CN1643397A - 光学测距的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用光学测距的方法和装置，其藉由发射一经调幅及集束的光学信号及接收从目标物反射的信号，其中调制频率由一调节回路不断地调整，以致于发出和接收到的信号之间存在了一与距离无关的固定相差，以及在保持高准确度同时，减少用于一距离评估电路的所需的电路装置以及增大可达到的调节速度，其特征在于使用一相位比较器测定相差。

Description

光学测距的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种利用光学测距的方法和装置，其藉由发射一经调幅及集束的光学信号及接收从目标物反射的信号，其中调制频率由一调节回路不断地调整，以致于发出和接收到的信号之间存在了一与距离无关的固定相差。

背景技术

EP 1 152 259 A2揭示了一光学测距传感器，其能够确定光学测距传感器和一目标物之间的距离。如果待测的是金属片的厚度或者半导体板离器具的距离，例如，在工业质量控制或制造流程中，则会采用这类光学测距传感器。而且，光学测距传感器也被用作将物件定位，例如，在电梯安装中，电梯厢要以预定的位置每层定位。同样，在存储系统中，为了提取储存货件也必需以相应精确方式定位提取系统。

为了确定发出和接收的光线束之间相位偏移，在EP 1 152 259 A2所揭示的光学测距传感器把一同步整流器用于其距离评估电路中，其提供一和相位差成比例的电压。采用由同步整流器输出的电压来调节一最终控件，以致于电压达到一预定值。

这样完成的调节乃是一种需要大量电路装置的连续性调节。要获得一种够准和够快的调节回路，就必须进一步增加所需的电路装置。

发明内容

因此，本发明的一目的在于提供和进一步开发一种光学测距的方法，其中在保持高准确度同时，减少用于距离评估电路的所需的电路装置以及其中调节速度可进一步被增大。

本发明的光学测距的方法以权利要求1中的步骤实现前述的目的。因此，此类方法的特征在于使用相位比较器测定相差。

根据本发明，业已发现，当相位比较器替代在EP 1 152 259 A2所揭示的光学测距传感器的相应的电路中所使用的同步整流器，有可能大幅度减少距离评估电路的所需的电路装置。相位比较器只比较目前实际相差是过大还是过小。相位比较器释放一相应的信号，其穿过一调节回路用于增大或减小经调幅集束光学信号的调制频率。

至于相位比较器的准确度，本发明设置这种比较器，实现了其在所要求的相位或预期相差附近的区间中显示了一高相位分辨率。在此区间外的相位不必以高准确度探测。而此区间只可能遍及所要求的相位附近的一小区域。对一种适合不同应用的相位比较器来说，其区间界限最好可进行可变调整。和传统相位测定法相比，本发明一方面能够明显提高准确度，另一方面则可大大减少所需的电路装置。

相当普遍地，相位比较器比较所测定的相位比预期相差大还是小。就此而论，最好预先定下预期相差。总而言之，这样保证了预期相差可根据每一具体的光学测距应用作灵活调整。为了改变在电路中预期相差提供了相应的输入配置。

相位比较器最好以数码信息形式输出它的测量结果。数码信息中编码是实际探测到的相差是比预期相差大或小。在目前而言，实际个别与预期相差不一致数值是不需理会的。

基于相位比较器的输出值，即实际探测到的相差比预期相差大或小，则把调节回路作为一双位调节是可能的。在这种情况下，调制频率要不断地改变。变化比率的值是固定的。视乎相位比较器的输出值，可为正值或负值。换句话说，调制频率可连续地增大或减小。每次当相位比较器输出一测定值后，基本上有可能作一频率调节。最好，调制频率以一固定比率增大或减小。视乎测定任务，比率可作调整。

如果双位调节的调节信号时序比提供调制频率之调制频率发生器的调整时间为短的话，则其有可能用于调节调制频率发生器的惯性，这是由较长调整时间所引致的。在这过程中，实际调整后的调制频率会在待调整的预期调制频率值附近的一小频率范围内波动，特别当为了这个目的对相位比较器的探测周期作配合或调整时。基于相位比较器的输出值，调制频率发生器上的控制电压不是升高就是降低，即是，控制电压并不是保持恒定。即使因为有双位控制，调制频率在预定值左右波动并且仅仅用相位比较器仍不能精确地调节时，尚有可能相应地调节预期值，也就是说，在一可预定的测量时间内，由调制频率发生器提供的调制频率的波动值平均化后的数值。当和连续相位测量相比时，其以特殊有利的方式是使在预期相差值附近作出的调节的敏感性大大提高。

在测量过程开始时，调制频率由一可预定的初始值开始改变，直到相位比较器察觉已达到一预期的相差值—如果需要，同样地也可预定。例如，应当有可能把初始值设定为一调制频率，其值较期待调制频率为小及相应于预期相差或设量点相差值。假如这样的话，初始调制频率将须增大，直到相位比较器察觉已达到预期相差。就此而论，这可能需要把预定的初始值大约调整到相应于距期待或待测的测试目的距离的数值。测试目的和光学测距仪之间的相对移动是不会改变调整相位的持续时间的。

一般人相当普遍地把周期信号，如正弦曲线信号，作为调制信号。在一非常特别的较佳实施例中，脉冲串信号作为调制信号。假如这样的话，各自的脉冲时间应当相应于两连续的脉冲之间的各自的相隔时间，或者脉冲串信号由短脉冲组成。在后面的情况下，脉冲时间会较两连续的脉冲之间的相隔时间为短。一脉冲串信号使得有可能以特别有利的方式实现非常快速的信号上升时间，从而进一步在所考虑的范围内提高相位探测的准确度。随即，就有可能达到带宽，这用现有技术的相位测定方法是不可能达到的因为这些方法中固有的模糊性。那些脉冲的可能振幅波动在电子学上以一可将探测时的假象减至最小的延时对称鉴别器作补偿。

实际上，调制频率的调节作用是借助于调节回路达到的，以致于使在一收到的脉冲和一待发射的下一种脉冲间所形成的相差作持续地调节。

光学信号来往测试物体之间的传输时间t可以依照下列的公式以已发射信号的周期时间dt的整倍数来计算

                            t＝n*dt.

整数n假定为1和一种大整数之间的数值，也就是说，相位差总是大于360度。在此过程中，还必需考虑以校准确定的固定偏移量，但为了简化，上述公式中并没有考虑这一偏移量。如果假定n的数值为1，就没有任何测量模糊性。在此情况下，在收到的脉冲和待发射的下一种脉冲间所形成的相差作持续地调节。如果n为大于1的整数值，若大的测量距离要求快速测量时间，则有可能消除采用不准确的初步的测量引起的模糊性。然后，再以在特定媒介中通过的光速和单一传输时间t/2的乘积来求出待测距离。基本上，电路可预先确定相差。

由测量产生周期时间的调制频率，可计算出距目的体的距离。在此情况下，测量是一直接频率测量，其中用本发明的方法，通过脉冲传输时间极多次测定非常快速地求出平均值。有利的是，单次测量的时间必须不长过由信号来往目标物的传输时间。这样，达到高测量准确度所需的总测量时间远比仅测量脉冲传输时间再以随后求出每次测量的平均值的方法为短。

关于装置，最初所述的目的透过权利要求16的特点达成的。因此，一种利用光学测距的装置的特征在于相差可用一相位比较器测到。本发明的装置最好用作实现权利要求1至15中任何一项所述的方法，为避免重复，说明书的前述部份由此结合作为参考。

附图说明

在附图中，唯一的附图所示为本发明的光学测距装置的一具体实施例的示意图。

具体实施方式

以下，将叙述本发明的光学测距装置的一具体实施例。在本装置中，一调制频率信号由一压控振荡器(VCO)产生。在压控振荡器之后的放大器放大压控振荡器产生的调制频率信号。一光源以经这样放大的调制频率信号作振幅调变。任何人可使用发光二极管(LED)或一激光当作光源。就此而论，普遍是使用波长介乎红至红外线的波长范围的光源。如果光源有高的发散性，应当能够使用一聚焦装置，最好用一透镜和/或一反射镜，把光源的光线集成束及使之成直射。

为探测从目的点反射的光线，倘若目标物有一反光镜，探测器应包括一光敏二极管。否则，探测器应设有一雪崩二极管或一光电倍增器。当待测距离很远从而，待测光线的强度很弱和/或因为光的散射而使目标物只向探测器的方向反射小部份的光线时，最好采用雪崩二极管或者光电倍增器。

用相位比较器确定调制频率信号与探测器输出信号之间的相对相位。将相位比较器的输出信号传送到调节回路，其被用作产生一调制频率产生器的校正信号。调制频率的测定用作计算本发明的装置和目标物之间的距离。

目前仍有各种可能性以有利的方式改进并进一步发展本发明的启示。为此，一方面可参考从属于权利要求1及权利要求16的权利要求，另一方面可结合附图参考下列对本发明较佳实施例的描述。参照附图并结合本发明的较佳实施例的叙述，将说明本发明启示的一般较佳的改进以乃进一步的发展。

本发明的光学测距装置透过一光发射器1发射一经调幅光信号2。一光辐射探测器5探测一由目标物3反射的信号4，目标物位于离光学测距装置一距离d之处。经一调节回路6持续调整调制频率，以致于因而在射出信号2和接收到的信号4之间产生了一和距离d无关的固定相差。

根据本发明，用一相位比较器7探测一产生的相差，其比较所测得的相位是否比一预期相差大或小。具体地说，相位比较器7确定在一由放大器13放大的调制频率信号8和一探测器输出信号9之间的一相对相位。相位比较器7输出数码资讯10，其相当于一正电压或一负电压。相位比较器7的这一输出数码资讯10提供给调节回路6。调节回路6被视为一双位调节，其为调制频率产生器12产生一校正信号11。一周期信号被用作为一调制信号，其为一脉冲串信号及由短脉冲组成。

一压控振荡器(VCO)12产生或提供有效的调制频率信号8，其由放大器13放大。经放大的调制频率信号8用作对光源或光发射器1进行振幅调变。作为使用一频率计去测定调制频率的结果，在模块15中计算出装置和目标物之间的距离d。

最后，应当特别提到，以上所述的实施例只用于叙述本发明要求保护的启示，当然不应把本发明仅限于该实施例。

可以把一延时对称鉴别器16配置在光辐射探测器5和相位比较器7之间。

Claims (26)

1.一种光学测距方法，其藉由发射出一经调幅及集束光学信号以及藉由接收从目标物反射的信号，其中调制频率经一调节频率以在发出和接收的信号之间存在一与距离无关的固定相差的方式不断地调整，其特征在于：

以一相位比较器探测所产生的相差。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述相位比较器在预期相差附近的区间中具一高相位分辨率，其分辨率最好经由一反馈放大作调整。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述相位比较器比较测得的相位是否比一最好为可预先确定的预期相差大或小。

4.根据权利要求1至3中任何一项所述的方法，其特征在于：所述相差由电路预先测定。

5.根据权利要求1至4中任何一项所述的方法，其特征在于：所述相位比较器输出数码资讯。

6.根据权利要求1至5中任何一项所述的方法，其特征在于：所述调节回路被视为一双位调节，其最好只改变调制频率变率的正负符号。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：双位调节的调节信号时序比提供调制频率之调制频率发生器的调整时间为短。

8.根据权利要求1至7中任何一项所述的方法，其特征在于：在测量过程开始时，调制频率由一可预先确定的初始值开始改变，直到所述相位比较器察觉已达到一预期或设置点相差。

9.根据权利要求1至8中任何一项所述的方法，其特征在于：一周期信号用作调制信号，其最好为一正弦曲线信号。

10.根据权利要求1至9中任何一项所述的方法，其特征在于：一脉冲串信号用作调制信号。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于：所述脉冲串信号由短脉冲组成。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于：所述脉冲的振幅波动用一延时对称鉴别器补偿了。

13.根据权利要求10至12中任何一项所述的方法，其特征在于：在一收到的脉冲和之后待发射的一个脉冲之间持续地调节相差。

14.根据权利要求10至12中任何一项所述的方法，其特征在于：在一收到的脉冲和待发射的下个脉冲之间持续地调节相差。

15.根据权利要求1至14中任何一项所述的方法，其特征在于：来往测试物体之间的光学信号传输时间，除了一待校准的偏移量之外，可以经发射信号的周期时间的整倍数来计算。

16.一种光学测距装置，其藉由发射出一经调幅及集束光学信号以及藉由接收从目标物反射的信号，其中调制频率经一调节回路是可调节的，这样以致于在发出和接收的信号之间存在一与距离无关的固定相差，最好用于实施根据权利要求1至15中任何一项所述的方法，其特征在于：

所述相差可用一相位比较器探测。

17.根据权利要求16所述的装置，其特征在于调制频率信号可由一压控振荡器(VCO)产生。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于由压控振荡器产生的调制频率信号可用压控振荡器后的一放大器放大。

19.根据权利要求16或17所述的装置，其特征在于光源可以调制频率信号进行振幅调变。

20.根据权利要求16至19中任何一项所述的装置，其特征在于光源包括一发光二极管或一激光。

21.根据权利要求16至20中任何一项所述的装置，其特征在于：可使用一聚焦装置，最好用一透镜和/或一反射镜使光源的光线集成束。

22.根据权利要求16至21中任何一项所述的装置，其特征在于：探测从目标物反射光线的探测器包括一光敏二极管、一雪崩二极管或一光电倍增器。

23.根据权利要求16至22中任何一项所述的装置，其特征在于：用所述相位比较器可确定调制频率信号与探测器输出信号之间，实际相位和预期相位间的偏差数的正负符号。

24.根据权利要求16至23中任何一项所述的装置，其特征在于：所述相位比较器的输出信号可传送到调节回路。

25.根据权利要求16至24中任何一项所述的装置，其特征在于：用所述调节回路可为调制频率产生器产生校正信号。

26.根据权利要求16至25中任何一项所述的装置，其特征在于：通过测定调制频率可计算出装置和目标物之间的距离。