DE102017204665A1 - Time of flight camera system and method for determining system parameters of such a system - Google Patents

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Abstract

Lichtlaufzeitkamerasystem mit einer Lichtlaufzeitkamera und einer modulierbaren Beleuchtung,bei dem die Lichtlaufzeitkamera einen Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Lichtlaufzeitpixeln aufweist, wobei die Lichtlaufzeitpixel Modulationsgates (Gam, Gbm) zur Ladungslenkung und Integrationsknoten (Ga, Gb) zur Ladungsintegration aufweisen,wobei zur Bestimmung eines Amplitudenwigglings vorgesehen ist,dass eine Amplitude und eine Intensität für unterschiedliche Distanzen aufgenommen werden.A light transit time camera system with a time of flight camera and a modulatable illumination, wherein the time of flight camera has a light transit time sensor with a plurality of time of flight pixels, the time of flight pixels having charge transfer charge gates (Gam, Gbm) and charge integration integration nodes (Ga, Gb), wherein it is intended to determine an amplitude gain; that an amplitude and an intensity are recorded for different distances.

Description

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

Mit Lichtlaufzeitkamerasystem sollen alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme umfasst sein, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in der DE 197 04 496 A1 beschrieben und beispielsweise von der Firma ‚ifm electronic gmbh‘ oder ‚pmdtechnologies ag‘ als „Frame-Grabber O3D“ bzw. als „CamBoard pico flexx“ zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können.With the time of flight camera system, it is intended to encompass all the time of flight of light or 3D TOF camera systems which acquire transit time information from the phase shift of an emitted and received radiation. In particular, PMD cameras with photonic mixer detectors (PMD) are suitable as the light transit time or 3D TOF cameras, as they are used, inter alia, in the DE 197 04 496 A1 described and for example by the company, ifm electronic gmbh 'or, pmdtechnologies ag' as a "frame grabber O3D" or as "CamBoard pico flexx" relate. In particular, the PMD camera allows a flexible arrangement of the light source and the detector, which can be arranged both in a housing and separately.

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

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

Vorteilhaft ist ein Verfahren zur Ermittlung von Systemparametern eines Lichtlaufzeitkamerasystems mit Hilfe einer Kalibriervorrichtung vorgesehen,

  • bei dem das Lichtlaufzeitkamerasystem eine Lichtlaufzeitkamera mit einem Lichtlaufzeitsensor mit wenigstens einem Lichtlaufzeitpixel aufweist, wobei das Lichtlaufzeitpixel ferner zur Ladungsintegration einen ersten und zweiten Integrationsknoten aufweist,
  • wobei die Kalibriervorrichtung ein Lichtleitsystem mit Lichtwellenleiter unterschiedlicher Länge aufweist
  • oder derart eingerichtet ist, dass das Lichtleitsystem aus einem Satz von Lichtwellenleitern unterschiedlicher Länge ein Lichtwellenleiter wahlweise integrativ aufnimmt,
  • mit einer Einkoppelvorrichtung zur Erfassung eines von einer Beleuchtung des Lichtlaufzeitkamerasystems ausgesendeten Lichts und zur Einkopplung dieses Lichts in die Lichtwellenleiter oder den Lichtwellenleiter
  • und mit einer Ausleuchtungsvorrichtung zur Beleuchtung des Lichtlaufzeitsensors der Lichtlaufzeitkamera über deren Kameraoptik mit dem Licht der Lichtwellenleiter oder des Lichtwellenleiters,
  • wobei zur Durchführung des Verfahrens die Kalibriervorrichtung in einem vorgegebenen Abstand zur Lichtlaufzeitkamera angeordnet ist,
  • mit den Schritten:
    • - Ermittlung von Entfernungswerten für verschiedene Längen von Lichtleitern, wobei für die Ermittlung wenigsten zwei unterschiedliche Phasenlagen eingestellt werden,
    • - Ermittlung einer Amplitude und einer Intensität für jeden ermittelten Entfernungswert, wobei die Amplitude ausgehend von Differenzsignalen der beiden Integrationsknoten ermittelt wird und die Intensität durch Bilden eines Summensignals der beiden Integrationsknoten oder durch eine weitere Messung ermittelt wird,
    • - Ermittlung der Systemparameter in Form von Amplituden-Wiggling-Werten für die verschiedenen Entfernungswerte unter Berücksichtigung der ermittelten Amplituden und Intensitäten.
Advantageously, a method is provided for determining system parameters of a light transit time camera system with the aid of a calibration device,
  • wherein the light time-of-flight camera system comprises a light time-of-flight camera with a light transit time sensor having at least one light transit time pixel, the light transit time pixel further comprising a first and second integration node for charge integration,
  • wherein the calibration device has a light guide system with optical fibers of different lengths
  • or is set up such that the light guide system optionally integrally receives an optical waveguide from a set of optical waveguides of different lengths,
  • with a coupling device for detecting a light emitted by an illumination of the time of flight camera system light and for coupling this light in the optical waveguide or the optical waveguide
  • and with an illumination device for illuminating the light transit time sensor of the light transit time camera via its camera optics with the light of the optical waveguide or of the optical waveguide,
  • wherein for carrying out the method, the calibration device is arranged at a predetermined distance from the time of flight camera,
  • with the steps:
    • Determination of distance values for different lengths of optical fibers, at least two different phase positions being set for the determination,
    • Determination of an amplitude and an intensity for each determined distance value, wherein the amplitude is determined on the basis of difference signals of the two integration nodes and the intensity is determined by forming a sum signal of the two integration nodes or by a further measurement,
    • Determination of the system parameters in the form of amplitude-wiggling values for the different distance values taking into account the ascertained amplitudes and intensities.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass das Amplituden-Wiggling unter definierten Bedingungen erfasst und für eine spätere Verwendung beispielsweise im Kamerasystem oder in späteren Applikationen zur Verfügung gestellt werden kann.This procedure has the advantage that the amplitude wiggling can be detected under defined conditions and made available for later use, for example, in the camera system or in later applications.

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

In einer weiteren Ausgestaltung ist es von Vorteil, wenn die Intensität aus den Differenzen der Integrationsknoten in einer separaten Messung ermittelt wird, bei der die Modulationsgates der Pixel des Lichtlaufzeitsensors mit einer fixierten Spannung betrieben werden, so dass die Ladungsintegration entweder am ersten Integrationsknoten oder am zweiten Integrationsknoten erfolgt.In a further embodiment, it is advantageous if the intensity is determined from the differences of the integration nodes in a separate measurement in which the modulation gates of the pixels of the light transit time sensor are operated with a fixed voltage, so that the charge integration either at the first integration node or at the second Integration node takes place.

D.h. an einem der beiden Modulationsgates liegt das High-Potenzial und am anderen Modulationsgate das Low-Potenzial der Modulationsspannung während der gesamten Integrationszeit konstant an. This means that the high potential is present at one of the two modulation gates and the low potential of the modulation voltage remains constant at the other modulation gate during the entire integration time.

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

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

Ebenso vorteilhaft ist es, ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit einer Lichtlaufzeitkamera und einer modulierbaren Beleuchtung vorzusehen,
bei dem die Lichtlaufzeitkamera einen Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Lichtlaufzeitpixeln aufweist, wobei die Lichtlaufzeitpixel Modulationsgates zur Ladungslenkung und Integrationsknoten zur Ladungsintegration aufweisen,
wobei zur Bestimmung eines Amplitudenwigglings vorgesehen ist,
dass eine Amplitude und eine Intensität für unterschiedliche Distanzen aufgenommen werden.
It is equally advantageous to provide a light transit time camera system with a time of flight camera and a modulatable illumination,
wherein the time of flight camera has a light transit time sensor with a plurality of time of flight pixels, the time of flight pixels having charge transfer modulation gates and charge integration integration nodes,
wherein it is provided for the determination of an amplitude equinig,
that an amplitude and an intensity are recorded for different distances.

Bevorzugt werden zur Bestimmung der Amplitude die zur Entfernungsbestimmung verwendeten Differenzwerte herangezogen wobei vorzugsweise in einer separaten Messung die Intensität des erfassten Lichts bestimmt wird.Preferably, the difference values used for determining the distance are used to determine the amplitude, wherein the intensity of the detected light is preferably determined in a separate measurement.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass das Lichtlaufzeitkamerasystem zusätzlich zu den Distanzwerten ein Wiggling der Amplitude erfassen kann, anhand dessen beispielsweise die Qualität der Messung oder andere Systemeigenschaften beurteilt werden können.This approach has the advantage that, in addition to the distance values, the time of flight camera system can detect a wiggling of the amplitude, by means of which, for example, the quality of the measurement or other system properties can be assessed.

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

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

Es zeigen:

  • 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 light transit time camera system,
  • 2 a modulated integration of generated charge carriers,
  • 3 a calibration device according to the invention with a plurality of 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 fiber selector and diffuser in the near field according to a fourth embodiment of the invention,
  • 7 a device with 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 course over four phase positions,
  • 10 a course of intensity and amplitude over the distance,
  • 11 a plot of the ratio of amplitude and intensity over the distance,
  • 12 a course of measured values and 'fitted' curve over a complete phase curve.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. In the following description of the preferred embodiments, like reference characters designate like or similar components.

1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einem Lichtlaufzeitkamerasystem 1, wie es beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist. 1 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a light time camera system 1 as it for example from the DE 197 04 496 A1 is known.

Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Kameraoptik (Empfangsoptik) 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.The light transit time camera system 1 comprises a transmitting unit or a lighting module 10 with a lighting 12 and associated beam shaping optics 15 as well as a receiving unit or light runtime camera 20 with a camera optics (receiving optics) 25 and a light transit time sensor 22 ,

Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Kameraoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.The light transit time sensor 22 has at least one time-of-flight pixel, preferably also a pixel array, and is designed in particular as a PMD sensor. The camera optics 25 typically consists of improving the imaging characteristics of multiple optical elements. The beam shaping optics 15 the transmitting unit 10 may be formed for example as a reflector or lens optics. In a very simple embodiment, if necessary, optical elements can also be dispensed with both on the receiving side and on the transmitting side.

Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal Mo mit einer Basisphasenlage φ0 beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals M0 der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.The measurement principle of this arrangement is essentially based on the fact that, based on the phase shift of the emitted and received light, the transit time and thus the distance covered by the received light can be determined. For this purpose, the light source 12 and the light transit time sensor 22 via a modulator 30 together with a certain modulation signal M o with a base phase position φ 0 applied. In the example shown is also between the modulator 30 and the light source 12 a phase shifter 35 provided with which the base phase φ 0 the modulation signal M 0 the light source 12 around defined phase positions φ var can be moved. For typical phase measurements, preferably phase angles of φ var = 0 °, 90 °, 180 °, 270 ° used.

Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + Δφ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal Mo mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.The light source transmits according to the set modulation signal 12 an intensity modulated signal S p1 with the first phase position p1 respectively. p1 = φ 0 + φ var out. This signal S p1 or the electromagnetic radiation is in the illustrated case of an object 40 reflected and hits due to the distance traveled accordingly phase-shifted Δφ (t L ) with a second phase position p2 = φ 0 + φ var + Δφ (t L ) as a received signal S p2 to the Transit Time Sensor 22 , In the time of flight sensor 22 the modulation signal M o is mixed with the received signal S p2 , wherein from the resulting signal, the phase shift or the object distance d is determined.

Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden oder Infrarot-Laser. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.As illumination source or light source 12 Preferably, infrared light emitting diodes or infrared lasers are suitable. Of course, other radiation sources in other frequency ranges are conceivable, in particular, light sources in the visible frequency range are also considered.

Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals Mo 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 Mo + 180° in einem zweiten Integrationsknoten Gb. Die Integrationsknoten Ga, Gb bilden so genannte A- und B-Kanäle. Aus der Differenz der im ersten und zweiten Knoten Ga, Gb bzw. im A- und B-Kanal gesammelten Ladungen qa, qb, die zu verschiedenen Phasenlagen φvar ermittelt wurden, lässt sich in bekannter Art und Weise die Phasenverschiebung Δφ(tL) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.The basic principle of phase measurement is schematically in 2 shown. The upper curve shows the time course of the modulation signal Mo with the illumination 12 and the light transit time sensor 22 be controlled. The object 40 Reflected light strikes as a received signal S p2 phase-shifted according to its light transit time t L Δφ (t L ) on the light transit time sensor 22 , The light transit time sensor 22 collects the photonically generated charges q over several modulation periods in the phase position of the modulation signal M 0 in a first integration node ga and in a 180 ° shifted phase position Mo + 180 ° in a second integration node gb , The integration nodes ga . gb form so-called A and B channels. From the difference in the first and second nodes ga . gb or in the A and B channel collected charges qa, qb, to different phase angles φ var were determined, can be in a known manner, the phase shift Δφ (t L ) and thus a distance d of the object.

Für eine Kalibration von Lichtlaufzeit-Kamerasystemen 1 ist es erforderlich, bekannte Lichtlaufzeiten nachzumessen. Erfindungsgemäß werden die verschiedenen Lichtlaufzeiten bzw. Phasenverschiebungen insbesondere durch ein Faser-Bündel mit mehreren Fasern unterschiedlicher Länge erzeugt. Durch geschickte Anordnung der Fasern lassen sich auf diese Weise alle benötigten Messungen in einer einzigen, statischen Einstellung durchführen. For a calibration of light-time camera systems 1 it is necessary to measure known light transit times. According to the invention, the different light propagation times or phase shifts are generated in particular by a fiber bundle with a plurality of fibers of different lengths. By cleverly arranging the fibers, all the required measurements can be made in a single, static setting.

Für eine Offset-Messung muss jeder einzelne Pixel mit einer bekannten Laufzeit beleuchtet werden. Für Distanz- oder Intensitätsabhängige Effekte müssen verschiedene Laufzeiten und/oder Lichtintensitäten vermessen werden. Standard-Kalibrationskonzepte erfordern dafür viel Raum. In dieser Erfindung werden alle diese Parameter mittels Lichtwellenleitern realisiert, die im Nah- oder Fernfeld einer Kamera diffus die ganze Pixelmatrix oder scharf abgebildet einzelne Pixelbereiche ausleuchten. Damit ist eine Kalibrationsappartur mit geringsten Abmessungen realisierbar.For an offset measurement, each individual pixel must be illuminated with a known transit time. For distance or intensity-dependent effects, different transit times and / or light intensities must be measured. Standard calibration concepts require a lot of space for this. In this invention, all of these parameters are realized by means of optical waveguides which illuminate diffusely in the near or far field of a camera, the entire pixel matrix or sharply imaged individual pixel areas. This is a Kalibrationsappartur realized with the smallest dimensions.

Als Time-of-Flight-Kameras nach dem PMD-Prinzip ausgebildete Lichtlaufzeitkamerasysteme 1 messen die Lichtlaufzeit nicht direkt, sondern über die Bestimmung der Phasenlage eines modulierten Lichtsignals. Die Bestimmung der Phasenlage aus den tatsächlichen Messdaten der Kamera geschieht näherungsweise über bekannte Formeln der Signalverarbeitung. Diese theoretischen Formeln beruhen auf idealen Signalformen (optisch und elektrisch), die insbesondere bei Modulationsfrequenzen von mehreren Megahertz nicht immer realisiert werden. Für eine genauere Bestimmung der Phasenlage ist es daher notwendig, entweder die real erzeugten Signale direkt zu vermessen oder die Abweichungen der Phasenlagen aus der Näherungsrechnung zu bestimmen. Für die Bestimmung der Abweichungen ist es üblich, die Time-of-Flight-Kamera in mehreren, präzise einstellbaren Abständen zu einem Referenzobjekt zu vermessen. Hieraus lassen sich eine Korrekturfunktion und/oder eine Look-Up-Tabelle erzeugen. Diese Prozedur ist zeitaufwändig und erfordert viel Raum, da die erforderlichen Abstände in der Regel mehrere Meter betragen. Time-of-flight cameras designed according to the PMD principle 1 do not measure the light transit time directly but via the determination of the phase position of a modulated light signal. The determination of the phase position from the actual measurement data of the camera takes place approximately via known formulas of signal processing. These theoretical formulas are based on ideal signal forms (optical and electrical), which are not always realized, especially at modulation frequencies of several megahertz. For a more accurate determination of the phase position, it is therefore necessary to either directly measure the signals actually generated or to determine the deviations of the phase angles from the approximate calculation. To determine the deviations, it is customary to measure the time-of-flight camera in several, precisely adjustable distances to a reference object. From this, a correction function and / or a look-up table can be generated. This procedure is time consuming and requires a lot of space, as the required distances are usually several meters.

Ebenso müssen für alle Pixel einer Matrix Offset-Werte bestimmt werden (FPPN). Das geschieht entweder über große, präzise ausgerichtete Referenzflächen, oder durch direkte, diffuse Beleuchtung der gesamten Pixelmatrix mit einer bekannten Phasenlage des optischen Signals.Similarly, offset values must be determined for all pixels of a matrix (FPPN). This is done either via large, precisely aligned reference surfaces, or by direct, diffuse illumination of the entire pixel matrix with a known phase angle of the optical signal.

In 3 ist eine Anordnung aus einem Lichtlaufzeitkamerasystem 1 und einer Kalibriervorrichtung 50 zur Kalibrierung von derartigen Lichtlaufzeitkamerasystemen 1 gezeigt. Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 entspricht im Wesentlichen dem in 1 beschriebenen System 1 mit dem die Beleuchtung 12 aufweisenden Beleuchtungsmodul 10 und der den Lichtlaufzeitsensor 22 aufweisenden Lichtlaufzeitkamera 20. Die Kalibriervorrichtung 50 weist drei Hauptbaugruppen 52, 54, 56 auf, nämlich (i) ein Lichtleitsystem 52, das mehrere Lichtwellenleiter (kurz: Lichtleiter) 58 unterschiedlicher Länge umfasst, (ii) einer Einkoppelvorrichtung 54 zur Erfassung Licht, welches von der Beleuchtung 10 des Lichtlaufzeitkamerasystems 1 ausgesendet wird, und zur Einkopplung dieses Lichts in das Lichtleitsystem 52 und (iii) einer Ausleuchtungsvorrichtung 56 zur Projektion des Lichts des Lichtleitsystems 52 auf einen Lichtlaufzeitsensor 22 der Lichtlaufzeitkamera 20, wobei die Ausleuchtungsvorrichtung 56 eine Positionierungseinrichtung 60 zur Positionierung der Auskoppelbereiche 62 der Lichtwellenleiter 58 aufweist. Diese Positionierungseinrichtung 60 ist im gezeigten Beispiel als eine Halteplatte 64 mit Öffnungen zur Aufnahme der Auskoppelbereiche 62 der Lichtwellenleiter 58. In der Anordnung gemäß 3 wird das modulierte Licht der Beleuchtung 12 des Lichtlaufzeitkamerasystems 1, wie zum Beispiel einer Time-of-Flight-Kamera, in ein die Lichtwellenleiter 58 umfassendes Faserbündel des Lichtleitsystems eingekoppelt, das aus Fasern (Lichtleitern 58) unterschiedlicher Länge besteht. Die einzelnen Fasern/Lichtleiter 58 projizieren das Licht auf einen abbildenden Schirm 66 oder alternativ auf ein diffus streuendes optisches Element 68 der Ausleuchtungsvorrichtung 56, der von dem Lichtlaufzeitsensor 22 (der Lichtlaufzeitkamera 20) abgebildet wird. Jede einzelne Faser (jeder einzelne Lichtleiter 58) erzeugt dabei einen eigenen Lichtspot. In einem kompakten System können so unterschiedliche Lichtlaufzeiten vermessen werden, die mehreren Metern Distanz entsprechen.In 3 is an arrangement of a light transit time camera system 1 and a calibration device 50 for calibrating such time of flight camera systems 1 shown. The light transit time camera system 1 is essentially the same as in 1 described system 1 with the lighting 12 having lighting module 10 and the light transit time sensor 22 having light time camera 20 , The calibration device 50 has three main assemblies 52 . 54 . 56 on, namely (i) a light guide system 52 comprising a plurality of optical fibers (in short: optical fibers) 58 of different lengths, (ii) a coupling device 54 to capture light, which is from the lighting 10 of the time of flight camera system 1 is emitted, and for coupling this light in the light guide system 52 and (iii) an illumination device 56 for the projection of the light of the light guide system 52 to a light transit time sensor 22 the light runtime camera 20 , wherein the illumination device 56 a positioning device 60 for positioning the decoupling areas 62 the optical fiber 58 having. This positioning device 60 is in the example shown as a holding plate 64 with openings for receiving the decoupling areas 62 the optical fiber 58 , In the arrangement according to 3 becomes the modulated light of illumination 12 of the time of flight camera system 1 such as a time-of-flight camera, into an optical fiber 58 integrated fiber bundle of the light guide system, which consists of fibers (optical fibers 58 ) of different lengths. The individual fibers / optical fibers 58 project the light onto an imaging screen 66 or alternatively to a diffusely scattering optical element 68 the illumination device 56 that of the light transit time sensor 22 (the light runtime camera 20 ) is displayed. Every single fiber (every single fiber 58 ) creates its own light spot. In a compact system, different light propagation times can be measured, which correspond to several meters of distance.

Die in den 4 bis 8 gezeigten Anordnungen entsprechen im Wesentlichen der Anordnung der 3, sodass im Folgenden hauptsächlich auf die Unterschiede zu der in 3 gezeigten Anordnung eingegangen wird.The in the 4 to 8th shown arrangements correspond substantially to the arrangement of 3 , so in the following mainly on the differences to the in 3 received arrangement is received.

4 zeigt eine Variante mit nur einem Lichtwellenleiter bzw. einer Faser 58. Das modulierte Licht der Beleuchtung 12 einer Time-of-Flight-Kamera wird in einen Lichtleiter (Einzelfaser 58 oder Faserbündel mit Fasern 58 gleicher Länge) eingekoppelt. Das andere Ende des Lichtwellenleiters 58 befindet sich im Nahfeld N des Empfängers (der Lichtlaufzeitkamera) 20 des Lichtlaufzeitkamerasystems 1 und wird daher unscharf auf dem Empfänger (Sensor) 20 abgebildet. Die Kalibriervorrichtung 50 ist dabei eingerichtet, je einen Lichtwellenleiter 58 aus einem Satz von Lichtwellenleitern 58 unterschiedlicher Länge wahlweise integrativ aufzunehmen. Hierdurch lassen sich beliebige Lichtlaufzeiten in einer kompakten Vorrichtung 50 kalibrieren. Ebenso kann man durch unterschiedliche Wahl der Lichtwellenleiter/Fasern 58 oder durch hinzugefügte Dämpfungselemente gezielt unterschiedliche Lichtintensitäten einstellen. 4 shows a variant with only one optical fiber or a fiber 58 , The modulated light of the lighting 12 a time-of-flight camera gets into a light guide (single fiber 58 or fiber bundles with fibers 58 same length) coupled. The other end of the fiber optic cable 58 is in the near field N the receiver (the time of flight camera) 20 of the time of flight camera system 1 and is therefore out of focus on the receiver (sensor) 20 displayed. The calibration device 50 is set up, one optical fiber each 58 from a set of optical fibers 58 optionally of different length integratively. This allows any light transit times in a compact device 50 calibrate. Likewise, one can by different choice of optical fibers / fibers 58 or by adding added damping elements specifically set different light intensities.

5 zeigt eine Variante der in 4 gezeigten Anordnung mit nur einem Lichtwellenleiter bzw. einer Faser 58. Um eine ganze Pixelmatrix zu kalibrieren, insbesondere die Offset-Werte, lässt sich, wie in 5 gezeigt, ein Diffusor-Element 68 zwischen Faser und Lichtlaufzeitkamera 20 positionieren. Das Diffusor-Element ist wieder ein diffus streuendes optisches Element 68. 5 shows a variant of in 4 shown arrangement with only one optical fiber or a fiber 58 , To calibrate an entire pixel matrix, especially the offset values, you can, as in 5 shown a diffuser element 68 between fiber and light runtime camera 20 position. The diffuser element is again a diffusely scattering optical element 68 ,

Alternativ zu einem einzelnen Lichtwellenleiter (Einzelfaser oder Faserbündel) 58 mit definierter Länge, kann man ein Faserbündel mit Lichtwellenleitern/Einzelfasern 58 unterschiedlicher Längen verwenden. In der Ausführung gemäß 6 ist zwischen Kamera-Sensor und den Auskoppelbereichen (Enden) 62 der Lichtwellenleiter (Einzelfasern) 58 wird eine Selektor-Einrichtung 70 zum wahlweisen freischalten oder blockieren des Lichts der einzelnen Lichtwellenleiter (Faser-Selektor), beispielsweise ein optischer Umschalter, eingefügt, der die Funktion einer Blende erfüllt, mit der die einzelnen Lichtwellenleiter/Fasern 58 gezielt ausgewählt werden können. Das Licht des ausgewählten Lichtwellenleiters/der ausgewählten Faser 58 wird auf die Projektionsfläche des Abbildungsschirms 66 geführt. Der Abstand zwischen Projektionsfläche und Kamera 20 ist beliebig wählbar, um entweder eine unscharfe Abbildung im Nahfeld N zu erreichen, oder eine saubere Abbildung der Projektionsfläche zu erhalten. Sequentiell können so alle erforderlichen Lichtlaufzeiten vermessen werden.As an alternative to a single optical waveguide (single fiber or fiber bundle) 58 with a defined length, one can use a fiber bundle with optical waveguides / individual fibers 58 use different lengths. In the execution according to 6 is between camera sensor and the decoupling areas (ends) 62 the optical fiber (single fibers) 58 becomes a selector device 70 to selectively unlock or block the Light of the individual optical fiber (fiber selector), for example, an optical switch, inserted, which performs the function of a diaphragm, with which the individual optical fibers / fibers 58 can be selected specifically. The light of the selected fiber optic / fiber 58 is on the projection screen of the imaging screen 66 guided. The distance between the screen and the camera 20 is arbitrary to either a blurred figure in the near field N to reach, or to get a clean picture of the screen. Sequentially, all required light transit times can be measured.

Statt eines diffus streuenden optischen Elements 66 oder anderen Diffusors kann, gemäß 7, ebenso eine zusätzliche Linse oder andere Optik 72 der Kalibriervorrichtung 50 verwenden werden, die zu einer unscharfen Abbildung führt.Instead of a diffusely scattering optical element 66 or other diffuser can, according to 7 , as well as an additional lens or other optics 72 the calibration device 50 which leads to a blurred picture.

Üblicherweise sind auf Linsen selbstklebende Schutzfolien angebracht, die zu unscharfen Abbildungen führen. Statt eines Diffusors oder anderen diffus streuenden optischen Elements 68 im Kalibrationsaufbau kann man auch diese Schutzfolie auf einer Kameralinse als streuendes Objekt verwenden, um eine Kalibration der gesamten Matrix zu ermöglichen. Die Schutzfolie und Ihre optischen Eigenschaften werden dazu genau spezifiziert.Usually, self-adhesive protective films are applied to lenses which lead to blurred images. Instead of a diffuser or other diffusely scattering optical element 68 in the calibration structure, it is also possible to use this protective film on a camera lens as a scattering object in order to allow calibration of the entire matrix. The protective film and its optical properties are specified exactly.

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

Aus der Korrelationsmessung einer Time-of-Flight-Kamera lassen sich Phase und Amplitude bestimmen. Der Wert der berechneten Amplitude ist hierbei abhängig von der empfangenen Lichtleistung, der realen Form der optischen und elektrischen Signale und dem Demodulationskontrast. Der Demodulationskontrast ist eine für eine Time-Of-Flight-Messung konstante Größe, die das Verhältnis zwischen nutzbarem Photo-Misch-Signal und insgesamt empfangener Lichtmenge angibt. Die Stärke des nutzbaren Photo-Misch-Signals wird als Amplitude bezeichnet. Die Messgrößen Phase und Amplitude werden bei einer Time-Of-Flight-Kamera aus mehreren unabhängigen Messungen bei unterschiedlichen Ausgangs-Phasenlagen φvar , üblicherweise 4 Messungen, berechnet. Die reale Form der optischen und elektrischen Signale führt zu Amplitudenwerten, die auch von der Phasenlage abhängig sind.From the correlation measurement of a time-of-flight camera phase and amplitude can be determined. The value of the calculated amplitude here depends on the received light power, the real form of the optical and electrical signals and the demodulation contrast. The demodulation contrast is a constant quantity for a time-of-flight measurement, which indicates the ratio between the usable photo-mixed signal and the total received light quantity. The strength of the usable photo-mixed signal is referred to as amplitude. The measured variables phase and amplitude are measured in a time-of-flight camera from several independent measurements at different output phase angles φ var , usually 4 measurements, calculated. The real form of the optical and electrical signals leads to amplitude values which are also dependent on the phase position.

Dieses „Amplituden-Wiggling“ lässt sich kalibrieren, indem für verschiedene Phasenlagen der Wiggling-Anteil der Amplitudenberechnung isoliert wird. Nach einer Kalibration lassen sich Wiggling-freie Amplitudenwerte berechnen, die für eine gegebene Szene lediglich aufgrund des Demodulationskontrasts einer Time-of-Flight-Kamera frequenzabhängig sind. Werden nach einer Kalibration des Demodulationskontrasts zusätzliche Abweichungen in der Amplitude in einer Szene bei unterschiedlichen Frequenzen festgestellt, weisen diese auf eine gestörte Messung hin und können für eine Plausibilisierung oder für Korrektur-Rechnungen verwertet werden.This "amplitude wiggling" can be calibrated by isolating the wiggling component of the amplitude calculation for different phase angles. After a calibration, Wiggling-free amplitude values can be calculated, which are frequency-dependent for a given scene merely because of the demodulation contrast of a time-of-flight camera. If, after a calibration of the demodulation contrast, additional deviations in the amplitude in a scene are detected at different frequencies, these indicate a disturbed measurement and can be utilized for a plausibility check or for correction calculations.

Eine mögliche Methode zur Isolation des Amplituden-Wigglings ist, die Phasenverschiebung zwischen dem optischen und elektrischen Signal mit einem externen Frequenzgenerator und präziser Verzögerung gezielt einzustellen. Für ein Kamerasystem kann ein Frequenzgenerator in der Regel jedoch nicht zwischen Beleuchtung und Sensor-Modulation genutzt werden. Variiert man die Phase durch eine Veränderung realer Mess-Abstände, so verändert sich die Amplitude nicht allein durch das Amplituden-Wiggling, sondern auch durch die Veränderung der absoluten Lichtintensität, die empfangen wird. Zur Bestimmung des Amplitudenwigglings muss dieser Distanz-abhängige Anteil herausgerechnet werden. Diese Vorgehensweise führt zum Ziel, ist jedoch fehleranfällig und erfordert einen präzisen Messaufbau.One possible method for isolating the amplitude wiggling is to set the phase shift between the optical and electrical signal with an external frequency generator and precise deceleration in a targeted manner. For a camera system, however, a frequency generator usually can not be used between illumination and sensor modulation. If the phase is varied by changing real measuring distances, the amplitude does not change solely by the amplitude wiggling, but also by the change in the absolute light intensity which is received. In order to determine the amplitude equivalency, this distance-dependent proportion must be eliminated. This approach leads to the goal, but is error-prone and requires a precise measurement setup.

Demgegenüber wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Intensität pixelgenau direkt zu Messen und zur Bestimmung des Amplitudenwigglings heranzuziehen. Die Intensität kann direkt aus den Sensordaten berechnet werden, wenn neben dem Differenzkanal (A-B) auch die Summe (A+B) oder die einzelnen Kanäle separat (A, B) ausgelesen werden können. Alternativ lässt sich zur Normierung die Intensität auch aus dem Differenzkanal (A-B) ermitteln, indem die Modulation des Sensors und/oder die Modulation der Beleuchtung in einer zusätzlichen Messung deaktiviert werden. Der Vorteil dieser Methode ist es, dass die genaue Phasenlage zur Bestimmung des Amplitudenwigglings nicht bekannt sein muss, sondern direkt gemessen wird. Dadurch lässt sich das Amplitudenwiggling aus beliebigen Szenen extrahieren, beispielsweise mit einer der vorgenannten Kalibriervorrichtungen.In contrast, it is proposed according to the invention to use the intensity pixel-accurately directly to measure and to determine the Amplitude Dowsing. The intensity can be calculated directly from the sensor data if, in addition to the difference channel (A-B), the sum (A + B) or the individual channels can also be read out separately (A, B). Alternatively, for normalization, the intensity can also be determined from the difference channel (A-B) by deactivating the modulation of the sensor and / or the modulation of the illumination in an additional measurement. The advantage of this method is that the exact phase position for determining amplitude amplitude does not need to be known, but is measured directly. As a result, the amplitude constant can be extracted from arbitrary scenes, for example with one of the aforementioned calibration devices.

Nach dieser Methode können neben dem Amplitudenwiggling auch die einzelnen Zwischenergebnisse der ToF-Messung kalibriert werden (Real- und Imaginärteile der Korrelationsmessungen). Die Evaluation dieser Werte hat insbesondere für eine Störungs-Korrektur-Rechnung ein erhöhtes Potential.According to this method, in addition to amplitude wiggling, the individual intermediate results of the ToF measurement can also be calibrated (real and imaginary parts of the correlation measurements). The evaluation of these values has an increased potential, in particular for a fault correction calculation.

Bei der Entfernungsbestimmung handelt es sich mathematisch um eine Korrelation des empfangenen Signals Sp2 mit dem modulierenden Signal Mo. q ( τ ) = 0 τ S p 2 ( t τ ) M 0 ( t ) d t

Figure DE102017204665A1_0001
The distance determination is mathematically a correlation of the received signal S p2 with the modulating signal Mo. q ( τ ) = 0 τ S p 2 ( t - τ ) M 0 ( t ) d t
Figure DE102017204665A1_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.In a modulation with a square wave signal, the correlation function is a triangular function. For a modulation with, for example, a sine signal, the result would be a cosine function.

Zur vollständigen Erfassung der Phasenverschiebung ist beispielsweise das IQ (Inphase-Quadratur) Verfahren bekannt, bei dem zwei Messungen mit um 90° verschobenen Phasenlagen durchgeführt werden, also beispielsweise mit der Phasenlage φvar = 0° und φvar = 90°.For complete detection of the phase shift, for example, the IQ (in-phase quadrature) method is known in which two measurements are performed with shifted by 90 ° phase angles, so for example with the phase angle φ var = 0 ° and φ var = 90 °.

Die Beziehung dieser beiden Messungen lässt sich in bekannter Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm gem. 8 darstellen. In erster Näherung ist dies ohne weiteres auch für rechteckförmige Modulation und der sich ergebenden dreiecksförmigen Autokorrelationsfunktion anwendbar.The relationship between these two measurements can be determined in a known manner, for example for sinusoidal waveforms in an IQ diagram. 8th represent. In a first approximation, this is also readily applicable to rectangular modulation and the resulting triangular autocorrelation function.

Der Phasenwinkel lässt sich dann in bekannter Weise über eine arctan-Funktion bzw. arctan2-Funktion bestimmen: φ = Δ φ ( t L ) = arctan Δ q ( 90 ° ) Δ q ( 0 ° )

Figure DE102017204665A1_0002
The phase angle can then be determined in a known manner via an arctan function or arctan2 function: φ = Δ φ ( t L ) = arctan Δ q ( 90 ° ) Δ q ( 0 ° )
Figure DE102017204665A1_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 DE102017204665A1_0003
Due to the linear relationship between charge and voltage, the phase angle can also be determined by the voltage differences: φ = Δ φ ( t L ) = arctan Δ U ( 90 ° ) Δ U ( 0 ° )
Figure DE102017204665A1_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 DE102017204665A1_0004
In order to compensate, for example, asymmetries of the sensor, additional phase measurements shifted by 180 ° can be performed so that, as a result, the phase angle can be determined as follows. φ = Δ φ ( t L ) = arctan Δ q ( 90 ° ) q ( 270 ° ) Δ q ( 0 ° ) q ( 180 ° )
Figure DE102017204665A1_0004

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

Figure DE102017204665A1_0005
Or shortened formulated: φ = arctan a 2 - a 4 a 1 - a 3
Figure DE102017204665A1_0005

Wobei die Indizes die jeweilige Phasenlage der Differenzen ai andeuten, mit a1 = Δq(0°) usw.Where the indices indicate the respective phase position of the differences ai, 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 DE102017204665A1_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 DE102017204665A1_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 DE102017204665A1_0007
From the phase shift φ respectively. Δφ (t L ) can be used for object distances d which are smaller than half the wavelength λ of the modulation frequency d ≤ λ / 2, determine a distance in a known manner. d = Δ φ ( t L ) λ 2 π 1 2
Figure DE102017204665A1_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 a light modulation is shown, the four modulation periods 1 through 4 with four phase angles of 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °. At the end of each modulation period, the difference a 1 , a 2 , a 3 , a 4 of the accumulated charge carriers is read out and the integration nodes are reset by means of a reset. As already shown, a phase shift or a corresponding distance value can then be determined from the differences.

Typischerweise wird in ToF Systemen ein 4 Phasen Algorithmus verwendet, um innerhalb eines Eindeutigkeitsbereichs die Phasenverschiebung des empfangenen Lichtsignals zu bestimmen. Bei diesem Algorithmus werden vier Stützstellen, die äquidistant im Eindeutigkeitsbereich von 0 bis 2π mit gleicher Modulationsfrequenz ermittelt und anschließend die Phasenlage der Grundwelle, die durch diese Stützstellen verläuft, berechnet. Der Eindeutigkeitsbereich wird durch einen Transformationsfaktor vom Bogenmaß in eine Distanz/Entfernung überführt.Typically, ToF systems use a 4-phase algorithm to determine the phase shift of the received light signal within a uniqueness range. In this algorithm, four interpolation points are determined equidistantly in the uniqueness range from 0 to 2π with the same modulation frequency, and then the phase angle of the fundamental wave passing through these interpolation points is calculated. The uniqueness range is converted by a transformation factor of radians in a distance / distance.

Objekte in Abständen, die in Vielfachen dieses Eindeutigkeitsbereichs liegen (0 bis 2π), führen zu Mehrdeutigkeiten der Phasenlage. Diese Mehrdeutigkeiten können durch eine weitere Phasenmessung bzw. durch eine erneute Anwendung des 4 Phasenalgorithmus mit anderen, typischerweise einer niedrigeren Modulationsfrequenz in eine eindeutige Phasenlage überführt werden. Dieses Vorgehen impliziert demnach mindestens 8 Messungen bis ein eindeutiger Distanzwert/Entfernungswert berechnet werden kann.Objects at distances that lie in multiples of this uniqueness range (0 to 2π), lead to ambiguities of the phase position. These ambiguities can be converted into an unambiguous phase position by another phase measurement or by a renewed application of the 4-phase algorithm with other, typically a lower modulation frequency. This procedure therefore implies at least 8 measurements until a clear distance value / distance value can be calculated.

Mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen ist es möglich, ein systembedingtes Amplituden-Wiggling über die verschiedenen Phasenverschiebungen bzw. Lichtlaufzeiten bzw.With the procedure according to the invention, it is possible to produce a system-dependent amplitude wiggling over the different phase shifts or light propagation times or

Entfernungswerte zu ermitteln, ggf. zu kompensieren und/oder Störungen der Entfernungsmessung zu detektieren.Determine distance values, compensate if necessary and / or detect disturbances of the distance measurement.

Das grundlegende Verhalten von Amplitude A und der Intensität I über die Distanz / Entfernung ist beispielhaft in 10 gezeigt. Mit zunehmender Distanz nimmt sowohl die Intensität I als auch die Amplitude A ab. Systembedingt weicht, wie bereits erwähnt, der Verlauf der Amplitude A von der Lichtintensität I ab.The basic behavior of amplitude A and intensity I over distance / distance is exemplified in FIG 10 shown. As the distance increases, both the intensity I and the amplitude A decrease. Due to the system, the course of the amplitude A deviates from the light intensity I, as already mentioned.

Werden Amplitude und Intensität ins Verhältnis gesetzt ergibt sich ein in 11 dargestelltes Verhalten. Diese Art der Darstellung stellt eine Möglichkeit dar, das Amplituden-Wiggling zu beschreiben. Es sind grundsätzlich auch andere Betrachtungsweisen denkbar. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, die verschiedenen Entfernungen respektive Phasenverschiebungen durch einen der vorgenannten Kalibriervorrichtungen nachzustellen.If the amplitude and intensity are set in proportion, an in 11 illustrated behavior. This type of presentation provides a way to describe the amplitude wiggling. In principle, other ways of looking at it are also conceivable. According to the invention, it is now provided to readjust the different distances or phase shifts by one of the aforementioned calibration devices.

Die Kalibriervorrichtungen haben den Vorteil, dass unterschiedliche Distanzen bzw. Phasenverschiebungen durch die Länge der Lichtleiter bzw. ggf. auch durch Phasenschieber eingestellt werden können, ohne dass sich die Lichtintensität signifikant ändert. Durch dieses Vorgehen ist sichergestellt, dass die das Amplituden-Wiggling auslösende Effekte präziser gemessen werden können.The calibration devices have the advantage that different distances or phase shifts can be set by the length of the light guides or possibly also by phase shifters without the light intensity changing significantly. This procedure ensures that the effects triggering the amplitude wiggling can be measured more precisely.

12 zeigt schematisch einen Messverlauf, bei dem beispielsweise mit Hilfe von 30 unterschiedlich langen Einzelfasern eine Phasenverschiebung Δφ(tL) von 0 bis 2π in einem Schritt vermessen wird. Für jede Phasenverschiebung werden eine Amplitude und eine Intensität ermittelt, wobei im dargestellten Fall als Messwert der Quotient aus Amplitude und Intensität für jeden Entfernungswert aufgetragen ist. Jeder Messpunkt entspricht somit einem gemessenen Amplituden-Wiggling-Wert für die jeweilige Phasenverschiebung. 12 schematically shows a measurement course, in which, for example, with the aid of 30 individual fibers of different lengths a phase shift Δφ (t L ) from 0 to 2π in one step. For each phase shift, an amplitude and an intensity are determined, wherein in the case shown, the quotient of amplitude and intensity for each distance value is plotted as measured value. Each measuring point thus corresponds to a measured amplitude-wiggling value for the respective phase shift.

Grundsätzlich könnten bereits diese Rohdaten für die weitere Verwendung zur Verfügung gestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Rohdaten in geeigneter Form aufbereitet werden. Insbesondere ist es von Vorteil, eine Fit- bzw. Anpassungsfunktion zu verwenden, die physikalisch und/oder mathematisch das Amplituden-Wiggling beschreibt.In principle, these raw data could already be made available for further use. However, it is particularly advantageous if the raw data are processed in a suitable form. In particular, it is advantageous to use a fitting or adaptation function which physically and / or mathematically describes the amplitude wiggling.

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 DE102017204665A1_0008
In particular, sine functions or corresponding Fourier series are suitable here, for example in the form: f ( t ) = a 0 2 + Σ k = 1 A k cos ( k t - φ k )
Figure DE102017204665A1_0008

Im dargestellten Beispiel wurden die Rohdaten mit Hilfe einer Sinusfunktion ,gefittet‘. Die angepasste bzw. gefittete Funktion kann vorzugsweise direkt als Wiggling-Funktion und/oder als Wiggling-Datensatz, insbesondere als ,look up table‘ für die weitere Verwendung zur Verfügung gestellt werden.In the example shown, the raw data was 'fit' using a sine function. The adapted or fitted function can preferably be made available directly as a wiggling function and / or as a wiggling data record, in particular as a look-up table, for further use.

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

Wenn die Lichtintensität I für alle erfassten Phasenverschiebungen bzw. Phasenlagen 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. Also beispielsweise I0 = I90 = I180 = I270 wobei sich die Amplitude der verschieden Phasenlagen typischerweise unterscheiden A0 ≠ A90 ≠ A180 ≠ A270 bzw. Aφi ≠ Aφj mit i≠j.If the light intensity I for all detected phase shifts or phase positions remains substantially constant with the aforementioned calibration devices, the amplitude A determined from the difference signals of the A and B channels directly reflects the behavior of the amplitude wiggle. For example, I 0 = I 90 = I 180 = I 270 where the amplitude of the different phase positions typically differ A 0 ≠ A 90 ≠ A 180 ≠ A 270 and Aφ i ≠ Aφ j with i ≠ j.

Bei Bedarf kann das Amplituden-Wiggling zusätzlich für unterschiedliche Lichtintensitäten erfasst werden, die beispielsweise durch Abschwächen der Lichtquelle und/oder einer tatsächlichen Distanzänderung der Kalibriervorrichtung vorgenommen werden kann.If necessary, the amplitude wiggling can additionally be detected for different light intensities, which can be carried out, for example, by weakening the light source and / or an actual distance change of the calibration device.

Ebenso ist es von Vorteil das Amplitudenwiggling nicht nur für unterschiedliche Lichtintensitäten und/oder Phasenlagen, sondern auch für unterschiedliche Modulationsfrequenzen zu ermitteln, wobei die Intensität für eine Vergleichsmessung konstant gehalten wird, mit If1 = If2 und typischerweise Af1 ≠ Af2. Ebenso lassen sich die Intensitäten variieren. So ergeben sich für verschiedene Intensität I1, I2 ohne Störung immer die gleichen Amplitudenpaarungen bzw. -verhältnisse (Af1(I1) | Af2(I1)) oder (Af1(I2) | Af2(I2)).It is likewise advantageous to determine the amplitude wiggling not only for different light intensities and / or phase positions but also for different modulation frequencies, the intensity being kept constant for a comparison measurement, with I f1 = I f2 and typically A f1 ≠ A f2 . Likewise, the intensities can be varied. Thus, for different intensities I1, I2, without interference, the same amplitude pairings or ratios always result (A f1 (I 1 ) | A f2 (I 1 )) or (A f1 (I 2 ) | A f2 (I 2 )) ,

Im realen Messbetrieb kann dann beispielsweise eine Störung der Messung erkannt werden, wenn das Verhältnis oder eine Differenz der Amplituden einen Grenzwert übersteigt. Bei Bedarf kann ein solcher Grenzwert auch in Abhängigkeit der verwendeten Frequenzen festgelegt werden. | A f1 ( I 1 ) A f2 ( I 1 ) | > GW

Figure DE102017204665A1_0009
In real measuring operation, a malfunction of the measurement can then be detected, for example, if the ratio or a difference of the amplitudes exceeds a limit value. If necessary, such a limit value can also be determined depending on the frequencies used. | A f1 ( I 1 ) - A f2 ( I 1 ) | > GW
Figure DE102017204665A1_0009

Da in einem kalibrierten System die für eine anliegende Intensität I zu erwartende Amplitude A bekannt ist, kann im Umkehrschluss ausgehend von der Amplitude A auch auf die anliegende Intensität geschlossen werden.Since the amplitude A to be expected for an applied intensity I is known in a calibrated system, it is also possible, conversely, to deduce the applied intensity on the basis of the amplitude A.

So lässt sich aus der Amplitude für die erste Frequenz Af1(I1) auf die Intensität I1 schließen, ebenso sollte die Amplitude für die zweite Frequenz Af2(I1) ebenfalls zum gleichen Ergebnis gelangen I1 gelangen. Führt diese Umkehrung jedoch nicht zum gleichen Ergebnis, so kann in diesem Fall auch von einer Störung des Systems ausgegangen werden. Also beispielsweise wenn die Differenz beider Ergebnisse einen Grenzwert übersteigt: | I ( A f1 ) I ( A f2 ) | > GW

Figure DE102017204665A1_0010
As can be determined from the amplitude of the first frequency f1 A (I 1) close to the intensity I 1, as well as the amplitude for the second frequency f2 A (I 1) should also pass the same result I 1 pass. However, if this reversal does not lead to the same result, it is also possible in this case to assume that the system has malfunctioned. For example, if the difference between the two results exceeds a threshold: | I ( A f1 ) - I ( A f2 ) | > GW
Figure DE102017204665A1_0010

Wie bereits beschrieben kann die Lichtintensität I beispielsweise durch Summieren der A- und B-Kanäle ermittelt werden. Ebenso lässt sich die Intensität I aus der Differenz der A- und B-Kanäle in einer zusätzlichen Messung bestimmen, bei der die Modulation des Sensors fixiert ist. Dies hat den Vorteil, dass auch während eines üblichen Betriebs des Lichtlaufzeitkamerasystems die Intensität I pixelindividuell erfasst werden kann.As already described, the light intensity I can be determined, for example, by summing the A and B channels. Likewise, the intensity I can be determined from the difference of the A and B channels in an additional measurement in which the modulation of the sensor is fixed. This has the advantage that even during normal operation of the light transit time camera system, the intensity I can be detected pixel-individually.

Das Betreiben eines Lichtlaufzeitpixel ist im Detail beispielsweise in der bereits genannten DE 197 04 496 A1 beschrieben, auf die hier im vollen Umfang verwiesen wird.The operation of a light transit time pixel is described in detail, for example, in the already mentioned DE 197 04 496 A1 described in full here.

Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS

11
LichtlaufzeitkamerasystemTime of flight camera system
1010
Beleuchtungsmodullighting module
1212
Beleuchtunglighting
1515
StrahlformungsoptikBeam shaping optics
2020
Empfänger, LichtlaufzeitkameraReceiver, light time camera
2222
LichtlaufzeitsensorTransit Time Sensor
2525
Kameraoptikcamera optics
3030
Modulatormodulator
3535
Phasenschieber, BeleuchtungsphasenschieberPhase shifter, lighting phase shifter
4040
Objektobject
5050
Kalibriervorrichtungcalibration
5252
Lichtleitsystemfiber optic system
5454
Einkoppelvorrichtungcoupling device
5656
Ausleuchtungsvorrichtunglighting device
5858
Lichtwellenleiteroptical fiber
6060
Positionierungseinrichtungpositioning device
6262
Auskoppelbereich (Lichtwellenleiter)Decoupling area (optical fiber)
6464
HalteplatteRetaining plate
6666
Schirm, Abbildungs-Screen, imaging
6868
optisches Element, diffus streuendoptical element, diffusely scattering
7070
Selektor-EinrichtungSelector means
7272
Optikoptics
φ, Δφ(tL)φ, Δφ (t L )
laufzeitbedingte Phasenverschiebungterm-related phase shift
φvar φ var
Phasenlagephasing
φ0 φ 0
Basisphasebase phase
M0 M 0
Modulationssignalmodulation signal
p1, p2p1, p2
erste und zweite Phasefirst and second phase
Sp1Sp1
Sendesignal mit erster PhaseTransmission signal with first phase
Sp2sp2
Empfangssignal mit zweiter PhaseReceived signal with second phase
Ga, GbGa, Gb
Integrationsknotenintegration node
dd
Objektdistanzsubject Distance
qq
Ladungcharge
NN
Nahfeld der LichtlaufzeitkameraNear field of the light runtime camera

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19704496 A1 [0002, 0020, 0075]DE 19704496 A1 [0002, 0020, 0075]

Claims (11)

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, Aφ(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, Aφ(tL)) unter Berücksichtigung der ermittelten Amplituden und Intensitäten.Method for determining system parameters of a light transit time camera system (1) with the aid of a calibration device (50), wherein the time of flight camera system (1) comprises a light transit time camera (20) with a light transit time sensor (22) having at least one light transit time pixel which for charge integration comprises a first and second integration node (Ga, Gb), wherein the calibration device (50) has a light guide system (52) with light waveguides (58) of different lengths or is arranged such that the light guide system (52) consists of a set of light waveguides (58) of different lengths an optical waveguide ( 58) optionally integratively receives, with a coupling device (54) for detecting a light emitted by a lighting (10) of the time of flight camera system (1) light and for coupling this light in the optical waveguide (58) or the optical waveguide (58) and with an illumination device ( 56) for illuminating the light transit time sensor (22) of the light transit time camera (20) via the camera optics (25) with the light of the optical waveguide (58) or the optical waveguide (58), wherein for performing the method, the calibration device (50) is arranged at a predetermined distance to the light time camera (20) , comprising the steps of: - determining distance values (d, Δφ (t L )) for different lengths of optical waveguides, wherein at least two different phase positions (φ var ) are set for the determination, - determination of an amplitude (A) and an intensity ( I) for each determined distance value (d, Aφ (t L )), wherein the amplitude is determined from difference signals of the two integration nodes (Ga, Gb) and the intensity by forming a sum signal of the two integration nodes (Ga, Gb) or by a determination of system parameters in the form of amplitude-wiggling values for the different distance values (d, Aφ (t L )) under consideration tion of the determined amplitudes and intensities. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Amplituden-Wiggling-Werte für mehrere Lichtlaufzeitpixel des Lichtlaufzeitsensors (22) ermittelt werden.Method according to Claim 1 in which the amplitude-wiggling values are determined for a plurality of light-propagation time pixels of the light transit time sensor (22). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Intensität aus den Differenzen der Integrationsknoten (Ga, Gb) in einer separaten Messung ermittelt wird, bei der die Modulationsgates (Gam, Gbm) der Pixel des Lichtlaufzeitsensors (22) mit einer fixierten Spannung betrieben werden, so dass die Ladungsintegration entweder am ersten Integrationsknoten (Ga) oder am zweiten Integrationsknoten (Gb) erfolgt.Method according to one of the preceding claims, in which the intensity is determined from the differences of the integration nodes (Ga, Gb) in a separate measurement in which the modulation gates (Gam, Gbm) of the pixels of the light transit time sensor (22) are operated with a fixed voltage such that the charge integration takes place either at the first integration node (Ga) or at the second integration node (Gb). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ermittlung der Amplituden-Wiggling-Werte zu unterschiedlichen Modulationsfrequenzen erfolgt.Method according to one of the preceding claims, in which the determination of the amplitude-wiggling values takes place at different modulation frequencies. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Amplituden-Wiggling-Werte in Form einer Wiggling-Funktion und/oder eines Wiggling-Datensatz zur Verfügung gestellt werden.Method according to one of the preceding claims, in which the amplitude-wiggling values are provided in the form of a wiggling function and / or a wiggling data record. Lichtlaufzeitkamerasystem mit einer Lichtlaufzeitkamera und einer modulierbaren Beleuchtung, bei dem die Lichtlaufzeitkamera einen Lichtlaufzeitsensor mit mehreren Lichtlaufzeitpixeln aufweist, wobei die Lichtlaufzeitpixel Modulationsgates (Gam, Gbm) zur Ladungslenkung und Integrationsknoten (Ga, Gb) zur Ladungsintegration aufweisen, wobei zur Bestimmung eines Amplitudenwigglings vorgesehen ist, dass eine Amplitude und eine Intensität für unterschiedliche Distanzen aufgenommen werden.Time-of-flight camera system with a light-time camera and a modulable illumination, wherein the time of flight camera has a light transit time sensor with a plurality of time of flight pixels, the time of flight pixels comprising charge-steering modulation gates (Gam, Gbm) and charge integration integration nodes (Ga, Gb), wherein it is provided for the determination of an amplitude equinig, that an amplitude and an intensity are recorded for different distances. Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 6, bei dem zur Bestimmung der Amplitude die zur Entfernungsbestimmung verwendeten Differenzwerte herangezogen werden.Light time camera system according to Claim 6 in which the difference values used for determining the distance are used to determine the amplitude. Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 6 oder 7, bei dem in einer separaten Messung die Intensität des erfassten Lichts bestimmt wird.Light time camera system according to Claim 6 or 7 , in which the intensity of the detected light is determined in a separate measurement. Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem das Lichtlaufzeitkamerasystem für die Verwendung von Amplituden-Wiggling-Werte ausgebildet ist, die nach einem der Verfahren gemäß Anspruch 1 bis 5 ermittelt wurden.Light time camera system according to one of Claims 6 to 8th in which the time of flight camera system is adapted to use amplitude wiggling values determined by one of the methods according to Claim 1 to 5 were determined. Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 9, 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 Amplituden-Wiggling-Werten mehr als ein toleriertes Maß abweichen. Light time camera system according to Claim 9 , which is designed such that a determination of a distance value is considered to be erroneous if the amplitude-wiggling values determined during operation of the system deviate more than a tolerated level from the amplitude-wiggling values stored in the calibration method. Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem in einem Kalibrierverfahren Amplituden und/oder Intensitäten für verschiedene Phasenverschiebungen und Frequenzen ermittelt werden, wobei das Lichtlaufzeitkamerasystem derart ausgebildet ist, dass in einem Entfernungsmessbetrieb eine Störung der Messung erkannt wird, wenn Abweichungen der Amplituden und/oder Intensitäten größer sind als ein tolerierter Grenzwert.Light time camera system according to one of Claims 6 to 10 in which amplitudes and / or intensities for different phase shifts and frequencies are determined in a calibration method, wherein the time of flight camera system is designed such that a disturbance of the measurement is detected in a distance measuring operation, if deviations of the amplitudes and / or intensities are greater than a tolerated Limit.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19704496A1 (en) 1996-09-05 1998-03-12 Rudolf Prof Dr Ing Schwarte Method and device for determining the phase and / or amplitude information of an electromagnetic wave

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19704496A1 (en) 1996-09-05 1998-03-12 Rudolf Prof Dr Ing Schwarte Method and device for determining the phase and / or amplitude information of an electromagnetic wave

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