DE102012223298A1

DE102012223298A1 - Lichtlaufzeitsensor mit nichtlinearen Referenzpixeln

Info

Publication number: DE102012223298A1
Application number: DE201210223298
Authority: DE
Inventors: Martin Albrecht; Holger Bette; Nils Remmers
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-06-18

Abstract

Lichtlaufzeitsensor (22) mit mindestens einem Lichtlaufzeitpixel (24) und mindestens einem Referenzlichtlaufzeitpixel (26) für den Empfang eines modulierten Referenzlichts, bei dem das mindestens eine Referenzlichtlaufzeitpixel (26) eine nichtlineare Kennlinie aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtlaufzeitsensor nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Der Lichtlaufzeitsensor betrifft insbesondere Lichtlaufzeit-Kamerasysteme insbesondere 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 B1 , US 6 587 186 B2 und auch DE 197 04 496 C2 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. Selbstverständlich sollen mit dem Begriff Kamera bzw. Kamerasystem auch Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät O1D der 'ifm electronic'.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit der Distanzmessungen einer Lichtlaufzeitkamera bzw. eines Lichtlaufzeitsensors zu verbessern.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch den erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitsensor nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitsensor mit mindestens einem Lichtlaufzeitpixel und mindestens einem Referenzlichtlaufzeitpixel für den Empfang eines modulierten Referenzlichts vorgesehen, bei dem das mindestens eine Referenzlichtlaufzeitpixel eine nichtlineare Kennlinie aufweist. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass der Dynamikumfang der Lichtlaufzeitpixel gegenüber einem reinen linearen Verhalten deutlich gesteigert werden kann.
Bevorzugt weisen Referenzlichtlaufzeitpixel des Lichtlaufzeitsensors eine abschnittsweise lineare oder logarithmische Kennlinie aufweist. Durch die Anpassung der Kennlinie können die Referenzlichtlaufzeitpixel vorteilhaft gezielt auf bestimmte Anwendungsfälle angepasst werden. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, bei einer abschnittsweise linearen Kennlinie für geringe Lichtmengen eine steile Kennlinie und für größere Lichtmengen eine flacherer Kennlinie vorzusehen. Über ein logarithmische Kennlinie kann diese abflachende Kennlinie quasi kontinuierlich realisiert werden.
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 laufzeitverschobenen erzeugten Ladungsträger,
3 einen Querschnitt eines PMD-Pixel,
4 eine Abhängigkeit der Amplitude und des Distanzfehlers in Abhängigkeit der einfallenden Lichtmenge,
5 Lichtlaufzeitsensor mit einem Referenzpixel,
6 eine Aufsicht eines Lichtlaufzeitsensors mit einem Referenzpixelarray,
7 ein Referenzpixelarray mit unterschiedlicher Modulationsansteuerung,
8 einen zeitlichen Verlauf einer nicht phasenverschobenen Modulation,
9 einen zeitlichen Verlauf einer phasenverschobenen Modulation,
10 zwei Anordnungen von Modulationsgates mit unterschiedlichem Modulationskontrast,
11 eine Steuerung des Demodulationskontrastes mit unterschiedlichen Mittenpotentialen,
12 eine Regelung der Beleuchtungsphase,
13 eine Regelung der Phasenlage eines Referenzpixels,
14 schematisch ein Beispiel möglicher Regelungsgrößen
15 ein Referenzpixel mit einer Dynamikerweiterung
16 Spannungen an einem Kompressionstransistor in einer ersten Betriebsart A,
17 einen logarithmischen Spannungsverlauf an einem Integrationsknoten,
18 Spannungen am Kompressionstransistor in einer zweiten Betriebsart B,
19 einen abschnittsweise linear und logarithmischen Spannungsverlauf an einem Integrationskonten,
20 einen abschnittsweise linearen Spannungsverlaufen an einem Integrationskonten.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeit-Kamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist.
Das Lichtlaufzeit-Kamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtungslichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. TOF-Kamera 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. Es können jedoch auch diffraktive Elemente oder Kombinationen aus reflektierenden und diffraktiven Elementen eingesetzt werden.
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz bzw. Modulationssignal mit einer ersten Phasenlage a beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal mit der Phase a 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 b auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators 30 mit dem empfangenen Signal, das die laufzeitbedingte zweiten Phasenlage b aufweist, gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
Zur genaueren Bestimmung der zweiten Phasenlage b und somit der Objektentfernung d kann es vorgesehen sein, die Phasenlage a mit der der Lichtlaufzeitsensor 22 betrieben wird, um vorgestimmte Phasenverschiebungen ∆φ zu verändern. Gleichwirkend kann es auch vorgesehen sein, die Phase, mit der die Beleuchtung angetrieben wird, gezielt zu verschieben.
Das Prinzip der Phasenmessung ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22, hier ohne Phasenverschiebung, angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht b trifft entsprechend seiner Lichtlaufzeit t_L phasenverschoben auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q während der ersten Hälfte der Modulationsperiode in einem ersten Integrationsknoten Ga und in der zweiten Periodenhälfte in einem zweiten Integrationsknoten Gb. Die Ladungen werden typischerweise über mehrere Modulationsperioden gesammelt bzw. integriert. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung und somit eine Entfernung des Objekts bestimmen.
Wie aus der DE 197 04 496 C2 bereits bekannt, kann die Phasenverschiebung des vom Objekt reflektierten Lichts und somit die Distanz, beispielsweise durch ein so genanntes IQ-(Inphase-Quadratur)-Verfahren ermittelt werden. Zur Bestimmung der Distanz werden vorzugsweise zwei Messungen mit um 90° verschobenen Phasenlagen des Modulationssignals durchgeführt, also beispielsweise φ_mod + φ₀ und φ_mod + φ₉₀, wobei aus der in diesen Phasenlagen ermittelte Ladungsdifferenz ∆q(0°), ∆q(90°) die Phasenverschiebung des reflektierten Lichts über die bekannte arctan-Beziehung ermittelt werden kann. φ = arctan ∆q(90°) / ∆q(0°)
Zur Verbesserung der Genauigkeit können ferner weitere Messungen mit um beispielsweise 180° verschobenen Phasenlagen durchgeführt werden. φ = arctan ∆q(90°) – ∆q(270°) / ∆(0°) – ∆q(180°)
Selbstverständlich sind auch Messungen mit mehr als vier Phasen und deren Vielfachen und einer entsprechend angepassten Auswertung denkbar.
3 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 bilden den lichtsensitiven Bereich eines PMD-Pixels. Entsprechend der an den Modulationsgates Gam, G0, Gbm angelegten Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate bzw. Integrationsknoten Ga, Gb gelenkt.
3b zeigt einen Potenzialverlauf, bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Integrationskonten Ga abfliesen, während das Potenzial gemäß 3c die Ladung q in Richtung des zweiten Integrationsknoten Gb fließen lässt. Die Potenziale werden entsprechend der anliegenden Modulationssignale vorgegeben. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 100 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 Ausleseeinheit 400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten PMD-Lichtlaufzeitsensors sein kann. Die als Kapazitäten bzw. Dioden ausgebildeten Integrationsknoten Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Gates Ga, Gb anliegende Spannung beispielsweise über die Ausleseeinheit 400 hochohmig abgegriffen werden. Die Integrationszeiten sind vorzugsweise so zu wählen, dass für die zu erwartende Lichtmenge der Lichtlaufzeitsensor bzw. die Integrationsknoten und/oder die lichtsensitiven Bereiche nicht in Sättigung geraten.
4 zeigt schematisch die Abhängigkeit einer elektrischen Größe des Lichtlaufzeitsensors bzw. eines Integrationsknoten von der Lichtmenge. Die Lichtmenge bestimmt sich in bekannter Weise aus dem Lichtstrom und der Bestrahlungsdauer. Proportional zur Lichtmenge werden Ladungsträger im photosensitiven Bereich der Modulationsgates Gam, G0, Gbm erzeugt und entsprechend des Modulationssignals phasenkorreliert auf die Integrationsknoten Ga, Gb verteilt. Diese Ladungen können entweder als Spannungssignal bzw. -Amplitude hochohmig an den Integrationsknoten Ga, Gb abgegriffen oder ggf. bei einer Entladung der Integrationsknoten als Strom gemessen werden. Diese elektrischen Größen entsprechen somit dem phasenkorrelierten Lichtstrom bzw. der entsprechenden Lichtmenge.
Der mögliche Dynamikbereich eines Laufzeitpixels erstreckt sich typischerweise über mehrere Größenordnungen. Die Größe des Dynamikbereichs hängt im Wesentlichen von der Fläche der photosensitiven Schicht eines Pixels sowie der Kapazität der Integrationsknoten ab. Die Integrationszeit für den Lichtlaufzeitsensor bzw. einem einzelnen Pixel wird vorzugsweise so festgelegt, dass für den Anwendungsfall der Sensor nicht in die Sättigung gerät.
Mit abnehmender Lichtmenge bzw. analog mit abnehmender Integrationszeit nimmt jedoch der Spannungshub an den Integrationsknoten Ga, Gb 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 ist daher so zu wählen, 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 ein Lichtlaufzeitsensor 22 mit mehreren Lichtlaufzeitpixeln 24 und Referenz-Lichtlaufzeitpixeln 26. Die Referenzlichtlaufzeitpixel 26 werden über einen Lichtkanal 265 mit einem Referenzlicht beleuchtet. Das Referenzlicht kann beispielsweise von einer Referenzlichtquelle stammen oder direkt von der Beleuchtungslichtquelle 12 vorzugsweise über einen Lichtleiter bzw. dem Lichtkanal 265 auf die Referenzlichtlaufzeitpixel 26 gelenkt werden.
In 6 ist eine Aufsicht auf einen Lichtlaufzeitsensor 22 gemäß 5 gezeigt. Neben dem Array der Lichtlaufzeitpixel 24 sind vier Referenzlichtlaufzeitpixel 26 räumlich abgesetzt angeordnet. Über einen Lichtleiter bzw. Lichtkanal 265 wird ein Teil des von der Beleuchtungslichtquelle 12 emittierten Lichts auf die vier Referenzpixel 26 gelenkt.
Das Auskoppeln der optischen Signale der Beleuchtungslichtquelle 12 erlaubt es, über die Referenzlaufzeitpixeln 26 eine Referenz für die Distanzmessung bereitzustellen. Ausgehend von Signalen der Referenzlichtlaufzeitpixel 26 können Referenzwerte ermittelt werden, anhand derer beispielsweise systembedingte, die Distanzmessung beeinflussende Effekte, kompensiert werden können. Insbesondere können Effekte bei der Umwandlung elektrischer in optische Signale berücksichtigt und kompensiert werden, wie beispielsweise ein sich änderndes Ansprechverhalten der elektrooptischen Wandler durch Temperatur- und Alterungseffekte. Besonders vorteilhaft werden die Referenzlichtlaufzeitpixel 26 mit denselben Modulationssignal und Integrationszeit betrieben, wie die übrigen Lichtlaufzeitpixel 24.
Ferner kann es zur Vermeidung einer Sättigung der Referenzlichtlaufzeitpixel 26 vorgesehen sein, die Lichteinkopplung bzw. -auskopplung in den Lichtleiter bzw. Lichtkanal 265 derart zu beeinflussen, dass die Referenzlichtlaufzeitpixel 26 in einem optimalen Bereich arbeiten.
Insbesondere kann es zur Erhöhung des Dynamikumfangs auch vorgesehen sein, die Referenzpixel an die Beleuchtung in einer geeigneten abgestuften Weise optisch anzukoppeln.
In einer weiteren Ausgestaltung kann es auch oder zusätzlich vorgesehen sein, die Referenzpixel mit einer automatischen Integrationszeitregelung auszustatten, deren Integrationszeiten ggf. für die weitere Auswertung protokolliert werden kann.
Ferner ist es denkbar, die Referenzpixel 26 mit einer nichtlinearen Kennlinie auszugestalten. Insbesondere sind logarithmische oder abschnittsweise lineare Kennlinien von Vorteil, die die Dynamik des Referenzpixels durch Kompression erhöhen. Insbesondere kann auch vorgesehen sein, dass die Referenzpixel unterschiedliche Dynamiken und/oder Kennlinien aufweisen.
In einer weiteren Ausgestaltung kann eine Sättigung der Referenzpixel 26 auch dadurch vermieden werden, dass der Photostrom der Referenzpixel mehrfach ausgelesen wird. Bei einer mehrfachen "Ausspiegelung" des Photostroms sind verschiedene Ausführungen denkbar: Zum einen können die Photoströme mit verschiedenen Verhältnissen ausgespiegelt werden, zum anderen können die Kapazitäten zur Integration der gespiegelten Photoströme verschiedene Werte annehmen. Auch Mischformen der beiden Ansätze sind möglich.
7 zeigt eine Anordnung von Referenzpixeln 26, die mit unterschiedlichen Phasenlagen ∆φ moduliert werden. Vorzugsweise sind die Modulationsphasen um beispielsweise 0°, 90°, 180° und 270° verschoben. Selbstverständlich sind auch andere Abstufungen denkbar und insbesondere können auch bei einer größeren Anzahl von Referenzpixeln 26 geringere Phasenabstände vorgesehen sein, um den kompletten 360°-Bereich der möglichen Phasenverschiebungen feiner abzudecken.
Dieses Vorgehen ist im Einzelnen in den 8 und 9 erläutert. In der Situation gemäß 8 wird ein Referenzpixel mit einer unverschobenen Modulationsphase φ_mod betrieben. Der Einfachheit sei angenommen, dass die Beleuchtungslichtquelle 12 dem Modulationssignal ohne Phasenverschiebung folgt, so dass φ_mod = φ_Bel gilt. In diesem Fall werden am Referenzpixel 26 alle Ladungsträger am ersten Integrationsknoten Ga bzw. A-Kanal gesammelt. Vorzugsweise sind die Integrationszeiten und/oder die Beleuchtungsstärke so gewählt, dass das Pixel in dieser Phasenlage nicht in Sättigung gerät.
Um den Integrationsspielraum eines Pixels weiter zu erhöhen, kann vorzugsweise die Phasenlage Modulation für das Pixel verschoben werden. Im vorliegenden Fall erweist sich eine Verschiebung der Phasenlage der Referenzpixelmodulation um 90°, wie in 9 gezeigt, als besonders günstig. Die Beleuchtung wird nach wie vor mit der Phasenlage der Modulationsfrequenz φ_mod = φ_Bel betrieben, während das Referenzpixel mit φ_mod + ∆φ₉₀ betrieben wird. Die Ladungen teilen sich so gleichmäßig auf beide Integrationsknoten Ga, Gb bzw. A- und B-Kanal auf, so dass sich im Ergebnis der maximal mögliche Integrationshub des Pixel verdoppelt. Grundsätzlich lässt sich immer eine Phasenlage finden, die die Integrationskapazitäten des Referenzpixels optimal ausnutzt.
In einer weiteren Ausführung kann eine automatische Integrationszeitsteuerung auch adaptiv derart ausgestaltet werden, dass die Integrationszeit aller Referenzpixel durch das Referenzpixel mit der größten Differenz zwischen A- und B-Kanal, ∆q = |qa – qb| bestimmt wird, und zwar so, dass dieses Referenzpixel gerade nicht in Sättigung gerät.
In einer weiteren Ausgestaltung kann auch vorgesehen sein, dass die Referenzpixel unterschiedliche Demodulationskontraste aufweisen, d.h. dass die Trennung zwischen A- und B-Kanal unterschiedlich stark ausgeprägt ist.
In den 10a) und b) sind zwei Modulationsgatestrukturen gezeigt, die aufgrund ihrer Geometrien unterschiedliche Demodulationskontraste aufweisen. 10a) zeigt eine Struktur, bei der das mittlere Modulationsgate G₀ in den Abmessungen deutlich größer ausgebildet ist als die beiden seitlichen Modulationsgates Gam, Gbm, während in 10b) das mittlere Gate G₀ deutlich kleiner ausgebildet ist. Aufgrund des im zweiten Beispiels 10 b) vorhandenen geringen Abstands zwischen den seitlichen Modulationsgates Gam, Gbm diffundieren, beispielsweise durch thermische Diffusion, zu einem gewissen Anteil Ladungsträger auch zu dem jeweils anderem Modulationsgate Gam, Gbm, und bilden an den Integrationsknoten Ga, Gb einen hohen Gleichanteil an Ladungsträgern und verringern das Nutzsignal; der Demodulationskontrast ist somit gering.
Durch dieses Vorgehen lässt sich der Dynamikbereich des Pixels erweitern, indem beispielsweise durch eine so genannte Hintergrundlichtausblendung (SBI) der Gleichlichtanteil aktiv in den Integrationsknoten Ga, Gb kompensiert wird. Derart kompensiert kann durch das Nutzsignal ein größerer Integrationshub ausgenutzt werden.
Im ersten Fall gemäß 10a) ist die Diffusionstrecke zwischen den beiden seitlichen Modulationsgates Gam, Gbm größer, so dass der diffusionsbedingte Gleichanteil geringer ausfällt und somit das Nutzsignal verbessert und der Demodulationskontrast erhöht wird.
Durch eine Reduzierung des diffusionsbedingten Gleichanteils kann somit die vorhandene Integrationskapazität des Pixels maximal vom Nutzsignal ausgenutzt werden. Die Empfindlichkeit der Pixel verändert sich durch die Variation der Demodulationskontraste nicht. Da der Modulationskontrast für eine jeweilige Gatestruktur auch von der Modulationsfrequenz abhängt, sollte die Gate-Struktur vorzugsweise den bevorzugten Modulationsfrequenzen angepasst werden.
Selbstverständlich sind auch Varianten denkbar, bei denen auf das mittlere Modulationsgate G₀ verzichtet werden kann.
Darüber hinaus lässt sich der Demodulationskontrast auch durch eine geeignete Wahl der an den Modulationsgates angelegten Spannung beeinflussen. Unterscheiden sich die an den seitlichen Modulationsgates Ga, Gb anliegenden Spannung nur noch geringfügig, nimmt das Nutzsignal gegenüber den Gleichanteil der diffundierten Ladungsträger und somit auch der Demodulationskontrast stark ab.
Des Weiteren kann der Demodulationskontrast auch über die an dem mittleren Modulationsgate G₀ anliegende Gleichspannung, wie den 11a) bis c) gezeigt, beeinflusst werden. Diese Spannung liegt bevorzugt zwischen den an den seitlichen Modulationsgates maximal bzw. minimal anliegenden Spannungen. Vorzugsweise liegt diese Spannung in der Mitte dieser Maxima und Minima. Die Veränderung dieser Spannungslage nimmt auch Einfluss auf den Demodulationskontrast. Typischerweise nimmt der Modulationskontrast ab, wenn die am mittleren Modulationsgate G₀ anliegende Spannung außerhalb der in 10a) gezeigten Mittellage liegt.
Selbstverständlich können die oben genannten Vorgehensweisen zur Einstellung eines Demodulationskontrastes kombiniert werden. Die Dynamikanpassung der Referenzpixel erfolgt somit nicht durch eine Änderung einer Photoempfindlichkeit, sondern durch eine gezielte Veränderung des Demodulationskontrastes. Im Falle eines einstellbaren Modulationskontrasts ist es auch denkbar, eine Demodulationskontrastregelung zu implementieren.
Des Weiteren können, wie bereits angedeutet, auch Implementierungen realisiert sein, bei denen die Modulation bzw. Integration der Ladungsträger in Abhängigkeit vom integrierten Licht oder anderen Größen gestoppt wird. Insbesondere können die Referenzpixel 26 auch mit einer Schaltung zur Gleichlichtunterdrückung (supression of background illumination, SBI) ausgestattet sein, wie sie beispielsweise aus der DE 10 2005 056 774 A1 bekannt ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, die Integrationsknoten Ga, Gb bzw. deren Integrationskapazitäten variabel auszugestalten, um so eine konfigurierbare Wandeleffizienz von Ladungsträgern in ein Spannungssignal zu ermöglichen. Zur Anpassung der Wandeleffizienz bzw. Wandelkapazität, vorzugsweise in einem möglichst homogenen Referenzpixelarray, können die Wandelkapazitäten mehrerer Pixel zusammengefasst werden ohne die fotoempfindlichen Dioden bzw. Flächen der Pixel zusammenzufassen. Die Variation der Wandelkapazitäten ist somit nicht mit einem so genannten "binning" gleichzusetzen.
In einer weiteren Ausgestaltung gemäß 12 ist es vorgesehen, die Phasenlage der Beleuchtung 12 zu überwachen und zu regeln, um beispielsweise thermisch bedingte Verschiebungen der Phasenlage zu kompensieren. Im dargestellten Beispiel erfasst ein Referenzpixel 26 bzw. ein entsprechendes Array ein Teil des von der Beleuchtungsquelle 12 emittierten Lichts und leitet ein Phasensignal an eine Phasenregelung/PLL 80 weiter, die die Phasenlage der Beleuchtung 12 auf einen Sollwert regelt. Der Sollwert wird vorzugsweise durch den Modulator 30 vorgeben über den auch die Lichtlaufzeitpixel 24 angesteuert werden. Vorteilhaft weist der Modulator 30 oder die Phasenregelung 80 Ausgänge mit unterschiedlichen Phasenlagen ∆φ auf, die für die Distanzmessungen beispielsweise über einen Multiplexer 85 auf die Lichtlaufzeitpixel 24 aufgeschaltet werden können.
Dieses Vorgehen gewährleistet, dass die Phase des von der Beleuchtung 12 emittierten Lichts phasenstarr zur Modulationsphasenlage der Lichtlaufzeitpixel 24 bleibt.
Im dargestellten Beispiel wird die Phasenlage der Lichtquelle 12 von einem Referenzpixel 26, ausgebildet als PMD-Sensor, erfasst. In einer möglichen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, zur Phasenregelung ein Differenzsignal beispielsweise eine an den Integrationsknoten Ga, Gb anliegenden Spannungsdifferenz U(∆q) als Regelgröße heranzuziehen. Eine Veränderung der Phase kann entsprechend der sich analog ändernden Spannungsdifferenz U(∆q) bzw. einer Abweichung zu einer Sollspannung nachgeregelt werden.
Zur Erfassung der Phase der Lichtquelle 12 sind auch weitere optische Wandler, insbesondere Photodioden, vorzugsweise schnelle PIN-Dioden, denkbar. Die Regelung erfolgt dann entsprechend der vorliegenden Signale.
In einer weiteren Ausgestaltung, bei der die Lichtlaufzeitkamera und Beleuchtung in separaten Modulen angeordnet sind, kann es vorgesehen sein, den optischen Wandler, insbesondere eine Photodiode, die als Referenz dient, im Beleuchtungsmodul zu integrieren Das von der Photodiode erfasst Signal wird elektrisch zum Empfangsmodul 20 übertragen und die Phasenlage der Beleuchtung kann dann beispielsweise über einen elektrischen Mischer ermittelt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung kann in dem Beleuchtungsmodul 20 eine Regelung integriert sein, die das mittels einer Photodiode detektierte optische Signal auf das elektrische Steuersignal des Beleuchtungsmoduls regelt. Dieses Vorgehen erlaubt eine Rückkopplung des optischen Signals auf die Beleuchtungseinheit. Das optische Signal der Beleuchtungseinheit wird beispielsweise mittels einer Photodiode detektiert und eine Phasenregelung PLL regelt die Phasenlage des optischen Signals auf das elektrische Steuersignal. Bei Bedarf kann diese Phasenregelung um eine Regelung des Duty-Cycles oder weiterer Charakteristika, wie zum Beispiel der Anstiegs- und Abfallzeiten der Signale erweitert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung gemäß 13 wird nicht die Phase der Beleuchtung geregelt, sondern die Phasenlage des mindestens einen Referenzpixels 26 nachgeführt. Für die Nachführung der Phasenlage kann es beispielsweise vorgesehen sein, die an den Integrationsknoten Ga, Gb anliegende Spannungsdifferenz U(∆q) auf einen vorgegebenen, vorzugsweise maximalen, Spannungswert zu regeln.
Auch der Lichtlaufzeitsensor 24 wird mit dem in der Phase nachgeführten Modulationssignal betrieben, so dass im Ergebnis die Lichtquelle 12, die Referenzpixel 26 und der Lichtlaufzeitsensor 24 phasenstarr miteinander gekoppelt sind. Für die Distanzmessungen können von dem nachgeführten Modulationssignal weitere Phasenverschiebungen erzeugt werden und beispielsweise über einen Multiplexer 85 dem Lichtlaufzeitsensor zur Verfügung gestellt werden.
Eine mögliche Regelung der Phasenlage ist in 14 dargestellt. Ein Referenzpixel 26 erfasst ein von der Lichtquelle 12 emittiertes Licht und gibt als Regelgröße eine Spannungsdifferenz U(∆q) der Integrationsknoten Ga, Gb aus, die mit einer maximalen Spannungsdifferenz U(∆q) max verglichen wird. Zur Regelung wirkt der Regler 80 auf den Modulators 30 ein und verschiebt die Ausgangsphase φ_mod + φ_r, bis die Regeldifferenz minimal wird. Die Ausgangsphase wird auch zum Betrieb des Lichtlaufzeitsensor 24 herangezogen.
In einer weiteren Implementierungsform wird die geeignete integrationszeitunabhängige gestufte Umwandlung des Empfangssignals bei baugleichen Referenzpixeln oder auch unterschiedlichen Referenzpixeln eines Referenzpixelarrays in ein elektrisches Signal über die gezielte Reduzierung des optischen Signals innerhalb der optischen Anbindung außerhalb des eigentlichen Pixels realisiert. Dies kann beispielsweise über einen Graukeil oder Blenden in der optischen Anbindung erfolgen. Die Positionierung der Blenden kann dabei an beliebigen Stellen im optischen Pfad erfolgen, findet aber vorzugsweise unmittelbar vor dem Referenzpixel statt. Im Extremfall kann die Abblendung durch eine gezielte Füllfaktorreduzierung des einzelnen Pixels unter Nutzung ein oder mehrerer vorhandener lichtundurchlässiger Layer (vorzugsweise Metalllayer), oder Lacke oder andere aufzubringende Schichten erfolgen.
Alternativ kann die Reduzierung der Bestrahlung auch unter Ausnutzung der Geometrie, d.h. unterschiedlicher Laufwege durch ein Medium mit konstanter oder ortsabhängiger Dämpfung bei seitlicher Einstrahlung oder Ausnutzung der winkelabhängigen Reduzierung der Signalleistung Lambertscher oder andersartiger Strahler erfolgen.
Weitere Möglichkeiten die Bestrahlungsintensität gezielt zu reduzieren kann mittels starrer Polarisationsfilter, Flüssigkeitskristalle (auch dynamisch im Betrieb), micro channel plate (MCP), verschiedene Absorber, u.v.a erfolgen.
Zur Dynamikerweiterung eines Lichtlaufzeitpixel ist es bekannt ein Lichtlaufzeitpixel 23 mit einer so genannten Hintergrundslichtausblendung bzw. SBI (supression of background illumination)-Schaltung auszurüsten, die in Abhängigkeit bestimmter Eingangsgrößen einen Teil der an den Akkumulationsgates Ga, Gb anliegenden Ladung q_a, q_b abführt, um so ggf. eine Sättigung des Lichtlaufzeitpixel 23 bzw. Referenzlichtlaufzeitpixel 26 durch zu hohe Fremdlicht- oder Nutzsignale zu vermeiden oder zu verzögern.
Erfindungsgemäß ist es jedoch vorgesehen, für die Dynamikerweiterung mindestens ein Referenzlichtlaufzeitpixel mit einer Auswerteschaltung gemäß 15 auszugestalten. Jedem Signalknoten, Auslesegate bzw. jedem Ausleseknoten Ga, Gb ist eine Auswerteschaltung 410, 420 mit einem Reset-, Kompressions-, Holdtransistor und einem Ausleseverstärker, z.B Source-Folger oder Inverter, zugeordnet. Mit Transistor sind insbesondere auch Feldeffekttransistoren und vergleichbar wirkende Schalter umfasst. Mit Auslese-Verstärker sind auch andere Verstärker, wie zum Beispiel SF und Inverter, mit umfasst.
Über den Kompressionstransistor kann der Photostrom in Abhängigkeit von Ug(t) ganz oder anteilig gegen VDD abgeführt werden. Am Ende einer Integrationszeit kann durch Öffnen des Holdtransistors, die an der Ausleseknotenanliegende Spannung auf einen Ausleseverstärker aufgeschaltet werden. In bekannter Weise wird die durch Ausleseverstärker verstärkte Spannung über einen Read-Schalter beispielsweise zeilenweise ausgelesen; bevorzugt in einem Global Shutter-Modus, denkbar ist jedoch auch ein Auslesen mit einem Rolling Shutter. Nach der Integration kann in bekannter Weise über den Resettransistor der Ausleseknoten vor einer Ladungsintegration auf ein definiertes Resetpotential V_reset gesetzt werden Grundsätzlich sind drei Betriebsarten denkbar.
In einer ersten Betriebsart A, entsprechend 16, wird die Gatespannung Ug(t) und insofern eine Barrierespannung Ub(t) an der Sourceelektrode des Kompressionstransistors und somit auch an den Ausleseknoten Ga, Gb aufgebaut und über die gesamte Integrationszeit konstant gehalten. Die die Gatespannung Ug(t) und insofern die Barrierespannung Ub(t) wird in der ersten Betriebsart A so gewählt, dass die Source-Spannung U_S bzw. die Spannung UGa, UGb an dem Ausleseknoten, wie in 17 gezeigt, im Wesentlichen einer logarithmischen bzw. komprimierenden Kennlinie folgt. Anhand der Kennlinienspannung kann der Strom ermittelt werden. Die an dem Ausleseknoten Ga, Gb anliegende Spannung kann beispielsweise über eine Momentanwerteauslese kontinuierlich ausgelesen werden. Der Kompressionstransistor kompensiert den Photostrom im Arbeitspunkt des Ausleseknoten Ga, Gb.
Ug(t) wird vorzugsweise etwas tiefer als Vdd gewählt. Die Barrierespannung Ub(t) ergibt sich aus der Differenz der anliegenden Gatespannung Ug(t) und der Schwellspannung bzw. Threshold-Spannung des Transistors Uth also: Ub(t) = Ug(t) – U_th und stellt näherungsweise einen Grenzspannungswert dar, auf den die Source-Spannung Us abfallen kann.
In einer zweiten Betriebsart B wird die Gatespannung Ug(t) am Kompressionstransistor derart festgelegt, dass der Ausleseknoten Ga, Gb, wie in 19 gezeigt, für kleine Photoströme eine lineare und für große Photoströme eine logarithmische Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist. Die Barrierespannung Ub(t) bleibt während der Integrationszeit konstant (s. 18). Am Ende einer Integrationszeit t_int wird die am Ausleseknoten Ga, Gb anliegende Spannung über den Source-Folger und Read-Transistor ausgelesen. Ausgehend von der an sich bekannten Kennlinie kann dann der tatsächliche Photostrom ermittelt werden.
Beispielhaft sind in 18 und 19 Spannungsangaben für ein mögliches Ausführungsbeispiel gezeigt. Die Versorgungsspannung V_DD könnte beispielsweise bei 3 Volt liegen, und eine mögliche Resetspannung V_reset bei 2,8 Volt. Mit einer Gatespannung von 1,8 V und einer Schwellspannung U_TH = 0,8 V ergibt sich näherungsweise eine Barrierespannung Ub(t) von 1 V. Wie in 19 gezeigt, stellt sich innerhalb dieses Spannungshubs von 1,8 V ein linearer Signalverlauf ein.
In einer dritten Betriebsart C ist es vorgesehen, die Gatespannung Ug(t) und somit auch die Barrierespannung Ub(t) zeitlich zu verändern. Insbesondere ist es vorteilhaft vorgesehen, die Gatespannung Ug(t) in vorbestimmten Stufen zu verändern. Besonders vorteilhaft erfolgend die Spannungssprünge ∆Ub(t) in gleicher Höhe mit abnehmender Dauer ∆t.
In 20 ist in der linken Diagrammhälfte schematisch ein möglicher zeitlicher Verlauf der Barrierespannung Ub(t) dargestellt. die Barrierespannung Ub(t) wird zu einem ersten, zweiten und dritten Zeitpunkt t₁, t₂, t₃ auf eine jeweils niedrigeren zweite, dritte und vierte Barrierespannung Ub(t_1,2,3) abgesenkt.
Am Ende der Integrationszeit t_int wird die an der Ausleseknoten Ga, Gb anliegende Spannung über den Hold-Transistor auf den Ausleseverstärker geschaltet und ausgelesen. Hiernach werden, wie gehabt, die Ausleseknoten Ga, Gb auf Resetspannung V_reset zurückgesetzt. 20 zeigt ferner zeitliche Verläufe von Integrationsspannungen für unterschiedliche Photoströme. Der für jede Barrierespannung maximal linear auflösbare Photostrom I_{max, Ub(t)} ergibt sich durch den Integrationsspannungsverlauf U_int, der den zeitlichen Verlauf der Barrierespannung Ub(t) gerade nicht schneidet. Höhere Photoströme können in der jeweils nachfolgenden Stufe aufgelöst werden. Der Verlauf des linearen Bereichs wird naturgemäß durch die Höhe des Potentialsprungs und der zeitlichen Dauer bestimmt.
Das rechte Diagramm der 20 zeigt das sich aus der Variation der Barrierespannung ergebende stückweise linearen Strom-Spannungsverhältnis am Ende der Integrationszeit.
Die vorgenannten Betriebszustände können durch den Hold-Transistor sowohl mit dem Global Shutter als auch mit dem Rolling Shutter Prinzip kombiniert werden.
Der konstante Photostrom aus dem Pixel wird durch einen variablen gepulsten Strom ersetzt. Die Variation des gepulsten Photostroms ergibt sich aus dem ToF-Messprinzip. Bei diesem Messprinzip wird die Phasenlage zwischen elektrischer Modulation des PMD und dem von der betrachteten Szene reflektierten modulierten Lichtsignal durch Mischung ausgewertet. Dabei ergibt sich am Signalknoten ein pulsförmiger Strom, dessen Puls-/ Pausenverhältnis durch die oben genannte Phasenlage bestimmt wird. Durch geeignete Wahl der Bandbreite am Signalknoten und einer geeigneten Modulationsfrequenz, erhält man am Signalknoten eine Spannung, welche den Mittelwert des Stromes repräsentiert.
Während der Resettransistor in der zweiten und dritten Betriebsart B, C als Rücksetztransistor dient, dient er in der ersten Betriebsart A dazu, das transiente Verhalten (Bandbreite) am Signalknoten bei kleinen Photoströmen durch ein geeignetes Reset-Potential zu verbessern.
Bezugszeichenliste

10: Sendeeinheit
12: Beleuchtungslichtquelle
15: Strahlformungsoptik
20: Empfangseinheit, TOF-Kamera
22: Lichtlaufzeitsensor
24: Lichtlaufzeitpixel
26: Referenzlichtlaufzeitpixel
265: Lichtkanal
25: Empfangsoptik
30: Modulator
40: Objekt
80: Phasenregelung
85: Multiplexer
400: Ausleseeinheit
500: Bauelementeträger
Gam, G0, Gbm: Modulationsphotogate
Ga, Gb: Integrationsknoten
q: Ladungen
qa, qb: Ladungen am Integrationsknoten Ga, Gb

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1777747 B1 [0002]
US 6587186 B2 [0002]
DE 19704496 C2 [0002, 0030, 0035, 0038]
DE 102005056774 A1 [0065]

Claims

Lichtlaufzeitsensor (22) mit mindestens einem Lichtlaufzeitpixel (24) und mindestens einem Referenzlichtlaufzeitpixel (26) für den Empfang eines modulierten Referenzlichts, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Referenzlichtlaufzeitpixel (26) eine nichtlineare Kennlinie aufweist.
Lichtlaufzeitsensor (22) nach Anspruch 1, bei dem das mindestens eine Referenzlichtlaufzeitpixel (26) eine abschnittsweise lineare oder logarithmische Kennlinie aufweist.