用于测量到对象的距离的光电传感器和方法技术

本申请涉及用于测量到对象的距离的光电传感器和方法。提出测量到监测区域中的对象的距离的光电传感器，具有：光发射器，用于将单光脉冲发射到监测区域中；光接收器，具有在盖革模式下操作的至少一个雪崩光电二极管，用于接收从对象反射或漫反射的单光脉冲；单光飞行时间测量单元，用于确定作为相应的单光脉冲的发送时刻和其在雪崩光电二极管上的接收时刻之间的持续时间的单光脉冲的单光飞行时间；以及评估单元，被构造用于，根据多个单光飞行时间确定距离的共同测量值并估计在时间间隔中因背景事件预期有多少单光飞行时间，其中假定背景事件有呈指数下降的频率，且从其中有比预期显著更多的单光飞行时间的时间间隔中确定共同测量值。

【技术实现步骤摘要】
用于测量到对象的距离的光电传感器和方法本专利技术分别涉及根据权利要求1或14的前序部分所述的用于测量到监测区域中的对象的距离的光电传感器和方法。在测量距离的光电传感器中，除了单纯的对象检测之外，还确定到对象的距离。当传感器具有空间分辨率时，借助距离信息也会检测到三维图像或所谓的深度图。为此，扫描仪通过光束扫描监测区域，而3D相机也为其每个像素不是确定亮度信息而是确定距离信息或者除了亮度信息之外也确定距离信息。同时，像素也可以分别具有多个光敏元件，这些光敏元件共同对距离值做出贡献。常见的用于距离测量的方法是光飞行时间测量。在这种情况下，发射短的光脉冲并测量直到接收到光脉冲的漫反射(Remission)或反射的时间。为了相对干扰事件和噪音影响获得较高的鲁棒性，例如从DE102007013714A1中已知，依次发射多个单光脉冲，将随后产生的接收信号集中在直方图中，然后共同进行评估，例如通过寻找直方图中的最大值，从该最大值推导出接收时刻。这种直方图评估需要许多存储空间，因为测量区域中预期的总的光飞行时间被划分成箱子(Bins)，这些箱子的宽度至少接近期望的测量分辨率。如果距离测量将像3D相机中那样是有空间分辨率的，则该存储空间需求还会随着像素数量成比例增减，或者检测时间会因顺序地处理像素而大大增加以避免存储空间需求增加。特别地，这对发展诸如ASIC(专用集成电路)形式的低成本的集成评估模块是有阻碍的。大量的存储单元在所阐述的通过直方图的计数过程中是区域决定的并且也是速度限制的。简单的光电二极管的检测灵敏度在许多应用中是不够的。在雪崩光电二极管(APD，AvalanchePhotoDiode)中，入射光触发受控的雪崩击穿(雪崩效应)。因此，由入射光子产生的载流子成倍增加，并产生光电流，该光电流与光接收强度成比例，但比在简单的PIN二极管中的大得多。在所谓的盖革模式(Geiger-Modus)中，雪崩光电二极管被偏压(vorspannen)到击穿电压以上，使得即使由单光子释放的唯一一个载流子也可以触发雪崩，该雪崩然后由于场强高而招来所有可用的载流子。因此，雪崩光电二极管如所命名的盖革计数器一样计数单一事件。盖革模式下的雪崩光电二极管也被称为SPAD(单光子雪崩二极管)。SPAD的高灵敏度也随之带来了缺点，因为在极限情况下，即使是单个干扰的光子或内部噪声事件也会提供如明显的有效信号一样的信号。此外，SPAD随后在一定的死区时间内不能响应，其中该死区时间在光飞行时间测量的短的时间尺度上实际上意味着，SPAD随后又在测量重复时才可用。用于光飞行时间测量的常规方法不考虑SPAD的这些特点。因此，虽然它们可以转移到SPAD光接收器上，但在此，通过SPAD的改善潜力仍未被使用。因此，本专利技术的任务在于，改进使用SPAD光接收器进行的光飞行时间测量。该任务通过根据权利要求1或14所述的用于测量到监测区域中的对象的距离的光电传感器和方法得以解决。使用光发射器发射单光脉冲，该单光脉冲在对象上反射或漫反射后在光接收器中被再次接收，并确定单光飞行时间。光接收器具有在盖革模式下操作的至少一个雪崩光电二极管或SPAD。为了获得可靠的距离测量值，测量多个单光飞行时间，并由此确定共同测量值。通过时间和/或地点获得统计数据，即通过使用多个连续的单光脉冲重复测量或通过具有在盖革模式下的多个雪崩光电二极管的光接收器，来获得统计数据。本专利技术基于这一基本思想，即在区分测量事件和背景事件时考虑SPAD的特别的统计行为。在这种情况下，测量事件是由单光脉冲的光子引起的，而背景事件是雪崩的所有其他触发者，诸如暗噪声或外来光接收。在估计有多少单光飞行时间因背景事件而落入时间间隔中时，假定仍然可用的雪崩光电二极管呈指数下降。然后，剩余的雪崩光电二极管处于其死区时间中，雪崩光电二极管在该死区时间中还未充分从雪崩中恢复过来。为共同测量值所寻求的接收时刻位于具有比预期因背景事件引起的显著更多的单光飞行时间的时间间隔内。从而，首先使用对应于时间间隔的宽度的测量分辨率来确定共同测量值。在其它的评估步骤中可以细化测量分辨率。本专利技术的优点在于，非常精确且与实际的外来光条件相协调地找到寻求的测量事件所位于的时间间隔。通常情况下，为此引入了静态阈值，该阈值相应地保守设置并因此导致灵敏度和射程宽度(Reichweite)有显著损失。测量的鲁棒性不仅针对外来光有所提高，而且对在传感器的生产和操作中遭受其它波动的传感器属性(诸如孔径、光发射器的强度)有所提高，从而对单光脉冲等有所提高。因此，开关型传感器对故障切换的倾向性降低。如果多个依次布置的半透明的对象(诸如，玻璃板后面的对象)的距离大于所考虑的时间间隔，则可以将这些对象分辨出。也防止了当前景中的对象的光子和位于其后面的对象的光子落在光接收器时，距离值在有多个半透明或多个部分照明的对象的情况下，诸如在对象的边缘处失真。此外，例如在ASIC中简化积分，并在那里占用更少的空间。除了明显降低的存储要求外，还可以依次确定并因此有效且准确地确定用于表征背景和接收时刻的基本参数。优选地，评估单元被构造用于将发射单光脉冲之后的测量周期划分为多个时间间隔。这些时间间隔可以被理解成直方图的箱子(Bin)。优选地，这些箱子长度均等，以便简化模型化和计算。根据本专利技术，找出测量事件必须位于其中的时间间隔，因为在那里有比基于背景事件在统计上所预期的显著更多的单光飞行时间。在半透明的对象或箱子边缘处的测量事件的情况下，也可以给出多个这样的时间间隔。时间间隔的持续时间或箱子宽度是能够在测量准确和成本之间找到平衡的参数。除了存储和计算成本外，还要考虑用于传输单光飞行时间以进一步评估所需的带宽。根据本专利技术的方法可以在这种传输之前使用，然后根据箱子宽度的设置实现大幅度的数据压缩。如已经提到的，可以在下游更准确地在所找到的时间间隔内确定接收时刻。通过快速找到相关区域，在同等的总计算能力下，提供了更多时间用于这种下游的细化评估，从而可以实现非常良好的整体性能。可替代地，在快速评估时会有非常高的测量速率。优选地，评估单元被构造用于使用伯努利模型来估计单光飞行时间在时间间隔中的预期数量，其中给出了时间间隔中可能的单光飞行时间的最大数量和单光飞行时间由于背景事件而位于时间间隔内的背景概率。根据所考虑的关于发送时刻的时间间隔的开始，一定比例的雪崩光电二极管不再可用。在该时间间隔内，剩余的雪崩光电二极管有一定的概率仅因背景事件而激活。总共仍然可用的雪崩光电二极管和所提到的概率是伯努利模型的参数。预期值可以直接计算为其乘积。因此，根据伯努利模型，由于时间间隔中的背景事件预计会有很多单光飞行时间。优选地，评估单元被构造用于根据伯努利模型计算标准偏差并从而评估时间间隔中是否有比预期显著更多的单光飞行时间。为了避免根计算，也可以使用方差来处理，该方差在这种背景下被理解成与标准偏差同义。使用上段中提到的两个参数可以非常简单地计算标准偏差。从中也可以得出与预期的显著偏差为标准偏差的多倍的鲁棒性标准。该标准动态且局部地适应于时间间隔，因此可以实现特别敏感且同时有鲁棒性的测量。优选地，评估单元被构造用于通过将在时间间隔中所测量的单光飞行时间的数量与根据伯努利模型预期的时间间隔中的单光飞行时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量到监测区域(12)中的对象的距离的光电传感器(10)，所述光电传感器具有：光发射器(20)，其用于将单光脉冲(22)发射到所述监测区域(12)中；光接收器(26)，其具有在盖革模式下操作的至少一个雪崩光电二极管，用于接收从对象反射或漫反射的单光脉冲(24)；单光飞行时间测量单元(28)，其用于确定作为相应的单光脉冲(22)的发送时刻和该相应的单光脉冲在雪崩光电二极管上的接收时刻之间的持续时间的单光脉冲(22，24)的单光飞行时间；以及评估单元(30，32)，所述评估单元被构造用于，根据多个单光飞行时间确定所述距离的共同测量值，其特征在于，所述评估单元(30，32)还被构造用于估计在时间间隔中因背景事件预期有多少单光飞行时间，其中，假定背景事件有呈指数下降的频率，并且从其中有比预期显著更多的单光飞行时间的时间间隔中确定所述共同测量值。

【技术特征摘要】
2017.06.21 DE 102017113675.41.一种用于测量到监测区域(12)中的对象的距离的光电传感器(10)，所述光电传感器具有：光发射器(20)，其用于将单光脉冲(22)发射到所述监测区域(12)中；光接收器(26)，其具有在盖革模式下操作的至少一个雪崩光电二极管，用于接收从对象反射或漫反射的单光脉冲(24)；单光飞行时间测量单元(28)，其用于确定作为相应的单光脉冲(22)的发送时刻和该相应的单光脉冲在雪崩光电二极管上的接收时刻之间的持续时间的单光脉冲(22，24)的单光飞行时间；以及评估单元(30，32)，所述评估单元被构造用于，根据多个单光飞行时间确定所述距离的共同测量值，其特征在于，所述评估单元(30，32)还被构造用于估计在时间间隔中因背景事件预期有多少单光飞行时间，其中，假定背景事件有呈指数下降的频率，并且从其中有比预期显著更多的单光飞行时间的时间间隔中确定所述共同测量值。2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中，所述评估单元(30，32)被构造用于，将在发射单光脉冲(22)之后的测量周期划分成多个时间间隔。3.根据权利要求1或2所述的传感器(10)，其中，所述评估单元(30，32)被构造用于，使用伯努利模型估计时间间隔中预期的单光飞行时间的数量，在所述伯努利模型中引入了所述时间间隔中可能的单光飞行时间的最大数量和单光飞行时间由于背景事件而位于所述时间间隔中的背景概率。4.根据权利要求3所述的传感器(10)，其中，所述评估单元(30，32)被构造用于，根据所述伯努利模型计算标准偏差并从而评估时间间隔中是否有比预期显著更多的单光飞行时间。5.根据权利要求3所述传感器(10)，其中，所述评估单元(30，32)被构造用于，通过将在时间间隔中所测量的单光飞行时间的数量与根据所述伯努利模型预期的在时间间隔中的单光飞行时间的数量进行比较来评估时间间隔中是否有比预期显著更多的单光飞行时间。6.根据权利要求4或5所述的传感器(10)，其中，当在时间间隔中至此为止还未确定比相对情况显著更多的单光飞行时间，并且现在将确定比相对情况显著更多的单光飞行时间时，所述评估具有要求更强的显著性的滞后。7.根据前述权利要求中任一项所...

【专利技术属性】
技术研发人员：马丁·科尔，斯蒂芬·金茨勒，凯·瓦斯劳斯基，乌尔里希·泽沃菲尔，克里斯托弗·蒂尔，
申请(专利权)人：西克股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE