CN101467001B - 具有短程光学器件的距离测量装置 - Google Patents

Abstract

本文揭示用于测量距离的技术。测量装置发出在物体表面上反射的光束。所述测量装置基于所述光束从传输到被所述测量装置捕获的飞行时间来确定到所述物体的距离。所述装置包含适合于提供传出参考光束的光源。检测器经对准以接收返回光束，其中所述返回光束是由所述传出参考光束从所述距离测量装置外部的物体反射而产生的。漫射器经提供而与所述经对准以接收所述返回光束的检测器相邻。

Description

具有短程光学器件的距离测量装置

相关申请交叉参考案

本申请案涉及以下申请案：

美国专利申请案第10/414,440号，其由Robert Lewis、Chad Thompson和GeorgeVarian申请于2003年4月15日且名称为距离测量装置(Distance Measuring Device)，其全文以引用的方式并入本文中。

技术领域

背景技术

光学测量系统用于进行更准确的距离测量。一种传统类型的系统是窄带测距系统。此系统发射一个或一个以上对入射目标产生反射的经调制光学信号。所述系统捕获反射并基于在所捕获反射中检测到的相移来确定到目标的距离。这些系统通常要求使用昂贵的高精确度接收器，例如雪崩增益光电二极管。这些系统的性能还可以随信噪比降低而发生变化。这可以是明显缺点，因为工作区域的环境条件会提供大量信号衰减。

另一传统类型的系统是宽带脉冲系统。此系统也发射一个或一个以上会对入射目标产生反射的光学信号。所述系统捕获反射并测量往返信号延迟以获得对目标的距离。所述系统确定信号脉冲离开系统的时间与系统接收所述脉冲反射的时间之间的时间差。传统系统通过阈值检测识别脉冲的离开及到达，也就是比较所述信号与阈值等级。一个典型技术是半峰检测，其基于信号脉冲的峰值密度来建立参考阈值。不幸地是，此技术不能在低信噪比环境中良好操作。此系统难以建立一致的检测点，因为低信噪比会增加信号振幅测量中的估计错误。在尝试测量信号脉冲之间的时间延迟时也会出现挑战。当采用异步时钟来测量脉冲之间的时间时，可能出现明显的不精确，除非系统采用具有不切实际的长持续时间的测量间隔。为避免这种测量间隔，系统可采用具有充分功率消耗的昂贵高速组件。

2003年4月15日提出申请且名称为“距离测量装置(Distance Measuring Device)”的同在申请中的美国专利申请案第10/414,440号描述“飞行时间(time of flight)”距离测量装置的大量实施例。所述装置发出在物体表面上反射的光束。所述测量装置捕获返回光束，并基于光束从传输到被测量装置捕获的飞行时间来确定到所述物体的距离。

所述测量装置的一个实施方案通过从所发出光束中的脉冲导出反馈参考脉冲并将其入射到装置的接收路径内来增强准确性。这会创建接收波形，其包含发射光束中的一个或一个以上反馈参考脉冲及返回光束中的对应返回脉冲。这使得测量装置能够直接测量返回脉冲与参考脉冲(其导致产生返回脉冲)之间的时间延迟。

当所测量范围减少时，会在光学测距系统中遇到大量问题。对于包含在接收器领域内的光束，在返回信号强度与距离之间存在1/R²的关系(其中R是来自检测器的反射光束的距离)。为获得短距离处的测量，要求较大动态范围的反射光束。这会为信号检测和处理电路增加复杂度。在具有单独的传输及接收孔径的系统中，减少所测量的距离最后会导致所返回检测器处的信号强度消失。当所接收信号移出检测器的活性表面时，此信号消失出现。对于要求宽的检测带宽的飞行时间测距系统来说，较大检测器并不可行。这意味着其他技术必须可用以避免短程信号减少。在例如上述共同待决申请中描述的并入有脉冲激光二极管的飞行时间测距仪中，通常存在返回信号的时间特性对落在检测器上的返回信号的分布的依赖。如果仅返回信号的一部分落在检测器上，如在短距离处所经历，则可能导致脉冲形状的变化。

本发明的各方面可以使用硬件、软件、或硬件与软件二者的组合来实现。用于本发明的软件存储于一个或一个以上处理器可读存储媒体上，其包含硬碟驱动器、CD-ROM、DVD、光碟、软碟、磁带驱动器、RAM、ROM或其他适合的存储装置。在替代实施例中，所述软件的某些或全部可由专用硬件置换，所述专用硬件包含顾客集成电路、门阵列、FPGA、PLD和专用计算机。在一个实施例中，实施本发明的软件用于对一个或一个以上处理器进行编程。所述处理器可以与一个或一个以上存储装置、周边设备及/或通信接口进行通信。

发明内容

在一个实施例中，本发明包含距离测量装置。所述装置包含：光源，其适合于提供传出参考光束；检测器，其经对准以接收返回光束，其中所述返回光束由所述传出参考光束从所述距离测量装置外部的物体反射而产生；及漫射器，其经提供而与经对准以接收所述返回光束的检测器相邻。

在替代实施例中，本发明是距离测量装置。本发明包含适合于提供光束的光源及经对准以接收所述光束并产生内部参考光束的光束分离器。检测器经对准以接收所述反馈参考光束及返回光束。返回光束由传出参考光束从所述距离测量装置外部的物体的反射而产生，且所述传出参考光束是从所述光束导出。经调整以接收所述返回光束的检测器来提供漫射器。

返回光束具有依赖于所述物体的距离的位置，且其中所述漫射器经对准以在所述距离介于约0.2到5米的给定范围内时接收所述返回光束。

本文提供本摘要以按简要形式引用在下文实施方式部分进一步描述的概念选择。本摘要并不打算识别所申请主题的关键特征或重要特征，也不打算用于协助确定所申请主题的范围。

附图说明

图1显示根据本发明的距离测量装置。

图2显示根据本发明的距离测量装置的一个实施例的框图。

图3是在检测器上相对于所反射物体的距离的反射信号的图示。

图4A是在反射物体的不同距离处冲击目标块的反射射线束的说明。

图4B是在每一反射物体处的射出射线束的说明。

图5是根据本发明的理想光学系统的说明。

图6是距离测量装置的一个实施例的框图。

图7是根据本发明形成的检测器的透视图。

图8是图7所示检测器的局部侧视图。

图9是图7所示检测器的顶视图。

图10是图7所示检测器结构的局部透视图，其图解说明检测器的衍射特征。

图11是检测器上的反射信号相对于在涵盖本发明的装置中的反射物体的距离的图示。

图12是检测器的可替代实施例的局部侧视图。

图13是图12所示检测器结构的立体分解图。

图14A-14C图解说明根据本文教示的衍射结构的不同横截面。

图15A-15C图解说明根据本发明相对于衍射光栅移动检测器的效果。

具体实施方式

图1显示距离测量装置10。距离测量装置10可根据本文教示及在2003年4月15日提出申请且名称为“距离测量装置”的同在申请中的美国专利申请案第10/414,440号来实施，所述申请案的全文以引用的方式并入本文中。

距离测量装置10能够测量从装置10到物体12的距离。在一个实施方案中，测量装置可以测量从30米到2毫米(“mm”)的距离。在替代实施方案中，可能存在不同的距离测量范围。测量装置10的一个版本以加减2mm的精确度来测量距离。

测量装置10发出在物体12的表面上反射的光束14。光束14的反射作为光束16返回测量装置10。测量装置10基于光束14的传输与光束16的接收之间的时间延迟来确定到物体12的距离。在替代实施例中，测量装置为光束14及16提供退出及进入的共用点。这在进行短距离测量时特别有用。

在某些实施例中，测量装置10在不需要使用昂贵的高精确度组件的前提下实现高精确度等级。这会导致制造装置10的较低生产成本。测量装置10通过采用参考脉冲反馈路径来增强准确度-将来自光束16的一个或一个以上参考脉冲入射到捕获光束16的接收路径中。这会创建具有参考及返回脉冲的接收波形。装置10使用所述波形将光束16中的返回脉冲上的点与光束14中的参考脉冲上的点相匹配，从而产生返回脉冲点。装置10测量对应点之间的距离以确定所发射信号的飞行时间并将飞行时间转换成距离测量。

在一个实施方案中，装置10在反馈路径中衰减来自光束14的参考脉冲。这使得参考脉冲上升及下降时间与光束16中的返回脉冲上的上升及下降时间相同或极为相似。这增强了装置10在确定飞行时间时将返回脉冲点与参考脉冲点准确匹配的能力。

装置10的一个实施例采用直方图处理模块将具有参考及返回脉冲的波形数字化。此直方图处理器收集不同比较阈值处的波形样本。处理器在每一阈值处使用最准确的信息来创建对应于由测量装置10接收的模拟波形的数字化复合波形。直方图处理器有助于在具有低信噪比的环境中使用装置10。

在某些实施例中，测量装置10还包含处理数字化复合波形的数字信号处理模块。所述处理实现返回脉冲上的点与参考脉冲上的对应点之间的更好匹配，以使得可测量准确的时间延迟。在一个实施例中，数字信号处理移除噪音、将参考脉冲按比例缩放、并移除由跑进接续脉冲内的脉冲下降边导致的失真。

图2是测量装置10的一个实施方案的框图。测量装置10包含耦合到光源50的电流驱动器52。在一个实施方案中，光源50是提供不可见的红外线信号的激光源，例如激光二极管。在替代实施例中，光源50是VCSEL或不同类型的激光二极管。在一个实施方案中，光源50还可以是用于低成本应用的发光二极管。电流驱动器52驱动激光源50以产生激光光束46。在进一步的实施例中，源50可提供不同于不可见激光的光。电流驱动器52能够向源50提供单个衍射脉冲或不同脉冲的集群。作为响应，源50在光束46中提供单个脉冲或脉冲集群。

校准透镜48与源50对准以捕获光束46并将其传送到光束分离器44，光束分离器44具有局部反射及局部透射的表面。光束分离器44将光束46分成传出参考光束16和内部参考光束42。窗口56与光束分离器44对准以捕获光束16并将其引到装置10外部。在一个实施方案中，装置10包含激光源43，其提供可见的激光光束45。在这一实施方案中，光束分离器44是接收光束45并将光束45反射到窗口16外部的分色镜。传出可见光束允许用户将装置10与目标12对准。分色镜传送多数入射红外线光束46，同时反射小部分红外线光束46以产生光束42。分色镜还反射大致所有可见光束45。光束分离器44经对准以使得光束16及由镜子44反射的部分光束45共孔设置。

衰减器32与光束分离器44对准以接收内部参考光束42。衰减器32使光束42强烈衰减以产生反馈参考光束40。反射器34与衰减器32对准以接收反馈参考光束40。反馈参考光束40碰撞镜子34的表面并被反射。在一个实施例中，反射器34是镜子。或者，反射器34可借助其他手段来实施。在其他实施例中，不采用衰减器32-将内部参考光束42引到反射器34上。校准透镜30与镜子34对准以接收所反射的反馈参考光束40。返回光束14通过窗口36进入装置10。返回光束14绕过反射器34且被透镜30捕获。在一个实施例中，装置10包含滤光器(未显示)，其在透镜30之前捕获光束14并滤出周围光。在替代实施例中，不采用滤光器。在进一步的实施例中，镜子34是局部透射性光束分离器，其接收光束14并将光束14传送到透镜30。

光束40中的反馈参考脉冲及光束14中的返回脉冲呈现为入射到检测器26上的波形。在一个实施方案中，检测器26是硅光电二极管，其阳极耦合到地面，且阴极耦合到前置放大器24的输入端。激光二极管26检测通过透镜30的传入信号。前置放大器24接收激光二极管26的输出并将传入波形放大。前置放大器24的输出端耦合到比较器22的输入端，比较器22的输入端25耦合到控制引擎20。控制引擎20将阈值电压置于比较器输入端25上。比较器22将来自前置放大器24的波形与阈值电压进行比较。当波形超过输入端25上的阈值时，比较器22提供逻辑1信号输出。否则，比较器22提供逻辑0输出。

控制引擎20耦合到比较器22的输出端、阈值输入端25、电流驱动器52的输入端及衰减器32的控制输入端。控制引擎20控制电流驱动器52的操作—设定振幅、持续期间、用于在源50上产生输出脉冲的脉冲信号的强度及数量。控制引擎20设定衰减器32提供给参考光束42的衰减量。在一个实施方案中，光学衰减器32是电控衰减器，例如包含液晶快门的装置。衰减器32响应于来自控制引擎20的控制信号以电子方式调整衰减。在替代实施例中，衰减器32响应于来自控制引擎20的信号以机械方式调整衰减。在一个实施方案中，衰减器32驱动机械致动器的操作，以设定机械快门的开度。在替代实施例中，可采用不同的手段来执行衰减器32的操作。

控制引擎20设定光学衰减器32，以使得反馈参考光束40上的脉冲的强度与返回光束14上的脉冲的强度接近或相同。所匹配的强度允许参考脉冲与返回脉冲在其上升及下降边上具有相似或相同的升高及降低时间。这使得参考脉冲及返回脉冲在穿过前置放大器24和比较器22时会经历相同的传播延迟—允许在估算飞行时间时参考及返回脉冲上的对应点更容易匹配。

控制引擎20使用来自比较器22的信号来构建由检测器26所接收波形的数字版本。在一个实施方案中，控制引擎20采用直方图处理模块。直方图处理器在波形的不同间隔处收集所述波形的多个样本。所述直方图处理器针对比较器输入端25上的不同阈值来收集此数据。针对每一阈值，直方图处理器收集来自具有参考及返回脉冲的多个波形的样本。

所述直方图处理器以给定阈值积累波形中每一间隔处的样本。这导致提供于比较器输入端25上的每一阈值电压的直方图。每一直方图均识别由在每一波形间隔内以给定阈值由比较器22做出的逻辑1确定数量。控制引擎20积聚每一阈值处的直方图信息以创建复合波形，所述复合波形充当在激光二极管26处所接收波形的数字复制。控制引擎20采用数字化波形来识别参考脉冲及其对应返回脉冲以做出飞行时间测量。如上文指示，控制引擎20对数字化波形进行数字信号处理以更准确地测量飞行时间。下文提供关于这些操作的更多细节。在替代实施例中，可以采用不同形式的直方图处理。

图3图解说明检测器上的反射光束16的信号强度对目标12的距离的变化。图3图解说明通常在描述于同在申请中的美国专利申请案第10/414,440号中的各种光学实施例中所述的飞行时间距离发现器中可见的性能的曲线300。曲线110显示距离与信号强度之间的1/R²理想关系。线120标记从这一理想关系到由于所接收反射光束16的图像移动离开检测器引起的特征下降的转变。

良好信号特征与较短距离处的下降之间的转变点120由大量因素管理，其包含：光学孔径之间的物理分离，传输光束的特征、接收透镜的特征、检测器大小及形状、和检测器位置。随朝向点130的距离减小，信号可由于所接收光束离开检测器的活性区域的完全移动而整体离开。有时，信号由于接收结构内的表面上的能量散射而不会完全消失。通常，接收器光束路径中能量的随机散射会导致不充足的信号强度及所检测脉冲形状失真。

图4A及4B图解说明经传输及反射的光束在各种距离处的特性。图4A显示传输透镜410、孔径110、光束源430和各种目标450、460、470。现在图解说明及论述图像平面480上的反射光束的特征。激光光源130产生由传输透镜410收集及聚焦的能量。传出光束440反射离开目标450、460及470。这些目标与透镜410相距不同距离。

图4B图解说明光束在传输孔径110处及在各种目标位置处的大小的投影，其以实线及虚线显示在图4B中的理想化目标流485上。图4B中的实心圆被标记为245，其指示传输孔径110处的光束大小。圆255是目标位置450处的光束轮廓，轮廓265是目标位置460处的光束轮廓，且轮廓490是目标位置470处的光束轮廓。由于相对于光束大小仅少量的光束分布发散，则虚线圆255仅比圆245略大。然而，在较长距离处，光束大小开始沿循光束的发散，且这一条件一般称为光束的远场特性。

在双孔径相位或脉冲测距仪中，图像平面480上的所接收信号16经历侧面位移及随距离减小的大小增加。返回图4A，由所接收透镜420形成的图像显示于图像平面480中。标记为190的圆表示极长距离处的图像位置，其中图像大小由透镜的模糊大小影响，且其中侧面位移最小。标记为200、210及220的图像分别显示在目标位置470、460和450处的大小及位置变化。图像210及220由于传输光束在较短距离内的角度扩展增加而发生侧面位移及大小增加。

为补偿光束的侧面位移，本发明的装置具有置于所接收信号路径中的漫射器，以选择性地将能量散射到渐减距离处的距离计划系统的检测器上。此概念性地图解说明于图5中。

在图5中，接收透镜420形成汇聚到检测器530上的射线束。所述射线束可以是图1中图解说明的反射光束的一部分。将经组合的透明光学掩膜及漫射器结构500置于接近检测器的光束路径中。光学掩膜及漫射器结构500包含透明光学掩膜部分510和漫射器部分520。

一般来说，当检测器处的所接收图像由于视差而侧向反射时，所反射信号16沿检测器26之前的射线路径传送到漫射区域(520)中，导致能量散射回到检测器26上。通过正确安置漫射器(520)和控制所散射能量的角度及分布，可以递减距离控制所接收信号强度。结果，递减距离处的信号强度可维持在可接受水平处。经设计的信号强度特性会通过减少在短距离处正常经历的信号消失同时避免通常在从正常的1/R²关系转换到短距离操作时所经历的过高信号水平来在接收器中减少所需的信号动态范围。信号的漫射部分将准确反映所接收图像的空间分布变化，避免由于检测器上的空间能量分布的局部采样而产生的距离测量错误。此短程信号散射避免由于在所返回信号图像移动离开检测器表面时的脉冲形状变化而产生的距离测量错误。

光学掩膜与检测器表面之间的典型分离是1到2毫米。光学掩膜可接近检测器表面来安置以将会聚光束的大小最小化，以供针对图像位置变化实现最好的空间辨别。还需要获得通过从掩膜表面散射而导致的图像能量的代表性采样。光学掩膜与检测器表面之间存在分离，其可能基于漫射器特征、所需信号强度对距离、和检测器大小来有利地加以设计。

圆形横截面515图解说明穿过漫射器及掩膜结构500的透明区域510从较远距离反射到目标的射线束的内部截面。随目标距离减少，射线束位置垂直移动到掩膜结构500的漫射器散射区域520内的位置525。来自冲击区域525的光束的能量由漫射区域520散射，形成散射光540。散射能量的角分布可通过大量手段来设计，包含悬于透明介质中的衍射图案和散射颗粒，以在给定距离处创建所需要的反射信号特征。

在一个实施例中，紧邻标称射线横截面515来安置散射区域520与透明区域510之间的边界。一旦目标的图像超出透镜的标称模糊大小就使得射线束以固态方式位于散射区域内是重要的。一旦目标图像超出透镜的模糊大小，目标处的光束的空间分布将转为图像平面上的分布能量。当图像由于视差而溢出检测器的活性表面时，可导致光束的局部采样。这将改变所检测信号的时间特性，且由于距离测量需要所接收信号与预存或经测量传输波形的相关性，非散射区域与散射区域之间的转变应以其中目标图像的空间分布由于所接收透镜偏离而随机化的距离来发生。透明掩膜的散射区域的各实施例可用于对比距离特性来修整信号强度。下文参照图14及15来论述各特征。

图6显示适合用于实施本发明的距离测量装置及相关联光学装置。图6显示在图3中示意性地图解说明的组件的实例性物理实施方案。

图6显示装置10及(确切地说)装置10中的光学器件的一个实施例600。装置600包含外壳605，其涵盖可构成距离测量装置的光学器件及电子器件。印刷电路板610安装于所述外壳中，且包含光源50。在一个实施方案中，光源50是激光源，例如激光二极管，其提供不可见的红外线信号。在替代实施例中，激光源50是VCSEL或不同类型的激光二极管。

如上文参照图2所述，PCB包含电流驱动器52，电流驱动器52能够向源50提供单个差值脉冲或差值脉冲集群。准直透镜48位于源50处以捕获光束46并将其传送到光束分离器44，其中光束分离器44具有局部反射且局部透射的表面。光束分离器44将光束46分成传出参考光束14和内部参考光束42。将所述光束的一部分传送到镜子55。窗口56与光束分离器44对准以捕获光束16并将其引到装置10外部。衰减器32与光束分离器44对准以接收内部参考光束42。反射器34与衰减器32对准以接收反馈参考光束40。反馈参考光束40碰撞镜子34的表面并被反射。准直透镜30与镜子34对准以接收所反射的反馈参考光束40。返回光束16进入装置600，绕过反射器34并被透镜30捕获。光束40中的反馈参考脉冲和光束16中的返回脉冲呈现为入射到检测器26上的波形。

如图6中提及，检测器26可包含安装于检测器结构中的光电二极管，所述检测器结构本身安装到PCB。然而，易于了解，光电二极管的安置及用于如下文所述安装所述二极管的结构无需在PCB上，且可以具有许多不同形式。

图7、8及9显示涵盖漫射器的检测器结构的第一实施方案。漫射器结构700显示为安装在电路板610上。尽管在图7-9中显示了一个结构，但应了解，可利用各种不同类型的安装结构。

图7是漫射器结构700的透视图。图8是图7中所示漫射器结构700的侧面局部剖视图。图9是漫射器结构700的顶视图。

漫射器结构700包含安装于漫射器支撑环770上的压制漫射器750，其中漫射器支撑环770包含前窗730。检测器726安装于检测器支撑736上，且通过导线715、720耦合到安装于印刷电路板610上的电子装置。在图7、8及9中显示的配置中，漫射器750是形成有半圆横截面的压制漫射器(如图9中图解说明)，其中漫射区域之间的界线由具有光电检测器726的漫射器形成的线775构成，如图9中显示。在一个实施方案中，漫射器的T(图8)厚度约为125微米，位于光电检测器上方约2.5毫米的高度H处，且与结构700及光电二极管726的中心线分开距离D，距离D的范围在250与500微米之间。

图10是检测器结构700的局部透视剖面图，其图解说明以短距离冲击漫射器750的反射光束的效果。在这一实施方案中，漫射器750具有建造于125微米厚的聚碳酸酯膜上的10°×60°漫射器角。这种漫射器可由加利福尼亚州托兰斯的Physical OpticsCorporation制造，且一般称为光成形漫射器。光成形漫射器是经全息记录的随机地势结构，其能够实现高透射效率及受控角分布。这些完全随机化结构与波长不相关。精确地势结构会仿效负透镜来提供受控角光线发散。如图10中图解说明，漫射器的角分布使得冲击到漫射器上的反射光束16将创建图像区域1010，所述图像区域的一部分将冲击光电二极管检测器726。尽管在图10中，角分布显示为10°×60°漫射角，但漫射器可具有在5°×30°到10°×60°范围内的角分布。接收器所见的信号强度可通过基于漫射器表面上的侧面位置来修整漫射器特征而得以改进。图xx显示实例性漫射器特性，其中漫射器角较窄且沿导线边缘指向漫射器以增加流通量。随光束侧向移位到漫射器表面上，可增加漫射角以避免信号强度随距离减小而过分增加。

图11图解说明根据图7到10的教示来制造的检测器结构及距离测量装置的信号强度对距离的图示。如其中所示，线1100图解说明所接收反射信号的理想化1/R²关系。在点1110处，当信号移动离开检测器时，出现信号消失。在点1120处，信号移到漫射器上，且信号强度在点1130处开始增加并在点1135处达到峰值。图3在不具有漫射器的前提下图解说明信号。如比较图11与图3可见，可以控制在短距离处信号特征的各方面。另外，图11中图解说明的信号可选择性地根据正在制造的距离测量装置的特定要求来设计。

如图11中图解说明，其中漫射返回光束的距离范围是在约0到4米内。

图12及13图解说明接收漫射器的替代性实施例。图12是漫射结构1200的局部剖视图，而图13是根据此替代实施例形成的接收结构1200的分解装配图。在检测器罐1215中提供检测器，其中检测器罐1215的内部组件包含光电二极管726和二极管支撑结构736，以及导线715和720，其均等效于上文列举的装置。检测器罐1215具有透明窗口1230。形成漫射器安装盖1245以包含与检测器盖1215上的短小突出部1240对准的对准凹口1245。经激光切割的漫射器板1250提供于盖1245顶部且可由聚碳酸酯、聚酯、丙烯酸、丙烯酸-uvt或玻璃制成。所述漫射器包含经设计以与盖1255中的对准部件1260紧密配合的对准凹口1258。中央孔1265允许来自长距离的反射直接穿过而到达检测器726。漫射器1250是圆形的，以允许漫射器相对于检测器结构1200的任何取向，且允许具有不同形状及散射特征的替代漫射器轻松替换。

在再一替代实施例中，可使用具有较大内径的安装盖，且可利用额外的孔眼将环氧树脂注射到检测器区域内。如果所述盖是塑料的，则我们可以使用UU环氧树脂以安全地将漫射器附装到安装盖上。

图14及15图解说明由于透明区域与漫射器之间的交易界线的变化和漫射器与检测器26之间的距离的变化而使检测器结构及散射区域的特征发生的各种变化。

图14A-14C图解说明在透明光学掩膜及漫射器结构500中，透明区域345与漫射区域350、360、370之间的交易边界发生变化的影响。这些图示图解说明可以如何使用这一交易界线来对比距离特性修整所反射光束的信号强度。

图14A、14B及14C显示具有不同边界交易的三个不同掩膜配置。界线1450具有直的交易界线，且在图中显示为1480处的典型响应。包含曲线1410以显示理论上的1/R²特征。

图14b显示其中将界线置于完全反射区域325附近的锥形边界。图14B中所示区域360的锥形边界可产生不太突变的信号。曲线1490对比原始曲线1480来显示信号强度随距离的不太显著的降低。

借助图14C中在线1370处显示的相反界线锥度，可以实现更突变的转变。曲线1450对比原始曲线1480来反映这一更突变特征。将易于理解，可根据本发明利用各种方案。

图15A-15C显示在区域1520处改变光学掩膜1530与检测器之间的间隔可以如何改变信号强度对距离的短程特性。图14a显示分离检测器26与透明光学掩膜和漫射器结构500的第一距离D1。图14b显示分离透明光学掩膜及漫射器结构500与检测器26的第二距离D2，其大于D1。

如果分离距离D非常短，则来自散射表面的更大百分比的能量可以到达检测器。曲线1580显示随距离递减与标称曲线300相比的更突变及更早降低。短程处的最小信号由特征1585显示。如图解说明1560中显示，检测器与掩膜之间的较大分离会由于检测器相对于漫射器中描画的角散射图案的较小对向角而向检测器产生更少的散射能量。特征曲线1595随距离减少而具有更平缓的信号强度变化，但最小信号强度也较低，如区域1580中显示。

如所属技术领域的技术人员将了解，本发明可以涵盖关于漫射器概念的许多不同变化。本发明在特定与同在申请中的美国专利申请案第10/414,440号中的检测器一起使用时会提供各种优点。但是，本发明的优点在于并不限于与此检测器一起使用。

出于例示及说明目的，上文已提供了对本发明的详细说明。而不打算穷尽或将本发明限定到所揭示的精确形式。依据上述教示，可做出许多修改及变化。所述各实施例的选择旨在最好地解释本发明的原理及其实际应用，从而使所属技术领域的技术人员能够以适合于所涵盖特定用途的各种实施例及使用各种修改来最好地利用本发明。本发明的范围打算由随附权利要求书来界定。

尽管本文以专用于结构特点及/或方法论行为的语言来描述标的物，但应了解，在随附权利要求书中界定的标的物并不必限定于上述特定特点或行为。相反，上述特定特点及行为被揭示为实施所述权利要求书的实例形式。

Claims (20)

1.一种距离测量装置，其包括：

光源，其适合于提供传出参考光束；

光学掩膜及漫射器结构，其具有透明光学掩膜部分和漫射器部分，所述透明光学掩膜部分和所述漫射器部分中的每一个经对准以接收返回光束，其中所述返回光束是由所述传出参考光束从所述距离测量装置外部的物体反射而产生的；及

检测器，其经对准以接收穿过所述光学掩膜及漫射器结构的所述透明光学掩膜部分和所述漫射器部分的所述返回光束；和

外壳，其围住所述光源、所述检测器和所述光学掩膜及漫射器结构，其中所述外壳包含至少一个窗口，以允许所述传出参考光束离开所述外壳，及允许所述返回光束进入所述外壳。

2.如权利要求1所述的距离测量装置，其中所述返回光束基于所述物体距所述距离测量装置的距离撞击所述光学掩膜及漫射器结构，且其中所述光学掩膜及漫射器结构经对准以在所述距离在约5米到0.2米的给定范围内时接收所述返回光束。

3.如权利要求1所述的距离测量装置，其中所述检测器提供于检测器外壳中，且所述光学掩膜及漫射器结构安装到所述外壳的一部分。

4.如权利要求3所述的距离测量装置，其中所述检测器外壳安装于印刷电路板上。

5.如权利要求3所述的距离测量装置，其中所述光学掩膜及漫射器结构具有带线性边缘的半圆形横截面。

6.如权利要求5所述的距离测量装置，其中所述线性边缘距所述检测器的中心线偏移一距离，所述距离约为250微米到500微米。

7.如权利要求3所述的距离测量装置，其中所述检测器外壳包含印刷电路板，且所述检测器安装于所述印刷电路板上。

8.如权利要求1所述的距离测量装置，其中所述光学掩膜及漫射器结构的角分布是在5°×30°到10°×60°的范围内。

9.如权利要求8所述的距离测量装置，其中所述光学掩膜及漫射器结构的角分布是10°×60°

10.如权利要求1所述的距离测量装置，其中所述光学掩膜及漫射器结构置于所述检测器上方约1到3mm的高度处。

11.如权利要求1所述的距离测量装置，其中所述光学掩膜及漫射器结构置于所述检测器上方约2.5mm的高度处。

12.一种距离测量装置，其包括：

光源，其适合于提供光束；

光束分离器，其经对准以接收由所述光源提供的所述光束并将所述光束分成传出参考光束及内部参考光束；

光学掩膜及漫射器结构，其具有透明光学掩膜部分和漫射器部分，所述透明光学掩膜部分和所述漫射器部分中的每一个经对准以接收返回光束和所述内部参考光束，其中所述返回光束是由所述传出参考光束从所述距离测量装置外部的物体反射而产生的；及

检测器，其经对准以接收穿过所述光学掩膜及漫射器结构的所述内部参考光束和所述返回光束。

13.如权利要求12所述的距离测量装置，其中所述返回光束基于所述物体距所述距离测量装置的距离撞击所述光学掩膜及漫射器结构，且其中所述光学掩膜及漫射器结构经对准以在所述距离在约5米到0.2米的给定范围内时接收所述返回光束。

14.如权利要求12所述的距离测量装置，其中所述检测器提供于检测器外壳中，且所述光学掩膜及漫射器结构安装到所述外壳的一部分。

15.如权利要求14所述的距离测量装置，其中所述光学掩膜及漫射器结构具有带线性边缘的半圆形横截面。

16.如权利要求15所述的距离测量装置，其中所述边缘是距所述检测器的中心线的距离，所述距离约为250微米到500微米。

17.如权利要求14所述的距离测量装置，其中所述检测器外壳包含印刷电路板，且所述检测器安装于所述印刷电路板上。

18.如权利要求12所述的距离测量装置，其中所述光学掩膜及漫射器结构的角分布是在5°×30°到10°×60°的范围内。

19.如权利要求18所述的距离测量装置，其中所述光学掩膜及漫射器结构的角分布是10°×60°。

20.如权利要求12所述的距离测量装置，其中所述光学掩膜及漫射器结构置于所述检测器上方约2.5mm的高度处。

Images