WO2007134730A1 - Distanzmessverfahren und distanzmesser zur erfassung der räumlichen abmessung eines zieles - Google Patents

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WO2007134730A1
WO2007134730A1 PCT/EP2007/004176 EP2007004176W WO2007134730A1 WO 2007134730 A1 WO2007134730 A1 WO 2007134730A1 EP 2007004176 W EP2007004176 W EP 2007004176W WO 2007134730 A1 WO2007134730 A1 WO 2007134730A1
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WO
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light
target
distance
measuring
pulse
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PCT/EP2007/004176
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Marcel Rohner
Beat Aebischer
Thomas Jensen
Knut Siercks
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Leica Geosystems Ag
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    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating

Definitions

  • the invention relates to a distance measuring method for detecting the spatial dimension of at least one target according to the preamble of claim 1 and a corresponding distance meter according to the preamble of claim 8.
  • Measuring devices represents the theodolite.
  • the two-dimensional representation of the optical image can be
  • Points to which a survey i. E. the determination of distance and / or angle takes place.
  • Image processing goals are identified and tracked, so that an automated survey on this basis is basically possible.
  • this image has no depth information, so the image processing methods rely on corresponding pre-information, image capturing conditions, such as the pre-alignment of a target, or image characteristics such as brightness and contrast.
  • image capturing conditions such as the pre-alignment of a target
  • image characteristics such as brightness and contrast.
  • the possibilities of target identification and tracking become limited by the purely visual capture.
  • optical ambiguities can not be resolved, as they occur, for example, in curved surfaces.
  • a disc and a ball can appear as an identical image in both cases.
  • the distance to several points of the object measured sequentially or simultaneously, so that the object geometry can be reconstructed from the obtained measurement data.
  • a parallelized data acquisition ie the simultaneous measurement to several or many measuring points, based on a simultaneous performance of several measuring operations, which also requires the duplication of components, eg by the use of multiple rangefinders.
  • Advantageous solutions use an integration of the sensors in an ASIC, whereby a low assembly costs of the system components and an optimized production are made possible.
  • the parallel approach can also be supported by a scanning mechanism, whereby the lateral point density can be increased, or which also allows to scan an object in all spatial dimensions with a line arrangement of the sensors.
  • This mechanism can be implemented, for example, on an electro-optical beam deflection, a mechanical beam deflection by means of a mirror or a manual beam deflection in combination with an inertial sensor for direction determination.
  • the approach disclosed in DE 44 40 613 uses LEDs emitted, sinusoidally modulated light for distance measurement.
  • the sensors arranged in an array scan the light reflected from the object with at least 4 sampling times. From these, the phase difference between emitted and reflected from the object optical signal is determined by simple arithmetic. The phase is calculated after reading the samples outside the sensor array. With knowledge of the wavelength of the light modulation, it can be concluded from the measured phase to the distance to the measuring point. By limiting to a few sampling points and eliminating calculations in the sensors, these have a low complexity.
  • rangefinders with sinusoidally modulated light have poor sensitivity, which limits the use of the system to nearby objects or a low degree of parallelization.
  • the relative phase of a backscattered signal with respect to the phase of a sinusoidally modulated light signal is determined by detection with so-called photonic mixer detectors.
  • the light sensor causes a demodulation of the received
  • US Pat. No. 6,115,112 describes a distance measuring device which determines the time of flight of pulsed laser light in order to derive the distance to an object point.
  • the measurement is divided into a coarse measurement and a fine measurement.
  • strong optical pulses are emitted, so that the received signal reflected back from the object clearly differs from the existing noise.
  • the distance to the object point is roughly determined.
  • the measurement signal - or a measurement product derived therefrom - in the environment of during the Coarse measurement of certain time sampled and further processed.
  • the method is not suitable for a parallelized measurement with multiple sensors, since the requirement that the backscattered signal during the coarse measurement clearly differs from the noise, can be achieved practically only with large pulse energies and thus very expensive optical sources.
  • the object of the present invention is to provide an improved method and device for the spatial measurement of objects, in particular for surveying over longer distances and with increased accuracy.
  • Another object is to provide a rangefinder having a plurality of low-complexity range-measuring components.
  • the invention is based on the gradual temporal shortening of the time interval used for the measurement with at the same time the number of subintervals ti, j being the same.
  • electromagnetic radiation preferably laser light
  • that reflected Light is received again and evaluated its temporal characteristics for determining the transit time of the pulse.
  • the reception time of the reflected pulse is determined on the basis of the identification of the temporal position of the signal edge.
  • the receiver registers the radiation incident within a measuring interval, wherein the measuring interval, taking account of the pulse shape and pulse duration, is set in terms of interval duration and temporal positioning in such a way that unambiguousness in the pulse identification is ensured.
  • the measuring interval T ⁇ is subdivided into several subintervals t ⁇ r j, and the input of the pulse is assigned to one or more of the subintervals t ⁇ , j.
  • the determination of the distance to a measuring point takes place in several stages or phases Pi, wherein the accuracy of the distance measurement is successively increased by changing the temporal parameters.
  • Each of these memories is assigned a partial interval t ⁇ , j of the entire measuring interval T ⁇ dynamically, the subintervals t ⁇ , j basically, with the same duration. to get voted.
  • sub-intervals t ⁇ , j of different duration within the measuring interval T ⁇ can also be realized.
  • An optical source emits light pulses for example, a maximum Pulse duration corresponding to the one of the subintervals t ⁇ , j may have, the pulse repetition rate can be increased by shortening the measuring interval T ⁇ .
  • Each memory integrates the light intensity backscattered by the object and collected by an optical system during the time interval associated with it, so that each memory represents the light energy received during its sub-interval t ⁇ , j.
  • This measurement of the light energy can also take place several times within one phase if the signal-to-noise ratio of the received signal requires it.
  • the number of repetitions can also be adaptively adapted to the measurement conditions, thus optimizing the measurement rate within the given measurement accuracies.
  • stage Pi After completion of the stage Pi that memory element M max is determined which has accumulated the largest amount of light energy, for example M3.
  • the entire measuring interval T ⁇ + i for the subsequent stage Pi + i is then reduced to the time duration of the subintervals ti, max -i and ti, max or t ⁇ , 2 and ti r 3, which during stage Pi the memories Mmax -x and M max were assigned. Due to this increasing reduction of the measuring interval, the temporal position of the optical signal becomes known with increasing accuracy.
  • the contents of the memories MI-MM represent sampling points of the optical signal which, also with a suitable algorithm outside the sensor arrangement, makes it possible to determine the temporal pulse position with a higher resolution than the measuring intervals. It may be advantageous to adapt the transmission form of the emitted light to the length of the measurement intervals. As already shown, for example, the duration of the light emission is selected to be the same size as the length of the measurement intervals assigned to the memories. In addition, the pulse repetition rate can be increased with reduction of the measurement interval, without generating uniqueness problems. Likewise, the measuring time can be adaptively adapted to the prevailing signal conditions.
  • the probability of detecting an early photon is higher than For a Gaussian optical pulse of total energy of Q r , a pulse length of ⁇ p (that is, the probability of detecting a late photon in the event of multiple photons reaching the detector), the signal may be distorted due to background as well as signal photons.
  • FWHM «2.355- ⁇ p ) and an arrival rate E of the background photons as the intensity of the backlight follows a total density of the incoming photons of
  • Equation (2) thus provides a mathematical signal model for the
  • the probability density (2) can not be determined directly.
  • the mean value of the memory cells is given by integration of (2) over the corresponding measurement intervals.
  • linear detectors- such as PIN photodiodes, avalanche photodetectors, photogates-can use analog memories, ie, charge integrators.
  • a advantageous embodiment uses the photogate and charge transfer technology as described, for example, in DE 44 40 613.
  • a second embodiment implemented as an analog technique, works in a similar manner to the first embodiment, wherein the single-photon detector is replaced by a linear detector and the digital memory cells are replaced by analog memories with corresponding read-out possibilities.
  • Figs. 1a-c illustrate the prior art approaches for detecting the spatial dimension or shape of objects
  • FIG. 2 shows the illustration of a first realization variant of the object illumination for a distance meter according to the invention
  • FIG. 3 shows the illustration of a second realization variant of the object illumination for a distance meter according to the invention
  • FIG. 4 shows the illustration of a third realization variant of the object illumination for a distance meter according to the invention.
  • 5 shows the representation of a circuit diagram for an embodiment of an inventive distance meter and
  • FIG. 6 shows the representation of the choice of measuring and subintervals for an exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • Figures 1a-c illustrate prior art approaches to detecting the spatial dimension or shape of objects. To scan the surface of an object multiple beam paths to the many different points of the surface must be realized.
  • Fig. Ia By the scanning movement of a single beam path with an aperture Ia, which detects only a single point at a time.
  • the cover of the object is completely sequential.
  • an optical signal for example, generated by a laser - performed by a scanning mechanism on the object and shaped by a transmitter optics suitable.
  • a portion of the reflected light from the object is received by the aperture Ia of a receiving optical system and guided to the optical sensors of the measuring system. From the signal propagation time from the optical source of the measuring system to the object and back to the sensors, it is possible to deduce the distance of the respective measuring point.
  • a reconstruction of the object in three dimensions can be achieved.
  • An integrated system for imaging and modeling three-dimensional objects according to this principle is disclosed, for example, in WO 97/40342.
  • the requirements for a scanning system with movement or change of the beam path can be greatly reduced by parallelizing the distance measurement.
  • the elimination of the entire scanning mechanism occurs, so that there is a positive effect on system cost, weight, reliability and measurement speed.
  • a completely parallelized system then performs a distance measurement for all pixels simultaneously, ie the entire distance information is recorded simultaneously. This situation is shown in Fig. Ic.
  • the entire coverage of the system is covered by the individual apertures Ic of the pixels.
  • FIG. 1b For the case of a scanning system with a moving line of sensors with assigned detection ranges Ib.
  • the device according to the invention or the method according to the invention relate in particular to the cases of a linear or array-type sensor arrangement, but according to the invention other types of parallel or partially parallel systems, such as e.g. hexagonal structures, coarse-fine structures, can be realized.
  • electromagnetic measuring radiation must be made available for a plurality of detectors, which can be received by them.
  • each detector can have its own radiation source or a common radiation source can be used for several or all sensors or pixels.
  • FIGS. 2-4 show various implementation alternatives for a target illumination with only a single radiation source for all sensors.
  • the beam cross-section is fanned out into a line or a surface. On the one hand, this can be carried out comprehensively, so that the lateral resolution is defined by the image of the photosensitive surface on the object.
  • the emitted light may also be implemented as a line or array of optical rays of approximately point-shaped cross-section.
  • the lateral resolution is defined by the transmitter and not by the detectors.
  • the basic optical architecture is comparable to that of classical non-parallelized rangefinders.
  • 2 illustrates a first implementation variant of the object illumination for a distance meter according to the invention with a direct coupling of transmit and receive beams.
  • the measuring radiation generated by a radiation source is emitted via a lens 2, a beam splitter 3 and a first microlens array 6a to the target 4 to be measured.
  • the backscattered measuring radiation is guided via the first microlens array 6a and a second microlens array 6b onto the sensors of the pixels 5.
  • each sensor or pixel 5 is assigned its own beam path for emission and reception, wherein parasitic reflections at the optical transitions can be eliminated by time gating.
  • FIG. 3 shows a second realization variant of the object illumination for a distance meter according to the invention with a biaxial structure and off-axis illumination.
  • the beam source is now arranged with its transmitting optics 8 in a biaxial arrangement with a center distance D next to a lens 7 as an optical receiving opening of the pixel arrangement.
  • a center distance D next to a lens 7 as an optical receiving opening of the pixel arrangement.
  • the measuring radiation generated by the radiation source is emitted via a deflecting element 9 arranged in the receiver axis and a transmitting optics 10 to the target to be measured.
  • a suitable opening angle ⁇ for example of 15 °, it is ensured that the detection range of the sensors defined by the lens 7 'as an optical reception opening is completely illuminable.
  • a laser diode LA driven by a control logic STR via a laser driver LT emits a multiplicity of laser pulses over a delay path VZ onto a photosensitive element.
  • the delay line VZ is defined by the distance from the laser diode LA to a target to be measured and back to the photosensitive element.
  • the laser diode LA is controlled so that the generated light pulses are variable in pulse shape and / or duration
  • an arrangement of distance-measuring pixels with a single-photon detector or single-photon detector SPAD for detecting the light pulses backscattered by the target is used as the photosensitive element.
  • This generates as an electrical output signal with each detection of a photon a characteristic course, eg a rising edge, which represents the trigger signal for M digital counters in the pixel control logic BPSL for deriving a distance to the target for each of the pixels, in particular according to the pulse transit time principle.
  • these counters are formed by memory cells M 1 -M 5 whose memory contents represent a measure of the detected light energy within the associated subintervals.
  • each pixel is assigned at least two memory cells-here, by way of example, five memory cells Mi-M 5 , each of which has one Detect temporal subinterval t ⁇ r j, so that a measurement interval Ti is covered in time.
  • the memory cells Mi-M 5 are switched so that the detection takes place in at least two stages, wherein the measuring interval T ⁇ is shortened from stage to stage.
  • a memory counter SZ selects the memory cell M 1 -M 5 associated with the respective time interval.
  • the memory counter SZ in turn is increased - ie the subsequent memory cell addressed - as soon as the driven by a central reference clock RC interval counter IZ has undergone a number of reference cycles, which is determined by the interval length register IR.
  • the interval delay counter IVZ delays the activation of the first memory cell Mi from that
  • Interval delay register IVR This allows the arbitrary temporal placement of the measuring interval of
  • IVR is triggered by the control logic STR after each measurement phase
  • Control logic STR can also be designed for the interpolating determination of the temporal position of a detected light pulse.
  • the optical reception power is automatically adaptable by means of an adjustable pupil adjustment of the distance to the target in order to achieve on average over all pixels an optimized detectable radiation intensity or the depth of field to minimize the crosstalk between the pixels of the distance to the target is adaptable.
  • FIG. 6 shows an explanatory illustration of the selection of measuring and subintervals for an exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • the light pulses scattered back from the target are detected in several stages and by means of a plurality of distance-measuring pixels, whereby the distance to the target for each of the pixels, in particular according to the pulse transit time principle, is derived.
  • their repetition rate and the time window for the reception must be coordinated so that only one light pulse within a measuring interval Ti can be registered for a target located at a maximum distance R max .
  • the initial choice of the measuring interval Ti thus takes place while maintaining this condition. If, however, the coarse distance of the target is known, the time window for the measurement interval Ti can be shortened and set more precisely in time.
  • Each measurement interval Ti is subdivided into at least two, in particular equally long, subintervals ti, j, the light pulse being emitted with respect to its duration di so matched to the subdivision of the measurement interval Ti that it can be detected by two of these subintervals ti, j .
  • the measurement interval Ti is subdivided into five equally long subintervals ti, i to ti, 5 .
  • the detection takes place in at least two stages, wherein the measuring interval T 1 is shortened from stage 1 to stage 2 or as a result of further stages, ie the detection has a detection step carried out under at least one repetition on at least two stages, wherein the measuring interval T, is shortened from level to level. In this case, the measuring principle of the detection step is maintained at several stages and the detection step is repeated. The measuring interval used for the detection method is thus successively shortened step by step with the same measuring principle
  • a detection of the front signal edge for stage 2 of the measurement interval Ti of the respective preceding stage 1 is t ⁇ the period from the sub-interval in the case 3 with the highest detected light power and the immediately preceding in time sub-interval ti, 2 is selected as truncated measurement interval T 2 .
  • the time interval from the subinterval ti, max with the highest detected light energy and the temporally immediately following subinterval ti, max + i can be selected as the shortened measurement interval Ti + i from the measurement interval T ⁇ of the respective preceding stage i.
  • stage 2 the maximum duration d 2 of the light pulses is adapted to the subintervals t 2 , j by being limited in time by the duration of a subinterval t 2 / j . Due to the now well-known temporal position of the received signal and the repetition rate of the light pulses can be increased from level to level. Stage 2 may be followed by further stages with shortening of the measurement intervals, which leads to a progressive accuracy in the determination of the temporal position of the received light pulse.
  • the subinterval t 2 , 3 with the highest detected light energy is again identified for the stage 3 from the measurement interval T 2 , and its period, together with that of the temporally immediately preceding subinterval t 2 , 2, the shortened measurement interval T 3 of the third stage , wherein in this stage 3 again the time duration d 3 of the emitted light pulses, as well as their repetition rate, is adjusted.
  • the detection thus takes place in several stages, wherein the measuring interval T 1 is shortened from stage to stage in such a way that the measuring intervals T 1 of different stages overlap. In this case, there is at least an overlap of the measuring intervals T 1 of successive stages, but in particular an overlap of all measuring intervals T 1 , so that they have a common area in the relative temporal position, in which the light pulse to be received is located.

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Abstract

Distanzmessverfahren zur Erfassung der räumlichen Abmessung wenigstens eines Zieles mit wenigstens einem Aussenden einer Vielzahl von Lichtpulsen, insbesondere Laserlicht, auf das Ziel, Detektieren der vom Ziel zurückgestreuten Lichtpulse mittels einer Vielzahl von distanzmessenden Bildpunkten, Ableiten einer Distanz zum Ziel für jeden der Bildpunkte, wobei jeder Lichtpuls innerhalb eines Messintervalls T

Description

Distanzmessverfahren und Distanzmesser zur Erfassung der räumlichen Abmessung eines Zieles
Die Erfindung betrifft ein Distanzmessverfahren zur Erfassung der räumlichen Abmessung wenigstens eines Zieles nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und einen entsprechenden Distanzmesser nach dem Oberbegriff des Anspruchs 8.
Für die Aufnahme von Eigenschaften definierter Punkte in einer HessUmgebung, insbesondere von Daten mit räumlichem Bezug, sind seit der Antike eine Vielzahl von Messvorrichtungen bekannt. Als räumliche Standarddaten werden dabei der Ort eines Messgerätes nebst evtl. vorhandener Referenzpunkte, sowie Richtung, Entfernung und Winkel zu Zielen und Messpunkten aufgenommen.
Ein allgemein bekanntes Beispiel für solche
Messvorrichtungen stellt der Theodolit dar. In der zweidimensionalen Darstellung des optischen Bildes können
Punkte festgelegt werden, zu denen eine Vermessung, d.h. die Bestimmung von Entfernung und/oder Winkel erfolgt.
Anhand der Abbildung können mit Verfahren der
Bildverarbeitung Ziele identifiziert und verfolgt werden, so dass eine automatisierte Vermessung auf dieser Basis grundsätzlich möglich ist.
Jedoch besitzt dieses Bild keinerlei Tiefeninformation, so dass die Bildverarbeitungsverfahren auf entsprechende Vorinformationen, Bildaufnahmebedingungen, wie z.B. der Vorausrichtung einer Zielmarke, oder Bildeigenschaften, wie z.B. Helligkeit und Kontrast, angewiesen sind. Die Möglichkeiten der Zielidentifikation und -Verfolgung werden durch die rein visuelle Erfassung limitiert. Insbesondere können optische Mehrdeutigkeiten nicht aufgelöst werden, wie sie beispielsweise bei gekrümmten Oberflächen auftreten. So können in einer frontalen Aufnahme unter ungünstigen Lichtverhältnissen eine Scheibe und eine Kugel in beiden Fällen als identisches Abbild erscheinen.
Für viele Anwendungen sind jedoch auch zusätzliche Informationen über die räumliche Ausdehnung von Objekten relevant, wobei nicht nur einzelne ausgewählte Punkte sondern die flächenhafte Gestalt des Objektes von Interesse ist. Dies gilt beispielsweise für die Sicherheitstechnik, wo nebst einer Objektdetektion oft auch eine Objekterkennung erforderlich ist, um geeignete Sicherheitsmassnahmen einzuleiten. Weitere Anwendungen finden sich im industriellen Bereich beispielsweise in der Qualitätskontrolle in der Fertigung und in der Fahrzeugsicherheitstechnik.
Im Stand der Technik existieren verschieden Ansätze zur Erfassung der räumlichen Abmessungen bzw. der Gestalt von Objekten. Zur Entfernungsmessung wird ein zumeist optisches Signal vom Meßsystem in Richtung des zu vermessenden Objektes gerichtet und ein Teil des vom Objekt reflektierten Licht von den optischen Sensoren des Meßsystems erfaßt und verarbeitet. Aus der Phasenverschiebung oder der Signallaufzeit von der optischen Quelle des Meßsystems zum Objekt und zurück zu den Sensoren, kann auf die Entfernung des jeweiligen Meßpunktes geschlossen werden.
Hierzu wird mit Hilfe eines einzelnen und hinsichtlich des Strahlgangs abtastend bewegten Entfernungsmessers oder einer Vielzahl von Entfernungsmessern, welche in einer Linie oder in einem Array oder in einer anderen der Applikation angepaßten Geometrie angeordnet sind, die Entfernung zu mehreren Punkten des Objekts sequentiell bzw. simultan gemessen, so dass aus den gewonnenen Meßdaten die Objektgeometrie rekonstruiert werden kann.
Systeme mit einem abtastend geführten Strahl weisen Nachteile auf, die aus dem mechanischen Aufbau resultieren. Entweder muss das gesamte Gerät über den aufzunehmenden Sichtbereich bewegt werden oder es muss die Strahlführung bei ansonsten unveränderlicher Vorrichtung variabel gestaltet werden. Neben dem Aufwand für solche mechanisch und/oder optisch anspruchsvollen bzw. komplexen Lösungen weisen diese meist eine nur geringe Abtastgeschwindigkeit auf und besitzen darüber hinaus einen vergleichsweise hohen Energieverbrauch. Aufgrund der abtastenden Bewegung und mechanischer Belastungen, z.B. durch Vibrationen, ist die Korrelation der Entfernungsmessungen mit den Bildpunkten des visuellen Bildes nicht oder nur mit zusätzlichem Aufwand zu gewährleisten.
Eine parallelisierte Datenaufnahme, d.h. die gleichzeitige Messung zu mehreren oder vielen Meßpunkten, basiert auf einer gleichzeitigen Durchführung von mehreren Meßvorgängen, welche auch die Vervielfältigung von Komponenten erfordert, z.B. durch die Verwendung mehrerer Entfernungsmesser. Vorteilhafte Lösungen nutzen eine Integration der Sensoren in einem ASIC, wodurch ein geringer Assemblierungsaufwand der Systemkomponenten und eine optimierte Fertigung ermöglicht werden. - A -
Der parallele Ansatz kann dabei auch durch einen scannenden Mechanismus unterstützt werden, womit die laterale Punktdichte erhöht werden kann, oder welcher auch erlaubt, mit einer Linienanordnung der Sensoren ein Objekt in allen räumlichen Dimensionen abzutasten. Dieser Mechanismus kann beispielsweise auf einer elektrooptischen Strahlablenkung, einer mechanischen Strahlablenkung mittels Spiegel oder einer manuellen Strahlablenkung in Kombination mit einem Inertialsensor zur Richtungsbestimmung ausgeführt sein.
Durch die Parallelisierung der Messung werden gegenüber einer Einzelpunktmessung an die Lichtquelle erhöhte Anforderungen gestellt, wenn z.B. vergleichbare Anforderungen an den Meßbereich und die Meßunsicherheit vorausgesetzt werden. Zudem ist eine hochgradige Parallelisierung, nur mit einem Meßkonzept technisch sinnvoll zu erreichen, dessen Realisierung eine geringe Komplexität aufweist.
Beispielsweise verwendet der in der DE 44 40 613 geoffenbarte Ansatz von LEDs emittiertes, sinusförmig moduliertes Licht zur Entfernungsmessung. Die in einem Array angeordneten Sensoren tasten das vom Objekt reflektierte Licht mit wenigstens 4 Abtastzeitpunkten ab. Aus diesen wird durch einfache Arithmetik der Phasenunterschied zwischen emittiertem und vom Objekt reflektiertem optischen Signal bestimmt. Die Berechnung der Phase erfolgt nach Auslesen der Abtastwerte ausserhalb des Sensor-Arrays . Bei Kenntnis der Wellenlänge der Lichtmodulation, kann von der gemessenen Phase auf die Entfernung zum Messpunkt geschlossen werden. Durch die Beschränkung auf einige wenige Abtastpunkte und dem Verzicht auf Berechnungen in den Sensoren weisen diese eine geringe Komplexität auf. Allerdings weisen Entfernungsmesser mit sinusförmig moduliertem Licht eine schlechte Sensitivität aus, was die Verwendung des Systems auf nahe liegende Objekte oder einen geringen Parallelisierungsgrad beschränkt .
In ähnlicher Weise wird in der DE 197 04 496 die relative Phase eines rückgestreuten Signals bezüglich der Phase eines sinusförmig modulierten Lichtsignals durch Detektion mit sogenannten Photomischdetektoren bestimmt. Hierbei bewirkt der Lichtsensor eine Demodulation des empfangenen
Lichts. Durch Anwendung dieser Demodulation bei verschiedenen Phasenbeziehungen zwischen dem emittierten
Lichtsignal und dem Demodulationssignal kann die Phase zwischen dem emittierten Lichtsignal und dem empfangenen
Lichtsignal, und damit die Objektentfernung, bestimmt werden. Wiederum wird durch die Verwendung von sinusförmig moduliertem Licht eine schlechte Sensitivität erreicht.
Aus Brian AuIl, „3D Imaging with Geiger-mode Ävalanche Photodiodes" , Optics & Photonics News, May 2005, pp. 42ff, ist ein Konzept bekannt, das von einem Laser emittiertes, gepulstes Licht zur Entfernungsmessung verwendet. Die rückgestreuten Photonen werden in Single-Photon-Detektoren als lichtsensitive Elemente erfaßt. Die Ankunftszeit dieser Photonen ist das Mass für die Entfernung zum jeweiligen Objektpunkt. Dabei wird diese Ankunftszeit dadurch bestimmt, dass ein schnell laufender digitaler Zähler oder mehrere phasenverschobene Zähler bei Detektion des Photons gestoppt werden. Diese Zähler weisen einen relativ geringen Komplexitätsgrad auf. Zudem ist die Messung durch Verwendung von gepulstem Licht sehr sensitiv. Jedoch erreichen digitale Zähler eine schlechte Auflösung, welche durch das Clock-Intervall festgelegt wird. Das Verfahren ist deshalb für Präzisionsmessungen nicht geeignet.
In C. Niclass, A. Rochas, P.A. Besse, E. Charbon, „A CMOS 3D Camera with Millimetric Depth Resolution" , IEEE Custom Integrated Circuits Conference, pp. 705-708, Oct. 2004, wird ein ähnliches Verfahren geoffenbart. Jedoch wird eine höhere zeitliche Auflösung durch Verwendung von Time-to- Digital Convertern (TDC) erreicht, welche die Photon- Ankunftszeit innerhalb des Clock-Intervalls interpolieren. Die hohe Komplexität des TDCs erlaubt aber nicht die Verwendung eines dedizierten TDCs für jedes Sensorelement. Deshalb erfaßt ein einzelner TDC die Ankunftszeit des ersten Photons von einer grosseren Menge von Sensoren erfaßten Photonen. Alle nachfolgend detektierten Photonen können nicht vom TDC erfaßt werden und gehen daher verloren. Dies stellt eine starke Einschränkung für die Sensitivität des Systems dar.
In der US 6,115,112 wird ein Distanzmeßgerät beschrieben, welches die Flugzeit gepulsten Laserlichts bestimmt, um die Distanz zu einem Objektpunkt abzuleiten. Die Messung wird unterteilt in eine Grobmessung und in eine Feinmessung. Während der Grobmessung werden starke optische Pulse emittiert, so dass sich das empfangene, vom Objekt rückreflektierten Signal klar vom vorhandenen Rauschen unterscheidet. In der Grobmessung wird die Distanz zum Objektpunkt grob bestimmt. In der darauf folgenden Feinmessung wird das Meßsignal - oder ein daraus abgeleitetes Meßprodukt - in der Umgebung des während der Grobmessung bestimmten Zeitpunkts abgetastet und weiter bearbeitet .
Das Verfahren eignet sich nicht für eine parallelisierte Messung mit mehreren Sensoren, da das Erfordernis, dass sich das rückgestreute Signal während der Grobmessung klar vom Rauschen unterscheidet, praktisch nur mit grossen Pulsenergien und damit sehr aufwendigen optischen Quellen zu erreichen ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens bzw. einer solchen Vorrichtung zur räumlichen Vermessung von Objekten, insbesondere zur Vermessung über grossere Entfernungen und mit erhöhter Genauigkeit.
Eine weitere Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Entfernungsmessers mit einer Vielzahl von entfernungsmessenden Komponenten geringer Komplexität.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäss durch die Gegenstände der Ansprüche 1 und 8 sowie durch die Merkmale der Unteransprüche gelöst bzw. die Lösungen fortgebildet.
Der Erfindung liegt die stufenweise zeitliche Verkürzung des zur Messung verwendeten Zeitintervalls bei gleichzeitig gleichbleibender Zahl von Teilintervallen ti,j zugrunde.
In der hier beispielhaft dargestellten Realisierungsform wird zur Messung der Distanz zu einzelnen Punkten auf der Oberfläche eines zu vermessenden Objektes elektromagnetische Strahlung, vorzugsweise Laserlicht, in Pulsform auf dieses Objekt emittiert. Das reflektierte Licht wird wieder empfangen und dessen zeitliche Charakteristik zur Laufzeitbestimmung des Pulses ausgewertet. Dabei wird der Empfangszeitpunkt des reflektierten Pulses anhand der Identifikation der zeitlichen Position der Signalflanke bestimmt. Der Empfänger registriert hierzu die innerhalb eines Messintervalls einfallende Strahlung, wobei das Messintervall unter Berücksichtigung der Pulsform und Pulsdauer hinsichtlich Intervalldauer und zeitlicher Positionierung so gesetzt wird, dass eine Eindeutigkeit bei der Pulsidentifikation gewährleistet ist. Zur Ableitung dieses Zeitpunktes wird das Messintervall T± in mehrere Teilintervalle t±rj unterteilt und der Eingang des Pulses einem oder mehreren der Teilintervalle t±,j zugeordnet.
Erfindungsgemäss erfolgt die Bestimmung der Distanz zu einem Messpunkt in mehreren Stufen oder Phasen Pi, wobei die Genauigkeit der Entfernungsmessung durch Veränderung der zeitlichen Parameter sukzessive erhöht wird.
Vorrichtungsseitig weist hierfür jeder Sensor eine Anzahl von M Speichern auf, welche hier mit Mj, j=l..M bezeichnet werden, wobei dies erfindungsgemäss sowohl analoge, als auch digitale Speicher sein können. Die Zahl der Speicher kann verhältnismäßig klein gewählt werden - beispielsweise M = 5 - um auch die Komplexität eines Sensorelements gering zu halten. Jedem dieser Speicher wird ein Teilintervall t±,j des gesamten Meßintervalls T± dynamisch zugeordnet, wobei die Teilintervalle t±,j grundsätzlich, mit gleicher Dauer. gewählt werden. Allerdings sind erfindungsgemäss auch Teilintervalle t±,j unterschiedlicher Dauer innerhalb des Meßintervalls T± realisierbar. Eine optische Quelle emittiert Lichtpulse, die beispielsweise eine maximale Pulsdauer entsprechend der eines der Teilintervalle t±,j aufweisen können, wobei die Pulsrepetitionsrate bei Verkürzung des Meßintervalls T± erhöht werden kann. Jeder Speicher integriert die vom Objekt rückgestreute und von einem optischen System gesammelte Lichtintensität, während des ihm zugeordneten Zeitintervalls, so daß jeder Speicher die während seines Teilintervalls t±,j empfangene Lichtenergie repräsentiert. Diese Messung der Lichtenergie kann innerhalb einer Phase auch mehrfach erfolgen, falls der Signal-zu-Rauschabstand des empfangenen Signals dies erfordert. Die Anzahl der Wiederholungen kann auch den Meßbedingungen adaptiv angepaßt werden, um somit die Meßrate innerhalb der vorgegebenen Meßgenauigkeiten zu optimieren.
Nach Abschluß der Stufe Pi wird dasjenige Speicherelement Mmax bestimmt, welches die größte Menge an Lichtenergie akkumuliert hat, beispielsweise M3. Das gesamte Meßintervall T±+i für die nachfolgende Stufe Pi+i wird daraufhin auf die zeitliche Dauer der Teilintervalle ti,max-i und ti,max bzw. t±,2 und tir3 reduziert, welche während Stufe Pi den Speichern Mmax-x und Mmax zugeordnet waren. Durch diese zunehmende Reduktion des Meßintervalls wird die zeitliche Position des optischen Signals mit zunehmender Genauigkeit bekannt.
In der letzten Stufe PE stellt der Inhalt der Speicher MI-MM Abtastpunkte des optischen Signals dar, welche auch mit einem geeigneten Algorithmus ausserhalb der Sensoranordnung, die Bestimmung der zeitlichen Pulsposition mit einer höheren Auflösung als dies den Meßintervallen entspricht, ermöglicht. Es kann von Vorteil sein, die Sendeform des emittierten Lichts der Länge der Meßintervalle anzupassen. Wie bereits dargestellt wird beispielsweise die Dauer der Lichtemission gleich gross gewählt, wie die Länge der den Speichern zugeordneten Meßintervalle. Zudem kann die Pulsrepetitionsrate bei Verkleinerung des Meßintervalls erhöht werden, ohne Eindeutigkeitsprobleme zu erzeugen. Ebenso kann die Meßzeit den herrschenden Signalverhältnissen adaptiv angepaßt werden.
Für jeden ausgesandten Puls empfangen konventionelle lineare Entfernungsmesser normalerweise eine Vielzahl von Signalphotonen. Im Idealfall ist dabei die Zahl N der Photonen gross genug um das Rauschen der Entfernungsmessungen hinreichend klein werden zu lassen.
Bei Einzelphotondetektoren bzw. SPAD-Detektoren wird pro Puls nur ein einzelnes Photon detektiert, wobei diese Einschränkung allerdings auch, umgangen werden kann, wenn der Detektor situationsabhängig im linearen Mode betrieben wird, was allerdings technisch einen erhöhten Aufwand bedeutet.
Wie in M. Rohner et al, „SingIe-Photon Detection for High Precision Ranging - A Trade-off Study", First Range Image Research Day 2005, ETH Zürich, Switzerland, beschrieben ist deshalb die Wahrscheinlichkeit, ein frühes Photon zu detektieren höher als die Wahrscheinlichkeit ein spätes Photon zu registrieren, falls mehrere Photonen den Detektor erreichen. Somit kann es sowohl aufgrund der Hintergrund- wie auch der Signalphotonen zu Verzerrungen des Signals kommen. Für einen gaussförmigen optischen Puls einer Gesamtenergie von Qr, einer Pulslänge von σp (FWHM «2.355-σp) und einer Ankunftsrate E der Hintergrundphotonen als Intensität des Hintergrundlichts folgt eine totale Dichte der ankommenden Photonen von
r(,)=M=& J e-(-tfK2σ^+E (1) hv hv 4lπ ■σp
Hieraus resultiert eine Detektionswahrscheinlichkeit von
Pn {t;r(t)) =
Figure imgf000013_0001
wo der Einfachheit halber durch 1 ersetzt werden
Figure imgf000013_0002
kann, was für τ >> σp in guter Näherung gilt. Gleichung (2) stellt damit ein mathematisches Signalmodell für den
Verlauf des detektierten Signals als Funktion von Verzögerungszeit T1 Pulsenergie Qr , Pulslänge σp ,
Intensität des Hintergrundlichts E , Detektionsquanten- effizienz ηQ , und Einzelphotonenenergie hv dar. Das detektierte Signal folgt dem ursprünglichen Signalverlauf in Gleichung (1) nur für kleine Werte von Qr und E. Es ist deshalb für hohe Genauigkeitsanforderungen unerläßlich, die Verzögerungszeit τ unter Berücksichtigung der Signalverzerrungen in Gleichung (2) zu bestimmen. Dies kann z.B. durch Lösung eines nichtlinearen Optimierungsproblems gelöst werden. Hierbei wird die Pulslänge σp typischerweise als durch eine Systemidentifikation bestimmt vorausgesetzt. Die Pulsenergie Qr wird als „Nuisance Parameter" zusammen mit der Verzögerungszeit τ geschätzt, während die Intensität des Hintergrundlichts, E1 entweder durch Schätzung im Signalmodell (2) oder durch eine separate Messung bestimmt wird. Statt der drei Parameter Qr, E, ηo können auch direkt die zwei Kombinationen Tj0-Qr/ (hv) und ηo-E bestimmt werden.
Die Wahrscheinlichkeitsdichte (2) kann dabei nicht direkt ermittelt werden. Der mittlere Wert der Speicherzellen ist durch Integration von (2) über die entsprechenden Meßintervalle gegeben.
Um Meßfehler durch fehlerhafte Schätzwerte von σp und E zu
reflektierten Puls im gesamten Meßintervall zu zentrieren. Dies kann durch Interpolation der letzten Detektionsphase oder durch eine zusätzliche Meßphase geschehen.
Wenn während des Meßvorgangs Hintergrundstrahlung vorhanden ist, so wird diese ebenfalls als Rauschen detektiert. Wird das Meßintervall gegenüber der Hintergrundstrahlung hinreichend lang gewählt, wächst der Speicherwert des Speichers M, in dessen Zeitintervall ebenfalls das Meßsignal detektiert wird, über die Speicherwerte der anderen Speicher M hinaus. Dies ermöglicht unter Kenntnis des Speicherzeitraums gegenüber dem Sendezeitpunkt des Meßsignals eine einfache Laufzeitbestimmung des Meßsignals. Mit der so ermittelten Meßsignallaufzeit und der Kenntnis der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Meßsignals über die Meßstrecke kann nach der elementaren Beziehung R=c-τl2 die Distanz zum Meßobjekt ermittelt werden.
Im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel können bei linearen Detektoren - wie beispielsweise PIN-Photodioden, Avalanche-Photodetektoren, Photogates - analoge Speicher, d.h. Ladungsintegratoren, verwendet werden. Eine vorteilhafte Ausführungsform verwendet die Photogate und Charge-Transfer Technologie wie sie bspw. in DE 44 40 613 beschrieben ist.
Ein als in Analogtechnik ausgeführtes zweites Ausführungsbeispiel funktioniert in zur ersten Ausführungsform ähnlicher Weise, wobei der Einzelphotonendetektor durch einen linearen Detektor und die digitalen Speicherzellen durch analoge Speicher mit entsprechenden Auslesemöglichkeiten ersetzt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren und ein erfindungsgemässer Distanzmesser werden nachfolgend anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen rein beispielhaft näher beschrieben oder erläutert. Im einzelnen zeigen
Fig. la-c die Darstellung von Ansätzen des Stands der Technik zur Erfassung der räumlichen Abmessung oder Gestalt von Objekten;
Fig.2 die Darstellung einer ersten Realisierungsvariante der Objektbeleuchtung für einen erfindungsgemässen Distanzmesser;
Fig.3 die Darstellung einer zweiten Realisierungsvariante der Objektbeleuchtung für einen erfindungsgemässen Distanzmesser;
Fig.4 die Darstellung einer dritten Realisierungsvariante der Objektbeleuchtung für einen erfindungsgemässen Distanzmesser; Fig.5 die Darstellung eines Schaltbildes für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Distanzmesser und
Fig.6 die Darstellung der Wahl von Mess- und Teilintervallen für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Verfahrens.
Fig. la-c erläutern Ansätze des Stands der Technik zur Erfassung der räumlichen Abmessung oder Gestalt von Objekten. Zur Abtastung der Oberfläche eines Objekts müssen multiple Strahlgänge zu den vielen verschiedenen Punkten der Oberfläche verwirklicht werden.
Diese können - wie in Fig. Ia gezeigt - durch das abtastende Bewegen eines einzigen Strahlgangs mit einer Apertur Ia erfolgen, welche jeweils nur einen einzigen Punkt gleichzeitig erfasst. Die Abdeckung des Objekts erfolgt vollständig sequentiell. Hierfür wird ein optisches Signal - beispielsweise von einem Laser erzeugt - durch einen Scanning-Mechanismus über das Objekt geführt und von einer Transmitter-Optik geeignet geformt. Ein Teil des vom Objekt reflektierten Lichts wird von der Apertur Ia einer Empfangsoptik empfangen und zu den optischen Sensoren des Meßsystems geführt. Aus der Signallaufzeit von der optischen Quelle des Meßsystems zum Objekt und zurück zu den Sensoren, kann auf die Entfernung des jeweiligen Meßpunktes geschlossen werden. Durch Synchronisation der Entfernungsmessung mit der Position des Scanners kann eine Rekonstruktion des Objektes in drei Dimensionen erzielt werden. Ein integriertes System zur Abbildung und Modellierung dreidimensionaler Objekte nach diesem Prinzip wird beispielsweise in der WO 97/40342 geoffenbart. Die Anforderungen an ein abtastendes System mit Bewegung bzw. Veränderung des Strahlgangs können durch Parallelisierung der Entfernungsmessung stark reduziert werden. In einem Ansatz erfolgt die Elimination des gesamten Scanning-Mechanismus, so daß ein positiver Effekt auf Systemkosten, Gewicht, Zuverlässigkeit und Meßgeschwindigkeit folgen. Ein vollständig parallelisiertes System führt dann simultan für alle Bildpunkte eine Entfernungsmessung durch, d.h. die gesamte Distanzinformation wird zeitgleich aufgenommen. Diese Situation wird in Fig. Ic gezeigt. Hier wird der gesamte Erfassungsbereich des Systems durch die individuellen Aperturen Ic der Bildpunkte abgedeckt.
Zwischen dem vollständig sequentiellen und dem vollständig parallelen Ansatz sind verschiedene Grade der Parallelisierung realisierbar, wie in Fig. Ib exemplarisch für den Fall eines abtastenden Systems mit einer bewegten Zeile aus Sensoren mit zugeordneten Erfassungsbereichen Ib dargestellt. Die erfindungsgemässe Vorrichtung bzw. das erfindungsgemässe Verfahren betreffen insbesondere die Fälle einer linien- oder array-artigen Sensoranordnung, jedoch können erfindungsgemäss auch andersartige Ausführungen paralleler oder teilweise paralleler Systeme, wie z.B. hexagonale Strukturen, grob-fein Strukturen, realisiert werden.
In realen Systemen treten diverse Zeitdrifteffekte auf, die die Meßunsicherheit der Entfernungsmessung erhöhen. Dies kann beispielsweise durch zeit- und temperaturvariante Signalübertragungseigenschaften des Lasers oder der Detektoren verursacht sein. Deshalb ist für genaue Messungen im mm-Bereich eine parallele oder hinreichend oft wiederholte Nullpunkts-Kalibration während und/oder vor der Messung vorteilhaft. Typischerweise wird eine solche Kalibration durch Messung auf ein Referenztarget erreicht. Für den Linienscanner kann dies durch ein Referenztarget bei definierter Scannerposition erreicht werden oder durch Umschalten der optischen Wege. Im Falle einer flächenhaften Anordnung der Detektoren ist das Umschalten der optischen Wege auf ein Referenzziel möglich.
Erfindungsgemäss muss für eine Mehrzahl von Detektoren elektromagnetische Meßstrahlung zur Verfügung gestellt werden, die von diesen empfangen werden kann. Dabei kann grundsätzlich jeder Detektor über eine eigene Strahlungsquelle verfügen oder aber eine gemeinsame Strahlungsquelle für mehrere oder alle Sensoren bzw. Bildpunkte genutzt werden. Die Fig.2-4 zeigen verschiedene Realisierungsalternativen für eine Zielbeleuchtung mit nur einer einzigen Strahlungsquelle für alle Sensoren. Im Gegensatz zu klassischen laserbasierten Entfernungsmessern mit einem optischen Strahl mit angenähert punktförmigem Querschnitt wird hier der Strahlquerschnitt zu einer Linie oder einer Fläche aufgefächert. Dies kann zum einen flächendeckend durchgeführt werden, so daß die laterale Auflösung durch die Abbildung der photosensitiven Fläche auf das Objekt definiert wird. Andererseits kann auch das emittierte Licht als eine Linie oder Array von optischen Strahlen mit angenähert punktförmigem Querschnitt ausgeführt werden. Typischerweise ist in diesem Fall die laterale Auflösung durch den Sender und nicht durch die Detektoren definiert. Die grundlegende optische Architektur ist vergleichbar mit derjenigen von klassischen nichtparallelisierten Entfernungsmessern. Fig.2 veranschaulicht eine erste Realisierungsvariante der Objektbeleuchtung für einen erfindungsgemässen Distanzmesser mit einer direkten Kopplung von Sende- und Empfangsstrahlen. Die von einer Strahlungsquelle erzeugte Meßstrahlung wird über eine Linse 2, einen Strahlteiler 3 und ein erstes Mikrolinsenarray 6a auf das zu vermessende Ziel 4 emittiert. Die zurückgestreute Meßstrahlung wird über das erste Mikrolinsenarray 6a und ein zweites Mikrolinsenarray 6b auf die Sensoren der Bildpunkte 5 geführt. Durch diese Ausgestaltung wird jedem Sensor bzw. Bildpunkt 5 ein eigener Strahlgang für Emission und Empfang zugeordnet, wobei parasitäre Reflexionen an den optischen Übergängen durch ein Time-gating eliminiert werden können.
In Fig.3 wird eine zweite Realisierungsvariante der Objektbeleuchtung für einen erfindungsgemässen Distanzmesser mit biaxialen Aufbau und off-axis-Beleuchtung dargestellt. Die Strahlquelle ist nun mit ihrer Sendeoptik 8 in biaxialer Anordnung mit einem Achsabstand D neben einer Linse 7 als optische Empfangsöffnung der Bildpunktanordnung angeordnet. Durch die vom Empfangsstrahlengang getrennte Strahlungsquelle wird das zu vermessende Ziel so ausgeleuchtet, dass die durch die Linse 7 erfaßte Strahlung auf alle Bildpunkte geführt werden kann.
Fig.4 zeigt eine dritte Realisierungsvariante der Objektbeleuchtung mit koaxialem Aufbau. Die von der Strahlungsquelle erzeugte Messstrahlung wird über ein in der Empfängerachse angeordnetes Umlenkelement 9 und eine Sendeoptik 10 auf das zu vermessende Ziel emittiert. Durch die Wahl eines geeigneten Öffnungswinkels α, z.B. von 15°, wird gewährleistet, dass der durch die Linse 7' als optische Empfangsöffnung definierte Erfassungsbereich der Sensoren vollständig ausleuchtbar ist.
In Fig.5 wird ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Distanzmessers anhand der Darstellung eines exemplarischen Schaltbildes erläutert. Eine von einer Steuerlogik STR über einen Lasertreiber LT angesteuerte Laserdiode LA emittiert eine Vielzahl von Laserpulsen über eine Verzögerungsstrecke VZ auf ein lichtempfindliches Element. Dabei wird die Verzögerungsstrecke VZ durch die Distanz von der Laserdiode LA zu einem zu vermessenden Ziel und zurück bis zum lichtempfindlichen Element definiert. Die Laserdiode LA wird so angesteuert, dass die erzeugten Lichtpulse in Pulsform und/oder Dauer veränderbar sind
Als lichtempfindliches Element wird in diesem Ausführungsbeispiel eine Anordnung von distanzmessenden Bildpunkten mit Einzelphotondetektor bzw. Single-Photon- Detektor SPAD zum Detektieren der vom Ziel zurückgestreuten Lichtpulse verwendet. Dieser erzeugt als elektrisches Ausgangssignal bei jeder Detektion eines Photons eine charakteristischen Verlauf, z.B. eine ansteigende Flanke, welche das Triggersignal für M digitale Zähler in der Bildpunktsteuerlogik BPSL zum Ableiten einer Distanz zum Ziel für jeden der Bildpunkte, insbesondere nach dem Pulslaufzeitprinzip, darstellt. In der Bildpunktsteuerlogik BPSL werden diese Zähler durch Speicherzellen M1-M5 gebildet, deren Speicherinhalte ein Mass für die detektierte Lichtenergie innerhalb der assoziierten Teilintervalle darstellen. Dabei werden jedem Bildpunkt jeweils wenigstens zwei Speicherzellen - hier exemplarisch fünf Speicherzellen Mi-M5 zugeordnet, welche jeweils ein zeitliches Teilintervall t±rj erfassen, so dass ein Messintervall Ti zeitlich abgedeckt wird. Die Speicherzellen Mi-M5 werden so geschaltet, dass das Detektieren in wenigstens zwei Stufen erfolgt, wobei das Messintervall T± von Stufe zu Stufe verkürzt wird. Hierzu selektiert ein Speicherzähler SZ die dem jeweiligen Zeitintervall zugehörige Speicherzelle M1-M5. Der Speicherzähler SZ wiederum wird erhöht - d.h. die nachfolgende Speicherzelle adressiert - sobald der durch eine zentrale Reference-Clock RC angesteuerter Intervallzähler IZ eine Anzahl Referenz- Zyklen durchlaufen hat, welche durch das Intervallängenregister IR festgelegt wird.
Der Intervallverzögerungszähler IVZ verzögert die Aktivierung der ersten Speicherzelle Mi gegenüber dem
Zeitpunkt der Lichtemission um den Wert des
Intervallverzögerungsregisters IVR. Dies erlaubt die beliebige zeitliche Plazierung des Meßintervalls von
Stufe Pj relativ zur Pulsemissionszeit. Der Inhalt von Intervallregister IR und dem Intervallverzögerungsregister
IVR wird nach jeder Meßphase von der Steuerlogik STR auf
Grund der über einen Demultiplexer DEMUX ausgelesenen
Inhalte der Speicherzellen Mi-M5 neu gesetzt. die
Steuerlogik STR kann zudem zur interpolierenden Bestimmung der zeitlichen Position eines detektierten Lichtpulses ausgebildet sein.
In der Verzögerungsstrecke VZ kann eine abbildende Optik integriert sein, deren optische Empfangsleistung automatisch mittels einer verstellbaren Pupilleneinstellung der Distanz zum Ziel anpaßbar ist, um im Mittel über alle Bildpunkte eine optimierte detektierbare Strahlungsintensität zu erzielen oder deren Tiefenschärfe zur Minimierung des Übersprechens zwischen den Bildpunkten der Distanz zum Ziel anpaßbar ist.
In Fig.6 erfolgt die erläuternde Darstellung der Wahl von Mess- und Teilintervallen für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Verfahrens.
Beim Aussenden einer Vielzahl von Lichtpulsen auf das Ziel erfolgt ein Detektieren der vom Ziel zurückgestreuten Lichtpulse in mehreren Stufen und mittels einer Vielzahl von distanzmessenden Bildpunkten wobei die Distanz zum Ziel für jeden der Bildpunkte, insbesondere nach dem Pulslaufzeitprinzip, abgeleitet wird. Zur Vermeidung von Mehrdeutigkeiten beim Empfang der Lichtpulse müssen deren Repetitionsrate und das zeitliche Fenster für den Empfang so aufeinander abgestimmt sein, dass für ein in einer Maximaldistanz Rmax befindliches Ziel nur ein Lichtpuls innerhalb eines Messintervalls Ti registriert werden kann. Die anfängliche Wahl des Messintervalls Ti erfolgt somit unter Einhaltung dieser Bedingung. Ist die Grobdistanz des Zieles hingegen bekannt, so kann das Zeitfenster für das Messintervall Ti verkürzt und zeitlich präziser gesetzt werden.
Jedes Messintervall Ti wird in wenigstens zwei, insbesondere gleich lange, Teilintervalle ti,j unterteilt, wobei der Lichtpuls hinsichtlich seiner Dauer di so auf die Unterteilung des Messintervalls Ti abgestimmt emittiert wird, dass er durch zwei dieser Teilintervalle ti,j erfassbar ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Messintervall Ti in fünf gleich lange Teilintervalle ti,i bis ti,5 unterteilt. Erfindungsgemäss erfolgt das Detektieren in wenigstens zwei Stufen, wobei das Messintervall T1 von Stufe 1 zu Stufe 2 bzw. in der Folge weiterer Stufen verkürzt wird, d.h. das Detektieren weist einen unter wenigstens einmaliger Wiederholung auf wenigstens zwei Stufen durchgeführten Erfassungsschritt auf, wobei das Messintervall T, von Stufe zu Stufe verkürzt wird. Dabei wird auf mehreren Stufen das Messprinzip des Erfassungsschrittes beibehalten und der Erfassuzngschritt wiederholt. Das für das Detektionsverfahren verwendete Messintervall wird somit bei gleichem Messprinzip Stufe für Stufe sukzessive verkürzt
Hierfür wird im Fall einer Detektion der vorderen Signalflanke für die Stufe 2 aus dem Messintervall Ti der jeweils vorangehenden Stufe 1 der Zeitraum aus dem Teilintervall tχ,3 mit der höchsten detektierten Lichtenergie und dem zeitlich unmittelbar vorangehenden Teilintervall ti,2 als verkürztes Messintervall T2 gewählt. Für die Detektion der hinteren Signalflanke kann aus dem Messintervall T± der jeweils vorangehenden Stufe i der Zeitraum aus dem Teilintervall ti,max mit der höchsten detektierten Lichtenergie und dem zeitlich unmittelbar folgenden Teilintervall ti,max+i als verkürztes Messintervall Ti+i gewählt werden.
Zudem wird in Stufe 2 die maximale Dauer d2 der Lichtpulse an die Teilintervalle t2,j angepasst, indem sie zeitlich durch die Dauer eines Teilintervalls t2/j begrenzt wird. Aufgrund der nun grob bekannten zeitlichen Lage des Empfangssignals kann auch die Repetitionsrate der Lichtpulse von Stufe zu Stufe erhöht werden. Auf die Stufe 2 können noch weitere Stufen mit Verkürzungen der Messintervalle folgen, was zu einer fortschreitenden Genauigkeit in der Bestimmung der zeitlichen Lage des empfangenen Lichtpulses führt. In dieser Darstellung wird für die Stufe 3 aus dem Messintervall T2 wiederum das Teilintervall t2,3 mit der höchsten detektierten Lichtenergie identifiziert und dessen Zeitraum bildet zusammen mit dem des zeitlich unmittelbar vorangehenden Teilintervalls t2,2 das verkürzte Messintervall T3 der dritten Stufe, wobei auch in dieser Stufe 3 wiederum die zeitliche Dauer d3 der emittierten Lichtpulse, wie auch deren Repetitionsrate, angepasst wird. Das Detektieren erfolgt somit in mehreren Stufen, wobei das Messintervall T1 von Stufe zu Stufe so verkürzt wird, dass die Messintervalle T1 verschiedener Stufen überlappen. Hierbei erfolgt zumindest ein Überlapp der Messintervalle T1 aufeinanderfolgender Stufen, insbesondere jedoch ein Überlapp aller Messintervalle T1, so dass diese einen in der relativen zeitlichen Lage gemeinsamen Bereich aufweisen, in dem der zu empfangende Lichtpuls lokalisiert wird.
Die dargestellten Ausführungsformen und Figuren stellen nur erläuternde Beispiele für erfindungsgemässe Realisierungen dar und sind daher nicht abschliessend und einschränkend zu verstehen. Insbesondere sind die Zahlen der dargestellten Bild- und Distanzpunkte bzw. der zugeordneten Strahlengänge und Speicherzellen bzw. Teilintervalle lediglich aus Darstellungsgründen gewählt worden.

Claims

Patentansprüche
1. Distanzmessverfahren zur Erfassung der räumlichen Abmessung wenigstens eines Zieles (4) mit wenigstens einem
• Aussenden einer Vielzahl von Lichtpulsen, insbesondere Laserlicht, auf das Ziel (4);
• Detektieren der vom Ziel (4) zurückgestreuten Lichtpulse mittels einer Vielzahl von distanzmessenden Bildpunkten (5) ;
• Ableiten einer Distanz zum Ziel (4) für jeden der Bildpunkte (5) , insbesondere nach dem Pulslaufzeitprinzip; wobei jeder Lichtpuls innerhalb eines Messintervalls T± aus wenigstens zwei, insbesondere gleich langen,
Teilintervallen t±,j erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektieren einen unter wenigstens einmaliger
Wiederholung auf wenigstens zwei Stufen durchgeführten Erfassungsschritt aufweist, wobei das Messintervall T, von Stufe zu Stufe verkürzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Messintervall Ti der jeweils vorangehenden Stufe i der Zeitraum aus dem Teilintervall ti,max mit der höchsten detektierten Lichtenergie und
- dem zeitlich unmittelbar vorangehenden Teilintervall
Figure imgf000025_0001
- dem zeitlich unmittelbar folgenden Teilintervall ti,max+l als verkürztes Messintervall T±+i gewählt wird.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Repetitionsrate der Lichtpulse von Stufe zu Stufe erhöht wird.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Dauer der Lichtpulse von Stufe zu Stufe an die Teilintervalle t±fj angepasst wird, insbesondere zeitlich durch die Dauer eines Teilintervalls tι,j begrenzt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Verzerrungen des zurückgestreuten Lichtpulses, insbesondere verursacht durch zu starke Signalpegel oder Hintergrundlicht, unter Verwendung eines nichtlinearen Modells für den Verlauf des detektierten Lichtpulses reduziert werden, insbesondere gemäss
Figure imgf000026_0001
als Funktion von
- Zeit t
- Verzögerungszeit τ ,
- Pulsenergie Qr , - Pulslänge σp ,
- Intensität des Hintergrundlichts E ,
- Detektionsquanteneffizienz % , und
- Einzelphotonenenergie hv .
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungszeit r aus Pn bestimmt wird, insbesondere durch Lösung eines nichtlinearen Optimierungsproblems, bei dem
- die Pulslänge σp durch eine Systemidentifikation bestimmt und
/")
- die Pulsenergie Q oder —-—- zusammen mit der hv
Verzögerungszeit τ geschätzt und
- die Intensität des Hintergrundlichts E oder ηQ-E entweder durch Schätzung oder durch eine separate
1 J. Messung bestimmt werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass
15 in der letzten Stufe der zu detektierende Lichtpuls im Messintervall zentriert wird, um Fehler der Schätzwerte von Pulslänge σp und Hintergrundlicht E oder ηo-E zu minimieren, insbesondere durch Interpolation in der letzten Stufe oder durch eine nachfolgende Meßphase. 20
8. Distanzmesser zur Erfassung der räumlichen Abmessung wenigstens eines Zieles mit wenigstens
• einer Strahlquelle (LA) zum Aussenden einer Vielzahl von Lichtpulsen, insbesondere von Laserlicht, auf das
25 Ziel (4);
• einer Anordnung von distanzmessenden Bildpunkten (5) zum Detektieren der vom Ziel zurückgestreuten Lichtpulse;
• einer Steuer- und Auswertekomponente zum Ableiten
30 einer Distanz zum Ziel für jeden der Bildpunkte (5), insbesondere nach dem Pulslaufzeitprinzip; wobei jedem Bildpunkt (5) jeweils wenigstens zwei Speicherzellen (Mi7M2, M3, M^Ms) zugeordnet sind, welche jeweils ein zeitliches Teilintervall t±,j erfassen, so dass ein Messintervall Ti zeitlich abgedeckt wird, dadurch gekennzeichnet:, dass die Speicherzellen (Mi, M2, M3, M4, M5) so geschaltet werden, dass das Detektieren einen unter wenigstens einmaliger Wiederholung auf wenigstens zwei Stufen durchgeführten Erfassungsschritt aufweist, wobei das Messintervall T1 von Stufe zu Stufe verkürzt wird.
9. Distanzmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildpunkte (5) als lineare Photodetektoren ausgebildet sind, insbesondere als Photogates, PIN-Diode oder Avalanche-Photodiode.
10. Distanzmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (Mi, M2, M3, M4, M5) die vom Ziel (4) zurückgestreute Lichtintensität der Lichtpulse während der zugeordneten Teilintervalle t±rj integrieren, insbesondere als Charge-Transfer-Gates ausgebildet sind.
11. Distanzmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildpunkte (5) als Einzelphotondetektoren (SPAD) ausgebildet sind.
12. Distanzmesser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherzellen (Mi,M2,M3,M4,Ms) als digitale Zähler ausgebildet sind.
13. Distanzmesser nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine abbildende Optik, deren optische Empfangsleistung automatisch mittels einer verstellbaren
Pupilleneinstellung der Distanz zum Ziel (4) anpaßbar ist, um im Mittel über alle Bildpunkte (5) eine optimierte detektierbare Strahlungsintensität zu erzielen.
14. Distanzmesser nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (LA) so ausgebildet ist, dass die Lichtpulse in Pulsform und/oder Dauer veränderbar sind.
15. Distanzmesser nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswertekomponente zur interpolierenden Bestimmung der zeitlichen Position eines detektierten Lichtpulses ausgebildet ist.
16. Distanzmesser nach einem der Ansprüche 8 bis 15, gekennzeichnet durch eine abbildende Optik, deren Tiefenschärfe zur Minimierung des Übersprechens zwischen den Bildpunkten (5) der Distanz zum Ziel (4) anpaßbar ist.
17. Distanzmesser nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Bildpunkt (5) ein eigener Strahlgang für das
Aussenden und Detektieren der Lichtpulse zugeordnet ist, insbesondere mit einem Strahlteiler (3) einem ersten Mikrolinsenarray (6a) und einem zweiten Mikrolinsenarray (6b) .
PCT/EP2007/004176 2006-05-23 2007-05-11 Distanzmessverfahren und distanzmesser zur erfassung der räumlichen abmessung eines zieles WO2007134730A1 (de)

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