DE10350489A1 - Optical sensor employs phase shifting as a means to determine the distances of objects - Google Patents
Optical sensor employs phase shifting as a means to determine the distances of objects Download PDFInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor.The The invention relates to an optical sensor.
Derartige optische Sensoren dienen zur Bestimmung von Distanzen von Objekten in einem Überwachungsbereich. Die Distanzbestimmung erfolgt dabei nach der Phasendifferenzmethode. Der optische Sensor weist hierzu einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfäger auf. Zur Durchführung der Phasenmessung wird den Sendelichtstrahlen eine Amplitudenmodulation mit einer vorgegebenen Frequenz aufgeprägt. Die von einem Objekt reflektierten Empfangslichtstrahlen weisen eine entsprechende Amplitudenmodulation auf, jedoch ist diese entsprechend der Lichtlaufzeit von dem optischen Sensor zum Objekt und zurück zum optischen Sensor phasenversetzt zur Amplitudenmodulation der Sendelichtstrahlen. In einer Auswerteeinheit wird die Phasendifferenz der Sendelichtstrahlen und der Empfangslichtstrahlen bestimmt. Aus dieser Phasendifferenz wird dann die Distanz des Objektes zum optischen Sensor berechnet.such Optical sensors are used to determine distances of objects in a surveillance area. The distance determination is carried out according to the phase difference method. The optical sensor has for this purpose a transmitting light beam emitting Transmitter and a receiving light beams receiving receiver. To carry out the phase measurement becomes amplitude modulation to the transmitted light beams imprinted with a given frequency. The reflected from an object Receiving light beams have a corresponding amplitude modulation on, but this is according to the light transit time of the optical Sensor to the object and back to the optical sensor out of phase to the amplitude modulation of Transmitted light beams. In an evaluation unit, the phase difference the transmitted light beams and the received light beams. Out this phase difference then becomes the distance of the object to the optical Sensor calculated.
Aus
der
Die mit dem Sender und Empfänger durchgeführten Distanzmessungen werden jeweils auf eine Referenzmessung bezogen, wobei hierzu die Sendelichtstrahlen über eine optische Referenzstrecke zum Empfänger geführt sind. Die optische Referenzstrecke weist einen optischen Umschalter auf, mittels dessen in einem vorgegebenen Takt die Sendelichtstrahlen zur Durchführung von Referenzmessungen dem Empfänger zugeführt werden.The with the transmitter and receiver conducted Distance measurements are each related to a reference measurement, for this purpose, the transmitted light beams over an optical reference path to the recipient guided are. The optical reference path has an optical switch on, by means of which in a predetermined clock the transmitted light beams to carry out of reference measurements to the receiver supplied become.
Nachteilig hierbei ist der hohe konstruktive Aufwand des optischen Sensors zur Durchführung der Distanzmessung. Insbesondere erfordert die fortlaufend für jede Distanzmessung durchzuführende optische Referenzmessung einen unerwünscht hohen Aufwand.adversely Here is the high design complexity of the optical sensor to carry out the Distance measurement. In particular, it requires continuously for each distance measurement to be performed optical Reference measurement undesirable high effort.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen optischen Sensor der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass mit diesem bei möglichst geringem konstruktiven Aufwand eine genaue Distanzbestimmung ermöglicht wird.Of the Invention is the object of an optical sensor of the aforementioned type such that with this at as low as possible constructive effort an accurate distance determination is made possible.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.to solution This object, the features of claim 1 are provided. advantageous embodiments and appropriate training The invention are described in the subclaims.
Der erfindungsgemäße optische Sensor dient zur Bestimmung von Distanzen von Objekten in einem Überwachungsbereich und weist einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender auf. Ebenso umfasst der optische Sensor eine Modulationseinheit, mittels derer die Sendelichtstrahlen amplitudenmoduliert werden. Weiterhin weist der erfindungsgemäße optische Sensor einen Empfänger zum Empfang der als Empfangslichtstrahlen von einem Objekt zurückreflektierten Sendelichtstrahlen sowie eine Auswerteeinheit auf, in welcher die Phasenverschiebung der Sendelichtstrahlen und der Empfangslichtstrahlen als Maß für die Objektdistanz bestimmt wird. Der erfindungsgemäße optische Sensor umfasst schließlich eine elektrische Referenzstrecke zur Genenerung eines Referenzphasenbezugs für die in der Auswerteeinheit registrierten Phasenverschiebungen.Of the according to the invention optical Sensor is used to determine distances of objects in a surveillance area and has a transmitter emitting light-emitting emitters. Likewise includes the optical sensor is a modulation unit, by means of which the transmitted light beams be amplitude modulated. Furthermore, the inventive optical Sensor a receiver for receiving the reflected as received light beams from an object Transmitted light rays and an evaluation unit, in which the Phase shift of the transmitted light beams and the received light beams as a measure of the object distance is determined. The inventive optical Sensor finally includes an electrical reference path for generating a reference phase reference for the in the evaluation registered phase shifts.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen optischen Sensors besteht darin, dass durch die elektrische Referenzierung der Phasenmessung optische Bauelemente zur Ausbildung einer optischen Referenzstrecke und damit notwendige Mittel zur elektrooptischen Wandlung von Signalen zur Durchführung einer Referenzmessung entfallen.One significant advantage of the optical sensor according to the invention consists in that by the electrical referencing of the phase measurement optical components to form an optical reference path and thus necessary Means for electro-optical conversion of signals for carrying out a Reference measurement omitted.
Mit der erfindungsgemäßen elektrischen Referenzierung wird somit eine erhebliche Bauteilreduzierung und damit eine entsprechende Kostenreduzierung bei der Herstellung des optischen Sensors erzielt.With the electrical according to the invention Referencing will thus be a significant component reduction and thus a corresponding cost reduction in the production of the achieved optical sensor.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform werden zur Durchführung der Phasenmessung die Sendelichtstrahlen und damit auch die von einem Objekt zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen mit einer hochfrequenten, typischerweise im MHz-Bereich liegenden Modulationsfrequenz f1 amplitudenmoduliert. Hierzu wird ein erster Frequenzgenerator eingesetzt. Mittels eines zweiten Frequenzgenerators wird ein Taktsignal bei einer Frequenz f2 generiert, wobei diese Frequenz bezüglich der Frequenz f1 um eine Zwischenfrequenz Δf verschoben ist, wobei diese Zwischenfrequenz Δf typischerweise im kHz-Bereich liegt. Die durch die auftreffenden Empfangslichtstrahlen im Empfänger generierten, mit der Modulationsfrequenz f1 modulierten Empfangssignale werden mit dem Taktsignal gemischt, wodurch ein Messsignal bei der Zwischenfrequenz Δf generiert wird.In a particularly advantageous embodiment, to carry out the phase measurement, the transmitted light beams and thus also the received light beams reflected back from an object are amplitude-modulated with a high-frequency modulation frequency f 1 , typically in the MHz range. For this purpose, a first frequency generator is used. By means of a second frequency generator, a clock signal is generated at a frequency f 2 , wherein this frequency is shifted with respect to the frequency f 1 by an intermediate frequency .DELTA.f, wherein this intermediate frequency .DELTA.f is typically in the kHz range. The received signals modulated by the incident receiving light beams in the receiver and modulated with the modulation frequency f 1 are mixed with the clock signal, thereby generating a measuring signal at the intermediate frequency Δf.
In diesem Fall besteht die elektrische Referenzstrecke im Wesentlichen aus einem Mischer, in welchem ein in dem ersten Frequenzgenerator generiertes Frequenzsignal mit der Frequenz f1 mit dem Taktsignal mit der Frequenz f2 gemischt wird. Dadurch wird ein Referenzsignal mit der Zwischenfrequenz Δf generiert, welches zur Referenzierung des Messsignals mit diesem in die Auswerteeinheit des optischen Sensors eingelesen wird.In this case, the electrical reference path essentially consists of a mixer in which a gene in the first frequency generator riertes frequency signal having the frequency f 1 to the clock signal having the frequency f 2 is mixed. As a result, a reference signal with the intermediate frequency .DELTA.f is generated, which is read in to the evaluation unit of the optical sensor for referencing the measurement signal.
Die so ausgebildete elektrische Referenzstrecke weist einen äußerst einfachen und kostengünstigen Aufbau auf. Da das Referenzsignal aus den selben Frequenzen f1 und f2 generiert wird, welche auch zur Generierung des Messsignals verwendet werden, werden zudem Fehler aufgrund eines Driftens bei der Erzeugung der Frequenzen f1 und f2 eliminiert.The thus formed electrical reference path has an extremely simple and inexpensive construction. Since the reference signal is generated from the same frequencies f 1 and f 2 , which are also used to generate the measurement signal, also errors due to drifting in the generation of the frequencies f 1 and f 2 are eliminated.
Die Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The The invention will be explained below with reference to the drawings. It demonstrate:
Zur
Durchführung
der Phasenmessung wird den Sendelichtstrahlen
Wie
aus
Der
erste und zweite Frequenzgenerator
Durch
Teilung der Grundfrequenz f0 des Oszillators
Der
zweite Frequenzgenerator
Das
im zweiten Frequenzgenerator
In
einer alternativen Ausführungsform
kann der Empfänger
Im
vorliegenden Fall wird zur Generierung des Messsignals M eine Frequenz
f1 zur Modulation der Sendelichtstrahlen
Zur
Referenzierung des Messsignals M weist der optische Sensor
In
dem Analog-Digital-Wandler
Da
somit sämtliche
Frequenzen f1, f2,
fV und fA von derselben
Grundfrequenz f0 des Oszillators
Im vorliegenden Fall sind die Frequenzen fV und fA identisch gewählt. Prinzipiell kann die Frequenz fA ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz fA sein.In the present case, the frequencies f V and f A are chosen identical. In principle, the frequency f A can be an integer multiple of the frequency f A.
In
dem Analog-Digital-Wandler
Dementsprechend ergibt sich die Phasenverschiebung φ gemäß der Beziehung Accordingly, the phase shift φ is given according to the relationship
Um
aus dem sinusförmigen
Verlauf des Messsignals M die Phasenverschiebung φ zu erhalten,
wird diese Beziehung ausgenutzt und dementsprechend werden vier
um jeweils 90° versetzte
Abtastwerte definiert, mit welchen die Phasenverschiebung φ ermittelt
werden kann. Wie in
Wie
aus dem Vergleich mit dem Zeigerdiagramm in
Dementsprechend
errechnet sich die Phasendifferenz φ aus den Abtastwerten U(0),
U(1), U(2), U(3) gemäß der Beziehung
Prinzipiell könnte die Phasenverschiebung φ auch nur mit zwei um 90° versetzten Abtastwerten innerhalb einer Periode des Messsignals M berechnet werden. Durch die Abtastung mit vier Abtastwerten ist jedoch gewährleistet, dass DC-Pegelschwankungen des sinusförmigen Messsignals M nicht zu Fehlern in der Bestimmung der Phasendifferenz führen.in principle could the phase shift φ too only with two offset by 90 ° Samples within a period of the measurement signal M are calculated. However, four sample sampling ensures that that DC level fluctuations of the sinusoidal measurement signal M not lead to errors in the determination of the phase difference.
Durch die gewählte Symmetrie der vier über die Periode des Messsignals M jeweils um 90° versetzten vier Abtastwerte wird zudem erreicht, dass die Phasenverschiebung φ exakt auch dann bestimmt wird, wenn dem idealen sinusförmigen Messsignal M als Grundwelle harmonische Oberschwingungen geradzahliger Ordnung überlagert sind.By the chosen one Symmetry of the four over the Period of the measurement signal M each offset by 90 ° four samples is also achieved that the phase shift φ exactly is then determined when the ideal sinusoidal measurement signal M as the fundamental wave superimposed harmonic harmonics of even order are.
Damit
wird durch die Abtastung gemäß
Um
auch Effekte von Oberwellen ungeradzahliger Ordnungen systematisch
zu eliminieren, kann das Messsignal M nicht nur wie in
- (1)(1)
- Optischer Sensoroptical sensor
- (2)(2)
- Objektobject
- (3)(3)
- SendelichtstrahlenTransmitted light beams
- (4)(4)
- Sendertransmitter
- (5)(5)
- EmpfangslichtstrahlenReceiving light rays
- (6)(6)
- Empfängerreceiver
- (7)(7)
- Widerstandresistance
- (8)(8th)
- Oszillatoroscillator
- (9)(9)
- Frequenzgeneratorfrequency generator
- (10)(10)
- Frequenzgeneratorfrequency generator
- (11)(11)
- Kondensatorcapacitor
- (12)(12)
- Kondensatorcapacitor
- (13)(13)
- TiefpassfilterLow Pass Filter
- (14)(14)
- Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
- (15)(15)
- Rechnereinheitcomputer unit
- (16)(16)
- Mischermixer
- (17)(17)
- TiefpassfilterLow Pass Filter
- S1S1
- Steuerleitungcontrol line
- S2S2
- Steuerleitungcontrol line
Claims (21)
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| DE10350489A DE10350489B4 (en) | 2003-10-29 | 2003-10-29 | Optical sensor |
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| DE10350489B4 DE10350489B4 (en) | 2005-10-13 |
Family
ID=34529876
Family Applications (1)
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| DE10350489A Revoked DE10350489B4 (en) | 2003-10-29 | 2003-10-29 | Optical sensor |
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|---|---|
| DE (1) | DE10350489B4 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007054535A1 (en) * | 2005-11-14 | 2007-05-18 | Robert Bosch Gmbh | Distance-measuring device and method for determining a distance |
| WO2007085382A1 (en) * | 2006-01-24 | 2007-08-02 | Mechaless Systems Gmbh | Method for measuring the transit time of light |
| DE102009035337A1 (en) * | 2009-07-22 | 2011-01-27 | Faro Technologies, Inc., Lake Mary | Method for optically scanning and measuring an object |
| DE102016214167A1 (en) * | 2016-08-01 | 2018-02-01 | Ifm Electronic Gmbh | Time of flight camera system |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP2680034B1 (en) * | 2012-06-26 | 2014-09-10 | Sick Ag | Capteur optoélectronique et procédé destiné à la mesure d'éloignement dýobjets |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CH333562A (en) * | 1954-08-28 | 1958-10-31 | Arne Prof Bjerhammar | Procedure and arrangement for distance measurement |
| DE4002356C1 (en) * | 1990-01-26 | 1991-02-28 | Erwin Sick Gmbh Optik-Elektronik, 7808 Waldkirch, De | |
| DE19643287A1 (en) * | 1996-10-21 | 1998-04-23 | Leica Ag | Method and device for calibrating distance measuring devices |
| DE19811550C2 (en) * | 1998-03-18 | 2002-06-27 | Bosch Gmbh Robert | Method and circuit arrangement for generating frequency signals |
-
2003
- 2003-10-29 DE DE10350489A patent/DE10350489B4/en not_active Revoked
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CH333562A (en) * | 1954-08-28 | 1958-10-31 | Arne Prof Bjerhammar | Procedure and arrangement for distance measurement |
| DE4002356C1 (en) * | 1990-01-26 | 1991-02-28 | Erwin Sick Gmbh Optik-Elektronik, 7808 Waldkirch, De | |
| DE19643287A1 (en) * | 1996-10-21 | 1998-04-23 | Leica Ag | Method and device for calibrating distance measuring devices |
| DE19811550C2 (en) * | 1998-03-18 | 2002-06-27 | Bosch Gmbh Robert | Method and circuit arrangement for generating frequency signals |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2007054535A1 (en) * | 2005-11-14 | 2007-05-18 | Robert Bosch Gmbh | Distance-measuring device and method for determining a distance |
| US7982860B2 (en) | 2005-11-14 | 2011-07-19 | Robert Bosch Gmbh | Distance measuring device and method for determining a distance |
| WO2007085382A1 (en) * | 2006-01-24 | 2007-08-02 | Mechaless Systems Gmbh | Method for measuring the transit time of light |
| US8643827B2 (en) | 2006-01-24 | 2014-02-04 | Mechaless Systems Gmbh | Method for measuring the propagation time of light |
| DE102009035337A1 (en) * | 2009-07-22 | 2011-01-27 | Faro Technologies, Inc., Lake Mary | Method for optically scanning and measuring an object |
| DE102016214167A1 (en) * | 2016-08-01 | 2018-02-01 | Ifm Electronic Gmbh | Time of flight camera system |
| DE102016214167B4 (en) * | 2016-08-01 | 2021-07-01 | Ifm Electronic Gmbh | Time of flight camera system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| DE10350489B4 (en) | 2005-10-13 |
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