(57)【要約】【課題】  広いダイナミック・レンジにわたる距離測定が可能な距離測定センサを提供すること。【解決手段】  監視領域（１８）内の物体（２０）を検出してその距離を測定するための距離測定センサ（１０）が提供される。センサ（１０）は、送信信号（１６）を送信するための送信器（１２）と、監視領域（１８）内で拡散反射された送信信号（２２）から受信信号を生成するための受信器（２６）と、センサ（１０）から物体（２０）までの信号伝播時間を決定するために構成された評価部（３０）とを備えており、受信器（２６）はバイアス印加部（２８）を備えている。その際、拡散反射された送信信号（２２）の受信時に電圧降下信号を生成するために、電圧測定部（３２）がバイアス印加部（２８）と接続されており、評価部（３０）は、電圧降下信号に基づいて信号伝播時間を決定するために構成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
監視領域（１８）内の物体（２０）を検出してその距離を測定するための距離測定センサ（１０）、特に光電センサであって、
前記センサ（１０）が、送信信号（１６）を送信するための送信器（１２）と、前記監視領域（１８）内で拡散反射された送信信号（２２）から受信信号を生成するための受信器（２６）と、前記センサ（１０）から前記物体（２０）までの信号伝播時間を決定するために構成された評価部（３０）とを備えており、
前記受信器（２６）がバイアス印加部（２８）を備えている、センサ（１０）において、
前記拡散反射された送信信号（２２）の受信時に電圧降下信号を生成するために、電圧測定部（３２）が前記バイアス印加部（２８）と接続されており、
前記評価部（３０）が、前記電圧降下信号に基づいて前記信号伝播時間を決定するために構成されていることを特徴とする、センサ（１０）。
【請求項２】
前記評価部（３０）が、前記受信信号および前記電圧降下信号に基づいて、多チャネル的に前記光伝播時間を決定するために構成されている、請求項１に記載のセンサ（１０）。
【請求項３】
前記受信器（２６）と前記評価部（３０）との間に、前記受信信号から増幅された電圧信号を生成するために第１の増幅器（３４）が設けられている、請求項１または２に記載のセンサ（１０）。
【請求項４】
前記電圧測定部（３２）が第２の増幅器を備えている、請求項１から３のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項５】
受信信号および電圧降下信号が異なる感度範囲において検出されるように、前記第１の増幅器（３４）および前記第２の増幅器が互いに対して調整された増幅率を有している、請求項３および４に記載のセンサ（１０）。
【請求項６】
前記受信器（２６）がアバランシェ・フォトダイオードであり、前記バイアス印加部（２８）が高電圧を生成する、請求項１から５のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項７】
前記バイアス印加部（２８）が充電コンデンサ（３６）を備えている、請求項１から６のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項８】
前記バイアス印加部（２８）が、前記充電コンデンサ（３６）とアースとの間に抵抗器（４０）を備えており、
前記電圧測定部（３２）が前記抵抗器（４０）における電圧降下信号を検出する、請求項７に記載のセンサ（１０）。
【請求項９】
前記バイアス印加部（２８）がハイパス・フィルタ（３８）を備えている、請求項１から８のいずれかに記載のセンサ（１０）。
【請求項１０】
監視領域（１８）内の物体（２０）を検出してその距離を測定するための方法であって、
送信信号（１６）が送信され、前記監視領域（１８）から拡散反射された送信信号（２２）が再び受信され、前記物体（２０）までの信号伝播時間が決定され、
前記拡散反射された送信信号（２２）が、バイアス印加部（２８）を利用してバイアスを印加された受信器（２６）によって検出される方法において、
前記バイアス印加部（２８）では、前記拡散反射された送信信号（２２）の受信時に電圧降下信号が生成され、
前記信号伝播時間が前記電圧降下信号に基づいて決定されることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１または１０のプリアンブルに記載の、距離測定センサおよび監視領域内の物体を検出してその距離を測定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
数多くのセンサが、信号の送信と受信の間の時間間隔を信号伝播時間を介して距離に換算する信号伝播時間の原理を利用している。この方法では、マイクロ波および光のような電磁スペクトルの様々な周波数範囲が利用される他、超音波のような他の物理的信号も利用される。光伝播時間法の原理に従う光電センサでは、光信号が送信され、物体面で拡散反射または反射される光信号が受信されるまでの時間が測定される。信号の一定の伝播速度に基づいて、信号伝播時間を距離に直接換算することができる。
【０００３】
光電式距離測定は、例えば車両の安全、物流もしくは工場の自動化、または安全技術の分野で必要とされ得る。大抵の場合、求められる出力値は測定された距離である。あるいは、特定の距離にあるはずの反射器または反射物体もしくは拡散反射物体の距離の変化が認識されることによって動作が切り替わるような、光伝播法による距離測定器も可能である。特殊な応用として、その反射器までの距離の監視を伴う反射型光バリアがある。光伝播時間法は、監視平面または三次元の空間領域さえも周期的に走査する距離測定レーザ・スキャナの動作の基本原理でもある。複数の距離検出器を並べて統合すれば、三次元の画像データを記録する光伝播時間カメラが得られる。この場合、ピクセル内において距離測定を行う集積画像センサを形成することができる。
【０００４】
信号伝播時間を正確に測定するには、受信時点の厳密な決定が前提となる。このための様々な方法が知られている。位相法では、周期的に変調された信号が送信され、送信信号と受信信号の間の位相シフトが決定される。パルス法では、正確な時間割当を可能にする信号が使用される。ここで、最も簡単な場合には比較器の閾値によって検出が行われ、より複雑な方法では、受信パルスの位置を特定するために、受信信号全体がサンプリングされてデジタル的に評価される。パルス平均法では、多数の送信パルスが送信され、その後受信されるパルスが統計的に評価される。
【０００５】
信号の具体的な評価方法に関係なく、まずは光信号が電気信号に変えられ、アナログ電子回路において増幅される。光検出器は光電流を生成するので、第１の増幅段としてトランスインピーダンス増幅器を使用することにより、その後は電圧信号が利用できるようにする。
【０００６】
ところで、検出対象の信号エコーは、非常に異なる反射特性または散乱特性および輝度を有する物体から到来し、しかもその距離は数センチメートルという短距離から何メートルもしくは何キロメートルもの距離まで広い範囲にわたり得る。信号伝播時間法は非常に万能であり、もともとこの多様性を扱うことができる。しかし、異なる測定条件に起因して、例えばレーザ・スキャナの場合には１２０ｄＢまでおよびそれ以上を含み得る非常に広いダイナミック・レンジが生じる。ＰＩＮダイオードまたはアバランシェ・ダイオード（ＡＰＤ）のような高感度の光検出器は、極小の光信号をも検出することができるが、電子機器にとってダイナミック・レンジは非常に大きい課題である。このことは、デジタル的な信号評価に対して十分な品質のデジタル信号を供給することにも当てはまるし、また、多様な測定エコーおよび干渉エコーを区別するために均等にダイナミック・レンジ全体にわたって閾値を割り振らなければならない、より容易な閾値法にも同様に当てはまる。静的増幅率を使用する際は、遠距離場における光信号の二次関数的な低下を反映して信号が動的に変化するため、光伝播法の射程距離が制限される。十分な帯域幅を有する一般的なトランスインピーダンス増幅器がカバーする線形の増幅範囲は約３０〜４０ｄＢに過ぎず、所望の１２０ｄＢにははるかに及ばない。
【０００７】
従来技術において、広いダイナミック・レンジを扱うための様々な手法が知られている。最も簡単なものは、非線形増幅器または対数増幅器の使用であろう。しかし、これらは要求されるナノ秒領域のパルスの処理に十分な帯域幅で利用することができない。別の可能な方法は、増幅を動的にパルスごとに適合させることである。特許文献１ではこのために、期待される受信強度に関する情報を本来の距離測定に先立って得るために、予備パルスがその都度送信される。しかし、このために少なくとも２つのパルスを同じ方向に送信しなければならないので、システムの反応時間が大幅に悪化する。
【０００８】
特許文献２はこの点でさらに一歩進んで、増幅を適時に適合させられるように本来の評価用の受信信号を遅延線によって遅らせることにより、測定パルスからの情報自体を増幅率の適合に使用している。ここで、光パルスの短さおよび測定の繰り返しを考慮して、その都度増幅器を素早く遅延なく調節するという問題が生じる。
【０００９】
特許文献３では、ダイナミック・レンジが、補完的な増幅範囲を有する複数の経路に分割されている。チャネル当たり３０〜４０ｄＢという前述の数値および所望の１２０ｄＢのダイナミック・レンジより、このためには少なくとも３つのチャネルが必要である。しかしながらさらに困難なことに、個々のチャネルが相互に影響を及ぼす。その結果、ノイズが増加し、干渉を受けやすくなり、検出能力が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】EP 1936400 A1
【特許文献２】EP 2182379 A1
【特許文献３】EP 2182377 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明は、広いダイナミック・レンジにわたる距離測定を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題は、請求項１または１０に記載の、距離測定センサおよび監視領域内の物体を検出してその距離を測定するための方法によって解決される。その際、本発明は、本来の受信信号から独立して追加的な測定情報を推定するという基本思想に基づいている。このために、受信器のバイアス印加部の電圧降下を測定し、この信号を光伝播時間測定に利用する。つまり、受信時点の決定は本来の受信信号には全く基づかないか、少なくともこれのみには基づかずに、拡散反射信号の受信器での受信時点における電圧降下から間接的に推量される。その際、送信時点に対する相対的な時間差のみが重要であるので、信号伝播時間法において受信時点を明確に決定する必要はない。受信信号は、このバイアス印加部の電圧降下の評価に影響されることなく、任意のさらなるアナログ的およびデジタル的な評価工程に無制限に利用可能である。
【００１３】
本発明の利点は、受信信号に対して、増幅された受信信号自体の他にさらに追加的な測定情報が利用可能になることである。この測定情報をダイナミック・レンジの拡大に利用することができる。
【００１４】
評価部は好ましくは、受信信号および電圧降下信号に基づいて、多チャネル的に光伝播時間を決定するように構成されている。つまり、この場合、受信信号および電圧降下信号は２つの測定チャネルとして理解される。これを冗長もしくは多様な測定のために利用することができ、または両方の測定チャネルの結果を互いに比較もしくは考慮することができる。特に好ましくは、時点毎に異なる信号強度を処理するために測定チャネルが利用される。その結果、全体で著しく拡大されたダイナミック・レンジが生じ、このダイナミック・レンジ内で、拡散反射信号の受信時点および振幅を厳密に、少なくともかなりの程度まで増幅の不自然な影響（アーチファクト）を伴わずに、決定することが可能になる。
【００１５】
好ましくは、受信器と評価部との間には受信信号から増幅された電圧信号を生成するために第１の増幅器が設けられている。その際、受信器の光電流からさらに評価すべき電圧信号を生成するために、この増幅器は特にトランスインピーダンス増幅器である。さらに好ましくは、第１の増幅器は、弱い拡散反射信号を検出するために非常に高感度に構成される。この場合、強い拡散反射信号は電圧降下信号を介して補完的に検出される。
【００１６】
電圧測定部は好ましくは第２の増幅器を備えている。そうすれば、電圧降下信号もまた、カバーすべきダイナミック・レンジのうち調節可能な特定の部分範囲において、少なくともかなりの程度まで線形に検出可能になる。
【００１７】
好ましくは、第１の増幅器および第２の増幅器は、受信信号および電圧降下信号がそれぞれ異なる感度範囲において検出されるように、互いに対して調整された増幅率を有している。そうすれば、両方の測定チャネルが互いに補い合うことになる。好適には、電圧降下信号を弱く増幅または全く増幅しないようにすることにより、バイアス印加部の電圧降下を介して実現される追加の測定チャネルが、より強い拡散反射信号の検出を担当するようにする。これを補完する形で、本来の受信信号を高い増幅率で増幅することにより、この信号用の測定チャネルは弱い拡散反射信号を処理できるようにする。このような分割には、検出原理が異なるため、電圧降下を介して検出される強い信号が弱い信号の評価を阻害しないという利点がある。もっとも、測定値を冗長的に検出するために両者の範囲をわずかに又は大部分で重ね合わせる等、上記とは異なる増幅率の調節の仕方、つまり異なる測定チャンネルの分割の仕方も考えられる。
【００１８】
受信器は好適にはアバランシェ・フォトダイオードであり、バイアス印加部は高電圧を生成する。アバランシェ・フォトダイオードは非常に弱い信号にまで及ぶ広いダイナミック・レンジにわたる光検出に特に適している。それには数百ボルト以上の高電圧をバイアスとして印加する必要があり、信号検出の際のその降下を電圧降下信号として確実に検出することができる。
【００１９】
バイアス印加部は好ましくは充電コンデンサを備えている。これにより、検出後、例えばアバランシェ・フォトダイオードのアバランシェ降伏後にバイアス印加部の電圧および高電圧が元の状態に戻る。
【００２０】
バイアス印加部は好ましくは充電コンデンサとアースとの間に抵抗器を備えており、電圧測定部が抵抗器において電圧降下信号を検出する。このように、検出された電圧降下信号が受信器の電流に比例し、したがって、さらなるフィルタ処置がなくとも、電圧降下信号および受信信号の信号形状が互いに一致する。
【００２１】
バイアス印加部は好適にはハイパス・フィルタを備えている。このハイパス・フィルタは、電圧降下信号の低周波数成分、例えば充電コンデンサの比較的低速の充電に起因する成分を除去するために役立つ。送信信号の信号形状に合った適切な遮断周波数を選択すれば、両方の測定チャネルにおける共同のまたは補完的な評価を容易にする、受信信号に匹敵する信号伝播が電圧降下信号に対してもたらされる。
【００２２】
本発明による方法は、同様にさらなる特徴によって構成可能であり、その際には同様の利点を発揮する。このようなさらなる特徴は、独立請求項に続く下位請求項に、完結的ではなく例示的に記載されている。
【００２３】
以下では本発明を、さらなる利点および特徴についても、添付図面を参照しながら実施例に基づいて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】距離測定センサのブロック図である。
【図２】距離測定センサのアナログ信号検出の実施形態の回路図である。
【図３】受信器の受信信号、その際検出される受信器のバイアスの電圧降下信号、およびハイパス・フィルタ処理後の電圧降下信号の例示的な時間的推移の図である。
【図４】距離測定センサのアナログ信号検出の別の実施形態の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は１次元の光電距離スキャナとしての実施形態における距離測定センサ１０のブロック図である。光送信器１２は送信光学系１４を介して光信号１６を監視領域１８へ送信する。監視領域１８では光信号１６が、光路内に物体２０が位置している場合には、この物体２０の面で反射または拡散反射され、拡散反射光信号２２としてセンサ１０に戻る。センサ１０では、拡散反射光信号２２が受信光学系２４を通って光受信器２６へ導かれる。
【００２６】
上述の光学的配置は純粋に例として解釈すべきであり、本発明には同様に他の配置、例えば分割ミラーのある配置や光受信器の円錐内に光送信器のある配置も含まれる。また、１次元の光電センサを取り上げた説明である点も単に例として理解すべきである。というのも、センサは同様に多次元のシステム、例えばレーザ・スキャナもしくは光伝播時間カメラであってもよく、またはマイクロ波もしくは超音波のような全く別の信号で動作してもよい。
【００２７】
光受信器２６は、例えばＰＩＮダイオードまたはアバランシェ・フォトダイオードであり、バイアス印加部２８を利用してバイアスを印加される。拡散反射光信号２２が光受信器２６の感光性の表面に当たると、これに対応する光電流が生成される。光電流は、例えば適切なトランスインピーダンス変換によって電圧信号に変換され、そうして、好適にはセンサ１０の制御機能を同時に担う評価部３０へ送り込まれる。この評価部３０はアナログ回路であってもよいが、大抵の場合、受信信号はさらにデジタル化され、評価部３０は、例えばマイクロプロセッサまたはＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ；Field Programmable Gate Array）等のデジタル評価モジュールに実装されている。
【００２８】
送信信号として、短パルス、一般的に言えば一意に識別可能な時間基準を有する少なくとも１つの信号が送信される。これに応じて、監視領域１８内の物体２０または干渉物からのエコーもこの信号形状を有している。評価部３０は、閾値法によって、既知の送信信号形状に基づいてデジタル的に存在する受信信号内を探索することよって、またはその他の方法によって、受信信号から受信時点を決定する。また、多数の送信パルスを送信し、その後受信される受信パルスを収集し、統計的手段を用いて受信時点を決定することも考えられる。評価の結果はその都度、送信信号に対する受信信号の遅延、つまり、信号伝播時間である。既知の伝播速度、つまりここでは光速度を利用して、他の場合には例えば音速をも利用して、信号伝播時間を物体２０の距離に直接換算することができる。
【００２９】
送信パルスは非常に短いので、または代替的に少なくとも受信時点の厳密な検出のためにエッジが急峻な送信信号を使用しなければならないので、信号形状を歪めないようにするには十分な帯域幅を有する増幅器によって光電流を処理しなければならない。しかも、ノイズが可能な限り低減された状態では１２０ｄＢ程度の振幅範囲を検出できなければならない。この要求はたった１つの増幅器では満たすことができない。
【００３０】
そこで本発明は、フォトダイオードの高電圧の降下、一般的に言えばバイアス印加部２８における電圧降下の検出のために利用する配線を備えている。このために、電圧降下信号を測定して評価部３０に送る電圧測定部３２がバイアス印加部２８と接続されている。これによって、代替的な、かなりの程度まで独立した受信チャネルが実現される。
【００３１】
原理上、電圧降下信号は受信信号と同じ情報を持っているので、評価部３０はこの電圧降下信号に対して同じ評価、特に距離測定、さらにレベル決定等も行うことができる。好適には、電圧降下信号および受信信号は２つの補完的に互いに補い合う受信チャネルまたは測定チャネルの基礎を形成することにより、全体としてより広いダイナミック・レンジがカバーされる。しかし、原理的には、距離測定を電圧降下信号のみに基づいて行うことも考えられる。これは例えば、受信信号が全く別の測定に必要とされ、そのため距離測定に利用できない場合には合理的であり得る。
【００３２】
その他にも、受信信号または電圧降下信号によって形成される測定チャネルの中にもう１段の多チャネル構造を設けることによって、例えば全体としてカバーすべきダイナミック・レンジを３つ以上の部分範囲に分割する、またはこれらの測定チャネルに自動増幅制御を設けることも考えられる。
【００３３】
以下では、図２から図４を用いて、電圧降下信号の生成および検出についてより詳細に説明する。図２はセンサ１０のアナログ信号検出の実施形態の回路図である。光受信器２６の光電流はトランスインピーダンス増幅器３４およびその他の考え得る増幅段（図示せず）を介して受信信号として評価部３０へ導かれる。光電流を検出するために、光受信器２６には、バイアス印加部２８およびそれに設けられた充電コンデンサ３６を用いてバイアスが印加される。光電流の生成はバイアス印加部２８における電圧降下につながる。この電圧降下が電圧測定部３２によって電圧降下信号として検出され、これに応じて追加的なまたは代替的な測定情報として評価部３０に送り込まれる。電圧測定部３２の前段には、電圧降下信号の低周波数成分を抑制するために、さらにハイパス・フィルタ３８が接続されている。電圧降下信号もまた不図示の増幅段によって増幅され得る。
【００３４】
図３には図２によるアナログ信号検出の純粋に例示的な３つの信号、つまり上方から下方へ、本来の受信信号としての光受信器２６の光電流、ハイパス・フィルタ３８でのフィルタリング前の充電コンデンサ３６における未処理の電圧降下信号、および電圧測定部３２によって検出されたフィルタリング後の電圧降下信号が示されている。
【００３５】
図３の例では、半正弦波状のパルスが送信された結果、光電流がこの形状を呈している。未処理の電圧降下信号はこの形状から著しく外れている。電圧降下が多少なりとも光電流の立ち上がりエッジと同期しているのに対して、バイアスを同一レベルに保つ充電コンデンサ３６はその後非常にゆっくりと、それに応じて平坦な立ち上がりエッジで充電されている。受信時点は原理上、未処理の電圧降下信号の立ち下がりエッジの位置から決定することができるが、好適には信号形状をハイパス・フィルタ３８によって適合させる。図３の下部から分かるように、ハイパス・フィルタ３８の光電流の信号推移に適合する遮断周波数では、電圧降下信号において元のパルス形状を未処理の電圧降下信号から再構築することに成功している。
【００３６】
図４はセンサ１０のアナログ信号検出の別の実施形態の回路図である。図２とは異なり、この回路では追加のＡＣ結合なしに電圧降下信号の検出が実現される。その代わりに、追加の抵抗器４０が充電コンデンサ３６とアースとの間に接続されており、電圧測定部３２がこの抵抗器４０における電圧降下信号を測定する。ここでは電圧が光電流に比例するので、信号形状は光受信器２６の受信信号のそれに直接一致する。本実施形態では、電圧降下信号のゲインを、抵抗器４０の適切な選択によって所望の値に調節することができる。つまり、ゲインは光受信器２６のアノード側とアースとの間の抵抗に対する抵抗器４０の比率に依存している。更に、接地電位に対する電圧測定部３２を直接測定することも本実施形態の利点である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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