CN103733025A

CN103733025A - 多psd布置和电路

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Publication number: CN103733025A
Application number: CN201280039829.1A
Authority: CN
Inventors: C·L·E·迪穆兰
Original assignee: Leica Geosystems AG
Current assignee: Leica Geosystems AG
Priority date: 2011-08-16
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2032-08-14
Also published as: US9121695B2; WO2013024102A1; EP2745074A1; EP2745074B1; CN103733025B; US20140204399A1

Abstract

本发明涉及一种光束位置检测器，该光束位置检测器具有检测窗口，所述检测窗口用于检测撞击光束在所述检测窗口内的位置，所述检测窗口包括作为基于横向光电效应的位置敏感器件的第一PSD，尤其是具有依赖于所述光束的撞击位置的两个输出信号并且具有用于所述PSD的电子读出电路。所述检测窗口还包括作为基于所述横向光电效应的位置敏感器件的至少第二PSD，所述至少第二PSD在与所述第一PSD连续的几何线上对齐，使得所述第一PSD和所述至少第二PSD限定了所述检测窗口。

Description

多PSD布置和电路

本发明总体上涉及一种根据权利要求1前序部分的光斑位置测量装置、一种具有根据权利要求1的光斑位置测量装置的激光整平（laser leveling）接收器，并且涉及一种根据权利要求11前序部分的光斑位置测量的方法。

在激光整平技术领域，激光旋转器或线激光被用来跨越可以是水平的、垂直的或以期望角度倾斜的整平面。通常用激光接收器检测激光平面，其检测激光在检测窗口内部的撞击位置以确定接收器相对于激光平面的位置。检测窗口或接收器窗口是激光接收器处的区域，其用于检测光束，尤其是检测光束在检测窗口内的撞击点的位置以用于确定激光束的轴与接收器装置在至少一个方向上的相对位置。在很多实施方式中，半长度的中心是激光束的期望水平并且接收器通过指示装置或量化装置来示出与该理想位置的偏差。激光束的电子接收允许扩展激光整平的范围、在阳光条件下的可用性。已知很多类型的激光接收器，与对手相比，它们具有很多不同的功能、性能和价格优势。这种装置可包括很多诸如光学水平指示、声学水平指示、距离确定、角度确定等附加特征，但这些并不是本发明的主要保护范围。

实现这种激光整平的一些例子是US6435283，其示出旋转单束激光发射器，或US4756617，其示出通过以锥表面导向激光生成的连续的360o激光平面，其中典型地使用了振幅调制激光源。投影激光线的这两个原理也被称作具有扫描线的线激光或具有连续激光扫描线的线激光，其中光可被调制。

旋转激光束发射器或扫描激光束发射器产生了扫过接收器的光束并且在检测窗口中产生具有短持续时间但高带宽的激光脉冲。相反，连续的激光发射器以调制频率生成具有窄带宽的连续激光信号。虽然对于两种类型的激光整平来说接收器的传感器元件（和接收器的很多其他部分）可以是相同的，但是接收器中的信号条件和评估是不同的。虽然本文给出的本发明涉及旋转光束发射器，但其也适用于经调制的连续光束激光发射器。

在很多使用情况下，激光接收器被附接到整平杆或附接到要整平的机械结构上。通过测量光束的光轴在接收窗口内的撞击位置来确定激光平面在接收器的接收窗口处的交叉点。向用户指示该位置，尤其是作为与期望的整平位置处的期望撞击点的偏差。

有很多已知的多种技术来确定激光在接收器窗口内的撞击位置。一种确定光束位置的方法是利用光电二极管或光电二极管阵列。

US3649122描述了一行分离邻近的且彼此并联连接的并且与相同的电阻串联连接的光电单元。在由此得到的极点（pole）之间测量的光电流给出了激光束撞击接收器的点的相对于这一行光电单元的长度的位置。光导被用来增加具有光电检测单元的检测窗口的填充/密度。由于光电单元的布置，该接收器仅产生了阶梯式线形响应。

US3894230描述了一种平行光电探测装置的对齐阵列，其中各个光检测元件对应于位置增量。接收器指示哪个光电检测单元首先接收到预定水平之上的光信号。树脂玻璃棒与传感器阵列对齐以形成柱透镜，增大了落入检测阵列中的光的总量。该设备还采用滤光器来减小紫外光、明亮的阳光或其他光源的光的影响。该接收器假设激光束是圆形的并且光电检测单元被足够地彼此间隔开。因此，该检测器的检测范围受到限制。

EP1484577描述了一种接收器，其利用与相移电路连接的（平行）光电二极管的间断的阵列来接收振幅调制激光束（100kHz至10MHz）。光散射传感器窗口被设置在光电二极管的间隔阵列的前方。光散射器以这样的方式扩散激光，使得当激光束撞击到两个光电二极管之间的中心时，同等地照射到两个二极管。利用这样的结构，该接收器能够使用更少的光电二极管，但是该接收器仅是部分线性的。

US7372011描述了与加权电路相关联的（平行的）光电二极管的线性阵列。加权电路用来确定接收器是否已经被激光束或闪光灯光撞击。为了耗尽由阳光产生的低频电流，接收器使用接地电感器。

US7339154和JP04046282示出了传感器级，其具有利用基于串联电阻的排列的电路加权的光电二极管的平行阵列。优选地这样标出负载电阻Rh和Rl的尺寸使得加权电阻之和显著地大于负载电阻。

除了以上使用的单一光电二极管之外，也使用作为双光电二极管的BiCell，其设置在具有典型地长孔径比并且电学地且光学地对角线分离的矩形上，并且形成两个相同的三角形（Bi-Cell）。当激光束撞击到矩形的上/下侧时，第一光电二极管被激光束的小/大区域覆盖，而第二光电二极管被剩余的大/小区域覆盖。两个信号的差和两个信号的和之间的关系是线性的。例如，US4676634示出了BiCell和两个交替的光电管，利用光束对接布置利用为了前级稳定的死区选择和光束平均来对接布置该BiCell和两个交替的光电管。

US4756617描述了所谓的BiCell在线性确定激光束入射到接收器的位置的用途。描述了用于旁通（bypassing）DC和接地的低频信号的电感器的使用。此外，描述了使用振幅调制激光束来在不增加经调节的RMS（均方根）值的情况下增加激光束的峰值强度，该经调制的RMS允许增加接收器的最大距离范围。

US4830489描述了一种用于线性地确定激光束的相对高度的基于BiCell的激光接收器。利用由接收器反射回的信号在旋转器处确定接收器的方位位置。无线电用来传达方位位置和旋转器到接收器的距离。为了距离测量，提出了飞行时间和相移的测量方法。

US4907874和US4976538都描述了变型的BiCell传感器，其具有包含在两个具有两个信号的最终元件中的单独的相互交叉的光电元件的平行布置。

US6133991描述了多BiCell传感器，其具有不同传感器形状和传感器布置并且堆叠在彼此上方以减小遮蔽效果。为了使线性传感器阵列与相同的传感器元件连接，针对每个分离的信号处理路径且平行地电子地使用有贡献的传感器元件。在另选结构中，在每个位置处需要不同的元件并且并联地相互电连接多个传感器。

US6747266描述了一种利用具有透镜部分和扩散部分的光滤波器的布置，该透镜部分能够在扫描方向上扩大光束，该扩散部分能够将扩大的激光束扩散，该布置具有以下优点：能够利用隔离的Bi-cell传感器检测宽的激光束以及窄的聚焦（扫描）激光束。

此外，在整平激光接收器中使用光导是已知的。例如，在DE19540590中，描述了N-型或V-型线形光检测单元。这种光检测单元可以包括光电传感器阵列、与检测器窗口在一条线上对齐的光传输玻璃光纤束或光传输塑料光纤束或由光学材料构成的特制的棒，该特制的棒能够使激光正交碰撞到位于棒的一端的光电传感器上。通过利用N-型或V-型棒并且测量每个棒上接收信号之间的时间差来确定光接收元件上的激光束的相对高度。

US7394527和US2003/0174305都描述了一种具有至少两个信号光束的旋转器，至少两个信号光束彼此具有用来确定从接收器到旋转器的距离的给定关系。接收器被设计为时间分辨地接收这些信号束。此外，接收器被描述为在光导体的两端上具有两个光电传感器，该光导体允许测量光束撞击光导体的点。利用以固定距离布置的两个接收器能够仅通过单个光束就确定到旋转器的距离。

通过不同的旋转频率、发射信号的编码、适合发射谱的选择等可以区分两个在接收器进行发射的信号发生器。

另一个用于确定光斑位置的元件是PSD（位置敏感检测器的缩写），其在工业上是广泛已知的，并且是作为诸如在三角传感器中使用的装置来检测（反射的）激光束的位置。

根据本发明的PSD是基于横向光电效应的装置，也被称为各向同性PSD或横向效应光电二极管（LEP）或MOS-型PSD。如提出的读出电路暗示的，尤其适用非分段的PSD基板，其具有两个相反的平衡输出。输出端上的信号依赖于光束在PSD的有效表面上的位置。两个输出信号反向地依赖于该位置（有时也把这样的输出行为称作对称输出）。快速读出CCD或CMOS阵列由于也能够用来确定投射到它们上的光斑的位置，因此它们有时也被称作PSD，但是因为它们的电连接和读出特性不同，因此PSD并不意味着是快速读出CCD或CMOS阵列。

为了便于理解，本文中解释的PSD是一维的PSD，但是本领域技术人员清楚同样的原理也可应用于二维PSD的第二方向上，因此对二维PSD的评估也是本发明的一部分。

虽然使用PSD进行位置检测具有优势，但是主要问题是它们的低饱和阈值，因此，在明亮阳光的户外条件下不能使用PSD。尤其在户外激光整平应用中，PSD传感器忍受这样的事实：在阳光条件下它们很容易饱和，并且在接收器与激光源之间的远距离处相对于光电二极管具有更低的信号强度。为此，在用于工地的激光接收器的商业应用中不会使用PSD传感器。

PSD的信号响应在某种程度上与BiCell布置的信号响应类似：提供随着入射激光束的位置改变而增加/减小的两个连续的信号。但是，相比于PSD，BiCell的使用存在几个技术差别，例如：

1、在各个BiCell光电二极管生成的信号之间存在相位延迟。该相位延迟在对脉冲数字化期间有劣势并且会导致某种非线性。

2、当被圆形或椭圆形激光束撞击时，由于三角形传感器区域的重心和激光束密度分布上的不同，BiCell中的各个二极管的三角形形状引起某些非线性。

3、BiCell典型地需要比PSD更大的检测区域，这导致更高的传感器成本和更多的阳光饱和。

4、当BiCell没有与激光束正交对齐并且传感器的一部分被接收器壳体遮盖时，传感器将给出错误的高度读数。这也被称作阴影效应。已经提出了很多方案来解决这种固有的BiCell传感器问题。

在使用“智能整平杆”的整平应用中，希望覆盖更大的高度差，例如10cm或更大。

标准的、现有的具有长检测区域的PSD装置（例如，具有大于5cm或7cm或甚至10cm的活跃检测长度的PSD）是不可用的。几乎没有可用的装置忍受背景光等引起的饱和问题，并且不能达到整平接收器所需的期望的性能。

本发明的目的是提供一种尤其是用于整平应用的改进的激光接收器。

本发明的一个目的是实现更大的检测窗口和更大的整平距离。长距离整平需要增大传感器长度，而由于随着传感器长度的增加，干扰背光等影响增加，因此需要更强地抑制干扰、背光等。因此，保持足够的灵敏度与PSD长度的增加是矛盾的。保持足够的灵敏度的要求也与增加用于整平应用的本领域抑制电路的背光抑制能力的要求是矛盾的。

本发明的另一个目的是提供一种尤其在用于整平应用的基于PSD的接收器中优选地使用更小复杂度和模块化的组件来改进的光斑位置测量装置。

本发明的另一个目的是提供一种具有改进的背光饱和抑制的位置传感器读出电路。

本发明的特别目的是提供一种用于读出多PSD布置的PSD读出电路。

本发明的另一目的是还提供一种用于整平短和长范围距离的激光接收器。

进一步的目的是提供一种用于多PSD布置的方法和电读出布置，其优先地利用对位置的线形读出能够检测激光斑直径的大跨度的位置，尤其是能够检测大于单个PSD的有效长度的点直径的跨度的位置。

本发明的进一步的目的是提供一种在高背光条件下使用的激光接收器。

本发明的另一个目的是提供一种具有接收器窗口长度增大的，尤其是位置精确度高的激光接收器。

本发明的另一个目的是针对校准和定位应用来增加接收器的分辨率。

本发明的另一个目的是通过最小化在背景和阳光抑制电路上的信号损失来增加光学元件的检测范围。

通过实现独立权利要求的特征来达到这些目的。在从属权利要求中描述了以可选的或有优势的方式进一步改进本发明的特征。

本发明涉及一种用于特别地，利用作为具有至少两个相反的、光束位置加权的电输出的取决于光束的撞击位置的两个（优选是相反的）输出信号来检测撞击光束在检测窗口内的位置的光束位置检测器，该检测窗口包括一个基于横向光电效应的第一位置敏感装置（PSD）。

此外，检测窗口还包括至少一个在与所述第一PSD连续的几何线上对齐的第二PSD，其中，第一和至少第二PSD限定了检测窗口。特别地，至少第一和第二PSD以串联的形式相互电连接以形成直线传感器阵列。

借助于用于PSD的电子读出电路评估撞击光束在检测窗口内的位置。

将第一和至少一个第二PSD彼此相邻地设置在一行中，作为一行PSD，该一行PSD具有沿着检测窗口的长度方向设置的它们的位置敏感度方向，从而特别地，通过将PSD中的一个的长度和宽度相加来限定检测窗口。检测器窗口包括至少两个PSD的几何串联布置；检测器窗口也可以包括一些另外的光学部件，例如波长过滤窗口、透镜状部件、光导装置等。

作为本发明的进一步的方面，光束位置检测器还可以包括具有变化的，特别是可改变的第一和至少第二PSD的读出互连。读出电路可通过读出电路的变化，特别地，通过改变PSD的输出端的互连和/或对施加到PSD输出端的负载电阻进行调节，将位置检测器配置成对检测窗口内的光束位置进行不同的位置加权的至少两个模式。

如上已经提到的，期望具有长测量范围的激光接收器。由于整平光束与到激光束发射器的距离或范围成比例地发散，所以更长的测量范围需要长的接收器窗口和传感器。通过选择诸如长Bi-Cell或PSD的更长的传感器元件来扩展测量距离存在增加的传感器电容和更高的背光生成电流的缺点，这些缺点必须被抑制。增加传感器的偏压有助于增加发生饱和的背光水平，但是会以能量消耗为代价。此外，对于传感器元件的偏压存在物理限制，这也限制了实现足够的背光抑制的传感器元件的最大长度。

根据本发明，将用于位置确定的激光接收器的接收窗口的长度扩展为超过通过多个传感器元件的串联连接的有贡献传感器元件的最大物理长度。

用于光位置确定的单个PSD是公知的，但是，特别是由于以上所解释的它们受限的尺寸和饱和效应，其本身应用于工地激光整平并不是公知的。根据本发明的布置不仅仅是通过多个传感器的后续布置对传感器长度进行简单的延长。

用于整平的理想光束位置检测器需要以足够的灵敏度和背光抑制对宽范围的光束直径的位置进行准确确定。接收器处的光束直径甚至可以超过串联布置的单个传感器元件的长度，尤其是用来在整平应用中覆盖宽范围的距离。多传感器的直前串联布置将会像一个长传感器一样经受相同的饱和效应，因此不能获得很多的优势。

优选地，位置确定的精度必须在毫米范围内或小于毫米范围，其中位置读出的线性也是重要的一个方面。现有技术的读出和背光抑制电路由于其负载阻抗将会引起非线性和信号衰减，这将会大于有用的水平并且将会破坏线性。特别地，在传感器的分接（tapped）串联布置中，现有技术的电路是不可用的。

因此，本领域技术人员将会预料到传感器的串联布置不会导致任何明显的优势，尤其是不会解决激光整平的技术问题，因此，本领域技术人员将不会应用传感器的串联布置。这也就是在现有技术中为什么虽然PSD器件是已知的并且已经商用了很长时间但却没有使用PSD的原因。

特别地，作为本发明的另外的方面，在各个终端处的多传感器元件的串联布置与适合的滤波器结构/谐振器的组合在背光抑制和保持线性中获得了额外的优势。此外，根据本发明，远距离或近距离专用的切换的传感器读出布置的进一步的方面有助于进一步实现具有改进的可探测性和位置精确度的针对光直径的宽范围的更长的光位置传感器。此外，由于元件能够以串联的方式连接，因此一条线上的多个传感器元件的几何布置不需要针对增加的各个传感器组件的额外的信号处理电路。相比于现有技术，这允许对传感器长度更容易地进行测量。

本发明描述了一种简单和高成本效率的具有长的接收窗口和有利的设置以及读出电路的激光位置感测装置以克服以上提到的诸如饱和、非线性和/或低灵敏度的不利因素。

所提出的电路在使用基于横向光电效应的位置敏感装置PSD，对在接收器上的激光束位置进行线性检测时尤其有优势。但是所提出的电路和信号处理方法并不局限于这些传感器的使用。特别地，根据本发明的互联和滤波器电路也可以有利地使用Bi-Cell或其他传感器。

以下针对利用PSD传感器的激光接收器描述了本发明的各方面，其不排除具有类似特性和类似问题的可选的传感器装置。

以下仅作为示例参考在附图中示意性示出的实施方式更详细地描述或解释根据本发明的方法和根据本发明的装置和设置。其中：

图1示出了根据本发明的PSD元件的理想化传感器响应；

图2示出了在近距离下激光信号的示例性光束剖面的简化图；

图3示出了在远距离下激光信号的示例性光束剖面的简化图；

图4示出了由两个光电二极管来接收远激光信号的示例性实施方式；

图5示出了由单个PSD或BiCell来接收远激光信号的示例性实施方式；

图6示出了根据本发明的由串联布置的两个PSD来接收远激光信号的示例性实施方式；

图7示出了根据本发明的两个PSD的远距离读出布置；

图8示出了根据本发明的两个PSD的近距离读出布置；

图9示出了现有技术的用于背景抑制的读出电路；

图10示出了根据本发明的一个方面用于背景抑制的读出电路的示例性实施方式；

图11示出了根据本发明一个方面的被配置为用于近距离模式读出的光位置检测单元的示例性实施方式；

图12示出了根据本发明一个方面的被配置为用于远距离模式读出的光位置检测单元的示例性实施方式；

图13示出了根据本发明的利用具有光束位置检测器的激光接收器的激光整平应用的第一实施例；

图14示出了根据本发明的利用具有光束位置检测器的激光接收器的激光整平应用的第二实施例。

附图的图解不应视为按比例绘制。

图1示出了根据本发明的PSD的功能原理的示意性略图。PSD1在上端3和下端3具有电连接。光束2撞击PSD表面，分别导致在上连接器3处的理想化传感器响应13和在下连接器4处的理想化传感器响应，这依赖于光束2沿着传感器活跃区的撞击位置。

图2示出了应用于两个传感器1的窄光束2。如光束2的强度分布所示，例如是激光束的该光束在装置上具有锐利光斑特性。这是在整平应用中近距离处激光斑的典型示例，其中需要确定作为传感器上光斑强度的重心的激光光轴的位置。在近距离下，通常小激光束2落到更大的传感器上，并且PSD传感器1能够很好地识别整个激光束的重心的中点。

图3示出了传感器区域上的光强度分布，这在远距离整平应用中是典型情形，其中激光束的散度将激光束加宽到如光束2的强度分布所示的强度分布。由于在远距离下激光束2比传感器1更高，因此更难检测要确定的用于光束位置测量的激光束内的强度分布。

在激光束2大于传感器1的情形下，传感器需要在看不到整个光束的情况下确定光束的中心点。特别地，如果光束2具有均匀的强度分布，那么不可能以某种精确度来确定光束2的中心。因此，也需要长接收器窗口来更好地覆盖整个光束。

用光束直径上的抛物线强度分布对远距离下激光束2的强度分布进行了建模。假设在光束边缘处的强度相比于光束中心的强度下降了50%。

利用该模型，根据以下公式能够估算出可能传感器概念的中心性能：

图4示出了具有对齐在垂直方向上的两个光电二极管的检测器。因此，并不存在如传感器1两侧的两个矩形加权剖面15所指示的信号的位置加权。

S_{l} = {&Integral;}_{C - \frac{L}{2}}^{C} (1 - {ax}^{2}) dx

S_{r} = {&Integral;}_{C}^{C + \frac{L}{2}} (1 - {ax}^{2}) dx

其中，L=PSD的长度；

C=PSD的中心相对于光束中心的位置；

a=

描述激光束的强度分布的因子；

p=激光束边缘处的功率下降

Ф=束光斑直径

S_r=PSD/光电二极管的右手侧11的信号

S_l=PSD/光电二极管的左手侧12的信号

图5示出了具有根据以下公式来得到信号的加权函数15的单个PSD1：

S_{r} = {&Integral;}_{0}^{L} (1 - {ax}^{2}) \cdot (\frac{x}{L}) dx

S_{l} = {&Integral;}_{0}^{L} (1 - {ax}^{2}) \cdot (\frac{L - x}{L}) dx

图6示出了在PSD1的串联布置的相反方向上对信号进行加权15的Butt-Cell布置的两个PSD。

S_{r} = {&Integral;}_{C - \frac{L}{2}}^{C + \frac{L}{2}} (1 - {ax}^{2}) \cdot (- \frac{x}{L} + \frac{C + \frac{L}{2}}{L}) dx

S_{l} = {&Integral;}_{C - \frac{L}{2}}^{C + \frac{L}{2}} (1 - {ax}^{2}) \cdot (\frac{x}{L} - \frac{C + \frac{L}{2}}{L}) dx

利用该模型，两个PSD的Butt-Cell布置的定心（centering）灵敏度比使用光电二极管的相同布置高了50%。

然而，在某种星座下Butt-Cell布置也存在缺点，为了实现更广泛的应用，根据本发明的另外方面能够克服这样的缺点。

另一方面，两个PSD的Butt Cell布置导致在近距离下光斑尺寸的依赖性。根据本发明的另一方面，可以通过将如图7所述的Butt-Cell的两个PSD传感器布置转换为图8所示的在近距离处串联的线性传感器布置（串联连接的传感器）来克服该问题。通过将两个PSD的互连转换成串联连接，如果不针对传感器之间的小缝隙，那么形成了理想的、长的且单个的PSD。PSD之间的小缝隙使装置具有更好的线性。

另一方面，相比于传统的光电二极管布置，两个PSD的Butt Cell布置导致信号在接收器外部的贡献更低，因此在检测器的该区域中导致更低的可检测性（更低的信号强度）。

这可通过遮挡阳光和其他干扰（例如旋转光和闪烁光）来克服此问题，从而增加可检测性。下面将对此进行详细描述。这也有助于克服由串联布置形成的长PSD的饱和效应，如果没有进一步预防，由串联形成的长PSD会像一个长的PSD一样经受相同的饱和效应。如下解释的阻止饱和能够克服该效应，尤其是串联布置允许在串联连接的各个分接（tap）处饱和耗尽（saturation-draining），从而能够进一步增加抑制。

落入到光敏元件上的强烈阳光产生了很多电子。如果这些电子没有被有效地耗尽，那么这些电子会使传感器饱和。因此，PSD制造商建议通过增加偏压并且减小传感器的负载电阻，以电子方式影响传感器能够应对的阳光总量。

因此，为了耗散由强烈的阳光生成的充足电子，低负载电阻是有益的。但是，负载电阻也会影响撞击传感器的激光脉冲的信号幅度并且降低传感器的线性，从而这两个方面是矛盾的。

在现有技术中，增加信号强度并抑制阳光感生饱和的通常方法是使用与传感器D4并联的电感器L7，如图9所示。例如，专利US7012237、US5886776和US4756617提到了该方法。

这里，电感器L7的阻抗Z是

Z=JωL，

其中，ω是频率；L是电感。

可实现的阻抗受限于电感器L7的物理实现，而电感器L7的物理实现又受到并联的电线的电容与电感器的串联电阻的影响。

通过以下公式给出旋转激光整平应用中的激光脉冲的持续时间Δt：

其中，D=激光旋转器与传感器之间的距离；

f=激光旋转器的旋转频率。

假设距离是100m，激光光斑尺寸为25mm并且旋转频率是10Hz，那么激光脉冲的持续时间是：

Δt = \frac{25}{2 π \cdot 100000 \cdot 10} 4 μs

结合传感器的宽度和传感器的上升时间，在示波器上观察到的最终的总脉冲持续时间大约是25μs。这导致至少20KHz的频率响应。在该频率响应下的理想电感器（50mH）的阻抗是6k Ohm，其位于该阻抗已经可察觉地影响到传感器的读出线性和/或灵敏度的范围内。

图10示出了根据本发明一个方面的抑制阳光饱和的更好的结构，并且下面来解释该结构。该结构代表了有源谐振器，其谐振可以通过改变构成组件的阻抗来调节。传感器D4被有源电路在低频下的低负载阻抗耗尽，而该有源电路在关注的信号频率下具有高阻抗，从而允许高灵敏度和传感器读出的线性。利用有源谐振器的有源电子组件能够实现对背光和相应饱和效应的积极抑制，其提供了比利用无源组件的现有技术抑制更好的特性，尤其是更好的阻抗-频率特性，特别是对于PSD输出端的背光的抑制。

图10所示的示例性电路包括电感器Z1、与运算放大器U13连接的串联电阻Z2（可通过电感器的固有串联电阻来实现）、电容器Z3和电阻器Z4。如以下详细例示的，该电路具有作为阻抗-频率特性的频率响应，在低频下具有低阻抗（例如，抑制阳光或来自人造光的100/120Hz的光），在接收到整平光（实际关注的信号）的频率下具有非常高的阻抗，并且在该频率之上仍然具有高阻抗（例如，用于噪声抑制）。最重要的方面是用于耗尽电子以避免背景光饱和的低通特性。然而，严格来说，该电路实际上导致（非对称的）具有中心频率的带通滤波，优选地该中心频率被调谐至接收到的激光的（由于强度调制或光束旋转引起的）振幅调制的频率。如下所述，该电路也是由可调节的或可切换的电子组件来调谐，以修改阻抗和/或中心频率的频率响应。本领域技术人员清楚这样的事实，在运算放大器电路中，也可能存在其他的等同组件布置，导致相同或类似的负载特性和频率响应。此外，在本领域中已知更高级的实施方式或另外的HF抑制。本实施方式例示了有源谐振器的基本原则，并且尤其考虑了优选的低材料成本的方面。

对有源谐振器的参数的调整甚至可能是在线的，例如，利用该电路中的电子电位计、晶体管、可切换组件等。因此，能够实现对电路的调谐以对于实际操作条件实现优化的感测特性。

图12中所示的谐振器结构的阻抗由以下公式给出：

Z_{in} = \frac{(Z_{3} + Z_{4}) \cdot (Z_{1} + Z_{2})}{Z_{1} + Z_{2} + Z_{3}}

当采用以下要素时：

Z₁=jωL，

Z₂=R2，

Z₃=1/jωC，

Z₄=R4，

谐振器的阻抗是：

Z_{in} = \frac{(1 + jωCR 4) \cdot (R 2 + jωL)}{1 - ω^{2} LC + jωR 2 C}

对该公式的探讨揭示出：

当ω=0时，

Zin=R₂。

为了好的阳光和DC抑制，将选择低的R₂，例如，R₂=100 Ohm。

对于

当典型的L=50mH，C=1nF时，

ω＝140·１０^3

并且当f≈20kHz并且R4=1MegaOhm时，阻抗结果为：

Z_{in} = R_{4} + \frac{L}{R_{2} C} + j \sqrt{\frac{L}{C}} \frac{R_{4}}{R_{2}}

|Z_in|＝70·10^6 Ohm

对于ω=1/R₂C，当R4>>R2并且R₂ ²·C<<1时：

Z_in≈R₄＝1·10^6 OHm

对于ω=∞，

Z_in≈R₄＝1·10^6 Ohm

相比于图9中所示的电路的阻抗，图10中所示的谐振器结构具有多个优点：

a.在中间频率（20kHz）具有明显更高的阻抗。例如，对于电感器大约具有5·10^3Ohm的阻抗，而对于谐振器结构大约具有70·10^6Ohm的阻抗。这会导致在远距离处强得多的信号脉冲，从而实现了更好的可探测性。

b.在低频（<1KHz）保持非常低的阻抗，因此对诸如霓虹灯、旋转光和闪光灯的其他外部噪声源提供良好的抑制，结果改善了鲁棒性。因此不需要如在US7372011中描述的额外的闪光灯抑制电路。

c.通过不费很大劲改变电阻器和电容器来控制响应曲线的能力。

d.利用具有高串联电阻的低质量电感器，从而可以使用低成本部件来实现谐振器的能力。

e.当串联连接多个PSD传感器元件时，谐振器结构的高阻抗导致高的线性检测器。

为了对称，各个PSD的信号终端都可以配备这种谐振器结构。

图11例示出在近距离并具有小光斑直径的读出构造中根据本发明的光位置传感器的示例性真实世界实施方式。

激光束2撞击到接收器的检测窗口30的行中的最后一个传感器元件1上，在下部信号放大器15处并与下部放大器阻抗并联的阻抗是阻抗25。对于在信号强度上没有负面影响的阻抗25，必须将阻抗25选择为大于底部信号放大器15的阻抗。为了对称性，将阻抗21选择为等于阻抗25。沿着上部放大器14的方向从光束2的位置看去的阻抗是与阻抗23并联、与阻抗22并联的阻抗24，其中阻抗22与上部放大器14阻抗并联。为了避免被评估信号的线性失真，与阻抗23、22和21并联的阻抗24必须与阻抗25类似（25≈24//23//22//21）。因此，阻抗24、23和22优选地大于阻抗21（和25）。

上述在串联多个传感器时的线性要求可以通过在上述有源谐振器结构中选择适合的组件来实现。

为了切换至示出与图11相同的传感器布置的远距离构造的图12的实施方式，必须将之前出现的阻抗23划分成具有阻抗231和232的两个结构，它们并联地形成阻抗23。此外，还存在位于中间连接器处分别与阻抗231和232并联的两个放大器11和12。

用于近和远距离的实际电路以可切换的方式包括图11和图12中的结构。可以人工地或依赖于传感器上的强度分来判定存在近光束还是远光束。对But-Cell布置的隔离或分接（taping）不必在串联布置的中部进行，但是可以在任意一个、一些或全部传感器互连处进行，尤其是在相应地应用以上阻抗考虑的情况下。

对读出电路的重新配置改变了线性传感器布置的加权方法以实现对于窄的小光束在近距离处的线性传感器以及对于宽的激光束在远距离并具有优良的居中灵敏度的传感器。通过调节有源谐振器结构，可以将加权方法调整为任意多项式。

整平接收器用来将激光接收器的中心与接收到的激光束的光轴对齐，对于整平接收器，在偶数个PSD传感器的情况下隔离Butt-Cell读出结构的优选实施方式是在行中部的隔离点。对于奇数个传感器，读出电路例如是具有两个隔离点，通过对Butt-Cell结构中的上接收器和下接收器进行评估并且将中央的PSD作为独立的、单个的PSD，或可选地甚至可以跳过中央的PSD，结果得到在中间具有间隙的Butt-Cell构造，尤其是在这样的读出构造中，接收到的光束直径将会大于单个PSD的长度。

由放大器11、12、14和15示出的用于模拟信号处理的两个或更多个独立的通道总体上不会产生完全相同的结果，这是因为它们总是具有至少微小差别的输入-输出特性。尤其在当前情形下，信号偏移和信号放大值会在不同的信道中或不同的信道之间改变。即使这些信道是集成在相同的芯片中或者是通过特定的匹配组件构建的，所包含的组件的公差也将会导致信道的微小差别的行为。这能够通过在生产期间的工厂校正进行补偿，但是这种方法并不完全涵盖诸如老化、热漂移等影响。

作为本发明的另一方面，可以在运行期间动态地确定不同硬件通道11、12、14、15的放大和偏移，因此也可以在以下信号评估中对其进行补偿。特别地，当没有要确定其位置的撞击光束碰撞检测窗口时，可以在空闲状态下在线确定偏移值。通过将要交替检测的信号切换到第一和第二（或更多）通道可以在线确定放大比例。通过读出电路的读出通道的这种调换（transpose），可以评估通道之间的缩放比例的差别。在本发明的实施方式中，在存在多个相同（或应当相同）的信号通道的情况下，例如这可以通过将PSD的上输出和下输出切换到不同的读出通道来实现，而这可以借助于可改变的读出互连来实现，如果它们被合适地设计，例如通过多路复用器电路。根据对于应用到不同通道的相同PSD输出的测量信号的差别，可以确定放大差别。类似地，可以通过利用在PSD1中或PSD1之间分接（tapping）的两个不同的通道11、12来实现。特别地，在根据本发明的为了实现可切换的位置加权特性，PSD1的互连无论如何是可改变的实施方式中，不需要很多额外努力就可实现本发明。

图13示出了根据本发明的具有激光接收器31的第一示例性整平应用，其从旋转激光器32接收激光束2。接收器的检测窗口30包括至少两个根据本发明的PSD1，这至少两个PSD1按照以上所解释的根据所描述的本发明的进一步的方面而接口连接。对于这样的应用的典型实施例是混凝土工程，其中必须要建造平面混凝土表面（例如建筑物的顶部）。在该实施例中，激光发射器32和激光接收器31通常不会相距很远使得激光的发散已经加宽了投射在接收器窗口30处的激光光斑。根据本发明进一步的方面中的一个，由于光斑尺寸小，所以选择PSD的电串联。

由于根据本发明的位置确定的高线形，能够实现准确地整平，并且根据本发明也可以进行对在长检测窗口的范围内与期望的水平的偏差的测量以例如建造倾斜部分、台阶或类似物（例如在10cm或更多的偏移水平（off-level-range）范围内）。由于所提到的混凝土整平是在明亮的阳光条件下（或在聚光灯下的夜晚）在户外进行的，所以对由恒定频率光或低频光引起的PSD饱和的抑制是本发明所要解决的一个方面，其通过将检测窗口隔离成具有更高饱和阈值的多个PSD来实现，并且根据本发明进一步的方面中的一个，甚至通过用于在PSD电输出的一些或全部上采用的抑制的有源谐振器电路得到改善。显然地，对除了对平面进行整平外的应用，来自发射器32的激光平面也可以跨越（span）倾斜的位置或直立的位置，例如用于适配螺栓的在条垂直线上的钻孔以附接管道或钢机构。

图14示出了第二示例性整平应用，其中，激光旋转器32正在发射跨越推土机33的整平平面的激光束2，该推土机33装配有具有根据本发明的检测器的激光接收器31。由于发射器32和接收器31之间的距离较长，光束2已经加宽至例如5cm或7cm的宽度。为了完全覆盖用于精确整平的光束，检测窗口必须具有至少覆盖整个光束的长度。根据本发明，对于由检测器最终的位置加权而实现的对远距离的正确整平，传感器的电Butt-Cell布置用来实现高的中心灵敏度。此外，以上提到的根据本发明进一步的方面的饱和抑制也可以应用于该应用中。

这里所称熟练使用该装备的人员（本领域技术人员）将会清楚很多其他应用方案。

Claims

1.一种光束位置检测器，该光束位置检测器具有检测窗口（30），所述检测窗口（30）用于检测撞击光束（2）在所述检测窗口（30）内的位置，所述检测窗口（30）包括作为基于横向光电效应的位置敏感器件的第一PSD（1），尤其是具有依赖于所述光束（2）的撞击位置的两个输出信号并且具有用于所述PSD的电子读出电路，

其特征在于：

所述检测窗口（30）还包括作为基于所述横向光电效应的位置敏感器件的至少第二PSD（1），所述至少第二PSD（1）与所述第一PSD（1）沿着几何线连续对齐，使得所述第一PSD（1）和所述至少第二PSD（1）限定了所述检测窗口（30），尤其是其中，至少第一PSD和第二PSD以串联的形式电互连以形成直线传感器阵列。

2.根据权利要求1所述的光束位置检测器，其特征在于：

所述电子读出电路提供所述第一PSD（1）和所述至少第二PSD（1）的可变的读出互连。

3.根据权利要求1或2所述的光束位置检测器，其特征在于：

所述光束位置检测器的所述读出电路被构建成在以下两种情况之间切换：

所述PSD（1）的电串联，尤其电气地形成单个长PSD-优选地沿着所述检测窗口对所述光束位置进行线性加权，以及

每一侧至少一个PSD（1）的电气隔离的串联布置，尤其是将两个PSD（1）电气地形成为But-Cell布置-优选地沿着所述检测窗口对所述光束位置进行中心加权。

4.根据权利要求3所述的光束位置检测器，其特征在于：

所述读出电路包括至少一个用于主动背光抑制的有源谐振器电路，所述有源谐振器电路包括运算放大器，其中，所述有源谐振器电路与所述PSD（1）中的至少一个相连接，并且被构造成耗尽从所连接的PSD（1）到地的低频光生电流，

尤其是其中，各个PSD（1）的各个输出端都与至少一个有源谐振器结构相连接。

5.根据权利要求4所述的光束位置检测器，其特征在于：

所述有源谐振器电路被构建为在低频下向所述PSD（1）的输出端提供低阻抗而在高频下提供较高的阻抗，尤其是，在低于1千赫兹的频率下提供小于1千欧姆的阻抗，并且在所述碰撞光束（2）在所述检测器处的调制频率下提供大于1兆欧姆的阻抗。

6.根据权要求4或5中任一项所述的光束位置检测器，其特征在于：

所述有源谐振器结构通过包含在所述有源谐振器结构中的至少一个可调节或可切换的电子部件而具有可调节的阻抗-频率特性，优选地其中，所述有源谐振器结构在所述阻抗-频率特性的上端和/或下端处的阻抗是可调节的。

7.根据权利要求2至6中任一项所述的光束位置检测器，其特征在于：

所述读出电路被设置为根据所述撞击光束（2）在所述检测窗口（30）中的直径，尤其是根据自动地确定的所述撞击光束（2）在所述检测窗口（30）中的密度分布，从针对小于所述PSD（1）中的一个的光束直径的所述串联布置变为针对大于所述PSD（1）中的一个的光束直径的所述隔离的But-Cell布置。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的光束位置检测器，其特征在于：

所述读出电路被构建为通过利用可变互连调换所述读出电路的读出通道来确定所述读出电路的模拟信号处理通道的偏移和/或放大误差，特别是其中，所述通道包括在所述有源谐振器结构中。

9.一种激光对准系统，特别是用于激光整平应用，该激光对准系统包括：

激光投射装置，其用于发射激光平面；以及

根据权利要求1至8中任一项所述的光束位置检测器，其用于确定所述激光平面在所述检测窗口中的撞击位置。

10.一种用于评估根据权利要求1所述的多PSD阵列布置的电路，其特征在于：

所述读出电路中的所述PSD（1）的可切换读出互连，尤其是具有至少一个有源谐振器结构，所述至少一个有源谐振器结构包括至少一个运算放大器并且与用于抑制低频饱和效应的至少一个所述PDS相连接，优选地，具有可调节的阻抗-频率特性。

11.一种用于在基于PSD的激光接收器上进行光斑位置确定的方法，该方法包括以下步骤：

向PSD（1）的有效表面施加光束，尤其是以经调制的光强度，

根据横向光电效应、取决于所述光束在所述PSD（1）的有效表面上的位置来生成至少两个电信号，

由读出电路根据所述电信号来确定所述光束的位置，

其特征在于：

评估形成针对所述光斑（2）的检测窗口（30）的至少两个PSD传感器的几何直线布置，

优选地，通过改变所述读出电路中的所述第一PSD和所述至少第二PSD的互连来调节所述布置的位置灵敏度的位置加权特性。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：

优选地，对于小于所述PSD传感器（1）中的一个的所述有效表面的光斑，通过切换所述PSD传感器的电互连，特别是通过以电串联连接方式连接所述PSD（1）来改变所述读出电路，并且优选地，对于大于所述PSD传感器（1）中的一个的有效区域的光斑尺寸，通过将所述串联布置隔离成具有至少两个电分离的中间分接的至少两个分离部分来将所述PSD（1）连接为隔离的Butt-Cell布置。

13.根据权利要求11或12中任一项所述的方法，其特征在于：

由有源谐振电路来分接PSD（1）的电输出端，优选地，对全部所述PSD（1）的电输出端至少分接一次，所述有源谐振电路用于通过耗尽来自所述PSD的频率低于所述光束的调制频率的电流，特别地，通过将所述电输出端与所述有源谐振器分接来抑制低频饱和效应，所述有源谐振器在低频下提供低负载阻抗并且在所述光束的所述调制频率下提供较高的负载阻抗。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：

通过调节所述有源谐振器的电子部件，特别是通过调节所述有源谐振器在所述有源谐振器的阻抗-频率特性的上端和/或下端处的阻抗，来重新设置所述有源谐振器的位置加权特性。

15.一种具有存储在机器可读介质上的程序代码的计算机程序产品，所述程序代码被配置为自动地执行并运行根据权利要求11至14中任一项所述的用于光斑位置确定的方法，特别是当所述程序在激光整平接收器的数字计算单元上被执行时。