DE112017003858T5

DE112017003858T5 - Laufzeitdistanzmessvorrichtung

Info

Publication number: DE112017003858T5
Application number: DE112017003858.8T
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Nagai
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2016-08-01
Filing date: 2017-07-27
Publication date: 2019-04-18
Anticipated expiration: 2037-07-28
Also published as: JP2018021764A; CN109564287A; CN109564287B; DE112017003858B4; WO2018025749A1; US11340351B2; JP6673084B2; US20190179017A1

Abstract

Eine Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 misst eine Distanz gemäß einer Vielzahl von Modulationsfrequenzen einschließlich einer ersten Modulationsfrequenz f1 und einer zweiten Modulationsfrequenz f2, die niedriger als die erste Modulationsfrequenz f1 ist. Wenn die Distanz bei der ersten Modulationsfrequenz f1 gemessen wird, speichert und entlädt eine Speicherkapazität eines Lichtempfangselements elektrische Ladungen gemäß dem Timing, wenn die Polarität einer Phase durch eine Lichtemissionssteuereinheit 3 bei jeder Aussendung einer Untersequenz gesteuert wird, und die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 misst die Distanz gemäß den elektrischen Ladungen, die in der Speicherkapazität gespeichert sind. Die Digitalsignalverarbeitungsschaltung korrigiert das Ergebnis der Distanzmessung basierend auf dem Messergebnis bei der ersten Modulationsfrequenz f1 und dem Messergebnis bei der zweiten Modulationsfrequenz f2.

Description

[Querverweis auf zugehörige Anmeldung]
Diese Anmeldung basiert auf der am 1. August 2016 beim japanischen Patentamt eingereichten, japanischen Patenanmeldung Nr. 2016-151204 , auf deren Offenbarung voll inhaltlich Bezug genommen wird.
[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Laufzeitdistanzmessvorrichtung, die Licht, das in einem Muster mit einer Wiederholungsperiode moduliert wird, in einen Raum emittiert, einfallendes Licht einschließlich Licht, das von einem Ziel reflektiert wird, an dem das modulierte Licht reflektiert wurde, empfängt, und elektrische Ladungen in einer Vielzahl von Speicherkondensatoren aufteilt und speichert, und die Distanz von der betreffenden Vorrichtung zu dem Ziel unter Verwendung von abgetasteten Werten berechnet.
[Stand der Technik]
Als eine Vorrichtung, die die Distanz von der betreffenden Vorrichtung zu einem Ziel in einer kontaktlosen Weise berechnet, wurde eine Laufzeitdistanzmessvorrichtung (englischer Begriff Time-Of-Flight (TOF) distance measurement device) bereitgestellt (vergleiche beispielsweise Patentdokument 1). Die Laufzeitdistanzmessvorrichtung emittiert Licht (Distanzmesslicht), das in einem Muster mit einer Wiederholungsperiode moduliert wird, in einen Raum, empfängt einfallendes Licht einschließlich reflektiertem Licht von dem Ziel, an dem das modulierte Licht reflektiert wurde. Dann teilt und speichert die Laufzeitdistanzmessvorrichtung elektrische Ladungen entsprechend dem empfangenen einfallenden Licht in mehrere Speicherkondensatoren und berechnet die Distanz von der betreffenden Vorrichtung zu dem Ziel unter Verwendung von abgetasteten Werten.
Es ist ein Bedarf zum Verringern eines Distanzfehlers bei einer Laufzeitdistanzmessvorrichtung vorhanden. Als Verfahren zum Verringern eines Distanzfehlers wurde ein Phasenwinkelfehler unterdrückt, das heißt ein Signalrauschverhältnis (SNR vom englischen Signal Noise Ratio) wird erhöht, oder eine Modulationsfrequenz wird erhöht. Um das SNR zu erhöhen, kann eine Lichtemissionsleistung erhöht werden, um eine Signalkomponente zu erhöhen, ein optischer Filter verwendet werden, um eine Rauschkomponente zu verringern, oder die Anzahl von Integrationen erhöht werden.
[Literaturliste]
[Patentdokument]

[PTL 1] Ungeprüfte US Patentanmeldung mit der Publikationsnummer 2012/0098964
[PTL 2] US Patent Nr. 7791715
[PTL 3] WO 2010/098454

[Zusammenfassung der Erfindung]
Gemäß dem Verfahren, bei dem die Modulationsfrequenz erhöht wird, wird die Distanz, in der Aliasing auftritt, jedoch mit zunehmender Modulationsfrequenz kürzer, wodurch es schwierig ist, zwischen einem nahen Ziel und einem entfernten Ziel zu unterscheiden.
Wenn Signale von Licht, das von einer großen Anzahl von Sensoren emittiert wird, empfangen werden, tritt zusätzlich Interferenz zwischen den empfangenen Signalen auf. Um dieses Problem zu lösen, schlägt PTL 1 ein Verfahren zum Verbessern eines Interferenzwiderstands zwischen Kameras durch Teilen einer Belichtungssequenz durch eine Zeiteinheit und Einfügen einer willkürlichen oder pseudowillkürlichen Phasenverzögerung durch die Zeiteinheit zum Ändern der Phase vor. Dieses Verfahren ist effektiv bei der Abwesenheit von intensivem Hintergrundlicht, das heißt einer Gleichtaktkomponente. Dieses Verfahren verursacht bei der Anwesenheit der Gleichtaktkomponente jedoch, dass elektrische Ladungen nur in der Kapazität auf einer Seite eines Differentials während der eingefügten Phasenverzögerung gespeichert werden, was zu einem Fehler führen würde.
Wenn ferner eine Verzögerungszeit für jeden Puls unter Verwendung einer Spreizspektrum-Technologie einer PN-Modulation festgelegt wird, wird die Belichtungszeit länger, die zum Erlangen des gleichen SNR wie der in dem Fall notwendig ist, in dem eine Belichtung durch Modulation ohne ein willkürliches Muster ausgeführt wird. Das heißt, es ist wünschenswert, das Aliasing-Problem und das Interferenzproblem gleichzeitig mit einer ausreichenden Genauigkeit und einer ausreichenden Geschwindigkeit zu lösen.
Die vorliegende Erfindung wurde unter den vorstehenden Umständen gemacht. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Laufzeitdistanzmessvorrichtung bereitzustellen, die den Einfluss von Aliasing vermeidet, und wenn eine große Anzahl von Sensoren vorhanden ist, die Interferenz zwischen diesen verhindert beziehungsweise vermeidet.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Offenbarung emittiert eine Lichtemissionssteuereinheit Licht, das bei mindestens zwei oder mehr unterschiedlichen Modulationsfrequenzen einschließlich einer ersten Modulationsfrequenz und einer zweiten Modulationsfrequenz moduliert wird. Eine Lichtempfangssteuereinheit empfängt einfallendes Licht einschließlich reflektiertem Licht von einem Ziel, an dem das modulierte Licht reflektiert wurde, und tastet elektrische Ladungen ab, die in einem Lichtempfangselement gespeichert sind, das die elektrischen Ladungen entsprechend dem einfallenden Licht in eine Vielzahl von Speicherkapazitäten aufteilt und speichert. Eine Distanzmesseinheit misst die Distanz von der betreffenden Vorrichtung zu dem Ziel.
Wenn ein Muster des modulierten Lichts, bei dem ein Pulsmuster bei der ersten Modulationsfrequenz, die die höchste unter den mehreren Modulationsfrequenzen ist, N Mal wiederholt wird, eine Untersequenz ist, wobei N eine natürliche Zahl von 2 oder größer ist, steuert die Lichtemissionssteuereinheit ein Lichtemissionselement, um Licht derart zu emittieren, dass eine Phasenpolarität in einer Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung willkürlich mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/2 bei jeder Aussendung der Untersequenz geändert wird. Die Distanzmesseinheit misst die Distanz gemäß einer Vielzahl von Modulationsfrequenzen einschließlich der ersten Modulationsfrequenz und der zweiten Modulationsfrequenz, die niedriger als die erste Modulationsfrequenz ist.
Wenn die Distanzmesseinheit die Distanz bei der ersten Modulationsfrequenz misst, tastet die Lichtempfangssteuereinheit die elektrischen Ladungen ab, die im Lichtempfangselement gemäß dem Timing, wenn die Lichtemissionseinheit die Phasenpolarität bei jeder Aussendung der Untersequenz steuert, gespeichert sind, und die Distanzmesseinheit misst die Distanz. Die Distanzmesseinheit korrigiert dann das Distanzmessergebnis basierend auf dem Messergebnis bei der ersten Modulationsfrequenz und dem Messergebnis bei der zweiten Modulationsfrequenz.
Die Lichtemissionssteuereinheit steuert die Änderung der Phasenpolarität in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung willkürlich mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/2 bei jeder Übertragung der Untersequenz so, dass die Distanz gemäß der Phasenpolarität gemessen wird, die in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung geändert ist. Demzufolge wird die Verteilung der elektrischen Ladungen bei jeder Aussendung der Untersequenz mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/2 willkürlich geändert. Das Speichern der elektrischen Ladungen wird zusätzlich eine große Anzahl von Malen wiederholt und somit sind die elektrischen Ladungen auf die positive Seite und die negative Seite durchschnittlich verteilt. Falls folglich ein Risiko eines Einflusses von einem anderen Sensor vorhanden ist, kann der Einfluss minimiert werden.
Das Messergebnis bei der zweiten Modulationsfrequenz weist keinen Einfluss von Aliasing auf mindestens ein Signal auf, das von dem Bereich reflektiert wird, der den N Perioden des Pulsmusters bei der ersten Modulationsfrequenz entspricht. Demzufolge ermöglicht es ein Messen der Distanz gemäß dem Distanzmessvorgang bei der zweiten Modulationsfrequenz, den Einfluss von Aliasing auf ein Minimum zu eliminieren.
Figurenliste
Die vorstehenden und weitere Objekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenschau mit den Figuren ersichtlich. Es zeigen:

1 ein funktionales Blockdiagramm einer ersten Ausführungsform;
2 ein Diagramm, das eine Teilkonfiguration eines Lichtempfangselements darstellt;
3 ein Diagramm, das eine Basisvierphasensequenz darstellt;
4 ein Diagramm, das eine Sequenz darstellt;
5 ein Diagramm, das eine Sequenz von zeitlichen Änderungen elektrischer Ladungsspeicherung darstellt;
6 ein Diagramm, das eine Sequenz in einer zweiten Ausführungsform darstellt;
7 ein Diagramm, das eine Sequenz in einer dritten Ausführungsform darstellt;
8 ein Diagramm, das eine Sequenz in einer vierten Ausführungsform darstellt;
9 ein Diagramm, das eine Teilkonfiguration eines Lichtempfangselements in einer fünften Ausführungsform darstellt;
10 ein Diagramm, das eine Sequenz darstellt;
11 ein Diagramm, das Verstärkungseigenschaften bezüglich Phasenänderungen darstellt;
12 ein Diagramm, das eine Sequenz in einer sechsten Ausführungsform darstellt; und
13 ein schematisches Ablaufdiagramm einer Verarbeitung in einer siebten Ausführungsform.

[Beschreibung der Ausführungsformen]
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsformen, die auf eine Laufzeitdistanzmessvorrichtung angewandt werden, die beispielsweise in einem Fahrzeug installierbar ist, mit Bezug auf die Figuren beschrieben. Hinsichtlich der nachfolgenden Ausführungsformen werden die Komponenten mit identischen oder ähnlichen Funktionen mit identischen Bezugszeichen beschrieben, und Beschreibungen von Konfigurationen, Aktionen und Kooperationen der Komponenten mit den identischen oder ähnlichen Funktionen werden nach Bedarf weggelassen.
(Erste Ausführungsform)
1 bis 5 sind erklärende Diagramme einer ersten Ausführungsform. Eine Laufzeitdistanzmessvorrichtung (nachfolgend einfach als Distanzmessvorrichtung bezeichnet) 1 weiset eine Signalquelle 2, eine Lichtemissionssteuerschaltung 3 als eine Lichtemissionssteuereinheit, ein Lichtemissionselement 4, eine Lichtempfangssteuerschaltung 5 als eine Lichtempfangssteuereinheit, ein Lichtempfangselement 6, eine Gleichtaktkomponenteneliminierungsschaltung 7, Puffer 8a und 8b, eine Differenzerfassungsschaltung 9, eine AD-Wandlungsschaltung 10 und eine Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 auf. Die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 agiert als eine Distanzmesseinheit, eine Signalverarbeitungseinheit, eine Entladesteuereinheit, eine Erweiterungsfestlegungseinheit und eine Vergleichseinheit. Die Distanzmessvorrichtung 1 ist so konfiguriert, dass sie die Distanz von der betreffenden Vorrichtung zu einem Ziel 12 berechnet. Das Ziel 12 ist beispielsweise eine Person, ein Objekt, ein anderes Fahrzeug wie ein vorausfahrendes Fahrzeug, ein Hindernis auf einer Straße, eine Wand als ein straßenseitiges Objekt (beziehungsweise ein Objekt am Straßenrand) oder dergleichen.
Die Signalquelle 2 gibt Antriebssignale an die Lichtemissionssteuerschaltung 3 und die Lichtempfangssteuerschaltung 5 aus. Als die Antriebssignale werden gepulste Signale mit vorgegebenen Frequenzen (f1/2, f1 und f2) verwendet. Die Lichtemissionssteuerschaltung 3 veranlasst das Lichtemissionselement 4, moduliertes Licht gemäß dem Antriebssignal von der Signalquelle 2 zu emittieren. Demzufolge kann das Lichtemissionselement 4 moduliertes Licht zum Ziel 12 gemäß einer Vielzahl von Modulationsfrequenzen emittieren.
Die Lichtempfangssteuerschaltung 5 steuert eine Belichtung des Lichtempfangselements 6 gemäß dem Antriebssignal von der Signalquelle 2. Zu dieser Zeit können die Lichtemissionssteuerschaltung 3 und die Lichtempfangssteuerschaltung 5 sich synchronisieren, da die Lichtemissionssteuerschaltung 3 und die Lichtempfangssteuerschaltung 5 dasselbe Antriebssignal empfangen. In Synchronisation mit dem modulierten Licht, das durch die Lichtemissionssteuerschaltung 3 unter der Steuerung des Lichtemissionselements 4 emittiert wird, kann die Lichtempfangssteuerschaltung 5 die Belichtungsperiode bzw. den Belichtungszeitraum des Lichtempfangselements 6 einstellen und steuern.
Zu dieser Zeit kann das Antriebssignal, das durch die Signalquelle 2 ausgegeben wird, ein rechteckiger Puls (im Allgemeinen mehrere bis mehrere zehn MHz) zum Antreiben des Lichtemissionselements 4 und des Lichtempfangselements 6 oder ein Synchronisationspuls sein.
Das Lichtemissionselement 4 ist eine Laserdiode (LD) oder eine lichtemittierende Diode (LED), die Infrarotlicht beispielsweise als moduliertes Licht emittiert. Das Lichtempfangselement 6 ist ein Bildsensor, der beispielsweise eine Verarbeitung eines komplementären Metalloxidhalbleiters (CMOS) oder einer ladungsgekoppelten Vorrichtung (CCD) verwendet. Wie in 2 dargestellt, weist das Lichtempfangselement 6 eine große Anzahl von Pixeln 16 auf, die jeweils eine Fotodiode (PD) 13, zwei Modulationsschalter 14a und 14b und zwei Speicherkapazitäten 15a und 15b, die elektrische Ladungen laden und entladen können, aufweisen.
Die zwei Modulationsschalter 14a und 14b können beispielsweise durch MOS-Vorrichtungen wie MOS-Transistoren oder Transfergates gebildet sein. Die zwei Speicherkapazitäten 15a und 15b können beispielsweise aus Kapazitätselementen wie MOS, CCD und metallisolierten Metallen (MIM), Drähten, parasitären Kapazitäten von PN-Übergängen und anderen Elementen gebildet sein.
Wenn die Lichtempfangssteuerschaltung 5 die Modulationsschalter 14a und 14b zum Ein- oder Ausschalten in Antwort auf Steuersignale TG1 und TG2 antreibt, teilt das Lichtempfangselement 6 Fotoelektronen, die aus dem empfangenen Einfallslicht resultieren, in die Speicherkapazitäten 15a und 15b auf und gibt Signale, die die Beträge von geteilten Fotoelektronen angeben, an die Gleichtaktkomponenteneliminierungsschaltung 7 aus. Die Steuersignale TG1 und TG2 sind Signale, die mit dem modulierten Licht synchronisiert sind, und die Beträge elektrischer Ladungen der Fotoelektronen, die in die Speicherkapazitäten 15a und 15b aufgeteilt sind, variieren in Abhängigkeit der Distanz von der Laufzeitdistanzmessvorrichtung 1 zu dem Ziel 12. 2 stellt die zwei Speicherkapazitäten 15a und 15b dar, wobei jedoch drei oder mehr Speicherkapazitäten bereitgestellt sein können.
Wenn ein nicht vernachlässigbares Hintergrundlichtniveau im empfangenen modulierten Licht existiert, eliminiert die Gleichtaktkomponenteneliminierungsschaltung 7 die Gleichtaktkomponente, um den Einfluss des Hintergrundlichts auf ein Minimum zu unterdrücken. Die Gleichtaktkomponenteneliminierungsschaltung 7 ist bereitgestellt, um die Gleichtaktkomponente zu eliminieren, die zu der Zeit des Auftretens einer willkürlichen Phaseninversion erzeugt wird. Als Verfahren zum Eliminieren der Gleichtaktkomponente wurden unterschiedliche Verfahren im Stand der Technik offenbart. Beispielsweise sind diese Verfahren in US-Patent 6919549B2 , DE 102005056774A1 , EP 1622200A1 und anderen Druckschriften offenbart. In diesem Fall ist die Gleichtaktkomponenteneliminierungsschaltung 7 explizit vorgesehen. Wenn jedoch ein ausreichender Bereich ohne Sättigung in einem Signalpfad sichergestellt werden kann, kann die gleiche Funktion durch die Differenzerfassungsschaltung 9 oder die AD-Wandlungsschaltung 10 eines Typs mit differentiellem Eingang implementiert werden.
Die Differenzerfassungsschaltung 9 erfasst eine Differenz zwischen den Signalen von der Gleichtaktkomponenteneliminierungsschaltung 7 mittels der Puffer 8a und 8b und gibt ein Signal entsprechend der erfassten Differenz an die AD-Wandlungsschaltung 10 aus. Die Puffer 8a und 8b werden beispielsweise durch Source-Follower-Schaltungen ausgebildet. Die Differenzerfassungsschaltung 9 ist beispielsweise durch einen differentiellen Verstärker ausgebildet.
Die AD-Wandlungsschaltung 10 wandelt ein analoges Signal von der Differenzerfassungsschaltung 9 in ein digitales Signal und gibt dieses an die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 aus. Die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 führt eine digitale Signalverarbeitung des Signals von der AD-Wandlungsschaltung 10 durch, um die Beträge von elektrischen Ladungen von Fotoelektronen zu berechnen, die in die Speicherkapazitäten 15a und 15b aufgeteilt sind, und die Distanz von der betreffenden Vorrichtung zu dem Ziel 12 zu messen, das heißt eine Distanzmessung durchzuführen.
3 zeigt ein erläuterndes Diagramm einer Basissequenz (die Modulationsfrequenz wird als Tm und die Belichtungsperiode als Tw bezeichnet), in der das Lichtempfangselement 6 in vier Phasen mit einer konstanten Modulationsfrequenz und einem Tastverhältnis eines Emissionssignalverlaufs von 50 % angetrieben wird.
Der Signalverlauf bzw. die Wellenform des modulierten Lichts, das von dem Lichtemissionselement 4 emittiert wird (Emissionssignalverlauf 110) wird durch einen rechteckigen Signalverlauf bzw. Welle in Synchronisation mit dem Steuersignalen TG1 und TG2 moduliert. 3 stellt einen Fall einer Modulation unter Verwendung des rechteckigen Signals dar, aber die Modulation kann durch eine Sinuswelle, eine Dreieckswelle oder dergleichen ausgeführt werden. Der Signalverlauf des reflektierten Lichts von dem Ziel 12, an dem das modulierte Licht reflektiert wurde, (Reflexionssignalverlauf 120) hat eine zeitliche Differenz zum Emissionssignalverlauf 110. Der Reflexionssignalverlauf 120 läuft dem Emissionssignalverlauf 110 um eine Phasendifferenz φ hinterher. Die Steuersignale TG1 und TG2 werden durch rechteckige Signale angetrieben, die eine Phasendifferenz von 90 Grad aufweisen.
Die Lichtemissionssteuerschaltung 3, die Lichtempfangssteuerschaltung 5 und die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 wiederholen, angetrieben in Antwort auf Steuersignale TG1-1 und TG2-1 (Antriebssignalverläufe 111 und 121), eine Sequenz mehrere tausend bis mehrere hunderttausend Male. Die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 erlangt durch die AD-Wandlungsschaltung 10 eine Information über erzeugte optische Ladungen Q1 und Q2 als die Werte von Spannungen, die eine Ladungsspannungswandlung erfahren haben. Nachfolgend wird eine Periode, in der das Steuersignal TG1 „H“ in Synchronisation mit dem Timing des Emissionssignalverlaufs E ist, „0-Grad-Belichtung“ genannt.
Danach wiederholen die Lichtemissionssteuerschaltung 3, die Lichtempfangssteuerschaltung 5 und die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11, angetrieben in Antwort auf Steuersignale TG1-2 und TG2-2 (Antriebssignalverläufe 112 und 122), eine Sequenz mehrere tausend bis mehrere hunderttausend Male. Die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 erlangt durch die AD-Wandlungsschaltung 10 eine Information über erzeugte optische Ladungen Q3 und Q4 als die Werte von Spannungen, die eine Ladespannungswandlung erfahren haben. Anschließend wird eine Periode, in der das Steuersignal TG1 „H“ in Synchronisation mit dem Timing ist, das um eine 90-Grad-Phase hinter dem Timing des Emissionssignalverlaufs E hinterherläuft, „90-Grad-Belichtung“ genannt. Die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 berechnet die Phasendifferenz θ durch die folgende arithmetische Gleichung (1) unter Verwendung diskreter Fourier-Transformation (DFT) aus den erlangten optischen Ladungen Q1 bis Q4: $θ= {tan}^{- 1} [(Q1 - Q3) / (Q2 - Q4)]$
Die arithmetische Gleichung (1) ist eine arithmetische Gleichung einer Phasendifferenz basierend auf den vorhergehenden vier Abtastungen. Bezüglich der allgemeinen H-Phase kann die Phasendifferenz θ durch die folgende arithmetische Gleichung (2) berechnet werden: $θ= {tan}^{- 1} [(\sum Qk \times sin (2 π /H \times k)) / (\sum Qk \times cos (2 π/ H \times k))]$
Die Phasendifferenz θ kann, wie vorstehend beschrieben, durch Ausführen der Basisverarbeitung bestimmt werden, und eine Distanz d von der Distanzmessvorrichtung 1 zu dem Ziel 12 kann basierend auf der Phasendifferenz θ bestimmt werden. Bei der Ausführung der Basisverarbeitung kann, wie vorstehend beschrieben, ein Distanzfehler σd durch die folgende Gleichung (3) berechnet werden: $σ d \propto (1 / SNR) \cdot (c/fmod)$
In der Gleichung (3) stellt SNR das Signal-Rausch-Verhältnis, c die Lichtgeschwindigkeit und fmod die Modulationsfrequenz dar. Demzufolge kann der Distanzfehler σd durch Erhöhen des Signalrauschverhältnisses oder der Modulationsfrequenz fmod reduziert werden. Es ist wünschenswert, die Modulationsfrequenz fmod zu erhöhen, jedoch würde dies den Messdistanzbereich unter dem Einfluss von Aliasing verkürzen und einen fundamentalen Kompromiss zwischen messbarer Distanz und Genauigkeit verursachen.
Demzufolge wird in der vorliegenden Ausführungsform das vorhergehende Basisprinzip zum Ausführen der Verarbeitung der in 4 dargestellten Sequenz angewandt. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Lichtemissionselement 4 veranlasst, Licht mit den zwei Modulationsfrequenzen f1 und f2 zu emittieren, und das Lichtempfangselement 6 wird veranlasst, eine Lichtempfangssequenz SQ und eine Untersequenz SUS auszuführen. Nachfolgend werden beispielhafte Beschreibungen, in denen die Sequenzverarbeitung zweimal mit der ersten Modulationsfrequenz f1 (= fmax) und der zweiten Modulationsfrequenz f2 (< f1) ausgeführt wird, gegeben. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Periode der Modulationsfrequenz f2 mit der Periode der Untersequenz SUS bei der Modulationsfrequenz f1 konform, und die Modulationsfrequenz f2 ist auf ein Viertel der Modulationsfrequenz f1 (äquivalent zu 1/N) festgelegt.
Als erstes führt die Lichtemissionssteuerschaltung 3, angetrieben in Antwort auf die Steuersignale TG1-1 und TG2-1 (Antriebssignalverläufe 111 und 121), die Sequenz SQ aus, in der ein Puls moduliert wird und in einer festen Periode gemäß der zweiten Modulationsfrequenz f2 emittiert wird. Das Lichtempfangselement 6 empfängt das Licht, das dem Emissionssignalverlauf E hinterherläuft, die Lichtempfangssteuerschaltung 5 unterwirft den Reflexionssignalverlauf R der 0-Grad-Belichtung und die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 erlangt durch die AD-Wandlungsschaltung 10 die Spannungswerte einer Informationen über die erzeugten optischen Ladungen Q1 und Q2, die eine Ladungsspannungswandlung erfahren haben.
Durch Wiederholen dieser Verarbeitung für die 90-Grad-Belichtung führt die Lichtemissionssteuerschaltung 3, angetrieben in Antwort auf Steuersignale TG1-2 und TG2-2 (Antriebssignalverläufe 112 und 122), die Sequenz SQ aus, in der ein Puls moduliert wird und in der festen Periode der zweiten Modulationsfrequenz f2 emittiert wird. Das Lichtempfangselement 6 empfängt das Licht, das dem Emissionssignalverlauf E hinterherläuft, die Lichtempfangssteuerschaltung 5 unterwirft den Reflexionssignalverlauf R der 90-Grad-Belichtung und die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 erlangt die Informationen über die erzeugten optischen Ladungen Q3 und Q4. Dann berechnet die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 eine Phasendifferenz θ2 durch die vorstehende Gleichung (1) unter Verwendung diskreter Fourier-Transformation (DFT) von den erlangten optischen Ladungen Q1 bis Q4.
Die Lichtemissionssteuerschaltung 3 verwendet, angetrieben in Antwort auf die Steuersignale TG1-1 und TG2-1 (Antriebssignalverläufe 111 und 121), ebenso die Untersequenz SUS, in der ein Puls einmal mit der Modulationsfrequenz f1 wiederholt wird, um die Phasenpolarisation in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung willkürlich mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/2 bei jeder Ausführung der Untersequenz SUS zu ändern, und wiederholt die Untersequenz SUS mehrere zehn- bis mehrere hunderttausend Male. In diesem Fall wird „N Mal“ bevorzugt auf eine natürliche Anzahl größer gleich 2 festgelegt, die signifikant kleiner als die Anzahl von Wiederholungen der Untersequenz SUS ist, wie beispielsweise 2 oder zwei bis zehn Mal (beispielsweise 3, 4, 8 und 16 Mal). Dabei würde insbesondere das Festlegen einer Potenz von 2, wie etwa 4, 8, 16 oder 32 es vereinfachen, eine Logik durch Hardware oder Software auf bevorzugte Weise zu konfigurieren. 4 und 5 steilen ein Timing Ta für eine Vorwärtspolarisationsänderung als durchgezogene Linien und ein Timing Tb für eine Rückwärtspolarisationsänderung ald unterbrochene Linien dar.
Die Modulationsfrequenz f1, die zu dieser Zeit verwendet wird, ist höher als die Modulationsfrequenz f2 und wird beispielsweise auf f1 × 4 (das heißt N Mal) festgelegt. Zusätzlich wird beispielsweise als ein Beispiel eines Verfahrens zum Bestimmen der Umkehrung der willkürlichen Phasenpolarisation mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/2 eine willkürliche Serie unter Verwendung einer M Serie erzeugt, und die Phasenpolarisation wird in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung entlang der willkürlichen Serie geändert.
Das Lichtempfangselement 6 empfängt das Licht hinter dem Emissionssignalverlauf E, die Lichtempfangssteuerschaltung 5 unterwirft den Reflexionssignalverlauf R der 0-Grad-Belichtung und die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 erlangt die Informationen über die erzeugten optischen Ladungen Q1 und Q2. Diese Verarbeitung wird für die 90-Grad-Belichtung wiederholt. Zu dieser Zeit verwendet die Lichtemissionssteuerschaltung 3 die Untersequenz SUS, in der ein Puls, angetrieben in Antwort auf die Steuersignale TG1-2 und TG2-2 (Antriebssignalverläufe 112 und 122), N Mal bei der Modulationsfrequenz f1 wiederholt wird, um die Phasenpolarisation in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung willkürlich mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/2 bei jeder Ausführung der Untersequenz SUS zu ändern, und wiederholt die Untersequenz mehrere zehn bis mehrere hunderttausend Male. Das Timing für willkürliche Phasenpolarisationsumkehrung in der 90-Grad-Belichtungsverarbeitung ist identisch zum Timing für eine willkürliche Vorwärts-/Rückwärtsänderung der Phasenpolarisation in der vorstehend beschriebenen 0-Grad-Belichtungsverarbeitung. Demnach wird die Phasenpolarität in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung entlang der willkürlichen Serie geändert, die, wie vorstehend beschrieben, erzeugt wird, und die 0-Grad-Belichtung und die 90-Grad-Belichtung werden mit synchronisiertem Timing ausgeführt.
Das Lichtempfangselement 6 empfängt das Licht hinter dem Emissionssignalverlauf E, die Lichtempfangssteuerschaltung 5 unterwirft den Reflexionssignalverlauf R der 90-Grad-Belichtung, und die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 erlangt die Informationen über die erzeugten optischen Ladungen Q3 und Q4. Dann berechnet die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 die Phasendifferenz θ gemäß der Gleichung (1) unter Verwendung diskreter Fourier-Transformation (DFT) von den erlangten optischen Ladungen Q1 bis Q4.
Die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 tätigt eine Korrektur in der Distanzmessverarbeitung basierend auf dem Messergebnis bei der Modulationsfrequenz f2 und dem Messergebnis bei der Modulationsfrequenz f1.
Bei der Messverarbeitung bei der Modulationsfrequenz f1 kann der Distanzbereich von 1/2 × c/f1 gemessen werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird f1 auf die maximale Frequenz fmax festgelegt. Die Modulationsfrequenz f2 ist niedriger als die Modulationsfrequenz f1. Die Modulationsfrequenz f2 wird festgelegt, um die Bedingung zu erfüllen, unter der der Distanzbereich von Werten größer gleich 1/2 × c/f1 × N (= 1/2 × c/fmax × N) gemessen werden kann. Unter Verwendung der zwei Frequenzen f1 und f2 ist es möglich, eine Distanzmessverarbeitung ohne den Einfluss eines anderen Sensors oder dem Einfluss von Aliasing auszuführen.
Die Operationen der vorstehenden Konfiguration werden beschrieben. In der vorliegenden Ausführungsform wird die Verarbeitungssequenz bei der Modulationsfrequenz f1 in Untersequenzen SUS mit einem Pulsmuster einer kurzen festen Periode unterteilt, und die Polarität von Lichtemission oder Lichtempfang wird in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung gemäß einer willkürlichen nummerischen Serie mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/2 bei jeder Ausführung der Untersequenz SUS geändert. Wenn eine große Anzahl von Sensoren in einem Raum vorhanden ist, interferieren diese miteinander. Während die Schaltungen 2 bis 11 in der Distanzmessvorrichtung 1 beispielsweise eine Lichtemissions-/Lichtempfangsverarbeitung bei der Modulationsfrequenz f2 ausführen, wenn das Lichtemmisionselement eines anderen Sensors Licht empfängt und das Lichtempfangselement 6 der Distanzmessvorrichtung 1 das Licht empfängt, werden positive oder negative elektrische Lichtempfangsladungen Q1, Q2, Q3 und Q4 bei jeder Ausführung der Untersequenz SUS verteilt.
Demnach wird die Verteilung der elektrischen Ladungen Q1, Q2, Q3 und Q4 ausgeglichen, wenn die Schaltungen 2 bis 11 der Distanzmessvorrichtung 1 die Polarität von Lichtemission oder Lichtempfang in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/2 bei jeder Ausführung der Untersequenz SUS ändern. Demnach wird der Einfluss einer Lichtemission von einem anderen Sensor zusammen mit Hintergrundlicht durch die Gleichtaktkomponenteneliminierungsschaltung 7 basierend auf den gleichmäßig verteilten elektrischen Ladungen Q1, Q2, Q3 und Q4 eliminiert.
5 stellt ein Zeitdiagramm dar, in dem der Reflexionssignalverlauf R dem Emissionssignalverlauf E um eine oder mehrere Perioden hinterherläuft. In diesem Fall kann der Emissionssignalverlauf E von Licht, das in einer Untersequenz SUS emittiert wird, mit dem Timing für den Lichtempfang in der nächsten Untersequenz SUS übereinstimmen, so dass der Einfluss von Aliasing verursacht wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch die Polarität von Lichtemission oder Lichtempfang in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung willkürlich während der zeitlich aufeinander folgenden Untersequenzen SUS geändert. Demzufolge wird die Verteilung der elektrischen Ladungen Q1, Q2, Q3 und Q4, wie in 5 schraffiert dargestellt, willkürlich mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/2 geändert und die elektrische Ladungsspeicherverarbeitung wird eine große Anzahl von Male wiederholt (beispielsweise um die mehrere hunderttausend Mal) und somit werden die elektrischen Ladungen gleichmäßig auf die positiven und negativen Seiten verteilt.
Demzufolge tritt Aliasing bis zur N Periode des Pulsmusters bei der Modulationsfrequenz f1 auf, aber Signale, die von einem entsprechenden Bereich hinter dieser Phase reflektiert werden, werden durch die Gleichtaktkomponenteneliminierungsschaltung 7 eliminiert. Wenn ein Risiko eines Einflusses von Aliasing vorhanden ist, kann der Einfluss somit minimiert werden.
Ferner wird mindestens das Messergebnis bei der Modulationsfrequenz f2 = f1/N nicht durch Aliasing für Signale beeinflusst, die in dem Bereich entsprechend der N Periode des Pulsmusters bei der Modulationsfrequenz f1 reflektiert werden. Zu dieser Zeit ermöglicht es das Messen der Distanz gemäß der Phasendifferenz θ2 in der Distanzmessverarbeitung bei der Modulationsfrequenz f2, zu bestimmen, welchem der N Pulse in dem Pulsmuster der Untersequenz SUS die Reflexion von der Distanz entspricht. Demzufolge kann das Distanzmessergebnis, das die Sequenz SQ bei der Modulationsfrequenz f2 verwendet, die die Bedingung der Modulationsfrequenz f2 = f1/N erfüllt, von dem Einfluss von Aliasing in dem Distanzbereich entsprechend der N Periode des Pulsmusters bei der Modulationsfrequenz f1 befreit werden. Demnach ermöglicht es die Verwendung der Ergebnisse aus den zwei Distanzmessungen, das Distanzmessergebnis ohne den Einfluss von Aliasing zu erlangen.
5 zeigt ein Zeitdiagramm mit einer Verzögerung von ungefähr einer Periode. Sogar für den Fall, dass ein Einfluss von Aliasing auftritt, kann der Einfluss bis zu dem Distanzbereich entsprechend 4 Perioden (N Perioden) bei der Modulationsfrequenz f1 minimiert werden. Dies ermöglicht es, den Einfluss von Aliasing auf ein Minimum für das Distanzmessergebnis zu eliminieren.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Messdistanzergebnis unter Verwendung der Modulationsfrequenz f2 in seinem Widerstand zu einer Interferenz von einem anderen Sensor und Aliasing niedriger als das in einer später beschriebenen Ausführungsform, da eine Sequenz mit Polaritätsänderung in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung entlang der willkürlichen nummerischen Serie nicht verwendet wird. Es ist jedoch Aufgabe der Distanzmessung bei der Modulationsfrequenz f2, zu bestimmen, in welcher der N Perioden das Messergebnis bei der Modulationsfrequenz f1 erlangt wurde, die keinen direkten Einfluss auf die finale Genauigkeit hat. Zusätzlich ist die Genauigkeit, die in diesem Fall erforderlich ist, niedriger als die Genauigkeit, die für eine präzise Distanzmessung allgemein erforderlich ist (das heißt die Genauigkeit, die für eine Distanzmessung bei der Modulationsfrequenz f1 erforderlich ist). Demnach ist sogar für den Fall einer Interferenz, sofern der Grad der Interferenz nicht kritisch ist, das Messergebnis unter Verwendung der Modulationsfrequenz f2 ohne irgendein praktisches Problem anwendbar und auf einen weiteren Messbereich anwendbar.
In der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht es ein Kombinieren des Distanzmessergebnisses bei der Modulationsfrequenz f2 mit keiner willkürlichen Polarisationsumkehr mit dem Distanzmessergebnis bei der Modulationsfrequenz f1 mit willkürlicher Polarisationsumkehr, die Genauigkeit der Distanzmessung in einem weiteren bzw. größeren Messbereich weiter zu erhöhen.
Das Pixel 16, das in 2 dargestellt ist, ist in einer später beschriebenen Ausführungsform auf einfache Weise mit einem Entladeschalter 14c konfiguriert. Die vorliegende Ausführungsform kann sogar mit dem Schalter 14c in der später beschriebenen Ausführungsform ausgeführt werden. Demzufolge ist die vorliegende Ausführungsform auf Sensoren mit unterschiedlichen Arten von Pixeln anwendbar.
(Zweite Ausführungsform)
6 ist ein ergänzendes darstellendes Diagramm einer zweiten Ausführungsform. In der ersten Ausführungsform stimmt die Länge einer Periode der Sequenz SQ mit der Länge der Unterfrequenz SUS überein. In der zweiten Ausführungsform wird die Länge der Untersequenz SUS gegenüber der Länge einer Periode der Sequenz SQ geändert.
Die Periode des Pulsmusters und die Länge der Untersequenz SUS können festgelegt werden, um die Beziehung der Länge der Untersequenz SUS (= (die Periode der Modulationsfrequenz f1) × (die Anzahl N von Pulsmustern)) < die Länge einer Periode der Sequenz SQ (= die Periode der Modulationsfrequenz f2) zu erfüllen. 6 stellt ein Timing Ta für eine Vorwärtspolarisationsänderung durch durchgezogene Linien und ein Timing Tb für eine Rückwärtspolarisationsänderung durch unterbrochene Linien dar. Wie in 6 darstellt, kann die Beziehung zwischen der Länge der Unterfrequenz SUS und den Modulationsfrequenzen f1 und f2 auf irgendeine Art festgelegt werden, solange die vorstehende Bedingung erfüllt wird.
In der zweiten Ausführungsform erzeugt ein derartiges Festlegen den Bedarf, die Messgenauigkeit bei der Modulationsfrequenz f2 verglichen zur ersten Ausführungsform zu erhöhen, aber es kann ein weiterer Bereich durch die Messung bei der Modulationsfrequenz f2 erfasst werden. Sogar falls die Messung bei der Modulationsfrequenz f1 einen Versatz aufweist, kann der Versatz demzufolge nur durch die nachfolgenden Verarbeitungen absorbiert werden.
(Dritte Ausführungsform)
7 ist ein ergänzendes darstellendes Diagramm einer dritten Ausführungsform. In der dritten Ausführungsform wird die Basissequenz SQ auf die Distanzmessverarbeitung unter Verwendung der Modulationsfrequenz f2 unter der Bedingung angewandt, dass die Fehler, die durch die Interferenz von anderen Sensoren verursacht werden, in der Distanzmessverarbeitung unter Verwendung der Modulationsfrequenz f2 zulässig sind. Alternativ kann die Untersequenz SUS (f2) mit einer Vielzahl von Wiederholungen eines Pulsmusters derart verwendet werden, dass die Polarität, wie in der Distanzmessverarbeitung bei der Modulationsfrequenz f1 in der ersten Ausführungsform, in der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung willkürlich mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/2 bei jeder Ausführung der Untersequenz SUS (f2) geändert wird. In dem Beispiel von 7 sind die Timings Ta1 und Ta2 für eine Vorwärtspolarisationsänderung durch durchgezogene Linien und Timings Tb1 und Tb2 für eine Rückwärtspolarisationsänderung durch unterbrochene Linien dargestellt.
Die Lichtemissionssteuerschaltung 3 verwendet die Untersequenz SUS (f2) mit M Wiederholungen eines Pulsmusters derart, dass die Phasenpolarität in der Vorwärts- oder der Rückwärtsrichtung willkürlich mit Wahrscheinlichkeit von 1/2 bei jeder Ausführung der Untersequenz SUS (f2) wiederholt werden, und wiederholt die Untersequenz SUS (f2) um die mehrere tausend bis hunderttausend Mal. Die Untersequenz SUS (f2) entspricht der zweiten Untersequenz. Wie die „N Mal“ sind die „M Mal“ bevorzugt auf eine natürliche Zahl von 2 oder größer festgelegt, die signifikant kleiner als die Anzahl von Wiederholungen der Untersequenz SUS ist, wie beispielsweise Potenzen von 2 bis zehn Mal (beispielsweise 3, 4, 8 und 16 Mal). Dabei vereinfacht es beispielsweise insbesondere das Festlegen einer Potenz von 2 = 4, 8, 16 und 32, eine Logik durch Hardware oder Software zu konfigurieren. Zusätzlich ist die Modulationsfrequenz f2, die zu dieser Zeit verwendet wird, ebenso niedrig wie die Modulationsfrequenz f1.
In diesem Fall ist die Belichtungszeit bei der Modulationsfrequenz f2 bevorzugt länger als die in der ersten Ausführungsform. Kein reflektiertes Licht von der Distanz entsprechend der Periode M × 2φ oder mehr der Untersequenz SUS (f2) bei der Modulationsfrequenz f2 wird bei irgendeiner der Modulationsfrequenzen f1 und f2 beobachtet. Dieser Punkt kann dadurch abgeschwächt werden, dass die Periode der Untersequenz SUS (f2) verlängert wird.
(Vierte Ausführungsform)
8 ist ein ergänzendes darstellendes Diagramm einer vierten Ausführungsform. Die vierte Ausführungsform bildet ein weiteres Anwendungsbeispiel der dritten Ausführungsform. 8 stellt Timings Ta1 und Ta2 für eine Vorwärtspolarisationsänderung durch durchgezogene Linien und ein Timing Tb1 für eine Rückwärtspolarisationsänderung durch unterbrochene Linien dar. In der vierten Ausführungsform entspricht die Periode der Untersequenz SUS (f2) bei der Modulationsfrequenz f2 drei Perioden der Untersequenz SUS (f1) bei der Modulationsfrequenz f1. Dies erzeugt dieselben vorteilhaften Wirkungen.
(Fünfte Ausführungsform)
Die 9 bis 11 sind zusätzliche darstellende Diagramme einer fünften Ausführungsform. Wenn es in Betracht gezogen wird, dass die Eigenschaften des Signalrauschverhältnisses in der Umgebung, in der ein Hintergrundlichtrauschen dominiert, weiter verbessert werden müssen, können die Eigenschaften des Signalrauschverhältnisses durch ein beabsichtigtes Verkürzen der Zeit der Signalintegration in einem Pixel verbessert werden.
In diesem Fall ist es wünschenswert, die Konfiguration eines Pixels 116, wie in 9 dargestellt, zu ändern, und eine Sequenzstörung, die in 10 darstellt ist, bei der Modulationsfrequenz f1 auszuführen. Wie in 9 dargestellt, weist das Pixel 116 die Modulationsschalter 14a und 14b und einen Entladeschalter 14c, der sich von den Modulationsschaltern 14a und 14b unterscheidet, auf.
Wie in 10 dargestellt, gibt es festgelegte Perioden, in denen die Modulationsschalter 14a und 14b gleichzeitig ausgeschaltet werden und der andere Entladeschalter 14c eingeschaltet wird, das heißt, Perioden, in denen beide Steuersignale TG1 und TG2 „L“ werden und das Steuersignal TG3 „H“ wird. Die elektrischen Ladungen, die in der PD 13 während dieser Perioden erzeugt werden, werden nicht in den Speicherkapazitäten 15a und 15b gespeichert, sondern in einer Energiequelle (beispielsweise VDD) gesammelt.
Wie in 10 dargestellt, wird der Empfang von Licht zu dem Timing, das um eine Periode von einem Pulsmuster in einer Untersequenz SUSa verzögert ist, als ein Beispiel beschrieben. Wie in 10 dargestellt, ist in einer Periode der Untersequenz SUSa in der letzten Periode der N Pulsmuster keine Emission von Licht ausgehend von dem Timing, wenn die Lichtemissionssteuerschaltung 3 die Lichtemissionssteuerung startet, vorhanden. Die Lichtemissionssteuerschaltung 3 führt eine Umkehrung oder keine Umkehrung der Phase der Lichtemission bei jeder Ausführung der Untersequenz SUSa durch. Die Lichtemissionssteuerschaltung 3 stoppt ebenso eine Lichtemission in einer hinteren Seite (äquivalent zu N1) des Pulsmuster der Untersequenz SUSa.
Die Lichtempfangssteuerschaltung 5 startet zu dem Timing entsprechend dem zweiten Pulsmuster der Untersequenz, die Steuersignale TG1 und TG2 auf „H“ zu schalten. Das heißt, die Lichtempfangssteuerschaltung 5 verhindert die Belichtungsperiode des Lichtempfangselements 6, als Nichtbelichtungsperiode, auf einer vorderen Seite (äquivalent zu N2) des Pulsmusters der Untersequenzen SUSa.
Wie vorstehend beschrieben, stoppt die Lichtemissionssteuerschaltung 3 die Lichtemission auf einer hinteren Seite (äquivalent zu N1) des Pulsmuster der Untersequenz SUSa. In Einklang damit steuert die Lichtempfangssteuerschaltung 5 das Timing zum Festlegen der Steuersignale TG1 und TG2 auf „H“, um beispielsweise innerhalb der gleichen Untersequenz SUSa abzuschließen, um dadurch die vierte (Nte) Belichtungsperiode zu deaktivieren.
Gemäß 10 wird eine Periode festgelegt, während der das Steuersignal TG3 in jeder der Untersequenzen SUSa „H“ ist. Wenn das Steuersignal TG3 „H“ ist, werden die elektrischen Ladungen basierend auf dem Reflexionssignalverlauf R nicht in den Speicherkapazitäten 15a und 15b gespeichert, sondern werden verworfen. Die Lichtempfangssteuerschaltung 5 legt das Timing zum Festlegen des Steuersignals TG3 auf „H“ als vorstehend beschriebene Nichtbelichtungsperiode fest. Demzufolge ermöglicht es das Eliminieren der Einflüsse von Hintergrundlicht und Licht von einem anderen Sensor, während das Steuersignal TG3 „H“ ist, die Sensitivität beziehungsweise die Empfindlichkeit für Signale, die bei verzögerten Timings empfangen werden, einzustellen und das Signalrauschverhältnis zu verbessern.
Wenn das Verfahren beziehungsweise die Technik in der ersten Ausführungsform angewandt wird, nimmt die Verstärkung, wie in 11 dargestellt, gemäß der Distanz ab und ist in nächster Umgebung des Sensors maximal. Dies kommt daher, dass das reflektierte Licht mit einer Phasenverzögerung von einer oder mehreren Perioden gleichmäßig in die positiven und negativen Kapazitäten verteilt wird, und aufgrund der Interferenzen von anderen Sensoren ausgelöscht wird. Im Allgemeinen ist die Intensität von reflektiertem Licht jedoch invers proportional zum Quadrat der Distanz zu einem Objekt bei der gleichen Reflexionsrate und somit ist es zu erwarten, dass die Intensität des reflektierten Lichts in der Umgebung des Sensors ursprünglich hoch ist. Demnach wird es vom Standpunkt des Sicherstellens des dynamischen Bereichs nicht bevorzugt, dass der Scheitel bzw. der Peak der Verstärkung, wie in der ersten Ausführungsform, in der Nähe vorhanden ist. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform werden die Scheitel in der ersten Periode zur Verbesserung der Verstärkungseigenschaften eingestellt, das heißt, auf das Amplitudenpegel mit einer Phasenverzögerung 2φ, wie dies in den Eigenschaften der in 11 dargestellt fünften Ausführungsform ersichtlich ist. Demzufolge können die Verstärkung entsprechend der kurzen Distanz und die Verstärkung entsprechend der langen Distanz möglichst flache Eigenschaft aufweisen, und eine angepasste Einstellung der Verstärkung verbessert das Signalrauschverhältnis in einem weiteren bzw. größeren Bereich. Wie in 11 dargestellt, ist die Verstärkung in dem Signalverlauf mit einer Verzögerung von einer Periode äquivalent zu der in der ersten Ausführungsform. Die Zeit, während der das Hintergrundlicht nicht integriert wird, ist in der vorliegenden Ausführungsform jedoch, wie in 10 dargestellt, festgelegt und somit kann das Signalrauschverhältnis in der vorliegenden Ausführungsform gegenüber der ersten Ausführungsform weiter verbessert werden.
In der vorliegenden Ausführungsform stoppt die Lichtemissionssteuerschaltung 3 Lichtemission von dem Lichtempfangselement auf der hinteren Seite (äquivalent zu N1) der N Pulsmuster der Untersequenz SUSa und die Lichtempfangssteuerschaltung 5 weist die Nichtbelichtungsperiode des Lichtempfangselements 6 auf der hinteren Seite (äquivalent zu N2) der N Pulsmuster der Untersequenz SUSa auf. Die Lichtempfangssteuerschaltung 5 stellt die Empfindlichkeit für Signale, die mit einer Verzögerung empfangen werden, ein, um diese zu erhöhen. Dies verbessert das Signalrauschverhältnis.
N1 wird in den vorstehenden Ausführungsformen auf 1 festgelegt, kann aber auf irgendeinen Wert von 1 bis N-1 festgelegt werden. N2 kann in den vorstehenden Ausführungsformen in ähnlicher Weise auf 1 festgelegt werden, kann aber auf irgendeinen Wert von 1 bis N-1 festgelegt werden.
(Sechste Ausführungsform)
12 ist ein ergänzendes darstellendes Diagramm einer sechsten Ausführungsform. Wenn die Modulationsfrequenz f1 beispielsweise die maximale Frequenz fmax ist, legt die Lichtempfangssteuerschaltung 5 in der ersten Ausführungsform die Steuersignale TG1 und TG2 der 90-Grad-Belichtung in einer Vierphasensequenz SUSb, wie in 4 und 8 darstellt, an die Modulationsschalter 14a und 14b an. Wie in 4 oder 8 dargestellt, weisen die Steuersignale TG1 und TG2 der 90-Grad-Belichtung in der Vierphasensequenz SUSb jedoch einen Puls in der Periode 1/2 oder 1/f1 entsprechend der ersten Modulationsfrequenz f1 auf. Ein derart schmales Pulsmuster erhöht im Allgemeinen die Anforderung an die Hochfrequenzantworteigenschaft einer Schaltung, was eine Implementierung schwierig machen kann.
In der vorliegenden Ausführungsform erzeugt die Lichtempfangssteuerschaltung 5 ein Pulsmuster der ersten Steuersignale TG1 und TG2 der 0-Grad-Belichtung in der Untersequenz SUSb, die mehrmals bei der Modulationsfrequenz f1 wiederholt wird, um die Implementierung zu vereinfachen, und verschiebt die Steuersignale TG1 und TG2 um 90 Grad, um ein Pulsmuster der zweiten Steuersignale TG1 und TG2 der 90-Grad-Belichtung zu erzeugen. Dies ist wünschenswerter.
Dies vermeidet die Ausgabe eines schmalen Pulsmusters entsprechend einer Frequenz, die höher als die erste Modulationsfrequenz f1 ist, und eliminiert den Bedarf, einen Pulses bei der Frequenz zu erzeugen, die höher als die Modulationsfrequenz f1 ist, wodurch eine einfache Implementierung erreicht wird.
(Siebte Ausführungsform)
13 ist ein ergänzendes darstellendes Diagramm einer siebten Ausführungsform. In der siebten Ausführungsform wird bestimmt, ob Referenzdaten, die von außerhalb des Distanzbereichs reflektiert werden, oder effektive Daten zur Distanzrechenverarbeitung gemäß dem Verhältnis der Signalamplitude erlangt wurden.
Beispielsweise weist das Distanzmessergebnis bei der Modulationsfrequenz f1 in der ersten Ausführungsform grundsätzlich keine Empfindlichkeit für die Phasen der Länge der Untersequenz SUS/der Basisperiode der Unterfrequenz SUS×2π (entspricht der Distanz). Demzufolge wird das Pixel 16, das unter Verwendung der Modulationsfrequenz f1 aufgenommen wird, nicht betrachtet, sondern das Pixel 16, das unter Verwendung der Modulationsfrequenz f2 aufgenommen wird, wird so betrachtet, dass es unter dem Einfluss des detektierten Lichts außerhalb des Bereichs von 1/2 × der Länge der Untersequenz SUS/der Basisperiode der Untersequenz SUS × C/fn (äquivalent zu dem effektiven Messbereich) steht. Demzufolge wird der Distanzwert des Pixels 16 unter dem Einfluss des reflektierten Lichts als Referenzdaten verwendet und das Pixel 16, das nicht auf die Referenzdaten angewandt wird, wird dem Distanzberechnungsverarbeiten unterworfen.
Die Bestimmungsverarbeitung wird, wie in einem in 13 beschriebenen Beispiel, derart bereitgestellt, dass die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 in der Distanzmessvorrichtung 1 die in 13 beschriebene Verarbeitung ausführt, um eine Bestimmung bezüglich Referenzdaten oder effektiven Daten zu tätigen. Wie in 13 beschrieben, berechnet die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 in der Distanzmessvorrichtung 1 in S1 die Phasendifferenz θ basierend auf den elektrischen Ladungen Q1 bis Q4, die unter Verwendung der Modulationsfrequenz f1 zum Messen der Distanz erlangt wurden.
Danach berechnet die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 in der Distanzmessvorrichtung 1 in S2 die Phasendifferenz θ basierend auf den elektrischen Ladungen Q1 bis Q4, die unter Verwendung der Modulationsfrequenz f2 erlangt wurden, zum Messen der Distanz. Wenn dann die Bedingung erfüllt ist, dass das Signalamplitudenverhältnis A1/A2 niedriger als der Grenzwert bzw. der Schwellwert TH ist, wobei A1 die Amplitude des Reflexionssignalverlaufs R bei der Modulationsfrequenz f1 darstellt und A2 die Amplitude des Reflexionssignalverlaufs R bei der Modulationsfrequenz f2 darstellt, bestimmt die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 in der Distanzmessvorrichtung 1, dass die Amplitude A1 des Reflexionssignalverlaufs R bei der Modulationsfrequenz f1 kleiner ist und betrachtet diese Reflexion als außerhalb des effektiven Messbereichs und legt die Daten in S4 als die Referenzdaten fest.
Wenn im Gegensatz dazu in S3 nicht bestimmt wird, dass die Bedingung erfüllt ist, betrachtet die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 diese Reflexion als innerhalb des effektiven Messbereichs liegend und legt die Daten in S5 als effektive Daten fest. Zu dieser Zeit bestimmt die Digitalsignalverarbeitungsschaltung 11 die Effektivität des Ergebnisses der Distanzrechenverarbeitung und führt eine Korrekturverarbeitung (Phasenauflösungsverarbeitung) des Distanzrechenverarbeitungsergebnisses bei der Modulationsfrequenz f2 gemäß dem Messergebnis bei der Modulationsfrequenz f1 durch. Dies eliminiert den Einfluss von Aliasing.
Demzufolge ist es möglich, für jedes der Pixel 16 zu bestimmen, ob die Daten Referenzdaten aus Reflexion von außerhalb des effektiven Messbereichs oder effektive Daten aus Reflexion von innerhalb des Messbereichs sind, um dadurch die Distanzmessungsgenauigkeitsverbesserungsverarbeitung für die Pixel 16, die als ineffektive Daten betrachtet werden, wegzulassen. Dies ermöglicht es, eine Distanzmessung basierend auf den effektiven Daten so korrekt wie möglich durchzuführen.
(Weitere Ausführungsformen)
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen beschränkt, sondern kann, wie nachfolgend beschrieben, modifiziert oder erweitert werden.
Die vorliegende Offenbarung ist ebenso auf andere Zwecke als Fahrzeuge anwendbar. Die Pulsmuster der vorliegenden Offenbarung weisen unterschiedliche Pulsmuster, wie etwa ein Pulsmuster eines Sinussignalverlaufs und ein Pulsmuster eines rechteckigen Signalverlaufs, auf.
Für die vorstehenden Ausführungsformen werden die erste Modulationsfrequenz f1 und die zweite Modulationsfrequenz f2 verwendet. Jedoch ist die vorliegende Offenbarung nicht darauf beschränkt, sondern kann ebenso auf einen Aspekt angewendet, bei dem eine Distanzmessung durch Kombinieren einer dritten Modulationsfrequenz, die niedriger als die erste Modulationsfrequenz f1 ist, mit der zweiten Modulationsfrequenz ausgeführt wird.
In den Figuren stellt 1 die Laufzeitdistanzmessvorrichtung, 3 die Lichtemissionssteuerschaltung (die Lichtemissionssteuereinheit), 4 das Lichtemissionselement, 5 die Lichtempfangssteuerschaltung (die Lichtempfangssteuereinheit und die Entladungssteuereinheit), 6 das Lichtempfangselement, 11 die Digitalsignalverarbeitungsschaltung (die Distanzmesseinheit und die Signalverarbeitungseinheit), f1 die erste Modulationsfrequenz, f2 die zweite Modulationsfrequenz, 14a und 14b die Modulationsschalter, 14c den Entladeschalter und 15a und 15b die Speicherkapazitäten dar.
Die Vielzahl von Ausführungsformen, die vorstehend beschrieben sind, können miteinander kombiniert werden. Beispielsweise kann die Funktion eines bildenden Elements auf mehrere bildende Elemente verteilt werden oder die Funktionen mehrerer bildender Elemente können durch ein bildendes Element implementiert werden. Mindestens einige der Komponenten der vorstehenden Ausführungsformen können durch allgemein bekannte Komponenten mit den gleichen Funktionen ersetzt werden. Manche oder alle der Komponenten von zwei oder mehreren der vorstehenden Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, zueinander hinzugefügt werden, oder durcheinander ersetzt werden. Die Bezugszeichen, die in Klammern in den Ansprüchen stehen, stellen die Korrespondenz mit spezifischen Einheiten in den Ausführungsformen dar, die vorstehend als ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung beschrieben sind, sollen jedoch den technischen Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht beschränken.
Die vorliegende Offenbarung wurde gemäß den Ausführungsformen beschrieben, aber es ist zu beachten, dass die vorliegende Offenbarung nicht auf die vorstehenden Ausführungsformen oder Strukturen beschränkt ist. Die vorliegende Offenbarung beinhaltet unterschiedliche Modifikationen und Änderungen in einem Äquivalenzbereich. Ferner befinden sich unterschiedliche Kombinationen und Aspekte und weitere Kombinationen und Aspekte einschließlich nur einem Element der vorstehenden Kombinationen und Aspekte, weniger oder mehr als das eine Element innerhalb des Umfangs und konzeptionellen Bereichs der vorliegenden Offenbarung.
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 Patentliteratur

JP 2016151204 [0001]
US 7791715 B [0004]
WO 2010098454 A [0004]
US 6919549 B2 [0023]
DE 102005056774 A1 [0023]
EP 1622200 A1 [0023]

Claims

Laufzeitdistanzmessvorrichtung, aufweisend: eine Lichtemissionssteuereinheit (3), die ein Lichtemissionselement (4) veranlasst, Licht zu emittieren, das bei mindestens zwei oder mehr unterschiedlichen Modulationsfrequenzen einschließlich einer ersten Modulationsfrequenz (f1) und einer zweiten Modulationsfrequenz (f2) moduliert wird, und das modulierte Licht in einen Raum auszugeben; eine Lichtempfangssteuereinheit (5), die einfallendes Licht einschließlich reflektiertem Licht von einem Ziel (12), an dem das modulierte Licht reflektiert wird, empfängt, und elektrische Ladungen abtastet, die in einem Lichtempfangselement gespeichert sind, das die elektrischen Ladungen entsprechend dem einfallenden Licht in mehrere Speicherkapazitäten (15a, 15b) aufteilt und speichert; und eine Distanzmesseinheit (11), die eine Distanz von der betreffenden Vorrichtung zu dem Ziel gemäß den elektrischen Ladungen misst, die durch die Lichtempfangssteuereinheit unter Verwendung des Lichtempfangselements abgetastet werden, wobei wenn ein Muster des modulierten Lichts, in dem ein Pulsmuster bei der ersten Modulationsfrequenz, die die höchste unter den mehreren Modulationsfrequenzen ist, N Mal wiederholt wird, wobei N eine natürliche Zahl von 2 oder größer ist, eine Untersequenz (SUS, SUSa, SUSb) ist, steuert die Lichtemissionssteuereinheit das Lichtemissionselement, um Licht derart zu emittieren, dass eine Phasenpolarität in einer Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung willkürlich mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/2 bei jeder Aussendung der Untersequenz geändert wird, die Distanzmesseinheit die Distanz gemäß der Vielzahl der Modulationsfrequenzen einschließlich der ersten Modulationsfrequenz (f1) und der zweiten Modulationsfrequenz (f2), die niedriger als die erste Modulationsfrequenz ist, misst, wenn die Distanz bei der ersten Modulationsfrequenz gemessen wird, speichert und entlädt eine Speicherkapazität des Lichtempfangselements elektrische Ladungen gemäß dem Timing, wenn die Polarität der Phase durch die Lichtemissionssteuereinheit bei jeder Ausführung der Untersequenz gesteuert wird, und die Distanz gemäß den elektrischen Ladungen gemessen wird, die in den Speicherkapazitäten gespeichert sind, und die Distanzmesseinheit eine Signalverarbeitungseinheit (11) aufweist, die das Distanzmessergebnis basierend auf dem Messergebnis bei der ersten Modulationsfrequenz und dem Messergebnis bei der zweiten Modulationsfrequenz korrigiert.
Laufzeitdistanzmessvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die zweite Modulationsfrequenz so festgelegt ist, dass sie eine Messung eines Distanzbereichs von Werten, der größer gleich 1/2 × c/f1 × N ist, entsprechend einem Distanzbereich erlaubt, in dem die erste Modulationsfrequenz gleich f1 ist.
Laufzeitdistanzmessvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die zweite Modulationsfrequenz auf eine Modulationsfrequenz von 1/N der ersten Modulationsfrequenz festgelegt ist.
Laufzeitdistanzmessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Lichtemissionssteuereinheit ein Muster von moduliertem Licht bei der zweiten Modulationsfrequenz, in dem ein Pulsmuster M Mal wiederholt wird, als eine zweite Untersequenz festlegt, wobei M eine natürliche Zahl von 2 oder größer ist, und das Lichtemissionselement veranlasst, Licht zu emittieren, während die Phasen der Vorwärts- oder Rückwärtsrichtung willkürlich mit einer Wahrscheinlichkeit von 1/2 bei jeder Ausführung der zweiten Untersequenz geändert wird, und wenn die Distanz gemäß der zweiten Modulationsfrequenz gemessen wird, speichert und entlädt die Speicherkapazität des Lichtempfangselements elektrische Ladungen gemäß der Timing, wenn die Polarität der Phase durch die Lichtemissionssteuereinheit bei jeder Aussendung der zweiten Untersequenz gesteuert wird, und die Distanz gemäß den elektrischen Ladungen gemessen wird, die in der Speicherkapazität gespeichert sind.
Laufzeitdistanzmessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Lichtemissionssteuereinheit eine Lichtemission dem Lichtemissionselement auf einer hinteren Seite N1 von N Pulsmustern der Untersequenz bei der ersten Modulationsfrequenz stoppt, wobei N1 irgendein Wert von 1 bis -1 ist, und die Lichtempfangssteuereinheit eine Nichtbelichtungsperiode des Lichtempfangselements auf einer vorderen Seite N2 der N Pulsmuster der Untersequenz festlegt, wobei N2 irgendein Wert von 1 bis -1 ist, um eine Empfindlichkeit für Signale, die mit Verzögerung empfangen werden, einzustellen und zu erhöhen.
Laufzeitdistanzmessvorrichtung gemäß Anspruch 5, wobei das Lichtempfangselement ein Pixel (116) aufweist, das einen Entladeschalter (14c) aufweist, der bereitgestellt ist, um die gespeicherten elektrischen Ladungen zu entladen, und die Laufzeitdistanzmessvorrichtung ferner eine Entladesteuereinheit (5) aufweist, die, wenn das Lichtempfangselement in der Nichtbelichtungsperiode durch die Lichtempfangssteuereinheit festgelegt wird, elektrische Ladungen, die durch Hintergrundlicht erzeugt werden, unter Verwendung des Entladeschalters entlädt.
Laufzeitdistanzmessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, die eine Vergleichseinheit (11, S3) aufweist, die eine Amplitude A1 eines Reflexionssignalverlaufs bei der ersten Modulationsfrequenz mit einer Amplitude A2 eines Reflexionssignalverlaufs bei der zweiten Modulationsfrequenz vergleicht, wobei wenn die Vergleichseinheit bestimmt, dass ein Signalamplitudenverhältnis A1/A2 größer als ein Grenzwert (TH) ist, diese Reflexion als innerhalb des effektiven Messbereichs befindlich betrachtet wird und die Distanz gemessen wird.
Laufzeitdistanzmessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenn eine Vierphasensequenz einer 0-Grad-Belichtung und einer 90-Grad-Belichtung angewandt wird, die Lichtempfangssteuereinheit (5) ein Pulsmuster eines ersten Steuersignals (TG1, TG2) der 0-Grad-Belichtung in der Untersequenz erzeugt, die mehrmals bei der ersten Modulationsfrequenz wiederholt wird, und ein Pulsmuster eines zweiten Steuersignals (TG1, TG2) der 90-Grad-Belichtung durch Verschieben des ersten Steuersignals um 90 Grad erzeugt.
Laufzeitdistanzmessvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei N eine Potenz von 2, das heißt irgendein Wert aus 2, 4, 8, 16 und 32, ist oder aus einer natürlichen Zahl von 2 bis 10 gebildet wird.
Laufzeitdistanzmessvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei M eine Potenz von 2, das heißt irgendein Wert aus 2, 4, 8, 16 und 32, ist oder aus einer natürlichen Zahl von 2 bis 10 gebildet wird.