DE19800925A1

DE19800925A1 - Light radar and reflectance photometer used for distance measurement

Info

Publication number: DE19800925A1
Application number: DE1998100925
Authority: DE
Inventors: Erhard Dipl Ing Dr M Steinbach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-01-13
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 1999-07-15

Abstract

The optoelectronic measuring device has an optoelectronic semiconductor (V1), e.g. an LED or laser diode, which functions both as the transmitter and receiver of the optical beam. A fast electronic switch (S1) is used to changeover the operating modes once only or continuously.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für ein Lichtradar und Remissionsphotometer zum Messen von remittierter oder reflektierter optischer Strahlung mit nur einem optischen Halbleiter, der als Sender oder Empfänger betrieben wird.The invention relates to a circuit arrangement for a light radar and Remission photometer for measuring remitted or reflected optical radiation with only one optical semiconductor, which is operated as a transmitter or receiver.

1. Der Fotohalbleiter V1, vorzugsweise eine Leuchtdiode (LED) oder Laserdiode (LD) wird mit einem Schalter S1 (vorzugweise ein schneller elektronischer Analogschalter) zwischen den beiden Betriebszuständen "senden von optischer Strahlung (LED)" und "empfangen (Fotodiode) von optischer Strahlung" umgeschaltet. Die Energieversorgung der Leuchtdiode V1 erfolgt über die Energieversorgungseinheit 1.1. The photo semiconductor V1, preferably a light-emitting diode (LED) or laser diode (LD) is with a switch S1 (preferably a fast electronic analog switch) between the two operating states "send optical radiation (LED)" and "receive (photodiode) from optical Radiation ". The energy supply of the light-emitting diode V1 takes place via the energy supply unit 1 .

Das von der LED bzw. LD abgestrahlte Licht wird an einem Reflektor reflektiert und vom Fotohalbleiter V1, der durch den Analogschalter S1 auf Empfang umgeschaltet wurde, detektiert. Der Analogschalter V1 wird durch ein Steuergerät 4 gesteuert, welches seine(n) Steuerbefehl(e) von der Signalverarbeitungseinheit 3 und oder vom Optoverstärker 2 bekommt. Die Zeitdifferenz dt zwischen dem Ende des Sendesignals zum Zeitpunkt t₁ und dem empfangenem Signal zum Zeitpunkt t₂ ist gut proprotional dem Lichtsignalweg zwischen Sendeempfänger V1 und Reflektor. Die Schaltungsanordnung hat somit die Arbeitsweise eines Lichtradargerätes eingenommen. Das Blockschaltbild dieser Schaltungsanordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Das von der Fotodiode V1 erzeugte Signal wird dem Verstärker 2 zugeführt und verstärkt. Diese Verstärker arbeiten in bekannter Weise als Fotospannungs- oder Fotostromverstärker und sind Stand der Technik. Das verstärkte Ausgangssignal des Verstärkers wird der Signalverarbeitungseinheit 3 zugeführt. Diese Signalverarbeitungs einheit 3 besteht im Wesentlichen aus einer Torschaltung und erzeugt einen Ausgangs spannungsimpuls mit der Zeitdauer dt. Dieses Zeitsignal dt wird nun in der Anzeigeeinheit 5 ausgewertet und digital oder analog zur Anzeige gebracht.The light emitted by the LED or LD is reflected on a reflector and detected by the photo semiconductor V1, which was switched over to reception by the analog switch S1. The analog switch V1 is controlled by a control unit 4 , which receives its control command (s) from the signal processing unit 3 and or from the opto amplifier 2 . The time difference dt between the end of the transmission signal at time t ₁ and the received signal at time t ₂ is well proportional to the light signal path between transceiver V1 and reflector. The circuit arrangement has thus assumed the mode of operation of a light radar device. The block diagram of this circuit arrangement is shown in FIG. 1. The signal generated by the photodiode V1 is fed to the amplifier 2 and amplified. These amplifiers operate in a known manner as photo voltage or photo current amplifiers and are state of the art. The amplified output signal of the amplifier is fed to the signal processing unit 3 . This signal processing unit 3 consists essentially of a gate circuit and generates an output voltage pulse with the duration dt. This time signal dt is now evaluated in the display unit 5 and displayed digitally or analogously.

Die typischen zeitliche Verläufe des Sende- und Empfangssignales sind in den Zeitdia grammen Fig. 3 dargestellt. Selbstverständlich sollen die in Fig. 3 gezeigten Verläufe der gesendeten optischen Strahlung E und empfangenen optischen Strahlung X keine praktischen Betriebswerte darstellen. Sie dienen lediglich zur Darstellung der erreichbaren Impulsformen und der für deren Auftreten maßgeblichen Zeitpunkte. Die Zeitdifferenz dt stellt über die Lichtgeschwindigkeit c ein Abstandsmaß zwischen Sender und Reflektor dar.The typical time profiles of the transmit and receive signals are shown in the time diagrams in FIG. 3. Of course, the courses of the transmitted optical radiation E and received optical radiation X shown in FIG. 3 are not intended to represent any practical operating values. They are only used to represent the pulse forms that can be achieved and the relevant times for their occurrence. The time difference dt represents a distance between the transmitter and reflector via the speed of light c.

2. Durch die Sendediode V1 wird optische Strahlung E in Materie eingebracht und die Materie zur Remission von optischer Strahlung X angeregt. Der zeitliche Verlauf des remittierten Signales läßt eine Aussage über die Beschaffenheit der angeregten Materie zu. Der zeitliche Verlauf des remittierten Signal es wird durch den Optoverstärker 1 verstärkt und der Signalverarbeitungseinheit 3 zugeführt. Diese Signalverarbeitungseinheit 3 bewertet die Signalantwort mathematisch sinnvoll weiter und gibt das Ergebnis an die Anzeige - und Auswerteeinheit 5 weiter. Über ein Steuergerät 4 wird der Analogschalter S1 angesteuert und die lichtemittierende Halbleiterdiode V1 zwischen Lichtaussendung und Lichtempfang umgeschaltet. Die Umschaltung kann hierbei einmalig oder auch fortlaufend geschehen. Der mögliche Verlauf der Signalantwort kann den in Fig. 4 angenommenen Verlauf haben. Die Verläufe dienen lediglich zur Darstellung der erreichbaren Impulsformen und der für deren Auftreten maßgeblichen Zeitpunkte.2. Optical radiation E is introduced into matter by means of the transmitter diode V1 and the matter is excited to reflect optical radiation X. The temporal course of the remitted signal allows a statement about the nature of the excited matter. The time course of the remitted signal is amplified by the opto-amplifier 1 and fed to the signal processing unit 3 . This signal processing unit 3 evaluates the signal response in a mathematically meaningful manner and forwards the result to the display and evaluation unit 5 . The analog switch S1 is controlled via a control device 4 and the light-emitting semiconductor diode V1 is switched between light emission and light reception. The switchover can be done once or continuously. The possible course of the signal response can have the course assumed in FIG. 4. The courses only serve to represent the attainable pulse forms and the relevant times for their occurrence.

Hier ist die Schaltungsanordnung als Remissionsphotometer geschaltet.Here the circuit arrangement is switched as a reflectance photometer.

3. Es werden nach Fig. 2 mehrfarbige LED's, sogenannte Full-Color-RGB-LED mit den drei Grundfarben rot, grün und blau oder auch Duo-LED's mit zwei verschiedenen Farben verwendet, die als Sendedioden oder als Empfangsdioden beliebig geschaltet werden können. Die Anzahl der Einzeldioden ist hierbei in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. So kann mit den blauen LED's das Meßobjekt bestrahlt werden und mit den anderen Dioden die remittierte Strahlung erfaßt werden. Es können hierbei die Leuchtdioden in Dauerbetrieb oder in Impulsbetrieb arbeiten. So können auch alle Dioden abwechselnd als LED oder als Fotodiode geschaltet werden. Die Arbeitsweise der Einzeldioden, ob als LED oder Fotodiode ist abhängig von der jeweiligen Meßaufgabe. Die Betriebsweise ist hier mit dem eines Spektralphotometers vergleichbar, da über die verschiedenfarbigen LED's auch die jeweiligen Farbanteile (spektrale Verteilungen) der LED's erfaßt werden können. Die LED's erfassen gut die spektralen Anteile des Lichts mit der sie ihr Licht aussenden.3. According to FIG. 2, multi-colored LEDs, so-called full-color RGB LEDs with the three primary colors red, green and blue, or also duo LEDs with two different colors are used, which can be switched as transmit diodes or as receive diodes. The number of individual diodes is housed in a common housing. The object to be measured can be irradiated with the blue LEDs and the remitted radiation can be detected with the other diodes. The light-emitting diodes can work continuously or in pulse mode. So all diodes can be switched alternately as LED or as a photodiode. The mode of operation of the individual diodes, whether as an LED or a photodiode, depends on the respective measurement task. The mode of operation is comparable to that of a spectrophotometer, since the different color components (spectral distributions) of the LEDs can also be detected via the differently colored LEDs. The LEDs capture well the spectral components of the light with which they emit their light.

4. Der Lichtweg wird über ein Lichtleiterkabel vom Halbleitersendeempfänger V1 zur remittierenden Materie geleitet. Der Lichtleiter kann zum mechanischen Schutz zusätzlich in einer Metallkanüle (z. B.: Spritzennadel) geführt sein. Mit einer solchen Konstruktion lassen sich photometrische Messungen in situ durchführen.4. The light path is via an optical fiber cable from the semiconductor transceiver V1 to remitting matter directed. The light guide can also be used for mechanical protection a metal cannula (e.g. syringe needle). Leave with such a construction conduct photometric measurements in situ.

Die Tatsache, daß sich LED's und LD's als Sender und Empfänger von optischer Strahlung verwenden lassen, ergeben vielversprechende Möglichkeiten für die optische Meßtechnik.The fact that LEDs and LDs act as transmitters and receivers of optical radiation Let use, offer promising opportunities for optical measurement technology.

Gegenüber dem bekannten Stand der Technik, wo für die Lichtemission eine optische Strahlungsquelle und für die optische Strahlungsmessung eine weitere Fotodiode eingesetzt sind, bedeutet mein Vorschlag eine Vereinfachung und preisgünstigere Ausführung optoelektronischer Meßeinrichtungen. Umfangreiche Einrichtungen zur Strahlungsführung, wie halbdurchlässige Umlenkspiegeleinrichtungen können gegebenenfalls entfallen. Ebenso können Fremdlichteinflüsse stark reduziert werden, da die Empfänger annäherend Licht der gleichen spektralen Verteilung empfangen, wie sie bei Betrieb als Lichtquelle (LED oder LD) aussenden. Dies verspricht besonders bei der Verwendung von Laserdioden eine starke Verminderung von Fremdlichteinflüssen. Besonders in Hinblick auf die Entwicklung leistungsstärkerer Halbleiterlichtquellen und noch schnellerer elektronischer Analogschalter ergeben sich für die Zukunft weitere interessante Möglichkeiten.Compared to the known prior art, where an optical for light emission Radiation source and another photodiode used for optical radiation measurement my proposal means a simplification and cheaper execution optoelectronic measuring devices. Comprehensive facilities for radiation control, such as semi-transparent deflecting mirror devices can be omitted if necessary. As well influences of extraneous light can be greatly reduced, as the receiver approximates the light receive the same spectral distribution as when operating as a light source (LED or LD) send out. This promises a strong one, especially when using laser diodes Reduction of extraneous light influences. Especially in terms of development more powerful semiconductor light sources and even faster electronic analog switches there are other interesting opportunities for the future.

Claims

1. Light radar and reflectance photometer for measuring reflected or remitted optical radiation, characterized in that the optoelectronic measuring device includes an optoelectronic semiconductor, preferably a light-emitting diode (LED) or a laser diode (LD) for transmitting or receiving optical radiation, the two operating modes can be switched or received by a switch (preferably fast electronic analog switch) and the transit time of the transmitted and received signal it can be used to measure the distance between the reflecting surface and the transceiver.

2. Optoelectronic measuring device according to claim 1, characterized in that the temporal course of the light remitted by the matter is detected and further processed by a signal processing unit and so back draw conclusions about the nature of the irradiated substances.

3. Optoelectronic measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the emitted and received optical radiation by an optical fiber is guided, which is located in a cannula and thereby Have optoelectronic measurements carried out in situ.

4. Optoelectronic measuring device according to one of the preceding claims characterized in that multi-colored light-emitting diodes as transceivers (LED's or LD's) can be used with a common housing and each after driving the optical semiconductors (multiple LEDs) also spectral distributions of the let the irradiated matter make remitting light.