DE102018108925B4 - Lighting circuit and method for a time-of-flight camera - Google Patents
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Abstract
Beleuchtung (10) für ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
mit wenigstens zwei Lichtquellen (12),
bei der die Lichtquellen (12) elektrisch parallel geschaltet und jeweils in einem eigenen Strompfad liegen,
wobei die Lichtquellen (12) jeweils mit einer ersten Anschlussseite mit einem einzigen, gemeinsamen Schalter (S) und mit einer zweiten Anschlussseite mit einer Versorgungsspannung (UB, UV) verbunden sind,
wobei die Parallelschaltung der Lichtquellen (12) derart ausgestaltet ist, dass die Signallaufzeiten (t1, t2, t3) von der ersten Anschlussseite bis zum Schalter (S) oder einem gemeinsamen Knotenpunkt für alle Lichtquellen (12) gleich lang sind,
und bei der jede Lichtquelle (12) im Strompfad ihrer zweiten Anschlussseite jeweils eine eigene regelbare Spannungsquelle (130) und eine Stromregelung (SR) aufweist.
Lighting (10) for a time-of-flight camera system,
with at least two light sources (12),
in which the light sources (12) are electrically connected in parallel and each lie in their own current path,
the light sources (12) each having a first connection side connected to a single, common switch (S) and having a second connection side connected to a supply voltage (UB, UV),
wherein the parallel connection of the light sources (12) is designed in such a way that the signal propagation times (t1, t2, t3) from the first connection side to the switch (S) or a common node for all light sources (12) are of the same length,
and in which each light source (12) has its own controllable voltage source (130) and a current control (SR) in the current path of its second connection side.
Description
Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsschaltung für eine Lichtlaufzeitkamera bzw. Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to an illumination circuit for a time-of-flight camera or time-of-flight camera system according to the species of the independent claim.
Aus dem Stand der Technik sind Systeme zur dreidimensionalen Bilderfassung bekannt, welche mit Hilfe einer aktiven Beleuchtung arbeiten. Dazu gehören so genannten Time-of-flight- (TOF-) oder Laufzeitmesssysteme. Diese verwenden eine amplitudenmodulierte oder gepulste Beleuchtung, zur Ausleuchtung der zu erfassenden dreidimensionalen Szenerie.Systems for three-dimensional image acquisition that work with the aid of active lighting are known from the prior art. These include so-called time-of-flight (TOF) or transit time measurement systems. These use amplitude-modulated or pulsed lighting to illuminate the three-dimensional scenery to be captured.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit einem Lichtlaufzeitsensor der vorstehend genannten Art. Derartige Lichtlaufzeitkamerasysteme betreffen insbesondere alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, 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 beispielsweise in der
Aus der
Aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, die Entfernungsmessung eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu verbessern.The object of the invention is to improve the distance measurement of a time-of-flight camera system.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Beleuchtung für ein Lichtlaufzeitkamerasystem und Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object is advantageously achieved by the illumination according to the invention for a time-of-flight camera system and the method according to the species of the independent claims.
Vorteilhaft ist eine Beleuchtung für ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, mit wenigstens zwei Lichtquellen, bei der die Lichtquellen elektrisch parallel geschaltet und mit einer ersten Anschlussseite mit einem gemeinsamen Schalter und mit einer zweiten Anschlussseite mit einer Versorgungsspannung verbunden sind, wobei die Parallelschaltung der Lichtquellen derart ausgestaltet ist, dass die Signallaufzeiten von der ersten Anschlussseite bis zum Schalter für alle Lichtquellen gleich lang sind.Lighting for a time-of-flight camera system is advantageously provided, with at least two light sources, in which the light sources are connected electrically in parallel and are connected to a first connection side to a common switch and to a second connection side to a supply voltage, the parallel connection of the light sources being configured in such a way that that the signal propagation times from the first connection side to the switch are the same for all light sources.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass keine Phasenverschiebung eines Objekts bei partieller Verschattung einer Lichtquelle auftritt und keine Asymmetrie bzgl. der Blickrichtung vorliegt, wenn alle Lichtquellen zum exakt gleichen Zeitpunkt ein- oder ausgeschaltet werden.This procedure has the advantage that there is no phase shift of an object when a light source is partially shaded and there is no asymmetry with regard to the viewing direction if all light sources are switched on or off at exactly the same time.
In einer weiteren Ausgestaltung weist jeder Strompfad der Lichtquellen eine eigene regelbare Spannungsquelle auf.In a further embodiment, each current path of the light sources has its own controllable voltage source.
Hierdurch können die Ströme für die Lichtquellen individuell optimal eingestellt werden.As a result, the currents for the light sources can be optimally set individually.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn jeder Strompfad eine eigene Stromregelung aufweist. So dass auch bei einer Alterung der Lichtquelle oder durch thermische Veränderung zu jeder Lichtquelle der optimal geeignete Strom fließen kann.It is particularly advantageous if each current path has its own current control. This means that the most suitable current can flow to each light source, even if the light source is aging or due to thermal changes.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist ein gemeinsamer Controller für alle Strompfade der Lichtquellen vorgesehen, wobei der Controller einen Strom in jedem Strompfad erfasst und durch Einstellen der regelbaren Spannungsquellen die Versorgungsspannung derart einstellt, dass der Strom auf einen für jeden Strompfad vorgegebenen Ist-Strom geregelt wird.In a particularly preferred embodiment, a common controller is provided for all current paths of the light sources, with the controller detecting a current in each current path and adjusting the supply voltage by adjusting the controllable voltage sources in such a way that the current is regulated to an actual current specified for each current path .
Durch die Verwendung eines gemeinsamen Controllers für alle Strompfade kann die Stromregelung der parallelgeschalteten Lichtquellen besonders kostengünstig realisiert werden.By using a common controller for all current paths, the current regulation of the light sources connected in parallel can be implemented particularly cost-effectively.
Vorteilhaft ist auch ein Verfahren zum Betreiben der vorgenannten Beleuchtung für eine Lichtlaufzeitkamera vorgesehen, bei der die Beleuchtung einen Controller zur Strom- und Spannungsregelung und in jedem Strompfad eine modulierbare Lichtquelle, eine regelbare Spannungsquelle, eine Spannungsmessung , und eine Strommessung aufweist,
- - bei dem die Lichtquelle in einer Modulationsphase mit mehreren Pulsen moduliert wird,
- - bei dem der Controller in den Modulationsphasen ausgehend von den Strommessungen den zu den jeweiligen Lichtquellen fließenden mittleren Strom durch Verändern der Versorgungsspannung auf einen mittleren Sollstrom einstellt,
- - bei dem die Stromregelung in den Modulationsphasen mit einer Start-Stellgröße beginnt, die als Spannungsendwert am Ende der Stromregelung der vorhergehenden Modulationsphase anlag.
- - in which the light source is modulated in a modulation phase with several pulses,
- - in which the controller sets the mean current flowing to the respective light sources in the modulation phases based on the current measurements by changing the supply voltage to a mean target current,
- - In which the current control in the modulation phases begins with a start manipulated variable that was applied as a final voltage value at the end of the current control of the previous modulation phase.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass insbesondere elektrische und thermische Veränderungen der Beleuchtung dynamisch kompensiert werden können.This procedure has the advantage that electrical and thermal changes in the lighting in particular can be dynamically compensated.
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 aus dem Stand der Technik bekannte Serienschaltung von Lichtquellen, -
4 eine erfindungsgemäße Beleuchtung mit parallelgeschalteten Lichtquellen, -
5 eine Anordnung gemäß4 mit Stromregelungen in jedem Strompfad, -
6 eine Strom- und Spannungsregelung für eine Beleuchtung, -
7 eine Zeitdiagramm des Reglers gemäß6 , -
8 einen erfindungsgemäßen Aufbau mit einem Regler gemäß6 .
-
1 schematic of a time-of-flight camera system, -
2 a modulated integration of generated charge carriers, -
3 a series connection of light sources known from the prior art, -
4 lighting according to the invention with light sources connected in parallel, -
5 an arrangement according to4 with current controls in each current path, -
6 a current and voltage control for a lighting, -
7 a timing diagram of the regulator according to6 , -
8th a structure according to the invention with a controller6 .
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 symbols designate the same or comparable components.
Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.The time-of-
Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.The time-of-
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal Mo mit einer Basisphasenlage φ0 beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals Mo 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 propagation time and thus the distance covered by the received light can be determined based on the phase shift of the emitted and received light. For this purpose, the
Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + 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.According to the set modulation signal, the
Ferner weist das System ein Modulationssteuergerät 27 auf, das in Abhängigkeit der vorliegenden Messaufgabe die Phasenlage φvar das Modulationssignal Mo verändert und/oder über einen Frequenzoszillator 38 die Modulationsfrequenz einstellt.The system also has a
Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.Infrared light-emitting diodes are preferably suitable as the illumination source or
Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in
Im Takte der gewünschten Modulationsfrequenz wird der Schalter Q1 geöffnet und geschlossen und moduliert dementsprechend den Stromfluss durch die Leuchtdioden, die dann naturgemäß ein entsprechend moduliertes Lichtsignal aussenden.The switch Q1 is opened and closed in time with the desired modulation frequency and accordingly modulates the flow of current through the light-emitting diodes, which then naturally emit a correspondingly modulated light signal.
Nachteil einer solchen linearen Anordnung der Lichtquellen ist, dass die Versorgungsspannung mit der Anzahl der Lichtquellen steigt. Auch können unterschiedliche Wirkungsgrade der Beleuchtungselemente nicht berücksichtigt und insbesondere nicht kalibriert werden.The disadvantage of such a linear arrangement of the light sources is that the supply voltage increases with the number of light sources. Also, different efficiencies of the lighting elements cannot be taken into account and, in particular, cannot be calibrated.
Erfindungsgemäß wird daher eine Beleuchtungsschaltung gemäß
Um sicherzustellen, dass jede Lichtquelle 12 zum gleichen Zeitpunkt geschaltet wird, ist es vorgesehen, dass die Lichtquellen 12 elektrisch gleich lang vom Schalter S bzw. einem gemeinsamen Kontenpunkt entfernt sind. Die Leitungen zwischen Schalter S und den Lichtquellen 12 müssen dabei exakt die gleiche Laufzeit t1(ℓ1) = t2(ℓ2) = t3(ℓ3) aufweisen. Die Laufzeit kann beispielsweise durch die Kabellänge ℓ eingestellt werden.In order to ensure that each
In einer bevorzugten Ausgestaltung gemäß
Durch dieses Vorgehen wird sichergestellt, dass jede Lichtquelle 12 an ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden kann.This procedure ensures that each
Als Signalweg ist hier beispielshaft der Weg bis zum gemeinsamen Knotenpunkt eingetragen, hiernach ist der Weg bis zum Schalter S für alle Lichtquellen 12 gleich.The path to the common node is entered here as an example of the signal path, after which the path to the switch S is the same for all
Der zur Lichtquelle 12 fließende mittlere Strom
Der Controller 140 erfasst zudem die am Ausgang der regelbaren Spannungsquelle 130 anliegende Versorgungsspannung Uv. Die Spannung UV kann entweder vor oder nach dem Widerstand R gemessen werden. Das Zeitfenster für die Stromregelung wird durch die Hüllkurve PulsH bestimmt. Durch den Kondensator C wird für die Messung der durch die Lichtquelle 12 fließende Strom IB gemittelt bzw. geglättet so dass am Widerstand R ein mittlerer Strom
Ausgehend von dem Hüllkurvensignal PulsH ist es vorgesehen zwischen einer Strom- oder Spannungsregelung umzuschalten.Starting from the envelope signal Pulse H , it is provided to switch between current and voltage regulation.
Im Modus Stromregelung ist es vorgesehen, den mittleren Stromfluss
Im Modus Spannungsregelung ist es vorgesehen, die an der Lichtquelle 12 anliegende Versorgungsspannung Uv konstant zu halten. Zur Regelung erfasst der Controller 140 die an der Spannungsquelle 130 oder alternativ die an der Lichtquelle 12 anliegenden Versorgungsspannung Uv als Regelgröße bzw. Spannungs-Istwert UV_ist. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, als Führungsgröße bzw. der Sollwert die am Ende der vorangegangenen Stromreglung anliegende Versorgungsspannung UV_end,n zu verwenden. Der Controller 140 generiert aus den vorliegenden Soll- und Istwerten eine Steuergröße (UPWM) für den Spannungsregler 130 um die Versorgungsspannung Uv auf den Sollwert zu regeln.In the voltage regulation mode, the supply voltage Uv applied to the
In
Im zweiten Diagramm ist ein Zeitverlauf des mittleren Stroms
Im dritten Diagramm ist ein Zeitverlauf der Versorgungsspannung Uv gezeigt. Bei einem initialen Start der Modulation wird an die Lichtquelle 12 vorzugsweise zunächst eine im System hinterlegt Spannung UV_init angelegt.The third diagram shows the supply voltage Uv as a function of time. When the modulation is initially started, a voltage U V_init stored in the system is preferably first applied to the
In der ersten Modulationsphase n-1 verwendet die Stromregelung als erste Stellgröße bzw. als Spannungsstartwert UV_start die anliegende Versorgungsspannung UV_init.In the first modulation phase n-1, the current control uses the applied supply voltage U V_init as the first manipulated variable or as the voltage start value U V_start .
Wie beschrieben erfolgt die Regelung des mittleren Stroms
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, die am Ende der Stromregelung anliegende Versorgungsspannung UV_end,n-1 für die nachfolgende Spannungsregelung als Führungsgröße UV_soll = UV_end,n-1 und für die nachfolgende Stromregelung als Start-Stellgröße UV_start,n = UV_end,n-1 zu verwenden.According to the invention, the supply voltage U V_end,n-1 present at the end of the current control is used as a reference variable U V_soll = U V_end, n-1 for the subsequent voltage control and as a starting manipulated variable U V_start,n = U V_end for the subsequent current control ,n-1 to use.
D.h. nach Ende der Modulationsphase Maus wird die Versorgungsspannung Uv wie gezeigt auf der in der Stromregelung zuletzt anliegenden Versorgungsspannung UV_end,n-1 konstant gehalten. Mit dieser Spannung beginnt dann auch die Stromregelung der nachfolgenden Modulationsphase n zum Zeitpunkt Mein.This means that after the end of the mouse modulation phase, the supply voltage Uv is kept constant, as shown, at the supply voltage U V_end,n-1 last applied in the current control. The current regulation of the subsequent modulation phase n then also begins with this voltage at the point in time Mein.
Die Strom- und Spannungsregelungen erfolgen somit immer in Abhängigkeit des Spannungsendwerts UV_end,n-1 der in der letzten bzw. vorangegangenen Stromregelung anlag.The current and voltage controls thus always take place as a function of the final voltage value U V_end,n-1 which was present in the last or previous current control.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass der Betrieb der Beleuchtung 12 dynamisch an thermischen und/oder elektrischen Veränderungen der Beleuchtung 12 angepasst werden kann.This procedure has the advantage that the operation of the
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Lichtlaufzeitkamerasystemtime-of-flight camera system
- 1010
- Beleuchtung, BeleuchtungsmodulLighting, lighting module
- 1212
- Lichtquellelight source
- 1515
- Strahlformungsoptikbeam shaping optics
- 2020
- Empfänger, LichtlaufzeitkameraReceiver, time-of-flight camera
- 2222
- Lichtlaufzeitsensortime-of-flight sensor
- 2525
- Empfangsoptikreceiving optics
- 2727
- Auswerteeinheitevaluation unit
- 3030
- Modulatormodulator
- 3535
- Phasenschieber, BeleuchtungsphasenschieberPhase shifter, lighting phase shifter
- 3838
- Modulationssteuergerätmodulation controller
- 4040
- Objektobject
- 110110
- Verstärker, DifferenzverstärkerAmplifier, differential amplifier
- 120120
- SchalterSwitch
- 130130
- regelbare Spannungsquelleadjustable voltage source
- 140140
- Controllercontrollers
- φ, Δφ(tL)φ, Δφ(tL)
- laufzeitbedingte Phasenverschiebungruntime-related phase shift
- φvarφvar
- Phasenlagephasing
- φ0φ0
- Basisphasebase phase
- RR
- WiderstandResistance
- CC
- Kondensatorcapacitor
- MoMon
- Modulationssignalmodulation signal
- HH
- Hüllkurveenvelope
- p1p1
- erste Phasefirst phase
- p2p2
- zweite Phasesecond phase
- Sp1Sp1
- Sendesignal mit erster PhaseFirst phase transmit signal
- Sp2Sp2
- Empfangssignal mit zweiter PhaseReceive signal with second phase
- ΔqΔq
- Ladungsdifferenzcharge difference
- di.e
- Objektdistanzobject distance
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