CN107797116A - 光传感器 - Google Patents

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Abstract

一种光传感器包括主透镜和与主透镜间隔开的光器件。控制结构设置在主透镜与光器件之间。致动器联接到控制器件，并且可操作以相对于主透镜和光器件移动控制器件，从而控制光在主透镜与光器件之间的通过。光传感器可以包括具有单独发光器的阵列的发光传感器，或者具有光检测器的光检测传感器。控制结构可以包括与发光传感器一起使用的辅助双远心透镜的阵列，或者具有从其中延伸通过的孔的与光检测传感器一起使用的板。

Description

光传感器
技术领域
本公开总体上涉及一种光传感器，例如发光传感器或光检测传感器。
背景技术
光传感器可以包括但不限于传输光的发光传感器或检测光的光检测传感器。光传感器可以发送和/或接收光束以进行测量，例如测量距离。光检测和测距(通常称为LIDAR)仅仅是光传感器的一个例子。LIDAR使用发光传感器来穿过主透镜传输激光束。主透镜在整个视场上散布激光束。光检测传感器检测从目标反射的返回激光束。LIDAR系统基于传输激光脉冲与接收激光脉冲之间的时间延迟来计算与目标相距的距离。
扫描的精度部分地取决于所收集的数据点的数量。因此，LIDAR系统可以包括许多激光器以生成更高的数据点密度或分辨率，从而实现精度的提高。然而，激光器数量的增多增加了LIDAR系统的成本和复杂性。此外，光检测传感器上的外来光可能降低扫描精度。因此，光检测传感器可以过滤或遮挡诸如阳光之类的外来光，进而提高测量精度。为了减少外来光对光检测传感器的影响，光检测传感器可以包括单独光检测器的阵列(其中每个光检测器具有较小的关注区域)，而不是包括一个关注区域较大的光检测器。然而，光检测器数量的增多增加了LIDAR系统的成本和复杂性。
发明内容
提供了一种光传感器。该光传感器包括主透镜和与主透镜间隔开的光器件。控制结构设置在主透镜与光器件之间。致动器联接到控制器件。致动器可操作以相对于主透镜和光器件移动控制器件，从而控制光在主透镜与光器件之间的通过。
还提供了一种发光传感器。该发光传感器包括主透镜以及以阵列方式布置的多个单独发光器。单独发光器的阵列布置在第一平面上。多个单独发光器中的每个可操作以沿着垂直于第一平面的路径传输光束。控制结构包括以阵列方式布置的多个辅助透镜。辅助透镜的阵列布置在设置在单独发光器的阵列与主透镜之间的第二平面上。第一平面和第二平面彼此平行。致动器联接到控制器件。致动器可操作以相对于主透镜和多个单独发光器移动控制器件。控制器件的移动控制光在多个发光器与主透镜之间的通过。
还提供了一种光检测传感器。该光检测传感器包括主透镜和与主透镜间隔开的光检测器。板具有延伸通过该板的至少一个孔，并设置在主透镜与光检测器之间。致动器联接到板。致动器可操作以相对于主透镜和光检测器移动板，从而控制至少一个孔相对于光检测器的位置。
结合附图，通过以下对用于实施本教导的最佳方式的详细描述，本教导的上述特征和优点以及其它特征和优点将容易变得明显。
附图说明
图1是发光传感器的示意性侧视平面图，其示出了处于中心位置的辅助透镜的阵列。
图2是发光传感器的示意性侧视平面图，其示出了处于第一偏移位置的辅助透镜的阵列。
图3是发光传感器的示意性侧视平面图，其示出了处于第二偏移位置的辅助透镜的阵列。
图4是发光传感器的示意性正视平面图，其示出了处于中心位置的辅助透镜的阵列。
图5是光检测传感器的示意性平面图。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会理解，诸如“上方”、“下方”、“向上”、“向下”、“顶部”和“底部”等术语是用于描述附图，并不表示对本公开的范围的限制，而本公开的范围由所附权利要求限定。此外，本教导可以按照功能和/或逻辑模块组件和/或不同的处理步骤进行描述。应认识到的是，这种模块组件可以由任意数量的配置成执行指定功能的硬件、软件和/或固件部件来实现。
参考附图，其中在整个若干视图中，相同的附图标记表示相同的部分，光传感器一般示出为20。光传感器20可以包括但不限于发光传感器22(图1至图4所示)或光检测传感器24(图5所示)。虽然光传感器20在本文中是描述为发光传感器22或光检测传感器24，但是应当理解，光传感器20可以包括本文未示出或描述的一些其它传感器。
光传感器20包括主透镜26、与主透镜26间隔开的光器件28以及设置在主透镜26与光器件28之间的控制结构30。如果光传感器20是配置为发光传感器22，则主透镜26在整个视场上散布多个光束。如果光传感器20是配置为例如如图5所示的光检测传感器24，则主透镜26收集反射的光束并将其引向光检测器32。主透镜26可以包括适合于光传感器20的预期用途的任何透镜。主透镜26可以包括单个透镜或多个透镜。主透镜26可以包括但不限于可操作以聚焦或改变光的方向或移动的任何物体。主透镜26可以由具有非球面曲率的单个材料或若干材料的组合和两个以上的表面制成。主透镜26也可以放大或缩小光束56。
光传感器20的光器件28可以包括但不限于发光器34或光检测器32中的一种。例如，如果光传感器20是配置为例如如图1至图4所示的发光传感器22，则光器件28包括发光器34，而如果光传感器20是配置为例如如图5所示的光检测传感器24，则光器件28包括光检测器32。发光器34可以包括能够发射、传输或发送一个或多个光束的任何器件。光检测器32可以包括能够感测一个或多个入射光束的任何器件。
控制结构30可以包括设置在光器件28与主透镜26之间的任何器件，所述器件用于控制光束在光器件28与主透镜26之间的传输。例如，如果光传感器20是配置为例如图1至图4所示的发光传感器22，则控制结构30可以包括一个或多个辅助透镜36，而如果光传感器20是配置为例如如图5所示的光检测传感器24，则控制结构30可以包括具有延伸通过板38的至少一个孔40的板38。
光传感器20还包括联接到控制器件的致动器42。致动器42可操作以相对于主透镜26和光器件28移动控制器件，从而控制光在主透镜26与光器件28之间的通过。应当理解，主透镜26和光器件28不会相对于彼此移动，并且控制结构30相对于主透镜26和光器件28这两者移动。根据光传感器20的要求，致动器42可以在一个维度上(例如，沿着笛卡尔坐标系的x轴的左右方向)、在两个维度上(例如，沿着笛卡尔坐标系的x轴的左右方向以及沿着y轴的上下方向)或在三个维度上(例如，沿着笛卡尔坐标系的x轴的左右方向、沿着y轴的上下方向以及沿着z轴的前后方向)移动控制结构30。致动器42可以包括但不限于压电致动器42、形状记忆合金致动器42、形状记忆聚合物致动器42、磁性致动器42、电子致动器42或液压致动器42中的一种。
由于许多光传感器20的尺寸的缘故，可以设想的是，致动器42可以包括微机电系统(MEMS)器件44。如本领域已知的，MEMS器件44可以被认为是包括物理上较小的且特征是在微米范围内的尺寸的一类系统。MEMS器件44可以具有电气部件和机械部件。MEMS器件44可以通过微加工工艺制造。术语“微加工”通常是指通过包括改进的集成电路(计算机芯片)制造技术(诸如化学蚀刻)和材料(诸如硅半导体材料)的工艺所进行的三维结构及移动部件的生产。MEMS器件44可以结合其它MEMS(微加工)部件操作，或者可以与标准尺寸(较大)的部件一起使用，例如通过机械加工工艺生产的部件。
致动器42可以以允许致动器42根据任何给定应用的要求移动控制结构30的任何合适方式来结合、附接或联接到控制结构30。致动器42如何连接到控制结构30并使其移动的具体细节是在设计时决定的，并且取决于所使用的致动器42的具体类型以及具体应用所需的移动水平。
以下参考图1至图4更详细地描述了配置为发光传感器22的光传感器20的示例性实施例。如上所述，发光传感器22的光器件28包括发光器34。发光器34包括以光阵列48布置的多个单独发光器46。单独发光器46的光阵列48设置在第一平面50上。单独发光器46中的每个可操作以沿着垂直于第一平面50的原始路径52传输光束。如图4所示，发光传感器22的示例性实施例包括以三乘三光阵列48布置的九个单独发光器46。然而，应当理解的是，根据所需的应用，发光传感器22可以包括任何数量的单独发光器46，并且可以以任何期望配置的阵列进行布置。如上所述，单独发光器46可以包括但不限于激光、光纤、光波导或发光二极管中的一种。优选地，单独发光器46包括通常称为VCSEL的垂直腔面发射激光器。如本领域已知的，VCSEL是一种激光束发射垂直于顶表面的半导体激光二极管。
控制结构30包括以透镜阵列54布置的多个辅助透镜36。辅助透镜36的透镜阵列54设置在单独发光器46的光阵列48与主透镜26之间。每个辅助透镜36与光阵列48中的至少一个相应的单独发光器46对齐，用于将相应的光束56从相应的单独发光器46传输通过与其对齐的辅助透镜36。尽管每个辅助透镜36是示出为仅与一个单独发光器46对齐，但是应当理解的是，每个辅助透镜36可以与一个以上的单独发光器46对齐。例如，每个辅助透镜36可以传输来自两个或三个不同的单独发光器46的光。辅助透镜36的透镜阵列54设置在第二平面58上，而第一平面50和第二平面58彼此平行。
每个辅助透镜36是双远心透镜。如本领域已知的，双远心透镜是在物体空间和图像空间中都呈远心的透镜。这样，从单独发光器46发射的主光束56在进入辅助透镜36时以及在离开辅助透镜36时均是平行的。双远心透镜使主光束56在主透镜26的输入和输出中保持垂直。由于输出角度与位置无关，因此，使主光束56保持垂直允许该设计以阵列形式发挥作用。
如上所述，致动器42联接到控制器件，即辅助透镜36的透镜阵列54。致动器42可操作以相对于主透镜26和多个单独发光器46使辅助透镜36的透镜阵列54作为一个整体来移动。相对于单独发光器46和主透镜26使辅助透镜36的透镜阵列54移动控制了光在多个发光器34与主透镜26之间的通过。
参考图1，示出了处于中心位置的辅助透镜36的透镜阵列54。每个单独发光器46是示出为沿着垂直于第一平面50和第二平面58的相应的原始路径52发射光束56。每个光束56的相应原始路径52彼此平行。由于双远心辅助透镜36以它们相应的单独发光器46居中，因此，双远心辅助透镜36沿着相同的原始路径52传输单独光束，而不会改变原始路径52或使单独光束56偏移。这样，沿着它们相应的原始路径52(垂直于第一平面50和第二平面58并且彼此平行)进入辅助透镜36的单独光束56沿着它们相同的相应原始路径52(垂直于第一平面50和第二平面58并且彼此平行)离开辅助透镜36。
参考图2，示出了处于第一偏移位置的辅助透镜36的透镜阵列54。每个单独发光器46是示出为沿着它们相应的垂直于第一平面50和第二平面58的原始路径52发射它们相应的光束56。每个光束56的相应原始路径52彼此平行。如图2所示，辅助透镜36的透镜阵列54在第一方向60上相对于单独发光器46的光阵列48偏移，从而使得每个辅助透镜36不再以它们相应的单独发光器46居中。相反，每个辅助透镜36的中心线在第一方向60上相对于它们相应的单独发光器46的中心线偏移预定距离。由于双远心辅助透镜36在第一方向60上相对于它们相应的单独发光器46偏移，因此，来自每个单独发光器46的每个相应光束56的原始路径52也在第一方向60上偏移。这样，单独光束56沿着它们相应的原始路径52进入辅助透镜36，所述原始路径垂直于第一平面50和第二平面58并且彼此平行。单独光束56沿着相应的偏移路径66离开辅助透镜36，所述偏移路径相对于它们相应的原始路径52在第一方向60上偏移。单独发光器46的相应的偏移路径66垂直于第一平面50和第二平面58且彼此平行，并且仅在第一方向60上相对于它们的原始路径52偏移。
参考图3，示出了处于第二偏移位置的辅助透镜36的透镜阵列54。每个单独发光器46是示出为沿着它们相应的垂直于第一平面50和第二平面58的原始路径52发射它们相应的光束56。每个单独光束56的相应原始路径52彼此平行。如图3所示，辅助透镜36的透镜阵列54在第二方向68上相对于单独发光器46的光阵列48偏移，从而使得每个辅助透镜36不再以它们相应的单独发光器46居中。相反，每个辅助透镜36的中心线在第二方向68上相对于它们相应的单独发光器46的中心线偏移预定距离。由于双远心辅助透镜36在第二方向68上相对于它们相应的单独发光器46偏移，因此，来自每个单独发光器46的每个相应光束56的原始路径52也在第二方向68上偏移。这样，单独光束56沿着它们相应的原始路径52进入辅助透镜36，所述原始路径垂直于第一平面50和第二平面58并且彼此平行。单独光束56沿着相应的偏移路径66离开辅助透镜36，所述偏移路径在第二方向68上相对于它们相应的原始路径52偏移。单独发光器46的相应偏移路径66垂直于第一平面50和第二平面58且彼此平行，并且仅在第二方向68上相对于它们的原始路径52偏移。
参考图1至图3，应当理解的是，控制结构30(例如辅助透镜36的透镜阵列54)的移动调节或移动进入和离开主透镜26的光束56的位置。通过处于第一偏移位置、中心位置和第二偏移位置的辅助透镜36的透镜阵列54进行扫描增大了发光传感器22的分辨率，而这是通过如下方式实现的：针对每个单独光束56，向主透镜26提供三条不同的路径而还不会改变单独光束56之间的相对位置。尽管发光传感器22的示例性实施例是示出为具有以三乘三阵列(图4所示)布置的且在一个维度(例如第一方向60和第二方向68)上可移动的总共九个单独发光器46，但应理解的是，发光传感器22可以包括任何数量的单独发光器46，并且辅助透镜36的透镜阵列54也可以在两个维度或三个维度上移动。
以下参考图5更详细地描述了配置为光检测传感器24的光传感器20的示例性实施例。如上所述，光检测传感器24的光器件28包括光检测器32。光检测器32与主透镜26间隔开，并且沿着第一平面50对齐。光检测器32可以包括任何合适的光检测器32。光检测器32的具体细节取决于光检测传感器24的预期用途和应用。
如上所述，当光传感器20是配置为光检测传感器24时，控制结构30包括具有延伸通过板38的至少一个孔40的板38。板38在本文中可以被称为孔板38。孔板38设置在主透镜26与光检测器32之间。孔板38沿着第二平面58对齐。优选地，第一平面50和第二平面58彼此平行地定位。
如上所述，致动器42联接到控制器件，即孔板38。致动器42可操作以相对于主透镜26和光检测器32移动孔板38。致动器42可以在笛卡尔坐标系的一个维度(例如，x维度)、两个维度(例如，x维度和y维度)或三个维度(例如，x维度、y维度和z维度)上移动孔板38。相对于光检测器32和主透镜26移动孔板38控制光在主透镜26与光检测器32之间的通过。
当从光检测器32阻挡外来光时，光检测传感器24的精度得到提高，并且仅允许预期的光束56通过并到达光检测器32。致动器42可以与发光器34连通，例如，以上所述的发光传感器22。基于发光器34的位置，将致动器42控制来将孔40相对于光检测器32定位在板38中。当孔40适当地定位时，来自发光器34的光束56通过孔40，而板38阻挡来自光检测器32的外来光70。这样，可以从光检测器32阻挡源自发光器34以外的光源的光。通过了解发光器34的位置和光束56从发光器34传输的方向，光检测传感器24可以确定出将孔40定位在何处才能允许来自发光器34的光束56通过孔40。在一些实施例中，可以设想的是，光检测传感器24的孔板38结合或连接到上述发光传感器22中的辅助透镜36的透镜阵列54，并且同时以协调的方式移动以提供高分辨率扫描。
尽管详细描述和附图或图式用于支持和描述本公开，但本公开的范围仅由权利要求限定。尽管已经详细描述了用于实施所要求保护的教导的一些最佳方式和其他实施例，但仍存在有实践所附权利要求中限定的公开内容的各种替代设计和实施例。

Claims (10)

1.一种光传感器，其包括：
主透镜；
光器件，其与所述主透镜间隔开；
控制结构，其设置在所述主透镜与所述光器件之间；以及
致动器，所述致动器联接到所述控制器件，并且可操作以相对于所述主透镜和所述光器件移动所述控制器件，从而控制光在所述主透镜与所述光器件之间的通过。
2.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述光器件为发光器或光检测器中的一种。
3.根据权利要求2所述的光传感器，其中所述控制结构为辅助透镜的阵列或孔板中的一种。
4.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述光器件为可操作以传输光束的发光器。
5.根据权利要求4所述的光传感器，其中所述发光器是激光器、发光二极管、光纤、光波导或垂直腔面发射器中的一种。
6.根据权利要求4所述的光传感器，其中所述发光器包括以阵列布置的多个单独发光器。
7.根据权利要求6所述的光传感器，其中所述控制结构包括以阵列布置的多个辅助透镜，其中所述辅助透镜中的每个与所述多个单独发光器中的至少一个相应的单独发光器对齐，用于将来自所述至少一个相应的单独发光器的光传输通过与其对齐的所述辅助透镜。
8.根据权利要求7所述的光传感器，其中所述多个辅助透镜中的每个为双远心透镜。
9.根据权利要求1所述的光传感器，其中所述光器件为光检测器。
10.根据权利要求9所述的光传感器，其中所述控制结构包括板，所述板具有延伸通过所述板的至少一个孔。
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