DE102015202501B4 - time-of-flight sensor - Google Patents
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-
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Abstract
Lichtlaufzeitsensor (22) mit mehreren Lichtlaufzeitpixel (23), die in einem Pixelarray angeordnet sind,wobei die Lichtlaufzeitpixel (23) in einem lichtempfindlichen Bereich Modulationsgates (Garn, Gbm) zur elektrischen Modulation dieses Bereiches aufweisen,dadurch gekennzeichnet,dass innerhalb des Pixelarrays eine Vielzahl von Modulationstreiber (38) zur Bereitstellung von Modulationssignalen (ModA, ModB) für die Modulationsgates (Garn, Gbm) angeordnet sind, dass Takt- und Potenzialleitungen vorgesehen sind, die ein Taktsignals (CLK) sowie zwei Modulations-Gleichspannungen (VmodH, VmodL) an die Modulationstreiber (38) im Pixelarray heranführen.Time-of-flight sensor (22) with a plurality of light-time-of-flight pixels (23), which are arranged in a pixel array, the light-time-of-flight pixels (23) in a light-sensitive area having modulation gates (yarn, Gbm) for electrical modulation of this area, characterized in that within the pixel array a plurality of modulation drivers (38) for providing modulation signals (ModA, ModB) for the modulation gates (Garn, Gbm) are arranged, that clock and potential lines are provided, a clock signal (CLK) and two modulation DC voltages (VmodH, VmodL). introduce the modulation driver (38) in the pixel array.
Description
Die Erfindung betrifft einen Lichtlaufzeitsensor und eine Lichtlaufzeitkamera nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a time-of-flight sensor and a time-of-flight camera according to the species of the independent claims.
Mit Lichtlaufzeitsensor bzw. Lichtlaufzeitkamera sollen Systeme umfasst sein, die Entfernungen 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
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, die Entfernungsmessung eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu verbessern.The object of the invention is to improve the distance measurement of a time-of-flight camera system.
Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Lichtlaufzeitpixel (23), die in einem Pixelarray angeordnet sind vorgesehen,
bei dem die Lichtlaufzeitpixel in einem lichtempfindlichen Bereich Modulationsgates zur elektrischen Modulation dieses Bereiches aufweisen, wobei innerhalb des Pixelarrays eine Vielzahl von Modulationstreiber zur Bereitstellung von Modulationssignalen für die Modulationsgates angeordnet sind. Über Takt- und Potenzialleitungen werden die für die Erzeugung der Modulationssignale notwendigen Eingangssignale, nämlich ein Taktsignal (CLK) sowie zwei Modulations-Gleichspannungen (VmodH, VmodL) an die Modulationstreiber (38) im Pixelarray herangeführt.A time-of-flight sensor with a plurality of light-time-of-flight pixels (23) arranged in a pixel array is advantageously provided,
in which the light propagation time pixels in a light-sensitive area have modulation gates for electrical modulation of this area, a large number of modulation drivers for providing modulation signals for the modulation gates being arranged within the pixel array. The input signals required for generating the modulation signals, namely a clock signal (CLK) and two modulation DC voltages (VmodH, VmodL) are fed to the modulation driver (38) in the pixel array via clock and potential lines.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die kapazitive Last welche die erfindungsgemäßen Signalleitungen treiben muss deutlich geringer ist als die Last üblicher Modulationssignalleitungen. Dies erlaubt ein neuartiges Design des Lichtlaufzeitsensors mit beispielsweise enger verbauten und/oder schmaleren Signalleitungen. Dies reduziert einerseits den Platzbedarf und andererseits auch die Eigenkapazität dieser Leitungen und somit auch kapazitiven Einflüsse auf das hochfrequent zu übertragende Signal.This procedure has the advantage that the capacitive load which has to drive the signal lines according to the invention is significantly lower than the load of conventional modulation signal lines. This allows a novel design of the time-of-flight sensor with, for example, narrower and/or narrower signal lines. On the one hand, this reduces the space requirement and, on the other hand, also the intrinsic capacitance of these lines and thus also capacitive influences on the signal to be transmitted at high frequency.
Ein derartiges Vorgehen hat zudem den Vorteil, dass die Struktur und der Aufbau der Signalleitungen ohne größere Anpassungen auf unterschiedlich große Pixelmatrizen angepasst bzw. skaliert werden kann. Übliche Modulationsdatenleitungen können nicht in dieser einfachen Art skaliert werden, da sich insbesondere bei sehr großen Pixel das Signal über eine Spalten- oder Zeilenlänge u.a. aufgrund von lastbedingten Leitungsverlusten stark verändert und dem gegenwirkende Vorkehrungen getroffen werden müssen.Such a procedure also has the advantage that the structure and construction of the signal lines can be adapted or scaled to pixel matrices of different sizes without major adaptations. Conventional modulation data lines cannot be scaled in this simple way, since the signal changes greatly over a column or line length, particularly in the case of very large pixels, due to line losses caused by load, and counteracting precautions must be taken.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen schematisch:
-
1 ein Lichtlaufzeitkamerasystem, -
2 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger, -
3 eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung eines Lichtlaufzeitpixels, -
4 ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitpixel, -
5 unterschiedliche Spannungsversorgungen der Lichtlaufzeitpixel, -
6 eine einfache Treiberschaltung, -
7 eine Treiberschaltung mit Buffer, -
8 eine Treiberschaltung mit einer Frequenzverdopplung, -
9 eine Treiberschaltung mit einem Takteingang.
-
1 a time-of-flight camera system, -
2 a modulated integration of generated charge carriers, -
3 an arrangement of a time-of-flight pixel known from the prior art, -
4 a time-of-flight pixel according to the invention, -
5 different voltage supplies for the light runtime pixels, -
6 a simple driver circuit, -
7 a driver circuit with buffer, -
8th a driver circuit with a frequency doubling, -
9 a driver circuit with a clock input.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, the same reference symbols designate the same or comparable components.
Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.The time-of-flight camera system 1 comprises a transmission unit or an
Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist ein Array aus mehreren Lichtlaufzeitpixel 23 auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.The time-of-
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal Mo mit einer Basisphasenlage φ0 beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals M0 der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.The measuring principle of this arrangement is essentially based on the fact that the propagation time and thus the distance covered by the received light can be determined based on the phase shift of the emitted and received light. For this purpose, the
Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + Δφ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal Mo mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.According to the set modulation signal, the
Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.Infrared light-emitting diodes are preferably suitable as the illumination source or
Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in
Zur phasensynchronen Aufteilung der Ladungen auf die ersten und zweiten Integrationsknoten Ga, Gb bzw. in den A- und B-Kanal sind im lichtempfindlichen Bereich des Lichtlaufzeitpixels wenigstens zwei Modulationsgates Gam, Gbm angeordnet, die im Gegentakt betrieben werden. Das erste Modulationsgate Garn wird beispielsweise mit einem Modulationssignal ModA eines so genannten A-Kanals und das zweite Modulationsgate Gbm mit einem im Gegentakt laufenden, also um 180° verschobenen, Modulationssignal ModB eines B-Kanals verbunden.At least two modulation gates Gam, Gbm, which are operated in push-pull, are arranged in the light-sensitive area of the light transit time pixel for the phase-synchronous distribution of the charges to the first and second integration nodes Ga, Gb or in the A and B channels. The first modulation gate Yarn is connected, for example, to a modulation signal ModA of a so-called A-channel and the second modulation gate Gbm to a modulation signal ModB of a B-channel running in push-pull, ie shifted by 180°.
Erfindungsgemäß ist es, wie in
Das erfindungsgemäße Vorgehen hat unter anderem den Vorteil, dass die Signalzuführung platzsparender durchgeführt werden kann. In der üblichen Ausgestaltung gemäß
In der erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird hingegen nicht das treibende Modulationssignal ModA, ModB an die Pixel 23 herangeführt, sondern die High- und Low-Gleichspannungen VmodL, VmodH. Da diese Leitungen keine Wechselspannung führen ist die Anordnung unkritisch. Es ist sogar von Vorteil, diese Leitungen möglichst nah beieinander zu führen, um eine möglichst hohe Kapazität zwischen den Leitungen zu bilden. Diese intrinsische Kapazität ist insbesondere als Blockkapazität nützlich, welche die High- und Low-Gleichspannungen stabilisiert.In the embodiment according to the invention, however, it is not the driving modulation signal ModA, ModB that is fed to the
Auch ist es denkbar, die Treiberschaltungen gemäß
Des Weiteren ist es auch möglich, die Treiberschaltung im Pixelarray mit mehreren Pixeln zu teilen. Insbesondere ist es von Vorteil, die Treiberschaltung mit benachbarten Pixeln zu teilen. Beispielsweise kann die Treiberschaltung zwei bis vier Pixel in unmittelbarer Umgebung mit einem Modulationssignal versorgen.Furthermore, it is also possible to share the driving circuit in the pixel array with multiple pixels. In particular, it is advantageous to share driver circuitry with neighboring pixels. For example, the driver circuit can supply two to four pixels in the immediate vicinity with a modulation signal.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Lichtlaufzeitkamerasystemtime-of-flight camera system
- 1010
- Beleuchtungsmodullighting module
- 1212
- Beleuchtunglighting
- 2020
- Empfänger, LichtlaufzeitkameraReceiver, time-of-flight camera
- 2222
- Lichtlaufzeitsensortime-of-flight sensor
- 2323
- Lichtlaufzeitpixeltime-of-flight pixels
- 3030
- Modulatormodulator
- 3535
- Phasenschieber, BeleuchtungsphasenschieberPhase shifter, lighting phase shifter
- φ, Δφ(tL)φ, Δφ(tL)
- laufzeitbedingte Phasenverschiebungruntime-related phase shift
- φvarφvar
- Phasenlagephasing
- φ0φ0
- Basisphasebase phase
- M0M0
- Modulationssignalmodulation signal
- p1p1
- erste Phasefirst phase
- p2p2
- zweite Phasesecond phase
- Sp1Sp1
- Sendesignal mit erster PhaseTransmission signal with first phase
- Sp2Sp2
- Empfangssignal mit zweiter PhaseReceive signal with second phase
- di.e
- Objektdistanzobject distance
- VmodHVmodH
- High-GleichspannungHigh DC voltage
- VmodLVmodL
- Low-Gleichpannunglow DC voltage
- Ga, Gbga, gb
- Modulationsgatesmodulation gates
- ModAModA
- Modualtionssignal A-KanalModulation signal A channel
- ModBModB
- Modualtionssingal B-KanalModulation signal B-channel
- CLKCLK
- Taktsignalclock signal
- CLKNCLKN
- inverses Taktsignalinverse clock signal
Claims (9)
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- 2015-02-12 DE DE102015202501.2A patent/DE102015202501B4/en active Active
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