CN104303011B - 具有校正装置以考虑串扰的光学距离测量设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出用于光学距离测量的一种测量装置（1）。该测量装置（1）具有发送装置（3）、接收装置（7）、调制装置（5）、分析装置（9）和校正装置（11）。该发送装置在此被实施用于向对象（13）发送第一信号（15）。该调制装置（5）在此被实施用于对该第一信号（15）进行调制。该接收装置（7）在此被实施用于探测第二信号（17）。该分析装置（9）在此被实施用于接收并分析该第二信号（17）。该校正装置（11）被实施用于在接通该调制装置（5）并低于可预给定功率阈值来驱动该发送装置（3）的情况下来校正该测量装置（1）。

Description

具有校正装置以考虑串扰的光学距离测量设备

技术领域

已知光学距离测量设备，所述光学距离测量设备可以确定在该距离测量设备与目标对象之间的距离。为此距离测量设备在朝向该目标对象的方向上发送光束，并探测从该对象所反射的以及在朝向该距离测量设备的方向上所返回的光。

背景技术

距离的确定可以借助飞行时间法，也称作time-of-flight法。在此可以在时域或在频域中来进行这种测量。在时间测量时，例如短的激光脉冲可以在时间点t_开始处向目标对象发送并且在该目标对象处被散射或反射。该测量辐射的一部分例如通过接收光学装置到达光学接收器，并在时间点t_停止处到达该光学接收器。由所测量的飞行时间（t_停止减t_开始）和光速c₀来计算该目标对象的距离d。

在频域中进行测量时或者按照相位飞行时间法，光源的光学辐射可以在其强度上例如以正弦形来加以调制。被调制的辐射被发送到该目标对象，并在那里被散射或反射。被反射的辐射的一部分例如通过接收光学装置到达光学接收器。所接收的正弦形强度调制的辐射根据该目标对象的距离而与被发送的正弦形强度调制的信号之间具有相位偏移。根据所接收的与所发送的信号之间的相位差、已知的调制频率以及光速，可以计算至该目标对象的距离。代替示例提到的正弦形强度调制，可以选择矩形脉冲和其他的调制形式。距离与相位之间关联的多重性可以通过在多个紧密相邻频率情况下进行测量而得到解决。但是上述距离测量设备的测量精确度并不总是令人满意的。

发明内容

从而需要一种测量装置和一种方法，它们能够改善距离测量的测量精确度和可靠性。

这种需求可以通过根据独立权利要求所述的本发明主题而得到满足。本发明的有利的实施方式在从属权利要求中加以描述。

下文中详细讨论了根据本发明实施方式的一种装置的特征、细节和可能的优点。

根据本发明的第一方面，提出用于光学距离测量的一种测量装置。该测量装置具有发送装置、调制装置、接收装置、分析装置和校正装置。该发送装置被实施为把第一信号发送到对象上。该调制装置被实施为例如周期地在强度、幅度和/或在频率上调制该第一信号。该接收装置在此被实施为探测第二信号，并例如转发到该分析装置。该分析装置被设置用于接收并分析该第二信号。例如该分析装置可以被设置用于根据在该第一和第二信号之间的相位差、已知的调制频率和光速来确定该测量装置与该对象之间的距离。该校正装置被实施为，在该调制装置接通以及在该发送装置低于可预给定功率阈值被驱动期间校正该测量装置。也即在调制装置例如以全功率被驱动以及该发送装置例如以非常低的功率被驱动或者被关闭期间，来进行校正。在此该功率阈值涉及由该发送装置所发射的光学输出功率，尤其是涉及平均的光学输出功率。

该第二信号在此是由该接收装置所接收的信号。在校正测量时，该第二信号可以仅仅具有光学背景辐射。相反，在距离测量时，该第二信号不仅可以具有背景辐射，而且还可以具有从对象返回的测量辐射。

换句话说，本发明的理念所基于的是以下的知识，即在调制装置与接收装置之间或者在发送路径与接收路径之间发生了串扰（也称为crosstalk），并且这可能导致系统距离测量误差。一方面，该串扰可能导致供电电压和接收装置的灵敏性发生变化。另一方面，通过该串扰可能改变用于由该接收装置探测该第二信号的扫描窗口的宽度，因为打开和关闭扫描窗口的电信号受到影响。

尤其在利用SPAD（Single Photon Avalanche Dioden，单光子雪崩二极管）来实施该接收装置时，其中该调制装置、该接收装置和该分析装置可以集成在一个芯片中，一方面在调制装置和接收装置之间可能产生例如影响该SPAD的供电电压的串扰。另一方面，在调制装置与分析装置之间可能产生影响扫描窗口或容器（Bin）的宽度的串扰。

在通过该校正装置对本发明的测量装置进行校正时，对该串扰加以考虑。为此在接通调制装置的情况下来进行这种校正。同时该发送装置在校正期间低于预给定的功率阈值被驱动。例如该发送装置作为激光器或激光二极管来实施，并在校正期间低于激光器阈值被驱动，使得向该目标对象不发射测量辐射或发射少到可忽略的测量辐射，或者该激光器以相当微小的效率来工作。这样例如就可以在光路中省略机械快门，其中该机械快门将不必要地增大该测量装置的尺寸。尤其在手持距离测量装置中可能有利的是，通过省略机械关闭装置来降低重量。

这样，在发送路径和接收路径之间的电串扰已经在校正期间就通过驱动该调制装置而充分存在，而不探测从目标对象所反射的辐射。这样就可以简单而有效地确定系统测量误差，并在之后的距离测量中考虑该系统测量误差。

该测量装置可以是手持的或静止安装的距离测量装置。该发送装置可以是光学辐射的源，例如激光二极管、尤其红色激光二极管。该发送装置也可以被称作发射器。该发送装置被实施以朝向对象来发送第一信号。该对象也可以被称作目标对象。该第一信号也可以被称作测量辐射或信号光。例如该第一信号可以具有635或650nm的波长。在此该发送装置在距离测量时可以以例如约30mA的直流电流（DC电流）来供电。在校正测量时，该电流可以低于例如为20mA、优选10mA并尤其为5mA的预给定极限值。

该调制装置也可以被称作片上激光调制器，并且例如可以具有振荡器。该调制装置在此被实施为在强度、幅度和/或频率上来改变该第一信号。例如该调制装置可以周期地、例如正弦形地调制该第一信号。在DC激光二极管电流例如为30mA的情况下，这例如可以通过以5mA的AC幅度对激光二极管电流进行调制来进行。

该接收装置可以是探测器，其例如具有至少一个雪崩光电二极管、也称作Avalanche-Photo-Diode（APD）、或者至少一个单光子雪崩二极管（SPAD）。该接收装置被实施为探测第二信号。该第二信号在此例如在距离测量时不仅可以具有从目标对象反射的或射回的测量辐射，而且还可以具有背景辐射。在校正测量时，该第二信号可以仅包含有背景辐射。该第二信号被传输到该分析装置，在该分析装置中例如可以借助一种算法来确定该测量装置与该目标对象之间的距离。

该分析装置例如可以是控制单元。该分析装置尤其可以作为专用集成电路、也称作ASIC来实施。在此该分析装置例如可以控制时间测量和/或该第一信号的调制和/或该接收装置的调制。在该接收装置作为SPAD来实施的情况下，该分析装置尤其可以给该接收装置所接收的数字信号分配不同的计数器。这些计数器或计数器读数在此代表了不同的探测周期。这些探测周期可以被称作容器宽度或扫描窗口。在距离测量时，探测周期的总和应该对应于被调制的第一信号的周期。换句话说，在探测周期期间，周期调制的探测信号的周期重复的相位区域被检测，并在计数器中把相应的数字探测信号进行累加。根据数字计数器的在许多探测周期上所累加的计数器结果，可以推断在所发送的第一信号与所接收的第二信号之间的相位差，并由此来确定该目标对象的距离。

该校正装置可以作为单独的单元或者例如作为该分析装置的部分来实施。该校正装置被实施为对该测量装置进行校正。为此该校正装置例如可以操控该调制装置，以开始该发送装置的调制并同时把DC供电保持低于规定阈值。也就是说，该校正装置可以如此来操控该发送装置，使得其在该调制装置激活期间不发送或仅发送少量的测量辐射。在校正测量期间所接收的、仅包含有背景辐射的第二信号可以用于计算出在距离测量时的系统测量误差。

根据本发明的实施例，该校正装置被实施为在校正该测量装置时对该接收装置与该调制装置之间的串扰加以考虑。串扰在此可以是实际独立的信号通道之间不期望的相互影响。该串扰例如可以是电感性的或电容性的。

根据本发明的实施例，该第二信号在校正测量时仅具有光学背景辐射。与此相反，在距离测量时，该第二信号不仅具有背景辐射，而且还具有从对象返回的测量辐射。该背景辐射在此例如可以是均匀分布的光学辐射。与测量辐射相反，该背景辐射没有经过调制。代替地，该背景辐射可以理解为未必未调制的、但与该第一信号不相干的辐射。

根据本发明的另一实施例，该接收装置可以与该分析装置集成地来实施。集成在此可以意味着，该接收装置一体地、也即与该分析装置一起实施在一个组件中。例如该接收装置以及该分析装置都可以在一个芯片中来实现。在该测量装置的这种扩展方案中，所述的校正是特别有利的，因为在该接收装置集成在该分析装置中时串扰的效应可能是特别明显的。

另外所有的装置都可以任意地相互组合。例如该接收装置可以与该分析装置一体地或集成地来实施。另外该接收装置、该分析装置和该校正装置也可以综合为一个单元。所述的所有装置、以及该发送装置都可以集成在一个芯片上。

根据本发明的另一实施例，该接收装置具有至少一个雪崩光电二极管（APD）或至少一个单光子雪崩二极管（SPAD）。尤其在基于SPAD的距离测量情况下，该分析装置和该接收装置可以并排集成在同一芯片中。

根据本发明的另一实施例，该发送装置作为激光器、尤其作为激光二极管来实施。例如可以使用具有635或650nm波长的红色激光二极管。在此该校正装置可以被实施用于在校正过程期间低于激光器阈值来驱动该激光器，也即不发射测量辐射。

根据本发明的第二方面而描述了用于对前述测量装置进行校正的一种方法。该方法具有以下的步骤：驱动发送装置以低于可预给定功率阈值的功率来发送第一信号；尤其以全功率输入来驱动调制装置，以调制该发送装置的第一信号；借助接收装置来探测第二信号，并基于该第二信号借助校正装置来校正该测量装置。

附图说明

本发明的其他特征和优点根据下文对示例实施方式的说明并参照附图来向专业人员阐明，但这些示例实施方式不应认为是对本发明的限制。

图1示出了根据本发明实施例的一种测量装置的连接框图，

图2示出了根据本发明另一实施例的一种测量装置的一部分，

图3示出了在利用未调制的背景光进行照射时以及在发送装置和调制装置都接通时该第二信号的理论扫描值和所测量的扫描值的图示，

图4示出了在利用未调制的背景光进行照射时以及在发送装置接通和调制装置关闭时所测量的扫描值的图示，

图5示出了在利用未调制的背景光进行照射时以及在发送装置关闭和调制装置接通时所测量的扫描值的图示，

图6示出了在借助该校正装置进行校正之后所测量的扫描值的图示，

图7示出了在不同温度下激光二极管的特征曲线。

所有的附图仅仅是本发明装置或其根据本发明实施例的组成部分的示意图。在附图中尤其距离和大小关系没有按照比例来加以再现。在不同的附图中相对应的元件被设置有相同的参考数字。

具体实施方式

图1示出了测量装置1的横截面。该测量装置1在此可以是手持距离测量设备。该测量装置1可以具有壳体19，在该壳体中设置有发送装置3、调制装置5、接收装置7、分析装置9和校正装置11。该发送装置3被实施用于向目标对象13发送第一信号15。为此该发送装置3可以具有诸如半导体激光二极管的光源21和物镜23。该激光二极管在此例如可以具有如在图7中所示的与温度有关的特征曲线。在图7中在此在X轴上示出以mA为单位的电流，在Y轴上示出以mW为单位的功率。右边的曲线对应于在50℃时的特征曲线，中间的曲线对应于在40℃时的特征曲线，左边的曲线对应于在25℃时的特征曲线。

该激光器或该激光二极管通过可调节的DC电流而被接通，或者在功率上被调节。该激光器开始发射光的阈值例如为25mA。该激光器例如在距离测量时以30mA的DC电流被驱动。该激光功率在此例如在激光类II时被限制为1mW的平均功率。在接通该调制装置5时的调制电流例如处于10mA或5mA。

也称为测量辐射的该第一信号15可以在其幅度或频率上并尤其在其强度上通过调制装置5被短暂地调制。在距离测量期间，该第一信号15可以通过光学窗口27而离开该测量装置1。在离开该测量装置1之后，该第一信号15在位于与该测量装置1距离31处的目标对象13上被散射或反射。被反射的辐射33穿过另一光学窗口35入射到该测量装置1中，并在那里连同未调制的背景辐射一起作为第二信号17由接收装置7来探测。该接收装置7在此情况下可以具有接收光学装置37和接收探测器39。该第二信号17由该接收装置7传输到该分析装置9。在该分析装置9中，该目标对象13与该测量装置1的距离31被借助相位飞行时间法确定。

尤其在大距离或者强背景光的情况下，距离测量的测量结果由于不利的信噪比而可能失真。因此根据本发明的测量装置1可以执行校正测量，以改善测量结果的可靠性。在校正测量时，例如在该分析装置9中所设置的校正装置可以如此来操控该发送装置3，使得该发送装置低于功率阈值被驱动。也即，在校正测量期间实际上不发送可探测的第一信号15。例如在此情况下激光二极管低于激光器阈值来运行。在此该校正装置11被实施用于在校正过程期间接通该调制装置5。这样仅仅未调制的背景辐射到达该接收装置7，其中该背景辐射的探测已经受到由于该调制装置5的运行而引起的串扰的影响。所述串扰在此可能在该调制装置5与该接收装置7之间和/或在该调制装置5与该分析装置9之间发生。借助在这些条件下所探测的第二信号，可以确定由串扰所决定的系统误差，并在随后的距离测量中加以考虑。这可以明显提高距离31的测量精确度。

在图2中示出了测量装置1的另一实施例。在此图2示出了电路板，其上布置有以激光二极管形式的发送装置3，带有驱动器和相应的网络。另外在该电路板上还布置有8MHz振荡器，μ控制器、能量源41、高压发生器43和模拟低频路径45。另外该电路板还具有接收装置7，其中该接收装置作为APD或SPAD来实施并具有相应的网络。另外在该电路板上还设置有分析装置9，该分析装置作为ASIC来实施，其被实施用于进行时间测量和/或用于调制该发送装置3和/或该接收装置7。在该分析装置9中设置有调制装置5。

借助图3至6来详细讨论该调制装置5的运行对串扰的影响。在此在图3至6中分别在X轴上示出了八个扫描窗口，也称为容器。这八个扫描窗口对应于一个扫描周期，并且从每个扫描窗口中来获得扫描值、即所谓的采样值。在Y轴上示出了所探测的第二信号相对于其在调制周期上的平均值而以百分比表示的标称强度。在图3和4中为了确定这些值，在此采用了常规的设备，其中在常规设备的情况下可以机械阻塞由该目标对象13所反射的辐射33，以表明串扰的效应。但在本发明的测量装置1中不需要机械元件来进行校正。

图3示出了在发送路径和接收路径之间串扰的问题。在所示的例子中在发送路径中接通调制装置5时并且在高于激光器阈值来驱动该激光二极管时确定测量值。在此从该目标对象13所反射的辐射33在接收侧被阻塞，使得仅仅利用恒定的未调制的背景光来照射该接收装置7。由该接收装置7所接收的第二信号17与该调制频率相周期同步地被扫描。在这种条件下得到了以矩形测量点来表示的、基本正弦形的曲线。在探测周期上的正弦形由该发送路径与接收路径之间的串扰决定。在此，串扰例如影响了该接收装置的灵敏性和/或扫描窗口的宽度。

用菱形来表示的、与X轴平行的曲线对应于没有串扰的理想系统的理论扫描值。在理想系统中，在全部扫描窗口中都探测到相同的扫描值。

为了能够校正由串扰导致的误差，必须已知与图3中的测量值相对应的串扰向量。在例如手持激光距离测量设备中，不能容易地确定串扰向量。在制造时进行一次校正就可以了。但是也可能由于温度波动、过程波动和电压波动、以及由于老化而使串扰在幅度和相位上产生变化。从而可能需要在每次距离测量之前执行校正测量。为了阻止信号光到达该探测器，必须有例如机械快门来中断该光路。但这种元件增大了该设备的尺寸，并引起附加成本。从而在断开激光器的情况下或者在低于激光器阈值来驱动该激光器的情况下，校准测量是有利的。

图4示出了在用未调制的背景光进行照射、断开该调制装置5以及低于激光器阈值来驱动该发送装置3、也即激光器DC关闭的情况下所测量的第二信号的扫描值。相应的值在与X轴相平行的曲线中用圆形所表示的测量值来示出。为了进行比较，示出了在发送路径中接通调制装置5以及高于激光器阈值来驱动该发送装置3的情况下的正弦形测量曲线，如图3所已知的。

如图4所示，在断开该调制装置5的情况下测量值几乎对应于没有串扰时的理想理论值。从而可以总结得出，串扰主要由该调制装置5引起。从而必须接通该调制装置5来确定串扰向量。

图5现在示出了在未调制的背景光、接通调制装置5以及低于预给定功率阈值来驱动该发送装置3情况下该接收信号的扫描值。另外在图5中还示出了在接通调制装置5以及高于激光器阈值来驱动该发送装置3情况下已经由图3和图4所已知的扫描值曲线。两个曲线相重叠。由此能够总结得出，串扰向量近似与激光二极管的DC工作点无关。

在图6中重新示出了由图3、4和5所已知的测量曲线，其中该测量曲线是正弦形的并且是在接通该调制装置5以及接通发送装置的情况下所记录的。另外在图6中还示出了已校正的测量曲线，该测量曲线近似平行于X轴延伸并几乎对应于图3的理论曲线。在此将每个容器的所测量的距离测量扫描值（激光器DC接通，调制装置接通）都除以每个容器的校正测量的扫描值（激光器DC断开，调制装置接通）。在此将在距离测量时所记录的容器1的值除以在校正测量时所记录的容器1的值。对于其他容器的值也同样类似地进行。

最后要注意，诸如“具有”或类似的表述不应排除可以设置其他的元件或步骤。另外还应指出的是，“一个”不应排除多个。另外，结合不同实施方式所述的特征可以任意地相互组合。另外还应注意，在权利要求中的附图标记不应解释为是对权利要求范围的限制。

Claims (8)

1.用于光学距离测量的测量装置（1），该测量装置（1）具有

发送装置（3），用于向对象（13）发送第一信号（15）；

调制装置（5），用于对该第一信号（15）进行调制；

接收装置（7），用于探测第二信号（17）；

分析装置（9），用于接收并分析该第二信号（17）；

其特征在于，该测量装置（1）另外还具有校正装置（11），该校正装置被实施用于在接通该调制装置（5）并低于可预给定功率阈值来驱动该发送装置（3）的情况下通过从所接收的第二信号（17）中确定系统测量误差来校正该测量装置（1）。

2.根据权利要求1所述的测量装置（1），

其中该校正装置（11）被实施用于在校正该测量装置（1）时对在该接收装置（7）与该调制装置（5）之间的串扰和/或在该分析装置（9）与该调制装置（5）之间的串扰加以考虑。

3.根据权利要求1和2之一所述的测量装置（1），

其中该第二信号（17）在校正时具有光学背景辐射；

其中该第二信号（17）在距离测量时具有光学背景辐射以及从该对象（13）所返回的光学辐射。

4.根据权利要求1至2之一所述的测量装置（1），

其中该接收装置（7）与该分析装置（9）相集成地来实施。

5.根据权利要求1至2之一所述的测量装置（1），

其中该接收装置（7）具有雪崩光电二极管或单光子雪崩二极管。

6.根据权利要求1至2之一所述的测量装置（1），

其中该发送装置（3）作为激光器来实施；

其中该激光器在校正时低于激光器阈值而被驱动。

7.根据权利要求1至2之一所述的测量装置（1），

其中该校正装置（11）被实施用于校正该测量装置（1），其方式是，由该接收装置（7）在距离测量期间所探测的第二信号（17）除以在校正测量期间所探测的第二信号（17）。

8.用于校正根据权利要求1至7之一所述的测量装置（1）的方法，该方法具有以下的步骤：

驱动发送装置（3）以低于可预给定功率阈值的功率来发送第一信号（15）；

驱动调制装置（5）以调制该发送装置（3）的第一信号（15）；

借助接收装置（7）来探测第二信号（17）；以及

借助校正装置（11）基于该第二信号（17）来校正该测量装置（1），其方式是从该第二信号中确定系统测量误差，该系统测量误差在距离测量中被计算出来。