DE102020133599A1 - Time-of-flight camera system with switchable diffuser - Google Patents

Time-of-flight camera system with switchable diffuser Download PDF

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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 claim 1.

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 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.Time-of-flight camera systems of this type relate in particular to all time-of-flight or 3D-TOF camera systems that obtain transit-time information from the phase shift of an 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 are described. 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.

Weiterhin ist aus der WO 2017/041167 A1 ein Liquid Crystal Strahlformer bekannt, der durch Verändern der angelegten Spannung unterschiedliche Streuwinkel bereitstellt.Furthermore, from the WO 2017/041167 A1 a liquid crystal beam shaper is known, which provides different scattering angles by changing the applied voltage.

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.
They show schematically:
  • 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.

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 Lichtquelle 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 a light source 12 and associated beam-shaping optics 15 and a receiving unit or time-of-flight camera 20 with 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 bzw. Lichtformer 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein.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 or light shaper 15 of the transmission unit 10 can be designed, for example, as a reflector or lens optics.

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 position φ 0 . 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 φ 0 of the modulation signal Mo of the light source 12 can be shifted by defined phase positions φ var . 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 + 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 case shown, this signal S p1 or the electromagnetic radiation is reflected by an object 40 and, due to the distance covered, arrives as a received signal with a phase shift Δφ(t L ) with a second phase position p2=φ 0var +Δφ(t L ). 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.

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 light sources 12 . Of course, other radiation sources and in particular also in other frequency ranges are also conceivable; in particular, light sources in the visible frequency range can also be considered.

Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals M0 mit der die Lichtquelle 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 course over time of the modulation signal M 0 with which the light source 12 and the time-of-flight sensor 22 are controlled. The light reflected by the object 40 strikes as received signal S p2 phase-shifted according to its light propagation time t L Δφ(t L ) to the time-of-flight sensor 22. 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 position M 0 +180° shifted by 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.

Erfindungsgemäß wird, wie in 3 skizziert, ein schaltbarer Diffusor 18 für eine dynamische Beleuchtungssteuerung einer Lichtlaufzeitkamera bzw. Lichtlaufzeitkamerasystem vorgeschlagen.According to the invention, as in 3 outlined, a switchable diffuser 18 for dynamic lighting control of a time-of-flight camera or time-of-flight camera system is proposed.

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 light sources 12 in order to illuminate a scene for an active 3D measuring method. CPCs are mostly used as light shapers 15 for LEDs and DOEs for VCSELs.

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:

  1. a) Nahbereichsausleuchtung: gleichmäßige Ausleuchtung, verteilt in einen möglichst großen Winkelbereich, (auf kurze Entfernungen ist mehr als genug Signal vorhanden, Überbelichtung ist ein größeres Problem).
  2. b) Mitteldistanz: homogene Ausleuchtung im Winkelbereich.
  3. c) Mittenzentriertes Fernfeld: Nur ein innerer Bereich wird ausgeleuchtet, um maximale Reichweite in der Mitte zu ermöglichen.
The light distribution in the scene directly influences the sensitivity and range of the measurement. Depending on the application, different illumination is desired. When there are many possible applications, the choice of illumination is a compromise. Desirable illuminations according to measurement distance and application would be:
  1. 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).
  2. b) middle distance: homogeneous illumination in the angular range.
  3. 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 switchable diffuser 18 is proposed, which is connected downstream of the light source 12 and the beam-shaping optics 15 . According to the invention, the diffuser 18 is controlled in such a way and is constructed in such a way that a scattering angle can be set between non-scattering and scattering in the complete half-space (2π).

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 diffuser 18 is activated to the maximum, so that the emitted light preferably illuminates the entire half-space (2π).

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 switchable diffuser 18, no mechanical moving parts required. The redistribution also improves the luminous efficacy, so that only a small amount of optical power is lost as useful light. The redistribution or the scattering angle of the diffuser 18 can be set statically or dynamically in software. This can, for example, be dynamically controlled as a function of a recognized scene or statically specified for a specific application.

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 diffuser 18 is advantageously designed as an electrically switchable liquid crystal diffuser. A Liquid Crystals are typically long-chain polar molecules that align in an electric field. Depending on the voltage applied, the properties of the liquid crystals can be changed. In particular, the phases and diffusion properties of the liquid crystal arrangement can be changed. The effect of the liquid crystal typically correlates with the order or orientation of the liquid crystal molecules.

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 light sources 12 and/or further lighting modules 10 can also be provided, which each have their own diffusers 18 . Such an arrangement allows an individual adjustment of the scattering angles of the individual light sources 12 and thus also an individual adjustment of the light profile or scattering angle profile emitted by the light sources 12 in their entirety.

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

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  • DE 19704496 A1 [0009]DE 19704496 A1 [0009]

Claims (6)

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 the 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. Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 1, das derart ausgebildet ist, dass der Streuwinkel ausgehend von Tiefeninformationen einer erfassten Szenerie automatisch eingestellt wird.Time-of-flight camera system claim 1 , which is designed in such a way that the scattering angle is automatically adjusted based on depth information of a detected scene. Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Streuwinkel des Diffusors für einen Nahbereich maximal und für einen Fernbereich minimal eingestellt wird.Time-of-flight camera system according to one of the preceding claims, in which the scattering angle of the diffuser is set to a maximum for a close range and to a minimum for a far range. Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtquelle (12) eine Strahlformungsoptik (15) aufweist.Time-of-flight camera system according to one of the preceding claims, in which the light source (12) has beam-shaping optics (15). Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mehreren Lichtquellen (12) wobei jede Lichtquelle (12) einen eigenen Diffusor (18) aufweist, der individuell angesteuert werden kann.Time-of-flight camera system according to one of the preceding claims, with a plurality of light sources (12), each light source (12) having its own diffuser (18) which can be controlled individually. Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das derart ausgestaltet ist, dass durch individuelles Ansteuern der Diffusoren (18) unterschiedliche Strahl- bzw. Streuwinkelprofile einstellbar sind.Time-of-flight camera system according to one of the preceding claims, which is designed in such a way that different beam or scattering angle profiles can be set by individually controlling the diffusers (18).
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