DE102010039295A1

DE102010039295A1 - Equipment for optically measuring distance of target object, has evaluation device that separately evaluates even and odd harmonics of detection signal of receiving unit over total measuring time

Info

Publication number: DE102010039295A1
Application number: DE102010039295A
Authority: DE
Inventors: Peter Wolf; Andreas Eisele; Bernd Schmidtke; Reiner Schnitzer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-08-13
Filing date: 2010-08-13
Publication date: 2012-02-16

Abstract

A transmitting unit emits periodically modulated optical measuring radiation to a target object. A receiving unit receives the measuring radiation reflected from the target object. An evaluation device evaluates the accumulated detection signals of the receiving unit over a total measuring time. The even and odd harmonics of the detection signal are evaluated separately.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft ein Entfernungsmessgerät, insbesondere ein Entfernungsmessgerät zur optischen Entfernungsmessung.The invention relates to a distance measuring device, in particular a distance measuring device for optical distance measurement.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Es sind optische Entfernungsmessgeräte bekannt, die einen zeitlich modulierten Lichtstrahl in Richtung auf ein Zielobjekt hin, dessen Abstand zu dem Messgerät ermittelt werden soll, ausrichten. Von dem angepeilten Zielobjekt rücklaufendes Licht wird von dem Messgerät zumindest teilweise detektiert und zur Ermittlung der zu messenden Entfernung verwendet. Ein typischer Messbereich liegt hierbei bei Entfernungen von wenigen Zentimetern bis zu mehreren hundert Metern.Optical distance measuring devices are known which align a time-modulated light beam in the direction of a target object whose distance from the measuring device is to be determined. Light returning from the targeted target object is at least partially detected by the measuring device and used to determine the distance to be measured. A typical measuring range is at distances of a few centimeters to several hundred meters.

Aus der US 2007/0182949 A1 ist ein Entfernungsmessgerät bekannt, das eine Lichtquelle zum Beleuchten des Zielobjekts unter Verwendung kontinuierlich modulierten Lichts, einen Festkörperbildsensor, der ein Array aus Lawinenfotodioden aufweist, und eine Mehrzahl von Schaltkreisen zum Verarbeiten von Signalen, die von den Lawinenfotodioden ausgegeben wurden, aufweist, um Daten bereitzustellen, die von dem von dem Zielobjekt auf die Fotodioden reflektierten Licht abhängen. Die Schaltkreise weisen einen Multiplexer auf, der dazu ausgelegt ist, von den Lawinenfotodioden ausgegebene Detektionssignale während verschiedener Abtastzeitfenster in verschiedenen Zähler, die als Akkumulationseinrichtungen wirken, zu akkumulieren.From the US 2007/0182949 A1 For example, there is known a ranging apparatus comprising a light source for illuminating the target object using continuously modulated light, a solid state image sensor having an array of avalanche photodiodes, and a plurality of circuits for processing signals output from the avalanche photodiodes to provide data that depend on the light reflected from the target on the photodiodes. The circuits comprise a multiplexer adapted to accumulate detection signals output from the avalanche photodiodes during different sampling time windows in different counters acting as accumulating means.

Die als Photonenzähler dienenden Lawinenfotodioden empfangen hierbei das vom Zielobjekt rücklaufende Licht sowie zusätzlich vorhandene Hintergrundstrahlung und erzeugen an ihrem Ausgang jeweils elektrische Impulse, wobei die zeitliche Impulsdichte mit der auftreffenden Lichtleistung korreliert.The avalanche photodiodes serving as photon counters in this case receive the light returning from the target object as well as additionally existing background radiation and generate electrical pulses at their output, wherein the temporal pulse density correlates with the incident light power.

Das Auslesen der Impulse von den Lawinenfotodioden erfolgt mit Hilfe einer Multiplexer-Anordnung. Diese kann synchron mit einer Modulation eines als Lichtquelle eingesetzten Lasers derart betrieben werden, dass die Impulse der Lawinenfotodioden in Abhängigkeit vom Zeitpunkt der jeweiligen Detektionsereignisse, das heißt beispielsweise eines in der Lawinenfotodiode absorbierten Photons, unterschiedliche digitale Zähler inkrementieren. Eine zeitliche Periode, mit der die Lichtquelle das Zielobjekt moduliert beleuchtet, wird dabei in eine Mehrzahl von Unter-Perioden unterteilt. Eine Unter-Periode entspricht hierbei einem Abtastzeitfenster, d. h. einem Zeitraum, während dessen Detektionssignale akkumuliert werden. Es wird eine der Anzahl von Unter-Perioden entsprechende Anzahl von digitalen Zählern bereitgestellt, wobei während jeder Unter-Periode jeweils ein entsprechend eineindeutig zugeordneter digitaler Zähler entsprechend der während der Unter-Periode empfangenen Detektionsimpulse inkrementiert wird. Auf diese Weise können über eine Gesamtmesszeit Detektionsereignisse kumuliert werden. Während eine einzelne Periode beispielsweise Zeitdauern im Bereich weniger Nanosekunden aufweisen kann, kann die Gesamtmesszeit viele solche Perioden umfassen und beispielsweise mehrere Millisekunden oder mehrere Sekunden dauern. Durch Kumulieren der Messereignisse in den digitalen Zählern kann eine Art Histogramm der Detektionsereignisse bezogen auf das zeitliche Auftreten von Detektionsereignissen innerhalb von Unter-Perioden aufgenommen werden. Sobald eine dem von der Lichtquelle abgestrahlten modulierten Licht aufgeprägte Modulation in den Zählerständen der digitalen Zähler mit ausreichender statistischer Genauigkeit vorliegt, kann über eine Phasenauswertung auf eine Laufzeit des Lichts zwischen Aussendung und Detektion und damit auf einen Abstand zwischen dem Entfernungsmessgerät und dem Zielobjekt geschlossen werden. Ein solches Prinzip einer Laserentfernungsmessung ist allgemein unter der Bezeichnung „Time of Flight Ranging” beispielsweise mit kontinuierlicher oder gepulster Modulation der Intensität des Laserstrahls bekannt.The reading out of the pulses from the avalanche photodiodes takes place with the aid of a multiplexer arrangement. This can be operated synchronously with a modulation of a laser used as a light source such that the pulses of the avalanche photodiodes depending on the time of the respective detection events, that is, for example, a photon absorbed in the avalanche photodiode, increment different digital counter. A time period with which the light source modulates the target object is subdivided into a plurality of sub-periods. A sub-period corresponds to a sampling time window, d. H. a period during which detection signals are accumulated. There is provided a number of digital counters corresponding to the number of sub-periods, wherein during each sub-period, a respectively one-to-one associated digital counter is incremented according to the detection pulses received during the sub-period. In this way, detection events can be cumulated over a total measurement time. For example, while a single period may have times in the range of a few nanoseconds, the total measurement time may include many such periods, such as several milliseconds or several seconds. By accumulating the measurement events in the digital counters, a kind of histogram of the detection events related to the timing of detection events can be included within sub-periods. As soon as a modulated light impressed on the modulated light emitted by the light source is present in the counter readings of the digital counter with sufficient statistical accuracy, a phase evaluation can be used to deduce a transit time of the light between emission and detection and thus a distance between the distance measuring device and the target object. Such a principle of a laser distance measurement is generally known by the term "time of flight ranging", for example with continuous or pulsed modulation of the intensity of the laser beam.

Eine in dieser Weise arbeitende Auswerteeinrichtung, die innerhalb eines Entfernungsmessgerätes Detektionssignale von einem lichtempfindlichen Detektor empfängt und auswertet, indem sie die Detektionssignale mit einer Referenz synchronisiert registriert, das heißt entsprechend ihrem zeitlichen Auftreten bezogen auf die Periodizität des verwendeten modulierten Messlichts akkumuliert, wird auch als sogenannte „Binning-Architektur” bezeichnet. Eine derartige Binning-Architektur lässt sich beispielsweise mit einer Delay Locked Delay Line (DLL) realisieren.An evaluation device operating in this manner, which receives and evaluates detection signals from a light-sensitive detector within a distance measuring device by registering the detection signals synchronized with a reference, that is, accumulates according to their temporal occurrence with respect to the periodicity of the modulated measuring light used, is also referred to as so-called Called "binning architecture". Such a binning architecture can be realized for example with a Delay Locked Delay Line (DLL).

Es wurde beobachtet, dass Entfernungsmessgeräte, die beispielsweise in der oben beschriebenen Art basierend auf wenigstens einem lichtempfindlichen Detektor, Multiplexer-Anordnungen und Binning-Architekturen arbeiten, nicht immer zufriedenstellende Messgenauigkeiten liefern können.It has been observed that range finders operating, for example, in the manner described above based on at least one light-sensitive detector, multiplexer arrays and binning architectures, can not always provide satisfactory measurement accuracies.

OFFENBARUNG UND MÖGLICHE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG DISCLOSURE AND POSSIBLE EMBODIMENTS OF THE INVENTION

Es kann daher ein Bedarf an einem Entfernungsmessgerät bestehen, bei dem eine Messgenauigkeit erhöht ist, eine Zuverlässigkeit einer Messgenauigkeit verbessert ist, auf eine Kalibrierung verzichtet werden kann und/oder eine Messdauer verkürzt ist.There may therefore be a need for a distance measuring device in which a measurement accuracy is increased, a reliability of a measurement accuracy is improved, a calibration can be dispensed with and / or a measurement duration is shortened.

Ein solcher Bedarf kann mit einer Messvorrichtung gemäß Anspruch 1 erfüllt werden. Weitere Ausgestaltungen der Messvorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Such a need can be met with a measuring device according to claim 1. Further embodiments of the measuring device are specified in the dependent claims.

Aspekte der vorgeschlagenen Messvorrichtung können als auf den folgenden Erkenntnissen und Ideen beruhend angesehen werden:
Es wurde als eine mögliche Quelle für Messfehler bzw. Messungenauigkeiten beispielsweise bei dem oben beschriebenen herkömmlichen Entfernungsmessgerät erkannt, dass ein Messergebnis stark von Variationen der zeitlichen Breiten von Abtastzeitfenstern und/oder Variationen von Detektionsempfindlichkeiten innerhalb verschiedener Abtastzeitfenster beeinflusst sein kann. Unterschiedliche Breiten der Abtastzeitfenster können, insbesondere wenn die Breitenunterschiede zufällig begründet und nicht bekannt sind, als systembedingte Fehlerquellen wirken und systematische Fehler bei der Ermittlung eines zu messenden Abstandes hervorrufen. Gleiches gilt, wenn innerhalb verschiedener Abtastzeitfenster die Detektionssignale mit unterschiedlichen Detektionsempfindlichkeiten detektiert werden. Solche systematischen Fehler sind von rauschbedingten Fehlern grundsätzlich zu unterscheiden, da sie sich nicht durch längere Messzeiten, sondern regelmäßig nur mit Hilfe einer genaueren Kalibrierung des Entfernungsmessgerätes oder durch eine spezielle Art der Auswertung von Detektionssignalen verringern lassen.Aspects of the proposed measuring device may be considered to be based on the following findings and ideas:
It has been recognized as a possible source of measurement inaccuracies, for example, in the conventional distance measuring apparatus described above, that a measurement result may be greatly affected by variations in the time widths of sampling time windows and / or variations in detection sensitivities within different sampling time windows. Different widths of the sampling time windows, especially if the width differences are randomly based and unknown, can act as systemic error sources and cause systematic errors in the determination of a distance to be measured. The same applies if the detection signals with different detection sensitivities are detected within different sampling time windows. Such systematic errors are basically to be distinguished from noise-induced errors, since they can not be reduced by longer measurement times, but regularly only with the help of a more accurate calibration of the distance measuring device or by a special type of evaluation of detection signals.

Kern der Erfindung ist es, eine Folge von Abtastfenstern zu verwenden, die gewisse Symmetrieeigenschaften aufweist. Aufgrund der Symmetrieeigenschaften, können gerade und ungerade Harmonische des Detektionssignals entkoppelt werden und nachfolgend getrennt voneinander ausgewertet werden. Der Einfluss des Hintergrundlichtes auf die Phase der Grundschwingung kann auf diese Weise kompensiert werden.The essence of the invention is to use a sequence of sampling windows that has certain symmetry properties. Due to the symmetry properties, even and odd harmonics of the detection signal can be decoupled and subsequently evaluated separately. The influence of the background light on the phase of the fundamental can be compensated in this way.

Es wird daher ein Entfernungsmessgerät vorgeschlagen, das eine Auswerteeinrichtung mit einer Binning-Architektur besitzt, die es ermöglicht, gerade und ungerade Harmonische des Detektionssignals getrennt voneinander auszuwerten.Therefore, a distance measuring device is proposed which has an evaluation device with a binning architecture, which makes it possible to evaluate even and odd harmonics of the detection signal separately from one another.

Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Binning-Architektur der erfindungsgemäßen Auswerteeinrichtung symmetrisch aufgebaut ist.This is achieved in particular in that the binning architecture of the evaluation device according to the invention is constructed symmetrically.

In vorteilhafter Weise kann die Auswerteeinrichtung dazu eine 2-periodische Binning-Architektur aufweisen.In an advantageous manner, the evaluation device can have a 2-periodic binning architecture for this purpose.

Alternativer Weise oder auch zusätzlich zu dieser Struktur kann die Auswerteeinrichtung des erfindungsgemäßen Entfernungsmessers auch eine Homogenisierungseinrichtung aufweisen, mit Hilfe derer die von einer Empfangseinrichtung bereitgestellten digitalen oder analogen Detektionssignale in einer bestimmten homogenisierten Weise auswertbar sind, d. h. derart über eine Mehrzahl von mit der Empfangseinrichtung verbindbaren Akkumulationseinrichtungen verteilt werden, dass Variationen bei den Breiten der Abtastzeitfenster und/oder den Detektionsempfindlichkeiten innerhalb verschiedener Abtastzeitfenster keinen bzw. einen geringeren Einfluss auf das Gesamtmessergebnis haben.Alternatively, or in addition to this structure, the evaluation device of the rangefinder according to the invention may also comprise a homogenization device by means of which the digital or analog detection signals provided by a receiving device can be evaluated in a specific homogenized manner, d. H. distributed over a plurality of connectable to the receiving device accumulation devices that variations in the widths of the sampling time window and / or the detection sensitivities within different sampling time windows have no or less impact on the overall measurement result.

Die vorgeschlagene Messvorrichtung zur optischen Entfernungsmessung weist dabei dann eine Sendeeinrichtung zur Aussendung periodisch modulierter optischer Messstrahlung auf ein Zielobjekt hin, eine Empfangseinrichtung zur Detektion von von dem Zielobjekt zurücklaufender optischer Messstrahlung und eine Auswerteeinrichtung zum Empfangen und Auswerten von Detektionssignalen der Empfangseinrichtung auf. Die Auswerteeinrichtung weist dabei eine Mehrzahl von Akkumulationseinrichtungen zum Akkumulieren von Detektionssignalen auf, wobei die Auswerteeinrichtung Detektionssignale während eines Abtastzeitfensters aus einer Mehrzahl von Abtastzeitfenstern zeitlich schematisch wechselnd, das heißt zum Beispiel zyklisch, zeitlich permutierend oder zeitlich gemäß einen beliebigen, vorgegebenen Schema verteilt, an einen zugeordneten Zähler aus der Mehrzahl von Zählern leitet. Dabei akkumuliert die zugeordnete Akkumulationseinrichtung die Detektionssignale während des Abtastzeitfensters. Ein über eine Gesamtmessdauer erfasstes Gesamtsignal wird von der Auswerteeinrichtung aus den in den Akkumulationseinrichtungen akkumulierten Detektionssignalen ermittelt.The proposed measuring device for optical distance measurement then has a transmitting device for emitting periodically modulated optical measuring radiation toward a target object, a receiving device for detecting optical measuring radiation returning from the target object, and an evaluating device for receiving and evaluating detection signals of the receiving device. The evaluation device in this case has a plurality of accumulation devices for accumulating detection signals, wherein the evaluation device temporally schematically changing, ie, for example, cyclically, temporally permutierend or temporally according to any predetermined scheme distributed detection signals during a sampling time window of a plurality of sampling time windows, to a associated counter from the plurality of counters passes. The associated accumulation means accumulates the detection signals during the sampling time window. A total signal detected over a total measurement duration is determined by the evaluation device from the detection signals accumulated in the accumulation devices.

Die vorgeschlagene Messvorrichtung kann zusätzlich eine Homogenisierungseinrichtung aufweisen, die dazu ausgelegt ist, die zeitlich wechselnde Zuordnung von Akkumulationseinrichtungen aus der Mehrzahl von Akkumulationseinrichtungen zu Abtastzeitfenstern während der Gesamtmessdauer zu variieren. The proposed measuring device may additionally comprise a homogenization device which is designed to vary the time-varying assignment of accumulation devices from the plurality of accumulation devices to sampling time windows during the entire measurement period.

Ein Grundgedanke hierbei ist, die von der Empfangseinrichtung aufgrund der auftreffenden rückreflektierten Messstrahlung bereitgestellten Detektionssignale nicht mehr in einer Art auszuwerten, dass sie starr synchronisiert mit der Periodizität des von der Sendeeinrichtung ausgesendeten Lichts jeweils Zählern zugeführt wird, deren zeitliche Lage innerhalb der Periodizität fest vorgegeben und während des gesamten Messvorgangs nicht variiert wird. Stattdessen soll die starre Synchronisierung ersetzt werden durch eine variable Synchronisierung, bei der während eines gesamten Messvorgangs Detektionssignale, die während einer bestimmten Phase innerhalb der Periode des ausgesendeten modulierten Lichtes aufgenommen werden, nicht immer von den gleichen Akkumulationseinrichtungen innerhalb der gleichen Abtastzeitfenster akkumuliert werden, sondern dass die Zuordnung von Abtastzeitfenstern und Akkumulationseinrichtungen während der Gesamtmessdauer variiert werden kann.A basic idea here is to no longer evaluate the detection signals provided by the receiving device on account of the incident retro-reflected measurement radiation in such a way that they are supplied to counters in rigid synchronization with the periodicity of the light emitted by the transmitting device, their temporal position is fixed within the periodicity and is not varied during the entire measuring process. Instead, the rigid synchronization is to be replaced by a variable synchronization in which, during an entire measurement process, detection signals taken during a certain phase within the period of the transmitted modulated light are not always accumulated by the same accumulation means within the same sampling time window the assignment of sample time windows and accumulation devices can be varied during the entire measurement period.

Mit anderen Worten ausgedrückt, herrschte bei herkömmlichen Abstandsmessgeräten, die ein auftreffendes moduliertes Lichtsignal beispielsweise mit einem ein digitales Detektionssignal liefernden Photonenzählers detektieren, stets eine zeitlich starre Zuordnung zwischen der Phase, innerhalb der das periodisch modulierte Licht empfangen wurde, und dem Abtastzeitfenster, innerhalb dessen die jeweiligen Detektionssignale einer vorbestimmten Akkumulationseinrichtung zugeführt wurden. Die Abtastzeitfenster weisen jedoch z. B. aufgrund der komplexen Technologie, die zum Triggern der Abtastzeitfenster eingesetzt wird, beispielsweise durch Prozess-, Spannungs- und Temperaturschwankungen, nicht unbedingt alle eine gleiche zeitliche Breite auf, wie dies anzustreben wäre. Außerdem kann die Detektionsempfindlichkeit innerhalb verschiedener Abtastzeitfenster unterschiedlich sein. Es konnte daher dazu kommen, dass für den Fall, dass nur zeitlich konstantes Hintergrundlicht und keine modulierte Messstrahlung auf die Empfangseinrichtung auftrafen, dennoch variierende akkumulierte Detektionssignale in den Akkumulationseinrichtungen registriert wurden. Selbst wenn angenommen wird, dass die Detektionsempfindlichkeit in allen Abtastzeitfenstern gleich ist, können die zeitlich mit konstanter Rate auftreffenden Photonen zwar eine konstante Detektionssignaldichte bewirken, die Detektionssignale können aber in den jeweiligen Akkumulationseinrichtungen über Zeitdauern akkumuliert werden, die den unterschiedlich großen Abtastzeitfenstern entsprechen. Alternativ, für den Fall, dass die Detektionsempfindlichkeit in verschiedenen Abtastzeitfenstern unterschiedlich ist, kann die Detektionssignaldichte trotz zeitlich mit konstanter Rate auftreffenden Photonen variieren, so dass in den Abtastzeitfenstern unterschiedlich viele Detektionssignale in den zugeordneten Akkumulationseinrichtungen akkumuliert werden. Beides kann dazu führen, dass von der Auswerteeinrichtung trotz konstanten Lichteinfalls eine Variation der in den Akkumulationseinrichtungen akkumulierten Detektionssignale erkannt wird. Diese Variation kann größer sein als ein von einer modulierten optischen Messstrahlung bewirktes Messsignal.In other words, in conventional distance measuring devices which detect an incident modulated light signal, for example with a photon counter providing a digital detection signal, there has always been a temporally rigid association between the phase within which the periodically modulated light was received and the sampling time window within which respective detection signals have been supplied to a predetermined accumulation means. However, the sampling time windows have z. B. due to the complex technology that is used to trigger the sampling time window, for example, by process, voltage and temperature fluctuations, not necessarily all the same time width, as would be desirable. In addition, the detection sensitivity may be different within different sampling time windows. It could therefore happen that in the event that only temporally constant background light and no modulated measuring radiation hit the receiving device, yet varying accumulated detection signals were registered in the accumulation devices. Although it is assumed that the detection sensitivity is the same in all sampling time windows, the photons incident at constant rate may cause a constant detection signal density, but the detection signals may be accumulated in the respective accumulation means over periods corresponding to the different sized sampling time windows. Alternatively, in the case where the detection sensitivity is different in different sampling time windows, the detection signal density may vary despite temporally constant rate photons so that different numbers of detection signals are accumulated in the associated accumulation means in the sampling time windows. Both can lead to a variation of the accumulated in the accumulation means detection signals is detected by the evaluation despite constant light incidence. This variation can be greater than a measurement signal caused by a modulated optical measurement radiation.

Es wird vorgeschlagen, die zeitlich schematisch wechselnde Zuordnung der Akkumulationseinrichtungen zu den einzelnen Abtastzeitfenstern während der Gesamtmessdauer zu variieren. Mit anderen Worten können beispielsweise Detektionssignale, die innerhalb einer ersten Phase der periodisch modulierten Messstrahlung detektiert werden, nicht mehr stets während ein und desselben ersten Abtastfensters immer in derselben Akkumulationseinrichtung akkumuliert werden. Stattdessen kann eine Gesamtmessdauer in mehrere Teilmessdauern unterteilt sein und innerhalb einer Teilmessdauer eine feste Phasenbeziehung zwischen der periodisch modulierten Messstrahlung und einer zyklischen Zuordnung der Akkumulationseinrichtungen zu Abtastfenstern bestehen.It is proposed to vary the chronologically changing allocation of the accumulation devices to the individual sampling time windows during the entire measurement period. In other words, for example, detection signals which are detected within a first phase of the periodically modulated measurement radiation can no longer always be accumulated in the same accumulation device during one and the same first sampling window. Instead, a total measurement duration can be subdivided into a plurality of partial measurement periods and, within a partial measurement duration, a fixed phase relationship exists between the periodically modulated measurement radiation and a cyclic allocation of the accumulation devices to sampling windows.

Mit anderen Worten ähnelt das Auswerteverfahren innerhalb einer Teilmessdauer der oben beschriebenen, herkömmlichen Auswertung der Detektionssignale.In other words, the evaluation method is similar within a partial measurement period of the above-described, conventional evaluation of the detection signals.

Zwischen den einzelnen Teilmessdauern können diesbezüglich jedoch Unterschiede dahingehend bestehen, dass zwischen der Phasenbeziehung zwischen der periodisch modulierten Messstrahlung und der zyklischen Zuordnung der Akkumulationseinrichtungen zu Abtastfenstern eine Phasenverschiebung bestehen kann. Mit anderen Worten unterscheidet sich die Phasenbeziehung zwischen der periodisch modulierten Messstrahlung und der zyklischen Zuordnung der Akkumulationseinrichtungen zu Abtastfenstern innerhalb einer ersten Teilmessdauer von derjenigen Phasenbeziehung innerhalb einer zweiten Teilmessdauer, usw. Eine relative Phasenverschiebung zwischen den einzelnen Teilmessdauern kann dabei beispielsweise 2π/n sein, wobei n die Anzahl von Teilmessdauern wiedergibt.However, there may be differences between the individual partial measuring periods in this respect, in that a phase shift may exist between the phase relationship between the periodically modulated measuring radiation and the cyclic allocation of the accumulation devices to sampling windows. In other words, the phase relationship between the periodically modulated measurement radiation and the cyclic allocation of the accumulation devices to sampling windows within a first part measurement period differs from that phase relationship within a second partial measurement period, etc. A relative phase shift between the individual partial measurement durations can be 2π / n, for example n represents the number of partial measuring times.

Die Anzahl an Abtastzeitfenstern kann hierbei gleich der Anzahl an Akkumulationseinrichtungen sein und kann ferner der Anzahl von Teilmessdauern entsprechen. Beispielsweise können acht Abtastzeitfenster und acht Akkumulationseinrichtungen vorgesehen sein, die innerhalb von acht Teilmessdauern einander jeweils in anderer Weise zugeordnet sind. Beispielsweise können während einer ersten Teilmessdauer Messsignale aus einer ersten Phase des modulierten Messlichts innerhalb eines ersten Abtastzeitfensters einer ersten Akkumulationseinrichtung zugeleitet werden, wohingegen in einer zweiten Teilmessdauer die Detektionssignale aus der ersten Phase des modulierten Messlichts der ersten Akkumulationseinrichtung während eines zweiten Abtastzeitfensters zugeleitet werden, usw.The number of sampling time windows here can be equal to the number of accumulation devices and can also correspond to the number of partial measuring periods. For example, eight sample time windows and eight accumulation means may be provided which are each assigned in different ways within eight partial measuring periods. For example, during a first partial measurement duration, measurement signals from a first phase of the modulated measurement light can be forwarded to a first accumulation device within a first sampling time window, whereas in a second partial measurement duration the detection signals from the first phase of the modulated measurement light are supplied to the first accumulation device during a second sampling time window, etc.

Vorzugsweise wird die zeitlich wechselnde Zuordnung von jeweils einem der Zähler zu jeweils einem der Abtastzeitfenster von der Homogenisierungseinrichtung derart variiert, dass über die Gesamtmessdauer hinweg zumindest mehrere der Akkumulationseinrichtungen, vorzugsweise jede der Akkumulationseinrichtungen, etwa gleich häufig jedem der Abtastzeitfenster zugeordnet ist. Hierdurch kann vorzugsweise erreicht werden, dass Detektionssignale, die innerhalb einer spezifischen Phase des periodisch modulierten Messlichts detektiert werden, homogen über alle zur Verfügung stehenden Abtastzeitfenster hin von den Akkumulationseinrichtungen akkumuliert werden. Dadurch lässt sich vorzugsweise erreichen, dass eine Abweichung der zeitlichen Breite von Abtastzeitfenstern oder eine Abweichung einer Detektionsempfindlichkeit von einem Durchschnittswert nicht mehr nur zu einer Akkumulation von Detektionssignalen in einer einzigen Akkumulationseinrichtung führt, sondern stattdessen dieses Abtastzeitfenster nacheinander von allen oder zumindest mehreren der zur Verfügung stehenden Akkumulationseinrichtungen verwendet wird, um in dessen Zeitdauer Detektionssignale zu akkumulieren.Preferably, the time-varying assignment of in each case one of the counters is varied in each case one of the sampling time window of the homogenization such that over the entire measurement period at least several of the accumulation devices, preferably each of the accumulation devices, approximately equally assigned to each of the sampling time window. As a result, it can be achieved, preferably, that detection signals which are detected within a specific phase of the periodically modulated measurement light are accumulated homogeneously over all available sampling time windows from the accumulation devices. As a result, it can be preferably achieved that a deviation of the time width of sampling time windows or a deviation of a detection sensitivity from an average value no longer leads to an accumulation of detection signals in a single accumulation device, but instead this sampling time window successively from all or at least several of the available ones Accumulation is used to accumulate in the duration of detection signals.

Auf diese Weise kann eine Homogenisierung hinsichtlich der zeitlichen Breite der Abtastzeitfenster erreicht werden. Analog kann auch eine Homogenisierung hinsichtlich unterschiedlicher Empfindlichkeiten innerhalb der Abtastzeitfenster erreicht werden.In this way, a homogenization in terms of the temporal width of the sampling time window can be achieved. Analogously, a homogenization with regard to different sensitivities within the sampling time window can be achieved.

Insbesondere für den Fall, dass die Anzahl an Abtastzeitfenstern und die Anzahl an Akkumulationseinrichtungen ungleich ist, kann eine Periodendauer einer sich zyklisch wiederholenden Sequenz der Anzahl von Abtastzeitfenstern sich von der Periodendauer der modulierten Messstrahlung unterscheiden. Auch auf diese Weise kann erreicht werden, dass ein bestimmtes Abtastzeitfenster nicht stets die gleiche Phase der modulierten Messstrahlung an die gleiche Akkumulationseinrichtung weiterleitet wird, sondern diese Zuordnung aufgrund der unterschiedlichen Periodendauern der Summe der Abtastzeitfenster einerseits und der modulierten Messstrahlung andererseits zeitlich variabel ist. Es kann so wiederum zu der gewünschten Homogenisierung beim Abtasten der Detektionssignale kommen.In particular, in the event that the number of sampling time windows and the number of accumulation devices is unequal, a period of a cyclically repeating sequence of the number of sampling time windows may differ from the period of the modulated measuring radiation. Also in this way it can be achieved that a certain sampling time window is not always forwarded the same phase of the modulated measurement radiation to the same accumulation device, but this assignment is temporally variable due to the different periods of the sum of the sampling time window on the one hand and the modulated measuring radiation on the other hand. This in turn can lead to the desired homogenization when scanning the detection signals.

Mögliche Aspekte, Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung wurden vorangehend mit Bezug auf einzelne Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die Beschreibung, die zugehörigen Figuren sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale, insbesondere auch die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele, auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Possible aspects, advantages and embodiments of the invention have been described above with reference to individual embodiments of the invention. The description, the associated figures and the claims contain numerous features in combination. A person skilled in the art will consider these features, in particular also the features of different exemplary embodiments, individually and combine them into meaningful further combinations.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung und darin enthaltene Teilaspekte mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.Embodiments of the invention and sub-aspects contained therein will now be described with reference to the accompanying drawings. The figures are only schematic and not to scale.

1 zeigt eine Messvorrichtung zur optischen Entfernungsmessung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. 1 shows an optical distance measuring device according to an embodiment of the present invention.

2 zeigt eine schematische Darstellung von digitalen Gate-Signalen einer Binning-Architektur, wie sie in einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung verwendet werden können. 2 shows a schematic representation of digital gate signals of a binning architecture, as they can be used in a measuring device according to the invention.

3 zeigt beispielhaft eine zeitliche Abhängigkeit einer Zählrate eines als Empfangseinrichtung verwendeten Photonenzählers bei Beleuchtung mit modulierter Messstrahlung. 3 shows by way of example a temporal dependence of a count rate of a photon counter used as a receiving device when illuminated with modulated measuring radiation.

4 zeigt beispielhaft Variationen einer normalisierten Breite von Abtastzeitfenstern. 4 shows by way of example variations of a normalized width of sampling time windows.

5 veranschaulicht die Schaltung für eine 2-periodische Binning-Architektur, 5 illustrates the circuit for a 2-period binning architecture,

6 zeigt eine Simulation einer nicht periodischen Binning Architektur, 6 shows a simulation of a non-periodic binning architecture,

7 zeigt eine Simulation einer 2-periodischen Binning Architektur, 7 shows a simulation of a 2-period binning architecture,

DETAILIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

In 1 ist in schematischer Weise eine erfindungsgemäße Messvorrichtung 10 in Form eines optischen Entfernungsmessers mit den wichtigsten Komponenten zur Beschreibung ihrer Funktion dargestellt. Die Erfindung selbst ist jedoch nicht auf den Bereich der optischen Entfernungsmessung beschränkt.In 1 is a schematic diagram of a measuring device according to the invention 10 represented in the form of an optical rangefinder with the most important components for describing their function. However, the invention itself is not limited to the range of optical distance measurement.

Die Messvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 11 auf, in dem eine Sendeeinrichtung 12 zur Aussendung optischer Messstrahlung 13 sowie eine Empfangseinrichtung 14 zur Detektion von von einem Zielobjekt 15 zurücklaufender Messstrahlung 16 angeordnet sind.The measuring device 10 has a housing 11 in which a transmitting device 12 for emitting optical measuring radiation 13 and a receiving device 14 for detecting from a target object 15 returning measuring radiation 16 are arranged.

Die Sendeeinrichtung 12 beinhaltet eine Lichtquelle, die im dargestellten Ausführungsbeispiel durch eine Halbleiter-Laserdiode 18 realisiert ist. Die Laserdiode 18 sendet einen Laserstrahl 20 in Form eines für das menschliche Auge sichtbaren Lichtbündels 22 aus. Die Laserdiode 18 wird dazu über ein Steuergerät 24 betrieben, das durch eine entsprechende Elektronik eine zeitliche Modulation eines elektrischen Eingangssignals 19 der Laserdiode 18 erzeugt. Durch eine derartige Modulation des Diodenstromes lässt sich erreichen, dass die optische Messstrahlung 13, welche zur Entfernungsmessung genutzt wird, ebenfalls in gewünschter Weise zeitlich in ihrer Intensität moduliert wird.The transmitting device 12 includes a light source, which in the illustrated embodiment by a semiconductor laser diode 18 is realized. The laser diode 18 sends a laser beam 20 in the form of a visible to the human eye light beam 22 out. The laser diode 18 This is done via a control unit 24 operated by a corresponding electronics a temporal modulation of an electrical input signal 19 the laser diode 18 generated. By such a modulation of the diode current can be achieved that the optical measuring radiation 13 , which is used for distance measurement, is also modulated in time as desired in intensity.

Insbesondere während eines Entfernungsmessvorganges durchläuft das Laserstrahlbündel 20 anschließend eine Kollimationsoptik 26 in Form eines Objektivs 28, das in 1 in vereinfachter Weise in Form einer einzelnen Linse dargestellt ist. Nach Durchlaufen des Objektivs 28 ergibt sich ein beispielsweise Amplitudenmoduliertes Signal der Messstrahlung 13 in Form eines nahezu parallelen Lichtbündels 37, das sich entlang einer optischen Achse 38 der Sendeeinheit 12 ausbreitet.In particular, during a distance measuring process, the laser beam passes through 20 then a collimation optics 26 in the form of a lens 28 , this in 1 represented in a simplified manner in the form of a single lens. After passing through the lens 28 results in an example amplitude-modulated signal of the measuring radiation 13 in the form of a nearly parallel light beam 37 that extends along an optical axis 38 the transmitting unit 12 spreads.

Wird mit der Messvorrichtung 10 eine Entfernungsmessung durchgeführt, verlässt die Messstrahlung 13 das Gehäuse 11 der Messvorrichtung durch ein optisches Fenster 44 in der Stirnwand 45 der Messvorrichtung 10. Die Öffnung des optischen Fensters 44 kann beispielsweise durch einen Shutter 46 gesichert sein. Zur eigentlichen Messung wird die Messvorrichtung 10 dann auf ein Zielobjekt 15 hin ausgerichtet, dessen Entfernung 48 zur Messvorrichtung 10 ermittelt werden soll. Die an dem gewünschten Zielobjekt 15 reflektierte oder gestreute Strahlung bildet zurücklaufende optische Messstrahlung 16 in Form eines zurücklaufenden Strahlenbündels 49 bzw. 50, das zu einem gewissen Teil wieder in die Messvorrichtung 10 zurückgelangt. In 1 sind exemplarisch zur Verdeutlichung zwei zurücklaufende Messstrahlenbündel 49 bzw. 50 für zwei unterschiedliche Zielobjektentfernungen 48 eingezeichnet Durch ein Eintrittsfenster 47 an der Stirnseite 45 der Messvorrichtung 10 wird die zurücklaufende Messstrahlung 16 in die Messvorrichtung 10 eingekoppelt und trifft dann, wie in 1 dargestellt, auf eine Empfangsoptik 52.Used with the measuring device 10 a distance measurement is performed, leaving the measuring radiation 13 the housing 11 the measuring device through an optical window 44 in the front wall 45 the measuring device 10 , The opening of the optical window 44 for example, by a shutter 46 be assured. The measuring device becomes the actual measurement 10 then to a target object 15 aligned, its distance 48 to the measuring device 10 to be determined. The at the desired target object 15 reflected or scattered radiation forms returning optical measuring radiation 16 in the form of a returning beam 49 respectively. 50 that, to a certain extent, returns to the measuring device 10 passes back. In 1 are exemplary for clarification two returning measuring beams 49 respectively. 50 for two different target distances 48 drawn through an entrance window 47 at the front 45 the measuring device 10 becomes the returning measuring radiation 16 into the measuring device 10 coupled and then hits, as in 1 shown on a receiving optics 52 ,

Die Empfangsoptik 52, die in 1 ebenfalls nur schematisch durch eine einzelne Linse symbolisiert ist, fokussiert das Strahlenbündel der zurücklaufenden Messstrahlung 16 auf die Detektionsfläche 66 eines in der Empfangseinrichtung 14 vorgesehenen Empfangsdetektors 54. Der Detektor 54 weist zur Detektion der optischen Messstrahlung ein Pixel oder eine Vielzahl von Pixeln auf. Jedes der Pixel weist mindestens eine lichtempfindliche SPAD (Single Photon Avalanche Diode) auf, die als digitaler Photonendetektor wirkt Durch die in der Detektionsfläche 66 vorgesehenen SPADs, wird die einfallende zurücklaufende Messstrahlung 16 in ein elektrisches Signal 55 umgewandelt und der weiteren Auswertung in der Auswerteeinrichtung 36 zugeführt Das elektrische Signal 55 kann dabei aufgrund inhärenter Eigenschaften der SPADs als digitales Detektionssignal angesehen werden, das eine Zählrate von auf die jeweiligen Pixel der Detektionsfläche 66 auftreffender Photonen wiedergibt.The receiving optics 52 , in the 1 is also symbolized only schematically by a single lens, focuses the beam of the returning measuring radiation 16 on the detection surface 66 one in the receiving device 14 provided reception detector 54 , The detector 54 has a pixel or a plurality of pixels for the detection of the optical measuring radiation. Each of the pixels has at least one single-photon avalanche diode (SPAD) acting as a digital photon detector through the detection surface 66 provided SPADs, is the incident returning measuring radiation 16 in an electrical signal 55 converted and the further evaluation in the evaluation 36 supplied The electrical signal 55 can be considered as a digital detection signal due to inherent properties of the SPADs, which is a count rate of the respective pixels of the detection area 66 reproducing photons.

Die Auswerteeinrichtung 36 kann die von einer SPAD generierten Detektionssignale geeignet aufsummieren und daraus ein Gesamtsignal erzeugen, das einer zeitabhängigen Intensität des auf die SPAD auftreffenden Lichtsignals bzw. der Lichtintensität entspricht. Indem dieses Gesamtsignal in Relation zu einem Anregungssignal gesetzt wird, das den zeitlichen Verlauf der von der Sendeeinrichtung 12 emittierten Photonenrate angibt, kann auf eine Photonenflugzeit von der Sendeeinrichtung 12 hin zu dem Zielobjekt 15 und wieder zurück zu der Empfangseinrichtung 13 geschlossen werden. Falls die Sendeeinrichtung 12 das ausgesendete Licht beispielsweise sinusartig periodisch moduliert, kann eine Flugzeit aus einem Phasenunterschied zwischen der ausgesendeten und der detektierten Messstrahlung ermittelt werden.The evaluation device 36 can appropriately summate the detection signals generated by a SPAD and from this generate a total signal which corresponds to a time-dependent intensity of the light signal or the light intensity incident on the SPAD. By setting this total signal in relation to an excitation signal, the timing of the by the transmitting device 12 indicating emitted photon rate may be due to a photon travel time from the transmitting device 12 towards the target object 15 and back to the receiving device 13 getting closed. If the transmitting device 12 For example, if the emitted light is periodically modulated in a sinusoidal manner, a time of flight can be determined from a phase difference between the emitted and the detected measurement radiation.

Im Detail kann die Auswerteeinrichtung 36 die von der Empfangseinrichtung 14 empfangenen digitalen Detektionssignale während verschiedener Abtastzeitfenster verschiedenen digitalen Zählern zuleiten. Die Zähler wirken hierbei als Akkumulationseinrichtungen. Die Auswerteeinrichtung wird hierin teilweise auch als „Binning-Architektur” bezeichnet und die Abtastzeitfenster werden teilweise als „Bin-Breiten” bezeichnet. Die Summe der Abtastzeitfenster kann hierbei der Periode der modulierten Messstrahlung entsprechen. Mit anderen Worten wird während eines Abtastzeitfensters ein sich periodisch wiederholender Phasenbereich des periodisch modulierten Detektionssignals erfasst und die entsprechenden digitalen Detektionssignale in Zählern akkumuliert. Hierzu können die Detektionssignale, zeitlich korreliert mit der Periodizität des Ansteuerungssignals an die Laserdiode 18, während der verschiedenen Abtastzeitfenster über Multiplexer an entsprechend zugeordnete digitale Zähler geleitet werden. Der Vorgang der variierenden Zuordnung von Zählern und Abtastzeitfenstern wird innerhalb der Auswerteeinrichtung von einer Homogenisierungseinrichtung 80 gesteuert. Aus den über viele Perioden kumulierten Zählergebnissen der digitalen Zähler kann dann auf den Phasenunterschied zwischen der ausgesendeten und der detektierten Messstrahlung geschlossen und somit die gewünschte Entfernung bestimmt werden.In detail, the evaluation device 36 that of the receiving device 14 receive digital detection signals during different sampling time windows different digital counters. The counters act as accumulation facilities. The evaluator is sometimes referred to herein as a "binning architecture" and the sampling time windows are sometimes referred to as "bin widths". The Sum of the sampling time window can correspond to the period of the modulated measuring radiation. In other words, during a sampling time window, a periodically repeating phase range of the periodically modulated detection signal is detected and the corresponding digital detection signals are accumulated in counters. For this purpose, the detection signals, correlated in time with the periodicity of the drive signal to the laser diode 18 during the various sampling time windows are routed via multiplexers to correspondingly assigned digital counters. The process of varying allocation of counters and sampling time windows is within the evaluation of a homogenizer 80 controlled. From the cumulative over many periods count results of the digital counter can then be closed to the phase difference between the emitted and the detected measuring radiation and thus the desired distance can be determined.

Die 2 zeigt eine schematische Darstellung digitaler Gate-Signale einer Binning-Architektur am Beispiel von vier Abtastfenstern. Die Größe und die Stabilität der tatsächlich realisierten Bin-Breiten kann eine besonders große systematische Fehlerquelle darstellen. Eine Abweichung der Bin-Breiten von ihren Soll-Wert kann sich insbesondere bei starker Hintergrundbeleuchtung erheblich auf das Messergebnis auswirken. Ähnlich kann sich auch eine Variation der Detektionsempfindlichkeiten verschiedener Bins stark auf das Messergebnis auswirken.The 2 shows a schematic representation of digital gate signals of a binning architecture using the example of four sampling windows. The size and the stability of the actually realized bin widths can represent a particularly large systematic error source. A deviation of the bin widths from their nominal value can have a significant effect on the measurement result, in particular with strong backlighting. Similarly, a variation of the detection sensitivities of different bins can greatly affect the measurement result.

Die die Bin-Breiten oder Abtastzeitfenster steuernden Steuersignale brauchen dabei nicht den in 2 dargestellten, rechteckförmigen zeitlichen Verlauf haben. Auch andere Zeitverläufe wie beispielsweise sinusartige Zeitverläufe der Steuersignale sind möglich.The control of the bin widths or sampling time window control signals do not need the in 2 have shown, rectangular time course. Other time courses such as sinusoidal time courses of the control signals are possible.

Im Folgenden wird ein möglicher Vorteil der Erfindung gemäß einer Ausführungsform anhand eines Beispiels mit kontinuierlich modulierter Laserstrahlung, im Speziellen mit sinusförmiger Modulation, beschrieben. Mit den in 3 gegebenen Bezeichnungen wird die Modulation M auf der Empfangsseite durch

definiert. Hierbei ist m_L1 ein Faktor, der die Modulationstiefe der geräteseitig ausgesandten Laserstrahlung beschreibt, Ń_L ist die zeitlich gemittelte Zählrate (in Counts/s) bezüglich des detektierten Laserlichtes, Ń_BL ist die zeitlich gemittelte Zählrate bezüglich Hintergrundstrahlung und DCR ist eine Dunkelzählrate des Detektors. Unter typischen Messbedingungen kann die Modulation beispielsweise Werte im Prozent-Bereich annehmen.In the following, a possible advantage of the invention according to an embodiment will be described with reference to an example with continuously modulated laser radiation, in particular with sinusoidal modulation. With the in 3 given designations, the modulation M on the receiving side by

Are defined. Here, m _{L1 is} a factor describing the modulation depth of the laser radiation emitted on the device, Ń _L is the time-averaged count rate (in counts / s) with respect to the detected laser light, Ń _BL is the time averaged count rate with respect to background radiation, and DCR is a dark count rate of the detector , For example, under typical measurement conditions, the modulation may take values in the percent range.

Weiter ergibt eine Abschätzung der Fehlerfortpflanzung des Bin-Breiten-Fehlers δτ_w auf den Phasenfehler Δø folgenden Zusammenhang:

wobei T die Periode der modulierten Messstrahlung wiedergibt.Further, an estimation of the error propagation of the bin width error δτ _w on the phase error Δφ gives the following relation:

where T represents the period of the modulated measuring radiation.

Der Phasenfehler ist antiproportional zur Modulation des unter Messbedingungen empfangenen Signals und proportional zur relativen Genauigkeit der Bin-Breite bezogen auf die Modulationsperiode. Damit wird die hohe Sensitivität des Systems auf Abweichungen der Bin-Breiten vom Sollwert deutlich: Bei starker Hintergrundbeleuchtung erfordert eine gleichbleibende Phasengenauigkeit eine höhere Genauigkeit bei der Bin-Breiten-Kalibrierung oder ein geeignetes Auswerteverfahren basierend beispielsweise auf der hierin beschriebenen Homogenisierung von Abtastzeitfenstern.The phase error is antiproportional to the modulation of the signal received under measurement conditions and proportional to the relative accuracy of the bin width relative to the modulation period. Thus, the high sensitivity of the system to deviations of the bin widths from the target value becomes clear: With strong backlighting, consistent phase accuracy requires greater accuracy in bin width calibration or a suitable evaluation method based, for example, on the homogenization of sample time windows described herein.

4 zeigt am Beispiel eines Binning-Schemas mit acht Abtastzeitfenstern, wie die zeitliche Breite der einzelnen Abtastzeitfenster variieren kann. Die Mehrzahl von Abtastzeitfenstern 1 bis 8 kann eine Periode des modulierten Messstrahls sukzessive abtasten, wobei innerhalb jedes Abtastzeitfensters die erfassten Detektionssignale in einen zu diesem Zeitpunkt zugeordneten Zähler geleitet und in diesem akkumuliert werden. Die zeitliche Breite eines Abtastfensters kann dabei einen Bruchteil, zum Beispiel ein n-tel (mit n = Anzahl der Abtastzeitfenster) betragen. Für den Fall, dass die Messstrahlung mit Frequenzen im Bereich von beispielsweise 1 GHz moduliert wird, ergibt sich dabei, dass die zeitliche Breite eines Abtastzeitfensters wesentlich kürzer als 1 ns, beispielsweise im Bereich von 100 ps, sein kann. Da, wie oben erläutert die letztendlich zu detektierende modulierte Messstrahlung lediglich etwa 1% der gesamten auf die Empfangseinrichtung auftreffenden Strahlung ausmachen kann, kann bereits eine Variation der Breite der Abtastzeitfenster von weniger als 1 ps das Messergebnis signifikant beeinflussen. 4 Using the example of a binning scheme with eight sampling time windows, we can see how the time width of the individual sampling time windows can vary. The plurality of sampling time windows 1 to 8 can successively scan a period of the modulated measuring beam, wherein within each sampling time window the detected detection signals are passed into and accumulated in a counter associated at this time. The time width of a sampling window can be a fraction, for example, one nth (with n = number of sampling time windows). In the event that the measuring radiation is modulated with frequencies in the range of, for example, 1 GHz, it follows that the time width of a sampling time window can be substantially shorter than 1 ns, for example in the region of 100 ps. As explained above, the modulated measuring radiation finally to be detected only explains about 1% of the total incident on the receiving device Even if a variation in the width of the sampling time window of less than 1 ps can significantly affect the measurement result.

Mit Bezug auf die 5, 6 und 7 werden nun Ausführungsformen der Erfindung beschrieben, bei denen mit Hilfe einer geeigneten Auswertevorrichtung der Einfluss des Hintergrundlichtes auf die Phase der Grundschwingung des Messsignal kompensiert wird.With reference to the 5 . 6 and 7 Embodiments of the invention will now be described in which the influence of the background light on the phase of the fundamental oscillation of the measurement signal is compensated with the aid of a suitable evaluation device.

Als bevorzugte Implementierung ist im Folgenden eine 2-periodische Binning-Architektur am Beispiel von 8 Bins dargestellt. (siehe 5a und 5b) Verfahren und Schaltung sind jedoch nicht auf die genannten Anzahlen von Bins und Symmetrieanordnungen beschränkt.As a preferred implementation, a 2-period binning architecture is shown below using the example of 8 bins. (please refer 5a and 5b However, the method and circuit are not limited to the stated numbers of bins and symmetry arrangements.

In einer erfindungsgemäßen Schaltung der Auswerteeinehit werden aus einer aus vier Verzögerungsgliedern bestehenden „delay line” durch erneutes Durchlaufen acht Bins erzeugt (siehe 5a und 5b). Die so entstandene „delay line” mit acht Gliedern wird durch eine Referenzfrequenz (nicht dargestellt) stabilisiert d. h. „gelocked”. Die Durchlaufzeit aller Verzögerungsglieder entspricht konstant einer Periode.In a circuit according to the invention of the evaluation unit, eight bins are generated from a delay line consisting of four delay elements by running through again (see FIG 5a and 5b ). The resulting "delay line" with eight terms is stabilized by a reference frequency (not shown), ie "locked". The cycle time of all delay elements is constant for one period.

Bedingt durch Nichtidealitäten wie beispielsweise PVT-Variationen (Process, Voltage, Temperature) oder unsymmetrischen Strukturen können die Verzögerungsglieder T₁, ..., T_N unterschiedliche zeitliche Breiten aufweisen.Due to non-idealities such as PVT variations (Process, Voltage, Temperature) or asymmetrical structures, the delay elements T ₁ ,..., T _N can have different time widths.

Bei einer nicht periodischen Binning-Architektur mit T₁, ..., T₈ (siehe 6) führen die resultierenden ungleichen Abtastfenster bei alleiniger Auswertung von gleich verteiltem Hintergrundrauschen bereits zu einem Signalanteil auf der ersten Harmonischen (siehe hierzu in 6, „fft abs”, „fft phase”). Die Entfernungsbestimmungseinrichtung in einem Laserentfernungsmesser kann nicht unterscheiden, ob die bestimmte Phase durch das Binning-Schema oder durch empfangene Messstrahlung verursacht wird. Fehler in der Entfernungsmessung sind die Folge.For a non-periodic binning architecture with T ₁ , ..., T ₈ (see 6 ) lead the resulting unequal sampling window in the sole evaluation of evenly distributed background noise already to a signal component on the first harmonic (see in 6 , "Fft abs", "fft phase"). The distance-determining device in a laser rangefinder can not distinguish whether the particular phase is caused by the binning scheme or by received measurement radiation. Errors in the distance measurement are the result.

Bei einer 2-periodischen Binning-Architektur mit T₁, ..., T₄ (siehe 7) weisen die Bins 1 und 5; 2 und 6; 3 und 7; 4 und 8 paarweise die gleiche Binbreite auf. Bezogen auf die Periode öffnen und schließen paarweise zusammengehörige Bins 180° phasenverschoben.For a 2-period binning architecture with T ₁ , ..., T ₄ (see 7 ) have bins 1 and 5; 2 and 6; 3 and 7; 4 and 8 in pairs the same Binbreite on. Relative to the period open and close paired bins 180 ° out of phase.

Die Auswertung von Phase und Amplitude der Zählerstände in den Bins erfolgt durch eine modifizierte diskrete Fouriertransformation.

X_m:: komplexe Fourierkoeffizienten,
X_l: stellt dabei die Grundschwingung (= 1. Harmonische) in Amplitude und Phase dar
m:: Index der Harmonischen
c_μ:: Gewichtungsfaktor für die unterschiedlichen Breiten der Bins mit T_μ
x_μ:: Zählerstand in Bin μ

The evaluation of phase and amplitude of the counter readings in the bins takes place by means of a modified discrete Fourier transformation.

X _m:: complex Fourier coefficients,
X _l: represents the fundamental (= 1st harmonic) in amplitude and phase
m:: Index of harmonics
c _μ :: Weighting factor for the different widths of the bins with T _μ
x _μ :: Meter reading in Bin μ

Paarweise abhängige Bins sind vom gleichen Verzögerungsglied T_μ abgeleitet, daher folgt für die Zählerstände bei gleich verteiltem Hintergrundlicht x_μ = x_μ+N/2. Diese haben außerdem den selben Gewichtungsfaktor c_μ.Pairwise dependent bins are derived from the same delay element T _μ , therefore follows for the counter readings with equally distributed background light x _μ = x _{μ + N / 2} . These also have the same weighting factor c _μ .

Für alle ungeraden Harmonischen hebt sich damit der Hintergrundlichtanteil der Zählerstände für die 180° phasenverschobenen Bins auf

For all odd harmonics, this removes the background light component of the counter readings for the 180 ° phase-shifted bins

Dies bedeutet die vollständige Kompensation des Einflusses des Gleichlichtanteils auf die Grundschwingung der Messstrahlung.This means the complete compensation of the influence of the direct light component on the fundamental vibration of the measuring radiation.

Für die Signalanteile der ungeraden Harmonischen – und damit insbesondere der Grundschwingung der Messstrahlung – gilt x_μ,SG = – X_μ+N/2,SG und damit

, d. h. die Messstrahlung kann in Amplitude und Phase ausgewertet werden.For the signal components of the odd harmonic - and thus in particular the fundamental of the measuring radiation - x _{μ, SG} = - X _{μ + N / 2, SG} and thus

, ie the measuring radiation can be evaluated in amplitude and phase.

7 zeigt die Simulation einer 2-periodischen Binning-Architektur. Der Einfluss des Hintergrundlichts auf die Grundschwingung der Messstrahlung sowie allen ungeraden Harmonischen wurde eliminiert. 7 shows the simulation of a 2-period binning architecture. The influence of the background light on the fundamental of the measuring radiation as well as all odd harmonics has been eliminated.

Das erfindungsgemäße Schema setzt eine symmetrische Binning-Architektur voraus.The inventive scheme requires a symmetric binning architecture.

Die Phasenauswertung mit ungleichen Bins T₁, ..., T₄ wäre weiterhin fehlerbehaftet. Da dieser Fehler für die Messstrahlung nicht mehr vom Hintergrundlicht abhängig ist, ist dessen Einfluss jedoch erheblich reduziert.The phase evaluation with unequal bins T ₁ , ..., T ₄ would continue to be faulty. Since this error is no longer dependent on the background light for the measuring radiation, its influence is considerably reduced.

Das Schema kann noch erweitert werden. Die geraden Harmonischen können in Amplitude und Phase ausgewertet werden und so Rückschlüsse über die tatsächlichen Breiten der Bins gezogen werden. Diese Information wiederum kann bei der Kompensation des verbleibenden Phasenfehlers auf den ungeraden Harmonischen helfen.The scheme can still be extended. The even harmonics can be evaluated in amplitude and phase to draw conclusions about the actual widths of the bins. This information in turn can help to compensate for the remaining phase error on the odd harmonics.

Während bei den oben beschriebenen Ausführungsformen jeweils von einer Empfangseinrichtung mit einem einzigen, digitalen Photonenzähler, beispielsweise in Form einer SPAD ausgegangen wurde, kann die Empfangseinrichtung alternativ auch mehrere Lichtdetektoren aufweisen. Die Lichtdetektoren können digital oder analog arbeiten. Beispielsweise kann ein Pixelarray von mehreren digital arbeitenden SPADs oder ein analog arbeitender CCD-Chip mit mehreren Pixeln verwendet werden. Hierdurch kann eine 2D oder 3D Kamera realisiert werden. Detektionssignale von jeweils einem der Pixel können während eines zugeordneten Abtastzeitfensters in einer Akkumulationseinrichtung akkumuliert werden. Für den Fall, dass die einzelnen Pixel verschiedene Detektionsempfindlichkeiten aufweisen, kann mit Hilfe der beschriebenen Homogenisierung ein negativer Einfluss dieser verschiedenen Detektionsempfindlichkeiten auf das Gesamtmessergebnis erheblich reduziert werden.While in each case one receiving device with a single, digital photon counter, for example in the form of a SPAD, was assumed in the embodiments described above, the receiving device may alternatively have a plurality of light detectors. The light detectors can work digital or analog. For example, a pixel array of multiple digitally-operating SPADs or a multi-pixel CCD chip operating analogously may be used. As a result, a 2D or 3D camera can be realized. Detection signals from each one of the pixels can be accumulated in an accumulation means during an associated sampling time window. In the event that the individual pixels have different detection sensitivities, a negative influence of these different detection sensitivities on the overall measurement result can be considerably reduced with the aid of the described homogenization.

Ein durch die hierin beschriebene Folge von Abtastzeitfenstern bzw. Detektionsempfindlichkeiten zu erzielender Vorteil kann in der Verkürzung der Gesamtmessdauer liegen, da auf eine Kalibrierung der Abtastzeitfenster bzw. der Binning-Architektur verzichtet werden kann. Alternativ kann bei zusätzlicher Kalibrierung eine erhöhte Messgenauigkeit erreicht werden. Dies kann insbesondere bei Messvorrichtungen, bei denen eine hohe Messgenauigkeit gefordert wird und daher Messstrahlung mit hohen Modulationsfrequenzen eingesetzt wird, von Vorteil sein, da die bei derart hohen Modulationsfrequenzen, zum Beispiel im Bereich von 1 GHz oder mehr, notwendige Kalibrierung insbesondere bei einem geringen Signal-Rausch-Verhältnis sehr lange dauern kann, beispielsweise länger als die eigentliche Entfernungsmessung.An advantage to be achieved by the sequence of sampling time windows or detection sensitivities described here can be the shortening of the overall measurement duration, as calibration of the sampling time window or the binning architecture can be dispensed with. Alternatively, with additional calibration, increased measurement accuracy can be achieved. This can be particularly advantageous in measuring devices in which a high measurement accuracy is required and therefore measuring radiation with high modulation frequencies is used, since the calibration required at such high modulation frequencies, for example in the range of 1 GHz or more, in particular at a low signal Noise ratio can take a long time, for example, longer than the actual distance measurement.

Ein weiterer Vorteil kann in einer geringeren Leistungsaufnahme bestehen, da gegebenenfalls keine gesonderte Messung zur Kalibrierung erforderlich sein kann.Another advantage may be a lower power consumption, as it may not be necessary to perform a separate calibration measurement.

Ein weiterer Vorteil kann der geringe schaltungstechnische Aufwand, der für eine Realisierung der Folge der Abtastfenster notwendig ist, sein. Beispielsweise können die Abtastzeitfenster und die Modulation der Messstrahlung von einer gemeinsamen Quelle abgeleitet werden.Another advantage may be the low circuit complexity, which is necessary for a realization of the sequence of sampling windows. For example, the sampling time windows and the modulation of the measuring radiation can be derived from a common source.

Weiterhin kann auch bei veränderlichen Konditionen wie zum Beispiel einer Temperaturdrift auf eine Hintergrundlicht-Kalibrierung verzichtet werden.Furthermore, even with variable conditions such as a temperature drift on a background light calibration can be dispensed with.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2007/0182949 A1 [0003]

Claims

Measuring device ( 10 ) for distance measurement, in particular hand-held measuring device for optical distance measurement, comprising: a transmitting device ( 12 ) for the emission of measuring radiation, in particular for the transmission of periodically modulated optical measuring radiation ( 13 ) on a target object ( 15 ); a receiving device ( 14 ) for the detection of the target object ( 15 ) returning optical measuring radiation ( 16 ); and an evaluation device ( 36 ) for receiving and evaluating detection signals of the receiving device ( 14 ); wherein the evaluation device ( 36 ) a plurality of accumulation devices ( 107 . 207 ) for accumulating detection signals; wherein the evaluation device ( 36 ) Detection signals during a sampling time window ( 115 . 125 . 135 ) of a plurality ( 105 ) of sampling time windows alternately temporally changing to an associated accumulation device ( 117 . 127 . 137 ) of the plural ( 107 ) of accumulation means, such that the accumulation means accumulates the detection signals during the sampling time window; wherein the evaluation device ( 36 ) determines a total signal detected over a total measurement period from the accumulated in the accumulation detection signals, characterized in that the evaluation device has a binning architecture, which makes it possible to evaluate even and odd harmonics of the detection signal separately.

Measuring device according to claim 1, characterized in that the evaluation device has a symmetrical binning architecture

Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the evaluation device has a 2-periodic binning architecture

Measuring device according to one of claims 1 to 3, wherein the receiving device ( 14 ) has at least one SPAD.

Measuring device according to one of claims 1 to 4, wherein the detection signals from the receiving device are passed through multiplexers to the accumulation means.