专利名称：光学测距传感器及电子设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于通过向目标投射光线并接受反射光而对到要进行测定目标的距离的三角测距类型的光学测距传感器。
背景技术：
作为其中一种传统光学测距传感器，例如图8所示的测距传感器，采用三角测距方法，通过投射光线并接受反射光而指示到要进行测定目标的距离(JP2003-156328A)。该测距传感器100通常由用于向被测距目标(未示出)投射光线的发光二极管102、用于会聚投射光线的光投影透镜103、用于会聚被测距目标反射光的光接收透镜104、及用于接收光接收透镜104会聚的光的光接收设备105组成。
光接收设备105由PSD(位置灵敏装置)组成。被测距目标散射和反射的反射光被位于光接收设备105的光接收面105a前方的光接收透镜104聚焦，并被导向光接收面105a。
在具有上述结构的测距传感器100中，被测距目标散射和反射的光的部分被光接收透镜104聚焦，并使之入射至光接收面105a以于其上形成一个光斑。入射至光接收面105a的入射光的入射位置随着被测距目标和测距传感器100之间的距离而改变。当光接收面105a上光斑位置从参考位置移动，由光接收设备105两端取出的信号电流I1、I2则根据位移量而变化。来自光接收设备105的信号电流I1、I2被控制单元(未示出)中的信号处理电路转换成由下列等式(1)和(2)表示的输出信号S1、S2。
S1＝I1/(I1+I2) ……(1)S2＝(I1-I2)/(I1+I2) ……(2)信号电流I1、I2由下列等式(3)和(4)表示。
I1＝{(d+2x)·I0}/(2d)……(3)I2＝{(d-2x)·I0}/(2d)……(4)其中d为光斑在光接收面105a上的移动距离，
I0为总的光电流(I1+I2)，及x为光接收设备(PSD)105的中心到光斑位置之间的距离。
根据三角测距原理，满足下列等式(5)的关系X＝(A·f)/L……(5)其中X为光接收透镜104的光轴到光接收设备(PSD)105上光斑位置的距离，A为光接收透镜104光轴和光投影透镜103光轴之间的距离(基准距离)，f为光接收透镜104的焦距，及L为可进行测距的距离。
通过将等式(5)代入等式(1)至(4)，输出信号S1、S2则可由下式表示S1＝(2x+d)/(2d)＝[{(A·f/L)-B}/d]+1/2……(6)S2＝2x/d＝2{(A·f/L)-B}/d ……(7)其中，B为用于接收光的光接收透镜104的光轴到光接收设备(PSD)105的中心的距离。并满足关系X＝B+x。
图9为示出从测距传感器100输出的输出信号S对应到被测距目标距离的改变而改变的曲线图。由图9可看出，从测距传感器100输出的输出信号S的变化与到被测距目标距离D成反比，基本上基于等式(6)、(7)所表示的输出信号S1、S2。即，随着光学测距传感器到被测距目标距离D的增加，光斑在光接收设备105的光接收面105a上的位置向图8的左方移动，且光斑移动量减小。相应地，图9中输出信号S的变化量(减小量)减小。另一方面，随着光学测距传感器到被测距目标距离D的减小，光斑在光接收设备105的光接收面105a上的位置向图8的右方移动，且光斑移动量增大(增加量)。当使离被测距目标距离D小于预定近距及被测距目标移至近距区域中时，则光斑位置将移出光接收设备105的光接收面105a的边界而位于光接收面105a之外，使光接收设备105接收的光量迅速减小。相应地，图9中输出信号S迅速衰减。因此，光测距传感器通常定义这样一个区域作为测距区L，使来自该区域的反射光光斑位于光接收面105a之内，即，该光接收设备输出一个与离目标的距离D成反比的信号S。
然而，该传统测距传感器100存在下列这样一个问题。如图9所示，当离目标的距离被输出信号S的阈值T确定，则输出信号S的同样阈值T也可能会对应两种情况，即目标位于近距区域中或位于测距区域L中。因此，当离目标距离仅基于输出信号S而被检测，则存在下述缺点，即目标可能在常规测距区域中被误检测而无视其位于近距区域中。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种光学测距传感器，能够克服这样的缺点，即目标可能在常规测距区域中被误检测而无视其位于近距区域中。
为了达到上述目的，提供一种三角测距型光学测距传感器，包括用于发光的发光设备；一光投射聚光单元，该光投射聚光单元用于会聚发光设备发出的光并将该光投射至被测距目标；一光接收聚光单元，该光接收聚光单元用于会聚投射至被测距目标并被该目标反射的光；一第一光接收设备，该第一光接收设备用于接收被光接收聚光单元会聚的光并输出相应于到被测距目标距离的距离信号；及用于检测被测距目标是否位于预定近距区域中的近距检测电路。
根据具有上述结构的光学测距传感器，通过光投射聚光单元，发光设备发出的光被投射至被测距目标上，并被目标散射和反射。反射光部分被光接收聚光单元会聚并使之入射至第一光接收设备。相应于离目标距离的距离信号从已接收光的第一光接收设备输出。该近距检测电路检测该目标是否位于预定近距区域之中。这样，基于该距离信号，从而能够克服当目标存在于近距区域中而被误检测为其位于常规测距区域中的缺点。
该第一光接收设备优选具有一个用于接收光线的光接收面及至少两个用于输出信号的电极，其中，由该信号，位于光接收面上的光接收位置被计算。术语“近距”指的是一个离目标很小的距离以致于使得目标反射的光不能入射至该光学测距传感器的光接收面及从该光接收面出射。
在本发明的一个实施例中，光学测距传感器还包括用于输出近距信号的近距信号输出单元，其中，该近距信号根据近距检测电路检测结果表示被测距目标在近距区域中的存在或缺省。
根据上述实施例，到被测定目标的距离可根据近距信号输出单元输出的近距信号和第一光接收设备输出的距离信号而被精确测定。
在本发明的一个实施例中，光学测距传感器还包括输出控制单元，其当近距检测电路检测到被测距目标在近距区域缺省时向外部输出来自第一光接收设备的距离信号，及当近距检测电路检测到被测距目标在近距区域存在时向外部输出来自近距信号输出单元的近距信号。
根据上述实施例，当目标不在近距区域时光学测距传感器从输出控制单元输出该距离信号，而当目标位于近距区域中时输出近距信号。因此，可有效防止出现这样的问题，即当目标确实处于近距区域中却输出一个显示其处于近距区域之外的距离的信号。
在本发明的一个实施例中，第二光接收设备接收来自发光设备发出并被存在于近距区域中的被测距目标反射的光。
根据上述实施例，第二光接收设备接收来自发光设备发出并被存在于近距区域中的目标反射的光。基于来自第二光接收设备的信号，能够可靠地检测该目标在近距区域中的存在。
在本发明的一个实施例中，第一光接收设备和第二光接收设备形成于同一块基板上。
根据上述实施例，通过将两个设备设于同一块基板上，可以高精度地确定第一光接收设备和第二光接收设备的相互位置。因此，可以高精度地检测出该目标是否位于近距区域中。此外，该光学测距传感器可被微型化。
在本发明的一个实施例中，该第一光接收设备和近距检测电路形成于同一块基板上。
根据上述实施例，通过将具有相对小输出功率的第一光接收设备和近距检测电路形成于同一块基板上，可减少噪音影响、提高测距精度、及提高近距检测精度等等。此外，该光学测距传感器可被微型化。
在本发明的一个实施例中，该光学测距传感器还包括确认输出电路，以根据第一光接收设备输出的距离信号和从外部输入并表示预定参考距离的参考信号，确定并输出是否被测距目标的距离比预定参考距离大。
根据上述实施例，通过确定并输出是否离目标的距离比参考距离大的确认输出电路，能够利用双值信息的方式输出目标的位置。
在本发明的一个实施例中，该光学测距传感器还包括距离区域检测输出电路，以根据第一光接收设备输出的距离信号和从外部输入并表示预定参考距离的多个参考信号，识别并输出被测距目标在被预定参考距离定义的多个距离区域中所存在的区域。
根据上述实施例，通过识别并输出目标存在于多个距离区域中的哪个区域的距离区域检测输出电路，能够以利用三值或更多值的信息的方式输出目标的位置。
还提供一种包括上述光学测距传感器的电子设备。
该光学测距传感器精确地检测目标在近距区域中的存在，并且因此上述电子设备能够基于该检测结果精确运行。在所述的电子设备中，例如为自动龙头设备、自动干燥设备、自动冲洗马桶座圈设备、自动切换阀座设备、自动真空清洁器等等。
如上所述，本发明光学测距传感器中，该近距检测电路检测目标是否位于预定近距区域中。因此，根据来自第一光接收设备的距离信号，可防止出现这样的问题，即当目标位于近距区域却被误检测成位于常规测距位置。
本发明通过下文的详细描述及附图将变得更加易于理解，所述附图仅用于进行图示，但并不试图限定本发明，在附图中图1为根据本发明第一实施例的光学测距传感器的原理图。
图2为该光学测距传感器的光接收透镜和光接收设备的的原理图。
图3为输出信号随离被测距目标距离变化而变化的曲线图。
图4为信号处理电路输出的信号的另一个例子的曲线图。
图5为根据本发明第二实施例的光学测距传感器所具有的光接收设备的原理图。
图6为根据本发明第三实施例的光学测距传感器信号处理电路所输出的信号的曲线图。
图7为根据本发明第四实施例的光学测距传感器信号处理电路所输出的信号的曲线图。
图8为传统光学测距传感器的原理图。
图9为传统光学测距传感器输出信号的曲线图。
具体实施例方式
下面，将参照附图所示的实施例对本发明进行详细描述。
(第一实施例)图1为根据本发明第一实施例的光学测距传感器结构的原理图。
测距传感器1包括一个作为发光设备的发光二极管2，用于发光；一个作为光投射聚光单元的光投影透镜3，用于会聚发光二极管2发出的光线并将该光线投射到被测距目标(未示出)；一个作为光接收聚光单元的光接收透镜4，用于会聚被测距目标反射的光；一个作为第一光接收设备的光接收设备5，用于接收被光接收透镜4会聚的光线；及一个信号处理电路7，来自光接收设备5的信号被输入到其中。
该光接收设备5由PSD组成。被测距目标所散射及反射的反射光被设置在光接收面5a之前的光接收透镜4聚焦并被入射到光接收面5a上以在其上形成光斑。
图2为示出该光学测距传感器1的光接收透镜4和光接收设备5的原理图。该光接收设备5由PIN型光电二极管形成，且具有基本上与所述光投影透镜3和光接收透镜4的连线平行地延伸的光接收面并为细长矩状的形状。在具有形状为细长矩状的光接收面的两端，形成第一电极和第二电极。由第一电极和第二电极输出对应于在光接收面上被照射光斑位置的信号电流I1、I2。
利用三角测距法，使用从光接收设备5输出的信号电流I1、I2及现有技术中的等式(1)至(7)，信号处理电路7输出指示到被测距目标距离的输出信号。图3为信号处理电路7输出的对应于光测距传感器到被测距目标距离D的变化而变化的输出信号S的曲线图。在图3中，纵坐标表示信号S的值，横坐标表示离被测距目标距离D。基于这样一种如图3曲线图所示关系，对输出信号S和作为参考信号而从外部输入的阈值T进行比较，并确定离被测距目标距离是否比相应于阈值T的距离大。或者，由输出信号S的值来确定离被测距目标距离。
另外，基于来自光接收设备5的信号电流I1、I2，本实施例信号处理电路7确定被测距目标是否位于预先确定的近距区域中，并输出一个表示确定结果的近距信号N。被测距目标是否位于预先确定的近距区域中以如下所述进行确定。
当被测距目标位于测距区域L中，来自光接收设备5的信号电流I1、I2满足下列等式(8)所述关系I1＝α·I2……(8)其中，α为相应于光接收面光斑位置的系数。
当被测距目标位于比测距区域L更接近光投影透镜3的近距区域中时，光接收设备上的光斑将移出光接收表面的边缘，并位于图2光接收设备5右端附近。因此，信号电流I2的值几近为零，并满足I1＞＞I2的关系。然后，该信号处理电路7根据下列等式(9)，采用来自光接收设备5的信号电流I1、I2，计算出比率R。
R＝I2/I1……(9)当比率R比预定参考值小，则确定为被测距目标位于近距区域中。相应于图3输出信号S的峰值，由电流I2、I1获得该参考值。
如果由等式(9)而确定被测距目标位于近距区域中，则如图3示，信号处理电路7输出H(高)的近距信号N。另一方面，如果确定被测距目标不在近距区域中，则电路7输出L(低)的近距信号N。因此，该信号处理电路7在本发明中起到近距检测电路及近距信号输出单元的作用。
根据该实施例光学测距传感器，该信号处理电路7输出指示到被测距目标距离的输出信号S，并输出指示被测距目标是否位于近距区域中的近距信号N。从而，如图3示，即使在近距区域和测距区域L均存在相应于输出信号S的预定阈值T的距离D，也可参照近距信号N检测到被测距目标的精确距离D。即，当近距信号N为L，则检测到，相应于输出信号S，目标以距离D位于测距区域L中。当近距信号N为H，则检测到目标位于近距区域中。
在该实施例中，该信号处理电路7独立于输出信号S而输出近距信号N。然而，该信号处理电路7可输出输出信号S和近距信号N的混合信号。即，当由于等式(9)计算得到的比率R大于参考值而检测到目标不在近距区域中(即目标位于测距区域L中)时，则基于来自光接收设备5的信号电流I1、I2的信号S1被输出，如图4所示。当检测到目标位于近距区域中，则表示目标位于近距区域中的信号N1被输出。通过使信号N1值大于信号S1的最大值，可使信号N1和信号S1产生一个差别，并且，利用单个输出信号S`，可输出离目标的距离及目标在近距区域中的存在或缺省。
光接收设备5和信号处理电路7可作为一个芯片形成于同一块基板上。从光接收设备5输出的信号电流为微电流，在nA(纳安)或更小数量级。因此，通过将光接收设备5和信号处理电路7形成于同一块基板上减少了噪音的影响。这样，可更加精确地完成指示到被测距目标距离的输出信号S的计算和到被测距目标在近距区域中的存在或缺省的确定。
(第二实施例)图5为根据第二实施例所提供的光学测距传感器的光接收设备的原理图。根据该实施例的该光学测距传感器具有第一光接收设备51，类似于第一实施例的光接收设备5，和第二光接收设备52，与第一光接收设备51相邻。第二光接收设备52输出单个输出电流I3，指示光线是否被设备52接收。第二光接收设备52具有包括在基本上与第一光接收设备51光接收面相同的平面中的光接收面。该第二光接收设备52位于相对第一光接收设备51更远离发光二极管2的一侧。该第二实施例光学测距传感器除了具有第二光接收设备52之外，其余的与第一实施例光学测距传感器具有相同的结构。对于该第二实施例，和第一实施例相同的部件采用相同的附图标记，因此与第一实施例相同的详细描述被省略。
在第二实施例光学测距传感器中，由存在于测距区域L中的目标反射的光线被入射至第一光接收设备51。另一方面，由存在于近距区域中的目标反射的光线被入射至第二光接收设备52。这样，当目标位于测距区域L中，根据来自第一光接收设备51的信号电流I1、I2，离目标的距离可被检测。当目标位于近距区域时，基于来自第二光接收设备52的信号，目标于近距区域中的存在可被检测。执行目标存在于近距区域中的确定，例如，当来自第二光接收设备52的信号电流I3大于预定阈值Ia，则确定为目标位于近距区域中。
在本实施例的光学测距传感器中，第一光接收设备51和第二光接收设备52可作为一个芯片形成于同一块基板上。通过将第一光接收设备51和第二光接收设备52形成于同一块基板上，可以精确设定设备彼此的相对位置。结果，可精确地确定目标在近距区域中的存在或缺省。
另外，第一光接收设备51、第二光接收设备52、及信号处理电路7可作为一个芯片形成于同一块基板上。因此可更加精确地完成指示离目标距离的输出信号S的计算和目标在近距区域中的存在或缺省的确定。
(第三实施例)第三实施例的光学测距传感器除了从信号处理电路7输出的信号之外，其余的结构与第一实施例光学传感器1的大致相同。对于本实施例而言，与第一实施例相同的部件采用相同的附图标记，因此与第一实施例相同的详细描述被省略。
图6示出该实施例光学测距传感器信号处理电路7输出信号的曲线图。该实施例信号处理电路7对基于来自光接收设备5的信号电流I1、I2的输出信号和从外部输入的作为参考信号的阈值T之间进行比较。当输出信号S小于阈值T，则确定为，该距离大于相应于阈值T的参考距离DT、并输出距离确认信号F为L(低)，如图6所示。当输出信号S比阈值T大，则确定为，离目标的距离小于参考距离DT，并输出距离确认信号F为H(高)。因此，作为离目标的距离D的信息，可使用两个值(H/L输出)进行输出。
如果确认目标不在近距区域中，则为L(低)的近距信号N可被输出，而如果确认目标位于近距区域中，则为H(高)的近距信号N可被输出。因此，不但是否到被测距目标距离小于参考距离DT，而且目标是否位于近距区域中均可被明确化。
在该实施例中，与第二实施例的情况一样，可具有第一光接收设备51和第二光接收设备52，该输出信号S可根据来自第一光接收设备51的信号电流I1、I2而获得，近距区域中的存在可根据来自第二光接收设备52的信号电流I3而确定。
(第四实施例)第四实施例的光学测距传感器除了从信号处理电路7输出的信号之外，其余的结构与第一实施例光学传感器1的大致相同。对于本实施例而言，与第一实施例相同的部件采用相同的附图标记，因此与第一实施例相同的详细描述被省略。
图7示出该实施例光学测距传感器信号处理电路7输出信号的曲线图。如图7所示，该实施例中，对基于来自光接收设备5的信号电流I1、I2的输出信号S和从外部输入的作为多个参考信号的阈值T1、T2之间进行比较。当输出信号S小于阈值T2，则确定为，离目标的距离大于相应于阈值T2的参考距离DT2、并输出一个具有值“11”的双字节的距离确认信号F2。当输出信号S比阈值T2大而小于阈值T1，则确定为，离目标的距离相应于阈值T1小于参考距离DT2而大于参考距离DT1，并输出一个具有值“10”的双字节的距离确认信号F2。当输出信号S比阈值T1大，则确定为，离目标的距离小于参考距离DT1，并输出一个具有值“00”的双字节的距离确认信号F2。通过采用使用双字节值的方式，在以参考距离DT1和DT2限定的距离区域中，可输出被测距目标存在于哪个区域中。
如果确认目标位于近距区域中，则为H(高)的近距信号N可被输出，而如果确认目标不在近距区域中，则为L(低)的近距信号N可被输出。因此，不但被测距目标位于出于参考距离DT1和DT2定义的距离区域的哪个区域可被输出，而且目标是否位于近距区域中也可被输出。
在该实施例中，和第二实施例的情况一样，可具有第一光接收设备51和第二光接收设备52，该输出信号S可根据来自第一光接收设备51的信号电流I1、I2而获得，近距区域中的存在可根据来自第二光接收设备52的信号电流I3而确定。
根据上述实施例光学测距传感器可用于各种类型的电子设备。在这样的电子设备中，例如为自动龙头设备、自动干燥设备、自动冲洗马桶座圈设备、自动转换阀座设备、自动真空清洁器等等。通过使用上述实施例光学测距传感器，可精确检测到目标是否位于近距区域中，以防止该电子设备出现故障。
在该实施例中，光接收设备5、51、及52的每一个均由PIN型光电二极管形成。然而，该光接收设备并未限定于此并且其可形成于诸如pn二极管等其它元件。简而言之，本发明可广泛应用具有这样输出特性的光接收设备，即当目标接近光接收设备而超出测距区域，则输出快速改变。另外，光接收面形状并未限定为细长矩状。
尽管对本发明实施例已经进行了这样的描述，但可以想见，其可作出等同的各种改变。而这些改变将不脱离本发明的精神和范围而落入其中，并且，所有这些对本领域技术人员来说显而易见的修改将被包括在所附的权利要求的范围之中。
权利要求
1.一种三角测距型光学测距传感器，包括用于发光的发光设备；光投射聚光单元，其用于会聚发光设备发出的光并将该光投射至被测距目标；光接收聚光单元，其用于会聚投射至被测距目标并被该目标反射的光；第一光接收设备，其用于接收被光接收聚光单元会聚的光并输出相应于离被测距目标距离的距离信号；及近距检测电路，其用于检测被测距目标是否位于预定近距区域中。
2.如权利要求1所述的光学测距传感器，还包括近距信号输出单元，其用于根据近距检测电路检测的结果而输出表示被测距目标在近距区域中存在或缺省的近距信号。
3.如权利要求2所述的光学测距传感器，还包括输出控制单元，其当近距检测电路检测到被测距目标在近距区域缺省时向外部输出来自第一光接收设备的距离信号，及当近距检测电路检测到被测距目标在近距区域存在时向外部输出来自近距信号输出单元的近距信号。
4.如权利要求1所述的光学测距传感器，还包括第二光接收设备，其中，该第二光接收设备接收来自发光设备发出并被存在于近距区域中的被测距目标反射的光。
5.如权利要求4所述的光学测距传感器，其中，第一光接收设备和第二光接收设备形成在同一块基板上。
6.如权利要求1所述的光学测距传感器，其中，第一光接收设备和近距检测电路形成于同一块基板上。
7.如权利要求1或2所述的光学测距传感器，还包括确认输出电路，其根据第一光接收设备输出的距离信号和从外部输入并表示预定参考距离的参考信号，确定并输出离被测距目标距离是否比预定参考距离大。
8.如权利要求1或2所述的光学测距传感器，还包括距离区域检测输出电路，其根据第一光接收设备输出的距离信号和从外部输入并表示预定参考距离的多个参考信号，在以参考距离限定的距离区域中，识别并输出被测距目标存在于哪个区域中。
9.包括权利要求1至8中任一项权利要求所述的光学测距传感器的电子设备。
全文摘要
测距传感器1，包括一个发光二极管2；一个光投影透镜3，用于会聚发光二极管2发出的光线并将该光线投射到被测距目标；一个光接收透镜4，用于会聚被测距目标反射的光；一个光接收设备5，用于接收被光接收透镜4会聚的光线。信号处理电路7接收来自光接收设备5的两个信号电流I1、I2，输出表示离被测距目标距离D的输出信号S以及表示被测距目标是否位于近距区域中的近距信号N。根据该测距传感器1，可防止出现这样的错误，即目标位于近距区域中而被误检测为位于常规测距区域中。
文档编号G01B11/00GK1940474SQ200610149518
公开日2007年4月4日 申请日期2006年9月30日 优先权日2005年9月30日
发明者中野贵彦, 山口阳史 申请人:夏普株式会社