JP2009541760A - 移動時間原理による光電式非接触距離測定の方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、伝搬時間原理に従って非接触様式で距離を光電式に測定する方法において、センサユニットからの物体の距離が、開始信号と、物体によって反射された光測定パルスから得られるエコー信号との時間差から求められる方法に関する。時間差を求めるために、次の、ａ）開始信号およびエコー信号をデジタルクロックと比較することにより、デジタル未処理値が得られるステップと、ｂ）開始信号とデジタル未処理信号の始まりとの初期時間差、およびエコー信号とデジタル未処理信号の終わりとの最終時間差が、少なくとも２つの細密補間回路を用いて求められるステップと、ｃ）アナログ信号に対応する初期差または最終時間差が、細密補間回路に導入されて、デジタル初期時間差またはデジタル最終時間差に変換されるステップとが実施される。前記方法は、細密補間回路を自動的に較正するために、ステップａ）〜ｃ）に従って複数回の測定が実施され、また特定の値間隔内で初期時間差および最終時間差について値が測定される可能性に対して均一な分布であると考えることによって、細密補間回路の特性線の非直線性および／またはドリフトの補正が計算されることを特徴とする。本発明は、伝搬時間原理に従って非接触様式で距離を光電式に測定するための装置にも関する。

Description

第１の態様では、本発明は、請求項１のプリアンブルに記載の、移動時間原理を使用した光電式非接触距離測定の方法に関する。

第２の態様では、本発明は、請求項１３のプリアンブルに記載の、移動時間原理を使用した光電式非接触距離測定用の装置を対象とする。

使用される方法に応じて、非接触距離測定用の光電式センサは、さまざまな種類に細分される。

距離（ｒａｎｇｅ）、すなわち距離（ｄｉｓｔａｎｃｅ）を非常に正確に測定する第１の可能性は、放出波および受波の位相位置を測定するというものである。この方法では、正弦波がレーザダイオードから放出される。放出波の位相位置を受波の位相位置と比較することによって、距離を求めることが可能である。

それとは異なり、パルス移動時間法では、短パルスが光源から放出される。パルス放出から反射光の検出までの間の伝達時間を測定することによって、反射物体の距離を求めることが可能である。本発明はこの方法に関する。

そのような方法では、センサユニットからの物体の距離が、開始信号と、物体によって反射された光測定パルスから得られるエコー信号との時間差から求められる。時間差を求めるために、次の、ａ）開始信号およびエコー信号をデジタルクロックと比較することにより、デジタル未処理値が得られるステップと、ｂ）少なくとも２つの細密補間回路（ｆｉｎｅ ｉｎｔｅｒｐｏｌａｔｏｒ）を用いて、開始信号とデジタル未処理値の始まりとの初期時間差、およびエコー信号とデジタル未処理値の終わりとの最終時間差が求められるステップと、ｃ）細密補間回路に、各場合において、初期時間差または最終時間差それぞれに対応するアナログ信号が供給され、アナログ信号が、それぞれデジタル初期時間差またはデジタル最終時間差に変換されるステップとが実施される。

そのような装置は、光パルスを放出するための少なくとも１つの光源と、光パルスを検出するための検出器とを備えたセンサユニットを有し、センサユニットからの物体の距離が、開始信号と、物体によって反射された光測定パルスから得られるエコー信号との時間差から確定可能である。そのような装置は、次の構成要素、開始信号およびエコー信号からデジタル未処理値を求めるためのデジタルクロックと、開始信号とデジタル未処理値の始まりとの初期時間差、およびエコー信号とデジタル未処理値の終わりとの最終時間差を、初期時間差または最終時間差それぞれに対応するアナログ信号を、それぞれデジタル初期時間差またはデジタル最終時間差に変換することにより求めるための少なくとも２つの細密補間回路とを有する、時間差を求めるための時間測定ユニットも有する。

このタイプの方法および装置は、例えば、スタッカクレーンを位置決めするための保管および搬送技術において使用されるが、産業オートメーション分野において多数の他の用途もある。

現在使用されている高分解能時間測定の方法および装置については、ＣＨ ６３１ ８６０ Ｇに記載されている。

細密補間回路を使用する際の一般的な問題は、アナログ信号をデジタル値に変換するのに必要な構成要素が、本質的に常に非直線性を有し、ドリフト、例えば温度ドリフトおよびエージングドリフトも被ることである。こうしたメカニズムは、最終結果において得られる測定精度に直接影響を及ぼす。そのような構成要素に対する精度要件が高いほど、一般にその構成要素のコストが高くなる。

ドイツ特許第１９８３０６８４号は、時間測定用の開始パルスが光源から光学的に結合分離される光電式装置について記載している。装置の光検出器において検出されるパルスは、時間測定を開始および終了させるのに交互に使用され、したがって、基本的な電子的理由により不正確が生じる。この場合、ドリフトを算出する目的で、基準測定は実施されない。

米国特許出願公開第２００５／０１１９８４６号は、別の較正モードにおいて、使用されるアナログ−デジタル変換器の較正曲線が求められる、測定装置を較正する方法について記載している。基礎として使用される先行技術は、較正を目的として較正信号がランダムに生成されるというものである。しかし、こうするためには比較的長い時間が必要なので、これは不利だと考えられる。

時間測定用の開始パルスが光源から光学的に結合されて、時間測定器に供給される別の距離測定器が、ドイツ特許出願公開第１９７０４３４０号に開示されている。光検出器によって検出されたパルスが、時間測定を開始および終了するのに交互に使用される。

ドイツ特許出願公開第１９７０３６３３号は、各場合において求めるべき全体時間差の初期および最終時間間隔中に、精密コンデンサの充電が行われる方法について記載している。装置を動作状態にする前に、コンデンサの特性を求めるために、較正測定を実施しなければならない。

本発明の目的は、測定精度の向上を可能にする前述のタイプの方法および装置を提供することである。

この目的は、請求項１に記載の特徴を有する方法、および請求項１３に記載の特徴を有する装置によって達成される。

本発明の方法の好ましい諸変形形態、および本発明の装置の有利な諸実施形態が、従属請求項の主題をなす。

前述のタイプの方法は、細密補間回路を自動較正するために、ステップａ）〜ｃ）に従って複数回の測定が実施されるという点、ならびに定められた値範囲内で初期時間差および最終時間差について値が測定される確率に対して等しい確率分布であると仮定して、細密補間回路の特性の非直線性および／またはドリフトの補正が計算されるという点で、本発明により更に開発される。

前述のタイプの装置は、細密補間回路を自動較正するために、複数回の時間差測定に基づいて統計的評価を実施する計算ユニットが設けられ、定められた値範囲内で初期時間差および最終時間差について値が測定される確率に対して等しい確率分布であると仮定して、細密補間回路の非直線性および／またはドリフトの補正が計算されるという点で、本発明により更に開発される。

本発明の装置は、本発明の方法を実施するのに特に適している。本発明が基づく第１の基本的思想は、初期時間差または最終時間差それぞれについての定められた値が生じる定められた確率、すなわち、定められた値間隔全体にわたる同一の確率から、また対応する細密補間回路値が生じる頻度の測定から、所定の細密補間回路において当該の変換が行われる特性に関して結論付けることが、原則的に可能であるという発見ととらえられる。

本発明の第２の基本的思想は、細密補間回路を自動較正するために、複数回の測定を実施しなければならず、測定された細密補間回路値が統計的に評価され、また初期時間差または最終時間差それぞれについての個々の値が測定される確率に対する分布を仮定して、所定の補正後の細密補間回路値が計算されるというものである。

本発明の重要な発見は、初期時間差と最終時間差がどちらも細密補間回路を用いて求められる測定方法において、細密補間回路の期待測定値自体が、例えば熱的変動などの基本的な物理的理由のため、大いにランダムな分布を有するということである。このことが、本発明の重要な基本的思想につながり、それにより、細密補間回路を較正するために、実測定値のこうした統計的分布が使用される。

本発明の方法では、細密補間回路の較正が、ランダムかつ別に生成された信号に基づいてではなく、実測定値の頻度分布に基づいて実施されるので、先行技術とは異なり、ランダムに分布した較正信号を生成するための、または較正曲線を計画的に通過させ、記録するための、別の較正モードまたはサイクルの必要がない。これにより、本発明の方法の効果が増大する。

本発明の方法の第１の基本的な利点は、原則的に、細密補間回路のランダムドリフトおよび非直線性を補正できることである。原則的に、特性は単調でありさえすればよい。

別の実際的に非常に重要な利点は、細密補間回路に関して、直線性およびドリフト挙動に対して限られた要求しかしなくて済むということである。というのも、対応する補正が、本発明の方法により非常に正確に実施されるためである。この態様により、特に、かなりのコスト節減がもたらされる。

本発明の方法では、定められた値間隔内で、全ての初期時間差および最終時間差が同じ確率で測定されると仮定して、細密補間回路の補正が計算される。この状況は、測定すべき時間間隔に、デジタルクロックに対する位相相関がない場合に、実施される。

次いで、細密補間回路値の補正を、個々の細密補間回路値が生じる頻度の和が形成されるという点、およびこの和が定数で除算され、得られた値に関して整数だけが考慮されることから、補正後の細密補間回路値が得られるという点で、容易に行うことができる。

この除算は、定数として２のべき乗が選択され、また除算として、対応する数の「最下位ビット」が捨てられる場合、計算により特に迅速に実施することができる。

非常に短いパルスおよび非常に小さな信号に伴う問題を回避するには、デジタル未処理値を求めるために、カウントが、開始事象に続く２番目のクロックフランク（ｆｌａｎｋ）またはクロックエッジからしか行われない場合、有利である。開始事象は、例えば、開始信号またはエコー信号の立上りまたは立下りエッジとすることができる。

現在のタイプの移動時間測定に関連する別の基本的な問題は、開始信号またはエコー信号の場合、どの時点が前記信号に正確に関連付けられるかが明確でなければならないことである。この時点は、前記信号の立上りエッジと立下りエッジの中央にあると適切に仮定される。立上りエッジおよび立下りエッジを、各場合において考慮に入れることができるように、全部で４つの細密補間回路が使用され、または本発明の装置が、合計で４つの細密補間回路を有する。

細密補間回路は、各場合において、時間−アナログ変換器（ＴＡＣ）およびアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を適切に有する。

本発明の装置の重要な利点は、前記構成要素に関して、高精度要求がもはや行われず、したがって、例えばＴＡＣがＲＣ素子でよいことである。

時間測定用の開始信号は、光源から放出される光パルスから結合分離して得ることができる。しかし、特に好ましくは、開始信号は光源の制御電子回路から得られる。そのような構造は、より高価でない構成要素を用いて実施することができる。

時間測定器に最終的に供給される開始信号を導く電子回路も、測定精度に悪影響を及ぼすドリフト、例えば温度ドリフトまたはエージングドリフトを被ることがある。そのようなドリフトの解消を可能にするためには、方法の観点からいうと、基準パルスが光基準距離全体にわたって伝導されることから、基準距離（ｒａｎｇｅ）すなわち距離（ｄｉｓｔａｎｃｅ）が測定されることが好ましい。

更なるドリフト源が、第２の光検出チャネル、すなわち第２の光検出器を通じて測定システムに導入されるのを回避するために、別の重要な態様では、本発明は、基準パルスをエコーパルスと同じ検出器で検出することを提案する。基準パルスとエコーパルスの間に時間オーバーラップがないように、基準パルスの光路は異なっていなければならず、例えば、エコーパルスの最短光路よりずっと短く選択しなければならない。

装置の観点からいえば、次いで、光パルスを各場合において測定パルスと基準パルスに更に分割するためのデバイスと、それに付随して、測定パルスを物体上に伝導し、物体によって反射された測定パルスを、エコーパルスとして検出器に伝導するための測定光学系、および基準パルスを検出器の方向に伝導するための基準光学系があることが適切であり、基準パルスの光路が、測定パルスの光路よりも少なくとも１オフセット距離分だけ短く、または長く、その場合、検出器がエコーパルスと基準パルスの両方を交互に定量的に検出するのに使用される。

この方法の変形形態では、エコーパルスを用いて測定された距離と基準距離との差が、距離値の最終的な確定に導入される。この差は、基準パルスおよびエコーパルスがほぼ同じ高さまたはレベルを有する場合に、特に正確に求めることができる。したがって、有利には、エコーパルスの光路が、エコーパルスの計画的な減衰を行うための制御可能なパルス減衰器を含み、その結果、エコーパルスが基準パルスと寸法的に同等になる。

本変形形態の第１の基本的思想は、エコーパルスおよび基準パルスを検出するために、同じ検出器が使用されるというものである。したがって、基準測定と実距離測定はどちらも常に、同じ構成要素を用いて行われ、その結果、構成要素の許容差により起こり得る誤差を排除することが可能になり、その結果として、大幅に改善された測定精度を得ることができる。したがって、基準および距離の測定は、同時にではなく、交互にしか起こり得ない。この文脈では、交互測定とは基本的に、エコーパルスと基準パルスを連続して測定するものである。本発明は特に、例えば１００個のエコーパルスが測定され、次いで１つの基準パルスが測定される、典型的な状況をカバーする。重要なのは、エコーパルスおよび基準パルスの測定が、同じ検出器において同時に行われてはならないということである。

本変形形態の別の基本的思想は、基準パルスの光路が、測定パルスの光路よりも少なくとも１オフセット距離分だけ長くなければならない、または短くなければならないというものである。このようにして、基準パルスとエコーパルスを、検出器における検出中にそれらが互いに重なり合わないのに十分なほど時間分離させることが可能になり、したがって、別々のパルス特定が可能になり、基準距離を求めることができる。

第３の基本的思想は、パルス減衰器がエコーパルスの光路中に設けられ、それを用いて、目標設定された、制御された形でエコーパルスを減衰させることができ、その結果、エコーパルスが基準パルスと寸法的に同等になるというものである。基準パルスとエコーパルスがほぼ同じ高さである結果、当初はランダムな時間挙動を伴うパルスから時点を導出することを前提とする時間確定の精度が、更に上がる。エコーパルスおよび基準パルスを、同じ構成要素を用いて測定することによって、あらゆる可能なドリフト原因が、両方の距離（ｒａｎｇｅ）、すなわち距離（ｄｉｓｔａｎｃｅ）の測定に組み込まれる。開始パルス信号／基準信号距離と開始パルス／エコー信号距離との差を形成することにより、いわゆる差距離（ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ）が達成される。起こり得るドリフトは、この差形成によって、計算により解消される。

したがって、本発明の方法の本変形形態は、基準パルスおよびエコーパルスの全ての測定が、同じ構成要素を用いて実施され、したがって、基準測定およびエコー測定用にただ１つの光レシーバしかないことを特徴とする。更に、内部基準用の光路長が、実距離測定用の光路長よりも短い。エコー信号の信号強度（ｓｔｒｅｎｇｔｈ）すなわち強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）に関して、制御可能なパルス減衰器を用いて対応する基準信号値に対して調節が行われることも、本発明にとって重要である。

寸法的には、同等性は、例えばパルスのレベルでも、表面／面積の同等性でもよい。

光源は、十分に短いパルスを供給することができるランダムな性質のものとすることができる。可視光または赤外光を用いたレーザが、好ましくは使用される。ＶＣＳＥＬまたはＲＣＬＥＤを使用することも可能である。

検出器は、例えば既知のフォトダイオードでよい。

基本的には、基準距離を通る光路は、エコーパルス用の光路より長くてもよい。唯一の重要な点は、差が、検出器においてパルスが時間オーバーラップしないほどに十分でなければならないということである。

本発明の装置の更なる特に好ましい開発では、測定パルスの光路および／または基準パルスの光路内に光ファイバが設けられる。定義された光路距離を、光ファイバを用いて特に容易に実施することができる。具体的には、本発明により必要とされる、測定パルス用の光路長と基準パルス用の光路長との十分な差を、非常に容易に、スペースをとらない形で実施することができる。更には、光ファイバを用いた構造は、機械的振動に対して比較的影響を受けない。

基本的には、光ファイバは、単一モードファイバでよく、単一モードファイバには、光導波路内でただ１つの電磁モードが伝搬され、したがって非常に短いパルスが可能になるという利点がある。しかし、多くの適用分野の場合、多モードガラスファイバが適切である。というのも、そのような構成要素を用いると、検出器のところでより高度な強度を得ることができるためである。

パルス減衰器は、単純なケースでは、機械的構造を有することができ、例えば、制御可能な機械的ダイアフラムまたはグレーウェッジフィルタホイールとすることができる。

パルス減衰器の制御は、好ましくは連続して追跡記録され、この目的のために、距離および基準測定が繰り返し実施される。エコーパルスの再調整は、パルス減衰器の速度のため制限される。したがって、パルス減衰器が電気光学変調器、磁気光学変調器、または音響光学変調器、あるいはＡＯＴＦの場合、より速い再調整を達成することができる。

開始信号、エコー信号、および基準信号のパルスは一般に、基本的な電子的理由のため対称的ではなく、その結果、比較器しきい値より上に上昇する、または比較器しきい値未満に降下する２つの時点間の中心にある時点の仮定が不正確である。本発明の方法の別の有利な変形形態は、開始信号、エコー信号、および／または基準信号のパルス幅の補償を含む。そのような補償を実施するためには、例えばテーブルの記録が実施され、テーブルには、個々のパルス高値のところに、各場合において、比較器のスイッチング時点に対する所定の時点が整理保管される。

適切なことには、実測定動作を開始する前に、細密補間回路の補償および／またはパルス補償用にテーブルが記録される。パルス補償テーブルは、好ましくは、機器を顧客に引き渡す前に、基本調整（ｂａｓｉｃ ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）の枠組み内で生成される。

細密補間回路の補償用の１つ以上のテーブルを、測定動作中に連続して追跡記録することができる。このようにして、例えば分または時間スケールで生じる、温度ドリフトなどの特定のドリフトが考慮される。

測定結果の精度に関しては、距離測定を繰り返し実施すること、およびそれを複数の測定値にわたって平均化することも有利である。次いで、基本的な統計に対応して、測定精度を上げることができる。原則的に、移動物体の距離を測定できる状況にあるためにも、記録された測定値全てを考慮に入れるのではなく、測定値に対して移動平均化を実施することが適切である。

本発明の更なる利点および特徴を以下に、添付の図面に関連して説明する。

開始信号が光源から光学的に得られる、光電式測定装置の概略図である。 図１の装置の場合の信号パターンの図である。 開始信号が光源から電気的に得られる、光電式距離測定装置の概略図である。 図３の装置の場合の信号パターンの図である。 本発明の装置の一実施形態の概略図である。 図５の装置の場合の信号パターンの図である。 本発明の装置の基本的な構成要素のブロック図である。 本発明の装置の場合の時間測定に関連する信号パターンの図である。 細密補間回路用の補正テーブルの一例の図である。 細密補間回路値に対してプロットした累積測定頻度を示すグラフである。 補正後の細密補間回路値に対してプロットした累積測定頻度を示すグラフである。 物体の距離を求めるのに不可欠なステップを示す概略流れ図である。

時間測定用の開始信号は、さまざまな様式で得ることができる。そうした方法のうち２つを、図１〜４に関連して説明する。本明細書では、「信号」および「パルス」という語は、時折同じ意味を有すると見なされる。本発明の以下の説明では、「パルス」は通常、光信号を意味すると理解され、「信号」は、電気または電子信号を意味するのに使用される。

まず、図１および２を参照して、開始信号が光開始パルスから得られる方法について説明する。図１は、非接触光学的距離測定用の装置１００を示す。装置１００では、光源１２が光パルスを放出し、光パルスは、レンズ１８を介して、検出領域１６内の物体１４上に伝導される。物体１４上での反射に続き、この時点でエコーパルス３０と呼ばれる前記光パルスは、レンズ２２を介して検出器２０に渡され、そこで検出が行われる。したがって、検出器２０は、エコーレシーバとも呼ばれる。エコー信号３０とも呼ばれる前記検出器２０の信号が、停止信号として測定ユニットに供給される。ここで、時間測定用の開始信号、したがって物体１４の距離を求めるための開始信号を得るために、この方法では、光源１２から発生する光パルスから、一部が半反射鏡２６によって結合分離され、偏向鏡２８を介して別の検出器２４に供給が行われる。開始パルスレシーバとも呼ばれる別の検出器２４の開始または出力信号が、処理のために下流の測定ユニットに供給される。

図２は、検出器２０において検出されたエコー信号３０、ならびに別の検出器２４において検出された光開始信号３２の、時間特性または挙動を示す。図２において矢印３４で示される時間差から、また任意選択で更なる補正および補償の実施後に、装置１００からの物体１４の距離について結論を導くことができる。図２は、エコー信号および光開始信号３２が異なる検出器で検出されるため、それらの時間オーバーラップがあり得るということを、より詳細に明確にしている。

２つの光検出器を用いて、例えばレンズ１８、２２のすぐ上流で、非常に短い距離（ｒａｎｇｅ）、すなわち距離（ｄｉｓｔａｎｃｅ）を確立することも可能である。

この方法では、高測定精度、すなわち低測定誤差に必要な条件は、検出器２０、２４が、実質的に同一に挙動することである。したがって、常に存在し、かつ異なる構成要素の許容差が、それが限られた性質のものであっても、必然的に２つの検出器２０、２４の異なる特性をもたらすことが、この構造の欠点である。こうした差は、測定誤差に直接現れる。そのような誤差は、例えば、移動時間差の形をとることがあり、この差は、高度に温度依存である。基本的に、そのような不正確さは、温度を測定し、適切な補償を考慮に入れることによって、明らかに補償することができるが、必ずしも長期にわたって安定であるとは限らない。

この方法に代わる変形形態では、開始信号が、放出されたレーザ光から直接発生するのではなく、その代わりに光源の電気制御部から得られる。この方法を、図３および４に関連して説明する。等価な構成要素に、これらの図では、図１および２と同じ参照符号が付いており、それらを個別に説明しない。図３は、信号が光源１２から得られて、時間測定器４０に供給される様子を概略的に示す。

この場合、これは電気開始信号３３であり、その時間スロープが図４に示されている。更に、検出器２０の出力信号、すなわちエコー信号３０が、時間測定器４０に供給される。図４は、エコー信号３０の時間スロープも示す。図１および２に関連して説明した方法の場合と同様に、この場合もやはり、開始信号３３およびエコーパルス３０が異なる様式で物理的に得られるので、それらの時間オーバーラップがあり得る。物体１４の距離は、図４に矢印３５で示す、開始信号３３とエコーパルス３０との時間差から得ることができる。

この方法の利点は、より単純な、特により高価でない構成要素を使用できることである。

本発明の装置の一実施形態を、図５および６に関連して説明する。図では、等価な構成要素に、図１〜４と同じ参照符号が付いている。

図５に示す装置１００は、基本的な構成要素として、光源１２と検出器２０とを備えたセンサユニット１０を有する。光源１２が光パルス１３を放出し、それがデバイス４８において分割されて、測定パルス１５および基準パルス３６になる。デバイス４８は、例えば半反射鏡でよい。典型的には、入射強度のわずか数パーセントが、基準パルスとして外に反射される。次いで、測定パルス１５は、測定ファイバとも呼ぶことができる光ファイバ４４を通って伝導される。次いで、測定パルス１５は、測定光学系の一部分としてのレンズ１８によって、センサユニット１０からのその距離（ｄｉｓｔａｎｃｅ）、すなわち距離（ｒａｎｇｅ）を測定すべき物体１４に誘導される。測定パルス１５は、物体１４のところで反射される。エコーパルス３０とも呼ぶことができる反射された測定パルス１５は、測定光学系のもう１つの部分としてのレンズ２２に到達し、次いで、パルス減衰器５０を通過して、最終的に検出器２０に到達し、そこで検出される。検出器２０の出力信号が、時間測定器４０に供給される。光源１２から得られる電気信号も、時間測定器４０に供給される。前記電気開始信号は、レーザダイオード電流のイメージである。レーザ光自体は、数ピコ秒の遅れを伴って発生する。電気開始パルスは、基準および距離測定用の基準点として使用される。パルス減衰器５０は、図示の例では、調整可能な機械的ダイアフラム５２である。

図１〜４に関連して上記で説明した不正確さおよび測定誤差を回避するために、いわゆる基準距離が、本発明によるセンサに組み込まれる。前記距離を用いて、誤差、例えばドリフトを解消することが可能である。

図５は、そのような基準距離の構造を概略的に示す。デバイス４８において得られた基準パルス３６が、基準ファイバとも呼ぶことができる光ファイバ４６を介して半反射鏡２７上に、また半反射鏡２７から検出器２０に伝導され、そこで検出が行われる。対応する検出信号もやはり、時間測定器４０に供給される。基準パルスは、明確に定義された形で遅延された光短絡回路を介して、光レシーバ内で発生する。これは、測定用の基準距離を表す。エコーパルスは、基準パルスと同じ光レシーバ内で発生する。エコーパルスは、測定対象、すなわち物体によって反射される。放出されたレーザパルスに対する時間遅れが、距離の尺度となる。

時間測定器４０に供給される個々の信号の時間特性または挙動を、図６に概略的に示す。まず第１に、時間測定器４０は最初に、光源１２から得られた電気開始信号３３を受領する。次いで、光ファイバ４６によって主として形成される基準距離を経て、基準パルス３６が検出器２０に到達する。図６の矢印３７が、電気開始信号３３から、基準パルス３６が検出器２０において検出される時点までの間の時間遅れを示す。

この場合もやはり、検出すべき物体１４に対する移動時間、および機器内の光ファイバ４４内での遅延または遅れ距離分だけ時間遅れして、エコーレシーバとも呼ぶことができる検出器２０にエコー信号３０が供給される。基準ファイバとも呼ぶことができる光ファイバ４６内の光路長と、測定ファイバとも呼ばれる光ファイバ４４内の光路長との差は、基本的にオフセット距離に対応する。電気開始信号３３に対する時間差が、図６に矢印３５で示されており、基準パルス３６に対する移動時間差が、矢印３１で示されている。基準パルスおよびエコーパルスを測定するのに、各場合において実質的に同一の条件を得るために、本発明によれば、またパルス減衰器５０を用いて、エコーパルス３０が、基準パルス３６に大いに対応するように減衰される。パルスは、例えば、実質的に一致しているレベルまたはパルス高に調節することができるが、別法として、ピークの表面積がほぼ同一になるように調節することもできる。同じ高さまたは表面に調節すると、基準およびエコーパルスに対する作用が同じになるので、補償テーブルの追跡記録を実際には必要とするはずであるパルス形状のドリフトが基本的に影響をもたず、したがって解消が生じるという利点がある。基準パルスに対して所望の高さを得るために、光路は、固定のパルス減衰器、例えば、定義された形で調整することができるグレーウェッジフィルタホイールを組み込むことができる。

次いで、距離の測定が、それぞれ開始信号３３と基準パルス３６の間、または開始信号３３とエコーパルス３０の間で交互に行われる。各場合において測定された値の差を形成することによって、図６で参照符号３９が与えられた、起こり得るドリフトを解消することができる。

本発明の本実施形態では、送出器または送出ダイオードとも呼ぶことができる光源１２がガラスファイバに結合され、ガラスファイバは、測定ファイバ４４と基準ファイバ４６に更に分割され、測定ファイバ４４が、基準ファイバ４６よりもオフセット距離分だけ長い。距離測定と基準測定のどちらの場合にも、開始信号３３が送出ダイオードの電気制御部から得られる。基準距離の測定値を、より長い期間にわたって平均化することができる。

図７は、光電式非接触距離測定用の本発明の装置１００の基本的な構成要素を概略的に示す。装置１００の基本的な部分は、センサユニット１０であり、これは、上述の光電子部６０、および測定コア６２を備える。時間差を正確に求めるために、デジタルデータ取得部６４と、全部で４つの細密補間回路６６、６７、６８、６９を備えたアナログデータ取得部６５がどちらも設けられる。これらの構成要素は全て、評価／制御コンピュータ７０を用いて制御され、これらの構成要素には、それぞれに対応するデータも、処理を目的として供給される。

測定に関するシーケンス制御が、ＦＰＧＡによって実施される。前記ＦＰＧＡは、測定を自動的に実施して未処理値を取得し、その際にレーザを制御し、ＡＤＣを読み取る。ＦＰＧＡは、パルス減衰器のダイアフラムモータを調節することもできる。レーザの形をとる光源１２が始動され、電気開始信号の測定パルスならびに光検出器信号が、比較器に供給され、次いでＦＰＧＡに供給される。ＦＰＧＡは、時間依存信号をパルス幅、細密補間値、およびデジタルカウントパルスに変換する。次いで、パルス幅および細密補間回路値が、時間−振幅変換器（ＴＡＣ）内で、次いでアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）内でデジタル信号に変換される。測定コンピュータが、ＦＰＧＡから測定値を受領し、測定値をＰＣへの送出に適合させる。数回の測定の未処理データが収集されて、ＰＣに送出される。

それと並行して、エコーパルス３０に対して、パルス減衰器５０が調節可能なダイアフラム５２を用いて調節される。この調節は、例えば、直流モータで動作する場合には、パルス幅変調によって行うことができる。あるいは、ステッピングモータを使用することもできる。

ＦＰＧＡは、ダイアフラムの調節に関して、事前設定所望値を受領する。ＦＰＧＡはそれと同時に、ＡＤＣから測定値のパルス幅の実際値を読み取る。前記測定値が基準パルス３６の測定値であるか、それともエコーパルス３０の測定値であるかに応じて、エコーパルスの場合に実際／所望値の比較が実施され、変動がある場合、可変長の直流電圧パルスが、制御状態に達するまで発生される。非常に大きな変動がある場合、ダイアフラムモータが連続して動作する。所望値に近づくとすぐに、パルスが連続して短縮されて、１０ｍｓ長さになる。パルスの頻度は、例えば１０パルス／秒とすることができる。

時間測定に関連する信号の時間経過を、図８に関連して説明する。電気開始パルス８１、およびエコーまたは基準パルス８３が、各場合において比較器８２、８４に供給される。前記各比較器の出力が、フリップフロップ８６、８８に接続されている。フリップフロップ８６、８８の出力Ｌ４およびＬ６を用いて、時間測定が行われる。まず、出力Ｌ４およびＬ６を、クロック８０から得ることができるクロック信号Ｌ１および反転クロック信号Ｌ２と比較することによって、測定のデジタル未処理値が得られる。このデジタル未処理値は、距離の粗い測定であり、半クロック周期以内の正確さであり、開始信号Ｌ３とエコー／基準信号Ｌ５との間の数値に対応する。非常に短いパルスに伴う困難を避けるために、測定論理回路は、開始信号Ｌ３の立上りエッジに続く、クロックＬ１の２番目の立上りエッジしかカウントしない。それに対応して、開始信号Ｌ３の立下りエッジに対しては、反転クロック信号Ｌ２の２番目の立上りエッジしかカウントされない。カウントの挙動は、エコー／基準信号Ｌ５の場合も同じであり、その場合もやはり、各場合において２番目の立上りエッジしかカウントされない。

開始信号Ｌ３とデジタル未処理値としてカウントされる最初のエッジとの初期時間差、ならびにエコー／基準信号Ｌ５とデジタル未処理値としてカウントされる最後のエッジとの最終時間差が、細密補間回路を用いて測定される。全部で、図示の例では４つの細密補間回路が使用され、それらの入力信号がＬ７、Ｌ８、Ｌ９およびＬ１０で示されている。

信号の時間経過を、図８の下部内の時間スケールに関連して説明する。

時点ｔ１は、開始信号Ｌ３の立上りエッジに対応する。これはまた、第１の細密補間回路Ｌ７の時間測定の開始も表している。時点ｔ２で、開始信号Ｌ３が再度降下し、次いで、第３の細密補間回路Ｌ９が測定し始める。時点ｔ３およびｔ４で、それぞれ細密補間回路Ｌ７およびＬ９の時間測定が終了し、これは、それぞれクロックＬ１または反転クロックＬ２の立上りエッジに対応する。

同様に、細密補間回路Ｌ８、Ｌ１０が、それぞれエコー／基準信号Ｌ５の立上りまたは立下りエッジから開始し、それぞれ、各場合においてクロック信号Ｌ１または反転クロックＬ２の２番目に続く立上りエッジによって終了する。これは、時点ｔ５〜ｔ８において行われる。

４つの細密保管回路値が、合計されてアナログ未処理値になり、この和には、初期時間差に属する細密補間回路値が正入力され、最終時間差に属する細密補間回路値が負入力される。前記合計の前に、以下により詳細に説明するように、全ての細密補間回路値が個々に補償される。このように得られたアナログ未処理値は、距離測定用の細密距離と見なすことができる。

アナログ未処理値およびデジタル未処理値は、合計されて複合未処理信号になる。次いで、この複合未処理信号を、更なる補償ステップによって実測定結果に変換しなければならない。

細密補間回路の非直線性、オフセットおよびスロープ誤差を補償することができるように、補正テーブルが記録される。

個々の測定ごとに、４つの細密補間回路値がもたらされ、それらにより、開始パルスおよびエコーパルスの立上りエッジおよび立下りエッジについて、クロックエッジに対する補正値が再生される。これらの細密補間回路値が正確なほど、個々の測定が正確になり、したがって最終結果も正確になる。

図示の例では、クロック８０の周波数が７５ＭＨｚである。したがって、細密補間回路によって測定すべき時間は、１３ｎｓ〜２６ｎｓの値をとることができる。これらの時間ゲートの間、容量が約１ボルト分だけ充電され、コンデンサ電圧が、各場合において時間に相当する。

詳細には、補正テーブルは次のように得られる。ＡＤ変換器が５Ｖにおいて１２ビットの分解能を有し、それにより、約８００〜約１６００の細密補間回路の出力値がもたらされる。述べた非直線性、オフセットおよびスロープ誤差の結果として、実際には、変位したかつ／または広がった値が予想されるはずである。しかし、これらの変動は、補正テーブルを用いて補正すべきである。

テーブルを形成する際に、１０００段の頻度段階（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｔａｇｅ）であれば、平均して６４事象を有すべきであり、これは６４０００個の測定値が必要であることを意味する。ＡＤ変換器値の予想される広がりが約８００である場合には、細密補間回路値ごとに約８０の事象がある。ここでテーブルが生成され、その際、得られた細密補間回路値ごとにカウンタがカウントアップされる。６４０００回の測定後、各場合において測定された細密補間回路値の頻度分布が得られる。そのような分布は、４つの細密補間回路全てに対して同時に測定される。

図９は、テーブルの一例を示し、このテーブルでは、１行目にＦＩで示される細密補間回路値が記入されている。２行目は、全部で３０００回の測定に対して、それぞれに対応する細密補間回路値ＦＩが得られた頻度Ｈを含む。最後に、行３は合計頻度Ｓを含む。例えば、前記合計頻度Ｓは、細密補間回路値ＦＩ＝５３からＦＩ＝６４まで、常に３０００である。というのも、実施された３０００回のどの測定においても、これらの値のいずれにも達しなかったためである。

図１０は、細密補間回路値ＦＩに対してプロットした合計頻度Ｓを示す。図１０から、細密補間回路値ＦＩが均一に分布していないことが即座に明らかとなる。しかし、測定すべき時間間隔に、クロック信号Ｌ１に対する位相相関がないので、全ての細密補間回路値は同じ頻度で測定されなければならない。すなわち、数学的には、細密補間回路値はクロックエッジ間に均一に分布するので、合計頻度Ｓは直線的に分布すべきである。したがって、測定された合計頻度Ｓの直線化を実施することが許される。

次に、実補正が計算される。補正値ＦＩ’は、各場合において、合計頻度Ｓを５０で除算したときの整数に対応する。これは、３０００回の測定の場合、合計で６０段の頻度段階に対応する。図９のテーブルは、合計頻度Ｓを５０で除算したときの剰余Ｒも記録している。したがって、細密補間回路値２３の場合、例えば４０６という合計頻度Ｓがある。５０で除算すると、補正後の細密補間回路値ＦＩ’＝８、および剰余Ｒ＝６が得られる。

これに代わって、上記で説明した実際的に実施される例では、６４０００個の測定値が記録され、合計頻度Ｓが６４で除算される。これは、６つの最下位ビットを捨てることによって、非常に簡単かつ迅速に達成することができる。この時点で、ランダムな細密補間回路値ごとに０〜１０００の補正値が出力されたテーブルが得られる。このとき、補正後の細密補間回路値の頻度分布は、ほぼ直線である。そのようなテーブルは、４つの細密補間回路全てに対して記録される。

図９のテーブルの値について、図１１は、補正後の細密補間回路値ＦＩ’に対してプロットした合計頻度Ｓを示す。合計頻度Ｓが、求められるとおりに、今回はほぼ直線の経路を有することが即座に明らかである。

適切なことには、実測定動作の開始前に、複数回の測定を用いて基準が非常に正確に求められ、例えば２００００回の測定をこのために実施することができる。後続の測定動作中、例えば、１００個の測定値ごとに１つを、起こり得る基準値ドリフトを追跡記録するために使用することが可能である。この場合、事前の妥当性チェックと共に適切な平均化を実施することも可能である。

図１２を用いて、測定された時間から最終測定結果を得るのに不可欠なステップについて説明する。

まず、ステップＳ１０では、開始信号およびエコー／基準信号をクロック信号Ｌ１および反転クロック信号Ｌ２と比較することにより、デジタル未処理値が得られる。更に、ステップＳ２０では、４つの細密補間回路値が得られ、それらは、４つの別々の、常に更新される補償テーブルを用いて補償される。ステップＳ２２では、これらの別々に補償された細密補間回路値が合計されて、アナログ未処理値になる。ステップＳ５０では、ステップＳ２２で得られたアナログ未処理値、ならびにステップＳ１０からのデジタル未処理値が合計される。これにより、ステップＳ６０では、複合未処理値または距離未処理値が得られる。

機器の基本調整の枠組み内で、ステップＳ３１およびＳ４１では、開始パルスおよびエコー／基準パルスのパルス幅に対して、補償テーブルが生成される。開始パルスのパルス幅は、ステップＳ３０において求められ、エコー／基準パルスのパルス幅は、ステップＳ４０において求められる。Ｓ３１およびＳ４１において得られたテーブルから、距離未処理値に対する更なる付加的な補正値が、ステップＳ７０において合計される。

最終ステップとして、Ｓ８０では、基準測定からもたらされるオフセット値を減算することが可能である。したがって、真の距離値がステップＳ９０において得られる。

本発明は、非接触距離測定用の光電式センサに関する。本発明は、より詳細には、生じる細密補間回路の不正確さおよびドリフトを、それぞれ改善または制御する可能性に関する。

そのような統計的方法では、細密補間回路によって測定される各値が、同じ頻度で生じると仮定される。各場合において測定された値の数を監視することによって、非直線性に関して情報を収集することができ、その分布に、対応する重み付けを与えることができる。これはまた、平均値の監視にも当てはまり、ゼロから逸脱すると同時に補正が可能である。

本発明による方法および装置の場合、細密補間回路の測定結果が統計的に評価され、その際、分布の均一性の逸脱が、直線性の補正に関する指標であり、平均値の逸脱が、ドリフト補償に関する指標である。

Claims (18)

1. 移動時間原理による光電式非接触距離測定の方法において、
   センサユニット（１０）からの物体（１４）の距離が、開始信号（Ｌ３）と、前記物体（１４）によって反射された光測定パルス（１５）から得られるエコー信号（Ｌ５）との時間差から求められ、前記時間差を求めるために、次の、
   ａ）開始信号（Ｌ３）およびエコー信号（Ｌ５）をデジタルクロック（８０）と比較することにより、デジタル未処理値（Ｓ１０）が得られるステップと、
   ｂ）少なくとも２つの細密補間回路（６６、６７、６８、６９）を用いて、前記開始信号（Ｌ３）と前記デジタル未処理値（Ｓ１０）の始まりとの初期時間差、および前記エコー信号と前記デジタル未処理値（Ｓ１０）の終わりとの最終時間差が求められるステップと、
   ｃ）前記細密補間回路（６６、６７、６８、６９）に、各場合において、前記初期時間差または最終時間差それぞれに対応するアナログ信号が供給され、前記アナログ信号が、それぞれデジタル初期時間差またはデジタル最終時間差に変換されるステップと
   が実施される方法であって、
   前記細密補間回路（６６、６７、６８、６９）を自動較正するために、ステップａ）〜ｃ）に従って複数回の測定が実施され、
   所定の値間隔内で前記初期時間差および前記最終時間差について値が測定される確率に対して等しい分布であると仮定して、前記細密補間回路（６６、６７、６８、６９）の特性の非直線性および／またはドリフトに対して補正が計算される
   ことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   細密補間回路値（ＦＩ）を補正するために、個々の細密補間回路値（ＦＩ）が生じる頻度（Ｈ）の和（Ｓ）が形成され、
   前記和（Ｓ）が定数で除算されることから、補正後の細密補間回路値（ＦＩ’）が得られる
   ことを特徴とする方法。
3. 請求項１または２のいずれか一項に記載の方法であって、
   全部で４つの補間回路（６６、６７、６８、６９）が使用される
   ことを特徴とする方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の方法であって、
   前記デジタル未処理値（Ｓ１０）を求めるために、カウントが、開始事象に続く前記クロック（８０）の２番目のエッジからしか行われない
   ことを特徴とする方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の方法であって、
   前記開始信号（Ｌ３）が、前記センサユニットの光源（１２）の制御電子回路から得られる
   ことを特徴とする方法。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の方法であって、
   基準パルス（３６）が光基準距離全体にわたって伝導されることから、基準距離が測定される
   ことを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法であって、
   前記基準パルス（３６）が、エコーパルス（３０）と同じ検出器（２０）で検出される
   ことを特徴とする方法。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の方法であって、
   前記開始信号（Ｌ３）、エコー信号（Ｌ５）および／または基準信号（Ｌ５）のパルス幅が補償される
   ことを特徴とする方法。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の方法であって、
   実測定動作を開始する前に、前記細密補間回路（６６、６７、６８、６９）の補償および／またはパルス補償用にテーブルが記録される
   ことを特徴とする方法。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の方法であって、
    測定動作中に、前記細密補間回路（６６、６７、６８、６９）の補償用のテーブルが連続して追跡記録される
    ことを特徴とする方法。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法であって、
    測定値に対して移動平均化が実施される
    ことを特徴とする方法。
12. 請求項２から１１のいずれか一項に記載の方法であって、
    前記定数での前記除算が、特定数の最下位ビットを捨てることによって行われる
    ことを特徴とする方法。
13. 光パルス（１３）を放出するための少なくとも１つの光源（１２）と、光パルス（１３）を検出するための検出器（２０）とを有するセンサユニット（１０）を備え、前記センサユニット（１０）からの物体（１４）の距離を、開始信号（Ｌ３）と、前記物体（１４）によって反射された光測定パルス（１５）から得られるエコー信号（Ｌ５）との時間差から求めることが可能であり、
    更に、前記時間差を求めるための、また次の構成要素、
    前記開始信号（Ｌ３）およびエコー信号（Ｌ５）からデジタル未処理値（Ｓ１０）を求めるためのデジタルクロック（８０）と、
    前記開始信号（Ｌ３）と前記デジタル未処理値（Ｓ１０）の始まりとの初期時間差、および前記エコー信号（Ｌ５）と前記デジタル未処理値（Ｓ１０）の終わりとの最終時間差を、前記初期時間差または最終時間差それぞれに対応するアナログ信号を、それぞれデジタル初期時間差またはデジタル最終時間差に変換することにより求めるための少なくとも２つの細密補間回路（６６、６７、６８、６９）と
    を有する、時間測定器（４０）を備えた
    特に請求項１から１２のいずれか一項に記載の前記方法を実施するための、移動時間原理による光電式非接触距離測定用の装置であって、
    前記細密補間回路（６６、６７、６８、６９）を自動較正するために、複数回の時間差測定に基づいて統計的評価を実施する計算ユニット（７０）が設けられ、所定の値間隔内で前記初期時間差および最終時間差について値が測定される確率に対して等しい分布であると仮定して、前記細密補間回路（６６、６７、６８、６９）の非直線性および／またはドリフトに対して補正が計算される
    ことを特徴とする装置。
14. 請求項１３に記載の装置であって、
    前記細密補間回路（６６、６７、６８、６９）が、各場合においてＴＡＣおよびＡＤＣを有する
    ことを特徴とする装置。
15. 請求項１３または１４のいずれか一項に記載の装置であって、
    前記ＴＡＣがＲＣ素子である
    ことを特徴とする装置。
16. 請求項１３から１５のいずれか一項に記載の装置であって、
    全部で４つの細密補間回路（６６、６７、６８、６９）がある
    ことを特徴とする装置。
17. 請求項１３から１６のいずれか一項に記載の装置であって、
    前記光パルス（１３）を、各場合において測定パルス（１５）と基準パルス（３６）に分割するために、デバイス（４８）が設けられ、
    測定パルス（１５）を前記物体（１４）に伝導し、物体（１４）によって反射された前記測定パルス（１５）を、エコーパルス（３０）として前記検出器（２０）に伝導するために、測定光学系（１８、２２）が設けられ、
    前記基準パルス（３６）を前記検出器（２０）の方向に伝導するために、基準光学系（２７）が設けられ、前記基準パルス（３６）の光路が、前記測定パルス（１５）の光路よりも少なくとも１オフセット距離分だけ長く、または短く、
    前記検出器（２０）が、エコーパルス（３０）と基準パルス（３６）の両方を交互に定量的に検出するのに使用される
    ことを特徴とする装置。
18. 請求項１７に記載の装置であって、
    前記エコーパルス（３０）の光路が、前記エコーパルス（３０）の目標設定された減衰を行うための制御可能なパルス減衰器（５０）を含み、その結果、前記パルスが前記基準パルス（３６）と寸法的に同等になる
    ことを特徴とする装置。

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