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.

Figure DE102018108925B4_0000
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.
Figure DE102018108925B4_0000

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 DE 197 04 496 C2 beschrieben und von der Firma ‚ifm electronic GmbH‘ oder ‚PMD-Technologies GmbH‘ als Frame-Grabber O3D bzw. als CamCube 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. Selbstverständlich sollen mit dem Begriff Kamera bzw. Kamerasystem auch Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät O1D der Anmelderin.The invention also relates to a time-of-flight camera system with a time-of-flight sensor of the type mentioned above. Such time-of-flight camera systems relate in particular to all light-of-flight or 3D-TOF camera systems that obtain transit-time information from the phase shift of emitted and received radiation. PMD cameras with photomixing detectors (PMD) are particularly suitable as time-of-flight or 3D-TOF cameras, as they are used, for example, in DE 197 04 496 C2 described and can be obtained from 'ifm electronic GmbH' or 'PMD Technologies GmbH' as a frame grabber O3D or as a CamCube. In particular, the PMD camera allows a flexible arrangement of the light source and the detector, which can be arranged either in one housing or separately. Of course, the term camera or camera system should also include cameras or devices with at least one receiving pixel, such as the applicant's distance measuring device O1D.

Aus der DE 197 04 496 A1 ist ferner die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des von einem Objekt reflektierten Lichts bekannt. Insbesondere wird offenbart, die Sendermodulation gezielt um 0°, 90°, 180° oder 270° zu verschieben, um aus diesen vier Phasenmessungen über eine arctan-Funktion eine Phasenverschiebung und somit eine Entfernung zu bestimmen.From the DE 197 04 496 A1 the determination of a distance or a corresponding phase shift of the light reflected by an object is also known. In particular, it is disclosed that the transmitter modulation can be shifted in a targeted manner by 0°, 90°, 180° or 270° in order to determine a phase shift and thus a distance from these four phase measurements using an arctan function.

Aus der GB 2492833 A ist eine Beleuchtungsschaltung für ein TOF-System mit zwei Beleuchtungssträngen bekannt. Zur Modulation der Lichtquellen weist jeder Beleuchtungsstrang auf der Low-Seite einen Schalter auf, dem nachfolgend eine Strommessung und -regelung folgt.From the GB 2492833A a lighting circuit for a TOF system with two lighting strands is known. To modulate the light sources, each lighting strand has a switch on the low side, which is then followed by current measurement and regulation.

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.
A method for operating the aforementioned lighting for a time-of-flight camera is also advantageously provided, in which the lighting has a controller for current and voltage regulation and in each current path a modulatable light source, a controllable voltage source, a voltage measurement and a current measurement.
  • - 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 gemäß 4 mit Stromregelungen in jedem Strompfad,
  • 6 eine Strom- und Spannungsregelung für eine Beleuchtung,
  • 7 eine Zeitdiagramm des Reglers gemäß 6,
  • 8 einen erfindungsgemäßen Aufbau mit einem Regler gemäß 6.
Show it:
  • 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 to 4 with current controls in each current path,
  • 6 a current and voltage control for a lighting,
  • 7 a timing diagram of the regulator according to 6 ,
  • 8th a structure according to the invention with a controller 6 .

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.

1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist. 1 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a time-of-flight camera, such as that from 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 Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.The time-of-flight camera system 1 comprises a transmission unit or an illumination module 10 with an illumination 12 and associated beam-shaping optics 15 and a receiving unit or time-of-flight camera 20 with a receiving optics 25 and a time-of-flight sensor 22.

Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die 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-flight sensor 22 has at least one transit-time pixel, preferably also a pixel array, and is designed in particular as a PMD sensor. The receiving optics 25 typically consist of several optical elements to improve the imaging properties. The beam-shaping optics 15 of the transmission unit 10 can be designed, for example, as a reflector or lens optics. In a very simple embodiment, it is also possible to dispense with optical elements both on the receiving 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 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 light source 12 and the time-of-flight sensor 22 are acted upon by a modulator 30 together with a specific modulation signal M o with a basic phase angle φ0. In the example shown, a phase shifter 35 is also provided between the modulator 30 and the light source 12, with which the base phase φ0 of the modulation signal Mo of the light source 12 can be shifted by defined phase positions φvar . For typical phase measurements, phase angles of φ var =0°, 90°, 180°, 270° are preferably used.

Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + 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 light source 12 emits an intensity-modulated signal S p1 with the first phase position p1 or p1=φ 0var . In the illustrated case, this signal S p1 or the electromagnetic radiation is reflected by an object 40 and, due to the distance covered, arrives with a phase shift Δφ(t L ) with a second phase position p2=φ0+ φ var +Δφ(t L ) as the received signal S p2 to the time-of-flight sensor 22. In the time-of-flight sensor 22, the modulation signal M o is mixed with the received signal S p2 , the phase shift or the object distance d being determined from the resulting signal.

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 modulation control unit 27 which changes the phase position φ var of the modulation signal Mo depending on the measurement task at hand and/or sets the modulation frequency via a frequency oscillator 38 .

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 light source 12 . Other radiation sources in other frequency ranges are of course also conceivable, in particular light sources in the visible frequency range are also possible.

Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals M0 mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal Sp2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit tL phasenverschoben Δφ(tL) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage des Modulationssignals Mo in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M0 + 180° in einem zweiten Akkumulationsgate Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ(tL) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.The basic principle of phase measurement is shown schematically in 2 shown. The upper curve shows the time profile of the modulation signal M 0 with which the lighting 12 and the time-of-flight sensor 22 are controlled. The light reflected from the object 40 hits the time-of-flight sensor 22 as a received signal S p2 phase-shifted Δφ(t L ) according to its time-of-flight t L . The time-of-flight sensor 22 collects the photonically generated charges q over several modulation periods in the phase position of the modulation signal Mo in a first accumulation gate Ga and in a phase shifted by 180° M 0 +180° in a second accumulation gate Gb. The phase shift Δφ(t L ) and thus a distance d of the object can be determined from the ratio of the charges qa, qb collected in the first and second gates Ga, Gb.

3 zeigt eine aus der DE 10 2011 006 613 A1 bekannten Beleuchtungsschaltung mit drei Leuchtdioden D1, D2, D3 und einem als MOSFET ausgebildet Schalter Q1. Die drei Lichtquellen, insbesondere Leuchtdioden VCSEL sind in Serie geschaltet, wobei die Kathode der dritten Leuchtdiode D3 über den Schalter Q1 schaltbar mit dem Bezugspotenzial GND verbunden ist. Die Anode der ersten Leuchtdiode D1 ist über einen Begrenzungswiderstand R1 mit der Versorgungsspannung U_IN verbunden. Parallel zu dem Begrenzungswiderstand R1 ist ein Parallelkondensator C1 angeordnet. Die Gate-Seite des als MOSFET ausgeführten Schalters Q1 ist mit einem Schaltpotenzial UT verbunden. 3 shows one from the DE 10 2011 006 613 A1 known lighting circuit with three light-emitting diodes D1, D2, D3 and designed as a MOSFET switch Q1. The three light sources, in particular light-emitting diodes VCSEL, are connected in series, with the cathode of the third light-emitting diode D3 being switchably connected to the reference potential GND via switch Q1. The anode of the first light-emitting diode D1 is connected to the supply voltage U_IN via a limiting resistor R1. A parallel capacitor C1 is arranged in parallel with the limiting resistor R1. The gate side of the switch Q1 designed as a MOSFET is connected to a switching potential UT.

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 4 vorgeschlagen, bei der die Lichtquellen 12 parallel angeordnet und über einen gemeinsamen Schalter S geschaltet werden. Der Arbeitspunkt der Lichtquellen 12 bzw. der Stromfluss IB kann für jede Lichtquelle 12 separat über einen Vorwiderstand R eingestellt werden.According to the invention, therefore, a lighting circuit according to 4 proposed in which the light sources 12 are arranged in parallel and switched via a common switch S. The operating point of the light sources 12 or the current flow I B can be set separately for each light source 12 via a series resistor R.

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 light source 12 is switched on at the same time, provision is made for the light sources 12 to be electrically at the same distance from the switch S or from a common nodal point. The lines between switch S and the light sources 12 must have exactly the same transit time t1(ℓ 1 ) = t2(ℓ 2 ) = t3(ℓ 3 ). The running time can be adjusted by the cable length ℓ, for example.

In einer bevorzugten Ausgestaltung gemäß 5 ist es vorgesehen, dass jede Lichtquelle 12 eine eigene Stromregelung SR aufweist. Zur Regelung des Stroms IB kann beispielsweise über den Vorwiderstand R ein Spannungsabfall UI(IB) als Strom-Istgröße IB_ist abgegriffen werden und die Versorgungsspannung Uv für die Lichtquelle 12 so eingestellt werden, dass der gewünscht Sollstrom IB_soll fließt.In a preferred embodiment according to 5 it is provided that each light source 12 has its own current control SR. To control the current I B , a voltage drop U I (I B ) can be tapped off as the actual current variable I B_actual via the series resistor R, for example, and the supply voltage Uv for the light source 12 can be adjusted so that the desired target current I B_soll flows.

Durch dieses Vorgehen wird sichergestellt, dass jede Lichtquelle 12 an ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden kann.This procedure ensures that each light source 12 can be operated at its optimum operating point.

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 light sources 12 .

6 zeigt einen Aufbau zur Durchführung einer Stromregelung und einer zusätzlichen Spannungsregelung die beispielsweise im Ausführungsbeispiel gemäß 5 zum Einsatz kommen könnte. Zur Strom- und Spannungsversorgung der Lichtquelle 12 ist eine regelbare Spannungsquelle 130 vorgesehen, die anhand von ermittelten Strom- und Spannungswerten durch einen Controller 140 angesteuert wird. Kathodenseitig der Lichtquelle 12 ist ein Schalter 120 vorgesehen, der ausgehend vom Modulationssignal der Modulationssignalquelle bzw. des Modulators 30 oder Phasenschiebers 35 angesteuert wird. Die Modulationssignalquelle 30, 35 stellt zudem ein Hüllkurvensignal PulsH der Modulation für den Controller 140 zur Verfügung. 6 shows a structure for carrying out a current regulation and an additional voltage regulation, for example in the exemplary embodiment according to FIG 5 could be used. A controllable voltage source 130 is provided for supplying current and voltage to the light source 12 and is controlled by a controller 140 on the basis of current and voltage values determined. A switch 120 is provided on the cathode side of the light source 12 and is controlled on the basis of the modulation signal of the modulation signal source or of the modulator 30 or phase shifter 35 . The modulation signal source 30, 35 also provides an envelope signal pulse H of the modulation for the controller 140.

Der zur Lichtquelle 12 fließende mittlere Strom I B wird über einen Spannungsabfall eines Messwiderstands R ermittelt und über einen Differenzverstärker 110 dem Controller 140 als Strom-Signal UI zugeführt. Abhängig von der Größe des Widerstands R und der Verstärkung des Differenzverstärkers 110 ergibt sich ein Istwert mit der Einheit Ampere pro Volt [A/V].The average current flowing to the light source 12 I B is determined via a voltage drop in a measuring resistor R and fed to the controller 140 as a current signal U I via a differential amplifier 110 . Depending on the size of the resistor R and the amplification of the differential amplifier 110, an actual value with the unit ampere per volt [A/V] results.

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 I B des durch die Lichtquelle 12 fließenden Stroms IB abgreifbar ist.The controller 140 also detects the supply voltage Uv present at the output of the controllable voltage source 130 . The voltage U V can be measured either before or after the resistor R. The time window for current regulation is determined by the Pulse H envelope. For the measurement, the current I B flowing through the light source 12 is averaged or smoothed by the capacitor C, so that an average electricity I B of the current I B flowing through the light source 12 can be tapped.

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 I B zur Lichtquelle 12 zu regeln. Die RegelgrößeI B wird über den Widerstand R und Differenzverstärker 110 dem Controller 140 als Strom-Istwert I B_ist bzw. Stromsignal-Istwert UI(I B_ist ) [A/V] zur Verfügung gestellt. Der Controller 140 dient als Regler und generiert aus dem Strom-Istwert I B _ist und einer vorzugsweise im Controller 140 hinterlegten Führungsgröße bzw. Sollwert I B_soll eine Steuergröße (UPWM) für den Spannungsregler 130, um den mittleren Strom I B über die Versorgungsspannung Uv als Stellgröße zu regeln.In the current control mode, it is intended to use the average current flow I B to regulate the light source 12. The control variable I B is via the resistor R and differential amplifier 110 to the controller 140 as the actual current value I Are you or current signal actual value U I ( I Are you ) [A/V] provided. The controller 140 serves as a regulator and generates from the actual current value I B _is and a reference variable or setpoint value that is preferably stored in the controller 140 I B_set a control variable (U PWM ) for the voltage regulator 130 to the mean current I B to be controlled via the supply voltage Uv as a manipulated variable.

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 light source 12 is kept constant. For regulation, the controller 140 detects the supply voltage Uv present at the voltage source 130 or alternatively the supply voltage Uv present at the light source 12 as a controlled variable or actual voltage value U V_actual . According to the invention, the supply voltage U V_end,n that is present at the end of the preceding current regulation is used as the command variable or setpoint value. The controller 140 generates a control variable (U PWM ) for the voltage regulator 130 from the present desired and actual values in order to regulate the supply voltage Uv to the desired value.

In 7 sind in drei Zeitdiagrammen die vorgenannten Regelungen im Detail beschrieben. Wie im ersten Diagramm gezeigt, wird ausgehend von Signalen der Modulationssignalquelle 30,35 dem Controller 140 eine Modulationshüllkurve PulsH zur Verfügung gestellt. Der Beginn der Modulationsphase Mein und das Ende der Modulationsphase Maus können beispielsweise durch die ansteigende und abfallende Flanke der Modulationshüllkurve PulsH erkannt werden.In 7 the aforementioned regulations are described in detail in three time diagrams. As shown in the first diagram, a modulation envelope curve pulse H is made available to the controller 140 based on signals from the modulation signal source 30 , 35 . The beginning of the modulation phase Mein and the end of the modulation phase Maus can be recognized, for example, by the rising and falling flanks of the Pulse H modulation envelope.

Im zweiten Diagramm ist ein Zeitverlauf des mittleren Stroms I B zur Beleuchtungsquelle 12 gezeigt. Wie beschrieben wird der mittlere Strom I B während der Modulationsphasen auf seine Sollwert I B _soll konstant gehalten. Zwischen den Modulationsphasen n ist der Schalter 120 geöffnet und es fließt kein Strom. Grundsätzlich könnte der Beginn Mein und das Ende Maus einer Modulationsphase n auch an den Flanken des mittleren Stromsignals ermittelt werden.In the second graph is a time course of the mean current I B to illumination source 12 is shown. As described, the mean current I B to its setpoint during the modulation phases I B _should be kept constant. The switch 120 is open between the modulation phases n and no current flows. In principle, the beginning Mein and the end Maus of a modulation phase n could also be determined at the flanks of the mean current signal.

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 light source 12 .

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 I B durch Verändern der Versorgungsspannung Uv. Die Veränderungen der Stellgröße aufgrund der Regeleingriffe sind schematisch dargestellt.The mean current is regulated as described I B by changing the supply voltage Uv. The changes in the manipulated variable due to the control interventions are shown schematically.

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 lighting 12 can be dynamically adapted to thermal and/or electrical changes in the lighting 12 .

8 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau mit der vorgenannten Strom- und Spannungsregelung. Jeder Beleuchtungsstrompfad weist zumindest eine Lichtquelle 12, einen Vorwiderstand R und eine regelbare Spannungsquelle 130 auf. Die im jeden Strompfad anliegende Spannung Uv und der fließende Strom IB bzw. UI(IB) wird von einem Controller 140, den alle Strompfade gemeinsam nutzen, erfasst. Zur Regelung des Stroms IB und der Versorgungsspannung Uv generiert der Controller 140 für jeden Spannungsregler 130 eine eigene Steuergröße UPWM, um den Strom IB bzw. die Spannung Uv auf ihre Ist-Werte zu regeln. 8th shows a structure according to the invention with the aforementioned current and voltage regulation. Each lighting current path has at least one light source 12, a series resistor R and an adjustable voltage source 130. The voltage Uv present in each current path and the current I B or U I (I B ) flowing is detected by a controller 140 which all current paths use jointly. To regulate the current I B and the supply voltage Uv, the controller 140 generates a separate control variable U PWM for each voltage regulator 130 in order to regulate the current I B and the voltage Uv to their actual values.

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

Claims (8)

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. Beleuchtung nach Anspruch 1, bei dem die Beleuchtung einen gemeinsamen Controller (140) für alle Strompfade der Lichtquellen (12) aufweist, wobei der Controller (140) einen Strom (IB) in jedem Strompfad erfasst und durch Einstellen der regelbaren Spannungsquellen (130) die Versorgungsspannung (Uv) derart einstellt, dass der Strom (IB) auf einen für jeden Strompfad vorgegebenen Ist-Strom (IB_ist) geregelt wird.lighting after claim 1 , in which the lighting has a common controller (140) for all current paths of the light sources (12), the controller (140) detecting a current (I B ) in each current path and by adjusting the controllable voltage sources (130) the supply voltage (Uv ) is adjusted in such a way that the current (I B ) is regulated to an actual current (I B_ist ) specified for each current path. Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtung (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche, bei der die Beleuchtung (10) einen Controller (140) und in jedem Strompfad eine modulierbare Lichtquelle (12), eine regelbare Spannungsquelle (130), eine Spannungsmessung und eine Strommessung (110) aufweist, - bei dem die Lichtquellen (12) in einer Modulationsphase (n) über einen gemeinsamen Schalter (S) mit mehreren Pulsen moduliert werden, - bei dem der Controller (140) in den Modulationsphasen (n) ausgehend von den Strommessungen (110) den zu den jeweiligen Lichtquellen (12) fließenden mittleren Strom (I B ) durch Verändern der Versorgungsspannung (UVn) auf einen mittleren Sollstrom (I B_soll ) einstellt, - bei dem die Stromregelung in den Modulationsphasen (n) mit einer Start-Stellgröße (UV_start,n) beginnt, die als Spannungsendwert (UV_end,n-1) am Ende der Stromregelung der vorhergehenden Modulationsphase (n-1) anlag.Method for operating lighting (10) according to one of the preceding claims, in which the lighting (10) has a controller (140) and in each current path a modulatable light source (12), a controllable voltage source (130), a voltage measurement and a current measurement ( 110), - in which the light sources (12) are modulated in a modulation phase (n) via a common switch (S) with a plurality of pulses, - in which the controller (140) in the modulation phases (n) based on the current measurements ( 110) the average current ( I B ) by changing the supply voltage (U Vn ) to an average target current ( I B_set ) is set, - in which the current control in the modulation phases (n) begins with a start manipulated variable (U V_start,n ) which, as a final voltage value (U V_end,n-1 ) at the end of the current control of the preceding modulation phase (n-1) system Verfahren nach Anspruch 3, bei dem nach Beendigung der Modulationsphase (n) eine Spannungsregelung auf den Spannungsendwert (UV_end,n) erfolgt, der am Ende der Modulationsphase (n) anlag.procedure after claim 3 , in which, after the end of the modulation phase (n), the voltage is regulated to the final voltage value (U V_end,n ), which was present at the end of the modulation phase (n). Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, bei dem in Abhängigkeit eines Ein- und Ausschaltsignals (Mein, Maus) zwischen Strom- und Spannungsregelung umgeschaltet wird.procedure after claim 3 or 4 , which switches between current and voltage control depending on an on/off signal (my, mouse). Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem die Ein- und Ausschaltsignale (Mein, Maus) ausgehend von einer ansteigenden und absteigenden Schaltflanke des Hüllkurvensignals (PulsH) bestimmt werden.Procedure according to one of claims 3 until 5 , in which the switch-on and switch-off signals (Mein, Maus) are determined based on a rising and falling switching edge of the envelope signal (pulse H ). Beleuchtung, die zur Durchführung eines der Verfahren gemäß Anspruch 3 bis 6 ausgebildet ist.Lighting required to carry out any of the procedures referred to claim 3 until 6 is trained. Lichtlaufzeitkamerasystem mit einer Beleuchtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2 und 7.Time-of-flight camera system with lighting according to one of Claims 1 until 2 and 7 .
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