DE102006029025A1

DE102006029025A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abstandsbestimmung

Info

Publication number: DE102006029025A1
Application number: DE102006029025A
Authority: DE
Inventors: Andreas Thun; Wilfried Dr. Wagner
Original assignee: Out E V; OUT EV; Iris GmbH IG Infrared and Intelligent Sensors
Current assignee: Out E V; OUT EV; Iris GmbH IG Infrared and Intelligent Sensors
Priority date: 2006-06-14
Filing date: 2006-06-14
Publication date: 2007-12-27
Also published as: CN101114021A; US20080144000A1; US7623221B2; EP1884797A1; EP1884797B1

Abstract

Vorrichtung zur Abstandsbestimmung mit einer Sendeeinheit zum Aussenden eines Lichtimpulses, einer Empfängermatrix mit wenigstens einem photoelektrischen Element und einer Kontrolleinheit, wobei die Empfängermatrix über einen ersten und einen zweiten Integrator verfügt, die mit dem photoelektrischen Element verbunden, unabhängig voneinander aktivierbar und jeweils ausgebildet sind, ein von dem photoelektrischen Element ausgegebenes Messsignal über einen von der Kontrolleinheit vorgegebenen Zeitraum zu integrieren und dadurch einen Integratorstand zu bilden und den Integratorstand als Ausgangssignal auszugeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abstandsbestimmung. Vorrichtungen und Verfahren zur Abstandsbestimmung im Sinne der vorliegenden Erfindung beruhen auf dem Prinzip, einen Lichtimpuls auszusenden und die zwischen dem Beginn des Aussendens des Lichtimpulses und dem Eintreffen der von einem Objekt reflektierten Anteile des Lichtimpulses liegende Laufzeit zu messen. Der Abstand zu einem reflektierenden Objekt ergibt sich dabei als Produkt der halben gemessenen Laufzeit und der Lichtgeschwindigkeit.
Im Stand der Technik bekannte Vorrichtungen zur Abstandsbestimmung verfügen über eine Sendeeinheit zum Aussenden eines Lichtimpulses, eine Empfängermatrix mit wenigstens einem photoelektrischen Element sowie eine Kontrolleinheit, die mit der Sendeeinheit und der Empfängermatrix verbunden ist und diese steuert. Die Sendeeinheit ist ausgebildet, bei Anliegen eines Aktivierungssignals an einem ersten Steuereingang der Sendeeinheit einen Lichtimpuls auszusenden, wobei das Licht des Lichtimpulses dem sichtbaren Spektrum oder anderen Spektralbereichen der elektromagnetischen Strahlung entstammen kann. So ist beispielsweise unsichtbares Licht im infraroten Frequenzbereich für die Verwendung in einer Vorrichtung zur Abstandsbestimmung geeignet.
Die Empfängermatrix weist einen Messausgang auf, der ein Ausgangssignal liefert. Das Ausgangssignal wird aus einem Messsignal abgeleitet, das von dem wenigstens einen photoelektrischen Element der Empfängermatrix in Abhängigkeit von auf dieses einfallendem Licht erzeugt wird. Vorteilhafterweise werden Sendeeinheit und Empfängermatrix so gewählt, dass das photoelektrische Element der Empfängermatrix besonders stark auf Licht der Wellenlänge des von der Sendeeinheit ausgesendeten Lichtimpulses reagiert, so dass das von der Empfängermatrix ausgegebene Ausgangssignal eine besonders starke Abhängigkeit von der Intensität von empfangenem Licht mit dieser Wellenlänge besitzt.
Aus WO 99/34235 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufnahme eines dreidimensionalen Abstandsbildes bekannt, die nach dem geschilderten Grundprinzip der sogenannten Time-of-flight-Methode funktionieren. Dabei wird ein Lichtimpuls einer bestimmten Dauer ausgesendet und gleichzeitig damit begonnen, über die bestimmte Dauer des Aussendens des Lichtimpulses den Photostrom eines photoelektrischen Elementes aufzuintegrieren. Mit dem Ende des Aussendens des Lichtimpulses wird gleichzeitig auch die Integration des Photostroms beendet. Da von dem Zeitpunkt an, von dem reflektierte Anteile des ausgesendeten Lichtimpulses das photoelektrische Element erreichen, dieses einen wesentlich höheren Photostrom ausgibt und dieser Photostrom bis zum Ende des Aussendens des Lichtimpulses aufintegriert wird, gibt der Integratorstand am Ende der Messperiode Auskunft darüber, mit welcher Verzögerung (d.h. nach welcher Laufzeit) der reflektierte Lichtimpuls auf das photoelektrische Element gelangt ist und damit darüber, wie groß der Abstand zu dem reflektierenden Objekt ist.
Es trägt nämlich immer nur ein erster Abschnitt des empfangenen, reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtimpulses zum Integratorstand bei, da die Integrationszeit endet, bevor der reflektierte Lichtimpuls vollständig auf das photoelektrische Element eingefallen ist. Der vom photoelektrischen Element erfasste und integrierte erste Abschnitt des empfangenen, reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtimpulses ist dabei umso größer, je kürzer der Anstand zwischen Objekt und photoelektrischem Element ist. Die Abstandsmessung nach der Time- of-flight-Methode beruht somit wesentlich darauf, dass nur ein Teilabschnitt des empfangenen, reflektierten Anteils des ausgesendeten Lichtimpulses aufintegriert wird.
Zur Verbesserung der Messgenauigkeit wird in der genannten Quelle vorgeschlagen, zusätzlich eine Messung des Dunkelstromes und des Umgebungslichtes (Background) durchzuführen, wobei kein Lichtimpuls ausgesendet wird und das Integrationsergebnis somit allein den durch das Umgebungslicht verursachten Anteil des Photostrom über die Messperiode wiedergibt. Um das Messergebnis zusätzlich auch noch unabhängig von dem Reflexionskoeffizienten des reflektierenden Objektes zu machen, werden zwei Messungen mit unterschiedliche langen Integrationszeiten durchgeführt und die jeweiligen Messergebnisse durch Subtraktion und Quotientenbildung normiert.
Alle bekannten Verfahren zur Abstandsbestimmung durch Messen der Laufzeit eines Lichtimpulses weisen den Nachteil auf, dass die Intensität der reflektierten Anteile des ausgesendeten Lichtimpulses quadratisch mit dem Abstand zu dem reflektierenden Objekt abnimmt. Dadurch verschlechtert sich der Signalrauschabstand der Abstandsbestimmung mit zunehmender Distanz zu dem reflektierenden Objekt. Ein weiterer Nachteil der bekannten Verfahren zur Abstandsbestimmung besteht darin, dass für die Abstandsbestimmung prinzipiell nur ein Teil des reflektierten Lichtimpulses integriert wird, wobei die Größe des integrierten Anteiles abhängig von der Laufzeit des Lichtimpulses ist. Dadurch verschlechtert sich der Signalrauschabstand für die Messung zusätzlich, weil ein geringeres aufintegriertes Nutzsignal einem konstanten Rauschsignal gegenüber steht.
Die Erfindung löst die Mängel des Standes der Technik durch eine Vorrichtung, die zwei Integratoren aufweist, die entweder beide mit demselben photoelektrischen Element verbundenen sind, oder mit zwei separaten Photoelementen, die so angeordnet und ausgebildet sind, dass beide Photoelemente denselben reflektierten Lichtimpuls erfassen. Die Empfängermatrix verfügt dabei über einen zweiten Steuereingang für ein Integratorsteuersignal, durch welches die beiden Integratoren unabhängig voneinander aktivierbar sind. Die Integratoren sind jeweils ausgebildet, das von dem jeweiligen photoelektrischen Element in Abhängigkeit von auf dieses einfallendem Licht erzeugte Messsignal über eine durch das Integratorsteuersignal vorgegebene Zeitdauer zu integrieren und dadurch einen Integratorstand zu bilden und den Integratorstand als Ausgangssignal auszugeben.
Die Erfindung besitzt den Vorteil, dass für das Erfassen eines reflektierten Lichtimpulses zwei unabhängig voneinander ansteuerbare Integratoren vorgesehen sind, so dass die Integratoren insbesondere zeitlich nacheinander gestartet werden können, wodurch insgesamt ein größerer Anteil des reflektierten Lichtimpulses in die kumulierte Integrationszeit beider Integratoren fällt. Für die Entfernungsmessung ist es wesentlich, dass jeder Integrator eine Integrationszeit aufweist, die maximal der Dauer des Lichtimpulses entspricht, so dass mit einem Integrator notwendigerweise nur ein vorderer oder ein hinterer Teil des reflektierten Lichtimpulses erfasst werden kann, um eine Entfernungsinformation zu erhalten. Entsprechend kann mit einem Integrator nur ein Teil der Energie des reflektierten Lichtimpulses erfasst werden. Zwei Integratoren mit unterschiedlichen Integrationszeiten, die beide jeweils maximal die Dauer des reflektierten Lichtimpulses (der Phasenverzögerungen verschmiert und daher länger sein kann, als der ausgesendete Lichtimpuls) haben, können zusammengenommen die gesamte Energie des reflektierten Lichtimpulses erfassen. Bei einer kurzen Entfernung und entsprechend kurzer Laufzeit des reflektierten Lichtimpulses erfasst der zuerst gestartete Integrator einen größeren Teil der Energie, während bei längerer Laufzeit des Lichtimpulses der später gestartete und später die Integration beendende Integrator einen größeren Teil der Energie des reflektierten Lichtimpulses erfasst. Dies erhöht die Genauigkeit der Abstandsmessung im doppelten Sinne: Messfehler mitteln sich aus und die potentiell sehr geringe Anzahl erfasster Photonen wird optimal genutzt.
Vorzugsweise sind die Integrationszeiten beider Integratoren gleich lang und entsprechen in einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Dauer des ausgesendeten Lichtimpulses. Ebenso ist es bevorzugt, wenn die Integrationszeit des zweiten Integrators zu dem Zeitpunkt gestartet wird, zu dem die Integrationszeit des ersten Integrators endet. In einer bevorzugten Ausführungsvariante beginnt die Integrationszeit des ersten Integrators gleichzeitig mit dem Aussenden des Lichtimpulses und entspricht die Dauer des Lichtimpulses der Laufzeit des Lichtimpulses bis zum weitesten zu erfassenden Objekt.
Neben der bevorzugten Variante, der gemäß die beiden Integrationszeiten unmittelbar aneinander anschließen, ist es auch möglich, dass sich die Integrationszeiten der beiden Integratoren überlappen oder dass eine Lücke zwischen beiden Integrationszeiten besteht. Solange der Zeitraum des Überlappens oder die Dauer der Lücke bekannt ist, ist in beiden Fällen eine Entfernungsmessung im Sinne der Erfindung möglich.
Ein Integrator kennt wenigstens zwei Betriebszustände, die durch das Integratorsteuersignal angewählt werden können. Im ersten Betriebszustand integriert der Integrator das an seinem Eingang anliegende Eingangssignal über die Zeit (die Integrationszeit) auf, in dem anderen Betriebszustand speichert er den durch Integrieren des Eingangssignals gebildeten Integratorstand. Zudem kann der Integratorstand des Integrators durch ein entsprechendes Integratorsteuersignal zurückgesetzt oder ausgegeben werden.
Die Integratoren können beispielsweise Kondensatoren sein, die für die Dauer der jeweiligen Integrationszeit mit dem photoelektrischen Element verbunden sind. Außerhalb der jeweiligen Integrationszeit kann die Ladung des jeweiligen Kondensators auf einen einem jeweiligen Kondensator zugeordneten Akkumulator übertragen werden, in dem die Ladungen des jeweiligen Kondensators über mehrere Messzyklen aufsummiert werden, um auf diese bevorzugte Weise eine höherer Messgenauigkeit durch eine Entfernungsmessung über mehrere Messzyklen zu ermöglichen. Auch der Akkumulator kann ein Kondensator sein, der eine größere Kapazität haben kann, als der jeweilige als Integrator dienende Kondensator. Um zwei Integratoren zu verwirklichen, sind zwei Akkumulatoren erforderlich, die im Ergebnis ebenfalls jeweils als Integrator im Sinne der Erfindung wirken. Es ist sogar möglich, zwei Akkumulatoren über einen einzigen Kondensator mit einem Photoelement zu verbinden, falls sich die Integrationszeit nicht überlappen, so dass der einzige Kondensator nach Ende der ersten Integrationszeit seine Ladung auf den ersten Akkumulator überträgt und anschließend, nach Ende der zweiten Integrationszeit seine Ladung auf den zweiten Akkumulator.
Indem erfindungsgemäß zwei Integratoren vorgesehen sind, wird ein fortlaufendes Integrieren des von dem photoelektrischen Element ausgegebenen Messsignals durch den einen der beiden Integratoren möglich, während der andere Integrator gerade im Betriebszustand des Speicherns ist. Dadurch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch Grundlage von neuen und vorteilhaften Verfahren zur Abstandsbestimmung, die den zweiten Aspekt der Erfindung bilden.
Vorteilhafte Varianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden im folgenden erläutert.
Bei einer Ausführungsvariante der Erfindung ist das photoelektrische Element rechteckig, insbesondere quadratisch, und weist eine Seitenlänge zwischen 100 μm und 300 μm, insbesondere 200 μm auf. Ein photoelektrisches Element mit einer so großen Seitenlänge besitzt wegen der großen Fläche eine besonders große Sensibilität gegenüber einfallendem Licht und erzeugt somit einen besonders großen Photostrom, der eine Abstandsbestimmung mit einem verbesserten Signalrauschabstand und damit mit einem verringerten Messfehler bedingt.
Besonders bevorzugt weist die Empfängermatrix eine Vielzahl von photoelektrischen Elementen und für jedes photoelektrische Element einen ersten und einen zweiten Integrator auf, wobei die photoelektrischen Elemente in einem zweidimensionalen Feld angeordnet sind. Alle Ausführungsvarianten mit einer solchen Empfängermatrix mit einer Vielzahl von photoelektrischen Elementen besitzen den Vorteil, dass nicht nur ein einzelner Abstandswert, sondern ein zweidimensionales Feld von Abstandswerten, das eine dreidimensionale Abbildung eines oder mehrerer reflektierender Objekte darstellt, erzeugt wird. Um die Ansteue rung der einzelnen photoelektrischen Elemente zu vereinfachen, wird dabei bevorzugt das am zweiten Steuereingang anliegende Integratorsteuersignal an alle ersten oder zweiten Integratoren gleichzeitig gegeben, so dass die einzelnen Integratoren für das Steuern der Betriebszustände des Integrierens und des Speicherns nicht individuell angewählt zu werden brauchen, sondern in zwei voneinander vorzugsweise unabhängigen Gruppen angesteuert werden. Im Zusammenhang mit dieser Ausführungsvariante ist es besonders vorteilhaft, wenn die photoelektrischen Elemente jeweils mit einem Kondensator relativ kleiner Kapazität verbunden sind, der durch entsprechende Integratorsteuersignale abwechselnd nach Ende einer jeweiligen ersten und zweiten Integrationszeit mit einem ersten und zweiten Kondensator größerer Kapazität als Akkumulator und jeweiliger erster und zweiter Integrator verbunden wird, um die jeweilige, während einer ersten Integrationszeit gesammelte Ladung auf den ersten Akkumulator und die während einer zweiten Integrationszeit gesammelte Ladung auf den zweiten Akkumulator zu übertragen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann über eine Optik verfügen, die vor der Empfängermatrix angeordnet und ausgebildet ist, Licht der von der Sendeeinheit ausgesandten Art auf die Empfängermatrix zu projizieren. Eine solche Optik bietet z. B. den Vorteil, dass von einem Objekt reflektiertes Licht gesammelt und fokussiert als möglichst scharfes Abbild auf eine gegenüber dem Durchmesser der Optik kleinere Empfängermatrix projiziert werden kann, so dass die Intensität des auf ein einzelnes photoelektrisches Element einfallenden Lichts gesteigert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Sendeeinheit ausgebildet, Infrarotlicht auszusenden. Infrarotlicht bietet die Vorteile, dass es für den Menschen unsichtbar ist, so dass diese Erfindungsvariante einsetzbar ist, ohne Menschen aufgrund der ausgesandten Lichtimpulse zu stören, und von herkömmlichen Optiken und Empfängermatrizen problemlos gehandhabt werden kann.
Die Sendeeinheit ist vorzugsweise ausgebildet, Lichtimpulse unterschiedlicher Intensität abzugeben, wobei die Intensität durch das am ersten Steuereingang anliegende Aktivierungssignal vorgebbar ist. Diese Ausführungsvariante der Erfindung ermöglicht es, eine an die jeweiligen Bedingungen angepasste Abstandsbestimmung durchzuführen, so dass zum Beispiel in einer Umgebung mit verhältnismäßig viel Hintergrundlicht Lichtimpulse größerer Intensität verwendet werden können als in Umgebungen mit wenig oder keinem Hintergrundlicht.
Bei allen Ausführungsvarianten der Vorrichtung zur Abstandsbestimmung kann die Kontrolleinheit über einen Zeitgeber verfügen, der ausgebildet ist, der Kontrolleinheit das Verstreichen einer von der Kontrolleinheit vorgegebenen Zeitspanne anzuzeigen. Das Vorsehen eines Zeitgebers ermöglicht es, auch komplexere Messabläufe zur Abstandsbestimmung durchzuführen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante mit Zeitgeber ist die Kontrolleinheit ausgebildet, einen Messzyklus mit einer durch eine erste Aktivitätszeitspanne vorgegebenen Integrationszeit durchzuführen und dabei durch Abgabe jeweiliger Integratorsteuersignale zuerst den ersten Integrator zu aktivieren und nach einem ersten Verstreichen der ersten Aktivitätszeitspanne den ersten Integrator zu deaktivieren und den zweiten Integrator zu aktivieren. Die sequenzielle Aktivierung des ersten und des zweiten Integrators bildet die Grundlage einer Vielzahl von Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die die Durchführung von fehlerreduzierten Messungen zur Abstandsbestimmung ermöglichen.
In Bezug auf die letztgenannte Ausführungsvariante ist die Kontrolleinheit vorzugsweise ausgebildet, während der Durchführung eines Messzyklus' den zweiten Integrator nach einem zweiten, vom Zeitpunkt des ersten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne gemessenen Verstreichen der ersten Aktivitätszeitspanne zu deaktivieren. Beide Integrationszeiten folgen somit unmittelbar aufeinander, sind gleich lang, entsprechen hinsichtlich ihrer Dauer der ersten Aktivitätszeitspanne und damit der Dauer des Lichtimpulses.
In einer auch unabhängig hiervon bevorzugten Ausführungsvariante kann die Kontrolleinheit ausgebildet sein, die Sendeeinheit für die Dauer des ersten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne zu aktivieren.
Ebenso ist es vorteilhaft, wenn die Kontrolleinheit ausgebildet ist, während der Durchführung eines Messzyklus' die Sendeeinheit und den ersten Integrator durch Abgabe eines Aktivierungssignals und eines Integratorsteuersignals gleichzeitig zu aktivieren. Indem die Sendeeinheit somit nicht früher als der erste Integrator aktiviert wird, sondern der Beginn des Aussenden des Lichtimpulses mit dem Beginn der ersten Integrationszeit übereinstimmt, wird bei der Durchführung eines Messzyklus' vermieden, dass bei Aktivierung des ersten Integrators der von der Sendeeinheit ausgesendete Lichtimpuls bereits eine Strecke zurückgelegt hat und möglicherweise ein erster Teil des reflektierten Lichtimpulses von ersten Integrator nicht erfasst wird. Aus dem sich ergebenden Integratorstand des ersten Integrators ist dann nicht abzulesen, ob es ein vorderer Teil des Lichtimpulses oder ein hinterer Teil des Lichtimpulses ist, der vom ersten Integrator nicht erfasst wurde. Dadurch wird die Bestimmung eines Abstandes zu einem Objekt, das sich in einem geringeren Abstand als diese Strecke befindet, unmöglich.
Besonders bevorzugt ist die Kontrolleinheit ausgebildet, eine Vielzahl von Messzyklen durchzuführen, wobei der erste Integrator und der zweite Integrator ausgebildet sind, ihren jeweiligen Integratorstand zwischen den Messzyklen zu speichern und somit das Messsignal über die Vielzahl von Messzyklen zu integrieren, und dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, das jeweilige vom ersten Integrator und vom zweiten Integrator ausgegebene Ausgangssignal nach dem Durchführen der Vielzahl von Messzyklen entgegenzunehmen und auszuwerten. Während eines jeweiligen Messzyklus' erfolgt jeweils eine Integration des in Abhängigkeit von auf das jeweilige photoelektrische Element einfallenden Lichts erzeugten Messsignals und die Integratorstände zum Ende der jeweiligen Integrationszeit werden über mehrere Messzyklen akkumuliert, d.h. aufsummiert. Da die maximale Intensität des ausgesandten Lichtimpulses aus verschiedenen Gründen begrenzt ist, erlaubt diese Ausführung der Erfindung das Akkumulieren der jeweili gen Integratorstände über eine Vielzahl von Messzyklen, wodurch im Ergebnis die Abstandsbestimmung mit einem reduzierten Messfehler durchgeführt werden kann.
Bevorzugt dauert die erste Aktivitätszeitspanne zwischen 10 und 100 ns, insbesondere 20 ns. Eine derart bemessene erste Aktivitätszeitspanne ist für Messungen bis zu einem Abstand von einigen Metern geeignet. 20 ns sind geeignet für eine Abstandsmessung bis zu 3 m.
Bei einer Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Kontrolleinheit über einen A/D-Umsetzer verfügen, der ausgebildet ist, ein von der Empfängermatrix entgegengenommenes Ausgangssignal in eine digitale Repräsentation umzusetzen und als Ergebniswert auszugeben. Das Umsetzen des Ausgangssignals in eine digitale Repräsentation bietet den Vorteil, die anschließende Auswertung des Ausgangssignals digital und damit abgesehen von den Quantisierungsfehlern bei der A/D-Umsetzung verlustfrei durchzuführen. Dabei kann jeweils ein A/D-Umsetzer pro photoelektrischem Element vorgesehen sein, durch welche das Messsignal sofort in ein digitales Signal umgesetzt wird, so dass Integration und Akkumulieren ohne Kondensatoren auf digitalem Wege erfolgen kann. Im Falle von durch Kondensatoren gebildeten Integratoren ist einem jeweiligen, einen Integrator bildenden Kondensator ein eigener A/D-Umsetzer zugeordnet, so dass jedem photoelektrischem Element zwei A/D-Umsetzer zugeordnet sind.
Eine Weiterführung dieser Ausführungsvariante der Erfindung verfügt deshalb über eine Kontrolleinheit mit einer arithmetischen Logikeinheit, die mit dem A/D-Umsetzer verbunden und ausgebildet ist, einen vom A/D-Umsetzer umgesetzten, vom ersten Integrator oder einem zugehörigen Akkumulator ausgegebenen ersten, vorzugsweise akkumulierten Ergebniswert und einen vom A/D-Umsetzer umgesetzten, vom zweiten Integrator oder zugehörigem Akkumulator ausgegebenen zweiten, vorzugsweise akkumulierten Ergebniswert gemäß einer vorbestimmten Rechenvorschrift miteinander zu verknüpfen und das Rechenergebnis auszugeben. Die Rechenvorschrift ist dabei besonders bevorzugt
wobei s das Rechenergebnis, c die Lichtgeschwindigkeit, T die erste Aktivitätszeitspanne (für eine Entfernungsmessung bis zu 3m mit einem Signalweg bis zu 6m z.B. 20ns, entsprechend der Laufzeit des Lichtimpulses über den Signalweg von 6m), A₁ der vom A/D-Umsetzer umgesetzte, im Beispielsfall über 200 Messzyklen akkumulierte erste Ergebniswert und A₂ der vom A/D-Umsetzer umgesetzte, im Beispielsfall ebenfalls über 200 Messzyklen akkumulierte zweite Ergebniswert sind. Diese Rechenvorschrift verknüpft die Ergebniswerte zweier Abstandsbestimmungen dergestalt, dass ein fehlerreduziertes Rechen- und damit Messergebnis zur Verfügung gestellt wird. Außerdem geht die gesamte erfasste Lichtenergie als Summe der beiden Ergebniswerte, A₁ + A₂, in die Abstandsmessung ein.
Die Kontrolleinheit kann ausgebildet sein, nach der Durchführung eines ersten Messzyklus' mit einer ersten Aktivitätszeitspanne einen zweiten Messzyklus mit einer zweiten Aktivitätszeitspanne durchzuführen, wobei die zweite Aktivitätszeitspanne kürzer als die erste Aktivitätszeitspanne ist.
Dabei kann die Kontrolleinheit zudem ausgebildet sein, beim Durchführen des zweiten Messzyklus' nach dem Abgeben des Aktivierungssignals eine Wartezeitspanne verstreichen zu lassen und nach dem Verstreichen der Wartezeitspanne das Integratorsteuersignal zum Starten des ersten Integrators abzugeben. Da der Messfehler mit größeren Abständen zunimmt, kann durch das Durchführen eines zweiten Messzyklus mit einer Wartezeitspanne eine eigene Messung für größere Abstände vorgesehen werden, wobei durch die Wartezeitspanne verhindert, dass während der Wartezeitspanne bereits Störeinflüsse das Ausgangssignal des ersten Integrators verfälschen, bevor Anteile des von einem entfernten Objekt reflektierten Lichtimpulses auf die Empfängermatrix zurückgelangen konnten.
Besonders bevorzugt ist die Sendeeinheit ausgebildet, Lichtimpulse unterschiedlicher Dauer auszusenden, wobei die Dauer von der Kontrolleinheit durch das Aktivierungssignal vorgebbar ist, und dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, den ersten Messzyklus mit einem Lichtimpuls einer ersten Dauer und einer ersten Intensität und den zweiten Messzyklus mit einem Lichtimpuls einer zweiten Dauer und einer zweiten Intensität durchzuführen, wobei die erste Dauer größer als die zweite Dauer und die erste Intensität geringer als die zweite Intensität sind. Diese Ausführungsvariante besitzt den Vorteil, dass für den zweiten Messzyklus bei ähnlichem Energieverbrauch aufgrund der kürzeren Dauer eine höhere Intensität des Lichtimpulses vorgesehen werden können, wobei die höhere Intensität ein zusätzlich verbessertes Messergebnis der Abstandsbestimmung für weit entfernte Objekte ermöglicht.
Bei einer vorteilhaften Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die Kontrolleinheit ausgebildet, anhand des Ausgangssignals der Empfängermatrix des ersten Messzyklus' einen Abstand einer Region-of-Interest zur Empfängermatrix zu bestimmen und die Wartezeitspanne kleiner oder gleich der Laufzeit von Licht über eine dem doppelten Abstand entsprechende Strecke zu bemessen. Dies bietet den Vorteil, dass die zweite fehlerreduzierte Messung auf genau den Abstandsbereich abgestimmt werden kann, in dem ein Objekt von Interesse durch den ersten Messzyklus geortet wurde. Die Region-of-Interest kann dabei beispielsweise dadurch bestimmt werden, dass ein Histogramm der für die einzelnen photoelektrischen Elemente der Empfängermatrix bestimmten Abstandswerte erstellt und aus diesem Histogramm der Abstand zur Region-of-Interest abgeleitet wird. Diese Ableitung kann sich auf den am häufigsten vorgefundenen Abstandswert, den Schwerpunkt des Histogramms oder den niedrigsten aufgefundenen Abstandswert beziehen, wobei bekannte statistische Auswertungsverfahren Verwendung finden können.
Vorteilhafterweise entspricht die für diese Ausführungsvariante gewählte Integrationszeit einer Aktivitätszeitspanne die sich aus der Laufzeit des Lichtimpulses bis zu einem Objekt in der Mitte des interessierenden Abstandbereiches abzüglich der Wartezeitspanne.
Vorzugsweise ist dabei die Dauer des Lichtimpulses gleich der zweiten Aktivitätszeitspanne, so dass die Dauer des während der Durchführung des zweiten Messzyklus ausgesendeten Lichtimpulses genauso lang ist wie die Zeitspanne, während derer der erste Integrator das Messsignal integriert.
Alle Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtung können über einen Bildsensor verfügen, der ausgebildet ist, einen auf den Bildsensor projizierten Bildbereich in einem zweidimensionalen Bild, insbesondere einem zweidimensionalen Farbbild, zu erfassen, und so angeordnet ist, dass sich der von dem Bildsensor erfasste Bildbereich und ein von der Empfängermatrix erfasster Bildbereich wenigstens in einem Teilbereich überschneiden, wobei die Kontrolleinheit ausgebildet ist, das zweidimensionale Bild und das ausgewertete Ausgangssignal in dem Teilbereich zu einem dreidimensionalen Bild zu verknüpfen, so dass das dreidimensionale Bild zu jedem Bildpunkt einen Abstandswert aufweist.
Besonders bevorzugt weist dabei der Bildsensor eine höhere Auflösung auf als die Empfängermatrix, die die für die Abstandsmessung genutzten photoelektrischen Elemente umfasst. Aufgrund der geringeren Anforderungen an die Sensitivität gegenüber Licht können die Abmessungen eines Bildpunktes des Bildsensors gegenüber denen eines photoelektrischen Elementes der Empfängermatrix stark verkleinert werden, so dass zu jedem photoelektrischen Element der Empfängermatrix mehrere Bildpunkte des Bildsensors zugeordnet werden können.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Abstandsbestimmung mit den Schritten:

– Aussenden eines Lichtimpulses einer vorbestimmbaren Dauer,
– Integrieren eines Photostromes eines photoelektrischen Elementes während eines ersten Verstreichens einer ersten Aktivitätszeitspanne,
– optional: Akkumulieren von so gewonnenen ersten Integratorständen über eine Mehrzahl von Messzyklen
– Ausgeben eines ersten Ausgangssignals,
– Integrieren des Photostromes des photoelektrischen Elementes während eines zweiten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne, das sich direkt an das erste Verstreichen der ersten Aktivitätszeitspanne anschließt,
– optional: Akkumulieren von so gewonnenen zweiten Integratorständen über die Mehrzahl von Messzyklen
– Ausgeben eines zweiten Ausgangssignals,
– Bestimmen einer Signallaufzeit des Lichtimpulses durch Auswerten des ersten und des zweiten Ausgangssignals.

Das erfindungsgemäße Verfahren liefert eine verbesserte Abstandsbestimmung, da der Photostrom des photoelektrischen Elementes vor und nach einem durch das Verstreichen der ersten Aktivitätszeitspanne und dem Beginn des zweiten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne gekennzeichneten Zeitpunkt zu jeweils einem eigenen Ausgangssignal integriert wird, wobei das erste und das zweite Ausgangssignal eine Information über die relative zeitliche Lage des Umschaltzeitpunktes zu den mit einer Laufzeitverzögerung eintreffenden reflektierten Anteilen des Lichtimpulses enthalten, auf deren Grundlage das fehlerreduzierte Bestimmen einer Signallaufzeit des Lichtimpulses und damit eines Abstandes zu einem reflektierenden Objekt erfolgt.
Bevorzugt wird eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der die erste Aktivitätszeitspanne gleich der vorbestimmbaren Dauer des Lichtimpulses ist. Diese Verfahrensvariante spart einerseits Energie, weil der ausgesendete Lichtimpuls nicht länger als die erste Aktivitätszeitspanne ist, während derer der Photostrom integriert wird, und verschlechtert andererseits das Ergebnis der Abstandsbestimmung nicht dadurch, dass über die Dauer des ausgesendeten Lichtimpulses hinaus das Ergebnis der Abstandsbestimmung verfälschende Photoströme des photoelektrischen Elementes in die Abstandsbestimmung einbezogen werden.
Vorteilhafterweise kann bei einer Verfahrensvariante die Intensität des Lichtimpulses im Schritt des Aussendens des Lichtimpulses vorgebbar sein. Dadurch kann die Durchführung der Abstandsbestimmung an das in einem Messumfeld jeweils vorhandene Umgebungslicht angepasst werden, indem beispielsweise in einer Umgebung mit mehr Umgebungslicht ein Lichtimpuls größerer Intensität verwendet wird.
Um den Messfehler bei der Abstandsbestimmung zu reduzieren, werden bei einer Verfahrensvariante die Schritte des Aussendens des Lichtimpulses, des Integrierens des Photostromes während des ersten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne und des Integrierens des Photostromes während des zweiten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne vor den Schritten des Ausgebens des ersten Ausgangssignals und des Ausgebens des zweiten Ausgangssignals mehrfach durchgeführt, wodurch sich der Messfehler durch Mittelung verringert.
Um auch geringe Abstände bestimmen zu können, werden bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens die Schritte des Aussendens des Lichtimpulses und des Integrierens des Photostromes während des ersten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne gleichzeitig ausgeführt.
Alternativ kann bei einer Verfahrensvariante zwischen dem Beginn des Aussendens des Lichtimpulses und dem Beginn des Integrierens des Photostromes während des ersten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne eine Wartezeitspanne verstreichen gelassen werden. Diese alternative Verfahrensvariante ist für die Abstandsbestimmung zu weiter entfernten Objekten geeignet, wobei ein fehlerreduziertes Messergebnis zur Verfügung gestellt wird, indem während der Wartezeitspanne, während derer noch keine reflektierten Anteile des ausgesendeten Lichtimpulses zurück zu dem photoelektrischen Element gelangen können, der Photostrom des photoelektrischen Elementes nicht integriert wird und damit das Messergebnis der Abstandsbestimmung nicht beeinflussen kann.
Besonders bevorzugt wird eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem zwei Messzyklen durchgeführt werden, wobei beim ersten Messzyklus die Schritte des Aussendens des Lichtimpulses und des Integrierens des Photostromes während des ersten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne gleichzeitig ausgeführt werden und beim zweiten Messzyklus zwischen dem Beginn des Schrittes des Aussendens des Lichtimpulses und dem Beginn des Schrittes des Integrierens die Wartezeitspanne verstreichen lassen wird. Bei dieser Verfahrensvariante wird durch den ersten Messzyklus ein Messergebnis für reflektierende Objekte mit einem geringen Abstand zum Ort der Abstandsbestimmung und durch den zweiten Messzyklus ein Messergebnis für reflektierende Objekt mit einem größeren Abstand bestimmt, wobei das Messergebnis für die Objekte mit einem größeren Abstand aufgrund des Vorsehens der Wartezeitspanne einen reduzierten Messfehler aufweist.
Bei einer Fortführung dieser Verfahrensvariante wird die Wartezeitspanne durch Auswerten des Ausgangssignals des ersten Messzyklus' hinsichtlich eines Abstands zu einer Region-of-Interest bestimmt, wobei die Wartezeitspanne kleiner oder gleich der Laufzeit von Licht über eine dem doppelten Abstand zu der Region-of-Interest entsprechende Strecke bemessen wird. Bei dieser Verfahrensvariante wird durch das Auswerten des Ausgangssignals des ersten Messzyklus' ein Abstand bestimmt, auf dem die Wartezeitspanne des zweiten Messzyklus' abgestimmt wird, um ein fehlerreduziertes Messergebnis der Abstandsbestimmung speziell für Abstände im Bereich des Abstandes zu der Region-of-Interest zu bestimmen.
Da die Qualität der Abstandsbestimmung mit wachsenden Abständen aufgrund der quadratisch abnehmenden Intensität der reflektierten Anteile des ausgesendeten Lichtimpulses abnimmt, wird eine Verfahrensvariante bevorzugt, bei der im ersten Messzyklus im Schritt des Aussendens des Lichtimpulses ein Lichtimpuls mit einer ersten Dauer und einer ersten Intensität und im zweiten Messzyklus im Schritt des Aussendens des Lichtimpulses ein Lichtimpuls mit einer zweiten Dauer und einer zweiten Intensität ausgesendet werden, wobei die erste Dauer größer als die zweite Dauer und die erste Intensität niedriger als die zweite Inten sität sind. Die größere zweite Intensität bewirkt eine entsprechend vergrößerte Intensität der reflektierten Anteile des ausgesendeten Lichtimpulses, so dass die im zweiten Messzyklus durchgeführte Abstandsbestimmung für große Abstände hinsichtlich des Ergebnisses der Messung verbessert wird.
Bei allen Verfahrensvarianten kann das erste ausgegebene Ausgangssignal und das zweite ausgegebene Ausgangssignal gemäß einer vorbestimmten Rechenvorschrift miteinander verknüpft werden, wobei das Ergebnis der vorbestimmten Rechenvorschrift einen Abstand bezeichnet. Besonders bevorzugt ist diese Rechenvorschrift
wobei s das Rechenergebnis, c die Lichtgeschwindigkeit, T die erste Aktivitätszeitspanne, A₁ der vom A/D-Umsetzer umgesetzte erste Ergebniswert und A₂ der vom A/D-Umsetzer umgesetzte zweite Ergebniswert sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann einen Schritt des Aufnehmens eines zweidimensionalen Bildes, insbesondere eines Farbbildes, und ein Schritt des Verknüpfens des zweidimensionalen Bildes und der ausgewerteten Ausgangssignale zu einem dreidimensionalen Bild umfassen, wobei das dreidimensionale Bild zu jedem Bildpunkt einen Abstandswert aufweist.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Blockdiagramm,
2 eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Flussdiagramm,
3 eine Übersicht über den zeitlichen Ablauf einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens.
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Blockdiagramm. Die Vorrichtung zur Abstandsbestimmung gliedert sich in drei Hauptkomponenten, eine Sendeeinheit 10, eine Empfängermatrix 20 und eine Kontrolleinheit 30, die durch Signalleitungen miteinander verbunden sind. Die Sendeeinheit 10 ist dazu ausgebildet, auf Veranlassen durch die Kontrolleinheit 30 einen Lichtimpuls auszusenden, wobei die Dauer und Intensität des ausgesendeten Lichtimpulses von der Kontrolleinheit 30 vorgegeben werden. Die von einem Objekt reflektierten Anteile des ausgesendeten Lichtimpulses gelangen auf eine Optik 40, die die einfallenden reflektierten Anteile auf ein photoelektrisches Element 21 oder ein zweidimensionales Feld von photoelektrischen Elementen 21 projiziert. Das photoelektrische Element 21 bildet Teil der Empfängermatrix 20, die für jedes photoelektrische Element 21 einen ersten Integrator 22 und einen zweiten Integrator 23 aufweist, deren Integratoreingänge mit dem Ausgang des photoelektrischen Elementes 21 verbunden sind. Das photoelektrische Element 21 erzeugt in Abhängigkeit der Intensität des auf es einfallendes Lichtes einen Photostrom, der auf die Integratoreingänge von erstem Integrator 22 und zweitem Integrator 23 gelangt.
Der erste Integrator 22 und der zweite Integrator 23 verfügen über jeweils einen Steuereingang, wobei bei einer Ausführung der Vorrichtung zur Abstandsbestimmung sämtliche Steuereingänge der ersten Integratoren 22 beziehungsweise der zweiten Integratoren 23 miteinander verbunden sind, so dass sich die ersten Integratoren 22 unabhängig von den zweiten Integratoren 23 aktivieren lassen, jedoch keiner der ersten Integratoren 22 unabhängig von den restlichen ersten Integratoren 22. Die Steuereingänge von ersten Integratoren 22 und zweiten Integratoren 23 sind mit der Kontrolleinheit 30 verbunden, die ausgebildet ist, die ersten Integratoren 22 und zweiten Integratoren 23 zu steuern. Jeder erste Integrator 22 und jeder zweite Integrator 23 verfügt außerdem über einen Ausgang für ein Ausgangssignal, der von der Kontrolleinheit 30 individuell ausgelesen werden kann. Die Integratoren 22 und 23 sind dazu ausgebildet, bei Aktivierung durch die Kontrolleinheit 30 einen am Integratoreingang anliegenden Photostrom zu integrieren und dadurch einen Integratorstand zu bilden. Auf Veranlassung durch die Kontrolleinheit 30 geben die Integratoren 22 und 23 den durch Integrieren gebildeten Integratorstand als Ausgangssignal aus.
Die Kontrolleinheit 30 verfügt über einen A/D-Umsetzer 32, der mit dem Ausgang der Integratoren 22 und 23 verbunden und ausgebildet ist, das von den Integratoren 22 und 23 ausgegebene Ausgangssignal in eine digitale Repräsentation zu überführen. Der A/D-Umsetzer 32 ist mit einer arithmetischen Logikeinheit 33 verbunden, welche ausgebildet ist, die von den Integratoren 22 und 23 stammenden und in eine digitale Repräsentation überführten Ausgangssignale auszuwerten.
Die arithmetische Logikeinheit verknüpft die digitalisierten Ausgangssignale 33 gemäß einer vorgegebenen Rechenvorschrift und errechnet für die Ausgangssignale der jedem photoelektrischen Element 21 zugeordneten Integratoren 22 und 23 einen Ergebniswert, der einen Abstand angibt, der die Strecke beschreibt, die zwischen dem jeweiligen photoelektrischen Element 21 und einem dem jeweiligen photoelektrischen Element 21 aufgrund des Strahlenganges der Optik 40 zugeordneten Punkt des reflektierenden Objektes liegt.
Die Kontrolleinheit 30 verfügt außerdem über einen Zeitgeber 31, der ausgebildet ist, der Kontrolleinheit 30 das Verstreichen einer von der Kontrolleinheit 30 vorgegebenen Zeitspanne anzuzeigen. Der Zeitgeber ermöglicht die Durchführung von komplexen Verfahren zur Abstandsbestimmung, die einen reduzierten Messfehler als Ergebnis liefern.
2 zeigt eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Flussdiagramm, das in Schritt 100 mit dem Aussenden eines Lichtimpulses einer ersten Intensität und einer ersten Dauer beginnt. Gleichzeitig mit dem Beginn des Aussendens des Lichtimpulses wird in Schritt 110 angefangen, den Photostrom eines photoelektrischen Elementes während eines ersten Verstreichens einer ersten Aktivitätszeitspanne zu integrieren. Nach dem ersten Verstreichen der ersten Aktivitätszeitspanne wird direkt anschließend der Photostrom des photoelektrischen Elementes über ein zweites Verstreichen der ersten Aktivitätszeit spanne integriert (Schritt 120). Um den Messfehler der Abstandsbestimmung zu reduzieren, wird nach Schritt 120 zurück zum Schritt 100 verzweigt, nachdem eine Pausenzeitspanne verstreichen gelassen wurde, die sicherstellt, dass keine von einem weit entfernten Objekt reflektierten Anteile des ausgesendeten Lichtimpulses während des erneuten Integrierens des Photostromes während des ersten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne eintreffen. Die Schritte 100 bis 120 werden im dargestellten Beispiel 50 Mal wiederholt, wobei die Anzahl der Wiederholungen nach oben hin durch die Gegebenheiten der Abstandsbestimmung wie etwa die maximale für die Messung zur Verfügung stehende Zeit oder durch die Abstandsbestimmung zu einem beweglichen Objekt bedingt werden.
Nach den 50 Iterationen setzt sich das Verfahren mit dem Schritt 130 fort, in dem ein erstes Auswerten eines ersten und eines zweiten Ausgangssignals vorgenommen wird. Das erste und das zweite Ausgangssignal repräsentieren den durch das in den Schritten 110 und 120 jeweils gebildeten Integratorstand, welcher nach dem Auslesen zurückgesetzt wird. In Schritt 140 wird im Zuge des Auswertens eine Region-of-Interest bestimmt, in der ein Objekt zu liegen scheint, für das durch eine zweite Messung verbesserte Messergebnisse bestimmt werden sollen. In Schritt 150 wird wiederum ein Lichtimpuls ausgesendet, wobei dieser nun eine zweite Intensität und eine zweite Dauer aufweist und wobei die zweite Intensität größer als die erste Intensität und die zweite Dauer geringer als die erste Dauer sind. Während die Dauer des im Schritt 100 ausgesendeten Lichtimpulses gleich der ersten Aktivitätszeitspanne ist, ist die zweite Dauer gegenüber der ersten Aktivitätszeitspanne um die Dauer einer Wartezeitspanne verkürzt, die sich als die doppelte Laufzeit von Licht über den Abstand zu der Region-of-Interest berechnet. Nach dem Schritt 150 wird im Schritt 160 diese Wartezeitspanne verstreichen gelassen, bevor im Schritt 170 mit dem Integrieren des Photostroms des photoelektrischen Elementes während eines ersten Verstreichens der zweiten Aktivitätszeitspanne begonnen wird. Die zweite Aktivitätszeitspanne entspricht dabei der Dauer der ersten Aktivitätszeitspanne minus die Wartezeitspanne. Nach dem ersten Verstreichen der zweiten Aktivitätszeitspanne wird in Schritt 180 ein zweiter Schritt des Integrierens des Photostromes während eines erneuten Verstreichens der zweiten Aktivitätszeitspanne durchgeführt.
Anschließend verzweigt das Verfahren für wiederum 50 Iterationen zum Schritt 150 zurück, um wie schon zuvor das Messergebnis der Abstandsbestimmung durch Mittelung einer Vielzahl von Abstandsbestimmungen zu verbessern.
Nach dem Durchführen der 50 Iterationen wird im Schritt 190 ein zweites Auswerten des ersten und des zweiten Ausgangssignals durchgeführt, wobei die Messergebnisse aufgrund der höheren zweiten Intensität und des Vorsehens der Wartezeitspanne gegenüber den im Schritt 130 bestimmten Ergebniswerten verbessert sind. Im anschließenden Schritt 200 wird ein zweitdimensionales Farbbild aufgenommen, das mit den bestimmten Abstandswerten zu einem dreidimensionalen Bild im abschließenden Schritt 210 verknüpft wird.
3 zeigt eine Übersicht über den zeitlichen Ablauf einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das dargestellte Koordinatensystem zeigt in vier Unterkoordinatensystemen 1) bis 4) vier verschiedene Signale, die jeweils über der in Nanosekunden ns angegebenen Zeit t aufgetragen wurden. In dem Unterkoordinatensystem 1) ist das Aktivierungssignal aufgetragen, bei dessen Anliegen die Sendeeinheit einen Lichtimpuls aussendet. Im vorliegenden Fall wird die Dauer des auszusendenden Lichtimpulses durch die Dauer des Anliegens des Aktivierungssignals und die Intensität des auszusendenden Lichtimpulses durch die Amplitude des Aktivierungssignals vorgegeben. In der der 3 zugrundeliegenden Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit zum Zeitpunkt Null mit dem Aussenden eines Lichtimpulses von 20 ns Dauer und mittlerer Intensität begonnen.
Das Unterdiagramm 2) zeigt den von dem photoelektrischen Element ausgegebenen Photostrom, wobei der Photostrom durch Rauschen und Hintergrundlicht jederzeit größer Null und nicht konstant ist. Etwa nach 16 ns erreicht der von einem Objekt reflektierte Lichtimpuls das photoelektrische Element, so dass für den Zeitraum zwischen 16 und 36 ns ein erhöhter Photostrom festgestellt werden kann, was entsprechend in dem Unterdiagramm 2) dargestellt ist. Gleichzeitig mit dem Aussenden des ersten Lichtimpulses wird zum Zeitpunkt Null durch Vorgabe des in dem Unterdiagramm 3) dargestellten Integratorsteuersignals der erste Integrator dazu veranlasst, den Photostrom zu einem Integratorstand zu integrieren. Nach Verstreichen der 20 ns dauernden Aktivierung des ersten Integrators wir dieser deaktiviert und der zweite Integrator für weitere 20 ns aktiviert.
Es sei hier noch einmal darauf hingewiesen, dass sich die Integrationszeiten (Aktivitätsphasen) der beiden Integratoren auch überlappen können oder dass eine Lücke zwischen beiden Aktivitätsphasen bestehen kann. Solange der Zeitraum des Überlappens oder die Dauer der Lücke bekannt ist, ist in beiden Fällen eine Entfernungsmessung im Sinne der Erfindung möglich.
Aus dem Vergleich der relativen Lage des in dem Unterdiagramm 2) dargestellten aufgrund des reflektierten Lichtimpulses erhöhten Photostromes zu den Aktivierungsphasen von erstem und zweitem Integrator wird deutlich, dass die Differenz des ersten und des zweiten Integratorstandes eine Information über die Laufzeitverzögerung des Lichtimpulses enthält. Ergibt sich die Differenz der Integratorstände des ersten und des zweiten Integrators zu Null, muss ein gleich großer Anteil des durch den reflektierten Lichtimpuls erhöhten Photostromes jeweils innerhalb der Aktivierungsphase des ersten und des zweiten Integrators auf das photoelektrische Element gelangt sein. Dies bedeutet, dass das reflektierende Objekt sich in einer solchen Entfernung zu der für die Abstandsbestimmung verwendeten Vorrichtung befindet, dass die Laufzeit von Licht zu diesem Objekt hin und von diesem Objekt zu der Vorrichtung zurück 10 ns beträgt. Der Abstand zu dem reflektierenden Objekt ergibt sich somit durch Multiplikation der gemessenen 10 ns mit der halben Lichtgeschwindigkeit in dem Beispiel einer Laufzeitverzögerung von 10 ns zu ungefähr 1,5 m.
In dem in der 3 dargestellten Beispiel betrug die Laufzeitverzögerung ungefähr 16 ns, weshalb der Integratorstand des zweiten Integrators etwa einen viermal höheren Wert als der Integratorstand des ersten Integrators aufweist, was nach Berücksichtigung in einer für die Auswertung vorgesehenen Rechenvorschrift zu einem bestimmten Abstand von etwa 2,5 m führt.
Nach der ersten Durchführung der Abstandsbestimmung wird eine Pausenzeitspanne von beispielsweise 160 ns abgewartet, die sicherstellt, dass keine von einem weit entfernten Objekt reflektierten Anteile des ausgesendeten Lichtimpulses nachfolgende Messungen verfälschen. Die Abstandsbestimmung wird im dargestellten Beispiel anschließen 50 Mal wiederholt, was in den Unterdiagrammen 1) bis 4) nicht dargestellt ist. Die Wiederholung der Abstandmessung und das Aufsummieren bzw. Akkumulieren der Integratorstände über beispielsweise 50 Messzyklen ist auch deshalb häufig erforderlich, da im Extremfall während einer Integrationszeit eines Messzyklus' kein einziges Photon des reflektierten Lichtimpulses vom jeweiligen photoelektrischen Element erfasst wird, da die Energie des reflektierten Lichtimpulses so schwach ist, dass theoretisch nur ein Bruchteil eines Photons pro Messzyklus zu erwarten ist und somit statistisch nicht in jedem Messzyklus mit dem Erfassen eines Photons zu rechnen ist.
Das Messergebnis der ersten 50 Messzyklen wird verwendet, um die Länge einer Wartezeitspanne zu bestimmen, deren Dauer kleiner oder gleich der Laufzeit von Licht über dem doppelten Abstand zu einer Region-of-Interest ist. Im vorliegenden Beispiel wurde die Wartezeitspanne zu 10 ns bestimmt und die Dauer des ausgesendeten Lichtimpulses entsprechend um 10 ns verkürzt. Gleichzeitig wurde, wie im Unterdiagramm 1) dargestellt, die Intensität des ausgesendeten Lichtimpulses durch Vorgabe eines entsprechend erhöhten Aktivierungssignals erhöht. Nach Verstreichen der Wartezeitspanne von 10 ns wird zum Zeitpunkt 10010 ns mit dem Integrieren des Photostromes durch Vorgabe des im Unterdiagramm 3) dargestellten Integratorsteuersignals für den ersten Integrator begonnen. Zum Zeitpunkt 10020 ns wird der erste Integrator abgeschaltet und der zweite aktiviert. Das Messergebnis dieses zweiten Messzyklus' der Abstandsbestimmung weist gegenüber dem des ersten Messzyklus' einen verringerten Messfehler auf, weil die Intensität des ausgesendeten Lichtimpulses erhöht wurde und durch das Vorsehen der Wartezeitspanne weniger durch Rauschen und durch Hintergrundlicht erzeugter Photostrom in das Messergebnis einbezogen wird.
Der zweite Messzyklus wird ebenfalls wie der erste in dem dargestellten Beispiel 50 Mal wiederholt, um das Messergebnis der Abstandsbestimmung weiter zu verbessern. Diese 50 Iterationen sind in der 3 nicht dargestellt.

Claims

Vorrichtung zur Abstandsbestimmung mit – einer Sendeeinheit zum Aussenden eines Lichtimpulses, wobei die Sendeeinheit über einen ersten Steuereingang verfügt und ausgebildet ist, bei Anliegen eines Aktivierungssignals an dem ersten Steuereingang einen Lichtimpuls auszusenden, – einer Empfängermatrix mit wenigstens einem photoelektrischen Element, wobei die Empfängermatrix einen Messausgang für ein Ausgangssignal aufweist und ausgebildet ist, ein von einem durch das photoelektrische Element in Abhängigkeit von auf das photoelektrische Element einfallendem Licht erzeugten Messsignal abgeleitetes Ausgangssignal auszugeben, – einer Kontrolleinheit, die mit der Sendeeinheit und der Empfängermatrix verbunden und ausgebildet ist, das Aktivierungssignal zu erzeugen und an die Sendeeinheit auszugeben und das Ausgangssignal von der Empfängermatrix entgegenzunehmen und auszuwerten, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängermatrix über einen zweiten Steuereingang für ein Integratorsteuersignal und einen ersten und einen zweiten Integrator verfügt, die mit einem einzigen oder jeweils einem photoelektrischen Element und dem zweiten Steuereingang verbunden, durch das Integratorsteuersignal unabhängig voneinander aktivierbar und jeweils ausgebildet sind, das Messsignal über eine durch das Integratorsteuersignal vorgegebene Integrationszeit zu integrieren und dadurch einen Integratorstand zu bilden und den Integratorstand als Ausgangssignal auszugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das photoelektrische Element rechteckig, insbesondere quadratisch, ist und eine Seitenlänge zwischen 100 μm und 300 μm, insbesondere 200 μm, aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängermatrix eine Vielzahl von photoelektrischen Elementen und für jedes photoelektrische Element einen ersten und einen zweiten Integrator aufweist, wobei die photoelektrischen Elemente in einem zweidimensionalen Feld angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Optik, die vor der Empfängermatrix angeordnet und ausgebildet ist, Licht der von der Sendeeinheit ausgesandten Art auf die Empfängermatrix zu projizieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit ausgebildet ist, Infrarotlicht auszusenden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit ausgebildet ist, Lichtimpulse unterschiedlicher Intensität abzugeben, wobei die Intensität durch das am ersten Steuereingang anliegende Aktivierungssignal vorgebbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit über einen Zeitgeber verfügt, der ausgebildet ist, der Kontrolleinheit das Verstreichen einer von der Kontrolleinheit vorgegebenen Zeitspanne anzuzeigen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, einen Messzyklus mit einer ersten Aktivitätszeitspanne durchzuführen und dabei durch Abgabe jeweiliger zweiter Aktivierungssignale zuerst den ersten Integrator zu aktivieren und nach einem ers ten Verstreichen der ersten Aktivitätszeitspanne den ersten Integrator zu deaktivieren und den zweiten Integrator zu aktivieren.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, während der Durchführung eines Messzyklus' den zweiten Integrator nach einem zweiten, vom Zeitpunkt des ersten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne gemessenen Verstreichen der ersten Aktivitätszeitspanne zu deaktivieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, die Sendeeinheit für die Dauer des ersten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne zu aktivieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, während der Durchführung eines Messzyklus' die Sendeeinheit und den ersten Integrator durch Abgabe eines Aktivierungssignals und eines Integratorsteuersignals gleichzeitig zu aktivieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, eine Vielzahl von Messzyklen durchzuführen, wobei der erste Integrator und der zweite Integrator ausgebildet sind, ihren jeweiligen Integratorstand zwischen den Messzyklen zu speichern und somit das Messsignal über die Vielzahl von Messzyklen zu integrieren, und dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, das jeweilige vom ersten Integrator und vom zweiten Integrator ausgegebene Ausgangssignal nach dem Durchführen der Vielzahl von Messzyklen entgegenzunehmen und auszuwerten.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Aktivitätszeitspanne zwischen 10 und 100 ns, insbesondere 20 ns, dauert.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit über einen A/D-Umsetzer verfügt, der ausgebildet ist, ein von der Empfängermatrix entgegengenommenes Ausgangssignal in eine digitale Repräsentation umzusetzen und als Ergebniswert auszugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit eine arithmetische Logikeinheit aufweist, die mit dem A/D-Umsetzer verbunden und ausgebildet ist, einen vom A/D-Umsetzer umgesetzten vom ersten Integrator ausgegebenen ersten Ergebniswert und einen vom A/D-Umsetzer umgesetzten vom zweiten Integrator ausgegebenen zweiten Ergebniswert gemäß einer vorbestimmten Rechenvorschrift miteinander zu verknüpfen und das Rechenergebnis auszugeben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9 sowie nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Rechenvorschrift
ist, wobei s das Rechenergebnis, c die Lichtgeschwindigkeit, T die erste Aktivitätszeitspanne, A₁ der vom A/D-Umsetzer umgesetzte erste Ergebniswert und A₂ der vom A/D-Umsetzer umgesetzte zweite Ergebniswert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, nach der Durchführung eines ersten Messzyklus' mit einer ersten Aktivitätszeitspanne einen zweiten Messzyklus mit einer zweiten Aktivitätszeitspanne durchzuführen, wobei die zweite Aktivitätszeitspanne kürzer als die erste Aktivitätszeitspanne ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, beim Durchführen des zweiten Messzyklus' nach dem Abgeben des Aktivierungssignals eine Wartezeitspanne verstreichen zu lassen und nach dem Verstreichen der Wartezeitspanne das Integratorsteuersignal zum Aktivieren des ersten Integrators abzugeben.
Vorrichtung nach Anspruch 6 und einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit ausgebildet ist, Lichtimpulse unterschiedlicher Dauer auszusenden, wobei die Dauer von der Kontrolleinheit durch das Aktivierungssignal vorgebbar ist, und dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, den ersten Messzyklus mit einem Lichtimpuls einer ersten Dauer und einer ersten Intensität und den zweiten Messzyklus mit einem Lichtimpuls einer zweiten Dauer und einer zweiten Intensität durchzuführen, wobei die erste Dauer größer als die zweite Dauer und die erste Intensität geringer als die zweite Intensität sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinheit ausgebildet ist, anhand des Ausgangssignals der Empfängermatrix des ersten Messzyklus' einen Abstand einer Region-of-Interest zur Empfängermatrix zu bestimmen und die Wartezeitspanne kleiner oder gleich der Laufzeit von Licht über eine dem doppelten Abstand entsprechende Strecke zu bemessen.
Vorrichtung nach Anspruch 20, bei der die zweite Aktivitätszeitspanne gleich der ersten Aktivitätszeitspanne abzüglich der Wartezeitspanne ist.
Vorrichtung nach Anspruch 21, bei der die zweite Dauer gleich der zweiten Aktivitätszeitspanne ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, gekennzeichnet durch einen Bildsensor, der ausgebildet ist, einen auf den Bildsensor projizierten Bildbereich in einem zweidimensionalen Bild, insbesondere einem zweidimensionalen Farbbild, zu erfassen, und so angeordnet ist, dass sich der von dem Bildsensor erfasste Bildbereich und ein von der Empfängermatrix erfasster Bildbereich wenigstens in einem Teilbereich überschneiden, wobei die Kontrolleinheit ausgebildet ist, das zweidimensionale Bild und das ausgewertete Ausgangssignal in dem Teilbereich zu einem dreidimensionalen Bild zu verknüpfen, so dass das dreidimensionale Bild zu jedem Bildpunkt einen Abstandswert aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildsensor eine höhere Auflösung aufweist als die Empfängermatrix.
Verfahren zur Abstandsbestimmung mit den Schritten: – Aussenden eines Lichtimpulses einer vorbestimmbaren Dauer, – Integrieren eines Photostromes eines photoelektrischen Elementes während eines ersten Verstreichens einer ersten Aktivitätszeitspanne, – Ausgeben eines ersten Ausgangssignals, – Integrieren des Photostromes des photoelektrischen Elementes während eines zweiten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne, das sich direkt an das erste Verstreichen der ersten Aktivitätszeitspanne anschließt, – Ausgeben eines zweiten Ausgangssignals, – Bestimmen einer Signallaufzeit des Lichtimpulses durch Auswerten des ersten und des zweiten Ausgangssignals.
Verfahren nach Anspruch 25, bei dem die erste Aktivitätszeitspanne gleich der vorbestimmbaren Dauer des Lichtimpulses ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 oder 26, bei dem im Schritt des Aussendens des Lichtimpulses die Intensität des Lichtimpulses vorgebbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, bei dem die Schritte des Aussendens des Lichtimpulses, des Integrierens des Photostromes während des ersten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne und des Integrierens des Photostromes während des zweiten Verstreichens der ers ten Aktivitätszeitspanne vor den Schritten des Ausgebens des ersten Ausgangssignals und des Ausgebens des zweiten Ausgangssignals mehrfach durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte des Aussendens des Lichtimpulses und des Integrierens des Photostromes während des ersten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne gleichzeitig ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, bei dem zwischen dem Beginn des Schrittes des Aussendens des Lichtimpulses und dem Beginn des Schrittes des Integrierens des Photostromes während des ersten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne eine Wartezeitspanne verstreichen gelassen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 29 und 30, bei dem zwei Messzyklen durchgeführt werden, wobei beim ersten Messzyklus die Schritte des Aussendens des Lichtimpulses und des Integrierens des Photostromes während des ersten Verstreichens der ersten Aktivitätszeitspanne gleichzeitig ausgeführt werden und beim zweiten Messzyklus zwischen dem Beginn des Schrittes des Aussendens des Lichtimpulses und dem Beginn des Schrittes des Integrierens die Wartezeitspanne verstreichen gelassen wird.
Verfahren nach Anspruch 31, bei dem die Wartezeitspanne durch Auswerten des Ausgangssignals des ersten Messzyklus' hinsichtlich eines Abstands zu einer Region-of-Interest bestimmt wird, wobei die Wartezeitspanne kleiner oder gleich der Laufzeit von Licht über eine dem doppelten Abstand zu der Region-of-Interest entsprechende Strecke bemessen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 25, 26 und 32, bei dem im ersten Messzyklus im Schritt des Aussendens des Lichtimpulses ein Lichtimpuls mit einer ersten Dauer und einer ersten Intensität und im zweiten Messzyklus im Schritt des Aussendens des Lichtimpulses ein Lichtimpuls mit einer zweiten Dauer und einer zweiten Intensität ausgesendet werden, wobei die erste Dauer größer als die zweite Dauer und die erste Intensität niedriger als die zweite Intensität sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 33, bei dem das erste ausgegebene Ausgangssignal und das zweite ausgegebene Ausgangssignal gemäß einer vorbestimmten Rechenvorschrift miteinander verknüpft werden, wobei das Ergebnis der vorbestimmten Rechenvorschrift einen Abstand bezeichnet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 34, bei dem ein Schritt des Aufnehmens eines zweidimensionalen Bildes, insbesondere eines Farbbildes, und ein Schritt des Verknüpfens des zweidimensionalen Bildes und der ausgewerteten Ausgangssignale zu einem dreidimensionalen Bild vorgenommen werden, wobei das dreidimensionale Bild zu jedem Bildpunkt einen Abstandswert aufweist.