散射光参考像素的制作方法
【专利说明】散射光参考像素
[0001] 本发明涉及用于确定强度调制的电磁辐射信号的强度调制的强度和/或相位的装 置，包括:检测器，其中所述检测器具有像素矩阵，以及用于将强度调制的辐射信号成像到 该检测器上的成像光学装置，其中在操作中所述成像光学装置用成像的强度调制辐射信号 照射该检测器的成像部分且其中该像素矩阵在该检测器的呈现部分内至少逐部分地排列 且具有被适配成在操作中记录强度调制的辐射信号的测量值的多个像素。
[0002] 本发明还涉及减少散射光对强度调制的电磁辐射信号的强度调制的强度和/或相 位确定的影响的方法，包括以下步骤:将该强度调制的辐射信号成像到检测器上，其中该成 像光学装置用成像的强度调制的辐射信号来照射该检测器的成像部分;用该检测器的像素 矩阵记录成像的强度调制的辐射信号，其中该检测器的该像素矩阵在该成像部分内至少逐 部分地排列且具有被适配成在操作中记录该强度调制的辐射信号的测量值的多个像素。
[0003] 这样的装置和方法被用于例如利用确定强度调制的电磁信号的航程时间 (transit time)的距离测量操作。在该情况下，相对于用于确定强度调制的辐射信号的强 度调制的强度和/或相对相位的装置（即用于强度和/或相位确定的装置)处于已知位置的 发射机发出相应的强度调制的电磁信号。该信号被该发射机附近区域中的物体反射或散 射，其被用该强度调制的辐射施加动作，且在该情况下这一信号被尤其偏转到用于确定强 度和/或相位的装置的方向。
[0004] -般而言，在该情况下，入射的强度调制的辐射信号被背景辐射覆盖，该背景辐射 不涉及任何强度调制或其它频率处的调制。利用用于确定强度和/或相位的装置，被反射的 强度调制的信号被选择性地从入射辐射过滤出（例如利用相关)并被使用参考信号来记录。 出于该目的，用于确定强度和/或相位的装置经受作为参考信号的强度调制的电压或电流 信号的影响。
[0005] 作为参考信号的调制电压或电流信号和辐射信号的强度调制之间的刚性相位相 关对于检测和确定强度调制的电磁辐射信号的强度调制的强度和/或相对相位特别有利。 一般而言，为了简化检测，针对参考信号和强度调制采用相同的频率和/或信号。在该情况 下，调制信号可具有任何周期性结构，特别是例如正弦或余弦结构，或者然而还具有准周期 结构。
[0006] 关于要被检测的辐射信号，相对于参考信号，一方面查明所检测的辐射信号的强 度调制的强度或振幅且另一方面查明其相对相位或相移，更确切而言相对相移。在该情况 下，假定在被发射机发出之际参考信号和强度调制的辐射信号的强度调制之间的相位关系 是已知的。在发出之际所检测的相位辐射信号关于该辐射信号的相移是基于该辐射信号覆 盖从发射机经过发射或散射物体到达用于确定强度和/或相位的装置的行进距离所需的时 间。使用辐射信号的已知传播速度(一般而言其为光速），所覆盖的行进距离可被从该航程 时间计算。使用发射机和用于确定强度和/或相位的装置的已知相对位置，从该行进距离推 导出发射或散射物体的距离。
[0007] 确定强度调制的辐射信号的强度调制的振幅和相对相位的这种一般方法例如从 DE 198 21 974 A1已知。用于检测和确定强度调制的辐射信号的该方法使用例如根据DE 10 2004 016 624 A1的半导体组件。DE 10 2004 016 624 A1描述了所谓的光混频检测器 元件(PMD元件）。在该情况下，入射到半导体组件上的电磁辐射的光子被转换为该半导体组 件的光导层(photoconductive layer)中的载荷子(charge carrier)。
[0008] -般而言，入射电磁辐射包括强度调制的辐射信号和不相关的背景或环境辐射。 相应地，载荷子仅部分由入射的电磁福射中包含的强度调制的福射信号的光子产生。在该 方面，半导体组件中的电磁信号所生成的载荷子的数量与该信号的强度成比例。为了检测 和确定辐射信号的强度调制的振幅和/或相对相移，强度调制的辐射信号所生成的那些载 荷子按照专门针对的方式被从所生成的载荷子的总数中过滤出去。为该目的，该半导体组 件具有所谓的电荷摆动(charge swing)。术语"电荷摆动"在此处被用来表示用于将入射光 自转换为载荷子的光导层，其被用经调制电压信号或经调制电压差来采取动作。光导半导 体层的不同区域之间的经调制电压差提供:所生成的载荷子沿电势梯度被位移且在具有相 对电势最小值的区域中被收集。在光导半导体层的不同区域中收集的载荷子在位移期间或 在时间上在该位移之后被读出。所生成的载荷子因此首先根据经调制电压信号形式的参考 信号被位移或与其混合。被位移或混合的载荷子量随后被积分，由此产生作为测量值的电 信号，所述电信号被与强度调制的辐射信号的强度调制相关。
[0009] 不相关的背景辐射被在光导半导体层的不同区域中读出的信号之间的差异形成 在统计上平均掉。不相关的背景辐射意味着由与经调制电压信号不具有任何刚性相位相关 的这种电磁辐射所生成的载荷子的比例。由此形成的差异信号基本上既与入射的强度调制 的辐射信号的强度成比例，又与强度调制相对于调制电压或参考信号的相移成比例。使用 参考信号和强度调制信号之间的已知相位差，强度调制的相移可被确定，该相移基于所反 射的信号所覆盖的距离及与其相链接的航程时间。
[0010] 在最简单的情况下，利用强度调制电磁信号的航程时间测量确定距离的一般方法 基于以下假设：用于确定强度和/或相位的装置所检测到的强度调制的信号已在其路上或 沿其从发射机到用于确定强度和/或相位的装置的路径上被反射，该反射仅在其距离被确 定或即将被确定的物体处有一次。
[0011]利用成像光学装置，入射的电磁辐射且尤其是入射的强度调制的辐射信号被成像 且聚焦到该检测器的成像部分上且从而被聚焦到像素阵列上。此处和后文的成像是指根据 透镜方程或光学器件的一般规则的定向投影。有关于此，目标是尽可能地确保相关，以使得 要被检测的环境场景或要被检测的物体的图像部分对应于检测器的成像部分内的像素阵 列的每个像素。相应地，在理想成像光学装置的情况下，具有唯一距离值的唯一图像部分应 当对应于每个像素。然而，一般而言，如果已覆盖不同行进距离的强度调制的辐射信号被偏 转到一个且相同像素上，由此产生混合相位，则实践中可能出现问题。这种混合相位导致距 离测量中的错误。这种混合相位可在仅被反射一次且覆盖从发射机经过反射物体到检测设 备的最短距离的辐射信号被进一步的信号覆盖时出现，该进一步的信号通过多次反射沿着 不同路径，然而在该情况下最后被偏转到该相同像素上且从而与相同的图像部分相关联。 这被称为多路径传播。结果是，关于所检测的调制存在一相位位置，该相位位置对应于涉及 不同长度的各个体光束路径的许多不同个体相位位置的重叠。然而，在那些不同的个体相 位位置中，仅一个相位位置对应于正确的距离。
[0012]这种多路径传播在重叠信号是大振幅信号时问题特别严重，例如当多次反射的信 号覆盖比仅被反射一次的辐射信号显著更短的距离时。作为更短的行进距离的结果，这种 多反射辐射信号的强度损耗可以比被反射一次的信号的强度损耗更少，尽管其经过更多次 的反射。这样的结果是:所检测的辐射信号由多反射信号的比例来主导且比实际距离更短 的距离被针对该物体确定。这些问题可在例如距成像光学装置在一短距离处的物体被置于 该区域(在理想成像光学装置的情况下，该区域将是被唯一成像的区域)外时出现。在理想 情况下被位移成像的该区域表示该装置的视野且一般被称为FOV。因此仅在非理想成像光 学装置的情况下，被FOV外的物体反射的电磁辐射传递到成像部分内的像素矩阵的像素上。 在被反射的辐射被例如成像光学装置的侧边散射到成像部分内的像素上时，则其覆盖成像 光学装置所成像的其它辐射信号。正是借助于反射物体的短距离，在该情况下，由于该重叠 而出现的错误可能很严重。
[0013] Dorrington，Α· A·等人 "Separating true range measurements from multi-path and scattering interference in commercial range cameras(将真实范围测量与 商业范围相机中的多路径及散射干扰分开)"提出，在这种经过多条路径的多路径传播的情 况下，用多个不同强度调制频率实现测量并在数学上或数字上从其计算正确的距离值或逼 近该距离值。注意，出于该目的，必须对一方程系统求解，该方程系统不能在闭合形式求解 且相应地要被迭代地最小化。该应用是非常耗费计算且从而非常耗费时间的，且相应地不 适于实时应用。
[0014] 涉及多路径传播的所述问题特别在散射光信号的专门形式中出现。术语"散射光 信号"在此处和后文中被用于表示在成像光学装置内传播的强度辐射的电磁辐射信号，其 传播方式是：其被成像光学装置偏转到装置部分且具体而言是像素矩阵的像素上，也就是 说其被散射，其不对应于成像光学装置的理想透镜属性情况下该辐射信号的反射或传播方 向。散射光信号可例如利用辐射信号在成像光学装置的侧边处和/或借助于城乡光学装置 的不理想的成像属性而出现。散射光信号的出现在以下情况下问题特别严重:其是装置固 有的属性，这相应地在利用用于确定强度和/或相位的不理想装置的任何测量中出现，该不 理想装置的成像光学装置不理想或有瑕疵。其结果是:借助于要被测量的场景，即使实际上 假定多路径传播被排除的情况下，散射光信号也可能出现。即使在调查仅具有要被确定其 距离的例如一个物体的简单且可容易地管理的场景时，散射光信号的问题也可出现，因为 散射光可能来自F0V外的区域。
[0015] 相应地，本发明的目标是提供一种用于减少散射光对强度调制的电磁辐射信号的 强度调制的强度和/或相位确定的影响的装置和方法，通过该装置和方法，特别是因散射光 信号而产生的确定距离时的错误可被防止或减少。
[0016] 该目标被实现，因为在本说明书的开头部分所阐述的装置具有至少一个散射光参 考像素，其布置在该检测器的成像部分外且被适配成在操作中其记录强度调制的散射光信 号的测量值，以及确定装置，其被适配成在操作中其处理来自该成像部分内的像素矩阵的 至少一个像素的测量值作为第一数据输入以及来自至少一个散射光参考信号的测量值作 为第二数据输入，其方式为:在第一确定步骤中其从该第一数据输入确定强度调制的辐射 信号的强度和/或强度调制的辐射信号的强度调制和至少针对该成像部分内的像素的参考 信号之间的相对相位，且其从该第二数据输入确定该强度调制的散射光信号的强度和/或 该强度调制的散射光的强度调制和至少针对该散射光参考像素的参考信号之间的相对相 位，且在第二确定步骤中，其将第一确定步骤的确定结果彼此偏移，其方式为:该确定设备 提供强度调制的辐射信号的经纠正的强度和/或强度调制的辐射信号的强度调制和至少针 对该成像部分内的像素的参考信号之间的经纠正的相对相位并将其作为数据输出提供； 和/或该确定设备处理以以下方式处理所述数据输入:在第一确定步骤中其将所述数据输 入以其确定至少针对该成像部分内的像素的经纠正的测量值的方式来彼此偏移，且在第二 确定步骤中其从第一确定步骤的经纠正的测量值确定强度调制的辐射信号的经纠正的强 度和/或强度调制的辐射信号的强度调制和至少针对该成像部分内