DE102018131580B4 - Time-of-flight distance measuring system and method for operating such a system - Google Patents
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Abstract
Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystem (28) mit einer Beleuchtung (14) zur Aussendung und einem Lichtlaufzeitsensor (22) zum Empfang modulierten Lichts und mit einem Modulator (30) zur Erzeugung eines Modulationssignals (M0',M0") für die Beleuchtung (14) und den Lichtlaufzeitsensor (22) aus zumindest einer Basis-PN-Folge, wobei die Basis-PN-Folge als eine Maximalfolge zur Selektion eines Distanzbereichs ausgebildet ist,und wobei diese Basis-PN-Folge (44) in Form von Sub-Bitfolgen (46, 48), die sich aus einer Substitutionsregel ergeben, an die Beleuchtung (14) und den Lichtlaufzeitsensor (22) ausgegeben wird,wobei sowohl für die Beleuchtung (14) als auch für den Lichtlaufzeitsensor (22) Sub-Bit-Folgen (46, 48) generiert werden, bei denen eine logische Eins der Basis-PN-Folge (44) durch eine erste Sub-Bit-Folge (46; 48) und eine logische Null der Basis-PN-Folge durch eine zweite Sub-Bit-Folge (48; 46) substituiert wirdund der Lichtlaufzeitsensor (22) als photonischer Mischelemente-Sensor (26) mit Modulationskanälen (A, B) ausgebildet ist,dadurch gekennzeichnet, dasssich die Sub-Bitfolgen (46) für die Beleuchtung (14) einer jeden Basis-PN-Folge von den entsprechenden Sub-Bitfolgen (48) für den Lichtlaufzeitsensor (22) unterscheiden,dass die Sub-Bitfolgen (48) für den photonischen Mischelemente-Sensor (26) derart ausgestaltet sind, dass eine im Wesentlichen symmetrische Verteilung von Ladungsträgern auf die Modulationskanäle (A, B) erfolg,und dass die Sub-Bitfolgen (46) für die Beleuchtung (14) derart ausgestaltet sind, dass die Anzahl der EINS-Bits kleiner als die Anzahl NULL-Bits ist.Time-of-flight distance measuring system (28) with lighting (14) for emitting and a time-of-flight sensor (22) for receiving modulated light and with a modulator (30) for generating a modulation signal (M0', M0") for the lighting (14) and the Light transit time sensor (22) consisting of at least one base PN sequence, the base PN sequence being designed as a maximum sequence for selecting a distance range, and this base PN sequence (44) being in the form of sub-bit sequences (46, 48), which result from a substitution rule, is output to the lighting (14) and the time-of-flight sensor (22), with sub-bit sequences (46, 48) for both the lighting (14) and the time-of-flight sensor (22). ) are generated, in which a logical one of the base PN sequence (44) is represented by a first sub-bit sequence (46; 48) and a logical zero of the base PN sequence is represented by a second sub-bit sequence ( 48; 46) is substituted and the time-of-flight sensor (22) is designed as a photonic mixing element sensor (26) with modulation channels (A, B), characterized in that the sub-bit sequences (46) for the illumination (14) of each base PN sequence differ from the corresponding sub-bit sequences (48) for the time-of-flight sensor (22) in that the sub-bit sequences (48) for the photonic mixing element sensor (26) are designed in such a way that a substantially symmetrical distribution of charge carriers the modulation channels (A, B) are successful, and that the sub-bit sequences (46) for the lighting (14) are designed such that the number of ONE bits is smaller than the number of ZERO bits.
Description
Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystem, insbesondere Lichtlaufzeitkamerasystem, mit einer Beleuchtung zur Aussendung und einem Lichtlaufzeitsensor zum Empfang modulierten Lichts und mit einem Modulator zur Erzeugung eines Modulationssignals für die Beleuchtung und den Lichtlaufzeitsensor aus zumindest einer Basis-PN-Folge, wobei diese Basis-PN-Folge in Form von Sub-Bitfolgen, die sich gemäß einer Substitutionsregel ergeben, an die Beleuchtung und den Lichtlaufzeitsensor ausgegeben wird. Unter dem Begriff PN-Folge ist in diesem Zusammenhang eine pseudo-zufällige Binärfolge zu verstehen, wobei die Abkürzung PN für Pseudo Noise steht.The invention relates to a time-of-flight distance measuring system, in particular a time-of-flight camera system, with lighting for emitting and a time-of-flight sensor for receiving modulated light and with a modulator for generating a modulation signal for the lighting and the time-of-flight sensor from at least one basic PN sequence, this basic PN sequence. PN sequence in the form of sub-bit sequences, which result according to a substitution rule, is output to the lighting and the time-of-flight sensor. In this context, the term PN sequence means a pseudo-random binary sequence, where the abbreviation PN stands for pseudo noise.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines derartigen Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystems sowie eines entsprechenden Computerprogrammprodukts und einer entsprechenden Verwendung des Verfahrens.The invention further relates to a corresponding method for operating such a time-of-flight distance measuring system as well as a corresponding computer program product and a corresponding use of the method.
Die Verwendung von derartigen pseudo-zufällige Binärfolgen (PN-Folgen) bei Lichtlaufzeit-Messsystemen ist durchaus verbreitet und auch die Substitution einer zugrundeliegenden Basis-PN-Folge mittels Sub-Bitfolgen ist im Zusammenhang mit derartigen Messsystemen hinlänglich bekannt. Die Verwendung von solchen pseudo-zufälligen Binärfolgen, die auch als „Pseudo-Noise Sequences“ bekannt sind, wie beispielsweise „Maximum Length Sequences“ (MLS) so genannte Maximalfolgen und „Barker-Codes“ zur Modulation eines Lichtlaufzeitsensors (Tiefenbildsensors) bieten aufgrund ihrer vorteilhaften Autokorrelationseigenschaften entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Modulationssequenzen in Form von einfach periodischen rechteck- bzw. sinusförmigen Signalfolgen.The use of such pseudo-random binary sequences (PN sequences) in time-of-flight measuring systems is quite common and the substitution of an underlying basic PN sequence using sub-bit sequences is also well known in connection with such measuring systems. Due to their advantageous autocorrelation properties have decisive advantages over conventional modulation sequences in the form of simply periodic rectangular or sinusoidal signal sequences.
Eine direkte bzw. unveränderte Verwendung dieser bekannten PN-Folgen zur Beleuchtungs- und Sensor-Modulation ist jedoch aufgrund der ungleichen Anzahl von logischen „Nullen“ und „Einsen“ für bestimmte Lichtlaufzeit-Messverfahren ungeeignet. Es ergeben sich negative Auswirkungen auf die Messsystem-Performance, insbesondere hinsichtlich des Rauschverhaltens und der Fremdlichtfestigkeit.However, direct or unchanged use of these known PN sequences for lighting and sensor modulation is unsuitable for certain light transit time measurement methods due to the unequal number of logical “zeros” and “ones”. There are negative effects on the measurement system performance, especially with regard to noise behavior and resistance to ambient light.
Aus der
Die
Die
Die
Ein Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystem der eingangs genannten Art ist beispielsweise als Lichtlaufzeitkamerasystem aus der Patentschrift
Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen anzugeben, die es ermöglichen, die Verwendung von PN-Folgen für weitere Lichtlaufzeit-Messsysteme zu ermöglichen.The object of the invention is to provide measures that make it possible to use PN sequences for other time-of-flight measurement systems.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object is achieved according to the invention by the features of the independent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystem mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen ist vorgesehen, dass sich die Sub-Bitfolgen für die Beleuchtung einer jeden Basis-PN-Folge von den entsprechenden Sub-Bitfolgen für den Lichtlaufzeitsensor unterscheiden. Bevorzugt ist das Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystem ein Lichtlaufzeit-Kamerasystem, dessen Lichtlaufzeitsensor bildgebend, also als Lichtlaufzeitkamera ausgestaltet ist.In the light transit time distance measuring system according to the invention with the features mentioned in the preamble of
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß also dadurch gelöst, dass die aus der Substitution resultierende Folge für den Lichtlaufzeitsensor zumindest in gewissem Maße unabhängig von der aus der Substitution resultierende Folge für die Beleuchtung wählbar ist. Dies ermöglicht es, die beiden Folgen nach unterschiedlichen Kriterien zu optimieren.The object is achieved according to the invention in that the sequence resulting from the substitution for the time-of-flight sensor can be selected at least to a certain extent independently of the sequence resulting from the substitution for the lighting. This makes it possible to optimize the two sequences according to different criteria.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden sowohl für die Beleuchtung als auch für den Lichtlaufzeitsensor Sub-Bit-Folgen generiert, bei denen eine logische Eins der Basis-PN-Folge durch eine erste Sub-Bit-Folge und eine logische Null der Basis-PN-Folge durch eine zweite Sub-Bit-Folge substituiert wird. Zumindest eine der beiden Sub-Bitfolgen unterscheiden sich für Beleuchtung und Lichtlaufzeitsensor.According to a preferred embodiment of the invention, sub-bit sequences are generated for both the lighting and the time-of-flight sensor, in which a logical one of the base PN sequence is replaced by a first sub-bit sequence and a logical zero of the base PN sequence is substituted by a second sub-bit sequence. At least one of the two sub-bit sequences differs for the lighting and the time-of-flight sensor.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Lichtlaufzeitsensor als photonischer Mischelemente-Sensor mit Modulationskanälen ausgebildet. PN-Folgen (pseudo-zufälligen Binärfolgen) zur Modulation eines Tiefenbildsensors, der nach dem Prinzip des Photomischelements oder „Photonic Mixer Device“ (PMD) arbeitet, bieten aufgrund ihrer vorteilhaften Autokorrelationseigenschaften entscheidende Vorteile gegenüber herkömmlichen Modulationssequenzen in Form von einfach periodischen rechteck- bzw. sinusförmigen Signalfolgen. Eine direkte bzw. unveränderte Verwendung dieser Sequenzen zur Sensormodulation ist jedoch aufgrund der ungleichen Verteilung von logischen „Nullen“ und „Einsen“ und der daraus resultierenden ungleichmäßigen Ladungsträgerverteilung auf die beiden Modulationskanäle (-gates) des PMD-Tiefenbildsensors ungeeignet. Es ergeben sich negative Auswirkungen auf die Kameraperformance, insbesondere hinsichtlich des Rauschverhaltens und der Fremdlichtfestigkeit, da bei asymmetrischer Modulation Hintergrundlicht ungleich auf die beiden Modulationskanäle (-gates) verteilt und der Distanzmesswert somit verfälscht wird. Dies hat wiederum eine Reduktion des Dynamikbereichs zur Folge. Daher ist für einen solchen photonischer Mischelemente-Sensor vorgesehen, dass die Sub-Bitfolgen derart ausgestaltet sind, dass eine im Wesentlichen symmetrische Verteilung von Ladungsträgern auf die Modulationskanäle erfolgt.According to a further preferred embodiment of the invention, the time of flight sensor is designed as a photonic mixing element sensor with modulation channels. PN sequences (pseudo-random binary sequences) for modulating a depth image sensor, which works according to the principle of the photomixing element or “Photonic Mixer Device” (PMD), offer decisive advantages over conventional modulation sequences in the form of simply periodic rectangular or sinusoidal signal sequences. However, direct or unchanged use of these sequences for sensor modulation is unsuitable due to the uneven distribution of logical “zeros” and “ones” and the resulting uneven distribution of charge carriers on the two modulation channels (gates) of the PMD depth image sensor. There are negative effects on camera performance, especially with regard to noise behavior and resistance to extraneous light, since with asymmetrical modulation, background light is distributed unequally across the two modulation channels (gates) and the distance measurement value is therefore falsified. This in turn results in a reduction in the dynamic range. It is therefore provided for such a photonic mixing element sensor that the sub-bit sequences are designed in such a way that a substantially symmetrical distribution of charge carriers across the modulation channels occurs.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit den im Oberbegriff des Anspruchs 5 genannten Merkmalen ist vorgesehen, dass sich die Sub-Bitfolgen für die Beleuchtung einer jeden Basis-PN-Folge von den entsprechenden Sub-Bitfolgen für den Lichtlaufzeitsensor unterscheiden.In the method according to the invention with the features mentioned in the preamble of
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird sowohl für die Beleuchtung als auch für den Lichtlaufzeitsensor eine logische Eins der Basis-PN-Folge durch eine erste Sub-Bit-Folge und eine logische Null der Basis-PN-Folge durch eine zweite Sub-Bit-Folge substituiert, wobei bei der Folge für den Sensor diese beiden Sub-Bit-Folgen invers zueinander sind.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, a logical one of the base PN sequence is represented by a first sub-bit sequence and a logical zero of the base PN sequence is represented by a second sub-bit for both the lighting and the time-of-flight sensor -Sequence substituted, whereby in the sequence for the sensor these two sub-bit sequences are inverse to each other.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden für eine Lichtlaufzeit-Entfernungsmessung innerhalb eines festgelegten Entfernungsmessbereichs mehrere Einzelmessungen mit einer jeweiligen PN-Folge durchgeführt, wobei die Sub-Bitfolgen variiert werden.According to yet another preferred embodiment of the method according to the invention, several individual measurements are carried out with a respective PN sequence for a light transit time distance measurement within a defined distance measurement range, the sub-bit sequences being varied.
Mit Vorteil ist dabei vorgesehen, dass die Variation der Sub-Bitfolgen durch Verschieben oder Invertieren der Sub-Bitfolgen erfolgt.It is advantageously provided that the sub-bit sequences are varied by shifting or inverting the sub-bit sequences.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Computerprogrammprodukt umfassend Programmteile, die in einem Prozessor einer computerbasierten Systemsteuerung geladen zur Durchführung des vorstehend genannten Verfahrens eingerichtet sind.The invention further relates to a computer program product comprising program parts which are loaded into a processor of a computer-based system control and are set up to carry out the method mentioned above.
Die Erfindung betrifft schließlich auch die Verwendung des vorstehend genannten Verfahrens zur Vermeidung oder zumindest zur Reduktion zumindest eines Störeinflusses beim Betrieb oder bei einer Anwendung des Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystems aus der folgenden Liste:
- (i) Streulicht, welches durch optische Komponenten des Systems eingebracht wird,
- (ii) eines als Multi Path Interference bekannten Effekts der Mehrwegeausbreitung bei der Messung und
- (iii) eines Hintergrund-Signals bei Gesichtserkennungs-Anwendungen.
- (i) scattered light, which is introduced by optical components of the system,
- (ii) an effect of multipath propagation in measurement known as Multi Path Interference and
- (iii) a background signal in facial recognition applications.
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 eine schematische Darstellung eines als Lichtlaufzeitkamerasystem ausgebildeten Lichtlaufzeit-Entfernungsmesssystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, -
2 eine modulierte Integration der erzeugten Ladungsträger, -
3 einen Schnitt durch ein Pixel eines als photonischer Mischelemente-Sensor ausgebildeten Lichtlaufzeitsensors des Lichtlaufzeitkamerasystems, -
4 eine Prinzipdarstellung der Basis PN-Folge (oben), der resultierenden Folge für eine Beleuchtung des Lichtlaufzeitkamerasystems (Mitte) und der resultierenden Folge für einen der Modulationskanäle des photonischen Mischelemente-Sensors (unten), -
5 resultierende Korrelationsfunktionen mehrerer Einzelmessungen bei denen eine Modulationssequenz der Beleuchtung gegenüber einer entsprechenden Modulationssequenz des Lichtlaufzeitsensors gemäß einer ersten Vorschrift variiert werden und -
6 resultierende Korrelationsfunktionen mehrerer Einzelmessungen bei denen eine Modulationssequenz der Beleuchtung gegenüber einer entsprechenden Modulationssequenz des Lichtlaufzeitsensors gemäß einer zweiten Vorschrift variiert werden.
-
1 a schematic representation of a time-of-flight distance measuring system designed as a time-of-flight camera system according to an embodiment of the invention, -
2 a modulated integration of the generated charge carriers, -
3 a section through a pixel of a time-of-flight sensor of the time-of-flight camera system designed as a photonic mixing element sensor, -
4 a schematic representation of the basic PN sequence (top), the resulting sequence for illumination of the time-of-flight camera system (middle) and the resulting sequence for one of the modulation channels of the photonic mixing element sensor (bottom), -
5 resulting correlation functions of several individual measurements in which a modulation sequence of the lighting is varied compared to a corresponding modulation sequence of the time-of-flight sensor according to a first rule and -
6 resulting correlation functions of several individual measurements in which a modulation sequence of the lighting is varied compared to a corresponding modulation sequence of the time-of-flight sensor according to a second rule.
Die
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 Beleuchtung 14 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 mit Modulationssignalen M01, M02 beaufschlagt, die auf gemeinsamen Basis-PN-Folgen beruhen.The measuring principle of this arrangement is essentially based on the fact that the transit time and thus the distance traveled by the received light can be determined based on the phase shift of the emitted and received light. For this purpose, the
Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 28 und der Beleuchtung 14 ein Phasenschieber 32 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals M01 der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.In the example shown, a
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 34 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 M0 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 ist ein Modulationssteuergerät 36 vorgesehen, mit dem die Form und insbesondere Puls und Pausenverhältnisse des Modulationssignals vorgegeben werden. Auch kann über das Modulationssteuergerät 36 der Phasenschieber 32 in Abhängigkeit der durchzuführenden Messaufgabe angesteuert werden.Furthermore, a
Als Beleuchtungs- beziehungsweise Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden sowie -Laserdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.Infrared light-emitting diodes and laser diodes are preferably suitable as the lighting or
Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in
Die
Die in
Mit anderen Worten weist das Lichtlaufzeitpixel 24 des Lichtlaufzeitsensors 22 typischerweise eine erstes und zweites Akkumulationsgate Ga, Gb auf, in denen in Abhängigkeit des Potentialverlaufs im lichtempfindlichen Bereichs die photonisch erzeugten Ladungen q abwechselnd über mehrere Modulationsperioden gesammelt werden. Die in der unverschobenen Phasenlage erzeugten Ladungen q werden im ersten Akkumulationsgate Ga und die in der um 180° verschobenen Phasenlage M0 + 180° im zweiten Akkumulationsgate Gb gesammelt. 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.In other words, the time-of-
Grundsätzlich ist die Anzahl von logischen Einsen einer als Maximalfolge (MLS) bezeichneten pseudo-zufälligen Binärfolge jeweils um Eins größer als die Anzahl logischer Nullen, wobei sie jeweils eine gerade Anzahl von logischen Einsen und die ungerade Anzahl von logischen Nullen aufweist. Bei der direkten Verwendung einer MLS für die Modulation eines PMD-Tiefenbildsensors 26 führt dies prinzipbedingt zu einer ungleichmäßigen Ladungsträgerverteilung auf die beiden Modulationsgates Ga, Gb beziehungsweise Modulationskanäle A, B. Um eine symmetrische Ladungsträgerverteilung zu erzielen und somit MLS für die Modulation eines PMD-Tiefenbildsensors 26 nutzbar zu machen, muss die Anzahl von Einsen und Nullen für die Realisierung der impulsförmigen Autokorrelationseigenschaft identisch sein. Basically, the number of logical ones in a pseudo-random binary sequence called a maximum sequence (MLS) is one greater than the number of logical zeros, each having an even number of logical ones and the odd number of logical zeros. When using an MLS directly for the modulation of a PMD depth image sensor 26, this fundamentally leads to an uneven charge carrier distribution on the two modulation gates Ga, Gb or modulation channels A, B. In order to achieve a symmetrical charge carrier distribution and thus MLS for the modulation of a PMD depth image sensor To make 26 usable, the number of ones and zeros must be identical to realize the pulse-shaped autocorrelation property.
Dieser Ausgleich wird nun durch eine adäquate Substitution der einzelnen Bits der Basis-MLS herbeigeführt.This compensation is now brought about by an adequate substitution of the individual bits of the basic MLS.
Es ergibt sich nun folgendes Vorgehen bezüglich der resultierenden Modulationssignale M0', M0'' für die Beleuchtung 14 und den Lichtlaufzeitsensor 22:
- Ausgehend von einer Basis-PN-Folge, die man auch als Basis-Modulationssignal M0 auffassen kann, wird ein Modulationssignal M0' für die
Beleuchtung 14 und ein Modulationssignal M0" für den Lichtlaufzeitsensor 22 in Form von Sub-Bit-Folgen generiert, wobei sich die Sub-Bitfolgen für dieBeleuchtung 14 einer jeden Basis-PN-Folge von den entsprechenden Sub-Bitfolgen für den Lichtlaufzeitsensor 22 unterscheidet.
- Starting from a basic PN sequence, which can also be interpreted as a basic modulation signal M 0 , a modulation signal M 0 ' for the
lighting 14 and a modulation signal M 0 " for the time-of-flight sensor 22 are generated in the form of sub-bit sequences , whereby the sub-bit sequences for theillumination 14 of each base PN sequence differ from the corresponding sub-bit sequences for the time-of-flight sensor 22.
Die Tabelle 1 zeigt ein besonders einfaches Schema für ein System 28, bei dem der Lichtlaufzeitsensor 22 als photonischer Mischelemente-Sensor 26 ausgebildet ist. Bei diesem Beispiel wird jedes Bit der Basis PN-Folge bei den Modulationssignalen durch ein 2-Bit-Wort ersetzt.
Da eine jede Basis-PN-Folge mindestens eine Null aufweist, bei der sich die Beleuchtungsmodulation von der PMD-Modulation jedes der Modulationskanäle A, B unterscheidet, unterscheiden sich die Sub-Bitfolgen für die Beleuchtung 14 einer jeden Basis-PN-Folge zwingend von den entsprechenden Sub-Bitfolgen für den hier als PMD-Sensor 26 ausgebildeten Lichtlaufzeitsensor 22.Since each basic PN sequence has at least one zero, in which the lighting modulation differs from the PMD modulation of each of the modulation channels A, B, the sub-bit sequences for the
Die Substitution ist selbstverständlich nicht auf 2-Bit-Wort beschränkt, sondern kann auch mehr als 2-Bit, insbesondere auch 4-Bit aufweisen, wie in der nachfolgender Tabelle exemplarisch gezeigt.
Diese Substitution zeichnet sich dadurch aus, dass in der Beleuchtungsmodulation zwei EINSER-Bits vorgesehen und in der Beleuchtungsmodulations nur ein einziges EINS-Bit. Die Postion des gesetzten EINS-Bits ist hierbei beliebig wählbar.This substitution is characterized by the fact that two ONE bits are provided in the lighting modulation and only a single ONE bit in the lighting modulation. The position of the set ONE bit can be chosen arbitrarily.
Vorteilhaft weisen die Sub-Bit-Folgen eine geradzahlige Anzahl von Bits auf. Dabei ist die Anzahl der EINS- und NULL-Bits bei der Sensor- bzw. PMD-Modulation gleich groß. Für die Beleuchtungsmodulation ist es jedoch bevorzugt, die Anzahl der EINS-Bits kleiner als die Anzahl NULL-Bits und insbesondere kleiner als die Anzahl der EINS-Bits der Sensor- bzw. PMD-Modulation zu wählen.The sub-bit sequences advantageously have an even number of bits. The number of ONE and ZERO bits is the same for sensor or PMD modulation. For the lighting modulation, however, it is preferred to select the number of ONE bits smaller than the number of ZERO bits and in particular smaller than the number of ONE bits of the sensor or PMD modulation.
Die
Wie gut in den Abbildungen der
Die
In den
Es ist erkennbar, dass eine sukzessive relative Verschiebung der Modulationssequenzen gegeneinander zu einer sukzessiven Verschiebung des selektiven Distanzmessbereichs führt. Im vorliegenden Beispiel entspricht eine relative Verschiebung der beiden Modulationssequenzen um jeweils einen Puls einer Verschiebung des selektierten Distanzmessbereichs um jeweils 0,75 m. Weiterhin wird ersichtlich, dass die AKF konform der Autokorrelationseigenschaft von MLS nur jeweils innerhalb des selektierten Distanzmessbereichs ein Signal liefert, während sie außerhalb dieses Bereichs den Wert NULL annimmt.It can be seen that a successive relative shift of the modulation sequences relative to one another leads to a successive shift of the selective distance measurement range. In the present example, a relative shift of the two modulation sequences by one pulse each corresponds to one Shifting the selected distance measuring range by 0.75 m. Furthermore, it can be seen that, in accordance with the autocorrelation property of MLS, the AKF only delivers a signal within the selected distance measuring range, while outside of this range it assumes the value ZERO.
Die impulsförmige Autokorrelationsfunktion einer Maximalfolge bietet einerseits die Möglichkeit, den gewünschten Distanzmessbereich präzise einzugrenzen, so dass Objekte, die sich außerhalb dieses selektierten Distanzbereichs befinden nicht erfasst werden. Andererseits lässt sich der Bereich, in dem eine eindeutige Distanzmessung möglich ist (Eindeutigkeitsbereich) durch die Variation der Länge einer MLS praktisch beliebig ausdehnen.On the one hand, the pulse-shaped autocorrelation function of a maximum sequence offers the possibility of precisely limiting the desired distance measurement range so that objects that are outside this selected distance range are not detected. On the other hand, the area in which a clear distance measurement is possible (unique range) can be expanded practically arbitrarily by varying the length of an MLS.
Diese „Ausblendeigenschaft“ bietet vielfältige neue Möglichkeiten und Vorteile gegenüber konventioneller Modulationsschemata, insbesondere:
- Mehrzielfähigkeit, beispielsweise zur Separation von Vorder- und Hintergrund einer Szene.
- Multi-target capability, for example to separate the foreground and background of a scene.
Reduktion von Mischphasen, die beispielsweise auf Mehrwege-Interferenzen oder Streulicht zurückzuführen sind. Durch eine geeignete Konfiguration der Modulationssequenzen lässt sich Streulicht ggf. sogar nahezu komplett eliminieren. Reduction of mixed phases, which can be attributed to multipath interference or scattered light, for example. By appropriately configuring the modulation sequences, scattered light can even be almost completely eliminated.
BezugszeichenReference symbols
- 1010
- LichtlaufzeitkamerasystemTime of flight camera system
- 1212
- BeleuchtungsmodulLighting module
- 1414
- Beleuchtunglighting
- 1616
- StrahlformungsoptikBeam shaping optics
- 1818
- LichtlaufzeitkameraTime of flight camera
- 2020
- Empfangsoptikreceiving optics
- 2222
- LichtlaufzeitsensorTime of flight sensor
- 2424
- LichtlaufzeitpixelLight travel time pixels
- 2626
- Photonischer Mischelemente-SensorPhotonic mixed element sensor
- 2828
- Lichtlaufzeit-EntfernungsmesssystemTime of flight distance measuring system
- 3030
- Modulatormodulator
- 3232
- PhasenschieberPhase shifter
- 3434
- Objektobject
- 3636
- ModulationssteuergerätModulation control unit
- 3838
- SiliziumsubstratSilicon substrate
- 4040
- lichtsensitiver Teillight sensitive part
- 4242
- Isolatorschichtinsulator layer
- 4444
- Basis-PN-FolgeBasic PN sequence
- 4646
- Sub-Bitfolgen für die BeleuchtungSub-bit sequences for lighting
- 4848
- Sub-Bitfolgen für den SensorSub-bit sequences for the sensor
- 5050
- erste Korrelationsfunktionfirst correlation function
- 5252
- zweite Korrelationsfunktionsecond correlation function
- 5454
- dritte Korrelationsfunktionthird correlation function
- 5656
- vierte Korrelationsfunktionfourth correlation function
- dd
- AbstandDistance
- AA
- erster Modulationskanalfirst modulation channel
- Bb
- zweiter Modulationskanalsecond modulation channel
- Δφ(tL)Δφ(tL)
- laufzeitbedingte PhasenverschiebungTransit time-related phase shift
- φvarφvar
- PhasenlagePhase position
- φ0φ0
- BasisphaseBasic phase
- GaGa
- Modulationsgatemodulation gate
- GbGb
- Modulationsgatemodulation gate
- Gaa, Gba, GsepGaa, Gba, Gsep
- weitere Gatesmore gates
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-
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