DE102020133599A1 - Time-of-flight camera system with switchable diffuser - Google Patents
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Abstract
Lichtlaufzeitkamerasystem mit einem Beleuchtungsmodul 10 zur Aussendung eines intensitätsmodulierten Lichts und mit einer Empfangseinheit (20) zum Empfang des ausgesendeten und von einer Szenerie reflektierten Lichts,wobei das Lichtlaufzeitkamerasystem zur Entfernungsbestimmung ausgehend von einer Phasenverschiebung des ausgesendeten und empfangenen Lichts ausgebildet ist,wobei das Beleuchtungsmodul (10) einen im Streuverhalten einstellbaren Diffusor (18) aufweist, so dass das Licht einer Lichtquelle (12) des Beleuchtungsmodul (10) mit unterschiedlichen Streuwinkeln aussendbar ist.Time-of-flight camera system with an illumination module 10 for emitting an intensity-modulated light and with a receiving unit (20) for receiving the light emitted and reflected by a scene, the time-of-flight camera system being designed to determine distance based on a phase shift of the emitted and received light, the illumination module (10 ) has a diffuser (18) whose scattering behavior can be adjusted, so that the light from a light source (12) of the lighting module (10) can be emitted with different scattering angles.
Description
Die Erfindung befasst sich mit einem Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 1.The invention relates to a time-of-flight camera system according to
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
Weiterhin ist aus der
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lichtlaufzeitkamerasystem für die Verwendung in unterschiedlichen Entfernungsbereichen zu verbessern.The object of the invention is to improve a time-of-flight camera system for use in different distance ranges.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem des unabhängigen Anspruchs gelöst.The object is advantageously achieved by the time-of-flight camera system according to the invention of the independent claim.
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 schematisch:
-
1 ein Lichtlaufzeitkamerasystem, -
2 eine modulierte Integration fotogenerierter Ladungsträger, -
3 ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitkamerasystem.
-
1 a time-of-flight camera system, -
2 a modulated integration of photogenerated charge carriers, -
3 a time-of-flight camera system 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.
Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Lichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.The time-of-
Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik bzw. Lichtformer 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein.The time-of-
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal Mo mit einer Basisphasenlage φ0 beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals Mo der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.The measuring principle of this arrangement is essentially based on the fact that the propagation time and thus the distance covered by the received light can be determined based on the phase shift of the emitted and received light. For this purpose, the
Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + Δφ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal Mo mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.According to the set modulation signal, the
Als Lichtquellen 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden / -VCSEL. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen und insbesondere auch in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.Infrared light-emitting diodes/VCSELs are preferably suitable as
Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in
Erfindungsgemäß wird, wie in
Um eine Szene für ein aktives 3D Messverfahren auszuleuchten werden als Lichtquellen 12 typischerweise LEDs oder VCSEL verwendet. Als Lichtformer 15 werden meist CPC bei LEDs und DOEs bei VCSEL verwendet.LEDs or VCSELs are typically used as
Die Lichtverteilung in der Szene beeinflusst direkt die Sensitivität und Reichweite der Messung. Entsprechend der Anwendung wird eine unterschiedliche Ausleuchtung gewünscht. Wenn es viele möglich Applikationen gibt, ist die Auswahl der Ausleuchtung ein Kompromiss. Wünschenswerte Ausleuchtungen nach Messentfernung und Applikation wären:
- a) Nahbereichsausleuchtung: gleichmäßige Ausleuchtung, verteilt in einen möglichst großen Winkelbereich, (auf kurze Entfernungen ist mehr als genug Signal vorhanden, Überbelichtung ist ein größeres Problem).
- b) Mitteldistanz: homogene Ausleuchtung im Winkelbereich.
- c) Mittenzentriertes Fernfeld: Nur ein innerer Bereich wird ausgeleuchtet, um maximale Reichweite in der Mitte zu ermöglichen.
- a) Close-range illumination: uniform illumination distributed over as wide an angular range as possible (there is more than enough signal at short distances, overexposure is a bigger problem).
- b) middle distance: homogeneous illumination in the angular range.
- c) Centre-centered far field: Only an inner area is illuminated to allow maximum range in the centre.
Um dies zu ermöglichen wird ein schaltbarer Diffusor 18 vorgeschlagen, der der Lichtquelle 12 und der Strahlformungsoptik 15 nachgeschaltet ist. Der Diffusor 18 wird erfindungsgemäß derart angesteuert und ist derart aufgebaut, dass ein Streuwinkel zwischen nicht streuend bis hin zu streuend in den kompletten Halbraum (2π) einstellbar ist.In order to make this possible, a
Beispielsweise wäre es so möglich, mit deaktiviertem Diffusor einen Fernbereich gemäß Variante c) zu beleuchten, so dass in einem kleinen Winkelbereich die komplette optische Leistung abgegeben wird.For example, it would be possible to illuminate a long-distance area according to variant c) with a deactivated diffuser, so that the complete optical power is emitted in a small angular area.
Für die Nahfeldbeleuchtung gemäß Variante a) wird der Diffusor 18 maximal aktiviert, so dass das emittierte Licht vorzugsweise den kompletten Halbraum (2π) beleuchtet.For the near-field illumination according to variant a), the
Je nach Anforderungen können zudem Zwischenstufen für den mittleren Distanzbereich eingestellt werden. Insbesondere kann die Streuung des Diffusors an den Sichtbereich FOV der Kamera angepasst werden. Dies ist je nach Auslegung kombinierbar mit einem zweiten Engineered Diffusor, der eine Grundausleuchtung macht und eine Veränderung/Verschmierung durch das Schalten eines Diffusors ermöglicht.Depending on the requirements, intermediate levels can also be set for the medium distance range. In particular, the spread of the diffuser can be adjusted to the field of view FOV of the camera. Depending on the design, this can be combined with a second engineered diffuser, which provides basic illumination and enables a change/smearing by switching a diffuser.
Der Hauptvorteil ist die Umverteilung des Lichts durch den schaltbaren Diffusor 18, keine mechanisch zu bewegenden Teile benötigt. Durch die Umverteilung lässt sich zudem die Lichtausbeute verbessern, so dass nur wenig optische Leistung als Nutzlicht verloren geht. Die Umverteilung bzw. die Streuwinkel des Diffusors 18 lassen sich statisch oder dynamisch in einer Software einstellen. Dies kann beispielsweise dynamisch in Abhängigkeit einer erkannten Szene gesteuert oder statisch für eine bestimmte Applikation vorgegeben sein.The main advantage is the redistribution of the light by the
Vorteilhaft ist ein solcher Diffusor 18 als elektrisch schaltbarer liquid crystal Diffusor ausgebildet. Ein Liquid Crystals sind typischerweise langkettige polare Moleküle, die sich in einem elektrischen Feld ausrichten. Je nach angelegter Spannung lassen sich die Eigenschaften der flüssigen Kristalle verändern. Insbesondere können die Phasen und Diffusionseigenschaften der Liquid Crystal - Anordnung verändert werden. Die Wirkung des Liquid Crystal korreliert typischerweise mit der Ordnung bzw. Orientierung der Liquid Crystal Moleküle.Such a
In einer weiteren Ausgestaltung können auch mehrere Lichtquellen 12 und / oder weitere Beleuchtungsmodule 10 vorgesehen sein, die jeweils eigene Diffusoren 18 aufweisen. Ein solche Anordnung erlaubt eine individuelle Anpassung der Streuwinkel der einzelnen Lichtquellen 12 und somit auch eine individuelle Anpassung des von den Lichtquellen 12 in ihrer Gesamtheit ausgestrahltes Lichtprofil bzw. Streuwinkelprofil.In a further configuration, a plurality of
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Lichtlaufzeitkamerasystemtime-of-flight camera system
- 1010
- Beleuchtungsmodullighting module
- 1212
- Beleuchtunglighting
- 1515
- Lichtformer,light shaper,
- 1818
- schaltbarer Diffusorswitchable diffuser
- 2020
- Empfänger, LichtlaufzeitkameraReceiver, time-of-flight camera
- 2222
- Lichtlaufzeitsensortime-of-flight sensor
- 3030
- Modulatormodulator
- 3535
- Phasenschieber, BeleuchtungsphasenschieberPhase shifter, lighting phase shifter
- 4040
- Objektobject
- φ, Δφ(tL)φ, Δφ(tL)
- laufzeitbedingte Phasenverschiebungruntime-related phase shift
- φvarφvar
- Phasenlagephasing
- φ0φ0
- Basisphasebase phase
- MoMon
- Modulationssignalmodulation signal
- 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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 19704496 C2 [0002]DE 19704496 C2 [0002]
- WO 2017/041167 A1 [0003]WO 2017/041167 A1 [0003]
- DE 19704496 A1 [0009]DE 19704496 A1 [0009]
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2020
- 2020-12-15 DE DE102020133599.7A patent/DE102020133599A1/en active Granted
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