DE102018114633A1 - Device for focusing a time-of-flight camera - Google Patents

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Abstract

Lichtlaufzeitkamera (20) mit einem Fokussiersystem (23, 24) mit wenigstens zwei festen Positionen (271, 272, 273), die als Rastpunkte und/oder Endanschläge ausgebildet sind,wobei die Lichtlaufzeitkamera (20) derart ausgestaltet ist, dass die Lichtlaufzeitkamera (20) für jede feste Position (271, 272, 273) eine Kalibrierung aufweist.Light travel time camera (20) with a focusing system (23, 24) with at least two fixed positions (271, 272, 273), which are designed as locking points and / or end stops, the light travel time camera (20) being designed such that the light travel time camera (20 ) has a calibration for each fixed position (271, 272, 273).

Description

Die Erfindung befasst sich mit einer Lichtlaufzeitkamera nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to a time-of-flight camera according to the type of the independent claim.

Derartige Lichtlaufzeitkameras bzw. Kamerasysteme betreffen insbesondere 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 beispielsweise in der DE 197 04 496 C2 beschrieben und von der Firma ‚ifm electronic GmbH‘ oder ‚pmdtechnologies ag‘ als Frame-Grabber O3D bzw. als CamCube zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können. Selbstverständlich sollen mit dem Begriff Kamera bzw. Kamerasystem auch Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein.Such time-of-flight cameras or camera systems relate in particular to all time-of-flight or 3D TOF camera systems which obtain time-of-flight information from the phase shift of emitted and received radiation. PMD cameras with photomixing detectors (PMD) are particularly suitable as the light propagation time or 3D TOF cameras, such as those in DE 197 04 496 C2 described and can be obtained from the company 'ifm electronic GmbH' or 'pmdtechnologies ag' as frame grabber O3D or as CamCube. The PMD camera in particular allows a flexible arrangement of the light source and the detector, which can be arranged both in a housing and separately. Of course, the term camera or camera system should also include cameras or devices with at least one reception pixel.

Lichtlaufzeitkameras werden häufig mit fest eingestellten Objektiven mit Festbrennweite und fest eingestellter Blende ausgestattet. Eine derartige Ausgestaltung ist von Vorteil, da mit festeingestellten Optik-Parametern die Lichtlaufzeitkamera einfach kalibriert werden kann. Um die Photonenausbeute zu erhöhen werden insbesondere Objektive mit einer sehr kleinen Blendenzahl bevorzugt, mit dem Nachteil, dass auch die Schärfentiefe mit abnehmender Blendenzahl kleiner wird.Time-of-flight cameras are often equipped with fixed lenses with a fixed focal length and a fixed aperture. Such an embodiment is advantageous since the time-of-flight camera can be easily calibrated with fixed optics parameters. In order to increase the photon yield, lenses with a very small f-number are preferred, with the disadvantage that the depth of field also becomes smaller with a decreasing f-number.

Eine motorische Einstellung des Fokus einer Kamera ist aus dem 2D-Bereich hinlänglich bekannt. So zeigt die EP 3 130 953 A1 beispielhaft einen Linearmotor in Form eines so genannten Voice Coil Motors zur Fokussierung einer Linse.A motorized adjustment of the focus of a camera is well known from the 2D area. So it shows EP 3 130 953 A1 for example a linear motor in the form of a so-called voice coil motor for focusing a lens.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Flexibilität mit der die Lichtlaufzeitkamera an verschiedene Applikationen angepasst werden kann zu erhöhen Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamera nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The object of the invention is to increase the flexibility with which the time-of-flight camera can be adapted to different applications. The object of the invention is advantageously achieved by the time-of-flight camera according to the type of the independent claim. The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawings.

Vorteilhaft ist eine Lichtlaufzeitkamera mit einem Fokussiersystem vorgesehen, mit wenigstens zwei festen Position, die als Rastpunkte oder Anschläge ausgebildet sind, wobei die Lichtlaufzeitkamera (20) derart ausgestaltet ist, dass die Lichtlaufzeitkamera für jede feste Position eine Kalibrierung aufweist.A time-of-flight camera with a focusing system is advantageously provided, with at least two fixed positions, which are designed as locking points or stops, the time-of-flight camera ( 20 ) is designed such that the time-of-flight camera has a calibration for each fixed position.

Besonders nützlich ist es, die festen Positionen in Abhängigkeit einer eingestellten Applikation anzufahren.It is particularly useful to move to the fixed positions depending on a set application.

Von Vorteil ist auch, eine feste Position in Abhängigkeit einer über mehrere Messungen ermittelten Entfernungsstatistik auszuwählen und anzufahren.It is also advantageous to select and move to a fixed position depending on a distance statistic determined over several measurements.

Ebenso nützlich ist es, die festen Positionen in Abhängigkeit erkannter Objekte anzufahren.It is also useful to move to the fixed positions depending on the objects detected.

In einer weiteren Ausgestaltung weist die Lichtlaufzeitkamera feste Positionen auf, die ein erfasstes Objekt defokussieren.In a further embodiment, the time-of-flight camera has fixed positions that defocus a detected object.

Es zeigen:

  • 1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
  • 2 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger,
  • 3 schematisch ein Objektiv mit einem Linearmotor und Anschlägen,
  • 4 eine Variante gemäß 3 mit Rastpunkten.
Show it:
  • 1 schematically a time-of-flight camera system,
  • 2 a modulated integration of generated charge carriers,
  • 3 schematically a lens with a linear motor and stops,
  • 4 a variant according to 3 with rest points.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, the same reference symbols designate the same or comparable components.

1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist. 1 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a time-of-flight camera, such as that from the DE 197 04 496 A1 is known.

Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.The time-of-flight camera system 1 comprises a transmitter unit or a lighting module 10 with lighting 12 and associated beam shaping optics 15 and a receiver unit or time-of-flight camera 20 with receiving optics 25 and a time-of-flight sensor 22 ,

Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Lichtlaufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein.The time-of-flight sensor 22 has at least one time-of-flight pixel, preferably also a pixel array, and is designed in particular as a PMD sensor. The receiving optics 25 typically consists of several optical elements to improve the imaging properties. The beam shaping optics 15 the sending unit 10 can for example be designed as a reflector or lens optics.

Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal Mo mit einer Basisphasenlage φ0 beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals Mo der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.The measuring principle of this arrangement is essentially based on the fact that, based on the phase shift of the emitted and received light, the transit time and thus the distance traveled by the received light are determined can be. For this purpose, the light source 12 and the time-of-flight sensor 22 via a modulator 30 together with a certain modulation signal M o with a basic phase position φ 0 applied. In the example shown there is also between the modulator 30 and the light source 12 a phase shifter 35 provided with which the basic phase φ 0 of the modulation signal Mo of the light source 12 around defined phase positions φ var can be moved. For typical phase measurements, phase positions of φ var = 0 °, 90 °, 180 °, 270 ° are preferably used.

Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + Δφ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal Mo mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.The light source sends according to the set modulation signal 12 an intensity-modulated signal S p1 with the first phase p1 or p1 = φ 0 + φ var . This signal S p1 or the electromagnetic radiation is from an object in the case shown 40 reflects and strikes accordingly out of phase due to the distance covered Δφ (t L ) with a second phase position p2 = φ 0 + φ var + Δφ (t L ) as the received signal S p2 on the time-of-flight sensor 22 , In the time-of-flight sensor 22 becomes the modulation signal M o with the received signal S p2 mixed, whereby the phase shift or the object distance from the resulting signal d is determined.

Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.As a lighting source or light source 12 infrared light emitting diodes are preferably suitable. Of course, other radiation sources in other frequency ranges are also conceivable, in particular light sources in the visible frequency range are also possible.

Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals M0 mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal Sp2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit tL phasenverschoben Δφ(tL) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage des Modulationssignals Mo in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M0 + 180° in einem zweiten Akkumulationsgate Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ(tL) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.The basic principle of phase measurement is shown schematically in 2 shown. The upper curve shows the time course of the modulation signal M 0 with the lighting 12 and the time-of-flight sensor 22 can be controlled. That of the object 40 reflected light hits as a received signal S p2 according to its light transit time t L phase Δφ (t L ) on the time-of-flight sensor 22 , The time-of-flight sensor 22 collects the photonically generated charges q over several modulation periods in the phase position of the modulation signal Mo in a first accumulation gate ga and in a phase position M 0 + 180 ° shifted in a second accumulation gate gb , From the ratio of those in the first and second gate ga . gb collected charges qa, qb, the phase shift Δφ (t L ) and therefore a distance d of the object.

3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamera 20, mit einem Lichtlaufzeitsensor 22 und mit einer Empfangsoptik 25, die mit einem Linearmotor bzw. Voice Coil Motor, bestehend aus einem Stator 23 und Rotor 24, ausgestattet ist. Der Stator 23 ist fest mit einem Objektivtubus 253 verbunden, der auch eine Frontlinse 251 trägt. Der Rotor 24 ist innerhalb des Stators 23 geführt und trägt eine Fokuslinse 252. 3 schematically shows a time-of-flight camera according to the invention 20 , with a time-of-flight sensor 22 and with receiving optics 25 with a linear motor or voice coil motor consisting of a stator 23 and rotor 24 , Is provided. The stator 23 is fixed with a lens barrel 253 connected, which is also a front lens 251 wearing. The rotor 24 is inside the stator 23 guided and wearing a focus lens 252 ,

Im dargestellten Fall weist der Rotor 24 eine Treiberspule 241 auf, während der Stator 23 als Permanentmagnet ausgebildet ist. Selbstverständlich kann die Anordnung auch umgekehrt werden, so dass der Rotor 24 als Permanentmagnet ausgebildet und die Treiberspule 241 im Stator 23 angeordnet ist.In the case shown, the rotor points 24 a driver coil 241 on while the stator 23 is designed as a permanent magnet. Of course, the arrangement can also be reversed, so that the rotor 24 formed as a permanent magnet and the driver coil 241 in the stator 23 is arranged.

Durch Anlegen einer Spannung an die Treiberspule 241 kann der Rotor 24 gegenüber dem Stator 23 und somit auch die Fokuslinse 252 in bekannter Art und Weise ausgelenkt werden.By applying a voltage to the driver coil 241 can the rotor 24 towards the stator 23 and therefore also the focus lens 252 be deflected in a known manner.

Zur Begrenzung der Bewegungsmöglichkeiten und Festlegung bevorzugter Fokuspunkte sind ein erster und zweiter Anschlag 271, 272 als erste und zweite feste Position vorgesehen.A first and second stop are used to limit the range of motion and to define preferred focus points 271 . 272 provided as the first and second fixed positions.

Typischerweise werden in 3D-TOF-Systeme fixierte Fokussierung bevorzugt, da eine Nachfokussierung immer auch das Gesichtsfeld bzw. field of view FoV ändert. Dies führt dazu, dass zwar der radiale Abstand zu den Zielen bestimmt werden kann, jedoch nicht die Messwinkel bzw. daraus folgend die korrekten x-, y- und z-Koordinaten. Mit einem veränderten Fokus geht die Information über die Bildweite und dem Bildwinkel verloren und somit lässt sich eine Raumposition nicht mehr genau bestimmen.Fixed focusing is typically preferred in 3D TOF systems, since refocusing always changes the field of view or field of view FoV. This means that the radial distance to the targets can be determined, but not the measuring angles or the correct ones x - y- and z Coordinates. With a changed focus, the information about the image width and the image angle is lost and a spatial position can no longer be determined exactly.

Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, ein Fokussiersystem, insbesondere mit einem Voice-Coil-System, derart in eine Lichtlaufzeitkamera 20 einzubauen, dass zumindest für eine erste und zweite feste Position bzw. einen ersten und zweiten Anschlagspunkt 271, 272 bzw. Rastpunkt das System kalibriert ist.According to the invention, a focusing system, in particular with a voice coil system, is now provided in such a way in a time-of-flight camera 20 install that at least for a first and second fixed position or a first and second attachment point 271 . 272 the system is calibrated.

Im dargestellten Fall handelt es sich um absolute Anschläge. Es können aber auch Rasteinstellungen implementiert werden. Insbesondere ist es denkbar, wie in 4 gezeigt, mehr als zwei Rasteinstellungen 271, 272, 273 vorzusehen.In the case shown, these are absolute stops. However, locking settings can also be implemented. In particular, it is conceivable, as in 4 shown, more than two snap settings 271 . 272 . 273 provided.

Ferner ist es auch denkbar, Rasteinstellung vorzusehen, die das erfasste Bild gezielt in eine Defokussierung führen. Dies kann beispielsweise von Vorteil sein, wenn regelmäßige Strukturen zu einem Moire- bzw. Aliasingeffekt am Sensor 22 führen. Mittels gezielter Defokussierung können solche Effekte szenenindividuell detektiert und/oder vermieden werden. Auch ist es denkbar, durch Defokussierung Subpixelauflösungen zu erreichen. Hierzu ist insbesondere eine Kalibrierung an jeder Fokuslage notwendig.Furthermore, it is also conceivable to provide a latching setting that specifically leads the captured image into defocusing. This can be advantageous, for example, if regular structures result in a moiré or aliasing effect on the sensor 22 to lead. Such effects can be detected and / or avoided individually for each scene by means of targeted defocusing. It is also conceivable to achieve sub-pixel resolutions by defocusing. A calibration at every focus position is particularly necessary for this.

Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Verwendung eines Voice Coil Motors beschränkt, sondern es können beispielsweise auch Ultraschall- oder Schrittmotoren für die Einstellung des Fokus verwendet werden.Of course, the invention is not limited to the use of a voice coil motor, but, for example, ultrasound or stepper motors can be used to adjust the focus.

Ebenso können die dargestellten Ausführungsformen insgesamt oder hinsichtlich einzelner Aspekte kombiniert werden.Likewise, the illustrated embodiments can be combined as a whole or with regard to individual aspects.

Weiterhin ist es auch möglich, zur Fokussierung nicht nur ein Teil der Baugruppe zu bewegen, sondern die gesamte Optik bzw. Optikbaugruppe mitsamt aller Linsen.Furthermore, it is also possible to move not just part of the assembly for focusing, but the entire optics or optics assembly together with all the lenses.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
LichtlaufzeitkamerasystemTime of flight camera system
1010
Beleuchtungsmodullighting module
1212
Beleuchtunglighting
2020
Empfänger, LichtlaufzeitkameraReceiver, time-of-flight camera
2222
LichtlaufzeitsensorTransit Time Sensor
2323
Statorstator
2424
Rotorrotor
241241
Treiberspuledriving coil
2525
Objektivlens
251251
Frontlinsefront lens
252252
Fokuslinsefocus lens
253253
Objektivtubuslens
271271
erster Anschlag, Rastpunktfirst stop, rest point
272272
zweiter Anschlag, Rastpunktsecond stop, rest point
273273
dritter Rastpunktthird rest point
3030
Modulatormodulator
3535
Phasenschieber, BeleuchtungsphasenschieberPhase shifter, lighting phase shifter
4040
Objektobject
φ, Δφ(tL)φ, Δφ (t L )
laufzeitbedingte Phasenverschiebungruntime-related phase shift
φvar φ var
Phasenlagephasing
φ0 φ 0
Basisphasebase phase
M0 M 0
Modulationssignalmodulation signal
p1p1
erste Phasefirst phase
p2p2
zweite Phasesecond phase
Sp1Sp1
Sendesignal mit erster PhaseFirst phase transmission signal
Sp2sp2
Empfangssignal mit zweiter PhaseReceive signal with second phase
Ga, GbGa, Gb
Integrationsknotenintegration node
dd
Objektdistanzsubject Distance
qq
Ladungcharge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

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  • EP 3130953 A1 [0004]EP 3130953 A1 [0004]
  • DE 19704496 A1 [0013]DE 19704496 A1 [0013]

Claims (5)

Lichtlaufzeitkamera (20) mit einem Fokussiersystem (23, 24) mit wenigstens zwei festen Positionen (271, 272, 273), die als Rastpunkte und/oder Endanschläge ausgebildet sind, wobei die Lichtlaufzeitkamera (20) derart ausgestaltet ist, dass die Lichtlaufzeitkamera (20) für jede feste Position (271, 272, 273) eine Kalibrierung aufweist.Light travel time camera (20) with a focusing system (23, 24) with at least two fixed positions (271, 272, 273), which are designed as locking points and / or end stops, the light travel time camera (20) being designed such that the light travel time camera (20 ) has a calibration for each fixed position (271, 272, 273). Lichtlaufzeitkamera (20) nach Anspruch 1, bei dem die festen Positionen (271, 272, 273) in Abhängigkeit einer eingestellten Applikation angefahren werden.Time-of-flight camera (20) Claim 1 , in which the fixed positions (271, 272, 273) are approached depending on a set application. Lichtlaufzeitkamera (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die derart ausgestaltet ist, dass eine der festen Positionen (271, 272, 273) in Abhängigkeit einer über mehrere Messungen ermittelten Entfernungsstatistik ausgewählt und angefahren wird.Light travel time camera (20) according to one of the preceding claims, which is designed in such a way that one of the fixed positions (271, 272, 273) is selected and approached as a function of a distance statistic determined over several measurements. Lichtlaufzeitkamera (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die derart ausgestaltet ist, dass die festen Positionen (271, 272, 273) in Abhängigkeit erkannter Objekte angefahren werden.Light travel time camera (20) according to one of the preceding claims, which is designed such that the fixed positions (271, 272, 273) are approached as a function of detected objects. Lichtlaufzeitkamera (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Lichtlaufzeitkamera (20) feste Positionen (271, 272, 273) aufweist, die ein erfasstes Objekt defokussieren.The time-of-flight camera (20) according to one of the preceding claims, in which the time-of-flight camera (20) has fixed positions (271, 272, 273) which defocus a detected object.
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