CN108351209A - 位置敏感的光电子检测器装置、以及使用位置敏感的光电子检测器装置的激光束接收器 - Google Patents

Abstract

位置敏感的光束检测器包括光电二极管以及至少两个加权网络，这两个加权网络中的每一者包括信号输出和网络节点。根据本发明，按照一种方式来为光电二极管端子提供第一加权网络的多个网络节点，这种方式使得所述多个节点中的每个节点经由光电二极管连接到第二加权网络的节点。

Description

位置敏感的光电子检测器装置、以及使用位置敏感的光电子 检测器装置的激光束接收器

描述

本发明涉及前序部分所述的关于用于光束接收的空间分辨的位置敏感的光电子检测器装置。

位置敏感的光电子检测器装置如今已在各个领域中得到采用。

与该术语几乎同义的是横向效应光电二极管(因此也常常被称为位置敏感的二极管/器件或简称为PSD)，多年来其已经成为现有技术的一部分。这些组件由具有电阻层的光敏PIN半导体二极管芯片的非常简单的结构组成，该电阻层可被用来在芯片的边缘处的两个(1D PSD)或四个(2D-PSD)电极之间横向地划分光电流，这取决于优选点光束的入射点。根据所述电极的电流比值，随后可以相对独立于光点的信号强度来推断出该光点在芯片上的位置。2D-PSD的示例在(G.P.Petersson和L.E.Lindholm合著的Position sensitivedetector with high linearity(具有高线性度的位置敏感的检测器).IEEE Journal ofSolid State Circuit(固态电路IEEE期刊)SC13(3):392，1978)中找到。1D-PSD的示例在US5,869,834中找到。诸如1D-PSD也在图1a(现有技术)中示出。

此类PSD例如结合光学透镜系统被用于通过激光三角测量来对到对象的距离进行非接触式光学测定，或者结合直接照射被用于通过激光导向光束来对机床进行高精度对准等。

横向效应光电二极管的主要优点源于，在最优边界条件和有利应用之下，在一些实例中可以达成至μm范围的极高空间分辨率。绝对精度是显著不良的，特别是还因为位置精度常常由连接到其的评估电子设备、其漂移效应或外部光主导。

然而，由于通常较高的表面电阻，此类传感器变得非常早地饱和，尽管使用相对较高的电压来偏置，并且因此仅适于被用在阳光直射下的有限范围，而无需相当显著的滤光措施(诸如例如而言窄带电介质光学带通滤波器)。

为了最小化这个问题并且为了进一步增加分辨率，已经提出了提供两个以上电极作为电阻区域的抽头的一维PSD，优选地这些电极被等距地布置在检测器长度上。作为结果，例如，通过使用四个而非两个电极来将因电阻层处的DC光分量导致的内部压降降低3倍，并且由此对于相同偏置电压而言使饱和极限增至3倍是可能的。此类装置已经在(Huai-Dong Ding和M.Idesawa合著的Multi-Resolution Image Position SensingCharacteristics of R-HPSD(R-HPSD的多分辨率图像位置感测特性).Journal ofRobotics and Mechatronics(机器人和机械电子学期刊)5(2):122–129，1993)中提出，并且在图1b(现有技术)中象征性地解说。

在激光束被用于测量的情况下，激光束接收器是必需的。一个典型的使用领域是例如从建筑工地上、工业应用等中使用的旋转和线性激光器接收激光。所述激光器发射激光，例如作为横截面为点状的旋转或以其他方式移动的光束；作为可在空间上静止或移动的经调制激光扇；或者作为可以通过锥形镜呈扇形地散开的经调制激光平面。为了使这种辐射即使在较大距离和不利条件下也可被用于测量，需要特殊的激光束接收器，其计及所接收的光脉冲的脉冲形状并且可以将后者与环境光和光学干扰影响区分开来。

出于平整和对准的目的，激光束接收器常常被实施为所谓的手动接收器，有时也被实施为机械接收器以用于装配到建筑机械的臂或板以便用于对处理工具的位置的远程显示或自动控制，例如，在平整道路表面时。

所有这些激光束接收器具有的共同之处在于：它们具有线性的一维空间分辨的位置敏感的光电子检测器装置，其具有更大或更小的长度，这使得确定其上的激光平面等的入射点并由此在至少一个维度上确定和显示激光接收器相对于所述激光平面的位置是可能的。

在手动接收器的情形中通常采用长度为50…120mm的检测器装置，而在机械接收器的情形中长度为120…1000mm的通常居多。

由于使用传统的横向效应光电二极管从单个单片半导体芯片制造此类长度的检测器装置在很大程度上是不可能的，因此这种类型的检测器装置在上述激光束接收器的情形中还没有找到直接的商业应用。

确切而言，过去尤其尝试实现或多或少地采用传统PSD的积极属性的替换性位置敏感的光电检测器装置，这是通过由加权网络(通常为例如电阻、电感或谐振电路链)对个体光电二极管及其位置相关的体电阻进行线性布置以近似其特性来实现的。传统PSD的电极随后被这些链的各端替换，并且通过将其连接到加权网络的对应抽头(节点)来实现对个体光电二极管元件的位置的加权。在文献中，此类装置常常被称为离散PSD(或简称为D-PSD)，这是因为其位置特性证明是不连续的，而是以离散的步骤用于非常薄的光束，但是转换到准连续分布以用于较宽光束直径。

其一个示例在(Huai-Dong DING、M.IDESAWA和S.MATSUMOTO合著的A Comb-Structured PSD and Its Image Position Sensing Characteristics(梳状结构PSD及其图像位置感测特性).Journal of the Society of Instrument and Control Engineers(仪器仪表与控制工程师学报)30(8):883–891，1994)中描述，并且在本申请的图1d(现有技术)中示出。

进一步的离散PSD在(US 7,019,278)中描述。此处来自图1b的一些积极属性被转移到离散PSD中。此处在加权网络处使用两个以上抽头(输出信号)同样具有以下优点：因DC光导致的加权网络处的压降被最小化，以及在两个以上抽头的情形中，在薄光束(有用信号)与例如因雷电脉冲而导致的相当平坦的照明(干扰信号)之间进行区分是可能的。

进一步的D-PSD在US2014/0203172中提出，并且在图1e(现有技术)中示出。此处两个或更多个D-PSD被布置成一行。这些优点在很大程度上对应于US 7,019,278中的那些优点，但是具有以下缺点：需要较大数量的抽头，以及两个D-PSD之间的位置特性的连续转换从难以实现变为不可能实现。

在US 9,121,695中采取了不同的路径。这种办法在图1c中象征性地示出。其中可以辨别出：这实际上涉及根据图1b的传统PSD，其实际上已经被划分成较小的部分，其中后者在毗邻电极(多PSD)处再次连接。比传统办法有利的是：这种装置可以由多个相对较小的PSD芯片组成，这些芯片更简单，并且由此生产更加便宜，从而也允许任何期望长度的检测器装置。然而，对于相同的属性，这种装置与其他办法相比仍然是十分昂贵的，没有真正的优势。

从现有技术到迄今为止所描述的所有方法(传统PSD、D-PSD、多PSD，图1a到图1f)共享共同的相当大的缺点，由此它们在上述激光束接收器领域中的AC应用(脉动或调制光束、脉冲检测事件等)的适用性变得困难得多，并且其对具有高精度的应用的设计变得十分昂贵。缺点可从以下事实看出：这些检测器装置的抽头通过加权网络的体电阻或阻抗来电连接，并且与检测器元件在传感器长度上的电端接和结电容相结合地产生检测器装置的频率相关的相移和/或位置特性的频率相关的放大和/或减小，这进而又取决于温度。下游连接的电路部分(放大器级)对检测器装置的抽头(输出)的最优端接在此处归于关键特性，因为相对于温度或频率的几个百分点的波动使得精确位置确定变得不可能。进一步的缺点源自于这些输出信号的端接阻抗通常还必须吸收因DC光导致的DC电流。在这些情形中，电感或其电子等同器件(NIC、回转器等)必须被设计成使得DC电流在惯用限制(黑暗到完全日照)内的波动不会导致位置特性的可观变化。

在此处以合理的成本/低复杂度来实现位置确定的高精度是困难的，也就是说，使用AC光信号的应用(诸如举例而言，上述激光接收器)只能以相当地昂贵的方式来实现。

不同的路径(一种完全避免下游连接的端接级作出的严格要求的这种重大缺点的路径)取自本申请人名下的US 7,394,527中所公开的光波导PSD(其在图1g中)，因为此处使用光学装置(具有散射装置的光波导)实现了位置相关的加权，并且实际上完全排除了电输出信号之间的频率相关的串扰。然而，这种办法也被缺点困扰。这些缺点尤其在于位置特性的波长依赖性(市场上各种常规激光源可以至多达测得位置的2％)以及因光的不期望的低效耦合和高度位置相关的测量精度结合大光束直径而导致的相对较高的测量值噪声，这归因于固有的tanh()位置特性。

因此，期望实现高性能但同时可以成本高效地实现并且避免来自现有技术的检测器装置的上述缺点以及在集成到激光接收器时提供较佳的成本/性能比的位置敏感的光电子检测器装置。

由此，特别是出于成本的原因，以及为了在日照下得到有利的测量值噪声，期望提供一种离散的位置敏感的光电子检测器装置。

特别期望提供一种位置敏感的光电子检测器装置，其中在较宽有用频率范围中在很大程度上避免了各抽头(信号输出)之间的频率相关的串扰本身。

还期望位置敏感的光电子检测器装置不施加关于信号输出的AC端接的任何特殊要求。

还期望位置敏感的光电子检测器装置不施加关于输出信号是否被进一步处理为电流或电压的任何要求，并且DC电流能够经由单独提供的偏置电压来传导出而无需附加支出。

特别期望位置敏感的光电子检测器装置确保非常好的线性度，即使对于非常薄的光束分布亦是如此，并且在较大光束分布直径的情况下，在常规次级问题之上和之外也不产生任何附加测量误差。

同样期望位置敏感的光电子检测器装置的位置特性在应用的惯用限制内尽可能地免受光波长的影响。

本发明解决的问题具体在于一种位置敏感的光电子检测器装置，其全部或部分地满足上述期望中的至少一些。

所述问题的解决方案是以独立形式要求的。优选实施例在从属权利要求中找到。

由此提出的是一种位置敏感的光束检测器，其包括光电二极管以及至少两个加权网络，每个加权网络包括至少一个信号输出和网络节点，其中规定：按照如下方式来为光电二极管端子提供第一加权网络的多个网络节点，这种方式使得所述节点中的每一者经由光电二极管连接到第二加权网络的节点之一。

这利用以下事实：光电二极管包括至少一个阳极和一个阴极，并且阳极和阴极中的电信号电流总是在幅值方面相同但在符号方面不同。相应地，如果该检测器装置的光电二极管元件存在于两个不同的加权网络中——这就是它位于后者之间的情形，则由于光束接收(例如，在接收到光脉冲之际)而引起的加权网络的输出信号从不具有相同的极性，而总是具有相反的极性(假定输出信号之一不为零，因为权重零被指派给特定的光电二极管)。

替换地提出的是，还有一种用于光束接收的空间分辨的位置敏感的光电子检测器装置，其包括：多个光电二极管的至少一种在空间上基本上线性的布置、连接到其且被配置成用于根据它们沿检测器装置上的线性布置的位置来对各个光电二极管的信号进行不同电加权的至少两个电加权网络、以及检测器装置的至少两个输出信号，其中每个加权网络正好连接到这些输出信号中的一者，并且根据空间加权毗邻的输出信号在共同指派给其的光电二极管的光束接收之际分别具有彼此相反的信号极性。

尤其应当指出的是，此处描述的来自现有技术的一维位置敏感的光电子检测器装置，尤其是图1a到图1f中所示的装置总是将它们的输出信号排他性地关联到它们的检测器元件的阴极或阳极。

具体而言，现有技术并未公开在每个情形中只有一个信号输出被连接到加权网络的情况下，也就是说，在提供了彼此不直接连接的至少两个加权网络的情况下如何加权以及加权实际上是否是可能的。

此外，有利地，提出了一种位置敏感的光束检测器，其中进一步规定，仅光电二极管的阴极被连接到第一加权网络的光电二极管端子的节点，并且仅光电二极管的阳极被连接到第二加权网络的光电二极管端子的节点。这对于简化评估以及在彼此并排的多个光电二极管上同时接收扩展的光束而言显然是有利的。

由此有利的是，确保根据本发明的检测器装置的特征在于：对于多个光电二极管，优选为所有光电二极管，其阴极电流及其阳极电流被用于在不同加权网络中进行空间加权或者在至少两个加权网络处仅连接指派给其的光电二极管的阴极或阳极。

在后一情形中，特别是在很大程度上确保：加权网络的输出处的信号彼此不会相互影响，这是因为仅反向偏置和/或略微正向偏置的光电二极管耗尽层位于加权网络之间，由此所述层的阻抗通常处于非干扰的高数值范围(通常为数百万欧姆)。在加权网络被设计为例如低于1千欧姆的阻抗水平时，这实际上是微不足道的。

相应地，有利地，还进一步提出了一种位置敏感的光束检测器，其中规定：至少一个加权网络被形成为链，其中信号输出被布置在该链的一端并且偏置电压被连接到该链的另一端。

此外，有利地提出的是一种位置敏感的光束检测器，其中进一步规定：加权网络被形成为电阻链、或电感链、或谐振电路链。

另一优选的变型尤其规定：加权网络由电阻、电感或调谐到光源的特定调制频率的谐振电路构成的链组成。在所有这些情形中，偏置电压源可被连接到该链的一个点，优选为其一端，经由该偏置电压源，所有经连接的光电二极管的DC信号电流可以流回去，但是该偏置电压源被设计有足够低的电阻以不应当期望经由加权网络连接到该偏置电压源的相同极性的输出的可观串扰。

同时应当提及的是，在光电二极管端子的节点被布置在链中的电阻、电感或谐振电路之间的情况下是有利的。这导致了一种非常简单的布置。

然而，应当进一步提及的是，根据本发明，加权网络并不一定必须都包含相同的拓扑，即它们不需要都包含相同数目的个体元件，它们不需要都包含相同的个体元件或相同类型的个体元件，并非所有个体元件都需要彼此相同(也就是说，例如，加权网络中的不同R值是可能的)，并非所有的个体元件需要具有相同的类型(网络可能包括例如R、以及L、以及RC个体元件)，并且光电二极管也不需要被连接到加权网络的每个节点。

此外，并非所有位置敏感的光束检测器的光电二极管都需要如所提出的那样被连接到两个加权网络。相应地，尤其可能发生这样的实施例，其中光电二极管不被连接到为光电二极管连接提供的加权网络的所有节点，以使得所述光电二极管在它们相应的另一端处被连接到不同网络的节点。

此外，有利地提出了一种位置敏感的光束检测器，其中加权网络被实现为电阻链，其中优选地规定：该链中的电阻具有相同的设定点电阻值；这促成了评估，尤其即使在实际电阻值如往常一样地以由公差管控的方式发生某些变化的情况下亦是如此。在这一情形中，对于广泛的波束，公差甚至是非关键的，因为公差在此处平均。

此外，有利地提出了一种位置敏感的光束检测器，其中规定：至少两个加权网络被各自实现为链，其中信号输出被布置在每个链的一端而偏置电压被连接到每个链的另一端，并且其中不同偏置电压(Vaa、Vcc)被连接到第一和第二加权网络。

此外，有利地提出了一种位置敏感的光束检测器，其中在接收到光束之际，第一信号极性存在于第一加权网络的信号输出处，所述第一信号极性与第二加权网络的信号输出处的极性相反。通过施加偏置电压，这很容易是可能的。

通常，光电二极管元件的全部或至少大部分阳极引入到加权网络中，该加权网络在一端被连接到第一、优选为更负的偏置电压端子(“共阳极”或阳极偏置电压Vaa)。

通常，光电二极管元件的全部或至少大部分阴极随后也引入到加权网络中，该加权网络在一端被连接到第二、优选为更正的偏置电压端子，即，被连接到其(“共阴极”或阴极偏置电压Vcc)。在这一情形中，针对Vcc的比较级“更正”指的是电势Vaa。电势Vcc由此是更正的电势，而电势Vaa是“更负的”电势。因此电势Vaa和Vcc彼此不同。

由此可以陈述的是，工作电压被连接到优选存在的两个偏置电压端子，经由这些端子，检测器装置被提供有必要的工作电流以防止光电二极管在DC光的影响下饱和。因此，光电二极管优选地在电压方面保持在相反的方向上。

不一定是优选的但出于完整性起见提及的特定情形是Vaa＝Vcc，其中光电二极管在光的影响下略微正向偏置。在这一情形中，加权网络应当被设计有特别低的电阻以限制正向电流的影响。

检测器装置的另一优选变体还可以规定：在至少一个加权网络的情况下，光电二极管的两个阳极或两个阴极分别被连接到链的内部节点。这在所述加权网络中的两个光电二极管被给予相同权重的情况下是有利的。

此外，还有利地提出了一种位置敏感的光束检测器，其中进一步规定：提供至少一个第三加权网络，其中该至少三个加权网络中的至少第二加权网络被形成为具有与信号输出和供电电压输入不同的内部节点，其中在该链的所述内部节点中的至少一者处，两个不同光电二极管的阳极或阴极被连接，其中所述光电二极管中的第一光电二极管的另一极被连接到第一加权网络的节点，并且其中所述光电二极管中的第二光电二极管的另一极被连接到第三加权网络的节点。

进一步优选的是，检测器装置的输出信号中的一者在加权网络的链的第二端被抽头。

此外，有利地提出了一种位置敏感的光束检测器，其中光电二极管被指派光束检测增强装置以用于增强光束检测，该光束检测增强装置被优选地布置成使得扩展以给定光束直径入射到光电二极管上的光斑以供由至少两个、优选为更多的毗邻光电二极管同时接收。

此外，有利地提出了一种位置敏感的光束检测器，其中进一步规定：光束检测增强装置包括壳体顶侧处的至少一个双凸透镜膜以及用于将由双凸透镜膜透射的光向下引导进入光电二极管的壳体内部的导光结构。双凸透镜膜用来扩展入射光束，以使得入射到多个光电二极管上，并且由此具有与光散射装置相同的效果。导光结构防止横向于光电二极管系列以浅角入射的光束部分丢失以及由此灵敏度降低。

此外，有利地提出了一种位置敏感的光束检测器，其中进一步规定：除了双凸透镜膜之外和/或作为双凸透镜膜的替换，光束检测增强装置包括漫射膜。

由于根据本发明的这种新方法构成了离散PSD的新变体，应当提及的是，后者还受益于光散射装置，其被提供在离接收表面一距离处，并且至少按照如下方式扩展入射光束，这种方式使得至少在某种程度上同时入射到通常彼此并排串联布置的两个以上光电二极管上。这种类型的光束扩展在非常薄的光束直径的情形中使位置特性的离散化最小化。除了微透镜阵列以外，全息漫射器或其他光学散射装置适合于作为光散射装置。在这一情形中，所提及的双凸透镜膜被视为具有特定透镜形状的微透镜阵列。

此外，有利地提出了一种位置敏感的光束检测器，其中提供了彼此并排的一系列光电二极管，加权网络被实现为链，并且串联布置的光电二极管被连接到加权网络的在链中彼此相继的节点。在这一情形中，光电二极管优选地在几何上靠近彼此并排放置，优选以彼此邻接的方式放置。在形成特定链的光束检测器的那些光电二极管中的至少一些光电二极管被布置成使得串联布置的光电二极管中的至少一些光电二极管被连接到加权网络的在链中彼此相继的节点的情况下被认为足以实现这一特征。彼此并排地提供多个加权网络是可能的，例如，其中链包括4个或8个相同的电阻，并且在该链中相继的光电二极管分别被连接到该加权网络也是可能的。应当强调的是，一系列相继的光电二极管是一系列直接毗邻的光电二极管是有利的，但非强制性的，也就是说，一系列相继的光电二极管不包含没有连接到相同的加权网络的任何光电二极管。

根据本发明的检测器装置的应用在后者被集成到光束接收器中的情况下是特别优选的，也就是说，特别是用于接收建筑激光的手持激光接收器或机器接收器，在建筑工地上需要所述接收器。在这两种应用中，这种检测器装置优化了测量精度和生产成本。

还公开了一种用于接收扫过平面的旋转激光束的方法，其中规定：评估同时获得的连接到不同加权网络的光电二极管的阴极电流和阳极电流，以确定光束接收的位置。

同样特别优选的是，结合申请人名下的以下发明使用这种检测器装置：DE 112013 004 987(combination laser receiver(组合激光接收器))、DE 10 2013 019 532(laser receiver with interference signal suppression(具有干扰信号抑制的激光接收器))、US 7,394,527(laser peak sampling(激光峰值采样))、以及US 7,724,352(alternative signal processing(替换信号处理))。所述文献的公开内容应在各个情形中通过引用并入。

以下参照附图仅作为示例来描述本发明，其中：

图1解说了根据现有技术的各种示例性检测器装置；

图2解说了根据本发明的检测器装置的四个电路；

图3解说了根据本发明的一个特别优选的检测器装置的电路；

图4解说了具有来自图3的电路的检测器装置，并且描绘了光束、偏置电压和输出信号；

关于图4中的检测器装置，

图5a解说了在光电二极管上接收到具有较小光束直径的光束之际获得的线性误差p-pc，其作为实际光束位置p沿着按距离d彼此并排布置的一系列光电二极管的长度L的函数；

图5b解说了分别在加权网络输出5、9、10和6处检测到的电流i₁、i₂、i₃、i₄的分布，理想的情形是，光电二极管表面之间的距离为零且光束具有非常小的直径，

其中出于清楚解说起见，四条电流曲线被描绘在一个共同的图形解说中，为了避免不清楚，应当注意的是：

i₁被描绘成细线，

从最大值逐步下降到零

并且随后在零处保持恒定；

i₂使用粗线来描绘，

从零逐步下降到最小值

随后再次逐步上升到零

并且随后在零处保持恒定；

i₃使用粗线来描绘，

首先恒定为零，

随后从零逐步上升到最大值并且

随后从所述最大值再次逐步下降到零；

i₄使用细线来描绘，

首先恒定为零，

并且随后从零逐步下降到其最小值；

图6分别对应于图5a和图5b，但是示出了接收到具有大光束直径的光束的对应曲线；

图7解说了根据本发明的检测器装置的横向摘录，其包括漫射装置以用于改进可使用小光束轮廓直径获得的线性度；

图8解说了使用来自图4的检测器装置的激光束接收器；

图9解说了来自图8的激光束接收器的框图；

图10a解说了根据现有技术的检测器装置，其包括与来自US 2014/0203172 A1的光电二极管(参见例如从现有技术的已知Bosch(博世)接收器)间隔开的已知漫射装置；

图10b解说了根据现有技术的来自图10a的检测器装置，其具有入射横向光束和开口角；

图10c解说了根据本发明的检测器装置，其包括优选使用的漫射装置及相关联的导光结构(棱镜)；

图10d解说了根据图10c的检测器装置，其中描绘了横向入射光束。

图2示出了通常由1指定的本发明的位置敏感的光电子检测装置1或位置敏感的光束检测器1的四种可能变型。

图2a示出了一个特别简单的变型，其包括链型加权网络3和4处的两个输出信号输出5和6，链型加权网络3和4被指派给输出信号输出5和6，此处加权网络尽可能地且优选地从具有彼此相同的电阻值的电阻构造。

链内的电阻值可被容易地选择以使得在DC光的情形中获得应用可接受的测量值噪声、不太高的功耗、以及有利的饱和点。

十三个光电二极管2被连接到加权网络。加权网络3与在附图标记7处施加的正偏置电压Vcc相关。如果取相同的电阻值为基础，则链中的节点的加权因子根据技术电流方向从左到右为：

13/13＝1、12/13、11/13、……、2/13、1/13、0/13＝0。

再次给定相同的电阻值，对于与负偏置电压Vaa(在附图标记8处馈送)相关的加权网络4，链中的节点的加权因子从左到右为：

-0/13＝0、-1/13、-2/13、……、-11/13、-12/13、-13/13＝-1。

这些加权网络具有简单的构造，且有利于理解。尽管任何期望长度的检测器装置可以使用这种拓扑来实现，但是在DC光的情形中相对于测量值噪声、功耗和饱和点进行修改是有益且有利的。

在这一方面，可在图2b中看到直接从图2a推导出的检测器装置；这涉及仅仅将输出9和10与在输出处在光电二极管的相对电极处适当匹配的偏置电压8和7连接成对。

换言之，图2b中所示的序列中所示的光电二极管中的又一光电二极管的阳极被附加地连接到阳极供电电压Vaa。换言之，现在序列中存在两个光电二极管，它们的阳极被连接到供电电压，即连接到点12和8。所述光电二极管中的一者远离序列的边缘靠近中心布置；然而，不一定涉及正处于序列的中心的光电二极管，如图2中以优选实施例为基础的示例所示的。同样，在该光电二极管远离边缘布置的情形中，指定为9/CH3的信号输出端子被提供在连接到阴极侧的加权网络上。

同样，在另一光电二极管远离边缘的情形中，阴极被连接到Vcc，并且信号端子10被提供在相对的加权网络处的阳极处。

由此形成的结构可被理解为光电二极管阳极侧上的加权网络；该加权网络与光电二极管阴极侧上的加权网络交互，其中在使用这种考虑模式的情况下，加权网络中的每一者分别包括12个电阻，分别用于Vcc和Vaa的2个输入点以及分别用于输出信号的2个抽头点(分别用于CH1、CH3的5、9以及用于CH2和CH4的10、6)，或作为多个加权网络的组合，其中供电电压被馈送到每个加权网络中，从而在每个加权网络的另一端处获得一信号，并且只有光电二极管阳极或只有光电二极管阴极被连接到加权网络中的每一者，以使得这些加权网络经由光电二极管连接。

这种布置在DC光的情形中关于测量值噪声、功耗和饱和行为已经是有利的，但是来自图2b的布置可被进一步简化。

这应以根据其在光电二极管的阳极侧上形成连续加权网络12以及在阴极侧上形成加权网络11的考虑模式为基础来解释。在这种考虑的情形中，串联连接的光电二极管的加权网络11和12不具有在一个方向上单调上升和下降的权重，而是分别在一个位置处具有最大值和最小值。就此而言，在加权网络11的情形中，加权因子从左到右为：

0/5＝0、1/5、2/5、4/5、5/5＝1、4/5、3/5、2/5、1/5、0/5＝0

在加权网络12的情形中，它们从左到后为：

-0/5、-1/5、-2/5、-4/5、-5/5、-4/5、-3/5、-2/5、-1/5、-0/5

此处很明显的是，除了分别为5/5和-5/5的权重之外，在这些序列中的所有权重出现两次。现在提出的简化利用简单地将具有相同权重的光电二极管引导到同一节点，并且省去由此变为自由(即，不需要)的电阻的可能性。

可在图2c中看到简化的检测器装置。图2b与图2c之间的直接比较示出了图2c是如何从来自图2b的布置通过省去指定电阻并提供指定线路来推导出的。

这种简化导致包括加权网络的布置，这些加权网络各自小于来自图2a的那些加权网络，不同地布置至光电二极管的连接，并且提供比图2中更多的端子。

可在图2d中看到与图2c拓扑相同的探测器装置。为了更好地理解起见，此处加权网络已经被不同地布置，以使这种布置的简单任意的可缩放性更为显著。

缩放可能以各种方式进行。

作为示例，在每个情形中，可在左侧和/或右侧逐步附连加权网络、输出和又四个光电二极管，以由此使检测器装置逐步按需变长。由此变得清楚地理解，奇数个输出也是可能的。

此外，图2c和图2d中的电阻数量不是随机选择的，而是对应于一个优选(虽然并非绝对必要)的实施例。具体地，具有四个电阻的电阻网络可用作SMT组件；由此，在电路板上进行分立构建的情形中，每增加四个光电二极管，只必须安装一个电阻网络。

图3示出了缩放的又一可能性。图3紧密地对应于图2d，即使在图3中光电二极管序列已被垂直而非水平地描绘，并且根据图3的加权网络具有比根据图2d的那些加权网络更多的电阻，结果是图3中连接到每个加权网络的光电二极管的数量也比图2d中更多。

图3中所示的特别优选的检测器装置1由此包含用于正偏置电压7的端子和用于负偏置电压8的端子。该检测器装置具有四个输出，其以附图标记5、10、9、6示出。四个加权网络3、12、11、4各自由八个个体电阻组成，在一个优选结构性实施例中，这些电阻被容适在一个SMT组件中。明显的是，对于布局中的物理布线，最多十个信号必须在每种情形中并行运行。然而，这可以使用多层电路板和四个层容易地实现，而不会使传感器模块的物理宽度明显变宽超出光电二极管的宽度。根据图3使用总共二十五个光电二极管2。

图4随后象征性地示出了具有所描绘的入射光束13的检测器装置，其光束分布以圆圈的形式指示。图4描绘了用于提供Vcc和Vaa的偏置电压源V_偏置14以及存在于端子5、10、9、6处的输出信号i₁到i₄。

此外，示出了检测器装置的光束位置p和线性长度L以及光电二极管的栅格间距d。

此处信号旨在作为输出电流被分接。测得的光束位置p_c可以根据i₁、i₂、i₃、i₄的值使用下式(i)来确定：

图5b中的示图随后示出了具有消失的直径(直径为零)的理想薄光束并且在光电二极管之间的间隙同样为零的简化假设下的电流i₁、i₂、i₃、i₄的分布。

鉴于四条电流曲线出于清楚解说的原因而在一个共同示图中描绘，应当再次注意到，为了避免不清楚，i₁被描绘成细线，从最大值逐步下降到零，随后在零处保持恒定；i₂使用粗线来描绘，从零逐步下降到最小值随后再次逐步上升到零，并随后在零处保持恒定；i₃使用粗线来描绘，首先恒定为零，随后从零逐步上升到最大值并且随后从所述最大值再次逐步下降到零；i₄使用细线来描绘，首先恒定为零，随后从零逐步下降到其最小值。

各个电流的阶梯形进展，即因离散的光电二极管表面导致的离散化是清楚可辨别的。

图5a中的示图示出了作为真实光束位置p的函数的线性误差p-p_c。此处表明了+-d/2的线性误差。在以上假定下(光电二极管距离和光束直径在每个情形中均为零)，线性误差具体地以明显的方式在最小值与最大值之间波动。

对于具有较大波束直径的真实光束，曲线分布得到改善，如图6a和6b中的示图所示。图6a和6b中的示图均是在光电二极管之间的间隙仍如图5的情形中那样为零的理论假定下确定的，但是波束分布现在具有对应于真实分布的较大钟形分布。图5和6具有可互相比较的标度。

图6b中的示图示出了，对于电流i₁、i₂、i₃、i₄的分布中作出的假定，已经清楚地平均掉阶梯。

图6a清楚地揭示了，由于具有钟形波束分布的宽光束，线性误差得到了显著改善。线性误差在边缘处确实任然很明显，这是由于波束分布在边缘处被部分地遮蔽而导致的。这种影响是不可避免的，但是可以通过合适的校准来容易地补偿。

由此充分扩大过小的波束分布是有利的，尽管对于所示的布置而言不是强制的。

图7示出了就此而言的有利布置。该解说示出了光束13如何照射到布置在检测器装置1的光电二极管的光敏区域上方一定距离处的漫射装置15上。使用这种布置，布置在光束13的光束路径中的检测器装置1上游的一距离处的漫射装置15可以扩大(即扩展)小光束分布，直到入射到光电二极管上。包括柱形透镜的微透镜阵列优选作为漫射装置；然而，使用其他漫射装置也是可能的。就此而言，其他多种透射性漫射膜/窗口是可用的。

借助于这种措施，实际上，即使在非常薄的光束的情形中，也确立线性误差的显著改善，类似于图5b和图6b之间的改进，并且在一些实例中甚至更好。

图8示出了一个特别优选的完整激光束接收器，诸如可用在建筑工地上等。所述激光束接收器以正视图示出，并且具有手持接收器20的形式，该手持接收器20具有用于将测量值表示为数值和箭头表示的显示单元21、用于由用户进行操作的键盘22、用于声信号的扬声器23和适配在传感器窗中的漫射装置15、以及位于所述漫射装置后面的来自图3的检测器装置1。激光束13在方向16上扫过适配在传感器窗中的漫射装置15以及位于所述漫射装置后面的来自图3的检测器装置1。

图9解说了来自图8的所述特别优选的激光束接收器20的框图，激光束接收器20包括来自图3的位置敏感的光电子检测器装置1。

来自建筑激光器50的激光束13的接收如下起作用：

首先，将激光束接收器带到光束平面，以使得激光束照射到漫射装置15上，在那里扩展，并且随后传递到检测器装置1。

所述检测器装置1生成四个信号5、10、9、6，这些信号被传导到放大器和信号调理单元30，其中在电子组件31和32中，这些信号被放大，DC偏移被从中消除并且极性被校正，即在电子组件31和32的放大器级被实现为反相31或非反相32。

在电子组件31和32中以及通过其生成的信号33被转发到评估单元40。后者包含四个分开的高速A/D转换器，其将电信号33转换成数字数据流。为了完整性起见，应提到的是，可以提供单个复用转换器，而非为了清楚解说起见而描绘的四个分开的高速A/D转换器。

通过评估单元40不断地将数字数据流存储在环形缓冲器42中，直到评估单元40停止存储，这是在触发信号47向驱动单元41发信号通知检测阈值48已被超过并且在触发之后的特定延迟时间也已被允许期满时就会发生的情形。馈送到驱动单元41的触发信号47是数字触发信号，其在模拟信号(TRG)超过阈值的情况下生成。模拟信号(TRG)进而通过对经调理的模拟信号33求和来生成。由此，每当至少一个光点二极管电流足够高时，最终就会产生数字触发信号。

以类似的方式到数字存储示波器的激光事件由此存在于评估单元的存储器中，以使得微处理器可以通过峰值积分、峰值检测、RMS检测等来在计算上确定信号幅度的数字等效值，并且随后根据(i)可以计算出位置测量值，该位置测量值使用来自存储器42的校正数据来校正并且随后可在校正之后经由显示器21显示为箭头表示或数值。

图9中所解说的放大器级45通常可被省去或固定编程为1倍放大。然而，如今评估单元在实践中可被实现为微控制器，并且在常规设计的微控制器的情形中，所述放大器级45实际上可无偿地获得。如果它们可被编程为例如32倍的比较高的放大，则即使在具有稍差性能的特别简单的版本中，整个放大器和信号调理单元30也可被省去或旁路，或者通过耦合电容来替代。

而且，触发可以尤其通过数字比较器来实现，该数字比较器通常存在于A/D转换器中。

由此，检测电路的整个核心仅由检测器装置1、几个无源组件和微控制器20组成。

应当提及的是，信号极性不一定必须在模拟电平处校正。可进一步构想的是，激光束接收器使用与以上示例不同的数目的信号通道33。信号通道33的数量可由此为二，或者提供更多的多个信号通道33。

尽管使用上述配置已经可以获得较佳结果，但是这种布置的实践应用性可得到进一步改善。在这一方面，应当注意的是，这种布置一般用于在建筑工地等上检测旋转的激光束。

所述旋转的激光束一般将扫过水平面。在建筑工地等上用于接收所述光束以及例如用于平整高度的位置敏感的光束检测器通常具有在使用中从顶部到底部串联布置的多个光电二极管，如在上文中显而易见的。旋转的激光束随后横向地扫过所述系列。这导致根据扫过的时间所需的相当短的信号历时，即使在保持完全垂直的激光接收器被光束完全垂直地照射的情况下亦是如此，也就是说，例如入射窗相对于围绕激光束旋转中点的圆完全保持切向的情况下亦是如此。如果激光束接收器相对于围绕激光束旋转中点的圆不完全保持切向，则信号历时仍被进一步缩短，并且在恰适的情况下，信号另外还变得非常微弱，因为很少的光照射到光电二极管上。

因此本身附加和/或固有地期望宽的水平开口角下的光束接收，即，独立于如何确切地表明光电装置以及是否结合个体光电二极管提供加权网络等。

使用包括实际位置敏感的光束检测器的手持装置等，光束由此预期在宽的开口角处被检测到。如果是这样的情形，则这允许精确的测量以简单的方式来执行，即使在激光接收器不完全保持切向的情况下亦是如此。

在现有技术中，至多宽的窗口被布置在距光电二极管较大的距离处，其中可以使用漫射装置，该漫射装置使所接收的光束变宽，但同时极大地削弱了它们。光接收器由此是庞大且不敏感的。诸如根据US2014/0203172A1的那些接收器的接收器应作为根据现有技术的光接收器的示例被提到。

期望提供具有大开口角的便利、敏感的光接收器。

在我们看来，至少关于新颖性部分使用了提供的宽限期，此处以新颖的并且本身还固有创造性的方式提供了一种改进措施。通常对于位置敏感的光束检测器而言有利的这种布置不一定必须存在于上述光束检测器处，其根据本发明利用至少两个加权网络。此外，下述布置也可以与用于光束接收的其他光敏单元一起使用，诸如用于建筑工地激光接收器等，它们本身不利用根据本发明的方式的两个加权网络。然而，应被提及的是，根据以上文本，根据本发明利用至少两个加权网络的光检测器的使用是有利的。

因此，在当前情形中还提出的是，单独固有创造性的光束接收器包括壳体、其中的细长窗口、该窗口后面的细长导光结构、以及光敏区域，其中光敏区域沿着细长窗口延伸，具体而言离后者一距离，并且其中细长导光结构被布置在细长窗口与光敏区域之间并且包括多个纵向侧表面，其中细长导光结构的纵向侧表面在细长窗口与光敏区域之间沿着光敏区域延伸，并且纵向侧表面被配置成将从窗口进入导光结构的光反射到光敏区域中。

光敏区域可以直接位于窗口的对面，以使得入射到窗口上的光束在导光结构的纵向侧表面处没有反射的情况下直接垂直地传递到光敏区域上。在这一情形中，光敏区域可以位于平行于窗口平面的平面中。替换地和/或附加地，不同地布置光敏区域，例如在垂直于窗口平面的平面中是可能的。导光结构随后可被改造成使得垂直入射到窗口上的光束被引导到光敏区域上。出于这一目的，在导光结构的背离窗口且面向光敏区域的那部分处可以提供以45°角放置的镜子或在45°角处形成的侧表面，在其处发生全内反射。

如由以上解释所示——至少在位于平行于窗口平面的平面中的光敏区域的情形中，仅非足够垂直地、而以过度倾斜的角度照射到窗口上的光束通过导光结构的纵向侧表面处的反射被引导到光敏区域上。在这一情形中，光束可在导光结构的纵向侧表面处被单次或多次反射。

应被提及的是，光敏区域可以是如以上根据本申请的以上其他和独立的有利创造性方面公开的光电二极管，其可被布置在加权网络之间。

对进一步方面固有地有利的光束接收器可被形成有导光结构，其中沿着细长窗口与光敏区域之间延伸的纵向侧表面的区域被形成为镜面。这允许不是尤其大而重的并且由此具有较小重量的实施例。

替换地和/或附加地，根据进一步方面的固有地有利的光束接收器可被形成，以使得导光结构被形成为棱柱体并且在导光结构内引导的光的全内反射发生在细长窗口与光敏区域之间的纵向侧表面处。在这一情形中，棱柱体将从对要检测的波长足够透明的材料制成，诸如举例而言塑料。

通常，在光束接收器和所描述的用于扩展光束的导光结构的情形中，在进入导光结构的入口的上游提供漫射装置。如果光随后被扩展以照射到形成光敏区域的多个光电二极管上，并且在其中可能的扩展不仅在纵向方向上受影响、而且也在横向方向上受影响的情形中，则在横向方向上扩展的光不会丢失以供检测，而是借助于反射性的纵向侧表面实际上仍将传递进入光电二极管或传递到不同地配置的光敏区域上。灵敏度由此增加，尽管使用了漫射装置。此外，以较浅角度入射到窗口上的光将仍能够传递到光敏区域，尽管光接收器的实施例在结构上较小。

以下参照图10来描述能够独立地分开要求保护的装置。

部分地已在其他附图中分配的参考标记被用于图10的各个部分；因此，此后在文中对图10中所使用的那些参考标记进行引用时，在相应的附图标记之前加上数字“10-”。由此，10-1示出位置敏感的光电子检测器装置；10-2光电二极管；10-13光束；10-15漫射装置：微透镜阵列、双凸透镜膜、全息漫射器等；10-70壳体部分，具体地针对真实产品解说了透明上壳体外壳的细节；10-71棱镜或棱柱形导光结构、10-72开口角、以及10-73定义向外可见的传感器窗的装饰膜。

形成有反射界面的导光结构具有特别的重要性，借助于该结构将光从入射窗引导到光电子元件(诸如一系列光电二极管)。借助于这种棱柱形导光结构，光在宽开口角处被检测到并且以充分的程度被引导，即使在倾斜入射到光电子元件上的情形中亦是如此。具有如图10c中所示的附加棱镜的布置允许例如为5mm的较窄传感器窗与比现有技术中实现的开口角更大的开口角相结合。此外，应当被指出的是，所述棱镜不被用于光谱分解，而是用于引导光。

由此尤其还要提出的是，一种位置敏感的光束检测器包括用于光束接收的光电二极管，其中光电二极管被指派光束检测增强装置以用于增强光束检测，该光束检测增强装置被优选地布置成使得扩展以给定光束直径入射到光电二极管上的光斑以供由至少两个、优选为更多的毗邻光电二极管同时接收。

在这一情形中，优选地，光束增强装置在壳体顶侧处包括来自双凸透镜膜、微透镜阵列、全息漫射器等中的一者；以及导光结构，该导光结构更深地导入到壳体内部并且用于将经扩展的光束向下引导到光敏二极管进入壳体的内部。

在这一情形中，所述导光结构在远离壳体的顶侧的方向上引导，所述顶侧具有入射窗并且朝向壳体的下侧。

此处呈现的导光结构由此与先前已知的光波导显著不同，该光波导在先前由申请人或发明人提出并且旨在引导光，所述光在用作光波导的棒等的中心被接收，同时引导到其两端侧，其中所述光随后被光电二极管检测到。在当前情形中，已被漫射到侧壁中的光不在横向方向上在长路径上被引导到相对的端侧，相反(可能地)借助于很大偏转的结构(诸如双凸透镜膜)来将光引导到光波导的第一端侧中，并且光被辐射到相对端侧上的光电子元件(诸如光电二极管)上。这在检测到的开口角方面提供了优势，而不增加窗宽度或接收器厚度。

位置敏感的光束检测器包括布置在导光结构的上游的漫射膜是可能。

由此以上已经给出了尤其但不限于一种用于光束接收的空间分辨的位置敏感的光电子检测器装置的描述，其包括：多个光电二极管的至少一种在空间上基本上线性的布置、连接到该多个光电二极管且被配置成用于根据其在检测器装置上的位置来对各个光电二极管的信号进行电加权的至少两个电加权网络、以及检测器装置的至少两个输出信号，其中规定：每个加权网络正好连接到这些输出信号中的一者，并且根据空间加权毗邻的输出信号在共同指派给其的光电二极管的光束接收之际分别具有彼此相反的信号极性。

此外，尤其还给出了一种检测器装置的描述，其中进一步规定：对于多个光电二极管，其阴极电流及其阳极电流两者均被用于在不同加权网络中进行空间加权。

此外，还给出了一种检测器装置的描述，其中进一步规定：至少在两个加权网络处，指派给其的光电二极管的仅阳极或仅阴极被连接到这些加权网络。

此外，尤其还给出了一种检测器装置的描述，其中进一步规定：加权网络由电阻、电感或谐振电路的链组成。

此外，尤其还给出了一种检测器装置的描述，其中进一步规定：在至少一个加权网络的情形中，光电二极管的两个阳极或两个阴极分别被连接到链的内部节点。

此外，尤其还给出了一种检测器装置的描述，其中进一步规定：检测器装置的输出信号在链的第一端被抽头，并且偏置电压被连接到该链的第二端。

此外，尤其还给出了一种检测器装置的描述，其中进一步规定：所述检测器装置被集成到激光束接收器中。

此外，尤其还给出了一种检测器装置的描述，其中进一步规定：激光束接收器被配置成用于扫过平面的旋转激光束的空间分辨接收。

Claims (18)

1.一种位置敏感的光束检测器，包括：

光电二极管，以及

至少两个加权网络，

每个加权网络包括：

信号输出，

和

网络节点，

其特征在于：

按照一种方式来为光电二极管端子提供第一加权网络的多个网络节点，所述方式

使得：

所述多个节点中的每个节点经由光电二极管连接到第二加权网络的节点之一。

2.如前述权利要求所述的位置敏感的光束检测器，

其特征在于：

仅所述光电二极管的阴极

被连接到

所述第一加权网络的光电二极管端子的节点，

以及

仅所述光电二极管的阳极

被连接到

所述第二加权网络的光电二极管端子的节点。

3.如前述权利要求中的任一项所述的位置敏感的光束检测器，其特征在于，所述加权网络中的至少一者被形成为链，

其中，

所述信号输出被布置在所述链的一端，

以及

偏置电压被连接到

所述链的另一端。

4.如前述权利要求所述的位置敏感的光束检测器，其特征在于，至少一个、优选多个、更特别地优选所有加权网络被形成为

电阻链

或

电感链

或

谐振电路链。

5.如前述权利要求所述的位置敏感的光束检测器，其特征在于，所述光电二极管端子的节点被布置在所述链的电阻、电感或谐振电路之间。

6.如前述权利要求所述的位置敏感的光束检测器，其中一个或多个加权网络被实现为电阻链，其特征在于，链中的电阻具有相同的设定点电阻值。

7.如前述权利要求中的任一项所述的位置敏感的光束检测器，

其特征在于，所述至少两个加权网络被各自实现为链，

其中，

所述信号输出被布置在

每个链的一端处

以及

偏置电压被连接到

每个链的另一端，

并且其中不同偏置电压(Vaa、Vcc)被连接到所述第一和第二加权网络。

8.如前述权利要求中的任一项所述的位置敏感的光束检测器，其特征在于：

所述光束检测器被实现成使得

在布置在第一与第二加权网络之间的至少一个光电元件上接收到光束之际，

尤其是在至少一个光电二极管上接收到光束之际，

第一信号极性存在于所述第一加权网络的信号输出处，

所述第一信号极性与所述第二加权网络的信号输出处的极性相反。

9.如前述权利要求所述的位置敏感的光束检测器，其特征在于：

提供了彼此并排的一系列光电二极管，

所述加权网络被实现为链，

以及

串联布置的所述光电二极管

被连接到所述加权网络的在链中彼此相继的节点。

10.如前述权利要求中的任一项所述的位置敏感的光束检测器，其特征在于，所述光电二极管被指派光束检测增强装置以用于增强光束检测，所述光束检测增强装置被优选地布置成使得扩展以给定光束直径入射到所述光电二极管上的光斑以供由至少两个、优选为更多的毗邻光电二极管同时接收。

11.如前述权利要求中的任一项所述的位置敏感的光束检测器，其特征在于，所述光束检测增强装置包括壳体顶侧处的至少一个双凸透镜膜以及用于将经扩展的光束向下引导到所述光电二极管进入壳体内部的导光结构。

12.如前两项权利要求中的任一项所述的位置敏感的光束检测器，其特征在于，所述光束检测增强装置包括漫射膜。

13.如前述权利要求中的任一项所述的位置敏感的光束检测器，其特征在于：

提供了至少一个第三加权网络，

其中至少三个加权网络中的至少第二加权网络被形成为链，

所述链具有与信号输出和供电电压输入不同的内部节点，

其中，

在所述链的所述内部节点中的至少一者处，

两个不同的光电二极管的阳极或阴极被连接，

其中所述光电二极管中的第一光电二极管的另一极被连接到所述第一加权网络的节点，并且

其中所述光电二极管中的第二光电二极管的另一极被连接到所述第三加权网络的节点。

14.一种用于接收扫过平面的旋转激光束的方法，其特征在于：

评估同时获得的连接到不同加权网络的光电二极管的阴极电流和阳极电流以确定光束接收的位置。

15.一种光束接收器

包括

壳体，

所述壳体中的细长窗口，

所述窗口后面的细长导光结构，

以及

光敏区域；

其特征在于：

所述光敏区域沿着所述细长窗口延伸，

但是

离所述细长窗口一距离，

其中所述细长导光结构被布置在所述细长窗口与所述光敏区域之间，并且

包括多个纵向侧表面，

其中，

所述细长导光结构的纵向侧表面在所述细长窗口与所述光敏区域之间特别是沿着所述光敏区域延伸，

并且所述纵向侧表面被配置成将从所述窗口进入所述导光结构的光反射到沿着所述窗口、但是离所述窗口一距离处布置的光敏区域中。

16.如前述权利要求所述的光束接收器，其特征在于，在所述细长窗口与所述光敏区域之间延伸的所述纵向侧表面的区域被形成为镜面。

17.如权利要求15所述的光束接收器，其特征在于，所述导光结构被形成为棱柱体，并且在所述导光结构内引导的光的全内反射发生在所述细长窗口与所述光敏区域之间的所述纵向侧表面处。

18.如权利要求15-17中的任一项所述的光束接收器，其特征在于，为了扩展光束，在进入所述导光结构的入口的上游提供漫射装置。