DE102014207163A1 - Time of flight camera system - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems, bei dem ein Lichtlaufzeitsensor (22) mit einer Grundmodulation (M0) und eine Lichtquelle (12) mit einer von der Grundmodulation (M0) abhängigen Beleuchtungsmodulation (Sp1) betrieben wird, wobei ein Dutycycle (DC) der Beleuchtungsmodulation (Sp1) kleiner ist als der Dutycycle (DC) der Grundmodulation (M0).Method for operating a light transit time camera system, in which a light transit time sensor (22) with a basic modulation (M0) and a light source (12) with a basic modulation (M0) dependent illumination modulation (Sp1) is operated, wherein a duty cycle (DC) of the illumination modulation ( Sp1) is smaller than the duty cycle (DC) of the basic modulation (M0).
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
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, die Energieeffizienz eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu verbessern. The object of the invention is to improve the energy efficiency of a light transit time camera system.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren und Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst. The object is achieved in an advantageous manner by the method according to the invention and the time of flight camera system according to the preamble of the independent claim.
Vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems vorgesehen, bei dem ein Lichtlaufzeitsensor mit einer Grundmodulation und eine Lichtquelle mit einer von der Grundmodulation abhängigen Beleuchtungsmodulation betrieben wird, wobei ein Dutycycle der Beleuchtungsmodulation kleiner ist als ein Dutycycle der Grundmodulation. Advantageously, a method is provided for operating a light transit time camera system, in which a light transit time sensor with a basic modulation and a light source with a basic modulation dependent illumination modulation is operated, wherein a duty cycle of the illumination modulation is smaller than a duty cycle of the basic modulation.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass der Dutycycle und somit auch die benötigte Beleuchtungsenergie reduziert werden. This procedure has the advantage that the duty cycle and thus also the required illumination energy are reduced.
Insbesondere ist es von Vorteil, den Dutycycle der Beleuchtungsmodulation kleiner 50 %, insbesondere 35 % und besonders bevorzugt gleich 25 % zu wählen. Bei einer derartigen Modulation der Beleuchtung erlaubt es bei gleicher Messgenauigkeit Beleuchtungsenergie einzusparen oder bei gleichem Energieeinsatz die Messgenauigkeit zu erhöhen. In particular, it is advantageous to choose the duty cycle of the illumination modulation of less than 50%, in particular 35% and particularly preferably equal to 25%. With such a modulation of the illumination, it is possible to save illumination energy with the same measurement accuracy or to increase the measurement accuracy with the same energy input.
Ebenso vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, das zur Durchführung eines der vorgenannten Verfahren ausgebildet ist, mit einer Beleuchtung zur Aussendung und einer Lichtlaufzeitkamera zum Empfang eines modulierten Lichts, mit einem Modulator zur Erzeugung eines ersten Modulationssignals zum Betreiben der Lichtlaufzeitkamera, wobei ein Steuergerät derart ausgebildet ist, dass ausgehend vom ersten Modulationssignal ein zweites Modulationssignal zum Betreiben der Beleuchtung erzeugt wird, das einen geringeren Dutycycle aufweist als das erste Modulationssignal. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Likewise advantageously a light transit time camera system is provided, which is designed to carry out one of the aforementioned methods, with a lighting for transmission and a light runtime camera for receiving a modulated light, with a modulator for generating a first modulation signal for operating the light transit time camera, wherein a control device is designed in that, starting from the first modulation signal, a second modulation signal for operating the illumination is generated, which has a lower duty cycle than the first modulation signal. 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 signs the same or similar components.
Das Lichtlaufzeitkamerasystem
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
Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle
Ferner ist ein Modulationssteuergerät
Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle
Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in
Der Lichtlaufzeitsensor
Bei einem Auftreffen des Signals Sp2 ohne Phasenverschiebung also ∆φ(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 ∆q = 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 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 ∆φ(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. At a phase shift of Δφ (t L ) = 90 ° are the Charge carriers qa, qb equally distributed on both gates Ga, Gb and the difference 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 Korrelation bzw. Autokorrelation des empfangenen Signals Sp2 mit dem modulierenden Signal M0. Mathematically, this is a correlation or autocorrelation 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 a 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- bzw. arctan2-Funktion, bestimmen:
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.
Durch Korrelation der PMD-Modulation bzw. Grundmodulation M0 mit der laufzeitbedingt phasenverschobenen Beleuchtungsmodulation Sp2 lässt sich somit eine Phasenverschiebung und Entfernung bestimmen. Die Modulationsfrequenz bzw. die Modulationswellenlänge definiert dabei einen Eindeutigkeitsbereich innerhalb dessen sich die Phase um 360° verschiebt. Größere Phasen werden auf diesen Bereich zurückgefaltet. Treten bei der Zielanwendung allerdings nur bestimmte Phasenlagen bzw. Entfernungen auf, die kleiner als der Wertebereich sind, so lässt sich diese Information nutzen, um ein auf den Arbeitsbereich maßgeschneidertes Modulationssignal zu erzeugen. By correlating the PMD modulation or basic modulation M 0 with the time-dependent phase-shifted illumination modulation S p2 , a phase shift and distance can thus be determined. The modulation frequency or the modulation wavelength defines a uniqueness range within which the phase shifts by 360 °. Larger phases are folded back to this area. However, if the target application only has certain phase positions or distances that are smaller than the value range, this information can be used to generate a modulation signal tailored to the work area.
Üblicherweise werden der Lichtlaufzeitsensor
Die obere Kurve in
Für den Fall dass der komplette Wertebereich der laufzeitbedingten Phasenverschiebung ∆φ(tL) zwischen 0° und 90° liegt, so zeigt sich, dass der unmarkierte Bereich des Einschaltintervalls der Beleuchtungsmodulation Sp1(0°)50DC, Sp1(90°)50DC komplett innerhalb einer Taktphase bzw. Einschaltintervall der Grundmodulation M0 liegt und somit in der Korrelation nur einen konstanten Betrag liefert, der im Ergebnis keinerlei Entfernungsinformation enthält. Der markierte Bereich hingegen rastert gewissermaßen die fallende Flanke der Grundmodulation M0 ab und enthält die gesamte Entfernungsinformation. Wird bei der Modulierung der Beleuchtung auf den unmarkierten Bereich verzichtet, so ergibt sich eine Pulsform Sp1(0°)25DC, Sp1(90°)25DC mit einem Dutycycle von 25 %, wie sie in den beiden unteren Kurven der
Bei identischer Belichtungszeit bzw. Integrationszeit besitzen beide Verfahren die gleiche Auflösung, da gewissermaßen die markierten Bereiche gleich sind. Beim erfindungsgemäßen Vorgehen ist der Stromverbrauch jedoch aufgrund des geringeren Dutycycle deutlich reduziert. Das somit kleinere Signal, bei gleichem Informationsgehalt, erlaubt ferner eine deutlich längere Integrationszeit und damit eine Dynamiksteigerung. With identical exposure time or integration time, both methods have the same resolution, since, as it were, the marked areas are the same. In the procedure according to the invention, however, the power consumption is significantly reduced due to the lower duty cycle. The thus smaller signal, with the same information content, also allows a much longer integration time and thus an increase in dynamics.
In den Messungen bei verschiedenen Phasenlagen, die für eine Entfernungsmessung erforderlich sind, ändert sich natürlich der Bereich des Signales, der effektiv die Information trägt. Dies lässt sich aber berücksichtigen, so dass immer nur der Bereich des Signals entfernt wird, der keine Information trägt. Of course, in the measurements at different phase angles required for a range finding, the area of the signal effectively carrying the information changes. However, this can be taken into account so that only the portion of the signal that carries no information is ever removed.
Die veränderte Form der Beleuchtungsmodulation Sp1 hat natürlich auch Einfluss auf die Korrelation- bzw. Autokorrelationsfunktion AKF. Dieser Einfluss ist exemplarisch in
Die Korrelation der empfangenen, phasenverschobenen Beleuchtungsmodulation Sp2 mit der Grundmodulation M0 führt zu einer Korrelationsfunktion gemäß
Die Korrelationsfunktionen gemäß
Aufgrund der Limitierung auf einen kleinen Bereich des Eindeutigkeitsbereiches kann ggf. auf die vorgenannte „arctan-Methode“ verzichtet und können auch direkte „Fit-Algorithmen“ verwendet werden. In einer einfachen Anwendung kann beispielsweise die Korrelationsfunktion für den 0° bis 90°-Bereich in einer Kennwerttabelle zur Verfügung gestellt werden. Ebenso ist es denkbar die Korrelation als mathematische Funktion zu hinterlegen. Selbstverständlich sind auch weitere Auswertemethoden denkbar. Due to the limitation to a small area of the uniqueness range, it may be possible to dispense with the aforementioned "arctan method" and also use direct "fit algorithms". In a simple application, for example, the correlation function for the 0 ° to 90 ° range can be provided in a characteristic table. Likewise, it is conceivable to deposit the correlation as a mathematical function. Of course, further evaluation methods are conceivable.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Steigung der Korrelationsfunktion im relevanten Messbereich im Wesentlichen identisch ist zu dem Fall der normalen Messung, so dass im relevanten Messbereich der Fehler beider Verfahren grundsätzlich gleich groß ist. It should also be noted that the slope of the correlation function in the relevant measurement range is substantially identical to the case of the normal measurement, so that the error of both methods is basically the same in the relevant measurement range.
Wird keine höhere Lichtintensität benötigt, kann diese auf der Höhe eines üblichen Betriebs verbleiben, wobei dann aufgrund der kürzeren Einschaltdauer Energie gespart wird. If no higher light intensity is required, this can remain at the height of normal operation, whereby energy is saved due to the shorter switch-on time.
Die Verteilung der Minima kann insbesondere auch für bestimmte Messaufgaben vorteilhaft ausgenutzt werden. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, die Phasenlagen der Beleuchtungsmodulation gegenüber der Phasenlagen der Grundmodulation so zu verschieben, dass das Minium der Distanzfehler in einen bevorzugten Messbereich fällt. The distribution of the minima can be advantageously exploited especially for certain measurement tasks. Thus, it may be provided, for example, to shift the phase positions of the illumination modulation with respect to the phase positions of the basic modulation such that the minium of the distance errors falls within a preferred measurement range.
Beispielsweise könnte die Phasenlage so verschoben werden, dass die Genauigkeit am Ende des bevorzugten Arbeitsbereiches am größten ist, da man dort typischerweise die kleinsten Amplituden und das größte Rauschen hat. Durch dieses Vorgehen kann in vorteilhafter Weise eine hohe Messgenauigkeit über den gesamten Arbeitsbereich bzw. Messbereich sichergestellt werden. For example, the phase angle could be shifted so that the accuracy is greatest at the end of the preferred operating range, because there one typically has the smallest amplitudes and the largest noise. As a result of this procedure, a high measuring accuracy over the entire working range or measuring range can be ensured in an advantageous manner.
Selbstverständlich sind auch andere Konfigurationen denkbar, um die jeweilige Messaufgabe zu optimieren. Of course, other configurations are conceivable to optimize the respective measurement task.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1010
- Beleuchtungsmodul lighting module
- 1212
- Beleuchtung lighting
- 2222
- Lichtlaufzeitsensor Transit Time Sensor
- 2727
- Auswerteeinheit evaluation
- 3030
- Modulator modulator
- 3535
- Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber Phase shifter, lighting phase shifter
- 3838
- Modulationssteuergerät Modulation controller
- ∆φ(tL)Δφ (t L )
- laufzeitbedingte Phasenverschiebung term-related phase shift
- φvar φ var
- Phasenlage phasing
- φ0 φ 0
- Basisphase base phase
- M0 M 0
- Modulationssignal modulation signal
- p1 p1
- erste Phase first phase
- p2 p2
- zweite Phase second phase
- Sp1 Sp1
- Sendesignal mit erster Phase Transmission signal with first phase
- Sp2 sp2
- Empfangssignal mit zweiter Phase Received signal with second phase
- Ga, GbGa, Gb
- Akkumulationsgates accumulation gates
- Ua, UbUa, Ub
- Spannungen am Modulationsgate Voltages at the modulation gate
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Representative=s name: SCHUHMANN, JOERG, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., DE |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: PMDTECHNOLOGIES AG, DE Free format text: FORMER OWNER: PMDTECHNOLOGIES AG, 57076 SIEGEN, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: SCHUHMANN, JOERG, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., DE |