DE102019201739A1 - Vorrichtung und Verfahren für Time-Gating in laufzeitbasierter Distanzmessung - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung (100) zur Distanzmessung zwischen der Vorrichtung (100) und einem Objekt (900) wird bereitgestellt. Die Vorrichtung (100) umfasst eine Lichtquelle (110), einen Sensor (120), eine Steuereinheit (130) und eine Auswerteeinheit (140). Die Lichtquelle (110) ist ausgebildet, eine Mehrzahl von Lichtpulsen zu emittieren, die von dem Objekt (900) zu dem Sensor (120) zurückreflektiert werden, so dass ein Zurückreflektieren eines der Mehrzahl von Lichtpulsen auf dem Sensor (120) ein Auftreffen eines Photons auf dem Sensor (120) auslöst. Der Sensor (120) ist ausgebildet, innerhalb eines Erfassungszeitraums des Sensors (120) bei dem Auftreffen des Photons auf dem Sensor (120) ein Empfangssignal zu erzeugen. Die Steuereinheit (130) ist ausgebildet, eine Mehrzahl von Messungen dadurch vorzunehmen, dass die Steuereinheit (130) für jede Messung der Mehrzahl von Messungen die Lichtquelle (110) derart ansteuert, dass die Lichtquelle (110) zu einem Emittierungszeitpunkt einen Lichtpuls der Mehrzahl von Lichtpulsen emittiert, und wobei die Steuereinheit (130) für jede Messung der Mehrzahl von Messungen einen Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums des Sensors (120) festlegt. Die Auswerteeinheit (140) ist ausgebildet, eine Distanz zwischen der Vorrichtung (100) und dem Objekt (900) abhängig von der Mehrzahl der Messungen zu bestimmen. Ferner ist die Steuereinheit (130) ausgebildet, für wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen eine Zeitdifferenz zwischen dem Emittierungszeitpunkt und dem Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums zu variieren.

Description

• Die Anmeldung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren für Time-Gating in laufzeitbasierter Distanzmessung.
• Die CMOS-Bildsensorik bietet effektive Möglichkeiten, Messsignale in hoher Geschwindigkeit in Echtzeit aufzunehmen. Dies ist von großem Nutzen bei der Aufnahme von dreidimensionalen (3D) Distanzbildern in zeitkritischen Systemen. Pulslaufzeitverfahren und Verfahren mit kontinuierlich moduliertem Licht dienen hierbei der berührungslosen Tiefenerfassung. Dazu wird die Laufzeit des Infrarot-Laserlichtes, das von einer aktiven Strahlungsquelle emittiert und von einem Zielobjekt reflektiert wurde, durch Detektion der Restintensität gemessen. Man spricht in diesem Zusammenhang von Light Detection and Ranging (LIDAR).
• Im Stand der Technik existieren Single-Photon Avalanche Dioden (SPAD), die Avalanche Photodioden sind, die über ihrer Durchbruchspannung betrieben werden. In diesem sogenannten Geiger-Bereich reicht bereits ein einzelnes Photon aus, welches im aktiven Bereich der Diode absorbiert wird und einen freien Ladungsträger generiert, um zum Durchbruch der Diode und damit zu einem makroskopischen Stromfluss durch die Diode zu führen. SPADs ermöglichen so die Detektion einzelner Photonen. Existierende SPADbasierte 3D-Sensoren basieren auf verschiedenen Prinzipien. Bei dem dort betrachteten Verfahren wird die Laufzeit eines Laserpulses von der Emission über die Reflexion am Zielobjekt bis zur Detektion im Sensor mittels eines elektronischen Zeitmessers (z. B. Time-to-Digital-Converter, TDC) erfasst. Dabei wird die Zeitmessung mit der Emission eines kurzen Laserpulses gestartet und mit dem Empfang des reflektierten Pulses gestoppt [1]. Das Stoppen der Zeitmessung erfolgt im First-Photon-Verfahren mit dem ersten Ereignis, welches nach dem Start durch den Sensor detektiert wird. Im Idealfall entspricht die gemessene Zeit der Lichtlaufzeit und kann über d = ct/2 direkt in die Distanz zwischen Sensor und Zielobjekt umgerechnet werden. Aufgrund dieser Vorgehensweise führt eine hohe Intensität des Hintergrundlichtes dazu, dass ein Ereignis, welches aus dem Hintergrundlicht oder anderen Umwelteinflüssen wie Nebel, Regen oder Schnee resultiert, vor der Ankunft des vom Objekt reflektieren Laserpulses am Sensor detektiert werden kann und so eine fehlerhafte Messung erfolgt. Um solche Falschmessungen sowie statistische Schwankungen tolerieren zu können, werden in der Regel zunächst mehrere dieser Zeitmarken in einem Histogramm gesammelt, aus welchem anschließend unter Verwendung eines Algorithmus die tatsächliche Lichtlaufzeit ermittelt wird.
• Eine Vorrichtung nach Anspruch 1, ein Verfahren nach Anspruch 16 und ein Computerprogramm nach Anspruch 17 werden bereitgestellt.
• Eine Vorrichtung zur Distanzmessung zwischen der Vorrichtung und einem Objekt wird bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle, einen Sensor, eine Steuereinheit und eine Auswerteeinheit. Die Lichtquelle ist ausgebildet, eine Mehrzahl von Lichtpulsen zu emittieren, die von dem Objekt zu dem Sensor zurückreflektiert werden, so dass ein Zurückreflektieren eines der Mehrzahl von Lichtpulsen auf dem Sensor ein Auftreffen eines Photons auf dem Sensor auslöst. Der Sensor ist ausgebildet, innerhalb eines Erfassungszeitraums des Sensors bei dem Auftreffen des Photons auf dem Sensor ein Empfangssignal zu erzeugen. Die Steuereinheit ist ausgebildet, eine Mehrzahl von Messungen dadurch vorzunehmen, dass die Steuereinheit für jede Messung der Mehrzahl von Messungen die Lichtquelle derart ansteuert, dass die Lichtquelle zu einem Emittierungszeitpunkt einen Lichtpuls der Mehrzahl von Lichtpulsen emittiert, und wobei die Steuereinheit für jede Messung der Mehrzahl von Messungen einen Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums des Sensors festlegt. Die Auswerteeinheit ist ausgebildet, eine Distanz zwischen der Vorrichtung und dem Objekt abhängig von der Mehrzahl der Messungen zu bestimmen. Ferner ist die Steuereinheit ausgebildet, für wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen eine Zeitdifferenz zwischen dem Emittierungszeitpunkt und dem Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums zu variieren.
• Ferner wird ein Verfahren zur Distanzmessung zwischen einer Vorrichtung und einem Objekt bereitgestellt. Das Verfahren umfasst:
• - Emittieren einer Mehrzahl von Lichtpulsen durch eine Lichtquelle, wobei die Mehrzahl von Lichtpulsen von dem Objekt zu einem Sensor zurückreflektiert werden, so dass ein Zurückreflektieren eines der Mehrzahl von Lichtpulsen auf dem Sensor ein Auftreffen eines Photons auf dem Sensor auslöst.
• - Erzeugen eines Empfangssignals bei dem Auftreffen des Photons auf dem Sensor innerhalb eines Erfassungszeitraums des Sensors.
• - Vornehmen einer Mehrzahl von Messungen durch eine Steuereinheit dadurch, dass die Steuereinheit für jede Messung der Mehrzahl von Messungen die Lichtquelle derart ansteuert, dass die Lichtquelle zu einem Emittierungszeitpunkt einen Lichtpuls der Mehrzahl von Lichtpulsen emittiert, und wobei die Steuereinheit für jede Messung der Mehrzahl von Messungen einen Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums des Sensors festlegt.
• - Bestimmen einer Distanz zwischen der Vorrichtung und dem Objekt abhängig von der Mehrzahl der Messungen durch eine Auswerteeinheit.
• Die Steuereinheit variiert für wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen eine Zeitdifferenz zwischen dem Emittierungszeitpunkt und dem Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums.
• Des Weiteren wird ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des oben beschriebenen Verfahrens bereitgestellt, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder Signalprozessor durchgeführt wird.
• Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
• In den Zeichnungen ist dargestellt:
• 1 zeigt eine Vorrichtung zur Distanzmessung zwischen der Vorrichtung und einem Objekt gemäß einer Ausführungsform.
• 2 zeigt Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) des ersten Ereignisses für verschiedene Pulslaufzeiten.
• 3 zeigt eine Darstellung für verschiedene Verzögerungen für den Fall des Starts der Messung vor dem auftreffenden Laserpuls gemäß einer Ausführungsform.
• 4 zeigt eine Darstellung für verschiedene Verzögerungen für den Fall des Starts der Messung während des auftreffenden Laserpulses gemäß einer Ausführungsform.
• 5 zeigt eine Darstellung für verschiedene Verzögerungen für den Fall des Starts der Messung nach dem auftreffenden Laserpuls gemäß einer Ausführungsform.
• 6 zeigt eine mittlere PDF aller Verzögerungsschritte gemäß einer Ausführungsform.
• 7 zeigt eine mittlere PDF mit einer Mehrzahl von Verzögerungsschritten gemäß einer Ausführungsform.
• 8 zeigt eine Anzahl an Messungen in Abhängigkeit der Hintergrundrate für eine Schrittweite gemäß einer Ausführungsform.
• 9 zeigt eine kombinierte Vorgehensweise im Vergleich zur einfachen Vorgehensweise gemäß einer Ausführungsform.
• 10 zeigt eine reale Messung, einmal gemäß Stand der Technik, einmal gemäß einer Ausführungsform.
• 11 zeigt einen Timing Sensor und einen Laser gemäß einer Ausführungsform.
• 12 zeigt einen Timing Sensor und Laser-Alternative gemäß einer Ausführungsform.
• 13 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
• Bevor im Folgenden Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert werden, werden zunächst einige Grundgedanken dargestellt, auf denen Ausführungsformen der Erfindung aufbauen.
• Im direkten laufzeitbasierten Verfahren zur Distanzmessung basierend auf der Detektion des jeweils ersten Ereignisses in jedem Messzyklus, ist die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (Probability Density Function, PDF) einer einzelnen Messung des ersten Ereignisses P_singie(t) gegeben durch $${\text{P}}_{\text{single}}\left(\text{t}\right)=\mathrm{\lambda }\left(\text{t}\right)\cdot \left(1-{\displaystyle \underset{0}{\overset{\text{t}}{\int }}{\text{P}}_{\text{single}}\text{dt}}\right)$$

  

  mit der zeitabhängigen Ereignisrate λ(t). Unter der Annahme einer zeitinvarianten Ereignisrate, was bei alleiniger Betrachtung des Hintergrundlichtes aufgrund der Kürze der Messdauer in guter Näherung zutrifft, ergibt sich P_single(t) gemäß einer Exponentialverteilung entsprechend $${\text{P}}_{\text{single}}\left(\text{t}\right)=\mathrm{\lambda }\cdot \text{exp}\left(-\mathrm{\lambda }\cdot \text{t}\right),$$

  
• Bei zusätzlicher Berücksichtigung der Ereignisrate des reflektierten Laserpulses λ_A ergibt sich die PDF zu $$\begin{array}{l}{\text{P}}_{\text{single}}\left(\text{t}\right)\\ =\{\begin{array}{ll}{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot \text{exp}\left(-{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot \text{t}\right)\hfill & \text{f}ü\text{r }0\le \text{t}<{\text{T}}_{\text{TOF}}\hfill \\ {\mathrm{\lambda }}_{\text{AB}}\cdot \text{exp}\left(-{\mathrm{\lambda }}_{\text{AB}}\cdot \left(\text{t}-{\text{T}}_{\text{TOF}}\right)\right)\cdot \text{exp}\left(-{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}{\text{T}}_{\text{TOF}}\right)\hfill & \text{f}ü{\text{r T}}_{\text{TOF}}\le \text{t}<{\text{T}}_{\text{TOF}}+{\text{T}}_{\text{P}}\hfill \\ {\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot \text{exp}\left(-{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot \text{t}\right)\text{exp}\left(-{\mathrm{\lambda }}_{\text{A}}\cdot {\text{T}}_{\text{P}}\right)\hfill & \text{f}ü{\text{r T}}_{\text{TOF}}+{\text{T}}_{\text{P}}\le \text{t}\hfill \end{array}\end{array}$$

  

  mit der Ereignisrate des Hintergrundes λ_B, der Laufzeit T_TOF, der Pulsweite T_P sowie λ_AB = λ_A + λ_B. Dies führt dazu, dass mit zunehmender Messdistanz und Hintergrundintensität die Wahrscheinlichkeit, ein Ereignis, das dem Hintergrund entspringt, zu empfangen, zunimmt. Dementsprechend nimmt die Wahrscheinlichkeit ein Ereignis des reflektierten Laserpulses zu empfangen mit steigender Distanz ab. 2 zeigt Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (PDF) des ersten Ereignisses nach (3) für verschiedene Pulslaufzeiten. Insbesondere zeigt 2 die berechnete PDF nach (3) für Ereignisraten des Hintergrundes und Laserpulses von je 10 MHz, einer Pulsweite von 20 ns und einer Laufzeit von 100 ns bzw. 200 ns. Hier zeigt sich, dass der resultierende Puls bei höherer Distanz niedriger ausfällt, was einer reduzierten Wahrscheinlichkeit für dessen Detektion entspricht.
• Im direkten Verfahren zur Distanzmessung wird die Ankunftszeit des ersten empfangenen Ereignisses gemessen ab dem Zeitpunkt der Pulsemission z.B. über mehrere Messzyklen in einem Histogramm abgelegt, aus welchem anschließend durch eine geeignete Auswertevorschrift die tatsächliche Laufzeit ermittelt wird. Eine mögliche Variante der Auswertung ist eine Mittelfilterung des Histogramms, welche der Reduktion der Varianz der einzelnen Bins dient, mit einer anschließenden Maximalwertbestimmung, wobei die zeitliche Position des Maximums die gemessene Laufzeit repräsentiert.
• 1 zeigt eine Vorrichtung 100 zur Distanzmessung zwischen der Vorrichtung 100 und einem Objekt 900 gemäß einer Ausführungsform. Die Vorrichtung 100 umfasst eine Lichtquelle 110, einen Sensor 120, eine Steuereinheit 130 und eine Auswerteeinheit 140.
• Die Lichtquelle 110 ist ausgebildet, eine Mehrzahl von Lichtpulsen zu emittieren, die von dem Objekt 900 zu dem Sensor 120 zurückreflektiert werden, so dass ein Zurückreflektieren eines der Mehrzahl von Lichtpulsen auf dem Sensor 120 ein Auftreffen eines Photons auf dem Sensor 120 auslöst.
• Der Sensor 120 ist ausgebildet, innerhalb eines Erfassungszeitraums des Sensors 120 bei dem Auftreffen des Photons auf dem Sensor 120 ein Empfangssignal zu erzeugen.
• Die Steuereinheit 130 ist ausgebildet, eine Mehrzahl von Messungen dadurch vorzunehmen, dass die Steuereinheit 130 für jede Messung der Mehrzahl von Messungen die Lichtquelle 110 derart ansteuert, dass die Lichtquelle 110 zu einem Emittierungszeitpunkt einen Lichtpuls der Mehrzahl von Lichtpulsen emittiert, und wobei die Steuereinheit 130 für jede Messung der Mehrzahl von Messungen einen Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums des Sensors 120 festlegt.
• Die Auswerteeinheit 140 ist ausgebildet, eine Distanz zwischen der Vorrichtung 100 und dem Objekt 900 abhängig von der Mehrzahl der Messungen zu bestimmen.
• Die Steuereinheit 130 ist ausgebildet, für wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen eine Zeitdifferenz zwischen dem Emittierungszeitpunkt und dem Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums zu variieren.
• Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinheit 130 z.B. ausgebildet sein, für die wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen den Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums des Sensors 120 zu variieren.
• In einer Ausführungsform kann die Steuereinheit 130 z.B. ausgebildet sein, für die wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen den Emittierungszeitpunkt des Lichtpulses der Mehrzahl von Lichtpulsen zu variieren.
• Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinheit 130 z.B. ferner ausgebildet sein, für die wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen den Beginn des Erfassungszeitraums des Sensors 120, nicht aber das Ende des Erfassungszeitraums des Sensors 120 zu variieren.
• In einer Ausführungsform können z.B. die wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen eine erste Gruppe von Messungen bilden. Dabei kann die Mehrzahl von Messungen z.B. des Weiteren eine zweite Gruppe von Messungen umfassen. Die Steuereinheit 130 kann ferner ausgebildet sein, bei jeder Messung bei der ersten Gruppe von Messungen den Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums dieser Messung zeitlich nach dem Emittierungszeitpunkt und dem Startzeitpunkt dieser Messung festzulegen. Zudem kann die Steuereinheit 130 ferner ausgebildet sein, bei jeder Messung bei der zweiten Gruppe von Messungen den Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums dieser Messung zeitlich gleichzeitig oder zeitlich vor dem Emittierungszeitpunkt und dem Startzeitpunkt dieser Messung festzulegen.
• In einer Ausführungsform können z.B. die wenigstens zwei Messungen eine erste Messung, eine zweite Messung und eine dritte Messung umfassen. Eine erste Zeitdifferenz definiert vom Emittierungszeitpunkt bis zum Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums bei der ersten Messung kann z.B. um einen ersten vordefinierten Wert kürzer als eine zweite Zeitdifferenz definiert vom Emittierungszeitpunkt bis zum Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums bei der zweiten Messung sein. Die zweite Zeitdifferenz kann z.B. um einen zweiten Wert kürzer als eine dritte Zeitdifferenz definiert vom Emittierungszeitpunkt bis zum Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums bei der dritten Messung sein.
• Gemäß einer Ausführungsform können z.B. der Emittierungszeitpunkt bei der ersten Messung ein erstes Element einer Folge, der Emittierungszeitpunkt bei der zweiten Messung ein zweites Element der Folge und der Emittierungszeitpunkt bei der dritten Messung ein drittes Element der Folge bilden. Die Folge kann z.B. monoton sein.
• Gemäß einer Ausführungsform können z.B. der erste vordefinierte Wert und der zweite vordefinierte Wert gleich sein.
• Gemäß einer Ausführungsform kann die Steuereinheit 130 z.B. ausgebildet sein, eine Anzahl von Messungen der zweiten Gruppe von Messungen abhängig von dem ersten vordefinierten Wert festzulegen.
• In einer Ausführungsform kann die Steuereinheit 130 z.B. ausgebildet sein, die Anzahl von Messungen der zweiten Gruppe von Messungen abhängig von einer Ereignisrate eines Hintergrundes festzulegen.
• In einer Ausführungsform kann die Steuereinheit 130 z.B. ferner ausgebildet sein, eine Anzahl der wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen abhängig von einer vorbestimmten Reichweite der Distanzmessung festzulegen.
• Gemäß einer Ausführungsform kann die Mehrzahl von Messungen z.B. eine Mehrzahl von Zeitmessungen sein.
• Gemäß einer Ausführungsform kann jede Messung der Mehrzahl von Messungen eine z.B. Messung einer Zeit zwischen dem Emittierungszeitpunkt und einem Erzeugungszeitpunkt des Empfangssignals umfassen.
• In einer Ausführungsform kann das Bestimmen der Distanz zwischen der Vorrichtung 100 und dem Objekt 900 abhängig von der Mehrzahl der Messungen z.B. ein Zusammenfassen der Mehrzahl der Messungen in einem Histogramm und ein Ermitteln der Distanz zwischen der Vorrichtung 100 und dem Objekt abhängig von dem Histogramm umfassen.
• Gemäß einer Ausführungsform kann der Sensor z.B. eine Single-Photon Avalanche Diode umfassen. Die Auswerteeinheit 140 kann z.B. ausgebildet sein, einen Time-to-Digital-Converter zur Bestimmung der Distanz zwischen der Vorrichtung 100 und dem Objekt 900 einzusetzen.
• Ausführungsformen zur Distanzmessung auf Basis bekannter Verfahren basieren z.B. auf der Verbesserung der Messgenauigkeit bei hohen Distanzen durch distanzabhängige Anpassung der Signalauswertung. Vorgehensweisen und Vorschriften zur Realisierung einer optimalen Anpassung werden beschrieben.
• Mögliche Anwendungsgebiete sind:
• • Advanced Driver Assistance Systems (ADAS)
• • Autonomes Fahren
• • Sicherheitsüberwachung
• • Avionik
• • Medizintechnik
• Eine genaue und zuverlässige Bestimmung größerer Distanzen ist in vielen Anwendungsfällen unverzichtbar. So werden z.B. beim Notbremssystem im Automobil Distanzen zu sich vor dem Auto befindlichen Objekten in Echtzeit und zuverlässig erkannt. Eine zuverlässige Messung größerer Distanzen ermöglicht dem System Bewegungsabläufe von Objekten rechtzeitig vorherzusagen und Kollisionen durch entsprechende Eingriffe in die Fahrzeugsteuerung zuverlässig zu verhindern. Generell ist für bestimmte Anwendungen, beispielsweise bei höheren Geschwindigkeiten im Automobil auf der Autobahn, die zuverlässige Messung höherer Distanzen eine Grundvoraussetzung um die Sensoren zielführend einsetzen zu können.
• Mit zunehmender Distanz oder Hintergrundintensität steigt die Wahrscheinlichkeit, Hintergrundereignisse anstelle der gesuchten Signalereignisse zu detektieren, was eine Abnahme der Güte der Messung zur Folge hat. Zur Steigerung der Detektionswahrscheinlichkeit von Signalereignissen wird ein Messkonzept gemäß Ausführungsformen beschrieben, mit dem eine nahezu konstante Detektionswahrscheinlichkeit erreicht werden kann. In der technischen Umsetzung werden z.B. die Zeitpunkte von Messfenstern (Erfassungszeiträumen eines Sensors) verschoben, ähnlich wie es bei dem bekannten TimeGating Verfahren erreicht wird, das Ziel unterscheidet sich hierbei jedoch grundsätzlich von TimeGating. In dem hier vorgestellten Konzept gemäß Ausführungsformen wird der Beginn der Messfenster (der Startzeitpunkt des Erfassungszeiträume des Sensors) gegenüber der Laserpulsemission z.B. verzögert (z.B. durch eine Steuereinheit) und Messungen mit verschiedenen Verzögerungen zusammen ausgewertet (z.B. durch eine Auswerteeinheit). Werden die Anzahl der Messungen zu jeder Verzögerung und die Verzögerungsschritte hintergrundabhängig variiert, kann eine nahezu distanzunabhängige Güte erreicht werden und es ergibt sich somit eine nahezu konstante Detektionswahrscheinlichkeit über den relevanten Messbereich.
• Vorgestellte Konzepte gemäß Ausführungsformen beinhalten die Auswertung mehrerer Messungen, die mit unterschiedlichen Verzögerungen zum emittierten Laser gestartet werden und in einem einzigen Histogramm zusammengefasst werden. Dabei wird von Messung zu Messung die Verzögerung erhöht, sodass die Messung erst ab einer bestimmten Entfernung sensitiv wird. Durch das zusammenfassen der Messungen verschiedener Verzögerungen wird somit jedoch z.B. der komplette Messbereich abgedeckt. Die Neuerung gegenüber dem Stand der Technik ist, dass man sich z.B. nicht auf eine Entfernung fixiert, sondern den Messbereich durchfährt und die einzelnen Messungen zusammen betrachtet. Dabei kann es eine Vorschrift geben, die es ermöglicht, eine nahezu konstante Detektionswahrscheinlichkeit mit den zusammengefassten Messungen zu erreichen.
• Mit dem vorliegenden Konzept gemäß Ausführungsformen kann das Messverfahren bekannt unter dem Namen TimeGating so erweitert werden, dass die Detektionswahrscheinlichkeit über der Distanz nahezu gleich bleibt. Es wird bei der Aufnahme mehrerer Messungen jeweils der Start der Messung in Relation zum emittierten Lichtpuls einer Lichtquelle variiert, um somit die Detektionswahrscheinlichkeit von Signalereignissen bei Hintergrundlicht und anderen Umwelteinflüssen zu erhöhen. Wird der Start der Messung zu einem späteren Zeitpunkt hin verzögert, treten die Signalereignisse kürzer nach dem Start der Messung auf und die Wahrscheinlichkeit deren Detektion steigt. Da es aufgrund der unbekannten Objektdistanz passieren kann, dass die Verzögerung die Pulslaufzeit übersteigt, folglich die Signalereignisse vor Beginn der Messung auftreten und somit nicht erfasst werden können, werden z.B. Messungen verschiedener Verzögerung gesammelt und zusammen ausgewertet. Auf diese Weise kann z.B. ein nahes und fernes Objekt gleichermaßen erfasst werden und man erhält eine nahezu konstante Detektionswahrscheinlichkeit über den Messbereich. Somit ist es möglich, bei starkem Hintergrund, Nebel, oder anderen Umwelteinflüssen eine gewisse Güte der Messung aufrechtzuhalten.
• Das Ziel der vorgestellten Konzepte gemäß Ausführungsformen besteht in der Erzielung einer nahezu distanzunabhängigen Güte der Messung. Zur grundlegenden Beschreibung wird die Abhängigkeit der Pulsintensität von der Distanz zunächst vernachlässigt. Um eine Verbesserung der Güte bei größeren Distanzen zu erhalten, wird das Messfenster (der Erfassungszeitraum des Sensors) z.B. so verzögert, dass die Signalereignisse innerhalb des Messfensters früher detektiert werden und somit die Wahrscheinlichkeit deren Detektion steigt, da die Wahrscheinlichkeit der Detektion eines Hintergrundereignisses vor dem Signalereignis geringer ist.
• Bei der Aufsummierung mehrerer Messungen verschiedener Verzögerungen ergibt sich eine gemittelte PDF P entsprechend zu $$\overline{\text{P}}\left(\text{t}\right)=\frac{{\displaystyle {\sum }_{\text{i=0}}^{\text{k}-\text{1}}\text{P}\left(\text{t},\text{i}\cdot {\text{t}}_{\text{TG}}\right)}}{\text{k}}$$

  

  mit insgesamt k Verzögerungsschritten und einer diskreten zeitlichen Verschiebung zwischen den Verzögerungsschritten von t_TG. Die PDF aus (3) oben kann für Hintergrundlicht betrachtet werden. Sie wird dazu z.B. in drei verschiedenen Fällen betrachtet. Zum einen, dass die Verzögerung so gewählt ist, dass die Messung noch vor dem Signalpuls (dem vom Objekt zurückreflektieren Lichtpuls einer Lichtquelle) startet, zweitens, dass die Messung während des Signalpulses startet, und im dritten Fall, dass die Messung den Puls nicht mehr detektiert und erst danach startet. Für die drei Fälle ergeben sich folgende PDFs: $$\begin{array}{l}{\text{PDF für t}}_{\text{delay}}<{\text{T}}_{\text{TOF}}\\ \text{ P}\left(\text{t},{\text{t}}_{\text{delay}}\right)=\{\begin{array}{ll}{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot {\text{e}}^{-{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot \left(\text{t}-{\text{t}}_{\text{delay}}\right)}\hfill & {\text{ t}}_{\text{delay}}<\text{t}<{\text{T}}_{\text{TOF}}\hfill \\ \left({\mathrm{\lambda }}_{\text{A}}+{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\right)\cdot e^{-{\mathrm{\lambda }}_{\text{A}}\cdot \left(\text{t}-{\text{T}}_{\text{TOF}}\right)-{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot \left(\text{t}-{\text{t}}_{\text{delay}}\right)}\hfill & {\text{T}}_{\text{TOF}}<\text{t}<{\text{T}}_{\text{TOF}}+{\text{T}}_{\text{P}}\hfill \\ {\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot {\text{e}}^{-{\mathrm{\lambda }}_{\text{A}}\cdot {\text{T}}_{\text{P}}-{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot \left(\text{t}-{\text{t}}_{\text{delay}}\right)}\hfill & {\text{ T}}_{\text{TOF}}+{\text{T}}_{\text{P}}<\text{t}\hfill \end{array}\end{array}$$

  

  $$\begin{array}{l}{\text{PDF für T}}_{\text{TOF}}<{\text{t}}_{\text{delay}}<{\text{T}}_{\text{TOF}}+{\text{T}}_{\text{P}}\\ \text{ P}\left(\text{t}{\text{,t}}_{\text{delay}}\right)=\{\begin{array}{cc}\left({\mathrm{\lambda }}_{\text{A}}+{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\right)\cdot {\text{e}}^{-{\mathrm{\lambda }}_{\text{A}}\cdot \left(\text{t}-{\text{t}}_{\text{delay}}\right)-{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot \left(\text{t}-{\text{t}}_{\text{delay}}\right)}& {\text{t}}_{\text{delay}}<\text{t}<{\text{T}}_{\text{TOF}}+{\text{T}}_{\text{P}}\\ {\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot e^{-{\mathrm{\lambda }}_{\text{A}}\cdot {\text{T}}_{\text{P}}-{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\left(\text{t}-{\text{t}}_{\text{delay}}\right)}& {\text{T}}_{\text{TOF}}+{\text{T}}_{\text{P}}<\text{t}\end{array}\\ \end{array}$$

  

  $$\begin{array}{l}{\text{PDF für T}}_{\text{TOF}}+{\text{T}}_{\text{P}}<{\text{t}}_{\text{delay}}\\ \text{ P}\left(\text{t}-{\text{t}}_{\text{delay}}\right)=\{{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot {\text{e}}^{-{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot \left(\text{t}-{\text{t}}_{\text{delay}}\right)}{\text{ t}}_{\text{delay}}<\text{t}\end{array}$$

  
• Mit der Hintergrundereignisrate λ_B, der lasergenerierten Ereignisrate λ_A und der Verzögerung der Messung t_delay.
• In 3 - 5 sind exemplarisch verschiedene PDFs für unterschiedliche Verzögerungen aller drei oben beschriebenen Fälle dargestellt. Speziell zeigt 3 eine Darstellung P(t, t_delay) für verschiedene Verzögerungen für den Fall des Starts der Messung vor dem auftreffenden Laserpuls gemäß einer Ausführungsform. 4 zeigt eine Darstellung P(t, t_delay) für verschiedene Verzögerungen für den Fall des Starts der Messung während des auftreffenden Laserpulses. 5 zeigt eine Darstellung P(t,t_delay) für verschiedene Verzögerungen für den Fall des Starts der Messung nach dem auftreffenden Laserpuls.
• In Anwendung der Konzepte gemäß Ausführungsformen ergibt sich eine mittlere PDF gemäß 6. Insbesondere zeigt 6 eine mittlere PDF P(t) aller Verzögerungsschritte. Es ergibt sich ein konvergierender steigender Verlauf der PDF. Das Maximum (im Unendlichen) des Hintergrundes lässt sich berechnen, indem man die Summe von unendlich vielen Verzögerungsschritten betrachtet. Der folgende Zusammenhang für das Maximum ist dabei zu betrachten: mit $${\displaystyle \sum _{\text{k}=0}^{\infty }{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot {\text{e}}^{-{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot \text{k}\cdot {\text{t}}_{\text{TG}}}}={\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot \left(\frac{1}{{\text{e}}^{{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot {\text{t}}_{\text{TG}}}-1}+1\right)={\mathrm{\lambda }}_{\text{R}}+{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}$$

  

  $${\mathrm{\lambda }}_{\text{R}}=\frac{{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}}{{\text{e}}^{{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot {\text{t}}_{\text{TG}}}-1}$$

  
• Eine konstante Hintergrundrate (Ereignisrate des Hintergrundes) hat eine steigende mittlere PDF zur Folge, die in quantisierten Schritten gemäß den Verzögerungsschritten Sprungstellen aufweist. Zwischen zwei Sprungstellen liegt ein exponentieller Abfall abhängig von der Hintergrundrate vor. Bei hohen Hintergrundraten erreicht die mittlere PDF deutlich schneller ihren Maximalwert als bei geringen Raten. Dieses Verhalten beschreibt die folgende Formel, wobei der minimale und maximale Wert der Sprungstellen beschrieben wird: $${\overline{\text{P}}}_{\text{BG},\text{MIN}}\left(\text{t}\right)=\frac{-{\mathrm{\lambda }}_{\text{R}}\cdot e^{-{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot \text{t}}+{\mathrm{\lambda }}_{\text{R}}}{\text{k}}$$

  

  $${\overline{\text{P}}}_{\text{BG},\text{MAX}}\left(\text{t}\right)=\frac{-{\mathrm{\lambda }}_{\text{R}}\cdot e^{-{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot t}+{\mathrm{\lambda }}_{\text{R}}+{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}}{\text{k}}={\text{P}}_{\text{BG},\text{MIN}}\left(\text{t}\right)+\frac{{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}}{\text{k}}$$

  
• Wobei der Faktor 1/k für die Normierung der PDF notwendig ist. Aufgrund der endlichen Zahl an Verzögerungsschritten ergibt sich in der PDF nach $${\text{t}}_{\text{max}}=\text{k}\cdot {\text{t}}_{\text{TG}}$$

  

  ein exponentieller Abfall, wie man ihn auch nach (2) erwarten würde.
• 7 zeigt eine mittlere PDF P(t) mit k = 50 Verzögerungsschritten bis zu einer Zeit von t_max = 312,5 ns.
• Um eine möglichst konstante mittlere PDF zu erreichen, könnten gemäß Ausführungsformen zusätzlich zu den Messungen mit den diskreten Verzögerungsschritten mehrere Messungen ohne Verzögerung durchgeführt werden. Die mittlere PDF hierzu lässt sich wie folgt beschreiben: $$\overline{\text{P}}\left(\text{t}\right)=\frac{\text{n}\cdot \text{P}\left(\text{t}\mathrm{,0}\right)+{\displaystyle {\sum }_{\text{i}=1}^{\text{k}}\text{P}\left(\text{t},\text{i}\cdot {\text{t}}_{\text{TG}}\right)}}{\text{n}+\text{k}}$$

  
• Wobei k die Anzahl der diskreten Verzögerungsschritte um t_TG angibt und n die Anzahl der Messungen ohne Verzögerung. Die Annahme für eine konstante PDF besteht darin, dass die Messungen ohne Verzögerung mit Beginn der Messung bereits die Höhe der PDF gemäß (8) abbilden sollen. Es resultiert für die beste Anzahl n_best an Messungen ohne Verzögerung $${\text{n}}_{\text{best}}\cdot {\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}={\mathrm{\lambda }}_{\text{R}}+{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}$$

  

  $${\text{n}}_{\text{best}}=\frac{1}{{\text{e}}^{{\mathrm{\lambda }}_{\text{B}}\cdot {\text{t}}_{\text{tg}}}-1}+1$$

  
• Aus (15) kann direkt abgelesen werden, dass die beste Anzahl an Messungen ohne Verzögerung n_best von der Hintergrundrate λ_β und der diskreten Verzögerungsschrittweite t_TG abhängig ist. 8 zeigt die Abhängigkeit von n_best bei einer diskreten Schrittweite von t_TG = 6,25 ns. Insbesondere zeigt 8 n_best in Abhängigkeit der Hintergrundrate λ_B für eine diskrete Schrittweite von t_TG = 6,25 ns. Die Anzahl der Schritte k ist hingegen unabhängig und nur für die Reichweite, auf der die PDF einen konstanten Verlauf annehmen soll, relevant.
• Somit bieten die Konzepte gemäß Ausführungsformen die Möglichkeit bis zu einer gewünschten Reichweite eine nahezu konstante Detektionswahrscheinlichkeit unter der Annahme konstanter Ereignisraten von Hintergrund und Laser zu erreichen.
• 9 zeigt ein kombinierte Vorgehensweise rechts im Vergleich zur einfachen Vorgehensweise links.
• Durch Konzepte gemäß Ausführungsformen ist eine größere Detektionswahrscheinlichkeit für weiter entfernte Objekte gegeben, ohne dass die ungefähre Position des Objektes bekannt sein muss. Es muss das Messverfahren nicht auf eine bestimmte Distanz eingestellt werden, sondern kann den kompletten Bereich bis zu einer maximalen Reichweite abdecken, ab welcher sich das Verfahren wieder wie eine normale Messung ohne Verzögerung des Messbeginns verhält. Die Konzepte gemäß Ausführungsformen stellen somit eine universelle Methode dar, um eine möglichst gute Aufnahme der Umgebung zu erstellen, ohne Informationen über die Szenerie vorher mit anderen Messungen ermittelt haben zu müssen. Zudem ist es, neben der Hintergrundunterdrückung, möglich, Umwelteinflüsse wie Regen, Schnee oder Nebel zu minimieren. Dabei ist es durch die zeitliche Verzögerung möglich, das Objekt hinter einer Nebel- oder Regenwand zu detektieren.
• 10 zeigt eine reale Messung, einmal gemäß Stand der Technik, einmal gemäß einer Ausführungsform. Es ist deutlich der resultierende konstante Verlauf des Hintergrundes und der sich daraus erhobenen Peak zu erkennen. Des Weiteren erkennt man die mit den Verzögerungsschritten erreichte Reichweite bis Bin 600 und der danach folgende exponentielle Abfall.
• Ein Sensor kann aus mehreren unabhängigen Detektionseinheiten (Pixel) bestehen, wobei jede Einheit wiederum aus mehreren einzelnen Detektoren besteht. Die Detektoren werden dabei als SPADs ausgeführt, da diese dank ihrer hohen Empfindlichkeit zur Erfassung einzelner Photonen und damit für die beschriebene Konzepte gemäß Ausführungsformen geeignet sind. Jeder Detektor einer Detektionseinheit liefert (erzeugt) Detektionssignale (Empfangssignale), sobald ein einfallendes Photon erkannt wurde (bei dem Auftreffen des Photons auf dem Detektor bzw. Sensor). Nach der Detektion eines Photons ist der Detektor für die Dauer der Totzeit inaktiv, erst danach kann ein nächstes Photon detektiert werden.
• Die Steuerung der Signale am Sensor erfolgt von extern z.B. durch eine Steuereinheit. Es wird ein Lichtpuls (z.B. ein Laserpuls) zum Emittierungszeitpunkt (z.B. durch eine Lichtquelle) emittiert, welcher nach der Reflektion an einem Objekt in einer gewissen Entfernung wieder vom Sensor aufgenommen und von einer SPAD detektiert wird (z.B. ein Empfangssignal wird erzeugt). Der Sensor (z.B. die SPAD) wird über ein Gate-Signal eingeschaltet und kann nur in diesem Zustand (innerhalb eines Erfassungszeitraums des Sensors) ein Signal (Empfangssignal) bei dem Auftreffen eines Photons erzeugen und z.B. an die nachfolgende Elektronik weitergeben. In den Konzepten gemäß Ausführungsformen wird nun zwischen den aufeinanderfolgenden Messungen das Gate-Signal in diskreten Zeitabständen t_TG weiter verschoben, um somit den Start der Messung bezogen auf die Laseremission zu verschieben. Dabei resultiert eine Abnahme der benötigten Messzeit zu höheren Verschiebungen hin, da nur der Beginn aber nicht das Ende des Messfensters (Erfassungszeitraum des Sensors) verschoben wird.
• Ein Timing der Signale ist in 11 zu sehen. So zeigt 11 einen Timing Sensor und einen Laser gemäß einer Ausführungsform.
• Da im vorliegenden Beispiel der Time-to-Digital-Converter (TDC) die Zeit zwischen dem Auftreffen des Ereignisses und dem Ende der Messung erfasst und lediglich der Beginn des Messfensters (der Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums des Sensors) verschoben wird, ist keine Korrektur der gemessenen Zeit nötig.
• Alle Messungen können zusammen in einem Histogramm gesammelt und anschließend ausgewertet werden.
• Eine alternative Realisierung gemäß Ausführungsformen besteht darin, nicht die Gate-Zeiten, d.h. die Dauer des Messfensters (Erfassungszeitraums), zu verändern, sondern das Timing des Lasers (Lichtquelle) zu variieren. Dabei wird die Messzeit konstant gelassen und der Laser verfrüht ausgelöst (Pretrigger). Dies resultiert jedoch in einer unterschiedlich gemessenen Laufzeit des Lasers, welche nachträglich z.B. anhand des eingestellten Verzögerungsschrittes korrigiert wird. Das Timing der Signale ist für diese Realisierung in 12 zu sehen.
• 12 zeigt einen Timing Sensor und Laser-Alternative gemäß einer Ausführungsform.
• 13 zeigt ein Ablaufdiagramm des Verfahrens gemäß einer Ausführungsform.
• Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
• Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BluRay Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.
• Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.
• Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahin gehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.
• Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.
• Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinen-lesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger oder das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise greifbar und/oder nicht flüchtig.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahin gehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahin gehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.
• Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.
• Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
• Referenzen:
• [1] P. Seitz and A. J. P. Theuwissen, Eds., Single-photon imaging. Heidelberg; New York: Springer, 2011.
• [2] M. M. Hayat, S. N. Torres, and L. M. Pedrotti, „Theory of photon coincidence statistics in photon-correlated beams," Opt. Commun., vol. 169, no. 1-6, pp. 275-287, Oktober 1999.
• [3] M. Beer, O. M. Schrey, B. J. Hosticka, and R. Kokozinski, „Coincidence in SPADbased time-of-flight sensors," in 2017 13th Conference on Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), 2017, pp. 381-384.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Nicht-Patentliteratur
• M. M. Hayat, S. N. Torres, and L. M. Pedrotti, „Theory of photon coincidence statistics in photon-correlated beams,“ Opt. Commun., vol. 169, no. 1-6, pp. 275-287, Oktober 1999 [0076]
• M. Beer, O. M. Schrey, B. J. Hosticka, and R. Kokozinski, „Coincidence in SPADbased time-of-flight sensors,“ in 2017 13th Conference on Ph.D. Research in Microelectronics and Electronics (PRIME), 2017, pp. 381-384 [0076]

Claims (17)

1. Vorrichtung (100) zur Distanzmessung zwischen der Vorrichtung (100) und einem Objekt (900), wobei die Vorrichtung (100) umfasst: eine Lichtquelle (110), einen Sensor (120), eine Steuereinheit (130) und eine Auswerteeinheit (140), wobei die Lichtquelle (110) ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Lichtpulsen zu emittieren, die von dem Objekt (900) zu dem Sensor (120) zurückreflektiert werden, so dass ein Zurückreflektieren eines der Mehrzahl von Lichtpulsen auf dem Sensor (120) ein Auftreffen eines Photons auf dem Sensor (120) auslöst, wobei der Sensor (120) ausgebildet ist, innerhalb eines Erfassungszeitraums des Sensors (120) bei dem Auftreffen des Photons auf dem Sensor (120) ein Empfangssignal zu erzeugen, wobei die Steuereinheit (130) ausgebildet ist, eine Mehrzahl von Messungen dadurch vorzunehmen, dass die Steuereinheit (130) für jede Messung der Mehrzahl von Messungen die Lichtquelle (110) derart ansteuert, dass die Lichtquelle (110) zu einem Emittierungszeitpunkt einen Lichtpuls der Mehrzahl von Lichtpulsen emittiert, und wobei die Steuereinheit (130) für jede Messung der Mehrzahl von Messungen einen Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums des Sensors (120) festlegt, wobei die Auswerteeinheit (140) ausgebildet ist, eine Distanz zwischen der Vorrichtung (100) und dem Objekt (900) abhängig von der Mehrzahl der Messungen zu bestimmen, und wobei die Steuereinheit (130) ausgebildet ist, für wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen eine Zeitdifferenz zwischen dem Emittierungszeitpunkt und dem Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums zu variieren.
2. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (130) ausgebildet ist, für die wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen den Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums des Sensors (120) zu variieren.
3. Vorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuereinheit (130) ausgebildet ist, für die wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen den Emittierungszeitpunkt des Lichtpulses der Mehrzahl von Lichtpulsen zu variieren.
4. Vorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (130) ferner ausgebildet ist, für die wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen den Beginn des Erfassungszeitraums des Sensors (120), nicht aber das Ende des Erfassungszeitraums des Sensors (120) zu variieren.
5. Vorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen eine erste Gruppe von Messungen bilden und wobei die Mehrzahl von Messungen des Weiteren eine zweite Gruppe von Messungen umfasst, wobei die Steuereinheit (130) ferner ausgebildet ist, bei jeder Messung bei der ersten Gruppe von Messungen den Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums dieser Messung zeitlich nach dem Emittierungszeitpunkt und dem Startzeitpunkt dieser Messung festzulegen, und wobei die Steuereinheit (130) ferner ausgebildet ist, bei jeder Messung bei der zweiten Gruppe von Messungen den Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums dieser Messung zeitlich gleichzeitig oder zeitlich vor dem Emittierungszeitpunkt und dem Startzeitpunkt dieser Messung festzulegen.
6. Vorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die wenigstens zwei Messungen eine erste Messung, eine zweite Messung und eine dritte Messung umfassen, wobei eine erste Zeitdifferenz definiert vom Emittierungszeitpunkt bis zum Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums bei der ersten Messung um einen ersten vordefinierten Wert kürzer als eine zweite Zeitdifferenz definiert vom Emittierungszeitpunkt bis zum Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums bei der zweiten Messung ist, wobei die zweite Zeitdifferenz um einen zweiten Wert kürzer als eine dritte Zeitdifferenz definiert vom Emittierungszeitpunkt bis zum Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums bei der dritten Messung ist.
7. Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei der Emittierungszeitpunkt bei der ersten Messung ein erstes Element einer Folge, der Emittierungszeitpunkt bei der zweiten Messung ein zweites Element der Folge und der Emittierungszeitpunkt bei der dritten Messung ein drittes Element der Folge bilden, und wobei die Folge monoton ist.
8. Vorrichtung (100) nach Anspruch 7, wobei der erste vordefinierte Wert und der zweite vordefinierte Wert gleich sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Steuereinheit (130) ausgebildet ist, eine Anzahl von Messungen der zweiten Gruppe von Messungen abhängig von dem ersten vordefinierten Wert festzulegen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Steuereinheit (130) ausgebildet ist, die Anzahl von Messungen der zweiten Gruppe von Messungen abhängig von einer Ereignisrate eines Hintergrundes festzulegen.
11. Vorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Steuereinheit (130) ferner ausgebildet ist, eine Anzahl der wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen abhängig von einer vorbestimmten Reichweite der Distanzmessung festzulegen.
12. Vorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Mehrzahl von Messungen eine Mehrzahl von Zeitmessungen sind.
13. Vorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei jede Messung der Mehrzahl von Messungen eine Messung einer Zeit zwischen dem Emittierungszeitpunkt und einem Erzeugungszeitpunkt des Empfangssignals umfasst.
14. Vorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Bestimmen der Distanz zwischen der Vorrichtung (100) und dem Objekt (900) abhängig von der Mehrzahl der Messungen ein Zusammenfassen der Mehrzahl der Messungen in einem Histogramm und ein Ermitteln der Distanz zwischen der Vorrichtung (100) und dem Objekt (900) abhängig von dem Histogramm umfasst.
15. Vorrichtung (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Sensor (120) eine Single-Photon Avalanche Diode umfasst, und wobei die Auswerteeinheit (140) ausgebildet ist, einen Time-to-Digital-Converter zur Bestimmung der Distanz zwischen der Vorrichtung (100) und dem Objekt (900) einzusetzen.
16. Verfahren zur Distanzmessung zwischen einer Vorrichtung (100) und einem Objekt (900), wobei das Verfahren umfasst: Emittieren einer Mehrzahl von Lichtpulsen durch eine Lichtquelle (110), wobei die Mehrzahl von Lichtpulsen von dem Objekt (900) zu einem Sensor (120) zurückreflektiert werden, so dass ein Zurückreflektieren eines der Mehrzahl von Lichtpulsen auf dem Sensor (120) ein Auftreffen eines Photons auf dem Sensor (120) auslöst, Erzeugen eines Empfangssignals bei dem Auftreffen des Photons auf dem Sensor (120) innerhalb eines Erfassungszeitraums des Sensors (120), Vornehmen einer Mehrzahl von Messungen durch eine Steuereinheit (130) dadurch, dass die Steuereinheit (130) für jede Messung der Mehrzahl von Messungen die Lichtquelle (110) derart ansteuert, dass die Lichtquelle (110) zu einem Emittierungszeitpunkt einen Lichtpuls der Mehrzahl von Lichtpulsen emittiert, und wobei die Steuereinheit (130) für jede Messung der Mehrzahl von Messungen einen Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums des Sensors (120) festlegt, und Bestimmen einer Distanz zwischen der Vorrichtung (100) und dem Objekt (900) abhängig von der Mehrzahl der Messungen durch eine Auswerteeinheit (140), wobei die Steuereinheit (130) für wenigstens zwei Messungen der Mehrzahl von Messungen eine Zeitdifferenz zwischen dem Emittierungszeitpunkt und dem Startzeitpunkt des Erfassungszeitraums variiert.
17. Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 16, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder Signalprozessor durchgeführt wird.

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