DE102011089642B4

DE102011089642B4 - Lichtlaufzeitsensor

Info

Publication number: DE102011089642B4
Application number: DE102011089642.2A
Authority: DE
Inventors: Ralph Wilks; Robert Lange; Markus Grothof; Bernd Schneider
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2011-12-22
Publication date: 2023-02-16
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: DE102011089642A1

Abstract

Lichtlaufzeitsensor (22), mit mindestens einem Lichtlaufzeitpixel (23) und mit mindestens einem dem Lichtlaufzeitpixel (23) zugeordneten Photopixel (80),wobei das mindestens eine Lichtlaufzeitpixel (23) als Photomischdetektor ausgebildet ist, mit Modulationsgates (Garn, G0, Gbm), die in einem photosensitiven Bereich erzeugbare Photoladungen (qa, qb) phasenkorreliert auf ein erstes und zweites Akkumulationsgate (Ga, Gb) aufteilenmit einer Auslesevorrichtung (400), die sowohl mit dem Lichtlaufzeitpixel (23) als auch mit dem Photopixel (80) verbunden ist,wobei die Auslesevorrichtung (400) zum Erfassen einer elektrischen Größe (Ua, ia; Ub, ib; Upp, ipp) des Lichtlaufzeitpixels (23) und des Photopixels (80) ausgebildet ist, und mit einer Auswertevorrichtung (500), die derart ausgestaltet ist, dass anhand der erfassten elektrischen Größen (Ua, ia; Ub, ib) des mindestens einen Lichtlaufzeitpixels (23) ein Entfernungswert (d, d') ermittelbar ist,mit einer Kompensationseinrichtung (550), die bei einer Aktivierung Ladungen an den Akkumulationsgates (Ga, Gb) des dem Photopixel (80) zugeordneten Lichtlaufzeitpixels (23) abzieht, wobei der Lichtlaufzeitsensor (22) derart ausgestaltet ist, dass ausgehend von einer am Photopixel (80) erfassten elektrischen Größe (Upp, ipp) eine Gesamtlichtmenge ermittelt wird und anhand der Gesamtlichtmenge Asymmetrien des oder der zugordneten Lichtlaufzeitpixel (23) oder/und der Kompensationseinrichtung (550) ausgeglichen werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtlaufzeitsensor nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Mit Lichtlaufzeitsensor, Lichtlaufzeitkamera oder Lichtlaufzeitkamerasystem sollen insbesondere alle Lichtlaufzeit- bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme mit umfasst sein, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit- bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras 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-Sensor oder von der Firma ‚PMDTechnologies GmbH‘ als CamCube zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können. Selbstverständlich sollen mit Lichtlaufzeitsensor auch Sensoren, Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Lichtlaufzeitpixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät O1D der Anmelderin.
Aus der DE 199 16 123 A1 ist bereits eine Vorrichtung zur Erfassung von Phase und Amplitude einer elektromagnetischen Welle bekannt, bei der der Sensor zwei verschiedene Pixelarten aufweist, von denen eine Pixelart im Wesentlichen nur intensitätsempfindlich ist und die andere Pixelart im Wesentlichen phasenempfindlich ist, wobei die Zahl der phasenempfindlichen Pixel wesentlich kleiner ist als die Zahl der nur lichtempfindlichen Pixel.
Weiterhin ist aus der US 2010 / 0 073 462 A1 ein 3D-Sensor mit einer Vielzahl von 3D- und Farbpixeln bekannt.
Die EP 1 388 739 A1 zeigt ein Laserdistanzmessgerät, bei dem ein ausgesendetes und von einer Szene reflektiertes Licht auf einen ersten Photoempfänger (8a) und ein Referenzlicht auf einen zweiten Photoempfänger (8b) geleitet wird. Beide Signale werden auf eine Zwischenfrequenz herunter gemischt und eine Phasendifferenz zwischen der Referenz- und Objektwelle in einem Mikroprozessor ermittelt.
Die DE 10 2005 056 774 A1 zeigt ein TOF-Pixel mit Speicherbereichen zur Akkumulation photogenerierter Ladungsträger, wobei eine Überwachungsschaltung vorgesehen ist, welche Ladungsmengen auf den Speicherbereichen überwacht und Einrichtungen aufweist, die eine Spannung oder einen Strom erzeugen und auf die Speicherbereiche aufbringen, so dass ein Speicherüberlauf verhindert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit der Distanzmessungen einer Lichtlaufzeitkamera zu verbessern.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch den erfindungsgemäße Lichtlaufsensor entsprechend der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitsensor vorgesehen, der mindestens ein Lichtlaufzeitpixel, das insbesondere als Photomischdetektor aufgebaut ist und mindestens ein dem Lichtlaufzeitpixel zugeordnetes Photopixel aufweist. Ferner ist eine Auslesevorrichtung vorgesehen, die sowohl mit dem Lichtlaufzeitpixel als auch mit dem Photopixel verbunden ist und zum Auslesen einer elektrischen Größen, insbesondere Ladungen und/oder Spannungen, des Lichtlaufzeitpixels und des Photopixels ausgebildet ist. Zusätzlich ist eine Auswertevorrichtung vorgesehen, die so ausgestaltet ist, dass anhand der elektrischen Größen des mindestens einen Lichtlaufzeitpixels ein Entfernungswert ermittelbar ist, wobei der Lichtlaufzeitsensor derart ausgestaltet ist, dass für die Ermittlung des Entfernungswerts die elektrische Größe des Photopixels berücksichtigt wird.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass anhand der zusätzlichen Information über die auf den Lichtlaufzeitsensor treffende Lichtmenge weitere Maßnahmen, insbesondere Kompensationen und Korrekturen durchgeführt werden können, die im Ergebnis die Genauigkeit und Zuverlässigkeit des ermittelten Entfernungswerts verbessern.
Bevorzugt ist das mindestens eine Lichtlaufzeitpixel als Photomischdetektor ausgebildet, mit Modulationsgates, die in einem photosensitiven Bereich erzeugbare Photoladungen phasenkorreliert auf ein erstes und zweites Akkumulationsgate aufteilen. Die Photoladungen sind an den Akkumulationsgates vorzugsweise als Spannung abgreifbar.
Ferner ist vorteilhaft eine Kompensationsvorrichtung vorgesehen, die derart ausgestaltet ist, dass die Kompensationsvorrichtung in Abhängigkeit der am Photopixel erfassten elektrischen Größe ein Kompensationsstrom für die Akkumulationsgates des zugeordneten Lichtlaufzeitpixels bereitstellt.
Dieses frühe kompensierende Eingreifen bereits während der Erfassung der Rohwerte hat den besonderen Vorteil, dass alle nachfolgenden Prozesse bereits mit kompensierten bzw. korrigierten Werten arbeiten können. Insbesondere erlaubt eine frühe Kompensation auch eine Verbesserung der Messdynamik des Lichtlaufzeitsensors.
Bevorzugt ist das Photopixel in unmittelbarer Nähe des zugeordneten Lichtlaufzeitpixels angeordnet, wobei vorzugsweise mehrere Lichtlaufzeitpixel und mehrere Photopixel in einem gemeinsamen Array angeordnet sind. Durch eine solche Anordnung kann in vorteilhafter Weise die auf dem Lichtlaufzeitsensor treffende Gesamtlichtmenge ortsaufgelöst erfasst und für eine weitere Verwendung verarbeitet werden.
In einer weiteren Variante ist es vorteilhaft das Lichtlaufzeitpixel und das zugeordnete Photopixel im gleichen räumlichen Bereich auf dem Lichtlaufzeitsensor integriert aufzubauen. Der integrierte Aufbau kann beispielsweise beide Pixel kammartig ineinander verschachtelt, so dass ggf. sogar elektrische Funktionalität gemeinsam genutzt werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Anzahl der Photopixel geringer als die Anzahl der Lichtlaufzeitpixel, wobei jeweils ein Photopixel mehreren Lichtlaufzeitpixel zugeordnet ist. Je nach Anwendung kann es vorteilhaft sein, die Gesamtlichtmenge mit einer geringen Ortsauflösung zu erfassen als die Tiefeninformation.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung wird in Abhängigkeit der am Photopixel erfassten elektrischen Größe ein Kompensationsstrom bestimmt und den Akkumulationsgates zugeleitet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:

1 das Grundprinzip einer Lichtlaufzeitkamera nach dem PMD-Prinzip,
2 eine modulierte Integration der erzeugten Ladungsträger,
3 einen Querschnitt eines PMD-Pixels mit einer räumlichen Potenzialverteilung,
4 eine Abhängigkeit der Amplitude und des Distanzfehlers von der einfallenden Lichtmenge,
5 einen erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitsensor mit einem Photopixel,
6 eine mögliche Anordnung von Lichtlaufzeit- und Photopixel in einem Array,
7 eine mögliche räumliche Aufteilung von Lichtlaufzeit und Photopixel,
8 schematisch eine Korrektur einer Entfernungsbestimmung nach Auslesen der Akkumulationsgates,
9 schematisch eine Korrektur oder Kompensation von Ladungen auf den Akkumulationsgates vor einer Entfernungsbestimmung,
10 ein Lichtlaufzeitsensor mit Auslese- Auswerte- und Kompensationsvorrichtung,
11 einen zeitlichen Potenzialverlauf an den Akkumulationsgates mit und ohne Hintergrundlichtkompensation,
12 einen zeitlichen Potenzialverlauf mit symmetrischer und asymmetrischer Kompensation,
13 einen zeitlichen Potenzialverlauf mit asymmetrischer Kompensation und variablem Hintergrundlicht,
14 einen Potenzialverlauf mit einer variablen Kompensation mit Begin der Messung.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist.
Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Pixel, vorzugsweise jedoch ein Pixel-Array, auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 ist vorzugsweise als Reflektor ausgebildet
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung Δφ des emittierten und empfangenen Lichts die Lichtlaufzeit t_L und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 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 Phaselage 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 = p1 + Δφ(t_L) als Empfangssignal S(p2) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M(p1) mit dem empfangenen Signal S(p2), gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung Δφ(t_L) bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
Dieses Grundprinzip ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf der Modulationsfrequenz M(p1) mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal S(p2) entsprechend seiner Lichtlaufzeit t_L phasenverschoben Δφ(t_L) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage der Modulationsfrequenz M(p1) in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M(p1 + 180°) in einem zweiten Akkumulationsgate Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.
3 zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel eines Photomischdetektors wie er beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist. Die Modulationsphotogates Garn, G0, Gbm sind im Wesentlichen transparent ausgebildet und in einem lichtsensitiven Bereich eines Lichtlaufzeit bzw. PMD-Pixels angeordnet. Entsprechend der an den Modulationsgates bzw. Modulationsphotogates Garn, G0, Gbm angelegten Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate Ga, Gb gelenkt. Hierbei bezeichnet „Akkumulationsgate“ allgemein eine Struktur, in der die Ladungssammlung stattfindet, nicht notwendigerweise ein Gate einer MOS (Metal-Oxide-Semiconductor)-Struktur. Als konkrete Ausführungsform wird bevorzugt eine Diodenstruktur verwendet.
3b zeigt einen Potenzialverlauf bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Akkumulationsgates Ga abfließen, und 3c einen komplementären Potenzialverlauf, der die Ladungen q in Richtung des zweiten Akkumulationsgates Gb fließen lässt. Die Potenziale können beispielsweise entsprechend der anliegenden Modulationsfrequenz vorgegeben werden. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 1000 MHz. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt.
In 3a ist ferner eine Auslesevorrichtung 400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten Lichtlaufzeitsensors 22 bzw. PMD-Sensors sein kann. Die als Kapazitäten ausgebildeten Akkumulationsgates Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Akkumulationsgates Ga, Gb anliegende Spannung Ua, Ub beispielsweise über die Auslesevorrichtung 400 hochohmig abgegriffen werden. Die Integrationszeiten sind vorzugsweise so zu wählen, dass für die zu erwartende Lichtmenge der Lichtlaufzeitsensor bzw. die Akkumulationsgates und/oder die lichtsensitiven Bereiche nicht in Sättigung geraten.
Alternativ zur Messung der an den Akkumulationsgates Ga, Gb anliegenden Spannung Ua, Ub kann auch der bei einer Entladung fließende Strom ia, ib gemessen werden.
4 zeigt schematisch die Abhängigkeit einer elektrischen Größe beispielsweise eine Spannungsamplitude des Lichtlaufzeitpixels bzw. eines Akkumulationsgates von der Lichtmenge. Die Lichtmenge bestimmt sich in bekannter Weise aus dem Lichtstrom und der Bestrahlungsdauer. Proportional zur Lichtmenge werden Ladungsträger q im photosensitiven Bereich erzeugt und mit Hilfe der an den Modulationsgates Garn, G0, Gbm anliegenden Potenziale entsprechend der Modulationsfrequenz phasenkorreliert auf die Akkumulationsgates Ga, Gb verteilt. Diese aufgeteilten Ladungen q_a, q_b können entweder als Spannungssignal U_a, U_b bzw. Spannungsamplitude hochohmig am Gate abgegriffen oder ggf. bei einer Entladung der Gates als Strom i_a, i_b gemessen werden. Diese elektrischen Größen entsprechen somit dem phasenkorrelierten Lichtstrom bzw. der entsprechenden Lichtmenge.
Der mögliche Dynamikbereich erstreckt sich typischerweise über mehrere Größenordnungen. Die Größe des Dynamikbereiches hängt im Wesentlichen von der Fläche der photosensitiven Schicht eines Lichtlaufzeitpixel 23 sowie der Kapazität C_int der Akkumulationsgates Ga, Gb ab und ggf. auch von dynamikerweiternden Elementen in der Ausleseschaltung, beispielsweise spezielle Kennlinien oder aktive Konzepte zur Unterdrückung von Gleichanteilen ab. Die Integrationszeit t_int für den Lichtlaufzeitsensor 22 bzw. einem einzelnen Lichtlaufzeitpixel 23 wird vorzugsweise so festgelegt, dass für den Anwendungsfall die Lichtlaufzeitpixel 23 nicht in die Sättigung geraten. Mit abnehmender Lichtmenge bzw. analog mit abnehmender Integrationszeit nehmen jedoch die zur Verfügung stehenden Landungen bzw. das Potenzial am Akkumulationsgate immer mehr ab und bewirkt unter anderem aufgrund des abnehmenden Signal/Rausch-Verhältnisses eine zunehmende Unsicherheit bei der Entfernungsbestimmung, so wie es mit der gestrichelten Kurve der Standardabweichung in 4 dargestellt ist. Die untere Grenze des Arbeitsbereichs der Integrationszeit sollte daher vorzugsweise so gewählt sein, dass ein zu erwartender Distanzfehler noch innerhalb einer zulässigen Toleranz bzw. Standardabweichung liegt, wobei die obere Grenze vorzugsweise unterhalb der Sättigung liegen sollte.
5 zeigt einen erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitsensor 22 mit einem Lichtlaufzeitpixel 23 und einem in unmittelbarer Nähe angeordneten Photopixel 80. Das Photopixel 80 ist schematisch mit einem lichtsensitiven Bereich 81 und einem Auslesebereich 82 dargestellt. Der Auslesebereich 82 des Photopixels 80 und die Akkumulationsgates Ga, Gb des Lichtlaufzeitpixels 23 sind mit der Auslesevorrichtung 400 verbunden. Im einfachsten Fall wird über die Auslesevorrichtung 400 die an den Gates Ga, Gb und am Auslesebereich 82 anliegende Spannung vorzugsweise über einen Verstärker hochohmig abgegriffen. Zur Ermittlung eines Entfernungswertes ist es im dargestellten Beispiel vorgesehen, die Signale an eine Auswertevorrichtung 500 weiter zu leiten um dort aus den erfassten elektrischen Größen einen Entfernungswert d zu ermitteln. Die Auswertevorrichtung 500 und die Auslesevorrichtung 400 können selbstverständlich auch als eine einzige Vorrichtung ausgebildet sein und insbesondere auch auf dem Lichtlaufzeitsensor 22 ggf. auch auf CMOS-Ebene realisiert sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Auswertevorrichtung 500 als programmierbares Bauelement derart ausgebildet, dass anhand der über die Akkumulationsgates Ga, Gb ermittelten Phasenverschiebung ein Entfernungswert berechnet werden kann.
Wie bereits zu 4 beschrieben hängt die Zuverlässigkeit des Entfernungswertes zum Teil von dem vom Lichtlaufzeitsensor 22 bzw. Lichtlaufzeitpixel 23 erfassten Lichtstrom ab. Grundsätzlich kann der Lichtstrom aus der Summe der am ersten und zweiten Akkumulationsgate Ga, Gb anliegenden Signale ermittelt bzw. abgeschätzt werden. Bei sehr hohen Lichtströmen, die den Sensor insbesondere in den Bereich der Sättigung bringen sind diese Abschätzungen jedoch ungenau.
Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen, zusätzlich zum Lichtlaufzeitpixel 23 ein Photopixel 80 vorzusehen. Der Dynamikbereich des Photopixels 80 ist vorzugsweise größer als der Dynamikbereich des Lichtlaufzeitpixels 23. Diese zusätzliche Information über den tatsächlich am Lichtlaufzeitpixel 23 bzw. in unmittelbarer Nähe anstehenden Lichtstrom erlaubt eine erheblich verbesserte Ermittlung von Entfernungswerten.
Beispielsweise kann in einer einfachen Art und Weise für jedes einzelne Lichtlaufzeitpixel 23 eine Korrekturfunktion bzw. Korrekturtabelle hinterlegt werden, anhand derer abhängig von der am Photopixel 80 erfassten elektrischen Größe Upp, i_pp ein erster ermittelter Entfernungswert d' korrigiert werden kann.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, ein Lichtlaufzeitpixel 23 auf Funktionsfähigkeit zu überprüfen, indem die Summe der an den Akkumulationsgates Ga, Gb anliegenden Signale Ua, Ub mit dem vom Photopixel 80 gemessenen Lichtstrom bzw. einer am Photopixel 80 abgreifbaren elektrischen Größe Upp, i_pp verglichen wird. Weichen die Werte zu stark von den erwarteten Werten ab, kann beispielsweise auf ein fehlerhaftes Lichtlaufzeitpixel 23 geschlossen werden oder ggf. die aktuelle Entfernungsmessung verworfen werden.
6 zeigt beispielhaft eine mögliche Anordnung von Lichtlaufzeitpixel 23 und Photopixel 80. Vorzugsweise ist jedem Lichtlaufzeitpixel 23 ein Photopixel 80 zugeordnet. Die Zuordnung kann zum einen bereits schaltungstechnisch fest vorgegeben sein oder ggf. auch erst später beispielsweise über Programmalgorithmen in der Auslese- und/oder Auswertevorrichtung 400, 500 erfolgen. Selbstverständlich sind auch weitere Pixelanordnungen denkbar, insbesondere muss die Anzahl der Photopixel 80 nicht zwingend mit der Anzahl der Lichtlaufzeitpixel 23 übereinstimmen, so kann beispielsweise die Anzahl der Photopixel 80 geringer sein als die der Lichtlaufzeitpixel 23.
Insbesondere kann es für bestimmte Applikationen vorgesehen sein, alle Photopixel 80 in unmittelbarer Umgebung des Lichtlaufzeitpixels 23 abzufragen und die Abfrageergebnisse mit in die Auswertung einzubeziehen.
In 7 sind zwei weitere Beispiele einer Lichtlaufzeit- und Photopixel-Anordnung 23, 80 gezeigt. In der Praxis und in den dargestellten Beispielen nimmt das Lichtlaufzeitpixel 23, das aus zwei Photogates besteht sowie auf Empfindlichkeit statt auf Dynamik optimiert ist, typischerweise eine größere Sensorfläche als das Photopixel 80 ein. 7 bringt dies zum Ausdruck, wobei die dargestellt Fläche nicht zwingend der tatsächlichen lichtsensitiven Fläche entspricht.
Unterschiede in den lichtsensitiven Flächen und im elektrischen Verhalten können sowohl bereits auf CMOS-Ebene als auch in einer nachfolgenden Einheit entsprechend berücksichtigt werden.
In beiden Beispielen ist das Photopixel 80 am Rand oder im Randbereich des Lichtlaufzeitpixels 80 angeordnet, prinzipiell wäre auch eine Struktur denkbar, bei der das Photopixel 80 innerhalb des Lichtlaufzeitpixels 23, beispielsweise in der Mitte, angeordnet ist. Dies wäre insbesondere dann zu realisieren, wenn ein Lichtlaufzeitpixel aus mehreren, beispielsweise kammartig angeordneten, Modulationsgates Garn, Gbm und Akkumulationsgates Ga, Gb aufgebaut ist. Innerhalb einer solchen kammartigen Struktur wäre es denkbar, eine photosensitive Struktur als Photopixel aufzubauen.
Dieses Vorgehen hat insbesondere den Vorteil, dass die Modulationsgates Garn, Gbm und das Photopixel im Wesentlichen denselben Raumbereich erfassen.
Weiterhin ist es denkbar, anhand des vom Photopixel 80 erfassten Lichtstroms vorzugsweise bereits auf CMOS-Ebene die Integrationszeit oder andere Größen für den Lichtlaufzeitpixel 23 individuell vorzugeben.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen den Lichtlaufzeitsensor 22 bzw. die Lichtlaufzeitpixel 23 mit einer so genannten Hintergrundslichtausblendung (supression of background illumination, SBI) auszurüsten, die beispielsweise ausgehend vom durch das Photopixel 80 erfassten Lichtstrom bzw. von einer entsprechenden elektrischen Größe Upp, i_pp einen Teil der an den Akkumulationsgates Ga, Gb anliegenden Ladung q_a, q_b abführt, um so ggf. eine Sättigung des Lichtlaufzeitpixel 23 durch zu hohe Fremdlicht- oder Nutzsignale zu vermeiden oder zu verzögern.
8 skizziert ein mögliches Korrekturverfahren. Ausgehend von den an den Akkumulationsgates Ga, Gb des Lichtlaufzeitpixels 23 gesammelten und über die Auslesevorrichtung 400 abgegriffenen Ladungen bzw. Spannungen wird vorzugsweise in der Auswerteeinheit 500 ein erster Entfernungswert d' ermittelt, und in Abhängigkeit der vom Photopixel 80 vorliegenden Signale als ein korrigierter Entfernungswert d verfügbar gemacht.
Die möglichen Korrekturen können als Kennwerttabelle, als parametrisierte Funktion oder in Kombination in der Auslese- und/oder Auswerteeinheit 400, 500 hinterlegt sein. Vorteilhaft liegen für jedes Pixel eigene Kennwerte und Parameter vor, so dass die ermittelten Größen pixelindividuell korrigiert werden können. Ja nach Anwendungsfall sind auch globale Korrekturen denkbar.
Ausgehend von den ermittelten Signalen kann es auch vorgesehen sein, den Entfernungswert zu verwerfen.
9 zeigt eine weitere Korrekturmöglichkeit, bei der in Abhängigkeit der von dem Photopixel 80 erfassten Lichtmenge bzw. des Lichtstroms direkt auf die Erfassung der an den Akkumulationsgates Ga, Gb anliegenden Ladungen q_a, q_b Einfluss genommen wird. Dieser korrigierende Eingriff kann beispielsweise wie zuvor in der Auslese- und/oder in der Auswerteeinheit 400, 500 erfolgen.
Auch ist es denkbar, dass in Abhängigkeit einer vom Photopixel 80 erfassten elektrischen Größe direkt auf die Akkumulationsgates Ga, Gb korrigierend eingewirkt wird, so dass von der Ausleseeinheit 400 bereits korrigierte elektrische Größen erfasst werden.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass über das zusätzliche Photopixel 80 eine Information über die jeweilige Gesamtlichtmenge des zugeordneten, benachbarten Lichtlaufzeitpixels 23 verfügbar ist. Dies erlaubt insbesondere ein Vergleich der vom Photopixel 80 erfassten Gesamtlichtmenge mit der vom Lichtlaufzeitpixel 23 erfassten Lichtmenge bzw. deren korrespondierenden elektrischen Größen.
Lichtlaufzeitpixel 23 können zur Vergrößerung des Dynamikbereiches wie bereits beschrieben eine so genannte SBI-Schaltung bzw. Kompensationsvorrichtung aufweisen. Eine solche SBI-Schaltung ist vorzugsweise so ausgestaltet, dass an den Akkumulationsgates Ga, Gb Ladungen abgezogen werden, sobald die Gefahr besteht, dass ein Akkumulationsgate Ga, Gb in Sättigung gerät. Nach Aktivierung der SBI-Schaltung lässt sich jedoch aus der Summe der an den Akkumulationsgates Ga, Gb anliegenden Spannungen Ua, Ub aufgrund der abgezogenen Ladungen nicht mehr die Gesamtladungsmenge bzw. die Gesamtlichtmenge bestimmen. Diese Information kann vorzugsweise mit dem zusätzlichen Photopixel 80 zur Verfügung gestellt werden, und zur Verbesserung der Entfernungswerte und/oder Ladungskompensation herangezogen werden.
Generell gilt für die von einem Kondensator akkumulierte Ladung Q: $Q = i_{p} \cdot t_{int} = C_{int} \cdot U$
Wobei die Ladung Q proportional dem Produkt aus Strom i_p und Integrationszeit t_int bzw. Kapazität C_int und Spannung U ist.
Die an den beiden Akkumulationsgates Ga, Gb anliegenden Spannungen Ua, Ub ergeben sich somit aus: $U_{a} = \frac{q_{a}}{C_{int}} = \frac{i_{p,0} \cdot t_{int}}{C_{int}} und U_{b} = \frac{q_{b}}{C_{int}} = \frac{i_{p,180} \cdot t_{int}}{C_{int}}$
Die an den Akkumulationsgates Ga, Gb anliegende Spannungen Ua, Ub sind proportional zu der am jeweiligen Gate bzw. Kondensator kumulierten Ladung q_a, q_b. Analog zu der in 2 dargestellten Phasenbeziehung wird der während des Gleichtakts (0°) generierte Photostrom i_p,0 vom ersten Akkumulationsgate Ga und der im Gegentakt (180°) generierte Photostrom i_p, ₁₈₀ vom zweiten Akkumulationsgate Gb erfasst.
Zusätzlich zu dem durch das laufzeitverschobene Empfangssignal S(p2) (s. 1 und 2) im lichtempfindlichen Bereich des Lichtlaufzeitpixels 23 generierten Nutzsignalstrom i_Δφ werden beispielsweise durch Umgebungslicht, thermische Effekte etc. weitere Ladungsträger erzeugt, die in Summe als so genannte Hintergrundstrahlung (background illumination, bi) bzw. Hintergrundstrom i_bi dem Nutzsignal i_Δφ hinzuzurechnen sind:
Der im jeweiligen Takt 0°, 180° erzeugte Photostrom i_p,0, i_{p, 180} setzt sich somit zusammen aus dem Nutzsignalstrom i_Δφ,0, i_Δφ,180 und Hintergrundstrom i_bi: $i_{p,0} = i_{Δ φ,0} + i_{b i} bzw . i_{p,180} + i_{b i}$
mit i_Δφ,0 bzw. i_Δφ,180 als effektiver Anteil des Nutzsignals innerhalb des jeweiligen Takts und i_bi als Hintergrundstrom, der im Wesentlichen taktunabhängig vorliegt. $U_{a} = \frac{t_{int}}{C_{int}} (i_{Δ φ,0} + i_{b i}) sowie U_{b} = \frac{t_{int}}{C_{int}} (i_{Δ φ,180} + i_{b i})$
Durch Bildung der Differenz der an den Akkumulationsgates Ga, Gb anliegenden Spannung hebt sich der zusätzliche Hintergrundstrom i_bi auf, so dass im Ergebnis nur die Differenz der Nutzsignale wirksam ist: $Δ U_{a b} = \frac{t_{int}}{C_{int}} (i_{Δ φ,0} - i_{Δ φ,180})$
Bei einer sehr großen Hintergrundstrahlung oder auch bei einem sehr hohen empfangenen Modulationsamplitude S(p2) besteht jedoch die Gefahr, dass die Akkumulationsgates Ga, Gb während der Integrationszeit t_int in Sättigung geraten und dass im Ergebnis kein mit der Phasenverschiebung korrelierendes Signal abgreifbar ist. Die Idee einer Hintergrundslichtausblendung (supression of background illumination, SBI) ist es nun, eine vorzeitige Sättigung der Akkumulationsgates Ga, Gb zu vermeiden, indem vorzugsweise in Größenordnung der Hintergrundstrahlung i_bi ein Kompensationsstrom i_k von den Akkumulationsgates Ga, Gb abgezogen bzw. abgeleitet wird: $U_{a} = \frac{t_{int}}{C_{int}} (i_{Δ φ,0} + i_{b i} - i_{k}) sowie U_{b} = \frac{t_{int}}{C_{int}} (i_{Δ φ,180} + i_{b i} - i_{k})$
Ein derartiges Vorgehen ist beispielsweise in der DE 10 2005 056 774 A1 auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird ausführlich beschrieben. Insbesondere wird auf die Abschnitte 46 bis 55 im Hinblick auf das Grundprinzip der Ausblendung der Hintergrundsstrahlung sowie auf die Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 10 und der zugehörigen Beschreibung der o.g. Anmeldung Bezug genommen.
Der erfindungsgemäße Lichtlaufzeitsensor 22 nach 5 kann eine SBI nach DE 10 2005 056 774 A1 beinhalten, die einen Strom i_k zur Kompensation des Hintergrundlichtstroms i_bi zur Verfügung stellt. Die vom Photopixel 80 erfasste elektrische Größe Upp, i_pp dient in dieser Ausführungsform zur nachträglichen Korrektur oder Plausibilisierung der von den Lichtlaufzeitpixeln 23 gelieferten Signale U_a, U_b bzw. i_a, i_b. Insbesondere kann, wenn das Photopixel 80 einen größeren Dynamikbereich der Lichtleistung pro Fläche abdeckt als die Lichtlaufzeitpixel 23, der Zustand der Sättigung eines der beiden Akkumulationsgates Ga, Gb erkannt werden.
Die 10 der vorliegenden Anmeldung zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform. Diese ist gegenüber der DE 10 2005 056 774 A1 so erweitert, dass der Kompensationsstrom i_k in Abhängigkeit einer am Photopixel 80 erfassten elektrischen Größe Upp, i_pp von einer Kompensationsvorrichtung 550 bereitgestellt wird. $U_{a} = \frac{t_{int}}{C_{int}} (i_{Δ φ,0} + i_{b i} - i_{k} (U_{p p})) sowie U_{b} = \frac{t_{int}}{C_{int}} (i_{Δ φ,180} + i_{b i} - i_{k} (U_{p p}))$
Auch in diesem Fall heben sich die auf beide Gates Ga, Gb wirkenden additiven Größen bei der Differenzbildung auf.
11 zeigt einen möglichen Verlauf der während einer Messung an den Akkumulationsgates Ga, Gb anliegenden Spannung Ua, Ub. Nach einem Reset der Akkumulationsgates Ga, Gb liegt an den Gates Ga, Gb eine Resetspannung U_DRS mit einem positiven Potenzial an. Im dargestellten Beispiel soll die Ladungskompensation mit Beginn der Messung zum Startzeitpunkt t₀ noch nicht wirksam sein. Mit zunehmender Anzahl gesammelter Ladungsträger bzw. Photoelektronen nimmt die Spannung Ua, Ub an den Akkumulationsgates Ga, Gb ab.
Werden im weiteren Verlauf die Ladungen an den Akkumulationsgates Ga, Gb nicht kompensiert, fällt, dargestellt mit einer gestrichelten Line, das Potenzial Ua, Ub an den Akkumulationsgates Ga, Gb weiter ab. Im dargestellten Fall erreicht das zweite Akkumulationsgate Gb zu einem Sättigungszeitpunkt ts ein Sättigungspotenzial Us, ab dem das Gate in Sättigung gerät und der Phasenbezug der akkumulierten Ladung bzw. anliegenden Spannung verloren geht. Sättigung tritt ein, wenn entweder wegen eines unzureichenden Potenzialgefälles im Halbleiter (siehe 3) keine weiteren Ladungsträger gesammelt werden können oder aber der Aussteuerbereich der Auslesevorrichtung (400) verlassen wird. Entfernungswerte, die ab diesem Zeitpunkt ermittelt werden, sind fehlerhaft.
Um eine solche Sättigung zu verhindern oder zu verzögern, ist es aus der DE 10 2005 056 774 A1 bekannt, eine Ladungskompensation an beiden Akkumulationsgates Ga, Gb durchzuführen, sobald ein Akkumulationsgate Ga, Gb zu einem ersten Zeitpunkt t1 einen Potenzialgrenzwert U_on erreicht. Die Ladungskompensation erfolgt, indem beide Akkumulationsgates Ga, Gb mit einem Kompensationsstrom i_k beaufschlagt werden. Der Kompensationsstrom i_k kann beispielsweise aus der Steigung des größeren Potenzialabfalls aus (Ua, Ub) bestimmt und ggf. mit einem Kompensationsfaktor k angepasst werden: $i_{k} \cdot = C_{int} \cdot \frac{Δ U}{Δ t} \cdot k$
Auch ist es möglich den Kompensationsstrom i_k in Abhängigkeit einer an einem Gate Ga, Gb anliegenden elektrischen Größe i_a, i_b, Ua, Ub vorzugsweise über eine Regelung bereit zustellen. Derartige Regelungen sind beispielsweise aus der DE 10 2004 016 626 A1 und insbesondere aus der DE 10 2005 056 774 A1 auf die hier ausdrücklich Bezug genommen wird, in verschiedenen Varianten bekannt. Eine derartige Regelung zeichnet sich dadurch aus, dass der Kompensationsstrom i_k durch die Regelung so vorgegeben wird, dass das Gate, an dem der Potenzialgrenzwert U_on zuerst erreicht wird, im Potenzial konstant gehalten wird.
Ein derartiges Vorgehen ist in 11 mit der durchgezogenen Linie gezeigt. Die Akkumulation der Ladungen erfolgt wie eingangs beschrieben zunächst ohne Aufprägen eines Kompensationsstroms ik. Im dargestellten Beispiel zeigt das zweite Akkumulationsgate Gb den größten Potenzialabfall und erreicht als erstes den Potenzialgrenzwert U_on. Über die SBI-Regelung ist es nun vorgesehen, den Kompensationsstrom ik so vorzuhalten, dass das Potenzial an diesem Gate Gb im Wesentlichen konstant gehalten wird. Das erste Gate Ga wird mit einem Kompensationsstrom i_k in gleiche Höhe beaufschlagt und ist somit quasi überkompensiert, so dass das Potenzial mit Beginn der Kompensation ansteigt. Diese Überkompensation kann solange erfolgen, bis das erste Gate Ga ein Basispotenzial U_com, das im Wesentlichen schaltungstechnisch vorgegeben ist, erreicht.
Wie bereits dargestellt, lässt sich die Phasenverschiebung und somit ein Entfernungswert aus der Spannungsdifferenz ΔUab die zwischen denn Akkumulationsgates Ga, Gb anliegt bestimmen. Um beispielsweise elektrische Asymmetrien zwischen den Akkumulationsgates Ga, Gb auszugleichen werden die Spannungsdifferenzen ΔUab mit unterschiedlichen Phasenversätzen vorzugsweise von 0°, 90°, 180° und 270° gegenüber der Modulationsfrequenz bzw. -phase gemessen. Dieses Vorgehen ist bereits ausführlich in der DE 197 04 496 A1 beschrieben und führt zu der Beziehung: $φ = arctan \frac{Δ U_{a b} (90 °) - Δ U_{a b} (270 °)}{Δ U_{a b} (0 °) - Δ U_{a b} (180 °)}$
Mit Kenntnis der auf das Pixel einwirkenden Gesamtlichtmenge, wie sie das Photopixel 80 zur Verfügung stellt ist es möglich, eine ggf. vorhandene Asymmetrie der beiden Akkumulationsgates Ga, Gb bzw. der Kanäle qa, qb beispielsweise durch einen gateabhängigen Kompensationsstrom i_ka, i_kb auszugleichen. Besteht eine Messsituation in der keine weiteren Asymmetrien zu berücksichtigen sind, ist es so ggf. möglich auf die komplementäre Messung bei einem Phasenwinkel von 270° bzw. 180° zu verzichten und die Messzeit zu reduzieren.
Eine weitere Asymmetrie kann ggf. durch den Einsatz der Hintergrundsausblendung (SBI) auf das System einwirken. 12a zeigt zur Verdeutlichung dieser Asymmetrie eine Messsituation, in der kein moduliertes Lichtsignal auf den Lichtlaufzeitsensor trifft, sondern nur ein Gleichlicht. Unter Vernachlässigung einer elektrischen Asymmetrie zwischen den Gates Ga, Gb füllen sich beide Akkumulationsgates Ga, Gb gleichermaßen mit Ladungsträger, so dass das Potenzial Ua, Ub an beiden Gates Ga, Gb mit gleicher Steigung abfällt. Beim Erreichen des SBI-Einschaltpotenzials Uon wird in einer bevorzugten Ausgestaltung der Kompensationsstrom i_k anhand des Potenzials eines Gates geregelt und auf beide Gates gelegt. Bei einer symmetrisch arbeitenden SBI-Schaltung erhalten beide Gates Ga, Gb einen Strom in gleicher Höhe, so dass im weiteren Verlauf bei Gates Ga, Gb auf dem selben Potenzial liegen und keine Spannungsdifferenz aufweisen, wie es aufgrund des fehlenden Nutzlichts in korrekter Weise zu erwarten ist.
In 12b ist eine Situation gezeigt, in der die SBI-Schaltung eine elektrische Asymmetrie aufweist, die dazu führt, dass beim Einsatz der SBI-Schaltung die Gates einen Kompensationsstrom i_k in unterschiedlicher Höhe erhalten. Im dargestellten Fall ist der erste Kompensationsstrom i_ka der am ersten Akkumulationsgate Ga anliegt größer als der zweite Kompensationsstrom i_kb am zweiten Gate Gb, so dass das Potenzial Ua am ersten Gate ansteigt und im Ergebnis trotz anliegendem Gleichlichts im Ergebnis eine Spannungsdifferenz anliegt.
Die Asymmetrie einer SBI-Schaltung kann verschiedene Ursachen haben. Typischerweise weist eine SBI-Schaltungen zu Kompensation der Ladungen an den Akkumulationsgates Ga, Gb zwei Stromquellen auf, die nominell den gleichen Strom ika = ikb kompensieren. Bei einer Realisierung einer solchen Schaltung auf einem Halbleiter sind die Prozessparameter über dem Substrat jedoch nicht immer gleich verteilt, so dass die elektrischen Eigenschaften in gewissen Grenzen variieren können. Auch zwischen direkt nebeneinander liegenden Bauelementen treten statistische Schwankungen der elektrischen Parameter auf, die in gewissem Maße durch große elektrisch aktive Flächen und spezielle verschachtelte Layouttechniken verringert aber nicht komplett beseitigt werden können. Dies führt im Ergebnis dazu, dass auch die Stromquellen eine gewisse Streuung im Stromverhalten aufweisen. Eine SBI-Asymmetrie führt dazu, dass in der für die Berechnung von Distanz- und Amplitudenwerten verwendeten Signaldifferenzen U_ab Signalanteile auftreten, die durch asymmetrische Kompensation verursacht werden. So können bereits kleine Asymmetrien durch ein starkes Hintergrundlicht, wie beispielsweise von der Sonne zu Signalanteilen führen, die in der Größenordnung des Nutzsignals selbst oder sogar darüber liegen. Auch das Nutzsignal selbst wird durch den Einsatz einer SBI-Schaltung verändert, kann aber typischerweise vernachlässigt werden.
In 13a und 13b sind Messsituationen mit einer asymmetrischen Kompensation für unterschiedliche Gleichlichtmengen bzw. Gleichlichtströme ohne Nutzlichtanteil i_Δφ gezeigt. 13a zeigt die Situation für einen kleinen Lichtstrom und 13b für ein großen Lichtstrom. Wie bereits zu 12 gezeigt, fallen die Potenziale ohne Einsatz der SBI-Schaltung und ohne Vorliegen eines Nutzlichts i_Δφ mit gleicher Steigung ab. Bei Vorliegen eines hohen Lichtstroms gemäß 13b wird das Einschaltpotenzial U_on naturgemäß deutlich früher erreicht als mit geringem Lichtstrom. Ein hoher Lichtstrom erzeugt auch einen höheren Photostrom der nach Einschalten der SBI-Schaltung mit einem ebenso höheren Kompensationsstrom ik ausgeglichen wird. Bei Vorliegen einer schaltungstechnisch bedingten Asymmetrie der SBI-Schaltung erfolgt auch die Kompensation entsprechend asymmetrisch, so dass das nicht geregelte Potenzial, hier das erste Potenzial Ua, mit zunehmender Gesamtlichtmenge ansteigt. In erster Näherung kann dieser asymmetrische Verlauf durch die komplementäre Phasenmessung ausgeglichen werden (ΔU_ab(0°) - ΔU_ab(180°); ΔU_ab(90°) - ΔU_ab(270°)). Bei größeren Lichtmengen ist dies jedoch nicht immer gewährleistet. Insbesondere kann bei sehr großen Hintergrundlichtmengen die Asymmetrie so groß werden, dass das Potenzial des nicht geregelten Gates noch innerhalb der Integrationszeit die Basisspannung U_com erreicht, so dass die Phasenbeziehung verloren geht.
Auch hier kann die dargestellte SBI-Asymmetrie durch Kenntnis des Lichtstroms über das zusätzliche Photopixel kompensiert werden.
Ferner erlauben die zusätzlichen Photopixel 80 Störeffekte bzw. ein Vorhandensein einer Störlichtquelle zu erkennen und ggf. zu kompensieren und/oder gestörte Entfernungswerte als gestört zu kennzeichnen.
So ist es insbesondere möglich, über die lokale Kenntnis der Gesamtlichtmenge pixelindividuelle Korrekturen einer durch Störlicht bedingten Asymmetrie in der Phasenmessung zu kompensieren.
Wie bereits erwähnt, wird ein Entfernungswert für ein Lichtlaufzeitpixel durch vier sequenzielle Phasenmessungen vorzugsweise mit einer Phasenverschiebung von 0°, 90°, 180° und 270° ermittelt. Wenn beispielsweise nur eine dieser Phasen durch kurzzeitigen Einfall von Fremdlicht gestört wird, entsteht ein zusätzlicher Photostrom nur für diese gestörte Phase, der zu einer Asymmetrie der Spannungsdifferenz über den beiden Akkumulationsgates Ga, Gb führt und so im Ergebnis einen fehlerhaften Entfernungswert provoziert. In Kenntnis der Gesamtlichtmenge besteht auch hier die Möglichkeit, wie auch in den oben genannten Asymmetriebeispielen, durch Vorhalten eines asymmetrischen Kompensationsstrom diese Asymmetrie aufzufangen oder ggf. anlog zum Vorgehen gemäß 3 entsprechend der erfassten Gesamtlichtmenge in einem der Messung nachfolgenden Kalibrierschritt zu berücksichtigen.
Durch die Kenntnis der Gesamtladungsmenge bzw. Lichtmenge und einer an sich bekannten pixelindividuellen Asymmetrie kann diese, mit Hilfe der über das Photopixel 80 erfassten elektrischen Größen U_pp, i_pp korrigiert werden. Die Korrektur kann beispielsweise über ein Kennfeld und/oder einen geeigneten Algorithmus erfolgen. So lassen sich vorteilhaft Störeffekte herausrechnen und höhere Messgenauigkeiten erreichen.
Mit diesen Informationen lassen sich beispielsweise auch die Kennlinien der Lichtlaufzeitpixel 23 korrigieren und insbesondere Nichtlinearitäten herausrechnen.
Das zusätzliche Photopixel 80 erlaubt somit nicht nur eine Kompensation, sondern auch ein Erkennen niederfrequenter Lichtänderungen, die insbesondere eine Phasenmessung und/oder ggf. eine komplette Phasenmessung stören. Beispielsweise können bei einer Fahrt eines Kraftfahrzeugs entlang einer Allee Hell-Dunkel-Änderungen durch den Schattenwurf der Bäume erkannt und mit Hilfe eines angepassten Auswertealgorithmus berücksichtigt werden.
Auch andere modulierte Signale, wie beispielsweise eine gleichartige Kamera mit unterschiedlicher Modulationsfrequenz, niederfrequentes Blink- oder Rundumlicht, Stroboskoplampen, mit Netzfrequenz betriebene Leuchtstofflampen etc. können als Störer erkannt und/oder ggf. kompensiert werden.
Auch sind ohne weiteres starke Helligkeitsunterschied auf dem Sensorarray detektierbar und die Auswertung kann dementsprechend angepasst werden.
14 zeigt einen Potenzialverlauf einer weiteren Ausgestaltung, bei der die Kompensation nicht erst ab Erreichen eines bestimmten Grenzwertes erfolgt, sondern bereits ab Beginn der Ladungsintegration. Der Kompensationsstrom i_k wird in diesem Beispiel vorzugsweise durch die Kompensationsvorrichtung 550 ausgehend von der über das Photopixel 80 erfassten Gesamtlichtmenge derart eingestellt, dass der Potenzialabfall an den Akkumulationsgates Ga, Gb von Anfang mit geringer Steigung erfolgt, wobei eine Überkompensation des Gates mit dem geringsten Potenzialabfall erst ab einem geeigneten ggf. auch variabel vorgebbaren Potenzialgrenzwert U_on erfolgt.
Lichtlaufzeitsensoren stellen typischerweise zusätzlich zu der Distanzinformation auch noch weitere Informationen zur Verfügung. Dazu gehört beispielsweise eine auf das eigene ausgesandte Nutzlicht bezogene Helligkeitsinformation, die beispielsweise bei PMD-Kameras üblicherweise als Amplitude A bezeichnet wird: $A = \sqrt{{(Δ U_{a b} (90 °) - Δ U_{a b} (270 °))}^{2} + {(Δ U_{a b} (0 °) - Δ U_{a b} (180 °))}^{2}}$
Dieser Amplitudenwert lässt sich in vielen Anwendungen vorteilhaft zusätzlich zum oder anstatt des Distanzwertes verwenden. Der Amplitudenwert wird in ähnlicher Weise wie der Distanzwert durch Hintergrundlicht, nichtlineare Kennlinien, SBI-Asymmetrie etc. beeinflusst bzw. verfälscht. Die hier beschriebenen erfindungsgemäßen vorteilhaften Vorrichtungen und Verfahren eignen sich zur Korrektur des Amplitudenwertes in gleicher oder ähnlicher Weise wie zur Korrektur des Distanzwertes.
Auch sind weitere Messgrößen denkbar, die sich aus den elektrischen Größen Ua, Ub, ia, ib bzw. Spannungsdifferenzen ΔU_ab ableiten lassen und in ihrer Genauigkeit vorteilhaft durch die hier beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren verbessern oder in ihrer Korrektheit überprüfen lassen.
Bezugszeichenliste

10: Sendeeinheit
12: Beleuchtungslichtquelle
15: Strahlformungsoptik
20: Empfangseinheit, TOF-Kamera
22: Lichtlaufzeitsensor
23: Lichtlaufzeitpixel, Pixel
25: Empfangsoptik
30: Modulator
40: Objekt
80: Photopixel
81: lichtsensitiver Bereich
82: Auslesebereich
400: Auslesevorrichtung
500: Auswerteeinheit
550: Kompensationsschaltung
Garn, G0, Gbm: Modulationsphotogate
Ga, Gb: Akkumulationsgate
q: Ladungen
qa, qb: Ladungen am Akkumulationsgate Ga, Gb

Claims

Lichtlaufzeitsensor (22), mit mindestens einem Lichtlaufzeitpixel (23) und mit mindestens einem dem Lichtlaufzeitpixel (23) zugeordneten Photopixel (80), wobei das mindestens eine Lichtlaufzeitpixel (23) als Photomischdetektor ausgebildet ist, mit Modulationsgates (Garn, G0, Gbm), die in einem photosensitiven Bereich erzeugbare Photoladungen (qa, qb) phasenkorreliert auf ein erstes und zweites Akkumulationsgate (Ga, Gb) aufteilen mit einer Auslesevorrichtung (400), die sowohl mit dem Lichtlaufzeitpixel (23) als auch mit dem Photopixel (80) verbunden ist, wobei die Auslesevorrichtung (400) zum Erfassen einer elektrischen Größe (Ua, i_a; Ub, i_b; Upp, i_pp) des Lichtlaufzeitpixels (23) und des Photopixels (80) ausgebildet ist, und mit einer Auswertevorrichtung (500), die derart ausgestaltet ist, dass anhand der erfassten elektrischen Größen (Ua, i_a; Ub, i_b) des mindestens einen Lichtlaufzeitpixels (23) ein Entfernungswert (d, d') ermittelbar ist, mit einer Kompensationseinrichtung (550), die bei einer Aktivierung Ladungen an den Akkumulationsgates (Ga, Gb) des dem Photopixel (80) zugeordneten Lichtlaufzeitpixels (23) abzieht, wobei der Lichtlaufzeitsensor (22) derart ausgestaltet ist, dass ausgehend von einer am Photopixel (80) erfassten elektrischen Größe (Upp, ipp) eine Gesamtlichtmenge ermittelt wird und anhand der Gesamtlichtmenge Asymmetrien des oder der zugordneten Lichtlaufzeitpixel (23) oder/und der Kompensationseinrichtung (550) ausgeglichen werden.
Lichtlaufzeitsensor (22) nach Anspruch 1, mit einer Kompensationseinrichtung (550), die derart ausgestaltet ist, dass in Abhängigkeit der an einem Akkumulationsgate (Ga, Gb) erfassten elektrischen Größe (Ua, i_a; Ub, i_b) ein Kompensationsstrom (ik) für die Akkumulationsgates (Ga, Gb) bereit gestellt wird.
Lichtlaufzeitsensor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einer Kompensationsvorrichtung (550), die derart ausgestaltet ist, dass die Kompensationsvorrichtung (550) in Abhängigkeit der am Photopixel (80) erfassten elektrischen Größe (Upp, i_pp) einen Kompensationsstrom (i_k) für die Akkumulationsgates (Ga, Gb) des dem Photopixel (80) zugeordneten Lichtlaufzeitpixels (23) bereitstellt.
Lichtlaufzeitsensor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Photopixel (80) in unmittelbarer Nähe des zugeordneten Lichtlaufzeitpixels (23) angeordnet ist.
Lichtlaufzeitsensor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mehrere Lichtlaufzeitpixel (23) und mehrere Photopixel (80) in einem gemeinsamen Array angeordnet sind.
Lichtlaufzeitsensor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Lichtlaufzeitpixel (23) und das zugeordnete Photopixel (80) im gleichen räumlichen Bereich auf dem Lichtlaufzeitsensor (22) integriert aufgebaut sind.
Lichtlaufzeitsensor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anzahl der Photopixel (80) geringer ist als die Anzahl der Lichtlaufzeitpixel (23) und jeweils ein Photopixel (80) mehreren Lichtlaufzeitpixel (23) zugeordnet ist.
Lichtlaufzeitkamera mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.