DE102014117705B3

DE102014117705B3 - Abstandsmessvorrichtung und Verfahren zum Bestimmen eines Abstands

Info

Publication number: DE102014117705B3
Application number: DE102014117705.3A
Authority: DE
Inventors: Chris Yates; Chris Softley; Stefan Maagh
Original assignee: Odos Imaging Ltd
Current assignee: Odos Imaging Ltd
Priority date: 2014-12-02
Filing date: 2014-12-02
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2034-12-03
Also published as: US20170328991A1; CN107003408A; WO2016087189A1; CN107003408B; EP3227721B1; US10401483B2; EP3227721A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen eines Abstands zwischen einer Abstandsmessvorrichtung (1) und einem Objekt (9), mit den Schritten: a) Beleuchten des Objekts (9) mit mindestens einem kurzen Lichtpuls (23) mit einer Dauer Tp,s; b) Beleuchten des Objekts (9) mit einer Mehrzahl an langen Lichtpulsen (24) mit einer Dauer Tp,l; c) Ausgeben eines Signalwerts Uref an dem Ende des Integrationsfensters (21), wobei eine invariable Verzögerung zwischen dem Emissionsstartzeitpunkt der kurzen Lichtpulse (23) und Δs derart ist, dass Δtof und Δtof + Tp,s zwischen Δs und Δe sind; d) Bilden einer Faltungsfunktion fc := U(r) aus der Intensität des an dem Photoelement (3) ankommenden Lichts und dem Integrationsfenster (21) mit einer jeweiligen variablen Verzögerung τ für jeden langen Lichtpuls (24) zwischen Emissionsstartzeitpunkt des langen Lichtpulses (24) und Δs, wobei die variablen Verzögerungen verschieden voneinander sind, um die Faltungsfunktion zu bilden; e) Identifizieren der Verzögerung τc in der Faltungsfunktion, die Uref entspricht; f) Berechnen des Abstands unter Heranziehen der Verzögerung τc in der Faltungsfunktion, wie sie in Schritt f) identifiziert wurde.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abstandsmessvorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Abstands mit der Abstandsmessvorrichtung.
Abstandswerte zwischen einer Messvorrichtung und einem Objekt können ohne einen körperlichen Kontakt zwischen der Vorrichtung und dem Objekt mittels optischer Verfahren gemessen werden. In diesen Verfahren wird das Objekt mit der Vorrichtung belichtet und das von dem Objekt zurück reflektierte Licht wird dann von einem Lichtdetektor der Vorrichtung erfasst.
Abstandswerte können beispielsweise ermittelt werden, indem die Lichtintensität, die von der Vorrichtung emittiert wird, periodisch moduliert wird und die Phasendifferenz zwischen dem emittierten und dem zurück reflektierten, an dem Detektor ankommenden Licht gemessen wird. Allerdings resultiert dieses Verfahren aufgrund der Periodizität der Lichtintensität in einer nicht eindeutigen Abstandsmessung. Eindeutige Abstandswerte können bestimmt werden, indem die Flugzeit zwischen der Emission des Lichts in der Ankunft des zurück reflektierten Lichts an dem Detektor gemessen wird.
Herkömmliche Abstandsmessungen werden durchgeführt durch Messen einer Eigenschaft des Lichts, insbesondere der Intensität, als eine Funktion der Zeit. Dann wird eine Auftragung der Eigenschaft gegen die Zeit datenverarbeitet, um die Flugzeit zu erhalten. Diese Datenverarbeitung kann rechnerisch kompliziert sein und dadurch eine lange Zeit erfordern, um durchgeführt zu werden. Wenn eine Abstandsmessung eine lange Zeit benötigt, um durchgeführt zu werden, kann dies eine Verminderung der Wiederholrate zum Aufnehmen der Abstandswerte verursachen.
Die Genauigkeit der herkömmlichen Abstandsmessungen ist begrenzt durch die Größe der Zeitschritte, mit denen die Eigenschaft des Lichts gemessen wird. Auch können für die herkömmliche Abstandsmessung verschiedene Reflektivitäten des Objekts zu verschiedenen Formen der Auftragung führen. Wenn eine verschiedene Auftragung ausgewertet wird, kann dies zu einem verschiedenen Abstand führen, so dass der Abstand von der Reflektivität des Objekts abhängt, was die Genauigkeit für die herkömmliche Abstandsmessung weiter vermindert.
DE 101 38 531 A1 offenbart eine Abstandsmessvorrichtung, bei der Lichtpulse gleicher Dauer gesendet und von einem Objekt auf einen CMOS Sensor zurückreflektiert werden, welcher mit Integrationszeitfenstern gleicher Dauer geschaltet wird, wobei der Startzeitpunkt der Integrationsfenster von Puls zu Puls um ein vorbestimmtes Zeitinkrement verzögert wird. Der jeweilige Abstand zu einem Objekt wird aus dem Maximum der Faltungsfunktion zwischen der Intensität des Lichts der an dem CMOS Sensors ankommenden Lichtpulse und dem zeitlichen Integrationsfenster bestimmt.
US 2005/0 162 638 A1 offenbart eine Abstandsmessvorrichtung, bei der abwechslend Lichtpulse kurzer und langer Dauer gesendet und vom Objekt auf einen Photoelemente enthaltenden Sensor zurückreflektiert werden. Die Lichtimpulse langer Dauer dienen dabei der Ermittlung der relativen Reflektivität des Objekts.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Abstandsmessvorrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Abstands mit der Abstandsmessvorrichtung bereitzustellen, wobei die Abstandsmessung einfach durchzuführen ist und dabei genau bleibt.
Die erfindungsgemäße Abstandsmessvorrichtung zum Messen eines Abstands zwischen der Abstandsmessvorrichtung und einem Objekt weist eine Lichtquelle, die eingerichtet ist das Objekt mit Lichtpulsen mit unterschiedlichen Dauern zu beleuchten, mindestens ein Photoelement, das eingerichtet ist die Lichtpulse zu erfassen, nachdem sie von dem Objekt zurück reflektiert wurden, ein Triggergenerator zum Steuern der Emission der Lichtpulse und zum Aktivieren des Photoelements während eines zeitlichen Integrationsfensters mit einem Integrationsstartzeitpunkt Δ_s und einem Integrationsendzeitpunkt Δ_e, wobei das Photoelement eingerichtet ist einen Signalwert U an dem Ende des Integrationsfensters auszugeben, mit dem Signalwert U, der von der Energie des an dem Photoelement während seiner Aktivierung ankommenden Lichts abhängt, und wobei der Triggergenerator ein Triggerschema speichert zum Steuern der Emission der Lichtpulse und zum Aktivieren des Photoelements derart, dass mindestens ein kurzer Lichtpuls mit einer Dauer T_p,s und einer Mehrzahl an langen Lichtpulsen mit einer Dauer T_p,l, die länger T_p,s ist, emittiert werden, dass eine invariable Verzögerung zwischen dem Emissionsstartzeitpunkt der kurzen Lichtpulse und dem Integrationsfenster derart ist, dass Δ_tof und Δ_tof + T_p,s zwischen Δ_s und Δ_e sind, um einen Referenzsignalwert U_ref auszugeben, mit Δ_tof als dem ersten Zeitpunkt, wenn der Lichtpuls an dem Photoelement ankommt, und dass für jeden langen Lichtpuls eine jeweilige variable Verzögerung τ zwischen dem Emissionsstartzeitpunkt der langen Lichtpulse und dem Integrationsfenster derart ist, dass die variablen Verzögerungen τ verschieden voneinander sind, um eine Faltungsfunktion f_c := U(τ) aus der Intensität des an dem Photoelement ankommenden Lichts und dem Integrationsfenster zu bilden, und eine Datenverarbeitungseinheit auf, die eingerichtet ist, diejenige Verzögerung τ_c in der Faltungsfunktion, die U_ref entspricht, zu identifizieren, und den Abstand unter Heranziehen von τ_c zu berechnen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen eines Abstands zwischen der Abstandsmessvorrichtung und einem Objekt mittels der Abstandsmessvorrichtung weist die Schritte auf: a) Beleuchten des Objekts mit mindestens einem kurzen Lichtpuls mit einer Dauer T_p,s; b) Beleuchten des Objekts mit einer Mehrzahl an langen Lichtpulsen mit einer Dauer T_p,l; c) Ausgeben eines Signalwerts U_ref an dem Ende des Integrationsfensters, wobei eine invariable Verzögerung zwischen dem Emissionsstartzeitpunkt der kurzen Lichtpulse und Δ_s derart ist, dass Δ_tof und Δ_tof + T_p,s zwischen Δ_s und Δ_e sind; d) Bilden einer Faltungsfunktion f_c := U(τ) aus der Intensität des an dem Photoelement ankommenden Lichts und dem Integrationsfenster mit einer jeweiligen variablen Verzögerung τ für jeden langen Lichtpuls zwischen Emissionsstartzeitpunkt des langen Lichtpulses und dem Integrationsfenster, wobei die variablen Verzögerungen verschieden voneinander sind, um die Faltungsfunktion zu bilden; e) Identifizieren der Verzögerung τ_c in der Faltungsfunktion, die U_ref entspricht; f) Berechnen des Abstands unter Heranziehen der Verzögerung τ_c in der Faltungsfunktion, wie sie in Schritt f) identifiziert wurde.
Die Faltungsfunktion f_c kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:
wobei I(t) die Intensität des Lichts der an dem Photoelement ankommenden langen Lichtpulse ist und g(t) das zeitliche Integrationsfenster ist. Für frühe variable Verzögerungen τ mit keinen Überlapp des Integrationsfensters und den langen, an dem Photoelement ankommenden Lichtpulsen hat die Faltungsfunktion einen stationären Wert. Der Funktionswert fängt an sich zu ändern, sobald die Verzögerung τ so lang ist, dass das Integrationsfenster und die langen Lichtpulse anfangen zu überlappen. Die Faltungsfunktion weist einen Extremwert bei Verzögerungen τ mit einem maximalen Überlappen des Integrationsfensters und der langen Lichtpulse auf. Der Extremwert in der Faltungsfunktion ist ein einzelner Punkt, wenn die langen Lichtpulse und das Integrationsfenster die gleichen Dauern haben und ist ein Plateau, das bei einer größer werdenden Differenz der Dauern der langen Lichtpulse und des Integrationsfensters breiter wird. Durch Vergrößern der Verzögerung τ von dem Extremwert weiter entwickelt sich der Funktionswert zurück zu dem stationären Wert. Die Verzögerung τ_c in der Faltungsfunktion f_c, die dem Referenzsignalwert U_ref entspricht, ist der Schnittpunkt der Faltungsfunktion f_c und der Funktion U = U_ref. Der Schnittpunkt kann beispielsweise identifiziert werden durch Bilden der Umkehrfunktion τ(U) der Faltungsfunktion f_c und anschließendes Bilden von τ_c(U_ref), was ein mathematisch einfaches Verfahren ist. Alternativ kann der Schnittpunkt identifiziert werden durch Parametrisieren der Faltungsfunktion vor der Messung und durch Durchführen von Anpassungen an die Messdaten, bevor der tatsächliche Schnittpunkt analytisch aus der angepassten Faltungsfunktion und der Funktion U = U_ref extrahiert wird. Durch Durchführen der Anpassung ist es möglich Zeitschritte zwischen den gemessenen Datenpunkten zu berechnen, was eine erhöhte Genauigkeit für die Messung der Verzögerung τ_c bereitstellt. Durch Erhalten der erhöhten Genauigkeit für τ_c erhält man auch eine erhöhte Genauigkeit für den Abstand. Durch Identifizieren des Schnittpunkts der Funktion U = U_ref und der Faltungsfunktion ist es auch erreicht, dass verschiedene Reflektivitäten des Objekts kompensiert werden.
Die Faltungsfunktion hat zwei Verzögerungen τ_c, bei denen f_c = U_ref ist, eine an jeder Seite des Extremwerts. Es ist denkbar die Faltungsfunktion nur auf einer Seite des Extremwerts zu bilden und nur eine Verzögerung τ_c zu identifizieren oder es ist denkbar die Faltungsfunktion an beiden Seiten des Extremwerts zu bilden und beide Verzögerungen τ_c zu identifizieren. Wenn beide Verzögerungen identifiziert werden, ist es möglich, einen Abstand für jede Verzögerung τ_c zu berechnen und es ist dann möglich, den Mittelwert der beiden Abstände zu bilden, was vorteilhafterweise die Genauigkeit der Abstandsmessung erhöht.
Es ist bevorzugt, dass die Lichtquelle lichtemittierende Dioden, VCSELs (Oberflächenemitter, englisch: vertical-cavity surface-emitting laser) und/oder Laser aufweist, die insbesondere eingerichtet sind im sichtbaren und/oder im infraroten Spektralbereich zu emittieren. Die Abstandsmessvorrichtung weist bevorzugt einen CCD-Chip mit einem Bildverstärker und/oder einen CMOS-Chip auf, die das mindestens eine Photoelement aufweisen.
Es ist bevorzugt, dass das Triggerschema eingerichtet ist, die Emission der Lichtpulse derart zu steuern, dass das Objekt abwechselnd mit den kurzen Lichtpulsen und den langen Lichtpulsen beleuchtet wird. Weil die kurzen Lichtpulse für den Referenzsignalwert U_ref verwendet werden, würde ein möglicher Langzeitdrift in der Laserintensität sowohl die Faltungsfunktion f_c und U_ref in der gleichen Art und Weise beeinträchtigen, so dass der Langzeitdrift durch die abwechselnden kurzen Lichtpulse und langen Lichtpulse kompensiert werden würde. Das Verhältnis der Anzahl der kurzen Lichtpulse zu der Anzahl langen Lichtpulse ist bevorzugt von 0,2 bis 0,4. Überraschenderweise haben experimentelle Ergebnisse gezeigt, dass dieses Verhältnis in der höchsten Präzision für die Abstände resultierte.
Das Triggerschema ist bevorzugt eingerichtet, die Emission der Lichtpulse derart zu steuern, dass die Intensität der Lichtpulse an einem Emissionsstartzeitpunkt von einer Intensität I₁ zu einer Intensität I₂ ansteigt, die höher als I₁ ist, und nach den Dauern T_p,s und T_p,l von dem Emissionsstartzeitpunkt jeweils zurück zu I₁ fällt, wobei T_p,s und T_p,l in der Größenordnung von mehreren zehn Nanosekunden sind. Hier ist der Extremwert der Faltungsfunktion ein Maximum. Alternativ ist das Triggerschema bevorzugt eingerichtet, die Emission der Lichtpulse derart zu steuern, dass die Intensität der Lichtpulse an dem Emissionsstartzeitpunkt von einer Intensität I₂ zu einer Intensität I₁ abfällt, die niedriger als I₂ ist, und nach den Dauern T_p,s und T_p,l von dem Emissionsstartzeitpunkt jeweils zurück zu I₂ ansteigt, wobei T_p,s und T_p,l in der Größenordnung von mehreren zehn Nanosekunden sind. Hier ist der Extremwert der Faltungsfunktion ein Minimum. Durch Verwenden der Lichtpulse, die an dem Emissionsstartzeitpunkt den Intensitätsabfall aufweisen, ist es vorteilhafter möglich mit dem Abstandsmessgerät sowohl einen Abstand zu messen als auch das Objekt zu beleuchten. Die Beleuchtung des Objekts kann derart sein, dass das Objekt sichtbar für das menschliche Auge oder für ein anderes Sichtsystem wird. Weiterhin ist es nicht erforderlich, ein zusätzliches Beleuchtungssystem zu verwenden, das mit der Abstandsmessung interferieren würde, wodurch die Genauigkeit für die Abstandsmessung hoch ist.
Es ist bevorzugt, dass in Schritten a) und b) das Objekt abwechselnd mit den kurzen Lichtpulsen und den langen Lichtpulsen beleuchtet wird. Das Verhältnis der Anzahl der kurzen Lichtpulse zu der Anzahl der langen Lichtpulse ist bevorzugt von 0,2 bis 0,4.
Es ist bevorzugt, dass in Schritt d) die Faltungsfunktion an die Auftragung der Signalwerte U_n gegen die variable Verzögerung τ angepasst wird, wobei die Faltungsfunktion f_c insbesondere eine lineare Funktion aufweist. Durch Verwenden der Anpassung kann die Faltungsfunktion f_c mit einer willkürlichen Schrittgröße bestimmt werden, was vorteilhafterweise die Genauigkeit der Abstandsmessung erhöht, unabhängig von der Anzahl an verschiedenen Verzögerungen τ zwischen dem Emissionsstartzeitpunkt der langen Lichtpulse und dem Integrationsfenster. Dadurch kann auch der Abstand mit einer willkürlichen Schrittgröße bestimmt werden. Weil die Verzögerung τ_c in der Faltungsfunktion identifiziert wird, die U_ref entspricht, ist es vorteilhafterweise ausreichend nur eine lineare Funktion an die Auftragung anzupassen, was rechnerisch einfach ist. Dies ist beispielsweise nicht der Fall, wenn ein Extremwert der Faltungsfunktion identifiziert wird. Zum Identifizieren des Extremwerts muss eine jeweilige lineare Funktion an beide Seiten des Extremwerts an die Auftragung angepasst werden und der Schnittpunkt der beiden linearen Funktionen muss berechnet werden, was rechnerisch aufwändig ist.
Es ist bevorzugt, dass in Schritt d) die Faltungsfunktion f_c gebildet wird, indem zuerst eine grobe Faltungsfunktion f_c,coarse mit groben Schritten der verschiedenen variablen Verzögerungen τ_coarse gebildet wird, dann Identifizieren in der groben Faltungsfunktion f_c,coarse einer groben Verzögerung τ_c,coarse, die U_ref entspricht und der zwei variablen Verzögerungen τ_l,coarse und τ_r,coarse, die benachbart zu τ_c,coarse sind, und anschließendem Bilden der Faltungsfunktion f_c zwischen τ_l,coarse und τ_r,coarse mit feinen Schritten, die eine kürzere Schrittgröße als die groben Schritte haben. Dies stellt ein effizientes Verfahren zum Bestimmen des Abstands mit einer hohen Genauigkeit bereit.
Die Intensität der Lichtpulse steigt an dem Emissionsstartzeitpunkt bevorzugt von einer Intensität I₁ zu einer Intensität I₂ an, die höher als I₁ ist, und fällt nach den Dauern T_p,s und T_p,l von dem Emissionsstartzeitpunkt jeweils zurück zu I₁, wobei T_p,s und T_p,l in der Größenordnung von mehreren zehn Nanosekunden sind. Alternativ fällt an dem Emissionsstartzeitpunkt die Intensität von den Lichtpulsen von einer Intensität I₂ zu einer Intensität I₁ ab, die niedriger als I₂ ist, und steigt nach den Dauern T_p,s und T_p,l von dem Emissionsstartzeitpunkt jeweils zurück zu I₂, wobei T_p,s und T_p,l in der Größenordnung von mehreren zehn Nanosekunden sind.
Es ist bevorzugt, dass in Schritt e) der Mittelwert über eine Mehrzahl an Referenzsignalwerten U_ref verwendet wird, um τ_c zu identifizieren, insbesondere über all die Signalwerte U_ref. Dies resultiert in einer hohen Genauigkeit für die Signalwerte U_ref und dadurch auch in einer hohen Genauigkeit für den Abstand.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnung erläutert.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Abstandsmessvorrichtung,
2 zeigt Zeitprofildiagramme mit Integrationsfenstern und Intensitäten der Lichtpulse, und
3 zeigt einen Abschnitt einer Faltungsfunktion.
Wie es aus 1 ersichtlich ist, weist eine Abstandsmessvorrichtung 1 eine Lichtquelle 2, ein Photoelement 3, einen Triggergenerator 4, eine Speichereinheit 5 und eine Datenverarbeitungseinheit 6 auf. Die Lichtquelle 2 weist lichtemittierende Dioden, VCSELs (Oberflächenemitter, englisch: vertical-cavity surface-emitting laser) und/oder Laser auf, wobei die lichtemittierenden Dioden, VCSELs und/oder die Laser eingerichtet sind im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich zu emittieren. Die Abstandsmessvorrichtung 1 weist einen CCD-Chip mit einem Bildverstärker und/oder einem CMOS-Chip auf, die das mindestens eine Photoelement 3 aufweisen, wobei der CMOS-Chip mindestens einen Kondensator aufweist, der via eine Photodiode entladen werden kann. Der Triggergenerator 4 stellt ein Aktivierungssignal 12 zum Steuern der Emission der Lichtquelle 2 und ein Aktivierungssignal 13 zum Aktivieren des Photoelements 3 während eines zeitlichen Integrationsfensters 21 auf. Der CCD-Chip wird aktiviert durch Einschalten des Bildverstärkers und der CMOS-Chip wird aktiviert durch Schließen eines Schalters in der Schaltung des Kondensators und der Photodiode, was es erlaubt, dass der Kondensator via die Photodiode entladen wird. Das Photoelement 3 ist eingerichtet einen Signalwert U an dem Ende des Integrationsfensters 21 auszugeben, wobei der Signalwert U von der Energie des an dem Photoelement während seiner Aktivierung ankommenden Lichts abhängt. Der Signalwert U wird in einer Ausleseoperation 14 ausgelesen und in der Speichereinheit 5 gespeichert. Die Speichereinheit 5 ist eingerichtet eine Mehrzahl an den Signalwerten U zu speichern. Die Mehrzahl der Signalwerte U kann dann durch die Datenverarbeitungseinheit 6 in einer Datenverarbeitungsoperation 15 datenverarbeitet werden, um einen Abstand zwischen der Abstandsmessvorrichtung 1 und dem Objekt 9 zu bestimmen.
Eine Detektionsoptik 8 ist vor dem Photoelement 3 angeordnet, um ein Sichtfeld 11 auf das Photoelement 3 abzubilden. Eine Beleuchtungsoptik 7 ist vor der Lichtquelle 2 angeordnet, um das von der Lichtquelle 2 emittierte Licht derart zu formen, dass ein Beleuchtungsbereich 10 mit der Lichtquelle 2 beleuchtet werden kann. Der Beleuchtungsbereich 10 und das Sichtfeld 11 sind derart geformt, dass das Sichtfeld 11 im Wesentlichen vollständig von dem Beleuchtungsbereich 10 überdeckt ist. Die Abstandsmessvorrichtung 1 ist derart eingerichtet, dass das Licht, das von der Lichtquelle 2 emittiert wird, auf das innerhalb des Sichtfelds 11 sich befindenden Objekts 9 auftritt und an dem Photoelement 3 ankommt, nachdem es von dem Objekt 9 zurück reflektiert wurde. Die Beleuchtungsoptik 7 und die Detektionsoptik 8 sind bevorzugt eine jeweilige Linse. Es ist auch möglich eine einzige Linse für sowohl die Beleuchtungsoptik 7 als auch die Detektionsoptik 8 zu verwenden.
In 2 sind drei Zeitprofildiagramme gezeigt, wobei eine Intensität 16 und ein Integrationsfenster 17 gegen die Zeit 18 aufgetragen sind. Das erste Zeitprofildiagramm ist eine Auftragung der Intensität der emittierten Lichtpulse 19 gegen die Zeit 18, das zweite Zeitprofildiagramm ist eine Auftragung der Intensität der an dem Photoelement 3 ankommenden Lichtpulse 20 gegen die Zeit 18 und das dritte Zeitprofildiagramm ist eine Auftragung des Integrationsfensters 21 gegen die Zeit 18. Der Triggergenerator 4 steuert die Emission der Lichtquelle 2 derart, dass eine Mehrzahl an kurzen Lichtpulsen 23 mit einer Dauer T_p,s und einer Mehrzahl an langen Lichtpulsen 24 mit einer Dauer T_p,l emittiert wird, wobei T_p,s < T_p,l. Die Lichtpulse 23, 24 in 2 sind derart, dass an einem Emissionsstartzeitpunkt der Lichtpulse 23, 24 ihre Intensität von I₁ zu I₂ umgeschaltet wird, wobei I₂ > I₁. Nach den Dauern T_p,s und T_p,l von dem Emissionsstartzeitpunkt wird die Intensität der Lichtpulse 23, 24 jeweils zurück zu I₁ umgeschaltet. In einer anderen Ausführungsform wird die Intensität der Lichtpulse 23, 24 an dem Emissionsstartzeitpunkt der Lichtpulse 23, 24 von I₂ zu I₁ und nach den jeweiligen Dauern T_p,s und T_p,l von dem Emissionsstartzeitpunkt zurück zu I₂ umgeschaltet, wobei I₂ > I₁. In beiden Ausführungsformen sind I₁ und I₂ jeweils identisch für die kurzen Lichtpulse 23 und die langen Lichtpulse 24.
2 zeigt, dass ein jeweiliger kurzer Lichtpuls 23 und ein jeweiliger langer Lichtpuls 24 abwechselnd emittiert werden. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird ein jeweiliger kurzer Lichtpuls 23 und zwei jeweilige aufeinanderfolgende lange Lichtpulse 24 abwechselnd emittiert, so dass das Verhältnis der Anzahl der kurzen Lichtpulse 23 zu der Anzahl der langen Lichtpulse 24 0,5 ist. Wie es aus 2 ersichtlich ist, fangen die Lichtpulse 23, 24 nach einer Dauer Δ_tof von dem Emissionsstartzeitpunkt an an dem Photoelement 3 anzukommen. Die Integrationsfenster 21 haben eine invariable Verzögerung zu jedem der Emissionsstartzeitpunkte der kurzen Lichtpulse 23, wobei die invariable Verzögerung derart gewählt ist, dass die an dem Photoelement 3 ankommenden kurzen Lichtpulse 23 vollständig innerhalb des Integrationsfensters 21 sind. Die Integrationsfenster 21 haben eine variable Verzögerung τ zu jedem der Emissionsstartzeitpunkte der langen Lichtpulse 24, wobei die variable Verzögerung τ derart variiert wird, dass eine Faltungsfunktion f_c := U(τ) aus der Intensität der an dem Photoelement 3 ankommenden langen Lichtpulsen 20, 24 und dem Integrationsfenster 21 gebildet wird. Die Faltungsfunktion f_c kann mathematisch durch Gleichung 1 beschrieben werden.
In 2 wird die variable Verzögerung τ variiert durch Wählen eines invariablen Integrationsstartzeitpunkts Δ_s und eines invariablen Integrationsendzeitpunkts Δ_e der Integrationsfenster 21 von einem Startzeitpunkt 22 sowie durch Wählen einer variablen Verzögerung Δ_n des Emissionsstartzeitpunkts der langen Lichtpulse 24 zu dem Startzeitpunkt 22, wobei Δ_n die Verzögerung für den n-ten Lichtpuls 23, 24 und Δ_n verschieden für jeden langen Lichtpuls 24 ist. Es ist auch denkbar, die Verzögerung der langen Lichtpulse 24 von dem Emissionsstartzeitpunkt 22 konstant zu lassen sowie den Integrationsstartzeitpunkt Δ_s und den Integrationsendzeitpunkt Δ_e zu variieren. Der Startzeitpunkt 22 ist derart gewählt, dass er mit Δ_s des vorhergehenden Integrationsfensters 21 zusammenfällt. Aber es ist auch denkbar jeden anderen Zeitpunkt für den Startzeitpunkt 22 zu wählen.
Um zu erreichen, dass jeder kurze Lichtpuls 23 vollständig innerhalb des Integrationsfensters 21 ist, wird die invariable Verzögerung Δ_r des Emissionsstartzeitpunkts der kurzen Lichtpulse 23 von dem Startzeitpunkt 22 derart gewählt, dass Δ_r + Δ_tof und Δ_r + Δ_tof + T_p,s zwischen Δ_s und Δ_e sind. Weiterhin ist es erforderlich, dass die Dauer der kurzen Lichtpulse T_p,s kürzer als die Dauer |Δ_e – Δ_s| der Integrationsfenster 21 ist: T_p,s < |Δ_e – Δ_s|. Die Dauer |Δ_s – Δ_e| der Integrationsfenster 21 ist die gleiche für sowohl die kurzen Lichtpulse 23 als auch die langen Lichtpulse 24.
Die schraffierten Flächen in 2 sind proportional zu der Energie des an dem Photoelement 3 während seiner Aktivierung ankommenden Lichts. Ein Referenzsignalwert U_ref wird bestimmt, der der Mittelwert aller Signalwerte ist, die an dem Ende des Integrationsfensters 21 für die kurzen Lichtpulse 23 ausgegeben werden. Für jeden der langen Lichtpulse 24 wird ein jeweiliger Signalwert U bestimmt.
3 stellt die Bildung der Faltungsfunktion f_c dar und wie die Faltungsfunktion f_c ausgewertet wird, um den Abstand zu bestimmen. Die Lichtpulse 23, 24 und Integrationsfenster 21 gemäß 2 wurden zum Bilden der Faltungsfunktion f_c aus 3 verwendet. 3 zeigt eine Auftragung der Signalwerte U, die an dem Ende der Integrationsfenster 21 für die langen Lichtpulse 24 bestimmt wurden, gegen die variable Verzögerung τ. In dieser Auftragung wurden die Signalwerte U nur für Verzögerungen τ aufgenommen, die kürzeren Verzögerungen als eine Verzögerung τ_max entsprechen, wobei τ_max zu einer Verzögerung mit einem maximalen Überlapp der langen Lichtpulse 24 und der Integrationsfenster 21 entspricht und einem Maximum in der Faltungsfunktion f_c entspricht. Die Faltungsfunktion f_c weist eine lineare Funktion 29 auf, die an die Auftragung U gegen τ angepasst ist. Nach dem Anpassen der linearen Funktion 29 wird eine Verzögerung τ_c in der linearen Funktion 29 identifiziert, die U_ref entspricht. τ_c entspricht dem Schnittpunkt 30 der linearen Funktion 29 mit der Funktion U = U_ref. Für τ_c in 3 gilt: τ_c + T_p,s = Δ_tof + T_p,l, wobei Δ_tof = τ_c + T_p,s – T_p,l (Gl. 2).
In dem Fall, dass die Signalwerte U für Verzögerungen τ, die längeren Verzögerungen als die Verzögerung T_max entsprechen, gilt: τ_c + (Δ_e – Δ_s) = Δ_tof + T_p,s, wodurch Δ_tof = τ_c + (Δ_e – Δ_s) – T_p,s (Gl. 3).
Für beide Fälle wird der Abstand r zwischen der Abstandsmessvorrichtung und dem Objekt dann durch r = 0.5·c·Δ_tof (Gl. 4) berechnet, wobei c die Lichtgeschwindigkeit in dem Medium ist, in dem die Abstandsmessung durchgeführt wird.
Es ist denkbar, dass die Faltungsfunktion f_c gebildet wird, indem zuerst eine grobe Faltungsfunktion f_c,coarse mit groben Schritten der verschiedenen variablen Verzögerungen τ_coarse, anschließend Identifizieren in der groben Faltungsfunktion f_c,coarse einer groben Verzögerung τ_c,coarse, die U_ref entspricht und der zwei variablen Verzögerungen τ_l,coarse und τ_r,coarse, die benachbart zu τ_c,coarse sind, und anschließendes Bilden der Faltungsfunktion f_c zwischen τ_l,coarse und τ_r,coarse mit feinen Schritten, die eine kürzere Schrittgröße als die groben Schritte haben.
Bezugszeichenliste

1: Abstandsmessvorrichtung
2: Lichtquelle
3: Photoelement
4: Triggergenerator
5: Speichereinheit
6: Datenverarbeitungseinheit
7: Beleuchtungsoptik
8: Detektionsoptik
9: Objekt
10: Beleuchtungsbereich
11: Sichtfeld
12: Aktivierungssignal für Lichtquelle
13: Aktivierungssignal für Photoelement
14: Ausleseoperation
15: Datenverarbeitungsoperation
16: Intensität
17: Integrationsfenster
18: Zeit
19: Intensität der emittierten Lichtpulse
20: Intensität der an dem Photoelement ankommenden Lichtpulse
21: zeitliches Integrationsfenster
22: Startzeitpunkt
23: kurzer Lichtpuls
24: langer Lichtpuls
29: lineare Funktion
30: Schnittpunkt
Δ_τ: feste Verzögerung
Δ₀, Δ₂, Δ₄, Δ₆: variable Verzögerungen
Δ_tof: Flugzeit
T_p,s: Dauer des kurzen Lichtpulses
T_p,l: Dauer des langen Lichtpulses
Δ_s: Integrationsstartzeitpunkt
Δ_e: Integrationsendzeitpunkt
U: Signalwert
U_ref: Referenzsignalwert
I₁: niedrigere Intensität
I₂: höhere Intensität

Claims

Abstandsmessvorrichtung zum Messen eines Abstands zwischen der Abstandsmessvorrichtung (1) und einem Objekt (9), mit einer Lichtquelle (2), die eingerichtet ist das Objekt (9) mit Lichtpulsen (23, 24) mit unterschiedlichen Dauern zu beleuchten, mindestens einem Photoelement (3), das eingerichtet ist die Lichtpulse (23, 24) zu erfassen, nachdem sie von dem Objekt (9) zurück reflektiert wurden, einem Triggergenerator (4) zum Steuern der Emission der Lichtpulse (23, 24) und zum Aktivieren des Photoelements (3) während eines zeitlichen Integrationsfensters (21) mit einem Integrationsstartzeitpunkt Δ_s und einem Integrationsendzeitpunkt Δ_e, wobei das Photoelement (3) eingerichtet ist einen Signalwert U an dem Ende des Integrationsfensters (21) auszugeben, mit dem Signalwert U, der von der Energie des an dem Photoelement (3) während seiner Aktivierung ankommenden Lichts abhängt, und wobei der Triggergenerator (4) ein Triggerschema speichert zum zum Steuern der Emission der Lichtpulse (23, 24) und zum Aktivieren des Photoelements (3) derart, dass mindestens ein kurzer Lichtpuls (23) mit einer Dauer T_p,s und einer Mehrzahl an langen Lichtpulsen (24) mit einer Dauer T_p,l, die länger T_p,s ist, emittiert werden, dass eine invariable Verzögerung zwischen dem Emissionsstartzeitpunkt der kurzen Lichtpulse (23) und dem Integrationsfenster (21) derart ist, dass Δ_tof und Δ_tof + T_p,s zwischen Δ_s und Δ_e sind, um einen Referenzsignalwert U_ref auszugeben, mit Δ_tof als dem ersten Zeitpunkt, wenn der Lichtpuls (23) an dem Photoelement (3) ankommt, und dass für jeden langen Lichtpuls (24) eine jeweilige variable Verzögerung τ zwischen dem Emissionsstartzeitpunkt der langen Lichtpulse (24) und dem Integrationsfenster (21) derart ist, dass die variablen Verzögerungen τ verschieden voneinander sind, um eine Faltungsfunktion f_c := U(τ) aus der Intensität des an dem Photoelement (3) ankommenden Lichts und dem Integrationsfenster (21) zu bilden, und einer Datenverarbeitungseinheit (6), die eingerichtet ist, diejenige Verzögerung τ_c in der Faltungsfunktion, die U_ref entspricht, zu identifizieren, und den Abstand unter Heranziehen von τ_c zu berechnen.
Abstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (2) lichtemittierende Dioden, VCSELs und/oder Laser aufweist, die insbesondere eingerichtet sind im sichtbaren und/oder im infraroten Spektralbereich zu emittieren.
Abstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Abstandsmessvorrichtung (1) einen CCD-Chip mit einem Bildverstärker und/oder einen CMOS-Chip aufweist, die das mindestens eine Photoelement aufweisen.
Abstandsmessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Triggerschema eingerichtet ist, die Emission der Lichtpulse (23, 24) derart zu steuern, dass das Objekt (9) abwechselnd mit den kurzen Lichtpulsen (23) und den langen Lichtpulsen (24) beleuchtet wird.
Abstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei das Verhältnis der Anzahl der kurzen Lichtpulse (23) zu der Anzahl langen Lichtpulse (24) von 0,2 bis 0,4 ist.
Abstandsmessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Triggerschema eingerichtet ist, die Emission der Lichtpulse derart zu steuern, dass die Intensität der Lichtpulse (23, 24) an einem Emissionsstartzeitpunkt von einer Intensität I₁ zu einer Intensität I₂ ansteigt, die höher als I₁ ist, und nach den Dauern T_p,s und T_p,l von dem Emissionsstartzeitpunkt jeweils zurück zu I₁ fällt, wobei T_p,s und T_p,l in der Größenordnung von mehreren zehn Nanosekunden sind.
Abstandsmessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Triggerschema eingerichtet ist, die Emission der Lichtpulse derart zu steuern, dass die Intensität der Lichtpulse (23, 24) an dem Emissionsstartzeitpunkt von einer Intensität I₂ zu einer Intensität I₁ abfällt, die niedriger als I₂ ist, und nach den Dauern T_p,s und T_p,l von dem Emissionsstartzeitpunkt jeweils zurück zu I₂ ansteigt, wobei T_p,s und T_p,l in der Größenordnung von mehreren zehn Nanosekunden sind.
Verfahren zum Bestimmen eines Abstands zwischen einer Abstandsmessvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und einem Objekt (9) mittels der Abstandsmessvorrichtung (1), mit den Schritten: a) Beleuchten des Objekts (9) mit mindestens einem kurzen Lichtpuls (23) mit einer Dauer T_p,s; b) Beleuchten des Objekts (9) mit einer Mehrzahl an langen Lichtpulsen (24) mit einer Dauer T_p,l; c) Ausgeben eines Signalwerts U_ref an dem Ende des Integrationsfensters (21), wobei eine invariable Verzögerung zwischen dem Emissionsstartzeitpunkt der kurzen Lichtpulse (23) und Δ_s derart ist, dass Δ_tof und Δ_tof + T_p,s zwischen Δ_s und Δ_e sind; d) Bilden einer Faltungsfunktion f_c := U(τ) aus der Intensität des an dem Photoelement (3) ankommenden Lichts und dem Integrationsfenster (21) mit einer jeweiligen variablen Verzögerung τ für jeden langen Lichtpuls (24) zwischen Emissionsstartzeitpunkt des langen Lichtpulses (24) und Δ_s, wobei die variablen Verzögerungen verschieden voneinander sind, um die Faltungsfunktion zu bilden; e) Identifizieren der Verzögerung τ_c in der Faltungsfunktion, die U_ref entspricht; f) Berechnen des Abstands unter Heranziehen der Verzögerung τ_c in der Faltungsfunktion, wie sie in Schritt f) identifiziert wurde.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei in Schritten a) und b) das Objekt (9) abwechselnd mit den kurzen Lichtpulsen (23) und den langen Lichtpulsen (24) beleuchtet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Verhältnis der Anzahl der kurzen Lichtpulse (23) zu der Anzahl der langen Lichtpulse (24) von 0,2 bis 0,4 ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei in Schritt d) die Faltungsfunktion an die Auftragung der Signalwerte U_n gegen die variable Verzögerung τ angepasst wird, wobei die Faltungsfunktion f_c insbesondere eine lineare Funktion (29) aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei in Schritt d) die Faltungsfunktion f_c gebildet wird, indem zuerst eine grobe Faltungsfunktion f_c,coarse mit groben Schritten der verschiedenen variablen Verzögerungen τ_coarse gebildet wird, anschließenden Identifizieren in der groben Faltungsfunktion f_c,coarse einer groben Verzögerung τ_c,coarse, die U_ref entspricht und der zwei variablen Verzögerungen τ_l,coarse und τ_r,coarse, die benachbart zu τ_c,coarse sind, und dann Bilden der Faltungsfunktion f_c zwischen τ_l,coarse und τ_r,coarse mit feinen Schritten, die eine kürzere Schrittgröße als die groben Schritte haben.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Intensität der Lichtpulse (23, 24) an dem Emissionsstartzeitpunkt von einer Intensität I₁ zu einer Intensität I₂ ansteigt, die höher als I₁ ist, und nach den Dauern T_p,s und T_p,l von dem Emissionsstartzeitpunkt jeweils zurück zu I₁ abfällt, wobei T_p,s und T_p,l in der Größenordnung von mehreren zehn Nanosekunden sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei an dem Emissionsstartzeitpunkt die Intensität von den Lichtpulsen (23, 24) von einer Intensität I₂ zu einer Intensität I₁ abfällt, die niedriger als I₂ ist, und nach den Dauern T_p,s und T_p,l von dem Emissionsstartzeitpunkt jeweils zurück zu I₂ ansteigt, wobei T_p,s und T_p,l in der Größenordnung von zehn Nanosekunden sind.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei in Schritt e) der Mittelwert über eine Mehrzahl an Referenzsignalwerten U_ref verwendet wird, um τ_c zu identifizieren, insbesondere über all die Signalwerte U_ref.