專利名稱：位置探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種能夠以高速和高精度探測位置的位置探測裝置以及一種利用該裝置的距離傳感器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的三角測量測距儀通常使用光電探測段(例如光電二極管)的線性陣列，其依賴于CCD技術(shù)或者CMOS技術(shù)，其具有復(fù)用器以便連續(xù)地從陣列的各個(gè)段或像素中移出輸出值。然后分析這個(gè)連續(xù)的像素?cái)?shù)據(jù)流以確定最大輸出值的位置，以此用于計(jì)算距所關(guān)注物體的距離。在很多應(yīng)用中，非常重要的是，以高達(dá)GHz范圍的非常高的頻率對距離讀數(shù)進(jìn)行更新。然而，由于在大多數(shù)現(xiàn)有技術(shù)裝置中連續(xù)地讀出輸出值，難以實(shí)現(xiàn)超過40kHz的采樣速率。
EP0837301公開了一種位置探測裝置和測距儀，其能夠以高速和高精度探測位置。該裝置包含陣列布置中的多個(gè)探測元件和用于處理來自探測元件的信號的計(jì)算工具，其中探測元件為光電探測元件，它們被布置在具有n個(gè)段的光電探測元件陣列中，計(jì)算工具為并行運(yùn)算處理部分，其通過比較光電探測元件陣列的段的輸出而計(jì)算具有最大強(qiáng)度的段并且基于光電探測元件陣列的段的輸出來計(jì)算具有子段精度的強(qiáng)度峰值位置。
US-A-5 245 398公開了一種時(shí)間多路復(fù)用多區(qū)域測距儀，其具有帶多個(gè)段的光電探測元件陣列。光電探測元件的輸出被連接到模擬復(fù)用器的輸入端，其中將來自一對包含兩個(gè)相鄰段的信號進(jìn)行比較并且隨后對不同的對進(jìn)行處理。
US-5,448,359公開了一種電子估計(jì)系統(tǒng)，其處理來自光電探測器陣列的n個(gè)不同的光強(qiáng)以確定具有最高強(qiáng)度的光強(qiáng)。這利用閾值可實(shí)現(xiàn)，其高度對應(yīng)于所有強(qiáng)度值之和的特定百分?jǐn)?shù)值。如果多個(gè)信號超過該閾值，則對相應(yīng)的高度值Z進(jìn)行平均。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種新的位置探測裝置，其克服了現(xiàn)有技術(shù)的一個(gè)或多個(gè)缺點(diǎn)。這通過如權(quán)利要求1所界定的位置探測裝置來實(shí)現(xiàn)。
這種裝置的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，其能夠識別高頻處峰值強(qiáng)度的位置。
另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，其包含簡單的電路，該電路能夠被制造在探測器段的同一芯片上。
又一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，其可提供作為二進(jìn)制代碼的峰值段的位置。
在從屬的權(quán)利要求中界定了本發(fā)明實(shí)施例。


下面將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，其中圖1是按照本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
圖2到11示出的是按照本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例的操作的圖表。
圖12到22是按照本發(fā)明的多個(gè)實(shí)施例的電路設(shè)計(jì)的實(shí)例(圖a設(shè)計(jì)以及圖b部件)。
具體實(shí)施例方式
圖1示出的是按照本發(fā)明的位置探測裝置10的第一實(shí)施例，其包含具有n＝16個(gè)段25的光電探測元件陣列20以及并行運(yùn)算處理部分30，該并行運(yùn)算處理部分被布置成通過比較光電探測元件陣列20的段25的輸出值(OV)而識別具有最大強(qiáng)度的段25。并行運(yùn)算處理部分30包含至少一個(gè)比較級40a-d，它們被布置成連續(xù)地選擇/取消選擇段25的輸出值OV，直至具有最大強(qiáng)度的段25被選擇。第一級40a被布置成接收各個(gè)光電探測元件段25的輸出值OV作為輸入段(IS)并且另外的級40b-d被布置成接收前面的級40a-c的輸出值OV作為輸入段IS。
按照本發(fā)明，并行運(yùn)算處理部分30可包含任意適當(dāng)數(shù)目的比較級40a-d，這依賴于光電探測元件陣列20中段25的數(shù)目，以及所使用的比較級40a-d的類型。
當(dāng)光電探測元件陣列20受到探測光照射時(shí)，形成如圖1中強(qiáng)度曲線50所說明的強(qiáng)度分布的信號同時(shí)從光電探測元件陣列20的段25輸出。從段25輸出的信號供給并行運(yùn)算處理部分30，其具有n個(gè)輸入端子35。光電探測元件陣列20優(yōu)選為光電二極管陣列，但是其可以由能夠以高速響應(yīng)的任何適當(dāng)?shù)墓怆娞綔y陣列布置構(gòu)成。
光電探測元件陣列20優(yōu)選地具有高達(dá)約1GHz的響應(yīng)帶寬并且通過執(zhí)行高速采樣其性能不應(yīng)當(dāng)退化。由于并行設(shè)計(jì)，并行運(yùn)算處理部分30能夠以高于數(shù)十個(gè)MHz的速度執(zhí)行比較操作。由于并行運(yùn)算處理部分30的細(xì)長設(shè)計(jì)，其能夠并行處理大量的段25，由此能夠以高速峰值探測速率達(dá)到極高的分辨率。當(dāng)段25的數(shù)目n高于一千時(shí)，分辨率(由光電二極管陣列的長度來規(guī)范化)可以比如高于1/1000。
如上所述，與使用傳統(tǒng)的PSD或CCD的位置探測元件相比，按照本發(fā)明的位置探測裝置10能夠以高速和高分辨率探測位置。
優(yōu)選地設(shè)計(jì)按照本發(fā)明的位置探測裝置10以使其能夠在單個(gè)芯片上被制造，位置探測裝置10包含光電探測元件陣列20和并行運(yùn)算處理部分30。一種可能的方式是使用傳統(tǒng)的CMOS技術(shù)，由此線性光電二極管陣列和信號處理電子部件可在同一過程中于同一芯片上被制造。由于這種設(shè)計(jì)，能夠生產(chǎn)帶有相關(guān)信號處理電路的非常大的光電二極管陣列，由此可易于實(shí)現(xiàn)理想的分辨率。
按照一個(gè)實(shí)施例，并行運(yùn)算處理部分30包含至少一個(gè)逐對比較級40，其被布置成逐對地比較所選擇的輸入段IS的輸出值OV，并且對于每個(gè)這樣的對，選擇具有最高輸出值OV的輸入段IS以及取消選擇具有最低輸出值OV的輸入段IS?；谶@種類型的比較級來設(shè)計(jì)并行運(yùn)算處理部分30的一種可能的方式將在下面作為實(shí)施例11詳細(xì)描述。按照該實(shí)施例，圖12中示意性示出的、用于每對輸入段IS的每對比較級包含選擇電路，該電路包含一個(gè)用于選擇具有最高輸出值的輸入段IS的比較器112以及一個(gè)雙通道復(fù)用器113，雙通道復(fù)用器113響應(yīng)于比較器112在其輸出端提供所選擇的輸入段IS的輸出值OV。
如在下面更加詳細(xì)描述的，通過提供作為二進(jìn)制信號的來自比較器的輸出，實(shí)施例1.1能夠提供峰值段的位置而無需任何另外的邏輯電路。通過拒絕比較器，它還能夠提供具有最小值的段的位置。
按照一個(gè)實(shí)施例，并行運(yùn)算處理部分30包含至少第一級40，其形式為塊比較級，被布置成將來自所選擇輸入段IS的輸出值OV分成至少兩個(gè)塊、對每個(gè)塊計(jì)算輸出值OV的塊平均值、比較塊平均值、并且選擇具有最高平均值的塊?；谶@種類型的比較級來設(shè)計(jì)并行運(yùn)算處理部分30的一種可能的方式將在下面作為實(shí)施例12詳細(xì)描述。按照該實(shí)施例，圖13示意性示出的、每個(gè)塊比較級包含多個(gè)選擇電路(SC)。每個(gè)這樣的選擇電路包含m通道輸入選擇復(fù)用器123(ISMm)、m通道平均電路 122(AVC)、以及2通道輸出選擇復(fù)用器124(OSM)。平均電路122接收來自m個(gè)輸入段IS121的輸出值OV作為輸入并且提供來自輸入段IS的輸出值OV的平均值作為輸出。輸入選擇復(fù)用器123接收來自與同一選擇電路中平均電路122相連接的m個(gè)輸入段IS中的一個(gè)的輸出值OV以及來自與其它選擇電路中平均電路122相連接的m-1個(gè)輸入段IS的輸出值OV作為輸入，并且將這些中所選擇的一個(gè)作為輸出提供。輸出選擇復(fù)用器124接收來自平均電路122以及輸入段123的輸出作為輸入，并且將這兩個(gè)中所選擇的一個(gè)作為輸出提供給下一個(gè)級。
如圖13可看到的，如果決比較級B之前設(shè)有另一個(gè)決比較級A，則級B中每個(gè)平均電路122被布置成接收來自級A中m個(gè)平均電路122的輸出作為輸入，而級B中的輸入選擇復(fù)用器123被布置成接收來自與級B中同一選擇電路中的平均電路122相連接的、級A中選擇電路的m個(gè)輸出選擇復(fù)用器124中的一個(gè)的輸出以及來自與級B中其它平均電路中的平均電路122相連接的、級A中選擇電路SC的m-1個(gè)輸出選擇復(fù)用器124的輸出值OV作為輸入。在下面對實(shí)施例1.2的詳細(xì)描述中，將對其進(jìn)行詳細(xì)描述。
與實(shí)施例1.1相比，實(shí)施例1.2基于更加簡單的電路，但是其需要外部邏輯程序來控制復(fù)用器的連續(xù)設(shè)置。
下面的實(shí)施例1.3和1.4是上述實(shí)施例所示的不同比較級的可能的組合/變更的實(shí)例。更具體地，實(shí)施例1.4包含至少兩個(gè)塊比較級用來比較相同組的輸入段IS，但是被分成與其它級的塊邊緣交疊的塊，以使位于一個(gè)級中塊邊緣附近的峰值輸出值OV并不是位于其它級中塊邊緣附近，由此該塊的平均輸出值OV將高于所有其它塊的平均輸出值，所述的塊被選擇。
按照又一個(gè)實(shí)施例，并行運(yùn)算處理部分30包括閾值比較級，其被布置成將來自所有被選擇的輸入段IS的輸出值OV與閾值相比較并且取消選擇具有低于閾值的輸出值OV的所有輸入段IS直至僅有一個(gè)輸出值OV保持高于該閾值?；谶@種類型的單個(gè)比較級來設(shè)計(jì)并行運(yùn)算處理部分30的一種可能的方式將在下面作為實(shí)施例2.2詳細(xì)描述。按照該實(shí)施例，圖17示意性示出的、光電探測元件陣列20的每個(gè)段221被連接到比較器222輸入端中的一個(gè)，而其它輸入端被連接到連續(xù)近似定序器223，其被布置成向比較器222提供閾值信號并且記錄比較器222的輸出。定序器223執(zhí)行閾值的迭代變更直至僅有一個(gè)比較器222指示對應(yīng)的輸入段IS高于該閾值。
按照本發(fā)明的位置探測裝置10的目的主要是用于三角測量測距儀，但是顯然可用于期望以高速和高精度進(jìn)行位置探測的其它應(yīng)用。實(shí)施例綜述概要定義·Npixel＝像素?cái)?shù)目，該值通常選擇為2的倍數(shù)。
這意味著Npixel＝2k。為了簡化并且易于理解附圖，在描述和附圖中，k選擇成4。然而，通過對電路設(shè)計(jì)簡單調(diào)整，可以使k為任意數(shù)目。
·針對每個(gè)像素都存在有光電二極管放大器。
以后稱為PDA。
·Si＝來自第i個(gè)PDA元件的輸出信號。
·PDA電路可提供個(gè)別的或者全局的偏移和/或增益校正和/或相關(guān)雙采樣。
兩個(gè)兩個(gè)比較一般描述下面概述的方法論均依賴于兩個(gè)兩個(gè)地對信號進(jìn)行迭代比較。在一些情形中，信號被聚集成倉(bin)并且采用倉號的平均，然后使用兩個(gè)兩個(gè)的比較網(wǎng)絡(luò)以迭代的方式尋找最大的倉平均并且在最后的迭代中尋找具有最大信號/值的PDA。
實(shí)施例1.1兩個(gè)兩個(gè)連續(xù)比較描述圖12示出的是電路設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例。
對于16像素線性陣列要求，該方法論包含比較器和2至1復(fù)用器的4個(gè)級。
級/步驟1PDA的111以兩個(gè)兩個(gè)的方式被連接到比較器112和2至1復(fù)用器113。這導(dǎo)致了在第一級中有8個(gè)比較器/復(fù)用器。
級/步驟2在第二級中，有4個(gè)比較器/2至1復(fù)用器被連接到前面的級復(fù)用器的輸出端。
級/步驟3在第三級中，有2個(gè)比較器/2至1復(fù)用器被連接到前面的級復(fù)用器的輸出端。
級/步驟4在第四級中，有1個(gè)比較器/2至1復(fù)用器被連接到前面的級復(fù)用器的輸出端。
這導(dǎo)致了一共8+4+2+1＝15個(gè)比較器/2至1復(fù)用器。
方法論圖2示出的是說明該實(shí)施例的操作的圖表。
首先在級/步驟1中，兩個(gè)兩個(gè)地比較所有16個(gè)PDA信號，來自每次比較的最大信號向前通過2至1復(fù)用器被送進(jìn)級/步驟2。
然后在級/步驟2中，兩個(gè)兩個(gè)地比較來自前面的級的8個(gè)最大信號，來自每次比較的最大信號向前通過2至1復(fù)用器被送進(jìn)級/步驟3。
然后在級/步驟3中，兩個(gè)兩個(gè)地比較來自前面的級的4個(gè)最大信號，來自每次比較的最大信號向前通過2至1復(fù)用器被迭進(jìn)級/步驟4。
然后在級/步驟4中，兩個(gè)兩個(gè)地比較來自前面的級的2個(gè)最大信號，來自該比較的最大信號向前通過2至1復(fù)用器被輸送。這是來自16個(gè)PDA的最大信號/值。
對具有最大信號/值的PDA進(jìn)行解碼僅僅是對從最后一個(gè)比較器開始向后的比較器輸出狀態(tài)進(jìn)行解碼。比較器輸出給出了PDA數(shù)目的直接的二進(jìn)制表示。拒絕比較器輸出則給出了尋找具有最小信號/值的PDA的結(jié)果。對于具有1024像素的線性陣列，將需要帶有512+256+128+64+32+16+8+4+2+1＝1023個(gè)比較器/2至1復(fù)用器的10個(gè)級/步驟，。
實(shí)施例1.2兩個(gè)兩個(gè)連續(xù)比較，其中倉平均值大小用2除描述圖13示出的是電路設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例。
該方法被設(shè)計(jì)成將比較器的數(shù)量減至最少并且僅使用一個(gè)。
對于16像素的線性陣列要求，該方法論包含平均化和兩個(gè)2至1復(fù)用器的3個(gè)級以及含有比較器的第四級。平均電路采用兩個(gè)信號的平均，這意味著OUR=Si+Si+12]]>級/步驟1PDA的121以兩個(gè)兩個(gè)的方式被連接到平均電路122和一個(gè)2至1復(fù)用器123。連接到平均電路并且連接到第一2至1復(fù)用器是另一個(gè)2至1復(fù)用器124。這導(dǎo)致了第一級中8個(gè)平均/復(fù)用器。
級/步驟2在第二級中，有4個(gè)平均/兩個(gè)2至1復(fù)用器被連接到前面的級復(fù)用器的輸出端。
級/步驟3在第三級中，有2個(gè)平均/兩個(gè)2至1復(fù)用器被連接到前面的級復(fù)用器的輸出端。
級/步驟4在第四級中，有一個(gè)比較器125被連接到前面的級復(fù)用器的輸出端。
這導(dǎo)致了一共8+4+2＝14個(gè)平均/兩個(gè)2至1復(fù)用器+一個(gè)比較器。
方法論圖3示出的是說明該實(shí)施例的操作的圖表。
對于16像素陣列，該方法論如下并且依賴于僅有一個(gè)比較器被用來確定在多次迭代中最大的那一半。對于16像素陣列將存在四次迭代。
第一迭代對于單個(gè)比較器有兩個(gè)平均，A=18*(S1+S2+.....+S8)]]>以及B=18*(S9+S10+.....+S16)]]>被連接并且我們使用比較器來確定最大的平均。這通過將所有的2至1復(fù)用器124設(shè)置成使得來自平均電路122的所有平均被連接到比較器125而實(shí)現(xiàn)。
第二迭代當(dāng)進(jìn)行每次以及另一次的比較時(shí)，來自第一迭代的最大平均被分成兩半，它們含有四個(gè)信號/值。
第三迭代當(dāng)進(jìn)行每次以及另一次的比較時(shí)，來自第二迭代的最大平均被分成兩半，它們含有兩個(gè)信號/值。
第四迭代當(dāng)進(jìn)行每次以及另一次的比較時(shí)，來自第三迭代的最大平均被分成兩半，它們含有一個(gè)信號/值。這是最后的迭代，其中我們比較了兩個(gè)單獨(dú)的信號。
對具有最大信號/值的PDA進(jìn)行解碼僅僅是對從第一迭代開始向前到第四迭代的每次迭代中比較器輸出狀態(tài)進(jìn)行解碼。每次迭代中的比較器輸出狀態(tài)直接給出了具有最大信號/值的信號的PDA數(shù)目的的二進(jìn)制表示。拒絕比較器輸出則給出了尋找具有最小信號/值的PDA的結(jié)果。對于具有1024像素的線性陣列，將需要帶有512+256+128+64+32+16+8+4+2＝1022個(gè)平均電路和兩個(gè)2至1復(fù)用器以及一個(gè)比較器的9個(gè)級/步驟。
實(shí)施例1.3兩個(gè)兩個(gè)連續(xù)比較，其中 描述圖14示出的是電路設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例。
該方法論使用適當(dāng)混合的比較器/平均電路和復(fù)用器。
該方法論是1.1和1.2的混合并且可被描述為在兩次迭代步驟中兩步的兩個(gè)兩個(gè)比較。
來自PDA的131的16個(gè)信號被分組成四個(gè)平均信號/值132，A1=14*(S1+..+S4),]]>A2=14*(S5+..+S8),]]>A3=14*(S9+..+S12)]]>以及A4=14*(S13+..+S16).]]>也有四個(gè)4至1復(fù)用器1 33以下面的方式被連接到16個(gè)PDA。PDA信號1、5、9、13連至第一復(fù)用器，PDA信號2、6、10、14連至第二復(fù)用器，PDA信號3、7、11、15連至第三復(fù)用器，PDA信號4、8、12、16連至第四復(fù)用器。
2至1復(fù)用器134被連接到平均電路和4至1復(fù)用器。
3個(gè)比較器135、137連同2至1復(fù)用器136的兩個(gè)級的網(wǎng)絡(luò)被連接到這些四個(gè)信號。
級/步驟1四個(gè)2至1復(fù)用器134以兩個(gè)兩個(gè)的方式被連接到比較器135和2至1復(fù)用器136。這導(dǎo)致了第一級中2個(gè)比較器/復(fù)用器。
級/步驟2在第二級中，一個(gè)比較器被連接到前面的級復(fù)用器136的輸出端。
上述網(wǎng)絡(luò)用于兩次迭代。比較級包含2+1＝3個(gè)比較器和兩個(gè)2至1復(fù)用器。平均和選擇級包括四平均-，4至1和2至1復(fù)用器。
方法論圖4示出的是說明該實(shí)施例的操作的圖表。
第一迭代首先在級/步驟1中，對所有四個(gè)平均信號進(jìn)行兩個(gè)兩個(gè)比較，來自每次比較的最大信號向前通過2至1復(fù)用器被送進(jìn)級/步驟2。
然后在級/步驟2中，對來自前面的級的兩個(gè)最大信號進(jìn)行兩個(gè)兩個(gè)比較。
第一迭代由此確定四個(gè)中最大的倉平均。
第二迭代然后在級/步驟1中，對來自前面的級的最大信號的4個(gè)信號進(jìn)行兩個(gè)兩個(gè)比較，來自每次比較的最大信號向前通過2至1復(fù)用器134被送進(jìn)級/步驟2。
然后在級/步驟2中，對來自前面的級的2個(gè)最大信號進(jìn)行兩個(gè)兩個(gè)比較，來自該比較的最大信號是16個(gè)PDA的最大信號/值。
對具有最大信號/值的PDA進(jìn)行解碼僅僅是對從最后一個(gè)比較器開始向后的比較器輸出狀態(tài)進(jìn)行解碼。比較器輸出給出了PDA數(shù)目的直接的二進(jìn)制表示。拒絕比較器輸出則給出了尋找具有最小信號/值的PDA的結(jié)果。對于具有1024像素的線性陣列，將需要帶有512+256+128+64+32+16+8+4+2+1＝1023個(gè)比較器/2至1復(fù)用器的10個(gè)級/步驟實(shí)施例1.4兩個(gè)兩個(gè)比較，其中具有重疊的倉描述圖15示出的是電路設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例。
形成重疊倉的一種方式是根據(jù)下述方法。BIN1＝S1至S8，BIN3＝S9至S16、BIN2＝S4至S12。
″問題″是該倉由8個(gè)信號組成并且用于兩次迭代的兩個(gè)兩個(gè)比較網(wǎng)絡(luò)將不能有效地用于該倉配置中。在一個(gè)有效的結(jié)構(gòu)中，倉的數(shù)目等于倉中PDA信號的數(shù)目。該結(jié)論說明，對于16信號/像素陣列，我們將應(yīng)用下述的方法，該方法可簡單描述為，與兩個(gè)步驟中進(jìn)行兩個(gè)兩個(gè)比較不同，我們在三個(gè)步驟中進(jìn)行。
參考圖15，該解決方案包括16個(gè)PDA141、由兩個(gè)電路142、143構(gòu)成的兩級平均電路。平均電路用來生成四個(gè)信號的重疊平均。在平均電路形成包括一個(gè)4至1復(fù)用器144、一個(gè)9至1復(fù)用器145、之后是另一個(gè)2至1復(fù)用器147的電路簇之后，與該復(fù)用器并聯(lián)的是經(jīng)過兩級平均的電路146并且這兩個(gè)電路被連接到2至1復(fù)用器148。有四個(gè)2至1復(fù)用器148被連接到四個(gè)兩個(gè)兩個(gè)信號比較網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)包括三個(gè)比較器149，1411和兩個(gè)2至1復(fù)用器1410。
方法論圖5示出的是說明該實(shí)施例的操作的圖表。
比較1對于第一比較，復(fù)用器148處于這種位置并被連接到平均電路146以使我們比較四個(gè)重疊倉的平均，即BIN1＝S1至S8，BIN3＝S9至S16、BIN2＝S4至S12以及BIN4＝S13至S16。在我們使用比較網(wǎng)絡(luò)尋找四個(gè)倉平均中最大的一個(gè)的地方，BIN4＝S13至S16被8除以便保證其不大于其它三個(gè)平均中的任何一個(gè)。
比較2在第二比較中，兩個(gè)2至1復(fù)用器147、148被控制以使4至1復(fù)用器144被連接到兩個(gè)兩個(gè)比較網(wǎng)絡(luò)。該4至1復(fù)用器144被設(shè)在這種位置使得來自比較1的具有最大平均的倉現(xiàn)在被分成四個(gè)更小并且重疊的倉。如果我們看一下信號曲線圖(圖5)，示出這個(gè)的含意是最容易的，在該圖中對兩條曲線而言可以發(fā)現(xiàn)BIN2平均在比較1中是最大的。正如由該圖可看到的，BIN2被分成四個(gè)新的更小的Bjn并且它們各自通過4個(gè)平均來劃分。這導(dǎo)致了我們具有四個(gè)被連接到兩個(gè)兩個(gè)比較網(wǎng)絡(luò)的新的信號，我們利用該網(wǎng)絡(luò)尋找最大的倉平均。從信號曲線圖我們看出上部曲線為BIN3而底部曲線為BIN2。
比較3在第三比較中，我們控制復(fù)用器147、148以使比較網(wǎng)絡(luò)被連接到9至1復(fù)用器1 45。然后我們使用來自比較2的結(jié)果以控制復(fù)用器145從而使得在比較2中形成的最大倉平均的四個(gè)PDA/像素信號被連接到兩個(gè)兩個(gè)比較網(wǎng)絡(luò)。從信號曲線圖我們可以看出最后的比較導(dǎo)致了像素/PDA信號10和8分別被發(fā)現(xiàn)是頂部和底部曲線的最大信號。
當(dāng)在倉中使用偶數(shù)個(gè)PDA信號時(shí)這可被精簡成下面的公式Npixe＝像素的數(shù)目NBIN＝倉的數(shù)目重疊倉的數(shù)目和最后的倉中的像素＝2×NBINk＝迭代的次數(shù)這導(dǎo)致了(2xNBIN)xNBINk=Npixel]]>假設(shè)Npixel＝16，這導(dǎo)致了2xNBINk+1=16=24⇒NBINk+1=23⇒k+1=3⇒k=2]]>同樣的適用于1024陣列的公式，以兩個(gè)不同的結(jié)果結(jié)束。
2xNBINk+1=1024=210⇒NBINk+1=29=23x3=83]]>這導(dǎo)致了1.NBINk+1=29⇒k+1=9⇒k=8]]>以及NBIN＝22.NBINk+1=83⇒k+1=3⇒k=2]]>以及NBIN＝8用于優(yōu)化電路拓?fù)涞牧硪粋€(gè)選擇是將最后倉中的像素?cái)?shù)目選擇成奇數(shù)。該電路拓?fù)洳粫?yōu)化任何確定方法，因?yàn)樗皇莾蓚€(gè)冪的函數(shù)，盡管它將使平均電路的數(shù)目減至最少。
對于這種拓?fù)?，該公式如下Npixel＝像素的數(shù)目NBIN＝倉的數(shù)目重疊倉的數(shù)目和最后的倉中的像素＝2×NBIN-1k＝迭代的次數(shù)這導(dǎo)致了(2xNBIN-1)xNBINk=Npixel]]>假定NBIN＝23x2k＝Npixel2水平閾值一般描述在該部分中描述的方法論是以在已經(jīng)將閾值和鑒別應(yīng)用于信號之后以迭代的方式計(jì)算所有信號的平均為基礎(chǔ)的，在下面這個(gè)平均被稱為 其中k表示第k次迭代。對于每個(gè)信號Sj逐一比較平均/閾值，j指第j個(gè)信號值。如果信號值大于平均，則來自識別電路的輸出被設(shè)成Sj否則為0。這可表述為如果Sj>mk‾]]>則OutSi＝Sj否則OutSi＝0根據(jù)這些識別信號可計(jì)算新的平均。平均計(jì)算能夠以更正式的方式被描述為mk‾=sum(OutSi)/N]]>其中OutSi＝Si如果Si>mk-1‾]]>否則是OutSi＝0；N＝Si≠0的數(shù)目.
實(shí)施例2.1斜波發(fā)生器描述圖16示出的是電路設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例。
比較器212被連接到每個(gè)PDA/像素211，信號/值發(fā)生器214被連接到這些比較器的其它輸入端。比較器的輸出端被連接到邏輯電路213，其探測峰值和谷值-信號值。
方法論圖6示出的是說明該實(shí)施例的操作的圖表。
值/信號發(fā)生器214產(chǎn)生作為時(shí)間函數(shù)的鋸齒形信號/一組值。信號/值從PDA的最低可能的值到最高可能的值變化。邏輯電路213對具有最高和/或最低信號/值的像素進(jìn)行解碼。該具體實(shí)施例被認(rèn)為是現(xiàn)有技術(shù)，但包括在這里，因?yàn)楹竺娴囊恍?shí)施例將結(jié)合更加智能的方法論以尋找具有最高/最小信號/值的像素。
實(shí)施例2.2連續(xù)逼近閾值描述圖17中示出的是電路設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例。
比較器222被連接到每個(gè)PDA/像素221，近似定序器電路223被連接到比較器的其它輸入端。比較器的輸出端被連接到連續(xù)近似定序器電路223的輸入端子，該電路探測是否存在有比最后施加的閾值更大的任何信號。連續(xù)近似定序器電路223推斷出施加給比較器的新的閾值。
方法論圖7示出的是說明該實(shí)施例的操作的圖表。
請參考信號曲線圖以此大概了解該方法的工作方式。
來自近似定序器電路223的輸出產(chǎn)生一組值，信號/值從PDA的最低可能的值到最高可能的值變化。在下面該信號范圍被稱為Urange。
迭代1第一迭代開始于等于0.5×Urange的閾值電壓被施加時(shí)。然后近似定序器電路223探測是否存在有比該閾值更大的任何信號。
如果是則其計(jì)算等于舊閾值+Urange/4的新閾值，否則其計(jì)算等于舊閾值-Urange/4的新閾值。
迭代2第二迭代開始于在迭代1中計(jì)算的新閾值被施加時(shí)。
然后近似定序器電路223探測是否存在有大于該閾值的任何信號。
如果是則其計(jì)算等于舊閾值+Urange/8的新閾值，否則其計(jì)算等于舊閾值-Urange/8的新閾值。
迭代3第二迭代開始于在迭代2中計(jì)算的新閾值被施加時(shí)。
然后近似定序器電路223探測是否存在有大于該閾值的任何信號。
如果是則其計(jì)算等于舊閾值+Urange/16的新閾值，否則其計(jì)算等于舊閾值-Urange/16的新閾值。
迭代處理依賴于有多少被執(zhí)行的步驟，但是對于8-步驟的解決方案，其給出了1/256.1/2，1/4，1/8....1/256的分辨率。
實(shí)施例2.3連續(xù)平均化和閾值描述圖18和19示出的是電路設(shè)計(jì)的實(shí)例。
對于每個(gè)像素有一個(gè)比較器232，其輸入端之一被連接到PDA/像素231信號/值。信號/值發(fā)生器被連接到另一個(gè)輸入端。比較器232的輸出控制2至1復(fù)用器233。兩個(gè)信號/值被連接到2至1復(fù)用器233的兩個(gè)輸入端。其中一個(gè)信號是來自比較器輸入端的PDA的PDA信號。另一個(gè)是信號/值，其為零、0234。此外，還有兩個(gè)16平均電路235、236，OUT=116Σi=116INi.]]>平均電路235取來自2至1復(fù)用器233的信號/值的平均。另一個(gè)平均電路236取比較器信號輸出的平均，它可以是零、0或一、1。然后兩個(gè)平均信號被送至除法和迭代定序器電路237。
方法論圖8示出的是說明該實(shí)施例的操作的圖表。
在對該方法論進(jìn)行描述時(shí)請參考信號圖。
該迭代方法如下迭代1在第一迭代中，來自除法-和迭代定序電路237的輸出為0或零。如果我們假設(shè)所有的PDA信號都大于零、0。那么這導(dǎo)致了所有比較器的輸出為一、1并且來自2至1復(fù)用器233的信號/值等于PDA信號/值。此后，電路237從235、236讀出兩個(gè)平均值并且計(jì)算總平均。然后該平均值被送至比較器電路。
迭代2在第二迭代中，來自前面迭代的平均值被送至比較器。其結(jié)果是具有小于平均信號的PDA信號的所有比較器在其輸出端變?yōu)榱恪?。具有更高的PDA信號/值的比較器變?yōu)橐弧?。這還導(dǎo)致了，對于所有的比較器，其中PDA信號/值小于平均信號/值，來自2至1復(fù)用器233的輸出等于零、0，并且對所有的比較器，其中PDA信號/值大于來自除法和迭代定序器電路237的平均信號，來自2至1復(fù)用器233的輸出等于PDA信號/值。從這些新的比較器和2至1復(fù)用器信號，我們能夠計(jì)算平均電路235、236中的兩個(gè)新的平均信號。這兩個(gè)新的平均信號被送至除法和迭代定序電路237以計(jì)算新的總平均。這個(gè)平均大于在迭代1中計(jì)算的平均，因?yàn)槠鋬H含有大于在迭代1中計(jì)算的平均的信號。這個(gè)新的平均信號被送至比較器。
迭代3重復(fù)同樣的過程。僅使用大于平均的信號來計(jì)算新的平均值。
重復(fù)該過程直至僅剩下最大信號值。
如由信號曲線圖18和19可看到的，這通常在很少的幾次迭代中達(dá)到。該方法依賴于我們所做的除法。為了使任何硬件設(shè)備更便于應(yīng)用，我們希望避免任意整數(shù)的除法。如果我們計(jì)算出比較器信號的數(shù)目并且之后將該數(shù)目四舍五入到最接近的較大的、為2的K次冪的數(shù)目(即1、2、4、8...)，則可以避免這一點(diǎn)。
實(shí)施例2.4連續(xù)平均和具有由2個(gè)倉劃分的閾值描述圖20示出的是電路設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例。
該方法論基于和方法論1.2相同的電路-拓?fù)?，除兩個(gè)兩個(gè)比較網(wǎng)絡(luò)被除法和迭代定序電路代替之外。
對于16-像素線性陣列的描述如下。
首先，存在有PDA電路241的一部分。兩級平均電路242以兩個(gè)兩個(gè)的方式被連接到PDA電路，其中OUT=12Σi=12INi.]]>2至1復(fù)用器243與平均電路并聯(lián)。然后這些兩個(gè)電路被連接到2至1復(fù)用器244。電路242、243和244是在三個(gè)級中重復(fù)的簇，三個(gè)級中含有8，4，2個(gè)這樣的簇。
最后的級含有兩個(gè)電路簇，它們被連接到兩個(gè)比較器245的輸入端中的一個(gè)。兩個(gè)比較器上的其它輸入端被連接到除法和迭代定序電路2410。然后兩個(gè)比較器245的輸出端被連接到兩個(gè)2至1復(fù)用器247的控制輸入端。比較器輸出還被連接到2平均電路249，OUT=12Σi=12INi.]]>2至1復(fù)用器的輸入被連接到兩個(gè)信號，一個(gè)輸入被連接到零、0信號/值，第二輸入被連接到其對應(yīng)的比較器輸入信號。然后來自2至1復(fù)用器的輸出被連接到2平均的電路248，OUT=12Σi=12INi.]]>然后兩個(gè)2平均的電路248、249被連接到除法和迭代定序器電路2410。
方法論圖9示出的是說明該實(shí)施例的操作的圖表。
該方法論是一個(gè)迭代過程，我們將像素分成兩半并且計(jì)算兩半的平均。然后將高于閾值/平均值的一半再分成兩個(gè)新的半部。這意味著我們具有逐步(step wise)含有16-像素線性陣列的8、4、2、1個(gè)像素的半部。
請參考信號曲線圖以理解方法論是如何針對″實(shí)際″信號工作的。
迭代1第一迭代開始于來自除法和迭代定序電路的閾值信號為零、0。我們假設(shè)所有PDA信號/值均大于零、0。這導(dǎo)致了比較器輸出均為一、1并且來自2至1復(fù)用器247的輸出均具有來自陣列的每個(gè)一半的平均信號。由此我們可計(jì)算新的平均值，我們輸出該平均值并且將該平均值取作輸入信號的閾值。這導(dǎo)致一半更小并且由此在比較器和2至1復(fù)用器的輸出端變成零、0。
迭代2第二迭代開始于我們將來自迭代1的最大的一半分成兩個(gè)新的半部。然后我們對來自迭代1的最后的平均取閾值，其等于在該迭代步驟中最大的一半的平均。
迭代3第三迭代開始于我們將來自迭代2的最大的一半分成兩個(gè)新的半部。然后我們對來自迭代2的最后的平均取閾值，其等于在該迭代步驟中最大的一半的平均。
迭代4第四迭代開始于我們將來自迭代3的最大的一半分成兩個(gè)新的半部，其在該迭代步驟中成為兩個(gè)單獨(dú)的像素。然后我們對來自迭代3的最后的平均取閾值，其等于在該迭代步驟中最大的一半的平均。該迭代步驟結(jié)束時(shí)，我們找到具有最大信號/值的PDA以及該數(shù)值本身。
實(shí)施例2.5連續(xù)平均和閾值，其中 描述圖21示出的是電路設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例。
用于該方法論的電路拓?fù)漕愃脐P(guān)于方法論1.3的電路。來自PDA的251的16個(gè)信號被分組成四個(gè)平均信號/值252A1=14*(S1+..+S4),]]>A2=14*(S5+..+S8),]]>A3=14*(S9+..+S12),]]>以及A4=14*(S13+..+S16).]]>四個(gè)4至1復(fù)用器253以如下方式被連接到16個(gè)PDA。PDA信號1、5、9、13連至第一復(fù)用器，PDA信號2、6、10、14連至第二復(fù)用器，PDA信號3、7、11、15連至第三復(fù)用器，PDA信號4、8、12、16連至第四復(fù)用器。2至1復(fù)用器254被連接到平均電路以及4至1復(fù)用器。
然后2至1復(fù)用器254的輸出端被連接到比較器255輸入端中的一個(gè)。比較器255的其它輸入端被連接到除法和迭代定序電路2510。2至1復(fù)用器256的控制端口被連接到每個(gè)比較器輸出端。PDA或4平均信號被連接到2至1復(fù)用器輸入中的一個(gè)，2至1復(fù)用器的其它輸入被連接到零、0信號/值。
2至1復(fù)用器256的輸出被連接到4平均電路258。比較器的輸出端被連接到另一個(gè)4平均電路259。4平均電路被連接到除法和迭代定序電路2510。
方法論圖10示出的是說明該實(shí)施例的操作的圖表。
該方法可簡單描述為，首先找到具有最大平均的四分之一部分，然后將該四分之一部分分成組成像素并且尋找最大的PDA/像素值。
在對該方法進(jìn)行描述時(shí)請參考信號曲線圖。
第一步驟和迭代第一迭代起始于零、0信號/值的閾值水平被施加。然后計(jì)算4個(gè)輸入平均的平均。該新的閾值水平被施加于比較器輸入端，所有小于該閾值的PDA信號均被強(qiáng)迫為零、0信號/值。這導(dǎo)致對平均并且由此對閾值的新的計(jì)算。執(zhí)行該迭代直至僅剩下一個(gè)大于閾值的倉。
當(dāng)其發(fā)生時(shí)，處理繼續(xù)進(jìn)行到第二步驟。
第二步驟和迭代第二步驟起始于最大的倉被分成它的像素。然后我們開始迭代過程并且向比較器施加最后的閾值。小于閾值的值被識別并且被設(shè)置成零/0信號/值。計(jì)算新的平均值和閾值并且施加給比較器，繼續(xù)該處理直至僅剩余一個(gè)或兩個(gè)像素。
實(shí)施例2.6連續(xù)平均和閾值，其中具有重疊倉的識別描述圖22示出的是電路設(shè)計(jì)的一個(gè)實(shí)例。
用于該方法的電路拓?fù)淙缦隆?br> 首先，有16個(gè)PDA電路261被兩個(gè)兩個(gè)連接到一層2平均電路262。這些平均電路被連接到第二層2平均電路263。這些2平均電路以如此方式被連接使得我們產(chǎn)生一組具有兩個(gè)重疊的移動平均。其間還有一組平均電路用于產(chǎn)生步驟2的第四平均值/信號。
在平均電路形成包括一個(gè)4至1復(fù)用器364、一個(gè)9至1復(fù)用器265、之后是另一個(gè)2至1復(fù)用器267的電路簇之后，2平均電路266與該復(fù)用器并聯(lián)并且這兩個(gè)電路被連接到2至1復(fù)用器268。
一組4個(gè)比較器269被連接到2至1復(fù)用器268。在除法和迭代定序電路2614中產(chǎn)生的閾值被連接到比較器269的其它輸入端。來自比較器269的輸出端被連接到2至1復(fù)用器2610的控制輸入端。PDA/平均信號被連接到2至1復(fù)用器2610的輸入端中的一個(gè)并且零/0信號/值被連接到其它輸入端。2至1復(fù)用器2610的輸出端被連接到4平均電路2612。比較器的輸出端被連接到另一個(gè)4平均電路2613。兩個(gè)平均電路被連接到除法和迭代定序器電路2610。
方法論圖11示出的是說明該實(shí)施例的操作的圖表。
該方法論依賴于我們在迭代步驟中尋找最大的倉平均。倉重疊達(dá)到50％。對于16像素陣列，這意味著我們在其迭代過程中執(zhí)行三個(gè)步驟，其中我們在每一步推斷哪個(gè)倉平均是最大的。在最后的步驟中，我們找到具有最大信號/值的像素。
步驟1在第一步驟中，復(fù)用器268被設(shè)置在如此位置并被連接到平均電路266使得我們由四個(gè)重疊的倉(BIN1＝S1到S8、BIN3＝S9到S16、BIN2＝S4到S12以及BIN4＝S13到S16)確定平均的閾值。步驟1中的第一迭代起始于我們確定零/0信號/值的閾值。然后我們由此計(jì)算平均并且使用該新的平均信號/值作為迭代1中的新閾值。所有小于該閾值的PDA信號/值被識別并且被設(shè)置成零/0信號/值。第二迭代起始于我們利用識別的信號計(jì)算新的平均并且使用其作為閾值。繼續(xù)該過程直至僅剩下一個(gè)倉。我們將迭代閾值與平均和識別過程一起使用來尋找四個(gè)倉平均中最大的一個(gè)，BIN4＝S13到S16被8除以便保證它不大于其它三個(gè)平均中的任何一個(gè)。
步驟2在步驟2中，控制兩個(gè)2至1復(fù)用器267、268以使4至1復(fù)用器264被連接到四個(gè)比較器269。4至1復(fù)用器264被設(shè)置在如此位置使得來自步驟1的具有最大平均的倉現(xiàn)在被分成四個(gè)更小并重疊的倉。如果我們參考信號曲線圖中的兩條曲線，就會發(fā)現(xiàn)BIN2平均在步驟1中是最大的一個(gè)。正如由該圖可看出的，BIN2被分成四個(gè)新的更小的BIN并且它們各自通過4個(gè)平均來劃分。這導(dǎo)致了我們具有四個(gè)被連接到閾值和識別網(wǎng)絡(luò)的新的信號，我們利用其尋找最大的倉平均。由信號曲線圖我們可看出，上部曲線為BIN3而底部曲線為BIN2。
步驟3在步驟3中，我們控制復(fù)用器267、268以使比較器網(wǎng)絡(luò)被連接到9至1復(fù)用器265。然后我們使用來自步驟2的結(jié)果來控制復(fù)用器265以使在步驟2中形成的最大倉平均的四個(gè)PDA/像素信號被連接到比較、閾值和識別網(wǎng)絡(luò)。由信號曲線圖我們可看出，最后的迭代導(dǎo)致像素/PDA信號10和8分別被發(fā)現(xiàn)是上部和底部曲線的最大值。
權(quán)利要求
1.一種位置探測裝置(10)，包含具有n個(gè)段(25)的光電探測元件陣列(20)和被布置成通過比較所述光電探測元件陣列的所述段(25)的輸出值(OV)而識別具有最大強(qiáng)度的段(25)的并行運(yùn)算處理部分(30)，其特征在于，所述并行運(yùn)算處理部分(30)包含至少一個(gè)比較級(40a-d)，其被布置成連續(xù)地選擇/取消選擇所述段s(25)，直至具有最大強(qiáng)度的段被選擇，第一級(40a)接收來自各個(gè)光電探測元件段(25)的輸出值(OV)作為輸入段(IS)并且任何另外的級(40b-d)接收來自所述前面的級(40a-c)的輸出值(OV)作為輸入段(IS)。
2.如權(quán)利要求1所述的位置探測元件，其特征在于，所述并行運(yùn)算處理部分包含至少一個(gè)逐對的比較級，其被布置成逐對地比較所選擇輸入段(IS)的輸出值(OV)，并且對于每個(gè)這樣的對選擇具有最高輸出值(OV)的輸入段(IS)并取消選擇具有最低輸出值(OV)的輸入段(IS)。
3.如權(quán)利要求1所述的位置探測元件，其特征在于，用于每對輸入段(IS)的每個(gè)逐對比較級包含選擇電路(SC)，該電路包含一個(gè)用于選擇具有最高輸出值的所述輸入段(IS)的比較器和一個(gè)雙通道復(fù)用器，所述雙通道復(fù)用器響應(yīng)于比較器在其輸出端提供所選擇的輸入段(IS)的輸出值(OV)。
4.如權(quán)利要求1到3中任何一項(xiàng)所述的位置探測元件，其特征在于，所述并行運(yùn)算處理部分包含至少形式為塊比較級的第一級，其被布置成將所選擇的輸入段(IS)的輸出值(OV)分成至少兩個(gè)塊、對于每個(gè)塊計(jì)算所述輸出值(OV)的塊平均值、比較所述塊平均值、并且選擇具有最高平均值的塊。
5.如權(quán)利要求4所述的位置探測元件，其特征在于，每個(gè)塊比較級包含至少兩個(gè)選擇電路，每個(gè)選擇電路SC包含m通道輸入選擇復(fù)用器(ISMm)、m通道平均電路(AVC)、以及2通道輸出選擇復(fù)用器(OSM)，所述平均電路接收m輸入段(IS)的輸出值(OV)作為輸入并且提供所述輸入段(IS)的輸出值(OV)的平均作為輸出，所述輸入選擇復(fù)用器接收來自與相同選擇電路中所述平均電路相連接的所述m輸入段(IS)的輸出值(OV)之一以及來自與其它選擇電路中平均電路相連接的m-1輸入段(IS)的輸出值(OV)作為輸入，并且提供這些中所選擇的一個(gè)作為輸出，所述輸出選擇復(fù)用器接收所述平均電路和所述輸入選擇復(fù)用器的輸出作為輸入，并且向下一個(gè)級提供這兩個(gè)中所選擇的一個(gè)作為輸出。
6.如權(quán)利要求5所述的位置探測元件，其特征在于，如果塊比較級前設(shè)有另一個(gè)塊比較級，則每個(gè)平均電路被布置成接收來自所述前面的級中m個(gè)平均電路的輸出作為輸入，而所述輸入選擇復(fù)用器被布置成接收來自與相同選擇電路中所述平均電路相連接的所述前面的級中所述選擇電路的所述m個(gè)輸出選擇復(fù)用器之一的輸出以及來自與其它選擇電路SC中平均電路相連接的所述前面的級中所述選擇電路SC的m-1個(gè)輸出選擇復(fù)用器的輸出值(OV)作為輸入。
7.如權(quán)利要求4到6中任何一項(xiàng)所述的位置探測元件，其特征在于，它包含至少兩個(gè)塊比較級，其比較同一組輸入段(IS)但是被分成與其它級中的塊邊緣重疊的塊，以使位于一個(gè)級中的塊邊緣附近的峰值輸出值(OV)并不靠近其它級中的塊邊緣，由此該塊的所述平均輸出值(OV)將高于所有其它塊，所述的塊被選擇。
8.如權(quán)利要求1到7中任何一項(xiàng)所述的位置探測元件，其特征在于，所述并行運(yùn)算處理部分包括閾值比較級，其被布置成將所有選擇輸入段(IS)的輸出值(OV)與閾值比較并且取消選擇所有具有低于所述閾值的輸出值(OV)的輸入段(IS)。
9.如權(quán)利要求2或3所述的位置探測元件，其特征在于，所述并行運(yùn)算處理部分包含足夠數(shù)目的逐對地比較級以此取消選擇除n個(gè)段之一以外的全部。
10.一種測距儀，其特征在于，它包含如權(quán)利要求1到9中任何一項(xiàng)所述的位置探測元件。
全文摘要
一種位置探測裝置，包括具有n個(gè)段的光電探測元件陣列以及并行運(yùn)算處理部分，所述并行運(yùn)算處理部分被布置成通過比較來自光電探測元件陣列的段的輸出值(OV)而識別具有最大強(qiáng)度的段。并行運(yùn)算處理部分包含至少一個(gè)比較級，其被布置成連續(xù)地選擇/取消選擇所述的段，直至具有最大強(qiáng)度的段被選擇，第一級接收各個(gè)光電探測元件段的輸出值OV作為輸入段(IS)并且任何另外的級接收前面的級的輸出值OV作為輸入段IS。還提供一種測距儀，其包括該位置探測裝置。
文檔編號G01S17/00GK1867833SQ200480029680
公開日2006年11月22日 申請日期2004年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月13日
發(fā)明者U·古爾德瓦爾 申請人:伊林諾瓦公司