专利名称：临近传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种临近传感器，具体涉及一种用于确定达到相距靶的某最小距离的时间的临近传感器。
根据本发明提供一种临近传感器，其包括利用光斑阵列照射场景的照明装置、设置用于接收从场景反射的光的探测器，和位于从场景到探测器的光束的光路中的掩模，该掩模具有透射部分和不透射部分，与照明装置和探测器一起在使用中使从距离传感器第一距离范围内的靶上反射的光束通过掩模透射到探测器，并且来自第二距离范围的光束不通过掩模透射。
照明装置向场景投射光斑阵列，探测器实际上通过掩模观察场景。因此探测器通过掩模只看到部分场景。投射光斑在场景中出现的位置取决于靶接近该场景的程度。因此，在仔细选择掩模以及照明装置和探测器的对准的情况下，该探测器能够被设置成如果靶在某第一距离范围内，使其能够看到光斑，但是如果靶在第二距离范围内就不能看到光斑。
因此可以用探测器是否能够看到光斑来表示一个靶是在第一距离范围内还是在第二距离范围内。
掩模可以设置成，如果靶在传感器的预定距离内，则将反射或者散射的光束透射到探测器上，且如果靶在预定距离之外则不透射反射的光束。在这种情况下，传感器能够是一个简单的临近报警器。在所探测的光束突然增加时，表示靶已在探测器的预定距离内，或者在所探测的光束突然减小时，表示靶已经相对传感器移动得更远。因此，强度上的突然变化能够用于触发一个适当的报警。
可替换地，掩模能够用于透射从超过预定距离的靶反射的光束，且不透射在预定距离内的光束。
优选地，照明装置用红外光斑照射场景。红外光斑将是不可见地被探测，这对某些应用是有用的。另外，照明装置优选地被调制在预定频率上，并且将滤光片施加到探测器，输出预定的频率。调制光源和过滤探测信号将降低环境光条件的影响。另外，或者可替换地，探测器能够用于接收来自场景的环境光束，且可以补偿环境光束的影响。
掩模可以用于定义多个距传感器的距离范围，且对于每一距离范围内的靶透射不同量的光束。例如，掩模可以是基本上是不透射的，并具有多个透射窗。掩模可配置成使当靶位于超过某上限距离时，无反射光束透射通过掩模。当引入目标，该目标比上限距离接近，但是距下限距离较远时，在掩模中的窗可以设置成让来自一个或多个光斑的光束到达探测器。如果引入的目标低于下限距离，那么掩模的窗设置成允许来自更多数量的光斑的光束到达探测器。因此，根据在场景中靶的位置，探测器可具有三个强度等级。
传感器可以设置成具有多个距离区，且确定靶位于哪个区内。然后，传感器可提供控制信号或者适当的报警。例如，在作为临近传感器的应用中对于倒车的机动车，当靶和传感器变得更近时，可以增加音响报警的发声速率。
为了改善各种距离范围的区别，照明装置可以采用投射多个不同调制频率的光斑，且采用的掩模使得在每个距离范围内有不同的调制频率传送到探测器上。换言之，每一不同范围的界限可以具有一个与其相关联的特定的频率调制。然后在特定频率下的光斑探测指示靶是在哪个范围区域内。
传统的照明装置包括设置成照射光导的部分输入面的光源，该光导包括管，该管具有基本上反射的侧面，且与投射光学装置一起设置，以便向场景投射光源的不同图像阵列。
实际上，光导作为一个万花筒(kaleidoscope)。来自光源的光束从管的侧面反射，并能够在管中经历多个反射路径。结果，产生多个光源图像并将其投射到场景上。因此，场景被光源的图像阵列照射。优选光源是一个单一发光二极管，而场景被光斑阵列照射。光源可以设置成足够靠近仅部分照射的光导，或者光源可以设置成通过光导掩模照射光导的输入面。光导掩模在所关心的辐射下可以是基本上不透明的，并提供至少一个透射部分，以允许来自光源的光束照射光导的部分输入面。
光导包括一个具有基本上是反射壁的管。优选该管有恒定的横截面，通常是正多边形。具有规则的横截面意味着光源的图像阵列也将是规则的，这是临近传感的优点。最优选是正方形截面的管。光导可具有几平方毫米到几十平方毫米数量级的横截面，例如在2-50mm2范围或者5-25mm2范围。对于正方形截面的管，边长可以是2-5mm。显然取决于横截面积的光导的出口孔径的尺寸影响光斑投射器的景深。小的出口孔径造成大的景深，这意味着该临近传感器可以在较大的距离范围上使用。然而，本领域的技术人员将理解可以使用其它尺寸，并适合于某些应用。
管可以包括一个具有反射的内表面的空心管，即，反射的内壁。可替换地，管可以由实心材料制造，并设置成使在管材料和周围材料之间的界面处入射的多数光发生全内反射。管材料可以是用具有适当的折射率的涂层涂敷，或者设计成在空气中操作，其中光导材料的折射率的情况应使全内反射在材料与空气的界面处发生。
使用这样的管作为光导导致产生光源的多个图像被投射到场景上。光导容易制造和装配，用于将来自光源的大多数光束耦合到场景上。因此，可以使用诸如发光二极管的低功率光源。如上所述，出口孔径可以很小，该装置也具有大的景深，使其用于要求分别在宽的距离范围投射光斑的测距应用。
投射光学装置可以包括投射透镜。投射透镜可以位于与光导输出面邻接。在一些实施例中，光导是实心的，透镜可以与光导制成一体，即，管可以是在输出面形成一个透镜的形状。
通过仅参考附图的示例详细描述本发明；
图1表示本发明的一个实施例，图2表示本发明使用的适合的光斑投射器，图3表示图2所示的光斑投射器的操作原理，图4表示由光斑投射器投射的光斑阵列和本发明使用的适合的掩模，图5表示本发明另一实施例使用的掩模，及表示使用本发明如何给出目标在不同范围带内的指示。
图1表示根据用作简单的临近传感器的本发明的一个实施例。光斑投射器2在场景上投射光斑阵列。透镜4聚集从场景反射的光束并通过掩模6将它们聚焦在探测器8上。探测器8与阈值电路10连接，该阈值电路控制报警器12。
如图所示，从光斑投射器2投射的光束实际上是一个具有一定角距的光束阵列。如果仅一个远距离目标14位于场景中，那么从目标14反射的光束落在掩模的不透明部分。因此，探测器8没有接收到光束，且阈值电路10测量到强度等级小于预定的阈值。
然而，当较近的目标16引入场景，从该目标反射的光束通过掩模6透射到探测器8上。因此，所测量的强度超过阈值等级，并且阈值电路10触发报警器12以指示目标已进入一个确定的距离内。
本发明依靠视差型效应，以及光斑投射器、探测器和掩模的适当布置。如图1所示，在场景中探测器到光斑的角度根据到场景中目标的距离不同而不同。没有掩模时，探测器根据目标的接近程度将在不同位置看到光斑。因此掩模阻挡从场景反射的光到达探测器，除非在视野中有接近的目标。因此该类型的临近传感器提供一个简单的报警以指示目标已到达一个某最小距离内。这种临近传感器能够用于诸如探测热探测器的盲区的所述应用。
热探测器如单分子焦热电探测器，通常称作无源红外线(PIR)传感器，在诸如入侵报警、火警或者自动照明等各种应用中使用。设计PIR传感器以便在某视野内给定一个移动物体或者群体的热特征的响应。对于特殊的应用设计这种传感器的典型灵敏度和视野范围。例如，入侵报警器或者自动照明系统通常设计成由人体的活动触发。
但是PIR传感器很容易被模糊化或者被遮蔽。这种遮蔽可以是有意的，例如通过用红外的不透明材料覆盖传感器或者用这种材料喷涂窗口来实现遮蔽，也可以通过掩蔽的手段实现。测试传感器是工作还是没工作的唯一方法是通过绕房间行走，尽力触发一个响应。但是这需要积极的活动来执行测试，而且不可能取决于传感器的灵敏度。例如，传感器可以设计成探测火灾，但是忽视了人的活动，因此需要强IR源来测试功能。例如通过将家具或者其它物质移动到视野中，也可以无意地隐蔽传感器。
本发明的临近传感器能够在PIR传感器中应用，如果某物进入传感器的预定距离内则产生报警。这能够用作传感器被遮蔽的指示。
由光斑投射器2投射的光斑阵列的特性可以根据应用而变化。对于某些应用需要光斑的线性阵列，或者将临近传感器设计成工作在窄视野下时，可使用小的二维阵列。
但是在临近传感器设计成工作在大视野下时，优选相对较大的规则的光斑阵列。一个用于投射这种光斑阵列的特别合适的光斑投射器如图2所示。
光源24与万花筒26的输入面邻接。万花筒26的另一端是单投射透镜28。为了清楚的目的图中显示投射透镜与万花筒隔开，但是通常投射透镜与万花筒的输出面邻接。
光源24是红外发射光的发光二极管(LED)。当投射光斑的阵列不需要与所获得的可见图像干涉，并且红外LED和探测器价格合理且不昂贵时，红外是有用的。然而，本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明的精神下，对于其它应用来说可以使用其它波长和其它光源。
LED24与万花筒的输入面邻接，以便仅照射其一部分。然而，在可替换的实施例中，LED可以通过掩模照射万花筒的输入面，该掩模设置成具有一个或多个透明部分，用于允许光束通过以到达部分万花筒的输入面。万花筒将以与LED相邻时相同的方式在输入面上复制光斑图像，但使用掩模是有利的。掩模更容易形成和/或相应LED或者LED阵列精确定位于万花筒的输入面。此外，当尺寸没有限制时，可以放宽LED(或者一般的光源)的选择。LED可以与掩模隔开，其中均化器(未示出)优选位于光源和输入掩模之间，以确保均匀照射。
万花筒是一个具有内反射壁的中空管。万花筒可以由具有适合刚性的任何材料制成，并且内壁涂敷有适合的介电材料。然而，本领域的技术人员可以理解万花筒可包括实心棒。任何在LED工作波长下透明的材料都是满足要求的，如透明的光学玻璃。需要设置该材料，以使在万花筒和周围空气之间的界面处光被全内反射在万花筒中。在需要高投射角度时，需要将万花筒材料包覆在反射材料中。理想的万花筒优选具有100％反射率的完美的直线壁。应该注意中空万花筒可以没有象这样的输入或者输出面，但是中空万花筒的入口和出口应被看作为该特定目的的面。
万花筒管的作用是能够在万花筒的输出端直接看到或者通过掩模看到LED的多个图像。参考图3表示了该原理。来自LED24的光束可以沿万花筒直接透射根本不进行反射-路径30。然而一些光束被反射一次并将遵循路径32。从万花筒的端部看，这导致看到一个虚拟光源34。进行两次反射的光束沿路径36传输，导致可看到另一个虚拟光源38。
器件的尺寸适应想要的应用。设想LED24将光发射到具有90°全角的锥体中。在中心、未反射的光斑的一侧所看到的光斑的数量等于万花筒的长度除以其宽度。光斑间隔与光斑尺寸的比由万花筒的宽度与LED尺寸的比确定。因此，200μm宽的LED或者透射掩模窗和30mm长1平方毫米的万花筒将在一侧产生5倍于它们宽度(聚焦时)间隔的61个光斑的方格网。根据应用可使用具有2-5mm边长的万花筒，给定投射角度约50°-100°，适合的景深在100mm-无穷大范围。
投射透镜28是一个简单的单透镜，设置在万花筒的端部，并进行选择以使在场景上投射LED24的图像阵列。根据应用和所需的景深可再次选择投射几何形状，但是简单的几何形状将光斑阵列放置于透镜的聚焦面上或者接近透镜的聚焦面。
如上所述由此产生的投射阵列因此是一个光斑的方格网。图4a表示当靶是一个平面时，出现在探测器上的部分场景。该阵列是一个光斑40的x-y方格网。返回参照图1，可以看到任何投射光斑在探测的场景中表现的位置随靶的范围不同而不同。如果探测器和光斑投射器位于x-z平面，那么在y方向不存在间隔，并因此当该范围变化时，光斑在场景中表现出的运动将会平行于x方向的方向，如箭头42所示。
因此图4b表示适合的掩模。该掩模是一个对所关心的波长是不透明的材料的薄板44。该薄板设有一系列开口46。这些开口设置在方格网中，并被设定尺寸和间隔，以使在工作距离处探测器前能够通过每一开口看到预定范围的光斑。掩模位于工作距离处探测器前，并被设置成当靶在某范围以下时，通过开口看到光斑，如光斑48所表示的。然而，当靶远离开口移动时，每一光斑在场景中以箭头50指示的方向出现移动，直到到达位置52，此处通过开口不再看到光斑并且由不透明材料挡住。
因此掩模能够用作传感器，当目标已经接近传感器的某距离内时(如当光斑进入视线时通过增加光的强度所示)进行探测，或者当目标已经移开大于某距离时(如光斑移出视线和强度下降所示)进行探测。
大多数掩模具有不透明的切口，环境光量通过其落到探测器上，它帮助鉴别并降低探测器所需的灵敏度。然而如果需要，掩模可以是大部分透明的，同时具有不透明部分。另外在不透明掩模中开口可以用透明材料覆盖来帮助保护探测器。
探测器8可以是一个简单的强度探测器，将在其整个区域上接收的强度积分或者可由探测器单元阵列组成。
强度增加的阈值等级可以合理地加大，以使在警报前，在投射阵列中的多数投射光斑在探测器上必须是可见的。这是有用的，希望侵入的目标实际上充满整个视野区域。然而如果希望目标只充满部分场景，那么只有一些投射的光斑在探测器上是可见的。因此如本领域的技术人员所理解的那样，根据特定的应用来设定阈值等级。
允许在几组范围之间进行鉴别的掩模如图5所示。掩模还是其上具有开口阵列的不透明材料的板44。为了清楚表示了四个开口56a-d，虽然实际上掩模可以由这些开口的重复组构成。再次设置开口的尺寸和形状，以使每一开口可显示从预定范围的靶反射的光斑。然而开口具有不同的尺寸并且沿在场景中具有不同范围的光斑的表现出的运动方向以不同量延伸。图5a到5e显示从逐渐接近范围的靶反射的投射阵列的四个光斑58a-d的位置。
在图5a中，靶在远处，没有光斑58a-d通过开口是可见的。然而，如果靶移近，光斑58a变成通过开口56a是可见的。而其它光斑58b-d通过其它开口都是不可见的。在图5c中，靶仍移近且光斑58a和58b通过它们相应的开口56a和56b是可见的，但是其它两个光斑还是不可见。图5d和5e表示当靶仍继续移近，光斑58c成为可见，接着光斑58d成为可见。
因此，可以看到，随着靶的移近，探测器将观测到五个不同的强度等级，对应于没有光斑可见或者有一个、两个、三个或者四个光斑可见。因此可使用不同的强度等级来表示靶是在某范围界限内。注意该实施例中，使用鉴别阈值等级来确定范围，这通常仅适用于靶是已知的具有标准反射率的情况，并且将在全部范围内充满整个视野范围。如果靶具有不同尺寸，小靶可以产生与大靶不同的强度，并且大反射率的靶比小反射率的靶产生更强的强度。
当不知道靶的一致性时，可使用若干个探测器，每个探测器具有设置的掩模以使从不同范围的光斑反射的或者散射的光通过，即每一探测器具有单独的比较，以确定目标是否在某范围内，但是每个探测器的范围可以是不同的。
可替换地，可以通过一种用于确定哪些光斑对探测器上的总强度作出贡献的方法来使用图5所述的实施例。这可以通过调制在场景中存在的光斑来实现。例如，设想图5a-e中四个光斑的每一个以不同的调制频率透射。探测器8的信号将最多拥有四个不同的频率分量。然后对于每个频率分量轮流处理该探测的信号以便确定是否有信号通过相应的开口系列。换言之，如果光斑58a在频率f1上被调制，在频率f1上的探测的信号中识别的信号分量将指示靶已足够靠近，使得光斑出现在开口56a中。对应于光斑58b的频率分量f2的缺少意味着适用于如图5b所示的情况。由于所检测的相关频率分量表示范围，所以这种探测不用考虑目标是大还是小，或者是反射的还是不反射的。
使用如图2的光斑投射器产生这种调制的输出，可简单地包括用分别在不同频率上调制的一行4个LED替换单个LED24。以这种方法调制的频率允许增加范围鉴别，但是降低了场景的覆盖密度，因为每一光斑只能在一个可能的范围使用。可替换地，当输入掩模用于万花筒的输入时，该掩模可包括多个窗，每个窗包括在不同频率工作的调制器。
设想，可以将如此设置用作机动车的临近传感器，以帮助倒车。当机动车开始倒车时，没有靶接近，因此情况如图5a所示，在视线中无光斑。继续倒车时，机动车开始接近诸如其它机动车或者墙的物体。在一定范围内光斑58a穿过开口56a进入视线范围。这导致强度等级的一定增加，促使一个音响报警，例如一定频率重复的嘟嘟声。当机动车保持倒车到另一点，光斑58b在探测器上成为可见，因此跳到另一个强度。然后该装置可增加音响嘟嘟声的重复频率。光斑58c进入视线导致的另一强度增加将促使另一次频率增加，最后如果光斑58d也进入视线，那么音响报警将可变成持续的。该装置可以设置成第一光斑58a进入数十厘米范围的视线，而最后的光斑58d仅在几厘米的范围进入视线。
如上所述，当到反射靶的范围发生变化时，每一光斑将出现以便在探测的场景中移动。因此每一光斑可以说是具有在不同范围的场景中具有一明显运动的轨迹。如果两个光斑的明显运动的轨迹重叠，不但在第一距离投射的光斑通过开口可见，当距靶的范围依照要求增加时投射的光斑从视线中消失，而且当范围增加时另一光斑通过开口开始成为可见。这明显会导致记录假正性。光斑在场景中的明显运动的程度取决于光斑投射器和探测器的基线或者间隔，因此小的基线导致光斑在场景中比较低的明显运动。然而，对于装置来说需要某种程度的明显运动，以使该装置正常工作。
在投射的阵列中光斑的间隔是另一个能够被控制以便降低重叠可能性的因素。另外，投射的阵列可以相对探测器和光斑投射器设置，以确保相邻光斑的位置一点不重叠。光斑在阵列中发生明显运动的方向平行于探测器和投射器的间隔轴。如果阵列相对间隔轴是倾斜的，那么重叠的可能性降低-实际上如果投射的阵列是x-y网格，那么探测器和投射器在x和y两个方向上分开。
权利要求
1.一种临近传感器，该临近传感器包括照明装置，该照明装置利用光斑阵列照明场景，该临近传感器还包括探测器，该探测器被设置用于接收从场景反射的光束，该临近传感器还包括掩模，该掩模位于从场景到探测器的光路中并且具有透射部分和不透射部分，该掩模被设置成在使用中与照明装置和探测器一起使从距离传感器第一距离范围内的靶上反射的光束通过掩模透射到探测器，而来自第二距离范围的光束不通过掩模透射。
2.如权利要求1所述的临近传感器，其中设置掩模，使得如果靶位于传感器的预定距离范围内，则将反射光透射到探测器，如果靶在预定距离外，则不透射反射光。
3.如权利要求1所述的临近传感器，其中掩模适合于透射从距离传感器预定距离以外的靶上反射的光束，并且不透射预定距离以内的光束。
4.如上述任一权利要求所述的临近传感器，其中照明装置用红外线光斑照射场景。
5.如上述任一权利要求所述的临近传感器，其中将照明装置调制在预定频率，将一个滤光片应用到探测器的预定频率上。
6.如上述任一权利要求所述的临近传感器，其中探测器适合于接收来自场景的环境光，并补偿环境光的影响。
7.如上述任一权利要求所述的临近传感器，其中掩模适合于定义距离传感器的多个距离范围，并透射来自每一距离范围中的靶的不同量的反射光束。
8.如权利要求7所述的临近传感器，其中照明装置适合于投射多个不同调制频率的光斑，且掩模适合于在每一距离范围将一个不同的调制频率透射到探测器上。
9.如上述任一权利要求所述的临近传感器，其中掩模包括具有多个透射窗的基本上不透射的材料。
10.如上述任一权利要求所述的临近传感器，其中照明装置包括设置成照射光导的部分输入面的光源，该光导包括具有基本上反射的侧面的管，且与投射光学器件一起进行设置，以便向场景投射光源的不同的图像阵列。
11.如权利要求10所述的临近传感器，其中光导包括具有正方形截面的管。
12.如权利要求10或11所述的临近传感器，其中管包括具有反射的内表面的中空管。
13.如权利要求10或11所述的临近传感器，其中管包括实心材料，被设置成使入射到管材料与周围材料之间界面上的多数光发生全内反射。
14.如权利要求10或13所述的临近传感器，其中光源包括LED。
15.如权利要求10或13所述的临近传感器，其中光源包括LED阵列。
全文摘要
本发明涉及一种临近传感器。照明装置(2)向场景投射光斑(40)阵列。探测器(8)通过掩模(6)观察场景。掩模(6)设置成使得来自一定范围内的靶的光束，例如从远目标(14)反射的光束不透射到探测器上；而从近目标(16)反射的光束通过掩模(6)入射到探测器(8)上。阈值探测器(10)确定入射到探测器(8)的光束的强度增加由，并且用于操作报警(12)。
文档编号G01S17/93GK1735817SQ200380108476
公开日2006年2月15日 申请日期2003年11月11日 优先权日2002年11月11日
发明者A·C·莱温, D·A·奥尔查德 申请人:秦内蒂克有限公司