PROCEDIMIENTO PARA LA MEDICIÓN DEL TIEMPO DE PROPAGACIÓN DE LA LUZ.

Procedimiento para la medición del tiempo de propagación de la luz,

en particular para cámaras (10), con los pasos siguientes: - envío de una pluralidad de primeras señales luminosas cadenciadas por un control de cadencia (11) desde al menos una fuente de luz (12) en al menos una trayectoria luminosa (14) a través de un objeto (O) reflectante a al menos un receptor (13) para la detección de un tiempo de propagación de la luz o cambio del tiempo de propagación de la luz de las primeras señales luminosas a consecuencia de la aproximación, presencia y/o retirada del objeto (O), en el que cada una de estas primeras señales luminosas se compone de periodos de activación A y B sucesivos en el tiempo, - transmisión de una pluralidad de segundas señales luminosas cadenciadas por el control de cadencia (11) con la misma cadencia y que se sitúan en las pausas de pulso de las primeras señales luminosas, desde una fuente de luz de compensación (21) a través de una trayectoria conocida respecto a su distancia, en el que cada una de estas segundas señales luminosas se compone respectivamente de periodos de activación C y D sucesivos en el tiempo y las segundas señales luminosas se pueden desplazar temporalmente respecto a las primeras señales luminosas mediante un modificador de fase, - recepción de las primeras y las segundas señales luminosas mediante al menos un receptor (13), - determinación de la señal de recepción, que resulta de las primeras y segundas señales luminosas, en el receptor (13), - división de la señal de recepción (S13) en las zonas correspondientes a los periodos de activación A, B, C y D mediante una puerta lógica con la cadencia del control de cadencia (11), - comparación cadenciada de respectivamente una señal de recepción correspondiente a un periodo de activación B de las primeras señales luminosas con respectivamente una señal de recepción correspondiente a un periodo de activación D de las segundas señales luminosas, para la generación de un valor de comparación a la salida de un comparador (15), que se utiliza para la regulación de los valores de amplitud de las primeros señales luminosas y/o de las segundas señales luminosas, de forma que los periodos de la señal de recepción correspondientes a los periodos de activación B y D son esencialmente iguales en su amplitud al menos en la entrada del comparador, - detección cadenciada de una primera señal de alternancia de cadencia (TW) recibida en el receptor (13) durante un periodo de activación A, y una segunda señal de alternancia de cadencia (TW) recibida en el receptor durante un periodo de activación C, con una magnitud de los periodos de la señal de recepción correspondientes a los periodos de activación B y D, regulada esencialmente a la misma amplitud en la entrada del comparador (15), - determinación de un valor de diferencia (S16) por comparación de la primera señal de alternancia de cadencia (TW) con la segunda señal de alternancia de cadencia según su amplitud en otro comparador (16), - cambio del valor de diferencia (S16) mediante un modificador de fase (17) para el cambio del retardo de fases entre las primeras y segundas señales luminosas hasta que el valor de diferencia (S16) se vuelve mínimo, preferentemente nulo, - utilización del retardo del modificador de fase obtenido con el valor de diferencia mínimo para la determinación del tiempo de propagación de la luz.

La invención se refiere a un procedimiento y un dispositivo para la medición del tiempo de propagación de la luz, en particular para cámaras, según el preámbulo de la reivindicación 1 y 6.

En muchos sectores de aplicación se debe determinar la distancia de un objeto de referencia respecto a otros objetos. Un sector de utilización semejante lo constituyen ante todo los sistemas de cámaras, por ejemplo, también en el sector automovilístico o en el sector de la robótica.

En este caso según el estado de la técnica se produce la problemática siguiente: si se aplica una tensión pulsada a un diodo luminiscente, así éste luce con el ritmo de esta tensión aplicada. Un objeto reflectante puede reflejar la potencia luminosa radiada a un fotodiodo, preferentemente cerca del LED que emite. La señal devuelta depende en su magnitud de la potencia de envío del LED, el grado de reflexión del objeto y la distancia del objeto al LED que emite. Con una distancia de un objeto reflectante, por ejemplo, una mano, de por ejemplo un metro, de la utilización de un LED habitual en el mercado con, por ejemplo, corriente pulsante de 100 mA, un ángulo de apertura de, por ejemplo, 15º y un fotodiodo de bajo coste habitual en el mercado, por ejemplo, BPW 34 de Osram, se produce una corriente fotoeléctrica provocada por la reflexión en la mano de, por ejemplo, algunos µA en el fotodiodo. Esta corriente fotoeléctrica se modifica naturalmente con la distancia del objeto reflectante, de forma que en el caso de distancias mayores de unos metros asciende posiblemente a sólo algunos pA en el fotodiodo. Para medir la distancia del objeto reflectante, se presta una medición del tiempo de propagación entre señal enviada y recibida, no obstante, en el caso de las corrientes de recepción muy pequeñas, arriba mencionadas en el fotodiodo es muy difícil determinar el momento exacto de llegada.

Se une de forma agravante que la señal que llega al fotodiodo o el amplificador conectado no genera la pendiente de flanco con la que se ha enviado. El fotodiodo actúa como filtro pasabajos, en particular si se selecciona grande (gran superficie de recepción) para el aumento de la sensibilidad. El tiempo de propagación de la luz se sitúa con aproximadamente una distancia de15 cm en aproximadamente 1 ns. Debido al comportamiento de filtro pasabajos del fotodiodo arriba mencionado y preamplificador, el tiempo de subida de la señal de recepción puede ser de todas formas 10 µs. También el LED que emite tiene un tiempo de subida evidente, no obstante, se sitúa en órdenes de magnitud por debajo del comportamiento del filtro pasabajos de fotodiodos de bajo coste. Se sitúa habitualmente en el rango de 5 a 10 ns y no se tiene en cuenta en la descripción posterior.

La detección del momento exacto de llegada de la señal de reflexión depara por consiguiente dificultades considerables, y muchos registros de patentes se dedican asimismo a la mejora de la detección del momento exacto de llegada de la señal de reflexión.

En general se conoce que mayores distancias de reflexión se pueden determinar más fácilmente de este modo, por ejemplo, unos 10 a 100 m. Además, una medición a partir de aproximadamente 3 m hasta 250 m es más sencilla que una medición en el campo cercano de 0 a 3m, en el que se debe medir con una exactitud de ns, lo que hace necesario de nuevo fotodiodos y amplificadores en el rango de GHz. Se añade de forma agravante todavía la luz extraña, temperatura y el grado de reflexión correspondiente del objeto a medir. Estos parámetros afectan en general fuertemente en la medición de la distancia. Pero en este caso se utilizan en la práctica frecuentemente potencias de envío considerables (por ejemplo, láser, pulsado 10W). Si se determinase exactamente el instante de la señal de recepción aparecería otro efecto indeseado. La luz extraña adicional en el fotodiodo cambia algo la amplitud y el tiempo de subida de la señal de recepción, de forma que también la medición de la distancia puede ser influenciada por la luz extraña.

Una posibilidad para la medición de la distancia es la medición del tiempo de propagación de la luz entre un emisor que emite radiación luminosa, un objeto que refleja esta radiación luminosa y un receptor. Debido a la elevada velocidad de la luz y la exactitud deseada de la medición se trabaja hoy en día con amplificadores extremadamente rápidos y en cuestión fotodiodos seleccionados pequeños que se pueden hacer funcionar con una elevada frecuencia de, por ejemplo, 100 MHz.

Del documento DE 100 22 054 A1 se conoce un sensor óptico de distancia, en el que se recurre al desplazamiento de fases entre rayos luminosos de envío y de recepción para la medición de la distancia. Para ello la señal de recepción con una amplitud mínima junto con la tensión de un oscilador se suministra a un rectificador de corriente sincrónico. Así una señal que procede de la trayectoria luminosa se suministra con una señal transmitida puramente eléctricamente a las entradas del rectificador de corriente sincrónico. La señal de salida dispuesta en la salida del rectificador de corriente sincrónico se regular por excitación de un órgano de retardo hasta un cambio de signo, hasta que el valor medio de las dos señales se vuelve aproximadamente cero en la salida. En este caso el rectificador de corriente sincrónico tiene el objetivo de descomponer la señal de forma muy precisa en las fases. Los retardos condicionados por los componentes, influencias de envejecimiento y temperatura se referencian y compensan por separado. Incluso al utilizar una trayectoria luminosa de referencia la regulación se realiza de forma eléctrica por la influencia del órgano de retardo. A un rectificador de corriente sincrónico clásico se le suministra por consiguiente la señal del fotodiodo y la señal transmitida puramente eléctricamente decalada en 90º o bien 270º respecto a la detección de fases. Para ello las señales no son iguales a cero antes del rectificador de corriente sincrónico, el valor medio puede volverse casi cero con el objetivo de mantener con la misma longitud los periodos de señal correspondientes de la señal recibida.

Del documento WO 01/90778 A1 se conoce además un procedimiento para la medición de la distancia por la medición del tiempo de propagación, excitándose la señal de emisión y la señal de recepción aplicada en el receptor con la misma cadencia. Las señales de excitación así determinadas se desplazan mediante un modificador de fase, de manera que se vuelve mínima la desviación de la distancia entre la distancia determinada por la medición del tiempo de propagación respecto al objeto objetivo y la distancia real. El objetivo es optimizar los puntos de exploración con el tiempo de propagación en el caso de frecuencias elevadas.

Del documento EP 706 648 B1 se conoce detectar señales luminosas con compensación de influencias exteriores, tales como influencias por luz extraña, temperatura y envejecimiento entre el emisor de luz y el receptor de luz. Los emisores de luz se hacen funcionar a intervalos temporales y de forma alternante a través de un generador de cadencia. La luz regulada en la amplitud de al menos una trayectoria de luz actúa dado el caso con la luz del otro emisor de luz, como por ejemplo, una fuente de luz de compensación sobre el receptor de luz, de forma que se origina una señal de recepción sin fracciones de señal isócronas. La señal de recepción del receptor de luz se suministra a un demodulador síncrono que descompone la señal de recepción de nuevo en los componentes de señal correspondientes de las dos fuentes de luz. Éstos se comparan entre sí en un comparador, originándose sin fracciones de luz extraña una señal correspondiente a un estado de cero. Si en la salida del comparador no se aplica una señal correspondiente a este estado de cero, la potencia de radiación que se suministra a las fuentes de luz se regula para el efecto hasta que se ha alcanzado este estado (véase también el documento DE 10001455 A1).

Del documento DE 103 22 552 A1 se conoce conducir al receptor la radiación luminosa reflejada en un objeto, así como la radiación luminosa desde una segunda trayectoria luminosa, que procede de otro emisor o una fuente de luz de compensación, en paralelo o con el mismo ángulo. Si se irradia así la luz de una fuente de luz, por un lado, desde el frente en el fotodiodo y se acopla lateralmente desde otra fuente de luz, así el tiempo de subida crece claramente con una corriente pulsada en la señal luminosa con acoplamiento lateral. Por consiguiente la luz extraña en el acoplamiento lateral... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para la medición del tiempo de propagación de la luz, en particular para cámaras (10), con los pasos siguientes:

- envío de una pluralidad de primeras señales luminosas cadenciadas por un control de cadencia (11) desde al menos una fuente de luz (12) en al menos una trayectoria luminosa (14) a través de un objeto (O) reflectante a al menos un receptor (13) para la detección de un tiempo de propagación de la luz o cambio del tiempo de propagación de la luz de las primeras señales luminosas a consecuencia de la aproximación, presencia y/o retirada del objeto (O), en el que cada una de estas primeras señales luminosas se compone de periodos de activación A y B sucesivos en el tiempo,

- transmisión de una pluralidad de segundas señales luminosas cadenciadas por el control de cadencia (11) con la misma cadencia y que se sitúan en las pausas de pulso de las primeras señales luminosas, desde una fuente de luz de compensación (21) a través de una trayectoria conocida respecto a su distancia, en el que cada una de estas segundas señales luminosas se compone respectivamente de periodos de activación C y D sucesivos en el tiempo y las segundas señales luminosas se pueden desplazar temporalmente respecto a las primeras señales luminosas mediante un modificador de fase,

- recepción de las primeras y las segundas señales luminosas mediante al menos un receptor (13),

- determinación de la señal de recepción, que resulta de las primeras y segundas señales luminosas, en el receptor (13),

- división de la señal de recepción (S13) en las zonas correspondientes a los periodos de activación A, B, C y D mediante una puerta lógica con la cadencia del control de cadencia (11),

- comparación cadenciada de respectivamente una señal de recepción correspondiente a un periodo de activación B de las primeras señales luminosas con respectivamente una señal de recepción correspondiente a un periodo de activación D de las segundas señales luminosas, para la generación de un valor de comparación a la salida de un comparador (15), que se utiliza para la regulación de los valores de amplitud de las primeros señales luminosas y/o de las segundas señales luminosas, de forma que los periodos de la señal de recepción correspondientes a los periodos de activación B y D son esencialmente iguales en su amplitud al menos en la entrada del comparador,

- detección cadenciada de una primera señal de alternancia de cadencia (TW) recibida en el receptor (13) durante un periodo de activación A, y una segunda señal de alternancia de cadencia (TW) recibida en el receptor durante un periodo de activación C, con una magnitud de los periodos de la señal de recepción correspondientes a los periodos de activación B y D, regulada esencialmente a la misma amplitud en la entrada del comparador (15),

- determinación de un valor de diferencia (S16) por comparación de la primera señal de alternancia de cadencia (TW) con la segunda señal de alternancia de cadencia según su amplitud en otro comparador (16),

- cambio del valor de diferencia (S16) mediante un modificador de fase (17) para el cambio del retardo de fases entre las primeras y segundas señales luminosas hasta que el valor de diferencia (S16) se vuelve mínimo, preferentemente nulo,

- utilización del retardo del modificador de fase obtenido con el valor de diferencia mínimo para la determinación del tiempo de propagación de la luz.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el valor de comparación a la salida del comparador se utiliza simultáneamente para la regulación de los valores de amplitud, de forma que las influencias, tales como grado de reflexión, luz extraña y temperatura se compensan por la regulación de la señal (S15) a la salida del comparador

(15) a un estado de cero por influencia de la potencia luminosa de la al menos una fuente de luz (12).

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque como receptor (13) se utiliza un fotodiodo recubierto parcialmente, preferentemente en el borde (13b) de forma opaca a la luz.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque las primeras señales luminosas y las segundas señales luminosas, que vienen igualmente de una segunda trayectoria luminosa, se conducen al receptor (13) a través de medios de desvío (25), que desvían las señales luminosas desviadas de forma que la señales luminosas inciden esencialmente en paralelo o con el mismo ángulo en el receptor (13).

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizado porque la determinación del tiempo de propagación de la luz se utiliza para la medición de la distancia.

6. Dispositivo para la medición del tiempo de propagación de la luz, en particular para cámaras (10), con:

- un control de cadencia (11)

- al menos una fuente de luz (12) para el envío de una pluralidad de primeras señales luminosas cadenciadas por un control de cadencia (11) en al menos una trayectoria luminosa (14) a través de un objeto (O) reflectante a al menos un receptor (13) para la detección de un tiempo de propagación de la luz o cambio del tiempo de propagación de la luz de las primeras señales luminosas a consecuencia de la aproximación, presencia y/o retirada del objeto (O), en el que cada una de estas primeras señales luminosas se compone de periodos de activación A y B sucesivos en el tiempo,

- medios para la transmisión de una pluralidad de segundas señales luminosas cadenciadas por el control de cadencia (11) con la misma cadencia y que se sitúan en las pausas de pulso de las primeras señales luminosas, desde una fuente de luz de compensación (21) a través de una trayectoria conocida respecto a su distancia, en el que cada una de estas segundas señales luminosas se compone respectivamente de periodos de activación C y D sucesivos en el tiempo y las segundas señales luminosas se pueden desplazar temporalmente respecto a las primeras señales luminosas mediante un modificador de fase,

- un receptor (13) para la recepción de las primeras y las segundas señales luminosas,

- medios para la determinación de la señal de recepción, que resulta de las primeras y segundas señales luminosas, en el receptor (13),

- medios para la división de la señal de recepción (S13) en las zonas correspondientes a los periodos de activación A, B, C y D mediante una puerta lógica con la cadencia del control de cadencia (11),

- un comparador (15) para la comparación cadenciada de respectivamente una señal de recepción correspondiente a un periodo de activación B de las primeras señales luminosas con respectivamente una señal de recepción correspondiente a un periodo de activación D de las segundas señales luminosas, para la generación de un valor de comparación en la salida del comparador (15),

- al menos un regulador (18) que se utiliza para la regulación de los valores de amplitud de las primeros señales luminosas y/o de las segundas señales luminosas, de forma que los periodos de la señal de recepción correspondientes a los periodos de activación B y D son esencialmente iguales en su amplitud al menos en la entrada del comparador,

- medios para la detección cadenciada de una primera señal de alternancia de cadencia (TW) recibida en el receptor (13) durante un periodo de activación A, y una segunda señal de alternancia de cadencia (TW) recibida en el receptor durante un periodo de activación C, con una magnitud de los periodos de la señal de recepción correspondientes a los periodos de activación B y D, regulada esencialmente a la misma amplitud en la entrada del comparador (15),

- otro comparador (16) para la determinación de un valor de diferencia (S16) por comparación de la primera señal de alternancia de cadencia (TW) con la segunda señal de alternancia de cadencia según su amplitud,

- un modificador de fase (17) para el cambio del valor de diferencia (S16) mediante un cambio del retardo de fases entre las primeras y segundas señales luminosas hasta que el valor de diferencia (S16) se vuelve mínimo, preferentemente nulo,

- medios para la determinación del tiempo de propagación de la luz por utilización del retardo del modificador de fase obtenido con el valor de diferencia mínimo.

7. Dispositivo según la reivindicación 6, caracterizado porque el receptor (13) es un fotodiodo recubierto parcialmente, preferentemente en el borde (13b) de forma opaca a la luz.

8. Dispositivo según la reivindicación 6 ó 7, caracterizado porque están previstos medios de desvío (25) que conducen las primeras señales luminosas y las segundas señales luminosas, que vienen de una segunda trayectoria luminosa conocida según su distancia, al receptor (13) y que desvían las señales luminosas desviadas de forma que la señales luminosas inciden esencialmente en paralelo o con el mismo ángulo en el receptor (13).

9. Dispositivo según una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado porque la al menos una fuente de luz (12) y/o la fuente de luz de compensación (21) están formadas al menos parcialmente por LEDs.