DE102007011417A1

DE102007011417A1 - Apparatus and method for determining distance

Info

Publication number: DE102007011417A1
Application number: DE102007011417A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Listl; Lutz Dr. Lohmann; Peter Dr. Mengel
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2007-03-08
Filing date: 2007-03-08
Publication date: 2008-09-11
Also published as: WO2008107374A1

Abstract

Ein Abstandssensor (1) weist eine Sende- und Empfangseinheit (2) auf, durch die Lichtpulse (3) zu einem Objekt (4) aussendbar und durch die vom Objekt (4) zurückgeworfenen Lichtpulse (3) empfangbar sind. Die Sende- und Empfangseinheit (2) bietet die Möglichkeit zur Kurzzeitintegration, wodurch sich die Laufzeit der Lichtpulse (3) überwachen lässt. Für die Selbstdiagnose der Sende- und Empfangseinheit (2) ist im Objektstrahlengang (6) eine Ablenkeinheit (7) vorgesehen, durch die die Lichtpulse (3) wenigstens teilweise zu einem Referenzobjekt (9)fangseinheit (2) über eine Verzögerungsvorrichtung, durch die der Aussendevorgang um eine vorbestimmte Zeit verzögerbar ist, so dass von der Sende- und Empfangseinheit (2) ein Entfernungszuwachs detektiert werden kann, der mit vorbestimmten Referenzwerten verglichen werden kann.A distance sensor (1) has a transmitting and receiving unit (2) through which light pulses (3) can be emitted to an object (4) and can be received by the light pulses (3) reflected by the object (4). The transmitting and receiving unit (2) offers the possibility of short-term integration, whereby the duration of the light pulses (3) can be monitored. For the self-diagnosis of the transmitting and receiving unit (2) in the object beam path (6) is provided a deflection unit (7) through which the light pulses (3) at least partially to a reference object (9) capture unit (2) via a delay device, by the Aussendevorgang is delayed by a predetermined time, so that from the transmitting and receiving unit (2) a distance increase can be detected, which can be compared with predetermined reference values.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entfernungsbestimmung mit einem Strahlungspulse aussendenden Sender und einem Empfänger, mit dem von einem Objekt zurückgeworfene Strahlungspulse empfangbar sind, und mit einer mit dem Empfänger und dem Sender verbundenen Auswerteeinheit, die der Bestimmung der Laufzeit der Strahlungspulse dient.The The invention relates to a device for determining distance with a transmitter emitting radiation pulses and a receiver, with the radiation pulses reflected by an object are receivable, and with one with the receiver and the Transmitter connected evaluation unit, which determines the duration the radiation pulses is used.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Entfernungsbestimmung.The The invention further relates to a method for determining distance.

Eine derartige Vorrichtung und ein derartiges Verfahren sind aus der DE 198 33 207 A1 bekannt. Bei der bekannten Vorrichtung und dem bekannten Verfahren werden mithilfe von Laserdioden Lichtpulse zu einem abzutastenden Objekt gesendet. Die vom Objekt zurückgeworfenen Lichtimpulse werden von einem CMOS-Sensor erfasst, der eine Vielzahl von den einfallenden Lichtstrom integrierenden Sensorelementen aufweist. Die einzelnen Objektpunkte werden dabei von einer vor dem CMOS-Sensor angeordneten Optik auf die Sensorelemente abgebildet. Der CMOS-Sensor gestattet einen wahlfreien Zugriff auf die einzelnen Sensorelemente und ermöglicht Integrationszeiten unterhalb von einer Mikrosekunde. Die Integrationszeitfenster können dabei unterschiedlich lang sein. Zur Bestimmung der Entfernung eines Objektpunktes wird der vom Objekt zurückgeworfene Lichtpuls in einem zugeordneten Sensorelement mit unterschiedlichen Integrationszeitfenstern integriert. Die Integrationszeitfenster weisen dabei unterschiedliche Längen auf. Aus den Werten für die in den Integrationszeitfenstern eingefallene Lichtmenge kann dann die Laufzeit der Strahlungspulse ermittelt werden. Da die Lichtgeschwindigkeit bekannt ist, ergibt sich der Abstand des Objektpunktes unmittelbar aus der Laufzeit.Such a device and such a method are known from DE 198 33 207 A1 known. In the known device and the known method, light pulses are transmitted to an object to be scanned by means of laser diodes. The reflected light pulses from the object are detected by a CMOS sensor having a plurality of the incident light flux integrating sensor elements. The individual object points are thereby imaged onto the sensor elements by an optical system arranged in front of the CMOS sensor. The CMOS sensor allows random access to the individual sensor elements and allows integration times below one microsecond. The integration time windows can be of different lengths. To determine the distance of an object point, the light pulse reflected by the object is integrated in an associated sensor element with different integration time windows. The integration time windows have different lengths. The transit time of the radiation pulses can then be determined from the values for the amount of light incident in the integration time windows. Since the speed of light is known, the distance of the object point results directly from the transit time.

Grundsätzlich eignen sich die bekannte Vorrichtung und das bekannte Verfahren unter anderem auch zur Sicherheitsüberwachung oder zur Zutrittskontrolle. Aus Sicherheitsgründen muss dabei gewährleistet sein, dass die einzelnen Bildpunkte des CMOS-Sensors funktionsfähig sind und die richtigen Entfernungswerte liefern. Anderenfalls besteht beispielsweise die Gefahr, dass eine Person, die in den Gefahrenbereich einer Maschine gerät, nicht erfasst wird und dass infolgedessen keine Sicherheitsabschaltung der Maschine erfolgt.in principle The known device and the known method are suitable Among other things, for security monitoring or for Access control. For safety reasons, this must be ensured be that the individual pixels of the CMOS sensor is functional are and deliver the correct distance values. Otherwise exists For example, the danger of a person being in the danger zone device is not detected and as a result No safety shutdown of the machine.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfernungsbestimmung zu schaffen, die jeweils die Möglichkeit zur funktionalen Selbstüberwachung bieten.outgoing From this prior art, the invention is therefore the task based, a device and a method for determining distance Each of them has the opportunity to be functional Self-monitoring offer.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.These The object is achieved by a device and a method with the features of the independent claims. In dependent claims are advantageous Embodiments and developments specified.

Bei der Vorrichtung und dem Verfahren ist im Strahlungsgang der Strahlungspulse ein Referenzobjekt angeordnet, durch das die Strahlungspulse wenigstens teilweise zu dem Empfänger zurückgeworfen werden. Da die räumliche Lage des Referenzobjekts bekannt ist, kann anhand der von dem Referenzobjekt zurückgeworfenen Strahlungspulse die Funktion des Empfängers und des Senders überprüft werden. Insbesondere kann festgestellt werden, ob ein vollständiger Ausfall vorliegt und ob zutreffende Entfernungswerte ermittelt werden. Insofern ist auch eine Eichung der Vorrichtung und des Verfahrens möglich.at the device and the method is in the radiation path of the radiation pulses arranged a reference object through which the radiation pulses at least partially thrown back to the receiver. There the spatial position of the reference object is known based on the reflected from the reference object radiation pulses checks the function of the receiver and the transmitter become. In particular, it can be determined if a complete Failure exists and if applicable distance values are determined. In this respect, a calibration of the device and the method is possible.

Das Referenzobjekt kann außerhalb des Strahlengangs angeordnet sein, den die Strahlungspulse zu dem zu erfassenden Objekt zurücklegen. In diesem Fall befindet sich im Strahlengang zum erfassenden Objekt eine Ablenkvorrichtung, durch die die Strahlungspulse wenigstens teilweise zu dem Referenzobjekt lenkbar sind.The Reference object can be arranged outside the beam path be covered by the radiation pulses to the object to be detected. In this case is located in the beam path to the detecting object a deflection device through which the radiation pulses at least partially steerable to the reference object.

Daneben ist es auch möglich, das Referenzobjekt im Objektstrahlengang hinter dem zu erfassenden Objekt anzuordnen oder als Referenzobjekt ein im Objektstrahlengang angeordnetes Teil reflektierendes Referenzobjekt vorzusehen, das die Strahlung zu einem Teil zum Objekt transmittiert und zu einem anderen Teil zum Empfänger zurückwirft.Besides it is also possible, the reference object in the object beam path To arrange behind the object to be detected or as a reference object a reference object arranged in the object beam path to provide, which transmits the radiation to a part of the object and back to another part to the recipient.

Bei dem Empfänger handelt es sich vorzugsweise um einen optischen Sensor mit einer Vielzahl von Detektorelementen mit Kurzzeitintegration. Mithilfe der Detektorelemente kann die Strahlungsleistung von einfallender Strahlung innerhalb eines variierbaren Integrationszeitfensters zu Messwerten für die während des Integrationszeitfensters eingefallene Strahlungsenergie integriert werden. Derartige Sensoren gestatten die Aufnahme von Entfernungsbildern von Objekten. Insbesondere lassen sich mit derartigen Sensoren Lichtvorhänge erstellen, die zur Überwachung von Raumbereichen eingesetzt werden können. Für diesen Anwendungszweck ist es von besonderem Vorteil, wenn die Funktion der einzelnen Detektorelemente mithilfe eines Referenzobjekts überwacht werden kann.The receiver is preferably an optical sensor having a plurality of detector elements with short-term integration. By means of the detector elements, the radiation power of incident radiation can be integrated within a variable integration time window into measured values for the radiation energy which has fallen during the integration time window. Such sensors allow the taking of distance images of objects. In particular, it is possible to create light curtains with such sensors, which can be used to monitor spatial areas. For this user It is of particular advantage if the function of the individual detector elements can be monitored by means of a reference object.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Ablenkvorrichtung einen teildurchlässigen Spiegel, durch den ein Teil der Strahlungsleistung der vom Sender ausgesandten Strahlungspulse zum Referenzobjekt lenkbar ist. Dadurch kann auf den Einsatz von beweglichen Teilen, die in der Regel wartungsintensiv sind, verzichtet werden.at Another preferred embodiment comprises Deflector a partially transmissive mirror, through the part of the radiation power emitted by the transmitter Radiation pulses to the reference object is steerable. This can be up the use of moving parts, which are usually maintenance-intensive are, be waived.

Vorzugsweise ist das Referenzobjekt in einem Abstand angeordnet, der außerhalb des Bereichs der Entfernungswerte im Überwachungsbereich liegt. In diesem Fall kann auch bei Anwesenheit eines Objekts im Überwachungsbereich die Funktion des Empfängers durch Aufnahmen mit unterschiedlichen Integrationszeiten überwacht werden. Denn bei ausreichend kurzen Strahlungspulsen können die Integrationszeitfenster jeweils so gelegt werden, dass die vom Referenzobjekt und vom zu erfassenden Objekt zurückgeworfenen Strahlungspulse in unterschiedliche Integrationszeitfenster fallen.Preferably the reference object is located at a distance outside the range of distance values in the surveillance area lies. In this case, even in the presence of an object in the surveillance area the function of the receiver by shooting with different Integration times are monitored. Because if enough short radiation pulses can be the integration time window be placed in such a way that from the reference object and from detecting object reflected radiation pulses in different integration time windows fall.

Beispielsweise können die Integrationszeitfenster so gelegt werden, dass die vom Referenzobjekt zurückgeworfenen Strahlungspulse in Integrationszeitfenster fallen, deren Beginn mit dem Aussende-Zeitpunkt der Strahlungspulse übereinstimmt, während für die vom Objekt zurückgeworfenen Strahlungspulse Integrationszeitfenster vorgesehen sind, deren Beginn eine vorbestimmte Verzögerung gegenüber dem Aussende-Zeitpunkt der Strahlungspulse aufweist. In diesem Fall ist keine Korrektur hinsichtlich derjenigen Anteile erforderlich, die auf die vom Referenzobjekt zurückgeworfenen Laserpulse zurückgehen.For example the integration time windows can be set so that the reflected from the reference object radiation pulses fall into integration time windows whose beginning with the sending time of the Radiation pulses coincides, while for the radiation pulses reflected back from the object Integration time window are provided, the beginning of a predetermined delay has opposite to the emission time of the radiation pulses. In this case, there is no correction for those shares required, which is reflected on the one from the reference object Returning laser pulses.

Daneben ist es möglich, die Integrationszeitfenster stets mit gleichem Zeitabstand zum Aussende-Zeitpunkt beginnen zu lassen aber die Länge der Integrationszeitfenster so zu wählen, dass die vom Objekt zurückgeworfenen Strahlungspulse nur in die langen Integrationszeitfenster fallen, wohingegen die vom Referenzobjekt zurückgeworfenen Strahlungspulse sowohl während der kurzen als auch der langen Integrationszeitfenster eintreffen. In diesem Fall kann der bei der Integration in den langen Integrationszeitfenstern enthaltene Anteil des Referenzobjekts anhand der Messungen mit kurzem Integrationszeitfenster dynamisch bestimmt und in den Messungen mit langen Integrationszeitfenstern korrigiert werden.Besides It is possible, the integration time window always with the same Time interval to send time but let the length the integration time window so that the from Object reflected radiation pulses only in the long Integration time windows fall, whereas those of the reference object reflected radiation pulses both during the short as well as the long integration time window arrive. In this case, the integration can be done in the long integration windows contained fraction of the reference object on the basis of the measurements with short Integration time window determined dynamically and in the measurements be corrected with long integration windows.

Wenn sich das Referenzobjekt in einer Entfernung befindet, die den Entfernungen von Objekten im Überwachungsbereich entspricht, fallen die vom zu erfassenden Objekt und vom Referenzobjekt zurückgeworfenen Strahlungspulse in gleiche Integrationszeitfenster. Gleiches gilt, falls die Integrationszeitfenster so lang gewählt sind oder so gelegt werden, dass sowohl die vom Referenzobjekt als auch vom zu erfassenden Objekt zurückgeworfenen Strahlungspulse erfasst werden. Zur Bestimmung der Entfernung des zu erfassenden Objekts müssen daher die Anteile, die auf die vom Referenzobjekt zurückgeworfenen Strahlungspulse zurückgehen, erfasst und die vom Empfänger erzeugten Messwerte um diese Anteile bereinigt werden. Im Falle eines Empfängers mit einer Vielzahl von Detektorele menten mit Kurzzeitintegration werden vorbestimmte Werte für die Strahlungsenergie, die auf vom Referenzobjekt zurückgeworfene Strahlungspulse zurückgehen, von den Werten für die Strahlungsenergie, die auf vom zu erfassenden Objekt zurückgeworfenen Strahlungspulsen beruhen, abgezogen. Dadurch ist es möglich, die vom Referenzobjekt zurückgeworfene Strahlung zu eliminieren und eine Entfernungsbestimmung des zu erfassenden Objekts auch in den Fällen vorzunehmen, in den die vom Referenzobjekt und vom zu erfassenden Objekt zurückgeworfenen Strahlungspulse stets in die gleichen Integrationszeitfenster fallen.If the reference object is located at a distance, which is the distance objects in the surveillance area the object to be detected and the reference object reflected Radiation pulses in the same integration time window. Same for, if the integration time windows are selected so long or be placed so that both the reference object and from the object to be detected reflected radiation pulses be recorded. To determine the distance to be detected Therefore, the object must have the parts that are on the reference object go back to reflected radiation pulses, and the measurements generated by the receiver Shares are adjusted. In the case of a recipient with a variety of Detektorele elements with short-term integration predetermined values for the radiant energy emitted by the Go back the reference object reflected radiation pulses, from the values for the radiant energy coming from on to are based on the object of reflection reflected radiation pulses, deducted. This makes it possible for the reference object to eliminate reflected radiation and a distance determination of the object to be detected also in cases in the reflected from the reference object and the object to be detected Radiation pulses always fall within the same integration time window.

Um ferner auch die korrekte Funktion des Empfängers und der Auswerteeinheit zu überwachen, kann eine Verzögerungseinheit vorgesehen sein, durch die das Aussenden der Strahlungspulse um eine einstellbare Zeitdauer verzögerbar ist. Die Verzögerung des Aussende-Zeitpunkts der Strahlungspulse hat die gleiche Wirkung wie eine Änderung der Entfernung eines zu erfassenden Objekts. Mithilfe der Verzögerungsvorrichtung kann daher überprüft werden, ob die Auswerteeinheit bei Verzögerung des Aussende-Zeitpunkts eine der Laufzeit entsprechende Vergrößerung des Abstands des zu erfassenden Objekts liefert. In diesem Fall lässt sich somit nicht nur die Funktion der einzelnen Detektorelemente, sondern auch die Funktion der nachgeschalteten Auswerteeinheit überprüfen.Around Furthermore, the correct function of the receiver and the To monitor the evaluation unit, a delay unit be provided by the emission of the radiation pulses to an adjustable period of time is delayable. The delay the emission timing of the radiation pulses has the same effect like a change in the distance of an object to be detected. Using the delay device can therefore be checked whether the evaluation unit delays the transmission time one of the term corresponding enlargement of the Distance of the object to be detected supplies. In this case can be thus not only the function of the individual detector elements, but also check the function of the downstream evaluation unit.

Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description forth, in the embodiments of the invention explained in detail with reference to the accompanying drawings become. Show it:

1 den Aufbau eines Abstandssensors, der einen CMOS-Sensor mit Kurzzeitintegration aufweist; 1 the construction of a distance sensor having a CMOS sensor with short-term integration;

2 ein Blockschaltbild des Abstandssensors aus Figur 1; 2 a block diagram of the distance sensor of Figure 1;

3 ein Zeitdiagramm, in das der Zeitablauf einer Messung ohne Zeitverzögerung und einer weiteren Messung mit Zeitverzögerung eingetragen ist; 3 a time chart in which the timing of a measurement without time delay and another measurement with time delay is entered;

4 den Aufbau eines abgewandelten Abstandssensors; und 4 the structure of a modified distance sensor; and

5 den Aufbau eines weiteren abgewandelten Abstandssensors. 5 the structure of a further modified distance sensor.

1 zeigt einen Abstandssensor 1, der eine Sende- und Empfangseinheit 2 aufweist. Die Sende- und Empfangseinheit 2 sendet fächerförmige Lichtpulse 3 aus, die von einem zu erfassenden Objekt 4 zur Sende- und Empfangseinheit 2 zurückgeworfen werden. Zwischen einem Objektpunkt 5 und der Sende- und Empfangseinheit 2 folgt das Licht daher einem Objektstrahlengang 6. Im Objektstrahlengang 6 befindet sich ein Strahlteiler 7, der einen Teil des ausgesandten Lichts entlang einem Referenzstrahlengang 8 zu einem Referenzobjekt 9 lenkt. 1 shows a distance sensor 1 , the one transmitting and receiving unit 2 having. The transmitting and receiving unit 2 sends fan-shaped light pulses 3 from, that of an object to be detected 4 to the transmitting and receiving unit 2 to be thrown back. Between an object point 5 and the transmitting and receiving unit 2 Therefore, the light follows an object beam path 6 , In the object beam path 6 there is a beam splitter 7 comprising a portion of the emitted light along a reference beam path 8th to a reference object 9 directs.

In 2 ist ein Blockschaltbild des Abstandssensors 1 aus 1 dargestellt. Gemäß 2 weist die Sende- und Empfangseinheit 2 einen Sender 10 auf, der die Lichtpulse 3 zum Objekt 4 sendet. Bei dem Sender 10 handelt es sich vorzugsweise um einen Laser, der in der Lage ist, Laserpulse auszusenden. In der Regel handelt es sich bei dem Sender 10 um eine Laserdiode. Vom Objekt 4 zurückgeworfene Lichtpulse 3 werden von einem Empfänger 11 empfangen. Der Empfänger 11 kann ein Feld von Detektorelementen 12 aufweisen oder beispielsweise eine einzelne Zeile von nebeneinander angeordneten Detektorelementen 12 umfassen. Den Detektorelementen 12 ist jeweils eine Fenstereinheit 13 nachgeschaltet, durch die Integrationszeitfenster festgelegt werden. Die Fenstereinheiten 13 beaufschlagen jeweils einen Integrator 14. Die Fenstereinheit 13 und der Integrator 14 stellen funktionelle Einheiten dar, die auf einem CMOS-Sensor beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass während eines Integrationszeitfensters ein einem Detektorelement 12 zugeordneter Ladungsspeicher über eine Photodiode entladen wird.In 2 is a block diagram of the distance sensor 1 out 1 shown. According to 2 indicates the transmitting and receiving unit 2 a transmitter 10 on, the light pulses 3 to the object 4 sends. At the transmitter 10 it is preferably a laser that is able to emit laser pulses. Usually this is the transmitter 10 around a laser diode. From the object 4 reflected light pulses 3 be from a receiver 11 receive. The recipient 11 can be a field of detector elements 12 or, for example, a single row of adjacent detector elements 12 include. The detector elements 12 is each a window unit 13 be set by the integration time window. The window units 13 each apply an integrator 14 , The window unit 13 and the integrator 14 represent functional units that are accomplished on a CMOS sensor, for example, by providing a detector element during an integration time window 12 associated charge storage is discharged via a photodiode.

Dem Integrator 14 folgt schließlich eine Auswerteeinheit 15, die aus den vom Integrator 14 zur Verfügung gestellten Messwerten für die aufintegrierte Lichtmenge Entfernungswerte bestimmt und auf diese Weise ein Entfernungsbild des Objekts 4 erstellt.The integrator 14 Finally follows an evaluation unit 15 coming from the of the integrator 14 provided measured values for the integrated light quantity distance values and in this way a distance image of the object 4 created.

Das Entfernungsbild wird erstellt, indem eine Steuereinheit 16 den Sender 10 veranlasst, einen kurzen Lichtpuls auszusenden. Mit dem Aussenden des Lichtpulses 3 wird im Empfänger 11 über die Fenstereinheit 13 ein Integrationszeitfenster geöffnet und der während des Integrationszeitfensters eintreffende Lichtstrom integriert. Die während des Integrationszeitfensters integrierte Lichtmenge kann dann beispielsweise proportional einer vom Integrator 14 ausgegebenen Spannung U sein. Die Messung wird daraufhin wiederholt. Für die beiden Messungen werden dabei unterschiedliche Integrationszeiten T₁ und T₂ verwendet. Aus den vom Integrator 14 gelieferten Spannungswerten U₁ und U₂ lässt sich der Abstand d eines von einem Detektorelement 12 erfassten Objektpunkts 5 gemäß der folgenden Gleichung berechnen:

wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Typische Werte für die kurze Integrationszeiten T₁ liegen im Bereich von 10 bis 60 Nanosekunden. Die Werte für die langen Integrationszeiten T₂ liegen typischerweise im Bereich zwischen 60 und 120 Nanosekunden.The distance image is created by a control unit 16 the transmitter 10 causes a short pulse of light to be emitted. With the emission of the light pulse 3 will be in the receiver 11 over the window unit 13 an integration time window is opened and integrated during the integration time window incoming luminous flux. The amount of light integrated during the integration time window can then, for example, be proportional to one of the integrator 14 be output voltage U. The measurement is then repeated. Different integration times T ₁ and T ₂ are used for the two measurements. From the integrator 14 supplied voltage values U ₁ and U ₂ can be the distance d of one of a detector element 12 detected object point 5 calculate according to the following equation:

where c is the speed of light. Typical values for the short integration times T ₁ are in the range of 10 to 60 nanoseconds. The values for the long integration times T ₂ are typically in the range between 60 and 120 nanoseconds.

Bei dem Abstandssensor 1 gemäß 1 ist das Referenzobjekt 9 außerhalb des Objektstrahlengangs 6 angeordnet. Das Referenzobjekt 9 beeinträchtigt daher nicht die Erfassung des Objekts 4, das sich im Überwachungsbereich des Abstandssensors 1 befindet. Allerdings werden die vom Sender 10 ausgesandten Lichtpulse 3 auch vom Referenzobjekt 9 zum Empfänger 11 zurückgeworfen. Das für die empfangene Lichtmenge charakteristische Spannungssignal U_T enthält somit einen Anteil U_R, der durch das vom Referenzobjekt 9 zurückgeworfene Licht hervorgerufen wird, und einen weiteren Anteil U_M, der auf das vom Objekt 4 zurückgeworfene Licht zurückgeführt werden kann.In the distance sensor 1 according to 1 is the reference object 9 outside the object beam path 6 arranged. The reference object 9 therefore does not interfere with the detection of the object 4 located in the surveillance area of the proximity sensor 1 located. However, those from the transmitter 10 emitted light pulses 3 also from the reference object 9 to the recipient 11 thrown back. The characteristic of the received light voltage signal U _T thus contains a proportion U _R , by that of the reference object 9 caused by the reflected light, and another portion of U _M , which is on the object 4 returned light can be returned.

Die Werte U_R können für verschiedene Integrationszeiten in einem Kalibriervorgang bestimmt und als Referenzwert abgespeichert werden. Die Werte U_R können dann von den Werten U_T subtrahiert und die so ermittelten eigentlichen Objektwerte U_M in die Gleichung (1) eingesetzt werden.The values U _R can be determined for different integration times in a calibration process and stored as a reference value. The values U _R can then be subtracted from the values U _T and the actual object values U _M determined in this way can be inserted into equation (1).

Gegebenenfalls kann im Objektstrahlengang 6 nach dem Strahlteiler 7 auch eine mechanische Schließvorrichtung vorgesehen sein, durch die verhindert wird, dass Licht von einem Objekt 4 zurückgeworfen wird. Dadurch gelangt nur Licht zum Empfänger 11, das am Referenzobjekt 9 reflektiert worden ist.Optionally, in the object beam path 6 after the beam splitter 7 Also, a mechanical locking device may be provided by which prevents light from an object 4 is thrown back. As a result, only light reaches the receiver 11 that on the reference object 9 has been reflected.

Weiterhin kann die Trennung zwischen den auf das Referenzobjekt 9 und das zu erfassende Objekt 4 zurückgehenden Signalen dadurch bewerkstelligt werden, dass Integrationszeiten gewählt werden, die nur zur Erfassung der vom Referenzobjekt 9 zurückgeworfenen Lichtpulse 3 führen. Dies ist dann möglich, wenn der Längenunterschied zwischen dem Objektstrahlengang 6 und dem Referenzstrahlengang 8 so groß ist, dass die vom Referenzobjekt 9 zurückgeworfenen Lichtpulse 3 vor den am zu erfassenden Objekt 4 zurückgeworfenen Lichtpulsen eintreffen.Furthermore, the separation between the on the reference object 9 and the object to be detected 4 Returning signals are accomplished by the fact that integration times are selected, which are only for the detection of the reference object 9 reflected light pulses 3 to lead. This is possible if the difference in length between the object beam path 6 and the reference beam path 8th so big is that of the reference object 9 reflected light pulses 3 in front of the object to be detected 4 return reflected light pulses.

Die Reflektivität des Strahlteilers 7 sowie die Reflektivität des Referenzobjekts 9 werden vorzugsweise so gewählt, dass die Referenzwerte U_R kleiner den geringsten zu erfassenden Objektwerten U_M sind. Durch diese Maßnahme wird sichergestellt, dass bei allen zu erfassenden Objekten 4 der Lichtstrom des am Referenzobjekt 9 zurückgeworfenen Lichts kleiner als der Lichtstrom ist, der vom zu erfassenden Objekt 4 zurückgeworfen wird. Folglich besteht nicht die Gefahr, dass das Signal, das auf das zu erfassende Objekt 4 zurückgeht, im Rauschen des durch die Reflexion am Referenzobjekt 9 hervorgerufenen Signals untergeht und daher nicht mehr detektiert werden kann.The reflectivity of the beam splitter 7 as well as the reflectivity of the reference object 9 are preferably selected so that the reference values U _{R are} smaller than the lowest object values U _M to be detected. This measure ensures that for all objects to be detected 4 the luminous flux of the reference object 9 reflected light is smaller than the luminous flux, that of the object to be detected 4 is thrown back. Consequently, there is no danger of the signal being transmitted to the object to be detected 4 goes back, in the noise of the reflection on the reference object 9 generated signal goes down and therefore can no longer be detected.

Durch das Referenzobjekt 9 kann die Funktion der Detektorelemente 12 überwacht werden. Denn auch bei Abwesenheit des Objekts 4 erfassen die Detektorelemente 12 ein Lichtsignal, das den Referenzwert U_R ergibt, der bei der Kalibration für die jeweilige Integrationszeit T ermittelt worden ist. Falls der Empfänger 11 bei Abwesenheit des zu untersuchenden Objekts 4 für ein bestimmtes Detektorelement 12 einen Referenzwert ausgibt, der vom Referenzwert U_R abweicht, kann davon ausgegangen werden, dass eine Fehlfunktion des jeweiligen Detektorelements 12 vorliegt.Through the reference object 9 can the function of the detector elements 12 be monitored. Because even in the absence of the object 4 capture the detector elements 12 a light signal, which gives the reference value U _R , which has been determined during the calibration for the respective integration time T. If the receiver 11 in the absence of the object to be examined 4 for a particular detector element 12 outputs a reference value that deviates from the reference value U _R , it can be assumed that a malfunction of the respective detector element 12 is present.

In diesem Fall müssen die Referenzwerte U_R allerdings auch in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern, wie beispielsweise der Umgebungstemperatur, bestimmt werden, um die Funktion der Detektorelemente 12 überwachen zu können.In this case, however, the reference values U _R must also be determined as a function of further operating parameters, such as the ambient temperature, in order to determine the function of the detector elements 12 to be able to monitor.

Die Überwachung lässt sich beispielsweise durchführen, indem ständig überprüft wird, ob die vom Integrator 14 gelieferten Werte U_T oberhalb des bei der Kalibration ermittelten Referenzwerts U_R liegt, der unter den gegebenen Betriebsparametern und der für die Messung verwendeten Integrationszeit anzuwenden ist. Ein Ausfall eines Detektorelements 12, bei dem der Integrator 14 unabhängig von der eingefallenen Lichtmenge stets den Wert Null liefert, kann auf diese Weise festgestellt werden.Monitoring can be done, for example, by constantly checking whether the integrator 14 delivered values U _{T is} above the reference value U _R determined during the calibration, which is to be used under the given operating parameters and the integration time used for the measurement. A failure of a detector element 12 in which the integrator 14 can always be determined in this way, regardless of the amount of light that has fallen.

Detektorelemente 12, die unabhängig vom einfallenden Lichtstrom stets den Wert Null liefern, lassen sich unter Umständen auch dadurch detektieren, dass die Differenz der bei aufeinander folgenden Messungen mit unterschiedlichen Integrationszeiten erhaltenen Messwerte gebildet wird und überprüft wird, ob die Differenz oberhalb eines Grenzwerts liegt, der durch die Differenz der bei den jeweiligen Integrationszeiten vorbestimmten Referenzwerten bestimmt ist.detector elements 12 , which always deliver the value zero regardless of the incident luminous flux, can also be detected by forming the difference of the measured values obtained in successive measurements with different integration times and checking whether the difference lies above a limit value determined by the Difference of the predetermined at the respective integration times reference values is determined.

Ein Ausfall eines Detektorelements 12, das unabhängig vom jeweiligen Lichteinfall ein konstantes Ausgangssignal liefert, das dann vom Integrator 14 aufintegriert wird, lässt sich auf diese Weise nicht erfassen. Um derartige defekte Detektorelemente 12 erfassen zu können, besteht die Möglichkeit, bei Abwesenheit des Objekts 4 aus den Messwerten U_T, die in diesem Fall gleich den Referenzwerten U_R sein sollten, den Referenzabstand d_R des Referenzobjekts 9 zu bestimmen. Bei korrekter Funktion der Detektorelemente 12 sollte sich aus den gemessenen Werten U_T in diesem Fall der Referenzabstand d_R ergeben.A failure of a detector element 12 , which provides a constant output signal regardless of the incidence of light, which then from the integrator 14 is integrated in this way, can not be detected in this way. To such defective detector elements 12 it is possible to record in the absence of the object 4 from the measured values U _T , which in this case should be equal to the reference values U _R , the reference distance d _{R of} the reference object 9 to determine. With correct function of the detector elements 12 should result from the measured values U _T in this case, the reference distance d _R.

Ferner besteht die Möglichkeit, eine Verzögerungseinheit 17 vorzusehen, durch die das Aussenden des Lichtpulses 3 verzögert werden kann. In 3 sind Zeitdiagramme dargestellt, die den Ablauf einer Messung 18 ohne Verzögerung und einer nachfolgenden Messung 19 mit Verzögerung zeigen.There is also the possibility of a delay unit 17 provided by the emission of the light pulse 3 can be delayed. In 3 Time charts are shown, showing the sequence of a measurement 18 without delay and a subsequent measurement 19 show with delay.

Bei der Messung 18 ohne Verzögerung wird ein Lichtpuls 20 mit der Dauer T_PW ausgesandt. Der Lichtpuls 20 wird am Objekt 4 reflektiert, so dass am Detektorelement 12 nach einer Lichtlaufzeit T_TOF ein reflektierter Lichtpuls 21 eintrifft, der ebenfalls die Dauer T_PW aufweist. Mit dem Aussenden des Lichtpulses 20 werden auch Integrationszeitfenster geöffnet. In einer ersten Messung ist ein Integrationszeitfenster 22 mit einer Integrationszeit T₁ geöffnet, so dass der reflektierte Lichtpuls 21 während der Integrationszeit T₁ aufintegriert wird. Dabei ergibt sich ein Messsignal U₁ _, ₁. Während einer zweiten Messung ist ein Integrationszeitfenster 23 mit einer Integrationszeit T₂ geöffnet. während der Integrationszeit T₂ wird der reflektierte Lichtpuls 21 zu einem Messsignal U₂ _, ₁ integriert. Daraus errechnet sich ein Abstand d₁, für den gilt:

In the measurement 18 without delay becomes a light pulse 20 emitted with the duration T _PW . The light pulse 20 will be on the object 4 reflected, so that at the detector element 12 after a light transit time T _TOF a reflected light pulse 21 arrives, which also has the duration T _PW . With the emission of the light pulse 20 Integration time windows are also opened. In a first measurement is an integration time window 22 opened with an integration time T ₁ , so that the reflected light pulse 21 during the integration time T ₁ is integrated. This results in a measurement signal U ₁ _, ₁ . During a second measurement is an integration time window 23 opened with an integration time T ₂ . During the integration time T ₂ , the reflected light pulse 21 to a Measuring signal U ₂ _, ₁ integrated. This results in a distance d ₁ , for which applies:

Bei der Messung 19 mit Verzögerung wird ein Lichtpuls 24 mit der Zeitverzögerung T_DELAY ausgesandt, der zu einem reflektierten Lichtpuls 25 führt, der um eine Zeitspanne verzögert ist, die der Summe von T_DELAY und T_TOF entspricht. Durch Integration während des Integrationsfensters 22 ergibt sich ein Messsignal U_1,2 und durch Integration während des Integrationszeitfensters 23 ein Messsignal U_2,2. Daraus kann ein Abstandswert d₂ berechnet werden, für den gilt:

In the measurement 19 with delay, a light pulse 24 with the time delay T _DELAY sent to a reflected light pulse 25 which is delayed by a period of time _{equal to} the sum of T _DELAY and T _TOF . By integration during the integration window 22 this results in a measurement signal U _1,2 and by integration during the integration time window 23 a measurement signal U _2,2 . From this a distance value d ₂ can be calculated, for which applies:

Die Differenz von d₂ und d₁ muss daher gleich der Wegstrecke sein, die das Licht während der Zeit T_DELAY zurücklegt. Falls sich etwas anderes ergibt, deutet dies darauf hin, dass das Detektorelement 12 fehlerbehaftet ist oder die nachgeordneten Funktionseinheiten, insbesondere die Fenstereinheit 13, der Integrator 14 oder auch die Auswerteeinheit 15 fehlerhaft arbeiten.The difference of d ₂ and d ₁ must therefore be equal to the distance the light travels during the time T _DELAY . If different, this indicates that the detector element 12 is faulty or the downstream functional units, in particular the window unit 13 , the integrator 14 or the evaluation unit 15 working incorrectly.

Es sei angemerkt, dass die Differenz zwischen der Länge des Objektstrahlengangs 6 und des Referenzstrahlengangs 8 auch so groß und die Dauer der Lichtpulse 3 so kurz gewählt werden kann, dass die jeweils zurückreflektierten und vom Empfänger 11 empfangenen Lichtpulse in zeitlicher Hinsicht nicht überlappen. In diesem Fall kann in einer ersten Messung mit Integrationszeiten, die lediglich zur Integration des am Referenzobjekt 9 reflektierten Lichts führen, der Referenzabstand d_R bestimmt und damit die Funktion der Detektorelemente 12 überprüft werden. In einer zweiten Messung mit Integrationszeiten, die zur Integration des vom Objekt 4 reflektierten Lichts führen, kann dann der Objektabstand d_M bestimmt werden, wobei der in der ersten Messung erhaltenen Messwerte für die Korrektur der Messwerte in der zweiten Messung verwendet werden können, wenn in den Messwerten der zweiten Messung die Lichtmenge enthalten ist, die vom Referenzobjekt 9 zurückgeworfen worden ist, und der in der ersten Messung erhaltene Messwert die Lichtmenge enthält, die in einem am Referenzobjekt 9 reflektierten Lichtpuls enthalten ist.It should be noted that the difference between the length of the object beam path 6 and the reference beam path 8th also so big and the duration of the light pulses 3 can be chosen so short that the respectively reflected back and from the receiver 11 received light pulses do not overlap in time. In this case, in a first measurement with integration times, only for integration of the reference object 9 reflected light, the reference distance d _R determines and thus the function of the detector elements 12 be checked. In a second measurement with integration times, the integration of the object 4 then the object distance d _M can be determined, wherein the measured values obtained in the first measurement can be used for the correction of the measured values in the second measurement if the measured values of the second measurement contain the amount of light that is from the reference object 9 has been thrown back, and the measured value obtained in the first measurement contains the amount of light in one at the reference object 9 reflected light pulse is included.

In 4 ist ein weiterer Abstandssensor 26 dargestellt, der ein Referenzobjekt 27 aufweist, das sich in Strahlrichtung hinter dem zu erfassenden Objekt 4 befindet. Das Referenzobjekt 27 kann beispielsweise eine Wand, ein Fußboden oder die Decke eines Raumes oder eine beliebige andere Fläche sein, die einen Zutritt zu einem Überwachungsbereich begrenzt. Der Abstandssensor 26 hat den Vorteil, dass in der Regel keine Trennung der vom Referenzobjekt 27 und der vom zu erfassenden Objekt 4 zurückgeworfenen Lichtpulse 3 erforderlich ist, da die Lichtpulse 3 entweder vom Referenzobjekt 27 oder vom zu erfassenden Objekt 4 zurückgeworfen werden.In 4 is another distance sensor 26 represented, which is a reference object 27 has, in the beam direction behind the object to be detected 4 located. The reference object 27 For example, it may be a wall, a floor, or the ceiling of a room, or any other area that limits access to a surveillance area. The distance sensor 26 has the advantage that usually no separation of the reference object 27 and the object to be detected 4 reflected light pulses 3 is necessary because the light pulses 3 either from the reference object 27 or the object to be detected 4 to be thrown back.

In 5 ist schließlich ein weiterer Abstandssensor 28 dargestellt, bei dem sich ein teildurchlässiger Spiegel 29 im Objektstrahlengang 6 befindet. Da die Lichtpulse 3 an der Oberfläche des teildurchlässigen Spiegels 29 teilweise reflektiert werden, stellt der teildurchlässige Spiegel 29 ein Referenzobjekt dar, mit dem sich die Funktion der Sende- und Empfangseinheit 2 überwachen lässt. Ein Vorteil des Abstandssensors 28 ist, dass keine weiteren optischen Komponenten erforderlich sind.In 5 is finally another distance sensor 28 shown in which a partially transparent mirror 29 in the object beam path 6 located. Because the light pulses 3 on the surface of the semitransparent mirror 29 partially reflected, represents the partially transmissive mirror 29 a reference object, with which the function of the transmitting and receiving unit 2 monitor. An advantage of the distance sensor 28 is that no additional optical components are required.

Abschließend sei darauf hingewiesen, dass Merkmale und Eigenschaften, die im Zusammenhang mit einem bestimmten Ausführungsbeispiel beschrieben worden sind, auch mit einem anderen Ausführungsbeispiel kombiniert werden können, außer wenn dies aus Gründen der Kompatibilität ausgeschlossen ist.Finally It should be noted that features and properties that are in Described in connection with a particular embodiment have been, even with another embodiment can be combined except when this is out For reasons of compatibility is excluded.

Schließlich wird noch darauf hingewiesen, dass in den Ansprüchen und in der Beschreibung der Singular den Plural einschließt, außer wenn sich aus dem Zusammenhang etwas anderes ergibt. Insbesondere wenn der unbestimmte Artikel verwendet wird, ist sowohl der Singular als auch der Plural gemeint.After all It should be noted that in the claims and in the description the singular includes the plural, unless otherwise stated in the context. In particular, if the indefinite article is used is both the singular as well as the plural meant.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list The documents listed by the applicant have been automated generated and is solely for better information recorded by the reader. The list is not part of the German Patent or utility model application. The DPMA takes over no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 19833207 A1 [0003]

Claims

Device for determining distance with a radiation pulse ( 3 . 20 ) transmitting transmitter ( 10 ) and a receiver ( 11 ), from which an object ( 4 ) reflected radiation pulses ( 3 . 21 ) are receivable, and with one with the receiver ( 11 ) and the transmitter ( 10 ) connected evaluation unit ( 15 ), the determination of the duration of the radiation pulses ( 3 . 20 . 21 ), characterized in that in the radiation passage ( 6 ) of the radiation pulses ( 3 . 20 . 21 ) a reference object ( 9 . 27 . 29 ), the radiation pulses ( 3 . 20 . 21 ) at least partially to the recipient ( 11 ) and that the function of the device is based on a reference object ( 9 . 27 . 29 ) reflected radiation pulse ( 3 . 21 ) is verifiable.

Apparatus according to claim 1, characterized in that in the beam path ( 6 ) of the radiation pulses ( 3 . 20 . 21 ) a deflection device ( 7 ) is arranged, through which the radiation pulses ( 3 . 20 ) at least partially to the reference object ( 9 ) are steerable.

Device according to claim 2, characterized in that the deflection device ( 7 ) comprises a semitransparent mirror.

Device according to claim 1, characterized in that the reference object ( 27 ) in the radiation direction behind the object to be detected ( 4 ) is arranged.

Apparatus according to claim 1, characterized in that the reference object in the beam path ( 6 ) in front of the object ( 4 ) arranged partially transparent mirror ( 29 ), which absorbs part of the incident radiation to the receiver ( 11 ) and another part of the object ( 4 ).

Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the receiver ( 11 ) a plurality of detector elements ( 12 ) having.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the receiver ( 11 ) the radiation power of a reflected radiation pulse ( 3 . 21 ) within a variable integration time window ( 22 . 23 ) to a reading for the during the integration time window ( 22 . 23 ) sunken radiation energy is integrable.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the evaluation unit ( 15 ) from the recipient ( 11 ) by predetermined reference values for the reference object ( 9 . 27 . 29 ) reflected radiation pulses ( 3 . 21 ) corrected.

Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the evaluation unit ( 15 ) of the recipient ( 11 ) in the absence of an object to be detected ( 4 ) compares with predetermined reference values.

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the evaluation unit ( 15 ) from the receiver ( 11 ) delivered on the reflection of the radiation pulses at the reference object ( 9 . 27 . 29 ), the removal of the reference object ( 9 . 27 . 29 ) and compared with a predetermined reference value.

Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the transmission process by means of a delay unit ( 17 ) and the evaluation unit ( 15 ) compares the distance increase due to the delay with a predetermined value.

Spatial area monitoring device with a proximity sensor that detects objects in a surveillance area ( 4 ) are detectable, characterized in that the monitoring device comprises a device for determining distance according to one of claims 1 to 11.

Method for determining the distance at which radiation pulses ( 3 . 20 ) from a transmitter ( 10 ) and that of an object ( 4 ) reflected radiation pulses ( 3 . 21 ) from a receiver ( 11 ) and by a recipient ( 11 ) downstream evaluation unit ( 15 ) the duration of the radiation pulses ( 3 . 20 . 21 ), characterized in that the radiation pulses ( 3 . 20 . 21 ) from a reference object in the radiation path ( 9 . 27 . 29 ) at least partially to the recipient ( 11 ) and that the function of the device based on a reference object ( 9 . 27 . 29 ) reflected radiation pulse ( 3 . 21 ) is checked.

A method according to claim 13, characterized in that by a in the beam path ( 6 ) arranged deflection device ( 7 ) Radiation pulses ( 3 . 20 ) at least partially to the reference object ( 9 ) are steered.

Method according to claim 14, characterized in that the radiation pulses ( 3 ) from a semitransparent mirror to the reference object ( 9 ) are steered.

A method according to claim 13, characterized in that in the radiation direction behind the object to be detected ( 4 ) arranged reference object ( 27 ) is used.

A method according to claim 13, characterized in that in the beam path in front of the object to be detected ( 4 ) arranged partially transparent mirror ( 29 ) is used as a reference object.

Method according to one of claims 13 to 17, characterized in that the radiation power from the receiver ( 11 ) incident radiation pulses within a variable integration time window ( 22 . 23 ) and one for the in the integration time window ( 22 . 23 ) incident radiation energy characteristic value is generated.

Method according to one of claims 13 to 18, characterized in that for the distance determination of the object to be detected ( 4 ) one from the recipient ( 11 ) generated by the evaluation unit ( 15 ) by a predetermined proportion, which depends on the reflection at the reference object ( 9 ) is corrected.

Method according to one of claims 13 to 19, characterized in that measured values which are based on those of the reference object ( 9 . 27 . 29 ) reflected radiation pulses ( 3 . 21 ), by the evaluation unit ( 15 ) are compared with predetermined reference values.

Method according to one of claims 13 to 20, characterized in that of the evaluation unit ( 15 ) from the measured values on the radiation pulses ( 3 . 21 ) at the reference object ( 9 . 27 . 29 ), a distance value to the reference object ( 9 . 27 . 29 ) and the calculated distance value is compared with a predetermined reference value.

Method according to one of claims 13 to 21, characterized in that by means of a delay unit ( 17 ) a transmission process of the transmitter ( 10 ) is delayed by the evaluation unit ( 15 ) is calculated a delay corresponding to the distance increase, which is compared with a predetermined reference value.