DE102013225438B4

DE102013225438B4 - Time of flight sensor with reference pixels

Info

Publication number: DE102013225438B4
Application number: DE102013225438.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Albrecht; Holger Bette; Nils Remmers
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2012-12-14
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2033-12-11
Also published as: DE102013225438A1

Abstract

Lichtlaufzeitsensor (22) mit mindestens einem Lichtlaufzeitpixel (24) und mehreren Referenzlichtlaufzeitpixeln (26) für den Empfang eines modulierten Referenzlichts, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Referenzlichtlaufzeitpixel (26) mit unterschiedlichen Phasenlagen moduliert werden und dass eine für die Referenzlichtlaufzeitpixeln (26) gemeinsame Integrationszeit in Abhängigkeit einer elektrischen Größe eines Referenzlichtlaufzeitpixels (26) mit der größten Ladungsdifferenz (∆q) festgelegt wird.Light transit time sensor (22) having at least one light transit time pixel (24) and a plurality of reference Lichtlaufzeitpixeln (26) for receiving a modulated reference light, characterized in that at least two Referenzlichtlaufzeitpixel (26) are modulated with different phase angles and that for the reference Lichtlaufzeitpixeln (26) common integration time is set as a function of an electrical quantity of a reference light-propagation time pixel (26) having the largest charge difference (Δq).

Description

Die Erfindung betrifft einen Lichtlaufzeitsensor nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to a light transit time sensor according to the preamble of the independent claim.

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 bzw. WO 98/10255 A1 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'.The light transit time sensor relates, in particular, to light transit time camera systems, in particular, time-of-flight or 3D TOF camera systems, which acquire transit time information from the phase shift of an emitted and received radiation. PMD cameras with photonic mixer detectors (PMD) are particularly suitable as the time of flight or 3D TOF cameras, as described, inter alia, in the applications EP 1 777 747 B1 . US Pat. No. 6,587,186 B2 and also DE 197 04 496 C2 respectively. WO 98/10255 A1 described and, for example, by the company, ifm electronic GmbH 'or' PMD Technologies GmbH 'as a frame grabber O3D or as CamCube relate. In particular, the PMD camera allows a flexible arrangement of the light source and the detector, which can be arranged both in a housing and separately. Of course, the term camera or camera system should also encompass cameras or devices with at least one receiving pixel, for example the distance measuring device O1D of 'ifm electronic'.

Ferner ist aus der WO 2012/041607 A1 eine Lichtlaufzeitkamera mit einem Referenzphotosensor bekannt, bei dem die Integrationszeiten des aktiven Photosensors in Abhängigkeit der Belichtungssituation am Referenzphotosensor eingestellt wird.Furthermore, from the WO 2012/041607 A1 a light runtime camera with a reference photosensor, in which the integration times of the active photosensor is set as a function of the exposure situation on the reference photosensor.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit der Distanzmessungen einer Lichtlaufzeitkamera bzw. eines Lichtlaufzeitsensors zu verbessern.The object of the invention is to improve the reliability of the distance measurements of a light transit time camera or a light transit time sensor.

Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch den erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitsensor nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst.The object is achieved in an advantageous manner by the inventive light transit time sensor according to the preamble of the independent claim.

Erfindungsgemäß ist ein Lichtlaufzeitsensor vorgesehen mit mindestens einem Lichtlaufzeitpixel und mehreren Referenzlichtlaufzeitpixeln für den Empfang eines modulierten Referenzlichts, bei dem mindestens zwei Referenzlichtlaufzeitpixel mit unterschiedlichen Phasenlagen moduliert werden. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Referenzlichtlaufzeitpixel unterschiedliche Ladungsdifferenzen aufweisen und für eine Auswertung beispielsweise ein Referenzlichtlaufzeitsensor mit einer bevorzugten Phasenlage herangezogen werden kann.According to the invention, a light transit time sensor is provided with at least one light transit time pixel and a plurality of reference light travel time pixels for the reception of a modulated reference light in which at least two reference light travel time pixels are modulated with different phase positions. This procedure has the advantage that the reference light propagation time pixels have different charge differences and, for example, a reference light transit time sensor with a preferred phase position can be used for an evaluation.

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, eine für die Referenzlichtlaufzeitpixel gemeinsame Integrationszeit in Abhängigkeit einer elektrischen Größe eines Referenzlichtlaufzeitpixels mit der größten Ladungsdifferenz festgelegt wird. Somit ist es vorteilhaft möglich die Integrationszeit so festzulegen, dass kein Referenzlichtlaufzeitpixel in Sättigung gerät. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.According to the invention, it is provided that an integration time common to the reference light-propagation time pixels is determined as a function of an electrical quantity of a reference light-propagation time pixel having the greatest charge difference. Thus, it is advantageously possible to set the integration time so that no Referenzlichtlaufzeitpixel saturates. The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen schematisch: They show schematically:

1 das Grundprinzip einer Lichtlaufzeitkamera nach dem PMD-Prinzip, 1 the basic principle of a time-of-flight camera based on the PMD principle,

2 eine modulierte Integration der laufzeitverschobenen erzeugten Ladungsträger, 2 a modulated integration of the runtime-shifted generated charge carriers,

3 einen Querschnitt eines PMD-Pixel, 3 a cross-section of a PMD pixel,

4 eine Abhängigkeit der Amplitude und des Distanzfehlers in Abhängigkeit der einfallenden Lichtmenge, 4 a dependence of the amplitude and the distance error as a function of the incident light quantity,

5 Lichtlaufzeitsensor mit einem Referenzpixel, 5 Light transit time sensor with a reference pixel,

6 eine Aufsicht eines Lichtlaufzeitsensors mit einem Referenzpixelarray, 6 a top view of a light transit time sensor with a reference pixel array,

7 ein Referenzpixelarray mit unterschiedlicher Modulationsansteuerung, 7 a reference pixel array with different modulation drive,

8 einen zeitlichen Verlauf einer nicht phasenverschobenen Modulation, 8th a time profile of a non-phase-shifted modulation,

9 einen zeitlichen Verlauf einer phasenverschobenen Modulation, 9 a temporal course of a phase-shifted modulation,

10 zwei Anordnungen von Modulationsgates mit unterschiedlichem Modulationskontrast, 10 two arrangements of modulation gates with different modulation contrast,

11 eine Steuerung des Demodulationskontrastes mit unterschiedlichen Mittenpotentialen, 11 a control of the demodulation contrast with different center potentials,

12 eine Regelung der Beleuchtungsphase, 12 a regulation of the lighting phase,

13 eine Regelung der Phasenlage eines Referenzpixels, 13 a regulation of the phase position of a reference pixel,

14 schematisch ein Beispiel möglicher Regelungsgrößen. 14 schematically an example of possible control variables.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. In the following description of the preferred embodiments, like reference characters designate like or similar components.

1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeit-Kamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist. 1 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a light transit time camera, as for example from the DE 197 04 496 C2 is known.

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. The light transit time camera system 1 comprises a transmitting unit or a lighting module 10 with an illumination light source 12 and associated beam shaping optics 15 as well as a receiving unit or TOF camera 20 with a receiving optics 25 and a light transit time sensor 22 , The light transit time sensor 22 has at least one pixel, but preferably a pixel array, and is designed in particular as a PMD sensor. The receiving optics 25 typically consists of improving the imaging characteristics of multiple optical elements. The beam shaping optics 15 the transmitting unit 10 is preferably formed as a reflector. However, it is also possible to use diffractive elements or combinations of reflective and diffractive elements.

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. The measurement principle of this arrangement is essentially based on the fact that, based on the phase shift of the emitted and received light, the transit time of the emitted and reflected light can be determined. For this purpose, the light source 12 and the light transit time sensor 22 via a modulator 30 acted upon together with a specific modulation frequency or modulation signal with a first phase position a. The light source sends according to the modulation frequency 12 an amplitude modulated signal with the phase a. This signal or the electromagnetic radiation is in the illustrated case of an object 40 reflects and hits due to the distance traveled correspondingly phase-shifted with a second phase position b on the light transit time sensor 22 , In the time of flight sensor 22 becomes the signal of the first phase a of the modulator 30 mixed with the received signal having the second time phase condition b, mixed, wherein the phase shift or the object distance d is determined from the resulting signal.

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. For a more accurate determination of the second phase position b and thus of the object distance d, it may be provided that the phase position a coincides with that of the light transit time sensor 22 is operated to change pre-tuned phase shifts Δφ. Equally effective, it can also be provided to selectively shift the phase with which the lighting is driven.

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. The principle of phase measurement is schematically in 2 shown. The upper curve shows the time course of the modulation signal with the illumination 12 and the light transit time sensor 22 , here without phase shift, be controlled. The object 40 Reflected light b strikes the light transit time sensor out of phase in accordance with its light transit time t _L 22 , The light transit time sensor 22 collects the photonically generated charges q in a first integration node Ga during the first half of the modulation period and in a second integration node Gb in the second half of the period. The charges are typically collected or integrated over several modulation periods. From the ratio of the charges qa, qb collected in the first and second gate Ga, Gb, the phase shift and thus a distance of the object can be determined.

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°) Like from the DE 197 04 496 C2 already known, the phase shift of the light reflected from the object and thus the distance, for example, by a so-called IQ (in-phase quadrature) method can be determined. To determine the distance, two measurements are preferably carried out with phase angles of the modulation signal shifted by 90 °, for example φ _mod + φ ₀ and φ _mod + φ ₉₀ , wherein the charge difference Δq (0 °), Δq (Δq) determined in these phase positions 90 °) the phase shift of the reflected light can be determined via the known arctan relationship. φ = arctan Δq (90 °) / Δq (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°) To improve the accuracy of further measurements can be performed with shifted by 180 °, for example, phase positions. φ = arctan Δq (90 °) - Δq (270 °) / Δ (0 °) - Δq (180 °)

Selbstverständlich sind auch Messungen mit mehr als vier Phasen und deren Vielfachen und einer entsprechend angepassten Auswertung denkbar. Of course, measurements with more than four phases and their multiples and a correspondingly adapted evaluation are conceivable.

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. 3 shows a cross section through a pixel of a photonic mixer as it is for example from the DE 197 04 496 C2 is known. The modulation photogates Gam, G0, Gbm form the light-sensitive area of a PMD pixel. In accordance with the voltage applied to the modulation gates Gam, G0, Gbm, the photonically generated charges q are directed either to one or the other accumulation gate or integration node Ga, Gb.

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. 3b shows a potential curve in which the charges q in the direction of the first integration accounts Ga tapped off, while the potential according to 3c the charge q flows in the direction of the second integration node Gb. The potentials are specified according to the applied modulation signals. Depending on the application, the modulation frequencies are preferably in a range of 1 to 100 MHz. At a modulation frequency of, for example, 1 MHz results in a period of one microsecond, so that the modulation potential accordingly all 500 Nanoseconds changes.

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. In 3a is also a readout unit 400 which may already be part of a CMOS PMD Can be light transit time sensor. The integration nodes Ga, Gb designed as capacitors or diodes integrate the photonically generated charges over a large number of modulation periods. In a known manner, the voltage applied to the gates Ga, Gb, for example via the readout unit 400 be tapped high impedance. The integration times are preferably to be selected such that the light transit time sensor or the integration nodes and / or the light-sensitive areas do not saturate for the expected amount of light.

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. 4 schematically shows the dependence of an electrical quantity of the light transit time sensor or an integration node of the amount of light. The amount of light is determined in a known manner from the luminous flux and the irradiation time. Charge carriers in the photosensitive region of the modulation gates Gam, G0, Gbm are generated proportional to the amount of light and are distributed in phase correlation to the integration nodes Ga, Gb in accordance with the modulation signal. These charges can either be tapped at high impedance from the integration node Ga, Gb as a voltage signal or amplitude or, if appropriate, measured as a current when the integration nodes are discharged. These electrical quantities thus correspond to the phase-correlated luminous flux or the corresponding amount of light.

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. The possible dynamic range of a runtime pixel typically extends over several orders of magnitude. The size of the dynamic range depends essentially on the area of the photosensitive layer of a pixel as well as the capacity of the integration nodes. The integration time for the light transit time sensor or a single pixel is preferably determined so that the sensor does not saturate for the application.

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. However, as the amount of light decreases or as the integration time decreases, the voltage swing at the integration nodes Ga, Gb decreases more and more, among other things due to the decreasing signal-to-noise ratio, an increasing uncertainty in the distance determination, as with the dashed curve of the standard deviation in 4 is shown. The lower limit of the working range of the integration time is therefore to be chosen so that an expected distance error is still within a permissible tolerance or standard deviation, wherein the upper limit should preferably be below saturation.

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. 5 shows a light transit time sensor 22 with several light time pixels 24 and reference time of flight pixels 26 , The reference light-propagation time pixels 26 be over a light channel 265 illuminated with a reference light. The reference light may originate, for example, from a reference light source or directly from the illumination light source 12 preferably via a light guide or the light channel 265 to the reference light time pixels 26 be steered.

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. In 6 is a plan view of a light transit time sensor 22 according to 5 shown. Next to the array of light-time pixels 24 are four reference light-propagation time pixels 26 arranged spatially separated. Via a light guide or light channel 265 becomes part of the illumination light source 12 emitted light on the four reference pixels 26 directed.

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. The decoupling of the optical signals of the illumination light source 12 allows it via the reference runtime pixels 26 to provide a reference for the distance measurement. Starting from signals of the reference light-propagation time pixels 26 Reference values can be determined, on the basis of which, for example, system-related effects influencing the distance measurement can be compensated. In particular, effects in the conversion of electrical into optical signals can be taken into account and compensated, such as, for example, a changing response of the electro-optical converters due to temperature and aging effects. Particularly advantageous are the reference light-propagation time pixels 26 operated with the same modulation signal and integration time, as the remaining light transit time pixels 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. Furthermore, to avoid saturation of the reference light-propagation time pixels 26 be provided, the light coupling or decoupling in the light guide or light channel 265 to affect such that the reference Lichtlaufzeitpixel 26 work in an optimal area.

Insbesondere kann es zur Erhöhung des Dynamikumfangs auch vorgesehen sein, die Referenzpixel an die Beleuchtung in einer geeigneten abgestuften Weise optisch anzukoppeln. In particular, to increase the dynamic range, it may also be provided to optically couple the reference pixels to the illumination in a suitable graduated manner.

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. In a further refinement, it may also or additionally be provided to equip the reference pixels with an automatic integration time control whose integration times may optionally be logged for further evaluation.

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. Furthermore, it is conceivable that the reference pixels 26 with a non-linear characteristic. In particular, logarithmic or sectionally linear characteristics are advantageous, which increase the dynamics of the reference pixel by compression. In particular, it can also be provided that the reference pixels have different dynamics and / or characteristic curves.

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. In a further embodiment, a saturation of the reference pixels 26 also by it be avoided that the photocurrent of the reference pixels is read several times. In a multiple "Ausspiegelung" of the photocurrent, various designs are conceivable: firstly, the photocurrents can be reflected with different ratios, on the other hand, the capacities for the integration of the mirrored photocurrents can assume different values. Mixed forms of the two approaches are possible.

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. 7 shows an arrangement of reference pixels 26 , which are modulated with different phase angles Δφ. Preferably, the modulation phases are shifted by, for example, 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °. Of course, other gradations are conceivable and in particular can also with a larger number of reference pixels 26 smaller phase gaps may be provided to more finely cover the full 360 ° range of possible phase shifts.

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. This procedure is described in detail in the 8th and 9 explained. In the situation according to 8th a reference _{pixel is} operated with an unshifted modulation phase φ _mod . For simplicity, let us assume that the illumination light source 12 follows the modulation signal without phase shift, so that φ _mod = φ _Bel applies. In this case, at the reference pixel 26 all charge carriers are collected at the first integration node Ga or A-channel. Preferably, the integration times and / or the illuminance are chosen so that the pixel does not saturate in this phase position.

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 order to further increase the integration latitude of a pixel, it is preferable to shift the phase position modulation for the pixel. In the present case, a shift of the phase position of the reference pixel modulation by 90 °, as in 9 shown as particularly favorable. The illumination is still operated with the phase angle of the modulation frequency φ _mod = φ _Bel , while the reference pixel with φ _mod + Δφ _{90 is} operated. The charges divide so evenly on both integration nodes Ga, Gb or A and B channel, so that doubles as a result, the maximum possible integration stroke of the pixel. In principle, a phase position can always be found which optimally utilizes the integration capacities of the reference pixel.

Die verschiedenen Phasenlagen der Referenzpixel können dazu benutzt werden, die Phasenlage des rückgekoppelten Lichts bzw. Referenzlichts genau zu bestimmen. D.h. sowohl Amplitude als auch Phasenlage des die Szene moduliert beleuchtenden Lichts können bei jedem einzelnen Phasenbild ermittelt werden. Zusätzlich können ggf. auch weitere Informationen wie etwa der Anteil des unmodulierten Lichts des eigenen Senders bzw. der Beleuchtung oder die Korrelationsfunktion bildindividuell bestimmt werden. The different phase angles of the reference pixels can be used to precisely determine the phase position of the fed-back light or reference light. That both amplitude and phase of the light modulating the scene modulated light can be determined at each individual phase image. In addition, if necessary, further information, such as the proportion of the unmodulated light of the own transmitter or the illumination or the correlation function can be determined image-individually.

In einer weiteren Ausgestaltung ist es denkbar, die unterschiedlichen Phasenlagen durch unterschiedliche Lichtlaufzeiten des von der Beleuchtungslichtquelle oder den Beleuchtungslichtquellen ausgekoppelten Licht zu realisieren. Beispielsweise könnte bei einer Modulationsfrequenz von 30 MHz ein Teil des Lichts über eine Strecke X zurückgeführt werden, ein weiter Teil über eine Strecke X + 2,5 m. Die 2,5 m entsprechen einer Phasenverschiebung von 90° ausgehend von der Wellenlänge der Modulationsfrequenz mit 10 m bei 30 MHz. Wird diese Wegstrecke nicht in Luft realisiert ist ggf. noch der Brechungsindex des Lichtleiters zu berücksichtigen. Die verschiedenen Modulationslagen können somit durch unterschiedlich lange Wegstrecken bzw. Lichtleiterlängen realisiert werden. Beispielsweise für die Phasenwinkel 0°, 90°, 180° und 270° im genannten Beispiel mit Weglängen = X + k·2,5 m mit k = 0...3. In a further embodiment, it is conceivable to realize the different phase positions by different light propagation times of the light coupled out from the illumination light source or the illumination light sources. For example, at a modulation frequency of 30 MHz, a portion of the light could be recirculated over a distance X, a further portion over a distance X + 2.5 m. The 2.5 m correspond to a phase shift of 90 ° from the wavelength of the modulation frequency with 10 m at 30 MHz. If this distance is not realized in air, the refractive index of the light guide may need to be considered. The different modulation layers can thus be realized by different lengths of travel or optical fiber lengths. For example, for the phase angles 0 °, 90 °, 180 ° and 270 ° in the example mentioned with path lengths = X + k × 2.5 m with k = 0... 3.

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 a further embodiment, an automatic integration time control can also be adaptively configured in such a way that the integration time of all reference pixels is determined by the reference pixel with the largest difference between the A and B channels, Δq = | qa-qb | is determined, in such a way that this reference pixel is currently not saturated.

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 a further embodiment, it may also be provided that the reference pixels have different demodulation contrasts, i. that the separation between A- and B-channel is different pronounced.

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 10b) 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. In the 10a) and b) two modulation gate structures are shown, which have different demodulation contrasts due to their geometries. 10a) shows a structure in which the mean modulation gate G _{0 is formed} in the dimensions much larger than the two lateral modulation gates Gam, Gbm, while in 10b) the middle gate G _{0 is formed} significantly smaller. Because of the small distance between the lateral modulation gates Gam, Gbm existing in the second example 10b), charge carriers also diffuse to the respective other modulation gate Gam, Gbm, for example by thermal diffusion, and form a high DC component at the integration nodes Ga, Gb on charge carriers and reduce the useful signal; the demodulation contrast is thus low.

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. By this procedure, the dynamic range of the pixel can be extended by, for example, by a so-called background light suppression (SBI), the DC component is actively compensated in the integration node Ga, Gb. so compensated can be exploited by the useful signal a larger integration stroke.

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. In the first case according to 10a) is the diffusion distance between the two lateral modulation gates Gam, Gbm larger, so that the diffusion-related DC component fails lower and thus improves the useful signal and the demodulation contrast is increased.

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. By reducing the diffusion-related DC component, the existing integration capacity of the pixel can thus be utilized to the maximum extent by the useful signal. The sensitivity of the pixels does not change due to the variation of the demodulation contrasts. Since the modulation contrast for a respective gate structure also depends on the modulation frequency, the gate structure should preferably be adapted to the preferred modulation frequencies.

Selbstverständlich sind auch Varianten denkbar, bei denen auf das mittlere Modulationsgate G₀ verzichtet werden kann. Of course, variants are also conceivable in which the middle modulation gate G ₀ can be dispensed with.

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. In addition, the demodulation contrast can also be influenced by a suitable choice of the voltage applied to the modulation gates. If the voltage applied to the lateral modulation gates Ga, Gb differs only slightly, the useful signal decreases sharply relative to the direct component of the diffused charge carriers and thus also the demodulation contrast.

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. Furthermore, the demodulation contrast can also be applied via the DC voltage applied to the middle modulation gate G ₀ , such as the 11a) to c). This voltage is preferably between the maximum or minimum voltage applied to the lateral modulation gates. Preferably, this voltage is in the middle of these maxima and minima. The change in this voltage situation also influences the demodulation contrast. Typically, the modulation contrast decreases when the voltage applied to the middle modulation gate G ₀ outside the voltage in 10a) shown middle position lies.

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. Of course, the above-mentioned procedures for setting a demodulation contrast can be combined. The dynamic adaptation of the reference pixels is thus not effected by a change in a photosensitivity, but by a deliberate change in the demodulation contrast. In the case of an adjustable modulation contrast, it is also conceivable to implement a demodulation contrast control.

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. Furthermore, as already indicated, implementations can also be implemented in which the modulation or integration of the charge carriers is stopped as a function of the integrated light or other variables. In particular, the reference pixels 26 also be equipped with a supression of background illumination (SBI), as for example from the DE 10 2005 056 774 A1 is known.

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 a further refinement, it is provided that the integration nodes Ga, Gb and / or their integration capacitances be configured variably so as to enable a configurable conversion efficiency of charge carriers into a voltage signal. In order to adapt the conversion efficiency or conversion capacity, preferably in a homogeneous as possible Referenzpixelarray, the conversion capacities of several pixels can be summarized without the photosensitive diodes or areas of the pixels summarize. The variation of the conversion capacities is therefore not equivalent to a so-called "binning".

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. In a further embodiment according to 12 it is provided the phase of the lighting 12 to monitor and regulate, for example, to compensate for thermally induced shifts in the phase position. In the example shown captures a reference pixel 26 or a corresponding array a part of the illumination source 12 emitted light and passes a phase signal to a phase control / PLL 80 Next, the phase of the lighting 12 to a setpoint. The setpoint is preferably by the modulator 30 specify over the also the light transit time pixels 24 be controlled. Advantageously, the modulator 30 or the phase control 80 Outputs with different phase angles Δφ, for the distance measurements, for example via a multiplexer 85 on the light transit time pixels 24 can be switched.

Dieses Vorgehen gewährleistet, dass die Phase des von der Beleuchtung 12 emittierten Lichts phasenstarr zur Modulationsphasenlage der Lichtlaufzeitpixel 24 bleibt. This procedure ensures that the phase of the lighting 12 emitted light phase locked to the modulation phase position of the light transit time pixels 24 remains.

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. In the example shown, the phase position of the light source 12 from a reference pixel 26 , designed as a PMD sensor, detected. In one possible embodiment, it may be provided to use a differential signal, for example a voltage difference U (Δq) applied to the integration node Ga, Gb, as the controlled variable for phase control. A change in the phase can be readjusted in accordance with the voltage difference U (Δq) which changes in an analog manner or a deviation from a nominal voltage.

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. To detect the phase of the light source 12 are also other optical transducers, in particular photodiodes, preferably fast PIN diodes, conceivable. The control then takes place according to the present signals.

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 a further embodiment, in which the light transit time camera and illumination are arranged in separate modules, it can be provided to integrate the optical converter, in particular a photodiode, which serves as a reference, in the illumination module. The signal detected by the photodiode becomes electrically the receiving module 20 transmitted and the phase of the lighting can then be determined for example via an electrical mixer.

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 a further embodiment, in the lighting module 20 a control can be integrated, which controls the detected by a photodiode optical signal to the electrical control signal of the lighting module. This procedure allows a feedback of the optical signal to the lighting unit. The optical signal of the illumination unit is detected, for example, by means of a photodiode and a phase control PLL regulates the phase position of the optical signal to the electrical control signal. If necessary, this phase control can be extended by a control of the duty cycle or other characteristics, such as the rise and fall times of the signals.

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. In a further embodiment according to 13 is not the phase of lighting regulated, but the phase of the at least one reference pixel 26 tracked. For the tracking of the phase position, it may be provided, for example, to regulate the voltage difference U (Δq) applied to the integration nodes Ga, Gb to a predetermined, preferably maximum, voltage value.

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. Also the light transit time sensor 24 is operated with the phase-tracking modulation signal, so that as a result the light source 12 , the reference pixels 26 and the light transit time sensor 24 phase-locked are coupled together. For the distance measurements, further phase shifts can be generated by the tracking modulation signal and, for example, via a multiplexer 85 be made available to the light transit time sensor.

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. One possible regulation of the phase position is in 14 shown. A reference pixel 26 detects one from the light source 12 emitted light and outputs as a controlled variable a voltage difference U (.DELTA.q) of the integration node Ga, Gb, which is compared with a maximum voltage difference U (.DELTA.q) max. For regulation, the controller acts 80 on the modulator 30 and shifts the output phase φ _mod + φ _r until the control difference becomes minimum. The output phase also becomes the operation of the light transit time sensor 24 used.

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. In a further implementation form, the suitable integration-time-independent stepped conversion of the received signal with identical reference pixels or even different reference pixels of a reference pixel array into an electrical signal is realized via the targeted reduction of the optical signal within the optical connection outside the actual pixel. This can be done for example via a gray wedge or aperture in the optical connection. The positioning of the diaphragms can take place anywhere in the optical path, but preferably takes place directly in front of the reference pixel. In extreme cases, the dimming can be done by a targeted Füllfaktorreduzierung the individual pixel using one or more existing opaque layer (preferably metal layer), or paints or other layers to be applied.

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. Alternatively, the reduction of radiation can also be achieved by utilizing geometry, i. different paths through a medium with constant or location-dependent attenuation in the case of lateral irradiation or use of the angle-dependent reduction of the signal power Lambertian or other type of radiator done.

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. Further possibilities to selectively reduce the irradiation intensity can be carried out by means of rigid polarization filters, liquid crystals (also dynamic in operation), micro channel plate (MCP), various absorbers, u.v.a.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Sendeeinheit transmission unit
1212: Beleuchtungslichtquelle Illumination light source
1515: Strahlformungsoptik Beam shaping optics
2020: Empfangseinheit, TOF-Kamera Receiving unit, TOF camera
2222: Lichtlaufzeitsensor Transit Time Sensor
2424: Lichtlaufzeitpixel Transit Time pixels
2626: Referenzlichtlaufzeitpixel Reference light runtime pixels
265265: Lichtkanal Lichtkanal
2525: Empfangsoptik receiving optics
3030: Modulator modulator
4040: Objekt object
8080: Phasenregelung phase control
8585: Multiplexer multiplexer
400400: Ausleseeinheit readout unit
500500: Bauelementeträger component support
Gam, G0, GbmGam, G0, Gbm: Modulationsphotogate Modulation photogate
Ga, GbGa, Gb: Integrationsknoten integration node
qq: Ladungen charges
qa, qbqa, qb: Ladungen am Integrationsknoten Ga, Gb Charges at the integration node Ga, Gb

Claims

Light transit time sensor ( 22 ) with at least one light-time pixel ( 24 ) and a plurality of reference light time pixels ( 26 ) for the reception of a modulated reference light, characterized in that at least two reference light-propagation time pixels ( 26 ) are modulated with different phase angles and that one for the reference light-propagation time pixels ( 26 ) common integration time as a function of an electrical variable of a reference light-propagation time pixel ( 26 ) with the largest charge difference (Δq).