DE10350489B4

DE10350489B4 - Optical sensor

Info

Publication number: DE10350489B4
Application number: DE10350489A
Authority: DE
Inventors: Tilo Wolf
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2003-10-29
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2023-10-30
Also published as: DE10350489A1

Abstract

Optischer Sensor zur Bestimmung von Distanzen von Objekten in einem Überwachungsbereich, mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, mit einem Empfänger zum Empfang der als Empfangslichtstrahlen von einem Objekt zurückreflektierten Sendelichtstrahlen und mit einer Modulationseinheit umfassend einen ersten Frequenzgenerator (9) zur Generierung einer Modulationsfrequenz (f₁), mit welcher die Sendelichtstrahlen (3) amplitudenmoduliert sind, einen zweiten Frequenzgenerator (10) zur Generierung eines Taktsignals mit einer Modulationsfrequenz (f₂), welche um eine Zwischenfrequenz (Δf) bezüglich der Modulationsfrequenz (f₁) verschoben ist, wobei durch Mischen des Taktsignals mit den im Empfänger (6) durch die auftreffenden Empfangslichtstrahlen (5) erzeugten Empfangssignalen ein die Phasenverschiebungen (φ) der Sendelichtstrahlen (3) und der Empfangslichtstrahlen (5) enthaltendes Messsignal (M) mit der Zwischenfrequenz (Δf) generiert wird, welches in einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der Objektdistanzen ausgewertet wird, gekennzeichnet durch eine elektrische Referenzstrecke zur Generierung eines Referenzphasenbezugs für die in der Auswerteeinheit registrierten Phasenverschiebungen (φ) umfassend einen Mischer (16), welchem ein im ersten Frequenzgenerator (9) erzeugtes Frequenzsignal mit...Optical sensor for determining distances of objects in a surveillance area, with a transmitting light beam emitting transmitter, with a receiver for receiving the transmitted light beams reflected as receiving light beams back from an object and with a modulation unit comprising a first frequency generator (9) for generating a modulation frequency (f ₁ ) , with which the transmitted light beams (3) are amplitude modulated, a second frequency generator (10) for generating a clock signal having a modulation frequency (f ₂ ) which is shifted by an intermediate frequency (Δf) with respect to the modulation frequency (f ₁ ), wherein by mixing the Clock signal with the receiving signals generated in the receiver (6) by the incident received light beams (5) a phase shifts (φ) of the transmitted light beams (3) and the received light beams (5) containing the measurement signal (M) with the intermediate frequency (.DELTA.f) is generated, which in an evaluation unit is evaluated for determining the object distances, characterized by an electrical reference path for generating a reference phase reference for the registered in the evaluation phase shifts (φ) comprising a mixer (16) which generates a frequency signal generated in the first frequency generator (9) with ...

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor.The The invention relates to an optical sensor.

Derartige optische Sensoren dienen zur Bestimmung von Distanzen von Objekten in einem Überwachungsbereich. Die Distanzbestimmung erfolgt dabei nach der Phasendifferenzmethode. Der optische Sensor weist hierzu einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger auf. Zur Durchführung der Phasenmessung wird den Sendelichtstrahlen eine Amplitudenmodulation mit einer vorgegebenen Frequenz aufgeprägt. Die von einem Objekt reflektierten Empfangslichtstrahlen weisen eine entsprechende Amplitudenmodulation auf, jedoch ist diese entsprechend der Lichtlaufzeit von dem optischen Sensor zum Objekt und zurück zum optischen Sensor phasenversetzt zur Amplitudenmodulation der Sendelichtstrahlen. In einer Auswerteeinheit wird die Phasendifferenz der Sendelichtstrahlen und der Empfangslichtstrahlen bestimmt. Aus dieser Phasendifferenz wird dann die Distanz des Objektes zum optischen Sensor berechnet.such Optical sensors are used to determine distances of objects in a surveillance area. The distance determination is carried out according to the phase difference method. The optical sensor has for this purpose a transmitting light beam emitting Transmitter and a receive light beams receiving receiver. To carry out the phase measurement becomes amplitude modulation to the transmitted light beams imprinted with a given frequency. The reflected from an object Receiving light beams have a corresponding amplitude modulation on, but this is according to the light transit time of the optical Sensor to the object and back to the optical sensor out of phase to the amplitude modulation of Transmitted light beams. In an evaluation unit, the phase difference the transmitted light beams and the received light beams. Out this phase difference then becomes the distance of the object to the optical Sensor calculated.

Aus der DE 198 11 550 C2 ist ein derartiger nach der Phasendifferenzmethode arbeitender optischer Sensor bekannt. Dieser optische Sensor weist eine aus digitalen Schaltungskomponenten bestehende Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Frequenzsignalen auf, die zur Durchführung der Phasenmessung benötigt werden.From the DE 198 11 550 C2 For example, such an optical sensor operating according to the phase difference method is known. This optical sensor has an existing digital circuit components circuit arrangement for generating frequency signals that are needed to perform the phase measurement.

Die mit dem Sender und Empfänger durchgeführten Distanzmessungen werden jeweils auf eine Referenzmessung bezogen, wobei hierzu die Sendelichtstrahlen über eine optische Referenzstrecke zum Empfänger geführt sind. Die optische Referenzstrecke weist einen optischen Umschalter auf, mittels dessen in einem vorgegebenen Takt die Sendelichtstrahlen zur Durchführung von Referenzmessungen dem Empfänger zugeführt werden.The with the transmitter and receiver conducted Distance measurements are each related to a reference measurement, for this purpose, the transmitted light beams over an optical reference path to the recipient guided are. The optical reference path has an optical switch on, by means of which in a predetermined clock the transmitted light beams to carry out of reference measurements to the receiver supplied become.

Nachteilig hierbei ist der hohe konstruktive Aufwand des optischen Sensors zur Durchführung der Distanzmessung. Insbesondere erfordert die fortlaufend für jede Distanzmessung durchzuführende optische Referenzmessung einen unerwünscht hohen Aufwand.adversely Here is the high design complexity of the optical sensor to carry out the Distance measurement. In particular, it requires continuously for each distance measurement to be performed optical Reference measurement undesirable high effort.

Aus der CH 333 562 ist ein Verfahren und eine Anordnung zur Entfernungsmessung bekannt. Zur Durchführung der Entfernungsmessung wird dem von einer Lichtquelle emittierten Licht eine Modulationsschwingung aufgeprägt. Die Modulationsschwingung des von einem Objekt reflektierten Lichts wird mit einer Vergleichsschwingung verglichen, woraus ein Maß für die Objektdistanz abgeleitet wird. Dabei werden die beiden zu vergleichenden Schwingungen durch Mischung mit einer Hilfsschwingung in ihrer Frequenz transponiert.From the CH 333 562 a method and an arrangement for distance measurement is known. To carry out the distance measurement, the modulation light is impressed on the light emitted by a light source. The modulation vibration of the light reflected from an object is compared with a comparison vibration, from which a measure of the object distance is derived. In this case, the two vibrations to be compared are transposed by mixing with an auxiliary vibration in their frequency.

Aus der DE 40 02 356 C1 ist ein nach einem Lichtlaufzeitverfahren arbeitendes Abstandsmessgerät bekannt. Das Abstandsmessgerät weist einen photoelektrischen Lichtsender und einen photoelektrischen Lichtempfänger auf die Licht abwechselnd über eine Messtrecke und eine Referenzstrecke zu einem einzigen Photoempfänger lenken. Durch Messung der Laufzeitdifferenzen über die Messstrecke einerseits und die Referenzstrecke andererseits wird der Abstand von einem Ziel ermittelt. Der Lichtsender enthält zwei elektronisch komplementär schaltbare Laserdioden, von denen die eine die Lichtwellenzüge auf die Messstrecke, die andere die Lichtwellenzüge auf die Referenzstrecke schickt. Beide Lichtwellenzüge werden vom gleichen Photoempfänger abwechselnd empfangen, der an eine Auswerteelektronik angeschlossen ist.From the DE 40 02 356 C1 a distance measuring device operating according to a light transit time method is known. The distance measuring device has a photoelectric light emitter and a photoelectric light receiver to direct the light alternately via a measuring path and a reference path to a single photoreceiver. By measuring the propagation time differences over the measuring path on the one hand and the reference path on the other hand, the distance from a target is determined. The light transmitter contains two electronically complementary switchable laser diodes, one of which sends the light wave trains to the measuring section, the other the light wave trains on the reference path. Both light wave trains are alternately received by the same photoreceiver, which is connected to a transmitter.

Die DE 196 43 287 A1 betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kalibrierung von Entfernungsmessgeräten. Ein Sender emittiert eine hochfrequent modulierte optische Strahlung, die von einem Messobjekt reflektiert und von einem Messempfänger empfangen wird. Ein Teil der Senderstrahlung wird stets als Referenzstrahlung ausgekoppelt und über einen Kalibrierweg auf einen Referenzempfänger geführt, dessen elektrische Signale einem Frequenzmischer zugeleitet werden. Der Frequenzmischer und die als Messempfänger der Messstrahlung dienende Avalanche-Fotodiode sind über eine mit einer Mischerfrequenz beaufschlagten Verbindung direkt miteinander verbunden. Dadurch wird eine optoelektronische Kalibrierung ermöglicht, die die temperaturabhängigen Phasenverschiebungen der Avalanche-Fotodiode vollständig kompensiert. Da sich zudem auch die durch die Temperaturdriften des Senders erzeugten Phasenverschiebungen im Referenz- und Empfangssignal gegenseitig kompensieren, ergibt sich insgesamt eine erhöhte Entfernungsmessgenauigkeit insbesondere für kurze Messzeiten und unmittelbar nach Einschalten des Geräts. Weiterhin ergeben sich im Vergleich zu einer sukzessiven mechanischen Kalibrierung halbierte Messzeiten und zudem Gewichts-, Kosten- und Zuverlässigkeitsvorteile durch den Wegfall einer mechanischen Umschaltvorrichtung.The DE 196 43 287 A1 relates to a method and a device for calibrating distance measuring devices. A transmitter emits high-frequency modulated optical radiation which is reflected by a measurement object and received by a measurement receiver. A part of the transmitter radiation is always coupled out as reference radiation and passed over a calibration path to a reference receiver whose electrical signals are fed to a frequency mixer. The frequency mixer and the avalanche photodiode serving as measurement receivers of the measuring radiation are connected directly to one another via a connection acted upon by a mixer frequency. This allows optoelectronic calibration that completely compensates for the temperature-dependent phase shifts of the avalanche photodiode. Since, in addition, the phase shifts generated in the reference and received signals by the temperature drifts of the transmitter also compensate each other, overall there is an increased distance measuring accuracy, in particular for short measuring times and immediately after switching on the device. Furthermore, in comparison to a successive mechanical calibration, halved measuring times and also weight, cost and reliability advantages result from the omission of a mechanical switching device.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen optischen Sensor der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass mit diesem bei möglichst geringem konstruktiven Aufwand eine genaue Distanzbestimmung ermöglicht wird.Of the Invention is the object of an optical sensor of the aforementioned type such that with this at as low as possible constructive effort an accurate distance determination is made possible.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.to solution This object, the features of claim 1 are provided. advantageous embodiments and appropriate training The invention are described in the subclaims.

Der erfindungsgemäße optische Sensor dient zur Bestimmung von Distanzen von Objekten in einem Überwachungsbereich. Der Sensor umfasst einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einen Empfänger zum Empfang der als Empfangslichtstrahlen von einem Objekt zurückreflektierten Sendelichtstrahlen und einer Modulationseinheit. Die Modulationseinheit umfasst einen ersten Frequenzgenerator zur Generierung einer Modulationsfrequenz, mit welcher die Sendelichtstrahlen amplitudenmoduliert sind, einen zweiten Frequenzgenerator zur Generierung eines Taktsignals mit einer Modulationsfrequenz, welche um eine Zwischenfrequenz bezüglich der Modulationsfrequenz verschoben ist, wobei durch Mischen des Taktsignals mit den im Empfänger durch die auftreffenden Empfangslichtstrahlen erzeugten Empfangssignalen ein die Phasenverschiebungen der Sendelichtstrahlen und der Empfangslichtstrahlen enthaltendes Messsignal mit der Zwischenfrequenz generiert wird, welches in einer Auswerteeinheit zur Bestimmung der Objektdistanzen ausgewertet wird. Weiterhin ist eine elektrische Referenzstrecke zur Generierung eines Referenzphasenbezugs für die in der Auswerteeinheit registrierten Phasenverschiebungen vorgesehen, umfassend einen Mischer, welchem ein im ersten Frequenzgenerator erzeugtes Frequenzsignal mit der Frequenz und das im zweiten Frequenzgenerator generierte Taktsignal zur Generierung eines Referenzsignals zugeführt werden.Of the according to the invention optical Sensor is used to determine distances of objects in a surveillance area. The sensor comprises a transmitting light beam emitting transmitter, a receiver for receiving the reflected as received light beams from an object Transmitted light beams and a modulation unit. The modulation unit comprises a first frequency generator for generating a modulation frequency, with which the transmitted light beams are amplitude modulated, a second frequency generator for generating a clock signal with a modulation frequency which is about an intermediate frequency with respect to Modulation frequency is shifted, whereby by mixing the clock signal with those in the receiver the incident received light beams generated received signals a phase shifts of the transmitted light beams and the received light beams containing measuring signal is generated with the intermediate frequency, which is evaluated in an evaluation unit for determining the object distances becomes. Furthermore, an electrical reference path for generating a reference phase reference for the phase shifts registered in the evaluation unit are provided, comprising a mixer, which in the first frequency generator generated frequency signal with the frequency and that in the second frequency generator generated clock signal for generating a reference signal to be supplied.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Sensors besteht darin, dass durch die elektrische Referenzierung der Phasenmessung optische Bauelemente zur Ausbildung einer optischen Referenzstrecke und damit notwendige Mittel zur elektrooptischen Wandlung von Signalen zur Durchführung einer Referenzmessung entfallen.One significant advantage of the optical sensor according to the invention consists in that by the electrical referencing of the phase measurement optical Components for forming an optical reference path and thus necessary means for the electro-optical conversion of signals to carry out a Reference measurement omitted.

Die so ausgebildete elektrische Referenzstrecke weist dabei einen äußerst einfachen und kostengünstigen Aufbau auf. Mit der erfindungsgemäßen elektrischen Referenzierung wird somit eine erhebliche Bauteilreduzierung und damit eine entsprechende Kostenreduzierung bei der Herstellung des optischen Sensors erzielt. Da das Referenzsignal aus denselben Frequenzen f₁ und f₂ generiert wird, welche auch zur Generierung des Messsignals verwendet werden, werden zudem Fehler aufgrund eines Driftens bei der Erzeugung der Frequenzen f₁ und f₂ eliminiert.The thus formed electrical reference path has an extremely simple and inexpensive construction. The electrical referencing according to the invention thus achieves a considerable component reduction and thus a corresponding cost reduction in the production of the optical sensor. Since the reference signal is generated from the same frequencies f ₁ and f ₂ , which are also used to generate the measurement signal, also errors due to drift in the generation of the frequencies f ₁ and f _{2 are} eliminated.

Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The The invention will be explained below with reference to the drawings. It demonstrate:

1: Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Sensors. 1 : Block diagram of an embodiment of the optical sensor according to the invention.

2: Zeitlicher Verlauf des im optischen Sensor gemäß 1 generierten Messsignals und Referenzsignals. 2 : Time course of the optical sensor according to 1 generated measurement signal and reference signal.

3: Schematische Darstellung der Ermittlung der Phasenverschiebung des Messsignals gemäß 2. 3 : Schematic representation of the determination of the phase shift of the measurement signal according to 2 ,

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines nach dem Phasenmessprinzip arbeitenden optischen Sensors 1 zur Bestimmung von Distanzen von Objekten 2 innerhalb eines Überwachungsbereichs. Der optische Sensor 1 weist einen Sendelichtstrahlen 3 emittierenden Sender 4 sowie einen Empfangslichtstrahlen 5 empfangenden Empfänger 6 auf. Der Sender 4 besteht aus einer Laserdiode, die an einer Spannung U_d liegt und mit einem Strom I_d gespeist wird. Der Empfänger 6 besteht im vorliegenden Fall aus einer Avalanche-Fotodiode, die an einem Widerstand 7 angeschlossen ist und mit einer Spannung U_r versorgt wird. 1 shows an embodiment of an operating according to the phase measurement principle optical sensor 1 for determining distances of objects 2 within a surveillance area. The optical sensor 1 has a transmitted light rays 3 emissive transmitter 4 and a receiving light beams 5 receiving recipient 6 on. The transmitter 4 consists of a laser diode, which is connected to a voltage U _d and _is supplied with a current I _d . The recipient 6 in the present case consists of an avalanche photodiode connected to a resistor 7 is connected and supplied with a voltage U _r .

Zur Durchführung der Phasenmessung wird den Sendelichtstrahlen 3 eine Amplitudenmodulation mit einer Frequenz f₁ aufgeprägt. Die von einem Objekt 2 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 5 weisen eine Amplitudenmodulation mit derselben Frequenz f₁ auf. Entsprechend der Objektdistanz des jeweiligen Objekts 2 weisen die am Empfänger 6 auftreffenden Empfangslichtstrahlen 5 eine Phasenverschiebung φ bezüglich den vom Sender 4 emittierten Sende lichtstrahlen 3 auf. Aus dieser Phasenverschiebung φ wird die Objektdistanz berechnet und als Ausgabegröße vom optischen Sensor 1 ausgegeben.To carry out the phase measurement becomes the transmitted light beams 3 imprinted an amplitude modulation with a frequency f ₁ . The of an object 2 reflected back receive light beams 5 have an amplitude modulation with the same frequency f ₁ . According to the object distance of the respective object 2 show those at the receiver 6 incident receiving light beams 5 a phase shift φ with respect to that of the transmitter 4 emitted transmitted light beams 3 on. From this phase shift φ, the object distance is calculated and as the output from the optical sensor 1 output.

Wie aus 1 ersichtlich, weist der optische Sensor 1 einen an einen Oszillator 8 angeschlossenen ersten Frequenzgenerator 9 auf, der die Modulationseinheit zur Modulation der Sendelichtstrahlen 3 bildet. Weiterhin ist an den Oszillator 8 ein zweiter Frequenzgenerator 10 angeschlossen.How out 1 can be seen, the optical sensor 1 one to an oscillator 8th connected first frequency generator 9 on, the modulation unit for the modulation of the transmitted light beams 3 forms. Furthermore, to the oscillator 8th a second frequency generator 10 connected.

Der erste und zweite Frequenzgenerator 9, 10 bestehen aus digitalen Bauelementen und weisen einen im Wesentlichen entsprechenden Aufbau auf. Insbesondere sind in den Frequenzgeneratoren 9, 10 Teiler integriert, mittels derer durch Teilung der in dem Oszillator 8 generierten Grundfrequenz f₀ definierte und einen eindeutigen Bezug zu dieser Grundfrequenz f₀ aufweisende Frequenzsignale generiert werden.The first and second frequency generator 9 . 10 consist of digital components and have a substantially corresponding structure. In particular, in the frequency generators 9 . 10 Dividers integrated, by means of which by dividing the in the oscillator 8th generated fundamental frequency f ₀ defined and a unique reference to this fundamental frequency f ₀ having frequency signals are generated.

Durch Teilung der Grundfrequenz f₀ des Oszillators 8 wird im ersten Frequenzgenerator 9 ein Frequenzsignal mit der Frequenz f₁ generiert. Dieses Frequenzsignal wird zur Modulation der Sendelichtstrahlen 3 über einen Kondensator 11 in den Sender 4 eingespeist.By dividing the fundamental frequency f ₀ of Os zillators 8th is in the first frequency generator 9 generates a frequency signal with the frequency f ₁ . This frequency signal becomes the modulation of the transmitted light beams 3 over a capacitor 11 in the transmitter 4 fed.

Der zweite Frequenzgenerator 10 ist über eine Steuerleitung S1 mit dem ersten Frequenzgenerator 9 verbunden. Über diese Steuerleitung S1 wird ein im ersten Frequenzgenerator 9 generiertes Frequenzsignal mit der Frequenz f_v in den zweiten Frequenzgenerator 10 eingelesen. Die Frequenz f_v gibt einen Takt vor, mittels dessen das Frequenzsignal f₁ weitergeschaltet, wodurch das Taktsignal mit der Frequenz f₂ generiert wird. Dabei nimmt die Frequenz f₂ den Wert f₂ = f₁ + Δf an, das heißt die Frequenz f₂ ist bezüglich der Frequenz f₁ von einer Zwischenfrequenz Δf verschoben.The second frequency generator 10 is via a control line S1 with the first frequency generator 9 connected. About this control line S1 is a in the first frequency generator 9 generated frequency signal with the frequency f _v in the second frequency generator 10 read. The frequency f _v specifies a clock by means of which the frequency signal f _{1 is switched} on, as a result of which the clock signal with the frequency f _{2 is} generated. In this case, the frequency f ₂ assumes the value f ₂ = f ₁ + Δf, that is, the frequency f ₂ is shifted with respect to the frequency f ₁ of an intermediate frequency .DELTA.f.

Das im zweiten Frequenzgenerator 10 generierte Taktsignal mit der Frequenz f₂ wird über einen weiteren Kondensator 12 in den Empfänger 6 eingekoppelt. In den als Avalanche-Fotodiode ausgebildeten Empfänger 6 erfolgt somit eine Mischung der durch die Empfangslichtstrahlen 5 generierten Empfangssignale, die mit der Frequenz f₁ moduliert sind, und des Taktsignals mit der Frequenz f₂. Durch diese Signalmischung und eine anschließende Filterung in einem dem Empfänger 6 nachgeordneten Tiefpassfilter 13 wird ein niederfrequentes Messsignal M mit der Zwischenfrequenz Δf generiert, welches die Phasenverschiebung φ der Sendelichtstrahlen 3 und der Empfangslichtstrahlen 5 und damit die Information über die Objektdistanz enthält. Zur Auswertung des Messsignals M wird dieses über eine nicht dargestellte Verstärkerstufe in eine Auswerteeinheit eingelesen. Die Auswerteeinheit besteht im vorliegenden Fall aus einem Analog-Digital-Wandler 14 und einer nachgeordneten Rechnereinheit 15, welche von einem Microcontroller oder dergleichen gebildet ist.That in the second frequency generator 10 generated clock signal with the frequency f ₂ is via another capacitor 12 in the receiver 6 coupled. In the trained as an avalanche photodiode receiver 6 Thus, a mixture of the received by the light beams 5 generated receive signals, which are modulated at the frequency f ₁ , and the clock signal at the frequency f ₂ . Through this signal mixing and subsequent filtering in a receiver 6 downstream low-pass filter 13 a low-frequency measurement signal M is generated with the intermediate frequency .DELTA.f, which is the phase shift φ of the transmitted light beams 3 and the receiving light beams 5 and thus contains the information about the object distance. To evaluate the measurement signal M, this is read into an evaluation unit via an amplifier stage (not shown). The evaluation unit consists in the present case of an analog-to-digital converter 14 and a downstream computer unit 15 , which is formed by a microcontroller or the like.

In einer alternativen Ausführungsform kann der Empfänger 6 von einer PIN-Diode gebildet sein. In diesem Fall erfolgt die Mischung der Empfangssignale und des Taktsignals in einem nicht dargestellten, separaten Mischer, der dem Empfänger 6 nachgeordnet ist.In an alternative embodiment, the receiver 6 be formed by a PIN diode. In this case, the mixing of the received signals and the clock signal takes place in a separate mixer (not shown) belonging to the receiver 6 is subordinate.

Im vorliegenden Fall wird zur Generierung des Messsignals M eine Frequenz f₁ zur Modulation der Sendelichtstrahlen 3 sowie ein zugeordnetes Taktsignal mit der Frequenz f₂ verwendet. Zur Erhöhung des Eindeutigkeitsbereichs der Phasenmessung und damit des Distanzmessbereichs des optischen Sensors 1 können die Sendelichtstrahlen 3 auch mit mehreren verschiedenen Modulationsfrequenzen moduliert werden, wobei dann jeder Modulationsfrequenz ein separates Taktsignal zugeordnet ist.In the present case, to generate the measurement signal M, a frequency f ₁ for the modulation of the transmitted light beams 3 and an associated clock signal having the frequency f ₂ used. To increase the uniqueness range of the phase measurement and thus the distance measuring range of the optical sensor 1 can the transmitted light beams 3 be modulated with several different modulation frequencies, in which case each modulation frequency is assigned a separate clock signal.

Zur Referenzierung des Messsignals M weist der optische Sensor 1 eine elektrische Referenzstrecke auf. Die elektrische Referenzstrecke weist einen Mischer 16 auf, auf welchen das im ersten Frequenzgenerator 9 generierte Frequenzsignal mit der Frequenz f₁ sowie das Taktsignal mit der Frequenz f₂ geführt sind. Durch Mischen dieser beiden Signale im Mischer 16 und eine an schließende Filterung in einem dem Mischer 16 nachgeordneten Tiefpassfilter 17, welches ebenfalls Bestandteil der elektrischen Referenzstrecke ist, wird ein Referenzsignal R mit der Zwischenfrequenz Δf generiert. Dieses Referenzsignal R wird zur Referenzierung des Messsignals M in den Analog-Digital-Wandler 14 eingelesen. Dem Tiefpassfilter 17 kann prinzipiell eine nicht dargestellte Verstärkerstufe zur Verstärkung des Referenzsignals R nachgeordnet sein.For referencing the measurement signal M, the optical sensor 1 an electrical reference path. The electrical reference path has a mixer 16 on which in the first frequency generator 9 generated frequency signal with the frequency f ₁ and the clock signal with the frequency f ₂ are performed. By mixing these two signals in the mixer 16 and a subsequent filtering in a mixer 16 downstream low-pass filter 17 , which is also part of the electrical reference path, a reference signal R is generated at the intermediate frequency .DELTA.f. This reference signal R is used for referencing the measurement signal M in the analog-to-digital converter 14 read. The low pass filter 17 can in principle be followed by an amplifier stage, not shown, for amplifying the reference signal R.

In dem Analog-Digital-Wandler 14 erfolgt eine Abtastung und digitale Quantisierung des Messsignals M und des Referenzsignals R. Dabei ist der Analog-Digital-Wandler 14 über eine weitere Steuerleitung S2 an den zweiten Frequenzgenerator 10 angeschlossen. Ein im zweiten Frequenzgenerator 10 generiertes Frequenzsignal mit der Frequenz f_A wird über diese Steuerleitung S2 in den Analog-Digital-Wandler 14 eingelesen. Die Frequenz f_A, die wiederum von der Grundfrequenz f₀ des Oszillators 8 abgeleitet ist, gibt die Abtastfrequenz bei der Abtastung des Messsignals M und des Referenzsignals R vor.In the analog-to-digital converter 14 there is a sampling and digital quantization of the measurement signal M and the reference signal R. This is the analog-to-digital converter 14 via a further control line S2 to the second frequency generator 10 connected. One in the second frequency generator 10 generated frequency signal with the frequency f _A is via this control line S2 in the analog-to-digital converter 14 read. The frequency f _A , in turn, from the fundamental frequency f _{0 of} the oscillator 8th is derived, predetermines the sampling frequency in the sampling of the measurement signal M and the reference signal R.

Da somit sämtliche Frequenzen f₁, f₂, f_v und f_A von derselben Grundfrequenz f₀ des Oszillators 8 abgeleitet sind, wird ein definierter Bezug des Messsignals M zum Referenzsignal R erhalten, so dass ein eindeutiger Bezugspunkt bei der Referenzierung des Messsignals M auf das Referenzsignal R gegeben ist.Since thus all frequencies f ₁ , f ₂ , f _v and f _A of the same fundamental frequency f _{0 of} the oscillator 8th are derived, a defined reference of the measurement signal M to the reference signal R is obtained, so that a unique reference point in the referencing of the measurement signal M is given to the reference signal R.

Im vorliegenden Fall sind die Frequenzen f_v und f_A identisch gewählt. Prinzipiell kann die Frequenz f_A ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz f_A sein.In the present case, the frequencies f _v and f _{A are} chosen to be identical. In principle, the frequency f _{A can be} an integer multiple of the frequency f _A.

2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Messsignals M und des Referenzsignals R. Das Messsignal M sowie das Referenzsignal R, welches durch die Mischung von Signalen mit den Frequenzen f₁ und f₂ und nachfolgende Tiefpassfilterung generiert wurden, weisen jeweils einen sinusförmigen Verlauf auf. Wie in 2 dargestellt, weist das Messsignal M die Phasenverschiebung φ auf, welche ein Maß für die jeweilige Objektdistanz bildet. Als Bezugspunkt für die Phasenverschiebung φ des Messsignals M dient das Referenzsignal R. 2 shows the time course of the measurement signal M and the reference signal R. The measurement signal M and the reference signal R, which were generated by the mixture of signals with the frequencies f ₁ and f ₂ and subsequent low-pass filtering, each have a sinusoidal shape. As in 2 illustrated, the measurement signal M, the phase shift φ, which forms a measure of the respective object distance. The reference signal R serves as a reference point for the phase shift φ of the measuring signal M.

In dem Analog-Digital-Wandler 14 wird durch Mehrfachabtastung des Amplitudenverlaufs des sinusförmigen Messsignals M die Phasenverschiebung φ des Messsignals M ermittelt, wonach aus der Phasenverschiebung φ in der Rechnereinheit 15 der jeweilige Distanzwert errechnet und über einen nicht dargestellten Ausgang des optischen Sensors 1 als Ausgabegröße ausgegeben wird.In the analog-to-digital converter 14 is determined by multiple sampling of the amplitude curve of the sinusoidal measuring signal M, the phase shift φ of the measuring signal M, after which from the Phase shift φ in the computer unit 15 the respective distance value is calculated and via an output, not shown, of the optical sensor 1 is output as the output size.

3 zeigt schematisch die Abtastung einer Periode des sinusförmigen Messsignals M mit einer Abtastgruppe mit vier Abtastwerten. Generell wird die Anzahl der Abtastwerte innerhalb einer Periode des Messsignals M durch die Abtastfrequenz f_A bestimmt. Das rechte Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf des sinusförmigen Messsignals M mit der Phasenverschiebung φ. Die Amplitude des Messsignals M ist dabei mit U bezeichnet. Das linke Diagramm stellt das entsprechende Zeigerdiagramm für das Messsignal M in der komplexen Ebene dar, wobei Im den Imaginärteil und Re den Realteil der entsprechenden komplexen Funktion für das Messsignal M bildet. Dass das sinusförmige Messsignal M um die Phasenverschiebung φ bezüglich des Nullpunkts als Bezugspunkt verschoben ist, ergibt sich durch dieselbe Phasenverschiebung φ in der komplexen Funktion Z im Zeigerdiagramm gemäß der Beziehung Z = |Z|e–jφ wobei j = √-1. 3 schematically shows the sampling of a period of the sinusoidal measuring signal M with a sampling group with four samples. In general, the number of samples within a period of the measurement signal M is determined by the sampling frequency f _A. The right diagram shows the time course of the sinusoidal measurement signal M with the phase shift φ. The amplitude of the measurement signal M is designated by U. The left diagram represents the corresponding vector diagram for the measurement signal M in the complex plane, where Im forms the imaginary part and Re the real part of the corresponding complex function for the measurement signal M. The fact that the sinusoidal measurement signal M is shifted by the phase shift φ with respect to the zero point as a reference point, results from the same phase shift φ in the complex function Z in the vector diagram according to the relationship Z = | Z | e -jφ where j = √-1.

Dementsprechend ergibt sich die Phasenverschiebung φ gemäß der Beziehung

Accordingly, the phase shift φ is given according to the relationship

Um aus dem sinusförmigen Verlauf des Messsignals M die Phasenverschiebung φ zu erhalten, wird diese Beziehung ausgenutzt und dementsprechend werden vier um jeweils 90° versetzte Abtastwerte definiert, mit welchen die Phasenverschiebung φ ermittelt werden kann. Wie in 3 (rechtes Diagramm) dargestellt sind die vier Abtastwerte durch die Amplitudenwerte U(0), U(1), U(2), U(3) definiert, wobei diese Amplitudenwerte jeweils um 90° zueinander versetzt innerhalb einer Periode des Messsignals M liegen.In order to obtain the phase shift φ from the sinusoidal profile of the measurement signal M, this relationship is utilized and accordingly four samples offset by 90 ° in each case are defined with which the phase shift φ can be determined. As in 3 (right-hand diagram), the four sampled values are defined by the amplitude values U (0), U (1), U (2), U (3), these amplitude values being offset by 90 ° relative to one another within a period of the measuring signal M.

Wie aus dem Vergleich mit dem Zeigerdiagramm in 3 folgt, stellt die Differenz D₁ = ½(U(1) – U(3)) den Realteil und die Differenz D₂ = ½(U(0) – U(2)) den Imaginärteil der komplexen Funktion des Zeigerdiagramms dar.As from the comparison with the phasor diagram in 3 follows, the difference D ₁ = ½ (U (1) - U (3)) represents the real part and the difference D ₂ = ½ (U (0) - U (2)) represents the imaginary part of the complex function of the phasor diagram.

Dementsprechend errechnet sich die Phasendifferenz φ aus den Abtastwerten U(0), U(1), U(2), U(3) gemäß der Beziehung φ = arc tan [(U(0) – U(2))/(U(1) – U(3))] Accordingly, the phase difference φ is calculated from the samples U (0), U (1), U (2), U (3) according to the relationship φ = arc tan [(U (0) -U (2)) / (U (1) -U (3))]

Prinzipiell könnte die Phasenverschiebung φ auch nur mit zwei um 90° versetzten Abtastwerten innerhalb einer Periode des Messsignals M berechnet werden. Durch die Abtastung mit vier Abtastwerten ist jedoch gewährleistet, dass DC-Pegelschwankungen des sinusförmigen Messsignals M nicht zu Fehlern in der Bestimmung der Phasendifferenz führen.in principle could the phase shift φ too only with two offset by 90 ° Samples within a period of the measurement signal M are calculated. However, four sample sampling ensures that that DC level fluctuations of the sinusoidal measurement signal M not lead to errors in the determination of the phase difference.

Durch die gewählte Symmetrie der vier über die Periode des Messsignals M jeweils um 90° versetzten vier Abtastwerte wird zudem erreicht, dass die Phasenverschiebung φ exakt auch dann bestimmt wird, wenn dem idealen sinusförmigen Messsignal M als Grundwelle harmonische Oberschwingungen geradzahliger Ordnung überlagert sind.By the chosen one Symmetry of the four over the Period of the measurement signal M each offset by 90 ° four samples is also achieved that the phase shift φ exactly is then determined when the ideal sinusoidal measurement signal M as the fundamental wave superimposed harmonic harmonics of even order are.

Damit wird durch die Abtastung gemäß 3 erreicht, dass DC-Pegelschwankungen und Verzerrungen des Messsignals M gegenüber dem ide alen sinusförmigen Verlauf durch Überlagerungen mit Oberschwingungen geradzahliger Ordnung nicht zu einem systematischen Messfehler bei der Bestimmung der Phasenverschiebung φ führen.This is determined by the sampling according to 3 achieved that DC level fluctuations and distortions of the measured signal M with respect to the ide alen sinusoidal course by overlays with harmonics even order not lead to a systematic measurement error in the determination of the phase shift φ.

Um auch Effekte von Oberwellen ungeradzahliger Ordnungen systematisch zu eliminieren, kann das Messsignal M nicht nur wie in 3 dargestellt mit einer Abtastgruppe, sondern mit mehreren Abtastgruppen abgetastet werden. In diesem Fall ist die Abtastfrequenz f_A erhöht und beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz f_v.In order to also systematically eliminate effects of harmonics of odd orders, the measurement signal M can not only be used as in 3 are scanned with a scanning group, but scanned with multiple scanning groups. In this case, the sampling frequency f _{A is} increased and is an integer multiple of the frequency f _v .

11: Optischer Sensoroptical sensor
22: Objektobject
33: SendelichtstrahlenTransmitted light beams
44: Sendertransmitter
55: EmpfangslichtstrahlenReceiving light rays
66: Empfängerreceiver
77: Widerstandresistance
88th: Oszillatoroscillator
99: Frequenzgeneratorfrequency generator
1010: Frequenzgeneratorfrequency generator
1111: Kondensatorcapacitor
1212: Kondensatorcapacitor
1313: TiefpassfilterLow Pass Filter
1414: Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
1515: Rechnereinheitcomputer unit
1616: Mischermixer
1717: TiefpassfilterLow Pass Filter
S1S1: Steuerleitungcontrol line
S2S2: Steuerleitungcontrol line

Claims

An optical sensor for determining distances of objects in a surveillance area, comprising a transmitter emitting light-emitting beams, having a receiver for receiving the transmitted light beams reflected back from an object as receiving light beams, and having a modulation unit comprising a first frequency generator ( 9 ) for generating a modulation frequency (f ₁ ), with which the transmitted light beams ( 3 ) are amplitude-modulated, a second frequency generator ( 10 ) for generating a clock signal having a modulation frequency (f ₂ ), which is shifted by an intermediate frequency (Δf) with respect to the modulation frequency (f ₁ ), wherein by mixing the clock signal with the in the receiver ( 6 ) by the incident received light beams ( 5 ) received signals the phase shifts (φ) of the transmitted light beams ( 3 ) and the received light beams ( 5 ), which is evaluated in an evaluation unit for determining the object distances, characterized by an electrical reference path for generating a reference phase reference for the registered in the evaluation phase shifts (φ) comprising a mixer ( 16 ), which one in the first frequency generator ( 9 ) generated frequency signal with the frequency (f ₁ ) and in the second frequency generator ( 10 ) Generated clock signal (f ₂ ) for generating a reference signal (R) are supplied.

Optical sensor according to claim 1, characterized the reference signal (R) is used to refer the measuring signal (M) is read into the evaluation unit.

Optical sensor according to one of claims 1 or 2, characterized in that the electrical reference path a the mixer ( 16 ) downstream low-pass filter ( 17 ) having.

Optical sensor according to one of claims 1-3, characterized in that in the receiver ( 6 ) a mixture of the clock signal and the received signals for generating the measurement signal (M) takes place.

Optical sensor according to claim 4, characterized in that the receiver ( 6 ) is formed by an avalanche photodiode.

Optical sensor according to one of claims 1-5, characterized in that the mixture of the clock signal and the received signals for generating the measuring signal (M) in a the receiver ( 6 ) downstream mixer takes place.

Optical sensor according to claim 6, characterized in that the receiver ( 6 ) is formed by a PIN diode.

Optical sensor according to one of claims 4-7, characterized in that the receiver ( 6 ) or the mixer a low-pass filter ( 13 ) is subordinate.

Optical sensor according to one of claims 1-8, characterized in that the modulation unit with the first frequency generator ( 9 ) and the second frequency generator ( 10 ) consist of digital components.

Optical sensor according to one of claims 1-9, characterized in that the frequency generators ( 9 . 10 ) to an oscillator ( 8th ), and that the frequencies (f ₁ ) and (f ₂ ) from that in the oscillator ( 8th ) generated fundamental frequency (f ₀ ) are derived.

Optical sensor according to claim 10, characterized in that the first and second frequency generator ( 9 . 10 ) each have at least one divider, wherein the frequencies (f ₁ ) and (f ₂ ) from the fundamental frequency (f ₀ ) are generated by means of the divider.

Optical sensor according to one of claims 1-11, characterized in that the evaluation unit is an analog-to-digital converter ( 14 ) and a downstream computer unit ( 15 ) having.

Optical sensor according to claim 12, characterized in that by means of the analog-to-digital converter ( 14 ) a sampling and digitization of the measurement signal (M) and the reference signal (R) takes place.

Optical sensor according to one of claims 12 or 13, characterized in that the first and second frequency generator ( 9 . 10 ) and the analog-to-digital converter ( 14 ) are connected via control lines (S1, S2).

Optical sensor according to claim 14, characterized in that via a first control line (S1) a frequency signal (f _v ) from the first frequency generator ( 9 ) into the second frequency generator ( 10 ) is read, wherein the frequency signal (f _v ) forms a trigger signal for generating the frequency (f ₂ ).

Optical sensor according to one of claims 14 or 15, characterized in that via a second control line (S2) a frequency signal (f _A ) from the second frequency generator ( 10 ) in the analog-to-digital converter ( 14 ) is read, wherein the frequency signal (f _A ) forms a trigger signal for the sampling of the measurement signal (M) and the reference signal (R).

Optical sensor according to claim 16, characterized in that the frequency signals (f _v ) and (f _A ) from the fundamental frequency (f ₀ ) of the oscillator ( 8th ) are derived.

Optical sensor according to claim 17, characterized characterized in that the frequencies (f _v ) and (f _A ) are identical.

Optical sensor according to claim 17, characterized in that the frequency (f _A ) is an integer multiple of the frequency (f _v ).