DE4333113A1

DE4333113A1 - Optischer Entfernungsmesser

Info

Publication number: DE4333113A1
Application number: DE19934333113
Authority: DE
Inventors: Arnim Fiebig
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1993-09-29
Filing date: 1993-09-29
Publication date: 1995-03-30

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Entfernungsmesser mit einem optischen Sender und einem optischen Empfänger nach der Gattung des Hauptanspruchs. Optische Entfernungsmesser sind schon bekannt. Wegen der großen Lichtgeschwindigkeit von 300 000 km/s ist jedoch eine Laufzeitmessung bei kurzen Entfernungen nur mit hohem Aufwand durch führbar. Bei bekannten Meßeinrichtungen wird ein Lichtimpuls oder eine Impulsfolge ausgesandt und die Laufzeit bis zum Empfang des Echos gemessen. Die Auswerteschaltungen für die in der Regel sehr kurzen Laufzeiten, die im Bereich von Pikosekunden bis Nanosekunden liegen können, sind sehr aufwendig. Einfache, portable Handgeräte sind zu erschwinglichen Preisen daher nicht herstellbar. Um dieses Problem zu lösen, wurden bisher Ultraschall-Meßgeräte gebaut. Diese haben jedoch den Nachteil, daß der ausgesandte Ultraschallimpuls nicht sichtbar ist und daher bei nicht ebenen Flächen nicht bekannt ist, an welcher Stelle der Fläche der Abstand gemessen wurde.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsmäße Entfernungsmesser mit den kennzeichnenden Merk malen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß durch Messung im optischen Bereich der Ort der Messung durch die Strahlung direkt sichtbar ist. Dadurch kann auch an nicht ebenen Flächen genau gemessen werden. Besonders vorteilhaft ist, daß die Meßstrecke in die Oszillatorfrequenz direkt einbezogen ist. Dadurch stellt sich bei einer großen Meßstrecke eine kleine Oszillatorfrequenz und bei einer kleinen Meßstrecke eine große Oszillatorfrequenz ein. Die von der Meßstrecke abhängige Oszillatorfrequenz oder deren Änderung kann besonders einfach ausgewertet werden.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen angeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Entfernungsmessers möglich. Eine besonders einfache Oszillatorschaltung wird durch wenigstens zwei in Reihe geschaltete Gatterschaltungen, beispielsweise UND-Gatter gebildet, wobei an einer Stelle der optische Sender und Empfänger zwischengeschaltet sind. Dadurch wird die Frequenz des Oszillators durch die Laufzeit der Lichtstrahlung zwischen dem Sender und dem Empfänger mitbestimmt.

Eine vorteilhafte Auswertung der Laufzeit ergibt sich durch Ver gleich mit einer bekannten Referenzstrecke, wenn zunächst eine erste Frequenz für die zu messende Strecke und dann eine zweite Frequenz für die bekannte Referenzstrecke gemessen wird. Die Differenz der beiden Frequenzen ist ein direktes Maß für die zu messende Meß strecke, da die Laufzeiten des elektrischen Signales in den Gatter schaltungen sowohl bei der ersten Messung als auch bei der zweiten Messung gleich lang ist. Durch die Subtraktion wird die Laufzeit der elektrischen Signale eliminiert, so daß deren Einfluß das Meßergebnis nicht verfälscht. Dadurch ergibt sich auch ohne Temperatur- oder Spannungsstabilisierung eine ausreichende Genauig keit für das Meßergebnis.

Vorteilhaft ist weiter, daß zur Messung der Frequenz ein erster Zähler verwendet wird, der eine Vielzahl von Perioden der Frequenz erfaßt. Dadurch kann auf einfache Weise ein Mittelwert für die ge messene Frequenz gebildet werden, so daß Störimpulse sich nicht störend auswirken können.

Durch das Vorwärts- und Rückwärtszählen des zweiten Zählers bei der Messung der Meßstrecke und der Referenzstrecke wird somit direkt die Differenz gebildet, die ein Maß für die Meßstrecke ist. Eine auf wendige Umrechnung ist nicht mehr erforderlich. Im einfachsten Fall kann dieser Wert direkt auf einer optischen Anzeige ausgegeben werden.

Um Störsignale weiter zu unterdrücken, kann vorteilhaft ein Träger signal mit der gemessenen Frequenz moduliert werden. Diese Frequenz kann dann über einfache Filterschaltungen ausgefiltert und ausge wertet werden.

Durch den einfachen Aufbau der Auswerteschaltung kann der optische Sender und Empfänger in einem Gehäuse angeordnet werden, so daß die von einer Wand reflektierte Strahlung gemessen und dadurch der Ab stand zur Wand direkt bestimmt werden kann.

Eine besonders vorteilhafte Anwendung ist die Ausführung als portables Handgerät, das leicht und schnell von einem Handwerker eingesetzt werden kann.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine selbstschwingende Schaltung,

Fig. 2 eine selbstschwingende Schaltung mit einer optischen Meßstrecke,

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Auswerteschaltung,

Fig. 4 zeigt eine praktische Anordnung und

Fig. 5 zeigt Diagramme mit einem Funktionsbeispiel.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1 zeigt eine selbstschwingende Schaltung mit UND-Gatter schaltungen, die in Reihe geschaltet sind. Das letzte Gatter 1 ist als Invertergatter ausgebildet und zum ersten Gatter 1 zurückge koppelt. An dem Inverter 1 wird die Oszillatorfrequenz abgegriffen, die im wesentlichen durch die Anzahl der Laufzeiten in den einzelnen Gattern 1 bestimmt ist. Je mehr Gatter angeordnet sind, um so geringer ist die Oszillatorfrequenz und umgekehrt. Jeweils zwei Durchläufe bilden dabei eine Periode der Frequenz. Diese Oszillator schaltung ist per se bekannt.

Die zu Fig. 1 beschriebene selbstschwingende Schaltung wird nun zwischen zwei Gattern 1 aufgetrennt und ein optischer Sender 3 und entsprechend angepaßt vor den Eingang des nächsten Gatters 1 ein optischer Empfänger 4 zwischengeschaltet. Es erscheint zweckmäßig, dem optischen Sender 3 und Empfänger 4 entsprechende Signalver stärker 2, 5 vor- bzw. nachzuschalten, damit das Oszillatorsignal angepaßt und hinreichend intensiv über den Sender 3 abgestrahlt werden kann. Zwischen dem Sender 3 und dem Empfänger 4 befindet sich die zu messende Strecke 52.

Als Sender 3 ist vorteilhaft eine Laserdiode verwendbar, deren Strahlung im sichtbaren Spektrum, beispielsweise im Rotspektrum liegt. Als Empfänger 4 kann eine Fotodiode verwendet werden. Der Verstärker transformiert das empfangene Signal auf den Eingangspegel des nachfolgenden Gatters 1. Derartige Verstärker 2, 5 sind bekannt und müssen daher nicht näher beschrieben werden. Am Ausgang des Inverters 1 ist nun die Frequenz fx abgreifbar, wobei die Frequenz oder deren Periodendauer umgekehrt proportional zur Meßstrecke s2 ist.

Die Funktionsweise des Entfernungsmessers wird anhand der Fig. 3 bis 5 näher erläutert. Fig. 4 zeigt zunächst eine praktische Aus führung des Entfernungsmessers in einem Gehäuse 21, bei dem in einer Öffnung 23 eine Sammellinse angeordnet ist. Die Öffnung 23 ist weiter als Blende 25 ausgebildet, die verschließbar ist. Der optische Sender 3 sendet nun Licht durch die Öffnung 23, das von der Linse gebündelt wird und auf eine Wand 24 fällt. Innerhalb des Ge häuses fällt die optische Strahlung durch einen halbdurchlässigen Spiegel 22, der in einem Winkel von ca. 45° zur Strahlrichtung ge neigt ist. Das von der Wand 24 reflektierte Licht fällt ebenfalls durch die Öffnung 23 und wird durch den halbdurchlässigen Spiegel 22 auf den darunter angeordneten Empfänger 4 gerichtet. In dem Gehäuse ist noch weiter die Auswerteschaltung 20 sowie eine Anzeige 12 und nicht dargestellte Batterien angeordnet. Des weiteren ist in dem Gehäuse eine Referenzstrecke s1 mit einer definierten Länge darge stellt. Die Referenzstrecke geht vom Sender 3 zur Blende 25. Der reflektierte Strahl bildet vorteilhaft von der Blende über den halb durchlässigen Spiegel bis zum Empfänger 4 ebenfalls eine Referenz strecke s1. Diese Referenzstrecke hat beispielsweise eine Länge von s1 = 60 mm.

Im folgenden wird die Funktionsweise des Entfernungsmessers näher erläutert. Wie aus Fig. 3 ersichtlich ist, zählt der erste Zähler M nach Auslösen des Starts bis zum einem vorgegebenen Zählwert hoch.

Am Ausgang C wird ein Überlaufsignal über einen Inverter 14 auf das Gatter 13 rückgekoppelt, wodurch der erste Zähler M und der zweite Zähler N gestoppt werden. Der Start wird beispielsweise durch eine Starttaste ausgelöst und startet beide Zähler M, N, nachdem zuvor beide Zähler über einen Reset-Eingang zurückgesetzt wurden. Da zwischen der Referenzstrecke s1 und der Meßstrecke s2 unterschieden werden muß, ist noch ein Umschalter 17 vorgesehen, mit dem der zweite Zähler N entweder zum Vorwärtszählen oder Rückwärtszählen umschaltbar ist. Dieser Umschalter 17 ist vorteilhaft mit einer Blende 25 an der Öffnung 23 des Entfernungsmessers gekoppelt. Diese Blende ist mechanisch als Reflektor oder elektrisch als umschalt barer Flüssigkristall (LCD) ausgebildet. Dabei kann der Flüssig kristall einmal transmissiv geschaltet werden, um die Lichtstrahlung hindurchzulassen und andererseits reflektiv, um den Lichtstrahl für die Messung der Referenzstrecke zu reflektieren.

Es wird nun angenommen, daß bei einer ersten Messung die Meßstrecke s2 gemessen werden soll und daher die Blende 25 transmissiv ist. Nach dem Auslösen des Starts läuft nun der erste Zähler M und der zweite Zähler N hoch. Der erste Zähler M wird getaktet mit einer Frequenz, die sich durch die Laufzeitverzögerung der elektronischen Bauteile sowie der Laufzeit des Lichtstrahls über die Referenz strecke s1, die Meßstrecke s2 und zurück über die Meßstrecke s2 und s1 bis zum Empfänger 4 ergibt. Diese gesamte Signallaufzeit ergibt eine Frequenz f bzw. eine Periodendauer t_p. Diese Periode wird so oft durchlaufen, bis der vorgegebene Zählwert des ersten Zählers M erreicht ist. Der parallellaufende zweite Zähler N wird mit einer festen Frequenz f₀ getaktet und läuft so lange, bis der erste Zähler M gestoppt hat. Durch die feste vorgegebene Frequenz f₀ läuft der zweite Zähler N nun auf einen bestimmten Wert.

Anschließend wird auf den Referenzwert s1 umgeschaltet und ein neuer Start ausgelöst, nachdem der erste Zähler M zuvor zurückgesetzt wurde. Der Schalter 17 wird nun umgeschaltet zum Rückwärtszählen. Ebenso wird die Blende 25 auf reflektiv geschaltet. Nach erneutem Start wiederholt sich der Vorgang, wobei allerdings der Lichtstrahl nun vom Sender 3 über die Referenzstrecke s1 bis zur Blende 25 und von dort vorzugsweise über die gleiche Referenzstrecke s1 zum Empfänger fällt. Während dieser Zeit läuft der zweite Zähler N rück wärts und zieht den Zählwert vom vorherigen gespeicherten Wert ab. Nach dem Stop verbleibt ein Differenzwert der Zählzeiten, die bei Berücksichtigung der Frequenz f₀ der Meßstrecke s2 entspricht. Dieses Ergebnis kann von einer Rechnerschaltung weiterverarbeitet oder auf der Anzeige 12 im richtigen Maßstab ausgegeben werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, anstelle der Zähler einen Mikrorechner zu verwenden, der ein entsprechendes Steuerprogramm aufweist.

Fig. 5 zeigt den geschilderten Ablauf nochmals anschaulich. Das Diagramm zeigt ganz oben nach dem ersten Start für die Meßstrecke s2 in nicht maßstäblicher Darstellung eine Frequenz f_X2. Der zweite Zähler N startet nun in Vorwärtsrichtung und zählt im Takt der Frequenz f₀ bis zum Wert t₂. Dieser Wert wird zwischenge speichert. Danach wird auf die Referenzstrecke umgeschaltet und zweiter Start mit dem Zahler M ausgelöst, wie in dem zweiten Dia gramm von oben erkennbar ist. Der zweite Zähler N läuft nun rück wärts vom Wert t2 auf den Wert t1, wie symbolisch in dem vierten Diagramm von oben dargestellt wurde. Als Restwert verbleibt im zweiten Zähler N der Betrag der Differenz |t2-t1|, der zur weiteren Verarbeitung verfügbar ist.

Anhand eines einfachen Zahlenbeispiels wird nochmals der Zusammen hang näher erläutert.

Bekanntlich beträgt die Lichtgeschwindigkeit c = 300 000 km/s, d. h. das Licht benötigt für einen Millimeter Wegstrecke

t = 3,3 ps (1)

allgemein ergibt sich für eine Meßstrecke s die Laufzeit

t_s = t·s (2)

Es wird angenommen, daß die Referenzstrecke s1 = 60 mm und die Meß strecke s2 = 21 in beträgt. Daraus ergibt sich für die Laufzeit des Lichtstrahls über die Referenzstrecke s1

t1 = t·s1 = 0,2 ns (3)

und für die Meßstrecke s2

t2 = t·s2 = 70 ns (4)

Für die Verzögerung des elektrischen Signales in der Elektronik, insbesondere den Gatterschaltungen wird eine Verzögerungszeit

t_G = 200 ns (5)

angenommen.

Mittels des ersten Zählers M sollen möglichst viele Schwingungen gezählt werden, damit die Genauigkeit der Messung gewährleistet ist.

Als Zählwert wird vorteilhaft folgende Formel angegeben

M = 1/(4·t·f0) = 9375 (5a)

Dies entspricht gerade der Laufzeit von einem Vielfachen eines Millimeters.

Wie aus Fig. 4 ersichtlich ist, ergibt sich für die Periodendauer einer Schwingung

t_P = 2·(t_G + 2·t_s) (6)

Für das Gerät nach Fig. 4 ergeben sich damit durch Einsetzen in Gleichung (6) folgende Periodendauern

a) für die Referenzstrecke s1: t_P1 = 2·(t_G + 2·t₁) = 400,80 ns (8)
b) für die Meßstrecke s2 gilt entsprechend für die Periodendauer: t_P2 = 2·(t_G + 2·(t₁ + t₂)) = 680,80 ns (10)

Da die beiden Frequenzwerte M = 9375mal durchlaufen wurden, ergibt sich entsprechend eine mittlere Laufzeit

t_M1,2 = M·t_P1 (11)

Entsprechend ergibt sich durch Einsetzen in Gleichung (8) und (10) für die Referenzstrecke eine Meßzeit

t_M1 = 3,7575 ms bzw. (12)

für die Meßstrecke s2

t_M2 = 6,3749 ms (13)

Da durch den Zählwert M die Laufzeit pro Millimeter Wegstrecke be rücksichtigt wurde, ergibt sich durch Differenzbildung und Multi plikation mit der festen Frequenz f₀ aus den Gleichungen 12 und 13 die Meßstrecke

s2 = f₀·(t_M2 - t_M1) =
8×10⁶·(6,3825-3,7575) = 21000 mm (14)

als gesuchtes Ergebnis.

Wie insbesondere aus der letzten Gleichung ersichtlich ist, wird durch die Subtraktion die Gatterlaufzeit eliminiert. Die genaue Kenntnis der Laufzeit in den Gatterschaltungen ist daher nicht er forderlich. Auch wirkt sich vorteilhaft deren negativer Einfluß nicht aus, so daß das Meßergebnis sehr genau wird.

Eine bevorzugte Anwendung des Entfernungsmessers ist wegen der ein fachen Auswerteschaltung als portables Handgerät vorgesehen. Weiter ist vorgesehen, für die Reflexionsmessung einen Spiegel zu ver wenden, um ein brauchbares Echosignal zu erhalten.

Zur Verbesserung der Störempfindlichkeit kann das Meßsignal zur Modulation einer Trägerfrequenz verwendet werden, die mit der ge messenen Frequenz t_s1 bzw. f_s2 entsprechend moduliert und de moduliert wird.

Claims

1. Entfernungsmesser mit einem optischen Sender, vorzugsweise einer Laserdiode, die eine sichtbare Strahlung an einen zugeordneten optischen Empfänger abgibt, mit einer Auswerteschaltung für eine Meßstrecke und mit einer Anzeige, dadurch gekennzeichnet, daß der Entfernungsmesser eine selbstschwingende Schaltung (1) aufweist, deren Frequenz (f_x) von der Länge der Meßstrecke (s2) abhängt und daß die Auswerteschaltung (20) Mittel (10 bis 16) aufweist, mit denen aus der Frequenz (f_x) oder deren Periodendauer (t_p1, t_p2) und/oder deren Änderungen die Länge der Meßstrecke (s2) be stimmbar ist.

2. Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die selbstschwingende Schaltung (1) wenigstens eine als Inverter ausgebildete Gatterschaltung (1) aufweist und daß zwischen einem Ausgang und einem Eingang der Gatterschaltung der optische Sender (3) und der optische Empfänger (4) in Reihe angeordnet ist, wobei der Weg der Lichtstrahlung zwischen dem optischen Sender (3) und dem optischen Empfänger (4) die Meßstrecke (s2) bildet.

3. Entfernungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die selbstschwingende Schaltung (1) zunächst auf die Meßstrecke (s2) zur Messung einer ersten Frequenz (f₁) oder deren Periodendauer (t_p1) und dann auf eine vorgegebene Referenzstrecke (s1) mit be kannter Länge zur Messung einer zweiten Frequenz (f_x2) bzw. einer zweiten Periodendauer (t_p2) schaltbar ist und daß die Auswerte schaltung (20) aus der Differenz der Periodendauern die Länge der Meßstecke ermittelt.

4. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (20) aus einer Viel zahl von Perioden der beiden Frequenzen (f_x1, f_x2) die ent sprechenden Mittelwerte bildet und diese zur Bestimmung der Meß strecke verwendet.

5. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (20) einen ersten Zähler (10) mit einer vorgegebenen Länge zur Zählung der Schwingungen der Frequenzen ausgebildet ist.

6. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (20) einen zweiten Zähler (11) aufweist, daß der zweite Zähler (11) vom ersten Zähler (10) gestartet und gestoppt wird, daß der zweite Zähler (11) mit einer festen Frequenz (f₀) getaktet wird und daß der zweite Zähler bei Messung der Meßstrecke (s2) vorwärts zählt und bei Umschalten auf die Referenzstrecke (s1) beginnend mit dem letzten Wert rück wärts zählt.

7. Entfernungsmesser nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der verbleibende Wert des zweiten Zählers (11) als Maß für die Meßstrecke (s2) auswertbar und vorzugsweise auf einer optischen An zeigte (12) ausgebbar ist.

8. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Frequenz der selbstschwingenden Schal tung (1) eine Trägerfrequenz moduliert.

9. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der optische Sender (3) und der optische Empfänger (4) mit einer Laserdiode bzw. einer Fotodiode ausgebildet sind, die im gleichen Gehäuse angeordnet sind.

10. Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Entfernungsmesser als portables Hand gerät ausgebildet ist.