JP2008275626A - 光学的測離計 - Google Patents

Abstract

【課題】少ない較正工数の正確な測量を可能とする。
【解決手段】光学的距離計は、監視空間に測定光を送出する発光部、監視空間にある対象物により反射又は再発射された測定光を受光する受光部２、その出力信号から測定光の通過時間を決定しそれから対象物の距離を算出する評価ユニットを備えている。受光部２と評価回路との間には、これらと電気的に接続されているＰＩＮダイオード回路２００，３００が設けられており、ＰＩＮダイオード回路２００，３００が受光部２の電流出力信号を減衰する。
【選択図】図１

Description

本発明は光学的な測離計に関するものであり、監視空間に測定光を送出するための発光部、監視空間にある対象物により反射又は再発光された測定光を受光すると共に電気的な出力信号を発生するための受光部、出力信号から測定光の通過時間を決定してそれから対象物までの距離を算出するために受光部と接続している評価ユニットを備えている測離計である。本発明は更に当該測離方法に関するものである。

そのような測離計では、光の速度を考慮して測定光の通過時間から対象物との距離を決定するので、タイム−オブ−フライトディテクター（通過時間検知器、ＴＯＦ検知器）とも呼ばれる。

送出される測定光は、単一の光パルスで構成することができ、その通過時間を測定する（パルスタイム−オブ−フライト方法）。そのような方法は例えば、DE 10 2004 031 024 B4、DE 43 40 756 A1、又はEP 0 793 115 B1に記載されている。別の方法では、EP 0 747 727 B1又はEP 1 262 906 B1に記載のように変調連続光を（コンティニュアスウエーブ−タイム−オブ−フライト方法）使用し、そこでは送出された光と受光した光との位相差を測定する。

本出願の目的において用語「光」は、可視光に対してのみ使用されるものではなく、他の周波数域にある電磁線（例えば、赤外線又は紫外線）をも含むものである。

距離測定のためには一次元の距離測定器を使用できるが、その場合には測定光を一方向に発光して検知する。例えばEP 0 793 115 B1に記載されているように、二次元又は三次元の監視範囲とするために、回転自在又は旋回自在の偏向ミラーを使用することがある。

反射度ないし再発射度の小さい対象物との距離でも正確に測定するためには、受光部が弱い受光信号を充分正確に検知する状態になければならない。これは評価回路において、一般的に前増幅部を使用して得られる高い受光感度を必要とする。それに対して反射度ないし再発光度の大きい対象物は、受光部において非常に大きな振幅強度の強い受光信号を発生し、それが評価回路の前増幅器で過変調となり、評価回路は歪んだ信号で作動することがある。

光電変換部で変換された電気信号は、センサの作動範囲内において例えば80dB以上の強弱範囲に達するのに対して、通常は最も弱い信号強度に合わせている電子的な信号処理が有する強弱量は一般的に、基本的に小さい。信号強度が高いときに生じる大幅な過変調が、その後に続く信号評価のときに顕著なエラーに至ることがある。

公知のセンサでは、この基本的な問題を種々の方法で対応している。

DE 43 40 756 A1で開示されているレーザ距離測定装置では、受光した光パルスのピーク値を調べて、振幅を使って通過時間補正を行う。しかしながら一般的に光電子受光器の後にある評価ステップにおいて、実際に現れる信号の強弱と較べて制限される光電式受光器の直線的な増幅領域が、通過時間測定エラーに至ることがあるので、測定されるピーク値に従う補正を使用できるのは、比較的小さい調整範囲でのみである。

DE 10 2004 031 024 B4は、受光した光パルスの頂点を二つの通過時間測定により求める光学的センサを開示している。そのために、受光した光パルスが閾値を超えて再び下回る時点を測定する。頂点時点に近似する平均値が得られ、このことが距離を計算する根拠になる。電子的な処理ステップの過変調時には追加して、測定した受光パルス幅によって決まる量の補正値を使用する。

EP 0 793 115 B1で開示されているレーザ距離測定装置は、受光中にフォトディテクターを通じて流れる電荷ないし受光した光パルスのパルス幅を信号評価の前に判断して、この値を使って通過時間測定エラー補正を行う。

更に、電子的な信号評価の過変調を予防するために、受光信号の非直線性振幅制限（クランピングダイオード）を使用することがあるが、これにより補正すべき別のエラーが発生することがある。

別の解決手段では、例えば電気的機械的に調整自在の光学的減衰要素を受光器の前で使用し、それにより光学的な距離測定が遅くなる。

最後に、信号評価の過変調を避けるために、送出する測定光の送出出力を適合化することは公知である。しかしながら、発光器で調整の可能性が制限されるために、この方法では多くの場合に希望する強弱範囲を得られない。

別の方法では評価回路の強弱量を増加するために、信号評価パスに変更自在の増幅部を設ける。そのとき更に、信号評価の第一ステップで過変調とならないように注意せねばならない。

公知の解決手段は加えて、較正ないしティーチング工数を著しく必要とする。
DE 10 2004 031 024 B4 DE 43 40 756 A1 EP 0 793 115 B1 EP 0 747 727 B1 EP 1 262 906 B1

本発明の課題は、光学的測離計ないし測離方法を提供することであり、それはタイム−オブ−フライト法を使用して、できるだけ少ない較正工数のできるだけ正確な測離を可能にするものである。

この課題を解決するために、請求項１の特徴を有する光学的測離計および請求項１２に記載の方法を設けている。利点ある実施形態および目的に適った本発明の変形例は、従属請求項に記載されている。

本発明による光学的測離計は、少なくとも一つのＰＩＮダイオードを有するＰＩＮダイオード回路を受光部と評価回路の間に備えている。監視空間から逆反射又は逆再発射された測定光は受光部により受光されて、電気的な電流出力信号に変換され、それが更にＰＩＮダイオード回路に送られる。ＰＩＮダイオードはこの信号を、評価回路に送る前に減衰する。受光部の電流出力信号は通常、一つ又は複数の電流パルスでできている。

ＰＩＮダイオードは、ｎドープとｐドープした半導体領域およびその間に真性（英語：intrinsic）半導体領域を有している。高周波抵抗は、与えられる直流電流量により調整可能である。ＰＩＮダイオードは、受光部に繋がる信号パスに容量的に負荷をかけることなく、ギガヘルツ領域での代表的な信号スペクトルにおいて特に高いパルス電流を扱うためにも特に適している。

ＰＩＮダイオード回路を使うことにより、後続する評価回路の電子的な信号評価を過変調しないで、受光部における電気的な電流出力信号の振幅を遅延および歪みなく減衰できる。これにより、前述したような手間のかかる補正方法を完全に廃止できると共に、較正が非常に簡単になる。

過変調による信号歪みを防ぐので、減衰にも拘わらず信号形態はそのまま、続く信号評価ユニットに送られる。

本発明の好ましい実施形態では、評価回路においてアナログ／デジタル変換部を使用することにより、減衰された受光信号および好ましくは送出された測定光から導き出した参照信号を高分解能のデジタル値に移し、非常に正確な時間決定が可能になる。

好ましい変形例では例えば評価回路の第一ステップとして、トランスインピーダンス増幅部を使用する。それにより、受光部からＰＩＮダイオード回路を通じて送られる電流信号を電圧信号に変換し、評価回路の後続構成部品により使われる。

本発明の実施形態は、測定光として一つ又は複数の光パルスを送出する。反射又は再発射された光パルスは受光部で電気的な信号に変換され、例えば送出された元々の測定光パルスより導き出された参照パルスと評価回路で比較されて、遅延からパルス通過時間を求め、光の速度を使ってそれから対象物距離を求める。

本発明の代替実施形態では連続的な変調測定光を使用し、監視空間内での光通過時間により現れる位相差を評価する。そのために例えば発光部、測定区間、受光部、位相が出入りするフィルター構成要素、および場合により別の構成要素を使って共振回路を形成することができ、共振周波数が送出変調光に当てられる。共振周波数は、測定区間に沿った光の位相差により決まるので、それから対象物の距離を調べることができる。

特に好ましい実施形態では、少なくとも一つのＰＩＮダイオードを備えたＰＩＮダイオード回路を使用し、そのダイオードは一方でＨＦアース（高周波アース）と、他方で受光部から送られる電気的な受光信号と接続している。追加の回路を介して、例えば制御自在の直流電源を使って、少なくとも一つのＰＩＮダイオードを通じて直流を流し、その電流が高周波領域におけるＰＩＮダイオードの抵抗値を決める。それにより回路が、高周波領域における負荷抵抗のように作用して、電気的な受光信号の電流振幅強度を調整自在で減衰する。また、それぞれ抵抗を有する多数のＰＩＮダイオードを並列して使用することもあり、減衰回路の強弱範囲を拡大する。

好ましい実施形態では、ＰＩＮダイオード回路でショットキー型ダイオードを使用し、ダイオードは少なくとも一つの直流電源と少なくとも一つのＰＩＮダイオードとの間に接続されている。この種の実施形態では加えて、直流電源とショットキー型ダイオードの間に接続点が設けられることがあり、それにＨＦアースと繋がるコンデンサが接続されている。

通電接続状態ではショットキー型ダイオードが有する抵抗は小さく、ＨＦアースと接続しているコンデンサと一緒で、少なくとも一つのＰＩＮダイオードに対する追加の減衰要素として作用する。

その他に本発明は、光学的に距離を測定するための方法に関するものであり、これによれば測定光が監視範囲に送出され、また時に応じて対象物から反射又は再発射された測定光が受光部により受光されて、電気的な電流出力信号に変換される。対象物までの光学的測離計の距離を測定するために評価回路を使って評価を行う前に、受光部の電気的な出力信号を、ＰＩＮダイオード回路を使って減衰する。

本発明による方法の利点、特に本発明による方法の構成およびその利点は、本発明による光学的測離計の前記で説明した実施形態から分かる。

本発明による変形例では特に、一つ又は複数の制御可能な直流電源を使用するようにしており、ＰＩＮダイオード回路の単数又は複数のダイオードに直流をかける。希望する値に直流を調整することにより、単数又は複数のダイオードの抵抗が決まり、それにより受光部の電気的な電流出力信号の減衰を決める。よって、評価回路の過変調を防ぐことができる。

ＰＩＮダイオード回路の必要な減衰、すなわち調整可能な直流電源で特に設定すべき値は、事前テストにより求めることができる。これは例えばティーチングプロセスにより、あるいはテストにより行うことができ、それにより評価回路が実際の過変調を調べ、例えば内蔵した制御回路を介して当該値を適切に設定できるので、接続された評価回路が過変調とならない。

代替として、単数又は複数のダイオードの制御を測定過程中に反復して行う。

以下において本発明を、図面を参照して説明する。

パルスタイム−オブ−フライト法のためのもので、図１で示している光学的測離計の受光信号パス１００は、受光部に供給するための直流電圧電源１を含んでおり、この例ではその受光部にアバランシェ型フォトダイオード２を含んでいる。監視空間（図示せず）にある対象物（図示せず）により反射又は再発光された測定光パルス１０が当たった時に、アバランシェ型フォトダイオード２が電流信号を発生し、それをＰＩＮダイオード回路２００，３００が受信し、以下で詳細に説明するように減衰する。

減衰された電流信号はさらに、例えばトランスインピーダンス増幅部４で構成している処理ステップに送られる。これにより信号は電圧信号として加算部６へ更に送られる。トランスインピーダンス増幅部４と加算部６との間には、増幅倍率が調整自在の増幅部５が設けられている。加算部６は、監視空間に送出された測定光パルスにより参照スタート時点として導き出されている参照パルス７を加える。加算部６の出力信号はアナログ／デジタル変換部８に送られ、それがパルス信号をデジタル値に変換するので、それを例えば（図示せず）コンピューターが評価できる。アナログ／デジタル変換部の入力信号を図４で示しており、それは参照パルス７に相当するピーク４０１、および受光信号に相当するピーク４０２でできている。

図２は、ＰＩＮダイオード回路の第一実施形態２００を示している。接続線Ａは受光部２の電流出力口から来ており、他方で接続線Ｂはトランスインピーダンス増幅部４の電流入力口に至る。ここでの回路にはＰＩＮダイオード２１を含んでおり、それが一方でＨＦアースに他方で信号パスに繋がっている。調整自在の直流電源が、インピーダンス結合部材２４を介して同じく信号パスと繋がっている。高周波のときにはＰＩＮダイオードが基本的に可変抵抗値を有する抵抗のように機能し、そのときの抵抗値は電源２０により与えられる直流により決まる。

図３で示しているＰＩＮダイオード回路の代替実施形態３００では、並列に接続した３つのＰＩＮダイオード２１，２２，２３を設けており、それらは当該インピーダンス結合部材２４，２５，２６を介して、調整自在の直流電源２０，３０，４０と接続している。ここでも、接続線Ａは受光部の電流出力口から来ており、接続線Ｂはトランスインピーダンス増幅部４の電流入力口に至る。この回路の機能原理は図２の実施形態のものに似ており、そのとき縦続接続により強弱範囲が増加する。もちろん要求に対応する強弱範囲を得るために、別の数のＰＩＮダイオードを設けていることもある。

図示していない実施形態では多数のＰＩＮダイオードを、当該インピーダンス結合部材を介して共通の直流電源と繋いでいる。

前記で説明している実施形態は、以下のように使用する。

光パルスは公知の方法で、監視するべき監視空間に送られる。ここでは示していないがそのために使用する光源が、図１で示す受光回路の近くに配設されており、特にこの回路と一緒で公知の方法により一体化ユニットを形成する。

監視空間にある対象物が光パルスを反射又は再発光し、それをアバランシェ型ダイオード２が受光パルス１０として受光する。アバランシェ型ダイオード２により発生した電気的な電流出力信号は更に、ＰＩＮダイオード回路２００，３００に送られる。

パルス状の電流出力信号（以下において、「電気的な電流受光パルス」とも呼ぶ）は、ＰＩＮダイオード２１（図２）ないしＰＩＮダイオード２１，２２，２３（図３）により部分的にＨＦアースに逃がされる。このようにしてエネルギー的に弱められた電気的な電流受光パルスは、トランスインピーダンス増幅部４により電圧信号に変換される。ＰＩＮダイオード回路２００，３００を前に接続して電気的な電流受光パルスを減衰することにより、トランスインピーダンス増幅部４が過変調とならないことを保証する。

トランスインピーダンス増幅部４の電圧出力信号は、調整自在の増幅部５を通じて加算部６に送られる。ここで入力部７において、監視空間に送出された測定光パルスから導き出された参照パルスが供給され、それを電圧信号に加算する。

発生した信号を、図４で示している。図示しているのはアナログ／デジタル変換部８を介して測定した曲線である。ピーク４０１は、監視空間に送出された測定光パルスから導き出された参照パルスに相当する。ピーク４０２は、アバランシェ型ダイオード２により受光されたもので発光された測定光パルスに対して時間的にずれている受光パルス１０に相当しており、その受光パルスは電気信号に変換後に、本発明により設けているＰＩＮダイオード回路２００，３００により減衰されている。両方のピークは、ほぼ同一の振幅高さと曲線形状を有しており、それにより非常に正確に評価を行うことができる。受光された信号が非線形の歪み／制限なしで信号評価する強弱範囲に存在するように、ＰＩＮダイオード回路により減衰されたことが明らかとなる。

信号は、アナログ／デジタル変換部８によりデジタル信号に変換される。

パルスの間隔から、監視範囲における光の通過時間を計算できる。それから光の速度を使うことで、光学的測離計からの対象物の距離を決めることができる（距離＝光の速度×経過時間／２）。この計算および決定は、例えば適切なプロセッサを使って自動的に実施できる。

ＰＩＮダイオード回路の減衰を合わせるために例えば、一つ又は複数の前テストを実施することがある。その時まず、希望する減衰効果に適したＰＩＮダイオードの抵抗が決まる過変調の大きさを減衰なしで特定する。それからＰＩＮダイオードを通る必要な直流を調べることができる。代替として、そこで調整するべき電流値を測定中に反復法で特定することがある。

図５で示している原理回路図は、ショットキー型ダイオード５０１を追加して備えたＰＩＮダイオード回路５００の簡略図を示しており、そのショットキー型ダイオードは、図示している例では直流電圧電源５０２が抵抗５０３と一緒で形成する直流電源と、ＰＩＮダイオード５０４との間に接続されている。直流電圧電源５０２が直流電圧を供給し、抵抗５０３を介して制限された直流に変換され、ショットキー型ダイオード５０１が通過方向で作動している限り、その直流がショットキー型ダイオード、別の抵抗５０５を通じて、またＰＩＮダイオード５０４を通じて流れる。直流電圧電源が、ＨＦアース５０６に対してプラス電位又はゼロ電位で作動するときは、ショットキー型ダイオード５０１が遮断して直流がＰＩＮダイオードを流れないので、接続点５０７にくるフォトダイオード（図示せず）からの電流パルスは殆ど減衰されずに、ＰＩＮダイオード回路５００を流れ、例えば、トランスインピーダンス変換部に至る接続点５０８に到達する。

しかし、ショットキー型ダイオードを通過するために充分なマイナス電圧で直流電圧電源５０２が作動するときは、直流がＰＩＮダイオード５０４を流れ、ＰＩＮダイオード回路５００の減衰が行われる。通電接続状態ではショットキー型ダイオード５０１が有する抵抗は非常に小さく、加えてその構造により「迅速」ダイオード、すなわち高周波の信号変化に迅速に反応するダイオードに数えられるので、電流パルスの電荷の一部をコンデンサ５０９を介してＨＦアース５０６に導くことにより、接続点５０７にくる電流パルスを追加して減衰する。

以上により、本発明によるＰＩＮダイオード回路でショットキー型ダイオードを使用することは、希望する減衰効果を追加して強化する。

ＰＩＮダイオード回路を有する本発明による配設は、パルスタイム−オブ−フライト法又はコンティニュアスウエーブ−タイム−オブ−フライト法により作動するセンサで使用すると利点がある。一次元の測離計だけでなく多次元でも、使用が可能である。

本発明の配設により、電圧信号の形態でアナログ／デジタル変換器を使って、特に簡単で正確な信号の評価が可能であるが、そこでは受光器により電流信号が使用に供される。それにも拘わらず、容易に過変調になる傾向がある後続のエレクトロニクス信号評価（例えば特に電流／電圧変換部ないしトランスインピーダンス増幅部）が、中間接続したＰＩＮダイオード回路による減衰により過変調されない。

本発明により構成した光学的測離計における受光信号パスの概略構成を示す図。 第一実施形態によるＰＩＮダイオード回路の原理的回路図。 第二実施形態によるＰＩＮダイオード回路の原理的回路図。 アナログ／デジタル変換器により検知した参照パルス信号と付属する受光パルスの信号を示す図。 ショットキーダイオードを追加使用した実施形態におけるＰＩＮダイオードの原理回路図。

符号の説明

１ 直流電圧電源
２ フォトダイオード
４ トランスインピーダンス増幅部
５ 設定自在の増幅部
６ 加算部
７ 参照パルス入力
８ アナログ／デジタル変換部
１０ 反射測定光
２０ 調整自在の直流電源
２１，２２，２３ ＰＩＮダイオード
２４，２５，２６ インピーダンス結合部材
２７，２８，２９ 抵抗
３０，４０ 調整自在の直流電源
１００ 受光信号パス
２００，３００ ＰＩＮダイオード回路
４０１ 参照パルス
４０２ 受光パルス
５００ ＰＩＮダイオード回路
５０１ ショットキー型ダイオード
５０２ 直流電圧電源
５０３，５０５ 抵抗
５０４ ＰＩＮダイオード
５０６ ＨＦアース
５０７，５０８ 接続点
５０９ コンデンサ
Ａ，Ｂ 接続線

Claims (14)

1. 光学的測離計であって、
   監視空間に測定光を送出するための発光部、
   監視空間にある対象物により反射又は再発射された測定光を受光すると共に、電気的な出力信号を発生するための受光部（２）、及び
   上記出力信号から測定光の通過時間を決定し、それから対象物の距離を算出するための、受光部と接続している評価ユニット、
   を備えた光学的測離計において、
   少なくとも一つのＰＩＮダイオード（２１，２２，２３，５０４）を備えたＰＩＮダイオード回路（２００，３００，５００）が、受光部（２）と評価回路との間に配設されていると共にこれらと電気的に接続されており、ＰＩＮダイオード回路が受光部の電流出力信号を減衰すること、
   を特徴とする光学的測離計。
2. 請求項１に記載の光学的測離計において、評価回路が、アナログ／デジタル変換部（８）を備えていることを特徴とするもの。
3. 請求項１又は２に記載の光学的測離計において、評価回路が、トランスインピーダンス増幅部（４）を備えていることを特徴とするもの。
4. 前記請求項の少なくとも一つに記載の光学的測離計において、パルス状の測定光を送出するための発光部、およびパルス遅延から対象物距離を決定するための評価回路が設けられていることを特徴とするもの。
5. 請求項１〜３の少なくとも一つに記載の光学的測離計において、変調された連続的な測定光を送出するための発光部、および送出された測定光と受光された測定光との間における位相差から対象物距離を決定するための評価回路が設けられていることを特徴とするもの。
6. 前記請求項の少なくとも一つに記載の光学的測離計において、ＰＩＮダイオード回路（２００，３００，５００）が、少なくとも一つのＰＩＮダイオード（２１，２２，２３，５０４）を含み、それがＨＦアースと接続していることを特徴とするもの。
7. 前記請求項の少なくとも一つに記載の光学的測離計において、少なくとも一つのＰＩＮダイオード（２１，２２，２３，５０４）が、少なくとも一つの直流電源（２０，３０，４０）と接続しており、少なくとも一つのＰＩＮダイオード（２１，２２，２３，５０４）を介して直流をかけることを特徴とするもの。
8. 請求項７に記載の光学的測離計において、少なくとも一つの直流電源（２０）が制御自在であることを特徴とするもの。
9. 前記請求項の少なくとも一つに記載の光学的測離計において、ＰＩＮダイオード回路（２００，３００，５００）が、並列して接続された複数のＰＩＮダイオード（２１，２２，２３，５０４）を含んでいることを特徴とするもの。
10. 前記請求項の少なくとも一つに記載の光学的測離計において、ＰＩＮダイオード回路（５００）で少なくとも一つの直流電源と少なくとも一つのＰＩＮダイオード（５０４）との間に、ショットキー型ダイオード（５０１）が接続されていることを特徴とするもの。
11. 請求項１０に記載の光学的測離計において、少なくとも一つの直流電源とショットキー型ダイオード（５０１）の間に接続点が設けられており、それにＨＦアース（５０６）と繋がるコンデンサ（５０９）が接続されていることを特徴とするもの。
12. 光学的に距離を測定するための方法であって、
    測定光を監視範囲に送出するステップ、
    時に応じて対象物により反射又は再発射された測定光を、受光部を使って受光して電気的な電流出力信号に変換するステップ、
    少なくとも一つのＰＩＮダイオード（２１，２２，２３，５０４）を備えたＰＩＮダイオード回路（２００，３００，５００）を使って、受光部の電気的な信号を減衰するステップ、及び
    対象物の距離を決定するために、測定光の光通過時間を評価するステップ、
    を有することを特徴とする方法。
13. 請求項１２に記載の方法において、ＰＩＮダイオード回路（２００，３００，５００）の減衰効果の調整を、単数のＰＩＮダイオード（２１，５０４）ないし複数のＰＩＮダイオード（２１，２２，２３）を通る直流電流の調整により行うことを特徴とするもの。
14. 請求項１３に記載の方法において、受光信号を評価する評価回路が過変調とならないよう電気信号を減衰するために、必要な直流電流を前テストにより調べることを特徴とするもの。

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