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
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.
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:
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, like reference characters designate like or similar components.
Das Lichtlaufzeitkamerasystem
Der Lichtlaufzeitsensor
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle
Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle
Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle
Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in
Für eine Kalibration von Lichtlaufzeit-Kamerasystemen
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
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
Die in den
Alternativ zu einem einzelnen Lichtwellenleiter (Einzelfaser oder Faserbündel)
Statt eines diffus streuenden optischen Elements
Üblicherweise sind auf Linsen selbstklebende Schutzfolien angebracht, die zu unscharfen Abbildungen führen. Statt eines Diffusors oder anderen diffus streuenden optischen Elements
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. The determination of the distance is mathematically a correlation of the received signal S p2 with the modulating signal M 0 .
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.
Der Phasenwinkel lässt sich dann in bekannter Weise über eine arctan-Funktion bzw. arctan2-Funktion bestimmen:
Aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen Ladung und Spannung, lässt sich der Phasenwinkel ebenso über die Spannungsdifferenzen bestimmen:
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.
Oder verkürzt formuliert: Or shortened formulated:
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: An amplitude A as signal strength can be calculated from the same measured values a i :
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.
In
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
Werden Amplitude und Intensität ins Verhältnis gesetzt ergibt sich ein in
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.
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: 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:
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
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
- 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]
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