WO2018015507A1 - Vorrichtung und verfahren zur entfernungsmessung - Google Patents

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WO2018015507A1
WO2018015507A1 PCT/EP2017/068403 EP2017068403W WO2018015507A1 WO 2018015507 A1 WO2018015507 A1 WO 2018015507A1 EP 2017068403 W EP2017068403 W EP 2017068403W WO 2018015507 A1 WO2018015507 A1 WO 2018015507A1
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waves
modulated
modulator
sensor
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PCT/EP2017/068403
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Karl Joachim Prof. Dr. Ebeling
Rainer Prof. Dr. MICHALZIK
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Universität Ulm Institut Für Optoelektronik
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    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for measuring the distance to a scene with objects, in particular for measuring a plurality of distances by means of a plurality of pixels of a pixel sensor.
  • a determination of the distance is of high interest for a variety of technical fields, such as a camera rangefinder, e.g. to capture 3D photos, to capture the environment for monitoring, such as autonomous driving, for the optical definition of
  • Security zones such as for burglar alarm, for tracking object points for a detection of
  • a scene is taken from two different points of view so that objects are detected from slightly different angles and the depth determined by the resulting parallax. Since the parallax is relatively low in practice, however, results in a relatively low depth resolution, which in particular is much lower than typical lateral resolutions of an image sensor. In addition, a relatively high computational effort is required to calculate depth information from stereoscopic image pairs. It is also disadvantageous that the method can not be used reliably if the objects of the scene lack sufficient surface structure in order to determine the parallax.
  • laser scanners In laser scanning processes, surfaces of the objects are scanned with a laser beam in a line or grid pattern [1, 2]. Such systems, referred to as laser scanners, are used, for example, in autonomous driving or in the definition of safety areas by means of light curtains. Frequently the distance measurement is based on the lidar principle, in which short laser pulses are emitted and backscattered signals from the object surfaces
  • a disadvantage is the use of mechanically movable components, such as rotating mirror, for the grid-like beam deflection. Often, in a given short period of time, only individual points lying in one or a few planes in the object field can be scanned one after the other.
  • a broadband evaluation electronics is required, which inherently demands the lowest noise detection and pre-amplification, for which purpose silicon avalanche photodiodes and arrays can be used. Nevertheless, the depth resolution is relatively low due to the required measuring bandwidth and also due to the usually required eye safety of the systems and the limited photon flux density.
  • the objects of the scene are illuminated with defined patterns and the desired depth information is determined from the light structures that result on the object surfaces.
  • the method is often implemented with infrared light and in particular for the three-dimensional position determination of
  • Objects used for tracking and gesture recognition such as Kinect [3, 4].
  • the depth resolution results from the sharpness of the projected patterns and is inherently lower than a lateral resolution of an image sensor with which the patterns are first detected. For systems with high desired depth resolutions, these methods are therefore out of the question.
  • PMD cameras use so-called Photomischdetektoren (“photonic mixing device”) to high-frequency modulated and by the Scene to detect reflected light [5].
  • Specially designed PMD sensors have a pixel array and can detect light reflected by each pixel and thereby selectively separate electrons with a charge carrier swing so that multiple distances can be determined simultaneously.
  • the method is still limited today to relatively low modulation frequencies, which in turn the
  • the present invention has therefore become a
  • One aspect of the object of the invention is to determine a plurality of distances at the same time, apart from moving mechanical components, in particular for taking three-dimensional depth images of a scene.
  • a further aspect of the object of the invention is to provide three-dimensional static or dynamic high-resolution depth images of a scene at the same time high
  • Yet another aspect of the object of the invention is to enable a distance measurement, which can be realized in a compact design and which operates reliably at high noise power or strong stray light.
  • the invention relates to a device for measuring
  • the radiation source is formed, modulated
  • electromagnetic waves which are hereinafter also referred to as primary waves to send in the direction of at least one object to cause modulated electromagnetic secondary waves, in particular scattering waves, starting from the object.
  • the modulator is timed with the radiation source
  • the sensor is designed to detect at least part of the secondary waves modulated again by the modulator in order to determine at least one distance to the objects.
  • the device makes use of that of the
  • Radiation source emitted in the direction of an object and in particular in intensity periodically modulated primary waves in scattering or reflection on the object undergo a path-dependent or distance-dependent phase shift of the modulation.
  • secondary waves in particular stray waves, have a modulation effect
  • Phase relation to the primary waves which depends on the path of the waves or the distance of the object from a certain reference point along the direction of the wave propagation.
  • secondary waves have a certain (possibly vanishing) phase shift
  • Primary waves and the secondary waves are made measurable, as described below.
  • the modulator can receive at least a portion of the modulated secondary waves, which are sometimes phase-shifted with respect to the primary waves, and modulate these again, wherein this repeated modulation of the secondary waves is synchronized in time by the modulator to the modulation already effected by the radiation source
  • Detector element meeting partial waves are modulated in the same way, the secondary modulation is thus in particular direction-independent and no multipath propagating prone to lateral or longitudinal resonances in the optical detection branch occur.
  • the quasi-powerless electrical control of a capacitive high-impedance modulator can advantageously be homogeneous, and is preferably evenly over the entire surface, in particular optically interacting surface of the device.
  • the modulator modulates received waves accordingly in time to the modulation of the
  • the modulator can do this with the
  • Modulation device of the radiation source to be coupled.
  • the modulator is designed to re-modulate the received part of the secondary waves such that the intensity of the again modulated secondary waves in the time average of phase differences between the emitted primary waves and the secondary waves depends.
  • the time-averaged intensity of once-modulated waves can be different, depending on which phase differences exist in each case.
  • the modulator synchronized with the radiation source more precisely with a modulation component of the radiation source, can reduce the greatest deflections or amplitudes of the secondary waves.
  • the re-modulated secondary waves in the time average a different, in particular
  • the time average of the intensity of the again modulated secondary waves thereby contains information about the distance between the object and a reference point an associated optical axis, such as
  • Radiation source the modulator or the sensor.
  • the sensor is therefore designed in particular, the
  • the senor may provide an output which depends on the time average of the intensity of the detected part of the re-modulated secondary waves, e.g. proportional to it.
  • a computing unit may be included, which determines from the output quantity provided by the sensor conclusions about the distance to the object, for example by
  • the described device for distance measurement has the advantage that the sensor can be designed in particular as an ordinary optical sensor, which the
  • Measuring the intensity of the detected radiation over a certain period summarily. It may be e.g. to be a simple brightness measurement, which provides an intensity dependent on the intensity and exposure time electrical quantity, which can then be fed to an analog-to-digital converter.
  • the components of the device for distance measurement can be integrated in one device.
  • the device comprises a plurality of devices, for example a first device comprising the Radiation source and a second synchronized and / or coupled device comprising the modulator and the sensor.
  • the described distance measuring device is preferably capable of measuring a plurality of distances to the objects.
  • the sensor preferably comprises a plurality of radiation-sensitive sensor cells, which are each designed to detect part of the secondary waves modulated again by the modulator.
  • each of the sensor cells of the sensor can detect a part of the again modulated secondary waves independently of the other sensor cells. It can thus be measured at the same time several distances to the object or objects, it being
  • the waves emitted by the radiation source are preferably coherent and in phase, in particular with respect to the modulation frequency. It can e.g. be provided at least approximately plane waves or spherical waves. Various parts of the transmitted waves that extend to the object or objects and of these as
  • Secondary waves are scattered or reflected, can each meet different sensor cells.
  • a focusing optics are used.
  • Sensor cells of the sensor formed as a row of juxtaposed sensor cells.
  • the sensor cells of the sensor are arranged in a two-dimensional grid.
  • the sensor may be formed as a CMOS sensor, active pixel sensor (APS), CCD sensor or a combination thereof.
  • CMOS sensors in particular active pixel sensors (APS) or even CCD sensors, are already highly developed and commercially available.
  • the radiation detection surfaces are the pixels
  • Radiation detection provided total area of a
  • the radiation detection areas may be more than 100 times smaller than e.g. for PMD sensors, where complex special processes of the VLSI technology for the pixels are used.
  • Sensors each having a radiation detection area which is less than 200 square microns, preferably less than 100 square microns, more preferably less than 4 square microns.
  • the modulator similarly (re) modulates the received part of the secondary waves.
  • the secondary waves detected by different sensor cells of the sensor are similarly (again) modulated by the modulator.
  • the modulator leads, as well as the
  • Radiation source expediently a periodic modulation by.
  • Modulator which is arranged between the objects and the sensor and on secondary waves, on
  • the modulator is preferably an independent component and operates independently of the sensor.
  • the modulator is designed as an electroabsorption modulator.
  • Scattering center of an object are determined from which the secondary waves emanate.
  • the distance can be up to an integer multiple of half the wavelength of
  • the modulated electromagnetic waves emitted by the radiation source comprise differently modulated electromagnetic waves.
  • Modulation parameters in particular with different modulation frequencies / modulation wavelengths modulated electromagnetic waves include.
  • the differently modulated parts of the primary waves may be successively, e.g. be sent offset in time. Thus, a frequency modulation can occur.
  • the differently modulated parts of the primary waves can also be transmitted simultaneously. It may in particular be provided that the modulated emitted by the radiation source
  • electromagnetic waves of different frequencies are formed, in particular as a superposition
  • Coupled modes and / or are designed as a pulse can e.g. be desired if the
  • Radiation source is designed as a laser, in whose
  • Radiation source may e.g. also a complex signal which can be decomposed into Fourier components can be emitted. It can then be provided that the modulator is synchronized with one of the Fourier components, in particular the modulator modulates the secondary waves with this Fourier component.
  • the radiation source transmits electromagnetic waves outside of the visible spectral range. This has the advantage that the use of the device for measuring distance is not perceived by the human eye.
  • the radiation source transmits waves in
  • waves are emitted which are within the spectral range of 200 to 1100 nanometers, more preferably within 400 to 1050 nanometers, more preferably within 800 to 1000 nanometers, most preferably within 850 to 950 nanometers and even more preferably within 870 to 910 nanometers.
  • the spectral width of the transmitted waves is
  • the radiation source can thus be designed to emit electromagnetic waves having a spectral width which is less than 100 nanometers,
  • nanometers preferably less than 10 nanometers, more preferably less than 5 nanometers.
  • a device for distance measurement needs
  • the invention also relates to a device for measuring distance comprising a modulator, a sensor and a synchronization device for synchronizing the time of the modulator with a
  • Modulation frequency of the modulated secondary electromagnetic waves emanating from the objects is able to To recognize modulation parameters of the secondary waves, for example by a frequency search, and to synchronize the modulator with the modulation of the secondary waves and / or with these secondary waves causing external radiation source for transmitting modulated primary waves.
  • distance measurement is relevant for a variety of applications.
  • the invention also relates to a camera for recording static or moving images with a
  • the static photographs or dynamic videos taken by the camera can have pixels to which depth coordinates are assigned in each case. It is thus in particular a 3D camera.
  • An advantage of the 3D camera is that images with both high lateral resolution in the x-direction and y-direction and high depth resolution in the z-direction can be generated.
  • the lateral resolution can in particular by a
  • APS active pixel sensor
  • the invention also relates to a device for detecting the environment with a device for distance measurement.
  • the environment detection device can determine distances to an environment in different directions and In particular, create a three-dimensional model of the environment. Thus, for example, starting from one point, it is possible to measure the surroundings, for example from interior spaces.
  • the environment detection device can be designed as a handheld device and sensors for detecting the environment.
  • Orientation in space include, for example, a compass and / or a gyroscope.
  • the environment detection device can also be designed as a stationary device and orient the sensor in a defined manner.
  • the invention also relates to a device for measuring objects with a device for measuring distance in order to determine distances to the object from different positions relative to an object,
  • the object measuring device can be designed, for example, as a 3D scanner, the device for distance measurement, in particular the sensor, occupying different positions relative to a three-dimensional object to be measured.
  • the object can be placed on a turntable.
  • the invention also relates to a device for
  • the invention relates to a vehicle, in particular a land, water, or aircraft, in particular an autonomous vehicle with a device for
  • the device for distance measurement can in particular determine distances and / or speeds of objects, in particular other vehicles.
  • the device for distance measurement can be arranged, for example, in the interior or outside the interior of the vehicle.
  • the invention also relates to a security system with a device for distance measurement, wherein the
  • the security zones may be defined as three-dimensional volumes and with the security system such
  • a safety zone can be defined as the envelope volume around a vehicle and change, for example, as a function of the speed.
  • a safety zone may comprise several areas, for example an area in front of the vehicle, behind the vehicle, at the side of the vehicle, below the vehicle or above the vehicle.
  • a security zone may, for example, also include an area outside or inside a building and, for example, serve for burglary protection.
  • the invention also relates to a robot with a
  • the robot is
  • the robot may in particular comprise a device for object measurement, e.g. to make modifications to an object.
  • the invention relates to a device for
  • a device for object measurement can be included.
  • Particularly advantageous is the high depth resolution, with which a very precise 3D printing can be made possible.
  • the invention also relates to a device for reproducing image information with image points associated with visually detectable depth information with a device for distance measurement and a device for separately providing the image information for at least two
  • the display device may comprise, for example, SD glasses or a 3D screen. It can also be provided more than two representations, for example, can superimposed, in particular color-coded information can be reproduced, which may indicate dangerous distances, for example to vessels or sensitive tissue in the case of medical application.
  • the invention also relates to a medical device having a device for measuring distance, for visual examination, preferably intracorporeal fluids,
  • the fluid dynamics of body fluids for example of the blood in the area of the heart, can be three-dimensional with the medical device
  • Fluorescence lifetimes to achieve high depth resolution at high modulation frequencies are preferably less than 10 nanoseconds, preferably less than 2 nanoseconds, more preferably less than 1 nanosecond, and most preferably less than 0.5 nanoseconds.
  • biomedical applications such as Alexa Fluor, cyanine dyes, DAPI, GFP, Hoechst 33258, Hoechst 33342, to name but a few.
  • a distance measuring device for different medical areas is provided, of which only a few to be mentioned as an example.
  • a medical device for mammography may be provided.
  • a medical device for prenatal diagnosis with which in particular images of fetuses with depth information can be generated.
  • more precise information can be obtained than with conventional ultrasound.
  • dermatological devices for imaging skin areas for example for skin cancer early diagnosis or diagnosis.
  • an associated software can be set up which, for example, implements the ABCDE rule programmatically.
  • medical devices can be of the high
  • the invention relates to an endoscope comprising a device for distance measurement, in particular for
  • the endoscope can be prepared for surgical, in particular micro-invasive interventions and comprise a device for surgical manipulation, in particular a loop, scalpel or scissors, from which at least a part of the secondary waves emanate.
  • the primary waves by means of a waveguide in the examined
  • Cavity are directed to the tissue to be examined or generally to the object to be measured.
  • the invention also relates to a method for distance measurement, in which
  • Modulated electromagnetic waves are emitted in the direction of objects to modulated
  • modulated secondary waves are each independently detected to determine a plurality of distances to the objects.
  • the part of the secondary waves, which is modulated again, can be modulated again in the same way, in particular the several independently detected parts of the again modulated secondary waves can be modulated again in the same way.
  • the emitted electromagnetic waves can be modulated with different modulation parameters, in particular with different modulation frequencies
  • Electromagnetic waves include to eliminate ambiguities in the distance measurement to the objects.
  • a sensor for detecting at least part of the modulated by the modulator secondary waves
  • the senor comprises a plurality
  • radiation-sensitive sensor cells which are each designed to detect a part of the modulated by the modulator secondary waves to a plurality of distances to the objects. If the sensor cells of the sensor in one
  • the CMOS sensor is designed as a CMOS sensor, active pixel sensor (APS), CCD sensor or a combination thereof
  • this also imaging systems can be advantageously equipped with the devices described herein.
  • the sensor cells of the sensor can each have a
  • Radiation detection area which is less than 200 square microns, preferably less than 100 square microns, more preferably less than 4 square microns.
  • the modulator modulates the received part of the secondary waves similarly and in particular modulates those detected by different sensor cells
  • the modulator as
  • Electroabsorption modulator formed.
  • the modulated electromagnetic waves emitted by the radiation source can be combined with
  • Electromagnetic waves include to eliminate ambiguities in the distance measurement to the objects.
  • the radiation source is designed to emit coherent electromagnetic waves, especially designed as a laser.
  • the modulated electromagnetic waves emitted by the radiation source can be designed as a superposition of electromagnetic waves of different frequencies, in particular as a superposition
  • Coupled modes and / or be designed as a pulse.
  • the radiation source is designed to emit electromagnetic waves outside the visible spectral range, preferably emit in the infrared spectral range, particularly preferably in the spectral range between 750 and 1050 nanometers
  • the radiation source can be designed so that electromagnetic waves are emitted with a spectral width which is less than 100 nanometers, preferably less than 10 nanometers, particularly preferably less than 5 nanometers.
  • Radiation source configured to emit in the intensity modulated electromagnetic waves, wherein the modulator is designed to modulate the received part of the secondary waves such that the time average of the intensity of the re-modulated secondary waves of phase differences between the transmitted waves and the secondary waves depends and wherein the Sensor one
  • Direction of waves emitted by the objects define a first optical axis and the part of the objects emanating from the object received by the modulator
  • Secondary waves defined a second optical axis and the second optical axis extend at least partially parallel to the first optical axis.
  • the device comprises a further sensor for detecting visible light
  • the visible electromagnetic waves detected by the further sensor define a third optical axis and wherein the third optical axis extends at least partially parallel to the first and / or the second optical axis.
  • the device comprises a selective one
  • Optical component in particular a filter or a
  • the modulated secondary electromagnetic waves are modulated by the modulator in transmission.
  • the modulator may be attached to a support made of a transparent material, such as glass in particular, wherein the support of glass is preferably a lens or a prism, which is a flat or non-planar
  • Have surface and the modulator is attached or applied, for example, to a sphere or asphere.
  • the modulated secondary electromagnetic waves are modulated by the modulator in reflection.
  • the modulator may be attached to a support of or with a reflective material, wherein the support is preferably a substrate having a mirror layer, and the modulator is on a flat or non-planar layer, such as a sphere or asphere
  • the distance measuring devices disclosed herein may include:
  • modulator which is formed modulated electromagnetic secondary waves, in particular Stray waves that emanate from an object to receive and modulate again and
  • a preferred depth sensor for a distance measuring device may include:
  • a camera for taking static or moving images may include the above distance measuring device, and the captured images then also
  • An environmental detection device may also include the distance measuring device disclosed herein, in particular for determining distances to an environment in different directions, in particular in order to generate a three-dimensional model of the environment.
  • An object measuring device may also comprise a distance measuring device disclosed here, in particular in order to start from different ones
  • Positions relative to an object to determine distances to an object, in particular, to create a three-dimensional model of the object.
  • a face recognition device can also be any other user
  • augmented reality assistance systems and / or flying a vehicle in particular land, water, or aircraft, in particular an autonomous vehicle, comprise a distance measuring device disclosed here , in particular distances and / or
  • a robot can also have a device for measuring distance disclosed here, wherein the robot can then be designed to detect movements in
  • means for producing three-dimensional bodies may include a distance measuring apparatus disclosed herein and a printer for successively producing a three-dimensional body.
  • Image information associated with pixels of visually detectable depth information comprises:
  • Image information for at least two representations each with stereoscopically encoded image information of the respective pixels.
  • a medical device may also include a distance measuring device disclosed here, in particular for visual examination, preferably intracorporeal fluids, in particular with fluorophores, which are excited by the electromagnetic waves emitted by the radiation source and at least a part of the
  • Such a medical device can also be an endoscope which, as an alternative or in addition to the aforementioned visual examination, in particular
  • Intracorporeal fluids in particular for the investigation of a cavity or tissue components suitable and
  • Such an endoscope can also be used for surgical, in particular micro-invasive procedures with a device for
  • the waves emitted by the radiation source can be guided by means of a waveguide into the cavity to be examined or to the tissue to be examined.
  • Modulated electromagnetic waves are emitted in the direction of objects to modulated
  • modulated secondary waves are each independently detected to determine a plurality of distances to the objects.
  • part of the secondary waves, which is modulated again can be modulated again in the same way, in particular the several independently detected parts of the again modulated secondary waves can be modulated again in the same way.
  • Electromagnetic waves include to eliminate or reduce ambiguities in the distance measurement to the objects.
  • 1 is a schematic representation of a device for distance measurement
  • 2 is a schematic representation of a device for distance measurement in a further embodiment
  • FIG. 3 is a schematic representation of a sensor cell of an active pixel sensor [7],
  • Fig. 4 is a schematic representation of a
  • FIG. 5 is a schematic representation of a device for distance measurement in a further embodiment with folded beam path
  • Fig. 6 shows a realized structure of a
  • FIG. 7 shows a calculated and measured reflection spectrum of the electroabsorption modulator from FIG. 6 for nearly vertical incidence of light
  • Fig. 8 is a voltage-dependent reflection of
  • Electroabsorption modulator of FIG. 6 when excited with sinusoidal signals Fig. 10 measured reflection spectra of the
  • FIG. 11 is a schematic representation of a
  • Electroabsorption modulator with metal mirror and indium tin oxide antireflective layer (ITO antireflection layer) for operation in reflection Fig. 12 calculated reflectance spectra of the
  • Fig. 13a, 13b is a schematic representation of a
  • Fig. 14 is an electrical equivalent circuit diagram for the
  • Fig. 15 is a schematic representation of a device for distance measurement with coaxial
  • Receiving components and a color camera, 16 is a schematic representation of a graph of a spectral reflectivity of a Bragg
  • the electromagnetic waves 22 are a high-frequency periodically modulated laser beam
  • the intensity of the laser radiation may be (co) sinusoidally modulated in phase or quadrature phase.
  • the object 10 comprises a scattering center 12 at which the emitted electromagnetic waves 22, i. the
  • Secondary waves 24 are scattered.
  • the or parts of the secondary waves 24 can thus be one of zero or multiples of 2n different from the primary waves
  • Secondary waves 24 are received by the modulator 40, which is designed as a temporally variable spatial filter, and from this (again) according to FIG modulated, where ⁇ T 0 in a modulator operated in transmission, the transmission stroke and T 0, the average
  • the received part of the secondary waves 24 is modulated synchronously by the modulator 40, in particular independently of (x, y) coordinates.
  • the again modulated secondary waves 26 are focused with a focusing optics 28, here in the form of a lens, on the sensor 30 formed as an image sensor, which comprises a plurality of sensor cells 34 in the (x, y) plane, for example one (x, y). - Resolution of 1000x1000 pixels.
  • the modulator 40 thus modulates to different sensor cells 34
  • a lens 28 To image one or more objects 10, a lens 28, a lens system 28 or an optical
  • Imaging system 28 for example, an endoscope, a microscope or a lens 28, for example, be provided in a monocular, binocular or spotting scope.
  • the lens 28 may also be part of a camera, in particular a smartphone.
  • Reflection stroke has been referred to as having a modulator operated in transmission.
  • a substantially same modulator in reflection operated modulator have a reflection stroke, which may correspond to substantially twice the transmission of the modulator operated in transmission substantially.
  • the sensor 30, which may be designed in particular as a CMOS image sensor or CMOS video detector, is connected to readout electronics 32, wherein sensor 30 and readout electronics 32 may be parts of an IR video camera.
  • the respective detector ie the sensor 30 or a
  • Sensor cell 34 registers time-averaged signals of the form the angle brackets indicate the time averaging.
  • each pixel can be point-by-point spatially resolved in the (x, y) -plane time-averaged signals of this form
  • the secondary waves 24 depend on the temporal mean of the phase relation or phase difference to the associated primary waves. Out can be determined in a known manner the phase.
  • the distance z 0 of the scattering center 12 in the object 10 already up to integral multiples of half
  • Wavelength of the high-frequency signal (modulation signal) can be determined.
  • Procedures are also used, for example, in laser Rangefinders used in which the removal of only a single isolated object point is determined time-resolved with a fast pin photodiode or avalanche photodiode.
  • the transverse dimensions usually the (x, y) coordinates
  • the high resolutions and pixel numbers available by means of a CMOS image sensor.
  • the depth dimensions can at best be indirect and with a wide range
  • Modulation by the radiation source 20 and the modulation is synchronized by the modulator 40.
  • the modulation of the laser beam and as
  • time-variable filter trained modulator 40 thus synchronous in time periodically and independent of location (x, y) and beam direction.
  • the modulator 40 leads accordingly
  • the modulator 40 causes a modulation, in particular a modulation, at least largely from the light incident direction
  • the modulator 40 is thus designed in particular as a multi-quantum well electroabsorption modulator.
  • Waves 22 is located in a region in which the sensor 30 is sensitive, advantageously outside the visible
  • the illumination thus preferably takes place in the near infrared spectral range at wavelengths in the interval from 700 to 1100 nm, ie in the range of 900 nm, at which CMOS image sensors [7] still have a high sensitivity. This advantageously makes it possible to avoid interference.
  • the illumination should be spectrally narrow-band with widths of less than five, preferably less than one nm
  • Secondary waves 24 is permeable and other wavelengths, especially visible light blocked.
  • efficient narrow-band sources [8,9] come for example
  • VSELs VCSELs
  • VECSELs external cavity vertical laser diodes
  • Modulator 40 thus form a hybrid integrated optical 3D sensor or depth sensor.
  • it is an optical 3D sensor with CMOS image sensor and controllable planar InGaAs GaAsP.
  • an integrated 3D sensor with sensor 30 and modulator 40 is that the height of the 3D sensor in preferred embodiments is only about 100 microns greater than that of the sensor 30 and thus the installation of the SD sensor in common devices, such as Smartphones, without further notice is possible. Even beam paths with a modulator operated in reflection can be produced with very small dimensions, which are suitable for installation in smartphones, Tablet PCs, laptops or convertibles are usable.
  • beam paths have proved to be advantageous, in which, as shown for example in FIG. 5a, the beam path of the light incident on the sensor is deflected by reflection by a total of approximately 90 °. But also other reflection angles can, as shown in Figure 5b be advantageous for certain structural dimensions. As modular assemblies, these 3D sensors can also
  • FIG. 3 shows schematically the structure of a pixel cell in a newer design with 4 transistors (4T) of an active pixel image sensor (CMOS sensor) comprising a pinned photodiode (PPD), a transfer transistor (TX), a reset transistor (RST ), a source follower transistor (SF) and a row select transistor (SEL).
  • CMOS sensor active pixel image sensor
  • PPD pinned photodiode
  • TX transfer transistor
  • RST reset transistor
  • SF source follower transistor
  • SEL row select transistor
  • Image sensors have a pixel with an area of 1.5 ⁇ m x 1.5 ⁇ m (radiation detection area) a maximum
  • each sensor cell 34 with radiation detection area A registers a photocurrent signal of the form
  • Measuring signal is.
  • the components are in detail [8]: the noise of the signal the noise of the background radiation the thermal resistance noise, mainly due to reset and charge carrier diffusion effects, and the dark current noise (especially by
  • the signal-to-noise ratio can thus be estimated
  • the invention offers the particular advantage that for detection optimized Active Pixel Image Sensors can be used, the noise of dark current and
  • Detection system be provided to achieve that with a high signal-to-noise ratio is achieved.
  • negligible background radiation ideally applies being the number of during the measuring time
  • z Q can be determined with an accuracy of one fiftieth of the modulation wavelength.
  • Modulation frequency of 10 GHz corresponding to one
  • Measuring accuracy is given in particular by the highest possible modulation frequency of transmission filter or laser diode.
  • the availability of a fast planar modulator [13] is particularly advantageous.
  • Spatial modulators with liquid crystals, including ferroelectric liquid crystals, can be significantly slower be.
  • intrinsic multi-quantum well (MQW) structures based on GaAs substrates [10, 13] embedded in pin structures may be used.
  • MQW multi-quantum well
  • Even multi-nipi or multi-hetero-nipi structures can prove to be promising as areal modulators.
  • the modulator which is formed in the illustrated illustration in transmission geometry, may also have a design in reflection geometry. For some applications of the invention is also to be considered that background radiation in the visible and also in the
  • CMOS video sensors which typically already clearly with increasing wavelength above 950 nm
  • Electroabsorption modulator 41 are used, which is particularly suitable for wavelengths between 870 and 910 nm, that is around 900 nm.
  • the electroabsorption modulator 41 which receives at least a portion of the modulated secondary waves 24 and outputs as re-modulated waves 26, is in this
  • the electroabsorption modulator 41 comprises an active layer with multiple quantum wells, the active layer preferably having a thickness of at least 0.1 ⁇ m, preferably of at least 0.5 ⁇ m, more preferably of at least 1 ⁇ m. Further preferably, a thickness is provided which is less than 100 microns, preferably less than 10 microns, more preferably less than 2 microns.
  • n-GaAs buffer layer 44 which is here about 1 micron thick, there is a
  • MQW zone 46 having, for example, 50 to 100 voltage-compensated InGaAs quantum wells and GaAsP barriers of, e.g. about 10 nm thick.
  • the MQW zone 46 thus forms the active part of the InGaAs GaAsP MQW electroabsorption modulator.
  • a p-doped AlAs-GaAs multilayer 48 here in each case of ⁇ / 4-thick layer pairs serving as Bragg reflector
  • p-AlAs GaAs Bragg reflector 48 is trained. Above the p-AlAs GaAs Bragg reflector 48 is a p + GaAs contact layer 50
  • Antireflection coatings 52 on the receiving surface 51 and / or exit surface 53 may be applied.
  • the In content is preferably selected such that, without applied voltage, the band edge of the InGaAs quantum well basal levels is about 900 nm.
  • the phosphorus content in the GaAsP barriers may be due to the In content
  • the n-doped substrate 42 serves in particular as a (highly efficient) direction-independent absorber for light having wavelengths less than 870 nm. Thus, it can be ambient light absorb shorter wavelength.
  • the substrate 42 may be formed as a contact layer. Depending on the height of the n-type doping and the thickness of the substrate 42, it is sometimes also possible to attenuate light having wavelengths up to about 900 nm. However, the substrate 42 is
  • the p-doped Bragg structure 48 which in particular has a stopband width of almost 100 nm, can reflect light with wavelengths greater than 910 nm. At the same time, it can be designed as a contact layer. Due to the high refractive index of the GaAs of 3.5 and thus
  • the Bragg reflector 48 has only a very small
  • the electroabsorption modulator 41 is thus transparent in particular for secondary waves 24 in the spectral range from 870 to 910 nm and can modulate these. Secondary waves 24 with wavelengths less than 870 nm and / or greater than 910 nm can not the electroabsorption modulator 41
  • the electroabsorption modulator 41 thus simultaneously acts as a bandpass filter with a passband in the sensitivity range of a commercially available CMOS sensor and outside the range visible to humans. Another advantage is that the modulation stroke is practically independent of the light incidence direction.
  • the electroabsorption modulator 41 which in another preferred embodiment also receives at least a portion of the modulated secondary waves 24 and outputs as modulated waves 26, is formed in this further example as a GalnNAs-AlGaAs MQW spatial electroabsorption modulator on a GaAs substrate 42 See also, for example, FIG. 6.
  • the electroabsorption modulator 41 comprises an active layer with multiple quantum wells, wherein the active layer preferably has a thickness of at least 0.1 .mu.m, preferably of at least 0.5 .mu.m, particularly preferably of at least 1 .mu.m. Further preferably, a thickness is provided which is less than 100 ⁇ m, preferably less than 10 ⁇ m, particularly preferably less than 2 ⁇ m.
  • n-GaAs buffer layer 44 which here is about 1 ym thick, there is a
  • MQW zone 46 having, for example, 50 to 100 unstrained lattice-matched GaInNAs Quantum Wells and AlGaAs barriers each of e.g. about 10 nm thick.
  • the MQW zone 46 thus forms the active part of the GalnNAs AlGaAs MQW electroabsorption modulator.
  • transparent p-contact 50 which has only a few 100 nm thickness, for example, indium tin oxide (ITO) exist and can be designed as an anti-reflective coating at the same time.
  • ITO indium tin oxide
  • Another transparent n-contact is located on the underside of the substrate.
  • the metal contacts 54 and 56 serve to contact reinforcement.
  • additional dielectric coatings 52 on the receiving surface 51 and / or Exit surface 53 can be the residual reflection of the transparent contacts tune.
  • the pin diode of the modulator is used exclusively in
  • the band edges of the GalnNAs Quantum Well base levels are preferably about 900 nm.
  • Aluminum content in the AlGaAs barriers is adjusted with 20% to the basic levels.
  • the n-doped substrate 42 serves as a contact layer and simultaneously acts as (highly efficient)
  • Directional absorber for light with wavelengths less than 870 nm. Thus, it can make ambient light shorter
  • An AlAs-Alo.i Gao.9 As Bragg reflector with a stop band width of about 100 nm for suppression of approximately 3 to 5 degrees obliquely against the surface Asked to the surface polished polished substrate underside may additionally on the suppression of
  • the electroabsorption modulator 41 is thus transparent especially for secondary waves 24 in the spectral range from 870 to 910 nm, in which the maximum electroabsorption and, in addition, the sensitivity of commercial CMOS sensors is high.
  • Electroabsorption modulator of the light incident direction is advantageous for the lateral resolution of the detection system.
  • the modulator 40 in this case the electroabsorption modulator 41, can in each case in the embodiments described here a receiving surface 51 for modulated secondary waves 24 and / or an exit surface 53 for again modulated secondary waves 26 in the range of 0.01 mm 2 to 100 mm 2 , preferably in the range of 1 mm 2 to 4mm 2 have.
  • a rectangular receiving surface and / or exit surface with dimensions of 1 mm ⁇ d ⁇ 2 mm, for example d 1.5 mm be provided.
  • the modulator 40 may receive the one received with the receiving surface 51
  • a (further) modulation can be carried out simultaneously for a multiplicity of sensor cells 34
  • the MQW element is placed immediately in front of the image sensor, 1000 x 1000 pixels can be driven in modern CMOS image sensors. It is generally preferred for the modulator 40 to modulate secondary waves 24, 26 for at least 10,000, more preferably at least 200,000 and even more preferably at least 1,000,000 pixels. Furthermore, in particular in the case of the embodiment illustrated in FIGS. 2 and 6, in particular a hybrid integration of silicon CMOS chip and GaAs MQW chip, a Peltier element may also be incorporated, in particular by a fine tuning of the optimal one
  • Band edge position of the modulator to make the wavelength of the infrared laser illumination In general, large-area dielectric optical bandpass filters with a 5 to 10 nm wide spectral transmission range are advantageous in order to optimally match the laser light illumination and the electroabsorption spectrum.
  • the filter has extremely low directional dependence.
  • Electroabsorption modulator also be a reflection modulator, according to FIG. 5 in a folded optical
  • the MQW zone is arranged above an AlGaAs Bragg reflector whose stop band covers the optimum spectral electroabsorption range.
  • the Bragg reflector of 20 n-doped ⁇ / 4-layer pairs Alo.2Gao.8As - AlAs is designed for a stopband center wavelength of about 860 nm.
  • a thin n-doped Alo.2Gao.sAs buffer layer is the active intrinsic GaAs-Al0.2Ga0.sAs MQW
  • the structure is completed by an approximately 2 ⁇ m thick power distribution layer for transparent ITO contacts and an anti-reflection coating.
  • Fig. 7 shows a measured reflectance spectrum of the structure of Fig. 6 and compared to a calculated spectrum without contacts and anti-reflection coating, which does not take into account strong absorptive excitonic effects.
  • the resonances in the stop band of the Bragg reflector at an equidistant distance of 25 nm are reflections at the
  • the peak of excitonic absorption is at about 845 nm wavelength.
  • FIG. 9 The high-frequency behavior is illustrated in FIG. 9. From the time profiles of the component shown in FIG. 9a for DC voltage and 100 MHz sinusoidal signals
  • Fig. 10 shows the spectral reflectance behavior of
  • FIG. 11 shows by way of example an electroabsorption modulator with metal mirror and transparent contact the top.
  • the active pin modulator structure is based on FIG.
  • a 1 -2 nm thick titanium adhesive layer is inserted.
  • an approximately 120 nm thick indium-tin oxide layer is suitable, which can simultaneously act as a simple antireflection layer with a refractive index of about 1.9.
  • the residual reflection of the contact can be
  • Fig. 12a and 12b are calculated reflection spectra of the reflection modulator of Fig. 11 for various reasons.
  • Absorption coefficients 100 / cm, 1000 / cm and 10000 / cm shown in the GaAs wells.
  • the reflectance remains nearly the same over a wide wavelength range of 820 to 920 nm and for angles of incidence between + 20 ° and -20 °, and is also independent of TE or TM polarization as it is modulated for the focusing of unpolarized
  • the spectral ripple is due to the imperfect antireflectivity of the
  • MOCVD Gas phase epitaxy
  • the passage of light through the Quantum Well Zone twice is advantageous for the modulation stroke to be achieved.
  • the stop bandwidth can be over adjusted the relative aluminum content in the Bragg layer pairs and the optimal spectral
  • Modulation range can be adjusted.
  • the use of metal mirrors, preferably of gold, is advantageous for angular and polarization-independent operation of the
  • Electroabsorption modulators if still at the same time
  • Interference within the device should be avoided by using transparent antireflective contacts.
  • Reflection modulators with transparent and metallic contacts are very flexible with thicknesses of a few micrometers and can advantageously also be applied to curved, non-planar surfaces, such as concave mirrors, as shown in FIG. 13a.
  • carrier 75 made of a transparent material, such as in particular glass as shown in Fig. 13b
  • the support made of glass may in this case be a lens, a prism or a substrate for a mirror layer and the modulator on a flat or non-planar layer of the support, such as a sphere or
  • radii of curvature of the modulator can be realized, which are up to less than one millimeter and the modulator can be applied in each case similar to a coating or a coating on the carrier.
  • the modulator may consist of a total of only about 1 micron thick undoped multi-quantum well layer based on GaAs, which is embedded in a pin diode structure. In this case, while maintaining the high crystal quality necessary for the function even at the specified bending radii of less than one millimeter radius, on GaAs
  • the mechanical stability of the modulator of typically more than 1 mm 2 area can also be ensured here by the GaAs substrate of 100 to 200 microns thickness.
  • thicknesses of approximately up to 1 ⁇ m or, depending on the type, of 100 to 200 ⁇ m can also be used for all modulators disclosed here, even if these are connected, in particular as part of an optical system, to a transparent or reflective optical carrier 75 or attached thereto , Furthermore, the modulator can also be applied to the respective optical component, for example a mirror, a lens or a prism, similar to a nano-coating or nano-coating.
  • optical joining technology in which, for example, lens elements are cemented together to connect the modulator to the carrier.
  • FIG. 13b can also cover the part of a lens surface of an optical
  • existing optical, in particular imaging optical systems can thus be provided in a simple manner with the 3D sensors described here, without any significant additional
  • Imaging systems of medical devices such as endoscopes or microscopes or imaging optics of portable digital devices, such as smartphones later with the 3D sensors described here
  • Embodiment also as a part of an optical, especially imaging system beam shaping.
  • an optical, especially imaging system beam shaping for the in the figures 13a and 13b
  • Geometries deviating surface shapes are used. Examples of these are aspherical surface shapes, such as those used in recent designs for correcting optical aberrations.
  • the reflection-driven modulators may also be part of conventional imaging systems, such as
  • prisms for example, prisms, roof prisms, as these are used in SLR cameras or even a part of in monoculars, binoculars or spotting scopes
  • Reflector operated modulators replace the previously used mirror assemblies completely or replace or supplement them only in one area.
  • the electroabsorption modulators are preferably with sinusoidal high frequency signals
  • Fig. 14 shows a simplified electrical
  • Alternating frequency carrying power supply Vi, V 2 or V3 are connected. By way of example, these are in each case the frequencies of 1 GHz, 100 MHz and 10 MHz.
  • MQW electroabsorption modulators In optical communication technology, MQW electroabsorption modulators often become a generation
  • Electroabsorption modulators with metal mirrors necessary removal of the substrate by grinding, polishing and selective etching using Etch stop layers. This process is routinely used to produce optically pumped VECSELs [18,19].
  • Sensor 30 includes sensors 30, the sensor 30 at the same time record the distance of each scattered light point in the object gray-coded in each sensor cell 34.
  • Modulator can be used in front of a high-resolution CMOS video sensor.
  • the method has - similar to the lock-in amplifier technology [20] - a high dynamic
  • Noise power (especially the stray light) that is 100,000 times the signal power, provided the
  • Dynamic range of the charge carrier-storing image sensor is correspondingly large.
  • an optimal MQW electroabsorption modulator as a controllable planar filter
  • Depth resolutions can be achieved in the range of submillimeters. This is higher than with classical time-of-flight methods, which are limited in particular by the cut-off frequency of the avalanche photodiodes used.
  • Optical scanners often use light pulses with pulse durations of approximately 1 ns and allow depth resolutions in the lower centimeter range.
  • the proposed method requires no complex special processes of VLSI technology. It is possible to use commercially available state-of-the-art CMOS image sensors whose pixel size of 1.5 ⁇ m 2 is more than 100 times smaller than the sensor pixels used for PMD sensors developed in special VLSI processes. Furthermore, available CMOS sensors have a significantly higher number of pixels than previously available PMD sensors. PMD sensors were demonstrated, for example, with 352x288 pixels of about 15 ⁇ m x 15 ⁇ m. The invention also enables a higher depth resolution than is possible with current photonic mixer devices, which are hitherto only suitable for modulation frequencies up to about 100 MHz.
  • Electroabsorption modulators also in
  • the waves 22 emitted by the radiation source 20 in the direction of the objects 10 define a first optical axis 70 and the part of the objects 10 emanating from the modulator 40
  • Secondary shafts 24 defines a second optical axis 72, wherein these two optical axes 70, 72 are collinear in the near-object region.
  • the waves 22 emitted by the radiation source 20, which in this example may have a wavelength of, are transformed into a waveguide 60
  • Focusing optics 23 are used to control the modulated
  • Transmitted laser beam at an angle of e.g. to
  • the waveguide 60 which is e.g. may be formed as a glass fiber and defined with its extension part of the first optical axis 70, passes from a side facing away from the object 10 by a selective
  • Optics component 62 through and thus allows a
  • Radiation source 20 emitted waves 22 directed by the waveguide 60 on the scattering object 10 located in the far field. Incidentally, this may also be provided independently of this embodiment.
  • the selective optical component 62 is able to transmit a first spectral range ⁇ to the sensor 30 and to keep a second spectral range, which is disjoint to the first spectral range ⁇ , from the sensor 30.
  • the first spectral range ⁇ comprises at least part of the spectrum of the secondary waves 24, so that at least part of the secondary waves 24 reach the sensor 30 as selected waves 25.
  • the second spectral range includes in particular, the or part of the visible spectrum.
  • the selective optics component 62 is considered to be at an angle of formed to the optical axes 70, 72 aligned Bragg reflector.
  • the Bragg reflector reflects the first spectral range ⁇ (see Bragg filter curve in FIG. 16) and allows it to reach the sensor 30 and in this example also the modulator 40, which in turn is arranged directly in front of the sensor 30.
  • a shield of the waveguide 60 may be provided.
  • the waveguide 60 which in this example has a diameter D in the range from 200 to 500 ⁇ m, can be approximately made into a, e.g. encapsulated metal shell.
  • the arrangement shown in Fig. 15 also includes another connected to a readout electronics 33
  • the visible electromagnetic waves 27 emanating from the object can be, for example, stray light of the ambient light, for example the sun.
  • the further sensor 31 can also simultaneously generate a normal, in particular colored, image of the scene.
  • the further sensor 31 is especially as an ordinary CMOS RGB image sensor
  • the sensor 30 may also be designed as a special CMOS infrared image sensor.
  • Also for the further sensor 31 is a collinear
  • the visible electromagnetic waves 27 detected by the further sensor 31 define a third optical axis 74, which runs at least partially collinear with the second optical axis 72.
  • the selective optical component 62 the second spectral range, ie in particular the visible electromagnetic
  • Optical component 62 thus directs the backscattered infrared signal light to the 3D sensor and allows the visible light to pass to the RGB color sensor.
  • the integrated optical waveguide 60 pierces both the
  • Deflection mirror 64 for visible light as well as the
  • the deflection mirror 64 and the selective optical component thus each have a hole through which the waveguide 60 passes.
  • another advantage of the illustrated arrangement is an optimal reduction of
  • Information about the depth position of individual objects in an image to be recorded by an image sensor is obtained when the scene is illuminated with modulated light and the light waves emanating from the object points
  • CMOS image sensor with direct
  • Electroabsorption modulator preferably consists of a total of only about 1 micron thick undoped multi-quantum Well layer based on GaAs, which in a pin
  • Diode structure is embedded.
  • the mechanical stability of the modulator of typically more than 1 mm 2 area is ensured by the GaAs substrate of 100 to 200 microns thickness.
  • a metallic carrier in particular also a Peltier element, can be used.
  • Antireflection coating can act. For operation with sinusoidal high-frequency signals are available
  • bias T circuit Operating point for reverse bias is a bias T circuit.
  • the design is also possible in electrical stripline technology.
  • the image or image sensor integrated designs can be as transmission modulators or alternatively or additionally in a folded beam path as
  • Narrow-band emitting semiconductor lasers such as vertically emitting laser diodes (VCSEL) in question.
  • VCSEL vertically emitting laser diodes
  • Beam path also more than a modulator, in particular to use electroabsorption modulator, in particular to set the desired modulation stroke in the desired manner.
  • a modulator in particular to use electroabsorption modulator, in particular to set the desired modulation stroke in the desired manner.
  • several modulators in transmission and / or reflection can be used within one beam path.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung umfassend eine Strahlungsquelle zur Aussendung modulierter elektromagnetischer Wellen in Richtung von Objekten, um modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, ausgehend von den Objekten hervorzurufen; ferner einen mit der Strahlungsquelle zeitlich synchronisierten Modulator zum Empfang zumindest eines Teils der modulierten Sekundärwellen und nochmaligen Modulation des empfangenen Teils der Sekundärwellen; sowie einen Sensor zur Erfassung zumindest eines Teils der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen, um zumindest eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur Entfernungsmessung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Entfernungsmessung zu einer Szene mit Objekten, insbesondere zur Messung einer Mehrzahl von Entfernungen mit Hilfe einer Mehrzahl von Pixeln eines Pixelsensors.
Stand der Technik Bei der Aufnahme von Fotografien oder Videos werden
üblicherweise Abbilder räumlicher Szenen dadurch erzeugt, dass rasterförmig angeordneten Bildpunkten Färb- oder Helligkeitswerte zugeordnet werden; eine unmittelbare
Erfassung von Tiefeninformation, die den Bildpunkten zugeordnet werden könnte, erfolgt typischerweise nicht.
Eine Bestimmung der Distanz ist jedoch für eine Vielzahl technischer Gebiete von hohem Interesse, so zum Beispiel als Kamera-Entfernungsmesser, z.B. zur Aufnahme von 3D- Fotos, zur Umgebungserfassung für eine Überwachung, etwa beim autonomen Fahren, zur optischen Definition von
Sicherheitszonen, etwa für die Einbruchssicherung, zur Verfolgung von Objektpunkten für eine Erfassung von
Bewegungen in Videosequenzen, zur Gestenerkennung, zum Aufbau berührungslos mittels Gesten steuerbarer Bildschirme („touchless touch screen") , zur dreidimensionalen
Objektvermessung, zur Aufnahme von 3D-Videos, zum 3D-Druck oder auch für endoskopische Geräte, um nur einige mögliche Anwendungsgebiete zu nennen.
Vor dem Hintergrund der vielfältigen Anwendungsfelder einer Tiefenerfassung sind eine Reihe insbesondere optischer Verfahren für diesen Zweck entwickelt worden. Bislang jedoch sind der Erfassung dreidimensionaler Szenen Grenzen gesetzt, die in erheblichem Maße von der jeweiligen Methode und den verwendeten Techniken abhängen.
Bei der Tiefenerfassung mittels Stereoskopie wird eine Szene von zwei verschiedenen Blickpunkten aufgenommen, so dass Objekte von leicht unterschiedlichen Winkeln erfasst werden und aus der resultierenden Parallaxe die Tiefe bestimmt wird. Da die Parallaxe in der Praxis relativ gering ist, ergibt sich allerdings eine relativ niedrige Tiefenauflösung, welche insbesondere wesentlich niedriger ist als typische laterale Auflösungen eines Bildsensors. Zudem entsteht ein relativ hoher Rechenaufwand, um aus stereoskopischen Bildpaaren Tiefeninformation zu berechnen. Nachteilig ist auch, dass das Verfahren nicht zuverlässig eingesetzt werden kann, wenn es den Objekten der Szene an ausreichender Oberflächenstruktur fehlt, um die Parallaxe zu ermitteln.
Bei Verfahren der Laserabtastung werden Oberflächen der Objekte mit einem Laserstrahl zeilen- oder rasterförmig abgetastet [1, 2]. Solche als Laserscanner bezeichneten Systeme kommen z.B. beim autonomen Fahren oder bei der Definition von Sicherheitsbereichen mittels Lichtvorhängen zur Anwendung. Häufig basiert die Abstandsmessung auf dem Lidar-Prinzip, bei welchem kurze Laserimpulse ausgesendet und von den Objektoberflächen rückgestreute Signale
detektiert werden, um aus der Lichtlaufzeit die Entfernung zu bestimmen. Nachteilig ist jedoch der Einsatz mechanisch beweglicher Bauteile, beispielsweise rotierender Spiegel, für die rasterartige Strahlablenkung. Häufig können in einem vorgegebenen kurzen Zeitraum nur einzelne in einer oder einigen wenigen Ebenen liegende Punkte im Objektfeld nacheinander abgetastet werden. Zudem ist in der Regel eine breitbandige Auswerteelektronik nötig, die inhärent höchste Anforderungen an rauschärmste Detektion und Vorverstärkung stellt, wozu Silizium-Lawinen-Fotodioden und -Arrays zum Einsatz kommen können. Dennoch ist die Tiefenauflösung durch die benötigte Messbandbreite und auch durch die meist erforderliche Augensicherheit der Systeme und die dadurch limitierte Photonenflussdichte relativ gering.
Bei Verfahren strukturierter Szenenbeleuchtung werden die Objekte der Szene mit definierten Mustern beleuchtet und aus den Lichtstrukturen, die sich auf den Objektoberflächen ergeben, die gewünschte Tiefeninformation ermittelt. Das Verfahren wird häufig mit infrarotem Licht realisiert und insbesondere zur dreidimensionalen Lagebestimmung von
Objekten für Tracking und Gestenerkennung genutzt, etwa bei Kinect [3, 4]. Bei derartigen Verfahren ergibt sich die Tiefenauflösung aus der Schärfe der projizierten Muster und ist inhärent niedriger als eine Lateralauflösung eines Bildsensors, mit welchem die Muster erst erfasst werden. Für Systeme mit hohen gewünschten Tiefenauflösungen kommen diese Verfahren somit nicht in Frage.
PMD-Kameras nutzen sog. Photomischdetektoren („photonic mixing device") , um hochfrequent moduliertes und von der Szene reflektiertes Licht zu detektieren [5] . Speziell entwickelte PMD-Sensoren weisen ein Pixelarray auf und können mit jedem Pixel reflektiertes Licht detektieren und dadurch erzeugte Elektronen mit einer Ladungsträgerschaukel entfernungsselektiv trennen, so dass gleichzeitig mehrere Entfernungen bestimmt werden können. Das Verfahren ist allerdings heutzutage noch auf verhältnismäßig niedrige Modulationsfrequenzen begrenzt, wodurch wiederum die
Entfernungsauflösung limitiert ist. Zudem sind die
Pixelgrößen der PMD-Sensoren derzeit noch verhältnismäßig groß und die erreichbare Lateralauflösung somit geringer als bei herkömmlichen APS-Pixelsensoren .
Aufgabe der Erfindung
Die vorliegende Erfindung hat es sich daher zu einer
Aufgabe gemacht, Entfernungen mit hoher Tiefenauflösung zu bestimmen, insbesondere mit Tiefenauflösungen im
Millimeter- oder sogar Submillimeter-Bereich zu bestimmen.
Ein Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, bei Verzicht auf bewegliche mechanische Komponenten eine Vielzahl von Entfernungen gleichzeitig zu bestimmen, insbesondere zur Aufnahme dreidimensionaler Tiefenabbilder einer Szene.
Ein weiterer Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, dreidimensionale statische oder dynamische hochauflösende Tiefenabbilder einer Szene mit zugleich hohen
Lateralauflösungen und hoher Bildfrequenz zu erzeugen, insbesondere unter Verwendung der hochentwickelten
Pixelsensoren aus der herkömmlichen digitalen Fotografie. Noch ein Aspekt der Aufgabe der Erfindung ist es, eine Entfernungsmessung zu ermöglichen, welche sich apparativ in kompakter Bauform realisieren lässt und welche bei hoher Rauschleistung bzw. starkem Störlicht zuverlässig arbeitet.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstände der abhängigen Ansprüche sowie der in der Beschreibung erwähnten Ausführungsformen.
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung
zumindest einer Entfernung umfassend eine Strahlungsquelle, einen Modulator und einen Sensor. Die Strahlungsquelle ist ausgebildet, modulierte
elektromagnetische Wellen, welche nachfolgend auch als Primärwellen bezeichnet werden, in Richtung von zumindest einem Objekt auszusenden, um modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, ausgehend von dem Objekt hervorzurufen.
Der Modulator ist mit der Strahlungsquelle zeitlich
synchronisiert und ist ausgebildet, zumindest einen Teil der modulierten Sekundärwellen zu empfangen und diesen empfangenen Teil der Sekundärwellen nochmals zu modulieren.
Der Sensor ist ausgebildet, zumindest einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen zu erfassen, um zumindest eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen. Die Vorrichtung macht sich zunutze, dass die von der
Strahlungsquelle in Richtung eines Objekts ausgesendeten und insbesondere in der Intensität periodisch modulierten Primärwellen bei Streuung oder Reflexion an dem Objekt eine laufwegabhängige bzw. abstandsabhängige Phasenverschiebung der Modulation erfahren. Dadurch weisen Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, in der Modulation eine
Phasenrelation zu den Primärwellen auf, die vom Laufweg der Wellen bzw. vom Abstand des Objekts von einem bestimmten Referenzpunkt entlang der Richtung der Wellenausbreitung abhängt. Mit anderen Worten weisen Sekundärwellen eine bestimmte (ggf. verschwindende) Phasenverschiebung
gegenüber den von der Strahlungsquelle ausgesendeten
Primärwellen auf.
Mit Hilfe des Modulators und des Sensors kann nun eine Phasenrelation bzw. Phasenverschiebung zwischen den
Primärwellen und den Sekundärwellen messbar gemacht werden, wie nachfolgend beschrieben wird.
Der Modulator kann dazu zumindest einen Teil der mitunter gegenüber den Primärwellen phasenverschobenen modulierten Sekundärwellen empfangen und diese nochmals modulieren, wobei diese nochmalige Modulation der Sekundärwellen durch den Modulator zeitlich synchronisiert ist zu der durch die Strahlungsquelle bereits erfolgten Modulation der
Primärwellen. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn alle von einem Objektpunkt ausgehenden und dann auf ein
Detektorelement treffenden Teilwellen in gleicher Weise moduliert werden, die Sekundärmodulation also insbesondere richtungsunabhängig ist und keine Mehrwegeausbreitung vortäuschenden lateralen oder longitudinalen Resonanzen im optischen Detektionszweig auftreten. Die quasi leistungslose elektrische Ansteuerung eines kapazitiv- hochohmig wirkenden Modulators kann hierfür vorteilhaft homogen erfolgen, und ist dabei bevorzugt gleichmäßig über die gesamte Fläche, insbesondere optisch wechselwirkende Fläche des Bauelements. Der Modulator moduliert empfangene Wellen demnach zeitlich synchron zur Modulation der
Primärwellen. Der Modulator kann dazu mit der
Strahlungsquelle, genauer gesagt mit einer
Modulationseinrichtung der Strahlungsquelle, gekoppelt sein .
Insbesondere ist der Modulator ausgebildet, den empfangenen Teil der Sekundärwellen derart nochmals zu modulieren, dass die Intensität der nochmals modulierten Sekundärwellen im zeitlichen Mittel von Phasendifferenzen zwischen den ausgesendeten Primärwellen und den Sekundärwellen abhängt. Mit anderen Worten kann die zeitlich gemittelte Intensität nochmals modulierter Wellen unterschiedlich sein, je nachdem, welche Phasendifferenzen jeweils bestehen. Der zeitlich mit der Strahlungsquelle, genauer gesagt mit einer Modulationskomponente der Strahlungsquelle synchronisierte Modulator kann insbesondere die größten Auslenkungen oder Amplituden der Sekundärwellen vermindern.
Somit können die nochmals modulierten Sekundärwellen im zeitlichen Mittel eine abweichende, insbesondere
verminderte Intensität gegenüber dem empfangenen bzw. dem zu empfangenden Teil der Sekundärwellen aufweisen. Das zeitliche Mittel der Intensität der nochmals modulierten Sekundärwellen enthält dadurch eine Information über die Distanz zwischen dem Objekt und einem Referenzpunkt auf einer zugehörigen optischen Achse, etwa der
Strahlungsquelle, dem Modulator oder dem Sensor.
Der Sensor ist daher insbesondere ausgebildet, das
zeitliche Mittel der Intensität messbar zu machen. Dazu kann der Sensor eine Ausgangsgröße liefern, die von dem zeitlichen Mittel der Intensität des erfassten Teils der nochmals modulierten Sekundärwellen abhängt, z.B. dazu proportional ist.
Es kann zudem eine Recheneinheit umfasst sein, welche aus der von dem Sensor gelieferten Ausgangsgröße Rückschlüsse auf die Entfernung zu dem Objekt bestimmt, etwa durch
Berechnung einer Phasendifferenz zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen, um mit der berechneten
Phasendifferenz eine Entfernung zu dem Objekt zu bestimmen.
Die beschriebene Vorrichtung zur Entfernungsmessung hat zum Vorteil, dass der Sensor insbesondere als ein gewöhnlicher optischer Sensor ausgebildet sein kann, welcher die
Intensität der erfassten Strahlung über einen bestimmten Zeitraum aufsummierend misst. Es kann sich dabei z.B. um eine einfache Helligkeitsmessung handeln, die eine von der Intensität und Belichtungszeit abhängige elektrische Größe liefert, welche dann einem Analog-Digital-Wandler zugeführt werden kann.
Die Komponenten der Vorrichtung zur Entfernungsmessung, insbesondere die Strahlungsquelle, der Modulator und der Sensor können in einem Gerät integriert sein. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Vorrichtung mehrere Geräte umfasst, beispielsweise ein erstes Gerät umfassend die Strahlungsquelle und ein zweites damit synchronisiertes und/oder gekoppeltes Gerät umfassend den Modulator und den Sensor . Die beschriebene Vorrichtung zur Entfernungsmessung ist vorzugsweise in der Lage, eine Mehrzahl von Entfernungen zu den Objekten messen. Der Sensor umfasst hierzu vorzugsweise eine Mehrzahl strahlungsempfindlicher Sensorzellen, welche jeweils ausgebildet sind, einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen zu erfassen. Mit anderen Worten kann jede der Sensorzellen des Sensors unabhängig von den anderen Sensorzellen einen Teil der nochmals modulierten Sekundärwellen detektieren. Es können somit gleichzeitig mehrere Entfernungen zu dem oder den Objekten gemessen werden, wobei es sich
insbesondere um Entfernungen zu unterschiedlichen
Positionen auf dem oder den Objekten handelt. Die von der Strahlungsquelle ausgesendeten Wellen sind vorzugsweise kohärent und phasengleich, insbesondere in Bezug auf die Modulationsfrequenz. Es können z.B. zumindest näherungsweise ebene Wellen oder Kugelwellen vorgesehen sein. Verschiedene Teile der ausgesendeten Wellen, die zu dem oder den Objekten verlaufen und von diesen als
Sekundärwellen gestreut bzw. reflektiert werden, können jeweils auf unterschiedliche Sensorzellen treffen. Dazu kann z.B. eine fokussierende Optik genutzt werden. Die von unterschiedlichen Sensorzellen erfassten
verschiedenen Teile der durch den Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen können insbesondere unterschiedliche Intensitäten im zeitlichen Mittel
aufweisen, abhängig davon, welche Phasenverschiebung in der Modulation die den verschiedenen Teilen der nochmals modulierten Sekundärwellen jeweils entsprechenden Teile der Sekundärwellen gegenüber den zugehörigen Primärwellen hatten .
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die
Sensorzellen des Sensors als eine Zeile nebeneinander angeordneter Sensorzellen ausgebildet. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Sensorzellen des Sensors in einem zweidimensionalen Raster angeordnet sind. Insbesondere kann der Sensor als CMOS-Sensor, aktiver Pixelsensor (APS) , CCD- Sensor oder einer Kombination daraus ausgebildet sein.
Ein Vorteil hiervon ist, dass CMOS-Sensoren, insbesondere aktive Pixelsensoren (APS) oder auch CCD-Sensoren bereits hochentwickelt und kommerziell verfügbar sind. Insbesondere sind die Strahlungserfassungsflächen der als Pixel
ausgebildeten Sensorzellen, d.h. die jeweils zur
Strahlungserfassung vorgesehene Gesamtfläche einer
Sensorzelle, sehr klein, wodurch hohe laterale Auflösungen ermöglicht werden. Die Strahlungserfassungsflächen können mehr als 100-mal kleiner sein als z.B. bei PMD-Sensoren, bei welchen aufwändige Spezialprozesse der VLSI-Technologie für die Pixel zum Einsatz kommen.
In einer Ausführungsform weisen die Sensorzellen des
Sensors jeweils eine Strahlungserfassungsfläche auf, die geringer ist als 200 Quadratmikrometer, vorzugsweise geringer ist als 100 Quadratmikrometer, besonders bevorzugt geringer ist als 4 Quadratmikrometer. In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Modulator den empfangenen Teil der Sekundärwellen gleichartig (nochmals) moduliert. Insbesondere werden die von unterschiedlichen Sensorzellen des Sensors erfassten Sekundärwellen gleichartig durch den Modulator (nochmals) moduliert. Der Modulator führt dabei, ebenso wie die
Strahlungsquelle, zweckmäßig eine periodische Modulation durch.
Es handelt sich demnach bevorzugt um einen flächigen
Modulator, welcher zwischen den Objekten und dem Sensor angeordnet ist und auf Sekundärwellen, die auf
unterschiedliche Bereiche des Sensors, insbesondere auf unterschiedliche Sensorzellen, treffen, dieselbe
Modulationswirkung hat. Der Modulator ist bevorzugt ein eigenständiges Bauteil und operiert unabhängig von dem Sensor. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Modulator als Elektroabsorptionsmodulator ausgebildet.
Durch Messung des zeitlichen Mittels der Intensität der durch den Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen kann eine Information über die Distanz zu demjenigen
Streuzentrum eines Objekts bestimmt werden, von welchem die Sekundärwellen ausgehen. Der Abstand kann dabei bis auf ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der
Sekundärwellen, d.h. der Modulationswellenlänge, ermittelt werden .
Um Mehrdeutigkeiten bei der Entfernungsmessung zu den
Objekten zu eliminieren, ist demnach vorzugsweise vorgesehen, dass die von der Strahlungsquelle ausgesendeten modulierten elektromagnetischen Wellen unterschiedlich modulierte elektromagnetische Wellen umfassen. Die
Primärwellen können demnach mit unterschiedlichen
Modulationsparametern, insbesondere mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen/Modulationswellenlängen modulierte elektromagnetische Wellen umfassen.
Die unterschiedlich modulierten Teile der Primärwellen können nacheinander, z.B. zeitlich versetzt ausgesendet werden. Somit kann eine Frequenzmodulation hinzutreten. Die unterschiedlich modulierten Teile der Primärwellen können aber auch gleichzeitig ausgesendet werden. Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass die von der Strahlungsquelle ausgesendeten modulierten
elektromagnetischen Wellen als Superposition
elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Frequenz ausgebildet sind, insbesondere als Superposition
gekoppelter Moden und/oder als Impuls ausgebildet sind. Letzteres kann z.B. gewünscht sein, wenn die
Strahlungsquelle als Laser ausgebildet ist, in dessen
Resonator verschiedene Moden anschwingen. Mit der
Strahlungsquelle kann z.B. auch ein in Fourierkomponenten zerlegbares komplexes Signal ausgesendet werden. Es kann dann vorgesehen sein, dass der Modulator mit einer der Fourierkomponenten synchronisiert ist, insbesondere der Modulator die Sekundärwellen mit dieser Fourierkomponente moduliert .
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sendet die Strahlungsquelle elektromagnetische Wellen außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs aus. Dies hat zum Vorteil, dass der Einsatz der Vorrichtung zur Entfernungsmessung nicht mit dem menschlichen Auge wahrgenommen wird.
Vorzugsweise sendet die Strahlungsquelle Wellen im
ultravioletten oder infraroten Spektralbereich aus. Dann können kommerziell verfügbare Sensoren, die für sichtbares Licht ausgelegt sind, häufig noch zur Erfassung der Wellen verwendet werden. Bevorzugt werden Wellen ausgesendet, welche innerhalb des Spektralbereichs von 200 bis 1100 Nanometer liegen, besonders bevorzugt innerhalb von 400 bis 1050 Nanometer, noch bevorzugter innerhalb von 800 bis 1000 Nanometer, ganz besonders bevorzugt innerhalb von 850 bis 950 Nanometer und nochmals bevorzugter innerhalb von 870 bis 910 Nanometer.
Die spektrale Breite der ausgesendeten Wellen ist
vorzugsweise gering, um Fremdlichteinflüsse zu minimieren. Die Strahlungsquelle kann demnach ausgebildet sein, elektromagnetische Wellen mit einer spektralen Breite auszusenden, die geringer ist als 100 Nanometer,
vorzugsweise geringer ist als 10 Nanometer, besonders bevorzugt geringer ist als 5 Nanometer.
Eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung braucht
grundsätzlich nicht zwingend eine Strahlungsquelle selbst zu umfassen. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung umfassend einen Modulator, einen Sensor und eine Synchronisierungseinrichtung zur zeitlichen Synchronisation des Modulators mit einer
Modulationsfrequenz der von den Objekten ausgehenden modulierten elektromagnetischen Sekundärwellen. Mit anderen Worten ist die Synchronisierungseinrichtung in der Lage, Modulationsparameter der Sekundärwellen zu erkennen, z.B. durch einen Frequenzsuchlauf, und den Modulator mit der Modulation der Sekundärwellen und/oder mit einer diese Sekundärwellen bewirkenden externen Strahlungsquelle zur Aussendung modulierter Primärwellen zu synchronisieren.
Wie einleitend beschrieben, ist die Entfernungsmessung für eine Vielzahl von Anwendungen relevant.
Die Erfindung betrifft insbesondere auch eine Kamera zur Aufnahme statischer oder bewegter Bilder mit einer
Vorrichtung zur Entfernungsmessung, wobei die aufgenommenen Bilder Tiefeninformationen enthalten.
Die von der Kamera aufgenommenen statischen Fotografien oder dynamischen Videos können Bildpunkte aufweisen, denen jeweils Tiefenkoordinaten zugeordnet sind. Es handelt sich somit insbesondere um eine 3D-Kamera.
Ein Vorteil der 3D-Kamera ist, dass Bilder mit sowohl hoher Lateralauflösung in x-Richtung und y-Richtung als auch hoher Tiefenauflösung in z-Richtung erzeugt werden können.
Die Lateralauflösung kann insbesondere durch einen
handelsüblichen aktiven Pixelsensor (APS) definiert sein, während die Tiefenauflösung in vorteilhafter Weise eine Genauigkeit im Bereich von Millimeter oder Submillimeter aufweisen kann, wenn die Modulationsfrequenz ausreichend hoch gewählt wird.
Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Erfassung der Umgebung mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung. Die Umgebungserfassungseinrichtung kann in verschiedene Richtungen Entfernungen zu einer Umgebung bestimmen und insbesondere ein dreidimensionales Modell der Umgebung erzeugen. Es kann somit z.B. ausgehend von einem Punkt eine Vermessung der Umgebung, etwa von Innenräumen erfolgen. Die Umgebungserfassungseinrichtung kann als Handgerät ausgebildet sein und Sensoren zur Erkennung der
Orientierung im Raum umfassen, etwa einen Kompass und/oder ein Gyroskop. Die Umgebungserfassungseinrichtung kann auch als stationäres Gerät ausgebildet sein und den Sensor auf definierte Weise orientieren.
Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Vermessung von Objekten mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung, um ausgehend von verschiedenen Positionen relativ zu einem Objekt Entfernungen zu dem Objekt zu bestimmen,
insbesondere, um ein dreidimensionales Modell des Objekts zu erzeugen.
Die Objektvermessungseinrichtung kann beispielsweise als 3D-Scanner ausgebildet sein, wobei die Vorrichtung zur Entfernungsmessung, insbesondere der Sensor, relativ zu einem dreidimensional zu vermessenden Objekt verschiedene Positionen einnimmt. Das Objekt kann dazu beispielsweise auf einem Drehteller stehen.
Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur
Gesichtserkennung mit einer Vorrichtung zur
Entfernungsmessung, wobei ein Tiefenprofil eines Gesichts bestimmt wird. Mittels eines dreidimensionalen Profils lässt sich ein Gesicht in vorteilhafter Weise wesentlich zuverlässiger wiedererkennen als mit einer zweidimensionalen Abbildung. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere ein Land-, Wasser-, oder Luftfahrzeug, insbesondere ein autonomes Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur
Entfernungsmessung. Die Vorrichtung zur Entfernungsmessung kann insbesondere Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten von Objekten, insbesondere anderen Fahrzeugen bestimmen.
Die Vorrichtung zur Entfernungsmessung kann beispielsweise im Innenraum oder außerhalb des Innenraums des Fahrzeugs angeordnet sein. Die Erfindung betrifft auch ein Sicherheitssystem mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung, wobei das
Sicherheitssystem ausgebildet ist, mit Hilfe der
Entfernungsmessung eine Überwachung von definierten
Sicherheitszonen vorzunehmen.
Die Sicherheitszonen können als dreidimensionale Volumina definiert sein und mit dem Sicherheitssystem derart
überwacht werden, dass festgestellt wird, ob und/oder wann Objekte in die Sicherheitszone gelangen oder sich aus der Sicherheitszone entfernen.
Beispielsweise kann eine Sicherheitszone als Hüllvolumen um ein Fahrzeug definiert sein und sich z.B. in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit ändern. Eine solche Sicherheitszone kann mehrere Bereiche umfassen, z.B. einen Bereich vor dem Fahrzeug, hinter dem Fahrzeug, seitlich des Fahrzeugs, unterhalb des Fahrzeugs oder oberhalb des Fahrzeugs . Eine Sicherheitszone kann beispielsweise auch einen Bereich außerhalb oder innerhalb eines Gebäudes umfassen und z.B. zur Einbruchssicherung dienen.
Die Erfindung betrifft auch einen Roboter mit einer
Vorrichtung zur Entfernungsmessung. Der Roboter ist
ausgebildet, in Abhängigkeit gemessener Entfernungen
Bewegungen auszuführen. Der Roboter kann insbesondere eine Einrichtung zur Objektvermessung umfassen, z.B. um an einem Objekt Modifikationen vorzunehmen.
Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur
Produktion dreidimensionaler Körper mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung und einem Drucker zur sukzessiven Produktion des dreidimensionalen Körpers, insbesondere einem 3D-Drucker. Es kann insbesondere eine Einrichtung zur Objektvermessung umfasst sein. Vorteilhaft ist insbesondere die hohe Tiefenauflösung, mit welcher ein sehr präziser 3D- Druck ermöglicht werden kann.
Die Erfindung betrifft auch eine Einrichtung zur Wiedergabe von Bildinformation mit Bildpunkten zugeordneter visuell erfassbarer Tiefeninformation mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung und einer Einrichtung zur getrennten Bereitstellung der Bildinformation für zumindest zwei
Darstellungen mit jeweils stereoskopisch codierter
Bildinformation der jeweiligen Bildpunkte. Die Wiedergabeeinrichtung kann beispielsweise eine SD- Brille umfassen oder einen 3D-Bildschirm. Es können auch mehr als zwei Darstellungen vorgesehen sein, z.B. können überlagerte, insbesondere farbcodierte Informationen wiedergegeben werden, welche auf gefährliche Abstände hinweisen können, z.B. zu Gefäßen oder sensiblem Gewebe im Falle medizinischer Anwendung.
Die Erfindung betrifft auch ein medizinisches Gerät mit einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung, zur visuellen Untersuchung, vorzugsweise intrakorporaler Fluide,
insbesondere mit Fluorophoren, welche durch die von der Strahlungsquelle ausgesendeten elektromagnetischen Wellen angeregt werden und zumindest einen Teil der Sekundärwellen emittieren. Mit dem medizinischen Gerät kann insbesondere die Fluiddynamik von Körperflüssigkeiten, beispielsweise des Blutes im Bereich des Herzens, dreidimensional
visualisiert werden.
Besonders bevorzugt sind Fluorophore mit geringen
Fluoreszenzlebensdauern, um bei hohen Modulationsfrequenzen eine hohe Tiefenauflösung zu erzielen. Die Lebensdauer ist vorzugsweise geringer als 10 Nanosekunden, bevorzugt geringer als 2 Nanosekunden, besonders bevorzugt geringer als 1 Nanosekunde und ganz besonders bevorzugt geringer als 0.5 Nanosekunden. In Betracht kommen insbesondere Fluorophore für
biomedizinische Anwendungen, beispielsweise Alexa Fluor, Cyanin-Farbstoffe, DAPI, GFP, Hoechst 33258, Hoechst 33342, um nur einige Beispiele zu nennen. Allgemein kann ein medizinisches Gerät mit einer
Vorrichtung zur Entfernungsmessung für unterschiedliche medizinische Bereiche vorgesehen ein, von denen nur einige wenige beispielhaft genannt sein sollen. So kann etwa ein medizinisches Gerät für die Mammographie vorgesehen sein. Beispielsweise kann auch ein medizinisches Gerät für die Pränataldiagnostik bereitgestellt werden mit welchem insbesondere Abbilder von Föten mit Tiefeninformationen erzeugt werden können. Damit können insbesondere präzisere Informationen als mit herkömmlicher Sonographie erhalten werden. Weiterhin können z.B. auch dermatologische Geräte zur Abbildung von Hautbereichen vorgesehen sein, etwa zur Hautkrebs-Früherkennung bzw. -Diagnose. Hierzu kann auch eine zugeordnete Software eingerichtet sein, welche etwa die ABCDE-Regel programmtechnisch implementiert.
Insbesondere medizinische Geräte können von den hohen
Lateral- und Tiefenauflösungen profitieren, welche mit der vorliegenden Erfindung ermöglicht werden.
Ferner betrifft die Erfindung ein Endoskop umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung, insbesondere zur
Untersuchung eines Hohlraums oder von Gewebebestandteilen. Das Endoskop kann für operative, insbesondere mikroinvasive Eingriffe hergerichtet sein und eine Einrichtung zur chirurgischen Manipulation umfassen, insbesondere eine Schlinge, Skalpell oder Schere, von welcher zumindest ein Teil der Sekundärwellen ausgeht.
Insbesondere im Fall des Endoskops, aber auch für andere Anwendungen, kann vorgesehen sein, dass die Primärwellen mittels eines Wellenleiters in den zu untersuchenden
Hohlraum, zu dem zu untersuchenden Gewebe oder allgemein zu dem zu vermessenden Objekt geleitet werden. Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Verfahren zur Entfernungsmessung, bei welchem
- modulierte elektromagnetische Wellen in Richtung von Objekten ausgesendet werden, um modulierte
elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere
Streuwellen, ausgehend von den Objekten hervorzurufen und
- zumindest ein Teil der von den Objekten ausgehenden modulierten Sekundärwellen nochmals moduliert wird und
- zumindest ein Teil der nochmals modulierten
elektromagnetischen Sekundärwellen erfasst wird, um
zumindest eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass
- die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen in der
Intensität moduliert sind,
- der Teil der Sekundärwellen, welcher nochmals moduliert wird, derart nochmals moduliert wird, dass das zeitliche Mittel der Intensität der nochmals modulierten
Sekundärwellen von Phasendifferenzen zwischen den
ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen abhängt und
- mit dem erfassten Teil der nochmals modulierten
Sekundärwellen eine Phasendifferenz zwischen den
ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen berechnet wird, um mit der berechneten Phasendifferenz eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.
Bei dem Verfahren können mehrere Teile der nochmals
modulierten Sekundärwellen jeweils unabhängig voneinander erfasst werden, um eine Mehrzahl von Entfernungen zu den Objekten zu bestimmen. Der Teil der Sekundärwellen, welcher nochmals moduliert wird, kann auf gleiche Weise nochmals moduliert werden, insbesondere die mehreren unabhängig voneinander erfassten Teile der nochmals modulierten Sekundärwellen können auf gleiche Weise nochmals moduliert werden.
Die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen können mit unterschiedlichen Modulationsparametern, insbesondere mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen modulierte
elektromagnetische Wellen umfassen, um Mehrdeutigkeiten bei der Entfernungsmessung zu den Objekten zu eliminieren.
Eine besonders bevorzugte Vorrichtung zur
Entfernungsmessung umfasst
- eine Strahlungsquelle zur Aussendung modulierter
elektromagnetischer Wellen in Richtung von Objekten, um modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, ausgehend von den Objekten hervorzurufen,
- einen mit der Strahlungsquelle zeitlich synchronisierten Modulator zum Empfang zumindest eines Teils der modulierten
Sekundärwellen und nochmaligen Modulation des empfangenen Teils der Sekundärwellen,
- einen Sensor zur Erfassung zumindest eines Teils der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen,
insbesondere um zumindest eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.
Vorteilhaft umfasst dabei der Sensor eine Mehrzahl
strahlungsempfindlicher Sensorzellen, welche jeweils ausgebildet sind, einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen zu erfassen, um eine Mehrzahl von Entfernungen zu den Objekten zu bestimmen. Wenn die Sensorzellen des Sensors in einem
zweidimensionalen Raster angeordnet sind, insbesondere der Sensor als CMOS-Sensor, aktiver Pixelsensor (APS) , CCD- Sensor oder einer Kombination daraus ausgebildet ist, lassen sich hiermit auch bildgebende Systeme vorteilhaft mit den hier beschriebenen Vorrichtungen ausstatten. Hierbei können die Sensorzellen des Sensors jeweils eine
Strahlungserfassungsflache aufweisen, die geringer ist als 200 Quadratmikrometer, vorzugsweise geringer ist als 100 Quadratmikrometer, besonders bevorzugt geringer ist als 4 Quadratmikrometer .
Vorteilhaft moduliert der Modulator den empfangenen Teil der Sekundärwellen gleichartig und moduliert insbesondere die von unterschiedlichen Sensorzellen erfassten
Sekundärwellen gleichartig.
Vorteilhaft ist der Modulator als
Elektroabsorptionsmodulator ausgebildet .
Hierbei können die von der Strahlungsquelle ausgesendeten modulierten elektromagnetischen Wellen mit
unterschiedlichen Modulationsparametern, insbesondere mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen modulierte
elektromagnetische Wellen umfassen, um Mehrdeutigkeiten bei der Entfernungsmessung zu den Objekten zu eliminieren.
Besonders bevorzugt ist die Strahlungsquelle zur Aussendung kohärenter elektromagnetischer Wellen ausgebildet, insbesondere als Laser ausgebildet.
Hierbei können die von der Strahlungsquelle ausgesendeten modulierten elektromagnetischen Wellen als Superposition elektromagnetischer Wellen unterschiedlicher Frequenz ausgebildet sein, insbesondere als Superposition
gekoppelter Moden und/oder als Impuls ausgebildet sein.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Strahlungsquelle ausgebildet, elektromagnetische Wellen außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs auszusenden, vorzugsweise im infraroten Spektralbereich auszusenden, besonders bevorzugt im Spektralbereich zwischen 750 und 1050 Nanometer
auszusenden .
Dabei kann die Strahlungsquelle so ausgebildet sein, dass elektromagnetische Wellen mit einer spektralen Breite ausgesendet werden, die geringer ist als 100 Nanometer, vorzugsweise geringer ist als 10 Nanometer, besonders bevorzugt geringer ist als 5 Nanometer.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die
Strahlungsquelle ausgebildet, in der Intensität modulierte elektromagnetische Wellen auszusenden, wobei der Modulator ausgebildet ist, den empfangenen Teil der Sekundärwellen derart nochmals zu modulieren, dass das zeitliche Mittel der Intensität der nochmals modulierten Sekundärwellen von Phasendifferenzen zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen abhängt und wobei der Sensor eine
Ausgangsgröße liefert, die abhängt von dem zeitlichen
Mittel der Intensität des erfassten Teils der nochmals modulierten Sekundärwellen und wobei die Vorrichtung eine Recheneinheit umfasst, welche aus der von dem Sensor gelieferten Ausgangsgröße eine Phasendifferenz zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen berechnet, um mit der berechneten Phasendifferenz eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.
Hierbei kann optional die von der Strahlungsquelle in
Richtung von den Objekten ausgesendeten Wellen eine erste optische Achse definieren und der von dem Modulator empfangene Teil der von den Objekten ausgehenden
Sekundärwellen eine zweite optische Achse definiert und die zweite optische Achse zumindest abschnittsweise parallel zu der ersten optischen Achse verlaufen. Bei weiteren Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung einen weiteren Sensor zur Erfassung von sichtbaren
elektromagnetischen Wellen, die von den Objekten ausgehen, wobei die von dem weiteren Sensor erfassten sichtbaren elektromagnetischen Wellen eine dritte optische Achse definieren und wobei die dritte optische Achse zumindest abschnittsweise parallel zu der ersten und/oder der zweiten optischen Achse verläuft.
Optional umfasst die Vorrichtung eine selektive
Optikkomponente, insbesondere einen Filter oder einen
Interferenzspiegel, wobei die selektive Optikkomponente ausgebildet ist, einen ersten Spektralbereich auf den
Sensor gelangen zu lassen und einen zum ersten
Spektralbereich disjunkten zweiten Spektralbereich von dem Sensor fern zu halten und vorzugsweise auf den zweiten Sensor gelangen zu lassen und wobei der erste
Spektralbereich zumindest einen Teil des Spektrums der ausgesendeten Wellen und/oder der Sekundärwellen umfasst und wobei vorzugsweise der zweite Spektralbereich zumindest einen Teil des sichtbaren Spektrums umfasst. Bei einer ersten Familie bevorzugter Ausführungsformen sind die modulierten elektromagnetische Sekundärwellen von dem Modulator in Transmission modulierbar.
Hierbei kann der Modulator an einem Träger aus einem transparenten Material, wie insbesondere Glas angebracht sein, wobei der Träger aus Glas bevorzugt eine Linse oder ein Prisma ist, welche eine ebene oder nicht ebene
Oberfläche aufweisen und der Modulator dabei beispielsweise an einer Sphäre oder Asphäre angebracht oder aufgebracht ist.
Bei einer zweiten Familie bevorzugter Ausführungsformen sind die modulierten elektromagnetischen Sekundärwellen von dem Modulator in Reflexion modulierbar.
Bei dieser zweiten Familie bevorzugter Ausführungsformen kann der Modulator an einem Träger aus einem oder mit einem reflektierenden Material angebracht sein, wobei der Träger bevorzugt ein Substrat mit einer Spiegelschicht ist, und der Modulator dabei auf einer ebenen oder nicht ebenen Schicht, beispielsweise einer Sphäre oder Asphäre
angebracht oder aufgebracht ist
Die hier offenbarten Vorrichtungen zur Entfernungsmessung können umfassen:
- einen Modulator, welcher ausgebildet ist, modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, welche von einem Objekt ausgehen, zu empfangen und nochmals zu modulieren und
- einen Sensor, welcher ausgebildet ist, zumindest einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten
Sekundärwellen zu erfassen und
- eine Synchronisierungseinrichtung zur zeitlichen
Synchronisation des Modulators mit einer
Modulationsfrequenz der von dem Objekt ausgehenden
modulierten elektromagnetischen Sekundärwellen.
Ein bevorzugter Tiefensensor für eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung kann umfassen:
- einen Modulator, welcher ausgebildet ist, modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere
Streuwellen, welche von einem Objekt ausgehen, zu empfangen und nochmals zu modulieren und
- einen Sensor, welcher ausgebildet ist, zumindest einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten
Sekundärwellen zu erfassen,
- wobei der Modulator vorzugsweise unmittelbar an dem
Sensor angebracht ist.
Eine Kamera zur Aufnahme statischer oder bewegter Bilder kann die vorstehende Vorrichtung zur Entfernungsmessung enthalten, wobei die aufgenommenen Bilder dann auch
Tiefeninformationen enthalten.
Auch eine Umgebungserfassungseinrichtung kann die hier vorliegend offenbarte Vorrichtung zur Entfernungsmessung enthalten, insbesondere um in verschiedenen Richtungen Entfernungen zu einer Umgebung zu bestimmen, insbesondere, um ein dreidimensionales Modell der Umgebung zu erzeugen. Eine Objektvermessungseinrichtung kann ebenfalls eine vorliegend offenbarte Vorrichtung zur Entfernungsmessung umfassen, insbesondere um ausgehend von verschiedenen
Positionen relativ zu einem Objekt Entfernungen zu einem Objekt zu bestimmen, insbesondere, um ein dreidimensionales Modell des Objekts zu erzeugen.
Eine Gesichtserkennungseinrichtung kann ebenfalls
vorteilhaft eine hier offenbarte Vorrichtung zur
Entfernungsmessung aufweisen, insbesondere um ein
Tiefenprofil eines Gesichts zu bestimmen.
Insbesondere für Anwendungen des autonomen Fahrens oder für Anwendungen der mit dem Oberbegriff der Augmented Reality schlagwortartig bezeichneten Assistenzsysteme und/oder des Fliegens kann ein Fahrzeug, insbesondere Land-, Wasser-, oder Luftfahrzeug, insbesondere ein autonomes Fahrzeug, eine hier offenbarte Vorrichtung zur Entfernungsmessung umfassen, insbesondere um Entfernungen und/oder
Geschwindigkeiten von Objekten, insbesondere von anderen Fahrzeugen, zu bestimmen.
Gleiches gilt für ein Sicherheitssystem umfassend eine hier offenbarte Vorrichtung zur Entfernungsmessung, wobei das Sicherheitssystem ausgebildet ist, mit Hilfe der
Entfernungsmessung eine Überwachung von definierten
Sicherheitszonen vorzunehmen.
Vorteilhaft kann auch ein Roboter über eine hier offenbarte Vorrichtung zur Entfernungsmessung verfügen, wobei der Roboter dann ausgebildet sein kann, Bewegungen in
Abhängigkeit gemessener Entfernungen auszuführen. Weiterhin kann eine Einrichtung zur Produktion dreidimensionaler Körper eine hier offenbarte Vorrichtung zur Entfernungsmessung und einen Drucker zur sukzessiven Produktion eines dreidimensionalen Körpers umfassen.
Generell kann eine Einrichtung zur Wiedergabe von
Bildinformation mit Bildpunkten zugeordneter visuell erfassbarer Tiefeninformation umfassen:
- eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung, wie diese vorliegend offenbart wird, und
- eine Einrichtung zur getrennten Bereitstellung der
Bildinformation für zumindest zwei Darstellungen mit jeweils stereoskopisch codierter Bildinformation der jeweiligen Bildpunkte.
Auch ein medizinisches Gerät kann eine hier offenbarte Vorrichtung zur Entfernungsmessung enthalten, insbesondere zur visuellen Untersuchung, vorzugsweise intrakorporaler Fluide, insbesondere mit Fluorophoren, welche durch die von der Strahlungsquelle ausgesendeten elektromagnetischen Wellen angeregt werden und zumindest einen Teil der
Sekundärwellen emittieren. Ein solches medizinisches Gerät kann auch ein Endoskop sein, welches alternativ oder ergänzend zur vorstehend erwähnten visuellen Untersuchung, insbesondere
intrakorporaler Fluide, insbesondere zur Untersuchung eines Hohlraums oder von Gewebebestandteilen geeignet und
bestimmt ist. Ein solches Endoskop kann auch für operative, insbesondere mikroinvasive Eingriffe mit einer Einrichtung zur
chirurgischen Manipulation ausgestattet sein, insbesondere einer Schlinge, Skalpell oder Schere, von welcher zumindest ein Teil der Sekundärwellen ausgeht.
Ferner können die von der Strahlungsquelle ausgesendeten Wellen mittels eines Wellenleiters in den zu untersuchenden Hohlraum oder zu dem zu untersuchenden Gewebe geleitet werden.
Bei einem Verfahren zur Entfernungsmessung können
- modulierte elektromagnetische Wellen in Richtung von Objekten ausgesendet werden, um modulierte
elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere
Streuwellen, ausgehend von den Objekten hervorzurufen und
- zumindest ein Teil der von den Objekten ausgehenden modulierten Sekundärwellen nochmals moduliert wird und
- zumindest ein Teil der nochmals modulierten
elektromagnetischen Sekundärwellen erfasst wird, um
zumindest eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.
Bei dem Verfahren können mehrere Teile der nochmals
modulierten Sekundärwellen jeweils unabhängig voneinander erfasst werden, um eine Mehrzahl von Entfernungen zu den Objekten zu bestimmen.
Hierbei kann ein Teil der Sekundärwellen, welcher nochmals moduliert wird, auf gleiche Weise nochmals moduliert werden, insbesondere die mehreren unabhängig voneinander erfassten Teile der nochmals modulierten Sekundärwellen auf gleiche Weise nochmals moduliert werden. Vorteilhaft können dabei die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen mit unterschiedlichen Modulationsparametern, insbesondere mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen modulierte
elektromagnetische Wellen umfassen, um Mehrdeutigkeiten bei der Entfernungsmessung zu den Objekten zu eliminieren oder zu vermindern.
Bei dem hier offenbarten Verfahren können
- die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen in der
Intensität moduliert sein,
- wobei der Teil der Sekundärwellen, welcher nochmals moduliert wird, derart nochmals moduliert wird, dass das zeitliche Mittel der Intensität der nochmals modulierten Sekundärwellen von Phasendifferenzen zwischen den
ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen abhängt und
- wobei mit dem erfassten Teil der nochmals modulierten Sekundärwellen eine Phasendifferenz zwischen den
ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen berechnet wird, um mit der berechneten Phasendifferenz eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei gleiche und ähnliche Elemente teils mit gleichen Bezugszeichen versehen sind und die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander
kombiniert werden können.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung, Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung in einer weiteren Ausführungsform,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Sensorzelle eines aktiven Pixelsensors [7],
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines
Elektroabsorptionsmodulators für Betrieb in
Transmission,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung in einer weiteren Ausführungsform mit gefaltetem Strahlengang,
Fig. 6 eine realisierte Struktur eines
Elektroabsorptionsmodulators mit AlGaAs-Bragg- Spiegel für Betrieb in Reflexion, Fig. 7 ein berechnetes und gemessenes Reflexionsspektrum des Elektroabsorptionsmodulators aus Fig. 6 für nahezu senkrechten Lichteinfall,
Fig. 8 eine spannungsabhängige Reflexion des
Elektroabsorptionsmodulators aus Fig. 6 für verschiedene Wellenlängen,
Fig. 9 Hochfrequenzverhalten des
Elektroabsorptionsmodulators aus Fig. 6 bei Anregung mit sinusförmigen Signalen Fig. 10 gemessene Reflexionsspektren des
Elektroabsorptionsmodulators aus Fig. 6 für verschiedene Lichteinfallswinke1, Fig. 11 eine schematische Darstellung eines
Elektroabsorptionsmodulators mit Metall-Spiegel und Indium-Zinn-Oxid-Antireflexschicht (ITO- Antireflexschicht) für Betrieb in Reflexion, Fig. 12 berechnete Reflexionsspektren des
Elektroabsorptionsmodulators nach Fig.11 für verschiedene Einfallswinkel und
Absorptionskoeffizienten in den Quantum Wells, Fig. 13a, 13b eine schematische Darstellung eines
Elektroabsorptionsmodulators auf gekrümmten
Oberflächen, in Fig. 13a mit Metall-Spiegel- Kontakt und Indium-Zinn-Oxid-Antireflexschicht- Kontakt für Betrieb in Reflexion, in Fig.13b mit zwei Indium-Zinn-Oxid-Antireflexschicht-Kontakten für Betrieb in Transmission,
Fig. 14 ein elektrisches Ersatzschaltbild für die
Ansteuerung eines Elektroabsorptionsmodulators mit hochfrequenten sinusförmigen Signalen und
Vorspannung der Diode in Rückwärtsrichtung,
Fig. 15 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Entfernungsmessung mit koaxialer
Konfiguration der optischen Achsen der Sende- und
Empfangskomponenten und einer Farbbildkamera, Fig. 16 eine schematische Darstellung eines Graphen einer spektralen Reflektivität einer als Bragg-
Reflektor ausgebildeten selektiven
Optikkomponente .
Detaillierte Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen
Bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
beispielhafter Ausführungsformen bezeichnen gleiche
Bezugszeichen, auch bei verschiedenen Ausführungsformen, jeweils gleiche oder zumindest gleich oder ähnlich wirkende Bestandteile, Merkmale oder Eigenschaften.
Bezugnehmend auf Fig. 1 wird ein Objekt 10 einer
aufzunehmenden Szene mit modulierten elektromagnetischen Wellen 22 einer Strahlungsquelle 20 bestrahlt. In diesem Beispiel sind die elektromagnetischen Wellen 22 als hochfrequent periodisch modulierter Laserstrahl
ausgebildet, um die Szene zu beleuchten. Die Intensität der elektromagnetischen Wellen 22 kann wellenförmig, in einer einfachen Ausführungsform etwa sinus- oder kosinusförmig moduliert sein und die Form
Figure imgf000035_0001
annehmen, wobei der obere Teil die sinusförmige und der untere Teil alternativ die kosinusförmige Modulation beschreibt und IL0 die mittlere Intensität und ω = 2πν die Kreisfrequenz des Signals bezeichnen. Mit anderen Worten kann die Laserstrahlung in der Intensität in Phase oder Quadraturphase (ko) sinusoidal moduliert sein. Für die
Modulation kann eine Frequenz im Bereich von v = 100 kHz— 100 GHz, vorzugsweise v = 1 MHz— 10 GHz, besonders bevorzugt v = 1 MHz— 1 GHz vorgesehen sein.
Das Objekt 10 umfasst ein Streuzentrum 12, an welchem die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen 22, d.h. die
Primärwellen, als Sekundärwellen 24 gestreut werden. Die von dem Streuzentrum 12 (x,y,z = z0) im Objekt 10 ausgehenden Sekundärwellen 24 sind als Elementarwellen Ια(χ,γ,ζ0
ausgebildet und erfahren eine abstandsabhängige
Phasenverschiebung im Modulationssignal. Die oder Teile der Sekundärwellen 24 können also gegenüber den Primärwellen eine von Null oder Vielfachen von 2n verschiedene
Phasenverschiebung aufweisen. Bei achsennaher Beleuchtung nahezu parallel zur z-Achse lassen sich die Sekundärwellen 24 in der Sensorebene näherungsweise beschreiben durch
Figure imgf000036_0001
wobei sich die Modulationsfrequenzphase φ aus dem
Lichtumweg und der Modulationsfrequenzwellenlänge Λ zu
Figure imgf000036_0002
berechnen lässt.
Zumindest ein Teil des Streuwellenfeldes, d.h. der
Sekundärwellen 24 wird von dem als zeitlich veränderliches spatiales Filter ausgebildeten Modulator 40 empfangen und von diesem (nochmals) gemäß
Figure imgf000036_0003
moduliert, wobei ΔT0 bei einem in Transmission betriebenen Modulator den Transmissionshub und T0 die mittlere
Transmission bezeichnen und bei einem in Reflexion
betriebenen Modulator ΔΤ0 den Reflexionshub und T0 die mittlere Reflexion bezeichnen. Der empfangene Teil der Sekundärwellen 24 wird durch den Modulator 40 gleichmäßig, insbesondere unabhängig von (x, y) -Koordinaten synchron moduliert. Die nochmals modulierten Sekundärwellen 26 werden mit einer Fokussieroptik 28, hier in Form einer Linse, auf den als Bildsensor ausgebildeten Sensor 30 fokussiert, welcher eine Mehrzahl von Sensorzellen 34 in der (x,y) -Ebene umfasst, beispielsweise eine (x,y)- Auflösung von 1000x1000 Pixeln aufweist. Der Modulator 40 moduliert somit auf verschiedene Sensorzellen 34
auftreffende Sekundärwellen 24, 26 in gleicher Weise.
Zur Abbildung eines oder mehrerer Objekte 10 kann eine Linse 28, ein Linsensystem 28 oder eine optisches
bildgebendes System 28, beispielsweise eines Endoskops, eines Mikroskops oder eines Objektivs 28, beispielsweise in einem Monokular, Binokular oder Spektiv vorgesehen sein. Die Linse 28 kann aber auch Teil einer Kamera, insbesondere eines Smartphones sein.
Vorteilhaft ist jedoch bei dem in Reflexion betriebenen Modulator, dass dieser aufgrund der vor und nach der
Reflexion, somit zweimalig auftretenden Modulation einen höheren Modulationshub, der vorstehend auch als
Reflexionshub bezeichnet wurde, als ein in Transmission betriebener Modulator aufweist. Dabei kann bei Verwendung eines im Wesentlichen gleichen Modulators der in Reflexion betriebene Modulator einen Reflexionshub aufweisen, der im Wesentlichen bis zu dem doppelten Transmissionshub des in Transmission betriebenen Modulators entsprechen kann. Der Sensor 30, welcher insbesondere als CMOS-Bildsensor bzw. CMOS-Videodetektor ausgebildet sein kann, ist mit einer Ausleseelektronik 32 verbunden, wobei Sensor 30 und Ausleseelektronik 32 Teile einer IR-Video-Kamera sein können .
Der jeweilige Detektor, also der Sensor 30 bzw. eine
Sensorzelle 34, registriert zeitgemittelte Signale der Form
Figure imgf000038_0001
wobei die spitzen Klammern die Zeitmittelung angeben. Mit anderen Worten kann jedes Pixel punktweise ortsaufgelöst in der (x,y) -Ebene zeitgemittelte Signale dieser Form
registrieren .
Als Beispiele seien folgende Situationen genannt. a) Bei nicht moduliertem Laser
Figure imgf000038_0003
und abgeschaltetem Modulator 40 registriert der Detektor unter
Berücksichtigung einer nicht vom Laser stammenden
Hintergrundstrahlung
Figure imgf000038_0004
das zeitkonstante Signal
Figure imgf000038_0002
was nichts Anderes ist als ein Grauwertbild der
betrachteten Szene. b) Bei Inphase-Modulation des Laserlichts und der
Transmission mit
Figure imgf000039_0007
ist das zeitgemittelte
Detektorsignal
Figure imgf000039_0001
wobei die Änderung gegenüber dem Grauwertbild maßgeblich durch die Phase
Figure imgf000039_0002
des Hochfrequenzsignals bestimmt ist . c) Bei Quadraturphase-Modulation des Lichts und der
Transmission mit
Figure imgf000039_0006
ist das zeitgemittelte
Detektorsignal entsprechend
Figure imgf000039_0003
Ersichtlich ist, dass durch die Modulation mittels des Modulators 40 die Sekundärwellen 24 im zeitlichen Mittel von der Phasenrelation bzw. Phasendifferenz zu den zugehörigen Primärwellen abhängen. Aus
Figure imgf000039_0004
lässt sich in bekannter Weise die Phase bestimmen.
Figure imgf000039_0005
Hiermit kann der Abstand z0 des Streuzentrums 12 im Objekt 10 bereits bis auf ganzzahlige Vielfache der halben
Wellenlänge des Hochfrequenzsignals (Modulationssignals) ermittelt werden.
Zur eindeutigen Festlegung der Entfernung z0 können dann gegebenenfalls Messungen mit mehreren unterschiedlichen Modulationsfrequenzen vorgenommen werden. Solche oder ähnliche aus der FMCW-Radartechnik [11] bekannte
Vorgehensweisen werden zum Beispiel auch bei Laser- Entfernungsmessern eingesetzt, bei denen die Entfernung nur eines einzelnen isolierten Objektpunkts zeitaufgelöst mit einer schnellen pin-Fotodiode oder Lawinen-Fotodiode bestimmt wird.
Mit der illustrierten Vorrichtung kann somit eine genaue Lagebestimmung von Objekten im Raum durchgeführt werden. Es können einerseits die Querabmessungen, üblicherweise die (x, y) -Koordinaten, mit den mittels eines CMOS-Bildsensors verfügbaren hohen Auflösungen und Pixelzahlen erfasst werden. Andererseits kann eine optische Ermittlung der Tiefenkoordinate z von Gegenständen in einem Bild
vorgenommen werden, insbesondere eine Bestimmung der
Entfernung eines Objektpunktes vom Objektiv der zur
Aufnahme der Szene verwendeten Kamera. Demgegenüber können auf Basis eines gewöhnlichen zweidimensionalen Bildes die Tiefendimensionen allenfalls indirekt und mit weit
geringerer Genauigkeit abgeschätzt werden. Wichtig für das vorgeschlagene Messprinzip ist, dass die
Modulation durch die Strahlungsquelle 20 und die Modulation durch den Modulator 40 synchronisiert ist. Insbesondere erfolgt die Modulation des Laserstrahls und des als
zeitvariablen Filters ausgebildeten Modulators 40 demnach synchron zeitlich periodisch und unabhängig von Ort (x,y) und Strahlrichtung. Der Modulator 40 führt demnach
insbesondere jeweils eine gleichartige Modulation des empfangenen Teils der Sekundärwellen 24 zumindest im
Wesentlichen unabhängig von der Einfallsrichtung durch.
Entsprechend der Modulation durch die Strahlungsquelle 20 ist vorzugsweise ein Modulator 40 vorgesehen, der in einem Frequenzbereich von v = 100 kHz— 100 GHz, vorzugsweise v = 1 MHz— 10 GHz, besonders bevorzugt v = 1 MHz— 1 GHz arbeitet bzw. effizient arbeitet. Vorteilhaft bewirkt der Modulator 40 eine Modulation, insbesondere einen Modulationshub, die von der Lichteinfallsrichtung zumindest weitgehend
unabhängig ist.
Diese Anforderungen erfüllen in besonders vorteilhafter Weise zum Beispiel Multi-Quantum-Well- Elektroabsorptionsmodulatoren auf der Basis von GaAs, für die sich bei Dicken von unter 10 μm und angelegten
Spannungen von 5 Vss Werte von
Figure imgf000041_0001
bei einer Wellenlänge von 850 nm erreichen lassen [10]. Der Modulator 40 ist somit insbesondere als Multi-Quantum-Well- Elektroabsorptionsmodulator ausgebildet.
Die Wellenlänge der ausgesendeten elektromagnetischen
Wellen 22 liegt in einem Bereich, in welchem der Sensor 30 empfindlich ist, vorteilhaft außerhalb des sichtbaren
Spektrums. Bevorzugt erfolgt die Beleuchtung somit im nahen infraroten Spektralbereich bei Wellenlängen im Intervall von 700 bis 1100 nm, also im Bereich von 900 nm, bei denen CMOS-Bildsensoren [7] noch eine hohe Empfindlichkeit aufweisen. Dies ermöglicht es in vorteilhafter Weise, Störungen zu vermeiden.
Zudem sollte die Beleuchtung spektral schmalbandig mit Breiten von unter fünf, vorzugsweise unter einem nm
erfolgen, um Hintergrundlicht durch optische Filterung beim Empfang wirkungsvoll unterdrücken zu können. Immerhin liegt bei 900 nm Wellenlänge die spektrale Intensität der
Hintergrundstrahlung im Sonnenlicht bei ungefähr 1 W I (m2 · nm) . Es kann demnach optional ein optischer Filter vorgesehen sein, welcher für die Wellenlängen der
Sekundärwellen 24 durchlässig ist und andere Wellenlängen, insbesondere sichtbares Licht, blockiert. Als effiziente schmalbandige Quellen [8,9] kommen beispielsweise
kantenemittierende Laserdioden, Vertikallaserdioden
(VCSELs) oder Vertikallaserdioden mit externem Resonator (VECSELs) in Betracht. Bezugnehmend auf Fig. 2 ist der Modulator 40 unmittelbar vor dem Sensor 30 platziert. Der Sensor 30 und der
Modulator 40 bilden somit einen hybrid integrierten optischen 3D-Sensor bzw. Tiefensensor. Es handelt sich in diesem Beispiel um einen optischen 3D-Sensor mit CMOS- Bildsensor und steuerbarem flächigen InGaAs-GaAsP-
Transmissionsfilter bzw. Galliumarsenid-basierendem MQW- Modulator .
Vorteilhaft an der Platzierung des Modulators 40
unmittelbar vor dem Sensor 30 ist, dass an dieser Position der zu nutzende Strahlquerschnitt minimal ist. Zudem ist eine hybride Integration von Bildsensor und spatialem Modulator auf einfache Weise möglich. Vorteilhaft an einem integrierten 3D-Sensor mit Sensor 30 und Modulator 40 ist auch, dass die Bauhöhe des 3D-Sensors bei bevorzugten Ausführungsformen nur etwa 100 μm größer ist als die des Sensors 30 und damit der Einbau des SD- Sensors in gängige Geräte, etwa Smartphones, ohne Weiteres möglich ist. Auch Strahlengänge mit einem in Reflexion betriebenen Modulator können mit sehr kleinen Abmessungen hergestellt werden, welche für den Einbau in Smartphones, Tablett-PCs, Laptops oder Convertibles nutzbar sind.
Hierbei haben sich Strahlengänge als vorteilhaft erwiesen, bei welchen wie beispielsweise in der Figur 5a dargestellt, der Strahlengang des auf den Sensor fallenden Lichts durch Reflexion insgesamt um etwa 90° abgelenkt wird. Aber auch andere Reflexionswinkel können, wie in Figur 5b dargestellt für bestimmte bauliche Abmessungen vorteilhaft sein. Als modulare Baugruppen können diese 3D-Sensoren auch
nachrüstbar, beispielsweise als übliche Einschübe für portable Einrichtungen bereitgestellt werden.
Hiermit lassen sich auch sehr kompakte Baugruppen für endoskopische oder intraoperativ genutzte Geräte
bereitstellen, welche dann beispielsweise im intrakorporal genutzten Bereich des endoskopischen oder intraoperativ genutzten Geräts angebracht sein können und durch ihre sehr geringen baulichen Abmessungen minimalinvasive medizinische Eingriffe unterstützen. Auch hier kommt der sehr geringen Baugröße Bedeutung zu, da zum einen der Operationsraum nur in sehr geringer Weise beeinträchtigt wird und zum anderen bei medizinischen Eingriffen vorgenommene, nötige oder gebotene Körpereröffnungen auf ein Minimum beschränkt werden können. Fig. 3 zeigt schematisch die Struktur einer Pixelzelle in neuerer Bauform mit 4 Transistoren (4T) eines Aktiv-Pixel- Bildsensors (CMOS-Sensors) , welche eine Pinned Photodiode (PPD) , einen Transfertransistor (TX) , einen Reset- Transistor (RST) , einen Source Follower Transistor (SF) und einen Row-Select-Transistor (SEL) umfasst. Aktiv-Pixel-Sensoren [11] speichern photogenerierte
Ladungsträger und lesen deren Zahl nach Integrationszeiten von typisch einigen Millisekunden über einen
Transfertransistor und nachfolgenden
Vorverstärkertransistor aus. In handelsüblichen
Bildsensoren hat ein Pixel mit einer Fläche von 1.5 μm x 1.5 μm (Strahlungserfassungsfläche) ein maximales
Speichervermögen von mindestens 3000 Elektronen. Jeder Auslesevorgang ist bei den verfügbaren über Jahrzehnte optimierten Bauelementen mit äußerst geringem Rauschen verbunden, das eine Standardabweichung von nur 3 Elektronen aufweist. Der Dynamikbereich des Sensors beträgt damit wenigstens D = 20 log (3000/3) = 60 dB, und das maximale Signal-Rausch-Verhältnis durch das Schrotrauschen des Lichts als Poisson-Prozess ist durch SNR = 3000/ (3000) 1/2 = 54 gegeben. Für größere Pixel mit Abmessungen von 6 μm x 6 μm erreicht man Dynamikbereiche von 80 dB und maximale Signal-Rausch-Verhältnisse von 200.
Beleuchtet man das Objekt 10 periodisch mit
Figure imgf000044_0005
Figure imgf000044_0006
modulierten Lichtsequenzen von jeweils
Figure imgf000044_0002
Dauer
Figure imgf000044_0003
typisch
Figure imgf000044_0004
dann registriert jede Sensorzelle 34 mit Strahlungserfassungsfläche A ein Photostromsignal der Form
Figure imgf000044_0001
wobei m ganzzahlig ist und q die Elektronenladung,
Figure imgf000045_0002
die Photonenenergie und η den Quantenwirkungsgrad der als Photodetektor ausgebildeten Sensorzelle 34 bezeichnen. Die mit der Periode
Figure imgf000045_0007
schwankende Wechselkomponente des
Photostroms definiert die Messgröße
Figure imgf000045_0006
deren
zeitgemitteltes Quadrat
Figure imgf000045_0001
proportional zur elektrischen Signalleistung des
Messsignals ist.
Beiträge zur elektrischen Rauschleistung liefern das zeitgemittelte Photostromsignal is(.x,y,t) und die
Hintergrundbeleuchtung Ib (x,y) sowie thermische
Widerstandsschwankungen und der Dunkelstrom iD(x,y) des Sensorpixels. Die Anteile sind im Einzelnen [8]: das Rauschen des Signals
Figure imgf000045_0003
das Rauschen der Hintergrundstrahlung
Figure imgf000045_0004
das thermische Widerstandsrauschen, vor allem bedingt durch Reset- und Ladungsträgerdiffusionseffekte,
Figure imgf000045_0005
und das Dunkelstromrauschen (vor allem durch
Ladungsträgerrekombination an Grenzflächen)
Figure imgf000046_0001
wobei Δν die elektrische Messbandbreite und kT (mit kT « 25 meV bei Raumtemperatur) die thermische Energie
bezeichnen und der Widerstand RL summarisch thermische Rauschprozesse erfasst.
Das Signal-Rausch-Verhältnis lässt sich damit abschätzen zu
Figure imgf000046_0002
Die Erfindung bietet insbesondere den Vorteil, dass zur Detektion optimierte Active Pixel Image Sensors genutzt werden können, deren Rauschen durch Dunkelstrom und
thermische Widerstandsfluktuationen in langjährigen
Optimierungsprozessen auf ein Minimum reduziert werden konnten. Ohne Übersteuerung des Pixels sind diese beiden Rauschanteile (wie oben bereits angemerkt) in der Regel klein gegen die Schrotrauschbeiträge des Signallichts und des Hintergrundlichts und werden deshalb im Folgenden vernachlässigt .
Für bestimmte Anwendungen interessiert insbesondere die Degradation des Signal-Rausch-Verhältnisses durch die
Hintergrundstrahlung. Diese wird näherungsweise quantitativ erfasst durch
Figure imgf000046_0003
wenn lichtinduziertes Rauschen thermische Effekte und
Dunkelstromprozesse dominiert. Bei Sonnenlichteinstrahlung wird ein Objekt im Wellenlängenbereich um 900 nm mit einer spektralen Intensität von 1 W / (m2 · nm) beleuchtet. Es kann daher eine Abschirmung von Fremdlicht bzw. eine
insbesondere schmalbandige spektrale Filterung im
Detektionssystem vorgesehen sein, um zu erreichen, dass mit
Figure imgf000047_0001
ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis erreicht wird. Bei zu vernachlässigender Hintergrundstrahlung gilt im Idealfall
Figure imgf000047_0002
wobei die Zahl der während der Messzeit
Figure imgf000047_0003
Figure imgf000047_0004
auf einem Detektorpixel ankommenden Photonen bezeichnet. Anstelle einer sinusförmigen Modulation von Laser und zeitvariablem Transmissionsfilter können selbstverständlich auch andere periodische Signalformen verwendet werden.
Bei zugrundeliegenden Gaußschen Rauschprozessen hängt di< Genauigkeit der Bestimmung der Phase φ (x,y,z^), besser gesagt die Standardabweichung der Phase, mit
Figure imgf000047_0006
dem Signal-Rausch-Verhältnis SNR (x,y über die Beziehung
Figure imgf000047_0005
zusammen [12]. Für SNR > 2.85 dB ist die Formel auf besser als 10 % genau und für SNR > 11.1 dB liegt der Fehler sogar unter 1 %. Für Abstand z0 und Phase φ gilt
Figure imgf000048_0001
Entsprechend ergibt sich für die Standardabweichungen
Figure imgf000048_0002
Damit ist bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von 4, also von 6 dB, zQ mit einer Genauigkeit von einem Fünfzigstel der Modulationswellenlänge bestimmbar. Bei einer
Modulationsfrequenz von 10 GHz, entsprechend einer
Wellenlänge von 3 cm, erhält man
Figure imgf000048_0003
Wenn, wie beispielsweise bei der Aufnahme in Räumen, durch die Geometrie eine maximale Entfernung z0max im Objekt bekannt ist, kann zur eindeutigen Festlegung von z0 mit der Lichtgeschwindigkeit c und der Modulationsfrequenz v0 =
eine erste Bestimmung von z0 vorgenommen
Figure imgf000048_0004
werden, die bei einem angenommenen Signal-Rausch-Verhältnis von vier auf
Figure imgf000048_0005
genau ist. Für eine zweite Messung, etwa mit
Figure imgf000048_0006
kann damit der Eindeutigkeitsbereich hinreichend genau bekannt sein, und die Messgenauigkeit erhöht sich auf
Figure imgf000048_0007
Die maximal zu erzielende
Messgenauigkeit ist insbesondere durch die höchstmögliche Modulationsfrequenz von Transmissionsfilter oder Laserdiode gegeben .
Für die Erfindung ist die Verfügbarkeit eines schnellen flächigen Modulators [13] besonders vorteilhaft. Spatiale Modulatoren mit Flüssigkristallen, auch ferroelektrischen Flüssigkristallen, können demgegenüber deutlich zu langsam sein. Bevorzugt können etwa in pin-Strukturen eingebettete intrinsische Multi-Quantum-Well- (MQW-) Strukturen auf der Basis von GaAs-Substraten [10,13] zum Einsatz kommen. Auch Multi-n-i-p-i- oder Multi-hetero-n-i-p-i-Strukturen können sich als flächige Modulatoren als erfolgversprechend erweisen. Der Modulator, welcher in der gezeigten Abbildung in Transmissionsgeometrie ausgebildet ist, kann auch eine Bauform in Reflexionsgeometrie aufweisen. Für einige Anwendungen der Erfindung ist auch zu bedenken, dass Hintergrundstrahlung im sichtbaren und auch im
infraroten Spektralbereich vorzugsweise hinreichend
unterdrückt werden soll, um etwa für Silizium-CMOS- Videosensoren eine ausreichende spektrale Empfindlichkeit zu gewährleisten, welche mit zunehmender Wellenlänge oberhalb von 950 nm typischerweise bereits deutlich
abfällt.
Bezugnehmend auf Fig. 4 kann ausgehend von diesen
Überlegungen insbesondere ein Modulator 40 in Form eines
Elektroabsorptionsmodulators 41 eingesetzt werden, welcher insbesondere für Wellenlängen zwischen 870 und 910 nm, also um 900 nm geeignet ist. Der Elektroabsorptionsmodulator 41, welcher zumindest einen Teil der modulierten Sekundärwellen 24 empfängt und als nochmals modulierte Wellen 26 abgibt, ist in diesem
Beispiel ausgebildet als ein flächiger spatialer InGaAs- GaAsP-MQW-Elektroabsorptionsmodulator auf einem GaAs- Substrat 42. Der Elektroabsorptionsmodulator 41 umfasst eine aktive Schicht mit Mehrfach-Quantum-Wells, wobei die aktive Schicht vorzugsweise eine Dicke von mindestens 0.1 μm, bevorzugt von mindestens 0.5 μm, besonders bevorzugt von mindestens 1 μm aufweist. Weiter vorzugsweise ist eine Dicke vorgesehen, welche unter 100 μm, bevorzugt unter 10 μm, besonders bevorzugt unter 2 μm liegt.
Auf dem n-dotierten GaAs-Substrat 42, welches hier ca.
100 μm dick ist, und ggf. einer n-GaAs-Pufferschicht 44, welche hier ca 1 μm dick ist, befindet sich eine
intrinsische MQW-Zone 46 mit beispielsweise 50 bis 100 spannungskompensierten InGaAs Quantum Wells und GaAsP- Barrieren von jeweils z.B. etwa 10 nm Dicke. Die MQW- Zone 46 bildet somit den aktiven Teil des InGaAs-GaAsP-MQW- Elektroabsorptionsmodulators . Darüber befindet sich eine p- dotierte AlAs-GaAs-Vielfachschicht 48, hier jeweils aus λ/4-dicken Schichtpaaren, die als Bragg-Reflektor
ausgebildet ist. Oberhalb des p-AlAs-GaAs-Bragg- Reflektors 48 ist eine p+-GaAs-Kontaktschicht 50
angeordnet. Ferner sind ein n-Metallkontakt 54 und ein p- Metallkontakt 56 für den Betrieb der pin-Diode in
Rückwärtsrichtung vorgesehen. Außerdem können
Antireflexbeschichtungen 52 auf der Empfangsfläche 51 und/oder Austrittsfläche 53 (Strahlquerschnittsfläche) aufgebracht sein.
Der In-Gehalt ist vorzugsweise so gewählt, dass ohne angelegte Spannung die Bandkante der InGaAs-Quantum-Well- Grundniveaus bei etwa 900 nm liegt. Der Phosphor-Gehalt in den GaAsP-Barrieren kann die durch die In-haltigen
Schichten induzierte kompressive Verspannung kompensieren. Das n-dotierte Substrat 42 dient insbesondere als (höchst effizienter) richtungsunabhängiger Absorber für Licht mit Wellenlängen kleiner 870 nm. Somit kann es Umgebungslicht kürzerer Wellenlänge absorbieren. Gleichzeitig kann das Substrat 42 als Kontaktschicht ausgebildet sein. Abhängig von der Höhe der n-Dotierung und der Dicke des Substrats 42 kann mitunter auch Licht mit Wellenlängen bis etwa 900 nm noch gedämpft werden. Das Substrat 42 ist jedoch
vorzugsweise für Wellenlängen größer als 900 nm
transparent .
Die p-dotierte Bragg-Struktur 48, welche insbesondere eine Stoppband-Breite von knapp 100 nm aufweist, kann Licht mit Wellenlängen größer als 910 nm reflektieren. Gleichzeitig kann sie als Kontaktschicht ausgebildet sein. Durch den hohen Brechungsindex des GaAs von 3.5 und die damit
verbundenen Einfallswinkel von weniger als 17 Grad im GaAs weist der Bragg-Reflektor 48 nur eine äußerst geringe
Richtungsabhängigkeit auf.
Der Elektroabsorptionsmodulator 41 ist somit insbesondere für Sekundärwellen 24 im Spektralbereich von 870 bis 910 nm transparent und kann diese modulieren. Sekundärwellen 24 mit Wellenlängen kleiner als 870 nm und/oder größer als 910 nm können den Elektroabsorptionsmodulator 41 nicht
passieren. Dies hat zum Vorteil, dass im noch hohen
Empfindlichkeitsbereich eines Silizium-Bildsensors nur Licht im engen spektralen aktiven Bereich von 870 nm bis 910 nm den Modulator 40 passieren und auf den Sensor 30 treffen kann. Der Elektroabsorptionsmodulator 41 wirkt somit zugleich als Bandpassfilter mit Durchlassbereich im Empfindlichkeitsbereich eines handelsüblichen CMOS-Sensors und außerhalb des für den Menschen sichtbaren Bereichs. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Modulationshub praktisch unabhängig von der Lichteinfallsrichtung ist. Der Elektroabsorptionsmodulator 41, welcher bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ebenfalls zumindest einen Teil der modulierten Sekundärwellen 24 empfängt und als nochmals modulierte Wellen 26 abgibt, ist in diesem weiteren Beispiel ausgebildet als ein flächiger spatialer GalnNAs-AlGaAs-MQW-Elektroabsorptionsmodulator auf einem GaAs-Substrat 42, siehe beispielsweise auch Fig. 6. Der Elektroabsorptionsmodulator 41 umfasst eine aktive Schicht mit Mehrfach-Quantum-Wells , wobei die aktive Schicht vorzugsweise eine Dicke von mindestens 0.1 ym, bevorzugt von mindestens 0.5 ym, besonders bevorzugt von mindestens 1 ym aufweist. Weiter vorzugsweise ist eine Dicke vorgesehen, welche unter 100 ym, bevorzugt unter 10 ym, besonders bevorzugt unter 2 ym liegt.
Auf dem n-dotierten GaAs-Substrat 42, welches hier ca.
100 ym dick ist, und ggf. einer n-GaAs-Pufferschicht 44, welche hier ca 1 ym dick ist, befindet sich eine
intrinsische MQW-Zone 46 mit beispielsweise 50 bis 100 unverspannten gitterangepassten GaInNAs Quantum Wells und AlGaAs-Barrieren von jeweils z.B. etwa 10 nm Dicke. Die MQW-Zone 46 bildet somit den aktiven Teil des GalnNAs- AlGaAs-MQW-Elektroabsorptionsmodulators . Darüber befindet sich eine p-dotierte GaAs Abstandsschicht 48 zum
transparenten p-Kontakt 50, der nur wenige 100 nm Dicke aufweist, beispielsweise aus Indium-Zinn-Oxid ( ITO) bestehen und gleichzeitig als Antireflexbeschichtung ausgelegt sein kann. Ein weiterer transparenter n-Kontakt befindet sich an der Substratunterseite. Die Metallkontakte 54 und 56 dienen zur Kontaktverstärkung. Mit zusätzlichen dielektrischen Beschichtungen 52 auf der Empfangsfläche 51 und/oder Austrittsfläche 53 (Strahlquerschnittsfläche) lässt sich die Restreflexion der transparenten Kontakte abstimmen. Die pin-Diode des Modulators wird ausschließlich in
Rückwärtsrichtung betrieben.
In- und N-Gehalte sind so eingestellt, dass die GalnNAs Quantum Wells gitterangepasst und unverspannt sind und ohne angelegte Spannung die Bandkanten der GalnNAs-Quantum-Well- Grundniveaus vorzugsweise bei etwa 900 nm liegen. Der
Aluminium-Gehalt in den AlGaAs-Barrieren wird mit 20 % an die Grundniveaus angepasst.
Das n-dotierte Substrat 42 dient als Kontaktschicht und wirkt gleichzeitig als (höchst effizienter)
richtungsunabhängiger Absorber für Licht mit Wellenlängen kleiner 870 nm. Somit kann es Umgebungslicht kürzerer
Wellenlänge vom Detektor fernhalten. Auf die zur Vermeidung von Resonanzeffekten etwa 3 bis 5 Grad schräg gegen die Oberfläche gestellte polierte Substratunterseite kann zusätzlich ein AlAs-Alo.i Gao.9As Bragg-Reflektor mit einer Stoppbandbreite von etwa 100 nm zur Unterdrückung von
Strahlung im Wellenlängenbereich von 910 bis 1010 nm aufgebracht werden. Wegen seines hohen Brechungsindex weist dieser Filter nur eine vergleichsweise geringe
Richtungsabhängigkeit auf.
Insgesamt ist der Elektroabsorptionsmodulator 41 somit insbesondere für Sekundärwellen 24 im Spektralbereich von 870 bis 910 nm transparent, in dem die Elektroabsorption maximal und zudem die Empfindlichkeit handelsüblicher CMOS- Sensoren hoch ist. Die geringe Abhängigkeit des
Elektroabsorptionsmodulators von der Lichteinfallsrichtung ist vorteilhaft für die laterale Auflösung des Detektionssystems .
Der Modulator 40, hier der Elektroabsorptionsmodulator 41, kann jeweils bei den hier beschriebenen Ausführungsformen eine Empfangsfläche 51 für modulierte Sekundärwellen 24 und/oder eine Austrittsfläche 53 für nochmals modulierte Sekundärwellen 26 im Bereich von 0.01 mm2 bis 100 mm2, vorzugsweise im Bereich von 1 mm2 bis 4mm2 aufweisen.
Insbesondere kann eine rechteckige Empfangsfläche und/oder Austrittsfläche mit Abmessungen von 1 mm < d < 2 mm, beispielsweise d
Figure imgf000054_0001
1.5 mm vorgesehen sein. Der Modulator 40 kann die mit der Empfangsfläche 51 empfangenen
Sekundärwellen 24, welche insbesondere Sekundärwellen 24 unterschiedlicher Phase umfassen können, über die gesamte Empfangsfläche 51 auf gleiche Weise, insbesondere mit gleichem Modulationshub, modulieren. Dadurch wird erreicht, dass die von der Austrittsfläche 53 ausgehenden nochmals modulierten Wellen 26, nochmals modulierte Wellen 26 mit im zeitlichen Mittel unterschiedlichen Intensitäten umfassen.
Mit den genannten Dimensionen der Empfangsfläche 51 bzw. Austrittsfläche 53 kann eine (nochmalige) Modulation gleichzeitig für eine Vielzahl von Sensorzellen 34
erfolgen. Es können beispielsweise, wenn das MQW-Element unmittelbar vor dem Bildsensor platziert wird, in modernen CMOS-Bildsensoren 1000 x 1000 Pixel angesteuert werden. Es ist allgemein bevorzugt vorgesehen, dass der Modulator 40 Sekundärwellen 24, 26 für mindestens 10000, besonders bevorzugt mindestens 200000 und noch bevorzugter mindestens 1000000 Pixel moduliert. Ferner kann, insbesondere im Falle der in Fig. 2 und Fig. 6 dargestellten Ausführungsform, insbesondere einer hybriden Integration von Silizium-CMOS-Chip und GaAs-MQW-Chip noch ein Peltier-Element eingebracht sein, insbesondere um jeweils eine Feinabstimmung der optimalen
Bandkantenposition des Modulators auf die Wellenlänge der infraroten Laserbeleuchtung vornehmen zu können. Generell sind großflächige dielektrische optische Bandpassfilter mit 5 bis 10 nm weitem spektralen Durchlassbereich vorteilhaft, um Laserlichtbeleuchtung und Elektroabsorptionsspektrum optimal aufeinander abzustimmen.
Zur zusätzlichen Unterdrückung unerwünschter
Hintergrundstrahlung kann zudem optional ein Filter
vorgesehen sein, welches zum Beispiel unmittelbar vor der Linse angeordnet sein kann. In Betracht kommt etwa ein großflächiges, hoch selektives AlAs-GaAs-Fabry-Perot-Filter mit engem spektralen Durchlassbereich bei der
Arbeitswellenlänge des spatialen Modulators (bei ca. 900 nm) . Wegen der hohen Brechungsindizes von AlAs und GaAs weist das Filter eine äußerst geringe Richtungsabhängigkeit auf .
Besonders vorteilhaft kann die Ausführung eines
Elektroabsorptionsmodulators auch als Reflexionsmodulator sein, der gemäß Fig. 5 in einem gefalteten optischen
Strahlengang eingesetzt ist. Der Modulator 40, 41 und der Sensor 30, 31, insbesondere Bild- oder Imagesensor sind um einen Winkel Theta gegeneinander gekippt, der ggf. zur Feinabstimmung variiert werden kann. Bei dem beispielhaft in Fig. 6 dargestellten Reflexions- Elektroabsorptionsmodulator 40, 41 ist die MQW-Zone über einem AlGaAs-Bragg-Reflektor angeordnet, dessen Stoppband den optimalen spektralen Elektroabsorptionsbereich abdeckt. Der Bragg-Reflektor aus 20 n-dotierten λ/4-Schichtpaaren Alo.2Gao.8As - AlAs ist für eine Stoppband-Mittenwellenlänge von etwa 860 nm ausgelegt. Darüber befindet sich oberhalb einer dünnen n-dotierten Alo.2Gao.sAs-Pufferschicht die aktive intrinsische GaAs-Al0.2Ga0.sAs MQW
Elektroabsorptionszone mit 50 jeweils 10 nm dicken Well- und Barrieren-Schichten. Abgeschlossen wird die Struktur von einer etwa 2 μm dicken Stromverteilungsschicht für transparente ITO-Kontakte und eine Antireflexbeschichtung . Fig. 7 zeigt ein gemessenes Reflexionsspektrum der Struktur aus Fig. 6 und im Vergleich dazu ein ohne Kontakte und Antireflexbeschichtung berechnetes Spektrum, bei dem starke absorptive exzitonische Effekte nicht berücksichtigt sind. Die Resonanzeinbrüche im Stoppband des Bragg-Reflektors im äquidistanten Abstand von 25 nm sind Reflexionen an der
Kristalloberfläche zuzuordnen. Der Peak der exzitonischen Absorption befindet sich bei etwa 845 nm Wellenlänge.
Offenbar sind exzitonische Effekte dafür verantwortlich, dass berechnete und gemessene Spektren auf der kurzwelligen Seite des Stoppbandes stark voneinander abweichen.
Exzitonische Effekte tragen ganz maßgeblich zum
elektroabsorptiven Verhalten der Struktur bei, wie die für verschiedene Wellenlängen aufgenommenen spannungsabhängige: Reflexionskurven in Fig. 8 zeigen. Bei einer Änderung der Spannung von -6.5 V auf -10 V nimmt die reflektierte Leistung von 90 % auf 14 % ab, der Einfügeverlust beträgt etwa 1 dB.
Das Hochfrequenzverhalten ist in Fig. 9 illustriert. Aus dem in Fig. 9a für Gleichspannung und 100 MHz Sinussignalen dargestellten Zeitverläufen der vom Bauelement
reflektierten optischen Leistung geht hervor, dass bis zu Frequenzen von 100 MHz praktisch kein Leistungsabfall im Großsignalverhalten zu beobachten ist. Der in der
Kleinsignal-Modulationscharakteristik in Fig. 9b
auftretende Abfall für Frequenzen oberhalb von 100 MHz ist vor allem auf die Ansteuerung des Bauelements mit Bonddraht zurückzuführen. Bei hochfrequenzgerechter Ansteuerung des Bauelements über eine angepasste Mikrostreifenleitung sind weit höhere Grenzfrequenzen zu erwarten.
Fig. 10 zeigt das spektrale Reflexionsverhalten des
Modulator-Schichtsystems ohne Kontakt- und Antireflex- beschichtung für verschiedene Lichteinfallsrichtungen. Die zu erwartende Blauverschiebung des Bragg-Stoppbandes ist überlagert von den wellenlängen-unabhängigen exzitonischen Absorptionseffekten auf der kurzwelligen Seite des
Stoppbandes. Interferenzen vor allem durch Reflexionen an der Substratoberfläche und am Bragg-Spiegel führen zu einer stark winkelabhängigen Charakteristik, zu der auch die Polarisationsabhängigkeit des Bragg-Reflektors in nicht unerheblichem Maße beiträgt. Die stabile Position des Exzitonpeaks ist dagegen ein Zeichen für die weitgehend winkelunabhängige Absorption der MQW-Struktur .
Fig. 11 zeigt beispielhaft einen Elektroabsorptions- modulator mit Metallspiegel und transparentem Kontakt auf der Oberseite. Die aktive pin-Modulatorstruktur ist an Fig.6 angelehnt. Zur besseren Haftung des Goldspiegels ist eine 1 -2 nm dicke Titan-Haftschicht eingefügt. Als transparenter Kontakt bietet sich eine etwa 120 nm dicke Indium-Zinn-Oxidschicht an, die bei einem Brechungsindex von ca. 1.9 gleichzeitig als einfache Antireflexschicht wirken kann. Die Restreflexion des Kontaktes kann
nötigenfalls durch eine zweite dielektrische Schicht weiter verringert werden.
In Fig. 12a und 12b sind berechnete Reflexionsspektren des Reflexionsmodulators nach Fig. 11 für verschiedene
Absorptionskoeffizienten = 100/cm, 1000/cm und 10000/cm in den GaAs-Wells dargestellt. Die Reflektanz bleibt über einen weiten Wellenlängenbereich von 820 bis 920 nm und für Einfallswinkel zwischen + 20° und - 20° nahezu gleich und ist zudem unabhängig von TE- oder TM-Polarisation, wie es für die Fokussierung von unpolarisierten modulierten
Lichtwellen vorteilhaft ist. Die spektrale Restwelligkeit rührt vom nicht perfekten Antireflexvermögen des
transparenten Kontaktes her. Zu deren Verminderung lässt sich in für den Fachmann bekannter Weise eine weitere vorzugsweise dünne dielektrische Schicht aufbringen. Die vorgestellten Reflexionsmodulatoren benötigen
vorteilhaft im Halbleiterbereich nur AlGaAs-Schichten, die von Natur aus gitterangepasst sind und routinemäßig mit Molekularstrahlepitaxie (MBE)oder metallorganischer
Gasphasenepitaxie (MOCVD) hergestellt werden können. Der zweimalige Lichtdurchgang durch die Quantum Well Zone ist vorteilhaft für den zu erzielenden Modulationshub. Bei Verwendung von Bragg-Spiegeln kann die Stoppbandbreite über den relativen Aluminiumgehalt in den Bragg-Schichtpaaren eingestellt und an den optimalen spektralen
Modulationsbereich angepasst werden. Die Verwendung von Metallspiegeln, vorzugsweise aus Gold, ist vorteilhaft für winkel- und polarisationsunabhängigen Betrieb der
Elektroabsorptionsmodulatoren, wenn gleichzeitig noch
Interferenzen innerhalb des Bauelements durch Verwendung transparenter, antireflektierender Kontakte vermieden werden sollen.
Reflexionsmodulatoren mit transparenten und metallischen Kontakten sind mit Dicken von wenigen Mikrometern sehr flexibel und lassen sich vorteilhaft auch auf gekrümmte, nicht ebene Oberflächen, wie zum Beispiel Hohlspiegel aufbringen, wie es in Fig. 13a dargestellt ist.
Hierbei sind sowohl konvexe als auch konkave Geometrien für in Reflexion und auch für in Transmission betriebene
Modulatoren möglich.
Ähnliches gilt für in Transmission betriebene
Elektroabsorptionsmodulatoren, die beidseitig mit
transparenten Kontakten 76, 78 versehen sind, und
beispielsweise Träger 75 aus einem transparenten Material, wie insbesondere Glas wie in Fig. 13b dargestellt
verwenden. Der Träger aus Glas kann hierbei eine Linse, ein Prisma oder auch ein Substrat für eine Spiegelschicht sein und der Modulator dabei auf einer ebenen oder nicht ebenen Schicht des Trägers, beispielsweise einer Sphäre oder
Asphäre aufgebracht sein. Die in den Figuren 13a und 13b dargestellten bevorzugten Ausführungsformen sind nicht auf bestimmte sphärische
Oberflächen beschränkt, sondern können auch Teil eines optischen Systems sein, in welchem diese dann, insbesondee zusammen mit dem jeweiligen Träger, auch einen Teil der erwünschten optischen Strahlformung leisten.
Hierbei können Krümmungsradien des Modulators verwirklicht werden, die bis weniger als einen Millimeter betragen und kann der Modulator jeweils ähnlich wie eine Beschichtung oder ein Coating auf den Träger aufgebracht werden.
Wie bereits vorstehend beschrieben kann der Modulator aus einer insgesamt nur etwa 1 μm dicken undotierten Multi- Quantum-Well Schicht auf der Basis von GaAs, die in eine pin-Diodenstruktur eingebettet ist, bestehen. Dabei können dennoch bei Aufrechterhaltung der zur Funktion notwendigen hohen Kristallqualität auch bei den angegebenen Biegeradien von weniger als einem Millimeter Radius, an GaAs
gitterangepasste jedoch verspannte Einzelschichten noch mit ausreichender optischer Qualität verwendet werden. Die mechanische Stabilität des Modulators von typisch mehr als 1 mm2 Fläche kann auch hierbei noch durch das GaAs-Substrat von 100 bis 200 μm Dicke gewährleistet werden.
Generell können bei allen hier offenbarten Modulatoren Dicken von etwa bis zu 1 μm oder je nach Typ auch von 100 bis 200 μm verwendet werden, auch wenn diese insbesondere als Teil eines optischen Systems mit einem transparenten oder reflektierenden optischen Träger 75 verbunden oder an diesem angebracht sind. Ferner kann der Modulator auch ähnlich wie eine Nano- Beschichtung oder ein Nano-Coating auf das jeweilige optische Bauteil, beispielsweise einen Spiegel, eine Linse oder ein Prisma aufgebracht werden.
Ferner sind dem Fachmann bekannte der optischen Fügetechnik verwendbar, bei welchen beispielsweise Linsenelemente miteinander verkittet werden, um den Modulator mit dem Träger zu verbinden.
So kann die in Figur 13b dargestellte Ausführungsform auch den Teil einer Linsenoberfläche eines optischen,
insbesondere bildgebenden Systems bedecken und auf diese Weise im Wesentlichen keine weiteren zusätzlichen baulichen Veränderungen dieses optischen Systems erfordern.
Vorteilhaft können somit bereits existierende optische, insbesondere bildgebende optische Systeme auf einfache Weise mit den hier beschriebenen 3D-Sensoren versehen werden, ohne dass dabei erheblicher zusätzlicher
konstruktiver Aufwand entsteht.
Äußerst vorteilhaft können somit bereits bestehende
bildgebende Systeme medizinischer Geräte, wie Endoskope oder auch von Mikroskopen oder von Abbildungsoptiken von portablen digitalen Geräten, wie beispielsweise Smartphones nachträglich mit den hier beschriebenen 3D-Sensoren
versehen werden. In ähnlicher Weise kann die in Figur 13a dargestellte
Ausführungsform ebenfalls als Teil eines optischen, insbesondere bildgebenden Systems strahlformend wirken. Hierbei können für die in den Figuren 13a und 13b
dargestellten Ausführungsformen auch von sphärischen
Geometrien abweichende Oberflächenformen verwendet werden. Beispiele hierfür sind asphärische Oberflächenformen, wie diese in jüngeren Konstruktionsformen zur Korrektur optischer Aberrationen Verwendung finden.
Die in Reflexion betriebenen Modulatoren können ebenfalls Teil herkömmlicher bildgebender Systeme sein, wie
beispielsweise auch von Prismen, Dachkantprismen, wie diese bei Spiegelreflexkameras verwendet werden oder auch ein Teil von in Monokulare, Binokularen oder Spektiven
verwendeten Prismen bilden. Hierbei können diese in
Reflexion betriebenen Modulatoren die bisher verwendeten Spiegelanordnungen vollständig ersetzen oder diese nur in einem Bereich ersetzen oder ergänzen.
Hierdurch wird es möglich, die vorbekannten bildgebenden Systeme um zumindest eine weitere Funktionalität zu
ergänzen, welche beispielsweise bei der Vermessung von Gewebe für medizinische oder auch allgemein mikroskopische Zwecke äußerst vorteilhaft sein kann. Zur Tiefenanalyse sind die Elektroabsorptionsmodulatoren vorzugsweise mit sinusförmigen Hochfrequenzsignalen
anzusteuern, was vorteilhaft auch in
Serienresonanzkreisschaltungen erfolgen kann. Die
notwendige negative Vorspannung der pin-Struktur wird über ein Bias-T eingestellt. Fig. 14 zeigt ein vereinfachtes elektrisches
Ersatzschaltbild, das das vornehmlich kapazitive Verhalten des Modulators 40, 41 widergibt, den Serien- Kontaktwiderstand Rcontact berücksichtigt und den schwachen, bei der Modulation generierten Photostrom durch einen hochohmigen Parallelwiderstand Rphoto zur Modulatorkapazität beschreibt. Über elektronische Schalter 81, 82, 83 können verschiedene Betriebsfrequenzen eingestellt werden,
insbesondere, indem jeweils definierte Induktivitäten Li, L2, L3 mit jeweils zugehöriger Frequenz zugeordnet über diese Schalter 81, 82, 83 mit einer die jeweilige
Wechselfrequenz tragenden Spannungsversorgung Vi, V2 oder V3 verbunden werden. Beispielhaft sind dieses jeweils die Frequenzen von 1 GHz, 100 MHz und 10 MHz.
Mit der Vorspannung Vbias sowie der Induktivität Lbias kann ein bevorzugter Arbeitspunkt dieser Schaltung eingestellt werden .
In der optischen Kommunikationstechnik werden MQW- Elektroabsorptionsmodulatoren häufig zur Generation
hochbitratiger Signale eingesetzt. Integriert-optische Wellenleiter-Modulatoren mit Quantum Well Systemen
bestehend aus mechanisch spannungskompensierten InAlAs- InGaAs Vielfach-Schichten, gitterangepasst an InP-Substrat, eignen sich beispielsweise zur Erzeugung von Bitraten von bis zu 40 Gb/s [14,15]. Mit Quantum Wells im GalnNAs- AlGaAs-Materialsystem, gitterangepasst an GaAs-Substrat, wurden hocheffiziente Laserdioden demonstriert [16,17]. Die zur Herstellung der vorgestellten
Elektroabsorptionsmodulatoren mit Metallspiegeln notwendige Entfernung des Substrats erfolgt durch Schleifen, Polieren und selektives Ätzen unter Verwendung von Ätzstoppschichten. Dieser Prozess wird routinemäßig zur Herstellung optisch gepumpter VECSELs genutzt [18,19].
Durch Einsatz einer zeitlich veränderlichen Beleuchtung der Szene und eines Modulators 40 vor einem mehrere
Sensorzellen 34 umfassenden Sensor 30 kann der Sensor 30 gleichzeitig den Abstand jedes Streulichtpunktes im Objekt Grauwert-kodiert in jeder Sensorzelle 34 aufzeichnen.
Beispielsweise kann, wie beschrieben, ein synchron
modulierter homogener flächiger optischer Filter als
Modulator vor einem hoch auflösenden CMOS-Videosensor genutzt werden.
Wegen der Möglichkeit, In-phase- und Quadraturphase- Modulationssignale in periodischen Folgen zu senden und die zeitlich variierenden Messsignale des Bildsensors synchron zu detektieren, besitzt das Verfahren - ähnlich wie die Lock-in-Verstärkertechnik [20] - eine hohe dynamische
Reserve, also eine große Störsignalunterdrückung, die besonders bei unerwünschter Hintergrundstrahlung von erheblichem Nutzen sein kann. Mit digitaler Lock-in- Technik, welche für die Erfindung prädestiniert ist, lässt sich mit verfügbaren Analog-Digital-Wandlern eine
dynamische Reserve von 100 dB erzielen. Das bedeutet, dass Signale noch detektiert werden können, wenn die
Rauschleistung (insbesondere das Störlicht) das 100000- fache der Signalleistung ausmacht, vorausgesetzt der
Dynamikbereich des Ladungsträger-speichernden Bildsensors ist entsprechend groß.
Vorteilhaft ist auch die mit dem Modulator-Design verfolgte optimale Unterdrückung von Störlicht, das insbesondere, aber keineswegs ausschließlich bei Sonnenscheinbeleuchtung eine Hauptursache für unzureichende Signal-Rausch- Verhältnisse sein kann. Durch die Verwendung eines
schnellen MQW-Elektroabsorptionsmodulators als steuerbarer flächiger Filter, ebenso den Einsatz spannungskompensierter InGaAs-GaAsP-Quantum-Well-Systeme auf GaAs-Substrat, in Verbindung mit CMOS-Fotosensoren, kann eine optimale
Störlichtunterdrückung gewährleistet werden.
Mit der Erfindung kann im Gegensatz zu optischen Scannern eine Tiefenbestimmung ohne bewegliche mechanische
Komponenten erfolgen. Wegen der hochfrequenten
Modulierbarkeit von Laserdioden und
Elektroabsorptionsmodulatoren mit sinusförmigen
Hochfrequenzsignalen von über 10 GHz können
Tiefenauflösungen im Bereich von Submillimeter erzielt werden. Dies ist höher als mit klassischen Time-of-Flight- Methoden, die insbesondere durch die Grenzfrequenz der eingesetzten Lawinen-Photodioden limitiert sind. Optische Scanner nutzen häufig Lichtimpulse mit Impulsdauern von ungefähr 1 ns und ermöglichen Tiefenauflösungen im unteren Zentimeter-Bereich .
Im Gegensatz zur PMD-Technik erfordert das vorgeschlagene Verfahren keine aufwendigen Spezialprozesse der VLSI- Technologie. Es können kommerziell verfügbare State-of-the- Art CMOS-Bildsensoren eingesetzt werden, deren Pixelgröße von 1.5 μm2 heute mehr als 100-mal kleiner ist als die für PMD-Sensoren verwendeten, in speziellen VLSI-Prozessen zu entwickelten Sensorpixel. Ferner weisen verfügbare CMOS- Sensoren eine wesentlich höhere Zahl an Pixeln auf als bislang verfügbare PMD-Sensoren. PMD-Sensoren wurden z.B. mit 352x288 Pixeln von etwa 15 μm x 15 μm demonstriert. Die Erfindung ermöglicht auch eine höhere Tiefenauflösung als sie möglich ist mit derzeitigen Photonic Mixer Devices, welche sich bislang lediglich für Modulationsfrequenzen bis etwa 100 MHz eignen.
Im Vergleich zu Stereoskopie und Triangulation bzw.
strukturierter Beleuchtung ist die mit der Erfindung erreichbare Tiefenauflösung um ein Vielfaches höher. Es kann zudem eine kompaktere Bauform erreicht werden.
Elektroabsorptionsmodulatoren, auch in
spannungskompensierter Bauform, wurden in einer Reihe von Dissertationen [14,15] erprobt und ihre überragende
Leistungsfähigkeit insbesondere auch in optischen
Wellenleiter-Modulatoren unter Beweis gestellt.
Spannungskompensierte InGaAs-GaAsP Multi-Quantum-Well
Schichten wurden an der Universität Ulm mit
Molekularstrahlepitaxie hergestellt und erfolgreich als aktive Zonen in Halbleiterlasern eingesetzt [18,19]. Bragg- Reflektoren und Fabry-Perot-Resonatoren auf der Basis von GaAs-Substrat wurden an der Universität Ulm bereits zur Erforschung neuartiger Vertikallaserdioden (VCSELs) verwendet [ 9] . Bezugnehmend auf Fig. 15 kann für viele Anwendungen ein kollinearer, parallaxenfreier Strahlengang für Sende- und Empfangsweg vorteilhaft sein. In der dargestellten
Anordnung definieren die von der Strahlungsquelle 20 in Richtung von den Objekten 10 ausgesendeten Wellen 22 eine erste optische Achse 70 und der von dem Modulator 40 empfangene Teil der von den Objekten 10 ausgehenden
Sekundärwellen 24 definiert eine zweite optische Achse 72, wobei diese beiden optischen Achsen 70, 72 im objektnahen Bereich kollinear verlaufen.
Dazu werden die von der Strahlungsquelle 20 ausgesendeten Wellen 22, welche in diesem Beispiel eine Wellenlänge von haben mögen, in einen Wellenleiter 60
Figure imgf000067_0001
eingekoppelt. In dem gezeigten Beispiel kommt eine
Fokussieroptik 23 zum Einsatz, um den modulierten
Sendelaserstrahl unter einem Winkel von z.B. zu
Figure imgf000067_0003
bündeln. Der Wellenleiter 60, welcher z.B. als Glasfaser ausgebildet sein kann und mit seiner Erstreckung einen Teil der ersten optischen Achse 70 definiert, tritt von einer dem Objekt 10 abgewandten Seite durch eine selektive
Optikkomponente 62 hindurch und ermöglicht somit eine
Auskopplung der Wellen 22 auf einer dem Objekt 10
zugewandten Seite der selektiven Optikkomponente 62 in Richtung des Objekts 10 und insbesondere unter einem Winkel von Mit anderen Worten werden die von der
Figure imgf000067_0002
Strahlungsquelle 20 ausgesendeten Wellen 22 mittels des Wellenleiters 60 auf das im Fernfeld befindliche streuende Objekt 10 gerichtet. Dies kann im Übrigen auch unabhängig von dieser Ausführungsform vorgesehen sein.
Die selektive Optikkomponente 62 ist in der Lage, einen ersten Spektralbereich Δλ auf den Sensor 30 gelangen zu lassen und einen zum ersten Spektralbereich Δλ disjunkten zweiten Spektralbereich von dem Sensor 30 fernzuhalten. Der erste Spektralbereich Δλ umfasst zumindest einen Teil des Spektrums der Sekundärwellen 24, so dass zumindest ein Teil der Sekundärwellen 24 als selektierte Wellen 25 auf den Sensor 30 gelangen. Der zweite Spektralbereich umfasst hingegen insbesondere den oder einen Teil des sichtbaren Spektrums .
In dem gezeigten Beispiel ist die selektive Optikkomponente 62 als ein unter einem Winkel von
Figure imgf000068_0001
zu den optischen Achsen 70, 72 ausgerichteter Bragg-Reflektor ausgebildet. Der Bragg-Reflektor reflektiert den ersten Spektralbereich Δλ (siehe Bragg-Filter-Kurve in Fig. 16) und lässt ihn auf den Sensor 30 und in diesem Beispiel auch auf den Modulator 40 gelangen, welcher wiederum unmittelbar vor dem Sensor 30 angeordnet ist.
Um zu verhindern, dass Streulicht aus dem Nahfeld direkt auf den Sensor 30, d.h. den Tiefensensor, gelangt, kann eine Abschirmung des Wellenleiters 60 vorgesehen sein. Der in diesem Beispiel einen Durchmesser D im Bereich von 200 bis 500 μm aufweisende Wellenleiter 60 kann etwa in eine z.B. metallene Hülle eingekapselt sein. Die in Fig. 15 gezeigte Anordnung enthält zudem einen weiteren mit einer Ausleseelektronik 33 verbundenen
Sensor 31 zur Erfassung von sichtbaren elektromagnetischen Wellen 27, die von dem Objekt 10 ausgehen. Die von dem Objekt ausgehenden sichtbaren elektromagnetischen Wellen 27 können beispielsweise Streulicht des Umgebungslichts, etwa der Sonne, sein.
Mit dem weiteren Sensor 31 kann neben einem Tiefenabbild, welches mit dem Sensor 30 basierend auf den ausgesendeten Wellen 22 etwa in Form eines 3D-Grauwertbildes erzeugt wird, gleichzeitig auch ein normales, insbesondere farbiges Abbild der Szene erzeugt werden. Der weitere Sensor 31 ist insbesondere als gewöhnlicher CMOS-RGB-Bildsensor
ausgebildet. Dies kann ebenso für den Sensor 30 zutreffen, wobei dieser auch als spezieller CMOS-Infrarot-Bildsensor ausgebildet sein kann.
Auch für den weiteren Sensor 31 ist ein kollinearer
Strahlengang vorgesehen. Dazu definieren die von dem weiteren Sensor 31 erfassten sichtbaren elektromagnetischen Wellen 27 eine dritte optische Achse 74, welche zumindest abschnittsweise kollinear zur zweiten optischen Achse 72 verläuft .
In dem gezeigten Beispiel ist hierzu vorgesehen, dass die selektive Optikkomponente 62 den zweiten Spektralbereich, also insbesondere die sichtbaren elektromagnetischen
Wellen 27, auf den weiteren Sensor 31 gelangen lässt. Die hier als Bragg-Reflektor ausgebildete selektive
Optikkomponente 62 lenkt somit das rückgestreute Infrarot- Signallicht auf den 3D-Sensor und lässt das sichtbare Licht zum RGB-Farbsensor passieren. Konstruktiv durchsticht der integriert-optische Wellenleiter 60 sowohl den
Umlenkspiegel 64 für sichtbares Licht, sowie den als
Bandsperre wirkenden dielektrischen Bragg-Reflektor . Der Umlenkspiegel 64 und die selektive Optikkomponente weisen somit jeweils ein Loch auf, durch das der Wellenleiter 60 hindurchtritt .
Der Umlenkspiegel 64, welcher im gezeigten Beispiel etwa a = 1 cm entfernt auf der dem Objekt 10 abgewandten Seite der selektiven Optikkomponente 62 und wiederum unter einem Winkel von 45° angeordnet ist, lenkt somit die von den Objekten 10 ausgehenden sichtbaren elektromagnetischen Wellen 27, welche von dem Bragg-Reflektor durchgelassen wurden, auf den weiteren Sensor 31, wobei zur Fokussierung wiederum eine Fokussieroptik 29 vorgesehen ist. Neben der Kollinearität ist ein weiterer Vorteil der dargestellten Anordnung eine optimale Reduzierung von
Abschattungseffekten, die bei der Abstandsbestimmung zu „Geistereffekten" führen können. Den theoretischen Überlegungen und Abschätzungen dieser Schrift liegen Ausführungen aus [8] zugrunde.
Bei dem beschriebenen 3D-Bildsensor mit
Elektroabsorptionsmodulator lassen sich vorteilhaft
Informationen über die Tiefenposition einzelner Objekte in einem von einem Imagesensor aufzuzeichnenden Bild gewinnen, wenn die Szene mit moduliertem Licht beleuchtet wird und die von den Objektpunkten ausgehenden Lichtwellen vor
Eintreffen auf dem Detektorarray, Sensor oder Bildsensor nochmals synchron moduliert werden.
Hierbei ist es vorteilhaft, wenn alle von einem Objektpunkt ausgehenden und dann auf ein Detektorelement treffenden Photonen in gleicher Weise moduliert werden, die
Sekundärmodulation also insbesondere richtungsunabhängig ist und keine Mehrwegeausbreitung vortäuschenden lateralen oder longitudinalen Resonanzen im optischen Detektionszweig auftreten . Zur Realisierung der hier beschriebenen Vorrichtungen kann als Kernelement ein CMOS-Imagesensor mit direkt
vorgesetztem, lateral unstrukturiertem flächigen Elektroabsorptionsmodulator verwendet werden. Die aktive Zone des Modulators, insbesondere
Elektroabsorptionsmodulators besteht bevorzugt aus einer insgesamt nur etwa 1 μm dicken undotierten Multi-Quantum- Well Schicht auf der Basis von GaAs, die in eine pin-
Diodenstruktur eingebettet ist. Zur Aufrechterhaltung der zur optimalen Funktion notwendigen hohen Kristallqualität werden bevorzugt nur unverspannte, an GaAs gitterangepasste Einzelschichten verwendet. Die mechanische Stabilität des Modulators von typisch mehr als 1 mm2 Fläche wird durch das GaAs-Substrat von 100 bis 200 μm Dicke gewährleistet.
Alternativ kann auch ein metallischer Träger, insbesondere auch ein Peltier-Element genutzt werden. Die quasi
leistungslose elektrische Ansteuerung des kapazitiv- hochohmig wirkenden Modulators erfolgt vorzugsweise
homogen, gleichmäßig über die gesamte Fläche des
Bauelements unter Nutzung transparenter Kontakte, die wenige 100 nm Dicke aufweisen und gleichzeitig als
Antireflexbeschichtung wirken können. Zum Betrieb mit sinusförmigen Hochfrequenzsignalen bieten sich
Serienresonanzkreisschaltungen mit angepassten
Induktivitäten an. RC-Zeitkonstanten spielen in diesem Fall nur eine untergeordnete Rolle. Zur Einstellung des
Arbeitspunktes bei Rückwärtsvorspannung dient eine Bias-T- Schaltung. Für höchste Frequenzen ist die Ausführung auch in elektrischer Streifenleitungstechnik möglich. Mit dem Bild- oder Imagesensor integrierte Bauformen lassen sich als Transmissionsmodulatoren oder auch alternativ oder zusätzlich in einem gefalteten Strahlengang als
Reflexionsmodulator realisieren. Als Beleuchtungsquellen kommen insbesondere unter Hochfrequenzmodulation schmalbandig emittierende Halbleiterlaser wie zum Beispiel vertikal emittierende Laserdioden (VCSEL) in Frage.
Ferner liegt es im Rahmen der Erfindung, innerhalb eines Strahlengangs, insbesondere eines bildgebenden
Strahlengangs auch mehr als einen Modulator, insbesondere Elektroabsorptionsmodulator zu verwenden, insbesondere um den zu erzielenden Modulationshub in erwünschter Weise einzustellen. Somit können innerhalb eines Strahlengangs mehrere Modulatoren in Transmission und/oder Reflexion verwendet werden.
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Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Entfernungsmessung umfassend:
- eine Strahlungsquelle zur Aussendung modulierter elektromagnetischer Wellen in Richtung von Objekten, um modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, ausgehend von den Objekten hervorzurufen,
- einen mit der Strahlungsquelle zeitlich
synchronisierten Modulator zum Empfang zumindest eines Teils der modulierten Sekundärwellen und nochmaligen Modulation des empfangenen Teils der Sekundärwellen,
- einen Sensor zur Erfassung zumindest eines Teils der von dem Modulator nochmals modulierten
Sekundärwellen, insbesondere um zumindest eine
Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sensor eine Mehrzahl strahlungsempfindlicher Sensorzellen umfasst, welche jeweils ausgebildet sind, einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten
Sekundärwellen zu erfassen, um eine Mehrzahl von Entfernungen zu den Objekten zu bestimmen.
3. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sensorzellen des Sensors in einem
zweidimensionalen Raster angeordnet sind,
insbesondere der Sensor als CMOS-Sensor, aktiver Pixelsensor (APS) , CCD-Sensor oder einer Kombination daraus ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Sensorzellen des Sensors jeweils eine
Strahlungserfassungsflache aufweisen, die geringer ist als 200 Quadratmikrometer, vorzugsweise geringer ist als 100 Quadratmikrometer, besonders bevorzugt geringer ist als 4 Quadratmikrometer.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Modulator den empfangenen Teil der
Sekundärwellen gleichartig moduliert, insbesondere die von unterschiedlichen Sensorzellen erfassten Sekundärwellen gleichartig moduliert.
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Modulator als Elektroabsorptionsmodulator ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die von der Strahlungsquelle ausgesendeten modulierten elektromagnetischen Wellen mit
unterschiedlichen Modulationsparametern, insbesondere mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen
modulierte elektromagnetische Wellen umfassen, um Mehrdeutigkeiten bei der Entfernungsmessung zu den Objekten zu eliminieren.
8. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle zur Aussendung kohärenter elektromagnetischer Wellen ausgebildet ist,
insbesondere als Laser ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die von der Strahlungsquelle ausgesendeten modulierten elektromagnetischen Wellen als
Superposition elektromagnetischer Wellen
unterschiedlicher Frequenz ausgebildet sind,
insbesondere als Superposition gekoppelter Moden und/oder als Impuls ausgebildet sind.
10. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle ausgebildet ist,
elektromagnetische Wellen außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs auszusenden, vorzugsweise im
infraroten Spektralbereich auszusenden, besonders bevorzugt im Spektralbereich zwischen 750 und 1050 Nanometer auszusenden.
11. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Strahlungsquelle ausgebildet ist,
elektromagnetische Wellen mit einer spektralen Breite auszusenden, die geringer ist als 100 Nanometer, vorzugsweise geringer ist als 10 Nanometer, besonders bevorzugt geringer ist als 5 Nanometer.
12. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
- wobei die Strahlungsquelle ausgebildet ist, in der Intensität modulierte elektromagnetische Wellen auszusenden und
- wobei der Modulator ausgebildet ist, den
empfangenen Teil der Sekundärwellen derart nochmals zu modulieren, dass das zeitliche Mittel der
Intensität der nochmals modulierten Sekundärwellen von Phasendifferenzen zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen abhängt und
- wobei der Sensor eine Ausgangsgröße liefert, die abhängt von dem zeitlichen Mittel der Intensität des erfassten Teils der nochmals modulierten
Sekundärwellen und
- wobei die Vorrichtung eine Recheneinheit umfasst, welche aus der von dem Sensor gelieferten
Ausgangsgröße eine Phasendifferenz zwischen den ausgesendeten Wellen und den Sekundärwellen
berechnet, um mit der berechneten Phasendifferenz eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen.
13. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
- wobei die von der Strahlungsquelle in Richtung von den Objekten ausgesendeten Wellen eine erste optische Achse definieren und
- wobei der von dem Modulator empfangene Teil der von den Objekten ausgehenden Sekundärwellen eine zweite optische Achse definiert und
- wobei die zweite optische Achse zumindest
abschnittsweise parallel zu der ersten optischen Achse verläuft.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13,
- umfassend einen weiteren Sensor zur Erfassung von sichtbaren elektromagnetischen Wellen, die von den Objekten ausgehen,
- wobei die von dem weiteren Sensor erfassten
sichtbaren elektromagnetischen Wellen eine dritte optische Achse definieren und
- wobei die dritte optische Achse zumindest
abschnittsweise parallel zu der ersten und/oder der zweiten optischen Achse verläuft.
15. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche
- umfassend eine selektive Optikkomponente,
insbesondere einen Filter oder einen
Interferenzspiegel, wobei die selektive
Optikkomponente ausgebildet ist, einen ersten
Spektralbereich auf den Sensor gelangen zu lassen und einen zum ersten Spektralbereich disjunkten zweiten Spektralbereich von dem Sensor fern zu halten und vorzugsweise auf den zweiten Sensor gelangen zu lassen und
- wobei der erste Spektralbereich zumindest einen Teil des Spektrums der ausgesendeten Wellen und/oder der Sekundärwellen umfasst und
- wobei vorzugsweise der zweite Spektralbereich zumindest einen Teil des sichtbaren Spektrums
umfasst .
16. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei welcher die modulierten elektromagnetische
Sekundärwellen von dem Modulator in Transmission modulierbar sind.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei welcher der
Modulator an einem Träger aus einem transparenten Material, wie insbesondere Glas angebracht ist, wobei der Träger aus Glas bevorzugt eine Linse oder ein Prisma ist, welche eine ebene oder nicht ebene
Oberfläche aufweisen und der Modulator dabei
beispielsweise an einer Sphäre oder Asphäre aufgebracht ist.
18. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche von 1 bis 15, bei welcher die modulierten
elektromagnetische Sekundärwellen von dem Modulator in Reflexion modulierbar sind.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei welcher der
Modulator an einem Träger aus einem reflektierenden Material angebracht ist, wobei der Träger bevorzugt ein Substrat mit einer Spiegelschicht ist, und der Modulator dabei auf einer ebenen oder nicht ebenen Schicht, beispielsweise einer Sphäre oder Asphäre aufgebracht ist.
20. Vorrichtung zur Entfernungsmessung, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend:
- einen Modulator, welcher ausgebildet ist,
modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, welche von einem Objekt ausgehen, zu empfangen und nochmals zu modulieren und
- einen Sensor, welcher ausgebildet ist, zumindest einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen zu erfassen und
- eine Synchronisierungseinrichtung zur zeitlichen Synchronisation des Modulators mit einer
Modulationsfrequenz der von dem Objekt ausgehenden modulierten elektromagnetischen Sekundärwellen.
21. Tiefensensor für eine Vorrichtung zur
Entfernungsmessung, insbesondere für eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, umfassend: - einen Modulator, welcher ausgebildet ist,
modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere Streuwellen, welche von einem Objekt ausgehen, zu empfangen und nochmals zu modulieren und
- einen Sensor, welcher ausgebildet ist, zumindest einen Teil der von dem Modulator nochmals modulierten Sekundärwellen zu erfassen,
- wobei der Modulator vorzugsweise unmittelbar an dem Sensor angebracht ist.
22. Kamera zur Aufnahme statischer oder bewegter Bilder umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die
aufgenommenen Bilder Tiefeninformationen enthalten.
23. Umgebungserfassungseinrichtung umfassend eine
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, um in verschiedene Richtungen Entfernungen zu einer Umgebung zu bestimmen,
insbesondere, um ein dreidimensionales Modell der Umgebung zu erzeugen.
24. Objektvermessungseinrichtung umfassend eine
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, um ausgehend von verschiedenen Positionen relativ zu einem Objekt Entfernungen zu einem Objekt zu bestimmen, insbesondere, um ein dreidimensionales Modell des Objekts zu erzeugen.
25. Gesichtserkennungseinrichtung umfassend eine
Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem
Ansprüche 1 bis 20, um ein Tiefenprofil eines Gesichts zu bestimmen.
26. Fahrzeug, insbesondere Land-, Wasser-, oder
Luftfahrzeug, insbesondere autonomes Fahrzeug, umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, um Entfernungen und/oder Geschwindigkeiten von Objekten, insbesondere anderen Fahrzeugen, zu bestimmen.
27. Sicherheitssystem umfassend eine Vorrichtung zur
Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das Sicherheitssystem ausgebildet ist, mit Hilfe der Entfernungsmessung eine Überwachung von definierten Sicherheitszonen vorzunehmen.
28. Roboter umfassend eine Vorrichtung zur
Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei der Roboter ausgebildet ist, Bewegungen in Abhängigkeit gemessener Entfernungen auszuführen.
29. Einrichtung zur Produktion dreidimensionaler Körper umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 und einen Drucker zur sukzessiven Produktion des dreidimensionalen Körpers .
30. Einrichtung zur Wiedergabe von Bildinformation mit Bildpunkten zugeordneter visuell erfassbarer
Tiefeninformation umfassend
- eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20 und
- eine Einrichtung zur getrennten Bereitstellung der Bildinformation für zumindest zwei Darstellungen mit jeweils stereoskopisch codierter Bildinformation der jeweiligen Bildpunkte.
31. Medizinisches Gerät umfassend eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, zur visuellen Untersuchung, vorzugsweise
intrakorporaler Fluide, insbesondere mit
Fluorophoren, welche durch die von der
Strahlungsquelle ausgesendeten elektromagnetischen Wellen angeregt werden und zumindest einen Teil der Sekundärwellen emittieren.
32. Endoskop umfassend eine Vorrichtung zur
Entfernungsmessung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, insbesondere zur Untersuchung eines Hohlraums oder von Gewebebestandteilen.
33. Endoskop nach Anspruch 32 für operative, insbesondere mikroinvasive Eingriffe mit einer Einrichtung zur chirurgischen Manipulation, insbesondere einer
Schlinge, Skalpell oder Schere, von welcher zumindest ein Teil der Sekundärwellen ausgeht.
34. Endoskop nach Anspruch 32 oder 33, wobei die von der Strahlungsquelle ausgesendeten Wellen mittels eines Wellenleiters in den zu untersuchenden Hohlraum oder zu dem zu untersuchenden Gewebe geleitet werden.
35. Verfahren zur Entfernungsmessung bei welchem
- modulierte elektromagnetische Wellen in Richtung von Objekten ausgesendet werden, um modulierte elektromagnetische Sekundärwellen, insbesondere
Streuwellen, ausgehend von den Objekten hervorzurufen und
- zumindest ein Teil der von den Objekten ausgehenden modulierten Sekundärwellen nochmals moduliert wird und
- zumindest ein Teil der nochmals modulierten
elektromagnetischen Sekundärwellen erfasst wird, um zumindest eine Entfernung zu den Objekten zu
bestimmen .
36. Verfahren nach Anspruch 35, wobei mehrere Teile der nochmals modulierten Sekundärwellen jeweils
unabhängig voneinander erfasst werden, um eine
Mehrzahl von Entfernungen zu den Objekten zu
bestimmen .
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 35 oder 36, wobei der Teil der Sekundärwellen, welcher nochmals moduliert wird, auf gleiche Weise nochmals moduliert wird, insbesondere die mehreren unabhängig
voneinander erfassten Teile der nochmals modulierten Sekundärwellen auf gleiche Weise nochmals moduliert werden .
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 37, wobei die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen mit unterschiedlichen Modulationsparametern, insbesondere mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen
modulierte elektromagnetische Wellen umfassen, um Mehrdeutigkeiten bei der Entfernungsmessung zu den Objekten zu eliminieren.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 35 bis 38,
- wobei die ausgesendeten elektromagnetischen Wellen in der Intensität moduliert sind und
- wobei der Teil der Sekundärwellen, welcher nochmals moduliert wird, derart nochmals moduliert wird, dass das zeitliche Mittel der Intensität der nochmals modulierten Sekundärwellen von Phasendifferenzen zwischen den ausgesendeten Wellen und den
Sekundärwellen abhängt und
- wobei mit dem erfassten Teil der nochmals
modulierten Sekundärwellen eine Phasendifferenz zwischen den ausgesendeten Wellen und den
Sekundärwellen berechnet wird, um mit der berechneten Phasendifferenz eine Entfernung zu den Objekten zu bestimmen .
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