SENSOR OPTOELECTRÓNICO.

Sensor (10) optoelectrónico con un emisor (12) de luz para la emisión de pulsos (18) láser en una zona (24) de control mediante una fuente (14) de luz láser,

y con un circuito (16, 30) de excitación para la fuente (14) de luz láser, el cual está configurado para poner el emisor (12) de luz en un estado de trabajo en el que la fuente (14) de luz láser emite un pulso (18) láser, o el emisor (12) de luz, sólo cada vez antes de la emisión de un pulso (18) láser, en un estado de preparación en el que la fuente (14) de luz láser se pone a una tensión de polarización, o se alimenta una corriente de polarización a la fuente (14) de luz láser, caracterizado porque el circuito (16, 30) de excitación está configurado, además, para en el estado de preparación aproximar la fuente (14) de luz láser hasta el comienzo del pulso (18) láser, al umbral del efecto láser, hasta un 70% - 90% de este, aunque sin sobrepasarlo.

La invención se refiere a un sensor optoelectrónico y a un procedimiento para el funcionamiento de un emisor de luz en un sensor optoelectrónico, según el preámbulo de la reivindicación 1 ó 9.

Con sensores optoelectrónicos se puede determinar la distancia de objetos según el conocido principio del procedimiento por el tiempo de propagación de la luz. Para ello, en un procedimiento por el tiempo de propagación de pulsos, se emite un pulso corto de luz, y se mide el tiempo hasta la recepción de una reflexión difusa o reflexión del pulso de luz. Alternativamente, en un procedimiento por defasaje, se modula en amplitud la luz emitida, y se determina un desplazamiento de fase entre luz emitida y luz recibida.

La medición de la distancia se puede necesitar, por ejemplo, en la seguridad de vehículos, en la automatización logística o industrial, o en la tecnología de seguridad, En especial, un telémetro que se base en un rayo reflejado de luz, puede reaccionar a una variación de la distancia del reflector o del objetivo que refleja o refleja difusamente. Una aplicación especial es una barrera luminosa de reflexión en la que se controla la zona espacial y la distancia entre emisor de luz y reflector. Otra aplicación son los escáneres telemétricos de láser cuyo rayo vector calibra una línea o incluso una superficie.

Si la resolución de la medición telemétrica debe de alcanzar una exactitud en la gama de unos diez milímetros, el tiempo de propagación de la luz se tiene que determinar exactamente en un orden de magnitud de cien picosegundos. Para alcanzar una resolución de la distancia de un milímetro, se tienen que registrar metrológicamente seis picosegundos.

Para semejantes exigencias en la precisión del tiempo, perturba ya una desviación temporal insignificante entre el instante en el que se da la orden para la emisión del pulso de luz, y la emisión efectiva. Pero las fuentes de luz láser no emiten luz inmediatamente al aplicar una señal eléctrica. En una zona por debajo de una corriente mínima designada como umbral del efecto láser, no basta para ello la densidad de portadores de carga. Incluso al aplicar una corriente superior al umbral del efecto láser, se necesita un cierto tiempo de iniciación, para formar suficientes portadores de carga, y esto conduce a un retardo temporal entre la señal eléctrica de entrada en el láser, y su señal óptica de salida.

Para evitar esto, normalmente se polariza el láser, a un nivel superior al umbral del efecto láser, tanto en procedimientos por el tiempo de propagación de pulsos, como en procedimientos por defasaje. Aquí el láser emite siempre una cierta cantidad de luz, incluso cuando no se deba de emitir ningún pulso de luz. Para mantener pequeño este rendimiento luminoso bajo modo continuo, la corriente preliminar se tiene que mantener justo por encima del umbral del efecto láser.

Por tanto, tales sistemas tienen una serie de inconvenientes. Cualquier luz de salida, aun cuando se mantenga pequeña, incide a la distancia disponible a potencias propias de emisión. Esto no sólo reduce la exactitud de la medida, debido a distancias acortadas utilizables entre señales, sino que posiblemente perjudica también el grado de protección del láser, puesto que según las normas especializadas de seguridad para la protección de los ojos, la potencia óptica de salida promediada tiene que permanecer por debajo de un valor máximo permitido, y por causa de la corriente preliminar, la luz generada exige ya una parte de ella para sí.

Para poder mantener la corriente preliminar justo por encima del umbral del efecto láser, para una regulación es necesaria una retroalimentación óptica. Para ello se dispone un diodo monitor para el diodo láser. La necesaria corriente de polarización se ajusta entonces siempre para mantener una potencia óptica constante de salida, a pesar de efectos de envejecimiento o efectos de temperatura, que desplazan el umbral del efecto láser.

Además, la regulación descrita reacciona precisamente en forma muy sensible a las oscilaciones, en caso de breves duraciones de conexión, por ejemplo, en caso de pulsos cortos proporcionalmente distribuidos escasos en el tiempo, y en caso de fuertes corrientes pulsantes, y esto conduce posiblemente a un comportamiento inestable del diodo láser.

El documento EP 1 298 449 A2 hace público un sensor óptico con un emisor que emite impulsos de luz de emisión, y que presenta dos interruptores. El cierre del primer interruptor conduce a que la potencia del láser de un diodo láser del sensor, se regule a un valor muy cerca por encima del umbral del efecto láser, mientras que el segundo interruptor dispara un impulso de luz de emisión. Durante las pausas entre pulsos, en las que están abiertos los dos interruptores, el emisor no emite luz ninguna, y mediante una especificación apropiada de la relación pulso

– pausa, se deben garantizar las exigencias de seguridad para los ojos, de grados especializados de láser.

Fuera de los sensores optoelectrónicos, por el trabajo de D. Verhulst y otros “Theoretical and experimental study of laser turnon delay in a GigaPON system with pre-biasing bits” se conoce para un procedimiento de un múltiplex por división de tiempo, polarizar el láser respectivo solamente en el segmento de tiempo asignado a él. Pero dentro de un segmento de tiempo asignado, el procedimiento es completamente análogo al arriba descrito, y tampoco se emiten pulsos ningunos de luz, sino un impulso de sincronización determinado por el modelo de bits a transmitir que corresponde más bien a una señal permanente modulada como un pulso.

Por consiguiente es misión de la invención conseguir en forma sencilla la reacción de alta precisión en el tiempo, de un láser en un sensor optoelectrónico.

Esta misión se resuelve mediante un sensor optoelectrónico según la reivindicación 1, y un procedimiento para el funcionamiento de un emisor de luz en un sensor optoelectrónico, según la reivindicación 9.

La invención parte aquí del principio de no adoptar permanentemente el estado de preparación, sino cada vez solamente en un estrecho intervalo temporal alrededor del pulso de emisión. El láser se excita poco antes del pulso láser propiamente dicho, con un pulso preliminar que acciona preparando el láser en la proximidad del umbral del efecto láser, para evitar un retardo hasta la emisión de luz, o al menos mantenerlo muy pequeño.

La solución según la invención tiene la ventaja de que el instante de emisión del pulso coincide con suficiente exactitud, con la excitación electrónica, para hacer posibles también mediciones del tiempo de propagación de la luz, por debajo de un nanosegundo. Las faltas de linealidad en la relación entre señal eléctrica de entrada y señal óptica de salida, se pueden compensar con la invención. Tales faltas de linealidad se pueden presentar en medida especial, en los diodos láser en el campo visible, si bien la invención se puede emplear también en otras gamas de frecuencia como, por ejemplo, en el infrarrojo.

Se suprime la luz permanente perturbadora de la medición, y sospechosa desde el punto de vista de las normas para la protección de los ojos por causa de una polarización del láser, puesto que el láser no emite luz ninguna fuera del estado de preparación. El láser se calienta menos, esto conduce a vidas útiles más largas, y ayuda a evitar efectos de envejecimiento y de temperatura, que por su parte desplazarían el umbral del efecto láser. No es necesario un diodo monitor, de manera que son posibles sistemas más baratos.

Estas ventajas surten efecto fuertemente en especial, cuando las duraciones de las conexiones son pequeñas, por ejemplo, el láser en un funcionamiento con pulsos breves, comparativamente escasos, está activo menos del 1% del tiempo, y de igual manera en caso de altas corrientes de los pulsos aproximadamente por encima del doble del umbral del efecto láser.

El circuito de excitación está configurado para polarizar la fuente de luz láser en el estado de preparación, o bien para alimentar a la fuente de luz láser una corriente de polarización. Con ello, la fuente de luz láser se excita ya con la señal antes del pulso propiamente dicho. Pero la amplitud para la tensión de polarización y para la corriente de polarización se ha elegido menor, a saber, aproximadamente en la zona del umbral del efecto láser.

Con ventaja está prevista una unidad de mando que está configurada... [Seguir leyendo]

1. Sensor (10) optoelectrónico con un emisor (12) de luz para la emisión de pulsos (18) láser en una zona (24) de control mediante una fuente (14) de luz láser, y con un circuito (16, 30) de excitación para la fuente (14) de luz láser, el cual está configurado para poner el emisor (12) de luz en un estado de trabajo en el que la fuente (14) de luz láser emite un pulso (18) láser, o el emisor (12) de luz, sólo cada vez antes de la emisión de un pulso (18) láser, en un estado de preparación en el que la fuente (14) de luz láser se pone a una tensión de polarización, o se alimenta una corriente de polarización a la fuente (14) de luz láser, caracterizado porque el circuito (16, 30) de excitación está configurado, además, para en el estado de preparación aproximar la fuente (14) de luz láser hasta el comienzo del pulso (18) láser, al umbral del efecto láser, hasta un 70% - 90% de este, aunque sin sobrepasarlo.

2. Sensor (10) según la reivindicación 1, estando prevista una unidad (30) de mando que está configurada para proporcionar al circuito (16) de excitación, características del pulso (18, 44) láser, en especial, su rapidez de respuesta y/o variaciones de la amplitud.

3. Sensor (10) según alguna de las reivindicaciones precedentes, estando configurado el circuito (16, 30) de excitación para cambiar el emisor (12) de luz al estado de preparación con un breve avance en el tiempo, que en especial corresponde, por ejemplo, a una duración de una a cinco veces la del pulso (18) láser.

4. Sensor (10) según alguna de las reivindicaciones precedentes, estando configurado el circuito (16, 30) de excitación para finalizar el estado de preparación para el emisor (12) de luz, lo más pronto al final del pulso (18) láser y después con rapidez, en especial lo más tarde después de una a cinco veces la duración del pulso (18) láser.

5. Sensor (10) según alguna de las reivindicaciones precedentes, estando prevista una sonda (42) de temperatura para determinar la temperatura de funcionamiento de la fuente (14) de luz láser, y estando configurado el circuito (16, 30) de excitación para en función de la temperatura, seleccionar la amplitud en el estado de preparación, mediante una tabla o regla de cálculo.

6. Sensor (10) según alguna de las reivindicaciones precedentes, estando configurado el circuito (16, 30) de excitación para conectar la fuente (14) de luz láser sin corriente, fuera del estado de trabajo y del estado de preparación, y/o alcanzar el estado de trabajo sólo durante el estado de preparación.

7. Sensor (10) según alguna de las reivindicaciones precedentes, que está configurado como sistema telemétrico, y presenta en especial un receptor (28) de luz para la recepción de pulsos (18) de luz, así como una unidad (30) de evaluación que está configurada para calcular una distancia, mediante el procedimiento por el tiempo de propagación de la luz, a partir de un tiempo de propagación del pulso entre la emisión y la recepción de un pulso (18) de luz.

8. Sensor según la reivindicación 7, que está configurado como escáner telemétrico de láser, y presenta adicionalmente, en especial, una unidad deflectora para barrer una zona de control con pulsos de luz emitidos sucesivamente.

9. Procedimiento para el funcionamiento de un emisor (12) de luz en un sensor (10) optoelectrónico, en especial en un sistema telemétrico o en un escáner telemétrico de láser, poniéndose el emisor (12) de luz, poco antes de la emisión de un pulso (18) láser, primeramente en un estado de preparación en el que la fuente (14) de luz láser se excita a una tensión de polarización, o se alimenta una corriente de polarización a la fuente (14) de luz láser, y después se cambia a un estado de trabajo en el que la fuente(14) de luz láser emite pulsos (18) láser a una zona

(24) de control, caracterizado porque en el estado de preparación la fuente (14) de luz láser se aproxima hasta el comienzo del pulso (18) láser en el estado de trabajo, al umbral del efecto láser, hasta un 70% - 90% de este, aunque no lo sobrepasa.

10. Procedimiento según la reivindicación 9, proporcionándose a la fuente (14) de luz láser en el estado de trabajo y/o en el estado de preparación, la rapidez de respuesta y/o las variaciones de la amplitud.

11. Procedimiento según la reivindicación 9 ó 10, cambiándose el emisor (12) de luz al estado de preparación con un breve adelanto en el tiempo, que en especial corresponde, por ejemplo, a una duración de una a cinco veces la del pulso (18) láser, y finalizando el estado de preparación para el emisor (12) de luz, lo más pronto al final del pulso (18) láser y después con rapidez, lo más tarde después de una a cinco veces la duración del pulso (18) láser, pudiéndose cambiar el emisor (12) de luz, al estado de trabajo solamente desde el estado de preparación, y conectándose la fuente (14) de luz láser sin corriente, fuera del estado de trabajo y del estado de preparación.

12. Procedimiento según alguna de las reivindicaciones 1 a 11, determinándose la temperatura de funcionamiento de la fuente (14) de luz láser, y seleccionando la amplitud en el estado de preparación, en función de la temperatura, mediante una tabla o regla de cálculo.