DE112021004366T5

DE112021004366T5 - Fotoelektrischer sensor und optischer entfernungsmesser

Info

Publication number: DE112021004366T5
Application number: DE112021004366.8T
Authority: DE
Inventors: Akihito Yamamoto; Takahiro KASAHARA; Satoshi Arima; Tatsuhiro Momodori
Original assignee: Hokuyo Automatic Co Ltd
Current assignee: Hokuyo Automatic Co Ltd
Priority date: 2020-08-18
Filing date: 2021-08-18
Publication date: 2023-06-15
Also published as: CN116034250A; WO2022039186A1; JP7566304B2; US20230314572A1; JP2022034136A; KR20230051488A

Abstract

Ein fotoelektrischer Sensor wird bereitgestellt, der Folgendes enthält: eine erste Signalverarbeitungskette, die einen ersten Verstärker enthält, der dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal von einem Vorverstärker mit einem ersten Verstärkungsfaktor A1 zu verstärken, und eine erste Binarisierungsschaltung, die dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal von dem ersten Verstärker mit einem ersten Schwellenwert Vth1 zu binarisieren; und eine zweite Signalverarbeitungskette, die einen zweiten Verstärker enthält, der dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal von dem Vorverstärker mit einem zweiten Verstärkungsfaktor A2 zu verstärken, und eine zweite Binarisierungsschaltung, die dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal von dem zweiten Verstärker mit einem zweiten Schwellenwert Vth2 zu binarisieren. Der erste Schwellenwert und der zweite Schwellenwert sowie der erste Verstärkungsfaktor und der zweite Verstärkungsfaktor erfüllen den folgenden Vergleichsausdruck: 1 < (Vth2/Vth1) < α = (A2/A1).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Sensor und einen optischen Entfernungsmesser.
Stand der Technik
Patentliteratur 1 offenbart einen fotoelektrischen Sensor zum Detektieren von Objekten in einem überwachten Gebiet, wobei der Sensor darauf abzielt, Empfangssignale möglichst originalgetreu zu Signalen über einen breiten Dynamikbereich zu verstärken.
Der fotoelektrische Sensor enthält: einen Lichtemitter zum Emittieren von Licht, einen Lichtempfänger zum Umwandeln des von einem Objekt diffus reflektierten Lichts in einen Fotostrom und eine Auswerteeinheit zum Messen von Eigenschaften des Objekts basierend auf einem vom Fotostrom abgeleiteten Empfangssignal. Zwischen dem Lichtempfänger und der Auswerteeinheit sind ein Empfangsweg mit hoher Sensitivität mit einem Verstärker höherer Sensitivität und ein Empfangsweg mit niedriger Sensitivität mit einem Verstärker niedrigerer Sensitivität vorgesehen, um das diffus reflektierte Licht über einen breiteren Dynamikbereich zu detektieren. Abhängig von der Intensität des diffus reflektierten Lichts wird das Empfangssignal im Empfangsweg mit hoher Sensitivität oder im Empfangsweg mit niedriger Sensitivität aus dem zwischen den Empfangswegen geteilten Fotostrom erzeugt.
Zumindest der Empfangsweg mit niedriger Sensitivität enthält ein Diodenarray, und eine Durchlassspannung des Diodenarrays wird verwendet, um einen Schwellenwert für die Intensität des diffus reflektierten Lichts zu definieren. Der fotoelektrische Sensor ist dazu konfiguriert, den Fotostrom nur dann durch den Empfangsweg mit niedriger Sensitivität fließen zu lassen, wenn der Fotostrom den Schwellenwert überschreitet.
Der oben beschriebene fotoelektrische Sensor ermöglicht es, das Empfangssignal in einem breiteren Dynamikbereich als dem Dynamikbereich jedes einzelnen Empfangswegs mit geringem Informationsverlust zu verstärken. Nur wenn die Durchlassspannung überschritten wird, fließt der Strom in den Verstärker des Empfangswegs mit niedriger Sensitivität, und wenn die empfangene Ausgabe klein ist, wird der gesamte Fotostrom in den Empfangsweg mit hoher Sensitivität geleitet, so dass kein Sensitivitätsverlust auftritt.
Liste der Zitierungen
Patentliteratur
Patentliteratur 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2014-142340
Kurzfassung der Erfindung
Technisches Problem
Der in der Patentliteratur 1 offenbarte fotoelektrische Sensor erfordert jedoch einen teuren Transimpedanzverstärker für jeden der einzelnen oder mehreren Empfangswege mit niedriger Sensitivität und hoher Sensitivität mit dem Diodenarray, was zu erhöhten Bauteilkosten führt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen kostengünstigen fotoelektrischen Sensor und optischen Entfernungsmesser bereitzustellen, der Licht über einen breiten Dynamikbereich richtig detektieren kann, ohne mehrere Transimpedanzverstärker zu verwenden.
Lösung des Problems
Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein fotoelektrischer Sensor zum Detektieren eines Objekts in einem überwachten Gebiet gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Als erstes Merkmal des fotoelektrischen Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung enthält der fotoelektrische Sensor: eine Lichtemissionseinheit, die dazu konfiguriert ist, Messlicht in das überwachte Gebiet zu emittieren; eine Lichtempfangseinheit, die dazu konfiguriert ist, reflektiertes Licht in ein Stromsignal umzuwandeln, wobei das reflektierte Licht eine diffuse Reflexion des Messlichts von einem Objekt ist; einen Vorverstärker, der dazu konfiguriert ist, das von der Lichtempfangseinheit umgewandelte Stromsignal in ein Spannungssignal umzuwandeln; eine erste Signalverarbeitungskette, die einen ersten Verstärker und eine erste Binarisierungsschaltung enthält, wobei der erste Verstärker dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal von dem Vorverstärker mit einem ersten Verstärkungsfaktor A1 zu verstärken, wobei die erste Binarisierungsschaltung dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal von dem ersten Verstärker mit einem ersten Schwellenwert Vth1 zu binarisieren; und eine zweite Signalverarbeitungskette, die einen zweiten Verstärker und eine zweite Binarisierungsschaltung enthält, wobei der zweite Verstärker dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal von dem Vorverstärker mit einem zweiten Verstärkungsfaktor A2 zu verstärken, wobei die zweite Binarisierungsschaltung dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal von dem zweiten Verstärker mit einem zweiten Schwellenwert Vth2 zu binarisieren. Der erste Schwellenwert Vth1 und der zweite Schwellenwert Vth2 sowie der erste Verstärkungsfaktor A1 und der zweite Verstärkungsfaktor A2 erfüllen den folgenden Vergleichsausdruck: 1 < (Vth2/Vth1) < α = (A2/A1).
Die Lichtempfangseinheit detektiert reflektiertes Licht, das eine diffuse Reflexion des von der Lichtemissionseinheit emittierten Messlichts von einem Objekt ist, und wandelt es in ein Stromsignal um, das dann durch den Vorverstärker in ein Spannungssignal umgewandelt wird, das in die erste Signalverarbeitungskette und die zweite Signalverarbeitungskette eingegeben wird. In der ersten Signalverarbeitungskette wird das Spannungssignal durch den ersten Verstärker um den ersten Verstärkungsfaktor A1 verstärkt und dann durch die erste Binarisierungsschaltung mit dem ersten Schwellenwert Vth1 binarisiert und als Impulssignal ausgegeben. In ähnlicher Weise wird in der zweiten Signalverarbeitungskette das Spannungssignal durch den zweiten Verstärker um den zweiten Verstärkungsfaktor A2 (A1 < A2) verstärkt und dann durch die zweite Binarisierungsschaltung mit dem zweiten Schwellenwert Vth2 (Vth1 < Vth2) binarisiert und als Impulssignal ausgegeben. Darüber hinaus erfüllen der erste Schwellenwert Vth1 und der zweite Schwellenwert Vth2 sowie der erste Verstärkungsfaktor A1 und der zweite Verstärkungsfaktor A2 den Vergleichsausdruck 1 < (Vth2/Vth1) < α = (A2/A1), wodurch sichergestellt wird, dass, selbst wenn ein Eingangssignal einen so niedrigen Pegel hat, dass die erste Signalverarbeitungskette keine binäre Ausgabe erzeugen kann, die zweite Signalverarbeitungskette eine binäre Ausgabe erzeugen kann.
Zusätzlich zu dem obigen ersten Merkmal weist der fotoelektrische Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung ein zweites Merkmal auf, wonach der fotoelektrische Sensor ferner eine Distanzberechnungsschaltung enthält, die dazu konfiguriert ist, eine Distanz von dem fotoelektrischen Sensor zu einem Objekt basierend auf einer Emissionszeit des von der Lichtemissionseinheit emittierten Messlichts und einer Anstiegszeit eines von der ersten Signalverarbeitungskette oder der zweiten Signalverarbeitungskette ausgegebenen Binärsignals zu berechnen.
Die Distanzberechnungsschaltung berechnet die optische Laufzeit von dem fotoelektrischen Sensor zu einem Objekt basierend auf einer Emissionszeit des Messlichts und einer Anstiegszeit des Binärsignals, z.B. einer Detektionszeit des diffus reflektierten Lichts, und berechnet die Distanz von dem fotoelektrischen Sensor zu dem Objekt basierend auf der optischen Laufzeit und der Lichtgeschwindigkeit.
Zusätzlich zu dem obigen ersten oder zweiten Merkmal weist der fotoelektrische Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung ein drittes Merkmal auf, wonach der fotoelektrische Sensor ferner eine Distanzkorrekturschaltung enthält, die dazu konfiguriert ist, eine von der Distanzberechnungsschaltung berechnete Distanz basierend auf einer Impulsbreite des Binärsignals zu korrigieren.
Eine ansteigende Flanke eines Binärsignals variiert in Abhängigkeit von den Eigenschaften eines Spannungssignals, das in die Binarisierungsschaltung eingegeben wird; das Binärsignal steigt steil an, wenn das Spannungssignal einen hohen Spitzenwert hat, und das Binärsignal steigt sanft an, wenn das Spannungssignal einen niedrigen Spitzenwert hat. Dementsprechend kann ein Spitzenwert eines Spannungssignals, das in die Binarisierungsschaltung eingegeben wird, basierend auf einer Impulsbreite abgeschätzt werden, die ein Zeitintervall zwischen der Anstiegszeit und der Abfallzeit des Binärsignals ist. Somit bestimmt die Distanzkorrekturschaltung einen Korrekturbetrag für die Anstiegszeit jedes Binärsignals, so dass die Anstiegszeit jedes Binärsignals einer Anstiegszeit eines Binärsignals für ein vordefiniertes Referenzspannungssignal entspricht, und korrigiert die von der Distanzberechnungsschaltung berechnete Distanz durch Verwenden einer dem Korrekturbetrag entsprechenden Distanz als Korrekturdistanz.
Zusätzlich zu dem obigen zweiten oder dritten Merkmal weist der fotoelektrische Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung ein viertes Merkmal auf, wonach der fotoelektrische Sensor ferner eine Zeitbestimmungsschaltung enthält, die dazu konfiguriert ist, es der Distanzberechnungsschaltung zu erlauben, eine Distanz zu berechnen, wenn eine Impulsbreite des Binärsignals größer als oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist, und die Distanzberechnungsschaltung daran zu hindern, eine Distanz zu berechnen, wenn die Impulsbreite kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist.
Wenn die Impulsbreite eines Binärsignals, das für das von der Lichtempfangseinheit detektierte Licht erzeugt wird, im Vergleich zur Impulsbreite des Messlichts sehr kurz ist, kann bestimmt werden, dass das Binärsignal einer Störung entspricht. Somit bestimmt die Zeitbestimmungsschaltung, wenn die Impulsbreite eines Binärsignals größer als oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist, dass das Binärsignal echtem diffus reflektiertem Licht entspricht und erlaubt der Distanzberechnungsschaltung, eine Distanz zu berechnen, und wenn die Impulsbreite kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist, bestimmt die Zeitbestimmungsschaltung, dass das Binärsignal einer Störung entspricht und verhindert, dass die Distanzberechnungsschaltung eine Distanz berechnet.
Zusätzlich zu einem der obigen zweiten bis vierten Merkmale weist der fotoelektrische Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung ein fünftes Merkmal auf, wonach der fotoelektrische Sensor ferner eine Signalauswahlschaltung enthält, die dazu konfiguriert ist, für die Ausgabe an die Distanzberechnungsschaltung ein von der ersten Signalverarbeitungskette ausgegebenes Binärsignal auszuwählen, wenn sowohl die erste Signalverarbeitungskette als auch die zweite Signalverarbeitungskette gleichzeitig Binärsignale ausgeben, und ein von der zweiten Signalverarbeitungskette ausgegebenes Binärsignal auszuwählen, wenn nur die zweite Signalverarbeitungskette ein Binärsignal ausgibt.
Wenn ein Binärsignal sowohl von der ersten Signalverarbeitungskette mit dem ersten Verstärker mit niedrigerer Verstärkung als auch von der zweiten Signalverarbeitungskette mit dem zweiten Verstärker mit höherer Verstärkung ausgegeben wird, kann im zweiten Verstärker in der zweiten Signalverarbeitungskette eine Verstärkungskomprimierung auftreten, die eine Rundung der Wellenform verursacht. Daher wählt die Signalauswahlschaltung das Binärsignal aus, das von der ersten Signalverarbeitungskette ausgegeben wird, was eine genauere Distanzberechnung gewährleistet. Auch wenn ein Binärsignal nur von der zweiten Signalverarbeitungskette ausgegeben wird, wählt die Signalauswahlschaltung jenes Binärsignal aus, das durch den zweiten Verstärker mit höherer Verstärkung erzeugt wird, der ein schwaches Spannungssignal, das von der ersten Signalverarbeitungskette nicht binarisiert werden konnte, richtig verstärkt. Dies gewährleistet eine bessere Distanzberechnung auch bei einem schwachen Spannungssignal.
Zusätzlich zu einem der obigen zweiten bis vierten Merkmale weist der fotoelektrische Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung ein sechstes Merkmal auf, wonach der fotoelektrische Sensor ferner eine Ausgabeauswahlschaltung enthält, die dazu konfiguriert ist, eine erste Distanz auszugeben, die von der Distanzberechnungsschaltung basierend auf einem Binärsignal berechnet wird, das von der ersten Signalverarbeitungskette ausgegeben wird, wenn eine Differenz zwischen der ersten Distanz und einer zweiten Distanz, die von der Distanzberechnungsschaltung basierend auf einem Binärsignal berechnet wird, das von der zweiten Signalverarbeitungskette ausgegeben wird, kleiner als ein vorbestimmter Distanzschwellenwert ist, und die zweite Distanz auszugeben, wenn die zweite Distanz größer als oder gleich einem vorbestimmten Ferndistanzschwellenwert ist.
Wenn die Differenz zwischen der ersten Distanz und der zweiten Distanz kleiner als der vorbestimmte Distanzschwellenwert ist, ist es wahrscheinlich, dass das diffus reflektierte Licht von demselben Objekt stammt, so dass die Ausgabeauswahlschaltung die erste Distanz ausgibt, die aus dem richtig verstärkten, von der ersten Signalverarbeitungskette ausgegebenen Binärsignal erhalten wird. Wenn die zweite Distanz größer als oder gleich dem vorbestimmten Ferndistanzschwellenwert ist, bestimmt die Ausgabeauswahlschaltung, dass es schwierig ist, eine genaue Distanz unter Verwendung der ersten Signalverarbeitungskette mit dem ersten Verstärker mit niedrigerer Verstärkung zu berechnen, und gibt daher die zweite Distanz mit oder ohne Berechnung der ersten Distanz aus. Auf diese Weise können genaue Distanzen über einen breiten Distanzbereich ausgegeben werden, von kurzen bis zu langen Distanzen vom fotoelektrischen Sensor.
Zusätzlich zu dem obigen ersten Merkmal weist der fotoelektrische Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung ein siebtes Merkmal auf, wonach der fotoelektrische Sensor ferner eine Ausgabeschnittstellenschaltung enthält, die dazu konfiguriert ist, beide Ausgangssignale von der ersten Signalverarbeitungskette und der zweiten Signalverarbeitungskette nach außen auszugeben.
Da beide Ausgangssignale der ersten Signalverarbeitungskette und der zweiten Signalverarbeitungskette über die Ausgabeschnittstellenschaltung nach außen ausgegeben werden, kann ein Benutzer des fotoelektrischen Sensors flexibel eine Distanz berechnen, indem er Eigenschaften der ersten Signalverarbeitungskette und der zweiten Signalverarbeitungskette gemäß den Nutzungsbedingungen des fotoelektrischen Sensors berücksichtigt.
Ein optischer Entfernungsmesser wird gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt. Als Merkmal des optischen Entfernungsmessers gemäß der vorliegenden Erfindung enthält der optische Entfernungsmesser: einen fotoelektrischen Sensor, der eines der obigen zweiten bis sechsten Merkmale aufweist; und eine Lichtablenkeinheit, die dazu konfiguriert ist, von der Lichtemissionseinheit emittiertes Messlicht in eine vorbestimmte Richtung abzulenken, und/oder eine optische Scaneinheit, die dazu konfiguriert ist, von der Lichtemissionseinheit emittiertes Messlicht in eine vorbestimmte Richtung abzulenken und mit diesem zu scannen.
Der Einsatz einer Lichtablenkungseinheit und/oder einer optischen Scaneinheit zum Ablenken oder Scannen mit dem von der Lichtemissionseinheit des fotoelektrischen Sensors emittierten Messlicht, der eines der oben genannten Merkmale aufweist, kann einen optischen Entfernungsmesser bereitstellen, der eine Distanz zu einem in einer bestimmten Richtung vorhandenen Objekt berechnen kann.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Wie zuvor beschrieben, kann die vorliegende Erfindung einen kostengünstigen fotoelektrischen Sensor und optischen Entfernungsmesser bereitstellen, der Licht über einen breiten Dynamikbereich richtig detektieren kann, ohne mehrere Transimpedanzverstärker zu verwenden.
Figurenliste

1 zeigt eine Konfiguration eines optischen Entfernungsmessers mit einem fotoelektrischen Sensor.
2 zeigt eine Signalverarbeitungsschaltung in dem fotoelektrischen Sensor.
3 zeigt die Beziehung zwischen der Größe eines Ausgangssignals von einem Verstärker und einem Binärsignal.
4 zeigt Ausgangssignale eines ersten Verstärkers und eines zweiten Verstärkers für dasselbe Eingangssignal.

Ausführungsbeispiele
Im Folgenden wird eine Ausführungsform eines fotoelektrischen Sensors und eines optischen Entfernungsmessers gemäß der vorliegenden Ausführungsform beschrieben.
1 zeigt einen optischen Entfernungsmesser 200 mit einem fotoelektrischen Sensor 1 und einer in den fotoelektrischen Sensor 1 integrierten Signalverarbeitungsschaltung 100. Der optische Entfernungsmesser 200 enthält den fotoelektrischen Sensor 1, um Objekte in einem überwachten Gebiet zu detektieren, und eine optische Scaneinheit 10, um das überwachte Gebiet mit vom fotoelektrischen Sensor 1 emittiertem Messlicht zu scannen und reflektiertes Licht, das von einer Oberfläche eines in dem überwachten Gebiet vorhandenen Objekts diffus reflektiert wird, zum fotoelektrischen Sensor 1 zu leiten. Der fotoelektrische Sensor 1 und die optische Scaneinheit 10 sind in einem Gehäuse C (in der Figur als gestrichelter zylindrischer Körper dargestellt) mit einem lichtdurchlässigen Fenster untergebracht.
Der fotoelektrische Sensor 1 enthält: eine Lichtemissionseinheit 2, um Messlicht durch das lichtdurchlässige Fenster des Gehäuses C in Richtung des überwachten Gebiets zu emittieren; eine Projektionslinse 15; eine Sammellinse 12, um reflektiertes Licht zu sammeln, das eine diffuse Reflexion des von der Projektionslinse 15 geformten Messlichts von einem in dem überwachten Gebiet vorhandenen Objekt ist; eine Lichtempfangseinheit 3, um das von der Sammellinse 12 gesammelte reflektierte Licht zu empfangen und in ein Stromsignal umzuwandeln; und eine Signalverarbeitungsschaltung 100, um das von der Lichtempfangseinheit 3 umgewandelte Stromsignal zu verarbeiten. Die Signalverarbeitungsschaltung 100 ist mit mehreren auf einer Platine montierten Schaltungselementen konfiguriert und befindet sich in einem unteren Teil des Gehäuses C, usw.
Die optische Scaneinheit 10 enthält: einen Ablenkspiegel 11, um das von der Lichtemissionseinheit 2 emittierte Messlicht in Richtung des überwachten Gebiets abzulenken und das reflektierte Licht von dem Objekt zur Lichtempfangseinheit 3 zu leiten; einen Motor 13, um den Ablenkspiegel 11 um eine Drehwelle P zu drehen; und einen Encoder 14, um eine Drehgeschwindigkeit des Motors 13 zu detektieren. Der Encoder 14 ist mit einer Scheibe 14A konfiguriert, die an ihrem Außenumfang in vorbestimmten Intervallen Schlitze aufweist und sich um die Drehwelle P dreht, und mit einem durchlässigen Fotounterbrecher 14B, um Licht zu detektieren, das durch die an der Scheibe 14A ausgebildeten Schlitze fällt.
Der Ablenkspiegel 11 ist in einer 45-Grad-Ausrichtung relativ zur Drehwelle P fixiert, und die Lichtempfangseinheit 3, die Sammellinse 12, die Lichtemissionseinheit 2 und die Projektionslinse 15 sind auf der Achse der Drehwelle P angeordnet. Das von der Lichtemissionseinheit 2 emittierte Messlicht wird beim Durchgang durch die Projektionslinse 15 in paralleles Licht geformt und breitet sich dann entlang des Lichtleiters 16 aus. Das Messlicht wird dann in rechten Winkeln durch den Ablenkspiegel 11 abgelenkt und in das überwachte Gebiet emittiert, während es zum Scannen zusammen mit der Drehung des Ablenkspiegels 11 abgelenkt wird.
Das vom Objekt reflektierte Licht breitet sich durch den Raum um den Lichtleiter 16 aus und trifft auf den Ablenkspiegel 11, wo das reflektierte Licht in die axiale Richtung der Drehwelle P abgelenkt wird. Das reflektierte Licht durchläuft dann die Sammellinse 12, um in die Lichtempfangseinheit 3 zu gelangen. Eine Laserdiode, die Laserlicht im Nahinfrarotbereich emittiert, wird als Lichtemissionseinheit 2 verwendet, und eine Avalanche-Photodiode (im Folgenden auch als „Avalanche-Photodiode 3“ bezeichnet) wird als Lichtempfangseinheit 3 verwendet.
Die Signalverarbeitungsschaltung 100 enthält eine Motortreiberschaltung 20, eine Treiberschaltung der Lichtemissionseinheit 30, eine Treiberschaltung der Lichtempfangseinheit 40, eine Empfangssignalverarbeitungsschaltung 50, eine Systemsteuerschaltung 60, eine Eingabe/Ausgabe-Steuerschaltung 70 und einen Speicher 80.
Die Systemsteuerschaltung 60 ist mit einem FPGA oder dergleichen konfiguriert. Die Systemsteuerschaltung 60 ist ein Schaltungsblock zum Steuern der Motortreiberschaltung 20, der Treiberschaltung der Lichtemissionseinheit 30, der Treiberschaltung der Lichtempfangseinheit 40 und der Empfangssignalverarbeitungsschaltung 50 und zum Durchführen von Entfernungsbestimmungsoperationen und Speichern von Operationsergebnissen im Speicher 80.
Die Eingabe/Ausgabe-Steuerschaltung 70 ist ein Schaltungsblock zum Lesen der im Speicher 80 gespeicherten Operationsergebnisse zur notwendigen Verarbeitung und zum Austausch von Signalen, wie z.B. Verarbeitungsergebnissen, mit externen Vorrichtungen über Ethernet®. Es ist zu beachten, dass die Kommunikationsschnittstelle mit externen Vorrichtungen nicht auf Ethernet® beschränkt ist.
Die Motortreiberschaltung 20 ist eine Schaltung zum Übertragen von Impulssignalen vom Encoder 14 an die Systemsteuerschaltung 60 und zum Treiben des Motors 13 basierend auf den Steuersignalen der Systemsteuerschaltung 60.
Die Treiberschaltung der Lichtemissionseinheit 30 ist eine Schaltung zum Pulsen der Laserdiode, die die Lichtemissionseinheit 2 darstellt, basierend auf Steuersignalen der Systemsteuerschaltung 60. Die Systemsteuerschaltung 60 identifiziert eine Drehposition des Ablenkspiegels 11 basierend auf Impulssignalen des Encoders 14 und identifiziert auch die Timings zum Treiben der Laserdiode und gibt Steuersignale an die Treiberschaltung der Lichtemissionseinheit 30 aus.
Wie in 2 gezeigt, ist die Treiberschaltung der Lichtempfangseinheit 40 eine Schaltung zum Steuern einer Treiberspannung für die Avalanche-Photodiode 3, die die Lichtempfangseinheit 3 darstellt. Die Treiberschaltung der Lichtempfangseinheit 40 enthält einen Temperatursensor Sth, um die Temperatur in der Nähe der Lichtempfangseinheit 3 zu detektieren, und eine Hochspannungserzeugungsschaltung. Die Treiberschaltung der Lichtempfangseinheit 40 stellt eine Ausgangsspannung der Hochspannungserzeugungsschaltung basierend auf Steuersignalen der Systemsteuerschaltung 60 ein. Die Systemsteuerschaltung 60 steuert die Ausgangsspannung der Hochspannungserzeugungsschaltung variabel nahe einer vorbestimmten Spannung (etwa 150 V in der vorliegenden Ausführungsform), um die Temperatureigenschaften der Lichtempfangseinheit 3 basierend auf der Ausgabe des Temperatursensors zu kompensieren.
Wie in 1 und 2 gezeigt, ist die Empfangssignalverarbeitungsschaltung 50 eine Schaltung zum Verarbeiten eines Stromsignals, das fotoelektrisch aus dem reflektierten Licht durch die Avalanche-Photodiode 3 umgewandelt wird. Die Empfangssignalverarbeitungsschaltung 50 enthält: einen Vorverstärker 51, um ein Stromsignal in ein Spannungssignal umzuwandeln, wobei der Vorverstärker 51 einen Transimpedanzverstärker verwendet; eine erste Signalverarbeitungskette 50A, die einen ersten Verstärker 52 enthält, um ein Ausgangssignal des Vorverstärkers 51 mit einem ersten Verstärkungsfaktor A1 zu verstärken, und eine erste Binarisierungsschaltung 53, um ein Ausgangssignal des ersten Verstärkers 52 mit einem ersten Schwellenwert Vth1 zu binarisieren; und eine zweite Signalverarbeitungskette 50B, die einen zweiten Verstärker 54 enthält, um ein Ausgangssignal von dem Vorverstärker 51 mit einem zweiten Verstärkungsfaktor A2 zu verstärken, und eine zweite Binarisierungsschaltung 55, um ein Ausgangssignal von dem zweiten Verstärker 54 mit einem zweiten Schwellenwert Vth2 zu binarisieren.
Das von der Avalanche-Photodiode 3 fotoelektrisch umgewandelte Stromsignal wird über eine Widerstandsspannungsteilerschaltung geteilt und dann in ein Wechselstromsignal umgewandelt, wobei eine Gleichstromkomponente über einen Kopplungskondensator vor der Eingabe in den Vorverstärker 51 entfernt wird.
Der erste Verstärker 52 ist mit einem Umkehrverstärker AMP 1 konfiguriert, der einen Operationsverstärker verwendet, und der zweite Verstärker 54 ist mit einem Umkehrverstärker AMP2 (54A) konfiguriert, der einen Operationsverstärker und einen Differenzverstärker AMP3 (54B) verwendet. Der zweite Verstärker 54 kann ein einzelner Umkehrverstärker sein.
Der erste Schwellenwert Vth1 und der zweite Schwellenwert Vth2 sind so festgelegt, dass sie den folgenden Vergleichsausdruck erfüllen: $1 < (Vth 2 /Vth 1) < α = (A 2 /A 1)$
Das heißt, Vth1 < Vth2 < α × Vth1, und 1 < α = A2/A1.
Dadurch wird sichergestellt, dass selbst wenn ein Eingangssignal einen so niedrigen Pegel hat, dass die erste Signalverarbeitungskette 50A keine binäre Ausgabe erzeugen kann, die zweite Signalverarbeitungskette 50B eine binäre Ausgabe erzeugen kann.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Verstärkungsfaktor für den Vorverstärker 51 auf 80 dB festgelegt, der erste Verstärkungsfaktor A1 für den ersten Verstärker 52 auf 16 dB und der zweite Verstärkungsfaktor A2 für den zweiten Verstärker 54 auf 41 dB. Der Wert α des Verhältnisses des zweiten Verstärkungsfaktors A2 zum ersten Verstärkungsfaktor A1, ausgedrückt in antilogarithmischer Form (α = A2/A1), ist gleich dem Wert der Differenz zwischen den Verstärkungsfaktoren, ausgedrückt in logarithmischer Form (25 dB (= 41dB - 16dB)). Dementsprechend beträgt der Wert α des Verhältnisses der Verstärkungsfaktoren etwa 17,8, was größer als 1 ist.
Weiterhin wird der erste Schwellenwert Vth1 auf 0,16 V und der zweite Schwellenwert Vth2 auf 0,40 V festgelegt. Der Wert des Verhältnisses des zweiten Schwellenwerts Vth2 zum ersten Schwellenwert Vth1, ausgedrückt in antilogarithmischer Form, beträgt 2,5, was größer als 1 und kleiner als der Wert α ist und den obigen Vergleichsausdruck erfüllt. Der Wert der Differenz des zweiten Schwellenwerts Vth2 relativ zum ersten Schwellenwert Vth1, ausgedrückt in logarithmischer Form, beträgt 7,96 dB, was größer als 0 dB und kleiner als der Wert der Differenz des zweiten Verstärkungsfaktors A2 relativ zum ersten Verstärkungsfaktor A1, ausgedrückt in logarithmischer Form (25 dB), ist.
Mit anderen Worten ist die erste Signalverarbeitungskette 50A eine Signalverarbeitungskette mit niedriger Sensitivität, und ist die zweite Signalverarbeitungskette 50B eine Signalverarbeitungskette mit hoher Sensitivität. Ein Ausgangssignal vom Vorverstärker 51 wird jeweils der ersten Signalverarbeitungskette 50A und der zweiten Signalverarbeitungskette 50B bereitgestellt. So kann die zweite Signalverarbeitungskette 50B mit hoher Sensitivität ein binäres Ausgangssignal erzeugen, selbst wenn das Eingangssignal einen so niedrigen Pegel hat, dass die erste Signalverarbeitungskette 50A mit niedriger Sensitivität kein binäres Ausgangssignal erzeugen kann.
Zusätzlich zum Steuern der Motortreiberschaltung 20, der Treiberschaltung der Lichtemissionseinheit 30 und der Treiberschaltung der Lichtempfangseinheit 40 wie vorstehend beschrieben, enthält die Systemsteuerschaltung 60 weitere Schaltungen wie eine Distanzberechnungsschaltung, eine Distanzkorrekturschaltung und eine Zeitbestimmungsschaltung. Die Eingabe/Ausgabe-Steuerschaltung 70 enthält Schaltungen wie z.B. eine Ausgabeauswahlschaltung. Die Distanzberechnungsschaltung, die Distanzkorrekturschaltung und die Zeitbestimmungsschaltung arbeiten bei jedem Scannen der optischen Scaneinheit 10, um eine Distanz zu einem Objekt innerhalb des überwachten Gebiets sowie einen Scanwinkel zu berechnen und die Berechnungsergebnisse in dem Speicher 80 zu speichern.
Die von der ersten Binarisierungsschaltung 53 in der ersten Signalverarbeitungskette 50A binarisierten Signale und die von der zweiten Binarisierungsschaltung 55 in der zweiten Signalverarbeitungskette 50B binarisierten Signale werden in die Distanzberechnungsschaltung in der Systemsteuerschaltung 60 eingegeben, wobei ein Zeit-Digital-Wandler in der Distanzberechnungsschaltung eine Zeitdifferenz zwischen einer Ausgabezeit des Treibersignals zur Lichtemissionseinheit 2 und einer Anstiegszeit des Binärsignals für das fotoelektrisch umgewandelte reflektierte Licht berechnet. Die Distanz zu einem Objekt wird basierend auf der Zeitdifferenz und der Lichtgeschwindigkeit berechnet. Weiterhin kann der Scanwinkel des Messlichts aus der Drehposition (Scanwinkel) des Ablenkspiegels 11 bei jeder Emission des Messlichts bestimmt werden, das basierend auf dem Impulssignal des Encoders 14 identifiziert werden kann. Auf diese Weise können die Distanz und die Richtung zu dem Objekt bestimmt werden.
Mit anderen Worten ist die Distanzberechnungsschaltung dazu konfiguriert, die Distanz von dem fotoelektrischen Sensor zu dem Objekt basierend auf der Emissionszeit des Messlichts von der Lichtemissionseinheit 2 und der Anstiegszeit des Binärsignals zu berechnen, das von der ersten Signalverarbeitungskette 50A oder der zweiten Signalverarbeitungskette 50B ausgegeben wird.
Wie in 3 gezeigt, haben die Spannungssignale, die dem von den Verstärkern 52, 54 verstärkten reflektierten Licht entsprechen, selbst während desselben Zeitintervalls ΔT zwischen einer Anstiegszeit, wenn die Signale vom Grundpegel ansteigen, und einer Abfallzeit, wenn die Signale auf den Grundpegel fallen, unterschiedliche Spitzenwerte und unterschiedliche Anstiegsflanken. Selbst wenn die Spannungssignale mit demselben Schwellenwert Vth binarisiert werden, hat somit das Binärsignal, das dem Spannungssignal mit dem niedrigeren Spitzenwert entspricht, eine langsamere Anstiegszeit und eine kürzere Impulsbreite als das Binärsignal, das dem Spannungssignal mit dem höheren Spitzenwert entspricht (in 3 wird die Impulsbreite des Binärsignals, das dem Spannungssignal mit dem niedrigeren Spitzenwert entspricht, als ΔTL bezeichnet, und die Impulsbreite des Binärsignals, das dem Spannungssignal mit dem höheren Spitzenwert entspricht, als ΔTH).
Demzufolge variiert die Anstiegszeit des Binärsignals in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Spannungssignals, das in die Binarisierungsschaltungen 53, 55 eingegeben wird; das Binärsignal steigt steil an, wenn das Spannungssignal einen hohen Spitzenwert hat, und das Binärsignal steigt sanft an, wenn das Spannungssignal einen niedrigen Spitzenwert hat. Es besteht eine vorbestimmte Korrelation zwischen der Impulsbreite, die das Zeitintervall zwischen der Anstiegszeit und der Abfallzeit des Binärsignals darstellt, und einer Zeitdifferenz zwischen einem Zeitpunkt t0, zu dem das reflektierte Licht ursprünglich eintraf, und der Anstiegszeit des Binärsignals. Dementsprechend kann eine Zeitdifferenz (z.B. dt1, dt2) zwischen dem Zeitpunkt t0, zu dem das reflektierte Licht ursprünglich eintraf, und der Anstiegszeit eines beliebigen Binärsignals abgeschätzt werden, basierend auf der Impulsbreite (z.B. ΔTL, ΔTH) des Binärsignals.
Deshalb wird vorab eine Korrekturtabelle bereitgestellt, um aus der Impulsbreite des Binärsignals für ein beliebiges Spannungssignal und basierend auf der obigen Korrelation die Zeitdifferenz dt relativ zu dem Zeitpunkt t0 zu bestimmen, zu dem das reflektierte Licht ursprünglich eintraf, um den Korrekturbetrag (Zeitdifferenz dt) zu ermitteln. Es ist zu beachten, dass anstelle der Korrekturtabelle auch eine Korrekturformel verwendet werden kann.
Um die Effekte von Bauteilschwankungen und mechanischen Toleranzen der Lichtemissionseinheit 2, der Lichtempfangseinheit 3 und der Schaltungselemente im optischen Entfernungsmesser 200 zu entfernen, wird in der Praxis ein Spannungssignal für reflektiertes Licht von einem Referenzreflektor, der im Gehäuse C untergebracht ist und für den eine Referenzdistanz bekannt ist, als Referenzspannungssignal detektiert, und ein Korrekturfaktor zum Korrigieren der Zeitdifferenz dt relativ zum Anstiegszeitpunkt t0 des Referenzspannungssignals wird bestimmt, so dass eine Distanz, die aus einer Zeitdifferenz zwischen der Ausgabezeit des Treibersignals zur Lichtemissionseinheit 2 und der Anstiegszeit des aus dem Referenzspannungssignal binarisierten Signals bestimmt wird, gleich der Referenzdistanz ist. Jeder Korrekturbetrag (Zeitdifferenz dt) in der obigen Korrekturtabelle wird um diesen Korrekturfaktor korrigiert.
Die Distanzkorrekturschaltung bestimmt den Korrekturbetrag (Zeitdifferenz dt) für jedes Binärsignal unter Verwendung der Korrekturtabelle und berechnet eine Korrekturdistanz basierend auf dem durch den obigen Korrekturfaktor korrigierten Korrekturbetrag, wobei die Korrekturdistanz verwendet wird, um die von der obigen Distanzberechnungsschaltung berechnete Distanz zu vergrößern oder zu verringern. Es ist zu beachten, dass die Distanzkorrekturschaltung separate Korrekturtabellen für die erste Signalverarbeitungskette 50A bzw. die zweite Signalverarbeitungskette 50B haben kann.
Die Zeitbestimmungsschaltung ist dazu konfiguriert, der Distanzberechnungsschaltung zu erlauben, eine Distanz zu berechnen, wenn die Impulsbreite eines Binärsignals größer oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist, und die Distanzberechnungsschaltung daran zu hindern, eine Distanz zu berechnen, wenn die Impulsbreite eines Binärsignals kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist.
Wenn die Impulsbreite eines Binärsignals, das für das von der Lichtempfangseinheit 3 detektierte Licht erzeugt wird, im Vergleich zur Impulsbreite des Messlichts sehr kurz ist, kann das Binärsignal als einer Störung entsprechend bestimmt werden. Wenn somit die Impulsbreite eines Binärsignals größer oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert ist, bestimmt die Zeitbestimmungsschaltung, dass das Binärsignal echtem diffus reflektiertem Licht entspricht und erlaubt der Distanzberechnungsschaltung, eine Distanz zu berechnen, und wenn die Impulsbreite kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist, bestimmt die Zeitbestimmungsschaltung, dass das Binärsignal einer Störung entspricht und verhindert, dass die Distanzberechnungsschaltung eine Distanz berechnet. Der vorbestimmte Schwellenwert ist vorzugsweise auf einen beliebigen Wert im Bereich des 0,2- bis 0,4-fachen der Impulsbreite des Messlichts festgelegt, wobei der Schwellenwert nicht auf solche Werte beschränkt ist. Der vorbestimmte Schwellenwert kann zumindest auf einen beliebigen Wert festgelegt werden, der kleiner als die Impulsbreite des Messlichts ist.
Auf diese Weise wird für jedes Binärsignal, das über die erste Signalverarbeitungskette 50A und die zweite Signalverarbeitungskette 50B eingegeben wird, die Distanz und Richtung zu dem Objekt berechnet. Ferner wird jeder berechnete Wert einem Filterungsprozess unterzogen und die Distanz und die Richtung, die bestimmt werden, um mit einem richtigen zu detektierenden Objekt assoziiert zu sein, werden im Speicher 80 abgelegt.
Der Filterungsprozess kann beispielsweise einen Größenbestimmungsfilter einsetzen, so dass, wenn ein Objekt eine vorbestimmte Anzahl von Malen entlang benachbarter Scanrichtungen hintereinander detektiert wird und eine Differenz zwischen den jeweiligen Distanzen innerhalb eines vorbestimmten Wertes liegt, das Objekt als gültiges Objekt bestimmt wird, und andernfalls das Objekt als Rauschen entfernt wird. Dieser Prozess kann Störungen wie Regentropfen und Nebel entfernen.
Die Ausgabeauswahlschaltung in der Eingabe/Ausgabe-Steuerschaltung 70 liest bei jedem Scanzyklus die in den Speicher 80 geschriebene Distanz und Richtung und berechnet eine Differenz zwischen einer der ersten Signalverarbeitungskette 50A entsprechenden ersten Distanz und einer der zweiten Signalverarbeitungskette 50B entsprechenden zweiten Distanz. Wenn die Differenz kleiner ist als ein vorbestimmter Distanz-Schwellenwert, d.h. wenn die relevanten Objekte als das selbe Objekt bestimmt werden können, gibt die Ausgabeauswahlschaltung die erste Distanz an eine externe Vorrichtung aus.
Wenn die Differenz zwischen der ersten Distanz und der zweiten Distanz kleiner ist als der vorbestimmte Distanzschwellenwert, ist es wahrscheinlich, dass das diffus reflektierte Licht von demselben Objekt stammt, so dass die Ausgabeauswahlschaltung die erste Distanz ausgibt, die aus dem richtig verstärkten Binärsignal erhalten wird, das von der ersten Signalverarbeitungskette ausgegeben wird. Wenn die zweite Distanz größer oder gleich einem vorbestimmten Ferndistanzschwellenwert ist, bestimmt die Ausgabeauswahlschaltung, dass es schwierig ist, eine genaue Distanz unter Verwendung der ersten Signalverarbeitungskette mit dem ersten Verstärker mit niedrigerer Verstärkung zu berechnen, und gibt daher die zweite Distanz mit oder ohne Berechnung der ersten Distanz aus. Auf diese Weise können genaue Distanzen über einen breiten Bereich von Distanzen ausgegeben werden, von kurzen bis zu langen Distanzen vom fotoelektrischen Sensor.
Weiterhin ist die Ausgabeauswahlschaltung dazu konfiguriert, die zweite Distanz auszugeben, wenn die zweite Distanz größer als oder gleich dem vorbestimmten Ferndistanzschwellenwert ist. Dies liegt daran, dass die zweite Signalverarbeitungskette 50B mit hoher Sensitivität auch weit entfernte Objekte detektieren kann, die von der ersten Signalverarbeitungskette 50A mit niedriger Sensitivität nicht detektiert werden können.
Ferner hat die Ausgabeauswahlschaltung eine Nahdistanzentfernungsfunktion, so dass die Ausgabeauswahlschaltung keine Ausgabe bereitstellt, wenn die detektierte Distanz zu einem Objekt kleiner als ein vorbestimmter Nahdistanzschwellenwert ist. Dies verhindert Situationen, in denen die Ausgabeauswahlschaltung durch Schmutz auf dem Gehäuse C verursachtes reflektiertes Licht als gültiges Objekt ausgibt. Es können unterschiedliche Werte für den Nahdistanzschwellenwert für die erste Signalverarbeitungskette 50A mit niedriger Sensitivität und die zweite Signalverarbeitungskette 50B mit hoher Sensitivität festgelegt werden.
4 zeigt Ausgangssignale des ersten Verstärkers 52 in der ersten Signalverarbeitungskette 50A und des zweiten Verstärkers 54 in der zweiten Signalverarbeitungskette 50B für in einem Scanwinkel emittiertes Messlicht. Die Figur zeigt ein Nahdistanzsignal für reflektiertes Licht, das durch Schmutz auf dem Gehäuse C verursacht wird, ein erstes Echosignal, ein zweites Echosignal und ein drittes Echosignal.
In diesem Fall entfernt die oben beschriebene Ausgabeauswahlschaltung Signale, die kleiner als der Nahdistanzschwellenwert sind und somit Verschmutzungen entsprechen, und bestimmt die Distanzen des ersten und des zweiten Echosignals, die annähernd gleich weit entfernt sind, basierend auf Binärsignalen, die durch Binarisierung der Ausgangssignale des ersten Verstärkers 52 in der ersten Signalverarbeitungskette 50A erhalten wurden, und bestimmt die Distanz des dritten Echosignals, die größer oder gleich dem Ferndistanzschwellenwert ist, basierend auf einem Binärsignal, das durch Binarisierung des Ausgangssignals des zweiten Verstärkers 54 in der zweiten Signalverarbeitungskette 50B erhalten wurde. Wie in 4 gezeigt, sind die Signalwellenformen des ersten und zweiten Echos, die durch den zweiten Verstärker 54 verstärkt werden, übersättigt, so dass es schwierig ist, genaue Distanzen daraus zu berechnen.
Wenn das erste Echo durch den obigen Filterungsprozess als ein Signal bestimmt wird, das einem ungültigen Objekt, z.B. Regen oder Nebel, entspricht, ist die Ausgabeauswahlschaltung dazu konfiguriert, keine Ausgabe bereitzustellen, da sie das erste Echo als ungültiges Signal bestimmt. Es können auch andere alternative Systeme eingesetzt werden, die Echos in Kombination mit verschiedenen, für bestimmte Zwecke geeigneten Filterungsprozessen auswählen und nutzen, wie etwa ein System, das die Distanz des ersten Echos im Nahbereich priorisiert, um Kollisionen zu vermeiden, und ein System, das das zweite Echo nutzt, um ein beliebiges Objekt hinter einem dünnen Objekt zu detektieren.
Eine weitere Ausführungsform wird im Folgenden beschrieben.
Die Funktionen der in der obigen Ausführungsform beschriebenen Ausgabeauswahlschaltung können in der Systemsteuerschaltung 60 bereitgestellt werden. Insbesondere kann die Systemsteuerschaltung 60 dazu konfiguriert sein, für die Ausgabe an die Distanzberechnungsschaltung ein von der ersten Signalverarbeitungskette 50A ausgegebenes Binärsignal auszuwählen, wenn sowohl die erste Signalverarbeitungskette 50Aals auch die zweite Signalverarbeitungskette 50B gleichzeitig Binärsignale ausgeben, und ein von der zweiten Signalverarbeitungskette 50B ausgegebenes Binärsignal auszuwählen, wenn nur die zweite Signalverarbeitungskette 50B ein Binärsignal ausgibt. Die Situation, in der sowohl die erste als auch die zweite Signalverarbeitungskette 50A, 50B gleichzeitig Binärsignale ausgeben, bezieht sich auf eine Situation, in der eine Zeitdifferenz zwischen den steigenden Flanken der Binärsignale innerhalb eines vorbestimmten zulässigen Bereichs liegt.
Obwohl die obige Ausführungsform den optischen Entfernungsmesser 200 beschreibt, der die optische Scaneinheit 10 enthält, die das von der Lichtemissionseinheit 2 im fotoelektrischen Sensor 1 emittierte Messlicht in vorbestimmte Richtungen ablenkt und scannt, ist es auch möglich, den optischen Entfernungsmesser mit einer Lichtablenkeinheit zu konfigurieren, die das von der Lichtemissionseinheit emittierte Messlicht in eine vorbestimmte Richtung ablenkt.
Obwohl in der obigen Ausführungsform der fotoelektrische Sensor 1 in den optischen Entfernungsmesser 200 integriert ist, kann auch ein separater fotoelektrischer Sensor 1 verwendet werden.
Es kann auch eine Ausgabeschnittstellenschaltung enthalten sein, die die beiden Ausgangssignale der ersten Signalverarbeitungskette 50A und der zweiten Signalverarbeitungskette 50B im fotoelektrischen Sensor 1 so wie sie sind nach außen ausgibt, zusammen mit Signalen, die die Emissionszeiten des entsprechenden Messlichts angeben. Dies ermöglicht es einem Benutzer des fotoelektrischen Sensors 1, eine Distanz flexibel zu berechnen, indem die Eigenschaften der ersten Signalverarbeitungskette und der zweiten Signalverarbeitungskette gemäß den Nutzungsbedingungen des fotoelektrischen Sensors berücksichtigt werden.
Die Empfangssignalverarbeitungsschaltung 50 in der obigen Ausführungsform enthält den Vorverstärker 51, der den Transimpedanzverstärker TIA zum Umwandeln von Stromsignalen verwendet, die von der Avalanche-Photodiode 3 aus reflektiertem Licht fotoelektrisch in Spannungssignale umgewandelt werden, und die Ausgangssignale des Vorverstärkers 51 werden jeweils der ersten Signalverarbeitungskette 50A und der zweiten Signalverarbeitungskette 50B bereitgestellt. Die Empfangssignalverarbeitungsschaltung 50 kann jedoch ferner eine n-te Signalverarbeitungskette 50n enthalten, die einen n-ten Verstärker enthält, um die Ausgangssignale des Vorverstärkers 51 mit einem n-ten Verstärkungsfaktor An zu verstärken, und eine n-te Binarisierungsschaltung, um die Ausgangssignale des n-ten Verstärkers mit einem n-ten Schwellenwert Vthn (n ist eine ganze Zahl größer als 2) zu binarisieren.
Eine (n-1)-te Signalverarbeitungskette und die n-te Signalverarbeitungskette können so festgelegt werden, dass ein (n-1)-ter Schwellenwert Vth(n-1) und der n-te Schwellenwert Vthn, und ein (n-1)-ter Verstärkungsfaktor A(n-1) und der n-te Verstärkungsfaktor An den folgenden Vergleichsausdruck erfüllen: $1 < (Vthn/Vth (n - 1)) < α = (An/A (n - 1))$
Dadurch wird sichergestellt, dass selbst wenn ein Eingangssignal einen so niedrigen Pegel hat, dass die (n-1)-te Signalverarbeitungskette keine binäre Ausgabe erzeugen kann, die n-te Signalverarbeitungskette eine binäre Ausgabe erzeugen kann.
Die n-te Signalverarbeitungskette 50n kann als Signalverarbeitungskette mit einer mittleren Sensitivität zwischen der ersten Signalverarbeitungskette 50A mit niedriger Sensitivität und der zweiten Signalverarbeitungskette 50B mit hoher Sensitivität bereitgestellt werden. Die Voraussetzung ist, dass die erste Signalverarbeitungsschaltung 50A und die zweite Signalverarbeitungsschaltung 50B mindestens den Vergleichsausdruck 1 < (Vth2/Vth1) < α = (A2/A1) erfüllen, so dass die Empfangssignalverarbeitungsschaltung 50 den n-ten Verstärker enthalten kann, um die Ausgangssignale des Vorverstärkers 51 um den n-ten Verstärkungsfaktor An zu verstärken, und die n-te Binarisierungsschaltung, um die Ausgangssignale des n-ten Verstärkers mit dem n-ten Schwellenwert Vthn zu binarisieren.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich Beispiele für die Erfindung, und die Beschreibungen der Ausführungsformen schränken den Umfang der vorliegenden Erfindung nicht ein. Es ist leicht einzusehen, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen an den hierin besprochenen Komponenten in dem Maße vorgenommen werden können, dass diese Veränderungen und Modifikationen weiterhin die Funktionen und Vorteile der vorliegenden Erfindung bereitstellen.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann einen kostengünstigen fotoelektrischen Sensor und einen optischen Entfernungsmesser bereitstellen, der Licht über einen breiten Dynamikbereich richtig detektieren kann, ohne mehrere Transimpedanzverstärker zu verwenden.
Bezugszeichenliste

1: Fotoelektrischer Sensor
2: Lichtemissionseinheit
3: Lichtempfangseinheit
10: Optische Scaneinheit
11: Ablenkspiegel
12: Sammellinse
20: Motortreiberschaltung
30: Treiberschaltung der Lichtemissionseinheit
40: Treiberschaltung der Lichtempfangseinheit
50: Empfangssignalverarbeitungsschaltung
50A: Erste Signalverarbeitungskette
50B: Zweite Signalverarbeitungskette
51: Vorverstärker
52: Erster Verstärker
53: Erste Binarisierungsschaltung
54: Zweiter Verstärker
55: Zweite Binarisierungsschaltung
60: Systemsteuerschaltung
70: Eingabe/Ausgabe-Steuerschaltung
80: Speicher
100: Signalverarbeitungsschaltung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2014142340 [0006]

Claims

Fotoelektrischer Sensor zum Detektieren eines Objekts in einem überwachten Gebiet, umfassend: eine Lichtemissionseinheit, die dazu konfiguriert ist, Messlicht in das überwachte Gebiet zu emittieren; eine Lichtempfangseinheit, die dazu konfiguriert ist, reflektiertes Licht in ein Stromsignal umzuwandeln, wobei das reflektierte Licht eine diffuse Reflexion des Messlichts von einem Objekt ist; einen Vorverstärker, der dazu konfiguriert ist, das von der Lichtempfangseinheit umgewandelte Stromsignal in ein Spannungssignal umzuwandeln; eine erste Signalverarbeitungskette, die einen ersten Verstärker und eine erste Binarisierungsschaltung enthält, wobei der erste Verstärker dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal von dem Vorverstärker mit einem ersten Verstärkungsfaktor A1 zu verstärken, wobei die erste Binarisierungsschaltung dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal von dem ersten Verstärker mit einem ersten Schwellenwert Vth1 zu binarisieren; und eine zweite Signalverarbeitungskette, die einen zweiten Verstärker und eine zweite Binarisierungsschaltung enthält, wobei der zweite Verstärker dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal von dem Vorverstärker mit einem zweiten Verstärkungsfaktor A2 zu verstärken, wobei die zweite Binarisierungsschaltung dazu konfiguriert ist, ein Ausgangssignal von dem zweiten Verstärker mit einem zweiten Schwellenwert Vth2 zu binarisieren, wobei der erste Schwellenwert Vth1 und der zweite Schwellenwert Vth2 und der erste Verstärkungsfaktor A1 und der zweite Verstärkungsfaktor A2 den folgenden Vergleichsausdruck erfüllen: $1 < (Vth 2 /Vth 1) < α = (A 2 /A 1) .$
Fotoelektrischer Sensor gemäß Anspruch 1, ferner umfassend eine Distanzberechnungsschaltung, die dazu konfiguriert ist, basierend auf einer Emissionszeit des von der Lichtemissionseinheit emittierten Messlichts und einer Anstiegszeit eines Binärsignals, das von der ersten Signalverarbeitungskette oder der zweiten Signalverarbeitungskette ausgegeben wird, eine Distanz von dem fotoelektrischen Sensor zu einem Objekt zu berechnen.
Fotoelektrischer Sensor gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine Distanzkorrekturschaltung, die dazu konfiguriert ist, eine von der Distanzberechnungsschaltung berechnete Distanz basierend auf einer Impulsbreite des Binärsignals zu korrigieren.
Fotoelektrischer Sensor gemäß Anspruch 2 oder 3, ferner umfassend eine Zeitbestimmungsschaltung, die dazu konfiguriert ist, der Distanzberechnungsschaltung zu erlauben, eine Distanz zu berechnen, wenn eine Impulsbreite des Binärsignals größer als oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist, und zu verhindern, dass die Distanzberechnungsschaltung eine Distanz berechnet, wenn die Impulsbreite kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert ist.
Fotoelektrischer Sensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, ferner umfassend eine Signalauswahlschaltung, die dazu konfiguriert ist, zur Ausgabe an die Distanzberechnungsschaltung ein von der ersten Signalverarbeitungskette ausgegebenes Binärsignal auszuwählen, wenn sowohl die erste Signalverarbeitungskette als auch die zweite Signalverarbeitungskette gleichzeitig Binärsignale ausgeben, und ein von der zweiten Signalverarbeitungskette ausgegebenes Binärsignal auszuwählen, wenn nur die zweite Signalverarbeitungskette ein Binärsignal ausgibt.
Fotoelektrischer Sensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, ferner umfassend eine Ausgabeauswahlschaltung, die dazu konfiguriert ist, eine erste Distanz auszugeben, die von der Distanzberechnungsschaltung basierend auf einem von der ersten Signalverarbeitungskette ausgegebenen Binärsignal berechnet wurde, wenn eine Differenz zwischen der ersten Distanz und einer zweiten Distanz, die von der Distanzberechnungsschaltung basierend auf einem von der zweiten Signalverarbeitungskette ausgegebenen Binärsignal berechnet wurde, kleiner als ein vorbestimmter Distanzschwellenwert ist, und die zweite Distanz auszugeben, wenn die zweite Distanz größer als oder gleich einem vorbestimmten Distanzschwellenwert ist.
Fotoelektrischer Sensor gemäß Anspruch 1, ferner umfassend eine Ausgabeschnittstellenschaltung, die dazu konfiguriert ist, beide Ausgangssignale von der ersten Signalverarbeitungskette und der zweiten Signalverarbeitungskette nach außen auszugeben.
Optischer Entfernungsmesser, umfassend einen fotoelektrischen Sensor gemäß einem der Ansprüche 2 bis 6; und eine Lichtablenkungseinheit, die dazu konfiguriert ist, von der Lichtemissionseinheit emittiertes Messlicht in eine vorbestimmte Richtung abzulenken, und/oder eine optische Scaneinheit, die dazu konfiguriert ist, von der Lichtemissionseinheit emittiertes Messlicht in eine vorbestimmte Richtung abzulenken und zu scannen.