CN104823071A - 用于测量距离值和距离图像的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种距离相机，所述距离相机用于判定预定距离范围内的物件与所述距离相机之间的距离值R_abs，所述距离相机包括至少一个光电元件(9)、用于在时间整合门(30、31)期间启动所述光电元件(9)的触发产生器、用于利用持续时间为T_p的具有预定时间强度分布的光脉冲(28)照明所述物件的光源，以及用于判定到达所述光电元件(9)的所述光脉冲(29)的强度I_p(6)的强度传感器，其中所述整合门(30)具有对光脉冲发射起始时间点的预定延迟，以便捕获从所述物件背反射的所述光脉冲(29)，使得T_o或T_o+T_P中任一者介于所述整合门的整合起始时间点T_1b(20)与所述整合门(30)的整合结束时间点T_1e(21)之间，其中T_o为所述光脉冲(29)到达所述光电元件(9)时的第一时间点，其中所述光电元件(9)适于在所述整合结束时间点T_1e(21)处输出信号值U(25)，其中所述信号值U(25)取决于在所述光电元件(9)的启动期间到达其上的所述光脉冲(29)的所述强度I_p(6)和所述持续时间，其中所述相机包括存储器单元,其用于存储针对所述光电元件(9)的显式校正值函数Δ＝f(I_p)(5)的预定参数(10)；以及估算单元,其用于根据所述信号值U(25)和所述强度I_p(6)判定原始距离值R_raw，且将所述原始距离值R_raw与所述校正值Δ(I_P)(7)相加以便获得所述距离值R_abs。

Description

用于测量距离值和距离图像的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于判定距离值和距离图像的装置和方法。

背景技术

通过光学方法可以在测量装置与物件之间没有实体接触的情况下测量所述装置与物件之间的距离值。在这些方法中，物件通过装置照明，且从物件背反射的光接着由装置的光探测器捕获。

距离值可以例如通过定期调整发射自装置的光强度以及通过测量所发射光与到达探测器的背反射光之间的相位差来判定。然而，由于光强度的周期性，这种方法导致不明确的距离测量。明确的距离值可通过测量光的发射与背反射光到达探测器之间的飞行时间来判定。

对于距离值精确度近似为厘米的飞行时间测量，需要在微微秒范围中的快速电子动作及响应。由装置测量的距离值可以因此取决于探测器的制造公差。如果将具有多个像素的图像传感器用于探测器，那么由于像素的制造公差，不同的像素可以测量不同的距离值。

发明内容

本发明的目标为提供一种用于以高精确度测量距离值的装置和方法。

根据本发明的用于判定预定距离范围内的物件与距离相机之间的距离值R_abs的距离相机包括至少一个光电元件、用于在时间整合门期间启动光电元件的触发产生器、用于利用持续时间为T_p的具有预定时间强度分布的光脉冲照明物件的光源，以及用于判定到达光电元件的光脉冲的强度I_p的强度传感器，其中整合门具有对光脉冲发射起始时间点的预定延迟，以便捕获从物件背反射的光脉冲，使得T_o或T_o+T_P中任一者介于整合门的整合起始时间点T_1b与整合门的整合结束时间点T_1e之间，其中T_o为光脉冲到达光电元件时的第一时间点，其中光电元件适于在整合结束时间点T_1e处输出信号值U，其中所述信号值U取决于在光电元件的启动期间到达其上的光脉冲的强度I_p和持续时间，其中相机包括存储器单元,其用于存储针对光电元件的显式校正值函数Δ＝f(I_p)的预定参数；以及估算单元,其用于根据信号值U和强度I_p判定原始距离值R_raw且将原始距离值R_raw与校正值Δ(I_P)相加以便获得距离值R_abs。

根据本发明的用于判定物件与距离相机之间的距离值R_abs的方法包括以下步骤：a)将目标物件布置在预定距离范围内，与距离相机具有预定距离R_abs,cal；b)通过以下步骤获得多个取样点R_raw,cal、I_p,cal：-借助于光源利用到达光电元件的光脉冲的可变及判定的强度I_p,Cal照明目标物件，以及

-根据相应的信号值U_cal和对应的强度I_p,cal判定相应原始距离值R_raw,cal；c)计算是取样点R_raw,cal、I_p,cal的插值的显式校正值函数Δ＝R_raw,cal-R_abs,cal＝f(I_P,cal)的参数，且将用于光电元件的参数存储在存储器单元中；d)将物件布置在预定距离范围内；e)借助于光源利用光脉冲照明物件，且根据借助于强度传感器所判定的信号值U和对应的强度I_p来判定原始距离值R_raw；f)借助于存储在存储器单元中的参数根据强度I_p计算原始距离值R_raw的校正值Δ(I_P)；g)通过R_abs＝R_raw,cal-Δ(I_P)计算距离值。

使用根据本发明的距离相机和根据本发明的方法，可以有利地以高精确度判定距离值R_abs。距离图像可通过扫描物件上的单个光电元件并利用相应的光脉冲判定单个距离值R_abs或通过为相机提供多个光电元件并通过利用单个光脉冲判定多个距离值R_abs而采集。如果提供了多个光电元件，那么可有利地采集平滑距离图像，即使由于为每一光电元件提供了相应的校正值函数Δ，在由于制造公差而存在的个别光元件中存在变化。由于取样点的插值导致校正值函数Δ的参数化，所以此函数通过其参数来完全描述。因此，仅这些参数需要存储在存储器单元中，且对存储器单元的访问次数与(例如)存储获得具有类似高精确度的距离测量所需的取样点的高数目相比较低。由于对根据本发明的存储器单元的访问次数低，所以对距离值R_raw的校正快，以使得甚至可利用高重复率获得厘米范围的高精确度。

此外，所有距离值可通过使用参数化的校正值函数Δ来校正，且没有必要存储用于大量的每个可设想强度I_p的校正值Δ(I_P)。

优选的是存储器单元为非易失性存储器。因此，有利地提供在原始距离值R_raw的校正期间对参数的动态访问。此外，有利地保证了校正值函数Δ的更新可视情况仅由距离相机的制造商通过交付存储器单元而提供。

光电元件优选地包括聚光器以及光电二极管，光电二极管可从外部访问以使得从物件背反射的光脉冲由光电二极管捕获，且光电二极管电连接到聚光器以使得在从物件背反射的光脉冲由光电二极管捕获时，聚光器放电。在整合结束时间点T_1e处输出的信号值U因此优选地为整合结束时间点T_1e处的聚光器的电压。所述电压是到达整合门内的光电二极管处的光脉冲能量的度量。优选的是，触发产生器包括用于启动光电元件的第一电开关以及用于停用光电元件并输出信号值U的第二电开关。第一电开关和/或第二电开关优选地是晶体管，尤其是相同类型的晶体管。通过利用校正值Δ(I_P)来校正原始距离值R_raw，有利地实现了校正每一个别光电元件的比惯量，尤其是光电二极管、聚光器和两个开关的惯量。

优选的是，距离相机包括多个光电元件且针对每一光电元件包括相应的存储器单元，其中光电元件和存储器单元的数目为至少3×10⁵，尤其为至少10⁶。由于每一校正值函数Δ经参数化且其参数存储在相应的存储器单元中，所以有利地实现了可在高重复率(例如50Hz)下判定针对此高数目的光电元件的距离值R_abs。

优选的是，光脉冲的预定时间强度分布实质上是矩形的、梯形的、锯齿形的、三角形的、洛仑兹分布、佛克特分布或高斯分布。另外，光脉冲的时间强度分布优选地通过测量预定。测量可例如通过使用光电倍增管或快速光电二极管来进行。如果光脉冲的预定时间强度分布不是矩形的，那么强度I_p定义为(例如)时间强度分布的最大强度。还可设想其它定义，如时间强度分布的最大强度的一半。利用预定时间强度分布以及判定的信号值U和强度I_p，有可能判定距离R_raw。

多个距离值R_abs优选地通过重复步骤d)至g)来判定。因此，仅单个校正值函数Δ必须判定以用于判定多个距离值R_abs。

优选的是显式校正值函数Δ为单调函数，尤其为折线或多项式或样条函数。参数的数目优选为四个。取样点的数目优选为四个。已发现，利用所述低数目的参数和/或取样点(其导致高可行重复率)可有利地实现对距离值R_abs的高精确度判定。

优选的是，强度传感器为光电元件，且强度I_p,cal和/或强度I_p是通过借助于第二整合门内的光电元件分别测量信号值U_cal和/或U判定的，所述第二整合门具有早于或等于T_o的整合起始时间点T_2b以及迟于或等于T_o+T_p的整合结束时间点T_2e。因此，不需要为强度判定提供额外的强度测量设备。

附图说明

在下文中，将基于示意图来解释本发明。

图1示出关于示范性校正值函数Δ的图表，

图2示出具有多个光电元件的阵列，

图3示出光电元件的示意性电气图，

图4示出聚光器电压与时间相关的图表，以及

图5至7示出关于光脉冲和不同整合门的时间分布图。

具体实施方式

如图1至4中可见，根据本发明的用于判定预定距离范围内的物件与距离相机之间的距离值R_abs的距离相机包括光源，其用于利用持续时间为T_p的具有实质上矩形的时间强度分布的光脉冲照明物件。还可设想其它时间分布。光源优选地为发光二极管或为优选地以纳秒范围发射持续时间为T_p的光脉冲的激光。预定距离范围是距离相机可判定距离值的范围，例如0.5m到10m。距离相机进一步包括至少一个光电元件9和触发产生器，触发产生器用于在时间整合门30、31期间启动所述光电元件9且优选地用于利用光源控制光脉冲发射。触发产生器包括用于启动光电元件9的第一电开关15和用于停用光电元件9的第二电开关16。

图3示出光电元件9包括聚光器13和光电二极管14，所述光电二极管可从外部访问以使得从物件背反射的光脉冲由光电二极管14捕获。光电二极管14在并联电路中电连接到聚光器13，以使得在从物件背反射的光脉冲由光电二极管14捕获时，聚光器13放电。图4示出对应的聚光器电压18对比时间19标绘的图。只要第一电开关15闭合，就通过电源11和对应的电接地12将聚光器电压18保持在电压V_DD 22处。在整合门30、31的整合起始时间点T_1b 20处，触发产生器断开其第一电开关15，且在时间延迟23之后，聚光器电压18开始下降，从而导致电压衰减24。时间延迟23由于制造公差可在不同光电元件9之间有所不同，且可取决于到达光电元件9的光脉冲的强度I_p。在整合门30、31的整合结束时间点T_1e 21处，触发产生器闭合其第二电开关16，借此通过光电元件9的电压缓冲器17的活动输出作为T_1e 21处的聚光器电压18的信号值U 25。信号值U 25是在光电元件9的启动期间到达其上的光的能量的度量，其中信号值U 25大致与所述能量成反比。在分别闭合和断开第一电开关15和第二电开关16之后，光电元件9经重置且可进行另一测量。

距离相机进一步包括用于判定到达光电元件9的光脉冲的强度I_p的强度传感器以及用于根据信号值U 25和强度I_p 6判定原始距离值R_raw的估算单元。估算单元进一步适于将从校正值函数Δ＝f(I_p)5得到的校正值Δ(I_P)7加到原始距离值R_raw以便获得距离值R_abs。每一光电元件9包括存储器单元，其中用于每一光电元件9的校正值函数Δ5的参数10存储在对应的存储器单元中。每一存储器单元对应于其光电元件9，其中每一存储器单元可位于光电元件9的芯片上或所述芯片外部。所有存储器单元形成距离相机的存储器。图2示出光电元件9的阵列8，其中光电元件9和存储器单元的数目为至少3×10⁵，尤其为至少10⁶。

图1以图表示出示范性校正值函数Δ5，其中原始距离值R_raw,cal 1对比强度I_p,Cal 2标绘。校正值函数Δ5基于四个取样点4R_raw,cal、I_P,cal，其中四个取样点4R_raw,cal是在已知实验室条件下获得的。为了获得取样点4，将目标物件布置在预定距离范围内，与距离相机具有预定距离R_abS,cal 3。已发现，通过将预定距离R_abs,cal选择为2m并且将预定距离范围选择为从0.5m到10m，形成特别高精确度的距离值R_abs。

接着借助于光源利用到达光电元件9的光脉冲的可变及判定的强度I_p,Cal 2照明目标物件，且根据相应的信号值U_cal和对应的强度I_p,cal 2判定相应原始距离值R_raw,cal 1。强度I_P,Cal 2经优选地选择以便覆盖光电元件9的大多数动态范围。强度I_p,Cal 2可例如通过在光脉冲路径中插入灰度滤波器或包括极化滤波器和lambda半板的光学衰减器而改变。每一对原始距离值R_raw,cal 1和强度I_p,cal 2形成相应的取样点4。

为了预定到达光电元件9的光脉冲的强度I_p,Cal 2，可设想的是通过考虑实验室条件下的目标物件的反射率和大气透射率来调整光源的发射强度。光源的发射强度经调整以使得到达光电元件9的光脉冲的强度I_p,Cal 2对应于预定强度I_p,Cal 2。

计算是取样点4R_raw,cal、I_p,cal的插值的显式校正值函数Δ＝R_raw,cal-R_abs,cal＝f(I_P,cal)5的参数10，且为光电元件9将所述参数存储在所述光电元件相应的存储器单元中。所述插值还可以包括从取样点4R_raw,cal、I_p,cal外插的区段。在图1中，校正值函数Δ5为呈Δ＝A₁+A₂I_p,Cal+A₃I_p,Cal ²+A₄I_p,cal ³形式的三次多项式，其中参数A₁、A₂、A₃、A₄为针对图2中的第一光电元件9的此校正值函数Δ5的参数。针对第一光电元件9的参数A₁、A₂、A₃、A₄存储在所述光电元件相应的存储器单元中。针对第二光电元件9的参数B₁、B₂、B₃、B₄存储在所述光电元件的存储器单元中,而参数X₁、X₂、X₃、X₄存储在最后的光电元件9的存储器单元中。然而，可采用具有其它次方或其它函数的多项式(如指数)或具有连接相邻取样点4的个别线条的折线。

为了判定距离值R_abs，将物件布置在预定距离范围内，借助于光源利用光脉冲照明，且根据信号值U 25和借助于强度传感器所判定的对应的强度I_p 6判定原始距离值R_raw。接着借助于存储在相应存储器单元中的参数10根据强度I_p 6判定对于原始距离值R_raw的校正值Δ(I_P)7，且之后通过R_abs＝R_raw,cal-Δ(I_P)计算针对每一光电元件9的距离值。

图5至7示出三个触发方案，其中标绘所发射光脉冲28和到达光电元件9的光脉冲29的强度26对比时间27。也示出了具有对光脉冲发射起始时间点的预定延迟的不同整合门30、31。光脉冲和整合门30、31的时间分布为矩形的。还可设想光脉冲的其它时间分布。对于所有可设想的时间强度分布形状，光脉冲30的发射在时间0处开始且在T_p处结束。光脉冲29接着从物件背反射且以强度I_p到达光电元件9，所述强度低于所发射光脉冲28的强度。光脉冲29从T_o至T_o+T_p到达光电元件9。在图5中，整合门30经选择以使得T_o+T_p介于整合起始时间点T_1b 20与整合结束时间点T_1e之间，而T_o在整合门之外。与其相反的是，在图6中，T_o介于在整合起始时间点T_1b 20与整合结束时间点T_1e之间，而T_o+T_P在整合门之外。图中的灰色标记区域对应于信号值U，其为对于到达整合门30、31内的光电元件9的光脉冲29的能量的度量。

强度I_p,cal和/或强度I_p是通过借助于第二整合门31内的光电元件分别测量信号值U_cal和/或U确定的，如图7中所示，其中整合起始时间点T_2b早于或等于T_o且整合结束时间点T_2e迟于或等于T_o+T_p。利用信号值U_cal和/或U(其对应于到达光电元件9的光脉冲29的总能量)以及光脉冲29的已知持续时间T_p，有可能计算强度I_p。

强度I_p和/或I_P/Cal可通过使用两个光电元件9(具有第一整合门30的第一光电元件和具有第二整合门31的第二光电元件)用单个光脉冲来同时判定。第一整合门30经选择以使得T_o或T_o+T_P中任一者介于第一整合门30的第一整合起始时间点T_1b与整合门30的第一整合结束时间点T_1e之间。第二整合门31经选择以使得第二整合起始时间点T_2b早于或等于T_o且第二整合结束时间点T_2e迟于或等于T_o+T_p。第一光电元件和第二光电元件可以(例如)邻近于彼此布置,或光脉冲29可以使用分束器分裂且每一分裂的光脉冲可分别引导到第一光电元件和第二光电元件。强度I_p和/或I_P/Cal还可用单个光电元件9和两个光脉冲29来连续判定。

对于根据图5的整合门30，可通过T_o＝E/I_p+T_1b-T_p计算T_o，且对于根据图6的整合门30，可通过T_o＝T_1e-E/I_p计算T_o，其中E为到达光电元件9的光脉冲29的能量且优选地为信号值U 25的倒数。接着可通过R_raw＝0.5×c×T_o判定R_raw，其中c为光速度。应注意，有可能用Δ(I_p)校正R_raw或T_O。还应注意，预定距离范围中的变化所需要的相机的光源变化或T_1b和T_1e的变化通常需要新的校准函数Δ。

      参考标号列表

1 原始距离值R_raw,cal

2 强度I_p,Cal

3 预定距离R_abs,cal

4 取样点

5 校正值函数Δ

6 强度I_p

7 校正值Δ(I_P)

8 阵列

9 具有存储器单元的光电元件

10 参数

11 电源

12 电接地

13 聚光器

14 光电二极管

15 第一电开关

16 第二电开关

17 电压缓冲器

18 聚光器电压

19 时间

20 整合起始时间点T_1b

21 整合结束时间点T_1e

22 电压V_DD

23 时间延迟

24 电压衰减

25 信号值U

26 强度

27 时间

28 所发射光脉冲

29 到达光电元件的光脉冲

30 整合门

31 第二整合门

Claims (13)

1.一种距离相机,所述距离相机用于判定预定距离范围内的物件与所述距离相机之间的距离值R_abs，所述距离相机包括至少一个光电元件(9)、用于在时间整合门(30、31)期间启动所述光电元件(9)的触发产生器、用于利用持续时间为T_p的具有预定时间强度分布的光脉冲(28)来照明所述物件的光源，以及用于判定到达所述光电元件(9)的所述光脉冲(29)的强度I_p(6)的强度传感器，其中所述整合门(30)具有对光脉冲发射起始时间点的预定延迟，以便捕获从所述物件背反射的所述光脉冲(29)，使得T_o或T_o+T_P中任一者介于所述整合门的整合起始时间点T_1b(20)与所述整合门(30)的整合结束时间点T_1e(21)之间，其中T_o为所述光脉冲(29)到达所述光电元件(9)时的第一时间点，其中所述光电元件(9)适于在所述整合结束时间点T_1e(21)处输出信号值U(25)，其中所述信号值U(25)取决于在所述光电元件(9)的启动期间到达所述光电元件(9)的所述光脉冲(29)的所述强度I_p(6)和所述持续时间，其中所述相机包括存储器单元,其用于存储针对所述光电元件(9)的显式校正值函数Δ＝f(I_p)(5)的预定参数(10)；以及估算单元,其用于根据所述信号值U(25)和所述强度I_p(6)判定原始距离值R_raw，且将所述原始距离值R_raw与所述校正值Δ(I_P)(7)相加以便获得所述距离值R_abs。

2.根据权利要求1所述的距离相机，其中所述存储器单元是非易失性存储器。

3.根据权利要求1或2所述的距离相机，其中所述光电元件(9)包括聚光器(18)以及光电二极管(14),所述光电二极管可从外部访问以使得从所述物件背反射的所述光脉冲(29)由所述光电二极管(14)捕获,且所述光电二极管电连接到所述聚光器(13)以使得在从所述物件背反射的所述光脉冲(29)由所述光电二极管(14)捕获时，所述聚光器(13)放电。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的距离相机，其中所述触发产生器包括用于启动所述光电元件(19)的第一电开关(15)以及用于停用所述光电元件(9)并输出所述信号值U(25)的第二电开关(16)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的距离相机，其中所述距离相机包括多个光电元件(9)且针对每个光电元件(9)包括所述相应的存储器单元，其中所述光电元件(9)和所述存储器单元的数目为至少3×10⁵，尤其为至少10⁶。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的距离相机，其中所述光脉冲(28、29)的所述预定时间强度分布实质上是矩形的、梯形的、锯齿形的、三角形的、佛克特分布或高斯分布。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的距离相机，其中所述光脉冲(28、29)的所述时间强度分布通过测量而预定。

8.一种用于判定物件与根据权利要求1至7中任一项所述的距离相机之间的距离值R_abs的方法，其包括以下步骤：

a)将目标物件布置在预定距离范围内，与所述距离相机具有预定距离R_abs,cal(3)；

b)通过以下步骤获得多个取样点(4)R_raw,cal、I_p,cal；

借助于所述光源利用到达所述光电元件(9)的所述光脉冲(29)的可变及判定的强度I_p,Cal(2)来照明所述目标物件，以及

根据所述相应信号值U_cal和所述对应的强度I_p,cal(2)来判定所述相应原始距离值R_raw,cal(1)；

c)计算是所述取样点R_raw,cal、I_p,cal(4)的插值的所述显式校正值函数Δ＝R_raw,cal-R_abs,cal＝f(I_P,cal)(5)的所述参数(10)，且将用于所述光电元件(9)的所述参数(10)存储在所述存储器单元中；

d)将所述物件布置在所述预定距离范围内；

e)借助于所述光源利用所述光脉冲(28)来照明所述物件，且根据所述信号值U(25)和借助于所述强度传感器所判定的所述对应的强度I_p(6)来判定所述原始距离值R_raw；

f)借助于存储在所述存储器单元中的所述参数(10)而根据所述强度I_p(6)来计算所述原始距离值R_raw的所述校正值Δ(I_P)(7)；

g)通过R_abs＝R_raw,cal-Δ(I_P)来计算所述距离值。

9.根据权利要求8所述的方法，其中多个距离值R_abs通过重复步骤d)至g)来判定。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其中所述显式校正值函数Δ(5)为单调函数，尤其为折线或多项式或样条函数。

11.根据权利要求8至10中任一项所述的方法，其中参数(10)的数目为四个。

12.根据权利要求8至11中任一项所述的方法，其中取样点(4)的数目为四个。

13.根据权利要求8至12中任一项所述的方法，其中所述强度传感器为所述光电元件(9)，且所述强度I_p,cal(2)和/或所述强度I_p(6)是通过借助于第二整合门(31)内的所述光电元件(9)分别测量所述信号值U_cal和/或U(25)来判定的，所述第二整合门(31)具有早于或等于T_o的整合起始时间点T_2b以及迟于或等于T_o+T_p的整合结束时间点T_2e。