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Die Erfindung befasst sich mit einer Distanzmessvorrichtung nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Derartige Distanzmessvorrichtungen betreffen insbesondere alle Lichtlaufzeit- bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme mit aktiver Beleuchtung, besonders bevorzugt lassen sich PMD-Kameras, wie sie aus der
DE 197 04 496 A1 bekannt sind, einsetzen. Derartige Kameras erlauben 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.
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Aus der
DE 10 2017 207 317 A1 ist weiterhin ein SPAD-Entfernungsmesssystem bekannt, bei dem ein Sender mehrere Lichtpulse mit einer vorgegeben Pulsdauer. aussendet und der SPAD-Empfänger die von einem Objekt reflektierten Lichtpulse empfängt und Detektionssignal erzeugt. Eine Auswertevorrichtung ermittelt ausgehend von der Anzahl der ausgesendet Lichtpulse und ausgehend von den Detektionssignalen Wahrscheinlichkeitswerte für mehrere Zeitfenster mit einer jeweiligen Zeitdauer gleich der Pulsdauer.
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Die
EP 3 171 199 A1 zeigt eine Sensoranordnung zur Bestimmung einer Lichtlaufzeit, mit einem Emitter zur Aussendung von Lichtpulsen bzw. Taktsignalen und eine Demodulator zum Empfang der ausgesendeten Lichtpulse. Ferner wird ein zweites Taktsignal ausgesendet, das eine Phasendifferenz in Bezug auf das erste Taktsignal aufweist. Aus der Phasendifferenz wird eine Lichtlaufzeit bestimmt.
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Die
DE 10 2010 003 843 A1 zeit eine Messvorrichtung zur Entfernungsmessung, bei der ein Sendesignal während verschiedener Teilmessungen ausgesendet wird. Die Empfangseinrichtung ist als SPAD ausgebildet. Das Sendesignal wird bezogen auf ein unverschobenes Signal während der einzelnen Teilmessungen sukzessive in seiner Phase verschoben. Während vorgegebener Abtastzeitfenstern werden die Detektionssignale zugeordneten Zählern zugeleitet. Eine Zuordnung der Zähler zu den Abtastfenstern kann zwischen den einzelnen Teilmessungen variieren. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass Hintergrundlicht homogen über alle Zähler verteilt wird, wohingegen das Sendesignal nur in spezifischen Zählern akkumuliert wird.
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Messfehler aufgrund ungleicher zeitlicher Breiten der Abtastzeitfenster oder aufgrund unterschiedlicher Messempfindlichkeit innerhalb verschiedener Abtastzeitfenster können hierdurch minimiert werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
- 2 schematisch zwei mögliche Varianten eines Pixel-Layouts,
- 3 ein erfindungsgemäßes Verfahren.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der
DE 197 04 496 A1 bekannt ist.
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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.
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Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf. 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.
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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.
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Erfindungsgemäß wird das von der Lichtquelle 12 ausgesendete Licht (Sp1) an einer Szenerie 28 reflektiert und das reflektierte Licht (Sp2) von der Empfangseinheit 20 empfangen.
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2 zeigt schematisch zwei mögliche Varianten für das Layout eines Pixels (30). Das Pixel enthält einen lichtaktiven Bereich (50), in dem ankommende Photonen in elektrische Ladung umgewandelt werden.
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In (A) kann diese Ladung je nach Schaltung des Pixels in einen der Integrationsknoten G1 (41) oder G2 (42) oder in den Drain-Knoten 40 bzw. Verwerfknoten 40 geleitet werden, wie beispielsweise in
DE 10 2019 100 460 A1 beschrieben. Während die Ladung der Integrationsknoten ausgelesen werden kann, wird die Ladung in dem Drain-Knoten 40 verworfen.
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In (B) kann die durch die Photonen erzeugte Ladung je nach Schaltung des Pixels in einen der vier Integrationsknoten G1 (41), G2 (42), G3 (43), oder G4 (44) geleitet werden.
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Die Erfindung verwendet eine periodische Wiederholung von mindestens drei zeitlich aufeinanderfolgenden Integrationsfenstern für den Sensor, zusammen mit einem einzelnen emittierten Lichtpuls während dieses Wiederholungszyklus. Hierbei ist keines der Integrationsfenster a priori der Hintergrundlichtmessung gewidmet, diese Entscheidung wird während des Processings getroffen.
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Dadurch können alle Paare von aufeinanderfolgenden Integrationsfenstern (einschließlich dem letzten und dem ersten des nächsten Zyklus) für die Distanzbestimmung verwendet werden, wodurch der Messbereich erweitert werden kann.
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Herkömmlicherweise sendet ein Emitter einen kurzen Lichtimpuls aus, ein Objekt reflektiert den Lichtimpuls und ein Sensor empfängt den reflektierten Impuls nach einer Laufzeit, die der Entfernung des Objekts entspricht.
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In seiner einfachsten Form ist der Sensor so konfiguriert, dass er zwei zeitlich benachbarte Integrationsfenster (Messfenster) verwendet, während derer die empfangenen und umgewandelten Photonen jeweils auf zwei verschiedene Integrationsknoten geleitet werden. Je größer die Laufzeit des Impulses ist, desto mehr Ladung wird in dem späteren Integrationsfenster akkumuliert. Das Verhältnis dieser Ladungen enthält also Informationen über die Laufzeit des Impulses. Dieser Vorgang wird viele Male wiederholt, um mehr Ladung zu akkumulieren und eine aussagekräftige Auswertung zu ermöglichen. Danach wird der Sensor ausgelesen.
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Ein dediziertes zusätzliches Integrationsfenster vor dem Aussenden jedes Pulses (wodurch dieses so weit wie möglich vom vorherigen Puls entfernt ist) enthält Informationen über das Hintergrundlicht, dessen Signal von dem Signal der beiden anderen Messfenster abgezogen werden muss, um konsistente Ergebnisse zu ermöglichen.
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Zwischen dem letzten Messfenster und dem Hintergrundlichtfenster befindet sich der Sensor typischerweise im Drain-Modus, in dem empfangene Photonen ignoriert und nicht in Ladung umgewandelt werden.
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Es gibt mehrere Erweiterungen, bei denen mehr als zwei Messfenster verwendet werden.
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Eine weitere Erweiterung verwendet wie üblich zwei Messfenster, fertigt jedoch mehrere Messungen an, in denen mehrere zeitlich leicht verschobenen Pulse ausgesendet werden, die wesentlich kürzer als die Messfenster sind, so dass bei genau einer der Messungen der Puls beide Messfenster abdeckt. Je kürzer der Puls ist, desto genauer wird dann die Distanzmessung.
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Die vorgestellte Idee verwendet einen Emitter, der periodisch Lichtpulse der Dauer T0 und einer Periodendauer Tr = n·T0 (wobei n ≥ 3) aussendet, und einen Empfänger mit mindestens zwei Integrationsknoten, die es ermöglichen, empfangene Photonen zeitabhängig in Signale umzuwandeln. Die Messung wird so angelegt, dass n zeitlich nebeneinanderliegende Integrationsfenster W1, ..., Wn der Dauer T0 eine Periode abdecken und die Signale der in diesen Integrationsfernstern ankommenden Photonen unterschieden werden können. 3 illustriert dies für den Fall n = 4.
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Zu jeder gegebenen Zeit ist genau ein Integrationsfenster aktiv. Das wird vorzugsweise mit einem Sensor mit n verschiedenen Integrationsknoten ermöglicht. In diesem Fall gibt es keinen Drain-Knoten, das gesamte empfangene Licht wird in Signal umgewandelt und kein Licht wird verschwendet.
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Für eine komplette Aufnahme (R) wird diese Sequenz (W1, ..., Wn) der Periodendauer Tr = n·T0 so lange wiederholt, bis eine Integrationszeit ti erreicht ist, bei der ein ausreichend großes Signal eine sinnvolle Auswertung sicherstellt - so wie bei ähnlichen Messungen dieser Art üblich. Danach werden die Signale (S1, ..., Sn) der n Integrationsfenster ausgelesen und an eine Recheneinheit übergeben.
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Dieses Schema kann auch mit anderen Sensor-Architekturen erreicht werden als mit n Integrationsknoten. Wenn der Sensor zum Beispiel zwei Integrationsknoten aufweist, kann man n aufeinanderfolgende Aufnahmen (R1, ..., Rn) anfertigen, wobei bei der i-ten Aufnahme (Ri) während des Integrationsfensters Wi der erste Integrationsknoten aktiv ist und während des Rests der Periodendauer der zweite Integrationsknoten. Die Signale S1, ..., Sn sind dann die Signale in den ersten Integrationsknoten der jeweiligen Aufnahme R1, ..., Rn.
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Alternativ kann man n - 1 aufeinanderfolgende Aufnahmen (R1, ..., Rn-1) anfertigen, wobei bei der i-ten Aufnahme der erste Integrationsknoten während des Integrationsfensters Wi aktiv ist und das Signal Si liefert und der zweite Integrationsknoten während des Rests der Periodendauer aktiv ist und das Signal Si liefert. Dann ist es möglich, das Signal Sn des fehlenden Integrationsfensters Wn aus den anderen Aufnahmen zu erschließen. Hierbei ist Sn dann das Signal des insgesamt empfangenen Lichts Stot abzüglich der Signale S1, ..., Sn-1, wobei Stot z.B. über Summe der Signale aus erstem und zweiten Integrationsknoten, Si + S 1, für eine beliebige der n - 1 Aufnahmen, bestimmt werden kann.
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Alternativ kann der Sensor z.B. auch zwei Integrationsknoten und einen Drain- bzw. Verwerfknoten aufweisen. In diesem Fall ist z.B. eine Messung mit n = 4 Integrationsfenstern (Wi) durch zwei Aufnahmen möglich. Hierbei ist in der ersten Aufnahme während Integrationsfenster W1 der Integrationsknoten G1 aktiv, während Integrationsfenster W2 der Integrationsknoten G2, und während des Rests der Periodendauer der Drain-Knoten. In der zweiten Aufnahme ist während Integrationsfenster W3 der Integrationsknoten G1 aktiv, während Integrationsfenster W4 der Integrationsknoten G2, und während des Rests der Periodendauer der Drain-Knoten.
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Um eine präzise Distanzmessung zu ermöglichen, muss das Signal des Hintergrundlichts bekannt sein. Bei der Pulsed ToF Methode nach Stand der Technik wird hierfür ein dediziertes Hintergrundlichtfenster vor der Aussendung jedes Pulses verwendet, mit den oben erwähnten Erweiterungen. Typischerweise folgt dieses Hintergrundlichtfenster einem Drain-Fenster, in dem ankommende Photonen nicht berücksichtigt werden.
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In der vorliegenden Erfindung ist a priori nicht festgelegt, welches der Signale S1, ..., Sn das Hintergrundlicht-Signal ist. Da die Dauer eines Lichtpulses (T0) der Dauer der Integrationsfenster (W1, ..., Wn) entspricht, kann ein Lichtpuls höchstens zwei der n ≥ 3 Integrationsfenster abdecken. Das bedeutet, dass in einer idealen Messung mindestens ein Integrationsfenster ausschließlich Hintergrundlicht enthält.
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In einer tatsächlichen Messung ist die Form des Lichtpulses und die der Integrationsfenster nicht unbedingt rechteckig, sondern etwas verschliffen. Außerdem ist es aufgrund von Limitierungen des Systems selten möglich, dass Lichtpuls und Integrationsfenster exakt die gleiche Dauer haben. Falls eine hohe Genauigkeit notwendig ist, werden daher vorzugsweise n ≥ 4 Integrationsfenster verwendet, um sicherzustellen, dass mindestens ein Integrationsfenster nur Hintergrundlicht enthält.
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Für die Auswertung ist es notwendig zu bestimmen, welches der Integrationsfenster (W1, ..., Wn) mit dem empfangenen Lichtpuls überlappt und welches keinen Überlapp mit dem Lichtpuls hat und daher nur Hintergrundlicht enthält.
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Dafür sind verschiedene Strategien möglich. Um zu bestimmen, welche Integrationsfenster mit dem Lichtpuls überlappen, kann man annehmen, dass diese zeitlich benachbart sind ([W1,W2], [W2,W3], ..., [Wn-1,Wn], [Wn,W1]). Man kann also die Summe aller entsprechender Signalpaare bestimmen (S1+S2, S2+S3, ..., Sn-1+Sn, Sn+S1) und das Paar mit dem größten Wert wählen. Eine Alternative ist, das Integrationsfenster mit dem größten Signal Sk auszuwählen und eines seiner benachbarten Fenster (Wk-1 oder Wk+1), abhängig davon, welches das größere Signal hat (Sk-1 oder Sk+1). Hierbei setzen wir Sn+1 = S1 und S0 = Sn, um eine einfachere Notation zu ermöglichen. Wir bezeichnen die Integrationsfenster, die mit dem Lichtpuls überlappen mit [WO1, WO2] und die entsprechenden Signale mit SO1 und SO2.
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Auch um das Hintergrundlicht-Signal zu bestimmen, gibt es im Sinne der Erfindung mehrere Möglichkeiten. Z.B. kann man das Signal des Integrationsfensters mit dem kleinsten Signal verwenden, oder das Signal des Integrationsfensters, das zeitlich am weitesten entfernt ist von den Integrationsfenstern [WO1, WO2], die mit dem empfangenen Puls überlappen. Eine weitere Alternative wäre, die Signale aller Integrationsfenster zu mitteln, die nicht mit dem Puls überlappen. Wir bezeichnen das Hintergrundlicht-Signal als SB.
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Die Lichtlaufzeit ToF kann, z.B., bestimmt werden über die Formel:
wobei i
O1 der Index des früheren Integrationsfensters W
O1 ist. Damit kann die Distanz D abgeschätzt werden:
wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.
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Es gilt zu verstehen, dass diese Distanzabschätzung weiter verbessert werden kann, z.B. indem man systematische Fehler korrigiert, die aus Abweichungen von idealisierten Signalformen entstehen.
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Das System im Sinne der Erfindung ist so eingerichtet, dass alle Signale periodisch mit einer Periodendauer von T
r sind. Daher ist es nicht möglich, Objekte zu unterscheiden, deren Distanzen Lichtlaufzeiten ToF bzw. ToF + m·T
r entsprechen, für beliebige ganze Zahlen m. Wenn z.B. die Periodendauer T
r einer Entfernung von 1m entspricht, dann sind Distanzen von z.B. 0.1m, 1.1m, 2.1m, 3.1m, ... ununterscheidbar. Die Entfernung, der T
r entspricht, wird gewöhnlicherweise als Eindeutigkeitsbereich oder unambiguous ränge, UR, bezeichnet:
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Dieses Problem kann vorteilhafter Weise dadurch gelöst werden, dass man mehrere (M) Messungen wie oben beschrieben anfertigt, jedoch jede mit einer anderen Periodendauer Tr, und somit mit anderem Eindeutigkeitsbereich UR. Jede dieser Messungen liefert daher verschiedene mögliche Distanzen und es kann diejenige Distanz ausgewählt werden, die am konsistentesten mit allen Messungen ist.
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Um effizient die korrekte Distanz zu bestimmen, kann der Chinesische Restsatz verwendet werden. Dieser bietet eine allgemeine Möglichkeit, eine Zahl D zu bestimmen, wenn D
1, ..., D
M bekannt sind, mit
für vorher festgelegte UR
1, ..., UR
M. Der Eindeutigkeitsbereich des resultierenden Wertes D ist das kleinste gemeinsame Vielfache von UR
1, ..., UR
M.
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In der
DE 10 2018 104 668 B4 wird im Zusammenhang mit indirekten time-of-flight eine fortgeschrittenere Methode aufgezeigt, die angewandt werden kann, wenn die Unsicherheiten (zu erwartendes Rauschen) der Messungen D
1, ..., D
M bekannt sind.