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Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitmessgerät zur Abstandsmessung mit einem Photomischdetektor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruch 1. Die Messung erfolgt anhand der Phasenverschiebung zwischen einer ausgesendeten und der als Reflex empfangenen elektromagnetischen Welle, vorzugsweise einem Lichtsignal.
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Die Photomischdetektoren sind aus der
DE 197 04 496 C2 und der
DE 198 21 974 B4 bekannt. Sie weisen zwei lichtempfindliche Modulationsphotogates und zwei nicht lichtempfindliche Akkumulationsgates auf.
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Zur Entfernungsbestimmung wird das von einem Objekt reflektierte Empfangssignal mit dem Sendesignal gemischt. Die Mischung liefert ein in Phase liegendes und ein um 180° versetztes Signal, aus dem die Entfernung in bekannter Weise bestimmbar ist. Dazu sind die Modulationsphotogates mit einem Hochfrequenzgenerator und die Akkumulationsgates mit einer Auswerteeinheit verbunden.
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Derartige Mischelemente werden auch als PMD-Empfänger bezeichnet. Sie erlauben die Auswertung von aus einer Lichtlaufzeit resultierenden Phasendifferenzen und wurden zur Erzeugung von dreidimensionalen Kamerabildern entwickelt. Sie sind aber auch für optische Näherungsschalter geeignet.
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Geräte dieser Art werden von der Firma ,PMD-Technologies GmbH' und auch der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
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Das Sendesignal wird von einem Hochfrequenzgenerator erzeugt und vorzugsweise mit einer Laserdiode in ein Lichtsignal umgewandelt. Je nach Messaufgabe können die Sendefrequenzen im Bereich von 1 MHz bis zu 1 GHz liegen. Verwendbar sind alle in diesem Bereich modulierbare Strahlungsquellen, insbesondere auch LEDs. Besonders geeignet sind allerdings oberflächenemittieren Laserdioden (VCSEL).
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Da für große Messentfernungen und gering reflektierende Objekte entsprechend hohe Lichtleistungen erforderlich sind, verwendet man Senderfelder (Arrays).
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Das ist zur besseren Wärmeableitung, aber auch für die Augensicherheit vorteilhaft. Die erforderlichen Sendeleistungen liegen oft im Bereich von 10 Watt und darüber. Die Spitzenströme betragen 6...10 Ampere.
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Die Parallelschaltung von 100 VCSEL-Dioden ergibt einen differentiellen Widerstand von 0,6 Ω. Die Firma ,Princeton Optronics' bietet VCSEL-Arrays des Typs PCW-CD-7-W0707 mit einem differentiellen Innenwiderstand von 0,1 Ω bei einem Strom von 3 A, aber auch stärkere und daher noch niederohmigere Bauelemente an.
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Die Anpassung eines Generators an einen solchen differentiellen Innenwiderstand ist mit Schwierigkeiten verbunden. Für Frequenzen ab ca. 100 MHz kommen hierzu praktisch nur noch Viertelwellentransformatoren in Frage.
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Nachteilig sind aber deren geometrische Ausdehnung, sowie ihre relativ geringe Bandbreite. Die fehlende Bandbreite ist besonders störend, weil zur eindeutigen Abstandsbestimmung mit zwei bis vier verschiedenen Modulationsfrequenzen gemessen werden muss.
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Die
US 5 455 670 A zeigt ein Lichtlaufzeitmessgerät mit einem Treiber und einer Laserdiode und einer Streifenleitung als Bestandteil der Impedanzwandlerschaltung.
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Die
US 5 793 477 A zeigt ein optisches Geschwindigkeitsmessgerät mit einer Laserdiode als Sender und einer Streifenleitung als Impedanzwandler zur Widerstandsanpassung zwischen Treiber und Laserdiode.
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Nachteilig bei beiden Anordnungen ist die geringe Bandbreite der Streifenleitung, welche eine Änderung der Modulationsfrequenz im laufenden Betrieb oder die Messung mit mehreren unterschiedlichen Frequenzen erschwert oder gar unmöglich macht.
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Deshalb besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine Möglichkeit zur verlustarmen breitbandigen Anpassung eines Generators mit einem Innenwiderstand von 50 Ω an eine Last mit einem differentiellen Innenwiderstand von ca. 0,1 Ω anzugeben. Das ist wegen des Übertragungsfaktors von 50/0,1 = 500 und den Spitzenströmen von bis zu 10 A, sowie der niedrigen Ausgangsimpedanz nicht ohne weiteres lösbar.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Erfindungsgemäß kommt eine auf einem Träger angeordnete Streifenleitung zur Anwendung. Dabei werden mehrlagige Leiterplatten oder Keramikträger mit hoher Permittivität ε
rel eingesetzt. Ihre elektrische Länge beträgt mindestens ein Viertel der niedrigsten Modulationsfrequenz. Der Verlauf der Impedanz wird durch eine exponentielle Verbreiterung der Leiterbahn, mit Abstandsänderungen zur Massefläche, einem V-förmigen Ausschnitt der Massefläche oder seitlichen Masseelektroden an der Streifenleitung erreicht. Durch einen aus der
DE 42 26 155 A1 bekannten Interdigitalkondensator kann die Wellenausbreitung verlangsamt und somit die Baulänge reduziert werden. Zur weiteren Raumeinsparung ist die Streifenleitung spiralförmig oder mäanderförmig ausgeführt.
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Erfindungsgemäß ist das VCSEL Array auch thermisch mit der Streifenleitung und ihrem Träger gekoppelt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung zur gleichmäßigen Wärmeableitung ist das VCSEL-Array in der Mitte einer spiralförmig verlaufenden Streifenleitung angeordnet und mit ihr verlötet.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutet.
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1 zeigt ein Schaltbild des erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitmessgerätes.
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2 zeigt die Ansteuerung des optischen Senders 6 etwas detaillierter.
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Die 1 zeigt die wesentlichen Baugruppen des erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitmessgerätes. Der PMD-Empfänger 1 ist mit seinen Akkumulationsgates an die Auswerteeinheit 2 und mit seinen Modulationsphotogates an den Generator 3 angeschlossen. Da die Auswertung in bekannter Weise erfolgt, wird hier nur die Modulation des optischen Senders 6 näher betrachtet.
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Zur eindeutigen Abstandsmessung in einem optischen Näherungsschalter sind in der Regel drei unterschiedlichen Frequenzen erforderlich. Das können beispielsweise 60, 80 und 100 MHz sein.
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Das Sendesignal wird zunächst von einem steuerbaren Generator 3 erzeugt. Da die bekannten steuerbaren Generatoren 3 meist nicht für den benötigten Sendestrom von bis zu 10 A ausgelegt sind, wird ihr Signal von einer Treiber 4 verstärkt. Dieser kann mit Bustreibern des Typs OPA2673 bestückt sein und vorteilhaft einen symmetrischen Gegentaktausgang aufweisen. Der Impedanzwandler ist dann auch symmetrisch auszuführen, oder es ist ein Symmetrierglied (Balun) erforderlich. Der Treiber 4 kann auch integraler Bestandteil des steuerbaren Generators 3 sein. Vom Treiberausgang gelangt das Sendesignal über einen Koppelkondensator zum Impedanzwandler 5. Der Impedanzwandler 5 besteht aus einem Träger 8 mit einer Streifenleitung 7. Die Permittivität εrel eines keramischen Trägers 8 kann zwischen 40 und 80 liegen. An Stelle des keramischen Trägers 8 kann auch eine Leiterplatte (PCB) mit einer typischen Permittivität εrel von 4,3 eingesetzt werden.
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Die Streifenleitung 7 ist als Lambda/4-Leitung für die niedrigste Arbeitsfrequenz ausgelegt. Ihre vorzugsweise exponentielle Verbreiterung in Richtung zur Sender 6 bewirkt die Anpassung an dessen niedrige Eingangsimpedanz.
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Zur Anpassung sehr unterschiedlicher Impedanzen kann neben der Verbreiterung der Streifenleitung 7 auch der Verlauf der Plattendicke des Trägers 8 und darüber hinaus der Verlauf seiner Permittivität εrel verändert werden.
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Weiterhin kann der o. g. Interdigitalkondensator zur Anwendung kommen. Der Träger 8 kann beispielsweise auch eine LTCC-Mehrlagenkeramik sein.
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Das von der Sender 6 ausgesendete Licht wird vom Objekt 9 reflektiert und gelangt schließlich mit einer Phasenverschiebung φ auf den PMD-Empfänger 1. Anhand der Phasenverschiebung φ kann Abstand des Objektes 9 in bekannter Weise von der Auswerteeinheit 2 ermittelt werden. Näheres dazu ist in den o. g. Patentschriften ausgeführt.
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Die Auswerteeinheit 2 dient außerdem zur Steuerung des Generators 3 und des PMD-Empfängers 1.
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Die 2 zeigt die Ansteuerung des optischen Senders 6 etwas detaillierter. Die Ausgangsimpedanz des Generators 3 bzw. des hier nicht dargestellten Treibers 4 beträgt 50 Ω. Er ist mit dem Eingang des Impedanzwandlers 5 verbunden. Der Impedanzwandler 5 ist auf einem keramischen Träger 8 angeordnet. Die Permittivität εrel der Keramik liegt im Bereich zwischen 50 und 80. Um Platz zusparen ist die Streifenleitung 7 als Mäander ausgeführt. Der Übertragungsfaktor von 500 wird mit den oben genannten Maßnahmen erreicht.
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Der Impedanzwandler 5 ist ausgangsseitig an den vereinfacht als VCSEL-Diode dargestellten Sender 6 angepasst. Unter dem Sender 6 wird eigentlich ein Feld aus parallel geschalteten VCSEL-Dioden verstanden.
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Weiterhin ist eine durch eine Drossel entkoppelte Gleichstromquelle zur Erzeugung des für die verzerrungsfreie Modulation erforderlichen Ruhestromes Idc dargestellt. Der Ruhestrom wird von einem Schaltregler oder einem Schaltnetzteil erzeugt. Das Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf des Sendestromes Iac und somit auch das amplitudenmodulierte Lichtsignal.
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Das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitmessgerät weist typischerweise 3 verschiedene Sendefrequenzen mit mindestens 20% Frequenzabstand auf, wobei die elektrische Länge der Streifenleitung mindestens ein Viertel der Wellenlänge der niedrigsten Sendefrequenz beträgt.
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Die Impedanz der Streifenleitung 7 auf der Strecke von der Treiber 4 zum optischen Sender 6 sinkt allmählich mit einer geeigneten Geometrieänderung, wobei ein exponentieller Verlauf der Außenkontur bevorzugt ist.
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Diese Geometrieänderung wird mit einer Konturänderung der Leiterbahn, mit einer Abstandsänderung zu Masseflächen, mit einem V-förmigen Ausschnitt und/oder seitlichen Masseelektroden an der Streifenleitung erreicht.
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Um den Platzbedarf zu reduzieren, kann ein aus der
DE 42 26 155 A1 bekannter Interdigitalkondensator mit zunehmender Zinkenlänge auf der Streifenleitung eingesetzt werden, um neben der allmählichen Anpassung der Impedanz die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen zu reduzieren und damit die Baulänge des Impedanzwandlers
5 zu verkürzen.
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Der Impedanzwandler 5 kann sowohl unsymmetrisch als auch symmetrisch in einer platzsparenden Mäanderform oder als Spirale mit dem Sender 6 (VCSEL) in der Mitte als mehrlagige Leiterplatte oder auf einem Keramikträger ausgeführt sein.
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Der Sender 6 wird vorteilhaft auf den Impedanzwandler 5 gelötet. So wird neben der Kontaktierung auch noch eine effiziente Kühlung des Senders 6 erreicht.
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Der Treiber 4 (PA) weist bevorzugt Leitungstreiber (line driver) mit differentiellem Eingang und Ausgang auf. Die Streifenleitung ist in diesem Fall auch symmetrisch, oder das Signal wird mit einem Symmetrierglied (Balun) umgewandelt.
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Zur Arbeitspunkteinstellung wird der Sender 6 vorteilhaft über eine HF-Drossel mit Ruhestrom versorgt. Der Ruhestrom wird von einer Konstantstromquelle erzeugt, die von einem Schaltregler gespeist wird. So kann der Impedanzwandler 5 wie in 2 gezeigt, nur mit Wechselstrom und dadurch entsprechend abgesenkter Spitzenspannung angesteuert werden.
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Das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitmessgerät besitzt einen Photomischdetektor 1, eine Auswerteeinheit 2, einen Hochfrequenzgenerator 3, einen Treiber 4, einen Impedanzwandler 5 und einen optischen Sender 6. Der Impedanzwandler 5 weist eine Streifenleitung 7 zur breitbandigen Impedanzanpassung zwischen dem Treiber 4 und dem optischen Sender 6 auf.
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Die Streifenleitung 7 ist in Richtung zum optischen Sender 2 verbreitert. Ihre Breite nimmt exponentiell zu.
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Die Streifenleitung 7 ist vorteilhaft mäanderförmig ausgeführt oder eine ebene Spirale mit dem Sender 2 in der Mitte sein. Sie kann aber auch eine um einen vorzugsweise keramischen Träger 8 gewundene dreidimensionale Spirale sein. Der Sender 2 ist vorteilhaft auf der Oberseite des Trägers 8 angeordnet und mit dieser verlötet. So ist der Sender 2 auch thermisch mit dem Impedanzwandler 5 gekoppelt, so dass der Träger 8 zusätzlich als Kühlkörper wirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Photomischdetektor (PMD-Empfänger)
- 2
- Auswerteeinheit (Mikrocontroller)
- 3
- Hochfrequenzgenerator (Oszillator)
- 4
- Treiber (Treiberschaltung, Leitungstreiber)
- 5
- Impedanzwandler
- 6
- Optischer Sender (Laserdiode, VCSEL)
- 7
- Streifenleitung
- 8
- Träger, Leitungsträger, (PCB oder Keramik)
- 9
- Objekt
- Balun
- balanced – unbalanced (Symmetrierglied)
- HF
- Hochfrequenz
- Iac
- Wechselstromanteil des Sendestromes
- Idc
- Gleichstromanteil des Sendestromes
- PA
- Sendeendstufe (Power Amplifier)
- PMD
- Photomischdetektor
- φ
- Phasenverschiebung
- εrel
- Permittivität (Dielektrizitätskonstante)
