DE102014117097B3

DE102014117097B3 - Abstandsmessvorrichtung und Verfahren zum Bestimmen eines Abstands

Info

Publication number: DE102014117097B3
Application number: DE102014117097.0A
Authority: DE
Inventors: Chris Yates
Original assignee: Odos Imaging Ltd
Current assignee: Odos Imaging Ltd
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-01-21
Anticipated expiration: 2034-11-22
Also published as: EP3221715B1; CN107003392A; EP3221715A1; US10557703B2; CN107003392B; US20170307359A1; WO2016079105A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abstandsmessvorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Abstands mittels der Abstandsmessvorrichtung (14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den Schritten: a) Beleuchten des Objekts (22) mit der Sequenz der Lichtpulse (7, 8); b) Erfassen eines ankommenden Lichtpulses (9), der der Intensität Ie,l entspricht, innerhalb eines der ersten Integrationsfenster (11) und Ausgeben eines Signalwertes U1 an dem Ende des ersten Integrationsfensters (11); c) Erfassen des anderen ankommenden Lichtpulses (9), der der Intensität Ie,l entspricht, innerhalb eines der zweiten Integrationsfenster (12) und Ausgeben eines Signalwerts U2 an dem Ende des zweiten Integrationsfensters (12); d) Erfassen eines ankommenden Lichtpulses (10), der der Intensität Ie,h entspricht, innerhalb des ersten Integrationsfensters (11) und Ausgeben eines Signalwertes U3 an dem Ende des anderen ersten Integrationsfensters (11); e) Erfassen des anderen ankommenden Lichtpulses (10), der der Intensität Ie,h entspricht, innerhalb des zweiten Integrationsfensters (12) und Ausgeben eines Signalwerts U4 an dem Ende des anderen zweiten Integrationsfensters (12); f) Berechnen des Abstands zwischen der Abstandsmessvorrichtung (14) und dem Objekt (22) unter Heranziehen der Differenz der Signalwerte U2 und U1 und der Differenz der Signalwerte U4 und U3.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abstandsmessvorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen eines Abstands mit der Abstandsmessvorrichtung.
Abstände 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.
Abstände können beispielsweise ermittelt werden, indem die Lichtintensität, die von der Vorrichtung emittiert wird, periodisch moduliert wird und die Phasendifferenz zwischen dem emittierten Licht 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. Abstandswerte können eindeutig bestimmt werden, indem die Flugzeit zwischen der Emission eines Lichtpulses und der Ankunft des zurück reflektierten Lichtpulses an dem Detektor gemessen wird.
Umgebungslicht, beispielsweise Sonnenlicht, kann die Abstandsmessung beeinträchtigen und dadurch in einer Verminderung der Genauigkeit für die Abstandsmessung resultieren. Herkömmlich wird eine Hintergrundmessung durchgeführt, ohne dass das Objekt mit den Lichtpulsen beleuchtet wird ( WO 2005/052 633 A1 ). Die Hintergrundmessung führt zu einem unregelmäßigen Betrieb der Lichtquelle. Der unregelmäßige Betrieb ist nachteilig, weil er in einer Verminderung der Lebensdauer der Lichtquelle und zu Fluktuationen der Parameter der Lichtpulse führt, insbesondere der Intensität, der Pulsbreite, der Anstiegszeiten und/oder der Abfallzeiten. Diese Fluktuationen verursachen eine Verringerung der Genauigkeit für die Abstandsmessung.
Aus EP 1 884 797 A1 sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Abstandsbestimmung nach dem Prinzip der Kurzzeitintegration bekannt. Dabei ist vorgesehen, nacheinander eine Folge von Messungen mit Lichtimpulsen einer ersten Intensität und einer ersten Impulsdauer und eine Folge von Messungen mit Lichtimpulsen einer zweiten Intensität und einer zweiten Impulsdauer durchzuführen, wobei die zweite Intensität größer als die erste Intensität und die zweite Impulsdauer geringer als die erste Impulsdauer sind. Die größere zweite Intensität bewirkt eine entsprechend vergrößerte Intensität der reflektierten Anteile des ausgesendeten Lichtimpulses, so dass die im zweiten Messzyklus durchgeführte Abstandsbestimmung für große Abstände hinsichtlich des Ergebnisses der Messung verbessert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Abstandsmessvorrichtung und ein Verfahren zum Messen eines Abstands mit der Abstandsmessvorrichtung bereitzustellen, wobei der Abstand mit einer hohen Genauigkeit gemessen werden kann.
Diese Aufgabe wird mit einer Abstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder mit einem Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
Die erfindungsgemäße Abstandsmessvorrichtung weist eine Lichtquelle, die eingerichtet ist ein Objekt mit Lichtpulsen mit der Dauer T_P 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 (16) während zeitlicher Integrationsfenster, wobei das Photoelement eingerichtet ist, einen Signalwert U am Ende jedes Integrationsfensters auszugeben, mit dem Signalwert U, der proportional zu der Energie des an dem Photoelement während seiner Aktivierung ankommenden Lichtes ist, und wobei der Triggergenerator ein Triggerschema zum Steuern der Emission der Lichtpulse derart speichert, dass eine Sequenz der Lichtpulse emittiert wird, wobei die Sequenz vier aufeinanderfolgende Lichtpulse aufweist, die aus zwei Lichtpulsen mit einer Intensität I_e,l und zwei Lichtpulsen mit einer Intensität I_e,h bestehen, die höher als I_e,l ist, und dass die Wiederholrate 1/Δ_rep der Lichtpulse konstant ist, und zum Aktivieren des Photoelements derart, dass die Verzögerungen zwischen den Integrationsfenstern und der Emissionsstartzeitpunkte der vier Lichtpulse derart sind, dass die an dem Photoelement ankommende Lichtpulse derart erfasst werden, dass ein ankommender Lichtpuls, der der Intensität I_e,l entspricht, und ein ankommender Lichtpuls, der der Intensität I_e,h entspricht, von dem Photoelement innerhalb erster Integrationsfenster mit einem Integrationsstartzeitpunkt T_1,s und einem Integrationsendzeitpunkt T_1,e sowie der andere ankommende Lichtpuls, der der Intensität I_e,l entspricht, und der andere ankommende Lichtpuls, der der Intensität I_e,h entspricht, von dem Photoelement erfasst werden innerhalb zweiter Integrationsfenster mit einem Integrationsstartzeitpunkt T_2,s und einem Integrationsendzeitpunkt T_2,e, wobei die Verzögerung für die ersten Integrationsfenster derart gewählt ist, dass entweder T_1,s oder T_1,e zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist und dass die Verzögerung für die zweiten Integrationsfenster derart gewählt ist, dass die jeweiligen Lichtpulse zumindest teilweise innerhalb der zweiten Integrationsfenster liegen, wobei T_1,s, T_1,e, T_2,s, T_2,e die Verzögerungen von dem Emissionsstartzeitpunkt sind und Δ_tof der erste Zeitpunkt ist, an dem die ankommenden Lichtpulse an dem Photoelement ankommen, und eine Datenverarbeitungseinheit auf, die eingerichtet ist, den Abstand zwischen der Abstandsmessvorrichtung und dem Objekt unter Heranziehen der Differenz der Signalwerte, die an dem Ende der ersten Integrationsfenster und der Differenz der Signalwerte U, die an dem Ende des zweiten Integrationsfensters ausgegeben sind, zu berechnen. Die Dauer T_1,e – T_1,s der ersten Integrationsfenster kann gleich mit oder kann verschieden von der Dauer T_2,e – T_2,s der zweiten Integrationsfenster sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen eines Abstands mittels der Abstandsmessvorrichtung weist die Schritte auf: a) Beleuchten des Objekts mit der Sequenz der Lichtpulse; b) Erfassen eines ankommenden Lichtpulses, der der Intensität I_e,l entspricht, innerhalb eines der ersten Integrationsfenster und Ausgeben eines Signalwertes U₁ an dem Ende des ersten Integrationsfensters; c) Erfassen des anderen ankommenden Lichtpulses, der der Intensität I_e,l entspricht, innerhalb eines der zweiten Integrationsfenster und Ausgeben eines Signalwerts U₂ an dem Ende des zweiten Integrationsfensters; d) Erfassen eines ankommenden Lichtpulses, der der Intensität I_e,h entspricht, innerhalb des ersten Integrationsfensters und Ausgeben eines Signalwertes U₃ an dem Ende des anderen ersten Integrationsfensters; e) Erfassen des anderen ankommenden Lichtpulses, der der Intensität I_e,h entspricht, innerhalb des zweiten Integrationsfensters und Ausgeben eines Signalwerts U₄ an dem Ende des anderen zweiten Integrationsfensters; f) Berechnen des Abstands zwischen der Abstandsmessvorrichtung und dem Objekt unter Heranziehen der Differenz der Signalwerte U₂ und U₁ und der Differenz der Signalwerte U₄ und U₃.
Es ist bevorzugt, dass Δ_tof und Δ_tof + T_p zwischen T_2,s und T_2,e sind. Für den Fall, dass T_1,s zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist, wird die Flugzeit Δ_tof von der Emission der Lichtpulse zu der Ankunft der Lichtpulse an dem Photoelement durch
berechnet. Für den Fall, dass T_1,e zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist, wird Δ_tof durch
berechnet. Auch für diese Ausführungsform können die Dauern der ersten und zweiten Integrationen gleich oder verschieden sein. Wenn die Dauern verschieden sind, können die Dauern T_2,e – T_2,s länger sein als die Dauern T_1,e – T_1,s, um sicherzustellen, dass die vollständigen Lichtpulse innerhalb des zweiten Integrationsfensters sind.
Alternativ ist es bevorzugt, dass in dem Fall, dass T_2,s zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist, T_2,s zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist, T_2,e später als Δ_tof + T_p und T_2s verschieden von T_1s ist, und in dem Fall, dass T_1,e zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist, T_2,e zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p, T_2,s früher als Δ_tof und T_2e verschieden von T_1e ist.
Für den Fall, dass T_1,e zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist, wird Δ_tof durch
berechnet. Für den Fall, dass T_2,e zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist, wird Δ_tof durch
berechnet.
Für alle Fälle wird der Abstand r zwischen der Abstandsmessvorrichtung und dem Objekt dann durch r = 0.5·c·Δ_tof (Gl. 5), berechnet, wobei c die Lichtgeschwindigkeit in dem Medium ist, in dem die Abstandsmessung durchgeführt wird.
Mit der erfindungsgemäßen Abstandsmessvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den Einfluss von Hintergrundlicht, beispielsweise Sonnenlicht, zu eliminieren, ohne eine Hintergrundmessung aufzunehmen. Die Hintergrundmessung würde es beinhalten einen Signalwert U an dem Ende eines Integrationsfensters auszugeben, ohne das Objekt mit einem Lichtpuls zu beleuchten. Weil es nicht erforderlich ist, die Hintergrundmessung aufzunehmen, ist es vorteilhaft möglich, die Lichtquelle mit der konstanten Wiederholrate 1/Δ_rep zu betreiben, was in einer langen Lebensdauer für die Lichtquelle resultiert. Δ_rep bezeichnet die Dauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Emissionsstartzeitpunkten. Ein anderer Vorteil für die konstante Wiederholrate ist, dass die Intensitätsfluktuationen der Lichtpulse vermindert werden. Beides, die Eliminierung des Einflusses des Hintergrundlichts und die Verminderung der Intensitätsfluktuationen resultiert in einer hohen Genauigkeit für die Abstandsmessung.
Das Triggerschema steuert die Emission der Sequenz bevorzugt derart, dass einzelne Lichtpulse mit der Intensität I_e,l abwechselnd mit einzelnen Lichtpulsen mit der Intensität I_e,h emittiert werden. Dies resultiert in einem besonders regelmäßigen Betrieb der Lichtquelle, was in einer besonders langen Lebensdauer der Lichtquelle und in besonders kleinen Intensitätsfluktuationen der Lichtpulse resultiert. Es ist bevorzugt, dass das Triggerschema die Emission der Lichtpulse derart steuert, dass die Sequenz einen Dummylichtpuls aufweist, der den vier Lichtpulsen vorhergeht. Weil der Dummylichtpuls nicht für die Abstandsmessung verwendet wird, ist es vorteilhaft erreicht, dass nur Lichtpulse mit kleinen Intensitätsfluktuationen für die Abstandsmessung verwendet werden. Es ist bevorzugt, dass das Triggerschema die Emission der Lichtpulse derart steuert, dass die Sequenz eine Vielzahl an Dummylichtpulsen aufweist, wobei mindestens ein Dummylichtpuls jedem der vier Lichtpulse vorhergeht. Durch Verwenden der Vielzahl der Dummylichtpulse ist es vorteilhafterweise möglich, eine stabile und konstante Wiederholrate 1/Δ_rep aufrecht zu erhalten und die Messung der Signalwerte U bei einer Messfrequenz durchzuführen, selbst dann, wenn die Messfrequenz des Photoelements niedriger als die Wiederholrate 1/Δ_rep für einen stabilen Betrieb der Lichtquelle ist.
Die Lichtquelle weist bevorzugt lichtemittierende Dioden, VCSELs (Oberflächenemitter, englisch: vertical-cavity surface-emitting laser) und/oder Laser auf, die insbesondere eingerichtet sind im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich zu emittieren. Es ist bevorzugt, dass die Abstandsmessvorrichtung einen CCD-Chip mit einem Bildverstärker und/oder einen CMOS-Chip aufweist, die das mindestens eine Photoelement aufweisen.
Es ist bevorzugt, dass die Lichtquelle eine erste Gruppe mit mindestens einer lichtemittierenden Diode, VCSEL und/oder Laser und eine zweite Gruppe mit mindestens einer lichtemittierenden Diode, VCSEL und/oder Laser aufweist, wobei das Triggerschema die Emission der Lichtpulse derart steuert, dass die erste Gruppe Lichtpulse mit der Repetitionsrate 1/Δ_rep und mit der Intensität I_e,l emittiert und derart, dass die zweite Gruppe Lichtpulse mit der Wiederholrate 0,5/Δ_rep und mit der Intensität I_e,h – I_e,l emittiert, so dass der Überlapp der Emission der ersten Gruppe und zweiten Gruppe in den Lichtpulsen mit der Intensität I_e,h resultiert. Hier ist vorteilhaft erreicht, dass die erste Gruppe und die zweite Gruppe perfekt regelmäßig betrieben werden, so dass die Lebensdauern der ersten Gruppe und der zweiten Gruppe besonders verlängert sind.
Es ist bevorzugt, dass Δ_tof und Δ_tof + T_p zwischen T_2,s und T_2,e sind. Alternativ ist es bevorzugt, dass in dem Fall, dass T_1,s zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist, T_2,s zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p, T_2,e später Δ_tof + T_p und T_2,s verschieden von T_1,s ist, und in dem Fall, dass T_1,e zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist, T_2,e zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p, T_2,s früher als Δ_tof und T_2,e verschieden von T_1,e ist.
Es ist bevorzugt, dass in Schritt a) die Sequenz derart ist, dass einzelne Lichtpulse mit der Intensität I_e,l abwechselnd mit einzelnen Lichtpulsen mit der Intensität I_e,h emittiert werden. Die Sequenz weist bevorzugt einen Dummylichtpuls auf, der den vier Lichtpulsen vorhergeht, wobei der Dummylichtpuls nicht für die Bestimmung des Abstands verwendet wird. Es ist bevorzugt, dass die Sequenz eine Mehrzahl an Dummylichtpulsen aufweist, wobei mindestens ein Dummylichtpuls jedem der vier Lichtpulse vorhergeht, wobei die Dummylichtpulse nicht für die Bestimmung des Abstands verwendet werden. Es ist bevorzugt, dass in Schritt a) die Sequenz eine Mehrzahl an Sätzen der vier Lichtpulse aufweist und durch Wiederholen der Schritte b) bis f) ein jeweiliger Abstand für jeden Satz bestimmt wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
1 zeigt Zeitprofildiagramme mit Integrationsfenstern und Intensitäten von Lichtpulsen und
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Abstandsmessvorrichtung.
Wie es aus 2 ersichtlich ist, weist eine Abstandsmessvorrichtung 14 eine Lichtquelle 15, ein Photoelement 16, einen Triggergenerator 17, eine Speichereinheit 18 und eine Datenverarbeitungseinheit 19 auf. Die Lichtquelle 15 weist lichtemittierende Dioden, VCSEL (Oberflächenemitter, englisch: vertical-cavity surface-emitting laser) und/oder Laser auf, wobei die lichtemittierenden Dioden, die VCSELs und/oder die Laser eingerichtet sind, in dem sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich zu emittieren. Die Abstandsmessvorrichtung 14 weist einen CCD-Chip mit einem Bildverstärker und/oder einen CMOS-Chip auf, die das mindestens eine Photoelement 16 aufweisen. Der CMOS-Chip weist mindestens einen Kondensator auf, der via eine Photodiode entladen werden kann. Der Triggergenerator 17 stellt ein Aktivierungssignal 25 zum Steuern der Emission der Lichtquelle 15 und ein Aktivierungssignal 26 zum Aktivieren des Photoelements 16 während eines zeitlichen Integrationsfensters 6 bereit. Der CCD-Chip wird durch Einschalten des Bildverstärkers aktiviert und der CMOS-Chip wird durch Schließen eines Schalters in der Schaltung des Kondensators und der Photodiode aktiviert, was es erlaubt, dass der Kondensator via die Photodiode entladen wird. Das Photoelement 16 ist eingerichtet, einen Signalwert U an dem Ende des Integrationsfensters 6 auszugeben, wobei der Signalwert U proportional zu der Energie des an dem Photoelement während seiner Aktivierung ankommenden Lichts ist. Der Signalwert U wird in einer Ausleseoperation 27 ausgelesen und in der Speichereinheit 18 gespeichert. Die Speichereinheit 18 ist eingerichtet eine Mehrzahl an Signalwerten U zu speichern. Die Mehrzahl an den Signalwerten U kann dann durch die Datenverarbeitungseinheit 19 in einer Datenverarbeitungsoperation 28 verarbeitet werden, um einen Abstand zwischen der Abstandsmessvorrichtung 14 und einem Objekt 22 zu bestimmen.
Der Signalwert U kann direkt gemessen werden, beispielsweise wenn ein CCD-Chip oder ein CMOS-Bildsensor verwendet wird. Die an dem Ende des Integrationsfensters gemessene Ladung ist proportional zu der Energie des an dem Photoelement während seiner Aktivierung ankommenden Lichts und dadurch ist der Signalwert U, der proportional zu der Ladung ist, proportional zu der Energie des Lichts. Andererseits kann der Signalwert U indirekt bestimmt werden, wenn die Beziehung zwischen einem gemessenen Wert und der Energie des an dem Photoelement ankommenden Lichts während seiner Aktivierung bekannt ist. Beispielsweise, wenn das Photoelement einen Kondensator aufweist, der via eine Photodiode während der Aktivierung des Photoelements entladen wird, ist der gemessene Wert eine Spannung, die annäherungsweise invers proportional zu der Energie des an dem Photoelement während seiner Aktivierung ankommenden Lichts ist.
Detektionsoptiken 21 sind vor dem Photoelement 16 angeordnet, um ein Sichtfeld 24 auf das Photoelement 16 abzubilden. Beleuchtungsoptiken 20 sind vor der Lichtquelle 15 angeordnet, um das von der Lichtquelle 15 emittierte Licht derart zu formen, dass ein Beleuchtungsbereich 23 mit der Lichtquelle 15 beleuchtbar ist. Der Beleuchtungsbereich 23 und das Sichtfeld 24 sind derart geformt, dass das Sichtfeld 24 im Wesentlichen vollständig von dem Beleuchtungsbereich 23 überdeckt ist. Die Abstandsmessvorrichtung 14 ist derart eingerichtet, dass das von der Lichtquelle 15 emittierte Licht auf dem innerhalb des Sichtfeld 24 sich befindenden Objekts 22 auftrifft und an dem Photoelement 16 ankommt, nachdem es von dem Objekt 22 zurück reflektiert wurde. Die Beleuchtungsoptiken 20 und die Detektionsoptiken 21 sind bevorzugt eine jeweilige Linse. Es ist auch möglich, eine einzige Linse für sowohl die Beleuchtungsoptiken 20 als auch die Detektionsoptiken 21 zu verwenden.
In 1 sind drei Zeitprofildiagramme gezeigt, wobei eine Intensität 1 und eine Integrationsfenster 2 gegen die Zeit 3 aufgetragen sind. Das erste Zeitprofildiagramm ist eine Auftragung der Intensität 4 der emittierten Lichtpulse 7, 8 gegen die Zeit 3, das zweite Zeitprofildiagramm ist eine Auftragung der Intensität 5 der an dem Photoelement 16 ankommenden Lichtpulse 9, nachdem sie von dem Objekt 22 zurück reflektiert wurden, gegen die Zeit 3 und das dritte Zeitprofildiagramm ist eine Auftragung der Integrationsfenster 6 gegen die Zeit 3.
Das erste Zeitprofildiagramm zeigt, dass die Lichtquelle 15 eine Sequenz von nacheinander folgenden Lichtpulsen 7, 8 emittiert. Die Lichtpulse 7, 8 haben bevorzugt ein rechteckiges Zeitprofil, so dass die Lichtquelle 15 die Intensität der Lichtpulse 7, 8 an einen Emissionsstartzeitpunkt 13 von einer niedrigeren Intensität zu einer höheren Intensität und nach einer Pulsdauer T_p von dem Emissionsstartzeitpunkt 13 zurück zu der niedrigeren Intensität umschaltet. Die Pulsdauer T_p ist bevorzugt identisch für alle Lichtpulse 7, 8 und ist in der Größenordnung von Pikosekunden oder Nanosekunden. Die Wiederholrate 1/Δ_rep für all die Lichtpulse in der Sequenz ist konstant, wobei Δ_rep die Dauer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Startzeitpunkten 13 ist. Die Wiederholrate 1/Δ_rep für die Lichtpulse 7, 8 ist von 1 Hz bis 20 kHz.
Im Folgenden wird angenommen, dass die niedrigere Intensität Null ist. Die Sequenz weist einen Satz von vier aufeinanderfolgenden Lichtpulsen 7, 8 auf, wobei zwei 7 der vier Lichtpulse 7, 8 eine Intensität I_e,l haben und die anderen zwei 8 der vier Lichtpulse 7, 8 die Intensität I_e,h haben, wobei I_e,h > I_e,l ist. In der Sequenz werden ein einzelner Lichtpuls 7 mit der Intensität I_e,l und ein einzelner Lichtpuls 8 mit der Intensität I_e,h immer abwechselnd emittiert. Nach der Emission treffen die Lichtpulse 7, 8 auf dem innerhalb des Sichtfeldes 24 sich befindenden Objekts 22 auf und werden von dem Objekt 22 zurück reflektiert. Danach kommen die Lichtpulse 9, 10 an dem Photoelement 16 an, wobei Δ_tof der erste Zeitpunkt von dem Emissionsstartzeitpunkt 13 ist, wann die Lichtpulse 9, 10 an dem Photoelement 16 ankommen. Die zwei an dem Photoelement 16 ankommenden Lichtpulse 9, die den Lichtpulsen 7 mit der Intensität I_e,l entsprechen, haben die Intensität I_a,l, wobei I_a,l < I_e,l. Die zwei an dem Photoelement 16 ankommenden Lichtpulse 10, die den Lichtpulsen 8 mit der Intensität I_e,h entsprechen, haben die Intensität I_a,h, wobei I_a,h < I_e,h.
Das dritte Zeitprofildiagramm zeigt, dass der Satz der vier an dem Photoelement 16 ankommenden Lichtpulsen 9, 10 innerhalb zwei erster Integrationsfenster 11 und zwei zweiter Integrationsfenster 12 erfasst werden. Die ersten Integrationsfenster 11 haben einen Integrationsstartzeitpunkt T_1,s und einen Integrationsendzeitpunkt T_1,e, wobei T_1,s und T_1,e die Verzögerung von dem Emissionsstartzeitpunkt 13 sind. Die zweiten Integrationsfenster 12 haben einen Integrationsstartzeitpunkt T_2,s und einen Integrationsendzeitpunkt T_2,e, wobei T_2,s und T_2,e die Verzögerung von dem Emissionsstartzeitpunkt 13 sind. Einer der vier Lichtpulse 9 mit der Intensität I_a,l und einer der vier Lichtpulse 10 mit der Intensität I_a,h werden von dem Photoelement 16 innerhalb eines jeweiligen ersten Integrationsfensters 11 derart erfasst, dass T_1,e zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p und dass T_1,s früher als Δ_tof ist. Alternativ ist es möglich, dass das jeweilige erste Integrationsfenster 11 derart ist, dass T_1,s zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p und dass T_1,e später als Δ_tof + T_p ist. Der andere der vier Lichtpulse 9 mit der Intensität I_a,l und der andere der vier Lichtpulse 10 mit der Intensität I_a,h werden von dem Photoelement 16 innerhalb eines jeweiligen zweiten Integrationsfensters 12 derart erfasst, dass Δ_tof und Δ_tof + T_p zwischen T_2,s und T_2,e sind.
Die schraffierten Flächen in dem zweiten Zeitprofildiagramm sind proportional zu der Energie des an dem Photoelement 16 während seiner Aktivierung ankommenden Lichts. Weil der Signalwert U proportional zu der Energie des an dem Photoelement während seiner Aktivierung kommenden Lichts ist, ist der Signalwert U auch proportional zu den schraffierten Flächen. Ein Signalwert U₁ wird an dem Ende des ersten Integrationsfensters 11 ausgegeben, das eine der Lichtpulse 9 mit der Intensität I_a,l erfasst. Ein Signalwert U₃ wird an dem Ende des ersten Integrationsfensters 11 ausgegeben, das eines der Lichtpulse 10 mit der Intensität I_a,h erfasst. Ein Signalwert U₂ wird an dem Ende des zweiten Integrationsfensters 12 ausgegeben, das den anderen der Lichtpulse 9 mit der Intensität I_a,l erfasst. Ein Signalwert U₄ wird an dem Ende des zweiten Integrationsfensters ausgegeben, das den anderen der Lichtpulse 10 mit der Intensität I_a,h erfasst.
Wie es aus 1 ersichtlich ist, ist Δ_tof + U₁/I_a,l = T_1,e und es ist Δ_tof + U₃/I_a,h = T_1,e. Diese beiden Gleichungen sind äquivalent zu
Weiterhin ist es aus 1 ersichtlich, dass U₂ = T_p·I_a,l und U₄ = T_p·I_a,h ist. Diese zwei Gleichungen sind äquivalent zu
Durch Subtrahieren Gl. 4 von Gl. 5 und Gl. 6 von Gl. 7 folgt:
Durch Gleichsetzen der rechten Seiten von Gl. 8 und Gl. 9 ist es dann möglich, Gl. 2 herzuleiten. Gl. 3 kann in analoger Weise hergeleitet werden. Durch Subtrahieren der Gleichungen 4 bis 7 ist es vorteilhaft erreicht, dass der Einfluss von Hintergrundlicht eliminiert wird.
Die Sequenz kann einen Dummylichtpuls aufweisen, der dem Satz der vier Lichtpulse 7, 8 vorhergeht, wobei der Dummylichtpuls nicht für die Bestimmung des Abstands verwendet wird. In diesem Fall hat der Dummylichtpuls einen Emissionsstartzeitpunkt, der eine Dauer Δ_rep früher als der Emissionsstartzeitpunkt 13 des frühesten der vier Lichtpulse 7, 8 ist.
Die Sequenz kann auch eine Mehrzahl an Dummylichtpulsen aufweisen, die jedem der vier Lichtpulse 7, 8 vorhergeht, wobei die Dummylichtpulse nicht für die Verwendung eines Abstands verwendet werden. In diesen Fällen haben die Dummylichtpulse einen Emissionsstartzeitpunkt, der früher als der Emissionsstartzeitpunkt des jeweiligen Messlichtpulses 7, 8 ist.
Weiterhin kann die Sequenz eine Mehrzahl an den Sätzen der vier Lichtpulse 7, 8 aufweisen und ein jeweiliger Abstand wird für jeden der Sätze berechnet. Wenn die Sequenz eine Mehrzahl der Sätze aufweist, ist die Repetitionsrate für alle Lichtpulse konstant gehalten bei 1/Δ_rep. Die Abstandsmessvorrichtung 14 kann eine Vielzahl an Photoelementen 16 aufweisen und ein jeweiliger Abstand wird für jedes der Photoelemente 16 bestimmt.
Es ist bevorzugt, dass die Lichtquelle eine erste Gruppe mit mindestens einer lichtemittierenden Diode, VCSEL und/oder Laser und eine zweite Gruppe mit mindestens einer lichtemittierenden Diode, VCSEL und/oder Laser aufweist, wobei die Emission der Lichtpulse derart gesteuert ist, dass die erste Gruppe Lichtpulse mit einer Repetitionsrate 1/Δ_rep und mit der Intensität I_e,l emittiert und dass die zweite Gruppe Lichtpulse mit der Repetitionsrate 0,5/Δ_rep und mit der Intensität I_e,h – I_e,l emittiert, so dass der Überlapp der Emission der ersten Gruppe und zweiten Gruppe in den Lichtpulsen mit der Intensität I_e,h resultiert.
Bezugszeichenliste

1: Intensität
2: Integrationsfenster
3: Zeit
4: Intensität der emittierten Lichtpulse
5: Intensität der ankommenden Lichtpulse
6: Integrationsfenster
7: emittierte Lichtpulse mit niedriger Intensität
8: emittierte Lichtpulse mit hoher Intensität
9: ankommende Lichtpulse mit niedriger Intensität
10: ankommende Lichtpulse mit hoher Intensität
11: erstes Integrationsfenster
12: zweites Integrationsfenster
13: Emissionsstartzeitpunkt
14: Abstandsmessvorrichtung
15: Lichtquelle
16: Photoelement
17: Triggergenerator
18: Speichereinheit
19: Datenverarbeitungseinheit
20: Beleuchtungsoptik
21: Detektionsoptik
22: Objekt
23: Beleuchtungsbereich
24: Sichtfeld
25: Aktivierungssignal für Lichtquelle
26: Aktivierungssignal für Photoelement
27: Ausleseoperation
28: Datenverarbeitungsoperation
Δ_rep: Wiederholrate
T_p: Pulsdauer
Δ_tof: Flugzeit
T_1,s: Integrationsstartzeitpunkt des ersten Integrationsfensters
T_1,e: Integrationsendzeitpunkt des ersten Integrationsfensters
T_2,s: Integrationsstartzeitpunkt des zweiten Integrationsfensters
T_2,e: Integrationsendzeitpunkt des zweiten Integrationsfensters
I_e,l: Intensität der emittierten Lichtpulse
I_e,h: Intensität der emittierten Lichtpulse
I_a,l: Intensität der ankommenden Lichtpulse
I_a,h: Intensität der ankommenden Lichtpulse

Claims

Abstandsmessvorrichtung mit einer Lichtquelle (15), die eingerichtet ist ein Objekt (22) mit Lichtpulsen (7, 8) mit der Dauer T_P zu beleuchten, mindestens einem Photoelement (16), das eingerichtet ist, die Lichtpulse (5) zu erfassen, nachdem sie von dem Objekt (22) zurück reflektiert wurden, einem Triggergenerator (17) zum Steuern der Emission der Lichtpulse (4) und zum Aktivieren des Photoelements (16) während zeitlicher Integrationsfenster (11, 12), wobei das Photoelement (16) eingerichtet ist, einen Signalwert U am Ende jedes Integrationsfensters (11, 12) auszugeben, mit dem Signalwert U, der proportional zu der Energie des an dem Photoelement (16) während seiner Aktivierung ankommenden Lichtes ist, und wobei der Triggergenerator (17) ein Triggerschema zum Steuern der Emission der Lichtpulse (7, 8) derart speichert, dass eine Sequenz der Lichtpulse (7, 8) emittiert wird, wobei die Sequenz vier aufeinanderfolgende Lichtpulse (7, 8) aufweist, die aus zwei Lichtpulsen (7) mit einer Intensität I_e,l und zwei Lichtpulsen (8) mit einer Intensität I_e,h bestehen, die höher als I_e,l ist, und dass die Wiederholrate 1/Δ_rep der Lichtpulse (7, 8) konstant ist, und zum Aktivieren des Photoelements (16) derart, dass die Verzögerungen zwischen den Integrationsfenstern (11, 12) und der Emissionsstartzeitpunkte (13) der vier Lichtpulse (7, 8) derart sind, dass die an dem Photoelement (16) ankommende Lichtpulse (9, 10) derart erfasst werden, dass ein ankommender Lichtpuls (9), der der Intensität I_e,l entspricht, und ein ankommender Lichtpuls (10), der der Intensität I_e,h entspricht, von dem Photoelement (16) innerhalb erster Integrationsfenster (11) mit einem Integrationsstartzeitpunkt T_1,s und einem Integrationsendzeitpunkt T_1,e sowie der andere ankommende Lichtpuls (9), der der Intensität I_e,l entspricht, und der andere ankommende Lichtpuls (10), der der Intensität I_e,h entspricht, von dem Photoelement (16) erfasst werden innerhalb zweiter Integrationsfenster (12) mit einem Integrationsstartzeitpunkt T_2,s und einem Integrationsendzeitpunkt T_2,e, wobei die Verzögerung für die ersten Integrationsfenster (11) derart gewählt ist, dass entweder T_1,s oder T_1,e zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist und dass die Verzögerung für die zweiten Integrationsfenster (12) derart gewählt ist, dass die jeweiligen Lichtpulse zumindest teilweise innerhalb der zweiten Integrationsfenster (12) liegen, wobei T_1,s, T_1,e, T_2,s, T_2,e die Verzögerungen von dem Emissionsstartzeitpunkt (13) sind und Δ_tof der erste Zeitpunkt ist, an dem die ankommenden Lichtpulse (9, 10) an dem Photoelement (16) ankommen, und einer Datenverarbeitungseinheit (19), die eingerichtet ist, den Abstand zwischen der Abstandsmessvorrichtung (14) und dem Objekt (22) unter Heranziehen der Differenz der Signalwerte, die an dem Ende der ersten Integrationsfenster (11) und der Differenz der Signalwerte U, die an dem Ende des zweiten Integrationsfensters ausgegeben sind, zu berechnen.
Abstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Triggerschema die Emission der Sequenz derart steuert, dass Δ_tof und Δ_tof + T_p zwischen T_2,s und T_2,e sind.
Abstandsmessvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das Triggerschema die Emission der Sequenz derart steuert, dass in dem Fall, dass T_1,s zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist, T_2,s zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist, T_2,e später als Δ_tof + T_p und T_2,s verschieden von T_1,s ist, und in dem Fall, dass T_1,e zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist, T_2,e zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p, T_2,s früher als Δ_tof und T_2,e verschieden von T_1,e ist.
Abstandsmessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Triggerschema die Emission der Sequenz derart steuert, dass einzelne Lichtpulse (7) mit der Intensität I_e,l abwechselnd mit einzelnen Lichtpulsen (8) der Intensität I_e,h emittiert werden.
Abstandsmessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Triggerschema die Emission der Lichtpulse (4) derart steuert, dass die Sequenz einen Dummylichtpuls aufweist, der den vier Lichtpulsen (7, 8) vorhergeht oder dass die Sequenz eine Vielzahl an Dummylichtpulsen aufweist, wobei mindestens ein Dummylichtpuls jedem der vier Lichtpulse vorhergeht.
Abstandsmessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Lichtquelle (15) lichtemittierende Dioden, VCSELs und/oder Laser aufweist, die insbesondere eingerichtet sind im sichtbaren und/oder infraroten Spektralbereich zu emittieren.
Abstandsmessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Lichtquelle (15) eine erste Gruppe mit mindestens einer lichtemittierenden Diode, VCSEL und/oder Laser und eine zweite Gruppe mit mindestens einer lichtemittierenden Diode, VCSEL und/oder Laser aufweist, wobei das Triggerschema die Emission der Lichtpulse derart steuert, dass die erste Gruppe Lichtpulse mit der Repetitionsrate 1/Δ_rep und mit der Intensität I_e,l emittiert und derart, dass die zweite Gruppe Lichtpulse mit der Wiederholrate 0,5/Δ_rep und mit der Intensität I_e,h – I_e,l emittiert, so dass der Überlapp der Emission der ersten Gruppe und zweiten Gruppe in den Lichtpulsen mit der Intensität I_e,h resultiert.
Abstandsmessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Abstandsmessvorrichtung (14) einen CCD-Chip mit einem Bildverstärker und/oder einen CMOS-Chip aufweist, die das mindestens eine Photoelement (16) aufweisen.
Verfahren zum Bestimmen eines Abstands mittels der Abstandsmessvorrichtung (14) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, mit den Schritten: a) Beleuchten des Objekts (22) mit der Sequenz der Lichtpulse (7, 8) b) Erfassen eines ankommenden Lichtpulses (9), der der Intensität I_e,l entspricht, innerhalb eines der ersten Integrationsfenster (11) und Ausgeben eines Signalwertes U₁ an dem Ende des ersten Integrationsfensters (11); c) Erfassen des anderen ankommenden Lichtpulses (9), der der Intensität I_e,l entspricht, innerhalb eines der zweiten Integrationsfenster (12) und Ausgeben eines Signalwerts U₂ an dem Ende des zweiten Integrationsfensters (12); d) Erfassen eines ankommenden Lichtpulses (10), der der Intensität I_e,h entspricht, innerhalb des ersten Integrationsfensters (11) und Ausgeben eines Signalwertes U₃ an dem Ende des anderen ersten Integrationsfensters (11); e) Erfassen des anderen ankommenden Lichtpulses (10), der der Intensität I_e,h entspricht, innerhalb des zweiten Integrationsfensters (12) und Ausgeben eines Signalwerts U₄ an dem Ende des anderen zweiten Integrationsfensters (12); f) Berechnen des Abstands zwischen der Abstandsmessvorrichtung (14) und dem Objekt (22) unter Heranziehen der Differenz der Signalwerte U₂ und U₁ und der Differenz der Signalwerte U₄ und U₃.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei Δ_tof und Δ_tof + T_p zwischen T_2,s und T_2,e sind.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei in dem Fall, dass T_1,s zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist, T_2,s zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist, T_2,e später als Δ_tof + T_p und T_2,s verschieden von T_1,s ist, und in dem Fall, dass T_1,e zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p ist, T_2,e zwischen Δ_tof und Δ_tof + T_p, T_2,s früher als Δ_tof und T_2,e verschieden von T_1,e ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Sequenz derart ist, dass in Schritt a) einzelne Lichtpulse (7) mit der Intensität I_e,l abwechselnd mit einzelnen Lichtpulsen (8) mit der Intensität I_e,h emittiert werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Sequenz einen Dummylichtpuls aufweist, der den vier Lichtpulsen (7, 8) vorhergeht oder dass die Sequenz eine Vielzahl an Dummylichtpulsen aufweist, wobei mindestens ein Dummylichtpuls jedem der vier Lichtpulse (7, 8) vorhergeht, wobei keiner der Dummylichtpulse für die Bestimmung des Abstands verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei in Schritt a) die Sequenz eine Mehrzahl an Sätzen der vier Lichtpulse (7, 8) aufweist und durch Wiederholen der Schritte b) bis f) ein jeweiliger Abstand für jeden Satz bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die Lichtquelle (15) eine erste Gruppe mit mindestens einer lichtemittierenden Diode, VCSEL und/oder Laser und eine zweite Gruppe mit mindestens einer lichtemittierenden Diode, VCSEL und/oder Laser aufweist, wobei die Emission der Lichtpulse derart gesteuert wird, dass die erste Gruppe Lichtpulse mit der Repetitionsrate 1/Δ_rep und mit der Intensität I_e,l emittiert und derart gesteuert wird, dass die zweite Gruppe Lichtpulse mit der Wiederholrate 0,5/Δ_rep und mit der Intensität I_e,h – I_e,l emittiert, so dass der Überlapp der Emission der ersten Gruppe und zweiten Gruppe in den Lichtpulsen mit der Intensität I_e,h resultiert.