具有校正裝置以考慮串擾的光學距離測量設備的製作方法

2023-04-24 11:42:51 2

具有校正裝置以考慮串擾的光學距離測量設備的製作方法
【專利摘要】本發明提出用於光學距離測量的一種測量裝置（1）。該測量裝置（1）具有發送裝置（3）、接收裝置（7）、調製裝置（5）、分析裝置（9）和校正裝置（11）。該發送裝置在此被實施用於向對象（13）發送第一信號（15）。該調製裝置（5）在此被實施用於對該第一信號（15）進行調製。該接收裝置（7）在此被實施用於探測第二信號（17）。該分析裝置（9）在此被實施用於接收並分析該第二信號（17）。該校正裝置（11）被實施用於在接通該調製裝置（5）並低於可預給定功率閾值來驅動該發送裝置（3）的情況下來校正該測量裝置（1）。
【專利說明】具有校正裝置以考慮串擾的光學距離測量設備

【技術領域】
[0001]已知光學距離測量設備，所述光學距離測量設備可以確定在該距離測量設備與目標對象之間的距離。為此距離測量設備在朝向該目標對象的方向上發送光束，並探測從該對象所反射的以及在朝向該距離測量設備的方向上所返回的光。

【背景技術】
[0002]距離的確定可以藉助飛行時間法，也稱作time-of-flight法。在此可以在時域或在頻域中來進行這種測量。在時間測量時，例如短的雷射脈衝可以在時間點處向目標對象發送並且在該目標對象處被散射或反射。該測量輻射的一部分例如通過接收光學裝置到達光學接收器，並在時間點tff±處到達該光學接收器。由所測量的飛行時間
和光速Ctl來計算該目標對象的距離d。
[0003]在頻域中進行測量時或者按照相位飛行時間法，光源的光學輻射可以在其強度上例如以正弦形來加以調製。被調製的輻射被發送到該目標對象，並在那裡被散射或反射。被反射的輻射的一部分例如通過接收光學裝置到達光學接收器。所接收的正弦形強度調製的輻射根據該目標對象的距離而與被發送的正弦形強度調製的信號之間具有相位偏移。根據所接收的與所發送的信號之間的相位差、已知的調製頻率以及光速，可以計算至該目標對象的距離。代替示例提到的正弦形強度調製，可以選擇矩形脈衝和其他的調製形式。距離與相位之間關聯的多重性可以通過在多個緊密相鄰頻率情況下進行測量而得到解決。但是上述距離測量設備的測量精確度並不總是令人滿意的。


【發明內容】

[0004]從而需要一種測量裝置和一種方法，它們能夠改善距離測量的測量精確度和可靠性。
[0005]這種需求可以通過根據獨立權利要求所述的本發明主題而得到滿足。本發明的有利的實施方式在從屬權利要求中加以描述。
[0006]下文中詳細討論了根據本發明實施方式的一種裝置的特徵、細節和可能的優點。
[0007]根據本發明的第一方面，提出用於光學距離測量的一種測量裝置。該測量裝置具有發送裝置、調製裝置、接收裝置、分析裝置和校正裝置。該發送裝置被實施為把第一信號發送到對象上。該調製裝置被實施為例如周期地在強度、幅度和/或在頻率上調製該第一信號。該接收裝置在此被實施為探測第二信號，並例如轉發到該分析裝置。該分析裝置被設置用於接收並分析該第二信號。例如該分析裝置可以被設置用於根據在該第一和第二信號之間的相位差、已知的調製頻率和光速來確定該測量裝置與該對象之間的距離。該校正裝置被實施為，在該調製裝置接通以及在該發送裝置低於可預給定功率閾值被驅動期間校正該測量裝置。也即在調製裝置例如以全功率被驅動以及該發送裝置例如以非常低的功率被驅動或者被關閉期間，來進行校正。在此該功率閾值涉及由該發送裝置所發射的光學輸出功率，尤其是涉及平均的光學輸出功率。
[0008]該第二信號在此是由該接收裝置所接收的信號。在校正測量時，該第二信號可以僅僅具有光學背景輻射。相反，在距離測量時，該第二信號不僅可以具有背景輻射，而且還可以具有從對象返回的測量輻射。
[0009]換句話說，本發明的理念所基於的是以下的知識，即在調製裝置與接收裝置之間或者在發送路徑與接收路徑之間發生了串擾(也稱為crosstalk)，並且這可能導致系統距離測量誤差。一方面，該串擾可能導致供電電壓和接收裝置的靈敏性發生變化。另一方面，通過該串擾可能改變用於由該接收裝置探測該第二信號的掃描窗口的寬度，因為打開和關閉掃描窗口的電信號受到影響。
[0010]尤其在利用SPAD (Single Photon Avalanche D1den,單光子雪崩二極體)來實施該接收裝置時，其中該調製裝置、該接收裝置和該分析裝置可以集成在一個晶片中，一方面在調製裝置和接收裝置之間可能產生例如影響該SPAD的供電電壓的串擾。另一方面，在調製裝置與分析裝置之間可能產生影響掃描窗口或容器(Bin)的寬度的串擾。
[0011]在通過該校正裝置對本發明的測量裝置進行校正時，對該串擾加以考慮。為此在接通調製裝置的情況下來進行這種校正。同時該發送裝置在校正期間低於預給定的功率閾值被驅動。例如該發送裝置作為雷射器或雷射二極體來實施，並在校正期間低於雷射器閾值被驅動，使得向該目標對象不發射測量輻射或發射少到可忽略的測量輻射，或者該雷射器以相當微小的效率來工作。這樣例如就可以在光路中省略機械快門，其中該機械快門將不必要地增大該測量裝置的尺寸。尤其在手持距離測量裝置中可能有利的是，通過省略機械關閉裝置來降低重量。
[0012]這樣，在發送路徑和接收路徑之間的電串擾已經在校正期間就通過驅動該調製裝置而充分存在，而不探測從目標對象所反射的輻射。這樣就可以簡單而有效地確定系統測量誤差，並在之後的距離測量中考慮該系統測量誤差。
[0013]該測量裝置可以是手持的或靜止安裝的距離測量裝置。該發送裝置可以是光學輻射的源，例如雷射二極體、尤其紅色雷射二極體。該發送裝置也可以被稱作發射器。該發送裝置被實施以朝向對象來發送第一信號。該對象也可以被稱作目標對象。該第一信號也可以被稱作測量福射或信號光。例如該第一信號可以具有635或650nm的波長。在此該發送裝置在距離測量時可以以例如約30mA的直流電流(DC電流)來供電。在校正測量時，該電流可以低於例如為20mA、優選1mA並尤其為5mA的預給定極限值。
[0014]該調製裝置也可以被稱作片上雷射調製器，並且例如可以具有振蕩器。該調製裝置在此被實施為在強度、幅度和/或頻率上來改變該第一信號。例如該調製裝置可以周期地、例如正弦形地調製該第一信號。在DC雷射二極體電流例如為30mA的情況下，這例如可以通過以5mA的AC幅度對雷射二極體電流進行調製來進行。
[0015]該接收裝置可以是探測器，其例如具有至少一個雪崩光電二極體、也稱作Avalanche-Photo-D1de(APD)、或者至少一個單光子雪崩二極體(SPAD)。該接收裝置被實施為探測第二信號。該第二信號在此例如在距離測量時不僅可以具有從目標對象反射的或射回的測量輻射，而且還可以具有背景輻射。在校正測量時，該第二信號可以僅包含有背景輻射。該第二信號被傳輸到該分析裝置，在該分析裝置中例如可以藉助一種算法來確定該測量裝置與該目標對象之間的距離。
[0016]該分析裝置例如可以是控制單元。該分析裝置尤其可以作為專用集成電路、也稱作ASIC來實施。在此該分析裝置例如可以控制時間測量和/或該第一信號的調製和/或該接收裝置的調製。在該接收裝置作為SPAD來實施的情況下，該分析裝置尤其可以給該接收裝置所接收的數位訊號分配不同的計數器。這些計數器或計數器讀數在此代表了不同的探測周期。這些探測周期可以被稱作容器寬度或掃描窗口。在距離測量時，探測周期的總和應該對應於被調製的第一信號的周期。換句話說，在探測周期期間，周期調製的探測信號的周期重複的相位區域被檢測，並在計數器中把相應的數字探測信號進行累加。根據數字計數器的在許多探測周期上所累加的計數器結果，可以推斷在所發送的第一信號與所接收的第二信號之間的相位差，並由此來確定該目標對象的距離。
[0017]該校正裝置可以作為單獨的單元或者例如作為該分析裝置的部分來實施。該校正裝置被實施為對該測量裝置進行校正。為此該校正裝置例如可以操控該調製裝置，以開始該發送裝置的調製並同時把DC供電保持低於規定閾值。也就是說，該校正裝置可以如此來操控該發送裝置，使得其在該調製裝置激活期間不發送或僅發送少量的測量輻射。在校正測量期間所接收的、僅包含有背景輻射的第二信號可以用於計算出在距離測量時的系統測量誤差。
[0018]根據本發明的實施例，該校正裝置被實施為在校正該測量裝置時對該接收裝置與該調製裝置之間的串擾加以考慮。串擾在此可以是實際獨立的信號通道之間不期望的相互影響。該串擾例如可以是電感性的或電容性的。
[0019]根據本發明的實施例，該第二信號在校正測量時僅具有光學背景輻射。與此相反，在距離測量時，該第二信號不僅具有背景輻射，而且還具有從對象返回的測量輻射。該背景輻射在此例如可以是均勻分布的光學輻射。與測量輻射相反，該背景輻射沒有經過調製。代替地，該背景輻射可以理解為未必未調製的、但與該第一信號不相干的輻射。
[0020]根據本發明的另一實施例，該接收裝置可以與該分析裝置集成地來實施。集成在此可以意味著，該接收裝置一體地、也即與該分析裝置一起實施在一個組件中。例如該接收裝置以及該分析裝置都可以在一個晶片中來實現。在該測量裝置的這種擴展方案中，所述的校正是特別有利的，因為在該接收裝置集成在該分析裝置中時串擾的效應可能是特別明顯的。
[0021]另外所有的裝置都可以任意地相互組合。例如該接收裝置可以與該分析裝置一體地或集成地來實施。另外該接收裝置、該分析裝置和該校正裝置也可以綜合為一個單元。所述的所有裝置、以及該發送裝置都可以集成在一個晶片上。
[0022]根據本發明的另一實施例，該接收裝置具有至少一個雪崩光電二極體(APD)或至少一個單光子雪崩二極體(SPAD)。尤其在基於SPAD的距離測量情況下，該分析裝置和該接收裝置可以並排集成在同一晶片中。
[0023]根據本發明的另一實施例，該發送裝置作為雷射器、尤其作為雷射二極體來實施。例如可以使用具有635或650nm波長的紅色雷射二極體。在此該校正裝置可以被實施用於在校正過程期間低於雷射器閾值來驅動該雷射器，也即不發射測量輻射。
[0024]根據本發明的第二方面而描述了用於對前述測量裝置進行校正的一種方法。該方法具有以下的步驟:驅動發送裝置以低於可預給定功率閾值的功率來發送第一信號；尤其以全功率輸入來驅動調製裝置，以調製該發送裝置的第一信號；藉助接收裝置來探測第二信號，並基於該第二信號藉助校正裝置來校正該測量裝置。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]本發明的其他特徵和優點根據下文對示例實施方式的說明並參照附圖來向專業人員闡明，但這些示例實施方式不應認為是對本發明的限制。
[0026]圖1示出了根據本發明實施例的一種測量裝置的連接框圖，
圖2示出了根據本發明另一實施例的一種測量裝置的一部分，
圖3示出了在利用未調製的背景光進行照射時以及在發送裝置和調製裝置都接通時該第二信號的理論掃描值和所測量的掃描值的圖示，
圖4示出了在利用未調製的背景光進行照射時以及在發送裝置接通和調製裝置關閉時所測量的掃描值的圖示，
圖5示出了在利用未調製的背景光進行照射時以及在發送裝置關閉和調製裝置接通時所測量的掃描值的圖示，
圖6示出了在藉助該校正裝置進行校正之後所測量的掃描值的圖示，
圖7示出了在不同溫度下雷射二極體的特徵曲線。
[0027]所有的附圖僅僅是本發明裝置或其根據本發明實施例的組成部分的示意圖。在附圖中尤其距離和大小關係沒有按照比例來加以再現。在不同的附圖中相對應的元件被設置有相同的參考數字。

【具體實施方式】
[0028]圖1示出了測量裝置I的橫截面。該測量裝置I在此可以是手持距離測量設備。該測量裝置I可以具有殼體19，在該殼體中設置有發送裝置3、調製裝置5、接收裝置7、分析裝置9和校正裝置11。該發送裝置3被實施用於向目標對象13發送第一信號15。為此該發送裝置3可以具有諸如半導體雷射二極體的光源21和物鏡23。該雷射二極體在此例如可以具有如在圖7中所示的與溫度有關的特徵曲線。在圖7中在此在X軸上示出以mA為單位的電流，在Y軸上示出以mW為單位的功率。右邊的曲線對應於在50°C時的特徵曲線，中間的曲線對應於在40°C時的特徵曲線，左邊的曲線對應於在25°C時的特徵曲線。
[0029]該雷射器或該雷射二極體通過可調節的DC電流而被接通，或者在功率上被調節。該雷射器開始發射光的閾值例如為25mA。該雷射器例如在距離測量時以30mA的DC電流被驅動。該雷射功率在此例如在雷射類II時被限制為ImW的平均功率。在接通該調製裝置5時的調製電流例如處於1mA或5mA。
[0030]也稱為測量輻射的該第一信號15可以在其幅度或頻率上並尤其在其強度上通過調製裝置5被短暫地調製。在距離測量期間，該第一信號15可以通過光學窗口 27而離開該測量裝置I。在離開該測量裝置I之後，該第一信號15在位於與該測量裝置I距離31處的目標對象13上被散射或反射。被反射的輻射33穿過另一光學窗口 35入射到該測量裝置I中，並在那裡連同未調製的背景輻射一起作為第二信號17由接收裝置7來探測。該接收裝置7在此情況下可以具有接收光學裝置37和接收探測器39。該第二信號17由該接收裝置7傳輸到該分析裝置9。在該分析裝置9中，該目標對象13與該測量裝置I的距離31被藉助相位飛行時間法確定。
[0031]尤其在大距離或者強背景光的情況下，距離測量的測量結果由於不利的信噪比而可能失真。因此根據本發明的測量裝置I可以執行校正測量，以改善測量結果的可靠性。在校正測量時，例如在該分析裝置9中所設置的校正裝置可以如此來操控該發送裝置3，使得該發送裝置低於功率閾值被驅動。也即，在校正測量期間實際上不發送可探測的第一信號15。例如在此情況下雷射二極體低於雷射器閾值來運行。在此該校正裝置11被實施用於在校正過程期間接通該調製裝置5。這樣僅僅未調製的背景輻射到達該接收裝置7，其中該背景輻射的探測已經受到由於該調製裝置5的運行而引起的串擾的影響。所述串擾在此可能在該調製裝置5與該接收裝置7之間和/或在該調製裝置5與該分析裝置9之間發生。藉助在這些條件下所探測的第二信號，可以確定由串擾所決定的系統誤差，並在隨後的距離測量中加以考慮。這可以明顯提高距離31的測量精確度。
[0032]在圖2中示出了測量裝置I的另一實施例。在此圖2示出了電路板，其上布置有以雷射二極體形式的發送裝置3，帶有驅動器和相應的網絡。另外在該電路板上還布置有8MHz振蕩器，μ控制器、能量源41、高壓發生器43和模擬低頻路徑45。另外該電路板還具有接收裝置7，其中該接收裝置作為APD或SPAD來實施並具有相應的網絡。另外在該電路板上還設置有分析裝置9，該分析裝置作為ASIC來實施，其被實施用於進行時間測量和/或用於調製該發送裝置3和/或該接收裝置7。在該分析裝置9中設置有調製裝置5。
[0033]藉助圖3至6來詳細討論該調製裝置5的運行對串擾的影響。在此在圖3至6中分別在X軸上不出了八個掃描窗口，也稱為容器。這八個掃描窗口對應於一個掃描周期，並且從每個掃描窗口中來獲得掃描值、即所謂的採樣值。在Y軸上示出了所探測的第二信號相對於其在調製周期上的平均值而以百分比表示的標稱強度。在圖3和4中為了確定這些值，在此採用了常規的設備，其中在常規設備的情況下可以機械阻塞由該目標對象13所反射的輻射33，以表明串擾的效應。但在本發明的測量裝置I中不需要機械元件來進行校正。
[0034]圖3示出了在發送路徑和接收路徑之間串擾的問題。在所示的例子中在發送路徑中接通調製裝置5時並且在高於雷射器閾值來驅動該雷射二極體時確定測量值。在此從該目標對象13所反射的輻射33在接收側被阻塞，使得僅僅利用恆定的未調製的背景光來照射該接收裝置7。由該接收裝置7所接收的第二信號17與該調製頻率相周期同步地被掃描。在這種條件下得到了以矩形測量點來表示的、基本正弦形的曲線。在探測周期上的正弦形由該發送路徑與接收路徑之間的串擾決定。在此，串擾例如影響了該接收裝置的靈敏性和/或掃描窗口的寬度。
[0035]用菱形來表示的、與X軸平行的曲線對應於沒有串擾的理想系統的理論掃描值。在理想系統中，在全部掃描窗口中都探測到相同的掃描值。
[0036]為了能夠校正由串擾導致的誤差，必須已知與圖3中的測量值相對應的串擾向量。在例如手持雷射距離測量設備中，不能容易地確定串擾向量。在製造時進行一次校正就可以了。但是也可能由於溫度波動、過程波動和電壓波動、以及由於老化而使串擾在幅度和相位上產生變化。從而可能需要在每次距離測量之前執行校正測量。為了阻止信號光到達該探測器，必須有例如機械快門來中斷該光路。但這種元件增大了該設備的尺寸，並引起附加成本。從而在斷開雷射器的情況下或者在低於雷射器閾值來驅動該雷射器的情況下，校準測量是有利的。
[0037]圖4示出了在用未調製的背景光進行照射、斷開該調製裝置5以及低於雷射器閾值來驅動該發送裝置3、也即雷射器DC關閉的情況下所測量的第二信號的掃描值。相應的值在與X軸相平行的曲線中用圓形所表示的測量值來示出。為了進行比較，示出了在發送路徑中接通調製裝置5以及高於雷射器閾值來驅動該發送裝置3的情況下的正弦形測量曲線，如圖3所已知的。
[0038]如圖4所示，在斷開該調製裝置5的情況下測量值幾乎對應於沒有串擾時的理想理論值。從而可以總結得出，串擾主要由該調製裝置5引起。從而必須接通該調製裝置5來確定串擾向量。
[0039]圖5現在示出了在未調製的背景光、接通調製裝置5以及低於預給定功率閾值來驅動該發送裝置3情況下該接收信號的掃描值。另外在圖5中還示出了在接通調製裝置5以及高於雷射器閾值來驅動該發送裝置3情況下已經由圖3和圖4所已知的掃描值曲線。兩個曲線相重疊。由此能夠總結得出，串擾向量近似與雷射二極體的DC工作點無關。
[0040]在圖6中重新示出了由圖3、4和5所已知的測量曲線，其中該測量曲線是正弦形的並且是在接通該調製裝置5以及接通發送裝置的情況下所記錄的。另外在圖6中還示出了已校正的測量曲線，該測量曲線近似平行於X軸延伸並幾乎對應於圖3的理論曲線。在此將每個容器的所測量的距離測量掃描值(雷射器DC接通，調製裝置接通)都除以每個容器的校正測量的掃描值(雷射器DC斷開，調製裝置接通)。在此將在距離測量時所記錄的容器I的值除以在校正測量時所記錄的容器I的值。對於其他容器的值也同樣類似地進行。
[0041]最後要注意，諸如「具有」或類似的表述不應排除可以設置其他的元件或步驟。另外還應指出的是，「一個」不應排除多個。另外，結合不同實施方式所述的特徵可以任意地相互組合。另外還應注意，在權利要求中的附圖標記不應解釋為是對權利要求範圍的限制。
【權利要求】
1.用於光學距離測量的測量裝置(I)，該測量裝置(I)具有 發送裝置(3 )，用於向對象(13 )發送第一信號(15); 調製裝置(5)，用於對該第一信號(15)進行調製； 接收裝置(7)，用於探測第二信號(17)； 分析裝置(9)，用於接收並分析該第二信號(17)； 其特徵在於，該測量裝置(I)另外還具有校正裝置(11)，該校正裝置被實施用於在接通該調製裝置(5)並低於可預給定功率閾值來驅動該發送裝置(3)的情況下來校正該測量裝置(I)。
2.根據權利要求1所述的測量裝置(I)， 其中該校正裝置(11)被實施用於在校正該測量裝置(I)時對在該接收裝置(7 )與該調製裝置(5 )之間的串擾和/或在該分析裝置(9 )與該調製裝置(5 )之間的串擾加以考慮。
3.根據權利要求1和2之一所述的測量裝置(I)， 其中該第二信號(17)在校正時具有光學背景輻射； 其中該第二信號(17)在距離測量時具有光學背景輻射以及從該對象(13)所返回的光學輻射。
4.根據權利要求1至3之一所述的測量裝置(I)， 其中該接收裝置(7 )與該分析裝置(9 )相集成地來實施。
5.根據權利要求1至4之一所述的測量裝置(I)， 其中該接收裝置(7)具有雪崩光電二極體或單光子雪崩二極體。
6.根據權利要求1至5之一所述的測量裝置(I)， 其中該發送裝置(3)作為雷射器來實施； 其中該雷射器在校正時低於雷射器閾值而被驅動。
7.根據權利要求1至6之一所述的測量裝置(I)， 其中該校正裝置(11)被實施用於校正該測量裝置(I )，其方式是，由該接收裝置(7)在距離測量期間所探測的第二信號(17)除以在校正測量期間所探測的第二信號(17)。
8.用於校正根據權利要求1至7之一所述的測量裝置(I)的方法，該方法具有以下的步驟 驅動發送裝置(3)以低於可預給定功率閾值的功率來發送第一信號(15)； 驅動調製裝置(5)以調製該發送裝置(3)的第一信號(15)； 藉助接收裝置(7 )來探測第二信號(17 );以及 藉助校正裝置(11)基於該第二信號(17 )來校正該測量裝置(I)。
【文檔編號】G01C3/08GK104303011SQ201380025794
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年3月19日 優先權日:2012年5月18日
【發明者】A.艾澤勒, B.施密特克 申請人:羅伯特·博世有限公司