TWI790633B - 具溫度補償的光感測裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種具溫度補償的光感測裝置,可在不同環境溫度下,調整或校正發光元件的發光次數、時間及功率,使光感測裝置所接收的光訊號數值維持一致或在預設的誤差範圍內,具多種應用場景。

Description

具溫度補償的光感測裝置
發明涉及一種光感測裝置,特別是具溫度補償的光感測裝置。
光感測裝置通常利用紅外線發光元件發射紅外線至外部待測物,感光元件接收反射光並轉換為電信號,再利用控制單元判讀該信號以完成特定感測功能,例如距離感測器。紅外線發光元件常用發光二極體(LED)或垂直共振腔面射雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL),紅外線感光元件常用光二極體(photodiode)。
功率固定下, VCSEL所發射的紅外線強度會隨著溫度變化,如圖1所示。溫度越高,紅外線強度越低,光二極體所接收的反射光強度就越低,造成電訊號較弱,控制單元判讀結果就越不準確,此現象稱為溫度漂移。本發明提出紅外線發光元件的溫度漂移的校正方案,詳如後述。
為了解決上述問題,本發明提供一種具溫度補償的光感測裝置,係利用設置溫度追蹤表單元及溫度感測單元,可即時或定時地監控光感測裝置所在的環境溫度,並根據溫度追蹤表單元取得當下環境溫度對應的參考值,進一步調整發光元件的發光次數、持續時間及功率等以減少溫度造成的功率漂移誤差。
本發明的具溫度補償的光感測裝置,包含:一控制模組;一發光模組,包含一發光元件以及一驅動器,該驅動器耦接該發光元件以及該控制模組,該驅動器接受從該控制模組輸出的一光控制訊號,驅動該發光元件發出一檢測光;一溫度追蹤表單元,連接至該控制模組,用以儲存該發光元件的一溫度功率對照表;一光接收模組,接收該檢測光經一待測物反射之一反射光,並產生一光感測訊號;一類比前端模組(AFE),連接至該光接收模組,用以接收該光感測訊號,並輸出一光類比訊號;一同步序向類比數位轉換器(one cycle clock base ADC),耦接至該類比前端模組與該控制模組之間,用以接收該光類比訊號,並輸出一光數位訊號至該控制模組;以及一溫度感測單元,透過一第一切換單元(SW1)耦接至該同步序向類比數位轉換器,用以感測一環境溫度並對應輸出一溫度感測訊號至該同步序向類比數位轉換器,由該同步序向類比數位轉換器輸出一溫度數位訊號至該控制模組;其中該控制模組連接至該第一切換單元(SW1),用以控制該第一切換單元(SW1)閉路或開路。
本發明可解決因溫度變化造成發光元件功率飄移的問題,使光感測裝置在多種溫度環境下仍可維持距離判讀的準確性。
以下各實施例配合圖式,用以說明本發明之精神,讓本技術領域之人士能清楚理解本發明之技術,但非用以限制本發明的範圍,本發明之專利權範圍應由請求項界定。特別強調,圖式僅為示意之用,並非代表元件實際之尺寸或數量,部份細節可能也不完全繪出,以求圖式之簡潔。
本發明提出紅外線發光元件的溫度漂移的校正方案。利用放大電路,依據發光元件對於環境溫度的特性,校正發光二極體(LED)或正垂直共振腔面射雷射(VCSEL)的輸出功率。
本發明的光感測裝置設置溫度追蹤表單元及溫度感測單元,溫度感測單元可即時或定時量測環境溫度,控制單元依據環境溫度,從溫度追蹤表單元中,比對發光元件溫度功率對照表,取得目前環境溫度發光功率的校正值,使光接收元件所接收的反射光強度維持一致或在預設誤差範圍內,本發明的光感測裝置應用更加廣泛。
本發明利用控制單元切換為校正模式或操作模式。在校正模式下,會讀取目前環境溫度下之發光元件功率的校正值或感光元件電信號的增益值,設定完成校正後進入操作模式。操作模式下,發光元件依據取發光元件功率的校正值,設定發光功率;或依據感光元件電信號的增益值以增益電信號。
通常啟動時,或者使用期間每隔一定時間間隔,會啟動校正模式,然後進入操作模式。本發明的校正模式所需時間極短,使用者在操作上,不會感受到校正模式。另外,進入校正模式時,如感測溫度與操作模式的溫度差異低於一定閾值,不會重新讀取校正值或增益值,而是快速回到操作模式,避免不必要的校正迴路。
本發明的光感測裝置在溫度感測單元與同步序向類比數位轉換器之間設置切換單元,切換單元受控制單元控制,形成閉路時,光感測裝置進入校正模式,量測環境溫度,讀取發光元件功率的校正值或感光元件電信號的增益值;形成開路時,進入操作模式,利用發光元件功率的校正值或感光元件電信號的增益值,設定發光元件的發光功率或感光元件(LED)的電信號增益,此種分時多工處理方式可節省資源消耗且啟動反應迅速。
請參閱圖2,為本發明光感測裝置的元件配置圖,光感測裝置10包含控制模組、發光模組、連接於控制模組的溫度追蹤表單元111、光接收模組106、類比前端模組(AFE) 108、同步序向類比數位轉換器(one cycle clock base ADC) 109、溫度感測單元110、設置於溫度感測單元110與同步序向類比數位轉換器109的第一切換單元SW1以及設置於類比前端模組108與同步序向類比數位轉換器109的第二切換單元SW2。
本實施例讀取目前環境溫度,透過驅動器104轉換成發光元件(VCSEL)脈衝電壓,透過脈衝次數、脈衝寬度以及脈衝強度而得以控制發光功率。
發光模組包含發光元件105以及驅動器104,驅動器104耦接發光元件105以及控制模組之間,驅動器104可接受從控制模組輸出的光控制訊號,以驅動發光元件105發出檢測光50,此實施例使用的發光元件105為垂直共振腔面射雷射。
溫度感測單元110感測環境溫度並對應輸出溫度感測訊號至同步序向類比數位轉換器109,由同步序向類比數位轉換器109轉換並輸出溫度數位訊號至控制模組。
光接收模組106接收檢測光50經待測物20反射之反射光51,並產生光感測訊號至類比前端模組108,經類比前端模組108轉換並輸出光類比訊號至同步序向類比數位轉換器109,經同步序向類比數位轉換器109轉換並輸出光數位訊號至控制模組。在其他實施例中,可選擇地設置濾光片107於光接收模組106周圍使光接收模組106可接收不同顏色的光,濾除不同顏色的光串擾或干擾。
控制模組包含微控制器101,利用儲存於溫度追蹤表單元111的溫度功率對照表取得並儲存溫度數位訊號所對應的參考值(例如,發光元件的校正值),透過微控制器101,將參考值(例如,發光元件的校正值)傳送給數位訊號處理器102,並轉換成脈衝的時序控制訊號,透過時序控制器103設定驅動器104,而能夠驅動發光元件(LED)。光控制訊號包含發光次數、發光時間(脈衝寬度)以及發光強度,因此能夠控制發光元件(LED)的發光功率。
控制模組可連接至第一切換單元及第二切換單元並控制其閉路或開路,當第一切換單元切換成閉路及第二切換單元切換成開路時,光感測裝置進入校正模式以量測溫度,此時發光模組、光接收模組106及類比前端模組108停止運作以節省能源;當第一切換單元切換成開路及第二切換單元切換成閉路時,光感測裝置進入操作模式,此時溫度感測單元110停止運作。
微控制器101更包含內建記憶體用以儲存參考值,其中記憶體可為一次性編程記憶體(one-time programming ROM)或快閃記憶體(flash memory)。
請參考圖3,為本發明光感測裝置驅動發光元件的電路配置圖。在此實施例中,發光元件可以為複數個,皆分別連接至不同的驅動器,且每一發光元件彼此以切換單元連接,依光控制訊號啟動一或二個以上的發光元件以增加檢測光強度,例如VCSEL可以為單一或多個子發光元件(cell),視需求調整,多個子發光元件的發光功率可相互不同,與待測物的距離越遠,功率越大。
請參考圖4,為本發明光感測裝置進行溫度補償的時序圖。在一實施例中,當環境溫度以-40℃起始值,如超過20℃及/或85℃預設值時,發光次數、發光時間及/或發光強度倍增,例如20℃時的發光次數/強度為-40℃時的發光次數/強度的兩倍,85℃時的發光次數/強度為20℃時的發光次數/強度的兩倍,以及 20℃時的發光時間為-40℃時的發光時間的兩倍,85℃時的發光時間為20℃時的發光時間的兩倍。在另一實施例中,發光次數、發光時間及/或發光強度可混合調整,例如-40℃時為發光兩次,在20℃時則改為發光一次但發光時間為-40℃時的發光時間的兩倍,在85℃時改回發光次數為-40℃時的發光次數的四倍。特別說明,前述-40℃、20℃及85℃發光時間的倍率與 VCSEL 特性相關,亦可以非整數倍率做調整,如2.1、2.2…等倍率。
接著參考圖5,為本發明光感測裝置的校正流程圖。當光感測裝置啟動時(步驟S1),控制模組中的微控制器可從內建記憶體(有限狀態機器(FSM))中讀取先前的光控制訊號資訊(步驟S2),接著判斷是否經過一時間間隔(步驟S3),例如8~15秒鐘,如是,進入校正模式;如否,則不進行校正。
在校正模式中,微控制器從溫度感測單元取得環境溫度資訊(步驟S4),從溫度追蹤表單元中的溫度功率對照表取得環境溫度資訊所對應的參考值(步驟S5),調整/更新發光次數、發光時間及/或發光強度以得到校正後的光控制訊號資訊(步驟S6),即可完成校正程序。
在其他實施例中,微控制器判斷已經過一時間間隔(步驟S3)並從溫度感測單元取得環境溫度資訊(步驟S4)後,可再進一步判斷溫度差是否超過預設值,例如1~10℃,如是,則進入校正模式;如否,則不進行校正。特別說明,預設值的範圍可依使用需求而定,如一般使用者端的溫度差小於5%即可,工業端的溫度差則需小於1%。
請參考圖6,本發明光感測裝置校正前後的光數位訊號數值曲線圖。校正前,隨溫度上升,光數位訊號數值曲線逐漸遞減,整體誤差可達一倍以上;校正後,光數位訊號數值曲線維持平緩,且整體誤差可控制在5%內。
10        本發明光感測裝置 101      微控制器 102      數位訊號處理器 103      時序控制器 104      驅動器 105      發光元件 106      光接收模組 107      濾光片 108      類比前端模組 109      同步序向類比數位轉換器 110      溫度感測單元 111      溫度追蹤表單元 20        待測物 50        檢測光 51        反射光 SW1    第一切換單元 SW2    第二切換單元 S1~S6  步驟
圖1為垂直共振腔面射雷射的溫度功率曲線圖。
圖2為本發明光感測裝置的元件配置圖。
圖3為本發明光感測裝置驅動發光元件的電路配置圖。
圖4為本發明光感測裝置進行溫度補償的時序圖。
圖5為本發明光感測裝置的校正流程圖。
圖6為本發明光感測裝置校正前後的光數位訊號數值曲線圖。
10        本發明光感測裝置 101      微控制器 102      數位訊號處理器 103      時序控制器 104      驅動器 105      發光元件 106      光接收模組 107      濾光片 108      類比前端模組 109      同步序向類比數位轉換器 110      溫度感測單元 111      溫度追蹤表單元 20        待測物 50        檢測光 51        反射光 SW1    第一切換單元 SW2    第二切換單元

Claims (7)

  1. 一種具溫度補償的光感測裝置,包含:一控制模組;一發光模組,包含一發光元件以及一驅動器,該驅動器耦接該發光元件以及該控制模組,該驅動器接受從該控制模組輸出的一光控制訊號,驅動該發光元件發出一檢測光;一溫度追蹤表單元,連接至該控制模組,用以儲存該發光元件的一溫度功率對照表;一光接收模組,接收該檢測光經一待測物反射之一反射光,並產生一光感測訊號;一類比前端模組(AFE),連接至該光接收模組,用以接收該光感測訊號,並輸出一光類比訊號;一同步序向類比數位轉換器(one cycle clock base ADC),耦接至該類比前端模組與該控制模組之間,用以接收該光類比訊號,並輸出一光數位訊號至該控制模組,其中該同步序向類比數位轉換器透過一第二切換單元(SW2)耦接至該類比前端模組;以及一溫度感測單元,透過一第一切換單元(SW1)耦接至該同步序向類比數位轉換器,用以感測一環境溫度並對應輸出一溫度感測訊號至該同步序向類比數位轉換器,由該同步序向類比數位轉換器輸出一溫度數位訊號至該控制模組;其中該控制模組連接至該第一切換單元(SW1)及該第二切換單元(SW2),該控制模組依據一時間間隔或一溫度差切換該第一切換單元 (SW1)為閉路,使該光感測裝置進入一校正模式以產生一溫度補償控制信號,該控制模組切換該第一切換單元(SW1)為開路,使該光感測裝置進入一操作模式且利用該溫度補償控制信號調整該發光元件發光次數或發光功率以補償該發光元件之發光功率。
  2. 如請求項1所述之光感測裝置,其中該控制模組包含:一微控制器,利用該溫度功率對照表取得並儲存該溫度數位訊號所對應的一參考值;一數位訊號處理器,連接該微控制器,用以接收該參考值並將該參考值轉換成一時序控制訊號;以及一時序控制器,連接於該數位訊號處理器與該驅動器之間,用以接收該時序控制訊號並將該時序控制訊號轉換成該光控制訊號。
  3. 如請求項2所述之光感測裝置,其中該微控制器包含一內建記憶體。
  4. 如請求項1所述之光感測裝置,其中該光控制訊號包含一發光次數、一發光時間以及一發光強度。
  5. 如請求項4所述之光感測裝置,當該環境溫度超過至少一預設值,該發光次數、該發光時間及/或該發光強度倍增。
  6. 如請求項1所述之光感測裝置,其中該時間間隔為8~15秒。
  7. 如請求項1所述之光感測裝置,其中該溫度差為1~10℃。
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