DE102015224715A1 - Sensor element, sensor device and method - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Sensorelement zur Entfernungsmessung, mit einem Lichtsensor, welcher ausgebildet ist, einfallendes Licht zu erfassen, und mit einer Sammellinse, welche in Lichteinfallrichtung vor dem Lichtsensor angeordnet ist und ausgebildet ist, das einfallende Licht auf den Lichtsensor zu fokussieren, wobei die Sammellinse als Langpassfilter ausgebildet ist. Ferner offenbart die vorliegende Erfindung eine Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren.The present invention discloses a sensor element for distance measurement, comprising a light sensor, which is adapted to detect incident light, and having a converging lens, which is arranged in front of the light sensor in the light incident direction and is adapted to focus the incident light on the light sensor, wherein the Compound lens is designed as a long-pass filter. Further, the present invention discloses a sensor device and a corresponding method.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sensorelement zur Entfernungsmessung. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Sensorvorrichtung und ein entsprechendes Verfahren.The present invention relates to a sensor element for distance measurement. Furthermore, the present invention relates to a sensor device and a corresponding method.

Stand der TechnikState of the art

Es existiert heute eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren zur Entfernungsmessung. Beispielsweise können schallbasierte oder optische Verfahren zur Entfernungsmessung verwendet werden.There are a large number of different methods of distance measurement today. For example, sound-based or optical methods for distance measurement can be used.

Bei optischen Verfahren zur Entfernungsmessung wird üblicherweise die Laufzeit eines Lichts einer entsprechenden Lichtquelle gemessen. Diese Lichtquelle kann z.B. ein Laser sein, dessen Licht durch einen entsprechenden Sensor erfasst wird.In optical methods for distance measurement, the transit time of a light of a corresponding light source is usually measured. This light source may e.g. a laser whose light is detected by a corresponding sensor.

Um Störungen der Messung zu vermeiden, welche z.B. durch Tageslicht hervorgerufen werden können, wird vor dem Sensor ein Bandpassfilter eingesetzt, der an die Wellenlänge der verwendeten Lichtquelle angepasst ist. Ferner wird üblicherweise eine Sammellinse zwischen dem Bandpassfilter und dem Sensor genutzt, um das eintreffende Licht auf den Sensor zu fokussieren.To avoid disturbances of the measurement, which e.g. can be caused by daylight, a bandpass filter is used in front of the sensor, which is adapted to the wavelength of the light source used. Furthermore, a converging lens between the bandpass filter and the sensor is usually used to focus the incoming light on the sensor.

Optische Bandpassfilter weisen allerdings eine sehr starke Richtungsabhängigkeit auf, wobei der größte Lichtdurchtritt bei einem senkrechten Auftreffen des Lichts erfolgt. Folglich kann mit einem solchen Sensoraufbau lediglich ein senkrecht auf den Sensor auftreffendes Licht erfasst werden.However, optical bandpass filters have a very strong directional dependence, with the greatest light transmission occurring when the light strikes vertically. Consequently, with such a sensor structure only a light incident perpendicular to the sensor can be detected.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Sensorelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, eine Sensorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9.The present invention discloses a sensor element having the features of claim 1, a sensor device having the features of claim 6 and a method having the features of claim 9.

Demgemäß ist vorgesehen:
Ein Sensorelement zur Entfernungsmessung, mit einem Lichtsensor, welcher ausgebildet ist, einfallendes Licht zu erfassen, und mit einer Sammellinse, welche in Lichteinfallrichtung vor dem Lichtsensor angeordnet ist und ausgebildet ist, das einfallende Licht auf den Lichtsensor zu fokussieren, wobei die Sammellinse als Langpassfilter ausgebildet ist.Accordingly, it is provided:
A sensor element for distance measurement, comprising a light sensor, which is designed to detect incident light, and a converging lens, which is arranged in the light incident direction in front of the light sensor and is adapted to focus the incident light on the light sensor, wherein the condenser lens formed as a long-pass filter is.

Ferner ist vorgesehen:
Eine Sensorvorrichtung mit einem erfindungsgemäßen Sensorelement, mit einer Lichtquelle, die ausgebildet ist, Licht, dessen Wellenlänge zumindest teilweise in dem Durchlassbereich der Sammellinse des Sensorelements liegt, auszusenden, und mit einer Steuereinrichtung, welche mit der Lichtquelle und dem Sensorelement gekoppelt ist und ausgebildet ist, die Lichtquelle anzusteuern und basierend auf einem Signal des Sensorelements die Laufzeit des Lichts der Lichtquelle zu bestimmen.It is also provided:
A sensor device with a sensor element according to the invention, with a light source which is designed to emit light whose wavelength lies at least partially in the passband of the condenser lens of the sensor element, and with a control device which is coupled to the light source and the sensor element and is designed to drive the light source and to determine the duration of the light of the light source based on a signal of the sensor element.

Schließlich ist vorgesehen:
Ein Verfahren zur Entfernungsmessung, aufweisend die folgenden Schritte: Aussenden von Licht, welches zumindest teilweise eine vorgegebene Wellenlänge aufweist, gleichzeitiges Filtern des von einem Objekt reflektierten Lichts gemäß der vorgegebenen Wellenlänge und Fokussieren des Lichts auf einen Lichtsensor, und Bestimmen der Laufzeit des Lichts basierend auf einem Signal des Lichtsensors.Finally, it is planned:
A method of ranging, comprising the steps of: emitting light at least partially having a predetermined wavelength, simultaneously filtering the light reflected from an object according to the predetermined wavelength and focusing the light on a light sensor, and determining the propagation time of the light based on a signal from the light sensor.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Erkenntnis besteht darin, dass herkömmliche Sensoranordnungen auf Grund der Winkelabhängigkeit der optischen Bandpassfilter z.B. nicht in Anwendungen eingesetzt werden können, bei welchen ein Lichtstrahl über eine Fläche gelenkt wird. In solchen Anwendungen trifft das Licht nicht immer senkrecht auf den Bandpassfilter und wird von diesem daher nicht zu dem eigentlichen Sensor weitergeleitet.The insight underlying the present invention is that conventional sensor arrangements due to the angular dependence of the optical bandpass filters e.g. can not be used in applications where a light beam is directed across a surface. In such applications, the light is not always perpendicular to the bandpass filter and is therefore not forwarded by it to the actual sensor.

Die vorlegende Erfindung sieht daher vor, dass ein Sensorelement einen Lichtsensor aufweist, welcher ausgebildet ist, einfallendes Licht zu erfassen. Vor dem Lichtsensor, also in der Lichteinfallrichtung des Lichtsensors, ist eine Sammellinse angeordnet. Die Sammellinse dient einerseits dazu das einfallende Licht auf den Lichtsensor zu fokussieren, andererseits ist die Sammellinse auch als Langpassfilter ausgebildet.The present invention therefore provides that a sensor element has a light sensor which is designed to detect incident light. In front of the light sensor, that is, in the light incident direction of the light sensor, a converging lens is arranged. The converging lens serves on the one hand to focus the incident light on the light sensor, on the other hand, the converging lens is also designed as a long-pass filter.

Langpassfilter sind auch unter dem Begriff Kantenfilter bekannt. Ein Langpassfilter ist ein optisches Bauelement, das das gesamte Licht in einem definierten Spektralbereich sperrt und in einem eng daran anschließenden Bereich mit hoher Transparenz hindurchlässt. Die Sperrung kann dabei durch Absorption wie z.B. bei Farbgläsern oder durch Reflexion erzeugt werden. Für die Sperrung durch Reflexion können geeignete Interferenzschichtsysteme eingesetzt werden.Longpass filters are also known by the term edge filter. A long-pass filter is an optical component that blocks all the light in a defined spectral range and transmits it in a closely adjacent area with high transparency. The blocking can be effected by absorption such as e.g. be produced in colored glass or by reflection. For blocking by reflection, suitable interference layer systems can be used.

In einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung kann ein Sensorelement mit einer entsprechenden Lichtquelle und einer Steuereinrichtung kombiniert werden. Dabei können sowohl die Lichtquelle, als auch die Sammellinse und der Lichtsensor ausgebildet sein, mit Licht einer vorgegebenen Wellenlänge zu arbeiten. Beispielsweise kann die Lichtquelle zumindest teilweise Licht mit einer Wellenlänge von 600nm bis 700nm, insbesondere 620nm bis 680nm oder 640nm aussenden. Der Langpassfilter kann folglich für Licht mit einer Wellenlänge größer 600nm durchlässig sein.In a sensor device according to the invention, a sensor element can be combined with a corresponding light source and a control device. In this case, both the light source, as well as the converging lens and the light sensor can be designed to work with light of a predetermined wavelength. For example, the light source at least partially emit light having a wavelength of 600 nm to 700 nm, in particular 620 nm to 680 nm or 6400 nm. The long-pass filter may consequently be transparent to light having a wavelength greater than 600 nm.

Als Lichtsensor kann jedes Element genutzt werden, welches das Eintreffen des Lichts erfassen und an die Steuereinrichtung weiterleiten kann. Ebenso kann als Lichtquelle jede beliebige Lichtquelle genutzt werden, die durch die Steuereinrichtung steuerbar ist und Licht mit der gewünschten Wellenlänge erzeugt. Es ist lediglich notwendig, dass die Steuereinrichtung ausgehend von einer Ansteuerung der Lichtquelle und einer Auswertung des Signals des Sensorelements die Laufzeit des Lichts erfassen kann. Die Steuereinrichtung kann dabei z.B. als eine programmierbare oder konfigurierbare Steuereinheit ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Steuereinheit als Mikrocontroller, Prozessor, ASIC, CPLD, FPGA oder dergleichen ausgebildet sein. As a light sensor, each element can be used, which can detect the arrival of the light and forward it to the control device. Likewise, any light source can be used as the light source, which is controllable by the control device and generates light with the desired wavelength. It is only necessary that the control device, starting from a control of the light source and an evaluation of the signal of the sensor element can detect the duration of the light. The control device can be designed, for example, as a programmable or configurable control unit. For example, the control unit may be designed as a microcontroller, processor, ASIC, CPLD, FPGA or the like.

Die vorliegende Erfindung benötigt also lediglich ein einziges Bauteil, um das eintreffende Licht sowohl zu fokussieren als auch störendes Umgebungslicht auszufiltern. Die vorliegende Erfindung reduziert folglich die Komplexität des Sensorelements und vereinfacht dessen Aufbau.Thus, the present invention requires only a single component in order to both focus the incoming light and to filter out interfering ambient light. The present invention thus reduces the complexity of the sensor element and simplifies its construction.

Ferner ermöglicht es die vorliegende Erfindung Licht auf den Lichtsensor zu fokussieren, welches nicht senkrecht auf den Langpassfilter bzw. die Sammellinse trifft. Es wird folglich z.B. möglich, einen Bereich vor dem Lichtsensor mit einer steuerbaren Lichtquelle z.B. Punkt für Punkt abzutasten, ohne den Lichtsensor bewegen zu müssen. Es kann also z.B. ein Entfernungsmesser mit Hilfe der erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung bereitgestellt werden, der z.B. einen Bereich vor der Sensorvorrichtung abtasten oder scannen kann, und für den gesamten Bereich ein entsprechendes Entfernungsprofil bereitstellen kann.Furthermore, the present invention makes it possible to focus light onto the light sensor, which does not strike the long-pass filter or the condenser lens perpendicularly. It is thus e.g. possible to have an area in front of the light sensor with a controllable light source e.g. To scan point by point without having to move the light sensor. So it can be e.g. a rangefinder can be provided by means of the sensor device according to the invention, e.g. can scan or scan an area in front of the sensor device, and can provide an appropriate range profile for the entire area.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren.Advantageous embodiments and further developments emerge from the dependent claims and from the description with reference to the figures.

In einer Ausführungsform kann die Steuereinrichtung ausgebildet sein, basierend auf der Laufzeit des Lichts einen Abstand eines Objekts von der Sensorvorrichtung zu bestimmen. Die Laufzeitbestimmung ist eine sehr einfache und robuste Art, einen Abstand eines Objekts von der Sensorvorrichtung zu bestimmen. Die Recheneinrichtung benötigt dazu lediglich eine geeignete Taktquelle mit einer entsprechenden Zählereinrichtung.In one embodiment, the controller may be configured to determine a distance of an object from the sensor device based on the transit time of the light. The transit time determination is a very simple and robust way of determining a distance of an object from the sensor device. The computing device requires only a suitable clock source with a corresponding counter device.

In einer Ausführungsform kann die Lichtquelle eine Laserlichtquelle aufweisen. Laserlichtquellen können Licht in einem sehr eng definierten Wellenlängenbereich erzeugen. Insbesondere die spätere Filterung beim Empfang des reflektierten Laserlichts kann somit exakt an diesen Wellenlängenbereich angepasst werden. Der Einfluss störenden Umgebungslichts kann dadurch minimiert werden.In an embodiment, the light source may comprise a laser light source. Laser light sources can generate light in a very narrow wavelength range. In particular, the subsequent filtering upon receipt of the reflected laser light can thus be adapted exactly to this wavelength range. The influence of disturbing ambient light can be minimized.

In einer Ausführungsform kann die Sammellinse als eine asphärische Sammellinse ausgebildet sein. Bei einer asphärischen Linse handelt es sich um eine Linse, deren Form von einer Kugelform oder einer planen Form abweicht. Bei Abbildungen durch sphärische Linsen kann es zu Abbildungsfehlern und Verzerrungen des eintreffenden Lichts kommen. Mit Hilfe der asphärischen Linse können solche Abbildungsfehler vermieden werden und das eintreffende Licht exakt auf den Lichtsensor fokussiert werden.In one embodiment, the condenser lens may be formed as an aspheric condenser lens. An aspherical lens is a lens whose shape deviates from a spherical shape or a plane shape. When imaging through spherical lenses, it can lead to aberrations and distortions of the incoming light. With the help of the aspherical lens such aberrations can be avoided and the incoming light can be focused exactly on the light sensor.

In einer Ausführungsform kann die Sammellinse eingefärbtes Glas und/oder eingefärbten Kunststoff aufweisen. Optische Filter, wie z.B. Langpassfilter, können auf sehr einfache Weise hergestellt werden, indem Glas oder Kunststoff entsprechend eingefärbt wird, wenn ihr Filtereffekt innerhalb des sichtbaren Lichtspektrums liegen soll. Wird für die Lichtquelle ebenfalls Licht im sichtbaren Spektrum eingesetzt, kann folglich sehr einfach der Langpassfilter in die Sammellinse integriert werden.In one embodiment, the condenser lens may comprise colored glass and / or colored plastic. Optical filters, such as Longpass filters can be made in a very simple way by coloring glass or plastic appropriately if their filter effect is to be within the visible light spectrum. If light is also used in the visible spectrum for the light source, it is therefore very easy to integrate the long-pass filter into the convergent lens.

In einer Ausführungsform kann die Kantenlage der Sammellinse unter einer Wellenlänge höchster Empfindlichkeit des Lichtsensors liegen. Unter der Kantenlage ist dabei der Frequenzbereich zu verstehen, in welchem die Sammellinse von dem Sperr- in den Durchlassbereich übergeht. Insbesondere strahlt die Lichtquelle ferner ein Licht mit der Wellenlänge höchster Empfindlichkeit des Lichtsensors aus. Dadurch wird sichergestellt, dass das zu erfassende Licht mit maximal möglicher Intensität auf den Lichtsensor trifft.In one embodiment, the edge position of the condenser lens may be below a maximum sensitivity wavelength of the light sensor. The edge position is to be understood as meaning the frequency range in which the converging lens transitions from the blocking to the transmission range. In particular, the light source further radiates a light having the highest sensitivity wavelength of the light sensor. This ensures that the light to be detected hits the light sensor with the maximum possible intensity.

In einer Ausführungsform kann der Lichtsensor als eine Einzelphoton-Avalanche-Diode ausgebildet sein. Die Einzelphoton-Avalanche-Diode ist eine Sonderform der Avalanche-Diode, die speziell für den Betrieb oberhalb der Durchbruchspannung im so genannten Geiger-Modus entwickelt wurde. Bei diesen Dioden kann ein durch ein einzelnes Photon erzeugtes Elektron-Loch-Paar auf Grund der Beschleunigung in der Multiplikationszone (hervorgerufen durch die hohe elektrische Feldstärke) mehrere Millionen Ladungsträger erzeugen. Daher weißen diese Dioden eine sehr hohe Verstärkung auf. Durch eine entsprechende Beschaltung wird verhindert, dass die Diode durch den hohen Strom leitfähig bleibt. Im einfachsten Fall z.B. durch einen Vorwiderstand. Durch den Spannungsabfall am Vorwiderstand senkt sich die Sperrspannung über der Diode, welche dadurch wieder in den gesperrten Zustand übergeht. Dieser Vorgang wird auch „passive quenching“ genannt. Der Vorgang wiederholt sich selbsttätig und die Stromimpulse können gezählt werden. Beim sog. „active quenching“ wird durch eine spezielle Elektronik die Sperrspannung beim Erkennen eines Durchbruchstromes innerhalb weniger Nanosekunden aktiv abgesenkt. Danach wird durch erneutes Anheben der Sperrspannung über die Durchbruchspannung die Diode wieder aktiviert. Es können mit einer solchen Diode folglich Messungen in sehr schneller Folge realisiert werden.In one embodiment, the light sensor may be formed as a single-photon avalanche diode. The single-photon avalanche diode is a special form of avalanche diode designed specifically for operation above the breakdown voltage in the so-called Geiger mode. In these diodes, an electron-hole pair produced by a single photon may generate several millions of carriers due to the acceleration in the multiplication zone (caused by the high electric field strength). Therefore these diodes have a very high gain. An appropriate wiring prevents the diode remains conductive due to the high current. In the simplest case, for example, by a series resistor. Due to the voltage drop across the series resistor, the reverse voltage across the diode lowers, which thereby passes back into the locked state. This process is also called "passive quenching". The process repeats itself and the current pulses can be counted. In so-called "active quenching", the blocking voltage is actively lowered within a few nanoseconds when a breakdown current is detected by special electronics. Thereafter, by raising the reverse voltage on the Breakdown voltage the diode reactivated. Consequently, with such a diode measurements can be realized in a very fast sequence.

Die obigen Ausgestaltungen und Weiterbildungen lassen sich, sofern sinnvoll, beliebig miteinander kombinieren. Weitere mögliche Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmalen der Erfindung. Insbesondere wird dabei der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der vorliegenden Erfindung hinzufügen.The above embodiments and developments can, if appropriate, combine with each other as desired. Further possible refinements, developments and implementations of the invention also include combinations of features of the invention which have not been explicitly mentioned above or described below with regard to the exemplary embodiments. In particular, the person skilled in the art will also add individual aspects as improvements or additions to the respective basic form of the present invention.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Figuren der Zeichnungen angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen dabei:The present invention will be explained in more detail with reference to the exemplary embodiments indicated in the schematic figures of the drawings. It shows:

1 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements; 1 a block diagram of an embodiment of a sensor element according to the invention;

2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung; 2 a block diagram of an embodiment of a sensor device according to the invention;

3 ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens; 3 a flowchart of an embodiment of a method according to the invention;

4 ein Diagramm der Spektralverteilung eintreffenden Lichts an dem Lichtsensor ohne Filter; 4 a diagram of the spectral distribution of incident light at the light sensor without a filter;

5 ein Diagramm der Spektralverteilung eintreffenden Lichts an dem Lichtsensor mit vorgeschaltetem Bandpassfilter; 5 a diagram of the spectral distribution of incident light at the light sensor with upstream band pass filter;

6 ein Diagramm der Durchlasscharakteristik eines beispielhaften Langpassfilters; und 6 a diagram of the transmission characteristic of an exemplary long-pass filter; and

7 ein Diagramm der Spektralverteilung eintreffenden Lichts an dem Lichtsensor mit vorgeschaltetem Langpassfilter. 7 a diagram of the spectral distribution of incoming light at the light sensor with upstream long-pass filter.

In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen – sofern nichts Anderes angegeben ist – mit denselben Bezugszeichen versehen worden.In all figures, the same or functionally identical elements and devices - unless otherwise stated - have been given the same reference numerals.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensorelements 1. 1 shows a schematic block diagram of an embodiment of a sensor element according to the invention 1 ,

Das Sensorelement 1 in 1 weist eine asphärische Sammellinse 4 auf, die vor einem als Einzelphoton-Avalanche-Diode ausgebildetem Lichtsensor 2 angeordnet ist. Die Sammellinse 4 liegt also in Lichteinfallrichtung vor dem Lichtsensor 2. D.h. auf den Lichtsensor 2 eintreffendes Licht 3 wird durch die Sammellinse 4 auf den Lichtsensor 2 fokussiert.The sensor element 1 in 1 has an aspheric condenser lens 4 on, in front of a trained as a single-photon avalanche diode light sensor 2 is arranged. The condenser lens 4 So lies in the direction of light in front of the light sensor 2 , Ie on the light sensor 2 incoming light 3 is through the condenser lens 4 on the light sensor 2 focused.

Die Sammellinse 4 dient nicht nur dem Fokussieren des Lichts 3 auf den Lichtsensor 2. Gleichzeitig ist die Sammellinse 4 auch ein Langpassfilter, der Licht unter einer gewissen Wellenlänge abblockt und Licht über einer gewissen Wellenlänge annähernd ungedämpft passieren lässt. Dazu kann die Sammellinse 4 beispielswiese aus eingefärbtem Glas, z.B. Schott RG610, ausgebildet sein, welches eine Kantenlage 5 (siehe 6) bei ca. 600nm hat. Das bedeutet, dass Licht ab einer Wellenlänge von ca. 600nm die Sammellinse 4 annähernd ungehindert passieren kann und zu dem Lichtsensor 2 vordringen kann. Gleichzeitig ist der Lichtsensor 2 derart ausgebildet, dass er auch für Licht mit Wellenlängen größer 600nm empfindlich ist. Insbesondere Einzelphoton-Avalanche-Dioden können z.B. auch in dem Bereich unter 600nm eine hohe Empfindlichkeit aufweisen, insbesondere auch eine höhere Empfindlichkeit als in dem Bereich über 600nm. Allerdings wird das Sensorelement 1 regelmäßig derart in einem Gehäuse (nicht separat dargestellt) angeordnet, dass es gegen äußeres Licht abgeschirmt ist und lediglich durch die Sammellinse 4 Licht 3 auf den Lichtsensor 2 treffen kann. Störungen durch Licht mit einer Wellenlänge von weniger als 600nm können folglich nicht auftreten.The condenser lens 4 not only serves to focus the light 3 on the light sensor 2 , At the same time is the condenser lens 4 also a long-pass filter that blocks light at a certain wavelength and allows light to pass approximately unattenuated over a certain wavelength. This can be the condenser lens 4 beispielschiese be made of colored glass, eg Schott RG610, which is an edge layer 5 (please refer 6 ) at about 600nm. This means that light from a wavelength of approx. 600nm is the condensing lens 4 can happen almost unhindered and to the light sensor 2 can penetrate. At the same time is the light sensor 2 designed so that it is sensitive to light with wavelengths greater than 600nm. In particular, single-photon avalanche diodes can also have a high sensitivity in the range below 600 nm, in particular also a higher sensitivity than in the range above 600 nm. However, the sensor element becomes 1 regularly arranged in such a housing (not shown separately) that it is shielded from external light and only by the condenser lens 4 light 3 on the light sensor 2 can meet. Consequently, no disturbances by light with a wavelength of less than 600 nm can occur.

Im Vergleich zu herkömmlichen Sensoren mit Bandpassfiltern weist das Sensorelement 1 ein geringeres Signal-Rausch-Verhältnis auf. Allerdings ist das Signal-Rausch-Verhältnis bei dem Sensorelement 1 ausreichend groß, so dass das eintreffende Licht 3 von durch Umgebungslicht hervorgerufenen Störungen unterschieden werden kann (siehe 7).Compared to conventional sensors with bandpass filters, the sensor element 1 a lower signal-to-noise ratio. However, the signal-to-noise ratio is in the sensor element 1 big enough so that the incoming light 3 can be differentiated from ambient light induced disturbances (see 7 ).

Gleichzeitig kann mit Hilfe der Sammellinse 4 Licht 3 aus unterschiedlichen Richtungen auf den Lichtsensor 2 fokussiert werden. Das Licht muss also nicht senkrecht oder annähernd senkrecht auf die Sammellinse 4 und den Lichtsensor 2 auftreffen.At the same time, with the help of the condenser lens 4 light 3 from different directions on the light sensor 2 be focused. The light does not have to be perpendicular or nearly perpendicular to the condenser lens 4 and the light sensor 2 incident.

2 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung 6. 2 shows a block diagram of an embodiment of a sensor device according to the invention 6 ,

Die Sensorvorrichtung 6 weist ein Sensorelement (nicht separat eingezeichnet) bestehend aus Lichtsensor 2 und Sammellinse 4, wie zu 1 beschrieben, auf. Ferner ist eine Laserlichtquelle 7 vorgesehen, die Laserlicht 3 mit einer Wellenlänge von 640nm ausstrahlt.The sensor device 6 has a sensor element (not shown separately) consisting of light sensor 2 and condenser lens 4 , how to 1 described on. Furthermore, a laser light source 7 provided the laser light 3 with a wavelength of 640nm.

Eine Steuereinrichtung 8 ist mit dem Lichtsensor 2 und der Laserlichtquelle 7 gekoppelt. Die Steuereinrichtung 8 nimmt von dem Lichtsensor 2 ein Signal 12 auf, welches das Eintreffen oder den Zeitpunkt des Eintreffens des Lichts 3 an dem Lichtsensor 2 kennzeichnet. Aus diesem Signal 12 berechnet die Recheneinrichtung 8 eine Laufzeit 9 des von der Laserlichtquelle 7 ausgesendeten Laserlichts 3 über das Objekt 11, welches das Laserlicht 3 reflektiert, bis zurück zu dem Lichtsensor 2.A control device 8th is with the light sensor 2 and the laser light source 7 coupled. The control device 8th takes from the light sensor 2 one signal 12 on which the arrival or the time of the arrival of the light 3 at the light sensor 2 features. Out of this signal 12 calculates the calculator 8th a term 9 of the laser light source 7 emitted laser light 3 about the object 11 which the laser light 3 reflected back to the light sensor 2 ,

Die Steuereinrichtung 8 ist ferner dazu ausgebildet, die Richtung zu steuern, in welcher die Laserlichtquelle 7 das Laserlicht 3 abstrahlt. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 8 die Laserlichtquelle 7 derart steuern, dass das Laserlicht 3 eine vorgegebene Form, z.B. ein Quadrat, einen Kreis oder dergleichen, zeilenweise oder spaltenweise abtastet. Eine solche Sensorvorrichtung 6 kann auch als sog. Time-Of-Flight Entfernungsmesser bezeichnet werden.The control device 8th is further adapted to control the direction in which the laser light source 7 the laser light 3 radiates. For example, the control device 8th the laser light source 7 so control that the laser light 3 a predetermined shape, such as a square, a circle or the like, line by line or by column scans. Such a sensor device 6 can also be referred to as a so-called time-of-flight rangefinder.

3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Messen einer Entfernung. 3 shows a flowchart of an embodiment of a method according to the invention for measuring a distance.

In einem ersten Schritt S1 wird Licht 3, welches zumindest teilweise eine vorgegebene Wellenlänge aufweist, ausgesendet. Die vorgegebene Wellenlänge kann z.B. im sichtbaren Bereich, beispielsweise bei 640nm, oder außerhalb des sichtbaren Bereichs liegen.In a first step S1 becomes light 3 which at least partially has a predetermined wavelength emitted. The predetermined wavelength can be, for example, in the visible range, for example at 640 nm, or outside the visible range.

Die folgen Schritte S2 und S3 werden gleichzeitig ausgeführt und beinhalten das Filtern S2 des von einem Objekt 11 reflektierten Lichts 3 gemäß der vorgegebenen Wellenlänge und das Fokussieren S3 des Lichts 3 auf einen Lichtsensor 2. Diese Schritte können z.B. mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Sammellinse 4 gleichzeitig ausgeführt werden, wenn Licht 3 durch die Sammellinse 4 auf den Lichtsensor 2 trifft. Dazu kann die Sammellinse 4 z.B. entsprechend eingefärbt sein. Das Langpassverhalten der Sammellinse 4 ist dabei derart ausgebildet, dass eine Kantenlage 5 der Sammellinse 4 unterhalb der vorgegeben Frequenz liegt.The following steps S2 and S3 are executed simultaneously and involve filtering S2 of the object 11 reflected light 3 according to the predetermined wavelength and focusing S3 of the light 3 on a light sensor 2 , These steps can, for example, with the aid of a convergent lens according to the invention 4 run simultaneously when light 3 through the condenser lens 4 on the light sensor 2 meets. This can be the condenser lens 4 For example, be colored accordingly. The longpass behavior of the condenser lens 4 is designed such that an edge position 5 the condenser lens 4 is below the specified frequency.

In Schritt S4 wird die Laufzeit 9 des Lichts 3 basierend auf einem Signal 12 des Lichtsensors 2 bestimmt.In step S4, the term becomes 9 of the light 3 based on a signal 12 of the light sensor 2 certainly.

Zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens kann ein als eine Einzelphoton-Avalanche-Diode ausgebildeter Lichtsensor 2 mit einem in der Wellenlänge auf die Diode abgestimmten Laser 7 als Lichtquelle verwendet werden.For carrying out the present method, a light sensor configured as a single-photon avalanche diode 2 with a laser tuned in wavelength to the diode 7 used as a light source.

4 zeigt ein Diagramm der Spektralverteilung eintreffenden Lichts 3 mit einer Wellenlänge von 640nm an dem Lichtsensor 2 ohne einen vor dem Lichtsensor 2 befindlichen Filter. Dabei wird von einem sonnenähnlichen Umgebungslicht mit einer Farbtemperatur von 6000K ausgegangen, welches die gleiche Stärke bzw. Leistung aufweist, wie das Licht 3 der Lichtquelle 7, welches von einem Objekt 11 reflektiert wurde. 4 shows a diagram of the spectral distribution of incoming light 3 with a wavelength of 640nm at the light sensor 2 without one in front of the light sensor 2 located filter. It is assumed that a sun-like ambient light with a color temperature of 6000K, which has the same strength or performance as the light 3 the light source 7 , which is an object 11 was reflected.

Die Abszissenachse des Diagramms zeigt die Wellenlänge des an dem Lichtsensor 2 eintreffenden Lichts und die Ordinatenachse zeigt die Stärke des an dem Lichtsensor 2 eintreffenden Lichts. Dabei ist das Licht 3 mit einem Faktor von ca. 35 gegenüber dem Umgebungslicht skaliert.The abscissa axis of the diagram shows the wavelength of the light sensor 2 incoming light and the ordinate axis shows the strength of the light sensor 2 incoming light. Here is the light 3 scaled by a factor of about 35 from the ambient light.

Aus dem Diagramm der 4 ergibt sich ein Signal-Rausch-Verhältnis von weniger als 1, es kann folglich keine sichere Erkennung des Lichts 3 durchgeführt werden.From the diagram of 4 results in a signal-to-noise ratio of less than 1 Consequently, it can not reliably detect the light 3 be performed.

5 zeigt ein Diagramm der Spektralverteilung eintreffenden Lichts an dem Lichtsensor 2 mit vorgeschaltetem Bandpassfilter, der einen Durchlassbereich von 50nm aufweist. Die weiteren Randbedingungen entsprechen denen der 4. 5 shows a diagram of the spectral distribution of incoming light at the light sensor 2 with upstream bandpass filter, which has a passband of 50nm. The other boundary conditions correspond to those of 4 ,

Es ist zu erkennen, dass durch den Bandpassfilter ein sehr eingeschränkter Wellenlängenbereich zu dem Lichtsensor 2 vordringen kann. Dies führt dazu, dass das an dem Lichtsensor 2 eintreffende Licht 3 mit einem Signal-Rausch-Verhältnis von 11,94 erfasst werden kann.It can be seen that through the bandpass filter a very limited wavelength range to the light sensor 2 can penetrate. This causes that to the light sensor 2 incoming light 3 can be detected with a signal-to-noise ratio of 11.94.

6 zeigt ein Diagramm der Durchlasscharakteristik eines beispielhaften Langpassfilters 4. Es ist zu erkennen, dass der Langpassfilter 4 eine sehr hohe Dämpfung von annähernd 100% für Signale aufweist, deren Wellenlänge unterhalb von ca. 570nm liegen. Signale, deren Wellenlänge oberhalb von 630nm liegt, lässt der Langpassfilter 4 annährend ungedämpft passieren. 6 shows a diagram of the transmission characteristic of an exemplary long-pass filter 4 , It can be seen that the long-pass filter 4 a very high attenuation of approximately 100% for signals whose wavelength is below about 570nm. Signals with a wavelength above 630nm leave the long-pass filter 4 to pass almost unattenuated.

Zwischen 570nm und 630nm sinkt die Dämpfung des Langpassfilters 4 annähernd linear mit der Wellenlänge.Between 570nm and 630nm, the attenuation of the long-pass filter decreases 4 approximately linear with the wavelength.

Wird erfindungsgemäß ein solcher Langpassfilter 4 mit einem entsprechenden Lichtsensor 2 verwendet, ergibt sich das Empfangsdiagramm der 7.According to the invention, such a long-pass filter 4 with a corresponding light sensor 2 used, results in the reception diagram of 7 ,

7 zeigt ein Diagramm der Spektralverteilung eintreffenden Lichts an dem Lichtsensor 2 mit vorgeschaltetem Langpassfilter 4 unter den zu 4 genannten Rahmenbedingungen. 7 shows a diagram of the spectral distribution of incoming light at the light sensor 2 with upstream longpass filter 4 among the too 4 mentioned framework conditions.

Es ist zu erkennen, dass lediglich Signalanteile mit einer Wellenlänge von mehr als 590nm zu dem Lichtsensor 2 vordringen. Für die erfindungsgemäße Anordnung mit einem Langpassfilter 4 ergibt sich ein Signal-Rausch-Verhältnis von ca. 4,3. Dieses ist ausreichend, um das Licht 3 zu erfassen und eine entsprechende Laufzeitberechnung auszuführen.It can be seen that only signal components with a wavelength of more than 590 nm to the light sensor 2 penetrate. For the inventive arrangement with a long-pass filter 4 results in a signal-to-noise ratio of about 4.3. This is sufficient to the light 3 to capture and execute a corresponding runtime calculation.

Gleichzeitig ermöglicht dieser Aufbau es, Licht aus unterschiedlichen Richtungen zu erfassen, welches nicht senkrecht auf den Langpassfilter 4 treffen muss.At the same time, this structure makes it possible to detect light from different directions which is not perpendicular to the long-pass filter 4 must meet.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar. Insbesondere lässt sich die Erfindung in mannigfaltiger Weise verändern oder modifizieren, ohne vom Kern der Erfindung abzuweichen.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, it is not limited thereto, but modifiable in a variety of ways. In particular, the invention can be varied or modified in many ways without deviating from the gist of the invention.

Claims (14)

Sensorelement (1) zur Entfernungsmessung, mit einem Lichtsensor (2), welcher ausgebildet ist, einfallendes Licht (3) zu erfassen, und mit einer Sammellinse (4), welche in Lichteinfallrichtung vor dem Lichtsensor (2) angeordnet ist und ausgebildet ist, das einfallende Licht (3) auf den Lichtsensor (2) zu fokussieren, wobei die Sammellinse (4) als Langpassfilter ausgebildet ist.Sensor element ( 1 ) for distance measurement, with a light sensor ( 2 ), which is designed to receive incident light ( 3 ), and with a condenser lens ( 4 ), which in the direction of light in front of the light sensor ( 2 ) is arranged and is formed, the incident light ( 3 ) on the light sensor ( 2 ), wherein the convex lens ( 4 ) is designed as a long-pass filter. Sensorelement (1) nach Anspruch 1, wobei die Sammellinse (4) als eine asphärische Sammellinse (4) ausgebildet ist.Sensor element ( 1 ) according to claim 1, wherein the convergent lens ( 4 ) as an aspheric condenser lens ( 4 ) is trained. Sensorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Sammellinse (4) eingefärbtes Glas und/oder eingefärbten Kunststoff aufweist.Sensor element ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the convergent lens ( 4 ) colored glass and / or colored plastic. Sensorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Kantenlage (5) der Sammellinse (4) unter einer Wellenlänge höchster Empfindlichkeit des Lichtsensors (2) liegt.Sensor element ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the edge layer ( 5 ) of the condenser lens ( 4 ) at a wavelength of highest sensitivity of the light sensor ( 2 ) lies. Sensorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Lichtsensor (2) als eine Einzelphoton-Avalanche-Diode ausgebildet ist.Sensor element ( 1 ) according to one of the preceding claims, wherein the light sensor ( 2 ) is formed as a single-photon avalanche diode. Sensorvorrichtung (6) mit einem Sensorelement (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer Lichtquelle (7), die ausgebildet ist, Licht (3) mit einer Wellenlänge, welche zumindest teilweise in dem Durchlassbereich der Sammellinse (4) des Sensorelements (1) liegt, auszusenden, und mit einer Steuereinrichtung (8), welche mit der Lichtquelle (7) und dem Sensorelement (1) gekoppelt ist und ausgebildet ist, die Lichtquelle (7) anzusteuern und basierend auf einem Signal (12) des Sensorelements (1) die Laufzeit (9) des Lichts (3) der Lichtquelle (7) zu bestimmen. Sensor device ( 6 ) with a sensor element ( 1 ) according to one of the preceding claims, with a light source ( 7 ), which is adapted to light ( 3 ) having a wavelength which is at least partially in the passband of the convergent lens ( 4 ) of the sensor element ( 1 ), and with a control device ( 8th ), which with the light source ( 7 ) and the sensor element ( 1 ) and is designed, the light source ( 7 ) and based on a signal ( 12 ) of the sensor element ( 1 ) the period ( 9 ) of light ( 3 ) of the light source ( 7 ). Sensorvorrichtung (6) nach Anspruch 6, wobei die Steuereinrichtung (8) ausgebildet ist, basierend auf der Laufzeit (9) des Lichts (3) einen Abstand (10) eines Objekts (11) von der Sensorvorrichtung (6) zu bestimmen.Sensor device ( 6 ) according to claim 6, wherein the control device ( 8th ), based on the duration ( 9 ) of light ( 3 ) a distance ( 10 ) of an object ( 11 ) from the sensor device ( 6 ). Sensorvorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 6 und 7, wobei die Lichtquelle (7) eine Laserlichtquelle (7) aufweist.Sensor device ( 6 ) according to one of claims 6 and 7, wherein the light source ( 7 ) a laser light source ( 7 ) having. Verfahren zur Entfernungsmessung, aufweisend die Schritte: Aussenden (S1) von Licht (3), welches zumindest teilweise eine vorgegebene Wellenlänge aufweist, gleichzeitiges Filtern (S2) des von einem Objekt (11) reflektierten Lichts (3) gemäß der vorgegebenen Wellenlänge und Fokussieren (S3) des Lichts (3) auf einen Lichtsensor (2), und Bestimmen (S4) der Laufzeit (9) des Lichts (3) basierend auf einem Signal (12) des Lichtsensors (2).Method for distance measurement, comprising the steps of: emitting (S1) light ( 3 ), which at least partially has a predetermined wavelength, simultaneous filtering (S2) of the object ( 11 ) reflected light ( 3 ) according to the predetermined wavelength and focusing (S3) of the light ( 3 ) to a light sensor ( 2 ), and determining (S4) the term ( 9 ) of light ( 3 ) based on a signal ( 12 ) of the light sensor ( 2 ). Verfahren nach Anspruch 9, wobei das gleichzeitige Filtern und Fokussieren mit einer asphärischen Sammellinse (4) erfolgt.The method of claim 9, wherein simultaneously filtering and focusing with an aspheric condenser lens ( 4 ) he follows. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 und 10, wobei das gleichzeitige Filtern und Fokussieren mit einer Sammellinse (4) aus eingefärbtem Glas und/oder eingefärbtem Kunststoff erfolgt.Method according to one of the preceding claims 9 and 10, wherein the simultaneous filtering and focusing with a converging lens ( 4 ) made of colored glass and / or colored plastic. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 10 und 11, wobei die Sammellinse (4) als Langpassfilter ausgebildet ist und eine Kantenlage (5) der Sammellinse (4) unter der vorgegebenen Wellenlänge liegt.Method according to one of the preceding claims 10 and 11, wherein the convergent lens ( 4 ) is designed as a long-pass filter and an edge layer ( 5 ) of the condenser lens ( 4 ) is below the predetermined wavelength. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 12, wobei als Lichtsensor (2) eine Einzelphoton-Avalanche-Diode verwendet wird.Method according to one of the preceding claims 9 to 12, wherein as a light sensor ( 2 ) a single photon avalanche diode is used. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 9 bis 13, wobei als Lichtquelle (7) eine Laserlichtquelle (7) verwendet wird.Method according to one of the preceding claims 9 to 13, wherein as light source ( 7 ) a laser light source ( 7 ) is used.
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