DE102017106071B3

DE102017106071B3 - Verfahren zur Erfassung der Verzögerung zwischen einem Lichtpuls und einem Shutter-an-Signal zur Verbesserung von Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Lichtlaufzeit

Info

Publication number: DE102017106071B3
Application number: DE102017106071.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfram Budde; Peter Glatzel
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2017-03-21
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2037-03-22

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Erfassung der Verzögerung zwischen einem Lichtpuls (LP) und einem Shutter-an-Signal (SON) zur Verbesserung von Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Lichtlaufzeit. Eine DLL erzeugt auf Basis eine Referenztakts (RCK) ein Regelsignal (RS) für eine Master-Verzögerungskette (MDL) sodass deren Verzögerung in einem vorgebbaren oder konstruktiv vorgegebenen festen Verhältnis zur Periodendauer des Referenztakts (RCK) steht. Mit dem Regelsignal (RS) wird eine zweite Slave-Verzögerungskette (SDL) nun in ihrer Verzögerung nachgeregelt und, da sie mit der Master-Verzögerungskette (MDL) durch Mikrointegration thermisch gut gekoppelt ist, thermisch stabilisiert. Die Verzögerung der Masterverzögerungskette (SDL) hängt somit nur noch von der Periodendauer des Referenztakts (RCK) ab. Die Slave-Verzögerungskette (SDL) wird benutzt, um die Verzögerung zwischen einem Shutter-an-Signal (SON) zur Steuerung der Belichtung der Pixel einer Time-of-Flight-Kamera einerseits und der realen Aussendung eines Lichtpulses (LP) zur Erzeugung des optischen Messsignals für diese Kamera andererseits zu messen und ggf. nachzuregeln oder nachzusteuern. Die Erfassung der Aussendung des Lichtpulses kann optisch gesteuert, spannungsgesteuert oder stromgesteuert erfolgen. Der Referenztakt wird bevorzugt durch einen MEMS Oszillator oder einen Quarzoszillator erzeugt. In der Beschreibung werden Vorrichtungen vorgeschlagen, die zur Anwendung im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens bevorzugt geeignet sind.

Description

Oberbegriff
Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Erfassung der Verzögerung zwischen einem Lichtpuls LP und einem Shutter-an-Signal (SON) zur Verbesserung von Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Lichtlaufzeit. Es fällt damit in die Klasse der Systeme, bei denen die Reflexion oder Wiederausstrahlung elektromagnetischer, hier optischer Wellen ausgewertet wird (G01S 17/00). Da die Laufzeit von Lichtpulsen ausgewertet werden soll, handelt es sich zusätzlich um ein System, das das gleichzeitige Messen der Entfernung und anderer Koordinaten mittels einer Kamera-Optik und eines bildgebenden Sensorelements zulässt (G01S 17/42). Typischerweise werden die Messdaten in bildlicher Form nach erfolgter Bilderzeugung (G01S 17/89) dargestellt.
Allgemeine Einleitung
Kameras basierend auf dem Prinzip der Lichtlaufzeitmessung, im Folgenden Time-of-Flight-Kameras genannt, messen indirekt die Laufzeit (Zeitverzögerung Td) zwischen dem ausgesendeten Lichtpuls LP und dem empfangenen Lichtsignal (Siehe 1). Der Lichtpuls LP wird dabei durch ein Leuchtmittel ausgesandt. Als Leuchtmittel wird bevorzugt eine Leuchtdiode (im Folgenden auch mit LED bezeichnet) oder eine Laserdiode verwendet. Der ausgesandte Lichtpuls LP fällt auf ein Objekte oder Objektpunkte, deren Abstände bestimmt werden sollen. Jedes der Objekte bzw. jeder der Objektpunkte reflektiert nun einen Teil des Lichts des zuvor ausgesandten Lichtpulses LP. Typischerweise aber nicht notwendigerweise, bilden die Kamera und die Vorrichtung zur Aussendung der Lichtpulse LP eine Einheit. Die Reflektion des Lichtpulses LP durch die Objekte bzw. die Objektpunkte erfolgt nun so, dass das dermaßen reflektierte Licht des Lichtpulses LP auf ein fotoelektrisches Element, beispielsweise einen PN-Übergang, gelangt. Dort werden bevorzugt Elektron-Loch-Paare erzeugt, die bevorzugt durch ein im fotoelektrischen Element eingebautes Driftfeld abgesaugt werden können. Zumindest eine Polarität der dermaßen erzeugten Ladungsträger wird sodann bevorzugt in einer Kapazität gesammelt. Dabei kann das Potenzial einer Steuerelektrode diese Sammlung erlauben oder unterbinden. Diese Steuerelektrode wird im Folgenden als Shutter bezeichnet der durch ein Shutter-an-Signal oder ein daraus abgeleitetes Signal gesteuert wird. Somit wird in einem zeitlichen Zusammenhang mit dem Lichtpuls LP des Leuchtmittels, bevorzugt der Leuchtdiode oder der Laserdiode, der besagte elektronische Verschluss in Form eines ersten Shutters geöffnet und eine erste Ladungsmenge Q1, die in der Öffnungszeit in der lichtempfindlichen Schaltung des fotoelektrischen Elements erzeugt wird, in einer ersten Kapazität gespeichert. Im zeitlichen Zusammenhang mit dem Ende des Lichtpulses LP schließt der erste Shutter wieder. In der ersten Kapazität befindet sich dann die erste Ladungsmenge Q1. Mit dem Schließen des ersten Shutters wird ein zweiter Shutter geöffnet und eine zweite Ladungsmenge Q2 wird beispielsweise in einer zweiten Kapazität gesammelt. In dem Beispiel der 1 soll der Laser-Puls die eine zeitliche Laserpulslänge Ttrig besitzen. In dem Beispiel der 1 wird zum Öffnen des ersten Shutters das erste Messsignal MQ1 benutzt. Das erste Messsignal MQ1 wird als Shutter-an-Signal SON für das Messen der ersten Ladungsmenge Q1 genutzt.
In dem Beispiel der 1 besitzt das erste Messsignal MQ1 einen ersten Messpuls MP1, während dessen die erste Ladungsmenge Q1 in der ersten Kapazität gesammelt wird. Der erste Messpuls MP1 beginnt in dem Beispiel der 1 synchron mit dem Beginn der Aussendung des Lichtpulses LP und endet synchron mit dem Ende der Aussendung des Lichtpulses LP. Der erste Messpuls MP1 hat somit in dem Beispiel der 1 die zeitliche erste Messpulsdauer TMP1, die in dem Beispiel der 1 der zeitlichen Lichtpulslänge Ttrig entspricht. Aus dem Stand der Technik sind andere erste Messpulse MP1 in zeitlicher Lage und Länge relativ zur zeitlichen Lage des Lichtpulses LP und dessen zeitlicher Lichtpulslänge Ttrig bekannt.
In dem Beispiel der 1 besitzt das zweite Messsignal MQ2 einen zweiten Messpuls MP2, während dessen die zweite Ladungsmenge Q2 in der zweiten Kapazität gesammelt wird. Das zweite Messsignal MQ2 wird als Shutter-an-Signal SON für das Messen der zweiten Ladungsmenge Q2 genutzt. Der zweite Messpuls MP2 beginnt in dem Beispiel der 1 synchron mit dem Ende der Aussendung des Lichtpulses LP und damit mit dem Ende des ersten Messpulses MP1. In dem Beispiel der 1 hat der zweite Messpuls MP2 hat die zeitliche zweite Messpulsdauer TMP2, die in dem Beispiel der 1 der zeitlichen Lichtpulslänge Ttrig entspricht. Aus dem Stand der Technik sind andere zweite Messpulse MP2 in zeitlicher Lage und Länge relativ zur zeitlichen Lage des Lichtpulses LP und dessen zeitlicher Lichtpulslänge Ttrig bzw. in zeitlicher Lage und Länge relativ zum ersten Messpuls MP1 bekannt.
Auf diese Weise werden im Raum oder Zeitmultiplex zwei Ladungsmengen Q1 und Q2 ermittelt. Das durch die Objekte und/oder Objektpunkte reflektierte Licht erreicht als reflektierter Puls RP das fotoelektrische Element verzögert um eine Zeit Td. Ist diese Zeitverzögerung Td Null, so ist die zweite Ladungsmenge typischerweise auch Null. Ist die Zeitverzögerung Td gleich oder größer der zeitlichen Lichtpulslänge Ttrig, so ist die erste Ladung Null und die zweite Ladung typischerweise von Null verschieden.
Aus den Ladungsmengen Q1 und Q2 kann nach der folgenden Formel die Zeitverzögerung Td und damit die Entfernung d berechnet werden. Td entspricht dabei der Lichtlaufzeit zwischen Aussendung des Lichtpulses LP und dem Empfang des reflektierten Pulses RP durch das fotoelektrische Element der Time-of-Flight-Kamera. d = c / 2Ttrig Q2 / Q1+Q2
Hierbei stehen d für den Abstand zu dem Objekt oder Objektpunkt, der bestimmt werden soll, und c für die Lichtgeschwindigkeit.
Die Messung der Entfernung d basiert auf der zeitgleichen Öffnung des ersten Shutters für die erste Ladungsmenge Q1 durch den ersten Messpuls MP1 des ersten Messsignals MQ1 und dem Beginn der Aussendung des Lichtpulses LP. Verzögert sich eines der beiden Signale um eine Zeit entsprechend einem zeitlichen Verzögerungsfehler, so ist die Messung der Entfernung d um diesen Verzögerungsfehler falsch. Beispielsweise entspricht ein Verzögerungsfehler von 1 ns einem Längenmessfehler von 15 cm. Solche Verzögerungsfehler treten im Stand der Technik aber auf.
Aus dem Stand der Technik sind beispielsweise folgende Schutzrechte bekannt, die relevant für das Verständnis dieser Offenlegung sind:
DE 10 2009 020 218 B3 , DE 10 253 437 B4 , US 6 373 557 B1 , EP 1 040 366 B1 , EP 2 191 298 B1 , US 6 452 666 B1 , US 7 060 957 B2 , US 7 095 487 B2 , US 7 683 954 B2 , US 7 947 939 B2 , US 8 638 425 B2
Dem vorgeschlagenen Verfahren liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die die obigen Nachteile des Stands der Technik durch Temperatur und betriebszustandsunabhängige Vermessung und ggf. Kompensation der unterschiedlichen Verzögerungen zur Eliminierung der Verzögerungsfehler nicht aufweist und weitere Vorteile aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Erfassung der Verzögerung zwischen einem Lichtpuls LP und einem Shutter-an-Signal (SON) zur Verbesserung von Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Lichtlaufzeit gelöst, bei dem das Shutter-an-Signal (SON) einen ersten und einen zweiten Zustand aufweist. Ein fotoelektrisches Element erzeugt bei Bestrahlung mit Licht elektrische Ladungsträger. Diese elektrischen Ladungsträger werden in Abhängigkeit davon, ob das Shutter-an-Signal (SON) sich im ersten oder zweiten Zustand befindet zu einer Ladungsmenge (Q1, Q2) gesammelt oder nicht gesammelt. Dabei findet diese Sammlung im ersten Zustand statt und im zweiten Zustand nicht. Der Lichtpuls LP wird in einem zeitlichen Zusammenhang mit einem Leuchtmittel-an-Signal (LON) erzeugt und durch ein Leuchtmittel (LED) ausgesendet. Dieser zeitliche Zusammenhang ist typischerweise durch die zeitlichen Verzögerungen der verschiedenen Schaltungsteile bei der Erzeugung der betreffenden Signale gegeben. Der feste zeitliche Zusammenhang ist insofern schaltungstechnisch zwar typischerweise fest vorgegeben, kann aber von Umwelt- und Betriebsbedingungen, wie beispielsweise der Temperatur, abhängen. Das Leuchtmittel-an-Signal (LON) steht typischerweise ebenfalls in einem solchen festen zeitlichen Zusammenhang mit dem Shutter-an-Signal (SON). Bezüglich dieses festen zeitlichen Zusammenhangs gilt wieder das Gleiche: Auch dieser feste zeitliche Zusammenhang ist insofern schaltungstechnisch zwar typischerweise fest vorgegeben, kann aber von Umwelt- und Betriebsbedingungen, wie beispielsweise der Temperatur, abhängen. Natürlich ist es denkbar, aber nicht besonders sinnvoll, diese festen zeitlichen Zusammenhänge zu modifizieren und damit eine Modulation hervorzurufen.
Als nächster Schritt wird ein erfasstes Lichtpulssignal LPI generiert, das ein Signal für die Aussendung des Lichtpulses LP darstellen soll und möglichst synchron zu dessen Aussendung sein soll. Hierbei kommen im Wesentlichen drei Methoden in Frage:

1. Der Lichtpuls LP oder ein aus dem Lichtpuls LP durch Streuung oder sonstige optische Modifikation erzeugter Streulichtpuls SLP wird mittels einer Detektionsvorrichtung, insbesondere durch eine Fotodiode FD und durch eine erste Eingangsschaltung (ISM1), erfasst und in ein erfasstes Lichtpulssignal LPI gewandelt.
2. Der elektrische Strom durch das Leuchtmittel LED wird mittels einer Detektionsvorrichtung, insbesondere durch einen Übertrager TR oder ein Hall-Element oder einen Shunt-Widerstand SR oder eine andere Strommessvorrichtung, sowie durch eine erste Eingangsschaltung ISM1 erfasst und in ein erfasstes Lichtpulssignal LPI gewandelt.
3. Das elektrische Potential eines elektrischen Anschlusses des Leuchtmittels LED oder eines Sendesignals LPS zur Ansteuerung des Leuchtmittels LED wird mittels einer Detektionsvorrichtung, insbesondere durch eine erste Eingangsschaltung ISM1, erfasst und in ein erfasstes Lichtpulssignal LPI gewandelt.

Die zeitliche Verzögerung zwischen dem Shutter-an-Signal (SON) und dem erfassten Lichtpulssignal LPI wird in Form des Werts eines Messwertsignals (MD), insbesondere unter Benutzung einer Treiberschaltung SD für den Shutter und insbesondere unter Benutzung eines synchronen optischen Empfängers SOR, erfasst. Um nun eine optimale Korrektur zu erreichen werden das Shutter-an-Signal SON oder ein Leuchtmittel-an-Signal LON, das zur Steuerung des Leuchtmittels LED verwendet wird, durch eine zentrale Takteinheit CCU der vorgeschlagenen Time-of-Flight-Kamera, die diese beiden Signale (LON, SON) vorzugsweise erzeugt, nachgeregelt. Es wird also das Shutter-an-Signal SON in Abhängigkeit von dem Wert des Messwertsignal MD zeitlich verzögert oder das Leuchtmittel-an-Signal LON in Abhängigkeit von dem Wert des Messwertsignals MD zeitlich erzeugt. Es können auch beide Signale geregelt werden.
Besonders bevorzugt werden die beiden Signale durch die Regelung der zentralen Takteinheit CCU der vorgeschlagenen Time-of-Flight-Kamera so erzeugt, dass das Shutter-an-Signal SON Pulse mit einer Shutter-an-Signal-Pulsbreite und mit einem zeitlichen Beginn dieser Pulse aufweist. Das erfasste Lichtpulssignal LPI weist dann aufgrund einer geeigneten Pulsansteuerung des Leuchtmittel-an-Signals LON ebenso Pulse mit einer Lichtpulssignalpulsbreite und mit einem zeitlichen Beginn der Pulse auf. Das Shutter-an-Signal SON wird in der zentralen Takteinheit CCU der vorgeschlagenen Time-of-Flight-Kamera in Abhängigkeit von dem Wert des Messwertsignals MD zeitlich so verzögert erzeugt, dass für zumindest ein Paar aus einem Puls des Shutter-an-Signals SON und einem Puls des erfassten Lichtpulssignal LPI der zeitliche Abstand zwischen dem Beginn des Pulses des Shutter-an-Signals SON und dem Beginn des Pulses des erfassten Lichtpulssignals LPI geringer als 10%, besser geringer als 5%, besser geringer als 2%, besser geringer als 1% der Lichtpulssignalpulsbreite und geringer als 10%, besser geringer als 5%, besser geringer als 2%, besser geringer als 1% der Shutter-an-Signal-Pulsbreite ist.
Neben dieser Regelung ist ein wesentlicher Teil des vorgeschlagenen Verfahrens ein Teilverfahren zur Erfassung der Verzögerung zwischen einem Lichtpuls LP und einem Shutter-an-Signal SON zur Verbesserung von Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Lichtlaufzeit. Das Shutter-an-Signal SON weist wieder zumindest einen Shutter-an-Signal-Puls mit einem Beginn des Shutter-an-Signal-Pulses und einer Shutter-an-Signal-Pulsbreite auf. Ebenso weist der Lichtpuls LP einen zeitlichen Beginn und eine zeitliche Lichtpulsbreite auf. Das Teilverfahren umfasst das Bereitstellen eines Referenztakts RCK, das Bereitstellen einer DLL (Delay-Locked-Loop), die eine Master-Verzögerungskette MDL als Verzögerungskette mit einstellbarer zeitlicher Verzögerung umfasst. Dabei hängt die Verzögerung der Master-Verzögerungskette MDL von einem in der DLL gebildeten Regelsignal RS ab. Das Teilverfahren umfasst weiter das Synchronisieren der DLL mit dem Referenztakt RCK und die Erzeugung des Regelsignals RS, sowie das Bereitstellen einer Slave-Verzögerungskette SDL. Die Slave-Verzögerungskette SDL weist einen Eingang und eine Kette von Knoten innerhalb der Slave-Verzögerungskette SDL auf. Des Weiteren weist die Slave-Verzögerungskette SDL einen Enable-Eingang EN auf, der die Knoten der Slave-Verzögerungskette SDL einfriert, also eine Veränderung der logischen Werte der Ausgangsknoten der speziellen Inverter (SI₁, SI₂, ... SI_(n-1), SI_n) innerhalb der Slave-Verzögerungskette (SDL) verhindert, wenn er sich in einem ersten logischen Zustand befindet und der den Transport einer logischen Information von Knoten zu Knoten innerhalb der Slave-Verzögerungskette SDL zulässt, wenn er sich in einem zweiten logischen Zustand befindet. Das Teilverfahren umfasst des Weiteren das Einspeisen des Shutter-an-Signals SON oder eines daraus abgeleiteten Signals (SOND, SONDI) in den Eingang der Slave-Verzögerungskette SDL. Die Verzögerung während des zeitlichen Durchlaufs des Shutter-an-Signals SON bzw. des daraus abgeleiteten Signals (SOND, SONDI) durch die Slave-Verzögerungskette SDL hängt dabei vom Regelsignals RS ab. Im nächsten Schritt des Teilverfahrens wird wieder das erfasste Lichtpulssignal LPI ermittelt. Hierfür kommen wieder drei grundsätzliche Schritte in Frage:

1. Das Erfassen des Lichtpulses LP oder eines aus dem Lichtpuls LP durch Streuung oder sonstige optische Modifikation erzeugten Streulichtpulses SLP mittels einer Detektionsvorrichtung, insbesondere durch eine Fotodiode FD und durch eine erste Eingangsschaltung ISM1, und Wandlung in ein erfasstes Lichtpulssignal LPI, wodurch das erfasste Lichtpulssignal LPI einen Empfangspuls aufweist, der mit dem Lichtpuls LP oder dem Streulichtpuls SLP in einem festen zeitlichen Zusammenhang steht.
2. Das Erfassen des elektrischen Stroms durch das Leuchtmittel LED mittels einer Detektionsvorrichtung, insbesondere durch einen Übertrager TR oder ein Hall-Element oder einen Shunt-Widerstand SR oder eine andere Strommessvorrichtung, sowie durch eine erste Eingangsschaltung ISM1, und Wandlung in ein erfasstes Lichtpulssignal LPI, wodurch das erfasste Lichtpulssignal LPI einen Empfangspuls aufweist, der mit dem Lichtpuls LP oder dem Streulichtpuls SLP in einem festen zeitlichen Zusammenhang steht.
3. Das Erfassen des elektrischen Potentials eines elektrischen Anschlusses des Leuchtmittels LED oder eines Sendesignals LPS zur Ansteuerung des Leuchtmittels LED mittels einer Detektionsvorrichtung, insbesondere durch eine erste Eingangsschaltung ISM1, und Wandlung in ein erfasstes Lichtpulssignal LPI, wodurch das erfasste Lichtpulssignal LPI einen Empfangspuls aufweist, der mit dem Lichtpuls LP oder dem Streulichtpuls SLP in einem festen zeitlichen Zusammenhang steht.

Als weitere Schritte umfasst das vorgeschlagene Teilverfahren das Einspeisen des erfassten Lichtpulssignals LPI in den Enable-Eingang EN der Slave-Verzögerungskette SDL in der Art, dass vor dem Beginn des Empfangspulses sich das erfasste Lichtpulssignal LPI und damit der Enable-Eingang der Slave-Verzögerungskette SDL im zweiten Zustand befindet und dass nach Beginn des Empfangspulses sich das erfasste Lichtpulssignal LPI und damit der Enable-Eingang der Slave-Verzögerungskette SDL im ersten Zustand befindet. Die Erzeugung eines Messwertsignals MD in Abhängigkeit von den logischen Zuständen der Knoten innerhalb der Slave-Verzögerungskette SDL nach Beginn des Empfangspulses und bevorzugt vor dem Ende des Empfangspulses schließt das Teilverfahren zur Ermittlung dieses Messwertes ab, sodass dieser Wert des Messwertsignals MD oder eines daraus abgeleiteten Signals als Messwert der Verzögerung zwischen dem Lichtpuls LP und dem Shutter-an-Signal SON weiterverwendet werden kann.
Besonders bevorzugt wird der Referenztakt RCK mittels eines Quarzoszillators oder mittels eines MEMS-Oszillators erzeugt. Letzterer kann besonders bevorzugt mit einer Vorrichtung, die wesentliche Teile des Verfahrens ausführt, auf einem Substrat mikrotechnisch ko-integriert werden oder zumindest in einem mikrosystemtechnischen Gehäuse untergebracht werden.
Dieses Teilverfahren kann nun so erweitert werden, dass wieder die zuvor beschriebene Regelung möglich wird: Daher kann das Teilverfahren um die Schritte des Erfassens der Verzögerung zwischen dem Lichtpuls LP und einem Shutter-an-Signal SON mittels des zuvor beschriebenen Teilverfahrens und die zusätzliche Erzeugung des Lichtpulses LP in der Art, dass der Beginn des Lichtpulses LP von dem Wert des Messwertsignals MD abhängt, ergänzt werden. Statt der Regelung des Lichtpulses LP kann auch das Shutter-an-Signal (SON) geregelt werden. Das Teilverfahren umfasst dann ein Teilverfahren zur Erzeugung eines Shutter-an-Signals (SON) mit Pulsen mit den Schritten der Erfassung der Verzögerung zwischen einem Lichtpuls LP und dem Shutter-an-Signal SON mittels des zuvor beschriebenen Teilverfahrens und die Erzeugung eines Pulses auf dem Shutter-an-Signals SON in der Art, dass der Beginn des Pulses auf dem Shutter-an-Signal SON von dem Wert des Messwertsignals (MD) abhängt.
Kern einer Vorrichtung zur Durchführung der oben vorgeschlagenen Verfahren ist somit eine Vorrichtung zur Verzögerung eines Signals, hier eines erfassten Shutter-Signals SONDI. Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst einen Referenzoszillator OSZ, der einen Referenztakt RCK erzeugt. Dieser Referenzoszillator OSZ wird bevorzugt als Quarzoszillator oder als MEMS-Oszillator ausgeführt. Bevorzugt wird der Quarzoszillator bzw. der MEMS-Oszillator im gleichen Mikrosystemgehäuse untergebracht wie der IC der Time-of-Flight-Kamera. Im Falle eines MEMS-Oszillators wird der MEMS-Oszillator bevorzugt auf dem gleichen Substrat wie der Rest der Schaltung der Time-of-Flight-Kamera untergebracht. Des Weiteren umfasst die vorgeschlagene Vorrichtung eine DLL (Delay-Locked-Loop). Die DLL weist einen Phasendetektor (PD, IDLL) auf. In dem hier weiter unten diskutierten Beispiel liefert der Phasendetektor PD selbst ein Spannungssignal, während der Schleifenfilter LF ein Stromeingangssignal erfordert. Daher wird in dem Beispiel weiter unten der Ausgang des Phasendetektors PD der DLL mittels einer durch den Phasendetektor PD schaltbaren Stromquelle IDLL in einen Stromausgang gewandelt. Insofern können der Phasendetektor PD des Beispiels weiter unten und die schaltbare Stromquelle IDLL als ein einziger Phasendetektor mit Stromausgang aufgefasst werden. Der Phasendetektor (PD, IDLL) speist mit seinem Phasenlagenmessergebnis einen Schleifenfilter LF der DLL. Der Ausgang des Schleifenfilters LF der DLL stellt dabei das Regelsignal RS der DLL dar. Insofern ist die Übertragungscharakteristik des Schleifenfilters LF für die spätere Stabilität des Regelkreises wichtig. Die DLL weist darüber hinaus eine Masterverzögerungskette MDL mit einem Eingang und einem Ausgang DLO auf. Die Verzögerung in der Master-Verzögerungskette MDL der DLL hängt vom Regelsignal RS ab. Der Phasendetektor (PD, IDLL) der DLL speist das Schleifenfilter LF der DLL in Abhängigkeit der Phasenlage zumindest eines Paares aus einer steigenden und/oder fallenden Flanke des Referenztakts RCK im Vergleich zu zumindest einer steigenden und/oder fallenden Flanke des Ausgangs DLO der Master-Verzögerungskette MDL der DLL. Welche Kombination aus steigenden oder fallenden Flanken genutzt wird, hängt von der Konstruktion des Phasendetektors ab. Auch muss konstruktionsabhängig nicht jede Flanke genutzt werden. Die vorgeschlagene Vorrichtung umfasst des Weiteren eine Slave-Verzögerungskette SDL mit einem Eingang, der in dem hier diskutierten Fall mit dem erfassten Shutter-Signal SONDI verbunden ist einerseits und mit mindestens einen Ausgang der Slave-Verzögerungskette SDL oder einem Ende der Slave-Verzögerungskette SDL andererseits. In dem hier diskutierten Fall werden vorzugsweise alle Ausgänge aller speziellen Inverter (SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n) innerhalb der Slave-Verzögerungskette SDL aus diesen speziellen Invertern (SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n) als Ausgang verwendet. Die Verzögerung der speziellen Inverter (SI₁, SI₂,.... SI₍ _n_₁ ₎, SI_n) und damit die Verzögerung in der Slave-Verzögerungskette SDL hängt in der vorgeschlagenen Vorrichtung von dem Regelsignal RS der DLL ab. Da die speziellen Inverter (SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n) der Slave-Verzögerungskette SDL matchend zu den speziellen Invertern (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n) der Master-Verzögerungskette MDL konstruiert und auf dem gleichen Halbleitersubstrat gefertigt sein sollen, unterliegt die Verzögerungszeit der Slave-Verzögerungskette SDL den gleichen thermischen Schwankungen und Betriebseinflüssen, wie die Verzögerungszeit der Master-Verzögerungskette MDL. Des Weiteren ist die Regelempfindlichkeit der Verzögerungszeit eines speziellen Inverters (SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n) der Slave-Verzögerungskette SDL in Abhängigkeit vom Regelsignal RS gleich der Regelempfindlichkeit der Verzögerungszeit eines speziellen Inverters (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n) der Master-Verzögerungskette MDL in Abhängigkeit vom Regelsignal RS . Da die Master-Verzögerungskette MDL durch die DLL-Regelung auf gleiche Verzögerung in Abhängigkeit von der Periodendauer des Referenztakts RCK ausgeregelt wird, wird damit auch die Verzögerung der Slave-Verzögerungskette SDL durch die DLL-Regelung auf gleiche Verzögerung in Abhängigkeit von der Periodendauer des Referenztakts RCK ausgeregelt. Somit wird die Verzögerung der Slave-Verzögerungskette nur noch durch die Periodendauer des Referenztakts RCK bestimmt. Aus diesem Grunde ist es besonders sinnvoll einen Oszillator mit einer hohen Güte für die Speisung des Referenztakts RCK zu verwenden. Hierbei kommen vor allem Quarz- und MEMS-Oszillatoren in Frage.
Damit die Verzögerung der Slave-Verzögerungskette keinen thermischen Schwankungen mehr unterliegt, müssen die Schaltung der Slave-Verzögerungskette SDL und die Schaltung der Master-Verzögerungskette MDL miteinander thermisch gekoppelt sein. Dies geschieht durch die Fertigung auf einem gemeinsamen Halbleitersubstrat.
Liste der Figuren
1 zeigt das indirekte Time-of-Flight Prinzip entsprechend dem Stand der Technik.
2 zeigt das Prinzipschaltbild der Takterzeugung der vorgeschlagenen Vorrichtung.
3 zeigt die Komponenten der vorgeschlagenen Vorrichtung zu Messung der Verzögerung.
4 zeigt die Slave-Verzögerungskette SDL und die DLL mit der Master-Verzögerungskette MDL.
5 zeigt einen beispielhaften speziellen Tri-State-Inverter, wie er in der Master-Verzögerungskette MDL und der Slave-Verzögerungskette SDL zum Einsatz kommen kann.
6 zeigt eine beispielhafte erste Eingangsschaltung ISM1 für eine optische Einkopplung des Lichtpulses LP oder des Streulichtpulses SLP über eine Fotodiode FD.
7 zeigt eine beispielhafte zweite Eingangsschaltung ISM2 für den Shutter-Signalpfad zum Laufzeitausgleich und zur Verwendung zusammen mit der beispielhaften ersten Eingangsschaltung ISM1 aus 6.
8 zeigt eine beispielhafte erste Eingangsschaltung ISM1 für eine elektrische Einkopplung des Signals des elektrischen Stroms durch das Leuchtmittel LED mittels eines Shunt-Widerstands SR.
9 zeigt eine beispielhafte zweite Eingangsschaltung ISM2 für den Shutter-Signalpfad zum Laufzeitausgleich und zur Verwendung zusammen mit der beispielhaften ersten Eingangsschaltung ISM1 aus 8 oder aus 10.
10 zeigt eine beispielhafte erste Eingangsschaltung ISM1 für eine elektrische Einkopplung des Signals des Stroms durch das Leuchtmittel LED mittels eines Übertragers TR.
11 entspricht dem oberen Teil der 2 mit dem Unterschied, dass das Messsignal MD und das Regelsignal RS im synchronen optischen Empfänger SOR erzeugt werden und in die zentrale Takteinheit CCU der vorgeschlagenen Time-of-Flight-Kamera zurückgeleitet werden, um die relative Zeitposition der Pulse auf dem Leuchtmittel-an-Signal LON und der Pulse auf dem Shutter-an-Signal SON mit dem Ziel der Synchronizität zu regeln.
12 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung zur Verzögerung der Pulse auf dem Leuchtmittel-an-Signal LON und der Pulse auf dem Shutter-an-Signal SON gegenüber den Pulsen auf dem Leuchtmittel-an-Signal LON in Abhängigkeit vom Messwertsignal MD mittels einer regelbaren Takteinheit-Verzögerungskette CDL aus speziellen Invertern (CI₁, CI₂, .... CI_(n-1), CI_n) und einem Multiplexer MUX.
13 zeigt die mit der DLL und einem Oszillator OSZ stabilisierte Slave-Verzögerungsstrecke SDL der 4 separat.
Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher erläutert. Auf 1 ist im Zusammenhang mit dem Stand der Technik bereits eingegangen worden.
2 zeigt die Prinzipschaltung der Takterzeugung einer Time-of-Flight Kamera. Mit einer zentralen Takteinheit (CCU) werden die Steuersignale (LON, SON) für den Lichtpuls LP, das Lichtpuls-an-Signal LON, und für den Shutter, das Shutter-an-Signal SON, erzeugt. Am Ausgang der Takterzeugung (CCU) sind diese Steuersignale (LON, SON) im Allgemeinen noch ohne Regelung zeitlich synchron.
Auf dem Kamera-IC befinden sich der Treiber SD für den Shutter sowie eine Vorstufe für den vorzugsweise IC-externen Treiber des Leuchtmittels zur Erzeugung des Lichtpulses LP, vorzugsweise für den Laser bzw. für die LED (LD). Zur Versorgung des Leuchtmittels zur Erzeugung des Lichtpulses LP, vorzugsweise eine Leuchtdiode (LED) oder ein Laser, mit elektrischer Energie wird zumeist ein von der übrigen elektrischen Schaltung getrennter Leistungstreiber benötigt, da die Sendeströme des Leuchtmittels, bevorzugt der Leuchtdiode oder des Lasers, im allgemeinen bei einigen A oder einigen 10A liegen, und auf einer integrierten Schaltung der Time-of-Flight-Kamera nicht mehr sinnvoll ohne thermische Probleme und Kostenprobleme infolge der notwendigen Chipfläche zu handhaben sind. Im Folgenden wird dieser vorzugsweise mikroelektronisch integrierte Teil der Time-of-Flight-Kamera mit IC bezeichnet.
Sowohl die internen, in das IC integrierten Treiber, wie auch der externe, außerhalb des ICs befindliche Treiber führen zu unerwünschten, typischerweise ungleichen jeweiligen Zeitverzögerungen, die die Entfernungsmessung durch eine entsprechende Asynchronität des ersten Messpulses MPQ1 und zweiten Messpulses MPQ2 mit dem Lichtpuls LP verfälschen. Der Ausgang LOND der IC internen Treiberschaltung LD für das Leuchtmittel, vorzugsweise für den Laser bzw. für die LED, ist somit gegenüber dem ursprünglichen Leuchtmittel-an-Signal LON der zentralen Takteinheit CCU der vorgeschlagenen Time-of-Flight-Kamera verzögert. Der Ausgang SOND der Treiberschaltung (SD) für den Shutter ist gegenüber dem Shutter-an-Signal SON der zentralen Takteinheit CCU der vorgeschlagenen Time-of-Flight-Kamera ebenfalls, aber typischerweise eben anders verzögert. Somit wird hier ein Verzögerungsfehler erzeugt. Der von dem eigentlichen Leuchtmittel, also typischerweise dem Laser oder der Leuchtdiode (LED), transmittierte Lichtpuls LP ist gegenüber dem Signal am Ausgang LOND der IC internen Treiberschaltung LD für das Leuchtmittel, vorzugsweise den Laser bzw. die Leuchtdiode, nochmals verzögert.
Somit ergibt sich der besagte, konstruktionsbedingte zeitliche Verzögerungsfehler Te, der sich als Entfernungsmessfehler auf die bestimmte Entfernung d niederschlägt.
Bei der Beschreibung oben ist es irrelevant, ob der erste oder der zweite Shutter oder beide Shutter von solchen Verzögerungsfehlern betroffen sind, weshalb die Beschreibung oben zur Vereinfachung nur von einem Shutter spricht. Das Gesagte gilt für beide Shutter und damit für die Bestimmung beider Ladungsmengen, der ersten Ladungsmenge Q1 und der zweiten Ladungsmenge Q2.
Die Bestimmung des konstruktionsbedingten zeitlichen Verzögerungsfehlers Te ist Gegenstand des vorgeschlagenen Verfahrens und der vorgeschlagenen Vorrichtung.
Der Verlauf des Laserpulses LP wird durch eine geeignete erste Eingangsschaltung ISM1 als digitalisiertes, erfasstes Lichtpulssignal LPI aus dem Sendesignal LPS des Lichtpulses LP ermittelt. Zum Ausgleich der zeitlichen Verzögerung zwischen dem zeitlichen Verhalten des Sendesignals LPS des Lichtpulses LP und dem erfassten Lichtpulssignal LPI in dieser ersten Eingangsschaltung ISM1 wird einen vorzugsweise matchende und damit schaltungstechnisch und layout-technisch gleiche zweite Eingangsschaltung ISM2 auch zur parallel betragsgleichen zeitlichen Verzögerung des Ausgangssignals SOND der Treiberschaltung (SD) für den jeweiligen Shutter zum erfassten Shutter-Signal SONDI verwendet.
Die Verzögerung zwischen dem Sendesignal LPS des Lichtpulses LP und dem Ausgangssignal SOND der Treiberschaltung (SD) für den Shutter wird als Messwert in Form eines Messwertsignals MD durch eine Verzögerungsmessvorrichtung DEC ermittelt.
Da der Lichtpuls LP im Allgemeinen durch den außerhalb des ICs befindlichen Leistungstreiber PLD zur Ansteuerung des Leuchtmittels LED stärker verzögert wird, als das Ausgangssignal SOND der Treiberschaltung (SD) für den jeweiligen Shutter, bildet das jeweilige Shutter-Signal SOND das Start-Signal und das Sendesignal LPS des Lichtpulses LP bildet das Stop-Signal für die Messung der zeitlichen Verzögerung zwischen dem Sendesignal LPS des Lichtpulses LP und dem Ausgangssignal SOND der Treiberschaltung (SD) für den Shutter in Form eines Messwertsignals MD durch die Verzögerungsmessvorrichtung DEC.
Die Verzögerungsmessvorrichtung DEC ist in 4 schematisch genauer dargestellt und wird im Folgenden weiter erläutert. Die Schaltung der 4 besteht im Wesentlichen aus drei Teilen.
Zum Ersten umfasst die in 4 schematisch dargestellt Verzögerungsmessvorrichtung DEC eine DLL (Delay-Locked-Loop) zur Erzeugung des Regelwerts eines Regelsignals RS zur Kompensation von Temperatur-, Betriebsspannungs-, Fertigungs- und anderen Einflüssen auf die Laufzeit in einer Master-Verzögerungskette MDL innerhalb der integrierten Schaltung, in der die vorgeschlagene Vorrichtung gefertigt ist. Die DLL regelt die Verzögerung der Master-Verzögerungskette MDL über ein Regelsignal RS so aus, dass die Phase des Ausgangssignals DLO der Master-Verzögerungskette MDL mit der Phase eines Referenztakts RCK übereinstimmt. Der Referenztakt RCK wird bevorzugt mittels eines Quarzoszillators oder eines mit anderen Schaltungsteilen ko-integrierten MEMS-Oszillators erzeugt. Hierzu vergleicht ein Phasendetektor PD, wie er aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt ist, die Phasenlage des Eintreffens der Flanken des Referenztakts RCK und der Flanken des Ausgangssignals DLO der Master-Verzögerungskette MDL der DLL. Je nach so ermittelter Phasenlage steuert er in dem in 4 dargestellten Beispiel eine schaltbare Stromquelle IDLL, die einen positiven oder negativen Strom je nach Ansteuerung durch den Phasendetektor PD liefert. Dieser Strom wird durch einen Schleifenfilter LF, der hier durch eine Kapazität symbolisiert wird, in das bereits erwähnte Regelsignal RS umgewandelt, dessen Spannungspegel die Verzögerung der Master-Verzögerungskette MDL und der Slave-Verzögerungskette SDL bestimmt. Andere Realisierungen des Phasendetektors PD und des Schleifenfilters LF, sowie der Ansteuerung des Schleifenfilters LF durch den Phasendetektor PD sind denkbar.
Zum Zweiten umfasst die in 4 schematisch dargestellte Verzögerungsmessvorrichtung DEC die bereits erwähnte Slave-Verzögerungskette SDL. Die Verzögerung der Slave-Verzögerungskette SDL wird, wie bereits angedeutet, durch das mittels der DLL bestimmte Regelsignal RS bestimmt. Da dieses Regelsignal RS so an den Referenztakt RCK gekoppelt ist, dass die zeitliche Verzögerung in der Master-Verzögerungskette MDL in einem festen, typischerweise ganzzahligen Verhältnis zu der Periodendauer des Referenztakts RCK steht, steht damit auch die zeitliche Verzögerung in der Slave-Verzögerungskette SDL in einem festen Verhältnis zu der Periodendauer des Referenztakts RCK. Hierbei ist es von besonderem Vorteil, wenn der Referenztakt RCK einen möglichst exakten 50% Duty-Cycle aufweist. In Abhängigkeit von dem erfassten Lichtpulssignal LPI wird nun das Signal in der Slave-Verzögerungskette SDL entweder propagiert (= weiter transportiert) oder eingefroren. Das erfasste Shutter-Signal SONDI wird als erstes aktiv. Die entsprechende Flanke des erfassten Shutter-Signals SONDI kann daher noch in die Slave-Verzögerungkette SDL einlaufen, sodass die ersten Knoten innerhalb der Slave-Verzögerungskette noch ihren logischen Zustand ändern können. Wie viele dies sind, hängt von der zeitlichen Verzögerung der zeitlichen Flanke des erfassten Shutter-Signals SONDI zur Flanke des erfassten Lichtpulssignals LPI ab. Während die Flanke des erfassten Shutter-Signals SONDI nun durch die Verzögerungskette läuft, wird das erfasste Lichtpulssignal LPI, das später eintrifft, aktiv und friert die Flanke des erfassten Shutter-Signals SONDI während dieser Fortbewegung in der Slave-Verzögerungskette SDL ein. Die Master-Verzögerungskette MDL ist aus speziellen Invertern (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n) aufgebaut. Die Slave-Verzögerungskette SDL (SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n) ist aus den gleichen speziellen Invertern aufgebaut. Alle diese speziellen Inverter (Master-Inverter (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n) wie Slave-Inverter (SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n)) sind untereinander matchend konstruiert. Hierdurch wird sichergestellt, dass bei gleichem Wert des Regelsignals RS jeder der Inverter (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n, SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n) der Master-Verzögerungskette MDL und der Slave-Verzögerungskette SDL die gleiche zeitliche Teilverzögerung in jeder vorgesehenen Betriebslage aufweisen sollte. Es sollte noch erwähnt werden, dass die speziellen Inverter (Master-Inverter (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n) wie Slave-Inverter (SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n)) einen als Enable-Eingang EN bezeichneten Eingang aufweisen, der das Einfrieren des Signals in der jeweiligen Verzögerungskette und den Weitertransport verhindert. Im Falle der Slave-Verzögerungskette SDL ist der jeweilige Enable-Eingang EN der jeweiligen Slave-Inverter (SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n) in dem Beispiel der 4 mit dem erfasste Lichtpulssignal LPI verbunden und erlaubt so das bereits beschriebene Einfrieren des einlaufenden Shutter-Signals SONDI. Im Falle der Master-Verzögerungskette MDL ist der jeweilige Enable-Eingang EN der jeweiligen Master-Inverter (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n) in der Art mit einem festen Potenzial verbunden, dass kein Einfrieren des Signals in der Master-Verzögerungskette MDL stattfindet.
Zum Dritten umfasst die in 4 schematisch dargestellt Verzögerungsmessvorrichtung DEC einen Ausleseschaltkreis ROC. Dieser erfasst die Werte an den Ausgängen der Slave-Inverter (SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n) der Slave-Verzögerungskette (SDL) und ermittelt die Position der eingelaufenen Flanke des erfassten Shutter-Signals SONDI innerhalb der Slave-Verzögerungskette SDL nach dem Einfrieren durch das erfasste Lichtpulssignal LPI. Der Ausleseschaltkreis ROC erzeugt hieraus das Messwertsignal MD, dessen Wert die Verzögerung zwischen dem ermittelten Lichtpulssignal LPI und dem erfassten Shutter-Signal SONDI für den Shutter darstellt. Das Messwertsignal MD kann digital, binär oder analog oder ein Datenbus mit einem Datenwort als Inhalt sein, dessen logischer Wert dem Messwert entspricht.
Dieser Messwert in Form des Messwertsignals MD kann im Folgenden beispielsweise zur Korrektur der ermittelten Messwerte für den Abstand d herangezogen werden oder für eine Regelung des Shutter-an-Signals SON in der zentralen Takteinheit CCU genutzt werden (siehe auch 11 und 12) . Hierzu kann das Messwertsignal MD an die zentrale Takteinheit CCU (siehe 2) zusammen mit dem Regelsignal RS zurückgeführt werden. Besonders vorteilhaft ist es, wenn sich in der zentralen Takteinheit CCU eine dritte Takteinheit-Verzögerungskette CDL (siehe 12) befindet, die das Leuchtmittel-an-Signal LON zum Shutter-an-Signal SON verzögert. Die Takteinheit-Verzögerungskette CDL besteht dabei wieder bevorzugt aus speziellen Invertern (CI₁, CI₂, .... CI_(n-1), CI_n) der Takteinheit-Verzögerungskette CDL, die wieder matchend mit den speziellen Master-Invertern (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n) der Master-Verzögerungskette MDL und den speziellen Slave-Invertern (SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n) der Slave-Verzögerungskette SDL gefertigt sein sollten. Die Verzögerung dieser Takteinheit-Verzögerungskette CDL wird wieder über das bereits erwähnte Regelsignal RS eingestellt. Der Enable-Eingang EN der speziellen Inverter (CI₁, CI₂, .... CI_(n-1), CI_n) der Takteinheit-Verzögerungskette CDL ist dabei in der Art mit einem festen Potenzial (in der 12 beispielhaft die Versorgungsspannung Vbat) verbunden, sodass kein Einfrieren des Signals in der Takteinheit-Verzögerungskette CDL stattfindet, sondern dass das Signal in der Takteinheit-Verzögerungskette CDL permanent von Knoten zu Knoten in der Kette der speziellen Inverter innerhalb der Verzögerungskette weitertransportiert wird. Mittels eines Multiplexers MUX, der von dem Messwertsignal MD oder einem daraus abgeleiteten Signal gesteuert wird, kann dann die geeignete Verzögerung des Shutter-an-Signals SON an den Ausgängen der speziellen Inverter (CI₁, CI₂, .... CI_(n-1), CI_n) der Takteinheit-Verzögerungskette CDL bei einer geeigneten Auslegung der Steuerung des Multiplexers MUX abgegriffen und damit genutzt werden. Insbesondere kann bei einer geeigneten Steuerung des Multiplexers MUX Stabilität in diesem Regelkreis erzielt werden.
Ein beispielhafter spezieller Inverter, wie er für die Verzögerungsketten (MDL, SDL, CDL) Verwendung finden kann, ist in 5 beispielhaft dargestellt. Es handelt sich um einen beispielhaften CMOS-Inverter mit einem ersten Transistor T1, der typischerweise ein P-Kanal-MOS-Transistor ist, und mit einem zweiten Transistor T2, der typischerweise ebenfalls ein P-Kanal-Transistor ist, und mit einem dritten Transistor T3, der typischerweise ein N-Kanal-Transistor ist, und mit einem vierten Transistor T4, der typischerweise ein N-Kanaltransistor ist. Die Transistoren sind in Serie geschaltet, wobei die beiden P-Kanal-Transistoren (T1, T2) sich zwischen dem Anschluss für das Regelsignal RS und dem Ausgang O befinden und die beiden N-Kanal-Transistoren (T3, T4) sich zwischen dem Ausgang O und dem Anschluss für das Bezugspotenzial GND befinden. In dem Beispiel der 5 sind der erste Transistor T1 und der vierte Transistor T4 mit ihrer Steuerelektrode mit dem Eingang verbunden. Das Potenzial an der Steuerelektrode eines Transistors kontrolliert den Stromfluss zwischen den beiden anderen Anschlüssen des Transistors durch diesen hindurch. Hierdurch ist entweder der erste Transistor T1 oder der vierte Transistor T4 leitend, wodurch die invertierende Wirkung der Schaltung der 5 erzielt wird. Der zweite Transistor T2 ist mit seiner Steuerelektrode mit dem Enable-Eingang EN verbunden. Der dritte Transistor T3 ist mit seiner Steuerelektrode über einen Hilfsinverter INV mit dem Enable-Eingang EN verbunden. Es kann sinnvoll sein, diesen Hilfsinverter INV zentral für alle Hilfsinverter INV der Slave-Verzögerungskette SDL vorzunehmen und stattdessen einen negierten Enable-Eingang ENQ zusätzlich in jedem speziellen Inverter (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n, SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n, CI₁, CI₂, .... CI_(n-1), CI_n) vorzusehen. An diesen würde im Falle der Slave-Verzögerungskette SDL der Ausgang des zentralen Inverters angeschlossen, der dann das erfasste Lichtpulssignal LPI statt der Hilfsinverter INV invertieren würde. Bei den speziellen Invertern (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n, CI₁, CI₂, .... CI_(n-1), CI_n) der anderen Verzögerungsketten (MDL, CDL) würde dieser negierte Enable-Eingang ENQ dann ebenfalls auf ein festes Potenzial in der Art gelegt, dass der jeweilige dritte Transistor T3 der jeweiligen speziellen Inverter (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n, CI₁, CI₂, .... CI_(n-1), CI_n) dieser Verzögerungsketten (MDL, CDL) dann stets leitet. Der zweite Transistor T2 und der dritte Transistor T3 verhindern, im ausgeschalteten Zustand eine Umladung der parasitären Kapazität des Ausgangsknotens des Ausgangs O des jeweiligen Inverters (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n, SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n, CI₁, CI₂, .... CI_(n-1), CI_n) und friert somit den logischen Zustand des Ausgangs des jeweiligen Inverters und damit der gesamten betroffenen Verzögerungskette ein.
Der Schaltzustand der Slave-Verzögerungskette SDL wird vorzugsweise durch den Ausleseschaltkreis ROC digital ausgelesen und gespeichert. Da für eine Bildaufnahme normalerweise viele Lichtpulse LP erforderlich sind, bietet sich eine Mittelwertbildung oder eine integrierende Tiefpassfilterung an. Dadurch erhält man dann auch bei begrenzter Stufenzahl (Anzahl spezieller Inverter) in der Slave-Verzögerungskette SDL (einige 10 Stufen), eine sehr feine Auflösung der Verzögerung zwischen dem erfassten Lichtpulssignal LPI und dem erfassten Shutter-Signal SONDI.
Ein Beispiel für eine erste Eingangsschaltung ISM1 für eine optische Ankopplung des Lichtpulses LP zeigt 6. Dabei wird der Lichtpuls LP mittels einer Fotodiode FD optisch erfasst. Hierfür eignet sich beispielsweise das Streulicht des Leuchtmittels, bevorzugt des Lasers oder der LED, falls diese als Leuchtmittel zur Erzeugung des Lichtpulses LP verwendet werden. Vorzugsweise werden diese mit den fotoelektrischen Elementen des Kamera–ICs in einem Gehäuse untergebracht, das typischerweise ein optisches Fenster aufweist, an dem dann diese Streuungen entstehen. Der aus dem Lichtpuls LP entstehende Streulichtpuls SLP kann somit durch die Fotodiode FD oder ein anderes geeignetes fotoelektrisches Bauelement erfasst werden und in ein Digitalsignal, z. B. das erfasste Lichtpulssignal LPI, umgesetzt werden. Aufgrund der hohen Sendeleistung (einige 10W) der typischerweise zur Erzeugung des Lichtpulses LP eingesetzten Leuchtmittel erhält man auch, wenn man nur 1/1000 des Sendelichts auf die Fotodiode FD lenkt, sehr starke Fotoströme die mit einer einfachen Schaltung erfasst werden können.
Die hier beispielhaft in der 6 dargestellte erste Eingangsschaltung ISM1 umfasst die Fotodiode FD, den fünften Transistor T5, der hier ein Bipolartransistor ist, eine Ruhestromquelle IB1 und einen Arbeitswiderstand RV1. Der Arbeitswiderstand RV1 ist an die Versorgungsspannung Vbat angeschlossen. Der andere Anschuss des Arbeitswiderstands RV1 ist an den Kollektor des fünften Transistors T5 angeschlossen. Der Emitter des fünften Transistors T5 ist an den Ausgang der Ruhestromquelle IB1 angeschlossen. An den Emitter des fünften Transistors T5 ist die Kathode der Fotodiode FD angeschlossen. Die Anode der Fotodiode FD ist mit dem Bezugspotenzial GND verbunden. Die Fotodiode FD wird mit dem Streulichtpuls SLP des Lichtpulses LP bestrahlt, wenn dieser auftritt. Dadurch erzeugt die Fotodiode FD einen zusätzlichen Fotostrom, der das Potenzial des Emitters des fünften Transistors T5 anhebt und damit den Stromdurchfluss durch den fünften Transistor T5, vermindert, wodurch der Ausgang, das erfasste Lichtpulssignal LPI, in diesem Beispiel angehoben wird. Die Basis des fünften Transistors T5 wird dabei auf einem konstanten Potenzial VB gegenüber dem Bezugspotenzial GND gehalten.
Die hier beispielhaft in der 7 dargestellte zweite Eingangsschaltung ISM2 umfasst den sechsten Transistor T6, der hier ein Bipolartransistor ist, eine Ruhestromquelle IB2 und einen Arbeitswiderstand RV2. Der Arbeitswiderstand RV2 ist an die Versorgungsspannung Vbat angeschlossen. Der andere Anschuss des Arbeitswiderstands RV2 ist an den Kollektor des sechsten Transistors T6 angeschlossen. Der Emitter des sechsten Transistors T6 ist an den Ausgang der Ruhestromquelle IB2 angeschlossen. An den Emitter des sechsten Transistors T6 ist das Ausgangssignal SOND der Treiberschaltung (SD) für den Shutter angeschlossen. Ein positiver Puls auf dem Ausgangssignal SOND der Treiberschaltung (SD) für den Shutter hebt das Potenzial des Emitters des sechsten Transistors T6 an und vermindert damit den Stromdurchfluss durch den sechsten Transistor T6, wodurch der Ausgang, das erfasste Shutter-Signal SONDI, in diesem Beispiel angehoben wird. Die Basis des sechsten Transistors T6 wird dabei auf einem konstanten Potenzial VB gegenüber dem Bezugspotenzial GND gehalten.
Anstelle der optischen Ankopplung mittels einer Fotodiode FD kann alternativ auch der Strom durch das jeweilige Leuchtmittel zur Erzeugung des Lichtpulses LP, beispielsweise einen Laser oder eine Leuchtdiode, zur Erzeugung des erfassten Lichtpulssignals LPI (verwendet als Stop-Signal für die Slave-verzögerungskette SDL) herangezogen werden. In diesem Fall wird davon ausgegangen, dass Strom und Lichtimpuls LP (nahezu) zeitgleich auftreten. Eine solche Verwendung ist also nur annähernd genau. Zur Auswertung des elektrischen Stroms durch das Leuchtmittel LED bietet sich die Verwendung eines elektrischen Shunt-Widerstands SR in Serie zum Leuchtmittel LED an.
8 zeigt eine prinzipielle Schaltung, bei der der Shunt-Widerstand SR kapazitiv über eine Koppelkapazität CK an die erste Eingangsschaltung ISM1 angekoppelt wird. Die Basis des fünften Transistor T5 wird hierbei über einen Widerstand R1 bestromt. Der Emitter des fünften Transistors T5 ist direkt mit dem Bezugspotenzial GND verbunden. Der Kollektor des fünften Transistors T5 ist über den Arbeitswiderstand RV1 mit der Versorgungsspannung Vbat verbunden. Der Kollektor des fünften Transistors T5 ist des Weiteren mit dem Eingang eines Latches LT1 verbunden. Dessen Ausgang bildet den Ausgang der dermaßen modifizierten Eingangsschaltung ISM1 in Form des erfassten Lichtpulssignals LPI. Sobald Strom durch das Leuchtmittel fließt, erhöht sich die Spannung und der fünfte Transistor T5 leitet stärker. Die Stufe kippt und das Latch LT1 speichert das Ereignis. Vor Aussendung eines neuen Lichtpulses LP sollte das Latch LT1 vorzugsweise zurückgesetzt werden.
In diesem Fall muss auch die zweite Eingangsschaltung ISM2 abgeändert werden, da die Verzögerungen der ersten Eingangsschaltung ISM1 und der zweiten Eingangsschaltung ISM2 gleich sein sollen.
9 zeigt die zweite Eingangsschaltung ISM2 für diesen Fall. Die Basis des sechsten Transistor T6 wird hierbei über einen Widerstand R1 aus einer Referenzspannungsquelle VB bestromt. Der Emitter des sechsten Transistors T6 ist direkt mit dem Bezugspotenzial GND verbunden. Der Kollektor des sechsten Transistors T6 ist über den Arbeitswiderstand RV2 mit der Versorgungsspannung Vbat verbunden. Der Kollektor des sechsten Transistors T6 ist des Weiteren mit dem Eingang eines Latches LT2 verbunden. Dessen Ausgang bildet den Ausgang der dermaßen modifizierten zweiten Eingangsschaltung ISM2 in Form des erfassten Shutter-Signals. Sobald das Ausgangssignal SOND der Treiberschaltung (SD) für den Shutter einen erhöhten Spannungspuls zeigt, leitet der sechste Transistor T6 stärker. Die Stufe kippt und das Latch LT2 speichert das Ereignis. Vor Aussendung eines neuen Lichtpulses LP sollte das Latch LT2 vorzugsweise zurückgesetzt werden.
Der hohe Strom durch das Leuchtmittel LED (also beispielsweise durch einen Laser oder eine Leuchtdiode) von einigen 10A und die steile Anstiegszeit von einigen ns erlauben auch eine induktive Ankopplung des Lichtpulssignals LPS zur Erfassung des Stroms durch das Leuchtmittel LED, wobei die Koppelinduktivitäten sehr klein ausfallen können. Evtl. reicht bereits die parallele Führung von Leiterbahnen als Übertrager TR zur Erreichung einer hinreichenden Kopplung.
10 zeigt eine solche Konstruktion schematisch. Ein Übertrager TR, der wie gesagt ggf. auch nur aus parallel geführten Leitungen bestehen kann, koppelt statt der Koppelkapazität CK der 8 nun das Signal in die erste Eingangsschaltung ISM1 ein. Der restliche Ablauf ist analog.
Statt dem Stromsignal kann auch das Sendesignal LPS für die Erzeugung des erfassten Lichtpulssignals LPI genutzt werden. Dieses ist jedoch oft nicht so gut mit dem eigentlichen Lichtsignal korreliert, wie die zuvor besprochenen Signale.
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das vorgeschlagene Verfahren können also so zusammengefasst werden, dass eine Schaltung zur Messung der zeitlichen Verzögerung zwischen dem Aussenden eines Lichtpulses LP und dem betätigen eines elektrischen Shutters für eine Time-of-Flight Kamera (Kamerazeile) mittels eines Shutter-an-Signals SON bzw. daraus abgeleiteten Signalen (SOND, SONDI) angegeben wird.
Die Schaltung enthält Eingangsschaltungen (ISM1, ISM2) und eine in Bezug auf einen Referenztakt RCK in ihrer zeitlichen Verzögerung geregelte Slave-Verzögerungskette (SDL). Daher kann bei Verwendung eines Schwingquarzes oder eines MEMS-Oszillators zur Erzeugung dieses Referenztakts RCK diese Verzögerungskette mit hoher Güte die Verzögerung messen.
Die Verzögerungsmessvorrichtung DEC zur Messung der Verzögerung Line arbeitet nach einem Master-Slave-Prinzip mit Hilfe einer Master-Verzögerungskette MDL und einer Slave-Verzögerungskette SDL und wird mit speziellen Invertern (SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n, MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n) als Tri-State-Gatterstrukturen aufgebaut (4 und 5), die mittels eines Enable-Eingangs EN in jeweils einen Tri-State-Zustand gebracht werden können, was den logischen Pegel des jeweiligen Ausgangsknotens des jeweiligen speziellen Inverters innerhalb der jeweiligen Verzögerungskette jeweils einfriert und eine Signalpropagierung durch die jeweilige Verzögerungskette (SDL, MDL) unterbindet.
Durch die Mittelung vieler Messungen im Ausleseschaltkreis ROC, was typischerweise durch eine integrierende Tiefpassfilterung erfolgt, wird eine hohe Auflösung der gemessenen Verzögerung erreicht. Der Ausleseschaltkreis ROC erzeugt ein Messwertsignal MD.
Mit der gemessenen Verzögerung in Form des Messwertsignals MD wird eine Kalibrierung der Entfernung überflüssig oder vereinfacht bzw. verbessert.
Das Shutter-an-Signal SON, kann dann mit Hilfe einer weiteren Takteinheit-Verzögerungskette CDL und mit Hilfe des so ermittelten Messwertsignals MD, sowie mit Hilfe des Regelsignals RS durch geeignete Verzögerung aus dem Leuchtmittel-an-Signal LON für die Steuerung des Leuchtmittels LED erzeugt und nachgeregelt werden.
Enthält die Kamera Komponenten zur Einstellung der Shutter/Leuchtmittel-Verzögerung, so kann ein optimaler zeitlicher Ablauf erzielt werden, indem die gemessene Verzögerung zur Nachregelung verwendet wird.
Für die Eingangsschaltungen (ISM1, ISM2) sind verschiedene Prinzipien möglich. Diese sind der Vollständigkeit halber hier aufgeführt.
13 zeigt die mit der DLL und einem Oszillator OSZ stabilisierte Slave-Verzögerungsstrecke SDL der 4 separat.
Glossar
Time-of-Flight-Kamera
Bei Time-of-Flight-Kameras handelt es sich im Sinne dieser Offenbarung um Kameras basierend auf dem Prinzip der Lichtlaufzeitmessung. Diese messen indirekt die Laufzeit zwischen dem ausgesendeten Lichtpuls LP und dem empfangenen Lichtsignal, dem reflektierten Lichtpuls RP, für jedes Pixel oder für Gruppen von Pixeln der Kamera. Hierdurch wird neben dem eigentlichen Helligkeitsbild, dass darüber hinaus auch Spektralinformationen enthalten kann, auch eine Pixel-Karte mit Entfernungsangaben bzw. Laufzeitangaben erzeugt.
Matchend
matchend bezeichnet besondere Layout-Techniken zur Verringerung der Variation von Unterschieden zwischen mikroelektronischen Strukturen innerhalb eines mikroelektronischen Schaltkreises. Ein guter Überblick lässt sich beispielsweise unter dem Link
http://avlsi.ini.uzh.ch/classwiki/doku.php finden. Dort beschreibt das Kapitel 5 (downloadbar unter
http://avlsi.ini.uzh.ch/classwiki/lib/exe/fetch.php?id=spring2008%3Astart&cache=cache&medi a=spring2008:5-layouttechniquestransistormismatch.pdf) die Matching-Techniken sehr gut. Matching liegt insbesondere dann vor, wenn:
Halbleiterbauelemente (Widerstände, Transistoren, Kondensatoren) in bevorzugt ganzzahligen Verhältnissen konstruiert werden
und durch eine dem Verhältnis entsprechende unterschiedliche Anzahl an gleich konstruierten Subbauelementen realisiert werden. Ggf. werden nicht ganzzahlige Restwerte einem einzelnen Subbauelement zugeschlagen oder von diesem abgezogen, wenn ein ganzzahliges Verhältnis nicht realisierbar ist. Dies stellt dann aber ein nicht optimales Matching dar. Des Weiteren werden gleiche Subbauelemente, die matchen sollen, auf der integrierten Schaltung möglichst nahe bei einander positioniert und möglichst gleich ausgerichtet. Vorzugsweise werden komplexere, gleichartige Strukturen, die matchen sollen, hinsichtlich der Subbauelemente gegeneinander verwürfelt. Durch diese Maßnahmen wird sichergestellt, dass alle Subbauelemente in der Fertigung mit den nahezu gleichen Fehlern gefertigt werden. Und diese sich bevorzugt dann wegheben.
Bezugszeichenliste

CCU

zentrale Takteinheit der vorgeschlagenen Vorrichtung.

CDL

Takteinheit-Verzögerungskette in der zentrale Takteinheit CCU zur geregelten Verzögerung des Shutter-an-Signals (SON).

CI₁

erster spezieller Inverter der Takteinheit-Verzögerungskette CDL.

CI₂

zweiter spezieller Inverter der Takteinheit-Verzögerungskette CDL.

CI_(n-1)

(n – 1)-ter spezieller Inverter der Takteinheit-Verzögerungskette CDL.

CI_n

n-ter spezieller Inverter der Takteinheit-Verzögerungskette CDL.

CK

Koppelkapazität.

d

Entfernung des Objekts oder des Objektpunkts.

DEC

Verzögerungsmessvorrichtung.

DLL

Delay-Locked-Loop.

DLO

Ausgangssignal der Master-Verzögerungskette MDL der DLL.

EN

Enable-Eingang des jeweiligen speziellen Inverters (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n, SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n, CI₁, CI₂, .... CI_(n-1), CI_n) der jeweiligen Verzögerungskette (MDL, SDL, CDL).

ENQ

negierter Enable-Eingang des jeweiligen speziellen Inverters (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n, SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n, CI₁, CI₂, .... CI_(n-1), CI_n) der jeweiligen Verzögerungskette (MDL, SDL, CDL) (nur mit zentraler Inversion).

FD

Fotodiode.

GND

Bezugspotenzial.

IB1

Ruhestromquelle in der ersten Eingangsschaltung ISM1.

IB2

Ruhestromquelle in der zweiten Eingangsschaltung ISM2.

IC

mikroelektronisch integrierter Teil der Time-of-Flight-Kamera.

IDLL

schaltbare Stromquelle in der DLL. Die schaltbare Stromquelle liefert einen positiven oder negativen Strom je nach der durch den Phasendetektor PD ermittelten Phasenlage.

INV

Hilfsinverter des jeweiligen speziellen Inverters (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n, SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n, CI₁, CI₂, .... CI_(n-1), CI_n) der jeweiligen Verzögerungskette (MDL, SDL, CDL). Der Hilfsinverter invertiert das Enable-Signal am Enable-Eingang EN.

ISM1

erste Eingangsschaltung (siehe 3).

ISM2

zweite Eingangsschaltung (siehe 3).

ISMO1

Ausgang der ersten Eingangsschaltung ISM1.

ISMO2

Ausgang der zweiten Eingangsschaltung ISM2.

LED

Leuchtdiode. An Stelle einer Leuchtdiode wird bevorzugt auch eine Laser-Diode eingesetzt. Ganz allgemein kann LED im Text auch als ein Leuchtmittel verstanden werden, das zur Aussendung der erforderlichen Lichtpulse mit der erforderlichen Intensitätssteilheit geeignet ist.

LD

IC interne Treiberschaltung für den Laser bzw. die LED.

LON

Leuchtmittel-an-Signal (ggf. Laser-an-Signal oder LED-an-Signal).

LF

Schleifenfilter der DLL Regelung. Das Schleifenfilter wird durch den Phasenfilter PD und in diesem Beispiel über die schaltbare Stromquelle in der DLL IDLL angesteuert und erzeugt das Regelsignal RS.

LP

Lichtpuls, der durch das Leuchtmitteln, z. B. eine Leuchtdiode (LED) oder eine Laserdiode, ausgesendet wird. Andere Lichtquellen – z. B. elektrolumineszierende Bauteile, Plasmaentladungsquellen etc. – sind denkbar.

LPI

erfasstes Lichtpulssignal. Das erfasste Laserpulssignal wird beispielsweise mittels der ersten Eingangsschaltung ISM1 ermittelt.

LPS

Sendesignal für den Lichtpuls LP.

LT1

Latch.

LT2

Latch.

MD

Messwertsignal für die Verzögerung zwischen dem Lichtpuls LP bzw. dem gestreuten Lichtpuls SLP bzw. dem Sendestrom durch das Leuchtmittel während des Lichtpulses LP bzw. dem Sendesignal LPS des Lichtpulses LP einerseits und dem Ausgangssignal SOND der Treiberschaltung (SD) für den Shutter andererseits.

MDL

Master Verzögerungskette der DLL.

MI₁

erster spezieller Inverter der Master-Verzögerungskette MDL.

MI₂

zweiter spezieller Inverter der Master-Verzögerungskette MDL.

MI_(n-1)

(n – 1)-ter spezieller Inverter der Master-Verzögerungskette MDL.

MI_n

n-ter spezieller Inverter der Master-Verzögerungskette MDL.

MP1

erster Messpuls des ersten Messsignals MQ1, währenddessen die erste Ladungsmenge Q1, die durch das fotoelektrische Element bei Lichteinfall erzeugt wird, in der ersten Kapazität gesammelt wird.

MP2

zweiter Messpuls des zweiten Messsignals MQ2, währenddessen die zweite Ladungsmenge Q2, die durch das fotoelektrische Element bei Lichteinfall erzeugt wird, in der zweiten Kapazität gesammelt wird.

MQ1

erstes Messsignal für das Öffnen des ersten Shutters zum Messen der ersten Ladungsmenge Q1. Das erste Messsignal ist ein Shutter-an-Signal für den ersten Shutter.

MQ2

zweites Messsignal für das Öffnen des zweiten Shutters zum Messen der zweiten Ladungsmenge Q2. Das zweite Messsignal ist ein Shutter-an-Signal für den zweiten Shutter.

MUX

Multiplexer.

OSZ

Oszillator. Der Oszillator ist bevorzugt ein Quarzoszillator oder ein MEMS-Oszillator. Ein MEMS-Oszillator wird bevorzugt zusammen mit der Master-Verzögerungsstrecke MDL und der Slave-Verzögerungsstrecke SDL sowie den anderen Schaltungsteilen auf dem gleichen Halbleitersubstrat oder zumindest im gleichen Mikrosystemgehäuse untergabracht.

PD

Phasendetektor.

PLD

außerhalb des ICs befindlicher Leistungstreiber zur Ansteuerung des Leuchtmittels, vorzugsweise ein Laser oder eine Leuchtdiode (LED).

Q1

erste Ladungsmenge, die während des Öffnens des ersten Shutters in der ersten Kapazität gesammelt wird, nachdem sie im fotoelektrischen Element gesammelt wurde.

Q2

zweite Ladungsmenge, die während des Öffnens des zweiten Shutters in der zweiten Kapazität gesammelt wird, nachdem sie im fotoelektrischen Element gesammelt wurde. Es sind aus dem Stand der Technik Vorrichtungen und Verfahren bekannt, die durch einen Zeit- statt einen Raummultiplex die erste Kapazität als zweite Kapazität nutzen.

R1

Widerstand.

R2

Widerstand.

RCK

Referenztakt.

ROC

Ausleseschaltkreis.

RP

reflektierter Puls. Der reflektierte Puls stellt das Lichtsignal dar, das das fotoelektrische Element durch die Reflektion des Lichtpulses LP an den Objekten und/oder den Objektpunkten empfängt.

RS

Regelsignal. Der Wert des Regelsignals stellt die Regelgröße dar, mit der die Master-Verzögerungskette MDL der DLL durch den Regler so geregelt wird, dass sich eine Phasenverschiebung des Referenztakts RCK in der Weise ergibt, dass der Phasendetektor PD im Wesentlichen Phasengleichheit feststellt. Dieses Regelsignal wird für die Regelung der Slave-Verzögerungskette SDL und ggf. für die Regelung der Takteinheit-Verzögerungskette CDL verwendet.

RV1

Arbeitswiderstand in der ersten Eingangsschaltung ISM1.

SD

Treiberschaltung für den Shutter.

SI₁

erster spezieller Inverter der Slave-Verzögerungskette SDL.

SI₂

zweiter spezieller Inverter der Slave-Verzögerungskette SDL.

SI_(n-1)

(n – 1)-ter spezieller Inverter der Slave-Verzögerungskette SDL.

SI_n

n-ter spezieller Inverter der Slave-Verzögerungskette SDL.

SLP

Streulichtpuls.

SON

Shutter-an-Signal.

SOND

Ausgangssignal der Treiberschaltung (SD) für den Shutter.

SONDI

erfasstes Shutter-Signal. Das erfasste Shutter-Signal unterscheidet sich von dem Ausgangssignal SOND der Treiberschaltung (SD) für den Shutter dadurch, dass es durch eine zweite Eingangsschaltung ISM2 in der gleichen Weise gegenüber dem Ausgangssignal SOND der Treiberschaltung (SD) für den Shutter verzögert ist, wie das erfasste Lichtpulssignal LPI gegenüber dem Sendesignals LPS des Lichtpulses LP bzw. gegenüber dem Lichtpuls LP bzw. gegenüber dem elektrischen Strom durch das Leuchtmittel LED zur Erzeugung des Lichtpulses LP durch die erste Eingangsschaltung ISM2 verzögert ist. Bis auf diese Verzögerung sollte ansonsten das erfasste Shutter-Signal dem Ausgangssignal SOND der Treiberschaltung (SD) für den Shutter entsprechen.

SOR

synchroner optischer Empfänger (typischerweise im IC).

SR

Shunt-Widerstand.

T1

erster Transistor des jeweiligen speziellen inverters (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n, SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n, CI₁, CI₂, .... CI_(n-1), CI_n) der jeweiligen Verzögerungskette (MDL, SDL, CDL).

T2

zweiter Transistor des jeweiligen speziellen Inverters (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n, SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n, CI₁, CI₂, .... CI_(n-1), CI_n) der jeweiligen Verzögerungskette (MDL, SDL, CDL).

T3

dritter Transistor des jeweiligen speziellen Inverters (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n, SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n, CI₁, CI₂, .... CI_(n-1), CI_n) der jeweiligen Verzögerungskette (MDL, SDL, CDL).

T4

vierter Transistor des jeweiligen speziellen Inverters (MI₁, MI₂, .... MI_(n-1), MI_n, SI₁, SI₂, .... SI_(n-1), SI_n, CI₁, CI₂, .... CI_(n-1), CI_n) der jeweiligen Verzögerungskette (MDL, SDL, CDL).

T5

fünfter Transistor in der ersten Eingangsschaltung ISM1.

T6

sechster Transistor in der zweiten Eingangsschaltung ISM2.

Td

Zeitverzögerung zwischen dem Beginn des Aussendens des Lichtpulses LP und dem Eintreffen des Beginns des Signals des reflektierten Lichts als reflektierten Puls RP am fotoelektrischen Element.

Te

konstruktionsbedingter zeitlicher Verzögerungsfehler.

TMP1

erste zeitliche Messpulsdauer des ersten Messpulses MP1 des ersten Messsignals MQ1.

TMP2

zweite zeitliche Messpulsdauer des zweiten Messpulses MP2 des zweiten Messsignals MQ2.

Ttrig

zeitliche Lichtpulslänge.

VB

konstantes Potenzial.

Vbat

Versorgungsspannung.

Liste der zitierten Literatur

Claims

Verfahren zur Erfassung der Verzögerung zwischen einem Lichtpuls (LP) und einem Shutter-an-Signal (SON) zur Verbesserung von Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Lichtlaufzeit, – wobei das Shutter-an-Signal (SON) zumindest einen Shutter-an-Signal-Puls mit einem Beginn des Shutter-an-Signal-Pulses und einer Shutter-an-Signal-Pulsbreite aufweist und – wobei der Lichtpuls (LP) einen zeitlichen Beginn und eine zeitliche Lichtpulsbreite aufweist, umfassend die Schritte – Bereitstellen eines Referenztakts (RCK); – Bereitstellen einer DLL, die eine Master-Verzögerungskette (MDL) als Verzögerungskette mit einstellbarer zeitlicher Verzögerung umfasst, wobei die Verzögerung der Master-Verzögerungskette (MDL) von einem in der DLL gebildeten Regelsignal (RS) abhängt; – Synchronisieren des Ausgangssignals (DLO) der DLL mit dem Referenztakt (RCK) und Erzeugung des Regelsignals (RS); – Bereitstellen einer Slave-Verzögerungskette (SDL), • wobei die Slave-Verzögerungskette (SDL) einen Eingang aufweist und • wobei die Slave-Verzögerungskette (SDL) eine Kette von Knoten innerhalb der Slave-Verzögerungskette (SDL) aufweist und • wobei die Slave-Verzögerungskette (SDL) einen Enable-Eingang (EN) aufweist, und • wobei der Enable-Eingang (EN) die Knoten der Slave-Verzögerungskette (SDL) einfriert, also eine Veränderung der logischen Werte der logischen Ausgangsknoten innerhalb der Slave-Verzögerungskette (SDL) verhindert, wenn er sich in einem ersten logischen Zustand befindet und • wobei der Enable-Eingang (EN) den Transport einer logischen Information von Knoten zu Knoten innerhalb der Slave-Verzögerungskette (SDL) zwischen deren Eingang einerseits und deren Ende oder Ausgang andererseits zulässt, wenn er sich in einem zweiten logischen Zustand befindet; – Einspeisen des Shutter-an-Signals (SON) oder eines daraus abgeleiteten Signals (SOND, SONDI) in den Eingang der Slave-Verzögerungskette (SDL); – Verzögern des zeitlichen Durchlaufs des Shutter-an-Signals (SON) oder eines daraus abgeleiteten Signals (SOND, SONDI) durch die Slave-Verzögerungskette (SDL), wobei die Verzögerung vom Regelsignals (RS) abhängt; – Erfassen des Lichtpulses (LP) oder eines aus dem Lichtpuls (LP) durch Streuung oder sonstige optische Modifikation erzeugten Streulichtpulses (SLP) mittels einer Detektionsvorrichtung, insbesondere durch eine Fotodiode (FD) und durch eine erste Eingangsschaltung (ISM1), und Wandlung in ein erfasstes Lichtpulssignal (LPI), wodurch das erfasste Lichtpulssignal (LPI) einen Empfangspuls aufweist, der mit dem Lichtpuls (LP) oder dem Streulichtpuls (SLP) in einem festen zeitlichen Zusammenhang steht; – Einspeisen des erfassten Lichtpulssignals (LPI) in den Enable-Eingang (EN) der Slave-Verzögerungskette (SDL) in der Art • dass vor dem Beginn des Empfangspulses sich das erfasste Lichtpulssignal (LPI) und damit der Enable-Eingang der Slave-Verzögerungskette (SDL) im zweiten Zustand befindet und • dass nach Beginn des Empfangspulses sich das erfasste Lichtpulssignal (LPI) und damit der Enable-Eingang der Slave-Verzögerungskette (SDL) im ersten Zustand befindet; – Erzeugung eines Messwertsignals (MD) in Abhängigkeit von den logischen Zuständen der Knoten innerhalb der Slave-Verzögerungskette (SDL) nach Beginn des Empfangspulses und bevorzugt vor dem Ende des Empfangspulses; – Verwendung des Werts des Messwertsignals (MD) oder eines daraus abgeleiteten Signals als Messwert der Verzögerung zwischen dem Lichtpuls (LP) und dem Shutter-an-Signal (SON).
Verfahren nach Anspruch 1 umfassend den Schritt – Bereitstellen des Referenztakts (RCK) mittels eines Quarzoszillators;
Verfahren nach Anspruch 1 umfassend den Schritt – Bereitstellen des Referenztakts (RCK) mittels eines MEMS-Oszillators;
Verfahren zur Erzeugung eines Lichtpulses (LP) umfassend die Schritte – Erfassung der Verzögerung zwischen dem Lichtpuls (LP) und einem Shutter-an-Signal (SON) mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1; – Erzeugung des Lichtpulses (LP) in der Art, dass der Beginn des Lichtpulses (LP) von dem Wert des Messwertsignals (MD) abhängt.
Verfahren zur Erzeugung eines Shutter-an-Signals (SON) mit Pulsen umfassend die Schritte – Erfassung der Verzögerung zwischen einem Lichtpuls (LP) und dem Shutter-an-Signal (SON) mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1; – Erzeugung eines Pulses auf dem Shutter-an-Signals (SON) in der Art, dass der Beginn des Pulses auf dem Shutter-an-Signals (SON) von dem Wert des Messwertsignals (MD) abhängt.