专利名称：多光束光学距离传感器和自推进清洁器和空调器的制作方法
技术领域：
本发明涉及多光束光学距离传感器，例如，涉及通过检测测量物体是否出现在一定范围内，来检测要测量的测量物体的方向和距离的多光束光学距离传感器。
背景技术：
通常，如图7A-7C所示，多光束光学距离传感器(optical range sensor)包括多个光发射元件114和数量与多个光发射元件114相等的光发射侧透镜115(参见JP H09-203631A)。
从光发射元件114输出的光经过光发射侧透镜115被检测物体反射，所得到的反射光被光接收侧透镜116会聚，在用作位置检测元件的光接收元件117上形成点。这里应该指出，光接收侧透镜116包括一个环形透镜(toroidallens)，光接收元件117也包括一个元件。
因此，当多个光发射元件114的每个元件逐一地以各自平移的定时发射光时，光接收元件117的输出信号与每个光发射元件114的光发射定时同步地被读取，从而通过相应于每个光发射元件114的光发射定时从光接收元件117获得的输出信号，能够检测到检测物体的方向以及到检测物体的距离。
对于这种现有技术的多光束光学距离传感器，其包括多个光发射元件114和多个光发射侧透镜115，需要允许较大的空间用于光发射侧。由于这个原因，传感器整个尺寸大。
此外，因为多个光发射元件114逐一地以延迟的定时，并且在光接收侧的光接收元件117的信号与该定时同步地被读取，所以为了在较宽范围上检测到检测物体的存在，光发射元件114都必须按顺序发光，要花较长的时间检测物体的方向和距离。
另外，在现有技术的示例中，发射的每束光束沿其规定方向扫描。在这种情况下，当试图增加沿另一方向扫描的发射光束，例如以便沿垂直于上述扫描方向的方向检测时，必须如前所述添加相同数目的光发射元件和光接收侧透镜，还要在接收侧增加光接收元件117和光接收侧透镜116。由于这个原因，传感器整个尺寸变大，因此，不太切合实际。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种能够减小尺寸并缩短检测时间的多光束光学距离传感器。
为了实现上述目的，提供一种多光束光学距离传感器，包括光发射元件；衍射光栅，用于将所述光发射元件的输出光衍射和分裂成多个光束；多个光接收部分，用于接收通过被所述衍射光栅分裂成多个光束并被要测量的测量物体反射而得到的反射光束；和控制部件，用于处理由所述多个光接收部分输出的多个光接收信号并以规定的定时驱动光发射元件。
在本发明的这种多光束光学距离传感器中，光发射元件输出的输出光被衍射光栅分裂成多个光束，所得到的多个光束被测量物体反射，作为多个反射光束入射到多个光接收部分。该多个光接收部分响应入射的反射光束输出多个光接收信号，控制部件处理该多个光接收信号，以检测测量物体的方向和距测量物体的距离。
在本发明中，因为衍射光栅将光发射元件的输出光分裂成多个光束，所以即使利用一个光发射元件，也能够从衍射光栅输出多个光束。因此，与现有技术相比，根据本发明能够减少光发射元件和光发射侧透镜的数量，能够减小光发射侧的空间，并且能够减小传感器的尺寸。此外，根据本发明，不需要扫描多个光发射元件，从而能够缩短检测时间。
理想地，控制部件基于光接收信号通过三角测量法检测测量物体的距离。此外，理想地，控制部件通过例如半导体集成电路来实现。
在本发明的一个实施例中，光发射元件是半导体激光器。
在这种情况下，因为输出光是激光，其是高方向性的相干光，所以能够高精度地检测测量物体的方向和距测量物体的距离。
在本发明的一个实施例中，多个光接收部分的数量与多光束的数量相等，和多光束光学距离传感器包括一个具有多个光接收部分的光接收元件。
在这种情况下，因为多个光束能够被一个光接收元件的多个光接收部分同时接收，所以可以通过减少部件数量进一步减小传感器的尺寸，并缩短检测时间。
在本发明的一个实施例中，衍射光栅将输出光分裂成光强大致相等的多个光束。
在这种情况下，因为衍射光栅将输出光分裂成光强大致相等的多光束，所以能够预先防止由于缺少规定的光束的反射光而出现任何错误检测。
在本发明的一个实施例中，所述衍射光栅具有第一区域，其中形成第一凹槽，和第二区域，其中形成大致垂直于所述第一凹槽的第二凹槽，并且所述多光束光学距离传感器还包括第一光接收部分，其设置成接收被所述第一区域衍射的光束，第二光接收部分，其设置成接收被所述第二区域衍射的光束，和开关部件，用于选择所述第一区域和第二区域中的一个，以允许光束从所选择的区域输出，而禁止光束从未选择区域输出。
在这种情况下，开关部件选择具有相互垂直的各个凹槽的第一区域和第二区域中的一个，使得光束从所选择的区域输出。然后，第一光接收部分接收被第一区域衍射的光束，而第二光接收部分接收被第二区域衍射的光束。控制部件处理由第一光接收部分和第二光接收部分输出的第一光接收信号和第二光接收信号，以通过例如三角测量法检测距测量物体的距离。
由此，在对应于衍射光栅的第一区域的方向和垂直于衍射光栅的第一区域的方向的范围上，可以检测测量物体的位置和距测量物体的距离。
在本发明的一个实施例中，所述开关部件具有第一液晶光阀，其设置成与所述衍射光栅的第一区域相对，和第二液晶光阀，其设置成与所述衍射光栅的第二区域相对。
在这种情况下，开关部件将第一液晶光阀和第二液晶光阀中的一个设定成透光状态，而将第一液晶光阀和第二液晶光阀的另一个设定成遮光状态。因此，通过控制第一液晶光阀和第二液晶光阀的开启和关闭，开关部件能够选择第一区域和第二区域的一个，以允许光束从所选择的区域输出，而禁止光束从未选择的区域输出。
在本发明的一个实施例中，所述开关部件具有
致动器，用于移动所述衍射光栅，使得所述光发射元件的输出光入射到的所述第一区域和第二区域中所选择的一个上，而禁止光发射元件的输出光入射到第一区域和第二区域中的未选择的另一个上。
在这种情况下，开关部件通过致动器使衍射光栅移动。因此，在选择了衍射光栅的第一区域或第二区域的情况下，输出光能够仅入射到所选择的区域。
在本发明的一个实施例中，所述控制部件接收规定的脉冲信号的输入，并以对应于该脉冲信号的规定的时间延迟从一个端子读取分别从所述多个光接收部分得到的多个光接收信号。
在这种情况下，具有利用一个端子读取从多个光接收部分得到的多个光接收信号的优点。
在本发明的一个实施例中，所述多光束光学距离传感器还包括输出端子，其数量与多个光接收部分的数量相等，其中从所述光接收部分得到的所述光接收信号分别从所述输出端子被并行读出。
在这个实施例中，因为包括多个输出端子，用于并行读取多个光接收信号，所以可实现高速读取。
在本发明的一个实施例中，所述衍射光栅具有第一区域，其中形成第一凹槽，和第二区域，其中形成大致垂直于所述第一凹槽的第二凹槽，并且所述多光束光学距离传感器还包括第一光接收部分，其设置成接收被所述第一区域衍射的光束，第二光接收部分，其设置成接收被所述第二区域衍射的光束，并且所述光发射元件具有第一光发射点，用于输出入射到所述第一区域和第二区域中的一个的第一输出光，第二光发射点，用于输出入射到所述第一区域和第二区域中的另一个的第二输出光，并且其中所述控制部件对所述光发射元件的驱动进行控制，以便选择所述第一光发射点和第二光发射点中的一个来发射光。
在这种情况下，光接收元件具有用于输出第一输出光和第二输出光的第一光发射点和第二光发射点，并且所述控制部件选择第一光发射点和第二光发射点中的一个发射光。由此，不需要液晶光阀或移动衍射光栅的致动器，就能够选择衍射光栅的第一区域和第二区域的一个，并且使所选择的区域发射光束。因此，能够简化传感器的驱动和减小传感器的尺寸。
在一个实施例中，自推进清洁器设有上述的多光束光学距离传感器。利用这一点，清洁器在检测室内的作为测量物体的任何障碍或墙壁等的同时通过自推进运行，从而能够自动清洁并实现有效的清洁。
在一个实施例中，空调器具有上述多光束光学距离传感器。利用这一点，空调器能够检测人在室内的位置，并基于这个检测，能够控制方向的最佳状态、空气的强度和温度等，因此，可能提供有利于人体和节能的空调器。
根据本发明的多光束光学距离传感器，因为衍射光栅将光发射元件的输出光分裂成多光束，所以即使利用一个光发射元件，也能够从衍射光栅输出多个光束。因此，根据本发明，与现有技术相比，能够减少光发射元件和光接收侧透镜的数量，减小光发射侧的空间，并减小传感器的尺寸。此外，根据本发明，不需要扫描多个光发射元件，从而能够缩短检测时间。
从下面给出的详细说明和附图中可以更充分地理解本发明，给出附图仅仅用于解释本发明，而不限制本发明，其中图1A是示出根据本发明的多光束光学距离传感器的一个实施例的平面图；图1B是沿图1A的线A-A′截取的剖面图；图1C是沿图1A的线B-B′截取的剖面图；图2A是示出所述实施例中的衍射光栅4将输出光束分成多个光束的状态的示意图；图2B是示出图2A所示的光束a-e(衍射光)的光强分布的光强分布图；图3A是示出所述实施例的第一改型示例中包括的衍射光栅10的平面图。
图3B是示出在第一改型示例中，从衍射光栅10得到的多个光束被测量物体反射，从而作为反射光束入射到两个光接收元件6a和6b上的状态的示意图；
图4A是示出作为第一改型示例的开关部件的液晶光阀的平面图；图4B是示出液晶光阀的剖面图；图5是示出作为开关部件的另一示例的致动器的剖面图；图6是示出所述实施例的第二改型示例的示意图；图7A是示出根据现有技术的多光束光学距离传感器的多个光发射元件和多个光发射侧透镜的示图；图7B是现有技术的多光束光学距离传感器的平面图；图7C是沿图7B的平面图的线A-A′截取的剖面图。
具体实施例方式
下面，通过在附图中示出的实施例详细说明本发明。
图1A-1C示出根据本发明的多光束光学距离传感器的一个实施例。图1A是本实施例的平面图，图1B沿图1A的线A-A′截取的剖面图。图1C是沿图1A的线B-B′截取的剖面图。
本实施例的多光束光学距离传感器包括底板1和安装到底板1上的外壳7。外壳7具有通过内壁7A彼此分开的空间R1和空间R2。
一个光发射元件2设置在外壳7的空间R1之内的底板1上。同样，一个发射侧透镜3安装在外壳7的空间R1之内，用于将从光发射元件2发射的光准直成大致平行的光。在外壳7的空间R1中安装有衍射光栅4，用于衍射从光发射侧透镜3得到的平行光。这里应该指出，光发射元件2优选由半导体激光器构成。即，如果由激光器构成，则输出光就是高方向性的相干光，因此能够高精度地检测测量物体的方向和距测量物体的距离。
同样，光接收元件6和控制部件9设置在外壳7的空间R2之内。该光接收元件6以芯片形式设置在底板1上。如图1C所示，一个光接收元件6例如包括五个光接收部分6-1至6-5。
此外，光接收侧透镜5安装在外壳7的空间R2之内。光接收侧透镜5包括五个透镜部分5-1至5-5。这五个透镜部分5-1至5-5会聚由从光发射元件2得到的输出光产生的反射光，所述输出光被衍射光栅4衍射和分裂成多个(例如，5个)光束，然后，被测量物体(未示出)反射。一反射光束入射到透镜部分5-1至5-5的每一个上，被各个透镜部分5-1至5-5会聚的反射光束分别入射到光接收部分6-1至6-5上。此外，尽管在这个实施例中一个光接收元件6包括多个光接收部分6-1至6-5，但是可以采用每个具有一个光接收部分的多个光接收元件。但是，象在本实施例中一样一个光接收元件包括多个光接收部分的这种情况具有能够缩小传感器尺寸的优点。另外，光接收透镜5可以是具有半圆弧形横截面的环形光学透镜。
由具有光接收部分6-1至6-5的光接收元件6输出的多个光接收信号输入到控制部件9。控制部件9处理多个光接收信号，以通过例如三角测量法确定测量物体的距离。另外，控制部件9以规定的定时驱动光发射元件2。应该指出，控制部件9优选利用半导体集成电路来实现。此外，在这个实施例中，光发射侧透镜3、衍射光栅4和光接收透镜5通过外壳7被集成。此外，优选使用双色形成法(two color formation)作为将透镜3和5固定至外壳7的方法。
在这个实施例中，外壳7构造成通过内壁7A将空间R1和空间R2彼此分开，从而防止从光发射元件2得到的输出光直接入射到光接收元件6上。此外，外壳7由弹性导电树脂材料制成，而外壳7的内壁7A通过金属螺钉8电连接底板1的地线图案，该地线图案用作传感器的接地端子。由此，通过外壳7的屏蔽作用能够消除外部电子噪音的影响，从而可以获得稳定的输出。
在本实施例的多光束光学距离传感器中，如图2A所示，衍射光栅4将光发射元件2的输出光衍射和分裂成多个光束(衍射光)a-e，其中这些光束a-e彼此光强相等。由于这个原因，每束反射光的量相等，能够防止由于缺乏规定光束的反射光而造成错误检测。应该指出，图2B是示出光束a-e(衍射光)的光强分布的光强分布图。
根据本实施例，因为衍射光栅4将光发射元件2的输出光分裂成多个光束a-e，即使用一个光发射元件2，也可以从衍射光栅4发射多个光束a-e。因此，与现有技术相比较，根据本实施例，光发射元件2和光发射侧透镜3的数量能够减少，光发射侧的空间能够减小，传感器的尺寸能够减小。此外，根据本实施例，不需要扫描多个光发射元件，从而能够缩短检测时间。
而且，在本实施例中，控制部件9接收规定脉冲信号的输入，并且从一个端子分别以对应于脉冲信号的规定的时间延迟读取从五个光接收部分6-1至6-5得到的多个光接收信号。因此，具有利用一个端子读取从五个光接收部分6-1至6-5得到的五个光接收信号的优点。而且，可以设置与五个光接收部分6-1至6-5数量相等的输出端子，以便从各个输出端子并行读取分别从光接收部分6-1至6-5得到的光接收信号。在这种情况下，因为提供多个输出端子并且光接收信号并行读取，所以信号的读取速度更高。
此外，在本实施例中，尽管衍射光栅4将光发射元件2的输出光分裂成五个光束，并且设置五个光接收部分来接收得到的五个光束，但是由衍射光栅分裂的光束数量当然不限于五个，光束的数量可以是六个或更多，或四个或更少。光接收部分的数量可以对应于光束的数量来设定。
(第一改型示例)接下来，参照附图3A和3B，解释前述实施例的第一改型示例。该改型示例包括代替衍射光栅4的衍射光栅10。
如图3A所示，衍射光栅10具有形成第一凹槽24的第一区域10A和形成有大致垂直于第一凹槽24的第二凹槽25的第二区域10B。如图3B所示，作为示例，该第一改型示例包括光接收元件6a和光接收元件6b，其中光接收元件6a具有作为第一光接收部分的光接收部分6a-1至6a-5。同样，光接收元件6b具有作为第二光接收部分的光接收部分6b-1至6b-5。
如图3B所示，光发射元件2的输出光被衍射光栅10的第一区域10A衍射得到的多光束α1-α5被沿X方向延伸并存在于用虚线表示的位置的测量物体反射，导致反射光束Rα1-Rα5分别入射到作为第一光接收部分的光接收部分6a-1至6a-5上。同时，光发射元件2的输出光被衍射光栅10的第二区域10B衍射得到的多光束β1-β5被沿垂直于X方向的Y方向延伸并存在于用虚线表示的位置的测量物体反射，导致反射光束Rβ1-Rβ5分别入射到第二光接收部分6b-1至6b-5。
另外，该改型示例例如包括用于选择图3A所示衍射光栅10的第一区域10A和第二区域10B中的一个的开关部件，以便光束从所选择的区域输出，而禁止光束从未选择的区域输出。液晶光阀可以用作开关部件。
更具体地说，如图4A和4B所示，例如，开关部件包括设置成与衍射光栅10的第一区域10A相对的第一液晶光阀11a和设置成与衍射光栅10的第二区域10B相对的第二液晶光阀11b。在该开关部件中，第一液晶光阀11a和第二液晶光阀11b的一个设定成光透射状态，而另一个设定成光遮蔽状态。因此，通过控制第一液晶光阀11a和第二液晶光阀11b的开启和关闭，开关部件可以选择衍射光栅10的第一区域10A和第二区域10B的一个，从而让光束从所选择的区域10A或10B输出，而禁止光束从未选择的区域10A或10B输出。应该指出，对于液晶光阀11a和11b的开启和关闭控制可以通过控制部件9来执行。
接下来，参照图5，解释包括用于移动衍射光栅10的致动器50A和50B、作为开关部件的另一示例的情况。该示例包括覆盖光发射侧透镜3的外周部分的调节部件(throttle part)51，其中通过调节部件51调节的输出光入射到衍射光栅10的第一区域10A或第二区域10B。即，当致动器50A、50B垂直于输出光的传播方向并平行于形成第一区域10A和第二区域10B的第一凹槽24和第二凹槽25的表面移动时，衍射光栅10垂直于输出光并平行于表面移动。由此，选择衍射光栅10的第一区域10A和第二区域10B中的一个，使得光发射元件2的输出光入射到所选择的区域。应该指出，致动器50A、50B可以通过控制部件9控制它的驱动。在这种情况下，作为开关部件的结构，例如，这种结构可以应用光盘驱动致动器移动拾取物镜的结构。
(第二改型示例)接下来，参照图6，解释本实施例的第二改型示例。该第二改型示例包括与前述第一改型示例相似的衍射光栅10。
该第二改型示例包括代替图1的光发射元件2的光发射元件12。光发射元件12具有第一发光点12a和第二发光点12b。而且，该改型示例具有设置在光发射元件12和光发射侧透镜63之间的狭缝13。那么，从光发射元件12的第一光发射点12a输出的第一输出光61入射到衍射光栅10的第一区域10A，而从第二光发射点12b输出的第二输出光62入射到衍射光栅10的第二区域10B。控制部件9控制光发射元件12，从而选择第一光发射点12a和第二光发射点12b中的一个并且发射光。由此，不需要液晶光阀或上述用于移动衍射光栅的致动器，就能够选择衍射光栅10的第一区域10A和第二区域10B中的一个并发射光束，而且，能够简化传感器的驱动并减小其尺寸。
根据安装本实施例的多光束光学距离传感器的自推进清洁器，其在检测室内的任何障碍或墙壁等的同时通过自推进运行，因此，能够自动清洁并实施有效的清洁。另外，根据安装了前述第一和第二改型示例的多光束光学距离传感器的空调器，因为空调器能够检测人所在的位置，所以基于该检测，能够控制方向、空气强度和温度等的最佳状态，从而可以提供有利人体和节能的空调器。
如上所述，根据本发明实施例的多光束光学距离传感器，能提供较小尺寸、高性能的传感器，其对测量物体的检测的可视角度具有较宽范围，使得能够检测在可视角度的范围内的物体方向和物体距离。此外，根据本发明的多光束光学距离传感器，与现有技术相比，光发射元件和光发射侧透镜的数量能够减少，并且能够以低价格提供多光束光学距离传感器。而且，当安装多光束光学距离传感器时，可能实现自推进清洁器、能够有效操作的空调器等。
尽管上面已经描述了本发明，显而易见，本发明能够通过各种方法改型。这种改型并不视为脱离本发明的精神和范围，应该理解，显然对本领域的普通技术人员来说，改进完全包括在所附权利要求的范围内。
权利要求
1.一种多光束光学距离传感器，其包括光发射元件；衍射光栅，用于将所述光发射元件的输出光衍射和分裂成多个光束；多个光接收部分，用于接收通过被所述衍射光栅分裂成多个光束并被要测量的测量物体反射而得到的反射光束；和控制部件，用于处理由所述多个光接收部分输出的多个光接收信号并以规定的定时驱动所述光发射元件。
2.如权利要求1所述的多光束光学距离传感器，其中所述光发射元件是半导体激光器。
3.如权利要求1或2所述的多光束光学距离传感器，其中所述多个光接收部分的数量等于所述多个光束的数量，并且所述多光束光学距离传感器包括具有所述多个光接收部分的一个光接收元件。
4.如权利要求2所述的多光束光学距离传感器，其中所述衍射光栅将所述输出光分裂成强度大致相等的多个光束。
5.如权利要求2所述的多光束光学距离传感器，其中所述衍射光栅具有第一区域，其中形成第一凹槽，和第二区域，其中形成大致垂直于所述第一凹槽的第二凹槽；并且所述多光束光学距离传感器还包括第一光接收部分，其设置成接收被所述第一区域衍射的光束，第二光接收部分，其设置成接收被所述第二区域衍射的光束，和开关部件，用于选择所述第一区域和第二区域中的一个，以允许光束从所选择的区域输出，而禁止光束从未选择区域输出。
6.如权利要求5所述的多光束光学距离传感器，其中所述开关部件具有第一液晶光阀，其设置成与所述衍射光栅的第一区域相对，和第二液晶光阀，其设置成与所述衍射光栅的第二区域相对。
7.如权利要求5所述的多光束光学距离传感器，其中所述开关部件具有致动器，用于移动所述衍射光栅，使得所述光发射元件的输出光入射到所述第一区域和第二区域中所选择的一个上，而禁止光发射元件的输出光入射到第一区域和第二区域中的未选择的另一个上。
8.如权利要求1所述的多光束光学距离传感器，其中所述控制部件接收规定的脉冲信号的输入，并以对应于该脉冲信号的规定的时间延迟从一个端子读取分别从所述多个光接收部分得到的多个光接收信号。
9.如权利要求1所述的多光束光学距离传感器，其中，还包括输出端子，其数量与多个光接收部分的数量相等，其中从所述光接收部分得到的所述光接收信号分别从所述输出端子被并行读出。
10.如权利要求2所述的多光束光学距离传感器，其中所述衍射光栅具有第一区域，其中形成第一凹槽，和第二区域，其中形成大致垂直于所述第一凹槽的第二凹槽，并且所述多光束光学距离传感器还包括第一光接收部分，其设置成接收被所述第一区域衍射的光束，第二光接收部分，其设置成接收被所述第二区域衍射的光束，并且所述光发射元件具有第一光发射点，用于输出入射到所述第一区域和第二区域中的一个的第一输出光，第二光发射点，用于输出入射到所述第一区域和第二区域中的另一个的第二输出光，并且其中所述控制部件对所述光发射元件的驱动进行控制，以便选择所述第一光发射点和第二光发射点中的一个来发射光。
11.一种设有如权利要求1或8所述的多光束光学距离传感器的自推进清洁器。
12.一种设有如权利要求1所述的多光束光学距离传感器的空调器。
全文摘要
本发明提供了多光束光学距离传感器和具有该传感器的自推进清洁器和空调器。所述多光束光学距离传感器中，因为衍射光栅(4)将光发射元件(2)的输出光分裂成多个光束(a－e)，所以即使利用一个光发射元件(2)，也能够从衍射光栅(4)输出多个光束(a－e)。因此，根据这种多光束光学距离传感器，与现有技术的相比较，能够减少光发射元件(2)和光发射侧透镜(3)的数量，减小光发射侧的空间，并且减小传感器的尺寸。此外，根据这种距离传感器，不需要扫描多个光发射元件，从而能够缩短检测时间。
文档编号G01S17/08GK1854682SQ200610080119
公开日2006年11月1日 申请日期2006年4月28日 优先权日2005年4月28日
发明者山口阳史 申请人:夏普株式会社