KR20050013184A - 거리 측정 장치 및 방법 - Google Patents

거리 측정 장치 및 방법

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KR20050013184A
KR20050013184A KR10-2005-7000913A KR20057000913A KR20050013184A KR 20050013184 A KR20050013184 A KR 20050013184A KR 20057000913 A KR20057000913 A KR 20057000913A KR 20050013184 A KR20050013184 A KR 20050013184A
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 변조된 측정빔(16,26,36)을 목표물(20) 방향으로 송신하기 위한 적어도 하나의 송신기(22,24)를 구비한 적어도 하나의 송신 브랜치(14), 목표물(20)로부터 리턴된 측정빔(17,44)의 수신을 위한 적어도 하나의 수신 브랜치(18), 및 목표물(20)로 부터 리턴된 측정빔으로부터 목표물(20)에 대한 장치(10)의 거리를 측정하기 위한 제어 및 평가 유닛(28,58)을 포함하는 거리 측정 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따라 상기 장치(10)가 설정된 측정 불확실도로 거리 측정을 가능하게 하는 수단을 포함한다.
또한 본 발명은 설정가능한 측정 불확실도로 거리 측정이 가능한 거리 측정 방법에 관한 것이다. 결정된 설정가능한 측정 시간안에 거리 측정을 보장하기 위해, 거리 측정에 기초가 되는 측정 불확실도의 값이 상기 측정 시간에 매칭되고, 특히 단계적으로 상승될 수 있다.

Description

거리 측정 장치 및 방법{Device and method for distance measurement}
거리 측정 장치 및 특히 광학 거리 측정 장치는 오래 전부터 공지되어 있다. 이러한 장치는 변조된 측정빔, 예컨대 광- 또는 레이저빔을 송신하고, 상기 빔은 장치에 대한 그 거리가 측정되는 소정의 목표물로 방향 설정된다. 목표로 삼은 목표물로부터 반사되거나 또는 산란된, 리턴된 측정 신호가 장치에 의해 부분적으로 다시 검출되어 연구된 거리의 측정을 위해 사용된다.
이 경우 소위 위상 측정 방법과 목표물에 대한 연구된 거리의 결정을 위한 순수 전파 시간 측정 방법은 구분된다. 전파 시간 측정 방법에서 예컨대 가급적 짧은 임펄스 지속 시간을 가진 광 임펄스가 측정 장치로부터 송신되어 이어서 그 전파 시간이 목표물로 그리고 다시 측정 장치에서 측정된다. 광속의 공지된 값에 의해 이로부터 목표물에 대한 측정 장치의 거리가 계산된다.
이와는 달리 위상 측정 방법에서는 측정 장치와 목표물 사이의 거리를 결정하기 위한 연속하는 구간을 구비한 측정 신호의 위상의 변화가 사용된다. 송신된 빛과 비교되는 리턴된 빛의 위상 차이의 값을 통해, 빛이 지나가는 구간 및 목표물에 대한 측정 장치의 거리가 결정될 수 있다.
상기 형식의 거리 측정 장치의 사용 범위는 일반적으로 수 밀리미터 내지 수백 미터까지 범위의 거리를 포함한다. 측정될 전파 구간, 주변 조건 및 선택된 목표물의 반사율에 따라 이러한 측정 장치의 성능에 대한 상이한 요구가 발생된다.
상기 형식의 측정 장치는 그 사이에 콤팩트한 형태로 상업적으로 판매되고 사용자에게 간단한 휴대 작동을 가능하게 한다.
실질적으로 측정 장치를 기초로 하는 측정 시스템에 의해 규정되는 규정된 측정 정확도를 가지는 레이저 거리 측정 장치가 공지되어 있다. 이러한 거리 측정 장치의 정확도는 측정 장치의 특수한 측정 범위용으로 예컨대 제조자 측에서 보장된다.
DE 198 11 550 A1 에는 예컨대 광학 거리 측정을 위한 회로 장치 및 방법이 공지되어 있고, 상기 방법에서 적어도 2 개의 상이한, 긴밀하게 이웃한 측정 주파수가 발진기로부터 도출된다. 가급적 큰 측정 범위를 통해 측정할 수 있기 위해, 동시에 거리 측정시 가급적 높은 측정 정확도를 달성하기 위해, DE 198 11 550 A1 의 방법에서 3 개의 상이한 주파수가 약 1MHz 내지 약 300 MHz 의 범위에서 사용되고 각각 상기 주파수를 가진 연구된 구간이 측정된다.
EP 0 885 3999 B1 에는 임펄스 전파 시간-방법에 따른 거리의 측정을 위한 광학 방법이 공지되어 있고, 상기 방법에서 개략적인 측정 절차와 세밀한 측정 절차가 실행된다. 개략적인 측정 절차에 의해, 소정의 목표물을 왕복하는 광 신호의 평가된 전파 시간보다 큰 측정 시간 간격이 결정된다. 상기 측정 시간 간격 내에적합한 측정 시간 범위가 우선 고정된다. 세밀한 측정 절차동안 일련의 하부 측정이 실행되고, 각 하부 측정 동안 측정 광 신호가 목표물로 송신되며, 목표물로부터 반사되는 수신된, 리턴된 광 임펄스는, 개략적인 측정 절차동안 고정되는 적합한 측정 시간 범위 내에만 축적된다. 목표물에 대한 측정 장치의 정확한 거리는 세밀한 측정 절차의 개별 측정에 대한 평균치 산정을 통해 구현된다.
본 발명은 청구항 제 1항의 전제부에 따른 거리 측정 장치 또는 청구항 제 15항의 전제부에 따른 거리 측정 방법에 관한 것이다.
도 1은 일반적인 광학 거리 측정 장치의 개략적인 전체적인 개관도이고,
도 2는 본 발명에 따른 방법에 기초를 둔 실질적인 처리 단계를 포함하는 흐름도이고,
도 3은 측정 거리에 걸친 측정 장치의 측정 불확실도의 개략적인 곡선 및 예시적으로 본 발명에 따른 장치에서 설정된, 측정 거리의 함수인 측정 불확실도의 일련의 특성 곡선이고,
도 4는 측정 불확실도가 실질적으로 일정한 경우 그리고 측정이 도 3에 상응하는 설정된 특성 곡선에 상응하게 이루어지는 경우 측정 거리에 걸친 측정 시간의 개략적인 곡선을 도시한다.
본 발명의 목적은 콤팩트한, 특히 휴대 측정 장치로 거리 측정을 위해 사용될 수 있는 거리 범위, 즉 장치에 의해 거리 측정이 가능한 거리 범위를 간단한 수단으로 확대하는데 있다.
상기 목적은 본 발명에 따른 청구항 제 1항의 특징을 포함하는 거리 측정 장치 또는 청구항 제 14항의 특징을 포함하는 거리 측정 방법에 의해 달성된다.
선행 기술의 장치와는 달리 본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법은, 거리 측정이 상이한 측정 정확도에 의해 가능하다는 장점을 가진다. 측정 거리의 특정 범위에 대한 측정 정확도가 보장되고 따라서 결정되면, 이것은 예컨대 거리에 의한 신호 세기의 감소로 인해, 미리 결정된 측정 불확실성으로 측정되는 최대 측정 거리에 대한 제한 기준이 된다. 측정의 측정 불확실성은 실질적으로 측정 신호의 신호 대 잡음 비(S/N)에 의해 결정된다. 이것은 특히 예컨대 측정 거리가 큰 경우 또는 측정시 표면에 비해 반사도가 낮을 경우 존재하는 작은 반사 신호에 있어서 특수화된 측정 불확실성에 의해 여전히 측정될 수 있는 측정 범위의 축소를 야기한다. 상응하는 거리 측정을 실행하는 측정 불확실성이 고정되지 않고 사용자또는 장치에 의해 자동으로 설정될 수 있다면, 이러한 측정 장치 또는 상응하는 이러한 방법이 사용하는 거리 측정에 대한 측정 범위는, 측정 불확실성이 상승됨에도 불구하고 확실히 확대될 수 있다.
예컨대 콤팩트한 휴대용 거리 측정 장치의 여러 사용 분야에 있어서, 측정 범위의 확대에 의해 발생되는 장점은, 경우에 따른 더 큰 측정 불확실성 또는 감소된 측정 정확도의 단점을 능가한다.
종속항에서 구현된 조치에 의해 독립항에 제시된 장치 또는 청구된 방법의 바람직한 다른 실시예가 가능하다.
바람직한 방법으로 측정 장치의 측정 정확도가 각 측정 목적에 최적으로 매칭될 수 있다. 이러한 콤팩트한 거리 측정 장치의 전형적인 다수의 적용예에서 예컨대 수 밀리미터 범위의 해상도를 가진 높은 정확도는 요구되지 않는다. 특히 먼 거리의 측정시, 주로 제 1 측정값 및 연구된 경로 구간에 대한 표시를 얻는 것이 바람직함으로써, 이러한 경우 수 밀리미터의 정확도에 의해 연구된 구간을 측정할 필요가 전혀 없다. 이것은 수 미터에 걸친 측정시와 동일한 낮은 측정 불확실도로 백미터 이상의 구간에 대한 거리 측정을 실행할 경우 큰 측정 비용을 의미하기도 한다.
광학 거리 측정을 위한 본 발명에 따른 장치에 의해 바람직한 방법으로, 원칙적으로 이러한 장치에 의해 측정될 거리 범위를 분명히 확대할 수 있다. 거리 측정의 고정된 설정된 측정 불확실도 또는 측정된 거리의 상응하는 해상도 대신에 장치에 의한 거리 측정시 가변 측정 불확실도가 가능하다. 따라서 큰 측정 거리의범위, 예컨대 50 내지 수백 미터의 범위에서 측정될 값의 측정 불확실도에 대한 요구가 감소될 경우 예컨대 이러한 거리 측정 장치의 측정 거리가 분명히 확대될 수 있다. 이를 위해 측정 시스템의 측정 불확실도가 상응하게 상승되는 경우 예컨대 측정 거리의 측정을 위해 필요한 측정 시간이 분명히 감소될 수 있다.
이를 위해 바람직한 방법으로 일련의 특성 곡선, 예컨대 측정 거리에 대한 측정 불확실성의 곡선을 설정하는 특성 곡선이 측정 장치의 저장 매체에 저장될 수 있다.
예컨대 장치의 상응하는 스캐닝 필드에 걸친 조작자의 설정에 의해 또는 장치 내부 자동화에 의해, 거리 측정에 기초가 되는 측정 불확실도를 측정 거리에 따라 설정하는 특성 곡선이 선택될 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 측정 장치 또는 기초가 되는 거리 측정 방법의 바람직한 실시예에서 예컨대 측정을 위한 최대 측정 시간이 설정되고, 장치는 측정 불확실도용으로 존재하는 특성 곡선들 사이에서 자동으로 스위칭됨으로써, 설정된 측정 시간을 고려하여 가급적 낮은 측정 불확실도를 보장하는 특성 곡선이 선택된다.
이러한 방법으로, 작은 측정 거리 범위에서 장치의 최소 측정 불확실도로 작동되고 거리가 큰 경우에는 측정 불확실도가 계속 커짐으로써, 확대된 측정 범위가 측정 장치에서 사용되고, 이때 작은 측정 거리의 범위에서 측정 불확실도는 커지지 않는다.
바람직한 방법으로 상기 장치의 제어 및 평가 유닛에 검출될, 리턴된 진폭신호의 신호 대 잡음 비(S/N)의 값이 설정될 수 있다. 상기 신호 대 잡음 비는 실질적으로 거리 측정을 실행할 수 있는 정확도를 규정한다.
마찬가지로 바람직한 방법으로 본 발명에 따른 거리 측정 장치는, 측정 시간, 측정의 측정 불확실도 및 측정 결과의 해상도가 개별적 또는 전체적으로 선택될 수 있도록 구성될 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 측정 장치의 사용자는 제어판(control panel)을 통해 예컨대 고정된 측정 시간 또는 거리 측정시 사용자에 의해 소망되는 정확도를 조절할 수 있다. 측정 장치의 전자 장치는 상응하는 스위칭 수단을 통해, 소정의 측정 불확실도 또는 소정의 측정 시간이 가능하도록, 남아있는 측정 파라미터를 반자동으로 조절한다.
본 발명에 따른 측정 장치는 양호하게 반사하는 표면에서 약 10 m 까지 가까운 범위에서 작동할 경우 예컨대 10-3m의 측정 불확실도로 조절될 수 있고, 측정 시간은 예컨대 최대 한 시간일 수 있고, 측정 장치의 해상도는 10-4m 이어야 한다. 이러한 조절로 인해 어두운 표면에서의 측정이 더 이상 불가능하지만, 이것은 사용자의 소정의 측정 상황에 있어서는 중요하지 않다. 그러나 측정 장치는 마찬가지로 바람직한 방법으로 예컨대 50m 내지 100m 사이의 먼 범위에서의 작동시 최적으로 구성될 수 있음으로써, 측정 정확도가 10-1m로 감소되고 측정된 측정값의 해상도는 10-2m로 조절된다.
본 발명에 따른 측정 장치의 실시예에서 센서가 통합되고, 상기 센서는 측정 위치의 주변에서 광 비율을 검출하며 이로부터 측정시 존재하는 언더그라운드 신호용 접지를 결정한다. 상기 언더그라운드 신호는 측정시 존재하는 신호 대 잡음 비로 이어지고 따라서 거리 측정의 가능한 측정 불확실도에 영향을 미친다. 바람직한 실시예에서 상기 센서 기능은 수신 브랜치의 검출 부재에 의해 실행됨으로써, 단 하나의 검출기에 의해 측정 신호와 언더그라운드 신호가 결정된다.
주변 빛의 상대적 세기로 인한 장치의 측정 불확실도의 자동 전환은 본 발명에 따른 방법에 제공될 수 있고 상응하도록 본 발명에 따라 작동하는 측정 장치 내에 통합될 수 있다.
따라서 예컨대 가능한 거리 측정 범위는 최대 설정된 측정 시간 동안 거리에 대한 신호 대 잡음 비의 요구로의 리셋에 의해 확대될 수 있다. 이것은 특수하게 외부 영역에서 일사시 즉 언더그라운드 또는 잡음 신호가 강할 경우 본 발명에 따른 측정 장치의 유효 가능성의 현저한 상승을 야기한다.
바람직한 방법으로 본 발명에 따른 측정 장치의 평가 유닛에 예컨대 단 하나의 측정 파라미터(측정 시간, 거리의 해상도, 측정 불확실도,...)만이 고정될 수 있음으로써, 다른 측정 파라미터는 반자동으로 측정 장치의 제어 전자 장치에 의해, 고정된 조절시, 예컨대 측정 시간에서 연구된 거리를 가장 가능한 정확도로 즉, 최소 측정 불확실도로 측정되도록 조정되고, 이것은 물론 사용된 해상도에 매칭된 측정값의 표시를 야기한다.
또한 광학 거리 측정을 위한 본 발명에 따른 장치는, 모든 파라미터가 거리 및 주변 조건에 따라 측정 파라미터의 최적의 조절이 실행되도록 조절되는 방식으로 상기 장치가 전자동으로 독립적으로 구성된다.
본 발명에 따른 실시예에서 측정 정확도를 결정하는 신호 대 잡음 비의 값은 고유의 거리 측정보다 시간적으로 앞선, 장치로부터 목표물에 대한 거리의 상기 제 1 개략적인 측정에 의해 자동으로 검출된다. 이어지는 측정 장치와 목표물 사이의 거리를 측정하기 위한 제 2 측정은, 개략적인 거리 범위에 매칭된 정확도 및 측정 시간 요구에 의해 이루어진다.
이를 위해 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예에서는 개별적으로 거리 간격에 할당된 상이한 측정 불확실도가 적용된다. 개략적인 측정에 의해 측정된, 개략적인 거리로 인해, 상기 장치에 의해, 상기 거리에 상응하는 측정 불확실도 중 하나가 고유의 거리 측정용으로 선택된다.
또한 본 발명에 다른 방법에 의해, 사용자가 예컨대 제어판 "mm", "cm" 또는 "m"을 입력하고 측정 장치가 이로부터, 측정 상황을 고려하여, 즉 예컨대 언더그라운드 신호의 레벨 및 소정의 측정 시간을 고려하여, 매칭된 측정 불확실도를 선택하고, 즉 신호 대 잡음 비가 측정되어야 할 때까지 이를 결정함으로써, 사용자가 측정 이전에 거리의 해상도를 자동으로 설정한다. 측정이 진행되는 동안 각각의 실제 신호 대 잡음 비는 측정 장치의 제어 및 평가 유닛에 의해 측정되고, 더 이상 측정되어야 하는지의 여부가 결정된다.
측정 장치에 측정 거리에 대한 측정 불확실도의 상이한 곡선을 나타내는 다수의 특성 곡선이 저장됨으로써, 이러한 특성 곡선의 선택에 의해 선택된 측정 범위용으로 여전히 허용될 수 있는 측정 불확실도가 선택되는 것이 매우 바람직하다.
이것은 예컨대 사용자가 대략적인 거리 범위를 개략적으로 설정하고 장치가측정 불확실도용으로 상응하는, 최적의 특성 곡선을 선택함으로써 이루어질 수 있다.
바람직한 방법으로 본 발명에 따른 측정 장치에서 거리 측정에 기초가 되는 길이 측정 정확도의 조절은 사용자에서 광학 디스플레이를 통해 디스플레이된다. 따라서 예컨대 디스플레이 "밀리미터", "센티미터", "미터"는 사용자에게, 어떤 크기에서 디스플레이에 나타나는 길이 측정에 대한 측정 결과가 정확하게 특수화될 수 있는지를 즉시 전달할 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 추가 실시예에서 예컨대 거리 측정의 측정 결과의 디스플레이가 거리 측정 정확도에 따른 소수와 함께 측정 장치의 디스플레이 장치에 표시될 수 있다. 측정 장치의 사용자에게, 예컨대 디스플레이 해상도의 감소에 의해, 증가하는 측정 거리에 의해 감소하는 측정 정확도가 간단하지만 확실한 방법으로 시각화된다.
진폭 변조된 빛에서 위상 차이가 나는 본 발명에 따른 거리 측정 방법은 간단하고 바람직한 방법으로, 이러한 측정 장치에 있어서 거리 측정을 위해 가능한 길이 범위를 현저히 확대시킬 수 있다. 대안적인 방법으로 본 발명에 따른 방법은 예컨대 전형적으로 설정된 목표물 간격에서 측정할 경우 측정 시간의 감소를 가능하게 한다. 본 발명에 따른 거리 측정 방법에 의해 접근되는 측정 범위는 더 이상 한번 결정된, 전체 측정 범위에 걸쳐 그리고 장치의 모든 용도에 있어서 문서상으로 확정된 측정 정확도에 의해 축소되지 않고, 간단한 방법으로 측정 정확도가 측정 목적에 매칭됨으로써 현저히 확대될 수 있다. 본 발명에 따른 방법에 의해 상기 측정 장치의 사용 범위가 현저히 확대될 수 있다.
본 발명에 따른 장치 또는 본 발명에 따른 방법의 추가 장점은 도면 및 해당 설명부로부터 제시된다.
도면에는 광학 거리 측정을 위한 본 발명에 따른 장치 또는 본 발명에 따른 방법의 실시예가 도시되고, 이는 하기의 설명부에서 더 자세히 설명되어야 한다. 도면, 그의 설명부 및 본 발명에 따른 청구항은 다수의 특징들을 조합하여 포함한다. 당업자는 상기 장점 또는 이와 관련된 청구항을 개별적으로 관찰하거나 추가의 중요한 조합 및 청구항에 통합시킨다.
도 1은 개략적인 방법으로 기본적인 구조를 설명하기 위해 가장 중요한 구성요소를 포함하는 일반적인 거리 측정 장치(10)를 도시한다. 장치(10)는 하우징(12)을 포함하고, 상기 하우징에는 측정 신호(16)의 발생을 위한 송신 브랜치 (14) 및 목표물(20)로부터 리턴된 측정 신호(17)의 검출을 위한 수신 브랜치(18)가 배치된다. 수신 브랜치(18)는 리턴된 측정 신호(17)용 수신 채널을 형성한다.
송신 브랜치(14)는 광원(22)을 포함하고, 상기 광원은 도 1의 실시예에서 반도체 레이저 다이오드(24)에 의해 구현된다. 다른 광원 및 본 발명에 따른 장치 내 비광원 송신기의 사용도 마찬가지로 가능하다.
도 1에 따른 실시예의 레이저 다이오드(24)는 인간의 눈에 보일 수 있는 광다발(26) 형태의 레이저빔을 송신한다. 레이저 다이오드(24)는 제어 장치(28)를 통해 작동되고, 상기 제어 장치는 상응하는 전자 장치에 의해 전기 입력 신호(30)의 변조를 다이오드(24)로 발생시킨다. 제어 장치(28)는 측정 장치의 제어 및 평가 유닛(58)의 변조를 위해 필요한 주파수 신호를 수신한다. 다른 실시예에서 제어 장치(28)는 제어 및 평가 유닛(58)의 필수 구성 부품일 수도 있다.
제어 및 평가 유닛(58)은 회로 장치(59)를 포함하고, 상기 회로 장치는 특히 필요한 주파수 신호의 제공을 위한 적어도 하나의 수정 발진기를 포함한다. 전형적인 방식으로 다수의, 상이한 주파수로 거리 측정 동안 사용되는 상기 신호에 의해 측정 신호가 공지된 방식으로 변조된다. 이러한 회로 장치의 기본적인 구조는 예컨대 DE 198 11 550 AI 에 제시되므로 여기서는 설명을 반복하지 않겠다.
반도체 다이오드(24)로부터 발생하는, 집중적으로 변조된 광 다발(26)이 제 1 광학 수단(32)을 통과하고, 상기 제 1 광학 수단은 광다발의 빔 프로파일의 개선을 야기한다. 이러한 광학 수단은 레이저 다이오드 자체의 중요한 구성 부품일 수 도 있다. 레이저 광 다발(26)은 이어서 조준물(34)을 통과하고, 상기 조준물은 거의 평행하는 광빔 다발(36)을 발생시키고, 상기 광빔 다발은 측정될 목표물(20)의 방향으로 송신된다. 도 1에 따른 장치의 송신 브랜치(14)에 장치 내부 기준 구간(40)을 발생시키기 위한 장치(38)가 제공되고, 상기 장치는 측정 장치의 내부 보정(calibration)을 위해 사용된다.
측정 신호(16)는 광학 윈도우(42)에 의해 장치(10)의 하우징(12)으로부터 분리된다. 측정을 위해 장치(10)가 목표물(20)에 정렬되고, 측정 장치에 대한 상기 목표물의 거리가 측정되어야 한다. 고정의 목표물(20)에 반사되거나 또는 산란된 신호(17)는 그 일부가 다시 장치(10)에 도달하는 리턴된 측정 빔 다발(44)을 형성한다. 장치(10)의 정면(48) 내 입사 윈도우(46)에 의해 리턴된 측정 빔(17)이 측정 장치에 연결되고 수신물(50)에 링크된다. 수신물(50)은 리턴된 측정 빔 다발(44)을 수신 장치(54)의 활성면(52)에 포커싱시킨다.
이러한 수신 장치(54)는 예컨대 표면 검출기 또는 포토 다이오드, 예컨대 공지된 방식의 일방향 혼합 애벌런시 포토 다이오드(avalanche photo diode)일 수 있다. 수신 장치(54)의 활성면(52)은 상응하는 검출 부재이다. 수신 장치(54)는 수신된 광신호(17)롤 전기 신호로 전환시키고, 상기 전기 신호는 이제 상응하는 결합 수단(56)을 통해 장치(10)의 제어 및 평가 유닛(58)에 전달된다. 제어 및 평가 유닛(58)은 리턴된 광학 신호(17) 및 특히 원래 송신된 신호와 비교하여 리턴된 신호에 적용된 위상 차이로부터 장치(10)와 목표물(20) 사이의 연구된 거리를 측정하고, 이들을 예컨대 측정 장치의 광학 디스플레이 장치(60)에 디스플레이한다.
진폭 변조된 빛에서 위상 차이의 측정에 의한 레이저 거리 측정시, 목표물(20)로부터 리턴되고 검출기(54)에 수신된 빛과 측정 장치(10)로부터 목표물(20) 방향으로 송신되는 빛 사이의 위상 차이가 식(1)에 의해 제공된다.
식(1)
이 경우는 측정 장치(10)와 목표물(20) 사이의 거리(d)로 인한 광신호에 적용된 위상 차이를 나타내고, f는 진폭 변조된 측정 신호의 변조 주파수이고, c는 사용된 측정 신호의 위상 속도(광속)를 나타낸다.
위상 차이 측정에 의한 레이저 거리 측정시 목표물(20)에 대한 측정 장치(10)의 거리(d)를 측정할 경우, 사용된 측정 신호의 신호 대 잡음 비는 정확도를 결정한다.
식(2)에 의해 위상 측정시 측정 정확도()가 제공된다.
식(2)
측정 불확실도를 결정하는 신호 대 잡음 비(S/N)는 예컨대 변조 신호의 진폭 측정 및 주변 빛의 직류 성분으로부터 측정되고, 상기 직류 성분은 측정 신호에서상응하는 잡음을 야기한다.
신호 대 잡음 비가 기본적으로 측정될 수 있기 때문에, 본 발명에 따라 예컨대 측정 시간의 매칭에 의해 신호 대 잡음 비(S/N)와 이에 따른 위상 측정시 측정 불확실도()에 대한 설정된 목표값이 달성되도록 거리 측정에 영향을 미칠 수 있다. 측정시 달성되어야 하는 신호 대 잡음 비의 설정은 본 발명에 따른 방법에서 선택적으로 사용자에 의해 간접적으로, 미리 선택된 측정 시간의 형태로 예컨대 측정 장치(10)의 제어 및 평가 유닛(58)의 제어판(62)을 통해 또는 자동으로 또는 반자동으로 최적의 방식으로 측정 장치 자체에 의해 조절될 수 있다.
따라서 예컨대 짧은, 고유의 측정 과정 앞에 지지된 짧은 거리 측정에 의해, 연구된 거리에 대한 결함이 있는 개략적인 평가가 실행될 수 있고, 상기 개략적인 평가 다음에 정확한 측정이 배치되지만, 상기 정확한 측정은 개략적인 거리 범위에 매칭된 측정 불확실도와 이에 따른 신호 대 잡음 비(S/N)에 대한 요구에 의해 실행된다.
또한 일련의 거리 측정으로부터 부분 집합이 선택될 수 있음으로써, 이러한 결과로 인해 측정 불확실도가, 예컨대 측정된 측정 거리에 매칭될 수 있다. 거리의 측정을 위해 더 많은 개별 측정이 예컨대 상이한 주파수로 실행되기 때문에, 이러한 개별 측정이 사용될 수 있음으로써, 측정 불확실도의 조절을 위한 정보가 구현될 수 있다. 즉 측정 불확실도는 거리의 측정 동안 측정 목적에 매칭되거나 또는 최적화될 수 있다.
대안적인 방법으로 설정된 최대 측정 시간 내에 측정 장치에 접근하는 측정 범위는, 거리에 걸쳐 신호 대 잡음 비 요구가 감소됨으로써 확대될 수 있다. 이것은 특히 외부 영역에서 잡음 레벨을 상승시키는 강한 일사시, 본 발명에 따른 측정 장치(10)에 의해 가능한 측정 거리 및 이와 함께 본 발명에 따른 측정 장치의 사용 가능성의 현저한 상승을 야기할 수 있다. 증가하는 거리에 의해 감소하는 거리 측정 정확도는 측정 결과를 측정 장치(10)의 디스플레이(60)에 표시할 경우 디스플레이 해상도의 감소에 의해 시각화되어 사용자에게 전달될 수 있다.
도 2는 개별 처리 단계의 흐름 다이어그램을 이용한 본 발명에 따른 방법의 중요한 단계의 실시예를 도시한다.
상기 방법의 시작시 처리 단계(S1)에서 적용된 거리 측정용 측정 시간이 규정된다. 이것은 장치 내부에서, 변조된 측정 신호의 스캐닝 주기의 수(n)에 대한 설정으로 변형되고, 상기 설정은 평가 유닛에 의해 측정 신호의 평가를 위해 사용된다. 소정의 측정 시간은, 사용자에 의해 예컨대 제어판(62)을 통해 수동으로, 또는 장치(10) 자체의 제어 및 평가 유닛(58)의 상응하는 루틴에 의해 자동으로, 측정 장치 또는 측정 장치의 평가 유닛에 전달될 수 있다.
측정 시간의 설정 이후에 측정은, 예컨대 측정 장치(10)의 제어판(62)의 상응하는 "스타트-테이스트(Start-Taste)"의 작동에 의해 스타트되고, 측정 신호(16)는 장치로부터 계속 조준된 목표물(20)의 방향으로 송신되고, 목표물(20)에 반사되는 측정 신호(17)는 다시 측정 장치에 의해 검출된다. 공지되고 예컨대 DE 198 11 550 A1에서 구현된 이유로 인해, 이러한 측정 정차가 상이한 주파수를 가진 측정신호에 의해 반복되는 것이 바람직할 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 추가 설명을 간소화하기 위해 하기에서는 각 주파수에 대한 방법만 기술된다.
진폭 변조된 측정 신호는-처리 단계(S2)에서- 이전에 선택된 측정 시간에 상응하게 n개 주기의 지속 시간동안 검출되어 추가 처리된다. 수신 검출기(54)에 도달하는 측정 신호로부터 처리 단계(S3)에서 검출된 측정 신호의 진폭이 결정되고 및 병렬 또는 직렬 처리 단계(S4)에서 측정 신호에 포함된 잡음 성분이 측정된다.
진폭 결정으로 얻어진 신호는 처리 단계(S4)에서 측정된 잡음 성분과 관련하여 도 2에 따른 처리 단계(S5)에서 조절되고, 따라서 실행된 측정에 기초를 둔 신호 대 잡음 비(S/N)가 산출된다.
측정 과정과 동시에 이루어지는 처리 단계(S6)에서 측정 장치에는 소정의, 이론적 정확도 설정이 측정 불확실도의 형태로 전송된다.
이것은 고유의 측정 전에 사용자의 수동 입력에 의해, 또한 측정 장치 자체의 자동 또는 반자동 설정에 의해 이루어질 수 있다. 따라서 측정 장치는 예컨대 장치 내부 메모리에도 액세스할 수 있고, 상기 메모리에는 측정 불확실도의 값이 저장된다. 상기 값은 예컨대 거리 범위에 의존해서 저장될 수 있음으로써, 1m 내지 3m 범위에서 측정할 경우 예컨대 5m 내지 20m 또는 20m 내지 100m 범위에서보다 작은 측정 불확실도가 사용된다. 또한 상이한 특성 곡선이 측정 장치 자체에 저장될 수 있고, 측정에 기초를 둔 측정 불확실도와 측정될 거리 사이의 상이한 함수 관계를 반영할 수 있다.
처리 단계(S6)의 정확도 설정으로부터, 즉 선택된 측정 불확실도로부터, 처리 단계(S7)에서, 처리 단계(S6)에 따른 측정 불확실도의 달성을 위해 유지되어야 하는 관련된, 필요한 신호 대 잡음 비가 산출된다.
상응하는 센서의 사용에 의해 사용될 측정 불확실도는 주위 파라미터에 매칭될 수 있다. 따라서 예컨대 언더그라운드 신호의 레벌 및 소정의 측정 시간을 고려하여, 매칭된 측정 불확실도가 선택될 수 있고, 즉 신호 대 잡음 비가 측정되어야 할때까지 설정될 수 있다. 주위 파라미터로서 순수 광학 주위 파라미터가 반드시 사용될 필요는 없다. 따라서 상응하는 센서에 의해 다른 형태의 빔, 예컨대 "핸디-방해" 또는 레이더-신호 또는 "일렉트로-스모그"가 검출될 수 있고, 이들은 경우에 따라 신호 대 잡음 비에 영향을 미칠 수 있다. 장치의 제어 평가 유닛을 통해 측정 불확실도는 기술될 방식으로 조절될 수 있다.
동시에 처리 단계(S8)에서 측정 장치(10)의 디스플레이(60)의 해상도가 자동으로 본 발명에 따른 측정 장치(10)의 중앙 제어 및 평가 유닛(58)에 의해 처리 단계(S6)에 따른 정확도 설정에 매칭된다. 따라서 예컨대 소수의 감소에 의해 측정 결과의 디스플레이시, 어떤 측정 정확도 또는 측정 불확실도가 구현된 측정에 기초가 되는지 사용자에게 전달될 수 있다.
따라서 예컨대 측정 장치(10)의 제어판(62)에서 상응하는 제어 스캐닝을 통해 디스플레이의 소수가 -예컨대 측정 이전에- 제공되고, 따라서 제어 및 평가 유닛(58)에 어떤 측정 불확실도에 의해 하기의 거리 측정이 실행되어야 하는지가 직접 전달된다. 장치는 예컨대 저장된 특성 곡선도 호출할 수 있다. 또한 이어지는 거리 측정이 어떤 거리 범위에 놓이는지가 장치에 설정될 수 있음으로써, 상응하는측정 불확실도가 장치에 의해 반자동으로 선택될 수 있다.
처리 단계(S9)에서, 처리 단계(S7)에 따른 소정의 신호 대 잡음 비 "S/N-Soll"와 실제 측정에 기초가 되는 신호 대 잡음 비 "S/N-Ist" 사이의 비교가 실행된다. 신호 대 잡음 비의 측정된 실제값이 처리 단계(S6)에 따른 설정값의 설정에 상응하지 않으면, 설정값의 달성을 위해 필요한 측정 시간이 산출되고 이로부터 예컨대 평가 유닛을 위해 필요한 개수(n)의 측정 주기가 결정된다. 상기 방법은 이러한 경우 처리 단계(S2)로 다시 분기함으로써, 새로운 측정이 매칭된 측정 시간에 의해 스타트되거나 또는 연속하는 측정은 매칭된 개수의 스캐닝 주기에 의해 실행되거나 또는 계속된다.
이 경우 요구된 측정 불확실도를 가진 상응하는 거리 측정시 필요한 측정 시간이 너무 길고, 또는 설정된 측정 시간을 초과하므로, 측정 장치는 자동으로 측정 불확실도를 증가시킨다는 것이 나타난다. 이러한 경우 방법은 다시 처리 단계(S6)로 분기하고, 상기 단계에서 측정 불확실도의 설정이 일어난다. 처리 단계(S6)에서의 결정은 예컨대 거리의 함수와는 다른 측정 불확실도의 특성 곡선의 선택에 의해 이루어질 수 있거나 또는 측정 불확실도에 대한 고정된 값의 설정에 의해서도 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 측정 장치는 예컨대 측정 불확실도의 개별 특성 곡선을 차례로 "전환"시킬 수 있음으로써, 소정의 측정 시간동안 측정을 가능하게 하는 측정 불확실도가 발견된다.
측정된 신호 대 잡음 비 "S/N-Ist"가 소정의 신호 대 잡음 비 "S/N-Soll"에 상응하면, 변조된 측정 신호의 n 개의 주기를 통해 측정된 위상 차이로부터 공지된방식으로 측정 장치와 목표물 사이의 거리가 처리 단계(S10)에서 측정된다. 이 경우 예컨대 DE 198 11 550 A1에 공지된 거리 측정 방법이 사용될 수 있다.
마지막 처리 단계(S11)에서 평가 유닛(58)에 의해 측정된 측정 장치(10)와 목표물(20) 사이의 거리는 측정 장치(10)의 디스플레이(60)에 표시되고, 측정에 기초가 되는 측정 불확실도의 설명을 위해 표시된 거리값의 정확도는 설정된 측정 불확실도에 상응하는 해상도에 상응한다.
본 발명에 따른 방법은 제어 프로그램 형태의 상응하는 루틴으로서 거리 측정 장치(10)의 제어 및 평가 유닛(58)에 저장될 수 있음으로써, 측정 불확실도의 자동 또는 반자동 변화가 장치 자체에 의해, 측정 파라미터에 의존해서 실행될 수 있다. 이를 위해 상응하는 특성 곡선은 메모리 매체에 저장될 수 있고 제어 및 평가 유닛에 의해 판독될 수 있다.
도 3은 개략적인 방법으로 거리 측정에 기초가 되는 측정 불확실도(δ)용 곡선의 상이한 실시예를 측정 거리(D)의 함수로서 도시한다. 이 경우 상기 곡선은 장치의 측정 주파수를 규정하는 수정 공진기의 정오차에 의해서만 발생되는 측정 불확실도를 다시 제공한다. 예컨대 식(1)에서 산출되는 바와 같이, 측정 신호의 주파수에서의 진동은 신호에서 상응하는 위상 차이도 야기하며, 상기 위상 차이는 이로부터 결정된 거리에서 에러가 발생할 경우 저하되므로 측정 불확실도에 기여한다. 곡선(a)에서 재현되는 이러한 측정 불확실도는 장치 내부 불확실도이고, 단지 질적으로 고가의 측정 장치용 전자 부품의 선택에 의해서만 최적화될 수 있다.
곡선(b)은 고정된 신호 대 잡음 비(S/N)로 인해 추가의 정적 에러가 제공될경우 발생되는 측정 불확실도를 도시한다. 따라서 곡선(b)은 대략 측정 장치에 의해 도달될 수 있는 최소 불확실도를 측정 거리(D)의 함수로서 다시 제공한다.
곡선(c,d,e 및 f)은 본 발명에 따른 장치에 저장될 수 있는 측정 불확실도 에 대한 가능한 특성 곡선을 도시한다. 특성 곡선은 또한 비선형 함수 곡선을 가질 수 있으며 도 3에 도시된 함수 의존성에 국한되지 않는다. 이 경우 측정 장치가 거리 측정시 예컨대 연속적으로 상기 특성 곡선에 의해 "전환"될 수 있음으로써, 경우에 따라 설정된 측정 시간(T0)을 초과하지 않게 된다. 측정 장치의 제어 및 평가 유닛내 최적화 루틴은 결정된 측정 거리용으로, 상기 거리 측정용으로 필요한 시간을 고려하여 측정 시간과 측정 불확실도 사이의 최적의 절충을 나타내는 특성 곡선을 선택할 수 있다.
도 4는 마찬가지로 간단하고 개략적인 도면으로, 도 3의 특성 곡선(b 내지 e)에 상응하는 측정 시간(B 내지 E)을 측정된 거리(D)의 함수로서 도시한다. 분명하게 알 수 있는 바와 같이, 선택에 의해, 즉 장치에서의 불확실도의 자유 설정에 의해 또는 장치 자체에 의해, 어느 측정 시간(T0)동안 측정될 수 있는 거리 범위(D0)가 현저히 확대될 수 있다. 이 경우 장치에 설정될 수 있는 측정 불확실도는 예컨대 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 장치에 따라 설정되는 측정 불확실도 보다 크다.
본 발명에 따른 방법 및 상응하는 본 발명에 따른 장치는, 거리 측정을 위한 측정 장치에 의해 사용될 수 있는 거리 범위, 즉 장치에 의해 거리 측정이 가능한거리 범위를 간단한 수단에 의해 확대하는 것을 가능하게 한다.
본 발명에 따른 방법 및 상기 방법을 구현하기 위한 본 발명에 따른 장치는 설명부에 나타낸 실시예에 국한되지 않는다.
특히 본 발명에 따른 방법 및 상기 방법을 구현하기 위한 상응하는 측정 장치는 위상 측정 원리의 사용에 국한되지 않는다. 예컨대 전파 시간 원리에 따라 작동하는 거리 측정 장치는 마찬가지로 본 발명에 따른 방법에 의해 사용될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 방법은 광학 거리 측정 장치의 사용에 국한되지 않는다. 본 발명에 따른 방법은 마찬가지로 예컨대 거리 측정을 위한 초음파 장치에서도 사용될 수 있다.

Claims (23)

  1. 변조된 측정빔(16,26,36)을 목표물(20) 방향으로 송신하기 위한 적어도 하나의 송신기(22,24)를 구비한 적어도 하나의 송신 브랜치(14),
    목표물(20)로부터 리턴된 측정빔(17,44)의 수신을 위한 적어도 하나의 수신 브랜치(18), 및
    목표물(20)에 대한 장치의 거리를 측정하기 위한 제어 및 평가 유닛(28,58)을 포함하는 거리 측정 장치에 있어서,
    상기 장치가 설정된 측정 불확실도로 거리 측정을 가능하게 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수단은 거리 측정에 기초가 되는 측정 불확실도가 상기 목표물(20)에 대한 측정 거리 및/또는 거리 측정의 측정 시간에 의존해서 조절될 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 장치가 메모리 매체(64)를 포함하고, 상기 메모리 매체에는 거리 측정에 기초가 되는 측정 불확실도가 데이터에 따라, 특히 적어도 하나의 특성 곡선의 형태로 저장되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 메모리 매체가 측정 불확실도에 대한 다수의 특성 곡선들, 특히 측정 거리의 함수로서 측정 불확실도의 특성 곡선들(a,b,c,d,e,f)을 가지고 있고, 상기 특성 곡선들은 상기 거리 측정용 측정 장치의 제어 부재(62)를 통해 호출될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 메모리 매체(62)가 측정 불확실도에 대한 다수의 특성 곡선들, 특히 측정 거리의 함수로서 측정 불확실도의 특성 곡선들(a,b,c,d,e,f)을 가지고 있고, 상기 특성 곡선들은 거리 측정을 위해 상기 측정 장치의 제어 및 평가 유닛(28,58)에 의해 선택적으로 또는 연속적으로 호출될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는, 거리 측정에 기초가 되는 측정 불확실도가 상기 장치의 제어 및 평가 유닛(28,58)에 신호 대 잡음 비, 특히 측정 신호의 신호 대 잡음 비의 설정에 의해 조절될 수 있도록 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 장치는, 측정 과정시 달성되는 신호 대 잡음 비의 값이 측정 과정 이전에 상기 장치에 설정될 수 있게 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 장치는, 적어도 거리 측정용 장치의 측정 시간 및 거리 측정용 장치의 측정 불확실도를 포함하는 한 그룹의 파라미터 중 적어도 하나의 측정 파라미터가 상기 장치의 사용자에 의해 양적으로 미리 선택될 수 있음으로써, 상기 그룹의 다른 측정 파라미터들이 측정 장치의 전자 장치에 의해 반자동으로, 측정값의 신호 대 잡음 비, 특히 측정 신호의 신호 대 잡음 비의 설정된 값이 측정 과정시 달성되도록 매칭되게 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 장치는, 적어도 상기 장치에 의한 거리 측정을 위한 측정 시간 및 거리 측정을 위한 상기 장치의 측정 불확실도를 포함하는 파라미터 세트를, 신호 대 잡음 비, 특히 측정 신호의 신호 대 잡음 비의 설정된 값이 거리 측정시 달성되도록, 전자동으로 각 측정 거리 및/또는 주위 조건, 특히 목표물의 반사율 및/또는 주위 빛의 세기에 매칭되게 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 6항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는, 거리 측정을 위한 신호 대 잡음 비의 설정된 한계값이 고유의 거리 측정보다 시간적으로 앞선, 상승된 측정 불확실도의 제 1 거리 측정에 의해검출될 수 있게 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 6항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는, 거리 측정을 위한 신호 대 잡음 비의 설정가능한 한계값이 일련의 거리 측정의 부분 결과에 의해 얻어질 수 있게 하는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 출력 유닛, 특히 디스플레이 유닛(60)을 포함하고, 상기 디스플레이 유닛은 거리 측정시 사용된 측정 불확실도의 재생 및/또는 상기 장치의 거리 해상도의 재생을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 출력 유닛, 특히 디스플레이 유닛(60)을 포함하고, 상기 디스플레이 유닛은 거리 측정의 측정 결과를 측정 정확도에 따른 거리 측정값의 소수와 감께 나타낼 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치의 송신기는 적어도 하나의 광원(22), 특히 적어도 하나의 레이저(24)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 측정 장치(10)의 적어도 하나의 송신 브랜치(14)가 변조된 측정빔(16,26,36)을 목표물(20)의 방향으로 송신하고, 목표물(20)로부터 반사되어 리턴된 측정빔(17,44)이 측정 장치(10)에서 검출되며, 반사된 측정 신호로부터 목표물(20)에 대한 측정 장치(10)의 거리가 측정될 수 있는, 거리 측정 방법에 있어서,
    목표물에 대한 거리 측정에 기초가 되는 측정 불확실도의 각 값이 측정 장치에 설정될 수 있는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    거리 측정에 기초가 되는 측정 불확실도의 값이 상기 목표물(20)에 대한 측정 거리 및/또는 거리 측정의 측정 시간에 의존해서 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
  17. 제 15항 또는 제 16항에 있어서,
    거리 측정에 기초가 되는 측정 불확실도의 값이 측정 과정시 달성되어야 하는 신호 대 잡음 비, 특히 측정 신호의 신호 대 잡음 비의 값의 설정에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    거리 측정을 위한 신호 대 잡음 비의 설정가능한 한계값이 고유의 거리 측정보다 시간적으로 앞선 상승된 측정 불확실도의 제 1 거리 측정에 의해 검출되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
  19. 제 17항에 있어서,
    거리 측정을 위한 신호 대 잡음 비의 설정가능한 한계값이 일련의 거리 측정의 부분 결과에 의해 얻어지는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
  20. 제 15항 내지 제 18항 중 어느 한 항에 있어서,
    거리 측정에 기초가 되는 측정 불확실도의 값이 하나 또는 다수의 특성 곡선의 형태로 측정 장치에 저장되고 상기 장치에 의해 자동으로 및/또는 상기 장치의 사용자에 의해 호출 및/또는 선택될 수 있는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
  21. 제 19항에 있어서,
    거리 측정에 기초가 되는 측정 불확실도의 값이 상기 장치에 저장된 특성 곡선의 선택에 의해 최적화되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
  22. 제 20항에 있어서,
    거리 측정에 기초가 되는 측정 불확실도의 값이 거리 측정을 위한 최대 측정 시간의 설정 이후에 측정 불확실도의 특성 곡선들(a,b,c,d,e,f)의 선택에 의해 최적화되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
  23. 제 15항 내지 제 21항 중 어느 한 항에 있어서,
    거리 측정시 측정 불확실도의 값은, 거리 측정이 설정된 시간동안 가능할 때까지 단계적으로 상승되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
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