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 file number 20 2016 100 006.8. maintain the spot geometry even with temperature changes. As an alternative to a free form, one or more simple optical elements come into consideration, such as the combination of an asphere with a cylindrical lens, but so that the light spot can not be adapted so well. The use of a diffractive optical element instead of the freeform or in combination with a freeform is also conceivable. Again, corresponding explanations also apply to a transmission optics.

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:

1 eine schematische Blockdarstellung eines optoelektronischen Sensors; 1 a schematic block diagram of an optoelectronic sensor;

2 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild eines Lawinenphotodiodenelements im Geiger-Modus; 2 a simplified equivalent circuit diagram of avalanche photodiode element in Geiger mode;

3a eine schematische Darstellung eines Sensors und eines davon zu erfassenden Objekts zur Illustration einer Messwertverschiebung durch zusätzliche Reflexe; 3a a schematic representation of a sensor and an object to be detected for illustrating a measured value shift by additional reflexes;

3b eine schematische Darstellung des Lichtempfängers und beispielhafter Lichtflecken in der Situation der 3a; 3b a schematic representation of the light receiver and exemplary light spots in the situation of 3a ;

4a eine beispielhafte Darstellung eines runden Lichtflecks auf einer SPAD-Matrix; 4a an exemplary representation of a round light spot on a SPAD matrix;

4b eine beispielhafte Darstellung eines langgestreckten Lichtflecks auf einer SPAD-Matrix; 4b an exemplary representation of an elongated light spot on a SPAD matrix;

5a eine Schnittansicht einer Linse mit einer Freiform zur Erzeugung eines langgestreckten, homogenen Lichtflecks; und 5a a sectional view of a lens with a free form to produce an elongated, homogeneous light spot; and

5b eine ergänzende Schnittansicht der Linse gemäß 5a in einer dazu senkrechten Ansicht 5b a complementary sectional view of the lens according to 5a in a vertical view

1 zeigt eine vereinfachte schematische Blockdarstellung eines optoelektronischen Sensors 10 in einer Ausführungsform als einstrahliger Lichttaster. Ein Lichtsender 12, beispielsweise eine LED oder eine Laserlichtquelle, sendet über eine Sendeoptik 14 ein Lichtsignal 16 in einen Überwachungsbereich 18 aus. Trifft es dort auf ein Objekt 20, so kehrt ein remittiertes oder reflektiertes Lichtsignal 22 über eine Empfangsoptik 24, 25 zu einem Lichtempfänger 26 zurück. Dieser Lichtempfänger 26 weist eine Vielzahl von Lichtempfangselementen auf, die als Lawinenphotodiodenelemente 28 im Geigermodus oder SPADs ausgebildet sind und die als Pixel aufgefasst werden können. Die Erfindung wird am Beispiel einer SPAD-Matrix beschrieben, ist aber prinzipiell auch anwendbar, wenn der Lichtempfänger eine Pixelstruktur von Lichtempfangselementen aufweist die keine SPADs sind. Die Empfangssignale der Lawinenphotodiodenelemente 28 werden von einer Steuer- und Auswertungseinheit 30 ausgelesen und dort ausgewertet. 1 shows a simplified schematic block diagram of an optoelectronic sensor 10 in one embodiment as a single-beam light sensor. A light transmitter 12 , For example, an LED or a laser light source, transmits via a transmission optics 14 a light signal 16 into a surveillance area 18 out. Does it meet an object there? 20 , so returns a reflected or reflected light signal 22 via a receiving optics 24 . 25 to a light receiver 26 back. This light receiver 26 has a plurality of light receiving elements called avalanche photodiode elements 28 in Geiger mode or SPADs are formed and which can be understood as pixels. The invention is described using the example of a SPAD matrix, but is also applicable in principle if the light receiver has a pixel structure of light-receiving elements that are not SPADs. The received signals of the avalanche photodiode elements 28 be from a control and evaluation unit 30 read out and evaluated there.

Zumindest Teile der Steuer- und Auswertungseinheit 30 können auch mit den Lawinenphotodiodenelementen 28 auf einem gemeinsamen Chip integriert werden, dessen Fläche sich dann lichtempfindliche Bereiche der Lawinenphotodiodenelemente 28 und einzelnen oder Gruppen von Lawinenphotodiodenelemente 28 zugeordnete Schaltkreise zu deren Auswertung und Ansteuerung teilen. Weist die Empfangsoptik 24, 25 wie dargestellt ein Mikrolinsenfeld 24 auf, dann kann das Lichtsignal 22 gezielt jeweils auf die lichtempfindlichen Bereiche gebündelt werden. Die zusätzliche Linse 25 kann für eine Fokussierung und Formung des Empfangslichts sowie eine Lichtumverteilung sorgen. Das Mikrolinsenfeld 24 ist optional, und die Empfangsoptik 24, 25 kann insgesamt anders gestaltet sein als dargestellt, beispielsweise mit mehreren Linsen, reflexiv oder mit einem diffraktiven optischen Element. At least parts of the control and evaluation unit 30 can also with the avalanche photodiode elements 28 integrated on a common chip whose area is then photosensitive areas of avalanche photodiode elements 28 and individual or groups of avalanche photodiode elements 28 share associated circuits for their evaluation and control. Indicates the receiving optics 24 . 25 as shown, a microlens array 24 on, then the light signal 22 be focused in each case on the photosensitive areas. The additional lens 25 can provide for a focusing and shaping of the receiving light and a light redistribution. The microlens field 24 is optional, and the receiving optics 24 . 25 can be designed differently than shown, for example, with multiple lenses, reflexive or with a diffractive optical element.

Der Lichtempfänger 26 kann auch als digitale SPAD-Matrix bezeichnet werden. Das soll bedeuten, dass die Steuer- und Auswertungseinheit 30 Informationen einzelner Lawinenphotodiodenelemente 28 oder Gruppen davon erhält oder sogar in der Lage ist, diese gezielt an- und abzuschalten. Beides führt zu der Möglichkeit, Teilbereiche des Lichtempfängers 26 zu aktivieren. The light receiver 26 can also be called a digital SPAD matrix. This should mean that the control and evaluation unit 30 Information of individual avalanche photodiode elements 28 or groups of them, or even able to turn them on and off. Both leads to the possibility of subregions of the light receiver 26 to activate.

Der Sensor 10 ist bevorzugt entfernungsmessend. Dazu bestimmt die Steuer- und Auswertungseinheit 30 eine Lichtlaufzeit von Aussenden des Lichtsignals 16 bis zum Empfang des zurückkehrenden Lichtsignals 22 und rechnet dies über die Lichtgeschwindigkeit in einen Abstand um. Mehrere Sensoren 10 können kombiniert werden, um ein tastendes Lichtgitter mit mehreren, meist parallelen Strahlen zu bilden, welches in jedem Strahl Entfernungen misst oder überwacht. Auch mobile Systeme sind denkbar, bei denen der Sensor 10 beweglich montiert ist, oder scannende Systeme, in denen das Lichtsignal 16, 22 über einen beweglichen Spiegel abgelenkt oder Lichtsender 12 beziehungsweise Lichtempfänger 26 selbst bewegt werden. The sensor 10 is preferably range-measuring. This is determined by the control and evaluation unit 30 a light transit time of emission of the light signal 16 until receipt of the returning light signal 22 and convert this over the speed of light into a distance. Several sensors 10 can be combined to form a grooving light grid with multiple, mostly parallel, beams, which measure or monitor distances in each beam. Mobile systems are also conceivable in which the sensor 10 movably mounted, or scanning systems, in which the light signal 16 . 22 distracted by a moving mirror or light emitter 12 or light receiver 26 to be moved.

Die Anordnung des Sensors 10 in 1 ist rein beispielhaft zu verstehen. Es sind alternativ andere bekannte optische Lösungen einsetzbar, wie Autokollimation etwa mit einem Strahlteiler und einer gemeinsamen Optik oder die Anordnung des Lichtsenders 12 vor dem Lichtempfänger 26. The arrangement of the sensor 10 in 1 is purely exemplary to understand. Alternatively, other known optical solutions can be used, such as autocollimation with, for example, a beam splitter and a common optic or the arrangement of the light emitter 12 in front of the light receiver 26 ,

2 zeigt ein beispielhaftes vereinfachtes Ersatzschaltbild einer einzelnen Lawinenphotodiode 28 im Geiger-Modus. In der Praxis handelt es sich um ein Halbleiterbauteil, dessen nicht dargestellter Aufbau hier als bekannt vorausgesetzt wird. Die Lawinenphotodiode 28 zeigt zum einen das Verhalten einer Diode 32. Sie hat eine Kapazität, die durch einen parallel geschalteten Kondensator 34 repräsentiert wird. Der mögliche Lawinendurchbruch erzeugt Ladungsträger, deren Ursprung in dem Ersatzschaltbild als Stromquelle 36 dargestellt wird. Der Lawinendurchbruch wird durch ein auftreffendes Photon 38 ausgelöst, wobei dieser Vorgang wie ein Schalter 40 wirkt. Es gibt dann verschiedene Möglichkeiten, das Ausgangssignal 42 zu betrachten, auf die hier nicht näher eingegangen wird. 2 shows an exemplary simplified equivalent circuit diagram of a single avalanche photodiode 28 in violin mode. In practice, it is a semiconductor device whose unillustrated structure is assumed to be known here. The avalanche photodiode 28 shows on the one hand the behavior of a diode 32 , It has a capacity through a parallel-connected capacitor 34 is represented. The possible avalanche breakdown generates charge carriers whose origin in the equivalent circuit as a current source 36 is pictured. The avalanche breakdown is caused by an incident photon 38 triggered, this process as a switch 40 acts. There are then different possibilities, the output signal 42 to look at, which will not be discussed here.

Im Bereitschaftszustand liegt über der Diode 32 eine Spannung oberhalb der Durchbruchspannung an. Erzeugt dann ein einfallendes Photon 38 ein Ladungsträgerpaar, so schließt dies gleichsam den Schalter 40, so dass die Lawinenphotodiode 28 über die Stromquelle 36 mit Ladungsträgern geflutet wird. Neue Ladungsträger entstehen aber nur, solange das elektrische Feld stark genug bleibt. Wird durch die Stromquelle 36 der Kondensator 34 so weit entladen, dass die Durchbruchspannung unterschritten ist, so kommt die Lawine von selbst zum Erliegen („passive quenching“). Danach lädt sich der Kondensator 34 wieder auf, bis wieder eine Spannung über der Durchbruchspannung an der Diode 32 anliegt. Es gibt alternative Ausgestaltungen, in denen die Lawine von außen erkannt und daraufhin eine Entladung unter die Durchbruchspannung ausgelöst wird („active quenching“). In standby mode is above the diode 32 a voltage above the breakdown voltage. Then creates an incident photon 38 a pair of charge carriers, this closes the switch as it were 40 so that the avalanche photodiode 28 via the power source 36 flooded with charge carriers. However, new charge carriers only arise as long as the electric field remains strong enough. Is caused by the power source 36 the capacitor 34 discharged so far that the breakdown voltage is exceeded, the avalanche comes to a standstill by itself to a standstill ("passive quenching"). Then the capacitor charges 34 again, until again a voltage above the breakdown voltage at the diode 32 is applied. There are alternative embodiments in which the avalanche is detected from the outside and then a discharge below the breakdown voltage is triggered ("active quenching").

3a zeigt schematisch den Sensor 10 in einer typischen Anwendungssituation, in der wie durch den Pfeil angedeutet lateral bewegte Objekte 20a–b erfasst werden, wobei in diesem Beispiel ein Objekt 20a eine geringe Remission und ein Objekt 20b eine hohe Remission aufweist. Das in 3a gezeigte Koordinatensystem wird auch im Folgenden zur Bezeichnung der x-, y-, und z-Richtung verwendet. 3b zeigt Lichtflecke 44a–b, die durch die jeweils zurückkehrenden Lichtsignale 22 auf dem Lichtempfänger 26 erzeugt werden. 3a schematically shows the sensor 10 in a typical application situation, in the laterally moving objects as indicated by the arrow 20a -B, where in this example an object 20a a small remission and an object 20b has a high remission. This in 3a The coordinate system shown below will also be used below to denote the x, y, and z directions. 3b shows spots of light 44a -B, by the respective returning light signals 22 on the light receiver 26 be generated.

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 44a des in Schaltposition befindlichen Objekts 20a weitere Lichtflecke 44b geben kann. Dafür kommen verschiedene Ursachen in Betracht, wie Frontscheibenreflexionen, Reflexionen in einem Tubus des Lichtsenders 12 oder Beugungsstrukturen etwa einer Senderblende. Wenn ein solcher störender zusätzlicher Lichtfleck 44b ausreichend Signalanteile liefert, beispielsweise wegen seiner Ausdehnung oder weil die Remission des störenden Objekts 20b größer ist als diejenige des zu erfassenden Objekts 20a, kann dies zu verfrühtem Schalten führen. Die Objektposition der lateralen Bewegungsrichtung, an welcher der Sensor 10 schaltet, wird deshalb ungewollt abhängig von Störeffekten und insbesondere von der Remission der Objekte 20a–b. This results in a so-called lateral black-white shift. This refers to an undesired deviation of the switching point at which the object is detected, due to the object emission. The reason for the deviation is that it is in addition to the wanted light spot 44a of the object in the switch position 20a more light spots 44b can give. For this purpose, various causes come into consideration, such as windshield reflections, reflections in a tube of the light emitter 12 or diffraction structures such as a transmitter aperture. If such a disturbing additional light spot 44b provides sufficient signal components, for example, because of its extent or because the remission of the interfering object 20b is greater than that of the object to be detected 20a , this can lead to premature switching. The object position of the lateral movement direction, at which the sensor 10 switches, therefore becomes unintentionally dependent on disruptive effects and in particular on the remission of the objects 20a b.

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 28a zu aktivieren, wie in 3b durch ein Rechteck angedeutet. Dadurch kann Licht außerhalb des eigentlich zu erkennenden Bereichs ausgeblendet und die Schaltposition auch bei unterschiedlich remittierenden Objekten 20a–b konstant gehalten werden. Allerdings ist in 3b der Lichtfleck 44a sehr schlecht an das Rechteck der aktivierten Lawinenphotodiodenelemente 28a angepasst, und das wird nun weiter verbessert. In principle, the viewing area can be restricted with a narrow aperture of about <200 μm width and thus the lateral black-and-white displacement can be minimized. On the one hand, however, the mechanical design is complex and would need to be adjusted, and on the other hand, the system would be hardly adaptable in operation. Therefore, instead of choosing the route, only certain avalanche photodiode elements are chosen 28a to activate, as in 3b indicated by a rectangle. As a result, light can be hidden outside the area that is actually to be recognized, and the switching position can also be faded out with differently remitting objects 20a -B kept constant. However, in 3b the light spot 44a very bad to the rectangle of the activated avalanche photodiode elements 28a adapted, and this is now further improved.

4a–b zeigen jeweils eine beispielhafte Darstellung des Lichtempfängers 26 mit dem Lichtfleck 44, den das zurückkehrende Lichtsignal 22 darauf erzeugt. Dabei sind auf dem Lichtempfänger 26 nur einige fett umrandete Lawinenphotodiodenelemente 28a in einer langgestreckten Rechteckanordnung von hier 2×8 Pixel aktiviert. In 4a ist zum Vergleich ein kreisrunder und in 4b ein langgestreckter, an die Anordnung der aktiven Lawinenphotodiodenelemente 28a angepasster Lichtfleck 44 mit jeweils gleicher vertikaler Ausdehnung dargestellt. Ein derartiger länglicher Lichtfleck 44 kann vorzugsweise mittels der Empfangsoptik 24, 25, insbesondere der Linse 25 erzeugt werden, alternativ oder unterstützend durch Strahlformung in der Sendeoptik 14 oder einen länglichen Lichtsender 12 beispielsweise mit einer Linienanordnung von Lichtquellen. 4a Each show an exemplary illustration of the light receiver 26 with the light spot 44 , the returning light signal 22 created on it. Here are on the light receiver 26 just a few bold avalanche photodiode elements 28a activated in an elongated rectangle arrangement from here 2 × 8 pixels. In 4a is for comparison a circular and in 4b an elongated, to the arrangement of the active avalanche photodiode elements 28a adapted light spot 44 each represented with the same vertical extent. Such an oblong spot of light 44 can preferably by means of the receiving optics 24 . 25 , especially the lens 25 be generated, alternatively or supportively by beam shaping in the transmission optics 14 or an elongated light transmitter 12 for example, with a line arrangement of light sources.

Der längliche Lichtfleck 44 gemäß 4b weist ein Seitenverhältnis h/b von mindestens h/b = 2:1 oder mehr, im Beispiel von 4:1 auf. Wie deutlich zu erkennen, ist dieser Lichtfleck wesentlich besser an die aktivierten Lawinenphotodioden 28a angepasst als der kreisrunde Lichtfleck 44 gemäß 4a. The oblong light spot 44 according to 4b has an aspect ratio h / b of at least h / b = 2: 1 or more, in the example of 4: 1. As can be clearly seen, this light spot is much better at the activated avalanche photodiodes 28a adapted as the circular light spot 44 according to 4a ,

Zunächst sollte man annehmen, dass der Lichtfleck 44 und damit der Bereich der aktivierten Lawinenphotodioden 28a für einen genauen Schaltpunkt möglichst klein sein sollte. Um aber eine gewisse Signaldynamik zu gewährleisten und die einleitend beschriebenen Effekte der Fehlauslösung und Totzeit von SPADs auszugleichen, muss eine Mindestanzahl an einzelnen Lawinenphotodiodenelementen 28 aktiviert und von dem Lichtfleck 44 ausgeleuchtet werden. Beispielsweise wenn es wie in 3 nur auf eine laterale Position ankommt, können hierfür n > 1 Lawinenphotodiodenelemente 28a in der zur Bewegungsrichtung x senkrechten Richtung y verwendet werden. First, one should assume that the light spot 44 and thus the range of activated avalanche photodiodes 28a for a precise switching point should be as small as possible. However, to ensure some signal dynamics and to compensate for the spurious triggering and deadtime effects of SPADs described in the introduction, a minimum number of individual avalanche photodiode elements must be used 28 activated and from the light spot 44 be lit up. For example, if it's like in 3 If only one lateral position arrives, n> 1 avalanche photodiode elements can be used for this purpose 28a be used in the direction of y x vertical direction y.

Der auf diesen Bereich der aktivierten Lawinenphotodiodenelemente 28a angepasste langgestreckte, bevorzugt rechteckige Lichtfleck 44 bringt im Zusammenhang mit dem als digitale Matrix ausgebildeten Lichtempfänger 26 wesentliche Vorteile, da hiermit das gesamte Signallicht in den relevanten Bereich des Lichtempfängers 26 projiziert wird. The on this area of the activated avalanche photodiode elements 28a adapted elongated, preferably rectangular light spot 44 brings in connection with the designed as a digital matrix light receiver 26 significant advantages, since hereby the entire signal light in the relevant area of the light receiver 26 is projected.

Als Zahlenbeispiel wird eine SPAD-Matrix mit einem Raster von 20 µm und einzelnen Lawinenphotodiodenelementen oder SPADs der Größe 15 µm × 15 µm betrachtet. Für die hierfür vereinfachend angenommene einzelne Linse der Empfangsoptik 24, die nicht als Mikrolinsenarray ausgebildet ist, wird eine Brennweite von 10 mm in der xz-Ebene angenommen. Bei Verwendung eines Bereichs mit aktivierten Lawinenphotodiodenelementen 28a von 1 × n ist der Empfangswinkel in der xz-Ebene ca. ±0.05°. Dann ist bei einer Distanz von 1 m der Sichtbereich 1.5 mm breit. Ein in x-Richtung querendes und zu detektierendes Objekt 20 wird dadurch punktgenau erfasst. Der Schaltpunkt in x-Richtung ist damit nahezu unabhängig von der Remission des Objekts. Durch Verwendung einer anderen Brennweite der Empfangsoptik 24 oder einer anderen Anzahl aktivierter Lawinenphotodiodenelemente 28a in x-Richtung kann dieser Empfangswinkel verändert werden. As a numerical example, a SPAD matrix with a grid of 20 μm and individual avalanche photodiode elements or SPADs of size 15 μm × 15 μm. For the sake of simplification assumed single lens of the receiving optics 24 , which is not formed as a microlens array, a focal length of 10 mm in the xz plane is assumed. When using a range of avalanche photodiode elements enabled 28a of 1 × n, the reception angle in the xz plane is approximately ± 0.05 °. Then at a distance of 1 m the viewing area is 1.5 mm wide. An object crossing in the x-direction and to be detected 20 is thus detected with pinpoint accuracy. The switching point in the x-direction is thus almost independent of the remission of the object. By using a different focal length of the receiving optics 24 or another number of activated avalanche photodiode elements 28a In the x-direction, this reception angle can be changed.

Vergleicht man nun die Bestrahlungsstärke eines kreisrunden Lichtflecks 44, welcher in x- und y-Richtung jeweils n Lawinenphotodiodenelemente 28, 28a abdeckt, mit einem rechteckigen Lichtfleck 44, der ebenfalls in y-Richtung n, in x-Richtung jedoch nur wenige Lawinenphotodiodenelemente 28a abdeckt, dann ergibt sich eine erhebliche Erhöhung der Bestrahlungsstärke für den rechteckigen Lichtfleck. Im Beispiel der 4 trifft der kreisrunde Lichtfleck 44 insgesamt 51 und damit gut dreimal so viele Lawinenphotodiodenelemente 28a–b wie der angepasste rechteckige Lichtfleck 44. Der Gewinn an Bestrahlungsstärke wird bei stärkerer Längserstreckung, etwa einer Breite von nur einem Lawinenphotodiodenelement 28a beziehungsweise einer größeren Ausdehnung in y-Richtung, noch größer und nimmt bei kleinerem Seitenverhältnis ab, verschwindet aber nicht, solange der Lichtfleck 44 langgestreckt bleibt. If one now compares the irradiance of a circular light spot 44 , which in each case x avalanche photodiode elements in the x and y direction 28 . 28a covering, with a rectangular light spot 44 , which also in the y-direction n, but only a few avalanche photodiode elements in the x-direction 28a covers, then there is a significant increase in the irradiance for the rectangular light spot. In the example of 4 meets the circular light spot 44 all in all 51 and thus three times as many avalanche photodiode elements 28a -B like the adjusted rectangular light spot 44 , The gain in irradiance becomes greater lengthwise, such as a width of only one avalanche photodiode element 28a or a larger extent in the y-direction, even larger and decreases with smaller aspect ratio, but does not disappear as long as the light spot 44 remains elongated.

Ein Effekt der deutlich erhöhten Bestrahlungsstärke und damit des verbesserten Nutzsignals ist eine größere Reichweite des Sensors 10. Die Vermeidung einer Schaltpunktverschiebung wurde schon im Zusammenhang mit 3 erläutert. Ein weiterer Vorteil ist die bessere Fremdlichtverträglichkeit. Fällt nämlich Fremdlicht nichtparallel zur yz-Ebene auf die Empfangsoptik 24, so wird vornehmlich ein Bereich außerhalb der aktivierten Lawinenphotodiodenelemente 28a beleuchtet, und solches Fremdlicht wird nicht detektiert. Dabei kann der jeweilige Sichtbereich der aktivierten Lawinenphotodiodenelemente 28a variabel eingestellt werden. An effect of the significantly increased irradiance and thus of the improved useful signal is a greater range of the sensor 10 , The avoidance of a switching point shift has already been associated with 3 explained. Another advantage is the better Fremdlichtverträglichkeit. Namely falls outside light not parallel to the yz plane on the receiving optics 24 For example, an area outside the activated avalanche photodiode elements becomes predominantly 28a illuminated, and such extraneous light is not detected. In this case, the respective field of view of the activated avalanche photodiode elements 28a be set variably.

Eine zusätzliche Homogenisierung der Bestrahlungsstärke innerhalb des Lichtflecks 44 kann beispielsweise durch geeignete Auslegung der Empfangsoptik 24, 25 und insbesondere der Linse 25, alternativ oder unterstützend der Sendeoptik 14 ebenfalls erreicht werden und bringt weitere wesentliche Vorteile mit sich. Wegen der Totzeit von SPADs nach einem Empfangsereignis erhöht eine homogene Bestrahlungsstärke innerhalb des Lichtflecks 44 die Gesamtanzahl detektierter Photonen im Vergleich zu einer inhomogenen Bestrahlungsverteilung, wie sie bei Empfangslinsen mit Asphärenoberflächen auftreten würde. Auch dadurch erhöhen sich das Empfangssignal und damit die Reichweite des Sensors 10. Ein weiterer Vorteil einer homogenen Beleuchtung ist die Minimierung der Varianz in der Ankunftszeit des ersten Signalphotons auf einem jeweiligen Lawinenphotodiodenelement 28, 28a in einem entfernungsmessenden System, das deshalb den Objektabstand genauer bestimmt. An additional homogenization of the irradiance within the light spot 44 For example, by suitable design of the receiving optics 24 . 25 and in particular the lens 25 , alternatively or supporting the transmission optics 14 can also be achieved and brings other significant benefits. Because of the dead time of SPADs after a receive event, a homogeneous irradiance within the light spot increases 44 the total number of detected photons compared to an inhomogeneous irradiation distribution, as would occur in receiving lenses with aspheric surfaces. This also increases the received signal and thus the range of the sensor 10 , Another advantage of homogeneous illumination is the minimization of the variance in the arrival time of the first signal photon on a respective avalanche photodiode element 28 . 28a in a distance-measuring system, which therefore determines the object distance more accurately.

5 zeigt eine Linse mit einer Freiform, die als Linse 25 der Empfangsoptik 24, 25 zur Erzeugung eines langgestreckten, homogenen Lichtflecks 44 verwendet werden kann. Dabei ist 5a ein Schnitt in der yz-Ebene und 5b in der dazu senkrechten xz-Ebene. Eine Fläche 46 dieser Linse ist eine Freiformfläche, die zweite Fläche 48 eine Asphäre. Erzielt wird mit der dargestellten Geometrie ein rechteckiger Lichtfleck 44 mit einer Ausdehnung von 30 µm × 250 µm (b × h). 5 shows a lens with a freeform that as a lens 25 the receiving optics 24 . 25 for producing an elongate, homogeneous light spot 44 can be used. It is 5a a section in the yz plane and 5b in the xz plane perpendicular to it. An area 46 This lens is a freeform surface, the second surface 48 an asphere. The result is a rectangular light spot with the illustrated geometry 44 with an extension of 30 μm × 250 μm (b × h).

Eine derartige Freiformlinse oder ein ebenso verwendbarer Freiformspiegel in einer reflexiven Anordnung ist besonders genau an die jeweiligen Anforderungen anpassbar, denn der Lichtfleck 44 kann ganz gezielt geformt und zugleich die Intensitätsverteilung innerhalb des Lichtflecks 44 gewählt werden. Beispiele für Freiformen sind polynomiale Flächendarstellungen, endliche Summen mit Basisfunktionen, wie Zernike-Polynome oder Legendre-Polynome, oder NURBS-Flächen (Nicht Uniforme Rationale B-Splines). Die konkrete Freiformgeometrie erhält man beispielsweise durch Simulation in einem Optikprogramm oder durch explizite Berechnung wie das sogenannte Tailoring von optischen Flächen, welches auf der Lösung von Monge-Ampere-Differentialgleichungen beruht. 5 gibt ein Beispiel, aber die tatsächlich am besten passende Freiform hängt von zahlreichen Faktoren wie dem Sensor 10, dessen Abmessungen und internem Aufbau sowie der konkreten Detektionsanwendung ab. Such a free-form lens or a likewise usable free-form mirror in a reflexive arrangement can be adapted particularly precisely to the respective requirements, because the light spot 44 can specifically shape and at the same time the intensity distribution within the light spot 44 to get voted. Examples of free-forms are polynomial surface representations, finite sums with basis functions, such as Zernike polynomials or Legendre polynomials, or NURBS surfaces (non-uniform Rational B-splines). The concrete free-form geometry is obtained for example by simulation in an optical program or by explicit calculation such as the so-called tailoring of optical surfaces, which is based on the solution of Monge-Ampere differential equations. 5 gives an example, but the actual best fitting freeform depends on numerous factors like the sensor 10 , its dimensions and internal structure as well as the specific detection application.

Claims (9)

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. Optoelectronic sensor ( 10 ) for capturing an object ( 20 ) in a surveillance area ( 18 ) with a light transmitter ( 12 ) for emitting a light signal ( 16 ) into the surveillance area ( 18 ) and with a light receiver ( 26 ) containing a plurality of avalanche photodiode elements ( 28 ) for detecting received light from the surveillance 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 digitally configured and thus enables individual or groups of avalanche photodiode elements ( 28 . 28a ), or with a control and evaluation unit ( 30 ), for evaluating a received signal of the light receiver ( 26 ) as well as being adapted to those avalanche photodiode elements ( 28a ), where a light spot ( 44 ) of the object ( 20 ) reflect or reflect light signal ( 22 ), characterized in that the light spot ( 44 ) is elongated. Sensor (10) nach Anspruch 1, wobei der Lichtfleck (44) ein Seitenverhältnis von mindestens 2:1 aufweist. Sensor ( 10 ) according to claim 1, wherein the light spot ( 44 ) has an aspect ratio of at least 2: 1. Sensor (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Lichtfleck (44) eine rechteckige Form aufweist. Sensor ( 10 ) according to claim 1 or 2, wherein the light spot ( 44 ) has a rectangular shape. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der ein entfernungsmessender Sensor ist, bei dem die Steuer- und Auswertungseinheit (30) dafür ausgebildet ist, aus einer Lichtlaufzeit zwischen Aussenden des Lichtsignals (16) und Empfangen des an dem Objekt (20) remittierten oder reflektierten Lichtsignals (22) einen Abstand des Objekts (20) zu bestimmen. Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, which is a distance-measuring sensor, in which the control and evaluation unit ( 30 ) is adapted to a light transit time between transmission of the light signal ( 16 ) and receiving at the object ( 20 ) reflected or reflected light signal ( 22 ) a distance of the object ( 20 ). Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Lichtempfänger (26) eine Empfangsoptik (25) aufweist, welche die langgestreckte Form des Lichtflecks (44) erzeugt. Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the light receiver ( 26 ) a receiving optics ( 25 ), which the elongated shape of the light spot ( 44 ) generated. Sensor (10) nach Anspruch 5, wobei die Empfangsoptik (25) den Lichtfleck (44) homogenisiert. Sensor ( 10 ) according to claim 5, wherein the receiving optics ( 25 ) the light spot ( 44 ) homogenized. Sensor (10) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Empfangsoptik (25) mindestens eine Freiformfläche (46) aufweist. Sensor ( 10 ) according to claim 5 or 6, wherein the receiving optics ( 25 ) at least one free-form surface ( 46 ) having. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuer- und Auswertungseinheit (30) für einen Einlernmodus ausgebildet ist, in dem der zu aktivierende Bereich des Lichtempfängers (26) anhand der Position eines Lichtflecks (44) eingelernt wird. Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the control and evaluation unit ( 30 ) is designed for a learning mode in which the region of the light receiver ( 26 ) based on the position of a light spot ( 44 ) is taught. Sensor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei dem Lichtempfänger (26) ein Mikrolinsenfeld (24) vorgeordnet ist. Sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, wherein the light receiver ( 26 ) a microlens field ( 24 ) is arranged upstream.
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CN112567260A (en) * 2018-08-09 2021-03-26 株式会社电装 Optical distance measuring device

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