Title:
VORRICHTUNG ZUR ERMITTLUNG EINES ABSTANDS ZU EINEM OBJEKT UND ENTSPRECHENDES VERFAHREN
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung (1) zur Ermittlung eines Abstands zu einem Objekt (2) mit einer Sendevorrichtung (3) zum Aussenden von Signalen, einer Empfangsvorrichtung (4) zum Empfangen von Signalen und zum Erzeugen von Detektionssignalen, einer Auswertevorrichtung (5) zum Auswerten der Detektionssignale der Empfangsvorrichtung (4) und einer Steuervorrichtung (6) zum Steuern der Auswertung der Detektionssignale. Die Empfangsvorrichtung (4) weist eine Mehrzahl von Empfangselementen (40) auf. Die Empfangselemente (40) erzeugen in dem Fall, wo sie ein Signal empfangen, jeweils ein Detektionssignal. Die Auswertevorrichtung (5) ermittelt den Abstand zu dem Objekt (2) nach dem Laufzeitverfahren und unter Beachtung von Koinzidenzereignissen. Die Auswertevorrichtung (5) verwendet den Fall als Koinzidenzereignis, in welchem eine Anzahl von innerhalb einer vorgebbaren Koinzidenzzeit (ϑ) erzeugter Detektionssignale zumindest gleich einer vorgebbaren Koinzidenztiefe (n) ist. Die Steuervorrichtung (6) ist derart ausgestaltet, ausgehend von einer Hintergrundstrahlungsmessung einen neuen Wert für die Koinzidenzzeit (ϑ) und/oder ggf. die Koinzidenztiefe (n) zu ermitteln und der Auswertevorrichtung (5) vorzugeben, wobei bei einer Hintergrundstrahlungsmessung die Empfangsvorrichtung (4) Signale empfängt und Hintergrundstrahlungsdetektionssignale erzeugt. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein entsprechendes Verfahren. embedded image




Inventors:
Schrey, Olaf (40878, Ratingen, DE)
Beer, Maik (47057, Duisburg, DE)
Brockherde, Werner (47259, Duisburg, DE)
Schwinger, Alexander (45141, Essen, DE)
Bedrich, Hosticka (45478, Mülheim, DE)
Arutinov, David (53225, Bonn, DE)
Application Number:
DE102017202353A
Publication Date:
08/16/2018
Filing Date:
02/14/2017
Assignee:
Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V., 80686 (DE)
Domestic Patent References:
DE102014207599A1N/A2015-10-29



Foreign References:
EP26050342014-04-09
EP27089132014-03-19
WO2010149593A12010-12-29
Attorney, Agent or Firm:
Schoppe, Zimmermann, Stöckeler, Zinkler, Schenk & Partner mbB Patentanwälte, 81373, München, DE
Claims:
Vorrichtung (1) zur Ermittlung eines Abstands zu einem Objekt (2),
mit einer Sendevorrichtung (3) zum Aussenden von Signalen,
mit einer Empfangsvorrichtung (4) zum Empfangen von Signalen und zum Erzeugen von Detektionssignalen,
mit einer Auswertevorrichtung (5) zum Auswerten der Detektionssignale der Empfangsvorrichtung (4), und
mit einer Steuervorrichtung (6) zum Steuern der Auswertung der Detektionssignale der Empfangsvorrichtung (3) durch die Auswertevorrichtung (4),
wobei die Empfangsvorrichtung (4) eine Mehrzahl von Empfangselementen (40) aufweist,
wobei die Empfangselemente (40) derart ausgestaltet sind, für den Fall, dass sie ein Signal empfangen, jeweils ein Detektionssignal zu erzeugen,
wobei die Auswertevorrichtung (5) derartig ausgestaltet ist, den Abstand zu dem Objekt (2) nach dem Laufzeitverfahren und unter Beachtung von Koinzidenzereignissen zu ermitteln,
wobei die Auswertevorrichtung (5) derart ausgestaltet ist, den Fall als Koinzidenzereignis zu verwenden, in welchem eine Anzahl von innerhalb einer vorgebbaren Koinzidenzzeit (d) erzeugten Detektionssignalen zumindest gleich einer vorgebbaren Koinzidenztiefe (n) ist,
wobei die Steuervorrichtung (6) derart ausgestaltet ist, ausgehend von einer Hintergrundstrahlungsmessung einen neuen Wert für die Koinzidenzzeit (ϑ) zu ermitteln und der Auswertevorrichtung (5) vorzugeben, und
wobei bei einer Hintergrundstrahlungsmessung die Empfangsvorrichtung (4) Signale empfängt und Hintergrundstrahlungsdetektionssignale erzeugt.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung (6) derart ausgestaltet ist, ausgehend von einer Hintergrundstrahlungsmessung einen neuen Wert für die Koinzidenzzeit (d) und/oder einen neuen Wert für die Koinzidenztiefe (n) zu ermitteln und der Auswertevorrichtung (5) vorzugeben.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2,
wobei bei einer Hintergrundstrahlungsmessung die Auswertevorrichtung (5) die Hintergrundstrahlungsdetektionssignale unter Verwendung von einer aktuellen Koinzidenzzeit (ϑ) und einer aktuellen Koinzidenztiefe (n) auswertet, wobei die Steuervorrichtung (6) derart ausgestaltet ist, eine Anzahl von bei der Hintergrundstrahlungsmessung erhaltenen Hintergrundstrahlungsdetektionssignale mit einem Event-Sollwert zu vergleichen, und
wobei die Steuervorrichtung (6) derart ausgestaltet ist, für den Fall, dass sich die Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale und der Event-Sollwert über einen vorgebbaren Grenzwert (β) hinaus voneinander unterscheiden, ausgehend von der Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale zumindest die Koinzidenzzeit (ϑ) und/oder die Koinzidenztiefe (n) zu ermitteln.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 3,
wobei die Steuervorrichtung (6) derart ausgestaltet ist, in dem Fall, dass die Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale größer als der Event-Sollwert ist, für die Ermittlung des neuen Werts der Koinzidenzzeit (d) die aktuelle Koinzidenzzeit (ϑ) zu verkleinern, und
wobei die Steuervorrichtung (6) derart ausgestaltet ist, in dem Fall, dass die Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale kleiner als der Event-Sollwert ist, für die Ermittlung des neuen Werts der Koinzidenzzeit die aktuelle Koinzidenzzeit (d) zu vergrößern.

Vorrichtung (1) nach Anspruch 4,
wobei die Steuervorrichtung (6) derart ausgestaltet ist, für den Fall, dass die aktuelle Koinzidenzzeit (ϑ) einen vorgebbaren Maximalgrenzwert (ϑmax) erreicht, für die Ermittlung des neuen Werts der Koinzidenztiefe (n) die aktuelle Koinzidenztiefe (n) zu erniedrigen und den neuen Wert der Koinzidenzzeit (d) auf einen vorgebbaren Minimalwert (ϑmin) zu setzen, und
wobei die Steuervorrichtung (6) derart ausgestaltet ist, für den Fall, dass die aktuelle Koinzidenzzeit (ϑ) einen vorgebbaren Minimalgrenzwert (ϑmin) erreicht, für die Ermittlung des neuen Werts der Koinzidenztiefe (n) die aktuelle Koinzidenztiefe (n) zu erhöhen und den neuen Wert der Koinzidenzzeit (d) auf einen vorgebbaren Maximalwert (ϑmax) zu setzen.

Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
wobei die Steuervorrichtung (6) derart ausgestaltet ist, den neuen Wert für die Koinzidenzzeit (d) und/oder den neuen Wert für die Koinzidenztiefe (n) anhand der Anzahl von Hintergrundstrahlungsdetektionssignalen zu ermitteln, die sich unter Beachtung von Koinzidenzereignissen ergibt,

Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Steuervorrichtung (6) derart ausgestaltet ist, zumindest für die Ermittlung des neuen Werts der Koinzidenzzeit (ϑ) die Anzahl aller Hintergrundstrahlungsdetektionssignale zu verwenden, die sich bei der Hintergrundstrahlungsmessung frei von einer Beachtung von Koinzidenzereignissen ergeben.

Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuervorrichtung (6) derart ausgestaltet ist, den neuen Wert der Koinzidenzzeit (d) und/oder den neuen Wert der Koinzidenztiefe (n) anhand von in einem Datenspeicher (7) hinterlegten Daten in Abhängigkeit von der Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale zu ermitteln.

Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Steuervorrichtung (6) derart ausgestaltet ist, vor jeder Abstandsmessung eine Hintergrundstrahlungsmessung zu veranlassen.

Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
wobei die Empfangselemente (40) der Empfangsvorrichtung (4) mehreren Bildelementen (41) zugeordnet sind, und
wobei die Empfangsvorrichtung (4) derart ausgestaltet ist, dass beim Empfangen von Signalen eine Anzahl an Empfangselementen (40) pro Bildelement (41), die für das Empfangen der Signale aktiviert sind, gleich der eingestellten Koinzidenztiefe (n) ist.

Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
wobei den Empfangselementen (40) Pulsformer (43) mit variabler Pulsbreite zugeordnet sind, und
wobei die Pulsformer (43) in dem Fall, dass die zugeordneten Empfangselemente (40) Signale empfangen, jeweils einen Puls mit der Koinzidenzzeit (d) als Pulsbreite erzeugen.

Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Empfangselemente (40) Lawinenphotodioden sind.

Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Sendevorrichtung (3) einen Infrarotlicht-Laser aufweist.

Verfahren zum Ermitteln eines Abstands zu einem Objekt (2),
wobei Signale ausgesendet werden,
wobei Signale empfangen und davon ausgehend Detektionssignale erzeugt werden,
wobei der Abstand zu dem Objekt (2) nach dem Laufzeitverfahren und unter Beachtung von Koinzidenzereignissen aus den Detektionssignalen ermittelt wird, wobei der Fall als Koinzidenzereignis verwendet wird, in welchem eine Anzahl von innerhalb einer vorgebbaren Koinzidenzzeit (ϑ) erzeugter Detektionssignale zumindest gleich einer vorgebbaren Koinzidenztiefe (n) ist, und
wobei ausgehend von einer Hintergrundstrahlungsmessung die Koinzidenzzeit (ϑ) und/oder die Koinzidenztiefe (n) ermittelt wird.

Description:

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Abstands zu einem Objekt. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstands zu einem Objekt.

Die CMOS-Bildsensorik bietet effektive Möglichkeiten, Messsignale in hoher Geschwindigkeit in Echtzeit aufzunehmen. Dies ist beispielsweise von großem Nutzen bei der Aufnahme von dreidimensionalen (3D) Distanzbildern in zeitkritischen Systemen. Pulslaufzeitverfahren und Verfahren mit kontinuierlich moduliertem Licht dienen hierbei der berührungslosen Tiefenerfassung. Dazu wird die Laufzeit z. B. des Infrarot-Laserlichts, das von einer aktiven Strahlungsquelle emittiert und von einem Zielobjekt reflektiert wurde, gemessen. Man spricht in diesem Zusammenhang von Light Detection and Ranging (LIDAR).

Anwendungsgebiete liegen z. B. im Automotivbereich (ADAS-Systeme, automatisiertes Fahren), in der Avionik, Medizintechnik oder Analytik. Speziell in sicherheitsrelevanten Systemen werden hohe Zuverlässigkeitsanforderungen gestellt. So müssen bei Notbremssystemen Distanzen zu sich vor dem Auto befindlichen Objekten in Echtzeit und zuverlässig erkannt werden.

Eine weitere Schwierigkeit, mit der z. B. Systeme im Automobil zurechtkommen müssen, ist die hohe Dynamik und Intensität des Hintergrundlichts. So ändert sich beispielsweise die Intensität beim Einfahren in einen Tunnel um mehrere Größenordnungen innerhalb von Sekundenbruchteilen. Mit 3D-CMOS-Bildsensoren ist dies handhabbar. Bisherige CMOS-Abstandsmessverfahren sind bereits in der Lage, Abstandsbilder mit sehr hoher Rate (bis zu mehreren kfps) aufzunehmen, was viele Anwendungen im Automotivebereich erst ermöglicht.

Existierende 3D-Sensoren mit Single-Photon Avalanche Dioden (SPAD) verwenden unterschiedliche Messprinzipien. Beim indirekten Verfahren wird ähnlich wie bei einer klassischen Fotodiode das einfallende Licht integriert, was im Kontext der SPAD durch Zählung der einfallenden Photonen realisiert wird [1]. Beim direkten Verfahren wird die Laufzeit des emittierten Lichts mittels eines elektronischen Zeitmessers (Time-to-Digital-Converter, TDC) erfasst. Dabei wird der TDC mit der Emission eines kurzen Laserpulses gestartet und mit dem Empfang des am Zielobjekt reflektierten Pulses gestoppt. Das Stoppen des TDC erfolgt mit dem ersten einfallenden Photon, welches nach dem Starten des TDCs durch den Sensor detektiert wird [2]. Unter Idealbedingungen entspricht die gemessene Zeit der Lichtlaufzeit und kann über den Zusammenhang zwischen der Distanz d, der Lichtgeschwindigkeit c und der gemessenen Zeit t direkt in die Distanz zwischen Sensor und Zielobjekt umgerechnet werden: d = c * t/2.

Unter dem Einfluss von Umgebungs- bzw. Hintergrundlicht führt die Überlagerung des reflektieren Lasersignals mit dem Hintergrundlicht dazu, dass der TDC mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit durch Hintergrundphotonen gestoppt wird, was zu einer fehlerhaften Messung der Laufzeit führt.

Für den Einsatz bei hohem Hintergrundlicht wurden auf Scannerfunktion basierende Systeme entwickelt. Hierbei wird ein Laserstrahl mit geringem Öffnungswinkel über das Sichtfeld des Sensors bewegt, um die Distanz zu einem oder mehreren Bildpunkten zu erfassen. Durch die räumliche Konzentration der optischen Leistung des Lasers wird ein höheres Signal-zu-Hintergrund-Verhältnis (Signal-to-Background-Ratio, SBR) und so eine höhere Reichweite des Systems erreicht [3]. Für eine zusätzliche Unterdrückung des Hintergrundlichts wurde in [3] zusätzlich die zeitliche und räumliche Korrelation der im Pixel einfallenden Photonen, als Koinzidenz bezeichnet, genutzt. Da nur im Fall einer Detektion von mindestens zwei Photonen innerhalb einer Zeitspanne von 4 ns bzw. 8 ns, als Koinzidenztiefe und Koinzidenzzeit bezeichnet, der TDC gestoppt wird, lassen sich falsche Laufzeitmessungen, verursacht durch die Detektion von Hintergrundphotonen, reduzieren.

Ein Problem dieses Verfahrens ist die gleichzeitige Reduktion der Wahrscheinlichkeit einer Detektion des reflektierten Lasersignals, was besonders bei geringen optischen Signalstärken, wie sie bei großen Distanzen aufgrund der Entfernungsabhängigkeit der Signalleistung oder bei Objekten mit geringer Reflektanz auftreten, zu Problemen führt. Dies zeigt sich in einer Abnahme der Reichweite von ca. 100 m auf 68 m bei einer Reduktion der Reflektivität von 100 % auf 9 % des in [3] vorgestellten Systems. Wird das reflektierte Signal zu stark gedämpft, wird der Laserpuls nicht mehr detektiert und eine Messung ist nicht mehr möglich. Um hohe Distanzen bzw. geringe Reflektanzen messen zu können, ist ein hohes SBR (Signal to Background Ratio) notwendig, was sich durch eine hohe Leistungsdichte des Lasers erreichen lässt.

Bei der Verwendung von Illuminatoren, welche das vollständige Sensorsichtfeld auf einmal beleuchten (Flash LIDAR), lässt sich das hohe SBR aufgrund der Augensicherheit oder begrenzter Laserleistung in der Regel nicht erreichen, wodurch sich die Reichweite des Systems reduziert.

In der WO 2010/149593 A1 wird eine Methode zur Steigerung des Dynamikumfangs des Sensors durch Anpassung der Photonendetektionswahrscheinlichkeit (Photon Detection Probability, PDP) an die Stärke des Hintergrundlichts beschrieben. Damit ist eine Detektion von schwachen Signalen durch eine Steigerung der PDP möglich. Das Verfahren bietet die Möglichkeit zur Distanzmessung über verschiedene Reflektanzen. Bei einer Änderung der PDP bleibt das SBR jedoch unberührt, wodurch keine Erhöhung der Reichweite über alle Reflektanzen ermöglicht wird. Die Anpassung der PDP erfolgt durch Änderung der Vorspannung der Avalanche-Photodiode (APD). Die Messung der Hintergrundlichtstärke erfolgt durch eine Zählung der einfallenden Photonen innerhalb einer gewissen Zeitspanne und anschließendem Vergleich des Zählwertes mit einem definierten Schwellwert. Aufgrund der Abhängigkeit der Durchbruchspannung der APD von der Temperatur ist bei diesem Verfahren eine stetige Nachregelung der Vorspannung erforderlich.

Die EP 2 605 034 B1 beschreibt eine Vorrichtung zur Laufzeitmessung von optischen Impulsen, bei der zwei Empfangselemente vorgesehen sind. Die Empfangselemente sind dabei in einer Ausgestaltung so nah nebeneinander angeordnet, dass beide gemeinsam einen Lichtstrahl empfangen können. Verwendet werden dabei nur solche Messungen, die innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen gleichzeitig bei beiden Empfangselementen auftreten.

Eine Vorrichtung zur Distanzmessung offenbart die EP 2 708 913 A1. Dabei werden Gruppen von Photodioden gebildet und gemeinsam in Hinsicht auf Koinzidenzereignisse ausgewertet. Die Koinzidenzereignisse beziehen sich dabei auf Toleranzzeitfenster. Das Zeitfenster liegt dabei in der Größenordnung der Pulsbreite des gesendeten Lichtimpulses. Weiterhin wird eine Mindestanzahl an Dioden der Gruppen definiert, die ein Photon innerhalb des Zeitfensters registrieren müssen, so dass es als ein Ereignis gewertet wird. Diese Mindestzahl soll in einer Ausgestaltung an die Lichtverhältnisse adaptiert werden. Zusätzlich lässt sich auch die Anzahl der zu einer Gruppe gehörigen Dioden in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen vorgeben.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zur Ermittlung eines Abstands zu einem Objekt vorzuschlagen, wobei die Problematik der Unterdrückung des Hintergrundlichts alternativ bzw. ergänzend zum Stand der Technik realisiert wird.

Die Erfindung löst die Aufgabe durch eine Vorrichtung zur Ermittlung eines Abstands zu einem Objekt. Die Vorrichtung weist dabei auf: eine Sendevorrichtung zum Aussenden von Signalen, eine Empfangsvorrichtung zum Empfangen von Signalen und zum Erzeugen von Detektionssignalen, eine Auswertevorrichtung zum Auswerten der Detektionssignale der Empfangsvorrichtung und eine Steuervorrichtung zum Steuern der Auswertung der Detektionssignale der Empfangsvorrichtung durch die Auswertevorrichtung. Dabei weist die Empfangsvorrichtung eine Mehrzahl von Empfangselementen auf. Die Empfangselemente sind derart ausgestaltet, dass sie im Fall eines Signalempfangs jeweils ein Detektionssignal erzeugen. Die Auswertevorrichtung ist derart ausgestaltet, den Abstand zu dem Objekt nach dem Laufzeitverfahren und unter Beachtung von Koinzidenzereignissen zu ermitteln. Weiterhin ist die Auswertevorrichtung derart ausgestaltet, jeden Fall als Koinzidenzereignis zu verwenden, für welchen die Anzahl der innerhalb einer vorgebbaren Koinzidenzzeit erzeugten Detektionssignale zumindest gleich einer vorgebbaren Koinzidenztiefe ist. Die Steuervorrichtung ist derart ausgestaltet, ausgehend von einer Hintergrundstrahlungsmessung einen neuen Wert für die Koinzidenzzeit - und in einer Ausgestaltung auch einen neuen Wert für die Koinzidenztiefe - zu ermitteln und der Auswertevorrichtung vorzugeben. Dabei empfängt bei einer Hintergrundstrahlungsmessung die Empfangsvorrichtung Signale und erzeugt Hintergrundstrahlungsdetektionssignale.

Die Hintergrundstrahlungsmessung bezieht sich auf Signale, die vom Hintergrundlicht und damit nicht von der Sendevorrichtung stammen. Daher sieht es eine Ausgestaltung vor, dass bei einer Hintergrundstrahlungsmessung die Empfangsvorrichtung Signale frei von einer Aussendung von Signalen durch die Sendevorrichtung empfängt und entsprechende Hintergrundstrahlungsdetektionssignale erzeugt. In dieser Ausgestaltung werden somit bei der Hintergrundstrahlungsmessung keine Signale von der Sendevorrichtung ausgestrahlt. In einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung werden bei einer Hintergrundstrahlungsmessung diejenigen Signale entweder nicht von der Empfangsvorrichtung empfangen oder nach dem Empfangen herausgefiltert und/oder - z. B. rechnerisch - herauspräpariert, die von der Sendevorrichtung stammen. Die letztgenannte Ausgestaltung kann damit auch gemeinsam mit einer eigentlichen Abstands- bzw. Distanzmessung erfolgen. Bei der letzten Ausgestaltung empfängt die Empfangsvorrichtung also Signale, von denen einige für die Hintergrundstrahlungsmessung und einige für die eigentliche Ermittlung des Abstands verwendet werden.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird somit ausgehend von einer Hintergrundstrahlungsmessung zumindest die Koinzidenzzeit - ggf. in einer Ausgestaltung auch die Koinzidenztiefe - ermittelt und neu gesetzt. Bei der Hintergrundstrahlungsmessung werden diejenigen Signale ausgewertet, welche ohne von der Vorrichtung ausgestrahlte Signale auftreten. Die empfangenen Signale können daher keine reflektierten Signale sein, so dass es sich um Signale aus der Umgebung, d. h. um Hintergrundsignale handelt.

Ein Vorteil einer derartigen Unterdrückung des Hintergrundlichts ist eine damit einhergehende Reduktion der benötigten Laserleistung für das ausgestrahlte Licht.

Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Steuervorrichtung derartig ausgestaltet ist, ausgehend von einer Hintergrundstrahlungsmessung einen neuen Wert für die Koinzidenzzeit und einen neuen Wert für die Koinzidenztiefe zu ermitteln und der Auswertevorrichtung vorzugeben.

Die Erfindung ist somit beispielsweise in einer Ausgestaltung ein Teil einer 3D-Meßmethode, die durch die Ausnutzung zeitlicher Korrelation zwischen einfallenden Photonen auf SPAD-Pixeln den störenden Einfluss des Hintergrundlichts reduziert und den Dynamikbereich des Sensors erhöht. Im Besonderen wird im vorgestellten Verfahren die Koinzidenzzeit und ggf. die Koinzidenztiefe während des Betriebs des Messsystems an die Intensität des Hintergrundlichts angepasst. Gegenüber der festen Koinzidenzzeit und Koinzidenztiefe in [3] erlaubt eine Anpassung der Parameter eine Detektion schwacher Signale, was die Leistung des Systems bei hohen Distanzen und geringen Reflektanzen verbessert bzw. den Einsatz einer geringeren Laserleistung erlaubt.

Im Gegensatz zu dem in der WO 2010/149593 A1 vorgestellten Verfahren bewirkt die Nutzung von Koinzidenz zur Erweiterung des Dynamikumfangs je nach gewählten Parametern zusätzlich eine Erhöhung des SBR und damit eine Erhöhung der Reichweite des Systems. Weiterhin sind die Parameter Koinzidenzzeit und Koinzidenztiefe nicht abhängig von der Temperatur, was deren Regelung deutlich vereinfacht.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass bei einer Hintergrundstrahlungsmessung die Auswertevorrichtung die Hintergrundstrahlungsdetektionssignale unter Verwendung von einer aktuellen Koinzidenzzeit und einer aktuellen Koinzidenztiefe auswertet. Dabei ist die Steuervorrichtung derart ausgestaltet, eine Anzahl von bei der Hintergrundstrahlungsmessung erhaltenen Hintergrundstrahlungsdetektionssignale mit einem Event-Sollwert zu vergleichen. Zudem ist die Steuervorrichtung derart ausgestaltet, für den Fall, dass sich die Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale und der Event-Sollwert über einen vorgebbaren Grenzwert hinaus voneinander unterscheiden, ausgehend von der Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale zumindest die Koinzidenzzeit und/oder die Koinzidenztiefe zu ermitteln. Der Event-Sollwert als Richtwert für die Anzahl der während der Hintergrundstrahlungsmessung empfangenen Signale ist dabei jeweils entsprechend vorgebbar. Die aktuellen Werte seien dabei jeweils die bereits eingestellten Werte, deren Anwendbarkeit in Bezug auf das momentan vorliegende Hintergrundlicht durch die Hintergrundstrahlungsmessung überprüft wird. Die neuen Werte sind die entsprechenden aktuell ermittelten Werte, welche zu dem momentan vorliegenden Hintergrundlicht derart passen, dass Auswirkungen des Hintergrundlichts auf die Abstandsmessung minimiert werden.

Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Steuervorrichtung derart ausgestaltet ist, in dem Fall, wo die Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale größer als der Event-Sollwert ist, für die Ermittlung des neuen Werts der Koinzidenzzeit die aktuelle Koinzidenzzeit zu verkleinern. Alternativ oder ergänzend ist die Steuervorrichtung derart ausgestaltet, in dem Fall, wo die Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale kleiner als der Event-Sollwert ist, für die Ermittlung des neuen Werts der Koinzidenzzeit die aktuelle Koinzidenzzeit zu vergrößern. In dieser Ausgestaltung wird somit zuerst überprüft, ob sich die Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale - als Ist-Wert der Hintergrundstrahlung - von dem Event-Sollwert - als Soll-Wert der Hintergrundstrahlung - über einen vorgebbaren Grenzwert - als Toleranzbereich definiert- unterscheidet. Liegt die Abweichung zwischen dem Ist-Wert und dem Soll-Wert oberhalb des Toleranzbereichs, so wird überprüft, ob der Ist-Wert größer als der Soll-Wert ist oder ob der Ist-Wert kleiner als der Soll-Wert ist. Davon ausgehend wird die Koinzidenzzeit verkleinert bzw. vergrößert.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Steuervorrichtung derart ausgestaltet ist, für den Fall, dass die aktuelle Koinzidenzzeit einen vorgebbaren Maximalgrenzwert erreicht, für die Ermittlung des neuen Werts der Koinzidenztiefe die aktuelle Koinzidenztiefe zu erniedrigen und den neuen Wert der Koinzidenzzeit auf einen vorgebbaren Minimalwert zu setzen. Alternativ oder ergänzend ist die Steuervorrichtung derart ausgestaltet, für den Fall, dass die aktuelle Koinzidenzzeit einen vorgebbaren Minimalgrenzwert erreicht, für die Ermittlung des neuen Werts der Koinzidenztiefe die aktuelle Koinzidenztiefe zu erhöhen und den neuen Wert der Koinzidenzzeit auf einen vorgebbaren Maximalwert zu setzen. In einer Ausgestaltung wird die Koinzidenztiefe, bei der es sich vorzugsweise um eine ganze natürliche Zahl handelt, um den Zähler eins erhöht bzw. erniedrigt.

Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Steuervorrichtung derart ausgestaltet ist, den neuen Wert für die Koinzidenzzeit und/oder den neuen Wert für die Koinzidenztiefe anhand der Anzahl von Hintergrundstrahlungsdetektionssignalen zu ermitteln, die sich unter Beachtung von Koinzidenzereignissen ergibt. In dieser Ausgestaltung werden nur solche detektierten Signale weiter ausgewertet, die als Koinzidenzereignisse gelten. Werden somit beispielsweise während der Hintergrundstrahlungsmessung x Signale detektiert und werden mit den aktuellen Daten für Koinzidenzzeit und Koinzidenztiefe nur y Koinzidenzereignisse (dabei ist y kleiner als x) festgestellt, so wird in einer Ausgestaltung nur mit der Anzahl der Koinzidenzereignisse, d. h. hier mit y, gearbeitet.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Steuervorrichtung derart ausgestaltet ist, zumindest für die Ermittlung des neuen Werts der Koinzidenzzeit (und/oder des neuen Werts der Koinzidenztiefe) die Anzahl aller Hintergrundstrahlungsdetektionssignale zu verwenden, die sich bei der Hintergrundstrahlungsmessung frei von einer Beachtung von Koinzidenzereignissen ergeben. In dieser Ausgestaltung verwendet die Steuervorrichtung alle während der Hintergrundstrahlungsmessung detektierten Signale und insbesondere nicht nur die Signale, die sich als Koinzidenzereignisse ergeben.

Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Steuervorrichtung derart ausgestaltet ist, den neuen Wert der Koinzidenzzeit und/oder den neuen Wert der Koinzidenztiefe anhand von in einem Datenspeicher hinterlegten Daten in Abhängigkeit von der Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale zu ermitteln. In einer Ausgestaltung handelt es sich bei den Daten um eine Art von Tabelle, in der einer gemessenen Event-Rate - also der Anzahl der gemessenen oder durch Beachtung von Koinzidenzereignissen reduzierten Hintergrundstrahlungsdetektionssignale - jeweils ein Wert für die Koinzidenzzeit und die Koinzidenztiefe zugeordnet ist.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Steuervorrichtung derart ausgestaltet ist, vor jeder Abstandsmessung eine Hintergrundstrahlungsmessung zu veranlassen. Davon ausgehend wird in einer Ausgestaltung jeweils ein Abgleich mit den aktuellen Werten für Koinzidenzzeit und/oder Koinzidenztiefe vorgenommen und ggf. ein neuer Wert ermittelt.

Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Empfangselemente (z. B. Dioden) der Empfangsvorrichtung mehreren Bildelementen (sog. Pixeln) zugeordnet sind, und dass die Empfangsvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass beim Empfangen von Signalen eine Anzahl an Empfangselementen pro Bildelement, die für das Empfangen der Signale aktiviert sind, gleich der eingestellten Koinzidenztiefe ist.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass den Empfangselementen Pulsformer mit variabler Pulsbreite zugeordnet sind, und dass die Pulsformer für den Fall, dass die zugeordneten Empfangselemente Signale empfangen, jeweils einen Puls mit der Koinzidenzzeit als Pulsbreite erzeugen.

Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Empfangselemente Lawinenphotodioden sind.

In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Sendevorrichtung einen Infrarotlicht-Laser aufweist. Die von der Vorrichtung ausgesendet Signale sind daher auch in einer Ausgestaltung Infrarotlicht-Signale.

Weiterhin löst die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstands zu einem Objekt zu definieren.

Das Verfahren umfasst dabei mindestens die folgenden Schritte:

  • • dass Signale ausgesendet werden,
  • • dass Signale empfangen und davon ausgehend Detektionssignale erzeugt werden, und
  • • dass der Abstand zu dem Objekt nach dem Laufzeitverfahren und unter Beachtung von Koinzidenzereignissen aus den Detektionssignalen ermittelt wird.

Dabei wird der Fall als Koinzidenzereignis verwendet, in welchem die Anzahl der innerhalb einer vorgebbaren Koinzidenzzeit erzeugten Detektionssignale zumindest gleich einer vorgebbaren Koinzidenztiefe ist.

Dabei wird weiterhin ausgehend von einer Hintergrundstrahlungsmessung die - vorgebbare bzw. vorzugebende - Koinzidenzzeit und/oder die Koinzidenztiefe ermittelt. Dabei werden in einer Ausgestaltung bei der Hintergrundstrahlungsmessung Signale frei von einer vorausgehenden Aussendung von Signalen empfangen.

Die obigen Ausgestaltungen der Vorrichtung lassen sich entsprechend auch durch das Verfahren umsetzen, so dass die obigen Ausführungen auch entsprechend für das Verfahren gelten.

Mit anderen Worten sei die Erfindung noch einmal umschrieben:

Die Erfindung befasst sich mit der Abstandsmessung über das Laufzeitverfahren, wobei die Laufzeit von Signalen (in einer Ausgestaltung insbesondere von Infrarot-Laserlicht) unter Beachtung von Koinzidenzereignissen gemessen wird.

Um die Auswirkungen des Hintergrundlichts zu verringern, lassen sich die Koinzidenzzeit und ggf. auch die Koinzidenztiefe an die herrschenden Bedingungen - in einer Ausgestaltung sogar für jede Messung - individuell einstellen. Die Koinzidenztiefe ist dabei die Anzahl der Empfangselemente (z. B. Dioden), die innerhalb der Koinzidenzzeit die Registrierung eines Photons anzeigen. Die Koinzidenzzeit ist die Zeit, innerhalb der die Registrierung von Photonen als gleichzeitig betrachtet wird.

In einer Ausgestaltung umfasst mindestens eine Abstandsmessung folgende vier Schritte:

  1. 1. Messung des Hintergrundlichts (mit oder ohne Beachtung von Koinzidenzereignissen).
  2. 2. Bestimmung von Koinzidenzzeit und in einer Ausgestaltung auch der Koinzidenztiefe.
  3. 3. Setzen von - ggf. nur von aktuellen Werten für - Koinzidenzzeit und ggf. auch Koinzidenztiefe.
  4. 4. Messung der Laufzeit bzw. des Abstandes mit den gesetzten Werten.

Die Messung des Hintergrundlichts in Schritt 1 erfolgt dabei je nach Ausgestaltung mit oder ohne Beachtung von Koinzidenzereignissen. Dies beeinflusst in einer Ausgestaltung die Bestimmung der Werte in Schritt 2.

Ein Ziel der Bestimmung der Werte in Schritt 2 besteht in einer Ausgestaltung darin, dass das Hintergrundlicht möglichst wenige Koinzidenzereignisse erzeugt.

Der Schritt 2 hat beispielsweise folgende zwei Ausgestaltungen:

  • • Wird in Schritt 1 das Hintergrundlicht mit Koinzidenzereignissen gemessen, so wird die ermittelte Eventrate als Anzahl der Koinzidenzereignisse mit einem Soll-Wert (dem Event-Sollwert) verglichen. Unterscheiden sich beide Werte über einen Toleranzgrenzwert hinaus voneinander, so wird in Abhängigkeit vom Verhältnis zwischen den Werten die Koinzidenzzeit verändert. Erreicht die Koinzidenzzeit einen minimalen oder maximalen Wert, so wird die Koinzidenztiefe verändert.
  • • Bei Messungen ohne Koinzidenzereignisse in Schritt 1 findet mit der ermittelten Eventrate ein Rückgriff auf abgespeicherte Zahlenwerte statt.

Für die eigentliche Messung in Schritt 4 ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass diejenigen Empfangselemente, die nicht zu der Koinzidenzmessung beitragen, abgeschaltet werden. In einer Ausgestaltung erfolgen die Schritte 1 und 4 gleichzeitig, wobei Schritt 1 einer nachfolgenden Abstandsmessung mit Schritt 4 der gegenwärtigen Abstandsmessung zusammenfällt. Somit werden also für die gegenwärtige bzw. aktuelle Abstandsmessung die Parameter einer vorhergehenden Messung und Auswertung des Hintergrundlichts zugrundegelegt.

Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das Verfahren auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Ermittlung eines Abstands zu einem Objekt,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Empfangsvorrichtung,
  • 3 ein erstes beispielhaftes Schema zur Ermittlung der Koinzidenzzeit und Koinzidenztiefe,
  • 4 ein zweites beispielhaftes Schema zur Ermittlung der Koinzidenzzeit und Koinzidenztiefe,
  • 5 einen schematischen Ablauf der Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 6 einen beispielhaften Verlauf der Nettoeventrate an Koinzidenz-Ereignissen als Funktion der Photonendetektionsrate,
  • 7 einen beispielhaften Verlauf der Nettoeventrate in Abhängigkeit von der Koinzidenztiefe,
  • 8 beispielhafte berechnete Erwartungswerte des direkten Messverfahrens über der Distanz (d/m) für verschiedene Reflexionsfaktoren (R) und Koinzidenztiefen (n),
  • 9 ein Blockschaltbild einer Ausgestaltung eines Sensorpixels zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. als Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
  • 10 einen beispielhaften Verlauf der relevanten Signale der Anordnung der 9 und
  • 11 eine beispielhafte Sensorzeile mit vier Pixeln und Register zur Einstellung von Koinzidenzzeit und Koinzidenztiefe.

Eine Ausgestaltung einer Vorrichtung 1 zur Bestimmung einer Entfernung d zu einem Objekt 2 zeigt die 1. Die Vorrichtung 1 verfügt über eine Sendevorrichtung 3 und eine Empfangsvorrichtung 4. Die Sendevorrichtung 3 sendet Signale in Richtung des Objekts 2 aus, wobei es sich in der gezeigten Ausgestaltung um gepulstes Infrarot-Laserlicht handelt. In einer Ausgestaltung bewegt die Sendevorrichtung 3 das Licht über einen vorgebbaren Bereich des Objekts 2.

Das am Objekt 2 reflektierte Licht wird als Signal von der Empfangsvorrichtung 4 empfangen. Der Weg des Lichts ist hier durch zwei Pfeile angedeutet. Aus der Laufzeit des Lichts ergibt sich über die Geschwindigkeit der abgestrahlten, reflektierten und wieder empfangenen Signale der Abstand zum Objekt 2. Die Laufzeit τ ist dabei der zeitliche Abstand zwischen dem Aussenden des Lichts durch die Sendevorrichtung 3 als Startzeitpunkt t0 und dem Eintreffen des Lichts an der Empfangsvorrichtung 4 als Stoppzeitpunkt t1.

Die Auswertevorrichtung 5 ist für die Ermittlung der Entfernung d mit der Sendevorrichtung 3 und der Empfangsvorrichtung 4 verbunden. Da die Empfangsvorrichtung 4 auch Hintergrundlicht empfängt, bestimmt die Auswertevorrichtung 5 die Entfernung ausgehend von Koinzidenzereignissen.

Die Empfangsvorrichtung 4 verfügt über eine Mehrzahl von Empfangselementen 40 (vgl. 2), die jeweils ein Detektionssignal erzeugen, wenn sie das Auftreffen eines Photons registrieren. Erzeugen mehrere Empfangselemente 40 innerhalb einer vorgebbaren Koinzidenzzeit ϑ Detektionssignale, so wird dies als Koinzidenzereignis betrachtet und für die Ermittlung des Stoppzeitpunkts t1 verwendet. Die Mindestanzahl an innerhalb der Koinzidenzzeit ϑ gleichzeitig erfassten Detektionssignalen wird als Koinzidenztiefe n bezeichnet.

Für die Erfassung beispielsweise der Tiefeninformation eines Objekts 2 nach dem Laufzeitverfahren wird somit das Zielobjekt 2 mit einer gepulsten Laserquelle als beispielhafter Sendevorrichtung 3 bestrahlt. Synchron dazu wird eine elektronische Zeitmessvorrichtung, welche in einer Ausgestaltung als TDC (Time to Digital Converter) realisiert ist, gestartet.

Die Entfernung d zwischen der Empfangsvorrichtung 4 und dem Objekt 2 ist maßgebend für die Laufzeit des von der Sendevorrichtung 3 (z. B. einer Laserquelle) abgesandten Lichtpulses. Das ausgesendete Signal und der TDC (der z. B. ein Teil der Auswertvorrichtung 5 ist) starten gleichzeitig zum Zeitpunkt t0. Der Laserpuls wird an der bestrahlten Oberfläche des Zielobjektes 2 reflektiert und trifft nach der Laufzeitverzögerung τ = 2d/c auf die photoempfindliche Fläche der Empfangsvorrichtung 4 auf. Der Zeitpunkt des Pulsempfangs t1 ist dabei abhängig von der Entfernung d. Der TDC - als beispielhafte Zeitmessvorrichtung - wird mit der Detektion des ersten Photons bzw. des ersten Koinzidenz-Ereignisses gestoppt und anschließend ausgelesen.

Die dargestellte Ausgestaltung der Vorrichtung 1 der 1 erlaubt eine Anpassung von Koinzidenzzeit ϑ und sogar Koinzidenztiefe n an die herrschenden Bedingungen und insbesondere an die gegebene Hintergrundbeleuchtung. Ziel der Anpassung von Koinzidenzzeit und Koinzidenztiefe ist, die Rate an Events durch den Hintergrund unter einem bestimmten Niveau zu halten. Damit wird erreicht, dass der TDC nur zu einem vertretbaren Anteil durch die Hintergrundstrahlung gestoppt wird und falsche Einzelmessungen korrigiert werden können.

Dies geschieht in der gezeigten Ausgestaltung über eine Hintergrundstrahlungsmessung, bei der die Empfangsvorrichtung 4 in einer Ausgestaltung Signale empfängt, ohne dass die Sendevorrichtung 3 Signale aussendet. Die Messung durch die Empfangsvorrichtung 4 ist somit frei von Signalen der Sendevorrichtung 3. Die Freiheit von solchen Signalen erfolgt in einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung durch eine Art von Filterung. Die so detektierten Signale wertet die Steuervorrichtung 6 aus, um davon ausgehend die Koinzidenzzeit ϑ und in der gezeigten Ausgestaltung auch die Koinzidenztiefe n einzustellen.

Die Einstellung der Koinzidenztiefe n wird im gezeigten Ausführungsbeispiel auch bei der Empfangsvorrichtung 4 vorgenommen, da in der gezeigten Ausgestaltung die Empfangsvorrichtung 4 derart ausgestaltet ist, dass sie nur entsprechend der Koinzidenztiefe n viele Empfangselemente 40 der Bildbereiche (Pixel) aktiviert hat.

Die 2 zeigt einen Teil einer Empfangsvorrichtung 4 mit den einzelnen Empfangselementen 40 (z. B. SPAD), die zu den einzelnen Bildelementen 41 (Pixeln) gehören.

Für die Ermittlung der Parameter: Koinzidenzzeit ϑ und Koinzidenztiefe n ist in der Ausgestaltung der 1 ein Datenspeicher 7 zum Hinterlegen von Daten vorhanden.

Der Datenspeicher 7 mit hinterlegten Daten ist hier insbesondere für eine von zwei Hintergrundstrahlungsmessungen relevant:

Die 3 zeigt eine beispielhafte Ausgestaltung eines Ablaufs zur Ermittlung der Koinzidenzzeit und Koinzidenztiefe. Dabei findet eine Vorgabe des Event-Sollwerts Λsoll statt (hier bezeichnet als: „Solleventrate des Hintergrundes“). Zwischen diesem Wert und der aktuell ermittelten Rate des Hintergrundlichts (über den hier so bezeichneten Schritt: „Bestimmung der Hintergrundeventrate“) Λist wird die Differenz Δ ermittelt und der Betrag der Differenz mit dem vorgebbaren Grenzwert β verglichen. Ist der Betrag kleiner, so kann - vorzugsweise nach einer hier nicht eingetragenen Abstandsmessung - erneut ein Maß für das Hintergrundlicht ermittelt werden.

Im Fall einer zu großen Abweichung wird festgestellt, ob die Differenz Δ größer Null ist, d.h. ob der Soll-Eventwert größer als der gemessene Ist-Wert ist. Anschließend wird ermittelt, ob die Koinzidenzzeit ϑ bereits einen größten oder kleinsten Wert erreicht hat. Ist das nicht der Fall, so wird die Koinzidenzzeit ϑ vergrößert (angedeutet durch ϑ↑) bzw. verkleinert (angedeutet durch ϑ↓). Im anderen Fall wird die Koinzidenztiefe n verändert und - in der gezeigten Ausgestaltung - die Koinzidenzzeit ϑ auf einen jeweils anderen Grenzwert gesetzt (hat die Koinzidenzzeit ϑ z. B. den maximalen Grenzwert ϑmax erreicht, so wird er auf den minimalen Grenzwert ϑmin gesetzt).

In der ersten Art der Hintergrundstrahlungsmessung der 3 wird somit die Hintergrundstrahlung unter Beachtung der Koinzidenzereignisse ausgewertet. Dies geschieht insbesondere mit den bereits eingestellten Parametern: Koinzidenzzeit ϑ und Koinzidenztiefe n. Aus der Anzahl aller Detektionssignale der Empfangsvorrichtung 4 ergibt sich durch Beachtung der Koinzidenz somit die reduzierte Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale. Die Anzahl wird mit einem Event-Sollwert verglichen. Ergibt sich eine Abweichung, die größer als ein vorgebbarer Grenzwert β ist, so wird zumindest die Koinzidenzzeit ϑ - ausgehend von dem aktuell genutzten Wert - neu bestimmt. In einer Ausführung wird eine Differenz Δ zwischen dem Soll-Wert und der Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale als Ist-Wert der Hintergrundstrahlung ermittelt: Δ = „Soll-Wert - Ist-Wert“. Bei dieser Ausgestaltung wird dann überprüft, ob der Betrag der Differenz |Δ| größer oder kleiner als der vorgebbare Grenzwert β für die Abweichung ist.

Dabei gibt es in der hier gezeigten Ausgestaltung zwei Möglichkeiten bei einer zu großen Abweichung zwischen den Werten, die davon abhängen, ob die Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale größer oder kleiner als der Event-Sollwert ist.

Ist die Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale größer als der Event-Sollwert, so wird die Koinzidenzzeit ϑ - falls möglich - verkleinert. Bei der vorgenannten Ausgestaltung bedeutet dies, dass die Differenz kleiner Null ist: Δ < 0. Die Verkleinerung des aktuellen Werts der Koinzidenzzeit ϑ geschieht zumindest dann, wenn die aktuelle Koinzidenzzeit ϑ größer als ein minimaler Grenzwert ϑmin ist. Ist dieser Minimalgrenzwert ϑmin bereits erreicht, d. h. ist die aktuelle Koinzidenzzeit ϑ bereits gleich dem Minimalgrenzwert oder würde eine weitere Reduktion der aktuellen Koinzidenzzeit ϑ unter diesen Minimalgrenzwert führen, so wird die Koinzidenzzeit ϑ auf einen Maximalwert ϑmax gesetzt und die Koinzidenztiefe n heraufgesetzt. Dies geschieht z. B. dadurch, dass die Koinzidenztiefe um eins erhöht wird: nneu = n + 1.

Im umgekehrten Fall, wenn also die Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale kleiner als der Event-Sollwert bzw. die Differenz größer als Null ist, wird die aktuelle Koinzidenzzeit ϑ - falls möglich - vergrößert. Ist die aktuelle Koinzidenzzeit ϑ jedoch bereits auf einen maximalen Grenzwert ϑmax eingestellt bzw. würde eine weitere Erhöhung diesen Wert übersteigen, so wird die Koinzidenzzeit ϑ auf einen Minimalwert ϑmin, der hier identisch mit dem zuvor genannten minimalen Grenzwert ist, gesetzt. Der maximale Grenzwert ϑmax ist hier der zuvor genannte Maximalwert für die Koinzidenzzeit. Zudem wird die Koinzidenztiefe n reduziert, z. B. durch: nneu = n - 1. Der maximale Grenzwert ϑmax ist dabei in einer Ausgestaltung gleich dem Maximalwert, auf den die Koinzidenzzeit ϑ im vorgenannten Fall gesetzt wird.

In einer zweiten Art der Hintergrundstrahlungsmessung - gezeigt in der 4 - werden Koinzidenzereignisse nicht betrachtet, sondern es werden alle von der Empfangsvorrichtung empfangenen Signale ausgewertet (vgl. auch 1). Die Anzahl der Hintergrundstrahlungsdetektionssignale ist somit gleich der Anzahl der von der Empfangsvorrichtung empfangenen Signale. Für diesen Fall greift die Steuervorrichtung auf in dem Datenspeicher hinterlegte Daten (z. B. in Form einer Tabelle) zu, um ausgehend von den erhaltenen Detektionssignalen die Parameter: Koinzidenzzeit ϑ und Koinzidenztiefe n auszuwählen und im nächsten Schritt bei der Auswertevorrichtung und hier auch bei der Empfangsvorrichtung einzustellen.

Die Auswertevorrichtung 5 der Ausgestaltung der 1 wertet mit den von der Steuervorrichtung 6 eingestellten Werten für die Koinzidenzzeit ϑ und in der gezeigten Ausgestaltung auch für die Koinzidenztiefe n die Detektionssignale der Empfangsvorrichtung 4 aus.

Die Einstellung der Koinzidenztiefe n bei der Empfangsvorrichtung 4 (vgl. 2) erlaubt es, dass die Empfangsvorrichtung 4 für den Empfang der Signale nur so viele Empfangselemente 40 eines Bildelements (eine alternative Bezeichnung ist Pixel) 41 für das Empfangen von Signalen bzw. hier Licht aktiviert, wie es der Koinzidenztiefe n entspricht. Die Empfangselemente 40 eines beispielhaften Bildelements 41 zeigt die 2. Es sind in dieser Ausgestaltung also nicht mehr Empfangselemente 40 aktiviert als erforderlich. In einer Ausgestaltung werden entsprechend der Koinzidenztiefe n viele Empfangselemente 40 aktiviert und werden in einer alternativen Ausgestaltung entsprechend viele Empfangselemente 40 deaktiviert, so dass die Anzahl der aktivierten Empfangselemente 40 der Koinzidenztiefe n entspricht. Die gezielte Aktivierung oder Deaktivierung ist dabei unabhängig von der Vorgabe der Koinzidenzzeit bzw. der Koinzidenztiefe.

In der 5 sind die Schritte einer Ausgestaltung der Abstandsmessung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren dargestellt.

Im Schritt 100 erfolgt eine Messung der Intensität des Hintergrundlichts, wobei von der Messvorrichtung keine Signale ausgesendet werden. Für diesen Zweck wird in einer Ausgestaltung die einfallende Hintergrundstrahlung auf dem Sensor ohne aktive Beleuchtung durch den Laser in einem vorgegebenen Zeitfenster durch Zählung integriert. Aus der Anzahl der Ereignisse und der Dauer des Messfensters kann die Rate und somit die Intensität des Hintergrundlichts ermittelt werden. Die Integration kann sowohl mit als auch ohne Koinzidenz realisiert werden. Im Schritt 101 erfolgt anhand der detektierten Signale, d. h. anhand der gemessenen Hintergrundstrahlung und in einer Ausgestaltung ausgehend von den aktuell vorgegebenen Werten die Bestimmung der Koinzidenzzeit und der Koinzidenztiefe. Im Schritt 102 werden die neu ermittelten Werte für die Koinzidenzzeit und die Koinzidenztiefe für die nächst folgende Abstandsmessung für die Auswertung der dabei empfangenen Signale gesetzt. Im Schritt 103 erfolgt die Messung der Laufzeit der ausgestrahlten Signale bzw. des Abstandes zwischen der Messvorrichtung und dem Objekt mit den in Schritt 102 gesetzten Werten über das direkte Verfahren mittels der Messung der Pulslaufzeit. In diesem Schritt 102 wird dabei im Gegensatz zu Schritt 100 auch ein Signal in Richtung des Objekts abgestrahlt.

Die 6 zeigt die Nettoeventrate an Koinzidenz-Ereignissen (Λ/Hz) als Funktion der Photonendetektionsrate, wobei auf der x-Achse die Bruttoeventrate (λ/Hz) aufgetragen ist. Dies erlaubt eine Diskussion des Einflusses des Hintergrundes und Definition eines Modells für die Koinzidenz.

Da die Photonen innerhalb des reflektierten Pulses einer statistischen Verteilung unterliegen, entspricht der Zeitpunkt der Detektion des ersten Photons nicht der Ankunft des reflektierten Pulses auf der Empfangsvorrichtung. Zur Reduktion der damit einhergehenden Varianz des Messwertes werden mehrere Messwerte in einem Histogramm gesammelt, aus welchen anschließend die Laufzeit und die Distanz bestimmt werden. Durch diese Vorgehensweise bei der Distanzbestimmung können einzelne falsche Messwerte toleriert werden.

Die zeitliche Verteilung der Photonen in einem Strom konstanter Rate unterliegt der Exponentialverteilung. Damit ist die Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Photonen und nach Hitchhiker's Paradox auch die Zeit zwischen einem beliebigen Zeitpunkt und der Ankunft des nächsten Photons gegeben zu: PPDF(t,λ)=λ exp(tλ).embedded image

Aus dieser Wahrscheinlichkeitsdichte lässt sich die Wahrscheinlichkeit bestimmen, mit welcher ein Photon, welches aus dem Hintergrundlicht resultiert, den TDC fälschlicherweise stoppt. Hierfür wird die Rate der Hintergrundphotonen λB in Formel (1) eingesetzt und diese anschließend von t = 0 bis t = τ integriert. Es ergibt sich damit: PFalse(τ,λB)=1exp(τλB)=1exp(2λBd/c)embedded image

Es zeigt sich dabei, dass mit zunehmender Distanz d und Hintergrundstärke λB die Wahrscheinlichkeit einer Falschmessung zunimmt.

Um größere Distanzen messen zu können, muss die Rate detektierter Hintergrundphotonen so stark reduziert werden, dass die Wahrscheinlichkeit nach Formel (2) einen tolerierbaren Wert nicht überschreitet. Weiterhin darf die Dämpfung nicht zu hoch sein, damit der reflektierte Puls noch mit einer bestimmten Mindestwahrscheinlichkeit erfasst wird. Nur wenn diese beiden Bedingungen erfüllt sind, lässt sich eine zuverlässige Messung erreichen.

Unter der Verwendung von Koinzidenz reduziert sich die Rate der detektierten Ereignisse (als Nettoeventrate bezeichnet) gegenüber dem Fall der Einzelphotonenerfassung ohne Koinzidenz (als Bruttoeventrate bezeichnet).

Wie stark die Ereignisraten reduziert werden, lässt sich mittels: Λ=(1i=1n1(Ni)k=0n2((1)ke(Nn+1+k)λϑ(n2k)!k!(Nn+1+k)))                      (i=1n1(N1)k=0n2((1)k2Nn+1+kNe(Nn+1+k)λϑ(n2k)!k!(Nn+1+k)2Nλ))1embedded imagenäherungsweise (ohne Einbeziehung der Totzeit und weiterer Sättigungseffekte) aus der Anzahl der einzelnen Empfangselemente (z. B. SPAD) N, der Bruttoeventrate jeder SPAD λ, der Koinzidenzzeit ϑ und der Koinzidenztiefe n berechnen.

Für n > 1 zeigt die Formel eine Steigung der „Λ = f(λ)“-Kurve größer eins, was eine weniger starke Abschwächung des reflektierten Pulses als des reinen Hintergrundlichts und so eine Verbesserung des SBR zur Folge hat.

6 zeigt die Rate an Koinzidenz-Ereignissen als Funktion der Bruttoeventrate der einzelnen Dioden nach der obigen Formel (3).

Zur Verdeutlichung der mit der Steigung einhergehenden Verbesserung des SBR sind die Raten des reflektierten Lasersignals und des Hintergrundlichts mit je 2 MHz, wobei λAB = λA + λB gilt, eingetragen, was einem SBR von 1 entspricht.

Durch den Einsatz von Koinzidenz reduziert sich die Eventrate des Hintergrundes auf ca. 9 kHz.

Während des Empfangs des reflektierten Pulses beträgt die Bruttoeventrate 4 MHz, was in einer Nettoeventrate von ca. 60 kHz resultiert. Das SBR, definiert als die zusätzliche Rate während der Ankunft des reflektierten Laserpulses dividiert durch die Eventrate des Hintergrundes, ergibt sich zu SBR=ΛABΛBΛB=60 kHz9 kHz9 kHz=5,67embedded image

Da sich die Steigung der Nettoeventrate mit der Koinzidenztiefe erhöht, verbessert sich auch der Zugewinn im SBR. Mit erhöhter Kurvensteilheit steigt allerdings auch der notwendige Dynamikbereich, welchen die Elektronik im Sensor erfassen muss. Am Beispiel der Fig. 6 lässt sich die Zunahme an Dynamik durch die Kurvensteilheit ebenfalls ablesen. So ergibt eine Änderung der Bruttoeventrate von 1 MHz auf 10 MHz eine Änderung der Nettoeventrate von 1 kHz auf 800 kHz. In Dezibel entspricht dies einer Steigerung der Dynamik von 20 dB auf 58 dB, was etwa einer Verdreifachung gleichkommt.

Damit der reflektierte Laserpuls detektiert werden kann, muss dieser eine gewisse Leistung aufweisen. Um diese auch bei geringen Reflektivitäten zu erreichen, wird eine hohe Leistung des emittierenden Lasers benötigt, da die Rate durch die Anwendung der konstanten Koinzidenz stark gedämpft wird. Im Gegensatz dazu könnte im Fall hoher Reflektivität die Laserleistung reduziert werden, da hier die Dämpfung durch die Koinzidenz weit geringer ausfällt.

Eine Abschätzung des Event-Sollwertes der Hintergrundeventrate kann aus der maximalen Distanz, der Anzahl der im Histogramm akkumulierten Einzelmessungen zur Bestimmung der Distanz N und der Breite der Bins TBin getroffen werden. Für diesen Zweck wird das Signal-Rausch-Verhältnis (Signal-to-Noise Ratio, SNR) des Histogramms betrachtet. Dabei sei das SNR definiert als der Erwartungswert des durch den Empfang des reflektierten Signals zusätzlichen Zählwertes im Bin dividiert durch die Standardabweichung des gesamten Zählwertes inklusive Hintergrundevents.

Aus der Wahrscheinlichkeitsverteilung des ersten Events bei einem reckeckigen Puls und konstanter Hintergrundrate lässt sich das SNR berechnen zu SNRHist=NTBine2λBdcλAλA+λBembedded imagemit einem Maximum bei λB = c * d / 2 unter der Annahme eines konstanten SBR, was einer Variation des Reflexionsfaktors bei konstanter Distanz entspricht.

Bei dieser Hintergrundrate λB liefert die Messung der Distanz über das direkte Verfahren das beste Ergebnis. Da der so gewonnene Event-Sollwert eine Funktion der Distanz ist, wird er für die maximale Distanz des Systems berechnet. Die Reichweite hängt dabei auch von der Güte des verwendeten Algorithmus zur Berechnung der Distanz aus dem Histogramm ab. Bis zu welchem SNR der Algorithmus die Distanz mit vorgegebener Genauigkeit und Zuverlässigkeit aus dem Histogramm bestimmen kann, lässt sich durch weitere theoretische Untersuchung oder mittels Simulation bestimmen.

Die 7 zeigt beispielhaft, wie die Nettoeventrate (aufgetragen auf der y-Achse, Λ/Hz) durch Anpassung der Koinzidenztiefe von n = 1 (keine Koinzidenz) bis n = 4 bei einer Änderung der Bruttoeventrate (aufgetragen auf der x-Achse, N * λ/Hz) auf einem relativ konstanten Niveau gehalten werden kann.

Für die reale Anwendung wird eine möglichst geringe Welligkeit der Kurve in 7 angestrebt, da neben dem Hintergrundlicht auch immer das Lasersignal gedämpft wird und dieses einen bestimmten Wert nicht unterschreiten darf, um zuverlässig detektiert werden zu können. Eine Reduktion der Welligkeit in der Nettoeventrate kann durch eine zusätzliche Anpassung der Koinzidenzzeit erreicht werden.

Um den Einfluss von Koinzidenzzeit und Koinzidenztiefe auf die resultierende Eventrate deutlicher zu machen, wird eine Näherung der Formel (3) betrachtet.

Für eine Koinzidenztiefe von n = 2 muss die Zeit zwischen zwei Events geringer als die Koinzidenzzeit ϑ sein. Aus der exponentiellen Verteilung der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Events lässt sich die Wahrscheinlichkeit dafür durch Integration bestimmen. Multipliziert man die so ermittelte Wahrscheinlichkeit mit der ursprünglichen Eventrate, so ergibt sich ΛApprox,2=λ(1eλϑ)λ2ϑembedded image

Demgegenüber lässt sich die Wahrscheinlichkeit für eine Koinzidenz mit n = 3 aus der Erlang-Verteilung berechnen. Für die resultierende Rate ergibt sich ΛApprox,3=λ(1(1+λϑ)eλϑ)λ3ϑ2.embedded image

Für eine beliebige Koinzidenztiefe n ergibt sich eine näherungsweise Proportionalität von ΛApprox,nNnλnϑn1.embedded image

In dieser Näherung (8) zeigt sich, wie die einzelnen Größen die resultierende Eventrate beeinflussen. So hat die Koinzidenzzeit ϑ bei höheren Koinzidenztiefen n einen größeren Einfluss als bei geringeren Tiefen. Im Sinne der Augensicherheit und einer möglichst geringen Laserleistung darf die Dämpfung des reflektierten Pulses nur so stark sein wie nötig, um die Nettoeventrate der Hintergrundstrahlung auf ein tolerierbares Niveau zu senken. Eine hohe Welligkeit erfordert im Umkehrschluss eine höhere Laserleistung.

In der Näherung (8) zeigt sich eine weitere Möglichkeit zur Anpassung der Nettoeventrate durch die Abschaltung einzelner Empfangselemente N bzw. einzelner Subpixel. Im Speziellen kann diese Technik verwendet werden, um den Übergang zwischen keiner Koinzidenz (n = 1) und Koinzidenz (n = 2) durch schrittweise Reduktion der aktiven Subpixel zu glätten. Allgemein bietet dies eine weitere Variable zur Reduktion der Welligkeit.

Durch die Änderung der Kurvensteilheit der Nettoeventrate mit der Koinzidenztiefe nach Formel (3) ergibt sich bei höheren Raten und höherer Koinzidenztiefe ein höheres SBR, was die Messung größerer Distanzen ermöglicht. Die Abnahme des SBR bei zunehmender Distanz bleibt dabei unberührt.

Die Zunahme des SBR mit der Koinzidenztiefe lässt sich anhand der Näherungen nach Formel (6) und Formel (7) zeigen. Im Falle der Verwendung einer Koinzidenz mit n = 2 gilt für das neue SBR SBRnew,2=λAB2ϑλB2ϑλB2ϑ=λA2+2λAλBλB2=SBRold2+2SBRoldSBRold2embedded imagewomit man eine Verdoppelung des SBR in Dezibel erhält. Analog lässt sich diese Berechnung für eine Koinzidenztiefe von n = 3 nach Formel (7) durchführen. Hier ergibt sich SBRnew,3=λAB3ϑλB3ϑλB3ϑ=SBRold3+3SBRold2+3SBRoldSBRold3embedded imagewas einer Verdreifachung des SBR in Dezibel entspricht. Dies ließe sich mit weiteren Koinzidenztiefen fortführen. Allgemein steigt das resultierende SBR bei der Verwendung von Koinzidenzereignissen um den Faktor der Koinzidenztiefe n an.

Die Erfindung mit adaptiver Koinzidenzzeit und ggf. auch adaptiver Koinzidenztiefe ermöglicht eine annähernd konstante Reichweite über alle Reflektanzen bei gleichzeitiger Reduktion der notwendigen Laserleistung für das direkte Messverfahren gegenüber dem Fall fester Koinzidenz in [3]. Die Anpassung der Koinzidenzzeit und ggf. der Koinzidenztiefe reduziert im Falle einer geringen Reflektivität des Zielobjekts die Dämpfung des Signals in der Empfangsvorrichtung und erlaubt so die Verwendung geringerer Laserleistung gegenüber dem Fall konstanter Koinzidenzzeit und Koinzidenztiefe.

Im Gegenzug wird bei hoher Reflektivität und Hintergrundintensität die Dämpfung durch Anpassung von Koinzidenzzeit und Koinzidenztiefe erhöht, sodass die Zahl falscher Messungen durch die Hintergrundstrahlung auf ein vertretbares Maß reduziert und gleichzeitig der reflektierte Laserpuls zuverlässig detektiert wird.

Die 8 zeigt eine Simulation des Erwartungswertes des direkten Messverfahrens über der Distanz für verschiedene Reflexionsfaktoren R und Koinzidenztiefen n. Aus den Simulationen ist ersichtlich, dass je nach Reflexionsfaktor eine andere Koinzidenztiefe das optimale Ergebnis liefert.

So zeigt bei einer Reflektanz von R = 25 % die Messung mit n = 2 gute Ergebnisse, während dieselbe Koinzidenztiefe bei R = 75 % deutlich hinter der Messung mit n = 3 und n = 4 zurückliegt. Die Ursache dafür liegt in der zu hohen Rate an Hintergrundevents, welche bei der geringeren Koinzidenztiefe detektiert werden und so zu fehlerhaften Messungen führen. Da diese Fehlmessungen bevorzugt bei geringen Distanzen liegen, sinkt der Erwartungswert mit deren Zunahme.

Die Simulation in 8 zeigt zudem die Zunahme der Reichweite bei höheren Reflektanzen und damit höheren Koinzidenztiefen. So liegt die maximale Distanz bei R = 5 % bei ca. 50 m, während bei R = 100 % ca. 70 m erreicht werden. Im Vergleich beispielsweise mit der WO 2010/149593 A1 ermöglicht das hier vorgestellte Verfahren eine Erhöhung der Reichweite sowie eine einfachere Regelung der Koinzidenzzeit und Koinzidenztiefe aufgrund deren Temperaturunabhängigkeit.

Es folgen technische Umsetzungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Ein erstes Beispiel betrifft einen CMOS-Zeilensensor mit vier Empfangselementen (bzw. so bezeichneten Subpixeln) und der Realisierung mit SPAD.

Die 9 zeigt den schematischen Aufbau eines Bildelements (andere Bezeichnung ist: Pixel) 41 bestehend aus vier einzelnen SPAD 40 als Empfangselementen. Jede einzelne Diode 40 besitzt eine eigene Schaltung für das Löschen des Diodenstromes und Rücksetzen der Diodenspannung (Active Quenching and Reset, AQR). Zwei der vier Subpixel 40 sind dabei so gestaltet, dass sie bei inaktiver Koinzidenz deaktiviert werden, wodurch der Übergang zwischen keiner Koinzidenz und Koinzidenz in der Nettoeventrate geglättet wird. Jeder Diode 40 folgt ein AQR 42. Jeder AQR 42 folgt ein Pulsformer 43 mit variabler Pulsbreite, welche über ein externes Steuersignal eingestellt wird.

Detektiert ein Empfangselement 40 - hier in Form eines SPAD - ein Photon, so liefert der zugehörige Pulsformer 43 einen Puls mit eingestellter Dauer. Die Dauer entspricht der Koinzidenzzeit d. Den Pulsformern 43 folgt die eigentliche Schaltung 44 zur Detektion von Koinzidenz-Ereignissen (Concurrence Detection Circuit, CDC).

Um die Koinzidenztiefe n variieren zu können, verfügt der CDC 44 über mehrere Unterblöcke, von denen jeder für eine andere Koinzidenztiefe (≥1, ≥2, ≥3, ≥4) zuständig ist. Die Detektion der Koinzidenz wird über einfache Logik-Bausteine realisiert. Der Schaltungsblock liefert ein High-Signal am Ausgang nur dann, wenn mindestens so viele Eingänge wie die entsprechende Koinzidenztiefe ein High-Signal aufweisen. Die Auswahl der Koinzidenztiefe n erfolgt über einen nachgeschalteten Multiplexer 45, welcher das Ausgangssignal des Blocks der gewählten Tiefe ausgibt.

Dem Multiplexer 45 folgt ein weiterer Pulsformer 46, da die logische Verknüpfung der Signale zu sehr kurzen Pulsen führen kann, welche von der nachfolgenden Elektronik ohne Formung nicht korrekt verarbeitet werden würde. Anschließend folgen weitere Schaltungsblöcke, welche einerseits dazu dienen, die Pulse zu zählen und andererseits die Laufzeit des Laserpulses zu messen. Dies geschieht hier im Rahmen einer digitalen Signalverarbeitung 47.

Beispiele für die Signale, wie sie in der Anordnung der 9 auftreten, zeigt die 10.

Gezeigt werden beispielhaft die zeitlichen Signalverläufe an den Ausgängen der vier Pulsformer 43 (SPAD1 bis SPAD4), der vier Koinzidenz-Detektionsschaltungen (CDC ≥ 1 bis CDC ≥ 4) als Teile des CDC 44 für die Koinzidenztiefen n = 1 bis n = 4 sowie dem Ausgang des Multiplexers 45.

Im gezeigten Beispiel ist eine Koinzidenztiefe von n = 2 eingestellt. In diesem Fall entspricht der Ausgang des Multiplexers 45 dem Ausgang des Schaltungsblockes zur Detektion einer Koinzidenz mit der Koinzidenztiefe n = 2.

Wie zuvor beschrieben, ist die Koinzidenzzeit durch die Dauer des Ausgangspulses der Pulsformer definiert, welche bei allen Pulsformern 43 identisch sein muss. Die Bestimmung der Koinzidenzzeit und Koinzidenztiefe erfolgt in einer Ausgestaltung nach dem Prinzip einer Lookup-Table. Hierfür ist in einem FPGA, das für die Ansteuerung des Sensorteils der Vorrichtung zur Ermittlung des Abstands zuständig ist, eine Tabelle hinterlegt, aus welcher nach jeder Messung des Hintergrundlichts die entsprechenden Werte für Koinzidenzzeit und Koinzidenztiefe entnommen werden.

Die Einstellung der Werte erfolgt, wie in 11 dargestellt, über ein Schieberegister, welches die Informationen für die komplette Pixelzeile enthält und seriell vom FPGA beschrieben wird. Zur Zwischenspeicherung der Werte werden Latches verwendet, welche den Wert des Schieberegisters zu einem definierten Zeitpunkt übernehmen. Damit erreicht man eine synchrone Datenübernahme und die Möglichkeit, das Schieberegister noch während einer laufenden Messung zu beschreiben.

Das vorgestellte Verfahren lässt sich neben dem genannten Ausführungsbeispiel eines integrierten CMOS-Sensors auch mittels Silicon-Photomultipliern (SiPM) oder Avalanche-Dioden (APD) integriert oder verteilt mit diskreten Bauelementen sowie als reines Computerprogramm realisieren. In 3D-Hybridintegration mittels Wafer-to-Wafer-, Chip-to-Wafer- oder Chip-to-Chip-Bonding mit zugehöriger Auslesekombinatorik und in verschiedenen Technologien wie CMOS oder III-V-Halbleiter in unterschiedlichen Strukturgrößen kann das Verfahren ebenfalls genutzt werden.

Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware-Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.

Je nach bestimmten Implementierungsanforderungen können Ausführungsbeispiele der Erfindung in Hardware oder in Software oder zumindest teilweise in Hardware oder zumindest teilweise in Software implementiert sein. Die Implementierung kann unter Verwendung eines digitalen Speichermediums, beispielsweise einer Floppy-Disk, einer DVD, einer BluRay Disc, einer CD, eines ROM, eines PROM, eines EPROM, eines EEPROM oder eines FLASH-Speichers, einer Festplatte oder eines anderen magnetischen oder optischen Speichers durchgeführt werden, auf dem elektronisch lesbare Steuersignale gespeichert sind, die mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenwirken können oder zusammenwirken, dass das jeweilige Verfahren durchgeführt wird. Deshalb kann das digitale Speichermedium computerlesbar sein.

Manche Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung umfassen also einen Datenträger, der elektronisch lesbare Steuersignale aufweist, die in der Lage sind, mit einem programmierbaren Computersystem derart zusammenzuwirken, dass eines der hierin beschriebenen Verfahren durchgeführt wird.

Allgemein können Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung als Computerprogrammprodukt mit einem Programmcode implementiert sein, wobei der Programmcode dahingehend wirksam ist, eines der Verfahren durchzuführen, wenn das Computerprogrammprodukt auf einem Computer abläuft.

Der Programmcode kann beispielsweise auch auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert sein.

Andere Ausführungsbeispiele umfassen das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren, wobei das Computerprogramm auf einem maschinenlesbaren Träger gespeichert ist. Mit anderen Worten ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens somit ein Computerprogramm, das einen Programmcode zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer abläuft.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahren ist somit ein Datenträger (oder ein digitales Speichermedium oder ein computerlesbares Medium), auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren aufgezeichnet ist. Der Datenträger oder das digitale Speichermedium oder das computerlesbare Medium sind typischerweise greifbar und/oder nicht flüchtig.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist somit ein Datenstrom oder eine Sequenz von Signalen, der bzw. die das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren darstellt bzw. darstellen. Der Datenstrom oder die Sequenz von Signalen kann bzw. können beispielsweise dahingehend konfiguriert sein, über eine Datenkommunikationsverbindung, beispielsweise über das Internet, transferiert zu werden.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst eine Verarbeitungseinrichtung, beispielsweise einen Computer oder ein programmierbares Logikbauelement, die dahingehend konfiguriert oder angepasst ist, eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel umfasst einen Computer, auf dem das Computerprogramm zum Durchführen eines der hierin beschriebenen Verfahren installiert ist.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung umfasst eine Vorrichtung oder ein System, die bzw. das ausgelegt ist, um ein Computerprogramm zur Durchführung zumindest eines der hierin beschriebenen Verfahren zu einem Empfänger zu übertragen. Die Übertragung kann beispielsweise elektronisch oder optisch erfolgen. Der Empfänger kann beispielsweise ein Computer, ein Mobilgerät, ein Speichergerät oder eine ähnliche Vorrichtung sein. Die Vorrichtung oder das System kann beispielsweise einen Datei-Server zur Übertragung des Computerprogramms zu dem Empfänger umfassen.

Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein programmierbares Logikbauelement (beispielsweise ein feldprogrammierbares Gatterarray, ein FPGA) dazu verwendet werden, manche oder alle Funktionalitäten der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Bei manchen Ausführungsbeispielen kann ein feldprogrammierbares Gatterarray mit einem Mikroprozessor zusammenwirken, um eines der hierin beschriebenen Verfahren durchzuführen. Allgemein werden die Verfahren bei einigen Ausführungsbeispielen seitens einer beliebigen Hardwarevorrichtung durchgeführt. Diese kann eine universell einsetzbare Hardware wie ein Computerprozessor (CPU) sein oder für das Verfahren spezifische Hardware, wie beispielsweise ein ASIC.

Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Literaturverzeichnis

  1. [1] D. Bronzi, F. Villa, S. Tisa, A. Tosi, F. Zappa, D. Durini, S. Weyers, und W. Brockherde, „100 000 Frames/s 64 x 32 Single-Photon Detector Array for 2-D Imaging and 3-D Ranging“, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Bd. 20, Nr. 6, S. 354 - 363, Nov. 2014.
  2. [2] F. Villa, R. Lussana, D. Bronzi, S. Tisa, A. Tosi, F. Zappa, A. Dalla Mora, D. Contini, D. Durini, S. Weyers, und W. Brockherde, „CMOS Imager With 1024 SPADs and TDCs for Single-Photon Timing and 3-D Time-of-Flight“, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Bd. 20, Nr. 6, S. 364 - 373, Nov. 2014.
  3. [3] C. Niclass, M. Soga, H. Matsubara, S. Kato, und M. Kagami, „A 100-m Range 10-Frame/s 340 x 96-Pixel Time-of-Flight Depth Sensor in 0.18- CMOS“, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Bd. 48, Nr. 2, S. 559 - 572, Feb. 2013.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • WO 2010/149593 A1 [0010, 0020, 0101]
  • EP 2605034 B1 [0011]
  • EP 2708913 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

  • D. Bronzi, F. Villa, S. Tisa, A. Tosi, F. Zappa, D. Durini, S. Weyers, und W. Brockherde, „100 000 Frames/s 64 x 32 Single-Photon Detector Array for 2-D Imaging and 3-D Ranging“, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Bd. 20, Nr. 6, S. 354 - 363, Nov. 2014 [0126]
  • F. Villa, R. Lussana, D. Bronzi, S. Tisa, A. Tosi, F. Zappa, A. Dalla Mora, D. Contini, D. Durini, S. Weyers, und W. Brockherde, „CMOS Imager With 1024 SPADs and TDCs for Single-Photon Timing and 3-D Time-of-Flight“, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Bd. 20, Nr. 6, S. 364 - 373, Nov. 2014 [0126]
  • C. Niclass, M. Soga, H. Matsubara, S. Kato, und M. Kagami, „A 100-m Range 10-Frame/s 340 x 96-Pixel Time-of-Flight Depth Sensor in 0.18- CMOS“, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Bd. 48, Nr. 2, S. 559 - 572, Feb. 2013 [0126]