KR101355293B1 - 전기 광학 기본 커플링을 가진 광전자 측정 장치 - Google Patents

전기 광학 기본 커플링을 가진 광전자 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 클럭 위상에 기초하여 광을 순차적으로 방출하는 송신 광 소스 (2) 및 보상 광 소스 (3) 를 가진, 외부 광으로부터 높은 정도로 독립적인 광전자 측정 장치에 관한 것이며, 여기서 방출된 광은 각각 위상 시프트된다. 제어 유닛 (12) 은, 상이한 위상들 사이에 발생하는 클럭-동기 신호 차이가 제로가 되도록, 보상 광 소스 (3) 및/또는 송신 광 소스 (2) 의 진폭에 대한 광 세기가 보상 제어 전류 및/또는 송신 제어 전류를 제어함으로써 제어될 수 있는 방식으로 구현된다. 기본 커플링 광 소스 (17) 에는 기본 커플링 전류 소스 (15) 의 기본 커플링 제어 전류가 공급된다. 후자는 광이 측정 오브젝트 (13) 에 영향을 받지 않도록 상기 광을 광 수신기 (4) 에 직접적으로 송신한다. 기본 커플링 제어 전류는 측정 장치 (1) 의 원하는 감도가 달성되고/되거나 원하는 동작 포인트, 바람직하게는 제어 유닛의 정지 포인트가 설정될 수 있는 방식으로 설정되며, 여기서 검출될 오브젝트 (13) 의 부재시에, 제어 유닛 (12) 은 기본 커플링 광 소스 (15) 에 의해 수신된 측정 신호가 보상되는 방식으로 송신 광 소스 (2) 및/또는 보상 광 소스 (3) 를 제어한다. 클럭화된 송신 제어 전류를 생성하기 위한 제어가능한 전류 소스 (9) 및 클럭화된 기본 커플링 제어 전류를 생성하기 위한 제어가능한 기본 커플링 전류 소스 (15) 는 위상 동기 방식으로 클럭 생성기 (8) 의 클럭 신호로 클럭화된다. 클럭화된 보상 제어 전류를 생성하기 위한 제어가능한 보상 전류 소스 (10) 는 클럭 생성기 (8) 의 반전된 클럭 신호로 클럭화된다.

Description

전기 광학 기본 커플링을 가진 광전자 측정 장치{OPTO-ELECTRONIC MEASURING ARRANGEMENT WITH ELECTRO-OPTICAL BASIC COUPLING}
본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부의 특징들을 가진 광전자 측정 장치에 관한 것이다.
그러한 종류의 광전자 측정 장치는 (순수) 광 송신기 기본 커플링을 가진, ELMOS AG 에 의해 개발된 HALIOS® 원리에 따라 기능한다. 이 측정 원리는 관련된 기술에서 알려진 원리이며 US 5,666,037; EP 0 706 648 B1; EP 1 671 160 B1; DE 100 01 955 A1 를 포함한 다양한 문서들에서 설명된다.
이하에서 "센서" 라고 지칭되는 이 측정 장치는 이하에서 "송신기" 라고 지칭되는 송신 광 소스뿐만 아니라 이하에서 "보상기" 라고 지칭되는 보상 광 소스를 포함한다. 양쪽 광 소스 모두는 송신 페이즈 (phase) 또는 보상 페이즈에서 각각 광을 (정상적으로 IR 스펙트럼에서) 송신하기 위하여 별도의, 전용 전류 드라이버에 의해 교번하여 에너자이징된다. 이 목적을 위하여, 클록 발생기는 서로에 대하여 180°위상 시프트된 클록 신호들을 이용하여 전류 드라이버들을 제어한다. 주파수는 몇 kHz 로부터 수백 kHz 의 범위 내에 있을 수도 있다.
포토다이오드를 통하여, 광 수신기는 양쪽 광 소스들에 의해 방출된 광의 일부를 수신하고 그것을 전류 교류 신호들로 변환한다. (일반적으로 주변 광으로부터 발신하는) 직류 및 저 주파수 신호 컴포넌트들의 분리 후에, 전류 교류 신호들은 이 전류 신호들을 전압들로 변환하는 트랜스임피던스 증폭기 (TIA) 로 하이 패스 기능 (예를 들면, 커패시터) 을 통하여 포워딩된다. 다시, 이 전압들은 동기식 복조기에서 송신 페이즈와 보상 페이즈에 교호적으로 할당되며 제어 유닛으로 포워딩된다. 제어 유닛은 이 2 개의 신호 컴포넌트들의 진폭을 등화하는 기능을 가진다. 이를 위하여, 제어 유닛은 필요에 따라 보상기 및 송신기를 통하여 전류들의 진폭들을 조정한다. 애플리케이션에 따라, 일정한 송신기 전류 진폭으로 보상기 전류의 진폭만을 조정하거나, 그와 반대로 일정한 보상기 전류 진폭으로 송신기의 진폭만을 조정하는 것이 또한 가능하다. 보상기 전류의 진폭들은 보통 극소수의 mA 의 범위 내에 있다. 애플리케이션에 따라, 송신기 전류 진폭들은 몇 mA 내지 수백 mA 의 범위 내에 있을 수도 있다.
송신기에 의해 센서를 둘러싼 영역으로 방출된 광은 센서 외부에서 측정될 (검출될) 오브젝트에 영향을 준다. 이 오브젝트는 영향을 주는 광의 일부를 센서의 포토다이오드로 다시 반사한다. 포토다이오드에 의해 수신된 전류와 그것을 위해 사용된 송신 전류 사이의 비율은, 센서가 결정하여 제어기 보정 신호에 반영하는, 송신기-측정 오브젝트-포토다이오드 경로의 커플링 팩터이다.
송신 광의 다른 (일반적으로 더 작은) 부분은 센서 내에서 포토다이오드에 도달하며, 따라서 측정 오브젝트와는 독립적이다. 이것은 (이하에서 광 기본 커플링 "OBC" 로 지칭되는) 송신기-포토다이오드 경로의 (내부) 광 커플링 팩터에 대응하는 광의 일부이다. 이것은 센서 내의 광 경로의 기하학적 파라미터들 (거리들, 각도들) 및 재료의 특성들 (반사 또는 감쇠) 에 전적으로 좌우되므로 (순수하게) 광 커플링 팩터이다. 수학적 측면에서, 광 기본 커플링은 측정 오브젝트를 가지지 않은 포토다이오드 내에서 송신 광에 의해 생성된 전류와 그것을 위해 사용된 송신 전류 사이의 비율이다. 따라서, 센서 내에 로케이팅된 광 경로를 통하여 포토다이오드로 송신된 송신 광의 부분만이 고려된다.
광 기본 커플링은 일정하며 대부분의 경우들에서 센서 커버에 의해 주로 정의된다. 예를 들면, LED 가 송신기로서 사용되고 50 mA 의 LED 송신 전류가 50 nA 의 포토다이오드 전류를 생성하면, 이 경우에서의 광 기본 커플링 (OBC) 의 값은 1:1000000, 또는 다르게 표현하면 1 x 10- 6 이다.
보상기는 방출된 광이 (사실상) 측정 오브젝트에 도달할 수 없지만 대신에 센서 안쪽의 포토다이오드로 안내되도록 설계된다. 실제적인 애플리케이션에서, 보상 페이즈 동안 방사된 광의 일정 (보통 작은) 부분만이 센서의 포토다이오드에 영향을 미치도록, 보상기에 의해 방출된 광 컴포넌트는 소정 값으로 설정된다. 보상기 포토다이오드 경로의 광 커플링 팩터는 이 광 컴포넌트로부터 포토다이오드내에 생성된 전류와 그것을 위해 사용된 보상 전류 사이의 비율이다. 커플링 팩터는 일정하다. 보상기에 의해 방출된 광은 본질적으로 측정 오브젝트에 도달하지 않으므로, 따라서 이것은 측정에 대한 불변의 값 또는 기준을 나타낸다. 예를 들면, LED 가 보상기로서 사용되고 1 mA 의 LED 보상기 전류가 50 nA 의 포토다이오드 전류를 생성하면, 이 경우에서의 보상기 커플링의 값은 1:20000, 또는 다르게 표현하면 50 x 10- 6 이다.
송신기로부터 발신한 광과 보상기로부터 발신한 광 양쪽 모두는 포토다이오드를 포함하는 전체 수신기 경로를 따라 이동하므로, 양쪽 모두의 신호 컴포넌트들은 전체 수신기 경로의 송신 특징들에 의해 동일한 정도로 영향을 받는다. 수신기 경로는 포토다이오드뿐만 아니라 하이 패스 및 트랜스임피던스 증폭기를 포함한다. 수학적 측면에서, 전체 수신기의 송신 함수는 시스템 방정식들에서 상쇄되며, 그와 함께 포토다이오드의 광 감도 또는 온도 의존성과 같은 모든 관련있는 간섭 의존성들도 상쇄된다. 이것은, 다른 현상들 중에서, HALIOS® 측정 방법의 무관한 광으로부터의 높은 정도의 독립성을 설명한다. 센서는 충분한 태양광 (100klx) 에서도 기능적으로 유지된다. 이러한 불리한 주변 광 조건들 하에서도, 정의된 측정 범위 내에서 오브젝트를 신뢰성있게 검출하는 것은 전적으로 가능하다. 이 오브젝트의 이동들 또한 검출될 수도 있다. 따라서, 예를 들면, 상이한 방향들에서 손의 접근 또는 이 손의 와이핑 (wiping) 움직임을 구별하는 것이 가능하다. 손가락 (두드림) 으로 센서를 터치하는 것은 스위칭 기능들로서 또한 해석될 수도 있다. 강력한 광학 시스템들을 구비하면, HALIOS® 원리에 따라 작동하는 센서는, 예를 들면, 5 m 또는 10 m 의 상당한 거리에서도 오브젝트, 컨베이어 벨트 상의 수하물의 아이템을 검출할 수 있다.
광 송신기 기본 커플링 (OBC) 은 전체 측정 장치에 대한 제어 유닛 정지 값을 결정한다. 센서 근처에 측정 오브젝트가 없으면, 송신 페이즈 동안 센서 외부에서 포토다이오드에 반사된 광은 없다. 센서 시스템은 오직 광 기본 커플링 (OBC) 에 맞추어 조정될 뿐이다. 이것은 센서의 특성들의 전체 범위에 영향을 끼침에 있어서 결정적이다: 예를 들면, 광 기본 커플링은 센서의 감도를 정의한다. 센서의 광 기본 커플링이 높으면, 송신기로부터 방출된 광의 비교적 작은 부분만이 측정 오브젝트에 의해 수정된다. 결과적으로 센서의 감도는 대응하여 낮아진다. 이것은 센서의 작은 측정 범위와 등가이다. 정반대로, 작은 광 기본 커플링은 높은 센서 감도를 나타내며, 이것은 다시 센서의 측정 범위를 확대한다. 동시에, (누락된) 측정 오브젝트의 고에너지 신호 컴포넌트는 이 동작 포인트에 전체적으로 존재하지 않기 때문에 센서 시스템은 적은 또는 더 적은 에너지를 이용하여 기능해야 하므로, 작은 광 기본 커플링 값은 또한 정지 값이 잡음에 의해 더욱 영향을 받는다는 것을 의미한다. 잡음 신호들은 조정 프로세스의 진행을 늦추며, 측정 오브젝트가 센서로부터 멀어지도록 이동하면 이것은 다시 센서의 응답 시간을 늦추는 결과를 초래한다.
광 기본 커플링은 따라서 HALIOS® 원리에 따라 작동하는 임의의 센서에서의 중요한 파라미터이며, 이것은 그러므로 매우 정밀하게 조정되어야 한다. 관련된 기술로부터 알려진 측정 장치들에 대하여, 광 기본 커플링에 대한 셋팅들은 구조적 특징들 및 센서에 대한 변화들에 의해 독점적으로 이루어진다. 센서의 조정은 그러므로 매우 정교하며 고정된 값에 대해서만 이루어질 수 있다. 특히 포토다이오드로부터 상이한 거리들에 위치한 다수의 송신기들을 포함하는 측정 장치들 (센서들) 에 대하여, 포토다이오드와의 정의된 전용 광 기본 커플링이 각각의 송신기에 대하여 필요하다. 이를 위하여 해결되어야 할 광 기계적 문제는 보통 매우 복잡하며 센서의 생산 및 특히 설계를 매우 비싸게 만든다.
따라서, 기존의 관련된 기술에 기초하여, 개선된 광전자 측정 장치를 생산하는 목적 그 자체가 제시된다. 그러한 장치는 광 기본 커플링의 더욱 단순하고 최적화된 셋팅의 능력을 특히 제공해야 한다.
본 목적은 청구항 제 1 항의 특징들을 가진 광전자 측정 장치로 해결된다.
본 발명에 따른 광전자 측정 장치는 특히 오브젝트의 포지션 및/또는 이동을 캡처하기 위하여 사용된다. 측정 장치는 송신 광 소스 및 보상 광 소스를 포함하며, 각각의 소스는 클럭 위상에 기초하여 광을 순차적으로 방출한다. 소스들에 의해 방출된 광은 각각 위상-시프트된다. 측정 장치는 광 소스들에 의해 송신된 클럭 동기 측정 신호를 포함하는 광을 수신하기 위한 포토다이오드를 가진 광 수신기를 포함한다. 광 수신기는 또한 수신된 측정 신호에 기초하여 포토다이오드 내에 생성된 전류를 증폭하기 위한 증폭기 유닛을 가진다. 클럭 생성기는 클럭 신호를 생성한다. 클럭 신호는 송신 광 소스를 위한 클럭화된 송신 제어 전류를 생성하기 위한 제어가능한 전류 소스에 제공되며, 보상 광 소스를 위한 클럭화된 보상 제어 전류를 생성하기 위한 제어가능한 보상 전류 소스에 제공된다. 보상 전류 소스에는 반전된 클럭 신호가 공급된다. 측정 장치의 복조기는 포토다이오드에 의해 수신되고 트랜스임피던스 증폭기에 의해 대응하는 전압 신호로 증폭되고 변환되는 측정 신호 전류의 클럭 동기 평가를 위해 사용된다.
제어 유닛은 제어가능한 전류 소스 및/또는 보상 전류 소스를 위한 적어도 하나의 제어 신호를 생성한다. 제어 유닛은, 상이한 위상들 사이에 발생하는 클럭-동기 신호 차이가 제로가 되도록, 보상 광 소스 및/또는 송신 광 소스의 진폭에 대한 광 세기가 대응하는 제어 전류 (보상 제어 전류 또는 송신 제어 전류) 를 제어함으로써 제어될 수 있는 방식으로 구성되고 구축된다.
본 발명에 따르면, 광전자 측정 장치는 또한, 송신기 전류 드라이버와 클럭 및 위상 동기로 기능하는, 이하에서 "기본 커플링 전류 소스" 라고 지칭되는 (일반적으로 센서 내의 각각의 송신기에 대한) 추가 전류 소스를 포함하며, 다시 말해서 기본 커플링 전류 소스는 송신기 전류 드라이버가 펄스를 생성하는 시간과 정확하게 동일한 시간에 전류 펄스를 생성한다. 제어가능한 기본 커플링 전류 소스는 따라서 클럭화된 기본 커플링 제어 전류를 생성한다. 기본 커플링 전류 소스는 또한 클럭 생성기로부터의 클럭 신호를 통하여, 사실은 송신 광 소스와 동일한 클럭을 이용하여, 클럭화된다.
실시형태의 제 1 변형예에서, 기본 커플링 제어 전류는 바람직하게는 그 목적 (기본 커플링 광 소스) 을 위해 특별히 제공되고, 요구된 광량을 센서의 내부에서 독점적으로 포토다이오드에 방사하는 광 소스를 통과한다. 기본 커플링 광 소스는 측정 장치를 떠나서 외부로 (측정 장치의 밖으로) 퇴장하는 광 컴포넌트를 가지지 않는다. 그 결과, 기본 커플링 광 소스로부터의 광은 측정 오브젝트에 도달하지 않는다.
따라서, 기본 커플링 광 소스는 연관된 기술에서 알려진 측정 장치의 필요한 광 기본 커플링 (OBC) 을 생성하는 것에 대해 전적으로 또는 또한 단지 부분적으로 책임이 있다. 이것의 커다란 장점들은 이 광 소스의 배치에 대해 극소수의 제약사항들이 있다는 것 (즉, 그것이 송신기와는 독립적으로 배치될 수 있다는 것) 과, 그것이 포토다이오드와의 별개의, 개별적으로 조정가능한 광 커플링의 능력을 제공한다는 것과, 그 전류 세기가 개별적으로 (용이하고 신속하게) 설정될 수 있고 특히 바람직한 IC 변형예에서는 필요하면 심지어 재구성될 수도 있다는 것이다. 그러한 재구성은 따라서 전자 수단에 의해 단독으로 일어난다. 따라서, (이하에서 "EOBCEOBC" 라고도 지칭되는) 전자적으로 조정가능한 광 기본 커플링의 옵션이 발생된다.
기본 커플링 제어 전류는 측정 장치가, 정지 값의 셋팅을 통하여 주로 결정되는 원하는 감도를 가지도록 조정된다. 또한, 제어 유닛의 제어 및 다이나믹스들 (다이나믹 범위 및 거동) 의 안정성은 옵션적 또는 부가적 특징으로서 특별히 영향을 받을 수도 있다. 이를 위하여, 송신 광 소스 및/또는 보상 광 소스는, 검출될 오브젝트의 부재시에 기본 커플링 광 소스에 의해 방출된 수신된 측정 신호가 보상기 신호에 의해 보상되는 방식으로, 제어 유닛을 통하여 조정된다. 양쪽 측정 위상들 모두에서 광 수신기에서 교호적으로 측정된 위상-오프셋 신호들이 각각의 보상된 동작 포인트에서 동일한 방식으로, 보상이 수행된다. 따라서, 기본 커플링 광 소스는 측정 장치의 의도된 애플리케이션에 대해 원하는 또는 요구된 정지 값이 설정될 수도 있는 방식으로 보상된다. 기본 커플링 제어 전류는 따라서 이 중요한 동작 포인트를 정의하도록 제공된다.
기본 커플링은 검출될 오브젝트에 의한 (측정 신호) 광의 반사 없이 송신기 광 소스에 의해 방출된 광의 반사된 부분으로서 정의된다. 기본 커플링은 (측정 장치 안쪽에서의 반사와 함께 또는 반사 없이) 측정 장치 안쪽에서 포토다이오드에 독점적으로 안내되거나 또는 방사된 광 소스의 컴포넌트이다.
관련된 기술에서, 원하는 또는 필요한 광 기본 커플링은 일반적으로 광 기계적 구성 특징들을 통하여 설정된다. 특히 복수의 송신 광 소스들이 센서 (측정 장치) 내에 존재하면, 이것은 종종 매우 복잡해진다. 센서 표면상의 오물, 수분 또는 스크래치들은 또한 광 기본 커플링을 현저하게 손상시킬 수 있다.
본 발명의 문맥에서, 2 개의 부분들로 구성된 광 커플링이 송신 광 소스와 포토다이오드 사이에 존재한다는 것이 발견되었다. 광 커플링의 제 1 부분은 측정 장치에 의해 결정될 기능적인 오브젝트 커플링 부분이다. 이 부분은 따라서 측정 장치의 바깥쪽의 측정 오브젝트에 의해 반사된 광의 부분을 나타낸다. 측정 장치 근처에 오브젝트가 없으면, 포토다이오드에 의해 수신된 광의 이 부분은 제로와 등가이다. 제 2 부분은 송신기의 광 기본 커플링이다. 이 부분은 오직 센서 안쪽에서의 송신기와 포토다이오드 사이의 광 경로를 통한 포토다이오드의 조사에 기초한다. 기본 커플링은 그것이 몇 가지 방식들로 광 측정 장치에 영향을 미치기 때문에 매우 정밀하게 정의되어야 한다. 우선, 송신 광 소스의 기본 커플링은 측정 오브젝트가 존재하지 않아도 제어 유닛이 그것을 이용하여 작동하는 정확히 측정 변수이다. 그 결과, 기본 커플링은 특별히 측정 장치의 정지 값을 결정한다.
또한, 측정 장치의 감도 및 그것과 함께 센서의 범위는 또한 기본 커플링의 셋팅에 의해 영향을 받는다. 기본 커플링을 또한 변경하는 감도를 조정함으로써, 오브젝트가 여전히 측정 장치에 의해 검출되는 최대 거리를 정의하는 것이 가능하다.
기본 커플링이 측정 장치에 영향을 미치는 다른 방법은 그것이 측정 장치에서 잡음 전력 및 센서 신호의 연관된 결정 시간 (settling time) 에 기여하는 것이다. 그 결과, 기본 커플링은 또한 그것을 이용하여 측정 오브젝트들이 검출될 수 있는 속도에 영향을 끼친다.
본 발명의 문맥에서, 많은 애플리케이션 경우들에서 측정 장치의 광 기본 커플링이 낮거나 또는 매우 낮기 때문에, 또는 측정 장치의 광 기본 커플링이 바람직하게는 거의 무시할 만한 포인트로 목표된 방식으로 상당히 낮아질 수도 있기 때문에, 전기 광학 수단에 의해 필요하거나 누락된 커플링 값을 생성하는 것이 가능해진다. 기본 커플링 광 소스는 바람직하게는, 방출된 광이 정확한 세기를 가지고 포토다이오드에 도달하도록, 어느 정도는 기계적 광학 수단에 의해 실드 (shielded) 된다. 셋팅은 측정 오브젝트로부터 반사된 광 컴포넌트 없이 만들어진다. 전기 광학 기본 커플링은 그런 다음 기본 커플링 소스의 적합한 (전자) 제어를 통하여 허용가능한 제한들 내에서 조정하기 용이하다. 측정 장치의 원하는 정지 포인트 (동작 포인트) 는 그런 다음 매우 용이하게 설정될 수도 있다.
이러한 방식으로, 관련된 기술의 기존 측정 장치들이 유익하게 개선될 수도 있다. 이러한 방식으로, 기본 커플링은 그 내부에 송신 광 소스들 중 적어도 하나가 포토다이오드로부터 상당한 거리에 로케이팅되는 측정 장치에 대해 특별히 생성될 수도 있다. 광 기본 커플링의 전기적 생성은 임의의 송신 광 소스에 대하여 개별적으로 조정될 수도 있다. 따라서, 각각의 송신 광 소스들을 가진 개별 제어 루프들 중 임의의 루프에는 필요한 기본 커플링 값들이 개별적으로 공급될 수도 있다.
기본 커플링 광 소스 (EOBC) 에 의해 전기적으로 생성된 광 기본 커플링 (EOBC) 이 사용되면, 오직 기계적 광학 수단에 의해 송신 광 소스의 광 기본 커플링을 설정해야하는 것에 연관된 상당한 구성적 노력은 더 이상 팩터가 아니다. 따라서, 그러한 측정 장치들의 개발 및 제조는 상당히 더 단순하고 덜 비싸게 된다. 개발은 보다 신속하게 수행될 수 있다. 이것은 현재 다수의 송신 광 소스들의 사용을 특별히 가능하게 하는 현존하는 유일한 접근법이며, 이 송신 광 소스들의 일부는 광 수신기로부터 상당한 거리들에 로케이팅된다. 그 결과, 이 측정 방법에 기초한 측정 장치들을 위한 사용자 수락은 증가한다. 본 발명에 따른 측정 장치는 따라서 관련된 기술의 다수의 중요한 단점들을 극복한다.
본 발명의 문맥에서, 기본 커플링 광 소스는 보상 광 소스일 수도 있다는 것이 인식되었다. 제 2 바람직한 실시형태에서, 그러므로, 보상기 (다르게 말하면 보상 광 소스) 는 보상을 위하여 그리고 EOBCEOBC 에 대응하는 광 컴포넌트를 생성하기 위하여 사용된다. 이를 위하여, 보상 전류 드라이버의 전류와 기본 커플링 전류 소스의 전류는 병합 (함께 가산) 되어야 하며, 이 병합은 전자 수단을 이용하여 간단하게 이루어질 수도 있다. 이 경우에, 보상 전류는 보상 페이즈 동안 보상기를 통과하여 흐르고, 본 발명에 따라, 기본 커플링 전류 소스로부터의 전류도 또한 송신 페이즈 동안 보상기를 통과하여 흐른다. 이 방식으로, 보상 광 소스는 2 개의 목적들을 위하여 사용된다; 이 제 2 구현된 변형예에서, EOBCEOBC 를 생성하기 위한 부가의 광 소스는 더 이상 필요하지 않다.
EOBCEOBC 를 구비한 센서는, 애플리케이션에 의해 요구된 기본 커플링의 가능한 한 가장 큰 부분이 전기 광학 수단에 의해 생성될 수도 있도록, 바람직하게는 가능한 한 가장 작은 (순수) 광 기본 커플링 (이상적으로는 제로) 으로 구성된다. (순수) 광 기본 커플링 컴포넌트는 일반적으로 중요하지 않은 다양한 간섭 팩터들의 대상이 되므로, 이 상황은 가장 높은 안정성을 유지하면서 최상의 유연성 (구성능력) 을 생산한다. 제 2 의 구현된 변형예는 많은 간섭 팩터들에 대하여 특별히 양호한 저항을 특징으로 한다. 최소 선호 동작 포인트에서, 정지 상태, 다르게 말하면 측정 오브젝트가 존재하지 않고 광 반사가 포토다이오드에 도달하지 않으면, 전체 측정 장치는 최저 신호 파워를 이용하여 기능해야 한다. 그런 다음, 정지 출력 신호를 생성하기 위하여, 제어기는 EOBCEOBC 의 비교적 낮은 포토다이오드 전류를 보상기에 의해 생성된 포토다이오드 전류를 이용하여 단지 조정한다. 본 발명에 따르면, 양쪽 모두의 광 신호 컴포넌트들은 동일한 전기 광학 컴포넌트, 보상 광 소스에서 생성되며, 그 결과 이 컴포넌트에 연관된 간섭 팩터들에 동등하게 노출된다. 그러한 팩터들은 주로 약 -0.5%/K 인 IR LED 들로부터 생산된 광의 적합하지 않은 온도 계수이다.
놀랍게도, 선행 기술에서 알려진 기존의 측정 장치들은 과도한 노력 없이, 단지 부가 전류 소스를 그 장치들에 구비함으로써 상당히 개선될 수 있다는 것이 또한 발견되었다.
광전자 측정 장치의 바람직한 실시형태에서, 보상 광 소스를 통과하는 기본 커플링 전류는 50%, 20% 또는 10% 이하로 설정되거나, 또는 더 긴 범위를 가진 센서들의 경우에서 상당히 낮은 퍼센티지의 송신 제어 전류로 설정된다. 그러한 경우들에서, (순수) 광 기본 커플링은 바람직하게는 기능적 오브젝트 커플링에 비하여 가능한 한 작으며 (이 값의 5% 또는 2% 또는 1% 이하이며), 특히 바람직하게는 제로에 가깝다. 기본 커플링 소스의 기본 커플링 제어 전류를 조정함으로써 생성된 전기 광학 기본 커플링 (EOBCEOBC) 은 송신 광 소스의 낮거나 또는 존재하지 않는 광 기본 커플링을 보충 또는 대체한다.
바람직한 실시형태에서, 측정 장치는 보상 광 소스에 의해 제어 루프에서 차례로 순차적으로 보상 광 소스에 의해 보상되는 복수의 송신 광 소스들을 포함한다. 이를 위하여, 제어기는 송신 광 소스들 각각에 대하여 보상 광 소스를 이용한 보상을 수행한다. 최적화되고 조정된 기본 커플링 제어 전류는 이 제어 루프들 각각에 대하여 생성된다. 제어가능한 보상 제어 소스는 기본 커플링 제어 전류를 통하여 제어된다. 이 방식으로, 개별 전기 광학 기본 커플링은 각각의 개별 송신 광 소스에 대하여 생성될 수도 있다.
실제로, 제어 유닛들에 대한 광전자 측정 장치들에 있어서 복조기들, 클럭 생성기들 및 증폭기들을 칩 내에 집적하는 것이 일반적이다. 이 집적된 전기 또는 전자 컴포넌트는 바람직하게는 제어가능한 전류 소스들에 대한 신호 송신기들을 또한 포함한다. 전류 소스들, 특히 제어가능한 송신 광 전류 소스 및 기본 커플링 전류 소스는 하나 이상의 신호 송신기들에 의해 제어된다. 신호 송신기들, 특히 기본 커플링 전류 소스를 제어하기 위한 신호 송신기를 집적하는 것은 광전자 측정 장치의 구현에 있어서 중요한 부가적인 (하드웨어) 비용들을 수반하지 않는다. 단지 칩의 개발만이 부가적인 1 회의 노력을 수반한다. 이 정도로, 광전자 측정 장치에서의 전기 광학 기본 커플링 특징의 본 발명에 따른 부가는 극도로 비용 효과적이다.
본 발명에 따른 측정 장치는 많은 장점들을 가지고 있다. 전기 수단에 의해 광 기본 커플링을 제공하는 것은 측정 장치의 광 설계 (광학 설계) 에 대한 노력을 상당히 줄이는 결과를 초래한다. 광학기기에 의해 이전에 원래 충족되어야하는 3 개의 기술적 기준들, 즉, 최상의 가능한 송신, 최상의 가능한 수신 및 대응하는 광 기본 커플링의 생성 중에서, 이제 단지 2 개만이 동시에 충족되어야 한다. 이것은 측정 장치의 광 기계적 설계, 특히 구성적 레이아웃 (layout) 상에 훨씬 덜 엄중한 요건들을 부과하는 결과를 초래한다. 송신 광 소스로부터 광 수신기로의 광 기본 커플링에 대한 요건이 더 이상 없으므로, 기존의 센서들의 빈번한 임계 기본 커플링 경로들은 실질적으로 회피될 수도 있다. 이 광 기본 커플링 경로들은 종종 중요한 간섭 팩터들의 대상이 된다. 예를 들면, 많은 경우들에서, 컴포넌트 허용오차들 (tolerances) 및 설치 허용오차들, 재료 영향들 및 표면 특징들은 관련된 기술의 기본 커플링에 상당한 영향을 끼칠 수 있다. 전면 플레이트들 상의 수분, 오물 또는 스크래치등의 외부 영향들은 훨씬 더 중요하다. 이 팩터들은 전기 광학 기본 커플링이 사용되면 훨씬 덜 중요해진다. 더욱이, 그들의 설계는 센서 내의 기본 커플링 및 광 빔 경로들에 대한 특별화된 높은 레벨의 기술적 지식을 요구하였다. 본 발명에 따른 측정 장치에 대하여, 훨씬 더 크게 복잡한 애플리케이션들은 일반적으로 적은 전문화된 전문 기술을 이용하여 훨씬 더 용이하게 관리가능하다. 본 발명은 따라서 많은 상업적인 혜택을 제공한다.
본 발명에 따른 전기 광학 기본 커플링을 이용한 측정 장치는 또한 더 단순한 회로 기판 레이아웃을 가능하게 한다는 것이 밝혀졌다. 회로의 레이아웃은 주로 광학적이고 기계적인 요건들에 의해 결정된다. 그러나, 이것들은 이제 상당히 단순화된다. 본 발명에 따른 측정 장치는 또한 최적의 기본 커플링이 전자 수단에 의해 정확하게 발생되는 것을 가능하게 한다. 이것은 임의의 송신 광 소스 및 그 소스에 기초한 제어 루프에 대하여 수행하기에 용이하다. 그 결과, 사전정의된 방사된 파워에 대한 최적 잡음 값들 및 결정 시간이 또한 획득된다. 측정 장치는 더욱 빨리 그리고 더욱 정확하게 작동된다.
단 하나의 광 소스 또는 LED, 다시 말해서 바람직하게는 보상 광 소스는 기본 커플링에 그리고 기초 동작 포인트로서 정지 값의 정의에 포함되기 때문에, 측정 장치는 또한 유리한 열적 거동을 가진다.
송신 광 소스로부터 포토다이오드로의 (순수) 광 기본 커플링의 감소 또는 제거는 보다 단순한 구조적 설계를 허용한다. 이 단순화된 설계를 전기 광학 기본 커플링의 더욱 빠르고 더욱 효과적인 조정 능력과 조합하면 더욱 짧은 개발 시간들이라는 결과가 초래된다. 예를 들면 이전에는 전기 광학 기본 커플링 방법을 이용한 테스팅을 가능하게 하기 위하여 수고스럽게 도파관들을 시뮬레이션하여 제작해야 했었던 반면, 기본 커플링 광 소스를 위한 전류는 예를 들면 저항기를 교체함에 의해 수정될 수도 있고 센서는 매우 신속하게 재튜닝될 수도 있다.
측정 장치를 이용하여 순차적으로, 예를 들면, 시 분할 다중화를 이용하여 다양한 태스크들을 해결하기 위하여, 장치의 추가적 장점이 동일한 (물리적) 제어 루프의 자유로운 구성능력에 의해 제공된다. 따라서 예를 들면 근접 측정들이 제어 루프의 하나의 사이클 내에서 더 긴 거리를 두고 (예를 들면, 20 내지 70 cm 사이) 수행될 수도 있으며, 다음 제어 루프에서 센서 표면의 컨택이 인식된다 (터치 검출). 이것은, 디바이스가 동작하는 동안 전기 광학 수단에 의해 각각의 제어 사이클에 대한 기본 커플링을 조정 (재구성) 하는 것이 가능하므로, 시스템이 매우 플렉시블 (flexible) 하게 한다. 본 발명에 따른 측정 장치는 따라서 극도로 플렉시블하고 다용도로 사용된다. 그것은 동작 포인트가 정밀하게 조정가능하도록 매우 안정적이다. 예를 들면, 센서의 감도는 동작 포인트의 목표된 튜닝 (tuning) 에 의해 증가할 수도 있으며, 다른 한편으로는 제어의 강건함이 또한 최적화될 수도 있다.
이하에서 본 발명은 도면에 나타난 특별한 실시형태들을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 본 발명의 바람직한 구성들을 제작하기 위하여 본원에서 나타낸 특별한 특징들은 단독으로 또는 조합으로 구현될 수도 있다. 설명된 실시형태들은 청구항들에 의해 그것의 일반론에서 정의된 본 발명의 제한을 나타내지 않는다. 도면에서:
도 1 은 (HALIOS® 측정 방법에 따른) 관련된 기술의 측정 장치의 개략적인 다이어그램이다;
도 2 는 EOBCEOBC 에 대한 부가적인 LED 를 포함한 변형예에서 본 발명에 따른 측정 장치의 개략적인 다이어그램이다;
도 3 은 EOBCEOBC 에 대한 보상 LED 를 사용한 변형예에서 본 발명에 따른 측정 장치의 개략적인 다이어그램이다;
도 4 는 도 2 의 측정 장치에 따른 EOBCEOBC 의 실시형태의 개략적인 다이어그램이다;
도 5 는 도 3 의 측정 장치에 따른 EOBCEOBC 의 실시형태의 개략적인 다이어그램이다;
도 6a, 6b, 6c, 6d 는 IC 에서의 EOBCEOBC 의 추가의 실시형태 옵션들이다.
도 1 은 관련된 기술에 따른 측정 장치 (100) 를 도시한다. 측정 장치 (100) 는 송신 광 소스 (2), 보상 광 소스 (3), 그리고 포토다이오드 (5) 및 증폭기 유닛 (6) 을 포함하는 광 수신기 (4) 를 포함한다. 증폭기 유닛 (6) 은 트랜스임피던스 증폭기의 형태를 가지며, 여기서 적어도 하나의 커패시터 (7) 는 트랜스임피던스 증폭기 (6) 와 포토다이오드 (5) 사이에 연결된다. 향상된 EMC 성능을 위한 포토다이오드 (5) 의 커플링의 설계 변형예에서, 2 개의 커패시터들 (7) 은 이 로케이션에 제공된다.
클럭 생성기 (8) 는 송신 광 소스 (2) 를 공급하는 제어가능한 전류 소스 (9) 를 클럭화한다. 클럭 생성기 (8) 는 보상 광 소스 (3) 를 공급하는 제어가능한 보상 전류 소스 (10) 에 반전된 클럭 신호를 또한 리턴한다. 클럭 생성기 (8) 로부터의 클럭 신호 및 반전된 클럭 신호 양쪽 모두는 수신된 광 신호들에 기초한 광 수신기 (4) 에 의해 생성된 전류들 또는 전압들의 클럭 동기 평가를 위하여 복조기 (11) 로 공급된다.
측정 장치 (100) 의 제어기 유닛 (12) 은, 보상 광 소스 (3) 가 제어될 수도 있도록, 제어가능한 보상 전류 소스 (10) 에 대한 제어 신호를 생성한다. 보상 광 소스 (3) 는 광 부분들의 진폭이 동일하도록 하는 방식으로 제어될 수도 있으며, 여기서 광 부분들은 송신 광 소스 (2) 및 보상 광 소스 (3) 로부터 양쪽 모두의 페이즈들에서 수신된 신호들에 기초한다. 송신 전류 소스는 또한 조정 프로세스에 포함될 수도 있으며, 이런 경우 이 소스는 보상 전류 소스와는 반대 방향으로 조정된다.
측정 오브젝트 (13) 이 측정 장치 (100) 가까이에 로케이팅되면, 송신 광 소스 (2) 에 의해 방출된 광은 포토다이오드 (5) 를 향하여 측정 오브젝트 (13) 에 의해 반사된다. 이 신호 부분과 동시에, 포토다이오드 (5) 는 또한 송신 광 소스 (2) 에 의해 송신된 광 기본 커플링 (OBC) 로부터의 광을 수신한다. 포토다이오드 (5) 는 추가 컴포넌트로서의 보상 광 소스 (3) 에 의해 방출된 광 부분을 수신한다.
따라서, 측정 장치 (100) 를 조정하기 위하여 아래의 보정 조건이 결과로서 제시된다:
Figure 112013009119019-pct00001
(식 1)
Ic 및 Is 는 송신 광 소스 (2) 의 제어가능한 전류 소스 (9) 에 대한, 그리고 보상 광 소스 (3) 의 제어가능한 보상 전류 소스 (10) 에 대한 제어 신호들 또는 제어 전류들이다.
Figure 112013009119019-pct00002
또는
Figure 112013009119019-pct00003
는 각각 송신 광 소스 (2) 와 보상 광 소스 (3) 의 효율이다. DSG 는 송신 광 소스 (2) 와 포토다이오드 (5) 사이의 광 기본 커플링이다. DSF 는 측정 오브젝트 (13) 를 통한 송신 광 소스 (2) 와 포토다이오드 (5) 사이의 기능적, 가변 광 커플링이며, Dc 는 보상 광 소스 (3) 와 포토다이오드 (5) 사이의 일정한 광 커플링을 나타낸다.
관련된 기술에서, 광 기본 커플링 (DSG) 은 측정 장치 (100) 의 적합한 구조 또는 광 기능 설계에 의해 원하는 값으로 설정된다. 컴포넌트 (DSF) 는 측정 오브젝트 (13) 에 대한 정보를 포함하는 목표 부분이다.
송신 광 소스 (2) 와 보상 광 소스 (3) 의 효율 지수들 사이의 비율은 보통 제 1 근사화에서 충분히 잘 정의되며 일정하다. 따라서 이 비율은 식 1 에 따라서 산출될 수도 있다. 송신 광 소스 (2) 의 제어가능한 전류 소스 (9) 에 대한 제어 신호 Is 는 알려졌으며, 임의의 경우들에서 그것은 심지어 일정할 수도 있다. 제어기 유닛에 의해 산출된 보상 전류 소스 (10) 에 대한 제어 전류 (Ic) 는 조정된 상태에서 목표 (기능적) 광 측정 오브젝트 커플링 DSF 에 직접적으로 비례한다.
측정 오브젝트 (13) 가 존재하지 않으면, (기능적) 광 측정 커플링 DSF 은 제로와 등가이다. 제어기에 의해 산출된 동작 포인트는 따라서 광 송신기 기본 커플링에 대응하는 정확하게 정지 값이다.
관련된 기술에서의 하나의 단점은 광 기본 커플링은 측정 장치 (1) 에 대한 (순수) 구조적 방안에 의해 설정되어야 한다는 것이다. 예를 들면, 반투명할 수도 있는 기존의 센서 커버 (14) 는 그것의 일정 영역들에서 원하는 기본 커플링을 달성하기 위하여 코팅을 수용할 수도 있다. 그러나, 특히 송신 광 소스들 (2) 이 포토다이오드 (5) 로부터 비교적 떨어져 있는 경우에 기본 커플링 컴포넌트는 보동 작으며, 이것은 가끔 원하는 정지 값이 연관된 기술에서 설정될 수 없다는 것을 의미한다. 이것은 오직 구조적 방안을 통하여 기본 커플링을 개선 또는 증가시킴으로써 달성될 수 있으며, 이것은 일부 경우들에서 부가적인 노력을 요구한다.
비교를 통하여, 도 2 는 본 발명에 따른 측정 장치 (1) 를 도시하며, 여기에서 송신 광 소스 (2) 의 기본 커플링은 매우 작아서 이 커플링은 7% 또는 5% 이하이거나 또는 무시될 수 있다. (여기에서 인용된 퍼센티지들은 기능적 오브젝트 커플링의 값들에 대한 광 기본 커플링을 설명한다). 구조에서 이것이 자동적으로 획득되지 않으면, 광 기본 커플링은 예를 들면 단순한 구조적 방안을 이용하여 낮아질 수도 있다. 예를 들면, 송신 광 소스 (2) 와 포토다이오드 (5) 사이의 광 실드는 도 4 에 표시된 단순한 광 기계적 스크린 (40) 을 이용하여 제작될 수도 있거나, 또는 송신 광 소스를 (좁은) 송신 챔버에서 충분히 낮게 배치함으로써 제작될 수도 있다.
제어가능한 전류 소스 (9) 및 제어가능한 보상 전류 소스 (10) 외에도, 본 발명에 따른 측정 장치 (1) 는 부가적인 제어가능한 전류 소스인 기본 커플링 전류 소스 (15) 를 포함한다. 이것은 클럭 생성기 (8) 로부터의 클럭 신호를 이용하여 클럭화된다. 동시에, 그것은 기본 커플링 신호 송신기인 신호 송신기 (16) 에 의해 조정되거나, 또는 심지어 송신 제어 전류 소스와 공동으로 조정된다. 기본 커플링 전류 소스 (15) 에서 생성된 클럭화된 기본 커플링 제어 전류는 광을 포토다이오드 (5) 에 송신하는 기본 커플링 광 소스 (17) 에 공급된다.
따라서, 송신 광 소스 (2) 의 (순수) 광 기본 커플링은 기본 커플링 광 소스 (17) 를 이용하여 만들어진 전기적으로 생성된 광 기본 커플링 (EOBC) 으로 대체되거나 또는 광 기본 커플링 (EOBC) 에 의해 대응하여 보충된다. 기본 커플링 광 소스 (17) 의 이 전기 광학 기본 커플링의 장점은 그것이 송신 광 소스 및 예를 들면 그것의 광학 조건들 또는 공간적 조건들에 더이상 의존하지 않는다는 것이다. 기본 커플링 광 소스 (17) 는 따라서 대체로 독립적으로 그리고 보통은 최적으로 조정될 수도 있다. 이것은 알려진 측정 장치들 (100) 에 대하여 본 발명에 따른 측정 장치 (1) 의 중요한 장점을 나타낸다.
외부 광에 대한 수신 장치 특히 포토다이오드 (5) 의 인센서빌리티 (insensibility) 를 더 개선하기 위하여, 전류 저역통과 필터들은, (외부 광에 의해 주로 기인된) 포토다이오드 전류의 AC 컴포넌트들 및 저주파수 신호 컴포넌트들을 고주파수 측정 신호들로부터 최적으로 분리하기 위하여 포토다이오드 전류의 AC 컴포넌트들 및 저주파수 신호 컴포넌트들을 전원쪽으로 전도하는, 포토다이오드 (5) 로의 파워 공급 라인들에 내장된다. 이 방식으로, 고주파수 측정 신호들은 (커플링 커패시터들의 형태를 가진) 2 개의 하이 패스 필터들을 통하여 바람직하게는 최적으로 (EMC-순응) 순응하고 바람직한 차동 트랜스임피던스 증폭기 (6) 내에 차동으로 결합된다. 전류 ? (deep) 패스 필터들은 바람직하게는 (액티브) 자이레이터 (gyrator) 회로들의 형태를 가질 수도 있으며, 다시 말해서 트랜지스터들 또는 MOSFET 들, 또는 패시브 컴포넌트들인 인덕턴스들을 가진 (액티브) 자이레이터 회로들의 형태를 가질 수도 있다.
도 2 는 기본 커플링 광 소스 (17) 가 송신 광 소스 (2) 와 동일한 위상에서 클럭화되는 것, 다시 말해서 보상 전류 소스 (10) 에 대하여 180 도로 위상 오프셋되는 것을 도시한다.
바람직한 실시형태에서, 송신 광 소스 (2), 보상 광 소스 (3) 및/또는 기본 커플링 광 소스 (17) 는 발광 다이오드들 (LED) 로서 구성된다.
도 3 은 본 발명에 따른 측정 장치 (1) 의 제 2 의, 대안적인, 보통 바람직한 실시형태를 도시하며, 여기에서 기본 커플링 광 소스 (17) 는 그 자체가 보상 광 소스 (3) 이다. 따라서, 보상 광 소스 (3) 는 또한 기본 커플링 광 소스 (17) 의 기능을 가진다. 제어가능한 기본 커플링 전류 소스 (15) 는 따라서 관련된 기술에서 보상 전류 소스 (10) 가 하는 것과 같이 보상 광 소스 (3) 를 공급한다. 보상 전류 소스 (10) 에 대한 보상 제어 전류 및 기본 커플링 전류 소스 (15) 에 대한 기본 커플링 제어 전류는 바람직하게는 가산기 (18) 에서 함께 가산되어 보상 광 소스 (3) 에 함께 공급된다. 기본 커플링 전류 소스 (15) 및 보상 전류 소스 (10) 의 제어 전류들은 위상 오프셋되므로, 시간 범위에서 구성된 제어 전류가 사실상 발생한다. 측정 장치의 원하는 전기 광전 기본 커플링은 보상기 커플링에 연결되며, 이것은 정지 값에 대한 안정성에서의 상당한 증가를 나타낸다. 그것은 요구된 값이 IEOBC 의 자유롭게 가용한 전류 진폭을 통하여 설정된다는 큰 장점을 가진다.
전기 광학 기본 커플링은 따라서 기본 커플링 전류 소스 (15) 를 제어하기 위한 제어 신호 (IEOBC) 에 의해 궁극적으로 정의된다. 이것은 전기 신호 송신기 (16) 에 의해 수행되므로, 기본 커플링을 나중에 변경하는 것은 또한 용이하다. (신속히 그리고 용이하게 변경될 수 있는) 상이한 제어 신호는 단지 기본 커플링 전류 소스 (15) 를 위하여 생성되어야 한다. 본 발명에 따른 측정 장치 (1) 는 전반적으로 매우 플렉시블하며 심지어 다른 태스크들을 위하여 순차적으로 조정될 수 있다. 측정 장치 (1) 내에서 어떤 구조적 방안도 필요하지 않으며, 특히 부가적인 실딩 또는 코팅이 센서 커버 (14) 또는 측정 장치 (1) 의 커버에 적용되지 않아도 된다. 따라서, 측정 장치 (1) 의 정지 동작 포인트는 새롭거나 변경된 요건들에 감도 또는 다이나믹스 또는 정확도를 맞추기 위하여 또한 나중에 변경될 수도 있다.
송신 광 소스 (2) 와 광 수신기 (4) 사이의 (관련된 기술에 따른) (순수) 광 기본 커플링은 완전히 10 % 미만이라는 것이 보통 가정될 수도 있다. 실제로, 광 기본 커플링은 6%, 5% 이하 또는 그 미만이다. 특히 예를 들면 상대적으로 포괄적인 구조들 및 측정 장치들 (1) 에서의 경우에서처럼 송신 광 소스들 (2) 이 더멀리 떨어진 경우에, 광 기본 커플링은 3%, 2% 만큼 낮거나 1% 이하일 수도 있다. 훨씬 더 떨어져서 로케이팅된 송신 광 소스들 (2) 의 경우에서, 매우 적은 노력으로 그리고 단순한 수단을 이용하여 기본 커플링을 (기능적 신호의) 0.5% 또는 그 미만, 바람직하게는 0.1% 로 감소시키는 것은 매우 용이하다. 송신 광 소스 (2) 의 광 기본 커플링 DSG 는 따라서 무시될 수도 있다. 그것은 기본 커플링 전류 소스 (15) 로부터 전기 광학적으로 생성된 기본 커플링 DEOBC 으로 전체적으로 대체된다. (여기에서 인용된 퍼센티지들은 기능적 오브젝트 커플링의 값들에 대한 광 기본 커플링을 설명한다).
그러므로, DSG<< DEOBC 를 가정하고, 위에서 진술된 식 1 로부터 본 발명에 따른 측정 장치 (1) 는 식 2 의 대상이 된다는 결과가 뒤따른다:
Figure 112013009119019-pct00004
측정 오브젝트없이 동작 포인트, 즉, 정지 값을 설정하기 위한 보상 제어 전류 Ic 는 따라서 전기 광학 기본 커플링 DEOBC 에만 좌우되며 따라서 기본 커플링 제어 전류 (IEOBC) 만을 이용하여 설정된다. 수학적 측면에서, 정지 상태 (동작 포인트 = 정지 값) 에서 보상 광 소스의 (전체) 송신 함수는 시스템 방정식들로부터 삭제된다. (관련된 기술에서 수신기 측에 이미 존재하는 상황과 유사하다.)
IC 에 집적되지 않은 바람직한 실시형태에서, 기본 커플링 전류 소스 (15) 는 별도의 전류 소스의 형태로서 설계되지 않는다. 대신에, 송신 광 소스 (2) 를 위한 클럭화된 송신 제어 전류를 생성하기 위한 제어가능한 전류 소스 (9) 는 보상기 광 소스 (17) 를 통하여 전류의 보통 작은 부분을 패스함으로써 동시에 또한 사용된다.
도 4 는 독립적 (별도의) 기본 커플링 광 소스 (17) 가 사용되었을 때 전류를 분할하는 전류 스플리터 (splitter) (19) 를 도시한다. 도 4 의 전류 드라이버 출력 (22) (IS4) 에 인가된 송신 제어 전류는 저항기들 (20 및 21) 로 구성된 오믹 전압 스플리터 (19) 를 통하여 형성된다. 제어가능한 전류 소스 (9) 에 대응하는 전류 드라이버 출력 (22) 에서의 전류는 저항기들 (20 및 21) 에 반비례하여 송신 광 소스 (2) 와 기본 커플링 광 소스 (19) 사이에서 나누어진다. 이 문맥에서, 기본 커플링 광 소스 (17) 는 전기 광학적으로 생성된 기본 커플링에 대한 책임이 있다. 이것은 따라서 보상 광 소스 (3) 의 보상기 커플링 DC 과는 독립적으로 선택되고 설정된다.
EOBC 를 생성하기 위한 전류의 전환이 송신 광 소스 (2) 에서의 광 출력이 허용불가능하게 낮아지도록 했다면, 다른 송신 광 소스 (23) 는 송신 광 소스 (2) 와 병렬로 연결되고 송신 광 소스 (2) 와 동기하여 에너자이징될 수도 있다.
그러나, 도 4 에 따른 장치는 부가적 광 소스 (17) 가 요구된다는 단점을 가진다. 그것이 보상기 광 소스 (3) 로 송신된 전류 스플리터 저항기에 의해 생략된다면, 도 3 의 개략적인 다이어그램에 대응하는 좀 덜 비싼 구성이 제작된다.
전류 스플리터 저항기들의 규모에 따라서, 송신 광 소스 (2) 로부터의 낮은 레벨의 포지티브 피드백이 보상 페이즈 동안 발생할 수도 있다. 이것은 보상 전류의 작거나 심지어는 매우 작은 부분이 송신 광 소스 (2) 를 통하여 흐른다는 것을 의미한다. 일부 애플리케이션들에서, 그러한 포지티브 피드백은 예를 들면 출력 특징 곡선들을 형성하기에 심지어는 바람직할 수도 있다. 그러나, 송신 광 소스 (2) 로부터의 그러한 포지티브 피드백이 전체적으로 방지된다면, 도 5 에 도시된 바와 같은 회로 장치가 적합하다. 다이오드 (24) 는 보상 페이즈 동안 전류가 송신 광 소스를 통과하여 보상기 전류 소스 내로 흐르는 것을 방지한다. 다이오드 (24) 는, 전류 분할 비율이 쇼트키 (Schottky) 다이오드의 작은 포워드 전압으로 인하여 가능한 한 적게 방해되도록, 바람직하게는 쇼트키 다이오드이다. 그러나, 특히 전류를 분할함에 있어서 낮은 전압만이 가용하다면, 쇼트키 다이오드를 사용한 결과로서 온도 영향들이 발생할 수도 있다는 것을 인식하는 것이 중요하다. 그렇기는 하지만, 이 구성의 장점은 일반적으로 부가의 기본 커플링 광 소스가 필요하지 않다는 것이다.
도 4 및 도 5 에 따른 장치들은 개별 컴포넌트들을 가진 기본 커플링 전류 소스 (15) 를 제작하는데 있어 기술적인 중간 단계로서 고려될 수도 있고 피쳐 EOBC 는 아직 칩 내에 집적되지 않는다. EOBC 의 칩 내의 집적 (예를 들면, IC 또는 ASIC) 은 본 오브젝트의 가장 단순하고, 가장 플렉시블하고, 가장 견고하고, 가장 컴팩트하고 동시에 가장 덜 비싼 솔루션을 나타낸다.
전기 광학 기본 커플링 기능을 제어기 칩 내에 집적하는 것은 이 기능의 실현에 있어서 부가적인 비용들을 수반하지 않는다. 이 기능은 칩의 개발 동안에 단지 한번만 집적되어야 한다. 공간 요건 또는 온도 안정성 또는 유사한 값들 및 특징들과 같은 순수 하드웨어 관련 노력의 면에서, IC 솔루션은 최적이다. 전기 광학 기본 커플링 기능을 제어기 칩 내에 집적함으로써, 송신 제어 전류들과 위상-동기인 기본 커플링 제어 전류들을 보상 광 소스 (3) 또는 보상 드라이버 회로로 공급하는 것이 가능해진다. 이 전류들은 임의의 값 또는 송신 제어 전류에 대한 설정가능한 비례로 자유로이 파라미터화될 수도 있다. 모두 합쳐서, 그러한 집적은 이 기능을 애플리케이션에서 극히 플렉시블하도록 만든다.
도 6a 내지 도 6d 는 다수의 송신 광 소스들 (2) 이 존재하는 경우에 측정 장치 (1) 의 제어기 칩의 개략적인 다이어그램을 도시한다. LEDS1 및 LEDS2 로 지정된 송신 광 소스들 (2) 은 각각 송신 전류 드라이버 출력 (28) 에 연결되고 제어가능한 전류 소스 (9) (I1, I2) 에 의해 공급된다. 이는 LEDS3, LEDS4 , ... 으로 지정되는 부가 송신 광 소스들 (2) (미도시) 에 대해서도 동일하게 적용된다.
본 발명에 따른 측정 장치 (1) 에 대해 요구되는 보상 광 소스 (3) 는 또한 LED 의 형태로 설계되고 LEDK 로 지정된다. 그것은 회로의 보상 전류 드라이버 출력 (27) 에 연결된다. 보상 광 소스 (3) 를 제어하기 위한 제어가능한 보상 전류 소스 (10) 가 또한 도 6a 내지 6d 에 도시된다.
온도 영향들을 보상하기 위한 추가 전류 소스가 보상 전류 소스 (10) 에 병렬로 연결된다. 이 전류 소스는 온도 보상 전류 소스 (25) 로 지정된다. 그것은 보상 광 소스 (3), 특히 LED 또는 IR-LED 의 전기 광학 동작 포인트를, 상당히 높은 전류들과 파워 손실들 (내재적 가열) 에 의해 기능하는 송신 광 소스(들) (3) 의 전기 광학 동작 포인트와 더욱 비교할만하게 만들기 위한 목적으로 바람직하게는 제어 사이클 동안에만 초과 직류 전류 (보통 대략 매우 적은 mA) 를 보상 광 소스에 전달한다. 이 부가 직류는 그것이 수신기 내의 용량성 커플링 (7) 에 의해 다시 필터링되기 때문에 측정 신호들에 대해 적절하지 않다. 그러나, 이 특징은 특정 장치의 열적 안정성을 상당히 개선시킨다.
도 6a 의 실시형태는 도 4 및 도 5 의 회로들과 유사한 회로의 개략적인 다이어그램을 도시한다. 오믹 전압 스플리터 (19) (도 4, 도 5) 대신에 각각의 저항기들을 대체하여 개별 기본 커플링 전류 소스들 (15) 이 사용된다. 이것의 장점은 제어가능한 기본 커플링 전류 소스 (15) 에서 전류값을 조정하는 것만으로 각각의 애플리케이션에 대한 측정 회로의 단순한 적응이 이루어질 수도 있다는 것이다. 개별 LEDS1, LEDS2,　...의 각각의 송신 전류 소스 (9) 는 대응하는 기본 커플링 전류 소스 (15) 를 가진다. 동시에, 개별 LEDS1, LEDS2,　...에 대한 각각의 송신 전류 소스 (15) 의 송신 전류와 각각의 송신 광 소스 (LEDS1, LEDS2,　...) 에 대한 기본 커플링 전류 소스 (15) 의 기본 커플링 전류 사이에 안정된 선형 관계가 수립된다. 기본 커플링 전류 소스들 (15) 를 사용하는 것의 장점은 각각의 송신 광 소스 (2) 의 기본 커플링 팩터인 팩터 k1 , k2 , ... 가 사실상 제한없이 매우 광범위하게 파라미터화될 수 있다는 것이다. 팩터 k1 , k2 , ... 는 보통 1 보다 작도록 선택된다. 물론, 1 이상의 기본 커플링 팩터들 ki 을 선택하는 것 또한 가능하다. 개별 기본 커플링 팩터들 ki (i = 1, 2, ...) 은, 이 팩터들이 각각의 송신 광 소스 (2) 와 장치 내에서의 그 소스의 위치에 좌우되기 때문에, 바람직하게는 상이하다.
도 6b 는 단일 기본 커플링 전류 소스 (15) 를 제외하고 개별 송신 광 소스 (2) 에 대한 개별 기본 커플링 전류 소스들 (15) 이 생략된 대안적인 실시형태를 도시한다. 이 기본 커플링 전류 소스 (15) 는 시 분할 다중화 프로시저에서 프로세싱며, 그에 따라 대응하는 제어 신호들을 개별 기본 커플링 전류 소스로 순차적으로 스위칭함으로써 각각의 송신 광 소스 (2) 에 대한 대응하는 기본 커플링 전류를 생성한다. 이 문맥에서, 각각의 기본 커플링 전류는 순차적으로 송신 광 소스들에 대한 보상 전류 드라이버 출력 (27) 에서 생성된다. 그러므로, 별도의 기본 커플링 팩터 ki (i = 1, 2, ...) 는 기본 커플링 전류 소스 (15) 및 (LEDS1, LEDS2, ... 를 위한) 각각의 송신 전류 소스 (9) 사이에 존재한다.
도 6c 는 송신 광 소스 (2) 와 기본 커플링 전류 소스 (15) 사이의 선형 관계가 삭제된 실시형태를 도시한다. 이전의 기본 커플링 전류 소스들 (15) 대신에, 단지 하나의 기본 커플링 전류 소스 (15a) 가 존재하며, 이 소스에서 전류 진폭은 영구히 설정될 수도 있다. (제어된) 송신 전류와 기본 커플링 전류 사이의 직접적인 비례는 포기되었다. 이 단순화에 대한 타당한 이유는, 전기 광학 기본 커플링의 주요 기능이 측정 오브젝트의 부재시에 정지 값을 정의된 방식으로 조정하는 것이라는 사실에 기초한다. EOBC 의 이 변형예에서, 각각의 경우에서 원하는 전기 광학 커플링을 달성하기 위하여, 기본 커플링 전류 소스 (15) 의 고정된 전류 값은 애플리케이션에 따라 각각의 광 소스 (2) (LEDS1, LEDS2, ...) 에 대하여 개별적으로 설정된다.
도 6a 내지 도 6c 의 실시형태들에서, 단지 하나의 대응하는 전류 드라이버 출력 (27) 이 있으므로, 보상 광 소스 (3) 는 IC 에 의해 각각의 기본 커플링 광 소스 (17) 로서 명시된다. 도 6d 에 도시된 바와 같이, 가장 일반적으로 적용가능한 IC 구성에서, 별도의 기본 커플링 광 소스 (17) 는 결국 보상 광 소스 (3) 에 대해 독립적으로 그리고 보상 광 소스 (3) 에 부가하여 사용될 수도 있다. 기본 커플링 광 소스 (17) 는 별도의 드라이버 출력 (31) 을 통하여 기본 커플링 전류 소스 (15a) 에 의해 제어된다. 도 6a 내지 도 6c 에 도시된 변형예들에 따른 기본 커플링 전류 소스 (15, 15a) 와 송신 전류 소스들 (9) 사이의 모든 3 개의 종속들이 또한 여기에서 가능하다. 드라이버 출력들 (27 및 31) 의 회로 단락 (결합 (summing)) 은 정확히 도 6c 에 도시한 상황을 발생한다. 그러므로 필요하다면 이 IC 변형예에서 별도의 기본 커플링 광 소스 LEDEOBC 를 생략하는 것이 가능하다.
도 6d 에 도시한 바와 같이, 열적 영향들을 보상 또는 최소화하기 위하여 온도 보상 전류 소스 (25) 는 또한 기본 커플링 전류 소스 (15a) 에 병렬로 연결되어야 한다. 이것은 기본 커플링 전류 소스 (15a) 에 의해 생성된 측정 전류들이 가끔 매우 작을 수도 있기 때문에 필요하다.

Claims (19)

  1. 외부 광에 대체로 독립적인 광전자 측정 장치로서,
    클럭화된 위상 광을 순차적으로 방출하는 송신 광 소스 (2) 및 보상 광 소스 (3) 로서, 각각의 광소스에 의해 방출된 광은 서로에 대하여 위상 시프트되는, 상기 송신 광 소스 (2) 및 보상 광 소스 (3),
    상기 광 소스들 (2, 3) 에 의해 송신된 클럭 동기 측정 신호를 포함하는 광을 수신하기 위한 포토다이오드 (5) 및 상기 수신된 측정 신호에 기초하여 측정 신호 전류를 증폭하기 위한 증폭기 유닛 (6) 을 가진 광 수신기 (4),
    클럭 신호를 생성하기 위한 클럭 생성기 (8),
    상기 측정 신호 전류의 클럭 동기 평가를 위한 복조기 (11),
    상기 송신 광 소스 (2) 에 대한 클럭화된 송신 제어 전류를 생성하기 위한 제어가능한 전류 소스 (9),
    상기 보상 광 소스 (3) 에 대한 클럭화된 보상 제어 전류를 생성하기 위한 제어가능한 보상 전류 소스 (10),
    상기 제어가능한 전류 소스 (9) 및/또는 제어가능한 보상 전류 소스 (10) 에 대한 적어도 하나의 제어 신호를 생성하기 위한 제어기 유닛 (12) 으로서, 상기 제어기 유닛 (12) 은 상기 보상 광 소스 (3) 및/또는 상기 송신 광 소스 (2) 의 광 세기의 진폭이 상이한 위상들 사이에 발생하는 클럭 동기 신호 차이가 제로로 감소되는 방식으로 상기 보상 제어 전류 및/또는 상기 송신 제어 전류를 제어함으로써 제어가능하도록 설계된, 상기 제어기 유닛 (12),
    클럭화된 기본 커플링 제어 전류를 생성하기 위한 제어가능한 기본 커플링 전류 소스 (15),
    상기 송신 광 소스 (2) 와 상이하며 상기 기본 커플링 제어 전류가 공급되고 상기 광 수신기 (4) 로 직접 광을 송신하는 기본 커플링 광 소스 (17) 를 포함하며,
    상기 기본 커플링 제어 전류는 상기 광전자 측정 장치 (1) 의 원하는 감도가 달성되고/되거나 상기 제어기 유닛 (12) 의 원하는 정지 값이 조정가능한 방식으로 설정되고,
    검출될 오브젝트 (13) 의 부재시에, 상기 제어기 유닛 (12) 은 상기 제어가능한 기본 커플링 전류 소스 (15) 로부터 수신된 측정 신호가 조정되는 방식으로 상기 송신 광 소스 (2) 및/또는 상기 보상 광 소스 (3) 를 제어하며,
    상기 클럭화된 송신 제어 전류를 생성하기 위한 상기 제어가능한 전류 소스 (9) 및 상기 클럭화된 기본 커플링 제어 전류를 생성하기 위한 상기 제어가능한 기본 커플링 전류 소스 (15) 는 상기 클럭 생성기 (8) 의 클럭 신호로 클럭화되고,
    상기 클럭화된 보상 제어 전류를 생성하기 위한 상기 제어가능한 보상 전류 소스 (10) 는 상기 클럭 생성기 (8) 의 반전된 클럭 신호로 클럭화되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기본 커플링 제어 전류가 공급되는 상기 제어가능한 기본 커플링 전류 소스 (15) 는 상기 보상 광 소스 (3) 이고, 상기 광전자 측정 장치 (1) 는 상기 기본 커플링 제어 전류와 상기 보상 제어 전류가 상기 보상 광 소스 (3) 에 공급되기 전에 상기 기본 커플링 제어 전류와 상기 보상 제어 전류가 함께 가산되는 가산기 (18) 를 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 송신 광 소스 (2) 는 상기 송신 광 소스 (2) 와 상기 포토다이오드 (5) 사이의 기본 커플링이 상기 송신 광 소스 (2) 에 의해 생성된 기능적 광 오브젝트 커플링의 50% 이하로 구성되는 방식으로 배열되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 송신 광 소스 (2) 는 상기 송신 광 소스 (2) 와 상기 포토다이오드 (5) 사이의 기본 커플링이 상기 송신 광 소스 (2) 에 의해 생성된 기능적 광 오브젝트 커플링의 20% 이하로 구성되는 방식으로 배열되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 송신 광 소스 (2) 는 상기 송신 광 소스 (2) 와 상기 포토다이오드 (5) 사이의 기본 커플링이 상기 송신 광 소스 (2) 에 의해 생성된 기능적 광 오브젝트 커플링의 5% 이하로 구성되는 방식으로 배열되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 송신 광 소스 (2) 는 상기 송신 광 소스 (2) 와 상기 포토다이오드 (5) 사이에 어떤 직접적인 기본 커플링도 존재하지 않는 방식으로 배열되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 기본 커플링 제어 전류는 상기 보상 광 소스 (3) 의 전기 광학 기본 커플링이 생성되고/되거나 변경되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신 광 소스 (2), 상기 기본 커플링 광 소스 (17) 및/또는 상기 보상 광 소스 (3) 는 각각 LED 의 형태로 설계되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기본 커플링 전류 소스 (15) 는 상기 송신 광 소스 (2) 에 대한 클럭화된 송신 제어 전류를 생성하기 위한 전류 소스에 의해 설계되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 기본 커플링 전류 소스 (15) 는 상기 송신 광 소스 (2) 에 대한 클럭화된 송신 제어 전류를 생성하기 위한 전류 소스에 의해 설계되고, 전류 스플리터 (19) 는 오믹 저항기들 (20, 21) 의 형태로 제공되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 기본 커플링 전류 소스 (15) 는 상기 송신 광 소스 (2) 에 대한 상기 전류 소스 (9), 및 다이오드 (24) 를 가진 오믹 전류 스플리터 (19) 에 의해 설계되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 기본 커플링 전류 소스 (15) 는 상기 송신 광 소스 (2) 에 대한 상기 전류 소스 (9), 및 쇼트키 (Schottky) 다이오드를 가진 오믹 전류 스플리터 (19) 에 의해 설계되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 기본 커플링 전류 소스 (15) 는 상기 송신 광 소스 (2) 에 대한 상기 전류 소스 (9), 및 적어도 2 개의 트랜지스터들을 가진 오믹 전류 스플리터 (19) 에 의해 설계되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 기본 커플링 전류 소스 (15) 는 상기 송신 광 소스 (2) 에 대한 상기 전류 소스 (9), 및 적어도 2 개의 MOSFET 트랜지스터들을 가진 오믹 전류 스플리터 (19) 에 의해 설계되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 기본 커플링 전류 소스 (15) 는 상기 송신 광 소스 (2) 에 대한 상기 전류 소스 (9) 에 의해 형성되고, 기본 커플링 제어 소스는 파라미터화된 송신 제어 전류에 의해 형성되며, 파라미터화된 기본 커플링 제어 전류는 칩 내에서 생성되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 기본 커플링 전류 소스 (15) 는 또한 상기 제어기 유닛 (12) 에 의해서 상기 전류 소스 (9) 와 비례하여 조정되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 기본 커플링 전류 소스 (15a) 의 전류 진폭은 각각의 전류 소스 (9) 에 대하여 영구히 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 광전자 측정 장치 (1) 는, 각각의 제어 루프들에서 차례로 순차적으로 상기 보상 광 소스 (3) 에 의해 보상되며, 그 각각에 대해 기본 커플링 제어 전류가 생성되는 복수의 송신 광 소스들 (2) 을 포함하는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 전류 소스들 (9, 10, 15), 즉 상기 송신 광 소스 (2) 에 대한 상기 제어가능한 전류 소스 (9) 및 상기 제어가능한 기본 커플링 전류 소스 (15) 는 하나 이상의 신호 송신기들 (16) 에 의해 공급되고, 상기 신호 송신기 (16) 는 칩 내에 집적되는 것을 특징으로 하는 광전자 측정 장치.
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