DE102016006776A1 - Device and method for unambiguous distance measurement with modulated LIDAR - Google Patents

Device and method for unambiguous distance measurement with modulated LIDAR Download PDF

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Abstract

Lichtlaufzeit-Scanner für die Erfassung der Geometrie einer Szene durch die Bestimmung der Lichtlaufzeit, mit einem Sendeelement (7), das einen modulierten Lichtstrahl aussendet, welcher in einer kontinuierlichen Scanbewegung bewegt, um wenigstens ein Objekt (4) in der Szene zu vermessen und einem Empfangselement (1), das vom Objekt (4) reflektiertes Licht empfängt und elektrische Signale abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangselement (1) eine laterale Ausdehnung besitzt und ein oder mehrere von der Position oder dem Winkel des einfallenden Lichts abhängige elektrische Signale abgibt und dabei so angeordnet ist, dass die Position oder der Winkel des empfangenen Lichts durch die Scanbewegung von der Laufzeit des Lichts und damit der Entfernung des oder der gerade gemessenen Objekte(s) (4) abhängig ist.A light transit time scanner for detecting the geometry of a scene by determining the light transit time, comprising a transmitting element (7) emitting a modulated light beam which moves in a continuous scanning motion to measure at least one object (4) in the scene and one Receiving element (1) which receives light reflected from the object (4) and emits electrical signals, characterized in that the receiving element (1) has a lateral extent and emits one or more dependent on the position or the angle of the incident light electrical signals and is arranged so that the position or the angle of the received light by the scanning movement of the duration of the light and thus the distance of the or just measured objects (s) (4) is dependent.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtlaufzeit-Scanner, der die Geometrie einer Szene durch die Bestimmung der Lichtlaufzeit erfasst.The invention relates to a light transit time scanner which detects the geometry of a scene by determining the light transit time.

Beschreibungdescription

Unter dem Begriff LIDAR sind optische Scanner bekannt, welche mittels Lichtlaufzeit Abstandsinformationen gewinnen. Insbesondere sind Impulsverfahren (z. B. DE 10 2009 057 104B4 oder DE 3429062C2 ) und modulierende Verfahren (z. B. EP 1 160 585 A2 ) bekannt. Beide Verfahren haben ihre spezifischen Vor- und Nachteile.Under the term LIDAR optical scanners are known which gain distance information by means of light propagation time. In particular, pulse methods (eg. DE 10 2009 057 104B4 or DE 3429062C2 ) and modulating methods (e.g. EP 1 160 585 A2 ) known. Both methods have their specific advantages and disadvantages.

Das Impulsverfahren hat folgende Vorteile: eindeutige Messung im gesamten Messbereich. Mit entsprechender Auswerteelektronik ist eine Mehrzielerfassung möglich. Die Nachteile bestehen in der sehr hohen zeitlichen Anforderung an die verwendeten Komponenten. Es müssen Zeiten im ns Bereich beherrscht werden und zwar sowohl auf der Sendeseite wie auf der Empfangsseite. Auch wenn es einige technische Optimierungen gibt, so bleibt die gesamte Elektronik doch stets der limitierende Faktor bei der Erzielung größerer Genauigkeit. Weiterhin müssen die einzelnen Impulse stets einen genügend großen zeitlichen Abstand voneinander aufweisen, um selbst bei maximaler Objektentfernung keine Mehrdeutigkeiten zu erhalten. Dies kann insbesondere beim Einsatz im Außenbereich problematisch sein, da ein gut reflektierendes Objekt oft noch in sehr großer Entfernung ein Signal zurück gibt.The pulse method has the following advantages: clear measurement over the entire measuring range. With appropriate evaluation multi-target detection is possible. The disadvantages are the very high time requirement for the components used. Times must be mastered in the ns range, both on the transmitting side and on the receiving side. Although there are some technical optimizations, all electronics are always the limiting factor in achieving greater accuracy. Furthermore, the individual pulses must always have a sufficiently large time interval from one another to obtain no ambiguity even at maximum object distance. This can be particularly problematic when used outdoors, since a well-reflective object often returns a signal at a very great distance.

Die modulierenden Verfahren haben folgende Vorteile: gute Genauigkeit sowie, dass die benötigte Bandbreite sowohl im Sendezweig wie auch im Empfangszweig ist im wesentlichen durch die verwendete Wellenlänge bestimmt wird (z. B. 30 MHz für eine Wellenlänge von 10 m bei einer Sinusmodulation). Außerdem ist die Trennschärfe gegenüber Fremdlichteinflüssen durch die Demodulation außerordentlich gut. Grundsätzlich ist ein kontinuierlicher Betrieb möglich, aber nicht nötig. Die Sendeleistung kann mit einfachen Verfahren dem Empfangsbereich angepasst werden. Die Nachteile sind die Mehrdeutigkeit bei Messfeldern, die größer als die Wellenlänge sind, sowie die nicht vorhandene Mehrzielfähigkeit.The modulating methods have the following advantages: good accuracy and that the required bandwidth both in the transmitting branch and in the receiving branch is essentially determined by the wavelength used (eg 30 MHz for a wavelength of 10 m with a sine modulation). In addition, the selectivity to external light influences by the demodulation is extremely good. Basically, a continuous operation is possible, but not necessary. The transmission power can be adapted to the reception range with simple methods. The disadvantages are the ambiguity in the fields of measurement, which are greater than the wavelength, as well as the lack of multi-target capability.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Einschränkung der Mehrdeutigkeit sowie die nicht mögliche Mehrzielfähigkeit des modulierenden Verfahren zu beheben.The indicated in claim 1 invention is based on the problem of eliminating the restriction of ambiguity and the non-possible multi-target capability of the modulating process.

Die erfindungsgemäße Lösung ist im Patentanspruch 1 aufgeführt.The solution according to the invention is listed in claim 1.

Es wird eine Vorrichtung und das zugehörige Verfahren für die Bestimmung von mehreren Abstandwerten mit Hilfe der Lichtlaufzeit beschrieben. Dabei wird der modulierte Lichtstrahl in einer kontinuierlichen Scanbewegung über die Szene geführt. Die Entfernungsbestimmung erfolgt gleichzeitig mit zwei unterschiedlichen Methoden. Einerseits durch eine bekannte Modulation der Intensität. Hieraus kann mit einem Phasenalgorithmus die Entfernung bestimmt werden, allerdings nicht absolut eindeutig, sondern nur eindeutig innerhalb einer Wellenlänge der verwendeten Modulationsfrequenz. Als zweites Bestimmungsverfahren wird die Tatsache ausgenutzt, dass der Empfangswinkel des reflektierten Lichts durch die Scanbewegung (z. B. mit Hilfe eines Schwingspiegels) abhängig von der Laufzeit vergrößert wird. Durch ein geeignetes Empfangselement kann aus der lateralen Abweichung daher ebenfalls eine, wenn auch ungenauere, Entfernungsmessung erfolgen. Solange die Genauigkeit ausreicht um die Mehrdeutigkeit der ersten Abstandsmessung aufzulösen, kann das Verfahren in einfacher Weise die jeweiligen Nachteile (Mehrdeutigkeit bzw. Ungenauigkeit) überwinden und so ein genaues und gleichzeitig absolutes Messverfahren darstellen. Weiterhin werden einige technische Realisierungsmöglichkeiten beschrieben.A device and the associated method for the determination of multiple distance values with the aid of the light transit time is described. The modulated light beam is guided over the scene in a continuous scan movement. The distance determination is carried out simultaneously with two different methods. On the one hand by a known modulation of intensity. From this, the distance can be determined with a phase algorithm, but not absolutely unambiguously, but only clearly within a wavelength of the modulation frequency used. The second determination method utilizes the fact that the reception angle of the reflected light is increased by the scanning movement (eg with the aid of an oscillating mirror) as a function of the transit time. By means of a suitable receiving element, it is therefore also possible to carry out a distance measurement, albeit less accurate, from the lateral deviation. As long as the accuracy is sufficient to resolve the ambiguity of the first distance measurement, the method can easily overcome the respective disadvantages (ambiguity or inaccuracy) and thus represent an accurate and at the same time absolute measurement method. Furthermore, some technical implementation options are described.

Die Zeichung zeigt inThe drawing shows in

1A bis 1C das Aussenden eines Lichtstrahls und Empfangen des reflektierten Lichts, 1A to 1C emitting a light beam and receiving the reflected light,

2 ein Empfangselement, und 2 a receiving element, and

3 ein Array von Einzelemfangselementen. 3 an array of single-capture elements.

Die erfindungsgemäße Anordnung entspricht zunächst der eines bekannten scannenden LIDAR mit moduliertem Licht. Diese besteht im wesentlichen aus einem Sendeelement 7 und einem Empfangselement 1. Bei dem Sendeelement kann es sich um eine kohärente (Laser) oder um eine inkohärente (z. B. LED) Lichtquelle handeln. Die erfindungsgemäße Idee besteht darin, dass das Empfangselement 1 eine laterale Ausdehnung besitzt und ein oder mehrere von der Position oder dem Winkel des einfallenden Lichts abhängige elektrische Signale abgibt und dabei so angeordnet ist, dass die Position oder der Winkel des empfangenen Lichts durch die Scanbewegung von der Laufzeit des Lichts und damit der Entfernung des oder der gerade gemessenen Objekte(s) 4 abhängig ist. Die Funktionsweise ist in 1 schematisch abgebildet. Zum Zeitpunkt t1 ist die Ablenkung, hier dargestellt durch einen als Schwingspiegel ausgebildeten Spiegel 3, an der Winkelposition φ1. Der beobachtete Lichtpunkt sei zu dieser Zeit gerade am Spiegel 3 und wird in Richtung des Mess-Objektes 4 abgelenkt. Zum Zeitpunkt t2 an dem der Lichtpunkt am Objekt (4) eintrifft ist der Spiegel bereits weiter ausgelenkt in der Winkelposition φ2. Zum Zeitpunkt t3 trifft der reflektierte Lichtpunkt wieder auf den Spiegel 3 zurück. Dieser befindet sich nun in der Winkelposition φ3. Im weiteren Verlauf wird der Punkt auf dem Empfangselement 1 detektiert und zwar um die Position dx im Vergleich zum unbewegten Spiegel verschoben. Die Abweichung dx kann direkt gemessen werden und liefert eine zweite Möglichkeit zur Tiefenbestimmung des Objektes 4.The arrangement according to the invention initially corresponds to that of a known scanning LIDAR with modulated light. This consists essentially of a transmitting element 7 and a receiving element 1 , The transmitting element can be a coherent (laser) or an incoherent (eg LED) light source. The inventive idea is that the receiving element 1 has a lateral extent and one or more depending on the position or the angle of the incident light emitting electrical signals and is arranged so that the position or the angle of the received light by the scanning movement of the duration of the light and thus the removal of the or the object being measured (s) 4 is dependent. The functionality is in 1 shown schematically. At time t 1 , the deflection, represented here by a designed as a vibrating mirror 3 , at the angular position φ 1 . The observed point of light is currently at the mirror 3 and becomes in the direction of the measuring object 4 distracted. At the time t 2 at the Point of light on the object ( 4 ) arrives the mirror is already further deflected in the angular position φ 2 . At time t 3 , the reflected light spot hits the mirror again 3 back. This is now in the angular position φ 3 . In the further course the point on the receiving element becomes 1 detected by the position dx compared to the stationary mirror moved. The deviation dx can be measured directly and provides a second possibility for determining the depth of the object 4 ,

Der in Patentanspruch 2 beschriebene Vorteil bestehen nun darin, dass mit nur einem Sendeelement und nur einer Empfangsanordnung zwei unterschiedliche Methoden zur Tiefenmessung gleichzeitig durchgeführt werden können. Der Nachteil der Mehrdeutigkeit des modulierten Verfahrens kann somit, ohne die Vorteile zu mindern, behoben werden. Auch wenn die erzielte Genauigkeit der Tiefenmessung durch die Ablenkung dx in der Regel deutlich geringer sein wird als die Phasenmessgenauigkeit, muss sie aber nur ausreichend gut sein um die Mehrdeutigkeit der reinen Phasenmessung zu beheben. Konkret kann dies wie folgt durchgeführt werden: die verhältnismäßig ungenaue Tiefenmessung durch Messung von dx wird in Vielfachen der Wellenlängen der Modulation ausgedrückt. Nun wird auf die nächste ganze Zahl n gerundet. Das Messergebnis ist nun die Summe aus Tiefenmessung der Phasendifferenz plus n mal der Wellenlänge. Die Messung selbst hat damit die Genauigkeit der reinen Phasenmessung bei gleichzeitiger absoluter Entfernungsbestimmung.The advantage described in claim 2 is now that two different methods for depth measurement can be performed simultaneously with only one transmitting element and only one receiving device. The disadvantage of the ambiguity of the modulated method can thus be eliminated without reducing the advantages. Although the achieved accuracy of the depth measurement by the deflection dx will generally be significantly lower than the phase measurement accuracy, it must only be sufficiently good to eliminate the ambiguity of the pure phase measurement. Specifically, this can be done as follows: the relatively inaccurate depth measurement by measuring dx is expressed in multiples of the wavelengths of the modulation. Now round to the nearest integer n. The measurement result is now the sum of depth measurement of the phase difference plus n times the wavelength. The measurement itself thus has the accuracy of the pure phase measurement with simultaneous absolute distance determination.

Einige mögliche Ausgestaltungen des Scan Vorgangs sind in Patentanspruch 3 angegeben. Um die Scanbewegung durchzuführen kann grundsätzlich entweder der gesamte Scankopf bewegt werden oder der Lichtstrahl wird mittels eines bewegten Spiegels umgelenkt. Dabei kann die Bewegung jeweils kontinuierlich drehend oder schwingend sein. Als mögliche Ausführungen des bewegten Spielgels kommen zum Beispiel Schwingspiegel, rotierende schräg gestellte Spiegel, Polygonräder oder mikromechanische Spiegel oder Spiegelarrays in Frage.Some possible embodiments of the scanning process are specified in claim 3. In order to carry out the scanning movement, either the entire scan head can basically be moved or the light beam is deflected by means of a moving mirror. The movement can be continuously rotating or oscillating. Oscillating mirrors, rotating oblique mirrors, polygon wheels or micromechanical mirrors or mirror arrays come into question as possible embodiments of the moving game gel.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 4 angegeben. Da die Ablenkung dx in der Regel sehr klein (Größenordnung μm) ist kann die dadurch erzielte Messgenauigkeit durch eine angepasste vergrößernde Optik 2 gesteigert werden. Diese kann zum Beispiel als Linse, Linsensystem oder Spiegelelement wie Zylinderspiegel oder als diffraktives optisches Element ausgeführt sein. Bei einer kohärent optischen Beleuchtung kann auch ein Interferenz Element verwendet werden.An advantageous embodiment of the invention is specified in claim 4. Since the deflection dx is usually very small (order of magnitude μm), the measurement accuracy achieved thereby can be achieved by an adapted magnifying optics 2 be increased. This can be embodied for example as a lens, lens system or mirror element such as cylindrical mirror or as a diffractive optical element. With coherent optical illumination, an interference element can also be used.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 5 angegeben. Da die Messanordnung gleichzeitig zwei getrennte Abstandsmessungen ermöglicht, kann die Abstandmessung zeitweise oder permanent auch mit nur einer der beiden Möglichkeiten, mit den jeweiligen Nachteilen, durchgeführt werden. Die Entscheidung kann für jeden Messpunkt individuell getroffen werden. Zum Beispiel kann, wenn der Detektor übersteuert ist und daher keine gute Demodulation der Phasenlage möglich ist, auf die Abstandmessung mittels dx zurückgegriffen werden, um einen wenn auch ungenaueren Abstandswert zu ermitteln. Für die weitere Auswertung kann die geschätzte Messgenauigkeit den Messwerten beigefügt werden.An advantageous embodiment of the invention is specified in claim 5. Since the measuring arrangement simultaneously allows two separate distance measurements, the distance measurement can be carried out temporarily or permanently with only one of the two possibilities, with the respective disadvantages. The decision can be made individually for each measuring point. For example, if the detector is overdriven and therefore no good demodulation of the phase position is possible, the distance measurement can be accessed by means of dx to determine an albeit more inaccurate distance value. For further evaluation, the estimated measuring accuracy can be added to the measured values.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 6 angegeben. Um bei vorgegebener durchschnittlicher Lichtleistung, beispielsweise bedingt durch technische Beschränkungen oder durch regulatorische (Augensicherheit) Auflagen, einen möglichst hohen Kontrast zu erzeugen kann die Abgabe der modulierten Lichtsignale mit dem Sendeelement 7 nur zeitweise mit entsprechend höherer Leistung erfolgen. Dadurch wird der Fremdlichtabstand vergrößert und gleichzeitig eine weniger laterale ausgedehnte Messwertausdehnung erzeugt. Dies kann insbesondere bei kleinen Objekten oder bei Objekten, die stark tangential beobachtet werden, zu einer Verbesserung der Einzelmessung führen, da die innerhalb des Messpunktes integrierten Abstandsänderungen geringer sind. Dies kann soweit geführt werden, dass ein stark pulsförmiges Sendesignal verwendet wird.An advantageous embodiment of the invention is specified in claim 6. In order to produce the highest possible contrast for a given average light output, for example due to technical limitations or regulatory (eye safety) conditions, the output of the modulated light signals with the transmitting element 7 only temporarily with correspondingly higher performance. This increases the external light distance and at the same time produces a less lateral extended measured value expansion. This can lead to an improvement of the individual measurement, in particular for small objects or for objects which are observed to be highly tangential, since the changes in distance integrated within the measuring point are smaller. This can be done so far that a strong pulse-shaped transmission signal is used.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Empfangselements 1 ist im Patentanspruch 7 angegeben. Wie in 2 skizziert kann das Empfangselement (1) als analoges „Position sensitive device” (PSD) wie zum Beispiel eine Lateraldiode ausgeführt sein. Hierbei ist ein optisches Element beschrieben welches, im eindimensionalen Fall, zwei Ausgangssignale liefert. Die Amplitude der Signale geben die Position des empfangenen Lichts in Relation zur jeweiligen Seite des Element an. Die Summe der beiden Signale ist unabhängig von der Position und kann vorteilhaft für die Bestimmung der Phasenlage mittels eines Phasendetektors 5 verwendet werden. Der hier beschriebene Phasendetektor bestimmt mit Hilfe einer durch die Modulation vorgegebenen Referenzphase, beispielsweise durch eine Demodulation, die Phasendifferenz sowie die Intensität I des empfangenen Signals. Entsprechend kann aus der Differenz der beiden Signale mit einem Demodulator 6 der Ort dx des empfangenen Lichts ermittelt werden.An advantageous embodiment of the receiving element 1 is specified in claim 7. As in 2 sketched the receiving element ( 1 ) as an analog "position sensitive device" (PSD), such as a lateral diode. Here, an optical element is described which, in the one-dimensional case, provides two output signals. The amplitude of the signals indicates the position of the received light in relation to the respective side of the element. The sum of the two signals is independent of the position and can be advantageous for the determination of the phase position by means of a phase detector 5 be used. The phase detector described here determines the phase difference and the intensity I of the received signal with the aid of a reference phase predetermined by the modulation, for example by demodulation. Accordingly, from the difference of the two signals with a demodulator 6 the location dx of the received light can be determined.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Empfangselements 1 ist im Patentanspruch 8 angegeben. Wie in 3 skizziert kann das Empfangselement 1 als Array von Einzelempfangselementen aufgebaut sein. Dabei kann die Demodulation der Phasen und Amplitudenmodulation zum Beispiel mit einem Photomischdetektor (PMD, DE19704496C2 ) Element erfolgen oder durch separate Phasendetektoren 5. Es kann auch ein herkömmliches ein- oder zweidimensionales PMD Array verwendet werden. Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist die prinzipiell mögliche Mehrzielfähigkeit bei getrennter Auswertung von einzelnen lichtempfindlichen Elementen. Da die Lichtlaufzeit durch die Scanbewegung zu einer räumlichen Trennung der in unterschiedlichem Abstand reflektierten Signale führt kann in jedem lichtempfindlichen Element ein Messwert einschließlich der Modulationsamplitude (korreliert mit der Genauigkeit bzw. Wahrscheinlichkeit eines Ziel-Objektes) berechnet werden. Damit ist das System mehrzielfähig.An advantageous embodiment of the receiving element 1 is specified in claim 8. As in 3 outlines the receiving element 1 be constructed as an array of individual receiving elements. In this case, the demodulation of the phases and amplitude modulation, for example, with a photonic mixer detector (PMD, DE19704496C2 ) Element done or by separate phase detectors 5 , A conventional one- or two-dimensional PMD array can also be used. An essential advantage of this arrangement is the possible multi-target capability in the case of separate evaluation of individual photosensitive elements. Since the light transit time due to the scanning movement leads to a spatial separation of the signals reflected at different distances, a measured value including the modulation amplitude (correlated with the accuracy or probability of a target object) can be calculated in each photosensitive element. This makes the system multi-target capable.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung um mechanische oder elektronische Ungenauigkeiten zum Beispiel Montageungenauigkeiten oder Temperaturdrifts ausgleichen zu können, ist im Patentanspruch 9 angegeben. Um Ungenauigkeiten unabhängig welcher Art automatisch kompensieren zu können, können im Scanner bekannte Referenz Flächen (Kalibrierziele) angebracht werden. Während des regulären Scanvorgangs werden diese Kalibrierziele mitgemessen und können für eine rechnerische Kompensation der eigentlichen Messwerte verwendet werden. Je nach gewählter Verteilung der Kalibrierziele kann dies für ein rechnerisches Ausgleichsmodell oder aber individuell für jede Messwertposition geschehen. Das oder die Kalibrierziele können lateral verteil sein, zum Beispiel vor dem ersten und nach dem letzten Messwert. Sie können aber auch über einen größeren oder den gesamten Winkelbereich als einzelne Kalibierziele verteil sein, zum Beispiel jeweils zwischen zwei vorgesehenen Messwerten. Der Ausgangsbereich des Scanners wäre dann durch die Kalibrierziele wie durch ein Sieb bedeckt. Falls die Lichtleistung zum Beispiel aufgrund der Augensicherheit gezielt gedrosselt wurde, kann sie in diesem Fall wieder soweit angehoben werden, dass die mittlere Strahlleistung im Außenbereich wieder den Sicherheitsanforderungen genügt. Weiterhin kann alternativ oder zusätzlich eine räumlich ausgedehnte, vorteilhafterweise den ganzen Winkelbereich umfassende, teilweise reflektierende Grenzfläche im Scanner als Referenz verwendet werden. Der Reflexionsgrad sollte so gewählt werden, dass die zu messenden Objekte ein deutlich stärkeres Signal liefern und somit die Referenzmessung nur in Bereichen ohne zu messendes Objekt zum tragen kommt. Bei einem mehrzielfähigen Scanner kann auch der erste Entfernungsbereich ganz durch die Referenzmessung belegt werden. Auch im Fall eines ausgedehnten Referenzziels kann die Lichtleistung ggf. soweit erhöht werden wie es die Applikation erlaubt.An advantageous embodiment in order to compensate for mechanical or electronic inaccuracies, for example assembly inaccuracies or temperature drifts, is specified in claim 9. In order to be able to automatically compensate inaccuracies of whatever kind, known reference surfaces (calibration targets) can be applied in the scanner. During the regular scanning process, these calibration targets are also measured and can be used for a computational compensation of the actual measured values. Depending on the selected distribution of the calibration targets, this can be done for a mathematical compensation model or individually for each measured value position. The calibration target (s) may be laterally distributed, for example before the first and after the last measured value. However, they can also be distributed over a larger or the entire angular range as individual calibration targets, for example, in each case between two provided measured values. The exit area of the scanner would then be covered by the calibration targets, such as through a sieve. If, for example, the light output has been throttled in a targeted manner due to the eye safety, then in this case it can be raised again so far that the mean beam power in the outer area again meets the safety requirements. Furthermore, alternatively or additionally, a spatially extended, advantageously the entire angular range comprehensive, partially reflecting interface in the scanner can be used as a reference. The reflectance should be chosen so that the objects to be measured provide a much stronger signal and thus the reference measurement only comes into effect in areas without an object to be measured. In the case of a multi-target scanner, the first distance range can also be completely occupied by the reference measurement. Even in the case of an extended reference target, the light output can possibly be increased as far as the application allows.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Patentanspruch 10 angegeben. Da die Messung auf der Bestimmung der Lichtlaufzeit beruht, ist diese für ein oder mehrere gemessene Objekt(e) 4 bekannt. Bei einem kontinuierlichen oder zumindest kurzzeitig kontinuierlichem Messbetrieb kann durch die gemessene Lichtlaufzeit der Zeitpunkt t1, an welchem der gemessene Lichtstrahl den Scanner verlassen hat, zurückgerechnet werden. Mit dieser Kenntnis kann auch der ursprüngliche Winkel φ1, unter welchem der Lichtstrahl den Scanner verlassen hat, ermittelt werden. Dieser Winkel kann zur Verbesserung der Genauigkeit anstelle des Winkels des empfangenen Lichts verwendet werden. Dadurch wird der Winkelfehler durch die Lichtlaufzeit kompensiert.An advantageous embodiment of the invention is specified in claim 10. Since the measurement is based on the determination of the light transit time, this is for one or more measured object (s) 4 known. In a continuous or at least short-term continuous operation of the measurement time t may be 1, having at which the measured light beam leaving the scanner, are calculated back by the measured time of flight. With this knowledge, the original angle φ 1 at which the light beam has left the scanner can also be determined. This angle can be used to improve the accuracy in place of the angle of the received light. As a result, the angle error is compensated by the light transit time.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Empfangselementreceiving element
22
Optikoptics
33
Spiegelmirror
44
Objektobject
55
Phasendetektorphase detector
66
Demodulatordemodulator
77
Sendeelementtransmitting element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102009057104 B4 [0002] DE 102009057104 B4 [0002]
  • DE 3429062 C2 [0002] DE 3429062 C2 [0002]
  • EP 1160585 A2 [0002] EP 1160585 A2 [0002]
  • DE 19704496 C2 [0019] DE 19704496 C2 [0019]

Claims (10)

Lichtlaufzeit-Scanner für die Erfassung der Geometrie einer Szene durch die Bestimmung der Lichtlaufzeit, mit einem Sendeelement (7), das einen modulierten Lichtstrahl aussendet, welcher in einer kontinuierlichen Scanbewegung bewegt, um wenigstens ein Objekt (4) in der Szene zu vermessen und einem Empfangselement (1), das vom Objekt (4) reflektiertes Licht empfängt und elektrische Signale abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangselement (1) eine laterale Ausdehnung besitzt und ein oder mehrere von der Position oder dem Winkel des einfallenden Lichts abhängige elektrische Signale abgibt und dabei so angeordnet ist, dass die Position oder der Winkel des empfangenen Lichts durch die Scanbewegung von der Laufzeit des Lichts und damit der Entfernung des oder der gerade gemessenen Objekte(s) (4) abhängig ist.Light transit time scanner for detecting the geometry of a scene by determining the light transit time, with a transmitting element ( 7 ) which emits a modulated light beam which moves in a continuous scanning motion to at least one object ( 4 ) in the scene and a receiving element ( 1 ), that of the object ( 4 ) receives reflected light and emits electrical signals, characterized in that the receiving element ( 1 ) has a lateral extent and emits one or more electrical signals dependent on the position or the angle of the incident light and is arranged so that the position or the angle of the received light by the scanning movement of the duration of the light and thus the removal of the light or the object (s) being measured ( 4 ) is dependent. Lichtlaufzeit-Scanner nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertung der Objektentfernung durch die Bestimmung der Phasendifferenz zwischen ausgesendetem und empfangenen Licht erfolgt, wobei die Mehrdeutigkeit der Phasenmessung durch die gleichzeitige Bestimmung der Position oder des Winkels der empfangenen Strahlung auf dem Empfangselement (1) aufgelöst wird.The light transit time scanner according to claim 1, characterized in that the evaluation of the object distance is effected by the determination of the phase difference between emitted and received light, the ambiguity of the phase measurement being determined by the simultaneous determination of the position or the angle of the received radiation on the receiving element ( 1 ) is resolved. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Scanbewegung durch einen beweglichen Spiegel (3), welcher beispielsweise als Schwingspiegel, als rotierender schräg gestellter Spiegel, als Polygonrad oder als mikromechanischer Spiegel oder Spiegel Array ausgeführt sein kann, bei feststehenden Sendeelement (7) und feststehendem Empfänger (1) realisiert wird oder dass die Scanbewegung durch einen als Ganzes drehenden oder schwingenden Sensorkopf realisiert wird.Light transit time scanner according to one of the preceding claims, characterized in that the scanning movement by a movable mirror ( 3 ), which can be embodied, for example, as a vibrating mirror, as a rotating inclined mirror, as a polygonal wheel or as a micromechanical mirror or mirror array, with a fixed transmitting element (FIG. 7 ) and fixed receiver ( 1 ) or that the scanning movement is realized by a sensor head rotating or oscillating as a whole. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildung des empfangenen Lichts auf das Empfangselement (1) durch eine Optik (2) vergrößert wird.Light transit time scanner according to one of the preceding claims, characterized in that the image of the received light on the receiving element ( 1 ) by an optic ( 2 ) is increased. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektentfernung zeitweise, z. B. bei übersteuertem Empfänger, oder permanent mit unter Umständen reduzierter Genauigkeit ausschließlich durch die Positions- oder Winkelbestimmung des Empfängers (1) durchgeführt wird; alternativ kann die Entfernungsmessung zeitweise oder permanent, z. B. bei bekannt kleinen Objektabständen ausschließlich durch die Phasenmessung durchgeführt werden, wobei hierzu eine geeignete Wellenlänge der Modulation gewählt wird.Light transit time scanner according to one of the preceding claims, characterized in that the object distance temporarily, for. B. with overdriven receiver, or permanently with possibly reduced accuracy exclusively by the position or angle determination of the receiver ( 1 ) is carried out; Alternatively, the distance measurement temporarily or permanently, z. B. are performed at known small object distances exclusively by the phase measurement, for which purpose a suitable wavelength of the modulation is selected. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sendeelement (7) die modulierten Lichtsignale nicht kontinuierlich sondern nur zeitweise abgibt, wobei hier vorteilhafterweise bei gleicher durchschnittlicher Sendeleistung die Leistung in der aktiven Zeit entsprechend vergrößert werden kann.Light transit time scanner according to one of the preceding claims, characterized in that the transmitting element ( 7 ), the modulated light signals not continuously but only temporarily surrenders, in which case advantageously at the same average transmission power, the power in the active time can be increased accordingly. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangselement (1) ein kontinuierliches positionsabhängiges Signal liefert (PSD – Position Sensitive Detector) wie z. B. eine Lateraldiode.Light transit time scanner according to one of the preceding claims, characterized in that the receiving element ( 1 ) provides a continuous position dependent signal (PSD - Position Sensitive Detector) such. B. a lateral diode. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Empfangselement (1) aus mehreren Empfangsunterelementen besteht, mit deren Hilfe die Positionsbestimmung durchgeführt werden kann und/oder die einzelnen Empfangsunterelemente getrennt bezüglich ihrer Phasenlage ausgewertet werden, um so eine Mehrzielfähigkeit des Scanners zu erzielen.Light transit time scanner according to one of the preceding claims, characterized in that the receiving element ( 1 ) consists of several receiving sub-elements, with the aid of which the position determination can be performed and / or the individual receiving sub-elements are evaluated separately with respect to their phase position, so as to achieve a multi-targeting capability of the scanner. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation der Temperaturdrift oder sonstiger mechanischer oder elektrischer Abweichungen ein oder mehrere einzelne bekannte Referenz Flächen innerhalb des Scanners aufgebracht sind; alternativ kann die Referenz auch räumlich ausgedehnt durch ein teilweise reflektierendes Material erfolgen, welches entweder so schwach reflektiert, dass ein zu messendes Objekt ein viel stärkeres Signal liefert, oder welches bei Mehrzielfähigkeit des Scanners innerhalb des ersten Entfernungsbereichs liegt.Light transit time scanner according to one of the preceding claims, characterized in that one or more individual known reference areas are applied within the scanner to compensate for the temperature drift or other mechanical or electrical deviations; Alternatively, the reference can also be spatially extended by a partially reflective material, which either reflects so weakly that an object to be measured provides a much stronger signal, or which lies in the multi-target capability of the scanner within the first distance range. Lichtlaufzeit-Scanner nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der geometrischen Genauigkeit der Winkel φ mit Hilfe der gemessenen Entfernung korrigiert wird.The light transit time scanner according to one of the preceding claims, characterized in that, in order to improve the geometric accuracy, the angle φ is corrected by means of the measured distance.
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