DE102016222334A1 - Method for determining system parameters of a time of flight camera system - Google Patents

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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.Method for determining system parameters of a light transit time camera system (1) with the aid of a calibration device (50), wherein the time of flight camera system (1) comprises a light transit time camera (20) with a light transit time sensor (22) having at least one light transit time pixel which for charge integration comprises a first and second integration node (Ga, Gb), wherein the calibration device (50) has a light guide system (52) with optical fibers (58) of different lengths or is arranged such that the light guide system (52) consists of a set of light waveguides (58) of different lengths an optical waveguide ( 58) optionally integratively receives, with a coupling device (54) for detecting a light emitted by a lighting (10) of the time of flight camera system (1) light and for coupling this light in the optical waveguide (58) or the optical waveguide (58) and with an illumination device ( 56) for illuminating the light transit time sensor (22) of the light transit time camera (20) via the camera optics (25) with the light of the optical waveguide (58) or the optical waveguide (58), wherein for performing the method, the calibration device (50) is arranged at a predetermined distance from the light transit time camera (20) , comprising the steps of: - determining distance values (d, Δφ (tL)) for different lengths of optical fibers, whereby at least two different phase positions (φvar) are set for the determination, - determination of an amplitude (A) and an intensity (I) for each determined distance value (d, Δφ (tL)), wherein the amplitude is determined on the basis of difference signals of the two integration nodes (Ga, Gb) and determines the intensity by forming a sum signal of the two integration nodes (Ga, Gb) or by another measurement determining, taking into account system parameters in the form of amplitude wiggling values for the different distance values (d, Δφ (tL)) tion of the determined amplitudes and intensities.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung von Systsemparameter eines Lichtlaufzeitkamerasystems mit Hilfe einer Kalibriervorrichtung entsprechend des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to a method for determining system parameters of a light transit time camera system with the aid of a calibration device according to the independent claim.

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. With the time of flight camera system, it is intended to encompass all the time of flight of light 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 they are used, inter alia, in the DE 197 04 496 A1 described and for example by the company 'ifm electronic GmbH' or 'pmdtechnologies ag' as a "frame grabber O3D" or as "CamBoard pico flexx" 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.

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

Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst.The object is achieved in an advantageous manner by the method according to the invention.

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.
Advantageously, a method is provided for determining system parameters of a light transit time camera system with the aid of a calibration device,
wherein the time of flight camera system comprises a time of flight camera with a light transit time sensor having at least one light transit time pixel, the travel time pixel further comprising a first and second integration node for charge integration,
wherein the calibration device has a light guide system with optical fibers of different lengths
or is set up such that the light guide system optionally integrally receives an optical waveguide from a set of optical waveguides of different lengths,
with a coupling device for detecting a light emitted by an illumination of the time of flight camera system light and for coupling this light in the optical waveguide or the optical waveguide
and with an illumination device for illuminating the light transit time sensor of the light transit time camera via its camera optics with the light of the optical waveguide or of the optical waveguide,
wherein for carrying out the method, the calibration device is arranged at a predetermined distance from the time of flight camera,
with the steps:
  • Determination of distance values for different lengths of optical fibers, at least two different phase positions being set for the determination,
  • Determining an amplitude and an intensity for each determined distance value, wherein the amplitude is determined on the basis of difference signals of the two integration nodes and the intensity is determined by forming a sum signal of the two integration nodes or by a further measurement,
  • Determination of the system parameters in the form of amplitude-wiggling values for the different distance values taking into account the ascertained amplitudes and intensities.

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.This procedure has the advantage that the amplitude wiggling can be detected under defined conditions and made available for later use, for example, in the camera system or in later applications.

Bevorzugt werden die Amplituden-Wiggling-Werte für mehrere Lichtlaufzeitpixel des Lichtlaufzeitsensors ermittelt, so dass auch einr pixelindividuelle Auswertung möglich ist.The amplitude-wiggling values are preferably determined for a plurality of light-propagation time pixels of the light transit time sensor, so that one pixel-individual evaluation is also possible.

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.In a further embodiment, it is advantageous if the intensity is determined from the differences of the integration nodes in a separate measurement in which the modulation gates of the pixels of the light transit time sensor are operated with a fixed voltage, so that the charge integration either at the first integration node or at the second Integration node takes place.

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.That The high potential is present at one of the two modulation gates and the low potential of the modulation voltage remains constant at the other modulation gate during the entire integration time.

Nützlich ist es insbesondere, wenn die Ermittlung der Amplituden-Wiggling-Werte zu unterschiedlichen Modulationsfrequenzen erfolgt.In particular, it is useful if the determination of the amplitude-wiggling values takes place at different modulation frequencies.

Bevorzugt können die Amplituden-Wiggling-Werte in Form einer Wiggling-Funktion und/oder eines Wiggling-Datensatz zur Verfügung gestellt werden.Preferably, the amplitude-wiggling values can be made available in the form of a wiggling function and / or a wiggling data record.

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.
It is particularly advantageous if a time-of-flight camera system is designed for the use of amplitude-wiggling values which have been determined according to one of the aforementioned methods,
Preferably, the time of flight camera system is configured such that a determination of a distance value is considered erroneous,
if the amplitude wiggling values determined during operation of the system deviate more than a tolerated level from the amplitude wiggling values stored in the calibration method.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen:Show it:

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

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

3 eine erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung mit mehreren Lichtwellenleitern gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, 3 a calibration device according to the invention with a plurality of optical waveguides according to a first embodiment of the invention,

4 eine Vorrichtung mit einer Einzelfaser im Nahfeld gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, 4 a device with a single fiber in the near field according to a second embodiment of the invention,

5 eine Vorrichtung mit einer Einzelfaser und Diffusor im Nahfeld gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, 5 a device with a single fiber and diffuser in the near field according to a third embodiment of the invention,

6 eine Vorrichtung mit Faserselektor und Diffusor im Nahfeld gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, 6 a device with fiber selector and diffuser in the near field according to a fourth embodiment of the invention,

7 eine Vorrichtung mit Faserselektor und Linse gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. 7 a device with fiber selector and lens according to a fifth embodiment of the invention.

8 eine Relation der Phasenverschiebung in einem IQ-Diagramm, 8th a relation of the phase shift in an IQ-diagram,

9 einen Modulationsverlauf über vier Phasenlagen, 9 a modulation course over four phase positions,

10 einen Verlauf der Intensität und Amplitude über die Distanz, 10 a course of intensity and amplitude over the distance,

11 eine Verlauf des Verhältnisses von Amplitude und Intensität über die Distanz, 11 a plot of the ratio of amplitude and intensity over the distance,

12 eine Verlauf von Messwerte und ‚gefitteter‘ Kurve über eine vollständigen Phasenverlauf. 12 a course of measured values and 'fitted' curve over a complete phase curve.

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 einem Lichtlaufzeitkamerasystem 1, wie es 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 system 1 as it 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 Kameraoptik (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 camera optics (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 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.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 camera 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.The measurement 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 the base phase φ 0 of the modulation signal M 0 of the light source 12 can be moved by defined phase positions φ var . For typical phase measurements, phase positions of φ var = 0 °, 90 °, 180 °, 270 ° are preferably used.

Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten 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 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.

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.As illumination source or light source 12 Preferably, infrared light emitting diodes or infrared lasers are suitable. Of course, other radiation sources in other frequency ranges conceivable, in particular light sources in the visible frequency range come into consideration.

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 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 φvar ermittelt wurden, lässt sich in bekannter Art und Weise 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 integration node Ga and in a 180 ° shifted phase position M 0 + 180 ° in a second integration node Gb. The integration nodes Ga, Gb form so-called A and B channels. From the difference of the charges qa, qb collected in the first and second nodes Ga, Gb or in the A and B channels, which were determined at different phase positions φ var , the phase shift Δφ (t L ) can be determined in a known manner. and thus determine a distance d of the object.

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.For a calibration of light-time camera systems 1 it is necessary to measure known light transit times. According to the invention, the different light propagation times or phase shifts are generated in particular by a fiber bundle with a plurality of fibers of different lengths. By cleverly arranging the fibers, all the required measurements can be made in a single, static setting.

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.For an offset measurement, each individual pixel must be illuminated with a known transit time. For distance or intensity-dependent effects, different transit times and / or light intensities must be measured. Standard calibration concepts require a lot of space for this. In this invention, all these parameters are realized by means of optical waveguides which illuminate the entire pixel matrix or sharply imaged individual pixel areas in the near or far field of a camera. This is a Kalibrationsappartur realized with the smallest dimensions.

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.Time-of-flight cameras designed according to the PMD principle 1 do not measure the light transit time directly but via the determination of the phase position of a modulated light signal. The determination of the phase position from the actual measurement data of the camera takes place approximately via known formulas of signal processing. These theoretical formulas are based on ideal signal forms (optical and electrical), which are not always realized, especially at modulation frequencies of several megahertz. For a more accurate determination of the phase position, it is therefore necessary to either directly measure the signals actually generated or to determine the deviations of the phase angles from the approximate calculation. To determine the deviations, it is customary to measure the time-of-flight camera in several, precisely adjustable distances to a reference object. From this, a correction function and / or a look-up table can be generated. This procedure is time consuming and requires a lot of space, as the required distances are usually several meters.

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.Similarly, offset values must be determined for all pixels of a matrix (FPPN). This is done either via large, precisely aligned reference surfaces, or by direct, diffuse illumination of the entire pixel matrix with a known phase angle of the optical signal.

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.In 3 is an arrangement of a light transit time camera system 1 and a calibration device 50 for calibrating such time of flight camera systems 1 shown. The light transit time camera system 1 is essentially the same as in 1 described system 1 with the lighting 12 having lighting module 10 and the light transit time sensor 22 having light time camera 20 , The calibration device 50 has three main assemblies 52 . 54 . 56 on, namely (i) a light guide system 52 , the several optical fibers (in short: optical fiber) 58 of different lengths, (ii) a coupling device 54 to capture light, which is from the lighting 10 of the time of flight camera system 1 is emitted, and for coupling this light in the light guide system 52 and (iii) an illumination device 56 for the projection of the light of the light guide system 52 to a light transit time sensor 22 the light runtime camera 20 , wherein the illumination device 56 a positioning device 60 for positioning the decoupling areas 62 the optical fiber 58 having. This positioning device 60 is in the example shown as a holding plate 64 with openings for receiving the decoupling areas 62 the optical fiber 58 , In the arrangement according to 3 becomes the modulated light of illumination 12 of the time of flight camera system 1 such as a time-of-flight camera, into an optical fiber 58 integrated fiber bundle of the light guide system, which consists of fibers (optical fibers 58 ) of different lengths. The individual fibers / optical fibers 58 project the light onto an imaging screen 66 or alternatively to a diffusely scattering optical element 68 the illumination device 56 that of the light transit time sensor 22 (the light runtime camera 20 ) is displayed. Every single fiber (every single fiber 58 ) creates its own light spot. In a compact system, different light propagation times can be measured, which correspond to several meters of distance.

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. The in the 4 to 8th shown arrangements correspond substantially to the arrangement of 3 , so in the following mainly on the differences to the in 3 received arrangement is received.

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. 4 shows a variant with only one optical fiber or a fiber 58 , The modulated light of the lighting 12 a time-of-flight camera gets into a light guide (single fiber 58 or fiber bundles with fibers 58 same length) coupled. The other end of the fiber optic cable 58 located in the near field N of the receiver (the time of day camera) 20 of the time of flight camera system 1 and is therefore out of focus on the receiver (sensor) 20 displayed. The calibration device 50 is set up, one optical fiber each 58 from a set of optical fibers 58 optionally of different length integratively. This allows any light transit times in a compact device 50 calibrate. Likewise, one can by different choice of optical fibers / fibers 58 or by adding added damping elements specifically set different light intensities.

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. 5 shows a variant of in 4 shown arrangement with only one optical fiber or a fiber 58 , To calibrate an entire pixel matrix, especially the offset values, you can, as in 5 shown a diffuser element 68 between fiber and light runtime camera 20 position. The diffuser element is again a diffusely scattering optical 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.Alternative to a single optical fiber (single fiber or fiber bundle) 58 with a defined length, you can use a fiber bundle with optical fibers / single fibers 58 use different lengths. In the execution according to 6 is between camera sensor and the decoupling areas (ends) 62 the optical fiber (single fibers) 58 becomes a selector device 70 for selectively enabling or blocking the light of the individual optical fibers (fiber selector), for example, an optical switch inserted, which performs the function of a diaphragm, with which the individual optical fibers / fibers 58 can be selected specifically. The light of the selected fiber optic / fiber 58 is on the projection screen of the imaging screen 66 guided. The distance between the screen and the camera 20 is freely selectable, either to achieve a blurred image in the near field N, or to obtain a clean image of the projection surface. Sequentially, all required light transit times can be measured.

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.Instead of a diffusely scattering optical element 66 or other diffuser can, according to 7 , as well as an additional lens or other optics 72 the calibration device 50 which leads to a blurred picture.

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.Usually, self-adhesive protective films are applied to lenses which lead to blurred images. Instead of a diffuser or other diffusely scattering optical element 68 In the setup of the calibration, it is also possible to use this protective film on a camera lens as a scattering object in order to allow a calibration of the entire matrix. The protective film and its optical properties are specified exactly.

Die dargestellten Kalibiervorrichtungen eignen sich nicht nur zu einer Entfernungs-Kalibrierung, sondern auch zur Erfassung und Kalibrierung eines so genannten Amplituden-WigglingsThe illustrated calibration devices are not only suitable for range calibration, but also for the detection and calibration of a so-called amplitude wiggling

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 φvar, üblicherweise 4 Messungen, berechnet. Die reale Form der optischen und elektrischen Signale führt zu Amplitudenwerten, die auch von der Phasenlage abhängig sind.From the correlation measurement of a time-of-flight camera phase and amplitude can be determined. The value of the calculated amplitude here depends on the received light power, the real form of the optical and electrical signals and the demodulation contrast. The demodulation contrast is a constant quantity for a time-of-flight measurement, which indicates the ratio between the usable photo-mixed signal and the total received light quantity. The strength of the usable photo-mixed signal is referred to as amplitude. The measured variables phase and amplitude are calculated in a time-of-flight camera from several independent measurements at different output phase positions φ var , usually 4 measurements. The real form of the optical and electrical signals leads to amplitude values which are also dependent on the phase position.

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.This "amplitude wiggling" can be calibrated by isolating the wiggling component of the amplitude calculation for different phase angles. After a calibration, Wiggling-free amplitude values can be calculated, which are frequency-dependent for a given scene merely because of the demodulation contrast of a time-of-flight camera. If, after a calibration of the demodulation contrast, additional deviations in the amplitude in a scene are detected at different frequencies, these indicate a disturbed measurement and can be utilized for a plausibility check or for correction calculations.

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.One possible method for isolating the amplitude wiggling is to set the phase shift between the optical and electrical signal with an external frequency generator and precise deceleration in a targeted manner. For a camera system, however, a frequency generator usually can not be used between illumination and sensor modulation. If you vary the phase by a change in real measurement distances, the amplitude changes not only by the amplitude wiggling, but also by the change in the absolute light intensity, which is received. In order to determine the amplitude equivalency, this distance-dependent proportion must be eliminated. This approach leads to the goal, but is error-prone and requires a precise measurement setup.

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. In contrast, it is proposed according to the invention to use the intensity pixel-accurately directly to measure and to determine the Amplitude Dowsing. The intensity can be calculated directly from the sensor data if, in addition to the difference channel (A - B), the sum (A + B) or the individual channels can also be read out separately (A, B). Alternatively, for normalization, the intensity can also be determined from the difference channel (A - B) by deactivating the modulation of the sensor and / or the modulation of the illumination in an additional measurement. The advantage of this method is that the exact phase position for determining amplitude amplitude does not need to be known, but is measured directly. As a result, the amplitude constant can be extracted from arbitrary scenes, for example with one of the aforementioned calibration devices.

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.According to this method, in addition to amplitude wiggling, the individual intermediate results of the ToF measurement can also be calibrated (real and imaginary parts of the correlation measurements). The evaluation of these values has an increased potential, in particular for a fault correction calculation.

Bei der Entfernungsbestimmung handelt es sich mathematisch um eine Korrelation des empfangenen Signals Sp2 mit dem modulierenden Signal M0.

Figure DE102016222334A1_0002
The determination of the distance is mathematically a correlation of the received signal S p2 with the modulating signal M 0 .
Figure DE102016222334A1_0002

Bei einer Modulation mit einem Rechtecksignal ergibt sich als Korrelationsfunktion eine Dreiecksfunktion. Bei einer Modulation mit beispielsweise einem Sinussignal wäre das Ergebnis eine Kosinusfunktion.In a modulation with a square wave signal, the correlation function is a triangular function. For a modulation with, for example, a sine signal, the result would be a cosine function.

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 φvar = 0° und φvar = 90°. For complete 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 °.

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.The relationship between these two measurements can be determined in a known manner, for example for sinusoidal waveforms in an IQ diagram. 8th represent. In a first approximation, this is also readily applicable to rectangular modulation and the resulting triangular autocorrelation function.

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

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

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

Oder verkürzt formuliert:

Figure DE102016222334A1_0003
Or shortened formulated:
Figure DE102016222334A1_0003

Wobei die Indizes die jeweilige Phasenlage der Differenzen ai andeuten, mit a1 = Δq(0°) usw.Where the indices indicate the respective phase position of the differences a i , with a 1 = Δq (0 °) etc.

Eine Amplitude A als Signalstärke kann aus denselben Messwerten ai berechnet werden:

Figure DE102016222334A1_0004
An amplitude A as signal strength can be calculated from the same measured values a i :
Figure DE102016222334A1_0004

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

In 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.In 9 an example of a course of a light modulation is shown, the four modulation periods 1 to 4 with four phase angles of 0 °, 90 °, 180 ° and 270 ° passes through. At the end of each modulation period, the difference a 1 , a 2 , a 3 , a 4 of the accumulated charge carriers is read out and the integration nodes are reset by means of a reset. As already shown, a phase shift or a corresponding distance value can then be determined from the differences.

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. Typically, ToF systems use a 4-phase algorithm to determine the phase shift of the received light signal within a uniqueness range. In this algorithm, four interpolation points are determined equidistantly in the uniqueness range from 0 to 2π with the same modulation frequency, and then the phase angle of the fundamental wave passing through these interpolation points is calculated. The uniqueness range is converted by a transformation factor of radians in a distance / distance.

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.Objects at distances that lie in multiples of this uniqueness range (0 to 2π), lead to ambiguities of the phase position. These ambiguities can be converted into an unambiguous phase position by another phase measurement or by a renewed application of the 4-phase algorithm with other, typically a lower modulation frequency. This procedure therefore implies at least 8 measurements until a clear distance value / distance value can be calculated.

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.With the procedure according to the invention, it is possible to determine a system-dependent amplitude wiggling over the different phase shifts or light propagation times or distance values, to compensate if necessary and / or to detect disturbances of the distance measurement.

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.The basic behavior of amplitude A and intensity I over distance / distance is exemplified in FIG 10 shown. As the distance increases, both the intensity I and the amplitude A decrease. Due to the system, the course of the amplitude A deviates from the light intensity I, as already mentioned.

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.If the amplitude and intensity are set in proportion, an in 11 illustrated behavior. This type of presentation provides a way to describe the amplitude wiggling. In principle, other ways of looking at it are also conceivable. According to the invention, it is now provided to readjust the different distances or phase shifts by one of the aforementioned calibration devices.

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.The calibration devices have the advantage that different distances or phase shifts can be set by the length of the light guides or possibly also by phase shifters without the light intensity changing significantly. This procedure ensures that the effects triggering the amplitude wiggling can be measured more precisely.

12 zeigt schematisch einen Messverlauf, bei dem beispielsweise mit Hilfe von 30 unterschiedlich langen Einzelfasern eine Phasenverschiebung Δφ(tL) 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. 12 schematically shows a measurement curve, in which, for example, with the aid of 30 different lengths of individual fibers, a phase shift Δφ (t L ) is measured from 0 to 2π in one step. For each phase shift, an amplitude and an intensity are determined, wherein in the case shown, the quotient of amplitude and intensity is plotted as the measured value for each distance value. Each measuring point thus corresponds to a measured amplitude-wiggling value for the respective phase shift.

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:

Figure DE102016222334A1_0005
In principle, these raw data could already be made available for further use. However, it is particularly advantageous if the raw data are processed in a suitable form. In particular, it is advantageous to use a fitting or adaptation function which physically and / or mathematically describes the amplitude wiggling. In particular, sine functions or corresponding Fourier series are suitable here, for example in the form:
Figure DE102016222334A1_0005

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.In the example shown, the raw data was 'fit' using a sine function. The adapted or fitted function can preferably be made available directly as a wiggling function and / or as a wiggling data record, in particular as a look-up table, for further use.

Selbstverständlich sind auch andere Kurvenanpassungen denkbar.Of course, other curve adjustments are conceivable.

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.If the light intensity I remains substantially constant for all the detected phase shifts with the aforementioned calibration devices, the amplitude A determined from the difference signals of the A and B channels directly reflects the behavior of the amplitude wiggle.

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.If necessary, the amplitude wiggling can additionally be detected for different light intensities, which can be carried out, for example, by weakening the light source and / or an actual distance change of the calibration device.

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. As already described, the light intensity I can be determined, for example, by summing the A and B channels. Likewise, the intensity I can be determined from the difference of the A and B channels in an additional measurement in which the modulation of the sensor is fixed. This has the advantage that even during normal operation of the light transit time camera system, the intensity I can be detected pixel-individually.

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. The operation of a light transit time pixel is described in detail, for example, in the already mentioned DE 197 04 496 A1 described in full here.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Lichtlaufzeitkamerasystem Time of flight camera system
10 10
Beleuchtungsmodullighting module
12 12
Beleuchtunglighting
1515
Strahlformungsoptik Beam shaping optics
20 20
Empfänger, LichtlaufzeitkameraReceiver, light time camera
22 22
LichtlaufzeitsensorTransit Time Sensor
2525
Kameraoptik camera optics
30 30
Modulatormodulator
35 35
Phasenschieber, BeleuchtungsphasenschieberPhase shifter, lighting phase shifter
40 40
Objektobject
5050
Kalibriervorrichtung calibration
5252
Lichtleitsystem fiber optic system
5454
Einkoppelvorrichtung coupling device
5656
Ausleuchtungsvorrichtung lighting device
5858
Lichtwellenleiter optical fiber
6060
Positionierungseinrichtung positioning device
6262
Auskoppelbereich (Lichtwellenleiter) Decoupling area (optical fiber)
6464
Halteplatte Retaining plate
6666
Schirm, Abbildungs- Screen, imaging
6868
optisches Element, diffus streuend optical element, diffusely scattering
7070
Selektor-Einrichtung Selector means
7272
Optik optics
φ, Δφ(tL)φ, 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, p2p1, p2
erste und zweite Phase first and second phase
Sp1Sp1
Sendesignal mit erster Phase Transmission signal with first phase
Sp2sp2
Empfangssignal mit zweiter Phase Received signal with second phase
Ga, GbGa, Gb
Integrationsknoten integration node
dd
Objektdistanz subject Distance
qq
Ladung charge
NN
Nahfeld der Lichtlaufzeitkamera Near field of the light runtime camera

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19704496 A1 [0002, 0028, 0077] DE 19704496 A1 [0002, 0028, 0077]

Claims (7)

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.Method for determining system parameters of a light transit time camera system ( 1 ) with the aid of a calibration device ( 50 ), wherein the light transit time camera system ( 1 ) a light runtime camera ( 20 ) with a light transit time sensor ( 22 ), having at least one light transit time pixel, which has a first and a second integration node (Ga, Gb) for charge integration, wherein the calibration device ( 50 ) a light guide system ( 52 ) with optical fiber ( 58 ) of different lengths or is set up such that the light guide system ( 52 ) from a set of optical waveguides ( 58 ) of different length an optical waveguide ( 58 ) optionally integratively receives, with a coupling device ( 54 ) for detecting one of a lighting ( 10 ) of the time of flight camera system ( 1 ) emitted light and for coupling this light in the optical waveguide ( 58 ) or the optical fiber ( 58 ) and with an illumination device ( 56 ) for illuminating the light transit time sensor ( 22 ) of the time of flight camera ( 20 ) on the camera optics ( 25 ) with the light of the optical waveguides ( 58 ) or the optical waveguide ( 58 ), wherein for carrying out the method, the calibration device ( 50 ) at a predetermined distance to the time of flight camera ( 20 ), comprising the steps of: - determining distance values (d, Δφ (t L )) for different lengths of optical fibers, wherein at least two different phase positions (φ var ) are set for the determination, - determining an amplitude (A) and an intensity (I) for each determined distance value (d, Δφ (t L )), the amplitude being determined on the basis of difference signals of the two integration nodes (Ga, Gb) and the intensity being formed by forming a summation signal of the two integration nodes (Ga, Gb) or is determined by a further measurement, - determination of system parameters in the form of amplitude-wiggling values for the different distance values (d, Δφ (t L )) taking into account the ascertained amplitudes and intensities. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Amplituden-Wiggling-Werte für mehrere Lichtlaufzeitpixel des Lichtlaufzeitsensors (22) ermittelt werden. Method according to Claim 1, in which the amplitude-wiggling values are determined for a plurality of light transit time pixels of the light transit time sensor ( 22 ) be determined. 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.Method according to Claim 2, in which the intensity is determined from the differences of the integration nodes (Ga, Gb) in a separate measurement in which the modulation gates (Gam, Gbm) of the pixels of the light transit time sensor ( 22 ) are operated with a fixed voltage, so that the charge integration takes place either at the first integration node (Ga) or at the second integration node (Gb). Verfahren nach einem der Ansprüche 2–3, bei dem die Ermittlung der Amplituden-Wiggling-Werte zu unterschiedlichen Modulationsfrequenzen erfolgt.Method according to one of Claims 2-3, in which the determination of the amplitude-wiggling values takes place at different modulation frequencies. 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.Method according to one of Claims 2 to 4, in which the amplitude-wiggling values are provided in the form of a wiggling function and / or a wiggling data record. Lichtlaufzeitkamerasystem, das für die Verwendung von Amplituden-Wiggling-Werte ausgebildet ist, die nach einem der vorgenannten Verfahren ermittelt wurden,.Time of flight camera system designed to use amplitude wiggling values determined by one of the aforementioned methods. 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.The time-of-flight camera system according to claim 6, which is configured such that a determination of a distance value is considered erroneous if the amplitude-wiggling values determined during operation of the system deviate more than a tolerated amount from the amplitude-stored wiggling values stored in the calibration method.
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