專利名稱：位置遙感裝置和方法
這份申請書是關(guān)于一個(gè)點(diǎn)發(fā)射源對于一參考點(diǎn)的一個(gè)或兩個(gè)一維角度座標(biāo)的定向裝置和方法，在很大角度操作范圍內(nèi)這個(gè)裝置依然具有極高的解析度，而沒有移動(dòng)的零件。將幾個(gè)如此的子系統(tǒng)合并一起應(yīng)用，就能用三角測量法來測出點(diǎn)狀發(fā)射源對于一參考點(diǎn)的三維位置。
高精度又能在大操作角度范圍內(nèi)的位置定測系統(tǒng)具有很廣泛的用途。例如，在醫(yī)學(xué)上超聲波常被用來擊碎腎結(jié)石，這需要把超聲波發(fā)射器精確地對準(zhǔn)腎結(jié)石。常規(guī)的方法是把一個(gè)聲波感應(yīng)探頭裝在一個(gè)多節(jié)機(jī)械手的一端，移到病人身體腎結(jié)石的附近，機(jī)械手的另一端連接到超聲波發(fā)射器。一組裝在機(jī)械手節(jié)的檢測器，如線性或角度性電位計(jì)或光學(xué)編碼器，給出每一節(jié)機(jī)械手與下一節(jié)相對的位置。在此配合下，這些檢測器給出超聲波發(fā)射源對于腎結(jié)石的位置。然而這種機(jī)械性的組合很笨重，昂貴而且易于出錯(cuò)。
高精度位置檢測系統(tǒng)也常在許多機(jī)械人用途上應(yīng)用到。這種定測系統(tǒng)也該在虛擬現(xiàn)實(shí)科技上很有用途。舉例來說，虛擬現(xiàn)實(shí)游戲可能需要參玩者與一些由一臺電腦在一個(gè)極小空間內(nèi)投射出的影像進(jìn)行人機(jī)交流。在這種情況下，能夠精確地測定一個(gè)手持致動(dòng)器相對于一空間參考點(diǎn)的位置也將會(huì)很有益處。
眾所周知，含有一個(gè)已知解析度位置敏感元件，而不含移動(dòng)零件的一部基本方向檢測器的操作范圍是與該裝置通過單讀數(shù)來檢測目標(biāo)的能力成反比，換句話說，一部基本檢測器具有一個(gè)恒定的操作范圍與單讀數(shù)解析度比值。由于小解析度值比較大解析度值好，要改進(jìn)一個(gè)方向檢測器的操作范圍或單讀數(shù)解析度，而不影響它的解析度或范圍，我們必須采用體積較大或本質(zhì)較好的傳感元件。由于這限制，體積大，昂貴的傳感元件及(或)具有較多光點(diǎn)陣列的元件。例如PSDs(Position Sensitive Devices)常被用于檢測光源中心位置的感應(yīng)器和電荷耦器CCDs(Charge Coupled Devices)常被用于數(shù)值顯相用途上。
一個(gè)克服上述限制的明顯方法是同時(shí)應(yīng)用幾個(gè)方向檢測器，每個(gè)覆蓋所需要大操作范圍的不同局部。這是個(gè)昂貴的解決方法，并且它具有所謂的傳感融合問題(就是適當(dāng)?shù)芈?lián)合所有的子系統(tǒng)輸出來產(chǎn)生一正確的系統(tǒng)最終讀數(shù)的問題)。
另一個(gè)已知的解決辦法是用一部狹窄操作范圍的檢測器來掃描所需的大操作范圍，如同雷達(dá)和一些其他的檢測系統(tǒng)(見如R,L,Smith，)“紅外線目標(biāo)跟縱系統(tǒng)的研究和測試”，加拿大卑詩省溫哥華，卑詩大學(xué)電機(jī)工程學(xué)系碩士論文，1990年8月),(Development andTesting of an Infrared Target Tracking System,Master’s,thesis,Department of Electrical Engineering,University of British Columbia,Vancouver,B,C,,Canada,August 1990)。這種解答的缺點(diǎn)在于此系統(tǒng)輸出的精確度不僅是跟直接檢測目標(biāo)與參考點(diǎn)相對方向的傳感元件質(zhì)量有關(guān)，也跟用來檢測系統(tǒng)與掃描部件間座標(biāo)的傳感元件質(zhì)量有關(guān)。此種檢測裝置的固有誤差通常互相積聚，使得系統(tǒng)的最終輸出誤差可能比單傳感元件系統(tǒng)的誤差更大。這種系統(tǒng)內(nèi)的掃描機(jī)械也需要周期性的維護(hù)及(或)替換。
另一個(gè)已知的解決方法是對目標(biāo)的方向作出多個(gè)讀數(shù)，然后對讀數(shù)進(jìn)行處理來取得較好解析度的最終讀數(shù)，這種信號處理技術(shù)可應(yīng)用于所有的檢測系統(tǒng)。不過，其它的系統(tǒng)屬性，例如讀數(shù)頻率或硬體/軟體的復(fù)雜性要被增高才能改進(jìn)系統(tǒng)整體的解析度。
1995年八月八日發(fā)給彼得森(Pettersen)等人的一個(gè)美國專利5,440,392號描述了一部測量空中一點(diǎn)之空間座標(biāo)的系統(tǒng)和方法?？罩械狞c(diǎn)被一個(gè)載有至少三個(gè)同時(shí)發(fā)亮的點(diǎn)狀光源的剛性探頭所接觸。光線經(jīng)一套常用的球面聚焦鏡投射成圖像到一個(gè)二維的電荷耦合器(CCD)或射式電荷器CID(Charge Injected Device)組成的陣列傳感元件上。投影在傳感元件上的光點(diǎn)位置可以測定出來，接著應(yīng)用影像處理和最小二乘法為基礎(chǔ)的攝影測量技術(shù)來先測定接觸探頭的位移和方向，然后再確定接觸點(diǎn)的三個(gè)空間座標(biāo)。
另外一種測量方式可以用加拿大安大略省滑鐵盧北方的數(shù)字公司Northern Digitallnc,of Waterloo,Ontario,Canada的OPTOTRAKTM位置檢測系統(tǒng)來舉例。這個(gè)系統(tǒng)能檢測單個(gè)空間點(diǎn)狀光源相對于系統(tǒng)位置的三個(gè)獨(dú)立座標(biāo)。它使用三個(gè)分開固定的檢測器，每個(gè)檢測器只檢測光源相對于它的一維方向座標(biāo)，將這三個(gè)座標(biāo)與三個(gè)一維(1D)檢測器之間的已知位置和方位一起進(jìn)行處理就能得知光源的位置。這系統(tǒng)為了檢測方位而處理目標(biāo)的方式與彼得森(Pettersen)等人專利上處理接觸探頭的方式相同，三個(gè)或更多的點(diǎn)光源可以策略地安裝在目標(biāo)上。將它們一次一個(gè)的開啟，就能夠順序地檢測出它們的位置，然后再合并一起來求出目標(biāo)的方位。每一個(gè)檢測器都含有一個(gè)一維電荷耦合陣列的傳感元件和一個(gè)專用的光學(xué)鏡片組件與彼得森等人的系統(tǒng)相對照，OPTO TRAKWTM系統(tǒng)只能順序地檢測多于一個(gè)光源的位置。如果光源是在移動(dòng)中，這就會(huì)產(chǎn)生誤差，然而，假如果每個(gè)光源的位置抽取頻率比光源移動(dòng)的速度快的話，這缺點(diǎn)就會(huì)變得不重要。OPTO TRAKTM系統(tǒng)使用三個(gè)分離很開的一維檢測器，而彼得森(Pettersen)等人的系統(tǒng)只用一個(gè)二維檢測器，既然兩個(gè)系統(tǒng)都使用相似的三角測量法來檢測縱深長度，OPTO TRAKTM系統(tǒng)的縱深檢測精確度應(yīng)該比彼得森(Pettersen)等人的系統(tǒng)好得多。
OPTO TRAKTM系統(tǒng)和彼得森(Pettersen.)等人系統(tǒng)的一個(gè)共同特性是都用光學(xué)鏡片來把光聚焦到傳感元件上。使用照相機(jī)的人都知道這是個(gè)問題。其角度的操作范圍限制到大約15度，雖然廣角鏡能用來擴(kuò)大這個(gè)范圍，如此做會(huì)引起影像的嚴(yán)重扭曲，而降低解析度，也縮短了能精確檢測縱深的范圍。因此，再一次面對固有的限制，就是在一個(gè)范圍內(nèi)操作的一個(gè)給定傳感元件都會(huì)具有一個(gè)恒定的操作范圍與單讀數(shù)解析度比值。
1991年八月八日為郝切爾(Hechel)等人的發(fā)明的美國專利5,018,853號發(fā)表了一個(gè)汽車車輪定位系統(tǒng)。此系統(tǒng)使用一個(gè)角度檢測器，檢測一個(gè)點(diǎn)光源相對于檢測器的角度一維座標(biāo)。檢測器含一個(gè)一維線陣列式電荷耦合器(CCD)傳感元件。元件被一個(gè)含單狹長光縫的不透光屏幕與光源隔開。狹長的CCD元件與光縫垂直相對。如此由光源發(fā)出通過光縫的一條光線投射到CCD元件上的一小段(一“點(diǎn)”)。將這個(gè)點(diǎn)相對于CCD元件的位置測出就能求出光源角度方位的一個(gè)一維座標(biāo)。郝切爾(Hechel)等人的傳感器在角度操作范圍方面有較小的問題但是仍然受到上面提到的傳感器解析度固有的限制。將經(jīng)過多窗口收到的信號以類似多重發(fā)訊信號法投到單個(gè)傳感元件上，本發(fā)明克服了解析度限制問題，“窗口”是一個(gè)通過它信號才能被一個(gè)傳感元件收到通道。例如，彼得森(Pettersen)等人檢測器中的鏡片組是一個(gè)窗口，郝切爾(Hechel)等人傳感器內(nèi)屏幕上的光縫也是一個(gè)窗口。在Oere TRAKWTM彼得森(Pettersen)等人以及郝切爾(Hechel)等人系統(tǒng)內(nèi)的每一個(gè)傳感元件只用一個(gè)窗口。本發(fā)明人已揭露過一個(gè)先前的多窗口方位角度傳感器(見C.C.H.MA,C.K.Tan和P.D.Lawrence，“多針孔廣角高精度位置檢測器”IEEE Transactions onInstrumentation and Measurement,Vol.45,No.1,February 1996)。然而，本發(fā)明人先前的傳感器有一些以下將描述的缺陷，這些缺陷在本發(fā)明中克服了。
在一個(gè)具體形式內(nèi)，本發(fā)明提供一個(gè)用來測量輻射源相對測量器間角度方位的一個(gè)一維座標(biāo)測量器。例如，此測量器也許有個(gè)輻射敏感元件來產(chǎn)生代表輻射性質(zhì)的相應(yīng)電信號。在元件與輻射源之間裝有一個(gè)不透輻射屏幕，在屏幕里有第一復(fù)數(shù)組平行的狹長縫?？p與縫間隔開，元件與屏幕相對排列，以致當(dāng)源在測量器操作范圍內(nèi)時(shí)，由源發(fā)出經(jīng)至少一條長縫所過的輻射線，同時(shí)射到元件上的至少兩個(gè)獨(dú)立輻射敏感點(diǎn)；而這些點(diǎn)與那條長縫間隔不同的距離。
這個(gè)發(fā)明更進(jìn)一步地提供一個(gè)用來測量一輻射源相對測量器間角度方位的兩個(gè)一維座標(biāo)測量器。在一示范的例子里有一個(gè)輻射敏感元件產(chǎn)生一個(gè)與入射到元件上的輻射線相應(yīng)的電信號和一個(gè)不透輻射的屏幕被裝在元件與輻射源之間。屏幕里有第一復(fù)數(shù)組平行的狹長縫排在第一個(gè)平面里，第二復(fù)數(shù)組平行的狹長縫也排在第一個(gè)平面里，并與第一復(fù)數(shù)組長縫垂直延伸。輻射敏感元件座于第二個(gè)平面里，該平面與一條跟第一組長縫成垂直的軸相傾斜，也與一條跟第二組復(fù)數(shù)長縫成垂直的軸相傾斜。第一組長縫互相隔開，第二組長縫互相隔開，元件與屏幕相對排列，以致(a)當(dāng)輻射源在測量器操作范圍內(nèi)時(shí)，由源發(fā)出經(jīng)至少一條第一組長縫所過的輻射線，同時(shí)射到元件上的至少兩個(gè)第一組獨(dú)立輻射敏感點(diǎn)；(b)當(dāng)輻射源在測量器操作范圍內(nèi)時(shí)，由源發(fā)出經(jīng)至少一條第二組長縫所過的輻射線，同時(shí)射到元件上的至少兩個(gè)第二組獨(dú)立輻射敏感點(diǎn)；第一組點(diǎn)內(nèi)各點(diǎn)與第一條長縫分隔不同的距離。第二組點(diǎn)內(nèi)各點(diǎn)與第二條長縫分隔不同的距離。
此發(fā)明更進(jìn)一步地提供一個(gè)識別方法。此方法能由居于一隔開源與一參考平面之不透輻射屏幕里的一復(fù)數(shù)組平行狹長縫中，識別出那條長縫，經(jīng)過它由源發(fā)出的輻射線才射到屏幕與參考平面之間的輻射敏感元件上，該輻射線同時(shí)射到元件上的至少兩個(gè)獨(dú)立輻射敏感點(diǎn)，并且這些點(diǎn)與參考平面之間的距離不等，在一個(gè)示范具體裝置里，經(jīng)過每條長縫由源發(fā)出而射到元件上的輻射線投射角范圍都事先作了確定，然后求出一個(gè)角度θ=arctan(SlD/HT).SID是任意一組點(diǎn)中兩點(diǎn)間與參考平面平行而與孔/縫相垂直的距離向量，HT是兩點(diǎn)間與參考平面相垂直距離向量，求出的角θ與事先確定的角范圍相比較，角度范圍包含有角θ的長縫就被選擇為是由輻射源發(fā)出的輻射線所通過才射到敏感元件上的那條長縫。


圖1描述了由本發(fā)明人先前發(fā)展的傳感器。
圖2是本發(fā)明中的一個(gè)一維傳感器的斜透視圖。
圖3是圖2所示傳感器的正視圖。
圖4是圖2所示傳感器的另一個(gè)正視圖，它描述了一個(gè)輻射發(fā)射源與傳感器相對移動(dòng)的割面。
圖5描述了一個(gè)用于判別一復(fù)數(shù)組狹長縫的一條長縫之算法程序圖。輻射線通過長縫射入到圖2所示傳感器敏感元件。
圖6描述了一個(gè)用于確定一條輻射線射入到圖2所示敏感元件前緣點(diǎn)算法的程序圖；圖7是圖2所示傳感器的另一個(gè)正視圖，它描述二條輻射線射入到敏感元件的情況下圖6算法的運(yùn)用。
圖8是圖2所示傳感器的另一個(gè)正視圖，它描述了在只有一條輻射線射入到敏感元件的情況下圖6算法的運(yùn)用。
圖9描述了包含本發(fā)明的另一種一維傳感器的斜透視圖。
圖10是圖9所示傳感器的一個(gè)放大的正視圖。
圖11是圖9所示傳感器的一個(gè)放大的側(cè)視圖。
圖12描述了包含本發(fā)明的又另一種一維傳感器的斜透視圖。
圖13是圖12所示傳感器的一個(gè)放大的正視圖。
圖14是圖12所示傳感器的一個(gè)放大的側(cè)視圖。
圖15描述了根據(jù)本發(fā)明中所制造的一個(gè)二維傳感器的斜透視圖。
圖16描述了根據(jù)本發(fā)明中所制造的另一種二維傳感器的斜透視圖。
圖17描述了根據(jù)本發(fā)明中所制造的又另一種二維傳感器的斜透視圖。
圖18描述了包含本發(fā)明并與編碼長縫屏幕相連接合用的一個(gè)一維傳感器的斜透視圖。
圖19描述了包含本發(fā)明并與編碼長縫屏幕相連接合用的一個(gè)二維傳感器的斜透視圖。
圖20描述了包含本發(fā)明并與編碼長縫屏幕相連接合用的另一個(gè)二維傳感器的斜透視圖。
圖1所示先前所用的裝置圖1描述了由本發(fā)明家上面曾經(jīng)提及的先前所用之傳感器，它能夠檢測一個(gè)點(diǎn)輻射源相對于傳感器方向的兩個(gè)一維座標(biāo)。圖1所示傳感器的樣品機(jī)有一個(gè)商業(yè)用的2DCCD攝影機(jī)，其中攝影機(jī)鏡頭由一個(gè)半球狀不透光屏幕(100)所代替。在屏幕(100)上鉆有三圈同心環(huán)的針孔(102)。針孔所在的平面與攝影機(jī)CCD的元件平面(感應(yīng)平面104)相平行。在同一環(huán)里相鄰針孔間的間距離比相鄰環(huán)間的間距離小得多。當(dāng)一個(gè)點(diǎn)輻射源(106)在傳感器操作角度范圍內(nèi)發(fā)亮?xí)r，三圈輻射點(diǎn)環(huán)(108)投射到敏感平面上，其中一些點(diǎn)(110)落到CCD元件(104)上而被感應(yīng)到。
在被元件感應(yīng)到的點(diǎn)(110)中，由同一針孔環(huán)投射出的輻射點(diǎn)可以通過適當(dāng)?shù)挠跋裉幚矶R別出。由于它們之間的距離與不同針孔環(huán)所投影的點(diǎn)之間的距離很不相同。只要有由同一環(huán)投影下來的至少三個(gè)光點(diǎn)被感應(yīng)到，通過這些光點(diǎn)就能擬合一個(gè)抽像的圓。假定輻射源(106)與傳感器之間的距離很遠(yuǎn)，這個(gè)抽像圓的半徑應(yīng)該與投射出感應(yīng)點(diǎn)所在的針孔環(huán)之半徑非常接近。因此，投影出這些被感應(yīng)到的點(diǎn)之環(huán)就能被識別出。然后由一個(gè)被感應(yīng)到的點(diǎn)與抽像圓的圓心之相對位置就可以決定出投影的針孔。既然每個(gè)針孔的位置可以預(yù)先得知(對傳感器作適當(dāng)?shù)匦?zhǔn))，與感應(yīng)到的點(diǎn)和相對應(yīng)投影出這些輻射點(diǎn)的針孔相連接的抽像直線提供了相對于傳感器的輻射源方向座標(biāo)。
圖1所示的傳感器操作范圍大約有兩倍于如OPTO TRAKTM和彼得森(Pettersen)等人所造單窗口檢測輻射源方向的傳感器。上面提及的圖1所示傳感器的樣品機(jī)雖然制造粗糙卻也比原來裝有鏡頭的攝影機(jī)有更好的位置檢測解析度和精度(從硬件的角度來說，裝有鏡頭的攝影機(jī)就是類似于彼得森(Pettersen)等人的檢測器)。理論上圖1所示傳感器的解析度和操作范圍可以通過增加屏幕(100)上針孔環(huán)(102)的數(shù)量而成正比地改善，而且不需更換CCD元件(104)。另外，圖1所示傳感器不需要聚焦，這使得它能夠檢測位于任何縱深的輻射源方向，只要輻射源具有足夠的亮度。
雖然圖1所示傳感器有這些優(yōu)點(diǎn)，它也有一些缺點(diǎn)。舉例來說，會(huì)很困難制造精確的半圓球屏幕(100)和針孔環(huán)(102)。另外，由于發(fā)射出的輻射點(diǎn)(110)可能投射到CCD元件(104)的任何位置，整個(gè)CCD元件都得經(jīng)過取樣才能達(dá)到圖像處理的目的，這可能會(huì)耗時(shí)，而降低了傳感器的最大可能感應(yīng)頻率。而且處理一個(gè)二維圖像所需要的時(shí)間和精力至少與圖像面積大小成正比的增加。由于需對CCD元件(104)感應(yīng)到的圖像整個(gè)進(jìn)行處理，使具有給定計(jì)算能力的傳感器很難在高頻率下操作，另外，由通過一個(gè)小弧形得來的點(diǎn)來擬合一個(gè)大圓很容易出錯(cuò)，綜合起來，這些缺點(diǎn)使得這個(gè)系統(tǒng)很昂貴，而且降低了其最大可能取樣頻率，以至用它來順序地檢測裝在目標(biāo)上的幾個(gè)光源位置來決定目標(biāo)的方位變成不實(shí)際。
本發(fā)明提供兩個(gè)不同的感應(yīng)方法和多種不同的具體形式，其中每一種都較圖1所示先前所用的傳感器有明顯的改進(jìn)。此兩種方法都利用多窗口技術(shù)來同時(shí)達(dá)到廣大操作角度范圍，高建全性，和高單讀數(shù)角度感應(yīng)解析度。每一種方法都能用來檢測一個(gè)視線型輻射源相對于傳感器的一個(gè)或兩個(gè)一維角度方位。用來檢測一個(gè)一維角度方位座標(biāo)的具體裝置是稱作一維傳感器，而用來檢測兩個(gè)一維角度方位座標(biāo)的具體裝置是稱作二維傳感器。
如以下更詳細(xì)的描述，兩種方法都使用多孔/縫屏幕，從點(diǎn)狀輻射源發(fā)出的輻射線通過這些孔/縫才入射到敏感元件上。屏幕以及其上的孔/縫都以敏感元件為準(zhǔn)則進(jìn)行尺寸及位置設(shè)計(jì)以使得輻射線通過屏幕上的至少幾個(gè)孔/縫后能夠同時(shí)入射到敏感元件上。在確定了某一入射到敏感元件上的輻射線所通過的孔/縫后，輻射源的角度方位就可以通過線性投影原理來確定，在第一個(gè)方法中，我們通過感應(yīng)入射到敏感元件上的兩個(gè)不同的點(diǎn)來確定輻射源的角度方位，這兩個(gè)點(diǎn)對屏幕有不同的垂直距離。在第二個(gè)方法中，我們對屏幕上的孔/縫間的距離進(jìn)行編碼，這樣就能確定出通過幾個(gè)孔/縫入射的輻射線是從那些孔/縫射入的。依照第一個(gè)方法制造的一維傳感器本發(fā)明的一個(gè)基本目標(biāo)是要提供一個(gè)傳感器，它能檢測一個(gè)直發(fā)射或反射全方向點(diǎn)狀視線型輻射源相對于傳感器的角度方位。以下所指的放射源被假定是直接地發(fā)出的光，類型包括看得見的光，紅外線的光，x光和聲波。本發(fā)明的最終目標(biāo)是檢測輻射源相對于傳感器的三維(3D)位置，假定輻射源與傳感器之間的距離比傳感器本身的尺寸大得多，如20∶1或更大。
圖2和圖3描述了一個(gè)優(yōu)先選擇根據(jù)上述第一個(gè)方法制造的一維傳感器具體形式。它用來檢測一個(gè)點(diǎn)輻射源5相對于輻射敏感元件1的一個(gè)一維角度方位座標(biāo)。一個(gè)適當(dāng)?shù)匮b有三個(gè)或更多此種傳感器系統(tǒng)可以用來檢測輻射源相對于系統(tǒng)的位置之所有三個(gè)獨(dú)立座標(biāo)。然而，為了讓熟練這方面的讀者能足夠的理解這個(gè)具體形式的運(yùn)作，我們將只考慮一個(gè)一維傳感器的運(yùn)作。
一維輻射敏感元件1，是以一個(gè)二維平面輻射敏感位置感應(yīng)的元件形成，例如得克薩斯儀器公司(Texas Instruments)的面陣列CCD圖像傳感器TC241。它斜靠在居于一個(gè)與平面支承基準(zhǔn)15相傾斜的傾斜支承2上面，(即中，元件1的平面是繞著一條與狹長縫4相垂直的軸和平面15相傾斜)。一個(gè)具有一組可以透輻射線的長縫4的靜止不透明屏幕，被支撐于元件1之上并與基準(zhǔn)平面15平行。從源5發(fā)射出的輻射通過狹長縫4形成圖3所示的輻射平面9，它們投射于元件1和基準(zhǔn)平面15上而成為輻射線6。
如果屏幕3與源5之間的垂直距離比屏幕3與基準(zhǔn)平面15之間的垂直距離18大很多的話，相鄰?fù)渡渚€6之間的距離19將與鄰接狹長縫4之間的間距離16幾乎相同。因此把間距離16設(shè)計(jì)得比元件1的寬度17小，可以保證當(dāng)源5發(fā)出輻射時(shí)，至少有一條輻射線8(一條“被感應(yīng)線”)會(huì)投影到元件1上而被感應(yīng)到。如果屏幕是平面狀，那麼狹長縫的間距離16可以相同，但是如果屏幕是非平面狀的，那就必需設(shè)計(jì)狹長縫之間的間距離以使得當(dāng)源5在傳感器的設(shè)計(jì)操作范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)至少有一條輻射線總是射入到元件1上。譬如，如果屏幕是半圓柱狀。那與半圓柱弧的中心較遠(yuǎn)離的狹長縫之間的距離就該減少。
圖2和圖3顯示了輻射投射到元件1上的二條被感應(yīng)線8和20。如果源5水平地向右移動(dòng)，其中的一個(gè)移動(dòng)分量與狹長縫4垂直，線20終究會(huì)逐漸地移離元件1的左邊緣，剩下線8在元件1上，如果源5繼續(xù)向右移，線8最終也會(huì)移離元件1的左邊緣，但是在這發(fā)生之前，另一條輻射線會(huì)從右緣移到元件1上，因此，如果輻射是從源5發(fā)出，不論源是否在移動(dòng)中，至少有一條輻射線6會(huì)投射到元件1上并被感應(yīng)到。
由于元件1靠在斜坡2上，當(dāng)輻射線入射角是非零時(shí)，被感應(yīng)線8相對于元件1的邊是偏斜的。這個(gè)在元件1上的偏斜產(chǎn)生了一個(gè)在被感應(yīng)線8前端點(diǎn)8A與后端點(diǎn)8B之間的水平“狹長縫鑒別位移(SID)”。因?yàn)樵?上是位置敏感的，所以SID和點(diǎn)8A在元件1的位置都能受確定。
從點(diǎn)8A看過去，角θ構(gòu)成輻射源的一個(gè)方向座標(biāo)。理論上，角θ可以如下計(jì)算θ=arctan(SID/HT) (1)式中HT(圖3是由于元件1傾斜造成的點(diǎn)8A與點(diǎn)8B之間的垂直距離。然而，因?yàn)镾ID和HT兩者都是相對較小的量，用公式(1)計(jì)算的角θ可能容易產(chǎn)生誤差，較好的相等計(jì)算公式是θ=arctan(XD/YD)(2)式中XD是從點(diǎn)8A到投射了包含點(diǎn)8A輻射線之狹長縫縱向軸的水平間距離，YD是點(diǎn)8A與屏幕3之間的直立間距離。由于XD和YD較SlD和HT的量級要大得多，用公式(2)計(jì)算產(chǎn)生的誤差量級要比用公式(1)計(jì)算而產(chǎn)生的誤差小。
YD是可以通過標(biāo)定校準(zhǔn)而得到常數(shù)，但是XD必須在操作過程中得到，因?yàn)樗请S源相對于元件1方向而變化的函數(shù)，由于從元件1前邊緣到點(diǎn)8A的距離24可以直接從元件1得到，XD可以由比較距離24和距離PS2而得知，距離PS2是在元件1上用來測量距離24同一邊緣與投射點(diǎn)8A所經(jīng)過狹長縫縱向軸之間的水平距離，每一狹長縫相對于元件1的PS2距離可以通過校準(zhǔn)元件1和屏幕3而得到，但是點(diǎn)8A可能是通過復(fù)數(shù)組長縫4中任意一條長縫入射的，因此必須鑒別投射包含點(diǎn)8A輻射線之狹長縫。現(xiàn)參照圖4來解釋鑒別長縫的方法。
圖4描述了輻射線可以通過元件1上兩條相鄰長縫而入射一條線的角度范圍。當(dāng)源5在圖4所示的初始位置時(shí)，輻射線8通過狹長縫25入射到元件1上，線8與元件1的前邊緣相交于8C。當(dāng)源5沿箭頭31的方向移動(dòng)時(shí)，線8通過角度范圍Φ-Φ’在元件1上從右至左移動(dòng)到參考號碼8’，指示的地點(diǎn)，與線8’交接在元件1前緣點(diǎn)8D,Φ是線8與基準(zhǔn)平面15(或屏幕3)之間的角度，而Φ’是線8’，與基準(zhǔn)平面15(或屏幕3)之間的角度。假如點(diǎn)8C,8D是通過狹長縫26入射的，入射角就會(huì)分別為γ和γ’，圖4也標(biāo)出了平行參考線29,10和29’,10’，以便角度Φ,Φ’和γ,γ’間的互相比較。
顯然地，角度范圍Φ-Φ’和γ,γ’是戳然不同的。它們只有少量重疊δφ，因?yàn)樵?與元件1的相距23比狹長縫間的距離16大得多。因此，如果基準(zhǔn)平面15(或屏幕3)與一條入射到元件1上的特定輻射線間之角度不包含在δφ角度范圍內(nèi)，投影那特定線的狹長縫就可立即被識別出。如果基準(zhǔn)平面座15(或屏冪3)與一條入射到元件1上的特定輻射線間之角度包含在δφ角度范圍內(nèi)，則元件前緣感應(yīng)到的輻射線會(huì)靠近點(diǎn)8D，如果輻射線是通過狹長縫25投影的(即入射線8’)；或會(huì)靠近點(diǎn)8C如果輻射線是通過狹長縫26投影的(印入射線8”)；點(diǎn)8D和點(diǎn)8C的間距離與元件1的寬度17相比隔得很開，因此，即使元件1的位置解析率較差的情況下，也能可靠的被辨別出，如此，圖5顯示了一個(gè)建全的識別投射特定感應(yīng)點(diǎn)之狹長縫的方法，該圖應(yīng)與圖3參照考慮。
圖5中的角度θ可以用公式(1)推算出，其中只需要參數(shù)SID，因?yàn)镠T是可以通過標(biāo)定校準(zhǔn)而得到的常數(shù)。這表示狹長縫的識別可以通過直接處理參數(shù)S1D來完成，不需要測定角度θ，如此就避免需要直接應(yīng)用到公式(1)。不過，用角θ來解釋可靠狹長縫的識別原則要比用參數(shù)SID更容易。在定義那通過每條狹長縫才投射到元件1的放射線角度范圍上，值得注意的是都已假定考慮過了。一切測量時(shí)可能產(chǎn)生的誤差，此外，還假定了元件1具有兩個(gè)獨(dú)立，可識別的邊27、28(圖4)。
對照圖3，一旦測定了點(diǎn)8A的位移24，與識別了投射該點(diǎn)的相應(yīng)狹長縫，XD就可被推導(dǎo)出來，然后通過公式(2)就能計(jì)算出方向座標(biāo)θ，在許多用途里，θ可以更有益的以位移24和通過校正得到的相關(guān)狹長縫對應(yīng)元件1上的水平位移PS2來指定，在這種情況下就不需要直接應(yīng)用到公式(2)，這與上述公式(1)的解釋情況相同。
從此起，由一條特定的被感應(yīng)線所推導(dǎo)出的單一一維輻射源方向座標(biāo)將由一對值來代表，即是；投射出該條特定被感應(yīng)線的狹長縫與元件1上一個(gè)參考緣間的水平位移；以及，該被感應(yīng)線在輻射敏感元件前緣的相交點(diǎn)與相同參考緣間的水平位移。例如，感應(yīng)線8產(chǎn)生的方向座標(biāo)為(PS2,24)。
雖然，理論上輻射源方向座標(biāo)可通過參照單一被感應(yīng)線8的端點(diǎn)8A,8B推導(dǎo)出來，然而在推導(dǎo)過程中，假如需要由一條被感應(yīng)線跳到另一條被感應(yīng)線時(shí)，那就會(huì)由于源5的移動(dòng)而導(dǎo)致推得的值會(huì)有輕微的不連續(xù)性。顯然此種不連續(xù)性只有當(dāng)兩條或多條線投射到元件1上時(shí)才會(huì)發(fā)生，為了解決這個(gè)問題和提高精確度，可將所有可能同時(shí)投射到元件1的輻射線之特征信息聚集起來，形成一條可產(chǎn)生連續(xù)的方向座標(biāo)讀數(shù)的連續(xù)函數(shù)。例如在圖3顯示的情況下，一個(gè)可產(chǎn)生連續(xù)方向座標(biāo)讀數(shù)的連續(xù)函數(shù)為EPS=PSI*D2D1+D2+PS2*D1D1+D2---(3)]]>其中PSn是狹長縫相對于前述元件1上參考緣的水平位移；而Dn是那通過狹長縫射入的被感應(yīng)線與元件前緣的相交點(diǎn)相對于元件1前緣中心點(diǎn)1A的水平位移。
一個(gè)給定輻射敏感元件的中心區(qū)，通常具有該元件的最佳分辨位置能力。公式(3)基本上投射了兩個(gè)前緣的感應(yīng)點(diǎn)到元件中心點(diǎn)1A的位置，同時(shí)投射它們的相對應(yīng)狹長縫的位置到“相等狹長縫的位置”(EPS)，后者是狹長縫的加權(quán)總數(shù)。最終得到的輻射源方向座標(biāo)是(EPS,PC)，其中PC是中心點(diǎn)IA相對于前述參考緣的水平位移，到此為止，本發(fā)明的說明都假定了多個(gè)感應(yīng)點(diǎn)的位置是可得的。它們可通過設(shè)計(jì)許多不同的訊號處理算法來獲得圖6顯示檢測前緣感應(yīng)點(diǎn)位置的一種算法，它以圖7和圖8為參照。圖7顯示兩條射線投射到元件1上的情況，而圖8顯示一條射線投射。根據(jù)圖6的算法，假定(a)所有得自元件1的信號，都按位置感應(yīng)的目的適當(dāng)?shù)靥幚磉^，比如濾光。
(b)重疊的前緣片段33,34的寬度是相等；而且，兩片段都比不透明的區(qū)域中最靠近的二個(gè)狹長縫37寬度更狹窄，因此在有些情況下，依照源5的位置，輻射線不會(huì)投射在兩片段33,34之一上。
(c)點(diǎn)33A和34A分別是33,34片段中心。
(d)一被感應(yīng)線的水平寬度不超過片段33,34重疊區(qū)35的寬度。
(e)片段33,34的總寬度36寬得能包含不透輻射屏幕3上分得最開的兩條相鄰狹長縫投射之完整感應(yīng)線。通常，寬度36與元件寬17相等。
(f)后感應(yīng)點(diǎn)，例如8B，與其相應(yīng)的前感應(yīng)點(diǎn)，例如8A，之間的水平位移不超過一個(gè)預(yù)定的最大的水平位移(MHD)。
只要屏幕3上最廣泛地分開毗連的兩條狹長縫間距離比元件1寬度更窄，而且源5保持充份地遠(yuǎn)離開元件1前述的假定是容易地同時(shí)地滿足的。合起來這些假定確定了以下情況1．片段33,34中的至少一段會(huì)檢測出一個(gè)完整的前感應(yīng)點(diǎn)。另一個(gè)片段可能不會(huì)檢測到，或者會(huì)檢測到一個(gè)完整的，或一部分的前感應(yīng)點(diǎn)。
2．片段33,34中沒有一段會(huì)檢測到來自一個(gè)以上前感應(yīng)點(diǎn)的信號。
一旦前感應(yīng)點(diǎn)被找到，較靠近元件1中央1A那點(diǎn)能被識別出(即圖7中描述點(diǎn)8A的情況)。指定此點(diǎn)的水平位置為“NFSP”，那麼，在元件后緣上從NFSP-MHD到NFSP+NHD區(qū)域的信號能通過處理后找到相對應(yīng)后緣的感應(yīng)點(diǎn)。(此法代替了沿著整條后緣處理信號的須要)。如此，可找到所有需要的感應(yīng)點(diǎn)，而且源5的方向座標(biāo)可由前述方法得到。
從前述解釋應(yīng)該清楚的是，不需要采用如圖中所述一個(gè)二維陣列類型敏感元件來完成本發(fā)明的一維具體裝置。兩個(gè)一維感應(yīng)器可以裝置在離狹長縫4不同的垂直距離，來仿效二維陣列元件1的前面和后面的邊緣。然而，一個(gè)二維敏感元件能提供眾多的信號，這些多過所需的訊號可以用來增高精確度和解析度。同時(shí)也注意，二維敏感元件收集到的影像中，只有前和后緣的區(qū)域需要接受處理，來得到一維角度定向所需的資訊。
雖然一維和二維陣列敏感元件，可用作上述本發(fā)明一維具體形式上的輻射敏感元件，只能產(chǎn)生所有感應(yīng)到訊號的中心點(diǎn)之非陣列類型位置敏感裝置也能被采用。圖9、10、11顯示如此的一個(gè)裝置，它采用四個(gè)由日本Hamamatsu Corporation of Japan和加州聯(lián)合檢測科技公司(Unitde Detector Technologies of California)制造的一維位置敏感裝置“NFSP”。這些PSD分成兩對；前對PSD1,PSD2；后對PSD3,PSD4；后對PSD3,PSD4支撐在間隔器32上，(如本發(fā)明至此所述的具體形式，圖9、10、11裝置是遵照前述第一個(gè)方法操作，即設(shè)法感應(yīng)投射到前對和后對PSD上與屏幕3隔開不同垂直位移的二個(gè)分隔的輻射敏感點(diǎn))。有幾組設(shè)計(jì)準(zhǔn)則可設(shè)定來確定這一操作功效。最重要的設(shè)計(jì)目標(biāo)是要確定當(dāng)源5投射時(shí)，每一對PSD中的至少一個(gè)會(huì)感應(yīng)到一條而且只有一條投射線。舉例一組設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下
1．每個(gè)PSD的長度比在屏幕3上兩條最靠近毗連的兩條狹長縫間距離小。
2．每一對PSD包含的水平的寬度總值比屏幕3上最寬地分開毗連的兩條狹長縫間距離大。
上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則確定每個(gè)PSD感應(yīng)不到或最多感應(yīng)到一條投射線；而且，當(dāng)源5投射時(shí)，每一對PSD中至少一個(gè)PSD會(huì)感應(yīng)到一條射線。
傾斜支架2只是一種使感應(yīng)線8相對于元件1的邊傾斜之裝置，以便能識別射線8通過的狹長縫，這跟采用二維輻射敏感元件時(shí)同理。另一種方法在圖12、13、14中顯示，此法采用一片傳導(dǎo)輻射的材料30蓋在元件1的前面或后面。此材料能根據(jù)入射角的大小折射入射線，使所需要信息暴露。例如當(dāng)源5投射可見光時(shí)，折射器30可以是一片高折射率的平面玻璃。折射器30的放置位置應(yīng)使其潛在陰影像區(qū)29(圖14)不會(huì)重疊元件1上敏感的前面和后面邊緣區(qū)域。
如圖13所示，折射器30使被感應(yīng)線10與元件1前緣位置21相交，與元件1后緣位置12相交。位置12和21的差距(即位移22)取決于折射器30的折射指數(shù)，它是一個(gè)常數(shù)；以及取決于被感應(yīng)線10入射折射器30上的角度。測定位移22就能推導(dǎo)出入射角度，接著它可被用來識別投射線10的狹長縫，其方式與前述圖2感應(yīng)器的角θ的推導(dǎo)相似。
含有多個(gè)狹長縫的屏幕3可以用很多不同方法來制造。例如，如果源5投射可見光時(shí)，可采用廣為人知的光刻和化學(xué)方法在一種附有金屬玻璃片上刻蝕狹長縫4，屏幕3是不須一定平直的，但是狹長縫4應(yīng)該要平行，且有精細(xì)的邊緣。依照第一個(gè)方法制造的二維傳感器在一個(gè)一維傳感器上加裝第二維，就能構(gòu)造一個(gè)能夠感應(yīng)到點(diǎn)狀輻射源相對于傳感器角度的兩個(gè)一維方位座標(biāo)的二維傳感器。如此的一種方法就是在屏幕上提供與上述一維傳感器之狹長縫成直角的第二復(fù)數(shù)組狹長縫；并且，如果該一維傳感器用的是一個(gè)一維元件，就以一個(gè)二維元件來代替它，圖15顯示了一個(gè)如此的二維具體形式，須注意的是在圖2上的一維傳感器只繞著一條軸和平面15相傾斜，而圖15中支承2’是繞著兩條相互垂直的軸45、46把二維敏感元件傾斜；并且請注意屏幕3”上有兩組互相垂直的狹長縫4’和4”回想對圖2的一維傳感器來講，只在元件前后緣感應(yīng)到的點(diǎn)(即是，只在陣列型輻射敏感元件前后排敏感點(diǎn)上感應(yīng)到的點(diǎn))理論上就已足夠推導(dǎo)出輻射源之一維方向座標(biāo)?？墒?，對圖15的二維傳感器而言，只為了推導(dǎo)出輻射源之同一一維方向座標(biāo)我們就必須對由更多排敏感點(diǎn)上感應(yīng)到的訊號作處理。這是因?yàn)檩椛渚€47經(jīng)過增加的狹長縫組之一條4”后可能入射到元件1上前后排感應(yīng)點(diǎn)的一大部分使得從狹長縫4’入射而與元件1前后排相交的被感應(yīng)點(diǎn)受遮蓋。為了克服這個(gè)問題，由更多排(通常是接近元件1邊緣幾排)敏感點(diǎn)上得到的訊號可以受處理來辨別由狹長縫4’或4”才投射而與元件緣相交。由此可知推導(dǎo)源5相對于一個(gè)二維傳感器之二維方向座標(biāo)所需的訊號處理負(fù)擔(dān)通常會(huì)比推導(dǎo)一個(gè)一維傳感器的一維方向座標(biāo)多過兩倍。
為了減低一個(gè)二維傳感器所需的訊號處理負(fù)擔(dān)，狹長縫4’,4”可在原來它們相交的位置以針孔代替，圖16和圖17描述了兩個(gè)如此的具體形式，其中每個(gè)都投射點(diǎn)而不是線，圖16特別顯示了如何將圖15的二維傳感器以針孔代替狹長縫4’,4”；而圖17顯示了一個(gè)由圖12的一維傳感器以具有針孔的屏幕3”和有高折射率的蓋50覆蓋元件1之一個(gè)面形改造而成的一個(gè)二維傳感器。每個(gè)所投射的輻射點(diǎn)位置各自攜帶者與源5相對于傳感器之不只一個(gè)而是兩個(gè)角度方位有關(guān)的部分訊息。只要感應(yīng)到至少三個(gè)由排列在一個(gè)直角三角形角尖上的三個(gè)針孔投射的點(diǎn)就足夠推導(dǎo)出源5相對于傳感器的兩個(gè)一維角度方向座標(biāo)。
與具有針孔屏幕的傳感器相比，具有狹長縫屏幕的傳感器有個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是它投射到元件上的輻射線帶有過多的與輻射源角度方位相關(guān)的訊息，這些過多的訊息可以用來改良傳感器的解析度和準(zhǔn)確性。具有狹長縫屏幕的二維傳感器亦可由多個(gè)一維傳感器(即含一維輻射敏感元件的)組成，其全體的成本會(huì)低于含二維陣列型輻射敏感元件的傳感器。相反地，由一個(gè)具有針孔屏幕的二維傳感器所得到的訊號比較容易處理，雖然此種傳感器含有一個(gè)比一維敏感元件貴的二維陣列敏感元件。依照第二個(gè)方法制造的一維或二維傳感器上述的每一個(gè)傳感器都利用以上提到的第一個(gè)方法來檢測一個(gè)點(diǎn)狀輻射源相對于傳感器的角度方位的一個(gè)或兩個(gè)一維座標(biāo)，這是通過感應(yīng)輻射線入射的不同點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)的，這些點(diǎn)相對于一個(gè)屏幕具有不同的垂直偏移。換句話說，利用第一個(gè)方法的傳感器需要兩個(gè)在垂直方向上不同的感應(yīng)平面，這可以通過機(jī)械地斜傾一個(gè)單一的感應(yīng)元件，或者一組相互偏移的感應(yīng)元件，或籍著一個(gè)具有高折射率的蓋來遮住敏感元件的一部分來實(shí)現(xiàn)，(具有高折射率蓋的傳感器在蓋下面的感應(yīng)平面相對于屏幕具有抽象的”垂直偏移”，偏移量依據(jù)于蓋的材料的折射率和輻射的入射角)。雖然，這些方法是可以實(shí)現(xiàn)的，但這些需求可能使得用第一個(gè)方法制造的傳感器在一些情形下不能便宜地制造和校準(zhǔn)。
回想問題在于鑒別讓輻射入射到敏感元件上的那條的孔/縫。另一個(gè)解決的方法(即第二個(gè)方法)是提供一個(gè)具有確定唯一的孔/縫信息的屏幕，這可通過編碼孔/縫之間的不同間距離比率來達(dá)到。這樣就可以簡單地把輻射敏感元件安裝在一個(gè)與孔/縫屏幕相平行的感應(yīng)平面上來制造一維或二維傳感器。圖18描述了依照第二個(gè)方法制造的一維傳感器，圖中S(i-1)S(i)≠S(i)S(i+1)]]>式中“S(i)”是孔/縫A(i)與孔/縫A(i+1)的間距離，孔/縫是順序編號的。圖19和圖20描述了具有編碼孔/縫屏幕的兩個(gè)不同二維傳感器的具體形式，圖19的具體形式使用一個(gè)具有狹長縫的屏幕，而圖20的具體形式使用一個(gè)具有針孔的屏幕。兩個(gè)具體形式孔/縫之間的間距離比率都由下式給出S(i-1)S(i)≠S(i)S(i+1):W(j-1)W(j)≠W(j)W(j+1)]]>式中“W(j)”是孔/縫B(j)和B(j+1)之間垂直方向的間距離，孔/縫是順序編號的。
利用毗連孔/縫的間距離比率，而不用毗連孔/縫的間距離來對唯一鑒別孔/縫的信息作編碼的原因是毗連孔/縫的間距離比率相對于傳感器與輻射源之間的距離是個(gè)不變量，而傳感器和輻射源之間的距離當(dāng)輻射源在傳感器所設(shè)計(jì)操作范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)是可變的。不幸地，為了唯一鑒別某一被感應(yīng)到入射點(diǎn)所通過的孔/縫，對一維傳感器來說，這樣就需要同時(shí)檢測投射在敏感元件上的至少三個(gè)入射點(diǎn)，對二維傳感器而言就需要同時(shí)檢測輻射在敏感元件上的至少五個(gè)入射點(diǎn)。
眾所周知如果一個(gè)感應(yīng)光的孔之最小的尺寸變成太小，光通過這孔/縫時(shí)會(huì)失去其直線傳播的性質(zhì)，由于這會(huì)影響到依照本發(fā)明的制造的傳感器的角度感應(yīng)精度和解析度。狹長縫的寬度或針孔的直徑以及孔/縫之間的間距離不能太小。這一要求以及對于使用第二個(gè)方法的一維傳感器必須有至少三個(gè)獨(dú)立的被感應(yīng)點(diǎn)(或者對于使用第二個(gè)方法的二維傳感器必須有至少五個(gè)獨(dú)立的被感應(yīng)點(diǎn))意味著使用第二個(gè)方法的傳感器的感應(yīng)元件須比使用第一個(gè)方法的傳感器的感應(yīng)元件要大，基于第二個(gè)方法的傳感器的屏幕比第一個(gè)方法的傳感器的屏幕更難設(shè)計(jì)，特別是如果想要在一個(gè)屏幕上提供大量的孔/縫來改善解析度和/或精度。在決定對于一個(gè)具體運(yùn)用是該采用基于第一個(gè)方法制造的傳感器還是第二個(gè)方法制造的傳感器時(shí)，這些因素都必須考慮到。
基于上面公布的發(fā)明對于熟練這方面的人來說，以下事實(shí)將會(huì)變得更明顯，在實(shí)踐中可以對此發(fā)明作許多變更和修正而不會(huì)偏離此發(fā)明的精髓和范圍。例如，屏幕上平行，縱向?qū)R，透輻射的狹長縫或針孔可以采用任意狹長縫或針孔的組合來代替。這些孔/縫排只需要互相分開，而且屏幕與輻射感應(yīng)元件對齊，以使得它們能夠投射出所需要的“被感應(yīng)點(diǎn)”用于確定所需要的角度信息。在以下的專利權(quán)項(xiàng)中，具有所需要的狹長縫和/或針孔組的屏幕被特定為具有平行復(fù)數(shù)組的孔/縫排，每一排孔/縫具有一個(gè)或多個(gè)縱向?qū)R，寬度狹窄的孔/縫。因此，本發(fā)明的范圍是建立在以下所定義的聲明之上。
權(quán)利要求
1.一種用于確定一個(gè)幅射源(5)相對于傳感器的一個(gè)一維角度方位座標(biāo)的傳感器，該傳感器具有一個(gè)輻射敏感元件(1)用于當(dāng)輻射入射于該元件上時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與入射輻射相應(yīng)的電訊號，以及一個(gè)安裝于所述元件和輻射源之間的不透輻射屏幕(3)，該傳感器具有以下的特征(a)屏幕上具有第一復(fù)數(shù)組的平行孔/縫排，每一排孔/縫具有一個(gè)或多個(gè)縱向?qū)R的、寬度狹窄的孔/縫(4)；(b)這些孔/縫排相互分開，敏感元件與屏幕對齊，使得當(dāng)所述源在傳感器所設(shè)計(jì)操作范圍內(nèi)時(shí)，從所述源發(fā)出而通過至少一排孔/縫的輻射線能同時(shí)入射到所述元件上的至少兩個(gè)獨(dú)立輻射敏感器(8A,8B)；以及，(c)這些點(diǎn)與所述孔/縫排組中的所述一排孔/縫相隔不同的距離。
2.如申請專利范圍第1項(xiàng)所述的傳感器，其中的孔/縫排組位于第一個(gè)平面。
3.如申請專利范圍第2項(xiàng)所述的傳感器，其中的孔/縫排相隔相等的間距離。
4.如申請專利范圍第1項(xiàng)所述的傳感器，其中所述的平行孔/縫排位于一個(gè)對稱而由直線圍成的曲面里，此曲面與一復(fù)數(shù)組平面相垂直，這些平面從所述敏感元件上的至少一個(gè)輻射敏感點(diǎn)延伸過所述孔/縫排。
5.如申請專利范圍第4項(xiàng)所述的傳感器，其中(a)所述的曲面是半圓柱狀，以及(b)在曲面上相鄰孔/縫排之間的間距離和沿著曲面相鄰孔/縫排與曲面上一個(gè)弧心間的距離成反比。
6.如申請專利范圍第1項(xiàng)所述的傳感器，其中所述輻射源是一個(gè)點(diǎn)光源，所述輻射敏感元件是一個(gè)位置敏感光電傳感器。
7.如申請專利范圍第1項(xiàng)所述的傳感器，其中(a)所述輻射敏感元件包含第一組(PSD1,PSD2)和第二組(PSD3；PSD4)輻射敏感片，它們分別沿分開的與屏幕不相交的平面延伸，并且(b)至少一個(gè)所述的輻射點(diǎn)是在第一組輻射敏感片上和至少一個(gè)所述的輻射點(diǎn)是在第二組輻射敏感片上。
8.如申請專利范圍第1項(xiàng)所述的傳感器，之內(nèi)的輻射敏感元件位于一個(gè)平面(2)上，該平面繞著一條與孔/縫排成垂直的軸與孔/縫排相對傾斜。
9.如申請專利范圍第8項(xiàng)所述的傳感器，其中(a)所述輻射敏感元件包含第一個(gè)和第二個(gè)不相交的輻射敏感片，以及(b)至少一個(gè)所述點(diǎn)是在所述第一個(gè)片段上和至少一個(gè)所述點(diǎn)是在所述第二個(gè)片段上。
10.如申請專利范圍第7項(xiàng)所述的傳感器，其之內(nèi)所述平行孔/縫排位于一個(gè)對稱的由直線圍成的曲面里，該曲面與一復(fù)數(shù)組的平面相垂直，所述平面從所述元件上的至少一個(gè)輻射敏感點(diǎn)穿過所述孔/縫排而延伸。
11.如申請專利范圍第10項(xiàng)所述的傳感器，其之內(nèi)所述曲面上的相鄰孔/縫排之間的間距離和沿著所述曲面上所述相鄰孔/縫排與所述曲面上一個(gè)弧心之間的間距離成反比。
12.一個(gè)用于確定一個(gè)輻射源(5)相對于傳感器的一個(gè)一維角度方位座標(biāo)的傳感器，該傳感器具有一個(gè)輻射敏感元件(1)，當(dāng)輻射入射于該元件上時(shí)，它能產(chǎn)生一個(gè)與入射輻射相應(yīng)的電訊號，一個(gè)安裝于敏感元件和輻射源之間的不透輻射屏幕(3)，以及具有高折射率的蓋(30)，該傳感器具有以下的特征(a)所述屏幕具有第一復(fù)數(shù)組的平行孔/縫排，每一排孔/縫具有一個(gè)或多個(gè)縱向?qū)R的，寬度狹窄的孔/縫(4)；(b)所述的蓋覆蓋所述元件的至少一部份；(c)所述元件位于與一個(gè)所述孔/縫排相平行的平面內(nèi)，并與所述屏幕分開。(d)所述元件和蓋與所述屏幕相對齊，使得當(dāng)所述源在所述傳感器所設(shè)計(jì)操作范圍內(nèi)時(shí)，從所述源發(fā)出而通過至少一個(gè)所述孔/縫排的輻射/線能同時(shí)入射到所述元件上的至少兩個(gè)獨(dú)立輻射敏感點(diǎn)；(e)至少一個(gè)所述的點(diǎn)是在所述蓋的下面，并且至少一個(gè)所述的點(diǎn)是不在所述蓋的下面。
13.如申請專利范圍第12項(xiàng)所述的傳感器，其之內(nèi)所述平行孔/縫排位于一個(gè)對稱的，由直線圍成的曲面里，該曲面與一復(fù)數(shù)組的平面相垂直，所述平面從所述元件上的至少一個(gè)輻射敏感點(diǎn)穿過所述孔/縫排而延伸。
14.如申請專利范圍第13項(xiàng)所述的傳感器，其之內(nèi)所述的相鄰孔/縫排之間的間距離和沿著所述曲面上所述相鄰孔/縫排與所述曲面上一個(gè)弧心之間的間距離成反比。
15.一個(gè)用于確定一個(gè)輻射源(5)相對于傳感器的兩個(gè)一維角度方位座標(biāo)的傳感器，該傳感器具有一個(gè)輻射敏感元件(1)，當(dāng)輻射入射于該元件上時(shí)，它能產(chǎn)生一個(gè)與入射輻射相應(yīng)的電訊號，一個(gè)安裝于所述元件和所述輻射源之間的不透輻射屏幕(3’)，所述傳感器具有以下的特征(a)所述的屏幕具有第一復(fù)數(shù)組平行孔/縫排，每排孔/縫具有一個(gè)或多個(gè)縱向?qū)R，寬度狹窄的孔/縫(4’)排列在所述第一個(gè)平面上，和第二復(fù)數(shù)組平行孔/縫排，每排孔/縫具有一個(gè)或多個(gè)縱向?qū)R，寬度狹窄的孔/縫(4”)排列在所述第一個(gè)平面上，并與所述第一復(fù)數(shù)組孔/縫排相垂直；(b)所述元件位于所述第二個(gè)平面上，所述平面繞著一條和所述第一復(fù)數(shù)組孔/縫排成垂直的軸(45)與所述第一個(gè)平面相對傾斜，并同時(shí)繞著一條和所述第二復(fù)數(shù)組孔/縫排成垂直的軸(46)也與所述第一個(gè)平面相對傾斜；(c)所述第一復(fù)數(shù)組孔/縫排之間相互間隔，所述第二復(fù)數(shù)組平行孔/縫排之間相互間隔，而且所述元件與所述屏幕相對齊，以致(ⅰ)當(dāng)所述源在所述傳感器所設(shè)計(jì)操作范圍內(nèi)時(shí)，從所述源發(fā)出的輻射通過所述第一復(fù)數(shù)組孔/縫排中的至少一排孔/縫能同時(shí)入射到所述元件上的至少兩個(gè)獨(dú)立輻射敏感第一組點(diǎn)；(ⅱ)輻射源在所述傳感器所設(shè)計(jì)操作范圍內(nèi)時(shí)，從所述源發(fā)射出的輻射通過所述的第二復(fù)數(shù)組平行孔/縫排中至少一排孔/縫能同時(shí)入射到所述元件上至少兩個(gè)獨(dú)立輻射敏感第二點(diǎn)組；(d)所述第一組點(diǎn)內(nèi)的點(diǎn)與第一復(fù)數(shù)組孔/縫排中的所述一排分隔不同的距離；(e)所述第二組點(diǎn)內(nèi)的點(diǎn)與第二復(fù)數(shù)組孔/縫排中的所述一排分隔不同的距離。
16.一個(gè)用于確定一個(gè)輻射源(5)相對于傳感器的兩個(gè)一維角度方位座標(biāo)的傳感器，該傳感器具有一個(gè)輻射敏感元件(1)，當(dāng)輻射入射于該元件上時(shí)，它能產(chǎn)生一個(gè)與入射輻入射相應(yīng)的電訊號，和一個(gè)安裝于所述元件和所述源之間的不透輻射屏幕(3”)，所述傳感器具有以下的特征(a)所述的元件位于第一個(gè)平面(15)內(nèi)，此平面被相互垂直的第一和第二軸抽象地分割成四個(gè)面形；(b)所述屏幕具有第一復(fù)數(shù)組平行孔/縫排位于第二個(gè)平面里，每排孔/縫含有一個(gè)或多個(gè)縱向?qū)R，寬度狹窄的孔/縫并與第一軸平行，也具有與所述第一復(fù)數(shù)組孔/縫排垂直延伸的第二復(fù)數(shù)組平行孔/縫排，每排孔/縫具有一個(gè)或多個(gè)縱向?qū)R，寬度狹窄的孔/縫；(c)一個(gè)高折射率的蓋子(50)至少覆蓋所述面形中的一個(gè)；其中(ⅰ)所述第一個(gè)和第二個(gè)平面互相平行；(ⅱ)所述第一復(fù)數(shù)組孔/縫排之間相互間隔，而所述元件與所述屏幕對齊，以至與所述源在傳感器所設(shè)計(jì)操作范圍內(nèi)時(shí)，從所述源發(fā)出的輻射通過所述第一復(fù)數(shù)組孔/縫排中的至少一排孔/縫能同時(shí)入射到所述元件上的至少兩個(gè)獨(dú)立輻射敏感第一組點(diǎn)，并且至少一個(gè)所述第一組點(diǎn)在所述蓋子之下，和至少一個(gè)所述第一組點(diǎn)不在所述蓋子之下；以及(ⅲ)所述第二復(fù)數(shù)組孔/縫排之間相互間隔，而所述的元件與所述屏幕對齊，以至與所述源在傳感器所設(shè)計(jì)操作范圍內(nèi)時(shí)，從源發(fā)出的輻射通過所述的第二復(fù)數(shù)組孔/縫排中的至少一排孔/縫能同時(shí)入射到所述元件上至少兩個(gè)獨(dú)立輻射敏感第二組點(diǎn)，并且至少一個(gè)所述第二組點(diǎn)在所述的蓋子之下，和至少一個(gè)所述第二組點(diǎn)不在所述蓋子之下。
17.一個(gè)用于確定一個(gè)輻射源(5)相對于傳感器的兩個(gè)一維角度方位座標(biāo)的傳感器，所述傳感器具有以下的特征(a)所述第一個(gè)和第二個(gè)輻射敏感元件分別位于第一個(gè)和第二個(gè)互不交叉的平面上，所述元件分別產(chǎn)生與入射輻射相應(yīng)的電訊號；(b)一個(gè)安裝于所述元件和所述輻射源之間的不透輻射屏幕(3’)，所述的屏幕具有第一復(fù)數(shù)組平行孔/縫排，每排孔/縫具有一個(gè)或多個(gè)縱向?qū)R，寬度狹窄的孔/縫(4’)排列在不與第一個(gè)或第二個(gè)平面交叉的第三個(gè)平面上，也具有第二復(fù)數(shù)組平行孔/縫排，每排孔/縫具有一個(gè)或多個(gè)縱向?qū)R，寬度狹窄的孔/縫(4”)排列在第三個(gè)平面上，并與所述第一復(fù)數(shù)組孔/縫排相垂直；其中(ⅰ)所述第一個(gè)和第二個(gè)平面分別以不同的距離與所述第三個(gè)平面隔開；(ⅱ)所述第一復(fù)數(shù)組孔/縫排之間相互間隔，而所述元件相對于屏幕對齊，以至當(dāng)所述源在傳感器所設(shè)計(jì)操作范圍內(nèi)時(shí)，從源發(fā)出的輻射通過所述第一復(fù)數(shù)組孔/縫排中至少一排孔/縫能同時(shí)入射到所述元件上至少兩個(gè)獨(dú)立輻射敏感第一組點(diǎn)，而且至少一個(gè)所述第一組點(diǎn)在所述第一元件上，至少一個(gè)所述第一組點(diǎn)在所述第二元件上；以及，(ⅲ)所述第二復(fù)數(shù)組孔/縫排之間相互間隔，而所述元件相對于屏幕對齊，以至當(dāng)所述源在傳感器所設(shè)計(jì)操作范圍內(nèi)時(shí)，從源發(fā)出的輻射通過所述第二復(fù)數(shù)組孔/縫排中至少一排孔/縫能同時(shí)入射到所述元件上至少兩個(gè)獨(dú)立輻射敏感第二組點(diǎn)，而且至少一個(gè)所述第二組點(diǎn)在所述第一元件上，至少一個(gè)所述第二組點(diǎn)在所述第二元件上。
18．一個(gè)用于確定一個(gè)輻射源(5)相對于傳感器的一個(gè)一維角度方位座標(biāo)的傳感器，所述傳感器具有位于第一個(gè)平面上的輻射敏感元件(1)，當(dāng)輻射入射于所述元件上時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與入射輻射相應(yīng)的電訊號，以及一個(gè)安裝于所述元件和所述源之間的不透輻射屏幕(3)，所述傳感器的特征是位于第二個(gè)平面的所述屏幕具有一復(fù)數(shù)組平行孔/縫排，每排孔/縫具有一個(gè)或多個(gè)縱向?qū)R，寬度狹窄的孔/縫(A(i))，其中(a)所述第一個(gè)平面與所述孔/縫排平行；(b)所述的元件與所述屏幕對齊，而且相鄰的所述孔/縫排相隔，以至當(dāng)所述源在所述傳感器所設(shè)計(jì)操作范圍內(nèi)時(shí)，從所述源發(fā)出的輻射通過所述孔/縫排中至少三相鄰排能同時(shí)入射到所述元件上至少三個(gè)獨(dú)立輻射敏感點(diǎn)；(c)由任何所述三相鄰排求得的以下距離間的比例而且(ⅰ)所述三排中的第一外側(cè)與中間排的間距離(S(i-1))；(ⅱ)所述三排中的第二外側(cè)與所述中間排的間距離(S(i))；都與由任何其它三相鄰排求得的所述比例不相同。
19.一個(gè)用于確定一個(gè)輻射源(5)相對于傳感器的兩個(gè)一維角度方位座標(biāo)的傳感器，所述傳感器具有位于第一個(gè)平面上的輻射敏感元件(1)，當(dāng)輻射入射于所述元件上時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與入射輻射相應(yīng)的電訊號，以及一個(gè)安裝于所述元件和所述源之間的不透輻射屏幕(3)，所述傳感器的特征是所述屏幕具有第一復(fù)數(shù)組平行孔/縫排，每排孔/縫具有一個(gè)或多個(gè)縱向?qū)R，寬度狹窄的孔/縫(A(j))位于第一個(gè)平面里，和第二復(fù)數(shù)組平行孔/縫排，每排孔/縫具有一個(gè)或多個(gè)縱向?qū)R，寬度狹窄的孔/縫(B(j))位于所述第一個(gè)平面里，并與所述第一組孔/縫排相互垂直延伸；其中(a)所述第一個(gè)平面與第二個(gè)平面平行；(b)所述元件與所述屏幕對齊，而且相鄰的所述第一復(fù)數(shù)組孔/縫排間相隔，以至當(dāng)所述源在所述傳感器所設(shè)計(jì)操作范圍內(nèi)時(shí)，從所述源發(fā)出的輻射通過所述第一復(fù)數(shù)組孔/縫排中至少三相鄰排能同時(shí)入射到所述元件上至少三個(gè)獨(dú)立輻射敏感點(diǎn)；(c)所述元件與所述屏幕更加調(diào)整對齊，而且相鄰的所述第二復(fù)數(shù)組孔/縫排間相隔，以至當(dāng)所述源在所述傳感器所設(shè)計(jì)操作范圍內(nèi)時(shí)，從所述源發(fā)出的輻射通過所述第二復(fù)數(shù)組孔/縫排中至少三相鄰排能同時(shí)入射到所述元件上至少三個(gè)獨(dú)立輻射敏感點(diǎn)；(d)由所述第一復(fù)數(shù)組孔/縫排中任何三相鄰排求得的以下距離間的比例(ⅰ)所述三相鄰第一復(fù)數(shù)組排中的第一外側(cè)與中間排的間距離(Si-1))；(ⅱ)所述三相鄰第一復(fù)數(shù)組排中的第二外側(cè)與所述中間排的間距離(S(i))；都與由任何其它三相鄰第一復(fù)數(shù)組排求得的所述比例不相同；以及(e)由所述第二復(fù)數(shù)組孔/縫排中任何三相鄰排求得的以下距離間的比例(ⅰ)所述三相鄰第二復(fù)數(shù)組排中的第一外側(cè)與中間排的間距離W(j-1))；所述三相鄰第二復(fù)數(shù)組排中的第二外側(cè)與所述中間排的間距離W(j))；都與由任何其它三相鄰第二復(fù)數(shù)組排求得的所述比例不相同。
20.一個(gè)由一復(fù)數(shù)組平行孔/縫排中識別出一特殊排的方法，所述孔/縫排位于一個(gè)隔開一輻射源(5)與一參考平面(15)的不透幅射屏幕(3)里，每排孔/縫具有一個(gè)或多個(gè)縱向?qū)R，寬度狹窄的孔/縫(4)，從所述源發(fā)出的輻射通過所述特殊排入射到一個(gè)位于所述屏幕與所述參考平面間的一個(gè)輻射敏感元件(1)上的至少兩個(gè)獨(dú)立輻射敏感點(diǎn)(8A,8B)，所述兩點(diǎn)與所述參考平面間隔不同的距離，所述識別方法的特征步驟如下(a)為每一排所述孔/縫，預(yù)先測定一個(gè)由所述源發(fā)出的輻射通過所述一排孔/縫就會(huì)入射到所述元件上的角度范圍；(b)為任何兩個(gè)所述的點(diǎn)(ⅰ)推算出角度θ=arctan(SID/HT)，式中SID是和參考平面平行而與所述孔/縫排相垂直方向的點(diǎn)間距離向量，HT是與參考平面相垂直方向的點(diǎn)間距離向量；(ⅱ)將推算出的角度θ與所述預(yù)定的角度范圍作比較；然后，(ⅲ)選擇那排其預(yù)定角度范圍包含所述推算出之角度θ的孔/縫為那所述的特殊排，經(jīng)過它后由所述源發(fā)射出的輻射才入射到所述元件上。
21，一個(gè)由一復(fù)數(shù)組平行孔/縫排中識別出一特殊排的方法，所述孔/縫排位于一個(gè)隔開一輻射源(5)與一參考平面(15)的不透輻射屏幕(3)里，每排孔/縫具有一個(gè)或多個(gè)縱向?qū)R，寬度狹窄的孔/縫(4)，從所述源發(fā)出的輻射通過所述特殊排發(fā)射到一個(gè)位于所述屏幕與所述參考平面間的一個(gè)輻射敏感元件(1)上的至少兩個(gè)獨(dú)立輻射敏感點(diǎn)(8A,8B)，所述兩點(diǎn)與所述參考平面間隔不同的距離，所述識別方法的特征步驟如下(a)為每一排所述孔/縫，預(yù)先測定一個(gè)方向與所述參考平面平行，與所述孔/縫排成垂直，而由所述源發(fā)出的輻射通過所述一排孔/縫就會(huì)入射到所述元件上的距離向量范圍；(b)為任何兩個(gè)所述的點(diǎn)(ⅰ)推算出方向上與所述參考平面平行而與所述孔/縫排相垂直的所述點(diǎn)間的距離向量(SID)；(ⅱ)將所述推算出的距離向量與所述預(yù)定的范圍值作比較；然后(c)選擇那排其預(yù)定范圍值包含所述推算出之距離向量的孔/縫為那所述的特殊排，經(jīng)過它后由所述源發(fā)射出的輻射才入射到所述元件上。
22．一個(gè)由一復(fù)數(shù)組不行孔/縫排(S(i))中識別出三特殊排的方法，所述孔/縫排位于一個(gè)隔開一輻射源(5)與一參考平面的不透輻射屏幕里，每排孔/縫具有一個(gè)或多個(gè)縱向?qū)R，寬度狹窄的孔/縫，從所述源發(fā)出的輻射通過所述特殊排入射到位于所述屏幕與所述參考平面間的一個(gè)輻射敏感元件(1)上的至少第一，第二和第三個(gè)獨(dú)立輻射敏感點(diǎn)，所述屏幕的設(shè)計(jì)使得由任何三相鄰排求得的以下預(yù)定距離間的比例(ⅰ)所述三相鄰排中的第一外側(cè)與中間排的間距離(S(i-1))；(ⅱ)所述三相鄰排中的第二外側(cè)與中間排的間距離(S(i))的比例；都與任何其它三相鄰的所述比例不相同；所述識別方法的特征步驟如下(a)測定那方向上與所述參考平面平行且與所述孔/縫排的一條縱向軸成垂直的所述第一和第二點(diǎn)之間的距離D1-2；(b)測定那方向上與所述參考平面平行且與所述孔/縫排的一條縱向軸成垂直的所述第二和第三點(diǎn)之間的距離D2-3；(c)推導(dǎo)距離恍例R=D1-2/D2-3；(d)選擇其所述預(yù)定的比例與所述推算出的比例R最接近的三相鄰排為那所述的三特殊排，經(jīng)過它們后由源發(fā)射出的輻射才入射到所述元件上。
全文摘要
一個(gè)用來測量輻射源(5)相對測量器間角度方位的一個(gè)一維坐標(biāo)測量器,該測量器具有一個(gè)輻射敏感元件(1)用于當(dāng)輻射入射于該元件上時(shí)產(chǎn)生一個(gè)與入射輻射相應(yīng)的電訊號,在元件與輻射源之間裝有一個(gè)不透輻射屏幕(3)。在屏幕里有第一復(fù)數(shù)組平行的狹長縫(4),縫與縫間隔開,元件與屏幕相對排列,以致當(dāng)源在測量器操作范圍內(nèi)時(shí),由源發(fā)出經(jīng)至少一條長縫所過的輻射線,同時(shí)射到元件上的至少兩個(gè)獨(dú)立輻射敏感點(diǎn)(8A,8B);而這些點(diǎn)與那條長縫間隔不同的距離。
文檔編號G01S3/781GK1220731SQ97195163
公開日1999年6月23日 申請日期1997年4月4日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月3日
發(fā)明者克理士·健行·馬 申請人:克理士·健行·馬