DE102014205585B4 - Method for operating a time of flight camera and time of flight camera system - Google Patents

Method for operating a time of flight camera and time of flight camera system Download PDF

Info

Publication number
DE102014205585B4
DE102014205585B4 DE102014205585.7A DE102014205585A DE102014205585B4 DE 102014205585 B4 DE102014205585 B4 DE 102014205585B4 DE 102014205585 A DE102014205585 A DE 102014205585A DE 102014205585 B4 DE102014205585 B4 DE 102014205585B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
light
phase
modulation
phase shift
time
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
DE102014205585.7A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102014205585A1 (en
Inventor
Martin Albrecht
Stefan Becker
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
PMDtechnologies AG
Original Assignee
PMDtechnologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by PMDtechnologies AG filed Critical PMDtechnologies AG
Priority to DE102014205585.7A priority Critical patent/DE102014205585B4/en
Publication of DE102014205585A1 publication Critical patent/DE102014205585A1/en
Application granted granted Critical
Publication of DE102014205585B4 publication Critical patent/DE102014205585B4/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B21/00Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant
    • G01B21/02Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness
    • G01B21/04Measuring arrangements or details thereof, where the measuring technique is not covered by the other groups of this subclass, unspecified or not relevant for measuring length, width, or thickness by measuring coordinates of points
    • G01B21/045Correction of measurements
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06Systems determining position data of a target
    • G01S17/08Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S17/36Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S17/8943D imaging with simultaneous measurement of time-of-flight at a 2D array of receiver pixels, e.g. time-of-flight cameras or flash lidar
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/497Means for monitoring or calibrating

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeitkamera mit den Schritten: – Betreiben der Beleuchtung ohne Modulation zur Aussendung eines unmodulierten Lichts in einem Kalibrierschritt, – Aussendung eines unmodulierten Lichts mit unterschiedlichen Lichtstärken – Erfassung einer scheinbaren Phasenverschiebung und/oder Autokorrelationsfunktion und/oder Korrelationswerte für die unterschiedlichen Lichtstärken, – Hinterlegung der scheinbaren Phasenverschiebung und/oder Autokorrelationsfunktion und/oder Korrelationswerte als Wertetabelle oder Korrekturfunktion in einem Speicher.Method for operating a photoflash camera comprising the steps of: - operating the illumination without modulation to emit an unmodulated light in a calibration step, - emitting an unmodulated light with different light intensities - detecting an apparent phase shift and / or autocorrelation function and / or correlation values for the different light intensities, - Deposit of the apparent phase shift and / or autocorrelation function and / or correlation values as a table of values or correction function in a memory.

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 A1 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. Insbesondere sollen unter Lichtlaufzeitkamerasystem auch Systeme mit umfasst sein, bei dem der Lichtlaufzeitsensor nur ein Pixel oder eine geringe Anzahl von Pixeln aufweist.With the time of flight camera system, not only systems should 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 A1 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. In particular, systems are also to be included under the time of flight camera system in which the light transit time sensor has only one pixel or a small number of pixels.

Für die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des reflektierten Lichts wird, wie in der DE 197 04 496 A1 ausführlich beschrieben, im PMD-Sensor das reflektierte Licht mit dem modulierenden Signal gemischt. Diese Mischung liefert ein in Phase liegendes Signal (0°) und ein um 180° versetztes Signal, aus dem in bekannter Weise eine Entfernung bestimmt werden kann. Zur Verbesserung der Qualität der Entfernungsmessung kann es vorgesehen sein, die Sendemodulation gezielt beispielsweise um 90°, 180° oder 270° zu verschieben und vorzugsweise mittels einer IQ(Inphase, Quadratur)-Demodulation einen Phasenwinkel des reflektierten in Relation zum gesendeten Signal zu bestimmen. Dieses Vorgehen ist insbesondere nützlich zur Gewinnung von redundanten Informationen, um beispielsweise verschiedene parasitäre Effekte wie fixed pattern noise (FPN), Hintergrundlicht oder Asymmetrien des Sensors zu kompensieren.For determining a distance or a corresponding phase shift of the reflected light is, as in the DE 197 04 496 A1 described in detail, mixed in the PMD sensor, the reflected light with the modulating signal. This mixture provides an in-phase signal (0 °) and a signal offset by 180 °, from which a distance can be determined in a known manner. To improve the quality of the distance measurement, it may be provided to shift the transmission modulation selectively by 90 °, 180 ° or 270 °, for example, and preferably to determine a phase angle of the reflected signal in relation to the transmitted signal by means of IQ (Inphase, Quadrature) demodulation. This approach is particularly useful for obtaining redundant information, for example, to compensate for various parasitic effects such as fixed pattern noise (FPN), backlight, or sensor asymmetries.

Aus der WO 2011/042 290 A1 ist ferner ein Entfernungsmessgerät in Form eines Photonenzählers SPAD mit einer Kalibrierungseinrichtung bekannt, bei der eine Entfernung durch Senden und Empfang einer periodisch modulierten optischen Messstrahlung ermittelt wird. In einer Kalibrier-Messung ist es vorgesehen, eine unkorrelierte Strahlung, beispielsweise auch in Form normalen Umgebungslichts heranzuziehen. Nach einer gewissen Beleuchtungszeit bzw. Messzeit ergeben sich Zählerstände, die direkt proportional zu den effektiven Bin-Breiten sind und entsprechend kalibriert werden können.From the WO 2011/042 290 A1 Furthermore, a distance measuring device in the form of a photon counter SPAD with a calibration device is known in which a distance is determined by transmitting and receiving a periodically modulated optical measuring radiation. In a calibration measurement, it is intended to use uncorrelated radiation, for example also in the form of normal ambient light. After a certain lighting time or measuring time, counter readings result which are directly proportional to the effective bin widths and can be calibrated accordingly.

Aus der DE 10 2005 045 555 A1 ist ein Verfahren zur Messfehlerkorrektur nichtlinearer Systeme bekannt, bei dem zur Messfehlerkorrektur eines optischen Radarsensors die nichtlinearen Eigenschaften des Messsystems in einer Look-up Tabelle hinterlegt sind und zur Korrektur der Messergebnisse herangezogen werden.From the DE 10 2005 045 555 A1 a method for measuring error correction of non-linear systems is known in which the measurement error correction of an optical radar sensor, the non-linear properties of the measuring system are stored in a look-up table and used to correct the measurement results.

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 in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem und Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object is achieved in an advantageous manner by the inventive time of flight camera system and method according to the preamble of the independent claims.

Vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeitkamera mit den folgenden Schritten vorgesehen:

  • – Betreiben der Beleuchtung ohne Modulation zur Aussendung eines unmodulierten Lichts in einem Kalibrierschritt,
  • – Aussendung eines unmodulierten Lichts bzw. Gleichlichts mit unterschiedlichen Lichtstärken
  • – Erfassung einer scheinbaren Phasenverschiebung und/oder Autokorrelationsfunktion und/oder Korrelationswerte für die unterschiedlichen Lichtstärken,
  • – Hinterlegung der scheinbaren Phasenverschiebung, Autokorrelationsfunktion und/oder Korrelationswerte als Wertetabelle oder Korrekturfunktion in einem Speicher.
Advantageously, a method is provided for operating a time of flight camera with the following steps:
  • Operating the illumination without modulation to emit an unmodulated light in a calibration step,
  • - Emission of unmodulated light or direct light with different light levels
  • Detecting an apparent phase shift and / or autocorrelation function and / or correlation values for the different light intensities,
  • - Deposit of the apparent phase shift, autocorrelation function and / or correlation values as a table of values or correction function in a memory.

Zusätzlich ist es vorgesehen, mit einer derart kalibrierten Lichtlaufzeitkamera die bei einer Entfernungsmessung ermittelten Entfernungswerte anhand der gespeicherten Wertetabelle oder Korrekturfunktion zu korrigieren. In addition, it is provided to correct the distance values determined during a distance measurement on the basis of the stored value table or correction function with such a calibrated time of flight camera.

Durch dieses Vorgehen werden vorteilhaft systembedinge Abweichungen aufgrund eines vorliegenden Hintergrundlichts kompensiert. By this procedure, system-related deviations due to a present background light are advantageously compensated.

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 das grundlegende Prinzip der Photomischdetektion, 1 schematically the basic principle of photomix detection,

2 eine modulierte Integration der erzeugten Ladungsträger, 2 a modulated integration of the generated charge carriers,

3 zwei zeitliche Verläufe der Ladungsintegration mit unterschiedlichen Phasenlagen, 3 two temporal courses of the charge integration with different phase positions,

4 Relation der Integration in einem IQ-Diagramm, 4 Relation of integration in an IQ-diagram,

5 schematisch eine Beeinflussung der Phasenlage durch Hintergrundlicht, 5 schematically influencing the phase position by background light,

6 eine Überlagerung der Phasen im Zeigerdiagramm. 6 a superposition of the phases in the phasor diagram.

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 A1 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 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 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 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 M0 der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet. 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 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 o with a base phase position φ 0 applied. In the example shown is also between the modulator 30 and the light source 12 a phase shifter 35 provided with which 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. 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 o is mixed with the received signal S p2 , wherein the phase shift or the object distance d is determined from the resulting signal.

Zur Verbesserung der Messgenauigkeit und/oder zur Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs ist es vorteilhaft, die Lichtlaufzeitmessungen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen durchzuführen. Zu diesem Zweck ist der Modulator 30 mit einem Modulationssteuergerät 38 verbunden, das vorzugsweise innerhalb eines vorgegebenen Frequenzspektrums Modulationsfrequenzen vorgeben kann. To improve the measurement accuracy and / or to extend the uniqueness range, it is advantageous to perform the light transit time measurements with different modulation frequencies. For this purpose, the modulator 30 with a modulation control unit 38 connected, which can preferably specify within a predetermined frequency spectrum modulation frequencies.

Der Modulator 30 könnte beispielsweise als Frequenzsynthesizer ausgebildet sein, der über das Modulationssteuergerät 38 für die jeweilige Messaufgabe angesteuert wird. Auch ist ein Umschalten zwischen Quarzoszillatoren mit festen Frequenzen denkbar. The modulator 30 could for example be designed as a frequency synthesizer, via the modulation control unit 38 is controlled for the respective measuring task. It is also conceivable to switch between quartz oscillators with fixed frequencies.

Ferner ist die Empfangseinheit 20 mit einer Auswerteeinheit 27 verbunden. Die Auswerteeinheit 27 kann gegebenenfalls auch Bestandteil der Empfangseinheit 20 und insbesondere auch Teil des Lichtlaufzeitsensors 22 sein. Aufgabe der Auswerteeinheit 27 ist es, anhand der empfangenen Signale in Relation zur Modulationsfrequenz Phasenverschiebungen zu ermitteln und/oder auszuwerten. Die Mischung der empfangen Lichtstrahlen mit der Modulationsfrequenz erfolgt vorzugsweise im Lichtlaufzeitsensor 22 bzw. PMD-Sensor. Ferner kann das Modulationssteuergerät 38 auch Bestandteil der Auswerteeinheit 27 sein. Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit 27 die Funktion des Modulationssteuergeräts 38 vollständig oder teilweise übernimmt. Furthermore, the receiving unit 20 with an evaluation unit 27 connected. The evaluation unit 27 may also be part of the receiving unit 20 and in particular also part of the light transit time sensor 22 be. Task of the evaluation unit 27 It is to determine based on the received signals in relation to the modulation frequency phase shifts and / or evaluate. The mixture of the received light beams with the modulation frequency is preferably carried out in the light transit time sensor 22 or PMD sensor. Furthermore, the modulation control unit 38 also part of the evaluation unit 27 be. In particular, it may also be provided that the evaluation unit 27 the function of the modulation control unit 38 completely or partially takes over.

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 illumination source or light source 12 are preferably infrared light emitting diodes. Of course, other radiation sources in other frequency ranges are conceivable, in particular, light sources in the visible frequency range are also considered.

Wie bereits in der DE 197 04 496 A1 im Detail beschrieben ist, weist ein Lichtlaufzeitsensor 22 mindestens ein Lichtlaufzeitpixel mit einem lichtempfindlichen und lichtunempfindlichen Bereich auf. Die Modulationsphotogates Gam, Gbm sind lichtdurchlässig in einem lichtempfindlichen Bereich angeordnet an dem Akkumulationsgates bzw. Integrationsknoten Ga, Gb in benachbarten lichtunempfindlichen Bereichen angrenzen. Entsprechend dem an den Modulationsgates Gam, Gbm angelegten Modulationssignal M0 werden die photoelektrisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate bzw. Integrationsknoten Ga, Gb gelenkt. Die dort gesammelten Ladungen q können dann beispielsweise als Spannung U abgegriffen werden. Es sei bemerkt, dass die Akkumulationsgates auch als Dioden ausgebildet sein können. As already in the DE 197 04 496 A1 is described in detail, has a light transit time sensor 22 at least one light transit time pixel with a light-sensitive and light-insensitive area. The modulation photogates Gam, Gbm are translucently arranged in a photosensitive region at the accumulation gate Ga, Gb in adjacent light-insensitive ones Areas adjacent. In accordance with the modulation signal M 0 applied to the modulation gates Gam, Gbm, the photoelectrically generated charges q are directed either to one or the other accumulation gate or integration node Ga, Gb. The charges q collected there can then be tapped, for example, as voltage U. It should be noted that the accumulation gates can also be designed as diodes.

Zur Bestimmung einer Phasenverschiebung ist insbesondere die Ladungs- Δq bzw. Spannungsdifferenz ΔU zwischen den beiden Integrationsknoten Ga, Gb eines Lichtlaufzeitpixels von Interesse. Diese Differenz kann auch als ein Korrelationswert einer Korrelations- bzw. Autokorrelationsfunktion, wie sie später beschrieben wird, angesehen werden. To determine a phase shift, the charge Δq or voltage difference ΔU between the two integration nodes Ga, Gb of a light transit time pixel is of particular interest. This difference may also be considered as a correlation value of a correlation or autocorrelation function, as will be described later.

Allgemein können die Integrationsknoten Ga, Gb auch als A- und B-Auslesekanäle bezeichnet werden, wobei die Differenz beider Kanäle, also Δq bzw. ΔU, auch als Differenzkanal „A – B“ beschrieben werden kann. In general, the integration nodes Ga, Gb can also be referred to as A and B readout channels, wherein the difference between the two channels, that is to say Δq or ΔU, can also be described as difference channel "A - B".

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.

3a und 3b zeigen Verläufe der Ladungsdifferenz Δq = qa – qb/(qa + qb) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung Δφ(tL) des empfangenen Lichtsignals Sp2 mit unterschiedlichen Phasenlagen. Die 3a zeigt einen Verlauf für eine unverschobene Modulationsphase M0 mit einer Phasenlage φvar = 0°. 3a and 3b show curves of the 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 3a shows a curve for an unshifted modulation phase M 0 with a phase angle φ var = 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 Gate Ga erfasst werden und somit ein maximales Differenzsignal mit Δq = 1 anliegt. When the signal S p2 strikes without a phase shift, ie 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 synchronously at the first gate Ga and thus a maximum difference signal with Δq = 1 is applied.

Mit zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Akkumulationsgate Ga ab und am zweiten Akkumulationsgate Gb zu. Bei einer Phasenverschiebung von Δφ(tL) = 90° sind die Ladungsträger qa, qb an beiden Gates Ga, Gb gleich verteilt und die Differenz 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 on the first accumulation gate Ga decreases and on the second accumulation gate Gb. With a phase shift of Δφ (t L ) = 90 °, the charge carriers qa, qb are equally distributed at both gates Ga, Gb and the 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.

Figure DE102014205585B4_0002
Mathematically, this is a correlation function of the received signal S p2 with the modulating signal M 0 .
Figure DE102014205585B4_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 3a zeigt, ist eine Messung der Phase mit einer Phasenlage nur bis zu einer Phasenverschiebung Δφ(tL) ≤ 180° eindeutig. As 3a 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 3b dargestellt. For maximum detection of the phase shift, for example, the IQ (in-phase quadrature) method is known in which two measurements are performed with shifted by 90 ° phase angles, so for example with the phase φ var = 0 ° and φ var = 90 °. The result of a measurement with the phase angle φ var = 90 ° is in 3b shown.

Die Beziehung dieser beiden Kurven lässt sich in bekannter Art und Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm gem. 4 darstellen. In erster Näherung ist diese Darstellung ohne weiteres auch für die dargestellten Dreiecksfunktionen anwendbar. The relationship of these two curves can be in a known manner, for example, for sinusoidal waveforms in an IQ diagram gem. 4 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 bestimmen: φ = arctan Δq(90°) / Δq(0°) Um beispielsweise Asymmetrie des Sensors zu kompensieren, können zusätzliche um 180° verschobene Phasenmessungen durchgeführt werden, so dass sich im Ergebnis der Phasenwinkel wie folgt bestimmen lässt. φ = arctan Δq(90°) – Δq(270°) / Δ(0°) – Δq(180°) The phase angle can then be determined in a known manner via an arctan function: φ = arctan Δq (90 °) / Δq (0 °) In order to compensate, for example, for asymmetry 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 = arctan Δq (90 °) - Δq (270 °) / Δ (0 °) - Δq (180 °)

Allgemein gesprochen handelt es sich bei den Ladungsdifferenzen Δq(0°), Δq(90°), Δq(180°), Δq(270°) um Korrelationswerte c1, c2, c3, c4 die unterschiedlichen Phasenlagen, nämlich 0°, 90°, 180° und 270°, der Autokorrelation entsprechen. Generally speaking, the charge differences Δq (0 °), Δq (90 °), Δq (180 °), Δq (270 °) about correlation values c 1 , c 2 , c 3 , c 4 correspond to the different phase positions, namely 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °, of the autocorrelation.

Die Bestimmung der Phasenverschiebung über die arctan-Relation ist beispielhaft nur eine Möglichkeit der Auswertung, selbstverständlich sind auch andere Berechnungsmethoden denkbar. Insbesondere ist das Vorgehen nicht auf zwei oder vier Phasenlagen beschränkt, sondern es können auch Messungen mit drei Phasenlagen oder mehr als vier unterschiedliche Phasenlagen durchgeführt und ausgewertet werden. The determination of the phase shift over the arctan relation is an example only one way of evaluation, of course, other calculation methods are conceivable. In particular, the procedure is not limited to two or four phase positions, but measurements with three phase positions or more than four different phase positions can also be carried out and evaluated.

Aus der in 2 dargestellten laufzeitbedingten Phasenverschiebung 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 in 2 shown runtime-dependent phase shift Δφ (t L ) can be determined for object distances d, which are smaller than half the wavelength λ of the modulation frequency d ≤ λ / 2 in a known manner a distance. d = Δφ (t L ) λ / 2π × 1/2

Für Entfernungen d > λ/2 besteht in der Regel keine Möglichkeit die Phasenverschiebung absolut zu messen, so dass die ermittelte Phasenverschiebung nicht mehr eindeutig einem Entfernungswert zugeordnet werden kann. For distances d> λ / 2, there is generally no possibility of absolutely measuring the phase shift, so that the determined phase shift can no longer be unambiguously assigned to a distance value.

Phasen- und Amplitudenfehler, verursacht durch unmoduliertes Hintergrundlicht und systematische, phasenabhängige Modulationsunterschiede, werden durch eine Dunkelmessung oder andere Hintergrundlichtmessung adaptiv korrigiert. Phase and amplitude errors caused by unmodulated backlight and systematic phase-dependent modulation differences are adaptively corrected by a dark measurement or other background light measurement.

Die Phasen-, Amplituden- und Distanzberechnungen bei ToF Bildsensoren erfolgen durch die Auswertung von mehreren sequentiell aufgenommenen Phasenbildern. Der gewünschte Unterschied der Phasenbilder ist ausschließlich eine fest definierte Phasenverschiebung von optischer Modulation zu elektrischer Modulation des Sensors. Hierdurch lassen sich die Anteile der aktiven optischen Modulation aus dem Gesamtsignal extrahieren, da das unmodulierte Licht (z.B. Sonnenlicht) in allen Phasenbildern identische Anteile liefert. The phase, amplitude and distance calculations for ToF image sensors are made by evaluating several sequentially recorded phase images. The desired difference of the phase images is exclusively a well-defined phase shift from optical modulation to electrical modulation of the sensor. This allows the portions of the active optical modulation to be extracted from the overall signal because the unmodulated light (e.g., sunlight) provides identical proportions in all phase images.

In realen Kamerasystemen tritt dieser Idealfall häufig nicht ein, so dass sich die Phasenbilder auch durch den Anteil des unmodulierten Lichts oder anderer Einflüsse systematisch voneinander unterscheiden. Ursachen hierfür können beispielsweise Variationen des DutyCycles der Modulation oder abweichende Modulations-Pegel sein. Ohne Korrektur ergibt sich hierdurch ein Fehler aller Messgrößen, der von der Intensität des Hintergrundlichts und der des Nutzsignals abhängig ist und sich bspw. als sogenannter schwarz-weiß-Fehler zeigen kann, da die Auswirkung auf dunkle und helle Signalanteile unterschiedlich ist. Schwache Signalpegel werden durch eine überlagerte Störung aufgrund der Gewichtung mehr beeinflusst als starke Signale. In real camera systems, this ideal case often does not occur, so that the phase images also differ systematically from one another by the proportion of unmodulated light or other influences. Causes for this can be, for example, variations in the duty cycle of the modulation or deviating modulation levels. Without correction, this results in an error of all measured variables, which is dependent on the intensity of the background light and the useful signal and can, for example, as a so-called black-and-white error show, since the effect on dark and bright signal components is different. Weak signal levels are more affected by a superimposed interference due to weighting than strong signals.

Die Diagramme in der 5 zeigen eine Simulation einer Vier-Phasen-Messung unter drei verschiedenen Lichtverhältnissen. Aufgetragen sind jeweils die vier Messwerte des Differenzkanals „A – B“ analog der Darstellung gemäß 3a. Amplitude, Phase und Offset ergeben sich dann aus den Fits der Messwerte. In den Diagrammen dargestellt jeweils als Sinus-Fit ohne weiter Korrekturen. The diagrams in the 5 show a simulation of a four-phase measurement under three different lighting conditions. The four measured values of the difference channel "A - B" are plotted analogously to the illustration in accordance with 3a , Amplitude, phase and offset then result from the fits of the measured values. Shown in the diagrams in each case as a sine-fit without further corrections.

5(a) zeigt eine Autokorrelationsfunktion AKF nur für das modulierte Licht ohne Beeinflussung durch ein Hintergrundlicht. Im dargestellten Beispiel liegt eine Phasenverschiebung von a = 30° vor. 5 (a) shows an autocorrelation function AKF only for the modulated light without being affected by a background light. In the example shown there is a phase shift of a = 30 °.

5(b) zeigt beispielhaft eine Autokorrelationsfunktion, die nur durch Hintergrundlicht entstehen könnte. Obwohl das Hintergrundlicht keine feste Phasenbeziehung zum modulierten Licht aufweist und typischerweise unmoduliert ist erzeugt das Hintergrundlicht eine scheinbare Phasenverschiebung, die Genauigkeit der Phasenmessung des modulierten Lichts beeinflusst. Die scheinbare Phasenverschiebung ist im Wesentlichen auf so genannte Imperfektionen im System zurückzuführen. 5 (b) shows an example of an autocorrelation function, which could only arise from background light. Although the backlight has no fixed phase relationship to the modulated light and is typically unmodulated, the backlight produces an apparent phase shift that affects the accuracy of the phase measurement of the modulated light. The apparent phase shift is essentially due to so-called imperfections in the system.

Bei einer realen Messung ergäbe sich unter diesen Bedingungen wie in 5(c) dargestellt eine Mischphase aus (a) und (b). Es gilt für die Messwerte c1, c2, c3 und c4: ci = ai + bi, i ∈ {1, 2, 3, 4} In a real measurement would result under these conditions as in 5 (c) show a mixed phase of (a) and (b). It applies to the measured values c1, c2, c3 and c4: c i = a i + b i , i ∈ {1, 2, 3, 4}

Die scheinbare Phasenverschiebung ist im Wesentlichen ein systematischer Fehler und lässt sich vorzugsweise durch eine geeignete Kalibration einmalig für ein System bestimmen und in einer Kennwerttabelle bzw. Lookup-Tabelle LUT ablegen. Gegebenenfalls lässt sich hieraus auch eine Korrekturfunktion berechnen. The apparent phase shift is essentially a systematic error and can preferably be determined once by a suitable calibration for a system and stored in a characteristic table or lookup table LUT. If necessary, a correction function can also be calculated from this.

Im Messbetrieb muss lediglich die Intensität des Hintergrundlichts bestimmt werden, z.B. durch eine einzelne Phasenmessung ohne moduliertes Licht. Damit lässt sich nun der Störanteil auf die übrigen Phasen berechnen und kompensieren. Für die vorgelagerte Bestimmung des oft linearen Zusammenhangs wird idealerweise eine Messreihe ohne aktives, d.h. moduliertes Signal durchgeführt. Das Gesamtsignal kann beispielsweise über eine Variation einer unkorrelierten Bestrahlung insbesondere eines Gleichlichts oder eine Variation der Integrationszeit verändert werden. In measurement mode, only the intensity of the background light needs to be determined, e.g. by a single phase measurement without modulated light. This now allows the noise component to be calculated and compensated for the other phases. For the upstream determination of the often linear relationship, ideally a measurement series without active, i. modulated signal performed. The total signal can be varied, for example, by varying an uncorrelated irradiation, in particular a direct light, or a variation of the integration time.

Eine Korrektur kann beispielsweise wie folgt bestimmt werden:
I sei die Intensität des Hintergrundlichts. Bei einem linearen Zusammenhang der Werte b1 bis b4 gilt: bi = Fi(I) = miI + oi, i ∈ {1, 2, 3, 4} mit den Konstanten mi und oi lassen sich die unverfälschten Werte a1 bis a4 berechnen durch: ai = ci – bi = ci – Fi(I) = ci – miI + oi. Bei einem nicht-linearem Zusammenhang kann die Funktion Fi(I) ersetzt werden durch eine Kennwerttabelle LUTi(I). Neben der Phasenverschiebung können auch eine Autokorrelationsfunktion und/oder die zugehörigen Korrelationswerte in der Kennwerttabelle oder als Funktion in einem Speicher hinterlegt werden.
For example, a correction can be determined as follows:
Let I be the intensity of the background light. For a linear relationship of the values b1 to b4: b i = F i (I) = m i I + o i , i ∈ {1, 2, 3, 4} With the constants m i and o i , the unadulterated values a1 to a4 can be calculated by: a i = c i - b i = c i - F i (I) = c i - m i I + o i . In a non-linear relationship, the function F i (I) can be replaced by a characteristic table LUT i (I). In addition to the phase shift, an autocorrelation function and / or the associated correlation values can also be stored in the characteristic value table or as a function in a memory.

Eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung der scheinbaren Phasenverschiebung wäre wie folgt denkbar: Im Messbetrieb folgt auf eine Messung mit N sequentiellen Phasenbildern mit optischer Modulation eine weitere Messung mit N Phasen, allerdings ohne optische Modulation, also nur mit Hintergrundlicht. N stellt hier die Anzahl der Phasenmessungen für eine Entfernungsmessung dar, i.d.R. werden vier Phasenmessungen verwendet. A further possibility for determining the apparent phase shift would be conceivable as follows: In measurement mode, a measurement with N sequential phase images with optical modulation is followed by a further measurement with N phases, but without optical modulation, ie only with background light. N here represents the number of phase measurements for a range measurement, i.d.R. Four phase measurements are used.

Sofern die zweite Messung in der Kamera elektrisch identisch zur ersten verläuft, erhält man direkt den jeweiligen Hintergrundlichtanteil der Phasenbilder der ersten Messung. Die Vorteile dieser Methode sind, dass eine Kalibration mit Speicherung der Korrekturdaten entfällt, und dass Nicht-Linearitäten bei viel Hintergrundlicht z.B. durch nicht-lineare Kennlinien, Asymmetrie von Systemkomponenten oder zeitvariante Störquellen adaptiv kompensiert werden können. If the second measurement in the camera is electrically identical to the first, one obtains directly the respective background light component of the phase images of the first measurement. The advantages of this method are that calibration with storage of the correction data is eliminated, and that non-linearities with much background light, e.g. can be compensated adaptively by non-linear characteristics, asymmetry of system components or time-variant sources of interference.

Zur Berechnung der scheinbaren Phasenverschiebung werden die Störwerte b1 bis b4 direkt gemessen. Die unverfälschten Werte a1 bis a4 tatsächliche Autokorrelation bzw. Phasenverschiebung ergeben sich mit den gemessenen, gestörten Werten c1 bis c4 aus: ai = ci – bi To calculate the apparent phase shift, the disturbance values b1 to b4 are measured directly. The unadulterated values a1 to a4 actual autocorrelation or phase shift result with the measured, disturbed values c1 to c4: a i = c i - b i

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Kompensation der Störanteile ohne zusätzliche Messungen, indem die Ermittlung der Störanteile aus den Rohdaten der eigentlichen Entfernungsmessung erfolgt und somit nicht mit einer Reduzierung der Messrate verbunden ist. Nach einer geeigneten Kalibration mit Verknüpfung des unmodulierten Lichtanteils, wie in der ersten Methode beschrieben, geschieht dies im einfachsten Fall bei PMD Sensoren unmittelbar durch die Berechnung des Gesamtsignals als Summe der beiden Ausgangssignale bei jeder Phasenlage. In a further preferred embodiment, the compensation of the interference components takes place without additional measurements in that the determination of the interference components takes place from the raw data of the actual distance measurement and is thus not associated with a reduction in the measurement rate. After a suitable calibration with combination of the unmodulated light component, as described in the first method, this is done in the simplest case with PMD sensors directly by calculating the total signal as the sum of the two output signals at each phase.

Ferner gibt es TOF-Sensor-Konzepte, bei denen versucht wird, den Einfluss des Hintergrundlichts durch elektronische Schaltungen, so genannte SBI-Schaltungen (SBI: suppression of background illumination) oder durch Ermittlung eines Differenzsignals zwischen beiden Auslesekanälen (A, B) zu verringern. Die Information über die Gesamtladungsmenge geht hierbei jedoch grundsätzlich verloren. Furthermore, there are TOF sensor concepts in which it is attempted to reduce the influence of the background light by electronic circuits, so-called SBI circuits (SBI: suppression of background illumination) or by determining a difference signal between the two readout channels (A, B) , However, the information about the total amount of charge is basically lost.

Unter realen Umständen wird jedoch das unkorrelierte Hintergrundsignal nicht vollständig kompensiert, so dass beispielsweise über eine Mittelung über alle Rohdaten die unmodulierte Lichtmenge abgeschätzt werden kann. Under real circumstances, however, the uncorrelated background signal is not completely compensated, so that, for example, an average over all raw data, the unmodulated amount of light can be estimated.

Die Bestimmung des Gesamtsignals kann alternativ beispielsweise auch aus einer Messung der Zeit, bis die SBI während der Integrationsphase aktiv wird oder einer parallelen Bestimmung über Fotodioden oder benachbarte Pixel oder alternative Methoden erfolgen. Alternatively, the determination of the total signal may, for example, also take place from a measurement of the time until the SBI becomes active during the integration phase or a parallel determination via photodiodes or neighboring pixels or alternative methods.

Im Falle einer linearen SBI-Asymmetrie gilt für die Intensität I des Hintergrundlichts folgendes: I ∝ Σ 4 / i=1bi. In the case of a linear SBI asymmetry, the following applies for the intensity I of the background light: I α Σ 4 / i = 1b i .

Die übrige Berechnung erfolgt analog zum oben erwähnten Vorgehen. The rest of the calculation is analogous to the above-mentioned procedure.

Alternativ kann der Einfluss der Störanteile auf die Phasenmessungen für alle drei beschriebenen Methode auch aus der berechneten Distanz und Amplitude korrigiert werden. Da hier unmoduliertes Licht in einer naiven herkömmlichen, unkorrigierenden Berechnung scheinbar eine Auto-Korrelationsfunktion (AKF) mit Phase und Amplitude erzeugt, wie sie vom modulierten Licht erwünscht ist, wird der Effekt auch als Schein AKF bezeichnet. Die berechnete AKF bei einer Messung mit Hintergrundlicht und Nutzsignal repräsentiert eine Überlagerung der beiden Zeiger von AKF des Nutzsignals und Schein AKF. Die Überlagerung kann aufgelöst werden, indem zunächst Winkel und Amplitude der Schein AKF über das gegebenenfalls rekonstruierte Gesamtsignal ermittelt werden. Anschließend wird mittels geeigneter trigonometrischer Additionstheoreme der Zeiger in Phase und Amplitude des Nutzsignals aus dem überlagerten Signal berechnet. Alternatively, the influence of the noise components on the phase measurements for all three methods described can also be corrected from the calculated distance and amplitude. Since unmodulated light in a naive conventional uncorrected calculation apparently produces an auto-correlation function (ACF) with phase and amplitude as desired by the modulated light, the effect is also referred to as a sham AKF. The calculated AKF in a measurement with background light and useful signal represents a superposition of the two pointers of AKF of the useful signal and bill AKF. The superimposition can be resolved by first determining the angle and amplitude of the apparent AKF via the possibly reconstructed total signal. Subsequently, the pointer is calculated in phase and amplitude of the useful signal from the superimposed signal by means of suitable trigonometric addition theorems.

Phase und Amplitude der Messungen (a), (b) und (c) sind in 6 als Vektoren a →, b →, und c → dargestellt. Die Länge der Vektoren entspricht der Amplitude, die Phase entspricht dem Winkel der Vektoren mit der Realteil-Achse. c → ergibt sich direkt aus einer gestörten Messung. Unter der Annahme, das phase_b konstant und das Verhältnis von amplitude_b zu Intensität I des Hintergrundlichts bekannt ist, kann b → vollständig aus I rekonstruiert werden. Die Korrektur-Rechnung zur Bestimmung von a → lautet dann lediglich: a → = c → – b →. Phase and amplitude of measurements (a), (b) and (c) are in 6 represented as vectors a →, b →, and c →. The length of the vectors corresponds to the amplitude, the phase corresponds to the angle of the vectors with the real part axis. c → results directly from a faulty measurement. Assuming that phase_b is constant and the ratio of amplitude_b to intensity I of the background light is known, b → can be completely reconstructed from I. The correction calculation to determine a → is then only: a → = c → - b →.

Claims (3)

Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeitkamera mit den Schritten: – Betreiben der Beleuchtung ohne Modulation zur Aussendung eines unmodulierten Lichts in einem Kalibrierschritt, – Aussendung eines unmodulierten Lichts mit unterschiedlichen Lichtstärken – Erfassung einer scheinbaren Phasenverschiebung und/oder Autokorrelationsfunktion und/oder Korrelationswerte für die unterschiedlichen Lichtstärken, – Hinterlegung der scheinbaren Phasenverschiebung und/oder Autokorrelationsfunktion und/oder Korrelationswerte als Wertetabelle oder Korrekturfunktion in einem Speicher.  Method for operating a time of flight camera with the steps: Operating the illumination without modulation to emit an unmodulated light in a calibration step, - Emission of an unmodulated light with different light intensities Detecting an apparent phase shift and / or autocorrelation function and / or correlation values for the different light intensities, - Deposit of the apparent phase shift and / or autocorrelation function and / or correlation values as a table of values or correction function in a memory. Verfahren zum Betreiben einer nach Anspruch 1 kalibrierten Lichtlaufzeitkamera, bei dem die bei einer Entfernungsmessung ermittelten Entfernungswerte anhand der gespeicherten Wertetabelle oder Korrekturfunktion korrigiert werden. A method for operating a calibrated according to claim 1 light runtime camera, in which the distance values determined during a distance measurement are corrected on the basis of the stored value table or correction function. Lichtlaufzeitkamerasystem, das zur Durchführung eines der vorgenannten Verfahren ausgebildet ist. Time of flight camera system designed to carry out one of the aforementioned methods.
DE102014205585.7A 2013-03-28 2014-03-26 Method for operating a time of flight camera and time of flight camera system Active DE102014205585B4 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014205585.7A DE102014205585B4 (en) 2013-03-28 2014-03-26 Method for operating a time of flight camera and time of flight camera system

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013205658 2013-03-28
DE102013205658.3 2013-03-28
DE102014205585.7A DE102014205585B4 (en) 2013-03-28 2014-03-26 Method for operating a time of flight camera and time of flight camera system

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102014205585A1 DE102014205585A1 (en) 2014-10-02
DE102014205585B4 true DE102014205585B4 (en) 2016-02-25

Family

ID=51520045

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102014205585.7A Active DE102014205585B4 (en) 2013-03-28 2014-03-26 Method for operating a time of flight camera and time of flight camera system

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102014205585B4 (en)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110709722B (en) * 2017-04-04 2023-11-24 Pmd技术股份公司 Time-of-flight camera
WO2020060484A1 (en) * 2018-09-21 2020-03-26 Ams Sensors Singapore Pte. Ltd. Time-of-flight measurement with background light correction
KR102196035B1 (en) * 2018-12-26 2020-12-29 (주)미래컴퍼니 Nonlinear distance error correction method for three dimensional distance measurement camera using pulse phase shift

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19704496A1 (en) * 1996-09-05 1998-03-12 Rudolf Prof Dr Ing Schwarte Method and device for determining the phase and / or amplitude information of an electromagnetic wave
DE102005045555A1 (en) * 2005-04-07 2007-07-05 Universität Kassel Measurement fault corrections in non-linear optical sensor systems, e.g. radar, uses a computer model to act on software without using hardware compensation
WO2011042290A1 (en) * 2009-10-05 2011-04-14 Robert Bosch Gmbh Optical distance measuring device with calibration device

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6587186B2 (en) 2000-06-06 2003-07-01 Canesta, Inc. CMOS-compatible three-dimensional image sensing using reduced peak energy
ATE390715T1 (en) 2005-10-19 2008-04-15 Suisse Electronique Microtech DEVICE AND METHOD FOR DEMODULATION OF MODULATED ELECTROMAGNETIC WAVE FIELDS

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19704496A1 (en) * 1996-09-05 1998-03-12 Rudolf Prof Dr Ing Schwarte Method and device for determining the phase and / or amplitude information of an electromagnetic wave
DE102005045555A1 (en) * 2005-04-07 2007-07-05 Universität Kassel Measurement fault corrections in non-linear optical sensor systems, e.g. radar, uses a computer model to act on software without using hardware compensation
WO2011042290A1 (en) * 2009-10-05 2011-04-14 Robert Bosch Gmbh Optical distance measuring device with calibration device

Also Published As

Publication number Publication date
DE102014205585A1 (en) 2014-10-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102013207649B4 (en) Time of flight camera system
DE102016204140B3 (en) Apparatus and method for calibrating a light runtime camera
DE102013207651A1 (en) Time of flight camera system
DE102013207653B4 (en) Time of flight camera system
DE102014205585B4 (en) Method for operating a time of flight camera and time of flight camera system
DE102013207654B4 (en) Time-of-flight camera system
DE102016213217A1 (en) Time of flight camera system
DE102014207163A1 (en) Time of flight camera system
DE102013207648B4 (en) Time-of-flight camera system
DE102013203088B4 (en) Time of flight camera system
DE102013207647A1 (en) Method for operating light-time camera system, involves detecting phase shift of emitted or received signal for modulation frequency in phase measuring cycle, and performing multiple phase measurement cycles
DE102020123537B4 (en) Time of flight camera system
DE102015225192A1 (en) Light transit time measuring system with overreach detection
DE102011089642B4 (en) time-of-flight sensor
DE102013207652B4 (en) Time of flight camera system
DE102013109020B4 (en) Scattered light reference pixel
DE102014205586A1 (en) Time of flight camera system
DE102013207650B4 (en) Time-of-flight camera system
DE102017203091A1 (en) Time of flight camera system
DE102013214677B3 (en) Time of flight camera system
DE102016222334B4 (en) Method for determining system parameters of a time-of-flight camera system
DE102017200879B4 (en) Time-of-flight camera and method for operating one
DE102014205587A1 (en) Time of flight camera system
DE102016219170A1 (en) Time of flight camera system
DE102019124142A1 (en) Time-of-flight camera system

Legal Events

Date Code Title Description
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01S0017360000

Ipc: G01S0007497000

R163 Identified publications notified
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: PMDTECHNOLOGIES AG, DE

Free format text: FORMER OWNER: PMDTECHNOLOGIES GMBH, 57076 SIEGEN, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: SCHUHMANN, JOERG, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., DE

R020 Patent grant now final
R081 Change of applicant/patentee

Owner name: PMDTECHNOLOGIES AG, DE

Free format text: FORMER OWNER: PMDTECHNOLOGIES AG, 57076 SIEGEN, DE

R082 Change of representative

Representative=s name: SCHUHMANN, JOERG, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., DE