DE102020106359B4

DE102020106359B4 - Distance determination of objects

Info

Publication number: DE102020106359B4
Application number: DE102020106359.8A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Zwölfer; Michael Albert
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2020-03-09
Filing date: 2020-03-09
Publication date: 2024-02-29
Anticipated expiration: 2040-03-10
Also published as: DE102020106359A1

Abstract

Optoelektronischer Sensor (10) zur Erfassung und Abstandsbestimmung von Objekten (20) in einem Überwachungsbereich (18), der einen Lichtsender (12) zum Aussenden eines Lichtpulses (16) zu einem ersten Zeitpunkt, einen Lichtempfänger (26) mit einer ersten Vielzahl von Lawinenphotodiodenelementen (26a), die jeweils mit einer Vorspannung oberhalb einer Durchbruchspannung vorspannbar und somit in einem Geiger-Modus betreibbar sind und einzeln oder gruppenweise bei Lichtempfang zu jeweils einem zweiten Zeitpunkt ein Empfangssignal erzeugen, eine zweite Vielzahl von den Lawinenphotodiodenelementen (26a) zuordenbaren Lichtlaufzeitmesseinheiten (38) zur Bestimmung von Einzellichtlaufzeiten aus einem ersten Zeitpunkt und einem zweiten Zeitpunkt sowie eine Steuer- und Auswertungseinheit (28, 42) aufweist, die dafür ausgebildet ist, aus den Einzellichtlaufzeiten eine gemeinsame Lichtlaufzeit für einen ausgesandten und wieder empfangenen Lichtpuls und daraus einen Abstandswert zu ermitteln, wobei der Sensor (10) ein Verzögerungselement (36) aufweist, um den ersten Zeitpunkt und/oder den zweiten Zeitpunkt künstlich zu verzögern, dadurch gekennzeichnet, dass das Verzögerungselement (36) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass der gemeinsam den Lichtlaufzeitmesseinheiten (38) zugeführte erste Zeitpunkt verzögert wird und/oder die den Lichtlaufzeitmesseinheiten (38) zugeführten zweiten Zeitpunkte jeweils um eine gleiche Verzögerung verzögert werden.Optoelectronic sensor (10) for detecting and determining the distance of objects (20) in a monitoring area (18), which has a light transmitter (12) for emitting a light pulse (16) at a first time, a light receiver (26) with a first plurality of avalanche photodiode elements (26a), which can each be biased with a bias voltage above a breakdown voltage and can therefore be operated in a Geiger mode and, individually or in groups, generate a reception signal at a second time when receiving light, a second plurality of light transit time measuring units (38) which can be assigned to the avalanche photodiode elements (26a). ) for determining individual light transit times from a first time and a second time as well as a control and evaluation unit (28, 42) which is designed to determine a common light transit time for a transmitted and re-received light pulse from the individual light transit times and a distance value from this , wherein the sensor (10) has a delay element (36) in order to artificially delay the first point in time and / or the second point in time, characterized in that the delay element (36) is designed and arranged in such a way that the light transit time measurement units (38 ) supplied first point in time is delayed and / or the second points in time supplied to the light transit time measuring units (38) are each delayed by the same delay.

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zur Erfassung und Abstandsbestimmung von Objekten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 11.The invention relates to an optoelectronic sensor and a method for detecting and determining the distance of objects according to the preamble of claim 1 or 11.

Ein bekanntes Verfahren für die optische Abstandserfassung ist die Lichtlaufzeitmessung. Man unterscheidet die pulsbasierte und die phasenbasierte Messung, wobei hierfür auch die Begriffe direkte und indirekte Lichtlaufzeitmessung verwendet werden. In einem Pulslaufzeitverfahren wird ein kurzer Lichtpuls ausgesandt und die Zeit bis zum Empfang des zurückkehrenden Lichtpulses gemessen. Alternativ wird bei einem Phasenverfahren Sendelicht amplitudenmoduliert und eine Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangslicht bestimmt, wobei die Phasenverschiebung ebenfalls ein Maß für die Lichtlaufzeit ist. Die Lichtlaufzeit wird dann über die Lichtgeschwindigkeit in einen Abstand umgerechnet.A well-known method for optical distance detection is time-of-flight measurement. A distinction is made between pulse-based and phase-based measurement, for which the terms direct and indirect light transit time measurement are also used. In a pulse transit time method, a short light pulse is emitted and the time until the returning light pulse is received is measured. Alternatively, in a phase method, transmitted light is amplitude-modulated and a phase shift between transmitted and received light is determined, the phase shift also being a measure of the light transit time. The travel time of light is then converted into a distance using the speed of light.

Die Lichtlaufzeitmessung wird in optoelektronischen Sensoren unterschiedlicher Komplexität eingesetzt. Entfernungstaster messen nur in eine Richtung. In einem Laserscanner wird durch eine Schwenk- oder Rotationsbewegung mit einem entfernungsmessenden Abtaststrahl eine Ebene, manchmal auch ein Raumbereich abgetastet. Um auf die bewegliche Abtasteinheit zu verzichten, werden sogenannte Solid State Scanner vorgeschlagen. Beispielsweise wird in der EP 2 708 914 A1 der gepulste Sendelichtstrahl einer Lichtquelle mit einem MEMS-Spiegel in X-Richtung und Y-Richtung über die abzutastende Fläche geführt. Die reflektierten Lichtpulse werden von einer SPAD-Matrix empfangen. Schließlich gibt es 3D-Lichtaufzeitkameras, die simultan eine Vielzahl von Lichtlaufzeitmessungen in ihren Pixeln durchführen.Light transit time measurement is used in optoelectronic sensors of varying complexity. Distance sensors only measure in one direction. In a laser scanner, a plane, or sometimes a spatial area, is scanned using a panning or rotational movement with a distance-measuring scanning beam. In order to dispense with the movable scanning unit, so-called solid state scanners are proposed. For example, in the EP 2 708 914 A1 the pulsed transmitted light beam from a light source with a MEMS mirror is guided in the X direction and Y direction over the surface to be scanned. The reflected light pulses are received by a SPAD matrix. Finally, there are 3D time-of-light cameras that simultaneously carry out a variety of time-of-light measurements in their pixels.

Eine Herausforderung bei der Lichtlaufzeitmessung ist die robuste Erfassung auch geringer Nutzlichtpegel. Dazu werden in einigen optoelektronischen Sensoren Lawinenphotodioden eingesetzt (APD, Avalanche Photo Diode). Das einfallende Licht löst hier einen kontrollierten Lawinendurchbruch (Avalanche Effect) aus. Dadurch werden die durch einfallende Photonen erzeugten Ladungsträger vervielfacht, und es entsteht ein Photostrom, der zu der Lichtempfangsintensität proportional, dabei aber wesentlich größer ist als bei einer einfachen PIN-Diode.One challenge in light transit time measurement is the robust detection of even low levels of useful light. For this purpose, avalanche photodiodes are used in some optoelectronic sensors (APD, Avalanche Photo Diode). The incident light triggers a controlled avalanche breakthrough (avalanche effect). This multiplies the charge carriers generated by incident photons, creating a photocurrent that is proportional to the intensity of light reception, but is significantly larger than with a simple PIN diode.

Eine noch größere Empfindlichkeit wird mit Lawinenphotodioden erreicht, die im sogenannten Geiger-Modus betrieben werden (SPAD, Single Photon Avalanche Diode). Hierbei wird die Lawinenphotodiode oberhalb der Durchbruchspannung vorgespannt, so dass bereits ein einziger, durch ein einzelnes Photon freigesetzter Ladungsträger eine nicht mehr kontrollierte Lawine auslösen kann, die dann aufgrund der hohen Feldstärke sämtliche verfügbaren Ladungsträger rekrutiert. Danach kommt die Lawine zum Erliegen (passive quenching) und steht für eine gewisse Totzeit nicht mehr zur Detektion zur Verfügung. Alternativ ist auch bekannt, die Lawine von außen zu erkennen und zu löschen (active quenching). Eine SPAD zählt somit wie ein Geigerzähler Einzelereignisse. SPADs sind nicht nur hochempfindlich, sondern auch vergleichsweise kostengünstig und effizient in Silizium-Halbleitern zu integrieren. Weiter lassen sie sich dann mit wenig Aufwand auf einer Leiterkarte integrieren.Even greater sensitivity is achieved with avalanche photodiodes that are operated in the so-called Geiger mode (SPAD, Single Photon Avalanche Diode). Here, the avalanche photodiode is biased above the breakdown voltage, so that even a single charge carrier released by a single photon can trigger an avalanche that is no longer controlled, which then recruits all available charge carriers due to the high field strength. The avalanche then comes to a standstill (passive quenching) and is no longer available for detection for a certain dead time. Alternatively, it is also known to detect and extinguish the avalanche from the outside (active quenching). A SPAD counts individual events like a Geiger counter. SPADs are not only highly sensitive, but can also be integrated comparatively inexpensively and efficiently into silicon semiconductors. They can then be integrated onto a circuit board with little effort.

Eine Besonderheit ist die Tatsache, dass auch ein minimales Störereignis, wie ein Fremdlichtphoton oder Dunkelrauschen, das gleiche maximale Empfangssignal erzeugt wie ein Nutzlichtsignal. Da somit einzelne SPADs ein Digitalsignal liefern, bei dem eine Unterscheidung zwischen Mess- und Störereignis nicht möglich ist, werden in der Praxis eine Vielzahl von Ereignissen gemeinsam statistisch ausgewertet, die von mehreren SPADs und/oder Messwiederholungen mit weiteren Sendepulsen stammen. Die einzelnen Ereignisse werden von einem TDC (Time-to-Digital Converter) ausgewertet, der mit dem Sendepuls gestartet und dem Empfangspuls angehalten wird. Die somit gemessenen Einzellichtlaufzeiten werden dann in einem Histogramm gesammelt, und mit diesem Histogramm erfolgt die gemeinsame statistische Auswertung.A special feature is the fact that even a minimal disruptive event, such as an extraneous light photon or dark noise, produces the same maximum received signal as a useful light signal. Since individual SPADs deliver a digital signal in which a distinction between measurement and interference events is not possible, in practice a large number of events are statistically evaluated together, which come from several SPADs and/or measurement repetitions with further transmission pulses. The individual events are evaluated by a TDC (Time-to-Digital Converter), which is started with the transmit pulse and stopped with the receive pulse. The individual light transit times measured in this way are then collected in a histogram, and the joint statistical evaluation is carried out using this histogram.

Die TDCs haben eine begrenzte Auflösung von beispielsweise 100 ps. Unter Berücksichtigung des doppelten Lichtwegs von Sende- und Empfangspuls entspricht das einer Entfernungsauflösung von 15 mm. Das begrenzt herkömmlich die Genauigkeit der Messung. Natürlich ließe sich eine bessere Messgenauigkeit durch genauere TDCs erreichen. Dies hat aber Auswirkungen auf Speicherbedarf, Auswertungskapazität und -geschwindigkeit sowie Chipfläche und damit Kosten und Baugröße.The TDCs have a limited resolution of, for example, 100 ps. Taking into account the double light path of the transmit and receive pulses, this corresponds to a distance resolution of 15 mm. This traditionally limits the accuracy of the measurement. Of course, better measurement accuracy could be achieved through more precise TDCs. However, this has an impact on memory requirements, evaluation capacity and speed as well as chip area and thus costs and size.

Die EP 2 189 805 B1 offenbart einen entfernungsmessenden Lichttaster mit einem Pulsmittelungsverfahren. Dabei wird eine Pulslaufzeitmessung mehrfach wiederholt, und die jeweiligen Empfangssignale werden binarisiert und in einem Histogramm aufaddiert. Der Sendezeitpunkt wird digital erzeugt, was die verfügbaren Sendezeitpunkte zunächst auf das digitale Raster begrenzen würde. Daher werden die Sendezeitpunkte mit den Messwiederholungen nach einer Gaussverteilung variiert, deren Schwerpunkt auch zwischen den im digitalen Raster verfügbaren Zeitpunkten liegen kann. Die Systemarchitektur ist jedoch eine ganz andere als die oben beschriebene, und es werden weder SPADs noch TDCs eingesetzt.The EP 2 189 805 B1 discloses a distance measuring light scanner with a pulse averaging method. A pulse transit time measurement is repeated several times and the respective received signals are binarized and added up in a histogram. The transmission time is generated digitally, which would initially limit the available transmission times to the digital grid. Therefore, the transmission times are varied with the measurement repetitions according to a Gaussian distribution, the focus of which can also lie between the times available in the digital grid. However, the system architecture is completely different than that described above and neither SPADs nor TDCs are used.

Die EP 2 315 045 A1 und EP 2 942 644 B1 befassen sich ebenfalls mit einem Pulsmittelungsverfahren und einer entsprechenden Systemarchitektur. Um in dem Histogramm der aufaddierten, binarisierten oder im Falle der EP 2 942 644 B1 auch mit mehreren Schwellen abgetasteten Empfangssignale eine Flanke genauer lokalisieren zu können, wird diese Flanke gespreizt. Die EP 2 315 045 A1 verwendet dafür ähnlich der EP 2 189 805 B1 eine Verteilung der Sendezeitpunkte, während in EP 2 942 644 B1 ein analoges Dehnungsfilter zu Einsatz kommt.The EP 2 315 045 A1 and EP 2 942 644 B1 also deal with a pulse averaging method and a corresponding system architecture. To be in the histogram of the added up, binarized or in the case of EP 2 942 644 B1 In order to be able to localize an edge more precisely even with received signals sampled with several thresholds, this edge is spread. The EP 2 315 045 A1 used for this similar to EP 2 189 805 B1 a distribution of broadcast times, while in EP 2 942 644 B1 an analogue strain filter is used.

In der EP 2 899 565 B1 wird die Empfindlichkeit einer Lichtlaufzeitmessung mit einem Pulsmittelungsverfahren dadurch eingestellt, dass dem Empfangssignal ein künstliches Rauschen hinzugefügt wird. Ohne diese Maßnahme werden mitunter auch kleine Störungen, wie durch Staubpartikel oder Nebel, als Objekte erfasst. Eine passend eingestellte Empfindlichkeit verbessert jedoch nicht die Entfernungsauflösung. Zudem basiert auch die Lösung der EP 2 899 565 B1 auf einer Systemarchitektur für ein Pulsmittelungsverfahren ohne SPADs und TDCs.In the EP 2 899 565 B1 The sensitivity of a time-of-flight measurement using a pulse averaging method is adjusted by adding artificial noise to the received signal. Without this measure, even small disturbances, such as dust particles or fog, are sometimes detected as objects. However, an appropriately adjusted sensitivity does not improve the distance resolution. In addition, the solution is also based on the EP 2 899 565 B1 on a system architecture for a pulse averaging method without SPADs and TDCs.

Die US 2018/0259645 A1 offenbart ein LIDAR-System mit einem SPAD-Empfänger und einer Histogrammauswertung. Es werden Interpolationsfilter vorgestellt, die das Histogramm zur Genauigkeitserhöhung mit einer Verschiebung eines Bruchteils der Breite der Bins auswerten. Außerdem ist in einer Ausführungsform vorgesehen, die Laserpulse zueinander mit einem konstant zunehmenden Versatz ebenfalls entsprechend einem Bruchteil eines Bins auszusenden, damit sich das Maximum in dem Histogramm zum Ausgleich von Quantisierungsrauschen breiter verteilt.The US 2018/0259645 A1 discloses a LIDAR system with a SPAD receiver and histogram evaluation. Interpolation filters are presented that evaluate the histogram with a shift of a fraction of the width of the bins to increase accuracy. In addition, in one embodiment it is provided to send the laser pulses to one another with a constantly increasing offset, also corresponding to a fraction of a bin, so that the maximum in the histogram is distributed more widely to compensate for quantization noise.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Messgenauigkeit eines gattungsgemäßen Sensors zu verbessern.It is therefore the object of the invention to improve the measurement accuracy of a generic sensor.

Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor und ein Verfahren zur Erfassung und Abstandsbestimmung von Objekten nach Anspruch 1 beziehungsweise 11 gelöst. Der erfindungsgemäße Sensor misst Abstände mit dem einleitend skizzierten Pulslaufzeitverfahren oder direkten Lichtlaufzeitverfahren. Ein Lichtsender sendet zu einem ersten Zeitpunkt einen Lichtpuls in den Überwachungsbereich. Ein Lichtempfänger weist eine erste Vielzahl von Lawinenphotodioden im Geigermodus oder SPADs auf. Bei Lichtempfang werden von den SPADs entsprechende Empfangssignale erzeugt, die als digitale Ereignisse zu einem jeweiligen zweiten Zeitpunkt aufgefasst werden können. Das Empfangslicht ist bestimmungsgemäß der remittierte oder reflektierte Sendepuls, kann aber auch Fremdlicht sein, und SPADs können zudem auch ohne Lichteinfall auslösen. SPADs können gruppenweise zusammengefasst werden, etwa als Summensignal, um schon auf dieser Ebene für einen gewissen statistischen Ausgleich von Störereignissen zu sorgen.This task is achieved by an optoelectronic sensor and a method for detecting and determining the distance of objects according to claims 1 and 11, respectively. The sensor according to the invention measures distances using the pulse transit time method outlined in the introduction or the direct light transit time method. A light transmitter initially sends a light pulse into the monitoring area. A light receiver includes a first plurality of Geiger mode avalanche photodiodes or SPADs. When light is received, the SPADs generate corresponding reception signals, which can be interpreted as digital events at a respective second point in time. The receiving light is intended to be the remitted or reflected transmit pulse, but can also be extraneous light, and SPADs can also trigger without incident light. SPADs can be combined in groups, for example as a sum signal, in order to ensure a certain statistical compensation of disturbing events at this level.

Eine zweite Vielzahl von Lichtlaufzeitmesseinheiten wird fest oder variabel einzelnen SPADs oder Gruppen von SPADs zugeordnet und bestimmt Einzellichtlaufzeiten aus dem vorzugsweise gemeinsamen ersten Zeitpunkt und dem jeweils von den zugeordneten SPADs erzeugten zweiten Zeitpunkt. Die Anzahl der Lichtlaufzeitmesseinheiten kann derjenigen der SPADs oder SPAD-Gruppen entsprechen, ist aber vorzugsweise geringer, so dass bestimmte SPADs ausgewertet werden und andere nicht. Eine Steuer- und Auswertungseinheit ermittelt durch gemeinsame beziehungsweise statistische Auswertung der Einzellichtlaufzeiten eine gemeinsame Lichtlaufzeit und damit den gesuchten Abstand zu einem jeweils angetasteten Objekt.A second plurality of light transit time measurement units is assigned to individual SPADs or groups of SPADs in a fixed or variable manner and determines individual light transit times from the preferably common first time point and the second time point generated in each case by the assigned SPADs. The number of light transit time measurement units can correspond to that of the SPADs or SPAD groups, but is preferably smaller, so that certain SPADs are evaluated and others are not. A control and evaluation unit determines a common light transit time and thus the desired distance to each object touched by joint or statistical evaluation of the individual light transit times.

Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, die ersten und zweiten Zeitpunkte künstlich zu variieren (Dithering). Dazu ist ein Verzögerungselement vorgesehen, das eine künstliche Verzögerung im entsprechenden Pfad der ersten beziehungsweise zweiten Zeitpunkte erzeugt. Künstlich bedeutet, dass die Verzögerung über unvermeidliche interne Signallaufzeiten und einen etwaigen Jitter durch Toleranzen und dergleichen hinausgeht. Eine Verzögerung könnte hier auch negativ sein. Sendeseitig besteht dafür die Freiheit, auch einen früheren Zeitpunkt zu wählen. Aber auch empfangsseitig lässt sich das beispielsweise effektiv dadurch erreichen, dass sämtliche zweiten Zeitpunkte einen gewissen konstanten Versatz erhalten, der dann individuell verkürzt wird. Ganz allgemein kann bei einer Lichtlaufzeitmessung ein konstanter Zeitversatz korrigiert oder kalibriert werden.The invention is based on the basic idea of artificially varying the first and second points in time (dithering). For this purpose, a delay element is provided which generates an artificial delay in the corresponding path of the first or second points in time. Artificial means that the delay goes beyond unavoidable internal signal delays and any jitter caused by tolerances and the like. A delay could also be negative here. On the broadcast side, there is the freedom to choose an earlier time. But this can also be effectively achieved on the receiving side, for example, by giving all second points in time a certain constant offset, which is then shortened individually. In general, a constant time offset can be corrected or calibrated during a time-of-flight measurement.

Die Erfindung hat den Vorteil, dass die Entfernungsauflösung mit sehr einfachen und kostengünstigen Mitteln deutlich verbessert werden kann. Die herkömmliche Begrenzung der Genauigkeit durch die Feinauflösung der Lichtlaufzeitmesseinheiten wird aufgehoben und eine sehr genaue Interpolation unterhalb dieser Feinauflösung mit geringer Schwarz-Weiß-Verschiebung ermöglicht. Das wird mit den Vorteilen eines SPAD-basierten direkten Lichtlaufzeitverfahrens verknüpft, mit sehr hoher Empfindlichkeit und gutem Signal-Rausch-Verhältnis und entsprechend hoher Robustheit gegenüber Kantentreffern oder Remissionssprüngen auf einem Objekt.The invention has the advantage that the distance resolution can be significantly improved using very simple and inexpensive means. The traditional limitation of accuracy due to the fine resolution of the time-of-flight measurement units is eliminated and very precise interpolation below this fine resolution with a small black-and-white shift is made possible. This is combined with the advantages of a SPAD-based direct time-of-flight method, with very high sensitivity and good signal-to-noise ratio and correspondingly high robustness against edge hits or jumps in remission on an object.

Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, Einzellichtlaufzeiten in einem Histogramm zu sammeln und die gemeinsame Lichtlaufzeit aus einem Maximum des empfangenen Lichtpulses in dem Histogramm zu bestimmen. Die gemeinsame statistische Auswertung basiert hier auf einem Histogramm, das eine einfache Möglichkeit darstellt, die Informationen der Einzellichtlaufzeiten zu bündeln. Das Histogramm enthält auch Einzellichtlaufzeiten zu Störereignissen. Damit überlagert erzeugt der empfangene Lichtpuls ein Maximum. Um den empfangenen Lichtpuls zu lokalisieren, kann Vorwissen über das Verhalten von SPADs genutzt werden, beispielsweise über den exponentiellen Abfall der Häufigkeit der Störereignisse durch Hintergrundlicht.The control and evaluation unit is preferably designed to collect individual light transit times in a histogram and to determine the common light transit time from a maximum of the received light pulse in the histogram. The joint statistical evaluation is based here on a histogram, which represents a simple way to bundle the information about the individual light transit times. The histogram also contains individual light transit times for disturbance events. Superimposed on this, the received light pulse produces a maximum. In order to localize the received light pulse, prior knowledge about the behavior of SPADs can be used, for example about the exponential decrease in the frequency of interference events caused by background light.

Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, eine Flanke des Maximums zu lokalisieren, insbesondere eine erste steigende Flanke. Alternativ könnte auch ein Maximalwert lokalisiert werden, aber dessen zeitliche Lage hängt noch von der Intensität des Empfangspulses ab (sogenannte Farb- oder Schwarz-Weiß-Verschiebung). Eine Flankenauswertung ist deshalb robuster. Durch die künstlichen Verzögerungen wird erfindungsgemäß erreicht, dass eine steile Flanke eines kurzen Lichtpulses über mehrere Bins des Histogramms gedehnt wird, so dass eine genaue Interpolation eines Zeitpunkts aus der Flanke ermöglicht wird.The control and evaluation unit is preferably designed to localize an edge of the maximum, in particular a first rising edge. Alternatively, a maximum value could also be localized, but its temporal position still depends on the intensity of the received pulse (so-called color or black-and-white shift). Edge evaluation is therefore more robust. According to the invention, the artificial delays ensure that a steep edge of a short light pulse is stretched over several bins of the histogram, so that precise interpolation of a point in time from the edge is possible.

Die Lichtlaufzeitmesseinheiten weisen bevorzugt einen Time-to-Digital-Converter (TDC) auf, der mit dem ersten Zeitpunkt gestartet und dem zweiten Zeitpunkt gestoppt wird oder umgekehrt. Ein TDC ist ein relativ einfaches Bauteil, das mit hoher zeitlicher Auflösung Einzellichtlaufzeiten bestimmen kann. TDCs können direkt monolithisch in einem Kristall des Lichtempfängers integriert werden, etwa in einem ASIC (Application-Specific Integrated Circuit). Der TDC wird vorzugsweise zum Sendezeitpunkt als erstem Zeitpunkt gestartet und zum Empfangszeitpunkt als zweitem Zeitpunkt durch den empfangenen Lichtpuls gestoppt. Andere Betriebsarten sind denkbar, etwa die TDCs jeweils mit dem Auslösen einer Lawine in den SPADs zu einem zweiten Zeitpunkt zu starten und dann zu einem bekannten Referenzzeitpunkt anzuhalten, etwa dem Ende der Messperiode. Der Referenzzeitpunkt ist dann natürlich später als der erste Zeitpunkt, aber dagegen lediglich um einen festen, konstanten Zeitversatz verschoben, der durch Korrektur oder Kalibrierung ausgeglichen werden kann, so dass erster Zeitpunkt und Referenzzeitpunkt austauschbar sind.The time-of-flight measurement units preferably have a time-to-digital converter (TDC), which is started at the first time and stopped at the second time or vice versa. A TDC is a relatively simple component that can determine individual light transit times with high temporal resolution. TDCs can be directly integrated monolithically in a crystal of the light receiver, for example in an ASIC (Application-Specific Integrated Circuit). The TDC is preferably started at the transmission time as the first time and is stopped at the reception time as the second time by the received light pulse. Other operating modes are conceivable, such as starting the TDCs at a second time when an avalanche is triggered in the SPADs and then stopping at a known reference time, such as the end of the measurement period. The reference time is then of course later than the first time, but is only shifted by a fixed, constant time offset, which can be compensated for by correction or calibration, so that the first time and reference time are interchangeable.

Das Verzögerungselement ist bevorzugt derart ausgebildet und angeordnet, dass der gemeinsam den Lichtlaufzeitmesseinheiten zugeführte erste Zeitpunkt verzögert wird. Die Verzögerung wirkt in diesem Fall auf den gemeinsamen ersten Zeitpunkt, zu dem der Sendepuls ausgesandt wird, beziehungsweise einen davon abgeleiteten Referenzzeitpunkt. Das hat den Vorteil, dass die Verzögerung nur an einer Stelle benötigt wird und somit weniger Aufwand erforderlich ist.The delay element is preferably designed and arranged in such a way that the first point in time supplied jointly to the light transit time measuring units is delayed. In this case, the delay affects the common first time at which the transmission pulse is sent, or a reference time derived therefrom. This has the advantage that the delay is only needed in one place and therefore requires less effort.

Das Verzögerungselement ist bevorzugt derart ausgebildet und angeordnet, dass die den Lichtlaufzeitmesseinheiten zugeführten zweiten Zeitpunkte jeweils um eine gleiche Verzögerung verzögert werden. Hier wirkt die Verzögerung auf die zweiten Zeitpunkte, die ereignisbasiert von den SPADs erzeugt werden, und wird demensprechend vervielfacht benötigt. Zu beachten ist, dass die zweiten Zeitpunkte selbst unterschiedlich sind, deren künstliche Verzögerung aber jeweils dieselbe sein sollte. Ansonsten würde nicht lediglich eine Möglichkeit geschaffen, die Interpolation zu verbessern, sondern die Messung verfälscht, und die künstliche Verzögerung liefe so beispielsweise Maßnahmen zuwider, mit denen die Lichtlaufzeiteinheiten eigens hochgenau zueinander kalibriert wurden.The delay element is preferably designed and arranged in such a way that the second times supplied to the light transit time measuring units are each delayed by the same delay. Here the delay affects the second points in time, which are generated event-based by the SPADs, and is therefore required multiplied. It should be noted that the second points in time themselves are different, but their artificial delay should be the same. Otherwise, not only would an opportunity be created to improve the interpolation, but the measurement would be distorted, and the artificial delay would, for example, run counter to measures with which the light transit time units were specifically calibrated with high precision to one another.

Die Steuer- und Auswertungseinheit ist bevorzugt dafür ausgebildet, in mehreren Messungen wiederholt Lichtpulse auszusenden und die dabei erzeugten Einzellichtlaufzeiten bei der Bestimmung der gemeinsamen Lichtlaufzeit einzubeziehen. Indem eine erste Vielzahl von SPADs verwendet wird, erzeugt schon eine einzige Messung eine gewisse Statistik, wobei soweit noch denkbar wäre, alle SPADs beispielsweise als Summensignal gemeinsam auszuwerten. Um die Statistik weiter zu verbessern, können nacheinander mehrere Messungen mit jeweils einem weiteren Lichtpuls durchgeführt und so zusätzliche Einzellichtlaufzeiten erzeugt werden. Eine Variation der Messperiode bis zum jeweils nächsten ausgesandten Lichtpuls ist eine Umsetzungsmöglichkeit einer künstlichen Verzögerung des ersten Zeitpunkts.The control and evaluation unit is preferably designed to repeatedly emit light pulses in several measurements and to include the individual light transit times generated in the process when determining the common light transit time. By using a first plurality of SPADs, even a single measurement generates certain statistics, although it would still be conceivable to evaluate all SPADs together, for example as a sum signal. In order to further improve the statistics, several measurements can be carried out one after the other, each with an additional light pulse, thus generating additional individual light transit times. A variation of the measurement period up to the next emitted light pulse is one way to implement an artificial delay of the first point in time.

Das Verzögerungselement ist bevorzugt dafür ausgebildet, eine Verzögerung in der Größenordnung der Zeitauflösung der Lichtlaufzeitmesseinheiten zu erzeugen. Die erforderliche oder optimale Spanne der Verzögerungen kann von den Signalen, Signalformen und der Anwendung abhängen. Die Zeitauflösung der Lichtlaufzeitmesseinheit lässt sich beispielsweise über das LSB (Least Significant Bit) definieren, d.h. welcher Zeitauflösung ein Bit der Lichtlaufzeitmessung entspricht. Einleitend wurde als typisches Zahlenbeispiel für einen TDC 100 ps genannt, dann wäre 1 LSB = 100 ps. Zweck der künstlichen Verzögerung ist, eine Quantisierungsstufe entsprechend dem LSB auszugleichen, insbesondere die Flanke über diese Quantisierungsstufe zu dehnen. Eine zu große künstliche Verzögerung würde die Ausprägung der Flanke schwächen und damit die Messgenauigkeit beeinträchtigen. Daher bleibt vorzugsweise die Verzögerung in etwa so groß wie die Zeitauflösung oder ein LSB, liegt also im Bereich [0; 1] LSB, wobei eine gewisse Skalierung bis auf ein kleines Vielfaches von beispielsweise 2...10 denkbar bleibt. Es sei wiederholt, dass ein konstanter zusätzlicher Zeitversatz korrigierbar ist, der Effekt eines Bereichs [0;1] LSB also ebenso durch [-0,5; 0,5] oder jedes andere verschobene Intervall erreichbar ist.The delay element is preferably designed to generate a delay in the order of magnitude of the time resolution of the light transit time measurement units. The required or optimal range of delays may depend on the signals, waveforms, and application. The time resolution of the time of flight measurement unit can be defined, for example, via the LSB (Least Significant Bit), ie which time resolution a bit of the light time of flight measurement corresponds to. In the introduction, 100 ps was given as a typical numerical example for a TDC, then 1 LSB would be = 100 ps. The purpose of the artificial delay is to compensate for a quantization level corresponding to the LSB, in particular to stretch the edge over this quantization level. An artificial delay that is too large would weaken the expression of the edge and thus impair the measurement accuracy. Therefore, the delay preferably remains approximately as large as the time resolution or an LSB, i.e. is in the range [0; 1] LSB, whereby a certain scaling up to a small multiple of, for example, 2...10 remains conceivable. It should be repeated that a constant additional time offset can be corrected, so the effect of a range [0;1] LSB can also be corrected [-0.5; 0.5] or any other shifted interval is achievable.

Das Verzögerungselement ist bevorzugt dafür ausgebildet, Verzögerungen gleichverteilt zu erzeugen. Hier und an anderer Stelle werden dem Verzögerungselement begrifflich weitere Funktionen als nur die reine Verzögerung zugeschlagen. Die Vorgabe, welche Verzögerung jeweils erzeugt werden soll, kann faktisch von einem anderen Element kommen, insbesondere der Steuer- und Auswertungseinheit, das wird trotzdem als Merkmal des Verzögerungselements aufgefasst. Eine Gleichverteilung bedeutet, dass die Verzögerungen aus einem vorgegebenen Intervall wie [0;1] LSB zumindest statistisch gleich oft verwendet werden.The delay element is preferably designed to generate delays that are uniformly distributed. Here and elsewhere, the delay element is conceptually assigned additional functions than just pure delay. The specification as to which delay should be generated can actually come from another element, in particular the control and evaluation unit, but this is still considered a feature of the delay element. A uniform distribution means that the delays from a given interval such as [0;1] LSB are used at least statistically the same number of times.

Das Verzögerungselement ist bevorzugt dafür ausgebildet, die Verzögerungen durch eine lineare Rampe zu erzeugen. In diesem Fall wird die Gleichverteilung speziell durch ein Durchfahren in einer auf- oder absteigenden Reihenfolge erreicht. Die Steigung der Rampe ist vorzugsweise so gewählt, dass ein gewünschter Bereich wie [0;1] LSB innerhalb einer Messung eines Abstands abgedeckt wird. Nach der vorgesehenen Anzahl wiederholt ausgesandter Lichtpulse für eine Abstandsmessung wird die Rampe zurückgesetzt. Es wäre aber auch denkbar, eine Rampe innerhalb einer Messung mehrfach und/oder nur partiell abzufahren. Die Rampe kann digital beispielsweise als Zähler mit anschließender Skalierung auf den gewünschten Bereich der Verzögerungen oder als analoge Rampe umgesetzt sein.The delay element is preferably designed to generate the delays using a linear ramp. In this case, the uniform distribution is achieved specifically by traveling in an ascending or descending order. The slope of the ramp is preferably chosen so that a desired range such as [0;1] LSB is covered within one measurement of a distance. After the intended number of repeatedly emitted light pulses for a distance measurement, the ramp is reset. However, it would also be conceivable to travel down a ramp several times and/or only partially within one measurement. The ramp can be implemented digitally, for example as a counter with subsequent scaling to the desired range of delays, or as an analog ramp.

Das Verzögerungselement weist bevorzugt einen Zufallsgenerator oder einen Rauschgenerator auf, um zufällige Verzögerungen zu erzeugen. Ein digitaler Zufallsgenerator erzeugt algorithmisch Pseudozufallszahlen, die jedoch für alle hier relevanten praktischen Belange als zufällig angesehen werden können. Die Zufallszahlen werden vorzugsweise auf den gewünschten Bereich der Verzögerungen skaliert. Auch ein analoger Rauschgenerator mit passendem Rauschverhalten ist denkbar.The delay element preferably has a random generator or a noise generator to generate random delays. A digital random generator algorithmically generates pseudo-random numbers, which can, however, be considered random for all practical purposes relevant here. The random numbers are preferably scaled to the desired range of delays. An analog noise generator with suitable noise behavior is also conceivable.

Das Verzögerungselement weist bevorzugt eine Korrektureinheit auf, um eine nichtlineare Kennlinie zwischen gewünschter und tatsächlich erzeugter Verzögerung auszugleichen. Die eigentliche Verzögerung wird vorzugsweise durch ein analoges Bauteil erzeugt. Die Korrektureinheit dient dazu, Nichtlinearitäten in dessen Kennlinie zu kompensieren.The delay element preferably has a correction unit in order to compensate for a non-linear characteristic between the desired and actually generated delay. The actual delay is preferably generated by an analog component. The correction unit serves to compensate for non-linearities in its characteristic curve.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.The method according to the invention can be developed in a similar way and shows similar advantages. Such advantageous features are described by way of example, but not exhaustively, in the subclaims following the independent claims.

Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:

1 eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Sensors;
2 eine Darstellung eines Messkerns eines optoelektronischen Sensors;
3 ein Histogramm, das mit dem Messkern gemäß 2 aufgezeichnet wird;
4 eine Darstellung des gemessenen Abstands in Abhängigkeit vom tatsächlichen Abstand zur Illustration einer Verbesserung der Entfernungsauflösung durch künstliche Verzögerungen;
5 eine Darstellung einer Ansteuerung eines Verzögerungselements mit einer analogen Rampe; und
6 eine Darstellung einer digitalen Ansteuerung eines Verzögerungselements.

The invention will be explained in more detail below with regard to further features and advantages using exemplary embodiments and with reference to the accompanying drawing. The illustrations in the drawing show:

1 a schematic representation of an optoelectronic sensor;
2 a representation of a measuring core of an optoelectronic sensor;
3 a histogram corresponding to the measurement kernel 2 is recorded;
4 a plot of the measured distance as a function of the actual distance to illustrate an improvement in range resolution through artificial delays;
5 a representation of a control of a delay element with an analog ramp; and
6 a representation of a digital control of a delay element.

1 zeigt eine sehr vereinfachte schematische Darstellung eines optoelektronischen Sensors 10 zur Messung von Abständen mittels eines Lichtlaufzeitverfahrens. Ein Lichtsender 12, beispielsweise eine LED oder eine Laserlichtquelle, sendet über eine Sendeoptik 14 Lichtpulse 16 in einen Überwachungsbereich 18 aus. Die Lichtpulse sind vorzugsweise sehr kurz, beispielsweise wenige 100 ps, und weisen vorzugsweise eine steile Einschaltflanke auf. Trifft ein Lichtpuls 16 auf ein Objekt 20, so kehrt ein reflektierter oder remittierter Lichtpuls 22 über eine Empfangsoptik 24 zu einem Lichtempfänger 26 zurück. Dieser Lichtempfänger 26 weist eine Vielzahl von Lichtempfangselementen 26a auf, die als Lawinenphotodiodenelemente im Geigermodus oder SPADs (Single Photon Avalanche Diode) ausgebildet sind, wobei auch mehrere SPADs gemeinsam als Gruppe beispielsweise über deren Summensignal oder sonstige Kombination zu einem Lichtempfangselement 26a zusammengefasst sein können. 1 shows a very simplified schematic representation of an optoelectronic sensor 10 for measuring distances using a time-of-flight method. A light transmitter 12, for example an LED or a laser light source, sends light pulses 16 into a monitoring area 18 via transmission optics 14. The light pulses are preferably very short, for example a few 100 ps, and preferably have a steep turn-on edge. If a light pulse 16 hits an object 20, a reflected or remitted light pulse 22 returns to a light receiver 26 via receiving optics 24. This light receiver 26 has a plurality of light receiving elements 26a, which are designed as avalanche photodiode elements in Geiger mode or SPADs (Single Photon Avalanche Diode), whereby several SPADs can also be combined together as a group, for example via their sum signal or other combination, to form a light receiving element 26a.

Eine Steuer- und Auswertungseinheit 28 bestimmt anhand der Empfangssignale der Lichtempfangselemente 26a die Lichtlaufzeit und daraus den Abstand zum jeweils angetasteten Objektpunkt, von dem der remittierte Lichtpuls 22 zurückgeworfen wurde. Die Steuer- und Auswertungseinheit 28 kann abweichend von der Darstellung zumindest teilweise gemeinsam mit dem Lichtempfänger 26 ausgebildet sein. Dann wird die verfügbare Fläche eines gemeinsamen Chips (z.B. ASIC, Application-Specific Integrated Circuit) zwischen lichtempfindlichen Bereichen der Lichtempfangselemente 26a und ihnen einzeln, in Gruppen oder gemeinsam zugeordnete Schaltkreise zu deren Auswertung und Ansteuerung aufgeteilt.A control and evaluation unit 28 uses the received signals from the light receiving elements 26a to determine the light transit time and from this the distance to the respective object point being touched, from which the remitted light pulse 22 was reflected. In contrast to the illustration, the control and evaluation unit 28 can at least partially be designed together with the light receiver 26. Then the available area of a common chip (e.g. ASIC, Application-Specific Integrated Circuit) between light-sensitive areas the light receiving elements 26a and circuits assigned to them individually, in groups or jointly for their evaluation and control.

Die in 1 dargestellte Anordnung ist rein beispielhaft zu verstehen. Es sind alternative optische Aufbauten bekannt, wie statt der biaxialen Sende- und Empfangspfade ein koaxialer Aufbau in Autokollimationsanordnung etwa mit einem Strahlteiler und einer gemeinsamen Optik oder einer Anordnung des Lichtsenders 12 vor dem Lichtempfänger 26. Die Sendeoptik 14 und die Empfangsoptik 24 sind nur schematisch als Einzellinse dargestellt, es ist hier jede an sich bekannte Optik einsetzbar. Der optoelektronische Sensor 10 kann als einfacher Lichttaster zur eindimensionalen Messung von Entfernungen längs einer Achse ausgebildet sein. Alternativ sind verschiedenste Möglichkeiten denkbar, den Überwachungsbereich auf eine Ebene oder einen Raumabschnitt zu erweitern. Dazu können sendeseitig mehrere Lichtsender eingesetzt werden, insbesondere eine VCSEL-Zeile oder VCSEL-Matrix, und die Lichtempfangselemente 26a ortsaufgelöst ausgewertet werden. Außerdem sind verschiedenste Scanverfahren denkbar, die wie in einem klassischen Laserscanner bewegte Spiegel, aber auch MEMS-Spiegel oder andere Verfahren wie optical phased arrays, DOE und dergleichen verwenden.In the 1 The arrangement shown is to be understood purely as an example. Alternative optical structures are known, such as, instead of the biaxial transmission and reception paths, a coaxial structure in an autocollimation arrangement, for example with a beam splitter and common optics or an arrangement of the light transmitter 12 in front of the light receiver 26. The transmission optics 14 and the reception optics 24 are only shown schematically Single lens shown, any known optics can be used here. The optoelectronic sensor 10 can be designed as a simple light scanner for the one-dimensional measurement of distances along an axis. Alternatively, a wide variety of options are conceivable for expanding the surveillance area to one level or a section of space. For this purpose, several light transmitters can be used on the transmission side, in particular a VCSEL line or VCSEL matrix, and the light receiving elements 26a can be evaluated in a spatially resolved manner. In addition, a wide variety of scanning methods are conceivable that use moving mirrors like in a classic laser scanner, but also MEMS mirrors or other methods such as optical phased arrays, DOE and the like.

2 zeigt beispielhaft einen Messkern für einen abstandsmessenden optoelektronischen Sensor 10. Dieser Messkern wie dargestellt, natürlich ohne Überwachungsbereich 18 und Objekt 20, kann als ein gemeinsames ASIC implementiert sein. Alternativ sind einige Elemente, beispielsweise der Lichtsender 12, auf mindestens einem separaten Baustein untergebracht. Zusätzlich zu dem eigentlichen Lichtempfänger 26 ist in dieser Ausführungsform ein Referenzlichtempfänger 30 vorgesehen, der ebenfalls als SPADs ausgebildete Referenzlichtempfangselemente 30a aufweist. Ein Teil des ausgesandten Lichtpulses 16 trifft ohne Lichtweg durch den Überwachungsbereich 18 als Referenzpuls 16a auf den Referenzlichtempfänger 30. Dadurch können interne Signallaufzeiten und Temperatur- oder altersbedingte Driften kompensiert werden, die andernfalls eine Lichtlaufzeitmessung verfälschen würden. Werden solche Fehler in Kauf genommen oder anderweitig kompensiert, so kann auf den Referenzlichtempfänger 30 auch verzichtet werden. 2 shows an example of a measuring core for a distance-measuring optoelectronic sensor 10. This measuring core as shown, of course without monitoring area 18 and object 20, can be implemented as a common ASIC. Alternatively, some elements, for example the light transmitter 12, are housed on at least one separate module. In addition to the actual light receiver 26, a reference light receiver 30 is provided in this embodiment, which also has reference light receiving elements 30a designed as SPADs. A part of the emitted light pulse 16 hits the reference light receiver 30 as a reference pulse 16a without a light path through the monitoring area 18. This allows internal signal transit times and temperature or age-related drifts to be compensated for, which would otherwise falsify a light transit time measurement. If such errors are accepted or otherwise compensated for, the reference light receiver 30 can also be dispensed with.

Im rechten Teil der 2 sind einige Funktionsblöcke der Steuer- und Auswertungseinheit 28 gezeigt. Eine Ablaufsteuerung 32 ist mit den Funktionsblöcken mindestens mittelbar verbunden und koordiniert den Messablauf. Die Referenzlichtempfangselemente 30a sind mit einem Kombinierglied 34 beispielsweise zum Bilden eines Summensignals verbunden, das ausgangsseitig über ein Verzögerungselement 36 auf die jeweiligen START-Eingänge einer Vielzahl von n Lichtlaufzeitmesseinheiten geführt ist, die als Stoppuhren dargestellt und vorzugsweise als TDCs (Time-to-Digital Converter) 38 implementiert sind.In the right part of the 2 some function blocks of the control and evaluation unit 28 are shown. A sequence control 32 is at least indirectly connected to the function blocks and coordinates the measurement process. The reference light receiving elements 30a are connected to a combining element 34, for example to form a sum signal, which is routed on the output side via a delay element 36 to the respective START inputs of a plurality of n light transit time measuring units, which are shown as stopwatches and preferably as TDCs (Time-to-Digital Converter ) 38 are implemented.

Im Empfangspfad ist in dieser bevorzugten Ausführungsform eine Schalter- oder Multiplexermatrix 40 vorgesehen, mit der selektiv Verbindungen von ausgewählten Lichtempfangselementen 26a zu den STOP-Eingängen der TDCs 38 erzeugt werden. Auf diese Weise können bestimmte Bereiche des Lichtempfängers 26 ausgewertet werden und andere nicht, beispielsweise um eine Region of Interest (ROI) zu definieren. Die Anzahl n der TDCs 38 ist daher kleiner als die Anzahl m von Lichtempfangselementen 26a. In this preferred embodiment, a switch or multiplexer matrix 40 is provided in the reception path, with which connections from selected light receiving elements 26a to the STOP inputs of the TDCs 38 are selectively generated. In this way, certain areas of the light receiver 26 can be evaluated and others not, for example to define a region of interest (ROI). The number n of TDCs 38 is therefore smaller than the number m of light receiving elements 26a.

Dabei können Lichtempfangselemente 26a einzeln verbunden werden, aber auch m Gruppen mit mehreren Lichtempfangselementen 26a gebildet werden. Abweichend von dieser Ausführungsform mit Multiplexermatrix 40 können feste Verbindungen zwischen Lichtempfangselementen 26a und den TDCs 38 geschaffen werden und dabei auch ebenso viele TDCs 38 wie Lichtempfangselemente 26a oder Gruppen von Lichtempfangselementen 26a vorgesehen sein.Light receiving elements 26a can be connected individually, but m groups can also be formed with several light receiving elements 26a. Deviating from this embodiment with multiplexer matrix 40, fixed connections can be created between light receiving elements 26a and the TDCs 38 and as many TDCs 38 as light receiving elements 26a or groups of light receiving elements 26a can also be provided.

Im Betrieb veranlasst nun die Ablaufsteuerung 32 den Lichtsender 12 zum wiederholten Aussenden von Lichtpulsen 16. Der Referenzpuls 16a wird von den Referenzlichtempfangselementen 30a erfasst und startet die TDCs 38. Dabei wird der Startzeitpunkt von dem Verzögerungselement 36 um eine ebenfalls von der Ablaufsteuerung 32 vorgegebene künstliche Verzögerung verzögert. Der an dem Objekt 20 remittierte Lichtpuls 22 trifft auf die Lichtempfangselemente 26a. Die entsprechenden Detektionsereignisse werden über die Multiplexermatrix 40 auf den jeweils zugeordneten TDC 38 geführt und stoppen dessen Zeitmessung. Auf diese Weise erzeugt jeder TDC 38 eine Einzellichtlaufzeit, die dann an eine weitere Auswertung 42 übergeben wird. Mit den Messwiederholungen durch weitere ausgesandte Lichtpulse 16 wird die Anzahl der Einzellichtlaufzeiten weiter erhöht. Dabei wird in einer noch zu beschreibenden Weise jeweils die künstliche Verzögerung des Verzögerungselements 36 eingestellt.During operation, the sequence control 32 now causes the light transmitter 12 to repeatedly emit light pulses 16. The reference pulse 16a is detected by the reference light receiving elements 30a and starts the TDCs 38. The start time is thereby increased by the delay element 36 by an artificial delay, which is also predetermined by the sequence control 32 delayed. The light pulse 22 remitted from the object 20 strikes the light receiving elements 26a. The corresponding detection events are routed via the multiplexer matrix 40 to the respectively assigned TDC 38 and stop its time measurement. In this way, each TDC 38 generates an individual light transit time, which is then passed on to a further evaluation 42. With the measurement repetitions by further emitted light pulses 16, the number of individual light transit times is further increased. The artificial delay of the delay element 36 is set in a manner to be described later.

Wie durch einen gestrichelten Kreis 44 angedeutet, kann das Verzögerungselement 36 auch im Empfangspfad angeordnet werden. In diesem Fall sollte es vorzugsweise auf alle n Verbindungen in gleicher Weise einwirken.As indicated by a dashed circle 44, the delay element 36 can also be arranged in the reception path. In this case, it should preferably act on all n connections in the same way.

Das gemeinsame Starten der TDCs 38 mit einer optischen Referenz und das individuelle Stoppen durch Detektionsereignisse in den jeweils einem TDC 38 zugeordneten Lichtempfangselementen 26a ist eine bevorzugte, aber nur beispielhafte Vorgehensweise. Es ist auch denkbar, stattdessen die TDCs 38 mit den jeweiligen Detektionsereignissen zu starten und gemeinsam zu einem Referenzzeitpunkt zu stoppen. Der konstante Zeitversatz zwischen dem Sendezeitpunkt und dem Referenzzeitpunkt wird dann in der weiteren Auswertung 42 berücksichtigt. Es ist weiterhin denkbar, dass die TDCs 38 für eine Mehrechofähigkeit, beispielsweise ein Objekt 20 hinter einer Glasscheibe, mehrere Einzellichtlaufzeiten messen. Dazu werden sie von einem Detektionsereignis nicht angehalten, sondern messen nach Ausgabe einer Einzellichtlaufzeit weiter die Zeit bis zu einem späteren Detektionsereignis.Starting the TDCs 38 together with an optical reference and stopping them individually through detection events in each one TDC 38 associated light receiving elements 26a is a preferred, but only exemplary approach. It is also conceivable to instead start the TDCs 38 with the respective detection events and stop them together at a reference time. The constant time offset between the transmission time and the reference time is then taken into account in the further evaluation 42. It is also conceivable that the TDCs 38 measure several individual light transit times for a multi-echo capability, for example an object 20 behind a pane of glass. To do this, they are not stopped by a detection event, but continue to measure the time until a later detection event after an individual light transit time is output.

3 zeigt ein beispielhaftes Histogramm, in dem im Rahmen der weiteren Auswertung 42 Einzellichtlaufzeiten gesammelt werden. Die X-Achse diskretisiert die gemessenen Einzellichtlaufzeiten in Bins, für die dann jeweils auf der Y-Achse gezählt wird, wie oft diese Einzellichtlaufzeit gemessen wurde. Das Histogramm zeigt den für SPADs typischen exponentiellen Abfall, der daraus resultiert, dass eine SPAD nach einem Detektionsereignis für eine gewisse Totzeit nicht mehr auf Lichteinfall reagiert. Die SPADs werden vorzugsweise erst zu Beginn einer jeweiligen Messung aktiviert, d.h. oberhalb der Durchbruchspannung vorgespannt, damit für die Messung möglichst viele SPADs zur Verfügung stehen und nicht bereits in ihrer Totzeit sind. 3 shows an exemplary histogram in which 42 individual light transit times are collected as part of the further evaluation. The X-axis discretizes the measured individual light transit times into bins, for which the Y-axis then counts how often this individual light transit time was measured. The histogram shows the exponential decay typical of SPADs, which results from the fact that a SPAD no longer responds to light for a certain dead time after a detection event. The SPADs are preferably only activated at the beginning of a respective measurement, ie biased above the breakdown voltage, so that as many SPADs as possible are available for the measurement and are not already in their dead time.

Diesem exponentiell abfallenden Hintergrund überlagert sich ein Maximum 46, das aus Detektionsereignissen des remittierten Lichtpulses 22 entsteht. Aufgabe der weiteren Auswertung 42 ist, dieses Maximum 46 möglichst genau zu lokalisieren und so die gesuchte Lichtlaufzeit zu bestimmen.A maximum 46, which arises from detection events of the remitted light pulse 22, is superimposed on this exponentially decreasing background. The task of the further evaluation 42 is to localize this maximum 46 as precisely as possible and thus determine the desired light transit time.

Das Maximum 46 kann über eine Schwerpunktauswertung lokalisiert werden, aber dies hat den Nachteil einer großen Farb- oder Schwarz-Weiß-Verschiebung: Der Schwerpunkt verschiebt sich bei gleichem Abstand je nach Ausprägung des Maximums 46. Daher wird vorzugsweise die Flanke 48 lokalisiert, deren zeitliche Lage keinem Farbfehler unterliegt. Die SPADs reagieren extrem schnell und stark auf einfallendes Licht, so dass diese Flanke 48 sehr ausgeprägt und zeitlich genau definiert ist. Unterstützend werden vorzugsweise Lichtpulse 16 mit einer kurzen Anstiegszeit von beispielsweise höchstens 100 ps verwendet. Außerdem werden die TDCs 38 für ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis möglichst stabil und gleichlaufend gehalten.The maximum 46 can be localized via a center of gravity evaluation, but this has the disadvantage of a large color or black-and-white shift: the center of gravity shifts at the same distance depending on the expression of the maximum 46. Therefore, the edge 48 is preferably localized, its temporal Location is not subject to color errors. The SPADs react extremely quickly and strongly to incident light, so that this edge 48 is very pronounced and precisely defined in time. Light pulses 16 with a short rise time of, for example, at most 100 ps are preferably used to support this. In addition, the TDCs 38 are kept as stable and synchronous as possible for an optimal signal-to-noise ratio.

Damit ist die theoretische Lage der Flanke 48 äußerst präzise festgelegt. Problematisch wird dann jedoch die Quantisierung der TDCs 38. Die Binbreite des Histogramms entspricht vorzugsweise der Zeitauflösung der TDCs 38 von beispielsweise 100 ps. Diese Zeitauflösung kann auch als LSB (Least Significant Bit) bezeichnet werden, weil dieses Bit für die feinste messbare Zeit steht. Eine kleinere Binbreite würde keine zusätzliche Messinformation erfassen, sondern höchstens Artefakte aus Toleranzen wie beispielsweise einem unzureichenden Gleichlauf der TDCs 38. Die zeitliche Ausdehnung der Flanke 48 entspricht aber derjenigen des Lichtpulses 16. Typischerweise belegt daher die Flanke 48, wie auch in 3 gezeigt, nur ein oder allenfalls zwei Bins. Daraus resultiert ein deutlicher Quantisierungsfehler der gemessenen Abstandswerte, oder mit anderen Worten ist die Messgenauigkeit des Sensors auf die Zeitauflösung der TDCs 38 begrenzt.This means that the theoretical position of the flank 48 is defined extremely precisely. However, the quantization of the TDCs 38 then becomes problematic. The bin width of the histogram preferably corresponds to the time resolution of the TDCs 38 of, for example, 100 ps. This time resolution can also be referred to as LSB (Least Significant Bit) because this bit represents the finest measurable time. A smaller bin width would not capture any additional measurement information, but at most artifacts from tolerances such as insufficient synchronization of the TDCs 38. However, the temporal extent of the edge 48 corresponds to that of the light pulse 16. Typically, the edge 48 therefore occupies, as in 3 shown, only one or at most two bins. This results in a significant quantization error of the measured distance values, or in other words the measurement accuracy of the sensor is limited to the time resolution of the TDCs 38.

4 illustriert diesen Quantisierungsfehler sowie die erfindungsgemäße Verbesserung der Entfernungsauflösung durch die künstliche Verzögerung des Verzögerungselements 36. Gezeigt ist der gemessene Abstand in Abhängigkeit vom tatsächlichen Abstand. Die durchgezogene Linie zeigt den Idealzustand ohne Quantisierungsstufen. Die gepunktete Linie entspricht der zu 3 geschilderten Situation, in der die Zeitauflösung der TDCs 38 die Entfernungsauflösung begrenzt. Die deutlich ausgeprägten Treppen entsprechen den Vielfachen eines LSB der Zeitauflösung der TDCs 38. Die Abweichung zur idealen Linie kann als Rundungsfehler aufgrund der TDC-Quantisierung bezeichnet werden. Die gestrichelte Linie soll eine Verbesserung durch die künstlichen Verzögerungen andeuten. Dabei wird aber keineswegs zwingend jede zuvor vorhandene Quantisierungsstufe gerade gedrittelt wie darstellt. Der konkrete Gewinn an Entfernungsauflösung hängt von verschiedenen Einflussfaktoren ab, unter anderem den jeweils gewählten künstlichen Verzögerungen und dem Algorithmus zur Auswertung der Flanke. 4 illustrates this quantization error as well as the improvement of the distance resolution according to the invention through the artificial delay of the delay element 36. The measured distance is shown as a function of the actual distance. The solid line shows the ideal state without quantization levels. The dotted line corresponds to 3 described situation in which the time resolution of the TDCs 38 limits the distance resolution. The clearly pronounced stairs correspond to the multiples of an LSB of the time resolution of the TDCs 38. The deviation from the ideal line can be described as a rounding error due to the TDC quantization. The dashed line is intended to indicate an improvement due to the artificial delays. However, every previously existing quantization level is by no means necessarily divided into thirds as shown. The specific gain in distance resolution depends on various influencing factors, including the artificial delays chosen and the algorithm for evaluating the edge.

Die künstlichen Verzögerungen (Dither) sollen dafür sorgen, dass die Flanke 48 sich auf mehr Bins verteilt, um so eine Bestimmung der zeitlichen Lage der Flanke 48 zu ermöglichen, die genauer ist als eine Binbreite. Für die Verteilung der künstlichen Verzögerungen sind verschiedene Ausführungsformen denkbar. Dabei sollte ein Optimum gefunden werden, das eine präzise Interpolation der Lage der Flanke 48 ermöglicht, zugleich aber das Signal-Rausch-Verhältnis möglichst wenig beeinträchtigt. Die Spanne der Verzögerungen sollte zumindest ein LSB umfassen, also beispielsweise im Intervall [-0,5; 0,5] LSB gewählt werden. Dabei kommt es auf einen konstanten Versatz nicht an, da dieser durch Korrektur oder Kalibration ohnehin wieder korrigierbar wäre, so dass beispielsweise gleichwertig auch das Intervall [0; 1] LSB gewählt werden kann. Ein kleineres Vielfaches ist auch noch denkbar, die Flanke 48 wird dann über weitere Bins verteilt. Zu groß sollte die Spanne aber nicht werden, damit die Flanke 48 an sich noch robust zu erkennen bleibt.The artificial delays (dither) are intended to ensure that the edge 48 is distributed over more bins in order to enable the temporal position of the edge 48 to be determined more precisely than a bin width. Various embodiments are conceivable for the distribution of the artificial delays. An optimum should be found that enables precise interpolation of the position of the edge 48, but at the same time impairs the signal-to-noise ratio as little as possible. The range of delays should include at least one LSB, for example in the interval [-0.5; 0.5] LSB can be selected. A constant offset is not important, as this could be corrected anyway through correction or calibration, so that, for example, the interval [0; 1] LSB can be selected. A smaller multiple is also conceivable; the edge 48 is then distributed over additional bins. However, the span should not be too large so that the edge 48 itself remains robustly recognizable.

Die künstlichen Verzögerungen können nach einer festen Abfolge oder zufällig festgelegt werden. Bevorzugt ist eine deterministische oder statistische Gleichverteilung. Wie bereits zu 2 erläutert, kann die künstliche Verzögerung die Start- und/oder die Stoppzeitpunkte betreffen. Das Verzögerungselement 36 ist vorzugsweise ein analoges Bauteil. Die künstlichen Verzögerungen können analog oder digital mit anschließender Analog-Digital-Wandlung erzeugt werden. Für beide Möglichkeiten werden nun Umsetzungsbeispiele gegeben. Das ist keineswegs abschließend, insbesondere können alternativ analoge Rauschgeneratoren oder digitale Pseudo-Zufallsalgorithmen zum Einsatz kommen.The artificial delays can be set in a fixed sequence or randomly. A deterministic or statistical uniform distribution is preferred. As already mentioned 2 explained, the artificial delay can affect the start and/or stop times. The delay element 36 is preferably an analog component. The artificial delays can be generated analog or digital with subsequent analog-to-digital conversion. Examples of implementation are now given for both options. This is by no means conclusive; in particular, analog noise generators or digital pseudo-random algorithms can be used as alternatives.

5 zeigt eine Ansteuerung des Verzögerungselement 36 mit einer analogen Rampe, um kostengünstig einen gleichverteilten Dither vorzugeben. Über eine analoge Integration, bei der eine Stromquelle 50 einen Kondensator 52 lädt, wird die von dem Verzögerungselement 36 erzeugte Verzögerung durch eine zunehmende Spannung linear erhöht. Die Ablaufsteuerung 32 sorgt periodisch für eine Entladung, beispielsweise jeweils nach einer bestimmten Anzahl wiederholt ausgesandter Lichtpulse 16, so dass die Verzögerungen durch eine Sägezahnrampe vorgegeben werden. 5 shows a control of the delay element 36 with an analog ramp in order to cost-effectively specify a uniformly distributed dither. Via analog integration, in which a current source 50 charges a capacitor 52, the delay generated by the delay element 36 is increased linearly by an increasing voltage. The sequence control 32 periodically ensures a discharge, for example after a certain number of repeatedly emitted light pulses 16, so that the delays are predetermined by a sawtooth ramp.

6 zeigt eine beispielhafte digitale Ansteuerung des Verzögerungselements 36. In der Ablaufsteuerung 32 wird digital eine künstliche Verzögerung nach einer gewünschten Verteilung vorgegeben. Beispielsweise lässt sich auch digital eine Sägezahnrampe erzeugen. Dafür genügt ein Zähler, der mit der Periode des Sägezahns zurückgesetzt wird. Die digitalen Werte werden dann dem Verzögerungselement 36 über einen D/A-Wandler 54 vorgegeben. Zwischen digitaler Erzeugung der Verzögerungen in der Ablaufsteuerung 32 und D/A-Wandler 54 kann noch eine optionale Korrektureinheit 56 geschaltet sein, die beispielsweise als Lookup-Table (LUT) implementiert ist. Das ist funktional zu verstehen, die Korrektureinheit 56 kann tatsächlich Teil der Ablaufsteuerung 32 selbst sein. So besteht die Möglichkeit, eine nichtlineare Kennlinie des Verzögerungselements 36 zu linearisieren. 6 shows an exemplary digital control of the delay element 36. An artificial delay is digitally specified in the sequence control 32 according to a desired distribution. For example, a sawtooth ramp can also be created digitally. A counter that is reset with the period of the sawtooth is sufficient. The digital values are then given to the delay element 36 via a D/A converter 54. An optional correction unit 56, which is implemented, for example, as a lookup table (LUT), can also be connected between the digital generation of the delays in the sequence control 32 and the D/A converter 54. This is to be understood functionally; the correction unit 56 can actually be part of the sequence control 32 itself. This makes it possible to linearize a non-linear characteristic of the delay element 36.

Claims

Optoelectronic sensor (10) for detecting and determining the distance of objects (20) in a monitoring area (18), which has a light transmitter (12) for emitting a light pulse (16) at a first time, a light receiver (26) with a first plurality of avalanche photodiode elements (26a), which can each be biased with a bias voltage above a breakdown voltage and can therefore be operated in a Geiger mode and, individually or in groups, generate a reception signal at a second time when receiving light, a second plurality of light transit time measuring units (38) which can be assigned to the avalanche photodiode elements (26a). ) for determining individual light transit times from a first time and a second time as well as a control and evaluation unit (28, 42) which is designed to determine a common light transit time for a transmitted and re-received light pulse from the individual light transit times and a distance value from this , wherein the sensor (10) has a delay element (36) in order to artificially delay the first point in time and / or the second point in time, characterized in that the delay element (36) is designed and arranged in such a way that the time of flight measuring units (38 ) supplied first point in time is delayed and / or the second points in time supplied to the light transit time measuring units (38) are each delayed by the same delay.

Photoelectric sensor (10) according to Claim 1 , wherein the control and evaluation unit (28, 42) is designed to collect individual light transit times in a histogram and to determine the common light transit time from a maximum (46, 48) of the received light pulse (22) in the histogram.

Photoelectric sensor (10) according to Claim 2 , wherein the control and evaluation unit (28, 42) is designed to localize an edge (48) of the maximum (46), in particular a first rising edge (48).

Optoelectronic sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the light transit time measuring units (38) have a time-to-digital converter which is started at the first time and stopped at the second time or vice versa.

Optoelectronic sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the control and evaluation unit (28, 42) is designed to repeatedly emit light pulses (16) in several measurements and to include the individual light transit times generated in the process when determining the common light transit time.

Optoelectronic sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the delay element (32, 36) is designed to generate a delay in the order of magnitude of the time resolution of the time-of-flight measurement units.

Photoelectronic sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the delay element (32, 36) is designed to generate delays evenly distributed.

Photoelectronic sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the delay element (32, 36) is designed to generate the delays by a linear ramp.

Photoelectronic sensor (10) according to one of the Claims 1 until 7 , wherein the delay element (32, 36) comprises a random generator or a noise generator to generate random delays.

Photoelectronic sensor (10) according to one of the preceding claims, wherein the delay element (32, 36) has a correction unit (56) in order to compensate for a non-linear characteristic curve between the desired and actually generated delay.

Method for detecting and determining the distance of objects (20) in a monitoring area (18), wherein a light pulse is emitted at a first time and with a first plurality of avalanche photodiode elements (26a), each biased with a bias voltage above a breakdown voltage and thus in a Geiger mode, a reception signal is generated individually or in groups when receiving light at a second time, with individual light travel times from a first time and a second time being determined by a second plurality of light transit time measuring units (38) assigned to the avalanche photodiode elements (26a) and from the Individual light transit times a common light transit time for a transmitted and re-received light pulse (16, 22) and a distance value is determined from this, the first point in time and / or the second point in time being artificially delayed by means of a delay element (36), characterized in that the delay element ( 36) delays the first point in time supplied jointly to the light transit time measuring units (38) and/or delays the second points in time supplied to the light transit time measuring units (38) by an equal delay.