TWI627837B - 光雜訊消除裝置 - Google Patents

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Abstract

一種光雜訊消除裝置包括第一和第二光濾波器、光電轉換器及運算單元，第一和第二光濾波器分別允許應用光信號的波長的光和不同於應用光信號的波長的光通過而產生第一光信號和第二背景光雜訊，第一光信號包括應用光信號及相同於應用光信號的波長的第一背景光雜訊，光電轉換器偵測第一光信號與第二背景光雜訊，而進行光電轉換產生正比於第一光信號的照度的第一電信號及正比於第二背景光雜訊的照度的第二電信號，運算單元將第一電信號和第二電信號分別根據一第一比例與一第二比例進行調整後，再運算得到正比於應用光信號的照度的輸出信號。

Description

光雜訊消除裝置
本發明是有關於一種消除裝置，特別是指一種光雜訊消除裝置。
隨著科技的進步光學應用科技越來越廣泛，例如公開號TW I240501的台灣發明專利“紅外線接收器”，利用單一濾波器將日光雜訊的紅外線頻段之外的雜訊濾除，以增加紅外線接收器的靈敏度，然而其卻無法去除同在紅外線頻段內的日光雜訊，以致該紅外線接收器在接收紅外線的照度時，還會接收到日光雜訊之照度，以致該紅外線接收器會受到日光強度的影響而有所干擾，導致效能受到影響而不準確。
再者，公開號TW I467937的台灣發明專利“可降低背景光雜訊之發光二極體通訊裝置”，藉由曼徹斯特編碼套用於發光二極體通訊裝置中，以發出曼徹斯特電信號來提高信號品質並降低信號雜訊，然而當日光雜訊強大到某個程度時，會超越曼徹斯特編碼的極限。
因此，本發明之目的，即在提供一種能消除與該應用光信號同頻率的日光雜訊的光雜訊消除裝置。
於是，本發明光雜訊消除裝置適用於接收一應用光信號，且消除一相同於該應用光信號的波長的背景光雜訊，該光雜訊消除裝置包括一第一光濾波器、一第二光濾波器、一光電轉換器，及一運算單元。
該第一光濾波器只允許該應用光信號的波長的光通過而產生一第一光信號，該第一光信號包括該應用光信號及一相同於該應用光信號的波長的第一背景光雜訊。
該第二光濾波器只允許一不同於該應用光信號的波長的光通過而產生一第二背景光雜訊。
該光電轉換器分別偵測該第一光信號與該第二背景光雜訊，而進行光電轉換產生一正比於該第一光信號的照度的第一電信號及一正比於該第二背景光雜訊的照度的第二電信號。
該運算單元電連接該光電轉換器以接收該第一電信號和該第二電信號，並將該第一電信號和該第二電信號分別根據一第一比例與一第二比例進行調整後，再運算得到一正比於該應用光信號的照度的輸出信號，其中，該第一比例與該第二比例相關於在不同波段的背景光雜訊的照度增減。
在本發明被詳細描述之前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖1，本發明光雜訊消除裝置適用於接收一應用光信號，且消除一相同於該應用光信號的波長的背景光雜訊，以避免影響例如雷射光測距或是光通訊等的光學應用之效能，該光雜訊消除裝置包括一第一光濾波器1、一第二光濾波器2、一光電轉換器3，及一運算單元4。
該第一光濾波器1只允許該應用光信號的波長的光通過而產生一第一光信號，該第一光信號包括該應用光信號及一相同於該應用光信號的波長的第一背景光雜訊。
該第二光濾波器2只允許一不同於該應用光信號的波長的光通過而產生一第二背景光雜訊，且本實施例的該第一光濾波器1和該第二光濾波器2為濾光片，在本實施例，該第一光濾波器1和該第二光濾波器2為濾光片。
該光電轉換器3分別偵測該第一光信號與該第二背景光雜訊，而進行光電轉換產生一正比於該第一光信號的照度的第一電信號及一正比於該第二背景光雜訊的照度的第二電信號。
該光電轉換器3包括一第一光量計31、一第一運算放大器33、一第一回授電阻Rf1、一第二光量計32、一第二運算放大器34，及一第二回授電阻Rf2。
該第一光量計31偵測該第一光信號，並根據該第一光信號之照度產生一正比於該第一光信號之照度的一第一感應電流。
該第一運算放大器33具有一反向輸入端、一非反向輸入端，及一輸出端，該反向輸入端電連接該第一光量計31以接收該第一感應電流，該非反向輸入端接地，該第一運算放大器33根據該感應電流之大小產生該第一電信號。
該第一回授電阻Rf1電連接於該第一運算放大器33的該反向輸入端與該輸出端之間。
該第二光量計32偵測該第二背景光雜訊，並根據該第二背景光雜訊之照度產生一正比於該第二背景光雜訊之照度的一第二感應電流，其中，該第一光量計31和該第二光量計32可為光電二極體(photo diode)。
該第二運算放大器34具有一反向輸入端、一非反向輸入端，及一輸出端，該反向輸入端電連接該第二光量計32以接收該第二感應電流，該非反向輸入端接地，該第二運算放大器34根據該第二感應電流之大小產生該第二電信號。
該第二回授電阻Rf2電連接於該第二運算放大器34的該反向輸入端與該輸出端之間。
該運算單元4電連接該光電轉換器3以接收該第一電信號和該第二電信號，並將該第一電信號和該第二電信號分別根據一第一比例與一第二比例進行調整後，再運算得到一正比於該應用光信號的照度的輸出信號Vout，其中，該第一比例與該第二比例相關於在不同波段的背景光雜訊的照度增減，且該第一比例×該第一背景光雜訊的照度=該第二比例×該第二背景光雜訊的照度。
該運算單元4包括一第一電阻R1、一第二電阻R2、一第三電阻R3、一第四電阻R4及一運算放大器41。
該第一電阻R1具有一第一端及一第二端，該第一端電連接該光電轉換器3以接收該第一電信號。
該第二電阻R2具有一第一端及一接地的第二端，該第一端電連接該第一電阻R1的第二端。
該第三電阻R3具有一第一端及一第二端，該第一端電連接該光電轉換器3以接收該第二電信號。
該第四電阻R4具有一第一端及一第二端，該第一端電連接該第三電阻R3的第二端。
該運算放大器41具有一反向輸入端、一非反向輸入端，及一輸出端，該反向輸入端電連接該第三電阻R3的第二端，該非反向輸入端電連接該第一電阻R1的第二端，該輸出端電連接該第四電阻R4的第二端，該運算放大器41根據該第一電信號和該第二電信號進行減法運算產生該輸出信號Vout。
該第一比例= ，該第二比例= ，其中，r1、r2、r3和r4分別為該第一電阻R1、該第二電阻R2、該第三電阻R3和該第四電阻R4的一阻抗值。
而該輸出信號Vout=－第一比例×v1+第二比例×v2，其中，v1和v2分別為該第一電信號和該第二電信號的電壓值。
須加以說明的是，本實施例的該應用光信號和該背景光雜訊操作於低頻，且該背景光雜訊之波長介於300奈米至900奈米之間。
為方便說明，先以理論初步說明，參閱圖2，假設日光在全波段照度均為一致，如圖2所示的該背景光雜訊的照度皆為50000勒克司(lux)，當該應用光信號產生時，此時定義該應用光信號操作於650奈米(nm)波長且發生的時刻照度為10勒克司(lux)，此時一光濾波器允許650奈米波長的光通過而取出50010勒克司(該背景光雜訊的照度50000勒克司+該應用光信號的照度10勒克司)的照度能量，同時也利用另一光濾波器允許750奈米波長的光通過而取出50000勒克司，最後，再將650奈米波長時的照度減去750奈米波長時的照度(50010勒克司-50000勒克司)而得到該應用光信號的照度。
參閱圖3，假設日光在全波段照度並不一致，如圖3所示的該背景光雜訊的照度呈現線性狀態，當同樣操作於650奈米波長且發生的時刻照度為10勒克司的該應用光信號產生時，此時該光濾波器允許650奈米波長的光通過而取出50010勒克司的照度能量，同時再以另二個分別允許750奈米及850奈米波長的光通過的光濾波器測得750奈米波長時的照度為50000勒克司，而850奈米波長時的照度為60000勒克司，再根據下(式1)計算出該應用光信號之照度。
該應用光信號之照度=L650-｛L750-（ ）×(850-750)｝，其中，參數L650、L750和L850分別為650奈米波長的照度、750奈米波長的照度和850奈米波長的照度。
以下將更進一步地以一第一實施例和一第二實施例加以說明，該第一實施例為假設日光在全波段照度均為一致的，而該第二實施例為假設日光在全波段照度並不為一致。
在說明該第一實施例之前，先定義該應用光信號操作於650奈米(nm)的波長，且發生的時刻之照度為10勒克司(lux)，而該第一光濾波器1和該第二光濾光器2分別允許650奈米和750奈米的光通過。
參閱圖2，當不同波段的該背景光雜訊的照度皆為50000勒克司(lux)(亦即該第一背景光雜訊等於該第二背景光雜訊)，該運算單元4的該第一電阻R1、該第二電阻R2、該第三電阻R3及該第四電阻R4的阻抗值均相同，以致該第一比例和該第二比例皆為1，該第一光濾波器1允許操作於650奈米的該應用光信號和該第一背景光雜訊通過，而產生該第一光信號，該第一光量計31偵測該第一光信號，並根據該第一光信號之照度產生正比於該第一光信號之照度的該第一感應電流，該第一運算放大器33接收該第一感應電流，並根據該第一感應電流之大小產生該第一電信號，該第二光濾波器2允許操作於750奈米的該第二背景光雜訊通過，該第二光量計32偵測該第二背景光雜訊，並根據該第二背景光雜訊之照度產生正比於該第二背景光雜訊之照度的該第二感應電流，該第二運算放大器34接收該第二感應電流並根據該第二感應電流之大小產生該第二電信號。
該運算單元4接收該第一電信號和該第二電信號，由於該第一比例和該第二比例皆為1，因此該輸出信號Vout=－v1+v2。
本發明光雜訊消除裝置的該第二實施例類似於該第一實施例，不同之處在於：當不同波段的該背景光雜訊的照度不相同而呈線性狀態時，藉由改變該第一電阻R1和該第二電阻R2的阻抗比值，與該第三電阻R3和該第四電阻R4的阻抗比值來調整該第一比例與該第二比例之值，而能消除線性狀態的背景光雜訊。
在此更進一步地同樣以波長操作於650奈米(nm)的該應用光信號來加以說明，且該應用光信號發生的時刻之照度為10勒克司(lux)，又，該第一背景光雜訊、該第二背景光雜訊和一第三背景光雜訊之照度與波長之關係呈線性狀態，其中，該第三背景光雜訊操作於850奈米，再以一量測器偵測該第二背景光雜訊和該第三背景光雜訊之照度，並根據該第二背景光雜訊和該第三背景光雜訊之照度與波長計算出背景光雜訊的照度與波長之關係的斜率，計算方法眾多，在此以(式1)加以解釋。
斜率= (式1)
其中，Lλ2為該第三背景光雜訊之照度，Lλ1為該第二背景光雜訊之照度，λ2為該第三背景光雜訊之波長，λ1為該第二背景光雜訊之波長。
參閱圖3，可清楚看出該第三背景光雜訊之照度為60000勒克司(lux)，該第二背景光雜訊之照度為50000勒克司(lux)，代入上(式1)，得到斜率為100，再設定該第一電阻R1和該第二電阻R2與該第三電阻R3和該第四電阻R4的阻抗值之比為3:2，以致該第一比例為2/3，該第二比例為1，因此，該輸出信號Vout=-(2/3)v1+v2。第一電阻和該第二電阻與該第三電阻和該第四電阻的阻抗值之比的設定，要搭配第一與第三背景的值，例如，第三背景光雜訊之照度為60000勒克司，第一背景光雜訊之照度為40000勒克司，兩者比率為3:2。
綜上所述，本發明日光雜訊消除裝置能消除與該應用光信號波長相同的該第一背景光雜訊：本發明光雜訊消除裝置利用該光電轉換器3偵測該第一光信號與該第二背景光雜訊，並產生進行光電轉換產生該第一電信號和該第二電信號，該運算單元4接收該第一電信號和該第二電信號並根據該第一比例與該第二比例進行調整後，再運算得到正比於該應用光信號的照度的輸出信號，藉此消除該第一背景光雜訊，故確實能達成本發明之目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
1‧‧‧第一光濾波器
2‧‧‧第二光濾波器
3‧‧‧光電轉換器
31‧‧‧第一光量計
32‧‧‧第二光量計
33‧‧‧第一運算放大器
34‧‧‧第二運算放大器
4‧‧‧運算單元
41‧‧‧運算放大器
Rf1‧‧‧第一回授電阻
Rf2‧‧‧第二回授電阻
R1‧‧‧第一電阻
R2‧‧‧第二電阻
R3‧‧‧第三電阻
R4‧‧‧第四電阻
Vout‧‧‧輸出信號
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1是一電路圖，說明本發明光雜訊消除裝置的一第一實施例之電路圖； 圖2是一波形圖，說明本發明光雜訊消除裝置的該第一實施例之照度-波長波形圖；及 圖3是一波形圖，說明本發明光雜訊消除裝置的一第二實施例之照度-波長波形圖。

Claims (9)

  1. 一種光雜訊消除裝置，適用於接收一應用光信號，且消除一相同於該應用光信號的波長的背景光雜訊，該光雜訊消除裝置包括一第一光濾波器，只允許該應用光信號的波長的光通過而產生一第一光信號，該第一光信號包括該應用光信號及一相同於該應用光信號的波長的第一背景光雜訊；一第二光濾波器，只允許一不同於該應用光信號的波長的光通過而產生一第二背景光雜訊；一光電轉換器，分別偵測該第一光信號與該第二背景光雜訊，而進行光電轉換產生一正比於該第一光信號的照度的第一電信號及一正比於該第二背景光雜訊的照度的第二電信號；及一運算單元，電連接該光電轉換器以接收該第一電信號和該第二電信號，並將該第一電信號和該第二電信號分別根據一第一比例與一第二比例進行調整後，再運算得到一正比於該應用光信號的照度的輸出信號，其中，該第一比例與該第二比例相關於在不同波段的背景光雜訊的照度增減，其中，該第一比例×該第一背景光雜訊的照度=該第二比例×該第二背景光雜訊的照度。
  2. 如請求項1所述的光雜訊消除裝置，其中，該運算單元包括 一第一電阻，具有一第一端及一第二端，該第一端電連接該光電轉換器以接收該第一電信號，一第二電阻，具有一第一端及一接地的第二端，該第一端電連接該第一電阻的第二端，一第三電阻，具有一第一端及一第二端，該第一端電連接該光電轉換器以接收該第二電信號，一第四電阻，具有一第一端及一第二端，該第一端電連接該第三電阻的第二端，及一運算放大器，具有一反向輸入端、一非反向輸入端，及一輸出端，該反向輸入端電連接該第三電阻的第二端，該非反向輸入端電連接該第一電阻的第二端，該輸出端電連接該第四電阻的第二端，該運算放大器根據該第一電信號和該第二電信號進行減法運算產生該輸出信號。
  3. 如請求項2所述的光雜訊消除裝置，其中，該第一電阻和該第二電阻的阻抗值相關於該第一比例，而該第一電阻、該第二電阻該第三電阻及該第四電阻的阻抗值相關於該第二比例。
  4. 如請求項3所述的光雜訊消除裝置，其中，該第一比例=，該第二比例=，其中，r1、r2、r3和r4分別為該第一電阻、該第二電阻、該第三電阻和該第四電阻的阻抗值。
  5. 如請求項1所述的光雜訊消除裝置，其中，當不同波段的該背景光雜訊的照度相同時，該第一電阻、該第二電阻、該第三電阻及該第四電阻的一阻抗值皆相同。
  6. 如請求項1所述的光雜訊消除裝置，其中，該光電轉換器包括一第一光量計，偵測該第一光信號，並根據該第一光信號之照度產生一正比於該第一光信號之照度的第一感應電流，一第一運算放大器，具有一反向輸入端、一非反向輸入端，及一輸出端，該反向輸入端電連接該第一光量計以接收該第一感應電流，該非反向輸入端接地，該第一運算放大器根據該第一感應電流之大小產生該第一電信號，一第一回授電阻，電連接於該第一運算放大器的該反向輸入端與該輸出端之間，一第二光量計，偵測該第二背景光雜訊，並根據該第二背景光雜訊之照度產生一正比於該第二背景光雜訊之照度的第二感應電流，一第二運算放大器，具有一反向輸入端、一非反向輸入端，及一輸出端，該反向輸入端電連接該第二光量計以接收該第二感應電流，該非反向輸入端接地，該第二運算放大器根據該第二感應電流之大小產生該第二電信號，及一第二回授電阻，電連接於該第二運算放大器的該反向輸入端與該輸出端之間。
  7. 如請求項1所述的光雜訊消除裝置，其中，該第一光濾波器和該第二光濾波器為濾光片。
  8. 如請求項1所述的光雜訊消除裝置，其中，該應用光信號和該背景光雜訊操作於低頻。
  9. 如請求項1所述的光雜訊消除裝置，其中，該背景光雜訊之波長介於300奈米至900奈米之間。
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