距离测量传感器及装备有该距离测量传感器的电子设备

摘要

一种距离测量传感器(1)，包括：发射光的发光二极管(LED，2)；光投射透镜(3)，其接收发光二极管(LED，2)发射的光，以引导所述光照亮物体；聚集所述物体反射的光的光接收透镜(4)；和位置敏感光检测器(PSD，5)，其接收所述光接收透镜(4)聚集的一个位置处的光，以输出与所述位置对应的信号。所述光接收透镜(4)和位置敏感光检测器(PSD，5)被构造为：沿从所述光接收透镜(4)至所述发光二极管(LED，5)的光轴看去两个之间设有可调整的距离。一种距离测量传感器及装备有它的电子设备可被如此获得，它能快速地提供宽范围内的物体距离信息，并由减少了数量的元件组成。

说明书

技术领域

本发明涉及能够引导光照亮物体、并接收物体反射的光以获得物体距离信息的距离测量传感器，以及装备有该传感器的电子设备。

背景技术

作为输出物体距离信息的装置，利用所谓三角测量法的距离测量传感器是公知的。

参见图10，传统的距离测量传感器101包括光发射二极管(LED)102、光投射透镜103、光接收透镜104、半导体位置敏感光电检测器(PSD)105和IC 106。LED 102、PSD 105和IC 106例如是被芯片焊接或丝焊，从而安装在引线框108上。当它们被模塑时，它们被半透明树脂109环绕。而且，半透明树脂109外形上是由遮光树脂形成的壳体107模塑而成的。壳体107具有上表面，所述上表面具有设置在其上的分别与LED 102和PSD105相对的光投射透镜103和光接收透镜104。

将传统三角测量法应用其上的距离测量传感器使用测量物体距离的原理，如下所述。

参见图11，LED 102发射光，所述光依次经光投射透镜103聚集以照亮例如位于位置151或152处的物体。所述物体反射漫射光，所述漫射光依次经光接收透镜104聚集并由PSD 105接收。PSD 105接收随着离距离测量传感器101的物体距离而变化的位置处(点位置)的反射光。PSD 105从相对端输出一对与接收光的位置对应的光电流。由该输出，IC 106(图10)输出关于所述物体距离的信息。

然而，距离测量传感器101仅能获得被限制在例如允许PSD 105接收反射光的从位置151至位置152之间的位置范围的物体距离信息。如此，对应不利地受限的位置范围获得了物体距离信息。对应通过下述表达式基于三角测量法原理确定的长度为L(距离测量允许范围L)的位置范围，物体距离信息被获得：

$>>X>=>>>A>\times >f>>L>>->->->->>(>1>)>>>s>$

其中X表示PSD能检测到的点位置的范围，A表示光投射透镜和光接收透镜的基线长度(从光投射透镜孔径位置到光接收透镜孔径位置间的距离)，f表示光接收透镜和PSD之间所示的沿光轴方向的距离。从这个表达式中可以理解，越小的范围X允许越大的长度L。然而，减少范围X会降低距离测量传感器101的精度。这种方法仅能以有限的长度增大范围L。

因此，为了保持距离测量传感器的测量精度，同时提供增大的范围L，有必要提供用在近距离的LED和PSD、用在长距离的LED和PSD、以及两个处理器，所述两个处理器基于每个PSD输出的信号来输出距离信息。然而不利地是，这种装置需要显著地增加元件的数量。

进一步说，距离测量传感器可包括单个LED和多个PSD。然而，在这种装置中，多个PSD可同时接收光。如此，光波相互干扰，传感器的精度被降低。此外，距离测量传感器可包括多个LED和单个PSD。然而，在这种设置中，所述LED发射它们各自的光束，它们能被单个PSD同时接收。这样，光波相互干扰，传感器的精度被降低。为了防止距离测量传感器具有降低的精度，多个LED或PSD必须每次驱动一个，这样对于每种情况，基于PSD的输出而输出距离信息。由于物体距离信息不能快速地被获得，所以这是不利的。

发明内容

本发明设计了一种包括较少数量的元件且能快速获得宽范围内的物体距离信息的距离测量传感器，以及装备有所述传感器的电子设备。

在本发明的一方面中提供一种距离测量传感器，包括：光发射器件；接收所述光发射器件发射的光并引导所述光照亮物体的光投射透镜；聚集所述物体反射的光的光接收透镜；以及光接受器件，所述光接受器件接收所述光接收透镜所聚集的一个位置处的光，以输出与所述位置对应的信号。所述光接收透镜和所述光接受器件被构造为：沿从所述光接收透镜至所述光接受器件的光轴看去，所述光接收透镜和所述光接受器件之间具有长度可调整的距离。

在一方面中，在所述距离测量传感器中，所述光接收透镜和光接受器件之间具有可调的距离，以改变传感器测量范围和距离测量允许范围。改变传感器测量范围和距离测量允许范围，以及为改变的测量范围和改变的距离测量允许范围输出物体的距离信息，能够使所述传感器的距离测量允许范围增大。而且，不需要单独驱动多个LED或光接受器件，就能输出物体距离信息。这样，能快速地获得对应宽范围的信息。由于多个LED和光接受器件、以及处理器可被省去，所以传感器可由减少了数量的元件组成。

请注意，在说明书中，“光轴”表示直接从光投射透镜引至物体的光的光轴。

本发明的另一方面提供一种距离测量传感器，包括：光发射器件；接收所述光发射器件发射的光并引导所述光照亮物体的光投射透镜；聚集所述物体反射的光的光接收透镜；以及光接收装置，所述光接收装置接收所述光接收透镜聚集的一个位置处的光，以输出与所述位置对应的信号。所述光投射透镜和所述光接收透镜被构造为提供长度可调的基线。

在另一方面中，在所述距离测量传感器中，光投射透镜和光接收透镜能提供长度可调的基线，以改变传感器测量范围和距离测量允许范围。改变传感器测量范围和距离测量允许范围，以及为改变的测量范围和改变的距离测量允许范围输出物体的距离信息，能够使所述传感器的距离测量允许范围增大。而且，不需要单独驱动多个LED或光接受器件，就能测量出所述距离。由于多个LED或光接受器件、以及IC可被省去，所以传感器可由减少了数量的元件组成。

本发明的还一方面提供一种距离测量传感器，包括：光发射器件；接收所述光发射器件发射的光并引导所述光照亮物体的光投射透镜；聚集所述物体反射的光的光接收透镜；以及光接受器件，所述光接受器件接收所述光接收透镜聚集的一个位置处的光，并输出与所述位置对应的信号。所述光接收透镜具有第一和第二孔径。

在还一方面中，在所述距离测量传感器中，第一孔径聚集的反射光和第二孔径聚集的反射光被光接受器件接收。这样，在对应与第一孔径相关的测量范围加上与第二孔径相关的测量范围所得的测量范围内，可以获得物体存在/不存在的信息。而且，不需要单独驱动多个LED或光接受器件，或者不需要移动光接收透镜，就能实现测量。进一步，物体的距离信息可在宽范围内快速地获得。此外，多个LED、光接受器件和IC可被省去，传感器可由减少了数量的元件组成。

在此传感器中，优选所述第一和第二孔径被设置在垂直于光轴的单一平面内。

这可防止穿过第一孔径的光进入第二孔径。这也可防止进入第一孔径的光和进入第二孔径的光相互干扰，并防止发生错误测量。

在此传感器中，优选所述光接收透镜包括具有所述第一孔径的第一光接收透镜和具有所述第二孔径的第二光接收透镜。

由于光接收透镜具有由分立透镜构成的第一孔径和第二孔径，所以可以防止已进入第一孔径的光泄漏或干扰已进入第二孔径的光(或产生杂散光)。

优选所述传感器还包括设置在所述第一孔径和第二孔径之间的遮光件。

所述遮光件将已进入第一孔径的光与已进入第二孔径的光隔离开。还能防止已进入第一孔径的光泄漏或干扰已进入第二孔径的光(或产生杂散光)。

本发明提供了装备有上述距离测量传感器的电子设备。所述距离测量传感器可被应用在各种电子设备上，并可被用在各种应用中。

附图说明

结合附图，通过下述对本发明的详细描述，本发明的前述和其它的目的、特征、方面和优点将变得更清楚。

在附图中：

图1是第一实施例中本发明所述距离测量传感器的横截面示意图；

图2是说明应用在第一实施例所述传感器中用来测量物体距离的原理的示意图；

图3表示在第一实施例中，从物体到传感器的距离和PSD输出的光电流之间关系；

图4是此传感器的第二实施例的横截面示意图；

图5是说明应用在第二实施例所述传感器中用来测量物体距离的原理的示意图；

图6是此传感器的第三实施例的横截面示意图；

图7是说明应用在第三实施例所述传感器中用来测量物体距离的原理的示意图；

图8表示在第三实施例中，从物体到传感器的距离和PSD输出的光电流之间关系；

图9是此传感器的第四实施例的横截面示意图；

图10是传统的应用三角测量法的距离测量传感器结构的横截面示意图；

图11是说明应用在传统距离测量传感器中用来测量物体距离的原理的示意图。

具体实施方式

在下文，将参考附图描述本发明的实施例。

第一实施例

参见图1，距离测量传感器1包括光发射器件(LED)2、光投射透镜3、光接收透镜4、PSD 5(光接受器件)和IC 6(处理器)。LED 2、IC 6和PSD 5被设置在引线框8上，并且是通过例如芯片焊接、丝焊或类似方法进行安装的。LED 2、IC 6和PSD 5被壳体7隔离开。而且，LED 2、IC6和PSD 5被半透明树脂9环绕并被其覆盖，以使它们固定在壳体7中。

光投射透镜3被固定在壳体7中且在左上方的突出处，如图所示。光接收透镜4被固定在右上方壳体7a中，如图所示，其中所述壳体7a例如通过齿轮(gear)(未显示)紧固在壳体7上。当所述齿轮或类似物旋转时，壳体7a以及被它保持的光接收透镜4能在范围x₁内平行于光轴(图中竖直方向)地移动。

在此实施例中，距离测量传感器1按照如下原理测量物体距离。

参见图2，LED 2发射的光依次由光投射透镜3聚集，并被指引照亮例如出现在位置51-53处的物体。所述物体提供的反射光依次由光接收透镜4聚集，并被PSD 5接收。

PSD 5在一位置处接收反射光，所述位置随着从距离测量传感器1至物体之间的距离而变化。PSD 5从相对端5a和5b输出一对与接收光的位置对应的光电流。由此输出，IC 6(图1)获得物体的距离信息并输出它。在图2中，距离A是指从光投射透镜3至光接收透镜4的距离(基线的长度)，长度X是指PSD 5能检测到的点的位置范围。

在此实施例中，距离测量传感器1被构造为：当沿从光接收透镜4至PSD 5的光轴看时，允许光接收透镜4和PSD 5之间具有可调的距离。更具体地说，光接收透镜4可在范围x₁内垂直移动，如图2所示。如果光接收透镜4位于范围x₁内离PSD 5最近的位置a₁，则光接收透镜4将位于离PSD 5的距离为f₁的位置，如沿所述光轴看去。假设光接收透镜4具有范围x₁内离PSD 5最远的位置a₂，则光接收透镜4将位于离PSD 5的距离为f₂的位置，如沿所述光轴看去。光接收透镜4和PSD 5被如此设置以在它们之间具有可从距离f₁调至距离f₂的距离，如沿从光接收透镜4至PSD5的光轴看去。

更具体地说，如果光接收透镜4位于位置a₁，则距离测量传感器1具有满足X＝(A×f₁)/L₁的距离测量允许范围L₁，并且IC 6(图1)能输出从位置51至位置52范围内存在的物体的距离信息。并且，如果光接收透镜4位于位置a₂，则距离测量传感器1具有满足X＝(A×f₂)/L₂的距离测量允许范围L₂，并且IC 6能输出从位置52至位置53范围内存在的物体的距离信息。这样，在位置a₁和a₂中每个位置处设置光接收透镜4，并对应每个位置输出物体位置信息，能使得距离测量传感器1具有L₁+L₂＝L的范围，从而提供了增大的距离测量允许范围。

例如如下文所述，位置a₁和a₂被确定，以便使通过位于位置a₁的透镜4而从单一物体反射的光和通过位于位置a₂的透镜4而从所述物体反射的光没有冗余地被接收，以提供减小的距离测量允许范围。

起初，最近的位置(也就是位置53)被确定在一位置范围中，其中观察者希望从所述位置范围获得物体的位置信息。所述物体被放在所述位置，并且使所述物体反射的光照亮PSD 5的一端5a(图2所示的右端)的光接收透镜4的位置被确定为位置a₁。然后，光接收透镜4被固定在位置a₁，使物体反射的光照亮PSD 5的另一端5b(图2所示的左端)的物体的位置被检查。然后，物体位于使反射光照亮PSD 5另一端5b的位置(也就是位置52)，使所述物体反射的光照亮PSD 5的一端5a(图2所示的右端)的光接收透镜4的位置被确定为位置a₂。

参见图3，例如，当光接收透镜4位于位置a₁时，PSD 5从一端5a输出具有图3虚线表示的曲线的光电流。更具体地说，当物体位于位置53时，PSD 5在一端5a接收最大量光线，并输出最大光电流。当物体移动离位置53越来越远时，PSD 5在一端5a接收量逐渐减少的光线，并输出逐渐减少的光电流。相反，当物体近于位置53时，PSD 5不能接收反射光。因此，PSD 5在一端5a输出快速减弱的光电流。

相反，当光接收透镜4位于位置a₂时，PSD 5从一端5a输出图3实线指示的曲线表示的光电流。更具体地说，当物体位于位置52时，PSD 5在一端5a接收最大量光线，并输出最大光电流，而当物体移动离位置52越来越远时，PSD 5在一端5a接收量逐渐减少的光线，并输出逐渐减弱的光电流。相反，当物体近于位置52时，PSD 5不能接收反射光。因此，PSD 5在一端5a输出快速减弱的光电流。

PSD 5也在另一端5b输出的光电流，与PSD 5在一端5a的相似。IC 6(图1)被这两个光电流输出驱动，以输出物体的距离信息。所述物体的距离信息例如表示从距离测量传感器1至物体的距离、在固定检测范围内物体存在与否，等等。

如果IC 6被用来输出有关在固定检测范围中物体存在与否的信息，那么PSD 5一端5a输出的光电流的阈值被设定。如果一端5a输出的光电流大于阈值，则IC 6输出物体存在的信息，如果一端5a输出的光电流小于阈值，IC 6输出没有物体存在的信息。位置d₁至d₂范围内存在的物体能被如此检测出来。

在本实施例的距离测量传感器1中，光接收透镜4和PSD 5之间能具有可调的距离，以改变传感器测量范围和距离测量允许范围。改变传感器测量范围和距离测量允许范围，以及为改变的测量范围和改变的距离测量允许范围输出物体的距离信息，能使传感器1的距离测量允许范围L增大。而且，距离信息的输出不需要单独驱动多个LED或PSD。物体距离信息能在宽范围内快速地获得。由于多个LED和PSD、以及IC可被省去，所以距离测量传感器1可由减少了数量的元件组成。

第二实施例

参见图4，本实施例提供了一种距离测量传感器1，包括：固定在壳体7a上的光接收透镜4，所述壳体7a例如通过齿轮(未显示)紧固在壳体7上。当齿轮或类似物旋转时，壳体7a与被它保持的光接收透镜4能在范围x₂内沿垂直于光轴的方向(或者图中横向)移动。

其它配置基本上与图1所示的第一实施例相同。因此，同样的元件可由同样的附图标记表示，并且将不再描述。

在本实施例中，距离测量传感器1根据下文描述的原理测量物体的距离。

在本实施例的距离测量传感器1中，光投射透镜3和光接收透镜4提供了长度可调的基线(光投射透镜3的孔径12与光接收透镜4的孔径13之间的距离)。更具体地说，光接收透镜4在范围x₂内横向移动，如图5所示。因此，如果光接收透镜4位于x₂范围内最接近光投射透镜3的位置，也就是位于位置b₁，则光投射透镜3和光接收透镜4基线间具有对应距离A₁的长度。如果光接收透镜4位于x₂范围内最远离光投射透镜3的位置，也就是位于位置b₂，则光投射透镜3和光接收透镜4基线之间具有对应距离A₂的长度。如此，光投射透镜3和光接收透镜4被设置为允许它们的基线在长度上可从距离A₁调至A₂。

更具体地说，如果光接收透镜4位于位置b₁，则距离测量传感器1具有满足X＝(A₁×f)/L₁的距离测量允许范围L₁，并且IC 6(图4)能输出从位置52到位置53范围内存在的物体的距离信息。此外，如果光接收透镜4位于位置b₂，则距离测量传感器1具有满足X＝(A₂×f)/L₂的距离测量允许范围L₂，并且IC 6能输出从位置51到位置52范围内存在的物体的距离信息。如此，在位置b₁和位置b₂中的每个位置处设置光接收透镜4，并且输出每个位置的物体位置信息，能使得距离测量传感器1具有L₁+L₂＝L的范围，从而提供增大的距离测量允许范围。

对本实施例中的距离测量传感器1，位置b₁和b₂被确定，与第一实施例中已描述的相似，这样穿过位于位置b₁的透镜4而被单个物体反射的光和穿过位于位置b₂的透镜4而被所述物体反射的光没有被冗余地接收，从而提供了减少的距离测量允许范围。

在本实施例的距离测量传感器1中，光投射透镜3和光接收透镜4基线能在长度上调整以改变传感器的测量范围和距离测量允许范围。改变传感器测量范围和距离测量允许范围，以及为改变的测量范围和改变的距离测量允许范围输出物体的距离信息，能使传感器1的距离测量允许范围L增大。而且，不需要单独驱动多个LED或PSD，就能测出距离。距离信息能在宽范围内快速地获得。由于多个LED或PSD、以及IC可被省去，所以距离测量传感器1可由减少了数量的元件组成。

第三实施例

参见图6，本实施例提供了一种距离测量传感器1，包括固定在壳体7右上部的光接收透镜4，如图所示。光接收透镜4具有孔径13a和13b。换句话说，光接收透镜4是具有两个不同曲率的单一透镜。在光接收透镜4中，孔径13a和13b被横向设置，如图6所示。

其它配置基本上与图1所示的第一实施例相同。因此，类似元件被类似的附图标记表示，并且将不再描述。

在本实施例中，距离测量传感器1按照下文描述的原理测量物体的距离。

参见图7，光接收透镜4具有垂直于光轴(图7中横向)设置的孔径13a和13b。光投射透镜3和光接收透镜4的孔径13a提供的基线的长度为A₃(光投射透镜3的孔径12与光接收透镜4a的孔径13a之间的距离)，光投射透镜3和光接收透镜4的孔径13b提供的基线具有不同的长度A₄(光投射透镜3的孔径12与光接收透镜4b的孔径13b之间的距离)。

当光接收透镜4的孔径13a聚集的反射光被接收时，距离测量传感器1具有满足X＝(A₃×f)/L₁的距离测量允许范围L₁，并且IC 6(图6)能输出从位置52至位置53的范围内存在的物体的距离信息。另外，如果光接收透镜4的孔径13a聚集的反射光被接收，则距离测量传感器1具有满足X＝(A₄×f)/L₂的距离测量允许范围L₂，并且IC 6能输出从位置51至位置52范围内存在的物体的距离信息。由于光接收透镜4在每个孔径13a和13b聚集的光被接收，所以距离测量传感器1能提供距离测量允许范围L₁+L₂＝L，一个被增大的距离测量允许范围。

在本实施例的测量传感器1中，光接收透镜4具有孔径13a和13b，它们位于如第一实施例所述一样确定的位置处，从而使得穿过孔径13a而被单一物体反射的光和穿过孔径13b而被所述物体反射的光没有被冗余地接收，以提供减少的距离测量允许范围。

参见图8，与图3显示的第一实施例相比，本实施例提供的距离测量传感器1包括PSD 6(图6)，它输出分别与光接收透镜4a和4b聚集并且同时由PSD 5接收的光线相对应的光电流。因此，在与传感器1接近的部分出现由光接收透镜4a(图8左手)聚集的光引起的光电流输出峰值，而在远离传感器1的部分出现由光接收透镜4b(图8右手)聚集的光引起的光电流输出峰值。

离距离测量传感器的距离和PSD输出的光电流之间的这种关系可被用来检测例如在检测范围中是否存在物体。更具体地说，在PSD 5一端5a输出的光电流的阈值被设定。如果一端5a输出的光电流大于阈值，则IC 6输出物体存在的信息，如果一端5a输出的光电流小于阈值，则IC 6输出没有物体存在的信息。在从位置d₁至位置d₂的范围内存在的物体可被如此检测出来。

在本实施例的距离测量传感器中，孔径13a聚集的反射光和孔径13b聚集的反射光被PSD 5接收。因此，在与同孔径13a相关的测量范围加上与孔径13b相关的测量范围相对应的测量范围中，物体存在/不存在的信息可被获得。而且，测量的实现不需要单独驱动多个LED或PSD，或移动光接收透镜4。物体的距离信息还可在宽范围内被快速地获得。进一步说，多个LED、PSD以及IC可被省去，由此距离测量传感器1可由减少了数量的元件组成。

在本实施例的距离测量传感器1中，孔径13a和13b被沿垂直于光轴的直线设置。

这样可防止穿过孔径13a的光进入孔径13b。这也可防止进入孔径13a的光和进入孔径13b的光相互干扰，并防止发生错误测量。

虽然在本实施例中孔径13a和13b被沿垂直于光轴的直线设置，但本发明并不限于这种方式。只需要光接收透镜4具有第一和第二孔径，优选设置在垂直于光轴的单一平面内就行。

第四实施例

参见图9，本实施例提供了一种距离测量传感器1，包括两个横向设置的光接收透镜4a和4b，如图所示。光接收透镜4a和4b分别具有孔径13a和13b，在两者之间设置遮光件11。

其它配置以及测量物体距离的原理基本上与参考图6的第三实施例中的描述相同。因此，同样的元件可由同样附图标记表示，并且将不再作描述。

在本实施例中，距离测量传感器1包括具有孔径13a的光接收透镜4a和具有孔径13b的光接收透镜4b。

由于孔径13a和13b被分立透镜构成，所以可防止已进入孔径13a的光泄漏并干扰已进入孔径13b的光(或产生杂散光)。

在本实施例中，距离测量传感器1还包括设置在孔径13a和13b之间的遮光件11。

遮光件11将已进入孔径13a的光与已进入孔径13b的光隔离开。还能防止已进入孔径13的光泄漏或干扰已进入孔径13b的光(或产生杂散光)。

第一至第四实施例中描述的距离测量传感器可被设置在电子设备中。在所述电子设备中，物体距离信息可在宽范围内被快速地输出。而且所述电子设备是由减少了数量的元件组成。

尽管本发明已被详细地描述和图解说明，但是应该明确地理解，它们只是作为解释和示例，并不是作为限制，本发明的精神和范围仅由附加的权利要求中的条款限定。