CN105066953B - 光学距离测量装置 - Google Patents

Abstract

描述了用于光学测量距目标对象（15）的距离的测量装置（10）。该测量装置（10）具有：用于朝着目标对象（15）发送光学测量辐射（13）的发射设备（12）；具有探测面（66）来探测从目标对象（15）返回的光学测量辐射（16）的接收设备（14）；以及分析设备（36）。探测面（66）具有多个像素，其中每个像素具有至少一个SPAD（单光子雪崩二极管）并且其中多个像素中的每个与分析设备（36）相连。发射设备和接收设备被设计为，使得从目标对象返回的光学测量辐射同时照射多个像素。分析设备被设计为基于对多个像素的探测信号的分析确定在测量装置与目标对象之间的距离。有利地，像素中的至少一些分别具有多个SPAD，其中在一个像素中包含的SPAD的数目或面积根据像素在探测面内的位置变化。

Description

光学距离测量装置

本申请是申请日为2010年7月15日、申请号为201080040251.2（国际申请号为PCT/EP2010/060212）以及发明名称为“光学距离测量装置”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于借助光学测量辐射来测量在测量装置与目标对象之间的距离的测量装置。

背景技术

将时间调制的光束指向目标对象的光学距离测量设备是已知的，要确定该目标对象距测量设备的距离。由被测向的目标对象反射的或散射的返回光被该设备至少部分探测到并且用于确定待测量的距离。典型的测量范围在此处于几厘米直至几百米的距离范围中。

为了能够用光束来测量距目标对象的距离，例如在光束的强度方面对光束进行时间调制。例如，可以发送光脉冲并且测量光脉冲从发送直至探测到的传播时间并且据此计算距目标对象的距离。然而为此必须发送非常短的光脉冲并且使用非常快速的探测电子装置，以便能够获得足够精确的测量结果。可替换地，光束可以在其强度方面被在时间上周期性调制并且使用在所发送的与所探测到的光信号之间的相移来确定传播时间并且由此确定距目标对象的距离。激光距离测量的原理一般以名称“Time of Flight Ranging（飞行时间测距）”——例如其中对激光束的强度进行连续调制——而公知。

此外，还公知所谓的三维（3D）摄像机，其中除了对要拍摄的对象进行光学成像之外也要探测要拍摄对象的表面上区域距摄像机的相应距离。为此，该摄像机具有成像光学系统，该光学系统将对象的图像清晰地投影到设置于光学系统后面的探测器的表面上。探测器在此具有多个矩阵状设置的像素。每个像素在此可以确定诸如由目标对象的表面区域所反射的光的色彩或光强度的图像信息。另外，可以确定关于在摄像机与目标对象的相应表面区域之间的距离的信息。为此，可以用时间调制的激光辐射来照射目标对象，并且通过确定飞行时间将由目标对象反射的并且借助成像光学系统成像到探测器上的辐射用于确定关于距目标对象的相应表面区域的距离的位置分辨的信息。

然而，这样的三维摄像机除了需要带有多个像素的位置分辨的探测器之外还需要成像光学系统，以便将目标对象的每个表面区域精确地成像到像素上，其中由该像素确定的探测信号于是可以用于确定距相应的表面区域的距离。这需要比较复杂的、聚焦性的光学系统以及单个地分析每个像素的探测信号的可能性。

与此相反，简单的距离测量设备仅被用来确定在测量设备与目标对象或用激光束瞄准的在目标对象上的点之间的距离。距离在此并不需要以位置分辨的方式来确定。确定平均距离通常就足够了。这样的距离测量设备通常使用在手持设备中，以便例如在室内确定某个位置距周围的目标对象（譬如墙壁或家具）的距离。手持的距离测量设备在此应当优选具有尽可能简单、稳固且成本低廉的结构并且能够实现简单操作。

从DE 10 2006 013 290 A1中已知一种用于光学测距的装置，其中接收单元的探测器具有多个彼此分离的光敏面，这些光敏面可以彼此分离地激活。每个光敏面在此具有诸如PIN二极管或APD（雪崩光电二极管）的光电二极管或CCD芯片作为光敏元件。这些光敏元件确定对应于所接收的光的强度的模拟探测信号。这些光敏面可以选择性地被激活并且以此方式组合成整个探测面，该整个探测面能够使探测面的被光源照射的部分区域尽可能好地匹配，以便以此方式改善信噪比。

由于所描述的传统的距离测量设备使用提供具有大带宽的模拟测量信号的光敏元件，诸如PIN二极管或APD（雪崩光电二极管），所以可能需要使用复杂的分析电子装置来分析这些模拟测量信号。这些以模拟方式工作的光敏元件通常不能与其他使用在测量设备中的CMOS技术兼容。

发明内容

会存在对如下用于光学距离测量的测量装置的需求，该测量装置尤其是与前面所描述的传统的距离测量设备相比允许简化地构建其中使用的电子部件、尤其是用于分析探测信号的分析部件。此外，会存在对如下距离测量装置的需求，该距离测量装置在很大程度上可以以唯一的制造技术、例如CMOS技术来制造。

此外，会存在对如下的距离测量装置的需求，其中尽可能地具有如下优点中的至少一个：

- 扩展距离测量装置的接收光学系统相对于探测器的调节公差；

- 降低复杂性和对接收光学系统的要求；

- 提高尤其是在测量小距离时的动态范围；

- 对尤其是在测量大距离时的信噪比进行优化；和/或

- 减小对于分析所需的集成电路的芯片面。

根据本发明的用于光学距离测量的测量装置具有：用于朝着目标对象发送光学测量辐射的发射设备、具有探测面来探测从目标对象返回的光学测量辐射的接收设备和分析设备。接收设备的探测面在此具有多个像素，其中每个像素具有至少一个SPAD（SinglePhoton Avalanche Diode，单光子雪崩二极管）。多个像素中的每个像素都与分析设备直接或间接地通过另外的中间连接的器件连接。发射设备和接收设备在此被设计为，在按规定地使用距离测量设备时从目标对象返回的光学测量辐射分别同时照射多个像素。分析设备在此被设计为，基于对多个像素、尤其是多个被同时照射的像素的探测信号的分析来确定测量装置与目标对象之间的距离。

发射设备可以是例如LED、激光器或激光二极管形式的光源，该光源以时间调制的方式朝着目标对象发送光。时间调制在此可以是连续地和/或周期性地、例如正弦形地进行。也可以发送脉冲序列，例如非周期的、如所谓的伪噪声脉冲序列形式的脉冲序列。

接收设备可以不同于如在传统的距离测量设备中所使用的接收设备，不同之处在于：代替必要时可以连接在一起以便提供模拟总信号的、以模拟方式工作的光敏元件，可以在探测面内设置多个像素，其中每个像素包含一个或多个SPAD。如还要在下文中更详细阐述的那样，SPAD在此是光敏元件，其根据入射的光强度来提供数字探测信号。每个像素在此都可以直接或例如通过中间连接复用器而与分析设备连接，其中该复用器被设计为选择性地转发多个像素的探测信号。以此方式例如可以实现的是，各个像素的探测信号或一组像素的探测信号可以与其他像素的探测信号无关地被分析设备分析。

发射设备和接收设备被设计并且彼此协调为使得从目标对象返回的光学测量辐射在正常测量条件下、即例如在从数厘米到几百米的测量距离的情况下同时照射多个像素。然而在此情况下，同时照射多个像素的实际情况，不应如在传统3D摄像机情况下那样被用于探测目标对象的成像或关于距目标对象表面上的各个子区域的距离的空间分辨率，而是如下文中还要更详细阐述的那样尤其是应实现关于探测灵敏度和/或调节公差方面的优点。在测量装置与目标对象之间的距离在此基于对多个像素、尤其是被同时照射的像素中的多个像素的探测信号的分析来确定。

发射设备为此可以发送测量射束，测量射束的横截面足够大使得测量射束的从目标对象返回的部分始终照射多个像素。为了将从目标对象返回的测量辐射聚束并且引导到探测面，以便以此方式提供足够强的探测信号，可以在从发射设备到接收设备的光学路径内设置例如一个或多个透镜形式的简单光学系统。该简单的光学系统可以节约成本地并且降低开销地构建为非自动聚焦的光学系统（“固定焦距”）。由于具有固定焦距的这种非自动聚焦光学系统只有当目标对象相对于测量装置处于对应于焦距和焦平面的对象距离时才可以最优地、即以最小的斑点直径将从目标对象返回的测量射束聚焦到接收设备的探测面上，所以由从目标对象返回的测量辐射同时照射的像素的数目可以根据在目标像素与测量对象之间的距离而变化。例如，针对从具有大对象距离的远离的目标对象接收测量辐射而对光学接收系统进行优化可以意味着：焦距和图像距离被选择为使得对于大的对象距离达到几何成像条件。因此，在大距离的情况下可以在图像平面中实现最小斑点直径（“成像是清晰的”）。通过固定焦距和图像平面，在目标对象处于较近的情况下所照射的像素数目可以明显大于在目标对象远离的情况下所照射的像素数目。在目标对象处于较近的情况下，返回的测量辐射不再能够被清晰地成像，以至于探测面的被照射的区域可相应变得更大。

由于各个像素的探测信号可以彼此独立地分析，所以接收设备和分析设备可以设计为，基于仅对目标对象的被发射设备照射的面的光所返回射到的像素的探测信号的分析来确定在测量装置与目标对象之间的距离。换言之，分析设备例如可以首先在初次测量中确定，探测面的像素中的哪些像素实际接收发射设备的测量辐射以及哪些像素仅探测背景辐射，并且可以接着仅将由测量辐射所照射的像素的探测信号用于实际距离确定。由此，可以极大地提高信噪比。

为了能够确定在测量装置与目标对象之间的距离，分析设备可以具有至少一个距离确定设备（部分也作为“分箱模式（Binning Schema）”而公知）。距离确定设备可以设计为确定测量辐射在从发射设备发送直至在探测面上探测到从目标对象返回的测量辐射之间的飞行持续时间并且据此确定距离。距离确定设备为此可以将由发射设备提供的关于所发送测量辐射的时间调制的信息与由接收设备提供的探测信号比较。在周期性调制的所发送的测量辐射的情况下例如可以根据在发送信号与探测信号之间的相位差来确定相应的距离。

原则上，唯一的距离确定设备可足够用于确定在测量装置与目标对象之间的距离。为了将距离确定设备的数目保持得小，有利地可以例如借助复用器将各个像素或一组像素的探测信号相继地引导至距离确定设备。由于对探测信号的这种顺序的处理，可导致整个测量持续时间的延长。可替换地，每个像素都可以与自己的距离确定设备关联。在此情况下，可以根据多个像素的探测信号中的每一个分别确定距离，可能在时间上彼此并行地进行，并且根据所确定的距离可以最后例如通过平均来确定在该装置与目标对象之间的最后要确定的距离。但是为此可能需要在测量装置中设置非常多数目的距离确定设备，这可使测量装置的结构和制造复杂。

在某种程度上可以说，作为在这两个极端的可替换方案之间的中间道路，可以将多个像素与一个距离确定设备相连并且距离确定设备可以设计为基于多个像素的探测信号来确定距离。分析设备可以具有多个距离确定设备并且可以设计为，基于由距离确定设备所确定的距离例如通过求平均值来确定在测量装置和目标对象之间的距离。

SPAD可以具有如下特征：即SPAD并非如传统以模拟方式工作的光敏元件那样提供与入射的辐射线性相关的探测信号，而是利用每个入射的光子产生单个的信号。SPAD在光子入射之后在一定的延迟时间中不能重新激活，其中该延迟时间可以处于例如1ns到100ns的范围中。也提及了可不起作用的（paralysierbar）响应特性。可对入射到SPAD的光子计数的计数率因此向上受延迟时间限制。因此有利地可以代替唯一的大面积的SPAD而在一个像素内设置多个更小的SPAD，并且例如借助组合器对单个像素中所包含的SPAD的探测信号进行组合。该组合器在此情况下例如可以以或门形式或以总线形式来构建。以此方式可以提高由像素最大可达到的光子计数率，或换而言之，在各个探测结果之间的像素的延迟时间可以被缩短。此外，在SPAD与组合器或总线之间可以设置脉冲缩短器，以便在时间上缩短由SPAD生成的数字信号并且由此能够实现整个延迟时间缩短并且提高系统的光子计数率。

在一个像素中所包含的SPAD的数目或SPAD的面积可以根据像素在接收设备的探测面内的位置可变地选择。例如可已知的是，从目标对象返回的测量辐射可以根据目标对象距测量装置的距离而在另一位置处和/或以另一横截面入射到接收设备的探测面上。在一个像素内的SPAD的数目或面积因此可以与位置有关地与预期的入射光强度匹配。通过使在一个像素内的SPAD的数目和/或SPAD的面积匹配可以使测量装置的动态范围优化。通过使像素面积与激光斑点大小匹配可以使信噪比优化。

例如当在发射设备与接收设备之间的光路中设置有非自动聚焦的光学系统时——该光学系统针对远离的目标对象被成像地或优化聚焦地设计，则对于远离的目标对象而言可以以小的斑点直径或点直径将返回的测量辐射聚焦。在探测面的这样的区域内有利的可以是，每个像素仅包含唯一的SPAD或仅几个SPAD。当以这样的固定焦距测量装置瞄准处于较近的目标对象时，返回的测量辐射并不作为小的斑点聚焦到探测面上，而是可能散焦地入射到探测面的更大的部分面上。总之，在此情况下，于是比在远离的目标对象的情况下照射更多的像素。因此，有利的可以是，在探测面的被照射的子区域的边缘区域中分别将多个SPAD组合成单个的像素（或“子阵列”或SPAD“簇”）。

例如，发射设备和接收设备可以并排地沿着视差轴线设置。这种所谓的双轴的测量系统可以具有如下优点：不需要复杂的辐射分布来选择返回的测量射束。由发射设备发射的并且从目标对象返回的测量射束在此情况下可以根据目标对象的距离而沿着视差轴线在另一部位处入射到探测面并且具有不同的横截面。在此情况下，有利的可以是，在一个像素中所包含的SPAD的数目根据像素沿视差轴线的位置而变化。尤其是，有利的可以是，在一个像素中所包含的SPAD的数目在发射设备附近的像素中比在远离发射设备的像素中选择得更小。

可替换地，发射设备和接收设备可以彼此共轴地设置。在这样的单轴测量装置中，例如可以借助半透明的镜来实现，使得探测面的被返回的辐射所照射的区域的中心与目标对象的距离无关地在很大程度上保持位置恒定。然而，在探测面上被照射的区域的横截面此外可以取决于目标对象的距离。在目标对象远离并且光学系统具有宽的焦距的情况下可导致所照射的小斑点，在目标对象处于较近的情况下可导致所照射的更大的斑点。有利的可以是，在一个像素中所包含的SPAD的数目在探测面中心附近的像素中比在远离探测面中心的像素中选择得更小。

本发明的可能的方面、优点和构型前面曾参照本发明的各个实施形式予以描述。该描述、相关的附图以及权利要求包含众多组合特征。本领域技术人员可以将这些特征、尤其是不同实施例的特征单独地考虑并且组合成其他合理的组合。

附图说明

以下参照所附的附图描述了本发明的实施形式和包含于其中的部分方面。附图仅是示意性的并且不是按照比例的。在附图中的相同或相似的附图标记标明相同或相似的元件。

图1示出了根据本发明一个实施形式的用于光学距离测量的测量装置。

图2示例性示出了SPAD的计数率与每像素所吸收的光子率的相关性。

图3示出了根据本发明一个实施形式的测量装置的两个SPAD的示意性电路，这两个SPAD与组合器连接。

图4阐明了根据本发明一个实施形式的测量装置的三个SPAD和与该三个SPAD相连的总线在考虑延迟时间的情况下的响应特性。

图5示例性地示出了与多个SPAD相连的总线处的、与每像素所吸收的光子率有关的总计数率。

图6示出了对根据本发明一个实施形式的测量装置的接收设备的探测面的俯视图。

图7示出了对根据本发明一个实施形式的测量装置的接收设备的可替换探测面的俯视图。

图8示出了单个SPAD，其与距离确定设备相连。

图9示出了两个SPAD，它们通过复用器与距离确定设备相连。

图10示出了分别具有9个SPAD的两个像素，这些SPAD通过组合器和复用器与距离确定设备相连。

图11示出了具有像素的接收设备的探测面，其中像素中所包含的SPAD的数目与位置有关地变化并且像素通过组合器和复用器与多个距离确定设备连接。

具体实施方式

在图1中示意性地以用于描述其功能的最为重要的部件示出了根据本发明的用于光学距离测量的测量装置10。

测量装置10具有壳体11，在该壳体11中设置有用于发送光学测量辐射13的发射设备12以及用于探测从目标对象15返回的测量辐射16的接收设备14。

发射设备12包含光源，该光源在所示的实施例中通过半导体激光二极管18来实现。激光二极管18发送对于人眼可见的光束22形式的激光束20。激光二极管18为此通过控制设备24来运行，该控制设备24通过相应的电子装置产生激光二极管18的电输入信号19的时间调制。通过这种对二极管电流的调制可以实现的是，用于距离测量的光学测量辐射13同样以所期望的方式在其强度方面被时间调制。

激光束20接着穿过物镜28形式的准直光学系统26，该物镜28在图1中简化地以单个透镜形式示出。该物镜28在该实施例中可选地处于调整组装件（Verstellmimik）32上，该调整组装件原则上使得能够在所有三个空间方向上例如为了调节目的而改变对象的位置。然而可替换地，准直光学系统26也可能已经是激光二极管18的组成部分或与其固定连接。

在穿过物镜28之后，得出测量辐射13的、近似平行光束37形式的例如经幅度调制的信号，该近似平行光束37沿着发射单元12的光学轴线38传播。

此外在发射设备12中还可以存在优选可变换的辐射偏转器40，其构建为，将测量辐射13完全或部分地在绕开目标对象15的情况下直接（即在设备内部）偏转到接收设备14上。以此方式可以产生设备内部的参考路段42，该参考路段构建校准或补偿测量装置。

如果利用测量装置10执行距离测量，则测量辐射13通过在测量装置10的前壁45中的光学窗口44离开测量装置的壳体11。光学窗口44的开口例如可以通过遮挡板46来保护。对于实际的测量，测量装置10于是朝向目标对象15，该目标对象距测量装置10的距离48要被确定。在所期望的目标对象15处所反射的或散射的信号16形成返回射束49或50形式的返回光学测量辐射16，该射束的一定部分返回进入到测量装置10中。

返回的测量辐射16通过在测量装置10的端侧45处的入射窗口47输入耦合到测量装置10中并且于是如图1中所示地入射到接收光学系统52上。

在图1中为了阐明而示例性地绘出了用于两个不同的目标对象距离48的两个返回测量射束49或50。对于大的对象距离而言，其中大可以解释为相对于接收光学系统52的焦距是大的，从目标对象15返回的光学测量辐射16近似平行于接收设备14的光学轴线51入射。该情况在图1的实施例中通过测量射束49来表示。随着对象距离变小，入射到测量装置中的返回的测量辐射16由于视差而相对于接收设备14的光学轴线51倾斜得越来越多。作为在测量装置的附近区域中这样的返回的测量射束的例子，在图1中绘出了射束50。

图1中同样仅示意性地通过单个透镜表示的接收光学系统52将返回的测量辐射16的射束聚焦到设置在接收设备14中的接收探测器54的探测面66上。探测器54具有多个像素来探测光学测量辐射。每个像素具有至少一个光敏SPAD。通过设置在探测面66中的、单独或成组地组合地矩阵状设置成像素并且与分析设备36相连的SPAD，入射的返回测量辐射16被转换成电信号55并且输送给分析设备36中的另一分析装置。电信号55在此可以基于SPAD的固有特性被视为数字信号，该数字信号反映了入射到探测面66的相应像素上的光子的计数率。

由单个SPAD或SPAD的组合生成的探测信号可以输送给一个或多个包含在分析设备36中的距离确定设备。距离确定设备可以将探测信号加和并且据此产生如下信号，该信号对应于入射到相应SPAD上的光信号的时间相关的强度或光强度。通过将该信号关于激励信号进行设置——所述激励信号说明由发射设备所发射的光子率的时间变化过程，可以推断出从发射设备朝着目标对象并且又返回到接收设备的光子飞行时间。如果发射设备例如正弦形周期性地调制所发送的光，则可以根据在所发送的与所探测到的测量辐射之间的相位差来确定飞行时间。

在光学电子装置中，术语“single photon avalanche diode（单光子雪崩二极管）”（SPAD）——其有时也称作单光子雪崩二极管、Geiger模式雪崩二极管或G-APD——被用于固体光电探测器的类别，所述固定光电探测器基于在反向方向上加偏压的pn结，在该pn结中可能有单个的通过光子生成的载流子由于碰撞电力机制而可以引起雪崩电流。SPAD与传统的雪崩光电二极管（APD）之间的基本差异可能在于，SPAD可以特别被设计为在反向方向上存在偏压的情况下工作，该偏压高于二极管的击穿电压（breakdown voltage（击穿电压））。该运行模式也称作Geiger模式，类似于Geiger计数器。在这种高偏压的情况下，在pn结内的电场可以强到使得单个注入到耗尽区中的载流子可以引起自维持的雪崩电流。该电流可以在少于1ns的时间段内升高到例如mA范围中的宏观水平。该电流可以保持直至通过将偏压降低到在击穿电压以下的水平来使雪崩衰减（“熄灭”）并且以此方式中断雪崩电流。简单的衰减电路在此可以由简单的电阻构成，该电阻与SPAD串联连接。雪崩电流在此简单地由于在高欧姆的串联电阻上形成的电压降而自衰减。在雪崩电流消除之后，SPAD的偏压恢复并且SPAD又能够被重新触发。然而在雪崩电流流动期间并且在消除且接着提高偏压期间，SPAD在延迟时间τ中并不能够激活其他光子。

如在图2中所示，因此由单个SPAD所确定的计数率在所吸收的光子率低的情况下大致与光子吸收率成比例。然而，计数率在光子吸收率略微小于延迟时间的倒数1/τ时开始饱和。在更高的光子吸收率的情况下，计数率甚至减小，直至其在例如10²MHz以上范围中的光子吸收率之上完全崩溃，因为在如此高的光子吸收率的情况下已经在电压完全恢复并且因此不会导致雪崩电流的中断之前又触发SPAD。一旦被SPAD吸收的光子率相对于SPAD的延迟时间的倒数变大，则可不起作用的探测器如SPAD的效率因此在高光子电流的情况下极大地下降。

利用单个SPAD的大小，由此得出最大可探测的强度（每面积的功率）或最大可探测的光子电流或光子率的上边界。每探测器所吸收的光子率可以通过将光功率分布到多个SPAD上来降低。由此可以在高光功率的情况下改进探测效率，如尤其是在短测量距离的情况下可能出现的那样。光功率在此可以理解为由接收透镜检测到的从目标对象返回的测量辐射的所有光功率。

图3示出了两个SPAD 101、101’，它们的探测信号分别转发给或门103。或门103用作组合器104，其方式是该或门103不仅接收来自第一SPAD 101的探测信号而且接收来自第二SPAD 101’的探测信号并且将输入信号的组合的信号输出给输出端105。

该状况在使用组合器的情况下可能更为复杂，组合器将多个单个的SPAD的探测信号在一条总线上组合。与完全并行地对SPAD的整体进行分析相比，与总线对应的延迟时间可导致额外的效率损失。图4示出了可能的相关性。在此，示出了总线处的与在三个SPAD中的吸收光子率107-1、107-2、107-3相关的事件率106。SPAD的延迟时间τ₁在此分别为50ns，总线的延迟时间τ₂为10ns。可看到的是，例如通过第二SPAD的光子的吸收事件108并不作为独立的计数信号在总线处输出，因为其落入总线的延迟时间τ₂中。

通过借助脉冲缩短器在时间上缩短由各个SPAD生成的数字信号，可以缩短整个系统的有效延迟时间，所述整个系统由多个与总线连接的SPAD构成。整个系统的有效延迟时间在此由各个SPAD的延迟时间和被缩短器缩短的信号的持续时间的组合得出。

在图5中示出的曲线中示例性示出了总线处的与每像素的吸收光子率有关的计数率，其中每像素是一个、四个、九个或十六个SPAD的组合。SPAD延迟时间τ₁在此为50ns，总线延迟时间τ₂为10ns。由于总线的延迟时间，曲线族的最大值随着组合的SPAD的数目升高而逼近边界值（总线延迟时间的倒数）。变得清楚的是，总线或组合器的延迟时间为优化量。一般而言，这种总线延迟时间可以比SPAD的延迟时间明显更小，使得SPAD探测信号的组合可以导致比单个SPAD的计数率更高的计数率。在没有组合器或总线的情况下，该更高的计数率可以仅通过完全并行地分析利用附加的距离确定设备来实现。

图6示意性地示出了具有未校正视差的激光距离测量装置的探测设备54的探测面110。在此情况下，在探测面110上绘出了圆形的激光斑点109或激光点，其直径与在测量装置与目标距离之间的距离L有关地变化。在此情况下针对对于大距离的最优调节的情况曾假设具有焦距f=30mm、直径d=4mm并且视差为5mm的理想透镜。激光辐射在此假设有1mrad的发散性。在探测面110的该构型中有利的是，像素111的大小或在相应像素111内的SPAD 101的数目沿视差轴线113增加。视差轴线在此情况下被假设为在探测面与由接收光学系统的光学轴线和距离测量装置的激光束轴线所张开的平面之间的交线。可看到的是，在当激光束从远离的目标对象回射时出现激光斑点109的第一区域114中设置有小的像素，这些小的像素分别包含仅仅唯一的SPAD。在当目标对象距离大约0.5m到1m时出现激光斑点109’的区域115中设置有分别具有四个SPAD的更大的像素。在针对非常近的目标对象的情况下出现激光斑点109’’的另一区域116中设置有具有8个或16个SPAD的特别大的像素。接收光学系统在此优化为使得在目标对象的最大距离的情况下达到了尽可能最好的成像质量、即尽可能最小的激光斑点直径。

在大距离的情况下激光斑点109由于清晰的成像而比较小。同时，由返回的测量辐射和背景辐射组成的入射光的强度由于远离的目标对象的测量辐射的比例小而比较低。在定位得较近的目标对象的情况下，总体上有更多测量辐射被目标对象反射或散射返回至探测面110。同时，测量辐射不再通过固定焦距接收光学系统清晰地成像到探测面110上。

总之，就借助略微发散的激光束和固定焦距接收光学系统的激光距离测量器从几何结构来看，对于所接收的激光辐射的部分而言在大距离的情况下得出在探测器平面中关于距离成平方地下降的光强度，而在小距离的情况下得出在探测器平面中关于距离恒定的光强度。而背景辐射的强度比例在第一近似中与距离无关。

借助如在图6中所示的、包含在探测面110中的像素101的大小的与位置有关的构型，一方面可以实现，不仅在大目标对象距离的情况下而且在小目标对象距离的情况下分别有激光斑点109射到多个像素111上并且可以被这些像素分析。活性探测面的大小在此可以最优地与激光斑点的大小匹配并且因此使信噪比最优。另一方面，借助这种与位置有关的构型也可以最优地利用SPAD的动态范围，因为入射光的光强度（激光部分和背景部分）在大距离的情况下比在小距离的情况下更小。因此在探测面仅在小距离时被施加以所接收的测量辐射的情况下，可以减小各SPAD的面。在所接收的测量辐射的强度近似保持恒定的探测器区域中，在SPAD面保持不变的情况下可以增大在各像素111中所包含的SPAD 101的数目。

图7示出了共轴激光距离测量器或带有校正过的视差的激光距离测量器的探测面110’的一个实施形式。这样的校正可以借助近区元件或替代的已知方法来实现。在这样的情况下，由于接收光学系统景深有限所以基本上成像误差占主导，使得等大小的像素的集中设置是有利的。从远离的目标对象返回的激光束被良好地聚焦并且在探测面110’的中心122附近、即在接收光学系统的光学轴线通过探测面平面的穿通点附近产生比较小的激光斑点109。从位于较近的目标对象返回的激光束产生具有明显更大的直径的激光斑点109’’。与远离探测面110’的中心122（即在探测面边缘处）相比，像素111在中心122附近具有更小的面和更小数目的包含于像素中的SPAD 101。

在图8至图10中，作为框图示出了如用于实现根据本发明实施形式的接收设备的各个元件。

图8示出了具有单个SPAD 101的像素111。该像素与距离确定设备130相连。

图9示出了分别具有一个SPAD 101、101’的两个像素111、111’。像素111、111’与复用器140连接，该复用器将由像素111、111’提供的探测信号选择性地转发给距离确定设备130。

在图10中示出了分别具有九个SPAD 101、101’的两个像素111、111’的设置。各个SPAD 101、101’的探测信号必要时在通过附加延迟元件150、150’实现的时间延迟之后分别转发给组合器160、160’。该延迟可以用于补偿传播时间差并且由此使一个像素或不同像素在时间上同步。在组合器160、160’中，探测信号彼此组合。附加地，由SPAD生成的信号可以借助脉冲缩短器155、155’在时间上缩短。组合的探测信号被组合器160、160’引导至复用器140并且从那里出来继续引导至距离确定设备130。

图11示出了如下距离测量装置的一个具体实施形式，该距离测量装置具有在使用N=92个像素111的这种元件的情况下所校正的视差。在此情况下，48个像素仅具有单个的SPAD，24个像素分别具有以2x2设置的四个SPAD并且20个像素分别具有以3x3设置的9个SPAD。具有多于一个SPAD 101的每个像素111恰好与一个组合器160、160’连接。因此存在44个组合器160。仅具有一个SPAD的像素111的输出端和组合器160与K个复用器140的输入端相连。复用器140的输出端又与M个距离确定设备130相连。在此，并不一定适用M=K或M=N。示例性地示出了对于三个具有不同大小和SPAD数目的像素111的连接。图11中阴影地示出的面说明有效的探测面170，该探测面170包括实际被激光斑点109的激光照射并且借助其可以对目标对象执行距离测量的像素111。

最后，本发明的实施形式的方面和优点将再一次以不同的措辞概括如下：

本发明的实施形式基于如下核心思想：有利地构建像素中各个SPAD的设置的方式，在SPAD的信号被输送给时间分析单元（即距离确定设备/分箱模式）以进一步分析之前，SPAD的信号被组合。其信号借助组合器组合的大量SPAD在此形成一个像素。

各个像素可以彼此独立地运行。尤其是，可以执行连续波的相位分析或替代地每个单个像素的脉冲的飞行时间分析。

多个SPAD组合成像素可以在空间上构建为使得信噪比不仅在大距离的情况下而且在小距离的情况下尤其是可以通过强背景照明以少量的距离确定设备来优化。这可以通过关于探测面而与位置有关地使像素的大小或组合成一个像素的SPAD的数目的匹配来实现。

具体针对在激光距离测量器情况下对信噪比的提高而优化的像素设置方式相对于传统激光距离测量器以及3D摄像机是区别特征之一，所述像素是有选择地具有仅一个SPAD的像素或具有不同大小和SPAD数目的像素。即使接收设备并不在光学系统的图像平面中，如这例如在固定焦距系统中所出现的那样，该设置也可以降低对测量装置内的光学系统调节的要求并且同时可以对最佳的信噪比有益。

探测面可以设计得如此大，使得可以降低对接收光学系统的调节的要求。此外，光学成像误差的影响、尤其是由于景深过低引起的散焦造成的误差可以被最小化。由此可以降低对接收光学系统的光学质量的要求。

另一优点可以是尤其在高背景光比例下在大测量距离时对信噪比的优化。这可以通过如下方式来实现：有效探测面在所有距离的情况下最优地与探测平面中实际成像的激光测量斑点的大小匹配，即可以被最小化。在测量结束之后，可以有针对性地分析仅仅实际接收激光辐射的各个SPAD或带有多个SPAD的像素的信号。由此，可以减小有效探测面并且使背景光的噪声贡献最小化，这可与改善信噪比同义。

另一优点在此可以在于：由于在一个像素内的多个SPAD组合，所以需要比SPAD少的距离确定设备。这可以减少集成电路所需的芯片面积。尤其是在通常用固定焦距工作的激光距离测量器的情况下，该优点可以起到重要作用，因为激光斑点直径于是可以根据目标对象的距离来变化。图6针对一个系统阐明了该点，在该系统中视差误差未校正。为了通过将有效探测面最小化来使信噪比如前面所描述的那样优化，在较大的激光斑点直径的情况下、即通常在目标对象的距离较小的情况下相应地也仅需要较小的探测器分辨率。这种情形可以通过SPAD与位置有关地组合成像素来利用。

由于有效探测面、即在分析测量时所考虑的面通常小于整个探测面，所以所需的距离确定设备的数目还可以进一步减小，其方式是除了组合SPAD之外还应用复用器。借助暂时的测量，在此情况下接收激光辐射的像素可以首先被识别并且接着针对实际的测量而被分布到距离确定设备上。如果N是具有一个或多个SPAD的像素的总数而M是可供距离确定设备分析的数目，则必须执行最大上取整N/M次临时测量以进行识别。因此，该测量任务可以用少量的测量、在理想情况下用唯一的测量来执行。

另一优点可以在于，各个像素可以彼此独立地校准，例如在相位偏移方面进行校准。

Claims (16)

1.用于光学距离测量的测量装置（10），具有：

用于朝着目标对象（15）发送光学测量辐射（13）的发射设备（12）；

具有探测面（110）来探测从目标对象（15）返回的光学测量辐射（16）的接收设备（14）；以及

分析设备（36）；

其特征在于，

探测面（110）具有多个像素（111），其中每个像素（111）具有至少一个单光子雪崩二极管（101）并且其中多个像素（111）中的每个都能与分析设备（36）相连；

其中发射设备（12）和接收设备（14）被设计为使得从目标对象（15）返回的光学测量辐射（16）同时照射多个像素（111）；

其中分析设备（36）被设计为基于对多个像素（111）的探测信号的分析来确定在测量装置（10）与目标对象（15）之间的距离（48），其中至少一些像素（111）分别包含多个单光子雪崩二极管（101），

所述测量装置（10）还具有至少一个组合器（160），该组合器（160）被设计为对在单个像素（111）中所包含的单光子雪崩二极管（101）的探测信号进行组合。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其中所述测量装置是手持测量装置。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中分析设备（36）具有至少一个距离确定设备（130），该距离确定设备（130）被设计为确定光学测量辐射（13，16）在由发射设备（12）发送直至探测到从目标对象（15）返回的光学测量辐射（16）之间的飞行持续时间并且据此确定距离。

4.根据权利要求3所述的测量装置，其中多个像素（111）与距离确定设备（130）相连并且距离确定设备（130）被设计为基于多个像素（111）的探测信号来确定距离。

5.根据权利要求3所述的测量装置，其中分析设备（36）具有多个距离确定设备（130）并且分析设备（36）被设计为基于由距离确定设备（130）确定的距离来确定在测量装置（10）与目标对象（15）之间的距离（48）。

6.根据权利要求1或2所述的测量装置，还具有至少一个脉冲缩短器，以便将由单光子雪崩二极管生成的数字信号在时间上缩短。

7.根据权利要求1所述的测量装置，其中包含在一个像素（111）中的单光子雪崩二极管（101）的数目根据像素（111）在接收设备（14）的探测面（110）内的位置来变化。

8.根据权利要求1所述的测量装置，其中包含在一个像素（111）中的单光子雪崩二极管（101）的面积根据像素（111）在接收设备（14）的探测面（110）内的位置来变化。

9.根据权利要求7或8所述的测量装置，其中发射设备（12）和接收设备（14）并排地沿着视差轴线（113）设置并且其中在一个像素（111）中包含的单光子雪崩二极管（101）的数目根据沿着视差轴线（113）的位置来变化。

10.根据权利要求7或8所述的测量装置，其中包含在一个像素（111）中的单光子雪崩二极管（101）的数目在发射设备（12）附近的像素（111）中比在远离发射设备（12）的像素（111）中小。

11.根据权利要求7或8所述的测量装置，其中包含在一个像素（111）中的单光子雪崩二极管（101）的数目在探测面（110）的中心（122）附近的像素（111）中比在远离探测面（110）的中心（122）的像素（111）中小。

12.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中发射设备（12）和接收设备（14）被设计为使得被从目标对象（15）返回的光学测量辐射（16）同时照射的像素（111）的数目根据在目标对象（15）与测量装置（10）之间的距离来变化。

13.根据权利要求1或2所述的测量装置，还具有非自动聚焦的光学系统（52），以便将从目标对象返回的光学测量辐射（16）引导到探测面（110）上。

14.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中接收设备（14）和分析设备（36）被设计为使得各个像素（111）的探测信号能够与其他像素（111）的探测信号无关地被分析设备（36）分析。

15.根据权利要求1或2所述的测量装置，其中接收设备（14）和分析设备（36）被设计为基于对有效探测面（170）内的仅仅如下像素（111）的探测信号的分析来确定测量装置（10）与目标对象（15）之间的距离（48）：

被由发射设备所照射的目标对象面的光返回射到的像素。

16.根据权利要求1或2所述的测量装置，还具有至少一个复用器（140），该复用器被设计为将多个像素（111）的探测信号选择性地转发给分析设备（36）。