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

especialmente para cámaras (10), con los pasos:

- emisión de una primera señal luminosa de al menos un emisor de luz (12), sincronizada por un primer control de reloj (16), a un trayecto de luz (14), a través de un objeto reflectante (O), hacia un fotodiodo (13),

- determinación de una señal de recepción como consecuencia de la primera señal luminosa en el receptor (13),

- acoplamiento de otra señal luminosa sincronizada por otro control de reloj (17) y mezcla con la primera señal luminosa formando una señal de recepción (S13) común,

- filtrado de la señal de recepción (S13) común con un filtro (25), cuya respuesta de frecuencia corresponde a una frecuencia de una diferencia de reloj, formando una señal filtrada,

- uso de la señal de recepción del trayecto de luz (14) para determinar el tiempo de propagación de la luz, con los pasos:

- mezcla de las señales de reloj del primer control de reloj (16) y del control de reloj (17) adicional, formando asimismo una señal mezclada en un mezclador (30), y

- uso del desplazamiento de fases entre la señal mezclada de los controles de reloj (16, 17) y la señal filtrada para determinar el tiempo de propagación de la luz

caracterizado porque - la señal luminosa adicional se irradia al fotodiodo (13) en un ángulo con respecto a la primera señal luminosa, la mezcla de la primera señal luminosa con la señal luminosa adicional se realiza en el fotodiodo.

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

La invención se refiere a un procedimiento para la medición del tiempo de propagación de la luz, especialmente para cámaras, según el preámbulo de la reivindicación 1.

Estado de la técnica

En muchos campos de aplicación ha de determinarse la distancia de un objeto de referencia con respecto a otros objetos. Un campo de uso de este tipo lo constituyen sobre todo los sistemas de cámaras, por ejemplo también en el ámbito automovilístico o en el ámbito de la robótica.

Según el estado de la técnica se plantea el siguiente problema: Al aplicar en un diodo luminiscente una tensión pulsada, éste se ilumina al ritmo de esta tensión aplicada. Un objeto reflectante puede reflejar la potencia luminosa radiada hacia un fotodiodo, preferentemente cerca del LED emisor. La magnitud de la señal devuelta depende de la potencia de emisión del LED, del grado de reflexión del objeto y de la distancia del objeto con respecto al LED emisor. En el caso de una distancia de por ejemplo un metro de un objeto reflectante, por ejemplo una mano, la utilización de un LED habitual en el mercado, por ejemplo con una 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, en el fotodiodo se produce una corriente fotoeléctrica, por ejemplo de unos µA, provocada por la reflexión en la mano. Evidentemente, esta corriente fotoeléctrica cambia con la distancia del objeto reflectante, de modo que en el caso de distancias superiores a un metro es posible que sea de tan sólo unos pA en el fotodiodo. Aunque para medir la distancia del objeto reflectante se ofrece la medición del tiempo de propagación entre la señal enviada y la señal recibida, en el caso de las corrientes de recepción muy pequeñas en el fotodiodo, mencionadas anteriormente, resulta muy difícil determinar el momento exacto de llegada.

Se añade el agravante de que la señal que llega no produce en el fotodiodo o en el amplificador conectado la pendiente de flanco con la que se envió. El fotodiodo actúa como filtro pasabajos, especialmente si para aumentar la sensibilidad se elige grande (gran superficie de recepción) . En el caso de una distancia de aprox. 15 cm, el tiempo de propagación de la luz es de aprox. 1 ns. Debido al comportamiento como filtro pasabajos del fotodiodo mencionado anteriormente y del preamplificador, el tiempo de subida de la señal de recepción puede ser fácilmente de 10 µs. También el LED emisor tiene un tiempo de subida notable, aunque se queda considerablemente por debajo del comportamiento como filtro pasabajos de los fotodiodos de bajo coste.

Por lo tanto, la detección del momento exacto de llegada de la señal de reflexión causa enormes dificultades y muchas solicitudes de patente tratan precisamente de la mejora de la detección del momento exacto de llegada de la señal de reflexión.

Generalmente, se sabe que de esta manera pueden determinarse más fácilmente distancias de reflexión más grandes, por ejemplo de unos 10 a 100 m. Además, una medición a partir de aproximadamente 3 m hasta 250 m es más fácil que una medición en el campo cercano de 0 a 3m, ya que en éste se ha de medir con una exactitud de ns, para lo que se requieren a su vez fotodiodos y amplificadores del orden de GHz. Además, se añaden los agravantes de la luz extraña, la temperatura y el respectivo grado de reflexión del objeto que ha de ser medido. Generalmente, estos parámetros influyen en fuerte medida en la medición de distancia. Sin embargo, en la práctica frecuentemente se emplean unas potencias de envío considerables (por ejemplo, láser pulsado 10W) .

Como se sabe, se mantiene el desplazamiento de fases durante un procedimiento de mezcla para la obtención de la frecuencia ZF. En caso de elegir este procedimiento para medir el tiempo de propagación y la distancia, una luz de intensidad modulada ha de recibirse con una frecuencia de modulación del orden de 10MHz y mezclarse, lo que requiere fotodiodos rápidos y preamplificadotes. Una gran amplificación junto a una alta frecuencia es posible sólo dentro de unos márgenes muy limitados. Por ello, conviene mezclar lo antes posible en la ruta de recepción. No obstante, los mezcladores habituales no trabajan con la corriente fotoeléctrica.

La solicitud de patente alemana DE19902612A1 en la que está basado el preámbulo de la reivindicación 1 da a conocer un mezclador optoelectrónico constituido por un fotodiodo con dos electrodos separados en los que se aplica una tensión de amplitud modulada, de modo que la corriente fotoeléctrica generada por un rayo de luz en el fotodiodo se mezcla con la tensión de amplitud modulada. Por lo tanto, se da a conocer un fotodiodo multisegmento realizado como diodo diferencial para mezclar la tensión alterna de un generador de frecuencia de referencia, es decir, una señal eléctrica con la frecuencia de una señal luminosa. En particular, se muestra que este mezclador puede utilizarse en un distanciómetro, emitiendo un emisor de luz una señal luminosa de amplitud modulada a un objeto que ha de ser medido, un sensor de luz registra la señal luminosa reflejada, devuelta por el objeto, y mediante una unidad de evaluación se determina el desplazamiento de fases entre la señal luminosa emitida y la señal luminosa devuelta. El mezclador electroóptico permite la conversión de una alta frecuencia de modulación de amplitud en un intervalo de frecuencias más bajas en un lugar de la ruta de señal en el que aún no se ha producido ninguna amplificación eléctrica de banda ancha.

Por el documento DE10350489A1 se conoce un sensor óptico en el que la frecuencia de un rayo de luz recibido se mezcla con la frecuencia de una señal eléctrica en un fotodiodo de avalancha.

El documento WO2004/061639A1 da a conocer una disposición de medición electrónica con compensación de luz extraña, así como un procedimiento para la compensación de una señal de la disposición de medición. Allí, dos rayos de luz se regulan de tal forma que la señal de salida de un fotodiodo en el que inciden los rayos de luz se asemeja a una señal de corriente continua.

El documento DE10006493A1 da a conocer un procedimiento y un dispositivo para la medición de distancia optoelectrónica, usando dos emisores de luz y dos receptores de fotodiodo para el calibrado. Una parte de la potencia modulada del emisor principal llega al objeto que ha de ser medido y, desde éste, en forma de luz dispersa, al fotorreceptor principal y otra parte de la potencia del emisor principal llega directamente a un fotorreceptor de referencia, mientras que una parte de la potencia modulada del emisor de luz de referencia es conducida directamente al fotorreceptor principal y otra parte es conducida directamente al fotorreceptor de referencia.

Incluso si se hubiese determinado exactamente el momento de la señal de recepción, se produce otro efecto no deseado. La luz extraña adicional en el fotodiodo cambia ligeramente la amplitud y el tiempo de subida de la señal de recepción, de modo que también la medición de distancia puede ser influenciada por luz extraña.

Por el documento DE10322552A1 se conoce conducir al receptor, paralelamente o en el mismo ángulo, la radiación de luz reflejada en un objeto, así como la radiación de luz de un segundo trayecto de luz, procedente de otro emisor o de una fuente de luz de compensación. Es que, si por una parte, por una fuente de luz se radia luz al fotodiodo desde delante y por otra fuente de luz se acopla luz lateralmente, el tiempo de subida aumenta claramente con una corriente pulsante en la señal luminosa con acoplamiento lateral. Por lo tanto, en caso del acoplamiento lateral, la luz extraña tiene una influencia considerablemente mayor. Por lo tanto, el punto sin dimensión en la línea característica de intensidad de luz / corriente fotoeléctrica, originado en caso de la compensación total, se vuelve a convertir en un trayecto sujeto a influencias de luz extraña en la línea característica del fotodiodo. Por tanto, en principio resulta óptimo un ángulo de incidencia igual para la señal de recepción y la señal de compensación. Sin embargo, el documento DE10322552A1 trata sólo de un procedimiento y un dispositivo para medir una señal luminosa modulada bajo compensación de influjos de luz extraña. No se describe la mezcla intencionada de dos rayos de luz en un fotodiodo.

Exposición de la invención

Partiendo de este estado de la técnica, la presente... [Seguir leyendo]

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

- emisión de una primera señal luminosa de al menos un emisor de luz (12) , sincronizada por un primer control de reloj (16) , a un trayecto de luz (14) , a través de un objeto reflectante (O) , hacia un fotodiodo (13) ,

- determinación de una señal de recepción como consecuencia de la primera señal luminosa en el receptor (13) ,

- acoplamiento de otra señal luminosa sincronizada por otro control de reloj (17) y mezcla con la primera señal luminosa formando una señal de recepción (S13) común,

- filtrado de la señal de recepción (S13) común con un filtro (25) , cuya respuesta de frecuencia corresponde a una frecuencia de una diferencia de reloj, formando una señal filtrada,

- uso de la señal de recepción del trayecto de luz (14) para determinar el tiempo de propagación de la luz, con los pasos:

- mezcla de las señales de reloj del primer control de reloj (16) y del control de reloj (17) adicional, formando asimismo una señal mezclada en un mezclador (30) , y

- uso del desplazamiento de fases entre la señal mezclada de los controles de reloj (16, 17) y la señal filtrada para determinar el tiempo de propagación de la luz

caracterizado porque

- la señal luminosa adicional se irradia al fotodiodo (13) en un ángulo con respecto a la primera señal luminosa,

la mezcla de la primera señal luminosa con la señal luminosa adicional se realiza en el fotodiodo.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la primera señal luminosa se irradia al fotodiodo (13) sustancialmente de manera frontal, y la señal luminosa adicional se irradia al mismo sustancialmente de manera lateral.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque el ángulo entre el ángulo de irradiación de la primera señal luminosa y de la señal luminosa adicional es superior a 45º, preferentemente superior a 70º, pero de forma especialmente preferible es de 90º aproximadamente.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la frecuencia de la diferencia de reloj es al menos dos potencias de diez inferior a las frecuencias del primer control de reloj y del control de reloj adicional (16, 17) .

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la longitud de onda de la luz radiada por el emisor de luz (12) y el emisor de luz adicional (15) se sitúa en el intervalo infrarrojo.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las longitudes de onda de la luz radiada por el emisor de luz (12) , por una parte, y por el emisor de luz adicional (15) , por otra parte, son diferentes.

7. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque uno de los emisores de luz (12, 15) radia luz con una longitud de onda en el intervalo infrarrojo y el otro radia luz con una longitud de onda en el intervalo rojo.

8. Procedimiento según la reivindicación 6, caracterizado porque uno de los emisores de luz (12, 15) radia luz con una longitud de onda en el intervalo infrarrojo y el otro radia luz con una longitud de onda en el intervalo azul.