CN115436915A - 具温度补偿的光传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种具温度补偿的光传感装置,可在不同环境温度下,调整或校正发光元件的发光次数、时间及功率,使光传感装置所接收的光信号数值维持一致或在预设的误差范围内,具多种应用场景。本发明可解决因温度变化造成发光元件功率飘移的问题,使光传感装置在多种温度环境下仍可维持距离判读的准确性。
Description
技术领域
发明涉及一种光传感装置,特别是具温度补偿的光传感装置。
背景技术
光传感装置通常利用红外线发光元件发射红外线至外部待测物,感光元件接收反射光并转换为电信号,再利用控制单元判读该信号以完成特定传感功能,例如距离传感器。红外线发光元件常用发光二极管(LED)或垂直共振腔面射激光(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser,VCSEL),红外线感光元件常用光二极管(photodiode)。
功率固定下,VCSEL所发射的红外线强度会随着温度变化,如图1所示。温度越高,红外线强度越低,光二极管所接收的反射光强度就越低,造成电信号较弱,控制单元判读结果就越不准确,此现象称为温度漂移。本发明提出红外线发光元件的温度漂移的校正方案,详如后述。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供一种具温度补偿的光传感装置,利用设置温度追踪表单元及温度传感单元,可即时或定时地监控光传感装置所在的环境温度,并根据温度追踪表单元取得当下环境温度对应的参考值,进一步调整发光元件的发光次数、持续时间及功率等以减少温度造成的功率漂移误差。
本发明的具温度补偿的光传感装置,包含:一控制模块;一发光模块,包含一发光元件以及一驱动器,该驱动器耦接该发光元件以及该控制模块,该驱动器接受从该控制模块输出的一光控制信号,驱动该发光元件发出一检测光;一温度追踪表单元,连接至该控制模块,用以储存该发光元件的一温度功率对照表;一光接收模块,接收该检测光经一待测物反射之一反射光,并产生一光传感信号;一模拟前端模块(AFE),连接至该光接收模块,用以接收该光传感信号,并输出一光模拟信号;一同步序向模拟数字转换器(one cycle clockbase ADC),耦接至该模拟前端模块与该控制模块之间,用以接收该光模拟信号,并输出一光数字信号至该控制模块;以及一温度传感单元,通过一第一切换单元(SW1)耦接至该同步序向模拟数字转换器,用以传感一环境温度并对应输出一温度传感信号至该同步序向模拟数字转换器,由该同步序向模拟数字转换器输出一温度数字信号至该控制模块;其中该控制模块连接至该第一切换单元(SW1),用以控制该第一切换单元(SW1)闭路或开路。
本发明可解决因温度变化造成发光元件功率飘移的问题,使光传感装置在多种温度环境下仍可维持距离判读的准确性。
附图说明
图1为垂直共振腔面射激光的温度功率曲线图。
图2为本发明光传感装置的元件配置图。
图3为本发明光传感装置驱动发光元件的电路配置图。
图4为本发明光传感装置进行温度补偿的时序图。
图5为本发明光传感装置的校正流程图。
图6为本发明光传感装置校正前后的光数字信号数值曲线图。
附图标号
10:本发明光传感装置
101:微控制器
102:数字信号处理器
103:时序控制器
104:驱动器
105:发光元件
106:光接收模块
107:滤光片
108:模拟前端模块
109:同步序向模拟数字转换器
110:温度传感单元
111:温度追踪表单元
20:待测物
50:检测光
51:反射光
SW1:第一切换单元
SW2:第二切换单元
S1~S6:步骤
具体实施方式
以下各实施例配合图式,用以说明本发明的精神,让本领域技术人员能清楚理解本发明的技术,但非用以限制本发明的范围,本发明的专利权范围应由权利要求界定。特别强调,图式仅为示意之用,并非代表元件实际的尺寸或数量,部份细节可能也不完全绘出,以求图式的简洁。
本发明提出红外线发光元件的温度漂移的校正方案。利用放大电路,依据发光元件对于环境温度的特性,校正发光二极管(LED)或正垂直共振腔面射激光(VCSEL)的输出功率。
本发明的光传感装置设置温度追踪表单元及温度传感单元,温度传感单元可即时或定时量测环境温度,控制单元依据环境温度,从温度追踪表单元中,比对发光元件温度功率对照表,取得目前环境温度发光功率的校正值,使光接收元件所接收的反射光强度维持一致或在预设误差范围内,本发明的光传感装置应用更加广泛。
本发明利用控制单元切换为校正模式或操作模式。在校正模式下,会读取目前环境温度下的发光元件功率的校正值或感光元件电信号的增益值,设定完成校正后进入操作模式。操作模式下,发光元件依据取发光元件功率的校正值,设定发光功率;或依据感光元件电信号的增益值以增益电信号。
通常启动时,或者使用期间每隔一定时间间隔,会启动校正模式,然后进入操作模式。本发明的校正模式所需时间极短,使用者在操作上,不会感受到校正模式。另外,进入校正模式时,如传感温度与操作模式的温度差异低于一定阈值,不会重新读取校正值或增益值,而是快速回到操作模式,避免不必要的校正回路。
本发明的光传感装置在温度传感单元与同步序向模拟数字转换器之间设置切换单元,切换单元受控制单元控制,形成闭路时,光传感装置进入校正模式,量测环境温度,读取发光元件功率的校正值或感光元件电信号的增益值;形成开路时,进入操作模式,利用发光元件功率的校正值或感光元件电信号的增益值,设定发光元件的发光功率或感光元件(LED)的电信号增益,此种分时多工处理方式可节省资源消耗且启动反应迅速。
请参阅图2,为本发明光传感装置的元件配置图,光传感装置10包含控制模块、发光模块、连接于控制模块的温度追踪表单元111、光接收模块106、模拟前端模块(AFE)108、同步序向模拟数字转换器(one cycle clock base ADC)109、温度传感单元110、设置于温度传感单元110与同步序向模拟数字转换器109的第一切换单元SW1以及设置于模拟前端模块108与同步序向模拟数字转换器109的第二切换单元SW2。
本实施例读取目前环境温度,通过驱动器104转换成发光元件(VCSEL)脉冲电压,通过脉冲次数、脉冲宽度以及脉冲强度而得以控制发光功率。
发光模块包含发光元件105以及驱动器104,驱动器104耦接发光元件105以及控制模块之间,驱动器104可接受从控制模块输出的光控制信号,以驱动发光元件105发出检测光50,此实施例使用的发光元件105为垂直共振腔面射激光。
温度传感单元110传感环境温度并对应输出温度传感信号至同步序向模拟数字转换器109,由同步序向模拟数字转换器109转换并输出温度数字信号至控制模块。
光接收模块106接收检测光50经待测物20反射之反射光51,并产生光传感信号至模拟前端模块108,经模拟前端模块108转换并输出光模拟信号至同步序向模拟数字转换器109,经同步序向模拟数字转换器109转换并输出光数字信号至控制模块。在其他实施例中,可选择地设置滤光片107于光接收模块106周围使光接收模块106可接收不同颜色的光,滤除不同颜色的光串扰或干扰。
控制模块包含微控制器101,利用储存于温度追踪表单元111的温度功率对照表取得并储存温度数字信号所对应的参考值(例如,发光元件的校正值),通过微控制器101,将参考值(例如,发光元件的校正值)传送给数字信号处理器102,并转换成脉冲的时序控制信号,通过时序控制器103设定驱动器104,而能够驱动发光元件(LED)。光控制信号包含发光次数、发光时间(脉冲宽度)以及发光强度,因此能够控制发光元件(LED)的发光功率。
控制模块可连接至第一切换单元及第二切换单元并控制其闭路或开路,当第一切换单元切换成闭路及第二切换单元切换成开路时,光传感装置进入校正模式以量测温度,此时发光模块、光接收模块106及模拟前端模块108停止运作以节省能源;当第一切换单元切换成开路及第二切换单元切换成闭路时,光传感装置进入操作模式,此时温度传感单元110停止运作。
微控制器101更包含内建存储器用以储存参考值,其中存储器可为一次性编程存储器(one-time programming ROM)或快闪存储器(flash memory)。
请参考图3,为本发明光传感装置驱动发光元件的电路配置图。在此实施例中,发光元件可以为多个,皆分别连接至不同的驱动器,且每一发光元件彼此以切换单元连接,依光控制信号启动一或二个以上的发光元件以增加检测光强度,例如VCSEL可以为单一或多个子发光元件(cell),视需求调整,多个子发光元件的发光功率可相互不同,与待测物的距离越远,功率越大。
请参考图4,为本发明光传感装置进行温度补偿的时序图。在一实施例中,当环境温度以-40℃起始值,如超过20℃及/或85℃预设值时,发光次数、发光时间及/或发光强度倍增,例如20℃时的发光次数/强度为-40℃时的发光次数/强度的两倍,85℃时的发光次数/强度为20℃时的发光次数/强度的两倍,以及20℃时的发光时间为-40℃时的发光时间的两倍,85℃时的发光时间为20℃时的发光时间的两倍。在另一实施例中,发光次数、发光时间及/或发光强度可混合调整,例如-40℃时为发光两次,在20℃时则改为发光一次但发光时间为-40℃时的发光时间的两倍,在85℃时改回发光次数为-40℃时的发光次数的四倍。特别说明,前述-40℃、20℃及85℃发光时间的倍率与VCSEL特性相关,亦可以非整数倍率做调整,如2.1、2.2…等倍率。
接着参考图5,为本发明光传感装置的校正流程图。当光传感装置启动时(步骤S1),控制模块中的微控制器可从内建存储器(有限状态机器(FSM))中读取先前的光控制信号信息(步骤S2),接着判断是否经过一时间间隔(步骤S3),例如8~15秒钟,如是,进入校正模式;如否,则不进行校正。
在校正模式中,微控制器从温度传感单元取得环境温度信息(步骤S4),从温度追踪表单元中的温度功率对照表取得环境温度信息所对应的参考值(步骤S5),调整/更新发光次数、发光时间及/或发光强度以得到校正后的光控制信号信息(步骤S6),即可完成校正程序。
在其他实施例中,微控制器判断已经过一时间间隔(步骤S3)并从温度传感单元取得环境温度信息(步骤S4)后,可再进一步判断温度差是否超过预设值,例如1~10℃,如是,则进入校正模式;如否,则不进行校正。特别说明,预设值的范围可依使用需求而定,如一般使用者端的温度差小于5%即可,工业端的温度差则需小于1%。
请参考图6,本发明光传感装置校正前后的光数字信号数值曲线图。校正前,随温度上升,光数字信号数值曲线逐渐递减,整体误差可达一倍以上;校正后,光数字信号数值曲线维持平缓,且整体误差可控制在5%内。
Claims (10)
1.一种具温度补偿的光传感装置,其特征在于,包含:
一控制模块;
一发光模块,包含一发光元件以及一驱动器,该驱动器耦接该发光元件以及该控制模块,该驱动器接受从该控制模块输出的一光控制信号,驱动该发光元件发出一检测光;
一温度追踪表单元,连接至该控制模块,用以储存该发光元件的一温度功率对照表;
一光接收模块,接收该检测光经一待测物反射的一反射光,并产生一光传感信号;
一模拟前端模块,连接至该光接收模块,用以接收该光传感信号,并输出一光模拟信号;
一同步序向模拟数字转换器,耦接至该模拟前端模块与该控制模块之间,用以接收该光模拟信号,并输出一光数字信号至该控制模块;以及
一温度传感单元,通过一第一切换单元耦接至该同步序向模拟数字转换器,用以传感一环境温度并对应输出一温度传感信号至该同步序向模拟数字转换器,由该同步序向模拟数字转换器输出一温度数字信号至该控制模块;
其中该控制模块连接至该第一切换单元,用以控制该第一切换单元闭路或开路。
2.如权利要求1所述的光传感装置,其特征在于,该控制模块包含:
一微控制器,利用该温度功率对照表取得并储存该温度数字信号所对应的一参考值;
一数字信号处理器,连接该微控制器,用以接收该参考值并将该参考值转换成一时序控制信号;以及
一时序控制器,连接于该数字信号处理器与该驱动器之间,用以接收该时序控制信号并将该时序控制信号转换成该光控制信号。
3.如权利要求2所述的光传感装置,其特征在于,该微控制器包含一内建存储器。
4.如权利要求1所述的光传感装置,其特征在于,该光控制信号包含一发光次数、一发光时间以及一发光强度。
5.如权利要求4所述的光传感装置,其特征在于,当该环境温度超过至少一预设值,该发光次数、该发光时间及/或该发光强度倍增。
6.如权利要求1所述的光传感装置,其特征在于,更包含一第二切换单元耦接至该模拟前端模块与该同步序向模拟数字转换器之间,其中该控制模块连接至该第二切换单元,用以控制该第二切换单元闭路或开路。
7.如权利要求1所述的光传感装置,其特征在于,该控制模块依据一时间间隔切换该第一切换单元为闭路,使该光传感装置进入一校正模式,校正完成后,该控制模块切换该第一切换单元为开路,使该光传感装置进入一操作模式。
8.如权利要求7所述的光传感装置,其特征在于,该时间间隔为8~15秒。
9.如权利要求7所述的光传感装置,其特征在于,该控制模块更依据一温度差,使该光传感装置进入该校正模式,校正完成后,该控制模块切换该第一切换单元为开路,使该光传感装置进入该操作模式。
10.如权利要求9所述的光传感装置,其特征在于,该温度差为1~10℃。
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