多波长激光接收机的制作方法

专利名称：多波长激光接收机的制作方法
技术领域：
本文所公开的技术总体上涉及光感测设备，更具体地说是涉及检测以下类型的脉 冲激光，在建筑工地上使用这种脉冲激光来检测相对于旋转激光源产生的激光平面的设备 仰角。具体地说，实施例被公开作为仰角检测器，该仰角检测器为移动用户或设备操作者提 供了当前仰角状态，例如相对于激光平面处于太“高”、“水准面(on grade)”或太“低”。该 仰角检测器是激光接收机，其作为单个装置可以检测多个光频率/波长，包括处于绿光、红 光和红外光谱中的激光束。激光接收机还能够区分这种激光束与其他干涉光源，尤其是荧 光光源。有关联邦资助研究或发展的声明无
背景技术：
激光接收机(本文也称作“激光器接收机”、“激光检测器”、或“光束接收机”)在 过去已可用于在建筑工地精确确定合适的仰角。用于这种检测器的标准方法是在建筑工地 上以特定仰角安装旋转激光源，随后在一个设备上(诸如在推土机的铲刀上)安装激光检 测器以使得设备的操作者在使用时准确掌握该设备的仰角。例如，激光检测器可以安装到 附接在推土机铲刀的柱上，使得推土机的操作者可以把铲刀保持在正确位置，同时把土地 平整成期望的精确仰角。为了达到最有效，激光检测器将具有易于观看的显示器，为处在距检测器几英尺 的人给出仰角指示。另外，在机器上使用的激光检测器通常会在检测器封套/外壳的所有 四个角上具有几种类型的光电传感器(诸如光电二极管或其他类型的光敏装置)，使得它 能够检测来自任何方向的激光。典型的激光检测器必须工作在一百毫秒周期内，这是因为 大多数旋转激光源以600rpm旋转。用作旋转激光源的许多激光源或者工作在红外光光谱内或者工作在红光光谱内。 例如，通常使用工作在780nm波长下的红外激光二极管，以及工作在633nm波长下的红光氦 氖气体激光器。而且，红光激光二极管现在在许多品种上很普及，工作在从635nm到670nm 的几个不同波长下。此外，现在可以得到工作在绿光光谱，诸如在532nm波长下的一些旋转 激光源。激光典型地是准直的。可以得到各种旋转激光源，光束尺寸从直径四分之一英寸 小到至少直径四分之三英寸大。激光检测器典型地可以以两种类型的模式得到“机器控制接收机”和“手持接收 机”。机器控制接收机典型地安装在一个设备上，诸如推土机，并且以上述方式来使用。手持 接收机典型地是较小型装置，可以由典型的建筑工人携带用来检测瞬时观察的位置仰角。 应当注意，可以使用机器控制接收机来直接控制机器的某些运动，并且因此接收机可以不 包括显示器。当前，存在可市售的激光接收机，能够仅仅检测红光和红外(IR)光谱内的光，而 其他可得到的激光接收机能够仅仅检测绿光光谱内的光。然而，不存在能够检测这些激光范围的所有三种的激光接收机。这很大程度上是由于以下事实，这些接收机通常在光传感 器前方具有滤光器，该滤光器仅传播允许期望的激光波长穿过所必需的最窄波长范围，同 时尽可能地阻挡其余光谱的光。这么做减小了单元对不想要的“杂散”光，诸如来自荧光的 光的易感性，或者将单元对太阳光的易感性减小到较小程度。接收机有时很难将“干扰源” 所产生的不想要的光与期望的激光区分开，从而造成将从接收机传送到用户的不稳定和/ 或错误信息。这种不想要的光在此还被称作“不想要的干扰光信号”或干扰光源，诸如荧光 或闪烁光产生的光。在建筑工地上使用的仅对红光和红外光谱灵敏的典型激光接收机在消除许多荧 光光源方面可能存在较小困难，这是因为大部分荧光输出出现在除了红光和红外光谱之外 的其他波长下。因此，可用在这种红光/红外激光接收机上的滤光器自身可以把大部分荧 光能量在到达安装在激光接收机单元上的光电传感器之前消除掉。然而，必须认识到，即使 对于仅对红光/红外光灵敏的激光接收机来说，强荧光和闪烁光仍然能够引起这些问题。然而，对绿光激光灵敏的激光接收机就其本质来说必须对可能会包括荧光光源所 产生的一些能量的波长灵敏。这种激光接收机必须永久地对干扰荧光“杂散”光能去灵敏， 或者必须具有能调制来对这种干扰荧光“杂散”光能去灵敏的灵敏度电路。否则，激光接收 机可能在用于包括荧光光源的(室内)环境时不断地给出错误读数。因为许多激光接收机 在检测它们的光电传感器处的电磁(光)能时产生可听见的“啁啾声”，所以由于具有安装 在板上的有些种类的压电“扬声器”，那些类型的激光接收机在暴露于干扰荧光光源时会不 断地，或者间歇地发出不同的“啁啾”噪声。在发生这种情况时，用户典型地很快意识到不 能总是信任激光接收机的指示，因为在那些工作条件下，水准面、水准面之上或水准面之下 的读数可能不准确。有时采用来允许接收机更容易地将激光与其他光源区分开的其他方法是以特定 频率调制发射激光，并且设计接收机以使得它仅仅“查找”以该特定调制频率调制的光。这 种方法的不足之处在于，由于允许接收机识别这种离散频率所需的更复杂的电子线路特性 的原因，所以接收机制造变得更加昂贵。另外，为了产生这种调制光束，激光发射机也变得 更昂贵一些。而且，每个调制光接收机将需要“匹配”到特定模型的激光发射机，并且因此 这种接收机决不会是“通用的”。不存在能够检测绿光激光、红光激光和红外光的、所有都在单个整体封装中的已 知激光接收机。大体上来说是这样的，因为绿光激光的设计考虑非常不同于红光或红外激 光接收机的设计考虑。因此，在现有发射机(即，绿光和红光)中使用的两种不同可见光波 长引起没有被已知激光接收机桥接起来的裂痕。如上所指出的那样，当前市场上存在可以检测红光和红外(IR)光谱中的光的激 光接收机，以及仅仅可以检测绿光光谱中的光的其他激光接收机，但是没有一个激光接收 机工作于这些激光范围的所有三个光谱。期望的是具有能有效地检测这些波长范围的所有 三个光谱中的激光的单个激光接收机单元，因为有些用户可能已经有(或者将来需要有) 工作在多于一种、或所有这些波长下的各种手持激光发射机。这不仅会提高用户灵活性，而 且还会降低制造商和零售商的库存，否则他们会需要制造并储备工作于不同激光波长的不 同接收机。

发明内容
因此，一个优势在于，提供了一种能够检测包括绿光光谱和红光光谱的多波长光 谱的激光发射机光线的激光接收机。另一优势在于，提供了一种能够检测绿光激光、红光激光和红外激光光谱的单个 封装的激光接收机。再一个优势在于，提供了一种能够检测绿色可见光谱和红色可见光光谱两者中的 激光的激光接收机，同时还具有把荧光光线消除到允许接收机与激光发射源之间的合理长 的工作范围所需要程度的性能。又一个优势在于，提供了一种能够检测绿光激光、红光激光和红外激光的单个封 装的激光接收机，同时还有具有自动增益控制的电路，使得接收机将根据从激光发射机接 收到的能级自动设置其工作范围灵敏度，同时还具有良好的荧光光线消除性能。进一步的优势在于，提供了一种能够检测绿光激光、红光激光和红外激光的单个 激光接收机，同时具有用户可选择灵敏度状态，允许用户手动选择提供了来自激光发射源 的相对长的工作范围的灵敏度状态，而且还允许用户减小提供用于消除荧光光源的较大性 能所需要的灵敏度状态。附加的优势和其他新颖特征一部分将在随后的说明书中加以论述并且在查看本 文时，对本领域技术人员来说部分变得明显，或者可以借助本文公开的技术实践获悉。为了实现以上和其他优势，根据一个方面，提供了一种激光接收机，包括处理电 路，至少一个光电传感器、可变灵敏度控制电路、输出电路和至少一个滤光器；其中(a)所 述至少一个滤光器呈现出仅仅允许预定透射特性的电磁能波长穿过从而照射到所述至少 一个光电传感器上的光学特性，使得所述预定透射特性足以穿过绿色和红色两者可见光范 围内的波长；(b)所述至少一个光电传感器呈现出对绿色和红色两者可见光范围内的电磁 能量足够灵敏的预定频率灵敏度特性；并且所述至少一个光电传感器在接收到照射到其上 的足够电磁能量之后把至少一个第一信号输出到所述可变灵敏度控制电路，其根据所述可 变灵敏度控制电路的增益状态调整所述至少一个第一信号从而产生至少一个第二信号，并 且把所述至少一个第二信号输出到所述处理电路；(c)所述激光接收机被配置成(i)估计 所述至少一个第二信号并且基于所述至少一个第二信号的值确定所述至少一个光电传感 器相对于照射到其上的所述接收到的电磁能的相对仰角，并且使用所述输出电路输出第三 信号从而提供对所述确定的相对仰角的指示；以及(ii)通过阻止所述输出电路输出所述 第三信号并且从而避免由于不想要的干涉光信号造成对所述确定的相对仰角的指示，以有 效地消除可能包含在所述至少一个第二信号中的这种不想要的干扰光信号。根据另一方面，一种激光接收机，包括处理电路，至少一个光电传感器、可变灵 敏度控制电路、输出电路和至少一个滤光器；其中(a)所述至少一个滤光器呈现出使得包 括绿色可见光光谱和绿色可见光光谱以上到红外光光谱的电磁能的波长范围有效穿过的 高通波长光学透射特性，使得所述穿过的电磁能将照射到所述至少一个光电传感器上；(b) 所述至少一个光电传感器呈现出对包括绿色可见光和绿色可见光以上到红外光谱的可见 光范围内的电磁能足够灵敏的预定频率灵敏度特性；并且所述至少一个光电传感器在接收 到照射到其上的足够电磁能量之后把至少一个第一信号输出到所述可变灵敏度控制电路， 其根据所述可变灵敏度控制电路的增益状态调整所述至少一个第一信号从而产生至少一个第二信号，并且把所述至少一个第二信号输出到所述处理电路；(C)所述激光检测器位 于截获激光脉冲的空间中，所述激光脉冲代表照射到所述至少一个光电传感器的所述电磁 能的期望源；以及(d)所述激光接收机被配置成估计所述至少一个第二信号并且基于所述 至少一个第二信号的值确定所述至少一个光电传感器相对于照射到其上的所述接收到的 激光脉冲的相对仰角，并且使用所述输出电路输出第三信号从而提供对所述确定的相对仰 角的指示；并且凭借将接收到的激光脉冲与其他光源产生的不想要的干扰光信号区分开的 能力，能在工作在荧光环境的同时有效地作为仰角检测器工作。根据又一方面，提供了一种用于把激光接收机用作相对仰角检测器的方法，所述 方法包括(a)提供处理电路、接收激光能量脉冲的至少一个滤光器、至少一个光电传感 器、可变灵敏度控制电路和外壳，所有元件组合为单个装置；(b)将包括所述接收到的激光 能量脉冲的电磁能的一部分穿过所述至少一个滤光器，其中所述穿过部分的电磁能受到所 述至少一个滤光器的预定透射特性的控制，使得所述预定透射特性足以穿过绿色可见光和 红色可见光两者范围内的波长；(c)允许所述穿过部分的电磁能照射到所述至少一个光电 传感器上，其中所述至少一个光电传感器呈现出使得对绿色可见光和红色可见光两者范围 内的电磁能足够灵敏的预定频率灵敏度特性；(d)所述至少一个光电传感器在接收到照射 到其上的足够电磁能量之后，产生至少一个第一信号，并且将所述至少一个第一信号指引 到所述可变灵敏度控制电路；(e)所述可变灵敏度控制电路根据所述可变灵敏度控制电路 的增益状态调整所述至少一个第一信号，并且产生至少一个第二信号，并且把所述至少一 个第二信号指引到所述处理电路；(f)估计所述至少一个第二信号并且根据所述至少一个 第二信号的值确定所述至少一个光电传感器相对于照射到其上的所述接收到的激光能量 脉冲的相对仰角；(g)指示所述确定的相对仰角；以及(h)通过阻止所述不想要的干扰光信 号造成对所述确定的相对仰角的错误指示，有效地消除可能包括在所述至少一个第二信号 中的不想要的干扰光信号。根据另一方面，提供了一种激光接收机，包括处理电路，至少一个光电传感器、可 变灵敏度控制电路和至少一个滤光器；其中(a)所述至少一个滤光器呈现出仅仅允许预 定透射特性的电磁能的波长穿过从而照射到所述至少一个光电传感器上的光学特性；(b) 所述至少一个光电传感器呈现出对预定频率响应特性的电磁能足够灵敏的频率灵敏度特 性；并且所述至少一个光电传感器在接收到照射到其上的足够电磁能量之后把至少一个第 一信号输出到所述可变灵敏度控制电路，其调整所述至少一个第一信号从而产生至少一个 第二信号，并且把所述至少一个第二信号输出到所述处理电路；(c) (i)所述至少一个滤光 器的所述预定透射特性、(ii)所述至少一个光电传感器的所述预定频率响应特性和(iii) 所述可变灵敏度控制电路的放大特性的组合产生所接收到的电磁能的各个波长下的总体 工作灵敏度特性，使得所述激光接收机呈现出相比较红外光波长下的总体工作灵敏度特性 基本减小的绿色可见光波长下的总体工作灵敏度特性，同时仍然有效地检测绿色可见光、 红色可见光和红外光的所有三个波长范围内的电磁能；以及(d)所述激光接收机被配置 成(i)估计所述至少一个第二信号并且根据所述至少一个第二信号的值，针对所接收到 的电磁能的绿色可见光、红色可见光和红外光的所有三个波长范围，确定所述至少一个光 电传感器相对于照射到其上的所述接收到的电磁能的相对仰角，以及(ii)输出第三信号 并且提供对所述所确定的相对仰角的指示。
根据以下说明和附图，其他优势对于本领域技术人员来说是明显的，其中在尝试 用于实现本技术的最佳方式中之一的优选实施例中进行了描述和展示。正如所认识到的那 样，本文所公开的技术能够用于其他不同的实施例，并且其几个细节能够在不脱离其原理 的情况下以各种明显的方面进行变型。因此，附图和说明本质上将被看作是示意性的，而非 限制性的。


并入并形成说明书的一部分的附图例示了本文公开的技术的几个方面，并且与说 明书和权利要求书一起用于解释该技术的原理。在附图中图1是根据本文公开的技术的原理所构建的激光检测器的第一实施例的框图；图2是图1的激光检测器的每个输入通道的脉冲积分器和自动增益控制电路的原 理图；图3是图1的激光检测器的前向正视图；图4是根据本文公开的技术的第二实施例的光束接收机的框图；光束接收机具有 光束检测器组件、放大器、高通滤波器、积分器、具有指定积分时间终止的比较器、模数转换 器和估计元件；图5是图4的光束接收机的框图，提供有利用数字元件用于显示、操作和电压供电 的合适的外围元件；图6是示出了图5中的框143的细节的电气示意图，包括积分起止电路；图7是图4-6所述的诸如第二实施例中的激光接收机所执行的操作步骤的流程 图；以及图8是示出了跨越可见光光谱并且进入红外区域的波长范围内两个不同滤光器 材料的透射特性的示图。
具体实施例方式现在将具体参考本优选实施例，在附图中示出了优选实施例的示例，其中类似的 数字在所有附图中指示相同的部件。应当理解，本文所公开的技术并非限制于在以下说明中提到或在附图中示出的元 件的构造细节和布置的应用。本文所公开的技术能够用于其他实施例并且能够以各种方式 实践或实现。而且，应当理解，本文使用的措辞和术语用于描述目的，不应被看作限制。本 文中“包含”、“包括”或“具有”和其变型的使用意在涵盖下文列出的各条目及其等同物以 及附加条目。除了另外限制以外，本文中的术语“连接的、“耦接的，，和“安装的”及其变型 被广义上使用并且涵盖直接和间接连接、耦接和安装。此外，术语“连接的”和“耦接的”及 其变型并不限于物理或机械连接或耦接。另外，应当理解，本文公开的实施例包括硬件和电子元件或模块两者，为了说明的 目的，示出并描述这些硬件和电子元件或模块好像单独地以硬件实现大多数元件。然而，本领域技术人员基于对本具体描述的阅读将会意识到，在至少一个实施例 中，本文公开的技术的基于电子电路的方面可以以软件方式实现。同样地，应当注意，可以 利用多个基于硬件和软件的装置以及多个不同结构的元件来实现本文公开的技术。
应当理解，本文使用的术语“电路”可以代表真实的电子电路，诸如集成电路芯片 (或集成电路芯片的一部分)，或者可以代表由诸如包括逻辑状态机或其他形式的处理部 件(包括时序处理装置)的微处理器或ASIC之类的处理装置来执行的功能。特定的电路 类型可以是模拟电路或某些类型的数字电路，但是这种电路可能以软件方式由逻辑状态机 或时序处理器来实现。换言之，如果使用处理电路来执行本文公开的技术中所使用的期望 功能(诸如解调功能)，那么不会存在会被称为“解调电路”的特定“电路”，然而，会存在以 软件方式执行的解调“功能”。发明人想到了所有的这些可能，并且在讨论“电路”时这些可 能都落入本技术的原理中。现在参考附图，图1描绘了第一实施例的框图，示出了激光检测器50，其具有作为 输入传感器的、组合到两个通道的三个光电传感器，适当的放大器和其他信号调节，以及驱 动仰角显示器和状态显示器的至少两个显示器输出。在图1的示例实施例中，两个光电单 元PDl和PD3的表面积比中央光电单元PD2的表面积大，这三个光电单元组成了光电二极 管阵列94。三个光电单元连接到属于场效应晶体管的晶体管Ql和Q2，可以把光电单元PD2 产生的电流路径i2切换成或者与光电单元PDl产生的电流路径il平行或者与光电单元 PD3产生的电流路径i3平行。晶体管Ql和Q2的切换受到电压v3和v4描绘的电压信号 的控制。晶体管Ql和Q2优选地被安装到同一基板上，从而使得单个集成电路芯片可以包 含两个晶体管。为此目的合适集成电路可以从位于Calif.的Santa Clara的Siliconix Inc.，制造的零件编号为SI9956DY得到。所得到的标记为i4和i5的电流随后经过单个脉冲放大器51和52放大，分别产 生输出电压vl和v2，接着分别经过脉冲积分器和自动增益控制电路61和62进行积分处 理。分别由积分器61和62的输出产生了两个模拟电压vll和vl2，这些电压的幅度与激光 照射光电单元PD1、PD2和/或PD3的强度以及激光照射那些光电二极管的持续时间两者成 比例。图3示出了光电二极管阵列94的光电单元的可能的物理布局，其中光电单元PDl 位于较小的中央光电单元PD2紧上方的外壳或封套上，光电单元PD2位于另一大光电单元 PD3紧上方的外壳/封套上，从而定位所有三个光电单元并且形成了作为垂线的中心线。每 个光电单元优选地为硅光电二极管，光电单元PDl和PD3可能的长度和宽度尺寸为0. 2英 寸(5. lmm) X0. 8 英寸 3mm)。如图3所示，光电二极管PDl和PD3的较长尺寸优选地为垂直方向。中央光电二 极管PD2可以具有0. 1英寸(2. 5mm) X0. 2英寸(5. Imm)的尺寸，典型地精确定位成使得在 其上边沿和光电单元PDl的下边沿之间形成间隙，并且在其下边沿和光电单元PD3的上边 沿之间也形成间隙。根据在建筑工地上典型出现的激光束点大小的范围确定光电单元PDl 和PD3的物理大小。各种旋转激光源可以在业界得到，它们遍及1/4英寸(6. 3mm)到3/4 英寸(19.0mm)的激光源束点大小。较小的激光束点大小趋向于随着它们与激光源的距离 增大发散更多。有关光电单元的尺寸和其间的间隙的更多细节可在美国专利No. 5，486，690中得 到，其全部内容以引用方式并入于此。该专利题为“METHOD AND APPARATUS FOR DETECTING LASER LIGHT”，并且转让给 Apache Technologies, he.，现在为 Trimble Navigation Limited.。
激光检测器50的电子电路被设计成切换由光电单元PD2产生的电流i2，从而借 助开关晶体管Ql和Q2与电流il或者i3组合。在使用激光检测器50的典型应用中，旋转 激光器(未示出)以特定仰角定位在建筑工地上。该旋转激光器生成旋转激光平面，激光 检测器50定位在该激光平面内，从而在这种光照射其光电二极管阵列94时可以检测激光。 激光检测器50可以由人手把持，从而可以精确定位在建筑工地内的任意位置，或者可以附 接到诸如推土机之类的特定建筑设备。在一束激光扫描照射到光电二极管阵列94之前，晶体管Ql被切换到其传导状态， 并且因此电流il和电流i2组合成单个较大电流i4，本质上是光电单元PDl和PD2产生的和 电流。如果光电二极管阵列94的三个光电单元接收到的能量，对于光电单元PDl记为“A”、 对于光电单元PD2记为“B”，对于光电单元PD3记为“C”，那么对于第一次激光扫描的传递 函数等于[(A+B)-C] + (A+B+C)。在第一次扫描发生之后，晶体管Ql截止而晶体管Q2导通 (进入其传导状态)，光电单元PD2产生的电流i2与i3组合从而形成新的电流i5，这是由光 电单元PD2和PD3产生的组合电流。这种配置将适当地保持直到第二次激光扫描照射到光 电二极管阵列94为止，此时，这次零检测应用的新传递函数将会是[A-(B+C)] + (A+B+C)。 在第二次扫描发生之后，随后晶体管再次切换，使得激光检测器50返回到如上所述的第一 传递函数。图3示出了第一实施例激光检测器50的物理布局。在图3的例示实施例中，包含 三个光电单元PD1、PD2和PD3的光电二极管阵列94位于激光检测器50正表面的上部暴露 区域，该激光检测器50体型上足够小以致于可便携并且可以容易地握持在人手的适当位 置从而接收在其正表面上的旋转激光。应当理解，如果期望的话，另外的光电二极管阵列可 以位于激光检测器50的另一表面上。包含光电二极管阵列94的区域优选地覆盖有包括滤光器99的窗口。在该第一实 施例50中，滤光器99具有优选地对应于图8上的曲线290和四2中之一的透射特性。下 面将描述该优选透射特性的细节。在本质上讲，滤光器穿过一部分电磁能，包括接收到的激 光能量脉冲，穿过部分的电磁能受到滤光器的预定透射特性的控制。在激光检测器50上提供IXD (液晶显示器)80，包含水准面之上指示器95、水准面 指示器96和水准面之下指示器97。如上所述，如果激光束点的中心在上静带边沿之下和下 静带边沿之上照射光电二极管阵列94，则会照亮水准面指示器96。另一方面，如果激光束 点的中心在上静带边沿之上照射光电二极管阵列94，则会照亮水准面之下指示器97，并且 如果激光束点的中心在较低间隙之下照射光电二极管阵列94，则会照亮水准面之上指示器 95。激光检测器50还包括液晶显示器82，指示设备的设置操作者选择的各种可选设 置。液晶显示器82可以使用标号85指示的符号来指示电池状况，使用标号86指示的符号 来显示激光发射机未处于水平的警告，并且使用标号87所指示的符号显示音频扬声器打 开或者关闭。使用键区84来选择在激光检测器50中可用的各种可选设置，并且可以用来 把数据输入到处理电路。键区84上的键作为用户致动控制输入装置的示例。应当理解，可 以把许多其他符号添加到液晶显示器82上用于指示其他信息。美国专利No. 5，486，690讨论了使用该电路设计的早先实施例的许多电路细节， 本文将不再重复所有这些细节。整体电路设计用于第一实施例是有益的，包括在检测来自位于接收机特定距离处的特定激光发射机的激光脉冲时确定激光接收机50的灵敏度的自 动增益控制的使用。然而，本文将详述图1所示的电路设计。当光电单元PDl (与光电单元PD2相结合或者不结合)接收来自旋转激光源的激 光信号时，生成的电流il本质上是AC信号。在旋转激光照射光电二极管PDl时，电流il 的短脉冲流过晶体管Ql的源极，此时可以与来自光电单元PD2的类似的电流脉冲i2相结 合，电流脉冲i2在晶体管Ql处于传导状态时流过Q1。电流il和i2变成合成电流i4。脉 冲放大器51设计成对该电流脉冲i4进行放大并且将其转换成对应的正向电压脉冲vl。在 这些脉冲放大器分别接收到电流脉冲i4或i5时，脉冲放大器51和52两者分别产生电压 输出vl和v2。如果激光检测器50包括一个以上的光电单元阵列，则那些阵列的每一个都将并 联连接，使得第一阵列的最顶部光电单元并联连接到其他阵列的每一个的最顶部光电单 元，所有光电单元都连接到晶体管Ql的源极，并且继续连接到电流i4。类似地，所有的中间 光电单元PD2都并联连接，使得所有这些连接相会在图1上示出的电流i2处，并且连接到 晶体管Ql和Q2的漏极。而且，所有的最底部光电单元PD3都并联连接在一起接合到晶体 管Q2的源极并且随后继续连接到电流i3。应当理解，激光检测器50的操作的总原理不会 受到可以接收旋转激光的光电单元阵列的数量影响。如图1所示，电流i4被通道1的脉冲放大器51转换成电压vl，继续通过AC耦合 电容器Cl (并且变成电压信号V8)进入脉冲积分器和自动增益控制电路61，随后输出电压 电平vll。通道2具有对应的元件，将电压v2通过AC耦合电容器C2，从而产生电压v9，并 且进入另一脉冲积分器和自动增益控制电路62，输出电压电平vl2。然而，如果期望的话， 可以把更多通道的脉冲放大器和积分器添加到激光检测器50，由于该应用仅仅尝试确定一 个特定静带定位，所以此时仅需要两个通道的信息。应当理解，第三脉冲放大器(未示出) 和第三积分器/自动增益控制电路(未示出)可以直接连接到光电单元PD2，同时消除开 关晶体管Ql和Q2。凭借激光检测器50电路的这种变型，可以根据照射光电二极管阵列94 的旋转激光源的每次扫描确定激光束点的中心位置，而不必等待旋转激光源的两次扫描， 如图1中描述的电路那样。在这种配置中，中央光电单元PD2优选地具有分别从光电单元 PDl和PD3两者添加到电压输出的电压(照射PD2的光的代表)，并且这将发生在旋转激光 源的每次扫描之后。每个DC电压电平vll和vl2单独连接到模数(A/D)转换器70，其作为微处理器 (或者可能更恰当地是“微控制器”)78的集成元件。电容器Cl和C2是阻直流电容器，仅 允许电压vl和v2的交流成分变成电压信号v8和v9。另一方面，电压vll和vl2为DC信 号，被设计成直接连接到A/D转换器70。标号为42的基准电压+VREF也被提供给A/D转换ο优选的微处理器(或者微控制器)78包括板上RAM(随机存取存储器)、R0M(只读 存储器)和用来与各个地址、数据和控制线通信的几个并行输入/输出端口。微处理器78 确定A/D转换器70所产生的数字，这代表光电二极管阵列94所接收到的激光脉冲的光能 和持续时间。这可以为每个通道单独确定，从而为电压vll和vl2所代表的光成像电平提 供不同的数值。来自脉冲放大器51和52的输出信号(分别为信号vl和v2)的每一个都被指引到电压求和放大器72。电压vl和v2的和出现在求和放大器72的输出，并且具有标记v21。 电压比较器电路74将v21与基准电压(或者“阈值电压”)v36，也称为+VREF进行比较。来 自比较器电路74的输出电压标记为v22，如果没有光束接触激光检测器50的光电二极管阵 列94的光电二极管中的任何一个，则输出电压为保持在逻辑0的数字信号。一旦光电二极 管阵列94检测到足够的光能，则比较器电路74将其输出状态变成逻辑1。借助求和放大器 72和电压比较器74，激光检测器50测量所有组合在一起来确定v22的逻辑状态的光电二 极管的总能量。来自比较器74的输出信号v22被指引到保持发生器76，其使用两级J-K触发器 和NAND门的几个状态来产生“HOLD”信号v23和v23，。HOLD信号v23被指引回到每个脉 冲积分器电路61和62，并且HOLD信号v23，被指引到微处理器78。HOLD信号v23和v23' 两者以相同方式工作，但是针对它们的逻辑0和逻辑1状态具有不同的电压电平。HOLD信号v23是数字信号，在等待光脉冲照射激光检测器50时保持在逻辑1状 态。一旦激光检测器50的光电二极管检测到足够的光能以迫使比较器输出信号v22改变 状态，HOLD信号v23保持在逻辑1状态直到检测到光脉冲的结束为止，此时将变成逻辑0状 态。这发生在比较器输出信号v22下落回到其逻辑0状态时。HOLD信号v23现在保持在逻 辑0状态直到从微处理器78接收到“RESET”信号W4为止。一旦接收到该RESET信号，保 持发生器76的J-K触发器被复位到它们最初的输出状态，并且HOLD信号v23变换回到其 逻辑1状态。附图中还存在求反的HOLD信号，并且还被称为“NOT v23”。求反的信号NOT v23是另一数字逻辑信号并且总是与v23处于相反的逻辑状态。现在将参考图2讨论脉冲积分器和自动增益控制电路61 (用于输入通道1)的操 作。脉冲放大器输出信号vl经由电容器Cl交流耦接到脉冲积分器和自动控制电路61，并 且其AC分量作为电压信号v8继续通过Cl。此时，电压信号v8被引导通过四个模拟开关 U100中的一个，优选地是具有零件编号74HC4066的CMOS集成电路(四通道模拟开关)。借 助四个不同的增益电阻R110、R111、R112和R114，模拟开关U100的使用允许该电路的增益 可变(即，其“增益状态”)。如图2所示，电阻R114与电位计R113串联组成得到一个串联 电阻。微处理器78借助其GAIN命令信号v25确定哪个模拟开关将要关闭，GAIN命令信 号v25包括四个单独电压信号v31、v32、v33和v34。如果期望最高增益，则v34将被置于 其逻辑1状态，而信号v31到v33保持在它们的逻辑0状态。如果期望最低增益，则v31被 置于其逻辑1状态，而其他三个信号保持在它们的逻辑0状态。在图2的示例实施例中，增益比例如下1. 04. 97 16.5 39. 1。应当理解，可以 根据给定激光检测器的确切需求来选择不同的增益值。下文将详述确定微处理器78将选 择哪个增益(或者“增益状态”)的方法。四个不同增益电阻和四个模拟开关的组合包括基于晶体管Q103的共基极放大器 的输入级。该共基极放大器是把电压输入信号转换成电流输出信号的跨导放大器，并且具 有高输出阻抗。Q103的集电极产生具有标记i37的电流信号，包括由于光脉冲照射激光检 测器50引起的“信号”电流以及由于可以渗透到电路这部分的瞬态噪声和太阳噪声所引起 的“噪声”电流，并且另外包括静态电流。注意，激光检测器50具有两个不同的公共点，模 拟公共点“A”和数字公共点“D”，共同连接在一起但是具有单独的公共平面。
电容器C107、电阻Rl 16和Rl 19和晶体管Q104的组合包括大等效电感，与包含在 电流信号i37中的任何DC偏置电流分接。晶体管Q105是η沟道场效应晶体管(FET)，通过 HOLD信号ν23导通或截止，HOLD信号ν23连接到Q105的栅极输入。如上所述，在等待光脉 冲出现时以及在光脉冲出现期间，HOLD信号v23为逻辑1状态。因此，Q105在相同时段内 导通，从而允许电流信号i37的部分而非偏置电流通过Q105的漏极和源极。在电流信号i37通过Q105时，它趋向于利用具有标号v35的电压为电容器Clll 充电。JFET Q106是具有高输入阻抗和低输出阻抗的电压跟随电路。给电容器Clll充电的 电流信号i37以与传统积分电路相同的方式直接产生电压v35，因此，在i37处于正脉冲状 态时，电压v35将以接近恒定的斜度斜线上升。在i37未处于正脉冲模式的时间段期间(意味着激光检测器50没有接收到光输 入)，根据噪声的瞬时极性，只有i37中给电容器Clll充电或者放电的信号分量是噪声分 量。随着时间的推移，噪声的平均积分等于0，因此，激光检测器50这部分中使用的积分器 提供了比仅仅利用增益放大获得的信噪比更大的信噪比。一旦i37的信号部分开始给电容器Clll充电，则正向斜坡电压v35开始以i37的 幅度所确定的斜度斜线上升。在此正脉冲期间，只要Q105导通斜线上升就继续，只要HOLD 信号v23保持其逻辑1状态，则保持斜线上升。当比较器74再也检测不到光脉冲时，HOLD 信号v23下降到其逻辑0状态，从而使得晶体管Q105截止。此时，电容器Clll的电压v35 保持其先前电平足够长的时间，用于激光检测器50的电路的其余元件测量其电压。由于晶体管Q106是电压跟随电路的一部分，所以其产生输出电压vll，除了某种 程度的偏置偏移电压之外等于电压v35。使用求反的电压信号NOT v23部分地校正在v23 改变状态时通过Q105的栅极沟道电容从C114吸取的电荷。由于v35在光脉冲消失之后被 保持在恒定电压，电压vll也是类似的情况，被指引到A/D转换器70的输入。注意以下事 实，激光检测器50的示例实施例的两个输入通道把这样的电压信号vll和vl2同时发送到 A/D转换器70，因此可以看出，微处理器78可以通过对A/D转换器70所提供的输出值进行 顺序采样来确定光电二极管阵列的每个输入通道的精确的电压电平。应当理解，A/D转换 器70可以是具有vll和vl2复用输入的单独的集成电路，或者可以是用于每个输入通道的 单独的A/D转换器。由于激光检测器50的光电二极管阵列所接收到的光脉冲的持续时间是可变的， 所以根据激光检测器50距旋转激光源定位的距离，在电容器Clll被充电时电压信号v35 不饱和是重要的。在微处理器78的控制下，使用图2的自动增益控制电路部分精确地避免 这一问题。由于可以以此方式容易地控制增益，所以脉冲积分器和自动增益控制电路61可 以适应非常大的脉冲宽度范围，典型地从小到0. 5微秒到大到0. 5毫秒。借助此电路，脉冲 积分器和自动增益控制电路61的动态范围至少为30，000到1。这明显优于许多之前的设 计，在考虑到极大改善了激光检测器50的信噪比的事实的情况下尤为如此。将详述微处理器78的某些功能。如上所述，微处理器78在每个接收到的光脉冲 的最后接收HOLD信号v23’。在这发生之后，微处理器78读取A/D转换器70的输出值，同 时扫描例示实施例的两个输入通道。在扫描两个输入通道之后，微处理器78存储每个通道 的A/D转换器信息。一旦微处理器78确定激光束点的中心位于水准面、水准面之上或水准 面之下，则微处理器通过输出RESET信号W4来复位保持发生器76。这一系列事件发生在激光检测器50开始从旋转激光源接收光信号之后。在激光检测器50首先接通时，并且在开始接收任何激光信号之前，微处理器78执 行以下初始化功能(1)电路默认为最高增益状态，意味着启动高增益命令v34关闭模拟开关，允许电 流通过电阻R114。(2)微处理器78对来自A/D转换器70的两个输入通道的输出值进行周期采样。 这两个输入通道中每一个的数值表示随后被存储在RAM中，允许微处理器78 了解每个输入 通道的积分电路61-62的静态偏置电压。(3)微处理器78经由信号W6控制IXD显示器80，使得在该IXD显示器上不显示 有关当前仰角的信息。在激光检测器50接收到光脉冲的时间段内，LCD显示器80将显示 某些类型的水准面指示，使得操作者可以确信相对于激光旋转平面的当前仰角。一旦第一光束照射光电二极管阵列94，HOLD信号就变得有效(在光脉冲的结尾)， 并且微处理器78利用A/D转换器70立即对两个输入通道进行采样。以数值接收每个通道， 将每个通道的先前的静态偏置电平(先前存储在RAM中)从A/D转换器70接收到的新的 数值中减去。该相减得到每个输入通道的新的净数值，借助下面的优选公式用于“位置”计 算
权利要求
1.一种激光接收机，包括处理电路，至少一个光电传感器、可变灵敏度控制电路、输出电路和至少一个滤光器；其中(a)所述至少一个滤光器呈现出仅仅允许预定透射特性的电磁能波长穿过从而照射到 所述至少一个光电传感器上的光学特性，使得所述预定透射特性足以穿过绿色和红色两者 可见光范围内的波长；(b)所述至少一个光电传感器呈现出对绿色和红色两者可见光范围内的电磁能量足够 灵敏的预定频率灵敏度特性；并且所述至少一个光电传感器在接收到照射到其上的足够电 磁能量之后把至少一个第一信号输出到所述可变灵敏度控制电路，其根据所述可变灵敏度 控制电路的增益状态调整所述至少一个第一信号从而产生至少一个第二信号，并且把所述 至少一个第二信号输出到所述处理电路；(c)所述激光接收机被配置成(i)估计所述至少一个第二信号并且基于所述至少一个第二信号的值确定所述至少一 个光电传感器相对于照射到其上的所述接收到的电磁能的相对仰角，并且使用所述输出电 路输出第三信号从而提供对所述确定的相对仰角的指示；以及( )通过阻止所述输出电路输出所述第三信号并且从而避免由于不想要的干涉光信 号造成对所述确定的相对仰角的指示，以有效地消除可能包含在所述至少一个第二信号中 的这种不想要的干扰光信号。
2.根据权利要求1所述的激光接收机，其中所述激光接收机进一步被配置成确定可变 灵敏度电路的所述增益状态，并且根据所确定的增益状态输出用于指示所述相对仰角的所 述第三信号。
3.根据权利要求2所述的激光接收机，其中所述激光接收机进一步被配置成以所述增 益状态所确定的消除速率来有效地消除不想要的干扰光信号。
4.根据权利要求2所述的激光接收机，还包括至少一个用户致动控制输入装置；并且其中(a)所述激光接收机进一步被配置成确定所述至少一个用户致动控制输入装置是否被 激活，并且如果已被激活，则运行以下功能，所述功能把所述激光接收机配置到由所述至少 一个用户致动控制输入装置输入的输入数据所确定的工作模式；以及(b)可变灵敏度电路的所述增益状态由所述工作模式手动控制，所述工作模式由所述 至少一个用户致动控制输入装置输入作为所述输入数据。
5.根据权利要求4所述的激光接收机，其中把所述输入数据输入到所述至少一个用户 致动控制输入装置上的用户通过选择所述激光接收机的本质上非常灵敏但不足以消除所 述不想要的干扰光信号的第一工作范围，并且随后选择灵敏度略小使得所述激光接收机足 以消除所述不想要的干扰光信号的不同的第二工作范围，来确定所述增益状态的期望值。
6.根据权利要求2所述的激光接收机，其中所述可变灵敏度控制电路包括自动增益控 制电路，所述自动增益控制电路(a)将所述增益状态初始化为第一预定增益状态值并且在工作在所述第一预定增益状 态值的同时把所述至少一个第二信号输出到所述处理电路；(b)随后，基于从所述处理电路输出到所述自动增益控制电路的增益控制信号，以迭代方式把所述增益状态调整为第二增益状态值，并且在以迭代方式工作在所述第二预定增益 状态值的同时把所述至少一个第二信号输出到所述处理电路直到所述至少一个光电传感 器所产生的所述至少一个第一信号不饱和为止。
7.根据权利要求1所述的激光接收机，其中所述不想要的干扰光信号包括由(a)荧光 光源和(b)闪烁光源中的至少一个所产生的电磁能。
8.根据权利要求1所述的激光接收机，其中(a)所述至少一个滤光器的所述预定透射特性足以使得(i)所述绿色可见光范围、 ( )所述红色可见光范围和(iii)红外光范围中所有的波长穿过；以及(b)所述至少一个光电传感器的所述预定频率灵敏度特性包括对(i)所述绿色可见光 范围、(ii)所述红色可见光范围和(iii)所述红外光范围中所有的电磁能的足够灵敏度；并且因此，所述激光接收机作为激光发射机的仰角检测装置工作，所述激光发射机输 出绿色可见光、红色可见光和红外光波长中所有的激光。
9.根据权利要求1所述的激光接收机，其中所述输出电路所产生的所述第三信号用于 驱动(a)用户可见的显示器；以及(b)机器中的至少一个。
10.一种激光接收机，包括处理电路，至少一个光电传感器、可变灵敏度控制电路、输出电路和至少一个滤光器；其中(a)所述至少一个滤光器呈现出使得包括绿色可见光光谱和绿色可见光光谱以上到红 外光光谱的电磁能的波长范围有效穿过的高通波长光学透射特性，使得所述穿过的电磁能 将照射到所述至少一个光电传感器上；(b)所述至少一个光电传感器呈现出对包括绿色可见光和绿色可见光以上到红外光谱 的可见光范围内的电磁能足够灵敏的预定频率灵敏度特性；并且所述至少一个光电传感器 在接收到照射到其上的足够电磁能量之后把至少一个第一信号输出到所述可变灵敏度控 制电路，其根据所述可变灵敏度控制电路的增益状态调整所述至少一个第一信号从而产生 至少一个第二信号，并且把所述至少一个第二信号输出到所述处理电路；(c)所述激光检测器位于截获激光脉冲的空间中，所述激光脉冲代表照射到所述至少 一个光电传感器的所述电磁能的期望源；以及(d)所述激光接收机被配置成估计所述至少一个第二信号并且基于所述至少一个第二 信号的值确定所述至少一个光电传感器相对于照射到其上的所述接收到的激光脉冲的相 对仰角，并且使用所述输出电路输出第三信号从而提供对所述确定的相对仰角的指示；并 且凭借将接收到的激光脉冲与其他光源产生的不想要的干扰光信号区分开的能力，能在工 作在荧光环境的同时有效地作为仰角检测器工作。
11.根据权利要求10所述的激光接收机，其中所述接收到的激光脉冲由旋转激光发射 机输出，生成代表工地上预定仰角的激光平面。
12.根据权利要求10所述的激光接收机，其中所述不想要的干扰光信号包括由(a)荧 光光源和(b)闪烁光源中至少一个所产生的电磁能。
13.根据权利要求10所述的激光接收机，其中所述可变灵敏度控制电路的所述增益状态由(a)包括在所述可变灵敏度控制电路中并且与所述处理电路协同工作的自动增益控 制电路；和(b)由用户使用至少一个用户致动控制输入装置输入的手动控制命令中的一个 来控制。
14.根据权利要求13所述的激光接收机，其中以所述增益状态所确定的消除速率阻止 所述不想要的干扰光信号造成错误仰角读数。
15.根据权利要求13所述的激光接收机，其中所述第三信号驱动(a)用户可见的显示器；和(b)机器中的至少一个。
16.一种用于把激光接收机用作相对仰角检测器的方法，所述方法包括(a)提供处理电路、接收激光能量脉冲的至少一个滤光器、至少一个光电传感器、可变 灵敏度控制电路和外壳，所有元件组合为单个装置；(b)将包括所述接收到的激光能量脉冲的电磁能的一部分穿过所述至少一个滤光器， 其中所述穿过部分的电磁能受到所述至少一个滤光器的预定透射特性的控制，使得所述预 定透射特性足以穿过绿色可见光和红色可见光两者范围内的波长；(c)允许所述穿过部分的电磁能照射到所述至少一个光电传感器上，其中所述至少一 个光电传感器呈现出使得对绿色可见光和红色可见光两者范围内的电磁能足够灵敏的预 定频率灵敏度特性；(d)所述至少一个光电传感器在接收到照射到其上的足够电磁能量之后，产生至少一 个第一信号，并且将所述至少一个第一信号指引到所述可变灵敏度控制电路；(e)所述可变灵敏度控制电路根据所述可变灵敏度控制电路的增益状态调整所述至少 一个第一信号，并且产生至少一个第二信号，并且把所述至少一个第二信号指引 到所述处 理电路；(f)估计所述至少一个第二信号并且根据所述至少一个第二信号的值确定所述至少一 个光电传感器相对于照射到其上的所述接收到的激光能量脉冲的相对仰角；(g)指示所述确定的相对仰角；以及(h)通过阻止所述不想要的干扰光信号造成对所述确定的相对仰角的错误指示，有效 地消除可能包括在所述至少一个第二信号中的不想要的干扰光信号。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述接收到的激光脉冲由旋转激光发射极输 出，生成代表工地上预定仰角的激光平面。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述不想要的干扰光信号包括(a)荧光光源和 (b)闪烁光源中至少一个所产生的电磁能。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括由(a)包括在所述可变灵敏度控制电路中并 且与所述处理电路协同工作的自动增益控制电路；和(b)由用户使用至少 一个用户致动控 制输入装置输入的手动控制命令中的一个来控制所述可变灵敏度控制电路的所述增益状 态的步骤。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述有效地消除不想要的干扰光信号的步骤包 括以所述增益状态所确定的消除速率阻止错误仰角读数。
21.根据权利要求16所述的方法，其中所述可变灵敏度控制电路的所述增益状态受到 用户使用至少一个用户致动控制输入装置输入的手动命令的控制，并且还包括步骤(a)把所述增益状态设置成最大工作范围，并且确定所述激光接收机目前是否处于对 工地上特定物理位置上的荧光光源太过灵敏的增益状态；(b)如果在步骤(a)中所述增益状态太过灵敏，则以迭代方式把所述增益状态设置成 较低工作范围直到所述激光接收机不再对荧光光源过于灵敏为止；以及(c)继续使得所述激光接收机工作在较低的工作范围的所述增益状态下。
22.一种激光接收机，包括处理电路，至少一个光电传感器、可变灵敏度控制电路和至少一个滤光器；其中(a)所述至少一个滤光器呈现出仅仅允许预定透射特性的电磁能的波长穿过从而照射 到所述至少一个光电传感器上的光学特性；(b)所述至少一个光电传感器呈现出对预定频率响应特性的电磁能足够灵敏的频率灵 敏度特性；并且所述至少一个光电传感器在接收到照射到其上的足够电磁能量之后把至少 一个第一信号输出到所述可变灵敏度控制电路，其调整所述至少一个第一信号从而产生至 少一个第二信号，并且把所述至少一个第二信号输出到所述处理电路；(c)(i)所述至少一个滤光器的所述预定透射特性、(ii)所述至少一个光电传感器的 所述预定频率响应特性和(iii)所述可变灵敏度控制电路的放大特性的组合产生所接收 到的电磁能的各个波长下的总体工作灵敏度特性，使得所述激光接收机呈现出相比较红外 光波长下的总体工作灵敏度特性基本减小的绿色可见光波长下的全部工作灵敏度特性，同 时仍然有效地检测绿色可见光、红色可见光和红外光的所有三个波长范围内的电磁能；以 及(d)所述激光接收机被配置成(i)估计所述至少一个第二信号并且根据所述至少一 个第二信号的值，针对所接收到的电磁能的绿色可见光、红色可见光和红外光的所有三个 波长范围，确定所述至少一个光电传感器相对于照射到其上的所述接收到的电磁能的相对 仰角，以及(ii)输出第三信号并且提供对所述所确定的相对仰角的指示。
23.根据权利要求22所述的激光接收机，其中绿色可见光波长下的所述总体工作灵敏 度特性处于红外光波长下的所述总体工作灵敏度特性的大约10-50%的范围内。
24.根据权利要求23所述的激光接收机，其中(a)绿色可见光波长下的所述总体工作灵敏度特性是红外光波长下的所述总体工作灵 敏度特性的大约20% ；并且(b)红色可见光波长下的所述总体工作灵敏度特性是红外光波长下的所述总体工作灵 敏度特性的至少大约50%。
全文摘要
公开了一种激光接收机，其用于检测由建筑工地上的旋转激光源所产生的脉冲激光。以此方式，激光接收机起到仰角检测器的作用并且为设备操作者或者建筑工人提供相对于激光平面的当前仰角状态。激光接收机是单个装置，可以检测多个光频率/波长，包括处于绿光、红光和红外光谱中的激光束。激光接收机还能够区分这种光束和其他干扰光源，尤其是荧光光源。
文档编号G01C15/00GK102042827SQ20101051748
公开日2011年5月4日 申请日期2010年10月19日 优先权日2009年10月19日
发明者C·W·辛德 申请人:天宝导航有限公司