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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich auf optische Messsysteme, und genauer gesagt auf optische Messsysteme, die eine Umgebungslichtmessung eingebaut haben.
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HINTERGRUND
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Optische Messsysteme setzen typischerweise einen oder mehrere Fotodetektoren ein, um einfallendes Licht zu detektieren und dann von dem detektierten Licht abgeleitete Information für verschiedene Zwecke zu verwenden. Beispielsweise kann ein Fotodetektor, der in einer digitalen Kamera (in der Form eines Bildsensors) eingebaut ist, verwendet werden, um Lichtintensitäten, die verschiedenen Objekten in einer Szene, die von der digitalen Kamera aufgenommen werden soll, zugeordnet sind, zu messen. Digitalkameras enthalten allgemein verschiedene Belichtungseinstellungen, die verwendet werden können, um auf verschiedene Hintergrundlicht-Bedingungen abzuheben. Die Belichtungseinstellungen können in geeigneter Weise eingestellt werden, nachdem eine anfängliche Messung von Umgebungslicht ausgeführt worden ist. Die anfängliche Messung kann entweder unter Verwendung eines Schaltkreises, der in der Digitalkamera selbst enthalten ist, oder durch Verwendung eines externen Lichtmess-Geräts ausgeführt werden. Jedoch stellt sich heraus, dass derartige Hintergrundmessungen häufig nur grobe Näherungen sind, welche die tatsächliche Menge (oder Intensität) von Umgebungslicht wiederspiegeln kann, das zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden ist, wenn die Kamera verwendet wird, um ein Bild von einem Objekt, das weit von der Kamera entfernt ist, aufzunehmen.
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In einigen Anwendungen verschieden von der Fotografie können Umgebungslicht-Messungen unter Verwendung von verschiedenen anderen Techniken und Vorgehensweisen ausgeführt werden. In vielen Fällen versagt jedoch selbst die Verwendung von diesen anderen Techniken und Vorgehensweisen darin, zufriedenstellende Ergebnisse bereitzustellen. Beispielsweise zeigt sich, dass Hintergrundlicht-Messschaltungen, die in manchen herkömmlichen optischen Messsystemen für laufzeitbasierte Abstandsmessungen zum Messen von Hintergrundlicht und zum Berücksichtigen von resultierenden, abträglichen Effekten verwendet werden, häufig nicht adäquat und weniger als optimal sind. Dieser Nachteil kann zumindest teilweise der komplexeren Natur der Vorgehensweise bei der Abstandsmessung im Vergleich zu verschiedenen Vorgehensweisen von LichtMessungen, die beispielsweise in Digitalkameras eingesetzt werden, zuschreibbar sein.
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So wie das bekannt ist, arbeitet ein laufzeitbasiertes, optisches Abstandsmesssystem, indem es einen Lichtstrahl in Richtung zu einem Zielobjekt überträgt und dann wartet, um einen reflektierten Anteil des ausgesendeten Lichts nach der Reflexion von dem Zielobjekt zu empfangen. Die Zeitverzögerung zwischen der Übertragung des Lichtstrahls und dem Empfangen des reflektierten Lichts wird verwendet, um den Abstand zwischen dem Messsystem und dem Zielobjekt zu berechnen. Verständlicherweise kann die Menge (oder Intensität) des reflektierten Lichts im Vergleich zu der Menge des Umgebungslichts, das in der Nähe des optischen Abstandsmesssystems vorhanden sein kann, sehr klein sein. Bestehende optische Abstandsmesssysteme versuchen, die Effekte des Umgebungslichts zu eliminieren, jedoch mit begrenztem Erfolg, und zwar hauptsächlich aufgrund der Schwierigkeiten, die mit dem Bestimmen einer optimalen Zeitdauer (Abtast-Intervall), das zum Detektieren einer Menge von Umgebungslicht mit einem zufriedenstellenden Niveau der Genauigkeit verwendet werden kann. Eine übermäßig lange Abtast-Zeitdauer kann zu ungewünschten Messverzögerungen führen, ohne Zusicherungen, dass das Umgebungslicht in dem Moment, wenn das reflektierte Licht einen Detektor zu einem späteren Zeitpunkt tatsächlich erreicht, unverändert bleiben wird. Andererseits kann eine kurze Abtast-Zeitdauer zu einer ungenauen Messung des Umgebungslichts führen.
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US 2006/ 0 192 938 A1 offenbart einen kombinierten Abstandsmess- und Bildaufnahme-Sensor mit Mitteln zum Messen der Laufzeit von Licht zu und von einem um einen Abstand entfernten Objekt, zum Entfernen von Hintergrundlicht und zum Verbessern der Ladungstransfereffizienz in einem CMOS-Bildsensor. In einem auf Standard-CMOS-Technologie basierten Abstandsmess- und Bildsensor wird ein Schaltkreis hinzugefügt, wodurch zum einen die Ladungstransfereffizienz und die Ladungsspeicherung (Integration) und zum anderen die Lichtmessempfindlichkeit verbessert wird.
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Der Fachartikel von M. Davidovic et al.: „High Dynamic Range Background Light Suppression for a TOF Distance Measurement Sensor in 180 nm CMOS“ (übersetzt etwa: Hintergrundlicht-Unterdrückung mit großem dynamischen Bereich für einen laufzeitbasierten Abstandsmesssensor in 180 nm CMOS“ offenbart ein integriertes Einzel-Pixel-Entfernungsmess-Sensor-System, das auf dem Laufzeitmessprinzip basiert und in einem standardmäßigen 180 nm 1P6M CMOS Prozess hergestellt wird, wodurch eine 40 × 40 µm2 Gesamtpixelfläche bei einem Füllfaktor von ca. 67% erzielt wird. Das Sensor-System weist eine Abtast-Halte-Schaltung auf, deren Zeitkonstante nicht einstellbar ist.
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US 2006/ 0 000 967 A1 offenbart einen laufzeitbasierten Abstandsmesssensor zur Berücksichtigung des Einflusses von Umgebungslicht. In Antwort auf ein erstes Modulationssignal wird ein erstes moduliertes Lichtsignal ausgesendet; die modulierte Strahlung wird auf eine Szenerie projiziert; Strahlung wird empfangen; die empfangene Strahlung enthält einen ersten Anteil, der die von der Szenerie reflektierte, modulierte Strahlung aufweist, und einen zweiten Anteil, der die Hintergrundstrahlung ist; an einem Wandlungsknoten wird die empfangene Strahlung in ein Signal umgewandelt, welches eine erste und eine zweite Signalkomponente aufweist. Die erste Signalkomponente ist indikativ für die Hintergrundstrahlung, und die zweite Signalkomponente ist abhängig von der reflektierten, modulierten Strahlung. Die Laufzeit der Strahlung wird auf der Grundlage der zweiten Signalkomponente bestimmt.
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US 2012/ 0 006 973 A1 offenbart ein laufzeitbasiertes Abstandsmesssensor-System zur Berücksichtigung des Einflusses von Umgebungslicht. Das Sensor-System weist einen Bildsensor und eine Abtast-Halte-Schaltung zum Bestimmen eines zeitabhängigen Rauschens. Der Bildsensor weist eine Pixelmatrix auf. Jedem Pixel ist ein photosensitives Element zugeordnet. Ein Ausleseschaltkreis empfängt ein analoges Signal von jedem Pixel zu einem ersten Zeitpunkt und zu einem zweiten Zeitpunkt, zwischen denen das analoge Signal sich ändert. Der Bildsensor weist ferner einen Hilfsschaltkreis auf, der eine Quelle zeitabhängigen Rauschens ist. Die Signalstärke sowohl zum ersten als auch zum zweiten Zeitpunkt enthält Pixelrauschen. Ein Abtast-Halte-Schaltkreis ist bereitgestellt, um zumindest einen Anteil des Hilfsschaltkreis-Rauschens im Wesentlichen auf gleichem Niveau und einen Sensorausgang zwischen dem ersten und dem zweiten Zeitpunkt zeitlich invariant zu halten. Eine Zeitkonstante der Abtast-Halte-Schaltung ist nicht einstellbar.
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US 2015/ 0 063 048 A1 offenbart einen Abtast-Halte-Strom-Messverstärker, aufweisend zwei schaltungstechnisch übereinstimmende Einrichtungen, deren Ausgänge einem Messverstärker zugeführt werden. Jede der Einrichtungen ist ein geschalteter Stromabstaster und umfasst einen Transistor, einen Kondensator sowie einen ersten, einen zweiten und einen dritten Schalter. Der Kondensator hat einen ersten Anschluss, der mit einer Gate-Elektrode des Transistor verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit einer Source-Elektrode des Transistors verbunden ist. Der erste Schalter hat einen ersten Anschluss, der mit einer Stromquelle verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit der Gate-Elektrode des Transistor verbunden ist. Der zweite Schalter hat einen ersten Anschluss, der mit der Stromquelle verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit einer Drain-Elektrode des Transistor verbunden ist. Der dritte Schalter hat einen ersten Anschluss, der mit der Drain-Elektrode des Transistor verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit einem der beiden Eingänge des Messverstärkers verbunden ist. Eine Zeitkonstante der Abtast-Halte-Schaltung ist nicht einstellbar.
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US 2005/ 0 270 394 A1 offenbart schaltbares Widerstandsnetzwerk, wie es in einer Zeitkonstanten-Auswahlschaltung eines optischen Messsystems gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt.
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Es ist wünschenswert, ein optisches Messsystem bereitzustellen, das sich zumindest mit einigen der Themen befasst, die mit herkömmlichen optischen Messsystemen, die eine Schaltung zum Messen des Umgebungslichts eingebaut haben, einhergehen.
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Die vorliegende Erfindung schafft ein optisches Messsystem gemäß dem beigefügten unabhängigen Patentanspruch 1 und ein Verfahren einer optischen Messung gemäß dem beigefügten unabhängigen Patentanspruch 9. Beispielhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Figurenliste
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Viele Aspekte der Erfindung können durch Verweis auf die nachfolgende Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Patentansprüchen und Zeichnungen besser verstanden werden. In den verschiedenen Zeichnungen verweisen gleiche Bezugszeichen auf gleiche strukturelle Elemente und Merkmale. Zur Verdeutlichung kann nicht jedes Element in jeder Zeichnung mit einem Bezugszeichen versehen sein. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet, stattdessen wird eine Betonung darauf gelegt, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen.
- 1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführungsform eines optischen Messsystems gemäß der Offenbarung.
- 2 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform eines optischen Messsystems gemäß der Offenbarung.
- 3 zeigt eine dritte Ausführungsform eines optischen Messsystems gemäß der Offenbarung.
- 4 zeigt eine vierte beispielhafte Ausführungsform eines optischen Messsystems gemäß der Offenbarung.
- 5 zeigt eine fünfte beispielhafte Ausführungsform eines optischen Messsystems gemäß der Offenbarung.
- 6 zeigt einige Wellenformen, die einer ersten beispielhaften optischen Messung gemäß der Offenbarung zugeordnet sind.
- 7 zeigt einige Wellenformen, die einer zweiten beispielhaften optischen Messung gemäß der Offenbarung zugeordnet sind.
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SCHRIFTLICHE BESCHREIBUNG
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Durchgehend in dieser Beschreibung werden Ausführungsformen und Abwandlungen beschrieben zu dem Zweck, Verwendungen und Implementierungen der erfinderischen Konzepte zu veranschaulichen. Die veranschaulichende Beschreibung sollte so verstanden werden, dass sie Beispiele von erfinderischen Konzepten darstellt. Es sollte ferner verstanden werden, dass bestimmte Wörter und Ausdrücke hierin lediglich zur Vereinfachung verwendet werden, und dass derartige Worte und Ausdrücke so interpretiert werden sollten, das sie auf verschiedene Objekte und Aktionen verweisen, die allgemein in verschiedenen Formen und Äquivalenten von Fachleuten in dem technischen Gebiet verstanden werden. Beispielsweise verweist das Wort „Schalter“ allgemein auf verschiedene Arten von Schaltelementen, wie beispielsweise etwa ein Relais oder einen Festkörperschalter, und das Wort „Fotodetektor“ bezeichnet verschiedene Arten von Lichtmesselementen, wie beispielsweise etwa eine Fotodiode, eine Fotozelle oder einen Komplementär-Metalloxid-Halbleiter (CMOS, complementary metal oxide semiconductor)-Bildsensor. Es sollte auch verstanden werden, dass das Wort „Beispiel“, so wie dies hierin verwendet wird, dazu gedacht ist, nicht ausschließend und in seiner Natur nicht begrenzend zu sein. Genauer gesagt, verweist das Wort „beispielhaft“, so wie es hierin verwendet wird, auf eines unter mehreren Beispielen, und es muss verstanden werden, dass keine übertriebene Betonung oder Vorzug auf die bestimmten, beschriebenen Beispiele gerichtet ist.
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Im Sinne einer allgemeinen Übersicht umfasst ein optisches Messsystem gemäß der Offenbarung einen Fotodetektor, der in Reihe mit einem Feldeffekt-Transistor (FET) geschaltet ist. Der FET ist ein Teil von einer Abtast-Halte-Schaltung (sample and hold circuit), und eine Menge (oder Stärke) des durch den Fotodetektor fließenden Stroms ist proportional zu einem Leitfähigkeitszustand des FET. Genauer gesagt, wird der Leitfähigkeitszustand des FET bestimmt durch eine Spannungsausrichtung (oder Vorspannung, voltage bias), die an einem Gate-Anschluss des FET angelegt wird, wenn die Abtast-Halte-Schaltung eine Abtastbetriebsart (sampling mode of operation) ausführt. Die Abtastbetriebsart wird ausgeführt, um eine Menge des auf dem Fotodetektor auftreffenden Umgebungslichts zu detektieren und um daraus zu bestimmen, welches eine von einer Mehrzahl von Schaltelementen in einer Zeitkonstanten-Auswahl-Schaltung der Abtast-Halte-Schaltung ausgewählt werden soll. Jede Zeitkonstante stellt eine verschiedene Messeigenschaft (measurement characteristic) dar, wenn die Menge des auf den Fotodetektor auftreffenden Umgebungslichts abgetastet wird. Somit und gemäß der Offenbarung kann eine Vielfalt von Zeitkonstanten wahlweise (oder selektiv) angewendet werden, wenn ein Lichtsignal, das einer gewünschten optischen Messung zugeordnet ist, detektiert wird, selbst wenn unterschiedliche Umgebungslicht-Bedingungen vorhanden sind.
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Optische Messsysteme gemäß der Offenbarung bieten verschiedene Vorteile gegenüber herkömmlichen optischen Messsystemen, bei denen unabhängig von Veränderungen des Umgebungslichts eine einzelne, feste Zeitkonstante verwendet wird. Genauer gesagt, bietet ein optisches Messsystem gemäß der Offenbarung eine Messung (oder Detektion) von einem gewünschten Stromfluss durch einen Fotodetektor selbst in der Anwesenheit eines durch Umgebungslicht verursachten, großen Stromflusses, wodurch nachteilige Effekte der Umgebungslicht-Komponente auf die Messung ausgeglichen (oder aufgehoben, nullified) werden. Die hierin beschriebenen Systeme und Verfahren können in einer breiten Vielfalt von Anwendungen verwendet werden, einschließlich beispielsweise in einem laufzeitbasierten, optischen Abstandsmesssystem.
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Die Aufmerksamkeit wird nun auf 1 gelenkt, die eine erste beispielhafte Ausführungsform eines optischen Messsystems 100 gemäß der Offenbarung zeigt. Das optische Messsystem 100 umfasst einen Fotodetektor 155, der dazu ausgebildet ist, verschiedene Arten von Lichteingaben, die einer breiten Vielfalt von Anwendungen zugeordnet sind, zu empfangen. In einer ersten Anwendung beispielsweise, die eine Bildaufnahme-Anwendung ist, mag das empfangene Licht mit einem Licht korrespondieren (oder entsprechen), das verschiedenen Punkten auf einem oder mehreren Zielobjekten (nicht gezeigt), die in Form eines Bildes aufgenommen werden sollen, zugeordnet ist. In einer zweiten Anwendung, die eine laufzeitbasierte, optische Abstandsmessanwendung ist, mag das empfangene Licht mit Licht korrespondieren, das von einem Zielobjekt (nicht gezeigt) in Antwort auf einen Strahl von Licht, das durch das optische Messsystem 100 in Richtung zu dem Zielobjekt übertragen worden ist, reflektiert wird. Die Zeitverzögerung zwischen dem Übertragen des Lichtstrahls durch das optische Messsystem 100 und dem Empfangen des reflektierten Lichts in dem Fotodetektor 155 wird von dem optischen Messsystem 100 verwendet, um einen Abstand zwischen dem optischen Messsystem 100 und dem Zielobjekt zu berechnen.
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Ungeachtet der Art der Anwendung mag der Fotodetektor 155 zu dem Zeitpunkt, wenn der gewünschte Lichteingang auf dem Fotodetektor 155 eintrifft, im Umgebungslicht ausgesetzt sein. In vielen Situationen kann die Intensität des Umgebungslichts signifikant höher sein als ein gewünschter Lichteingang, welcher beispielsweise reflektiertes Licht sein kann, das in einem Fotodetektor eines laufzeitbasierten, optischen Abstandsmesssystems empfangen wird. Es ist daher wünschenswert, die nachteiligen Effekte von auf dem Fotodetektor 155 auftreffendem Umgebungslicht, wenn das optische Messsystem 100 zum Ausführen von verschiedenen Arten von optischen Messungen verwendet wird, aufzuheben oder zu eliminieren. Das Aufheben oder Eliminieren der nachteiligen Effekte von Umgebungslicht bei optischen Messungen kann typischerweise ausgeführt werden, indem eine Menge (oder Stärke) des Stroms, der in Antwort auf Umgebungslicht, das vorhanden ist, wenn ein Messvorgang von dem optischen Messsystem 100 initiiert wird, durch den Fotodetektor 155 fließt, detektiert wird und dann der detektierte Stromfluss in Betracht gezogen wird, wenn der Fotodetektor 155 anschließend ein gewünschtes Lichtsignal in der Anwesenheit des Umgebungslichts empfängt. Diese Aspekte werden nachstehend in näherer Einzelheit beschrieben.
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Der Fotodetektor 155 ist in Reihe geschaltet mit einem FET 145, der ein Teil von einer Abtast-Halte-Schaltung 105 ist. Es sollte verstanden werden, dass in anderen Ausführungsformen andere Arten von Transistoren anstelle des FET 145 verwendet werden können. Die Abtast-Halte-Schaltung 105 enthält einen Abtast-Schalter 150, der verwendet werden kann, um einen Gate-Anschluss des FET 145 mit einem Drain-Anschluss des FET 145 zu koppeln, und enthält des Weiteren eine Zeitkonstanten-Auswahl-Schaltung 110. In dieser beispielhaften Ausführungsform enthält die Zeitkonstanten-Auswahl-Schaltung 110 eine Schaltmatrix (array) von Kondensatoren, die parallel zueinander gekoppelt (oder verbunden oder geschaltet) sind. Eine oder mehrere von den „n“ Kondensatoren (n ≥ 2), welche die Schaltmatrix der Kondensatoren ausbilden, können selektiv zwischen dem Gate-Anschluss des FET 145 und einem Source-Anschluss des FET 145 gekoppelt werden, indem einer oder mehrere von entsprechenden Schaltern in einer Schaltmatrix von Schaltern, die mit der Schaltmatrix der Kondensatoren verbunden sind, betätigt (actuated) werden. Beispielsweise kann ein Kondensator 115 selektiv zwischen dem Gate-Anschluss des FET 145 und dem Source-Anschluss des FET 145 gekoppelt werden, indem ein Schalter 130, der mit dem Kondensator 115 verbunden ist, betätigt wird. Gleichermaßen kann jeder von einem Kondensator 120 und einem Kondensator 125 selektiv gekoppelt werden, indem ein Schalter 135 und ein Schalter 140, respektive, betätigt werden.
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In einer beispielhaften Implementierung sind alle von den „n“ Kondensatoren identisch zueinander. Jedoch können in anderen beispielhaften Implementierungen zwei oder mehrere der „n“ Kondensatoren verschiedene Werte aufweisen. Die verschiedenen Werte können entweder eine lineare Beziehung oder eine nicht-lineare Beziehung aufweisen und können auch auf der Grundlage von einem Gewichtungsschema (z.B. einem binären Gewichtungsschema) ausgewählt werden. In noch einer anderen beispielhaften Implementierung kann mindestens einer von den „n“ Kondensatoren direkt zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des FET 145 verbunden sein, ohne dass ein Wahlschalter eingebaut ist. Ein derartiger Kondensator mag einen nominellen, vorbestimmten Wert haben.
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Der Betrieb (oder die Arbeitsweise) der verschiedenen Komponenten des optischen Messsystems 100 werden nun in näherer Einzelheit beschrieben. Die Abtast-Halte-Schaltung 105 wird zunächst in eine Abtastbetriebsart versetzt, indem ein Schalter 150 in eine geschlossene Position versetzt wird, wodurch der Gate-Anschluss („G“) des FET 145 mit dem Drain-Anschluss („D“) des FET 145 direkt gekoppelt wird. Zumindest einer von dem Schalter 130, dem Schalter 135 und dem Schalter 140 wird auch in eine geschlossene Position versetzt, so dass zumindest ein Kondensator zwischen dem Gate-Anschluss des FET 145 und dem Strom-Anschluss des FET 145 enthalten ist. Beispielsweise kann der Schalter 140 zuerst in eine geschlossene Position versetzt werden, um den Kondensator 125 zwischen dem Gate-Anschluss des FET 145 und einem Source-Anschluss des FET 145 aufzunehmen.
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Die Abtastbetriebsart ist darauf gerichtet, eine angemessene Zeitkonstante auszuwählen, die ein gewünschtes Niveau der Messgenauigkeit bereitstellt, wenn das optische Messsystem 100 zum Detektieren von Umgebungslicht, das in der Nähe des optischen Messsystems 100 vorhanden ist, verwendet wird. Während der Abtastbetriebsart kann die Korrelator-Schaltung (nachfolgend auch kurz: Korrelator) 160 in einen inaktiven Zustand versetzt werden. In bestimmten Anwendungen kann das Niveau der Messgenauigkeit weiter verbessert werden, indem verhindert wird, dass das von dem Umgebungslicht verschiedene Licht auf dem Fotodetektor 155 auftrifft. So kann beispielsweise, wenn das optische Messsystem 100 ein flugzeitbasiertes Abstandsmesssystem ist, die Abtastbetriebsart aktiviert werden, wenn von dem flugzeitbasierten Abstandsmesssystem kein Licht in Richtung zu einem Zielobjekt übertragen worden ist, wodurch verhindert wird, dass reflektiertes Licht von dem Zielobjekt auf dem Fotodetektor 155 auftrifft.
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Wenn die Abtast-Halte-Schaltung 105 in die Abtastbetriebsart versetzt wird, weist der Fotodetektor 155 eine Stromleitfähigkeit auf, die zu der Intensität des auf dem Fotodetektor 155 auftreffenden Umgebungslichts proportional ist. Die Stromleitfähigkeit führt zu einem Source-Drain-Strom (mit „Iai“ bezeichnet), der durch den FET 145 gezogen wird und über eine Leitung 151 zu dem Fotodetektor 155 fließt.
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Eine dem sich durch den FET
145 ausbreitenden Source-Drain-Strom („
Ial “) zugeordnete Zeitkonstante „Γ“ wird durch den Wert des Kondensators
125 bestimmt, der zwischen dem Gate-Anschluss des FET
145 und dem Source-Anschluss des FET
145 durch Betätigen des Schalters
140 gekoppelt wurde. Die Zeitkonstante „Γ“ kann durch die folgende Gleichung dargestellt werden:
wobei
Cnom in diesem Fall mit dem Wert des Kondensators
125 korrespondiert und
IPD der durch den Fotodetektor
155 fließende Strom ist. Verständlicherweise kann die Zeitkonstante „Γ“ verändert werden, indem der Wert von
Cnom verändert wird. Wenn folglich eine größere Zeitkonstante „Γ“ gewünscht wird, können zusätzliche Kondensatoren von den „
n“ Kondensatoren (Kondensator
115, Kondensator
120 und Kondensator
125 usw.) zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des FET
145 eingefügt werden, indem der richtige eine von den „n“ Schaltern (d.h. Schalter
130, Schalter
135, Schalter
140, usw., respektive) betätigt wird. Des Weiteren kann in manchen Anwendungen, wenn einer oder mehrere von den „
n“ zusätzlichen Kondensatoren ausgewählt wird, der Kondensator
125 von zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des FET
145 abgekoppelt (abgetrennt) werden, indem der Schalter
140 in eine offene Position betätigt wird. Der Kondensator
125 kann beispielsweise abgetrennt werden, um einen anderen Eingang von den „
n“ Kondensatoren, der einen niedrigeren Kapazitätswert aufweist, einzufügen, wodurch die Zeitkonstante „Γ“ verringert wird, wenn dies so gewünscht ist. Das Bestimmen eines optimalen Werts der Zeitkonstante „Γ“ ist abhängig von vielfältigen Parametern, wie beispielsweise etwa Messgeschwindigkeit und Messgenauigkeit. Folglich kann in manchen Fällen das Auswählen der Zeitkonstante „Γ“ auf dem Auswählen eines Kompromisses zwischen zwei oder mehreren von derartigen Parametern beruhen. Die Auswahl von einem oder mehreren von den „n“ zusätzlichen Kondensatoren kann manuell oder automatisch ausgeführt werden. Einige beispielhafte Systeme zum Ausführen der Auswahl in automatischer Weise werden unten mit Verweis auf andere Figuren beschrieben.
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Beim Vervollständigen (Abschließen) der Abtastbetriebsart wird die Abtast-Halte-Schaltung 105 in eine Haltebetriebsart versetzt, während der der Abtastschalter 150 in eine offene Position versetzt wird und der ausgewählte Kondensator von den „n“ Kondensatoren wird zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des FET 145 verbunden, zurückgelassen. Die Verbindung des ausgewählten Kondensators zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des FET 145 bewirkt, dass die Abtast-Halte-Schaltung 105 eine gewünschte Zeitkonstante bereitstellt für den Strom, der während der Haltebetriebsart durch den Fotodetektor 155 fließt.
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Während der Haltebetriebsart ist das optische Messsystem 100 in einer Betriebsart (operating condition), die ermöglicht, dass ein gewünschtes Lichtsignal auf dem Fotodetektor 155 auftreffend ist. Genauer gesagt, ist während der Haltebetriebsart die Menge von Licht, die auf dem Fotodetektor 155 auftrifft, eine Kombination von Umgebungslicht und dem gewünschten Lichtsignal, was zu einer Veränderung in der Art des durch den Fotodetektor 155 fließenden Stroms führt, welcher Strom in 1 als ein Stromfluss „IPD = Ial + Imod.“ angedeutet ist. Die Veränderung in der Art dieses Stromflusses ist zu der Intensität des gewünschten Lichtsignals direkt proportional, und dieses Merkmal kann in Übereinstimmung mit der Offenbarung in vorteilhafter Weise zum Aufheben (nullifying) von abträglichen Effekten des Umgebungslichts auf optische Messungen verwendet werden.
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So kann beispielsweise, wenn das optische Messsystem 100, welches ein flugzeitbasiertes Abstandsmesssystem ist, die Haltebetriebsart aktiviert werden, nachdem ein modulierter Strahl von Licht von dem flugzeitbasierten Abstandsmesssystem in Richtung zu einem Zielobjekt übertragen worden ist. Ein Teil des modulierten Lichtstrahls wird von dem Zielobjekt reflektiert und ist auf dem Fotodetektor 155 einfallend, was zu dem Stromfluss „IPD = Ial + Imod“ durch den Fotodetektor 155 führt. Während der Haltebetriebsart ist der Korrelator 160 in einen aktiven Zustand versetzt. Wenn er in dem aktiven Zustand ist, verwendet der Korrelator den Imod Strom, der sich durch die Leitung 152 ausbreitet, um einen Abstands-Messvorgang auszuführen.
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In einer beispielhaften Implementierung kann ein digitales Taktsignal verwendet werden, um den modulierten Lichtstrahl, der von dem flugzeitbasierten Abstandsmesssystem in Richtung zu dem Zielobjekt übertragen wird, zu erzeugen. Typischerweise als ein Ergebnis von Bandbreiten-Begrenzungen weist der modulierte Strahl von Licht, das aus dem flugzeitbasierten Abstandsmesssystem übertragen worden ist, eine Sinuswellen-Charakteristik auf anstelle von einer quadratförmigen oder einer rechteckförmigen Wellen-Charakteristik auf. Folglich weist Licht, das von dem Zielobjekt reflektiert wird und auf dem Fotodetektor 155 auftrifft, ebenfalls eine Sinuswellen-Charakteristik auf, was dazu führt, dass der „IPD “ Strom, der durch den Fotodetektor 155 fließt, eine Sinuswellen-Strom-Komponente („Imod “) aufweist. Die Sinuswellen-Strom-Komponente („Imod “) setzt sich über eine Leitung 152 zu dem Fotodetektor 155 fort, und ist in 1 als ein Sinuswellen-Muster 154 angedeutet.
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Einer oder mehrere Parameter des Sinuswellen-Musters 154 werden von dem Korrelator 160 zum Vergleichen mit einem oder mehreren Parametern eines Referenzeingangssignals, das über eine Leitung 156 in den Korrelator 160 eingekoppelt wird, verwendet. Das Referenzeingangssignal, welches das digitale Taktsignal sein kann, das ursprünglich zum Modulieren des ausgesendeten Lichtstrahls verwendet worden ist, wird von dem Korrelator 160 verwendet, um die Sinuswellen-Strom-Komponente („Imod “) zu verarbeiten und ein Messergebnis für den Abstand abzuleiten. Beispielsweise kann der Korrelator 160 einen Phasenversatz zwischen dem Referenzeingangssignal und der Sinuswellen-Strom-Komponente („Imod “) messen und den gemessenen Phasenversatz verwenden, um eine Hin- und Rücklaufzeit des modulierten Strahls zu bestimmen. Die Hin- und Rücklaufzeit kann dann verwendet werden, um einen Abstand zwischen dem flugzeitbasierten Abstandsmesssystem und dem Zielobjekt zu berechnen. In einer alternativen Herangehensweise kann anstelle einer Phasenversatzmessung beispielsweise eine Zeitverzögerungsmessung ausgeführt werden, wenn das übertragene Signal ein Lichtimpulssignal ist und das dem Korrelator 160 zugeführte Referenzeingangssignal ein Triggerimpuls ist, der verwendet worden ist, um das Lichtimpulssignal zu erzeugen.
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2 zeigt eine zweite beispielhafte Ausführungsform eines optischen Messsystems 200 gemäß der Offenbarung. Das Messsystem 200 umfasst den Fotodetektor 155, die Abtast-Halte-Schaltung 105 und den Korrelator 160, die auch Komponenten des in 1 gezeigten optischen Messsystems 100 sind. Zusätzlich zu diesen Komponenten umfasst das optische Messsystem 200 ferner eine Messschaltung (sensing circuit) 205. Die Messschaltung 205 weist einen FET 215 auf, der in einer Stromspiegel-Schaltanordnung mit dem FET 145 gekoppelt ist. Ein Drain-Anschluss des FET 215 ist mit einer Matrixschaltung (array) von „n“ Widerständen (Widerstand 240, Widerstand 235 und „n-ter“ Widerstand 230) gekoppelt. In einer anderen beispielhaften Implementierung ist der FET 215 identisch zu dem FET 145. In einer anderen beispielhaften Implementierung jedoch ist der FET 215 von dem FET 145 verschieden. Beispielsweise kann der FET 215 einen Gewichtsfaktor eingebaut haben, wie etwa ein anderes Breite-zu-Längen-Verhältnis (W/L, width-to-length) als das W/L-Verhältnis des FET 145. Infolge des verschiedenen Gewichtsfaktors, wie beispielsweise ein N:1-Gewichtsfaktor, ist ein gespiegelter Strom, der durch den FET 215 fließt, „N“ mal ein Strom, der durch den FET 145 fließt.
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Wenn das optische Messsystem 200 in die Abtastbetriebsart versetzt ist, weist der Fotodetektor 155 eine bestimmte Leitfähigkeit auf, die zu der Intensität des auf den Fotodetektor 155 auftreffenden Umgebungslichts proportional ist. Diese Leitfähigkeit führt zu einem Source-Drain-Strom (mit „Ial “ bezeichnet), der durch den FET 145 gezogen wird. Eine dem Source-Drain-Strom („Ial “) durch den FET 145 zugeordnete Zeitkonstante wird durch einen ersten Kondensator (wie etwa einen Kondensator, der einen Nennwert aufweist), der ein Teil der Zeitkonstanten-Auswahlschaltung 110 ist, bestimmt. Der erste Kondensator kann als Voreinstellung (d.h. ohne einen Auswahlvorgang über einen Wahlschalter, der innerhalb der Zeitkonstanten-Auswahlschaltung 110 angeordnet ist, auszuführen) zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des FET 145 gekoppelt sein oder kann selektiv unter Verwendung eines Schalters gekoppelt sein, so wie das oben beschrieben ist. Die Messschaltung 205 kann dann verwendet werden, um den durch den FET 145 fließenden „Ial “ Strom zu messen und die Messinformation einem Steuerungsschaltkreis (nicht gezeigt), der zum Auswählen von zusätzlichen Kondensatoren, die in der Zeitkonstanten-Auswahlschaltung 110 angeordnet sind, verwendet wird, wenn dies so gewünscht ist, zuzuführen.
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Nach dem Auswählen der zusätzlichen Kondensatoren kann die Messschaltung 205 noch ein weiteres Mal verwendet werden, um den geänderten Stromfluss durch den FET 145 zu messen und der Steuerschaltung neue Messinformation zuzuführen. Der Messvorgang kann rekursiv ausgeführt werden, bis eine zufriedenstellende Zeitkonstanten-Funktionalität erhalten ist. Nachdem die Zeitkonstanten-Auswahlschaltung in geeigneter Weise konfiguriert worden ist, kann die Abtast-Halte-Schaltung 105 in die Haltebetriebsart versetzt werden, um eine gewünschte Zeitkonstante bereitzustellen.
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In der in 2 gezeigten beispielhaften Ausführungsform wird die Messinformation über den Stromfluss von einer Spannung („VAL “), die an einem Knoten 226 vorhanden ist, abgeleitet. Weil der Stromfluss durch den FET 215 eine Nachbildung (replica) des durch den FET 145 fließenden Stromes (oder eines skalierte Nachbildung, wenn der FET 215 eine gewichtete Version des FET 145 ist) ist, ist die Spannung an dem Knoten 226 indikativ für verschiedene Merkmale bzw. Charakteristiken des durch den FET 145 fließenden Stroms. Diese verschiedenen Merkmale können ausgewertet werden, wenn dies so gewünscht ist, um zu bestimmen, ob eine ausgewählte, von der Zeitkonstanten-Auswahlschaltung bereitgestellte Zeitkonstante zur Verwendung geeignet ist, wenn ein Niveau von Umgebungslicht, das auf dem Fotodetektor 155 auftreffen kann, detektiert wird, und zwar immer dann wenn die Abtast-Halte-Schaltung 105 in die Abtastbetriebsart versetzt wird. Des Weiteren kann die Spannung an dem Knoten 226 von einer Steuerungsschaltung 245 verwendet werden, um ein oder mehrere Steuersignale zu erzeugen, die der Zeitkonstanten-Auswahlschaltung 110 zugeführt werden, zum Betätigen von einem oder mehreren Schaltern, wie beispielsweise etwa einem oder mehreren von dem Schalter 130, dem Schalter 135 oder dem Schalter 140, die in 1 gezeigt sind.
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Die Amplitude der Spannung an dem Knoten 226 kann vergrößert oder verringert werden, indem einer oder mehrere von den Widerständen (verschieden von dem Widerstand 240, der mit dem Drain-Anschluss des FET 215 direkt verbunden ist) geeignet ausgewählt wird, um den durch den FET 215 fließenden Source-Drain-Strom zu vergrößern. In verschiedenen anderen beispielhaften Implementierungen können eine oder mehrere von den „n“ Widerständen (Widerstand 240, Widerstand 235, Widerstand 230, usw.) durch andere Komponenten, wie beispielsweise etwa Potentiometer, Dioden oder Transistoren, ersetzt werden. Die Transistoren können bipolare Transistoren oder MOSFET-Transistoren sein, die eine nicht-lineare Übertragungskennlinie (transfer characteristic) aufweisen (wie beispielsweise etwa eine rechteckförmige Übertragungskennlinie oder eine logarithmische Übertragungskennlinie), wodurch ein großer dynamischer Bereich von gemessenen Stromwerten bereitgestellt wird.
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3 zeigt eine dritte beispielhafte Ausführungsform eines optischen Messsystems 300 gemäß der Offenbarung. Das optische Messsystem 300 ist dem optischen Messsystem 200 ähnlich im Hinblick auf das Einschließen des Fotodetektors 155, der Abtast-Halte-Schaltung 105, des Korrelators 160 und einer Messschaltung 305. Jedoch ist die Art der Messschaltung 305 des optischen Messsystems 300 verschieden von der Messschaltung 205 des optischen Messsystems 200. Primär und im Gegensatz zu der Messschaltung 205, die konfiguriert ist, um Messinformationen in der Form einer Spannung an dem Knoten 226 bereitzustellen, ist die Messschaltung 305 konfiguriert, um Messinformationen in der Form eines Stromflusses („Out_Ial“) aus einer Leitung 340 bereitzustellen.
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Die Messschaltung 305 umfasst eine Matrixschaltung von „n“ FETs, die in einer Stromspiegel-Schaltungsanordnung mit dem FET 145 gekoppelt sind. Die Matrixschaltung der „n“ FETs kann einen FET 335 enthalten, der als ein Voreinstell-FET konfiguriert ist, wobei ein Drain-Anschluss des FET 335 mit der Leitung 340 gekoppelt ist. Jeder von den verbleibenden „n-1“ FETs der Matrixschaltung von „n“ FETs kann wahlweise mit der Leitung 340 gekoppelt werden, indem einer oder mehrere von den „n-1“-Schaltern (Schalter 330, Schalter 325, usw.) betätigt wird. Jeder von den „n“ FETs kann identisch zueinander sein oder kann ausgewählt sein, um verschiedene Gewichtsfaktoren auszuwählen (beispielsweise indem sie verschiedene Breite-zu-Längen (W/L, width-to-length)-Verhältnisse aufweisen.
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Die Verhaltensweisen von bestimmten Elementen des optischen Messsystems 300, wie etwa die Abtast-Halte-Schaltung 105 und der Fotodetektor 155, sind ähnlich wie diejenigen des oben beschriebenen, optischen Messsystems 200 und werden im Interesse der Kürze hierin nicht wiederholt. Wie bei der Messschaltung 305 können einer oder mehrere von den „n-1“ FETs (FET 320, FET 315, usw.) konfiguriert sein, um einen zusätzlichen Stromfluss durch die Leitung 340 aufzuweisen, beruhend auf einer rekursiven Prozedur (ähnlich zu derjenigen, die im Hinblick auf das optische Messsystem 200 oben beschrieben ist) zum Erlangen einer gewünschten Zeitkonstante für einen „IAL “ Stromfluss durch den FET 145. Der aus der Leitung 340 herausfließende Strom („Aus_Ial“) kann von einer Steuerschaltung 345 verwendet werden, um ein oder mehrere Steuersignale bereitzustellen, die zum Betätigen von einem oder mehreren Schaltern, wie beispielsweise etwa einem oder mehreren von dem Schalter 130, dem Schalter 135 oder dem Schalter 140, die in 1 gezeigt sind, mit der Zeitkonstanten-Auswahlschaltung 110 gekoppelt sind.
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4 zeigt eine vierte beispielhafte Ausführungsform eines optischen Messsystems 400 gemäß der Offenbarung. Das optische Messsystem 400 umfasst eine Messschaltung 405, die einer Kombination der Messschaltung 205 und der Messschaltung 305, die oben beschrieben sind, ähnlich ist. Genauer gesagt, umfasst die Messschaltung 405 einen FET 465, der einen Drain-Anschluss aufweist, der einen Strom „IAL_AUS “ bereitstellt, der zu dem Source-Drain-Strom des FET 145 proportional ist, und der für Messzwecke verwendet werden kann. Die Messschaltung 405 umfasst ferner einen anderen FET 470, der einen Drain-Anschluss aufweist, der mit einem Widerstand 460 (oder einem anderen Element, wie etwa einer Diode oder einem Transistor) gekoppelt ist. Ein Knoten 461, der an einem Zusammenfluss des Drain-Anschlusses des FET 470 und des Widerstands 460 angeordnet ist, stellt eine Spannung „VAL “ bereit, die zu dem Source-Drain-Strom des FET 145 proportional ist.
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Die Spannung „VAL “ wird in eine Steuerschaltung eingekoppelt. In dieser vierten beispielhaften Ausführungsform ist die Steuerschaltung ein N-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC, analog-to-digital-converter) 455. Die N-Bit-Größe des N-Bit-ADC 455 kann auf der Grundlage der Anzahl „n“ der Schalter (Schalter 445, Schalter 440 und „n-ter“ Schalter 435), die von dem ADC 455 gesteuert werden sollen, ausgewählt werden. Der N-Bit-ADC 455 wandelt die Spannung „VAL “ in eine entsprechende digitale Ausgabe, die einen oder mehrere der „n“ Schalter betätigt, um. Wenn folglich die Abtast-Halte-Schaltung 105 in die Abtastbetriebsart versetzt wird, werden der eine oder die mehreren Werte der Spannung „VAL “, die an dem Knoten 461 als ein Ergebnis eines gespiegelten Stromflusses durch den FET 470 erzeugt werden, verwendet, um einen oder mehrere von dem Kondensator 430, dem Kondensator 425 oder dem „n-ten“ Kondensator 420 zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des FET 145 selektiv zu koppeln. So wie das oben beschrieben ist, wird dieser Vorgang ausgeführt, um eine geeignete Zeitkonstante für einen durch den Fotodetektor 155 fließenden Strom einzustellen, wenn die Abtast-Halte-Schaltung 105 anschließend in die Haltebetriebsart versetzt wird.
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In dieser beispielhaften Ausführungsform wird der Strom „IAL_AUS “ nicht verwendet. In anderen Ausführungsformen jedoch kann der Strom „IAL_AUS “ verwendet werden zusätzlich zu oder anstelle von der Spannung „VAL “, um als ein Messsignal zu arbeiten, das einer Steuerschaltung (nicht gezeigt) zum Konfigurieren von einem oder mehreren von den „n“ Schaltern (Schalter 445, Schalter 440 und „n-ter“ Schalter 435) zugeführt wird.
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Des Weiteren ist in dieser beispielhaften Ausführungsform ein Tiefpassfilter (LPF, low pass filter) 450 gezeigt, das zwischen dem Gate-Anschluss des FET 145 und dem Gate-Anschluss des FET 470 gekoppelt ist. Das Tiefpassfilter 450 ist betriebsfähig, um bestimmte Rauschkomponenten von einer abträglichen Beeinflussung bei Hintergrund-Lichtmessungen zu blockieren. Derartige Rauschkomponenten enthalten das, was im Stand der Technik als kTC-Rauschen bekannt ist. Das Tiefpassfilter 450 ist ein optionales Element und kann in anderen Ausführungsformen ausgelassen werden.
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Für den N-Bit-ADC 455 können in verschiedenen Implementierungen verschiedene Arten von ADCs verwendet werden. In einer ersten beispielhaften Implementierung ist der N-Bit-ADC 455 dazu ausgebildet, die Analog-Digital-Wandlung unter Verwendung eines logarithmischen Umwandlungsverhältnisses auszuführen. In einer zweiten beispielhaften Implementierung ist der N-Bit-ADC 455 ausgebildet, die Analog-Digital-Wandlung unter Verwendung eines exponentiellen Umwandlungsverhältnisses auszuführen.
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5 zeigt eine fünfte beispielhafte Ausführungsform eines optischen Messsystems 500 gemäß der Offenbarung. Das optische Messsystem 500 umfasst eine Messschaltung 505, die zum Erzeugen von mehreren Messsignalen, die der Steuerlogik 545 zugeführt werden, verwendet werden kann. Die mehreren Messsignale sind indikativ für Veränderungen im Umgebungslichtniveau während verschiedener Zeitperioden. Die Steuerlogik 545 verwendet diese mehreren Messsignale, um ein oder mehrere Steuersignale zum Betätigen von einem oder mehreren der Schalter zu erzeugen. In dieser beispielhaften Ausführungsform ist ein Schalter 555 gezeigt, der mit einem Kondensator 550 gekoppelt ist, um einen wahlweisen Einschluss des Kondensators 550 zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des FET 145 zu ermöglichen. In anderen Ausführungsformen können mehr als eine Kondensator-Schalter-Kombination verwendet werden, und es wird eine geeignete Anzahl von Steuersignalen von der Steuerlogik 545 bereitgestellt, um diese verschiedenen Schalter zu steuern. Des Weiteren ist in dieser beispielhaften Ausführungsform ein Kondensator 565 zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des FET 145 direkt gekoppelt. Der Kondensator 565 kann einen Nominalwert (oder Nennwert) aufweisen, der auf der Grundlage von einer näherungsweisen Abschätzung einer gewünschten Zeitkonstante ausgewählt ist.
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Die Messschaltung 505 umfasst einen ersten Komparator 525 und einen zweiten Komparator 520, die jeweils angeordnet sind, um eine „VAL “ Spannung (die oben beschrieben ist), die an dem Knoten 522 vorhanden ist, zu empfangen. Insbesondere wird die „VAL “ Spannung in einen negativen Eingangsanschluss des ersten Komparators 525 und einen positiven Eingangsanschluss des zweiten Komparators 520 eingekoppelt. Ein entsprechender positiver Eingangsanschluss des ersten Komparators 525 und ein negativer Eingangsanschluss des zweiten Komparators 520 sind beide mit einem Abtast-Kondensator 535 gekoppelt, der selektiv mit dem Knoten 522 gekoppelt werden kann, indem ein Schalter 530 betätigt wird.
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Der Schalter 530 wird betätigt, um den Abtast-Kondensator 535 mit einem ersten Spannungsniveau „VAL “, das an dem Knoten 522 zu einem bestimmten Zeitpunkt vorhanden ist, aufzuladen. Zu diesem Zeitpunkt ist die Abtast-Halte-Schaltung 510 in eine Abtastbetriebsart versetzt worden, indem der Schalter 150 in eine geschlossene Position betätigt wurde. Der durch den FET 145 während der Abtastbetriebsart fließende Strom ist proportional zu einer Menge von Umgebungslicht, das zu diesem Zeitpunkt auf dem Fotodetektor 155 auftrifft. Dieser Strom wird gespiegelt durch den Stromfluss durch den FET 560, der wiederum den Knoten 522 auf das erste Spannungsniveau „VAL “ einstellt, welches der auf dem Fotodetektor 155 zu diesem Zeitpunkt auftreffenden Lichtmenge entspricht. Der Kondensator 535 lädt bis auf dieses erste Spannungsniveau „VAL “ auf, wonach der Schalter 530 in eine offene Position versetzt wird, um zu ermöglichen, dass der Kondensator 535 die Ladung hält. Die Messausgänge der Messschaltung 505 werden an diesem Zusammenfluss nicht verwendet.
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Zu einem späteren Zeitpunkt, nachdem die Abtast-Halte-Schaltung 510 für die gleiche Zeitdauer in eine Haltebetriebsart versetzt worden ist, indem der Schalter 150 geöffnet wird (um eine Menge von gewünschtem, auf dem Fotodetektor 155 auftreffenden Licht zu messen), wird die Abtast-Halte-Schaltung 510 noch einmal in eine Abtastbetriebsart versetzt, indem der Schalter 150 in eine geschlossene Position betätigt wird. Der Stromfluss durch den FET 145 während dieser Abtastbetriebsart ist proportional zu einer Menge von Umgebungslicht, das zu diesem Zeitpunkt auf dem Fotodetektor 155 auftrifft. Die Menge des Umgebungslichts hat sich verändert, seitdem die vorhergehende Abtastbetriebsart ausgeführt worden ist; der Knoten 522 wird nun auf einem zweiten Spannungsniveau „VAL “ sein, das von dem in dem Kondensator 535 gespeicherten ersten Spannungsniveau „VAL “ verschieden ist.
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Wenn das zweite Spannungsniveau „VAL “ größer als das erste Spannungsniveau „VAL “ ist, wird die Ausgabe des zweiten Komparators 520 angenommen (beispielsweise indem von einem niedrigen logischen Niveau auf ein hohes logisches Niveau gewechselt wird). Andererseits, wenn das zweite Spannungsniveau „VAL “ kleiner als das erste Spannungsniveau „VAL “ ist, wird die Ausgabe des ersten Komparators 525 angenommen (beispielsweise, indem von einem niedrigen logischen Niveau auf ein hohes logisches Niveau gewechselt wird). Wenn der Ausgang von entweder dem ersten Komparator 525 oder dem zweiten Komparator 520 angenommen wird, wird ein Ausgang von einem ODER-Gatter 515, das mit jedem von dem Ausgängen des ersten Komparators 525 und des zweiten Komparators 520 gekoppelt ist, angenommen. Folglich wird der Ausgang des ODER-Gatters 515 indikativ für eine Veränderung in der Umgebungslicht-Bedingung; der Ausgang des ersten Komparators 525 ist indikativ für eine Abnahme einer Menge von auf dem Fotodetektor 155 auftreffenden Umgebungslicht, und der Ausgang des zweiten Komparators 520 ist indikativ für eine Zunahme der Menge von auf dem Fotodetektor 155 auftreffenden Umgebungslicht.
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In einigen Implementierungen kann in einem oder beiden von dem ersten Komparator 525 und dem zweiten Komparator 520 ein Eingangsversatz (input offset) bereitgestellt werden, so dass kleine Veränderungen in dem auf dem Fotodetektor 155 auftreffenden Umgebungslicht ignoriert werden. Eine derartige Konfiguration verhindert auch das Auftreten einer nicht bestimmten oder fehlerhaften Ausgangsbedingung, wenn die Spannung „VAL “ sehr dicht bei, jedoch nicht identisch ist mit, der in dem Kondensator 535 gespeicherten Spannung während einer Messperiode. In manchen Fällen kann in einem oder beiden von dem ersten Komparator 525 und dem zweiten Komparator 520 ein eingebetteter Versatz (embedded offset) geeignet sein, um derartige Probleme anzugehen.
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Die Messsignal-Ausgaben von jedem von dem ersten Komparator 525, dem zweiten Komparator 520 und dem ODER-Gatter 515 werden in der Steuerlogik 545 gekoppelt, welche diese Messsignale überwacht und ein Steuersignal erzeugt, um den Schalter 555 in geeigneter Weise zu betreiben. Beispielsweise kann die Steuerlogik 545 das Steuersignal erzeugen, um eine Zeitkonstante in der Abtast-Halte-Schaltung 510 zu vergrößern, indem der Kondensator 550 zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des FET 145 parallel zu dem Kondensator 565 eingeschlossen wird. Beispielsweise kann von der Steuerlogik 545 mehr als ein Steuersignal erzeugt werden, um einen oder mehrere Schalter (nicht gezeigt), die ähnlich wie der Schalter 555 sind, zu treiben.
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Die Steuerlogik 545 kann in einer Vielzahl von Arten implementiert sein. In einem Implementierungsbeispiel ist die Steuerlogik 545 nur aus Logikgattern, die eine kombinatorische Logik zum Erzeugen des Steuersignals ausführen, aufgebaut. In einer anderen beispielhaften Ausführungsform kann die Steuerlogik 545 einen Prozessor und zugeordnete Schaltungen zum Erzeugen des Steuersignals enthalten. Wenn ein Prozessor verwendet wird, können eine oder mehrere von den Ausgängen von jedem von dem ersten Komparator 525, dem zweiten Komparator 520 und dem ODER-Gatter 515 unter Verwendung von einer Modulationsschaltung (nicht gezeigt) in geeigneter Weise moduliert werden, um Information zu transportieren. Beispielsweise kann Information unter Verwendung einer Modulationsrate von mehreren hunderten Kilohertz von der Messschaltung 505 zu der Steuerlogik 545 (oder zu anderen Elementen) transportiert werden.
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Des Weiteren kann in manchen anderen Implementierungen ein einzelner Komparator anstelle von zwei Komparatoren (d.h. anstelle des ersten Komparators 525 und des zweiten Komparators 520) verwendet werden, wenn nur ein für ein Umgebungslicht-Niveauänderung indikatives Messsignal gewünscht ist. Der einzelne Komparator kann eine Hysterese eingebaut haben, um eine unbestimmte oder fehlerhafte Ausgabe zu vermeiden.
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6 zeigt einige Wellenformen, die einer ersten beispielhaften optischen Messung gemäß der Offenbarung zugeordnet sind. Die in 5 gezeigte beispielhafte Ausführungsform wird nachfolgend zur Erleichterung zum Zweck des Beschreibens dieser Wellenformen verwendet. Es wird jedoch verstanden werden, dass die Beschreibung gleichermaßen auf die in anderen Figuren gezeigten, anderen beispielhaften Ausführungsformen anwendbar ist.
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Eine Wellenform 625 spiegelt die Ial und Imod Ströme wieder, die zu verschiedenen Zeitpunkten durch den Fotodetektor 155 fließen. In dieser beispielhaften Ausführungsform zeigt die Wellenform 625 ein in der während der Haltebetriebsart durch den Fotodetektor 155 strömenden Imod Stromkomponente vorhandenes Sinuswellenmuster. So wie das oben beschrieben ist, wird das Sinuswellenmuster 154 von dem Korrelator 160 zum Ausführen von verschiedenen Arten von Messungen verwendet.
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Eine Wellenform 630 spiegelt das an dem Referenzeingang des Korrelators 160 vorhandene Signal wieder. In dieser beispielhaften Ausführungsform wird die Wellenform 630 in der Form eines Impulszugs angedeutet, der verwendet worden ist, um ein übertragenes optisches Signal zu erzeugen. Die Wellenform 635 spiegelt ein Abtast-Schalter-Steuersignal wieder, das an dem Schalter 150 zum Betätigen des Schalters 150 beaufschlagt wird. Die Aufmerksamkeit wird auf den Zeitpunkt „t0“ gelenkt, der einem Start-Kalibrations-Zeitpunkt entspricht, wo das an dem Schalter 150 beaufschlagte Schaltersteuersignal in eine Schalterbetätigungsbedingung (in diesem Beispiel ein logisch hohes Niveau) wechselt. Infolgedessen wechselt der Schalter 150 von einer geöffneten Position in eine geschlossene Position und die Abtast-Halte-Schaltung 510 wird in eine Start-Abtastbetriebsart versetzt. Die Start-Betriebsart kann alternativ auch als eine anfängliche Kalibrierungsbetriebsart bezeichnet werden.
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Ein Abtast-Strom „Iai“ beginnt, durch den FET 145 zu fließen. Die Amplitude des Abtast-Stroms „Iai,“, die zu einer Menge von zum Zeitpunkt „t0' “ auf dem Fotodetektor 155 auftreffenden Umgebungslicht proportional ist, ist in der Wellenform 640 (mit einer äquivalenten Spannungscharakteristik, wie die, die in der Wellenform 645 gezeigt ist) gezeigt. Die Wellenform 640 deutet eine Anstiegszeit 641 über die Zeitperiode 655 an, während der der Schalter 150 in der geschlossenen Position ist und der Nennwertkondensator 565 gemäß einer voreingestellten Zeitkonstante über den Gate-Anschluss und den Source-Anschluss des FET 145 gekoppelt ist. Der Schalter 530, der ein Teil der Messschaltung 505 ist, wird während der Zeitperiode 655 in eine geschlossene Position versetzt, wodurch die Erzeugung von den mehreren Messsignalen der Messschaltung 505 verhindert wird.
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Zu dem Zeitpunkt „t1“ ist das Abtast-Schalter-Steuersignal (Wellenform 635) auf ein logisch niedriges Niveau übergegangen, wodurch der Schalter 150 in eine offene Position versetzt wird und die Abtast-Halte-Schaltung 510 in eine Haltebetriebsart versetzt ist. Der durch den Fotodetektor 155 fließende Strom („IPD “) ist nun eine Kombination von einem „Ial “ Strom und einem „Imod “ Strom. Der Effekt des „Imod “ Stroms ist durch das Sinuswellenmuster in der Wellenform 625 über der Zeitperiode 610 (welche das in 1 gezeigte Sinuswellenmuster 154 wiederspiegelt) angegeben. Während der Zeitperiode 610 ist der Schalter 530 in einer offenen Position und die entsprechenden Messsignale werden von der Messschaltung 505 erzeugt. Die Messsignale werden der Steuerlogik 545 zum Aktivieren des Schalters 555 zum Zeitpunkt „t3“ zugeführt. Die Zeitperiode 610 entspricht einer ersten optischen Messung (beispielsweise eine Abstandsmessung), die ausgeführt wird, nachdem die anfängliche Kalibrierungsbetriebsart (Zeitperiode 655) ausgeführt worden ist.
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In diesem Beispiel hat sich zum Zeitpunkt „t3“ die Menge des auf dem Fotodetektor 155 auftreffenden Umgebungslichts nicht in einem Ausmaß verändert, das geeignet ist, um einen von den mehreren Messsignalen von der Messschaltung 505 zu erzeugen. Dieses Fehlen einer Veränderung des Umgebungslichts ist in dem „Ial “ Zustand, der in der Wellenform 640 und in der Wellenform 625 gezeigt ist, angedeutet. Die sich von „t3“ an erstreckende Zeitdauer 660 spiegelt einen Rekalibrierungsvorgang wieder, der fortan periodisch wiederholt werden kann, um Änderungen in der Menge des auf dem Fotodetektor 155 zu verschiedenen Zeiten auftreffenden Umgebungslichts zu messen. Im Gegensatz dazu beschränken manche Lösungen aus dem Stand der Technik einen Umgebungslicht-Messvorgang lediglich auf einen Zeitpunkt beim Start und versagen darin, diesen Vorgang zu nachfolgenden Zeiten auszuführen, wodurch sie darin versagen, nachfolgende Veränderungen des Umgebungslichtniveaus zu berücksichtigen.
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Weil die Menge des auf dem Fotodetektor 155 auftreffenden Umgebungslichts sich während der Zeitperiode 660 nicht verändert hat, bleibt der Kondensator 565 zum Zeitpunkt „t4“ verbunden, ohne dass zusätzliche Kondensatoren zwischen dem Gate-Anschluss und dem Source-Anschluss des FET 145 gekoppelt werden. Somit wird die Zeitkonstanten-Einstellung der Abtast-Halte-Schaltung 510 über der Zeitperiode 620 zwischen „t4“ und „t5“, die einer zweiten Messperiode entspricht, unverändert belassen.
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7 zeigt einige Wellenformen, die einer zweiten beispielhaften optischen Messung gemäß der Offenbarung zugeordnet sind. Die verschiedenen, in 7 gezeigten Wellenformen vor dem Zeitpunkt „t3“ sind identisch zu denjenigen, die in 6 gezeigt sind. Jedoch hat sich in dieser beispielhaften optischen Messung zum Zeitpunkt „t3“, der einer Rekalibrierungsbetriebsart entspricht, das Umgebungslichtniveau verändert von einem vorhergehenden Niveau, das während der anfänglichen Kalibrierungsperiode (Periode 655) existierte. Insbesondere und wie in der Wellenform 625 gezeigt, ist das Umgebungslichtniveau „Ial1 “, das während der Zeitperiode 655 vorhanden war, auf ein Lichtniveau „Ial2 “ zum Zeitpunkt „t3“ abgefallen. Als ein Ergebnis des Abfalls wandelt sich jedes von dem ersten Messsignal auf der Leitung 511 („AL_abwärts“) und dem zweiten Messsignal auf der Leitung 516 („AL_ändern“) auf aktiv. Die Steuerungslogik 545 detektiert diese Änderungen und stellt ein Steuersignal bereit, welches einen oder mehrere Schalter, die einem oder mehreren Kondensatoren in der Abtast-Halte-Schaltung 510 zugeordnet sind, betätigt. Infolgedessen ist die Zeitkonstante, die von der Abtast-Halte-Schaltung 510 während der nachfolgenden Halteperiode (Zeitperiode 620) bereitgestellt wird, verschieden von der Zeitkonstante, die von der Abtast-Halte-Schaltung 510 während der anfänglichen Halteperiode (Zeitperiode 610) bereitgestellt war.
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Die der Rekalibrierungsbetriebsart entsprechende Zeitperiode 660 ist typischerweise kleiner als die der anfänglichen Kalibrierungsbetriebsart entsprechende Zeitperiode 655. Die Neukalibrierungsbetriebsart kann bei mehreren Intervallen auf einer regelmäßigen oder unregelmäßigen Basis wiederholt werden, um die Zeitkonstante auf der Grundlage von irgendeiner kleinen und/oder graduellen Veränderung des Niveaus des auf dem Fotodetektor 155 auftreffenden Umgebungslichts zu ändern. Die sich wiederholende Neukalibrierungsbetriebsart vermindert nicht nur kTC-Rauschen, sondern ermöglicht auch, dass der Korrelator 160 eine genaue Bestimmung der den verschiedenen Zeitkonstanten entsprechenden Integrationszeit ausführt. Wenn die Neukalibrierungsbetriebsart „M“ mal über einer ausgedehnten Zeitdauer ausgeführt wird, wird das kTC-Rauschen um einen Faktor von √M verringert. In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Zeitperiode 660 so eingestellt, dass „M“ mal die Zeitdauer 660 gleich der Zeitdauer 655 ist. Der Faktor „M“ definiert einen maximalen Sprung im Umgebungslichtniveau, der mit der Zeitdauer 660 bewältigt werden kann.
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Zusammenfassend sollte verstanden werden, dass die Erfindung zu dem Zweck, die Prinzipien und Konzepte der Erfindung darzustellen, mit Verweis auf einige wenige veranschaulichende Ausführungsformen beschrieben worden ist. Es wird angesichts der hierin bereitgestellten Beschreibung von Fachleuten in dem technischen Gebiet verstanden werden, dass die Erfindung nicht auf diese veranschaulichenden Ausführungsformen beschränkt ist. Fachleute in dem technischen Gebiet werden verstehen, dass an den veranschaulichenden Ausführungsformen viele Variationen ausgeführt. werden können,