DE102010013751A1

DE102010013751A1 - Vorrichtung zur Laufzeitmessung mit Pulsformung zur Entfernungsbestimmung

Info

Publication number: DE102010013751A1
Application number: DE102010013751A
Authority: DE
Inventors: Joachim Tiedeke; Michael Weigel; Stefan Bucher; Simon Honegger
Original assignee: Baumer Innotec AG
Current assignee: Baumer Innotec AG
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-06

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Entfernungsmessgerät bereitzustellen, welches Entfernungsmessungen höchster Genauigkeit ermöglicht. Dazu sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach dem Prinzip der Laufzeitmessung vor, welche einen Sender zum Erzeugen einer Serie von Messlichtimpulsen, einen Empfänger und eine Auswerteeinrichtung mit einem Filter umfasst. Dabei ist der Sender eingerichtet, die Serie von Messlichtimpulsen mit einer Pulswiederholrate von größer 0.16 MHz zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entfernungsbestimmung zwischen einem Sender-Empfänger und einem Ziel über eine Laufzeitmessung von Messlichtimpulssignalen für industrielle Anwendungen und in anderen Bereichen.
Zur Laufzeitmessung von Messlichtimpulsen sind bereits einige Verfahren bekannt. Um die Genauigkeit des aus der Laufzeit ermittelbaren Entfernungswertes zu steigern, wurden verschiedene Methoden vorgeschlagen.
In der DE 3620226 A1 und EP0312524 A1 wird ein Verfahren zur Entfernungsbestimmung zwischen einem Sender-Empfänger und einem Ziel unter Verwendung von optischen Messlichtimpulsen beschrieben, dessen Impulsgruppen mit einer Pulsrate im Bereich von ca. 10 kHz und ca. 150 kHz arbeiten. In dem Dokument wird anhand Informationstheoretischer Gründe dargelegt, dass die Empfindlichkeit der Entfernungsmessung durch die Verwendung von N Impulsen um einen Faktor N ^ (1/2) gesteigert werden kann.
In der EP 0066888 A2 ist ein Verfahren angegeben, um die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung durch eine Referenzstrecke zu steigern. Hierbei werden die Messlichtimpulse in zwei Lichtpfade, einen Referenz- und einen Signalpfad (der der eigentlichen Messtrecke entspricht) aufgeteilt. EP0439011 beschreibt als Verfahren eine zweite Quelle zu verwenden. Wird lediglich die Laufzeit des Signalpfads zur Entfernungsbestimmung herangezogen, ist die genaue Zeitdauer zwischen dem die Emission der Messlichtimpulse anregenden Triggersignals und der tatsächlichen Aussendung unbekannt. Bei der Detektion verhält es sich ähnlich. Hier ist die Zeitdauer zwischen der Detektion des Lichtsignals und der Generierung eines entsprechenden Anhaltesignals unbekannt. Die Zeitdauern sind temperaturabhängig.
Beide Zeitdauern gehen allerdings in die gemessene Laufzeit ein und weichen so von der tatsächlichen Laufzeit ab und limitieren somit die Genauigkeit des Laufzeitmesswertes bzw. den daraus ermittelbaren Entfernungswertes. Sofern es sich bei diesen Einflüssen um temperaturbedingte Schwankungen oder auch alterungsabhängige Drifterscheinungen handelt, können diese nicht in hinreichender Genauigkeit im Vorhinein -beispielsweise durch eine Kalibrationsmessung- ermittelt werden. Vielmehr müssen sie fortwährend gemessen werden. Dies erfolgt mit einer genau definierten Verzögerung im Referenzpfad. Da die tatsächliche Laufzeit dieses Referenzweges bekannt ist, kann sie von der gemessenen Laufzeit abgezogen werden. Damit ist die entsprechende Verzögerung bei der Emission bzw. Absorption ermittelt und kann von der gemessenen Laufzeit des Signalpfades – also der interessierenden Messtrecke – subtrahiert werden. Resultat ist ein Laufzeitmesswert (bzw. ein Entfernungswert) mit höherer Genauigkeit als ohne den Referenzpfad. Hierbei wird allerdings angenommen, dass sich die temperaturbedingte Schwankungen bzw. die alterungsabhängige Drifterscheinungen während des betrachteten Zeitraums der Messung des Referenz- bzw. Signalpfads nicht ändern bzw. hinreichend klein und/oder linear sind. Die Genauigkeit dieses Verfahrens kann weiter gesteigert werden, wenn sowohl für die Referenz- als auch die Messstrecke eine Mittelung zwischen mehreren Einzelmessungen erfolgt.
Für alle genannten Verfahren wäre eine Erhöhung der Pulswiederholrate mit einer deutlichen Steigerung der Genauigkeit des Laufzeitmesswertes bzw. des Entfernungswertes verbunden. Da sowohl der Sender als auch der Empfänger eine begrenzte Bandbreite aufweisen, werden mit Verringerung der Pulsbreite bzw. der Erhöhung der Pulswiederholfrequenz die Messlichtimpulse immer stärker verzerrt. Dies wirkt sich nachteilig auf die Genauigkeit des verwendeten mathematischen Verfahrens zur zeitlichen Lagebestimmung der einzelnen Messlichtimpulse aus.
Des Weiteren kann es beim Durchgang durch die optische Strecke zu einer zusätzlichen Deformation der Messlichtimpulse kommen. Diese Deformation vergrößert die Ungenauigkeiten bei der zeitlichen Lagebestimmung weiter.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Entfernungsmessgerät der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das die genannten Nachteile vermeidet und Entfernungsmessungen höchster Genauigkeit ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Demgemäß sieht die Erfindung eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach dem Prinzip der Laufzeitmessung vor, welche einen Sender zum Erzeugen einer Serie von Messlichtimpulsen, einen Empfänger zum Empfangen der Serie von zurückgeworfenen Messlichtimpulsen vom Zielgegenstand, und eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln der Laufzeit der Messlichtimpulse zur Entfernungsbestimmung umfasst, wobei

– die Auswerteeinrichtung einen Filter zur Filterung der in elektrische Signale umgesetzten, empfangenen Messlichtimpulsen aufweist, wobei der Filter eine Bandbreitenbegrenzung aufweist, wobei die Bandbreite des Filters kleiner als die Bandbreite der Messlichtimpulse ist, und wobei
– der Filter konstante Gruppenlaufzeiten und linearen Phasengang aufweist, und wobei
– die Auswerteeinrichtung eingerichtet ist, die Laufzeit anhand der zeitlichen Lage des Mittelpunktes oder des Schwerpunktes der digitalisierten Pulse des Signals, vorzugsweise durch Anpassung eines Gaußprofils bestimmt wird und
– der Restfehler der Laufzeitmessung, dadurch reduziert wird, dass die Auswerteeinrichtung über eine Vielzahl von Messlichtimpulsen mit jeweiliger kleiner Phasenverschiebung untereinander abtastet, und eine nachfolgende Mittelung über die einzelnen Laufzeitmessungen vornimmt, wobei
– die einzelnen Phasenverschiebungen kleiner sind als die Abtastperiode, die gesamte Phasenverschiebung der Vielzahl von abgetasteten Messlichtimpulsen jedoch kleiner oder gleich ist als die Abtastperiode und wobei
– der Sender eingerichtet ist, die Serie von Messlichtimpulsen mit einer Pulswiederholrate von größer 0.16 MHz zu erzeugen.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird jeweils die zeitliche Lage des Mittelpunktes oder des Schwerpunktes der digitalisierten Pulse des Signals, wiederum vorzugsweise durch Anpassung eines Gaußprofils für jede Phasenverschiebung der Abtastung ermittelt und dann eine Mittelung dieser zeitlichen Lagen der Mittelpunkte oder Schwerpunkte durchgeführt, um einen genauen Wert der Laufzeit, beziehungsweise des korrespondierenden Abstands zu erhalten.
Die Bandbreitenbegrenzung des Empfängers wird vorzugsweise an die Frequenzbandbreite der Lichtpulse, die sich aus der Pulsdauer ergibt, angepasst.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach dem Prinzip der Laufzeitmessung, wird durch die im Empfängerkanal stattfindende Bandbreitenbegrenzung eine Formung der Messlichtimpulses in einer Art erzielt, dass eine deutliche Erhöhung der Pulswiederholrate auf größer 0.16 MHz möglich ist und damit eine beträchtliche Steigerung der Genauigkeit der zeitlichen Lagebestimmung der Messlichtimpulse der näher an dem tatsächlichen Entfernungswert liegt, erfolgen kann.
Restfehler der Laufzeitmessung werden wie oben gesagt dadurch reduziert, dass die Auswerteeinrichtung über eine Vielzahl von Messlichtimpulsen mit jeweiliger kleiner Phasenverschiebung untereinander abtastet, und eine nachfolgende Mittelung über die einzelnen Laufzeitmessungen vornimmt. Mit anderen Worten werden die Abtastzeitpunkte, zu welchem das Signal eines Messlichtimpulses abgetastet wird, sukzessive bei der Abtastung nachfolgender Pulse der Serie der Messlichtimpulse relativ bezüglich der Pulsperiode phasenverschoben.
Die einzelnen Phasenverschiebungen sind wie gesagt kleiner als die Abtastperiode, wobei die gesamte Phasenverschiebung der Vielzahl von abgetasteten Messlichtimpulsen jedoch kleiner oder gleich ist als die Abtastperiode. Damit wird erreicht, dass eine vielfache Abtastung der empfangenen Signale erfolgt, deren Zeitabstand deutlich geringer ist als die Abtastperiode, also der Zeitabstand zwischen zwei Abtastungen.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist die Sendeeinrichtung so eingerichtet, dass die optischen Senderpulseasymmetrisch ausgesendet werden. Dies kann dadurch erzielt werden, indem gezielt durch elektronische Bauelemente eine geeignete Signaldeformation erzielt wird, welche einer Deformation der Pulse durch andere elektronische Komponenten des Empfängers entgegenwirkt.
Dadurch, dass die Bandbreite des Filters kleiner als die Bandbreite der Messlichtimpulse ist, stellt der Filter die dominante Bandbreitenbegrenzung der empfangenen Messlichtimpulse dar. Damit kann eine gezielte Symmetrisierung der Signale der Messlichtimpulse erzielt werden. Dennoch wird eine geringst mögliche Beeinflussung der Signale angestrebt. Vorzugsweise ist der Empfänger dazu so ausgelegt, dass das Klirrdämpfungsmaß der Signale größer als 80 dB ist, wobei dabei die Bandbreitenbegrenzung des Filters den dominanten Beitrag leistet.
Die Filtercharakteristik des Empfängers mit konstanten Gruppenlaufzeiten und linearem Phasengang kann beispielsweise durch einen Sessel-Filter realisiert werden.
Vorteilhafterweise wird durch die Bandbreitenbegrenzung im Empfänger das digitalisierte Signal symmetrisiert damit eine bessere zeitliche Lagebestimmung des Schwerpunktes erfolgen kann, die näher an dem tatsächlichen Entfernungswert liegt, als bei einem unsymmetrischen Signal.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Lichtquelle eingerichtet, eine Serie von Messlichtimpulsen mit einer Pulswiederholrate mit einem Wert zwischen 0.16 MHz und 100 MHz, besonders bevorzugt zwischen 0.5 MHz und 2 MHz abzugeben. Diese Frequenzbereiche sind günstig, um eine genaue Laufzeitmessung mit noch moderaten Anforderungen an die Sende- und Empfangselektronik zu ermöglichen.
Aus dem gleichen Grund ist es auch allgemein günstig, die Pulsbreiten nicht zu kurz zu wählen. Dazu ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die verwendete Lichtquelle eingerichtet ist, Messlichtimpulse mit einer Pulsbreite mit einem Wert zwischen ins und 100 ns (typischerweise 30 ns–40 ns) abzugeben.
Der Sender ist vorzugsweise als Halbleiterlichtquelle, insbesondere als Halbleiterlaser, ausgebildet, da nach diesem Verfahren arbeitende Geräte hohe Pulswiederholfrequenzen ermöglichen, sowie besonders klein und leicht ausgeführt werden können.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Regeleinrichtung vorgesehen, welche durch Vergleich von gemessenen Temperaturwerten mit einer in einem Speicher hinterlegten Auflistung von Vorspannungswerten in Abhängigkeit der Temperatur des Empfängers, vorzugsweise eine APD (engl. Avalanche photo diode), bei sich ändernder Gerätetemperatur die interne Verstärkung der APD durch Änderung der Vorspannung auf einen vorbestimmten, vorzugsweise konstanten Wert regelt. Ein solches Vorgehen ist in EP0439011 und JP1097884 beschrieben.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird in einem Speicher eine Auflistung hinterlegt, die die Durchbruchspannung der APD als Lichtquelle des Senders in Abhängigkeit der Temperatur enthält. Unter Rückgriff auf diese Auflistung kann die Regeleinrichtung dann eingerichtet sein, ein Überschreiten der Vorspannung über die Durchbruchspannung zu verhindern, indem diese anhand der Auflistung einen temperaturabhängigen Grenzwert der Durchbruchspannung bestimmt und die Vorspannung der APD auf einen Wert unterhalb des Grenzwertes begrenzt.
Es ist ferner vorteilhaft, eine Einrichtung zur Messung des Signalrauschens und zur Ermittlung der Durchbruchspannung über das Signalrauschen vorzusehen, um bei einer fehlerhaften Steuerung oder zu starken Umgebungslicht die Vorspannung und damit die interne Verstärkung der APD reduzieren zu können.
Es ist ferner vorgesehen eine AC-Kopplung und/oder ein optischen Filter vor dem Empfänger der Serie von Messlichtimpulsen zur Umlichtunterdrückung zu verwenden, um eine Beeinflussung der Auswertung der Messlichtimpulse durch Umgebungseinflüsse zu reduzieren.
Ist die Auswerteeinrichtung eingerichtet, in Abhängigkeit der Signalstärke der vom Ziel zurückgeworfenen Serie von Messlichtimpulsen die Signalverstärkung in der entsprechend einzustellen, kann der Dynamikbereich den in der Auswerteeinrichtung stattfindenden A/D-Signalwandlung vorteilhaft erweitert werden.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, eine optische Aufteilungseinrichtung zu verwenden, welche die vom Sender ausgesendete Serie von Messlichtimpulsen in zwei oder mehrere Teilstrahlen aufteilt, um die Leistung des Senders der Serie von Messlichtimpulsen unter Zuhilfenahme eines weiteren Empfängers (im folgenden Monitordiode genannt) zu regeln, damit Fehlinterpretation in der Entfernungsbestimmung und Überschreitung von Limits aufgrund sich ändernder Laserleistung vermieden werden. Für die Monitordiode wird dabei vorzugsweise ein Anteil von 5%–20% verwendet. Ein solches Vorgehen ist in EP0439011 und JP63280482 beschrieben.
Zweckmäßigerweise wird das Aufteilungssystem mit einer Einrichtung versehen, die Interferenzeffekte unterbindet. Die Einrichtung kann eine Antireflexschicht und/oder einen Diffusor zwischen dem Aufteilungssystem und der Monitordiode oder beides umfassen, um schädliche Interferenzeffekte zu vermeiden.
Um temperaturbedingte Schwankungen bzw. alterungsabhängige Drifterscheinungen zu verringern, welche die Entfernungsbestimmung negativ beeinflussen, ist es vorteilhaft, eine Nulldistanzüberwachung durchzuführen, bei der über eine Strecke bekannter Länge eine Referenzentfernungsmessung durchgeführt wird. Dies kann über eine optische, beispielsweise mittels eines Lichtleiters oder einer Freistrecke, oder eine elektrische Strecke mit geeigneter Signalformung erfolgen.
Abweichungen von dem tatsächlichen Wert zu dem ermittelten Wert dieser Referenzstrecke können so herangezogen werden, um den interessierenden Messwert der Entfernungsbestimmung zu verbessern. Im einfachsten Fall kann dazu die Monitordiode periodisch verwendet werden. Zusätzliche Vorteile ergeben sich, wenn ein zusätzlicher Referenzsender, wie in EP0439011 beschrieben, verwendet wird, um Asymmetrien die bei der Signalverarbeitung in der Auswerteeinrichtung entstehen zu vermeiden.
Der Messsender kann beispielsweise ausgebildet sein, eine Verzögerungseinrichtung zu verwenden, um die einzelnen Messlichtimpulse der Serie von Messlichtimpulsen gegenüber den vorgegebenen, beziehungsweise festgelegten Abtastzeitpunkten relativ zu verschieben, um so die Abtastfehler die bei der A/D-Wandlung auftreten zu reduzieren.
Es ist ferner in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, die Empfängeroptik mit einem zusätzlichen optischen Ablenkelement auszustatten, um Licht, welches aufgrund zu naher Zielgegenstände nicht mehr mit dem Akzeptanzwinkel der Empfängeroptik kompatibel ist, wieder in den Akzeptanzwinkel des Detektors zu bringen. Mit anderen Worten lenkt das Ablenkelement also Licht, welches außerhalb des Akzeptanzwinkels auf den Empfänger gerichtet ist, in eine Richtung innerhalb des Akzeptanzwinkels des Empfängers.
Zweckmäßigerweise wird über mehrere Distanzmessungen gemittelt, um die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung zusätzlich zu steigern. Wird der optische Senderpuls durch eine Beschaltung in der Senderansteuerung mit entsprechenden Induktivitäten und Kapazitäten so geformt, dass die Pulsform nach dem Durchlauf durch die Auswerteeinheit symmetrisch ist kann eine besonders kostengünstige Pulsformung realisiert werden. Die Beschaltung wird dabei aus einer einmaligen vorhergehenden Kalibrationsmessung ermittelt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein beliebiger, vorzugsweise jedoch symmetrischer optischer Senderpuls, der nach dem Durchgang durch die Auswerteeinheit wegen der Abweichung des realen Filters von einem idealen Filter asymmetrisch wird, mit einer Rückfaltung des Signals, beziehungsweise einer Entfaltung oder Dekonvolution unter Verwendung der auf der Linearität des Phasengangs und Konstanz der Gruppenlaufzeit wirkenden Filtereigenschaften bzw. der Systemantwort kompensiert.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedene Figuren auf gleiche oder entsprechende Elemente.
Es zeigen:
1 Ein Prinzipbild der erfindungsgemäßen Entfernungsbestimmung
2 eine Entfernungsbestimmung mittels Messlichtimpulsen ohne Senderpulsformung
3A eine Deformation der Messlichtimpulse durch diffuse Rückstreuung auf der optischen Strecke und Bandbreitenbegrenzung im Empfänger,
3B zum Vergleich Kompensation der Deformation auf der optischen Strecke und im Empfänger durch Senderpulsformung
4 eine erste Ausführungsform mit Nulldistanzüberwachung mittels Monitordiode
5 eine Auswerteeinrichtung der ersten Ausführungsform,
6 eine zweite Ausführungsform mit Nulldistanzüberwachung mittels einer zusätzlichen Sendeeinheit,
7 eine Auswerteeinrichtung der zweiten Ausführungsform,
8A einen Messlichtimpuls,
8B einen digitalisierten Messlichtimpuls der Referenzstrecke, und
8C einen digitalisierten Messlichtimpuls der Messstrecke,
9 eine dritte Ausführungsform mit Nulldistanzüberwachung mittels einer rein elektrischen Referenzstrecke, und
10 ein Zeitdiagramm der Abtastung der Messlichtimpulse.
1 zeigt eine Schemazeichnung der erfindungsgemäßen Entfernungsbestimmung. Die Sendeeinheit Tx (Bezugszeichen 1) sendet dabei eine Serie 2 von Messlichtimpulsen aus, die von dem Zielgegenstand 3 dessen Abstand bestimmt werden soll, zurückgeworfen und von der Empfangseinheit Rx 5 empfangen werden. In der Auswerteeinheit D (Bezugszeichen 6) wird aus den gemessenen Signalen der zurückgeworfenen Serie 4 von Messlichtimpulsen dann die Entfernungsinformation abgeleitet.
Die Wellenlänge des Systems von Messlichtimpulse liegt dabei vorzugsweise im Ultravioletten, sichtbaren, Nah- oder Ferninfrarotenspektralbereich, besonders bevorzugt im Bereich von 500 nm bis 2000 nm. Als Sendeeinheit 1 kommt dabei vorzugsweise eine Halbleiterlichtquelle (Laserdiode oder LED) zum Einsatz. Als Empfängereinheit 5 eine PIN-Diode (engl. Positiv intrinsic negative diode) oder vorzugsweise eine Avalanche-Photodiode (APD).
2 und 3A zeigt eine Entfernungsbestimmung mittels Messlichtimpulsen 2 ohne Senderpulsformung. Ein Triggersignal 7 veranlasst den Sender Tx 1 mehrere optische Messlichtimpulse 2 auszusenden. In der Abbildung ist beispielhaft und vereinfachend eine Serie von drei Pulsen dargestellt. Ist die Bandbreite des Senders 1 und des Empfängers 5 höher als die der auszusendenden Messlichtimpulse 2, so entspricht das Auswertesignal 8 weitgehend dem Triggersignal 7 und die Auswerteeinheit kann mittels des Auswertesignals 8 die zeitliche Lagebestimmung jedes einzelnen Messlichtimpulses durchführen.
3A zeigt beispielhaft die Situation der Verformung eines eingestrahlten Messlichtimpulses 2, auf der optischen Strecke und im Empfänger 5. Das vom A/D-Wandler 27 gewandelte Signal ist asymmetrisch. In 3B ist zum Vergleich ein vorgeformter Senderpuls 2' gezeigt, der nach dem Durchgang durch die optische Strecke, Empfänger 5 und dem A/D-Wandler 27 symmetrisch ist und damit zuverlässiger ausgewertet werden kann.
4 zeigt beispielhaft eine spezielle Ausführungsform eines Entfernungsmessgeräts, das nach dem Prinzip der Laufzeitmessung arbeitet und in der die Nulldistanzüberwachung über die Monitordiode 9 durchgeführt wird. Das Entfernungsmessgerät ist mit einer Austrittsscheibe 10 die als optischer Filter zur Umlichtunterdrückung 11 oder als Versiegelungselement oder beides dient. Zur Vermeidung von Signalen 12 die an der Grenzschicht in die Sendeeinheit Tx (1) zurückreflektiert werden, ist die Austrittscheibe 10 vorzugsweise gegenüber der Ausbreitungsrichtung der Serie von Messlichtimpulsen 2 geneigt, vorzugsweise unter einem Winkel von 3°–5° eingebaut und/oder mit einer Antireflexschicht versehen.
Vorzugsweise kann die Sendeeinheit 1 sowie der Empfänger 5 eine zusätzliche Senderoptik 13 oder eine zusätzliche Empfängeroptik 14 oder beides verwendet werden. Insbesondere die Empfängeroptik 14 kann mit einem zusätzlichen optischen Ablenkelement 15 versehen sein, das die Messung naher Gegenstände ermöglicht. Um ein Zerstören des Empfängers 5 zu verhindern, ist zur Regelung der Vorspannung des Empfängers 5 eine Regeleinrichtung vorgesehen. Die Funktion der Regeleinrichtung wird weiter unten unter Bezugnahme auf 5 näher erläutert.
Zur Überwachung der Leistung des Senders 1 wird mittels des Strahlteilers 16 die vom Sender 1 emittierte Strahlung in zwei Anteile aufgeteilt. Mittels der Monitordiode 9 wird die Leistung dann geregelt.
Alternativ kann die Leistung des Senders anhand einer vorbestimmten Temperatur-Kennlinie gesteuert werden.
5 zeigt eine spezielle Ausführungsform der Auswerteeinrichtung D 6 in der die Nulldistanzüberwachung über die Monitordiode 9 durchgeführt wird. Um Fehler die durch die Abtastung der Serie von Messlichtimpulsen in der Auswerteeinrichtung D 6 entstehen, zu reduzieren, ist eine Verzögerungstrecke 17 vorgesehen, die die Messlichtimpulse 2 sukzessive gegenüber der Abtastperiodeperiode verschiebt. Die Messlichtimpulse werden dann mittels des Strahlteilers 16 in zwei Teile aufgeteilt. Ein Teil fällt dabei auf die Monitordiode 9 die dann mittels eines Integrators 18 eines Verstärkers 19 und eines Analog-Digital-Umsetzers 20 und unter zu Hilfenahme eines Prozessors 21 die Leistung des Senders Tx 1 auf einen konstanten Wert regelt. Der andere Teil der Strahlung wird mittels des Empfängers Rx 5 eines AC-Kopplers 22, eines Verstärkers 23, eines Widerstandsnetzwerkes 24, eines Umschalters 25, eines weiteren Verstärkers 26 und eines Analog-Digital-Umsetzers 27 mittels des Prozessors 21 zur Laufzeitmessung herangezogen. Das Signal des Empfängers 5 wird bei dem in
5 gezeigten Beispiel vor der Digitalisierung mittels Analog-Digital-Umsetzers 27 mit einem Filter 60 gefiltert. Dieser Filter begrenzt die Bandbreite des Pulssignals. Dazu ist die Bandbreite des Filters 60 kleiner als die Bandbreite der Messlichtimpulse. Vorzugsweise ist der Filter 60, wie in 5 gezeigt, Bestandteil des Verstärkers 26. Vorzugsweise ist in der Auswerteeinrichtung D 6 bzw. in dem Prozessor 21 eine Mittelungseinheit vorgesehen. Die Anzahl der Mittelungen kann dabei dynamisch während der Messung vorgegeben werden. Die Mittelung wird weiter unten anhand von 10 näher erläutert.
Zur Nulldistanzüberwachung wird die Monitordiode 9 periodisch in den Verarbeitungspfad des Empfängers Rx 5 eingeschaltet. Bei dem in 5 gezeigten Beispiel, hat die Monitordiode 9 dazu Kontakt mit dem Umschalter 25. Das Widerstandsnetzwerk 24 bzw. der Umschalter 25 sind zur Anpassung des Dynamikbereiches notwendig.
6 zeigt beispielhaft eine weitere spezielle Ausführungsform eines Entfernungsmessgeräts, das nach dem Prinzip der Laufzeitmessung arbeitet und in der die Nulldistanzüberwachung über eine zusätzliche Sendeeinheit 28 und eine vorgegebene Referenzstrecke 29 vorgenommen wird. Die Funktion der übrigen Komponenten ist dabei entsprechend zu der in 4 dargestellten Ausführungsform.
7 zeigt beispielhaft eine weitere spezielle Ausführungsform der Auswerteeinrichtung 6, in der die Nulldistanzüberwachung über eine zusätzliche Sendeeinheit 28 durchgeführt wird. Neu im Vergleich zur 5 ist hier lediglich die Referenzstrecke 29, die beispielsweise mittels eines Lichtleiters oder einer Freistrecke erfolgen kann. Die Funktion der übrigen Komponenten ist dabei entsprechend zu den Komponenten der in 4 gezeigten Ausführungsform.
8A zeigt die optische Leistung P, beziehungsweise die Intensität eines Messlichtimpulses über der Zeit t. Das Maximum des Lichtimpulses liegt zu einem Zeitpunkt t₁ (Sendezeitpunkt).
8B zeigt einen Messlichtimpuls der Referenzstrecke nach der Digitalisierung durch die Auswerteeinrichtung 6. Die zeitliche Lage des Mittelpunkts oder Schwerpunkts liegt zu einem Zeitpunkt t₂.
8C zeigt einen Messlichtimpuls der Messstrecke nach der Digitalisierung durch die Auswerteeinrichtung 6. Die zeitliche Lage des Mittelpunkts oder Schwerpunkts liegt zu einem Zeitpunkt t₃. Die Distanz bzw. der Abstand zum Zielgegenstand kann dann durch folgende Formel Abstand = 0.5·299 792 458 m/s·(t₃ - t₂) ermittelt werden. Der Faktor 0.5 resultiert aus dem Hin- und Rückweg zum Objekt.
9 zeigt alternativ eine reine elektrische Referenzstrecke 30, ohne den Umweg über die Monitordiode 9 bzw. Referenzdiode 28 zu gehen. Dabei ist zu beachten, dass die temperaturabhängigen Fehler des Triggersignals durch eine geeignete Triggersignalformung, analog der Senderformung, korrigiert wird.
10 zeigt ein Zeitdiagramm der Abtastung der Messlichtimpulse, beziehungsweise der korrespondierenden elektrischen Signale des Empfängers 5. Die Abtastung basiert darauf, dass die Auswerteeinrichtung eine Vielzahl von Messlichtimpulsen mit jeweiliger kleiner Phasenverschiebung untereinander abtastet, und eine nachfolgende Mittelung über die einzelnen Laufzeitmessungen vornimmt. Der Fehler, der bei der Ermittlung der zeitlichen Lage des Signals gemacht wird, ist im Mittel idealer weise gleich null, wenn die Zeitdifferenz Δt im Bereich von 0 bis ΔT variiert wird, wobei ΔT die Abtastperiode bezeichnet. Das oberste Diagramm der 10 zeigt einen Messlichtimpuls, wobei der Schwerpunkt des Messlichtimpulses, der dem zu ermittelndem Tiefenwert entspricht, zufällig mit der zeitlich festen Abtastposition 35 zusammenfällt. Der Abtastwert entspricht daher genau der zeitlichen Lage des Messlichtimpulses 2. Bei Pulsverzerrungen und damit Abweichungen von angenommen Modell der Gaußinterpolation, kommt es zu Interpolationsfehlern, da das angenommene Modell des Gaußpuls nicht mit dem tatsächlichen Gaußpuls übereinstimmt. Dieser Fehler kann reduziert werden, wenn die zeitliche Lage der Abtastpulse wie im mittleren Diagramm gezeichnet um Δt verschoben werden. Zur Verdeutlichung wurde im mittleren Diagramm eine mehrfache Phasenverschiebung, im Speziellen eine k-fache Phasenverschiebung k·Δt dargestellt, deren Länge bereits mehr als die Hälfte der Abtastperiode beträgt. Dieser Abtastfehler ist periodisch, wie im untersten Diagramm gezeigt, da die ermittelte Distanz einmal zu nah und einmal zu weit weg vom dem wahren Wert ist. Wird die Verschiebung Δt, die immer Bruchteile von der Abtastdauer ΔT beträgt, künstlich herbeigefügt und die Verschiebung sukzessive um Δt erhöht, bis sie den Wert ΔT erreicht, kann durch eine Mittelung der einzelnen Distanzwerte die Abtastfehler reduziert werden, da sich die positiven und negativen Abtastfehler ΔF annähernd ausgleichen. Diese Phasenverschiebung wird mittels der in den 5, 7, 9 dargestellten Delay-Line erzeugt. Dabei wird die Vielzahl von Messlichtimpulsen einer Serie mit jeweiliger kleiner Phasenverschiebung der Abtastzeitpunkte untereinander abtastet, und dann die nachfolgende Mittelung über die dabei gewonnenen einzelnen Laufzeitmessungen durchgeführt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

DE 3620226 A1 [0003]
EP 0312524 A1 [0003]
EP 0066888 A2 [0004]
EP 0439011 [0004, 0023, 0028, 0031]
JP 1097884 [0023]
JP 63280482 [0028]

Claims

Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach dem Prinzip der Laufzeitmessung, umfassend einen Sender (1) zum Erzeugen einer Serie von Messlichtimpulsen (2), einen Empfänger (5) zum Empfangen der Serie von zurückgeworfenen Messlichtimpulsen (4) vom Zielgegenstand (3), einer Auswerteeinrichtung (6) zum Ermitteln der Laufzeit der Messlichtimpulse zur Entfernungsbestimmung, wobei – die Auswerteeinrichtung (6) einen Filter (60) zur Filterung der in elektrische Signale umgesetzten, empfangenen Messlichtimpulsen aufweist, wobei der Filter eine Bandbreitenbegrenzung aufweist, wobei die Bandbreite des Filters kleiner als die Bandbreite der Messlichtimpulse (4) ist, und wobei – der Filter konstante Gruppenlaufzeiten und linearen Phasengang aufweist, und wobei – die Auswerteeinrichtung (6) eingerichtet ist, die Laufzeit anhand der zeitlichen Lage des Mittelpunktes oder des Schwerpunktes der digitalisierten Pulse des Signals, vorzugsweise durch Anpassung eines Gaußprofils bestimmt wird und – der Restfehler der Laufzeitmessung, dadurch reduziert wird, dass die Auswerteeinrichtung eine Vielzahl von Messlichtimpulsen mit jeweiliger kleiner Phasenverschiebung untereinander abtastet, und eine nachfolgende Mittelung über die einzelnen Laufzeitmessungen vornimmt, wobei – die einzelnen Phasenverschiebungen kleiner sind als die Abtastperiode, die gesamte Phasenverschiebung der Vielzahl von abgetasteten Messlichtimpulsen jedoch kleiner oder gleich ist als die Abtastperiode und wobei – der Sender eingerichtet ist, die Serie von Messlichtimpulsen (2) mit einer Pulswiederholrate von größer 0.16 MHz zu erzeugen.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (1) eingerichtet ist, die Serie von Messlichtimpulsen (2) mit einer Pulsbreite zwischen ins und 100 ns, vorzugsweise 30 ns–40 ns abzugeben.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Halbleiterlaser als Sender (1) der Serie von Messlichtimpulsen (2).
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Empfänger eine Avalanche-Photodiode umfasst, und wobei eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, welche durch Vergleich von gemessenen Temperaturwerten mit einer in einem Speicher hinterlegten Auflistung von Vorspannungswerten der Avalanche-Photodiode in Abhängigkeit der Temperatur, bei sich ändernder Gerätetemperatur die interne Verstärkung der Avalanche-Photodiode durch Änderung der Vorspannung auf einen konstanten Wert zu regeln.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (5) eine Avalanche-Photodiode umfasst, und in einem Speicher eine Auflistung hinterlegt ist, die die Durchbruchspannung der APD in Abhängigkeit der Temperatur enthält, wobei eine Regeleinrichtung vorgesehen ist, welche unter Rückgriff auf diese Auflistung eingerichtet ist, ein Überschreiten der Vorspannung über die Durchbruchspannung zu verhindern, indem die Regeleinrichtung anhand der Auflistung einen temperaturabhängigen Grenzwert der Durchbruchspannung bestimmt und die Vorspannung der Avalanche-Photodiode auf einen Wert unterhalb des Grenzwertes begrenzt.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (5) eine Avalanche-Photodiode umfasst, und eine Einrichtung zur Messung des Signalrauschens und zur Ermittlung der Durchbruchspannung über das Signalrauschen vorgesehen ist, wobei die Einrichtung eingerichtet ist, bei einer fehlerhaften Steuerung oder zu starken Umgebungslicht (11) die Vorspannung und damit die interne Verstärkung der Avalanche-Photodiode zu reduzieren.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine AC-Kopplung und/oder ein optischer Filter vor dem Empfänger (5) der Serie von Messlichtimpulsen zur Umlichtunterdrückung vorgesehen ist, um eine Beeinflussung der Auswertung der Messlichtimpulse durch die Umgebungslichteinflüsse (11) zu reduzieren.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (6) eingerichtet ist, in Abhängigkeit der Signalstärke der vom Zielgegenstand (3) zurückgeworfenen Serie von Messlichtimpulsen (4) die Signalverstärkung einzustellen, um den Dynamikbereich der in der Auswerteeinrichtung (6) stattfindenden A/D-Signalwandlung anzupassen.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine optische Aufteilungseinrichtung (16), welche die vom Sender (2) ausgesendete Serie von Messlichtimpulsen (2) in zwei oder mehrere Teilstrahlen aufteilt und wobei die Auswerteeinrichtung (6) eingerichtet ist, die Leistung des Senders (1) der Serie von Messlichtimpulsen unter Zuhilfenahme eines weiteren Empfängers (9) zu regeln, wobei für den Empfänger (9) vorzugsweise ein Anteil von 5%–20% verwendet wird.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufteilungssystem (16) mit einer Einrichtung versehen ist, die Interferenzeffekte unterbindet, indem eine Antireflexschicht, ein Diffusor zwischen dem Aufteilungssystem und der Monitordiode oder beides verwendet wird.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung (6) eingerichtet ist, den Sender (1) der Serie von Messlichtimpulsen (2) und die Monitordiode (9) periodisch zum Nulldistanzabgleich heranzuziehen oder den Empfänger (5) der Serie von Messlichtimpulsen mittels eines zusätzlichen Senders (18) zum Nulldistanzabgleich heranzuziehen.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Strecke (30) mit geeigneter Signalformung zum Nulldistanzabgleich herangezogen wird.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung, insbesondere die Auswerteeinrichtung (6), eine Verzögerungseinrichtung (17) beinhaltet, um die einzelnen Messlichtimpulse (2) der Serie von Messlichtimpulsen gegenüber vorgegebenen Abtastzeitpunktender Auswerteeinheit (6) zu verschieben.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängeroptik (14) ein zusätzliches optisches Ablenkelement (15) umfasst, welches Licht, welches außerhalb des Akzeptanzwinkels auf den Empfänger gerichtet ist, in eine Richtung innerhalb des Akzeptanzwinkels des Empfängers (5) lenkt.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung, insbesondere die Auswerteeinrichtung (6), eingerichtet ist, über mehrere Distanzmessungen zu mitteln und den Mittelwert als Distanzwert auszugeben.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Senderpuls durch eine passende Beschaltung in der Senderansteuerung mit entsprechenden Induktivitäten und Kapazitäten so geformt wird, dass die Pulsform nach dem Durchlauf durch den Empfänger (5) symmetrisch ist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein beliebiger, vorzugsweise jedoch symmetrischer optischer Senderpuls, der nach dem Durchgang durch den Empfänger (5) wegen einer Abweichung des realen Filters von einem idealen Filter asymmetrisch wird, mit einer Dekonvolution des Signals unter Verwendung der auf der Linearität des Phasengangs und Konstanz der Gruppenlaufzeit wirkenden Filtereigenschaften bzw. der Systemantwort kompensiert.