WO2012041607A1 - Lichtlaufzeitkamera - Google Patents

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WO2012041607A1
WO2012041607A1 PCT/EP2011/064375 EP2011064375W WO2012041607A1 WO 2012041607 A1 WO2012041607 A1 WO 2012041607A1 EP 2011064375 W EP2011064375 W EP 2011064375W WO 2012041607 A1 WO2012041607 A1 WO 2012041607A1
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photosensor
charges
accumulation
light
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PCT/EP2011/064375
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Florian Forster
Original Assignee
Ifm Electronic Gmbh
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Priority to US13/876,189 priority patent/US9538109B2/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N25/00—Circuitry of solid-state image sensors [SSIS]; Control thereof
    • H04N25/70—SSIS architectures; Circuits associated therewith
    • H04N25/71—Charge-coupled device [CCD] sensors; Charge-transfer registers specially adapted for CCD sensors
    • H04N25/75—Circuitry for providing, modifying or processing image signals from the pixel array
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S17/894—3D imaging with simultaneous measurement of time-of-flight at a 2D array of receiver pixels, e.g. time-of-flight cameras or flash lidar
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/497—Means for monitoring or calibrating

Definitions

  • the invention relates to a light cycle camera and a method for operating such according to the species of the independent claims.
  • time-of-flight camera system is not only to include systems which determine distances directly from the light transit time, but in particular also all the time of flight or 3D TOF camera systems which acquire transit time information from the phase shift of an emitted and received radiation.
  • PMD cameras with photonic mixer detectors are suitable as the light propagation time or 3D TOF cameras, as they are inter alia. in the applications EP 1 777 747, US 6 587 186 and also DE 197 04 496 described and, for example, by the company, ifm electronic gmbh 'as a frame grabber O3D are available.
  • the PMD camera allows a flexible arrangement of the light source and the detector, which can be arranged both in a housing and separately.
  • the term camera or camera system should also encompass cameras or devices with at least one receiving pixel, such as, for example, the distance measuring device O1D of the Applicant.
  • DE 10 2004 044 581 A1 discloses a method and a device for the time-sensitive measurement of a signal in which the phase and amplitude of an intensity-modulated input signal are determined.
  • the input signal is mixed with a first reference signal, wherein the phase of the signal is further determined via an IQ method using an odd and even autocorrelation function.
  • a PMD system for the reception and processing of modulated electromagnetic signals is known in which a semiconductor is designed for receiving and converting electromagnetic radiation into an electrical measured variable.
  • the semiconductor has an input for a modulated signal and at least two accumulation electrodes, which are connected to an output electronics and at whose output a mixture of the received signal and a modulation signal is provided as an electrical signal.
  • the object of the invention is to improve the reliability of the distance measurements of a light transit time camera.
  • the object is achieved in an advantageous manner by the inventive time of flight camera and the method for operating such according to the independent claims.
  • a light cycle camera with a photosensor and a reference photosensor in which both sensors are designed as photonic mixer detectors.
  • a readout device is connected to the accumulation gates of the two sensors and reads there a size corresponding to a voltage applied to the Akkumulationsgates charge.
  • the integration time with which the accumulation gates are operated is the same for both sensors and is dimensioned such that the accumulation gates of the reference photosensor do not saturate during operation.
  • the electrical behavior of the photosensors changes with varying integration times, so that in individual cases the measurement results with different integration times are not directly comparable with each other.
  • a method in which a received radiation is mixed with a modulation frequency and thereafter a phase shift is determined, wherein for a photosensor a phase shift of an external light, and for a reference photosensor, a phase shift for an internal light is detected.
  • the integration time for the reference photosensor and the photosensor is the same size and dimensioned so that the reference photosensor does not saturate during operation.
  • the photosensor and reference photosensor are constructed as a common component. This ensures advantageous that both sensors are exposed to substantially the same environmental conditions.
  • the reference photosensor and the photosensor or a single PMD pixel of these sensors have substantially the same physical or electrical properties.
  • the charges at the accumulation gate of the photosensor are integrated several times sequentially with the specified integration time and the electrical quantity corresponding to the charge is read out and summed up.
  • the charges at the accumulation gates can also be read out several times sequentially until the sum of the corresponding electrical quantities read out exceeds a limit value.
  • a limit value By such a procedure, it is possible in a simple manner to dynamically adapt to the lighting conditions.
  • FIG. 1 shows the basic principle of a time-of-flight camera according to the PMD principle
  • FIG. 2 shows a modulated integration of the runtime-shifted generated charge carriers
  • FIG. 3 shows a cross-section of a PMD pixel
  • FIG. 4 shows a dependence of the amplitude and the distance error as a function of the incident light quantity
  • FIG. 5 shows a component with photosensor and reference photosensor
  • FIG. 6 shows a long integration time and a sequence of short integration times
  • FIG. 7 shows an arrangement with a reference light source.
  • FIG. 1 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a light transit time camera, as is known, for example, from DE 197 04 496.
  • the light transit time camera system 1 comprises a transmission unit or an illumination module 10 with an illumination light source 12 and associated beam shaping optics 15 and a reception unit or TOF camera 20 with a reception optics 25 and a photosensor 22.
  • the photosensor 22 has at least one pixel, but preferably a pixel array, and in particular is designed as a PMD sensor.
  • the receiving optic 25 typically consists of improving the imaging characteristics of a plurality of optical elements.
  • the beam-shaping optical system 15 of the transmitting unit 10 is preferably designed as a reflector. However, it is also possible to use diffractive elements or combinations of reflective and diffractive elements.
  • the measurement principle of this arrangement is essentially based on the fact that, based on the phase shift of the emitted and received light, the transit time of the emitted and reflected light can be determined.
  • the light source 12 and the photosensor 22 are acted upon by a modulator 30 together with a specific modulation frequency with a first phase position a.
  • the light source 12 transmits an amplitude-modulated signal having the phase a.
  • this signal or the electromagnetic radiation is reflected by an object 40 and impinges on the photosensor 22 in a phase-shifted manner with a second phase position b due to the distance covered.
  • the signal of the first phase position a of the modulator 30 is received Signal, which has the second time phase condition b, mixed, wherein the phase shift or the object distance l is determined from the resulting signal.
  • the upper curve shows the time course of the modulation frequency with which the illumination 12 and the photosensor 22 are driven.
  • the light b reflected from the object 40 strikes the photosensor 22 out of phase in accordance with its light transit time t L.
  • the photosensor 22 collects the photonically generated charges q in a first accumulation gate Ga during the first half of the modulation period and in a second accumulation gate Gb in the second half of the period.
  • the charges are typically collected or integrated over several modulation periods. From the ratio of the charges qa, qb collected in the first and second gate Ga, Gb, the phase shift and thus a distance of the object can be determined.
  • FIG. 3 shows a cross-section through a pixel of a photonic mixer as is known, for example, from DE 197 04 496 C2.
  • the middle modulation photogates Gam, G0, Gbm form the light-sensitive area of a PMD pixel.
  • the photonically generated charges q are directed to either one or the other accumulation gate Ga, Gb.
  • FIG. 3b shows a potential curve in which the charges q are tapped off in the direction of the first accumulation gate Ga, while the potential according to FIG. 3c allows the charge q to flow in the direction of the second accumulation gate Gb.
  • the potentials are specified according to the applied modulation frequency.
  • the modulation frequencies are preferably in a range of 1 to 100 MHz. At a modulation frequency of, for example, 1 MHz results in a period of one microsecond, so that the modulation potential changes accordingly every 500 nanoseconds.
  • FIG. 3 a further shows a readout unit 400, which may possibly already be part of a PMOS photosensor configured as a CMOS.
  • the accumulation gates Ga, Gb designed as capacitances integrate the photonically generated charges over a large number of modulation periods.
  • the voltage applied to the gates Ga, Gb can be tapped, for example, via the readout unit 400 with high resistance.
  • the integration times are preferably to be selected such that the photosensor or the accumulation gates and / or the light-sensitive areas do not saturate for the expected amount of light.
  • FIG. 4 schematically shows the dependence of an electrical quantity of the photosensor or of an accumulation gate on the amount of light.
  • the amount of light is determined in a known manner from the luminous flux and the irradiation time.
  • Charge carriers in the photosensitive area Gam, G0, Gbm are generated proportional to the amount of light and are distributed in phase correlation to the accumulation gates Ga, Gb in accordance with the modulation frequency. These charges can either be tapped as a high-impedance voltage signal or amplitude at the gate or, if necessary, be measured as a current when the gates are discharged.
  • These electrical quantities thus correspond to the phase-correlated luminous flux or the corresponding amount of light.
  • the possible dynamic range typically extends over several orders of magnitude.
  • the size of the dynamic range depends essentially on the area of the photosensitive layer of a pixel as well as the capacity of the accumulation gates.
  • the integration time for the photosensor or a single pixel is preferably set so that the sensor does not saturate for the application. However, as the amount of light decreases, or as the integration time decreases, the potential at the accumulation gate decreases more and more, among other things due to the decreasing signal-to-noise ratio, increasing uncertainty in the range determination, as shown by the dashed curve of standard deviation in FIG is.
  • the lower limit of the working range of the integration time is therefore to be chosen so that an expected distance error is still within a permissible tolerance or standard deviation, wherein the upper limit should preferably be below saturation.
  • FIG. 5 shows a photosensor component 23 having a photosensor region 22 with a plurality of PMD pixels and a reference sensor 280 on or in the same component 23.
  • the reference photosensor 280 is illuminated via a light channel 265, preferably with a modulated, internal light.
  • the internal light can originate, for example, from a reference light source or be directed directly from the illumination light source, for example, via a light guide or light channel 265 to the reference photosensor 280.
  • the internal light is preferably provided to the reference photosensor at a modulation frequency with which the illumination source is also operated. Simplified, the reference photosensor 280, when illuminated with such non-phase-shifted light, should as a result essentially detect a distance value of zero. Of course, this reference result does not necessarily have to correspond to an electrical zero signal, but should at least be reproducible as a reference value within tolerated limits.
  • the reference photosensor 280 is preferably operated at the same modulation frequency and integration time as the remaining photosensor 22.
  • the light coupled out from the illumination source can be transmitted via the light channel 265, for example be sized so that the reference photosensor 280 does not saturate.
  • the integration time is preferably set so that the reference photosensor 280 can be operated shortly below its saturation or a saturation limit in an optimal operating range. According to the invention, it is then further provided to also operate the remaining photosensor 22 with the integration time of the reference photosensor 280 in order to improve the comparability of the reference and distance measurements.
  • FIG. 6 shows by way of example a possible operation of a photosensor 22 having a plurality of measuring intervals, within which the charge integrations are carried out sequentially over the entire measuring interval.
  • the measuring intervals are preferably dimensioned such that a sufficient amount of charge carriers q can be collected at the accumulation gates Ga, Gb for a reliable measurement over this time. According to the invention, it is provided to read out the accumulation gates Ga, Gb after each integration and to accumulate the charge or a corresponding electrical variable.
  • Phase shifts D j of 0 °, 90 °, 180 °, 270 ° are preferably provided for the different measuring intervals. Based on the results of this phase measurement can be determined in a known manner, a reliable distance value.
  • FIG. 7 shows an arrangement according to FIG. 5, in which, however, the internal light for the reference photosensor 280 is not decoupled from the illumination source 12 or the transmitting unit 10 itself but from a reference light source 260.
  • This procedure has the advantage that the reference photosensor 280 may be can also be operated independently of the transmitting unit 10. For example, it is possible to apply a light with different modulation frequencies or even amplitudes to the reference photosensor 280. If the measured results deviate from the expected ones, it is then possible to initiate various error reactions or calibration measures.

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Abstract

Lichtlaufzeitkamera, mit einem Photosensor (22) und einem Referenzphotosensor (280), die als Photomischdetektoren aufgebaut sind, mit einer Auslesevorrichtung, die mit Akkumulationsgates (Ga, Gb) des Photosensors (22) und des Referenzphotosensors verbunden ist, wobei die Auslesevorrichtung zum Auslesen einer elektrischen Größe, die einer an den Akkumulationsgates (Ga, Gb) anliegenden Ladung (qa, qb) entspricht, ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Integrationszeit (t_int), während der Ladungen (qa, qb) an den Akkumulatonsgates (Ga, Gb) gesammelt werden, für den Photosensor (22) und den Referenzphotosensor (280) gleich groß ist, und so bemessen ist, dass der Referenzphotosensor (280) während des Betriebs nicht in Sättigung gerät.

Description

LICHTLAUFZEITKAMERA
Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamera und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Mit Lichtlaufzeit-Kamerasystem sollen nicht nur Systeme umfasst sein, die Entfernungen direkt aus der Lichtlaufzeit ermitteln, sondern insbesondere auch alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in den Anmeldungen EP 1 777 747, US 6 587 186 und auch DE 197 04 496 beschrieben und beispielsweise von der Firma ‚ifm electronic gmbh’ als Frame-Grabber O3D zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können. Selbstverständlich sollen mit dem Begriff Kamera bzw. Kamerasystem auch Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät O1D der Anmelderin.
Ferner ist aus der DE 10 2004 044 581 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur laufzeitsensitiven Messung eines Signals bekannt, bei dem Phase und Amplitude eines intensitätsmodulierten Eingangssignals ermittelt werden. Das Eingangssignal wird mit einem ersten Referenzsignal gemischt, wobei die Phase des Signals im Weiteren über ein IQ-Verfahren unter Verwendung einer ungeraden und geraden Autokorrelationsfunktion ermittelt wird.
Aus der DE 10 2004 016 625 A1 ist ein PMD-System für den Empfang und die Verarbeitung modulierter elektromagnetischer Signale bekannt, bei dem ein Halbleiter für den Empfang und die Umwandlung elektromagnetischer Strahlung in eine elektrische Messgröße ausgebildet ist. Der Halbleiter weist einen Eingang für ein moduliertes Signal sowie mindestens zwei Akkumulationselektroden auf, die mit einer Ausgangselektronik verbunden sind und an deren Ausgang eine Mischung des empfangenen Signals und eines Modulationssignals als elektrisches Signal bereitgestellt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit der Distanzmessungen einer Lichtlaufzeitkamera zu verbessern.Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamera und das Verfahren zum Betreiben einer solchen entsprechend der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhaft ist eine Lichtlaufzeitkamera mit einem Photosensor und einem Referenzphotosensor vorgesehen, bei der beide Sensoren als Photomischdetektoren ausgebildet sind. Eine Auslesvorrichtung ist mit den Akkumulationsgates der beiden Sensoren verbunden und liest dort eine Größe, die einer an den Akkumulationsgates anliegenden Ladung entspricht aus. Die Integrationszeit mit der die Akkumulationsgates betrieben werden, ist für beide Sensoren gleich und ist so bemessen, dass die Akkumulationsgates des Referenzphotosensors während des Betriebs nicht in Sättigung geraten.
Es hat sich gezeigt, dass sich bei variierenden Integrationszeiten unter anderem das elektrische Verhalten der Photosensoren verändert, so dass im Einzelfall die Messergebnisse mit unterschiedlichen Integrationszeiten nicht direkt miteinander vergleichbar sind. Um insbesondere bei einer Messung mit Hilfe eines Referenzphotosensors die Messergebnisse als Referenz heranziehen zu können, ist erfindungsgemäß vorteilhaft vorgesehen, die Integrationszeiten für den Photosensor und den Referenzphotosensor gleich groß zu wählen und entsprechend den Erfordernissen des Referenzphotosensors anzupassen.
Ebenso vorteilhaft ist ein Verfahren vorgesehen, bei dem eine empfangene Strahlung mit einer Modulationsfrequenz gemischt und hiernach eine Phasenverschiebung ermittelt wird,
wobei für einen Photosensor eine Phasenverschiebung eines externen Lichts,
und für einen Referenzphotosensor ein Phasenverschiebung für ein internes Licht ermittelt wird. Die Integrationszeit für den Referenzphotosensor und den Photosensor ist gleich groß gewählt und so bemessen, dass im Betrieb der Referenzphotosensor nicht in Sättigung gerät.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass Photosensor und Referenzphotosensor als ein gemeinsames Bauelement aufgebaut sind. So ist vorteilhaft gewährleistet, dass beide Sensoren im Wesentlichen den gleichen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sind.
Auch ist es von Vorteil, wenn der Referenzphotosensor und der Photosensors bzw. ein einzelnes PMD-Pixel dieser Sensoren im Wesentlichen die gleichen physikalischen bzw. elektrischen Eigenschaften aufweist.
Ferner ist es vorgesehen, dass innerhalb eines vorgegebenen Messintervall die Ladungen am Akkumulationsgate des Photosensors mehrfach sequentiell mit der festgelegten Integrationszeit integriert werden und die der Ladung entsprechenden elektrische Größe ausgelesen und aufsummiert wird. So kann in vorteilhafter Weise ein Distanzfehler aufgrund zu geringer Lichtmenge vermieden werden, da aufgrund der Aufsummierung der Ladungen über mehrere Messungen ein im Wesentlichen gleich vertrauenswürdiger Distanzwert ermittelt werden kann.
Bevorzugt können die Ladungen an den Akkumulationsgates auch solange mehrfach sequentiell ausgelesen wird, bis die Summe der entsprechenden ausgelesenen elektrischen Größe einen Grenzwert überschreitet. Durch ein solches Vorgehen ist es in einfacher Art und Weise möglich sich den Lichtverhältnissen dynamisch anzupassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
Figur 1 das Grundprinzip einer Lichtlaufzeitkamera nach dem PMD-Prinzip,
Figur 2 eine modulierte Integration der laufzeitverschobenen erzeugten Ladungsträger,
Figur 3 einen Querschnitt eines PMD-Pixel,
Figur 4 eine Abhängigkeit der Amplitude und des Distanzfehlers in Abhängigkeit der einfallenden Lichtmenge,
Figur 5 ein Bauelement mit Photosensor und Referenzphotosensor,
Figur 6 eine lange Integrationszeit und eine Sequenz kurzer Integrationszeiten,
Figur 7 eine Anordnung mit einer Referenzlichtquelle.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
Figur 1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeit-Kamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 bekannt ist.
Das Lichtlaufzeit-Kamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtungslichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. TOF-Kamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Photosensor 22. Der Photosensor 22 weist mindestens ein Pixel, vorzugsweise jedoch ein Pixel-Array, auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 ist vorzugsweise als Reflektor ausgebildet. Es können jedoch auch diffraktive Elemente oder Kombinationen aus reflektierenden und diffraktiven Elementen eingesetzt werden.
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Photosensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz mit einer ersten Phasenlage a beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal mit der Phase a aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage b auf den Photosensor 22. Im Photosensor 22 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators 30 mit dem empfangenen Signal, das die laufzeitbedingte zweiten Phasenlage b aufweist, gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung l ermittelt wird.
Dieses Grundprinzip ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf der Modulationsfrequenz mit der die Beleuchtung 12 und der Photosensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht b trifft entsprechend seiner Lichtlaufzeit tL phasenverschoben auf den Photosensor 22. Der Photosensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q während der ersten Hälfte der Modulationsperiode in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in der zweiten Periodenhälfte in einem zweiten Akkumulationsgate Gb. Die Ladungen werden typischerweise über mehrere Modulationsperioden gesammelt bzw. integriert. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung und somit eine Entfernung des Objekts bestimmen.
Figur 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel eines Photomischdetektors wie er beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist. Die mittleren Modulationsphotogates Gam, G0, Gbm bilden den lichtsensitiven Bereich eines PMD-Pixels. Entsprechend der an den Modulationsgates angelegten Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate Ga, Gb gelenkt.
Figur 3b zeigt einen Potenzialverlauf bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Akkumulationsgates Ga abfliesen, während das Potenzial gemäß Figur 3c die Ladung q in Richtung des zweiten Akkumulationsgates Gb fließen lässt. Die Potenziale werden entsprechend der anliegenden Modulationsfrequenz vorgegeben. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 100 MHz. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt.
In Figur 3a ist ferner eine Ausleseeinheit 400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten PMD-Photosensors sein kann. Die als Kapazitäten ausgebildeten Akkumulationsgates Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Gates Ga, Gb anliegende Spannung beispielsweise über die Ausleseeinheit 400 hochohmig abgegriffen werden. Die Integrationszeiten so sind vorzugsweise so zu wählen, dass für die zu erwartende Lichtmenge der Photosensor bzw. die Akkumulationsgates und/oder die lichtsensitiven Bereiche nicht in Sättigung geraten.
Figur 4 zeigt schematisch die Abhängigkeit einer elektrischen Größe des Photosensors bzw. eines Akkumulationsgates von der Lichtmenge. Die Lichtmenge bestimmt sich in bekannter Weise aus dem Lichtstrom und der Bestrahlungsdauer. Proportional zur Lichtmenge werden Ladungsträger im photosensitiven Bereich Gam, G0, Gbm erzeugt und entsprechend der Modulationsfrequenz phasenkorreliert auf die Akkumulationsgates Ga, Gb verteilt. Diese Ladungen können entweder als Spannungssignal bzw. -Amplitude hochohmig am Gate abgegriffen oder ggf. bei einer Entladung der Gates als Strom gemessen werden. Diese elektrischen Größen entsprechen somit dem phasenkorrelierten Lichtstrom bzw. der entsprechenden Lichtmenge.
Der mögliche Dynamikbereich erstreckt sich typischerweise über mehrere Größenordnungen. Die Größe des Dynamikbereiches hängt im Wesentlichen von der Fläche der photosensitiven Schicht eines Pixels sowie der Kapazität der Akkumulationsgates ab. Die Integrationszeit für den Photosensor bzw. einem einzelnen Pixel wird vorzugsweise so festgelegt, dass für den Anwendungsfall der Sensor nicht in die Sättigung gerät. Mit abnehmender Lichtmenge bzw. analog mit abnehmender Integrationszeit nimmt jedoch das Potenzial am Akkumulationsgate immer mehr ab und bewirkt unter anderem aufgrund des abnehmenden Signal/Rausch-Verhältnisses eine zunehmende Unsicherheit bei der Entfernungsbestimmung, so wie es mit der gestrichelten Kurve der Standardabweichung in Figur 4 dargestellt ist. Die untere Grenze des Arbeitsbereichs der Integrationszeit ist daher so zu wählen, dass ein zu erwartender Distanzfehler noch innerhalb einer zulässigen Toleranz bzw. Standardabweichung liegt, wobei die obere Grenze vorzugsweise unterhalb der Sättigung liegen sollte.
Figur 5 zeigt ein Photosensorbauelement 23 mit einem Photosensorbereich 22 mit mehreren PMD-Pixel sowie einem Referenzsensor 280 auf bzw. in demselben Bauelement 23. Der Referenzphotosensor 280 wird über einen Lichtkanal 265 vorzugsweise mit einem modulierten, internen Licht beleuchtet. Das interne Licht kann beispielsweise von einer Referenzlichtquelle stammen oder direkt von der Beleuchtungslichtquelle beispielsweise über einen Lichtleiter bzw. Lichtkanal 265 auf den Referenzphotosensor 280 gelenkt werden.
Das interne Licht wird dem Referenzphotosensor vorzugsweise mit einer Modulationsfrequenz zur Verfügung gestellt, mit der auch die Beleuchtungsquelle betrieben wird. Vereinfacht sollte am Referenzphotosensor 280 bei einer Beleuchtung mit einem solchen nicht-phasenverschobenen Licht im Ergebnis im Wesentlichen ein Entfernungswert von Null ermittelt werden. Dieses Referenzergebnis muss selbstverständlich nicht zwangsläufig einem elektrischen Nullsignal entsprechen, sondern sollte zumindest innerhalb tolerierter Grenzen als Referenzwert reproduzierbar sein.
Über das Verhalten des Referenzphotosensors bzw. eines ermittelten Referenzwertes können beispielsweise temperaturbedingte Verschiebungen der Distanzmessungen oder gegebenenfalls auch Alterungen des Sensors, der Lichtquelle oder ähnliches kompensiert werden. Im in der Figur 5 dargestellten Aufbau wird der Referenzphotosensor 280 vorzugsweise mit derselben Modulationsfrequenz und Integrationszeit betrieben wie der übrige Photosensor 22. Damit bei diesen vorgegebenen Integrationszeiten der Referenzphotosensor 280 nicht in die Sättigung gelangt, kann über den Lichtkanal 265 beispielsweise das von der Beleuchtungsquelle ausgekoppelte Licht so bemessen werden, dass der Referenzphotosensor 280 nicht in die Sättigung gelangt.
Erfindungsgemäß ist es jedoch nun vorgesehen, nicht bzw. nicht nur das dem Referenzphotosensor 280 intern zugefügte Licht, sondern die Integrationszeiten zu beeinflussen. Beispielsweise kann in einer Kalibrierphase wird die Integrationszeit vorzugsweise so eingestellt werden, dass der Referenzphotosensor 280 kurz unterhalb seiner Sättigung bzw. einer Sättigungsgrenze in einem optimalen Arbeitsbereich betrieben werden kann. Erfindungsgemäß ist es dann ferner vorgesehen, auch den übrigen Photosensor 22 mit Integrationszeit des Referenzphotosensors 280 zu betreiben, um die die Vergleichbarkeit der Referenz- und Distanzmessungen zu verbessern.
In Figur 6 ist exemplarisch ein möglicher Betrieb eines Photosensors 22 mit mehreren Messintervallen gezeigt, innerhalb derer über dem gesamten Messintervall die Ladungsintegrationen sequenziell durchgeführt werden. Die Messintervalle sind vorzugsweise so bemessen, dass an den Akkumulationsgates Ga, Gb über diese Zeit eine ausreichende Menge an Ladungsträgern q für eine zuverlässige Messung gesammelt werden können. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, die Akkumulationsgates Ga, Gb nach jeder Integration auszulesen und die Ladung bzw. eine entsprechende elektrische Größe aufzusummieren.
Es kann auch vorgesehen sein, für verschiedene Messintervalle das Modulationssignal des Modulators 30 zwischen der Lichtquelle 12 und dem Photosensor 22 bzw. Referenzphotosensors 280 in der Phase zu verschieben. Bevorzugt sind für die verschiedenen Messintervalle Phasenverschiebungen Dj von 0°, 90°, 180°, 270° vorgesehen. Ausgehend von den Ergebnissen dieser Phasenmessung lässt sich in bekannter Weise ein zuverlässiger Distanzwert ermitteln.
Figur 7 zeigt eine Anordnung gemäß Figur 5, bei der jedoch das interne Licht für den Referenzphotosensor 280 nicht von der Beleuchtungsquelle 12 bzw. Sendeeinheit 10 selbst ausgekoppelt wird, sondern von einer Referenzlichtquelle 260. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass der Referenzphotosensor 280 ggf. auch unabhängig von der Sendeeinheit 10 betrieben werden kann. So ist es beispielsweise möglich den Referenzphotosensor 280 mit einem Licht mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen oder auch Amplituden zu beaufschlagen. Weichen die gemessenen Ergebnisse von den erwarteten ab, können dann ggf. verschiedene Fehlerreaktionen oder auch Kalibriermaßnahmen eingeleitet werden.
Darüber hinaus kann es auch vorgesehen sein, den Referenzphotosensor 280 als separates Bauelement auszuführen.
Insbesondere ist es auch denkbar, den Referenzphotosensor 280 in die Nähe der Beleuchtungslichtquelle 12 zu positionieren, so dass der Referenzphotosensor 280 direkt oder ggf. indirekt über Reflektionen Licht von der Beleuchtungslichtquelle 12 ohne Verwendung eines Lichtleiters empfangen kann. Dieses Vorgehen ist insbesondere dann von Interesse, wenn der Referenzphotosensor 280 auch zur Überwachung der Beleuchtungslichtquelle 12 verwendet wird.
Bezugszeichenliste
10 Sendeeinheit
12 Beleuchtungslichtquelle
15 Strahlformungsoptik
20 Empfangseinheit, TOF-Kamera
22 Photosensor
23 Photosensor-Bauelement
265 Lichtkanal
280 Referenzphotosensor, -pixel, -pixelstruktur
25 Empfangsoptik
30 Modulator
40 Objekt
400 Ausleseeinheit
500 Bauelementeträger
Gam, G0, Gbm Modulationsphotogate
Ga, Gb Akkumulationsgate
q Ladungen
qa, qb Ladungen am Akkumulationsgate Ga, Gb

Claims (7)

  1. Lichtlaufzeitkamera,
    mit einem Photosensor (22) und einem Referenzphotosensor (280), die als Photomischdetektoren aufgebaut sind,
    mit einer Auslesevorrichtung (400), die mit Akkumulationsgates (Ga, Gb) des Photosensors (22) und des Referenzphotosensors (280) verbunden ist,
    wobei die Auslesevorrichtung (400) zum Auslesen einer elektrischen Größe, die einer an den Akkumulationsgates (Ga, Gb) anliegenden Ladung (qa, qb) entspricht, ausgebildet ist,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Integrationszeit (t_int), während der Ladungen (qa, qb) an den Akkumulationsgates (Ga, Gb) gesammelt werden, für den Photosensor (22) und den Referenzphotosensor (280) gleich groß ist,
    und so bemessen ist, dass der Referenzphotosensor (280) während des Betriebs nicht in Sättigung gerät.
  2. Lichtlaufzeitkamera nach Anspruch 1,
    bei der der Referenzphotosensor (280) und der Photosensors (22) oder ein einzelnes PMD-Pixel dieser Sensoren (280, 22) im Wesentlichen die gleichen physikalischen und elektrischen Eigenschaften aufweist.
  3. Lichtlaufzeitkamera nach einem der vorhergehenden Ansprüche,,
    bei der der Referenzphotosensor (280) und der Photosensor (22) als ein gemeinsames Photosensorbauelement (23) aufgebaut sind.
  4. Lichtlaufzeitkamera nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    bei der die Auslesevorrichtung (400) so ausgestaltet ist, dass innerhalb eines vorgegebenen Messintervalls (t_mess)die Ladungen am Akkumulationsgate (Ga, Gb) des Photosensors (22) mehrfach sequentiell mit der festgelegten Integrationszeit (t_int) integriert werden und die der Ladung entsprechenden elektrischen Größe ausgelesen und aufsummiert wird.
  5. Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeitkamera nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine empfangene Strahlung mit einer Modulationsfrequenz gemischt und hiernach eine Phasenverschiebung ermittelt wird,
    wobei für einen Photosensor (22) eine Phasenverschiebung eines externen Lichts,
    und für einen Referenzphotosensor (280) ein Phasenverschiebung für ein internes Licht ermittelt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Integrationszeit (t_int) für den Referenzphotosensor (280) und den Photosensor (22) gleich groß ist und so bemessen ist, dass im Betrieb der Referenzphotosensor (280) nicht in Sättigung gerät.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, bei dem innerhalb eines vorgegebenen Messintervall die Ladungen am Akkumulationsgate (Ga, Gb) des Photosensors (22) mehrfach sequentiell mit der festgelegten Integrationszeit integriert werden und die der Ladung (qa, qb) entsprechenden elektrischen Größe ausgelesen und aufsummiert wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, bei dem die Ladungen an den Akkumulationsgates (Ga, Gb) solange mehrfach sequentiell ausgelesen wird, bis die Summe der entsprechenden ausgelesenen elektrischen Größe einen Grenzwert überschreitet.
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