专利名称：用于位置感测的传感器、系统和方法
技术领域：
这里所述的实施例通常涉及利用角位置传感器和三角测量方法三维的检测辐射源位置的装置和附带的方法。
背景技术：
许多工业，商业，科技，游戏和其他应用需要感测物体的二维和三维位置。存在许多估计物体位置的方法。但是，这些方法精度有限或成本很高，或者二者皆有。需要一种用于检测物体位置的装置、系统和方法，其与已知方法相比，精度提高。
发明内容
本发明的第一方面提供了一种传感器，用于估计辐射源相对于传感器的角方向。 该传感器包括参考辐射检测器，用于提供与入射到参考辐射检测器的辐射强度对应的参考辐射强度信号；第一方向辐射检测器，用于提供与入射到第一方向辐射检测器的辐射强度对应的第一方向辐射强度信号；第二方向辐射检测器，用于提供与入射到第二方向辐射检测器的辐射强度对应的第一方向辐射强度信号；辐射中断，用于部分阻挡辐射到达第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器；以及耦合至参考辐射检测器以及第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器的处理器，用于提供第一入射角和第二入射角，其中第一入射角对应于第一方向辐射强度信号和参考辐射强度信号，第二入射角对应于第二方向辐射强度信号和参考辐射强度信号。另一方面提供了传感器，用于估计辐射源相对于传感器的角方向。该传感器包括 参考辐射检测器，用于提供与入射到参考辐射检测器的辐射强度对应的参考辐射强度信号；第一方向辐射检测器，用于提供与入射到第一方向辐射检测器的辐射强度对应的第一方向辐射强度信号；第二方向辐射检测器，用于提供与入射到第二方向辐射检测器的辐射强度对应的第二方向辐射强度信号；辐射中断，用于部分阻止辐射到达第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器；以及耦合至参考辐射检测器和第一方向辐射检测器以及第二方向辐射检测器的处理器，用于提供第一入射角和第二入射角，其中第一入射角对应于第一方向辐射强度信号和参考辐射强度信号，第二入射角对应于第二方向辐射强度信号和参考辐射强度信号。另一方面提供传感器，用于估计辐射源相对于传感器的角方向。该传感器包括参考辐射检测器，用于提供与入射到参考辐射检测器的辐射强度对应的参考辐射强度信号； 一对第一方向辐射检测器，用于提供与入射到第一方向辐射检测器的辐射强度对应的一对第一方向辐射强度信号；一对第二方向辐射检测器，用于提供与入射到第二方向辐射检测器的辐射强度对应的一对第二方向辐射强度信号；辐射中断，用于部分阻止辐射到达第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器；以及耦合至参考辐射检测器和第一方向辐射检测器以及第二方向辐射检测器的处理器，用于提供第一入射角和第二入射角，其中第一入射角对应于第一方向辐射强度信号和参考辐射强度信号，第二入射角对应于第二方向辐射强度信号和参考辐射强度信号。另一方面提供传感器，用于估计辐射源相对于传感器的角方向，该传感器包括参考辐射检测器，用于提供与入射到参考辐射检测器的辐射强度对应的参考辐射强度信号； 一对方向辐射检测器，用于提供与入射到第一方向辐射检测器的辐射强度对应的一对方向辐射强度信号；辐射中断，用于部分阻止辐射到达第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器；以及耦合至参考辐射检测器和方向辐射检测器的处理器，用于提供入射角，其中该入射角对应于方向辐射强度信号和参考辐射强度信号。另一方面提供传感器，用于估计辐射源相对于传感器的角方向。该传感器包括像素阵列检测器，具有感应辐射的像素阵列；具有孔的光圈挡片，其中该光圈挡片相对于像素阵列检测器布置，用于部分阻挡辐射到达像素阵列检测器；耦合至像素阵列检测器的处理器，用于接收辐射强度信息，该信息与入射到像素阵列检测器的像素上的辐射强度相关，其中该处理器适用于提供第一入射角和第二入射角，其中第一入射角对应于在第一方向具有相对高水平入射辐射的一个或多个像素的位置，第二入射角对应于在第二方向具有相对高水平入射辐射的一个或多个像素的位置。另一方面提供用于估计三维空间中辐射源位置的系统。该系统包括第一辐射传感器，用于从辐射源接收辐射，并提供第一对入射角，该对入射角与辐射源相对于第一辐射源的方向对应；第二辐射传感器，用于从辐射源接收辐射，并提供第二对入射角，该对入射角与辐射源相对于第二辐射源的方向对应；以及处理器，用于基于第一对入射角和第二对入射角，计算辐射源的估计位置。在一些实施例中，处理器适于通过确定第一条线和第二条线之间的交叉点，计算辐射源的估计位置，其中第一条线通过第一对入射角和第一辐射传感器的位置限定，第二条线通过第二对入射角和第二辐射传感器限定。在一些实施例中，处理器适于通过识别第一条线和第二条线之间最近点之间的线段计算辐射源的估计位置，其中第一条线通过第一对入射角和第一辐射传感器的位置限定，第二条线通过第二对入射角和第二辐射传感器限定。在一些实施例中，处理器适于通过将线段平分，计算辐射源的估计位置。在一些实施例中，第一传感器和第二传感器安装为彼此关系固定。在一些实施例中，第一传感器和第二传感器可以彼此相对独立放置。另一方面提供了一种估计辐射源位置的方法。该方法包括在三维空间定位第一传感器和第二传感器，其中第一传感器和第二传感器通过传感器间隔距离分隔；计算对应于第一传感器位置和辐射源位置的第一条线；计算对应于第二传感器位置和辐射源位置的第二条线；以及基于第一条线和第二条线计算辐射源的估计位置。在一些实施例中，该方法包括通过识别第一条线和第二条线之间的交叉点，估计辐射源的位置。在一些实施例中，该方法包括通过识别在第一条线和第二条线上最近点之间的线段，估计辐射源的位置。在一些实施例中，该方法包括利用将线段平分，估计辐射源的位置。本发明的这些和其他方面将在下面进一步描述。
下面通过示例，参照附图，进一步详细描述实施例，其中图Ia是根据本发明的第一传感器的顶视图；图Ib和Ic是图Ia的传感器的侧视图；图加是根据本发明另一传感器的顶视图；图加和2b是图加的传感器的侧视图；图3是三维光学位置感测系统的顶视图；图4是另一三维光学位置感测系统的顶视图；图5示意了利用三维光学位置感测系统估计辐射源的位置；图6是使用三维光学位置感测系统估计辐射源位置的另一示意；图7是用于估计三维空间中物体位置的方法的流程图；图8是根据本发明的另一传感器的顶视图；以及图9是根据本发明的另一传感器的顶视图。附图仅用于示意，并不是按尺寸绘制。
具体实施例方式这里所述的示例性实施例提供了涉及光学传感器系统和方法的细节，其中该系统和方法用于确定辐射源相对于一个或多个传感器位置的位置。辐射源可能以可见光谱辐射，也可能以其他光谱辐射，例如紫外或红外光谱辐射。光学传感器包括固态辐射检测器。 辐射源可以是产生辐射的有源辐射源，例如灯泡，LED或其他辐射发光元件。辐射源可以是反射另一个源或另外多个源辐射的无源辐射源。在本发明的保护范围内，光学传感器的其他实现方式和结构也是可以的。这里所述的实施例仅用于示例。现在参照图la-lc，其中该图la_lc示意了第一示例光学传感器100。辐射源110 相对于传感器100定位，使得辐射源110的辐射入射到传感器100。传感器100包括参考辐射源102，第一方向辐射检测器104，第二方向辐射检测器 106，光圈挡片108，安装基底112和处理器120。安装基底112基本与χ-y平面平行。参考检测器102，第一方向检测器104和第二方向检测器106安装在安装基底112上。光圈挡片108在垂直于x-y平面的ζ维上位于检测器102-106和辐射源110之间。光圈挡片也可以称为辐射中断或辐射阻块。照射在传感器100上来自辐射源110的入射辐射在相对于χ轴为入射角θ处影响第一方向辐射检测器104，在相对于y轴为入射角Φ处影响第二方向辐射检测器106。成对的入射角(θ，Φ)限定了辐射源110相对于传感器100的角位置。传感器100利用参考检测器102和光圈挡片108、并结合第一和第二方向辐射检测器104，106估计成对的入射角(θ，φ)。光圈挡片108相对于第一和第二方向辐射检测器 104，106布置在高度H。放置光圈挡片108，使得其覆盖在第一和第二位置检测器104，106 的上面。在该示例中，第一和第二方向检测器104，106安装在安装基底112上，使得光圈挡片108的边缘大约和每个方向检测器104，106的中心线对齐。参考检测器102安装在安装基底112上，使得在参考检测器102和光圈挡片108之间不会出现重叠(在χ或y维)。可以以任何恰当的材料构造安装基底102，以支撑检测器102，104和106。检测器102，104和106从电源(未示出)接收电能，并向处理器120提供电子信号。在一些实施例中，安装基底102可以是半导体材料，例如印刷电路板(PCB)，该印刷电路板包括导体，以将检测器耦合至电源和处理器120。可选地，光圈挡片108可以安装在安装基底112，或其安装在另一支撑物上，该支撑物将其保持在相对于检测器102，104和106固定的位置上。在该实施例中，参考检测器102，和方向检测器104，106由例如固态辐射检测器实现。也可以使用其他类型的辐射检测器。例如，由恰当的不透明材料构造光圈挡片108，使得来自辐射源110的入射辐射基本被吸收或反射。传感器100的其他实现方式也是可以的。当来自辐射源110的入射辐射照射在传感器100上时，参考检测器102将完全曝光于入射的辐射。由参考检测器102检测的辐射强度形成参考辐射强度，其是测量辐射源 110和环境条件辐射的度量。相反，第一和第二方向辐射检测器104，106通过覆盖在其上面的光圈挡片108，没有完全曝光于入射的辐射，这样接收的来自辐射源110的入射辐射的强度，该强度通常不等于曝光的参考检测器102接收的强度。由位置传感器104，106接收的相对于参考检测器102不同的辐射强度，可以用于估计辐射源110相对于传感器100的角位置。图Ib示出了在相对于χ轴的入射角θ处，照射在第一方向辐射检测器104上的入射辐射。尺寸S1从检测器的中心线114起限定了第一方向检测器104的一部分，该部分位于光圈挡片108产生的阴影下。类似的，相对于中心线114，尺寸Cl1限定了第一方向检测器104的一部分，该部分曝光于辐射源110的入射辐射。对于正入射角θ来说，中心线114 另一侧的位置传感器的一部分也覆盖在阴影下。尺寸S1和Cl1与第一方向检测器102的宽度D相关，其中
权利要求
1.一种传感器，用于估计辐射源相对于所述传感器的角方向，所述传感器包括参考辐射检测器，用于提供与入射到参考辐射检测器的辐射强度对应的参考辐射强度信号；第一方向辐射检测器，用于提供与入射到第一方向辐射检测器的辐射强度对应的第一方向辐射强度信号；第二方向辐射检测器，用于提供与入射到第二方向辐射检测器的辐射强度对应的第一方向辐射强度信号；辐射中断，用于部分阻止辐射到达所述第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器;以及耦合至所述参考辐射检测器以及第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器的处理器，用于提供第一入射角和第二入射角，其中所述第一入射角对应于第一方向辐射强度信号和参考辐射强度信号，所述第二入射角对应于第二方向辐射强度信号和参考辐射强度信号。
2.—种传感器，用于估计辐射源相对于所述传感器的角方向，所述传感器包括参考辐射检测器，用于提供与入射到参考辐射检测器的辐射强度对应的参考辐射强度信号；第一方向辐射检测器，用于提供与入射到第一方向辐射检测器的辐射强度对应的第一方向辐射强度信号；第二方向辐射检测器，用于提供与入射到第二方向辐射检测器的辐射强度对应的第二方向辐射强度信号；辐射中断，用于部分阻止辐射到达所述第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器;以及耦合至所述参考辐射检测器以及第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器的处理器，用于提供第一入射角和第二入射角，其中所述第一入射角对应于所述第一方向辐射强度信号和参考辐射强度信号，所述第二入射角对应于所述第二方向辐射强度信号和参考辐射强度信号。
3.—种传感器，用于估计辐射源相对于所述传感器的角方向，所述传感器包括参考辐射检测器，用于提供与入射到参考辐射检测器的辐射强度对应的参考辐射强度信号；一对第一方向辐射检测器，用于提供与入射到第一方向辐射检测器的辐射强度对应的一对第一方向辐射强度信号；一对第二方向辐射检测器，用于提供与入射到第二方向辐射检测器的辐射强度对应的一对第二方向辐射强度信号；辐射中断，用于部分阻止辐射到达所述第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器；以及耦合至所述参考辐射检测器以及所述第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器的处理器，用于提供第一入射角和第二入射角，其中所述第一入射角对应于第一方向辐射强度信号和参考辐射强度信号，所述第二入射角对应于第二方向辐射强度信号和参考辐射强度信号。
4.一种传感器，用于估计辐射源相对于所述传感器的角方向，所述传感器包括参考辐射检测器，用于提供与入射到参考辐射检测器的辐射强度对应的参考辐射强度信号；一对方向辐射检测器，用于提供与入射到第一方向辐射检测器的辐射强度对应的一对方向辐射强度信号；辐射中断，用于部分阻止辐射到达第一方向辐射检测器和第二方向辐射检测器；以及耦合至所述参考辐射检测器以及方向辐射检测器的处理器，用于提供入射角，其中所述入射角对应于方向辐射强度信号和参考辐射强度信号。
5.一种传感器，用于估计辐射源相对于所述传感器的角方向，所述传感器包括像素阵列检测器，具有感应辐射的像素阵列；具有孔的光圈挡片，其中所述光圈挡片相对于像素阵列检测器布置，用于部分阻挡辐射到达所述像素阵列检测器；以及耦合至所述像素阵列检测器的处理器，用于接收辐射强度信息，所述辐射强度信息与入射到所述像素阵列检测器的像素上的辐射强度相关，其中所述处理器适用于提供第一入射角和第二入射角，其中所述第一入射角对应于在第一方向具有相对高水平入射辐射的一个或多个像素的位置，所述第二入射角对应于在第二方向具有相对高水平入射辐射的一个或多个像素的位置。
6.一种用于估计三维空间中辐射源位置的系统，所述系统包括第一辐射传感器，用于从辐射源接收辐射，并提供第一对入射角，所述第一对入射角对应于辐射源相对于第一辐射源的方向；第二辐射传感器，用于从辐射源接收辐射，并提供第二对入射角，所述第二对入射角对应于辐射源相对于第二辐射源的方向；以及处理器，用于基于第一对入射角和第二对入射角，计算辐射源的估计位置。
7.如权利要求6所述的系统，其中所述处理器适于通过确定第一条线和第二条线之间的交叉点，计算辐射源的估计位置，其中所述第一条线通过所述第一对入射角和第一辐射传感器的位置限定，所述第二条线通过所述第二对入射角和第二辐射传感器限定。
8.如权利要求3所述的系统，其中所述处理器适于通过识别第一条线和第二条线之间最近点之间的线段计算辐射源的估计位置，其中所述第一条线通过第一辐射传感器的位置和所述第一对入射角限定，所述第二条线通过所述第二对入射角和第二辐射传感器限定。
9.如权利要求8所述的系统，其中所述处理器适于通过将所述线段平分，计算辐射源的估计位置。
10.如权利要求3至9中任一项所述的系统，其中所述第一传感器和第二传感器安装为彼此关系固定。
11.如权利要求3至9中任一项所述的系统，其中所述第一传感器和第二传感器可以彼此相对独立放置。
12.—种估计辐射源位置的方法，包括在三维空间定位第一传感器和第二传感器，其中所述第一传感器和第二传感器通过传感器间隔距离分隔；计算对应于第一传感器位置和辐射源位置的第一条线；计算对应于第二传感器位置和辐射源位置的第二条线；以及基于第一条线和第二条线计算辐射源的估计位置。
13.如权利要求12所述的方法，其中通过识别所述第一条线和第二条线之间的交叉点，估计辐射源的位置。
14.如权利要求12所述的方法，其中通过识别在所述第一条线和第二条线上最近点之间的线段，估计辐射源的位置。
15.如权利要求14所述的方法，其中利用将所述线段平分，估计辐射源的位置。
全文摘要
描述了各种用于估计三维空间中辐射源位置的系统和方法，以及用于该系统的传感器。在一些实施例中，该系统包括多个辐射传感器。利用在辐射检测器上投掷阴影的孔，估计辐射源相对于每个传感器的三维位置，其是入射辐射的入射角的函数。在一些实施例中，参考辐射强度与测量的辐射强度的比用于估计辐射源相对于传感器的方向。当估计辐射源相对于两个传感器的角位置时，基于两个传感器已知的相对位置，辐射源的三维位置可以三角定位。
文档编号G01S5/00GK102216800SQ200980146004
公开日2011年10月12日 申请日期2009年9月21日 优先权日2008年9月20日
发明者A·尤图库里, J·克拉克 申请人:百安托国际有限公司