散射光參考像素的制作方法
【專利說明】散射光參考像素
[0001] 本發(fā)明涉及用于確定強(qiáng)度調(diào)制的電磁輻射信號的強(qiáng)度調(diào)制的強(qiáng)度和/或相位的裝 置，包括:檢測器，其中所述檢測器具有像素矩陣，以及用于將強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號成像到 該檢測器上的成像光學(xué)裝置，其中在操作中所述成像光學(xué)裝置用成像的強(qiáng)度調(diào)制輻射信號 照射該檢測器的成像部分且其中該像素矩陣在該檢測器的呈現(xiàn)部分內(nèi)至少逐部分地排列 且具有被適配成在操作中記錄強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號的測量值的多個(gè)像素。
[0002] 本發(fā)明還涉及減少散射光對強(qiáng)度調(diào)制的電磁輻射信號的強(qiáng)度調(diào)制的強(qiáng)度和/或相 位確定的影響的方法，包括以下步驟:將該強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號成像到檢測器上，其中該成 像光學(xué)裝置用成像的強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號來照射該檢測器的成像部分;用該檢測器的像素 矩陣記錄成像的強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號，其中該檢測器的該像素矩陣在該成像部分內(nèi)至少逐 部分地排列且具有被適配成在操作中記錄該強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號的測量值的多個(gè)像素。
[0003] 這樣的裝置和方法被用于例如利用確定強(qiáng)度調(diào)制的電磁信號的航程時(shí)間 (transit time)的距離測量操作。在該情況下，相對于用于確定強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號的強(qiáng) 度調(diào)制的強(qiáng)度和/或相對相位的裝置（即用于強(qiáng)度和/或相位確定的裝置)處于已知位置的 發(fā)射機(jī)發(fā)出相應(yīng)的強(qiáng)度調(diào)制的電磁信號。該信號被該發(fā)射機(jī)附近區(qū)域中的物體反射或散 射，其被用該強(qiáng)度調(diào)制的輻射施加動(dòng)作，且在該情況下這一信號被尤其偏轉(zhuǎn)到用于確定強(qiáng) 度和/或相位的裝置的方向。
[0004] -般而言，在該情況下，入射的強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號被背景輻射覆蓋，該背景輻射 不涉及任何強(qiáng)度調(diào)制或其它頻率處的調(diào)制。利用用于確定強(qiáng)度和/或相位的裝置，被反射的 強(qiáng)度調(diào)制的信號被選擇性地從入射輻射過濾出（例如利用相關(guān))并被使用參考信號來記錄。 出于該目的，用于確定強(qiáng)度和/或相位的裝置經(jīng)受作為參考信號的強(qiáng)度調(diào)制的電壓或電流 信號的影響。
[0005] 作為參考信號的調(diào)制電壓或電流信號和輻射信號的強(qiáng)度調(diào)制之間的剛性相位相 關(guān)對于檢測和確定強(qiáng)度調(diào)制的電磁輻射信號的強(qiáng)度調(diào)制的強(qiáng)度和/或相對相位特別有利。 一般而言，為了簡化檢測，針對參考信號和強(qiáng)度調(diào)制采用相同的頻率和/或信號。在該情況 下，調(diào)制信號可具有任何周期性結(jié)構(gòu)，特別是例如正弦或余弦結(jié)構(gòu)，或者然而還具有準(zhǔn)周期 結(jié)構(gòu)。
[0006] 關(guān)于要被檢測的輻射信號，相對于參考信號，一方面查明所檢測的輻射信號的強(qiáng) 度調(diào)制的強(qiáng)度或振幅且另一方面查明其相對相位或相移，更確切而言相對相移。在該情況 下，假定在被發(fā)射機(jī)發(fā)出之際參考信號和強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號的強(qiáng)度調(diào)制之間的相位關(guān)系 是已知的。在發(fā)出之際所檢測的相位輻射信號關(guān)于該輻射信號的相移是基于該輻射信號覆 蓋從發(fā)射機(jī)經(jīng)過發(fā)射或散射物體到達(dá)用于確定強(qiáng)度和/或相位的裝置的行進(jìn)距離所需的時(shí) 間。使用輻射信號的已知傳播速度(一般而言其為光速），所覆蓋的行進(jìn)距離可被從該航程 時(shí)間計(jì)算。使用發(fā)射機(jī)和用于確定強(qiáng)度和/或相位的裝置的已知相對位置，從該行進(jìn)距離推 導(dǎo)出發(fā)射或散射物體的距離。
[0007] 確定強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號的強(qiáng)度調(diào)制的振幅和相對相位的這種一般方法例如從 DE 198 21 974 A1已知。用于檢測和確定強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號的該方法使用例如根據(jù)DE 10 2004 016 624 A1的半導(dǎo)體組件。DE 10 2004 016 624 A1描述了所謂的光混頻檢測器 元件(PMD元件）。在該情況下，入射到半導(dǎo)體組件上的電磁輻射的光子被轉(zhuǎn)換為該半導(dǎo)體組 件的光導(dǎo)層(photoconductive layer)中的載荷子(charge carrier)。
[0008] -般而言，入射電磁輻射包括強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號和不相關(guān)的背景或環(huán)境輻射。 相應(yīng)地，載荷子僅部分由入射的電磁福射中包含的強(qiáng)度調(diào)制的福射信號的光子產(chǎn)生。在該 方面，半導(dǎo)體組件中的電磁信號所生成的載荷子的數(shù)量與該信號的強(qiáng)度成比例。為了檢測 和確定輻射信號的強(qiáng)度調(diào)制的振幅和/或相對相移，強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號所生成的那些載 荷子按照專門針對的方式被從所生成的載荷子的總數(shù)中過濾出去。為該目的，該半導(dǎo)體組 件具有所謂的電荷擺動(dòng)(charge swing)。術(shù)語"電荷擺動(dòng)"在此處被用來表示用于將入射光 自轉(zhuǎn)換為載荷子的光導(dǎo)層，其被用經(jīng)調(diào)制電壓信號或經(jīng)調(diào)制電壓差來采取動(dòng)作。光導(dǎo)半導(dǎo) 體層的不同區(qū)域之間的經(jīng)調(diào)制電壓差提供:所生成的載荷子沿電勢梯度被位移且在具有相 對電勢最小值的區(qū)域中被收集。在光導(dǎo)半導(dǎo)體層的不同區(qū)域中收集的載荷子在位移期間或 在時(shí)間上在該位移之后被讀出。所生成的載荷子因此首先根據(jù)經(jīng)調(diào)制電壓信號形式的參考 信號被位移或與其混合。被位移或混合的載荷子量隨后被積分，由此產(chǎn)生作為測量值的電 信號，所述電信號被與強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號的強(qiáng)度調(diào)制相關(guān)。
[0009] 不相關(guān)的背景輻射被在光導(dǎo)半導(dǎo)體層的不同區(qū)域中讀出的信號之間的差異形成 在統(tǒng)計(jì)上平均掉。不相關(guān)的背景輻射意味著由與經(jīng)調(diào)制電壓信號不具有任何剛性相位相關(guān) 的這種電磁輻射所生成的載荷子的比例。由此形成的差異信號基本上既與入射的強(qiáng)度調(diào)制 的輻射信號的強(qiáng)度成比例，又與強(qiáng)度調(diào)制相對于調(diào)制電壓或參考信號的相移成比例。使用 參考信號和強(qiáng)度調(diào)制信號之間的已知相位差，強(qiáng)度調(diào)制的相移可被確定，該相移基于所反 射的信號所覆蓋的距離及與其相鏈接的航程時(shí)間。
[0010] 在最簡單的情況下，利用強(qiáng)度調(diào)制電磁信號的航程時(shí)間測量確定距離的一般方法 基于以下假設(shè)：用于確定強(qiáng)度和/或相位的裝置所檢測到的強(qiáng)度調(diào)制的信號已在其路上或 沿其從發(fā)射機(jī)到用于確定強(qiáng)度和/或相位的裝置的路徑上被反射，該反射僅在其距離被確 定或即將被確定的物體處有一次。
[0011]利用成像光學(xué)裝置，入射的電磁輻射且尤其是入射的強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號被成像 且聚焦到該檢測器的成像部分上且從而被聚焦到像素陣列上。此處和后文的成像是指根據(jù) 透鏡方程或光學(xué)器件的一般規(guī)則的定向投影。有關(guān)于此，目標(biāo)是盡可能地確保相關(guān)，以使得 要被檢測的環(huán)境場景或要被檢測的物體的圖像部分對應(yīng)于檢測器的成像部分內(nèi)的像素陣 列的每個(gè)像素。相應(yīng)地，在理想成像光學(xué)裝置的情況下，具有唯一距離值的唯一圖像部分應(yīng) 當(dāng)對應(yīng)于每個(gè)像素。然而，一般而言，如果已覆蓋不同行進(jìn)距離的強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號被偏 轉(zhuǎn)到一個(gè)且相同像素上，由此產(chǎn)生混合相位，則實(shí)踐中可能出現(xiàn)問題。這種混合相位導(dǎo)致距 離測量中的錯(cuò)誤。這種混合相位可在僅被反射一次且覆蓋從發(fā)射機(jī)經(jīng)過反射物體到檢測設(shè) 備的最短距離的輻射信號被進(jìn)一步的信號覆蓋時(shí)出現(xiàn)，該進(jìn)一步的信號通過多次反射沿著 不同路徑，然而在該情況下最后被偏轉(zhuǎn)到該相同像素上且從而與相同的圖像部分相關(guān)聯(lián)。 這被稱為多路徑傳播。結(jié)果是，關(guān)于所檢測的調(diào)制存在一相位位置，該相位位置對應(yīng)于涉及 不同長度的各個(gè)體光束路徑的許多不同個(gè)體相位位置的重疊。然而，在那些不同的個(gè)體相 位位置中，僅一個(gè)相位位置對應(yīng)于正確的距離。
[0012]這種多路徑傳播在重疊信號是大振幅信號時(shí)問題特別嚴(yán)重，例如當(dāng)多次反射的信 號覆蓋比僅被反射一次的輻射信號顯著更短的距離時(shí)。作為更短的行進(jìn)距離的結(jié)果，這種 多反射輻射信號的強(qiáng)度損耗可以比被反射一次的信號的強(qiáng)度損耗更少，盡管其經(jīng)過更多次 的反射。這樣的結(jié)果是:所檢測的輻射信號由多反射信號的比例來主導(dǎo)且比實(shí)際距離更短 的距離被針對該物體確定。這些問題可在例如距成像光學(xué)裝置在一短距離處的物體被置于 該區(qū)域(在理想成像光學(xué)裝置的情況下，該區(qū)域?qū)⑹潜晃ㄒ怀上竦膮^(qū)域)外時(shí)出現(xiàn)。在理想 情況下被位移成像的該區(qū)域表示該裝置的視野且一般被稱為FOV。因此僅在非理想成像光 學(xué)裝置的情況下，被FOV外的物體反射的電磁輻射傳遞到成像部分內(nèi)的像素矩陣的像素上。 在被反射的輻射被例如成像光學(xué)裝置的側(cè)邊散射到成像部分內(nèi)的像素上時(shí)，則其覆蓋成像 光學(xué)裝置所成像的其它輻射信號。正是借助于反射物體的短距離，在該情況下，由于該重疊 而出現(xiàn)的錯(cuò)誤可能很嚴(yán)重。
[0013] Dorrington，Α· A·等人 "Separating true range measurements from multi-path and scattering interference in commercial range cameras(將真實(shí)范圍測量與 商業(yè)范圍相機(jī)中的多路徑及散射干擾分開)"提出，在這種經(jīng)過多條路徑的多路徑傳播的情 況下，用多個(gè)不同強(qiáng)度調(diào)制頻率實(shí)現(xiàn)測量并在數(shù)學(xué)上或數(shù)字上從其計(jì)算正確的距離值或逼 近該距離值。注意，出于該目的，必須對一方程系統(tǒng)求解，該方程系統(tǒng)不能在閉合形式求解 且相應(yīng)地要被迭代地最小化。該應(yīng)用是非常耗費(fèi)計(jì)算且從而非常耗費(fèi)時(shí)間的，且相應(yīng)地不 適于實(shí)時(shí)應(yīng)用。
[0014] 涉及多路徑傳播的所述問題特別在散射光信號的專門形式中出現(xiàn)。術(shù)語"散射光 信號"在此處和后文中被用于表示在成像光學(xué)裝置內(nèi)傳播的強(qiáng)度輻射的電磁輻射信號，其 傳播方式是：其被成像光學(xué)裝置偏轉(zhuǎn)到裝置部分且具體而言是像素矩陣的像素上，也就是 說其被散射，其不對應(yīng)于成像光學(xué)裝置的理想透鏡屬性情況下該輻射信號的反射或傳播方 向。散射光信號可例如利用輻射信號在成像光學(xué)裝置的側(cè)邊處和/或借助于城鄉(xiāng)光學(xué)裝置 的不理想的成像屬性而出現(xiàn)。散射光信號的出現(xiàn)在以下情況下問題特別嚴(yán)重:其是裝置固 有的屬性，這相應(yīng)地在利用用于確定強(qiáng)度和/或相位的不理想裝置的任何測量中出現(xiàn)，該不 理想裝置的成像光學(xué)裝置不理想或有瑕疵。其結(jié)果是:借助于要被測量的場景，即使實(shí)際上 假定多路徑傳播被排除的情況下，散射光信號也可能出現(xiàn)。即使在調(diào)查僅具有要被確定其 距離的例如一個(gè)物體的簡單且可容易地管理的場景時(shí)，散射光信號的問題也可出現(xiàn)，因?yàn)?散射光可能來自F0V外的區(qū)域。
[0015] 相應(yīng)地，本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種用于減少散射光對強(qiáng)度調(diào)制的電磁輻射信號的 強(qiáng)度調(diào)制的強(qiáng)度和/或相位確定的影響的裝置和方法，通過該裝置和方法，特別是因散射光 信號而產(chǎn)生的確定距離時(shí)的錯(cuò)誤可被防止或減少。
[0016] 該目標(biāo)被實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樵诒菊f明書的開頭部分所闡述的裝置具有至少一個(gè)散射光參 考像素，其布置在該檢測器的成像部分外且被適配成在操作中其記錄強(qiáng)度調(diào)制的散射光信 號的測量值，以及確定裝置，其被適配成在操作中其處理來自該成像部分內(nèi)的像素矩陣的 至少一個(gè)像素的測量值作為第一數(shù)據(jù)輸入以及來自至少一個(gè)散射光參考信號的測量值作 為第二數(shù)據(jù)輸入，其方式為:在第一確定步驟中其從該第一數(shù)據(jù)輸入確定強(qiáng)度調(diào)制的輻射 信號的強(qiáng)度和/或強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號的強(qiáng)度調(diào)制和至少針對該成像部分內(nèi)的像素的參考 信號之間的相對相位，且其從該第二數(shù)據(jù)輸入確定該強(qiáng)度調(diào)制的散射光信號的強(qiáng)度和/或 該強(qiáng)度調(diào)制的散射光的強(qiáng)度調(diào)制和至少針對該散射光參考像素的參考信號之間的相對相 位，且在第二確定步驟中，其將第一確定步驟的確定結(jié)果彼此偏移，其方式為:該確定設(shè)備 提供強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號的經(jīng)糾正的強(qiáng)度和/或強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號的強(qiáng)度調(diào)制和至少針 對該成像部分內(nèi)的像素的參考信號之間的經(jīng)糾正的相對相位并將其作為數(shù)據(jù)輸出提供； 和/或該確定設(shè)備處理以以下方式處理所述數(shù)據(jù)輸入:在第一確定步驟中其將所述數(shù)據(jù)輸 入以其確定至少針對該成像部分內(nèi)的像素的經(jīng)糾正的測量值的方式來彼此偏移，且在第二 確定步驟中其從第一確定步驟的經(jīng)糾正的測量值確定強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號的經(jīng)糾正的強(qiáng) 度和/或強(qiáng)度調(diào)制的輻射信號的強(qiáng)度調(diào)制和至少針對該成像部分內(nèi)