CN109239694B - 用于测量距离的光电传感器和方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于测量距离的光电传感器和方法。一种用于根据飞行时间原理测量物体的距离的光电传感器，包括：光发射器，用于发射光信号；光接收器，用于在被物体反射或传送之后接收光信号，光接收器具有第一多个像素单元，每个被配置为以大于击穿电压的偏置电压偏置的雪崩光电二极管元件，从而在盖革模式下操作，以便在光接收时触发雪崩事件；距离测量单元，具有连接到像素单元的第二多个飞行时间测量单元以用于确定光信号的发射和接收之间的飞行时间，第二多个少于第一多个；开关装置，用于以一对一的方式将所选择的像素单元连接至飞行时间测量单元；以及像素选择单元，用于基于强度测量确定由开关装置连接的像素单元。

Description

用于测量距离的光电传感器和方法

描述

本发明涉及利用飞行时间原理测量物体的距离的光电传感器和方法。

物体的距离可以使用光电传感器根据已知的光飞行时间原理来确定。发射短的光脉冲，并且测量直到检测到被传送(remit)或反射的光脉冲的时间。可选地，在相位法中，调制透射光的幅度，并确定透射光和接收光之间的相移，其中相移是对于飞行时间的量度。

距离测量可用于例如工厂自动化、物流自动化或安全工程。可能的应用包括改进的挡光板、分别监测它们的发射器和接收器或反射器之间的距离，或者具有二进制对象存在检测的开关系统，开关状态取决于是否存在特定距离范围内的物体。激光扫描仪还基于飞行时间测量来确定各个角位置处的距离。

光电传感器包括光接收器，该光接收器从入射接收光生成电信号。在许多应用中，简单光电二极管的检测灵敏度是不够的。在雪崩光电二极管(APD)中，入射光触发受控雪崩击穿(雪崩事件)。这使入射光子生成的电荷载流子倍增，并且产生与光接收电平成比例但显著大于简易PIN二极管的光电流。在所谓的盖革模式中，雪崩光电二极管偏置在击穿电压之上，使得即使由单光子生成的单个电荷载流子也可以触发雪崩，雪崩随后由于强场而吸收所有可用的电荷载流子。因此，雪崩二极管对各个事件进行计数，像盖革计数器，从其中得出该名称。盖革模式雪崩光电二极管又称SPAD(单光子雪崩二极管)。

SPAD的高辐射灵敏度在许多应用中被使用。这些应用包括医学技术(如CT、MRI或血液测试)、光学测量技术(如光谱学、距离测量和三维成像)、核物理中的辐射探测、或天体物理望远镜中的应用。

盖革APD或SPAD因此在半导体基础上是非常快速、高度灵敏的光电二极管。高灵敏度的一个缺点在于，不仅测量光子，而且来自环境光、光学串扰或暗噪声的弱干扰事件都可能触发雪崩击穿。干扰事件对具有与接收到的测量光相同的相对强的信号的测量信号有影响，并且在信号内是不可区分的。雪崩二极管随后对大约5到100ns的死区时间不敏感，并且在该时间期间不可用于进一步的测量。

在许多SPAD应用中，如在医疗技术中，传感器在受控的黑暗环境中操作，没有或几乎没有环境光，其中干涉光子不是严重的问题。另一方面，工业传感器被暴露于高水平的环境光下，此外，环境光的变化是不可预测的。这就是为什么许多基于SPAD的距离传感器使用具有多个SPAD的矩阵而不是单个SPAD。

SPAD矩阵又提出了组合和处理SPAD信号的问题。原则上，可以将每个单独的SPAD连接到距离测量单元，如TDC(时间-数字转换器)。这种方法的缺点是需要晶片面积的禁止部分的大量TDC，从而损害填充因数(光敏面积与总面积的比率)。此外，TDC会生成大量数据，该数据量无法用合理的带宽和处理资源进行管理。

因此，在传统的距离传感器中，几个SPAD由或门组合以形成宏像素，其中只有公共信号由TDC处理。模拟等效物将把信号与用比较器评估的电阻网络相加。组合的SPAD通常由多路复用器操作，以便在不同的时间窗中将不同的宏像素或SPAD组与一个或仅几个TDC连接。US 8773642B2中公开了一个示例，其中另外宏像素的大小根据矩阵上的像素位置而变化。多路复用的宏像素方法能够处理环境光和可管理的硬件资源，但代价是测量周期长。结果表明，多路复用和宏像素生成的统计数据对于工业传感器中快速和鲁棒的实时测量来说远非理想。

因此，本发明的目的是提供一种改进的基于SPAD的飞行时间测量。

该目的由利用飞行时间原理测量物体的距离的光电传感器和方法来满足。照例，在飞行时间测量中，光发射器发射光信号，该光信号在待测量距离的物体处散射传送(diffuse remission)或直接反射之后在光接收器中被接收。光接收器包括多个像素单元，每个像素单元被配置为SPAD并且优选地布置成行或矩阵。在此上下文中，术语像素单元是指单个像素，而不是由一组单个像素组成的宏像素。距离测量装置包括多个用于评估SPAD信号的飞行时间测量单元，但飞行时间测量单元的数量小于SPAD的数量。

本发明开始于保持像素单元和飞行时间测量单元一一对应的基本思路。这已被证明生成统计飞行时间数据，其评估远远优于宏像素数据。为了应对大量的像素元件，实际上只有像素单元的所选择部分连接到飞行时间测量单元。通过开关装置建立连接。可以建立连接的事实不应与多路复用混为一谈。后者意味着多次连续使用同一飞行时间测量单元，这与根据本发明的一一对应相反。多路复用器实际上是用于1:n连接的元件。像素选择单元确定要连接的像素单元。该选择基于强度测量，该强度测量例如识别实际接收发射器的光信号的一部分的像素单元。这些像素单元可以形成感兴趣区域(ROI)。然而，本发明还包括所选择的像素单元不具有任何特定邻居或其他空间属性的情况。术语ROI将在这个更宽的意义上理解，其中所选择的像素单元可以以看似随机的方式分别地分布在光接收器上。

本发明的优点在于，由于飞行时间数据优越，测量更加稳健和精确。可以非常快速地测量距离，甚至在恶劣条件下，使用强且可变的环境光或背景光也可以测量距离。由于实际上仅评估像素单元的所选择部分，因此只需要适度数量的飞行时间测量单元，并且因此只存在对于带宽和评估资源的适度需要。由于基于强度测量来选择像素单元，因此消除了那些实际上仅贡献环境光或暗计数事件的像素单元的影响。这显著提高了信噪比。

飞行时间测量单元优选地各自包括TDC。这是一个非常稳健的部件，其可以容易地集成在光接收器的芯片上。TDC例如通过也触发光发射器的电信号启动，或者通过光学参考信号启动，并且通过处于一对一连接中的各个像素单元中的雪崩事件中生成的信号停止。另一种可能的TDC操作模式是通过来自雪崩事件的信号触发TDC，并且通常利用参考信号停止所有活动的TDC。这样做的优点是，不是在光传输时启动所有TDC，而是仅在实际观察到雪崩事件的那些TDC被激活，从而减少了功耗和数据传输所需的带宽。雪崩事件是指由于接收到发射器的光信号的至少一个光子，但也可能由环境光、暗噪声或其他干扰引起。这在这个阶段处难以区分，但可以通过统计地评估大量雪崩事件来解决。TDC优选地形成TDC阵列。TDC的数量足够大，以提供用于所需数量的所选择像素单元的TDC，但明显小于像素单元的总数。例如，该比率至多为20％、10％、5％、1％，或者特别是在具有数千个SPAD的光接收器的情况下，甚至更少。

开关装置优选地包括可编程互连的矩阵。这使得能够为所选择的像素单元中的任何一个分配飞行时间测量单元中的任何一个，并因此能够灵活地建立连接，而关于可以选择哪些像素单元不受限制。

像素选择单元优选地包括多个计数器，每个计数器与至少一个像素单元连接，用于对连接的像素单元的雪崩事件进行计数。虽然雪崩事件可能由干扰而不是光发射器的有用光引起，但干扰事件仅引起背景活动水平。有用光的接收仍然增加了超过背景水平的计数，且因此是用于识别实际上能够有助于距离测量的像素单元的量度。

开关装置优选地根据雪崩事件的计数将像素单元连接到飞行时间测量单元，特别是那些具有最大计数和/或具有超过阈值的计数的像素单元。阈值准则可以识别比可用飞行时间测量单元更多或更少的像素单元。在前一种情况下，可以提高阈值，或者可以另外应用最大计数准则。在后一种情况下，传感器可以仅仅使用较少的像素单元继续并测量，而飞行时间测量单元中的一些不被使用。作为替代方案，可以另外选择具有最大子阈值计数的像素单元。

计数器优选地是连接到像素单元的列或行的列计数器或行计数器。在这里和下文中，行和列的角色实际上是可以互换的。在下面的实施例的描述中，描述了列计数器，但是行计数器可以以类似的方式使用。列计数器或行计数器的优点在于，需要实现的计数器总数要少得多。这仅确定汇总的列或行活动，而不是单个像素单元活动。另一方面，在许多实施例中，选择像素单元就足够了，特别是排除不接收任何有用光并且只对噪声水平有影响的像素单元。

列计数器只对作为所有行的子集的活动行中的事件进行计数，或者行计数器优选只对作为所有列的子集的活动列中的事件进行计数。这些活动行或列分别是优选可配置的，尤其是相邻元件。活动行和列可以例如基于传感器中的接收光学器件和光路的光学模拟被参数化。另一种选择是外部观察光接收器上的接收光点。

它们也可以定位在具有相当于试验性活动行或列的移动窗口的测量中。然后，这些列或行被激活，其中测量显示了最大计数，或者用中值、平均值等来评估计数。

像素选择单元优选地被配置为确定在制造或示教(teach-in)期间由开关装置连接的像素单元。这种像素单元或ROI选择可以在操作之外完成，其中不需要距离值的实时可用性。然后，甚至可以进行用于选择像素单元的耗时测量，例如在大量测量重复的统计评估之后选择像素单元。然而，不排除动态像素选择，即在距离测量之间的操作期间改变像素选择，从而改变像素单元和飞行时间测量单元之间的连接。

像素单元优选地各自包括飞行时间测量输出和计数器输出。飞行时间测量输出用于确定接收时间点，例如停止TDC的信号。因此，它必须定义非常精确的时间点，例如脉冲的上升沿或下降沿。另一方面，计数器输出仅仅是雪崩事件发生的二进制信息。两个输出可以并行生成，使得像素选择和距离测量可以在所有实际限制内同时进行。这使得能够进行非常快速的动态像素单元选择，直到在距离测量期间确定在后续测量中要选择的像素单元为止。

像素单元优选地各自包括去激活装置。未被选择且因此未连接到飞行时间测量的像素单元不会损害距离测量。然而，在这些未使用的像素单元中仍然存在雪崩事件，消耗功率并增加热发生。此外，一些像素具有高暗计数率或其他缺陷，使得它们应该首先被排除在选择过程之外，而不管像素选择单元将决定什么。像素单元的去激活是可能的，例如，因为它们的偏置电压被关断或者至少降低到击穿电压以下。

像素单元各自优选地包括至少一个小光敏区和至少一个大光敏区，像素单元的输出信号可配置为小光敏区的弱信号、大光敏区的较强信号、或作为小和大光敏区二者的总和的强信号。像素单元因此可适应更大的动态范围。在弱接收光信号的情况下，使用大光敏区或者甚至两个光敏区，反之在强接收光信号的情况下，使用小光敏区。像素单元因此具有可配置的灵敏度和填充因数。尽管具有小光敏区和大光敏区，但是像素单元仍然是单个像素而不是宏像素。在任何配置中，光敏区仅生成一个信号，并且不可能独立地访问仅小光敏区或仅大光敏区的信号。

传感器优选地还包括直方图评估装置，用于统计地评估由距离测量单元的飞行时间测量单元生成的多个飞行时间。如在各种场合所提到的，单个像素单元的信号是不可靠的，因为不可辨别它是来自透射的和传送的光信号的光子还是仅仅是干涉事件。传统的宏像素在评估链的前面使用平均效应，其中不利的影响是对于更复杂的下游统计方法丢失了信息。本发明的方法是保存相关的原始时间信息，并推迟统计评估，直到在多个飞行时间测量单元上的空间累积和在测量重复上可能的额外时间累积之后有足够的雪崩事件可用。这种统计累积和评估是直方图评估装置的任务，直方图评估装置连接到飞行时间测量单元，并且可以集成在或者可以不集成在同一芯片上。

传感器优选地是开关传感器，根据是否在指定距离范围内检测到物体转换其输出状态。这种传感器在工业应用中广泛用于如分拣的任务，通常传感器安装在输送待检测物体的输送机处。显然，传感器也可以输出或显示距离值。

本发明的方法可以以类似的方式进行修改，并显示出类似的优点。在独立权利要求之后的从属权利要求中以示例性但非限制性的方式描述了进一步的有利特征。

附图说明

下面还将参考示例性实施例和所附附图，针对其它优点和特征来解释本发明。附图中的图显示：

图1是用于距离测量的光电传感器的示意图；

图2是像素矩阵以及用于基于SPAD输出测量距离的控制和评估单元的示意图；

图3是用于选择要用于飞行时间测量的像素的列计数器的详细局部视图；

图4是用于在所选择的像素和飞行时间测量单元之间建立一对一连接的开关矩阵的详细局部视图；以及

图5是具有两个不同尺寸的光敏区和两个输出的单个像素单元的示意图。

图1示出了在一维实施例中用于根据飞行时间原理测量距离的光电传感器10的简化示意图。光发射器12(例如，LED或激光光源)将光信号14发射到监测区16中。在存在物体18的情况下，一部分的光被散射传送或反射，并作为传送的光信号20返回到传感器10，在那里它被记录在光接收器22中。

光接收器22包括多个像素单元24，也称为SPAD，因为它们被配置为以大于击穿电压的偏置电压偏置的雪崩光电二极管元件，并且因此在盖革模式下操作，以便在光接收时触发雪崩事件。引言部分已经描述了一些基本SPAD性质。像素单元24优选地布置成矩阵。

光接收器22连接到控制和评估单元26，其中评估像素单元24的信号，以便分别确定从发射的光信号14的发射时间点到传送的光信号20的接收时间点的飞行时间。飞行时间可以借助于光速转换成距离。控制和评估单元26仅在图1中示出为简单块元件，并且将在下面详细解释。控制和评估单元26还可以控制光发射器12并使其发射光信号，特别是光脉冲或脉冲串。光信号被触发的时间点可以用作对于飞行时间测量的参考。在其他实施例中，发射的光信号14可以借助于对于发射光的一部分的光学捷径用作光学参考。

实际上，传感器10包括附加元件，特别是发射和接收光学器件以及接口，为了简单起见省略了这些元件。在实际实施例中，如图1的划分光接收器22以及控制和评估单元26是可能的，但这主要是为了解释。优选地，这些部件至少部分地集成在同一芯片上，该芯片的表面由像素单元24和分配给或可分配给像素单元24或像素单元24的组的电路共享，用于它们的控制和评估。

在图1中，存在同轴布置，其中光发射器12布置在光接收器22前面。其它同轴布置也是可能的，例如使用分束器。双轴或三角测量布置也是可以想到的，其中光发射器12和光接收器22以相互移置的方式彼此相邻布置。

传感器10可以是如图1所示的扫描类型的一维传感器。其他实施例包括挡光板(特别是监测在监测光束的相对端处的对应反射器的距离的挡光板)、光栅和扫描仪。传感器10可以输出或显示距离值，或者也可以在检测到特定距离范围内的物体时触发开关事件时作为开关操作，该特定距离范围包括与预期距离范围的偏差。多个传感器10可以组合在一起，例如形成距离测量或距离监测光栅。也可以想到其中传感器10可移动地安装的移动系统，或者扫描系统，其中发射的光信号14借助于可移动反射镜或通过移动测量系统(特别是通过旋转移动)扫过监测区16。

图2以示意图形式示出了光接收器22以及控制和评估单元26的部件。在该实施例中，光接收器22包括像素单元24的规则二维矩阵。像素单元24的数量可以变化，例如，矩阵可以是具有几十个、几百个甚至几千个像素单元24以及更多的像素单元的二次构形或矩形布置。

雪崩事件在像素单元24中在接收到作为期望的测量事件的传送的光信号20时被触发，或者通过环境光光子或其他干扰光暗噪声被触发。光接收器22以及控制和评估单元26被设计成具有即使在高且变化的环境光水平下也能够应对的目标。这是在仅一些像素单元24被选择并被用于飞行时间测量的情况下实现的。然而，与现有技术相比，所选择的像素单元24被单独评估，而不是作为宏像素评估，从而以最小可能的细节水平提供原始测量信息，其通过具有不可避免的信息损失的平均或类似汇总过程而未被改变。作为先决条件，需要选择最有希望的像素单元24。

对于选择过程，控制和评估单元26包括列计数器单元28。将参考图3更详细描述的列计数器单元28的任务是定位像素单元24的有效列，有效列实际上记录了传送的光信号20的光子。如其名称所暗示的，列计数器单元28仅提供列中所有像素单元24的汇总计数。原则上，对于每个像素单元可以存在单独的计数器，但是成本和面积消耗将抵消像素选择的大部分优点。为了限制列中的像素单元24，存在可选的行选择单元30，其仅激活一些行，使得非活动行中的像素单元24对列计数没有贡献。在此上下文中，列和行只是术语，它们的角色可以在其他实施例中互换。

利用来自选择过程的信息，开关矩阵32被配置成使得每个选择的像素单元24以一对一的方式连接到距离测量单元34的飞行时间测量单元。这将参考图4更详细地解释。在优选实施例中，飞行时间测量单元是TDC，其中距离测量单元34也称为TDC阵列或TDC组。

在操作期间，飞行时间测量单元将生成单独的飞行时间测量或时间戳，每个都是单独的距离测量，这是原始测量，因为它仍然需要利用内部延迟校准信息等进行校正，并借助于光速进行单位转换。由于SPAD的性质，这些单独的距离测量非常不可靠，因为雪崩效应可能由环境光或暗噪声引起，其中相应的单独飞行时间与实际距离完全无关。

因此，各个飞行时间在直方图评估单元36中被累积和评估。直方图是飞行时间分布的近似，其中时间仓在X轴上，并且测量这些仓之一内的飞行时间的雪崩事件的数量在Y轴上。在有足够数量的雪崩效应的情况下，直方图将显示一个明显的峰值，其位置可用于确定整个飞行时间，从而确定距离。雪崩事件可以在空间上(即从不同的飞行时间测量单元)累积，和/或在时间上(即测量重复)累积。也可以不形成整个直方图，而是在累积之前部分地评估雪崩事件，且从而在早期阶段排除杂散事件(stray event)。例如，在半透明物体、玻璃或雾的情况下，可能存在多于一个峰值。也可以从直方图中识别这样的多个目标。由于本发明并不涉及直方图评估，因此仅提及各种可能性，并且将不进行任何详细描述。

如上所述，光接收器22以及控制和评估单元26的部件可以集成在同一芯片上。在优选实施例中，光接收器22和用于像素单元24的选择、连接和评估的部件28、30、32、34是ASIC(专用集成电路)的一部分，而直方图评估单元36在微处理器上实现。在又一实施例中，直方图评估单元36也至少部分地集成在ASIC上。

图3示出了对于列计数器单元28和行选择单元30的细节。目标是识别以粗体示出的像素单元24a，该像素单元24a记录来自光接收器22上的传送的光信号20的接收光点38的有用光。列计数器单元28包括多个列计数器28a，每个列计数器28a连接到像素单元24的矩阵布置的一列的像素单元24。

每当像素单元24中存在雪崩事件时，相应的列计数器28a增加。因此，列计数器28a的计数是对于相关联的列中的活动的测量值。所有像素单元24都倾向于由环境光和暗噪声引起的雪崩事件。仅在一些像素单元24a中，雪崩事件另外由接收光点38触发。因此，列计数器28a的计数在与包括其中的接收光点38撞击的像素单元24a的列相对应的列计数器中将比其他列的大。这用于区分列并选择像素单元24a，例如具有最大列计数的那些像素单元24a或具有超过阈值的列计数的那些像素单元24a。

列计数器单元28在列方向上不具有分辨率，即，其信息不能用于识别用于选择像素单元24a的相关行。因此，可选的行选择单元30连接到像素单元24a，并且能够仅激活一些行，在该示例中为三行。虚线所示的像素单元24的非活动行对列计数没有贡献。

活动行可以被参数化。例如，传感器10的光学模拟将揭示其中接收光点38将被预期的行。另一种选择是在制造或设置期间通过外部装置观察接收光点38。还可以使用列计数器单元28来识别活动行。为此，系统地激活不同的行组，并且在对每个组进行至少一次测量之后，具有最大汇总列计数或满足类似准则的组将被用于活动行。活动行的识别不需要精确，图3的接收光点38和所选择的像素单元24a的相对位置是一种理想的情况。任何失配都不会使传感器10功能失调，而仅仅对整体信噪比有影响，因为将选择仅记录背景的一些像素单元24。

在图3的实施例中，列和行没有被同等对待。首先，在其他实施例中当然可以颠倒角色。其次，对于列计数是有原因的。在传感器10的双轴布置中，即当与图1相反，光发射器12和光接收器22以相互移置的方式彼此相邻布置时，将存在三角测量效应：接收光点38根据物体18的距离在光接收器22上移动。这种移动应该有利地与像素单元24的行一致，即接收光点38在一行内移动。然后，活动行是静态的，因为接收光点38对于物体18的任何距离将由相同的行记录。然而，该列随物体的距离而变化。因此，列计数单元28能够在接收光点38沿着行移动时跟踪接收光点38。

在图1的同轴布置中，在制造、设置或重新校准期间像素单元24a的静态选择是足够的。在双轴布置中，跟踪接收光点38的像素单元24a的动态选择可能是有用的。在同轴和双轴两种情况下，接收光点38的尺寸对于近距离增大。然而，在优选实施例中，像素单元24a的选择甚至不试图匹配变化的尺寸。无论如何，近的物体18将传送大量能量，使得只有在没有记录所有这个能量的情况下，动力范围才会提高。

图4示出了用于在所选择的像素单元24a和距离测量单元34的飞行时间测量单元34a之间建立一对一连接的细节。为此，开关矩阵32在一方面连接到所有像素单元24，并且在另一方面连接到所有飞行时间测量单元34a。开关矩阵32包括一组可编程互连32a，使得可以在像素单元24和飞行时间测量单元34a之间建立期望的一对一连接。

由于飞行时间测量单元34a比像素单元24少得多，因此实际上只有实线所示的该连接32a的一小部分被完全建立，而虚线所示的其他连接被开关矩阵32中断。具有与飞行时间测量单元34a建立的连接的所选择的像素单元24a先前已经例如如参考图3所解释的那样被确定，并且开关矩阵32相应地被编程。

因此，只有所选择的像素单元24a实际上有助于距离测量。这些选择的像素单元24a生成具有高信噪比的相关测量信息，因为由选择的像素单元24a记录的雪崩事件是由于有用光引起的概率显著增加，而无论如何仅监测背景的像素单元24被排除在距离测量之外。同时，对于它们的评估，相对较少数量的飞行时间测量单元34a就足够了。

开关矩阵32可以是柔性的，使得任意像素单元24可以连接到任意飞行时间测量单元。在其他实施例中，限制是可能的，例如，只有像素单元24a的连续区可以连接到飞行时间单元34a。实际上，可以期望连续的接收光点38，并且可能的连接的限制可以简化开关矩阵32的结构。

图5示出了单个像素单元24的实施例的示意图。通常，像素单元24是SPAD。图5的附加结构是不限制本发明范围的有利示例，并且特别地，像素单元24可以仅包括图5所示结构的一部分。

像素单元24包括激活/去激活装置40，使得像素单元24可以被单独地启用或禁用。这可以通过具有可以根据期望的状态来设置的标志或存储器的激活/去激活装置40来实现。通过将偏置电压降低到击穿电压以下，可以有效地禁用像素单元24，使得包括异常灵敏度的SPAD特性被丢失。

像素单元24还不仅包括一个，而且包括两个不同尺寸的光敏区42a-b。它们连接到活动区选择装置44，通过该活动区选择装置44，像素单元24可以被配置成在三种状态中的一种状态下操作：在强的传送光信号20的情况下仅使用小光敏区42a，在中到弱的传送光信号20的情况下仅使用大光敏区42b，以及在弱的传送光信号20的情况下使用两个光敏区42a-b。像素单元24仍作为单个像素单元工作，光敏区42a的信号不能单独访问。然而，它具有可配置的灵敏度或填充因数，并且这种适配可以用于增加传感器10的动态范围。灵敏度或填充因数设置优选地对于所有像素单元是全局的，但是也可以基于每个像素是独特的。

最后，像素单元24具有两个输出46、48。ROI或计数器输出46提供在像素单元24中发生雪崩事件的二进制信息，该信息例如在一段时间间隔之后或测量重复之间被重置。该信息在列计数器单元28中用于选择像素单元24a。另一方面，TDC或飞行时间测量输出48提供具有雪崩事件(例如脉冲或阶跃)的非常精确的时间信息的信号。脉冲本身在距离分辨率尺度上不需要短，例如在皮秒范围内，因为上升或下降沿也可以承载信息。这两个输出也可以用相同的物理输出、但是不同类型的信号来实现，例如作为对于飞行时间测量单元34a的时间信号的非常短的脉冲或其他代码，以及仅指示对于列计数器单元28的雪崩事件的一些代码或简单的低或高信号。

由于两个输出46、48，列计数器单元28中的像素单元24a的选择和飞行时间测量单元34a的距离测量可以同时进行。这允许在测量距离的同时实时动态选择像素单元24a用于后续测量。

Claims (23)

1.一种用于根据飞行时间原理测量物体(18)的距离的光电传感器(10)，所述传感器(10)包括

光发射器(12)，其用于发射光信号(14)；

光接收器(22)，其用于在由所述物体(18)反射或传送之后接收光信号(20)，所述光接收器(22)具有第一多个像素单元(24，24a)，每个像素单元被配置为以大于击穿电压的偏置电压来偏置的雪崩光电二极管元件，并且因此在盖革模式下操作，以在光接收时触发雪崩事件，以及

距离测量单元(34)，其具有连接到像素单元(24a)的第二多个飞行时间测量单元(34a)，用于确定光信号的发射和接收之间的飞行时间，所述第二多个少于所述第一多个，

所述传感器还包括：

开关装置(32，32a)，其用于以一对一的方式只将像素单元(24a)的所选择部分连接到飞行时间测量单元(34a)，使得所述像素单元(24a)中只有一些像素单元用于飞行时间测量，以及

像素选择单元(28，30)，其用于基于强度测量确定要由所述开关装置(32，32a)连接的像素单元(24a)，从而将实际上仅贡献环境光或暗计数事件的像素单元排除在距离测量之外。

2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述飞行时间测量单元(34a)各自包括TDC。

3.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述开关装置(32)包括可编程互连的矩阵(32a)。

4.根据权利要求2所述的传感器(10)，其中，所述开关装置(32)包括可编程互连的矩阵(32a)。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器(10)，其中，所述像素选择单元(28)包括多个计数器(28a)，每个计数器(28a)与至少一个像素单元(24)连接以用于对所连接的像素单元(24)的雪崩事件进行计数。

6.根据权利要求5所述的传感器(10)，其中，所述开关装置(32，32a)根据雪崩事件的所述计数将像素单元(24a)连接到飞行时间测量单元(34a)。

7.根据权利要求6所述的传感器(10)，其中，所述像素单元(24a)具有最大计数和/或具有超过阈值的计数。

8.根据权利要求5所述的传感器(10)，其中，所述计数器(28a)是连接到像素单元(24)的列或行的列计数器或行计数器。

9.根据权利要求6所述的传感器(10)，其中，所述计数器(28a)是连接到像素单元(24)的列或行的列计数器或行计数器。

10.根据权利要求7所述的传感器(10)，其中，所述计数器(28a)是连接到像素单元(24)的列或行的列计数器或行计数器。

11.根据权利要求8-10中任一项所述的传感器(10)，其中，列计数器(28a)只对来自作为所有行的子集的活动行的事件进行计数，或者其中，行计数器只对来自作为所有列的子集的活动列的事件进行计数。

12.根据权利要求1-4或6-10中任一项所述的传感器(10)，其中，所述像素选择单元(28，30)被配置为确定在制造或示教期间要由所述开关装置(32，32a)连接的像素单元(24a)。

13.根据权利要求5所述的传感器(10)，其中，所述像素选择单元(28，30)被配置为确定在制造或示教期间要由所述开关装置(32，32a)连接的像素单元(24a)。

14.根据权利要求11所述的传感器(10)，其中，所述像素选择单元(28，30)被配置为确定在制造或示教期间要由所述开关装置(32，32a)连接的像素单元(24a)。

15.根据权利要求5所述的传感器(10)，其中，所述像素单元(24)各自包括飞行时间测量输出(48)和计数器输出(46)。

16.根据权利要求6-10或13-14中任一项所述的传感器(10)，其中，所述像素单元(24)各自包括飞行时间测量输出(48)和计数器输出(46)。

17.根据权利要求11所述的传感器(10)，其中，所述像素单元(24)各自包括飞行时间测量输出(48)和计数器输出(46)。

18.根据权利要求12所述的传感器(10)，其中，所述像素单元(24)各自包括飞行时间测量输出(48)和计数器输出(46)。

19.根据权利要求1-4或6-10或13-15或17-18中任一项所述的传感器(10)，其中，所述像素单元(24)各自包括去激活装置(40)。

20.根据权利要求1-4或6-10或13-15或17-18中任一项所述的传感器(10)，其中，所述像素单元(24)各自包括至少一个小光敏区(42a)和至少一个大光敏区(42b)，所述像素单元(24)的输出信号可配置为所述小光敏区(42a)的弱信号、所述大光敏区(42b)的较强信号、或者所述小光敏区和所述大光敏区(42a-b)二者之和的强信号。

21.根据权利要求1-4或6-10或13-15或17-18中的任一项所述的传感器(10)，还包括直方图评估装置(36)，用于统计地评估通过所述距离测量单元(34)的飞行时间测量单元(34a)生成的多个飞行时间。

22.根据权利要求1-4或6-10或13-15或17-18中任一项所述的传感器(10)，其中，所述传感器(10)是开关传感器，所述开关传感器根据物体(18)是否已经在指定距离范围内被检测到来转换其输出状态。

23.一种用于根据飞行时间原理测量物体(18)的距离的方法，所述方法包括以下步骤：

发射光信号(14)；

在由所述物体(18)反射或传送之后在光接收器(22)中接收光信号(20)，所述光接收器(22)具有第一多个像素单元(24，24a)，每个像素单元被配置为以大于击穿电压的偏置电压来偏置的雪崩光电二极管元件，并且因此在盖革模式下操作，以在光接收时触发雪崩事件，以及

借助于连接到像素单元(24a)的第二多个飞行时间测量单元(34a)来确定光信号(14，20)的发射和接收之间的飞行时间，所述第二多个少于所述第一多个，

所述方法还包括以下步骤：

以一对一的方式只将像素单元(24a)的所选择部分连接到飞行时间测量单元(34a)，使得所述像素单元(24a)中只有一些像素单元用于飞行时间测量，以及

基于强度测量选择要连接的像素单元(24a)，从而将实际上仅贡献环境光或暗计数事件的像素单元排除在距离测量之外。