DE102011089636A1 - Light propagation time camera system, has evaluation unit connected with light propagation time sensor and photosensor and designed to start distance measurement depending on signals of photosensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamera und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a light cycle camera and a method for operating such according to the species of the independent claims.
Mit Lichtlaufzeitkamerasystem bzw. Lichtlaufzeitkamera sollen nicht nur Systeme umfasst sein, die Entfernungen direkt aus der Lichtlaufzeit ermitteln, sondern insbesondere auch alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u. a. in den Anmeldungen
Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Distanzmessungen einer Lichtlaufzeitkamera zu verbessern.The object of the invention is to improve the reliability and accuracy of the distance measurements of a light runtime camera.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamera und das Verfahren zum Betreiben einer solchen entsprechend der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object is achieved in an advantageous manner by the inventive time of flight camera and the method for operating such according to the independent claims.
Vorteilhaft ist eine Lichtlaufzeitkamera vorgesehen, mit einem Lichtlaufzeitsensor, der insbesondere als Photomischdetektor aufgebaut ist. Zusätzlich zum Lichtlaufzeitsensor ist ein Photosensor, wobei beide Sensoren mit einer Auswerteeinheit verbunden sind. Die Auswerteeinheit ist derart ausgestaltet, dass eine Entfernungsmessung in Abhängigkeit von Signalen des Photosensors gestartet wird.Advantageously, a light cycle camera is provided, with a light transit time sensor, which is constructed in particular as a photonic mixer. In addition to the light transit time sensor is a photosensor, both sensors are connected to an evaluation unit. The evaluation unit is designed such that a distance measurement is started in dependence on signals of the photosensor.
Dieses Vorgehen erlaubt es, den Messablauf der Lichtlaufzeitkamera an Lichtereignisse der Umgebung anzupassen.This procedure makes it possible to adapt the measuring sequence of the light runtime camera to light events in the environment.
Ebenso vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeitkamera vorgesehen, bei dem in einer Horchphase über einen Photosensor Lichtsignale erfasst werden, und eine Entfernungsmessung in Abhängigkeit der in der Horchphase erfassten Lichtsignale eingeleitet wird.Likewise advantageously, a method is provided for operating a light-propagating time camera, in which light signals are detected in a listening phase via a photosensor, and a distance measurement is initiated as a function of the light signals detected in the listening phase.
Bevorzugt wird eine Entfernungsmessung zunächst nicht eingeleitet, wenn in der Horchphase Lichtsignale eines fremden Lichtlaufzeitkamerasystems erfasst werden.Preferably, a distance measurement is initially not initiated when light signals of a foreign light transit time camera system are detected in the listening phase.
In Reaktion auf die erfassten Lichtsignale können in Abhängigkeit eines erkannten störenden Lichtsignals vorteilhaft die eigenen Mess- und/oder Auswerteparameter festgelegt und geeignet angepasst werden.In response to the detected light signals, its own measurement and / or evaluation parameters can advantageously be determined and suitably adapted as a function of a detected interfering light signal.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung, wird bei einer erfassten fremden Modulationsfrequenz eine eigene Modulationsfrequenz davon abweichend festgelegt.In a further preferred refinement, a separate modulation frequency is determined deviating therefrom in the case of a detected foreign modulation frequency.
Ferner ist es vorteilhaft vorgesehen, in Abhängigkeit des erkannten störenden Lichtsignals eine Integrationszeit und/oder eine Phasenreihenfolge und/oder Messpausen anzupassen.Furthermore, it is advantageously provided to adapt an integration time and / or a phase sequence and / or measurement pauses as a function of the detected interfering light signal.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen schematisch:They show schematically:
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, like reference characters designate like or similar components.
Das Lichtlaufzeit-Kamerasystem
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle
Dieses Grundprinzip ist schematisch in
Bevorzugt ist der Photosensor
Vorteilhaft ist es vorgesehen, störende Signale mit Hilfe einer Frequenzanalyse zu erkennen. Im einfachsten Fall kann es bereits ausreichen eine Frequenz anhand einer Flankenerkennung oder beispielsweise eine „Peak/kein Peak”-Analyse durchzuführen. In einem solchen Fall muss der A/D-Wandler nicht notwendigerweise die doppelte maximale Modulationsfrequenz samplen können. Gegebenenfalls ist auch eine Schaltung denkbar, bei der für die Frequenzanalyse auf einen A/D-Wandler verzichtet werden kann.Advantageously, it is provided to detect interfering signals by means of a frequency analysis. In the simplest case, it may already be sufficient to carry out a frequency based on edge detection or, for example, a "peak / no peak" analysis. In such a case, the A / D converter does not necessarily need to sample twice the maximum modulation frequency. Optionally, a circuit is conceivable in which it is possible to dispense with the frequency analysis on an A / D converter.
Bevorzugt wird eine FFT-Analyse vorgeschlagen, wobei jedoch auch alternative Frequenzanalyseverfahren denkbar sind.Preferably, an FFT analysis is proposed, but also alternative frequency analysis methods are conceivable.
Ausgehend von der Frequenzanalyse ist es erfindungsgemäß vorgesehen, diese Informationen dem Lichtlaufzeitkamerasystem
Eine erfindungsgemäße Messung lässt sich beispielsweise wie folgt darstellen: Die Photodiode oder ein anderes geeignetes lichtempfindliches Bauteil empfängt das aus der Umgebung kommende Licht. Idealerweise beobachtet das lichtempfindliche Bauteil den gleichen Öffnungswinkelbereich wie das Objektiv
Es kann z. B. dadurch geschehen, dass nach jeder Messung vor der nächsten Prüfung eine Pause bzw. Wartezeit eingeführt wird, um insbesondere anderen Systemen die bereits länger warten den Vorrang zu geben. Die Wartezeit sollte vorzugsweise innerhalb sinnvoller Grenzen zufällig sein, so dass nicht mehrere wartende Systeme gleichzeitig messen bzw. senden. So wird die Störwahrscheinlichkeit durch gleichzeitiges Messen verringert.It can, for. This can be done, for example, by introducing a pause or waiting time after each measurement before the next test in order to prioritize other systems that have been waiting for longer. The waiting time should preferably be random within reasonable limits, so that not several systems waiting to measure or send simultaneously. Thus, the probability of interference is reduced by simultaneous measurement.
Ein möglicher Verfahrensablauf ist in
Die zweite Lichtlaufzeitkamera L2 hat mit der ersten Horchphase H1 etwas später begonnen und empfängt in der ersten Hochphase H1 ein moduliertes Licht des ersten Lichtlaufzeitkamerasystems L1. Auch in der zweiten und dritten Horchphase H2, H3 liegt dieses Signal an. Während der vierten Horchphase H4 ist die Distanzmessung der ersten Kamera L1 beendet, so dass kein störendes Signal in dieser Horchphase H4 zu detektieren ist. Erfindungsgemäß leitet die zweite Kamera L2 dann ihre eigene Distanzmessung ein.The second time-of-flight camera L2 has started a little later with the first listening phase H1 and in the first high-phase H1 receives a modulated light of the first time-of-flight camera system L1. This signal is also present in the second and third listening phases H2, H3. During the fourth listening phase H4, the distance measurement of the first camera L1 is ended, so that no disturbing signal is to be detected in this listening phase H4. According to the invention, the second camera L2 then initiates its own distance measurement.
Im dargestellten Fall folgenden die Horchphasen mit äquidistanten zeitlichen Abstand aufeinander. In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist es vorgesehen, die zeitlichen Abstände innerhalb sinnvoller Grenzen zufällig festzulegen. Dies hat den Vorteil, dass insbesondere bei einem Einsatz von mehr als zwei Kameras eine zufällige zeitliche Synchronität der Horchphasen vermieden werden kann.In the illustrated case, the listening phases follow one another with an equidistant time interval. In a further embodiment of the invention, it is provided to set the time intervals within reasonable limits at random. This has the advantage that, in particular with the use of more than two cameras, a random temporal synchronicity of the listening phases can be avoided.
In einer weiteren Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, die Horchphasen bereits unmittelbar nach der Distanzmessung beginnen zu lassen oder ggf. auch parallel während der Distanzmessung Horchphasen durchzuführen. Dies hat den Vorteil, dass je nach Störer weitere Informationen über die Fremdlichtquellen erfasst werden können.In a further embodiment, it can also be provided to allow the listening phases to begin immediately after the distance measurement or, if appropriate, also to carry out parallel listening during the distance measurement. This has the advantage that depending on the interferer further information about the extraneous light sources can be detected.
Bevorzugt haben die Horchphasen die gleiche zeitliche Länge um beispielsweise eine FFT-Auswertung zu vereinfachen. Selbstverständlich sind auch unterschiedliche Längen denkbar und insbesondere auch eine kontinuierliche Horchphase. Abhängig vom gewünschten Einsatz können unterschiedliche Auswertungen anhand der vom Photosensor erfassten Signale durchgeführt werden. Insbesondere können die Messeigenschaften einer fremden Lichtlaufzeitkamera ermittelt werden, wie beispielsweise die Länge der Messintervalle, Pausen etc.The listening phases preferably have the same time length in order to simplify, for example, an FFT evaluation. Of course, different lengths are conceivable and in particular a continuous Horchphase. Depending on the desired application, different evaluations can be carried out based on the signals detected by the photosensor. In particular, the measurement properties of a foreign light cycle camera can be determined, such as the length of the measurement intervals, breaks, etc.
Im dargestellten Fall horcht die zweite Lichtlaufzeitkamera L2 permanent. Nach Auswerten der empfangen Lichtsignale, kann der genaue Messzyklus der ersten Kamera L1 bestimmt und der Messzyklus der zweiten Kamera L2 entsprechend angepasst werden. Im vorliegenden Fall ist es vorgesehen, die Distanzmessungen für die einzelnen Phasenlagen in die Messpausen der Phasenmessung der ersten Kamera L1 zu legen.In the case shown, the second time-of-flight camera L2 permanently listens. After evaluating the received light signals, the exact measurement cycle of the first camera L1 can be determined and the measurement cycle of the second camera L2 can be adjusted accordingly. In the present case, it is provided to place the distance measurements for the individual phase positions in the measurement pauses of the phase measurement of the first camera L1.
Darüber hinaus sind auch weitere Reaktionsmöglichkeiten möglich. Wird beispielsweise von der messenden Kamera erkannt, dass die fremde Kamera keine geeigneten Messpausen bereitstellt, können ggf. alternative Messmöglichkeiten vorgesehen sein. Beispielsweise könnte es vorgesehen sein, die eigene Modulationsfrequenz zu ändern und/oder die Sample-Länge zu verändern oder ggf. sogar, falls Empfänger und Sender entsprechend konfiguriert sind, die Wellenlänge der Beleuchtung zu wechseln. Darüber hinaus können in nicht abschließender Aufzählung Frameraten, Integrationsraten und Auswertealgorithmen geändert und/oder angepasst werden. Auch ist es denkbar die Anzahl der Phasenmessungen zu verändern, beispielsweise die Messungen auf zunächst zwei Phasen zu reduzieren.In addition, other reaction options are possible. If, for example, the measuring camera detects that the foreign camera does not provide suitable measurement pauses, alternative measurement options may possibly be provided. For example, it could be provided to change its own modulation frequency and / or to change the sample length or possibly even if the receiver and transmitter are configured accordingly to change the wavelength of the illumination. In addition, in non-exhaustive enumeration, frame rates, integration rates, and evaluation algorithms can be changed and / or adjusted. It is also conceivable to change the number of phase measurements, for example to reduce the measurements to initially two phases.
Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Vorgehen insbesondere für kooperierende Lichtlaufzeitkameras eingesetzt werden. Wie bereits oben dargestellt ist es in den Horchphasen durchaus möglich grundlegende Eigenschaften einer fremden Kamera zu erkennen. Entsprechend der erkannten Eigenschaften werden von der horchenden Lichtlaufzeitkamera die eigenen Messparameter entsprechend angepasst.Advantageously, the procedure according to the invention can be used in particular for cooperating time of flight cameras. As already shown above, it is quite possible in the listening phases to recognize basic characteristics of a foreign camera. According to the recognized Properties are adjusted by the listening light time camera according to their own measurement parameters.
Auch sind kooperierende Lichtlaufzeitkamera-Anordnungen mit mehr als zwei Kameras denkbar, bei denen die Kameras anhand der erfassten Lichtsignale alle in der Gesamtanordnung arbeitenden Kameras erkennen und ihre Messzyklen entsprechend anpassen.Cooperating time of flight camera arrangements with more than two cameras are also conceivable in which the cameras use the detected light signals to recognize all the cameras operating in the overall arrangement and to adapt their measuring cycles accordingly.
Werden keine kooperierende Kameras erkannt oder sind die Lichtsignale durch andere Störer verursacht, können in Abhängigkeit der erkannten Störereigenschaft geeignete Hilfsmaßnahmen, wie bereits oben beschrieben, eingeleitet werden, um den Einfluss des Störers zu minimieren.If no cooperating cameras are detected, or if the light signals are caused by other interferers, appropriate remedial measures, as already described above, can be initiated depending on the detected disturbance property in order to minimize the influence of the interferer.
Wurde beispielsweise ein Lichtsignal erkannt, dessen Modulationsfrequenz die eigene Modulationsfrequenz stört, beispielsweise weil sie im Wesentlichen gleich oder Vielfache von einander sind, so kann vorteilhaft die eigene Modulationsfrequenz geändert werden.If, for example, a light signal has been detected whose modulation frequency disturbs its own modulation frequency, for example because it is essentially equal to or multiple from one another, then advantageously its own modulation frequency can be changed.
Für den Fall, dass durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem keine geeigneten Maßnahmen zur Verminderung oder Vermeidung von Beeinträchtigungen der eigenen Messperformance durch störende externe Lichtsignal getroffen werden können, kann einem nachfolgenden Verarbeitungssystem eine beeinträchtigte Messperformance bzw. Datenintegrität oder eine Nichtverfügbarkeit signalisiert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft bei sicherheitsrelevanten Systemen.In the event that no suitable measures for reducing or avoiding impairments to one's own measurement performance can be taken by disturbing external light signal by the inventive time of day camera system, a subsequent processing system, an impaired measurement performance or data integrity or unavailability can be signaled. This is particularly advantageous in safety-relevant systems.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- LichtlaufzeitkamerasystemTime of flight camera system
- 1010
- Sendeeinheit, BeleuchtungsmodulTransmitting unit, lighting module
- 1212
- BeleuchtungslichtquelleIllumination light source
- 1515
- StrahlformungsoptikBeam shaping optics
- 2020
- Empfangseinheit, TOF-KameraReceiving unit, TOF camera
- 2222
- LichtlaufzeitsensorTransit Time Sensor
- 2525
- Empfangsoptikreceiving optics
- 3030
- Modulatormodulator
- 4040
- Objektobject
- 5050
- Optikoptics
- 100100
- Photosensorphotosensor
- 110110
- Signalaufbereitungsignal conditioning
- 120120
- AD-WandlerADC
- 130130
- Auswerteeinheitevaluation
- Ladungencharges
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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