DE102016222334A1 - Verfahren zur Ermittlung von Systemparametern eines Lichtlaufzeitkamerasystems - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ermittlung von Systemparametern eines Lichtlaufzeitkamerasystems (1) mit Hilfe einer Kalibriervorrichtung (50), wobei das Lichtlaufzeitkamerasystem (1) eine Lichtlaufzeitkamera (20) mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) aufweist, mit wenigstens einem Lichtlaufzeitpixel, das zur Ladungsintegration einen ersten und zweiten Integrationsknoten (Ga, Gb) aufweist, wobei die Kalibriervorrichtung (50) ein Lichtleitsystem (52) mit Lichtwellenleiter (58) unterschiedlicher Länge aufweist oder derart eingerichtet ist, dass das Lichtleitsystem (52) aus einem Satz von Lichtwellenleitern (58) unterschiedlicher Länge ein Lichtwellenleiter (58) wahlweise integrativ aufnimmt, mit einer Einkoppelvorrichtung (54) zur Erfassung eines von einer Beleuchtung (10) des Lichtlaufzeitkamerasystems (1) ausgesendeten Lichts und zur Einkopplung dieses Lichts in die Lichtwellenleiter (58) oder den Lichtwellenleiter (58) und mit einer Ausleuchtungsvorrichtung (56) zur Beleuchtung des Lichtlaufzeitsensors (22) der Lichtlaufzeitkamera (20) über deren Kameraoptik (25) mit dem Licht der Lichtwellenleiter (58) oder des Lichtwellenleiters (58), wobei zur Durchführung des Verfahrens die Kalibriervorrichtung (50) in einem vorgegebenen Abstand zur Lichtlaufzeitkamera (20) angeordnet ist, mit den Schritten: – Ermittlung von Entfernungswerten (d, Δφ(tL)) für verschiedene Längen von Lichtleitern, wobei für die Ermittlung wenigsten zwei unterschiedliche Phasenlagen (φvar) eingestellt werden, – Ermittlung einer Amplitude (A) und einer Intensität (I) für jeden ermittelten Entfernungswert (d, Δφ(tL)), wobei die Amplitude ausgehend von Differenzsignalen der beiden Integrationsknoten (Ga, Gb) ermittelt wird und die Intensität durch Bilden eines Summensignals der beiden Integrationsknoten (Ga, Gb) oder durch eine weitere Messung ermittelt wird, – Ermittlung von Systemparameter in Form von Amplituden-Wiggling-Werte für die verschiedenen Entfernungswerte (d, Δφ(tL)) unter Berücksichtigung der ermittelten Amplituden und Intensitäten.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Systsemparameter eines Lichtlaufzeitkamerasystems mit Hilfe einer Kalibriervorrichtung entsprechend des unabhängigen Anspruchs.
• Mit Lichtlaufzeitkamerasystem sollen alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme umfasst sein, 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 der DE 197 04 496 A1 beschrieben und beispielsweise von der Firma 'ifm electronic GmbH’ oder 'pmdtechnologies ag‘ als „Frame-Grabber O3D“ bzw. als „CamBoard pico flexx“ 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.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Genauigkeit einer Entfernungsmessung eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu verbessern.
• Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst.
• Vorteilhaft ist ein Verfahren zur Ermittlung von Systemparametern eines Lichtlaufzeitkamerasystems mit Hilfe einer Kalibriervorrichtung vorgesehen,
  bei dem das Lichtlaufzeitkamerasystem eine Lichtlaufzeitkamera mit einem Lichtlaufzeitsensor mit wenigstens einem Lichtlaufzeitpixel aufweist, wobei das Lichtlaufzeitpixel ferner zur Ladungsintegration einen ersten und zweiten Integrationsknoten aufweist,
  wobei die Kalibriervorrichtung ein Lichtleitsystem mit Lichtwellenleiter unterschiedlicher Länge aufweist
  oder derart eingerichtet ist, dass das Lichtleitsystem aus einem Satz von Lichtwellenleitern unterschiedlicher Länge ein Lichtwellenleiter wahlweise integrativ aufnimmt,
  mit einer Einkoppelvorrichtung zur Erfassung eines von einer Beleuchtung des Lichtlaufzeitkamerasystems ausgesendeten Lichts und zur Einkopplung dieses Lichts in die Lichtwellenleiter oder den Lichtwellenleiter
  und mit einer Ausleuchtungsvorrichtung zur Beleuchtung des Lichtlaufzeitsensors der Lichtlaufzeitkamera über deren Kameraoptik mit dem Licht der Lichtwellenleiter oder des Lichtwellenleiters,
  wobei zur Durchführung des Verfahrens die Kalibriervorrichtung in einem vorgegebenen Abstand zur Lichtlaufzeitkamera angeordnet ist,
  mit den Schritten:
• – Ermittlung von Entfernungswerten für verschiedene Längen von Lichtleitern, wobei für die Ermittlung wenigsten zwei unterschiedliche Phasenlagen eingestellt werden,
• – Ermittlung einer Amplitude und einer Intensität für jeden ermittelten Entfernungswert, wobei die Amplitude ausgehend von Differenzsignalen der beiden Integrationsknoten ermittelt wird und die Intensität durch Bilden eines Summensignals der beiden Integrationsknoten oder durch eine weitere Messung ermittelt wird,
• – Ermittlung der Systemparameter in Form von Amplituden-Wiggling-Werten für die verschiedenen Entfernungswerte unter Berücksichtigung der ermittelten Amplituden und Intensitäten.
• Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass das Amplituden-Wiggling unter definierten Bedingungen erfasst und für eine spätere Verwendung beispielsweise im Kamerasystem oder in späteren Applikationen zur Verfügung gestellt werden kann.
• Bevorzugt werden die Amplituden-Wiggling-Werte für mehrere Lichtlaufzeitpixel des Lichtlaufzeitsensors ermittelt, so dass auch einr pixelindividuelle Auswertung möglich ist.
• In einer weiteren Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn die Intensität aus den Differenzen der Integrationsknoten in einer separaten Messung ermittelt wird, bei der die Modulationsgates der Pixel des Lichtlaufzeitsensors mit einer fixierten Spannung betrieben werden, so dass die Ladungsintegration entweder am ersten Integrationsknoten oder am zweiten Integrationsknoten erfolgt.
• D.h. an einem der beiden Modulationsgates liegt das High-Potenzial und am anderen Modulationsgate das Low-Potenzial der Modulationsspannung während der gesamten Integrationszeit konstant an.
• Nützlich ist es insbesondere, wenn die Ermittlung der Amplituden-Wiggling-Werte zu unterschiedlichen Modulationsfrequenzen erfolgt.
• Bevorzugt können die Amplituden-Wiggling-Werte in Form einer Wiggling-Funktion und/oder eines Wiggling-Datensatz zur Verfügung gestellt werden.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Lichtlaufzeitkamerasystem für die Verwendung von Amplituden-Wiggling-Werte ausgebildet ist, die nach einem der vorgenannten Verfahren ermittelt wurden,
  Bevorzugt ist das Lichtlaufzeitkamerasystem derart ausgestaltet ist, dass eine Bestimmung eines Entfernungswerts als fehlerhaft betrachtet wird,
  wenn die im Betrieb des System ermittelten Amplituden-Wiggling-Werte von den im Kalibrierverfahren hinterlegten Amplituden-Wiggling-Werten mehr als ein toleriertes Maß abweichen.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
• 2 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger,
• 3 eine erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung mit mehreren Lichtwellenleitern gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
• 4 eine Vorrichtung mit einer Einzelfaser im Nahfeld gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
• 5 eine Vorrichtung mit einer Einzelfaser und Diffusor im Nahfeld gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
• 6 eine Vorrichtung mit Faserselektor und Diffusor im Nahfeld gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
• 7 eine Vorrichtung mit Faserselektor und Linse gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung.
• 8 eine Relation der Phasenverschiebung in einem IQ-Diagramm,
• 9 einen Modulationsverlauf über vier Phasenlagen,
• 10 einen Verlauf der Intensität und Amplitude über die Distanz,
• 11 eine Verlauf des Verhältnisses von Amplitude und Intensität über die Distanz,
• 12 eine Verlauf von Messwerte und ‚gefitteter‘ Kurve über eine vollständigen Phasenverlauf.
• Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
• 1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einem Lichtlaufzeitkamerasystem 1, wie es beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist.
• 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 Kameraoptik (Empfangsoptik) 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.
• Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Kameraoptik 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.
• 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 M_o 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 φ_var verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φ_var = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.
• Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal S_p1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ₀ + φ_var aus. Dieses Signal S_p1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(t_L) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ₀ + φ_var + Δφ(t_L) als Empfangssignal S_p2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M_o mit dem empfangenen Signal S_p2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
• Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden oder Infrarot-Laser. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.
• 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 S_p2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit t_L phasenverschoben Δφ(t_L) 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 Integrationsknoten Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M₀ + 180° in einem zweiten Integrationsknoten Gb. Die Integrationsknoten Ga, Gb bilden so genannte A- und B-Kanäle. Aus der Differenz der im ersten und zweiten Knoten Ga, Gb bzw. im A- und B-Kanal gesammelten Ladungen qa, qb, die zu verschiedenen Phasenlagen φ_var ermittelt wurden, lässt sich in bekannter Art und Weise die Phasenverschiebung Δφ(t_L) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.
• Für eine Kalibration von Lichtlaufzeit-Kamerasystemen 1 ist es erforderlich, bekannte Lichtlaufzeiten nachzumessen. Erfindungsgemäß werden die verschiedenen Lichtlaufzeiten bzw. Phasenverschiebungen insbesondere durch ein Faser-Bündel mit mehreren Fasern unterschiedlicher Länge erzeugt. Durch geschickte Anordnung der Fasern lassen sich auf diese Weise alle benötigten Messungen in einer einzigen, statischen Einstellung durchführen.
• Für eine Offset-Messung muss jeder einzelne Pixel mit einer bekannten Laufzeit beleuchtet werden. Für Distanz- oder Intensitätsabhängige Effekte müssen verschiedene Laufzeiten und/oder Lichtintensitäten vermessen werden. Standard-Kalibrationskonzepte erfordern dafür viel Raum. In dieser Erfindung werden alle diese Parameter mittels Lichtwellenleitern realisiert, die im Nah- oder Fernfeld einer Kamera diffus die ganze Pixelmatrix oder scharf abgebildet einzelne Pixelbereiche ausleuchten. Damit ist eine Kalibrationsappartur mit geringsten Abmessungen realisierbar.
• Als Time-of-Flight-Kameras nach dem PMD-Prinzip ausgebildete Lichtlaufzeitkamerasysteme 1 messen die Lichtlaufzeit nicht direkt, sondern über die Bestimmung der Phasenlage eines modulierten Lichtsignals. Die Bestimmung der Phasenlage aus den tatsächlichen Messdaten der Kamera geschieht näherungsweise über bekannte Formeln der Signalverarbeitung. Diese theoretischen Formeln beruhen auf idealen Signalformen (optisch und elektrisch), die insbesondere bei Modulationsfrequenzen von mehreren Megahertz nicht immer realisiert werden. Für eine genauere Bestimmung der Phasenlage ist es daher notwendig, entweder die real erzeugten Signale direkt zu vermessen oder die Abweichungen der Phasenlagen aus der Näherungsrechnung zu bestimmen. Für die Bestimmung der Abweichungen ist es üblich, die Time-of-Flight-Kamera in mehreren, präzise einstellbaren Abständen zu einem Referenzobjekt zu vermessen. Hieraus lassen sich eine Korrekturfunktion und/oder eine Look-Up-Tabelle erzeugen. Diese Prozedur ist zeitaufwändig und erfordert viel Raum, da die erforderlichen Abstände in der Regel mehrere Meter betragen.
• Ebenso müssen für alle Pixel einer Matrix Offset-Werte bestimmt werden (FPPN). Das geschieht entweder über große, präzise ausgerichtete Referenzflächen, oder durch direkte, diffuse Beleuchtung der gesamten Pixelmatrix mit einer bekannten Phasenlage des optischen Signals.
• In 3 ist eine Anordnung aus einem Lichtlaufzeitkamerasystem 1 und einer Kalibriervorrichtung 50 zur Kalibrierung von derartigen Lichtlaufzeitkamerasystemen 1 gezeigt. Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 entspricht im Wesentlichen dem in 1 beschriebenen System 1 mit dem die Beleuchtung 12 aufweisenden Beleuchtungsmodul 10 und der den Lichtlaufzeitsensor 22 aufweisenden Lichtlaufzeitkamera 20. Die Kalibriervorrichtung 50 weist drei Hauptbaugruppen 52, 54, 56 auf, nämlich (i) ein Lichtleitsystem 52, das mehrere Lichtwellenleiter (kurz: Lichtleiter) 58 unterschiedlicher Länge umfasst, (ii) einer Einkoppelvorrichtung 54 zur Erfassung Licht, welches von der Beleuchtung 10 des Lichtlaufzeitkamerasystems 1 ausgesendet wird, und zur Einkopplung dieses Lichts in das Lichtleitsystem 52 und (iii) einer Ausleuchtungsvorrichtung 56 zur Projektion des Lichts des Lichtleitsystems 52 auf einen Lichtlaufzeitsensor 22 der Lichtlaufzeitkamera 20, wobei die Ausleuchtungsvorrichtung 56 eine Positionierungseinrichtung 60 zur Positionierung der Auskoppelbereiche 62 der Lichtwellenleiter 58 aufweist. Diese Positionierungseinrichtung 60 ist im gezeigten Beispiel als eine Halteplatte 64 mit Öffnungen zur Aufnahme der Auskoppelbereiche 62 der Lichtwellenleiter 58. In der Anordnung gemäß 3 wird das modulierte Licht der Beleuchtung 12 des Lichtlaufzeitkamerasystems 1, wie zum Beispiel einer Time-of-Flight-Kamera, in ein die Lichtwellenleiter 58 umfassendes Faserbündel des Lichtleitsystems eingekoppelt, das aus Fasern (Lichtleitern 58) unterschiedlicher Länge besteht. Die einzelnen Fasern/Lichtleiter 58 projizieren das Licht auf einen abbildenden Schirm 66 oder alternativ auf ein diffus streuendes optisches Element 68 der Ausleuchtungsvorrichtung 56, der von dem Lichtlaufzeitsensor 22 (der Lichtlaufzeitkamera 20) abgebildet wird. Jede einzelne Faser (jeder einzelne Lichtleiter 58) erzeugt dabei einen eigenen Lichtspot. In einem kompakten System können so unterschiedliche Lichtlaufzeiten vermessen werden, die mehreren Metern Distanz entsprechen.
• Die in den 4 bis 8 gezeigten Anordnungen entsprechen im Wesentlichen der Anordnung der 3, sodass im Folgenden hauptsächlich auf die Unterschiede zu der in 3 gezeigten Anordnung eingegangen wird.
• 4 zeigt eine Variante mit nur einem Lichtwellenleiter bzw. einer Faser 58. Das modulierte Licht der Beleuchtung 12 einer Time-of-Flight-Kamera wird in einen Lichtleiter (Einzelfaser 58 oder Faserbündel mit Fasern 58 gleicher Länge) eingekoppelt. Das andere Ende des Lichtwellenleiters 58 befindet sich im Nahfeld N des Empfängers (der Lichtlaufzeitkamera) 20 des Lichtlaufzeitkamerasystems 1 und wird daher unscharf auf dem Empfänger (Sensor) 20 abgebildet. Die Kalibriervorrichtung 50 ist dabei eingerichtet, je einen Lichtwellenleiter 58 aus einem Satz von Lichtwellenleitern 58 unterschiedlicher Länge wahlweise integrativ aufzunehmen. Hierdurch lassen sich beliebige Lichtlaufzeiten in einer kompakten Vorrichtung 50 kalibrieren. Ebenso kann man durch unterschiedliche Wahl der Lichtwellenleiter/Fasern 58 oder durch hinzugefügte Dämpfungselemente gezielt unterschiedliche Lichtintensitäten einstellen.
• 5 zeigt eine Variante der in 4 gezeigten Anordnung mit nur einem Lichtwellenleiter bzw. einer Faser 58. Um eine ganze Pixelmatrix zu kalibrieren, insbesondere die Offset-Werte, lässt sich, wie in 5 gezeigt, ein Diffusor-Element 68 zwischen Faser und Lichtlaufzeitkamera 20 positionieren. Das Diffusor-Element ist wieder ein diffus streuendes optisches Element 68.
• Alternativ zu einem einzelnen Lichtwellenleiter (Einzelfaser oder Faserbündel) 58 mit definierter Länge, kann man ein Faserbündel mit Lichtwellenleitern/Einzelfasern 58 unterschiedlicher Längen verwenden. In der Ausführung gemäß 6 ist zwischen Kamera-Sensor und den Auskoppelbereichen (Enden) 62 der Lichtwellenleiter (Einzelfasern) 58 wird eine Selektor-Einrichtung 70 zum wahlweisen freischalten oder blockieren des Lichts der einzelnen Lichtwellenleiter (Faser-Selektor), beispielsweise ein optischer Umschalter, eingefügt, der die Funktion einer Blende erfüllt, mit der die einzelnen Lichtwellenleiter/Fasern 58 gezielt ausgewählt werden können. Das Licht des ausgewählten Lichtwellenleiters/der ausgewählten Faser 58 wird auf die Projektionsfläche des Abbildungsschirms 66 geführt. Der Abstand zwischen Projektionsfläche und Kamera 20 ist beliebig wählbar, um entweder eine unscharfe Abbildung im Nahfeld N zu erreichen, oder eine saubere Abbildung der Projektionsfläche zu erhalten. Sequentiell können so alle erforderlichen Lichtlaufzeiten vermessen werden.
• Statt eines diffus streuenden optischen Elements 66 oder anderen Diffusors kann, gemäß 7, ebenso eine zusätzliche Linse oder andere Optik 72 der Kalibriervorrichtung 50 verwenden werden, die zu einer unscharfen Abbildung führt.
• Üblicherweise sind auf Linsen selbstklebende Schutzfolien angebracht, die zu unscharfen Abbildungen führen. Statt eines Diffusors oder anderen diffus streuenden optischen Elements 68 im Kalibrationsaufbau kann man auch diese Schutzfolie auf einer Kameralinse als streuendes Objekt verwenden, um eine Kalibration der gesamten Matrix zu ermöglichen. Die Schutzfolie und Ihre optischen Eigenschaften werden dazu genau spezifiziert.
• Die dargestellten Kalibiervorrichtungen eignen sich nicht nur zu einer Entfernungs-Kalibrierung, sondern auch zur Erfassung und Kalibrierung eines so genannten Amplituden-Wigglings
• Aus der Korrelationsmessung einer Time-of-Flight-Kamera lassen sich Phase und Amplitude bestimmen. Der Wert der berechneten Amplitude ist hierbei abhängig von der empfangenen Lichtleistung, der realen Form der optischen und elektrischen Signale und dem Demodulationskontrast. Der Demodulationskontrast ist eine für eine Time-Of-Flight-Messung konstante Größe, die das Verhältnis zwischen nutzbarem Photo-Misch-Signal und insgesamt empfangener Lichtmenge angibt. Die Stärke des nutzbaren Photo-Misch-Signals wird als Amplitude bezeichnet. Die Messgrößen Phase und Amplitude werden bei einer Time-Of-Flight-Kamera aus mehreren unabhängigen Messungen bei unterschiedlichen Ausgangs-Phasenlagen φ_var, üblicherweise 4 Messungen, berechnet. Die reale Form der optischen und elektrischen Signale führt zu Amplitudenwerten, die auch von der Phasenlage abhängig sind.
• Dieses „Amplituden-Wiggling“ lässt sich kalibrieren, indem für verschiedene Phasenlagen der Wiggling-Anteil der Amplitudenberechnung isoliert wird. Nach einer Kalibration lassen sich Wiggling-freie Amplitudenwerte berechnen, die für eine gegebene Szene lediglich aufgrund des Demodulationskontrasts einer Time-of-Flight-Kamera frequenzabhängig sind. Werden nach einer Kalibration des Demodulationskontrasts zusätzliche Abweichungen in der Amplitude in einer Szene bei unterschiedlichen Frequenzen festgestellt, weisen diese auf eine gestörte Messung hin und können für eine Plausibilisierung oder für Korrektur-Rechnungen verwertet werden.
• Eine mögliche Methode zur Isolation des Amplituden-Wigglings ist, die Phasenverschiebung zwischen dem optischen und elektrischen Signal mit einem externen Frequenzgenerator und präziser Verzögerung gezielt einzustellen. Für ein Kamerasystem kann ein Frequenzgenerator in der Regel jedoch nicht zwischen Beleuchtung und Sensor-Modulation genutzt werden. Variiert man die Phase durch eine Veränderung realer Mess-Abstände, so verändert sich die Amplitude nicht allein durch das Amplituden-Wiggling, sondern auch durch die Veränderung der absoluten Lichtintensität, die empfangen wird. Zur Bestimmung des Amplitudenwigglings muss dieser Distanz-abhängige Anteil herausgerechnet werden. Diese Vorgehensweise führt zum Ziel, ist jedoch fehleranfällig und erfordert einen präzisen Messaufbau.
• Demgegenüber wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Intensität pixelgenau direkt zu Messen und zur Bestimmung des Amplitudenwigglings heranzuziehen. Die Intensität kann direkt aus den Sensordaten berechnet werden, wenn neben dem Differenzkanal (A – B) auch die Summe (A + B) oder die einzelnen Kanäle separat (A, B) ausgelesen werden können. Alternativ lässt sich zur Normierung die Intensität auch aus dem Differenzkanal (A – B) ermitteln, indem die Modulation des Sensors und/oder die Modulation der Beleuchtung in einer zusätzlichen Messung deaktiviert werden. Der Vorteil dieser Methode ist es, dass die genaue Phasenlage zur Bestimmung des Amplitudenwigglings nicht bekannt sein muss, sondern direkt gemessen wird. Dadurch lässt sich das Amplitudenwiggling aus beliebigen Szenen extrahieren, beispielsweise mit einer der vorgenannten Kalibriervorrichtungen.
• Nach dieser Methode können neben dem Amplitudenwiggling auch die einzelnen Zwischenergebnisse der ToF-Messung kalibriert werden (Real- und Imaginärteile der Korrelationsmessungen). Die Evaluation dieser Werte hat insbesondere für eine Störungs-Korrektur-Rechnung ein erhöhtes Potential.
• Bei der Entfernungsbestimmung handelt es sich mathematisch um eine Korrelation des empfangenen Signals S_p2 mit dem modulierenden Signal M₀.

  
• Bei einer Modulation mit einem Rechtecksignal ergibt sich als Korrelationsfunktion eine Dreiecksfunktion. Bei einer Modulation mit beispielsweise einem Sinussignal wäre das Ergebnis eine Kosinusfunktion.
• Zur vollständigen 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 φ_var = 0° und φ_var = 90°.
• Die Beziehung dieser beiden Messungen lässt sich in bekannter Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm gem. 8 darstellen. In erster Näherung ist dies ohne weiteres auch für rechteckförmige Modulation und der sich ergebenden dreiecksförmigen Autokorrelationsfunktion anwendbar.
• Der Phasenwinkel lässt sich dann in bekannter Weise über eine arctan-Funktion bzw. arctan2-Funktion bestimmen: φ = Δφ(t_L) = arctan Δq(90°) / Δq(0°)
• Aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen Ladung und Spannung, lässt sich der Phasenwinkel ebenso über die Spannungsdifferenzen bestimmen: φ = Δφ(t_L) = arctan ΔU(90°) / ΔU(0°)
• Um beispielsweise Asymmetrien des Sensors zu kompensieren, können zusätzliche um 180° verschobene Phasenmessungen durchgeführt werden, so dass sich im Ergebnis der Phasenwinkel wie folgt bestimmen lässt. φ = Δφ(t_L) = arctan Δq(90°) – Δq(270°) / Δq(0°) – Δq(180°)
• Oder verkürzt formuliert:

  
• Wobei die Indizes die jeweilige Phasenlage der Differenzen a_i andeuten, mit a₁ = Δq(0°) usw.
• Eine Amplitude A als Signalstärke kann aus denselben Messwerten a_i berechnet werden:

  
• Aus der Phasenverschiebung φ bzw. Δφ(t_L) 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(t_L) λ / 2π· 1 / 2
• In 9 ist beispielhaft ein Verlauf einer Lichtmodulation gezeigt, die vier Modulationsperioden 1 bis 4 mit vier Phasenlagen von 0°, 90°, 180° und 270° durchläuft. Am Ende jeder Modulationsperiode wird die Differenz a₁, a₂, a₃, a₄ der akkumulierten Ladungsträger ausgelesen und die Integrationsknoten mittels Reset zurückgesetzt. Wie bereits dargestellt lassen sich dann aus den Differenzen eine Phasenverschiebung bzw. ein entsprechender Entfernungswert ermitteln.
• Typischerweise wird in ToF Systemen ein 4 Phasen Algorithmus verwendet, um innerhalb eines Eindeutigkeitsbereichs die Phasenverschiebung des empfangenen Lichtsignals zu bestimmen. Bei diesem Algorithmus werden vier Stützstellen, die äquidistant im Eindeutigkeitsbereich von 0 bis 2π mit gleicher Modulationsfrequenz ermittelt und anschließend die Phasenlage der Grundwelle, die durch diese Stützstellen verläuft, berechnet. Der Eindeutigkeitsbereich wird durch einen Transformationsfaktor vom Bogenmaß in eine Distanz/Entfernung überführt.
• Objekte in Abständen, die in Vielfachen dieses Eindeutigkeitsbereichs liegen (0 bis 2π), führen zu Mehrdeutigkeiten der Phasenlage. Diese Mehrdeutigkeiten können durch eine weitere Phasenmessung bzw. durch eine erneute Anwendung des 4 Phasenalgorithmus mit anderen, typischerweise einer niedrigeren Modulationsfrequenz in eine eindeutige Phasenlage überführt werden. Dieses Vorgehen impliziert demnach mindestens 8 Messungen bis ein eindeutiger Distanzwert/Entfernungswert berechnet werden kann.
• Mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen ist es möglich, ein systembedingtes Amplituden-Wiggling über die verschiedenen Phasenverschiebungen bzw. Lichtlaufzeiten bzw. Entfernungswerte zu ermitteln, ggf. zu kompensieren und/oder Störungen der Entfernungsmessung zu detektieren.
• Das grundlegende Verhalten von Amplitude A und der Intensität I über die Distanz / Entfernung ist beispielhaft in 10 gezeigt. Mit zunehmender Distanz nimmt sowohl die Intensität I als auch die Amplitude A ab. Systembedingt weicht, wie bereits erwähnt, der Verlauf der Amplitude A von der Lichtintensität I ab.
• Werden Amplitude und Intensität ins Verhältnis gesetzt ergibt sich ein in 11 dargestelltes Verhalten. Diese Art der Darstellung stellt eine Möglichkeit dar, das Amplituden-Wiggling zu beschreiben. Es sind grundsätzlich auch andere Betrachtungsweisen denkbar. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, die verschiedenen Entfernungen respektive Phasenverschiebungen durch einen der vorgenannten Kalibriervorrichtungen nachzustellen.
• Die Kalibriervorrichtungen haben den Vorteil, dass unterschiedliche Distanzen bzw. Phasenverschiebungen durch die Länge der Lichtleiter bzw. ggf. auch durch Phasenschieber eingestellt werden können, ohne dass sich die Lichtintensität signifikant ändert. Durch dieses Vorgehen ist sichergestellt, dass die das Amplituden-Wiggling auslösende Effekte präziser gemessen werden können.
• 12 zeigt schematisch einen Messverlauf, bei dem beispielsweise mit Hilfe von 30 unterschiedlich langen Einzelfasern eine Phasenverschiebung Δφ(t_L) von 0 bis 2π in einem Schritt vermessen wird. Für jede Phasenverschiebung werden eine Amplitude und eine Intensität ermittelt, wobei im dargestellten Fall als Messwert der Quotient aus Amplitude und Intensität für jeden Entfernungswert aufgetragen wird. Jeder Messpunkt entspricht somit einem gemessenen Amplituden-Wiggling-Wert für die jeweilige Phasenverschiebung.
• Grundsätzlich könnten bereits diese Rohdaten für die weitere Verwendung zur Verfügung gestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Rohdaten in geeigneter Form aufbereitet werden. Insbesondere ist es von Vorteil, eine Fit- bzw. Anpassungsfunktion zu verwenden, die physikalisch und/oder mathematisch das Amplituden-Wiggling beschreibt. Hier sind insbesondere Sinusfunktionen bzw. entsprechende Fourierreihen geeignet, beispielsweise in der Form:

  
• Im dargestellten Beispiel wurden die Rohdaten mit Hilfe eine Sinusfunktion ‚gefittet‘. Die angepasste bzw. gefittete Funktion kann vorzugsweise direkt als Wiggling-Funktion und/oder als Wiggling-Datensatz, insbesondere als ‚look up table‘ für die weitere Verwendung zur Verfügung gestellt werden.
• Selbstverständlich sind auch andere Kurvenanpassungen denkbar.
• Wenn die Lichtintensität I für alle erfassten Phasenverschiebungen mit den vorgenannten Kalibriervorrichtungen im Wesentlichen konstant bleibt, spiegelt die aus den Differenzsignalen der A- und B-Kanäle ermittelte Amplitude A direkt das Verhalten des Amplituden-Wigglings ab.
• Bei Bedarf kann das Amplituden-Wiggling zusätzlich für unterschiedliche Lichtintensitäten erfasst werden, die beispielsweise durch Abschwächen der Lichtquelle und/oder einer tatsächlichen Distanzänderung der Kalibriervorrichtung vorgenommen werden kann.
• Wie bereits beschrieben kann die Lichtintensität I beispielsweise durch Summieren der A- und B-Kanäle ermittelt werden. Ebenso lässt sich die Intensität I aus der Differenz der A- und B-Kanäle in einer zusätzlichen Messung bestimmen, bei der die Modulation des Sensors fixiert ist. Dies hat den Vorteil, dass auch während eines üblichen Betriebs des Lichtlaufzeitkamerasystems die Intensität I pixelindividuell erfasst werden kann.
• Das Betreiben eines Lichtlaufzeitpixel ist im Detail beispielsweise in der bereits genannten DE 197 04 496 A1 beschrieben, auf die hier im vollen Umfang verwiesen wird.
• Bezugszeichenliste

1

Lichtlaufzeitkamerasystem

10

Beleuchtungsmodul

12

Beleuchtung

15

Strahlformungsoptik

20

Empfänger, Lichtlaufzeitkamera

22

Lichtlaufzeitsensor

25

Kameraoptik

30

Modulator

35

Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber

40

Objekt

50

Kalibriervorrichtung

52

Lichtleitsystem

54

Einkoppelvorrichtung

56

Ausleuchtungsvorrichtung

58

Lichtwellenleiter

60

Positionierungseinrichtung

62

Auskoppelbereich (Lichtwellenleiter)

64

Halteplatte

66

Schirm, Abbildungs-

68

optisches Element, diffus streuend

70

Selektor-Einrichtung

72

Optik

φ, Δφ(t_L)

laufzeitbedingte Phasenverschiebung

φ_var

Phasenlage

φ₀

Basisphase

M₀

Modulationssignal

p1, p2

erste und zweite Phase

Sp1

Sendesignal mit erster Phase

Sp2

Empfangssignal mit zweiter Phase

Ga, Gb

Integrationsknoten

d

Objektdistanz

q

Ladung

N

Nahfeld der Lichtlaufzeitkamera

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 19704496 A1 [0002, 0028, 0077]

Claims (7)

1. Verfahren zur Ermittlung von Systemparametern eines Lichtlaufzeitkamerasystems (1) mit Hilfe einer Kalibriervorrichtung (50), wobei das Lichtlaufzeitkamerasystem (1) eine Lichtlaufzeitkamera (20) mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) aufweist, mit wenigstens einem Lichtlaufzeitpixel, das zur Ladungsintegration einen ersten und zweiten Integrationsknoten (Ga, Gb) aufweist, wobei die Kalibriervorrichtung (50) ein Lichtleitsystem (52) mit Lichtwellenleiter (58) unterschiedlicher Länge aufweist oder derart eingerichtet ist, dass das Lichtleitsystem (52) aus einem Satz von Lichtwellenleitern (58) unterschiedlicher Länge ein Lichtwellenleiter (58) wahlweise integrativ aufnimmt, mit einer Einkoppelvorrichtung (54) zur Erfassung eines von einer Beleuchtung (10) des Lichtlaufzeitkamerasystems (1) ausgesendeten Lichts und zur Einkopplung dieses Lichts in die Lichtwellenleiter (58) oder den Lichtwellenleiter (58) und mit einer Ausleuchtungsvorrichtung (56) zur Beleuchtung des Lichtlaufzeitsensors (22) der Lichtlaufzeitkamera (20) über deren Kameraoptik (25) mit dem Licht der Lichtwellenleiter (58) oder des Lichtwellenleiters (58), wobei zur Durchführung des Verfahrens die Kalibriervorrichtung (50) in einem vorgegebenen Abstand zur Lichtlaufzeitkamera (20) angeordnet ist, mit den Schritten: – Ermittlung von Entfernungswerten (d, Δφ(t_L)) für verschiedene Längen von Lichtleitern, wobei für die Ermittlung wenigsten zwei unterschiedliche Phasenlagen (φ_var) eingestellt werden, – Ermittlung einer Amplitude (A) und einer Intensität (I) für jeden ermittelten Entfernungswert (d, Δφ(t_L)), wobei die Amplitude ausgehend von Differenzsignalen der beiden Integrationsknoten (Ga, Gb) ermittelt wird und die Intensität durch Bilden eines Summensignals der beiden Integrationsknoten (Ga, Gb) oder durch eine weitere Messung ermittelt wird, – Ermittlung von Systemparameter in Form von Amplituden-Wiggling-Werte für die verschiedenen Entfernungswerte (d, Δφ(t_L)) unter Berücksichtigung der ermittelten Amplituden und Intensitäten.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Amplituden-Wiggling-Werte für mehrere Lichtlaufzeitpixel des Lichtlaufzeitsensors (22) ermittelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Intensität aus den Differenzen der Integrationsknoten (Ga, Gb) in einer separaten Messung ermittelt wird, bei der die Modulationsgates (Gam, Gbm) der Pixel des Lichtlaufzeitsensors (22) mit einer fixierten Spannung betrieben werden, so dass die Ladungsintegration entweder am ersten Integrationsknoten (Ga) oder am zweiten Integrationsknoten (Gb) erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2–3, bei dem die Ermittlung der Amplituden-Wiggling-Werte zu unterschiedlichen Modulationsfrequenzen erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Amplituden-Wiggling-Werte in Form einer Wiggling-Funktion und/oder eines Wiggling-Datensatz zur Verfügung gestellt werden.
6. Lichtlaufzeitkamerasystem, das für die Verwendung von Amplituden-Wiggling-Werte ausgebildet ist, die nach einem der vorgenannten Verfahren ermittelt wurden,.
7. Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 6, das derart ausgestaltet ist, dass eine Bestimmung eines Entfernungswerts als fehlerhaft betrachtet wird, wenn die im Betrieb des System ermittelten Amplituden-Wiggling-Werte von den im Kalibrierverfahren hinterlegten Amplitduen-Wiggling-Werten mehr als ein toleriertes Maß abweichen.

Images