專利名稱：光學(xué)距離測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于借助光學(xué)測量輻射來測量在測量裝置與目標(biāo)對象之間的距離的測量裝置。
背景技術(shù)：
將時間調(diào)制的光束指向目標(biāo)對象的光學(xué)距離測量設(shè)備是已知的，要確定該目標(biāo)對象距測量設(shè)備的距離。由被測向的目標(biāo)對象反射的或散射的返回光被該設(shè)備至少部分探測到并且用于確定待測量的距離。典型的測量范圍在此處于幾厘米直至幾百米的距離范圍中。為了能夠用光束來測量距目標(biāo)對象的距離，例如在光束的強(qiáng)度方面對光束進(jìn)行時間調(diào)制。例如，可以發(fā)送光脈沖并且測量光脈沖從發(fā)送直至探測到的傳播時間并且據(jù)此計算距目標(biāo)對象的距離。然而為此必須發(fā)送非常短的光脈沖并且使用非?？焖俚奶綔y電子裝置，以便能夠獲得足夠精確的測量結(jié)果?？商鎿Q地，光束可以在其強(qiáng)度方面被在時間上周期性調(diào)制并且使用在所發(fā)送的與所探測到的光信號之間的相移來確定傳播時間并且由此確定距目標(biāo)對象的距離。激光距離測量的原理一般以名稱“Time of Flight Ranging (飛行時間測距)”——例如其中對激光束的強(qiáng)度進(jìn)行連續(xù)調(diào)制——而公知。此外，還公知所謂的三維(3D)攝像機(jī)，其中除了對要拍攝的對象進(jìn)行光學(xué)成像之外也要探測要拍攝對象的表面上區(qū)域距攝像機(jī)的相應(yīng)距離。為此，該攝像機(jī)具有成像光學(xué)系統(tǒng)，該光學(xué)系統(tǒng)將對象的圖像清晰地投影到設(shè)置于光學(xué)系統(tǒng)后面的探測器的表面上。探測器在此具有多個矩陣狀設(shè)置的像素。每個像素在此可以確定諸如由目標(biāo)對象的表面區(qū)域所反射的光的色彩或光強(qiáng)度的圖像信息。另外，可以確定關(guān)于在攝像機(jī)與目標(biāo)對象的相應(yīng)表面區(qū)域之間的距離的信息。為此，可以用時間調(diào)制的激光輻射來照射目標(biāo)對象，并且通過確定飛行時間將由目標(biāo)對象反射的并且借助成像光學(xué)系統(tǒng)成像到探測器上的輻射用于確定關(guān)于距目標(biāo)對象的相應(yīng)表面區(qū)域的距離的位置分辨的信息。然而，這樣的三維攝像機(jī)除了需要帶有多個像素的位置分辨的探測器之外還需要成像光學(xué)系統(tǒng)，以便將目標(biāo)對象的每個表面區(qū)域精確地成像到像素上，其中由該像素確定的探測信號于是可以用于確定距相應(yīng)的表面區(qū)域的距離。這需要比較復(fù)雜的、聚焦性的光學(xué)系統(tǒng)以及單個地分析每個像素的探測信號的可能性。與此相反，簡單的距離測量設(shè)備僅被用來確定在測量設(shè)備與目標(biāo)對象或用激光束瞄準(zhǔn)的在目標(biāo)對象上的點之間的距離。距離在此并不需要以位置分辨的方式來確定。確定平均距離通常就足夠了。這樣的距離測量設(shè)備通常使用在手持設(shè)備中，以便例如在室內(nèi)確定某個位置距周圍的目標(biāo)對象(譬如墻壁或家具)的距離。手持的距離測量設(shè)備在此應(yīng)當(dāng)優(yōu)選具有盡可能簡單、穩(wěn)固且成本低廉的結(jié)構(gòu)并且能夠?qū)崿F(xiàn)簡單操作。從DE 10 2006 013 290 Al中已知一種用于光學(xué)測距的裝置，其中接收單元的探測器具有多個彼此分離的光敏面，這些光敏面可以彼此分離地激活。每個光敏面在此具有諸如PIN 二極管或APD (雪崩光電二極管)的光電二極管或CXD芯片作為光敏元件。這些光敏元件確定對應(yīng)于所接收的光的強(qiáng)度的模擬探測信號。這些光敏面可以選擇性地被激活并且以此方式組合成整個探測面，該整個探測面能夠使探測面的被光源照射的部分區(qū)域盡可能好地匹配，以便以此方式改善信噪比。由于所描述的傳統(tǒng)的距離測量設(shè)備使用提供具有大帶寬的模擬測量信號的光敏元件，諸如PIN 二極管或APD (雪崩光電二極管)，所以可能需要使用復(fù)雜的分析電子裝置來分析這些模擬測量信號。這些以模擬方式工作的光敏元件通常不能與其他使用在測量設(shè)備中的CMOS技術(shù)兼容。

發(fā)明內(nèi)容
會存在對如下用于光學(xué)距離測量的測量裝置的需求，該測量裝置尤其是與前面所描述的傳統(tǒng)的距離測量設(shè)備相比允許簡化地構(gòu)建其中使用的電子部件、尤其是用于分析探測信號的分析部件。此外，會存在對如下距離測量裝置的需求，該距離測量裝置在很大程度上可以以唯一的制造技術(shù)、例如CMOS技術(shù)來制造。此外，會存在對如下的距離測量裝置的需求，其中盡可能地具有如下優(yōu)點中的至少一個
-擴(kuò)展距離測量裝置的接收光學(xué)系統(tǒng)相對于探測器的調(diào)節(jié)公差； -降低復(fù)雜性和對接收光學(xué)系統(tǒng)的要求； -提高尤其是在測量小距離時的動態(tài)范圍； -對尤其是在測量大距離時的信噪比進(jìn)行優(yōu)化；和/或 -減小對于分析所需的集成電路的芯片面。根據(jù)本發(fā)明的用于光學(xué)距離測量的測量裝置具有用于朝著目標(biāo)對象發(fā)送光學(xué)測量輻射的發(fā)射設(shè)備、具有探測面來探測從目標(biāo)對象返回的光學(xué)測量輻射的接收設(shè)備和分析設(shè)備。接收設(shè)備的探測面在此具有多個像素，其中每個像素具有至少一個SPAD (Single Photon Avalanche Diode，單光子雪崩二極管)。多個像素中的每個像素都與分析設(shè)備直接或間接地通過另外的中間連接的器件連接。發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備在此被設(shè)計為，在按規(guī)定地使用距離測量設(shè)備時從目標(biāo)對象返回的光學(xué)測量輻射分別同時照射多個像素。分析設(shè)備在此被設(shè)計為，基于對多個像素、尤其是多個被同時照射的像素的探測信號的分析來確定測量裝置與目標(biāo)對象之間的距離。發(fā)射設(shè)備可以是例如LED、激光器或激光二極管形式的光源，該光源以時間調(diào)制的方式朝著目標(biāo)對象發(fā)送光。時間調(diào)制在此可以是連續(xù)地和/或周期性地、例如正弦形地進(jìn)行。也可以發(fā)送脈沖序列，例如非周期的、如所謂的偽噪聲脈沖序列形式的脈沖序列。接收設(shè)備可以不同于如在傳統(tǒng)的距離測量設(shè)備中所使用的接收設(shè)備，不同之處在于代替必要時可以連接在一起以便提供模擬總信號的、以模擬方式工作的光敏元件，可以在探測面內(nèi)設(shè)置多個像素，其中每個像素包含一個或多個SPAD。如還要在下文中更詳細(xì)闡述的那樣，SPAD在此是光敏元件，其根據(jù)入射的光強(qiáng)度來提供數(shù)字探測信號。每個像素在此都可以直接或例如通過中間連接復(fù)用器而與分析設(shè)備連接，其中該復(fù)用器被設(shè)計為選擇性地轉(zhuǎn)發(fā)多個像素的探測信號。以此方式例如可以實現(xiàn)的是，各個像素的探測信號或一組像素的探測信號可以與其他像素的探測信號無關(guān)地被分析設(shè)備分析。發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備被設(shè)計并且彼此協(xié)調(diào)為使得從目標(biāo)對象返回的光學(xué)測量輻射在正常測量條件下、即例如在從數(shù)厘米到幾百米的測量距離的情況下同時照射多個像素。然而在此情況下，同時照射多個像素的實際情況，不應(yīng)如在傳統(tǒng)3D攝像機(jī)情況下那樣被用于探測目標(biāo)對象的成像或關(guān)于距目標(biāo)對象表面上的各個子區(qū)域的距離的空間分辨率， 而是如下文中還要更詳細(xì)闡述的那樣尤其是應(yīng)實現(xiàn)關(guān)于探測靈敏度和/或調(diào)節(jié)公差方面的優(yōu)點。在測量裝置與目標(biāo)對象之間的距離在此基于對多個像素、尤其是被同時照射的像素中的多個像素的探測信號的分析來確定。發(fā)射設(shè)備為此可以發(fā)送測量射束，測量射束的橫截面足夠大使得測量射束的從目標(biāo)對象返回的部分始終照射多個像素。為了將從目標(biāo)對象返回的測量輻射聚束并且引導(dǎo)到探測面，以便以此方式提供足夠強(qiáng)的探測信號，可以在從發(fā)射設(shè)備到接收設(shè)備的光學(xué)路徑內(nèi)設(shè)置例如一個或多個透鏡形式的簡單光學(xué)系統(tǒng)。該簡單的光學(xué)系統(tǒng)可以節(jié)約成本地并且降低開銷地構(gòu)建為非自動聚焦的光學(xué)系統(tǒng)(“固定焦距”)。由于具有固定焦距的這種非自動聚焦光學(xué)系統(tǒng)只有當(dāng)目標(biāo)對象相對于測量裝置處于對應(yīng)于焦距和焦平面的對象距離時才可以最優(yōu)地、即以最小的斑點直徑將從目標(biāo)對象返回的測量射束聚焦到接收設(shè)備的探測面上，所以由從目標(biāo)對象返回的測量輻射同時照射的像素的數(shù)目可以根據(jù)在目標(biāo)像素與測量對象之間的距離而變化。例如，針對從具有大對象距離的遠(yuǎn)離的目標(biāo)對象接收測量輻射而對光學(xué)接收系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化可以意味著焦距和圖像距離被選擇為使得對于大的對象距離達(dá)到幾何成像條件。因此，在大距離的情況下可以在圖像平面中實現(xiàn)最小斑點直徑(“成像是清晰的”)。通過固定焦距和圖像平面，在目標(biāo)對象處于較近的情況下所照射的像素數(shù)目可以明顯大于在目標(biāo)對象遠(yuǎn)離的情況下所照射的像素數(shù)目。在目標(biāo)對象處于較近的情況下， 返回的測量輻射不再能夠被清晰地成像，以至于探測面的被照射的區(qū)域可相應(yīng)變得更大。由于各個像素的探測信號可以彼此獨立地分析，所以接收設(shè)備和分析設(shè)備可以設(shè)計為，基于僅對目標(biāo)對象的被發(fā)射設(shè)備照射的面的光所返回射到的像素的探測信號的分析來確定在測量裝置與目標(biāo)對象之間的距離。換言之，分析設(shè)備例如可以首先在初次測量中確定，探測面的像素中的哪些像素實際接收發(fā)射設(shè)備的測量輻射以及哪些像素僅探測背景輻射，并且可以接著僅將由測量輻射所照射的像素的探測信號用于實際距離確定。由此，可以極大地提高信噪比。為了能夠確定在測量裝置與目標(biāo)對象之間的距離，分析設(shè)備可以具有至少一個距離確定設(shè)備(部分也作為“分箱模式(Binning khema)”而公知)。距離確定設(shè)備可以設(shè)計為確定測量輻射在從發(fā)射設(shè)備發(fā)送直至在探測面上探測到從目標(biāo)對象返回的測量輻射之間的飛行持續(xù)時間并且據(jù)此確定距離。距離確定設(shè)備為此可以將由發(fā)射設(shè)備提供的關(guān)于所發(fā)送測量輻射的時間調(diào)制的信息與由接收設(shè)備提供的探測信號比較。在周期性調(diào)制的所發(fā)送的測量輻射的情況下例如可以根據(jù)在發(fā)送信號與探測信號之間的相位差來確定相應(yīng)的距離。原則上，唯一的距離確定設(shè)備可足夠用于確定在測量裝置與目標(biāo)對象之間的距離。為了將距離確定設(shè)備的數(shù)目保持得小，有利地可以例如借助復(fù)用器將各個像素或一組像素的探測信號相繼地引導(dǎo)至距離確定設(shè)備。由于對探測信號的這種順序的處理，可導(dǎo)致整個測量持續(xù)時間的延長?？商鎿Q地，每個像素都可以與自己的距離確定設(shè)備關(guān)聯(lián)。在此情況下，可以根據(jù)多個像素的探測信號中的每一個分別確定距離，可能在時間上彼此并行地進(jìn)行，并且根據(jù)所確定的距離可以最后例如通過平均來確定在該裝置與目標(biāo)對象之間的最后要確定的距離。但是為此可能需要在測量裝置中設(shè)置非常多數(shù)目的距離確定設(shè)備，這可使測量裝置的結(jié)構(gòu)和制造復(fù)雜。在某種程度上可以說，作為在這兩個極端的可替換方案之間的中間道路，可以將多個像素與一個距離確定設(shè)備相連并且距離確定設(shè)備可以設(shè)計為基于多個像素的探測信號來確定距離。分析設(shè)備可以具有多個距離確定設(shè)備并且可以設(shè)計為，基于由距離確定設(shè)備所確定的距離例如通過求平均值來確定在測量裝置和目標(biāo)對象之間的距離。SPAD可以具有如下特征即SPAD并非如傳統(tǒng)以模擬方式工作的光敏元件那樣提供與入射的輻射線性相關(guān)的探測信號，而是利用每個入射的光子產(chǎn)生單個的信號。SPAD在光子入射之后在一定的延遲時間中不能重新激活，其中該延遲時間可以處于例如Ins到 IOOns的范圍中。也提及了可不起作用的(paralysierbar)響應(yīng)特性。可對入射到SPAD的光子計數(shù)的計數(shù)率因此向上受延遲時間限制。因此有利地可以代替唯一的大面積的SPAD 而在一個像素內(nèi)設(shè)置多個更小的SPAD，并且例如借助組合器對單個像素中所包含的SPAD 的探測信號進(jìn)行組合。該組合器在此情況下例如可以以或門形式或以總線形式來構(gòu)建。以此方式可以提高由像素最大可達(dá)到的光子計數(shù)率，或換而言之，在各個探測結(jié)果之間的像素的延遲時間可以被縮短。此外，在SPAD與組合器或總線之間可以設(shè)置脈沖縮短器，以便在時間上縮短由SPAD生成的數(shù)字信號并且由此能夠?qū)崿F(xiàn)整個延遲時間縮短并且提高系統(tǒng)的光子計數(shù)率。在一個像素中所包含的SPAD的數(shù)目或SPAD的面積可以根據(jù)像素在接收設(shè)備的探測面內(nèi)的位置可變地選擇。例如可已知的是，從目標(biāo)對象返回的測量輻射可以根據(jù)目標(biāo)對象距測量裝置的距離而在另一位置處和/或以另一橫截面入射到接收設(shè)備的探測面上。在一個像素內(nèi)的SPAD的數(shù)目或面積因此可以與位置有關(guān)地與預(yù)期的入射光強(qiáng)度匹配。通過使在一個像素內(nèi)的SPAD的數(shù)目和/或SPAD的面積匹配可以使測量裝置的動態(tài)范圍優(yōu)化。 通過使像素面積與激光斑點大小匹配可以使信噪比優(yōu)化。例如當(dāng)在發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備之間的光路中設(shè)置有非自動聚焦的光學(xué)系統(tǒng)時一一該光學(xué)系統(tǒng)針對遠(yuǎn)離的目標(biāo)對象被成像地或優(yōu)化聚焦地設(shè)計，則對于遠(yuǎn)離的目標(biāo)對象而言可以以小的斑點直徑或點直徑將返回的測量輻射聚焦。在探測面的這樣的區(qū)域內(nèi)有利的可以是，每個像素僅包含唯一的SPAD或僅幾個SPAD。當(dāng)以這樣的固定焦距測量裝置瞄準(zhǔn)處于較近的目標(biāo)對象時，返回的測量輻射并不作為小的斑點聚焦到探測面上，而是可能散焦地入射到探測面的更大的部分面上?？傊?，在此情況下，于是比在遠(yuǎn)離的目標(biāo)對象的情況下照射更多的像素。因此，有利的可以是，在探測面的被照射的子區(qū)域的邊緣區(qū)域中分別將多個SPAD組合成單個的像素(或“子陣列”或SPAD “簇”)。例如，發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備可以并排地沿著視差軸線設(shè)置。這種所謂的雙軸的測量系統(tǒng)可以具有如下優(yōu)點不需要復(fù)雜的輻射分布來選擇返回的測量射束。由發(fā)射設(shè)備發(fā)射的并且從目標(biāo)對象返回的測量射束在此情況下可以根據(jù)目標(biāo)對象的距離而沿著視差軸線在另一部位處入射到探測面并且具有不同的橫截面。在此情況下，有利的可以是，在一個像素中所包含的SPAD的數(shù)目根據(jù)像素沿視差軸線的位置而變化。尤其是，有利的可以是， 在一個像素中所包含的SPAD的數(shù)目在發(fā)射設(shè)備附近的像素中比在遠(yuǎn)離發(fā)射設(shè)備的像素中選擇得更小?？商鎿Q地，發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備可以彼此共軸地設(shè)置。在這樣的單軸測量裝置中，例如可以借助半透明的鏡來實現(xiàn)，使得探測面的被返回的輻射所照射的區(qū)域的中心與目標(biāo)對象的距離無關(guān)地在很大程度上保持位置恒定。然而，在探測面上被照射的區(qū)域的橫截面此外可以取決于目標(biāo)對象的距離。在目標(biāo)對象遠(yuǎn)離并且光學(xué)系統(tǒng)具有寬的焦距的情況下可導(dǎo)致所照射的小斑點，在目標(biāo)對象處于較近的情況下可導(dǎo)致所照射的更大的斑點。有利的可以是，在一個像素中所包含的SPAD的數(shù)目在探測面中心附近的像素中比在遠(yuǎn)離探測面中心的像素中選擇得更小。本發(fā)明的可能的方面、優(yōu)點和構(gòu)型前面曾參照本發(fā)明的各個實施形式予以描述。 該描述、相關(guān)的附圖以及權(quán)利要求包含眾多組合特征。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以將這些特征、尤其是不同實施例的特征單獨地考慮并且組合成其他合理的組合。


以下參照所附的附圖描述了本發(fā)明的實施形式和包含于其中的部分方面。附圖僅是示意性的并且不是按照比例的。在附圖中的相同或相似的附圖標(biāo)記標(biāo)明相同或相似的元件。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施形式的用于光學(xué)距離測量的測量裝置。圖2示例性示出了 SPAD的計數(shù)率與每像素所吸收的光子率的相關(guān)性。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施形式的測量裝置的兩個SPAD的示意性電路，這兩個SPAD與組合器連接。圖4闡明了根據(jù)本發(fā)明一個實施形式的測量裝置的三個SPAD和與該三個SPAD相連的總線在考慮延遲時間的情況下的響應(yīng)特性。圖5示例性地示出了與多個SPAD相連的總線處的、與每像素所吸收的光子率有關(guān)的總計數(shù)率。圖6示出了對根據(jù)本發(fā)明一個實施形式的測量裝置的接收設(shè)備的探測面的俯視圖。圖7示出了對根據(jù)本發(fā)明一個實施形式的測量裝置的接收設(shè)備的可替換探測面的俯視圖。圖8示出了單個SPAD，其與距離確定設(shè)備相連。圖9示出了兩個SPAD，它們通過復(fù)用器與距離確定設(shè)備相連。圖10示出了分別具有9個SPAD的兩個像素，這些SPAD通過組合器和復(fù)用器與距離確定設(shè)備相連。圖11示出了具有像素的接收設(shè)備的探測面，其中像素中所包含的SPAD的數(shù)目與位置有關(guān)地變化并且像素通過組合器和復(fù)用器與多個距離確定設(shè)備連接。
具體實施例方式在圖1中示意性地以用于描述其功能的最為重要的部件示出了根據(jù)本發(fā)明的用于光學(xué)距離測量的測量裝置10。測量裝置10具有殼體11，在該殼體11中設(shè)置有用于發(fā)送光學(xué)測量輻射13的發(fā)射設(shè)備12以及用于探測從目標(biāo)對象15返回的測量輻射16的接收設(shè)備14。發(fā)射設(shè)備12包含光源，該光源在所示的實施例中通過半導(dǎo)體激光二極管18來實現(xiàn)。激光二極管18發(fā)送對于人眼可見的光束22形式的激光束20。激光二極管18為此通過控制設(shè)備M來運(yùn)行，該控制設(shè)備M通過相應(yīng)的電子裝置產(chǎn)生激光二極管18的電輸入信號19的時間調(diào)制。通過這種對二極管電流的調(diào)制可以實現(xiàn)的是，用于距離測量的光學(xué)測量輻射13同樣以所期望的方式在其強(qiáng)度方面被時間調(diào)制。激光束20接著穿過物鏡觀形式的準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)沈，該物鏡觀在圖1中簡化地以單個透鏡形式示出。該物鏡28在該實施例中可選地處于調(diào)整組裝件(Verstellmimik) 32 上，該調(diào)整組裝件原則上使得能夠在所有三個空間方向上例如為了調(diào)節(jié)目的而改變對象的位置。然而可替換地，準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)26也可能已經(jīng)是激光二極管18的組成部分或與其固定連接。在穿過物鏡觀之后，得出測量輻射13的、近似平行光束37形式的例如經(jīng)幅度調(diào)制的信號，該近似平行光束37沿著發(fā)射單元12的光學(xué)軸線38傳播。此外在發(fā)射設(shè)備12中還可以存在優(yōu)選可變換的輻射偏轉(zhuǎn)器40，其構(gòu)建為，將測量輻射13完全或部分地在繞開目標(biāo)對象15的情況下直接(即在設(shè)備內(nèi)部)偏轉(zhuǎn)到接收設(shè)備 14上。以此方式可以產(chǎn)生設(shè)備內(nèi)部的參考路段42，該參考路段構(gòu)建校準(zhǔn)或補(bǔ)償測量裝置。如果利用測量裝置10執(zhí)行距離測量，則測量輻射13通過在測量裝置10的前壁45 中的光學(xué)窗口 44離開測量裝置的殼體11。光學(xué)窗口 44的開口例如可以通過遮擋板46來保護(hù)。對于實際的測量，測量裝置10于是朝向目標(biāo)對象15，該目標(biāo)對象距測量裝置10的距離48要被確定。在所期望的目標(biāo)對象15處所反射的或散射的信號16形成返回射束49或 50形式的返回光學(xué)測量輻射16，該射束的一定部分返回進(jìn)入到測量裝置10中。返回的測量輻射16通過在測量裝置10的端側(cè)45處的入射窗口 47輸入耦合到測量裝置10中并且于是如圖1中所示地入射到接收光學(xué)系統(tǒng)52上。在圖1中為了闡明而示例性地繪出了用于兩個不同的目標(biāo)對象距離48的兩個返回測量射束49或50。對于大的對象距離而言，其中大可以解釋為相對于接收光學(xué)系統(tǒng)52 的焦距是大的，從目標(biāo)對象15返回的光學(xué)測量輻射16近似平行于接收設(shè)備14的光學(xué)軸線 51入射。該情況在圖1的實施例中通過測量射束49來表示。隨著對象距離變小，入射到測量裝置中的返回的測量輻射16由于視差而相對于接收設(shè)備14的光學(xué)軸線51傾斜得越來越多。作為在測量裝置的附近區(qū)域中這樣的返回的測量射束的例子，在圖1中繪出了射束 50。圖1中同樣僅示意性地通過單個透鏡表示的接收光學(xué)系統(tǒng)52將返回的測量輻射 16的射束聚焦到設(shè)置在接收設(shè)備14中的接收探測器M的探測面66上。探測器M具有多個像素來探測光學(xué)測量輻射。每個像素具有至少一個光敏SPAD。通過設(shè)置在探測面66中的、單獨或成組地組合地矩陣狀設(shè)置成像素并且與分析設(shè)備36相連的SPAD，入射的返回測量輻射16被轉(zhuǎn)換成電信號55并且輸送給分析設(shè)備36中的另一分析裝置。電信號55在此可以基于SPAD的固有特性被視為數(shù)字信號，該數(shù)字信號反映了入射到探測面66的相應(yīng)像素上的光子的計數(shù)率。由單個SPAD或SPAD的組合生成的探測信號可以輸送給一個或多個包含在分析設(shè)備36中的距離確定設(shè)備。距離確定設(shè)備可以將探測信號加和并且據(jù)此產(chǎn)生如下信號，該信號對應(yīng)于入射到相應(yīng)SPAD上的光信號的時間相關(guān)的強(qiáng)度或光強(qiáng)度。通過將該信號關(guān)于激勵信號進(jìn)行設(shè)置——所述激勵信號說明由發(fā)射設(shè)備所發(fā)射的光子率的時間變化過程，可以推斷出從發(fā)射設(shè)備朝著目標(biāo)對象并且又返回到接收設(shè)備的光子飛行時間。如果發(fā)射設(shè)備例如正弦形周期性地調(diào)制所發(fā)送的光，則可以根據(jù)在所發(fā)送的與所探測到的測量輻射之間的相位差來確定飛行時間。在光學(xué)電子裝置中，術(shù)語“single photon avalanche diode(單光子雪崩二極管)” (SPAD)——其有時也稱作單光子雪崩二極管、Geiger模式雪崩二極管或G-APD——被用于固體光電探測器的類別，所述固定光電探測器基于在反向方向上加偏壓的pn結(jié)，在該pn結(jié)中可能有單個的通過光子生成的載流子由于碰撞電力機(jī)制而可以引起雪崩電流。SPAD與傳統(tǒng)的雪崩光電二極管(APD)之間的基本差異可能在于，SPAD可以特別被設(shè)計為在反向方向上存在偏壓的情況下工作，該偏壓高于二極管的擊穿電壓(breakdown voltage (擊穿電壓))。該運(yùn)行模式也稱作Geiger模式，類似于Geiger計數(shù)器。在這種高偏壓的情況下，在 pn結(jié)內(nèi)的電場可以強(qiáng)到使得單個注入到耗盡區(qū)中的載流子可以引起自維持的雪崩電流。該電流可以在少于Ins的時間段內(nèi)升高到例如mA范圍中的宏觀水平。該電流可以保持直至通過將偏壓降低到在擊穿電壓以下的水平來使雪崩衰減(“熄滅”)并且以此方式中斷雪崩電流。簡單的衰減電路在此可以由簡單的電阻構(gòu)成，該電阻與SPAD串聯(lián)連接。雪崩電流在此簡單地由于在高歐姆的串聯(lián)電阻上形成的電壓降而自衰減。在雪崩電流消除之后，SPAD 的偏壓恢復(fù)并且SPAD又能夠被重新觸發(fā)。然而在雪崩電流流動期間并且在消除且接著提高偏壓期間，SPAD在延遲時間τ中并不能夠激活其他光子。如在圖2中所示，因此由單個SPAD所確定的計數(shù)率在所吸收的光子率低的情況下大致與光子吸收率成比例。然而，計數(shù)率在光子吸收率略微小于延遲時間的倒數(shù)1/τ時開始飽和。在更高的光子吸收率的情況下，計數(shù)率甚至減小，直至其在例如IO2MHz以上范圍中的光子吸收率之上完全崩潰，因為在如此高的光子吸收率的情況下已經(jīng)在電壓完全恢復(fù)并且因此不會導(dǎo)致雪崩電流的中斷之前又觸發(fā)SPAD。一旦被SPAD吸收的光子率相對于SPAD 的延遲時間的倒數(shù)變大，則可不起作用的探測器如SPAD的效率因此在高光子電流的情況下極大地下降。利用單個SPAD的大小，由此得出最大可探測的強(qiáng)度(每面積的功率)或最大可探測的光子電流或光子率的上邊界。每探測器所吸收的光子率可以通過將光功率分布到多個 SPAD上來降低。由此可以在高光功率的情況下改進(jìn)探測效率，如尤其是在短測量距離的情況下可能出現(xiàn)的那樣。光功率在此可以理解為由接收透鏡檢測到的從目標(biāo)對象返回的測量輻射的所有光功率。圖3示出了兩個SPAD 101、101’，它們的探測信號分別轉(zhuǎn)發(fā)給或門103。或門103 用作組合器104，其方式是該或門103不僅接收來自第一 SPAD 101的探測信號而且接收來自第二 SPAD 101’的探測信號并且將輸入信號的組合的信號輸出給輸出端105。該狀況在使用組合器的情況下可能更為復(fù)雜，組合器將多個單個的SPAD的探測信號在一條總線上組合。與完全并行地對SPAD的整體進(jìn)行分析相比，與總線對應(yīng)的延遲時間可導(dǎo)致額外的效率損失。圖4示出了可能的相關(guān)性。在此，示出了總線處的與在三個 SPAD中的吸收光子率107-1、107-2、107-3相關(guān)的事件率106。SPAD的延遲時間τ :在此分別為50ns，總線的延遲時間^為10118?？煽吹降氖牵缤ㄟ^第二 SPAD的光子的吸收事件108并不作為獨立的計數(shù)信號在總線處輸出，因為其落入總線的延遲時間τ 2中。通過借助脈沖縮短器在時間上縮短由各個SPAD生成的數(shù)字信號，可以縮短整個系統(tǒng)的有效延遲時間，所述整個系統(tǒng)由多個與總線連接的SPAD構(gòu)成。整個系統(tǒng)的有效延遲時間在此由各個SPAD的延遲時間和被縮短器縮短的信號的持續(xù)時間的組合得出。在圖5中示出的曲線中示例性示出了總線處的與每像素的吸收光子率有關(guān)的計數(shù)率，其中每像素是一個、四個、九個或十六個SPAD的組合。SPAD延遲時間τ 在此為50ns， 總線延遲時間12為10118。由于總線的延遲時間，曲線族的最大值隨著組合的SPAD的數(shù)目升高而逼近邊界值(總線延遲時間的倒數(shù))。變得清楚的是，總線或組合器的延遲時間為優(yōu)化量。一般而言，這種總線延遲時間可以比SPAD的延遲時間明顯更小，使得SPAD探測信號的組合可以導(dǎo)致比單個SPAD的計數(shù)率更高的計數(shù)率。在沒有組合器或總線的情況下，該更高的計數(shù)率可以僅通過完全并行地分析利用附加的距離確定設(shè)備來實現(xiàn)。圖6示意性地示出了具有未校正視差的激光距離測量裝置的探測設(shè)備M的探測面110。在此情況下，在探測面110上繪出了圓形的激光斑點109或激光點，其直徑與在測量裝置與目標(biāo)距離之間的距離L有關(guān)地變化。在此情況下針對對于大距離的最優(yōu)調(diào)節(jié)的情況曾假設(shè)具有焦距f=30mm、直徑d=4mm并且視差為5mm的理想透鏡。激光輻射在此假設(shè)有 Imrad的發(fā)散性。在探測面110的該構(gòu)型中有利的是，像素111的大小或在相應(yīng)像素111內(nèi)的SPAD 101的數(shù)目沿視差軸線113增加。視差軸線在此情況下被假設(shè)為在探測面與由接收光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)軸線和距離測量裝置的激光束軸線所張開的平面之間的交線。可看到的是，在當(dāng)激光束從遠(yuǎn)離的目標(biāo)對象回射時出現(xiàn)激光斑點109的第一區(qū)域114中設(shè)置有小的像素，這些小的像素分別包含僅僅唯一的SPAD。在當(dāng)目標(biāo)對象距離大約0. 5m到Im時出現(xiàn)激光斑點109’的區(qū)域115中設(shè)置有分別具有四個SPAD的更大的像素。在針對非常近的目標(biāo)對象的情況下出現(xiàn)激光斑點109’，的另一區(qū)域116中設(shè)置有具有8個或16個SPAD的特別大的像素。接收光學(xué)系統(tǒng)在此優(yōu)化為使得在目標(biāo)對象的最大距離的情況下達(dá)到了盡可能最好的成像質(zhì)量、即盡可能最小的激光斑點直徑。在大距離的情況下激光斑點109由于清晰的成像而比較小。同時，由返回的測量輻射和背景輻射組成的入射光的強(qiáng)度由于遠(yuǎn)離的目標(biāo)對象的測量輻射的比例小而比較低。 在定位得較近的目標(biāo)對象的情況下，總體上有更多測量輻射被目標(biāo)對象反射或散射返回至探測面110。同時，測量輻射不再通過固定焦距接收光學(xué)系統(tǒng)清晰地成像到探測面110上?？傊徒柚晕l(fā)散的激光束和固定焦距接收光學(xué)系統(tǒng)的激光距離測量器從幾何結(jié)構(gòu)來看，對于所接收的激光輻射的部分而言在大距離的情況下得出在探測器平面中關(guān)于距離成平方地下降的光強(qiáng)度，而在小距離的情況下得出在探測器平面中關(guān)于距離恒定的光強(qiáng)度。而背景輻射的強(qiáng)度比例在第一近似中與距離無關(guān)。借助如在圖6中所示的、包含在探測面110中的像素101的大小的與位置有關(guān)的構(gòu)型，一方面可以實現(xiàn)，不僅在大目標(biāo)對象距離的情況下而且在小目標(biāo)對象距離的情況下分別有激光斑點109射到多個像素111上并且可以被這些像素分析。活性探測面的大小在此可以最優(yōu)地與激光斑點的大小匹配并且因此使信噪比最優(yōu)。另一方面，借助這種與位置有關(guān)的構(gòu)型也可以最優(yōu)地利用SPAD的動態(tài)范圍，因為入射光的光強(qiáng)度(激光部分和背景部分)在大距離的情況下比在小距離的情況下更小。因此在探測面僅在小距離時被施加以所接收的測量輻射的情況下，可以減小各SPAD的面。在所接收的測量輻射的強(qiáng)度近似保持恒定的探測器區(qū)域中，在SPAD面保持不變的情況下可以增大在各像素111中所包含的SPAD 101的數(shù)目。
圖7示出了共軸激光距離測量器或帶有校正過的視差的激光距離測量器的探測面110’的一個實施形式。這樣的校正可以借助近區(qū)元件或替代的已知方法來實現(xiàn)。在這樣的情況下，由于接收光學(xué)系統(tǒng)景深有限所以基本上成像誤差占主導(dǎo)，使得等大小的像素的集中設(shè)置是有利的。從遠(yuǎn)離的目標(biāo)對象返回的激光束被良好地聚焦并且在探測面110’ 的中心122附近、即在接收光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)軸線通過探測面平面的穿通點附近產(chǎn)生比較小的激光斑點109。從位于較近的目標(biāo)對象返回的激光束產(chǎn)生具有明顯更大的直徑的激光斑點109’’。與遠(yuǎn)離探測面110’的中心122 (即在探測面邊緣處)相比，像素111在中心122 附近具有更小的面和更小數(shù)目的包含于像素中的SPAD 101。在圖8至圖10中，作為框圖示出了如用于實現(xiàn)根據(jù)本發(fā)明實施形式的接收設(shè)備的各個元件。圖8示出了具有單個SPAD 101的像素111。該像素與距離確定設(shè)備130相連。圖9示出了分別具有一個SPAD 101、101，的兩個像素111、111，。像素111、111， 與復(fù)用器140連接，該復(fù)用器將由像素111、111’提供的探測信號選擇性地轉(zhuǎn)發(fā)給距離確定設(shè)備130。在圖10中示出了分別具有九個SPAD 101,101'的兩個像素111、111，的設(shè)置。各個SPAD 101,101'的探測信號必要時在通過附加延遲元件150、150，實現(xiàn)的時間延遲之后分別轉(zhuǎn)發(fā)給組合器160、160’。該延遲可以用于補(bǔ)償傳播時間差并且由此使一個像素或不同像素在時間上同步。在組合器160、160’中，探測信號彼此組合。附加地，由SPAD生成的信號可以借助脈沖縮短器155、155’在時間上縮短。組合的探測信號被組合器160、160’引導(dǎo)至復(fù)用器140并且從那里出來繼續(xù)引導(dǎo)至距離確定設(shè)備130。圖11示出了如下距離測量裝置的一個具體實施形式，該距離測量裝置具有在使用N=92個像素111的這種元件的情況下所校正的視差。在此情況下，48個像素僅具有單個的SPAD，24個像素分別具有以2x2設(shè)置的四個SPAD并且20個像素分別具有以3x3設(shè)置的9個SPAD。具有多于一個SPAD 101的每個像素111恰好與一個組合器160、160’連接。 因此存在44個組合器160。僅具有一個SPAD的像素111的輸出端和組合器160與K個復(fù)用器140的輸入端相連。復(fù)用器140的輸出端又與M個距離確定設(shè)備130相連。在此，并不一定適用M=K或M=N。示例性地示出了對于三個具有不同大小和SPAD數(shù)目的像素111的連接。圖11中陰影地示出的面說明有效的探測面170，該探測面170包括實際被激光斑點 109的激光照射并且借助其可以對目標(biāo)對象執(zhí)行距離測量的像素111。最后，本發(fā)明的實施形式的方面和優(yōu)點將再一次以不同的措辭概括如下
本發(fā)明的實施形式基于如下核心思想有利地構(gòu)建像素中各個SPAD的設(shè)置的方式，在 SPAD的信號被輸送給時間分析單元(即距離確定設(shè)備/分箱模式)以進(jìn)一步分析之前，SPAD 的信號被組合。其信號借助組合器組合的大量SPAD在此形成一個像素。各個像素可以彼此獨立地運(yùn)行。尤其是，可以執(zhí)行連續(xù)波的相位分析或替代地每個單個像素的脈沖的飛行時間分析。多個SPAD組合成像素可以在空間上構(gòu)建為使得信噪比不僅在大距離的情況下而且在小距離的情況下尤其是可以通過強(qiáng)背景照明以少量的距離確定設(shè)備來優(yōu)化。這可以通過關(guān)于探測面而與位置有關(guān)地使像素的大小或組合成一個像素的SPAD的數(shù)目的匹配來實現(xiàn)。
具體針對在激光距離測量器情況下對信噪比的提高而優(yōu)化的像素設(shè)置方式相對于傳統(tǒng)激光距離測量器以及3D攝像機(jī)是區(qū)別特征之一，所述像素是有選擇地具有僅一個 SPAD的像素或具有不同大小和SPAD數(shù)目的像素。即使接收設(shè)備并不在光學(xué)系統(tǒng)的圖像平面中，如這例如在固定焦距系統(tǒng)中所出現(xiàn)的那樣，該設(shè)置也可以降低對測量裝置內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)調(diào)節(jié)的要求并且同時可以對最佳的信噪比有益。探測面可以設(shè)計得如此大，使得可以降低對接收光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)的要求。此外，光學(xué)成像誤差的影響、尤其是由于景深過低引起的散焦造成的誤差可以被最小化。由此可以降低對接收光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)質(zhì)量的要求。另一優(yōu)點可以是尤其在高背景光比例下在大測量距離時對信噪比的優(yōu)化。這可以通過如下方式來實現(xiàn)有效探測面在所有距離的情況下最優(yōu)地與探測平面中實際成像的激光測量斑點的大小匹配，即可以被最小化。在測量結(jié)束之后，可以有針對性地分析僅僅實際接收激光輻射的各個SPAD或帶有多個SPAD的像素的信號。由此，可以減小有效探測面并且使背景光的噪聲貢獻(xiàn)最小化，這可與改善信噪比同義。另一優(yōu)點在此可以在于由于在一個像素內(nèi)的多個SPAD組合，所以需要比SPAD少的距離確定設(shè)備。這可以減少集成電路所需的芯片面積。尤其是在通常用固定焦距工作的激光距離測量器的情況下，該優(yōu)點可以起到重要作用，因為激光斑點直徑于是可以根據(jù)目標(biāo)對象的距離來變化。圖6針對一個系統(tǒng)闡明了該點，在該系統(tǒng)中視差誤差未校正。為了通過將有效探測面最小化來使信噪比如前面所描述的那樣優(yōu)化，在較大的激光斑點直徑的情況下、即通常在目標(biāo)對象的距離較小的情況下相應(yīng)地也僅需要較小的探測器分辨率。這種情形可以通過SPAD與位置有關(guān)地組合成像素來利用。由于有效探測面、即在分析測量時所考慮的面通常小于整個探測面，所以所需的距離確定設(shè)備的數(shù)目還可以進(jìn)一步減小，其方式是除了組合SPAD之外還應(yīng)用復(fù)用器。借助暫時的測量，在此情況下接收激光輻射的像素可以首先被識別并且接著針對實際的測量而被分布到距離確定設(shè)備上。如果N是具有一個或多個SPAD的像素的總數(shù)而M是可供距離確定設(shè)備分析的數(shù)目，則必須執(zhí)行最大上取整N/M次臨時測量以進(jìn)行識別。因此，該測量任務(wù)可以用少量的測量、在理想情況下用唯一的測量來執(zhí)行。另一優(yōu)點可以在于，各個像素可以彼此獨立地校準(zhǔn)，例如在相位偏移方面進(jìn)行校準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.用于光學(xué)距離測量的測量裝置(10)，尤其是手持測量裝置，具有用于朝著目標(biāo)對象(15)發(fā)送光學(xué)測量輻射(13)的發(fā)射設(shè)備(12)；具有探測面(110)來探測從目標(biāo)對象(15)返回的光學(xué)測量輻射(16)的接收設(shè)備(14);以及分析設(shè)備(36);其特征在于，探測面(110)具有多個像素(111)，其中每個像素(111)具有至少一個SPAD (101)并且其中多個像素(111)中的每個與分析設(shè)備(36)相連；其中發(fā)射設(shè)備(12)和接收設(shè)備(14)被設(shè)計為使得從目標(biāo)對象(15)返回的光學(xué)測量輻射(16)同時照射多個像素(111)；其中分析設(shè)備(36)被設(shè)計為基于對多個像素(111)的探測信號的分析來確定在測量裝置(10)與目標(biāo)對象(15)之間的距離(48)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量裝置，其中分析設(shè)備(36)具有至少一個距離確定設(shè)備 (130)，該距離確定設(shè)備被設(shè)計為確定測量輻射(13，16)在由發(fā)射設(shè)備(12)發(fā)送直至探測到從目標(biāo)對象(15)返回的測量輻射(16)之間的飛行持續(xù)時間并且據(jù)此確定距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量裝置，其中多個像素(111)與距離確定設(shè)備(130)相連并且距離確定設(shè)備(130 )被設(shè)計為基于多個像素(111)的探測信號來確定距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的測量裝置，其中分析設(shè)備(36)具有多個距離確定設(shè)備(130) 并且分析設(shè)備(36)被設(shè)計為基于由距離確定設(shè)備(130)確定的距離來確定在測量裝置 (10 )與目標(biāo)對象(15 )之間的距離(48 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4之一所述的測量裝置，其中至少一些像素(111)分別包含多個 SPAD (101)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的測量裝置，還具有至少一個組合器(160)，該組合器被設(shè)計為對在單個像素(111)中所包含的SPAD (101)的探測信號進(jìn)行組合。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的測量裝置，還具有至少一個脈沖縮短器，以便將由SPAD 生成的數(shù)字信號在時間上縮短。
8.根據(jù)權(quán)利要求5、6或7所述的測量裝置，其中包含在一個像素(111)中的SPAD(IOl) 的數(shù)目根據(jù)像素(111)在接收設(shè)備(14)的探測面(110 )內(nèi)的位置來變化。
9.根據(jù)權(quán)利要求5至8之一所述的測量裝置，其中包含在一個像素(111)中的SPAD (101)的面積根據(jù)像素(111)在接收設(shè)備(14)的探測面(110)內(nèi)的位置來變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的測量裝置，其中發(fā)射設(shè)備(12)和接收設(shè)備(14)并排地沿著視差軸線(113)設(shè)置并且其中在一個像素(111)中包含的SPAD (101)的數(shù)目根據(jù)沿著視差軸線(113)的位置來變化。
11.根據(jù)權(quán)利要求8、9或10所述的測量裝置，其中包含在一個像素(111)中的SPAD (101)的數(shù)目在發(fā)射設(shè)備(12)附近的像素(111)中比在遠(yuǎn)離發(fā)射設(shè)備(12)的像素(111)中
12.根據(jù)權(quán)利要求8至11之一所述的測量裝置，其中包含在一個像素(111)中的SPAD (101)的數(shù)目在探測面(110)的中心(122)附近的像素(111)中比在遠(yuǎn)離探測面(110)的中心(122)的像素(111)中小。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12之一所述的測量裝置，其中發(fā)射設(shè)備(12)和接收設(shè)備(14) 被設(shè)計為使得被從目標(biāo)對象(15)返回的光學(xué)測量輻射(16)同時照射的像素(111)的數(shù)目根據(jù)在目標(biāo)對象(15)與測量裝置(10)之間的距離來變化。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13之一所述的測量裝置，還具有非自動聚焦的光學(xué)系統(tǒng)(52)， 以便將從目標(biāo)對象返回的光學(xué)測量輻射(16)引導(dǎo)到探測面(110)上。
15.根據(jù)權(quán)利要求1至14之一所述的測量裝置，其中接收設(shè)備(14)和分析設(shè)備(36) 被設(shè)計為使得各個像素(111)的探測信號能夠與其他像素(111)的探測信號無關(guān)地被分析設(shè)備(36)分析。
16.根據(jù)權(quán)利要求1至15之一所述的測量裝置，其中接收設(shè)備(14)和分析設(shè)備(36) 被設(shè)計為基于對有效探測面(170)內(nèi)的僅僅如下像素(111)的探測信號的分析來確定測量裝置(10)與目標(biāo)對象(15)之間的距離(48)，其中所述像素被由發(fā)射設(shè)備所照射的目標(biāo)對象面的光返回射到。
17.根據(jù)權(quán)利要求1至16之一所述的測量裝置，還具有至少一個復(fù)用器(140)，該復(fù)用器被設(shè)計為將多個像素(111)的探測信號選擇性地轉(zhuǎn)發(fā)給分析設(shè)備(36)。
全文摘要
描述了用于光學(xué)測量距目標(biāo)對象(15)的距離的測量裝置(10)。該測量裝置(10)具有用于朝著目標(biāo)對象(15)發(fā)送光學(xué)測量輻射(13)的發(fā)射設(shè)備(12)；具有探測面(66)來探測從目標(biāo)對象(15)返回的光學(xué)測量輻射(16)的接收設(shè)備(14)；以及分析設(shè)備(36)。探測面(66)具有多個像素，其中每個像素具有至少一個SPAD(單光子雪崩二極管)并且其中多個像素中的每個與分析設(shè)備(36)相連。發(fā)射設(shè)備和接收設(shè)備被設(shè)計為，使得從目標(biāo)對象返回的光學(xué)測量輻射同時照射多個像素。分析設(shè)備被設(shè)計為基于對多個像素的探測信號的分析確定在測量裝置與目標(biāo)對象之間的距離。有利地，像素中的至少一些分別具有多個SPAD，其中在一個像素中包含的SPAD的數(shù)目或面積根據(jù)像素在探測面內(nèi)的位置變化。
文檔編號G01C3/08GK102549381SQ201080040251
公開日2012年7月4日 申請日期2010年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者A.埃塞勒, B.施米德科, O.沃斯特 申請人:羅伯特·博世有限公司