WO2005052633A1 - Abstandssensor und verfahren zur abstandserfassung - Google Patents

Abstandssensor und verfahren zur abstandserfassung Download PDF

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WO2005052633A1
WO2005052633A1 PCT/EP2003/012007 EP0312007W WO2005052633A1 WO 2005052633 A1 WO2005052633 A1 WO 2005052633A1 EP 0312007 W EP0312007 W EP 0312007W WO 2005052633 A1 WO2005052633 A1 WO 2005052633A1
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electromagnetic radiation
distance sensor
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Olaf Schrey
Werner Brockherde
Bedrich Hosticka
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    • G01S7/4863—Detector arrays, e.g. charge-transfer gates

Definitions

  • the present invention relates to distance measurements in general and in particular to a distance measurement as can be used in 3D cameras.
  • Image-capturing sensors offer the possibility of non-tactile detection of depth. This can be done, for example, with the help of extremely short shutter times for near-infrared (NIR) light pulse transit time measurement.
  • NIR near-infrared
  • CMOS cameras with active NIR illumination are already possible, which capture three-dimensional object information using pulsed electromagnetic radiation. By recording with a short exposure, three-dimensional distance images of the recorded object are generated.
  • An example of such a 3D sensor is described in DE 19757595 AI.
  • An optoelectronic CMOS sensor 902 is used, the pixel of which can be read out at will and the integration time of which can be set pixel by pixel.
  • An optic 904 images the object 906 to be measured on the sensor 902.
  • the object 906 is illuminated by a pulsed light source 908 with one or more very short light pulses 910, whereupon light pulses of the same length are scattered back by the object 906. These backscattered light pulses are directed to the CMOS sensor 902 via the optics 904.
  • the back-scattered light pulses corresponding to these object points will arrive at the sensor at different times.
  • Time Ess- or exposure window opened, which corresponds to a predetermined integration time. Blasting times and integration times are controlled and synchronized by a control device 912.
  • the first backscattered light pulse incident in the sensor 902 will be more or less completely absorbed if the integration time coincides with the emission time.
  • the light pulses arriving with a time delay due to the greater distance of the object point from the sensor 902 are not completely recorded, but are cut off at the rear.
  • the different run times and thus the distances of the respective pixel from its object point can be determined on the basis of the different charges that are collected in the individual pixels of the sensor 902 during the integration time.
  • a three-dimensional distance image can be calculated from this for the control or evaluation device 912.
  • the measuring system shown in FIG. 6 consequently combines extremely short shutter times with light pulse transit time methods.
  • CMOS camera With the aid of a CMOS camera according to FIG. 9, not only cameras with intelligent pixels can be realized which, in addition to the standard image recording, can also determine the presence of people on the basis of movements or can even track them as part of tracking, but they also offer the possibility of optical depth measurement on the
  • 3D CMOS cameras can be implemented that are able to combine 2D and 3D image recordings.
  • the process of 3D distance measurement using CMOS image sensors enables the user in particular to be able to process three-dimensional image scenes electronically in real time. This results in an abundance of application areas.
  • three-dimensional inspection and placement or placement systems are for reliable object detection and classification to as many as possible Image information instructed.
  • the 3D distance measurement could take over monitoring tasks, such as B. Vehicle interior detection with intelligent airbag deployment, anti-theft device, lane detection and early accident detection.
  • the 3D distance measurement could also very easily be used for topography measurement, as shown in FIG. 6, or for person recognition or as a presence sensor system.
  • the camera system for example, has to solve the task of releasing the airbag with delayed strength depending on the distance of the passenger. With 3D CMOS image sensors this is easily possible. Industry therefore has a great demand for such intelligent systems, which in turn means a considerable market potential for 3D cameras.
  • the light intensity curve at the light source 908 and at two exemplary pixels of the sensor 902 is shown in FIG. 10 in three superimposed graphs, the x-axis of which represents the time axis and are aligned with one another, and the y of which -Axis indicates the intensity of the pulsed reflected light at the location of the pixels in arbitrary units or the presence of the same.
  • the top graph shows two successive emitted light pulses 920 and 922.
  • an integration or exposure window is opened in the pixels of the sensor 902 simultaneously with the radiation and in the same time period, in that in the same generated photocurrent is accumulated as indicated by dashed lines in the lower two graphs 924 and 926, the middle graph showing the received light at one pixel 1 and the lower graph showing the received light at another pixel 2.
  • the two reflected light pulses 928 and 930 can be seen, which result at pixel 1 in response to the pulses 920 and 922.
  • the reflected light pulses 932 and 934 which result at the other pixel 2 have only reached the sensor 902 after a larger transit time difference t D2 than the transit time t D ⁇ at the first pixel 1.
  • the different Overlap of the reflected light pulse at the respective pixel with the exposure windows 924 and 926 leads to differently accumulated charges on the pixels, which are read out at the end of each exposure window 924 and 926, respectively.
  • the charge quantities Q1 (pulse 1) and Q ⁇ (pulse 2) on the pixel 1 are larger than the charge quantities Q 2 (pulse 1) and Q 2 (pulse 2) on the pixel 2.
  • a reset or reset of the corresponding pixel takes place, in which the charge of the corresponding pixel is preset to a reference value, or in which the capacitor associated with the photodiode of the pixel is charged to a predetermined value.
  • the distances Qi and Q 2 which correspond to the charge carriers generated due to the reflected light pulses, should be able to determine the distances of the corresponding object point, which is imaged on the respective pixel , since the amount of charge Q depends essentially linearly on the transit time delay t D ⁇ or t D2 and this in turn depends on the distance R below 2R / v c , where v c denotes the speed of light propagation in the propagation medium and approximately corresponds to the speed of light c in air, so that applies: Q oc 2R / v c
  • a disadvantage of the measuring system shown above is that it does not work with sufficient reliability in all areas of application. Particularly in the above-mentioned intelligent airbag deployment and in lane recognition, the distance system has to meet high reliability requirements. A non-triggering of the Air bags would have fatal consequences, as would a malfunction in lane recognition. 3D CM0S distance measuring systems shown above, for example, only fulfill the required reliability criteria with great effort because they are susceptible to fog or rain situations and therefore cannot reliably determine the distance to the vehicle in front.
  • 3D CMOS distance measuring systems shown above which typically work with laser light that is visible or effective in the human eye with a wavelength of approximately 900 nm, would require a much higher pulse power in the case of motor vehicle external surveillance in order to be able to reliably determine the distance from what is Prohibited for reasons of eye safety.
  • the requirements for eye safety represent a technical hurdle.
  • DE 19927694 Cl proposes to detect light-weak objects to receive radiation in a layer sequence of metallic photocathode, vacuum area, multi-channel plate, vacuum area and conductive pixel surface layer structured in pixel areas.
  • a second conductive layer is provided insulated from the first insulated layer in order to occupy the spaces of the first layer in a lateral extent.
  • a semiconductor element located below the layer sequence with the semiconductor structures located therein is protected from the photoelectrons, which are released from the photocathode by means of a photoelectric effect and accelerated onto the pixel layer.
  • the object of the present invention is to provide a distance sensor and a method for distance detection, so that more varied possible uses increased reliability and / or accuracy.
  • the knowledge of the present invention consists in the fact that an indirect detection of the reflected radiation pulses during the distance measurement by means of the photo effect enables the usability of the distance sensor or the distance measuring method to be significantly expanded, the adaptation to a new application area requiring only minor design changes.
  • the outer photo-effect enables radiation over a large one to make spectral range detectable. If interference occurs in a specific wavelength range in a specific application area, the working wavelength range of the distance sensor system can initially be set to a different spectral range in a simple manner by using one for the radiation source which has a spectrum outside the spectral range provided with interference Area.
  • the outer photo effect basically enables a large spectral detection range
  • the pulse widths can be kept smaller in the distance measurement, since the amount of electromagnetic radiation reflected by the object point leads to more detectable electrons per unit of time. In this way, the signal-to-noise ratio between useful radiation and background radiation on the one hand and the signal-to-noise ratio for noise from the sensor or system electronics can be increased. Overall, this makes it possible to carry out distance measurements even in fields of application which require greater accuracy than is ensured by CMOS photodiode-based distance sensors.
  • the intermediate step in the detection of the reflected electromagnetic radiation via the external photo effect when a plurality of distance sensors according to the invention is combined to form an array of distance sensors enables a higher resolution to be achieved, as a result of which high-resolution 3D cameras can be obtained.
  • the reason for this is that the photoelectrons emitted can be captured in a simple manner by a counterelectrode array arrangement which can be structured easily and very precisely, which together with the photoelectrode acts as a capacitor for storing the emitted photoelectrons and for accelerating the emitted photoelectrons by applying an acceleration voltage between the photoelectrode and Counter electrode is used.
  • the possibility of being able to adjust the working wave range also makes it possible, in particular, to use distance sensors even in areas of application beyond the FIR. This makes it possible, even in areas of application where, due to the risk to the human eye, over one large spectral (visible) range there is a limitation of the maximum permissible values for the intensity of the radiation used for irradiation, to achieve an improved signal / noise ratio by moving the spectral working range from the visible spectral range, since the radiation intensity can then be increased ,
  • Figure 1 is a schematic drawing of a distance sensor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of the detection device of the distance sensor from FIG. 1;
  • FIG. 3 shows exemplary signal profiles which, in the sensor arrangement of FIG. 1, using the detection device of FIG. 2, according to an exemplary embodiment, for a measurement sequence with background fundamental radiation correction and reflectance correction occur;
  • FIG. 4 shows a schematic sectional view with control electronics of a detection device for the distance sensor from FIG. 1 according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 5 shows exemplary time profiles that occur in the distance sensor from FIG. 1 using the detection device from FIG. 4 in accordance with an exemplary embodiment for a measurement cycle with background radiation correction and reflectance correction;
  • FIG. 6 shows a schematic sectional view of a detection device for the distance sensor from FIG. 1 according to a further exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 7 shows a schematic view of the distance sensor from FIG. 1 when used for airbag deployment according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 8 shows a schematic view of the sensor from FIG. 1 when used for distance control in motor vehicles according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 10 shows time courses, which illustrate the presence of light at the light source and two different pixels of the pixel sensor, Realization of the measurement principle of FIG. 9 with a conventional CMOS sensor.
  • the 3D distance sensor is generally indicated at 10.
  • the distance sensor comprises a radiation source 12 for electromagnetic radiation, radiation optics 14 for expanding a beam 16 from the radiation source 12 in order to become a widened light beam 18 on an object 20, reception optics 22 for imaging the area 24 irradiated by the radiation source 16 of the object 20 on a light-sensitive detection plane of a pixel detection device 26, which is also included in the distance sensor 10.
  • the radiation source 12 could be any radiation source, such as an LED or a laser.
  • the radiation source 12 is a laser which emits light in a spectral range from 800 nm to 3 ⁇ m, preferably from 2 ⁇ m to 3 ⁇ m, in order to make the distance sensor 10 particularly suitable for use in which the human eye must not be endangered, such as when the airbag is triggered, or where the distance measurement causes disturbing absorption or low reflectivity in the visible area, such as in lane detection, vehicle distance detection, video endoscopy in bloodstream or the like.
  • the radiation optics 14 can be any optics and can have, for example, a beam-expanding negative lens.
  • the optics 14 can also have a radiation-narrowing positive lens.
  • the material of the optics 14 should be adapted to the spectrum of the radiation source 12.
  • the radiation optics 14 can be refractive optics.
  • the distance sensor 10 can of course be used for all objects and the respective object 20 depends on the respective field of application of the distance sensor 10, properties of the object 20 nevertheless influence the signal detected by the detection device 26.
  • the object 20 can, for example, have an object surface that acts as a lamina emitter, that is to say that it reflects perpendicularly incident radiation in such a way that it appears equally bright when viewed from all sides, or the intensity I 0 times cos in all radiation directions ⁇ to the surface normal a. radiates with Io of the vertically incident intensity. The influencing of these object properties on the measurement is discussed in more detail below.
  • the detection optics 22 can be set to a fixed focal length or have a variable focal length or can be designed as a telephoto lens.
  • the detection optics 22 thus images individual object points 20a, 20b and 20c on the surface of the object 20 on image points in the image plane, which forms the effective detection surface of the detection device 26.
  • the imaged area and the irradiated area 24 on the object 20 preferably overlap substantially completely.
  • the detection device 26 receives reflected electromagnetic radiation pulses 28, which are reflected or scattered back from the surface of the object 20 upon irradiation thereof with radiation pulses 30 from the radiation source 12 become.
  • the laser 12 emits the laser pulses 30 in irradiation time windows, and the detection device 26 detects the amount of incident light radiation in detection time windows that are synchronized with the irradiation time windows.
  • the irradiation and acquisition time windows are of equal length and without a time offset from one another.
  • the reflected light pulses 28 overlap less with the detection time windows and thus lead to a smaller amount of light detected at pixels of the detection device 26 onto which the respective object point is imaged.
  • the time t LaU f shifts to the left or right along the time axis t.
  • the delay time increases and the point t LaU f shifts to the right.
  • the detection device 26 comprises an input window 50, such as made of glass, a photo attached to the underside 52 of the input window 50, for example by vapor deposition.
  • cathode 54 a housing 56, such as made of ceramic, which together with the input window 50 acting as a cover forms an airtight vacuum chamber 58 inside, and a semiconductor structure 60 implemented, for example, in CMOS technology, which the photocathode 54 via the vacuum chamber 58 is attached opposite to a bottom inside 62 of the housing 56 opposite the bottom and inside 52 of the input window 50.
  • the reflected laser light 28, ie the useful signal, and background light 66 now fall through the input window 50 onto the photocathode 54 on the inside 52.
  • the external photoeffect removes photoelectrons 68 from the photocathode material or emits them from the photocathode material.
  • photons of the incident light 28, 66 release all or part of their energy to electrons in the photocathode 54, which then exit the photocathode material when their energy exceeds a predetermined material-specific release energy.
  • an acceleration voltage is present in the acquisition time windows between the photocathode 54 on the one hand and an array of counter electrodes, which correspond to the individual pixels of the acquisition device 26, on the other side, so that the triggered photoelectrons 68 are accelerated in the acquisition time windows by an essentially homogeneous electric field in the vacuum chamber 58 to the semiconductor structure 60 or the counterelectrodes and thereby cross the vacuum chamber 58 to the semiconductor structure 60.
  • Electrons are captured pixel-resolved and converted into a further processable signal, as will be discussed in more detail with reference to FIG. 1.
  • an array of counter electrodes is formed, which together with the photocathode 54 each form a capacitance.
  • a pair of photocathodes / counterelectrodes represents a pixel from an array of pixels.
  • FIG. 1 on the right represents a pixel of the detection device 26 together with the associated control electronics, the pixel being indicated by 100.
  • FIG. 1 shows the photocathode 54, which is common to all pixels, the counterelectrode 102 specifically assigned to the pixel 100, and exemplary photoelectrons 68, which extend the vacuum chamber 58 from the photocathode 54 to the counterelectrode 102, both of which are located opposite one another via the vacuum chamber 58 , cross.
  • the transistor Q1 is connected with its source / drain path between a voltage potential V reset and the counter electrode, which is, for example, a metal electrode.
  • a signal reset is present at the control connection of the transistor Q1.
  • the counter electrode 102 is also connected to a control terminal of the transistor Q2, which is connected as a source follower.
  • the transistor Q2 connected as a source follower is connected with its source / drain path in series with a source / drain path of the transistor Q3 between a voltage supply V DD and a signal output 104 of the pixel 100, the transistor Q3 with the Output 104 is connected.
  • a control connection of the transistor Q3 is controlled by a signal select.
  • a switch 106 which, controlled by a signal shutter, sets the photocathode either to ground or to a reference potential or to the potential V reset , which relates to the reference potential or ground and is generated by a DC voltage source 108 which is connected between one of the two switch connections of the switch 106 and ground.
  • the pixel-specific control signals reset and select and the control signal shutter common to all pixels are output by a control device, which is indicated at 110 in FIG. 1. 1 also shows that the counter electrode 102 of the pixel 100 forms a capacitance C D together with the photocathode 54 and that the output signal at the output 104 of the pixel 100 is referred to below as U s i gna ⁇ .
  • the transistor Q1 is provided in order to charge the counter electrode 102 positively immediately before the start of a detection time window by placing the counter electrode 102 at the potential V reset while the switch is on 106 the photocathode is grounded, which settings the control device 110 achieves by suitably setting the control signals shutter and the pixel-specific control signal reset. This forms an acceleration voltage across electrodes 54, 102.
  • the transistor Q1 then separates the counterelectrode 102 from the potential V reS et. The acceleration voltage dropping at this time via the capacitance C D then decreases during the detection time window on account of the photoelectrons 68 impinging on the metal electrode 102.
  • the photocathode 54 is set to the potential V rese t by the switch 106, the voltage now present via the capacitance C D photoelectrons 68 counteracting an impact on the counterelectrode 102 and moreover being a measure of the amount of light, that has fallen on the area of the photocathode 54 corresponding to the pixel 100 during the acquisition time window.
  • the residual voltage, designated U ⁇ , 2 in FIG. 1 is then read out via the transistors Q2 and Q3 and processed by an evaluation unit, which is not shown in FIG. 1, but whose mode of operation is still described with reference to FIG. 3 becomes.
  • the distance sensor 10 detects the distance d by means of four different, successive detection cycles, which are determined in the duration of the detection time window or the integration time and with regard to the on or off state of the laser 12.
  • FIG. 3 shows the four cycles, hereinafter referred to more precisely as sub-cycles.
  • FIG. 3 shows the time profiles of different signals that occur in the distance sensor 10 during these four sub-cycles.
  • the time profiles are shown one below the other in six time diagrams, in which the x-axis of time t in arbitrary units.
  • the time axes of all six time diagrams show the same time segment, ie they are aligned with each other.
  • the four consecutive sub-cycles mentioned are indicated with curly brackets, which are designated I A , I B , II A and II B in the order in which they occurred.
  • I A , I B , II A and II B are designated I A , I B , II A and II B in the order in which they occurred.
  • the first two sub-cycles I A and I B are also sometimes referred to collectively below as measuring cycle I, which here takes approximately 20-200 nsec by way of example, while the two subsequent sub-cycles II A and II B are collectively referred to as measuring cycle II, which in this example lasts approximately as long, namely 20-200 nsec.
  • An upper one of the six time diagrams which is indicated at 150, shows the time profile of the radiation flow of the light output emitted by the laser 12, the light output being plotted in arbitrary units along the y axis.
  • the laser 12 is switched on and off in a pulsed manner.
  • the pulse durations are t P.
  • the light output during the irradiation time window is set in such a way that it leads to an irradiance E 0 in the irradiated area 24 of the object 20.
  • the laser is off outside the light pulses.
  • Three laser pulses 152 and 154 are contained in the time segment recorded in FIG. 3.
  • Laser pulse 152 is contained in subcycle I A
  • laser pulse 154 is included in subcycle II A.
  • No laser pulse is output in sub-cycles I B and II B. Measuring cycles I and II and thus also laser pulses 152 and 154 are repeated cyclically with a predetermined repetition period.
  • the emitted laser pulses 152 and 154 from FIG. 3, which are indicated by 30 in FIG. 1, strike the surface of the object 20 and are reflected again from there and arrive after a running time period t Lauf 2 • d / c L i Cht to the detection device 26.
  • the time course of those arriving at the detection device 26 at a pixel Light output is shown in the second uppermost time diagram 156 of FIG. 3, the light output in the y-axis again being plotted in arbitrary units, and it is assumed below that the pixel is the pixel 100 of FIG. 1 .
  • reflected light pulses 158 and 160 arrive with a time offset t La u f and have the same pulse length t P as the pulse lengths during transmission.
  • the reflected light pulses 158 and 160 at the corresponding pixel 100 lead to an irradiance E Lase r due to the distance d and the reflectivity R of the object 20.
  • FIG. 3 shows the time profile of the shutter signal, which is used to control the switch 106 or the photocathode potential.
  • the signal shutter is plotted at 162 in arbitrary units. If the signal shutter 162 is located at 162 on the x-axis, the switch 106 is in the position shown in FIG. 1, ie the switch 106 biases the photocathode 54 to the potential V reS et. Otherwise, ie if the signal shutter at 162 is far from the x-axis, the switch 106 is in the position not shown in FIG. 1, ie the photocathode 54 is connected to ground. The times when the photocathode 54 is grounded represent the acquisition time windows of the acquisition device 26.
  • the time period t s of the acquisition time windows 164 and 166 of the sub-cycles I A and I B are equal to the irradiation time period t P
  • the acquisition time periods t s of the acquisition time windows 168 and 170 in the sub-cycles II A and II B are greater than t P , preferably so large that t s ⁇ t P + t run + ⁇ t applies to all permitted or expected distances d, where ⁇ t indicates the time offset between irradiation time windows 152, 154 and acquisition time windows 164, 168, which is exemplary zero in the present case.
  • the acquisition time windows 164 and Acquisition time windows 164 and 168 from the measurement cycles I and II are synchronized to the respective laser pulse 152 and 154 of the measurement cycle in such a way that they start at the same time without a time offset, the synchronization being carried out by a synchronization device which is not shown in FIGS. 1-3 is made.
  • the signal reset is also always in one of two logical states set.
  • a first state which is shown in FIG. 3 at 172 in such a way that the signal curve of reset runs on the x-axis
  • the transistor Q1 separates the electrode 102 from the potential V rese t-
  • FIG. 3 shows that the reset signal is far from the x-axis, the transistor Q1 conducts, so that the electrode 102 of the pixel 100 is biased to the potential V r ese-t.
  • the times at which this happens are indicated in Fig. 3 with 174, 176, 178 and 180. They always occur immediately before the acquisition time windows 174, 176, 168 and 170 or at least in close proximity to it.
  • the time diagram 182 above represents the time profile of the control signal select for the pixel 100 under consideration here.
  • the signal select always also assumes only one of two logical states, a first one, which can be recognized in FIG. 3 by the fact that the signal select is on the x-axis, and the other in that the select signal is far from the x-axis.
  • transistor Q3 blocks, in the latter case transistor Q3 conducts, so that, as will be explained later, the resultant output signal U S i g nai on the amount of light incident on the pixel during the corresponding detection time window 164-170 can be concluded.
  • the times at which the transistor Q3 3, 184, 186, 188 and 190 are shown in FIG. They always follow the end of one of the acquisition time windows 164-170.
  • the signals shutter, select and reset, as shown at 162, 172 and 182, are controlled by the control device 110. It thus also indirectly controls the laser pulses 152-154 synchronized with the acquisition time windows 164-170. Due to the waveforms of shutter, select and reset, at the end of each acquisition time window 164-170 during the corresponding readout phase 184-190, a signal Usign a i / 'results at output 104, which is a measure of the amount of light striking the corresponding pixel during the previous acquisition time window. This can be explained as follows.
  • the metal electrode 102 is biased (174-180) at or before the start of each exposure process 152, 154 via the transistor Q1 with the start potential V reset .
  • the reset switch Qi is opened. Simultaneously with this or somewhat later, the detection time window 164-170 begins by connecting the photocathode to ground, as a result of which the acceleration voltage is formed. The incident electrodes 68 then discharge the capacitance C D until the photocathode 54 is deactivated again at the end of the detection periods 164-170 by adjusting the signal shutter so that the photocathode is biased to the potential V reSet . The signal Q3 is then read out via the transistor Q3 after a specific time period Ti nt / which is approximately equal to or somewhat longer than the detection time window time t s , after the end of the reset process 174, 176, 178, 180.
  • the transistor Q2 which is connected as a source follower, buffers the residual voltage U ⁇ 2 present across the capacitor C D.
  • the spatial distance detection is only possible through the arrangement of the pixels as an array and by means of synchronous exposure of all reception elements or pixels through the common shutter signal at the photocathode 54. This signal interrupts the electron current 68 to the metal electrode 102, so that the The instantaneous value of the light-proportional elementary charges accumulated on the metal electrode 102 is “frozen”.
  • the voltage Ui on the capacitor C D represents a measure of the distance d of the pixel from its corresponding image or object point in the image scene. If, on the other hand, the duration of the shutter signal t s is sufficiently larger than the pulse width t P , as is the case in subintervals II A and II B , the voltage U ⁇ , 2 is now a measure of the completely accumulated laser energy. As will be discussed in more detail below, this fact is used to compensate for pixel-by-pixel reflectivities and pixel-by-pixel different opening pupils which depend on the respective distance d of the object point corresponding to the pixel.
  • the measurement result obtained by the integration also contains the reflectance r of the exposed object, the sensitivity of the photocathode R and the quantitative influence of external disturbances.
  • external "disturbances" are given in particular by extraneous light components with the energy E fre md / 'caused by inevitable influences of the ambient lighting .
  • the time profile of the voltage U 1 is finally shown in FIG. 3, again in arbitrary units and without taking the sign into account.
  • the time diagram 192 along the y-axis represents a time course of the accumulated voltage over the capacitance C D , which is formed in the course of each acquisition time window 164-170 due to the photoelectron incidence and is then frozen by switching off the acceleration voltage.
  • subcycle I A of measuring cycle I in which the shutter time t s is equal to the exposure time t P and on Laser pulse 152 has been output, accumulates on a pixel 100 in question from the reset time 174, more precisely from the beginning of the detection time window 164, until the arrival of the reflected pulse 158, ie over a period of t laU f, only disturbing background light. More precisely, in this period of length tauf only disturbing background light leads to photoelectrons 68, which discharge the electrode 102.
  • the discharge curve at 192 is therefore initially flat in this period 194.
  • the reflected pulse 158 arrives, not only the background light, but also the useful signal, ie the reflected pulse 158, contributes to the photoelectron generation, and the discharge curve at 192 rises more steeply than during this period, as indicated at 196 194. Then, at the end of the detection time window 164, the acceleration voltage present across the capacitance C D is switched off by the switch 106 connecting the photocathode to ground.
  • Eo L aser the energy of the laser at light pulse 152 or. Was 152
  • E tremd the energy of the external light or. Background light component
  • t P the irradiation period, which in the present case is equal to the acquisition period
  • t run the Runtime of the light r the reflectance of the exposed object 20 and R a measure of the light sensitivity of the photocathode 54.
  • Equation 1 contains a time-dependent component and a component dependent on extraneous light.
  • cycle IB the measurement is now repeated, but without laser light. Since now only the background light contributes to the photoelectron formation, the slope of the discharge curve at cycle IB is flat, as shown at 200, namely as flat as at 194.
  • the residual voltage which arises at the end of the detection time window 166 on the electrode 102 corresponds to ü l, foreign - R ' r " E foreign' ⁇ P G ⁇ '
  • Equation 3 contains Equation 3 no longer contains extraneous light.
  • the reflectance r which can fluctuate considerably from pixel to pixel, in the extreme case for reflection by a factor of 1:40, for example, and the sensitivity R of the photocathode, which can fluctuate from pixel to pixel due to the manufacturing process, are still included , As described in the following, these parameters are compensated for in measurement cycle II.
  • the difference value U ⁇ , d i ff or a value proportional to it is stored in the camera system, since in subcycle II A the pixels and the CDS circuit mentioned above are reset for the next measurement cycle.
  • the measurement cycle II is essentially identical to the measurement cycle I except for the duration t s of the shutter signal 162:
  • the shutter time window is now significantly longer than the duration t P of the laser pulse 154, so that the entire pulse shape of the laser is integrated in the pixel becomes. This means that distance information d is no longer contained in signal Ui, because this is obtained precisely by "cutting" the received laser pulse by means of the shutter signal.
  • subcycle II A the photoelectrons generated by the background light initially accumulate over time t s . This portion is indicated by the dashed line at 202.
  • additional photoelectrons are generated by the reflected laser pulse 160, which is why the slope of the actual discharge curve in the subcycle II A during this time is greater than the contribution of the extraneous light component 202 is as indicated at 204.
  • the two values are subjected to a difference formation, for example in the aforementioned CDS stage, so that the value U 2 , diff or a value proportional to it results, namely
  • An evaluation device which processes the output signals resulting in the sub-cycles I A - II B according to equations 3, 6, 7 and 8, but is not shown in the figures, consequently arrives at pixel positions for all pixels, ie for each pixel line x and each pixel column y, in which the pixels are arranged, to a distance value d x , y, which is backlight-compensated and reflectance-compensated.
  • the measuring cycles I and II can each be carried out several times in succession, the differences U ⁇ d iff and U 2 , d if f being added up and each being stored in the analog memory on the chip.
  • N cycles of cycle I the distance resolution ⁇ d improves by the factor root (N).
  • N the factor root
  • the exemplary embodiment described below now offers, by means of an image intensification arrangement, the possibility of amplifying the electron current in conjunction with an MCP and in this way increasing the signal-to-noise ratio and thus the distance resolution.
  • An embodiment of the present invention is described below with reference to FIGS. 4 and 5, which differs from the embodiment of FIGS. 1-3 in the design of the detection device 26 and strictly speaking in the addition of an MCP, so that the detection device 26 acts as an image intensifier.
  • the detection device changed to FIG. 2 is shown in FIG. 4 at 26 '. It is basically identical in construction to the construction of the detection device of FIG. 2, with the exception that an electron multiplier in the form of an MCP (micro channel plate) or a micro channel plate 300 is located in the high vacuum 58 between the photocathode 54 and the semiconductor substrate 60 is located. Also shown in FIG. 4 is the switch 106, which, controlled by the control signal shutter in detection times of the length t s or t P , ensures that an acceleration voltage is present between the semiconductor structure 60 and the photocathode 54 and not in between.
  • a switch 302 exists for the MCP 300, which is controlled by a control signal S 2 , which is also generated by the control device 110, but which is not shown in FIG.
  • the switch 302 either switches the MCP 300 to ground or biases it to a potential V MCP , as is generated by a DC voltage source 304, which is connected between ground and a respective switch connection of the switch 302.
  • the electron multiplier 300 in the form of the MCP has the effect that when the voltage V MCP is applied to the MCP 300, the photoelectrons 68 emitted by the photocathode 54 and accelerated towards the counter electrodes of the semiconductor structure 60 hit the MCP 300, which then outputs for each electron a multiple corresponding to the voltage V MC p or a number of secondary electrons 306 corresponding to the voltage V MCP .
  • the dependence the number of the voltage V MCP results from the greater acceleration of the primary electrons 68 at a higher voltage V MC p.
  • the secondary electron multiplier 300 in the form of the MCP can also be used as a “photo” gate with a shutter function, as will become clear from FIG. 5.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a measurement sequence that corresponds to that of FIG. 3, 3 differs from that of FIG. 3 in that instead of the detection device 26 from FIG. 2, the detection device or the image intensifier 26 'from FIG. 4 is used in the distance sensor from FIG. 1.
  • FIG 3 by time curves of signals. The same reference numerals have been used in the time curves in which the measurement sequence according to FIG. 5 corresponds to the measurement sequence from Fig. 3.
  • the measurement sequence is correct in the signals reset , select, shutter and in the control of the laser in Fig. 5, the resulting discharge behavior at the pixels was not shown, since it is essentially that of Fig. 3 e Corresponds to or only results in a higher slope of the discharge curve, since each primary electron 68 leads to one or more secondary electrons 306.
  • FIG. 5 shows the time course of the signal S 2 with which the switch 302 is activated. If the signal S 2 is located on the x-axis at 350, the switch 302 is at the position not shown in FIG. 4, so that the MCP 300 is blocked. At the other times, indicated at 350 by the signal S 2 being far from the x-axis, and indicated at 352, 354, 356 and 358 in FIG. 5, switch 302 is located at the position shown in FIG 4 position shown, so that the voltage 304 is present at the MCP 300. The times 352-358 at which the voltage V M CP is present at the MCP 300 coincide with or are simultaneous with the Acquisition time windows 164-170.
  • the MCP 300 thus acts as a “photo” gate with a shutter function. If the switch S 2 is in the “ground” position, the MCP 300 is blocked, the electron flow to the semiconductor structure 60, which is, for example, a CMOS sensor, is so interrupted In the "N MCP " position, the gain is set by adjusting the voltage V MCP . MCP's have gains of 1: 1 million and more. Accordingly, depending on the type of image intensifier module, V MCP can be 10 volts or more.
  • k MC of the MCP 300 are generated from an electron 68 at the input of the MCP 300, ie on the side of the MCP 30O facing the photocathode 54, k MCP electrons 306 at the output, ie the side of the MCP 300 facing the semiconductor substrate 60, and by the Pixel structures are detected in the semiconductor substrate 60.
  • the noise components of the semiconductor substrate 60 for example implemented as a CMOS sensor, and of the entire distance measuring system 10 are thus reduced in a first approximation by the factor root (k M cp) in the measurement result.
  • the noise of the background light is given by the duration of the shutter signal, ie by t P.
  • the shorter t P the lower the proportion of background light noise in the measurement signal.
  • the multi-pulse method could be used for further noise reduction.
  • the photocathode 54 can be “sensitive” to a wider spectrum or can output photoelectrons to a wider spectrum than the spectrum of the radiation source 12 used. Therefore, according to an exemplary embodiment of the present invention, the photocathode 54 is formed by a semiconductor material which is doped by special foreign atoms, and by special choice of the foreign atoms the photocathode 54 is then only sensitive in very narrow wavelength ranges or only gives photoelectrons in these very narrow wavelength ranges which then lie in the spectrum of the light source 12 or should overlap the same.
  • the selectivity that is achieved in this way can even be better than in the case of optical filters, which, however, could of course also be used for this purpose, for example by simultaneously serving as an input window 50.
  • FIG. 6 shows an image intensifier 26 ′′ ′′ compared to FIG. 4.
  • the image intensifier of FIG. 6 essentially differs from that of FIG. 4 in that the housing 56 not only has a front opening which is closed off by the input window 50, but that it is also open on the opposite side.
  • the opening on the opposite side is closed by a layer sequence of photoscreen 370, output window 372 and semiconductor structure 374, which forms the bottom of the housing 56.
  • the input window, housing 56 and output window 372 thus again form a vacuum chamber 58.
  • the photoelectrons 68 which are detached from the photocathode 54, or the secondary electrons, which are generated by the MCP 300, are detected directly, but there is a renewed conversion of the electrons into one Photon current by converting the secondary electrons 306 output by the MCP 300 in the phosphor screen 370 vapor-deposited, for example on the output window 372 on the side thereof facing the MCP 300, into photons 376, which are then through the output window 372 to one in the semiconductor structure 374 formed CCD or CMOS photodiode array.
  • a glass fiber optic can optionally be arranged behind the phosphor screen 370, which guides the light or the photon current to a CCD or CMOS image sensor 374 arranged elsewhere.
  • the same measurement sequences as in FIG. 5 can be implemented with the image intensifier 26 ′′.
  • the distance sensor 10 can also form a 3D camera which, in addition to the 3D image recording function described above, also has the ability to produce normal image recordings, ie 2D image recordings, so that colored or black and white images are produced can be.
  • FIG. 7 shows an application of the distance sensors described above.
  • FIG. 7 shows a driver 400 while driving. He sits at the driver's seat 410 and steers a car 412 via a steering wheel 414, in which an airbag 416 is installed ready for deployment.
  • the distance sensor which can be formed according to one of the preceding exemplary embodiments, is indicated by 418 and is shown as being mounted above the windshield 420, although other positions are also conceivable.
  • the distance sensor 418 generates a 3D image recording or a 3D image recording sequence of an image section represented by dashed lines 422, which includes the driver 400.
  • the 3D image information is sent to an evaluation unit 424, which continuously examines the distance images d x , y to determine how close the driver 400 is to the sensor 418, which is then used, for example, as a measure of how close the driver 400 is to that Airbag 416 is located.
  • the evaluation device 424 calculates, for example, the volume of space between the sensor 418 and the driver 400 in the detection space angle segment and uses this as a measure for the distance between the driver 400 and the airbag 416. In the event of an impact or accident, the evaluation device 424 then controls the airbag 416 in such a way that the airbag 416 is triggered depending on the distance of the driver 400 with a delayed strength, namely later, when the driver 400 is further away from the airbag 416.
  • the 3D sensor 418 can also be used for airbag deployment of a second airbag or an airbag for a passenger other than the driver 400. It can also the arrangement between sensor 418, driver 4400 and airbag 416 can be chosen differently.
  • FIG. 8 shows a further exemplary embodiment in which a distance sensor according to FIGS. 1-6 could be used.
  • 8 shows a car 500, on the front part of which the 3D sensor 502 is attached, in order to generate 500 3D images in the direction of travel 504 of the car.
  • An evaluation device 504 receives the image information and uses the same to decide whether there is a car in front of the car 500 in the direction of travel 504 and, if so, which case is represented in FIG. 8 by a car 508, whether the car is closer than an approved one
  • the evaluation device 506 outputs a signal to the driver, for example, or reduces the engine power or actively brakes the car 500.
  • the 3D sensor 418 or 502 can easily be adapted to the respective problems in the individual case.
  • the preferred wavelength range in which the light source emits light i.e. the spectrum of the light source, from 900nm to 1200nm and even more preferably from 1500nm to 2000nm
  • This working wavelength range prevents a hazard to the eye of the driver 400 in the case of FIG. 7 or closes a malfunction due to fog or rain in the distance control according to FIG. 8 out.
  • the photoelectrically generated electrons 68 can, for example, be detected differently than shown in the exemplary embodiments of FIGS. 2, 4 and 6. Additional electrodes can thus be arranged in the pixel, which enclose the actual detecting electrode and focus the electrode beam on the center of the pixel by selecting appropriate potentials.
  • the present invention would also be conceivable as a simple distance sensor, in the quasi there is only one pixel.
  • the array itself could be ordered differently than in columns and rows.
  • various variations can be made with regard to the synchronization between acquisition time windows and irradiation time windows. For example, the length of these time windows in the actual distance-detecting cycle I A need not necessarily be the same.
  • t P could, for example, also be greater or smaller than the acquisition time period t s , as long as the one or the other window is cut off only in the relevant distance ranges. Furthermore, a time offset could be provided between the acquisition time window and the assigned irradiation time window, but this should be less than t a u f for the minimum distance d.
  • the evaluation device (not shown above) could be implemented together with the control device 110 by means of a microcontroller and corresponding software.
  • the preceding exemplary embodiments thus represent a detection principle in which a detector structure is able to shift the wavelength of the pulsed light out of the visible range, as a result of which the problem of eye safety is solved.
  • the shutter time window can be shortened, as a result of which the background light component is minimized, and the energy of the light pulse occurring can be amplified, as a result of which the number of pulses can be reduced in the event of multiple accumulation.
  • the above exemplary embodiments enable a distance measurement in a locally high-resolution form, since, due to the multiplication of electrons, the pixels can be made much more sensitive and therefore smaller, compared to existing 3D pixels, the sensitivity of which depends directly on the light-sensitive area of the photodiode.
  • the above exemplary embodiments use image intensifiers as sensor elements and not photodiodes.
  • the image intensifiers can also be operated with long-wave pulsed light outside the visible range.
  • the requirements are to the eye safety, since much higher pulse energies can be used for distance measurement for light wavelengths that are not visible to the human eye.
  • certain liquid media such as blood, tissue water, fog, moisture, smoke and the like, are transparent to long-wave light in the micrometer wavelength range. This opens up new fields of application for the 3D distance measurement sensor and image recording with long-wave light in general. Specifically, for example, vehicle distance cameras in fog or rainy situations have the ability to safely maintain the distance to the vehicle in front.
  • 3D measuring systems which work with visible laser light with a wavelength of approx. 900 nm, would require a much higher pulse power in order to be able to reliably determine the distance, which is forbidden for reasons of eye safety.
  • the signal processing method presented here reduces the noise of the background light and increases the signal-to-noise ratio in relation to the sensor system.
  • the distance values recorded with image intensifiers are in a much higher resolution laterally because they are the very small metal electrode, the edge length of the pixels is less than 10 ⁇ m depending on the process.
  • very large matrices with 1 million and more pixels can be realized.
  • only up to approx. 1,000 pixels with an edge length of 200 - 300 ⁇ m can be integrated with existing 3D pixels, since their sensitivity depends directly on the light-sensitive area of the photodiode.
  • the lateral resolution that can be achieved is thus many times lower than in the switching principle presented here by the previous exemplary embodiments. This opens up manifold applications in the field of professional photography, film / television, studio or Recording technology, monitoring sensors, in smart office applications and much more
  • medical technology also offers a wealth of possible uses for the above exemplary embodiments.
  • video endoscopes can be maneuvered glare-free and absorption-free, for example through blood vessels, since blood is transparent to long-wave light.
  • the exemplary embodiment of FIG. 6 could be used for signal transmission if the same is extended by an optical fiber between the phosphor screen and the semiconductor substrate. This would make surgical techniques possible on pulsating organs, since the camera system would no longer be irritated by the flow of tissue fluid or blood.
  • the scheme for distance or Distance measurement can also be implemented in software.
  • the implementation can take place on a digital storage medium, in particular a floppy disk or a CD with electronically readable control signals, which can interact with a programmable computer system in such a way that the corresponding method is carried out.
  • the invention thus also consists of a computer Program program with program code stored on a machine-readable carrier for carrying out the method according to the invention if the computer program product runs on a computer and / or a corresponding digital or analog module.
  • the invention can thus be implemented as a computer program with a program code for carrying out the method if the computer program runs on a computer.

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Abstract

Vorliegend wird durch eine indirekte Erfassung der reflektierten Strahlungspulse (28) bei der Abstandsmessung mittels Photoeffekt ermöglicht, die Einsetzbarkeit des Abstandssensors bzw. des Entfernungsmessverfahrens deutlich zu erweitern, wobei die Anpassung an ein neues Einsatzgebiet nur geringfügige Entwurfsänderungen benötigt. Da bei dem äusseren Photoeffekt die Photoelektronen (68) photonen-weise bzw. quantenweise aus dem bestrahlten Material (54) herausgelöst werden und die Photonen beim Herauslösen lediglich eine gewisse Mindestenergie und dementsprechend die zur Bestrahlung verwendete Strahlung lediglich eine ausreichend kleine Wellenlänge benötigt, ermöglicht es der äussere Photoeffekt, Strahlungen über einen grossen spektralen Bereich hinweg erfassbar zu machen. Treten auf einem bestimmten Anwendungsgebiet Störungen bei einem bestimmten Wellenlängenbereich auf, so kann der Arbeitswellenlängenbereich der Abstandssensorik zunächst auf einfache Weise auf einen anderen spektralen Bereich eingestellt werden, indem für die Strahlungsquelle (12) eine solche verwendet wird, die ein Spektrum ausserhalb des mit Störungen versehenen spektralen Bereichs aufweist.

Description

Abs andssensor und Verfahren zur Abstandserfassung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Abstandsmessungen im allgemeinen und insbesondere auf eine Abstandsmessung, wie sie bei 3D-Kameras verwendet werden kann.
Bildaufnehmende Sensoren bieten die Möglichkeit, Tiefe nicht taktil zu erfassen. Dies kann beispielsweise mit Hilfe extrem kurzer Shutter-Zeiten bei Nah-Infrarot- (NIR-) Lichtpulslaufzeitmessung geschehen. Heutzutage sind bei- spielsweise schon CMOS-Kameras mit aktiver NIR-Beleuchtung möglich, die dreidimensionale ObjektInformationen mittels gepulster elektromagnetischer Strahlung erfassen. Durch Aufnahme mit kurzer Belichtung werden dreidimensionale Abstandsbilder des aufgenommenen Objektes erzeugt. Ein Beispiel eines solchen 3D-Sensors ist in der DE 19757595 AI beschrieben.
Fig. 9 soll das Messprinzip dieser 3D-Sensoren verdeutlichen. Verwendet wird ein optoelektronischer CMOS-Sensor 902, dessen Pixel wahlfrei auslesbar und dessen Integrationszeit pixelweise einstellbar ist. Eine Optik 904 bildet das zu vermessende Objekt 906 auf den Sensor 902 ab. Das Objekt 906 wird durch eine gepulste Lichtquelle 908 mit einem oder mehreren sehr kurzen Lichtpulsen 910 beleuchtet, woraufhin Lichtpulse der gleichen Länge von dem Objekt 906 zurückgestreut werden. Diese zurückgestreuten Lichtpulse werden über die Optik 904 auf den CMOS-Sensor 902 geleitet.
Aufgrund der unterschiedlichen Abstände unterschiedlicher Objektpunkte zu dem Sensor 902 werden die mit diesen Objektpunkten korrespondierenden zurückgestreuten Lichtimpulse zu unterschiedlichen Zeiten am Sensor ankommen. Für eine Abstandsmessung wird an den Pixeln des Sensors 902 ein Zeit ess- bzw. Belichtungsfenster geöffnet, das einer vorbestimmten Integrationszeit entspricht. Abstrahlzeiten und Integrationszeiten werden durch eine Steuereinrichtung 912 gesteuert und synchronisiert. Der erste in den Sensor 902 einfallende zurückgestreute Lichtimpuls wird bei Übereinstimmung der Integrationszeit mit der Abstrahlzeit in etwa mehr oder weniger vollständig aufgenommen werden. Die aufgrund des größeren Abstands des Objektpunktes von dem Sensor 902 zeitverzögert eintreffenden Lichtimpulse werden nicht vollständig aufgenommen, sondern hinten abgeschnitten. Auf diese Weise kann anhand der unterschiedlichen Ladungen, die während der Integrationszeit in den einzelnen Pixeln des Sensors 902 gesammelt werden, die unterschiedlichen Laufzeiten und damit die Abstände des jeweiligen Pixels von seinem Objektpunkt bestimmt werden. Hieraus lässt sich ein dreidimensionales Abstandsbild errechnen für die Steuer- bzw. Auswerteeinrichtung 912.
Das in Fig. 6 dargestellte Meßsystem kombiniert folglich extrem kurze Shutter-Zeiten mit Lichtpulslaufzeitverfahren.
Mit Hilfe einer CMOS-Kamera nach Fig. 9 lassen sich nicht nur Kameras mit intelligenten Pixeln realisieren, die außer der Standardbildaufnahme auch die Präsenz von Personen anhand von Bewegungen bestimmen oder dieselben sogar im Rahmen eines Trackings verfolgen können, sondern sie bieten ferner die Möglichkeit, optische Tiefenmessung auf der
Basis der NIR-LichtlaufZeitmessung zu realisieren, entweder für bestimmte Bildbereiche oder ganze Bilder. Auf diese
Weise sind also 3D-CMOS-Kameras realisierbar, die in der Lage sind, 2D- und 3D-Bildaufnahmen zu kombinieren.
Mit dem Verfahren der 3D-Abstandsmessung mittels CMOS- Bildsensoren kommt der Anwender insbesondere in die Lage, dreidimensionale Bildszenen elektronisch in Echtzeit verar- beiten zu können. Daraus ergibt sich eine Fülle von Anwendungsgebieten. Beispielsweise dreidimensionale Inspektionsund Plazierung- bzw. Placement-Systeme sind zur zuverlässigen Objekterkennung und Klassifizierung auf möglichst viele Bildinformationen angewiesen. In automotiven Systemen könnte die 3D-Abstandsmessung Überwachungsaufgaben übernehmen, wie z. B. die Kfz-Innenraumerkennung mit intelligenter Airbagauslösung, Diebstahlsicherung, Fahrbahnerkennung und frühzeitige Unfallerkennung. Die 3D-Abstandsmessung könnte jedoch auch ganz einfach zur Topographievermessung, wie in Fig. 6 gezeigt, oder zur Personenerkennung oder als Prä- senzsensorik verwendet werden. Speziell in der intelligenten Airbag-Auslösung muss beispielsweise vom Kamerasystem die Aufgabe gelöst werden, den Airbag in Abhängigkeit von dem Abstand des Fahrgasts mit verzögerter Stärke aufzulösen. Mit 3D-CMOS-Bildsensoren ist dies problemlos möglich. Seitens der Industrie besteht somit eine große Nachfrage nach solchen intelligenten Systemen, was wiederum ein erhebliches Marktpotential für 3D-Kameras bedeutet.
Existierende 3D-CM0S-Bildsensoren zur Abstand- bzw. Tiefenmessung, deren Messprinzip Bezug nehmend auf Fig. 6 beschrieben worden ist, basieren in weiten Teilen auf dem Funktionsprinzip des aktiven Pixel-Sensors (APS) . Hierbei wird, wie oben beschrieben, die zeitliche Öffnung des Belichtungsfensters bzw. Integrationsfensters des Pixels mit der gepulsten Auflösung der aktiven Szenenbeleuchtung synchronisiert .
Um dies nun näher zu veranschaulichen, ist in Fig. 10 der Lichtintensitätsverlauf an der Lichtquelle 908 und an zwei exemplarischen Pixeln des Sensors 902 in drei übereinander angeordneten Graphen dargestellt, deren x-Achse die Zeit- achse darstellt und zueinander ausgerichtet sind, und deren y-Achse die Intensität des gepulsten reflektierten Lichts am Ort der Pixel in willkürlichen Einheiten bzw. das Vorhandensein desselben angibt. In dem obersten Graphen sind zwei aufeinanderfolgende abgestrahlte Lichtimpulse 920 und 922 dargestellt. Synchronisiert durch die Steuerung 912 wird gleichzeitig zu der Abstrahlung und mit derselben Zeitdauer ein Integrations- bzw. Belichtungsfenster in den Pixeln des Sensors 902 geöffnet, in denen der in denselben erzeugte Photostrom akkumuliert wird, wie es durch gestrichelte Linien in den unteren beiden Graphen 924 und 926 angezeigt ist, wobei der mittlere Graph das empfangene Licht an einen Pixel 1 und der untere Graph das empfangene Licht an einem anderen Pixel 2 anzeigt. In dem mittleren Graphen sind die beiden reflektierten Lichtpulse 928 und 930 zu erkennen, die sich auf die Pulse 920 und 922 hin am Pixel 1 ergeben. Wie es aus den unteren Graphen zu sehen ist, sind die reflektierten Lichtpulse 932 und 934 die sich an dem anderen Pixel 2 ergeben, erst nach einer größeren Laufzeitdifferenz tD2 am Sensor 902 angelangt als die LaufZeitdauer tDχ beim ersten Pixel 1. Die unterschiedliche Überlappung des reflektierten Lichtpulses an dem jeweiligen Pixel mit den Belichtungsfenstern 924 und 926 führt zu unterschiedlich akkumulierten Ladungen an den Pixeln, die an dem Ende jedes Belichtungsfensters 924 bzw. 926 ausgelesen werden. Insbesondere sind also die Ladungsmengen Qι(Puls 1) und Qι(Puls 2) an dem Pixel 1 größer als die Ladungsmengen Q2(Puls 1) und Q2(Puls 2) an dem Pixel 2. Unmittelbar vor jedem Belichtungsfenster 924 und 926 findet ein Rücksetzen bzw. Reset des entsprechenden Pixels statt, bei welchem die Ladung des entsprechenden Pixels auf einen Referenzwert voreingestellt wird, bzw. bei welchem der der Photodiode des Pixels zugehörige Kondensator auf einen vorbestimmten Wert aufgeladen wird.
Wie im vorhergehenden Bezug nehmend auf Fig. 6 beschrieben, sollten sich aus den Ladungsmengen Qi bzw. Q2, die ja den erzeugten Ladungsträgern aufgrund der reflektierten Licht- pulse entsprechen, die Abstände des entsprechenden Objektpunktes ermitteln lassen, der auf das jeweilige Pixel abgebildet wird, da ja die Ladungsmenge Q im Wesentlichen linear von der LaufZeitverzögerung tDχ bzw. tD2 und diese wiederum unter 2R/vc von dem Abstand R abhängt, wobei vc die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Ausbreitungsmedium bezeichne und bei Luft ungefähr der Lichtgeschwindigkeit c entspricht, so dass gilt: Q oc 2R/vc
Verschiedene Probleme führen jedoch zu Abweichungen von der Theorie. So wird mit dem gewünschten Pulslicht auch immer ein Anteil unerwünschten Hintergrundlichtes mit erfasst. Außerdem beeinflusst auch die Reflektivität der Szenenobjekte den Anteil des rückgestrahlten Lichtes. Diese Faktoren verfälschen das Nutzsignal, nämlich die Ladungsmengen Qi bzw. Q2, je nach Entfernung des Objektes zum Teil erheb- lieh. Um unverfälschte Abstandsinformation zu erzielen, sind deshalb Korrekturmaßnahmen erforderlich. Die oben zitierte DE 19757595 AI schlägt zur Normierung der Oberflächenreflexion die Durchführung zweier Aufnahmen vor, nämlich eine mit der oben beschriebenen kurzen Aufnahmezeit und eine weitere mit einer ausreichend langen Aufnahmezeit, um im Belichtungsfenster die reflektierten Pulse in ihrer Gesamtheit zu erfassen, wobei die Differenz beider Aufnahmen geteilt durch die Aufnahme mit langer Belichtung ein normiertes Abstandbild ergibt. Zur Hintergrundlichtunter- drückung wird vorgeschlagen, die zusätzlich zu den obigen Kurzzeit- und Langzeitmessungen jeweils eine weitere Kurzzeit- und Langzeitmessung durchzuführen, allerdings ohne Beleuchtung, und diese Aufnahmen von der jeweils noch vor Berechnung des normierten Abstandsbildes zugehörigen abzu- ziehen.
Trotz dieser Korrekturen ist es für eine ausreichend hohe Genauigkeit der Abstandsmessung erforderlich, ganze Pulssequenzen auf der Pixelstruktur zu akkumulieren, um auf diese Weise ein brauchbares Signalrauschverhältnis zu erzielen. Dies limitiert jedoch die Bandbreite des Systems.
Nachteilhaft an dem oben dargestellten Meßsystem ist nun, dass dasselbe nicht in allen Anwendungsgebieten mit ausrei- chender Zuverlässigkeit arbeitet. Speziell in der oben erwähnten intelligenten Airbag-Auslösung und bei der Fahrbahnerkennung sind an das Abstandssystem hohe Zuverlässigkeitsanforderungen gestellt. Eine Nichtauslösung des Air- bags hätte fatale Folgen, ebenso wie eine Fehlfunktion in der Fahrbahnerkennung. Oben dargestellte 3D-CM0S- Abstandsmeßsysteme erfüllen beispielsweise deshalb die erforderlichen Zuverlässigkeitskriterien nur mit hohem Aufwand, weil sie anfällig auf Nebel- oder Regensituationen sind und somit nicht zuverlässig den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug bestimmen können. Oben dargestellte 3D- CMOS-Abstandsmeßsysteme, welche typischerweise bei sichtbarem bzw. im menschlichen Auge wirksamem Laserlicht mit ca. 900 nm Wellenlänge arbeiten, würden bei Kfz- Außenüberwachung eine sehr viel höhere Pulsleistung benötigen, um zuverlässig den Abstand bestimmen zu können, was sich aus Gründen der Augensicherheit verbietet. Vor allem bei der Airbag-Auslösung, wo die zu schützende Person beleuchtet wird, stellen die Anforderungen an die Augensicherheit eine technische Hürde dar.
Neben den oben beschriebenen CMOS-Photodiodenarrays zur Erfassung der reflektierten Pulse gibt es freilich auch andere Empfängerarrays, wie z.B. CCD-Chips. Die DE 19927694 Cl schlägt zur Erfassung lichtschwacher Objekte vor, Strahlung in einer Schichtabfolge aus metallener Photokathode, Vakuumbereich, Multi-Kanal-Platte, Vakuumbereich und leitfähiger in Pixelbereiche strukturierter Pixeloberflächenschicht zu empfangen. Eine zweite leitfähige Schicht ist isoliert von der ersten isolierten Schicht vorgesehen, um in lateraler Ausdehnung die Zwischenräume der ersten Schicht einzunehmen. Auf diese Weise wird laut der DE 19927694 Cl ein unterhalb der Schichtabfolge befind- liches Halbleiterelement mit den darin befindlichen Halbleiterstrukturen vor den Photoelektronen geschützt, die mittels photoelektrischem Effekt aus der Photokathode herausgelöst und auf die Pixelschicht beschleunigt werden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Abstandssensor und ein Verfahren zur Entfernungserfassung zu schaffen, so dass variablere Einsatzmöglichkeiten ab einer erhöhten Zuverlässigkeit und/oder Genauigkeit bestehen.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 12 gelöst.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass es eine indirekte Erfassung der reflektierten Strahlungspulse bei der Abstandsmessung mittels Photoeffekt ermöglicht, die Einsetzbarkeit des Abstandssensors bzw. des Entfernungsmessverfahrens deutlich zu erweitern, wobei die Anpassung an ein neues Einsatzgebiet nur geringfügige Entwurfsänderungen benötigt.
Da bei dem äußeren Photoeffekt die Photoelektronen photonenweise bzw. quantenweise aus dem bestrahlten Material herausgelöst werden und die Photonen beim Herauslösen lediglich eine gewisse Mindestenergie und dementsprechend die zur Bestrahlung verwendete Strahlung lediglich eine ausreichend kleine Wellenlänge benötigt, ermöglicht es der äußere Photoeffekt, Strahlungen über einen großen spektralen Bereich hinweg erfassbar zu machen. Treten auf einem bestimmten Anwendungsgebiet Störungen bei einem bestimmten Wellenlängenbereich auf, so kann der Arbeitswellenlängenbe- reich der Abstandssensorik zunächst auf einfache Weise auf einen anderen spektralen Bereich eingestellt werden, indem für die Strahlungsquelle eine solche verwendet wird, die ein Spektrum außerhalb des mit Störungen versehenen spektralen Bereichs aufweist.
Obwohl der äußere Photoeffekt grundsätzlich einen großen spektralen Erfassungsbereich ermöglicht, ist es jedoch durch die Verwendung eines beispielsweise geeignet dotierten Halbleitermaterials möglich, das Auftreten des äußeren Photoeffekts auf bestimmte schmale Frequenzbereiche bzw. Frequenzbänder einzustellen, indem geeignete Fremdatome zur Dotierung ausgewählt werden. Damit kann das Signalrauschverhältnis zwischen dem Nutzsignal, nämlich dem reflektier- ten elektromagnetischen Strahlungspuls auf der einen und der Hintergrundstrahlung auf der anderen Seite, gering gehalten werden.
Wird ein Elektronenvervielfacher verwendet, um die abgegebenen bzw. herausgelösten Photoelektronen zu vervielfachen, so können bei der Abstandsmessung die Pulsbreiten geringer gehalten werden, da die Menge der von dem Objektpunkt reflektierten elektromagnetischen Strahlung pro Zeiteinheit zu mehr detektierbaren Elektronen führt. Auf diese Weise kann der Signalrauschabstand zwischen Nutzstrahlung und Hintergrundstrahlung auf der einen und der Signalrauschabstand zum Rauschen der Sensor- bzw. Systemelektronik erhöht werden. Insgesamt wird es hierdurch möglich, Abstandsmes- sungen auch bei Anwendungsgebieten zu betreiben, die eine höhere Genauigkeit erfordern, als sie durch CMOS- Photodioden-basierte Abstandssensoren gewährleistet wird.
Ferner ermöglicht es der Zwischenschritt bei der Erfassung der reflektierten elektromagnetischen Strahlung über den äußeren Photoeffekt bei Zusammenfassung mehrerer erfindungsgemäßer Abstandssensoren zu einem Array von Abstandssensoren eine höhere Auflösung zu erzielen, wodurch hochauflösende 3D-Kameras erhalten werden können. Der Grund dafür besteht darin, dass die abgegebenen Photoelektronen auf einfache Weise durch eine einfach und sehr genau strukturierbare Gegenelektrodenarrayanordnung aufgefangen werden können, die zusammen mit der Photoelektrode als Kondensator zur Speicherung der abgegebenen Photoelektronen sowie zur Beschleunigung der abgegebenen Photoelektronen durch Anlegen einer Beschleunigungsspannung zwischen Photoelektrode und Gegenelektrode dient.
Durch die Möglichkeit, den Arbeitswellenbereich verstellen zu können, ist es insbesondere ferner möglich, Abstandssen- sorik auch in Einsatzgebieten jenseits des FIR einzusetzen. Damit ist es möglich, auch bei Einsatzgebieten, an denen aufgrund der Gefährdung des menschlichen Auges über einen großen spektralen (sichtbaren) Bereich eine Begrenzung der maximal zulässigen Werte für die Intensität der zur Bestrahlung verwendeten Strahlung existieren, ein verbessertes Signal/Rauschverhältnis dadurch zu erzielen, dass der spektrale Arbeitsbereich aus dem sichtbaren spektralen Bereich verlegt wird, da dann die Bestrahlungsintensität erhöht werden kann.
In anderen Einsatzgebieten wiederum liegt eine Beschränkung des möglichen spektralen Arbeitsbereichs deshalb vor, weil in bestimmten spektralen Bereichen eine Absorption des Mediums zwischen Objekt und Sensor oder eine Reflektivität des Objekts in einem bestimmten spektralen Bereich zu hoch bzw. zu niedrig ist. Bestimmte Flüssigkeitsmedien, wie z.B. Blut, Gewebewasser, Nebel, Feuchtigkeit usw., oder Rauch sind beispielsweise für langwelliges Licht im Mikrometerwellenlängenbereich transparent, während dieselben die Arbeitsstrahlung auf dem Weg vom Sensor zu Objekt und zurück im sichtbaren Bereich zu sehr schwächen würden, als dass eine ausreichend genaue Abstandsmessung bzw. Entfernungsmessung durchgeführt werden könnte.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Zeichnungen werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Zeichnung eines Abstandssensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine schematische Schnittansicht der Erfassungseinrichtung des Abstandssensors von Fig. 1;
Fig. 3 exemplarische Signalverläufe, die bei der Sensor- anordnung von Fig. 1 unter Verwendung der Erfassungseinrichtung von Fig. 2 gemäß einem Ausführungsbeispiel für eine Messsequenz mit Hinter- grundstrahlungskorrektur und Reflektanzkorrektur auftreten;
Fig. 4 eine schematische Schnittansicht mit Ansteuer- elektronik einer Erfassungseinrichtung für den Abstandssensor von Fig. 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 exemplarische Zeitverläufe, die bei dem Abstands- sensor von Fig. 1 unter Verwendung der Erfassungseinrichtung von Fig. 4 gemäß einem Ausfüh- rungsbeispiel für einen Messzyklus mit Hintergrundstrahlungskorrektur und Reflektanzkorrektur auftreten;
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht einer Erfassungseinrichtung für den Abstandssensor von Fig. 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 eine schematische Ansicht des Abstandssensors von Fig. 1 bei einem Einsatz zur Airbag-Auslösung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine schematische Ansicht des Sensors von Fig. 1 bei seinem Einsatz zur Abstandskontrolle in Kraftfahrzeugen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 9 eine schematische Zeichnung zur Veranschaulichung des Prinzips der 3D-Abstandsvermessung mittels gepulster Beleuchtung und kurzer Belichtungszeit; und
Fig. 10 Zeitverläufe, die das Vorhandensein von Licht an der Lichtquelle und zwei unterschiedlichen Pixeln des Pixelsensors darstellen, zur Veranschauli- chung der Verwirklichung des Messprinzips von Fig. 9 mit einem herkömmlichen CMOS-Sensor.
Bezugnehmend auf nachfolgende Beschreibung wird darauf hingewiesen, dass gleiche oder einander entsprechende Elemente in den Figuren mit gleichen oder ähnlichen Bezugszeichen versehen sind, und dass eine wiederholte Beschreibung weggelassen wird.
Fig. 1 zeigt einen 3D-Abstandssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der 3D- Abstandssensor ist allgemein mit 10 angezeigt. Der Abstandssensor umfasst eine Strahlungsquelle 12 für elektromagnetische Strahlung, eine Bestrahlungsoptik 14 zum Auf- weiten eines Strahlenbündels 16 von der Strahlungsquelle 12, um ein aufgeweitetes Lichtbündel 18 auf ein Objekt 20 zu werden, eine Empfangsoptik 22 zum Abbilden des durch die Strahlungsquelle 16 bestrahlten Bereichs 24 des Objekts 20 auf eine lichtempfindliche Erfassungsebene einer Pixeler- fassungseinrichtung 26, die ebenfalls in dem Abstandssensor 10 umfasst ist.
Die Strahlungsquelle 12 könnte jede Strahlungsquelle sein, wie z.B. eine LED oder aber ein Laser. Zur Vereinfachung der Darstellung wird nachfolgend davon ausgegangen, dass es sich bei der Strahlungsquelle 12 um einen Laser handelt, der Licht in einem Spektralbereich von 800nm bis 3μm, bevorzugterweise von 2 μm bis 3 μm, ausgibt, um den Abstandssensor 10 insbesondere für Einsätze tauglich zu machen, bei denen das menschliche Auge nicht gefährdet werden darf, wie z.B. bei der Airbag-Auslösung, oder bei denen im sichtbaren Bereich die Abstandsmessung störende Absorption oder geringe Reflektivität auftritt, wie z.B. bei der Fahrbahnerkennung, bei der Kraftfahrzeugabstandser- kennung, bei der Videoendoskopie in Blutbahnen oder dergleichen. Die Bestrahlungsoptik 14 kann jegliche Optik sein und beispielsweise eine strahlaufweitende Negativlinse aufweisen. In dem Fall einer anderen Strahlungsquelle 12 als einem Laser kann die Optik 14 jedoch auch eine strahlveren- gende Positivlinse aufweisen. Das Material der Optik 14 sollte an das Spektrum der Strahlungsquelle 12 angepasst sein. Insbesondere kann die Bestrahlungsoptik 14 eine Refraktivoptik sein.
Obwohl der Abstandssensor 10 freilich für alle Objekte verwendbar ist und das jeweilige Objekt 20 von dem jeweiligen Einsatzgebiet des Abstandssensors 10 abhängt, beeinflussen dennoch Eigenschaften des Objekts 20 das von der Erfassungseinrichtung 26 erfasste Signal. Das Objekt 20 kann beispielsweise eine Objektoberfläche besitzen, die als Lamber-Strahler wirkt, d.h. dass es senkrecht auffallende Strahlung derart reflektiert, dass sie von allen Seiten aus betrachtet gleich hell erscheint, bzw. in alle Abstrahlrichtungen α zur Flächennormalen die Intensität I0 mal cos a. abstrahlt, mit Io der senkrecht einfallenden Intensität. Auf die Beeinflussung dieser Objekteigenschaften auf die Messung wird im folgenden noch näher eingegangen.
Die Erfassungsoptik 22 kann auf eine feste Brennweite eingestellt sein oder eine variable Brennweite aufweisen bzw. als Teleobjektiv ausgelegt sein. Die Erfassungsoptik 22 bildet somit einzelne Objektpunkte 20a, 20b und 20c auf der Oberfläche des Objekts 20 auf Bildpunkte in der Bildebene ab, die die wirksame Erfassungsfläche der Erfassungs- einrichtung 26 bildet. Vorzugsweise überschneiden sich abgebildeter Bildbereich und bestrahlter Bereich 24 auf dem Objekt 20 im wesentlichen vollständig.
Wie es noch später näher erörtert werden wird, empfängt die Erfassungseinrichtung 26 reflektierte elektromagnetische Strahlungspulse 28, die von der Oberfläche des Objekts 20 auf das Bestrahlen derselben mit Strahlungspulsen 30 von der Strahlungsquelle 12 hin reflektiert bzw. zurückgestreut werden. Wie es später noch näher erörtert werden wird, strahlt der Laser 12 die Laserpulse 30 in Bestrahlungszeitfenstern aus, und die Erfassungseinrichtung 26 erfasst die Menge an einfallender Lichtstrahlung in Erfassungszeitfens- tern, die mit den Bestrahlungszeitfenstern synchronisiert sind. Beim eigentlichen Messzyklus, wie es ebenfalls im folgenden noch näher beschrieben wird, sind die Bestrah- lungs- und Erfassungszeitfenster gleich lang und ohne Zeitversatz zueinander. Da Objektpunkte, die einen größeren Abstand d zum Sensor 10 haben, eine längere Wegstrecke zwischen Laser 12 und Erfassungseinrichtung 26 zurücklegen müssen, nämlich 2*d, als solche mit einem geringeren Abstand, überlappen die reflektierten Lichtpulse 28 weniger mit den Erfassungszeitfenstern und führen somit zu einer geringeren erfassten Lichtmenge an Pixeln der Erfassungseinrichtung 26, auf die der jeweilige Objektpunkt abgebildet wird.
Anders ausgedrückt, wird der Laserpuls 30 an der bestrahl- ten Oberfläche des Zielobjekts 20 reflektiert und trifft nach einer LaufZeitverzögerung tLaUf = 2 • d/cicht (wobei cLiCht die Lichtgeschwindigkeit im Medium zwischen Objekt 20 und Abstandssensor 10 bedeute) mit der Restenergie ELaser auf die photoempfindliche Fläche der Erfassungseinrichtung 26 auf. Je nachdem, wie groß die Entfernung d ist, verschiebt sich der Zeitpunkt tLaUf entlang der Zeitachse t nach links oder rechts. Mit wachsender Entfernung nimmt die Verzögerungszeit zu und der Punkt tLaUf verschiebt sich nach rechts .
Der eigentliche Erfassungsvorgang in den einzelnen Pixeln der Erfassungseinrichtung 26 von Fig. 1 wird nun im folgenden Bezug nehmend auf Fig. 2 näher erläutert. Fig. 2 zeigt die Erfassungseinrichtung 26 gemäß einem Ausführungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung detaillierter. Die Erfassungseinrichtung 26 umfasst ein Eingangsfenster 50, wie z.B. aus Glas, eine an der Unterseite 52 des Eingangsfensters 50 beispielsweise durch Aufdampfen angebrachte Photo- kathode 54, ein Gehäuse 56, wie z.B. aus Keramik, das zusammen mit dem als Deckel fungierenden Eingangsfenster 50 im Inneren eine luftdicht abgeschlossene Vakuumkammer 58 bildet, und eine beispielsweise in CMOS-Technologie imple- mentierte Halbleiterstruktur 60, die der Photokathode 54 über die Vakuumkammer 58 gegenüberliegend an einer der Unter- bzw. Innenseite 52 des Eingangsfensters 50 gegenüberliegenden Bodeninnenseite 62 des Gehäuses 56 angebracht ist. Die in Fig. 2 dargestellte Erfassungseinrichtung 26 ist mit der der Unterseite 52 gegenüberliegenden Oberseite 64 des Eingangsfensters 50 über die Erfassungsoptik 22 dem bestrahlten Objekt 20 (Fig. 1) zugewandt, und die Unterseite 52 bzw. die Grenzfläche zwischen Eingangsfenster und Photokathode 54 bildet die vorhin erwähnte lichtempfindli- ehe Erfassungsebene, auf die die Erfassungsoptik 22 das Objekt 20 abbildet.
Durch das Eingangsfenster 50 hindurch fällt nun das reflektierte Laserlicht 28, d.h. das Nutzsignal, sowie Hinter- grundlicht 66 auf die Photokathode 54 an der Innenseite 52. Durch den äußeren Photoeffekt werden Photoelektronen 68 aus dem Photokathodenmaterial herausgelöst bzw. von dem Photokathodenmaterial abgegeben. Wie es bekannt ist, geben Photonen des einfallenden Lichts 28, 66 ganz oder teilweise ihre Energie an Elektronen in der Photokathode 54 ab, die daraufhin das Photokathodenmaterial verlassen, wenn ihre Energie eine vorbestimmte materialcharakteristische Ablöseenergie überschreitet. Wie es noch im folgenden näher erörtert werden wird, liegt in den Erfassungszeitfenstern eine Beschleunigungsspannung zwischen der Photokathode 54 auf der einen und einem Array von Gegenelektroden, die den einzelnen Pixeln der Erfassungseinrichtung 26 entsprechen, auf der anderen Seite an, so dass die ausgelösten Photoelektronen 68 in den Erfassungszeitfenstern durch ein im wesentlichen homogenes elektrisches Feld in der Vakuumkammer 58 zur Halbleiterstruktur 60 bzw. den Gegenelektroden hin beschleunigt werden und dabei die Vakuumkammer 58 bis zur Halbleiterstruktur 60 durchqueren. Dort werden die Elektronen pixelaufgelöst aufgefangen und in ein weiterver- arbeitbares Signal umgewandelt, wie es Bezug nehmend auf Fig. 1 näher erörtert werden wird.
Es bleibt festzuhalten, dass trotz der Umwandlung des Nutzsignals 28 an der Photokathode 54 in Photoelektronen die Bildauflösung nicht verloren geht, da Photoelektronen 68, die an einem bestimmten Ort lateral entlang der Photokathode 54 abgegeben worden sind, durch die Beschleuni- gungsspannung bzw. das homogene elektrische Feld stets nur an einem diesem Auslöseort eindeutig zugeordneten Auftreffort bzw. einer diesem Ort eindeutig zugeordneten Gegenelektrode auf der Halbleiterstruktur 60 auftreffen. In Nichterfassungszeitfenstern liegt, wie es im folgenden noch näher erörtert werden wird, keine Spannung oder eine entgegengerichtete Spannung zwischen den Elektroden 54 und 60 an, so dass in Nichterfassungszeitfenstern vergleichsweise wenig Photoelektronen 68 die gegenüberliegende Halbleiterstruktur 60 erreichen.
Wie es im Vorhergehenden beschrieben worden ist, ist auf einer Oberseite der Halbleiterstruktur 60, d.h. auf der der Photokathode 54 zugewandten Seite, ein Array von Gegenelektroden gebildet, die jeweils zusammen mit der Photoka- thode 54 eine Kapazität bilden. Ein Photokathoden/Gegenelektroden-Paar stellt ein Pixel aus einem Array von Pixeln dar. Fig. 1 stellt auf der rechten Seite ein Pixel der Erfassungseinrichtung 26 zusammen mit zugehöriger Ansteuerelektronik stellvertretend dar, wobei das Pixel mit 100 angezeigt ist. Dargestellt sind in Fig. 1 die Photokathode 54, die allen Pixeln gemeinsam ist, die dem Pixel 100 eigens zugeordnete Gegenelektrode 102, und exemplarische Photoelektronen 68, die die Vakuumkammer 58 von Photokathode 54 aus zur Gegenelektrode 102, die sich beide über die Vakuumkammer 58 gegenüberliegen, durchqueren.
Dem Pixel 100 sind eigens drei Transistoren Ql, Q2 und Q3 zugeordnet, d.h. solche Transistoren sind jedem anderen Pixel ebenfalls zugeordnet. Der Transistor Ql ist mit seiner Source/Drain-Strecke zwischen ein Spannungspotential Vreset und die Gegenelektrode, die beispielsweise eine Metallelektrode ist, geschaltet. An dem Steueranschluss des Transistors Ql liegt ein Signal reset an. Die Gegenelektrode 102 ist ferner mit einem Steueranschluss des Transistors Q2 verbunden, der als Source-Folger geschaltet ist. Insbesondere ist aber der als Source-Folger geschaltete Transistor Q2 mit seiner Source/Drain-Strecke in Reihe mit einer Source/Drain-Strecke des Transistors Q3 zwischen eine Spannungsversorgung VDD und einen Signalausgang 104 des Pixels 100 geschaltet, wobei der Transistor Q3 mit dem Ausgang 104 verbunden ist. Ein Steueranschluss des Transistors Q3 wird von einem Signal select gesteuert. Allen Pixeln gemeinsam, hier aber für das Pixel 100 dargestellt, ist ein Schalter 106 vorgesehen, der gesteuert durch ein Signal shutter die Photokathode wahlweise auf Masse bzw. auf ein Bezugspotential oder auf das Potential Vreset legt, das auf das Bezugspotential bzw. die Masse bezogen ist, und von einer Gleichspannungsquelle 108 erzeugt wird, die zwischen einen der beiden Schalteranschlüsse des Schalters 106 und Masse geschaltet ist.
Die pixelspezifischen Steuersignale reset und select sowie das für alle Pixel gemeinsame Steuersignal shutter werden von einer Steuereinrichtung ausgegeben, die in Fig. 1 mit 110 angezeigt ist. Ferner ist in Fig. 1 angezeigt, dass die Gegenelektrode 102 des Pixels 100 zusammen mit der Photokathode 54 eine Kapazität CD bildet und dass das Ausgangssig- nal am Ausgang 104 des Pixels 100 im folgenden mit Usignaι bezeichnet wird.
Wie es im folgenden Bezug nehmend auf Fig. 3 näher erörtert werden wird, ist der Transistor Ql vorgesehen, um die Gegenelektrode 102 unmittelbar vor Beginn eines Erfassungszeitfensters positiv aufzuladen, indem derselbe die Gegenelektrode 102 auf das Potential Vreset legt, während gleichzeitig der Schalter 106 die Photokathode auf Masse legt, welche Einstellungen die Steuereinrichtung 110 durch geeignete Einstellung der Steuersignale shutter und des pixelspezifischen Steuersignals reset erzielt. Hierdurch bildet sich eine Beschleunigungsspannung über Elektroden 54, 102 aus. Während des Erfassungszeitfensters trennt dann der Transistor Ql die Gegenelektrode 102 von dem Potential VreSet- Die zu diesem Zeitpunkt über die Kapazität CD abfallende Beschleunigungsspannung nimmt dann während des Erfassungszeitfensters aufgrund der auf die Metallelektrode 102 auftreffenden Photoelektronen 68 ab. Am Ende eines Erfassungszeitfensters wird durch den Schalter 106 die Photokathode 54 auf das Potential Vreset gelegt, wobei die nun anliegende Spannung über die Kapazität CD Photoelektronen 68 hinsichtlich eines Auftreffens auf die Gegenelektrode 102 entgegenwirkt und darüber hinaus ein Maß für die Lichtmenge ist, die auf den dem Pixel 100 entsprechenden Bereich der Photokathode 54 während des Erfassungszeitfensters eingefallen ist. Die Restspannung, in Fig. 1 mit Uι,2 bezeichnet, wird dann über die Transistoren Q2 und Q3 ausge- lesen und von einer Auswerteeinheit verarbeitet, die in Fig. 1 nicht gezeigt ist, aber deren Funktionsweise im Hinblick auf Fig. 3 noch beschrieben wird.
Bezug nehmend auf Fig. 3 wird nun im folgenden die Funkti- onsweise des Abstandssensors 10 von Fig. 1 detailliert gemäß einem Ausführungsbeispiel beschrieben, bei dem der Abstandssensor 10 den Abstand d mittels vier unterschiedlicher, aufeinanderfolgender Erfassungszyklen erfasst, die sich in der Zeitdauer des Erfassungszeitfensters bzw. der Integrationszeit und hinsichtlich des Ein- bzw. Auszustands des Lasers 12 unterscheiden.
Fig. 3 stellt die vier Zyklen, im folgenden genauer als Subzyklen bezeichnet, dar. Insbesondere zeigt Fig. 3 die Zeitverläufe unterschiedlicher Signale, die in dem Ab- standssensor 10 während dieser vier Subzyklen auftreten. Die Zeitverläufe sind in jeweils sechs Zeitdiagrammen untereinander dargestellt, bei denen die x-Achse der Zeit t in willkürlichen Einheiten entspricht. Die Zeitachsen aller sechs Zeitdiagramme zeigen den gleichen Zeitausschnitt, d.h. sind zueinander ausgerichtet. Mit geschweiften Klammern sind die erwähnten vier aufeinanderfolgenden Subzyklen angezeigt, die mit IA, IB, IIA und IIB in der Reihenfolge ±hres Auftretens bezeichnet sind. Wie es in Fig. 3 oben zu sehen ist, werden die ersten beiden Subzyklen IA und IB im nachfolgenden auch manchmal zusammenfassend als Messzyklus I bezeichnet, der hier exemplarisch etwa 20-200 nsek dau- ert, während die beiden nachfolgenden Subzyklen IIA und IIB zusammenfassend mit Messzyklus II bezeichnet werden, der hier exemplarisch etwa ebenso lange, nämlich 20-200 nsek dauert.
Zn einem oberen der sechs Zeitdiagramme, das mit 150 angezeigt ist, ist der Zeitverlauf des von dem Laser 12 ausgegebenen Strahlungsflusses der Lichtleistung gezeigt, wobei die Lichtleistung in willkürlichen Einheiten entlang der y- Achse aufgetragen ist. Wie es zu sehen ist, wird der Laser 12 pulsartig ein- und ausgeschaltet. Die Pulszeitdauern betragen tP. Die Lichtleistung während der Bestrahlungszeitfenster ist derart eingestellt, dass sie zu einer Bestrahlungsstärke E0 in dem bestrahlten Bereich 24 des Objekts 20 führt. Außerhalb der Lichtpulse ist der Laser aus. In dem in Fig. 3 erfassten Zeitausschnitt sind zwei Laserimpulse 152 und 154 enthalten. Der Laserpuls 152 ist im Subzyklus IA enthalten, während der Laserpuls 154 im Subzyklus IIA enthalten ist. In den Subzyklen IB und IIB wird kein Laserpuls ausgegeben. Messzyklen I und II und damit auch die Laserpulse 152 und 154 werden mit einer vorbestimmten Wiederholzeitdauer zyklisch wiederholt.
Die abgestrahlten Laserpulse 152 und 154 von Fig. 3, die in Fig. 1 mit 30 angedeutet sind, treffen auf die Oberfläche des Objekts 20 und werden von dort aus wieder reflektiert und gelangen nach einer LaufZeitdauer tLauf = 2 • d/cLiCht zu der Erfassungseinrichtung 26. Der zeitliche Verlauf der an der Erfassungseinrichtung 26 an einem Pixel eintreffenden Lichtleistung ist in dem zweitobersten Zeitdiagramm 156 von Fig. 3 dargestellt, wobei die Lichtleistung in der y-Achse wiederum in willkürlichen Einheiten aufgetragen ist, und im folgenden davon ausgegangen werde, dass es sich bei dem Pixel um das Pixel 100 von Fig. 1 handele. Wie es zu sehen ist, treffen reflektierte Lichtpulse 158 und 160 mit einem Zeitversatz tLauf ein und besitzen die gleiche Pulslänge tP wie die Pulslängen bei der Ausstrahlung. Im folgenden wird angenommen, dass die reflektierten Lichtpulse 158 und 160 an dem entsprechenden Pixel 100 aufgrund des Abstands d und der Reflektivität R des Objekts 20 zu einer Bestrahlungsstärke ELaser führe.
Bei einem dritten von oben dargestellten Zeitdiagramm 162 zeigt Fig. 3 den Zeitverlauf des Signals shutter, der zur Steuerung des Schalters 106 bzw. des Photokathodenpotentials dient. Das Signal Shutter ist bei 162 in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Befindet sich das Signal Shutter 162 bei 162 auf der x-Achse, so befindet sich der Schalter 106 in der Stellung, die in Fig. 1 gezeigt ist, d.h. der Schalter 106 spannt die Photokathode 54 auf das Potential VreSet vor. Andernfalls, d.h. wenn das Signal shutter bei 162 fern der x-Achse ist, befindet sich der Schalter 106 in der in Fig. 1 nicht dargestellten Stellung, d.h. die Photokathode 54 wird auf Masse gelegt. Die Zeitpunkte, da die Photokathode 54 auf Masse gelegt wird, stellen die Erfassungszeitfenster der Erfassungseinrichtung 26 dar. Wie es zu sehen ist, treten in den dargestellten vier Subzyklen vier Erfassungszeitfenster 164, 166, 168 und 170 auf, eines pro Subzyklus. Die Zeitdauer ts der Erfassungszeitfenster 164 und 166 der Subzyklen IA und IB sind gleich der Bestrahlungszeitdauer tP, während die Erfassungszeitdauern ts der Erfassungszeitfenster 168 und 170 in den Subzyklen IIA und IIB größer als tP sind, und zwar vorzugsweise so groß, dass ts ≥ tP + tLauf + Δt für alle erlaubten bzw. zu erwartenden Abstände d gilt, wobei Δt der Zeitversatz zwischen Bestrahlungszeitfenstern 152, 154 und Erfassungszeitfenstern 164, 168 angebe, der vorliegend exemplarisch Null ist. Die Erfassungszeitfenster 164 und Erfassungszeitfenster 164 und 168 aus den Messzyklen I bzw. II sind zu dem jeweiligen Laserpuls 152 bzw. 154 des Messzyklus derart synchronisiert, dass sie zu denselben ohne Zeitversatz beginnen, wobei die Synchronisation durch eine Synchronisationseinrichtung, die in den Fig. 1 - 3 nicht gezeigt ist, vorgenommen wird.
Das unterste unter den sechs Zeitdiagrammen von Fig. 3, das mit 172 angezeigt ist, stellt den Signalverlauf des Steuer- signals reset für das vorliegend stellvertretend für die anderen Pixel betrachtete Pixel 100 dar. Auch das Signal reset ist stets auf einen von zwei logischen Zuständen eingestellt. In einem ersten Zustand, der in Fig. 3 bei 172 so dargestellt ist, dass der Signalverlauf von reset auf der x-Achse verläuft, trennt der Transistor Ql die Elektrode 102 von dem Potential Vreset- In dem anderen logischen Zustand, der in Fig. 3 so dargestellt ist, dass das Signal reset fern der x-Achse ist, leitet der Transistor Ql, so dass die Elektrode 102 des Pixels 100 auf das Potential Vrese-t vorgespannt wird. Die Zeitpunkte, in denen dies geschieht, sind in Fig. 3 mit 174, 176, 178 und 180 angezeigt. Sie treten immer unmittelbar vor den Erfassungszeitfenstern 174, 176, 168 und 170 auf oder zumindest in einer zeitlichen Nähe hierzu.
Das Zeitdiagramm 182 darüber stellt den Zeitverlauf des Steuersignals select für das vorliegend betrachtete Pixel 100 dar. Das Signal select nimmt stets ebenfalls lediglich einen von zwei logischen Zuständen ein, einen ersten, der in Fig. 3 daran zu erkennen ist, dass das Signal select auf der x-Achse liegt, und der andere dadurch, dass das Signal select fern der x-Achse ist. Im erstgenannten Fall sperrt der Transistor Q3, im letztgenannten Fall leitet der Transistor Q3, so dass, wie es noch erläutert werden wird, anhand des sich ergebenden Ausgangssignals USignai auf die einfallende Lichtmenge auf das Pixel während des entsprechenden Erfassungszeitfensters 164-170 rückgeschlossen werden kann. Die Zeitpunkte, an denen der Transistor Q3 leitend geschaltet ist, sind in Fig. 3 mit 184, 186, 188 und 190 angezeigt. Sie folgen stets auf das Ende eines der Erfassungszeitfenster 164-170.
Wie in Fig. 1 gezeigt, werden die Signale shutter, select und reset, wie sie bei 162, 172 und 182 gezeigt sind, von der Steuereinrichtung 110 gesteuert. Sie steuert somit indirekt auch die zu den Erfassungszeitfenstern 164-170 synchronisierten Laserpulse 152-154. Durch die Signalver- laufe von shutter, select und reset ergibt sich am Ende jedes Erfassungszeitfensters 164-170 während der entsprechenden Auslesephase 184-190 am Ausgang 104 ein Signal Usignai/' welches ein Maß für die auf das entsprechende Pixel aufgetroffene Lichtmenge während des jeweils vorausgegange- nen Erfassungszeitfensters ist. Dies lässt sich folgendermaßen erklären. Die Metallelektrode 102 wird zu oder vor Beginn jedes Belichtungsvorganges 152, 154 über den Transistor Ql mit dem Startpotential Vreset vorgespannt (174- 180) . Anschließend wird der reset-Schalter Qi geöffnet. Gleichzeitig hierzu oder etwas später beginnt das Erfassungszeitfenster 164-170 durch legen der Photokathode auf Masse, wodurch sich die Beschleunigungsspannung ausbildet. Die einfallenden Elektroden 68 entladen dann die Kapazität CD solange, bis die Photokathode 54 am Ende der Erfassungs- Zeitdauern 164-170 wieder deaktiviert wird, indem das Signal shutter so eingestellt wird, dass die Photokathode auf das Potential VreSet vorgespannt wird. Über den Transistor Q3 wird dann das Signal nach einer bestimmten Zeitdauer Tint/ die in etwa gleich der oder etwas größer als die Erfassungszeitfensterdauer ts ist, nach dem Ende des Rücksetzvorganges 174, 176, 178, 180 ausgelesen. Der Transistor Q2, der als Source-Folger geschaltet ist, puffert die über die Kapazität CD anliegende Restspannung Uχ2. Die räumliche Abstandserfassung wird erst durch die Anordnung der Pixel als Array und mittels synchroner Belichtung aller Empfangselemente bzw. Pixel durch das gemeinsame shutter-Signal an der Photokathode 54 möglich. Dieses Signal unterbricht den Elektronenstrom 68 zur Metallelektrode 102, so dass der Momentanwert der auf der Metallelektrode 102 akkumulierten lichtproportionalen Elementarladungen „eingefroren" wird.
Ist die Dauer des Shutter-Signal ts gleich der Pulsbreite tP, wie es in den Subzyklen IA und IB der Fall ist, so repräsentiert die auf dem Kondensator CD liegende Spannung Ui ein Maß für den Abstand d des Pixels von seinem korrespondierenden Bild- bzw. Objektpunkt in der Bildszene. Ist die Dauer des Shutter-Signals ts dagegen ausreichend größer als die Pulsbreite tP, wie es in den Subintervallen IIA und IIB der Fall ist, so ist die Spannung Uχ,2 nun ein Maß für die komplett akkumulierte Laserenergie. Dieser Umstand wird, wie es im folgenden noch näher erörtert werden wird, ausgenutzt, um pixelweise schwankende Reflektivitäten und pixelweise unterschiedliche Öffnungspupillen, die von dem jeweiligen Abstand d des dem Pixel entsprechenden Objektpunktes abhängen, zu kompensieren. In dem durch die Integration gewonnenen Messergebnis sind zusätzlich zum Abstand noch die Reflektanz r des belichteten Objektes, die Emp- findlichkeit der Photokathode R und der quantitative Ein- fluss externer Störungen enthalten. Externe „Störungen" sind in diesem Zusammenhang insbesondere gegeben durch Fremdlichtanteile mit der Energie Efremd/' hervorgerufen durch unvermeidliche Einflüsse der Umgebungsbeleuchtung.
In dem noch verbliebenen Zeitdiagramm 192 ist in Fig. 3 schließlich der Zeitverlauf der Spannung Uι, dargestellt, und zwar wiederum in willkürlichen Einheiten und ohne Berücksichtigung des Vorzeichens. Genau genommen stellt das Zeitdiagramm 192 entlang der y-Achse einen zeitlichen Verlauf der akkumulierten Spannung über die Kapazität CD dar, die sich im Laufe jedes Erfassungszeitfensters 164 - 170 aufgrund des Photoelektroneneinfalls bildet und dann durch Abschalten der Beschleunigungsspannung einfroren wird.
Im Subzyklus IA des Messzyklus I, bei dem die Shutterzeit- dauer ts gleich der Belichtungszeitdauer tP ist und ein Laserpuls 152 ausgegeben worden ist, akkumuliert sich auf einem betrachteten Pixel 100 vom Rücksetzzeitpunkt 174 an, genauer von Beginn des Erfassungszeitfensters 164 an, bis zum Eintreffen des reflektierten Pulses 158, d.h. über eine Zeitdauer von tlaUf, lediglich störendes Hintergrundlicht. Genauer ausgedrückt führt in dieser Zeitspanne der Länge tauf lediglich störendes Hintergrundlicht zu Photoelektronen 68, die die Elektrode 102 entladen. Die Entladungskurve bei 192 ist deshalb in dieser Zeitspanne 194 zunächst flach. Sobald der reflektierte Puls 158 eingetroffen ist, trägt nicht nur das Hintergrundlicht, sondern auch das Nutzsignal, d.h. der reflektierte Puls 158, zur Photoelektronenerzeugung bei, und die Entladungskurve bei 192 steigt in diesem Zeitabschnitt, wie er bei 196 angezeigt ist, steiler an als bei 194. Dann, am Ende des Erfassungszeitfensters 164, wird die über die Kapazität CD anliegende Beschleunigungsspannung ausgeschaltet, indem der Schalter 106 die Photokathode mit Masse verbindet. Da keine Beschleunigungsspannung mehr anliegt, gelangen kaum noch Photoelektronen 68 zur Gegenelektrode 102, so dass die nach dem Umschalten des Schalters 106 über die Kapazität CD anliegende Spannung Ui von da an im wesentlichen konstant bleibt bzw. eingefroren wird, wie es bei 198 angezeigt ist. Die Spannung Ui liegt somit auch noch zu dem Zeitpunkt an, das der Transistor Q3 bei 184 leitend geschaltet wird, so dass sich am Ausgang 104 ein zu dem Spannungssignal Ui proportionales Ausgangssignal USignaι ergibt. Die Spannung Ui nimmt am Ende des Erfassungszeitfensters 164, nach Umschalten des Schalters 106, einen Wert Uι, aser,fEemd an, für den gilt:
Ul, Laser, fremd = ^ ' r ' ^0,Laser ' V"P ~~ tLau + Efremd • tp] Gl . 1
wobei Eo, Laser die Energie des Lasers bei Lichtimpuls 152 bzw . 152 sei , Etremd die Energie des Fremdlicht- bzw . Hintergrundlichtanteils , tP die Bestrahlungs zeitdauer, die j a vorliegend gleich der Erfassungszeitdauer ist , tLauf die Laufzeit des Lichtes, r die Reflektanz des belichteten Objekts 20 und R ein Maß für die Lichtempfindlichkeit der Photokathode 54 sei.
Gleichung 1 enthält einen laufzeitabhängigen und einen vom Fremdlicht abhängigen Anteil. Im Zyklus IB wird die Messung nun wiederholt, allerdings ohne Laserlicht. Da nun nur das Hintergrundlicht zur Photoelektronenbildung beiträgt, ist die Steigung der Entladungskurve beim Zyklus IB flach, wie es bei 200 gezeigt ist, nämlich so flach wie bei 194. Die sich am Ende des Erfassungszeitfensters 166 einstellende Restspannung
Figure imgf000026_0001
an der Elektrode 102 entspricht ül,fremd - R ' r " Efremd ' ^P G^ '
Folglich enthält Uι,fremd lediglich den Fremdlichtanteil und somit auch das bei 186 ausgelesene Signal USignaι. Die Ergebnisse der Subzyklen IA und IB werden nun voneinander abgezogen, um den Fremdlichtanteil zu eliminieren. Es ergibt sich somit, die Proportionalität von USignai außeracht lassend, für die Differenz:
Figure imgf000026_0002
— tLauf ) Gl . 3
Die Differenzbildung kann freilich digital oder analog stattfinden . Ist die Halbleiterstruktur 60 j edoch in CMOS- Technik implementiert, so ist es zweckmäßigerweise möglich, die Analogsignals U ,Laser, fremd und Uι, fremd direkt auf dem Chip bzw. der Halbleiterstruktur 60 mit sehr hoher Genauigkeit voneinander zu subtrahieren . Dies geschieht beispielsweise in einer sogenannten Schaltung zur korrelierten Doppelabtastung bzw. einer CDS- (CDS = correlated double sampling = korrelierte Doppelabtastung) Stufe .
Da die Messungen in den Subzyklen IA und IB zeitlich sehr nahe beieinander liegen, sind die Fremdlichtanteile zu nahezu 100% korreliert, weshalb Gleichung 3 in der geschriebenen Form gültig ist . Wie man erkennt, enthält Gleichung 3 keinen Fremdlichtanteil mehr. Allerdings sind noch die Reflektanz r, die von Bildpunkt zu Bildpunkt erheblich schwanken kann, und zwar im äußersten Fall für die Reflexion um beispielsweise einen Faktor von 1:40, und die Empfindlichkeit R der Photokathode, welche herstellungsbedingt von Pixel zu Pixel schwanken kann, enthalten. Diese Parameter werden, wie es im folgenden beschrieben wird, im Messzyklus II kompensiert. Während des Messzyklus II wird der Differenzwert Uι,diff bzw. ein dazu proportiona- 1er Wert im Kamerasystem gespeichert, da ja bei Subzyklus IIA die Pixel sowie die oben erwähnte CDS-Schaltung für den nächsten Messzyklus zurückgesetzt werden.
Der Messzyklus II ist im wesentlichen identisch mit dem Messzyklus I bis auf die Dauer ts des Shutter-Signals 162: Das Shutter-Zeitfenster ist jetzt deutlich länger als die Dauer tP des Laserpulses 154, so dass die gesamte Pulsform des Lasers im Pixel aufintegriert wird. Damit ist keine Abstandsinformation d mehr in dem Signal Ui enthalten, weil diese gerade durch das „Abschneiden" des empfangenen Laserpulses mittels des Shutter-Signal gewonnen wird.
Im Subzyklus IIA akkumulieren sich somit über die Zeitdauer ts zunächst einmal die durch das Hintergrundlicht erzeugten Photoelektronen. Dieser Anteil ist mit der gestrichelten Linie bei 202 angezeigt. Während der Zeit, da der reflektierte Lichtpuls 160 eintrifft, welcher Zeitabschnitt sich vollständig in dem Zeitfenster 168 befindet, werden zusätzlich Photoelektronen durch den reflektierten Laserpuls 160 erzeugt, weshalb die Steigung der tatsächlichen Entladungskurve beim Subzyklus IIA während dieser Zeit größer als der Beitrag des Fremdlichtanteils 202 ist, wie es bei 204 angezeigt ist . Am Ende des Erfassungszeitfensters 168 wird deshalb nach Umschalten des Schalters 106 auf Masse eine Spannung U2 am Kondensator CD eingefroren, für die gilt: ü2, Laser, fremd = R ' r ' (ELaser ' tp + Efremd ' ^ J Gl . 4 Wie bei dem Messzyklus I wird dann der Messzyklus II der Subzyklus IIA im Subzyklus IIB wiederholt, diesmal jedoch ohne Nutzsignal bzw. Laserpuls, so dass nicht wie im Subzyklus IIA Laser- und Hintergrundanteil aufgenommen werden, sondern nun nur der Fremdlichtanteil, so dass sich am Ende des Erfassungszeitfensters 170 über die Kapazität CD eine Spannung U2,fremd ergibt, für die gilt:
"2,fremd = " 2T • Efremd • tg Gl . 5
Abermals werden die beiden Werte beispielsweise in vorerwähnter CDS-Stufe einer Differenzbildung unterzogen, so dass sich der Wert U2,diff bzw. ein dazu proportionaler Wert ergibt, nämlich
^diff — ^2,hassr, fremd U 2f fremd — R ' ^ ' ELaser ' ""-p ^1 . 6
Die beiden vorerwähnten Differenzbildungen werden in einer Auswerteeinheit durchgeführt, die in den Figuren nicht gezeigt ist und die gegebenenfalls vorerwähnte CDS-Stufe aufweist . Die Auswerteeinheit bildet nun den Quotienten aus den Ergebnissen aus Gleichung 3 und Gleichung 6, wodurch sich ergibt: ^«! = p ~ tLuf) G1- 7 ^2,diff tp
Unter Verwendung des Zusammenhangs tLaUf = 2-d/cLiCt und unter der Voraussetzung, dass die Laserquelle 12 sowie die Erfassungseinrichtung 26 die gleiche Entfernung d zum Objekt 20 besitzen, gilt schließlich für den Abstand dx,y des jeweils betrachteten Pixels (x, y) , wobei x und y beispielsweise einen Zeilen- bzw. Spaltenindex angeben, von seinem korrespondierenden Objektpunkt 20a-20c in der Szene:
Figure imgf000029_0001
Eine Auswerteeinrichtung, die die sich in den Subzyklen IA - IIB ergebenden Ausgangssignale gemäß der Gleichungen 3, 6, 7 und 8 verarbeitet, in den Figuren aber nicht gezeigt ist, gelangt folglich für alle Pixel an Pixelpositionen, d.h. für jede Pixelzeile x und jede Pixelspalte y, in welchen die Pixel angeordnet sind, zu einem Abstandswert dx,y, der hintergrundlichtkompensiert und reflektanzkompen- siert ist.
Um die Empfindlichkeit zu erhöhen und damit die Abstandsauflösung zu steigern, können die Messzyklen I und II jeweils mehrmals hintereinander ausgeführt werden, wobei derweil die Differenzen Uιdiff und U2,diff aufaddiert und jeweils im Analogspeicher auf dem Chip abgelegt werden. Bei N Zyklen des Zyklus I verbessert sich damit die Abstandsauflösung Δd um den Faktor Wurzel (N) . Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass die Laserenergie quadra- tisch mit dem Abstand d von der Laserquelle 12 abnimmt, was die Anforderungen an die Mehrpulsfähigkeit des Systems enorm erhöht .
Ferner wird Bezug nehmend auf die Beschreibung von Fig. 3 noch darauf hingewiesen, dass neben den Fremdlichtanteilen und der Reflektanz gleichzeitig auch Dunkelstromanteile und tieffrequente Rauschanteile, die vom Halbleitersubstrat bzw. CMOS-Sensor 60 herrühren, kompensiert werden, da sie durch die unmittelbare Messung nach der Beleuchtung mit der Laserquelle noch korreliert sind.
Ergänzend dazu bietet nun das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel durch eine Bildverstärkungsanordnung die Möglichkeit, in Verbindung mit einer MCP den Elektro- nenstrom zu verstärken und auf diese Weise den Signalrauschabstand und damit die Abstandsauflösung zu erhöhen. Nachfolgend wird Bezug nehmend auf die Fig. 4 und 5 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben, das sich von dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 - 3 in der Ausgestaltung der Erfassungseinrichtung 26 und genau genommen in der Hinzufügung einer MCP unterscheidet, so dass die Erfassungseinrichtung 26 als Bildverstärker wirkt.
Die zu Fig. 2 veränderte Erfassungseinrichtung ist in Fig. 4 mit 26' dargestellt. Sie ist im Aufbau grundsätzlich identisch mit dem Aufbau der Erfassungseinrichtung von Fig. 2, mit der Ausnahme, dass sich ein Elektronenvervielfacher in der Form einer MCP (Micro Channel Plate) bzw. einer Mikrokanalplatte 300 in dem Hochvakuum 58 zwischen der Photokathode 54 und dem Halbleitersubstrat 60 befindet. In Fig. 4 dargestellt ist auch der Schalter 106, der gesteuert über das Steuersignal shutter in Erfassungszeitdauern der Länge ts bzw. tP dafür sorgt, dass eine Beschleunigungsspannung zwischen Halbleiterstruktur 60 und Photokathode 54 anliegt und dazwischen nicht. Für die MCP 300 existiert ein Schalter 302, der durch ein Steuersignal S2 gesteuert wird, das ebenfalls durch die Steuereinrichtung 110 erzeugt wird, die in Fig. 4 der Übersichtlichkeit halber jedoch nicht gezeigt ist. Gesteuert durch das Steuersignal S2 schaltet der Schalter 302 die MCP 300 wahlweise entweder auf Masse oder spannt dieselbe auf ein Potential VMCP vor, wie es von einer Gleichspannungsquelle 304 erzeugt wird, die zwischen Masse und einen jeweiligen Schalteranschluss des Schalters 302 geschaltet ist.
Der Elektronenvervielfacher 300 in Form der MCP hat die Wirkung, dass, wenn die Spannung VMCP an dem MCP 300 anliegt, die von der Photokathode 54 abgegebenen und zu den Gegenelektroden der Halbleiterstruktur 60 hin beschleunig- ten Photoelektronen 68 auf die MCP 300 auftreffen, die daraufhin für jedes Elektron ein der Spannung VMCp entsprechendes Vielfaches bzw. eine der Spannung VMCP entsprechende Anzahl von Sekundärelektronen 306 ausgibt. Die Abhängigkeit der Anzahl von der Spannung VMCP ergibt sich aus der größeren Beschleunigung der Primärelektronen 68 bei größerer Spannung VMCp.
Der Sekundärelektronenvervielfacher 300 in Form der MCP kann ebenfalls als „Photo"-Gate mit Shutter-Funktion verwendet werden, wie es aus Fig. 5 deutlich werden wird. Fig. 5 stellt ein Ausführungsbeispiel eines Messablaufs dar, der demjenigen von Fig. 3 entspricht, sich jedoch von demjeni- gen von Fig. 3 dadurch unterscheidet, dass anstelle der Erfassungseinrichtung 26 von Fig. 2 in dem Abstandssensor von Fig. 1 die Erfassungseinrichtung bzw. der Bildverstärker 26' von Fig. 4 verwendet wird. Fig. 5 stellt den Messablauf entsprechend Fig. 3 durch Zeitverläufe von Signalen dar. In den Zeitverläufen, in denen der Messablauf nach Fig. 5 mit dem Messablauf von Fig. 3 übereinstimmt, sind gleiche Bezugszeichen verwendet worden. Wie es zu erkennen ist, stimmt der Messablauf in den Signalen reset, select, shutter sowie in der Ansteuerung des Lasers überein. In Fig. 5 wurde das sich an den Pixeln ergebende Entladeverhalten nicht dargestellt, da es im wesentlichen demjenigen von Fig. 3 entspricht bzw. sich lediglich in einer höheren Steigung der Entladekurve niederschlägt, da ja jedes Primärelektron 68 zu einem oder mehreren Sekundärelektronen 306 führt.
In einem Zeitdiagramm 350 zeigt Fig. 5 jedoch den zeitlichen Verlauf des Signals S2, mit welchem der Schalter 302 angesteuert wird. Befindet sich bei 350 das Signal S2 an der x-Achse, so ist der Schalter 302 an der in Fig. 4 nicht dargestellten Stelle, so dass die MCP 300 gesperrt ist. Zu den anderen Zeitpunkten, die bei 350 dadurch angezeigt sind, dass das Signal S2 fern der x-Achse ist, und die in Fig. 5 mit 352, 354, 356 und 358 angezeigt sind, befindet sich der Schalter 302 in der in Fig. 4 dargestellten Stellung, so dass an der MCP 300 die Spannung 304 anliegt. Die Zeitpunkte 352 - 358, an denen die Spannung VMCP an der MCP 300 anliegt, decken sich mit bzw. sind zeitgleich zu den Erfassungszeitfenstern 164-170. Die MCP 300 wirkt somit als „Photo"-Gate mit Shutter-Funktion. Steht der Schalter S2 in Stellung „Masse", so ist die MCP 300 gesperrt, der Elektro- nenfluss zur Halbleiterstruktur 60, die beispielsweise ein CMOS-Sensor ist, ist so unterbrochen. In der Stellung ,NMCP" wird die Verstärkung durch die Justierung der Spannung VMCP eingestellt. MCP's besitzen Verstärkungen von 1:1 Million und mehr. Demgemäss kann VMCP je nach Bauart des Bildverstärkermoduls 10 Volt und mehr betragen. Bei einer Verstär- kung kMC der MCP 300 werden aus einem Elektron 68 am Eingang der MCP 300, d.h. an der der Photokathode 54 zugewandten Seite der MCP 3O0, kMCP Elektronen 306 am Ausgang, d.h. der dem Halbleitersubstrat 60 zugewandten Seite der MCP 300, erzeugt und von den Pixelstrukturen in dem Halbleiter- substrat 60 detektiert. Damit werden die Rauschanteile des beispielsweise als CMOS-Sensor implementierten Halbleitersubstrats 60 und des gesamten Abstandmeßsystems 10 in erster Näherung um den Faktor Wurzel (kMcp) im Messergebnis reduziert.
Das Rauschen des Hintergrundlichts ist durch die zeitliche Dauer des Signals Shutter gegeben, d.h. durch tP. Je kürzer tP ist, desto geringer ist der Anteil des Hintergrundlichtrauschens im Messsignal. Zur weiteren Rauschreduktion könnte das Mehrpulsverfahren verwendet werden.
In bezug auf die vorhergehende Beschreibung wird darauf hingewiesen, dass im Vorhergehenden nicht besonders darauf eingegangen wurde, dass die Photokathode 54 für ein breite- res Spektrum „empfindlich" sein bzw. auf ein weiteres Spektrum Photoelektronen ausgeben kann als das Spektrum der verwendeten Strahlungsquelle 12. Deshalb wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung die Photokathode 54 durch ein Halbleitermaterial gebildet, das durch spezielle Fremdatome dotiert wird. Durch spezielle Wahl der Fremdatome ist die Photokathode 54 dann nur in sehr schmalen Wellenlängenbereichen empfindlich bzw. gibt nur in diesen sehr schmalen Wellenlängenbereichen Photoelektronen aus, die dann in dem Spektrum der Lichtquelle 12 liegen bzw. dasselbe überschneiden sollten. Die Selektivität, die hierdurch erzielt wird, kann sogar besser sein als bei optischen Filtern, die jedoch freilich ebenfalls hierzu verwendet werden könnten, wie z.B. indem sie gleichzeitig als Eingangsfenster 50 dienen.
Fig. 6 zeigt einen verglichen zu Fig. 4 variierten Bildverstärker 26'''. Der Bildverstärker von Fig. 6 unterscheidet sich im wesentlichen von demjenigen von Fig. 4 dadurch, dass das Gehäuse 56 nicht nur eine vordere Öffnung aufweist, die durch das Eingangsfenster 50 abgeschlossen ist, sondern dass dasselbe ferner auf der gegenüberliegenden Seite geöffnet ist. Die Öffnung auf der gegenüberliegenden Seite ist durch eine Schichtfolge aus Photoschirm 370, Ausgangsfenster 372 und Halbleiterstruktur 374 abgeschlossen, die den Boden des Gehäuses 56 bildet. Eingangsfenster, Gehäuse 56 und Ausgangsfenster 372 bilden somit wiederum eine Vakuumkammer 58.
Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen von Fig. 2 und 4 werden die Photoelektronen 68, die aus der Photokathode 54 herausgelöst werden, oder die Sekundärelektronen, die von der MCP 300 erzeugt werden, unmittelbar detektiert, sondern es erfolgt eine erneute Umwandlung des Elektronen- in einen Photonenstrom, indem die von der MCP 300 ausgegebenen Sekundärelektronen 306 in dem beispielsweise auf dem Ausgangsfenster 372 auf der der MCP 300 zugewandten Seite desselben aufgedampften Phosphorschirm 370 wieder in Photo- nen 376 umgewandelt werden, die dann durch das Ausgangsfenster 372 zu einem in der Halbleiterstruktur 374 gebildeten CCD- oder CMOS-Photodiodenarray gelangen. Hinter dem Phosphorschirm 370 kann optional auch eine Glasfaseroptik angeordnet sein, welche das Licht bzw. den Photonenstrom auf einen anderswo angeordneten CCD- oder CMOS-Bildsensor 374 leitet. Mit entsprechenden Shutter- bzw. Erfassungs- zeitfenstereinstellungen können mit dem Bildverstärker 26' ' die gleichen Messabläufe wie bei Fig. 5 realisiert werden. Es wird darauf hingewiesen, dass der Abstandssensor 10 ferner eine 3D-Kamera bilden kann, die neben der im Vorhergehenden beschriebenen 3D-Bildaufnahmefunktion ferner auch die Fähigkeit besitzt, normale Bildaufnahmen, d.h. 2D- Bildaufnahmen, zu erzeugen, so dass farbige oder schwarzweiße Bilder erzeugt werden können.
Fig. 7 zeigt eine Einsatzmöglichkeit der im Vorhergehenden beschriebenen Abstandssensoren. Fig. 7 stellt einen Autofahrer 400 während der Fahrt dar. Er sitzt am Fahrersitz 410 und lenkt ein Auto 412 über ein Lenkrad 414, in welchem ein Airbag 416 auslösebereit eingebaut ist. Der Abstandssensor, der nach einem der vorhergehenden Ausführungsbei- spiele gebildet sein kann, ist mit 418 angezeigt und ist als oberhalb der Windschutzscheibe 420 angebracht dargestellt, wobei jedoch auch andere Positionen denkbar sind. Der Abstandssensor 418 erzeugt eine 3D-Bildaufnahme bzw. eine 3D-Bildaufnahmesequenz eines durch gestrichelte Linien 422 dargestellten Bildausschnitts, der den Fahrer 400 umfasst. Die 3D-Bildinformationen gelangen zu einer Auswerteeinheit 424, die die Abstandsbilder dx,y ständig daraufhin untersucht, wie nah sich der Fahrer 400 an dem Sensor 418 befindet, was dann beispielsweise als Maß dafür genommen wird, wie nah sich der Fahrer 400 zu dem Airbag 416 befindet. Die Auswerteeinrichtung 424 berechnet beispielsweise das Raumvolumen zwischen Sensor 418 und Fahrer 400 im Erfassungsraumwinkelsegment und verwendet dies als Maß für den Abstand zwischen Fahrer 400 und Airbag 416. Bei einem Aufprall bzw. Unfall steuert dann die Auswerteeinrichtung 424 den Airbag 416 derart an, dass der Airbag 416 in Abhängigkeit vom Abstand des Fahrers 400 mit verzögerter Stärke ausgelöst wird, nämlich später, wenn sich der Fahrer 400 weiter entfernt zum Airbag 416 befindet. Der in Fig. 7 schematisch dargestellte Fall ist lediglich exemplarisch. Freilich kann der 3D-Sensor 418 auch zur Airbag-Auslösung eines zweiten Airbags oder eines Airbags für einen anderen Fahrgast als den Fahrer 400 verwendet werden. Zudem kann die Anordnung zwischen Sensor 418, Fahrer 4400 und Airbag 416 anders gewählt werden.
Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei welchem ein Abstandssensor nach den Fig. 1 - 6 eingesetzt werden könnte. Fig. 8 zeigt ein Auto 500, an dessen Frontpartie der 3D-Sensor 502 angebracht ist, um in Fahrtrichtung 504 des Autos 500 3D-Bildaufnahmen zu erzeugen. Eine Auswerteeinrichtung 504 erhält die Bildinformationen und entschei- det anhand derselben, ob sich in Fahrtrichtung 504 vor dem Auto 500 ein Auto befindet, und falls ja, welcher Fall in Fig. 8 durch ein Auto 508 dargestellt ist, ob sich dasselbe näher als ein zugelassener Mindestabstand vor dem Auto 500 befindet, in welchem Fall die Auswerteeinrichtung 506 beispielsweise ein Signal an den Fahrer ausgibt oder die Motorleistung reduziert oder das Auto 500 aktiv bremst.
Bei beiden Einsatzgebieten von Fig. 7 und 8 ist der 3D- Sensor 418 bzw. 502 ohne weiteres an die jeweiligen Proble- me im Einzelfall anpassbar. In dem Fall von Fig. 7 und Fig. 8 beträgt der bevorzugte Wellenlängenbereich, in welchem die Lichtquelle Licht ausstrahlt, d.h. das Spektrum der Lichtquelle, von 900nm bis 1200nm und noch mehr bevorzugt von 1500nm bis 2000nm Dieser Arbeitswellenlangenbereich verhindert eine Gefährdung des Auges des Fahrers 400 in dem Fall von Fig. 7 bzw. schließt eine Fehlfunktion durch Nebel oder Regen bei der Abstandskontrolle nach Fig. 8 aus.
Es wird darauf hingewiesen, dass obige Ausführungsbeispiele in mehrerer Hinsicht variiert werden können. Die photoelektrisch erzeugten Elektronen 68 können beispielsweise anders als in den Ausführungsbeispielen von Fig. 2, 4 und 6 dargestellt erfasst werden. So können im Pixel noch zusätzliche Elektroden angeordnet sein, welche die eigentliche detektierende Elektrode umschließen und den Elektrodenstrahl auf die Pixelmitte fokussieren durch Wahl entsprechender Potentiale . Ferner wäre die vorliegende Erfindung auch als einfacher Abstandssensor denkbar, bei dem quasi nur ein Pixel vorliegt. Das Array selbst könnte anders als in Spalten und Zeilen geordnet sein. Ferner können verschiedene Variationen im Hinblick auf die Synchronisation zwischen Erfassungszeitfenstern und Bestrahlungszeitfens- tern vorgenommen werden. Beispielsweise muss die Länge dieser Zeitfenster in dem eigentlichen abstandserfassenden Zyklus IA nicht unbedingt gleich sein. tP könnte in IA beispielsweise auch größer oder kleiner als die Erfassungszeitdauer ts sein, solange sich nur in den relevanten Abstandsbereichen ein Abschneiden des einen oder des anderen Fensters ergibt. Ferner könnte zwischen Erfassungszeitfenster und zugeordnetem Bestrahlungszeitfenster ein Zeitversatz vorgesehen sein, der aber kleiner als tauf für den minimalen Abstand d sein sollte. Die im vorhergehenden nicht gezeigte Auswerteinrichtung könnte zusammen mit der Steuereinrichtung 110 mittels eines Microcontrollers und einer entsprechenden Software implementiert sein.
Die vorhergehenden Ausführungsbeispiele stellen somit ein Detektionsprinzip dar, bei dem eine Detektorstruktur in der Lage ist, die Wellenlänge des Pulslichts aus dem sichtbaren Bereich heraus zu verschieben, wodurch das Problem der Augensicherheit gelöst ist. Die Shutter-Zeitfenster können verkürzt werden, wodurch der Hintergrundlichtanteil mini- miert wird, und die Energie des auftretenden Lichtpulses kann verstärkt werden, wodurch die Pulszahl bei Mehrfachakkumulation reduziert werden kann. Des weiteren ermöglichen obige Ausführungsbeispiele eine Abstandsmessung in örtlich hochaufgelöster Form, da aufgrund der Elektronenvervielfa- chung die Pixel sehr viel empfindlicher und somit kleiner ausgelegt werden können, verglichen mit existierenden 3D- Pixeln, deren Empfindlichkeit direkt von der lichtempfindlichen Fläche der Photodiode abhängt.
Obige Ausführungsbeispiele verwenden Bildverstärker als Sensorelemente und keine Photodioden. Die Bildverstärker können auch bei langwelligem Pulslicht außerhalb des sichtbaren Bereichs betrieben werden. Damit sind die Anforderun- gen an die Augensicherheit entschärft, da man für Lichtwellenlängen, die für das menschliche Auge nicht sichtbar sind, viel höhere Pulsenergien zur Distanzmessung verwenden kann. Darüber hinaus sind bestimmte Flüssigkeitsmedien, wie z.B. Blut, Gewebswasser, Nebel, Feuchtigkeit, Rauch und ähnliches, transparent für langwelliges Licht im Mikrometerwellenlängenbereich. Hier öffnen sich somit neue Applikationsfelder für die 3D—Abstandsmeßsensorik und die Bildaufnahmen mit langwelligem Licht allgemein. Konkret besäßen beispielsweise Kfz-Abstandskameras in Nebel- oder Regensituationen die Fähigkeit, sicher den Abstand zum vorausfahrenden Fahrzeug einzuhalten. Momentan existierende 3D- Meßsysteme, welche bei sichtbarem Laserlicht mit ca. 900 nm Wellenlänge arbeiten, würden eine sehr viel höhere Puls- leistung benötigen, um zuverlässig den Abstand bestimmen zu können, was sich aus Gründen der Augensicherheit verbietet.
Aufgrund der bei Photokathoden sehr viel kürzer einstellbaren Shutter-Zeiten bis hinunter in den Pikosekundenbereich wird der Hintergrundlichtanteil im Messsignal minimiert. Wird nun die auf die Breite des Shutter-Fensters entfallende Laserenergie durch Erhöhung der abgestrahlten Pulsleistung konstant gehalten, steigt der Störabstand zwischen Laser- und Hintergrundlicht. Im Vergleich zu den bisher existierenden Applikationen (Shutter-Zeiten im Nanosekun- denbereich) ist die Verbesserung des Störabstands durch das Verhältnis der Shutter-Zeiten gegeben. Bei Verwendung eines Bildverstärkers mit Sekundärelektronenvervielfacher (MCP) wird die Energie der aus dem Lichtpuls erzeugten Elektronen noch einmal zusätzlich im. Modul verstärkt, was den Signal- Rauschabstand zum Rauschen der Sensor/Systemelektronik erhöht. Zusammenfassend ist festzuhalten, dass mittels der hier vorgestellten SignalVerarbeitungsmethode das Rauschen des Hintergrundlichts reduziert und der Rauschabstand bezogen auf das Sensorsystem erhöht wird.
Die mit Bilderverstärkern aufgenommenen Distanzwerte liegen in lateral sehr viel höher aufgelöster Form vor, da durch die sehr klein auslegbare Metallelektrode die Kantenlänge der Pixel je nach Prozess weniger als 10 μm beträgt. In einem 0, 5-μm-Standard-CMOS-Fertigungsprozess lassen sich damit sehr große Matrizen mit 1 Million und mehr Pixeln realisieren. Im Vergleich dazu sind mit existierenden 3D- Pixeln nur bis zu ca. 1.000 Pixel bei einer Kantenlänge von 200 - 300 μm integrierbar, da ihre Empfindlichkeit direkt von der lichtempfindlichen Fläche der Photodiode abhängt. Die erreichbare laterale Auflösung ist damit um ein Vielfa- ches geringer als bei dem hier durch die vorhergehenden Ausführungsbeispiele vorgestellten Schaltprinzip. Hier eröffnen sich mannigfache Applikationen im Bereich der professionellen Photographie, der Film/Fernseh-, Studiobzw. Aufnahmetechnik, der Überwachungssensorik, in Smart- Office-Anwendungen u.v.m.
Unter anderem bietet auch die Medizintechnik eine Fülle von Anwendungsmöglichkeiten für obige Ausführungsbeispiele. Durch die Verwendbarkeit hoher Wellenlängen des Laserlichts lassen sich Videoendoskope blend- und absorptionsfrei durch beispielsweise Blutbahnen manövrieren, da Blut für langwelliges Licht transparent ist. Zur Signalübertragung könnte beispielsweise das Ausführungsbeispiel von Fig. 6 verwendet werden, wenn dasselbe um einen Lichtleiter zwischen Phos- phorschirm und Halbleitersubstrat erweitert wird. Damit würden Operationstechniken an pulsierenden Organen möglich, da das Kamerasystem nicht mehr durch die Strömung der Gewebsflüssigkeit bzw. des Blutes irritiert würde.
Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass abhängig von den Gegebenheiten das erfindungsgemäße Schema zur Abstandsbzw. Entfernungsmessung auch in Software implementiert sein kann. Die Implementation kann auf einem digitalen Speichermedium, insbesondere einer Diskette oder einer CD mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen erfolgen, die so mit einem programmierbaren Computersystem zusammenwirken können, dass das entsprechende Verfahren ausgeführt wird. Allgemein besteht die Erfindung somit auch in einem Compu- terprogrammprodukt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Rechner und/oder einem entsprechenden Digital- oder Analogbaustein abläuft. In anderen Worten ausgedrückt kann die Erfindung somit als ein Computerprogramm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens realisiert werden, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.

Claims

Patentansprüche
Abstandssensor zur Erfassung eines Abstands zu einem Objektpunkt (20a, 20b, 20c), mit einer elektromagnetischen Strahlungsquelle (12) zur Bestrahlung des Objektpunkts (20a, 20b, 20c) mit einem Strahlungspuls (30) in einem Bestrahlungszeitfenster (152); einer Erfassungseinrichtung (26) zur Erfassung von von dem Objektpunkt reflektierter elektromagnetischer Strahlung (28, 66) in einem Erfassungszeitfenster (164), das in vorbestimmter zeitlicher Beziehung zu dem Bestrahlungszeitfenster (152) steht, wobei die Erfassungseinrichtung (26) folgende Merkmale aufweist: eine Photoelektrode (54) zum, gemäß dem äußeren Photoeffekt, Abgeben von Photoelektronen (68) auf die reflektierte elektromagnetische Strahlung (28, 30) hin; und einen Elektronendetektor (60; 300; 370, 374) zum Umwandeln der abgegebenen Photoelektronen (68) in ein Erfassungssignal (USignaι) , das eine Menge der von dem Objektpunkt (20a, 20b, 20c) reflektierten elektromagnetischen Strahlung (28, 30) anzeigt; und eine Auswerteeinrichtung zur Ermittlung des Abstands (d) zu dem Objektpunkt (20a, 20b, 20c) aus dem Erfassungssignal (Usignaι) .
2. Abstandssensor gemäß Anspruch 1, bei dem der Elektro- nendetektor (300; 370, 374) folgende Merkmale aufweist: einen Elektronenvervielfacher (300) zum Ausgeben einer Anzahl von Sekundärelektronen (306) ansprechend auf die ausgegebenen Photoelektronen (68), wobei die Anzahl von Sekundärelektronen (306) einem Vielfachen einer Anzahl der Photoelektronen (68) entspricht; und einem Elektronenakkumulator (60, 54, 102) zum Akkumulieren der Sekundärelektronen (306) innerhalb des Erfassungszeitfensters (164); und einer Schaltung (100) zum Generieren des Erfassungssignals in Abhängigkeit von den innerhalb des Erfassungszeitfensters (164) akkumulierten Sekundärelektronen (306) .
3. Abstandssensor gemäß Anspruch 2, bei dem der Elektronenakkumulator (60, 54, 102) eine Gegenelektrode (102) umfasst, die zusammen mit der Photoelektrode (54) eine Kapazität (CD) bildet, wobei der Elektronenvervielfa- eher (300) zwischen Gegenelektrode (102) und Photoelektrode (54) angeordnet ist.
4. Abstandssensor gemäß Anspruch 2 oder 3, bei dem der Elektronenvervielfacher (300) steuerbar ist, um in ei- nem ersten Zustand keine Sekundärelektronen (306) und in einem zweiten Zustand ein Vielfaches der Photoelektronen (68) an Sekundärelektronen (306) auszugeben, und der ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung (110) zum Steuern des Elektronenver- vielfachers (300) , um denselben während des Erfassungszeitfensters (164) in den zweiten Zustand und davor und danach in den ersten Zustand zu versetzen.
5. Abstandssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Erfassungseinrichtung (26) ferner folgende Merkmale aufweist: eine Gegenelektrode (102), die zusammen mit der Photoelektrode (54) eine Kapazität (CD) bildet; eine Einrichtung (Qi) zum Verbinden der Gegenelektrode (102) mit einem vorbestimmten Potential (VreSet) vor dem Erfassungszeitfenster (164) und zum Trennen derselben von dem vorbestimmten Potential (VreSet) während des Erfassungszeitfensters (164), so dass die Kapazität (CD) während des Er assungszeitfensters (164) ent- laden wird; und eine Einrichtung (106) zum Verbinden der Photoelektrode (54) mit Masse während des Erfassungszeitfensters (164) und mit dem vorbestimmten Potential (Vreset) im Anschluss an das Erfassungszeitfenster (164) ; und eine Einrichtung (Q2, Q3 ) zum Auslesen einer über die Kapazität (CD) abfallenden Spannung nach dem Erfassungszeitfenster (164), um das Erfassungssignal zu er- halten.
6. Abstandssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, der ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Einrichtung zum Bandpassfiltern der reflektierten elektromagnetischen Strahlung (28, 66) vor ihrer Erfassung durch die Erfassungseinrichtung (26), um e- lektromagnetische Strahlung (66) in der reflektierten elektromagnetischen Strahlung (28, 66) mit einer Wel- lenlänge außerhalb eines Spektrums der elektromagnetischen Strahlungsquelle zu schwächen.
7. Abstandssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Photoelektrode (54) mit Fremdatomen dotiert ist, so dass die Photoelektrode (54) Photoelektronen (68) nur auf elektromagnetische Strahlung in einem spektralen Ausschnitt aus einem Spektrum der reflektierten elektromagnetischen Strahlung hin ausgibt, der mit einem Spektrum der elektromagnetischen Strahlungsquelle (12) zumindest teilweise überlappt.
8. Abstandssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprü- ehe, der ferner folgendes Merkmal aufweist: eine Steuereinrichtung (110) zum zyklischen Ansteuern der Strahlungsquelle (12) und der Erfassungseinrichtung (26) derart, dass in einem ersten Zyklus (IA) ei- ne Länge des Erfassungszeitfensters (164) gleich einer Länge des Bestrahlungszeitfensters (152) und in einem zweiten Zyklus (HA) eine Länge des Erfassungszeitfensters (168) größer als die Länge des Bestrahlungszeitfensters (154) ist, wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, um den Abstand (d) zu dem Objektpunkt (20a, 20b, 20c) aus dem Erfassungssignal, das sich in dem ersten Zyklus ergibt, und dem Erfassungssignal, das sich in dem zweiten Zyklus ergibt, zu ermitteln.
9. Abstandssensor gemäß Anspruch 8, bei dem die Steuereinrichtung (110) ausgebildet ist, um die Strahlungsquelle (12) und die Erfassungseinrichtung (26) derart zyklisch anzusteuern, dass der erste Zyklus (IA) und der zweite Zyklus (IIA) ohne Bestrahlung des Objekts in einen dritten und einen vierten Zyklus (IB, IIB) wiederholt werden, und wobei die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, um die sich in dem dritten und dem vierten Zyklus (IB, IIB) ergebenden Erfassungssignale zur Hintergrundstrahlungskompensation der Erfassungs- Signale des ersten und des zweiten Zyklus (IA, IIA) zu verwenden.
10. Abstandssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Spektrum der elektromagnetischen Strahlungsquelle sich von 400nm bis 3μm erstreckt.
11. 3D-Kamera zur Erzeugung eines Abstandsbildes mit einer Mehrzahl von Abstandssensoren gemäß einem der Ansprü- ehe 1 bis 10, bei denen die elektromagnetische Strahlungsquelle durch eine gemeinsame elektromagnetische Strahlungsquelle (12) gebildet ist und die Erfassungseinrichtungen in einem Array angeordnet sind, und mit einer Optik zum Abbilden eines Objekts auf das Array.
12. Verfahren zur Erfassung eines Abstands zu einem Objektpunkt (20a, 20b, 20c), mit Bestrahlen eines Objektpunkts (20a, 20b, 20c) mit einem Strahlungspuls (30) in einem Bestrahlungszeitfenster (152);
Erfassen von von dem Objektpunkt reflektierter elekt- romagnetischer Strahlung (28, 66) in einem Erfassungszeitfenster (164), das in vorbestimmter zeitlicher Beziehung zu dem Bestrahlungszeitfenster (152) steht, mittels einer Photoelektrode (54), so dass gemäß dem äußeren Photoeffekt von der Photoelektrode (54) auf die reflektierte elektromagnetische Strahlung (28, 30) hin Photoelektronen (68) abgegeben werden; und
Umwandeln der abgegebenen Photoelektronen (68) in ein Erfassungssignal (USignaι) , das eine Menge der von dem Objektpunkt (20a, 20b, 20c) reflektierten elektromagnetischen Strahlung (28, 30) anzeigt; und
Ermitteln des Abstands (d) zu dem Objektpunkt (20a, 20b, 20c) aus dem Erfassungssignal (USignaι) .
13. Computer-Programm mit einem Programmcode zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 12, wenn das Computer-Programm auf einem Computer und/oder einem entsprechenden Digital- oder Analogbaustein abläuft.
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