DE60000373T2

DE60000373T2 - Photoelektrischer lasersensor

Info

Publication number: DE60000373T2
Application number: DE60000373T
Authority: DE
Inventors: H. Mersch; D. Rogers
Original assignee: Automatic Timing and Controls Inc
Current assignee: Automatic Timing and Controls Inc
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 2000-05-03
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2020-05-04
Also published as: JP2002544492A; DE60000373D1; KR20010113911A; EP1177458A1; EP1177458B1; WO2000068708A1; US6225621B1

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft das Fachgebiet der Lasersensoren.
Bis jetzt wiesen Lasersensoren eine Laserdiode oder eine andere Laserquelle auf, die durch eine Sammellinse auf eine vorgewählte Brennweite fokussiert wurden. Von einem Reflektor reflektiertes Laserlicht wurde durch eine weitere Sammellinse mit einer verhältnismäßig langen Brennweite aufgenommen und auf einen Fotodioden-Detektor fokussiert. Das Ausgangssignal der Fotodiode wurde überwacht und ein die Aufnahme des reflektierten Laserstrahls oder das Fehlen des reflektierten Laserstrahls anzeigendes elektronisches Signal erzeugt. Um zwischen dem reflektierten Laserstrahl und Streulicht von gleicher Farbe zu unterscheiden, enthielten einige Lasersensoren zwischen der Laserquelle und dem Detektor ein Rückkopplungssystem wie ein Rückkopplungssystem mit Dauerstrich-Betrieb.
Obwohl sie erfolgreich sind, weisen solche Lasersensoren im Stand der Technik Nachteile auf. Zunächst sind die früheren Lasersensoren typischerweise für einen relativ kurzen Entfernungsbereich in der Größenordnung von bis zu 30 Metern funktionswirksam. Selbst innerhalb dieses Entfernungsbereiches sind unterschiedliche Linsen hinsichtlich des Lasers für verschiedene Entfernungen erforderlich. Typischerweise muß der ausgewählte Lasersensor für die Anwendung angepaßt werden. Obwohl es auf der Empfangsseite weniger entscheidend ist, müssen die Empfangslinsen wiederum mit der Entfernung, für die der Sensor kalibriert ist, kompatibel sein. Die Linsen mit längerer Brennweite an der Empfangsseite neigen dazu, nur einen Teil des Fotodetektors zu nutzen, wenn die Länge größer wird, was die Empfindlichkeit reduziert. Wenn die Länge zu groß ist, kann die Linse den Fotodetektor unscharf einstellen.
Das US-Patent Nr. 3 941 483 (Ferrin) offenbart eine Vorrichtung zur Zielerkennung. Durch eine Fresnel-Linse wird Laserenergie von Objekten über ein breites Bildfeld von etwa 60º auf einen Detektor fokussiert. Ein Projektor projiziert eine Anzeige, die der Quelle der Laserenergie entspricht, auf das Visier eines Piloten.
Das US-Patent Nr. 3 614 449 (Ward) beschreibt ein optisches Nachführungssystem zur Verwendung im Weltraum. Das System von Ward nutzt eine Halblinse sowohl für die Erfassungsfunktion als auch die Nachführungsfunktion. Eine periphere Einrichtung lässt das System rotieren, um ein markiertes Objekt zu verfolgen.
Die vorliegende Erfindung stellt einen neuen und verbesserten Lasersensor zur Verfügung, der die Probleme, auf die oben verwiesen wurde, und andere überwindet.

Abriss der Erfindung

Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält ein Lasersensor eine Laserdiode. Eine Lasersteuerschaltung versorgt die Laserdiode mit Strom, um sie zum Aussenden von Licht zu veranlassen. Ein Lichtempfänger nimmt reflektiertes Laserlicht auf. Eine dem Lichtempfänger benachbart angeordnete optische Linse fokussiert reflektiertes Laserlicht in den Lichtempfänger. Die optische Linse weist eine Blendengröße auf, die kleiner als 1,0 ist. Eine der Laserdiode benachbart angeordnete Kollimator-Linse kollimiert das ausgesendete Laserlicht. Der Lichtempfänger enthält einen Synchrondetektor. Der Lichtempfänger erzeugt Ansteuerungssignale, um mit Unterbrechungen die Laserdiode anzusteuern und zu vergleichen, ob das empfangene Licht zeitlich den Perioden entspricht, in denen die Laserdiode angesteuert wurde. Es wird ein Ausgangssignal erzeugt, das den Empfang oder Nichtempfang von reflektiertem Laserlicht anzeigt.
Nach einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Laserabtastung vorgesehen. Laserlicht wird ausgesendet und über einen interessierenden Bereich übertragen. Das Laserlicht wird wieder über den interessierenden Bereich zurück reflektiert und mit einer Linse gebündelt, die eine Blendengröße von kleiner als 1,0 aufweist. Das fokussierte Laserlicht wird delektiert. Das emittierte Laserlicht wird zu einem Strahl von parallelen Strahlen kollimiert. Die Erzeugung von Laserlicht und die Detektion von empfangenem Laserlicht werden synchron gesteuert, um zwischen empfangenem Laserlicht und empfangenem Streulicht zu unterscheiden. Es wird das Vorhandensein/Nichtvorhandensein von detektiertem reflektierten Laserlicht bestimmt.
Nach einer eingeschränkteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die optische Linse eine Kugellinse.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass sie über Bereiche von bis zu 50-70 Metern abtastet.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass kein Austausch von Linsen erforderlich ist, um zwischen langen und kurzen Entfernungsbereichen zu wechseln. Der gleiche Sensor kann ohne Linsenwechsel entweder für lange oder kurze Entfernungen genutzt werden.
Noch weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden dem durchschnittlichen Fachmann beim Lesen und Verstehen der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele deutlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung kann in verschiedenen Komponenten und Anordnungen von Komponenten und in verschiedenen Schritten und Anordnungen von Schritten Form annehmen. Die Zeichnungen dienen nur dem Zweck der Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und sollen nicht als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden.
Es zeigen
Fig. 1 die perspektivische Ansicht eines Lasersensors gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine Seitenansicht, die optische und optoelektrische Bauteile des Lasersensors von Fig. 1 darstellt, die auf einer Leiterplatte gehalten werden; und
Fig. 3 ein Schaltungsbild der auf der Leiterplatte ausgeführten Schaltung.

Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Mit Bezug auf Fig. 1 enthält der Lasersensor ein Gehäuse 10, das einen nach vorn vorstehenden Teil 12 aufweist. Der nach vorn vorstehende Teil enthält ein Fenster 14, durch das ein Laserstrahl projiziert und reflektiertes Laserlicht aufgenommen wird. Ein elektrisches Anschlußstück oder Stecker 16 enthält Kontakte für elektrischen Strom und signalisiert anzeigend, ob der Laserstrahl in Unterbrechungen ausgeht oder nicht. Rote und grüne LED 18 bewirken eine lokale, visuelle Anzeige, die berücksichtigt, ob der Strahl unterbrochen ist und ob der Lasersensor mit Strom versorgt wird.
Mit Bezug auf Fig. 2 ist eine Leiterplatte 20 an den elektrischen Schalter 16 angeschlossen und wird in der Mitte im Gehäuse 10 gehalten. Die Leiterplatte trägt außerdem eine Laserdiode 22, die im bevorzugten Ausführungsbeispiel rot sichtbar ist. Eine Kollimator-Linse 24 ist neben der Laserdiode 22 mechanisch angebracht. Die Kollimator-Linse kollimiert das Licht, anstatt es an einem Brennpunkt in einem ausgewählten Abstand zu fokussieren. Die Kollimator-Linse bewirkt, dass ein Laserstrahl aus parallelen Strahlen, ohne zu konvergieren, emittiert wird. Die kollimierten Parallelstrahlen sind im Verhältnis zu fokussierten Strahlen hinsichtlich der Objektgröße und der Zielentfernung nachgiebiger.
Das durch das Fenster 14 zurückgeführte, reflektierte Laserlicht trifft auf eine Kugellinse 26 auf, die das Licht auf eine aktive Oberfläche des Lichtempfängers 28 fokussiert. Die Kugellinse besitzt ein größeres Bildfeld, das die Flexibilität der Zielgröße und der Zielentfernung erhöht. Die Kugellinse weist eine sehr kurze Brennweite in der Größenordnung ihres Radius auf, in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel von 3 mm, um parallele oder andere Strahlen auf die lichtaktive Oberfläche zu fokussieren. Es wird auch eine Kugellinse mit Durchmessern von 3 bis 12 mm in Erwägung gezogen. Darüber hinaus besitzt die Kugellinse auf Grund ihrer niedrigen Blendengröße (Öffnungsverhältnis) einen hohen Wirkungsgrad. Die Brechzahl der Kugellinse wird im Verhältnis zu der Wellenlänge des ausgewählten Lichtes vorzugsweise mit einem Index von 1,5 ± 0,1 bei 650 nm ausgewählt, so dass das Licht im Wesentlichen auf den Umfang der Kugel, der an die lichtempfindliche Oberfläche anstößt, fokussiert wird. Für sichtbares rotes Licht werden Glas, Acrylharz, Polycarbonat, Polystyrol und andere optische Werkstoffe bevorzugt. Die Kugellinse kann auch getönt sein, um gleichzeitig wie ein Filter zu funktionieren.
Es werden auch andere Empfangslinsen 26 in Erwägung gezogen. Andere Linsen mit einer Blendengröße von weniger als 1,0 können ebenfalls zufriedenstellende Ergebnisse erzeugen, wobei eine Blendengröße von 0,6 bis 0,7 optimal ist.
Optische Laser im nahen Infrarotbereich, vorzugsweise unterhalb von 1100 Nanometern, werden auch erwogen. Die Verwendung von Lasern mit erheblich höheren oder niedrigeren Wellenlängen wird ebenfalls in Erwägung gezogen, vorausgesetzt, es wird ein für diese Wellenlänge empfindlicher Sensor ausgewählt. Wahlweise kann als Schnittstelle zwischen fehlangepaßten Lasern und Detektoren Leuchtstoff verwendet werden, der durch eine Wellenlänge angeregt wird und Licht einer anderen Wellenlänge aussendet.
Mit Bezug auf Fig. 3 sind in dem elektrischen Schalter 16 physikalisch ein Kontaktpaar 30 für Gleichspannung und Masse vorgesehen. Der Kontakt 30 nimmt vorzugsweise 10 bis 30 Volt Gleichspannung auf. Eine leistungsregelnde Schaltung 32 mit einem Spannungsreglerchip 34 wandelt die aufgenommene Leistung in geregelte 6 Volt um.
Die geregelte Spannung versorgt eine Abtastschaltung 40 und eine Lasersteuerschaltung 42 mit Strom. Die Abtastschaltung enthält einen Fotosensor. Spezieller enthält die Abtastschaltung einen Synchrondetektorchip mit Impulsmodulation wie den Sharp IS 450. Der Synchrondetektorchip enthält den lichtempfindlichen Schaltkreis, einen begleitenden Verstärkungs- und Signalregelschaltkreis und dergleichen. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel enthält der gleiche Chip auch den Synchronisierschaltkreis, obwohl ein solcher Schaltkreis getrennt vorgesehen werden könnte. Das heißt, der Chip 28 erzeugt ferner Impulse zum Pulsieren der Laserdiode 22 und einer internen Vergleichsschaltung, um zu vergleichen, ob aufgenommenes Licht bei einer angemessenen Steuerung im Verhältnis zum Pulsieren der Laserdiode aufgenommen wird. Auf der Basis der Reaktionsgeschwindigkeit der Laserdiode, der Laufzeit des Lichtes von der Laserdiode zu der reflektierenden Oberfläche und zurück zur lichtempfindlichen Oberfläche, und der Geschwindigkeit des Schaltkreises innerhalb des Detektorchips 28 gibt es ein bekanntes Zeitintervall oder Fenster, innerhalb dessen reflektiertes Laserlicht aufgenommen wird. Die Vergleichsschaltung filtert jedes zu anderen Zeitpunkten empfangene Licht aus.
Der Impulsmodulationsausgang des Detektorchips 28 ist mit einer torgesteuerten Rückkopplungsschaltung 46 zum Ein- und Ausschalten der Laserdiode versehen. Eine Referenzspannungsquelle 48 versorgt die Laserdiodenanordnung mit einer geregelten Referenzspannung, die der Größe des emittierten Lichtes proportional ist, um eine automatische dynamische Einstellung der Intensität zu bewirken. Die Referenzspannungsquelle ist mit einer hinter der Laserdiode 22 angeordeten Fotodiode 50 verbunden, um deren Ausgangssignal abzutasten. Die torgesteuerte Rückkopplungsschaltung enthält Schalter 52, 54, um die Referenzspannung von der Spannungsquelle 48 für schärfere Impulse, insbesondere für schnellere Anstiegszeiten und eine geringere Phasenverzögerung ohne übermäßiges Überschreiten des Lasersteuerstroms ein- und auszuschalten. Die schnellere Anstiegszeit und die geringere Phasenverzögerung ermöglichen es dem Schaltkreis, mit der Synchroniserdetektionsschaltung bei kleiner Verschlechterung und Leistung zu funktionieren, während die durch die natürliche Verzögerung der Reaktion der Fotodiode 54 zur Überwachung der Rückkopplung verursachten schädlichen Vorderflanken-Stromspitzen begrenzt werden.
Eine Intensitäts-Einstellvorrichtung 56 wird genutzt, um die Intensität der Laserdiode einzustellen. Für Messungen oberhalb eines Bereiches von 50 bis 70 Metern bewirkt die Intensitätseinstellung, dass die Laserdiode 22 im Wesentlichen mit ihrer höchsten Helligkeit gesteuert wird. Jedoch ist für Messungen, die über kürzere Entfernungen vorgenommen werden, die Intensität der Diode gedämpft. Wenn die Intensität der Diode zu hoch ist, kann das Ziel den Reflektor simulieren. Ein durch den Strahl in der Nähe des Gehäuses 20 hindurchgehendes Objekt kann eine Menge des Laserlichtes zum Lichtempfänger 28 zurück reflektieren, die in dem gleichen Größenbereich liegt wie Licht, das von dem Reflektor zu rückgeführt wird. Die kollimierten Parallelstrahlen treffen in Abständen von 1 Meter oder weniger, bis zu 70 Meter oder mehr ohne Modifizierung der Linse einen Reflektor genau. Die Kugellinse mit ihrem breiten Bildfeld kann ohne Modifizierung der Linse Licht aufnehmen, das von Zielen reflektiert wird, die 1 Meter oder weniger, bis zu 70 Meter oder mehr entfernt sind. Somit ist die Intensitätseinstellung die Einstellung für die Entfernung zwischen dem Laser und dem Reflektor.
Wenn die Detektionsschaltung 28 reflektiertes Laserlicht detektiert, gibt sie ein Signal aus an eine Selektionsschaltung 60 Dunkel-Ein/Licht-An. Das heißt, es kann in Abhängigkeit von der Anwendung vorteilhaft sein, ein Ausgangssignal zu haben, wenn reflektiertes Licht aufgenommen wird oder es kann vorteilhaft sein, immer dann ein Ausgangssignal zu haben, wenn kein reflektiertes Licht aufgenommen wird. Die Schaltung Dunkel-Ein/Licht-An enthält einen Schalter 62, mit dem der Benutzer diese Auswahl vornehmen kann.
Eine Ausgangsschaltung 64 formt das Ausgangssignal zur Steuerung zweier Transistoren mit analogem Ausgang, um ein PNP-Ausgangssignal an einem PNP-Ausgangsanschluss 66 und ein NPN-Ausgangssignal an einem NPN-Ausgangsanschluss 68 zu erzeugen. Die Ausgangsanschlüsse 66, 68, die wiederum in dem elektrischen Schalter 16 untergebracht sind, übertragen das H-Signal und das L-Signal von den Transistoren zu der stromabwärts gelegenen Ausrüstung.

Claims

1. Lasersensor mit einer Laserdiode, einer Lasersteuerschaltung zur Bereitstellung von Energie für die Laserdiode, um sie zum Emittieren von Laserlicht zu veranlassen, einem Lichtempfänger zur Aufnahme von reflektiertem Laserlicht, und einer dem Lichtempfänger benachbart angeordneten optischen Linse zum Fokussieren des reflektierten Laserlichtes auf den Lichtempfänger, wobei die optische Linse eine Öffnungszahl von kleiner als 1,0 aufweist, wobei der Lasersensor gekennzeichnet ist durch:

eine der Laserdiode benachbart angeordnete Kollimationslinse zum Kollimieren des emittierten Laserlichtes;

dass der Lichtempfänger einen Synchrondetektor enthält, wobei der Lichtempfänger Freigabesignale erzeugt, um das Steuern der Laserdiode intermittierend zu ermöglichen und vergleicht, ob empfangenes Licht zeitlich den Perioden entspricht, in denen die Laserdiode freigegeben wurde; und

der Lichtempfänger ein Ausgangssignal erzeugt, das den Empfang/keinen Empfang von reflektiertem Laserlicht anzeigt.

2. Lasersensor nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die optische Linse eine Öffnungszahl von 0,6 bis 0,7 aufweist.

3. Lasersensor nach Anspruch 2, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die optische Linse eine Kugellinse ist.

4. Lasersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1, 2 und 3, weiter gekennzeichnet durch:

eine Bezugsspannungsquelle, die eine sich entsprechend der Größe von durch die Laserdiode emittiertem Licht ändernde Bezugsspannung überträgt; und

eine gattergesteuerte Rückkopplungsschaltung, die durch das Ausgangssignal des Lichtempfängers gesteuert wird, um die Bezugsspannung zu der Lasersteuerschaltung durchzulassen.

5. Lasersensor nach Anspruch 4, weiter gekennzeichnet durch die gattergesteuerte Rückkopplungsschaltung mit Transistoren zum Ein- und Ausschalten der Bezugsspannung, um Anstiegszeiten bei Laserdioden-Steuerimpulsen der Lasersteuerschaltung zu reduzieren.

6. Lasersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, weiter gekennzeichnet durch:

eine Intensitätseinstellung zum Einstellen einer Intensität der Laserdiode.

7. Lasersensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Laserdiode Licht in einem Spektralbereich von Sichtbares Rot bis Nahes Infrarot aussendet, und die optische Linse bei 650 nm eine Brechungszahl von 1,4 bis 1,6 aufweist.

8. Verfahren zum Abtasten mit Laser umfassend das

Aussenden von Laserlicht, Übertragen des kollimierten Strahls über einen interessierenden Bereich, Reflektieren des kollimierten Laserstrahls zurück über den interessierenden Bereich, Fokussieren des reflektierten Laserlichtes mit einer Linse, die eine Öffnungszahl von weniger als 1,0 aufweist, Delektieren des fokussierten, reflektierten Laserlichtes, wobei das Verfahren weiter gekennzeichnet ist durch:

Kollimieren des Laserlichtes zu einem kollimierten Strahl von parallelen Strahlen;

synchrones Steuern einer intermittierenden Erzeugung des Laserlichtes und Detektierung des empfangenen Laserlichtes, um zwischen empfangenem Laserlicht und empfangenem Streulicht zu unterscheiden;

Bestimmen von vorhandenem/nicht vorhandenem detektierten, reflektierten Laserlicht.

9. Verfahren nach Anspruch 8, weiter dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungszahl zwischen 0,6 bis 0,7 ist.

10. Verfahren nach einem von Anspruch 8 oder Anspruch 9, weiter gekennzeichnet durch:

Fokussieren des reflektierten Laserlichts mit einer Kugellinse.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8, 9 und 10, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der kollimierte Laserstrahl mindestens 40 Meter übertragen wird, bevor er reflektiert wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8, 9 und 10, weiter dadurch gekennzeichnet, dass der kollimierte Laserstrahl über 50 Meter übertragen wird, bevor er reflektiert wird und nach Reflexion 50 Meter übertragen wird, bevor er fokussiert und detektiert wird.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12, weiter gekennzeichnet durch:

Einstellen einer Intensität des erzeugten Laserlichtes entsprechend einer Entfernung, über die der Laserstrahl übertragen und reflektiert wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 13, weiter gekennzeichnet durch:

Erzeugen einer Bezugsspannung, die einer Intensität des erzeugten Laserlichtes proportional ist, und Durchschalten der Bezugsspannung zur Steuerung der Erzeugung von Laserlicht.