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 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.A time-of-flight camera system should include all time-of-flight or 3D-TOF camera systems that obtain travel time information from the phase shift of emitted and received radiation. PMD cameras with photomixing detectors (PMD), such as those in the DE 197 04 496 A1 described and can be obtained, for example, from the company “ifm electronic GmbH” or “pmdtechnologies ag” as “Frame Grabber O3D” or as “CamBoard pico flexx”. The PMD camera in particular allows a flexible arrangement of the light source and the detector, which can be arranged both in a housing or separately.

Aus der EP 1 705 497 A1 ist ferner ein Laser-Entfernungsmessgerät bekannt, bei dem zur Entfernungsmessung ein Teil der optischen Energie über optische Verzögerungsleitungen gelenkt wird, die unterschiedliche optische Längen aufweisen.From the EP 1 705 497 A1 A laser distance measuring device is also known in which part of the optical energy is directed via optical delay lines that have different optical lengths for distance measurement.

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.
A method for determining system parameters of a time-of-flight camera system using a calibration device is advantageously provided,
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.
Show it:
  • 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.

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 time-of-flight camera system 1, as shown, for example, in 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 time-of-flight camera system 1 includes a transmitting unit or an illumination module 10 with lighting 12 and associated beam shaping optics 15 as well as a receiving unit or time-of-flight camera 20 with camera optics (receiving optics) 25 and a time-of-flight 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 time-of-flight sensor 22 has at least one time-of-flight pixel, preferably also a pixel array, and is in particular designed as a PMD sensor. The camera optics 25 typically consists of several optical elements to improve the imaging properties. The beam shaping optics 15 of the transmitting unit 10 can be designed, for example, as a reflector or lens optics. In a very simple embodiment, optical elements can also be dispensed with on both the receiving and transmitting sides.

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 light source 12 and the time-of-flight sensor 22 are supplied with a basic phase position φ 0 via a modulator 30 together with a specific modulation signal M o . In the example shown, a phase shifter 35 is also provided between the modulator 30 and the light source 12, with which the base phase φ 0 of the modulation signal M 0 of the light source 12 can be shifted 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 + (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 light source 12 sends out an intensity-modulated signal S p1 with the first phase position p1 or p1 = φ 0 + φ var . In the case shown, this signal S p1 or the electromagnetic radiation is reflected by an object 40 and, due to the distance traveled, hits Δφ(t L ) with a corresponding phase shift and a second phase position p2 = φ 0 + (pvar + Δφ(t L ) as a received signal S p2 to the time-of-flight sensor 22. In the time-of-flight sensor 22, the modulation signal M o is mixed with the received signal S p2 , the phase shift or the object distance d being 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.Infrared light-emitting diodes or infrared lasers are preferably suitable as the illumination source or light source 12. Of course, there are also other radiation sources in other frequencies are conceivable; in particular, light sources in the visible frequency range can also be considered.

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 shown schematically in 2 shown. The upper curve shows the time profile of the modulation signal M 0 with which the lighting 12 and the time-of-flight sensor 22 are controlled. The light reflected from the object 40 hits the light transit time sensor 22 as a received signal S p2 in a phase-shifted manner Δφ(t L ) in accordance with its light transit time t L . 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 phase position M 0 + 180° shifted by 180° in a second integration node Gb. The integration nodes Ga, Gb form so-called A and B channels. From the difference between the charges qa, qb collected in the first and second nodes Ga, Gb and in the A and B channels, which were determined at different phase positions φ var , the phase shift Δφ( t 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.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 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 an arrangement consisting of a time-of-flight camera system 1 and a calibration device 50 for calibrating such time-of-flight camera systems 1 is shown. The time-of-flight camera system 1 essentially corresponds to that in 1 described system 1 with the lighting module 10 having the lighting 12 and the time-of-flight camera 20 having the time-of-flight sensor 22. The calibration device 50 has three main assemblies 52, 54, 56, namely (i) a light guide system 52, which has a plurality of optical fibers (light guides for short) 58 of different lengths, (ii) a coupling device 54 for detecting light which is emitted by the lighting 10 of the time-of-flight camera system 1 and for coupling this light into the light guidance system 52 and (iii) an illumination device 56 for projecting the light of the light guidance system 52 onto one Time-of-flight sensor 22 of the time-of-flight camera 20, the illumination device 56 having a positioning device 60 for positioning the decoupling areas 62 of the optical waveguides 58. In the example shown, this positioning device 60 is a holding plate 64 with openings for receiving the coupling-out areas 62 of the optical waveguides 58. In the arrangement according to 3 the modulated light from the illumination 12 of the time-of-flight camera system 1, such as a time-of-flight camera, is coupled into a fiber bundle of the light guide system comprising the optical waveguides 58, which consists of fibers (light guides 58) of different lengths. The individual fibers/light guides 58 project the light onto an imaging screen 66 or alternatively onto a diffusely scattering optical element 68 of the illumination device 56, which is imaged by the time-of-flight sensor 22 (the time-of-flight camera 20). Each individual fiber (each individual light guide 58) produces its own light spot. Different light transit times can be achieved in a compact system be measured, which correspond to a distance of several meters.

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 ones in the 4 until 8th Arrangements shown essentially correspond to the arrangement of 3 , so that the following mainly focuses on the differences to that in 3 shown arrangement is entered into.

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 waveguide or one fiber 58. The modulated light from the illumination 12 of a time-of-flight camera is coupled into an optical fiber (single fiber 58 or fiber bundle with fibers 58 of the same length). The other end of the optical waveguide 58 is located in the near field N of the receiver (the time-of-flight camera) 20 of the time-of-flight camera system 1 and is therefore imaged out of focus on the receiver (sensor) 20. The calibration device 50 is set up to selectively accommodate one optical waveguide 58 from a set of optical waveguides 58 of different lengths. This allows any light transit times to be calibrated in a compact device 50. You can also set different light intensities in a targeted manner by choosing different optical waveguides/fibers 58 or by adding damping elements.

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 the in 4 Arrangement shown with only one optical waveguide or one fiber 58. In order to calibrate an entire pixel matrix, in particular the offset values, can be done as in 5 shown, position a diffuser element 68 between the fiber and the time-of-flight camera 20. 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.As an alternative to a single optical waveguide (single fiber or fiber bundle) 58 with a defined length, you can use a fiber bundle with optical waveguides/individual fibers 58 of different lengths. In execution according to 6 is between the camera sensor and the decoupling areas (ends) 62 of the optical fibers (individual fibers) 58, a selector device 70 for selectively enabling or blocking the light of the individual optical fibers (fiber selector), for example an optical switch, is inserted, which has the function an aperture with which the individual optical waveguides/fibers 58 can be specifically selected. The light from the selected optical fiber/fiber 58 is guided onto the projection surface of the imaging screen 66. The distance between the projection surface and camera 20 can be selected as desired in order to either achieve a blurred image in the near field N or to obtain a clean image of the projection surface. All required light travel times can be measured sequentially.

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, according to 7 , also an additional lens or other optics 72 of the calibration device 50 will be used, which leads to a blurred image.

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 optical element 68 in the calibration setup, you can also use this protective film on a camera lens as a scattering object to enable calibration of the entire matrix. The protective film and its optical properties are precisely specified.

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. q ( τ ) = 0 τ S p 2 ( t τ ) M 0 ( t ) d t

Figure DE102016222334B4_0001
The distance determination is mathematically a correlation of the received signal S p2 with the modulating signal M 0 . q ( τ ) = 0 τ S p 2 ( t τ ) M 0 ( t ) d t
Figure DE102016222334B4_0001

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. 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 calculated in a known manner, for example for sinusoidal curves in an IQ diagram. 8th represent. As a first approximation, this can also be easily applied 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 = Δ φ ( t L ) = arctan Δ q ( 90 ° ) Δ q ( 0 ° )

Figure DE102016222334B4_0002
The phase angle can then be determined in a known manner using an arctan function or arctan2 function: φ = Δ φ ( t L ) = arctan Δ q ( 90 ° ) Δ q ( 0 ° )
Figure DE102016222334B4_0002

Aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen Ladung und Spannung, lässt sich der Phasenwinkel ebenso über die Spannungsdifferenzen bestimmen: φ = Δ φ ( t L ) = arctan Δ U ( 90 ° ) Δ U ( 0 ° )

Figure DE102016222334B4_0003
Due to the linear relationship between charge and voltage, the phase angle can also be determined via the voltage differences: φ = Δ φ ( t L ) = arctan Δ U ( 90 ° ) Δ U ( 0 ° )
Figure DE102016222334B4_0003

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 = Δ φ ( t L ) = arctan Δ q ( 90 ° ) Δ q ( 270 ° ) Δ q ( 0 ° ) Δ q ( 180 ° )

Figure DE102016222334B4_0004
In order to compensate for sensor asymmetries, for example, additional phase measurements shifted by 180° can be carried out, so that the phase angle can be determined as follows. φ = Δ φ ( t L ) = arctan Δ q ( 90 ° ) Δ q ( 270 ° ) Δ q ( 0 ° ) Δ q ( 180 ° )
Figure DE102016222334B4_0004

Oder verkürzt formuliert: φ = arctan a 2 a 4 a 1 a 3

Figure DE102016222334B4_0005
Or in short: φ = arctan a 2 a 4 a 1 a 3
Figure DE102016222334B4_0005

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: A = 1 2 ( a 1 a 3 ) 2 + ( a 2 a 4 ) 2

Figure DE102016222334B4_0006
An amplitude A as signal strength can be calculated from the same measured values a i : A = 1 2 ( a 1 a 3 ) 2 + ( a 2 a 4 ) 2
Figure DE102016222334B4_0006

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 = Δ φ ( t L ) λ 2 π 1 2

Figure DE102016222334B4_0007
From the phase shift φ or Δφ(t L ), a distance can be determined in a known manner for object distances d that are smaller than half the wavelength λ of the modulation frequency d ≤ λ/2. d = Δ φ ( t L ) λ 2 π 1 2
Figure DE102016222334B4_0007

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 light modulation is shown, which goes through four modulation periods 1 to 4 with four phase positions of 0°, 90°, 180° and 270°. At the end of each modulation period, the difference a 1 , a 2 , a 3 , a 4 accumulates The load carrier is read out and the integration nodes are reset using 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, 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 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 10 shown. As the distance increases, both the intensity I and the amplitude A decrease. As already mentioned, the course of the amplitude A deviates from the light intensity I due to the system.

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 amplitude and intensity are put in relation, the result is an in 11 behavior depicted. This type of representation provides one way to describe amplitude wiggling. In principle, other perspectives are also conceivable. According to the invention, it is now provided to adjust the various distances or phase shifts using 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 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.

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 shows schematically a measurement process in which, for example, a phase shift Δφ(t L ) from 0 to 2π is measured in one step with the help of 30 individual fibers of different lengths. An amplitude and an intensity are determined for each phase shift, with the quotient of amplitude and intensity for each distance value being plotted as the measured value in the case shown. Each measuring point therefore 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: f ( t ) = a 0 2 + k = 1 A k cos ( k t φ k )

Figure DE102016222334B4_0008
In principle, this raw data could already be made available for further use. However, it is particularly advantageous if the raw data is prepared in a suitable form. In particular, it is advantageous to use a fit or adaptation function that physically and/or mathematically describes the amplitude wiggling. Sine functions or corresponding Fourier series are particularly suitable here, for example in the form: f ( t ) = a 0 2 + k = 1 A k cos ( k t φ k )
Figure DE102016222334B4_0008

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 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, to which reference is made here in full.

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
qq
Ladungcharge
NN
Nahfeld der LichtlaufzeitkameraNear field of the time of flight camera

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 time-of-flight camera system (1) with the aid of a calibration device (50), wherein the time-of-flight camera system (1) has 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) consists of a set of optical fibers (58) of different lengths, an optical fiber ( 58) 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 camera to carry out the method Time-of-flight camera (20) is arranged, with the steps: - Determination of distance values (d, Δφ (t L )) for different lengths of light guides, at least two different phase positions (φ var ) being set for the determination, - Determination of an amplitude ( A) and an intensity (I) for each determined distance value (d, Δφ(t L )), the amplitude being 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 is determined by a further measurement, - determination of system parameters in the form of amplitude wiggling values for the various distance values (d, Δφ(t L )) taking into account the determined amplitudes and intensities. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Amplituden-Wiggling-Werte für mehrere Lichtlaufzeitpixel des Lichtlaufzeitsensors (22) ermittelt werden.Procedure according to Claim 1 , in which the amplitude wiggling values are determined for several time-of-flight pixels of the time-of-flight sensor (22). 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 (Garn, 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.Procedure according to Claim 2 , in which the intensity is derived from the differences in the integration node th (Ga, Gb) is determined in a separate measurement, in which the modulation gates (yarn, Gbm) of the pixels of the time-of-flight sensor (22) are operated with a fixed voltage, so that the charge integration occurs either at the first integration node (Ga) or at the second Integration node (Gb) takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-3, bei dem die Ermittlung der Amplituden-Wiggling-Werte zu unterschiedlichen Modulationsfrequenzen erfolgt.Procedure according to one of the Claims 2 - 3 , in which the amplitude wiggling values are determined 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.Procedure according to one of the Claims 2 until 4 , in which the amplitude wiggling values are provided in the form of a wiggling function and/or a wiggling data set. 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 for the use of amplitude wiggling values that were determined using 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.Time of flight camera system Claim 6 , which is 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.
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