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Die Erfindung betrifft einen Lichtlaufzeitsensor für einen optischen Entfernungsmesser und einen Entfernungsmesser nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Als optische Entfernungsmesser eignen sich insbesondere Lichtlaufzeitmesssysteme, die nicht nur Entfernungen direkt aus der Lichtlaufzeit ermitteln, sondern insbesondere auch alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Messsysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeitsensoren bzw. Empfangselemente sind insbesondere PMD-Sensoren mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in den Anmeldungen
EP 1 777 747 A1 ,
US 6 587 186 B2 und auch
DE 197 04 496 A1 beschrieben und beispielsweise von der Firma „ifm electronic gmbh‟ als O3D-Kamera oder als optische Abstandssensoren O1D, OSD, OID zu beziehen sind.
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Ferner ist aus der
EP 1 332 594 A2 eine PMD-Sensorausgestaltung bekannt, bei der zur Separation der photonisch erzeugten Ladungen keine Modulationsgates verwendet werden, sondern die Separation ausschließlich über die Akkumulationsgates bzw. Integrationsknoten selbst erfolgt.
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Aus der
DE 102004016626 A1 und
DE 102005056774 A1 sind ferner so genannten SBI (supressed background illumination)-Schaltungen bekannt, die durch eine pixelindividuelle Unterdrückung von Hintergrundlicht die Dynamik eines Pixels erweitern.
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Aus der
DE 10 2004 037 137 A1 ist grundsätzlich ein zeilenförmig ausgebildeter PMD-Sensor bekannt. In einem Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, zwei TOF-Elemente zu einem Bildpunkt zusammenzuführen und um 90° phasenverschoben zu betreiben, so dass in einem Bildpunkt beide Phasenlagen gleichzeitig erfasst werden können.
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Die
DE 10 2012 223 298 A1 beschäftigt sich mit dem Aufbau eines Pixels mit einer nichtlinearen Kennlinie. Hierzu ist es vorgesehen, die Ausleseknoten des Pixels mit einem Kompressionstransistors zu verbinden, über den durch Anlegen einer Gatespannung der Verlauf der Ladungsintegration beeinflussbar ist.
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Die
DE 10 2009 029 364 A1 zeigt eine Messvorrichtung zur optischen Entfernungsmessung, bei der die Detektionsfläche eine Vielzahl von Pixeln aufweist, über die mit Hilfe einer Auswertevorrichtung Entfernungsdaten bestimmt werden. Zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses können die Detektionsflächen in ihrer Größe angepasst werden.
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Die
DE 10 2005 062 320 A1 beschäftigt sich mit einer optoelektronischen Vorrichtung mit einem Sender und einem Empfänger mit mehreren Empfangselementen, welche nach dem Triangulationsprinzip Objekte in einem vorgegebenen Distanzbereich detektieren.
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Die
DE 10 2006 049 905 A1 offenbart einen optoelektronischen Sensor mit einem Sender zum Aussenden von Licht in einen Überwachungsbereich und einem Detektor zum Nachweis von von einem Zielobjekt reflektierten Licht. Hierbei kann die aktive Fläche des Detektors in Position und Form auf den empfangenen Lichtfleck eingestellt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen optischen Entfernungsmesser im Hinblick auf Fehlergenauigkeit und/oder einfachere Justierung des optischen Systems zu verbessern.
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Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch den erfindungsgemäßen Entfernungsmesser gelöst.
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Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitsensor für einen optischen Entfernungsmesser vorgesehen, mit einem Lichtlaufzeitpixel zur Demodulation eines empfangenen modulierten Lichtsignals, wobei das Lichtlaufzeitpixel mehrere, matrixförmig angeordnete Empfangsbereiche mit wenigstens einem Auslesefinger für einen A- und B-Kanal aufweist, und ein Auslesefinger jeweils wenigstens einen Diodenknoten aufweist, wobei das Lichtlaufzeitpixel einen Integrator zur Integration der an den Diodenknoten erfassten Ladungen aufweist, und die Auslesefinger eines Kanals einzeln oder gruppenweise jeweils mit einem Eingang eines Umschalter verbunden sind, wobei die Umschalter für Auslesefinger des A-Kanals an einem ersten Ausgang des Umschalters mit einem A- Kanal Eingang des Integrator
und die Umschalter für Auslesefinger des B-Kanal an einem ersten Ausgang des Umschalters mit einem B- Kanal Eingang des Integrator
und dass die Umschalter an einem zweiten Ausgang mit einem Eingang eines Verwerfknoten verbunden sind, wobei der Lichtlaufzeitsensor derart ausgebildet ist, dass im Betrieb die Umschalter die Auslesefinger entweder mit einem Eingang des Integrators oder mit einem Eingang des Verwerfknoten verbinden, wobei die Empfangsbereiche, deren Auslesefinger mit dem Integrator verbunden sind, aktive Empfangsbereiche bilden, und die Auslesefinger derart mit dem Integrator verbunden sind, dass die Geometrie der zusammengefassten aktiven Empfangsbereiche, eine abstandsabhängige Orts- und Größenveränderung des Lichtspots berücksichtigt.
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Durch dieses Vorgehen ist es vorteilhaft möglich, die Geometrie des Lichtlaufzeitpixels durch Ausblenden nicht benötigter Bereiche den jeweiligen Messerfordernissen optimal anzupassen. Durch das Umschalten der nicht vom Nutzlicht beleuchteten Bereiche von dem Integrator auf den Verwerfknoten werden störende Signalbeiträge von der Integration ferngehalten. Hierdurch werden insbesondere das Signal-Rauschverhältnis und die Genauigkeit des Entfernungsmessers verbessert. Insbesondere kann so zum Beispiel das Schrotrauschen verringert werden.
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Vorteilhaft ist es ferner vorgesehen, die Geometrie der mit dem Integrator verbundenen und zusammengefassten aktiven Empfangsbereiche trichterförmig ausgebildet ist.
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Durch diese Ausbildung lässt sich der Empfangsbereich vorteilhaft an die abstandsabhängige Größen- und Ortsänderung des Lichtspots anpassen.
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Ferner ist es von Vorteil, die Umschaltung der Empfangsbereiche bzw. der Auslesefinger auf den Integrator oder Verwerfknoten in Abhängigkeit eines ermittelten Entfernungswerts und/oder der Stärke des Empfangssignals durchzuführen.
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Durch dieses Vorgehen können die Empfangsbereiche dynamisch auf die jeweilige Messsituation und die sich ggf. abhängig vom Objektabstand ändernde Lichtspotgröße, - position und/oder Signalstärke angepasst werden. Beispielsweise kann durch eine Reflektion an einem Tripelspiegel die Signalstärke so hoch werden, dass der Sensor in Sättigung gerät und nicht mehr ausgewertet werden kann. Durch die erfindungsgemäße Anpassung der Empfangsbereiche kann ein Teil der fotoempfindlichen Fläche ausgeblendet und somit der Dynamikumfang des Sensors erhöht werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass das Empfangselement bzw. der Lichtlaufzeitsensor so angeordnet ist, dass sich bei einer Abstandsänderung des Objekts der Lichtspot in Richtung einer Längsachse eines Empfangsbereichs bewegt.
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Durch diese Anordnung ist es insbesondere bei so genannten zweiäugigen Systemen, d.h. bei Systemen, bei denen Sender und Empfänger voneinander beabstandet angeordnet sind, möglich, die geometrische Lageveränderung des Lichtspots, aufgrund eines so genannten Triangulationseffekts, zu berücksichtigen.
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Besonders vorteilhaft ist den Verwerfknoten so auszugestalten, dass die Impedanz und/oder Eingangsspannung des Verwerfknotens der Impedanz und/oder Eingangsspannung des Integrators entspricht. Durch dieses Vorgehen ist sichergestellt, dass durch ein Umschalten zwischen dem Integrator und Verwerfknoten keine Potentialverschiebungen auf dem Pixel auftreten.
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Besonders vorteilhaft ist es einen optischen Entfernungsmesser mit einem vorgenannten Lichtlaufzeitsensor auszustatten.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 schematisch das grundlegende Prinzip eines optischen Entfernungsmessers,
- 2 schematisch ein PMD-Lichtlaufzeitpixel,
- 3 ein singuläres Lichtlaufzeitpixel mit einem einzigen Empfangsbereich,
- 4 ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitpixel mit mehreren Empfangsbereichen,
- 5 ein Pixel mit ausgeblendeten Empfangsbereichen,
- 6 ein Pixel gemäß 5 mit einem verschobenen Nutzlicht-Empfangsbereich,
- 7 einen Querschnitt eines PMD-Lichtlaufzeitpixels mit Diodenknoten,
- 8 eine Aufsicht auf ein Lichtlaufzeitpixel gemäß 7,
- 9 ein Lichtlaufzeitpixel mit durchlaufender Struktur,
- 10 eine erfindungsgemäße Ausleseschaltung,
- 11 ein Timing-Diagramm für eine erfindungsgemäße Schaltung,
- 12 ein erfindungsgemäßes Pixel mit Umschaltern,
- 13 ein optischer Entfernungsmesser mit seitlicher Beleuchtungsquelle,
- 14 ein Pixel gemäß 5 mit einem ortsveränderlichen Lichtspot,
- 15 ein optischer Entfernungsmesser mit zentraler Beleuchtungsquelle,
- 16 einen Lichtlaufzeitsensor mit einer trichterförmigen Empfangsbereichs-Matrix,
- 17 einen Lichtlaufzeitsensor gemäß 16 mit einem ausgeblendeten Fernbereich,
- 18 einen Lichtlaufzeitsensor gemäß 16 mit einem ausgeblendeten Nahbereich.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt einen optischen Entfernungsmesser, wie sie beispielsweise aus der
DE 197 04 496 A1 bekannt ist.
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Der optische Entfernungsmesser 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. Sender 10 mit einer Lichtquelle 12 und einer Sendeoptik 15 sowie einen Empfänger 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Empfangselement 22. Das Empfangselement 22 ist vorzugsweise als PMD-Sensor ausgebildet.
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Das Messprinzip dieser Anordnung basiert darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und das Empfangselement 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz M(p1) mit einer ersten Phasenlage p1 beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal S(p1) mit der ersten Phasenlage p1 aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage p2 als Empfangssignal S(p2) auf das Empfangselement 22. Im Empfangselement 22 wird das Modulationssignal M(p1) mit dem empfangenen Signal S(p2), gemischt bzw. demoduliert, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
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2 zeigt einen Querschnitt durch ein Lichtlaufzeitpixel eines Photomischdetektors wie er beispielsweise aus der
DE 197 04 496 A1 bekannt ist. Die Modulationsphotogates Gam, G
0, Gbm bilden den lichtsensitiven Bereich eines PMD-Pixels. Entsprechend der an den Modulationsgates Gam, G
0, Gbm angelegten Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate bzw. Integrationsknoten Ga, Gb gelenkt.
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In der Ausgestaltung der Modulationsgates kann ggf. auch auf das mittlere Modulationsgate G
0 verzichtet werden. Alternativ kann ferner ein solches Lichtlaufzeitpixel auch ohne Modulationsgates ausgestaltet sein, wie es beispielsweise in der
EP 1 332 594 A2 gezeigt und beschrieben ist.
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2b zeigt einen Potenzialverlauf, bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Integrationskonten Ga abfliesen, während das Potenzial gemäß 2c die Ladung q in Richtung des zweiten Integrationsknoten Gb fließen lässt. Die Potenziale werden entsprechend der anliegenden Modulationssignale vorgegeben. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 500 MHz ggf. sogar höher. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt.
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In 2a ist ferner eine Ausleseeinheit 400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten PMD-Lichtlaufzeitsensors bzw. eines Empfangselements 22 sein kann. Die als Kapazitäten bzw. Dioden ausgebildeten Integrationsknoten Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Gates Ga, Gb anliegende Spannung beispielsweise über die Ausleseeinheit 400 hochohmig abgegriffen werden. Die Verschaltung und Auswertung des ersten und zweiten Integrationsknotens Ga, Gb bildet hierbei einen so genannten A- und B-Kanal.
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3 zeigt einen aus dem Stand der Technik bekannten Lichtlaufzeitsensor 22 zur Entfernungsbestimmung mit einem Lichtlaufzeitpixel 23 bzw. einer Empfangsfläche zur Demodulation und Ermittlung der Phasenverschiebung eines erfassten Lichtsignals. Sender 10 und Empfänger 20 bzw. deren Komponenten sind so zueinander angeordnet und/oder ausgerichtet, dass in einem bevorzugten Entfernungsmessbereich das gesendete und vom Objekt 40 reflektierte Lichtsignal Sp1, Sp2 vom Lichtlaufzeitpixel 23 empfangen werden kann. Die Strahlformung ist so ausgestaltet, dass das Lichtsignal Sp2 in Form eines Lichtspots 50 auf das Lichtlaufzeitpixel 23 trifft. Die Ausdehnungsfläche des auftreffenden Lichtspots 50 ist vorzugsweise kleiner als die Fläche des Lichtlaufzeitpixels 23.
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Wie in der 3 zu erkennen ist, beleuchtet das Nutzlicht nur einen kleinen Teil der fotoempfindlichen Fläche des Lichtlaufzeitpixels 23. Der größte Teil des Pixels wird vom Hintergrundlicht bzw. Fremdlicht beleuchtet.
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Kerngedanke der Erfindung ist nun, das Lichtlaufzeitpixel 23 an die Spezifika der jeweiligen optischen Systemauslegung anzupassen. Die optische Systemauslegung ist von verschiedenen Parametern abhängig, insbesondere der Baugröße des Sensors selbst, wie beispielsweise Sender-Empfänger-Abstand oder Brennweite, dem Aufbau des Optiksystems, beispielsweise einäugig oder zweiäugig, der Senderart, beispielsweise LED, Laser, und weiteren Parametern.
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Um verschiedene Geräteklassen bzw. unterschiedliche Systemauslegungen mit demselben Lichtlaufzeitsensor 22 zu ermöglichen, muss die Größe des Lichtlaufzeitpixels 23 möglichst groß gewählt werden. Ein derart großes Lichtlaufzeitpixel 23 hat j edoch den Nachteil, dass bei vielen optischen Auslegungen unnötig viel Fremdlicht gesammelt wird. Dieser Nachteil kann beispielsweise mittels einer gerätespezifischen mechanischen Blende behoben werden. Das Aufbringen einer solchen mechanischen Blende ist jedoch mit erheblichem Justageaufwand verbunden.
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Eine erfindungsgemäße elektronische, „frei konfigurierbare Blende“ ermöglicht hingegen eine Anpassung der Empfangsfläche an die jeweilige optische Auslegung ohne zusätzlichen Justageaufwand.
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Mit der erfindungsgemäßen „elektronischen Blende“ ist es ferner auch möglich, die auszuwertende bzw. aktive Empfangsfläche des Lichtlaufzeitpixels im laufenden Betrieb in Abhängigkeit der Messsituation, der Entfernungsmesswerte und/oder Nutzsignalstärke optimal anzupassen. Insbesondere ist es bei sehr hellen Objekten, beispielsweise bei Spiegelungen, sinnvoll die aktive Empfangsfläche zu reduzieren, um insbesondere eine Sättigung der Signal-Vorverstärkerstufe zu vermeiden. Auch dieses Ziel kann mittels der erfindungsgemäßen „frei konfigurierbaren Blende“ erreicht werden.
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4 zeigt eine erfindungsgemäße Lösung, bei der im Unterschied zum Stand der Technik das Lichtlaufzeitpixel 23 in mehrere Empfangsbereiche 23.1 - 23.6 aufgeteilt ist. Im dargestellten Beispiel befindet sich der Lichtspot 50 im dritten und vierten Empfangsbereich 23.3, 23.4.
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Erfindungsgemäß ist es nun, wie in 5 dargestellt, vorgesehen, nur die Empfangsbereiche für die Entfernungsmessung zu verwenden, in denen ein Nutzlicht, also hier der modulierte Lichtspot 50, detektiert werden kann. Im dargestellten Fall würden somit nur der dritte und vierte Empfangsbereich 23.3, 23.4 für die Entfernungsmessung berücksichtigt werden. Diese Empfangsbereiche 23.3. 23.4. sind so genannte aktive Empfangsbereiche bzw. aktive Empfangsflächen. Der erste, zweite, fünfte und sechste Empfangsbereich 23.1, .2, .5, .6 sollen für die Entfernungsmessung unberücksichtigt bleiben und sind so genannte ausgeblendete Empfangsbereiche.
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Es sei bemerkt, dass sich aktive und ausgeblendete Empfangsbereiche 23.n nur dahingegen unterscheiden, ob die in diesen Bereich erfassten Signale ausgewertet werden oder nicht. Ansonsten werden sowohl die aktiven als auch ausgeblendeten Empfangsbereiche mit einem Modulationssignal beaufschlagt, wobei die Ladungen in den aktiven Bereichen an einen Integrator und die Ladungen in den ausgeblendeten Empfangsbereichen an einen Verwerfknoten weiter geleitet werden.
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Trifft der Lichtspot 50, wie in 6 gezeigt, auf einen anderen Bereich, hier der zweite und dritte Empfangsbereich 23.2, 23.3, wären diese Bereiche die aktiven Bereiche und in der Auswertung zu berücksichtigen während die übrigen Bereiche ausgeblendet werden.
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7 zeigt eine für die Erfindung bevorzugte Variante eines Lichtlaufzeitsensors 23, bei der im Unterschied zur 2 die Integrationsknoten Ga, Gb als Diodenknoten Da, Db ausgebildet sind, wobei die n-Wanne an der Oberseite einen Metallkontakt aufweist. Zur Abschirmung der an den Modulationsgates Garn, G0, Gbm anliegenden Modulationsspannung sind die Diodenknoten ferner von einem Separationsgate Gsa, Gsb umgeben. Der Metallkontakt auf der n-Wanne kann ggf. die Fläche des umgebenden Separationsgates Gsa, Gsb vollständig als Lichtschutz abdecken. Es sind jedoch auch weitere Varianten denkbar, bei denen weitere Isolations- und Metallschichten aufgebracht werden können.
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In 8 zeigt eine Draufsicht auf die Anordnung gemäß 7. Im gezeigten Bespiel sind innerhalb der Separationsgates Gsa, Gsb jeweils drei Diodenknoten Da, Db angeordnet, deren Metallkontakte mit einer Leiterbahn zum Ladungstransport verbunden sind. Die Diodenknoten Da, Db und die zugehörige Leiterbahn bilden jeweils einen Auslesefinger Da1, Db1 über den die in der Umgebung der Diodenknoten Da, Db befindlichen Ladungen abgeleitet werden können.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, die Struktur gemäß 8 kontinuierlich wie in 9 gezeigt als ein zusammenhängendes Lichtlaufzeitpixel 23 aufzubauen. In der dargestellten Ausführungsform umfasst ein Empfangsbereich 23.n immer zwei Auslesefinger Dan, Dbn eines Kanals A, B. Die Empfangsbereiche 23.n sind im Gegensatz zu einem herkömmlichen Pixel nicht scharf abgegrenzt, so dass die Auslesefinger an einer Empfangsbereichgrenze immer auch Ladungen aus dem angrenzenden Erfassungsbereich 23.n+1 erfassen.
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Die Erfassungsbereiche sind bevorzugt so ausgestaltet, dass die den Auslesefinger benachbarten Modulationsgates vorzugsweise auf dem gleichen Modulationspotenzial liegen.
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10 zeigt eine erfindungsgemäße Ausleseschaltung zum Abgriff der an den Auslesefingern Dan, Dbn anliegenden Ladungen. Über einen Schalter S können die Auslesefinger Dan, Dbn entweder mit einem Integrator 410 oder einem Verwerfknoten 450 verbunden werden.
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Im dargestellten Fall sind die oberen Auslesefinger Da1, Db1 für den A- und B-Kanal über den Schalter S1 mit einem A-Kanal und einem B-Kanal-Eingang des Integrators 410 verbunden. Bei den unteren Auslesefingern Dan, Dbn, sind sowohl der A- als auch der B-Kanal gemeinsam mit einem Eingang des Verwerfknotens 450 verbunden. Am Eingang des Verwerfknotens liegt eine Referenzspannung Vref an, die im Wesentlichen auch der an den A- und B-Kanal-Eingängen des Integrators 410 anliegenden Spannung entspricht. So wird sichergestellt, dass zwischen den aktiven Empfangsbereichen und den ausgeblendeten Empfangsbereichen, die mit dem Verwerfknoten verbunden sind, keine signifikanten Potenzialunterschiede auftreten.
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11 zeigt beispielhaft einen möglichen zeitlichen Schaltverlauf. Die Schalter für die aktiven Empfangsbereiche sind mit S(A, B) und die Schalter für die ausgeblendeten Bereiche mit S(VVK) bezeichnet. Während einer Ladungsintegration, die im dargestellten Beispiel bei tint_0.1 beginnt, sind die aktiven Empfangsbereiche mit dem Integrator 410 verbunden, die ausgeblendeten Bereiche mit dem Verwerfknoten 450.
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In den Integrationspausen, also zwischen tint_1.1 und tint_0.2 bleiben die Umschalter S in ihrer Position. Sollte allerdings im Betrieb eine Änderung dieser Positionen hilfreich für die Genauigkeit folgender Messungen werden, so sollte diese Änderung in der Integrationspause stattfinden. Andernfalls können Messergebnisse durch Umschalten während der Integration fehlerhaft werden. Die Integrationspause beginnt nach erfolgter Abtastung des integrierten Signals und endet mit der Wegnahme des Resets als Beginn einer neuen Integration.
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In dieser Pause werden zudem die Integrationskapazität Cint über den Schalter RS kurzgeschlossen.
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Eine mögliche Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitpixels 23 ist in 12 dargestellt. Der Übersicht halber sind die Modulationsgates zwischen den Auslesefingern Dan, Dbn nicht gezeigt. Das Lichtlaufzeitpixel weist drei Empfangsbereiche 23.1, .2, .3 auf. Vier Auslesefinger Dan, Dbn eines Kanals A, B sind jeweils als Gruppe elektrisch über eine Leiterbahn zusammengefasst und mit einem Umschalter SAn, SBn, bestehend aus zwei Transistoren verbunden. In Abhängigkeit des anliegenden Schaltsignals UG, UG verbinden die Transistoren die A- und B-Kanäle eines Empfangsbereichs 23.n entweder mit dem Integrator 410 oder dem Verwerfknoten 450. Die Integration bzw. Auswertung der in den lichtempfindlichen Empfangsbereichen 23.n generierten Ladungsträgern erfolgt somit außerhalb der Empfangsbereiche 23.n bzw. des Lichtlaufzeitpixels 23. Die zusammengefassten Empfangsbereiche 23.n bilden eine gemeinsame aktive Empfangsfläche.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellte Ausgestaltung beschränkt, so ist es denkbar, dass jeder Auslesefinger einen eigenen Umschalter S aufweist, so dass die Empfangsbereichen noch feiner unterteilt werden können, ebenso ist es denkbar, mehr als vier Auslesefinger zusammenzufassen.
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Wie auch in den übrigen Figuren stellt 12 nur eine schematischen Abbildung dar, so können die Auslesefinger beispielsweise deutlich länger ausgeführt werden, so dass beispielsweise eine Struktur gemäß 5 aufgespannt werden kann. Ebenso sind auch andere Dimensionierung möglich.
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13 zeigt einen so genannten zweiäugigen optischen Entfernungsmesser, bei dem die Beleuchtung 10 und Lichtlaufzeitsensor 22 seitlich versetzt angeordnet sind. Aufgrund der Winkelbeziehung zwischen ausgesendeten und empfangenen Lichts verändert der Lichtspot 50 abhängig vom Objektabstand seinen Ort auf dem Lichtlaufzeitpixel 23. Dieses so genannte Triangulationsverhalten wird typischerweise dadurch aufgefangen, dass, wie in 3 gezeigt, das Lichtlaufzeitpixel 23 eine ausreichend große Empfangsfläche aufweist.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, die Empfangsfläche im Hinblick einer zu erwartenden Triangulationsbewegung zu optimieren. 14 zeigt ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitpixel 23, das, wie in 5 bereits gezeigt, mehrere Empfangsbereiche 23.1 ...6 aufweist. Die vom Nutzlicht beleuchteten Empfangsbereiche 23.3, 23.4 werden aktiv zur Entfernungsbestimmung herangezogen.
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Um zu vermeiden, dass bei einer entfernungsabhängigen Bewegung des Lichtspots 50 die bevorzugten bzw. aktiven Empfangsbereiche verlassen werden, ist das Empfangselement 22 in Relation zu der Beleuchtung 10 so angeordnet, dass sich der Lichtspot 50 abhängig von der Objektentfernung nur entlang einer Längsachse der Empfangsbereiche 23.n bewegt. Bevorzugt ist die Ausdehnung der Empfangsbereiche 23.n so optimiert, dass der Lichtspot 50 im bevorzugten Messbereich einen ebenfalls bevorzugten Empfangsbereich 23.n nicht verlässt.
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15 zeigt ein so genanntes einäugiges optisches Entfernungsmesssystem bei dem sich Sende- und Empfangsoptik auf eine Achse befinden. Das Licht der Lichtquelle bzw. Beleuchtung 10 wird z.B. über einen Lichtleiter 17 in einen zentralen Bereich der Empfangsoptik 25 geführt und nach außen in Richtung eines Objekts 40 abgestrahlt. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht wird über die Empfangsoptik 25 auf das Lichtlaufzeitpixel 23 als Lichtfleck 50 projiziert. Das Lichtlaufzeitpixel 23 ist aus einem Array von Empfangsbereichen 23.n aufgebaut.
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Der Lichtfleck 50 mit dem auswertbaren Nutzlicht befindet sich im Wesentlichen im mittleren Bereich des Pixels 23. Die Empfangsbereiche 23.1 - 23.n außerhalb des Lichtflecks 50, hier schraffiert dargestellt werden nicht vom Nutzlicht beleuchtet und sind ausgeblendet, d.h. mit dem Verwerfknoten 450 verbunden Die Empfangsbereiche 23.n, die zumindest teilweise den Lichtfleck 50 bzw. Nutzlicht erfassen, werden über die Umschalter mit dem Integrator 410 verbunden und bilden einen gemeinsamen aktiven Empfangsbereich.
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Die aktiven Empfangsbereiche werden auf eine gemeinsame Signalleitung aufgeschaltet und werden gemeinsam, d.h. als singuläre Empfangsfläche ausgewertet. Die zusammengeschalteten Empfangsbereiche entsprechen somit in ihrer elektrischen Wirkung einem Einzelpixel.
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Durch das erfindungsgemäße Vorgehen ist es somit möglich, die Geometrie des Lichtlaufzeitpixels 23 durch Aktivieren und Ausblenden von Empfangsbereichen 23.n an eine applikationsabhängige Geometrie des Nutzlichts anzupassen.
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Eine Aufteilung der Pixelfläche in zwei Dimensionen ist insbesondere bei einäugigen optischen Systemen, d.h. bei Systemen, bei denen Sender und Empfänger auf derselben optischen Achse liegen, sehr vorteilhaft. Hier verbleibt der Schwerpunkt der Spotabbildung in der gleichen Position auf dem Pixel unabhängig von dem Objektabstand. Der aktive Erfassungsbereich kann in diesem Fall vorzugsweise in beiden Dimensionen eingeschränkt werden. Auch bei der Verwendung einer Erfassungsmatrix kann es vorgesehen sein, die Größe der aktiven Empfangsbereiche 23.n in Abhängigkeit der erfassten Lichtintensität anzupassen.
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Im Weiteren kann eine Anpassung der Größe des aktiven Entfernungsbereichs auch dynamisch in Abhängigkeit weiterer Messwerte erfolgen, um beispielsweise einer systembedingte Änderung der Spotabbildungsgröße in Abhängigkeit des Objektabstandes entgegen wirken zu können.
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16 zeigt eine Ausgestaltung für ein zweiäugiges System gemäß 13 in der die Empfangsbereiche 23.n matrixförmig über das Lichtlaufzeitpixel 23 angeordnet sind. Der aktive Empfangsbereich zur Erfassung des modulierten Lichts ist hier trichterförmig strukturiert. Diese Ausgestaltung berücksichtigt zum einen das seitliche Auswandern des Lichtspots 50 aufgrund des Triangulationseffekts als auch eine abstandsabhängige Veränderung der Größe des Lichtspots 50. Im Nahbereich weist der Lichtspot 50 typischerweise die größte Abmessung auf und wird mit zunehmenden Objektabstand kleiner, wobei der Lichtspot 50 gleichzeitig vom linken Nahbereich in den rechten Fernbereich auswandert. Eine matrixförmigen Anordnung der Erfassungsbereiche 23.n erlaubt es nun, diesem Umstand Rechnung zu tragen und wie in 16 gezeigt, die aktiven Empfangsbereiche 23.n trichterförmig zu strukturieren.
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Bei Vorliegen einer Abstandsinformation ist es auch denkbar, wie in 17 und 18 gezeigt, die aktiven Empfangsbereiche auf die jeweilige Lichtspotgröße und -position zu beschränken und die übrigen Empfangsbereiche auszublenden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtlaufzeitkamerasystem
- 10
- Sender, Beleuchtung
- 12
- Lichtquelle
- 15
- Sendeoptik, Strahlformungsoptik
- 17
- Lichtleiter
- 20
- Empfänger
- 22
- Empfangselement
- 23
- Lichtlaufzeitpixel
- 23.n
- Empfangsbereiche
- 25
- Empfangsoptik
- 30
- Modulator
- 40
- Objekt
- 40'
- Objekt ortsverändert
- 50
- Lichtspot
- 50'
- Lichtspot im Fernbereich
- 400
- Ausleseeinheit
- 410
- Integrator
- 450
- Verwerfknoten
- d
- Obj ektentfernung
- ChA
- Kanal A
- ChB
- Kanal B
- Da, Db
- Diodenknoten
- Dan, Dbn
- Auslesefinger
- Gam, Gbm
- Modulationsgates
- G0
- mittleres Modulationsgate
- M(p1)
- Modulationsfrequenz
- qa, qb
- Ladungsträger
- SA1..n, SB1..n
- Umschalter
- S(p1)
- gesendetes Modulationssignal
- S(p2)
- empfangenes Modulationssignal
- IA, IB
- Strom der Integrationsknoten
