DE102023111616A1 - Time-of-flight camera system and method for operating a time-of-flight camera system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit einer Sensorschaltung, die Sensorschaltung umfassend eine Lichtsendeeinheit (12), einen auf dem Lichtlaufzeitverfahren basierenden Photodetektor (102), einen Modulator (30) zum Bereitstellen eines Modulationssignals (M0), eine Steuerschaltung (110), sowie eine Treiberschaltung (104), wobei
- die Treiberschaltung (104) elektrisch mit der Lichtsendeeinheit (12) verbunden ist,
- ein Ausgang der Steuerschaltung (110) elektrisch mit einem Eingang des Photodetektors (102) verbunden ist, und
- ein Modulatorausgang des Modulators (30) mit einem Detektoreingang des Photodetektors (102) und einem Treibereingang (104E) der Treiberschaltung (104) elektrisch verbunden ist.
Die Sensorschaltung umfasst (10) ferner eine Detektionsschaltung (112) zum Detektieren einer Laufzeitverzögerung (PD) des Modulationssignals, wobei die Detektionsschaltung (112) eingangsseitig mit der Treiberschaltung (104) und ausgangsseitig mit der Steuerschaltung (110) elektrisch verbunden ist.
The invention relates to a time-of-flight camera system with a sensor circuit, the sensor circuit comprising a light emitting unit (12), a photodetector (102) based on the time-of-flight method, a modulator (30) for providing a modulation signal (M 0 ), a control circuit (110), and a driver circuit (104), wherein
- the driver circuit (104) is electrically connected to the light emitting unit (12),
- an output of the control circuit (110) is electrically connected to an input of the photodetector (102), and
- a modulator output of the modulator (30) is electrically connected to a detector input of the photodetector (102) and a driver input (104E) of the driver circuit (104).
The sensor circuit (10) further comprises a detection circuit (112) for detecting a propagation delay (PD) of the modulation signal, wherein the detection circuit (112) is electrically connected on the input side to the driver circuit (104) and on the output side to the control circuit (110).
Description
Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit einer Sensorschaltung zum Ermitteln einer Laufzeitverzögerung eines Modulationssignals, sowie in Verfahren zum Betreiben des Lichtlaufzeitkamerasystems.The invention relates to a time-of-flight camera system with a sensor circuit for determining a propagation delay of a modulation signal, as well as to methods for operating the time-of-flight camera system.
Das Lichtlaufzeitkamerasystem betrifft insbesondere Lichtlaufzeitkamerasysteme bzw. TOF(engl.: Time of Flight)-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer von einer Lichtsendeeinheit emittierten und der von einem Photodetektor empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit- bzw. TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Lichtlaufzeitkameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in den Anmeldungen
Zur Bestimmung einer Entfernung aus den Lichtlaufzeitinformationen über die Phasenverschiebung werden üblicherweise die Phasenlage eines Modulationssignal und die Phasenlage der vom Photodetektor detektierten Strahlung miteinander verglichen. Dabei können jedoch leicht Ungenauigkeiten in der Entfernungsmessung aufgrund von Laufzeitverzögerungen des Modulationssignals beim Durchlaufen unterschiedlicher Komponenten der Lichtlaufzeitkamera auftreten. Insbesondere Temperaturdrift, Alterungsprozesse und Streuung im Herstellungsprozess der Bauteile, können zu variablen Laufzeitverzögerungen führen, welche nicht zufriedenstellend durch eine Kalibrierung während der Herstellung der Lichtlaufzeitkamera oder experimentell bestimme Parameter kompensiert werden können. Das Lichtlaufkamerasystem kann einen Photodetektor mit wenigstens einem Lichtlaufzeitpixel, einer Pixel-Zeile, oder einem Pixel-Array umfassen.The time-of-flight camera system relates in particular to time-of-flight camera systems or TOF (time-of-flight) camera systems, which obtain time-of-flight information from the phase shift of radiation emitted by a light emitting unit and received by a photodetector. PMD time-of-flight cameras with photomixing detectors (PMD) are particularly suitable as time-of-flight or TOF cameras, as described in the
To determine a distance from the time of flight information via the phase shift, the phase position of a modulation signal and the phase position of the radiation detected by the photodetector are usually compared. However, inaccuracies in the distance measurement can easily occur due to time delays of the modulation signal when passing through different components of the time of flight camera. In particular, temperature drift, aging processes and scattering in the manufacturing process of the components can lead to variable time of flight delays, which cannot be satisfactorily compensated by calibration during the manufacture of the time of flight camera or experimentally determined parameters. The time of flight camera system can comprise a photodetector with at least one time of flight pixel, a pixel row, or a pixel array.
Aufgabe der Erfindung ist es ein Lichtlaufzeitkamerasystem anzugeben, welches eine hohe Genauigkeit in der Entfernungsmessung ermöglicht und welches nur einen vergleichsweise geringen Messfehler aufgrund von Laufzeitverzögerungen des Modulationssignals aufweist.The object of the invention is to provide a time-of-flight camera system which enables a high accuracy in distance measurement and which has only a comparatively small measurement error due to propagation delays of the modulation signal.
Die Aufgabe wird vorteilhaft durch ein Lichtlaufzeitkamerasystem gemäß der Erfindung gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitkamerasystems.The object is advantageously achieved by a time-of-flight camera system according to the invention. Embodiments of the invention are specified in the subclaims. In a further aspect, the invention relates to a method for operating a time-of-flight camera system according to the invention.
Es wird ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit einer Sensorschaltung angegeben, die Sensorschaltung umfassend eine Lichtsendeeinheit, einen auf dem Lichtlaufzeitverfahren basierenden Photodetektor, einen Modulator zum Bereitstellen eines Modulationssignals, eine Steuerschaltung, sowie eine Treiberschaltung. Dabei ist die Treiberschaltung elektrisch mit der Lichtsendeeinheit verbunden, ein Ausgang der Steuerschaltung elektrisch mit einem Eingang des Photodetektors verbunden, und ein Modulatorausgang des Modulators mit einem Eingang des Photodetektors und einem Treibereingang der Treiberschaltung elektrisch verbunden. Die Sensorschaltung umfasst ferner eine Detektionsschaltung zum Detektieren einer Laufzeitverzögerung des Modulationssignals, wobei die Detektionsschaltung eingangsseitig mit der Treiberschaltung und ausgangsseitig mit der Steuerschaltung elektrisch verbunden ist.A time-of-flight camera system with a sensor circuit is specified, the sensor circuit comprising a light emitting unit, a photodetector based on the time-of-flight method, a modulator for providing a modulation signal, a control circuit, and a driver circuit. The driver circuit is electrically connected to the light emitting unit, an output of the control circuit is electrically connected to an input of the photodetector, and a modulator output of the modulator is electrically connected to an input of the photodetector and a driver input of the driver circuit. The sensor circuit further comprises a detection circuit for detecting a propagation delay of the modulation signal, the detection circuit being electrically connected on the input side to the driver circuit and on the output side to the control circuit.
Vorteilhaft kann somit die tatsächliche Laufzeitverzögerung des Modulationssignals durch die Treiberschaltung gemessen und in der Entfernungsmessung durch die Steuerschaltung entsprechend berücksichtigt werden. Insbesondere können Unterschiede in der Laufzeitverzögerung aufgrund von Temperaturänderungen, der Bauteilstreuung während der Produktion, oder von Alterungsprozessen kompensiert werden. Die Messung der Laufzeitverzögerung kann beispielsweise kontinuierlich oder intervallweise erfolgen.Advantageously, the actual propagation delay of the modulation signal can be measured by the driver circuit and taken into account in the distance measurement by the control circuit. In particular, differences in the propagation delay due to temperature changes, component variation during production, or aging processes can be compensated. The propagation delay can be measured continuously or at intervals, for example.
Die Lichtsendeeinheit kann insbesondere wenigstens eine LED (von englisch: „lightemitting diode“), einen Oberflächenemitter (VCSEL, von englisch: „vertical-cavity surface-emitting laser“), einen Laser oder eine Laserdiode umfassen. Ohne darauf eingeschränkt zu sein, kann die Steuerschaltung als Mikrocontroller (µC) oder als Integrierte Anwendungsspezifische Schaltung (AISIC, von englisch „applicationspecific integrated circuit“) ausgebildet sein. Die Steuerschaltung kann zum Berechnen einer Entfernung eingerichtet sein, wobei die Laufzeitverzögerung berücksichtigt wird. Beispielsweise kann eine entsprechende Firmware auf einem nichtflüchtigen Speicher der Steuerschaltung vorgehalten und durch die Steuerschaltung ausgeführt werden.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Detektionsschaltung wenigstens einen ersten Detektoreingang und einen zweiten Detektoreingang umfasst, wobei der erste Detektoreingang mit dem Treibereingang elektrisch verbunden ist und der zweite Detektoreingang mit dem Treiberausgang elektrisch verbunden ist. Dadurch kann das Modulationssignal vor und nach dem Durchlaufen des Treibers abgegriffen werden und die Laufzeitverzögerung durch einen einfachen Vergleich der beiden Signale ermittelt werden.The light emitting unit can in particular comprise at least one LED (light-emitting diode), a surface emitter (VCSEL, vertical-cavity surface-emitting laser), a laser or a laser diode. Without being restricted to this, the control circuit can be designed as a microcontroller (µC) or as an application-specific integrated circuit (AISIC). The control circuit can be set up to calculate a distance, taking the propagation delay into account. For example, a corresponding firmware can be stored on a non-volatile memory of the control circuit and executed by the control circuit.
It is preferably provided that the detection circuit comprises at least a first detector input and a second detector input, wherein the first detector input is electrically connected to the driver input and the second detector input is electrically connected to the driver output. As a result, the modulation signal can be tapped before and after passing through the driver and the propagation delay can be determined by a simple comparison of the two signals.
Der Photodetektor umfasst vorzugsweise einen Photomischdetektor. Ein Photomischdetektor ermöglicht vorteilhaft eine einfache Messung von Entfernungen durch einen Vergleich des detektierten optischen Signals und des elektrischen Referenzsignals des Modulators.The photodetector preferably comprises a photomixer. A photomixer advantageously enables a simple measurement of distances by comparing the detected optical signal and the electrical reference signal of the modulator.
Der Modulator umfasst vorzugsweise einen einstellbaren oder digital steuerbaren Oszillator. In manchen Ausgestaltungen des Lichtlaufzeitkamerasystems umfasst die Detektionsschaltung wenigstens ein Logikgatter oder wenigstens ein bistabiles Kippglied. Als bistabiles Kippglied kann wenigstens ein JK-Flipp-Flopp vorgesehen sein. Mittels eines Logikgatters, oder einer Verschaltung mehrerer Gatter, kann eine Detektion der Eingangssignale zum Ermitteln der Laufzeitverzögerung erfolgen. Das Logikgatter kann in manchen Weiterbildungen wenigstens ein XOR-Gatter umfassen. Das XOR-Gatter kann in manchen Ausgestaltungen durch eine Verschaltung mehrerer Logikgatter ausgebildet sein, beispielsweise durch ein Verschalten von NAND-Gattern. Ebenso können andere Ausgestaltungen zum Bilden eines XOR-Gatters vorgesehen sein, beispielsweise eine geeignete Verschaltung und Ansteuerung von Feldeffekttransistoren (FET), wie Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET). Bei der Verwendung eines XOR-Gatters ist die detektierbare Laufzeitverzögerung auf die Hälfte der Periodendauer des Modulationssignals begrenzt. Wird ein Messbereich größer als diese Zeitspanne benötigt, kann vorzugsweise ein JK-Flipp-Flopp verwendet werden. Ein JK-Flipp-Flopp ist flankengesteuert, so dass pro Periode des Modulationssignals nur ein Ausgangspuls erzeugt wird, wodurch sich der Detektionsbereich auf eine volle Periode T des Modulationssignals erweitert.The modulator preferably comprises an adjustable or digitally controllable oscillator. In some embodiments of the time-of-flight camera system, the detection circuit comprises at least one logic gate or at least one bistable flip-flop. At least one JK flip-flop can be provided as a bistable flip-flop. The input signals can be detected to determine the propagation delay using a logic gate or a connection of several gates. In some developments, the logic gate can comprise at least one XOR gate. In some embodiments, the XOR gate can be formed by a connection of several logic gates, for example by a connection of NAND gates. Other embodiments for forming an XOR gate can also be provided, for example a suitable connection and control of field-effect transistors (FETs), such as metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs). When using an XOR gate, the detectable propagation delay is limited to half the period of the modulation signal. If a measurement range longer than this time period is required, a JK flip-flop can preferably be used. A JK flip-flop is edge-triggered, so that only one output pulse is generated per period of the modulation signal, which extends the detection range to a full period T of the modulation signal.
Die Detektionsschaltung kann ferner eine Filterschaltung umfassen oder mit dieser gekoppelt sein, wobei die Detektionsschaltung über einen Ausgang der Filterschaltung mit der Steuerschaltung verbunden ist. Die Filterschaltung kann insbesondere einen Tiefpassfilter, beispielsweise einen Tiefpassfilter erster Ordnung, einen Tiefpassfilter zweiter Ordnung, einen LC-Filter zweiter Ordnung, oder einen aktiven Tiefpassfilter höherer Ordnung umfassen.The detection circuit can further comprise a filter circuit or be coupled thereto, wherein the detection circuit is connected to the control circuit via an output of the filter circuit. The filter circuit can in particular comprise a low-pass filter, for example a first-order low-pass filter, a second-order low-pass filter, a second-order LC filter, or an active high-order low-pass filter.
Vorzugsweise umfasst die Filterschaltung einen ausgangsseitig angeordneten Analog-Digitalwandler, wobei eine Referenzspannung des Analog-Digitalwandlers einer Betriebsspannung des Treibers entspricht. Dadurch, dass der Analog-Digitalwandler und der Treiber mit derselben oder mit gleichen Spannungen betrieben werden, kann die Laufzeitverzögerung PD dann unabhängig von der Betriebsspannung des Treibers detektiert werden.The filter circuit preferably comprises an analog-digital converter arranged on the output side, wherein a reference voltage of the analog-digital converter corresponds to an operating voltage of the driver. Because the analog-digital converter and the driver are operated with the same or the same voltages, the propagation delay PD can then be detected independently of the operating voltage of the driver.
Ferner ist ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitkamerasystems angegeben, wobei der Photodetektor vorzugsweise dazu ausgebildet ist eine Phasendifferenz zwischen dem durch den Photodetektor empfangenen Licht und dem Modulationssignal zu detektieren und wobei die Detektionsschaltung dazu ausgebildet ist eine Laufzeitverzögerung des Modulationssignals beim Durchlaufen des Treibers zu detektieren. Das Verfahren umfassend:
- - Detektieren der Laufzeitverzögerung des Modulationssignals beim Durchlaufen des Treibers durch die Detektionsschaltung,
- - Generieren und Ausgeben eines Laufzeitverzögerungssignals als Maß für die Laufzeitverzögerung durch die Detektionsschaltung,
- - Empfangen des Laufzeitverzögerungssignals von der Detektionsschaltung durch die Steuerschaltung,
- - Empfangen eines Phasendifferenzsignals von dem Photosensor durch die Steuerschaltung, und
- - Ermitteln einer Entfernung aus dem Phasendifferenzsignal und der Laufzeitverzögerung durch die Steuerschaltung.
- - Detecting the propagation delay of the modulation signal as it passes through the driver through the detection circuit,
- - generating and outputting a propagation delay signal as a measure of the propagation delay through the detection circuit,
- - Receiving the propagation delay signal from the detection circuit by the control circuit,
- - receiving a phase difference signal from the photosensor by the control circuit, and
- - Determining a distance from the phase difference signal and the propagation delay by the control circuit.
Somit kann die Laufzeitverzögerung des Modulationssignals durch den Treiber direkt detektiert werden. Es kann also für jedes Lichtlaufzeitkamerasystem eine spezifische Laufzeitverzögerung detektiert werden. Insbesondere können dadurch die Auswirkungen des Temperaturdrifts, der Bauteilstreuung und/oder von Alterungseffekten auf die Laufzeitverzögerung kompensiert werden. Somit stellt das Verfahren eine einfache Möglichkeit bereit, eine hohe Genauigkeit in der Entfernungsmessung zu erreichen. Die Laufzeitverzögerung kann vorteilhaft anhand eines Spannungspegels des Modulationssignals oder anhand einer Spannungspegeländerung des Modulationssignals, beispielsweise mittels einer Flankendetektion, detektiert werden.The propagation delay of the modulation signal can thus be detected directly by the driver. A specific propagation delay can therefore be detected for each time-of-flight camera system. In particular, the effects of temperature drift, component scattering and/or aging effects on the propagation delay can be compensated. The method therefore provides a simple way of achieving high accuracy in distance measurement. The propagation delay can advantageously be detected using a voltage level of the modulation signal or using a voltage level change of the modulation signal, for example by means of edge detection.
In manchen Weiterbildungen umfasst das Verfahren daher:
- - das Detektieren eines ersten Spannungspegels oder einer ersten Spannungspegeländerung des Modulationssignals am Eingang des Treibers durch die Detektionsschaltung,
- - das Detektieren eines zweiten Spannungspegels oder einer zweiten Spannungspegeländerung des Modulationssignals am Ausgang des Treibers durch die Detektionsschaltung,
- - das Generieren des Laufzeitverzögerungssignals aus dem ersten Spannungspegel und dem zweiten Spannungspegel oder aus der ersten Spannungspegeländerung und der zweiten Spannungspegeländerung.
- - detecting a first voltage level or a first voltage level change of the modulation signal at the input of the driver by the detection circuit,
- - detecting a second voltage level or a second voltage level change of the modulation signal at the output of the driver by the detection circuit,
- - generating the propagation delay signal from the first voltage level and the second voltage level or from the first voltage level change and the second voltage level change.
Das Laufzeitverzögerungssignal kann dann am Ausgang der Detektionsschaltung bereitgestellt und von der Steuerschaltung empfangen werden. Somit kann durch einen Vergleich der beiden Spannungspegel oder durch die Detektion der Flanken der Spannungssignale eine einfach auszuführende Ausgestaltung des Verfahrens bereitgestellt werden, welche ohne großen Rechenaufwand in der Signalverarbeitung ausgeführt werden kann.The propagation delay signal can then be provided at the output of the detection circuit and received by the control circuit. Thus, by comparing the two voltage levels or by detecting the edges of the voltage signals, a simple embodiment of the method can be provided, which can be carried out without great computational effort in the signal processing.
Der erste und der zweite Spannungspegel können insbesondere als Logikwert mit einem hohen Pegel oder einem niedrigen Pegel detektiert werden. In manchen Weiterbildungen ist es daher vorgesehen, dass das Ermitteln des Laufzeitverzögerungssignals die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
- - Detektieren eines ersten Logikwertes in Abhängigkeit des ersten Spannungspegels,
- - Detektieren eines zweiten Logikwertes in Abhängigkeit des zweiten Spannungspegels,
- - Vergleichen des ersten und des zweiten Logikwertes,
- - Ausgeben des Laufzeitverzögerungssignals in Abhängigkeit des Vergleichs.
- - Detecting a first logic value depending on the first voltage level,
- - Detecting a second logic value depending on the second voltage level,
- - Comparing the first and second logic values,
- - Output of the propagation delay signal depending on the comparison.
Somit kann eine besonders einfache Auswertung der detektierten Signale in Form von Logikwerten erfolgen.This allows a particularly simple evaluation of the detected signals in the form of logic values.
Insbesondere kann die Detektionsschaltung zum Ermitteln der Laufzeitverzögerung wenigstens ein Exklusiv-Oder-Gatter (XOR-Gatter) umfassen, wobei der erste Spannungspegel und der zweite Spannungspegel dem XOR-Gatter zum Generieren des Laufzeitverzögerungssignal zugeführt werden. Durch das Verfahren kann dann eine entsprechende Logikverknüpfung der beiden Eingangssignale der Detektionsschaltung implementiert werden.In particular, the detection circuit for determining the propagation delay can comprise at least one exclusive-OR gate (XOR gate), wherein the first voltage level and the second voltage level are fed to the XOR gate for generating the propagation delay signal. The method can then be used to implement a corresponding logic combination of the two input signals of the detection circuit.
Ferner können ein Tastgrad (englisch: „duty cycle“) η, und/oder ein Mittelwert des Laufzeitverzögerungssignals verarbeitet oder analysiert werden. Das Verfahren kann dann das Ermitteln eines zeitlichen Mittelwertes des Laufzeitverzögerungssignals umfassen, wobei das Ermitteln der Laufzeitverzögerung unter Berücksichtigung des zeitlichen Mittelwertes des Laufzeitverzögerungssignals erfolgt. Die Mittelwertbildung kann beispielsweise mit Hilfe einer Filterschaltung erfolgen. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Detektionsschaltung eine Filterschaltung, beispielsweise einen Tiefpassfilter, umfasst, oder das Laufzeitverzögerungssignal der Detektionsschaltung an einem Filter-Eingang der Filterschaltung anliegt.Furthermore, a duty cycle η and/or an average value of the propagation delay signal can be processed or analyzed. The method can then include determining a temporal average value of the propagation delay signal, wherein the propagation delay is determined taking into account the temporal average value of the propagation delay signal. The averaging can be carried out, for example, with the aid of a filter circuit. In particular, it can be provided that the detection circuit comprises a filter circuit, for example a low-pass filter, or that the propagation delay signal of the detection circuit is present at a filter input of the filter circuit.
Die Mittelwertbildung kann das Wandeln eines Analogwertes in einen Digitalwert umfassen. Insbesondere kann es in dem Verfahren vorgesehen sein, dass das gemittelte Laufzeitverzögerungssignals mittels des oben erwähnten Analog-Digitalwandlers in einen digitalen Wert gewandelt wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Analog-Digitalwandler mit einer Referenzspannung betrieben wird, welche der Betriebsspannung des Treibers 104 gleicht. Somit kann in dem Verfahren die Laufzeitverzögerung unabhängig von der Betriebsspannung des Treibers detektiert werden.The averaging can include converting an analog value into a digital value. In particular, the method can provide for the averaged propagation delay signal to be converted into a digital value using the analog-digital converter mentioned above. It is particularly advantageous if the analog-digital converter is operated with a reference voltage that is equal to the operating voltage of the
Beispielsweise über eine Detektion der Phasenlaufzeitverzögerung mittels eines XOR-Gatters und einer anschließenden Mittelwertbildung des Laufzeitverzögerungssignal des XOR-Gatters kann die Phasenlaufzeitverzögerung des Modulationssignals ermittelt werden. Typische Treiber invertieren das Modulationssignal. Wird nun das Modulationssignal vor dem Treiber abgegriffen und dem ersten Detektoreingang des XOR-Gates zugeführt, während dem zweiten Detektoreingang des XOR-Gates das Modulationssignal nach dem Durchlaufen des Treibers zugeführt wird, kann die Laufzeitverzögerung PD für das XOR-Gatter/einen invertierenden Treiber wie folgt bestimmt werden:
Dabei bezeichnen SYmax einen Maximalwert und SYavg einen Mittelwert eines Laufzeitverzögerungssignals SY, welches als Ausgangssignals am Ausgang der Detektorschaltung bereitgestellt wird. T bezeichnet die Periodendauer des Modulationssignals. Die maximale detektierbare Laufzeitverzögerung PD ist in solchen Ausgestaltungen also durch eine halbe Periodendauer T/2 des Modulationssignals limitiert. Prinzipielle kann die Erfindung mit einem beliebigen Treiber verwendet werden. Beispielsweise kann der Treiber auch ein AND-Gatter, ein NAND-Gatter, ein NOR-Gatter, oder einen Verstärker umfassen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Ausgangssignal des Treibers ein Rechtecksignal ist.Here, SY max denotes a maximum value and SY avg denotes an average value of a propagation delay signal SY, which is provided as an output signal at the output of the detector circuit. T denotes the period of the modulation signal. In such embodiments, the maximum detectable propagation delay PD is therefore limited by half the period T/2 of the modulation signal. In principle, the invention can be used with any driver. For example, the driver can also comprise an AND gate, a NAND gate, a NOR gate, or an amplifier. It is advantageous if the output signal of the driver is a square wave signal.
Die Größenordnung typischer Laufzeitverzögerungen in Lichtlaufzeitkamerasystemen kann wie folgt abgeschätzt werden:The magnitude of typical propagation delays in time-of-flight camera systems can be estimated as follows:
Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 25 MHz und einer typischen Laufzeitverzögerung von 6 ns bei einer Temperatur Temp von Temp = 25°C beträgt der Fehler einer berechneten Lichtwegstrecke s25 = c · 6 ns = 1799 mm. Bei einer Temperatur Temp = 85°C kann die Laufzeitverzögerung beispielsweise 6,6 ns betragen, was einer Lichtwegstrecke s85= 1979 mm entspricht. Bei linearer Temperaturabhängigkeit und unter Berücksichtigung eines Faktors „2“ für die doppelte Wegstrecke des Lichtweges, im Vergleich zum einfachen Targetabstand, kann ein typischer Temperaturdrift ds/dTemp wie folgt abgeschätzt werden:
Pro Grad Kelvin K Temperaturdrift kann der Messfehler also beispielsweise 1,5 mm betragen. Ferner ist bei einer Modulationsfrequenz von 25 MHz die Periodendauer T = 40 ns, so dass in diesem Fall mittels eines XOR-Gatters eine Laufzeitverzögerung von maximal 20 ns detektiert werden kann.For example, the measurement error can be 1.5 mm per degree Kelvin K of temperature drift. Furthermore, with a modulation frequency of 25 MHz, the period T = 40 ns, so that in this case a propagation delay of a maximum of 20 ns can be detected using an XOR gate.
Vorzugsweise weist das am Treibereingang und das am Treiberausgang anliegende Modulationssignals jeweils einen Tastgrad η im Bereich 25% ≤ η ≤ 75%, vorzugsweise im Bereich 40% ≤ η ≤ 60% liegend auf. Im Idealfall ist η = 50%. Dadurch kann vorteilhaft ein großer Detektionsbereich bereitgestellt werden, so dass typische Laufzeitverzögerungen innerhalb des Detektionsbereichs liegen. Im obigen Beispiel kann der maximale Messbereich von 20 ns nur für den Fall η = 50% bereitgestellt werden. Liegt hingegen η im Bereich 25% bis 75%, so reduziert sich der Messbereich im Beispiel auf maximal 10 ns Laufzeitverzögerung.Preferably, the modulation signal applied to the driver input and the driver output each has a duty cycle η in the
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen:
- -
1 schematisch das grundlegende Prinzip der Photomischdetektion; - -
2 einen Querschnitt eines Lichtlaufzeitpixels; - -
3 eine modulierte Integration der erzeugten Ladungsträger; - -
4 schematisch eine beispielhafte Ausgestaltung einer Sensorschaltung für ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitkamerasystem; - -
5a beispielhafte Signalverläufe an einem ersten Detektoreingang A und einem zweiten Detektoreingang B der Detektionsschaltung; - -
5b einen beispielhaften Signalverlauf an einem Detektorausgang Y einer als XOR-Gatter ausgebildeten Detektionsschaltung für die in der5a dargestellten Eingangssignale; - -
6a beispielhafte Signalverläufe an den zwei Detektoreingängen der Detektionsschaltung im Falle eines invertierenden Treibers; - -
6b einen beispielhaften Signalverlauf am Detektorausgang Y einer als XOR-Gatter ausgebildeten Detektionsschaltung für die in der6a dargestellten Eingangssignale; - -
7a eine schematische Darstellung der Filterverstärkung eines XOR-Gatters, welches zur Verwendung in einer beispielhaften Detektionsschaltung eines Lichtlaufzeitkamerasystems gemäß der Erfindung geeignet ist; und - -
7b eine schematische Darstellung der Filterverstärkung des XOR-Gatters aus7a , wobei eine das XOR-Gatter übersteuert ist.
- -
1 schematically the basic principle of photonic detection; - -
2 a cross-section of a time-of-flight pixel; - -
3 a modulated integration of the generated charge carriers; - -
4 schematically shows an exemplary embodiment of a sensor circuit for a time-of-flight camera system according to the invention; - -
5a exemplary signal curves at a first detector input A and a second detector input B of the detection circuit; - -
5b an exemplary signal curve at a detector output Y of a detection circuit designed as an XOR gate for the5a displayed input signals; - -
6a exemplary signal curves at the two detector inputs of the detection circuit in the case of an inverting driver; - -
6b an exemplary signal curve at the detector output Y of a detection circuit designed as an XOR gate for the6a displayed input signals; - -
7a a schematic representation of the filter gain of an XOR gate suitable for use in an exemplary detection circuit of a time-of-flight camera system according to the invention; and - -
7b a schematic representation of the filter gain of the XOR gate from7a , where one of the XOR gates is overdriven.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the embodiments, the same reference symbols designate the same or comparable components.
Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Lichtsendeeinheit 12, bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15, sowie einen Photodetektor, bzw. eine Lichtlaufzeitkamera 20, mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Lichtlaufzeitpixel, oder eine Pixel-Zeile, vorzugsweise 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 gegebenenfalls auch auf optische Elemente, sowohl empfangs- als auch sendeseitig, verzichtet werden.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 eine Lichtsendeeinheit 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 Lichtsendeeinheit 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals M0 der Lichtsendeeinheit 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 transit time, and thus the distance traveled by the received light, can be determined based on the phase shift of the emitted and received light. For this purpose, a
Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtsendeeinheit 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 (Target) reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + Δφ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M0 mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.According to the set modulation signal, the
Ferner ist ein Modulationssteuergerät 38 vorgesehen, mit dem die Form und insbesondere Puls und Pausenverhältnisse des Modulationssignals vorgegeben werden. Auch kann über das Modulationssteuergerät 38 der Phasenschieber 35 in Abhängigkeit der durchzuführenden Messaufgabe angesteuert werden.Furthermore, a
Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtsendeeinheit 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtsendeeinheiten im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.Infrared light-emitting diodes are preferably suitable as the illumination source or light-emitting
Alternativ kann ein solches Lichtlaufzeitpixel auch ohne Modulationsgates ausgestaltet sein, wie es beispielsweise in der
In
Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in
Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist typischerweise eine erstes und zweites Akkumulationsgate Ga, Gb auf, in denen in Abhängigkeit des Potentialverlaufs im lichtempfindlichen Bereich die photonisch erzeugten Ladungen q abwechselnd über mehrere Modulationsperioden gesammelt werden. Die in der unverschobenen Phasenlage erzeugten Ladungen q werden im ersten Akkumulationsgate Ga und die in der um 180° verschobenen Phasenlage M0 + 180° im zweiten Akkumulationsgate Gb gesammelt. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ(tL) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.The light
Bei einem Lichtlaufzeitkamerasystem, welches beispielsweise nach der in den
Die
Das Modulationssignal liegt parallel auch an einem Treibereingang 104E des Treibers 104, beispielsweise einem Inverter Logik-Gatter, an. Ein Treiberausgang 104A des Treibers 104 wird, wie oben erwähnt, über den Widerstand 106 von Spannung in Strom umgewandelt, so dass in der Laserdiode eine entsprechende Lichtmodulation erzeugt wird.The modulation signal is also applied in parallel to a
Das bedeutet, dass zu der Lichtlaufzeit noch Laufzeitverzögerungen des Treibers 104, des Widerstands 106, der Laserdiode und der Leitungen hinzukommen. Diese Laufzeitverzögerung des Treibers 104 kann nun durch eine Detektionsschaltung 112 gemessen werden. Hierfür wir das Modulationssignal am Eingang 104E des Treibers 104 und nach dem Durchlaufen des Treibers 104, am Ausgang 104A des Treibers 104, abgegriffen. Der Treibereingang 104E ist mit einem Detektoreingang A der Detektionsschaltung 112 und der Treiberausgang 104A ist mit einem Detektoreingang B der Detektionsschaltung 112 verbunden. Durch die Detektionsschaltung 112 können nun die Phasenlagen des Signals SA am Eingang A und des Signals SB am Detektoreingang B miteinander verglichen werden und somit die Laufzeitverzögerung PD detektiert werden. Ein entsprechendes Laufzeitverzögerungssignal SY wird an einem Ausgang Y der Detektionsschaltung 112 ausgegeben. Die Detektionsschaltung 112 ist beispielsweise als XOR-Gatter ausgebildet. Ferner ist eine optionale Filterschaltung 114 dargestellt, welche das am Ausgang Y der Detektionsschaltung ausgegebene Signal SY empängt. Die Filterschaltung kann insbesondere zum Bilden eines Mittelwertes des Laufzeitverzögerungssignals Sy ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Filterschaltung 114 einen Tiefpassfilter umfassen. Zusätzlich kann eine Analog-Digital-Wandlerstufe (ADC) zum Ausgeben eines digitalen Signals am Ausgang der Filterschaltung 114 vorgesehen sein.This means that in addition to the light propagation time, there are also propagation delays of the
Die Detektionsschaltung 112 ist über die Filterschaltung 114 mit der Steuerschaltung 112 verbunden. Die Filterschaltung 112 kann auch in der Detektionsschaltung 112 oder in der Steruschaltung 110 integriert ausgebildet sein. Die Steuerschaltung 112 ist dazu eingerichtet auf Basis der vom Photodetektor 102 empfangenen Messdaten und dem von der Detektionsschaltung 112, beziehungsweise von der Filterschaltung 114 empfangenem Laufzeitverzögerungssignal SY, eine Entfernung DIst zu berechnen. Die Berechnung der Entfernung Dist kann beispielsweise das Berechnen einer ersten Entfernung Dist1 auf Basis der Lichtlaufzeitmessung des Photodetektors 102 und das Berechnen einer zweiten Enternung Dist2, welche über das Produkt aus der Laufzeitverzögerung PD und der Lichtgeschwindigkeit c definiert wird, umfassen. Die Entfernung Dist kann dann durch das Bilden der Differenz Dist = Dist2 - Dist1 ermittelt werden. Selbstverständlich kann auch zuerst die Differenz aus der vom Photodetektor 102 detektierten Lichtlaufzeit und der gemessenen Laufzeitverzögerung PD berechnet und danach die Entfernung Dist über die Lichtgeschwindigkeit c berechnet werden. Die Detektionsschaltung 112 und die Filterschaltung 114 können jeweils sowohl als Digitalschaltung, als auch als Analogschaltung, oder als eine kombinierte Schaltung ausgebildet sein. Die Steuerschaltung 110 kann insbesondere als µC oder AISIC ausgebildet sein und einen nichtfüchtigen Datenspeicher aufweisen, auf welchem ein Computerprogramm zum Ausführen der Verfahrensschritte gespeichert ist und durch die Steuerschaltung 110 ausgeführt werden kann.The
Die in der
In den
Die
Das Laufzeitverzögerungssignal SY kann zur Mittelwertbildung beispielsweise einem einfachen RC-Filter zugeführt und anschließend mittels eines ADC in ein digitales Signal gewandelt werden. Unter der Annahme, dass die Referenzspannung des ADC einer Betriebsspannung des Treibers 104 entspricht, kann nun SYavg/SYmax aus
In den
Daher ist es in manchen Ausgestaltungen der Erfindung bevorzugt, wenn der Tastgrad η des Modulationssignals m Bereich von 25% ≤ η ≤ 75%, insbesondere im Bereich 40% ≤ 60% liegt, so dass ein großer Messbereich zur Verfügung steht. Besonders vorteilhaft wird η zu η = 50% gewählt. Damit kann schließlich die Laufzeitverzögerung PD in einem vergleichsweise großen Bereich detektiert werden.Therefore, in some embodiments of the invention, it is preferred if the duty cycle η of the modulation signal is in the range of 25% ≤ η ≤ 75%, in particular in the
Bezugszeichenlistelist of reference symbols
- 1010
- Beleuchtungsmodullighting module
- 1212
- Lichtsendeeinheitlight emitting unit
- 2222
- Lichtlaufzeitsensortime-of-flight sensor
- 2727
- Auswerteeinheitevaluation unit
- 3030
- Modulatormodulator
- 3535
- Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieberphase shifter, lighting phase shifter
- 3838
- Modulationssteuergerätmodulation control unit
- 5050
- Differenzschaltungdifferential circuit
- 6060
- Inverterinverter
- 100100
- Ausleseeinheitreading unit
- 102102
- Photodetektorphotodetector
- 104104
- Treiberdriver
- 104A104A
- Treiberausgangdriver output
- 104E104E
- Treibereingangdriver input
- 106106
- WiderstandResistance
- 108108
- Spannungsquellevoltage source
- 110110
- Steuerschaltungcontrol circuit
- 112112
- Detektionsschaltungdetection circuit
- 114114
- Filterschaltung filter circuit
- Δφ(tL)Δφ(tL)
- laufzeitbedingte Phasenverschiebungruntime-related phase shift
- φvarφvar
- Phasenlagephase position
- φ0φ0
- Basisphasebase phase
- M0M0
- 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
- Akkumulationsgatesaccumulation gates
- Ua, UbUa, Ub
- Spannungen am Modulationsgate Voltages at the modulation gate
- φeφe
- Phasendifferenzphase difference
- φAφA
- Phase des Modulationssignals am Treibereingang/Detektoreingang APhase of the modulation signal at the driver input/detector input A
- φBφB
- Phase des Modulationssignals am Treiberausgang/Detektoreingang BPhase of the modulation signal at the driver output/detector input B
- A, BAWAY
- Detektoreingängedetector inputs
- YY
- Detektorausgangdetector output
- SA, SBSA, SB
- Eingangssignale des Detektorsinput signals of the detector
- SYSY
- Laufzeitverzögerungssignal (Ausgangssignal des Detektors)propagation delay signal (output signal of the detector)
- KdKd
- Detektorverstärkungdetector gain
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
-
EP 1 777 747 B1 [0002]
EP 1 777 747 B1 [0002] - US 6 587 186 B2 [0002]US 6 587 186 B2 [0002]
- DE 197 04 496 C2 [0002, 0030, 0036]DE 197 04 496 C2 [0002, 0030, 0036]
-
EP 1 332 594 A1 [0037]
EP 1 332 594 A1 [0037]
Claims (14)
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| Country | Link |
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