WO2014170118A1 - Verfahren zur optischen abstandsmessung im nah- und fernbereich - Google Patents

Verfahren zur optischen abstandsmessung im nah- und fernbereich Download PDF

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WO2014170118A1
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Uwe Hendrik Hill
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Mechaless Systems Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method for optical distance measurement in the near and far range, and more particularly to a method for determining the distance of a reflective and / or transmissive electromagnetic radiation object to an optically operating sensor system whose optical detection range subdivided into at least one near and far range is.
  • Detecting three-dimensional gestures such as swiping and proximity gestures requires sensors capable of detecting the position, movement and orientation of hands.
  • a major problem which is known from the prior art, is the measurement at close range with simultaneous good gesture recognition in the long-range.
  • Such methods are known, for example, from DE-A-103 00 224 or DE-A-10 2006 020 570.
  • optical distance measurements Due to the speed of light or the resulting short light propagation times in the near range, optical distance measurements are very difficult or only with great technical effort to realize, especially at small distances on the basis of transit time measurements.
  • FIG. 4 Systems are known from the prior art (FIG. 4) in which a generator G generates a transmitter feed signal S5, with which a useful transmitter H is fed. This useful transmitter H radiates into a receiver D after passing through the test section to be measured, which consists of dog 12.
  • the receiver output signal SO of the receiver D is processed by a controller CT to a compensation feed signal S3, with which a compensation transmitter K is fed, which again typically superimposed linearly over the compensation transmission path 13 into the receiver D.
  • the compensation feed signal S3 is thereby generated in the manner by the controller CT from the receiver output signal SO and the transmitter supply signal S5, that the transmission output signal SO contains up to a control error and the system noise no longer components of the transmitter supply signal S5.
  • the controller regulates the compensation feed signal S3 not only in the amplitude, but also in the compensating phase.
  • the controller typically outputs two control signals S4a and S4cp, which represent the amplitude (control signal S4a) and the phase (control signal S4cp) of the compensation signal.
  • FIG. 5 Likewise known from the prior art systems (FIG. 5) in which a generator G generates a compensation feed signal S3, with which the compensation transmitter K is fed.
  • This compensation transmitter K emits in a receiver D after passing through the compensation transmission line 13 a.
  • the receiver output signal SO of the receiver D is processed by a controller CT to a transmitter feed signal S5, which is fed to a useful transmitter H, again typically linearly overlapping after passing through the first section II of the measuring section 11,12 reflection on an object O or passage through the object O and subsequent passage through the second section 12 of the measuring section 11,12 also radiates into the receiver D.
  • the fluorescence of the object O to be detected, the emission of which thus forms the signal to be detected.
  • the transmitter supply signal S5 is thereby generated in the manner by the controller CT from the receiver output signal SO and the compensation feed signal S3, that the transmission output signal SO contains up to a control error and the system noise no longer components of the compensation signal S3.
  • the controller regulates the transmitter supply signal S5 not only in amplitude, but also compensating in phase.
  • the controller typically outputs two control signals S4a and S4cp, which represent the amplitude (control signal S4a) and the phase (control signal S4cp) of the transmission signal. Mixtures of these two basic methods, which are described in the abovementioned documents, in particular also with control of transmitter and / or compensation transmitter are conceivable.
  • HALIOS-IRDM systems are particularly robust against sources of interference, such as, for example, sunlight with simultaneous robustness against soiling and a drift of the receiver D.
  • the phase signal S4cp represents the light transit time required by the measurement signal for passing the measurement path, consisting of the subsections II and 12.
  • the amplitude signal S4a represents the attenuation that the measurement signal experiences when passing through the measurement path with the subsections II and 12.
  • the object of the invention is to provide a simple measurement system which is robust against external light interference and provides good measured values for the distance of the object to the sensor system and thus good detection results both in the near and in the far range.
  • the invention is based on a sensor system for optical distance measurement, which has a transmitter for emitting an optical signal (electromagnetic radiation) and a receiver for receiving an or the optical signal (electromagnetic radiation).
  • An object located in the detection area upstream of the sensor system forwards the electromagnetic radiation emanating from the transmitter to the receiver.
  • Based on the signal amplitude or the signal propagation time can now be concluded on the distance of the object to the sensor system or to the receiver. If the position of an object in space or in the surface (3D or 2D application) is to be determined in this way, a corresponding number of transmitters are required, which are expediently successively and cyclically repeating or in a current relationship. be adapted to the adjusted variable sequence.
  • a compensating transmitter can be used to compensate for ambient light influences, but this is basically known. According to the invention, it is now provided in such a system that the detection area is subdivided into at least one far-end area and one short-distance area,
  • an object (O) is moved, as it approaches the sensor system, first through the far field and then through the near zone of the detection zone,
  • its distance to the sensor system is determined on the basis of an assumed value or a calculated value for the optical parameter of the object (O) and on the basis of the amplitude information of the received optical signal.
  • An essential feature of the invention is that, depending on the accuracy with which the signal amplitude and signal propagation time information can be extracted from the received optical signal, either the signal amplitude information or the signal propagation time information is used to determine the distance of the object to the sensor system (or more precisely said to its recipient) to determine.
  • the difficulty in the distance measurement based on the signal amplitude information is that the optical parameter of the object, which describes its reflectivity and / or transmissivity, is not known exactly. This parameter must first be calculated, although it is also possible to work with an assumed value as "start value". In this case, the knowledge is exploited that this optical parameter can be calculated on the basis of the fact that an object approaching the sensor system first passes through its remote detection area and then its local detection area.
  • the distance determination can be determined quite accurately on the basis of the signal propagation time information. If you then in the calculation rule for the distance determination based on the signal amplitude information to the previously calculated based on the signal propagation time distance value as known, the optical parameter (reflection and / or Transmission coefficient) of the object. This calculated value is then available in order to perform the distance determination based on the signal amplitude information when the object reaches the detection proximity of the sensor system. Because in the near detection range of the sensor system, the distance determination based on the signal amplitude information of the received optical signal can be performed more easily than with the aid of the signal propagation time information.
  • optical parameter of the object (O) is updated in each case with its approach to the sensor system. By continuously calculating the optical parameter of the object as it approaches the sensor system, as long as the object is still in the detection range, the optical parameter of the object can be determined more and more accurately.
  • the updated optical parameters are stored and used for the subsequent determination of the distance of the object located in the vicinity of the sensor system. Additionally or alternatively, a value for the optical parameter depending on the known per se optical nature of the expected objects whose distance to the sensor system are to be determined, are given.
  • the reflection coefficient for skin which occurs at the radiation used (wavelength)
  • the problem here could be that this reflection coefficient is different depending on the skin color.
  • the subdivision of the detection area in the near field and in the far area is carried out, as far as its limits are concerned, expediently on the basis of a consideration of the errors with which the distance determinations are based, on the one hand, on the signal amplitude information and, on the other hand, on the basis of the signal propagation time information.
  • the distance detection based on the signal propagation time information is the more accurate, the farther the object is removed from the sensor system. So there is a distance limit from which the error that can occur in the distance determination based on the signal propagation time information exceeds a certain lower limit.
  • the distance range extends up to this distance value, or from this distance limit the proximity begins, which then extends to the surface of the sensor system.
  • both distance determination methods each provide distance values with errors that move within a predefinable error range.
  • this intermediate region which can be localized in the manner described above within the detection range, it is thus possible to use either one or the other calculation method in order to determine the distance of the object from the sensor system.
  • the invention is therefore based on the knowledge that both the phase signal S4cp, which, as said, represents the light transit time and thus the distance, as well as the amplitude signal S4a, actually the attenuation experienced by the measurement signal , represented, Contain information that is dependent on the distance.
  • the measurement errors depend considerably on the distance of the sensor system to the object O from.
  • a significant problem is the reflectance R 0 of the object O, which falsifies the distance measurement via the amplitude signal S4a.
  • a reliable absolute distance measurement on the basis of the amplitude signal S4a has not been generally possible, since the amplitude of the sensor signal depends on the reflectance R 0 of the object O and this is generally not known.
  • the phase signal S4cp can be used for distance measurement, but is increasingly noisy at close range and therefore has a limited resolution.
  • these two signals are combined to form a common output signal in order to obtain all the advantages of the two individual signals together.
  • the essential inventive step consists in the elimination of the reflectance R 0 of the object whose distance is to be determined from the equations.
  • the previously missing information about the reflectance R 0 is obtained from the consideration of the phase signal S4cp.
  • the value represented by the amplitude signal S4a can thus be corrected by calculation.
  • the magnitude of the amplitude signal S4a is inversely proportional to the fourth power of the sensor system depends on the object.
  • the amplitude signal S4a thus becomes particularly large in the near range, while the transit time and thus the phase signal S4cp becomes particularly small.
  • the precision of the transit time measurement thus decreases and that of the amplitude measurement, if a constant error, for example, as a result of an existing noise in the system is assumed.
  • the measurement signals can therefore be approximated by the following formulas, S4a as the amplitude signal and S4cp as the phase signal:
  • k a and k ⁇ p represent system constants that are realization-specific; e a describes the error in the amplitude measurement, e v the error in the phase or delay measurement (light or signal delay measurement) and r describes the distance of the object from the sensor.
  • the desired distance r can be determined in each case: k a R 0
  • r ma represents the distance measured by the amplitude method and r m (p the distance measured by the transit time method.
  • the resulting absolute error (r ma -r; r mtp ) for the true distance r is thus :
  • the amplitude error can be expressed as a function of the distance:
  • Fig. 1 shows the course of the error r ma -r as a function of the distance r standardized in a double logarithmic representation and in FIG. 2 in linear representation.
  • Fig. 3 shows the coefficient A as a function of r standardized in double logarithmic representation.
  • the phase measurement by means of the phase signal S4cp is preferred for the distance determination of the object.
  • the amplitude measurement by means of the amplitude signal S4a is preferred for the distance determination of the object.
  • the amplitude measurement is more favorable than the phase or delay measurement for the distance determination of the object O.
  • the magnitude of the threshold value S4a gre nz does not depend on the measured phase position by means of the phase signal S4cp but solely on the values of the system and the object O, such as refractive indices and specific attenuations of the media in the measurement path, reflection degrees, scattering losses, etc ., depends.
  • the error values e a and ⁇ ⁇ and the constants k a and k ⁇ p must be specified.
  • the reflection factor R 0 of the object O represents an unknown parameter.
  • phase measurement in the near range therefore no longer has to provide a precise value but only the knowledge that the object is closer than the limit value between the middle distance range and the near range to the sensor.
  • the amplitude measurement in the far range could only provide the information that the object is farther away from the sensor than the range boundary between the far range and the middle range distance.
  • the transitions do not have to be "hard”. Rather, the recognition system can be designed so that it estimates the reflection value R 0 and the distance r on the basis of statistical properties.
  • the reflection value R 0 typically stored in a memory is only substantially changed if the reliability of both signals S4a and S4cp is relatively high. Only then does the measuring system deliver a two-dimensional signal that allows the determination of two parameters, namely distance r and reflection value R 0 . If an object approaches from a distance, then a preload value must first be assumed for R 0 . The reliability of the distance measurement by means of the amplitude signal S4a is thus low. Therefore, it makes sense to compute a reliability value for both R 0 and r to give an indication of precision to the systems that process the data.
  • the measured distance (distance r) is determined by
  • a confidence function V (R 0 , r) can be formed which indicates the probability of an error.
  • ⁇ ⁇ ' 0 - 0 ⁇ ⁇ ( 0 , - ⁇ ⁇ '
  • S4cp (r) and S4a (r) thus describe two curves parameterized with the distance r. As described above, these two variables can not be changed arbitrarily when an object is moved in front of the sensor system. Rather, these signals must vary in the above-defined manner depending on each other.
  • the entire detection area consists of two measuring areas which merge into one another, namely from a preferably phase-measuring area (xm to approximately 0.5 m) and an adjoining preferably intensity-based area (0.5 m to the surface or to the sensor).
  • a power-saving mode makes sense, since the phase measurement has an increased energy requirement.
  • the intensity signal is used permanently as a measurement signal and the phase measurement is activated only temporarily or at specific locations r in order to calibrate the amplitude measurement. In this respect it is favorable to use only the phase measurement only for long distances.
  • At least one generator (G) generates at least one bandwidth-limited useful transmitter supply signal (S5),
  • the useful transmitter (H) transmits a signal into at least a first subsection (II) of a measuring path (11, 12),
  • the said first subsection (II) of the measuring section (11, 12) ends in the case of the presence of an object (O) thereon and the object (O) transmits the signal after passing through this first subsection (II) of the measuring section (11, 12) at least into a second subsection (12) of the measuring section (11, 12) is reflected or irradiated or transmitted into,
  • this compensation transmitter (K) radiates at least into a compensation transmission path (13),
  • the controller generates the compensation feed signal (S3) such that a receiver output signal (SO) results from the superimposition in the receiver (D) except for control errors and system noise, which substantially contains no more components which correlate with the transmitter feed signal (S5),
  • the compensation feed signal (S3) is regulated according to magnitude and delay either in the case of a monophasic transmitter feed signal (S5) or in the case of a band-limited transmitter feed signal (S5),
  • the controller determines two signals or values (S4a, S4cp) representing control parameters for magnitude and phase or magnitude and delay, and
  • At least one generator (G) generates at least one bandwidth-limited compensation feed signal (S3),
  • this compensation transmitter (K) sends in at least one compensation transmission path (13) a signal which is received at the end of the compensation transmission path (13) by at least one receiver (D) and converted into at least one receiver output signal (SO);
  • a controller generates at least one transmitter feed signal (S5) at least with the aid of this receiver output signal (SO) and of the at least one compensation feed signal (S3),
  • this useful transmitter (H) irradiates a signal at least into a first subsection (II) of a measuring section (11, 12), g) the first subsection (II) of the measuring section (11, 12) ends in the event of the presence of an object (O) thereon and the object (O) transmits the received signal after passing through the first subsection (II) of the measuring section (11, 12) at least in a second subsection (12) of the measuring section (11, 12) as signal S (22) is reflected or transmitted into or irradiated,
  • the controller generates the transmitter supply signal (S5) in such a way that, except for control errors and system noise, the receiver (D) results in a receiver output signal (SO) which substantially no longer contains any components which can be mixed with the compensation supply signal (S5).
  • S3 correlate,
  • the transmitter supply signal (S5) is regulated in magnitude and delay in the case of a monofrequency compensation supply signal (S3) or in the case of a band-limited compensation supply signal (S3),
  • the controller determines two signals or values (S4a, S4cp) representing control parameters for magnitude and phase or magnitude and delay, and

Abstract

Bei einem Verfahren zur optischen Vermessung der Eigenschaften mindestens einer Messstrecke (I1, I2) zwischen einem Sender (H) und einem Empfänger (D) empfängt der Empfänger (D) neben einem optischen Signal vom Sender (H) auch noch ein optisches Signals von einem Kompensationssender (K). Das Signal des Senders (H) wird dabei von einem Objekt (O) reflektiert oder auf andere Weise über dieses Objekt zum Empfänger (D) transmittiert. Das Ausgangssignal (SO) des Empfängers (D) wird einem Regler (CT) zugeführt, der das Sender- und/oder das Kompensationsspeisesignal (S5,S3) gemäß einem Regelalgorithmus verändert. Dabei ermittelt der Regler (CT) zwei Signale bzw. Werte, die Regelparameter (S4a,S4φ) für Betrag und Phase oder Betrag und Verzögerung repräsentieren. In einer dem Regler (CT) nachgelagerten Stufe wird aus diesen beiden Regelparametern (S4a, S4φ) in Abhängigkeit von mindestens einem dieser beiden Parameter entweder aus beiden Parametern oder aus einem der beiden Parameter das Vorhandensein und/oder die Entfernung (r) eines Objektes (O) bestimmt.

Description

Verfahren zur optischen Abstandsmessuna im Nah- und Fernbereich
Einleitung und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Abstandsmessung im Nah- und Fernbereich und insbesondere ein Verfahren zur Ermittlung des Abstandes eines für elektromagnetische Strahlung reflektiv und/oder transmissiv wirkenden Objekts zu einem optisch arbeitenden Sensorsystem, dessen optischer Erfassungsbereich in zumindest einen Nah- und einen Fernbereich unterteilbar ist. Für die Erkennung dreidimensionaler Gesten wie beispielsweise Wisch- und Annäherungsgesten werden Sensoren benötigt, die in der Lage sind, die Position, Bewegung und Orientierung von Händen zu erfassen.
Neben der Verwendung von Kameras ist die Verwendung einfacher, auf LEDs und Fotodioden basierenden Konzepten aufgrund der damit verbundenen Kosten von besonderem Interesse.
Ein wesentliches Problem, das aus dem Stand der Technik bekannt ist, ist dabei die Messung im Nahbereich bei gleichzeitiger guter Gestenerkennung im Fernbereich. Solche Verfahren sind beispielsweise aus der DE-A-103 00 224 oder DE-A-10 2006 020 570 bekannt.
Aufgrund der Lichtgeschwindigkeit bzw. der daraus resultierenden kurzen Lichtlaufzeiten im Nahbereich sind optische Abstandmessungen gerade bei kleinen Abständen auf der Basis von Laufzeitmessungen sehr schwierig bzw. nur mit großem technischen Aufwand zu realisieren.
Bei großem Abstand können Laufzeitverfahren wie beispielsweise die aus EP- B-l 913 420 oder DE-A-10 2007 005 187 bekannten verwendet werden. Sys- teme zur Ermittlung mindestens einer physikalischen Größe anhand der Beziehung zwischen einem Sende- und einem Empfangssignal sind aus DE-A-10 2006 057 495 und DE-A-198 51 307 bekannt. Gerade im Hinblick auf die wirtschaftlichen Randbedingungen ist derzeit aus dem Stand der Technik keine Lösung bekannt, die insbesondere unter Kostengesichtspunkten sowohl im Fern- als auch und insbesondere im Nahbereich die kommerziellen und technischen Randbedingungen für eine optische Abstandsmessung erfüllt, die beispielsweise für eine einfache Gestenerkennung einge- setzt werden kann. Eine typische Anwendung einer solchen Technik ist beispielsweise die Steuerung von Menüs eines Bildschirms oder andere Funktionen, die heute typischerweise mit Hilfe einer Maus gesteuert werden.
Aus dem Stand der Technik (Fig . 4) sind dabei Systeme bekannt, bei denen ein Generator G ein Senderspeisesignal S5 erzeugt, mit dem ein Nutzsender H gespeist wird. Dieser Nutzsender H strahlt in einen Empfänger D nach Durchgang durch die zu vermessende Messstrecke, die aus Hund 12 besteht. Das Empfängerausgangssignal SO des Empfängers D wird durch einen Regler CT zu einem Kompensationsspeisesignal S3 verarbeitet, mit dem ein Kompensa- tionssender K gespeist wird, der wieder typischerweise linear überlagernd über die Kompensations-Übertragungsstrecke 13 ebenfalls in den Empfänger D einstrahlt. Das Kompensationsspeisesignal S3 wird dabei in der Art durch den Regler CT aus dem Empfängerausgangssignal SO und dem Senderspeisesignal S5 erzeugt, dass das Sendeausgangssignal SO bis auf einen Regelfehler und das Systemrauschen keine Komponenten des Senderspeisesignals S5 mehr enthält. Dabei regelt der Regler das Kompensationsspeisesignal S3 nicht nur in der Amplitude, sondern auch in der Phase kompensierend . Der Regler gibt dabei typischerweise zwei Regelsignale S4a und S4cp aus, die die Amplitude (Regelsignal S4a) und die Phase (Regelsignal S4cp) des Kompensationssignals repräsentieren.
Ebenso sind aus dem Stand der Technik Systeme (Fig . 5) bekannt, bei denen ein Generator G ein Kompensationsspeisesignal S3 erzeugt, mit dem der Kompensationssender K gespeist wird. Dieser Kompensationssender K strahlt in einen Empfänger D nach Durchgang durch die Kompensations-Übertragungs- strecke 13 ein. Das Empfängerausgangssignal SO des Empfängers D wird durch einen Regler CT zu einem Senderspeisesignal S5 verarbeitet, mit dem ein Nutzsender H gespeist wird, der wieder typischerweise linear überlagernd nach Durchgang durch den ersten Teilabschnitt II der Messstrecke 11,12 Reflektion an einem Objekt O oder Durchgang durch das Objekt O und nachfolgendem Durchgang durch den zweiten Teilabschnitt 12 der Messstrecke 11,12 ebenfalls in den Empfänger D einstrahlt. Es ist im Übrigen auch denkbar, dass die Fluoreszenz des Objektes O erfasst werden soll, dessen Emission also das zu detektierende Signal bildet. Das Senderspeisesignal S5 wird dabei in der Art durch den Regler CT aus dem Empfängerausgangssignal SO und dem Kompensationsspeisesignal S3 erzeugt, dass das Sendeausgangssignal SO bis auf einen Regelfehler und das Systemrauschen keine Komponenten des Kompensationsspeisesignals S3 mehr enthält. Dabei regelt der Regler das Sender- speisesignal S5 nicht nur in der Amplitude, sondern auch in der Phase kompensierend. Der Regler gibt dabei typischerweise zwei Regelsignale S4a und S4cp aus, die die Amplitude (Regelsignal S4a) und die Phase (Regelsignal S4cp) des Sendesignals repräsentieren. Mischungen dieser beiden grundsätzlichen Verfahren, die in den zuvor genannten Schriften beschrieben sind, insbesondere auch mit Regelung von Sender und/oder Kompensationssender sind denkbar.
Solche Systeme, im Folgenden HALIOS-IRDM-Systeme genannt, sind beson- ders robust gegenüber Störquellen, wie beispielsweise Sonnenlicht bei gleichzeitiger Robustheit gegenüber Verschmutzungen und einer Drift des Empfängers D.
Das Phasensignal S4cp repräsentiert die Lichtlaufzeit, die das Messsignal für das Passieren der Messstrecke, bestehend aus den Teilabschnitten II und 12, benötigt. Das Amplitudensignal S4a repräsentiert die Schwächung, die das Messsignal beim Durchgang durch die Messstrecke mit den Teilabschnitten II und 12 erfährt. Aufgabe der Erfindung
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein einfaches gegenüber Fremdlichtstörungen robustes Messsystem zur Verfügung zu stellen, dass sowohl im Nah- als auch im Fernbereich gute Messwerte für den Abstand des Objekts zum Sensorsystem und damit gute Erkennungsergebnisse liefert.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst; einzelne Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beschreibung der Erfindung
Bei der Erfindung wird von einem Sensorsystem zur optischen Abstandsmessung ausgegangen, das einen Sender zum Aussenden eines optischen Signals (elektromagnetische Strahlung) und einen Empfänger zum Empfang eines bzw. des optischen Signals (elektromagnetische Strahlung) aufweist. Ein sich in dem dem Sensorsystem vorgelagerten Erfassungsbereich befindendes Objekt leitet die elektromagnetische Strahlung, die von dem Sender ausgeht, an den Empfänger weiter. Anhand der Signalamplitude oder der Signallaufzeit kann nun auf den Abstand des Objekts zum Sensorsystem bzw. zum Empfänger geschlossen werden. Soll auf diese Art und Weise die Position eines Objekts im Raum oder in der Fläche (3D- bzw. 2D-Anwendung) ermittelt werden, bedarf es einer entsprechenden Anzahl von Sendern, die zweckmäßigerweise sukzessive und sich zyklisch wiederholend oder in einer den aktuellen Verhält- nissen angepasst veränderlichen Reihenfolge angesteuert werden. Über einen Kompensationssender lassen sich Umgebungslichteinflüsse kompensieren, was allerdings grundsätzlich bekannt ist. Nach der Erfindung ist nun bei einem derartigen System vorgesehen, dass der Erfassungsbereich zumindest in einen Fernbereich und in einen Nahbereich unterteilt ist,
ein Objekt (O) bei Annäherung an das Sensorsystem zunächst durch den Fernbereich und anschließend durch den Nahbereich des Erfassungsbereichs bewegt wird,
bei sich im Fernbereich befindendem Objekt (O) dessen Abstand zum Sensorsystem anhand der Laufzeitinformation des empfangenen optischen Signals ermittelt wird und
- bei sich im Nahbereich befindendem Objekt (O) dessen Abstand zum Sensorsystem auf der Grundlage eines angenommenen Werts oder eines berechneten Werts für den optischen Parameter des Objekts (O) und anhand der Amplitudeninformation des empfangenen optischen Signals ermittelt wird .
Wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, dass in Abhängigkeit von der Genauigkeit, mit der aus dem empfangenen optischen Signal die Signalamplituden- und Signallaufzeitinformationen extrahiert werden können, entweder die Signalamplitudeninformation oder die Signallaufzeitinformation genutzt wird, um den Abstand des Objekts zum Sensorsystem (bzw. genauer gesagt zu dessen Empfänger) zu ermitteln. Dabei besteht die Schwierigkeit in der Abstandsmessung anhand der Signalamplitudeninformation darin, dass der optische Parameter des Objekts, der dessen Reflektions- und/oder Transmissionsvermögen beschreibt, nicht genau bekannt ist. Dieser Parameter muss zu- nächst berechnet werden, wobei man auch mit einem angenommenen Wert als "Startwert" arbeiten kann. Dabei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass sich dieser optische Parameter auf Grund der Tatsache berechnen lässt, dass ein sich dem Sensorsystem näherndes Objekt zunächst dessen Fernerfassungsbereich und anschließend dessen Naherfassungsbereich durchfährt. Im Fern- erfassungsbereich aber lässt sich die Abstandsermittlung recht genau anhand der Signallaufzeitinformation ermitteln. Wenn man dann in die Berechnungsvorschrift für die Abstandsermittlung auf Basis der Signalamplitudeninformation den zuvor anhand der Signallaufzeitinformation errechneten Abstandswert als bekannt vorgibt, lässt sich der optische Parameter (Reflektions- und/oder Transmissionskoeffizient) des Objekts berechnen. Dieser berechnete Wert steht dann in der Folge zur Verfügung, um dann, wenn das Objekt den Erfassungsnahbereich des Sensorsystems erreicht, die Abstandsermittlung anhand der Signalamplitudeninformation durchzuführen. Denn im Naherfassungsbe- reich des Sensorsystems lässt sich die Abstandsermittlung auf Basis der Signalamplitudeninformation des empfangenen optischen Signals einfacher durchführen als unter Zuhilfenahme der Signallaufzeitinformation.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann also vorgesehen sein, dass bei sich im Fernbereich befindendem Objekt (O) der optische Parameter berechnet wird, und zwar anhand des auf Basis der Laufzeitinformation des empfangenen optischen Signals ermittelten Abstands des Objekts (O) zum Sensorsystem und der Amplitudeninformation des empfangenen optischen Signals.
Zweckmäßig ist es ferner, wenn der optische Parameter des Objekts (O) mit dessen Annäherung an das Sensorsystem jeweils aktualisiert wird. Durch laufende Berechnung des optischen Parameters des Objekt bei Annäherung desselben an das Sensorsystem, solange sich das Objekt noch im Fernerfas- sungsbereich befindet, kann der optische Parameter des Objekts immer genauer bestimmt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der aktualisierte optische Parameter jeweils gespeichert und für die nachfolgende Ermittlung des Abstands des sich im Nahbereich befindenden Objekts zum Sensorsystem genutzt wird. Zusätzlich bzw. alternativ kann auch ein Wert für den optischen Parameter in Abhängigkeit von der an sich bekannten optischen Beschaffenheit der zu erwartenden Objekte, deren Abstand zum Sensorsystem zu ermitteln sind, vorgegeben werden. Bei Anwendung der Erfindung zur Gestenerkennung kann beispielsweise der Reflektionskoeffizient für Haut, der sich bei der verwendeten Strahlung (Wellenlänge) einstellt, vorgegeben sein. Problematisch hierbei könnte allerdings sein, dass dieser Reflektionskoeffizient in Abhängigkeit von der Hautfarbe verschieden ist. In einem derartigen Fall könnte man die anfänglichen Berechnungen, wie sie oben beschrieben sind, für unterschiedliche angenommene Reflektionskoeffi- zienten durchführen, um dann anhand der sich mit diesen unterschiedlichen Koeffizienten ergebenden Abstandswerten bei Abgleich mit dem durch die Laufzeitinformation ermittelten Abstandswert den "passenden" Reflektions- koeffizienten zu ermitteln, der dann in der Folge für die Abstandsmessung anhand der Signalamplitudeninformation verwendet wird, wenn sich das Objekt im Nahbereich befindet.
Die Unterteilung des Erfassungsbereichs in den Nahbereich und in den Fern- bereich erfolgt, was deren Grenzen betrifft, zweckmäßigerweise anhand einer Betrachtung der Fehler, mit denen die Abstandsermittlungen einerseits anhand der Signalamplitudeninformation und andererseits anhand der Signallaufzeitinformation behaftet sind. Grundsätzlich gilt, wie oben beschrieben, dass die Abstandsermittlung anhand der Signallaufzeitinformation umso genauer ist, je weiter das Objekt vom Sensorsystem entfernt ist. Es existiert also ein Entfernungsgrenzwert, ab dem der Fehler, der bei der Abstandsermittlung anhand der Signallaufzeitinformation auftreten kann, einen bestimmten unteren Grenzwert überschreitet. Bis zu diesem Entfernungswert erstreckt sich also der Fernbereich bzw. ab diesem Entfernungsgrenzwert beginnt der Nahbe- reich, der sich dann bis zur Oberfläche des Sensorsystems erstreckt. Man könnte allerdings auch noch einen dritten, nämlich mittleren oder Zwischenentfernungsbereich definieren, der zwischen dem Nah- und dem Fernbereich angeordnet ist. Innerhalb dieses Zwischenbereichs liefern beide Abstandser- mittlungsmethoden jeweils Abstandwerte mit Fehlern, die sich innerhalb eines vorgebbaren Fehlerbereichs bewegen. In diesem Zwischenbereich, der auf die oben beschriebene Art und Weise innerhalb des Erfassungsbereichs lokalisierbar ist, kann also entweder auf die eine oder auf die andere Berechnungsmethode zurückgegriffen werden, um den Abstand des Objekt zum Sensorsystem zu ermitteln.
Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, liegt der Erfindung also die Erkenntnis zugrunde, dass sowohl das Phasensignal S4cp, das ja, wie gesagt, die Lichtlaufzeit und damit den Abstand repräsentiert, als auch das Amplitudensignal S4a, das eigentlich die Schwächung, die das Messsignal erfährt, repräsentiert, Informationen enthalten, die vom Abstand abhängig sind . Die Messfehler hängen dabei erheblich vom Abstand des Sensorsystems zum Objekt O ab.
Ein wesentliches Problem stellt der Reflektionsgrad R0 des Objekts O dar, der die Abstandsmessung über das Amplitudensignal S4a verfälscht. Eine zuverlässige absolute Abstandsmessung auf der Basis vom Amplitudensignal S4a war bisher nicht generell möglich, da die Amplitude des Sensorsignals vom Reflektionsgrad R0 des Objekts O abhängt und dieser im Allgemeinen nicht bekannt ist. Im Gegensatz dazu kann prinzipiell das Phasensignal S4cp zur Abstandsmessung herangezogen werden, ist aber im Nahbereich zunehmend verrauscht und hat daher eine begrenzte Auflösung .
Erfindungsgemäß werden diese beiden Signale zu einem gemeinsamen Ausgangssignal kombiniert, um sämtliche Vorteile der beiden Einzelsignale zusammen zu erhalten.
Der wesentliche erfinderische Schritt besteht jedoch in der Elimination des Reflektionsgrads R0 des Objektes, dessen Abstand bestimmt werden soll, aus den Gleichungen. Hierzu wird die bisher fehlende Information über den Reflektionsgrad R0 aus der Betrachtung des Phasensignals S4cp gewonnen . Der Wert, den das Amplitudensignal S4a repräsentiert, kann somit rechnerisch korrigiert werden.
Unter der Voraussetzung, dass sich der Nutzsender H, der Kompensationssender K und der Empfänger D an etwa dem gleichen Ort im Vergleich zum zu vermessenden Objekt O befinden, kann angenommen werden, dass die Größe des Amplitudensignals S4a von der inversen vierten Potenz des Abstands des Sensorsystems zum Objekt abhängt.
Das Amplitudensignal S4a wird also im Nahbereich besonders groß, während die Laufzeit und damit das Phasensignal S4cp besonders klein wird. Die Präzision der Laufzeitmessung nimmt also ab und die der Amplitudenmessung zu, wenn ein konstanter Fehler beispielsweise in Folge eines im System vorhandenen Rauschpegels vorausgesetzt wird. Die Messsignale können daher durch die folgenden Formeln angenähert werden, mit S4a als dem Amplitudensignal und S4cp als dem Phasensignal :
S4a = kaRö ^ + ea S4<p = k r + e.
Hierbei stellen ka und k<p Systemkonstanten dar, die realisierungsspezifisch sind; ea beschreibt den Fehler bei der Amplitudenmessung, ev den Fehler bei der Phasen- oder Verzögerungsmessung (Licht- oder Signallaufzeitmessung) und r beschreibt den Abstand des Objektes vom Sensor.
Aus diesen kann jeweils der gesuchte Abstand r bestimmt werden : kaR0
S4a - ea
Ξ4φ -
Für die Bestimmung müssen die unbekannten Fehler jedoch zu Null gesetzt werden :
S4a
Ξ4φ _ _
πιφ
Hierbei stellt rma den durch das Amplitudenverfahren gemessenen Abstand und rm(p den durch das Laufzeitverfahren gemessenen Abstand dar. Der sich dadurch jeweils ergebende absolute Fehler (rma-r; rmtp) zum echten Abstand r ist:
Figure imgf000012_0001
Der Amplitudenfehler lässt sich als Funktion des Abstands ausdrücken :
Figure imgf000012_0002
Fig . 1 zeigt den Verlauf des Fehlers rma-r in Abhängigkeit des Abstands r genormt auf
Figure imgf000012_0003
in doppelt logarithmischer Darstellung und in Fig . 2 in linearer Darstellung.
Es ist offensichtlich, dass der Fehler für große Amplituden S4a verschwindet. Es lässt sich somit ein Koeffizient A bilden :
Figure imgf000012_0004
Fig . 3 zeigt den Koeffizienten A in Abhängigkeit von r genormt auf
Figure imgf000012_0005
in doppelt logarithmischer Darstellung. Für A> 1 wird für die Entfernungsbestimmung des Objekts die Phasenmessung mittels des Phasensignals S4cp bevorzugt. Für A< 1 wird für die Entfernungsbestimmung des Objekts die Amplitudenmessung mittels des Amplitudensignals S4a bevorzugt.
Diese Grenze A= l ist gegeben durch :
Figure imgf000013_0001
i o Mit 4agrenz - ea = ijS4a~ grenz - e vereinfacht sich die Gleichung zu :
15
— 6φ *ΐ84α WS 4a
Daraus ergibt sich die quadratische Gleichung
kjS4agrenz - p4agrenzea ')+ ea ' ^ o = Q
20 mit der Lösung
Figure imgf000013_0002
25
Liegt das Amplitudensignal S4a über diesem Grenzwert S4agrenz, so ist für die Entfernungsbestimmung des Objekt O die Amplitudenmessung günstiger als die Phasen- bzw. Verzögerungsmessung. Besonders hervorzuheben ist, dass die Größe des Schwellwerts S4agrenz nicht von der gemessenen Phasenlage mittels des Phasensignals S4cp sondern ausschließlich von den Werten des Systems und des Objekts O, wie Brechungsindizes und spezifische Dämpfungen der Medien in der Messstrecke, Reflek- tionsgrade, Streuungsverluste etc., abhängt. Hierfür müssen die Fehlerwerte ea und βψ sowie die Konstanten ka und k<p vorgegeben werden. Der Reflek- tionsfaktor R0 des Objekts O stellt jedoch einen unbekannten Parameter dar.
Aus den obigen Überlegungen ergibt sich, dass durch die Abhängigkeiten der Raum vor einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in mindestens drei Entfernungsbereiche geteilt wird, nämlich in
1 ) einen Fernbereich, in dem bei der Amplitudenmessung der Amplitudenfehler ea dominiert und der Phasenfehler ecp von untergeordneter Bedeu- tung ist,
2) einen mittleren Entfernungsbereich, in dem das Amplitudensignal S4a und das Phasensignal S4cp mit einem ähnlichen Fehler behaftet sind, und 3) einen Nahbereich, bei dem bei der Phasenmessung der Phasenfehler ecp dominiert und der Amplitudenfehler ea gegenüber dem Messsignal mehr oder weniger irrelevant ist.
Empirisch können die beiden Grenzen zwischen dem Fernbereich und dem mittleren Entfernungsbereich einerseits sowie dem mittleren Entfernungsbereich und dem Nahbereich andererseits mit den Lösungen der obigen Gleichung in Übereinstimmung gebracht werden . In der Realität hat es sich jedoch auch gezeigt, dass das oben vereinfachte Fehlermodell nicht immer gilt. Hier wirkt die spezielle Implementierung ein, so dass die Umschaltzeitpunkte auch im Rahmen eines Experimentes in der konkreten Anwendung systematisch ermittelt werden können.
Da ein Objekt bei Annäherung an den Sensor den mittleren Entfernungsbereich durchqueren muss, bietet dies die Möglichkeit, durch eine noch einiger- maßen präzise Phasenmessung den Abstand und den Reflektionskoeffzienten R0 zu bestimmen. Die Phasenmessung im Nahbereich muss daher keinen präzisen Wert mehr liefern sondern nur noch die Erkenntnis, dass sich das Objekt näher als der Grenzwert zwischen dem mittleren Entfernungsbereich und dem Nahbereich zum Sensor befindet.
Umgekehrt könnte die Amplitudenmessung im Fernbereich nur noch die Information liefern, dass das Objekt weiter als die Bereichsgrenze zwischen dem Fernbereich und dem mittleren Entfernungsbereich von dem Sensor ent- fernt ist.
Die Übergänge müssen darüber hinaus nicht "hart" erfolgen. Vielmehr kann das Erkennungssystem so gestaltet werden, dass es aufgrund statistischer Eigenschaften den Reflektionswert R0 und den Abstand r schätzt.
Diese statistischen Eigenschaften berücksichtigen dabei den Zuverlässigkeitswert der jeweiligen Messung .
So wird der typischerweise in einem Speicher abgelegte Reflektionswert R0' nur dann wesentlich verändert, wenn die Zuverlässigkeit beider Signale S4a und S4cp relativ hoch ist. Nur dann liefert das Messsystem ein zweidimensionales Signal, das die Ermittlung zweier Parameter nämlich Abstand r und Reflektionswert R0 erlaubt. Nähert sich ein Objekt von der Ferne aus an, so muss für R0 zunächst ein Vorladewert angenommen werden. Die Zuverlässigkeit der Abstandsmessung mittels des Amplitudensignals S4a ist damit gering . Daher ist es sinnvoll, sowohl für R0 als auch für r einen Zuverlässigkeitswert zu berechnen, um den Systemen, die die Daten verarbeiten, einen Hinweis auf die Präzision zu ge- ben.
Es ist weiter sinnvoll, den Zuverlässigkeitswert für den gespeicherten Reflektionswert R0 mit einer Zeitkonstante wieder gegen Null gehen zu lassen. Dies ist notwendig, damit bei der nächsten Fernfelderkennung nicht mit einem falschen R0 gestartet wird .
Im Fernbereich bestimmt sich die gemessene Entfernung (Abstand r) zu
S4(p
r
Gelangt das Objekt vom Fernbereich in den mittleren Entfernungsbereich, so steigt der Vertrauenswert der Signale S4a und S4cp soweit an, dass eine zweidimensionale Messung möglich wird, und zwar mit
Figure imgf000016_0001
Gleichzeitig kann eine Vertrauensfunktion V(R0, r) gebildet werden, die die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers angibt.
Es ist sinnvoll, den gespeicherten Wert R0' nicht direkt mit dem gemessenen Wert R0 mitzuführen, sondern diesen zu filtern.
Beispielsweise ist es sinnvoll, in gewissen Zeitabständen At diesen Wert zu ändern :
Figure imgf000016_0002
wobei diese Formel das System diskret beschreibt. Die Differenzgleichung
^ ο'= 0 - 0^ν( 0, -^ ο'
dt beschreibt das System kontinuierlich.
Die Funktionen S4cp(r) und S4a(r) beschreiben also zwei mit dem Abstand r parametrisierte Kurven. Diese beiden Größen können sich, wie oben beschrieben, nicht beliebig verändern, wenn ein Objekt vor dem Sensorsystem bewegt wird . Vielmehr müssen sich diese Signale in der oben vorbestimmten Weise abhängig voneinander verändern.
In einer konkreten Realisierung besteht der gesamte Erfassungsbereich aus zwei ineinander übergehenden Messbereichen, nämlich aus einem vorzugs- weise phasenmessenden Bereich (x m bis ca. 0,5 m) und einem sich daran anschließenden vorzugsweise intensitätsbasierten Bereich (0,5 m bis zur Oberfläche bzw. zum Sensor).
Des Weiteren ist ein Stromsparmodus sinnvoll, da die Phasenmessung einen erhöhten Energiebedarf aufweist. Hierbei wird das Intensitätssignal permanent als Messsignal verwendet und die Phasenmessung nur zeitweise oder an bestimmten Stellen r aktiviert, um die Amplitudenmessung zu kalibrieren. Insofern ist es günstig, nur für große Entfernungen ausschließlich die Phasenmessung zu verwenden.
Bei vollkommener Robustheit gegen Fremdlicht erhält man so die Reichweite und Reflektionsgradunabhängigkeit bzw. -kenntnis der Amplitudenmessung sowie deren Auflösung und Geschwindigkeit gerade im Nahbereich (<0,5m - bis zur Oberfläche des Sensorsystems).
Einzelne Merkmale der Erfindung sind in den nachfolgend aufgeführten Unterpunkten 1) bis 11) wiedergegeben, wobei die zu den einzelnen Unterpunkten zusammengefassten Merkmale lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele dar- stellen und insbesondere auch Untergruppen der Merkmalsunterpunkte sowie Kombinationen von Merkmalen verschiedener Unterpunkte Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergeben :
1) Verfahren zur optischen Vermessung der Eigenschaften mindestens einer vor einem Sensorsystem angeordneten Messstrecke (II, 12) zwischen mindestens einem Nutzsender (H) und einem Empfänger (D) des Sensorsystems, wobei
a) mindestens ein Generator (G) mindestens ein bandbreitenbegrenztes Nutzsenderspeisesignal (S5) erzeugt,
b) zumindest dieses Nutzsenderspeisesignal (S5) mindestens einen Nutzsender (H) ansteuert,
c) der Nutzsender (H) in mindestens einen ersten Teilabschnitt (II) einer Messstrecke (11,12) ein Signal hineinsendet,
d) der besagte erste Teilabschnitt (II) der Messstrecke (11,12) im Falle des Vorhandenseins eines Objektes (O) an diesem endet und das Objekt (O) das Signal nach Durchgang durch diesen ersten Teilabschnitt (II) der Messstrecke (11,12) mindestens in einen zweiten Teilabschnitt (12) der Messstrecke (11,12) hinein reflektiert oder einstrahlt oder hinein transmittiert,
e) das Signal am Ende des zweiten Teilabschnitts (12) der Messstrecke (11,12) durch mindestens einen Empfänger (D) empfangen und in mindestens ein Empfängerausgangssignal (SO) umgewandelt wird, f) ein Regler (CT) zumindest mit Hilfe dieses Empfängerausgangssignals (SO) und des mindestens einen Senderspeisesignal (S5) mindestens ein Kompensationsspeisesignal (S3) erzeugt,
g) zumindest dieses Kompensationsspeisesignal (S3) mindestens einen Kompensationssender (K) ansteuert,
h) dieser Kompensationssender (K) mindestens in eine Kompensations- Übertragungsstrecke (13) einstrahlt,
i) am Ende dieser Kompensations-Übertragungsstrecke (13) zumindest der besagte Empfänger (D) das Signal dieses Kompensationssenders (K) überlagert mit dem Signal des Senders (H) empfängt,
j) der Regler (CT) das Kompensationsspeisesignal (S3) derart erzeugt, dass sich durch die Überlagerung im Empfänger (D) bis auf Regelfehler und Systemrauschen ein Empfängerausgangssignal (SO) ergibt, das im wesentlichen keine Anteile mehr enthält, die mit dem Senderspeisesignal (S5) korrelieren,
k) das Kompensationsspeisesignal (S3) entweder bei einem mono- frequenten Senderspeisesignal (S5) nach Betrag und Phase oder bei einem bandbegrenzten Senderspeisesignal (S5) nach Betrag und Verzögerung geregelt wird,
I) der Regler (CT) zwei Signale oder Werte (S4a, S4cp) ermittelt, die Regelparameter für Betrag und Phase oder Betrag und Verzögerung repräsentieren, und
m) in einer nachgelagerten Stufe aus diesen beiden Regelparametern (S4a, S4cp) in Abhängigkeit von den Genauigkeiten dieser beiden Parameter das Vorhandensein und/oder die Entfernung (r) eines Objektes (O) bestimmt wird, und zwar in unterschiedlichen Empfangsbereichen anhand jeweils desjenigen Parameters, der in dem betreffenden Empfangsbereich die größere Genauigkeit bei der Ermittlung des Abstands des Objekts zum Sensorsystem liefert, wobei in einem mittleren oder Zwischenentfernungsbereich wahlweise einer der beiden oder beide Parameter zur Ermittlung des Abstands des Objekts zum Sensorsystem herangezogen werden können.
Verfahren zur optischen Vermessung der Eigenschaften mindestens einer Übertragungsstrecke (II, 12), wobei
a) mindestens ein Generator (G) mindestens ein bandbreitenbegrenztes Kompensationsspeisesignal (S3) erzeugt,
b) zumindest dieses Kompensationsspeisesignal (S3) mindestens einen Kompensationssender (K) ansteuert,
c) dieser Kompensationssender (K) in mindestens eine Kompensations- Übertragungsstrecke (13) ein Signal hineinsendet, das am Ende der Kompensations-Übertragungsstrecke (13) durch mindestens einen Empfänger (D) empfangen und in mindestens ein Empfängerausgangssignal (SO) umgewandelt wird,
d) ein Regler (CT) zumindest mit Hilfe dieses Empfängerausgangssignals (SO) und des mindestens einen Kompensationsspeisesignals (S3) mindestens ein Senderspeisesignal (S5) erzeugt,
e) zumindest dieses Senderspeisesignal (S3) mindestens einen Nutzsender (H) ansteuert,
f) dieser Nutzsender (H) mindestens in einen ersten Teilabschnitt (II) einer Messstrecke (11,12) ein Signal einstrahlt, g) der erste Teilabschnitt (II) der Messstrecke (11,12) im Falle des Vorhandenseins eines Objektes (O ) an diesem endet und das Objekt (O) das empfangene Signal nach Durchgang durch den ersten Teilabschnitt (II) der Messstrecke (11,12) mindestens in einen zweiten Teilabschnitt (12) der Messstrecke (11,12) als Signal S(22) hinein reflektiert oder hinein transmittiert oder einstrahlt,
h) am Ende zumindest dieses zweiten Teilabschnitts (12) dieser Messstrecke (11,12) zumindest der besagte Empfänger (D) das Signal dieses Nutzsenders (H) mit dem Signal des Kompensationssenders (K) überlagert empfängt,
i) der Regler (CT) das Senderspeisesignal (S5) derart erzeugt, dass sich durch die Überlagerung im Empfänger (D) bis auf Regelfehler und Systemrauschen ein Empfängerausgangssignal (SO) ergibt, das im wesentlichen keine Anteile mehr enthält, die mit dem Kompensationsspeisesignal (S3) korrelieren,
j) das Senderspeisesignal (S5) bei einem monofrequenten Kompensationsspeisesignal (S3) nach Betrag und Phase oder bei einem bandbegrenzten Kompensationsspeisesignal (S3) nach Betrag und Verzögerung geregelt wird,
k) der Regler (CT) zwei Signale oder Werte (S4a, S4cp) ermittelt, die Regelparameter für Betrag und Phase oder Betrag und Verzögerung repräsentieren, und
I) in einer nachgelagerten Stufe aus diesen beiden Regelparametern (S4a, S4cp) in Abhängigkeit von den Genauigkeiten dieser beiden Parameter das Vorhandensein und/oder die Entfernung (r) eines Objektes (O) in der Messstrecke (11,12) bestimmt wird, und zwar in unterschiedlichen Empfangsbereichen anhand jeweils demjenigen Parameter, der in dem betreffenden Empfangsbereich die größere Genauigkeit bei der Ermittlung des Abstands des Objekts zum Sensorsystem liefert, wobei in einem mittleren oder Zwischenentfernungsbereich wahlweise einer der beiden oder beide Parameter zur Ermittlung des Abstands des Objekts zum Sensorsystem herangezogen werden können .
Verfahren nach Unterpunkt 1) oder 2), wobei in mindestens einem Abschnitt der Entfernung (r) der Reflektionskoeffizient (RO) des Objekts (O) bestimmt wird. ) Verfahren nach einem oder mehreren der Unterpunkte 1) bis 3), wobei in mindestens einem Abschnitt der Entfernung (r) der Reflektionskoeffizient (RO) des Objekts (O) nicht bestimmt wird, sondern ein als Reflektionskoeffizient gespeicherter Wert (RO') verwendet wird. ) Verfahren nach einem oder mehreren der Unterpunkte 1) bis 4), wobei in mindestens einem Abschnitt der Entfernung (r) ein gespeicherter Reflektionskoeffizient (RO') verwendet wird und die Entfernung (r) des Objekts (O) aus dem Regelparameter (S4a) bestimmt wird, der der Amplitudenregelung zugeordnet ist. ) Verfahren nach einem oder mehreren der Unterpunkte 1) bis 5), wobei in mindestens einem Abschnitt der Entfernung (r) ein aus den Regelparametern für die Amplitude (S4a) und für die Verzögerung oder Phase (S4cp) ermittelter Reflektionskoeffizient (RO) verwendet wird und die Entfernung (r) des Objekts (O) aus den Regelparametern für die Amplitude (S4a) und/oder für die Verzögerung oder Phase (S4cp) bestimmt wird. ) Verfahren nach einem oder mehreren der Unterpunkte 1) bis 6), wobei in mindestens einem Abschnitt der Entfernung (r) die Entfernung (r) des Objekts (O) aus dem Regelparameter (S4cp) bestimmt wird, der der Phasen oder Verzögerungsregelung zugeordnet ist. ) Verfahren nach einem oder mehreren der Unterpunkte 1) bis 7), wobei aus den Regelparametern für die Amplitude (S4a) und für die Verzögerung oder Phase (S4cp) und aus der daraus zu mindestens einem ersten Zeitpunkt ermittelten Entfernung (r) des Objekts (O) oder des zu mindestens einem ersten Zeitpunkt ermittelten Reflektionskoeffzienten (RO) auf die Entfernung (r) oder den Reflektionskoeffzienten (RO) geschlossen wird, wobei der Zeitpunkt dieses Schlusses dem ersten Zeitpunkt nachfolgt. ) Verfahren nach einem oder mehreren der Unterpunkte 1) bis 8), wobei die Messmethode in Abhängigkeit von mindestens einem Amplituden- regelsignal (S4a) im Vergleich zu einem Schwellwert gewählt wird. Verfahren nach einem oder mehreren der Unterpunkte 1) bis 9), wobei ein virtueller Reflektionskoeffizient (RO') berechnet und/oder gespeichert wird .
BEZUGSZEICHENLISTE
11 erster Teilabschnitt der Messstrecke
12 zweiter Teilabschnitt der Messstrecke
13 Kompensations-Ü bertrag ungsstrecke
R0 Reflektionskoeffzient
R0' gespeicherter Reflektionskoeffizient
SO Empfängerausgangssignal
S3 Kompensationsspeisesignal
S4a Amplituden-(Regel-)Signal
S4agrenz Grenzwert
S4cp Phasenregelsignal
S5 Nutzsenderspeisesignal
A Koeffizient
B Abschirmung des Sensors gegenüber Umgebungslicht
B2 Abschirmung des Senders gegenüber einer direkten Einstrahlung in den Empfänger
CT Regler
D Empfänger
FD Filter vor Fenster für Empfang des Signals vom Objekt
FH Filter vor Fenster für die Aussendung des Signals des Senders
G Generator
H Nutzsender
K Kompensationssender
O Objekt
r Entfernung
VDD Versorgungsspannung
WD Fenster für Empfang des Signals vom Objekt
WH Fenster für die Aussendung des Signals des Senders

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Ermittlung des Abstandes eines Objekts zu einem optisch arbeitenden, einen Erfassungsbereich abdeckenden Sensorsystem, mit mindestens einem Nutzsender (H) zum Aussenden eines optischen Signals,
einem Empfänger (D) zum Empfangen des von dem mindestens einen Nutzsender (H) oder von einem der Nutzsender (H) ausgesendeten und vom Objekt (O) weitergeleiteten, z. B. reflektierten oder trans- mittierten, optischen Signals und
einer Auswerteeinheit (CT) zur Erzeugung einer dem empfangenen optischen Signal zugeordneten Signalamplitudeninformation, anhand derer bei Kenntnis eines die optischen Eigenschaften des Objekts für die Weiterleitung des optischen Signals beschreibenden optischen Parameters, z. B. eines Reflektions- und/oder Transmissionskoeffizienten des Objekts (O), der Abstand des Objekts (O) zu dem Sensorsystem ermittelbar ist, und einer dem empfangenen optischen Signal zugeordneten Signallaufzeitinformation, anhand derer ebenfalls der Abstand des Objekts zum Sensorsystem ermittelbar ist, wobei bei dem Verfahren
der Erfassungsbereich zumindest in einen Fernbereich und in einen Nahbereich unterteilt ist,
ein Objekt (O) bei Annäherung an das Sensorsystem zunächst durch den Fernbereich und anschließend durch den Nahbereich des Erfassungsbereichs bewegt wird,
bei sich im Fernbereich befindendem Objekt (O) dessen Abstand zum Sensorsystem anhand der Laufzeitinformation des empfangenen optischen Signals ermittelt wird und
bei sich im Nahbereich befindendem Objekt (O) dessen Abstand zum Sensorsystem auf der Grundlage eines angenommenen Werts oder eines berechneten Werts für den optischen Parameter des Objekts (O) und anhand der Amplitudeninformation des empfangenen optischen Signals ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei sich im Fernbereich befindendem Objekt (O) der optische Parameter berechnet wird, und zwar anhand des auf Basis der Laufzeitinformation des empfangenen optischen Signals ermittelten Abstands des Objekts (O) zum Sensorsystem und der Amplitudeninformation des empfangenen optischen Signals.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Parameter des Objekts (O) mit dessen Annäherung an das Sensorsystem jeweils aktualisiert wird .
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der aktualisierte optische Parameter jeweils gespeichert und für die nachfolgende Ermittlung des Abstands des sich im Fernbereich befindenden Objekts zum Sensorsystem genutzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Erfassungsbereich in einen Fernbereich sowie in einen Nahbereich und in einen zwischen beiden liegenden mittleren oder Zwischenentfernungsbereich unterteilt ist, in dem die Ermittlung des Abstands des Objekts zum Sensorsystem wahlweise anhand der Amplitudeninformation oder der Laufzeitinformation des empfangenen optischen Signals erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung des Abstands des Objekts (O) zum Sensorsystem anhand sowohl der Amplitudeninformation als auch der Laufzeitinformation des empfangenen optischen Signals jeweils mit einem Fehler behaftet ist, dass der Fehler bei der Ermittlung des Abstands des Objekts (O) zum Sensorsystem anhand der Amplitudeninformation des empfangenen optischen Signals mit größer werdendem Abstand des Objekts zum Sensorsystem kleiner und anhand der Laufzeitinformation des empfangenen optischen Signals mit kleiner werdendem Abstand des Objekts zum Sensorsystem größer wird und dass die Grenzen des Fern- und des Nahbereichs anhand von Grenzwerten von für die Ermittlung des Abstands des Ob- jekts (O) zum Sensorsystem anhand der Amplitudeninformation und der Laufzeitinformation des empfangenen optischen Signals noch tolerierbaren Fehlern festgelegt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzen des Zwischenentfernungsbereichs durch einen oberen und durch einen unteren Grenzwertbereich definiert sind, innerhalb dessen die Fehler liegen, wenn die Ermittlung des Abstands des Objekts (O) zum Sensorsystem anhand der Amplitudeninformation und/oder der Laufzeitinformation des empfangenen optischen Signals erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorsystem einen weiteren Sender als Kompensationssender (K) zur Kompensation eines potentiellen Einflusses von von dem Empfänger (D) empfangenem Umgebungslicht auf die Erzeugung der Signalamplitudeninformation und der Signallaufzeitinformation des empfangenen optischen Signals aufweist.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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