DE602005001664T2

DE602005001664T2 - Optischer Entfernungsmesser

Info

Publication number: DE602005001664T2
Application number: DE602005001664T
Authority: DE
Inventors: Toshihiro Mori; Hirohiko Kawata; Shinichi Yuta
Original assignee: Hokuyo Automatic Co Ltd
Current assignee: Hokuyo Automatic Co Ltd
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2025-02-26
Also published as: JP2006003127A; CN1712990A; CN100538398C; EP1607767B1; US7177014B2; JP3935897B2; DE602005001664D1; EP1607767A1; US20050275827A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Entfernungsmesser zum Messen einer Entfernung von einem zu messenden Objekt durch Verwendung einer amplitudenmodulierten Lichtwelle.
Relevanter Stand der Technik
Was herkömmliche optische Entfernungsmesser betrifft, so ist hier einerseits eine Vorrichtung bekannt, die ein Time-of-flight-System (TOF-System) verwendet, und andererseits eine Vorrichtung, die ein Amplitudenmodulationssystem (AM-System) verwendet.
Der optische Entfernungsmesser mit dem TOF-System arbeitet so, dass ein Entfernungsmesslicht, welches pulsartig emittiert wird, einem zu messenden Gegenstand zugeführt wird und das Entfernungsmesslicht, welches von dem zu messenden Gegenstand reflektiert wird, empfangen wird, um einen Abstand zu dem zu messenden Gegenstand auf der Basis einer Zeitverzögerung zwischen einem Zeitpunkt des Zuführens des Entfernungsmesslichts und einem Zeitpunkt des Empfangs des Entfernungsmesslichts zu messen (siehe JP 07-63853 A ). Der optische Entfernungsmesser dieses Systems benötigt einen Breitbandverstärker und einen Hochgeschwindigkeits-Rechenoperationsschaltkreis, denn wenn für die Messung ein hohes Maß an Präzision erforderlich ist, muss eine extrem kurze Zeit gemessen werden. Somit ist der optische Entfernungsmesser dieses Systems auch in Bezug auf die Technik schwer herzustellen, und die dabei verwendeten Teile bzw. Bauteile sind teuer. Der optische Entfernungsmesser mit dem AM-System kann dagegen mit günstigen Teilen bzw. Bauteilen konstruiert werden, da der Abstand unter Verwendung einer relativ niedrigen Frequenz von mehreren zehn MHz mit hoher Präzision gemessen werden kann. Aus diesem Grund wurde in vielen Fällen, bei welchen ein breites Anwendungsgebiet erforderlich war, das AM- System bei dem optischen Entfernungsmesser angewendet. Die Prinzipien der Messung bei dem AM-System werden nachfolgend unter Bezugnahme auf 7 beschrieben.
Ein Entfernungsmesslicht, das mit einem Signal mit einer Frequenz f amplitudenmoduliert wird, wird von einer Lichtquelleneinheit 70, wie z.B. einem Laser, einem Messgegenstand 80 zugeführt, und das Entfernungsmesslicht, das von dem Messgegenstand 80 reflektiert wird, wird von einer Lichtaufnahmeeinheit 90, wie z.B. einer Lawinen-Photodiode (APD), empfangen.
Zu diesem Zeitpunkt hat das empfangene Entfernungsmesslicht eine Phasendifferenz ΔΦ, die einem Abstand L zu dem zu messenden Gegenstand entspricht. Wenn dann die Phasendifferenz ΔΦ zwischen dem Entfernungsmesslicht nach dessen Zufuhr und dem Entfernungsmesslicht nach dessen Empfang gemessen wird, erhält man den Abstand L aus folgender Gleichung 1: Gleichung 1
wobei C eine Lichtgeschwindigkeit ist.
Es ist anzumerken, dass bei der eigentlichen Messung die Frequenz des Signals, mit dem das Entfernungsmesslicht amplitudenmoduliert wird, auf zwei oder mehr Arten verändert wird. Der Grund für die Anwendung eines derartigen Verfahrens liegt darin, dass vermieden wird, dass die Messung für einen Abstand größer oder gleich C/2f unmöglich wird, denn wenn der Abstand L in Gleichung 1 ein Vielfaches von C/2f wird, wird die Phasendifferenz ΔΦ Null (siehe JP 2002-90455 A ).
Um jedoch bei dem herkömmlichen optischen Entfernungsmesser mit dem AM-System die Phasendifferenz zwischen dem Entfernungsmesslicht nach dessen Zufuhr und dem Entfernungsmesslicht nach dessen Empfang aus dem Entfernungsmesslicht direkt zu ermitteln, muss das Entfernungsmesslicht unter Verwendung eines Sampling-Signals, welches eine Frequenz hat, die um ein Vielfaches höher ist als die des Entfernungsmesslichts, A/D-gewandelt werden. Aus diesem Grund wird ein teurer A/D-Wandler benötigt, der für die Frequenz des Sampling-Signals verantwortlich ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um die vorgenannten Probleme zu lösen, und der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen optischen Entfernungsmesser zu schaffen.
Der optische Entfernungsmesser umfasst: eine Lichtquelleneinheit, um ein Entfernungsmesslicht, das mit einem elektrischen Referenzsignal als Sinuswellensignal mit einer vorherbestimmten Frequenz amplitudenmoduliert wird, einem zu messenden Objekt zuzuführen; eine Lichtaufnahmeeinheit zum Empfangen des Entfernungsmesslichts, das von dem zu messenden Objekt reflektiert wird, um das empfangene Entfernungsmesslicht in ein empfangenes elektrisches Signal umzuwandeln; A/D-Wandlermittel, um das elektrische Referenzsignal und das empfangene elektrische Signal auf der Basis eines Sampling-Signals zu wandeln; Phasendifferenz-Erfassungsmittel, um Phasen des elektrischen Referenzsignals und des empfangenen elektrischen Signals, die von den A/D-Wandlermitteln gewandelt werden, zu erfassen und die Phase des elektrischen Referenzsignals von der Phase des empfangenen elektrischen Signals zu subtrahieren, wodurch eine Phasendifferenz zwischen dem elektrischen Referenzsignal und dem empfangenen elektrischen Signal erfasst wird; und Entfernungserfassungsmittel, um eine Entfernung von dem zu messenden Objekt auf der Basis der Phasendifferenz zu erfassen, die von den Phasendifferenz-Erfassungsmitteln erfasst wurde, wobei das elektrische Referenzsignal zwei Arten von Frequenzen hat, die sich voneinander unterscheiden, wovon eine alternativ ausgewählt wird, und wobei das Sampling-Signal mit dem elektrischen Referenzsignal, das die zwei Arten von Frequenzen hat, alle n Mal einmal synchronisiert wird, und eine Frequenz des Sampling-Signals einem Mittelwert der beiden Arten von Frequenzen der elektrischen Referenzsignale entspricht, und wobei das A/D- Wandlermittel mindestens eine A/D-Wandlung des elektrischen Referenzsignals und des empfangenen elektrischen Signals pro Periode auf der Basis des Sampling-Signals durchführt. Hierbei steht n für eine ganze Zahl.
Mit der vorgenannten Konstruktion wird sowohl das elektrische Referenzsignal als auch das empfangene elektrische Signal A/D-gewandelt, damit dessen Wellenlänge abwärts gewandelt wird, unter Verwendung eines Signals, das eine Frequenz hat, die einer Frequenzdifferenz zwischen dem elektrischen Referenzsignal und dem Sampling-Signal entspricht. Das heißt, die Phase kann im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Phase direkt aus der Signalwellenform erfasst wird, durch das A/D-Wandlermittel arithmetisch berechnet werden, das eine kleine Rechenoperations-Verarbeitungsfähigkeit hat.
Die vorliegende Erfindung ist so konstruiert, dass, wenn einer der beiden Arten von Frequenzen des elektrischen Referenzsignals f₁ zugeordnet wird, der anderen f₂ zugeordnet wird, und der Frequenz des Sampling-Signals f_s zugeordnet wird, das Verhältnis in Gleichung 2 erfüllt wird:
Gleichung 2

f1/fs = (n + 1)/n f2/fs = (n – 1)/n

Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung so konstruiert sein, dass das Entfernungsmesslicht als Burst emittiert wird.
Außerdem kann die vorliegende Erfindung so konstruiert sein, dass das Phasendifferenz-Erfassungsmittel einen Gleichanteil, der in digitalen Daten des elektrischen Referenzsignals und des empfangenen elektrischen Signals enthalten ist, auf der Basis des empfangenen elektrischen Signals bei fehlender Lichtaussendung des Entfernungsmesslichts, das von den A/D-Wandlermitteln in die digitalen Daten umgewandelt wird, entfernt.
Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung so konstruiert sein, dass das Sampling-Signal mindestens zwei Arten von Signalen enthält, die in ihrer Frequenz miteinander iden tisch sind, sich aber in der Phase voneinander unterscheiden, und dass das Phasendifferenz-Erfassungsmittel das elektrische Referenzsignal und das empfangene elektrische Signal wiederherstellt, indem es die einzelnen digitalen Daten, die durch die A/D-Wandlung in dem A/D-Wandlermittel erhalten werden, umordnet.
Wie vorstehend beschrieben, ist gemäß der vorliegenden Erfindung bei der A/D-Wandlung des Entfernungsmesslichts keine Hochgeschwindigkeits-Rechenoperationsverarbeitung für das A/D-Wandlermittel erforderlich. Folglich ist es möglich, den optischen Entfernungsmesser mit dem AM-System mit einem kostengünstigen A/D-Wandler zu schaffen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
In der anliegenden Zeichnung zeigen:
1 ein Blockdiagramm, das eine Konstruktion eines optischen Entfernungsmessers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2A, 2B und 2C jeweils ein konzeptionelles Diagramm, das eine Wellenform eines empfangenen elektrischen Signals zeigt, ein konzeptionelles Diagramm, das eine Wellenform eines Sampling-Signals zeigt, und ein konzeptionelles Diagramm, das eine Wellenform eines wiederhergestellten Signals zeigt;
3A und 3B Wellenformdiagramme, die jeweils ein Entfernungsmesslicht nach dessen Zufuhr in einem Emissionszustand zeigen, und
3C ein Wellenformdiagramm, das ein Entfernungsmesslicht nach dessen Empfang in einem Aussendezustand zeigt;
4A, 4B, 4C und 4D jeweils Wellenformdiagramme von wiederhergestellten Signalen;
5 eine graphische Darstellung von Testergebnissen;
6 eine graphische Darstellung von Testergebnissen; und
7 eine konzeptionelle Darstellung der Messprinzipien eines optischen Entfernungsmessers mit einem AM-System.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Nachfolgend wird ein optischer Entfernungsmesser gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Der optische Entfernungsmesser weist Folgendes auf: eine Lichtquelleneinheit 10, die einen Hauptoszillator 11 aufweist, eine erste Phasenregelkreisschaltung (PLL-Schaltung) 12, eine zweite PLL-Schaltung 13, einen Laser-Treiberschaltkreis 14 und einen Laser 15 als Licht emittierendes Element; eine Lichtaufnahmeeinheit 20, die eine Lawinen-Photodiode (APD) 21 und einen Verstärker 22 aufweist; A/D-Wandlermittel 30, die einen ersten A/D-Wandler 31 und einen zweiten A/D-Wandler 32 aufweisen; Phasendifferenz-Erfassungsmittel 40, die einen Phasendifferenz-Rechenoperationsschaltkreis 41 aufweisen; und ein Entfernungserfassungsmittel 50, das eine CPU 51 aufweist. Es ist anzumerken, dass bei dieser Ausführungsform ein Sampling-Signal mit einer dritten PLL-Schaltung 60 erzeugt wird. Darüber hinaus können die erste bis dritte PLL-Schaltung 12, 13 und 60 durch eine andere geeignete Schaltung ersetzt werden, um eine Frequenz eines Eingangssignals in eine beliebige Frequenz zu ändern und das sich ergebende Signal auszugeben, der Laser 15 kann durch ein anderes geeignetes Licht emittierendes Element ersetzt werden, und die APD 21 kann durch ein anderes geeignetes Lichtaufnahmeelement ersetzt werden (usw.). Nachfolgend wird eine Konstruktion der Bauelemente beschrieben.
Der Hauptoszillator 11 erzeugt ein Signal mit einer Frequenz f₀ und ist mit den ersten und zweiten PLL-Schaltungen 12 und 13 verbunden. Die ersten und zweiten PLL-Schaltungen 12 und 13 geben aus dem Signal mit der Frequenz f₀, das durch den Hauptoszillator 11 er zeugt wird, zwei elektrische Referenzsignale als zwei Sinuswellensignale aus, die jeweils Frequenzen f₁ und f₂ haben. Die beiden elektrischen Referenzsignale werden dem Laser-Treiberschaltkreis 14 zugeführt, um eine Frequenzwahl und Amplitudenmodulation durchzuführen, und ein Entfernungsmesslicht mit der Frequenz f₁ oder f₂ wird wahlweise von dem Laser 15 abgegeben, der zwischen Ausgangsanschlüssen des Laser-Treiberschaltkreises 14 angeschlossen ist. Darüber hinaus wird auch das elektrische Referenzsignal, das in dem Laser-Treiberschaltkreis 14 ausgewählt wird, dem ersten A/D-Wandler 31 zugeführt. Da das elektrische Referenzsignal und das Entfernungsmesslicht nach dessen Zufuhr die gleiche Phaseninformation haben, wird bei dieser Ausführungsform das elektrische Referenzsignal direkt dem ersten A/D-Wandler 31 zugeführt.
Andererseits empfängt die APD 21 das Entfernungsmesslicht, das von dem Laser 15 zu einem zu messenden Objekt hin emittiert wird und von dem zu messenden Objekt reflektiert wird, um ein elektrisches Signal auszugeben, das dem empfangenen Entfernungsmesslicht entspricht (im Folgenden abkürzend als „empfangenes elektrisches Signal" bezeichnet). Das empfangene elektrische Signal wird über den Verstärker 22 dem zweiten A/D-Wandler 32 zugeführt.
Zusätzlich zu den ersten und zweiten PLL-Schaltungen 12 und 13 ist auch die dritte PLL-Schaltung 60 mit dem Hauptoszillator 11 verbunden. Die dritte PLL-Schaltung 60 gibt ein Sampling-Signal mit einer Frequenz f_s ausgehend von dem Signal mit der Frequenz f₀, welches von dem Hauptoszillator 11 in Schwingungen versetzt wird, aus, um das Sampling-Signal jedem der ersten und zweiten A/D-Wandler 31 und 32 zuzuführen. Der erste A/D-Wandler 31 wandelt das elektrische Referenzsignal auf der Basis der Frequenz f_s des Sampling-Signals, und der zweite A/D-Wandler 32 wandelt das empfangene elektrische Signal auf der Basis der Frequenz f_s des Sampling-Signals. Die einzelnen digitalen Daten, die durch die A/D-Wandlung sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten A/D-Wandler 31 und 32 erhalten wurden, werden zu dem Phasendifferenz-Rechenoperationsschaltkreis 41 geleitet, in dem wiederum eine Phasendifferenz zwischen dem elektrischen Referenzsignal und dem empfangenen elektrischen Signal arithmetisch berechnet wird. Die Ergebnisse der Rechenoperation werden in die CPU 51 eingegeben, um dort in Daten einer Entfernung umgewandelt zu werden. Es ist anzumerken, dass die CPU 51, obwohl das hier nicht darge stellt ist, ein Frequenzwahlsignal, das verwendet wird, um eine Frequenz des elektrischen Referenzsignals auszuwählen, dem Laser-Treiberschaltkreis 14 zuführen kann, und auch Daten wie die Daten über die erfasste Entfernung zu einer externen Schnittstelle übertragen kann. Darüber hinaus wird das elektrische Referenzsignal aus dem Laser-Treiberschaltkreis 14 direkt in den ersten A/D-Wandler 31 eingegeben. Als Alternative können jedoch der Laser (Laser 15) und die Lichtaufnahmeschaltung (APD 21) auch in einem Referenzabstand zueinander angeordnet werden, und in diesem Zustand kann das elektrische Referenzsignal in den ersten A/D-Wandler 31 eingegeben werden. Da in diesem Fall Phasenverzögerungen aufgrund einer Änderung der Temperatur in dem Licht emittierenden System und dem Lichtaufnahmesystem kompensiert werden können, kann eine Messung mit höherer Präzision realisiert werden.
Im Folgenden werden nun die Grundsätze der Rechenoperation für eine Entfernung zu dem zu messenden Gegenstand beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform zeigen die Frequenz f_s des Sampling-Signals und die Frequenzen f₁ und f₂ des elektrischen Referenzsignals das Verhältnis, das der Gleichung 2 genügt. Wenn das Entfernungsmesslicht, das mit dem elektrischen Referenzsignal mit der Frequenz f₁ moduliert wird, dem zu messenden Objekt zugeführt wird, hat auch das empfangene elektrische Signal, das von dem Entfernungsmesslicht zu erhalten ist, welches von dem zu messenden Objekt reflektiert wird, die Frequenz f₁. Wenn zu diesem Zeitpunkt das elektrische Referenzsignal und das empfangene elektrische Signal unter Verwendung des Sampling-Signals mit der Frequenz f_s gewandelt werden, wird die Wandlung für die einzelnen Wellenlängen durchgeführt. Die 2A, 2B und 2C zeigen konzeptionelle Diagramme von Wellenformen der Signale, wie z.B. von dem Signal, das durch die Phasendifferenz-Rechenoperationsschaltung 41 wiederhergestellt wird. Wenn das elektrische Referenzsignal und das empfangene elektrische Signal, die jeweils die Frequenz f₁ haben, unter Verwendung des Sampling-Signals mit der Frequenz f_s gewandelt werden, erhält man, wie in der Zeichnung dargestellt, das Signal, das einen absoluten Wert einer Frequenzdifferenz (f₁ – f_s) zwischen den Frequenzen f₁ und f_s als seine Frequenz hat, mit einer Periode, die n-mal so lang ist wie die des elektrischen Referenzsignals. Da dieses Signal abwärts gewandelt wird, während es die Phase hat, die jeweils ähnlich der Phase des elektrischen Referenzsignals und des emp fangenen elektrischen Signals ist, welche jeweils die Frequenz f₁ haben, ist es möglich, die Phase zu erhalten, indem dieses Signal analysiert wird. Wenn den k-ten digitalen Daten, die durch die A/D-Wandlung erhalten werden, S_k zugeordnet wird, wird die Phase zu diesem Zeitpunkt durch die Gleichung 3 ausgedrückt: Gleichung 3
wobei k eine ganze Zahl (0, 1, ... (n – 1)) ist.
Die Gleichung 3 bedeutet, dass die Phase durch Verwendung der Fourier-Transformation erhalten wird, und somit wird jeweils die Phase des elektrischen Referenzsignals und des empfangenen elektrischen Signals auf der Basis der Gleichung 3 arithmetisch berechnet. Die Phase des elektrischen Referenzsignals wird von der Phase des empfangenen elektrischen Signals subtrahiert, um eine Phasendifferenz ΔΦ zu erhalten. Dann wird die Phasendifferenz ΔΦ auf der Basis der Gleichung 1 in die Entfernung umgewandelt. Obwohl die obige Beschreibung sich auf den Fall bezieht, in dem die Frequenz des elektrischen Referenzsignals f₁ ist, gilt dies auch für einen Fall, in dem die Frequenz des elektrischen Referenzsignals f₂ ist.
Bei der eigentlichen Messung werden die Entfernungsmesslichter, die mit dem elektrischen Referenzsignal mit den Frequenzen f₁ und f₂ moduliert werden, abwechselnd dem zu messenden Gegenstand zugeführt. Folglich haben auch die empfangenen elektrischen Signale die Frequenzen f₁ und f₂.
In einem Fall, bei dem die Frequenz des elektrischen Referenzsignals beliebig festgelegt wird, muss der Phasendifferenz-Rechenoperationsschaltkreis 41 zur arithmetischen Berech nung der Gleichung 3 in der gleichen Anzahl vorliegen wie die Arten der Frequenzen des elektrischen Referenzsignals. Bei dieser Ausführungsform weist das elektrische Referenzsignal die genannten zwei Frequenzen auf. Für f₁ und f₂ sind demzufolge zwei Phasendifferenz-Rechenoperationsschaltkreise erforderlich, und es ist schwierig, die Schaltkreise zu miniaturisieren. Die Frequenz f_s des Sampling-Signals und die Frequenzen f₁ und f₂ des elektrischen Referenzsignals sind jedoch so festgelegt, dass sie der Gleichung 2 genügen, wodurch die Phasendifferenz-Rechenoperation unter Verwendung ein und desselben Phasendifferenz-Rechenoperationsschaltkreises 41 durchgeführt werden kann. Nachfolgend wird beschrieben, dass die Phasendifferenz-Rechenoperation unter Verwendung ein und desselben Phasendifferenz-Rechenoperationsschaltkreises 41 durchgeführt werden kann.
Wenn F₁ dem empfangenen elektrischen Signal mit der Frequenz f₁ zugeordnet wird und wenn F₂ dem empfangenen elektrischen Signal mit der Frequenz f₂ zugeordnet wird, wird beobachtet, dass die jeweiligen Phasen unterschiedliche Werte zeigen. Wenn diesen Phasen jeweils Φ₁ und Φ₂ zugeordnet werden, können die empfangenen elektrischen Signale jeweils in Form von F₁ = sin (2πf₁t + Φ₁) und F₂ = sin (2πf₂t + Φ₂) ausgedrückt werden. Die k-ten digitalen Daten der einzelnen digitalen Daten, die erhalten werden, indem die empfangenen elektrischen Signale A/D-gewandelt werden, werden unter Verwendung der Gleichung 2 in Form der Gleichung 4 ausgedrückt: Gleichung 4
Wenn die k-ten digitalen Daten des empfangenen elektrischen Signals durch F₁ gemäß Gleichung 4 ausgedrückt werden, wird die Phase des empfangenen elektrischen Signals in Form der Gleichung 5 ausgedrückt, indem die Gleichung 3 durch F₁ ersetzt wird: Gleichung 5
Die ersten Terme eines Nenners und eines Zählers in der Gleichung 5 sind Gesamtsummen jeweiliger periodischer Funktionen für jeweils eine Periode, die Null ergeben, und folglich wird eine rechte Seite der Gleichung 5 zu tanΦ₁.
Wenn andererseits die k-ten digitalen Daten des empfangenen elektrischen Signals durch F₂ gemäß Gleichung 4 ausgedrückt werden, wird die Phase des empfangenen elektrischen Signals in ähnlicher Weise wie Gleichung 5 in Form der Gleichung 6 ausgedrückt: Gleichung 6
Die zweiten Terme eines Nenners und eines Zählers in der Gleichung 6 werden jeweils aus dem gleichen Grund wie in Gleichung 5 Null, und somit wird eine rechte Seite der Gleichung 6 zu – tanΦ₁. Folglich ist bei den Rechenoperationen für die Phasen der empfangenen elektrischen Signale mit den Frequenzen f₁ und f₂ lediglich ein Vorzeichen umgekehrt, so dass die Rechenoperationen für die Phasen der empfangenen elektrischen Signale mit den Frequenzen f₁ und f₂ in dem gleichen Rechenoperationsschaltkreis ausgeführt werden kön nen. Dies hat zur Folge, dass der optische Entfernungsmesser mit dem Phasendifferenz-Rechenoperationsschaltkreis 41 miniaturisiert werden kann. Es ist anzumerken, dass die Umkehrung des Vorzeichens in der CPU 51 oder einem ähnlichen Element korrigiert werden kann. Obwohl sich der oben beschriebene Fall auf das empfangene elektrische Signal bezieht, gilt dies auch für das elektrische Referenzsignal.
Wenn die Sicherheitsstandards für den Laser in Betracht gezogen werden, kann das Entfernungsmesslicht darüber hinaus auch als Burst-Licht emittiert werden. Es ist bei der Laservorrichtung sehr wichtig, dass den Sicherheitsstandards entsprochen wird, da es dann nicht notwendig ist, verschiedene Gefahrenschutzmaßnahmen für die Laservorrichtung zu treffen. Die Sicherheitsstandards für den Laser werden durch die Gesamtenergie des Lichts über eine festgelegte Zeitspanne festgelegt. Wenn also das Entfernungsmesslicht in Form des Burst-Lichts emittiert wird, kann im Vergleich zu dem Fall, bei dem das Entfernungsmesslicht innerhalb der Sicherheitsstandards des Lasers kontinuierlich emittiert wird, der Momentanwert der Lichtleistung erhöht werden, um die Nachweisempfindlichkeit des Entfernungsmesslichts nach dessen Empfang zu erhöhen. Es ist anzumerken, dass der Laser-Treiberschaltkreis 14 dazu vorgesehen ist, das Entfernungsmesslicht in Form des Burst-Lichts zu emittieren, indem das elektrische Referenzsignal mit dem Burstsignal multipliziert wird.
Um die Hochgeschwindigkeits-Aktion für die Entfernungs-Rechenoperation zu realisieren, kann der Phasendifferenz-Rechenoperationsschaltkreis 41 auch Gleichanteile, die in den digitalen Daten des elektrischen Referenzsignals und des empfangenen elektrischen Signals enthalten sind, bei fehlender Lichtaussendung des Entfernungsmesslichts auf der Basis des empfangenen elektrischen Signals als digitale Daten, das durch A/D-Wandlung des reflektierten Entfernungsmesslichts in der zweiten A/D-Wandlerschaltung 32 erhalten wird, entfernen. Sowohl das elektrische Referenzsignal als auch das empfangene elektrische Signal werden in Form der Addition des Gleichanteils und des oszillierenden Anteils des Signals ausgedrückt, und nur der oszillierende Anteil des Signals ist für die Phasen-Rechenoperation erforderlich. Wenn jedoch die Wellenlänge des wiederhergestellten Signals kein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des ursprünglichen Signals ist, ist der Gleichanteil des Signals in der Phasen-Rechenoperation enthalten. Dann wird das empfangene elektrische Signal bei fehlender Lichtaussendung des Entfernungsmesslichts als Gleichanteil angesehen, der Gleichanteil wird durch die zweite A/D-Wandlerschaltung 32 gewandelt, um digitale Daten ^SkDC zu erhalten, und ein S_kDC-Wert wird auf der Basis der Gleichung 3 arithmetisch berechnet. Der Wert wird während der Lichtaussendung des Entfernungsmesslichts von der Phase subtrahiert, damit der Gleichanteil des Signals entfernt werden kann. Dies hat zur Folge, dass die Phasen-Rechenoperation selbst dann durchgeführt werden kann, wenn die Wellenlänge des wiederhergestellten Signals kürzer ist als eine Wellenlänge des ursprünglichen Signals, und somit kann die Hochgeschwindigkeits-Aktion für die Entfernungs-Rechenoperation realisiert werden. Es ist anzumerken, dass der Gleichanteil des wiederhergestellten Signals auch dann entfernt werden kann, wenn die digitalen Daten S_k in Gleichung 3 durch (S_k – S_kDC) ersetzt werden. Dies ist gültig, wenn der Gleichanteil des ursprünglichen Signals als konstanter Wert angesehen werden kann. Das heißt, die digitalen Daten S_kDC müssen bei fehlender Lichtaussendung des Entfernungsmesslichts nur in Bezug auf einen Punkt des empfangenen elektrischen Signals gemessen werden, und folglich kann die Geschwindigkeit der Entfernungs-Rechenoperation erhöht werden.
Darüber hinaus bezog sich die Beschreibung bei der vorgenannten Ausführungsform nur auf den Fall, dass nur eine Art eines Sampling-Signals vorliegt. Das Sampling-Signal kann jedoch mindestens zwei Arten von Signalen enthalten, die in ihrer Frequenz miteinander identisch sind, sich aber in der Phase voneinander unterscheiden. In diesem Zusammenhang kann die Phasendifferenz-Erfassungsschaltung 41 das elektrische Referenzsignal und das empfangene elektrische Signal wiederherstellen, indem die einzelnen digitalen Daten, die durch die A/D-Wandlung in dem A/D-Wandler erhalten wurden, umgeordnet werden. Mit dieser Konstruktion können mindestens zwei Punkte sowohl des elektrischen Referenzsignals als auch des empfangenen elektrischen Signals für eine Periode gewandelt werden, so dass die Anzahl digitaler Daten zunimmt und somit die Präzision der Messung verbessert werden kann. Darüber hinaus kann die A/D-Wandlung unter den preisgünstigen A/D-Wandlern aufgeteilt werden, was zur Folge hat, dass die hochpräzise Entfernungsmessung mit dem preisgünstigen optischen Entfernungsmesser durchgeführt werden kann. Es wurde vorstehend klargestellt, dass die Frequenz des wiederherzustellenden Signals die Frequenzdifferenz zwischen dem elektrischen Referenzsignal und dem Sampling-Signal hat. Daher kann das Signal wiederhergestellt werden, indem die einzelnen digitalen Daten auf der Basis dieser Frequenz in geeigneter Weise umgeordnet werden. Wenn hierbei davon ausgegangen wird, dass das Sampling-Signal m Signale aufweist, die sich in ihrer Phase voneinander unterscheiden, muss der Phasendifferenz-Rechenoperationsschaltkreis 41 einen Speicherbereich mit (m × n) Adressen umfassen. Wenn also das elektrische Referenzsignal oder das empfangene elektrische Signal wiederhergestellt wird, können die in den jeweiligen Adressen gespeicherten digitalen Daten gelesen werden.
Beispiel 1
Nachfolgend wird ein Beispiel beschrieben, bei dem ein Abstand zu einem zu messenden Objekt tatsächlich gemessen wurde, um die Nützlichkeit des optischen Entfernungsmessers dieser Ausführungsform zu nachzuprüfen.
Ein Quarzoszillator wurde als Hauptoszillator 11 verwendet und oszilliert mit einer Frequenz von 13,3 MHz. Das Oszillationssignal mit der Frequenz f₀ aus dem Oszillator 11 wurde in jede der ersten bis dritten PLL-Schaltungen 12, 13 und 60 eingegeben, wodurch das elektrische Referenzsignal in Form eines Sinuswellensignals mit den jeweiligen Frequenzen f₁ und f₂ von 46,7 MHz und 53,3 MHz und das Sampling-Signal in Form von zwei Arten von Signalen, welche jeweils die Frequenz f_s von 50 MHz und eine um 90 Grad voneinander verschobene Phase aufweisen, erhalten wurden. Die Frequenzen f₁ und f₂ des elektrischen Referenzsignals und die Frequenz f_s jedes Sampling-Signals entsprachen der Gleichung 2, und daher war n zu diesem Zeitpunkt 15. Als Laser 15 wurde ein Infrarotlaser mit einer Wellenlänge von 785 nm verwendet. Der Laserstrahl wurde mit dem elektrischen Referenzsignal amplitudenmoduliert, und das elektrische Referenzsignal wurde mit dem Burstsignal in dem Laser-Treiberschaltkreis 14 multipliziert, so dass eine Lichtemissionszeit von 3 μs pro 18 μs erzielt wurde. Dann wurde das Entfernungsmesslicht mit einem Lichtemissionszustand, wie er in den 3A bis 3C dargestellt ist, von dem Laser 15 zu dem zu messenden Objekt hin emittiert. Es ist anzumerken, dass der Momentanwert der maximalen Leistung des Entfernungsmesslichts, das in Form des Burst-Lichts emittiert wird, wie in der Zeichnung dargestellt, bis zu einer Leistung erhöht wurde, die sechsmal so groß ist wie die des in den Sicherheitsstandards spezifizierten Werts (höchstens 3,7 mW), also 22,2 mW, und gleichzeitig den strengsten Sicherheitsstandards – IEC60825-2 – unter den Sicherheitsstandards für den Laser entsprach. Ein A/D-Wandler mit einer Rechenoperationsgeschwindigkeit von 50 MHz wurde jeweils als erster und zweiter A/D-Wandler 31 und 32 verwendet. Es ist anzumerken, dass der zweite A/D-Wandler 32 von zwei A/D-Wandlern gebildet wurde, die jeweils eine Rechenoperationsgeschwindigkeit von 50 MHz haben, und somit wurde die A/D-Wandlung im Wesentlichen mit der Sampling-Frequenz von 100 MHz durchgeführt. Zu diesem Zeitpunkt wurde das empfangene elektrische Signal an zwei Punkten pro Wellenlänge abgetastet, und somit wurde das ursprüngliche Signal für eine Wellenlänge unter Verwendung der Sampling-Daten für 15 Wellenlängen wiederhergestellt.
Zuerst wurden das elektrische Referenzsignal und das empfangene elektrische Signal geprüft, die in der Phasendifferenz-Erfassungsschaltung wiederhergestellt wurden, wenn weißes Papier in Abständen von 100 mm, 2.000 mm und 4.000 mm von dem Entfernungsmesser angeordnet wurde, und wenn kein weißes Papier angeordnet wurde. Die Messergebnisse in diesen Fällen sind jeweils in 4A, 4B, 4C und 4D dargestellt. Es ist anzumerken, dass in diesen Zeichnungen eine durchgezogene Linie für eine Wellenform des elektrischen Referenzsignals steht und eine gestrichelte Linie für eine Wellenform des empfangenen elektrischen Signals steht. Aus dieser Zeichnung wird ersichtlich, dass das empfangene elektrische Signal selbst im Fall von 4.000 mm wiederhergestellt wird, was in der Spezifikation als maximale Erfassungsdistanz angesehen wird.
Dann wurden Abstände, ihre Abweichungen und Höhen der empfangenen elektrischen Signale im Fall der gleichen Anordnung des weißen Papiers wie bei dem vorherigen Fall gemessen. Die Messergebnisse sind in 5 dargestellt. Wie aus 5 ersichtlich, versteht es sich, dass zufriedenstellende Messergebnisse sowohl in Bezug auf den Abstand als auch in Bezug auf die Abweichung erzielt werden, obwohl die Höhe des empfangenen elektrischen Signals mit zunehmendem zu messenden Abstand abnimmt, und zwar selbst in einem Fall von 4.500 mm, der die maximale Erfassungsdistanz (4.000 mm) der Reflektion der Messergebnisse gemäß den 4A bis 4D überschreitet.
Schließlich wurden die Entfernungsmessungen für zu messende Objekte durchgeführt, die jeweils eine andere Materialqualität hatten als das weiße Papier. Die Messergebnisse sind in 6 dargestellt. Es ist anzumerken, dass eine durchgezogene Linie in der Zeichnung die erwarteten Werte darstellt. Eine Aluminiumplatte, eine Pappe, eine Leiterplatte, ein samtartiger Stoff, ein schwarzes Papier, Holz und eine mit Farbe gestrichene Platte wurden als Objekte für die Entfernungsmessung verwendet. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, kann man entnehmen, dass die ausgezeichneten Entfernungsmessergebnisse unabhängig von der Art der Materialien der Gegenstände der Entfernungsmessung erzielt werden.

Claims

Optischer Entfernungsmesser, mit: a) einer Lichtquelleneinheit (10), um ein Entfernungsmesslicht, das mit einem elektrischen Referenzsignal als Sinuswellensignal mit einer vorherbestimmten Frequenz amplitudenmoduliert wird, einem zu messenden Objekt zuzuführen; einer Lichtaufnahmeeinheit (20) zum Empfangen des Entfernungsmesslichts, das von dem zu messenden Objekt reflektiert wird, um das empfangene Entfernungsmesslicht in ein empfangenes elektrisches Signal umzuwandeln; A/D-Wandlermitteln (30), um das elektrische Referenzsignal und das empfangene elektrische Signal auf der Basis eines Sampling-Signals zu wandeln; Phasendifferenz-Erfassungsmitteln (40), um Phasen des elektrischen Referenzsignals und des empfangenen elektrischen Signals, die von den A/D-Wandlermitteln (30) gewandelt werden, zu erfassen und dann die Phase des elektrischen Referenzsignals von der Phase des empfangenen elektrischen Signals zu subtrahieren, wodurch eine Phasendifferenz zwischen dem elektrischen Referenzsignal und dem empfangenen elektrischen Signal erfasst wird; und Entfernungserfassungsmitteln (50), um eine Entfernung von dem zu messenden Objekt auf der Basis der Phasendifferenz zu erfassen, die von den Phasendifferenz-Erfassungsmitteln (40) erfasst wurde; b) wobei das elektrische Referenzsignal alternativ ausgewählt wird aus einem ersten elektrischen Referenzsignal und einem zweiten elektrischen Referenzsignal, die unterschiedliche Frequenzen haben, c) wobei das Sampling-Signal mit dem elektrischen Referenzsignal synchronisiert wird und eine Frequenz f_s hat, die ein Durchschnittswert der Frequenz f₁ des ersten elektrischen Referenzsignals und der Frequenz f₂ des zweiten elektrischen Referenzsignals ist, d) wobei die Frequenzen f₁, f₂ und f_s folgenden Verhältnissen entsprechen: f1/fs = (n + 1)/n f2/fs = (n – 1)/n, wobei n eine ganze Zahl ist, e) so dass, wenn das A/D-Wandlermittel jeweils die A/D-Wandlung des ersten elektrischen Referenzsignals und des ersten empfangenen elektrischen Signals, das beim Empfang eines Entfernungsmesslichts, welches mit dem ersten elektrischen Referenzsignal amplitudenmoduliert wird, erhalten wird, auf der Basis des Sampling-Signals durchführt, und jeweils die A/D-Wandlung des zweiten elektrischen Referenzsignals und des zweiten empfangenen elektrischen Signals, das beim Empfang eines Entfernungsmesslichts, welches mit dem zweiten elektrischen Referenzsignal amplitudenmoduliert wird, erhalten wird, auf der Basis des Sampling-Signals durchführt, die A/D-Wandlung der vier Arten von elektrischen Signalen jeweils mindestens einmal in einer einzigen Periode für jedes der elektrischen Signale durchgeführt wird.
Optischer Entfernungsmesser nach Anspruch 1, bei dem das Entfernungsmesslicht als Burst emittiert wird.
Optischer Entfernungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Phasendifferenz-Erfassungsmittel (40) eine Gleichstromkomponente, die in jeweiligen digitalen Daten des ersten elektrischen Referenzsignals, des zweiten elektrischen Referenzsignals, des ersten empfangenen elektrischen Signals und des zweiten empfangenen elektrischen Signals enthalten ist, auf der Basis eines Ausgangssignals von der Lichtaufnahmeeinheit bei fehlender Lichtaussendung des Entfernungsmesslichts, das von den A/D-Wandlermitteln (30) in die digitalen Daten umgewandelt wird, entfernt.
Optischer Entfernungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit mindestens zwei oder mehr Arten der Sampling-Signale, wobei die Sampling-Signale in der Frequenz f_s miteinander identisch sind, sich aber in der Phase voneinander unterscheiden, wobei das A/D-Wandlermittel (30) jeweils die A/D-Wandlung des ersten elektrischen Referenzsignals, des zweiten elektrischen Referenzsignals, des ersten empfangenen elektrischen Signals und des zweiten empfangenen elektrischen Signals auf der Basis der Sampling-Signale durchführt, und das Phasendifferenz- Erfassungsmittel jeweils jedes der elektrischen Signale wiederherstellt, indem es die einzelnen digitalen Daten jedes der elektrischen Signale für die vier Arten von elektrischen Signalen, die durch die A/D-Wandlung in dem A/D-Wandlermittel (30) erhalten werden, umordnet.