距离测量系统技术方案

本发明专利技术涉及用于光学距离测量系统的PMD光传播时间传感器(22)，包括PMD光传播时间像素(21)的阵列，该光传播时间像素具有用于A通道和B通道(A、B)的二极管节点(G

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】距离测量系统


[0001]本专利技术涉及根据独立权利要求类型的距离测量系统。

技术介绍

[0002]距离测量系统涉及飞行时间相机系统，其根据发射和接收的辐射的相移来获得飞行时间信息或距离。例如DE19704496A1中所述的具有光子混频检测器(photonic mixing detector，PMD)的PMD相机特别适合作为飞行时间或3D
‑
TOF相机。
[0003]从DE102004037137A1中已知一种用于通过使用飞行时间像素进行距离测量的设备，其中，除了其他方面，提出了根据三角测量原理的布置方式。飞行时间像素并排布置成至少一行。根据由飞行时间像素检测到由对象反射的辐射，可以借助于三角测量计算来确定对象的距离。此外，该距离还可以经由发射和接收的光的飞行时间或相移来确定。
[0004]从DE102015223675A1中已知一种用于三角测量的飞行时间传感器，其中，接收有用光的飞行时间像素被切换到公共积分器，而没有接收有用信号的飞行时间像素被切换到丢弃节点。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是简化为三角测量系统设计的飞行时间光传感器的结构。
附图说明
[0006]下面参考附图基于示例性实施例更详细地解释本专利技术。
[0007]附图示意性地示出了：
[0008]图1：飞行时间相机系统；
[0009]图2：根据PMD原理的飞行时间像素；
[0010]图3：针对近范围和远范围的三角测量；
[0011]图4：根据图3的布置的顶视图；
[0012]图5：根据本专利技术的互连的传感器列；
[0013]图6：布置在开关矩阵下游的多个放大器；
[0014]图7：像素矩阵的细节；
[0015]图8：根据本专利技术的飞行时间像素的像素组合(binning)；以及
[0016]图9：开关矩阵的实施例。
具体实施方式
[0017]在以下对优选实施例的描述中，相同的附图标记表示相同或相当的部件。
[0018]图1示出了通过使用飞行时间相机进行光学距离测量的测量情况，例如从DE19704496中已知的。
[0019]飞行时间相机系统1包括：发射单元或照明模块10和接收单元或飞行时间相机20。
发射单元或照明模块10具有照明设备12和相关联的束成形光学器件15，接收单元或飞行时间相机20包括接收光学器件25和飞行时间传感器22。
[0020]飞行时间传感器22包括至少一个飞行时间像素21，优选地还是像素阵列，并且具体地被设计为PMD传感器。接收光学器件25通常由多个用于改善成像特性的光学元件构成。发射单元10的束成形光学器件15例如可以被配置为反射器或透镜光学器件。在非常简化的实施例中，还可以省去在接收侧与发射侧两者上的光学元件。
[0021]这种布置的测量原理大体上基于以下事实：从发射光和接收光的相移开始，可以确定接收光的飞行时间，并因此确定接收光行进的距离。为此，光源12和飞行时间传感器22经由调制器30共同地被提供具有基相位位置的特定调制信号M0。在所示的示例中，在调制器30与光源12之间还设置移相器35，借助于该移相器，光源12的调制信号M0的基相位可以按限定的相位位置移位。对于典型的相位测量，优选地使用相位位置270
°
。
[0022]根据设定的调制信号，光源12发射具有第一相位位置p1或的强度调制信号S
p1
。在所示的情况下，该信号S
p1
或电磁辐射被对象40反射，并且由于行进的距离而以对应相移以第二相位位置撞击飞行时间传感器22，作为接收信号S
p2
。
[0023]调制信号M0与在飞行时间传感器22中接收的信号S
p2
混合，其中，根据所得信号确定相移或对象距离d。
[0024]优选地，照明源或光源12由红外发光二极管实现。当然，也可以想到其它波长范围的其它辐射源。
[0025]图2示出了例如根据DE19704496C2中已知的光混频检测器的飞行时间像素的横截面。调制光电栅极G
am
、G0、G
bm
形成PMD像素的光敏区域。根据施加到调制栅极G
am
、G0、G
bm
的电压，将光生电荷q引导到一个或另一累积栅极或积分/二极管节点G
a
、G
b
。
[0026]在调制栅极的设计中，如果需要，可以省略中心调制栅极G0。替代性地，这种飞行时间像素也可以被设计为没有调制栅极，例如EP1332594A1所示和所述的。
[0027]图2b示出了电位曲线，其中，电荷q在第一积分节点G
a
的方向上流动，而根据图2c的电位允许电荷q在第二积分节点G
b
的方向上流动。电位根据所提供的调制信号来指定。根据应用，调制频率优选在1MHz到500MHz的范围内或甚至更高。例如，1MHz的调制频率产生一微秒的时间周期，使得调制电位每500纳秒相应地改变。
[0028]图2a还示出了读出单元400，其可能已经是CMOS或接收元件22形式的PMD飞行时间传感器的部件。形成为电容器或二极管的积分节点G
a
、G
b
在多个调制周期内积分光生电荷。以已知的方式，然后在栅极G
a
、G
b
处提供的电压可以例如经由读出单元400以高阻抗分接(tap)。在此，第一积分节点G
a
和第二积分节点G
b
的互连和评估形成所谓的A通道和B通道。
[0029]图3示出了三角测量布置方式，其中，飞行时间传感器22由飞行时间像素21行构成。照明设备10发射单个调制光束，该调制光束优选直径为几μm。当从对象反射时，光束根据对象的距离撞击到对应的飞行时间像素21上。如果透镜15的焦距固定并且焦点在无限远处，则从远处对象反射的光束被清晰地成像为点状(实线)，并且从近处对象反射的光束被模糊地成像(虚线)。
[0030]通过使用检测到光束的位置或飞行时间像素，可以确定对象的距离，如从三角测量中已知的。除了位置的几何计算之外，相应的飞行时间像素21还提供飞行时间，并因此提供第二距离值。
[0031]图4以平面图示出了根据图3的布置方式。光斑的面积根据从远处对象到近处对象的距离而增加。
[0032]尤其在安全应用中，这些多样化且冗余地获得的距离值可以被单独地处理，其中，仅在距离值的偏差在预定的容许极限内时才输出距离值作为有效值。特别地，距离值也可以经由单独的评估单元独立地评估，使得在评估路径中存在额外的冗余。
[0033]像素组合是一种已知用于2D和3D图像传感器的技术，以便以分辨率为代价来提高信噪比。在该过程中，均匀隔开的像素被组合成单个像素，并且它们的信号值在模拟域中被加在一起或者在转换到数字域之后被平均。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于光学距离测量系统的PMD飞行时间传感器(22)，包括：PMD飞行时间像素(21)阵列，其中，所述飞行时间像素包括用于A通道和B通道(A、B)的二极管节点(G
a
、G
b
)，并且能够经由第一开关(S1)连接到相关联的列线(cola、colb)并经由第二开关(S2)连接到复位电位(vreset)；多个移位寄存器，其被构建和连接到所述像素，使得从寄存器项中的各个寄存器(FF)开始，所述两个开关(S1、S2)能够被交替地切换，其中，多个列或行被至少部分地分配给移位寄存器；还包括：开关矩阵(80)，其被配置为使得所述列线(cola、colb)能够被切换到多个放大器(100)中的...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔，
申请(专利权)人：PMD技术股份公司，
类型：发明
国别省市：