhuǎn)單束激光發(fā)射器的US6，435，283，或示出了通過(guò)按錐面導(dǎo)引激光而生成連續(xù)的360°激光平面的US4，756，617，其中，通常使用幅度調(diào)制激光源。投射激光線的這兩種原理還被稱(chēng)為具有掃描線的線激光或具有連續(xù)的激光線的線激光，其中，光可以被調(diào)制。
[0004]旋轉(zhuǎn)或掃描激光束發(fā)射器生成掠過(guò)接收器的光束，并且在檢測(cè)窗中生成持續(xù)時(shí)間短但帶寬高的激光脈沖。與此相反，連續(xù)激光發(fā)射器在調(diào)制頻率生成帶寬窄的連續(xù)的激光信號(hào)。盡管接收器的傳感器部件(和接收器的許多其它部分)對(duì)兩類(lèi)激光水平儀來(lái)說(shuō)可以相同，但接收器中的信號(hào)調(diào)節(jié)和評(píng)估可以不同。本文呈現(xiàn)的發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)光束發(fā)射器，但對(duì)于調(diào)制的連續(xù)光束激光發(fā)射器來(lái)說(shuō)也是有效的。
[0005]在許多使用情況下，激光接收器附接至測(cè)平桿或者要測(cè)平的機(jī)構(gòu)。通過(guò)測(cè)量光束的光軸在接收窗內(nèi)的擊中位置來(lái)確定接收器的接收窗處的激光平面的交點(diǎn)。該位置被指示給用戶(hù)，具體地作為相對(duì)于希望的測(cè)平位置處的希望的擊中位置的偏差。
[0006]存在多種已知技術(shù)，來(lái)確定激光在接收器窗中的擊中位置。確定光束的位置的一種方法是，使用光電二極管或光電二極管陣列。
[0007]US3, 649，122描述了彼此并聯(lián)連接并且利用相同的電阻器串聯(lián)連接的一行分離的相鄰的光電單元。在這樣獲得的極之間測(cè)量的光電流給出了激光束擊中與該行光電單元的長(zhǎng)度相對(duì)的接收器的點(diǎn)的位置。光導(dǎo)用于利用光電單元增大檢測(cè)窗的填充/密度。對(duì)于光電單元的排布結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，該接收器僅產(chǎn)生分段線性響應(yīng)。
[0008]US3, 894，230描述了并行光檢測(cè)裝置的對(duì)準(zhǔn)陣列，其中，每一個(gè)光檢測(cè)裝置都對(duì)應(yīng)于一個(gè)位置增量。該接收器指示哪一個(gè)光檢測(cè)單元首先接收到超過(guò)預(yù)定水平的光信號(hào)。有機(jī)玻璃桿與傳感器陣列對(duì)準(zhǔn)，以形成柱面透鏡，增加落在檢測(cè)陣列上的光量。該裝置還采用光學(xué)濾波器，以減小紫外光、明亮的太陽(yáng)光或其它光源的影響。該接收器假定激光束的碰撞束形狀為圓形并且光檢測(cè)單元被充分地分開(kāi)。因此，該接收器的檢測(cè)范圍有限。
[0009]EPl, 484，577描述了這樣一種接收器，即，其通過(guò)連接至相移電路的(并行)光電二極管間歇性陣列來(lái)對(duì)激光束(IOOkHz至IOMHz)進(jìn)行調(diào)幅。光擴(kuò)散傳感器窗設(shè)置在光電二極管間歇性陣列前面。光擴(kuò)散器按這樣的方式傳播激光，即，當(dāng)激光束沖擊兩個(gè)光電二極管之間的中心時(shí)，兩個(gè)二極管被同等地照亮。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，接收器可以使用更少的光電二極管；然而，該接收器僅是部分線性的。
[0010]US7, 372，011描述了具有關(guān)聯(lián)的加權(quán)電路的(并行)光電二極管線性陣列。該加權(quán)電路被用于確定接收器是否被激光束或者被另一頻閃光擊中。為了將直流日光電流分路，該接收器使用參照地的電感器。
[0011]US7, 339，154和JP04046282示出了這樣的傳感器級(jí)，即，具有利用基于串聯(lián)電阻器排布結(jié)構(gòu)的電路進(jìn)行加權(quán)的光電二極管并行陣列。負(fù)載電阻器Rh和Rl被優(yōu)選地制成所需的尺寸，以使加權(quán)電阻器的和顯著地大于負(fù)載電阻器。
[0012]除如上使用的單個(gè)的光電二極管以外，還使用BiCell，作為雙光電二極管，放置在具有一般的長(zhǎng)寬比的矩形上，并且按對(duì)角線電隔離并光隔離，形成兩個(gè)全等三角形(BiCell)。當(dāng)激光束擊中矩形的上/下側(cè)處時(shí)，第一光電二極管覆蓋具有小/大面積的激光束，而第二光電二極管覆蓋具有剩余的大/小面積。兩個(gè)信號(hào)的差與兩個(gè)信號(hào)的和之間的關(guān)系為線性的。例如，US4，676，634示出了采用對(duì)接(butt-to-butt)排布結(jié)構(gòu)的BiCell和另選的兩個(gè)光電池，其具有分級(jí)(on-grade)穩(wěn)定化的光束平均化和死區(qū)選擇。
[0013]US4，756，617描述了使用所謂的BiCell，以線性地確定激光束沖擊接收器的位置。使用無(wú)源電感器被描述為用于通過(guò)將來(lái)自BiCell輸出端的無(wú)源電感器連接至地，來(lái)將DC和低頻信號(hào)旁路至地(日光防護(hù))。而且，使用幅度調(diào)制的激光束被描述為，增加激光束的峰值強(qiáng)度，而不增加調(diào)節(jié)的RMS (均方根)值，這允許增大接收器的最大距離范圍。
[0014]US6, 750, 953示出了一種位置檢測(cè)激光接收器，其基于BiCell輸出值的對(duì)數(shù)標(biāo)度來(lái)進(jìn)行位置檢測(cè)。還存在從BiCell輸出端至地的無(wú)源電感器。
[0015]US4, 830，489描述了基于BiCell的激光接收器，其用于線性地確定激光束的相對(duì)高度。借助于接收器的反向反射信號(hào)而在旋轉(zhuǎn)器處確定該接收器的方位角位置。無(wú)線電裝置用于傳送方位角位置以及旋轉(zhuǎn)器到接收器的距離。對(duì)于距離測(cè)量來(lái)說(shuō)，提出了渡越時(shí)間以及相移測(cè)量方法。
[0016]US4, 907, 874和US4，976，538都通過(guò)以?xún)蓚€(gè)信號(hào)的兩個(gè)所得部件進(jìn)行組合的單個(gè)叉指狀光學(xué)兀件的并行排布結(jié)構(gòu)描述了一種修改的BiCell傳感器。
[0017]US6, 133,991描述了堆疊在彼此頂部上的多個(gè)BiCell傳感器，其具有不同的傳感器形狀和傳感器排布結(jié)構(gòu)，以減小陰影效應(yīng)。起作用的傳感器部件并聯(lián)地以電子方式使用。
[0018]US6, 747, 266描述了一種利用光學(xué)濾波器的排布結(jié)構(gòu),其具有能夠沿掃描方向擴(kuò)展激光束的透鏡部分以及能夠擴(kuò)散所擴(kuò)展的激光束的擴(kuò)散部分，其優(yōu)點(diǎn)是，可以通過(guò)劃分的BiCell傳感器來(lái)檢測(cè)寬激光束以及窄聚焦(掃描)的激光束。
[0019]而且，在測(cè)平激光接收器中使用光導(dǎo)是已知的。例如，在DE19540590中，描述了 N型或V型線狀光學(xué)檢測(cè)單元。該檢測(cè)單元可以包括:光電傳感器陣列、在檢測(cè)窗處沿直線對(duì)齊的許多光學(xué)透射玻璃或塑料光纖或者光學(xué)材料構(gòu)成的專(zhuān)門(mén)制造的桿，該光學(xué)材料能夠?qū)⒄粵_擊的激光傳導(dǎo)至該桿端部處的光電傳感器。通過(guò)利用N狀或V狀的桿，并且測(cè)量任一桿上的信號(hào)的接收之間的時(shí)間差，確定激光束在光學(xué)接收部件上的相對(duì)高度。
[0020]US7, 394，527和US2003/0174305都描述了具有至少兩個(gè)信號(hào)光束的旋轉(zhuǎn)器，其中，至少兩個(gè)信號(hào)光束彼此之間具有給定的關(guān)系，以確定從接收器至旋轉(zhuǎn)器的距離。該接收器被設(shè)計(jì)用于這些信號(hào)光束的時(shí)間分辨接收(time resolved reception)。而且,接收器被描述為在光導(dǎo)體的兩個(gè)端部處具有兩個(gè)光感測(cè)器，光感測(cè)器允許測(cè)量光束沖擊光導(dǎo)體的點(diǎn)。利用按固定的距離設(shè)置的兩個(gè)接收器允許僅通過(guò)單一的光束來(lái)確定到旋轉(zhuǎn)器的距離?？梢酝ㄟ^(guò)在接收器處發(fā)射不同的旋轉(zhuǎn)頻率、編碼所發(fā)射信號(hào)、選擇合適的發(fā)射譜等來(lái)區(qū)別兩個(gè)信號(hào)發(fā)生器。
[0021]用于確定光斑的另一已知部件是PSD (Position Sensitive Device:位置感測(cè)裝置)，其在工業(yè)界是公知的，并且例如用于三角測(cè)量傳感器中，作為用于檢測(cè)(反射的)激光束的位置的裝置。
[0022]根據(jù)本申請(qǐng)的理解，PSD是與基于橫向光電效應(yīng)的那些裝置類(lèi)似的裝置，還被稱(chēng)為各向同性PSD或橫向效應(yīng)光電二極管(LEP)或MOS型PSD。如所提出的讀出電路所暗示的，本文所引用的PSD基板具有(至少兩個(gè))相對(duì)的平衡的輸出端。該輸出端上的信號(hào)取決于PSD的有源表面上的光束的位置。這兩個(gè)輸出信號(hào)相對(duì)地取決于該位置(這種輸出行為有時(shí)也被稱(chēng)為對(duì)稱(chēng)輸出)。鑒于已知的電特性或等效電路，PSD與BiCell相比的顯著差異是PSD的輸出端子之間的電阻性連接。BiCell是在幾何形狀上為錐形的2個(gè)光電二極管，在其相對(duì)的信號(hào)輸出端之間未提供電子互連。并不意味著有時(shí)也稱(chēng)為PSD的快速讀出CCD或CMOS陣列(因?yàn)樗鼈円部梢杂糜诖_定投射在它們上的光斑的位置)，具體地是因它們的電氣連接和讀出特性不同。所謂的“分段PSD”在本文被稱(chēng)為BiCell。
[0023]為了容易理解，在本文的說(shuō)明中的PSD是一維的PSD，但本領(lǐng)域技術(shù)人員知道，相同的原理還可應(yīng)用于二維PSD的第二方向上，因此，對(duì)二維PSD的評(píng)估也是本發(fā)明的一部分。
[0024]盡管將PSD用于位置檢測(cè)具有優(yōu)勢(shì)，但主要的問(wèn)題是，它們的低飽和閾值，為此，在具有明亮日光的戶(hù)外條件下，PSD至今尚未被使用。具體地，在戶(hù)外激光測(cè)平應(yīng)用中，PSD傳感器遭受它們?cè)谌展庵孪鄬?duì)于光電二極管容易飽和的事實(shí)，而且在接收器與激光源之間的遠(yuǎn)距離處具有更低的信號(hào)強(qiáng)度。為此，PSD傳感器沒(méi)有被用于建筑業(yè)中的激光接收器的商業(yè)實(shí)現(xiàn)中(例如，用于建筑工地等)。
[0025]PSD的信號(hào)響應(yīng)以某種方式類(lèi)似于BiCell排布結(jié)構(gòu)的信號(hào)響應(yīng):提供隨著入射激光束的改變的位置而增大/減小的兩個(gè)連續(xù)信號(hào)。然而，與PSD相比，在BiCell的使用方面存在若干種計(jì)算差異，例如:
[0026]1、由BiCell的每一個(gè)光電二極管生成的信號(hào)之間存在相位延遲。該相位延遲在脈沖的數(shù)字化期間具有缺點(diǎn)，并且導(dǎo)致了某種非線性。
[0027]2、在被圓形或橢圓形激光束擊中時(shí)，由于在三角傳感器區(qū)域的重心和激光束強(qiáng)度分布方面的差異，BiCell中的每一個(gè)二極管的三角形狀導(dǎo)致某種非線性。
[0028]3、BiCell通常需要比PSD更大的檢測(cè)區(qū)域，其導(dǎo)致更高的傳感器成本和更多的背光飽和。
[0029]4、當(dāng)BiCell未正交地對(duì)準(zhǔn)至激光束并且傳感器的一部分被覆蓋(例如，被接收器外殼覆蓋)時(shí)，該傳感器將給出錯(cuò)誤的高度讀數(shù)。這還被稱(chēng)為陰影效應(yīng)。已經(jīng)提出了許多解決方案，來(lái)解決這種固有的BiCell傳感器問(wèn)題。
[0030]在使用“智能測(cè)平桿”的測(cè)平應(yīng)用中，希望覆蓋大的高度差，例如，IOcm或以上。
[0031]例如，具有大于5cm或7cm或甚至大于IOcm的有效檢測(cè)長(zhǎng)度的PSD這樣的具有長(zhǎng)的檢測(cè)區(qū)域的現(xiàn)成的PSD裝置不可用。那些不很長(zhǎng)的可用的PSD裝置遭受因背景光等造成的飽和問(wèn)題，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)測(cè)平接收器所需的希望的性能，為此，它們通常未使用在這種應(yīng)用中。
[0032]本發(fā)明的一個(gè)目的是，提供具體地用于測(cè)平應(yīng)用的改進(jìn)激光接收器。
[0033]本發(fā)明的一個(gè)目的是，實(shí)現(xiàn)一種要被接收器覆蓋的增加的高度范圍，優(yōu)選地具有保持的或增加的高度測(cè)量準(zhǔn)確度，尤其是，在“水平面”位置周?chē)?br> [0034]而且，本發(fā)明的一個(gè)目的是實(shí)現(xiàn)更大的測(cè)平距離。長(zhǎng)范圍的測(cè)平還會(huì)因光束發(fā)散性而需要增加的傳感器長(zhǎng)度。
[0035]因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是，實(shí)現(xiàn)光位置檢測(cè)的更大的檢測(cè)窗。
[0036]本發(fā)明的另一目的是，提供一種優(yōu)選地利用不太復(fù)雜且模塊化的組件的、具體地用于測(cè)平應(yīng)用的接收器中的改進(jìn)的光斑位置測(cè)量裝置。
[0037]本發(fā)明的另一目的還提供一種用于對(duì)短范圍距離和長(zhǎng)范圍距離兩者進(jìn)行測(cè)平的激光接收器。
[0038]另一目的是，提供這樣一種用于光敏部件(具體地，用于多個(gè)PSD排布結(jié)構(gòu))的方法和電氣讀出排布結(jié)構(gòu)，其能夠檢測(cè)具有寬跨度激光光斑直徑的位置，優(yōu)選地，還具有該位置的線性讀出，而且在不利的環(huán)境條件下進(jìn)行。
[0039]本發(fā)明的另一目的是，提供一種需要更少功率的接收光的激光接收器，由此，可以增加接收器的工作距離和/或可以縮減發(fā)射器的發(fā)送功率需求。
[0040]本發(fā)明的又一目的是，提供一種具有增加的接收器窗口長(zhǎng)度、特別是具有高的位置準(zhǔn)確度的激光接收器。
[0041]本發(fā)明的另一目的是，增加用于對(duì)準(zhǔn)和定位應(yīng)用的接收器位置分辨率準(zhǔn)確度。
[0042]本發(fā)明的又一目的是，通過(guò)將接收器處的測(cè)平信號(hào)與噪聲信號(hào)比最小化來(lái)增加光學(xué)部件的檢測(cè)范圍。
[0043]這些目的通過(guò)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立權(quán)利要求的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)。按另選或有利方式進(jìn)一步開(kāi)發(fā)本發(fā)明的特征在從屬專(zhuān)利權(quán)利要求中進(jìn)行了描述。
[0044]增加接收器可操作的距離范圍和/或增加測(cè)平方面的可覆蓋高度范圍都需要放大檢測(cè)窗和其中包括的傳感器。
[0045]而且，分析這種認(rèn)知顯示出，使用放大的感測(cè)區(qū)域需要對(duì)干擾、背光等進(jìn)行更強(qiáng)的抑制，因?yàn)樗鼈兊挠绊戨S著傳感器長(zhǎng)度而增加。因此，保持足夠的靈敏度本身對(duì)于增加光敏部件長(zhǎng)度來(lái)說(shuō)是矛盾的。保持足夠的靈敏度對(duì)于增加背光和/或噪聲抑制來(lái)說(shuō)也是矛盾的需求，因?yàn)楸粋鞲衅魇占谋彻獾牧恳搽S著其尺寸增加。
[0046]本發(fā)明涉及一種電子光檢測(cè)電路，該電子光檢測(cè)電路用于在背光條件下檢測(cè)光敏部件上的強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)。所述電路包括:所述光敏部件，具體地，作為光位置檢測(cè)器，用于檢測(cè)所述光信號(hào)光斑在檢測(cè)窗內(nèi)的擊中位置；放大器，該放大器具有連接至所述光敏部件的輸出端的高輸入電阻，具體地，所述放大器為優(yōu)選地具有隨后的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的互阻抗放大器；以及背光抑制電路。[0047]根據(jù)本發(fā)明，所述背光抑制電路與所述放大器并聯(lián)地連接至所述光敏部件的輸出端。
[0048]所述電路包括:電子有源諧振器結(jié)構(gòu)，具體地，該電子有源諧振器結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)運(yùn)算放大器，該電子有源諧振器結(jié)構(gòu)以向所述光敏部件的輸出端提供負(fù)載阻抗的以下方式來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì):
[0049] 針對(duì)低頻，具體地，針對(duì)主頻率的零至兩倍的頻率范圍提供低負(fù)載阻抗，以抑制所述光敏部件的自然背光飽和與人工背光飽和，
[0050]在強(qiáng)度調(diào)制的頻率下提供高負(fù)載阻抗，具體地，所述負(fù)載阻抗被匹配至所述光敏部件的阻抗，以向所述放大器發(fā)送經(jīng)調(diào)制的信號(hào)。
[0051]術(shù)語(yǔ)匹配意指，選擇所述有源諧振器結(jié)構(gòu)在調(diào)制頻率下或該調(diào)制頻率周?chē)淖杩?，以縮減或消除因排出電路而造成的信號(hào)損耗，而同時(shí)在使用多個(gè)光敏部件時(shí)確保線性度。具體地，選擇所述有源諧振器結(jié)構(gòu)在調(diào)制頻率下或該調(diào)制頻率周?chē)淖杩?，以使其處于并?lián)連接的放大器的輸入阻抗的范圍中或優(yōu)選地高于該輸入阻抗。在阻抗電橋配置中，所述有源諧振器結(jié)構(gòu)在調(diào)制頻率下或該調(diào)制頻率周?chē)淖杩贡贿x擇成高于所述光敏部件的輸出阻抗。
[0052]如上面已經(jīng)提到，希望具有長(zhǎng)測(cè)量范圍的激光接收器。長(zhǎng)測(cè)量范圍需要長(zhǎng)接收器窗和傳感器，因?yàn)闇y(cè)平光束與針對(duì)激光束發(fā)射器的范圍/距離成比例地發(fā)散。通過(guò)選擇像長(zhǎng)BiCell或PS D的更長(zhǎng)的傳感器部件來(lái)擴(kuò)展測(cè)量范圍具有增加傳感器電容和更高的背光產(chǎn)生電流的缺點(diǎn)，其可以被視為不需要的噪聲，并且其覆蓋了實(shí)際上要測(cè)量的信號(hào)，甚或在傳感器飽和的情況下對(duì)該信號(hào)削波。增加所述傳感器部件的偏置電壓是當(dāng)前工藝水平方法，以增加出現(xiàn)飽和時(shí)的背光電平，然而，其以功耗為代價(jià)。而且，對(duì)于傳感器部件的偏置電壓來(lái)說(shuō)，存在物理限制，其還限制所述傳感器部件的、可實(shí)現(xiàn)足夠的背光抑制的最大的有效傳感器區(qū)域(并由此，限制其長(zhǎng)度)。
[0053]明顯地，在此呈現(xiàn)的方法和電路還可以在不需要擴(kuò)大傳感器區(qū)域的情況下改進(jìn)信號(hào)評(píng)估，例如，在目前工藝水平接收器中，通過(guò)并入根據(jù)本發(fā)明的有源諧振器結(jié)構(gòu)，而允許縮減發(fā)送功率、增加檢測(cè)范圍和/或增加位置準(zhǔn)確度。
[0054]根據(jù)本發(fā)明另一方面，所述激光接收器的用于位置確定的接收窗的長(zhǎng)度可以通過(guò)串聯(lián)級(jí)聯(lián)的多個(gè)傳感器部件來(lái)擴(kuò)展超出起作用的傳感器部件的最大物理長(zhǎng)度。
[0055]用于光位置確定的單一的PSD是公知的，但本身不可應(yīng)用于工地激光測(cè)平，具體地是由于如上所述的它們的有限的尺寸和飽和效應(yīng)。多個(gè)傳感器的排布結(jié)構(gòu)不等于傳感器長(zhǎng)度通過(guò)隨后排列多個(gè)傳感器的簡(jiǎn)單延長(zhǎng)。
[0056]用于測(cè)平的理想光束位置檢測(cè)器需要以足夠靈敏度和背光抑制來(lái)進(jìn)行具有寬范圍光束直徑的準(zhǔn)確位置確定。其中，所述接收器處的光束直徑甚至可以超過(guò)一串聯(lián)排布結(jié)構(gòu)中的單一傳感器部件的長(zhǎng)度，具體地，用于覆蓋測(cè)平應(yīng)用中的寬范圍距離。
[0057]多個(gè)傳感器的筆直向前串聯(lián)排布結(jié)構(gòu)也仍遭受和一個(gè)長(zhǎng)傳感器相同的飽和效應(yīng)，由此，未獲得優(yōu)點(diǎn)。
[0058]優(yōu)選的是，位置確定的準(zhǔn)確度必須處于毫米范圍中或以下，其中，位置讀出的線性度也是重要的方面。現(xiàn)有技術(shù)讀出和背光抑制電路(由于它們的負(fù)載阻抗)將造成非線性和信號(hào)阻尼，其將超出有用的水平面，并且將破壞準(zhǔn)確水平面確定所需的線性度。具體地，在傳感器的串聯(lián)排布結(jié)構(gòu)中，通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)電路分接每一個(gè)傳感器輸出是不可應(yīng)用的，因?yàn)樗鼈兊呢?fù)載阻抗將縮減信號(hào)強(qiáng)度和/或破壞線性度。
[0059]由此，技術(shù)人員希望，傳感器的串聯(lián)排布結(jié)構(gòu)不會(huì)導(dǎo)致任何明顯的優(yōu)點(diǎn)，具體地，將不適于激光測(cè)平，由此，將不考慮應(yīng)用它。這也是例如現(xiàn)有技術(shù)中為何不使用PSD的理由，盡管PSD裝置已經(jīng)已知并且可用達(dá)較長(zhǎng)時(shí)間。
[0060]作為本發(fā)明的一種實(shí)施方式，在每一個(gè)端子處組合多個(gè)傳感器的串聯(lián)排布結(jié)構(gòu)與合適的諧振器在背光抑制和保持線性度方面獲得附加優(yōu)點(diǎn)。而且，根據(jù)本發(fā)明的另一子方面，專(zhuān)用于遠(yuǎn)距離或近距離的切換傳感器讀出排布結(jié)構(gòu)的另一附加方面以改進(jìn)的可檢測(cè)性和位置準(zhǔn)確度，針對(duì)寬范圍光束直徑幫助更進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了更長(zhǎng)的光位置傳感器。
[0061]作為本發(fā)明另一方面，所述光束位置檢測(cè)器還可以包括讀出電路，該讀出電路具有多個(gè)光敏部件的可變的(具體地，可改變的)讀出互連。由此，所述讀出電路可以被用于，通過(guò)改變所述讀出電路，而將所述光束位置檢測(cè)器設(shè)置成，所述光束位置在所述檢測(cè)窗內(nèi)具有不同位置加權(quán)的至少兩種模式，具體地，通過(guò)改變PSD的輸出端的互連和/或調(diào)節(jié)施加給PSD輸出端的負(fù)載阻抗。
[0062]本發(fā)明可以被用于，通過(guò)包括有利的設(shè)置和電子信號(hào)評(píng)估電路來(lái)克服如同飽和度、非線性度和/或低靈敏度的上述缺點(diǎn)，而實(shí)現(xiàn)允許長(zhǎng)接收器窗的簡(jiǎn)單且成本效益合算的激光位置感測(cè)裝置。
[0063]對(duì)于線性檢測(cè)所述接收器上的激光束位置來(lái)說(shuō)，所呈現(xiàn)電路在利用基于橫向光電效應(yīng)的位置敏感裝置PSD時(shí)特別有利的。然而，所述提出的電路和信號(hào)處理方法不限于使用PSD傳感器。具體地，通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的有源諧振器濾波電路，與背光抑制相結(jié)合的可修改互連還可以有利地與BiCell、光電二極管或作為傳感器的其它光電部件一起使用。
[0064]如上面已經(jīng)提到，本發(fā)明還涉及一種用于通過(guò)光敏部件來(lái)評(píng)估背光條件下的光斑的方法。具體地，所述光斑的位置要在包括所述光敏部件的檢測(cè)窗內(nèi)確定。
[0065]其中，所述光斑按在所述光敏部件上實(shí)現(xiàn)調(diào)制光強(qiáng)度的這種方式，應(yīng)用至所述光敏部件的所述有源表面。根據(jù)所述光強(qiáng)度并且根據(jù)所述背光條件，生成至少一個(gè)電氣信號(hào)。評(píng)估該電氣信號(hào)，以確定所述光斑在所述光敏部件的位置。因此，電氣信號(hào)可利用高輸入阻抗放大器放大，并隨后從模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字。
[0066]根據(jù)本發(fā)明，在評(píng)估所述信號(hào)之前，由背光產(chǎn)生的所述電氣信號(hào)的低頻部分通過(guò)具有針對(duì)低頻(具體地，從零至主頻率的兩倍)的低阻抗的有源諧振器結(jié)構(gòu)而主動(dòng)排出，以避免所述光電部件的背光飽和。
[0067]另一方面，調(diào)制頻率(或多個(gè)調(diào)制頻率)下的高阻抗被用于保持所述電氣信號(hào)的調(diào)制頻率部分(即，所述電氣信號(hào)處于該調(diào)制頻率下的部分，或者在合適情況下，處于調(diào)制頻率)的電平，以用于評(píng)估。
[0068]下面，本發(fā)明的各個(gè)方面針對(duì)利用PSD傳感器的示例性激光接收器進(jìn)行描述，不排除還可以根據(jù)本發(fā)明的教導(dǎo)克服的具有相似特性和/或相似缺點(diǎn)的另選傳感器裝置。
[0069]下面，參照附圖中示意性地示出的工作示例，完全通過(guò)示例的方式，對(duì)根據(jù)本發(fā)明的方法和根據(jù)本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)進(jìn)行更詳細(xì)的描述或說(shuō)明。具體地，
[0070]圖1a示出了現(xiàn)有技術(shù)中已知的無(wú)源電路；
[0071]圖1b示出了根據(jù)本發(fā)明的有源電路的第一示例性實(shí)施方式；[0072]圖2a示出了根據(jù)本發(fā)明的有源諧振器結(jié)構(gòu)的第二示例性實(shí)施方式；
[0073]圖2b示出了根據(jù)本發(fā)明的有源諧振器電路的第三示例性實(shí)施方式；
[0074]圖3示出了與根據(jù)本發(fā)明的回轉(zhuǎn)器和有源諧振器的實(shí)施方式的響應(yīng)相比較的現(xiàn)有技術(shù)無(wú)源電感器的示例性頻率響應(yīng)的第一圖；
[0075]圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的有源諧振器的實(shí)施方式的第二示例性頻率響應(yīng)；
[0076]圖5例示了通過(guò)根據(jù)本發(fā)明的讀出電路分接的PSD部件的一示例性實(shí)施方式；
[0077]圖6例示了具有根據(jù)本發(fā)明的讀出電路的具有可調(diào)節(jié)頻率響應(yīng)的BiCell的示例性實(shí)施方式；
[0078]圖7示出了包括根據(jù)本發(fā)明連接的多個(gè)PSD并且被配置為用于近距離模式讀出的光位置檢測(cè)單元的示例性實(shí)施方式；
[0079]圖8示出了包括根據(jù)本發(fā)明連接的多個(gè)PSD并且被配置為用于遠(yuǎn)距離模式讀出的光位置檢測(cè)單元的示例性實(shí)施方式；
[0080]圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的具有激光旋轉(zhuǎn)器的激光測(cè)平應(yīng)用以及具有包括電路的光束位置檢測(cè)器的激光接收器的第一示例；
[0081]圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的具有激光接收器的戶(hù)外激光測(cè)平應(yīng)用的第二示例，該激光接收器具有包括用于避免日光飽和效應(yīng)的電路的光束位置檢測(cè)器；
[0082]圖1la示出了導(dǎo)致圖3中的頻率響應(yīng)Ila的抑制電路的現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施方式的模型；
[0083]圖1lb和圖1lc示出了根據(jù)本發(fā)明的與圖3中的頻率響應(yīng)Ilb和Ilc相對(duì)應(yīng)的有源諧振器電路的示例性實(shí)施方式；以及
[0084]圖12a至圖12c示出了根據(jù)本發(fā)明的與圖4中的頻率響應(yīng)12a、12b以及12c相對(duì)應(yīng)的有源諧振器電路的示例性實(shí)施方式。
[0085]附圖中的圖不應(yīng)被視為按比例繪制。
[0086]在增大光接收器中的傳感器尺寸的時(shí)候特別希望改進(jìn)信噪比，具體地，用于其中例如距離和可覆蓋高度有益的測(cè)平應(yīng)用。在檢測(cè)大的光敏部件中的光斑時(shí)，背光可能成為問(wèn)題，因?yàn)樗鼈冊(cè)谂c要測(cè)量的光斑無(wú)關(guān)的光敏部件中感應(yīng)出電子并由此可以被視為不希望的“噪聲”。另一重要問(wèn)題是，光敏部件遭受飽和。如果感應(yīng)出的光電子未足夠快地排出，則它們累積在光敏部件中，致使該部件飽和。
[0087]這可以通過(guò)遮蔽日光和其它干擾來(lái)克服，像旋轉(zhuǎn)光和不希望的頻閃光一樣，由此，可以增加實(shí)際希望的信號(hào)的可檢測(cè)性。這例如幫助克服長(zhǎng)PSD的飽和效應(yīng)。即使長(zhǎng)PSD由多個(gè)更短的PSD的串聯(lián)排布結(jié)構(gòu)形成，也會(huì)在沒(méi)有進(jìn)一步預(yù)防措施的情況下，經(jīng)受和一個(gè)長(zhǎng)PSD相同的飽和效應(yīng)。如下所述地去除或縮減飽和度可以克服或者至少減少這種效應(yīng)，具體地，按串聯(lián)排布結(jié)構(gòu)允許串聯(lián)連接的每一個(gè)分接頭處的飽和排出，由此，與使用一個(gè)長(zhǎng)傳感器相比，可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改進(jìn)。但是，不僅PSD，而且光電二極管(具體地，設(shè)置為用于位置檢測(cè)的BiCell)也遭受飽和問(wèn)題。
[0088]落在光敏部件上的強(qiáng)日光產(chǎn)生許多電子。如果這些電子未有效地排出，則它們使傳感器飽和。因此，PSD制造商推薦，通過(guò)增加偏置電壓并且通過(guò)縮減傳感器的負(fù)載電阻，來(lái)以電子的方式影響該傳感器能夠處理的日光的量。而且，可以將窄光學(xué)濾波器(僅可以通過(guò)期望接收的波長(zhǎng))放置在該傳感器的前面，以縮減另外促進(jìn)飽和而非信號(hào)的不希望的波長(zhǎng)的強(qiáng)度。具體地，由于許多背光源在光學(xué)上是寬帶的(尤其是日光)，并且還由于實(shí)際濾波器并不完美，因而，在傳感器處仍存在背景光的剩余量。
[0089]因而，為排出由強(qiáng)日光產(chǎn)生的足夠的電子，連接至傳感器的高阻抗輸出的低負(fù)載電阻器是有益的。然而，該負(fù)載電阻器還影響擊中傳感器的激光脈沖的信號(hào)幅度，并且還減小傳感器的線性度，由此，這兩個(gè)方面是矛盾的。
[0090]現(xiàn)有技術(shù)中的用于增加在評(píng)估的輸出端口 SIG處的信號(hào)強(qiáng)度并且用于抑制日光感應(yīng)的飽和度的常見(jiàn)方法是，使用與傳感器D4并聯(lián)的電感器L7，如圖1a中所示。例如，文獻(xiàn)US7，012，237、US5, 886, 776以及US4，756，617提到了這種方法。BIAS端口還可以如本領(lǐng)域所已知的用于實(shí)現(xiàn)某種抑制。
[0091]其中，電感器L7的阻抗Z為
[0092]Z=jcoL,
[0093]其中，ω:頻率，L:電感。
[0094]該可實(shí)現(xiàn)阻抗被電感器L7的物理實(shí)現(xiàn)所限制，其受到該電感器的串聯(lián)電阻并結(jié)合平行對(duì)齊的導(dǎo)線的電容的影響。
[0095]旋轉(zhuǎn)激光測(cè)平應(yīng)用中的激光脈沖Λ t的示例性持續(xù)時(shí)間由下式給出
[0096]
【權(quán)利要求】
1.一種電子光檢測(cè)電路，所述電子光檢測(cè)電路用于在背光(3)條件下檢測(cè)光敏部件上的強(qiáng)度調(diào)制的光信號(hào)(2)，所述電子光檢測(cè)電路包括: .所述光敏部件(1、D4、BiCell、PSD)，具體地，作為光位置檢測(cè)器，用于檢測(cè)光信號(hào)光斑在檢測(cè)窗內(nèi)的擊中位置， .放大器(TA1、11、12、13、14)，所述放大器具有連接至所述光敏部件的輸出端的高輸入電阻，具體地，所述放大器為具體地具有隨后的模數(shù)轉(zhuǎn)換器的互阻抗放大器，以及.背光抑制電路， 其特征在于， 所述背光抑制電路與所述放大器并聯(lián)地連接至所述光敏部件的輸出端，并且所述背光抑制電路包括電子有源諧振器結(jié)構(gòu)，具體地，所述電子有源諧振器結(jié)構(gòu)具有至少一個(gè)運(yùn)算放大器(U13、U1)， 以向所述光敏部件的輸出端提供負(fù)載阻抗的以下方式來(lái)設(shè)計(jì)所述電子有源諧振器結(jié)構(gòu): .針對(duì)低頻，具體地，針對(duì)主頻率的零至兩倍的頻率范圍提供低負(fù)載阻抗，以抑制所述光敏部件的自然背光飽和與人工背光飽和， .在強(qiáng)度調(diào)制的頻率下提供高負(fù)載阻抗，具體地，所述負(fù)載阻抗被匹配至所述光敏部件的阻抗，以向所述放大器發(fā)送經(jīng)調(diào)制的信號(hào)， 其中，所述低負(fù)載阻抗低于所述高負(fù)載阻抗， 具體地，通過(guò)排出來(lái)自所述光敏部件(1、D4、BiCelUPSD)的輸出端的低頻光感應(yīng)電流來(lái)進(jìn)行背光抑制， 具體地，其中，所述高負(fù)載阻抗處于并聯(lián)連接的所述放大器的輸入阻抗的范圍內(nèi)或者高于并聯(lián)連接的所述放大器的輸入阻抗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其特征在于， 所述有源諧振器結(jié)構(gòu) 針對(duì)超過(guò)調(diào)制頻率的高頻范圍向所述光敏部件的輸出端提供比在調(diào)制頻率下的所述高負(fù)載阻抗更低的負(fù)載阻抗。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電路，其特征在于， 所述有源諧振器結(jié)構(gòu)是回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)，所述回轉(zhuǎn)器結(jié)構(gòu)僅包括無(wú)電感的電子組件并且具有電感頻率特性，具體地，其中，在零頻率與調(diào)制頻率之間的所述低負(fù)載阻抗和所述高負(fù)載阻抗相差至少20dB，優(yōu)選的是，低阻抗在低于IkHz的頻率下低于I千歐，而高阻抗在特別是在IOkHz至IOOkHz的范圍內(nèi)的所述調(diào)制頻率下高于10千歐。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至2中的任一項(xiàng)所述的電路，其特征在于， 所述有源諧振器結(jié)構(gòu)包括運(yùn)算放大器(U13)，具體地，所述運(yùn)算放大器被配置為單位增益緩沖器， .其中，將非反相輸入端通過(guò)電容性組件(Z3)耦接至信號(hào)，并且通過(guò)具體地具有至少100千歐的電阻的高阻抗電阻器組件(Z4)接地，并且 .其中，將反相輸入端通過(guò)具體地具有低于10千歐的電阻的低阻抗電阻器組件(Z2)耦接至所述信號(hào)，并且還耦接至所述運(yùn)算放大器(U13)的輸出端， .優(yōu)選的是，其中，將電感性組件(Zl)串聯(lián)地連接至所述低阻抗電阻器組件(Z2)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項(xiàng)所述的電路，其特征在于， 所述有源諧振器結(jié)構(gòu)通過(guò)調(diào)節(jié)或切換包括在所述有源諧振器結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)電子組件(P2、P2、Z4a)而具有隨頻率可調(diào)節(jié)的阻抗特性，具體地，其中，所述有源諧振器結(jié)構(gòu)的輸入阻抗在低頻、調(diào)制頻率和/或高頻下是可調(diào)節(jié)的，并且/或者所述調(diào)制頻率是可移動(dòng)的，優(yōu)選的是，其中，所述頻率特性在操作期間能夠在線調(diào)節(jié)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中的任一項(xiàng)所述的電路，其特征在于， 按這樣的方式來(lái)設(shè)計(jì)所述有源諧振器的跟隨頻率的阻抗特性，即，根據(jù)調(diào)制頻率下的所述高負(fù)載阻抗將調(diào)制頻率下的檢測(cè)電路讀出特性線性化，具體地，針對(duì)在調(diào)制頻率下所述光敏部件處的所述光信號(hào)光斑的所述擊中位置的線性位置讀出。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的電路，其特征在于， 所述有源諧振器具有低通頻率特性，其中，所述有源諧振器在零頻率下的低負(fù)載阻抗低于所述有源諧振器在調(diào)制頻率下的高負(fù)載阻抗，由此，主動(dòng)地排出來(lái)自所述光敏部件(1、D4、BiCe11、PSD )的輸出端的由背景光所感應(yīng)的電流，具體地，其中，負(fù)載阻抗在零頻率與調(diào)制頻率下相差至少因子100，優(yōu)選的是，在低于IkHz的低頻下具有低于I千歐的低阻抗，而在經(jīng)調(diào)制的光信號(hào)(2)的頻率下具有超過(guò)10千歐的高阻抗。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的電路，其特征在于， 所述光敏部件包括基于橫向的光電效應(yīng)的一個(gè)或更多個(gè)PSD基板。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至7中的任一項(xiàng)所述的電路，其特征在于， 所述光敏部件包括一個(gè)或更多個(gè)光電二極管，具體地，采用BiCell排布結(jié)構(gòu)。
10.一種激光對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，具體地，一種激光測(cè)平系統(tǒng)，所述系統(tǒng)具有 激光投射裝置，所述激光投射裝置用于發(fā)射激光平面，優(yōu)選地，通過(guò)旋轉(zhuǎn)激光束或者發(fā)射脈沖激光線來(lái)發(fā)射激光平面，以及 光束位置檢測(cè)器，所述光束位置檢測(cè)器用于確定所述激光平面在包括根據(jù)權(quán)利要求1至9中的任一項(xiàng)所述的電路的檢測(cè)窗內(nèi)的擊中位置。
11.一種用于通過(guò)光敏部件來(lái)評(píng)估背光條件下的光斑的方法， 具體地，用于評(píng)估所述光斑在包括所述光敏部件的檢測(cè)窗內(nèi)的位置，優(yōu)選地，評(píng)估所述光斑在測(cè)平激光接收器中的位置，該方法包括以下步驟: 以在所述光敏部件上實(shí)現(xiàn)調(diào)制的光強(qiáng)度的方式，向所述光敏部件的有源表面施加所述光斑， 根據(jù)所述光斑強(qiáng)度和所述背光條件，生成至少一個(gè)電信號(hào)， 評(píng)估所述電信號(hào)，具體地，包括利用高輸入阻抗放大器放大所述電信號(hào)，并且隨后從模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字， 其特征在于: 由所述光敏部件的輸出端處的有源諧振器結(jié)構(gòu)主動(dòng)地排出由背光產(chǎn)生的電信號(hào)的低頻部分，所述有源諧振器結(jié)構(gòu)針對(duì)具體地是主頻率的零至兩倍的低頻具有低阻抗，以通過(guò)排出所述電信號(hào)的低頻部分來(lái)避免光電部件的背光飽和， 而在調(diào)制頻率下具有高阻抗，以保持要評(píng)估的所述電信號(hào)的調(diào)制頻率部分的高電平，其中，所述低阻抗低于所述高阻抗，具體地，至少低十倍，優(yōu)選地低100倍以上， 具體地，導(dǎo)致針對(duì)所述調(diào)制頻率部分的排出與針對(duì)所述低頻部分相比減少。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法， 其特征在于: 通過(guò)調(diào)節(jié)所述有源諧振器的電組件，切換或重構(gòu)所述有源諧振器的跟隨頻率的阻抗特性，來(lái)調(diào)節(jié)所述有源諧振器結(jié)構(gòu)， 具體地，通過(guò)按低頻、調(diào)制頻率和/或高于調(diào)制頻率調(diào)節(jié)所述有源諧振器結(jié)構(gòu)的阻抗并且/或者移動(dòng)所述有源諧振器結(jié)構(gòu)的臨界頻率。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12中的任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于， 所述排出與所述評(píng)估在電氣上并行地進(jìn)行，并且所述有源諧振器結(jié)構(gòu)提供比無(wú)源電感性組件的電感與串聯(lián)電阻比更高的電感與串聯(lián)電阻比。
14.一種通過(guò)激光對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)延伸距離的方法，所述激光對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)具體地為激光測(cè)平系統(tǒng)，所述激光對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)包括激光發(fā)射器和激光接收器，所述激光對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)能夠通過(guò)在所述激光接收器中執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求11至13中的任一項(xiàng)所述的方法來(lái)進(jìn)行操作，以改進(jìn)信號(hào)與背景和噪聲比。
15.一種方法，所述方法在包括激光發(fā)射器和激光接收器的激光對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)中，通過(guò)在所述激光接收器中執(zhí)行根據(jù)權(quán)利要求11至13中的任一項(xiàng)所述的方法，來(lái)縮減在背光條件下所述激光測(cè)平發(fā)射器所必需`的發(fā)射能量。
【文檔編號(hào)】G01C15/00GK103797330SQ201280039879
【公開(kāi)日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2012年8月14日 優(yōu)先權(quán)日:2011年8月16日
【發(fā)明者】C·L·E·迪穆蘭 申請(qǐng)人:萊卡地球系統(tǒng)公開(kāi)股份有限公司