DE102015204124A1

DE102015204124A1 - Decoupling element for a light guide for guiding light on a light transit time sensor

Info

Publication number: DE102015204124A1
Application number: DE102015204124.7A
Authority: DE
Inventors: Jan Kubisch; Björn Biehler
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2014-05-02
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2015-11-05

Abstract

Auskoppelelement (200) für einen Lichtleiter (260) zur Lichtführung an einem Lichtlaufzeitsensor (22), mit einem Einkopplungsbereich (210), der zur Aufnahme des Lichtleiters (260) ausgebildet ist und mit einem Auskopplungsbereich (220), der zur Beleuchtung mehrerer Lichtlaufzeitpixel (25, 26) des Lichtlaufzeitsensors (22) ausgebildet ist, wobei der Einkopplungsbereich (210) an einem seitlichen Ende des Auskopplungsbereichs (220) mündet, und der Auskopplungsbereich (220) derart ausgebildet ist, dass ein eingekoppeltes Licht über die Längserstreckung des Auskopplungsbereichs mit unterschiedlichen Lichtintensitäten ausgekoppelt wird.A coupling element (200) for a light guide (260) for guiding light on a light transit time sensor (22), having a coupling-in region (210) which is designed to receive the light guide (260) and having a coupling-out region (220) which is used to illuminate a plurality of light-propagation time pixels ( 25, 26) of the light transit time sensor (22), wherein the coupling-in region (210) opens at a lateral end of the coupling-out region (220), and the coupling-out region (220) is designed such that a coupled-in light differs over the longitudinal extent of the coupling-out region Light intensity is coupled out.

Description

Die Erfindung betrifft ein Auskopplungselement für einen Lichtleiter zur Lichtführung an einem Lichtlaufzeitsensor nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to a coupling element for a light guide for guiding light on a light transit time sensor according to the preamble of the independent claim.

Der Lichtlaufzeitsensor betrifft 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'.The light transit time sensor relates in particular to 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 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'.

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 die erfindungsgemäße Auskoppelstruktur nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst.The object is achieved in an advantageous manner by the decoupling structure according to the invention according to the preamble of the independent claim.

Vorteilhaft ist ein Auskoppelelement für einen Lichtleiter zur Lichtführung an einem Lichtlaufzeitsensor vorgesehen, bei dem ein Einkopplungsbereich zur Aufnahme des Lichtleiters und ein Auskopplungsbereich zur Beleuchtung mehrerer Lichtlaufzeitpixel des Lichtlaufzeitsensors ausgebildet ist, wobei der Einkopplungsbereich an einem seitlichen Ende des Auskopplungsbereichs mündet, und der Auskopplungsbereich derart ausgebildet ist, dass ein eingekoppeltes Licht über die Längserstreckung des Auskopplungsbereichs mit unterschiedlichen Lichtintensitäten ausgekoppelt wird.Advantageously, a decoupling element for a light guide for guiding light on a light transit time sensor is provided in which a Einkopplungsbereich for receiving the light guide and a decoupling region for illuminating a plurality of Lichtlaufzeitpixel the light transit time sensor is formed, wherein the Einkopplungsbereich opens at a lateral end of the Auskopplungsbereichs, and the Auskopplungsbereich formed is that a coupled-in light over the longitudinal extent of the coupling-out region with different light intensities is coupled out.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, das die von dem Auskoppelelement beleuchteten Lichtlaufzeitpixel als Referenzlichtlaufzeitpixel herangezogen werden können, mit dem besonderen Vorteil, dass die Referenzlichtlaufzeitpixel mit unterschiedlichen Lichtintensitäten beleuchtet werden, so dass immer ein Referenzlichtlaufzeitpixel unabhängig von der Beleuchtungsintensität oder vorliegenden Integrationszeit aufgefunden werden kann, das ein verwertbares Referenzsignal zur Verfügung stellen kann.This approach has the advantage that the light propagation time pixels illuminated by the decoupling element can be used as reference light-propagation time pixels, with the particular advantage that the reference light-propagation time pixels are illuminated with different light intensities, so that a reference light-propagation time pixel can always be found independently of the illumination intensity or present integration time can provide a usable reference signal.

Bevorzugt ist der Auskopplungsbereich zur Erzeugung eines Intensitätsgradienten über die Längserstreckung als Vollmaterial oder als Hohlraum ausgebildet ist, wobei das Vollmaterial oder eine Innenseite des Hohlraums Partikel und/oder Strukturen aufweist, die Licht streuen und/oder absorbieren.Preferably, the outcoupling region for generating an intensity gradient over the longitudinal extent is formed as a solid material or as a cavity, wherein the solid material or an inner side of the cavity has particles and / or structures which scatter and / or absorb light.

Zudem ist das Auskoppelelement derart ausgebildet ist, dass kein Fremdlicht in das Auskoppelelement eindringen und kein eingekoppeltes Licht außerhalb der vorgesehen Austrittsbereiche austreten kann.In addition, the decoupling element is designed such that no extraneous light can penetrate into the decoupling element and no coupled-in light can escape outside the provided exit regions.

Bevorzugt ist das Auskoppelelement in den Bereichen in denen kein eingekoppeltes Licht geführt wird lichtundurchlässig ausgebildet.Preferably, the decoupling element in the areas in which no injected light is guided is made opaque.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. 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 von der einfallenden Lichtmenge, 4 a dependence of the amplitude and the distance error on the amount of incident light,

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 eine Übersicht des erfindungsgemäßen Anordnung, 7 an overview of the arrangement according to the invention,

8 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Auskoppelbereich in Vollmaterial, 8th an arrangement according to the invention with a decoupling area in solid material,

9 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem als Hohlraum ausgeführten Auskoppelbereich. 9 an inventive arrangement with a decoupling region designed as a cavity.

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 Δφ 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 Δq(0°), Δq(90°) die Phasenverschiebung des reflektierten Lichts über die bekannte arctan-Beziehung ermittelt werden kann. φ = arctan Δq(90°) / Δq(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 (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 Δ(90°) – Δq(270°) / Δq(0°)Δq(180°) To improve the accuracy of further measurements can be performed with shifted by 180 °, for example, phase positions. φ = arctan Δ (90 °) - Δq (270 °) / Δq (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 changes accordingly every 500 nanoseconds.

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 Furthermore, a readout unit 400 is shown, which may possibly already be part of a CMOS PMD 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 can be tapped, for example, via the readout unit 400 with high resistance. 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 einen Lichtlaufzeitsensor 22 mit mehreren Lichtlaufzeitpixeln 24 und Referenz-Lichtlaufzeitpixeln 26. Die Referenzlichtlaufzeitpixel 26 werden über einen Lichtkanal 260 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 260 auf die Referenzlichtlaufzeitpixel 26 gelenkt werden. Vorzugsweise sind die Referenzlichtlaufzeitpixel 26 im Aufbau und Funktion identisch mit den Lichtlaufzeitpixeln 24 des übrigen Sensors 22 und werden vorzugsweise identisch angesteuert. Im dargestellten Fall werden die Referenzlichtlaufzeitpixel 26 räumlich von den übrigen Lichtlaufzeitpixeln 24 abgesetzt, indem zwei Lichtlaufzeitpixelreihen mit einer lichtundurchlässigen Maskierung 28 abgedeckt 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 260 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 260 to the reference light time pixels 26 be steered. Preferably, the reference light propagation time pixels are 26 in structure and function identical to the light time pixels 24 of the remaining sensor 22 and are preferably controlled identically. In the illustrated case, the reference light-propagation time pixels become 26 spatially from the remaining light-time pixels 24 discontinued by adding two light transit time pixel rows with an opaque mask 28 be covered.

Eine solche Maskierung 28 hat mehrere Vorteile. Zum einen wird durch die räumlich Absetzung ein Übersprechen des über den Lichtleiter 260 herangeführten Referenzlichts auf die aktiven Lichtlaufzeitpixel 24 verhindert, zum anderen können über die maskierten Pixel 25 auch Dunkelmessung als weitere Referenz durchgeführt werden.Such masking 28 has several advantages. On the one hand, the spatial offset causes crosstalk across the optical fiber 260 brought reference light on the active light transit time pixels 24 prevents, on the other hand, over the masked pixels 25 dark measurement can also be performed as a further reference.

Selbstverständlich sind auch Anordnungen denkbar, in denen auf maskierte Pixel 25 verzichtet wird und die Referenzlichtlaufzeitpixel 26 räumlich versetzt von dem Pixelarray der Lichtlaufzeitpixel 24 angeordnet sind.Of course, arrangements are also conceivable in which masked pixels 25 is omitted and the reference Lichtlaufzeitpixel 26 spatially offset from the pixel array of the light transit time pixels 24 are arranged.

Auch ist es denkbar, zusätzlich oder alternativ zu den oben genannten Überlegungen, die Messergebnisse der Lichtlaufzeitpixel 24, die durch den Lichteintrag an den Referenzlichtlaufzeitpixel 26 beeinträchtigt werden, zu verwerfen.It is also conceivable, in addition or as an alternative to the above-mentioned considerations, the measurement results of the light transit time pixels 24 caused by the light input at the reference light-propagation time pixel 26 be discouraged.

In 6 ist eine Aufsicht auf einen Lichtlaufzeitsensor 22 gemäß 5 gezeigt. Neben dem Array der Lichtlaufzeitpixel 24 ist eine Zeile mit mehreren Referenzlichtlaufzeitpixel 26 räumlich abgesetzt angeordnet. Über einen Lichtleiter bzw. Lichtkanal 260 wird ein Teil des von der Beleuchtungslichtquelle 12 emittierten Lichts auf die Referenzpixel 260 gelenkt. Je nach Anwendung und Bedarf können ggf. auch mehrere Zeilen mit Referenzlichtlaufzeitpixel 26 vorgesehen sein.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 is a line with multiple reference light-time pixels 26 arranged spatially separated. Via a light guide or light channel 260 becomes part of the illumination light source 12 emitted light on the reference pixels 260 directed. Depending on the application and need, you may also have several lines with reference light-time pixels 26 be provided.

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 vorzugsweise mit denselben Modulationssignalen und Integrationszeiten 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 preferably operated with the same modulation signals and integration times 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 260 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 260 to affect such that the reference Lichtlaufzeitpixel 26 work in an optimal area.

Mit dem erfindungsgemäße Auskoppelelement ist es nun vorgesehen, die Referenzlichtlaufzeitpixel 26 mit unterschiedlichen Lichtintensitäten zu beaufschlagen, so dass beispielsweise unabhängig von den am Sensor 22 verwendeten Integrationszeiten, mindestens ein Referenzlichtlaufzeitpixel 26 in einem bevorzugten Arbeitsbereich arbeitet.With the decoupling element according to the invention, it is now provided, the reference Lichtlaufzeitpixel 26 To apply different light intensities, so that, for example, regardless of the sensor 22 used integration times, at least one reference Lichtlaufzeitpixel 26 works in a preferred workspace.

In 7 ist exemplarisch eine mögliche Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Auskoppelelement 200 gezeigt. Auf einem Bauelementeträger 500 sind mehrere Bauelemente 510 und ein Lichtlaufzeitsensor 22 mit einem Lichtlaufzeitpixelbereich 24 und einem Referenzlichtlaufzeitpixelbereich 26 angeordnet. Zum mechanischen Schutz des Lichtlaufzeitsensors 22 ist zudem ein Abdeckglas 310 vorgesehen, das im eingebauten Zustand auf einen Rahmen 300 oberhalb des Sensors 22 angebracht ist. Der Rahmen weist an einer Seite eine Vertiefung zur Aufnahme des Auskoppelements 200 auf.In 7 is an example of a possible arrangement with a decoupling element according to the invention 200 shown. On a component carrier 500 are several components 510 and a light transit time sensor 22 with a time of flight pixel area 24 and a reference light-time-pixel region 26 arranged. For mechanical protection of the light transit time sensor 22 is also a cover glass 310 provided in the installed state on a frame 300 above the sensor 22 is appropriate. The frame has on one side a recess for receiving the Auskoppelements 200 on.

In 8 ist die Anordnung gemäß 7 im montierten Zustand im Querschnitt entlang der Linie X-X‘ gezeigt. Der Sensor 22 befindet sich innerhalb es Rahmens 300 und wird von dem oberhalb angebrachten Abdeckglas 310 geschützt. Das Auskoppelelement 200 ist zwischen Rahmen 200 und dem Abdeckglas 310 innerhalb der Vertiefung des Rahmens 300 angeordnet. Das Auskoppelelement 300 weist eine zur Vertiefung des Rahmens 300 korrespondierende Nut auf, wobei Vertiefung und Nut so aufeinander abgestimmt sind, dass das Auskoppelelement 200 lateral fixiert ist. Eine vertikale Fixierung wird über den Anpressdruck des aufliegenden Abdeckglases 310 erreicht.In 8th is the arrangement according to 7 in the assembled state in cross section along the line XX 'shown. The sensor 22 is inside the frame 300 and is from the top cover glass 310 protected. The decoupling element 200 is between frames 200 and the cover glass 310 within the recess of the frame 300 arranged. The decoupling element 300 has a recess for the frame 300 corresponding groove, wherein depression and groove are coordinated so that the coupling element 200 is fixed laterally. A vertical fixation is about the contact pressure of the overlying cover glass 310 reached.

Rahmen 300 und Abdeckglas 310 sind vorzugsweise miteinander verklebt, jedoch sind auch Klemmverbindungen denkbar. Der Rahmen wiederum ist mit dem hier nicht gezeigten Bauelementeträger 500 verbunden, beispielsweise durch Kleben, Schrauben, Klemmen, Löten etc.frame 300 and cover glass 310 are preferably glued together, but also clamping connections are conceivable. The frame in turn is with the component carrier, not shown here 500 connected, for example by gluing, screws, clamps, soldering etc.

Das Auskoppelelement 200 weist einen Einkopplungsbereich 210 auf, der im dargestellten Beispiel den Lichtkanal 260 bis an einen seitlichen Rand eines Auskopplungsbereiches 220 heranführt. Das Auskoppelelement 200 ist zumindest im Auskopplungsbereich 220 lichtdurchlässig und so ausgebildet, dass das über den Lichtkanal 260 herangeführte Licht in den Auskopplungsbereich 220 eindringen und über eine Austrittsfläche den Referenzlichtlaufzeitpixeln 26 zugeführt werden kann. Die Anordnung ist so dimensioniert, dass die Austrittsfläche des Auskopplungsbereichs 220 flächig auf den Referenzlichtlaufzeitpixeln 26 aufliegt.The decoupling element 200 has a coupling area 210 on, in the example shown, the light channel 260 to a lateral edge of a decoupling area 220 approach leads. The decoupling element 200 is at least in the decoupling area 220 translucent and designed so that over the light channel 260 introduced light in the decoupling area 220 penetrate and over an exit surface the reference Lichtlaufzeitpixeln 26 can be supplied. The arrangement is dimensioned such that the exit surface of the coupling-out region 220 flat on the reference light time pixels 26 rests.

Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass der Lichtkanal bereit in den Einkopplungsbereich 210 mündet und das Licht über den Einkopplungsbereich 210 an den Auskopplungsbereich 220 herangeführt wird.In principle, it is also conceivable that the light channel is ready in the coupling region 210 opens and the light over the Einkopplungsbereich 210 to the decoupling area 220 is introduced.

Vorzugsweise ist das Auskoppelelement 200 bzw. zumindest der Auskopplungsbereich 220 in der Höhe so dimensioniert, dass über das Abdeckglas ein Druck auf das Auskoppelelement 200 und im Ergebnis ein bevorzugter Anpressdruck der Austrittsfläche auf die Referenzlichtlaufzeitpixel 26 ausgeübt werden kann.Preferably, the decoupling element 200 or at least the coupling-out region 220 dimensioned in height such that a pressure on the outcoupling element via the cover glass 200 and as a result, a preferred pressure of the exit surface on the reference Lichtlaufzeitpixel 26 can be exercised.

Bevorzugt ist das Auskoppelelement 200 zumindest im Auskopplungsbereich aus einem elastischen Material, beispielsweise Silikon oder einem anderen elastischen und transparenten Material gefertigt. Aufgrund der Elastizität schmiegt sich die Austrittsfläche besonderes eng an die Oberfläche der Sensors 22 bzw. der Referenzlichtlaufzeitpixel 26 an. Die Anordnung ist bevorzugt so ausgestaltet, dass sich zwischen Austrittsfläche und den Referenzlichtlaufzeitpixel 26 keine Lufteinschlüsse befinden und/oder herausgedrängt werden.Preferably, the decoupling element 200 made at least in the decoupling region of an elastic material, such as silicone or other elastic and transparent material. Due to the elasticity of the exit surface nestles particularly close to the surface of the sensor 22 or the reference light-propagation time pixel 26 at. The arrangement is preferably designed such that between the exit surface and the reference light-propagation time pixels 26 No air pockets are located and / or forced out.

Die Bereiche des Auskoppelelements, die kein Licht führen sollen sind vorzugsweise lichtundurchlässig und/oder lichtabsorbierend ausgearbeitet. Auch kann es vorgesehen sein, dass zusätzlich oder auch alternativ die Oberflächen des Auskoppelelements 200 an denen kein Licht austreten soll mit einem lichtundurchlässigen Material beschichtet sind.The areas of the decoupling element which are not intended to carry light are preferably made opaque and / or light-absorbing. It can also be provided that additionally or alternatively the surfaces of the coupling-out element 200 where no light should escape are coated with an opaque material.

Zur Beleuchtung der Referenzlichtlaufzeitpixel 26 mit unterschiedlichen Lichtintensitäten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Auskopplungsbereich 220 so auszugestalten, dass die Lichtintensität über die Längserstreckung des Auskopplungsbereichs 220 abnimmt. Beispielsweise kann der Auskopplungsbereich mit lichtstreuenden und/oder lichtabsorbierenden Partikeln gefüllt werden. Zur Erreichung oder Verstärkung eines Intensitätsgradienten kann ggf. der Partikelfüllgrad, bzw. Partikelmenge und/oder -größe verändert werden. Auch ein Einfärben mit anderen Materialen ist denkbar.To illuminate the reference light-time pixels 26 with different light intensities, it is provided according to the invention, the coupling-out area 220 in such a way that the light intensity over the longitudinal extent of the coupling-out area 220 decreases. For example, the coupling-out region can be filled with light-scattering and / or light-absorbing particles. To achieve or enhance an intensity gradient, it is possible if necessary to change the degree of particle filling or particle quantity and / or size. A coloring with other materials is conceivable.

Im Ausführungsbeispiel gemäß 9 ist der Auskopplungsbereich nicht als Vollmaterial, sondern als Hohlraum ausgebildet. Die Innenflächen des Hohlraums sind vorzugsweise mit einem lichtabsorbieren Material beschichtet. Alternativ oder zusätzlich können die Innenflächen auch eine lichtabsorbierende Struktur aufweisen. Auch durch dieses Vorgehen wird Gradient in der Lichtintensität über die Längserstreckung des Auskopplungsbereich 220 realisiert.In the embodiment according to 9 the coupling-out area is not formed as a solid material, but as a cavity. The inner surfaces of the cavity are preferably with a light absorbing material coated. Alternatively or additionally, the inner surfaces may also have a light-absorbing structure. Also by this procedure, gradient in the light intensity over the longitudinal extent of the coupling-out region 220 realized.

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
2525: maskierte Pixel masked pixels
2626: Referenzlichtlaufzeitpixel Reference light runtime pixels
2525: Empfangsoptik receiving optics
2828: Maskierung masking
3030: Modulator modulator
4040: Objekt object
8080: Phasenregelung phase control
8585: Multiplexer multiplexer
200200: Auskoppelelement outcoupling
210210: Einkopplungsbereich coupling-
220220: Auskoppelungsbereich delivery region
260260: Lichtkanal Lichtkanal
300300: Rahmen frame
310310: Abdeckglas cover glass
400400: Ausleseeinheit readout unit
500500: Bauelementeträger component support
510510: Bauelement module
Gam, G0, GbmGam, G0, Gbm: Modulationsphotogate Modulation photogate
Ga, GbGa, Gb: Integrationsknoten integration node
qq: Ladungen charges
qa, qbqa, qb: Ladungen am Integrationsknoten Ga, GbCharges at the integration node Ga, Gb

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 1777747 B1 [0002]
US 6587186 B2 [0002]
DE 19704496 C2 [0002, 0022, 0027, 0030]

Claims

Decoupling element ( 200 ) for a light guide ( 260 ) for guiding light on a light transit time sensor ( 22 ), with a coupling region ( 210 ), for receiving the optical fiber ( 260 ) and with a decoupling area ( 220 ), which is used to illuminate a plurality of light transit time pixels ( 25 . 26 ) of the light transit time sensor ( 22 ), wherein the coupling region ( 210 ) at a lateral end of the outcoupling region ( 220 ), and the decoupling area ( 220 ) is designed such that a coupled-in light over the longitudinal extent of the coupling-out region is coupled out with different light intensities.

Decoupling element ( 200 ) according to claim 1, wherein the extraction area ( 220 ) is designed to generate an intensity gradient over the longitudinal extent as a solid material or as a cavity, wherein the solid material or an inner side of the cavity has particles and / or structures which scatter and / or absorb light.

Decoupling element ( 200 ) according to one of the preceding claims, in which the decoupling element ( 200 ) is designed such that no extraneous light in the decoupling element ( 200 ) and no injected light can escape outside the provided exit areas.

Decoupling element ( 200 ) according to one of the preceding claims, in which the decoupling element ( 200 ) is formed in the areas in which no coupled light is made opaque.

Arrangement with a light transit time sensor ( 22 ) and a decoupling element ( 200 ) according to any one of the preceding claims.