DE102010063579A1 - Optical range finder has reset devices that are controlled so as to control discharge of accumulation gates when voltage of accumulation gates reaches or exceeds threshold value - Google Patents

Abstract

The optical range finder has a light sensor including receiving pixels, an illuminating light source, and a modulator for providing modulation frequency of light. The accumulation gates (Ga,Gb) are electrically connected and the reset devices (RS1,RS2) are arranged in parallel to accumulation gates for temporary discharge of accumulation gates. The reset devices are controlled so as to control the discharge of accumulation gates when voltages (Ua,Ub) of accumulation gates reaches or exceeds the threshold value. An independent claim is included for operating method of optical range finder.

Description

Translated fromGerman

Die Erfindung betrifft einen optischen Entfernungsmesser mit mindestens zwei als Photomischdetektoren ausgebildeten Empfangspixeln nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to an optical rangefinder with at least two receiving pixels designed as photonic mixer detectors according to the category of the independent claim.

Der erfindungsgemäße optische Entfernungsmesser betrifft Systeme, die Entfernungen aus der Lichtlaufzeit und insbesondere aus einer Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Bevorzugt sind Lichtlaufzeitsensoren mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u. a. in den AnmeldungenEP 1 777 747,US 6 587 186 und auchDE 197 04 496 beschrieben und beispielsweise von der Firma ,ifm electronic gmbh' als Frame-Grabber O3D oder als Entfernungsmessgerät O1D zu beziehen sind.The optical rangefinder according to the invention relates to systems which gain distances from the light transit time and in particular from a phase shift of an emitted and received radiation. Preferably, light transit time sensors with photonic mixer detectors (PMD) are suitable, as described inter alia in theapplications EP 1 777 747 . US Pat. No. 6,587,186 and also DE 197 04 496 described and for example by the company, ifm electronic gmbh 'as a frame grabber O3D or as a distance measuring device O1D are available.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Messgenauigkeit eines optischen Entfernungsmessers weiter zu verbessern.The object of the invention is to further improve the measurement accuracy of an optical rangefinder.

Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch den erfindungsgemäßen optischen Entfernungsmesser des unabhängigen Anspruchs gelöst.The object is achieved in an advantageous manner by the optical rangefinder according to the invention of the independent claim.

Vorteilhaft ist ein optischer Entfernungsmesser vorgesehen, mit einem Lichtlaufzeitsensor, der mindestens zwei als Photomischdetektoren ausgebildeten Empfangspixel aufweist, mit einer Beleuchtungslichtquelle und mit einem Modulator zur Bereitstellung einer Modulationsfrequenz, der mit dem Lichtlaufzeitsensor und der Beleuchtungslichtquelle verbunden ist, wobei ein Empfangspixel einen photosensitiven Bereich, insbesondere zwei photosensitive Modulationsgates, und hiermit elektrisch verbundene Akkumulationsgates aufweist, wobei parallel zu den Akkumulationsgates eine Reset-Vorrichtung zur zeitweisen Entladung der Akkumulationsgates angeordnet ist,
und dass ein Mittel zur Ansteuerung der Reset-Vorrichtung derart ausgestaltet ist,
das ein Reset bzw. eine Entladung der Akkumulationsgates bei Erreichen oder Überschreiben eines Grenzwertes, insbesondere einer Spannung am Akkumulationsgate eingeleitet wird,
wobei dieser Reset für jedes Empfangspixel individuell und unabhängig von einander erfolgt.Advantageously, an optical rangefinder is provided, comprising a light transit time sensor which has at least two receiving pixels designed as photonic mixer detectors, with an illumination light source and with a modulator for providing a modulation frequency which is connected to the light transit time sensor and the illumination light source, wherein a receiving pixel comprises a photosensitive area, in particular two photosensitive modulation gates, and having electrically connected accumulation gates, wherein a reset device for temporarily discharging the accumulation gates is arranged parallel to the accumulation gates,
and in that a means for controlling the reset device is designed such that
a reset or a discharge of the accumulation gates when reaching or overwriting a limit value, in particular a voltage is initiated at the accumulation gate,
this reset being done individually and independently for each receiving pixel.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass auch bei unterschiedlichen Belichtungsverhältnissen der einzelnen Empfangspixel kein Pixel in Sättigung gerät, wodurch vorteilhaft Einflüsse auf die Phase der Modulationsfrequenz vermieden werden können.This procedure has the advantage that even with different exposure conditions of the individual receiving pixels no pixel saturates, whereby advantageous influences on the phase of the modulation frequency can be avoided.

Ebenso vorteilhaft gestaltet sich ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Entfernungsmessers mit einem Lichtlaufzeitsensor, der mindestens zwei als Photomischdetektoren ausgebildete Empfangspixel aufweist, bei dem während einer Integrationszeit Ladungen an Akkumulationsgates gesammelt und insbesondere über eine Ausleseeinheit, als elektrische Größe erfasst werden,
wobei die Integrationszeit durch Ansteuern einer Reset-Vorrichtung beendet oder gestartet wird, wobei ein Reset bzw. eine Entladung der Akkumulationsgates bei Erreichen oder Überschreiben eines Grenzwertes eingeleitet wird, und wobei dieser Reset für jedes Empfangspixel individuell und unabhängig von einander erfolgt.Likewise advantageous is a method for operating an optical rangefinder with a light transit time sensor which has at least two receiving pixels designed as photonic mixer, in which charges are accumulated on accumulation gates during an integration time and detected in particular via a read-out unit, as an electrical variable.
wherein the integration time is ended or started by driving a reset device, wherein a reset or a discharge of the accumulation gates is initiated upon reaching or overwriting a limit, and wherein this reset is done individually and independently for each receiving pixel.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der der Grenzwert so festgelegt ist, dass eine Sättigung des Empfangspixels nicht erreicht wird.In a preferred embodiment, the limit value is set so that saturation of the receiving pixel is not achieved.

Des Weiteren ist es vorgesehen, eine Ausleseeinheit mit den Akkumulationsgates verbunden und derart ausgestaltet ist, dass eine an den Akkumulationsgates anliegende Ladung bzw. eine korrespondierende elektrische Größe, insbesondere Spannung, mehrmals während einer Integrationszeit erfasst wird. So ist es zum einen vorteilhaft möglich die an den Akkumulationsgates anliegende Ladung bzw. Spannung genauer zu bestimmen und erlaubt zum anderen den Grenzwert für den Reset präziser zu erfassen.Furthermore, it is provided that a readout unit is connected to the accumulation gates and designed such that a charge applied to the accumulation gate or a corresponding electrical variable, in particular voltage, is detected several times during an integration time. Thus, it is advantageously possible to more accurately determine the charge or voltage applied to the accumulation gates and, secondly, to more precisely detect the limit value for the reset.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen schematisch:They show schematically:

1 das Grundprinzip einer Lichtlaufzeitkamera nach dem PMD-Prinzip, 1 the basic principle of a time-of-flight camera based on the PMD principle,

2 eine Verteilung der photonischen Ladungen an den Akkumulationsgates, 2 a distribution of the photonic charges at the accumulation gates,

3 einen Querschnitt eines PMD-Pixel, 3 a cross-section of a PMD pixel,

4 eine Abhängigkeit der Akkumulationsspannung von der Integrationszeit 4 a dependence of the accumulation voltage of the integration time

5 ein Ersatzschalbild eines PMD-Pixels gemäß3 5 a replacement image of a PMD pixel according to 3

6 einen Verlauf der Akkumulationsspannung über mehrere Integrationszeiten 6 a course of the accumulation voltage over several integration times

7 schematisch einen erfindungsgemäßen optischen Entfernungsmesser. 7 schematically an optical rangefinder according to the invention.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, like reference characters designate like or similar components.

1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeit-Kamera, wie sie beispielsweise aus derDE 197 04 496 bekannt ist. 1 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a light transit time camera, as for example from the DE 197 04 496 is known.

Das Lichtlaufzeit-Kamerasystem bzw. der Entfernungsmesser1 umfasst eine Sendeeinheit10 mit einer Beleuchtungslichtquelle12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeit-Kamera20 mit einer Empfangsoptik25 und einem Photosensor bzw. Lichtlaufzeitsensor22. Der Lichtlaufzeitsensor22 weist mindestens ein Pixel auf und ist vorzugsweise als Photomischdetektor ausgebildet. Die Empfangsoptik25 besteht für eine reine Entfernungsmessung typischerweise aus einer einzigen Linse, kann jedoch ggf. auch zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen aufgebaut sein. Die Strahlformungsoptik15 der Sendeeinheit10 ist vorzugsweise als Reflektor ausgebildet. Es können jedoch auch diffraktive Elemente oder Kombinationen aus reflektierenden und diffraktiven Elementen eingesetzt werden.The light transit time camera system or therangefinder 1 includes a transmittingunit 10 with anillumination light source 12 and associatedbeam shaping optics 15 and a receiving unit orlight time camera 20 with areceiving optics 25 and a photosensor or lighttransit time sensor 22 , The lighttransit time sensor 22 has at least one pixel and is preferably designed as a photonic mixer. The receivingoptics 25 For a pure distance measurement, it typically consists of a single lens, but if necessary it can also be constructed from a plurality of optical elements to improve the imaging properties. Thebeam shaping optics 15 the transmittingunit 10 is preferably formed as a reflector. However, it is also possible to use diffractive elements or combinations of reflective and diffractive elements.

Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle12 und der Lichtlaufzeitsensor22 über einen Modulator30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz mit einer ersten Phasenlage a beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle12 ein amplitudenmoduliertes Signal mit der Phaselage a aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage b auf den Lichtlaufzeitsensor22. Im Lichtlaufzeitsensor22 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators30 mit dem empfangenen Signal, das die laufzeitbedingte zweiten Phasenlage b aufweist, gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.The measurement principle of this arrangement is essentially based on the fact that, based on the phase shift of the emitted and received light, the transit time of the emitted and reflected light can be determined. For this purpose, thelight source 12 and the lighttransit time sensor 22 via amodulator 30 acted upon together with a certain modulation frequency with a first phase position a. The light source sends according to themodulation frequency 12 an amplitude modulated signal with the phase position a. This signal or the electromagnetic radiation is in the illustrated case of anobject 40 reflects and hits due to the distance traveled correspondingly phase-shifted with a second phase position b on the lighttransit time sensor 22 , In the time offlight sensor 22 becomes the signal of the first phase a of themodulator 30 mixed with the received signal having the second time phase condition b, mixed, wherein the phase shift or the object distance d is determined from the resulting signal.

Dieses Grundprinzip ist schematisch in2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf der Modulationsfrequenz mit der die Beleuchtung12 und der Lichtlaufzeitsensor22 angesteuert werden. Das vom Objekt40 reflektierte Licht b trifft entsprechend seiner Lichtlaufzeit t_L phasenverschoben auf den Lichtlaufzeitsensor22. Der Lichtlaufzeitsensor22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q während der ersten Hälfte der Modulationsperiode in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in der zweiten Periodenhälfte in einem zweiten Akkumulationsgate Gb. Die Ladungen werden typischerweise über mehrere Modulationsperioden gesammelt bzw. integriert. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung und somit eine Entfernung des Objekts bestimmen.This basic principle is schematic in 2 shown. The upper curve shows the time course of the modulation frequency with theillumination 12 and the lighttransit time sensor 22 be controlled. Theobject 40 Reflected light b strikes the light transit time sensor out of phase in accordance with its lighttransit time t_L 22 , The lighttransit time sensor 22 collects the photonically generated charges q in a first accumulation gate Ga during the first half of the modulation period and in a second accumulation gate Gb in the second half of the period. The charges are typically collected or integrated over several modulation periods. From the ratio of the charges qa, qb collected in the first and second gate Ga, Gb, the phase shift and thus a distance of the object can be determined.

3 zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel eines Photomischdetektors wie er beispielsweise aus derDE 197 04 496 C2 bekannt ist. Die mittleren Modulationsphotogates Gam, G0, Gbm bilden den lichtsensitiven bzw. photosensitiven Bereich eines PMD-Pixels. Entsprechend der an den Modulationsgates angelegten Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate Ga, Gb gelenkt. 3 shows a cross section through a pixel of a photonic mixer as it is for example from the DE 197 04 496 C2 is known. The middle modulation photogates Gam, G0, Gbm form the light-sensitive or photosensitive area of a PMD pixel. In accordance with the voltage applied to the modulation gates, the photonically generated charges q are directed to either one or the other accumulation gate Ga, Gb.

3b zeigt einen Potenzialverlauf bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Akkumulationsgates Ga abfliesen, während das Potenzial gemäß3c die Ladung q in Richtung des zweiten Akkumulationsgates Gb fließen lässt. Die Potenziale werden entsprechend der anliegenden Modulationsfrequenz vorgegeben. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 100 MHz. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt. 3b shows a potential curve in which the charges q in the direction of the first accumulation gate Ga abge, while the potential according to 3c the charge q flows in the direction of the second accumulation gate Gb. The potentials are specified according to the applied modulation frequency. Depending on the application, the modulation frequencies are preferably in a range of 1 to 100 MHz. At a modulation frequency of, for example, 1 MHz results in a period of one microsecond, so that the modulation potential changes accordingly every 500 nanoseconds.

In3a ist ferner eine Ausleseeinheit400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten PMD-Photosensors sein kann. Die als Kapazitäten ausgebildeten Akkumulationsgates Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Gates Ga, Gb anliegende Spannung beispielsweise über die Ausleseeinheit400 hochohmig vorzugsweise über eine Verstärkerschaltung abgegriffen werden. Die Integrationszeiten sind vorzugsweise so zu wählen, dass für die zu erwartende Lichtmenge der Lichtlaufzeitsensor bzw. die Akkumulationsgates und/oder die lichtsensitiven Bereiche nicht in Sättigung geraten.In 3a is also areadout unit 400 which, if appropriate, may already be part of a CMOS PMD photosensor. The accumulation gates Ga, Gb designed as capacitances integrate the photonically generated charges over a large number of modulation periods. In a known manner, the voltage applied to the gates Ga, Gb, for example via thereadout unit 400 high impedance preferably be tapped via an amplifier circuit. The integration times are preferably to be selected so that the light transit time sensor or the accumulation gates and / or the light-sensitive areas do not saturate for the expected amount of light.

4 zeigt schematisch die Abhängigkeit einer elektrischen Größe, beispielsweise einer Spannung an einem Akkumulationsgate Ga, Gb, von der Lichtmenge. Die Lichtmenge bestimmt sich in bekannter Weise aus dem Lichtstrom und der Bestrahlungsdauer. Proportional zur Lichtmenge werden Ladungsträger q im photosensitiven Bereich der Modulationsgates Gam, G0, Gbm erzeugt und entsprechend der Modulationsfrequenz phasenkorreliert auf die Akkumulationsgates Ga, Gb verteilt. Diese Ladungen können entweder als Spannungssignal bzw. -Amplitude hochohmig an den Akkumulationsgates Ga, Gb abgegriffen oder ggf. beim Entladen der Gates Ga, Gb als Strom gemessen werden. Die Gatespannung Ua, Ub entspricht somit dem phasenkorrelierten Lichtstrom bzw. der entsprechenden Lichtmenge. 4 schematically shows the dependence of an electrical quantity, for example a voltage on an accumulation gate Ga, Gb, of the amount of light. The amount of light is determined in a known manner from the luminous flux and the irradiation time. Charge carriers q are generated in the photosensitive region of the modulation gates Gam, G0, Gbm in proportion to the amount of light and are distributed in phase correlation to the accumulation gates Ga, Gb in accordance with the modulation frequency. These charges can either be tapped at high impedance from the accumulation gates Ga, Gb as a voltage signal or amplitude or, if necessary, measured as a current when the gates Ga, Gb are discharged. The Gate voltage Ua, Ub thus corresponds to the phase-correlated luminous flux or the corresponding amount of light.

Der mögliche Dynamikbereich erstreckt sich typischerweise über mehrere Größenordnungen. und hängt im Wesentlichen von der Fläche der photosensitiven Schicht der Modulationsgates, Gam, G0, Gbm sowie der Kapazität der Akkumulationsgates Ga, Gb ab. Die Integrationszeit t_int bzw. die Reset-Zeit t_res wird vorzugsweise so festgelegt, dass für den Anwendungsfall der Sensor nicht in die Sättigung gerät. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird die Integrationszeit t_int beendet bzw. ein Reset gesetzt, wenn die Gatespannung Ua, Ub an einem Akkumulationsgate Ga, Gb einen Grenzwert überschreitet.The possible dynamic range typically extends over several orders of magnitude. and depends substantially on the area of the photosensitive layer of the modulation gates, Gam, G0, Gbm and the capacitance of the accumulation gates Ga, Gb. The integration time t_int or the reset time t_res is preferably set so that the sensor does not saturate for the application. In a preferred embodiment, the integration time t_int is terminated or a reset is set when the gate voltage Ua, Ub at a storage gate Ga, Gb exceeds a limit value.

Mit abnehmender Lichtmenge bzw. analog mit abnehmender Integrationszeit nimmt jedoch das Potenzial am Akkumulationsgate Ga, Gb immer mehr ab und bewirkt unter anderem aufgrund des abnehmenden Signal/Rausch-Verhältnisses eine zunehmende Unsicherheit bei der Entfernungsbestimmung, so wie es mit der gestrichelten Kurve der Standardabweichung in4 dargestellt ist. Die Integrationszeit ist daher vorzugsweise minmal so zu wählen, dass ein zu erwartender Distanzfehler noch innerhalb einer zulässigen Toleranz bzw. Standardabweichung liegt, und maximal so, dass das Signal unterhalb der Sättigung liegt.As the amount of light decreases, or analogously, with decreasing integration time, however, the potential at the accumulation gate Ga, Gb decreases more and more, among other things due to the decreasing signal-to-noise ratio increasing uncertainty in the distance determination, as with the dashed curve of the standard deviation in 4 is shown. The integration time is therefore preferably to be selected so that a distance error to be expected is still within a permissible tolerance or standard deviation, and at most so that the signal is below saturation.

5 zeigt ein Ersatzschaltbild des in3a gezeigten PMD-Pixels. Die photosensitiven Bereiche des PMD-Pixels nämlich die Modulationsphotogates Gam, G0, Gbm sind als Photodioden Gam, Gbm dargestellt. Das mittlere Modulationsphotogate G0 teilt sich im Ersatzschaltbild auf die beiden Photodioden Gam, Gbm auf. 5 shows an equivalent circuit diagram of the in 3a shown PMD pixels. The photosensitive regions of the PMD pixel, namely the modulation photogates Gam, G0, Gbm are shown as photodiodes Gam, Gbm. The mean modulation photogate G0 is divided into the equivalent circuit diagram on the two photodiodes Gam, Gbm.

Während auf dem tatsächlichen PMD-Chip die photonisch erzeugten Ladungen q durch Anlegen eines Potenzials in Richtung der Akkumulationsgates Ga, Gb abgeleitet werden, ist dieser Vorgang im Ersatzschaltbild als Wechselschalter abgebildet. Auf den ersten Schalter S1 des Wechselschalters wirkt die Modulationsfrequenz MA für den so genannten A-Kanal und auf den zweiten Schalter S2 eine um 180° verschobene Modulationsfrequenz MB für den B-Kanal. Wie bereits in3a dargestellt, werden so die photonisch erzeugten Ladungen im Takt der Modulationsfrequenz abwechselnd auf das eine oder andere Akkumulationsgate Ga, Gb bzw. im Ersatzschaltbild auf die eine oder andere Akkumulationskapazität Ga, Gb geleitet.While on the actual PMD chip the photonically generated charges q are derived by applying a potential in the direction of the accumulation gates Ga, Gb, this process is shown in the equivalent circuit diagram as a changeover switch. On the first switch S1 of the changeover switch, the modulation frequency MA acts for the so-called A-channel and the second switch S2 a shifted by 180 ° modulation frequency MB for the B-channel. As already in 3a are shown, the photonically generated charges in the cycle of the modulation frequency alternately on one or the other accumulation Ga, Gb or in the equivalent circuit diagram on one or other accumulation capacity Ga, Gb passed.

Auf einer zweiten Anschlussseite sind die Akkumulationskondensatoren Ga, Gb mit einem Versorgungspotenzial V₊ verbunden. Die zu den Akkumulationskondensatoren Ga, Gb gelangende Ladung q wird als Spannungssignal Ua, Ub über hochohmige Verstärker von einer Ausleseeinheit400 abgegriffen. Je nach Anwendungsfall kann das Spannungssignal der Akkumulationskondensatoren Ga, Gb als A- und B-Kanalsignal oder bereits als Differenzsignal für weitere Anwendungen zur Verfügung gestellt werden. Je nach Applikation besteht die Möglichkeit den A- oder B-Kanal einmalig oder mehrmalig auszulesen. Um eine Sättigung der Akkumulationskondensatoren Ga, Gb zu vermeiden, wird beispielsweise in Abhängigkeit der an den Akkumulationskondensatoren Ga, Gb anliegenden Spannung Ua, Ub oder gegebenenfalls auch nach einem bestimmten Zeitintervall oder anderen Kriterien die Akkumulationskondensatoren Ga, Gb über eine Resetschaltung RS1, RS2 mit der Versorgungsspannung V₊ kurzgeschlossen. Nach dem Öffnen der Reset-Schalter S1, S2 beginnt die Ladungs-Integration von neuem.On a second terminal side, the accumulation capacitors Ga, Gb are connected to a supply potential V₊ . The charge q reaching the accumulation capacitors Ga, Gb is output as a voltage signal Ua, Ub via high-impedance amplifiers from areadout unit 400 tapped. Depending on the application, the voltage signal of the accumulation capacitors Ga, Gb can be provided as A and B channel signal or even as a difference signal for other applications available. Depending on the application, it is possible to read out the A or B channel once or several times. In order to avoid saturation of the accumulation capacitors Ga, Gb, the accumulation capacitors Ga, Gb are switched on, for example, as a function of the voltage Ua, Ub applied to the accumulation capacitors Ga, Gb or possibly also after a certain time interval or other criteria via a reset circuit RS1, RS2 Supply voltage V₊ short-circuited. After opening the reset switch S1, S2, the charge integration begins again.

6 zeigt einen typischen Spannungsverlauf an den Akkumulationskondensatoren Ga, Gb im Wechsel der Integrationszeiten t_int und der Reset-Zeiten t_res. Wie bereits im Beispiel gemäß5 dargestellt, liegt beim Kurzschließen der Akkumulationskondensatoren Ga, Gb an den Spannungsabgriffstelle die positive Versorgungsspannung V₊ an. Nach dem Öffnen der Reset-Schalter RS1, RS2 beginnt die Integration t_int bzw. Akkumulation der Ladungen q an den jeweiligen Akkumulationskondensatoren Ga, Gb. 6 shows a typical voltage waveform on the accumulation capacitors Ga, Gb in the change of the integration times t_int and the reset times t_res. As already in the example according to 5 is shown, is at the short-circuiting of the accumulation capacitors Ga, Gb to the Spannungsabgriffstelle the positive supply voltage V₊ . After the opening of the reset switches RS1, RS2, the integration t_int or accumulation of the charges q begins at the respective accumulation capacitors Ga, Gb.

Im dargestellten Beispiel sind die Potentiale so gewählt, dass die Spannung Ua, Ub am Akkumulationskondensator Ga, Gb während der Integrationszeit t_int abnimmt. Die durchgezogene Linie zeigt einen Spannungsverlauf Ua am ersten Akkumulationskondensator Ga und mit gestrichelter Linie ist der Spannungsverlauf Ub für den zweiten Akkumulationskondensator Gb gezeigt. Die Differenz des Spannungssignals ΔUab, ist wie zuvor beschrieben, ein Maß für die Phasenverschiebung bzw. ein Maß für den Objektabstand.In the example shown, the potentials are selected such that the voltage Ua, Ub at the accumulation capacitor Ga, Gb decreases during the integration time t_int. The solid line shows a voltage curve Ua on the first accumulation capacitor Ga, and the dashed line shows the voltage curve Ub for the second accumulation capacitor Gb. The difference of the voltage signal ΔUab, as described above, is a measure of the phase shift or a measure of the object distance.

Je nach Anwendungsfall kann es vorgesehen sein, die Spannungsverlauf Ua, Ub einmalig oder auch mehrfach abzutasten. Bevorzugt wird die Akkumulation der Ladungsträger beendet, bevor das Akkumulationsgate Ga, Gb in Sättigung gerät. In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, einen Reset bei einem Überschreiten bzw. Unterschreiten einer bestimmten Spannungsschwelle einzuleiten.Depending on the application, it can be provided to sample the voltage curve Ua, Ub once or even several times. Preferably, the accumulation of the charge carriers is terminated before the accumulation gate Ga, Gb saturates. In a preferred embodiment, it is provided to initiate a reset when a certain voltage threshold is exceeded or undershot.

7 zeigt einen erfindungsgemäßen optischen Entfernungsmesser1 mit mindestens zwei PMD-Pixel P1, P2. Insbesondere aus sicherheitstechnischen Überlegungen kann es vorgesehen sein, die Entfernungsmessung über mindestens zwei Empfangs-Pixel redundant auszuführen und/oder zusätzlich zu einem Pixel zur Entfernungsbestimmung ein Referenzpixel vorzusehen. Unabhängig vom Einsatz der weiteren Empfangs- bzw. PMD-Pixel ist davon auszugehen, dass die verschiedenen Empfangspixel P1, P2 unterschiedliche Lichtströme empfangen, was dementsprechend zu einer unterschiedlichen Generierung von Ladungsträgern q und somit zu unterschiedlichen Spannungen Ua, Ub an den verschiedenen Akkumulationsgates Ga, Gb führt. 7 shows an optical rangefinder according to theinvention 1 with at least two PMD pixels P1, P2. In particular for safety reasons, provision may be made for carrying out the distance measurement redundantly via at least two receiving pixels and / or for providing a reference pixel in addition to a pixel for determining the distance. Independent of The use of the further receive or PMD pixels can be assumed that the different receiving pixels P1, P2 receive different luminous fluxes, which accordingly leads to a different generation of charge carriers q and thus to different voltages Ua, Ub at the different accumulation gates Ga, Gb ,

Im dargestellten Beispiel beaufschlagt ein Modulationstreiber300 in Abhängigkeit der vom Modulator30 aufgeprägten Modulationsfrequenz die Modulationsgates des A- und B-Kanals mit einem entsprechenden Modulationssignal MA, MB. Um die Empfangspixel P1, P2 zu synchronisieren, werden die Modulationsgates Ga, Gb aller Empfangspixel P1, P2 vom Modulationstreiber300 gemeinsam angesteuert.In the example shown, a modulation driver is applied 300 depending on themodulator 30 impressed modulation frequency, the modulation gates of the A and B channel with a corresponding modulation signal MA, MB. In order to synchronize the reception pixels P1, P2, the modulation gates Ga, Gb of all the reception pixels P1, P2 from themodulation driver 300 jointly controlled.

Es hat sich gezeigt, dass sich die Kapazität bzw. parasitäre Kapazität Cp der photosensitiven Modulationsgates Gam, Gbm in Abhängigkeit der an den Akkumulationsgates Ga, Gb anliegenden Ladung bzw. Spannung verändert. Die sich verändernden Kapazitäten wirken sich insbesondere auf die Phasenlage der Modulationsfrequenz aus. Der Effekt nimmt mit steigender Spannung Ua, Ub an den Akkumulationskondensatoren Ga, Gb zu, und macht sich besonders stark bemerkbar, wenn die Ladung bzw. Spannung Ua, Ub in den Sättigungsbereich gelangt.It has been found that the capacitance or parasitic capacitance Cp of the photosensitive modulation gates Gam, Gbm changes as a function of the charge or voltage applied to the accumulation gates Ga, Gb. The changing capacities have an effect, in particular, on the phase position of the modulation frequency. The effect increases with increasing voltage Ua, Ub to the accumulation capacitors Ga, Gb, and is particularly noticeable when the charge or voltage Ua, Ub reaches the saturation region.

Werden alle Empfangspixel P1, P2 mit ein und derselben Integrationszeit t_int betrieben, besteht die Gefahr, dass die Empfangspixel P1, P2 bzw. die Akkumulationsgates Ga, Gb zu unterschiedlichen Zeiten ihre Sättigung erreichen. Die sich bereits in Sättigung befindlichen Akkumulationsgates, wirken sich jedoch spürbar auf die aufgeprägte Modulationsfrequenz aus, so dass es zu einer leichten Phasenverschiebung des Modulationssignals kommt. Dies führt wiederum dazu, dass die noch messbereiten Modulationsgates Gam, Gbm eine ungenaue Phaseninformation erhalten und hierdurch die Genauigkeit der Entfernungsbestimmung ungünstig beeinflusst wird.If all reception pixels P1, P2 are operated with one and the same integration time t_int, there is a risk that the reception pixels P1, P2 or the accumulation gates Ga, Gb will reach their saturation at different times. However, the already in saturation accumulation gates, however, have a noticeable effect on the impressed modulation frequency, so that there is a slight phase shift of the modulation signal. This in turn means that the modulation gates Gam, Gbm which are still ready to measure receive inaccurate phase information and as a result the accuracy of the distance determination is adversely affected.

Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen auf eine einheitliche Integrationszeit zu verzichten und einen pixelindividuellen Reset durchzuführen. Der Reset ist vorzugsweise so gelegt, dass die maximal an einem Akkumulationsgate Ga, Gb anliegende Spannung Ua, Ub sich nur geringfügig als parasitäre Kapazität der Modulationsgates Gam, Gbm und somit auch auf die Modulationsfrequenz auswirkt. Durch dieses Vorgehen wird unabhängig von dem auf dem einzelnen Pixel auftreffenden Lichtstrom die Modulationsfrequenz für alle Modulationsgates Gam, Gbm phasenkonstant gehalten.According to the invention, it is therefore intended to dispense with a uniform integration time and perform a pixel-individual reset. The reset is preferably set in such a way that the maximum voltage Ua, Ub applied to an accumulation gate Ga, Gb has only a slight effect as a parasitic capacitance of the modulation gates Gam, Gbm and thus also on the modulation frequency. As a result of this procedure, regardless of the luminous flux incident on the individual pixel, the modulation frequency is kept constant in phase for all the modulation gates Gam, Gbm.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010

Sendeeinheittransmission unit

1212

BeleuchtungslichtquelleIllumination light source

1515

StrahlformungsoptikBeam shaping optics

2020

Empfangseinheit, TOF-KameraReceiving unit, TOF camera

2222

LichtlaufzeitsensorTransit Time Sensor

2525

Empfangsoptikreceiving optics

3030

Modulatormodulator

300300

Treiberdriver

4040

Objektobject

400400

Ausleseeinheitreadout unit

500500

Bauelementeträgercomponent support

Gam, G0, GbmGam, G0, Gbm

ModulationsphotogateModulation photogate

Ga, GbGa, Gb

Akkumulationsgate bzw. AkkumulationskondensatorAccumulation gate or accumulation capacitor

qq

Ladungencharges

qa, qbqa, qb

Ladungen am Akkumulationsgate Ga, GbCharges at the accumulation gate Ga, Gb

Ua, UbUa, Ub

Spannung am AkkumulationsgateVoltage at the accumulation gate

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

• EP 1777747[0002]EP 1777747[0002]
• US 6587186[0002]US 6587186[0002]
• DE 19704496[0002, 0020]DE 19704496[0002, 0020]
• DE 19704496 C2[0024]DE 19704496 C2[0024]

Claims (4)

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Optischer Entfernungsmesser, mit einem Lichtlaufzeitsensor (22), der mindestens zwei als Photomischdetektoren ausgebildeten Empfangspixel (P1, P2) aufweist, mit einer Beleuchtungslichtquelle (12) und mit einem Modulator (30) zur Bereitstellung einer Modulationsfrequenz, der mit dem Lichtlaufzeitsensor (22) und der Beleuchtungslichtquelle (12) verbunden, wobei ein Empfangspixel (P1, P2) einen photosensitiven Bereich (Gam, Gbm) und hiermit elektrisch verbundene Akkumulationsgates (Ga, Gb) aufweist, wobei parallel zu den Akkumulationsgates (Ga, Gb) eine Reset-Vorrichtung (RS1, RS2) zur zeitweisen Entladung der Akkumulationsgates (Ga, Gb) angeordnet ist,dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zur Ansteuerung der Reset-Vorrichtung (RS1, RS2) derart ausgestaltet ist, das ein Reset bzw. eine Entladung der Akkumulationsgates (Ga, Gb) bei Erreichen oder Überschreiten eines Grenzwertes, insbesondere einer Spannung (Ua, Ub) am Akkumulationsgate (Ga, Gb), eingeleitet wird, wobei dieser Reset für jedes Empfangspixel individuell und unabhängig von einander erfolgt.Optical rangefinder, with a light transit time sensor ( 22 ), which has at least two reception pixels (P1, P2) designed as photonic mixer detectors, with an illumination light source ( 12 ) and with a modulator ( 30 ) for providing a modulation frequency associated with the time of flight sensor ( 22 ) and the illumination light source ( 12 ), wherein a receiving pixel (P1, P2) has a photosensitive area (Gam, Gbm) and hereby electrically connected accumulation gates (Ga, Gb), wherein parallel to the accumulation gates (Ga, Gb) a reset device (RS1, RS2) for the temporary discharge of the accumulation gates (Ga, Gb) is arranged,characterized in that a means for controlling the reset device (RS1, RS2) is configured such that a reset or a discharge of the accumulation gates (Ga, Gb) upon reaching or exceeding a limit value, in particular a voltage (Ua, Ub) at the accumulation gate (Ga, Gb), is initiated, this reset is done individually and independently of each other for each receiving pixel.Optischer Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Grenzwert so festgelegt ist, dass eine Sättigung des Empfangspixels (P1, P2) nicht erreicht wird.An optical rangefinder according to any one of the preceding claims, wherein the threshold is set so that saturation of the receiving pixel (P1, P2) is not achieved.Optischer Entfernungsmesser nach Anspruch 1, bei dem eine Ausleseeinheit (400) mit den Akkumulationsgates (Ga, Gb) verbunden und derart ausgestaltet ist, dass eine an den Akkumulationsgates (Ga, Gb) anliegende Ladung bzw. eine korrespondierende elektrische Größe, insbesondere Spannung, mehrmals während einer Integrationszeit erfasst wird.An optical rangefinder according to claim 1, wherein a readout unit ( 400 ) is connected to the accumulation gates (Ga, Gb) and configured such that a charge applied to the accumulation gates (Ga, Gb) or a corresponding electrical quantity, in particular voltage, is detected several times during an integration time.Verfahren zum Betreiben eines optischen Entfernungsmessers mit einem Lichtlaufzeitsensor (22), der mindestens zwei als Photomischdetektoren ausgebildete Empfangspixel (P1, P2) aufweist, bei dem während einer Integrationszeit (t_int) Ladungen an Akkumulationsgates (Ga, Gb) gesammelt und über eine Ausleseeinheit (400) als elektrische Größe erfasst werden, wobei die Integrationszeit (t_int) durch Ansteuern einer Reset-Vorrichtung (RS1, RS2) beendet oder gestartet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reset bzw. eine Entladung der Akkumulationsgates (Ga, Gb) bei Erreichen oder Überschreiben eines Grenzwertes eingeleitet wird, wobei dieser Reset für jedes Empfangspixel individuell und unabhängig von einander erfolgt.Method for operating an optical rangefinder with a light transit time sensor ( 22 ), which has at least two reception pixels (P1, P2) designed as photonic mixer detectors, in which charges are accumulated on accumulation gates (Ga, Gb) during an integration time (t_int) and transmitted via a read-out unit ( 400 ) are detected as an electrical variable, wherein the integration time (t_int) by driving a reset device (RS1, RS2) is terminated or started, characterized in that a reset or a discharge of the accumulation gates (Ga, Gb) on reaching or overwriting a threshold is initiated, this reset for each receiving pixel is done individually and independently of each other.

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