УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ И ЛОКАЛИЗАЦИИ, СОДЕРЖАЩЕЕ МНОЖЕСТВО ФОТОДИОДОВ Российский патент 2020 года по МПК H01L31/02 H01L27/146 

Настоящее изобретение относится к области оптического обнаружения и, в частности, обнаружения световых пятен, отражаемых или излучаемых объектами, с целью позиционирования объектов в трехмерном пространстве.

Уровень техники

Известно устройство обнаружения и локализации, содержащее оптический датчик, имеющий четыре фотодиода, которые выдают сигнал, пропорциональный количеству полученной световой энергии, и имеют поля зрения, которые в совокупности образуют поле зрения датчика. Следует различать общее поле зрения датчика, являющееся оптическим полем, в котором световое пятно может быть обнаружено по меньшей мере одним из фотодиодов, и линейное поле зрения, являющееся частью общего поля зрения, в которой несколько фотодиодов наблюдают световое пятно, обеспечивая, таким образом, возможность выполнения углового измерения. Устройство обнаружения и локализации связано с вычислительной схемой, выполненной с возможностью выполнения угловых измерений, то есть с возможностью определять положение светового пятна, находящегося в линейном поле зрения датчика, посредством вычисления барицентра или «центра гравитации» светового пятна в линейном поле зрения датчика на основании значений энергии, обнаруживаемой фотодиодами. Действительно:

- когда световое пятно находится в центре поля зрения датчика, все четыре фотодиода будут измерять одинаковую световую энергию и выдавать сигналы одного значения, если не считать шума измерения. Следовательно, вычисленный барицентр тоже находится в центре линейного поля зрения;

- если пятно смещено в сторону одного из фотодиодов, указанный фотодиод выдаст более сильный сигнал, чем другие фотодиоды, и вычисленный барицентр светового пятна будет смещен в сторону указанного фотодиода.

Устройство обнаружения и локализации этого типа используют, например, чтобы направлять транспортное средство на световое пятно, исходящее от объекта.

Задача изобретения

Изобретение призвано предложить средство для улучшения характеристик такого устройства обнаружения и локализации.

Раскрытие изобретения

Для этого изобретением предложено устройство обнаружения и локализации, содержащее несколько оптических датчиков, имеющих поля зрения, которые в совокупности образуют поле зрения устройства обнаружения и локализации, при этом каждый датчик содержит множество фотодиодов, имеющих поля зрения, в совокупности образующие поле зрения датчика, при этом датчики связаны с блоком управления таким образом, что каждый датчик выдает первый сигнал, соответствующий сумме по меньшей мере двух из сигналов фотодиодов.

Когда каждый фотодиод выдает относительно слабый сигнал, то, суммируя сигналы нескольких фотодиодов, получают более сильный сигнал, а шум остается по существу таким же, поэтому соотношение сигнал/шум увеличивается.

Другие признаки и преимущества изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания не ограничительных частных вариантов выполнения изобретения.

Краткое описание фигур

Описание представлено со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 - схематичный вид в перспективе заявленного устройства обнаружения и локализации.

Фиг. 2 - схематичный вид электронной схемы этого устройства обнаружения и локализации с датчиками, вид спереди.

Фиг. 3 - вид, аналогичный фиг. 2, одного из этих датчиков согласно варианту выполнения.

Подробное описание изобретения

Показанное на фиг. 1 и 2 устройство 1 обнаружения и локализации содержит четыре оптических датчика, имеющих общие обозначения Q1, Q2, Q3, Q4, поля зрения которых в совокупности образуют поле зрения устройства 1 обнаружения и локализации, и блок 10 управления, связанный с датчиками Q1, Q2, Q3 и Q4.

Каждый оптический канал содержит датчик (Q1, Q2, Q3 или Q4), имеющий четыре фотодиода, расположенные в квадрантах (и символически показанные, каждый, в виде четверти диска для упрощения фигур), и оптическую группу, образующую поле зрения каждого оптического канала, которое в совокупности с полем зрения других оптических каналов этого же датчика образует поле зрения данного датчика. В данном случае оптические группы имеют обозначения L1, L2, L3, L4. В данном случае фотодиоды являются единичными фотодиодами и обозначены Qi1, Qi2, Qi3 и Qi4, где i соответствует номеру датчика.

Три из фотодиодов каждого датчика Q1, Q2, Q3, Q4 соединены с собирательной линией Q1с, Q2с, Q3с, Q4с, соединенной с блоком 10 управления, а последний фотодиод каждого датчика Q1, Q2, Q3, Q4 соединен напрямую с блоком 10 управления соответственно через линию Q1d, Q2d, Q3d, Q4d.

Следует отметить, что фотодиод, соединенный напрямую с блоком 10 управления, не является одним и тем же для четырех датчиков Q1, Q2, Q3, Q4.

В частности, в данном случае:

- фотодиоды Q12, Q13 и Q14 соединены с собирательной линией Q1c;

- фотодиоды Q21, Q23 и Q24 соединены с собирательной линией Q2c;

- фотодиоды Q31, Q32 и Q34 соединены с собирательной линией Q3c;

- фотодиоды Q41, Q42 и Q43 соединены с собирательной линией Q4c.

Таким образом, каждый датчик Q1, Q2, Q3 и Q4 выдает в блок 10 управления первый сигнал, соответствующий сумме сигналов трех фотодиодов, соединенных с собирательной линией Q1с, Q2с, Q3с или Q4с, и второй сигнал, соответствующий сигналу фотодиода, соединенного с линией Q1d, Q2d, Q3d или Q4d. Первый сигнал является, таким образом, аналоговой суммой сигналов трех фотодиодов, соединенных с собирательной линией Q1с, Q2с, Q3с или Q4с.

Блок 10 управления имеет электронную карту, содержащую, как известно, процессор и память, в которой записана программа управления устройства 1 обнаружения и локализации.

Блок 10 управления запрограммирован таким образом, чтобы, с одной стороны, вычитать второй сигнал из первого сигнала каждого датчика Q1, Q2, Q3 и Q4 и, с другой стороны, суммировать первый сигнал и второй сигнал каждого датчика Q1, Q2, Q3 и Q4.

Сигнал, полученный в результате вычитания, используют для углового измерения. На первый сигнал и на второй сигнал влияет одинаковый шум, но полезная составляющая второго сигнала является достаточно малой по сравнению с полезной составляющей первого сигнала. Вычитание второго сигнала из первого сигнала позволяет, таким образом, очень просто уменьшить шум, не слишком уменьшая полезную составляющую первого сигнала.

Сигнал, полученный в результате сложения, используют для улучшения соотношения сигнал/шум и для выполнения углового измерения.

В варианте, показанном на фиг. 3, фотодиоды каждого датчика Q1, Q2, Q3 и Q4 связаны между собой через переключатели 20.1, 20.2, 20.3, 20.4 таким образом, чтобы иметь возможность соединять любые фотодиоды одного датчика Q1, Q2, Q3 и Q4 между собой и с собирательной линией Q1с, Q2с, Q3с или Q4с. Каждая собирательная линия Q1с, Q2с, Q3с и Q4с соединена с блоком 10 управления через усилитель 25 и аналого-цифровой преобразователь 30.

Блок 10 управления выполнен с возможностью менять фотодиоды, выдающие первый сигнал и второй сигнал. В частности, блок 10 управления выполнен таким образом, чтобы периодически производить смену путем круговой перестановки фотодиодов и чтобы фильтровать полученные измерения. Фильтрация представляет собой, например, усреднение, которое позволяет устранить ошибки в сигналах в результате усреднения.

Круговую перестановку предпочтительно осуществляют после обнаружения светового пятна (такого как лазерный импульс).

Например, блок 10 управления запрограммирован таким образом, чтобы:

- при импульсе р:

- соединить фотодиоды Q12, Q13 и Q14 с собирательной линией Q1c;

- соединить фотодиоды Q21, Q23 и Q24 с собирательной линией Q2c;

- соединить фотодиоды Q31, Q32 и Q34 с собирательной линией Q3c;

- соединить фотодиоды Q41, Q42 и Q43 с собирательной линией Q4c;

- при импульсе р+1:

- соединить фотодиоды Q11, Q13 и Q14 с собирательной линией Q1c;

- соединить фотодиоды Q21, Q22 и Q24 с собирательной линией Q2c;

- соединить фотодиоды Q31, Q32 и Q33 с собирательной линией Q3c;

- соединить фотодиоды Q42, Q43 и Q44 с собирательной линией Q4c;

- при импульсе р+2:

- соединить фотодиоды Q11, Q12 и Q14 с собирательной линией Q1c;

- соединить фотодиоды Q21, Q22 и Q23 с собирательной линией Q2c;

- соединить фотодиоды Q32, Q33 и Q34 с собирательной линией Q3c;

- соединить фотодиоды Q41, Q43 и Q44 с собирательной линией Q4c;

- при импульсе р+3:

- соединить фотодиоды Q11, Q12 и Q13 с собирательной линией Q1c;

- соединить фотодиоды Q22, Q23 и Q24 с собирательной линией Q2c;

- соединить фотодиоды Q31, Q33 и Q34 с собирательной линией Q3c;

- соединить фотодиоды Q41, Q42 и Q44 с собирательной линией Q4c.

Фильтрация взвешиваний, применяемая во время этой циклической калибровки, позволяет уменьшить погрешности чувствительности шестнадцати фотодиодов и их электроники, которые могут быть связаны со старением фотодиодов (например, по причине окисления) или с изменением аналогового коэффициента усиления или коэффициента усиления фотоэлектрического преобразования (изменение напряжения смещения или каскада питания, соединенного с датчиком). Это представляет собой преимущество, так как эти погрешности имеют тенденцию к изменению во времени или с температурой таким образом, что их невозможно скорректировать раз и навсегда.

Циклическую калибровку можно осуществлять в то время, когда транспортное средство, на котором установлено устройство обнаружения и локализации, перемещается или когда оно стоит на месте.

Разумеется, изобретение не ограничивается описанными вариантами выполнения и охватывает любую версию, входящую в объем изобретения, определенный формулой изобретения.

В частности, число фотодиодов может отличаться от четырех, и они могут быть расположены по-другому. Например, устройство может содержать восемь фотодиодов, расположенных в виде матрицы.

В менее предпочтительной версии первого варианта выполнения изобретения вторым сигналом можно пренебречь.

Можно предусмотреть другие виды фильтрации, отличные от усреднения.

Усилитель может быть установлен на выходе каждого фотодиода перед переключателями 20.1, 20.2, 20.3, 20.4.

Суммирование можно производить аналоговым или цифровым способом.

В некоторых обстоятельствах первый сигнал может быть равен сумме сигналов всех фотодиодов.

В версии, фотодиоды Qi1, Qi2, Qi3, Qi4, выдающие первый сигнал, соединены друг с другом стационарно.

Настоящее изобретение относится к области оптического обнаружения и, в частности, обнаружения световых пятен, отражаемых или излучаемых объектами, с целью позиционирования объектов в трехмерном пространстве. Устройство обнаружения и локализации, содержащее несколько оптических датчиков (Q1, Q2, Q3, Q4), имеющих поля зрения, которые в совокупности образуют поле зрения устройства обнаружения и локализации, при этом каждый датчик содержит множество фотодиодов, имеющих поля зрения, в совокупности образующие поле зрения датчика, при этом датчики связаны с блоком управления таким образом, что каждый датчик выдает первый сигнал, соответствующий сумме сигналов по меньшей мере двух из фотодиодов. Изобретение обеспечивает средство для улучшения характеристик устройства обнаружения и локализации. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство обнаружения и локализации, содержащее несколько оптических датчиков (Q1, Q2, Q3, Q4), имеющих поля зрения, которые в совокупности образуют поле зрения устройства обнаружения и локализации, при этом каждый датчик содержит множество фотодиодов (Qi1, Qi2, Qi3, Qi4), имеющих поля зрения, в совокупности образующие поле зрения датчика, при этом датчики связаны с блоком (10) управления таким образом, что каждый датчик выдает первый сигнал, соответствующий сумме сигналов по меньшей мере двух из фотодиодов, при этом первый сигнал соответствует сумме сигналов всех фотодиодов (Qi1, Qi2, Qi3, Qi4) кроме одного, и каждый датчик выдает второй сигнал, образованный сигналом фотодиода (Qi1, Qi2, Qi3, Qi4), не учитываемого для первого сигнала, при этом блок (10) управления выполнен с возможностью вычитать второй сигнал каждого датчика (Q1, Q2, Q3, Q4) из его первого сигнала.

2. Устройство по п. 1, в котором блок (10) управления выполнен с возможностью суммировать первый сигнал и второй сигнал каждого датчика (Q1, Q2, Q3, Q4).

3. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором фотодиоды (Qi1, Qi2, Qi3, Qi4), выдающие первый сигнал, соединены друг с другом стационарно.

4. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором фотодиоды (Qi1, Qi2, Qi3, Qi4) каждого датчика соединены между собой через переключатели (20.1, 20.2, 20.3, 20.4) таким образом, чтобы иметь возможность соединять любые фотодиоды (Qi1, Qi2, Qi3, Qi4) между собой, и переключатели соединены с блоком (10) управления для их управления указанным блоком управления.

5. Устройство по п. 4, в котором блок (10) управления выполнен с возможностью управлять переключателями таким образом, чтобы менять фотодиоды (Qi1, Qi2, Qi3, Qi4), выдающие первый сигнал.

6. Устройство по п. 4 или 5, в котором блок (10) управления выполнен с возможностью периодически производить смену фотодиодов путем перестановки фотодиодов (Qi1, Qi2, Qi3, Qi4) и с возможностью фильтровать полученные измерения.

7. Устройство по любому из предыдущих пунктов, в котором фотодиоды (Qi1, Qi2, Qi3, Qi4) присутствуют в количестве четырех для каждого датчика (Q1, Q2, Q3, Q4).