專利名稱：用于光編碼器的位置傳感器和電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電子電路，更具體地說(shuō)，涉及構(gòu)成在線性或旋轉(zhuǎn)編碼器中用于分別測(cè)量線位移或角位移的傳感器部件的一部分的光電子電路。
背景技術(shù)：
一般在這種編碼器中，安排了一個(gè)或一個(gè)以上固定的電磁輻射源(EMR)以照亮刻度平面或柱面?？潭让嫔系臉?biāo)記包括對(duì)EMR的高反射率和低反射率(或者說(shuō)，高和低傳輸率)的區(qū)域，并且安排EMR的反射(或被透射)分量照射在固定的光電傳感器上，后者檢測(cè)入射的EMR隨時(shí)間變化或空間上分布的強(qiáng)度輻射圖，并且由此提供對(duì)刻度面的相位位置的測(cè)量?，F(xiàn)在，“反射”和“透射”這兩種編碼器方案都常用于工業(yè)和消費(fèi)類產(chǎn)品中用來(lái)測(cè)量線或角位移，但是后一種方案更普遍。
設(shè)置在這種編碼器中的光電傳感器一般采用四個(gè)光電二極管并且用一種本領(lǐng)域中眾所周知的“正交內(nèi)插”方法以將位置測(cè)量分辨率提高到遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)編碼器的各個(gè)刻度平面或柱面上的標(biāo)記的間距。在美國(guó)專利4,410,798(Breslow)和5,235,181(Durana et al.)中描述了各種實(shí)施例，其中測(cè)量分辨率被提高到高于標(biāo)記間距的許多倍，并受到標(biāo)記間距、寬度和邊緣質(zhì)量的精度、提供正交信號(hào)的光電二極管的位置精度和這些光電二極管的信噪比的限制。這些系統(tǒng)的缺點(diǎn)是，為了提供微米級(jí)的測(cè)量精度，需要非常高質(zhì)量的元件、“微米精度”的機(jī)械和組裝公差、以及高質(zhì)量的標(biāo)記。作為一個(gè)實(shí)例，在上面兩個(gè)先有技術(shù)專利中，正交信號(hào)的相位誤差等于分離的光電二極管探測(cè)器的位置誤差，加上標(biāo)記的位置誤差，加上由電氣和光學(xué)噪聲、探測(cè)器的失配和信號(hào)處理系統(tǒng)中的其他元件所引起的誤差。
按照本發(fā)明的電子電路力圖通過(guò)以下方法克服這些缺點(diǎn)中的一些，其方法是經(jīng)由具有多個(gè)光電二極管探測(cè)器的一個(gè)或一個(gè)以上陣列的光電傳感器對(duì)入射的EMR進(jìn)行擴(kuò)大過(guò)采樣，光電二極管探測(cè)器的每個(gè)陣列同時(shí)跨過(guò)照射在所述陣列上的入射的EMR的輻射圖的許多節(jié)距。在本文中，輻射圖的“節(jié)距”被定義為照射在所述探測(cè)器陣列上的入射EMR的輻射圖的相鄰的最大EMR強(qiáng)度的區(qū)域之間的距離，并且它直接涉及反射EMR(對(duì)于反射編碼器)或從中透射EMR(對(duì)于透射編碼器)的刻度面上標(biāo)記的間距。結(jié)果，測(cè)量精度高于陣列中任何單個(gè)探測(cè)器的位置精度、并且實(shí)際上是單個(gè)輻射圖節(jié)距的位置精度。作為結(jié)果的正交對(duì)信號(hào)的位置精度不是由機(jī)械和組裝公差，而是由用于制造光電二極管陣列的“超大規(guī)模集成電路”(VLSI)處理過(guò)程的位置精度來(lái)確定的，并且經(jīng)濟(jì)地利用現(xiàn)今的硅制造工藝可以低至0.1μm。按照本發(fā)明，用于編碼器傳感器部件的光電子電路不依賴于使用制造編碼器的昂貴且高度精確的標(biāo)記工藝，并且能容許在編碼器的刻度面上局部的缺陷、甚至損壞或整個(gè)失去標(biāo)記面。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種包括精度較低(因而更低成本)的元件的非常精密的光電相對(duì)位置測(cè)量電路。采用按照本發(fā)明的光電子電路的編碼器的傳感器部件，一般將具有高于刻度面上、其相對(duì)位置要被測(cè)量的標(biāo)記的間距100倍的分辨率、高于光電二極管探測(cè)器陣列的間距10倍的分辨率，以及高于陣列中各個(gè)探測(cè)器中任何一個(gè)的位置精度的10倍的測(cè)量精度。
對(duì)照射在陣列上的入射EMR輻射圖的擴(kuò)大過(guò)取樣，以及在光電子電路內(nèi)大規(guī)模并行集中運(yùn)算，導(dǎo)致相對(duì)位置測(cè)量精度由探測(cè)器陣列的間距精度來(lái)確定，而不是由編碼器標(biāo)記刻度的間距精度來(lái)限制。另外，通過(guò)測(cè)量入射EMR輻射圖的許多節(jié)距，相對(duì)位置測(cè)量的精度理論上是入射EMR輻射圖的任何一個(gè)節(jié)距的位置精度的 倍。其中np是由探測(cè)器陣列采樣的輻射圖節(jié)距數(shù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是它不需要昂貴的刻度標(biāo)記處理以在傳感器部件的相對(duì)位置測(cè)量中獲得“亞微米”的分辨率。而且，假定模擬(例如光電二極管)探測(cè)器被用于陣列中，測(cè)量技術(shù)提供亞像素的分辨率，并且可以經(jīng)濟(jì)地提供比探測(cè)器陣列間距的分辨率高10-100倍的分辨率。相對(duì)位置測(cè)量的信噪比一般大于各個(gè)探測(cè)器的信噪比的 倍，其中 是陣列中的探測(cè)器數(shù)。這是一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橛矛F(xiàn)在的VLSI硅制造工藝，可以在單個(gè)芯片上經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)包含成千上萬(wàn)的探測(cè)器的一個(gè)或一個(gè)以上的陣列。
相對(duì)位置測(cè)量所需的計(jì)算主要是內(nèi)積運(yùn)算，它是由電容電路高效執(zhí)行的。按照本發(fā)明的電容相關(guān)器電路在大規(guī)模并行單次運(yùn)算中執(zhí)行必要的計(jì)算，獲得可能的最高處理速度和因而最少的處理時(shí)間。計(jì)算精度與電容相關(guān)器電路內(nèi)的電容器的精度有關(guān)，電容相關(guān)器電路是最好的受控參數(shù)VLSI電路，它為這類電路結(jié)構(gòu)提供最高面積效率的解法。而且大規(guī)模并行、模擬內(nèi)積計(jì)算塊使執(zhí)行計(jì)算所需的能量最小化，它需要小到相應(yīng)的數(shù)字微處理器解法的功率耗散的0.1％。
按照本發(fā)明的電子電路適合于在對(duì)應(yīng)于入射EMR輻射圖的一節(jié)距的范圍上的非常高分辨率的相對(duì)位置測(cè)量。為了獲得高分辨率的在這一節(jié)距范圍上擴(kuò)展的絕對(duì)位置測(cè)量，可以與簡(jiǎn)單、較低分辨率的絕對(duì)條碼測(cè)量技術(shù)結(jié)合來(lái)使用該電路。例如，可以利用對(duì)于這些刻度可變寬度的標(biāo)記(例如，二元薄/厚標(biāo)記)來(lái)加密刻度標(biāo)記，或者，可以采用在編碼器中的平面或柱面上分開(kāi)的條碼標(biāo)記刻度。在工業(yè)中和消費(fèi)類產(chǎn)品中普遍用到許多不同的條碼標(biāo)記加密技術(shù)。
發(fā)明概述本發(fā)明在于一種含有縱向設(shè)置的電磁輻射(EMR)探測(cè)器陣列、兩個(gè)或兩個(gè)以上相關(guān)器單元、和相角計(jì)算單元的電子電路，所述電路能夠測(cè)量照射在探測(cè)器陣列上的入射EMR的空間上周期性的強(qiáng)度輻射圖的相對(duì)位置，其特征在于，所述EMR探測(cè)器陣列的間距安排成小于入射EMR的空間上周期性的強(qiáng)度輻射圖的節(jié)距，每個(gè)相關(guān)器單元包括連接至緩沖器的電容器陣列，每個(gè)探測(cè)器具有取決于照射在該探測(cè)器上的入射EMR的輸出，所述輸出被傳遞給所述兩個(gè)或兩個(gè)以上相關(guān)器單元的每個(gè)中一個(gè)或一個(gè)以上的電容器，所述一個(gè)或一個(gè)以上的電容器的電容量確定對(duì)于與各個(gè)相關(guān)器單元有關(guān)的探測(cè)器的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)的大小被安排成在沿著陣列長(zhǎng)度的縱向上、按照預(yù)定的周期加權(quán)函數(shù)周期性地變化，每個(gè)相關(guān)器單元按照各自對(duì)其相關(guān)器單元的預(yù)定的周期加權(quán)函數(shù)、模擬計(jì)算各個(gè)探測(cè)器輸出的加權(quán)和，并且在其各自的緩沖器輸出這個(gè)加權(quán)和的模擬表示，兩個(gè)或兩個(gè)以上相關(guān)器單元的加權(quán)函數(shù)相互偏移一個(gè)預(yù)定的相角，相角計(jì)算單元連接到每個(gè)相關(guān)器單元的緩沖器，并且能夠計(jì)算入射EMR的空間周期強(qiáng)度輻射圖的相對(duì)相角，以及由此把其相對(duì)位置表達(dá)成輻射圖的相對(duì)相角。
最好是，每個(gè)相關(guān)器單元的每個(gè)電容器陣列包括第一和第二電容器子陣，每個(gè)電容器子陣包括公共極板和多個(gè)上極板，第一電容器子陣的公共極板連接到相關(guān)器單元的緩沖器的正輸入端，第二個(gè)電容器子陣的公共極板連接到相關(guān)器單元的緩沖器的負(fù)輸入端，并且每個(gè)探測(cè)器連接到相關(guān)器單元的第一電容器子陣的各個(gè)電容器的上極板和相關(guān)器單元的第二電容器子陣的各個(gè)電容器的上極板。
最好是，每個(gè)探測(cè)器的輸出是電壓，所述探測(cè)器電壓輸出經(jīng)開(kāi)關(guān)陣列作為輸入加在兩個(gè)或兩個(gè)以上相關(guān)器單元中每個(gè)的第一和第二電容器子陣中每個(gè)的各個(gè)電容器上，每個(gè)開(kāi)關(guān)具有至少兩種狀態(tài)，后者包括其中各個(gè)電容器上極板被接上基準(zhǔn)電壓并且緩沖器輸出被設(shè)為零的校準(zhǔn)狀態(tài)，以及其中各個(gè)電容器上極板被接上探測(cè)器輸出電壓的功能狀態(tài)。
最好是，對(duì)于每個(gè)相關(guān)器單元，加在第一電容器子陣的電容器上的輸入等于加在第二電容器陣列的電容器上的輸入，所述輸入包括從預(yù)定的基準(zhǔn)電壓到各個(gè)探測(cè)器輸出電壓的電壓躍遷，并且因而對(duì)于與各個(gè)相關(guān)器單元有關(guān)的每個(gè)探測(cè)器的相關(guān)系數(shù)是各個(gè)第一與第二電容器子陣的電容器的電容量的差值。
或者，最好是，對(duì)于每個(gè)相關(guān)器單元，如果對(duì)第一電容器子陣的給定電容器的輸入是從預(yù)定基準(zhǔn)電壓至各個(gè)探測(cè)器輸出電壓的電壓躍變，而對(duì)第二電容器子陣的各個(gè)電容器的輸入是從各個(gè)探測(cè)器輸出電壓至預(yù)定基準(zhǔn)電壓的電壓躍變，則產(chǎn)生正的相關(guān)系數(shù)；如果對(duì)第一電容器子陣的給定電容器的輸入是從各個(gè)探測(cè)器輸出電壓至預(yù)定基準(zhǔn)電壓的電壓躍變，而對(duì)第二電容器子陣的各個(gè)電容器的輸入是從預(yù)定基準(zhǔn)電壓至各個(gè)探測(cè)器輸出電壓的電壓躍變，則產(chǎn)生負(fù)的相關(guān)系數(shù)；并且因而相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值是各個(gè)第一和第二電容器子陣的電容器的電容量的和。
所述電子電路最好包括兩個(gè)相關(guān)器單元。
最好是，相關(guān)系數(shù)隨子陣長(zhǎng)度按正弦變化，具有與入射EMR的空間周期強(qiáng)度輻射圖的節(jié)距相等的節(jié)距，第一相關(guān)器單元具有零度的相角而且計(jì)算探測(cè)器輸出的正弦加權(quán)和，而第二相關(guān)器單元具有90度的相角而且計(jì)算探測(cè)器輸出的余弦加權(quán)和。
最好是，這些電容器上極板具有沿陣列縱向測(cè)量的相等寬度和垂直于這個(gè)方向測(cè)量的可變長(zhǎng)度。
或者，最好是電容器上極板具有相等長(zhǎng)度和可變寬度。
最好是，把探測(cè)器陣列的間距和每個(gè)相關(guān)器單元的加權(quán)函數(shù)這樣安排使得每個(gè)加權(quán)函數(shù)在陣列的不同的相鄰的探測(cè)器對(duì)之間為零。
最好是，把每個(gè)相關(guān)器單元的加權(quán)函數(shù)的節(jié)距設(shè)置成等于入射EMR的空間周期強(qiáng)度輻射圖的節(jié)距。
所述電子電路最好是集成電路。


圖1是按照本發(fā)明的電子電路的最佳實(shí)施例的方框圖；圖2是圖1所示的電子電路的示意的配置圖；圖3a是圖1所示的電子電路的探測(cè)器輸出的曲線圖；圖3b是圖1所示的電子電路的正弦相關(guān)器單元的相關(guān)系數(shù)的曲線圖；圖3c是圖1所示的電子電路的余弦相關(guān)器單元的相關(guān)系數(shù)的曲線圖；圖4是圖1所示的電子電路的正弦和余弦相關(guān)器單元的相對(duì)位置(或相對(duì)相位α)的計(jì)算的圖形表示；圖5是圖1所示的電子電路中所用類型的電容相關(guān)器單元的電路示意圖；圖6是用于加權(quán)函數(shù)的抽樣策略的圖形表示；圖7是使用窗口技術(shù)改進(jìn)的加權(quán)函數(shù)的抽樣策略的圖形表示；圖8是盡管照射在探測(cè)器陣列上的入射EMR的輻射圖質(zhì)量相對(duì)差一些，且在各個(gè)反射編碼器的刻度面上各個(gè)標(biāo)記邊緣的位置精度低(10μm)，按照本發(fā)明獲得“亞微米”的測(cè)量分辨率(一般為0.01μm)和精度(一般為0.1μm)的圖像的示例。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的方式參照?qǐng)D1和圖2，所述電子電路被表示成專用集成電路(ASIC)的形式而且包括EMR探測(cè)器陣列1、正弦相關(guān)器單元2、余弦相關(guān)器單元3和反正切計(jì)算單元4。陣列1包括多個(gè)相同的EMR敏感光電二極管探測(cè)器11，后者中的每個(gè)具有與照射在各個(gè)探測(cè)器上的入射EMR的強(qiáng)度成比例的模擬電壓輸出。把“陣列下標(biāo)”50表示成在陣列1的左端從1開(kāi)始，并且在陣列1的右端增大至“n”。
相同的陣列下標(biāo)約定用在正弦相關(guān)器單元2和余弦相關(guān)器單元3兩者的正電容器的電容器子陣12和負(fù)電容器的電容器子陣13上。每個(gè)相關(guān)器單元的緩沖器14以一的電壓增益緩沖各個(gè)電容器子陣12和13的輸出。每個(gè)相關(guān)器單元的電容器子陣12包括正公共極板20和多個(gè)正上極板16。每個(gè)相關(guān)器單元的電容器子陣13包括負(fù)公共極板19和多個(gè)負(fù)上極板15。每個(gè)相關(guān)器單元的正公共極板20連接至各個(gè)緩沖器14的正輸入端而每個(gè)相關(guān)器單元的負(fù)公共極板19連接至各個(gè)緩沖器14的負(fù)輸入端。每個(gè)探測(cè)器11經(jīng)開(kāi)關(guān)陣列17和直接連接線18連接至正弦和余弦相關(guān)器單元2和3的各個(gè)正和負(fù)上極板16和15上。由此，每個(gè)探測(cè)器11的輸出可經(jīng)單個(gè)開(kāi)關(guān)分別轉(zhuǎn)接在相同陣列下標(biāo)的四個(gè)上極板(即，兩個(gè)正上極板16和兩個(gè)負(fù)上極板15)上。
每個(gè)上極板的電容量與其面積成比例。通過(guò)把各個(gè)上極板的面積調(diào)整成他們陣列下標(biāo)的函數(shù)來(lái)獲得“周期加權(quán)函數(shù)”，如圖2所示。對(duì)于圖2中所示的示意的布局配置，可以計(jì)算對(duì)于每個(gè)相關(guān)器單元的每個(gè)陣列位置的相關(guān)系數(shù)，它在數(shù)值上等于對(duì)應(yīng)的正和負(fù)上極板電容之差。最好是，上極板16和15的寬度(沿陣列1的縱向測(cè)量)相等并且僅其長(zhǎng)度(垂直于該方向來(lái)測(cè)量)可按所需的相關(guān)系數(shù)的函數(shù)變化。這種有差異配置確保了消除不可預(yù)知的邊緣電容，并且對(duì)于正弦相關(guān)器單元2和余弦相關(guān)器單元3，對(duì)每個(gè)探測(cè)器11相應(yīng)的相關(guān)系數(shù)，以及由此相關(guān)器單元的整體周期加權(quán)函數(shù)，可以通過(guò)相應(yīng)的正和負(fù)上極板16和15的長(zhǎng)度尺寸上的變化來(lái)精確控制。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D3a-3c和圖4更充分地說(shuō)明所述電子電路的工作原理。參照?qǐng)D3a，由陣列下標(biāo)的函數(shù)來(lái)表示的探測(cè)器11的輸出電壓，為照射在陣列1上的入射EMR的空間周期強(qiáng)度輻射圖的圖像31。計(jì)算這個(gè)輻射圖的相對(duì)相角α來(lái)作為其相對(duì)位置的度量。陣列1的間距35安排成比圖像31的節(jié)距34小許多倍，后者對(duì)應(yīng)于照射在陣列1上的入射EMR的輻射圖的節(jié)距?，F(xiàn)參照?qǐng)D3a、3b和3c，入射EMR輻射圖的圖像31與周期加權(quán)函數(shù)32和33有關(guān)，后者每個(gè)具有設(shè)置成等于圖像31的節(jié)距34(并且由此等于陣列1上入射EMR的空間周期強(qiáng)度輻射圖的節(jié)距)的節(jié)距37，但是具有不同的相位。在本發(fā)明的這個(gè)最佳實(shí)施例中，周期加權(quán)函數(shù)32和33相互偏移90度，因而圖像31與這些周期加權(quán)函數(shù)的相互作用有效地產(chǎn)生圖像31的正交投影，后者示于圖4中。由理想的正弦相關(guān)器產(chǎn)生的正弦投影是探測(cè)器輸出與各個(gè)相關(guān)系數(shù)的內(nèi)積，并且由以下公式給定Vout,sine=ΣnVnCn,sine----[1]]]>其中，Vout，sine是正弦相關(guān)器單元的輸出，Vn是第n個(gè)探測(cè)器的輸出，而Cn，sine是正弦相關(guān)器單元的第n個(gè)相關(guān)系數(shù)。Vout,cosine=ΣnVtCn,cosine----[2]]]>類似地，余弦投影由以下公式給定其中Vout，cosine是余弦相關(guān)器單元的輸出，Vn是第n個(gè)探測(cè)器的輸出，而Cn，cosine是余弦相關(guān)器單元的第n個(gè)相關(guān)系數(shù)。
輻射圖相角是通過(guò)計(jì)算正弦投影與余弦投影之比的反正切而得到的α=arctan(ΣnVnCn,sineΣnVnCn,cosine)----[3]]]>圖5中表示簡(jiǎn)單的電容相關(guān)器單元，并且它執(zhí)行以下計(jì)算Vout=ΣnVnCnΣnCn+C0=1CallΣnVnCn---[4]]]>其中，Vout是各個(gè)電容器子陣輸出到緩沖器14的或者正或者負(fù)輸入端的輸出電壓，Vn是第n個(gè)探測(cè)器輸出，Cn是各個(gè)電容器子陣的第n個(gè)電容器的電容。
C0是在求和節(jié)點(diǎn)的寄生電容，而Call是電容器子陣的所有電容之和。
與等式1的理想情況相比，在這里可以看到比例項(xiàng)1/Call。計(jì)算的相角α僅在這個(gè)比例項(xiàng)對(duì)于兩個(gè)相關(guān)器單元是相等的情況下是正確的。如果是這種情況，當(dāng)計(jì)算正弦投影與余弦投影之比時(shí)，這項(xiàng)α=arctan(CallΣnVnCn,sineCallΣnVnCn,cosine)=arctan(ΣnVnCn,sineΣnVn,cosine)---(5)]]>被消掉，并且我們得到與等式3中相同的結(jié)果現(xiàn)參照?qǐng)D6a，相關(guān)系數(shù)最好通過(guò)對(duì)正弦(或余弦)加權(quán)函數(shù)61以正弦加權(quán)函數(shù)的零交點(diǎn)正好在兩個(gè)樣值中間的這種方式抽樣而得到。以這種方式通過(guò)利用電容器上極板的幾何參數(shù)62，既不會(huì)得到零加權(quán)、也不會(huì)得到等于加權(quán)函數(shù)最大值的加權(quán)。這減少了所需電容器尺寸的動(dòng)態(tài)范圍，避免了對(duì)樣值的零加權(quán)，簡(jiǎn)化了布局，提高了有用電容與整個(gè)電容之比，因而提高了相關(guān)器單元的信噪比。
作為說(shuō)明，圖6b表示了較不理想的情況，其中對(duì)正弦(或余弦)加權(quán)函數(shù)63這樣抽樣、使得經(jīng)使用電容器上極板的幾何參數(shù)64、獲得零加權(quán)以及等于加權(quán)函數(shù)最大值的加權(quán)。
圖7表示備選的加權(quán)函數(shù)，其中原始的正弦(或余弦)加權(quán)函數(shù)被乘以窗函數(shù)72。作為結(jié)果的凈加權(quán)函數(shù)73具有朝著邊界減小的元素。這是信號(hào)處理中減小不想要的邊界效應(yīng)的眾所周知的方法。這種邊界效應(yīng)存在于，例如，當(dāng)標(biāo)記(并且由此輻射圖)不是很規(guī)則時(shí)或者如果標(biāo)記(并且由此輻射圖)以某種方式調(diào)整-例如當(dāng)如上所述使用可變厚度的刻度標(biāo)記(如厚/薄條碼)設(shè)置時(shí)。在這種情況下，窗口技術(shù)已表明可以減小相角測(cè)量誤差。
圖8表示按照本發(fā)明、照射在探測(cè)器陣列上的入射EMR的空間周期強(qiáng)度輻射圖的圖像83的實(shí)例。盡管圖像質(zhì)量相對(duì)差一些，且在各個(gè)輻射圖部分、如入射EMR的高度密集區(qū)域的節(jié)距81和寬度82的位置不確定性大(大約為10μm)，該圖像獲得大約為0.01μm的分辨率和0.1μm的測(cè)量精度。
參照此實(shí)施例描述的正交內(nèi)插技術(shù)在兩個(gè)90度偏移的加權(quán)函數(shù)下工作正弦加權(quán)函數(shù)和余弦加權(quán)函數(shù)。但是，本技術(shù)可以擴(kuò)展到兩個(gè)以上的加權(quán)函數(shù)，這可能具有幾項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。首先，通過(guò)使用兩個(gè)以上的加權(quán)函數(shù)引入了冗余，在統(tǒng)計(jì)上提高了測(cè)量精度。其次，正弦/余弦技術(shù)的測(cè)量精度在0，90，180，270度更小，因?yàn)榻咏@些相角，一個(gè)相關(guān)器單元給出非常小的輸出。用三個(gè)或三個(gè)以上相位偏移加權(quán)函數(shù)，我們可以保證總有至少兩個(gè)非零輸出的相關(guān)器單元。
對(duì)于本專業(yè)的技術(shù)人員，顯然可以在不背離本發(fā)明的精神和范圍的條件下對(duì)電子電路做大量變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種電子電路，它包括縱向設(shè)置的電磁輻射(EMR)探測(cè)器陣列；兩個(gè)或兩個(gè)以上相關(guān)器單元；和相角計(jì)算單元，所述電路能夠測(cè)量照射在所述探測(cè)器陣列上的入射EMR的空間上周期性的強(qiáng)度輻射圖的相對(duì)位置，其特征在于所述EMR探測(cè)器陣列的間距安排成小于入射EMR的所述空間周期強(qiáng)度輻射圖的節(jié)距，每個(gè)所述相關(guān)器單元包括連接至緩沖器的電容器陣列，每個(gè)所述探測(cè)器具有取決于照射在所述探測(cè)器上的入射EMR的輸出，所述輸出被傳遞給所述兩個(gè)或兩個(gè)以上相關(guān)器單元中每一個(gè)的相應(yīng)的一個(gè)或一個(gè)以上的電容器，所述一個(gè)或一個(gè)以上的電容器的電容量確定對(duì)于與所述各個(gè)相關(guān)器單元有關(guān)的探測(cè)器的相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)的大小被安排成在沿著所述陣列長(zhǎng)度的縱向上、按照預(yù)定的周期加權(quán)函數(shù)周期性地變化，每個(gè)相關(guān)器單元按照用于所述相關(guān)器單元的相應(yīng)的預(yù)定的周期加權(quán)函數(shù)、模擬計(jì)算所述各個(gè)探測(cè)器輸出的加權(quán)和、并且在其各自的緩沖器輸出這個(gè)加權(quán)和的模擬表示，所述兩個(gè)或兩個(gè)以上相關(guān)器單元的加權(quán)函數(shù)相互偏移一個(gè)預(yù)定的相角，所述相角計(jì)算單元連接到每個(gè)相關(guān)器單元的所述緩沖器，并且能夠計(jì)算入射EMR的空間周期強(qiáng)度輻射圖的所述相對(duì)相角，以及由此把其相對(duì)位置表達(dá)成所述輻射圖的相對(duì)相角。
2.權(quán)利要求1的電子電路，其特征在于每個(gè)相關(guān)器單元的每個(gè)電容器陣列包括第一和第二電容器子陣，每個(gè)所述電容器子陣包括公共極板和多個(gè)上極板，所述第一電容器子陣的所述公共極板連接到所述相關(guān)器單元的所述緩沖器的正輸入端，所述第二電容器子陣的所述公共極板連接到所述相關(guān)器單元的所述緩沖器的負(fù)輸入端，并且每個(gè)探測(cè)器連接到所述相關(guān)器單元的所述第一電容器子陣的各個(gè)電容器的所述上極板和所述相關(guān)器單元的所述第二電容器子陣的各個(gè)電容器的所述上極板。
3.權(quán)利要求2的電子電路，其特征在于所述每個(gè)探測(cè)器的輸出是電壓，所述探測(cè)器電壓輸出經(jīng)開(kāi)關(guān)陣列作為輸入加到所述兩個(gè)或兩個(gè)以上相關(guān)器單元中每個(gè)的所述第一和所述第二電容器子陣中每個(gè)的所述相應(yīng)的電容器上，每個(gè)開(kāi)關(guān)具有至少兩種狀態(tài)，后者包括其中所述各個(gè)電容器上極板被連接到基準(zhǔn)電壓并且所述緩沖器輸出被設(shè)置為零的校準(zhǔn)狀態(tài)，以及其中所述各個(gè)電容器上極板被連接到所述探測(cè)器輸出電壓的功能狀態(tài)。
4.權(quán)利要求3的電子電路，其特征在于對(duì)于每個(gè)相關(guān)器單元，加在所述第一電容器子陣的所述電容器上的輸入等于加在所述第二電容器陣列的所述電容器上的輸入，所述輸入包括從預(yù)定的基準(zhǔn)電壓到所述各個(gè)探測(cè)器輸出電壓的電壓躍變，并且因而對(duì)于與所述各個(gè)相關(guān)器單元有關(guān)的每個(gè)探測(cè)器的所述相關(guān)系數(shù)是所述各個(gè)第一與第二電容器子陣的電容器的電容量的差值。
5.權(quán)利要求3的電子電路，其特征在于對(duì)于每個(gè)相關(guān)器單元，如果對(duì)所述第一電容器子陣的給定電容器的輸入是從預(yù)定基準(zhǔn)電壓至所述各個(gè)探測(cè)器輸出電壓的電壓躍變，并且對(duì)所述第二電容器子陣的所述各個(gè)電容器的輸入是從所述各個(gè)探測(cè)器輸出電壓至預(yù)定基準(zhǔn)電壓的電壓躍變，則產(chǎn)生正相關(guān)系數(shù)；如果對(duì)所述第一電容器子陣的給定電容器的輸入是從所述各個(gè)探測(cè)器輸出電壓至預(yù)定的基準(zhǔn)電壓的電壓躍變，并且對(duì)所述第二電容器子陣的所述各個(gè)電容器的輸入是從預(yù)定基準(zhǔn)電壓至所述各個(gè)探測(cè)器輸出電壓的電壓躍變，則產(chǎn)生負(fù)的相關(guān)系數(shù)；并且因而所述相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值是所述各個(gè)第一和第二電容器子陣的電容器的電容量的和。
6.權(quán)利要求1的電子電路，其特征在于所述電子電路包括兩個(gè)相關(guān)器單元。
7.權(quán)利要求6的電子電路，其特征在于所述相關(guān)系數(shù)沿子陣長(zhǎng)度方向按正弦變化，具有與所述入射EMR的所述空間周期強(qiáng)度輻射圖的所述節(jié)距相等的節(jié)距，所述第一相關(guān)器單元具有零度的相角而且計(jì)算所述探測(cè)器輸出的正弦加權(quán)和，而所述第二相關(guān)器單元具有90度的相角而且計(jì)算所述探測(cè)器輸出的余弦加權(quán)和。
8.權(quán)利要求2的電子電路，其特征在于所述各電容器上極板具有沿所述陣列的縱向測(cè)量的相等的寬度和垂直于這個(gè)方向測(cè)量的可變長(zhǎng)度。
9.權(quán)利要求2的電子電路，其特征在于所述各電容器上極板具有相等長(zhǎng)度和可變寬度。
10.權(quán)利要求1的電子電路，其特征在于這樣安排所述探測(cè)器陣列的所述間距和所述每個(gè)相關(guān)器單元的所述加權(quán)函數(shù)，使得所述每個(gè)加權(quán)函數(shù)在所述陣列的不同的相鄰的探測(cè)器對(duì)之間的中途為零。
11.權(quán)利要求1的電子電路，其特征在于把每個(gè)所述相關(guān)器單元的所述加權(quán)函數(shù)的所述節(jié)距設(shè)置成等于所述入射EMR的所述空間周期強(qiáng)度輻射圖的所述節(jié)距。
12.權(quán)利要求1的電子電路，其特征在于所述電子電路是集成電路。
全文摘要
一種用于測(cè)量入射輻射的空間周期強(qiáng)度輻射圖的位置的電子電路包括:探測(cè)器陣列(1);每個(gè)具有連接至緩沖器(14)的電容器陣列(12,13)的兩個(gè)或兩個(gè)以上相關(guān)器單元(2,3);以及相角計(jì)算單元(4)。探測(cè)器陣列(1)的間距小于入射強(qiáng)度輻射圖的節(jié)距、使得后者被過(guò)抽樣,由此得到高精度。探測(cè)器輸出(17)被沿電容器陣列(12,13)周期變化的各個(gè)固定電容值(15,16)加權(quán),并且對(duì)于每個(gè)相關(guān)器單元(2,3)的輸出的加權(quán)和在各自的緩沖器(14)輸出。各個(gè)相關(guān)器單元(2,3)的電容值(15,16)按預(yù)定的相移互相偏移。使用電容器陣列(12,13)的模擬計(jì)算是快速和高能效的,而且能夠以超大規(guī)模集成電路(VLSI)電路實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)G01D5/12GK1339102SQ99816192
公開(kāi)日2002年3月6日 申請(qǐng)日期1999年11月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月17日
發(fā)明者A·莫爾塔拉, P·馬薩, P·海姆, F·海特格 申請(qǐng)人:畢曉普創(chuàng)新有限公司, 瑞士微電子技術(shù)中心