DE102015207567A1

DE102015207567A1 - Lichtformungsoptik und Lichtleiterstruktur für einen Lichtlaufzeitsensor

Info

Publication number: DE102015207567A1
Application number: DE102015207567.2A
Authority: DE
Inventors: Jörg Joos; Björn Biehler; Holger Bette; Jan Kubisch; Manfred Manz
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2014-05-02
Filing date: 2015-04-24
Publication date: 2015-11-05

Abstract

Lichtleiterstruktur zu Ankopplung an die Lichtformungsoptik und Weiterleitung des Lichts an einen Referenzkanal, bei dem die Lichtleiterstruktur zur Ankopplung an mindestens zwei Lichtformungsoptiken ausgebildet ist und die Struktur des Lichtleiters derart ausgebildet ist, dass die Lichtwege und Lichtverluste bis zur Auskopplung zum Referenzkanal gleich sind

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtformungsoptik und eine Lichtleiterstruktur für einen Lichtlaufzeitsensor nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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'.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit der Distanzmessungen einer Lichtlaufzeitkamera bzw. eines Lichtlaufzeitsensors zu verbessern.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Lichtformungsoptik und Lichtleiterstruktur nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhaft ist eine Lichtformungsoptik für eine Lichtquelle vorgesehen, die an einer Unterseite eine Lichteintrittsfläche für die Lichtquelle und an einer Oberseite eine Lichtaustrittsfläche aufweist, wobei an der Unterseite oder seitlich ein Referenzlichtausgang für die Auskopplung eines Referenzlichts angeordnet ist.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass das Referenzlicht über den Referenzlichtausgang definiert ausgekoppelt werden kann.
Besonders nützlich ist es, wenn die Lichtformungsoptik und die Strahlführung innerhalb der Lichtformungsoptik derart ausgestaltet sind, dass 0,01–3%, insbesondere 0,1–3% des von der Lichtquelle emittierten Lichts als Referenzlicht am Referenzlichtausgang zur Verfügung steht.
Durch dieses Vorgehen kann bereits durch die Ausgestaltung der Lichtformungsoptik und der Anordnung des Referenzlichtausgangs die Menge des ausgekoppelten Referenzlichts definiert vorgegeben werden.
Vorteilhaft ist für die Strahlführung des auszukoppelnden Referenzlichts innerhalb der Lichtformungsoptik mindestens eine Innenfläche derart ausgestaltet ist, dass das Licht über wenigstens eine Totalreflexion an den Referenzlichtausgang gelangt.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass über Totalreflexion Licht sehr effizient umgelenkt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist eine Lichtleiterstruktur mit Lichteintrittsflächen zur Ankopplung an die Referenzlichtausgänge von mindestens zwei Lichtformungsoptiken und Weiterleitung des über die Lichteintrittsflächen eingekoppelten Referenzlichts an einen Lichtaustrittsbereich der Lichtleiterstruktur vorgesehen, bei der die Lichtleiterstruktur derart ausgebildet ist, dass die Lichtwege von jeder Lichteintrittsfläche bis zur Lichtaustrittsfläche gleich lang sind und die gleichen Lichtverluste aufweisen.
Dieses Vorgehen ist besonders nützlich, um moduliertes Referenzlicht der verschiedenen Lichtquellen phasensynchron an die Lichtaustrittsfläche der Lichtleiterstruktur heranzubringen. Um sicherzustellen, dass der Lichtanteil jeder Lichtquelle an der Lichtaustrittsfläche gleich groß ist, ist dafür Sorge zu tragen, dass über den Lichtweg auch die Lichtverluste gleich groß sind.
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.
Bevorzugt ist der Auskopplungsbereich zur Erzeugung eines Intensitätsgradienten über die Längserstreckung als Vollmaterial oder als Hohlraum mit lichtstreuenden Partikeln und/oder Strukturen ausgebildet.
Zudem ist das Auskoppelelement derart ausgebildet ist, dass kein Fremdlicht in das Auskoppelelement eindringen und kein eingekoppeltes Licht außerhalb der vorgesehen Austrittsbereiche austreten kann.
Bevorzugt ist das Auskoppelelement in den Bereichen in denen kein eingekoppeltes Licht geführt wird lichtundurchlässig ausgebildet.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
1 das Grundprinzip einer Lichtlaufzeitkamera nach dem PMD-Prinzip,
2 eine modulierte Integration der laufzeitverschobenen erzeugten Ladungsträger,
3 einen Querschnitt eines PMD-Pixel,
4 eine Abhängigkeit der Amplitude und des Distanzfehlers von der einfallenden Lichtmenge,
5 Lichtlaufzeitsensor mit einem Referenzpixel,
6 eine Aufsicht eines Lichtlaufzeitsensors mit einem Referenzpixelarray,
7 eine Übersicht des erfindungsgemäßen Anordnung,
8 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem Auskoppelbereich in Vollmaterial,
9 eine erfindungsgemäße Anordnung mit einem als Hohlraum ausgeführten Auskoppelbereich,
10 eine erfindungsgemäße Lichtformungsoptik,
11 eine erfindungsgemäße Lichtleiterstruktur,
12 eine erste perspektivische Ansicht der Lichtleiterstruktur,
13 eine zweite perspektivische Ansicht der Lichtleiterstruktur.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeit-Kamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist.
Das Lichtlaufzeit-Kamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtungslichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. TOF-Kamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Pixel, vorzugsweise jedoch ein Pixel-Array, auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 ist vorzugsweise als Reflektor ausgebildet. Es können jedoch auch diffraktive Elemente oder Kombinationen aus reflektierenden und diffraktiven Elementen eingesetzt werden.
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz bzw. Modulationssignal mit einer ersten Phasenlage a beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal mit der Phase a aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage b auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators 30 mit dem empfangenen Signal, das die laufzeitbedingte zweiten Phasenlage b aufweist, gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
Zur genaueren Bestimmung der zweiten Phasenlage b und somit der Objektentfernung d kann es vorgesehen sein, die Phasenlage a mit der der Lichtlaufzeitsensor 22 betrieben wird, um vorgestimmte Phasenverschiebungen Δφ zu verändern. Gleichwirkend kann es auch vorgesehen sein, die Phase, mit der die Beleuchtung angetrieben wird, gezielt zu verschieben.
Das Prinzip der Phasenmessung ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22, hier ohne Phasenverschiebung, angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht b trifft entsprechend seiner Lichtlaufzeit t_L phasenverschoben auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q während der ersten Hälfte der Modulationsperiode in einem ersten Integrationsknoten Ga und in der zweiten Periodenhälfte in einem zweiten Integrationsknoten Gb. Die Ladungen werden typischerweise über mehrere Modulationsperioden gesammelt bzw. integriert. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung und somit eine Entfernung des Objekts bestimmen.
Wie aus der DE 197 04 496 C2 bereits bekannt, kann die Phasenverschiebung des vom Objekt reflektierten Lichts und somit die Distanz, beispielsweise durch ein so genanntes IQ-(Inphase-Quadratur)-Verfahren ermittelt werden. Zur Bestimmung der Distanz werden vorzugsweise zwei Messungen mit um 90° verschobenen Phasenlagen des Modulationssignals durchgeführt, also beispielsweise φ_mod + φ₀ und φ_mod + φ₉₀, wobei aus der in diesen Phasenlagen ermittelte Ladungsdifferenz Δq(0°), Δq(90°) die Phasenverschiebung des reflektierten Lichts über die bekannte arctan-Beziehung ermittelt werden kann. φ = arctan Δq(90°) / Δq(0°)
Zur Verbesserung der Genauigkeit können ferner weitere Messungen mit um beispielsweise 180° verschobenen Phasenlagen durchgeführt werden. φ = arcan 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.
3 zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel eines Photomischdetektors wie er beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist. Die Modulationsphotogates Gam, G0, Gbm bilden den lichtsensitiven Bereich eines PMD-Pixels. Entsprechend der an den Modulationsgates Gam, G0, Gbm angelegten Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate bzw. Integrationsknoten Ga, Gb gelenkt.
3b zeigt einen Potenzialverlauf, bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Integrationskonten Ga abfliesen, während das Potenzial gemäß 3c die Ladung q in Richtung des zweiten Integrationsknoten Gb fließen lässt. Die Potenziale werden entsprechend der anliegenden Modulationssignale vorgegeben. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 100 MHz. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt.
In 3a ist ferner eine Ausleseeinheit 400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten PMD-Lichtlaufzeitsensors sein kann. Die als Kapazitäten bzw. Dioden ausgebildeten Integrationsknoten Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Gates Ga, Gb anliegende Spannung beispielsweise über die Ausleseeinheit 400 hochohmig abgegriffen werden. Die Integrationszeiten sind vorzugsweise so zu wählen, dass für die zu erwartende Lichtmenge der Lichtlaufzeitsensor bzw. die Integrationsknoten und/oder die lichtsensitiven Bereiche nicht in Sättigung geraten.
4 zeigt schematisch die Abhängigkeit einer elektrischen Größe des Lichtlaufzeitsensors bzw. eines Integrationsknoten von der Lichtmenge. Die Lichtmenge bestimmt sich in bekannter Weise aus dem Lichtstrom und der Bestrahlungsdauer. Proportional zur Lichtmenge werden Ladungsträger im photosensitiven Bereich der Modulationsgates Gam, G0, Gbm erzeugt und entsprechend des Modulationssignals phasenkorreliert auf die Integrationsknoten Ga, Gb verteilt. Diese Ladungen können entweder als Spannungssignal bzw. -Amplitude hochohmig an den Integrationsknoten Ga, Gb abgegriffen oder ggf. bei einer Entladung der Integrationsknoten als Strom gemessen werden. Diese elektrischen Größen entsprechen somit dem phasenkorrelierten Lichtstrom bzw. der entsprechenden Lichtmenge.
Der mögliche Dynamikbereich eines Laufzeitpixels erstreckt sich typischerweise über mehrere Größenordnungen. Die Größe des Dynamikbereichs hängt im Wesentlichen von der Fläche der photosensitiven Schicht eines Pixels sowie der Kapazität der Integrationsknoten ab. Die Integrationszeit für den Lichtlaufzeitsensor bzw. einem einzelnen Pixel wird vorzugsweise so festgelegt, dass für den Anwendungsfall der Sensor nicht in die Sättigung gerät.
Mit abnehmender Lichtmenge bzw. analog mit abnehmender Integrationszeit nimmt jedoch der Spannungshub an den Integrationsknoten Ga, Gb immer mehr ab und bewirkt unter anderem aufgrund des abnehmenden Signal/Rausch-Verhältnisses eine zunehmende Unsicherheit bei der Entfernungsbestimmung, so wie es mit der gestrichelten Kurve der Standardabweichung in 4 dargestellt ist. Die untere Grenze des Arbeitsbereichs der Integrationszeit ist daher so zu wählen, dass ein zu erwartender Distanzfehler noch innerhalb einer zulässigen Toleranz bzw. Standardabweichung liegt, wobei die obere Grenze vorzugsweise unterhalb der Sättigung liegen sollte.
5 zeigt 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Auskopplungsbereichs 220 realisiert.
Ferner wird eine Lichtleiterstruktur vorgeschlagen, um Licht von der Quelle gezielt auf eine, als Referenzbereich genutzte Fläche, auf dem Imager bzw. Lichtlaufzeitsensor zu leiten. Diese Lichtleitung muss eine Reihe von Anforderungen erfüllen:

1. Mehrere Lichtquellen ankoppeln
2. Vorsatzoptik mit nach hinten geführter Austrittsfläche, da nach vorne Licht ausgesendet werden muss
3. Vereinigung des Lichts aus verschiedenen Quellen a. gleiche Lichtwege b. gleiche Lichtmengen
4. Zuführen zum Referenzkanal

TOF Kameras sind auf sehr stabile Verhältnisse angewiesen, um eine hohe Absolutgenauigkeit erreichen zu können. Thermische- und Langzeitdrifts über die Lebensdauer können dazu führen, dass sich unvermeidbare Verzögerungen im Signalpfad, insbesondere in der Beleuchtung verändern. Diese Veränderung führt dann zu einer Verschiebung des gemessenen Abstandes. Eine Kalibrierung zum Zeitpunkt der Auslieferung kann insbesondere unvorhersehbaren Langzeitdrifts nicht entgegenwirken.
Um ein Gefühl für die Größenordnung zu erhalten, kann folgende Rechnung angestellt werden. Verschiebt sich die Phasenlage zwischen Chip-Modulation und Lichtmodulation um 100 ps so resultiert das in einem Fehler von 15 mm. Zur Reduzierung solcher Fehler wird eine Referenzmessung mit den erfindungsgemäßen Mitteln vorgeschlagen.
Da meist mehr als eine Lichtquelle verwendet werden muss, um die benötigte und gleichzeitig augensichere Lichtmenge zu Verfügung zu stellen, muss von jeder Lichtquelle Licht auf die Referenzpixel geführt werden. Licht nur von einer Quelle zu verwenden verbietet sich aus dem Grund, dass die Lichtquellen unterschiedliche Drifts zeigen können und auch per se etwas unterschiedliche Pulsformen emittieren können.
Die Signallaufzeit des Lichts im Lichtleiter sollte auch möglichst gleich sein, um hier keine Pulsaufweitung auf Grund unterschiedlicher Lichtwege zu erhalten.
Würde von einer Lichtquelle mehr Licht als von einer anderen Lichtquelle auf den Referenzkanal geführt, so würde diese das Referenzsignal dominieren. Solange sich die Lichtquellen untereinander gleich verhalten ist das kein Problem. Zeigen sich allerdings Alterungseffekte in den Lichtquellen unterschiedlich, so würde das zu einer falschen Korrektur führen.
Das so gesammelte und geleitete Licht muss zusätzlich noch gemischt und auf die Referenzpixel gebracht werden. Die Mischung dient dazu, dass alle Pixel auch gleich viel Licht von jeder Lichtquelle empfangen.
Zusätzlich muss die Optik so ausgelegt sein, dass Licht, das von Außen auf die Beleuchtung fällt nicht in den Referenzkanal eingekoppelt wird. Wäre das der Fall so könnte ein Spiegel im Außenbereich der Kamera das Referenzsignal stark verfälschen.
Um das Problem zu lösen sind Bauteile mit unterschiedlichen Eigenschaften gefordert. Diese sind im Einzelnen:
Lichtformungsoptik mit nach hinten, oder zur Seite führendem Referenzlichtausgang. Die Anforderungen hier sind: es soll ca. 0,01–3% vorzugsweise 0,1–3% des Lichts zu dem Ausgang geleitet werden. Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit dies zu tun, ist in der Lichtformungsoptik Flächen vorzusehen, die über Totalreflexion Licht zum Ausgang lenken. Besonders vorteilhaft ist es, die Divergenzwinkel am Ausgang kleiner 10° zu halten. Letzteres hat den Vorteil, die weitere Lichtführung zu erleichtern. Hier soll vorzugsweise das Etendue erhalten bleiben.
Der Vorteil der Nutzung der Totalreflexion liegt darin begründet, dass es von Außen keinen Winkel gibt mit dem man derart in die Lichtformungsoptik einkoppeln kann, und dass das eingekoppelte Licht in gleicher Richtung wie das totalreflektierte propagiert. Damit kann kein Licht direkt von außen in den Referenzlichtleiter fallen.
Das Design der Lichtleiterstruktur zeichnet sich dadurch aus, dass sie das Referenzlicht von den Lichtformungsoptiken zum Referenzkanaleingang leitet. Dabei sollen alle Lichtwege gleiche Länge haben. Das bedeutet, dass Licht aus Lichtquellen, die nahe am Referenzkanal liegen, über Umwege geleitet werden muss, wohingegen Licht aus Lichtquellen, die weit von Referenzkanal liegen, den direkten Weg wählen sollte. Die Verluste der einzelnen Stränge sollten möglichst ähnlich sein. Um dies zu erreichen, können gezielt Rauigkeiten in den Oberflächen des Lichtleiters vorgesehen werden, um Verluste in besonders effizienten Strängen zu provozieren. Alternativ kann der Querschnitt verändert oder Blenden eingeführt werden. Die Rauigkeit kann insbesondere durch Einschnitte insbesondere Sägeeinschnitte durch mechanischen Sägen und/oder Laserschneiden realisiert werden. Selbstverständlich sind auch andere Verfahren denkbar, um die Oberflächenrauigkeit einzustellen.
In 10 ist schematisch eine Lichtauskopplung aus der erfindungsgemäßen Lichtformungsoptik 15 gezeigt. Die Lichtformungsoptik 15 ist oberhalb einer Lichtquelle 12 angeordnet und konzentriert die Lichtstrahlen der Lichtquelle 12 zur Beleuchtung des Erfassungsbereichs der Lichtlaufzeitkamera 20. Ein Teil der Lichtstrahlen wird an einer inneren Fläche 16 reflektiert und zu einem Referenzlichtausgang 17 geführt und von dort in eine Lichtleiterstruktur 250 geleitet. Referenzlichtausgang 17 und die Lichtleiterstruktur 250 bzw. der Lichteintrittsbereich 251 dieser Struktur müssen nicht zwingend mechanisch miteinander verbunden sein. Denkbar sind jedoch auch Buchse-Stecker-Lösungen.
11 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Lichtleiterstruktur 250 für vier Lichtquellen 12 mit entsprechender Lichtformungsoptik 15. Wie bereits beschrieben ist die Lichtleiterstruktur 250 so ausgebildet, dass die Lichtwege von den Lichteintrittsflächen 251 bis zum Lichtaustrittsbereich 255 für alle Lichteintrittsflächen 251 bzw. Lichtquellen 12 gleich ist.
12 zeigt eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß 11. Dem Lichtaustrittsbereich 255 der Lichtleiterstruktur 250 nachfolgend ist der Lichtkanal 260 bzw. Referenzkanal 260 angeordnet, der das über die Lichtleiterstruktur zugeführt Licht an das Auskoppelelement 200 weiter leitet. Lichtleiterstruktur 250 und der Lichtkanal 260 können ggf. auch einstückig miteinander verbunden sein, jedoch ist auch eine mechanische Trennung möglich. Der Lichtaustrittsbereich 255 kann insbesondere verjüngt, insbesondere angespitzt ausgeführt sein.
13 zeigt die Anordnung gemäß 12 aus einer weiteren Perspektive.
Bezugszeichenliste

10: Sendeeinheit
12: Beleuchtungslichtquelle
15: Lichtformungsoptik
16: Innenfläche
17: Referenzlichtausgang
20: Empfangseinheit, TOF-Kamera
22: Lichtlaufzeitsensor
24: Lichtlaufzeitpixel
25: maskierte Pixel
26: Referenzlichtlaufzeitpixel
25: Empfangsoptik
28: Maskierung
30: Modulator
40: Objekt
80: Phasenregelung
85: Multiplexer
200: Auskoppelelement
210: Einkopplungsbereich
220: Auskoppelungsbereich
250: Lichtleiterstruktur
260: Lichtkanal
300: Rahmen
310: Abdeckglas
400: Ausleseeinheit
500: Bauelementeträger
510: Bauelement
Gam, G0, Gbm: Modulationsphotogate
Ga, Gb: Integrationsknoten
q: Ladungen
qa, qb: Ladungen am Integrationsknoten Ga, Gb

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1777747 B1 [0002]
US 6587186 B2 [0002]
DE 19704496 C2 [0002, 0033, 0038, 0041]

Claims

Lichtformungsoptik (15) für eine Lichtquelle (12), mit einer Lichteintrittsfläche für die Lichtquelle (12) an einer Unterseite und einer Lichtaustrittsfläche an einer Oberseite der Lichtformungsoptik (15), dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterseite oder seitlich ein Referenzlichtausgang (17) für die Auskopplung eines Referenzlichts angeordnet ist.
Lichtformungsoptik (15) nach Anspruch 1, bei der die Lichtformungsoptik (15) und die Strahlführung innerhalb der Lichtformungsoptik (15) derart ausgestaltet sind, dass 0,01–3% des von der Lichtquelle (12) emittierten Lichts als Referenzlicht am Referenzlichtausgang (17) zur Verfügung steht.
Lichtformungsoptik (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mindestens eine Innenfläche (16) der Lichtformungsoptik (15) derart ausgestaltet ist, dass das Licht über wenigstens eine Totalreflexion an den Referenzlichtausgang (17) gelangt.
Lichtleiterstruktur (250) mit Lichteintrittsflächen (251) zur Ankopplung an die Referenzlichtausgänge (17) von mindestens zwei Lichtformungsoptiken (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und Weiterleitung des über die Lichteintrittsflächen (251) eingekoppelten Referenzlichts an einen Lichtaustrittsbereich (255) der Lichtleiterstruktur (15), bei der die Lichtleiterstruktur (250) derart ausgebildet ist, dass die Lichtwege von jeder Lichteintrittsfläche (251) bis zur Lichtaustrittsfläche (255) gleich lang sind und die gleichen Lichtverluste aufweisen.
Lichtleiterstruktur (250) nach Anspruch 4, bei der die Lichtverluste über eine Rauigkeit der Oberflächen der Lichtleiterstruktur (250) gezielt eingestellt werden.
Lichtleiterstruktur (250) nach Anspruch 5, bei der die Rauigkeit der Oberfläche durch Einsägen oder Laserscheiden erzeugt wird.
Anordnung mit einer Lichtleiterstruktur (250) und einer Lichtformungsoptik (15) nach einem der vorhergehenden Ansprüche sowie einem Lichtlaufzeitsensor (22) und einem Auskoppelelement (200); bei der an der Lichtaustrittsfläche (255) ein Auskoppelement (200) zur Weiterleitung des Referenzlichts an wenigstens ein Referenzpixel (26) eines Lichtlaufzeitsensors (22) angeordnet ist.