DE102013216434B3 - Time of flight camera system - Google Patents

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Abstract

Lichtlaufzeitkamera und Verfahren zum Betreiben einer solchen, mit den Schritten: – Aussendung und Empfang eines modulierten Lichts (Sp1, Sp2), – Demodulation des empfangenen modulierten Lichts (Sp2) mit einem Modulationssignal (M0), – wobei die Aussendung und die Demodulation mit drei unterschiedlichen Phasenlagen (☐var) des Modulationssignals durchgeführt werden – und wobei eine erste und zweite Phasenlage um 180° zueinander verschoben sind, und eine dritte Phasenlage um 90° zu einer der ersten beiden Phasenlagen verschoben ist, – Ermittlung einer entfernungsabhängige Differenzgröße zu jeder Phasenlage, – Ermittlung eines Entfernungswertes aus den ermittelten Differenzgrößen.Time-of-flight camera and method for operating such a system, comprising the steps of: - emitting and receiving a modulated light (Sp1, Sp2), - demodulating the received modulated light (Sp2) with a modulation signal (M0), - the transmission and demodulation being carried out with three different phase positions (☐var) of the modulation signal are carried out - and wherein a first and second phase position are shifted by 180 ° to one another, and a third phase position is shifted by 90 ° to one of the first two phase positions, - determining a distance-dependent difference variable for each phase position, - Determination of a distance value from the determined difference quantities.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a light transit time camera system and a method for operating such according to the preamble of the independent claims.

Mit Lichtlaufzeitkamerasystem 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 EP 1 777 747 A1 , US 6 587 186 B2 und auch DE 197 04 496 C2 beschrieben und beispielsweise von der Firma ”ifm electronic GmbH” oder ”PMD-Technologies GmbH” 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.With the time of flight camera system, not only systems are to be included which determine distances directly from the light transit time, but in particular also all the time of flight or 3D TOF camera systems which acquire transit time information from the phase shift of an emitted and received radiation. In particular, PMD cameras with photonic mixer detectors (PMD) are suitable as the light transit time or 3D TOF cameras, as described, inter alia, in the applications EP 1 777 747 A1 . US Pat. No. 6,587,186 B2 and also DE 197 04 496 C2 described and, for example, by the company "ifm electronic GmbH" or "PMD Technologies GmbH" as a frame grabber O3D or as CamCube relate. In particular, the PMD camera allows a flexible arrangement of the light source and the detector, which can be arranged both in a housing and separately.

Aus der DE 197 04 496 C2 und auch aus der DE 10 2011 089 642 A1 ist ferner die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des von einem Objekt reflektierten Lichts bekannt. Es wird ausgeführt, dass zur Bestimmung der relativen Phasen mindesten drei unterschiedliche Phasenlagen zwischen Sender und Empfänger heranzuziehen sind, wobei zur Verringerung des Rauschens vorzugsweise mehr als drei Phasenlagen verwendetet werden sollten. Insbesondere wird offenbart, die Sendermodulation gezielt um 90°, 180° oder 270° zu verschieben, um aus diesen vier Phasenmessungen über eine arctan-Funktion eine Phasenverschiebung und somit eine Entfernung zu bestimmen.From the DE 197 04 496 C2 and also from the DE 10 2011 089 642 A1 Furthermore, the determination of a distance or a corresponding phase shift of the reflected light from an object is known. It is stated that at least three different phase relationships between transmitter and receiver are to be used to determine the relative phases, wherein preferably more than three phase positions should be used to reduce the noise. In particular, it is disclosed to selectively shift the transmitter modulation by 90 °, 180 ° or 270 ° in order to determine a phase shift and thus a distance from these four phase measurements via an arctan function.

Ferner beschreibt die US 5 694 204 A eine Vorrichtung zur optischen Distanzmessung und führt zur Phasenmessung aus, dass zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen gesendeten und empfangenen Signals drei Variablen zu bestimmen sind, nämlich: Amplitude des empfangenen Signals, Amplitude des Referenzsignals und Phasenverschiebung zwischen Empfangs- und Referenzsignal. Zur Bestimmung der Größen wird vorgeschlagen, mindestens drei unterschedliche Phasenlagen für die Modulation eines Treibersignals vorzusehen.Furthermore, the describes US 5,694,204 A a device for optical distance measurement and performs the phase measurement that are determined to determine the phase shift between transmitted and received signal three variables, namely: amplitude of the received signal, amplitude of the reference signal and phase shift between the received and reference signal. To determine the quantities, it is proposed to provide at least three subschedical phase positions for the modulation of a driver signal.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Entfernungsmessung eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu verbessern.The object of the invention is to improve the distance measurement of a light transit time camera system.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 oder mit einem Lichtlaufzeitkamerasystem gemäß Anspruch 5 gelöst.The object is achieved by a method according to claim 1 or with a light transit time camera system according to claim 5.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems vorgesehen, mit den Schritten:

  • – Aussendung und Empfang eines modulierten Lichts,
  • – Demodulation des empfangenen modulierten Lichts mit einem Modulationssignal,
  • – wobei die Aussendung und die Demodulation mit drei unterschiedlichen Phasenlagen (φvar) des Modulationssignals (M0) durchgeführt werden
  • – und wobei eine erste und zweite Phasenlage um 180° zueinander verschoben sind, und eine dritte Phasenlage um 90° zu einer der ersten beiden Phasenlagen verschoben ist,
  • – und zu jeder Phasenlage eine entfernungsabhängige Differenzgröße ermittelt wird,
  • – Ermittlung eines Entfernungswertes aus den ermittelten Differenzgrößen.
According to the invention, a method for operating a light transit time camera system is provided, with the steps:
  • - transmission and reception of a modulated light,
  • Demodulation of the received modulated light with a modulation signal,
  • - Wherein the transmission and the demodulation with three different phase positions (φ var ) of the modulation signal (M 0 ) are performed
  • - And wherein a first and second phase position are shifted by 180 ° to each other, and a third phase position is shifted by 90 ° to one of the first two phase positions,
  • And a distance-dependent difference quantity is determined for each phase position,
  • - Determination of a distance value from the determined difference sizes.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Zeit zur Durchführung einer Phasenmessung um 25% reduziert werden kann, wobei bei Verwendung eines geeigneten Berechnungsalgorithmus möglich Messabweichungen vernachlässigt werden können.This procedure has the advantage that the time for performing a phase measurement can be reduced by 25%, whereby measurement deviations can be neglected when using a suitable calculation algorithm.

Ausgehend von einem Algorithmus zur Entfernungsberechnung auf der Grundlage von vier Phasenlagen ist erfindungsgemäß vorgesehen, eine der Phasenlagen mit der größten Differenzgröße zu substituieren, und die Entfernungsmessung und -berechnung mit den verbleibenden drei Phasenlagen durchzuführen.Starting from an algorithm for distance calculation on the basis of four phase positions, it is provided according to the invention to substitute one of the phase positions with the largest difference magnitude, and to perform the distance measurement and calculation with the remaining three phase positions.

Dieses Vorgehen verkürzt die Mess- und Berechnungszeit und erlaubt es ferner eine Analog-Referenzspannung, die zur Digitalisierung der Messwerte herangezogen wird, entsprechend der eingesparten und substituierten Differenzgröße anzupassen und erweitert so den Dynamikbereich.This procedure shortens the measurement and calculation time and also makes it possible to adapt an analogue reference voltage, which is used to digitize the measured values, according to the saved and substituted differential quantity, thus expanding the dynamic range.

Vorteilhaft ist es auch vorgesehen für ein bevorzugtes Entfernungsmessintervall eine Phasensubstitution derart vorzugeben, dass der Phasenfehler innerhalb dieses Entfernungsintervalls minimal ist. It is also advantageously provided for a preferred distance measuring interval to specify a phase substitution in such a way that the phase error within this distance interval is minimal.

Insbesondere ist das bevorzugte Entfernungsmessintervall kleiner oder gleich einem Viertel des Eindeutigkeitsbereichs.In particular, the preferred ranging interval is less than or equal to a quarter of the uniqueness range.

Durch dieses Vorgehen ist es vorteilhaft möglich, ein Entfernungsmessintervall vorzugeben, in dem die Messfehler möglichst gering sind.By this procedure, it is advantageously possible to specify a distance measurement interval in which the measurement errors are as small as possible.

Vorteilhaft ist auch ein Lichtlaufzeitmesssystem entsprechend der genannte Verfahren ausgestaltet, mit einem Lichtlaufzeitsensor, der mindestens ein Empfangspixel aufweist und mit einer Lichtquelle, mit einem Modulator, der mit dem Lichtlaufzeitsensor und der Lichtquelle verbunden ist, und mit einer Auswerteeinheit, die zur Ermittlung einer Entfernung ausgehend von Signalen des Lichtlaufzeitsensors in drei unterschiedlichen Phasenlage und zur Durchführung der oben genannten Verfahren ausgestaltet ist.Advantageously, a light transit time measuring system according to said method is configured, with a light transit time sensor having at least one receiving pixel and with a light source, with a modulator, which is connected to the light transit time sensor and the light source, and with an evaluation, starting to determine a distance of signals of the light transit time sensor in three different phase position and for carrying out the above-mentioned method is configured.

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:Show it:

1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem, 1 schematically a light transit time camera system,

2 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger, 2 a modulated integration of generated charge carriers,

3 einen Querschnitt durch einen PMD-Lichtlaufzeitsensor mit Potentialverteilung, 3 a cross section through a PMD light transit time sensor with potential distribution,

4 einen zeitlichen Verlauf der Integrationsspannungen an einem Lichtlaufzeitpixel, 4 a time profile of the integration voltages at a light transit time pixel,

5 Verläufe der Ladungsintegration abhängig von der Phasenverschiebung und -lage, 5 Characteristics of the charge integration depending on the phase shift and position,

6 eine Relation der Phasenverschiebung in einem IQ-Diagramm, 6 a relation of the phase shift in an IQ-diagram,

7 einen Modulationsverlauf über vier Phasenlagen, 7 a modulation course over four phase positions,

8 eine Entfernungsermittlung über mehrere Messzyklen mit vier Phasenlagen, 8th a distance determination over several measuring cycles with four phase positions,

9 eine Entfernungsermittlung über mehrere Messzyklen mit drei Phasenlagen, 9 a distance determination over several measuring cycles with three phases,

10 eine Entfernungsermittlung entsprechend 9 mit variierenden Phasenlagen, 10 a distance determination accordingly 9 with varying phase angles,

11 zu digitalisierende Spannungssignale einer Messung mit vier Phasenlagen, 11 to be digitized voltage signals of a measurement with four phase angles,

12 zu digitalisierende Spannungssignale einer Messung mit drei Phasenlagen. 12 to be digitized voltage signals of a measurement with three phase angles.

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.

1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 bekannt ist. 1 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a light time camera, as for example from the DE 197 04 496 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 light transit time camera system 1 comprises a transmitting unit or a lighting module 10 with a lighting 12 and associated beam shaping optics 15 as well as a receiving unit or light runtime camera 20 with a receiving optics 25 and a light transit time sensor 22 ,

Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, 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. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.The light transit time 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 improving the imaging characteristics of multiple optical elements. The beam shaping optics 15 the transmitting unit 10 may be formed for example as a reflector or lens optics. In a very simple embodiment, if necessary, optical elements can also be dispensed with both on the receiving side and on the transmitting side.

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 M0 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 M0 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 covered by the received light can be determined. For this purpose, the light source 12 and the light transit time sensor 22 via a modulator 30 together with a certain modulation signal M 0 with a base phase angle φ 0 applied. In the example shown is also between the modulator 30 and the light source 12 a phase shifter 35 provided with the base phase φ 0 of the modulation signal M 0 of the light source 12 can be moved by defined phase positions φ var . 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 Phaselage 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 M0 mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.The light source transmits according to the set modulation signal 12 an intensity-modulated signal S p1 with the first phase position p1 or p1 = φ 0 + φ var . This signal S p1 or the electromagnetic radiation is in the illustrated case of an object 40 reflects and hits due to the distance traveled corresponding phase-shifted Δφ (t L ) with a second phase position p2 = φ 0 + φ var + Δφ (t L ) as a received signal S p2 on the light transit time sensor 22 , In the time of flight sensor 22 the modulation signal M 0 is mixed with the received signal S p2 , wherein the phase shift or the object distance d is determined from the resulting signal.

Ferner weist das System ein Modulationssteuergerät 27 auf, das in Abhängigkeit der vorliegenden Messaufgabe die Phasenlage φvar das Modulationssignal M0 verändert und/oder über einen Frequenzoszillator 38 die Modulationsfrequenz einstellt.Furthermore, the system has a modulation control unit 27 on, the phase position φ var the modulation signal M 0 changed depending on the present measurement task and / or a frequency oscillator 38 sets the modulation frequency.

Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbreichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.As illumination source or light source 12 are preferably infrared light emitting diodes. Of course, other sources of radiation 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 M0 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 schematically in 2 shown. The upper curve shows the time profile of the modulation signal M 0 with the illumination 12 and the light transit time sensor 22 be controlled. The object 40 Reflected light impinges on the light transit time sensor as received signal S p2 in accordance with its light transit time t L phase-shifted Δφ (t L ) 22 , The light transit time sensor 22 collects the photonically generated charges q over several modulation periods in the phase position of the modulation signal M 0 in a first accumulation gate Ga and in a 180 ° shifted phase position M 0 + 180 ° in a second accumulation Gb. From the ratio of the charges qa, qb collected in the first and second gate Ga, Gb, the phase shift Δφ (t L ) and thus a distance d of the object can be determined.

3 zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel eines Photomischdetektors wie er beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist. Die Modulationsphotogates Gam, G0, Gbm bilden den lichtsensitiven Bereich eines PMD-Pixels. Entsprechend der an den Modulationsgates Gam, G0, Gbm angelegten Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate bzw. Integrationsknoten Ga, Gb gelenkt. Die Integrationsknoten können als Gate oder auch als Diode ausgebildet sein. 3 shows a cross section through a pixel of a photonic mixer as it is for example from the DE 197 04 496 C2 is known. The modulation photogates Gam, G0, Gbm form the light-sensitive area of a PMD pixel. In accordance with the voltage applied to the modulation gates Gam, G0, Gbm, the photonically generated charges q are directed either to one or the other accumulation gate or integration node Ga, Gb. The integration nodes can be designed as a gate or as a diode.

3b zeigt einen Potenzialverlauf, bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Integrationskonten Ga abfliesen, während das Potenzial gemäß 3c die Ladung q in Richtung des zweiten Integrationsknoten Gb fließen lässt. Die Potenziale werden entsprechend der anliegenden Modulationssignale vorgegeben. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 100 MHz. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt. 3b shows a potential curve in which the charges q in the direction of the first integration accounts Ga tapped off, while the potential according to 3c the charge q flows in the direction of the second integration node Gb. The potentials are specified according to the applied modulation signals. Depending on the application, the modulation frequencies are preferably in a range of 1 to 100 MHz. At a modulation frequency of, for example, 1 MHz results in a period of one microsecond, so that the modulation potential changes accordingly every 500 nanoseconds.

In 3a ist ferner eine Ausleseeinheit 400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten PMD-Lichtlaufzeitsensors sein kann. Die als Kapazitäten bzw. Dioden ausgebildeten Integrationsknoten Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Gates Ga, Gb anliegende Spannung beispielsweise über die Ausleseeinheit 400 hochohmig abgegriffen werden. Die Integrationszeiten sind vorzugsweise so zu wählen, dass für die zu erwartende Lichtmenge der Lichtlaufzeitsensor bzw. die Integrationsknoten und/oder die lichtsensitiven Bereiche nicht in Sättigung geraten.In 3a is also a readout unit 400 which, if appropriate, may already be part of a CMOS PMD light transit time sensor. The integration nodes Ga, Gb designed as capacitors or diodes integrate the photonically generated charges over a large number of modulation periods. In a known manner, the voltage applied to the gates Ga, Gb, for example via the readout unit 400 be tapped high impedance. The integration times are preferably to be selected such that the light transit time sensor or the integration nodes and / or the light-sensitive areas do not saturate for the expected amount of light.

In 4 ist ein typischer zeitlicher Verlauf der an den Integrationsknoten Ga, Gb während einer Phasenmessung anliegenden Spannung Ua, Ub. Ausgehend von einer nach einem Reset an den Integrationsknoten anliegenden positiven Resetspannung UDRS fällt die Spannung aufgrund der akkumulierten Photoelektronen an beiden Integrationsknoten Ga, Gb ab. Entsprechend der Phasenverschiebung Δφ(tL) des empfangenen Signals fallen die Spannungen an den Integrationsknoten Ga, Gb unterschiedlich stark ab. Zum Ende der Integrationszeit tint wird die an den Integrationsknoten Ga, Gb anliegenden Spannung Ua, Ub ausgelesen. Die Spannungsdifferenz ΔU der beiden Spannungen Ua, Ub entspricht in bekannter Weise der Differenz Δq der an den Integrationsknoten Ga, Gb akkumulierten Ladung q. Die Integrationszeit tint ist vorzugsweise so bemessen, dass kein Integrationsknoten Ga, Gb bei einer üblichen Belichtung sein Sättigungspotential US erreicht. Für größere Signalstärken kann auch eine so genannte SBI-Schaltung zur Signalkompensation vorgesehen sein. Derartige Schaltungen sind beispielsweise aus der DE 10 2004 016 626 A1 oder DE 10 2005 056 774 A1 bekannt.In 4 is a typical time course of the voltage applied to the integration node Ga, Gb during a phase measurement voltage U a , U b . Starting from a positive reset voltage U DRS applied after a reset to the integration node, the voltage drops due to the accumulated voltage Photoelectrons at both integration nodes Ga, Gb. In accordance with the phase shift Δφ (t L ) of the received signal, the voltages at the integration nodes Ga, Gb drop off to different degrees. At the end of the integration time t int , the voltage U a , U b applied to the integration nodes Ga, Gb is read out. The voltage difference ΔU of the two voltages U a , U b corresponds in a known manner to the difference Δq of the charge q accumulated at the integration nodes Ga, Gb. The integration time t int is preferably dimensioned such that no integration node Ga, Gb reaches its saturation potential U S in a conventional exposure. For greater signal strengths, a so-called SBI circuit for signal compensation can also be provided. Such circuits are for example from the DE 10 2004 016 626 A1 or DE 10 2005 056 774 A1 known.

5a und 5b zeigen Verläufe der normierten Ladungsdifferenz Δq = qa – qb/(qa + qb) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung Δφ(tL) des empfangenen Lichtsignals Sp2 mit unterschiedlichen Phasenlagen. Die 5a zeigt einen Verlauf für eine unverschobene Modulationsphase M0 mit einer Phasenlage φvar = 0° Bei einem Auftreffen des Signals Sp2 ohne Phasenverschiebung also Δφ(tL) = 0°, beispielsweise, wenn das Sendesignal Sp1 direkt auf den Sensor gelenkt wird, sind die Phasen der Modulation M0 und vom empfangenen Signal Sp2 identisch, so dass alle erzeugten Ladungsträger phasensynchron am ersten Integrationsknoten Ga erfasst werden und somit ein maximales Differenzsignal mit Δq = 1 anliegt. 5a and 5b show curves of the normalized charge difference Δq = q a - q b / (q a + q b ) as a function of the phase shift Δφ (t L ) of the received light signal S p2 with different phase angles. The 5a shows a curve for a non-shifted modulation phase M 0 with a phase angle φ var = 0 ° When the signal S p2 without phase shift so Δφ (t L ) = 0 °, for example, when the transmission signal S p1 is directed directly to the sensor, the phases of the modulation M 0 and of the received signal S p2 are identical, so that all generated charge carriers are detected in phase synchronization at the first integration node Ga and thus a maximum difference signal with Δq = 1 is applied.

Mit zunehmender Phasenverschiebung nimmt die am ersten Integrationsknoten Ga akkumulierte Ladung ab und am zweiten Integrationsknoten Gb zu. Bei einer Phasenverschiebung von Δφ(tL) = 90° sind die Ladungsträger qa, qb an beiden Integrationsknoten Ga, Gb gleich verteilt und die Ladungsdifferenz somit Null und nach 180° Phasenverschiebung ”–1”. Mit weiter zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Gate Ga wieder zu, so dass im Ergebnis die Ladungsdifferenz wieder ansteigt, um dann bei 360° bzw. 0° wieder ein Maximum zu erreichen.As the phase shift increases, the charge accumulated at the first integration node Ga decreases and at the second integration node Gb increases. With a phase shift of Δφ (t L ) = 90 °, the charge carriers qa, qb are equally distributed at both integration nodes Ga, Gb and the charge difference is thus zero and after 180 ° phase shift "-1". With further increasing phase shift, the charge at the first gate Ga increases again, so that as a result the charge difference increases again in order then to reach a maximum again at 360 ° or 0 °.

Mathematisch handelt es sich hierbei um eine Korrelationsfunktion des empfangenen Signals Sp2 mit dem modulierenden Signal M0.Mathematically, this is a correlation function of the received signal S p2 with the modulating signal M 0 .

Figure DE102013216434B3_0002
Figure DE102013216434B3_0002

Bei einer Modulation mit einem Rechtecksignal ergibt sich wie bereits dargestellt als Korrelationsfunktion eine Dreiecksfunktion. Bei einer Modulation mit beispielsweise einem Sinussignal wäre das Ergebnis eine Kosinusfunktion.In the case of a modulation with a square-wave signal, as already described, a triangular function results as the correlation function. For a modulation with, for example, a sine signal, the result would be a cosine function.

Wie 5a zeigt, ist eine Messung der Phase mit einer Phasenlage nur bis zu einer Phasenverschiebung Δφ(tL) ≤ 180° eindeutig.As 5a shows, a phase phase measurement is unique only up to a phase shift Δφ (t L ) ≤ 180 °.

Zur maximalen Erfassung der Phasenverschiebung ist beispielsweise das IQ(Inphase-Quadratur) Verfahren bekannt, bei dem zwei Messungen mit um 90° verschobenen Phasenlagen durchgeführt werden, also beispielsweise mit der Phasenlage φvar = 0° und φvar = 90°. Das Ergebnis einer Messung mit der Phasenlage φvar = 90° ist in 5b dargestellt.For maximum detection of the phase shift of the IQ (in-phase quadrature) method is known for example in which two measurements are performed with shifted by 90 ° phase positions, that is, for example, with the phase position φ var = 0 ° and φ var = 90 °. The result of a measurement with the phase angle φ var = 90 ° is in 5b shown.

Die Beziehung dieser beiden Kurven lässt sich in bekannter Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm gem. 6 darstellen. In erster Näherung ist diese Darstellung ohne weiteres auch für die dargestellten Dreiecksfunktionen anwendbar.The relationship between these two curves can be determined in a known manner, for example for sinusoidal waveforms in an IQ diagram. 6 represent. In a first approximation, this representation is readily applicable to the triangular functions shown.

Der Phasenwinkel lässt sich dann in bekannter Weise über eine arctan-Funktion bzw. arctan2-Funktion bestimmen: φ = Δφ(tL) = arctan Δq(90°) / Δq(0°) The phase angle can then be determined in a known manner via an arctan function or arctan2 function: φ = Δφ (t L ) = arctan Δq (90 °) / Δq (0 °)

Aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen Ladung und Spannung, lässt sich der Phasenwinkel ebenso über die Spannungsdifferenzen bestimmen: φ = Δφ(tL) = arctan ΔU(90°) / ΔU(0°) Due to the linear relationship between charge and voltage, the phase angle can also be determined by the voltage differences: φ = Δφ (t L ) = arctan ΔU (90 °) / ΔU (0 °)

Um beispielsweise Asymmetrien des Sensors zu kompensieren, können zusätzliche um 180° verschobene Phasenmessungen durchgeführt werden, so dass sich im Ergebnis der Phasenwinkel wie folgt bestimmen lässt. φ = Δφ(tL) = arctan Δq(90°) – Δq(270°) / Δq(0°) – Δq(180°) In order to compensate, for example, asymmetries of the sensor, additional phase measurements shifted by 180 ° can be performed so that, as a result, the phase angle can be determined as follows. φ = Δφ (t L ) = arctan Δq (90 °) - Δq (270 °) / Δq (0 °) - Δq (180 °)

Oder verkürzt formuliert:

Figure DE102013216434B3_0003
Or shortened formulated:
Figure DE102013216434B3_0003

Wobei die Indizes die jeweilige Phasenlage der Differenzen ai andeuten, mit α1 = Δq(0°) usw.Where the indices indicate the respective phase position of the differences a i , with α 1 = Δq (0 °) etc.

Aus der Phasenverschiebung φ bzw. Δφ(tL) lassen sich für Objektabstände d, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge λ der Modulationsfrequenz d ≤ λ/2, in bekannter Weise ein Abstand bestimmen. d = Δφ(tL) λ / 2π· 1 / 2 From the phase shift φ or Δφ (t L ) can be for object distances d, which are smaller than half the wavelength λ of the modulation frequency d ≤ λ / 2, determine a distance in a known manner. d = Δφ (t L ) λ / 2π × 1/2

In 7 ist ein vollständiger Satz einer Entfernungsmessung mit vier Phasenlagen von 0°, 90°, 180° und 270° dargestellt. Im dargestellten Fall werden Ladungsträger jeweils über Modulationsperioden integriert und in jeder Phasenlage ein der Ladungsdifferenz entsprechender Wert a1, a2, a3, a4 ausgelesen, woraus sich wie bereits dargestellt eine Phasenverschiebung und ein entsprechender Entfernungswert ermitteln lässt.In 7 is a complete set of distance measurement with four phase angles of 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °. In the illustrated case, charge carriers are integrated in each case via modulation periods and in each phase position a value corresponding to the charge difference a 1 , a 2 , a 3 , a 4 is read, from which a phase shift and a corresponding distance value can be determined as already described.

8 zeigt zwei aufeinander folgende Messmessfenster bzw. Frames i, i + 1. In jedem Frame i werden aus in jeder Phasenlage ermittelten Ladungs- Δq oder Spannungsdifferenzen ΔU eine Phasenverschiebung Δφ(tL) bzw. Entfernung d bestimmt. Die jeweiligen Phasenlagen sind der Einfachheit nur mit einer Hüllkurve des Modulationssignals dargestellt. 8th shows two consecutive measurement measurement windows or frames i, i + 1. In each frame i, a phase shift Δφ (t L ) or distance d is determined from charge Δq or voltage differences ΔU determined in each phase position. The respective phase positions are shown for simplicity only with an envelope of the modulation signal.

Zur Verkürzung der Messzeit und somit einer höheren zeitlichen Auflösung der Entfernungswerte ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Anzahl der Phasenmessungen durch Ausnutzung einer Messredundanz zu reduzieren.To shorten the measuring time and thus a higher temporal resolution of the distance values, it is provided according to the invention to reduce the number of phase measurements by utilizing a measurement redundancy.

Wie bereits dargestellt, werden die vier Phasenmessungen vornehmlich zur Kompensation von Asymmetrien der realen Schaltung verwendet.As already stated, the four phase measurements are used primarily to compensate for asymmetries of the real circuit.

In einem idealen symmetrischen Fall gilt Δq(90°) = –Δq(270°) ⇔ α2 = –α4 Δq(0°) = –Δq(180°) ⇔ α1 = –α3 In an ideal symmetric case applies Δq (90 °) = -Δq (270 °) ⇔ α 2 = -α 4 Δq (0 °) = -Δq (180 °) ⇔ α 1 = -α 3

Die oben genannte Beziehung lässt sich somit im symmetrischen Fall wie folgt umschreiben:

Figure DE102013216434B3_0004
The above relationship can thus be described in the symmetrical case as follows:
Figure DE102013216434B3_0004

In einer realen Messung weisen Messungen zu verschiedenen Phasenlagen jedoch Unterschiede auf: Δasym = Δq(0°) + Δq(180°) = Δq(90°) + Δq(270°) Δasym = α1 + α3 = α2 + α4 In a real measurement, however, measurements on different phase angles show differences: Δasym = Δq (0 °) + Δq (180 °) = Δq (90 °) + Δq (270 °) Δasym = α 1 + α 3 = α 2 + α 4

Diese Asymmetriedifferenzen Δasym für die 0°/180°- und der 90°/270°-Phasenmessung sind im Wesentlichen gleich groß, so dass die Entfernungsbestimmung erfindungsgemäß um die Messung einer Phasenlage reduziert werden kann:

Figure DE102013216434B3_0005
These asymmetry differences Δasym for the 0 ° / 180 ° and the 90 ° / 270 ° phase measurements are essentially the same, so that the distance determination according to the invention can be reduced by the measurement of a phase position:
Figure DE102013216434B3_0005

Selbstverständlich kann nicht nur die vierte, sondern jede Phasenlage substituiert werden. Of course, not only the fourth, but each phase can be substituted.

9 zeigt eine erfindungsgemäße Messung mit drei Phasenlagen deren Gesamtmesszeit um die Messdauer der vierten Phasenlage verkürzt ist. Die Messzeit ist somit gegenüber der in 8 gezeigten Vierphasenmessung um 25% kürzer. 9 shows a measurement according to the invention with three phase angles whose overall measurement time is shortened by the measurement duration of the fourth phase position. The measuring time is thus opposite to the in 8th shown four-phase measurement by 25% shorter.

In einer weiteren in 10 dargestellten Ausführung ist es denkbar, dass in einer nachfolgenden Entfernungsmessung eine andere Phase, hier 90°, substituiert wird. Auch kommt es nicht auf die Reihenfolge der Phasenmessungen an.In another in 10 In the embodiment shown, it is conceivable that a different phase, in this case 90 °, is substituted in a subsequent distance measurement. Also, it does not depend on the order of the phase measurements.

Des Weiteren müssen die Phasenlagen nicht zwingen mit der Phasenlage 0° beginnen. Beispielsweise sind auch um einen festen Winkel verschobene Phasenlagen denkbar, also beispielsweise 30°, 210°, 120°, 300°. Allgemein φvar = φvar + δφ mit δφ ∊ [0°, 360°].Furthermore, the phase angles do not have to be forced to begin with the phase angle 0 °. For example, phase positions shifted by a fixed angle are conceivable, for example 30 °, 210 °, 120 °, 300 °. General φvar = φvar + δφ with δφ ε [0 °, 360 °].

Durch dieses Konzept der äquidistanten Phasenmessung, ergeben sich neue Möglichkeiten, die Framerate zu erhöhen und/oder den Energieverbrauch zu verringern, bei fast unverändertem Signal-Rausch-Verhältnis.This concept of equidistant phase measurement opens up new possibilities for increasing the frame rate and / or reducing energy consumption, while the signal-to-noise ratio remains almost unchanged.

Durch die vier Messungen ist die Autokorrelationsfunktion an sich überbestimmt. Mithilfe der Redundanz α1 + α3 = α2 + α4, kann auf eine Messung verzichtet werden. Dadurch lässt sich die Framerate signifikant erhöhen und/oder der Stromverbrauch reduzieren.The autocorrelation function itself is over-determined by the four measurements. With the aid of the redundancy α 1 + α 3 = α 2 + α 4 , a measurement can be dispensed with. This can significantly increase the frame rate and / or reduce power consumption.

Für Anwendungen sind neben einer hohen Präzession der Entfernungsmessung zunehmend auch Geschwindigkeit (framerate) und Energieverbrauch von Bedeutung. Haupt-Energieverbraucher sind in den Kamerasystemen die Lichtquellen, die eine Mindestleistung erbringen müssen, um ein akzeptables Signal-Rausch-Verhältnis zu garantieren. Die Framerate wird dabei limitiert durch die Belichtungszeit und die Auslesezeit. Durch das erfindungsgemäße Vorgehen verringert sich der Energieverbrauch um 25% oder alternativ kann die Framerate um 25% gesteigert werden.In addition to a high precession of the distance measurement, speed (framerate) and energy consumption are increasingly important for applications. Main energy consumers in the camera systems are the light sources that have to provide a minimum power in order to guarantee an acceptable signal-to-noise ratio. The frame rate is limited by the exposure time and the readout time. The procedure according to the invention reduces the energy consumption by 25% or, alternatively, the frame rate can be increased by 25%.

Ein anderer wichtiger Vorteil dieses Verfahrens ist, dass der Dynamikbereich der Kamera erweitert werden kann durch Verschieben des Analog-Bezugpunktes. Gesetzt den Fall, dass immer die Phase eliminiert wird, die das stärkste negative Signal hat, kann der Bezugspunkt ohne Nachteile nach unten verschoben werden. Den anderen drei Phasen stehen damit bis zu 50% mehr Dynamikbereich zur VerfügungAnother important advantage of this method is that the dynamic range of the camera can be extended by shifting the analogue reference point. Assuming that the phase which has the strongest negative signal is always eliminated, the reference point can be shifted down without any disadvantages. The other three phases are up to 50% more dynamic range available

In 11 sind beispielshaft die Spannungsdifferenzen ΔU für eine Messung mit vier Phasenlagen dargestellt. Der Digitalisierungsumfang ist mit 0–4 V vorgegeben. Zur Abbildung aller Ladungs- bzw. Spannungsdifferenzen stehen ausgehend von der Analogspannungs-Referenz AGND, die auf 2 Volt gesetzt ist, +/–2 Volt zur Verfügung.In 11 For example, the voltage differences .DELTA.U for a measurement with four phase angles are shown. The digitization scope is specified with 0-4 V. To represent all charge or voltage differences, starting from the analog voltage reference AGND, which is set to 2 volts, +/- 2 volts are available.

Für das erfindungsgemäße Vorgehen wird besonders vorteilhaft eine der Phasenmessungen mit einem hohen Differenzsignal substituiert. Also im vorliegenden Beispiel die 90°- oder 270°-Phasenmessung. Dies resultiert aus der grundsätzlichen Überlegung, dass kleine Differenzsignale empfindlicher gegenüber Phasenänderungen sind als große Differenzsignale. Durch die Substitution eines der größeren Differenzsignale verbleiben die phasenempfindlicheren Signale in der Berechnung und gewährleisten eine höhere Messgenauigkeit.For the procedure according to the invention, one of the phase measurements is particularly advantageously substituted by a high difference signal. So in this example, the 90 ° or 270 ° phase measurement. This results from the fundamental consideration that small differential signals are more sensitive to phase changes than large differential signals. By substituting one of the larger difference signals, the phase-sensitive signals remain in the calculation and ensure higher measurement accuracy.

Ein weiterer Vorteil ist in 12 dargestellt. Durch die Substitution einer der Phasenlagen mit einer sehr hohen Spannungsdifferenz, also hier der 270°-Phasenlage, kann für die verbleibenden Phasen ein größerer Spannungsbereich zur Verfügung gestellt werden. Im dargestellten Beispiel steht nun für die 90°-Phasenlage ein Spannungsbereich von ΔU = 3 V statt ΔU = 2 V bei der Vierphasenmessung zur Verfügung.Another advantage is in 12 shown. By substituting one of the phase positions with a very high voltage difference, in this case the 270 ° phase position, a larger voltage range can be made available for the remaining phases. In the example shown, a voltage range of .DELTA.U = 3 V instead of .DELTA.U = 2 V in the four-phase measurement is now available for the 90.degree. Phase position.

Dies kann insbesondere dann erreicht werden, wenn der angestrebte Arbeitsbereich kleiner/gleich einem Viertel des Eindeutigkeitsbereiches ist, was für Nahfeldanwendungen häufig der Fall ist. Typischerweise liegt die Analog-Referenzspannung (AGND) in der Mitte des Wandelbereiches, um einen symmetrischen maximalen Dynamikbereich zu garantieren. Im asymmetrischen 3-Phasen Fall ohne die letzte Phase, lässt sich die Dynamik wie gezeigt deutlich erhöhen.This can be achieved in particular if the desired working range is less than or equal to one quarter of the uniqueness range, which is often the case for near-field applications. Typically, the analog reference voltage (AGND) is in the middle of the conversion range to guarantee a symmetric maximum dynamic range. In the asymmetric 3-phase case without the last phase, the dynamics can be significantly increased as shown.

13 zeigt einen Verlauf eines Phasenfehlers in Abhängigkeit der Phasenverschiebung Δφ(tL) des empfangenen modulierten Signals bzw. der zurückgelegten Wegstrecke des Lichts bzw. Objektentfernung d. Aufgrund der Periodizität ist das Signal nur bis 360° bzw. bis zum Eindeutigkeitsbereich dEB eindeutig. Der Eindeutigkeitsbereich dEB entspricht im Wesentlichen der Wellenlänge des Modulationssignals bzw. bei reinen Betrachtung des Objektabstandes der halben Wellenlänge. 13 shows a curve of a phase error as a function of the phase shift Δφ (t L ) of the received modulated signal or the distance traveled by the light or object distance d. Due to the periodicity, the signal is unique only up to 360 ° or up to the uniqueness range d EB . Of the Uniqueness range d EB essentially corresponds to the wavelength of the modulation signal or, if the object distance is half the wavelength, when the object distance is considered purely.

Der Phasenfehler berechnet sich allgemein über das Fehlerfortpflanzungsgesetz

Figure DE102013216434B3_0006
The phase error is generally calculated via the error propagation law
Figure DE102013216434B3_0006

Mit dai als Winkel-Messabweichung und dφ als Gesamt-Phasenfehler.With da i as angle error and dφ as total phase error.

Für eine Messung mit vier Phasenlagen ergibt sich exemplarisch für die so genannte cos-Autokorrelationsfunktion ein Phasenfehler von dφ(4P) = 2 / Ada For a measurement with four phase positions, a phase error of, for example, results for the so-called cos autocorrelation function dφ (4P) = 2 / Ada

Und für drei PhasenAnd for three phases

Figure DE102013216434B3_0007
Figure DE102013216434B3_0007

In der 13 und 15 sind die Phasenfehler auf dφ/da normiert und der Vorfaktor 2/A der Einfachheit auf Eins gesetzt. Wie den Formeln und der 13 zu entnehmen ist, ist der Phasenfehler dφ(4P) für die Vierphasenmessung über alle Phasenverschiebung Δφ(tL) konstant, während der Phasenfehler dφ(3P) für die Dreiphasenmessung im Wesentlichen sinusförmig schwankt.In the 13 and 15 the phase errors are normalized to dφ / da and the simplicity factor 2 / A is set to one. Like the formulas and the 13 can be seen, the phase error dφ (4P) for the four-phase measurement over all phase shift Δφ (t L ) is constant, while the phase error dφ (3P) for the three-phase measurement varies substantially sinusoidally.

Der Dreiphasenfehler ist minimal, wenn die substituierte Phase ein großes Signal aufweist. Dieses Verhalten ist beispielhaft in 14 dargestellt, in dem die Differenzspannungen ΔU für die Minima a, c und Maxima b, d dargestellt sind. Liegt keine Phasenverschiebung des Signals vor, sind die Differenzspannungen, wie in 14(a) gezeigt, für die 0°- und komplementäre 180°-Phasenlage maximal und die „orthogonalen” 90° und 270°-Phasenlage minimal bzw. im Idealfall Null. In einer vereinfachten Anschauung kann angenommen werden, dass die minimalen Differenzspannungen einen höheren Informationsgehalt über die Phasenlagen aufweisen als die größeren Differenzspannungen. Durch Substitution einer der größeren Differenzspannungen nimmt der Informationsgehalt insofern nur unwesentlich ab, so wie es auch in der Fehlerfortpflanzungsbetrachtung zum Ausdruck kommt.The three-phase error is minimal when the substituted phase has a large signal. This behavior is exemplary in 14 represented in which the differential voltages .DELTA.U for the minima a, c and maxima b, d are shown. If there is no phase shift of the signal, the differential voltages are as in 14 (a) shown for the 0 ° - and complementary 180 ° phase position maximum and the "orthogonal" 90 ° and 270 ° phase position minimal or ideally zero. In a simplified view it can be assumed that the minimum differential voltages have a higher information content over the phase positions than the larger differential voltages. By substituting one of the larger differential voltages, the information content decreases insignificantly insofar as it is also reflected in the error propagation consideration.

In den dargestellten Beispielen gemäß den 13, 14 und 15 wurde durchgängig die 180°-Phasenlage substituiert. Aufgrund dieser durchgängigen Substitution gibt es Phasenverschiebungen bei denen sich die Substitution günstig oder weniger günstig auswirkt.In the illustrated examples according to the 13 . 14 and 15 was consistently substituted for the 180 ° phase. Due to this consistent substitution, there are phase shifts in which the substitution has a favorable or less favorable effect.

Ausgehend vom unverschobenen Signal gemäß 14(a) verteilen sich mit zunehmender Phasenverschiebung die Ladungen auf beide Kanäle gleichermaßen, so dass die Differenzspannung zur 0°- und 180°-Phasenlage, wie in 14(b) dargestellt, zu Null addieren. Die orthogonalen 90°- und 270°-Phasenlagen weisen hingegen eine maximale Differenzspannung auf.Starting from the unshifted signal according to 14 (a) With increasing phase shift, the charges distribute equally to both channels, so that the difference voltage to the 0 ° and 180 ° phase position, as in 14 (b) shown, add to zero. The orthogonal 90 ° and 270 ° phase positions, however, have a maximum differential voltage.

Wie zuvor beschrieben, beinhalten die geringen Differenzspannungen die größte Phaseninformation. Durch Substitution der 180°-Phasenlage „verliert” das System an Phaseninformation. Dieses Verhalten zeigt sich in 13 durch einen maximalen Phasenfehler Emax bei 90° Phasenverschiebung.As described above, the low differential voltages include the largest phase information. By substituting the 180 ° phase position, the system "loses" phase information. This behavior is reflected in 13 by a maximum phase error E max at 90 ° phase shift.

Mit zunehmender Phasenverschiebung wechseln die Differenzspannungen zwar ihr Vorzeichen im Ergebnis bleibt die Fehlerbetrachtung aber gleich. Bei 180° Phasenverschiebung ist der Phasenfehler im Punkt (c) dann wieder minimal und bei 270° im Punkt (d) maximal, um sich dann bei 360° wieder der Situation gemäß Punkt (a) zu nähern.With increasing phase shift, the differential voltages change their sign in the result, however, the error consideration remains the same. At 180 ° phase shift of the phase error in the point (c) is then again minimal and at 270 ° in the point (d) maximum, and then at 360 ° again to approach the situation according to point (a).

Der in 13 dargestellte Verlauf stellt die grundsätzlich vorhandene Schwankung der Phasenfehler dar. Sind die Phasenfehler in ihrer absoluten Größe bereits klein, so können in der Regel die durch die 3-Phasenmessung zusätzlich aufgeprägten Schwankungen vernachlässigt werden. In Abhängigkeit der Applikation bzw. der gewünschten Genauigkeit können jedoch Phasenfehlertoleranzen Etol vorgegeben werden.The in 13 The course shown represents the basically existing fluctuation of the phase error. If the phase errors are already small in their absolute magnitude, then the fluctuations additionally impressed by the 3-phase measurement can generally be neglected. Depending on the application or the desired accuracy, however, phase error tolerances E tol can be specified.

Beispielsweise kann es vorgesehen sein, die Hälfte des maximalen Phasenfehlers zu tolerieren, als Etol = Emax/2. Die Wahl dieses Grenzbereiches hat zur Folge, dass die Entfernungswerte d nur stückweise einen tolerierten Phasenfehler Etol aufweisen nämlich in den Intervallen [0, 45], [135, 225] und [315, 360]. In einer einfachen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, den Lichtlaufzeitsensor nur für das Intervall [0,45] respektive von Null bis 1/8 des Eindeutigkeitsbereichs dEB einzusetzen. For example, it may be provided to tolerate half the maximum phase error, as E tol = E max / 2. The consequence of the choice of this limit range is that the distance values d have only partwise a tolerated phase error E tol , namely in the intervals [0, 45], [135, 225] and [315, 360]. In a simple embodiment, it can be provided to use the light transit time sensor only for the interval [0.45] or from zero to 1/8 of the uniqueness range d EB .

Dieser Bereich kann jedoch wie in 15 gezeigt erweitert werden, indem beispielsweise die Phase der Beleuchtung um 45° verschoben wird. Aufgrund der Symmetrie der Phasenfehler verdoppelt sich somit der effektive Messbereich von 1/8 auf 1/4 des Eindeutigkeitsbereichs dEB.However, this area may be as in 15 shown by, for example, the phase of the illumination is shifted by 45 °. Due to the symmetry of the phase error is thus the effective measuring range of 1/8 to 1/4 of the unambiguity area d EB doubled.

Selbstverständlich können die Toleranzen und Intervalle je nach Applikation geändert werden. Insbesondere können die absoluten Messbereiche durch Wahl einer geeigneten Modulationsfrequenz bzw. deren Wellenlänge vorgegeben werden.Of course, the tolerances and intervals can be changed depending on the application. In particular, the absolute measuring ranges can be predetermined by selecting a suitable modulation frequency or its wavelength.

Anstatt die Phase der Beleuchtung konstant um 45° zu verschieben und hiernach Messungen in der Phasenlage 0°, 90°, 180° und 270° durchzuführen, wobei erfindungsgemäß ein Phase substituiert wird, ist es gleichermaßen möglich die Messungen bei Phasenlagen von 45°, 135°, 225° und 315° durchzuführen.Instead of constantly shifting the phase of the illumination by 45 ° and thereafter performing measurements in the phase positions 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °, according to the invention a phase is substituted, it is equally possible the measurements at phase angles of 45 °, 135 °, 225 ° and 315 °.

So ist es grundsätzlich möglich, für einen Entfernungswert innerhalb eines Entfernungsintervalls eine optimale Phasenlage zu finden, bei der Phasenmessfehler E minimal bzw. die Spannungsdifferenz ΔU maximal ist. Für die Messung mit drei Phasen wird entweder diese Phasenlage oder die um 180° verschobene komplementäre Phasenlage substituiert. Die beiden weiteren Phasenlagen liegen +/–90° um der optimalen Phasenlage. Bevorzugt wird die optimale Phasenlage für den mittleren Entfernungswert im Entfernungsintervall bestimmt.Thus, it is fundamentally possible to find an optimum phase position for a distance value within a distance interval, in which phase measurement error E is minimal or the voltage difference ΔU is maximum. For the measurement with three phases, either this phase position or the shifted by 180 ° complementary phase position is substituted. The other two phase angles are +/- 90 ° around the optimum phase angle. The optimum phase position for the mean distance value in the range interval is preferably determined.

Entsprechend dem oben genannten Beispiel ist ein Entfernungsintervall von [0, dEB/4] respektive gemessen in Phasenverschiebung von [0°, 90°] vorgegeben. Bevorzugt wird die Phasenlage für den mittleren Wert also hier dEB/8 bzw. 45° optimiert. Für diesen Punkt ist der Phasenfehler für die Phasenlagen 45° und der komplementären Phasenlage 225° minimal und die Spannungsdifferenz ΔU maximal. Wenn die 45° Phasenlage substituiert wurde, werden die drei Phasenmessung bei 225° und 225° +/– 90° = 315° u. 135° durchgeführt. Bei Substitution der 225° Phasenlage ergeben sich aufgrund der Periodizität für die orthogonalen Phasen die gleichen Phasenlagen nämlich 45° +/– 90° = 135° und 315°.According to the above example, a distance interval of [0, d EB / 4] or measured in phase shift of [0 °, 90 °] is given. Preferably, the phase position for the average value is thus optimized here d EB / 8 or 45 °. For this point, the phase error for the phase positions 45 ° and the complementary phase position 225 ° is minimal and the voltage difference .DELTA.U maximum. When the 45 ° phase has been substituted, the three phase measurements at 225 ° and 225 ° +/- 90 ° = 315 ° u. 135 ° performed. In the case of substitution of the 225 ° phase position, the same phase positions result due to the periodicity for the orthogonal phases namely 45 ° +/- 90 ° = 135 ° and 315 °.

Ferner ist es denkbar, die zu substituierende Phasenlage zu tauschen, sobald die Spannungsdifferenz ΔU nicht mehr minimal ist. Wird dies festgestellt, könnte beispielsweise die nachfolgende Messung mit einer Substitution einer der um 90° verschobenen Phasenlagen durchgeführt werden. Also in dem Beispiel gemäß 15 könnte bei einer Phasenverschiebung von 100° die Phasenlage mit 135° substituiert werden.Furthermore, it is conceivable to exchange the phase position to be substituted as soon as the voltage difference .DELTA.U is no longer minimal. If this is determined, for example, the subsequent measurement could be carried out with a substitution of one of the phase positions shifted by 90 °. So according to the example 15 could be substituted at a phase shift of 100 °, the phase angle with 135 °.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

LichtlaufzeitkamerasystemTime of flight camera system
10 10
Beleuchtungsmodullighting module
1212
Beleuchtunglighting
2020
Empfänger, LichtlaufzeitkameraReceiver, light time camera
2222
LichtlaufzeitsensorTransit Time Sensor
2727
Auswerteeinheitevaluation
3030
Modulatormodulator
3535
Phasenschieber, BeleuchtungsphasenschieberPhase shifter, lighting phase shifter
3838
ModulationssteuergerätModulation controller
400400
Auswerteeinheitevaluation
φ, Δφ(tL)φ, Δφ (t L )
laufzeitbedingte Phasenverschiebungterm-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 PhaseTransmission signal with first phase
Sp2sp2
Empfangssignal mit zweiter PhaseReceived signal with second phase
Ga, GbGa, Gb
Integrationsknotenintegration node
Ua, UbUa, Ub
Spannungen an den IntegrationsknotenVoltages at the integration node
ΔU.DELTA.U
Spannungsdifferenzvoltage difference
Δq.DELTA.Q
Ladungsdifferenzcharge difference
ai a i
Ladungs-/Spannungsdifferenzen zu unterschiedlichen PhasenlagenCharge / voltage differences to different phase angles
ΔasymΔasym
Asymmetriedifferenzasymmetry difference
dd
Objektdistanzsubject Distance
AGNDAGND
Analogspannungs-ReferenzAnalog Voltage Reference

Claims (5)

Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems (1), mit den Schritten: – Aussendung und Empfang eines modulierten Lichts (Sp1, Sp2), – Demodulation des empfangenen modulierten Lichts (Sp2) mit einem Modulationssignal (M0), – wobei die Aussendung und die Demodulation mit drei unterschiedlichen Phasenlagen (φvar) des Modulationssignals (M0) durchgeführt werden – und wobei eine erste und zweite Phasenlage (φvar) um 180° zueinander verschoben sind, und eine dritte Phasenlage (φvar) um 90° zu einer der ersten beiden Phasenlagen verschoben ist, – Ermittlung einer entfernungsabhängige Differenzgröße (Δq, ΔU) zu jeder Phasenlage (φvar), – Ermittlung eines Entfernungswertes (Δφ(tL), d) aus den ermittelten Differenzgrößen (Δq, ΔU), dadurch gekennzeichnet, dass in einem Algorithmus zur Entfernungsberechnung ausgehend von vier Phasenlagen, eine der Phasenlagen mit der größten Differenzgröße (Δq, ΔU) substituiert wird, und die Entfernungsmessung und -berechnung mit den verbleibenden drei Phasenlagen erfolgt.Method for operating a light transit time camera system ( 1 ), Comprising the steps of: - (transmission and reception of a modulated light S p1, S p2), - demodulating the received modulated light (S p2) with a modulation signal (M 0), - wherein the sending and the demodulation with three different phase positions (φ var ) of the modulation signal (M 0 ) are performed - and wherein a first and second phase position (φ var ) are shifted by 180 ° to each other, and a third phase position (φ var ) is shifted by 90 ° to one of the first two phase positions Determining a distance-dependent difference quantity (Δq, ΔU) for each phase position (φ var ), determining a distance value Δφ (t L ), d) from the determined difference values Δq, ΔU, characterized in that in an algorithm for Distance calculation is based on four phase positions, one of the phase positions with the largest difference size (.DELTA.q, .DELTA.U) is substituted, and the distance measurement and calculation with the remaining three Pha senlagen takes place. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem eine Analog-Referenzspannung (AGND) der substituierten Differenzgröße (Δq, ΔU) angepasst wird.Method according to Claim 1, in which an analog reference voltage (AGND) is adapted to the substituted differential quantity (Δq, ΔU). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für ein bevorzugtes Entfernungsmessintervall eine Phasensubstitution derart vorgeben wird, dass der Phasenfehler innerhalb dieses Entfernungsintervalls minimal ist.Method according to one of the preceding claims, in which, for a preferred distance measuring interval, a phase substitution is set in such a way that the phase error within this distance interval is minimal. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das bevorzugte Entfernungsmessintervall kleiner oder gleich einem Viertel des Eindeutigkeitsbereichs (dEB) ist.The method of claim 3, wherein the preferred range-finding interval is less than or equal to a quarter of the unambiguity range (d EB ). Lichtlaufzeitkamerasystem, mit einem Lichtlaufzeitsensor (22), der mindestens ein Empfangspixel aufweist und mit einer Lichtquelle (12), mit einem Modulator (30), der mit dem Lichtlaufzeitsensor (22) und der Lichtquelle (12) verbunden ist, mit einer Auswerteeinheit (27), die zur Ermittlung einer Entfernung ausgehend von Signalen des Lichtlaufzeitsensors (22) in drei unterschiedlichen Phasenlage (φvar) und zur Durchfahrung eines der in den Ansprüche 1 bis 4 genannten Verfahren ausgestaltet ist.Time of flight camera system, with a light transit time sensor ( 22 ), which has at least one receiving pixel and with a light source ( 12 ), with a modulator ( 30 ), which with the light transit time sensor ( 22 ) and the light source ( 12 ) is connected to an evaluation unit ( 27 ) used to determine a distance based on signals of the light transit time sensor ( 22 ) in three different phase position (φ var ) and for the implementation of one of the methods mentioned in claims 1 to 4 is configured.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102011089642A1 (en) * 2010-12-22 2012-06-28 Ifm Electronic Gmbh Light travel time sensor i.e. photo mixing detector-sensor, for three-dimensional time-of-light camera, has evaluation device determining distance value based on electrical parameters, where additional parameters are used to determine value

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