DE102019124141A1 - Time-of-flight camera system - Google Patents

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Abstract

Lichtlaufzeitkamerasystem mi einer Beleuchtung aus mehreren modulierbaren Einzelemittern, wobei die Emitter einzeln oder in Gruppen einschaltbar sindTime-of-flight camera system with lighting from several modulatable individual emitters, whereby the emitters can be switched on individually or in groups

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a time-of-flight camera system and a method for operating such a system according to the preamble of the independent claims.

Mit Lichtlaufzeitkamerasystem sollen hier insbesondere Systeme umfasst sein, die Entfernungen direkt aus der Lichtlaufzeit ermitteln oder die Lichtlaufzeit aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in der DE 197 04 496 A1 beschrieben und beispielsweise von der Firma ‚ifm electronic GmbH‘ oder ‚pmdtechnologies ag‘ als O3D-Kamera bzw. als CamBoard 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.The time-of-flight camera system should in particular include systems that determine distances directly from the time of flight or obtain the time of flight from the phase shift of an emitted and received radiation. PMD cameras with photonic mixer detectors (PMD) are particularly suitable as the time of flight or 3D cameras, as they are, inter alia, in FIG DE 197 04 496 A1 and can be obtained, for example, from the company 'ifm electronic GmbH' or 'pmdtechnologies ag' as an O3D camera or as a CamBoard. The PMD camera allows, in particular, a flexible arrangement of the light source and the detector, which can be arranged both in a housing and separately.

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 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 from an object is also known. In particular, it is disclosed to shift the transmitter modulation in a targeted manner by 90 °, 180 ° or 270 ° in order to determine a phase shift and thus a distance from these four phase measurements via an arctan function.

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 das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem und Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object is achieved in an advantageous manner by the time-of-flight camera system and method according to the preamble of the independent claims.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below on the basis of exemplary embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen:

  • 1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
  • 2 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger,
  • 3 einen Querschnitt durch einen PMD-Lichtlaufzeitsensor mit Potentialverteilung,
  • 4 einen zeitlichen Verlauf der Integrationsspannungen an einem Lichtlaufzeitpixel,
  • 5 Verläufe der Ladungsintegration abhängig von der Phasenverschiebung und -lage,
  • 6 eine Relation der Phasenverschiebung in einem IQ-Diagramm,
  • 7 einen Modulationsverlauf über vier Phasenlagen,
  • 8 ein erfindungsgemäßes Punktemuster.
Show it:
  • 1 schematically a time-of-flight camera system,
  • 2 a modulated integration of generated charge carriers,
  • 3 a cross section through a PMD time-of-flight sensor with potential distribution,
  • 4th a temporal course of the integration voltages at a light transit time pixel,
  • 5 Course of the charge integration depending on the phase shift and position,
  • 6th a relation of the phase shift in an IQ diagram,
  • 7th a modulation curve over four phase positions,
  • 8th a pattern of dots according to the invention.

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, as it is, for example, from FIG 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 a lighting module 10 with a lighting 12th and associated beam-shaping optics 15 and a receiving unit or time-of-flight camera 20th with a receiving optics 25 and a time of flight sensor 22nd .

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 22nd 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 in order to improve the imaging properties. The beam-shaping optics 15 of the transmission unit 10 can for example be designed as a reflector or lens optics. In a very simple embodiment, it is also possible, if necessary, to dispense with optical elements on both the receiving and transmitting sides.

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

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

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 device 27 that, depending on the measurement task at hand, the phase position ( φ var the modulation signal Mon changed and / or via a frequency oscillator 38 sets the modulation frequency.

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.As an illumination source or light source 12th Infrared light-emitting diodes are preferably suitable. Of course, other radiation sources in other frequency ranges are 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 schematically shown in 2 shown. The upper curve shows the time course of the modulation signal M 0 with which the lighting 12th and the time of flight sensor 22nd can be controlled. That from the object 40 reflected light hits as a received signal S p2 phase-shifted according to its time of flight t L Δφ (t L ) on the time of flight sensor 22nd . The time of flight sensor 22nd collects the photonically generated charges q over several modulation periods in the phase position of the modulation signal Mon in a first accumulation gate Ga and in a phase position M 0 + 180 ° shifted by 180 ° in a second accumulation gate Gb . From the ratio of those in the first and second gate Ga , Gb collected charges qa, qb can be the phase shift Δφ (t L ) and thus a distance d of the object.

3 zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel eines Photomischdetektors wie er beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist. Die Modulationsphotogates Gam, G0, Gbm bilden den lichtsensitiven Bereich eines PMD-Pixels. Entsprechend der an den Modulationsgates Gam, G0, Gbm angelegten Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate bzw. Integrationsknoten Ga, Gb gelenkt. Die Integrationsknoten können als Gate oder auch als Diode ausgebildet sein. 3 shows a cross section through a pixel of a photonic mixer such as that from FIG DE 197 04 496 C2 is known. The modulation photogates Gam, G0, Gbm form the light-sensitive area of a PMD pixel. In accordance with the voltage applied to the modulation gates Gam, G0, Gbm, the photonically generated charges q become either one or the other of the accumulation gate or integration node Ga , Gb steered. The integration nodes can be designed as a gate or also as a diode.

3b zeigt einen Potenzialverlauf, bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Integrationskonten Ga abfliesen, während das Potenzial gemäß 3c die Ladung q in Richtung des zweiten Integrationsknoten Gb fließen lässt. Die Potenziale werden entsprechend der anliegenden Modulationssignale vorgegeben. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 100 MHz. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt. 3b shows a potential curve in which the charges q in the direction of the first integration account Ga tile while the potential according to 3c the charge q in the direction of the second integration node Gb lets flow. The potentials are specified according to the applied modulation signals. Depending on the application, the modulation frequencies are preferably in a range from 1 to 100 MHz. A modulation frequency of 1 MHz, for example, results in a period of one microsecond, so that the modulation potential changes accordingly every 500 nanoseconds.

In 3a ist ferner eine Ausleseeinheit 400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten PMD-Lichtlaufzeitsensors sein kann. Die als Kapazitäten bzw. Dioden ausgebildeten Integrationsknoten Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Gates Ga, Gb anliegende Spannung beispielsweise über die Ausleseeinheit 400 hochohmig abgegriffen werden. Die Integrationszeiten sind vorzugsweise so zu wählen, dass für die zu erwartende Lichtmenge der Lichtlaufzeitsensor bzw. die Integrationsknoten und/oder die lichtsensitiven Bereiche nicht in Sättigung geraten.In 3a is also a readout unit 400 shown, which can possibly already be part of a PMD time-of-flight sensor designed as CMOS. The integration nodes designed as capacitors or diodes Ga , Gb integrate the photonically generated charges over a large number of modulation periods. In a known manner, they can then be sent to the gates Ga , Gb applied voltage, for example via the readout unit 400 can be tapped at high resistance. The integration times should preferably be selected so that the time-of-flight sensor or the integration nodes and / or the light-sensitive areas do not become saturated for the amount of light to be expected.

In 4 ist ein typischer zeitlicher Verlauf der an den Integrationsknoten Ga, Gb während einer Phasenmessung anliegenden Spannung Ua , Ub . Ausgehend von einer nach einem Reset an den Integrationsknoten anliegenden positiven Resetspannung UDRS fällt die Spannung aufgrund der akkumulierten Photoelektronen an beiden Integrationsknoten Ga, Gb ab. Entsprechend der Phasenverschiebung Δφ(tL) des empfangenen Signals fallen die Spannungen an den Integrationsknoten Ga, Gb unterschiedlich stark ab. Zum Ende der Integrationszeit tint wird die an den Integrationsknoten Ga, Gb anliegenden Spannung Ua , Ub ausgelesen. Die Spannungsdifferenz ΔU der beiden Spannungen Ua , Ub entspricht in bekannter Weise der Differenz Δq der an den Integrationsknoten Ga, Gb akkumulierten Ladung q. Die Integrationszeit tint ist vorzugsweise so bemessen, dass kein Integrationsknoten Ga, Gb bei einer üblichen Belichtung sein Sättigungspotential Us erreicht. Für größere Signalstärken kann auch eine so genannte SBI-Schaltung zur Signalkompensation vorgesehen sein. Derartige Schaltungen sind beispielsweise aus der DE 10 2004 016 626 A1 oder DE 10 2005 056 774 A1 bekannt.In 4th is a typical time course of the at the integration nodes Ga , Gb voltage present during a phase measurement U a , U b . Starting from a positive reset voltage U DRS applied to the integration node after a reset, the voltage drops due to the accumulated photoelectrons at both integration nodes Ga , Gb from. According to the phase shift Δφ (t L ) of the received signal, the voltages at the integration node drop Ga , Gb to different degrees. At the end of the integration time t int , the at the integration node Ga , Gb applied voltage U a , U b read out. The voltage difference ΔU of the two tensions U a , U b corresponds to the difference in a known manner Δq the one at the integration node Ga , Gb accumulated charge q. The integration time t int is preferably dimensioned so that there is no integration node Ga , Gb reached its saturation potential Us in a conventional exposure. A so-called SBI circuit for signal compensation can also be provided for greater signal strengths. Such circuits are for example from the DE 10 2004 016 626 A1 or DE 10 2005 056 774 A1 known.

5a und 5b zeigen Verläufe der normierten Ladungsdifferenz Δq = qa - qb / (qa + qb) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung Δφ(tL) des empfangenen Lichtsignals Sp2 mit unterschiedlichen Phasenlagen. Die 5a zeigt einen Verlauf für eine unverschobene Modulationsphase Mo mit einer Phasenlage (φvar = 0°. 5a and 5b show curves of the normalized charge difference Δq = q a - q b / (q a + q b ) as a function of the phase shift Δφ (t L ) of the received light signal S p2 with different phase positions. The 5a shows a curve for an unshifted modulation phase Mon with a phase position (φ var = 0 °.

Bei einem Auftreffen des Signals Sp2 ohne Phasenverschiebung also Δφ(tL) = 0°, beispielsweise, wenn das Sendesignal Sp1 direkt auf den Sensor gelenkt wird, sind die Phasen der Modulation M0 und vom empfangenen Signal Sp2 identisch, so dass alle erzeugten Ladungsträger phasensynchron am ersten Integrationsknoten Ga erfasst werden und somit ein maximales Differenzsignal mit Δq = 1 anliegt.When the signal hits S p2 without phase shift so Δφ (t L ) = 0 °, for example when the transmission signal S p1 is steered directly onto the sensor, the phases of the modulation are M 0 and from the received signal S p2 identical, so that all charge carriers generated are phase-synchronized at the first integration node Ga are detected and thus a maximum difference signal with Δq = 1 is present.

Mit zunehmender Phasenverschiebung nimmt die am ersten Integrationsknoten Ga akkumulierte Ladung ab und am zweiten Integrationsknoten Gb zu. Bei einer Phasenverschiebung von Δφ(tL) = 90° sind die Ladungsträger qa, qb an beiden Integrationsknoten Ga, Gb gleich verteilt und die Ladungsdifferenz somit Null und nach 180° Phasenverschiebung „-1“. Mit weiter zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Gate Ga wieder zu, so dass im Ergebnis die Ladungsdifferenz wieder ansteigt, um dann bei 360° bzw. 0° wieder ein Maximum zu erreichen.As the phase shift increases, the one at the first integration node increases Ga accumulated charge from and at the second integration node Gb to. With a phase shift of Δφ (t L ) = 90 °, the charge carriers qa, qb are at both integration nodes Ga , Gb evenly distributed and the charge difference thus zero and after 180 ° phase shift "-1". As the phase shift increases, the charge on the first gate increases Ga closes again, so that as a result the charge difference increases again in order to then reach a maximum again at 360 ° or 0 °.

Mathematisch handelt es sich hierbei um eine Korrelationsfunktion des empfangenen Signals Sp2 mit dem modulierenden Signal M0. q ( τ ) = 0 S p 2 ( t τ ) M 0 ( t ) d t

Figure DE102019124141A1_0001
Mathematically, this is a correlation function of the received signal S p2 with the modulating signal M 0 . q ( τ ) = 0 S. p 2 ( t - τ ) M. 0 ( t ) d t
Figure DE102019124141A1_0001

Bei einer Modulation mit einem Rechtecksignal ergibt sich wie bereits dargestellt als Korrelationsfunktion eine Dreiecksfunktion. Bei einer Modulation mit beispielsweise einem Sinussignal wäre das Ergebnis eine Kosinusfunktion.In the case of modulation with a square-wave signal, a triangular function results as the correlation function. In the case of modulation with a sine signal, for example, the result would be a cosine function.

Wie 5a zeigt, ist eine Messung der Phase mit einer Phasenlage nur bis zu einer Phasenverschiebung Δφ(tL) ≤ 180° eindeutig.How 5a shows, a measurement of the phase with a phase position is only unambiguous up to a phase shift Δφ (t L ) ≤ 180 °.

Zur maximalen Erfassung der Phasenverschiebung ist beispielsweise das IQ(Inphase-Quadratur) Verfahren bekannt, bei dem zwei Messungen mit um 90° verschobenen Phasenlagen durchgeführt werden, also beispielsweise mit der Phasenlage φvar = 0° und (φvar = 90°. Das Ergebnis einer Messung mit der Phasenlage (φvar = 90° ist in 5b dargestellt.The IQ (in-phase quadrature) method is known for maximum detection of the phase shift, in which two measurements are carried out with phase positions shifted by 90 °, for example with the phase position φ var = 0 ° and (φ var = 90 ° a measurement with the phase position (φ var = 90 ° is in 5b shown.

Die Beziehung dieser beiden Kurven lässt sich in bekannter Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm gem. 6 darstellen. In erster Näherung ist diese Darstellung ohne weiteres auch für die dargestellten Dreiecksfunktionen anwendbar.The relationship between these two curves can be shown in a known manner, for example, for sinusoidal curves in an IQ diagram according to FIG. 6th represent. As a first approximation, this representation can also easily be used for the triangular functions shown.

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

Figure DE102019124141A1_0002
The phase angle can then be determined in a known way using an arctan function or arctan2 function: φ = a r c t a n Δ q ( 90 ) Δ q ( 0 )
Figure DE102019124141A1_0002

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

Figure DE102019124141A1_0003
Due to the linear relationship between charge and voltage, the phase angle can also be determined using the voltage differences: φ = a r c t a n Δ U ( 90 ) Δ U ( 0 )
Figure DE102019124141A1_0003

Um beispielsweise Asymmetrien des Sensors zu kompensieren, können zusätzliche um 180° verschobene Phasenmessungen durchgeführt werden, so dass sich im Ergebnis der Phasenwinkel wie folgt bestimmen lässt. φ = Δ φ ( t L ) = a r c t a n Δ q ( 90 ) Δ q ( 270 ) Δ q ( 0 ) Δ q ( 180 )

Figure DE102019124141A1_0004
In order to compensate for asymmetries of the sensor, for example, additional phase measurements shifted by 180 ° can be carried out so that the phase angle can be determined as follows. φ = Δ φ ( t L. ) = a r c t a n Δ q ( 90 ) - Δ q ( 270 ) Δ q ( 0 ) - Δ q ( 180 )
Figure DE102019124141A1_0004

Oder verkürzt formuliert: φ = Δ φ ( t L ) = a r c t a n a 2 a 4 a 1 a 3

Figure DE102019124141A1_0005
Wobei die Indizes die jeweilige Phasenlage der Differenzen ai andeuten, mit a 1 = Δ q ( 0 )  usw .
Figure DE102019124141A1_0006
Or in short: φ = Δ φ ( t L. ) = a r c t a n a 2 - a 4th a 1 - a 3
Figure DE102019124141A1_0005
Whereby the indices indicate the respective phase position of the differences a i , with a 1 = Δ q ( 0 ) etc .
Figure DE102019124141A1_0006

Aus der Phasenverschiebung φ bzw. Δφ(tL) lassen sich für Objektabstände d, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge λ der Modulationsfrequenz d ≤ λ/2, in bekannter Weise ein Abstand bestimmen. d = Δ φ ( t L ) λ 2 π 1 2

Figure DE102019124141A1_0007
From the phase shift φ or. Δφ (t L ) can be used for object distances d , which are smaller than half the wavelength λ of the modulation frequency d ≤ λ / 2, determine a distance in a known manner. d = Δ φ ( t L. ) λ 2 π 1 2
Figure DE102019124141A1_0007

In 7 ist ein vollständiger Satz einer Entfernungsmessung mit vier Phasenlagen von 0°, 90°, 180° und 270° dargestellt. Im dargestellten Fall werden Ladungsträger jeweils über Modulationsperioden integriert und in jeder Phasenlage ein der Ladungsdifferenz entsprechender Wert a1, a2, a3, a4 ausgelesen, woraus sich wie bereits dargestellt eine Phasenverschiebung und ein entsprechender Entfernungswert ermitteln lässt.In 7th a complete set of a distance measurement with four phase positions of 0 °, 90 °, 180 ° and 270 ° is shown. In the case shown, charge carriers are integrated via modulation periods and a value a 1 , a 2 , a 3 , a 4 corresponding to the charge difference is read out in each phase position, from which, as already shown, a phase shift and a corresponding distance value can be determined.

In bisherigen ToF Systemen wird der 4 Phasen Algorithmus verwendet, um innerhalb eines Eindeutigkeitsbereichs die Phasenlage zu bestimmen. Bei diesem Algorithmus werden vier Stützstellen, die äquidistant im Eindeutigkeitsbereich von 0 bis 2π mit gleicher Modulationsfrequenz ermittelt und anschließend die Phasenlage der Grundwelle, die durch diese Stützstellen verläuft, berechnet. Der Eindeutigkeitsbereich wird durch einen Transformationsfaktor vom Bogenmaß in eine Distanz überführt.In previous ToF systems, the 4-phase algorithm is used to determine the phase position within a range of unambiguity. With this algorithm, four support points are determined, which are equidistant in the uniqueness range from 0 to 2π with the same modulation frequency, and then the phase position of the fundamental wave, which runs through these support points, is calculated. The uniqueness area is converted from radians to a distance by a transformation factor.

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

Der Verlauf der Korrelationsfunktion bei einer Verwendung von rechteckförmigen Modulationssignalen ergibt wie gezeigt einen dreieckförmigen Verlauf der Korrelationsfunktion. In 8 sind zwei Korrelationen für unterschiedliche Frequenzen gezeigt. Die Funktion ist über der Distanz gezeichnet, um die Eindeutigkeitsbereiche und deren Wiederholung sichtbar darzustellen. Durch das Verhältnis der gewählten Modulationsfrequenzen (30MHz / 15 MHz) ist der Eindeutigkeitsbereich der maximalen Frequenz halb so groß, wie der der niedrigeren Frequenz.The course of the correlation function when using rectangular modulation signals results, as shown, in a triangular course of the correlation function. In 8th two correlations are shown for different frequencies. The function is drawn over the distance in order to show clearly the areas of uniqueness and their repetition. Due to the ratio of the selected modulation frequencies (30MHz / 15 MHz), the uniqueness of the maximum frequency is half as large as that of the lower frequency.

Aktuell werden bei vielen ToF-Kameras, welche nach dem Phasen-ToF Verfahren arbeiten (z.B. PMD-Kameras) Szenerien komplett beleuchtet, d.h. FoV (field of view) ist nahezu identisch mit dem Fol (field of illumination).Currently, with many ToF cameras that work according to the phase ToF method (e.g. PMD cameras), scenes are completely illuminated, i.e. FoV (field of view) is almost identical to the Fol (field of illumination).

Zum Ausgleich von Objektivvignettierung, Messabständen etc. wird desöfteren eine Beleuchtung mit erhöhten Intensitäten am Bildrand benutztTo compensate for lens vignetting, measuring distances, etc., lighting with increased intensities at the edge of the image is often used

Bei der vollständigen Beleuchtung ergeben sich folgende Probleme, welche mittels der neuen Idee vermindert bzw. gelöst werden können:

  • - Übersprechen von verschiedenen Bildteilen auf jedes Pixel bedingt durch Streulicht in der Empfangsoptik (Schmutz, Kratzer), Reflexen am Sensor oder an Linsen (Beschichtungen nicht Perfekt bzw. keine 100%ige Absorption im Sensor) etc.; d.h. die Abstandsinformationen eines nahen und eines fernen Objekts überlagert sich und kann sogar dominant werden, z.B. nahes weißes Objekt (oder sogar Retroreflektor) verursacht Streulicht auf Bildbereichen, welche in der Szene weit weg und/oder nur schwach reflektierend sind. Hier kann das Streusignal sogar größer sein, als das eigentliche Messsignal.
  • - Übersprechen/Überlagerung von verschiedenen Beleuchtungsanteilen schon in der Szene, d.h. ein Bildpunkt wird in der Szene sowohl direkt von der Beleuchtung der ToF Kamera beleuchtet, als auch indirekt via eines Reflexes (z.B. direkt auf Wand vs. Erst auf Fensterscheibe und dann auf Wand)
  • - Übersprechen/Überlagerung von Beleuchtungsanteilen aus der Messszene (rücklaufendes Licht) und direktem Licht aus dem Sender (hinlaufendes Licht), z.B. wenn Senderstrahlung in Empfangsweg hineingekoppelt wird, etwa bei gemeinsam genutztem Fenster für Sende und Empfangsweg. Hier kann Senderlicht in das Fenster eingekoppelt werden (Schmutz, Kratzer etc.) und aus demselben Grund vor dem Objektiv wieder ausgekoppelt werden
  • - Begrenzte Messreichweite aufgrund von:
    • o limitierter Versorgungs- oder Kühlleistung der Beleuchtung
    • o Problemen mit Augen- oder Hautsicherheit, siehe Normen/Gesetze:
      • IEC60825-1:2007, IEC60825-1:2014, OStrV-Gesetz, RICHTLINIE 2006/25/EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES vom 5. April 2006, IEC62471
The following problems arise with complete lighting, which can be reduced or solved with the new idea:
  • - Crosstalk from different parts of the image on each pixel caused by stray light in the receiving optics (dirt, scratches), reflections on the sensor or on lenses (coatings not perfect or not 100% absorption in the sensor) etc .; ie the distance information of a near and a distant object is superimposed and can even become dominant, eg a near white object (or even retroreflector) causes scattered light on image areas which are far away in the scene and / or only weakly reflective. Here the scatter signal can even be larger than the actual measurement signal.
  • - Crosstalk / superimposition of different lighting components already in the scene, i.e. a pixel in the scene is illuminated both directly by the lighting of the ToF camera and indirectly via a reflex (e.g. directly on the wall vs. first on the window pane and then on the wall)
  • - Crosstalk / superimposition of lighting components from the measurement scene (returning light) and direct light from the transmitter (incoming light), e.g. when transmitter radiation is coupled into the receiving path, e.g. when a window is shared for the sending and receiving path. Here, transmitter light can be coupled into the window (dirt, scratches, etc.) and, for the same reason, coupled out again in front of the lens
  • - Limited measuring range due to:
    • o Limited supply or cooling capacity of the lighting
    • o Problems with eye or skin safety, see standards / laws:
      • IEC60825-1: 2007, IEC60825-1: 2014, OStrV law, DIRECTIVE 2006/25 / EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL of April 5, 2006, IEC62471

Beleuchtung mit Punktlichtmuster anstelle homogenem Lichtprofil (Licht jeweils zeitlich moduliert, so dass ToF Messung möglich ist).Illumination with point light patterns instead of a homogeneous light profile (light modulated in time so that ToF measurement is possible).

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, mittels einem schaltbaren Emitters bzw. einem scannenden Punktlichtmuster die Auflösung eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu steigern.According to the invention, it is proposed to increase the resolution of a time-of-flight camera system by means of a switchable emitter or a scanning point light pattern.

Kerngedanke der Erfindung ist: die „Schärfe“ bzw. Bildpunktanzahl nicht durch den Sensor oder die Empfangsoptik selbst vorzugeben, sondern durch die Beleuchtung in Form von Lichtpunktarrays. Zudem kann die genaue Ausrichtung eines jeden Lichtpunktes durch Auswertung der Signalintensität auf benachbarten Pixeln (Subpixelabtastung) ermittelt werden.The core idea of the invention is: the "sharpness" or the number of pixels is not specified by the sensor or the receiving optics themselves, but by the lighting in the form of light point arrays. In addition, the exact alignment of each light point can be determined by evaluating the signal intensity on neighboring pixels (subpixel scanning).

Dabei kann man entweder Sender mit mehr Lichtpunkten als Empfängerpixelzahl verwenden, oder aber Sender mit weniger Lichtpunkten als Empfängerpixelanzahl - dafür aber mit einer Scannereinheit - verwenden.You can either use transmitters with more points of light as the number of receiver pixels, or transmitters with fewer points of light as the number of receiver pixels - but with a scanner unit.

Bei Sendern mit mehr Lichtpunkten als die Empfängerpixelanzahl ist erreicht man die Auflösungserhöhung, in dem die Lichtpunkte in Gruppen schaltbar sind, z.B. nur jeder n-te Emitter pro Zeile und jede n-te Spalte leuchtet. Durch sequentielles Aufnehmen, indem die einzelnen Gruppen nacheinander eingeschaltet werden, kann das finale Bild zusammengesetzt werden.For transmitters with more light points than the number of receiver pixels, the increase in resolution is achieved by switching the light points in groups, e.g. only every nth emitter per row and every nth column lights up. The final image can be put together by sequential recording by switching on the individual groups one after the other.

Bei Sendern mit weniger Lichtpunkten als der Empfängerpixelanzahl, dafür aber mit Scanner/Optik, so dass das Punktemuster ausgerichtet werden kann, kann das finale Bild wieder mittels sequentieller Aufnahmen, indem jeweils pro Scanner/Optikstellung eine Aufnahme erfolgt, das finale Bild zusammengesetzt werden.In the case of transmitters with fewer light points than the number of receiver pixels, but with a scanner / optics so that the point pattern can be aligned, the final image can again be put together by means of sequential recordings, in which one record is made for each scanner / lens position.

Zahl der effektiven Messpunkte = Zahl der Senderpunkte x Zahl der Scannerstellungen.Number of effective measuring points = number of transmitter points x number of scanner positions.

Ferner Streifen- oder Musterbeleuchtung (z.B. gepunktete Beleuchtungslinie), welche in nur 1 Richtung bewegt wird; dann kann man via Subpixelauflösungsauswertung in einer Richtung die Auflösung steigern; Vorzugsweise wird das Muster senkrecht zur Ausrichtung des Lichtstreifens/Lichtpunktmuster bewegt.Furthermore, strip or pattern lighting (e.g. dotted lighting line), which is moved in only 1 direction; then one can increase the resolution in one direction via subpixel resolution evaluation; The pattern is preferably moved perpendicular to the alignment of the light strip / light point pattern.

Das Lichtpunktmuster kann auch aus einer oder mehreren Quellen und zusätzlichen Optiken erzeugt werden, wie etwa holographisch optischen Elementen (HOE), diffraktiven optischen Elementen (DOE), „engineered“ Diffusem, Spiegelarrays, Mikrospiegelarrays (DMD) etc.The light point pattern can also be generated from one or more sources and additional optics, such as holographic optical elements (HOE), diffractive optical elements (DOE), "engineered" diffusers, mirror arrays, micromirror arrays (DMD), etc.

Folgende Ausgestaltungen sind denkbar:

  • Ein ToF-Kamerasystem mit einer Beleuchtung aus vielen modulierten Einzelemittern, wobei die Emitter einzeln oder in Gruppen eingeschaltet werden können, , wobei die einzelnen Emitter monolithisch (z.B. VCSEL-Array) oder aus diskreten Einzelemittern oder aus einer Anordnung von Emitterarrays zusammengesetzt sind.
The following configurations are conceivable:
  • A ToF camera system with lighting consisting of many modulated individual emitters, whereby the emitters can be switched on individually or in groups, whereby the individual emitters are monolithic (e.g. VCSEL array) or composed of discrete individual emitters or an arrangement of emitter arrays.

Ferner wird die genaue Ausrichtung der Emissionsrichtung der Einzelemitter anhand der Signalintensitäten benachbarter Pixel ermittelt.Furthermore, the exact alignment of the emission direction of the individual emitters is determined on the basis of the signal intensities of neighboring pixels.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Gesamtzahl der Einzelemitter größer ist als die Anzahl der Empfängerpixel.It is also provided that the total number of individual emitters is greater than the number of receiver pixels.

Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Gesamtzahl der Einzelemitter geringer ist als die Anzahl der Empfängerpixel (bis hinunter zu einem Emitter) und eine Einheit zur Ausrichtung der Lichtpunkte (Scanner) zum Einsatz kommt.It is preferably provided that the total number of individual emitters is less than the number of receiver pixels (down to one emitter) and a unit for aligning the light points (scanner) is used.

Ferner sind sind jeweils nur ein Teil der Emitter eingeschaltetFurthermore, only some of the emitters are switched on

Weiterhin kann das finale Bild aus mehreren Einzelaufnahmen aufgebaubt sein - bei welchen jeweils andere Emitter eingeschaltet werden und/oder aber die Lichtpunktausrichtung mittels einer Einheit (Scanner) neu ausgerichtet wird - zusammengesetzt wird.Furthermore, the final image can be built up from several individual images - in each of which other emitters are switched on and / or the light point alignment is realigned by means of a unit (scanner) - is put together.

Ferner lässt sich die Ausrichtung der Einzellichtpunkte aufgrund eines Intensitätsvergleiches benachbarter Empfängerpixel bestimmen.Furthermore, the alignment of the individual light points can be determined on the basis of an intensity comparison of neighboring receiver pixels.

Weiterhin ist es vorgesehen, dass das Lichtpunktmuster mittels eines oder mehrerer Emitter, sowie Zusatzoptiken erzeugt wird, welche die Zahl der Lichtpunkte erhöht.Furthermore, it is provided that the light point pattern is generated by means of one or more emitters, as well as additional optics, which increase the number of light points.

8 zeicht Links oben: beispielhaftes Emitterarray, welches in 9 Gruppen schaltbar ist. Immer nur die Emitter mit derselben Nummer werden zeitgleich aktiviert 8th shows at the top left: exemplary emitter array, which can be switched into 9 groups. Only the emitters with the same number are activated at the same time

Rechts: Beleuchtungsmuster in der Szene, wenn nur die Gruppe der Emitter mit „1“ eingeschaltet wirdRight: lighting pattern in the scene if only the group of emitters is switched on with "1"

Links unten: Lage der abgebildeten Lichtpunkte auf einem Detektor mit 7x4 Pixeln; wenn die Größe der abgebildeten Lichtpunkte (inkl. Unschärfe des Objektivs) größer als der Pixelpitch ist, so kann man über einen Intensitätsvergleich die Lage der Lichtpunkte in der Szene mittels Subpixelauflösung bestimmen. Obwohl der Empfängerchip nur 7x4 Pixel hat kann man durch sequentielle Aufnahme dennoch eine Auflösung von 9x6 erreichen.Bottom left: Position of the light points shown on a detector with 7x4 pixels; If the size of the depicted points of light (including the blurring of the lens) is larger than the pixel pitch, the position of the points of light in the scene can be determined by means of an intensity comparison using subpixel resolution. Although the receiver chip only has 7x4 pixels, a resolution of 9x6 can still be achieved through sequential recording.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
LichtlaufzeitkamerasystemTime-of-flight camera system
1010
BeleuchtungsmodulLighting module
1212th
Beleuchtunglighting
2020th
Empfänger, LichtlaufzeitkameraReceiver, time-of-flight camera
2222nd
LichtlaufzeitsensorTime of flight sensor
2727
AuswerteeinheitEvaluation unit
3030th
Modulatormodulator
3535
Phasenschieber, BeleuchtungsphasenschieberPhase shifter, lighting phase shifter
3838
ModulationssteuergerätModulation controller
4040
Objektobject
400400
AuswerteeinheitEvaluation unit
φ, Δφ(tL)φ, Δφ (t L )
laufzeitbedingte Phasenverschiebungphase shift due to runtime
φvar φ var
PhasenlagePhasing
φ0 φ 0
BasisphaseBase phase
MoMon
ModulationssignalModulation signal
p1p1
erste Phasefirst phase
p2p2
zweite Phasesecond phase
Sp1Sp1
Sendesignal mit erster PhaseTransmission signal with first phase
Sp2Sp2
Empfangssignal mit zweiter PhaseReceived signal with second phase
Ga, GbGa, Gb
IntegrationsknotenIntegration node
Ua, ÜbUa, ex
Spannungen an den IntegrationsknotenTensions at the integration nodes
ΔUΔU
SpannungsdifferenzVoltage difference
ΔqΔq
LadungsdifferenzCharge difference
dd
ObjektdistanzObject distance

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 19704496 A1 [0002, 0003, 0009]DE 19704496 A1 [0002, 0003, 0009]
  • DE 19704496 C2 [0017]DE 19704496 C2 [0017]
  • DE 102004016626 A1 [0020]DE 102004016626 A1 [0020]
  • DE 102005056774 A1 [0020]DE 102005056774 A1 [0020]

Claims (8)

Lichtlaufzeitkamerasystem mi einer Beleuchtung aus mehreren modulierbaren Einzelemittern, wobei die Emitter einzeln oder in Gruppen einschaltbar sind.Time-of-flight camera system with lighting from several modulatable individual emitters, whereby the emitters can be switched on individually or in groups. Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 1, bei dem die genaue Ausrichtung der Emissionsrichtung der Einzelemitter anhand der Signalintensitäten benachbarter Pixel ermittelt wird.Time-of-flight camera system according to Claim 1 , in which the exact alignment of the emission direction of the individual emitters is determined based on the signal intensities of neighboring pixels. Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gesamtzahl der Einzelemitter größer ist als die Anzahl der Empfängerpixel.Time-of-flight camera system according to one of the preceding claims, in which the total number of individual emitters is greater than the number of receiver pixels. Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gesamtzahl der Einzelemitter geringer ist als die Anzahl der Empfängerpixel (bis hinunter zu einem Emitter) und eine Einheit zur Ausrichtung der Lichtpunkte (Scanner) zum Einsatz kommt.Time-of-flight camera system according to one of the preceding claims, in which the total number of individual emitters is less than the number of receiver pixels (down to one emitter) and a unit for aligning the light points (scanner) is used. Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Emitter teilweise einschaltbar sindTime-of-flight camera system according to one of the preceding claims, in which the emitters can be partially switched on Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das finale Bild aus mehreren Einzelaufnahmen aufgebaut ist, wobei für jede Einzelaufnahme unterschiedliche Emitter einschaltbar sind.Time-of-flight camera system according to one of the preceding claims, in which the final image is made up of several individual images, with different emitters being able to be switched on for each individual image. Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Ausrichtung der Einzellichtpunkte anhand eines Intensitätsvergleichs benachbarter Empfangspixel ermittelbar ist.Time-of-flight camera system according to one of the preceding claims, in which an alignment of the individual light points can be determined on the basis of an intensity comparison of neighboring receiving pixels. Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Lichtpunktmuster mittels eines oder mehrerer Emitter, sowie Zusatzoptiken erzeugt wird, welche die Zahl der Lichtpunkte erhöht.Time-of-flight camera system according to one of the preceding claims, in which the light point pattern is generated by means of one or more emitters and additional optics which increase the number of light points.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016124594A1 (en) * 2016-12-16 2018-06-21 Jena-Optronik Gmbh Method for detecting a 3D scene using a LIDAR system and LIDAR system for this purpose
US20190094346A1 (en) * 2017-09-25 2019-03-28 Hexagon Technology Center Gmbh Multi-beam laser scanner

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