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Die Erfindung betrifft ein Entfernungsmesssystem nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Das Entfernungsmesssystem betrifft Lichtlaufzeitkamerasysteme, die Laufzeitinformationen bzw. Entfernungen aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie beispielsweise in der
DE 197 04 496 A1 beschrieben sind.
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Aus der
DE 10 2004 037 137 A1 ist bereits eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung mit Hilfe von Lichtlaufzeitpixeln bekannt, bei der unter anderem eine Anordnung nach dem Triangulationsprinzip vorgeschlagen wird. Die Lichtlaufzeitpixel sind nebeneinander in wenigstens einer Zeile angeordnet. In Abhängigkeit davon, welches Lichtlaufzeitpixel die vom Objekt reflektierte Strahlung erfasst, lässt sich mit Hilfe einer Triangulationsberechnung der Abstand des Objekts bestimmen. Darüber hinaus lässt sich die Entfernung zusätzlich über die Lichtlaufzeit bzw. Phasenverschiebung des gesendeten und empfangenen Lichts bestimmen.
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Aus der
DE 10 2015 223 675 A1 ist bereits ein Lichtlaufzeitsensor für eine Triangulationsmessung bekannt, bei dem Lichtlaufzeitpixel, die Nutzlicht empfangen auf einen gemeinsamen Integrator und Lichtlaufzeitpixel, die kein Nutzsignal empfangen auf einen Verwerfknoten geschaltet werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufbau eines Lichtlaufzeitsensors, der für ein Triangulationssystems ausgebildet ist, zu vereinfachen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
- 2 ein Lichtlaufzeitpixel nach dem PMD-Prinzip,
- 3 eine Triangulation für einen Nah- und Fernbereich,
- 4 eine Draufsicht der Anordnung gemäß 3,
- 5 eine erfindungsgemäße Verschaltung der Sensorspalten,
- 6 mehrere der Schaltermatrix nachgeordneten Verstärker,
- 7 ein Detail der Pixelmatrix,
- 8 ein erfindungsgemäßes Binning von Lichtlaufzeitpixel,
- 9 eine Ausgestaltung der Schaltermatrix.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der
DE 197 04 496 bekannt ist.
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Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.
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Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel 21, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.
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Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal Mo mit einer Basisphasenlage φ0 beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals M0 der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.
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Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + Δφ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal Mo mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
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Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Wellenlängenbereichen denkbar.
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2 zeigt einen Querschnitt durch ein Lichtlaufzeitpixel eines Photomischdetektors wie er beispielsweise aus der
DE 197 04 496 C2 bekannt ist. Die Modulationsphotogates Gam, G
0, Gbm bilden den lichtsensitiven Bereich eines PMD-Pixels. Entsprechend der an den Modulationsgates Gam, G
0, Gbm angelegten Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate bzw. Integrations- /Diodenknoten Ga, Gb gelenkt.
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In der Ausgestaltung der Modulationsgates kann ggf. auch auf das mittlere Modulationsgate Go verzichtet werden. Alternativ kann ferner ein solches Lichtlaufzeitpixel auch ohne Modulationsgates ausgestaltet sein, wie es beispielsweise in der
EP 1 332 594 A1 gezeigt und beschrieben ist.
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2b zeigt einen Potenzialverlauf, bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Integrationskonten Ga abfliesen, während das Potenzial gemäß 2c die Ladung q in Richtung des zweiten Integrationsknoten Gb fließen lässt. Die Potenziale werden entsprechend der anliegenden Modulationssignale vorgegeben. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 500 MHz ggf. sogar höher. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt.
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In 2a ist ferner eine Ausleseeinheit 400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten PMD-Lichtlaufzeitsensors bzw. eines Empfangselements 22 sein kann. Die als Kapazitäten bzw. Dioden ausgebildeten Integrationsknoten Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Gates Ga, Gb anliegende Spannung beispielsweise über die Ausleseeinheit 400 hochohmig abgegriffen werden. Die Verschaltung und Auswertung des ersten und zweiten Integrationsknotens Ga, Gb bildet hierbei einen so genannten A- und B-Kanal.
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3 zeigt eine Triangulations-Anordnung, bei der der Lichtlaufzeitsensor 22 aus einer Zeile von Lichtlaufzeitpixeln 21 aufgebaut ist. Die Beleuchtung 10 sendet einen einzelnen, vorzugsweise wenige µm durchmessenden, modulierten Lichtstrahl aus. Bei einer Reflektion an einem Objekt trifft der Lichtstrahl abhängig von der Objektentfernung auf ein entsprechendes Lichtlaufzeitpixel 21. Bei fester Brennweite des Objektivs 15 und einem Fokus im Unendlichen, werden Lichtstrahlen, die von fernen Objekten reflektiert werden, scharf und punktförmig (durchgezogene Linie) und Reflektionen an nahen Objekten unscharf abgebildet (gestrichelte Linie).
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Über den Ort bzw. dem Lichtlaufzeitpixel, an dem der Lichtstrahl detektiert wird, lässt sich, wie aus der Triangulation bekannt, eine Entfernung des Objekts bestimmen. Zusätzlich zu der geometrischen Berechnung des Ortes steht über das jeweilige Lichtlaufzeitpixel 21 auch die Lichtlaufzeit und somit ein zweiter Entfernungswert zur Verfügung.
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4 zeigt die Anordnung gemäß 3 in der Draufsicht. Die Fläche des Lichtpunkts nimmt abhängig von der Entfernung von fernen in zu nahen Objekten zu.
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Insbesondere in Sicherheitsanwendungen können diese diversitär und redundant gewonnenen Entfernungswerte separat verarbeitet werden, wobei ein Entfernungswert nur dann als gültig ausgegeben wird, wenn die Abweichung der Entfernungswerte innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen liegt. Insbesondere können die Entfernungswerte auch über separate Auswerteeinheiten unabhängig voneinander ausgewertet werden, so dass eine zusätzliche Redundanz in der Auswertungsstrecke vorhanden ist.
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Binning ist eine für 2D- und 3D-Bildsensoren bekannte Technik, um den Signal-Rausch-Abstand auf Kosten der Auflösung zu verbessern. Dabei werden gleichmäßig angeordnete Pixel zu einem Pixel zusammengefasst und ihre Signalwerte entweder im analogen Bereich addiert oder nach einer Wandlung in die Digitaldomäne gemittelt.
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Wie in den 3 und 4 dargestellt kommt es in der eindimensionalen Entfernungsmessung durch Triangulationseffekte zu einer Wanderung des Lichtspots über dem Sensor. Dies gilt für jedes System, bei dem die Aussendung des Lichtsignals nicht senkrecht über dem Sensor, sondern mit einem Abstand zwischen Sende- und Empfangskanal stattfindet. Durch den Einsatz einer Optik mit fester Brennweite verändert sich zusätzlich die Größe des Lichtspots in Abhängigkeit vom Objektabstand.
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Time-of-Flight-Anwendungen sind anfällig für Störungen durch Hintergrundlicht und Rauschen aus dem Pixel. Eine Reduktion der ausgelesenen Pixelfläche auf die Größe des einfallenden Lichtspots reduziert unter anderem den Anteil von Fremdlicht am Pixelstrom und verbessert damit den Signal-Rausch-Abstand. Für einen Sensor mit einer Stromauslese, also einem aktiven Integrator außerhalb des Pixelarrays, können die beleuchteten Pixel in der Strom-/Ladungsdomäne analog zusammen geschalten werden, während Pixel mit wenig bis keinem aktiven Licht verworfen werden können. Des Weiteren ist die Konfigurierbarkeit des Binnings von Vorteil, um beispielsweise Fertigungstoleranzen bei der Platzierung von Sender und Empfänger auszugleichen.
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Eine Sensorzeile aus kleinen Pixeln, welche für den Fernbereich passend sind, aber für den Nahbereich zu klein, müsste in einer großen Schaltermatrix oder innerhalb der Sensorzeile gebinnt werden. Dabei hat die große Anzahl der benötigten Schalter negative Auswirkungen auf die Performance durch parasitäre Kapazitäten und Leckströme. Pixel mit optimierten Dimensionen für jeden Entfernungsbereich führen jedoch zu einem unregelmäßigen und somit ungünstigen Layout.
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Das erfindungsgemäße Konzept reduziert den Verdrahtungsaufwand deutlich.
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Wie in 5 schematisch gezeigt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Pixel 21 von wenigsten zwei Sensorspalten über ein gemeinsames Schieberegister anzusteuern. In Abhängigkeit des Registerwerts werden die Diodenknoten Ga, Gb der Lichtlaufzeitpixel 21 entweder auf Spaltenleitungen, die auf eine Schaltmatrix 80 führen oder auf ein Verwerf- / Resetpotential (in 5 nicht dargestellt) geschaltet. Die Schaltmatrix 80 ist derart aufgebaut, dass mehrere Spaltenleitungen gemeinsam auf einen differenziellen Verstärker 100 geführt werden können.
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Wie in 6 gezeigt, kann vor Verstärker 100 beispielsweise auch eine Hintergrundlichtausblendung SBI (supression of background illumination) eingebunden sein. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, über die Schaltermatrix 80 eine oder mehrere Spalten bzw. Spaltenleitungen gruppenweise auf einen gemeinsamen Verstärker 100 zu schalten. Während der Belichtungs- / Integrationszeit dienen die Diodenknoten Ga, Gb sowie die Spaltenleitungen cola, colb als Integrationskapazität zur Akkumulation der an den zugeschalteten Pixeln photogenerierten Ladungen. Die am Eingang der differenziellen Verstärkers 100 anliegende Spannung wird verstärkt und ist als Differenzsignal am Ausgang des Verstärkers 100 abgreifbar.
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Nach Beenden der Integration werden die Spaltenleitungen sowie die Diodenknoten Ga, Gb auf Reset-Potenzial gesetzt.
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7 zeigt beispielhaft eine mögliche Verdrahtung eines erfindungsgemäßen Pixelarrays. Die Lichtlaufzeitpixel 21 sind in 7 mit BPIX gekennzeichnet. Im dargestellten Beispiel weist jede Sensorspalte zwei Spaltenleitungen cola, colb, die die Ladungen der Pixel, abhängig vom Registerwert, auf eine Schaltermatrix 80 und hierüber auf einen differenziellen Verstärker 100 führen.
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Ferner sind spaltenweise die Signalleitungen für die Modulationsgates Gam, Gbm, Go, und ggf. Separationsgates sep geführt. Die Register FF des Schieberegisters sind mit einer Taktleitung clk und eine Select-Leitung pix-sel_n verbunden. Über die Select-Leitung pix-sel_n werden die Pixel in Abhängigkeit des Registereintrags angesteuert.
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Zeilenweise wird zudem eine Leitung mit dem Resetpotenzial vreset geführt.
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Wie bereits beschrieben werden die Diodenknoten Ga, Gb abhängig vom Registerwert entweder auf das Reset-Potenzial vrest oder auf die Spaltenleitungen cola, colb geschaltet.
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Um den Verdrahtungsaufwand weiter zu reduzieren ist es ferner, wie in 8 gezeigt, vorgesehen, Gruppen von wenigstens vier Pixel in einer Sensorspalte zusammenzufassen. Dieses festverdrahtete Binning innerhalb des Arrays sorgt für eine weitere Reduktion der Anzahl an benötigten Schalter. Somit wird in Kombination mit dem Schieberegister die Anzahl der Leitungen, die in das Array hineingeführt werden müssen, erheblich reduziert.
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Das Schieberegister bzw. das der Pixelgruppe zugeordnete Register FF steuert über die Signalleitung px_sel_n<r> die Schaltergruppen S1 und S2. Im dargestellten Beispiel wird bei Anliegen eines Signals an sel_n der Schalter S2 geschlossen und über das NAND-Gatter der Schalter S1 geöffnet. Liegt kein Signal an schließt S1 und öffnet S2. S1 und S2 sind insofern als Wechselschalter ausgebildet.
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Über die Schaltergruppe S1 sind die Diodenknoten diode a, diode b aller zusammengefassten Pixel PMD1 - 4 gemeinsam auf die Ausleseleitungen cola, colb und über die Schaltergruppe S2 gemeinsam das Reset-Potenzial vreset schaltbar.
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Dabei ist stets ein Schaltergruppe geöffnet und die andere geschlossen. Dies verhindert negative Effekte durch sättigende, nicht ausgelesene Pixel auf für Messungen genutzte Nachbarpixel. Im dargestellten Beispiel sind die Diodenknoten diode a, diode b der Lichtlaufzeitpixel PMD1 bis PMD4 über den ersten Schalter S1 auf die Spaltenleitungen cola, colb geschaltet. Der Schalter S2, der die Diodenknoten diode a, diode b mit der Reset-Leitung vreset verbindet ist geöffnet.
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Durch die feste Brennweite der Empfangsoptik wird der Spot bei seiner Wanderung über die Sensorzeile von Fern- zum Nahbereich immer größer. Dieser Effekt wird ausgenutzt, indem im Nahbereich mehrere benachbarte Schieberegister mit demselben Datenwort beschrieben werden. Die Anzahl der gleich beschriebenen Register nimmt vom Nahbereich zum Fernbereich ab. Durch dieses Vorgehen kann auch außerhalb der Pixelzeile Logik und Verdrahtung eingespart werden.
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Die innerhalb einer Spalte auf einen Ausleseleitung geschalteten Pixelströme werden, wie in 9 gezeigt, außerhalb des Pixel-Arrays auf die Schaltermatrix 80 geführt. Dabei hat jede Spalte vorzugsweise ihre eigene Matrix 80.1. Mit dieser Matrix werden die Ströme der Spaltenleitung cola, colb auf eine gemeinsame Leitung geführt, welche genau einem differenziellen Verstärker 100 zugeordnet ist. Also readouta/b<1> ist einem ersten Verstärker 100.1 und readouta/b<n> ist einem n-ten Verstärker 100.n zugeordnet.
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Somit ist es möglich, in x-Richtung mehrere Spalten zusammenzufassen. Für den Fernbereich kann es aufgrund des kleinen Lichtpunkts vorgesehen sein, nur eine Spalte einem Verstärker zuzuordnen. Nicht verwendete Spalten, können innerhalb der Schaltermatrix auf einen Verwerfknoten bzw. Verwerfpotenzial discard geschaltet. Dies verhindert effektiv negative Effekte auf Pixel in benachbarten Spalten.
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10 zeigt schematisch eine weitere Variante, bei der die Spalten entsprechend ihres Entfernungsbereichs fest verdrahtet sind. Im linken Bereich sind beispielsweise vier Pixel für den Fernbereich und nach links in der Spaltenanzahl von drei, zwei auf eins abnehmend für den Nahbereich verdrahtet. Die beleuchteten Pixel sind auf den differenziellen Verstärker 100 zugeschaltet, während die nicht beleuchteten Pixel abgeschaltet, d.h. mit ihren Diodenknoten auf ein Reset-Potenzial aufgeschaltet sind.
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Die gezeigten Ausführungsbeispiele können einzeln als auch in Kombination angewendet werden. Insbesondere ist es denkbar, einen Teil des Sensors fest zu verdrahten, während ein anderer Teil des Sensors über eine Schaltermatrix 80 mit den Verstärkern 100 verbunden ist.
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Zur Entfernungsmessung ist es von Vorteil mehrere Messungen durchzuführen, indem beispielsweise in einer Grobmessung zunächst der Ort des eintreffenden Lichtpunkts bestimmt wird. Nachdem der Ort bestimmt ist, können die Spalten, in denen kein Licht auftrifft, auf Reset-Potenzial geschaltet werden. So ist grundsätzlich die x-Position des Lichtpunkts bestimmt.
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In weiteren können zusätzlich auch die Registereinträge angepasst werden, sodass in y-Richtung nur die beleuchteten Pixel ausgewertet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- PMD-Entfernungsmesser
- 10
- Beleuchtungsmodul
- 15
- Strahlformungsoptik
- 20
- Lichtlaufzeitkamera
- 21
- Lichtlaufzeitpixel
- 22
- Lichtlaufzeitsensor
- 25
- Empfangsoptik
- 30
- Modulator
- 35
- Phasenschieber
- 40
- Objekt
- 80
- Schaltermatrix
- 90
- SBI
- 100
- Verstärker
- 400
- Ausleseeinheit
- Ga
- Integrationsknoten, Diodenknoten Kanal A
- Gb
- Integrationsknoten, Diodenknoten Kanal B
- Gam
- Modulationsgate
- Gbm
- Modulationsgate
- G0
- Modulationsgate
- FF
- Register, Schieberegister
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19704496 A1 [0002]
- DE 102004037137 A1 [0003]
- DE 102015223675 A1 [0004]
- DE 19704496 [0009]
- DE 19704496 C2 [0015]
- EP 1332594 A1 [0016]
