ИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ МЕЖДУ НИМ И ЦЕЛЕВЫМ ОБЪЕКТОМ С ПОМОЩЬЮ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК G01S17/08 G01S7/481 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к измерительному устройству для измерения расстояния между ним и целевым объектом с помощью измерительного оптического излучения.

Уровень техники

Известны оптические дальномеры - измерительные приборы, направляющие модулированный во времени световой луч в направлении целевого объекта, расстояние от измерительного прибора до которого требуется измерить. Свет, возвращающийся от освещенного целевого объекта в результате отражения или обратного рассеяния, по меньшей мере частично регистрируется измерительным прибором и используется для определения измеряемого расстояния. При этом типичный диапазон измерения расстояний составляет от нескольких сантиметров до нескольких сотен метров.

Для того чтобы с помощью светового луча можно было измерить расстояние до целевого объекта, световой луч модулируют во времени, например по его интенсивности. Например, можно излучать свет импульсами и измерять время прохождения светового импульса от момента его посылки до момента его регистрации и на основании измеренного времени вычислять расстояние до целевого объекта. Однако для получения достаточно точных результатов измерений нужно излучать очень короткие световые импульсы и использовать очень быструю регистрирующую электронику. В качестве альтернативы, световой луч можно модулировать во времени в отношении его интенсивности периодически, а для определения времени прохождения излучения, а соответственно, и расстояния до целевого объекта можно использовать фазовый сдвиг между посланным и зарегистрированным световым сигналом. Подобный принцип измерения расстояний с помощью лазера общеизвестен как времяпролетное измерение дальности, или измерение дальности по времени прохождения света (Time of Flight Ranging), например, с непрерывной модуляцией интенсивности лазерного луча.

Из публикации DE 19804050 А1 известен дальномер с лазерным диодом для формирования измерительного сигнала и фотодиодом для приема измерительного сигнала. Дальномер для проведения его калибровки снабжен переставляемой отражающей заслонкой, которая при калибровке устанавливается сервоприводом на оптическом пути распространения излучаемого измерительного сигнала, в результате чего посланный измерительный сигнал отклоняется и направляется непосредственно на фотодиод по эталонному участку пути.

Из публикации DE 102006013290 А1 известно устройство для оптического измерения расстояний, в котором детектор приемника имеет множество отдельных друг от друга светочувствительных поверхностей, активизируемых отдельно друг от друга. При этом каждая из светочувствительных поверхностей в качестве светочувствительного элемента имеет фотодиод, например PIN-диод или лавинный фотодиод, либо ПЗС-чип. Эти светочувствительные элементы формируют аналоговый сигнал регистрации излучения, соответствующий интенсивности принятого света. Светочувствительные поверхности могут активизироваться избирательно и таким образом объединяться в общую регистрирующую поверхность, которую можно наилучшим образом согласовать с освещаемым источником света участком регистрирующей поверхности детектора, чтобы таким образом повысить отношение "сигнал-шум".

Раскрытие изобретения

Соответственно существует потребность в измерительном устройстве для оптического измерения расстояний, усовершенствованном, в частности по сравнению с описанными выше обычными дальномерами, в отношении калибровки измерительного устройства, чтобы таким образом обеспечивать компенсацию как погрешности измерения времени прохождения излучения, так и дрейфа значений времени прохождения излучения.

Кроме того, существует потребность в дальномерном устройстве, которое, в частности по сравнению с описанными выше обычными дальномерами, обеспечивало бы как можно более компактную реализацию эталонного устройство, или узла, для измерения расположенного внутри измерительного устройства эталонного участка с целью калибровки измерительного устройства.

Предлагаемое в изобретении измерительное устройство для оптического измерения расстояний содержит излучатель для испускания измерительного оптического излучения в направлении целевого объекта; приемник, имеющий регистрирующую поверхность для регистрации измерительного оптического излучения, возвращающегося от целевого объекта, причем регистрирующая поверхность содержит множество пикселей, и каждый пиксель имеет по меньшей мере один светочувствительный элемент. Кроме того, предлагаемое в изобретении измерительное устройство для оптического измерения расстояний содержит эталонное устройство, имеющее регистрирующую поверхность для регистрации направляемого внутри измерительного устройства эталонного излучения. В соответствии с изобретением регистрирующая поверхность эталонного устройства содержит множество пикселей, каждый из которых имеет по меньшей мере один светочувствительный элемент, причем каждому пикселю регистрирующей поверхности приемника поставлен в соответствие пиксель регистрирующей поверхности эталонного устройства.

Это позволяет для каждого детектора, входящего в состав приемника излучения от целевого объекта, выбирать подходящий детектор приемника эталонного излучения, имеющий, например, схожие погрешности измерения времени прохождения излучения, например, схожий дрейф значений времени прохождения излучения по температуре (температурный дрейф), чем обеспечивается решение поставленной задачи.

Понятие "пиксель" используется в рамках данной заявки синонимично понятиям "детектор", "регистрирующий элемент" или же самому "светочувствительному элементу", если пиксель имеет только один детектор, т.е. светочувствительный элемент. Если сигналы на выходе нескольких детекторов или светочувствительных элементов анализируются совместно, то по смыслу данной заявки эта совокупность светочувствительных элементов также образует один пиксель. В этом смысле и следует понимать используемую в заявке формулировку "причем каждый пиксель имеет по меньшей мере один светочувствительный элемент".

В целесообразном варианте осуществления изобретения подобный светочувствительный элемент представляет собой однофотонный лавинный фотодиод.

Однофотонным лавинным фотодиодом (англ. "Single Photon Avalanche Diode", сокр. SPAD) является светочувствительный элемент, выдающий цифровой сигнал регистрации излучения в зависимости от интенсивности падающего света. При этом каждый из пикселей может быть соединен с блоком обработки данных непосредственно или, например, через мультиплексор, выполненный с возможностью избирательной передачи сигналов регистрации излучения от нескольких пикселей. Таким образом, блок обработки данных может, например, анализировать сигналы регистрации излучения от отдельных пикселей или группы пикселей независимо от сигналов регистрации излучения от других пикселей.

Особенностью однофотонного лавинного фотодиода может быть то, что он выдает не сигнал регистрации излучения, линейно зависящий от падающего излучения, как обычные светочувствительные элементы, работающие в аналоговом режиме, а отдельный сигнал с каждым падающим на него фотоном. После падения фотона однофотонный лавинный фотодиод может быть неспособен к повторной активизации в течение определенного мертвого времени, которое может составлять, например, от 1 до 100 нс. В этом случае говорят также о парализуемом отклике. Таким образом, скорость, с которой однофотонный лавинный фотодиод может считать падающие фотоны, ограничена сверху мертвым временем. Поэтому вместо одного однофотонного лавинного фотодиода большой площади может быть целесообразным предусмотреть в пределах одного пикселя несколько меньших однофотонных лавинных фотодиодов и, например, с помощью сумматора объединять сигналы регистрации излучения от однофотонных лавинных фотодиодов, содержащихся в отдельном пикселе. При этом сумматор может быть выполнен, например, в форме логического элемента ИЛИ либо в форме шины. Таким образом можно повысить максимально достигаемую пикселем скорость счета фотонов или, иначе говоря, сократить мертвое время пикселя между отдельными событиями регистрации. Кроме того, между однофотонным лавинным фотодиодом и сумматором или шиной может быть расположен укорачиватель импульсов, предназначенный для временного укорачивания цифрового сигнала, генерируемого однофотонным лавинным фотодиодом, т.е. сокращения длительности цифрового сигнала, чтобы таким образом обеспечить возможность уменьшения суммарного мертвого времени и увеличения скорости счета фотонов в системе.

Число содержащихся в одном пикселе однофотонных лавинных фотодиодов или площадь их поверхности может выбираться переменными в зависимости от местоположения пикселя в пределах регистрирующей поверхности приемника. Например, может быть известно, что возвращающееся от целевого объекта измерительное излучение может падать на регистрирующую поверхность приемника, в зависимости от расстояния от измерительного устройства до целевого объекта, в другом месте и/или в виде луча с другой площадью поперечного сечения. Соответственно, число и площадь поверхности однофотонных лавинных фотодиодов в пределах одного пикселя можно согласовать, в зависимости от местоположения пикселя, с ожидаемой интенсивностью падающего света. За счет такой коррекции площади поверхности однофотонных лавинных фотодиодов и/или их числа в пределах одного пикселя можно оптимизировать динамический диапазон измерительного устройства. Согласование площадей поверхности пикселей с размером лазерного пятна позволяет оптимизировать отношение "сигнал-шум".

Вместе с тем, в качестве альтернативы однофотонным лавинным фотодиодам в качестве светочувствительных элементов также могут использоваться модулированные приборы с зарядовой связью, КМОП-пиксели, лавинные фотодиоды или PIN-диоды.

Излучателем может быть источник света, выполненный, например, в виде светодиода, лазера или лазерного диода, и испускающий свет с временной модуляцией в направлении целевого объекта. При этом временная модуляция может выполняться непрерывно и/или периодически, например синусоидально. Также излучатель может посылать, в частности непериодически, последовательности импульсов, например в виде так называемых шумоподобных последовательностей импульсов.

Предпочтительно, чтобы излучатель и приемник были рассчитаны и согласованы друг с другом таким образом, чтобы в нормальных условиях измерений, т.е. при измерении расстояний, например, от нескольких сантиметров до нескольких сотен метров, оптическим измерительным излучением, возвращающимся от целевого объекта, освещалось одновременно несколько пикселей, или детекторов. Однако в этом случае одновременное освещение нескольких пикселей используется не для того, чтобы - как в обычных 3D-видеокамерах - формировать снимок целевого объекта или детектировать пространственное разрешение в отношении расстояния до отдельных участков на поверхности целевого объекта, а для обеспечения, в том числе, преимуществ в отношении чувствительности к регистрируемому излучению и/или допусков на юстировку, как это подробнее поясняется ниже. При этом расстояние между измерительным устройством и целевым объектом определяется на основе анализа сигналов регистрации излучения от нескольких пикселей, в частности от нескольких из одновременно облучаемых пикселей.

С этой целью излучатель может посылать измерительный луч, поперечное сечение достаточно велико, чтобы возвращающаяся от целевого объекта часть измерительного луча всегда освещала несколько пикселей. Для концентрирования измерительного излучения, возвращающегося от целевого объекта, и направления этого излучения на регистрирующую поверхность, чтобы таким образом обеспечить достаточно сильный сигнал регистрации излучения, на оптическом пути от излучателя до приемника может быть предусмотрена простая оптическая система, например в виде одной или нескольких линз. Эта простая оптическая система может быть выполнена в виде не имеющей автоматической фокусировки оптической системы, т.е. системы с постоянным фокусным расстоянием, что позволяет уменьшить стоимость и сократить издержки. Поскольку такая не имеющая автоматической фокусировки оптическая система с постоянным фокусным расстоянием может фокусировать возвращающийся от целевого объекта измерительный луч на регистрирующую поверхность приемника оптимально, т.е. с наименьшим диаметром пятна, только тогда, когда целевой объект находится на расстоянии от измерительного устройства, соответствующем фокусному расстоянию и плоскости изображения, т.е. на предметном расстоянии, число пикселей, одновременно освещаемых измерительным излучением, возвращающимся от целевого объекта, может изменяться в зависимости от расстояния между целевым объектом и измерительным прибором. Например, оптимизация приемной оптической системы для приема измерительного излучения от сильно удаленных целевых объектов, т.е. объектов, находящихся на большом предметном расстоянии, может означать то, что фокусное расстояние и проекционное расстояние должны выбираться так, чтобы для большого предметного расстояния выполнялось условие геометрического отображения. Тем самым при большом удалении целевого объекта можно добиться наименьшего диаметра пятна в плоскости изображения (резкости изображения). Благодаря заданию фокусного расстояния и плоскости изображения число пикселей, освещаемых в случае измерения расстояния до ближе расположенного целевого объекта, может быть значительно больше, чем в случае измерения расстояния до сильно удаленного целевого объекта. В случае целевого объекта, находящегося ближе, возвращающееся измерительное излучение уже может не создавать резкого изображения, вследствие чего освещенный участок регистрирующей поверхности может стать соответственно большим.

Эталонное устройство также имеет регистрирующую поверхность для регистрации направляемого внутри измерительного устройства эталонного излучения, причем регистрирующая поверхность эталонного устройства состоит из множества пикселей, причем каждый из этих пикселей имеет по меньшей мере один светочувствительный элемент. Вместо одного эталонного детектора в соответствии с изобретением используется несколько эталонных детекторов.

Предпочтительно, чтобы пиксели регистрирующей поверхности приемника образовывали приемный массив, а пиксели регистрирующей поверхности эталонного устройства - эталонный массив.

В особенно предпочтительном варианте осуществления изобретения приемный массив и эталонный массив выполнены одинаковыми, так что используются два идентичных массива пикселей. При этом понятие "массив" относится к геометрическому расположению пикселей, или детекторных

элементов, на регистрирующей поверхности. Этот вариант осуществления позволяет соотнести друг с другом соответствующие по своему положению элементы приемного массива, т.е. массива пикселей приемника, регистрирующих излучение, возвращающееся от целевого объекта, и эталонного массива.

Отдельные пиксели (детекторы) детекторного массива в зависимости от своего положения в массиве могут иметь различные длины подводящих линий, а значит, и различные емкости в отношении накопления сигналов пикселей, пока сигналы пикселей не покинут массив и смогут быть проанализированы. Под влиянием внешних факторов, например температуры, или самонагревания во время работы крутизна фронтов импульсов при прохождении ими схемных элементов может изменяться. Даже малые изменения крутизны фронтов импульсов, обычно находящиеся в районе нескольких десятков пс/В, могут быть причиной исчисляемых миллиметрами погрешностей в измерении расстояний.

Настоящее изобретение решает эту проблему точности определения времени прохождения излучения, обусловленную различиями между детектором, регистрирующим излучение от целевого объекта (целевое излучение), и эталонным детектором, т.е. детектором, регистрирующим эталонное излучение, за счет того, что для каждого детектора, регистрирующего излучение от целевого объекта, используется эталонный детектор со схожим дрейфом значений времени прохождения излучения. Благодаря этому погрешность определения времени прохождения излучения детектором, регистрирующим излучение от целевого объекта, относительно универсального эталонного детектора уменьшается до различия в дрейфе значений времени прохождения излучения между детектором, регистрирующим эталонное излучение, и относящимся к нему эталонным детектором.

Вместо статического сдвига времени прохождения излучения, который, например, может закладываться в справочную таблицу, предлагаемое в изобретении решение позволяет также уменьшить дрейфы (например, температурные дрейфы) значений времени прохождения излучения.

Это также достигается, в частности, симметричной структурой системы.

В качестве альтернативы, возможно также применение неодинаковых компоновок приемного массива и эталонного массива.

Особенно выгодным и компактным является вариант выполнения предлагаемого в изобретении устройства, в котором два массива, в частности идентичных массива, реализованы на одном кристалле, причем в этом случае один массив используется для измерения целевого излучения, а другой - для измерения эталонного излучения.

Каждый из пикселей регистрирующей поверхности приемника и/или регистрирующей поверхности эталонного устройства может быть соединен с блоком обработки данных непосредственно или, например, через мультиплексор, выполненный с возможностью избирательной передачи сигналов регистрации излучения от нескольких пикселей. Таким образом, блок обработки данных может, например, анализировать сигналы регистрации излучения от отдельных пикселей или группы пикселей независимо от сигналов регистрации излучения от других пикселей.

Поскольку сигналы регистрации излучения от отдельных пикселей могут анализироваться независимо друг от друга, приемник и блок обработки данных могут быть выполнены с возможностью определения расстояния между измерительным устройством и целевым объектом на основе анализа сигналов регистрации излучения, получаемых исключительно от пикселей, на которые падает свет, возвращающийся от освещаемой излучателем поверхности целевого объекта. Иными словами, блок обработки данных может, например, в рамках предварительного измерения сначала определить, какие пиксели регистрирующей поверхности действительно принимают измерительное излучение, посылаемое излучателем, а какие пиксели лишь регистрируют фоновое излучение, и затем для действительного определения расстояния может использовать только сигналы регистрации излучения от пикселей, освещаемых измерительным излучением. Благодаря этому можно значительно повысить отношение ″сигнал-шум″.

Для определения расстояния между измерительным устройством и целевым объектом блок обработки данных может содержать множество устройств (элементов) определения расстояния (что в некоторых случаях также известно как ″биннинг-схема″ или схема организации вычислений в отдельных ячейках). Устройство определения расстояния может быть выполнено с возможностью определения данных, которые коррелируют с измеряемым расстоянием между измерительным устройством и целевым объектом и на основании которых в конечном итоге можно определить искомое расстояние. Например, можно определять время прохождения измерительного излучения от момента его посылки излучателем до момента регистрации на регистрирующей поверхности измерительного излучения, возвращающегося от целевого объекта, и на основании этого времени определять искомое расстояние. С этой целью устройство определения расстояния может сравнивать выдаваемую излучателем информацию о временной модуляции посылаемого измерительного излучения с выдаваемыми приемником сигналами регистрации излучения. В случае периодически модулированного измерительного излучения соответствующее расстояние можно определять, например, по разности фаз между сигналом исходящего излучения и сигналом регистрации входящего излучения.

В принципе, для определения расстояния между измерительным устройством и целевым объектом может быть достаточно и одного устройства определения расстояния. Для того чтобы число устройств определения расстояния было небольшим, может быть целесообразным направлять сигналы регистрации излучения от отдельных пикселей или группы пикселей в устройство определения расстояния друг за другом, т.е. последовательно, например с помощью мультиплексора. Следствием подобной последовательной обработки сигналов регистрации излучения может стать увеличение общей продолжительности измерения. В качестве альтернативы этому варианту, с каждым из пикселей может быть связано собственное устройство определения расстояния. В этом случае на основании каждого из сигналов регистрации излучения от множества пикселей может определяться соответствующее расстояние, причем расстояния могут определяться параллельно во времени, и на основании множества определенных расстояний в конечном итоге может определяться, например, путем осреднения, измеряемое расстояние между устройством и целевым объектом. Правда, для этого в измерительном устройстве может потребоваться предусмотреть очень большое число устройств определения расстояния, что может усложнить конструкцию измерительного устройства и его производство.

В качестве компромиссного решения между этими двумя крайними альтернативами может быть предусмотрен вариант, в котором несколько пикселей соединены с одним устройством определения расстояния, а это устройство определения расстояния может быть выполнено с возможностью определения коррелирующих с расстоянием данных на основании сигналов регистрации излучения от нескольких пикселей. Соответственно, в этом варианте блок обработки данных имеет несколько устройств определения расстояния и может быть выполнен с возможностью определения расстояния между измерительным устройством и целевым объектом на основании коррелирующих с расстоянием данных, определенных устройствами определения расстояния, например путем осреднения.

Применение множества устройств определения расстояния позволяет сократить время, необходимое для нахождения пикселей, принимающих измерительное излучение, поскольку с помощью специально выбранных алгоритмов отбора можно параллельно оценивать переменные комбинации пикселей.

Число светочувствительных элементов или площадь поверхности отдельных светочувствительных элементов, содержащихся в одном пикселе, могут выбираться переменными в зависимости от местоположения пикселя в пределах регистрирующей поверхности приемника и/или эталонного устройства. Например, может быть известно, что измерительное излучение, возвращающееся от целевого объекта, падает на регистрирующую поверхность приемника, в зависимости от расстояния от измерительного устройства до целевого объекта, в другом месте и/или с другой площадью поперечного сечения пучка. Соответственно, число светочувствительных элементов в пределах одного пикселя или площадь их поверхности можно согласовать, в зависимости от местоположения пикселя, с ожидаемой интенсивностью падающего света. За счет такой коррекции площади поверхности светочувствительных элементов и/или их числа в пределах одного пикселя можно оптимизировать динамический диапазон измерительного устройства. Согласование площадей поверхности пикселей с размером лазерного пятна позволяет оптимизировать отношение ″сигнал-шум″.

Если, например, на пути прохождения света между излучателем и приемником расположена не имеющая автоматической фокусировки оптическая система, рассчитанная на оптимальное отображение сильно удаленных целевых объектов, т.е. на оптимальное фокусирование приходящего от них света, для сильно удаленных целевых объектов возвращающееся измерительное излучение может фокусироваться пятном малого диаметра. В пределах соответствующей области регистрирующей поверхности может быть целесообразным, чтобы каждый из пикселей содержал только один светочувствительный элемент или небольшое количество светочувствительных элементов. При направлении такого измерительного устройства с постоянным фокусным расстоянием на целевой объект, расположенный ближе, возвращающееся измерительное излучение уже не сфокусируется на регистрирующей поверхности малым пятном, а будет падать, возможно, в несфокусированном состоянии, на большую область регистрирующей поверхности. В этом случае будет освещаться в общем большее число пикселей, чем в случае целевого объекта, расположенного на большом расстоянии. Поэтому на краевых участках освещаемой области регистрирующей поверхности может быть целесообразным объединить в отдельные пиксели по несколько светочувствительных элементов (с образованием ″подмассива″ или ″кластера″ светочувствительных элементов).

Например, излучатель и приемник могут быть расположены рядом друг с другом вдоль оси параллакса. Такие измерительные системы, называемые биаксиальными, могут иметь преимущество, связанное с отсутствием сложных технических средств выделения возвращающегося измерительного луча. В этом случае измерительный луч, посылаемый излучателем и возвращающийся от целевого объекта, будет падать на регистрирующую поверхность, в зависимости от расстояния до целевого объекта, в другом месте, смещенном вдоль оси параллакса, и может иметь, в зависимости от расстояния до целевого объекта, различные поперечные сечения. В этом случае может быть целесообразным, чтобы число светочувствительных элементов, содержащихся в одном пикселе, изменялось в зависимости от местоположения пикселя вдоль оси параллакса. В частности, может быть целесообразным выбирать число содержащихся в одном пикселе светочувствительных элементов в пикселях, близлежащих к излучателю, меньшим, чем в пикселях, удаленных от излучателя.

В другом варианте осуществления изобретения излучатель и приемник могут быть расположены соосно друг с другом. В случае такого ″моноаксиального″ (имеющего одну оптическую ось) измерительного устройства можно добиться, например, с помощью полупрозрачных зеркал, чтобы положение в пространстве центра области регистрирующей поверхности, освещаемой возвращающимся излучением, оставалось практически постоянным вне зависимости от расстояния до целевого объекта. Правда, от расстояния до целевого объекта все же может зависеть поперечное сечение луча, падающего на регистрирующую поверхность, т.е. размер освещаемой области на регистрирующей поверхности. При измерении расстояний до сильно удаленных целевых объектов с применением оптической системы с большим фокусным расстоянием пятно, высвечиваемое на регистрирующей поверхности, может быть малым, а при измерении расстояний до расположенных ближе целевых объектов пятно, высвечиваемое на регистрирующей поверхности, может иметь больший размер. Может быть целесообразным выбирать число содержащихся в одном пикселе светочувствительных элементов в пикселях, близлежащих к центру регистрирующей поверхности, меньшим, чем в пикселях, удаленных от центра регистрирующей поверхности.

Возможные аспекты, преимущества изобретения и формы его реализации были рассмотрены выше в отношении отдельных вариантов осуществления изобретения. Описание, поясняющие его чертежи, а также формула изобретения содержат множество признаков в определенной комбинации. Специалист также сможет рассматривать эти признаки, в том числе признаки различных вариантов осуществления изобретения, по отдельности и объединять их в другие рациональные комбинации.

Краткое описание чертежей

Ниже со ссылкой на прилагаемые чертежи рассматриваются варианты осуществления изобретения и содержащиеся в них отдельные аспекты изобретательского замысла. Чертежи исполнены схематически и не в масштабе. Одинаковыми или аналогичными ссылочными обозначениями на чертежах обозначены одинаковые или однотипные элементы.

На фиг.1 показано измерительное устройство для оптического измерения расстояний в одном варианте осуществления настоящего изобретения.

На фиг.2 схематически показаны два соединенных с сумматором светочувствительных элемента измерительного устройства в одном варианте осуществления настоящего изобретения.

На фиг.3 показан вид в плане регистрирующей поверхности приемника измерительного устройства в одном варианте его выполнения.

На фиг.4 показан вид в плане альтернативной регистрирующей поверхности приемника измерительного устройства в одном варианте его выполнения.

На фиг.5 показан одиночный светочувствительный элемент, соединенный с устройством определения расстояния.

На фиг.6 показано два светочувствительных элемента, соединенных через мультиплексор с устройством определения расстояния.

На фиг.7 показаны два пикселя, имеющих по девять светочувствительных элементов и соединенных через сумматор и мультиплексор с устройством определения расстояния.

На фиг.8 показана регистрирующая поверхность приемника с пикселями, у которых число содержащихся в них светочувствительных элементов является переменным, т.е. изменяется, в зависимости от местоположения пикселя в пространстве и которые через сумматор и мультиплексор соединены с несколькими устройствами определения расстояния.

На фиг.9 показан предлагаемый в изобретении массив пикселей для регистрации целевого излучения, т.е. излучения от целевого объекта, с идентичным ему массивом пикселей для регистрации эталонного излучения, причем каждый из массивов состоит из девяти пикселей, имеющих по одному светочувствительному элементу.

На фиг.10 показан альтернативный предлагаемый в изобретении массив пикселей для регистрации целевого излучения с идентичным ему массивом пикселей для регистрации эталонного излучения, причем каждый из массивов состоит из трех пикселей, имеющих по несколько светочувствительных элементов.

На фиг.11 показан еще один предлагаемый в изобретении массив пикселей для регистрации целевого излучения с отличающимся от него массивом пикселей для регистрации эталонного излучения, причем массивы состоят, соответственно, из девяти и трех пикселей, имеющих по одному светочувствительному элементу.

Осуществление изобретения

На фиг.1 схематически изображено предлагаемое в изобретении измерительное устройство 10 для оптического измерения расстояний, причем на схеме показаны компоненты измерительного устройства, наиболее важные для описания его функции.

Измерительное устройство 10 имеет корпус 11, в котором расположены излучатель 12 для испускания измерительного оптического излучения 13, а также приемник 14 для регистрации измерительного излучения 16, возвращающегося от целевого объекта 15.

Излучатель 12 включает в себя источник света, который в рассматриваемом варианте осуществления изобретения выполнен в виде полупроводникового лазерного диода 18. Лазерный диод 18 испускает лазерный луч 20 в форме светового пучка 22, видимого человеческому глазу. Для этого лазерный диод 18 приводится в действие блоком 24 управления, в котором с помощью соответствующих электронных устройств осуществляется временная модуляция электрического сигнала 19, подаваемого на вход лазерного диода 18. Благодаря такой модуляции тока диода оптическое измерительное излучение 13, используемое для измерения расстояний, также требуемым образом модулируется во времени по своей интенсивности.

Затем лазерный пучок 20 проходит коллиматор 26, выполненный в виде объектива 28, который на фиг.1 упрощенно изображен в виде отдельной линзы. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения объектив 28 может быть расположен на подвижной опоре 32, в принципе обеспечивающей возможность изменения положения объектива во всех трех пространственных направлениях, например для его юстировки. Вместе с тем, в альтернативном варианте коллиматор 26 может являться составной частью лазерного диода 18 или может быть неподвижно соединен с последним.

После прохождения через объектив 28 образуется модулированный, например по амплитуде, сигнал измерительного излучения 13 в форме почти параллельного светового пучка 37, распространяющегося вдоль оптической оси 38 излучателя 12.

Кроме того, в измерительном устройстве также может быть предусмотрено устройство 40 отклонения излучения, предпочтительно переключаемое устройство отклонения излучения, которое предназначено для полного или частичного отклонения измерительного излучения 13 в обход целевого объекта 15 прямо, т.е. внутри прибора, на измеритель 54. Таким образом можно создать внутри прибора эталонный (базисный или опорный) отрезок 42 пути лучей для калибровки и настройки измерительного устройства. Измерительный сигнал служит в этом случае эталонным излучением.

При проведении измерения расстояния с помощью измерительного устройства 10 измерительное излучение 13 выходит из корпуса 11 измерительного устройства через оптическое окно 44 в его передней стенке 45. Отверстие оптического окна 44 может быть защищено, например, заслонкой 46. Для выполнения собственно измерения измерительное устройство 10 направляют на целевой объект 15, расстояние 48 от измерительного устройства 10 до которого требуется определить. Сигнал 16, отраженный или рассеянный в обратном направлении целевым объектом 15, образует возвращающееся оптическое измерительное излучение 16 в форме пучка 49 или 50 лучей, определенная часть которых попадает обратно в измерительное устройство 10.

Возвращающееся измерительное излучение 16 проходит в измерительное устройство 10 через входное окно 47 на его передней стенке 45, после чего попадает, как показано на фиг.1, в приемную оптическую систему 52.

В целях пояснения и в качестве примера на фиг.1 показаны два пучка 49 и 50 возвращающегося измерительного излучения для двух различных расстояний 48 до целевого объекта. При большом расстоянии до объекта, где ″большое расстояние″ можно интерпретировать как большое относительно фокусного расстояния приемной оптической системы 52, возвращающееся от целевого объекта 15 оптическое измерительное излучение 16 распространяется приблизительно параллельно оптической оси 51 приемника 14. В показанном на фиг.1 варианте осуществления изобретения этот случай представлен пучком 49 измерительного излучения. С уменьшением расстояния до объекта возвращающееся измерительное излучение 16, падающее на измерительное устройство, будет все больше отклоняться от оптической оси 51 приемника 14 из-за параллакса. В качестве примера такого возвращающегося измерительного излучения в ближней зоне измерительного устройства на фиг.1 показан пучок 50 лучей.

Приемная оптическая система 52, которая на фиг.1 также изображена лишь схематически в виде отдельной линзы, фокусирует пучок возвращающегося измерительного излучения 16 на регистрирующую (чувствительную) поверхность 66 приемного детектора, предусмотренного в измерителе 54. Для регистрации оптического измерительного излучения детектор имеет множество пикселей. Каждый из пикселей имеет по меньшей мере один светочувствительный элемент. Посредством предусмотренных на регистрирующей поверхности 66 светочувствительных элементов, которые расположены по отдельности или объединены в группы по типу пиксельной матрицы и связаны с блоком 36 обработки данных, возвращающееся измерительное излучение 16, падающее на регистрирующую поверхность, преобразуется в электрический сигнал 55, выдаваемый для его дальнейшего анализа в блоке 36 обработки данных.

Измеритель 54 является также составной частью эталонного устройства 137. Для этого измеритель 54 также имеет регистрирующую поверхность 117 для регистрации эталонного сигнала, направляемого через проходящий внутри измерительного устройства эталонный участок 42 пути на измеритель 54 и регистрирующую поверхность 117 эталонного детектора. Для регистрации оптического эталонного излучения, направляемого по эталонному пути 42, детектор эталонного устройства имеет множество пикселей 127. Каждый из пикселей 127 имеет по меньшей мере один светочувствительный элемент 107 (см., в частности, фиг.8-10). Посредством предусмотренных в регистрирующей поверхности 117 светочувствительных элементов, которые расположены по отдельности или объединены в группы по типу матрицы пикселей 127 и связаны с блоком 36 обработки данных, эталонное излучение, падающее на регистрирующую поверхность, преобразуется в электрический сигнал, выдаваемый для его дальнейшего анализа в блоке 36 обработки данных.

Сигналы регистрации излучения, генерируемые отдельным светочувствительным элементом или комбинацией светочувствительных элементов, могут направляться в одно или несколько устройств определения расстояния, содержащихся в блоке 36 обработки данных.

Устройство определения расстояния может суммировать (интегрировать) сигналы регистрации излучения и генерировать на этом основании сигнал, соответствующий зависящей от времени интенсивности падающего на соответствующие светочувствительные элементы светового сигнала, то есть интенсивности падающего света. Соотнося этот сигнал с сигналом возбуждения, отображающим характер изменения во времени интенсивности испускания фотонов излучателем, можно судить о времени пролета фотонов от излучателя до целевого объекта и обратно до приемника. Если излучатель осуществляет периодическую модуляцию испускаемого светового излучения, например, синусоидальным сигналом, то время пролета фотонов, т.е. прохождения излучения, можно определить по разности фаз между испускаемым и регистрируемым измерительным излучением.

На фиг.2 показано два светочувствительных элемента 101, 101′, выдаваемые которыми сигналы регистрации излучения передаются в логический элемент ИЛИ 103. Логический элемент ИЛИ 103 действует в качестве сумматора 104, принимая как сигналы регистрации излучения с выхода первого светочувствительного элемента 101, так и сигналы регистрации излучения с выхода второго светочувствительного элемента 101′ и выдавая на выходе 105 суммарный сигнал, формируемый из этих входных сигналов. Аналогичным образом устроены и светочувствительные элементы эталонного детектора. Описываемые ниже конструкция приемника и его функционирование при измерении расстояния в равной мере относятся к эталонному устройству измерительного устройства.

Способ измерения расстояний сначала подробно рассматривается ниже на примере приемника, и таким образом одновременно раскрывается конструкция и принцип функционирования предлагаемого в изобретении эталонного устройства, а также его совместная работа с приемником.

На фиг.3 схематически показана регистрирующая поверхность 110 приемника для лазерного дальномера без коррекции параллакса. При этом на регистрирующей поверхности 110 начерчены круглые лазерные пятна 109, или пятна лазерного излучения, диаметр которых меняется в зависимости от расстояния L между измерительным устройством и целевым объектом. При этом было принято допущение, что используется идеальная линза с фокусным расстоянием f=30 мм, диаметром d=4 мм и параллаксом 5 мм для случая оптимальной юстировки под большие расстояния. Лазерное излучение считалось имеющим расхождение 1 мрад. При таком выполнении регистрирующей поверхности 110 целесообразно, чтобы размер пикселей 111 или число светочувствительных элементов 101 в пределах соответствующих пикселей 111, увеличивался(-лось) вдоль оси 113 параллакса. Регистрирующая поверхность 110 является составной частью измерителя 54. При этом за ось параллакса принимается прямая линия, полученная пересечением плоскости регистрирующей поверхности и плоскости, определяемой оптической осью приемной оптической системы и осью лазерного луча дальномера. На чертеже видно, что в первой области 114, в которой лазерное пятно 109 оставлено лазерным лучом, возвращающимся от целевого объекта, находящегося на большом расстоянии, предусмотрены малые пиксели, каждый из которых содержит только один светочувствительный элемент. В области 115, в которой лазерное пятно 109′ оставлено лазерным лучом, возвращающимся от целевого объекта, находящегося на расстоянии примерно от 0,5 до 1 м, предусмотрены большие пиксели, каждый из которых содержит четыре светочувствительных элемента. В еще одной области 116, в которой лазерное пятно 109″ оставлено лазерным лучом от очень близких целевых объектов, предусмотрены особенно большие пиксели с восемью или шестнадцатью светочувствительными элементами. При этом приемная оптическая система оптимизирована таким образом, чтобы максимально возможное качество изображения, т.е. минимально возможный диаметр лазерного пятна на регистрирующей поверхности, достигалось(-ался) при наибольшем расстоянии до целевого объекта.

При больших расстояниях лазерное пятно 109 сравнительно мало по причине резкого изображения. Одновременно интенсивность падающего света, состоящего из возвращающегося измерительного излучения и фонового излучения, сравнительно невелика ввиду небольшой доли измерительного излучения от сильно удаленного целевого объекта. В случае расположенных ближе целевых объектов в сторону регистрирующей поверхности 110 отражается или рассеивается от целевого объекта в целом больше измерительного излучения. В то же время приемная оптическая система с постоянным фокусным расстоянием уже не обеспечивает резкого отображения измерительного излучения на регистрирующую поверхность 110.

В целом, с геометрической точки зрения для лазерного дальномера с незначительно расходящимся лазерным лучом и приемной оптической системой с постоянным фокусным расстоянием интенсивность света в плоскости детектора для ее доли, относящейся к принимаемому лазерному излучению, при больших расстояниях уменьшается пропорционально квадрату расстояния, а при небольших расстояниях является неизменной по расстоянию. Доля же интенсивности, относящаяся к фоновому излучению, в первом приближении не зависит от расстояния.

При показанном на фиг.3 выполнении содержащихся в регистрирующей поверхности 110 пикселей 101 с зависимостью их размера от местоположения в пространстве достигается, во-первых, то, что и при больших, и при малых расстояниях до целевого объекта лазерное пятно 109 накрывает несколько пикселей 111 с возможностью его анализа этими пикселями. При этом размер активной регистрирующей поверхности можно оптимально согласовать с размером лазерного пятна, и таким образом можно оптимизировать отношение ″сигнал-шум″. Во-вторых, такое пространственно-зависимое выполнение пикселей также позволяет оптимально использовать динамический диапазон светочувствительных элементов, поскольку интенсивность падающего света (включая долю лазера и фона) при измерении больших расстояний меньше, чем при измерении малых расстояний. Поэтому в случае чувствительных (регистрирующих) поверхностей детекторов, освещаемых принимаемым измерительным излучением только при измерении малых расстояний, можно уменьшить площадь поверхности отдельных светочувствительных элементов. В областях детекторов, в которых интенсивность принятого измерительного излучения остается практически постоянной, число светочувствительных элементов 101, содержащихся в отдельных пикселях 111, может быть увеличено при неизменной площади поверхности светочувствительных элементов.

На фиг.4 показан вариант выполнения регистрирующей поверхности 110′ для соосного лазерного дальномера или лазерного дальномера с коррекцией параллакса. Такая коррекция может обеспечиваться с помощью элемента ближней зоны или альтернативных известных методов. В подобном случае в основном преобладает искажение изображения (аберрация), обусловленное конечной глубиной резкости приемной оптической системы, что делает выгодным концентрическое расположение пикселей одинакового размера. Лазерный луч, возвращающийся от целевого объекта, находящегося на большом расстоянии, хорошо фокусируется и создает вблизи центра 122 регистрирующей поверхности 110′, т.е. вблизи точки прохождения оптической оси приемной оптической системы через плоскость регистрирующей поверхности, относительно небольшое лазерное пятно 109. Лазерный луч, возвращающийся от целевого объекта, находящегося на меньшем расстоянии, создает лазерное пятно 109″ значительно большего диаметра. Вблизи центра 122 пиксели 111 имеют меньшую площадь поверхности и меньшее число содержащихся в них светочувствительных элементов 101, чем на удалении от центра 122 регистрирующей поверхности 110′, т.е. у края регистрирующей поверхности.

На фиг.5-7 в виде структурной схемы представлены отдельные элементы, используемые для реализации приемника в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Аналогичные формы выполнения используются и для отдельных элементов эталонного устройства.

На фиг.5 показан пиксель 111 с одним светочувствительным элементом 101. Пиксель соединен с устройством 130 определения расстояния.

На фиг.6 показано два пикселя 111, 111′ с одним светочувствительным элементом 101, 101′ каждый. Пиксели 111, 111′ соединены с мультиплексором 140, который избирательно передает в устройство 130 определения расстояния сигналы регистрации излучения, выдаваемые пикселями 111, 111′.

На фиг.7 показана группа из двух пикселей 111, 111′, имеющих по девять светочувствительных элементов 101, 101′. Сигналы регистрации излучения от отдельных светочувствительных элементов 101, 101′ направляются, при необходимости после временной задержки, создаваемой дополнительными элементами 150, 150′ задержки, в соответствующие сумматоры 160, 160′. Эта задержка может служить цели компенсации различий во времени прохождения сигналов и таким образом может обеспечивать синхронизацию светочувствительных элементов одного пикселя или различных пикселей. В сумматорах 160, 160′ сигналы регистрации излучения складываются друг с другом. Сложенные сигналы регистрации излучения передаются сумматорами 160, 160′ в мультиплексор 140, а из него - в устройство 130 определения расстояния.

На фиг.8 показан особый вариант выполнения предлагаемого в изобретении дальномера с коррекцией параллакса и использованием таких элементов для N=92 пикселей 111. При этом 48 пикселей имеют только по одному светочувствительному элементу, 24 пикселя имеют по четыре светочувствительных элемента, расположенных по схеме 2×2, а 20 пикселей имеют по девять светочувствительных элементов, расположенных по схеме 3×3. Каждый пиксель 111, имеющий более чем один светочувствительный элемент 101, соединен ровно с одним сумматором 160, 160′. Соответственно, число сумматоров 160 равно 44. Выходы пикселей 111, имеющих только один светочувствительный элемент, и выходы сумматоров 160 соединены с входами К мультиплексоров 140. Выходы мультиплексоров 140, в свою очередь, соединены с М≥2 устройствами 130 определения расстояния. При этом ни условие М=K, ни условие М=N необязательно должны выполняться. Для примера на чертеже представлены соединения для трех пикселей 111 различного размера и с различным числом светочувствительных элементов. Заштрихованный на фиг.8 участок поверхности показывает эффективную регистрирующую поверхность 170 детектора, содержащую те пиксели 111, которые действительно освещаются лазерным излучением и накрыты соответствующим лазерным пятном 109 и с помощью которых может выполняться измерение расстояний до целевого объекта.

На фиг.9 схематически показана совместная работа приемника и эталонного устройства. Приемник имеет, как описано выше, регистрирующую поверхность 110 с множеством пикселей 111. В показанном на фиг.9 варианте осуществления изобретения каждый пиксель 111 имеет ровно один светочувствительный элемент 101. Пиксели 111 в этом варианте осуществления изобретения расположены в виде матрицы размерностью 3×3 (m×n=3×3), при этом первое значение указывает на номер строки, а второе значение - на номер столбца пикселя в массиве, или матрице. В этом варианте осуществления изобретения для измерения расстояния используется пиксель 1,1, находящийся в верхнем левом углу регистрирующей поверхности (при этом ориентация соответствует изображенной на фиг.9). Значению расстояния, определяемому этим пикселем, для калибровки ставится в соответствие эталонное измеренное значение. В показанном на фиг.9 варианте осуществления изобретения это значение получено светочувствительным элементом 1,3 эталонного детекторного устройства, также выполненного в виде матрицы размерностью 3×3(l×k=3×3).

Таким образом, на фиг.9 показана система с массивом пикселей для регистрации целевого излучения и таким же массивом пикселей для регистрации эталонного излучения. Для каждого детектора (светочувствительного элемента), регистрирующего излучение от целевого объекта выбирается соответствующий ему эталонный детектор (светочувствительный элемент). Выбирается, в частности, тот эталонный пиксель, т.е. пиксель для регистрации эталонного излучения, который, по своим характеристикам и геометрическому положению в массиве соответствует рассматриваемому пикселю для регистрации целевого излучения. Таким образом можно решить положенную в основу изобретения проблему, компенсировав погрешность измерения времени прохождения излучения или же дрейф значений времени прохождения излучения, причем, в частности, также можно учесть погрешность измерения времени прохождения излучения в пределах детекторного устройства.

Вообще справедливо правило: отдельные пиксели или светочувствительные элементы детекторного массива в зависимости от своего положения в массиве могут иметь различные длины подводящих линий, а значит, и различные емкости в отношении накопления сигналов пикселей, пока сигналы пикселей не покинут массив и смогут быть проанализированы. Под влиянием внешних факторов, например температуры, или самонагревания используемых для обработки сигналов чипов (интегральных микросхем) во время их работы крутизна фронтов импульсов при прохождении ими схемных элементов в чипе может изменяться. Даже малые изменения крутизны фронтов импульсов, обычно находящиеся в районе нескольких десятков пс/В, могут быть причиной исчисляемых миллиметрами погрешностей в измерении расстояний.

Настоящее изобретение решает эту проблему точности определения времени прохождения излучения, обусловленную различиями между детектором, регистрирующим целевое излучение, т.е. излучение, возвращающееся от целевого объекта, и эталонным детектором, т.е. детектором, регистрирующим эталонное излучение, за счет того, что для каждого детектора (светочувствительного элемента), регистрирующего целевое излучение, используется эталонный детектор (светочувствительный элемент) с идентичным или, по крайней мере, схожим дрейфом значений времени прохождения излучения. Благодаря этому погрешность определения времени прохождения излучения детектором, регистрирующим целевое излучение, относительно эталонного детектора уменьшается до различия в дрейфе значений времени прохождения излучения между детектором, регистрирующим эталонное излучение, и относящимся к нему эталонным детектором. Вместо статического сдвига времени прохождения излучения, который, например, может закладываться в справочную таблицу, предлагаемое в изобретении решение позволяет также уменьшить дрейфы (например, температурные дрейфы) значений времени прохождения излучения.

Это также достигается, в частности, симметричной структурой системы, как она показана на фиг.9. При этом под симметричной структурой системы понимается, в частности, то, что светочувствительные элементы 101 регистрирующей поверхности 110 приемника образуют приемный массив, а светочувствительные элементы 107 регистрирующей поверхности 117 эталонного устройства образуют эталонный массив, причем каждый из массивов приемный массив выполнен в виде матрицы, и обе матрицы имеют один и тот же порядок, или размерность, т.е. оба массива являются матрицами m×n.

В этом и заключается смысл выражения, что приемный массив и эталонный массив выполнены одинаковыми.

Соответственно, показанный на фиг.9 вариант осуществления изобретения относится к системе, включающей в себя массив пикселей для регистрации целевого излучения, выполненный в виде матрицы светочувствительных элементов размерностью 3×3, и идентичный ему массив пикселей для регистрации эталонного излучения, выполненный в виде матрицы светочувствительных элементов размерностью 3×3. При этом для каждого детектора (= светочувствительного элемента), регистрирующего целевое излучение выбирается соответствующий эталонный детектор. При этом целесообразно, чтобы регистрирующая поверхность 110 приемника 14 и регистрирующая поверхность 117 эталонного устройства были реализованы на общем кристалле. В качестве светочувствительных элементы этих детекторных устройств целесообразно использовать, в частности, однофотонные лавинные фотодиоды.

Особенностью однофотонного лавинного фотодиода может быть то, что он выдает не сигнал регистрации излучения, линейно зависящий от падающего излучения, как обычные светочувствительные элементы, работающие в аналоговом режиме, а отдельный сигнал с каждым падающим на него фотоном. После падения фотона однофотонный лавинный фотодиод может быть неспособен к повторной активизации в течение определенного мертвого времени, которое может составлять, например, от 1 до 100 нс. В этом случае говорят также о парализуемом отклике. Таким образом, скорость, с которой однофотонный лавинный фотодиод может считать падающие фотоны, ограничена сверху мертвым временем. Поэтому вместо одного однофотонного лавинного фотодиода большой площади может быть целесообразным предусмотреть в пределах одного пикселя несколько меньших однофотонных лавинных фотодиодов и, например, с помощью сумматора объединять сигналы регистрации излучения от однофотонных лавинных фотодиодов, содержащихся в отдельном пикселе. При этом сумматор может быть выполнен, например, в форме логического элемента ИЛИ либо в форме шины. Таким образом можно повысить максимально достигаемую пикселем скорость счета фотонов или, иначе говоря, сократить мертвое время пикселя между отдельными событиями регистрации. Кроме того, между однофотонным лавинным фотодиодом и сумматором или шиной может быть расположен укорачиватель импульсов, предназначенный для временного укорачивания цифрового сигнала, генерируемого однофотонным лавинным фотодиодом, т.е. сокращения длительности цифрового сигнала, чтобы таким образом обеспечить возможность уменьшения суммарного мертвого времени и увеличения скорости счета фотонов в системе.

Число содержащихся в одном пикселе однофотонных лавинных фотодиодов или площадь их поверхности может выбираться переменным в зависимости от местоположения пикселя в пределах регистрирующей поверхности приемника. Например, может быть известно, что возвращающееся от целевого объекта измерительное излучение может падать на регистрирующую поверхность приемника, в зависимости от расстояния от измерительного устройства до целевого объекта, в другом месте и/или в виде луча с другой площадью поперечного сечения. Соответственно, число и площадь поверхности однофотонных лавинных фотодиодов в пределах одного пикселя можно согласовать, в зависимости от местоположения пикселя, с ожидаемой интенсивностью падающего света. За счет такой коррекции площади поверхности однофотонных лавинных фотодиодов и/или их числа в пределах одного пикселя можно оптимизировать динамический диапазон измерительного устройства. Согласование площадей поверхности пикселей с размером лазерного пятна позволяет оптимизировать отношение ″сигнал-шум″.

В показанном на фиг.10 варианте осуществления изобретения на регистрирующей поверхности 110 приемника 14 и на регистрирующей поверхности 117 эталонного устройства выполнено по три пикселя. Первый пиксель содержит четыре светочувствительных элемента, расположенных в виде матрицы размерностью 2×2, есть также еще один пиксель с тремя светочувствительными элементами и пиксель с двумя светочувствительными элементами. Пикселю с совместно включенными по схеме 2×2 светочувствительными элементами, расположенному со стороны измерения целевого излучения, соответствует аналогично скомпонованный по схеме 2×2 пиксель, расположенный со стороны эталонного устройства. Под совместным включением в этой связи понимается параллельное выполнение измерения несколькими детекторами (светочувствительными элементами), регистрирующими излучение от целевого объекта, как это подробно пояснялось при описании приемника. При этом в показанном на фиг.10 варианте осуществления изобретения в эталонном детекторном массиве, т.е. в детекторном массиве для регистрации эталонного излучения, также выбираются соответствующие пиксели, чтобы минимизировать соответствующие дрейфы.

Применение двух идентичных, симметрично структурированных детекторных массивов для приемника и эталонного устройства является предпочтительным решением для того, чтобы к каждому детектору, регистрирующему целевое излучение, подобрать эталонный детектор с ″идентичными″ характеристиками.

Разумеется, также возможны и другие варианты выполнения массивов пикселей.

На фиг.11 в качестве примера показан альтернативный вариант осуществления изобретения с несимметричными массивами. Со стороны детектора, регистрирующего целевое излучение, (приемника) снова расположена матрица размерностью 3×3, образованная девятью светочувствительными элементами, т.е. такая же матрица, что рассматривалась со ссылкой на фиг.9. Со стороны же эталонного устройства - в отличие от показанного на фиг.9 варианта осуществления изобретения - используется уменьшенный эталонный детекторный массив, имеющий лишь три светочувствительных элемента, расположенных в виде матрицы размерностью 1×3. Таким образом, с целью, например, экономии площади кристалла, каждому столбцу матрицы, находящейся на стороне детектора, регистрирующего целевое излучение, (приемника) поставлен в соответствие лишь один эталонный детекторный элемент (= светочувствительный элемент). Иначе говоря, в эталонном детекторном массиве имеется только одна строка, выполненная идентичной детекторному массиву для регистрации целевого излучения.

Изобретение не ограничено рассмотренными выше вариантами компоновки светочувствительных элементов на стороне приемника и стороне эталонного устройства.

В качестве альтернативы, например, возможно также копирование (воспроизведение) эталонного массива с помощью концентрированных элементов. Например, эталонный детектор может быть соединен посредством ключей с резистивными или емкостными элементами, чтобы таким образом воспроизвести длины подводящих линий и нагрузки соответствующих эталонных детекторов.

В заключение следует еще раз иными словами обобщить аспекты и преимущества изобретения в различных вариантах его осуществления:

Один вариант осуществления изобретения основывается на идее эффективной организации расположения отдельных светочувствительных элементов в пикселях, сигналы которых суммируются перед их передачей для дальнейшей обработки в блок обработки данных, определяющий времена прохождения сигналов и содержащий множество устройств определения расстояния. При этом несколько светочувствительных элементов, сигналы которых складываются сумматором, образуют один пиксель. Предлагаемое в изобретении измерительное устройство, в частности портативный измерительный прибор для измерения расстояний (дальномер), содержит приемник, имеющий регистрирующую поверхность для регистрации измерительного оптического излучения, возвращающегося от целевого объекта, причем регистрирующая поверхность содержит множество пикселей, и каждый пиксель имеет по меньшей мере один светочувствительный элемент. Кроме того, предлагаемое в изобретении измерительное устройство содержит эталонное устройство, имеющее регистрирующую поверхность для регистрации направляемого внутри измерительного устройства эталонного излучения, причем регистрирующая поверхность эталонного устройства также содержит множество пикселей, и каждый пиксель имеет по меньшей мере один светочувствительный элемент.

Отдельные пиксели могут функционировать независимо друг от друга. В частности, для каждого отдельного пикселя может выполняться анализ фазы непрерывной волны или же анализ времени прохождения импульса излучения.

Пространственное объединение нескольких светочувствительных элементов в пиксели можно осуществлять из условия оптимизации отношения ″сигнал-шум″ как при больших, так и при малых расстояниях, в частности в условиях сильного фонового освещения при небольшом числе устройств определения расстояния. Достигается это посредством независимой от местоположения на регистрирующей поверхности адаптации размера пикселей или числа светочувствительных элементов, объединяемых в один пиксель.

Регистрирующая поверхность может быть выполнена таких размеров, чтобы снижать требования к юстировке приемной оптической системы. Кроме того, может быть сведено к минимуму влияние ошибок оптического изображения, в частности ошибок, обусловленных расфокусировкой ввиду слишком малой глубины резкости. Это позволяет снизить требования к оптическому качеству приемной оптической системы.

Прямое соотнесение пикселей эталонного устройства с пикселями приемника позволяет минимизировать погрешность измерения времени прохождения излучения и особенно дрейфы значений времени прохождения излучения, а также повысить точность измерения.

Еще одним преимуществом может быть оптимизация отношения ″сигнал-шум″, особенно в случае больших измеряемых расстояний при высокой доле фонового света. Это достигается за счет того, что при любых расстояниях эффективную регистрирующую поверхность можно оптимально согласовать с размером действительно отображаемого в ее плоскость пятна измерительного лазерного излучения, т.е. минимизировать ее. По завершении измерения можно целенаправленно анализировать сигналы только от тех отдельных светочувствительных элементов или пикселей с несколькими светочувствительными элементами, которые действительно принимают лазерное излучение. Это позволяет уменьшить эффективную регистрирующую поверхность и минимизировать шумовой вклад фонового света, что может быть равнозначным улучшению отношения ″сигнал-шум″.

Еще одно преимущество может состоять в том, что благодаря объединению нескольких светочувствительных элементов в одном пикселе количество необходимых устройств определения расстояния меньше количества имеющихся светочувствительных элементов. Это позволяет уменьшить потребную площадь кристалла интегральной схемы. В частности, в случае лазерных дальномеров, которые, как правило, работают с постоянным фокусным расстоянием, это преимущество может сыграть важную роль, поскольку в этом случае диаметр лазерного пятна может изменяться в зависимости от расстояния до целевого объекта. На фиг.6 это поясняется для системы, в которой отсутствует коррекция погрешности от параллакса. Для того чтобы оптимизировать отношение ″сигнал-шум″ за счет минимизации эффективной регистрирующей поверхности, как это описано выше, при больших диаметрах лазерного пятна, т.е. как правило, при меньших расстояниях до целевого объекта, соответственно может потребоваться меньшее разрешение детектора. Этим обстоятельством можно воспользоваться путем зависящего от местоположения объединения светочувствительных элементов в пиксели.

Поскольку эффективная регистрирующая поверхность, т.е. площадь регистрирующей поверхности, учитываемой при анализе результатов измерения, как правило, меньше полной площади регистрирующей поверхности, число требующихся устройств определения расстояния можно еще более уменьшить, если в дополнение к объединению светочувствительных элементов также использовать мультиплексирование. В этом случае с помощью предварительных измерений можно сначала идентифицировать пиксели, принимающие лазерное излучение, а затем, для выполнения собственно измерения расстояния, распределить эти пиксели по устройствам определения расстояния. Если за N принять общее число пикселей с одним или несколькими светочувствительными элементами, а за М - число располагаемых устройств определения расстояния, которые можно использовать для анализа, то для вышеупомянутого идентифицирования используемых пикселей потребуется выполнить максимум N/M после округления предварительных измерений. Таким образом, задачу по измерению расстояния можно решить с помощью небольшого числа измерений, в идеальном случае - за одно измерение.

Еще одно преимущество может заключаться в том, что отдельные пиксели можно калибровать, например, в отношении фазового смещения, независимо друг от друга.

Изобретение относится к устройству для измерения расстояния с помощью оптического излучения. Устройство содержит излучатель измерительного оптического излучения в направлении целевого объекта, приемник, имеющий регистрирующую поверхность для регистрации измерительного оптического излучения, и эталонное устройство, имеющее регистрирующую поверхность для регистрации направляемого внутри измерительного устройства эталонного излучения. Регистрирующая поверхность приемника и эталонного устройства содержат множество пикселей, которые имеют по меньшей мере один светочувствительный элемент. Каждому пикселю регистрирующей поверхности приемника поставлен в соответствие пиксель регистрирующей поверхности эталонного устройства. Технический результат - обеспечение компенсации погрешности измерения времени прохождения излучения и дрейфа значений времени прохождения излучения. 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Измерительное устройство (10) для оптического измерения расстояний, содержащее:
- излучатель (12) для испускания измерительного оптического излучения (13) в направлении целевого объекта (15);
- приемник (14), имеющий регистрирующую поверхность (110) для регистрации измерительного оптического излучения (16), возвращающегося от целевого объекта (15), причем регистрирующая поверхность (110) содержит множество пикселей (111) и каждый пиксель (111) имеет по меньшей мере один светочувствительный элемент (101);
- эталонное устройство (137), имеющее регистрирующую поверхность (117) для регистрации направляемого внутри измерительного устройства эталонного излучения;
отличающееся тем, что регистрирующая поверхность (117) эталонного устройства (137) содержит множество пикселей (127), каждый из которых имеет по меньшей мере один светочувствительный элемент (107), причем каждому пикселю регистрирующей поверхности (110) приемника поставлен в соответствие пиксель регистрирующей поверхности (117) эталонного устройства.

2. Измерительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью калибровки результата измерения, полученного каждым пикселем регистрирующей поверхности (110) приемника, путем соотнесения этого результата измерения с эталонным измеренным значением, полученным соответствующим пикселем регистрирующей поверхности (117) эталонного устройства.

3. Измерительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что пиксель (111) регистрирующей поверхности (110) приемника имеет то же число светочувствительных элементов (101, 107), что и пиксель (127) регистрирующей поверхности (117) эталонного устройства (137).

4. Измерительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что светочувствительному элементу (101) регистрирующей поверхности (110) приемника (14) поставлен в соответствие светочувствительный элемент (107) регистрирующей поверхности (117) эталонного устройства (137).

5. Измерительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что светочувствительные элементы (101) регистрирующей поверхности (110) приемника образуют приемный массив, а светочувствительные элементы (101) регистрирующей поверхности (117) эталонного устройства образуют эталонный массив.

6. Измерительное устройство по п. 5, отличающееся тем, что приемный массив выполнен в виде матрицы размерностью n×m, а эталонный массив - в виде матрицы размерностью l×k, где n, m, 1, k - целые числа.

7. Измерительное устройство по п. 5, отличающееся тем, что приемный массив и эталонный массив выполнены в виде матриц одинаковой размерности.

8. Измерительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что регистрирующая поверхность (110) приемника (14) и регистрирующая поверхность (117) эталонного устройства реализованы на общем кристалле.

9. Измерительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит блок (36) обработки данных с множеством устройств определения расстояния.

10. Измерительное устройство по п. 9, отличающееся тем, что блок (36) обработки данных выполнен с возможностью передачи от нескольких пикселей по меньшей мере в одно из устройств определения расстояния сигналов регистрации излучения, на основании которых соответствующее устройство определения расстояния получает данные расстояния.

11. Измерительное устройство по п. 9, отличающееся тем, что каждое устройство (130) определения расстояния выполнено с возможностью определения времени прохождения измерительного излучения (13, 16) от момента посылки измерительного излучения (13) излучателем (12) до момента регистрации измерительного излучения (16), возвращающегося от целевого объекта (15), и с возможностью определения расстояния на основании указанного времени.

12. Измерительное устройство по п. 9, отличающееся тем, что каждое устройство (130) определения расстояния выполнено с возможностью определения времени прохождения эталонного излучения (42) от момента посылки эталонного излучения излучателем (12) до момента регистрации эталонного излучения посредством эталонного устройства (137) и с возможностью определения эталонного расстояния на основании указанного времени.

13. Измерительное устройство по п. 9, отличающееся тем, что блок (36) обработки данных выполнен с возможностью определения расстояния (48) между измерительным устройством (10) и целевым объектом (15) на основании расстояний, определяемых устройствами (130) определения расстояния.

14. Измерительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что излучатель (12) и приемник (14) расположены рядом друг с другом вдоль оси (113) параллакса, причем число светочувствительных элементов (101), содержащихся в одном пикселе (111), изменяется в зависимости от местоположения пикселя вдоль оси (113) параллакса.

15. Измерительное устройство по п. 1, отличающееся тем, что приемник (14) и блок (36) обработки данных выполнены с возможностью анализа блоком (36) обработки данных сигналов регистрации излучения от отдельных пикселей (111) независимо от сигналов регистрации излучения от других пикселей (111).

16. Измерительное устройство по одному из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что светочувствительные элементы (101) регистрирующей поверхности (110) приемника и/или светочувствительные элементы (107) регистрирующей поверхности (117) эталонного устройства (137) выполнены в виде однофотонных лавинных фотодиодов.

17. Измерительное устройство по одному из пп. 1-15, отличающееся тем, что оно выполнено в виде портативного измерительного прибора для измерения расстояний.

18. Измерительное устройство по п. 16, отличающееся тем, что оно выполнено в виде портативного измерительного прибора для измерения расстояний.