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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 PDF

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DE10350489A1
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Tilo Wolf
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Leuze Electronic GmbH and Co KG
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Abstract

The invention concerns an optical sensor (1) to determine the distances of objects (2) in a surveillance area. The optical sensor employs a transmitter (4), which emits light beams, an amplitude modulation unit, a receiver (6), which receives the light beams (5) reflected by the objects and a data interpretation assembly, which determines the phase shift of the emitted light beams to the received light beams as a measure for the distance of the object. Furthermore, an electrical reference distance is introduced to generate a reference-phase reference for the registered phase shifts in the data interpretation assembly.

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 DE 198 11 550 A1 ist ein derartiger nach der Phasendifferenzmethode arbeitender optischer Sensor bekannt. Dieser optische Sensor weist eine aus digitalen Schaltungskomponenten bestehende Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Frequenzsignalen auf, die zur Durchführung der Phasenmessung benötigt werden.From the DE 198 11 550 A1 For example, such an optical sensor operating according to the phase difference method is known. This optical sensor has an existing digital circuit components circuit arrangement for generating frequency signals that are needed to perform the phase measurement.

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:

1: Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Sensors. 1 : Block diagram of an embodiment of the optical sensor according to the invention.

2: Zeitlicher Verlauf des im optischen Sensor gemäß 1 generierten Messsignals und Referenzsignals. 2 : Time course of the optical sensor according to 1 generated measurement signal and reference signal.

3: Schematische Darstellung der Ermittlung der Phasenverschiebung des Messsignals gemäß 2. 3 : Schematic representation of the determination of the phase shift of the measurement signal according to 2 ,

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines nach dem Phasenmessprinzip arbeitenden optischen Sensors 1 zur Bestimmung von Distanzen von Objekten 2 innerhalb eines Überwachungsbereichs. Der optische Sensor 1 weist einen Sendelichtstrahlen 3 emittierenden Sender 4 sowie einen Empfangslichtstrahlen 5 empfangenden Empfänger 6 auf. Der Sender 4 besteht aus einer Laserdiode, die an einer Spannung Ud liegt und mit einem Strom Id gespeist wird. Der Empfänger 6 besteht im vorliegenden Fall aus einer Avalanche-Fotodiode, die an einem Widerstand 7 angeschlossen ist und mit einer Spannung Ur versorgt wird. 1 shows an embodiment of an operating according to the phase measurement principle optical sensor 1 for determining distances of objects 2 within a surveillance area. The optical sensor 1 has a transmitted light rays 3 emissive transmitter 4 and a receiving light beams 5 receiving recipient 6 on. The transmitter 4 consists of a laser diode, which is connected to a voltage U d and is supplied with a current I d . The recipient 6 in the present case consists of an avalanche photodiode connected to a resistor 7 is connected and supplied with a voltage U r .

Zur Durchführung der Phasenmessung wird den Sendelichtstrahlen 3 eine Amplitudenmodulation mit einer Frequenz f1 aufgeprägt. Die von einem Objekt 2 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 5 weisen eine Amplitudenmodulation mit derselben Frequenz f1 auf. Entsprechend der Objektdistanz des jeweiligen Objekts 2 weisen die am Empfänger 6 auftreffenden Empfangslichtstrahlen 5 eine Phasenverschiebung φ bezüglich den vom Sender 4 emittierten Sende lichtstrahlen 3 auf. Aus dieser Phasenverschiebung φ wird die Objektdistanz berechnet und als Ausgabegröße vom optischen Sensor 1 ausgegeben.To carry out the phase measurement becomes the transmitted light beams 3 imprinted an amplitude modulation with a frequency f 1 . The of an object 2 reflected back receive light beams 5 have an amplitude modulation with the same frequency f 1 . According to the object distance of the respective object 2 show those at the receiver 6 incident receiving light beams 5 a phase shift φ with respect to that of the transmitter 4 emitted transmitted light beams 3 on. From this phase shift φ, the object distance is calculated and as the output from the optical sensor 1 output.

Wie aus 1 ersichtlich, weist der optische Sensor 1 einen an einen Oszillator 8 angeschlossenen ersten Frequenzgenerator 9 auf, der die Modulationseinheit zur Modulation der Sendelichtstrahlen 3 bildet. Weiterhin ist an den Oszillator 8 ein zweiter Frequenzgenerator 10 angeschlossen.How out 1 can be seen, the optical sensor 1 one to an oscillator 8th connected first frequency generator 9 on, the modulation unit for the modulation of the transmitted light beams 3 forms. Furthermore, to the oscillator 8th a second frequency generator 10 connected.

Der erste und zweite Frequenzgenerator 9, 10 bestehen aus digitalen Bauelementen und weisen einen im Wesentlichen entsprechenden Aufbau auf. Insbesondere sind in den Frequenzgeneratoren 9, 10 Teiler integriert, mittels derer durch Teilung der in dem Oszillator 8 generierten Grundfrequenz f0 definierte und einen eindeutigen Bezug zu dieser Grundfrequenz f0 aufweisende Frequenzsignale generiert werden.The first and second frequency generator 9 . 10 consist of digital components and have a substantially corresponding structure. In particular, in the frequency generators 9 . 10 Dividers integrated, by means of which by dividing the in the oscillator 8th generated fundamental frequency f 0 defined and a unique reference to this fundamental frequency f 0 having frequency signals are generated.

Durch Teilung der Grundfrequenz f0 des Oszillators 8 wird im ersten Frequenzgenerator 9 ein Frequenzsignal mit der Frequenz f1 generiert. Dieses Frequenzsignal wird zur Modulation der Sendelichtstrahlen 3 über einen Kondensator 11 in den Sender 4 eingespeist.By dividing the fundamental frequency f 0 of the oscillator 8th is in the first frequency generator 9 generates a frequency signal with the frequency f 1 . This frequency signal becomes the modulation of the transmitted light beams 3 over a capacitor 11 in the transmitter 4 fed.

Der zweite Frequenzgenerator 10 ist über eine Steuerleitung S1 mit dem ersten Frequenzgenerator 9 verbunden. Über diese Steuerleitung S1 wird ein im ersten Frequenzgenerator 9 generiertes Frequenzsignal mit der Frequenz fV in den zweiten Frequenzgenerator 10 eingelesen. Die Frequenz fV gibt einen Takt vor, mittels dessen das Frequenzsignal f1 weitergeschaltet, wodurch das Taktsignal mit der Frequenz f2 generiert wird. Dabei nimmt die Frequenz f2 den Wert f2 = f1 + Δf an, das heißt die Frequenz f2 ist bezüglich der Frequenz f1 von einer Zwischenfrequenz Δf verschoben.The second frequency generator 10 is via a control line S1 with the first frequency generator 9 connected. About this control line S1 is a in the first frequency generator 9 generated frequency signal with the frequency f V in the second frequency generator 10 read. The frequency f V specifies a clock by means of which the frequency signal f 1 is switched on, as a result of which the clock signal with the frequency f 2 is generated. In this case, the frequency f 2 assumes the value f 2 = f 1 + Δf, that is, the frequency f 2 is shifted with respect to the frequency f 1 of an intermediate frequency .DELTA.f.

Das im zweiten Frequenzgenerator 10 generierte Taktsignal mit der Frequenz f2 wird über einen weiteren Kondensator 12 in den Empfänger 6 eingekoppelt. In den als Avalanche-Fotodiode ausgebildeten Empfänger 6 erfolgt somit eine Mischung der durch die Empfangslichtstrahlen 5 generierten Empfangssignale, die mit der Frequenz f1 moduliert sind, und des Taktsignals mit der Frequenz f2. Durch diese Signalmischung und eine anschließende Filterung in einem dem Empfänger 6 nachgeordneten Tiefpassfilter 13 wird ein niederfrequentes Messsignal M mit der Zwischenfrequenz Δf generiert, welches die Phasenverschiebung φ der Sendelichtstrahlen 3 und der Empfangslichtstrahlen 5 und damit die Information über die Objektdistanz enthält. Zur Auswertung des Messsignals M wird dieses über eine nicht dargestellte Verstärkerstufe in eine Auswerteeinheit eingelesen. Die Auswerteeinheit besteht im vorliegenden Fall aus einem Analog-Digital-Wandler 14 und einer nachgeordneten Rechnereinheit 15, welche von einem Microcontroller oder dergleichen gebildet ist.That in the second frequency generator 10 generated clock signal with the frequency f 2 is via another capacitor 12 in the receiver 6 coupled. In the trained as an avalanche photodiode receiver 6 Thus, a mixture of the received by the light beams 5 generated receive signals, which are modulated at the frequency f 1 , and the clock signal at the frequency f 2 . Through this signal mixing and subsequent filtering in a receiver 6 downstream low-pass filter 13 a low-frequency measurement signal M is generated with the intermediate frequency .DELTA.f, which is the phase shift φ of the transmitted light beams 3 and the receiving light beams 5 and thus contains the information about the object distance. To evaluate the measurement signal M, this is read into an evaluation unit via an amplifier stage (not shown). The evaluation unit consists in the present case of an analog-to-digital converter 14 and a downstream computer unit 15 , which is formed by a microcontroller or the like.

In einer alternativen Ausführungsform kann der Empfänger 6 von einer PIN-Diode gebildet sein. In diesem Fall erfolgt die Mischung der Empfangssignale und des Taktsignals in einem nicht dargestellten, separaten Mischer, der dem Empfänger 6 nachgeordnet ist.In an alternative embodiment can the recipient 6 be formed by a PIN diode. In this case, the mixing of the received signals and the clock signal takes place in a separate mixer (not shown) belonging to the receiver 6 is subordinate.

Im vorliegenden Fall wird zur Generierung des Messsignals M eine Frequenz f1 zur Modulation der Sendelichtstrahlen 3 sowie ein zugeordnetes Taktsignal mit der Frequenz f2 verwendet. Zur Erhöhung des Eindeutigkeitsbereichs der Phasenmessung und damit des Distanzmessbereichs des optischen Sensors 1 können die Sendelichtstrahlen 3 auch mit mehreren verschiedenen Modulationsfrequenzen moduliert werden, wobei dann jeder Modulationsfrequenz ein separates Taktsignal zugeordnet ist.In the present case, to generate the measurement signal M, a frequency f 1 for the modulation of the transmitted light beams 3 and an associated clock signal having the frequency f 2 used. To increase the uniqueness range of the phase measurement and thus the distance measuring range of the optical sensor 1 can the transmitted light beams 3 be modulated with several different modulation frequencies, in which case each modulation frequency is assigned a separate clock signal.

Zur Referenzierung des Messsignals M weist der optische Sensor 1 eine elektrische Referenzstrecke auf. Die elektrische Referenzstrecke weist einen Mischer 16 auf, auf welchen das im ersten Frequenzgenerator 9 generierte Frequenzsignal mit der Frequenz f1 sowie das Taktsignal mit der Frequenz f2 geführt sind. Durch Mischen dieser beiden Signale im Mischer 16 und eine an schließende Filterung in einem dem Mischer 16 nachgeordneten Tiefpassfilter 17, welches ebenfalls Bestandteil der elektrischen Referenzstrecke ist, wird ein Referenzsignal R mit der Zwischenfrequenz Δf generiert. Dieses Referenzsignal R wird zur Referenzierung des Messsignals M in den Analog-Digital-Wandler 14 eingelesen. Dem Tiefpassfilter 17 kann prinzipiell eine nicht dargestellte Verstärkerstufe zur Verstärkung des Referenzsignals R nachgeordnet sein.For referencing the measurement signal M, the optical sensor 1 an electrical reference path. The electrical reference path has a mixer 16 on which in the first frequency generator 9 generated frequency signal with the frequency f 1 and the clock signal with the frequency f 2 are performed. By mixing these two signals in the mixer 16 and a subsequent filtering in a mixer 16 downstream low-pass filter 17 , which is also part of the electrical reference path, a reference signal R is generated at the intermediate frequency .DELTA.f. This reference signal R is used for referencing the measurement signal M in the analog-to-digital converter 14 read. The low pass filter 17 can in principle be followed by an amplifier stage, not shown, for amplifying the reference signal R.

In dem Analog-Digital-Wandler 14 erfolgt eine Abtastung und digitale Quantisierung des Messsignals M und des Referenzsignals R. Dabei ist der Analog-Digital-Wandler 14 über eine weitere Steuerleitung S2 an den zweiten Frequenzgenerator 10 angeschlossen. Ein im zweiten Frequenzgenerator 10 generiertes Frequenzsignal mit der Frequenz fA wird über diese Steuerleitung S2 in den Analog-Digital-Wandler 14 eingelesen. Die Frequenz fA, die wiederum von der Grundfrequenz f0 des Oszillators 8 abgeleitet ist, gibt die Abtastfrequenz bei der Abtastung des Messsignals M und des Referenzsignals R vor.In the analog-to-digital converter 14 there is a sampling and digital quantization of the measurement signal M and the reference signal R. This is the analog-to-digital converter 14 via a further control line S2 to the second frequency generator 10 connected. One in the second frequency generator 10 generated frequency signal with the frequency f A is via this control line S2 in the analog-to-digital converter 14 read. The frequency f A , in turn, from the fundamental frequency f 0 of the oscillator 8th is derived, predetermines the sampling frequency in the sampling of the measurement signal M and the reference signal R.

Da somit sämtliche Frequenzen f1, f2, fV und fA von derselben Grundfrequenz f0 des Oszillators 8 abgeleitet sind, wird ein definierter Bezug des Messsignals M zum Referenzsignal R erhalten, so dass ein eindeutiger Bezugspunkt bei der Referenzierung des Messsignals M auf das Referenzsignal R gegeben ist.Since thus all frequencies f 1 , f 2 , f V and f A of the same fundamental frequency f 0 of the oscillator 8th are derived, a defined reference of the measurement signal M to the reference signal R is obtained, so that a unique reference point in the referencing of the measurement signal M is given to the reference signal R.

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.

2 zeigt den zeitlichen Verlauf des Messsignals M und des Referenzsignals R. Das Messsignal M sowie das Referenzsignal R, welches durch die Mischung von Signalen mit den Frequenzen f1 und f2 und nachfolgende Tiefpassfilterung generiert wurden, weisen jeweils einen sinusförmigen Verlauf auf. Wie in 2 dargestellt, weist das Messsignal M die Phasenverschiebung φ auf, welche ein Maß für die jeweilige Objektdistanz bildet. Als Bezugspunkt für die Phasenverschiebung φ des Messsignals M dient das Referenzsignal R. 2 shows the time course of the measurement signal M and the reference signal R. The measurement signal M and the reference signal R, which were generated by the mixture of signals with the frequencies f 1 and f 2 and subsequent low-pass filtering, each have a sinusoidal shape. As in 2 illustrated, the measurement signal M, the phase shift φ, which forms a measure of the respective object distance. The reference signal R serves as a reference point for the phase shift φ of the measuring signal M.

In dem Analog-Digital-Wandler 14 wird durch Mehrfachabtastung des Amplitudenverlaufs des sinusförmigen Messsignals M die Phasenverschiebung φ des Messsignals M ermittelt, wonach aus der Phasenverschiebung φ in der Rechnereinheit 15 der jeweilige Distanzwert errechnet und über einen nicht dargestellten Ausgang des optischen Sensors 1 als Ausgabegröße ausgegeben wird.In the analog-to-digital converter 14 the phase shift φ of the measuring signal M is determined by multiple sampling of the amplitude curve of the sinusoidal measuring signal M, whereafter the phase shift φ in the computer unit 15 the respective distance value is calculated and via an output, not shown, of the optical sensor 1 is output as the output size.

3 zeigt schematisch die Abtastung einer Periode des sinusförmigen Messsignals M mit einer Abtastgruppe mit vier Abtastwerten. Generell wird die Anzahl der Abtastwerte innerhalb einer Periode des Messsignals M durch die Abtastfrequenz fA bestimmt. Das rechte Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf des sinusförmigen Messsignals M mit der Phasenverschiebung φ. Die Amplitude des Messsignals M ist dabei mit U bezeichnet. Das linke Diagramm stellt das entsprechende Zeigerdiagramm für das Messsignal M in der komplexen Ebene dar, wobei Im den Imaginärteil und Re den Realteil der entsprechenden komplexen Funktion für das Messsignal M bildet. Dass das sinusförmige Messsignal M um die Phasenverschiebung φ bezüglich des Nullpunkts als Bezugspunkt verschoben ist, ergibt sich durch dieselbe Phasenverschiebung φ in der komplexen Funktion Z im Zeigerdiagramm gemäß der Beziehung Z = |Z| e–jφ wobei j = √–1. 3 schematically shows the sampling of a period of the sinusoidal measuring signal M with a sampling group with four samples. In general, the number of samples within a period of the measurement signal M is determined by the sampling frequency f A. The right diagram shows the time course of the sinusoidal measurement signal M with the phase shift φ. The amplitude of the measurement signal M is designated by U. The left diagram represents the corresponding vector diagram for the measurement signal M in the complex plane, where Im forms the imaginary part and Re the real part of the corresponding complex function for the measurement signal M. The fact that the sinusoidal measurement signal M is shifted by the phase shift φ with respect to the zero point as a reference point, results from the same phase shift φ in the complex function Z in the vector diagram according to the relationship Z = | Z | e -jφ where j = √ -1 ,

Dementsprechend ergibt sich die Phasenverschiebung φ gemäß der Beziehung

Figure 00080001
Accordingly, the phase shift φ is given according to the relationship
Figure 00080001

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 3 (rechtes Diagramm) dargestellt sind die vier Abtastwerte durch die Amplitudenwerte U(0), U(1), U(2), U(3) definiert, wobei diese Amplitudenwerte jeweils um 90° zueinander versetzt innerhalb einer Periode des Messsignals M liegen.In order to obtain the phase shift φ from the sinusoidal profile of the measurement signal M, this relationship is utilized and accordingly four samples offset by 90 ° in each case are defined with which the phase shift φ can be determined. As in 3 (right diagram), the four samples are represented by the amplitude values U (0), U (1), U (2), U (3) de Finished, these amplitude values are offset by 90 ° to each other within a period of the measurement signal M.

Wie aus dem Vergleich mit dem Zeigerdiagramm in 3 folgt, stellt die Differenz D1 = ½ (U(1) – U(3)) den Realteil und die Differenz D2 = ½ (U(0) – U(2)) den Imaginärteil der komplexen Funktion des Zeigerdiagramms dar.As from the comparison with the phasor diagram in 3 follows, the difference D 1 = ½ (U (1) - U (3)) represents the real part and the difference D 2 = ½ (U (0) - U (2)) represents the imaginary part of the complex function of the phasor diagram.

Dementsprechend errechnet sich die Phasendifferenz φ aus den Abtastwerten U(0), U(1), U(2), U(3) gemäß der Beziehung φ = arc tan [(U(0) – U(2))/( U(1) – U(3))] Accordingly, the phase difference φ is calculated from the samples U (0), U (1), U (2), U (3) according to the relationship φ = arc tan [(U (0) -U (2)) / (U (1) -U (3))]

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 3 erreicht, dass DC-Pegelschwankungen und Verzerrungen des Messsignals M gegenüber dem ide alen sinusförmigen Verlauf durch Überlagerungen mit Oberschwingungen geradzahliger Ordnung nicht zu einem systematischen Messfehler bei der Bestimmung der Phasenverschiebung φ führen.This is determined by the sampling according to 3 achieved that DC level fluctuations and distortions of the measured signal M with respect to the ide alen sinusoidal course by overlays with harmonics even order not lead to a systematic measurement error in the determination of the phase shift φ.

Um auch Effekte von Oberwellen ungeradzahliger Ordnungen systematisch zu eliminieren, kann das Messsignal M nicht nur wie in 3 dargestellt mit einer Abtastgruppe, sondern mit mehreren Abtastgruppen abgetastet werden. In diesem Fall ist die Abtastfrequenz fA erhöht und beträgt ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz fV.In order to also systematically eliminate effects of harmonics of odd orders, the measurement signal M can not only be used as in 3 are scanned with a scanning group, but scanned with multiple scanning groups. In this case, the sampling frequency f A is increased and is an integer multiple of the frequency f V.

(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)

Optischer Sensor zur Bestimmung von Distanzen von Objekten in einem Überwachungsbereich, mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, mit einer Modulationseinheit, mittels derer die Sendelichtstrahlen amplitudenmoduliert werden, mit einem Empfänger zum Empfang der als Empfangslichtstrahlen von einem Objekt zurückreflektierten Sendelichtstrahlen und mit einer Auswerteeinheit, in welcher die Phasenverschiebung der Sendelichtstrahlen und der Empfangslichtstrahlen als Maß für die Objektdistanz bestimmt wird, gekennzeichnet durch eine elektrische Referenzstrecke zur Generierung eines Referenzphasenbezugs für die in der Auswerteeinheit registrierten Phasenverschiebungen (φ).Optical sensor for the determination of distances objects in a surveillance area, with a transmitter emitting light emitting emitter, having a modulation unit, by means of which the transmitted light beams are amplitude-modulated, with a receiver for receiving the reflected as received light beams from an object Transmitted light beams and with 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, characterized by an electrical reference path for generating a reference phase reference for those in the evaluation unit registered phase shifts (φ). Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinheit einen ersten Frequenzgenerator (9) zur Generierung einer Modulationsfrequenz (f1) aufweist, mit welcher die Sendelichtstrahlen (3) amplitudenmoduliert sind, dass mittels eines zweiten Frequenzgenerators (10) ein Taktsignal mit einer Modulationsfrequenz (f2) generiert wird, welche um eine Zwischenfrequenz (Δf) bezüglich der Modulationsfrequenz (f1) verschoben ist, und dass durch Mischen des Taktsignals mit den im Empfänger (6) durch die auftreffenden Empfangslichtstrahlen (5) erzeugten Empfangssignalen ein die Phasenverschiebungen (φ) der Sendelichtstrahlen (3) und der Empfangslichtstrahlen (5) enthaltendes Messsignal (M) mit der Frequenz (Δf) generiert wird, welches in der Auswerteeinheit zur Bestimmung der Objektdistanzen ausgewertet wird.Optical sensor according to claim 1, characterized in that the modulation unit comprises a first frequency generator ( 9 ) for generating a modulation frequency (f 1 ), with which the transmitted light beams ( 3 ) are amplitude modulated that by means of a second frequency generator ( 10 ) a clock signal having a modulation frequency (f 2 ) is generated, which is shifted by an intermediate frequency (Δf) with respect to the modulation frequency (f 1 ), and that by mixing the clock signal with that in the receiver ( 6 ) by the incident received light beams ( 5 ) received signals the phase shifts (φ) of the transmitted light beams ( 3 ) and the received light beams ( 5 ) containing the frequency (.DELTA.f) is generated, which is evaluated in the evaluation unit for determining the object distances. Optischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Referenzstrecke einen Mischer (16) aufweist, welchem ein im ersten Frequenzgenerator (9) erzeugtes Frequenzsignal mit der Frequenz (f1) und das im zweiten Frequenzgenerator (10) generierte Taktsignal (f2) zur Generierung eines Referenzsignals (R) zugeführt werden.Optical sensor according to claim 2, characterized in that the electrical reference path is a mixer ( 16 ), in which a in the first frequency generator ( 9 ) generated frequency signal with the frequency (f 1 ) and in the second frequency generator ( 10 ) Generated clock signal (f 2 ) for generating a reference signal (R) are supplied. Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal (R) zur Referenzierung des Messsignals (M) in die Auswerteeinheit eingelesen wird.Optical sensor according to claim 3, characterized the reference signal (R) is used to refer the measuring signal (M) is read into the evaluation unit. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Referenzstrecke ein dem Mischer (16) nachgeordnetes Tiefpassfilter (17) aufweist.Optical sensor according to one of claims 3 or 4, characterized in that the electrical Reference distance to the mixer ( 16 ) downstream low-pass filter ( 17 ) having. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2–5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Empfänger (6) eine Mischung des Taktsignals und der Empfangssignale zur Generierung des Messsignals (M) erfolgt.Optical sensor according to one of claims 2-5, characterized in that in the receiver ( 6 ) a mixture of the clock signal and the received signals for generating the measurement signal (M) takes place. Optischer Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (6) von einer Avalanche-Fotodiode gebildet ist.Optical sensor according to claim 6, characterized in that the receiver ( 6 ) is formed by an avalanche photodiode. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung des Taktsignals und der Empfangssignale zur Generierung des Messsignals (M) in einem dem Empfänger (6) nachgeordneten Mischer (16) erfolgt.Optical sensor according to one of claims 2-6, characterized in that the mixture of the clock signal and the received signals for generating the measuring signal (M) in a the receiver ( 6 ) downstream mixer ( 16 ) he follows. Optischer Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (6) von einer PIN-Diode gebildet ist.Optical sensor according to claim 8, characterized in that the receiver ( 6 ) is formed by a PIN diode. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 6–9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Empfänger (6) oder dem Mischer (16) ein Tiefpassfilter (13) nachgeordnet ist.Optical sensor according to one of claims 6-9, characterized in that the receiver ( 6 ) or the mixer ( 16 ) a low-pass filter ( 13 ) is subordinate. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationseinheit mit dem ersten Frequenzgenerator (9) und der zweite Frequenzgenerator (10) aus digitalen Bauelementen bestehen.Optical sensor according to one of claims 2-10, characterized in that the modulation unit with the first frequency generator ( 9 ) and the second frequency generator ( 10 ) consist of digital components. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 2–10, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzgeneratoren (9, 10) an einen Oszillator (8) angeschlossen sind, und dass die Frequenzen (f1) und (f2) aus der im Oszillator (8) generierten Grundfrequenz (f0) abgeleitet sind.Optical sensor according to one of claims 2-10, characterized in that the frequency generators ( 9 . 10 ) to an oscillator ( 8th ), and that the frequencies (f 1 ) and (f 2 ) from that in the oscillator ( 8th ) generated fundamental frequency (f 0 ) are derived. Optischer Sensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Frequenzgenerator (9, 10) jeweils wenigstens einen Teiler aufweisen, wobei mittels der Teiler die Frequenzen (f1) und (f2) aus der Grundfrequenz (f0) generiert werden.Optical sensor according to claim 12, characterized in that the first and second frequency generator ( 9 . 10 ) each have at least one divider, wherein the frequencies (f 1 ) and (f 2 ) from the fundamental frequency (f 0 ) are generated by means of the divider. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1–13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit einen Analog-Digital-Wandler (14) und eine diesem nachgeordnete Rechnereinheit (15) aufweist.Optical sensor according to one of claims 1-13, characterized in that the evaluation unit is an analog-to-digital converter ( 14 ) and a downstream computer unit ( 15 ) having. Optischer Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Analog-Digital-Wandlers (14) eine Abtastung und Digitalisierung des Messsignals (M) und des Referenzsignals (R) erfolgt.Optical sensor according to claim 14, characterized in that by means of the analog-to-digital converter ( 14 ) a sampling and digitization of the measurement signal (M) and the reference signal (R) takes place. Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Frequenzgenerator (9, 10) sowie der Analog-Digital-Wandler (14) über Steuerleitungen (S1, S2) verbunden sind.Optical sensor according to one of claims 14 or 15, characterized in that the first and second frequency generator ( 9 . 10 ) and the analog-to-digital converter ( 14 ) are connected via control lines (S1, S2). Optischer Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass über eine erste Steuerleitung (S1) ein Frequenzsignal (fV) von dem ersten Frequenzgenerator (9) in den zweiten Frequenzgenerator (10) eingelesen wird, wobei das Frequenzsignal (fV) ein Triggersignal zur Generierung der Frequenz (f2) bildet.Optical sensor according to claim 16, characterized in that via a first control line (S1) a frequency signal (f V ) from the first frequency generator ( 9 ) into the second frequency generator ( 10 ) is read, wherein the frequency signal (f V ) forms a trigger signal for generating the frequency (f 2 ). Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass über eine zweite Steuerleitung (S2) ein Frequenzsignal (fA) von dem zweiten Frequenzgenerator (10) in den Analog-Digital-Wandler (14) eingelesen wird, wobei das Frequenzsignal (fA) ein Triggersignal für die Abtastung des Messsignals (M) und des Referenzsignals (R) bildet.Optical sensor according to one of claims 16 or 17, characterized in that via a second control line (S2) a frequency signal (f A ) from the second frequency generator ( 10 ) in the analog-to-digital converter ( 14 ) is read, wherein the frequency signal (f A ) forms a trigger signal for the sampling of the measurement signal (M) and the reference signal (R). Optischer Sensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzsignale (fV) und (fA) aus der Grundfrequenz (f0) des Oszillators (8) abgeleitet sind.Optical sensor according to claim 18, characterized in that the frequency signals (f V ) and (f A ) from the fundamental frequency (f 0 ) of the oscillator ( 8th ) are derived. Optischer Sensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen (fV) und (fA) identisch sind.Optical sensor according to claim 19, characterized in that the frequencies (f V ) and (f A ) are identical. Optischer Sensor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (fA) ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz (fV) ist.Optical sensor according to claim 19, characterized in that the frequency (f A ) is an integer multiple of the frequency (f V ).
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