DE102014205585B4 - Method for operating a time of flight camera and time of flight camera system - Google Patents
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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
Für die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des reflektierten Lichts wird, wie in der
Aus der
Aus der
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.
- 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:
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. In the following description of the preferred embodiments, like reference characters designate like or similar components.
Das Lichtlaufzeitkamerasystem
Der Lichtlaufzeitsensor
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
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
Der Modulator
Ferner ist die Empfangseinheit
Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle
Wie bereits in der
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
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. Mathematically, this is a correlation function of the received signal S p2 with the modulating signal M 0 .
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
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
Die Beziehung dieser beiden Kurven lässt sich in bekannter Art und Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm gem.
Der Phasenwinkel lässt sich dann in bekannter Weise über eine arctan-Funktion bestimmen:
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
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
Bei einer realen Messung ergäbe sich unter diesen Bedingungen wie in
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:
Let I be the intensity of the background light. For a linear relationship of the values b1 to b4:
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:
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:
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
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