DE102016222334B4 - 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 aufweistoder 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 wirdund 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 time-of-flight camera system (1) with the aid of a calibration device (50), the time-of-flight camera system (1) having a time-of-flight camera (20) with a time-of-flight sensor (22), with at least one time-of-flight pixel, which has a first and second integration node for charge integration (Ga, Gb), wherein the calibration device (50) has a light-guiding system (52) with optical fibers (58) of different lengths or is set up in such a way that the light-guiding system (52) forms an optical fiber (58) from a set of optical fibers (58) of different lengths ) optionally records in an integrative manner, with a coupling device (54) for detecting a light emitted by an illumination (10) of the time-of-flight camera system (1) and for coupling this light into the optical waveguide (58) or the optical waveguide (58) and with an illumination device (56 ) for illuminating the time-of-flight sensor (22) of the time-of-flight camera (20) via its camera optics (25) with the light from the optical waveguide (58) or the optical waveguide (58), the calibration device (50) being at a predetermined distance from the time-of-flight camera to carry out the method (20) is arranged, with the steps: - Determination of distance values (d, Δφ (tL)) for different lengths of light guides, at least two different phase positions (φvar) being set for the determination, - Determination of an amplitude (A) and an intensity (I) for each determined distance value (d, Δφ(tL)), whereby the amplitude is determined based on difference signals from the two integration nodes (Ga, Gb) and the intensity by forming a sum signal from the two integration nodes (Ga, Gb) or by a further measurement is determined, - determination of system parameters in the form of amplitude wiggling values for the different distance values (d, Δφ (tL)) taking into account 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 time-of-flight camera system using 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
Aus 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 time-of-flight camera system.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst.The task is solved 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.
in which the time-of-flight camera system has a time-of-flight camera with a time-of-flight sensor with at least one time-of-flight pixel, the time-of-flight pixel further having 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 in such a way that the light guide system optionally integrates an optical fiber from a set of optical fibers of different lengths,
with a coupling device for detecting a light emitted by an illumination of the time-of-flight camera system and for coupling this light into the optical waveguide or the optical waveguide
and with an illumination device for illuminating the time-of-flight sensor of the time-of-flight camera via its camera optics with the light of the optical fiber or the optical fiber,
in order to carry 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 light guides, with at least two different phase positions being set for the determination,
- - Determination of an amplitude and an intensity for each determined distance value, the amplitude being determined based on difference signals from the two integration nodes and the intensity being determined by forming a sum signal from the two integration nodes or by a further measurement,
- - Determination of the system parameters in the form of amplitude wiggling values for the various distance values, taking into account the determined 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 recorded 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 eine pixelindividuelle Auswertung möglich ist.The amplitude wiggling values are preferably determined for several time-of-flight pixels of the light time-of-flight sensor, so that a pixel-specific 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 between the integration nodes in a separate measurement, in which the modulation gates of the pixels of the time-of-flight sensor are operated with a fixed voltage, so that the charge integration occurs 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.This means that the high potential of the modulation voltage is constantly present at one of the two modulation gates and the low potential of the modulation voltage at the other modulation gate throughout the entire integration time.
Nützlich ist es insbesondere, wenn die Ermittlung der Amplituden-Wiggling-Werte zu unterschiedlichen Modulationsfrequenzen erfolgt.It is particularly useful if the amplitude wiggling values are determined at different modulation frequencies.
Bevorzugt können die Amplituden-Wiggling-Werte in Form einer Wiggling-Funktion und/oder eines Wiggling-Datensatz zur Verfügung gestellt werden.The amplitude wiggling values can preferably be provided in the form of a wiggling function and/or a wiggling data set.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn ein Lichtlaufzeitkamerasystem für die Verwendung von Amplituden-Wiggling-Werte ausgebildet ist, die nach einem der vorgenannten Verfahren ermittelt wurden,It is particularly advantageous if a time-of-flight camera system is designed for the use of amp litude wiggling values are formed, which were determined using one of the aforementioned methods,
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.The time-of-flight camera system is preferably designed in such a way that a determination of a distance value is considered incorrect if the amplitude wiggling values determined during operation of the system deviate from the amplitude wiggling values stored in the calibration process by more than a tolerated amount.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen:
-
1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem, -
2 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger, -
3 eine erfindungsgemäße Kalibriervorrichtung mit mehreren Lichtwellenleitern gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, -
4 eine Vorrichtung mit einer Einzelfaser im Nahfeld gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, -
5 eine Vorrichtung mit einer Einzelfaser und Diffusor im Nahfeld gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung, -
6 eine Vorrichtung mit Faserselektor und Diffusor im Nahfeld gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung, -
7 eine Vorrichtung mit Faserselektor und Linse gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung. -
8 eine Relation der Phasenverschiebung in einem IQ-Diagramm, -
9 einen Modulationsverlauf über vier Phasenlagen, -
10 einen Verlauf der Intensität und Amplitude über die Distanz, -
11 eine Verlauf des Verhältnisses von Amplitude und Intensität über die Distanz, -
12 eine Verlauf von Messwerte und ,gefitteter` Kurve über eine vollständigen Phasenverlauf.
-
1 schematically a time-of-flight camera system, -
2 a modulated integration of generated charge carriers, -
3 a calibration device according to the invention with several optical waveguides according to a first embodiment of the invention, -
4 a device with a single fiber in the near field according to a second embodiment of the invention, -
5 a device with a single fiber and diffuser in the near field according to a third embodiment of the invention, -
6 a device with a fiber selector and diffuser in the near field according to a fourth embodiment of the invention, -
7 a device with a fiber selector and lens according to a fifth embodiment of the invention. -
8th a relation of the phase shift in an IQ diagram, -
9 a modulation progression over four phase positions, -
10 a course of intensity and amplitude over distance, -
11 a progression of the relationship between amplitude and intensity over distance, -
12 a progression of measured values and a “fitted” curve over a complete phase progression.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, the same reference numbers designate the same or comparable components.
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 time-of-flight camera system 1 includes a transmitting unit or an
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 time-of-
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 measuring principle of this arrangement is essentially based on the fact that the transit time and thus the distance traveled by the received light can be determined based on the phase shift of the emitted and received light. For this purpose, the
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 + (pvar + 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. According to the set modulation signal, the
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.Infrared light-emitting diodes or infrared lasers are preferably suitable as the illumination source or
Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in
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.To calibrate time-of-flight camera systems 1, it is necessary to remeasure known time-of-flight times. According to the invention, the different light transit times or phase shifts are generated in particular by a fiber bundle with several fibers of different lengths. By cleverly arranging the fibers, all required measurements can be carried out 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 of these parameters are implemented using optical fibers that diffusely illuminate the entire pixel matrix or sharply image individual pixel areas in the near or far field of a camera. This makes it possible to create a calibration apparatus 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 camera systems 1 designed as time-of-flight cameras based on the PMD principle do not measure the time of flight directly, but rather by determining the phase position of a modulated light signal. The phase position is determined from the actual measurement data from the camera using known signal processing formulas. These theoretical formulas are based on ideal signal shapes (optical and electrical), which are not always realized, especially at modulation frequencies of several megahertz. For a more precise determination of the phase position, it is therefore necessary to either measure the actually generated signals directly or to determine the deviations in the phase positions from the approximate calculation. To determine the deviations, it is common practice to measure the time-of-flight camera at several precisely adjustable distances from a reference object. A correction function and/or a look-up table can be generated from this. 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.Likewise, offset values must be determined for all pixels of a matrix (FPPN). This happens either via large, precisely aligned reference surfaces, or through direct, diffuse illumination of the entire pixel matrix with a known phase position of the optical signal.
In
Die in den
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
Statt eines diffus streuenden optischen Elements 66 oder anderen Diffusors kann, gemäß
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.Self-adhesive protective films are usually attached to lenses, which lead to blurry images. Instead of a diffuser or other diffusely scattering
Die dargestellten Kalibiervorrichtungen eignen sich nicht nur zu einer Entfernungs-Kalibrierung, sondern auch zur Erfassung und Kalibrierung eines so genannten Amplituden-WigglingsThe calibration devices shown are suitable not only for distance calibration, but also for recording and calibrating 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.Phase and amplitude can be determined from the correlation measurement of a time-of-flight camera. The value of the calculated amplitude 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 that indicates the ratio between the usable photo-mixing signal and the total amount of light received. The strength of the usable photo-mixing signal is called the amplitude. In a time-of-flight camera, the measured variables phase and amplitude are calculated from several independent measurements at different initial phase positions φ var , usually 4 measurements. The real form of the optical and electrical signals leads to amplitude values that also depend 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 portion of the amplitude calculation for different phase positions. After calibration, wiggling-free amplitude values can be calculated, which are frequency-dependent for a given scene only due to the demodulation contrast of a time-of-flight camera. If, after calibrating the demodulation contrast, additional deviations in the amplitude are found in a scene at different frequencies, these indicate a disturbed measurement and can be used for plausibility checks 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.A possible method for isolating amplitude wiggling is to specifically adjust the phase shift between the optical and electrical signals using an external frequency generator and precise delay. For a camera system, however, a frequency generator cannot usually be used between lighting and sensor modulation. If you vary the phase by changing the real measuring distances, the amplitude changes not only through the amplitude wiggling, but also through the change in the absolute light intensity that is received. To determine the amplitude wiggling, this distance-dependent component must be calculated out. This approach achieves the goal, but is prone to errors 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, according to the invention, it is proposed to use the intensity directly to measure pixel accuracy and to determine the amplitude wiggling. 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 separately (A, B) can also be read out. 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 lighting in an additional measurement. The advantage of this method is that the exact phase position does not have to be known to determine the amplitude wiggling, but is measured directly. This allows the amplitude wiggling to be extracted from any scene, for example using 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.In addition to the amplitude wiggling, this method can also be used to calibrate the individual intermediate results of the ToF measurement (real and imaginary parts of the correlation measurements). The evaluation of these values has increased potential, especially for a disturbance correction calculation.
Bei der Entfernungsbestimmung handelt es sich mathematisch um eine Korrelation des empfangenen Signals Sp2 mit dem modulierenden Signal M0.
Bei einer Modulation mit einem Rechtecksignal ergibt sich als Korrelationsfunktion eine Dreiecksfunktion. Bei einer Modulation mit beispielsweise einem Sinussignal wäre das Ergebnis eine Kosinusfunktion.When modulating with a square wave signal, the correlation function is a triangular function. If modulated with a sine signal, for example, 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, the IQ (in-phase quadrature) method is known, for example, in which two measurements are carried out with phase positions shifted by 90°, for example with the phase position 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 gern.
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:
Wobei die Indizes die jeweilige Phasenlage der Differenzen ai andeuten, mit a1 = Δq(0°) usw.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:
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, a 4-phase algorithm is used in ToF systems to determine the phase shift of the received light signal within a uniqueness range. In this algorithm, four support points, which are equidistant in the uniqueness range from 0 to 2π with the same modulation frequency, are determined and the phase position of the fundamental wave that runs through these support points is then calculated. The uniqueness range is converted from radians into a distance/distance using a transformation factor.
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 are multiples of this uniqueness range (0 to 2π) lead to ambiguities in the phase position. These ambiguities can be converted into a clear phase position by further phase measurement or by re-application of the 4 phase algorithm with a different, typically 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 system-related amplitude wiggling via the various phase shifts or light transit times or distance values, to compensate if necessary and/or to detect disturbances in 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 guide or possibly also by phase shifters without the light intensity changing significantly. This procedure ensures that the effects triggering 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:
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 “fitted” 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 set, in particular as a “look up table” for further use.
Selbstverständlich sind auch andere Kurvenanpassungen denkbar.Of course, other curve adjustments are also 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 essentially constant for all 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 wiggling.
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 recorded for different light intensities, which can be carried out, for example, by attenuating the light source and/or an actual change in the distance 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. The intensity I can also be determined from the difference between the A and B channels in an additional measurement in which the modu lation of the sensor is fixed. This has the advantage that the intensity I can be recorded on a pixel-by-pixel basis even during normal operation of the time-of-flight camera system.
Das Betreiben eines Lichtlaufzeitpixel ist im Detail beispielsweise in der bereits genannten
BezugszeichenReference symbols
- 11
- LichtlaufzeitkamerasystemTime of flight camera system
- 1010
- BeleuchtungsmodulLighting module
- 1212
- Beleuchtunglighting
- 1515
- StrahlformungsoptikBeam shaping optics
- 2020
- Empfänger, LichtlaufzeitkameraReceiver, time of flight camera
- 2222
- LichtlaufzeitsensorTime of flight sensor
- 2525
- KameraoptikCamera optics
- 3030
- Modulatormodulator
- 3535
- Phasenschieber, BeleuchtungsphasenschieberPhase shifter, lighting phase shifter
- 4040
- Objektobject
- 5050
- KalibriervorrichtungCalibration device
- 5252
- LichtleitsystemLight guidance system
- 5454
- EinkoppelvorrichtungCoupling device
- 5656
- AusleuchtungsvorrichtungIllumination device
- 5858
- Lichtwellenleiteroptical fiber
- 6060
- PositionierungseinrichtungPositioning device
- 6262
- Auskoppelbereich (Lichtwellenleiter)Coupling area (optical fiber)
- 6464
- HalteplatteRetaining plate
- 6666
- Schirm, Abbildungs-screen, illustration
- 6868
- optisches Element, diffus streuendoptical element, diffusely scattering
- 7070
- Selektor-EinrichtungSelector facility
- 7272
- Optikoptics
- φ, Δφ(tL)φ, Δφ(tL)
- laufzeitbedingte PhasenverschiebungTransit time-related phase shift
- φvarφvar
- PhasenlagePhase position
- φ0φ0
- BasisphaseBasic phase
- M0M0
- Modulationssignalmodulation signal
- p1, p2p1, p2
- erste und zweite Phasefirst and second phase
- Sp1Sp1
- Sendesignal mit erster PhaseTransmit signal with first phase
- Sp2Sp2
- Empfangssignal mit zweiter PhaseReceive signal with second phase
- Ga, GbGa, Gb
- IntegrationsknotenIntegration node
- dd
- ObjektdistanzObject distance
- Ladungcharge
- NN
- Nahfeld der LichtlaufzeitkameraNear field of the time of flight camera
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Representative=s name: SCHUHMANN, JOERG, DIPL.-PHYS. DR. RER. NAT., DE |
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R018 | Grant decision by examination section/examining division |