CN101233425A - 用于测量光渡越时间的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量光渡越时间的方法和装置，特别是用于照相机，所述方法通过至少一个发射器(12)将由时钟脉冲控制器时钟控制的第一光信号在至少一个光路(14)中通过反射物体(O)发射到接收器(13)上，以检测由于物体(O)的靠近、存在和/或距离而造成的第一光信号的变化。通过至少一个接收器(13)接收来自于光路(14)的第一光信号。在接收器(13)上检测由第一光信号引起的接收信号，并且为了确定渡越时间在比较器(15)中循环地比较由时钟脉冲控制器(11)时钟控制的、并且不由光路(14)产生的第二信号，以在比较器(15)的输出端上产生比较值，该比较值这样用于调节发射信号和/或第二信号的振幅值，即接收信号和第二信号至少在比较器的输入端上基本上大小相同。同时，当来自光路14的接收信号以及第二信号被调节成在比较器15的输入端上相同大小时，周期性地检测在来自光路14的接收信号以及第二信号之间的、在时钟交变时出现的对应于光渡越时间的时钟交变信号(TW)。根据在另一比较器(16)中对来自光路(14)的接收信号和第二信号之间的时钟交变信号(TW)的振幅的比较来确定出差值。通过移相器(17)改变差值(S16)，直到差值(S16)最小化，优选为零，该移相器用于改变接收信号和第二信号的相位的相位迟延。在最小化差值中产生的移相器的迟延用于确定光渡越时间。由此而提出一种用于测量光渡越时间的方法，该方法也可以通过廉价的元件和低频的放大器来工作。

Description

用于测量光渡越时间的方法

相关申请交叉参考

本申请要求于2005年7月29日提交的德国专利申请第102005036354.7号的优选权以及于2005年9月27日提交的德国专利申请第10 2005 045 993.5号的优选权，其公开内容全部结合于此供参考。

技术领域

本发明涉及一种用于测量光渡越时间的方法及装置，特别是用于根据权利要求1和18的前述部分所述的照相机。

背景技术

在许多应用领域中必须确定出参照物相对其他物体的距离。这种使用范围除了在所有的照相机系统中以外，也在机动车领域或机器人技术领域中应用。

在此，现有技术出现以下技术问题：如果在发光二极管上施加脉冲的电压，那么该发光二极管就以所提供的电压的节律发光。反射的物体可以将反射的光功率反射给光电二极管，该光电二极管优先位于发射的LED的附近。反射信号的大小取决于LED的发射功率、物体的反射角度和物体与发射的LED的间距。在反射的物体(例如：手)的间距(例如：一米)中，使用通用的具有例如100mA脉冲电流的LED、例如15°的开放角度和通用的低成本光电二极管(例如：Osram制造的BPW34)的情况时，将在光电二极管中产生通过手的反射产生的例如几μA的光电流。这种光电流一般通过反射的物体的间距来改变，从而在大于一米的距离中该光电流在光电二极管中可能仅为几pA。为了测量反射的物体的距离，则可以对发射和接收信号之间的光渡越时间进行测量，然而在上述的情况下，在光电二极管中的接收电流非常小时将难以确定出准确的入射点。

更加困难的是，进入到光电二极管或连接的放大器中的信号不产生利用其发出信号的边缘陡度。光电二极管作为低通滤波器来工作，特别是当该光电二极管选择较大(大的接收面)用于提高灵敏度时。光渡越时间在15cm的间距中为大约1ns。基于上述光电二极管和前置放大器的低通特性，接收信号的上升时间可以始终为10μs。发射的LED也具有明显的上升时间，该上升时间是在低成本光电二极管的低通特性之下的数量级。该上升时间通常在5到10ns的范围内并且在后续的说明中不再赘述。

因此，反射信号的准确的入射时间点的检测表现出明显的困难性，并且许多专利申请都着手于检测反射信号的准确的入射时间点的改进。

通常已知的是，较大的反射间距，例如10到100m可以以这种方法来简单地确定。另外，从大约3m到250m的测量要易于0到3m的附近区域中的测量，在该附近区域的测量中必须以ns的准确度来测量，这有需要在GHz范围内的光电二极管和放大器。更加困难地还涉及到待测量的物体的环境光、温度及相应的反射角。通常这些参数对于距离测量是意义重大的。但是，在此在实验中经常使用到很强大的发射功率(例如，10W脉冲激光)。

甚至在即使准确地确定了接收信号的时间点时，也将发生另一个不希望的效果。在光电二极管中的额外的杂散光将改变接收信号的振幅和上升时间，以至于距离测量也会被杂散光所影响。

用于距离测量的可行性方案是测量发出光线的发射器、反射光线的物体和接收器之间的光渡越时间。基于高的光速和测量的预期的准确度，目前利用非常快速的放大器和特意选择较小的光电二极管来工作，该光电二极管可以以例如100MHz的高频运行。

由DE 100 22 054 A1已知一种光学测距传感器，其中，为了测量距离，在发射光线和接收光线之间引起相移。为此，具有最小振幅的接收信号与振荡器的电压一同输送给同步整流器。因此，源自光路的信号与纯电传输的信号一同输送到同步整流器的输入端。通过控制迟延件来调整位于同步整流器的输出端的输出信号如此长的时间，直至前缀符号发生转换，直到在输出端上的两个信号的平均值为零。在此，同步整流器的目的在于，信号被非常精确地分拆成相位。与组件相关的迟延、老化及温度影响被单独地参考及补偿。甚至在使用参考光路时导电地通过迟延件的影响进行调整。因此，相移90°或270°的光电二极管信号和纯电传输的信号被输送给传统的同步整流器用于检相。为此，在同步整流器之前的信号是不为零的，平均值可以大致为零，通过该目的接收信号的相应的信号段保持同长。

此外，由WO 01/90778 A1已知一种用于通过测量渡越时间来测量距离的方法，其中发射信号和在接收器上的接收信号通过相同的时钟频率来控制。这样确定的控制信号借助于移相器这样地移相，即通过渡越时间测量而确定的对于目标物体的距离和实际距离之间的距离偏差被最小化。目的在于，在高频时优化具有渡越时间的取样点。

由EP 706 648 B1已知，检测光发射器和光接收器之间的光信号，并补偿外部光线影响、温度影响或寿命影响。光发射器通过时钟发生器来时间段和交替地工作。在至少一个光路的调整了振幅的光线也许通过另外的光发射器(例如补偿光源)的光线这样作用到光接收器上，即接收信号不产生时钟同步的信号分量。光接收器的接收信号输送到同步解调器，该同步解调器将接收信号又分成对应于两个光源的信号分量。这些信号分量在比较器中相互对比，其中产生对应于零状态的信号而不带有杂散光部分。如果在比较器的输出端上没有对应于这种零状态的信号，输送给光源的辐射功率将进一步调整，直到达到这种状态。

由DE 103 22 552 A1已知，在物体上反射的光线以及来自于第二光路的光线平行或角度相同地导向接收器，该第二光路源于其他的发射器或补偿光源。换句话说，如果一个光源的光线一方面从前面射入到光电二极管中并且从另一光源侧向地耦合，那么在光信号中的脉冲电流的上升时间在侧向的耦合中明显增加。因此，在侧向耦合时杂散光具有较大的影响。因此，在完全补偿中产生的、在光强度-光电流特征曲线上的无因次的点又是在光电二极管的特征曲线上的受杂散光影响而损失的线段。因此，用于接收信号和补偿信号的相同的入射角是最佳化的。

发明内容

基于这样的现有技术，本发明的目的在于，提出一种用于测量光渡越时间的方法，该方法特别在照相机中也可以通过廉价部件和低频放大器工作。

该目的通过具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求18的特征的装置来实现。

至少两个发射器的时钟信号被传输给接收器，着两个发射器可以是LED形式的光源或补偿光源。光源向物体发射光线，物体的距离/反射可以被测定。被反射的光导向接收器。补偿光源将源于固定距离的光直接发射到接收器中。从光源和补偿光源接收到的信号相互比较并且借助于振幅和相位调节将彼此调节至尽可能小的差异，从而补偿反射、环境光、温度和老化的影响。随后，振幅调节或相位调节的调节值对应于反射或光渡越时间的值。为此，源于光源和补偿光源的时钟周期的接收信号优选地划分为大至四个相同的片段。如果光源的接通时间以片段A和B表示，并且补偿光源的接通时间以C和D表示，那么片段A和C进行比较并且借助于相移调节至具有尽可能小的差异。片段B和D借助于振幅调节来类似地调节至具有尽可能小的差异。在片段A和C存在关于光渡越时间的信息，在片段B和D中存在关于反射系数的信息。然后，从移相器的延迟中可以确定光渡越时间并且由此确定出光源和物体或接收器之间的距离。

补偿可以完全消除时钟同步信号分量，也就是说仅仅实际的放大器噪声被保留。因此，光电二极管放大器具有非常高的放大系数，或甚至于可以设计为高放大系数的限幅放大器。

因此，在时钟脉冲转换时发生的时钟脉冲交流信号被检测并且由该信号确定出通过移相器最小化的差值。从移相器的延迟中可以确定光渡越时间并且由此而确定出光源和物体或接收器之间的距离。补偿可以一方面消除时钟同步部分，也就是说，仅仅实际的放大器噪声被保留。通过接收信号的较大的放大，在时钟脉冲转换时的峰值表现的更加明显。该峰值相对于噪音的平均值以具有不同极性的发射光源和补偿光源的相应的时钟频率产生并且到达比较器的两个输入端，这两个输入端以在相应的时间周期中的时钟频率大约同步地接通。这种时钟脉冲交流信号从振幅来看关系到反射，然而，这是因为仅仅涉及到差值的最小化，信号的差值从时脉冲到时钟脉冲地在振幅中同步于时钟频率地解调并且用于控制移相器。基于时钟频率已知时钟脉冲交流信号发生的时间点，以至于在那里仅需检测峰值。同时，可以利用任意时钟频率来工作。

因此，同步解调器用于时钟段式地振幅检波，在其输入端上优选地存在已调节的来自于优选的光学天平的两个路径或第一光信号的零信号和来自第二路径的以电的方式传输的电压信号。在第一种情况中，两个光路彼此独立地向外延伸，这样地调节这两个光路的振幅，即在中心放大器或同步解调器的输入端上的接收信号相互已经为零并且由此而不会得到改变的信号。如果在同步解调器和比较器的输出端上还有信号，将通过中心级或比较器这样地通过调节器来影响至少一个发射器的光功率，即这样的信号时钟控制地相互调节为零，并由此在同步解调器的输入端上信号也被调节为零。从保持的零信号(其实际上仅仅由放大器噪音构成而不包括时钟同步的交变分量)中，在振幅检波器的输出端上可以在噪音中检测实际出现的时钟交变信号并且再次调节为零。也可以在不再存在相位信息的任意的时间点对该值进行取样。这种非相位真实(nichtphasentreuen)的振幅差值在移相器中这样变化，直到该差值变小和优选地变为零，从而确定出光渡越时间。

由此可以构造出具有3D功能的照相机。可以这样地评估测定的信号，即同时用于反射测量或几乎同时进行距离测量并且存在的光信号也以图像信息的形式存在。因此，如果照相机的像素被控制，基于准确的距离测量将提供十分合理及精确地工作的图像获取方法。

一方面通过振幅调节的两个闭合的调整电路，以及另一方面通过渡越时间相对于每个“0-时钟信号同步”部分的调节，特别也在照相机上的使用中实现以下优点：

-非常高的灵敏度

-甚至在近区域(直至“0”-距离)上的十分良好的渡越时间测量

-没有杂散光敏感度

-在渡越时间的检测上没有温度影响

-使用低频组件(C-Mos技术)

-使用大面积的具有高自电容的低成本的光电二极管

-使用LED作为发射器(低发射功率)

-在前置放大器参数的改变上不严格

-反射体的反射特性对距离测量没有影响

优选地，光路上的第一光信号和另一发射器或补偿元件的第二信号之间的相移借助于调整电路来调节，在该调整电路中时钟脉冲交流信号作为控制信号来考虑，该控制信号通过调节来最小化。

当来自于光路和另一光路的光尽可能角度相同地入射到接收器上时，这是有利的。对此，可以设置偏转装置。

其他的优点由接下来的描述和其他的权利要求中得出。

附图说明

接下来，参考附图中的实施例来进一步描述本发明。图中示出：

图1示出了用于测量光渡越时间的根据本发明的电路的示意性电路图，

图2示出了在图1的接收器上存在的、出于简化原因而简易示出的接收信号，其具有在不同区域中所属的分布，

图3示出了在使用移相器之后的根据图2上部部分的信号，

图4示出了来自具有和不具有光路的测量路径的接收器处的光波形，

图5示出了在光电二极管处的合成光信号，

图6示例性示出了图5的脉冲，

图7示出了通过光电二极管和放大器之后的图6的脉冲，

图8示出了所属的照相机系统，

图9示出了根据本发明的电路的电路图，该电路用于在仅具有一个光路的另一实施例中进行光渡越时间测量。

具体实施方式

本发明现在示例性地参照附图来详细说明。当然多个实施例仅为示例，其并不用于将本发明的理念限定于特定的方案。

在详细地描述本发明之前，应该指出，这里并不局限于电路的各个组件或者各个方法步骤，这是因为，这些组件和方法可以改变。在这里应用的概念仅用于描述特定的实施例，但并不局限于此。此外，当在说明书中和权利要求中使用单数或者不定冠词时，只要不是整体关系明确地指代其他的元件，它们也涉及到这些元件的复数。

本发明可以实现距离测量，其允许利用具有大面积的低成本光电二极管和窄带宽的放大器进行精确的光渡越时间的测量，并且该测量不受杂散光的影响并且不依赖于反射角度。此外，可以在不切换测量范围的情况下实现在从传感器表面只至较大距离的渡越时间的测量。尽管本发明的接下来仅仅参考一个像素点来描述，但是优选的应用目的是照相机。

本发明基于以下考虑：LED(或激光)发出脉冲并且由光电二极管接收，具有例如100KHz和50％的脉冲-间隙-比(Puls-Pause-Verhltnis)，该脉冲由距离大约为15cm的反射目标反射并且通过作为接收器的光电二极管来接收。因此，从理论的角度看，接收的脉冲相对于发射脉冲具有大约1ns的时间延迟。首先，时间差异，也就是晚到的发射脉冲与实际的脉冲信息分开。为此，在发射脉冲的脉冲间歇中激活第二LED，该LED将其光功率直接发送到光电二极管中，而无需迂回反射路线。如果两个具有相同振幅(其当然可以在LEDs的振幅调节保持相同的大小)的光功率S1、S2到达根据图4的光电二极管，那么在光电二极管上将显现出一个基本上的直流光信号，其由交替地来自两个LED中任一个的光和可能的杂散光部分构成。因此，这种直流光在光电二极管中也产生基本上非时钟同步地调整的直流电。当然，第二信号不必作为光信号存在，而是可以以电子方式作为电压信号存在。

在更细致的观察中，1ns的渡越时间差异被外加给两个LED的发射脉冲的过渡上的直流电。在一个阶段中，在处于接收器附近的LED已经关闭的点处，在交替的LED的“直流光”中产生间隙，但是第二LED的光必须经过15cm的距离到达反射的目标并且返回。在第二阶段中，LED在光电二极管附近已经发出光线，而来自尽管在正确的时间点关闭的第二LED的光线还在通至光电二极管的半路上。这在图5中示意性示出。在接收信号中，这导致在实施例中的相位同步的交替极性的非常短的峰值。该时间差异对于接收的光电二极管来说非常小，从而使该时间差异在例如200KHz的低通特性(大面积的光电二极管例如BPW34)时仅作为极小的电流变化值出现。

因此，应用在能量守恒定律：假设，仅仅向外朝反射的目标指向的LED时钟控制地发射并且向外指向光电二极管的LED被关闭，然后光电二极管接收交变光，其作为电压示出，例如在处于光电二极管的下游的任意的交流电压放大器的输出端上出现的10mV的交流电压。此外，如果我们从理想的光电二极管和具有理想的上升时间特性的理想的放大器出发，那么我们将继续假设在发射的LED情况下以具有50％占空因数的10mV输出信号为出发电。如果接通第二LED，那么因为信号的渡越时间，在正方向和负方向上时钟脉冲同步地交替地得出1ns的脉冲(图5)。然后，在所述的情况中，这些脉冲是放大的信号中的唯一的信息并且代表渡越时间的信息。然而，在实践中，光电二极管和放大器的“低通特性”将“吞噬”该特别短的脉冲。

在此，根据本发明的按照振幅调节的系统的优点开始起作用：因为仅仅作为变化信息的短脉冲存在于光电二极管处，光电二极管信号可以差不多任意地放大，例如以一万倍的放大系数放大。在第一放大器输出端上的1ns长并且在理想情况下10mV的理论上的光脉冲尽管在实践中仅仅引起例如10μV的强烈电压摆动(图6示出)，但是该电压摆动在经过一万倍的放大之后获得具有例如长度t1为5μs的100mV信号(图7)。在此，对放大器没有特殊的要求，对于相应的放大来说200KHz的带宽是足够的。在从一个LED切换到另一个之后，在切换时间点之后以交替的方向(正负)呈现信号。可以通过以时钟频率同步地接通的整流器来相对于该时间点检测接收的信号的同步的信号分量。由于渡越时间差异导致的信号分量也可以通过简单地整合同步地解调的信号分量而在强烈的噪音信号中毫无问题地检测到，该噪音信号由于例如在阳光直射在光电二极管上的情况下的光子噪音而出现在光电二极管中。需提及的是，同步整流器或同步解调器D1、D2不是必须要精确地检测出相位的电路，而是时钟控制地检测振幅的电路。相位的精确性对测量精确性没有影响，从而例如20°的相移也是无关紧要的。

因为该时钟同步的信号分量的出现指出了在两个LED之间的渡越时间差异并且此外也允许相对于LED的清晰的关系，所以根据图1(见下文)的调整电路这样地利用该信息闭合，即如在目标上反射的光一样，直接射入到光电二极管中的LED的信号利用已知的方式(例如通过可调节的全通网络或者可数字调节的相移来调整的渡越时间)以相同的值相移。然后，用于直接射入的LED12的移相器17(图1)处的电子控制脉冲的必要的推移是对光渡越时间的直接测量并且也是对反射的目标的距离的直接的测量。

当然，在同步地解调依赖于渡越时间的信号分量之后，为了相互地调整为“0”，两个信号分量可以通过直接照射的LED的相移例如在其他的高放大系数的运算放大器中彼此比较，而对带宽没有特殊的要求。然后，如果两个时钟同步的信号分量之间存在非常小的差异，那么该差异通过相位调节调整为“0”。虽然可以使用任意的放大器，但优选地使用交流电压放大器。

在实施例中，在图1的下方同时使用两个不同的调整电路。一方面，来自两个LED路径的接收到的振幅在光电二极管(接收器13)的输入端处通过在EP 706 648 B1中已知的两个LED中的至少一个上的振幅调节将来调节到相同值。因为在从一个LED切换到第二LED之后，作为振幅信号的相差的长度强烈地延长，所以当渡越时间信息衰减时，应该首先在一个时间点检查信号的时钟同步的振幅差异。在实践中，例如大约100KHz-200KHz的时钟频率被证明是合适的，其中，在时钟周期的第一部分中，在调节相位之前检查信号的渡越时间差异，该渡越时间差异作为在信号中的振幅出现，并且在时钟周期的第二部分中检测纯振幅差异。然后，利用时钟周期的第二半周期的信息，实施例中的两个LED中的至少一个仅仅在振幅上受到影响，从而获得来自两个光路的大致相同大小的信号并且由此将差值调节成零。两个光路的相同大小的信号导致不具有时钟同步的交变分量的零信号。

当然，直接射入到光电二极管中的LED的相位不一定必须相应于导致反射的LED的光渡越时间来进行匹配，在相应的电路中，导致反射的LED也可以受到影响。

由于振幅调节、渡越时间调节而调节成的“0时钟同步的”分量，通过这两个闭合的调整电路实现了开头所述的优点。

当然，在使用具有可设定地址的像素的照相机时，可以为每个像素确定相对与反射的目标的距离。在照相机中的应用中，所描述的系统还提供以下优点，即距离、反射和图像内容的信号独立地存在。因为在每个像素上的距离测量调节成“0-信号”，所以实际的测量并不干扰图像信息，该图像信息依赖于外部的光源(自然的日光、太阳光)。

参照图1，在根据本发明的装置中，光通过第二光路20引导到接收器13上并且此外设置有振幅补偿器。方法用于光渡越时间测量，特别用于照相机10(图8)。首先，在例如200KHz时调制的、来自时钟脉冲控制器11的输出端11E通过导线30、31、32的光束通过发射器12射入到光路14中。导线30通向功率调节器18的输入端并且由其输出端18a通过导线32向发射器12的输入端12a引导。光从发射器12通向物体O并在那里回射到接收器13。然而，在相同的时钟频率时，通过反相器22的反相，光也从另一发射器21射入到接收器13中，该另一发射器作为补偿器光源或未明显示出的补偿器光源。为此，时钟脉冲控制器11的信号通过导线30、33到达移相器的输出端17a，并且通过移相器的输出端17b和导线34到达反相器22的输入端22a，信号从该反相器输出端22b通过导线35到达另一发射器21的输入端21a上。因此，来自光路的信号S13交替地以时钟脉冲控制器11的时钟频率处于接收器的输出端13a处的导线40上。源于另一发射器21的另一信号在图1的实施例中同样是由时钟脉冲控制器11时钟控制的光信号，该光信号优选地平行于来自光路14的第一光信号传导向接收器13。然而，在该信号的情况中，光几乎无路线或鉴于其距离已知的路线回馈。信号S13通过导线40到达放大器23并且在放大器中放大并且随后通过导线40输送给具有在图1的下方示出的比较器的两个结构相似的同步解调器D1、D2。在此，同步解调器D1、D2的任务并不是精确地测定相位，而是时钟控制地测定振幅。相位的精确性对测量精确性没有影响，从而例如20°的相移还是无关紧要的。

在进一步探讨该电路之前，在图2上部示出了如在放大器23之后的信号。所示出的信号示出了一个信号波形，就像该信号波形出现在例如15cm的反射距离上的光渡越时间中时而没有调节发射器12和另一发射器21的两个LED的至少一个的信号相位一样。时钟同步的信号分量的出现可以通过相应的门电路来检测并且分配给相应的LED。在此，直接在切换时钟频率之后在整个时钟范围上的振幅差异之间和信号振幅之间进行区分。为此，时钟周期被分割成在图2中的A/B/C/D四个片段。片段B、D代表振幅值，该振幅值在已调节的状态中不具有时钟脉冲同步的振幅差异，也就是说，从时钟脉冲是相同的。片段B、D的已调节的状态涉及到两个LED的至少一个的振幅调节。在控制的片段B和D中将振幅调节到相同的值的状态中，在来自两个LED的相同的光渡越时间时在光电二极管上存在不具有时钟同步的信号分量的信号。仅仅在另外的光路20和光路14之间的渡越时间差异中表现出一个时钟同步的信号分量。

在图1中，具有比较器的同步解调器D1和D2由时钟脉冲控制器11通过输出端11A、11B、11C和11D以及所属的时钟导线50A、50B、50C和50D来这样地控制，即同步解调器D1通过用于调节振幅的功率调节器18将接收的信号S13中的时钟同步的振幅差异调整为“0”，而同步解调器D2检测光路之间的渡越时间差异并且通过移相器17调整为“0”。在未调整的光渡越时间中，在时钟控制的片段A和C中存在从相位到相位地改变极性的时钟同步信号分量，该时钟同步信号分量在同步解调器的输出端上输送给调节信号S16，该调节信号反过来这样地控制移相器17，即在放大器23的输出端23b上存在不具有时钟同步信号分量的“0”信号。

在同步解调器D1中，接收信号S13又分解到两个光路14及20中。为此，信号通过导线41、41B、41D到达对应于片段B和D的开关。该开关通过时钟导线50B和50D由时钟脉冲控制器11以片段B和D的时钟脉冲转换率来操作。因此，相应于开关的输出端处的开关位置，与片段B和D相对应的信号出现在导线60B和60D上。这些信号通过积分器R3、R4和/或C3、C4输送到比较器15的输入端15a、15b，在相同大小的信号时，在其输出端15c上出现用于信号S13的零态的相应的控制信号。如果在那里出现其他的信号，那么作为信号S15的任意的控制信号通过导线70出现在振幅调节器18的输入端18c上，该振幅调节器这样地再调整发射器12的辐射功率，即信号S13成为相应于零状态的信号，也就是说，不包括时钟同步分量并且因此不需要另外的在调整过程。在该状态中排除了时钟同步的交变分量，也就是说，例如来自于反射特性、杂散光或温度变化对光渡越时间测量没有影响。在附图中，发射器12的辐射功率被再调整，但是，该调整过程当然也可以如在EP 706 648B1中公开的那样等同地作用到另一发射器21或在两个上或在多个发射器时作用到多个发射器上。同样适合于补偿光源的情况，该光源直接对应于接收器13。因此，信号S15同时是用于反射或振幅的信号94。

换句话说，同步解调器D1用于节拍式的振幅检测。在其输入端上，也就是在对应于片段B和D的开关上优选地已经存在一个来自光学天平的两个光路的已调节的零信号。为此，在图1中两个光路彼此单独地向外引出，并且这些光路的振幅被这样地调节，即该振幅在同步解调器D1的输入端上已经为零，并且没有出现其他的信号。这通过在图1下方示出的、用于补偿外界影响的开关B和D来实现，该补偿对于预期的准确性是必须的。随后，从保留的零信号中，在同步解调器D2的形式的振幅检波器的输出端上可以检测噪声中的时钟交变信号。

在时钟导线50A、50B、50C、50D上的取样周期的相变在较宽的范围中对距离测量没有影响。相对于在DE 100 22 054 A1中所需要的同步解调器的相位的高精确性，在根据本发明距离测量中并未涉及。仅仅在时钟频率的大致的时间点对振幅进行取样是必要的。因此，根据本发明的同步解调过程仅是准同步解调过程。相位本身对于识别时钟交变信号的振幅的差异以及将在同步解调器的形式的振幅检波器的输入端上振幅降为零上来说是毫无意义的。由此而获得的移相器17的迟延是光渡越时间。

在图1中部，同步解调器D2的两个上部开关通过相应于根据图2的上部部分的区域A和C的门电路来控制。在同步解调器D2中，接收信号S13也对应于两个光路14和20的振幅信号，当然也对应于片段A和C的信号部分。为此，信号通过导线41、41A、41C到达对应于片段A和C的开关，这些开关通过时钟导线50A和50C由时钟脉冲控制器11以片段A和C的时钟脉冲转换率来操纵。因此，相应于开关的设定，在相应于片段A和C的导线60A和60C上的信号出现在在开关的输出端。这些信号将通过积分器R1、R2和/或C1、C2输送到比较器的输入端16a、16b。

因此，以时钟控制的形式检测在时钟脉冲转换是出现的、在光路中对应于光渡越时间的第一光信号和第二信号，也就是另一个光信号。信号振幅的大小尽管取决于反射，但是，因为这里涉及该两个信号之间时钟同步的差值的确定，因此这是不重要的。这两个信号在另外的比较器16中进行比较。差值对应于第一信号和第二信号之间的相差，并且基于在光电二极管中的整合而转化成振幅值。可以在任意的时间点对该值进行取样，在该任意的时间点不再存在相位信息。非相位精确地协调的、也就是说非精确地在相界中适配的振幅值通过导线80作为信号S16到达移相器17的输入端17c并且在移相器17中这样地变化，直到其最小并且优选到零，从而由此确定出光渡越时间。由在此设定出的移相器17的迟延可以确定出光渡越时间并且由此确定距离，该距离作为信号渡越时间93出现在移相器17的输出端17d。根据图3，通过移相器的变化，时钟交变信号TW的振幅在噪声中消失。

移相器17可以是模拟工作的电路，但也可以是数字信号迟延装置。在此，例如高频时钟频率可以被这样地分配，即例如时钟频率可以被以1ns的步幅错置。为此，通过A/D转换器对信号S16进行取样并且该结果被转化成相应的相移。

图9示出了另一实施例的示意图，其中，第二信号不是通过光路而是以电的形式传输至放大器23。在该实施例中，与图1的实施例中相同的组件和导线使用相同的参考标识。就此而言，在放大器之后的组件，也就是同步解调器D1和D2以及由它们获得的结果，也就是信号S15和S16以及93和94是一致的。同样，除了功率输出调节器18以及光路14之外，反射器12及其控制装置都与图1的实施例一致。然而，信号S15通过导线70和71到达分布点，在该分布点上该信号被输送到导线72和73上。开关91由时钟脉冲控制器11通过其自身的输出端11E以如发射器12一样的相同的时钟频率但通过反相器22倒相地控制。为此，时钟脉冲控制器11的信号通过导线30、33到达移相器的输入端17a并且从移相器的输出端17b和导线34到达反相器22的输入端22a，信号再从其输出端22b通过导线79来到开关91。因此，在导线73上的信号S15或者通过导线72的信号以时钟脉冲控制器11的时钟频率交替地出现在开关之后的导线74上。由此，以电的方式传输的信号不会在光路中传输并由此使得光路具有比信号S13快的光速。在导线74上的信号通过具有C5的积分器R5和DC去耦装置90输送并且通过导线90和导线40输送到放大器23。从那里开始，这些信号通过导线41到达和图1的实施例相同的两个相似结构的具有比较器的同步解调器D1、D2，在此对这些信号进行和第一实施例相同的处理。

这种对称的设置对外界影响反应灵敏，从而在该形式中采取反措施。一个可能性在于，使用部分不透光地涂覆的光电二极管作为接收器13。对此，例如光电二极管的边缘13b可以是不透光地涂覆的。射入到光电二极管中的光，首先，如果射入到光电二极管中的光没有直接从前端接触到光电二极管上，那么该光相对于前端射入的光将导致电子信号的不同的上升时间。因此，测量结果会产生错误。

前面的描述涉及到对一个像素的描述。当然在阵列中也可以设置多个或许多像素，然后，这些像素利用物镜形成例如观察区域。在这种情况下，例如以连续的方式为每个像素单独地确定距离。

在实践中，反射信号的不同的入射角和直接射入的LED将造成测量结果的错误。由DE 103 22 552 A1已知一种装置，以使得两个不同的光路可以以几乎相同的角度射到光电二极管上。因此，源自于另一发射器21的光信号通过半透明的或透明的偏转装置25来偏转，直至该信号平行于或相对于源自光路14的光角度相同地射入到接收器上。优选地第二信号至少部分地偏转到接收器13中，而源自光路14的第一光信号基本上不改变地进入到接收器上。

时钟脉冲控制器11优选以50到200KHz的时钟频率工作。该时钟频率明显小于之前在现有技术中的光渡越时间测量时使用的时钟频率。因此可以使用较大和较廉价的光电二极管。此外，可以以低频放大器来工作。

因为出于光渡越时间测量或距离测量和反射测量的目的，发射的时钟同步的光信号在光电二极管中被调整为时钟同步的零分量，因此这种测量并不干扰照相机像素的非时钟同步的图像信息。时钟同步的零分量仅仅表现为较小的、额外的相同光级。在补偿调整电路的振幅调节时，这种相同光级以在反射的物体上反射的强度来变化。然而，因为反射的值包含在信号S15中。原本由像素测量的亮度值通过该信号相应地校正。在实践中，大多数情况下校正不是必须的，相对而言，发射的光在有故障的环境光线下导致了理想的物体照明。

在仅利用一个像素的应用中，传统的LED可以作为发射元件来使用，较大面积的低成本光电二极管，例如Osram的BPW34可以作为光电二极管使用。光电二极管放大器可以以C-Mos技术制造并且例如具有仅200KHz的带宽。放大器的参数几乎不涉及到测量准确度，从而在此仅仅提出极少的要求。如果要避免本发明中未详细描述的根据现有技术的参考信号的可数字实现的相移(高时钟频率)，那么该系统可以以仅50到200KHz的系统时钟频率来工作。在除了用于数字相移之外避免高时钟频率时，当然可以考虑每种相移装置，例如模拟的集成形式。

有利的是，在本发明中也可以任意选择时钟频率的任意选择，该时钟频率可采用从一个时钟周期到另一个时钟周期的任意值。为了抑制在并联使用的以及不可同步的系统中的干扰，也可以毫无问题地使用任意的“频率跳变”(FDMA)。因此，该系统不仅适用于以简单的方式实现单独的光渡越时间测量距离，而且也可以由传统的照相机中，优选C-Mos照相机中实现3D性能的系统。在此，在本发明中，位于发射源的照明区域中的物体的距离测量甚至于也可以同时具有传统的图像信息。

根据本发明可以实现光渡越时间测量，改测量也可以通过简单的方法、较小的发射功率和完全的杂散光和温度灵敏度在受到非常强烈干扰的接收信号中在不需要匹配电子设备的情况下实现从非常近的范围直至较大的距离的精准的光渡越时间。测量的物体的反射特性也对测量结果没有影响。在此，发射器和补偿器(也就是，例如其他的发射器或电子补偿过程)或者两者基本以相位或功率来调节。

所属装置的元件已经特别是参照图1到9由前面的说明给出。至少一个发射器12通过时钟脉冲控制器11时钟控制地将第一光信号在至少一个光路14中经过的反射物体O发射到接收器13中，该接收器用于检测由于物体的靠近、存在和/或距离而造成的第一光信号的变化。接收器13接收来自于光路14的第一光信号。设置用于在接收器13上检测由第一光信号引起的接收信号的装置。此外，设置有用于传输由时钟脉冲控制器11时钟控制的第二信号的装置，该第二信号不通过光路14或通过已知其距离的路线发送。这种传输在第一实施例中借助于另一发射器21通过另一光路20，但也可以根据图9以电的方式实现。比较器14以时钟控制的方式将光路14的接收信号与第二信号进行比较，从而在比较器15的输出端上产生比较值。为了调节发射信号和/或第二信号的振幅值，至少一个调节器18这样地使用比较值，即接收信号和第二信号至少在比较器的输入端上基本上是相同的大小。设置有门电路的形式的装置，用于以时钟控制的方式检测时钟交变信号TW，该时钟交变信号发生在时钟交变时并且在来自光路14的接收信号以及第二信号在比较器15的输入端上被调节成相同值时，对应于来自光路14的接收信号和第二信号之间的光渡越时间。另一比较器16通过比较来自光路14的接收信号和第二信号的振幅之间的时钟交变信号TW来确定出差值。为了改变接收信号和第二信号的相位的相位迟延，移相器17改变差值S16，直到差值S16最小化，优选为零。在最小化差值中产生的移相器的迟延对应于光渡越时间。

比较器15是用于确定检测振幅的同步解调器D1的一部分。用于以时钟控制的方式检测时钟交变信号TW的装置是门电路，其检测以前缀符号交替的时钟交变信号TW，并且使用在时钟交变信号TW之间的差值作为用于调整电路的控制变量。这种门电路和带有所属比较器的同步解调器D1、D2的另一门电路用作将来自光路14和传输第二信号的路径的接收信号S13分布到不同的区域A、B、C、D中的装置。

偏转装置25设置用于将第一光信号和在图1中作为光信号同样来自于第二光路的第二信号传输接收器13并且偏转的信号被这样偏转，即光信号基本上平行或角度相同地射入到接收器13中。

LED被至少部分地、优选地持续地使用作为至少一个发射器12、另一发射器21和/或补偿光源。

应当理解的是，该说明书可以适用于不同的变形，变化和修改，其落入到从属权利要求等同的范围内。

参考标识

10               照相机

11               时钟脉冲控制器

11A、11E、

11B、11C、11D    输出端

12               发射器

12a              输入端

13               接收器

14               光路

15               比较器

15a、15b         输入端

15c              输出端

S15              比较器15之后的信号

16               另一比较器

16a、16b         输入端

16c              输出端

S16              比较器16之后的差值

17               移相器

17a、17c         输入端

17b、17d         输出端

18               功率调节器

18a、18c         输入端

18b              输出端

20               另一光路

21               另一发射器

21a              输入端

22               反相器

22a              输入端

22b              输出端

23               放大器

23a              输入端

23b              输出端

24               像素

25               偏转装置

D1、D2           同步解调器

O                物体

R1-R5            积分器

TW               时钟脉冲交流信号

30-35            导线

40、41           导线

41A、41B

41C、41D         导线

50A、50B

50C、50D         时钟导线

60A、60B

60C、60D         时钟导线

70-75、79、80    导线

90               DC-去耦装置

91               开关

93               信号渡越时间

94               信号反射

Claims (27)

1.一种用于测量光渡越时间的方法，特别是用于照相机(10)，所述方法具有以下步骤：

-通过至少一个发射器(12)将由时钟脉冲控制器(11)时钟控制的第一光信号在至少一个光路(14)中通过反射物体(O)发射到至少一个接收器(13)上以检测由于物体(O)接近、存在和/或远离引起的所述第一光信号的变化，

-通过所述至少一个接收器(13)接收来自于光路(14)的所述第一光信号，

-在所述接收器(13)上检测由所述第一光信号引起的接收信号，

-传输由所述时钟脉冲控制器(11)时钟控制的第二信号，所述第二信号不由所述光路(14)产生或通过已知其距离的路径产生，

-以时钟控制的方式将来自所述光路(14)的所述接收信号和所述第二信号进行比较，从而在所述比较器(15)的输出端上产生比较值，所述比较器这样用于调节发射信号和/或所述第二信号的振幅值，即所述接收信号和所述第二信号至少在比较器的输入端上基本同样大小，

-当来自所述光路(14)的接收信号和所述第二信号的大小被调节成在所述比较器(15)的输入端上大小基本相同时，以时钟控制的方式检测在来自所述光路(14)的接收信号与所述第二信号之间的、在时钟交变时产生的对应于光渡越时间的时钟交变信号(TW)，

-通过在另一比较器(16)中比较来自所述光路(14)的所述接收信号和所述第二信号之间的这些时钟交变信号(TW)的振幅来确定出差值(S16)，

-通过用于改变所述接收信号和第二信号的相位的相位迟延的移相器(17)改变差值(S16)，直到所述差值(S16)最小化，优选为零，

-使用差值最小化时产生的移相器的迟延来确定光渡越时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二信号也是来自于第二光路通过至少一个所述接收器(13)接收的接收信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在电路上传输第二信号。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将来自所述光路(14)的接收信号和所述第二信号进行比较用于在提供用于振幅检测的同步解调器(D1)的所述比较器(15)的输出端上产生比较值，其中所述比较值这样用于调节所述发射信号和/或所述第二信号的振幅值，即来自所述光路(14)的接收信号和第二信号基本同样大，并且同时例如反射角度、杂散光和温度的影响通过影响至少一个发射器(12)的光功率进而通过将在所述比较器(15)的输出端的所述信号(S15)调节成零状态而被补偿。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，当所述光路(14)的接收信号和所述第二信号至少在所述比较器(15)的输入端上基本同样大时，仅仅发射器的不具有时钟同步的交变分量的噪音出现在放大器(23)的输出端上。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在时钟控制地检测在时钟交变时出现的并且对应于在所述光路(14)的光渡越时间、在所述第一光信号和所述第二信号或者所述第二信号和所述光信号之间的所述时钟交变信号(TW)时，当所述接收信号和所述第二信号的值在所述比较器(15)的输入端上被调节成基本相同的值时，在被调节的状态的噪声中产生时钟交变信号的振幅。

7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，部分地、优选在其边缘(13b)上涂覆不透光层的光电二极管作为所述接收器(13)使用。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，检测所述时钟交变信号(TW)的振幅并且调整电路这样调节移相器(17)，即所述时钟交变信号被最小化。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过门电路检测前缀符号交替变化的所述时钟交变信号(TW)，并且即使用在所述时钟交变信号(TW)之间的差值(S16)作为所述调整电路的调节值，以使得所述差值(S16)被调节为零，以便由此而确定出所述移相器的设置。

10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了测量光渡越时间，在切换发射器(12、21)之后测量振幅并且通过所述移相器(17)将所述振幅调节为零。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，在此出现的、将振幅调节为零的相移对应于物体的距离。

12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将来自所述光路(14)和传输所述第二信号的路径的所述信号(S13)分布到不同的区域(A、B、C、D)中，其中位于时钟交变的区域(A、C)之间的区域(B、D)通过所述门电路以所述时钟脉冲控制器(11)的时钟频率来比较来自所述光路(14)的接收信号和所述第二信号，用以在所述比较器(15)的输出端上产生比较值，其中所述比较值这样用于调节来自所述光路(14)的接收信号和/或所述第二信号的振幅值，即来自所述光路(14)的接收信号和所述第二信号基本上是相同的大小，从而使差值为零。

13.根据权利要求1、2或4到12中任一项所述的方法，其特征在于，所述第一光信号和来自所述第二光路的同样作为光信号的所述第二信号通过偏转装置(25)引导到所述接收器(13)，所述偏转装置这样使被偏转的信号发生偏转，即所述光信号基本上平行或角度相同地射入到所述接收器(13)中。

14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，为了补偿物体(O)的不同的反射特性，在所述接收器(13)上将至少一个发射器(12)和其他发射器(21)和/或补偿光源调节至相同的振幅。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，为了调节振幅调节多个LED中的至少一个LED，所述至少一个LED作为所述至少一个发射器(12)、所述其他的发射器(21)和/或所述补偿光源使用。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，将在此出现的调节电压用作测量值来确定物体的反射。

17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在所述时钟交变的区域(A、C)中测定的信号用于测量距离。

18.一种用于测量光渡越时间的装置，特别是用于照相机(10)，所述装置具有：

-时钟脉冲控制器(11)，

-至少一个发射器(12)，用于将由所述时钟脉冲控制器(11)时钟控制的第一光信号在至少一个光路(14)中通过反射的物体(O)发射到至少一个接收器(13)上，用于检测由于物体(O)的靠近、存在和/或远离而造成的所述第一光信号的变化，

-至少一个接收器(13)，用于接收来自于所述光路(14)的所述第一光信号，

-用于在接收器(13)上检测由所述第一光信号引起的接收信号的装置，

-用于传输由所述时钟脉冲控制器(11)时钟控制的第二信号的装置，所述第二信号不由所述光路(14)产生或通过已知其距离的路径产生，

-一种比较器(14)，用于以时钟控制的方式将来自所述光路(14)的接收信号和所述第二信号进行比较，从而在比较器(15)的输出端上产生比较值，

-至少一个调节器(18)，用于调节所述发射信号和/或所述第二信号的振幅值，所述调节器这样地使用比较值，即所述接收信号和所述第二信号至少在所述比较器的输入端上基本上是相同的大小，

-用于在来自所述光路(14)的接收信号和所述第二信号的大小被调节成在所述比较器(15)的输入端上大小基本相同时以时钟控制的方式检测在来自所述光路(14)的接收信号与所述第二信号之间的、在时钟交变时产生的对应于光渡越时间的时钟交变信号(TW)的装置，

-另一比较器，用于通过比较来自所述光路(14)的接收信号和所述第二信号之间的所述时钟交变信号(TW)的振幅来确定差值(S16)，

-移相器(17)，用于改变所述差值(S16)，直到所述差值(S16)最小化，优选为零，所述移相器用于改变所述接收信号和所述第二信号的相位的相位迟延，

-用于在最小化差值时产生的所述移相器的迟延来确定光渡越时间的装置。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，设置有另一发射器(21)，用于将第二光路中的第二信号发射到至少一个所述接收器(13)上。

20.根据权利要求18所述的装置，其特征在于，设置有用于通过电路来传输所述第二信号的装置。

21.根据权利要求18到20中任一项所述的装置，其特征在于，所述比较器(15)是用于振幅测量的同步解调器(D1)的一部分。

22.根据权利要求18到21中任一项所述的装置，其特征在于，当来自所述光路(14)的接收信号和所述第二信号至少在所述比较器(15)的输入端上基本上是相同的大小时，那么仅仅发射器的没有时钟同步的交变分量的噪音位于放大器(23)的输出端上。

23.根据权利要求18到22中任一项所述的装置，其特征在于，所述接收器(13)是部分地、优选在所述接收器的边缘(13b)上涂覆不透光层的光电二极管。

24.根据权利要求18到23中任一项所述的装置，其特征在于，用于以时钟控制的方式检测所述时钟交变信号(TW)的装置是门电路，所述门电路检测以前缀符号交替变化的所述时钟交变信号(TW)，并且即所述时钟交变信号(TW)之间的所述差值(S16)作为调整电路的控制变量使用。

25.根据权利要求18到24中任一项所述的装置，其特征在于，一种装置，设置用于将来自所述光路(14)和传输所述第二信号(S13)的路径的所述接收信号(S13)分布到不同的区域(A、B、C、D)中，其中门电路被设置作为以时钟控制的方式检测位于时钟交变的区域(A、C)之间的区域(B、D)的装置。

26.根据权利要求18、19或21到12、25中任一项所述的装置，其特征在于，设置有偏转装置(25)，用于将所述第一光信号和来自所述第二光路的同样作为光信号的所述第二信号引导到所述接收器(13)，所述偏转装置这样使偏转信号发生偏转，即所述光信号基本上平行或角度相同地射入到所述接收器(13)中。

27.根据权利要求18到26中任一项所述的装置，其特征在于，至少一个发射器(12)、另一发射器(21)和/或补偿光源至少部分地由LED构成。

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