KR20130058670A - 균일화 측정 평가 방식 거리 측정 장치 - Google Patents

균일화 측정 평가 방식 거리 측정 장치 Download PDF

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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 거리 측정을 위한, 특히 광학 거리 측정을 위한 측정 장치 및 이를 위한, 검출 신호의 특별한 평가 방식에 관한 것이다. 본 발명에 따른 디자인에서, 상이한 부분 측정(A), (B), (C) 동안 송신 신호(103)가 타깃 대상물의 방향으로 전송되고, 거기서 반사되고 예컨대 SPAD(single photon avalanche diode) 형태의 광자 카운터(photon counter)로서 설계될 수 있는 수신 장치에 의해 검출된다. 송신 신호(103)의 위상이 개별 부분 측정(A), (B), (C) 동안 시프트되지 않은 신호와 관련해서 연속해서 시프트된다. 샘플링 시간 윈도우(115, 125, 235) 동안 검출 신호는 관련 카운터(117, 127, 137)에 공급된다. 샘플링 윈도우(115, 125, 135)에 카운터(117, 127, 137)의 할당은 개별 부분 측정들(A), (B), (C) 사이에서 변할 수 있다. 이로 인해, 배경 조명이 모든 카운터(119, 127, 137)에 균일하게 분배될 수 있는 반면, 송신 신호(103)는 특정 카운터(117)에서만 누적된다. 이로 인해, 샘플링 시간 윈도우의 동일하지 않은 시간 폭으로 인한 또는 상이한 샘플링 시간 윈도우 내에서 상이한 측정 감도로 인한 측정 에러가 최소화될 수 있다. 이 기능은 본 발명에 따른 균일화 장치(80)에 의해 수행된다.

Description

균일화 측정 평가 방식 거리 측정 장치{DISTANCE MEASURING DEVICE HAVING HOMOGENIZING MEASUREMENT EVALUATION}
본 발명은 거리 측정 장치, 특히 광학 거리 측정을 위한 거리 측정 장치에 관한 것이다.
광학 거리 측정 장치는 공지되어 있으며, 시간 변조된 광빔을 타깃 대상물의 방향으로 조절하여 타깃 대상물과 측정 장치 사이의 거리를 검출한다. 타깃 대상물로부터 리턴하는 광은 측정 장치에 의해 적어도 부분적으로 검출되어 측정될 거리의 결정을 위해 사용된다. 이 경우, 전형적인 측정 범위는 수 센티미터 내지 수백 미터의 거리이다.
US 2007/0182949 A1에는 연속해서 변조된 광을 사용해서 타깃 대상물을 조명하기 위한 광원, 애벌런치 포토다이오드로 이루어진 어레이를 포함하는 고체 상 센서, 및 상기 애벌런치 포토다이오드로부터 출력된 신호들의 처리를 위한 다수의 회로들을 포함함으로써, 타깃 대상물에 의해 포토다이오드로 반사된 광에 의존하는 데이터를 제공하는 거리 측정 장치가 공지되어있다. 상기 회로들은 멀티플렉서를 포함하고, 상기 멀티플렉서는 애벌런치 포토다이오드에 의해 출력된 검출 신호들을 상이한 샘플링 시간 윈도우 동안 누적 장치로서 작용하는 상이한 카운터에 누적하도록 설계된다.
광자 카운터로서 사용되는 애벌런치 포토다이오드는 타깃 대상물로부터 리턴되는 광 및 추가로 존재하는 배경 방사선을 수신하고, 그 출력에 각각 전기 펄스를 발생시킨다. 시간적 펄스 밀도는 부딪히는 광 출력과 상관된다.
애벌런치 포토다이오드의 펄스의 판독은 멀티플렉서 장치에 의해 이루어진다. 이 장치는 광원으로서 사용되는 레이저의 변조와 동기로, 애벌런치 포토다이오드의 펄스가 각각의 검출 이벤트의 시점에 따라, 즉 애벌런치 포토다이오드에서 흡수되는 광자에 따라 상이한 디지털 카운터를 증분시키도록 작동될 수 있다. 광원이 변조되어 타깃 대상물을 조명하는 시간적 주기는 다수의 서브 주기로 세분된다. 서브 주기는 검출 신호가 누적되는 샘플링 시간 윈도우, 즉 일정한 시간에 상응한다. 서브 주기의 수에 상응하는 수의 디지털 카운터가 제공되고, 각각의 서브 주기 동안 전단사(bijective) 대응되는 디지털 카운터가 서브 주기 동안 수신되는 검출 펄스에 따라 증분된다. 이로 인해, 전체 측정 시간에 걸쳐 검출 이벤트들이 누적될 수 있다. 하나의 개별 주기가 예컨대 수 나노초 범위의 지속 시간을 포함할 수 있는 한편, 전체 측정 시간은 많은 그러한 주기를 포함할 수 있고 예컨대 수 밀리초 또는 수초동안 지속될 수 있다. 디지털 카운터들 내에 측정 이벤트들의 누적에 의해, 서브 주기 내에 검출 이벤트의 시간적 발생과 관련해서 검출 이벤트의 일종의 히스토그램이 기록될 수 있다. 광원으로부터 방출된 변조된 광에 가해진 변조가 디지털 카운터의 계수에 충분한 통계학적 정확도로 주어지면, 위상 평가에 의해 전송과 검출 사이의 광의 전파 시간 및 그에 따라 거리 측정 장치와 타깃 대상물 사이의 거리가 추정될 수 있다. 레이저 거리 측정의 이러한 원리는 예컨대 레이저 빔의 강도의 연속하는 또는 맥동하는 변조를 가진 "Time of Flight Ranging"으로 일반적으로 공지되어 있다.
검출 신호를 레퍼런스와 동기화하여 레지스터하는, 즉 사용된 변조된 측정 광의 주기성과 관련해서 상기 검출 신호의 시간적 발생에 따라 누적하는 방식으로, 거리 측정 장치 내에서 감광 검출기의 검출 신호를 수신하여 평가하는, 상기 방식으로 동작하는 평가 장치는 소위 "Binning-아키텍처"라고도 한다. 이러한 Binning-아키텍처는 예컨대 Delay Locked Delay Line(DLL)으로 구현될 수 있다.
예컨대 전술한 방식으로 적어도 하나의 감광 검출기, 멀티플렉서 장치 및 Binning-아키텍처를 기초로 동작하는 거리 측정 장치는 항상 만족스러운 측정 정확도를 제공할 수 없는 것으로 나타났다.
본 발명의 과제는 측정 정확도가 높아지고, 측정 정확도의 신뢰도가 개선되며, 교정이 생략될 수 있고 및/또는 측정 지속시간이 단축되는 거리 측정 장치를 제공하는 것이다.
상기 과제는 청구항 제 1항에 따른 측정 장치에 의해 달성된다. 측정 장치의 다른 실시예들은 종속 청구항들에 제시된다.
제시된 측정 장치의 관점은 하기 인식과 사상에 기초한 것으로 볼 수 있다:
예컨대 전술한 종래의 거리 측정 장치에서 측정 에러 또는 측정 부정확도에 대한 가능한 소스로서, 샘플링 시간 윈도우의 시간적 폭의 변동 및/또는 상이한 샘플링 시간 윈도우 내에서 검출 감도의 변동이 측정 결과에 심하게 영향을 줄 수 있는 것으로 밝혀졌다. 샘플링 시간 윈도우의 상이한 폭들은 특히 폭 차이가 우연에 근거하고 알려지지 않는 경우 시스템에 의한 에러 소스로서 작용하고, 측정될 거리의 결정시 시스템적 에러를 야기한다. 동일한 것이 상이한 샘플링 시간 윈도우 내에서 검출 신호가 상이한 검출 감도로 검출되는 경우에 적용된다. 이러한 시스템적 에러는 잡음에 기인한 에러와는 기본적으로 다른데, 그 이유는 상기 시스템적 에러는 더 오랜 측정 시간에 의해 줄어들지 않고, 거리 측정 장치의 더 정확한 교정에 의해서만 또는 검출 신호들의 특정 방식의 평가에 의해 줄어들 수 있기 때문이다.
따라서, 추가로 균일화 장치를 포함하는 거리 측정 장치가 제시되며, 상기 균일화 장치는 수신 장치에 의해 제공되는 디지털 또는 아날로그 검출 신호를 특정한 균일화된 방식으로 평가할 수 있다. 즉, 수신 장치와 연결 가능한 다수의 누적 장치를 통해 분배함으로써, 샘플링 시간 윈도우의 폭의 변동 및/또는 상이한 샘플링 시간 윈도우 내에서 검출 감도의 변동이 전체 측정 결과에 영향을 미치지 않거나 또는 작은 영향을 미친다.
광학 거리 측정을 위한 제시된 측정 장치는 주기적으로 변조된 광학 측정 방사선을 타킷 대상물로 전송하기 위한 송신 장치, 상기 타깃 대상물로부터 리턴되는 광학 측정 방사선을 검출하기 위한 수신 장치 및 상기 수신 장치의 검출 신호를 수신 및 평가하기 위한 평가 장치를 포함한다. 평가 장치는 검출 신호들의 누적을 위한 다수의 누적 장치를 포함하고, 평가 장치는 검출 신호들을 다수의 샘플링 시간 윈도우들 중 하나의 샘플링 시간 윈도우 동안 시간 개략적으로 교대로, 즉 예컨대 주기적으로, 시간적으로 교환 가능하게 또는 시간적으로 임의의 미리 정해진 다이어그램에 따라 분배하여, 다수의 카운터들 중 하나의 관련 카운터에 안내한다. 관련 누적 장치가 상기 샘플링 시간 윈도우 동안 검출 신호들을 누적한다. 전체 측정 지속 시간에 걸쳐 검출된 전체 신호가 누적 장치에 누적된 검출 신호들로부터 평가 장치에 의해 결정된다.
제시된 측정 장치는 추가로 균일화 장치를 포함하고, 상기 균일화 장치는 전체 측정 지속 시간 동안 다수의 누적 장치들로부터 누적 장치를 샘플링 시간 윈도우에 시간 교대로 할당하는 것을 변경하도록 설계된다.
여기서 기본 사상은, 부딪혀 반사되는 측정 방사선으로 인해 수신 장치에 의해 제공되는 검출 신호들이 송신 장치에 의해 전송된 광의 주기성과 동기화되어 각각 카운터들에 공급되고, 그 시간적 위치는 주기성 내에 고정적으로 미리 정해지며 전체 측정 과정 동안 변화되지 않는 방식으로 상기 검출 신호를 평가하지 않는 것이다. 그 대신, 고정 동기화는 가변 동기화로 대체되고, 상기 가변 동기화에서 전체 측정 과정 동안, 전송된 변조된 광의 주기 내에 특정 위상 동안 픽업된 검출 신호들이 항상 동일한 누적 장치에 의해 동일한 샘플링 시간 윈도우 내에 누적되는 것이 아니라, 전체 측정 지속 시간 동안 샘플링 시간 윈도우 및 누적 장치의 할당이 변화될 수 있다.
달리 표현하면, 변조된 광 신호를 디지털 검출 신호를 공급하는 광자 카운터에 의해 검출하는 종래의 거리 측정 장치에서는, 주기적으로 변조된 광이 수신되었던 위상과 각각의 검출 신호가 미리 정해진 누적 장치에 공급되었던 샘플링 시간 윈도우 사이의 시간적으로 고정된 할당이 항상 주어졌다. 그러나, 샘플링 시간 윈도우는 예컨대 샘플링 시간 윈도우의 트리거링을 위해 사용되는 복잡한 기술로 인해 예컨대 프로세스 변동, 전압 변동 및 온도 변동에 의해 무조건 모두가 추구하는 바와 동일한 시간적 폭을 갖지 않는다. 또한, 상이한 샘플링 시간 윈도우 내의 검출 감도는 상이할 수 있다. 따라서, 시간적으로 일정한 배경 조명 및 변조되지 않은 측정 방사선이 수신 장치에 부딪히는 경우 누적된 가변 검출 신호가 누적 장치에 레지스터될 수 있었다. 모든 샘플링 시간 윈도우들 내의 검출 감도가 동일하다는 것이 가정될지라도, 시간적으로 일정한 레이트로 부딪히는 광자들이 일정한 검출 신호 밀도를 야기할 수 있지만, 검출 신호들은 각각의 누적 장치에서 상이한 크기의 샘플링 시간 윈도우에 상응하는 지속 시간에 걸쳐 누적된다. 대안으로서, 상이한 샘플링 시간 윈도우 내의 검출 감도가 상이한 경우 검출 신호 밀도는 시간적으로 일정한 레이트로 부딪히는 광자에도 불구하고 변할 수 있으므로, 샘플링 시간 윈도우 내에 상이하게 많은 검출 신호들이 관련 누적 장치 내에 누적된다. 두 경우, 평가 장치에 의해 일정한 광 입사에도 불구하고 누적 장치에 누적된 검출 신호들의 변동이 검출될 수 있다. 이 변동은 변조된 광학 측정 방사선에 의해 야기된 측정 신호보다 더 클 수 있다.
전체 측정 지속 시간 동안 누적 장치를 개별 샘플링 시간 윈도우에 시간 개략적으로 교대로 할당하는 것을 변경하는 것이 제안된다. 달리 표현하면, 예컨대 주기적으로 변조된 측정 방사선의 제 1 위상 내에 검출되는 검출 신호들이 항상 동일한 제 1 샘플링 윈도우 동안 동일한 누적 장치에 누적되지 않는다. 그 대신, 전체 측정 지속 시간이 다수의 부분 측정 지속 시간으로 세분될 수 있고 하나의 부분 측정 지속 시간 내에, 주기적으로 변조된 측정 방사선과 샘플링 윈도우에 누적 장치의 주기적인 할당 사이의 고정 위상 관계가 주어질 수 있다.
달리 표현하면, 부분 측정 지속 시간 내에 평가 방법이 검출 신호들의 전술한, 종래의 평가와 유사하다. 이와 관련해서 차이점은 개별 부분 측정 지속 시간들 사이에, 주기적으로 변조된 측정 방사선과 샘플링 윈도우에 누적 장치의 주기적 할당 사이의 위상 관계들 사이에 위상 시프트가 주어진다는 것이다. 달리 표현하면, 제 1 부분 측정 지속 시간 내에 주기적으로 변조되는 측정 방사선과 샘플링 윈도우에 누적 장치의 주기적 할당 사이의 위상 관계가 제 2 부분 측정 지속 시간 내의 상기 위상 관계와 다르다. 개별 부분 측정 지속 시간들 사이의 상대 위상 시프트는 예컨대 2π/n일 수 있고, 여기서 n은 부분 측정 지속 시간의 수이다.
샘플링 시간 윈도우의 수는 여기서 누적 장치의 수와 동일할 수 있고, 또한 부분 측정 지속 시간의 수에 상응할 수 있다. 예컨대, 8개의 샘플링 시간 윈도우 및 8개의 누적 장치가 제공될 수 있고, 이들은 8개의 부분 측정 지속 시간 내에서 서로 다른 방식으로 할당된다. 예컨대, 제 1 부분 측정 지속 시간 동안 제 1 샘플링 시간 윈도우 내의 변조된 측정 광의 제 1 위상으로부터 나온 측정 신호들이 제 1 누적 장치에 공급되는 반면, 제 2 부분 측정 지속 시간 동안 변조된 측정 광의 제 1 위상으로부터 나온 검출 신호들이 제 2 샘플링 시간 윈도우 동안 제 1 누적 장치에 공급된다.
바람직하게는 샘플링 시간 윈도우들 중 하나에 카운터들 중 하나를 시간 교대로 할당하는 것이 균일화 장치에 의해, 전체 측정 지속 시간에 걸쳐 적어도 다수의 누적 장치들, 바람직하게는 각각의 누적 장치가 대략 동일하게 빈번히 샘플링 시간 윈도우들의 각각에 할당되도록 변경된다. 이로 인해, 바람직하게는 주기적으로 변조된 측정 광의 특정 위상 내에 검출되는 검출 신호들이, 제공되는 모든 샘플링 시간 윈도우에 걸쳐 균일하게 누적 장치에 의해 누적될 수 있다. 이로 인해, 바람직하게는 시간적 폭과 샘플링 시간 윈도우와의 편차 또는 검출 감도와 평균값과의 편차가 단일 누적 장치 내에 검출 신호들의 누적을 일으키는 것이 아니라, 그 대신 상기 샘플링 시간 윈도우가 차례로, 제공되는 누적 장치들 모두 또는 적어도 다수에 의해 사용됨으로써, 샘플링 시간 윈도우의 지속 시간 내에 검출 신호들이 누적된다.
이로 인해, 샘플링 시간 윈도우의 시간적 폭과 관련해서 균일화가 이루어질 수 있다. 유사하게, 샘플링 시간 윈도우들 내의 상이한 감도와 관련해서 균일화가 이루어질 수 있다.
특히, 샘플링 시간 윈도우의 수 및 누적 장치의 수가 동일하지 않은 경우, 샘플링 시간 윈도우의 수의 주기적으로 반복되는 시퀀스의 주기 지속 시간은 변조된 측정 방사선의 주기 지속 시간과 다르다. 이로 인해, 특정 샘플링 시간 윈도우가 항상 변조된 측정 광의 동일한 위상을 동일한 누적 장치에 전달하지 않고, 상기 할당이 한편으로는 샘플링 시간 윈도우의 합의 상이한 주기 지속 시간으로 인해 그리고 다른 한편으로는 변조된 측정 방사선으로 인해 시간적으로 가변될 수 있다. 따라서, 검출 신호들의 샘플링시 소정 균일화가 이루어질 수 있다.
이상에서, 본 발명의 가능한 관점들, 장점들 및 실시예들이 본 발명의 실시예와 관련해서 설명되었다. 상세한 설명, 도면들 및 청구범위들은 많은 특징들을 조합해서 포함한다. 당업자는 상기 특징들을, 특히 상이한 실시예의 특징들을 개별적으로 고려하고 다른 조합으로 통합할 수 있을 것이다.
본 발명에 의해, 측정 정확도가 높아지고, 측정 정확도의 신뢰도가 개선되며, 교정이 생략될 수 있고 및/또는 측정 지속시간이 단축되는 거리 측정 장치가 제공된다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 본 발명의 실시예들 및 그 안에 포함된 부분 관점들이 설명된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 광학 거리 측정을 위한 측정 장치의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 측정 장치에서 사용될 수 있는 Binning-아키텍처의 디지털 게이트 신호의 개략도.
도 3은 변조된 측정 방사선으로 조명시 수신 장치로서 사용된 광자 카운터의 계수율의 시간 의존성을 예시적으로 나타낸 도면.
도 4는 샘플링 시간 윈도우의 정규화된 폭의 변동을 예시적으로 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 측정 장치에 사용될 수 있는 샘플링 시간 윈도우에 카운터를 시간적으로 교대로 할당하기 위한 방법을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 측정 장치에 사용될 수 있는, 샘플링 시간 윈도우에 카운터를 시간적으로 교대로 할당하기 위한 대안을 나타낸 도면.
도 1에는 광학 거리 측정 장치 형태의 본 발명에 따른 측정 장치(10)의 중요한 부품들이 그 기능의 설명을 위해 도시되어 있다. 물론, 본 발명은 광학 거리 측정의 분야로 제한되지 않는다.
측정 장치(10)는 하우징(11)을 포함하고, 상기 하우징 내에 광학 측정 방사선(13)을 전송하기 위한 송신 장치(12) 및 타킷 대상물(15)로부터 리턴되는 측정 방사선(16)을 검출하기 위한 수신 장치(14)가 배치된다.
송신 장치(12)는 광원을 포함하고, 상기 광원은 도시된 실시예에서 반도체 레이저 다이오드(18)에 의해 구현된다. 상기 레이저 다이오드(18)는 레이저 빔(20)을 인간의 눈에 가시되는 광 번들(22)의 형태로 전송한다. 레이저 다이오드(18)는 이를 위해 제어 장치(24)를 통해 작동되고, 상기 제어 장치는 상응하는 전자 장치에 의해 레이저 다이오드(18)의 전기 입력 신호(19)의 시간 변조를 발생시킨다. 다이오드 전류의 이러한 변조에 의해, 거리 측정을 위해 사용되는 광학 측정 방사선(13)의 강도가 소정 방식으로 시간에 따라 변조된다.
그리고 나서, 특히 거리 측정 과정 동안, 레이저 빔 번들(20)이 도 1에 간단히 단일 렌즈의 형태로 도시된 대물 렌즈(28)의 형태인 콜리메이션 렌즈(26)를 통과한다. 대물 렌즈(28)의 통과 후에, 송신 유닛(12)의 광축(38)을 따라 퍼지는 거의 평행한 광 번들(37)의 형태인 측정 방사선(13)의 예컨대 진폭 변조된 신호가 주어진다.
측정 장치(10)에 의해 거리 측정이 실시되면, 측정 방사선(13)은 측정 장치(10)의 단부 면(45)에 있는 광학 윈도우(44)를 통해 측정 장치의 하우징(11)을 벗어난다. 광학 윈도우(44)의 개구는 예컨대 셔터(46)에 의해 보호될 수 있다. 실제 측정을 위해, 측정 장치(10)는 타깃 대상물(15)에 대해 조절되고, 상기 타깃 대상물(15)과 측정 장치(10) 사이의 거리(48)를 결정한다. 소정 타깃 대상물(15)에서 반사된 또는 산란된 방사선은 리턴하는 빔 번들(49) 또는 (50) 형태의 리턴하는 광학 측정 방사선(16)을 형성하고, 상기 빔 번들은 일정 부분이 다시 측정 장치(10)로 되돌아 간다. 도 1에는 예로서 2개의 상이한 타깃 대상물 거리(48)에 대한 2개의 리턴하는 측정 빔 번들(49, 50)이 도시된다. 측정 장치(10)의 단부 면(45)에 있는 입사 윈도우(47)를 통해 되돌아 오는 측정 방사선(16)이 측정 장치(10) 내로 결합되고, 도 1에 도시된 바와 같이 수신 레즈(52)에 부딪힌다.
도 1에 개별 렌즈로 개략적으로만 상징화된 수신 렌즈(52)는 리턴하는 측정 방사선(16)의 빔 번들을 수신 장치(14)에 제공된 수신 검출기(54)의 검출 면(66)에 포커싱한다. 검출기(54)는 광학 측정 방사선의 검출을 위해 하나의 픽셀 또는 다수의 픽셀을 포함한다. 픽셀은 각각 디지털 광자 검출기로서 작용하는 적어도 하나의 감광 SPAD(Single Photon Avalanche Diode)를 포함한다. 검출면(66)에 제공된 SPAD에 의해, 마찬가지로 리턴하는 측정 방사선(16)이 전기 신호(55)로 변환되고, 평가 장치(36)에서의 후속 평가에 공급된다. 전기 신호(55)는 SPAD의 고유 특성으로 인해, 검출 면(66)의 각각 픽셀에 부딪히는 광자의 계수율을 나타내는 디지털 검출 신호로서 간주될 수 있다.
평가 장치(36)는 SPAD에 의해 생성된 검출 신호를 적합하게 가산할 수 있고, 이로부터 하나의 전체 신호를 발생시킨다. 상기 전체 신호는 SPAD 에 부딪히는 광 신호의, 시간에 따른 강도 또는 광 강도에 상응한다. 상기 전체 신호가 송신 장치(12)에 의해 방출되는 광자율의 시간에 따른 프로파일을 나타내는 여기 신호와 관련되기 때문에, 송신 장치(12)로부터 타깃 대상물(15)까지 그리고 다시 수신 장치(13)로의 광자 비행 시간이 추정될 수 있다. 송신 장치(12)가 방출되는 광을 예컨대 사인 형태로 주기적으로 변조시키면, 방출된 측정 방사선과 검출된 측정 방사선 사이의 위상 차이로부터 비행 시간이 결정될 수 있다.
상세하게는, 평가 장치(36)가 수신 장치(14)에 의해 수신된 디지털 검출 신호를 상이한 샘플링 시간 윈도우 동안 상이한 디지털 카운터에 공급할 수 있다. 상기 카운터는 이 경우 어큐뮬레이션 장치로서 작용한다. 평가 장치는 여기서 부분적으로 "Binning-아키텍처"라 하고 샘플링 시간 윈도우는 부분적으로 "Bin-폭"이라 한다. 샘플링 시간 윈도우의 합은 이 경우 주기 또는 변조된 측정 방사선에 상응할 수 있다. 달리 표현하면, 하나의 샘플링 시간 윈도우 동안 주기적으로 변조된 검출 신호의 주기적으로 반복되는 위상 영역이 검출되고 상응하는 디지털 검출 신호가 카운터 내에 누적된다. 이를 위해, 검출 신호가 제어 신호의 주기성과 시간적으로 상관되어 레이저 다이오드(18)로 안내되는 한편, 상이한 샘플링 시간 윈도우는 멀티플렉서를 통해 상응하게 할당된 디지털 카운터로 안내된다. 카운터 및 샘플링 시간 윈도우의 변하는 할당의 과정은 평가 장치 내에서 균일화 장치(80)에 의해 제어된다. 디지털 카운터의, 많은 주기에 걸쳐 누적된 계수 결과로부터, 방출된 측정 방사선과 검출된 측정 방사선 사이의 위상 차이가 추정될 수 있어서, 소정 거리가 결정될 수 있다.
도 2는 4개의 샘플링 윈도우의 예에서 Binning-아키텍처의 디지털 게이트 신호를 개략적으로 도시한다. 실제로 구현된 Bin-폭의 크기 및 안정성은 매우 큰 시스템적 에러 소스일 수 있다. Bin-폭과 그것의 설정값과의 편차는 특히 배경 조명이 강한 경우 측정 결과에 심하게 작용할 수 있다. 유사하게, 상이한 Bin의 검출 감도의 변동도 측정 결과에 심하게 작용할 수 있다.
Bin-폭 또는 샘플링 시간 윈도우를 제어하는 제어 신호는 도 2에 도시된, 구형의 시간 프로파일을 가질 필요가 없다. 예컨대, 제어 신호의 사인 형태 시간 프로파일과 같은 다른 시간 프로파일도 가능하다.
이하, 실시예에 따른 본 발명의 장점이 연속 변조된 레이저 방사선, 특히 사인형 변조된 레이저 방사선을 가진 실시예로 설명된다. 도 3에 주어진 기호로 수신측에서의 변조 M는 하기와 같이
(1)
Figure pct00001
정의된다. 상기 식에서, mL1 은 장치 측에서 전송되는 레이저 방사선의 변조도를 나타내는 팩터이고,
Figure pct00002
는 검출된 레이저 광과 관련해서 시간적으로 평균화된 계수율(counts/s)이며,
Figure pct00003
는 배경 방사선과 관련해서 시간적으로 평균화된 계수율이고, DCR은 검출기의 다크 계수율(dark count rate)이다. 전형적인 측정 조건 하에서, 변조는 예컨대 퍼센트 범위의 값을 가질 수 있다.
또한, 위상 에러 Δφ로 Bin-폭 에러 δτw의 에러 전파의 평가는 하기 식으로 나타난다:
(2)
Figure pct00004
상기 식에서, T는 변조된 측정 방사선의 주기를 나타낸다.
위상 에러는 측정 조건 하에서 수신된 신호의 변조에 반비례하고, 변조 주기와 관련한 Bin-폭의 상대 정확도에 비례한다. 따라서, Bin-폭과 설정값과의 편차에 대한 시스템의 높은 감도가 명확해진다: 강한 배경 조명에서, 일정한 위상 정확도는 Bin-폭 교정시 더 높은 정확도를 필요로 하거나 또는 예컨대 샘플링 시간 윈도우의 여기에 설명된 균일화에 기초한 적합한 평가 방법을 필요로 한다.
도 4는 개별 샘플링 시간 윈도우의 시간 폭이 어떻게 변할 수 있는지를 8개의 샘플링 시간 윈도우를 가진 Binning-다이어그램의 실시예로 도시한다. 다수의 샘플링 시간 윈도우 1 내지 8은 변조된 측정 빔의 주기를 연속적으로 샘플링할 수 있고, 각각의 샘플링 시간 윈도우 내에서 검출된 검출 신호들은 상기 시점에 할당된 카운터 내로 안내되고 상기 카운터 내에 누적된다. 샘플링 윈도우의 시간적 폭은 일부, 예컨대 n분의 1(n=샘플링 시간 윈도의 수)일 수 있다. 측정 방사선이 예컨대 1 GHz 범위의 주파수로 변조되는 경우, 샘플링 시간 윈도우의 시간적 폭은 1 ns 보다 훨씬 짧고, 예컨대 100 ps의 범위일 수 있다. 전술한 바와 같이 최후에 검출하려는 변조된 측정 방사선이 수신 장치에 부딪히는 전체 방사선의 약 1% 일 수 있기 때문에, 1 ps 보다 더 짧은 샘플링 시간 윈도우의 폭의 변동이 측정 결과에 큰 영향을 줄 수 있다.
도 5 및 도 6과 관련해서, 본 발명의 실시예가 설명될 것이며, 이 실시예에서는 디지털 카운터와 샘플링 시간 윈도우와의 변하는 할당의 적합한 방법에 의해, 사용되는 모든 샘플링 시간 윈도우에 걸친 배경 조명 검출 신호의 거의 균일한 분배가 달성될 수 있고, 측정될, 변조된 측정 빔 검출 신호가 검출될 수 있다.
n 개의 샘플링 시간 윈도우에 대해, 제시된 균일화 방법은 제 1 실시예에서 도 5에 도시된 바와 같이 예컨대 n=3 부분 측정(A), (B) 및 (C)로 이루어진다. 각각의 부분 측정은 여러 번 주기적 반복으로 구성될 수 있다. 부분 측정은 동일하거나 또는 다른 부분 측정 지속 시간을 가지며, 바람직하게는 배경 조명이 심하게 변하지 않는 시간 프레임에서 이루어질 수 있다.
제 1 부분 측정(A)에서 시프트되지 않은 위상 위치를 가진 주기적으로 변조된 광학 측정 방사선의 송신 신호(103)가 발생된다. 시프트되지 않은 신호는 도 5에서 각각 라인(101) 내에 도시된다. 송신 신호(103)는 타킷 대상물에서 반사 후 검출 신호로서 샘플링 시간 윈도우(115, 125, 135)에 의해 규정된 시간 인터벌 내에 검출되고, 샘플링 시간 윈도우(115, 125, 135)는 샘플링 시간 윈도우의 시퀀스(105)를 형성하고, 상이한 시간 폭(ta, tb, tc)을 갖는다. 각각의 개별 샘플링 윈도우에는 검출된 수의 개별 검출 신호가 할당되고, 이들은 도 5에 a1, a2, a3, b1, b2...c3로 표시된다. 개별 검출 신호들은 샘플링 시간 윈도우 동안 다수의 카운터들(107) 중 일시적으로 할당된 카운터들(117, 127, 137) 내에 누적된다. 카운터들(107)과 샘플링 시간 윈도우들(105) 사이에 전단사의(bijective) 가변 할당이 주어진다.
제 2 부분 측정(B)에서 2π/n의 위상 시프트를 가진 송신 신호(103)가 발생된다. 송신 신호는 타깃 대상물에서 반사 후에 다시 수신 장치에 의해 검출되고, 검출 신호는 샘플링 윈도우(105) 내에서 다시 상기 시점에 할당된 카운터 내에 누적된다. 이 경우, 제 2 부분 측정에서 샘플링 윈도우(115, 125, 135)와 카운터(117, 127, 137) 사이의 할당이 도 5에 화살표로 표시된 바와 같이, -1 사이클만큼 시프트된다. 따라서, 제 2 샘플링 시간 윈도우(125)의 내에서 검출된 검출 신호(b2)가 예컨대 제 1 카운터(117) 내에 누적되므로, 상기 카운터가 제 2 부분 측정(B)의 끝에 내용 a1+b2 을 갖는다.
제 3 부분 측정(C)에서 2 x 2π/n의 위상 시프트를 가진 송신 신호(103)가 발생된다. 따라서, 샘플링 시간 윈도우(105) 내에서 검출된 검출 신호가 이 시점에 할당된 카운터 내로 누적되고, 제 3 부분 측정에서 샘플링 윈도우(115, 125, 135)와 카운터(117, 127, 137) 사이의 할당은 -2 사이클만큼 시프트된다. 따라서, 제 3 샘플링 시간 윈도우(135) 내에서 검출된 검출 신호(c3)가 예컨대 제 1 카운터(117) 내에 누적되므로, 상기 카운터는 제 3 부분 측정(C)의 끝에 내용 a1 +b2+c3 를 갖는다.
각각의 카운터(117, 127, 137)는 각각의 샘플링 시간 윈도우 내에 검출된 검출 신호를 정확히 한번 받아서 누적했다. 따라서, 각각의 카운터에 가산된 동일하게 분배된 배경 조명의 양은 샘플링 시간 윈도우의 시간적 폭과 관계없이 균일하게 분배된다. 동시에 송신 신호(103)는 거의 정확한 위상으로 나타난다. 즉, 도시된 실시예에서 송신 신호(103) 및 샘플링 시간 윈도우의 할당은, 항상 그 샘플링 시간 윈도우가 제 1 카운터(117)와 관련되는 한편 상기 샘플링 시간 윈도우에서 위상 시프트된 송신 신호(103)가 검출되도록, 개별 부분 측정들 사이에서 위상 시프트된다.
요약하면, 도시된 실시예에서 송신 신호(103)는 상이한 부분 측정들(A), (B), (C) 동안 타깃 대상물의 방향으로 전송되고, 거기서 반사되며, 예컨대 SPAD(Single Photon Avalanche Diode) 형태의 광자 카운터로서 형성될 수 있는 수신 장치에 의해 검출된다. 송신 신호(103)는 시프트되지 않은 신호(101)와 관련해서 개별 부분 측정(A), (B), (C) 동안 연속해서 그 위상이 시프트된다. 샘플링 시간 윈도우(115), (125), (135) 동안 검출 신호들이 할당된 카운터들(117, 127, 137)에 공급된다. 샘플링 윈도우(115, 125, 135)에 카운터들(117, 127, 137)의 할당은 개별 부분 측정들(A), (B), (C) 간에 변할 수 있다. 이로 인해, 배경 조명이 모든 카운터들(117, 127, 137)에 걸쳐 균일하게 분배될 수 있는 한편, 송신 신호(103)는 특정 카운터(117)에만 누적된다. 이로 인해, 샘플링 시간 윈도우의 동일하지 않은 시간적 폭으로 인한 또는 상이한 샘플링 시간 윈도우 내에서 상이한 측정 감도로 인한 측정 에러가 최소화될 수 있다.
샘플링 시간 윈도우의 상이한 시간적 폭의 균일화와 유사하게, 상이한 검출 감도와 관련한 균일화가 이루어질 수 있다.
개별 부분 측정들 사이의 상대 위상 시프트가 이상화되지만, 필연적으로 정확히 2π/n 일 수 없다. 송신 신호 및 샘플링 시간 윈도우가 동일한 비-이상적 Binning-다이어그램으로부터 유도되면, 이것과의 편차가 나타날 수 있다. 위상 시프트가 주기적으로 구현될 필요는 없다. 순열 또는 임의 패턴도 가능하다.
여기에 제시된 균일화의 바람직한 효과는 특히 샘플링 시간 윈도우와 카운터 간의 할당이 송신 신호의 위상 시프트와 연관됨으로써, 모든 샘플링 윈도우의 검출 신호가 전체 측정 지속 시간 후에 대략 동일하게 분배되어, 제공된 모든 카운터에 누적되는 경우에 달성된다.
샘플링 시간 윈도우의 폭과 관련한 대칭 고려는 각각의 샘플링 시간 윈도우가 각각의 카운터를 증분시켜야 하는 요구 조건을 완화시킬 수 있다. 예컨대, 하나의 변조 주기의 제 1 및 제 2 절반의 샘플링 시간 윈도우가 동일하면, 전위 또는 위상 시프트의 수가 반분될 수 있다. 예컨대, 샘플링 시간 윈도우의 수가 짝수이면 측정은 π만큼 위상 시프트된 2개의 부분 측정으로 감소될 수 있다. 이로 인해, 카운터 계수가 배경 조명에 의해 하나의 변조 주기의 제 1 절반과 제 2 절반에서 동일할 수 있다.
도 6에 도시된 다른 실시예에서, 송신 신호(201)의 위상은 일정하다. 그 대신, 샘플링 시간 윈도우(205)의 위상은 송신 신호(201)에 대해 시프트된다. 카운터(207)의 수 n(도시된 실시예에서 n= 4) 또는 송신 신호(201)의 서브 주기의 수 n(도시된 실시예에서 n=4)는 샘플링 시간 윈도우(205)의 수 m(도시된 실시예에서 m=5)과는 다르다. 달리 표현하면, 변조된 측정 방사선(201)의 주기 지속 시간(tps)은 샘플링 시간 윈도우의 주기적으로 반복되는 시퀀스(205)의 주기 지속 시간(tpa)과 다르다. 샘플링 시간 윈도우(205)의 수와 카운터(207)의 수가 다르기 때문에, 각각의 샘플링 시간 윈도우는 샘플링 시간 윈도우의 시퀀스의 많은 반복에 걸쳐 연장되는 전체 측정 중에 검출 신호들을 각각의 카운터에 공급할 수 있다. 따라서, 배경 조명에 상응하는 전체 검출 신호는 모든 카운터에 걸쳐 균일하게 분배되는 한편, 변조된 측정 광에 상응하는 검출 신호는 각각 동일한 카운터에 안내되어 거기에 누적된다.
전술한 실시예에서 예컨대 SPAD 형태의 단일 디지털 광자 카운터를 가진 수신 장치가 전제되었는 반면, 상기 수신 장치는 대안으로서 다수의 광 검출기들을 포함할 수 있다. 광 검출기들은 디지털 또는 아날로그로 동작할 수 있다. 예컨대 다수의 디지털 작동식 SPAD를 포함하는 픽셀 어레이 또는 다수의 픽셀을 포함하는 아날로그 작동식 CCD-칩이 사용될 수 있다. 이로 인해, 2D 또는 3D 카메라가 구현될 수 있다. 픽셀들 중 각각 하나의 픽셀의 검출 신호들은 관련 샘플링 시간 윈도우 동안 누적 장치 내에 누적될 수 있다. 개별 픽셀들이 상이한 검출 감도를 갖는 경우, 전술한 균일화에 의해 전체 측정 결과에 대한 상이한 검출 감도의 부정적 영향이 현저히 줄어들 수 있다.
샘플링 시간 윈도우 또는 검출 감도의 여기에 설명된 균일화에 의해 얻어지는 장점은 전체 측정 지속 시간의 단축에 있는데, 그 이유는 샘플링 시간 윈도우 또는 Binning-아키텍처의 교정이 생략될 수 있기 때문이다. 대안으로서, 추가의 교정시 높은 측정 정확도가 달성될 수 있다. 이는 특히 높은 측정 정확도가 요구되기 때문에 높은 변조 주파수를 가진 측정 방사선이 사용되는 측정 장치에서 바람직한데, 그 이유는 그렇게 높은, 예컨대 1 GHz 이상의 범위의 변조 주파수에서 필요한 교정이 특히 낮은 신호 대 잡음 비에서 매우 오래, 예컨대 실제 거리 측정보다 더 오래 지속될 수 있기 때문이다.
다른 장점은 낮은 전력 소비에 있는데, 그 이유는 경우에 따라 교정을 위한 별도의 측정이 필요 없을 수 있기 때문이다.
다른 장점은 균일화 장치를 구현하기 위해 필요한 낮은 회로 기술적 비용이다. 예컨대, 샘플링 시간 윈도우 및 측정 방사선의 변조가 공통 소스로부터 유도될 수 있다.
또한, 예컨대 온도 드리프트와 같은 가변 조건에서도 배경 조명 교정이 생략될 수 있다.
10 측정 장치
12 송신 장치
13, 16 측정 방사선
14 수신 장치
15 타깃 대상물
36 평가 장치
80 균일화 장치
107, 207, 117, 127, 137 누적 장치
115, 125, 135 샘플링 시간 윈도우

Claims (10)

  1. 거리 측정을 위한 측정 장치(10), 특히 광학 거리 측정을 위한 휴대용 측정 장치로서,
    주기적으로 변조된 광학 측정 방사선(13)을 타킷 대상물(15)로 전송하기 위한 송신 장치(12);
    상기 타깃 대상물(15)로부터 리턴되는 광학 측정 방사선(16)을 검출하기 위한 수신 장치(14); 및
    상기 수신 장치(14)의 검출 신호들을 수신 및 평가하기 위한 평가 장치(36)를 포함하고,
    상기 평가 장치(36)는 검출 신호들의 누적을 위한 다수의 누적 장치(107, 207)를 포함하고,
    상기 평가 장치(36)는 검출 신호들을 다수의(105) 샘플링 시간 윈도우들 중 하나의 샘플링 시간 윈도우(115, 125, 135) 동안 시간 개략적으로 교대로 다수의(107) 누적 장치들 중 하나의 관련 누적 장치(117, 127, 137)에 안내함으로써, 상기 누적 장치가 상기 샘플링 시간 윈도우 동안 상기 검출 신호들을 누적하고,
    상기 평가 장치(36)는 전체 측정 지속 시간에 걸쳐 검출된 전체 신호를 누적 장치에 누적된 검출 신호들로부터 결정하는,
    측정 장치에 있어서,
    균일화 장치(80)가 제공되고, 상기 균일화 장치(80)는 상기 전체 측정 지속 시간 동안 다수의 누적 장치들로부터 누적 장치들(117, 127, 137)을 샘플링 시간 윈도우(115, 125, 135)에 시간 개략적으로 교대로 할당하는 것을 변경하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 균일화 장치(80)는, 상기 전체 측정 지속 시간에 걸쳐 다수의 누적 장치들(117, 127, 137)이 대략 동일하게 빈번히 샘플링 시간 윈도우들(115, 125, 135)의 각각에 할당되도록, 상기 개략적으로 교대로 할당하는 것을 변경하는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 전체 측정 지속 시간이 다수의 부분 측정 지속 시간(A), (B), (C)으로 세분되고, 하나의 부분 측정 지속 시간 내에, 상기 주기적으로 변조된 측정 방사선과 샘플링 시간 윈도우에 상기 누적 장치의 주기적인 할당 사이의 고정 위상 관계가 주어지고, 상이한 부분 측정 지속 시간들 사이에 상기 위상 관계의 상대 위상 시프트가 주어지는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 부분 측정 지속 시간들(A), (B), (C) 사이에 2π/n의 상대 위상 시프트가 주어지고, 상기 n은 상기 부분 측정 지속 시간의 수인 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 샘플링 시간 윈도우에 누적 장치들을 시간 개략적으로 교대로 할당하는 것은 상기 변조된 측정 방사선과 동기화되는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 샘플링 시간 윈도우들의 수 및 누적 장치들의 수는 동일한 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 샘플링 시간 윈도우들의 수 및 누적 장치들의 수는 동일하지 않은 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샘플링 시간 윈도우들의 수의 주기적으로 반복되는 시퀀스(205)의 주기 지속 시간(tpa)은 상기 변조된 측정 방사선의 주기 지속 시간(tps)과 다른 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수신 장치(14)는 적어도 하나의 SPAD를 포함하는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수신 장치의 상기 검출 신호들은 멀티플렉서에 의해 상기 누적 장치로 안내되는 것을 특징으로 하는 측정 장치.
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