SENSOR OPTOELECTRONICO PARA LA MEDICION DE DISTANCIAS.

Sensor (10) optoelectrónico para la medición de distancias con el procedimiento de propagación de la luz con un emisor (12) de luz para la emisión de impulsos de luz individuales y con un receptor (16) de luz para la recepción de los impulsos de luz individuales reflejados o reemitidos como señal de recepción de la luz así como con una unidad (18) de evaluación implementada en un módulo (22) programable,

en especial un "Field Programmable Gate Array" o en un "Programmable Logic Device", diseñada para determinar, a partir de una característica de la distribución estadística de una gran cantidad de impulsos de luz individuales recibidos, el tiempo de propagación de la luz entre la emisión y la recepción, previéndose varias vías (36) de retardo entre el emisor (12) de luz y el módulo (22) programable, que pueden llevar la señal de recepción de la luz con retardos diferentes entre sí al módulo (22) programable para obtener en cada periodo de muestreo prefijado por la frecuencia de trabajo del módulo (22) programable por medio del muestreo en paralelo de varios valores la señal de recepción de la luz, caracterizado porque el emisor (12) de luz se diseña para emitir impulsos de luz individuales sucesivos con un desplazamiento en el tiempo variable y porque la unidad (18) de evaluación se diseña para promediar los impulsos individuales de luz, compensando el desplazamiento en el tiempo de los impulsos de luz individuales, para compensar las variaciones en las vías (36) de retardo

Sensor optoelectrónico para la medición de distancias.

El invento se refiere a un sensor optoelectrónico y a un procedimiento para la medición de distancias con el procedimiento del tiempo de propagación de la luz según el preámbulo de la reivindicación 1, respectivamente 9.

La distancia a un objeto puede ser determinada óptimamente con el principio del procedimiento del tiempo de propagación de la luz. Para ello se puede superponer a un rayo de luz una muestra de emisión, que, después de la recepción de la luz reflejada por el objeto, se compara con una muestra de referencia generada internamente. A partir de aquí se puede calcular el camino de la luz y con ello también la distancia. En la práctica se utilizan esencialmente dos procedimientos. La muestra de emisión es en uno de los procedimientos un sencillo impulso de luz, cuyo tiempo de propagación es medido. La muestra de emisión es en el otro procedimiento una modulación senoidal, equivaliendo la posición de la fase del seno con relación a un seno de referencia al módulo del seno del tiempo de propagación. Los procedimientos de modulación de fase citados en último lugar son, debido a las condiciones de protección de los ojos, poco apropiados, en especial en las dianas con una reemisión débil, a causa de los necesarios tiempos de integración grandes. En el caso de los procedimientos con impulsos se puede aprovechar ventajosamente la potencia integral porque se pueden emitir impulsos cortos con una densidad grande de energía, con lo que se mejora la relación señal/ruido en el caso de un único impulso.

La medición de la distancia puede ser necesaria, por ejemplo, en la seguridad de los vehículos, en la automatización de la logística o de fábricas o en la técnica de seguridad. En especial, un telémetro basado en un rayo de luz reflejado puede reaccionar frente a una variación de la distancia del reflector o de la diana reflectante o reemisora. Una aplicación especial es una barrera óptica de reflexión en la que se vigila la distancia entre el emisor de luz y el reflector.

Si la resolución de la medición de la distancia debe alcanzar una precisión en el margen de algunas decenas de milímetros, es preciso, que el tiempo de propagación de luz se determine con exactitud en una margen de magnitud de cien picosegundos. Para obtener una resolución de la distancia de un milímetro es preciso medir con la técnica de medición seis picosegundos. Una precisión de esta clase sólo es realizable con los sistemas convencionales de propagación del impulso con una electrónica muy cara.

Los componentes más baratos, como los FPGA, (Field Programmable Gate Array) y otros componentes lógicos digitales poseen de manera típica frecuencias de trabajo en el margen de algunos cientos de MHz. Con ello se puede obtener una resolución de nanosegundos, pero no de picosegundos.

En el documento DE 10 2004 022 911 A1 se divulga un procedimiento para el muestreo de señales en el que la señal se lleva por varios caminos de señal paralelos, cada uno con un retardo distinto, a un módulo de muestreo, de manera, que la familia de señales obtenida puede ser resuelta por medio del muestreo en paralelo con un múltiplo de la frecuencia base del módulo de muestreo. Los circuitos de retardo con forma de vías conductoras exigen relativamente mucho espacio en la platina del módulo de evaluación.

El documento EP 1 596 221 A1 divulga una medición de distancias por medio de la determinación del tiempo de propagación de impulsos en el que la señal de recepción se muestrea, desplazada varias veces para elevar la exactitud, con un impulso base. El desplazamiento de la fase del impulso base se obtiene en una forma de ejecución por el hecho de que la señal de recepción se hace pasar por varias líneas de señal, cuyas longitudes y con ello los tiempos de retardo se determinan previamente de manera definida.

El documento US 3,813,165 describe una medición de distancias basada en la fase. Para evitar la necesidad de un compromiso entre un margen unívoco grande y una exactitud grande de la medición, se realizan las mediciones con distintas frecuencias. En este caso es por ejemplo posible, que una medición realizada con una frecuencia relativamente baja determine el periodo de una medición con alta frecuencia. Para reducir los factores estadísticos se prevé, que la medición se realice varias veces con cada frecuencia y se promedia el resultado.

En la técnica de emisión de datos, por ejemplo en la telefonía móvil, se conoce, para la supresión del ruido, la expansión y la compresión ("Spread Spectrum"). En ellos se codifica la señal con un ancho de banda mayor durante la emisión para que los elementos perturbadores se repartan de una manera más amplia durante la descodificación ulterior.

Ninguno de los procedimientos convencionales es capaz de determinar el tiempo de propagación de la luz con la precisión exigida, sin el empleo de la electrónica cara.

El objeto del presente invento es por ello determinar con una precisión grande y con medios sencillos el tiempo de propagación de un impulso de luz.

Este problema se soluciona con un sensor según la reivindicación 1 y con un procedimiento según la reivindicación 9. Para detectar exactamente los flancos de la señal, que caracterizan la posición del impulso de luz recibido, para una resolución grande en el tiempo se evalúa estadísticamente una gran cantidad de impulsos de luz individuales. Para que la estadística se pueda basar en una frecuencia base lo más alta posible, que se halle por encima de la frecuencia de trabajo del módulo de evaluación, se muestrea la señal de recepción en paralelo y se somete con ello a una resolución con un múltiplo de la frecuencia base. Las vías de retardo para este muestreo en paralelo, que sólo producen un retardo de, por ejemplo, 200 ps, no pueden implementar este retardo de la señal sin variaciones. Con ello se falsea, respectivamente fluctúa la señal muestreada en paralelo. Con la recodificación según el invento para la compensación de esta fluctuación se mejora considerablemente la precisión.

De ello se desprende la ventaja de un sensor barato, miniaturizable y altamente preciso, que puede procesar un margen dinámico grande sin que la electrónica genere niveles grandes de error. El sensor es robusto frente a perturbaciones externas, tanto en forma de perturbaciones electromagnéticas, como también ópticas. Con la optimación de la relación señal/ruido y con la corrección de errores inherente es posible la determinación de distancias en el margen de milímetros.

El emisor de luz se configura con preferencia para emitir impulsos de luz individuales sucesivos con un desplazamiento en el tiempo, que da lugar a que las señales de luz sucesivas de recepción recorran de manera uniforme y en especial varias veces y de manera cíclica todas las vías de retardo. Con ello se garantiza, que la contribución de las diferentes vías de retardo a la fluctuación se produzca con la misma frecuencia, con lo que se promedian en lo posible de manera completa.

El emisor de luz se configura, además, con preferencia para generar el desplazamiento por medio de la emisión de impulsos de luz individuales con un retardo de un múltiplo de periodos completos de emisión, siendo la frecuencia de emisión distinta de la frecuencia de trabajo y la unidad de evaluación se configura para retardar el muestreo en múltiplos del periodo de muestreo. La frecuencia de emisión se debería elegir adecuadamente con vistas a la cantidad de vías de retardo, de manera, que la frecuencia diferencial lleve la característica de los impulsos de luz individuales, por ejemplo el valor máximo del impulso, a otra vía de retardo con cada repetición. La sola elección de la frecuencia de emisión conduce entonces a una distribución uniforme de la característica entre las vías de retardo y con ello a un promediado en lo posible completa de la fluctuación.

En el sensor se prevé con preferencia un preprocesador analógico, que puede llevar la señal de luz de recepción del impulso de luz individual recibido en cada caso como señal bipolar preprocesada a las vías de retardo. En una señal bipolar de esta clase se puede determinar la característica, es decir por ejemplo el valor máximo de impulso, como paso por cero, que se puede determinar estadísticamente de una manera especialmente precisa.

El preprocesador posee de manera especial:

1. Sensor (10) optoelectrónico para la medición de distancias con el procedimiento de propagación de la luz con un emisor (12) de luz para la emisión de impulsos de luz individuales y con un receptor (16) de luz para la recepción de los impulsos de luz individuales reflejados o reemitidos como señal de recepción de la luz así como con una unidad (18) de evaluación implementada en un módulo (22) programable, en especial un "Field Programmable Gate Array" o en un "Programmable Logic Device", diseñada para determinar, a partir de una característica de la distribución estadística de una gran cantidad de impulsos de luz individuales recibidos, el tiempo de propagación de la luz entre la emisión y la recepción, previéndose varias vías (36) de retardo entre el emisor (12) de luz y el módulo (22) programable, que pueden llevar la señal de recepción de la luz con retardos diferentes entre sí al módulo (22) programable para obtener en cada periodo de muestreo prefijado por la frecuencia de trabajo del módulo (22) programable por medio del muestreo en paralelo de varios valores la señal de recepción de la luz, caracterizado porque el emisor (12) de luz se diseña para emitir impulsos de luz individuales sucesivos con un desplazamiento en el tiempo variable y porque la unidad (18) de evaluación se diseña para promediar los impulsos individuales de luz, compensando el desplazamiento en el tiempo de los impulsos de luz individuales, para compensar las variaciones en las vías (36) de retardo.

2. Sensor (10) según la reivindicación 1, estando configurado el emisor (12) de luz para emitir impulsos de luz individuales sucesivos con un desplazamiento en el tiempo, que da lugar a que las señales de luz de recepción sucesivas recorran uniformemente, en especial varias veces y de manera cíclica, todas las vías (36) de retardo.

3. Sensor (10) según la reivindicación 1 ó 2, estando configurado el emisor (12) para generar el desplazamiento en el tiempo por medio de la emisión de impulsos de luz individuales con un retardo de un múltiplo de periodos de emisión completos, siendo la frecuencia de emisión distinta de la frecuencia de trabajo y porque la unidad (22) de evaluación se diseña para retardar el muestreo en múltiplos del periodo de muestreo.

4. Sensor (10) según una de las reivindicaciones precedentes, en el que se prevé un preprocesador (28) analógico, que puede devolver a las vías (36) de retardo la señal de recepción de la luz de cada impulso de luz individual recibido como señal bipolar preprocesada.

5. Sensor (10) según la reivindicación 4, en el que el preprocesador (28) comprende:

- un amplificador (30), en especial un amplificador de transimpedancia, para la amplificación de la señal de recepción de la luz y/o

- un filtro (32), en especial un filtro pasobanda, para la conversión de la señal de recepción de la luz inicialmente unipolar en una señal bipolar y/o

- un amplificador (34) limitador para amplificar la componente positiva, respectivamente negativa de la señal hasta un valor de saturación.

6. Sensor (10) según una de las reivindicaciones precedentes, en el que las vías (36) de retardo están implementadas de manera analógica y cada una está unida con una entrada del módulo (22) programable y poseen líneas de retardo o un filtro todopaso.

7. Sensor (10) según una de las reivindicaciones precedentes, en el que la característica es un valor extremo o un paso por cero y en especial el paso por cero de la señal bipolar y en el que la unidad (18) de evaluación está configurada para determinar el paso por cero por medio de un cambio de signo o por medio de un "fit" lineal por medio de al menos dos puntos de la distribución.

8. Sensor (10) según una de las reivindicaciones precedentes, en el que el emisor (12) de luz se configura para emitir cada impulso de luz individual al menos como impulso doble con retardo de impulso doble variable entre los dos impulsos del impulso doble y en el que la unidad (18) de evaluación se diseña para compensar los retardos de los impulsos dobles de tal modo durante la evaluación, de manera, que los dos impulsos del impulso doble se sitúen uno sobre el otro en el tiempo.

9. Procedimiento para la medición de distancias con el procedimiento del tiempo de propagación de la luz en el que un emisor (12) de luz emite impulsos de luz individuales y un receptor (16) de luz recibe como señal de recepción de la luz los impulsos de luz individuales reemitidos o reflejados, en el que en una unidad (18) de evaluación implementada en un módulo (22) programable, en especial un Field Programmable Gate Array o un Programmable Logia Device se determina a partir de una característica de la distribución estadística de una gran cantidad de impulsos de luz individuales el tiempo de propagación de la luz entre la emisión y la recepción y en el que la frecuencia de muestreo efectiva del módulo (22) programable se incrementa por medio del muestreo en paralelo de varios valores de la señal de recepción de la luz en cada uno de los periodos de muestreo prefijados por la frecuencia de trabajo del módulo (22) programable por el hecho de que la señal de reopción de la luz es llevada al módulo (22) programable sobre varias vías de retardo paralelas entre el emisor (12) de luz y el módulo (22) programable con retardos distintos entre sí, caracterizado porque la gran cantidad de impulsos individuales de luz se emite de tal modo, que las señales de recepción de la luz se lleven siempre a las vías (36) de retardo con un retardo en el tiempo variable y porque se promedian los impulsos de luz individuales con compensación del desplazamiento en el tiempo para compensar las variaciones en las vías (36) de retardo.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, en el que el desplazamiento en el tiempo se genera por medio de una emisión retardada en un múltiplo de periodos de emisión completos y el muestreo se genera en múltiplos de los periodos de muestreo completos, siendo la frecuencia de emisión distinta de la frecuencia de trabajo.

11. Procedimiento según la reivindicación 9 ó 10, en el que cada impulso de luz individual se emite como impulso doble con retardo variable del impulso doble entre los dos impulsos del impulso doble y en el que los retardos de los impulsos dobles se compensan durante la evaluación de tal modo, que los dos impulsos de un impulso doble se hallen siempre uno encima del otro en el tiempo.