DE202016104285U1 - Optoelectronic sensor for detecting an object - Google Patents
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Abstract
Optoelektronischer Sensor (10) zur Erfassung eines Objekts (20) in einem Überwachungsbereich (18) mit einem Lichtsender (12) zum Aussenden eines Lichtsignals (16) in den Überwachungsbereich (18) und mit einem Lichtempfänger (26), der eine Vielzahl von Lawinenphotodiodenelementen (28) zur Erfassung von Empfangslicht aus dem Überwachungsbereich (18) aufweist, die jeweils mit einer Vorspannung oberhalb einer Durchbruchspannung vorgespannt und somit in einem Geiger-Modus betrieben sind, wobei der Lichtempfänger (26) digital ausgebildet ist und somit ermöglicht, einzelne oder Gruppen von Lawinenphotodiodenelementen (28, 28a) zu aktivieren oder zu deaktivieren, und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (30), die zur Auswertung eines Empfangssignals des Lichtempfängers (26) sowie dafür ausgebildet ist, diejenigen Lawinenphotodiodenelemente (28a) zu aktivieren, wo ein Lichtfleck (44) des an dem Objekt (20) remittierten oder reflektieren Lichtsignals (22) erwartet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtfleck (44) langgestreckt ist.An optoelectronic sensor (10) for detecting an object (20) in a surveillance area (18) having a light emitter (12) for emitting a light signal (16) into the surveillance area (18) and a light receiver (26) comprising a plurality of avalanche photodiode elements (28) for detecting received light from the monitoring area (18), each biased with a bias voltage above a breakdown voltage and thus operated in a Geiger mode, wherein the light receiver (26) is digital and thus allows individual or groups avalanche photodiode elements (28, 28a), and a control and evaluation unit (30) adapted to evaluate a receive signal of the light receiver (26) and to activate those avalanche photodiode elements (28a) where a light spot (44) of the object (20) remitted or reflected light signal (22) is expected, characterized gekennzei that the light spot (44) is elongate.
Description
Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor zur Erfassung eines Objekts in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. The invention relates to an optoelectronic sensor for detecting an object in a surveillance area according to the preamble of claim 1.
Optoelektronische Sensoren gibt es in einem breiten Spektrum, das von eindimensionalen Lichtschranken und Lichttastern über Laserscanner bis zu Kameras reicht. Über die reine Objekterfassung hinaus wird in entfernungsmessenden Systemen auch eine Distanz zu dem Objekt bestimmt. Distanzsensoren nach dem Lichtlaufzeitprinzip messen dazu die Laufzeit eines Lichtsignals, die über die Lichtgeschwindigkeit der Entfernung entspricht. Man unterscheidet herkömmlich die pulsbasierte und die phasenbasierte Messung. In einem Pulslaufzeitverfahren wird ein kurzer Lichtpuls ausgesandt und die Zeit bis zum Empfang einer Remission oder Reflexion des Lichtpulses gemessen. Alternativ wird bei einem Phasenverfahren Sendelicht amplitudenmoduliert und eine Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangslicht bestimmt, wobei die Phasenverschiebung ebenfalls ein Maß für die Lichtlaufzeit ist. Die Grenze zwischen den beiden Verfahren lässt sich aber nicht immer scharf ziehen, denn etwa bei komplexen Pulsmustern wird ein Pulslaufzeitverfahren einem Phasenverfahren ähnlicher als einer klassischen Einzelpulsmessung. Optoelectronic sensors are available in a broad spectrum, ranging from one-dimensional photoelectric sensors and light sensors to laser scanners and cameras. In addition to pure object detection, a distance to the object is also determined in distance-measuring systems. Distance sensors based on the time-of-flight principle measure the propagation time of a light signal that corresponds to the distance over the speed of light. Conventionally, a distinction is made between pulse-based and phase-based measurements. In a pulse transit time method, a short light pulse is emitted and the time to receive a remission or reflection of the light pulse is measured. Alternatively, in a phase method, transmitted light is amplitude modulated and a phase shift between transmitted and received light is determined, wherein the phase shift is also a measure of the light transit time. However, the boundary between the two methods can not always be drawn sharply, because, for example, in the case of complex pulse patterns, a pulse transit time method is more similar to a phase method than to a classical single pulse measurement.
Um auch geringe Empfangsintensitäten nachweisen zu können, werden herkömmlich in manchen optoelektronischen Sensoren Lawinenphotodioden eingesetzt (APD, Avalanche Photo Diode). Das einfallende Licht löst hier einen kontrollierten Lawinendurchbruch (Avalanche Effect) aus. Dadurch werden die durch einfallende Photonen erzeugten Ladungsträger vervielfacht, und es entsteht ein Photostrom, der zu der Lichtempfangsintensität proportional, dabei aber wesentlich größer ist als bei einer einfachen PIN-Diode. In order to be able to detect even low reception intensities, avalanche photodiodes are conventionally used in some optoelectronic sensors (APD, avalanche photo diode). The incident light triggers a controlled avalanche breakdown. As a result, the charge carriers generated by incident photons are multiplied, and there is a photocurrent, which is proportional to the light receiving intensity, but much larger than a simple PIN diode.
Eine noch größere Empfindlichkeit wird mit Lawinenphotodioden erreicht, die im sogenannten Geiger-Modus betrieben werden (SPAD, Single Photon Avalanche Diode). Hierbei wird die Lawinenphotodiode oberhalb der Durchbruchspannung vorgespannt, so dass bereits ein einziger, durch ein einzelnes Photon freigesetzter Ladungsträger eine nicht mehr kontrollierte Lawine auslösen kann, die dann aufgrund der hohen Feldstärke sämtliche verfügbaren Ladungsträger rekrutiert. Danach kommt die Lawine zum Erliegen (passive quenching) und steht für eine gewisse Totzeit nicht mehr zur Detektion zur Verfügung. Alternativ ist auch bekannt, die Lawine von außen zu erkennen und zu löschen (active quenching). An even greater sensitivity is achieved with avalanche photodiodes, which are operated in the so-called Geiger mode (SPAD, Single Photon Avalanche Diode). Here, the avalanche photodiode is biased above the breakdown voltage, so that even a single, released by a single photon charge carrier can trigger a no longer controlled avalanche, which then recruits all available charge carriers due to the high field strength. Then the avalanche comes to a standstill (passive quenching) and is no longer available for detection for a certain dead time. Alternatively, it is also known to detect and extinguish the avalanche from the outside (active quenching).
Eine SPAD zählt somit wie ein Geigerzähler Einzelereignisse. SPADs sind nicht nur hochempfindlich, sondern auch vergleichsweise kostengünstig und effizient in Silizium-Halbleitern zu integrieren. Weiter lassen sie sich dann mit wenig Aufwand auf einer Leiterkarte integrieren. Eine Besonderheit ist die Tatsache, dass auch ein minimales Stör-ereignis, wie ein Fremdlichtphoton oder Dunkelrauschen, das gleiche maximale Empfangssignal erzeugt wie ein Nutzlichtsignal. Um diesen Auswirkungen zu begegnen, werden in der Praxis mehrere SPADs gemeinsam ausgewertet. A SPAD thus counts as a Geiger counter individual events. Not only are SPADs highly sensitive, but they are also comparatively inexpensive and efficient to integrate into silicon semiconductors. Next, they can then be integrated with little effort on a printed circuit board. A special feature is the fact that even a minimal disturbance event, such as an extraneous light photon or dark noise, generates the same maximum received signal as a useful light signal. In order to counteract these effects, in practice several SPADs are evaluated together.
Es gibt Matrixanordnungen von SPADs, die nicht nur ein Summensignal bereitstellen, sondern ähnlich wie bei einem pixelaufgelösten Bildsensor im Prinzip das Auslesen einzelner SPADs gefolgt von einer direkten Quantisierung ermöglichen. Das wird hier als digitale SPAD-Matrix bezeichnet und erlaubt, die Information von Teilbereichen oder Untergruppen zu erfassen. There are matrix arrays of SPADs that not only provide a sum signal but, similar to a pixel-resolved image sensor, in principle allow the reading of individual SPADs followed by direct quantization. This is referred to herein as a digital SPAD matrix and allows to capture the information of subregions or subgroups.
Die Verwendung eines derartigen schnellen und hochempfindlichen Empfangselements, bei dem die Information einzelner Pixel verarbeitet werden kann, erfordert an sich neuartige Optikkonzepte, mit denen sich die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems optimieren lässt. Herkömmlich werden aber nur Systeme eingesetzt, deren Sendelicht unter Verwendung von Sende- und Empfangslinsen mit sphärischen oder asphärischen Oberflächen runde Lichtflecke in der Empfängerebene erzeugt, wobei der Lichtfleck zudem eine inhomogene Bestrahlungsstärke aufweist. The use of such a fast and highly sensitive receiving element, in which the information of individual pixels can be processed, requires in itself novel optical concepts with which the performance of the overall system can be optimized. Conventionally, however, only systems are used whose transmitted light using transmit and receive lenses with spherical or aspherical surfaces produces round spots of light in the receiver plane, wherein the light spot also has an inhomogeneous irradiance.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Leistungsfähigkeit eines optoelektronischen Sensors mit einer digitalen SPAD-Matrix zu verbessern. It is therefore an object of the invention to improve the performance of an optoelectronic sensor with a digital SPAD matrix.
Die Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor zur Erfassung eines Objekts in einem Überwachungsbereich nach Anspruch 1 gelöst. Der Sensor weist einen Lichtsender zum Aussenden eines Lichtsignals sowie als Lichtempfänger eine Vielzahl von im Geiger-Modus betriebenen Lawinenphotodioden oder SPADs auf, die vorzugsweise als Pixel zu einer Zeile oder Matrix angeordnet sind. Dabei besteht die Möglichkeit wie in einer digitalen SPAD-Matrix, einzelne Lawinenphotodiodenelemente oder Gruppen davon gezielt zu aktivieren oder zu deaktivieren. Nur die aktivierten Lawinenphotodiodenelemente tragen tatsächlich zu einer Messung bei. Die Aktivierung kann tatsächlich einzelne Pixel schalten, so dass es in den nicht aktivierten Pixeln gar nicht zum Lawinendurchbruch kommt, ebenso kann aber auch auf das Auslesen nicht aktivierter Pixel verzichtet oder deren Information in der Auswertung nicht berücksichtigt werden. Eine Auswertungseinheit des Sensors aktiviert diejenigen Pixel, die von dem Lichtfleck getroffen werden, den das aus dem Überwachungsbereich zurückkehrende Lichtsignal auf dem Lichtempfänger erzeugt, und deaktiviert vorzugsweise die übrigen Pixel. Diese Auswahl kann beispielsweise durch einen geeigneten Algorithmus vorhergesagt, parametriert, eingelernt oder anhand einer Messung nachgeführt sein. Die Erfindung geht nun von dem Grund-gedanken aus, die Geometrie des Lichtflecks anzupassen, insbesondere durch einen langgestreckten Lichtfleck in der Empfängerebene. Dazu wird für einen entsprechenden langgestreckten Querschnitt des Lichtsignals gesorgt, das am Lichtempfänger ankommt. The object is achieved by an optoelectronic sensor for detecting an object in a surveillance area according to claim 1. The sensor has a light transmitter for emitting a light signal as well as a light receiver a plurality of operated in Geiger mode avalanche photodiodes or SPADs, which are preferably arranged as pixels to a row or matrix. It is possible, as in a digital SPAD matrix, to selectively activate or deactivate individual avalanche photodiode elements or groups thereof. Only the activated avalanche photodiode elements actually contribute to a measurement. Activation can actually switch individual pixels, so that avalanche breakdown does not even occur in the non-activated pixels, but it is also possible to dispense with reading out non-activated pixels or to disregard their information in the evaluation. An evaluation unit of the sensor activates those pixels that are hit by the light spot, that from the Surveillance area generates the returning light signal on the light receiver, and preferably deactivates the remaining pixels. This selection can, for example, be predicted, parameterized, taught-in or tracked by means of a suitable algorithm. The invention is based on the basic idea of adapting the geometry of the light spot, in particular by means of an elongated light spot in the receiver plane. For this purpose, a corresponding elongate cross-section of the light signal is provided, which arrives at the light receiver.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass der längliche Lichtfleck an die spezifischen Anforderungen einer SPAD-Matrix und typische Anwendungen des Sensors angepasst ist. Das verhindert Fehldetektionen beispielsweise von zusätzlichen Lichtreflexen oder Beugungsmustern, ist elektronisch und damit viel einfacher realisierbar als eine schmale mechanische Blende. Durch Anpassung von Lichtfleck und aktiviertem Bereich kann dort die Bestrahlungsstärke, damit die Signalstärke und letztlich die Reichweite erhöht werden. Indem gezielt Lawinenphotodiodenelemente berücksichtigt werden, die Nutzlicht empfangen, ergibt sich ein viel besseres Signal/Rausch-Verhältnis. Die Unempfindlichkeit gegen Fremdlicht wird weiter gesteigert, weil der Sichtbereich sehr schmal eingestellt werden kann. Insgesamt erhöht sich die Leistungsfähigkeit des Sensors im Hinblick auf Reichweite, Ansprechzeit, Fremdlichtverträglichkeit und punktgenaues Schalten senkrecht zur Strahlachse deutlich. The invention has the advantage that the elongated light spot is adapted to the specific requirements of a SPAD matrix and typical applications of the sensor. This prevents misdetections, for example, from additional light reflections or diffraction patterns, is electronic and thus much easier to implement than a narrow mechanical aperture. By adjusting the light spot and the activated area, it is possible to increase the irradiance, thus increasing the signal strength and ultimately the range. By deliberately taking into account avalanche photodiode elements which receive useful light, a much better signal-to-noise ratio results. The insensitivity to ambient light is further increased, because the field of view can be set very narrow. Overall, the performance of the sensor increases in terms of range, response time, external light compatibility and pinpoint switching perpendicular to the beam axis significantly.
Der Lichtfleck weist bevorzugt ein Seitenverhältnis von mindestens 2:1 auf, möglicherweise auch 3:1 oder mehr. Geht man von einer SPAD-Matrix mit gleicher Pixelgeometrie in horizontaler und vertikaler Richtung aus, so überdeckt der Lichtfleck in seiner Längsrichtung mindestens doppelt so viele Pixel wie in Querrichtung. Dabei sind in Querrichtung vorzugsweise nur ein, zwei oder jedenfalls sehr wenige Pixel vorgesehen. Der Lichtfleck ist vorteilhafterweise mit seiner Längsrichtung in Spalten- oder Zeilenrichtung der SPAD-Matrix orientiert, kann aber prinzipiell auch diagonal dazu verdreht sein. The light spot preferably has an aspect ratio of at least 2: 1, possibly also 3: 1 or more. Assuming a SPAD matrix with the same pixel geometry in the horizontal and vertical directions, the light spot covers at least twice as many pixels in its longitudinal direction as in the transverse direction. In this case, preferably only one, two or at least very few pixels are provided in the transverse direction. The light spot is advantageously oriented with its longitudinal direction in the column or row direction of the SPAD matrix, but in principle can also be diagonally rotated.
Der Lichtfleck weist bevorzugt eine rechteckige Form auf. Dies ermöglicht die beste Anpassung an die SPAD- oder Pixelstruktur des Lichtempfängers. Dennoch sind andere Geometrien wie beispielsweise eine Ellipse denkbar, die möglicherweise optisch leichter erreichbar sind. The light spot preferably has a rectangular shape. This allows the best fit to the SPAD or pixel structure of the light receiver. Nevertheless, other geometries such as an ellipse are conceivable, which may be more easily accessible.
Der Sensor ist bevorzugt ein entfernungsmessender Sensor, bei dem die Steuer- und Auswertungseinheit dafür ausgebildet ist, aus einer Lichtlaufzeit zwischen Aussenden des Lichtsignals und Empfangen des an dem Objekt remittierten oder reflektierten Lichtsignals einen Abstand des Objekts zu bestimmen. Bei der Entfernungsmessung ist die hohe Empfindlichkeit eines Lichtempfängers mit Lawinenphotodiodenelementen im Geiger-Modus besonders vorteilhaft. Die Erfindung sorgt für eine verbesserte Ausnutzung der hohen Empfindlichkeit. Die Lichtlaufzeit kann beispielsweise durch TDCs (Time-to-Digital Converter) gemessen werden. TDCs können direkt monolithisch in einem Kristall des Lichtempfängers integriert werden. Durch Verknüpfung von Lawinenphotodiodenelement und TDC kann ein Auftreffort und eine Zeitinformationen der einfallenden Photonen gewonnen werden. Dabei ist in einigen Ausführungsformen ein TDC je Pixel vorgesehen, vorzugsweise ist aber die Verknüpfung eines TDC zu einem Pixel oder einer Gruppe von Pixeln einstellbar, so dass weniger Schaltungselemente benötigt werden und die Chipfläche minimiert wird. Die Zuordnung von TDCs ist eine Möglichkeit, Lawinenphotodiodenelemente zu aktivieren, da ein Lawinenphotodiodenelement ohne eine solche Zuordnung zur Laufzeitmessung nicht beiträgt. The sensor is preferably a distance-measuring sensor, in which the control and evaluation unit is designed to determine a distance of the object from a light transit time between emission of the light signal and reception of the light signal reflected or reflected on the object. When measuring distance, the high sensitivity of a light receiver with avalanche photodiode elements in Geiger mode is particularly advantageous. The invention provides for improved utilization of the high sensitivity. The light transit time can be measured, for example, by TDCs (time-to-digital converter). TDCs can be directly monolithically integrated in a crystal of the light receiver. By combining avalanche photodiode element and TDC, an incident location and time information of the incident photons can be obtained. Herein, in some embodiments, one TDC is provided per pixel, but preferably the association of a TDC to a pixel or group of pixels is adjustable so that fewer circuit elements are needed and the chip area is minimized. The assignment of TDCs is one way to activate avalanche photodiode elements, since an avalanche photodiode element without such assignment does not contribute to the transit time measurement.
Das ausgesandte Lichtsignal weist bevorzugt einen Lichtpuls auf. Der Sensor misst also Entfernungen nach dem Pulsverfahren. Dabei sind auch kompliziertere Formen wie Doppelpulse oder sogar Pulscodes denkbar. Es können auch mehrere Lichtpulse nacheinander ausgesandt, empfangen und die jeweiligen Einzelergebnisse gemeinsam statistisch ausgewertet werden, etwa in einem Pulsmittelungsverfahren. Alternativ ist ein Phasenverfahren denkbar. The emitted light signal preferably has a light pulse. The sensor thus measures distances according to the pulse method. Even more complicated forms such as double pulses or even pulse codes are conceivable. It is also possible for a plurality of light pulses to be transmitted one after the other, received, and the respective individual results jointly evaluated statistically, for example in a pulse averaging process. Alternatively, a phase method is conceivable.
Der Lichtempfänger weist bevorzugt eine Empfangsoptik auf, welche die langgestreckte Form des Lichtflecks erzeugt. Durch Anpassungen der Empfangsoptik kann der Lichtfleck weiter optimiert werden. Einen langgestreckten Lichtfleck erzeugt auch eine Linienanordnung mehrerer Lichtquellen beziehungsweise eine entsprechende Sendeoptik, so dass dies alternativ oder zusätzlich zu einer Empfangsoptik für die Erzeugung der langgestreckten Form verwendet werden kann. The light receiver preferably has a receiving optical system which generates the elongated shape of the light spot. By adapting the receiving optics, the light spot can be further optimized. An elongated light spot is also produced by a line arrangement of a plurality of light sources or a corresponding transmission optical system, so that this can be used as an alternative or in addition to a receiving optical system for the generation of the elongate shape.
Vorzugsweise homogenisiert die Empfangsoptik den Lichtfleck. Dadurch werden Fehler, insbesondere Laufzeitfehler, durch Intensitätsschwankungen vermieden. Die konstante Bestrahlungsstärke innerhalb des Lichtflecks führt zu einer besseren Ausnutzung der einzelnen Lawinenphotodiodenelemente und damit einem höheren Signal. Damit erhöht sich die Reichweite, und durch effizientere Statistik verbessert sich die zu erwartende Ansprechzeit, bis ein Messwert verfügbar ist. Die Totzeit der Lawinenphotodiodenelemente wirkt sich wegen der verringerten Intensitätsschwankungen nicht so stark aus, es werden insgesamt mehr Nutzlichtphotonen erkannt als bei inhomogenem Lichtfleck. Auch die Varianz in der Ankunftszeit des ersten Signalphotons verringert sich, und deshalb wird bei einer Lichtlaufzeitmessung der Objektabstand genauer bestimmt. Eine Sendeoptik kann die Homogenisierung unterstützen oder anstelle der Empfangsoptik leisten. Preferably, the receiving optics homogenize the light spot. As a result, errors, in particular runtime errors, are avoided by intensity fluctuations. The constant irradiance within the light spot leads to a better utilization of the individual avalanche photodiode elements and thus a higher signal. This increases the range, and more efficient statistics improve the expected response time until a reading is available. The dead time of the avalanche photodiode elements does not have such a strong effect because of the reduced intensity fluctuations, more useful light photons are detected overall than in the case of an inhomogeneous light spot. Also, the variance in the arrival time of the first signal photon decreases, and therefore, in a time of flight measurement, the object distance is more accurately determined. A Transmitting optics can support the homogenization or instead of the receiving optics afford.
Die Empfangsoptik weist mindestens eine Freiformfläche auf. Dabei kann die Freiformfläche auf einer Linse oder einem Spiegel realisiert sein. Freiform bedeutet, dass die Geometrie sich nicht als Asphäre oder deren Rotationskörper beschreiben lässt, und das erlaubt eine genaue Anpassung des Lichtflecks. Die Linse oder der Spiegel mit der Freiformfläche kann auch mit einem weiteren optischen Element kombiniert werden, insbesondere ebenfalls mit Freiformfläche oder auch mit einer Asphäre oder Zylinderlinse beziehungsweise einem entsprechend gekrümmten Spiegel. Eine spezielle Empfangs-optik, die als Konvex-konkaves Linsen- oder Spiegelsystem zwei Elemente mit jeweils mindestens einer Freiformoberfläche aufweist, kann wie in der noch unveröffentlichten Gebrauchsmusteranmeldung mit dem Aktenzeichen 20 2016 100 006.8. die Lichtfleckgeometrie auch bei Temperaturänderungen beibehalten. Als alternative zu einer Freiform kommen ein oder mehrere einfache optische Elemente in Betracht, etwa die Kombination einer Asphäre mit einer Zylinderlinse, aber damit kann der Lichtfleck nicht so gut angepasst werden. Auch der Einsatz eines diffraktiven optischen Elements anstelle der Freiform oder in Kombination mit einer Freiform ist denkbar. Erneut gelten entsprechende Ausführungen auch für eine Sendeoptik. The receiving optics has at least one free-form surface. In this case, the freeform surface can be realized on a lens or a mirror. Freeform means that the geometry can not be described as an asphere or its body of revolution, and this allows a precise adjustment of the light spot. The lens or the mirror with the free-form surface can also be combined with a further optical element, in particular likewise with a free-form surface or else with an asphere or cylindrical lens or a correspondingly curved mirror. A special receiving optics, which has as convex-concave lens or mirror system two elements each having at least one free-form surface, as in the still unpublished utility model application with the
Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt für einen Einlernmodus ausgebildet, in dem der zu aktivierende Bereich des Lichtempfängers anhand der Position eines Lichtflecks eingelernt wird. Das kann schon in der Fertigung oder später im Feld geschehen. In der Fertigung beispielsweise können so Toleranzen durch die Entscheidung ausgeglichen werden, welche Lawinenphotodiodenelemente relevant sind und aktiv sein sollen. Im Feld kann die Auswahl des zu aktivierenden Bereichs Teil eines Kalibrier- oder Wartungsprozesses, aber auch einer dynamischen Anpassung während der Messung oder zwischen Messungen sein. The control and evaluation unit is preferably designed for a teach-in mode in which the region of the light receiver to be activated is taught in using the position of a light spot. This can happen in production or later in the field. In manufacturing, for example, tolerances can be compensated for by the decision as to which avalanche photodiode elements are relevant and should be active. In the field, the selection of the area to be activated can be part of a calibration or maintenance process, but also a dynamic adjustment during the measurement or between measurements.
Dem Lichtempfänger ist bevorzugt ein Mikrolinsenfeld vorgeordnet. Dieses Mikrolinsenfeld weist nochmals bevorzugt eine Mikrolinse je Lawinenphotodiodenelement auf, wobei alternativ eine gruppenweise Zuordnung denkbar ist. Aufgrund der Mikrolinsen trifft das Empfangslicht ausschließlich oder wenigstens größtenteils die Lawinenphotodiodenelemente selbst, somit die lichtempfindlichen Bereiche des Lichtempfängers, anstelle der Zwischenbereiche beispielsweise mit Verbindungsleitungen oder Auswertungsstrukturen. Damit wird eine optische Empfindlichkeit wie bei einem Lichtempfänger mit höherem Füllfaktor im Idealfall von 100 % erreicht. Es ergibt sich eine erhöhte Bestrahlungsstärke der aktiven Lawinenphotodiodenelemente unter dem Lichtfleck und damit eine erhöhte Reichweite des Sensors. Das Mikrolinsenfeld ist besonders wirksam in Kombination mit einer Freiform. The light receiver is preferably preceded by a microlens array. This microlens field again preferably has a microlens per avalanche photodiode element, wherein alternatively a group-wise assignment is conceivable. Due to the microlenses, the received light exclusively or at least for the most part strikes the avalanche photodiode elements themselves, thus the light-sensitive regions of the light receiver, instead of the intermediate regions, for example with connecting lines or evaluation structures. Thus, an optical sensitivity is achieved as in a light receiver with higher filling factor ideally of 100%. This results in an increased irradiance of the active avalanche photodiode elements under the light spot and thus an increased range of the sensor. The microlens field is particularly effective in combination with a freeform.
Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in: The invention will be explained in more detail below with regard to further features and advantages by way of example with reference to embodiments and with reference to the accompanying drawings. The illustrations of the drawing show in:
Zumindest Teile der Steuer- und Auswertungseinheit
Der Lichtempfänger
Der Sensor
Die Anordnung des Sensors
Im Bereitschaftszustand liegt über der Diode
Dabei ergibt sich eine sogenannte laterale Schwarz-Weiß-Verschiebung. Damit bezeichnet man eine unerwünschte Abweichung des Schaltpunkts, an dem das Objekt erfasst wird, aufgrund der Objektremission. Der Grund für die Abweichung ist, dass es zusätzlich zu dem gewollten Lichtfleck
Im Prinzip kann der Sichtbereich mit einer schmalen Blende etwa von < 200 µm Breite eingeschränkt und damit die laterale schwarz-weiß Verschiebung minimiert werden. Einerseits ist jedoch die mechanische Ausführung aufwändig und müsste justiert werden, und andererseits wäre das System im Betrieb kaum anpassbar. Deshalb wählt die Erfindung stattdessen den Weg, nur bestimmte Lawinenphotodiodenelemente
Der längliche Lichtfleck
Zunächst sollte man annehmen, dass der Lichtfleck
Der auf diesen Bereich der aktivierten Lawinenphotodiodenelemente
Als Zahlenbeispiel wird eine SPAD-Matrix mit einem Raster von
Vergleicht man nun die Bestrahlungsstärke eines kreisrunden Lichtflecks
Ein Effekt der deutlich erhöhten Bestrahlungsstärke und damit des verbesserten Nutzsignals ist eine größere Reichweite des Sensors
Eine zusätzliche Homogenisierung der Bestrahlungsstärke innerhalb des Lichtflecks
Eine derartige Freiformlinse oder ein ebenso verwendbarer Freiformspiegel in einer reflexiven Anordnung ist besonders genau an die jeweiligen Anforderungen anpassbar, denn der Lichtfleck
Claims (9)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE202016104285.2U DE202016104285U1 (en) | 2016-08-04 | 2016-08-04 | Optoelectronic sensor for detecting an object |
Applications Claiming Priority (1)
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DE202016104285.2U DE202016104285U1 (en) | 2016-08-04 | 2016-08-04 | Optoelectronic sensor for detecting an object |
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DE202016104285U1 true DE202016104285U1 (en) | 2017-11-08 |
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ID=60420092
Family Applications (1)
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DE202016104285.2U Expired - Lifetime DE202016104285U1 (en) | 2016-08-04 | 2016-08-04 | Optoelectronic sensor for detecting an object |
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP3620829A1 (en) * | 2018-09-07 | 2020-03-11 | Sick Ag | Light grid |
CN112567260A (en) * | 2018-08-09 | 2021-03-26 | 株式会社电装 | Optical distance measuring device |
-
2016
- 2016-08-04 DE DE202016104285.2U patent/DE202016104285U1/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN112567260A (en) * | 2018-08-09 | 2021-03-26 | 株式会社电装 | Optical distance measuring device |
EP3620829A1 (en) * | 2018-09-07 | 2020-03-11 | Sick Ag | Light grid |
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