CN115210528A - 使用视场的距离测量 - Google Patents

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Abstract

光学传感器。光学传感器包括光源(303)、第一光传感器(301)和第二光传感器(302)以及控制器。光源(303)具有照明场(313)。第一光传感器和第二光传感器具有相应的第一视场(311)和第二视场(312)。照明场和第一视场的相交形成第一重叠区域(321)。照明场和第二视场的相交形成第二重叠区域(322)。当表面(304)在第一重叠区域和第二重叠区域中的一个或两个内时，该表面将来自光源的光反射到相应的光传感器。控制器被配置为基于由第一传感器接收的来自光源的反射光与由第二传感器接收的来自光源的反射光的比率来确定到第一重叠区域和第二重叠区域中的一个或两个内的表面的第一距离测量。还公开了类似的超声传感器。

Description

使用视场的距离测量
技术领域
本发明涉及光学或超声传感器，特别是用于测量距离的光学或超声传感器。
背景技术
光学接近度传感器测量从对象反射的光量，以确定对象是否在指定区域内。如图1所示的简单接近度传感器包括光源101和光传感器102，其中光源的照明场111与光传感器的视场112重叠。在重叠区域113内具有表面的对象103将使光114反射回光传感器，从而提供可测量的信号。
通常，当对象更靠近传感器时，它将产生更强的信号。然而，信号的强度还取决于对象的反射率及其取向(例如，传感器是接收漫反射还是镜面反射)，因此该简单的传感器不能用于以任何有用的准确度确定重叠区域113内的对象的位置。
可以组合多个这样的传感器以获得粗略的距离信息，例如，如US8,862,271B2中所公开的，并且如图2所示。所示的系统包括具有视场211的单个光传感器201和具有相应照明场212、213的两个光源202、203。光传感器和光源被布置成使得第一照明场和传感器的视场之间的重叠区域221与第二照明场和传感器的视场之间的重叠区域222不同。通过使光源以不同的频率发射，或者在不同的时间使它们脉冲化，或者类似的手段，系统可以确定表面是否存在于第一重叠221或第二重叠222中，从而给出非常粗略的距离估计(即，表面是否在对应于第一重叠的距离范围D1内，或者在对应于第二重叠的距离范围D2内)。该系统原则上可扩展到任何数量的重叠区域(通过提供适当布置的传感器和光源)，但是实现细粒度准确度将需要不切实际数量的组件。
更复杂的传感器可以经由“飞行时间”机制(即，测量由光源发射的脉冲与由光传感器接收的脉冲之间的时间差)来为任何对象确定准确距离(假设该对象将至少一些光反射回传感器)。然而，这样的系统在电子上是复杂的，并且倾向于比上述更简单的设备消耗显著更多的功率。
因此，需要一种光学接近度传感器，其具有准确测量距离的能力，但没有飞行时间传感器中涉及的复杂性。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种光学传感器。该光学传感器包括光源、第一光传感器和第二光传感器以及控制器。光源具有照明场。第一光传感器和第二光传感器具有相应的第一视场和第二视场。照明场和第一视场的相交形成第一重叠区域。照明场和第二视场的相交形成第二重叠区域。当表面在第一重叠区域和第二重叠区域中的一个或两个内时，表面将来自光源的光反射到相应的光传感器。控制器被配置为基于由第一传感器接收的来自光源的反射光与由第二传感器接收的来自光源的反射光的比率来确定到第一重叠区域和第二重叠区域中的一个或两个内的表面的第一距离测量。
控制器还可以被配置为：
对光源应用调制；
基于从光源到第一传感器的反射光的飞行时间来确定到表面的第二距离测量；
如果第一距离测量或第二距离测量中的至少一个低于阈值距离，则输出第一距离测量，并且如果第一距离测量或第二距离测量中的至少一个高于阈值距离，则输出第二距离测量。
根据第二方面，提供了一种光学传感器配件。该光学传感器配件包括根据第一方面的光学传感器和光学飞行时间传感器。光学飞行时间传感器包括第三光传感器、另一光源和飞行时间系统，飞行时间系统被配置为基于由另一光源发射、由对象反射并由第三光传感器接收的光的飞行时间来确定到表面的第二距离测量。第一方面的控制器还被配置为如果第一距离测量或第二距离测量中的至少一个低于阈值距离，则输出第一距离测量，并且如果第一距离测量或第二距离测量中的至少一个高于阈值距离，则输出第二距离测量。
根据第三方面，提供了一种操作根据第一方面的光学传感器的方法。该方法包括基于由第一传感器接收的来自光源的反射光与由第二传感器接收的来自光源的反射光的比率来确定到第一重叠区域和第二重叠区域中的一个或两个内的表面的距离。
根据本发明的第四方面，提供了一种超声传感器。该超声传感器包括超声源、第一超声传感器和第二超声传感器以及控制器。超声源具有目标场。第一超声传感器和第二超声传感器具有相应的第一视场和第二视场。目标场和第一视场的相交形成第一重叠区域。目标视场和第二视场的相交形成第二重叠区域。当表面在第一重叠区域和第二重叠区域中的一个或两个内时，表面将来自超声源的超声反射到相应的超声传感器。控制器被配置成基于由第一传感器接收的来自超声源的反射超声与由第二传感器接收的来自超声源的反射超声的比率来确定到第一重叠区域和第二重叠区域中的一个或两个内的表面的第一距离测量。
根据第五方面，提供了一种操作根据第一方面的超声传感器的方法。该方法包括基于由第一传感器接收的来自超声源的反射超声与由第二传感器接收的来自超声源的反射超声的比率来确定到第一重叠区域和第二重叠区域中的一个或两个内的表面的距离。
附图说明
图1示出了根据现有技术的简单光学接近度传感器；
图2示出了根据现有技术的另一光学接近度传感器；
图3示出了示例性光学传感器；
图4示出了另一示例性光学传感器；
图5示出了包含诸如图3中的光学传感器的光学传感器和飞行时间光学距离传感器的示例性光学传感器系统；
图6示出了又一示例性光学传感器；以及
图7示出了示例性超声传感器。
具体实施方式
图3示出了如下面将更详细描述的示例光学传感器。该光学传感器包括第一光传感器301和第二光传感器302以及光源303。光传感器和光源被布置成使得第一光传感器的视场311在第一重叠区域321中与光源的照明场313重叠，并且第二光传感器的视场312在第二重叠区域322中与光源的照明场313重叠。在图3所示的情况下，第一重叠区域是第二重叠区域的严格子集，但是不一定是这种情况--将存在第一重叠区域与第二重叠区域相交的区域，但是第一重叠区域可以具有在第二重叠区域之外的子区域，反之亦然。
具有在两个重叠区域内的表面的对象304将在第一传感器处产生信号R1，并且在第二传感器处产生信号R2。R1和R2中的每一个将主要取决于每个区域内的表面的面积、表面的反射率和光源的强度。比率R1/R2(及其倒数)将不取决于表面的反射率或其他表面性质(假设它是均匀的，这在大多数情况下对于小区域是良好的近似)，因为这将抵消。因此，可以使用该比率(或其倒数)(具有合适的校准)来确定光学传感器和表面之间的距离。
虽然图3将照明场和每个视场示出为相同取向的锥形区域，但不一定是这种情况。照明场和视场可以具有任何形状，如由所使用的光源和光传感器以及诸如透镜或孔的任何其他光学组件确定的，并且它们可以以任何合适的方式定向以实现所需的重叠区域(如稍后更详细地描述的)。
图4示出了替代示例，其中重叠区域在传感器和正被检测的对象之间不具有交点(尽管它们将在对象之外相交)。除非另有说明，否则附图标记相当于图3的附图标记。第一视场411和照明场412之间的重叠区域421不与第二视场412和照明场之间的重叠区域422相交。然而，如图3中所描述的相同原理在此将仍然起作用--通过获取来自相应传感器的信号R1和R2的比率，可以获得可以从其导出到对象404的距离的值(经由合适的校准)。
可以以任何合理的取向选择光源和光传感器的取向，使得a)存在相应的重叠区域，该重叠区域是每个光传感器的视场和光源的照明场的交点，并且b)存在两个重叠区域都存在的距光传感器的距离范围。在该距离范围内，光学传感器将能够基于在每个传感器处接收的反射光的比率R1/R2来确定到表面的距离。在该距离之外，其中R1为0且R2为非零(即，比率为零)，传感器将能够确定表面在存在第二重叠区域但不存在第一重叠区域的距离范围内。类似地，在R2为零且R1为非零(即，比率为无穷大)的情况下，表面在存在第一重叠区域但不存在第二重叠区域的区域内。在R1和R2都为零(即比率不确定)的情况下，则在任一重叠区域中不存在表面。
光源也不应在任何光传感器的视场中，即传感器应仅经由来自重叠区域内的对象的反射来接收来自光源的光。
光源和传感器可以发射和检测任何合适波长(或波长范围或组合)的光，只要光传感器对由光源发射的光的至少一部分敏感。由光源发射的光的调制(例如，使光源脉冲化)可以用于允许信号与环境光区分开，例如通过在光源关闭时从每个传感器获取读数，并且在光源打开时从由传感器接收的信号中减去该读数。
上述设备原则上可以以任何规模构建。由于使用比率R1/R2来确定距离部分地依赖于跨表面的反射率的相对均匀性，因此在较小规模上提高了准确度。因此，该设备的特定应用包括近距离距离测量，例如，如上所述的光学传感器可以包括在耳塞上，以检测它们已经插入耳朵多远(允许调整音频输出以确保最佳收听体验)，或者包括在可穿戴电子设备上，以区分正被穿戴的设备和正在充电底座中的设备等。这种近距离应用对于现有的飞行时间传感器特别成问题，现有的飞行时间传感器难以准确地测量小于20mm的距离(而如上所述的设备原则上没有最小距离，假定传感器和光源适当对准)。较长距离的应用包括用于机器人真空吸尘器或建筑物内的其他自主移动设备，用于检测台阶和其他“悬崖”。一个或多个这样的传感器的使用也可以用于实现设备的“手势”控制，例如，如果表面(诸如手)在离传感器特定距离处挥动，或者具有特定的移动模式，则激活功能。
上述设备在小于100mm的距离处特别有用，因为确保超过该距离的窄视场和照明场所需的光学器件是复杂的，这降低了该设备相对于基于飞行时间的机制的优点。鉴于此，并且鉴于飞行时间传感器在短距离(例如，小于50mm)处是不可靠的，可以使用包括如上所述的光学距离传感器和飞行时间传感器两者的组合传感器。
在一个示例中，如图5所示，第一组光源和传感器可以由飞行时间传感器501使用，第二组光源和两个传感器可以由光学距离传感器502使用，如上所述。光学距离传感器的传感器被布置成使得光学距离传感器的两个重叠区域覆盖期望的感测区域至少第一距离D，并且飞行时间传感器的光源和传感器被布置成使得它们的视场和照明场之间的重叠覆盖期望的感测区域至少超过距离D。控制器(未示出)接收来自所有传感器的信号，并且如果飞行时间传感器501指示到对象的距离小于D(或者没有返回可用读数)，则控制器使用来自光学距离传感器502的读数。可替代地或另外地，控制器可以被配置为检查光学距离传感器502的读数，并且如果光学距离传感器502指示距离大于D，或者没有返回可用读数，则使用来自飞行时间传感器501的距离测量。在任一种情况下，效果是控制器针对小于D的距离基于来自光学距离传感器502的信号来确定距离，并且针对大于D的距离(高达飞行时间传感器的最大范围)基于来自飞行时间传感器的信号来确定距离。虽然图5示出了用于飞行时间传感器501的传感器和源在用于光学距离传感器502的传感器和源的任一侧，但是这些可以是任何合适的布置。
在如图6所示的第二示例中，单组光源601和传感器602、603由飞行时间传感器611和如上所述的光学距离传感器612共享。例如，由于从光源601反射的光，飞行时间传感器611可以从由传感器602接收的信号确定距离，并且可以控制光源应用适当的调制以实现飞行时间距离测量。同时，由于从光源601反射的光，光学距离传感器612可以根据从传感器602和603接收的信号来确定距离，并进行适当的校正以考虑由飞行时间传感器执行的任何调制。如前所述，控制器613通过使用来自低于指定距离阈值的光学距离传感器的结果以及来自高于该阈值的飞行时间传感器的结果来确定最终距离测量。
在上面提到“控制器”的情况下，这可以实现为硬件和软件的任何合适的组合，例如ASIC、运行适于执行所需功能的代码的通用处理器等。控制器不需要是单个设备，并且可以包括协作设备的阵列或设备内各个处理器、存储器元件的阵列等。在控制功能归因于其他元件(例如，归因于飞行时间传感器611)的情况下，这是为了便于理解整个方法，并且这些控制功能可以集成到控制器中，或者执行那些功能的这种其他元件可以被认为是“控制器”的一部分。
虽然上面已经描述了具有两个传感器的系统，但是可以使用另外的传感器，其中不同传感器对的比率用于验证距离测量，或者用于在不同距离处提供改进的灵敏度。
在上述描述涉及“光”的情况下，这应当被认为包括可见光、红外线和紫外线。
类似的系统可以与超声而不是光一起使用，如图7所示。超声传感器包括第一超声传感器701和第二超声传感器702以及超声源703。超声传感器和超声源被布置成使得第一超声传感器的视场711在第一重叠区域721中与超声源的目标场713重叠，并且第二超声传感器的视场712在第二重叠区域722中与超声源的目标场713重叠。在图7所示的情况下，第一重叠区域是第二重叠区域的严格子集，但是不一定是这种情况--将存在第一重叠区域与第二重叠区域相交的区域，但是第一重叠区域可以具有在第二重叠区域之外的子区域，反之亦然。
超声的“目标场”是指在不存在除了超声距离传感器本身的反射表面之外的任何反射表面的情况下暴露于超声的体积，即，相当于图3中的光源的照射场。
具有在两个重叠区域内的表面的对象704将在第一传感器处产生信号R1，并且在第二传感器处产生信号R2。R1和R2中的每一个将主要取决于每个区域内的表面的面积、表面的反射率和超声源的强度。比率R1/R2(及其倒数)将不取决于表面的反射率或其他表面性质(假设它是均匀的，这在大多数情况下对于小区域是良好的近似)，因为这将抵消。因此，可以使用该比率(或其倒数)(具有合适的校准)来确定光学传感器和表面之间的距离。
上面针对光学传感器描述的所有具体示例也适用于超声传感器，例如，传感器的目标场和视场可以是任何合适的形状或对准，并且可以使用多个超声源。类似于光学传感器，超声传感器可以与超声飞行时间传感器组合，其中距离阈值确定哪个传感器用于提供最终读数。
附图标记列表：
101 光源
102 光传感器
103 对象
111 光源101的照明场
112 光传感器102的视场
113 在111和112之间的重叠区域
114 反射光的路径
201 光传感器
202 光源
203 光源
211 光传感器201的视场
212 光源202的照明场
213 光源203的照明场
221 在211和212之间的重叠区域
222 在221和213之间的重叠区域
301 光传感器
302 光传感器
303 光源
304 对象
311 光传感器301的视场
312 光传感器302的视场
313 光源303的照明场
321 在311和313之间的重叠区域
322 在312和313之间的重叠区域
401 光传感器
402 光传感器
403 光源
404 对象
411 光传感器401的视场
412 光传感器402的视场
413 光源403的照明场
421 在411和413之间的重叠区域
422 在412和413之间的重叠区域
501 飞行时间传感器
502 光学距离传感器
601 光源
602 光传感器
603 光传感器
611 飞行时间传感器
612 光学距离传感器
613 控制器
701 光传感器
702 光传感器
703 光源
704 对象
711 光传感器701的视场
712 光传感器702的视场
713 光源703的照明场
721 在711和713之间的重叠区域
722 在712和713之间的重叠区域

Claims (12)

1.一种光学传感器，包括：
光源(303)，其具有照明场(313)；
第一光传感器(301)和第二光传感器(302)，其具有相应的第一视场(311)和第二视场(312)；
其中：
所述照明场和所述第一视场的相交形成第一重叠区域(321)；
所述照明场和所述第二视场的相交形成第二重叠区域(322)；
使得当表面(304)在所述第一重叠区域和所述第二重叠区域中的一个或两个内时，所述表面将来自所述光源的光反射到相应的光传感器；
控制器，其被配置为基于由所述第一传感器接收的来自所述光源的反射光与由所述第二传感器接收的来自所述光源的反射光的比率来确定到所述第一重叠区域和所述第二重叠区域中的一个或两个内的表面的第一距离测量。
2.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述第一重叠区域是所述第二重叠区域的子集，或者所述第二重叠区域是所述第一重叠区域的子集。
3.根据权利要求1所述的光学传感器，其中所述第一重叠区域具有在所述第二重叠区域之外的子区域，并且所述第二重叠区域具有在所述第一重叠区域之外的子区域。
4.根据任一前述权利要求所述的光学传感器，其中所述控制器还被配置为：
对所述光源应用调制；
基于从所述光源到所述第一传感器的反射光的飞行时间来确定到所述表面的第二距离测量；
如果所述第一距离测量或所述第二距离测量中的至少一个低于阈值距离，则输出所述第一距离测量，并且如果所述第一距离测量或所述第二距离测量中的至少一个高于阈值距离，则输出所述第二距离测量。
5.根据权利要求4所述的光学传感器，其中所述阈值距离在50mm和100mm之间。
6.一种光学传感器阵列，包括：
根据权利要求1至3中任一项所述的光学传感器(502)；
光学飞行时间传感器(501)，其包括第三光传感器、另外的光源和飞行时间系统，所述飞行时间系统被配置为基于由所述另外的光源发射、由所述对象反射并由所述第三光传感器接收的光的飞行时间来确定到所述表面的第二距离测量；
其中所述控制器被配置为如果所述第一距离测量或所述第二距离测量中的至少一个低于阈值距离，则输出所述第一距离测量，并且如果所述第一距离测量或所述第二距离测量中的至少一个高于阈值距离，则输出所述第二距离测量。
7.根据权利要求6所述的光学传感器，其中所述阈值距离在50mm和100mm之间。
8.一种操作光学传感器的方法，所述光学传感器包括：
光源，其具有照明场；
第一光传感器和第二光传感器，其具有相应的第一视场和第二视场；
其中：
所述照明场和所述第一视场的相交形成第一重叠区域；
所述照明场和所述第二视场的相交形成第二重叠区域；
使得当表面在所述第一重叠区域和/或所述第二重叠区域内时，所述表面将来自所述光源的光反射到相应的光传感器；
所述方法包括基于由所述第一传感器接收的来自所述光源的反射光与由所述第二传感器接收的来自所述光源的反射光的比率来确定到所述第一重叠区域和所述第二重叠区域中的一个或两个内的表面的距离。
9.一种超声传感器，包括：
超声源(703)，其具有目标场(713)，所述目标场是暴露于来自所述源的超声的体积；
第一超声传感器(701)和第二超声传感器(702)，其具有相应的第一视场(711)和第二视场(712)；
其中：
所述目标场和所述第一视场的相交形成第一重叠区域(721)；
所述目标场和所述第二视场的相交形成第二重叠区域(722)；
使得当表面(704)在所述第一重叠区域和所述第二重叠区域中的一个或两个内时，所述表面将来自所述超声源的超声反射到相应的超声传感器；
控制器，其被配置成基于由所述第一传感器接收的来自所述超声源的反射超声与由所述第二传感器接收的来自所述超声源的反射超声的比率来确定到所述第一重叠区域和所述第二重叠区域中的一个或两个内的表面的第一距离测量。
10.根据权利要求9所述的超声传感器，其中所述第一重叠区域是所述第二重叠区域的子集，或者所述第二重叠区域是所述第一重叠区域的子集。
11.根据权利要求9所述的超声传感器，其中所述第一重叠区域具有在所述第二重叠区域之外的子区域，并且所述第二重叠区域具有在所述第一重叠区域之外的子区域。
12.一种操作超声传感器的方法，所述超声传感器包括：
超声源，其具有目标场，所述目标场是暴露于来自所述源的超声的体积；
第一超声传感器和第二超声传感器，其具有相应的第一视场和第二视场；
其中：
所述目标场和所述第一视场的相交形成第一重叠区域；
所述目标视场和所述第二视场的相交形成第二重叠区域；
使得当表面在所述第一重叠区域和/或所述第二重叠区域内时，所述表面将来自所述超声源的超声反射到相应的超声传感器；
所述方法包括基于由所述第一传感器接收的来自所述超声源的反射超声与由所述第二传感器接收的来自所述超声源的反射超声的比率来确定到所述第一重叠区域和所述第二重叠区域中的一个或两个内的表面的距离。
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