Verfahren und Vorrichtung zur optoelektronischen berührungslosen Distanzmessung nach dem Laufzeitprinzip

Die vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt ein Verfahren zur optoelektronischen berührungslosen Distanzmessung nach dem Laufzeitprinzip nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In einem zweiten Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur optoelektronischen berührungslosen Distanzmessung nach dem Laufzeitprinzip nach dem Oberbegriff des Anspruchs 13.

Optoelektronische Sensoren zur berührungslosen Distanzmessung werden je nach genutztem Verfahren in verschiedene Kategorien eingeteilt.

Eine erste Möglichkeit, Entfernungen sehr präzise zu messen, besteht darin, die Phasenlage von ausgesandter und empfangener Welle zu messen. Bei diesem Verfahren werden von einer Laserdiode Sinuswellen ausgesendet. Durch den Vergleich der Phasenlage der ausgesendeten Welle mit der Phasenlage der empfangenen Welle kann die Entfernung bestimmt werden.

Im Unterschied dazu werden bei Pulslaufzeitverfahren von einer Lichtquelle kurze Pulse ausgesendet. Durch die Messung der Laufzeit zwischen dem Aussenden des Pulses und dem Nachweis des reflektierten Lichts kann die Entfernung des reflektierenden Objekts bestimmt werden. Auf dieses Verfahren bezieht sich die vorliegende Erfindung.

Bei einem gattungsgemäßen Verfahren wird eine Entfernung eines Objekts von einer Sensoreinheit bestimmt aus einer Zeitdifferenz zwischen einem Startsignal und einem Echosignal, das aus einem von dem Objekt reflektierten optischen Messpuls abgeleitet wird. Zur Bestimmung der Zeitdifferenz werden folgende Schritte durchgeführt: a) Durch Vergleich von Startsignal und Echosignal mit einer digitalen Clock wird ein digitaler Rohwert gewonnen; b) mit Hilfe von mindestens zwei Feininterpolatoren werden eine Anfangszeitdifferenz zwischen Startsignal und Beginn des digitalen Rohwerts sowie eine Endzeitdifferenz zwischen Echosignal und Ende des digitalen Rohwerts bestimmt;

c) den Feininterpolatoren werden jeweils der Anfangsdifferenz beziehungsweise der Endzeitdifferenz entsprechende analoge Signale zugeführt und zu einer digitalen Anfangszeitdifferenz beziehungsweise digitalen Endzeitdifferenz umgesetzt.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung weist eine Sensoreinheit mit mindestens einer Lichtquelle zum Aussenden von Lichtpulsen und einem Detektor zum Nachweis von Lichtpulsen auf, wobei eine Entfernung eines Objekts von der Sensoreinheit bestimmbar ist aus einer Zeitdifferenz zwischen einem Startsignal und einem Echosignal, das aus einem von dem Objekt reflektierten optischen Messpuls abgeleitet ist. Weiterhin beinhaltet eine gattungsgemäße Vorrichtung eine Zeitmesseinheit zum Bestimmen der Zeitdifferenz, die folgende Komponenten aufweist: Eine digitale Clock zum Bestimmen eines digitalen Rohwerts aus Startsignal und Echosignal, mindestens zwei Feininterpolatoren zum Bestimmen einer Anfangszeitdifferenz zwischen Startsignal und Beginn des digitalen Rohwerts und einer Endzeitdifferenz zwischen Echosignals und Ende des digitalen Rohwerts durch Umsetzen von der Anfangszeitdifferenz beziehungsweise der Endzeitdifferenz entsprechenden analogen Signalen zu einer digitalen Anfangszeitdifferenz beziehungsweise digitalen Endzeitdifferenz.

Verfahren und Vorrichtungen dieser Art werden beispielsweise in der Lager- und Fördertechnik zur Positionierung von Regalbediengeräten aber auch bei einer Vielzahl weiterer Anwendungen im Bereich der industriellen Automatisierung eingesetzt.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur hier eingesetzten hoch auflösenden Zeitmessung sind in CH 631 860 G beschrieben.

Eine allgemeine Problemstellung bei dem Einsatz von Feininterpolatoren besteht darin, dass die zur Umsetzung der analogen Signale in Digitalwerte notwendigen Komponenten grundsätzlich immer Nichtlinearitäten aufweisen und darüber hinaus Driften, beispielsweise Temperatur- und Alterungsdriften, unterworfen sind. Diese Mechanismen wirken sich unmittelbar auf die für das Endergebnis erzielte Messgenauigkeit aus. Je höher die Genauigkeitsanforderung an solche Komponenten ist, umso höher sind auch im Allgemeinen die Kosten für diese Bauteile.

In DE 198 30 684 C1 ist eine optoelektronische Vorrichtung beschrieben, bei der ein Startpuls für eine Zeitmessung optisch aus einer Lichtquelle ausgekoppelt wird. Die dort in einem Fotodetektor nachgewiesenen Pulse dienen alternierend sowohl zum Starten

als auch zum Beenden der Zeitmessung, wodurch sich aufgrund elementarer elektronischer Gründe Ungenauigkeiten ergeben. Eine Referenzmessung, die zum Herausrechnen von Driften dienen könnte, wird dort nicht durchgeführt.

In US 2005/0119846 A1 ist ein Verfahren zum Kalibrieren von Messvorrichtungen beschrieben, bei dem in separaten Kalibrierungsmodi Eichkurven der verwendeten Ana- log-Digital-Wandler ermittelt werden. Hierbei geht man aus von einem Stand der Technik, bei dem zum Eichen Kalibrierungssignale zufällig generiert werden. Dies wird jedoch als nachteilig erachtet, da hierfür eine vergleichsweise lange Zeit benötigt wird.

Ein weiterer Entfernungsmesser, bei dem ein Startpuls für eine Zeitmessung optisch aus der Lichtquelle ausgekoppelt und einer Zeitmesseinrichtung zugeführt wird, ist in DE 197 04 340 A1 offenbart. Auch hier dienen die von einem Fotodetektor nachgewiesenen Pulse alternierend sowohl zum Starten als auch zum Beenden einer Zeitmessung.

In DE 197 03 633 A1 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem während eines Anfangsund eines Endzeitintervalls einer zu bestimmenden Gesamtzeitdifferenz jeweils eine Messkapazität aufgeladen wird. Vor Inbetriebnahme der Vorrichtung sollen dabei Eichmessungen zur Ermittlung einer Kennlinie der Kondensatoren durchgeführt werden.

A u f g a b e der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung der oben bezeichneten Art zu schaffen, mit welcher die Messgenauigkeit erhöht werden kann.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.

Bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens und vorteilhafte Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Das Verfahren der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass zur automatischen Kalibrierung der Feininterpolatoren eine Vielzahl von Messungen nach den Schritten a) bis c) durchgeführt wird und dass unter Annahme einer Gleichverteilung für die Wahrscheinlichkeit, mit der Werte in einem bestimmten Werteintervall für die Anfangszeitdifferenz und die Endzeitdifferenz gemessen werden, Korrek-

turen für Nichtlinearitäten und/oder Driften der Kennlinien der Feininterpolatoren errechnet werden.

Die Vorrichtung der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass zur automatischen Kalibrierung der Feininterpolatoren eine Recheneinheit vorhanden ist, welche auf Grundlage einer Vielzahl von Zeitdifferenzmessungen eine statistische Auswertung vornimmt und unter Annahme einer Gleichverteilung für die Wahrscheinlichkeiten, mit der Werte in einem bestimmten Werteintervall für die Anfangszeitdifferenz und die Endzeitdifferenz gemessen werden, Korrekturen für Nichtlinearitäten und/oder Driften der Feininterpolatoren errechnet.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Als erster der Erfindung zugrunde liegende Kerngedanke kann die Erkenntnis angesehen werden, dass aus einer bestimmten Wahrscheinlichkeit, mit der bestimmte Werte für die Anfangszeitdifferenz beziehungsweise die Endzeitdifferenz auftreten, nämlich einer gleichen Wahrscheinlichkeit über ein bestimmtes Werteintervall, und aus einer Messung der Häufigkeiten, mit der die entsprechenden Feininterpolatorwerte auftreten, im Prinzip geschlossen werden kann auf die Kennlinie, mit welcher die fragliche Umsetzung im jeweiligen Feininterpolator erfolgt.

Als zweiter Kerngedanke der Erfindung ist anzusehen, zur automatischen Kalibrierung der Feininterpolatoren eine Vielzahl von Messungen auszuführen und die gemessenen Feininterpolatorwerte statistisch auszuwerten und unter Annahme einer Verteilung für die Wahrscheinlichkeit, mit der die einzelnen Werte für die Anfangszeitdifferenz beziehungsweise die Endzeitdifferenz gemessen werden, die jeweiligen korrigierten Feininterpolatorwerte zu errechnen.

Eine bedeutende Erkenntnis der Erfindung ist, dass bei Messverfahren, bei denen sowohl eine Anfangszeitdifferenz als auch eine Endzeitdifferenz mit Feininterpolatoren zu bestimmen ist, die zu erwartenden Messwerte der Feininterpolatoren aus elementaren physikalischen Gründen, wie beispielsweise thermische Schwankungen und dergleichen, selbst eine weitestgehend zufällige Verteilung aufweisen. Hieraus ergibt sich ein wesentlicher Kerngedanke der Erfindung, sich diese statistische Verteilung der eigentlichen Messwerte für die Kalibrierung der Feininterpolatoren zunutze zu machen.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Kalibrierung der Feininterpolatoren auf Grundlage einer Häufigkeitsverteilung der Messwerte selbst und nicht etwa basierend auf zufällig separat hierfür generierten Signalen durchgeführt wird, sind im Unterschied zum Stand der Technik separate Kalibrierungsmodi oder -zyklen, sei es zur Erzeugung zufällig verteilter Kalibrierungssignale, sei es zum gezielten Durchfahren und Aufnehmen von Eichkurven, nicht erforderlich. Dies erhöht insgesamt die Effektivität des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ein erster wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass prinzipiell beliebige Driften und Nichtlinearitäten der Feininterpolatoren korrigiert werden können. Die Kennlinie braucht im Grundsatz nur monoton zu sein.

Ein weiterer, für die Praxis sehr bedeutsamer Vorteil ist, dass an die Feininterpolatoren nur noch eine geringe Anforderung im Hinblick auf Linearität und Driftverhalten zu stellen ist, da die entsprechenden Korrekturen durch das erfindungsgemäße Verfahren sehr präzise vorgenommen werden können. Insbesondere dieser Aspekt gestattet erhebliche Kosteneinsparungen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Korrekturen der Feininterpolatoren unter der Annahme errechnet, dass innerhalb eines bestimmten Werteintervalls alle Anfangszeitdifferenzen und Endzeitdifferenzen mit derselben Wahrscheinlichkeit gemessen werden. Diese Situation ist realisiert, wenn das zu messende Zeitintervall relativ zu der digitalen Clock keine Phasenkorrelation aufweist.

Eine Korrektur der Feininterpolatorwerte kann dann in einfacher Weise dadurch erhalten werden, dass eine Summe der Häufigkeiten, mit der einzelne Feininterpolatorwerte auftreten, gebildet wird, und dass korrigierte Feininterpolatorwerte gewonnen werden, indem die Summe durch eine Konstante dividiert wird und von dem erhaltenen Wert nur die Ganzen berücksichtigt werden.

Diese Division kann rechentechnisch besonders rasch bewerkstelligt werden, wenn als Konstante eine Potenz von 2 gewählt und zur Division die entsprechende Zahl von "Le- ast significant Bits" weggestrichen wird.

Um Schwierigkeiten mit sehr kurzen Pulsen und sehr kleinen Signalen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn zur Bestimmung des digitalen Rohwerts erst ab einer zweiten, auf ein auslösendes Ereignis folgenden Flanke der Clock gezählt wird. Ein auslösendes

Ereignis kann beispielsweise eine ansteigende oder eine abfallende Flanke eines Startsignals oder eines Echosignals sein.

Eine weitere grundsätzliche Aufgabenstellung im Zusammenhang mit Laufzeitmessungen der hier beschriebenen Art besteht darin, dass bei einem Startsignal oder einem Echosignal klar sein muss, welcher Zeitpunkt genau diesem Signal zugeordnet wird. Zweckmäßig wird man davon ausgehen, dass dieser Zeitpunkt in der Mitte zwischen einer ansteigenden und einer abfallenden Flanke dieser Signale liegt. Damit die ansteigenden und abfallenden Flanken jeweils berücksichtigt werden können, werden insgesamt vier Feininterpolatoren eingesetzt, beziehungsweise weist die erfindungsgemäße Vorrichtung insgesamt vier Feininterpolatoren auf.

Die Feininterpolatoren weisen zweckmäßig jeweils einen Time-Analog-Converter, TAC, sowie einen Analog-Digital-Converter, ADC, auf.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass im Hinblick auf diese Komponenten keine hohe Genauigkeitsanforderung mehr gestellt ist, so dass beispielsweise der TAC ein RC-Glied sein kann.

Das Startsignal für die Zeitmessung kann dabei grundsätzlich optisch aus den von einer Lichtquelle ausgesandten Lichtpulsen ausgekoppelt und abgeleitet werden. Besonders bevorzugt wird das Startsignal aber aus einer Steuerelektronik der Lichtquelle abgeleitet. Ein solcher Aufbau kann mit kostengünstigeren Komponenten verwirklicht werden.

Die Elektronik, durch welche das Startsignal geleitet und schließlich der Zeitmesseinrichtung zugeführt wird, kann ebenfalls Driften, beispielsweise Temperatur- oder Alterungsdriften, aufweisen, die sich negativ auf die Messgenauigkeit auswirken. Um solche Driften eliminieren zu können, ist verfahrensmäßig weiterhin bevorzugt, wenn eine Referenzentfernung gemessen wird, indem Referenzpulse über eine optische Referenzstrecke geleitet werden.

Um zu vermeiden, dass durch einen zweiten optischen Detektionskanal, also einen zweiten optischen Detektor, eine weitere Driftquelle in das Messsystem eingeführt wird, schlägt die Erfindung in einem weiteren wesentlichen Aspekt vor, die Referenzpulse mit demselben Detektor wie die Echopulse nachzuweisen. Hierzu muss, damit sich die Referenzpulse und die Echopulse nicht zeitlich überlappen, der optische Weg der Refe-

renzpulse unterschiedlich, beispielsweise deutlich kürzer als der kürzeste optische Weg der Echopulse gewählt werden.

In vorrichtungsmäßiger Hinsicht ist dann zweckmäßig, wenn eine Einrichtung zum Aufteilen der Lichtpulse in jeweils einen Messpuls und einen Referenzpuls, eine Messoptik zum Leiten der Messpulse auf das Objekt und zum Leiten der von dem Objekt reflektierten Messpulse als Echopulse auf den Detektor und eine Referenzoptik zum Leiten der Referenzpulse in Richtung des Detektors vorhanden sind, wobei der optische Weg der Referenzpulse um mindestens eine Offsetstrecke kürzer oder länger ist als der optische Weg der Messpulse und wobei der Detektor zum abwechselnden quantitativen Nachweis sowohl der Echopulse als auch der Referenzpulse dient.

In die endgültige Bestimmung des Entfernungswerts geht bei dieser Verfahrensvariante eine Differenz zwischen der mit Hilfe der Echopulse gemessenen Entfernung und der Referenzentfernung ein. Diese Differenz kann besonders genau bestimmt werden, wenn die Referenzpulse und die Echopulse in etwa dieselbe Höhe aufweisen. Vorteilhafterweise ist deshalb im Strahlengang der Echopulse ein steuerbarer Pulsabschwächer angeordnet, zum gezielten Abschwächen der Echopulse, so dass diese mit den Referenzpulsen größenmäßig vergleichbar sind.

Ein erster Grundgedanke dieser Variante kann darin gesehen werden, dass zum Nachweis der Echopulse und der Referenzpulse ein und derselbe Detektor verwendet wird. Sowohl die Referenzmessung als auch die eigentliche Entfernungsmessung erfolgen deshalb stets mit denselben Komponenten, so dass ein möglicher Fehler über Bauteiletoleranzen ausgeschlossen und dementsprechend eine erheblich verbesserte Messgenauigkeit erzielt werden kann. Die Messung von Referenz und Entfernung kann deshalb nicht gleichzeitig, sondern muss alternierend erfolgen. Unter einem abwechselnden oder alternierenden Messen soll im vorliegenden Zusammenhang im Wesentlichen ein Nacheinandermessen von Echopulsen und Referenzpulsen verstanden werden. Die Erfindung umfasst insbesondere auch typische Situationen, wo beispielsweise 100 Echopulse gemessen werden und anschließend ein Referenzpuls gemessen wird. Wesentlich ist, dass die Messung von Echo- und Referenzpulsen nicht gleichzeitig in demselben Detektor erfolgen kann.

Ein weiterer Grundgedanke dieser Variante besteht darin, dass der optische Weg der Referenzpulse um mindestens eine Offsetstrecke kürzer oder länger ist als der optische

Weg der Messpulse. Auf diese Weise ist es möglich, Referenzpulse und Echopulse so weit zeitlich zu trennen, dass sie einander beim Nachweis im Detektor nicht überlagern und demgemäß eine getrennte Pulserfassung möglich ist und eine Referenzentfernung bestimmt werden kann.

Ein dritter Grundgedanke ist schließlich darin zu sehen, dass im Strahlengang der Echopulse ein Pulsabschwächer angeordnet ist, mit welchem die Echopulse gezielt und gesteuert abgeschwächt werden, so dass sie mit den Referenzpulsen größenmäßig vergleichbar sind. Durch die etwa gleiche Höhe der Referenz- und der Echopulse wird die Genauigkeit der Zeitbestimmung, welche die Ableitung eines Zeitpunkts aus einem Puls mit zunächst beliebigem Zeitverhalten voraussetzt, weiter erhöht. Durch die Messung von Echopulsen und Referenzpulsen mit absolut denselben Bauteilen, werden alle möglichen Ursachen für Driften in die Messung beider Entfernungen einbezogen. Durch Bildung einer Differenz zwischen der Strecke Startpuls/Referenzsignal und der Strecke Startpuls/Echosignal wird eine sogenannte Differenzdistanz gebildet. Eine eventuell auftretende Drift wird durch diese Differenzbildung rechnerisch eliminiert.

Diese Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich somit dadurch aus, dass alle Messungen von Referenzpulsen und Echopulsen mit denselben Bauteilen erfolgen, mithin nur ein optischer Empfänger sowohl für die Referenz- als auch für die Echomessung benutzt wird. Weiterhin ist eine optische Weglänge für die interne Referenz kürzer, als eine optische Weglänge für die eigentliche Entfernungsmessung. Wesentlich für die Erfindung ist außerdem, dass für die Signalstärke der Echosignale mit Hilfe eines steuerbaren Pulsabschwächers auf den entsprechenden Wert des Referenzsignals geregelt wird.

Unter der größenmäßigen Vergleichbarkeit kann beispielsweise eine pegelmäßige oder auch eine flächenmäßige Vergleichbarkeit der Pulse verstanden werden.

Bei der Lichtquelle kann es sich grundsätzlich um eine beliebige Lichtquelle handeln, die in der Lage ist, hinreichend kurze Pulse zu liefern. Bevorzugt werden Laser mit sichtbarem Licht oder Infrarotlicht verwendet. Auch der Einsatz von VCSELs oder RCLEDs ist möglich.

Als Detektoren können beispielsweise bekannte Photodioden verwendet werden.

Grundsätzlich kann auch der optische Weg durch die Referenzstrecke länger sein als der optische Weg für die Echopulse. Es kommt nur darauf an, dass der Unterschied hinreichend groß ist, dass sich die Pulse nicht im Detektor zeitlich überlappen können.

Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind im optischen Weg der Messpulse und/oder im optischen Weg der Referenzpulse optische Fasern vorhanden. Definierte optische Wegstrecken lassen sich mit Hilfe von optischen Fasern besonders einfach verwirklichen. Insbesondere kann die erfindungsgemäß geforderte hinreichende Differenz zwischen der optischen Weglänge für die Messpulse und der optischen Weglänge der Referenzpulse sehr einfach und Platz sparend realisiert werden. Darüber hinaus sind Aufbauten mit optischen Fasern gegenüber mechanischer Erschütterung vergleichsweise unempfindlich.

Als optische Fasern können grundsätzlich Monomode-Fasern eingesetzt werden. Dies hat den Vorteil, dass sich nur eine elektromagnetische Mode im Lichtleiter fortpflanzt und somit auch sehr kurze Pulse möglich sind. Für zahlreiche Anwendungen sind jedoch Multimode-Glasfasern zweckmäßig, da mit diesen Komponenten am Detektor höhere Intensitäten erzielt werden können.

Der Pulsabschwächer kann in einem einfachen Fall mechanisch aufgebaut und beispielsweise eine steuerbare mechanische Blende oder ein Graukeilrad sein.

Die Steuerung des Pulsabschwächers wird bevorzugt kontinuierlich nachgeführt. Hierfür wird die Entfernungs- und Referenzmessung repetierend durchgeführt. Die Nachregelung der Echopulse ist dabei durch die Schnelligkeit des Pulsabschwächers begrenzt. Eine raschere Nachregelung kann deshalb erzielt werden, wenn der Pulsabschwächer ein elektrooptischer, magnetooptischer oder akustooptischer Modulator oder ein AOTF ist.

Die Pulse der Startsignale, Echosignale und Referenzsignale sind aus elementaren elektronischen Gründen im Allgemeinen nicht symmetrisch, so dass die Annahme eines Zeitpunkts in der Mitte zwischen zwei Zeitpunkten, bei denen eine Komparatorschwelle überschritten beziehungsweise unterschritten wird, fehlerbehaftet ist. Eine weitere vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht deshalb darin, dass Pulsbreiten der Startsignale, Echosignale und/oder der Referenzsignale kompensiert werden. Zur Durchführung dieser Kompensationen werden beispielsweise Tabellen

aufgenommen, in denen zu einzelnen Werten für die Pulshöhe jeweils ein bestimmter Zeitpunkt relativ zu den Schaltzeitpunkten eines Komparators abgelegt sind.

Zweckmäßig werden vor Aufnahme eines eigentlichen Messbetriebs Tabellen zur Kompensation der Feininterpolatoren und/oder zur Pulskompensation aufgenommen. Die Tabellen zur Pulskompensation werden bevorzugt im Rahmen eines Grundabgleichs vor Auslieferung des Geräts an einen Kunden generiert.

Eine Tabelle oder mehrere Tabellen für die Kompensation der Feininterpolatoren können während des Messbetriebs kontinuierlich nachgeführt werden. Auf diese Weise werden bestimmte Driften, die beispielsweise auf einer Minuten- oder Stundenskala erfolgen, wie Temperaturdriften, berücksichtigt.

Im Hinblick auf die Genauigkeit der Messergebnisse ist es weiterhin von Vorteil, wenn die Entfernungsmessung repetierend durchgeführt wird und über eine Vielzahl von Messwerten gemittelt wird. Die Messgenauigkeit kann dann entsprechend elementarer Statistik gesteigert werden. Um prinzipiell auch in der Lage zu sein, die Entfernung von sich bewegenden Objekten zu messen, ist es zweckmäßig, für die Mittelwertbildung nicht alle aufgenommenen Messwerte zu berücksichtigen, sondern vielmehr für die Messwerte eine gleitende Mittelwertbildung durchzuführen.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert. Hierin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur optoelektronischen Distanzmessung, bei der ein Startsignal optisch aus einer Lichtquelle abgeleitet wird;

Fig. 2 Signalverläufe für die Vorrichtung aus Fig. 1 ;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur optoelektronischen

Distanzmessung, bei der ein Startsignal elektrisch aus einer Lichtquelle abgeleitet wird;

Fig. 4 Signalverläufe für die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung;

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 6 Signalverläufe für die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung;

Fig. 7 ein Blockdiagramm von wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 8 die für die Zeitmessung bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung relevanten Signalverläufe;

Fig. 9 ein Beispiel einer Korrekturtabelle für einen Feininterpolator;

Fig. 10 ein Diagramm mit kumulierten Messhäufigkeiten, aufgetragen gegen die

Feininterpolatorwerte;

Fig. 11 ein Diagramm mit kumulierten Messhäufigkeiten gegen aufgetragen gegen einen korrigierten Feininterpolatorwert; und

Fig. 12 ein schematisches Flussdiagramm mit den wesentlichen Schritten zur Ermittlung der Entfernung eines Objekts.

Ein Startsignal für die Zeitmessung kann auf verschiedenen Wegen erhalten werden. Unter Bezug auf die Figuren 1 bis 4 werden zwei dieser Methoden beschrieben. Hierin werden die Begriffe "Signal" und "Puls" mitunter gleichbedeutend verwendet. Für die weiter unten folgende Beschreibung der Erfindung soll unter "Puls" zumeist ein optisches Signal sowie unter "Signal" ein elektrisches oder elektronisches Signal verstanden werden.

Zunächst wird mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 ein Verfahren erläutert, bei welchem ein Startsignal aus einem optischen Startpuls erhalten wird. Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zur berührungslosen optischen Distanzmessung. Eine Lichtquelle 12 sendet dabei Lichtpulse aus, die über eine Linse 18 auf ein Objekt 14 in einem Nachweisbereich 16 geleitet werden. Nach Reflexion an dem Objekt 14 gelangen diese Lichtpulse, die nunmehr als Echopulse 30 bezeichnet werden, über eine Linse 22 auf einen Detektor 20 und werden dort nachgewiesen. Der Detektor 20 wird deshalb auch als Echoempfänger bezeichnet. Das Signal dieses Detektors 20, das auch als Echosignal 30 bezeichnet wird, wird der Messeinheit als Stoppsignal zugeführt. Um nun ein Startsignal für die Zeitmessung und damit für die Bestimmung der Entfernung des Objekts 14 zu gewinnen, werden bei dieser Methode aus den von der Lichtquelle 12 erzeugten Lichtpulsen ein Teil über einen halbdurchlässigen Spiegel 26 ausgekoppelt und über einen

Umlenkspiegel 28 einem weiteren Detektor 24 zugeführt. Das Ausgangssignal des weiteren Detektors 24, der auch als Startpulsempfänger bezeichnet wird, wird einer nach- geordneten Messeinheit zur Bearbeitung zugeführt.

Fig. 2 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Echosignals 30, welches im Detektor 20 nachgewiesen wird, sowie des im weiteren Detektor 24 nachgewiesenen optischen Startsignals 32. Aus einer Zeitdifferenz, welche in Fig. 2 durch einen Pfeil 34 angedeutet ist, kann, gegebenenfalls nach Vornahme weiterer Korrekturen und Kompensationen, auf die Entfernung des Objekts 14 zur Vorrichtung 100 geschlossen werden. Insbesondere ist aus Fig. 2 ersichtlich, dass das Echosignal und das optische Startsignal 32 einander zeitlich überlappen können, da sie in unterschiedlichen Detektoren nachgewiesen werden.

Durch die Verwendung von zwei optischen Detektoren ist es außerdem möglich, auch sehr kurze Entfernungen, beispielsweise unmittelbar vor den Linsen 18, 22, zu erfassen.

Voraussetzung für eine hohe Messgenauigkeit, also geringe Messfehler, ist bei diesem Verfahren, dass sich die Detektoren 20, 24 nahezu identisch verhalten. Nachteilig bei diesem Aufbau ist demnach, dass die grundsätzlich immer vorhandenen und unterschiedlichen Bauteiltoleranzen, selbst wenn sie gering sind, zwangsläufig zu unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Detektoren 20, 24 führen. Diese Unterschiede schlagen sich somit unmittelbar in Messfehlern nieder. Solche Fehler können beispielsweise in Form von Laufzeitunterschieden auftreten, die stark temperaturabhängig sind. Solche Ungenauigkeiten können zwar grundsätzlich durch Messen der Temperatur und Berücksichtigung geeigneter Kompensationen ausgeglichen werden, die aber selbst nicht zwingend langzeitstabil sind.

Bei einer alternativen Variante des Verfahrens wird ein Startsignal nicht unmittelbar aus dem gesendeten Laserlicht erzeugt, sondern aus einer elektrischen Ansteuerung der Lichtquelle gewonnen. Dieses Verfahren wird mit Bezug auf die Figuren 3 und 4 erläutert. äquivalente Komponenten sind dort mit denselben Bezugszeichen wie in den Figuren 1 und 2 versehen und werden nicht gesondert beschrieben. In Fig. 3 ist schematisch dargestellt, dass aus der Lichtquelle 12 ein Signal abgeleitet und einer Zeitmesseinrichtung 40 zugeführt wird.

Hierbei handelt es sich um ein elektrisches Startsignal 33, dessen zeitlicher Verlauf in Fig. 4 gezeigt ist. Ebenso wird ein Ausgangssignal des Detektors 20, bei welchem es sich um ein Echosignal 30 handelt, der Zeitmesseinrichtung 40 eingegeben. Der zeitliche Verlauf des Echosignals 30 ist ebenfalls in Fig. 4 dargestellt. Wie bei dem im Zusammenhang mit den Figuren 1 und 2 beschriebenen Verfahren, können sich auch hier das Startsignal 33 und der Echopuls 30 zeitlich überlappen, da sie physikalisch auf unterschiedlichen Wegen gewonnen werden. Aus der Zeitdifferenz zwischen dem Startsignal 33 und dem Echopuls 30, die in Fig. 4 durch einen Pfeil 35 gekennzeichnet ist, kann die Entfernung des Objekts 14 erhalten werden.

Vorteilhaft ist bei diesem Verfahren, dass einfachere und vor allem preiswertere Bauteile verwendet werden können.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung wird mit Bezug auf die Figuren 5 und 6 beschrieben. äquivalente Komponenten sind dort mit denselben Bezugszeichen wie in den Figuren 1 bis 4 gekennzeichnet.

Die in Fig. 5 gezeigte Vorrichtung 100 weist als wesentliche Komponenten eine Sensoreinheit 10 mit einer Lichtquelle 12 und einem Detektor 20 auf. Die Lichtquelle 12 sendet Lichtpulse 13 aus, welche in einer Einrichtung 48 in Messpulse 15 und Referenzpulse 36 aufgeteilt werden. Bei der Einrichtung 48 kann es sich beispielsweise um einen teildurchlässigen Spiegel handeln. Typischerweise werden nur einige Prozent der einkommenden Intensität als Referenzpuls ausgespiegelt. Sodann werden die Messpulse 15 durch eine optische Faser 44, welche auch als Messfaser bezeichnet werden kann, geleitet. über eine Linse 18 als Teil einer Messoptik werden die Messpulse 15 im Anschluss auf ein Objekt 14 geleitet, dessen Entfernung zur Sensoreinheit 10 gemessen werden soll. Die Messpulse 15 werden am Objekt 14 reflektiert. Die reflektierten Messpulse 15, die auch als Echopulse 30 bezeichnet werden können, gelangen auf eine Linse 22 als weiterem Teil einer Messoptik, treten sodann durch einen Pulsabschwächer 50 und gelangen schließlich zum Detektor 20, wo sie nachgewiesen werden. Ein Ausgangssignal des Detektors 20 wird einer Zeitmesseinrichtung 40 eingegeben. Außerdem wird der Zeitmesseinrichtung 40 ein von der Lichtquelle 12 abgeleitetes elektrisches Startsignal zugeführt. Das elektrische Startsignal ist das Abbild des Stroms der Laserdiode. Das Laserlicht selbst wird um einige Pikosekunden verzögert erzeugt. Der elektrische Startpuls wird als Bezugspunkt für die Referenz- und die Ent-

fernungsmessung verwendet. Bei dem Pulsabschwächer 50 handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine einstellbare mechanische Blende 52.

Um die oben im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis 4 erläuterten Ungenauigkeiten und Messfehler zu vermeiden, wurde erfindungsgemäß eine sogenannte Referenzstrecke in den Sensor integriert. Mit Hilfe dieser Strecke können auftretende Fehler, beispielsweise Driften, eliminiert werden.

Fig. 5 zeigt schematisch den Aufbau einer solchen Referenzstrecke. Die in der Einrichtung 48 abgeleiteten Referenzpulse 36 werden über eine optische Faser 46, die auch als Referenzfaser bezeichnet werden kann, auf einen teildurchlässigen Spiegel 27 und von diesem auf den Detektor 20 geleitet, wo sie nachgewiesen werden. Ein entsprechendes Nachweissignal wird wiederum der Zeitmesseinrichtung 40 zugeführt. Der Referenzpuls wird über einen definiert verzögerten optischen Kurzschluss im optischen Empfänger erzeugt. Er repräsentiert die Referenzentfernung für die Messung. Der Echopuls wird im gleichen optischen Empfänger wie der Referenzpuls erzeugt. Er wird vom Messziel, also vom Objekt, reflektiert. Die Zeitverzögerung zum gesendeten Laserpuls ist das Maß für die Entfernung.

Der zeitliche Verlauf der einzelnen Signale, die der Zeitmesseinrichtung 40 zugeführt werden, ist in Fig. 6 schematisch dargestellt. Zunächst erhält die Zeitmesseinrichtung 40 als erstes ein aus der Lichtquelle 12 abgeleitetes elektrisches Startsignal 33. über die im Wesentlichen durch die optische Faser 46 gebildete Referenzstrecke gelangt danach ein Referenzpuls 36 auf den Detektor 20. Eine Zeitverzögerung zwischen dem elektrischen Startsignal 33 und dem Zeitpunkt, zu dem der Referenzpuls 36 im Detektor 20 nachgewiesen wird, ist in Fig. 6 durch einen Pfeil 37 gekennzeichnet.

Nochmals zeitlich verzögert durch eine Laufzeit zum nachzuweisenden Objekt 14 und durch eine Verzögerungsstrecke in der optischen Faser 44 im Gerät wird der Detektor 20, welcher auch als Echoempfänger bezeichnet wird, mit dem Echosignal 30 beaufschlagt. Die Differenz zwischen der optischen Weglänge in der optischen Faser 46, die auch als Referenzfaser bezeichnet wird und derjenigen in der auch als Messfaser bezeichneten optischen Faser 44 entspricht im Wesentlichen der Offsetstrecke. Die Zeitdifferenz zum elektrischen Startsignal 33 ist in Fig. 6 durch einen Pfeil 35, die Laufzeitdifferenz zum Referenzpuls 36 durch einen Pfeil 31 gekennzeichnet. Um für die Messung der Referenz- und der Echopulse jeweils weitestgehend gleiche Verhältnisse zu

erhalten, werden erfindungsgemäß mit Hilfe des Pulsabschwächers 50 die Echopulse 30 so abgeschwächt, dass sie weitestgehend den Referenzpulsen 36 entsprechen. Die Pulse können beispielsweise auf im Wesentlichen übereinstimmende Pegel oder Pulshöhe, alternativ aber auch auf etwa gleiche Fläche der Peaks, geregelt werden. Die Regelung auf dieselbe Höhe oder Fläche hat den Vorteil, dass eine Drift der Pulsformen, die eigentlich ein Nachführen von Kompensationstabellen erforderlich machen würde, praktisch ohne Auswirkung bleibt, da sie sich auf Referenz- und Echopuls in derselben Weise auswirkt und deshalb eliminiert wird. Um für den Referenzpuls eine gewünschte Höhe zu erhalten, kann in dessen Strahlengang ein fester Pulsabschwächer, beispielsweise ein fest zu justierendes Graukeilrad, eingebaut werden.

Die Messung der Distanzen erfolgt dann abwechselnd zwischen Startsignal 33 und Referenzpuls 36 beziehungsweise zwischen Startsignal 33 und Echopuls 30. Durch Differenzbildung der jeweils gemessenen Werte können mögliche Driften, die in Fig. 6 mit dem Bezugszeichen 39 gekennzeichnet sind, eliminiert werden.

Bei diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Lichtquelle 12, die auch als Sender oder Sendediode bezeichnet werden kann, mit einer Glasfaser gekoppelt, die sich in eine Messfaser 44 und eine Referenzfaser 46 teilt, wobei die Messfaser 44 um die Offsetstrecke länger als die Referenzfaser 46 ausgeführt ist. Das Startsignal 33 wird sowohl für eine Entfernungsmessung als auch für eine Referenzmessung aus der elektrischen Ansteuerung der Sendediode gewonnen. Der gemessene Wert für die Referenzstrecke kann über einen längeren Zeitraum gemittelt werden.

Fig. 7 zeigt schematisch die wesentlichen Komponenten einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur optoelektronischen berührungslosen Distanzmessung. Wesentlicher Teil der Vorrichtung 100 ist eine Sensoreinheit 10, welche die vorstehend erläuterte Optoelektronik 60 und einen Messkern 62 umfasst. Zum präzisen Ermitteln der Zeitdifferenzen sind eine Digital-Datenerfassung 64 sowie eine Analog-Datenerfassung 65 mit insgesamt vier Feininterpolatoren 66, 67, 68, 69 vorgesehen. Sämtliche dieser Komponenten werden mit Hilfe eines Auswerte-/ Steuerungsrechners 70 gesteuert, dem auch die jeweiligen Daten zur Verarbeitung zugeführt werden.

Eine Ablaufsteuerung für die Messungen wird durch ein FPGA durchgeführt. Das FPGA führt die Messungen selbstständig durch, um Rohwerte zu erhalten und steuert dabei den Laser und liest den ADC aus. Darüber hinaus kann es einen Blendenmotor des

Pulsabschwächers regeln. Die Lichtquelle 12, wobei es sich um einen Laser handelt, wird gezündet, und die Messimpulse des elektrischen Startsignals sowie die Signale des optischen Detektors werden einem Komparator und anschließend dem FPGA zugeführt. Das FPGA wandelt die zeitabhängigen Signale in Pulsbreiten, Feininterpolator- werte und digitale Zählimpulse um. Die Pulsbreiten und die Feininterpolatorwerte werden anschließend in einem Zeit-Amplituden-Kon-'verter, TAC, und nachfolgend in einem Analog-Digital-Konverter, ADC, in digitale Signale umgewandelt. Ein Messrechner erhält die Messwerte vom FPGA und passt sie zur übertragung zu einem PC an. Die Rohdaten mehrerer Messungen werden gesammelt und an den PC übertragen.

Parallel dazu erfolgt eine Regelung des Pulsabschwächers 50 mit regelbarer Blende 52 für den Echopuls 30. Diese Regelung kann beispielsweise über eine Pulsweitenmodulation für einen Betrieb mit einem Gleichstrommotor erfolgen. Alternativ kann auch ein Schrittmotor eingesetzt werden.

Zur Blendenregelung erhält das FPGA eine Sollwertvorgabe. Gleichzeitig liest es vom ADC einen Istwert einer Pulsbreite des Messwerts aus. Abhängig davon, ob dieser Messwert der Messwert eines Referenzpulses 36 oder eines Echopulses 30 ist, wird beim Echopuls ein Ist-/Sollwertvergleich durchgeführt und bei Abweichungen ein Gleichspannungspuls variabler Länge bis zum Erreichen eines Ausregelungszustands erzeugt. Bei sehr großen Abweichungen läuft der Blendenmotor dauernd. Bei Annäherung an den Sollwert werden die Pulse kontinuierlich auf 10 ms Länge verkürzt. Die Pulsfrequenz kann beispielsweise 10 Pulse/s betragen.

Der zeitliche Ablauf der für die Zeitmessung relevanten Signale wird mit Bezug auf Fig. 8 erläutert. Ein elektrischer Startpuls 81 und ein Echo- oder Referenzpuls 83 werden jeweils Komparatoren 82, 84 zugeführt. Die Ausgänge dieser Komparatoren sind mit Flip-Flops 86, 88 verbunden. Anhand der Ausgänge L4 und L6 der Flip-Flops 86, 88 erfolgt die Zeitmessung. Zunächst wird durch Vergleich der Ausgänge L4 und L6 mit einem Clocksignal L1 und einem invertierten Clocksignal L2, welche aus einer Clock 80 abgeleitet werden, ein digitaler Rohwert der Messung gewonnen. Dieser digitale Rohwert ist die grobe Messung der Entfernung auf eine halbe Clock-Periode genau und entspricht einem Zählwert zwischen dem Startsignal L3 und dem Echo-/Referenzsignal L5. Um die mit sehr kurzen Pulsen verbundenen Schwierigkeiten zu vermeiden, zählt die Messlogik erst die zweite, auf eine steigende Flanke des Startsignals L3 folgende

steigende Flanke der Clock L1. Entsprechend wird auf eine abfallende Flanke des Startsignals L3 erst die zweite steigende Flanke des invertierten Clocksignals L3 gezählt. Analog ist das Zählverhalten für das Echo-/Referenzsignal L5, wo wiederum erst die jeweils zweite steigende Flanke gezählt wird.

Eine Anfangszeitdifferenz zwischen dem Startsignal L3 und der ersten für den digitalen Rohrwert gezählten Flanke sowie eine Endzeitdifferenz zwischen dem Echo- /Referenzsignal L5 und der letzten für den digitalen Rohwert gezählten Flanke wird mit Hilfe von Feininterpolatoren gemessen. Insgesamt werden im gezeigten Beispiel vier Feininterpolatoren verwendet, deren Eingangssignale mit l_7, L8, L9 und L10 gekennzeichnet sind.

Der Zeitablauf der Signale wird mit Bezug auf die Zeitskala im unteren Bereich von Fig. 8 erläutert.

Der Zeitpunkt t1 entspricht einer ansteigenden Flanke des Startsignals L3. Dies stellt zugleich den Beginn der Zeitmessung für den ersten Feininterpolator L7 dar. Zum Zeitpunkt t2 fällt das Startsignal L3 wieder ab, woraufhin der dritte Feininterpolator L9 zu messen beginnt. Zu den Zeitpunkten t3 und t4 wird die Zeitmessung der Feininterpolatoren L7 bzw. L9 beendet, was einer ansteigenden Flanke der Clock L1 beziehungsweise der invertierten Clock L2 entspricht.

Analog werden die Feininterpolatoren L8, L10 durch die ansteigende beziehungsweise abfallende Flanke des Echo-/Refe-τenzsignals L5 gestartet und durch die jeweils zweite darauf folgende ansteigende Flanke des Clocksignals L1 beziehungsweise der invertierten Clock L2 beendet. Dies erfolgt zu den Zeitpunkten t5 bis t8.

Die insgesamt vier Feininterpolatorwerte werden zu einem analogen Rohwert summiert, wobei in diese Summe die zur Anfangszeitdifferenz gehörenden Feininterpolatorwerte positiv und die zur Endzeitdifferenz gehörenden Feininterpolatorwerte negativ eingehen. Sämtliche Feininterpolatorwerte werden vor dieser Summenbildung einzeln kompensiert, was nachstehend noch genauer erläutert wird. Der so gewonnene analoge Rohwert kann als Feinbereich für die Entfernungsmessung angesehen werden.

Der analoge Rohwert und der digitale Rohwert werden zu einem komplexen Rohsignal addiert, das im Anschluss noch durch weitere Kompensationsschritte zum eigentlichen Messergebnis umgewandelt werden muss.

Um Nichtlinearitäten, Offset- und Steigungsfehler der Feininterpolatoren kompensieren zu können, werden Korrekturtabellen aufgenommen.

Bei jeder Einzelmessung werden vier Feininterpolatorwerte erzeugt, welche die Korrekturwerte zur Clock-Flanke für die steigenden und fallenden Flanken der Start- und Echopulse wiedergeben. Je genauer diese Feininterpolatorwerte sind, umso genauer sind die jeweilige Einzelmessung und demzufolge auch das Endergebnis.

Im gezeigten Beispiel beträgt die Frequenz der Clock 80 75 MHz. Die von den Feininterpolatoren zu messenden Zeiten können deshalb Werte zwischen 13 ns und 26 ns annehmen. Während dieser Zeittore wird eine Kapazität um ca. ein Volt geladen, wobei die Kondensatorspannungen jeweils ein äquivalent zu der Zeit sind.

Im Einzelnen werden die Korrekturtabellen wie folgt gewonnen: Der AD-Wandler hat eine Auflösung von 12 Bit bei 5 V. Hieraus folgt ein Ausgabewert der Feininterpolatoren von etwa 800 bis etwa 1600. Aufgrund der erwähnten Nichtlinearitäten, Offset- und Steigungsfehlern ist aber real mit verschobenen und/oder gespreizten Werten zu rechnen. Diese Variationen sollen über eine Korrekturtabelle korrigiert werden.

Beim Aufbau der Tabelle sollen 1000 Häufigkeitsstufen im Durchschnitt mit 64 Ereignissen belegt sein. Das bedeutet, man benötigt 64000 Messwerte. Bei einer zu erwartenden Spreizung der AD-Wandlerwerte von etwa 800 treten dann pro Feininterpolatorwert etwa 80 Ereignisse ein. Es wird nun eine Tabelle aufgestellt, in der für jeden erhaltenen Feininterpolatorwert ein Zähler hochgezählt wird. Nach 64000 Messungen erhält man eine Verteilung der Häufigkeit der jeweils gemessenen Feininterpolatorwerte. Eine solche Verteilung wird für alle vier Feininterpolatoren gleichzeitig gemessen.

In Fig. 9 ist ein Beispiel einer Tabelle gezeigt, in welcher in der ersten Zeile die Feininterpolatorwerte, gekennzeichnet durch Fl eingetragen sind. In der zweiten Zeile ist die Häufigkeit H eingetragen, mit welcher der jeweilige Feininterpolatorwert Fl bei einer Gesamtzahl von 3000 Messungen erhalten wurde. Zeile 3 schließlich beinhaltet die summierte Häufigkeit S. Beispielsweise beträgt diese summierte Häufigkeit S ab dem Feininterpolatorwert Fl = 53 bis Fl = 64 konstant 3000, da keiner dieser Werte bei einer der 3000 durchgeführten Messungen erreicht wurde.

Fig. 10 zeigt die summierte Häufigkeit S aufgetragen gegen die Feininterpolatorwerte Fl. Aus Fig. 10 ist unmittelbar ersichtlich, dass die Feininterpolatorwerte Fl nicht gleich-

mäßig verteilt sind. Da aber das zu messende Zeitintervall gegenüber dem Clocksignal L1 keinerlei Phasenkorrelation aufweist, müssen sämtliche Feininterpolatorwerte mit derselben Häufigkeit gemessen werden. Mithin muss die summierte Häufigkeit S linear verteilt sein, da mathematisch die Feininterpolatorwerte gleichmäßig zwischen den Clock-Flanken verteilt sind. Deshalb ist eine Linearisierung der gemessenen summierten Häufigkeit S zulässig.

Es wird nun die eigentliche Korrektur berechnet. Der Korrekturwert Fl ¹ entspricht jeweils den Ganzen bei Division der summierten Häufigkeit S durch 50. Dies entspricht bei 3000 Messungen insgesamt 60 Häufigkeitsstufen. Außerdem ist in der Tabelle in Fig. 9 der verbleibende Rest R bei Division der summierten Häufigkeit S durch 50 eingetragen. Beispielsweise erhält man bei einem Feininterpolatorwert 23 eine summierte Häufigkeit S von 406. Division durch 50 ergibt einen korrigierten Feininterpolatorwert von Fl ¹ = 8 bei einem Rest von R = 6.

Bei dem oben erläuterten in der Praxis durchgeführten Beispiel werden stattdessen 64000 Messwerte aufgenommen und die summierte Häufigkeit S wird durch 64 dividiert. Dies lässt sich sehr einfach und schnell durch Wegstreichen der 6 geringwertigsten Bits erzielen. Man hat nun eine Tabelle erhalten, wo bei jedem beliebigen Feininterpolatorwert ein Korrekturwert von 0 bis 1000 ausgegeben wird. Die Häufigkeitsverteilung für die korrigierten Feininterpolatorwerte ist dann im Wesentlichen linear. Eine solche Tabelle wird für alle vier Feininterpolatoren aufgenommen.

Fig. 11 zeigt für die Werte der Tabelle aus Fig. 9 die summierte Häufigkeit S aufgetragen gegen die korrigierten Feininterpolatorwerte Fl'. Es ist unmittelbar ersichtlich, dass die summierte Häufigkeit S nunmehr, wie gefordert, einen im Wesentlichen linearen Verlauf aufweist.

Zweckmäßig wird vor Beginn des eigentlichen Messbetriebs die Referenz sehr präzise mit einer Vielzahl von Messungen bestimmt. Beispielsweise können hierzu 20.000 Messungen durchgeführt werden. Im späteren eigentlichen Messbetrieb kann dann beispielsweise jeder 100. Messwert zur Nachführung eventueller Driften des Referenzwerts herangezogen werden. Hierbei kann ebenfalls eine geeignete Mittelwertbildung mit vorheriger Plausibilitätsprüfung durchgeführt werden.

Anhand von Fig. 12 werden die wesentlichen für die Gewinnung des endgültigen Messergebnisses aus den gemessenen Zeiten relevanten Schritte erläutert.

Zunächst wird im Schritt S10 der digitale Rohwert durch Vergleich von Startsignal und Echo-/Referenzsignal mit dem Clocksignal L1 und dem invertierten Clocksignal L2 gewonnen. Außerdem werden im Schritt S20 vier Feininterpolatorwerte gewonnen, welche anhand von vier getrennten und ständig aktualisierten Kompensationstabellen kompensiert werden. Im Schritt S22 werden diese separat kompensierten Feininterpolatorwerte zum analogen Rohwert summiert. Im Schritt S50 wird der im Schritt S22 gewonnene analoge Rohwert sowie der digitale Rohwert aus Schritt S10 addiert. Man erhält somit im Schritt S60 den komplexen Rohwert oder Entfernungsrόhwert.

Im Rahmen eines Grundabgleich des Geräts werden außerdem in den Schritten S31 und S41 Kompensationstabellen erstellt für die Pulsbreite des Startpulses und des Echo-/Referenzpulses. Die Pulsbreiten des Startpulses werden in Schritt S30, die Pulsbreiten des Echo-/Referenzpulses in Schritt S40 bestimmt. Aus den in S31 und S41 gewonnenen Tabellen folgen weitere additive Korrekturwerte zum Entfernungsrohwert, welche im Schritt S70 addiert werden.

Als letzter Schritt kann in S80 der sich aus der Referenzmessung ergebende Offsetwert abgezogen werden. Man erhält somit in Schritt S90 einen echten Entfernungswert.

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor zur berührungslosen Distanzmessung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Möglichkeit, auftretende Ungenauigkeiten und Driften von Feininterpolatoren zu verbessern beziehungsweise zu beherrschen.

Hierbei geht man davon aus, dass bei einem solchen statistischen Verfahren jeder durch die Feininterpolatoren gemessene Wert gleich häufig vorkommt. Mit Hilfe einer überwachung der Anzahl der jeweils gemessenen Werte kann eine Aussage über die Nichtlinearität getroffen werden und die Verteilung entsprechend eine Gewichtung erhalten. Dasselbe gilt für die überwachung des Mittelwerts, wobei bei einer Abweichung von Null eine Korrektur möglich ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden Messergebnisse von Feininterpolatoren statistisch ausgewertet, wobei eine Abwei-

chung in der Gleichförmigkeit der Verteilung für eine Korrektur der Linearität und eine Abweichung des Mittelwerts für eine Driftkompensation herangezogen wird.