DE102017006846A1

DE102017006846A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Entfernungsmessung

Info

Publication number: DE102017006846A1
Application number: DE102017006846.1A
Authority: DE
Inventors: Karl Joachim Ebeling; Rainer Michalzik
Original assignee: Universitat Ulm Inst fur Optoelektronik; Universitat Ulm Institut fur Optoelektronik
Current assignee: Universitat Ulm Inst fur Optoelektronik; Universitat Ulm Institut fur Optoelektronik
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2018-01-25
Also published as: WO2018015507A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung umfassend eine Strahlungsquelle zur Aussendung modulierter elektromagnetischer Wellen in Richtung von Objekten, um modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, ausgehend von den Objekten hervorzurufen; ferner einen mit der Strahlungsquelle zeitlich synchronisierten Modulator zum Empfang zumindest eines Teils der modulierten Sekundärwellen und nochmaligen Modulation des empfangenen Teils der Sekundärwellen; sowie einen Sensor zur Erfassung zumindest eines Teils der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen, um zumindest eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfernungsmessung zu einer Szene mit Objekten, insbesondere zur Messung einer Mehrzahl von Entfernungen mit Hilfe einer Mehrzahl von Pixeln eines Pixelsensors.
Stand der Technik
Bei der Aufnahme von Fotografien oder Videos werden üblicherweise Abbilder räumlicher Szenen dadurch erzeugt, dass rasterförmig angeordneten Bildpunkten Farb- oder Helligkeitswerte zugeordnet werden; eine unmittelbare Erfassung von Tiefeninformation, die den Bildpunkten zugeordnet werden könnte, erfolgt typischerweise nicht.
Eine Bestimmung der Distanz ist jedoch für eine Vielzahl technischer Gebiete von hohem Interesse, so zum Beispiel als Kamera-Entfernungsmesser, z. B. zur Aufnahme von 3D-Fotos, zur Umgebungserfassung für eine Überwachung, etwa beim autonomen Fahren, zur optischen Definition von Sicherheitszonen, etwa für die Einbruchssicherung, zur Verfolgung von Objektpunkten für eine Erfassung von Bewegungen in Videosequenzen, zur Gestenerkennung, zum Aufbau berührungslos mittels Gesten steuerbarer Bildschirme („touchless touch screen”), zur dreidimensionalen Objektvermessung, zur Aufnahme von 3D-Videos, zum 3D-Druck oder auch für endoskopische Geräte, um nur einige mögliche Anwendungsgebiete zu nennen.
Vor dem Hintergrund der vielfältigen Anwendungsfelder einer Tiefenerfassung sind eine Reihe insbesondere optischer Verfahren für diesen Zweck entwickelt worden. Bislang jedoch sind der Erfassung dreidimensionaler Szenen Grenzen gesetzt, die in erheblichem Maße von der jeweiligen Methode und den verwendeten Techniken abhängen.
Bei der Tiefenerfassung mittels Stereoskopie wird eine Szene von zwei verschiedenen Blickpunkten aufgenommen, so dass Objekte von leicht unterschiedlichen Winkeln erfasst werden und aus der resultierenden Parallaxe die Tiefe bestimmt wird. Da die Parallaxe in der Praxis relativ gering ist, ergibt sich allerdings eine relativ niedrige Tiefenauflösung, welche insbesondere wesentlich niedriger ist als typische laterale Auflösungen eines Bildsensors. Zudem entsteht ein relativ hoher Rechenaufwand, um aus stereoskopischen Bildpaaren Tiefeninformation zu berechnen. Nachteilig ist auch, dass das Verfahren nicht zuverlässig eingesetzt werden kann, wenn es den Objekten der Szene an ausreichender Oberflächenstruktur fehlt, um die Parallaxe zu ermitteln.
Bei Verfahren der Laserabtastung werden Oberflächen der Objekte mit einem Laserstrahl zeilen- oder rasterförmig abgetastet [1, 2]. Solche als Laserscanner bezeichneten Systeme kommen z. B. beim autonomen Fahren oder bei der Definition von Sicherheitsbereichen mittels Lichtvorhängen zur Anwendung. Häufig basiert die Abstandsmessung auf dem Lidar-Prinzip, bei welchem kurze Laserimpulse ausgesendet und von den Objektoberflächen rückgestreute Signale detektiert werden, um aus der Lichtlaufzeit die Entfernung zu bestimmen. Nachteilig ist jedoch der Einsatz mechanisch beweglicher Bauteile, beispielsweise rotierender Spiegel, für die rasterartige Strahlablenkung. Häufig können in einem vorgegebenen kurzen Zeitraum nur einzelne in einer oder einigen wenigen Ebenen liegende Punkte im Objektfeld nacheinander abgetastet werden. Zudem ist in der Regel eine breitbandige Auswerteelektronik nötig, die inhärent höchste Anforderungen an rauschärmste Detektion und Vorverstärkung stellt, wozu Silizium-Lawinen-Fotodioden und -Arrays zum Einsatz kommen können. Dennoch ist die Tiefenauflösung durch die benötigte Messbandbreite und auch durch die meist erforderliche Augensicherheit der Systeme und die dadurch limitierte Photonenflussdichte relativ gering.
Bei Verfahren strukturierter Szenenbeleuchtung werden die Objekte der Szene mit definierten Mustern beleuchtet und aus den Lichtstrukturen, die sich auf den Objektoberflächen ergeben, die gewünschte Tiefeninformation ermittelt. Das Verfahren wird häufig mit infrarotem Licht realisiert und insbesondere zur dreidimensionalen Lagebestimmung von Objekten für Tracking und Gestenerkennung genutzt, etwa bei Kinect [3, 4]. Bei derartigen Verfahren ergibt sich die Tiefenauflösung aus der Schärfe der projizierten Muster und ist inhärent niedriger als eine Lateralauflösung eines Bildsensors, mit welchem die Muster erst erfasst werden. Für Systeme mit hohen gewünschten Tiefenauflösungen kommen diese Verfahren somit nicht in Frage.
PMD-Kameras nutzen sog. Photomischdetektoren („photonic mixing device”), um hochfrequent moduliertes und von der Szene reflektiertes Licht zu detektieren [5]. Speziell entwickelte PMD-Sensoren weisen ein Pixelarray auf und können mit jedem Pixel reflektiertes Licht detektieren und dadurch erzeugte Elektronen mit einer Ladungsträgerschaukel entfernungsselektiv trennen, so dass gleichzeitig mehrere Entfernungen bestimmt werden können. Das Verfahren ist allerdings heutzutage noch auf verhältnismäßig niedrige Modulationsfrequenzen begrenzt, wodurch wiederum die Entfernungsauflösung limitiert ist. Zudem sind die Pixelgrößen der PMD-Sensoren derzeit noch verhältnismäßig groß und die erreichbare Lateralauflösung somit geringer als bei herkömmlichen APS-Pixelsensoren.
Aufgabe der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat es sich daher zu einer Aufgabe gemacht, Entfernungen mit hoher Tiefenauflösung zu bestimmen, insbesondere mit Tiefenauflösungen im Millimeter- oder sogar Submillimeter-Bereich zu bestimmen.
Ein Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, bei Verzicht auf bewegliche mechanische Komponenten eine Vielzahl von Entfernungen gleichzeitig zu bestimmen, insbesondere zur Aufnahme dreidimensionaler Tiefenabbilder einer Szene.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, dreidimensionale statische oder dynamische hochauflösende Tiefenabbilder einer Szene mit zugleich hohen Lateralauflösungen und hoher Bildfrequenz zu erzeugen, insbesondere unter Verwendung der hochentwickelten Pixelsensoren aus der herkömmlichen digitalen Fotografie.
Noch ein Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, eine Entfernungsmessung zu ermöglichen, welche sich apparativ in kompakter Bauform realisieren lässt und welche bei hoher Rauschleistung bzw. starkem Störlicht zuverlässig arbeitet.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche sowie der in der Beschreibung erwähnten Ausführungsformen.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung zumindest einer Entfernung umfassend eine Strahlungsquelle, einen Modulator und einen Sensor.
Die Strahlungsquelle ist ausgebildet, modulierte elektromagnetische Wellen, welche nachfolgend auch als Primärwellen bezeichnet werden, in Richtung von zumindest einem Objekt auszusenden, um modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, ausgehend von dem Objekt hervorzurufen.
Der Modulator ist mit der Strahlungsquelle zeitlich synchronisiert und ist ausgebildet, zumindest einen Teil der modulierten Sekundärwellen zu empfangen und diesen empfangenen Teil der Sekundärwellen nochmals zu modulieren.
Der Sensor ist ausgebildet, zumindest einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen zu erfassen, um zumindest eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.
Die Vorrichtung macht sich zunutze, dass die von der Strahlungsquelle in Richtung eines Objekts ausgesendeten und insbesondere in der Intensität periodisch modulierten Primärwellen bei Streuung oder Reflexion an dem Objekt eine laufwegabhängige bzw. abstandsabhängige Phasenverschiebung der Modulation erfahren. Dadurch weisen Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, in der Modulation eine Phasenrelation zu den Primärwellen auf, die vom Laufweg der Wellen bzw. vom Abstand des Objekts von einem bestimmten Referenzpunkt entlang der Richtung der Wellenausbreitung abhängt. Mit anderen Worten weisen Sekundärwellen eine bestimmte (ggf. verschwindende) Phasenverschiebung gegenüber den von der Strahlungsquelle ausgesendeten Primärwellen auf.
Mit Hilfe des Modulators und des Sensors kann nun eine Phasenrelation bzw. Phasenverschiebung zwischen den Primärwellen und den Sekundärwellen messbar gemacht werden, wie nachfolgend beschrieben wird.
Der Modulator kann dazu zumindest einen Teil der mitunter gegenüber den Primärwellen phasenverschobenen modulierten Sekundärwellen empfangen und diese nochmals modulieren, wobei diese nochmalige Modulation der Sekundärwellen durch” den Modulator zeitlich synchronisiert ist zu der durch die Strahlungsquelle bereits erfolgten Modulation der Primärwellen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn alle von einem Objektpunkt ausgehenden und dann auf ein Detektorelement treffenden Teilwellen in gleicher Weise moduliert werden, die Sekundärmodulation also insbesondere richtungsunabhängig ist und keine Mehrwegeausbreitung vortäuschenden lateralen oder longitudinalen Resonanzen im optischen Detektionszweig auftreten. Die quasi leistungslose elektrische Ansteuerung eines kapazitivhochohmig wirkenden Modulators kann hierfür vorteilhaft homogen erfolgen, und ist dabei bevorzugt gleichmäßig über die gesamte Fläche, insbesondere optisch wechselwirkende Fläche des Bauelements. Der Modulator moduliert empfangene Wellen demnach zeitlich synchron zur Modulation der Primärwellen. Der Modulator kann dazu mit der Strahlungsquelle, genauer gesagt mit einer Modulationseinrichtung der Strahlungsquelle, gekoppelt sein.
Insbesondere ist der Modulator ausgebildet, den empfangenen Teil der Sekundärwellen derart nochmals zu modulieren, dass die Intensität der nochmals modulierten Sekundärwellen im zeitlichen Mittel von Phasendifferenzen zwischen den ausgesendeten Primärwellen und den Sekundärwellen abhängt. Mit anderen Worten kann die zeitlich gemittelte Intensität nochmals modulierter Wellen unterschiedlich sein, je nachdem, welche Phasendifferenzen jeweils bestehen. Der zeitlich mit der Strahlungsquelle, genauer gesagt mit einer Modulationskomponente der Strahlungsquelle synchronisierte Modulator kann insbesondere die größten Auslenkungen oder Amplituden der Sekundärwellen vermindern.
Somit können die nochmals modulierten Sekundärwellen im zeitlichen Mittel eine abweichende, insbesondere verminderte Intensität gegenüber dem empfangenen bzw. dem zu empfangenden Teil der Sekundärwellen aufweisen. Das zeitliche Mittel der Intensität der nochmals modulierten Sekundärwellen enthält dadurch eine Information über die Distanz zwischen dem Objekt und einem Referenzpunkt auf einer zugehörigen optischen Achse, etwa der Strahlungsquelle, dem Modulator oder dem Sensor.
Der Sensor ist daher insbesondere ausgebildet, das zeitliche Mittel der Intensität messbar zu machen. Dazu kann der Sensor eine Ausgangsgröße liefern, die von dem zeitlichen Mittel der Intensität des erfassten Teils der nochmals modulierten Sekundärwellen abhängt, z. B. dazu proportional ist.
Es kann zudem eine Recheneinheit umfasst sein, welche aus der von dem Sensor gelieferten Ausgangsgröße Rückschlüsse auf die Entfernung zu dem Objekt bestimmt, etwa durch Berechnung einer Phasendifferenz zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen, um mit der berechneten Phasendifferenz eine Entfernung zu dem Objekt zu bestimmen.
Die beschriebene Vorrichtung zur Entfernungsmessung hat zum Vorteil, dass der Sensor insbesondere als ein gewöhnlicher optischer Sensor ausgebildet sein kann, welcher die Intensität der erfassten Strahlung über einen bestimmten Zeitraum aufsummierend misst. Es kann sich dabei z. B. um eine einfache Helligkeitsmessung handeln, die eine von der Intensität und Belichtungszeit abhängige elektrische Größe liefert, welche dann einem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden kann.
Die Komponenten der Vorrichtung zur Entfernungsmessung, insbesondere die Strahlungsquelle, der Modulator und der Sensor können in einem Gerät integriert sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung mehrere Geräte umfasst, beispielsweise ein erstes Gerät umfassend die Strahlungsquelle und ein zweites damit synchronisiertes und/oder gekoppeltes Gerät umfassend den Modulator und den Sensor.
Die beschriebene Vorrichtung zur Entfernungsmessung ist vorzugsweise in der Lage, eine Mehrzahl von Entfernungen zu den Objekten messen. Der Sensor umfasst hierzu vorzugsweise eine Mehrzahl strahlungsempfindlicher Sensorzellen, welche jeweils ausgebildet sind, einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen zu erfassen. Mit anderen Worten kann jede der Sensorzellen des Sensors unabhängig von den anderen Sensorzellen einen Teil der nochmals modulierten Sekundärwellen detektieren.
Es können somit gleichzeitig mehrere Entfernungen zu dem oder den Objekten gemessen werden, wobei es sich insbesondere um Entfernungen zu unterschiedlichen Positionen auf dem oder den Objekten handelt.
Die von der Strahlungsquelle ausgesendeten Wellen sind vorzugsweise kohärent und phasengleich, insbesondere in Bezug auf die Modulationsfrequenz. Es können z. B. zumindest näherungsweise ebene Wellen oder Kugelwellen vorgesehen sein. Verschiedene Teile der ausgesendeten Wellen, die zu dem oder den Objekten verlaufen und von diesen als Sekundärwellen gestreut bzw. reflektiert werden, können jeweils auf unterschiedliche Sensorzellen treffen. Dazu kann z. B. eine fokussierende Optik genutzt werden.
Die von unterschiedlichen Sensorzellen erfassten verschiedenen Teile der durch den Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen können insbesondere unterschiedliche Intensitäten im zeitlichen Mittel aufweisen, abhängig davon, welche Phasenverschiebung in der Modulation die den verschiedenen Teilen der nochmals modulierten Sekundärwellen jeweils entsprechenden Teile der Sekundärwellen gegenüber den zugehörigen Primärwellen hatten.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Sensorzellen des Sensors als eine Zeile nebeneinander angeordneter Sensorzellen ausgebildet. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Sensorzellen des Sensors in einem zweidimensionalen Raster angeordnet sind. Insbesondere kann der Sensor als CMOS-Sensor, aktiver Pixelsensor (APS), CCD-Sensor oder einer Kombination daraus ausgebildet sein.
Ein Vorteil hiervon ist, dass CMOS-Sensoren, insbesondere aktive Pixelsensoren (APS) oder auch CCD-Sensoren bereits hochentwickelt und kommerziell verfügbar sind. Insbesondere sind die Strahlungserfassungsflächen der als Pixel ausgebildeten Sensorzellen, d. h. die jeweils zur Strahlungserfassung vorgesehene Gesamtfläche einer Sensorzelle, sehr klein, wodurch hohe laterale Auflösungen ermöglicht werden. Die Strahlungserfassungsflächen können mehr als 100-mal kleiner sein als z. B. bei PMD-Sensoren, bei welchen aufwändige Spezialprozesse der VLSI-Technologie für die Pixel zum Einsatz kommen.
In einer Ausführungsform weisen die Sensorzellen des Sensors jeweils eine Strahlungserfassungsfläche auf, die geringer ist als 200 Quadratmikrometer, vorzugsweise geringer ist als 100 Quadratmikrometer, besonders bevorzugt geringer ist als 4 Quadratmikrometer.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Modulator den empfangenen Teil der Sekundärwellen gleichartig (nochmals) moduliert. Insbesondere werden die von unterschiedlichen Sensorzellen des Sensors erfassten Sekundärwellen gleichartig durch den Modulator (nochmals) moduliert. Der Modulator führt dabei, ebenso wie die Strahlungsquelle, zweckmäßig eine periodische Modulation durch.
Es handelt sich demnach bevorzugt um einen flächigen Modulator, welcher zwischen den Objekten und dem Sensor angeordnet ist und auf Sekundärwellen, die auf unterschiedliche Bereiche des Sensors, insbesondere auf unterschiedliche Sensorzellen, treffen, dieselbe Modulationswirkung hat. Der Modulator ist bevorzugt ein eigenständiges Bauteil und operiert unabhängig von dem Sensor. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Modulator als Elektroabsorptionsmodulator ausgebildet.
Durch Messung des zeitlichen Mittels der Intensität der durch den Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen kann eine Information über die Distanz zu demjenigen Streuzentrum eines Objekts bestimmt werden, von welchem die Sekundärwellen ausgehen. Der Abstand kann dabei bis auf ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der Sekundärwellen, d. h. der Modulationswellenlänge, ermittelt werden.
Um Mehrdeutigkeiten bei der Entfernungsmessung zu den Objekten zu eliminieren, ist demnach vorzugsweise vorgesehen, dass die von der Strahlungsquelle ausgesendeten modulierten elektromagnetischen Wellen unterschiedlich modulierte elektromagnetische Wellen umfassen. Die Primärwellen können demnach mit unterschiedlichen Modulationsparametern, insbesondere mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen/Modulationswellenlängen modulierte elektromagnetische Wellen umfassen.
Die unterschiedlich modulierten Teile der Primärwellen können nacheinander, z. B. zeitlich versetzt ausgesendet werden. Somit kann eine Frequenzmodulation hinzutreten. Die unterschiedlich modulierten Teile der Primärwellen können aber auch gleichzeitig ausgesendet werden.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die von der Strahlungsquelle ausgesendeten modulierten elektromagnetischen Wellen als Superposition elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Frequenz ausgebildet sind, insbesondere als Superposition gekoppelter Moden und/oder als Impuls ausgebildet sind. Letzteres kann z. B. gewünscht sein, wenn die Strahlungsquelle als Laser ausgebildet ist, in dessen Resonator verschiedene Moden anschwingen. Mit der Strahlungsquelle kann z. B. auch ein in Fourierkomponenten zerlegbares komplexes Signal ausgesendet werden. Es kann dann vorgesehen sein, dass der Modulator mit einer der Fourierkomponenten synchronisiert ist, insbesondere der Modulator die Sekundärwellen mit dieser Fourierkomponente moduliert.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sendet die Strahlungsquelle elektromagnetische Wellen außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs aus. Dies hat zum Vorteil, dass der Einsatz der Vorrichtung zur Entfernungsmessung nicht mit dem menschlichen Auge wahrgenommen wird. Vorzugsweise sendet die Strahlungsquelle Wellen im ultravioletten oder infraroten Spektralbereich aus. Dann können kommerziell verfügbare Sensoren, die für sichtbares Licht ausgelegt sind, häufig noch zur Erfassung der Wellen verwendet werden. Bevorzugt werden Wellen ausgesendet, welche innerhalb des Spektralbereichs von 200 bis 1100 Nanometer liegen, besonders bevorzugt innerhalb von 400 bis 1050 Nanometer, noch bevorzugter innerhalb von 800 bis 1000 Nanometer, ganz besonders bevorzugt innerhalb von 850 bis 950 Nanometer und nochmals bevorzugter innerhalb von 870 bis 910 Nanometer.
Die spektrale Breite der ausgesendeten Wellen ist vorzugsweise gering, um Fremdlichteinflüsse zu minimieren. Die Strahlungsquelle kann demnach ausgebildet sein, elektromagnetische Wellen mit einer spektralen Breite auszusenden, die geringer ist als 100 Nanometer, vorzugsweise geringer ist als 10 Nanometer, besonders bevorzugt geringer ist als 5 Nanometer.
Eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung braucht grundsätzlich nicht zwingend eine Strahlungsquelle selbst zu umfassen. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung umfassend einen Modulator, einen Sensor und eine Synchronisierungseinrichtung zur zeitlichen Synchronisation des Modulators mit einer Modulationsfrequenz der von den Objekten ausgehenden modulierten elektromagnetischen Sekundärwellen. Mit anderen Worten ist die Synchronisierungseinrichtung in der Lage, Modulationsparameter der Sekundärwellen zu erkennen, z. B. durch einen Frequenzsuchlauf, und den Modulator mit der Modulation der Sekundärwellen und/oder mit einer diese Sekundärwellen bewirkenden externen Strahlungsquelle zur Aussendung modulierter Primärwellen zu synchronisieren. Wie einleitend beschrieben, ist die Entfernungsmessung für eine Vielzahl von Anwendungen relevant.
Die Erfindung betrifft insbesondere auch eine Kamera zur Aufnahme statischer oder bewegter Bilder mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung, wobei die aufgenommenen Bilder Tiefeninformationen enthalten.
Die von der Kamera aufgenommenen statischen Fotografien oder dynamischen Videos können Bildpunkte aufweisen, denen jeweils Tiefenkoordinaten zugeordnet sind. Es handelt sich somit insbesondere um eine 3D-Kamera.
Ein Vorteil der 3D-Kamera ist, dass Bilder mit sowohl hoher Lateralauflösung in x-Richtung und y-Richtung als auch hoher Tiefenauflösung in z-Richtung erzeugt werden können. Die Lateralauflösung kann insbesondere durch einen handelsüblichen aktiven Pixelsensor (APS) definiert sein, während die Tiefenauflösung in vorteilhafter Weise eine Genauigkeit im Bereich von Millimeter oder Submillimeter aufweisen kann, wenn die Modulationsfrequenz ausreichend hoch gewählt wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Erfassung der Umgebung mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung. Die Umgebungserfassungseinrichtung kann in verschiedene Richtungen Entfernungen zu einer Umgebung bestimmen und insbesondere ein dreidimensionales Modell der Umgebung erzeugen. Es kann somit z. B. ausgehend von einem Punkt eine Vermessung der Umgebung, etwa von Innenräumen erfolgen.
Die Umgebungserfassungseinrichtung kann als Handgerät ausgebildet sein und Sensoren zur Erkennung der Orientierung im Raum umfassen, etwa einen Kompass und/oder ein Gyroskop. Die Umgebungserfassungseinrichtung kann auch als stationäres Gerät ausgebildet sein und den Sensor auf definierte Weise orientieren.
Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Vermessung von Objekten mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung, um ausgehend von verschiedenen Positionen relativ zu einem Objekt Entfernungen zu dem Objekt zu bestimmen, insbesondere, um ein dreidimensionales Modell des Objekts zu erzeugen.
Die Objektvermessungseinrichtung kann beispielsweise als 3D-Scanner ausgebildet sein, wobei die Vorrichtung zur Entfernungsmessung, insbesondere der Sensor, relativ zu einem dreidimensional zu vermessenden Objekt verschiedene Positionen einnimmt. Das Objekt kann dazu beispielsweise auf einem Drehteller stehen.
Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Gesichtserkennung mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung, wobei ein Tiefenprofil eines Gesichts bestimmt wird.
Mittels eines dreidimensionalen Profils lässt sich ein Gesicht in vorteilhafter Weise wesentlich zuverlässiger wiedererkennen als mit einer zweidimensionalen Abbildung.
Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Land-, Wasser-, oder Luftfahrzeug, insbesondere ein autonomes Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung. Die Vorrichtung zur Entfernungsmessung kann insbesondere Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten von Objekten, insbesondere anderen Fahrzeugen bestimmen. Die Vorrichtung zur Entfernungsmessung kann beispielsweise im Innenraum oder außerhalb des Innenraums des Fahrzeugs angeordnet sein.
Die Erfindung betrifft auch ein Sicherheitssystem mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung, wobei das Sicherheitssystem ausgebildet ist, mit Hilfe der Entfernungsmessung eine Überwachung von definierten Sicherheitszonen vorzunehmen.
Die Sicherheitszonen können als dreidimensionale Volumina definiert sein und mit dem Sicherheitssystem derart überwacht werden, dass festgestellt wird, ob und/oder wann Objekte in die Sicherheitszone gelangen oder sich aus der Sicherheitszone entfernen.
Beispielsweise kann eine Sicherheitszone als Hüllvolumen um ein Fahrzeug definiert sein und sich z. B. in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit ändern. Eine solche Sicherheitszone kann mehrere Bereiche umfassen, z. B. einen Bereich vor dem Fahrzeug, hinter dem Fahrzeug, seitlich des Fahrzeugs, unterhalb des Fahrzeugs oder oberhalb des Fahrzeugs.
Eine Sicherheitszone kann beispielsweise auch einen Bereich außerhalb oder innerhalb eines Gebäudes umfassen und z. B. zur Einbruchssicherung dienen.
Die Erfindung betrifft auch einen Roboter mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung. Der Roboter ist ausgebildet, in Abhängigkeit gemessener Entfernungen Bewegungen auszuführen. Der Roboter kann insbesondere eine Einrichtung zur Objektvermessung umfassen, z. B. um an einem Objekt Modifikationen vorzunehmen.
Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Produktion dreidimensionaler Körper mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung und einem Drucker zur sukzessiven Produktion des dreidimensionalen Körpers, insbesondere einem 3D-Drucker. Es kann insbesondere eine Einrichtung zur Objektvermessung umfasst sein. Vorteilhaft ist insbesondere die hohe Tiefenauflösung, mit welcher ein sehr präziser 3D-Druck ermöglicht werden kann.
Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Wiedergabe von Bildinformation mit Bildpunkten zugeordneter visuell erfassbarer Tiefeninformation mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung und einer Einrichtung zur getrennten Bereitstellung der Bildinformation für zumindest zwei Darstellungen mit jeweils stereoskopisch codierter Bildinformation der jeweiligen Bildpunkte.
Die Wiedergabeeinrichtung kann beispielsweise eine 3D-Brille umfassen oder einen 3D-Bildschirm. Es können auch mehr als zwei Darstellungen vorgesehen sein, z. B. können überlagerte, insbesondere farbcodierte Informationen wiedergegeben werden, welche auf gefährliche Abstände hinweisen können, z. B. zu Gefäßen oder sensiblem Gewebe im Falle medizinischer Anwendung.
Die Erfindung betrifft auch ein medizinisches Gerät mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung, zur visuellen Untersuchung, vorzugsweise intrakorporaler Fluide, insbesondere mit Fluorophoren, welche durch die von der Strahlungsquelle ausgesendeten elektromagnetischen Wellen angeregt werden und zumindest einen Teil der Sekundärwellen emittieren. Mit dem medizinischen Gerät kann insbesondere die Fluiddynamik von Körperflüssigkeiten, beispielsweise des Blutes im Bereich des Herzens, dreidimensional visualisiert werden.
Besonders bevorzugt sind Fluorophore mit geringen Fluoreszenzlebensdauern, um bei hohen Modulationsfrequenzen eine hohe Tiefenauflösung zu erzielen. Die Lebensdauer ist vorzugsweise geringer als 10 Nanosekunden, bevorzugt geringer als 2 Nanosekunden, besonders bevorzugt geringer als 1 Nanosekunde und ganz besonders bevorzugt geringer als 0.5 Nanosekunden.
In Betracht kommen insbesondere Fluorophore für biomedizinische Anwendungen, beispielsweise Alexa Fluor, Cyanin-Farbstoffe, DAPI, GFP, Hoechst 33258, Hoechst 33342, um nur einige Beispiele zu nennen.
Allgemein kann ein medizinisches Gerät mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung für unterschiedliche medizinische Bereiche vorgesehen ein, von denen nur einige wenige beispielhaft genannt sein sollen. So kann etwa ein medizinisches Gerät für die Mammographie vorgesehen sein. Beispielsweise kann auch ein medizinisches Gerät für die Pränataldiagnostik bereitgestellt werden mit welchem insbesondere Abbilder von Föten mit Tiefeninformationen erzeugt werden können. Damit können insbesondere präzisere Informationen als mit herkömmlicher Sonographie erhalten werden. Weiterhin können z. B. auch dermatologische Geräte zur Abbildung von Hautbereichen vorgesehen sein, etwa zur Hautkrebs-Früherkennung bzw. -Diagnose. Hierzu kann auch eine zugeordnete Software eingerichtet sein, welche etwa die ABCDE-Regel programmtechnisch implementiert. Insbesondere medizinische Geräte können von den hohen Lateral- und Tiefenauflösungen profitieren, welche mit der vorliegenden Erfindung ermöglicht werden.
Ferner betrifft die Erfindung ein Endoskop umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung, insbesondere zur Untersuchung eines Hohlraums oder von Gewebebestandteilen. Das Endoskop kann für operative, insbesondere mikroinvasive Eingriffe hergerichtet sein und eine Einrichtung zur chirurgischen Manipulation umfassen, insbesondere eine Schlinge, Skalpell oder Schere, von welcher zumindest ein Teil der Sekundärwellen ausgeht.
Insbesondere im Fall des Endoskops, aber auch für andere Anwendungen, kann vorgesehen sein, dass die Primärwellen mittels eines Wellenleiters in den zu untersuchenden Hohlraum, zu dem zu untersuchenden Gewebe oder allgemein zu dem zu vermessenden Objekt geleitet werden.
Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Verfahren zur Entfernungsmessung, bei welchem

– modulierte elektromagnetische Wellen in Richtung von Objekten ausgesendet werden, um modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, ausgehend von den Objekten hervorzurufen und
– zumindest ein Teil der von den Objekten ausgehenden modulierten Sekundärwellen nochmals moduliert wird und
– zumindest ein Teil der nochmals modulierten elektromagnetischen Sekundärwellen erfasst wird, um zumindest eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.

Es kann ferner vorgesehen sein, dass

– die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen in der Intensität moduliert sind,
– der Teil der Sekundärwellen, welcher nochmals moduliert wird, derart nochmals moduliert wird, dass das zeitliche Mittel der Intensität der nochmals modulierten Sekundärwellen von Phasendifferenzen zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen abhängt und
– mit dem erfassten Teil der nochmals modulierten Sekundärwellen eine Phasendifferenz zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen berechnet wird, um mit der berechneten Phasendifferenz eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.

Bei dem Verfahren können mehrere Teile der nochmals modulierten Sekundärwellen jeweils unabhängig voneinander erfasst werden, um eine Mehrzahl von Entfernungen zu den Objekten zu bestimmen.
Der Teil der Sekundärwellen, welcher nochmals moduliert wird, kann auf gleiche Weise nochmals moduliert werden, insbesondere die mehreren unabhängig voneinander erfassten Teile der nochmals modulierten Sekundärwellen können auf gleiche Weise nochmals moduliert werden.
Die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen können mit unterschiedlichen Modulationsparametern, insbesondere mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen modulierte elektromagnetische Wellen umfassen, um Mehrdeutigkeiten bei der Entfernungsmessung zu den Objekten zu eliminieren.
Eine besonders bevorzugte Vorrichtung zur Entfernungsmessung umfasst

– eine Strahlungsquelle zur Aussendung modulierter elektromagnetischer Wellen in Richtung von Objekten, um modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, ausgehend von den Objekten hervorzurufen,
– einen mit der Strahlungsquelle zeitlich synchronisierten Modulator zum Empfang zumindest eines Teils der modulierten Sekundärwellen und nochmaligen Modulation des empfangenen Teils der Sekundärwellen,
– einen Sensor zur Erfassung zumindest eines Teils der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen, insbesondere um zumindest eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.

Vorteilhaft umfasst dabei der Sensor eine Mehrzahl strahlungsempfindlicher Sensorzellen, welche jeweils ausgebildet sind, einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen zu erfassen, um eine Mehrzahl von Entfernungen zu den Objekten zu bestimmen.
Wenn die Sensorzellen des Sensors in einem zweidimensionalen Raster angeordnet sind, insbesondere der Sensor als CMOS-Sensor, aktiver Pixelsensor (APS), CCD-Sensor oder einer Kombination daraus ausgebildet ist, lassen sich hiermit auch bildgebende Systeme vorteilhaft mit den hier beschriebenen Vorrichtungen ausstatten.
Hierbei können die Sensorzellen des Sensors jeweils eine Strahlungserfassungsfläche aufweisen, die geringer ist als 200 Quadratmikrometer, vorzugsweise geringer ist als 100 Quadratmikrometer, besonders bevorzugt geringer ist als 4 Quadratmikrometer.
Vorteilhaft moduliert der Modulator den empfangenen Teil der Sekundärwellen gleichartig und moduliert insbesondere die von unterschiedlichen Sensorzellen erfassten Sekundärwellen gleichartig.
Vorteilhaft ist der Modulator als Elektroabsorptionsmodulator ausgebildet.
Hierbei können die von der Strahlungsquelle ausgesendeten modulierten elektromagnetischen Wellen mit unterschiedlichen Modulationsparametern, insbesondere mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen modulierte elektromagnetische Wellen umfassen, um Mehrdeutigkeiten bei der Entfernungsmessung zu den Objekten zu eliminieren.
Besonders bevorzugt ist die Strahlungsquelle zur Aussendung kohärenter elektromagnetischer Wellen ausgebildet, insbesondere als Laser ausgebildet.
Hierbei können die von der Strahlungsquelle ausgesendeten modulierten elektromagnetischen Wellen als Superposition elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Frequenz ausgebildet sein, insbesondere als Superposition gekoppelter Moden und/oder als Impuls ausgebildet sein.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Strahlungsquelle ausgebildet, elektromagnetische Wellen außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs auszusenden, vorzugsweise im infraroten Spektralbereich auszusenden, besonders bevorzugt im Spektralbereich zwischen 750 und 1050 Nanometer auszusenden.
Dabei kann die Strahlungsquelle so ausgebildet sein, dass elektromagnetische Wellen mit einer spektralen Breite ausgesendet werden, die geringer ist als 100 Nanometer, vorzugsweise geringer ist als 10 Nanometer, besonders bevorzugt geringer ist als 5 Nanometer.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Strahlungsquelle ausgebildet, in der Intensität modulierte elektromagnetische Wellen auszusenden, wobei der Modulator ausgebildet ist, den empfangenen Teil der Sekundärwellen derart nochmals zu modulieren, dass das zeitliche Mittel der Intensität der nochmals modulierten Sekundärwellen von Phasendifferenzen zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen abhängt und wobei der Sensor eine Ausgangsgröße liefert, die abhängt von dem zeitlichen Mittel der Intensität des erfassten Teils der nochmals modulierten Sekundärwellen und wobei die Vorrichtung eine Recheneinheit umfasst, welche aus der von dem Sensor gelieferten Ausgangsgröße eine Phasendifferenz zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen berechnet, um mit der berechneten Phasendifferenz eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.
Hierbei kann optional die von der Strahlungsquelle in Richtung von den Objekten ausgesendeten Wellen eine erste optische Achse definieren und der von dem Modulator empfangene Teil der von den Objekten ausgehenden Sekundärwellen eine zweite optische Achse definiert und die zweite optische Achse zumindest abschnittsweise parallel zu der ersten optischen Achse verlaufen.
Bei weiteren Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung einen weiteren Sensor zur Erfassung von sichtbaren elektromagnetischen Wellen, die von den Objekten ausgehen, wobei die von dem weiteren Sensor erfassten sichtbaren elektromagnetischen Wellen eine dritte optische Achse definieren und wobei die dritte optische Achse zumindest abschnittsweise parallel zu der ersten und/oder der zweiten optischen Achse verläuft.
Optional umfasst die Vorrichtung eine selektive Optikkomponente, insbesondere einen Filter oder einen Interferenzspiegel, wobei die selektive Optikkomponente ausgebildet ist, einen ersten Spektralbereich auf den Sensor gelangen zu lassen und einen zum ersten Spektralbereich disjunkten zweiten Spektralbereich von dem Sensor fern zu halten und vorzugsweise auf den zweiten Sensor gelangen zu lassen und wobei der erste Spektralbereich zumindest einen Teil des Spektrums der ausgesendeten Wellen und/oder der Sekundärwellen umfasst und wobei vorzugsweise der zweite Spektralbereich zumindest einen Teil des sichtbaren Spektrums umfasst.
Bei einer ersten Familie bevorzugter Ausführungsformen sind die modulierten elektromagnetische Sekundärwellen von dem Modulator in Transmission modulierbar.
Hierbei kann der Modulator an einem Träger aus einem transparenten Material, wie insbesondere Glas angebracht sein, wobei der Träger aus Glas bevorzugt eine Linse oder ein Prisma ist, welche eine ebene oder nicht ebene Oberfläche aufweisen und der Modulator dabei beispielsweise an einer Sphäre oder Asphäre angebracht oder aufgebracht ist.
Bei einer zweiten Familie bevorzugter Ausführungsformen sind die modulierten elektromagnetischen Sekundärwellen von dem Modulator in Reflexion modulierbar.
Bei dieser zweiten Familie bevorzugter Ausführungsformen kann der Modulator an einem Träger aus einem oder mit einem reflektierenden Material angebracht sein, wobei der Träger bevorzugt ein Substrat mit einer Spiegelschicht ist, und der Modulator dabei auf einer ebenen oder nicht ebenen Schicht, beispielsweise einer Sphäre oder Asphäre angebracht oder aufgebracht ist
Die hier offenbarten Vorrichtungen zur Entfernungsmessung können umfassen:

– einen Modulator, welcher ausgebildet ist, modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, welche von einem Objekt ausgehen, zu empfangen und nochmals zu modulieren und
– einen Sensor, welcher ausgebildet ist, zumindest einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen zu erfassen und
– eine Synchronisierungseinrichtung zur zeitlichen Synchronisation des Modulators mit einer Modulationsfrequenz der von dem Objekt ausgehenden modulierten elektromagnetischen Sekundärwellen. Ein bevorzugter Tiefensensor für eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung kann umfassen:
– einen Modulator, welcher ausgebildet ist, modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, welche von einem Objekt ausgehen, zu empfangen und nochmals zu modulieren und
– einen Sensor, welcher ausgebildet ist, zumindest einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen zu erfassen,
– wobei der Modulator vorzugsweise unmittelbar an dem Sensor angebracht ist.

Eine Kamera zur Aufnahme statischer oder bewegter Bilder kann die vorstehende Vorrichtung zur Entfernungsmessung enthalten, wobei die aufgenommenen Bilder dann auch Tiefeninformationen enthalten.
Auch eine Umgebungserfassungseinrichtung kann die hier vorliegend offenbarte Vorrichtung zur Entfernungsmessung enthalten, insbesondere um in verschiedenen Richtungen Entfernungen zu einer Umgebung zu bestimmen, insbesondere, um ein dreidimensionales Modell der Umgebung zu erzeugen.
Eine Objektvermessungseinrichtung kann ebenfalls eine vorliegend offenbarte Vorrichtung zur Entfernungsmessung umfassen, insbesondere um ausgehend von verschiedenen Positionen relativ zu einem Objekt Entfernungen zu einem Objekt zu bestimmen, insbesondere, um ein dreidimensionales Modell des Objekts zu erzeugen.
Eine Gesichtserkennungseinrichtung kann ebenfalls vorteilhaft eine hier offenbarte Vorrichtung zur Entfernungsmessung aufweisen, insbesondere um ein Tiefenprofil eines Gesichts zu bestimmen.
Insbesondere für Anwendungen des autonomen Fahrens oder für Anwendungen der mit dem Oberbegriff der Augmented Reality schlagwortartig bezeichneten Assistenzsysteme und/oder des Fliegens kann ein Fahrzeug, insbesondere Land-, Wasser-, oder Luftfahrzeug, insbesondere ein autonomes Fahrzeug, eine hier offenbarte Vorrichtung zur Entfernungsmessung umfassen, insbesondere um Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten von Objekten, insbesondere von anderen Fahrzeugen, zu bestimmen.
Gleiches gilt für ein Sicherheitssystem umfassend eine hier offenbarte Vorrichtung zur Entfernungsmessung, wobei das Sicherheitssystem ausgebildet ist, mit Hilfe der Entfernungsmessung eine Überwachung von definierten Sicherheitszonen vorzunehmen.
Vorteilhaft kann auch ein Roboter über eine hier offenbarte Vorrichtung zur Entfernungsmessung verfügen, wobei der Roboter dann ausgebildet sein kann, Bewegungen in Abhängigkeit gemessener Entfernungen auszuführen.
Weiterhin kann eine Einrichtung zur Produktion dreidimensionaler Körper eine hier offenbarte Vorrichtung zur Entfernungsmessung und einen Drucker zur sukzessiven Produktion eines dreidimensionalen Körpers umfassen.
Generell kann eine Einrichtung zur Wiedergabe von Bildinformation mit Bildpunkten zugeordneter visuell erfassbarer Tiefeninformation umfassen:

– eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung, wie diese vorliegend offenbart wird, und
– eine Einrichtung zur getrennten Bereitstellung der Bildinformation für zumindest zwei Darstellungen mit jeweils stereoskopisch codierter Bildinformation der jeweiligen Bildpunkte.

Auch ein medizinisches Gerät kann eine hier offenbarte Vorrichtung zur Entfernungsmessung enthalten, insbesondere zur visuellen Untersuchung, vorzugsweise intrakorporaler Fluide, insbesondere mit Fluorophoren, welche durch die von der Strahlungsquelle ausgesendeten elektromagnetischen Wellen angeregt werden und zumindest einen Teil der Sekundärwellen emittieren.
Ein solches medizinisches Gerät kann auch ein Endoskop sein, welches alternativ oder ergänzend zur vorstehend erwähnten visuellen Untersuchung, insbesondere intrakorporaler Fluide, insbesondere zur Untersuchung eines Hohlraums oder von Gewebebestandteilen geeignet und bestimmt ist.
Ein solches Endoskop kann auch für operative, insbesondere mikroinvasive Eingriffe mit einer Einrichtung zur chirurgischen Manipulation ausgestattet sein, insbesondere einer Schlinge, Skalpell oder Schere, von welcher zumindest ein Teil der Sekundärwellen ausgeht.
Ferner können die von der Strahlungsquelle ausgesendeten Wellen mittels eines Wellenleiters in den zu untersuchenden Hohlraum oder zu dem zu untersuchenden Gewebe geleitet werden.
Bei einem Verfahren zur Entfernungsmessung können

Bei dem Verfahren können mehrere Teile der nochmals modulierten Sekundärwellen jeweils unabhängig voneinander erfasst werden, um eine Mehrzahl von Entfernungen zu den Objekten zu bestimmen.
Hierbei kann ein Teil der Sekundärwellen, welcher nochmals moduliert wird, auf gleiche Weise nochmals moduliert werden, insbesondere die mehreren unabhängig voneinander erfassten Teile der nochmals modulierten Sekundärwellen auf gleiche Weise nochmals moduliert werden. Vorteilhaft können dabei die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen mit unterschiedlichen Modulationsparametern, insbesondere mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen modulierte elektromagnetische Wellen umfassen, um Mehrdeutigkeiten bei der Entfernungsmessung zu den Objekten zu eliminieren oder zu vermindern.
Bei dem hier offenbarten Verfahren können

– die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen in der Intensität moduliert sein,
– wobei der Teil der Sekundärwellen, welcher nochmals moduliert wird, derart nochmals moduliert wird, dass das zeitliche Mittel der Intensität der nochmals modulierten Sekundärwellen von Phasendifferenzen zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen abhängt und
– wobei mit dem erfassten Teil der nochmals modulierten Sekundärwellen eine Phasendifferenz zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen berechnet wird, um mit der berechneten Phasendifferenz eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teils mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung,
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung in einer weiteren Ausführungsform,
3 eine schematische Darstellung einer Sensorzelle eines aktiven Pixelsensors [7],
4 eine schematische Darstellung eines Elektroabsorptionsmodulators für Betrieb in Transmission,
5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung in einer weiteren Ausführungsform mit gefaltetem Strahlengang,
6 eine realisierte Struktur eines Elektroabsorptionsmodulators mit AlGaAs-Bragg-Spiegel für Betrieb in Reflexion,
7 ein berechnetes und gemessenes Reflexionsspektrum des Elektroabsorptionsmodulators aus 6 für nahezu senkrechten Lichteinfall,
8 eine spannungsabhängige Reflexion des Elektroabsorptionsmodulators aus 6 für verschiedene Wellenlängen,
9 Hochfrequenzverhalten des Elektroabsorptionsmodulators aus 6 bei Anregung mit sinusförmigen Signalen
10 gemessene Reflexionsspektren des Elektroabsorptionsmodulators aus 6 für verschiedene Lichteinfallswinkel,
11 eine schematische Darstellung eines Elektroabsorptionsmodulators mit Metall-Spiegel und Indium-Zinn-Oxid-Antireflexschicht (ITO-Antireflexschicht) für Betrieb in Reflexion,
12 berechnete Reflexionsspektren des Elektroabsorptionsmodulators nach 11 für verschiedene Einfallswinkel und Absorptionskoeffizienten in den Quantum Wells,
13a, 13b eine schematische Darstellung eines Elektroabsorptionsmodulators auf gekrümmten Oberflächen, in 13a mit Metall-Spiegel-Kontakt und Indium-Zinn-Oxid-Antireflexschicht-Kontakt für Betrieb in Reflexion, in 13b mit zwei Indium-Zinn-Oxid-Antireflexschicht-Kontakten für Betrieb in Transmission,
14 ein elektrisches Ersatzschaltbild für die Ansteuerung eines Elektroabsorptionsmodulators mit hochfrequenten sinusförmigen Signalen und Vorspannung der Diode in Rückwärtsrichtung,
15 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung mit koaxialer Konfiguration der optischen Achsen der Sende- und Empfangskomponenten und einer Farbbildkamera,
16 eine schematische Darstellung eines Graphen einer spektralen Reflektivität einer als Bragg-Reflektor ausgebildeten selektiven Optikkomponente.
Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen, auch bei verschiedenen Ausführungsformen, jeweils gleiche oder zumindest gleich oder ähnlich wirkende Bestandteile, Merkmale oder Eigenschaften.
Bezugnehmend auf 1 wird ein Objekt 10 einer aufzunehmenden Szene mit modulierten elektromagnetischen Wellen 22 einer Strahlungsquelle 20 bestrahlt. In diesem Beispiel sind die elektromagnetischen Wellen 22 als hochfrequent periodisch modulierter Laserstrahl ausgebildet, um die Szene zu beleuchten. Die Intensität der elektromagnetischen Wellen 22 kann wellenförmig, in einer einfachen Ausführungsform etwa sinus- oder kosinusförmig moduliert sein und die Form
annehmen, wobei der obere Teil die sinusförmige und der untere Teil alternativ die kosinusförmige Modulation beschreibt und I_L0 die mittlere Intensität und ω = 2πν die Kreisfrequenz des Signals bezeichnen. Mit anderen Worten kann die Laserstrahlung in der Intensität in Phase oder Quadraturphase (ko)sinusoidal moduliert sein. Für die Modulation kann eine Frequenz im Bereich von ν = 100 kHz-100 GHz, vorzugsweise ν = 1 MHz – 10 GHz, besonders bevorzugt ν = 1 MHz – 1 GHz vorgesehen sein.
Das Objekt 10 umfasst ein Streuzentrum 12, an welchem die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen 22, d. h. die Primärwellen, als Sekundärwellen 24 gestreut werden. Die von dem Streuzentrum 12 (x, y, z = z₀) im Objekt 10 ausgehenden Sekundärwellen 24 sind als Elementarwellen I₀ (x, y, z₀) ausgebildet und erfahren eine abstandsabhängige Phasenverschiebung im Modulationssignal. Die oder Teile der Sekundärwellen 24 können also gegenüber den Primärwellen eine von Null oder Vielfachen von 2π verschiedene Phasenverschiebung aufweisen. Bei achsennaher Beleuchtung nahezu parallel zur z-Achse lassen sich die Sekundärwellen 24 in der Sensorebene näherungsweise beschreiben durch
wobei sich die Modulationsfrequenzphase φ aus dem Lichtumweg und der Modulationsfrequenzwellenlänge Λ zu φ(x, y, z₀) = 4πz₀/Λ berechnen lässt.
Zumindest ein Teil des Streuwellenfeldes, d. h. der Sekundärwellen 24 wird von dem als zeitlich veränderliches spatiales Filter ausgebildeten Modulator 40 empfangen und von diesem (nochmals) gemäß T(t) = T₀(1 + ΔT₀sinωt) moduliert, wobei ΔT₀ bei einem in Transmission betriebenen Modulator den Transmissionshub und T₀ die mittlere Transmission bezeichnen und bei einem in Reflexion betriebenen Modulator ΔT₀ den Reflexionshub und T₀ die mittlere Reflexion bezeichnen. Der empfangene Teil der Sekundärwellen 24 wird durch den Modulator 40 gleichmäßig, insbesondere unabhängig von (x, y)-Koordinaten synchron moduliert. Die nochmals modulierten Sekundärwellen 26 werden mit einer Fokussieroptik 28, hier in Form einer Linse, auf den als Bildsensor ausgebildeten Sensor 30 fokussiert, welcher eine Mehrzahl von Sensorzellen 34 in der (x, y)-Ebene umfasst, beispielsweise eine (x, y)-Auflösung von 1000×1000 Pixeln aufweist. Der Modulator 40 moduliert somit auf verschiedene Sensorzellen 34 auftreffende Sekundärwellen 24, 26 in gleicher Weise.
Zur Abbildung eines oder mehrerer Objekte 10 kann eine Linse 28, ein Linsensystem 28 oder eine optisches bildgebendes System 28, beispielsweise eines Endoskops, eines Mikroskops oder eines Objektivs 28, beispielsweise in einem Monokular, Binokular oder Spektiv vorgesehen sein. Die Linse 28 kann aber auch Teil einer Kamera, insbesondere eines Smartphones sein.
Vorteilhaft ist jedoch bei dem in Reflexion betriebenen Modulator, dass dieser aufgrund der vor und nach der Reflexion, somit zweimalig auftretenden Modulation einen höheren Modulationshub, der vorstehend auch als Reflexionshub bezeichnet wurde, als ein in Transmission betriebener Modulator aufweist. Dabei kann bei Verwendung eines im Wesentlichen gleichen Modulators der in Reflexion betriebene Modulator einen Reflexionshub aufweisen, der im Wesentlichen bis zu dem doppelten Transmissionshub des in Transmission betriebenen Modulators entsprechen kann.
Der Sensor 30, welcher insbesondere als CMOS-Bildsensor bzw. CMOS-Videodetektor ausgebildet sein kann, ist mit einer Ausleseelektronik 32 verbunden, wobei Sensor 30 und Ausleseelektronik 32 Teile einer IR-Video-Kamera sein können.
Der jeweilige Detektor, also der Sensor 30 bzw. eine Sensorzelle 34, registriert zeitgemittelte Signale der Form < I_d(x, y, t) > = < T(t)I(x, y, t) > =: I_d(x, y), wobei die spitzen Klammern die Zeitmittelung angeben. Mit anderen Worten kann jedes Pixel punktweise ortsaufgelöst in der (x, y)-Ebene zeitgemittelte Signale dieser Form registrieren.
Als Beispiele seien folgende Situationen genannt.

a) Bei nicht moduliertem Laser I_L(t) = I_L0 und abgeschaltetem Modulator 40 registriert der Detektor unter Berücksichtigung einer nicht vom Laser stammenden Hintergrundstrahlung I_b(x, y) das zeitkonstante Signal < I_d1(x, y, t) > = I_d1(x, y) = T₀I_b(x, y) + T₀I₀(x, y, z₀), was nichts Anderes ist als ein Grauwertbild der betrachteten Szene.
b) Bei Inphase-Modulation des Laserlichts und der Transmission mit sinωt ist das zeitgemittelte Detektorsignal I_d2(x, y, t) > = I_d2(x, y) = I_d1(x, y) + 1 / 2T₀ΔT₀I₀(x, y, z₀)cosφ(x, y, z₀), wobei die Änderung gegenüber dem Grauwertbild maßgeblich durch die Phase φ(x, y, z₀) des Hochfrequenzsignals bestimmt ist.
c) Bei Quadraturphase-Modulation des Lichts und der Transmission mit cosωt ist das zeitgemittelte Detektorsignal entsprechend < I_d3(x, y, t) > = I_d3(x, y) = I_d1(x, y) – 1 / 2T₀ΔT₀I₀(x, y, z₀) sin φ(x, y, z₀). Ersichtlich ist, dass durch die Modulation mittels des Modulators 40 die Sekundärwellen 24 im zeitlichen Mittel von der Phasenrelation bzw. Phasendifferenz zu den zugehörigen Primärwellen abhängen. Aus I_d1, I_d2 und I_d3 lässt sich in bekannter Weise die Phase φ(x, y, z₀) bestimmen. Hiermit kann der Abstand z₀ des Streuzentrums 12 im Objekt 10 bereits bis auf ganzzahlige Vielfache der halben Wellenlänge des Hochfrequenzsignals (Modulationssignals) ermittelt werden.

Zur eindeutigen Festlegung der Entfernung z₀ können dann gegebenenfalls Messungen mit mehreren unterschiedlichen Modulationsfrequenzen vorgenommen werden. Solche oder ähnliche aus der FMCW-Radartechnik [11] bekannte Vorgehensweisen werden zum Beispiel auch bei Laser-Entfernungsmessern eingesetzt, bei denen die Entfernung nur eines einzelnen isolierten Objektpunkts zeitaufgelöst mit einer schnellen pin-Fotodiode oder Lawinen-Fotodiode bestimmt wird.
Mit der illustrierten Vorrichtung kann somit eine genaue Lagebestimmung von Objekten im Raum durchgeführt werden. Es können einerseits die Querabmessungen, üblicherweise die (x, y)-Koordinaten, mit den mittels eines CMOS-Bildsensors verfügbaren hohen Auflösungen und Pixelzahlen erfasst werden. Andererseits kann eine optische Ermittlung der Tiefenkoordinate z von Gegenständen in einem Bild vorgenommen werden, insbesondere eine Bestimmung der Entfernung eines Objektpunktes vom Objektiv der zur Aufnahme der Szene verwendeten Kamera. Demgegenüber können auf Basis eines gewöhnlichen zweidimensionalen Bildes die Tiefendimensionen allenfalls indirekt und mit weit geringerer Genauigkeit abgeschätzt werden.
Wichtig für das vorgeschlagene Messprinzip ist, dass die Modulation durch die Strahlungsquelle 20 und die Modulation durch den Modulator 40 synchronisiert ist. Insbesondere erfolgt die Modulation des Laserstrahls und des als zeitvariablen Filters ausgebildeten Modulators 40 demnach synchron zeitlich periodisch und unabhängig von Ort (x, y) und Strahlrichtung. Der Modulator 40 führt demnach insbesondere jeweils eine gleichartige Modulation des empfangenen Teils der Sekundärwellen 24 zumindest im Wesentlichen unabhängig von der Einfallsrichtung durch.
Entsprechend der Modulation durch die Strahlungsquelle 20 ist vorzugsweise ein Modulator 40 vorgesehen, der in einem Frequenzbereich von ν = 100 kHz – 100 GHz, vorzugsweise ν = 1 MHz – 10 GHz, besonders bevorzugt ν = 1 MHz – 1 GHz arbeitet bzw. effizient arbeitet. Vorteilhaft bewirkt der Modulator 40 eine Modulation, insbesondere einen Modulationshub, die von der Lichteinfallsrichtung zumindest weitgehend unabhängig ist.
Diese Anforderungen erfüllen in besonders vorteilhafter Weise zum Beispiel Multi-Quantum-Well-Elektroabsorptionsmodulatoren auf der Basis von GaAs, für die sich bei Dicken von unter 10 μm und angelegten Spannungen von 5 V_ss Werte von T₀ ≈ 0.6 und ΔT₀ ≈ 0.15 bei einer Wellenlänge von 850 nm erreichen lassen [10]. Der Modulator 40 ist somit insbesondere als Multi-Quantum-Well-Elektroabsorptionsmodulator ausgebildet.
Die Wellenlänge der ausgesendeten elektromagnetischen Wellen 22 liegt in einem Bereich, in welchem der Sensor 30 empfindlich ist, vorteilhaft außerhalb des sichtbaren Spektrums. Bevorzugt erfolgt die Beleuchtung somit im nahen infraroten Spektralbereich bei Wellenlängen im Intervall von 700 bis 1100 nm, also im Bereich von 900 nm, bei denen CMOS-Bildsensoren [7] noch eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Dies ermöglicht es in vorteilhafter Weise, Störungen zu vermeiden.
Zudem sollte die Beleuchtung spektral schmalbandig mit Breiten von unter fünf, vorzugsweise unter einem nm erfolgen, um Hintergrundlicht durch optische Filterung beim Empfang wirkungsvoll unterdrücken zu können. Immerhin liegt bei 900 nm Wellenlänge die spektrale Intensität der Hintergrundstrahlung im Sonnenlicht bei ungefähr 1 W/(m² ≈ nm). Es kann demnach optional ein optischer Filter vorgesehen sein, welcher für die Wellenlängen der Sekundärwellen 24 durchlässig ist und andere Wellenlängen, insbesondere sichtbares Licht, blockiert. Als effiziente schmalbandige Quellen [8, 9] kommen beispielsweise kantenemittierende Laserdioden, Vertikallaserdioden (VCSELs) oder Vertikallaserdioden mit externem Resonator (VECSELs) in Betracht.
Bezugnehmend auf 2 ist der Modulator 40 unmittelbar vor dem Sensor 30 platziert. Der Sensor 30 und der Modulator 40 bilden somit einen hybrid integrierten optischen 3D-Sensor bzw. Tiefensensor. Es handelt sich in diesem Beispiel um einen optischen 3D-Sensor mit CMOS-Bildsensor und steuerbarem flächigen InGaAs-GaAsP-Transmissionsfilter bzw. Galliumarsenid-basierendem MQW-Modulator.
Vorteilhaft an der Platzierung des Modulators 40 unmittelbar vor dem Sensor 30 ist, dass an dieser Position der zu nutzende Strahlquerschnitt minimal ist. Zudem ist eine hybride Integration von Bildsensor und spatialem Modulator auf einfache Weise möglich.
Vorteilhaft an einem integrierten 3D-Sensor mit Sensor 30 und Modulator 40 ist auch, dass die Bauhöhe des 3D-Sensors bei bevorzugten Ausführungsformen nur etwa 100 μm größer ist als die des Sensors 30 und damit der Einbau des 3D-Sensors in gängige Geräte, etwa Smartphones, ohne Weiteres möglich ist. Auch Strahlengänge mit einem in Reflexion betriebenen Modulator können mit sehr kleinen Abmessungen hergestellt werden, welche für den Einbau in Smartphones, Tablett-PCs, Laptops oder Convertibles nutzbar sind. Hierbei haben sich Strahlengänge als vorteilhaft erwiesen, bei welchen wie beispielsweise in der 5a dargestellt, der Strahlengang des auf den Sensor fallenden Lichts durch Reflexion insgesamt um etwa 90° abgelenkt wird. Aber auch andere Reflexionswinkel können, wie in 5b dargestellt für bestimmte bauliche Abmessungen vorteilhaft sein. Als modulare Baugruppen können diese 3D-Sensoren auch nachrüstbar, beispielsweise als übliche Einschübe für portable Einrichtungen bereitgestellt werden.
Hiermit lassen sich auch sehr kompakte Baugruppen für endoskopische oder intraoperativ genutzte Geräte bereitstellen, welche dann beispielsweise im intrakorporal genutzten Bereich des endoskopischen oder intraoperativ genutzten Geräts angebracht sein können und durch ihre sehr geringen baulichen Abmessungen minimalinvasive medizinische Eingriffe unterstützen. Auch hier kommt der sehr geringen Baugröße Bedeutung zu, da zum einen der Operationsraum nur in sehr geringer Weise beeinträchtigt wird und zum anderen bei medizinischen Eingriffen vorgenommene, nötige oder gebotene Körpereröffnungen auf ein Minimum beschränkt werden können.
3 zeigt schematisch die Struktur einer Pixelzelle in neuerer Bauform mit 4 Transistoren (4 T) eines Aktiv-Pixel-Bildsensors (CMOS-Sensors), welche eine Pinned Photodiode (PPD), einen Transfertransistor (TX), einen Reset-Transistor (RST), einen Source Follower Transistor (SF) und einen Row-Select-Transistor (SEL) umfasst.
Aktiv-Pixel-Sensoren [11] speichern photogenerierte Ladungsträger und lesen deren Zahl nach Integrationszeiten von typisch einigen Millisekunden über einen Transfertransistor und nachfolgenden Vorverstärkertransistor aus. In handelsüblichen Bildsensoren hat ein Pixel mit einer Fläche von 1.5 μm × 1.5 μm (Strahlungserfassungsfläche) ein maximales Speichervermögen von mindestens 3000 Elektronen. Jeder Auslesevorgang ist bei den verfügbaren über Jahrzehnte optimierten Bauelementen mit äußerst geringem Rauschen verbunden, das eine Standardabweichung von nur 3 Elektronen aufweist. Der Dynamikbereich des Sensors beträgt damit wenigstens D = 20 log (3000/3) = 60 dB, und das maximale Signal-Rausch-Verhältnis durch das Schrotrauschen des Lichts als Poisson-Prozess ist durch SNR = 3000/(3000)^1/2 = 54 gegeben. Für größere Pixel mit Abmessungen von 6 μm × 6 μm erreicht man Dynamikbereiche von 80 dB und maximale Signal-Rausch-Verhältnisse von 200.
Beleuchtet man das Objekt 10 periodisch mit sinωt, –sinωt, cosωt und –cosωt modulierten Lichtsequenzen von jeweils Δt/4 Dauer (Δt >> 1/ω), typisch (Δt ≈ 10 ms), dann registriert jede Sensorzelle 34 mit Strahlungserfassungsfläche A ein Photostromsignal der Form
wobei m ganzzahlig ist und q die Elektronenladung, ħΩ die Photonenenergie und η den Quantenwirkungsgrad der als Photodetektor ausgebildeten Sensorzelle 34 bezeichnen. Die mit der Periode Δt schwankende Wechselkomponente des Photostroms definiert die Messgröße Δi_S, deren zeitgemitteltes Quadrat
proportional zur elektrischen Signalleistung des Messsignals ist.
Beiträge zur elektrischen Rauschleistung liefern das zeitgemittelte Photostromsignal i_S(x, y, t) und die Hintergrundbeleuchtung I_b(x, y) sowie thermische Widerstandsschwankungen und der Dunkelstrom i_D(x, y) des Sensorpixels. Die Anteile sind im Einzelnen [8]: das Rauschen des Signals < i 2 / NS(x, y) > = 2ηq²T₀AI₀(x, y, z₀)Δν/(ħΩ), das Rauschen der Hintergrundstrahlung < i 2 / Nb(x, y) >= 2ηq²T₀AI_b(x, y)Δν/(ħΩ), das thermische Widerstandsrauschen, vor allem bedingt durch Reset- und Ladungsträgerdiffusionseffekte, < i 2 / N / t / h(x, y) >= 4 kTΔν/R_L und das Dunkelstromrauschen (vor allem durch Ladungsträgerrekombination an Grenzflächen) < i 2 / Nd(x, y) >= 2qi_DΔν, wobei Δν die elektrische Messbandbreite und kT (mit kT 25 meV bei Raumtemperatur) die thermische Energie bezeichnen und der Widerstand R_L summarisch thermische Rauschprozesse erfasst.
Das Signal-Rausch-Verhältnis lässt sich damit abschätzen zu
Die Erfindung bietet insbesondere den Vorteil, dass zur Detektion optimierte Active Pixel Image Sensors genutzt werden können, deren Rauschen durch Dunkelstrom und thermische Widerstandsfluktuationen in langjährigen Optimierungsprozessen auf ein Minimum reduziert werden konnten. Ohne Übersteuerung des Pixels sind diese beiden Rauschanteile (wie oben bereits angemerkt) in der Regel klein gegen die Schrotrauschbeiträge des Signallichts und des Hintergrundlichts und werden deshalb im Folgenden vernachlässigt.
Für bestimmte Anwendungen interessiert insbesondere die Degradation des Signal-Rausch-Verhältnisses durch die Hintergrundstrahlung. Diese wird näherungsweise quantitativ erfasst durch
wenn lichtinduziertes Rauschen thermische Effekte und Dunkelstromprozesse dominiert. Bei Sonnenlichteinstrahlung wird ein Objekt im Wellenlängenbereich um 900 nm mit einer spektralen Intensität von 1 W/(m²·nm) beleuchtet. Es kann daher eine Abschirmung von Fremdlicht bzw. eine insbesondere schmalbandige spektrale Filterung im Detektionssystem vorgesehen sein, um zu erreichen, dass mit I₀(x, y, z₀) > I_b(x, y) ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht wird. Bei zu vernachlässigender Hintergrundstrahlung gilt im Idealfall
wobei N_Δt(x, y) die Zahl der während der Messzeit Δt = 1/Δν auf einem Detektorpixel ankommenden Photonen bezeichnet. Anstelle einer sinusförmigen Modulation von Laser und zeitvariablem Transmissionsfilter können selbstverständlich auch andere periodische Signalformen verwendet werden.
Bei zugrundeliegenden Gaußschen Rauschprozessen hängt die Genauigkeit der Bestimmung der Phase φ(x, y, z₀), besser gesagt die Standardabweichung δφ_RMS(x, y, z₀) der Phase, mit dem Signal-Rausch-Verhältnis SNR(x, y) über die Beziehung
zusammen [12]. Für SNR > 2.85 dB ist die Formel auf besser als 10% genau und für SNR > 11.1 dB liegt der Fehler sogar unter 1%. Für Abstand z₀ und Phase φ gilt z₀(x, y) = Λφ(x, y, z₀)/(4π).
Entsprechend ergibt sich für die Standardabweichungen
Damit ist bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von 4, also von 6 dB, z₀ mit einer Genauigkeit von einem Fünfzigstel der Modulationswellenlänge bestimmbar. Bei einer Modulationsfrequenz von 10 GHz, entsprechend einer Wellenlänge von 3 cm, erhält man δz_0RMS = 0.6 mm.
Wenn, wie beispielsweise bei der Aufnahme in Räumen, durch die Geometrie eine maximale Entfernung z_0max im Objekt bekannt ist, kann zur eindeutigen Festlegung von z₀ mit der Lichtgeschwindigkeit c und der Modulationsfrequenz ν₀ = c/(2z_0max) = c/Λ₀ eine erste Bestimmung von z₀ vorgenommen werden, die bei einem angenommenen Signal-Rausch-Verhältnis von vier auf Λ₀/50 genau ist. Für eine zweite Messung, etwa mit ν₁ = 10 ν₀, kann damit der Eindeutigkeitsbereich hinreichend genau bekannt sein, und die Messgenauigkeit erhöht sich auf Λ₀/500. Die maximal zu erzielende Messgenauigkeit ist insbesondere durch die höchstmögliche Modulationsfrequenz von Transmissionsfilter oder Laserdiode gegeben.
Für die Erfindung ist die Verfügbarkeit eines schnellen flächigen Modulators [13] besonders vorteilhaft. Spatiale Modulatoren mit Flüssigkristallen, auch ferroelektrischen Flüssigkristallen, können demgegenüber deutlich zu langsam sein. Bevorzugt können etwa in pin-Strukturen eingebettete intrinsische Multi-Quantum-Well-(MQW-)Strukturen auf der Basis von GaAs-Substraten [10, 13] zum Einsatz kommen. Auch Multi-n-i-p-i- oder Multi-hetero-n-i-p-i-Strukturen können sich als flächige Modulatoren als erfolgversprechend erweisen. Der Modulator, welcher in der gezeigten Abbildung in Transmissionsgeometrie ausgebildet ist, kann auch eine Bauform in Reflexionsgeometrie aufweisen.
Für einige Anwendungen der Erfindung ist auch zu bedenken, dass Hintergrundstrahlung im sichtbaren und auch im infraroten Spektralbereich vorzugsweise hinreichend unterdrückt werden soll, um etwa für Silizium-CMOS-Videosensoren eine ausreichende spektrale Empfindlichkeit zu gewährleisten, welche mit zunehmender Wellenlänge oberhalb von 950 nm typischerweise bereits deutlich abfällt.
Bezugnehmend auf 4 kann ausgehend von diesen Überlegungen insbesondere ein Modulator 40 in Form eines Elektroabsorptionsmodulators 41 eingesetzt werden, welcher insbesondere für Wellenlängen zwischen 870 und 910 nm, also um 900 nm geeignet ist.
Der Elektroabsorptionsmodulator 41, welcher zumindest einen Teil der modulierten Sekundärwellen 24 empfängt und als nochmals modulierte Wellen 26 abgibt, ist in diesem Beispiel ausgebildet als ein flächiger spatialer InGaAs-GaAsP-MQW-Elektroabsorptionsmodulator auf einem GaAs-Substrat 42. Der Elektroabsorptionsmodulator 41 umfasst eine aktive Schicht mit Mehrfach-Quantum-Wells, wobei die aktive Schicht vorzugsweise eine Dicke von mindestens 0.1 μm, bevorzugt von mindestens 0.5 μm, besonders bevorzugt von mindestens 1 μm aufweist. Weiter vorzugsweise ist eine Dicke vorgesehen, welche unter 100 μm, bevorzugt unter 10 μm, besonders bevorzugt unter 2 μm liegt. Auf dem n-dotierten GaAs-Substrat 42, welches hier ca. 100 μm dick ist, und ggf. einer n-GaAs-Pufferschicht 44, welche hier ca 1 μm dick ist, befindet sich eine intrinsische MQW-Zone 46 mit beispielsweise 50 bis 100 spannungskompensierten InGaAs Quantum Wells und GaAsP-Barrieren von jeweils z. B. etwa 10 nm Dicke. Die MQW-Zone 46 bildet somit den aktiven Teil des InGaAs-GaAsP-MQW-Elektroabsorptionsmodulators. Darüber befindet sich eine p-dotierte AlAs-GaAs-Vielfachschicht 48, hier jeweils aus λ/4-dicken Schichtpaaren, die als Bragg-Reflektor ausgebildet ist. Oberhalb des p-AlAs-GaAs-Bragg-Reflektors 48 ist eine p⁺-GaAs-Kontaktschicht 50 angeordnet. Ferner sind ein n-Metallkontakt 54 und ein p-Metallkontakt 56 für den Betrieb der pin-Diode in Rückwärtsrichtung vorgesehen. Außerdem können Antireflexbeschichtungen 52 auf der Empfangsfläche 51 und/oder Austrittsfläche 53 (Strahlquerschnittsfläche) aufgebracht sein.
Der In-Gehalt ist vorzugsweise so gewählt, dass ohne angelegte Spannung die Bandkante der InGaAs-Quantum-Well-Grundniveaus bei etwa 900 nm liegt. Der Phosphor-Gehalt in den GaAsP-Barrieren kann die durch die In-haltigen Schichten induzierte kompressive Verspannung kompensieren.
Das n-dotierte Substrat 42 dient insbesondere als (höchst effizienter) richtungsunabhängiger Absorber für Licht mit Wellenlängen kleiner 870 nm. Somit kann es Umgebungslicht kürzerer Wellenlänge absorbieren. Gleichzeitig kann das Substrat 42 als Kontaktschicht ausgebildet sein. Abhängig von der Höhe der n-Dotierung und der Dicke des Substrats 42 kann mitunter auch Licht mit Wellenlängen bis etwa 900 nm noch gedämpft werden. Das Substrat 42 ist jedoch vorzugsweise für Wellenlängen größer als 900 nm transparent.
Die p-dotierte Bragg-Struktur 48, welche insbesondere eine Stoppband-Breite von knapp 100 nm aufweist, kann Licht mit Wellenlängen größer als 910 nm reflektieren. Gleichzeitig kann sie als Kontaktschicht ausgebildet sein. Durch den hohen Brechungsindex des GaAs von 3.5 und die damit verbundenen Einfallswinkel von weniger als 17 Grad im GaAs weist der Bragg-Reflektor 48 nur eine äußerst geringe Richtungsabhängigkeit auf.
Der Elektroabsorptionsmodulator 41 ist somit insbesondere für Sekundärwellen 24 im Spektralbereich von 870 bis 910 nm transparent und kann diese modulieren. Sekundärwellen 24 mit Wellenlängen kleiner als 870 nm und/oder größer als 910 nm können den Elektroabsorptionsmodulator 41 nicht passieren. Dies hat zum Vorteil, dass im noch hohen Empfindlichkeitsbereich eines Silizium-Bildsensors nur Licht im engen spektralen aktiven Bereich von 870 nm bis 910 nm den Modulator 40 passieren und auf den Sensor 30 treffen kann. Der Elektroabsorptionsmodulator 41 wirkt somit zugleich als Bandpassfilter mit Durchlassbereich im Empfindlichkeitsbereich eines handelsüblichen CMOS-Sensors und außerhalb des für den Menschen sichtbaren Bereichs. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Modulationshub praktisch unabhängig von der Lichteinfallsrichtung ist.
Der Elektroabsorptionsmodulator 41, welcher bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ebenfalls zumindest einen Teil der modulierten Sekundärwellen 24 empfängt und als nochmals modulierte Wellen 26 abgibt, ist in diesem weiteren Beispiel ausgebildet als ein flächiger spatialer GaInNAs-AlGaAs-MQW-Elektroabsorptionsmodulator auf einem GaAs-Substrat 42, siehe beispielsweise auch 6. Der Elektroabsorptionsmodulator 41 umfasst eine aktive Schicht mit Mehrfach-Quantum-Wells, wobei die aktive Schicht vorzugsweise eine Dicke von mindestens 0.1 μm, bevorzugt von mindestens 0.5 μm, besonders bevorzugt von mindestens 1 μm aufweist. Weiter vorzugsweise ist eine Dicke vorgesehen, welche unter 100 μm, bevorzugt unter 10 μm, besonders bevorzugt unter 2 μm liegt.
Auf dem n-dotierten GaAs-Substrat 42, welches hier ca. 100 μm dick ist, und ggf. einer n-GaAs-Pufferschicht 44, welche hier ca 1 μm dick ist, befindet sich eine intrinsische MQW-Zone 46 mit beispielsweise 50 bis 100 unverspannten gitterangepassten GaInNAs Quantum Wells und AlGaAs-Barrieren von jeweils z. B. etwa 10 nm Dicke. Die MQW-Zone 46 bildet somit den aktiven Teil des GaInNAs-AlGaAs-MQW-Elektroabsorptionsmodulators. Darüber befindet sich eine p-dotierte GaAs Abstandsschicht 48 zum transparenten p-Kontakt 50, der nur wenige 100 nm Dicke aufweist, beispielsweise aus Indium-Zinn-Oxid (ITO) bestehen und gleichzeitig als Antireflexbeschichtung ausgelegt sein kann. Ein weiterer transparenter n-Kontakt befindet sich an der Substratunterseite. Die Metallkontakte 54 und 56 dienen zur Kontaktverstärkung. Mit zusätzlichen dielektrischen Beschichtungen 52 auf der Empfangsfläche 51 und/oder Austrittsfläche 53 (Strahlquerschnittsfläche) lässt sich die Restreflexion der transparenten Kontakte abstimmen. Die pin-Diode des Modulators wird ausschließlich in Rückwärtsrichtung betrieben.
In- und N-Gehalte sind so eingestellt, dass die GaInNAs Quantum Wells gitterangepasst und unverspannt sind und ohne angelegte Spannung die Bandkanten der GaInMAs-Quantum-Well-Grundniveaus vorzugsweise bei etwa 900 nm liegen. Der Aluminium-Gehalt in den AlGaAs-Barrieren wird mit 20% an die Grundniveaus angepasst.
Das n-dotierte Substrat 42 dient als Kontaktschicht und wirkt gleichzeitig als (höchst effizienter) richtungsunabhängiger Absorber für Licht mit Wellenlängen kleiner 870 nm. Somit kann es Umgebungslicht kürzerer Wellenlänge vom Detektor fernhalten. Auf die zur Vermeidung von Resonanzeffekten etwa 3 bis 5 Grad schräg gegen die Oberfläche gestellte polierte Substratunterseite kann zusätzlich ein AlAs-Al_0.1 Ga_0.9As Bragg-Reflektor mit einer Stoppbandbreite von etwa 100 nm zur Unterdrückung von Strahlung im Wellenlängenbereich von 910 bis 1010 nm aufgebracht werden. Wegen seines hohen Brechungsindex weist dieser Filter nur eine vergleichsweise geringe Richtungsabhängigkeit auf.
Insgesamt ist der Elektroabsorptionsmodulator 41 somit insbesondere für Sekundärwellen 24 im Spektralbereich von 870 bis 910 nm transparent, in dem die Elektroabsorption maximal und zudem die Empfindlichkeit handelsüblicher CMOS-Sensoren hoch ist. Die geringe Abhängigkeit des Elektroabsorptionsmodulators von der Lichteinfallsrichtung ist vorteilhaft für die laterale Auflösung des Detektionssystems.
Der Modulator 40, hier der Elektroabsorptionsmodulator 41, kann jeweils bei den hier beschriebenen Ausführungsformen eine Empfangsfläche 51 für modulierte Sekundärwellen 24 und/oder eine Austrittsfläche 53 für nochmals modulierte Sekundärwellen 26 im Bereich von 0.01 mm² bis 100 mm², vorzugsweise im Bereich von 1 mm² bis 4 mm² aufweisen. Insbesondere kann eine rechteckige Empfangsfläche und/oder Austrittsfläche mit Abmessungen von 1 mm < d < 2 mm, beispielsweise d 1.5 mm vorgesehen sein. Der Modulator 40 kann die mit der Empfangsfläche 51 empfangenen Sekundärwellen 24, welche insbesondere Sekundärwellen 24 unterschiedlicher Phase umfassen können, über die gesamte Empfangsfläche 51 auf gleiche Weise, insbesondere mit gleichem Modulationshub, modulieren. Dadurch wird erreicht, dass die von der Austrittsfläche 53 ausgehenden nochmals modulierten Wellen 26, nochmals modulierte Wellen 26 mit im zeitlichen Mittel unterschiedlichen Intensitäten umfassen.
Mit den genannten Dimensionen der Empfangsfläche 51 bzw. Austrittsfläche 53 kann eine (nochmalige) Modulation gleichzeitig für eine Vielzahl von Sensorzellen 34 erfolgen. Es können beispielsweise, wenn das MQW-Element unmittelbar vor dem Bildsensor platziert wird, in modernen CMOS-Bildsensoren 1000×1000 Pixel angesteuert werden. Es ist allgemein bevorzugt vorgesehen, dass der Modulator 40 Sekundärwellen 24, 26 für mindestens 10000, besonders bevorzugt mindestens 200000 und noch bevorzugter mindestens 1000000 Pixel moduliert.
Ferner kann, insbesondere im Falle der in 2 und 6 dargestellten Ausführungsform, insbesondere einer hybriden Integration von Silizium-CMOS-Chip und GaAs-MQW-Chip noch ein Peltier-Element eingebracht sein, insbesondere um jeweils eine Feinabstimmung der optimalen Bandkantenposition des Modulators auf die Wellenlänge der infraroten Laserbeleuchtung vornehmen zu können. Generell sind großflächige dielektrische optische Bandpassfilter mit 5 bis 10 nm weitem spektralen Durchlassbereich vorteilhaft, um Laserlichtbeleuchtung und Elektroabsorptionsspektrum optimal aufeinander abzustimmen.
Zur zusätzlichen Unterdrückung unerwünschter Hintergrundstrahlung kann zudem optional ein Filter vorgesehen sein, welches zum Beispiel unmittelbar vor der Linse angeordnet sein kann. In Betracht kommt etwa ein großflächiges, hoch selektives AlAs-GaAs-Fabry-Perot-Filter mit engem spektralen Durchlassbereich bei der Arbeitswellenlänge des spatialen Modulators (bei ca. 900 nm). Wegen der hohen Brechungsindizes von AlAs und GaAs weist das Filter eine äußerst geringe Richtungsabhängigkeit auf.
Besonders vorteilhaft kann die Ausführung eines Elektroabsorptionsmodulators auch als Reflexionsmodulator sein, der gemäß 5 in einem gefalteten optischen Strahlengang eingesetzt ist. Der Modulator 40, 41 und der Sensor 30, 31, insbesondere Bild- oder Imagesensor sind um einen Winkel Theta gegeneinander gekippt, der ggf. zur Feinabstimmung variiert werden kann.
Bei dem beispielhaft in 6 dargestellten Reflexions-Elektroabsorptionsmodulator 40, 41 ist die MQW-Zone über einem AlGaAs-Bragg-Reflektor angeordnet, dessen Stoppband den optimalen spektralen Elektroabsorptionsbereich abdeckt. Der Bragg-Reflektor aus 20 n-dotierten λ/4-Schichtpaaren Al_0.2Ga_0.8As–AlAs ist für eine Stoppband-Mittenwellenlänge von etwa 860 nm ausgelegt. Darüber befindet sich oberhalb einer dünnen n-dotierten Al_0.2Ga_0.8As-Pufferschicht die aktive intrinsische GaAs-Al_0.2Ga_0.8As MQW Elektroabsorptionszone mit 50 jeweils 10 nm dicken Well- und Barrieren-Schichten. Abgeschlossen wird die Struktur von einer etwa 2 μm dicken Stromverteilungsschicht für transparente ITO-Kontakte und eine Antireflexbeschichtung.
7 zeigt ein gemessenes Reflexionsspektrum der Struktur aus 6 und im Vergleich dazu ein ohne Kontakte und Antireflexbeschichtung berechnetes Spektrum, bei dem starke absorptive exzitonische Effekte nicht berücksichtigt sind. Die Resonanzeinbrüche im Stoppband des Bragg-Reflektors im äquidistanten Abstand von 25 nm sind Reflexionen an der Kristalloberfläche zuzuordnen. Der Peak der exzitonischen Absorption befindet sich bei etwa 845 nm Wellenlänge. Offenbar sind exzitonische Effekte dafür verantwortlich, dass berechnete und gemessene Spektren auf der kurzwelligen Seite des Stoppbandes stark voneinander abweichen.
Exzitonische Effekte tragen ganz maßgeblich zum elektroabsorptiven Verhalten der Struktur bei, wie die für verschiedene Wellenlängen aufgenommenen spannungsabhängigen Reflexionskurven in 8 zeigen. Bei einer Änderung der Spannung von –6.5 V auf –10 V nimmt die reflektierte Leistung von 90% auf 14% ab, der Einfügeverlust beträgt etwa 1 dB.
Das Hochfrequenzverhalten ist in 9 illustriert. Aus dem in 9a für Gleichspannung und 100 MHz Sinussignalen dargestellten Zeitverläufen der vom Bauelement reflektierten optischen Leistung geht hervor, dass bis zu Frequenzen von 100 MHz praktisch kein Leistungsabfall im Großsignalverhalten zu beobachten ist. Der in der Kleinsignal-Modulationscharakteristik in 9b auftretende Abfall für Frequenzen oberhalb von 100 MHz ist vor allem auf die Ansteuerung des Bauelements mit Bonddraht zurückzuführen. Bei hochfrequenzgerechter Ansteuerung des Bauelements über eine angepasste Mikrostreifenleitung sind weit höhere Grenzfrequenzen zu erwarten.
10 zeigt das spektrale Reflexionsverhalten des Modulator-Schichtsystems ohne Kontakt- und Antireflexbeschichtung für verschiedene Lichteinfallsrichtungen. Die zu erwartende Blauverschiebung des Bragg-Stoppbandes ist überlagert von den wellenlängen-unabhängigen exzitonischen Absorptionseffekten auf der kurzwelligen Seite des Stoppbandes. Interferenzen vor allem durch Reflexionen an der Substratoberfläche und am Bragg-Spiegel führen zu einer stark winkelabhängigen Charakteristik, zu der auch die Polarisationsabhängigkeit des Bragg-Reflektors in nicht unerheblichem Maße beiträgt. Die stabile Position des Exzitonpeaks ist dagegen ein Zeichen für die weitgehend winkelunabhängige Absorption der MQW-Struktur.
11 zeigt beispielhaft einen Elektroabsorptionsmodulator mit Metallspiegel und transparentem Kontakt auf der Oberseite. Die aktive pin-Modulatorstruktur ist an 6 angelehnt. Zur besseren Haftung des Goldspiegels ist eine 1–2 nm dicke Titan-Haftschicht eingefügt. Als transparenter Kontakt bietet sich eine etwa 120 nm dicke Indium-Zinn-Oxidschicht an, die bei einem Brechungsindex von ca. 1.9 gleichzeitig als einfache Antireflexschicht wirken kann. Die Restreflexion des Kontaktes kann nötigenfalls durch eine zweite dielektrische Schicht weiter verringert werden.
In 12a und 12b sind berechnete Reflexionsspektren des Reflexionsmodulators nach 11 für verschiedene Absorptionskoeffizienten α = 100/cm, 1000/cm und 10000/cm in den GaAs-Wells dargestellt. Die Reflektanz bleibt über einen weiten Wellenlängenbereich von 820 bis 920 nm und für Einfallswinkel zwischen +20° und –20° nahezu gleich und ist zudem unabhängig von TE- oder TM-Polarisation, wie es für die Fokussierung von unpolarisierten modulierten Lichtwellen vorteilhaft ist. Die spektrale Restwelligkeit rührt vom nicht perfekten Antireflexvermögen des transparenten Kontaktes her. Zu deren Verminderung lässt sich in für den Fachmann bekannter Weise eine weitere vorzugsweise dünne dielektrische Schicht aufbringen.
Die vorgestellten Reflexionsmodulatoren benötigen vorteilhaft im Halbleiterbereich nur AlGaAs-Schichten, die von Natur aus gitterangepasst sind und routinemäßig mit Molekularstrahlepitaxie (MBE) oder metallorganischer Gasphasenepitaxie (MOCVD) hergestellt werden können. Der zweimalige Lichtdurchgang durch die Quantum Well Zone ist vorteilhaft für den zu erzielenden Modulationshub. Bei Verwendung von Bragg-Spiegeln kann die Stoppbandbreite über den relativen Aluminiumgehalt in den Bragg-Schichtpaaren eingestellt und an den optimalen spektralen Modulationsbereich angepasst werden. Die Verwendung von Metallspiegeln, vorzugsweise aus Gold, ist vorteilhaft für winkel- und polarisationsunabhängigen Betrieb der Elektroabsorptionsmodulatoren, wenn gleichzeitig noch Interferenzen innerhalb des Bauelements durch Verwendung transparenter, antireflektierender Kontakte vermieden werden sollen.
Reflexionsmodulatoren mit transparenten und metallischen Kontakten sind mit Dicken von wenigen Mikrometern sehr flexibel und lassen sich vorteilhaft auch auf gekrümmte, nicht ebene Oberflächen, wie zum Beispiel Hohlspiegel aufbringen, wie es in 13a dargestellt ist.
Hierbei sind sowohl konvexe als auch konkave Geometrien für in Reflexion und auch für in Transmission betriebene Modulatoren möglich.
Ähnliches gilt für in Transmission betriebene Elektroabsorptionsmodulatoren, die beidseitig mit transparenten Kontakten 76, 78 versehen sind, und beispielsweise Träger 75 aus einem transparenten Material, wie insbesondere Glas wie in 13b dargestellt verwenden. Der Träger aus Glas kann hierbei eine Linse, ein Prisma oder auch ein Substrat für eine Spiegelschicht sein und der Modulator dabei auf einer ebenen oder nicht ebenen Schicht des Trägers, beispielsweise einer Sphäre oder Asphäre aufgebracht sein.
Die in den 13a und 13b dargestellten bevorzugten Ausführungsformen sind nicht auf bestimmte sphärische Oberflächen beschränkt, sondern können auch Teil eines optischen Systems sein, in welchem diese dann, insbesondee zusammen mit dem jeweiligen Träger, auch einen Teil der erwünschten optischen Strahlformung leisten.
Hierbei können Krümmungsradien des Modulators verwirklicht werden, die bis weniger als einen Millimeter betragen und kann der Modulator jeweils ähnlich wie eine Beschichtung oder ein Coating auf den Träger aufgebracht werden.
Wie bereits vorstehend beschrieben kann der Modulator aus einer insgesamt nur etwa 1 μm dicken undotierten Multi-Quantum-Well Schicht auf der Basis von GaAs, die in eine pin-Diodenstruktur eingebettet ist, bestehen. Dabei können dennoch bei Aufrechterhaltung der zur Funktion notwendigen hohen Kristallqualität auch bei den angegebenen Biegeradien von weniger als einem Millimeter Radius, an GaAs gitterangepasste jedoch verspannte Einzelschichten noch mit ausreichender optischer Qualität verwendet werden. Die mechanische Stabilität des Modulators von typisch mehr als 1 mm² Fläche kann auch hierbei noch durch das GaAs-Substrat von 100 bis 200 μm Dicke gewährleistet werden.
Generell können bei allen hier offenbarten Modulatoren Dicken von etwa bis zu 1 μm oder je nach Typ auch von 100 bis 200 μm verwendet werden, auch wenn diese insbesondere als Teil eines optischen Systems mit einem transparenten oder reflektierenden optischen Träger 75 verbunden oder an diesem angebracht sind.
Ferner kann der Modulator auch ähnlich wie eine Nano-Beschichtung oder ein Nano-Coating auf das jeweilige optische Bauteil, beispielsweise einen Spiegel, eine Linse oder ein Prisma aufgebracht werden.
Ferner sind dem Fachmann bekannte der optischen Fügetechnik verwendbar, bei welchen beispielsweise Linsenelemente miteinander verkittet werden, um den Modulator mit dem Träger zu verbinden.
So kann die in 13b dargestellte Ausführungsform auch den Teil einer Linsenoberfläche eines optischen, insbesondere bildgebenden Systems bedecken und auf diese Weise im Wesentlichen keine weiteren zusätzlichen baulichen Veränderungen dieses optischen Systems erfordern.
Vorteilhaft können somit bereits existierende optische, insbesondere bildgebende optische Systeme auf einfache Weise mit den hier beschriebenen 3D-Sensoren versehen werden, ohne dass dabei erheblicher zusätzlicher konstruktiver Aufwand entsteht.
Äußerst vorteilhaft können somit bereits bestehende bildgebende Systeme medizinischer Geräte, wie Endoskope oder auch von Mikroskopen oder von Abbildungsoptiken von portablen digitalen Geräten, wie beispielsweise Smartphones nachträglich mit den hier beschriebenen 3D-Sensoren versehen werden.
In ähnlicher Weise kann die in 13a dargestellte Ausführungsform ebenfalls als Teil eines optischen, insbesondere bildgebenden Systems strahlformend wirken.
Hierbei können für die in den 13a und 13b dargestellten Ausführungsformen auch von sphärischen Geometrien abweichende Oberflächenformen verwendet werden. Beispiele hierfür sind asphärische Oberflächenformen, wie diese in jüngeren Konstruktionsformen zur Korrektur optischer Aberrationen Verwendung finden.
Die in Reflexion betriebenen Modulatoren können ebenfalls Teil herkömmlicher bildgebender Systeme sein, wie beispielsweise auch von Prismen, Dachkantprismen, wie diese bei Spiegelreflexkameras verwendet werden oder auch ein Teil von in Monokulare, Binokularen oder Spektiven verwendeten Prismen bilden. Hierbei können diese in Reflexion betriebenen Modulatoren die bisher verwendeten Spiegelanordnungen vollständig ersetzen oder diese nur in einem Bereich ersetzen oder ergänzen.
Hierdurch wird es möglich, die vorbekannten bildgebenden Systeme um zumindest eine weitere Funktionalität zu ergänzen, welche beispielsweise bei der Vermessung von Gewebe für medizinische oder auch allgemein mikroskopische Zwecke äußerst vorteilhaft sein kann.
Zur Tiefenanalyse sind die Elektroabsorptionsmodulatoren vorzugsweise mit sinusförmigen Hochfrequenzsignalen anzusteuern, was vorteilhaft auch in Serienresonanzkreisschaltungen erfolgen kann. Die notwendige negative Vorspannung der pin-Struktur wird über ein Bias-T eingestellt.
14 zeigt ein vereinfachtes elektrisches Ersatzschaltbild, das das vornehmlich kapazitive Verhalten des Modulators 40, 41 widergibt, den Serien-Kontaktwiderstand R_contact berücksichtigt und den schwachen, bei der Modulation generierten Photostrom durch einen hochohmigen Parallelwiderstand R_photo zur Modulatorkapazität beschreibt. Über elektronische Schalter 81, 82, 83 können verschiedene Betriebsfrequenzen eingestellt werden, insbesondere, indem jeweils definierte Induktivitäten L₁, L₂, L₃ mit jeweils zugehöriger Frequenz zugeordnet über diese Schalter 81, 82, 83 mit einer die jeweilige Wechselfrequenz tragenden Spannungsversorgung V₁, V₂ oder V₃ verbunden werden. Beispielhaft sind dieses jeweils die Frequenzen von 1 GHz, 100 MHz und 10 MHz. Mit der Vorspannung V_bias sowie der Induktivität L_bias kann ein bevorzugter Arbeitspunkt dieser Schaltung eingestellt werden.
In der optischen Kommunikationstechnik werden MQW-Elektroabsorptionsmodulatoren häufig zur Generation hochbitratiger Signale eingesetzt. Integriert-optische Wellenleiter-Modulatoren mit Quantum Well Systemen bestehend aus mechanisch spannungskompensierten InAlAs-InGaAs Vielfach-Schichten, gitterangepasst an InP-Substrat, eignen sich beispielsweise zur Erzeugung von Bitraten von bis zu 40 Gb/s [14, 15]. Mit Quantum Wells im GaInNAs-AlGaAs-Materialsystem, gitterangepasst an GaAs-Substrat, wurden hocheffiziente Laserdioden demonstriert [16, 17]. Die zur Herstellung der vorgestellten Elektroabsorptionsmodulatoren mit Metallspiegeln notwendige Entfernung des Substrats erfolgt durch Schleifen, Polieren und selektives Ätzen unter Verwendung von Ätzstoppschichten. Dieser Prozess wird routinemäßig zur Herstellung optisch gepumpter VECSELs genutzt [18, 19].
Durch Einsatz einer zeitlich veränderlichen Beleuchtung der Szene und eines Modulators 40 vor einem mehrere Sensorzellen 34 umfassenden Sensor 30 kann der Sensor 30 gleichzeitig den Abstand jedes Streulichtpunktes im Objekt Grauwert-kodiert in jeder Sensorzelle 34 aufzeichnen. Beispielsweise kann, wie beschrieben, ein synchron modulierter homogener flächiger optischer Filter als Modulator vor einem hoch auflösenden CMOS-Videosensor genutzt werden.
Wegen der Möglichkeit, In-phase- und Quadraturphase-Modulationssignale in periodischen Folgen zu senden und die zeitlich variierenden Messsignale des Bildsensors synchron zu detektieren, besitzt das Verfahren – ähnlich wie die Lock-in-Verstärkertechnik [20] – eine hohe dynamische Reserve, also eine große Störsignalunterdrückung, die besonders bei unerwünschter Hintergrundstrahlung von erheblichem Nutzen sein kann. Mit digitaler Lock-in-Technik, welche für die Erfindung prädestiniert ist, lässt sich mit verfügbaren Analog-Digital-Wandlern eine dynamische Reserve von 100 dB erzielen. Das bedeutet, dass Signale noch detektiert werden können, wenn die Rauschleistung (insbesondere das Störlicht) das 100000-fache der Signalleistung ausmacht, vorausgesetzt der Dynamikbereich des Ladungsträger-speichernden Bildsensors ist entsprechend groß.
Vorteilhaft ist auch die mit dem Modulator-Design verfolgte optimale Unterdrückung von Störlicht, das insbesondere, aber keineswegs ausschließlich bei Sonnenscheinbeleuchtung eine Hauptursache für unzureichende Signal-Rausch-Verhältnisse sein kann. Durch die Verwendung eines schnellen MQW-Elektroabsorptionsmodulators als steuerbarer flächiger Filter, ebenso den Einsatz spannungskompensierter InGaAs-GaAsP-Quantum-Well-Systeme auf GaAs-Substrat, in Verbindung mit CMOS-Fotosensoren, kann eine optimale Störlichtunterdrückung gewährleistet werden.
Mit der Erfindung kann im Gegensatz zu optischen Scannern. eine Tiefenbestimmung ohne bewegliche mechanische Komponenten erfolgen. Wegen der hochfrequenten Modulierbarkeit von Laserdioden und Elektroabsorptionsmodulatoren mit sinusförmigen Hochfrequenzsignalen von über 10 GHz können Tiefenauflösungen im Bereich von Submillimeter erzielt werden. Dies ist höher als mit klassischen Time-of-Flight-Methoden, die insbesondere durch die Grenzfrequenz der eingesetzten Lawinen-Photodioden limitiert sind. Optische Scanner nutzen häufig Lichtimpulse mit Impulsdauern von ungefähr 1 ns und ermöglichen Tiefenauflösungen im unteren Zentimeter-Bereich.
Im Gegensatz zur PMD-Technik erfordert das vorgeschlagene Verfahren keine aufwendigen Spezialprozesse der VLSI-Technologie. Es können kommerziell verfügbare State-of-the-Art CMOS-Bildsensoren eingesetzt werden, deren Pixelgröße von 1.5 μm² heute mehr als 100-mal kleiner ist als die für PMD-Sensoren verwendeten, in speziellen VLSI-Prozessen zu entwickelten Sensorpixel. Ferner weisen verfügbare CMOS-Sensoren eine wesentlich höhere Zahl an Pixeln auf als bislang verfügbare PMD-Sensoren. PMD-Sensoren wurden z. B. mit 352×288 Pixeln von etwa 15 μm×15 μm demonstriert. Die Erfindung ermöglicht auch eine höhere Tiefenauflösung als sie möglich ist mit derzeitigen Photonic Mixer Devices, welche sich bislang lediglich für Modulationsfrequenzen bis etwa 100 MHz eignen.
Im Vergleich zu Stereoskopie und Triangulation bzw. strukturierter Beleuchtung ist die mit der Erfindung erreichbare Tiefenauflösung um ein Vielfaches höher. Es kann zudem eine kompaktere Bauform erreicht werden.
Elektroabsorptionsmodulatoren, auch in spannungskompensierter Bauform, wurden in einer Reihe von Dissertationen [14, 15] erprobt und ihre überragende Leistungsfähigkeit insbesondere auch in optischen Wellenleiter-Modulatoren unter Beweis gestellt. Spannungskompensierte InGaAs-GaAsP Multi-Quantum-Well Schichten wurden an der Universität Ulm mit Molekularstrahlepitaxie hergestellt und erfolgreich als aktive Zonen in Halbleiterlasern eingesetzt [18, 19]. Bragg-Reflektoren und Fabry-Perot-Resonatoren auf der Basis von GaAs-Substrat wurden an der Universität Ulm bereits zur Erforschung neuartiger Vertikallaserdioden (VCSELs) verwendet [9].
Bezugnehmend auf 15 kann für viele Anwendungen ein kollinearer, parallaxenfreier Strahlengang für Sende- und Empfangsweg vorteilhaft sein. In der dargestellten Anordnung definieren die von der Strahlungsquelle 20 in Richtung von den Objekten 10 ausgesendeten Wellen 22 eine erste optische Achse 70 und der von dem Modulator 40 empfangene Teil der von den Objekten 10 ausgehenden Sekundärwellen 24 definiert eine zweite optische Achse 72, wobei diese beiden optischen Achsen 70, 72 im objektnahen Bereich kollinear verlaufen.
Dazu werden die von der Strahlungsquelle 20 ausgesendeten Wellen 22, welche in diesem Beispiel eine Wellenlänge von λ_L ≈ 900 nm haben mögen, in einen Wellenleiter 60 eingekoppelt. In dem gezeigten Beispiel kommt eine Fokussieroptik 23 zum Einsatz, um den modulierten Sendelaserstrahl unter einem Winkel von z. B. α₁ ≈ 30° zu bündeln. Der Wellenleiter 60, welcher z. B. als Glasfaser ausgebildet sein kann und mit seiner Erstreckung einen Teil der ersten optischen Achse 70 definiert, tritt von einer dem Objekt 10 abgewandten Seite durch eine selektive Optikkomponente 62 hindurch und ermöglicht somit eine Auskopplung der Wellen 22 auf einer dem Objekt 10 zugewandten Seite der selektiven Optikkomponente 62 in Richtung des Objekts 10 und insbesondere unter einem Winkel von α₂ ≈ α₁. Mit anderen Worten werden die von der Strahlungsquelle 20 ausgesendeten Wellen 22 mittels des Wellenleiters 60 auf das im Fernfeld befindliche streuende Objekt 10 gerichtet. Dies kann im Übrigen auch unabhängig von dieser Ausführungsform vorgesehen sein.
Die selektive Optikkomponente 62 ist in der Lage, einen ersten Spektralbereich Δλ auf den Sensor 30 gelangen zu lassen und einen zum ersten Spektralbereich Δλ disjunkten zweiten Spektralbereich von dem Sensor 30 fernzuhalten. Der erste Spektralbereich Δλ umfasst zumindest einen Teil des Spektrums der Sekundärwellen 24, so dass zumindest ein Teil der Sekundärwellen 24 als selektierte Wellen 25 auf den Sensor 30 gelangen. Der zweite Spektralbereich umfasst hingegen insbesondere den oder einen Teil des sichtbaren Spektrums.
In dem gezeigten Beispiel ist die selektive Optikkomponente 62 als ein unter einem Winkel von θ ≈ 45° zu den optischen Achsen 70, 72 ausgerichteter Bragg-Reflektor ausgebildet. Der Bragg-Reflektor reflektiert den ersten Spektralbereich Δλ (siehe Bragg-Filter-Kurve in 16) und lässt ihn auf den Sensor 30 und in diesem Beispiel auch auf den Modulator 40 gelangen, welcher wiederum unmittelbar vor dem Sensor 30 angeordnet ist.
Um zu verhindern, dass Streulicht aus dem Nahfeld direkt auf den Sensor 30, d. h. den Tiefensensor, gelangt, kann eine Abschirmung des Wellenleiters 60 vorgesehen sein. Der in diesem Beispiel einen Durchmesser D im Bereich von 200 bis 500 μm aufweisende Wellenleiter 60 kann etwa in eine z. B. metallene Hülle eingekapselt sein.
Die in 15 gezeigte Anordnung enthält zudem einen weiteren mit einer Ausleseelektronik 33 verbundenen Sensor 31 zur Erfassung von sichtbaren elektromagnetischen Wellen 27, die von dem Objekt 10 ausgehen. Die von dem Objekt ausgehenden sichtbaren elektromagnetischen Wellen 27 können beispielsweise Streulicht des Umgebungslichts, etwa der Sonne, sein.
Mit dem weiteren Sensor 31 kann neben einem Tiefenabbild, welches mit dem Sensor 30 basierend auf den ausgesendeten Wellen 22 etwa in Form eines 3D-Grauwertbildes erzeugt wird, gleichzeitig auch ein normales, insbesondere farbiges Abbild der Szene erzeugt werden. Der weitere Sensor 31 ist insbesondere als gewöhnlicher CMOS-RGB-Bildsensor ausgebildet. Dies kann ebenso für den Sensor 30 zutreffen, wobei dieser auch als spezieller CMOS-Infrarot-Bildsensor ausgebildet sein kann.
Auch für den weiteren Sensor 31 ist ein kollinearer Strahlengang vorgesehen. Dazu definieren die von dem weiteren Sensor 31 erfassten sichtbaren elektromagnetischen Wellen 27 eine dritte optische Achse 74, welche zumindest abschnittsweise kollinear zur zweiten optischen Achse 72 verläuft.
In dem gezeigten Beispiel ist hierzu vorgesehen, dass die selektive Optikkomponente 62 den zweiten Spektralbereich, also insbesondere die sichtbaren elektromagnetischen Wellen 27, auf den weiteren Sensor 31 gelangen lässt. Die hier als Bragg-Reflektor ausgebildete selektive Optikkomponente 62 lenkt somit das rückgestreute Infrarot-Signallicht auf den 3D-Sensor und lässt das sichtbare Licht zum RGB-Farbsensor passieren. Konstruktiv durchsticht der integriert-optische Wellenleiter 60 sowohl den Umlenkspiegel 64 für sichtbares Licht, sowie den als Bandsperre wirkenden dielektrischen Bragg-Reflektor. Der Umlenkspiegel 64 und die selektive Optikkomponente weisen somit jeweils ein Loch auf, durch das der Wellenleiter 60 hindurchtritt.
Der Umlenkspiegel 64, welcher im gezeigten Beispiel etwa a = 1 cm entfernt auf der dem Objekt 10 abgewandten Seite der selektiven Optikkomponente 62 und wiederum unter einem Winkel von 45° angeordnet ist, lenkt somit die von den Objekten 10 ausgehenden sichtbaren elektromagnetischen Wellen 27, welche von dem Bragg-Reflektor durchgelassen wurden, auf den weiteren Sensor 31, wobei zur Fokussierung wiederum eine Fokussieroptik 29 vorgesehen ist.
Neben der Kollinearität ist ein weiterer Vorteil der dargestellten Anordnung eine optimale Reduzierung von Abschattungseffekten, die bei der Abstandsbestimmung zu „Geistereffekten” führen können.
Den theoretischen Überlegungen und Abschätzungen dieser Schrift liegen Ausführungen aus [8] zugrunde.
Bei dem beschriebenen 3D-Bildsensor mit Elektroabsorptionsmodulator lassen sich vorteilhaft Informationen über die Tiefenposition einzelner Objekte in einem von einem Imagesensor aufzuzeichnenden Bild gewinnen, wenn die Szene mit moduliertem Licht beleuchtet wird und die von den Objektpunkten ausgehenden Lichtwellen vor Eintreffen auf dem Detektorarray, Sensor oder Bildsensor nochmals synchron moduliert werden.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn alle von einem Objektpunkt ausgehenden und dann auf ein Detektorelement treffenden Photonen in gleicher Weise moduliert werden, die Sekundärmodulation also insbesondere richtungsunabhängig ist und keine Mehrwegeausbreitung vortäuschenden lateralen oder longitudinalen Resonanzen im optischen Detektionszweig auftreten.
Zur Realisierung der hier beschriebenen Vorrichtungen kann als Kernelement ein CMOS-Imagesensor mit direkt vorgesetztem, lateral unstrukturiertem flächigen Elektroabsorptionsmodulator verwendet werden. Die aktive Zone des Modulators, insbesondere Elektroabsorptionsmodulators besteht bevorzugt aus einer insgesamt nur etwa 1 μm dicken undotierten Multi-Quantum-Well Schicht auf der Basis von GaAs, die in eine pin-Diodenstruktur eingebettet ist. Zur Aufrechterhaltung der zur optimalen Funktion notwendigen hohen Kristallqualität werden bevorzugt nur uriverspannte, an GaAs gitterangepasste Einzelschichten verwendet. Die mechanische Stabilität des Modulators von typisch mehr als 1 mm² Fläche wird durch das GaAs-Substrat von 100 bis 200 μm Dicke gewährleistet.
Alternativ kann auch ein metallischer Träger, insbesondere auch ein Peltier-Element genutzt werden. Die quasi leistungslose elektrische Ansteuerung des kapazitivhochohmig wirkenden Modulators erfolgt vorzugsweise homogen, gleichmäßig über die gesamte Fläche des Bauelements unter Nutzung transparenter Kontakte, die wenige 100 nm Dicke aufweisen und gleichzeitig als Antireflexbeschichtung wirken können. Zum Betrieb mit sinusförmigen Hochfrequenzsignalen bieten sich Serienresonanzkreisschaltungen mit angepassten Induktivitäten an. RC-Zeitkonstanten spielen in diesem Fall nur eine untergeordnete Rolle. Zur Einstellung des Arbeitspunktes bei Rückwärtsvorspannung dient eine Bias-T-Schaltung. Für höchste Frequenzen ist die Ausführung auch in elektrischer Streifenleitungstechnik möglich. Mit dem Bild- oder Imagesensor integrierte Bauformen lassen sich als Transmissionsmodulatoren oder auch alternativ oder zusätzlich in einem gefalteten Strahlengang als Reflexionsmodulator realisieren. Als Beleuchtungsquellen kommen insbesondere unter Hochfrequenzmodulation schmalbandig emittierende Halbleiterlaser wie zum Beispiel vertikal emittierende Laserdioden (VCSEL) in Frage.
Ferner liegt es im Rahmen der Erfindung, innerhalb eines Strahlengangs, insbesondere eines bildgebenden Strahlengangs auch mehr als einen Modulator, insbesondere Elektroabsorptionsmodulator zu verwenden, insbesondere um den zu erzielenden Modulationshub in erwünschter Weise einzustellen. Somit können innerhalb eines Strahlengangs mehrere Modulatoren in Transmission und/oder Reflexion verwendet werden.
Referenzen

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[3] Microsoft Kinect: https://en.wikipedia.org/wiki/Kinect#cite_note-SDK1-11 Performance
[4] Jeremy Steward, Derek Lichti, Jacky Chow, Reed Ferber, and Sean Osis, Assessment and Calibration of the Kinect 2.0 Time-of-Flight Range Camera for Use in Motion Capture Applications; https://www.fig.net/resources/proceedings/fig_proceedi ngs/fig2015/papers/ts06e/TS06E_steward_lichti_et_al_76 92.pdf
[5] Thorsten Ringbeck, Bianca Hagebeuker, A 3-D Time of Flight Camera for Object Detection, Seminar Optical 3-D Measurement Techniques, 09.–12.07.2007, ETH Zürich
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[11] Graham Brooker, Introduction to Sensors for Ranging and Imaging. Institution of Engineering Digital Library 2009, ISBN: 9781891121746, Chapter 11, Radar High Resolution Techniques
[12] James M. Downey, A Stepped Frequency Continuous Wave Ranging Sensor for Aiding Pedestrian Inertial Navigation. Dissertation Carnegie Mellon University, Pittsburgh, PA, 2012, pp 11
[13] Uzi Efron, Editor, Spatial Light Modulator Technology: Materials, Devices, and Applications, CRC Press 1994, ISBN-10: 0824791088
[14] Martin Peschke, Laser Diodes Integrated with Electroabsorption Modulators for 40 Gb/s Data Transmission. Dissertation, Universität Ulm 2006
[15] Philipp Henning Gerlach, Monolithisch integrierte absorptionsmodulierte Laserdioden mit Metallgittern. Dissertation, Universität Ulm 2006
[16] K. D. Choquette, J. F. Klem, A. J. Fischer, O. Blum, A. A. Allerman, I. J. Fritz, S. R. Kurtz, W. G. Breiland, R. Sieg, K. M. Geib, J. W. Scott and R. L. Naone, Room temperature continuous wave InGaAsN quantum well vertical-cavity lasers emitting at 1.3 μm, Electronics Letters, 16(2000)1388
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[18] Eckart Gerster, Optisch gepumpte Halbleiter-Scheibenlaser in den Materialsystemen InGaAs-GaAs und GaAsSb-GaAs. Dissertation, Universität Ulm 2005
[19] Frank Demaria, Schicht- und Resonatordesign von Halbleiterscheibenlasern. Dissertation, Universität Ulm 2009, pp 58
[20] Stanford Research Systems (SRS) Application Notes, Number 3, About Lock-In Amplifiers http://www.thinksrs.com/downloads/PDFs/ApplicationNote s/AboutLIAs.pdf

Claims

Vorrichtung zur Entfernungsmessung umfassend: – eine Strahlungsquelle zur Aussendung modulierter elektromagnetischer Wellen in Richtung von Objekten, um modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, ausgehend von den Objekten hervorzurufen, – einen mit der Strahlungsquelle zeitlich synchronisierten Modulator zum Empfang zumindest eines Teils der modulierten Sekundärwellen und nochmaligen Modulation des empfangenen Teils der Sekundärwellen, – einen Sensor zur Erfassung zumindest eines Teils der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen, insbesondere um zumindest eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sensor eine Mehrzahl strahlungsempfindlicher Sensorzellen umfasst, welche jeweils ausgebildet sind, einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen zu erfassen, um eine Mehrzahl von Entfernungen zu den Objekten zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sensorzellen des Sensors in einem zweidimensionalen Raster angeordnet sind, insbesondere der Sensor als CMOS-Sensor, aktiver Pixelsensor (APS), CCD-Sensor oder einer Kombination daraus ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sensorzellen des Sensors jeweils eine Strahlungserfassungsfläche aufweisen, die geringer ist als 200 Quadratmikrometer, vorzugsweise geringer ist als 100 Quadratmikrometer, besonders bevorzugt geringer ist als 4 Quadratmikrometer.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Modulator den empfangenen Teil der Sekundärwellen gleichartig moduliert, insbesondere die von unterschiedlichen Sensorzellen erfassten Sekundärwellen gleichartig moduliert.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Modulator als Elektroabsorptionsmodulator ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die von der Strahlungsquelle ausgesendeten modulierten elektromagnetischen Wellen mit unterschiedlichen Modulationsparametern, insbesondere mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen modulierte elektromagnetische Wellen umfassen, um Mehrdeutigkeiten bei der Entfernungsmessung zu den Objekten zu eliminieren.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle zur Aussendung kohärenter elektromagnetischer Wellen ausgebildet ist, insbesondere als Laser ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die von der Strahlungsquelle ausgesendeten modulierten elektromagnetischen Wellen als Superposition elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Frequenz ausgebildet sind, insbesondere als Superposition gekoppelter Moden und/oder als Impuls ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle ausgebildet ist, elektromagnetische Wellen außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs auszusenden, vorzugsweise im infraroten Spektralbereich auszusenden, besonders bevorzugt im Spektralbereich zwischen 750 und 1050 Nanometer auszusenden.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle ausgebildet ist, elektromagnetische Wellen mit einer spektralen Breite auszusenden, die geringer ist als 100 Nanometer, vorzugsweise geringer ist als 10 Nanometer, besonders bevorzugt geringer ist als 5 Nanometer.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, – wobei die Strahlungsquelle ausgebildet ist, in der Intensität modulierte elektromagnetische Wellen auszusenden und – wobei der Modulator ausgebildet ist, den empfangenen Teil der Sekundärwellen derart nochmals zu modulieren, dass das zeitliche Mittel der Intensität der nochmals modulierten Sekundärwellen von Phasendifferenzen zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen abhängt und – wobei der Sensor eine Ausgangsgröße liefert, die abhängt von dem zeitlichen Mittel der Intensität des erfassten Teils der nochmals modulierten Sekundärwellen und – wobei die Vorrichtung eine Recheneinheit umfasst, welche aus der von dem Sensor gelieferten Ausgangsgröße eine Phasendifferenz zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen berechnet, um mit der berechneten Phasendifferenz eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, – wobei die von der Strahlungsquelle in Richtung von den Objekten ausgesendeten Wellen eine erste optische Achse definieren und – wobei der von dem Modulator empfangene Teil der von den Objekten ausgehenden Sekundärwellen eine zweite optische Achse definiert und – wobei die zweite optische Achse zumindest abschnittsweise parallel zu der ersten optischen Achse verläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 13, – umfassend einen weiteren Sensor zur Erfassung von sichtbaren elektromagnetischen Wellen, die von den Objekten ausgehen, – wobei die von dem weiteren Sensor erfassten sichtbaren elektromagnetischen Wellen eine dritte optische Achse definieren und – wobei die dritte optische Achse zumindest abschnittsweise parallel zu der ersten und/oder der zweiten optischen Achse verläuft.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche – umfassend eine selektive Optikkomponente, insbesondere einen Filter oder einen Interferenzspiegel, wobei die selektive Optikkomponente ausgebildet ist, einen ersten Spektralbereich auf den Sensor gelangen zu lassen und einen zum ersten Spektralbereich disjunkten zweiten Spektralbereich von dem Sensor fern zu halten und vorzugsweise auf den zweiten Sensor gelangen zu lassen und – wobei der erste Spektralbereich zumindest einen Teil des Spektrums der ausgesendeten Wellen und/oder der Sekundärwellen umfasst und – wobei vorzugsweise der zweite Spektralbereich zumindest einen Teil des sichtbaren Spektrums umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die modulierten elektromagnetische Sekundärwellen von dem Modulator in Transmission modulierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 16, bei welcher der Modulator an einem Träger aus einem transparenten Material, wie insbesondere Glas angebracht ist, wobei der Träger aus Glas bevorzugt eine Linse oder ein Prisma ist, welche eine ebene oder nicht ebene Oberfläche aufweisen und der Modulator dabei beispielsweise an einer Sphäre oder Asphäre aufgebracht ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche von 1 bis 15, bei welcher die modulierten elektromagnetische Sekundärwellen von dem Modulator in Reflexion modulierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 18, bei welcher der Modulator an einem Träger aus einem reflektierenden Material angebracht ist, wobei der Träger bevorzugt ein Substrat mit einer Spiegelschicht ist, und der Modulator dabei auf einer ebenen oder nicht ebenen Schicht, beispielsweise einer Sphäre oder Asphäre aufgebracht ist.
Vorrichtung zur Entfernungsmessung, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend: – einen Modulator, welcher ausgebildet ist, modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, welche von einem Objekt ausgehen, zu empfangen und nochmals zu modulieren und – einen Sensor, welcher ausgebildet ist, zumindest einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen zu erfassen und – eine Synchronisierungseinrichtung zur zeitlichen Synchronisation des Modulators mit einer Modulationsfrequenz der von dem Objekt ausgehenden modulierten elektromagnetischen Sekundärwellen.
Tiefensensor für eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung, insbesondere für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, umfassend: – einen Modulator, welcher ausgebildet ist, modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, welche von einem Objekt ausgehen, zu empfangen und nochmals zu modulieren und – einen Sensor, welcher ausgebildet ist, zumindest einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen zu erfassen, – wobei der Modulator vorzugsweise unmittelbar an dem Sensor angebracht ist.
Kamera zur Aufnahme statischer oder bewegter Bilder umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die aufgenommenen Bilder Tiefeninformationen enthalten.
Umgebungserfassungseinrichtung umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, um in verschiedene Richtungen Entfernungen zu einer Umgebung zu bestimmen, insbesondere, um ein dreidimensionales Modell der Umgebung zu erzeugen.
Objektvermessungseinrichtung umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, um ausgehend von verschiedenen Positionen relativ zu einem Objekt Entfernungen zu einem Objekt zu bestimmen, insbesondere, um ein dreidimensionales Modell des Objekts zu erzeugen.
Gesichtserkennungseinrichtung umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, um ein Tiefenprofil eines Gesichts zu bestimmen.
Fahrzeug, insbesondere Land-, Wasser-, oder Luftfahrzeug, insbesondere autonomes Fahrzeug, umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, um Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten von Objekten, insbesondere anderen Fahrzeugen, zu bestimmen.
Sicherheitssystem umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das Sicherheitssystem ausgebildet ist, mit Hilfe der Entfernungsmessung eine Überwachung von definierten Sicherheitszonen vorzunehmen.
Roboter umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei der Roboter ausgebildet ist, Bewegungen in Abhängigkeit gemessener Entfernungen auszuführen.
Einrichtung zur Produktion dreidimensionaler Körper umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 und einen Drucker zur sukzessiven Produktion des dreidimensionalen Körpers.
Einrichtung zur Wiedergabe von Bildinformation mit Bildpunkten zugeordneter visuell erfassbarer Tiefeninformation umfassend – eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 und – eine Einrichtung zur getrennten Bereitstellung der Bildinformation für zumindest zwei Darstellungen mit jeweils stereoskopisch codierter. Bildinformation der jeweiligen Bildpunkte.
Medizinisches Gerät umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, zur visuellen Untersuchung, vorzugsweise intrakorporaler Fluide, insbesondere mit Fluorophoren, welche durch die von der Strahlungsquelle ausgesendeten elektromagnetischen Wellen angeregt werden und zumindest einen Teil der Sekundärwellen emittieren.
Endoskop umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, insbesondere zur Untersuchung eines Hohlraums oder von Gewebebestandteilen.
Endoskop nach Anspruch 32 für operative, insbesondere mikroinvasive Eingriffe mit einer Einrichtung zur chirurgischen Manipulation, insbesondere einer Schlinge, Skalpell oder Schere, von welcher zumindest ein Teil der Sekundärwellen ausgeht.
Endoskop nach Anspruch 32 oder 33, wobei die von der Strahlungsquelle ausgesendeten Wellen mittels eines Wellenleiters in den zu untersuchenden Hohlraum oder zu dem zu untersuchenden Gewebe geleitet werden.
Verfahren zur Entfernungsmessung bei welchem – modulierte elektromagnetische Wellen in Richtung von Objekten ausgesendet werden, um modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, ausgehend von den Objekten hervorzurufen und – zumindest ein Teil der von den Objekten ausgehenden modulierten Sekundärwellen nochmals moduliert wird und – zumindest ein Teil der nochmals modulierten elektromagnetischen Sekundärwellen erfasst wird, um zumindest eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 35, wobei mehrere Teile der nochmals modulierten Sekundärwellen jeweils unabhängig voneinander erfasst werden, um eine Mehrzahl von Entfernungen zu den Objekten zu bestimmen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 oder 36, wobei der Teil der Sekundärwellen, welcher nochmals moduliert wird, auf gleiche Weise nochmals moduliert wird, insbesondere die mehreren unabhängig voneinander erfassten Teile der nochmals modulierten Sekundärwellen auf gleiche Weise nochmals moduliert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 37, wobei die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen mit unterschiedlichen Modulationsparametern, insbesondere mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen modulierte elektromagnetische Wellen umfassen, um Mehrdeutigkeiten bei der Entfernungsmessung zu den Objekten zu eliminieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 38, – wobei die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen in der Intensität moduliert sind und – wobei der Teil der Sekundärwellen, welcher nochmals moduliert wird, derart nochmals moduliert wird, dass das zeitliche Mittel der Intensität der nochmals modulierten Sekundärwellen von Phasendifferenzen zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen abhängt und – wobei mit dem erfassten Teil der nochmals modulierten Sekundärwellen eine Phasendifferenz zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen berechnet wird, um mit der berechneten Phasendifferenz eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.