DE102012204512A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Phasenmessung eines modulierten Lichts - Google Patents

Abstract

Lichtlaufzeitsensor (22) zur Phasenmessung eines modulierten Lichts mit mehreren Laufzeitpixeln (220), die als Photomischdetektoren ausgebildet und mit Modulationstreibern (210) verbunden sind, wobei die Modulationstreibern (210), jeweils mit mindestens einem Phasenschieber (351, 352, 353) verbunden sind, und der Lichtlaufzeitsensor (22) mindestens einen ersten und zweiten Laufzeitpixelbereich für den Betrieb mit unterschiedliche Phasenmessmodi aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitsensor und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
• Mit Lichtlaufzeitkamerasystem sollen nicht nur Systeme umfasst sein, die Entfernungen direkt aus der Lichtlaufzeit ermitteln, sondern insbesondere auch alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, 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 , US 6 587 186 und auch DE 197 04 496 beschrieben und beispielsweise von der Firma 'ifm electronic GmbH' oder 'PMD-Technologies GmbH' als Frame-Grabber O3D bzw. 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.
• Für die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des reflektierten Lichts wird, wie in der DE 197 04 496 ausführlich beschrieben, im PMD-Sensor das reflektierte Licht mit dem modulierenden Signal gemischt. Diese Mischung liefert ein in Phase liegendes Signal (0°) und ein um 180° versetztes Signal, so dass in bekannter Weise mit einer IQ(Inphase, Quadratur)-Demodulation und der zugrunde liegenden arctan-Funktion der Phasenwinkel des reflektierten in Relation zum gesendeten Signal bestimmt werden kann. Zur Verbesserung der Qualität der Entfernungsmessung kann es vorgesehen sein, die Sendemodulation gezielt beispielsweise um 90°, 180° oder 270° zu verschieben. Dieses Vorgehen dient im Wesentlichen dazu, redundante Informationen zu gewinnen, um beispielsweise verschiedene parasitäre Effekte wie fixed pattern noise (FPN), Hintergrundlicht oder Asymmetrien des Sensors zu kompensieren.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Phasenmessung und somit die Entfernungsmessung zu verbessern.
• Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch den erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitsensor nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst.
• Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitsensor zur Phasenmessung eines modulierten Lichts mit mehreren Laufzeitpixel, die als Photomischdetektoren ausgebildet sind vorgesehen, wobei der Lichtlaufzeitsensor Modulationstreiber aufweist, die zur Bereitstellung von verschiedenen Phasenlagen für unterschiedliche Phasenmessmodi mit mindestens einem Phasenschieber verbunden sind, und wobei der Lichtlaufzeitsensor mindestens einen ersten und zweiten Laufzeitpixelbereich für den Betrieb mit unterschiedlichen Phasenmessmodi aufweist bzw. derart ausgestaltet ist, dass der Lichtlaufzeitsensor in dem ersten und zweiten Lichtlaufzeitpixelbereich mit unterschiedlichen Phasenmessmodi betreibbar ist.
• Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass für verschiedene Anwendungsfälle in mindestens zwei unterschiedlichen Bereichen des Lichtlaufzeitsensors mit unterschiedlichen Messabläufen und Messzeiten gearbeitet werden kann, um beispielsweise in bestimmten Bereichen die Messzeiten zu verkürzen.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste Lichtlaufzeitpixelbereich in einem mittleren Bereich des Lichtlaufzeitsensors und der zweite Lichtlaufzeitpixelbereich im Randbereich des Lichtlaufsensors angeordnet sind.
• Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Modulationsphasen vorzugsweise in den Randbereichen nicht zeitlich nachfolgend gemessen werden müssen, sondern zeitlich parallel, so dass im Randbereich eine Entfernungsinformation schneller als im Mittenbereich ermittelbar ist.
• Vorteilhaft sind die Modulationstreiber über einen Umschalter mit mehreren Phasenschiebern verbunden sind, so dass die räumlichen Anordnung der Bereiche, in denen unterschiedliche Phasemessmodi zur Anwendung kommen sollen, frei konfigurierbar ist.
• Ebenso vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitsensors vorgesehen, bei dem während einer Integrationszeit im ersten Lichtlaufzeitpixelbereich alle Lichtlaufzeitpixel mit einer gleichen Phasenlage betrieben werden, und im zweiten Lichtlaufzeitpixelbereich Gruppen von Lichtlaufzeitpixel mit unterschiedlichen Phasenlagen betrieben werden.
• Es zeigen:
• 1 schematisch das grundlegende Prinzip der Photomischdetektion,
• 2 eine modulierte Integration der erzeugten Ladungsträger,
• 3 zwei zeitliche Verläufe der Ladungsintegration mit unterschiedlichen Phasenlagen,
• 4 Relation der Integration in einem IQ-Diagramm,
• 5 einen Querschnitt eines PMD-Pixels mit einer räumlichen Potenzialverteilung,
• 6 bis 14 verschiedene Anordnung von Pixeltreiber und Laufzeitpixel,
• 15 ein zeitlichen Verlauf möglicher Frames,
• 16 beispielhaft eine Anordnung von Phasenschiebern und Modulationstreibern
• 17 eine Anordnung in der die Modulationstreiber einen Umschalter aufweisen.
• 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 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 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 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein.
• Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal M₀ mit einer Basisphasenlage φ₀ beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ₀ des Modulationssignals M₀ der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φ_var verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φ_var = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.
• Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal S_p1 mit der ersten Phaselage p1 bzw. p1 = φ₀ + φ_var aus. Dieses Signal S_p1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(t_L) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ₀ + φ_var + Δφ(t_L) als Empfangssignal S_p2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M₀ mit dem empfangenen Signal S_p2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
• Dieses Grundprinzip ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals M₀ 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 des Modulationssignals M₀ in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M₀ + 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(t_L) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.
• 3a und 3b zeigen Verläufe der Ladungsdifferenz Δq = q_a – q_b/(q_a + q_b) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung Δφ(t_L) des empfangenen Lichtsignals S_p2 mit unterschiedlichen Phasenlagen. Die 3a zeigt einen Verlauf für eine unverschobene Modulationsphase M₀ mit einer Phasenlage φ_var = 0°.
• Bei einem Auftreffen des Signals S_p2 ohne Phasenverschiebung also Δφ(t_L) = 0°, beispielsweise, wenn das Sendesignal S_p1 direkt auf den Sensor gelenkt wird, sind die Phasen der Modulation M₀ und vom empfangenen Signal S_p2 identisch, so dass alle erzeugten Ladungsträger phasensynchron am ersten Gate Ga erfasst werden und somit ein maximales Differenzsignal mit Δq = 1 anliegt.
• Mit zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Akkumulationsgate Ga ab und am zweiten Akkumulationsgate Gb zu. Bei einer Phasenverschiebung von Δφ(t_L) = 90° sind die Ladungsträger qa, qb an beiden Gates Ga, Gb gleich verteilt und die Differenz somit Null und nach 180° Phasenverschiebung ”–1”. Mit weiter zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Gate Ga wieder zu, so dass im Ergebnis die Ladungsdifferenz wieder ansteigt, um dann bei 360° bzw. 0° wieder ein Maximum zu erreichen.
• Mathematisch handelt es sich hierbei um eine Korrelationsfunktion des empfangenen Signals S_p2 mit dem modulierenden Signal M₀.
• 
• Bei einer Modulation mit einem Rechtecksignal ergibt sich wie bereits dargestellt als Korrelationsfunktion eine Dreiecksfunktion. Bei einer Modulation mit beispielsweise einem Sinussignal wäre das Ergebnis eine Kosinusfunktion.
• Wie 3a zeigt, ist eine Messung der Phase mit einer Phasenlage nur bis zu einer Phasenverschiebung Δφ(t_L) ≤ 180° eindeutig.
• Zur maximalen Erfassung der Phasenverschiebung ist beispielsweise das IQ(Inphase-Quadratur)Verfahren bekannt, bei dem zwei Messungen mit um 90° verschobenen Phasenlagen durchgeführt werden, also beispielsweise mit der Phasenlage φ_var = 0° und φ_var = 90°. Das Ergebnis einer Messung mit der Phasenlage φ_var = 90° ist in 3b dargestellt.
• Die Beziehung dieser beiden Kurven lässt sich in bekannter Art und Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm gem. 4 darstellen. In erster Näherung ist diese Darstellung ohne weiteres auch für die dargestellten Dreiecksfunktionen anwendbar.
• Der Phasenwinkel lässt sich dann in bekannter Weise über eine arctan-Funktion bestimmen: φ = arctan Δq(90°) / Aq(0°)
• Um beispielsweise Asymmetrie des Sensors zu kompensieren, können zusätzliche um 180° verschobene Phasenmessungen durchgeführt werden, so dass sich im Ergebnis der Phasenwinkel wie folgt bestimmen lässt. φ = arctan Δq(90°) – Δq(270°) / A(0°) – Δq(180°)
• 5 zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel eines Photomischdetektors wie er beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist. Die Modulationsphotogates Gam, 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 Gam, 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.
• 5b zeigt einen Potenzialverlauf bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Akkumulationsgates Ga abfließen, und 5c einen komplementären Potenzialverlauf, der die Ladungen q in Richtung des zweiten Akkumulationsgates Gb fließen lässt. Die Potenziale können beispielsweise entsprechend des anliegenden Modulationssignals vorgegeben werden. Je nach Anwendungsfall liegt die Frequenz des Modulationssignals 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 5a 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.
• Die Integrationszeit ist somit vergleichbar einer Belichtungszeit, so dass eine Phasenmessung bzw. Messung synonym auch als Belichtung bezeichnet werden kann.
• 6 zeigt schematisch einen Teil eines Lichtlaufzeitsensors mit Laufzeitpixelarray 220, bestehend aus einer Vielzahl von Laufzeitpixeln 221, 222 und mehrere Modulationstreibern 210. Die Modulationstreiber 210 sind in Gruppen aufgeteilt, wobei eine erste Gruppe von Modulationstreibern 211 eine Phasenlage von 0° und eine zweite Gruppe von Modulationstreibern 212 eine Phasenlage von 90° aufweist. Die Modulationstreiber 211, 212 treiben jeweils die ihr zugeordnete Pixelspalte 221, 222 mit dem jeweiligen Treibersignal an.
• Durch dieses Vorgehen ist an dem jeweils spaltenweise benachbarten Pixel ein um 90° versetztes Modulationssignal verfügbar. Somit ist es möglich, insbesondere bei einem Pixel mit geringer Asymmetrie, bereits in einer Messung in bekannter Art und Weise ein Phasensignal zu bestimmen.
• Die Phaseninformation eines Bildpunktes, kann aus der Verrechung mit den umliegenden Laufzeitpixeln bestimmt werden. Ein Bildpunkt bzw. Tiefenbildpunkt lässt sich somit durch Zusammenfassen zweier spaltenweise benachbarter Laufzeitpixel ermitteln. Zur Verbesserung der Phasenmessung, insbesondere bei Vorliegen parasitärer Effekte oder Asymmetrien, kann zusätzlich eine weitere Messung beispielsweise um 180° verschoben durchgeführt werden.
• Zur Erhöhung der Messgenauigkeit können gegebenenfalls auch mehrere Messungen bzw. Belichtungen mit zusätzlichen Phasen gemacht werden. Auch ist eine zeilenweise um 180° alternierende Anordnung denkbar.
• Belichtung mit zusätzlichen Phasen können zum Beispiel in einer ersten Belichtung mit den Phasen 0° und 90° erfasst werden und mittels Invertierung können dann die Phasen 180° und 270° bestimmt werden. Durch eine zweite Belichtung ist es denkbar, einen zusätzlichen Phasen-Off-Set von 45° zu implementieren, durch den sich die Phasen 45° und 135° ergeben deren Invertierung die Phasen 225° und 315° ergeben womit im Ergebnis 8 Stützstellen zur Phasenberechung zur Verfügung stehen. Dieses Prinzip ist auf weitere Phasen anwendbar oder durch andere alternative Phasen erweiterbar.
• 7 zeigt eine Variante eines Lichtlaufzeitsensors 22 bei denen drei Modulationstreiber 211, 212, 213 eine Phasenverschiebung von 0°, 120° und 240° für eine jeweilige Laufzeitpixelzeile 221, 222, 223 vorhalten. Wie bereits in 6 dargestellt, kann in Verbindung mit mindestens einem benachbarten Lichtlaufzeitpixel für einen Bildpunkt ein Entfernungswert bestimmt werden. Beispielsweise kann für ein Pixel, das mit der Phasenlage 0° angesteuert wird zur Bestimmung des Entfernungswertes das Signal des linken Pixels mit der Phasenlage 240° und die Phasenlage des rechts benachbarten Pixels mit der Phasenlage 120° zur Bestimmung eines Entfernungswerts berücksichtigt werden. Für das benachbarte Pixel mit der Phasenlage 120° können wiederum die Nachbarpixel mit dem Phasenwert 0° und 240° herangezogen werden.
• 8 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Lichtlaufzeitsensors 22 mit zwei Gruppen von Modulationstreibern 211, 212, die eine um 90° verschiedene Phasenlage, vorzugsweise von 0° und 90°, aufweisen. Die Modulationstreiber 211, 212 wirken auf die ihnen zugeordnete Pixelzeile 221, 222, wobei in der Pixelzeile selbst die Phasenlage um 180°, beispielsweise aufgrund interner inverser Verdrahtung, alterniert. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass für einen Quadranten von vier Pixeln ein kompletter Satz von Phasenwerten, nämlich 0°, 90°, 180° und 270°, zur Verfügung steht. Dieses Vorgehen erlaubt es somit, mit einer einzigen Belichtung einen vollständigen Phasensatz zu erfassen.
• Das Beispiel gemäß 9 verwendet, wie bereits in 7 gezeigt, drei Modulationstreiber 211, 212, 213, die jeweils um 120° phasenverschoben arbeiten. Im Gegensatz zu dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel alternieren die Phasen der Lichtlaufzeitpixel zeilenweise um 180°. Eine derartige Matrix kann mit unterschiedlichen und gegebenenfalls redundanten Algorithmen ausgewertet werden. So ist beispielsweise für jeden Quadranten mit vier Phasenwerten jeweils ein Entfernungswert ermittelbar. Beispielsweise können aus den Phasen 0°, 120°, 180° und 300° ein Phasenwert genauso ermittelt werden wie aus der Phasenbeziehung 120°, 240°, 60° und 300°. Mit einer feineren Phasenauflösung kann die Phase auch aus einem 6er Block nämlich 0°, 120°, 240°, 180°, 300°, 60° ermittelt werden. Eine derartige Phasenanordnung im Pixelarray erlaubt es somit, beispielsweise die Phasengenauigkeit für bestimmte Positionen auf dem Lichtlaufzeitsensor 22 durch Auswahl des Auswertealgorithmus zu beeinflussen.
• 10 zeigt eine Variante bei der Spaltenweise zwei Modulationstreiber mit um 90° verschobener Phasenlage angeordnet sind. Durch die spaltenweise Zuführung von zwei Modulationssignalen ist auch eine Integration von mehr als einer Phase in jeder Spalte möglich. Wie in den vorgenannten Beispielen ist auch für die Integration der um 180° verschobenen Phasen kein weiterer Modulationstreiber nötig. Durch die Verwendung von zwei Modulationstreibern in einer Spalte wird der Freiheitsgrad für eine alternative Verteilung der Phasen der elektrischen Modulationssignale im Array vergrößert.
• Selbstverständlich ist die Anwendung von Lichtlaufzeitpixeln mit unterschiedlicher Phasenlage nicht auf ein Kamerasystem beschränkt, sondern ist auch für Lichtlaufzeitsensoren, die vornehmlich für die Entfernungsmessung ausgebildet sind und dementsprechend nur wenige Laufzeitpixel aufweisen, anwendbar.
• Der Kerngedanke der Erfindung ist es, in einem Sensor verschiedene Bereiche zu definieren, die sich in Bezug auf ihren Messmodus unterscheiden.
• Mögliche Phasenmessmodi sind Einphasenmodus, Mehrphasenmodi insbesondere Zwei- und Vierphasenmodi, die im Weiteren näher erläutert werden.
• Einzelphasenmodus: Während einer Belichtung wird die Phasenverschiebung Δφ(t_L) des empfangenen Lichts S_p2 für ein einzelnes Lichtlaufzeitpixel mit vorgegebener Phasenlage φ_var bestimmt. Zur Entfernungsbestimmung werden typischerweise Messungen für mindestens vier Phasenlagen φ_var = 0°, 90°, 180°, 270° benötigt, d. h. für das einzelne Lichtlaufzeitpixel müssen vier aufeinander folgende Messungen bzw. Belichtungen durchgeführt werden. Ein solcher Satz von Belichtungen, der für eine Entfernungsbestimmung notwendig ist, wird auch als Frame bzw. z-Frame bezeichnet.
• Nachteilig beim Einzelphasenmodus ist, dass für einen Frame vier Belichtungen notwendig sind. Bewegt sich ein Objekt zwischen den Belichtungen signifikant, wird das Ergebnis der Entfernungsmessung verfälscht, dies führt zu so genannten Bewegungsarktefakten. Derartige Artefakte können reduziert werden, indem während einer Belichtung mehrere Phasenlagen gleichzeitig vorgehalten werden. Zur Bereitstellung mehrerer Phasenlagen in einer Belichtung werden typischerweise mehrere benachbarte Lichtlaufzeitpixel mit unterschiedlicher Phasenlage für die Entfernungsmessung zusammengefasst. Im Ergebnis werden so Bewegungsartefakte vermieden, die Ortsauflösung wird jedoch im Gegenzug verringert. Im Weiteren sind einige Beispiele für eine Mehrphasenmessung dargestellt.
• Bevorzugt ist ein Zweiphasenmodus, bei dem während einer Belichtung zur Entfernungsbestimmung zwei benachbarte Lichtlaufzeitpixel ausgewertet werden, die eine unterschiedliche Phasenlage aufweisen. In einer ersten Belichtung können beispielsweise über die benachbarten Lichtlaufzeitpixel die Phasenverschiebungen Δφ(t_L) für die Phasenlagen φ_var = 0° und 90° erfasst werden und in einer zweiten Belichtung die Phasenverschiebungen Δφ(t_L) für die Phasenlagen φ_var = 180° und 270°. D. h. für einen vollständigen Satz bzw. Frame werden nur zwei Belichtungen benötigt.
• In einem Vierphasenmodus, wie er beispielsweise im Ausführungsbeispiel gemäß 8 realisierbar wäre, weisen vier benachbarte Pixel alle für eine Entfernungsmessung notwendigen Phasenlagen auf, so dass mit einer einzigen Belichtung eine Entfernung bestimmt werden kann. D. h. für ein Frame wird nur eine Belichtung benötigt.
• Ein Drei- oder Sechsphasenmodus könnte beispielsweise in einer Ausführung gemäß 9 realisiert werden.
• Bei entsprechender Kalibrierung oder anderer Kompensation könnte ggf. die Anzahl der notwendigen Phasenlagen und somit im Ergebnis auch die Anzahl der Belichtungen reduziert werden.
• 11 bis 14 zeigen zu unterschiedlichen Messzeitpunkten schematisch einen Lichtlaufzeitsensor dessen Lichtlaufzeitpixel in einen ersten und zweite Bereich 310, 320 aufgeteilt sind. Der erste Mittenbereich 310 ist für einen Betrieb in einem Einzelphasenmodus ausgelegt und weist nur eine einzige Lichtlaufzeitpixel-Gruppe 223 auf, so dass alle Lichtlaufzeitpixel mit der gleichen Phasenlage betrieben werden. Die Randbereiche 320 links und rechts vom Mittenbereich 310 sind für einen Zweiphasenmodus ausgelegt und weisen jeweils zwei Gruppen 221, 222 von Lichtlaufzeitpixeln auf, die mit unterschiedlicher Phasenlage betrieben werden. Die Spalten des Pixelarrays werden wie in den vorigen Beispielen über entsprechende Modulationstreiber 211, 212, 213 angetrieben.
• 11 zeigt die Phasenlagen der Lichtlaufzeitpixel zu einer erster Belichtung B1 und die nachfolgenden 12 bis 14 die Phasenlagen für die nachfolgende zweite, dritte und vierte Belichtung B2, B3, B4. Im Mittenbereich 310 durchlaufen die Lichtlaufzeitpixel in den vier Belichtungen einen vollständigen Phasensatz mit den Phasenlagen 0°, 180°, 90°, 270°. In den Randbreichen 320 werden zwei Lichtlaufzeitpixel mit unterschiedlicher Phasenlage für eine Entfernungsmessung zusammengefasst, so dass bereits nach zwei Belichtungen ein vollständiger Phasensatz vorliegt, nämlich in der ersten Belichtung B1 die Phasenlagen 0°, 90° und in der zweiten Belichtung die Phasenlagen 180°, 270°. Nach der dritten und vierten Belichtung liegt dann ein zweiter vollständiger Phasensatz vor.
• Ein derartiges Vorgehen hat insbesondere für Automobilanwendungen Vorteile. Direkt vor dem Fahrzeug sind die relativen Winkeländerungen der Objekte gering, sodass geringe Bewegungsartefakte zu erwarten sind und mittleren Bereich des Lichtlaufzeitsensors ein Einzelphasenmodus mit langer Frame-Zeit aber hoher Ortsauflösung vorteilhaft eingesetzt werden kann.
• In den Randbereichen sorgen Gegenverkehr, überholende Fahrzeuge, Objekte am Straßenrand und zu überholende Fahrzeuge für große relative Winkeländerungen. Um unter diesen Bedingungen Objekte zuverlässig zu detektieren sind Bewegungsartefakte zu vermeiden. Um diese zu reduzieren, kann zum Beispiel die Anzahl der benötigten Belichtungen verringert werden. Vorteilhaft können in diesen Randbereichen des Lichtlaufzeitsensors Mehrphasenmodi insbesondere Zwei- und Vierphasenmodi eingesetzt werden.
• In einer weiteren Ausgestaltung ist es denkbar, die Phasenlagen der Lichtlaufzeitpixel im laufenden Betrieb situationsabhängig anzupassen. Beispielsweise spielen bei geringen Geschwindigkeiten des Fahrzeugs Bewegungsartefakte keine Rolle mehr. Insofern kann der Lichtlaufzeitsensor bzw. die Lichtlaufzeitpixel bei einer Kurvenfahrt, beim Einparken oder anderen Situationen, bei denen es auf eine hohe Ortsauflösung ankommt, einheitlich auf einen Vierphasenmodus umgeschaltet werden.
• In 15 ist der zeitliche Verlauf der Phasenmessung entsprechend des Ausführungsbeispiels gemäß den 11 bis 14 dargestellt. Die obere Zeile zeigt die im Randbereich 320 und die untere Zeile die im Mittenbereich 310 bereitgestellten Phasenlagen. Die jeweils umrahmten Phasenlagen betreffen die Phasenlagen einer einzelnen Belichtung B1 bis B8. Der Frame F_M,1 im Mittenbereich 310 (untere Zeile) ist nach vier Belichtungen vollständig erfasst, wobei im Randbereich 320 (obere Zeile) bereits zwei komplette Frames F_R,1; F_R,2 vorliegen. Die Entfernungsbestimmung im Randbereich 320 erfolgt somit gegenüber dem Mittenbereich 310 mit einer doppelten Frame-Rate aber mit halber Ortsauflösung.
• Im Allgemeinen werden für weiterverarbeitende Systeme vollständige Bilder respektive konstante Auflösungen benötigt.
• Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, diese unterschiedlichen Raten und Ortsauflösungen durch Interpolation zu beheben.
• Die Interpolation der Frames erfolgt, wie in 15 gezeigt, indem im Takt der höheren Frame-Rate des Randbereichs 320 eine neue Frame-Erfassung im Mittenbereich angestoßen wird. Beispielsweise dienen die im Mittenbereich 310 während der dritten und vierten Belichtung erfassten Phasenverschiebungen der Phasenlagen 90° und 270° zum einen zur Komplettierung des ersten Frames F_M,1 und als erste Werte für den mit der dritten Belichtung startenden zweiten Frame F_M,2. Im Ergebnis liegt so für jeden Frame F_R,i des Randbereichs auch ein Frame F_M,i im Mittenbereich vor.
• Hinsichtlich der Ortsauflösung können die ermittelten Entfernungen der benachbarten Pixel zur Interpolation herangezogen werden.
• 16 zeigt eine mögliche erfindungsgemäßen Ausgestaltung, bei der der Modulator 30 zum einem direkt mit der Beleuchtung 10 und zum anderen über Phasenschieber 351, 352, 353 mit dem Lichtlaufzeitsensor 22 verbunden ist. Der erste, zweite und dritte Phasenschieber 351, 352, 353 sind mit dem korrespondieren Modulationstreiber 211, 212, 213 bzw. mit der entsprechenden Gruppe verbunden. Über die Modulationstreiber werden, wie in den vorgenannten Beispielen bereits dargestellt die zugeordneten Lichtlaufzeitpixel bzw. Pixelspalten oder Pixelgruppen 221, 222, 223 angesteuert. Die Phasenschieber 351, 352, 353 sind vorzugsweise mit einem Steuergerät verbunden, über das die Phasenlagen der Phasenschieber beispielsweise situationsspezifisch eingestellt werden können.
• Die möglichen erfindungsgemäßen Ausgestaltungen sind selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, insbesondere sind auch Kombinationen der Ausführungsbeispiele und/oder andere Ausgestaltungen denkbar, die die erfindungsgemäße Idee verwirklichen.
• Insbesondere ist es auch denkbar, zwischen dem Modulator 30 und der Beleuchtung 10 einen Beleuchtungsphasenschieber 35, entsprechend der Ausführung gemäß 1, vorzusehen, um beispielsweise die Verschiebung der Phasenlage der Treiber 211, 212, 213 des Lichtlaufzeitsensors 22 mit einer Verschiebung der Phasenlage der Beleuchtung 10 kombinieren zu können. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass der Beleuchtungsphasenschieber 35 um 0° und 180° verschiebt, während die Phasenschieber 351, 352, 353 des Empfängers 20 die Phasen um 90° und 270° verschieben. Selbstverständlich sind auch andere Varianten möglich.
• 17 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform, bei dem alle Modulationstreiber 211, 212, 213 einen Umschalter 215, vorzugsweise einen Multiplexer, aufweisen, der jeweils mit allen drei Phasenschieber 351, 352, 353 verbunden ist. Im dargestellten Fall sind die elektrischen Leitungen der Phasenschieber 351, 352, 353 von Treiber zu Treiber durchgeschleift. Selbstverständlich ist auch eine andere elektrische Realisierung denkbar.
• Dieses Vorgehen hat gegenüber der in 16 gezeigten Ausführung den Vorteil, dass die Zuordnung der Phasenverschiebungen für alle Modulationstreiber 211, 212, 213 frei eingestellt werden kann. D. h. die verschieden Phasenmessmodi sind nicht auf bestimmte Pixelbereiche des Lichtlaufzeitsensor 22 beschränkt, sondern können anwendungs- bzw. situationsspezifisch jederzeit neu konfiguriert werden. Der in 17 angedeutete erste und zweite Lichtlaufzeitpixelbereich 310, 320 ist somit nur für eine bestimmte Messsituation relevant und kann entsprechend der gewünschten Anwendung verändert werden.
• m allen Ausführungsformen ist es denkbar, den Modulator 30 und die Phasenschieber 351, 352, 353 sowohl als separate Bauelemente als auch als Funktionsgruppen auf einem Lichtlaufzeitsensor-Chip anzuordnen. Insbesondere ist es auch möglich, den Beleuchtungsphasenschieber 35 auf dem Lichtlaufzeitsensor-Chip anzuordnen.
• Bezugszeichenliste

10

Beleuchtungsmodul

12

Beleuchtung

22

Lichtlaufzeitsensor

211, 212, 213

Modulationstreiber

215

Umschalter

221, 222, 223

Lichtlaufzeitpixel. Laufzeitpixel-Gruppe

30

Modulator

35

Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber

351, 352, 353

Phasenschieber

310

erster Laufzeitpixelbereich, Mittenbereich

320

zweiter Laufzeitpixelbereich, Randbereich

Δφ(t_L)

laufzeitbedingte Phasenverschiebung

φ_var

Phasenlage

φ₀

Basisphase

M₀

Modulationssignal

p1

erste Phase

p2

zweite Phase

Sp1

Sendesignal mit erster Phase

Sp2

Empfangssignal mit zweiter Phase

Ga, Gb

Akkumulationsgates

Ua, Ub

Spannungen am Modulationsgate

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• EP 1777747 [0002]
• US 6587186 [0002]
• DE 19704496 [0002, 0003, 0023]
• DE 19704496 C2 [0038]

Claims (4)

1. Lichtlaufzeitsensor (22) zur Phasenmessung eines modulierten Lichts mit mehreren Laufzeitpixeln (220), die als Photomischdetektoren ausgebildet und mit Modulationstreibern (210) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Modulationstreibern (210), jeweils mit mindestens einem Phasenschieber (351, 352, 353) verbunden sind, und der Lichtlaufzeitsensor (22) für einen Betrieb mit unterschiedlichen Phasenmessmodi in mindestens einem ersten und zweiten Laufzeitpixelbereich (310, 320) ausgebildet ist.
2. Lichtlaufzeitsensor (22) nach Anspruch 1, bei dem der erste Lichtlaufzeitpixelbereich (310) in einem mittleren Bereich des Lichtlaufzeitsensors (22) und der zweite Lichtlaufzeitpixelbereich (320) im Randbereich des Lichtlaufsensors (22) angeordnet sind.
3. Lichtlaufzeitsensor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Modulationstreiber (210) über einen Umschalter (215) mit mehreren Phasenschiebern (351, 352, 353) verbunden sind.
4. Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitsensors (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem während einer Integrationszeit im ersten Lichtlaufzeitpixelbereich (310) alle Lichtlaufzeitpixel (223) mit einer gleichen Phasenlage betrieben werden, und im zweiten Lichtlaufzeitpixelbereich (320) Gruppen von Lichtlaufzeitpixel (221, 222) mit unterschiedlichen Phasenlagen betrieben werden.

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