[go: up one dir, main page]

DE102023111616A1 - Time-of-flight camera system and method for operating a time-of-flight camera system - Google Patents

Time-of-flight camera system and method for operating a time-of-flight camera system Download PDF

Info

Publication number
DE102023111616A1
DE102023111616A1 DE102023111616.9A DE102023111616A DE102023111616A1 DE 102023111616 A1 DE102023111616 A1 DE 102023111616A1 DE 102023111616 A DE102023111616 A DE 102023111616A DE 102023111616 A1 DE102023111616 A1 DE 102023111616A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
driver
propagation delay
circuit
time
signal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102023111616.9A
Other languages
German (de)
Inventor
Robert Baumann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IFM Electronic GmbH
Original Assignee
IFM Electronic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by IFM Electronic GmbH filed Critical IFM Electronic GmbH
Priority to DE102023111616.9A priority Critical patent/DE102023111616A1/en
Publication of DE102023111616A1 publication Critical patent/DE102023111616A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G01S17/8943D imaging with simultaneous measurement of time-of-flight at a 2D array of receiver pixels, e.g. time-of-flight cameras or flash lidar
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06Systems determining position data of a target
    • G01S17/08Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G01S17/32Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S17/36Systems determining position data of a target for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491Details of non-pulse systems
    • G01S7/4912Receivers
    • G01S7/4913Circuits for detection, sampling, integration or read-out
    • G01S7/4914Circuits for detection, sampling, integration or read-out of detector arrays, e.g. charge-transfer gates
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/491Details of non-pulse systems
    • G01S7/4912Receivers
    • G01S7/4915Time delay measurement, e.g. operational details for pixel components; Phase measurement

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

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.

Figure DE102023111616A1_0000
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).
Figure DE102023111616A1_0000

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 EP 1 777 747 B1 , US 6 587 186 B2 und auch DE 197 04 496 C2 beschrieben sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtsendeeinheit und des Photodetektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können.
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 applications EP 1 777 747 B1 , US 6 587 186 B2 and also DE 197 04 496 C2 The PMD camera allows in particular a flexible arrangement of the light emitting unit and the photodetector, which can be arranged either in one housing or separately.
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.
Furthermore, a method for operating a time-of-flight camera system according to the invention is specified, wherein the photodetector is preferably designed to detect a phase difference between the light received by the photodetector and the modulation signal and wherein the detection circuit is designed to detect a propagation delay of the modulation signal when passing through the driver. The method comprises:
  • - 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.
In some training courses, the procedure therefore includes:
  • - 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.
The first and the second voltage level can be detected in particular as a logic value with a high level or a low level. In some developments, it is therefore provided that the determination of the propagation delay signal comprises the following method steps:
  • - 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 driver 104. The propagation delay can thus be detected in the method independently of the operating voltage of the driver.

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: PD = ( 1 SY avg SY max ) T 2

Figure DE102023111616A1_0001
For example, the phase delay of the modulation signal can be determined by detecting the phase delay using an XOR gate and then averaging the delay signal of the XOR gate. Typical drivers invert the modulation signal. If the modulation signal is now tapped before the driver and fed to the first detector input of the XOR gate, while the modulation signal is fed to the second detector input of the XOR gate after passing through the driver, the delay PD for the XOR gate/an inverting driver can be determined as follows: PD = ( 1 SY avg SY max ) T 2
Figure DE102023111616A1_0001

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: ds dTemp = 180 10 3 m 60  K 2 = 1,5 10 3 m K

Figure DE102023111616A1_0002
For a modulation frequency of, for example, 25 MHz and a typical propagation delay of 6 ns at a temperature of Temp = 25°C, the error of a calculated light path length is s25 = c · 6 ns = 1799 mm. For a temperature of Temp = 85°C, the propagation delay can be, for example, 6.6 ns, which corresponds to a light path length s85= 1979 mm. With linear temperature dependence and taking into account a factor of “2” for the double path length of the light path, compared to the simple target tabstand, a typical temperature drift ds/dTemp can be estimated as follows: ds dTemp = 180 10 3 m 60 K 2 = 1.5 10 3 m K
Figure DE102023111616A1_0002

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 range 25% ≤ η ≤ 75%, preferably in the range 40% ≤ η ≤ 60%. Ideally, η = 50%. This advantageously makes it possible to provide a large detection range so that typical propagation delays are within the detection range. In the above example, the maximum measuring range of 20 ns can only be provided for the case η = 50%. If, however, η is in the range 25% to 75%, the measuring range in the example is reduced to a maximum of 10 ns propagation delay.

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 der 5a 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 der 6a 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 aus 7a, wobei eine das XOR-Gatter übersteuert ist.
They show:
  • - 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 the 5a 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 the 6a 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 from 7a , 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.

1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist. 1 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a time-of-flight camera, as it is shown for example in the DE 197 04 496 C2 is known.

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-flight camera system 1 comprises a light transmitting unit 12, or an illumination module 10 with illumination and associated beam-forming optics 15, as well as a photodetector, or a time-of-flight camera 20, with receiving optics 25 and a time-of-flight sensor 22. The time-of-flight sensor 22 has at least one time-of-flight pixel, or a pixel row, preferably 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-forming optics 15 of the transmitting unit 10 can be designed, for example, as a reflector or lens optics. In a very simple embodiment, optical elements, both on the receiving and transmitting side, can also be dispensed with if necessary.

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 light transmission unit 12 and the light transit time sensor 22 are supplied with a specific modulation signal M o with a base phase position φ 0 via a modulator 30. In the example shown, a phase shifter 35 is also provided between the modulator 30 and the light transmission unit 12, with which the base phase φ 0 of the modulation signal M 0 of the light transmission unit 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 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 light emitting unit 12 emits an intensity-modulated signal S p1 with the first phase position p1 or p1 = φ 0 + φ var . This signal S p1 , or the electromagnetic radiation, is In the case shown, it is reflected by an object 40 (target) and, due to the distance traveled, hits the light transit time sensor 22 as a received signal S p2 with a corresponding phase shift Δφ(t L ) and a second phase position p2 = φ 0 + φ var + Δφ(t L ). In the light transit time sensor 22, the modulation signal M 0 is mixed with the received signal S p2 , whereby the phase shift or the object distance d is determined from the resulting signal.

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 modulation control device 38 is provided, with which the form and in particular the pulse and pause ratios of the modulation signal are specified. The phase shifter 35 can also be controlled via the modulation control device 38 depending on the measurement task to be carried out.

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 unit 12. Of course, other radiation sources in other frequency ranges are also conceivable, in particular light-emitting units in the visible frequency range are also possible.

2 zeigt einen Querschnitt durch ein Lichtlaufzeitpixel eines Photomischdetektors, wie er beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist. Die Modulationsphotogates Gam, G0, Gbm bilden den lichtsensitiven Bereich eines PMD-Pixels. Entsprechend der an den Modulationsgates Gam, G0, Gbm angelegten Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate bzw. Integrationsknoten Ga, Gb gelenkt. 2 shows a cross-section through a time-of-flight pixel of a photonic mixer detector, as used for example in the DE 197 04 496 C2 is known. The modulation photogates Gam, G0, Gbm form the light-sensitive area of a PMD pixel. Depending on the voltage applied to the modulation gates Gam, G0, Gbm, the photonically generated charges q are directed either to one or the other accumulation gate or integration node Ga, Gb.

Alternativ kann ein solches Lichtlaufzeitpixel auch ohne Modulationsgates ausgestaltet sein, wie es beispielsweise in der EP 1 332 594 A1 gezeigt und beschrieben ist.Alternatively, such a time-of-flight pixel can also be designed without modulation gates, as is the case, for example, in the EP 1 332 594 A1 shown and described.

2b zeigt einen Potenzialverlauf, bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Integrationskonten Ga abfließen, während das Potenzial gemäß 2c die Ladung q in Richtung des zweiten Integrationsknoten Gb fließen lässt. Die Potenziale werden entsprechend der anliegenden Modulationssignale vorgegeben. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 100 MHz. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt. 2b shows a potential curve in which the charges q flow towards the first integration point Ga, while the potential according to 2c which allows the charge q to flow in the direction of the second integration node Gb. The potentials are specified according to the applied modulation signals. Depending on the application, the modulation frequencies are preferably in a range of 1 to 100 MHz. For a modulation frequency of 1 MHz, for example, this results in a period of one microsecond, so that the modulation potential changes every 500 nanoseconds.

In 2a ist ferner eine Ausleseeinheit 100 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten PMD-Lichtlaufzeitsensors sein kann. Die als Kapazitäten, bzw. Dioden ausgebildeten Integrationsknoten Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Gates Ga, Gb anliegende Spannung beispielsweise über die Ausleseeinheit 100 hochohmig abgegriffen werden. Die Integrationszeiten sind vorzugsweise so zu wählen, dass für die zu erwartende Lichtmenge der Lichtlaufzeitsensor, bzw. die Integrationsknoten, und/oder die lichtsensitiven Bereiche nicht in Sättigung geraten.In 2a a readout unit 100 is also shown, which may already be part of a PMD light transit time sensor designed as a CMOS. The integration nodes Ga, Gb designed as capacitors or diodes integrate the photonically generated charges over a large number of modulation periods. In a known manner, the voltage then applied to the gates Ga, Gb can be tapped off with high impedance, for example via the readout unit 100. The integration times should preferably be selected so that the light transit time sensor or the integration nodes and/or the light-sensitive areas do not become saturated for the expected amount of light.

Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in 3 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals M0 mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal Sp2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit tL phasenverschoben Δφ(tL) auf den Lichtlaufzeitsensor 22.The basic principle of phase measurement is shown schematically in 3 The upper curve shows the temporal progression of the modulation signal M 0 with which the lighting 12 and the light transit time sensor 22 are controlled. The light reflected from the object 40 hits the light transit time sensor 22 as a received signal S p2 in accordance with its light transit time t L with a phase shift Δφ(t L ).

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 travel time sensor 22 typically has a first and second accumulation gate Ga, Gb in which the photonically generated charges q are alternately collected over several modulation periods depending on the potential profile in the light-sensitive area. The charges q generated in the unshifted phase position are collected in the first accumulation gate Ga and those in the phase position M 0 + 180° shifted by 180° are collected in the 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.

Bei einem Lichtlaufzeitkamerasystem, welches beispielsweise nach der in den 1 bis 3 dargelegte Funktionsweise arbeitet, treten jedoch auch Laufzeitverzögerungen des Modulationssignals beim Durchlaufen der elektronischen Komponenten auf, wodurch die Entfernungsmessung des Lichtlaufzeitkamerasystems verfälscht wird.In a time-of-flight camera system, which, for example, is based on the 1 to 3 However, even if the system works as described above, there are also delays in the modulation signal as it passes through the electronic components, which distorts the distance measurement of the time-of-flight camera system.

Die 4 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausgestaltung einer Sensorschaltung 80 für ein Lichtlaufzeitkamerasystem gemäß der Erfindung. Mit Hilfe der Sensorschaltung 80 kann der Fehler von Entfernungsmessungen, der aufgrund der Laufzeitverzögerung des Modulationssignals durch die elektronischen Komponenten entsteht, deutlich verringert werden. Die Sensorschaltung 80 umfasst die Lichtsendeeinheit 12, deren emittiertes Licht von einem Target reflektiert und durch einen Photodetektor 102 detektiert werden kann. Der Photodetektor 102 ist beispielsweise als PMD-Sensor ausgebildet. Die Lichtsendeeinheit 12 ist beispielhaft als Laserdiode ausgebildet und wird kathodenseitig über einen Widerstand 106 von einem Treiber 104 zur Leistungsverstärkung/-Steuerung angesteuert. Die Anode der Laserdiode ist mit einer Spannungsquelle 108 verbunden. Alternativ kann ebenso eine anodenseitige Ansteuerung der Lichtsendeeinheit 12 durch den Treiber 104 vorgesehen sein, beispielsweise in Kombination mit einer Schaltung zur automatischen Leistungsregelung. Ferner umfasst die Sensorschaltung 80 einen Modulator 30. Das vom Modulator 30 ausgegebene Modulationssignal liegt am Photodetektor 102 an. Der Photodetektor 102 ist insbesondere dazu ausgebildet, die Phasenlage des Modulationssignals mit dem detektierten optischen Signal, also mit der von der Laserdiode emittierte Strahlung nach deren Reflektion an einem Target, zu vergleichen. Das Ergebnis des Vergleichs wird von einer Steuerschaltung 112 in eine Entfernung, den Targetabstand, umgerechnet. Die Steuerschaltung 112 kann ferner dazu ausgebildet und eingerichtet sein, den Photodetektor 102 zu steuern, beispielsweise die Modulationsgates des erwähnten PMD-Sensors anzusteuern. The 4 shows schematically an exemplary embodiment of a sensor circuit 80 for a time-of-flight camera system according to the invention. With the aid of the sensor circuit 80, the error in distance measurements, which arises due to the time delay of the modulation signal through the electronic components, can be significantly reduced. The sensor circuit 80 comprises the light emitting unit 12, the emitted light of which is reflected by a target and can be detected by a photodetector 102. The photodetector 102 is designed, for example, as a PMD sensor. The light emitting unit 12 is designed, for example, as a laser diode and is controlled on the cathode side via a resistor 106 by a driver 104 for power amplification/control. The The anode of the laser diode is connected to a voltage source 108. Alternatively, an anode-side control of the light emitting unit 12 by the driver 104 can also be provided, for example in combination with a circuit for automatic power control. The sensor circuit 80 also comprises a modulator 30. The modulation signal output by the modulator 30 is applied to the photodetector 102. The photodetector 102 is designed in particular to compare the phase position of the modulation signal with the detected optical signal, i.e. with the radiation emitted by the laser diode after it has been reflected by a target. The result of the comparison is converted by a control circuit 112 into a distance, the target distance. The control circuit 112 can also be designed and set up to control the photodetector 102, for example to control the modulation gates of the aforementioned PMD sensor.

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 driver input 104E of the driver 104, for example an inverter logic gate. A driver output 104A of the driver 104 is, as mentioned above, converted from voltage to current via the resistor 106, so that a corresponding light modulation is generated in the laser diode.

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 driver 104, the resistor 106, the laser diode and the lines. This propagation delay of the driver 104 can now be measured by a detection circuit 112. For this purpose, the modulation signal is tapped at the input 104E of the driver 104 and, after passing through the driver 104, at the output 104A of the driver 104. The driver input 104E is connected to a detector input A of the detection circuit 112 and the driver output 104A is connected to a detector input B of the detection circuit 112. The detection circuit 112 can now compare the phase positions of the signal SA at the input A and the signal SB at the detector input B and thus detect the propagation delay PD. A corresponding propagation delay signal SY is output at an output Y of the detection circuit 112. The detection circuit 112 is designed, for example, as an XOR gate. An optional filter circuit 114 is also shown, which receives the signal SY output at the output Y of the detection circuit. The filter circuit can be designed in particular to form an average value of the propagation delay signal S y . For example, the filter circuit 114 can comprise a low-pass filter. In addition, an analog-digital converter stage (ADC) can be provided for outputting a digital signal at the output of the filter circuit 114.

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 detection circuit 112 is connected to the control circuit 112 via the filter circuit 114. The filter circuit 112 can also be integrated in the detection circuit 112 or in the control circuit 110. The control circuit 112 is set up to calculate a distance DIst based on the measurement data received from the photodetector 102 and the propagation delay signal SY received from the detection circuit 112 or from the filter circuit 114. The calculation of the distance Dist can, for example, include calculating a first distance Dist1 based on the light propagation time measurement of the photodetector 102 and calculating a second distance Dist2, which is defined by the product of the propagation delay PD and the speed of light c. The distance Dist can then be determined by forming the difference Dist = Dist2 - Dist1. Of course, the difference between the light propagation time detected by the photodetector 102 and the measured propagation delay PD can also be calculated first and then the distance Dist can be calculated using the speed of light c. The detection circuit 112 and the filter circuit 114 can each be designed as a digital circuit, as an analog circuit, or as a combined circuit. The control circuit 110 can in particular be designed as a µC or AISIC and have a non-volatile data memory on which a computer program for carrying out the method steps is stored and can be executed by the control circuit 110.

Die in der 4 gezeigten Komponenten sind rein schematisch dargestellt und können, sofern technisch sinnvoll, beliebig integriert ausgebildet sein. So können beispielsweise zwei oder mehr Komponenten in einer einzigen Komponente zusammengefasst werden.The 4 The components shown are purely schematic and can be integrated in any way, provided it is technically feasible. For example, two or more components can be combined into a single component.

In den 5a und 5b sind beispielhaft die an den Detektoreingängen A und B der Detektionsschaltung 112 anliegenden Signale SA und SB (4a), sowie das Laufzeitverzögerungssignal SY der Detektionsschaltung 112 am Ausgang Y (4b) für den Fall dargestellt, dass der Treiber 104 nicht invertierend ist und als Detektionsschaltung 112 ein XOR-Gatter verwendet wird. Die x-Achse zeigt jeweils die Zeit t in der Einheit Nanosekunden, während die y-Achse die Spannung U in der Einhheit Volt angibt. In der 4a ist nun gut zu erkennen, dass das laufzeitverzögerte Signal SB am Detektoreingang B der Detektionsschaltung 112 eine Verzögerung von 7 ns im Vergleich zum am Detektoreingang A anliegenden Signal SA aufweist. An den steigenden und den fallenen Flanken entsteht im Ausgangssignal, dem Laufzeitverzögerungssignal SY jeweils ein Puls, dessen Breite der Laufzeitverzögerung PD entspricht. Die Laufzeitverzögerung PD berechnet sich dann zu: PD = SY avg SY max T 2

Figure DE102023111616A1_0003
In the 5a and 5b Examples of signals are SA and SB ( 4a) , as well as the propagation delay signal SY of the detection circuit 112 at the output Y ( 4b) for the case where the driver 104 is not inverting and an XOR gate is used as detection circuit 112. The x-axis shows the time t in the unit nanoseconds, while the y-axis indicates the voltage U in the unit volts. In the 4a It is now clearly visible that the propagation delay signal SB at the detector input B of the detection circuit 112 has a delay of 7 ns compared to the signal SA at the detector input A. At the rising and falling edges, a pulse is generated in the output signal, the propagation delay signal SY, the width of which corresponds to the propagation delay PD The propagation delay PD is then calculated as: PD = SY avg SY max T 2
Figure DE102023111616A1_0003

Die 6a und 6b zeigen den analogen Fall mit einem invertierenden Treiber 104. Das am Detektoreingang B anliegende Signal ist nun invertiert, so dass sich auch das am Detektorausgang Y ausgegebene Signal entsprechend ändert. Wie weiter oben bereits angegeben, lässt sich die Laufzeitverzögerung PD dann gemäß der folgenden Relation bestimmen: PD = ( 1 SY avg SY max ) T 2

Figure DE102023111616A1_0004
The 6a and 6b show the analog case with an inverting driver 104. The signal at the detector input B is now inverted, so that the signal output at the detector output Y also changes accordingly. As already stated above, the propagation delay PD can then be determined according to the following relation: PD = ( 1 SY avg SY max ) T 2
Figure DE102023111616A1_0004

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 SY a v g SY m a x = ADC ( SY a v g ) FS

Figure DE102023111616A1_0005
berechnet werden, wobei ADC(SYavg) den vom ADC gewandelten, digitalen Integer-Wert bei dem analogen Eingangssignal SYavg und FS (von englisch: Full Scale) den maximalen digitalen Integer-Wert des ADC-Ausgangssignals angibt. Solch eine Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da sich die Laufzeitverzögerung PD unabhängig von der Betriebsspannung des Treibers 104 berechnen lässt.The propagation delay signal SY can be fed to a simple RC filter for averaging, for example, and then converted into a digital signal using an ADC. Assuming that the reference voltage of the ADC corresponds to an operating voltage of the driver 104, SY avg /SY max can now be calculated from SY a v G SY m a x = ADC ( SY a v G ) FS
Figure DE102023111616A1_0005
where ADC(SY avg ) indicates the digital integer value converted by the ADC for the analog input signal SY avg and FS (full scale) indicates the maximum digital integer value of the ADC output signal. Such an embodiment is particularly advantageous because the propagation delay PD can be calculated independently of the operating voltage of the driver 104.

In den 7a und 7b ist beispielhaft das Verhalten eines XOR-Gatters als Phasendetektor gezeigt. 7a zeigt den Fall, dass ein Tastgrad η der beiden Eingangssignale von 50% vorliegt. Der Mittelwert SYavg des Laufzeitverzögerungssignals SY ist in Einheiten Kd · π/2 als Funktion der Phasendifferenz, hier als Phasenfehler φe mit φe = φB - φA bezeichnet, dargestellt. φA und φB bezeichnen die Phasen der Signale SA und SB an den Detektoreingängen A und B und Kd die Detektorverstärkung. Die Eindeutigkeit der Messwerte sind auf einen Phasenfehler φe im Bereich -90° bis +90° begrenzt, so dass ein linearer Messbereich von 180° Phasendifferenz bereitgestellt werden kann. Der Mittelwert des Detektorausgangsignals SYavg ist für kleine Phasenfehler dann SYavg = Kd φe. Mit einer Spannungsversorgung mit Spannungspotentialen Vcc und 0 V ergibt sich dann Kd = Vcc / π.In the 7a and 7b The behavior of an XOR gate as a phase detector is shown as an example. 7a shows the case where the duty cycle η of the two input signals is 50%. The mean value SY avg of the propagation delay signal SY is shown in units K d · π/2 as a function of the phase difference, here referred to as the phase error φ e with φ e = φ B - φ A. φ A and φ B denote the phases of the signals SA and SB at the detector inputs A and B and K d the detector gain. The unambiguity of the measured values is limited to a phase error φ e in the range -90° to +90°, so that a linear measuring range of 180° phase difference can be provided. The mean value of the detector output signal SY avg for small phase errors is then SY avg = K d φ e . With a voltage supply with voltage potentials V cc and 0 V this results in K d = V cc / π.

7b illustriert die Situation, wenn an den Eingängen A und B des XOR-Gatters asymmetrische Eingangssignale anliegen, wenn also der Tastgrad η wenigstens eines der Eingangssignale SA, SB ungleich 50% ist. In diesem Fall erreicht das XOR-Gate bereits bei Werten |φe| < 90° einen Sättigungsbereich (clipping), wodurch der Messbereich verringert wird. Im Beispiel ist die Sättigung bei |φe| = 70° erreicht. 7b illustrates the situation when asymmetrical input signals are present at the inputs A and B of the XOR gate, i.e. when the duty cycle η of at least one of the input signals SA, SB is not equal to 50%. In this case, the XOR gate reaches a saturation range (clipping) at values |φ e | < 90°, which reduces the measuring range. In the example, saturation is reached at |φ e | = 70°.

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 range 40% ≤ 60%, so that a large measuring range is available. It is particularly advantageous to select η to be η = 50%. This ultimately allows the propagation delay PD to be detected in a comparatively large range.

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

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA accepts no liability for any errors or omissions.

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)

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, - die Steuerschaltung (110) elektrisch mit dem Photodetektor (102) verbunden ist, und - ein Modulatorausgang des Modulators (30) mit einem Eingang des Photodetektors (102) und mit einem Treibereingang (104E) der Treiberschaltung (104) elektrisch verbunden ist, die Sensorschaltung (10) ferner umfassend eine Detektionsschaltung (112) zum Detektieren einer Laufzeitverzögerung (PD) des Modulationssignals (M0), wobei die Detektionsschaltung (112) eingangsseitig mit der Treiberschaltung (104) und ausgangsseitig mit der Steuerschaltung (110) elektrisch verbunden ist.Light-time-of-flight camera system with a sensor circuit, the sensor circuit comprising a light-emitting unit (12), a photodetector (102) based on the light-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), - the control circuit (110) is electrically connected to the photodetector (102), and - a modulator output of the modulator (30) is electrically connected to an input of the photodetector (102) and to a driver input (104E) of the driver circuit (104), the sensor circuit (10) further comprising a detection circuit (112) for detecting a propagation delay (PD) of the modulation signal (M 0 ), wherein the detection circuit (112) is connected on the input side to the driver circuit (104) and on the output side to the control circuit (110) is electrically connected. Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 1, wobei die Detektionsschaltung (112) wenigstens einen ersten Detektoreingang (A) und einen zweiten Detektoreingang (B) umfasst, und wobei der erste Detektoreingang (A) mit dem Treibereingang (104E) elektrisch verbunden ist und der zweite Detektoreingang (B) mit dem Treiberausgang (104B) der Treiberschaltung (104) elektrisch verbunden ist.Time-of-flight camera system according to claim 1 , wherein the detection circuit (112) comprises at least a first detector input (A) and a second detector input (B), and wherein the first detector input (A) is electrically connected to the driver input (104E) and the second detector input (B) is electrically connected to the driver output (104B) of the driver circuit (104). Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Photodetektor (102) einen Photomischdetektor umfasst und/oder wobei der Modulator (30) einen einstellbaren oder digital steuerbaren Oszillator umfasst.Time-of-flight camera system according to claim 1 or 2 , wherein the photodetector (102) comprises a photomixer and/or wherein the modulator (30) comprises an adjustable or digitally controllable oscillator. Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Detektionsschaltung (112) wenigstens ein Logikgatter oder wenigstens ein bistabiles Kippglied umfasst.Time-of-flight camera system according to one of the preceding claims, wherein the detection circuit (112) comprises at least one logic gate or at least one bistable flip-flop. Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 4, wobei das Logikgatter wenigstens ein XOR-Gatter, oder wobei das bistabile Kippglied wenigstens einen JK-Flipp-Flopp umfasst.Time-of-flight camera system according to claim 4 , wherein the logic gate comprises at least one XOR gate, or wherein the bistable flip-flop comprises at least one JK flip-flop. Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Detektionsschaltung (112) ferner eine Filterschaltung (114) umfasst, und wobei die Detektionsschaltung (112) über einen Ausgang der Filterschaltung (114) mit der Steuerschaltung (110) verbunden ist.A time-of-flight camera system according to any one of the preceding claims, wherein the detection circuit (112) further comprises a filter circuit (114), and wherein the detection circuit (112) is connected to the control circuit (110) via an output of the filter circuit (114). Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 6, wobei die Filterschaltung (114) einen ausgangsseitig angeordneten Analog-Digitalwandler umfasst oder mit diesem verbunden ist, und wobei eine Referenzspannung des Analog-Digitalwandler einer Betriebsspannung des Treibers (104) entspricht.Time-of-flight camera system according to claim 6 , wherein the filter circuit (114) comprises or is connected to an analog-digital converter arranged on the output side, and wherein a reference voltage of the analog-digital converter corresponds to an operating voltage of the driver (104). Lichtlaufzeitkamera nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei 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 aufweist.Time-of-flight camera according to one of the preceding claims, wherein the modulation signal present at the driver input and that at the driver output each has a duty cycle η in the range 25% ≤ η ≤ 75%, preferably in the range 40% ≤ η ≤ 60%. Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Photodetektor (102) dazu ausgebildet ist eine Phasendifferenz zwischen dem durch den Photodetektor (102) empfangenen Licht und dem Modulationssignal (30) zu detektieren, und wobei die Detektionsschaltung (110) dazu ausgebildet ist eine Laufzeitverzögerung (PD) des Modulationssignals (30) beim Durchlaufen des Treibers (104) zu detektieren, das Verfahren umfassend: - Detektieren der Laufzeitverzögerung (PD) des Modulationssignals (M0) beim Durchlaufen des Treibers (104) durch die Detektionsschaltung (112), - Ausgeben eines Laufverzögerungssignals (SY) als Maß für die Laufzeitverzögerung (PD) durch die Detektionsschaltung (112), - Empfangen des Laufzeitverzögerungssignals (SY) von der Detektionsschaltung (112) durch die Steuerschaltung (110), - Empfangen eines Phasendifferenzsignals von dem Photodetektor (102) durch die Steuerschaltung (110), und - Ermitteln einer Entfernung aus dem Phasendifferenzsignal und dem Laufzeitverzögerungssignal (SY) durch die Steuerschaltung (110).Method for operating a time-of-flight camera system according to one of the preceding claims, wherein the photodetector (102) is designed to detect a phase difference between the light received by the photodetector (102) and the modulation signal (30), and wherein the detection circuit (110) is designed to detect a propagation delay (PD) of the modulation signal (30) as it passes through the driver (104), the method comprising: - detecting the propagation delay (PD) of the modulation signal (M 0 ) as it passes through the driver (104) by the detection circuit (112), - outputting a propagation delay signal (SY) as a measure of the propagation delay (PD) by the detection circuit (112), - receiving the propagation delay signal (SY) from the detection circuit (112) by the control circuit (110), - receiving a phase difference signal from the photodetector (102) by the control circuit (110), and - determining a distance from the phase difference signal and the propagation delay signal (SY) by the control circuit (110). Verfahren nach Anspruch 9, das Verfahren umfassend: - Detektieren eines ersten Spannungspegels oder einer ersten Spannungspegeländerung des Modulationssignals am Treibereingang (104E) des Treibers (104) durch die Detektionsschaltung (112), - Detektieren eines zweiten Spannungspegels oder einer zweiten Spannungspegeländerung des Modulationssignals am Treiberausgang (104A) des Treibers (104) durch die Detektionsschaltung (112), - Generieren des Laufzeitverzögerungssignals (SY) aus dem ersten Spannungspegel und dem zweiten Spannungspegel oder aus der ersten Spannungspegeländerung und der zweiten Spannungspegeländerung.procedure according to claim 9 , the method comprising: - detecting a first voltage level or a first voltage level change of the modulation signal at the driver input (104E) of the driver (104) by the detection circuit (112), - detecting a second voltage level or a second voltage level change of the modulation signal at the driver output (104A) of the driver (104) by the detection circuit (112), - generating the propagation delay signal (SY) from the first voltage level and the second voltage level or from the first voltage level change and the second voltage level change. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Ermitteln des Laufzeitverzögerungssignals (SY) 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, - Generieren der Laufzeitverzögerungssignals (SY) in Abhängigkeit des Vergleichs.procedure according to claim 10 , wherein the determination of the propagation delay signal (SY) comprises the following method steps: - detecting a first logic value depending on the first voltage level, - detecting a second logic value depending ity of the second voltage level, - comparing the first and the second logic value, - generating the propagation delay signal (SY) depending on the comparison. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei die Detektionsschaltung (112) zum Ermitteln der Laufzeitverzögerung (PD) ein XOR-Gatter umfasst, wobei der erste Spannungspegel und der zweite Spannungspegel dem XOR-Gatter zum Generieren des Laufzeitverzögerungssignals (SY) zugeführt werden.Method according to one of the Claims 10 or 11 , wherein the detection circuit (112) for determining the propagation delay (PD) comprises an XOR gate, wherein the first voltage level and the second voltage level are supplied to the XOR gate for generating the propagation delay signal (SY). Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, das Verfahren umfassend das Ermitteln eines zeitlichen Mittelwertes (SYavg) des Laufzeitverzögerungssignals (SY), wobei das Ermitteln der Laufzeitverzögerung (PD) unter Berücksichtigung des zeitlichen Mittelwertes (SYavg) des Laufzeitverzögerungssignals (SY) erfolgt.Method according to one of the Claims 9 until 12 , the method comprising determining a temporal average value (SY avg ) of the propagation delay signal (SY), wherein the propagation delay (PD) is determined taking into account the temporal average value (SY avg ) of the propagation delay signal (SY). Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Laufzeitverzögerung unabhängig von der Betriebsspannung des Treibers (104) detektiert wird.Method according to one of the Claims 9 until 13 , wherein the propagation delay is detected independently of the operating voltage of the driver (104).
DE102023111616.9A 2023-05-04 2023-05-04 Time-of-flight camera system and method for operating a time-of-flight camera system Pending DE102023111616A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023111616.9A DE102023111616A1 (en) 2023-05-04 2023-05-04 Time-of-flight camera system and method for operating a time-of-flight camera system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102023111616.9A DE102023111616A1 (en) 2023-05-04 2023-05-04 Time-of-flight camera system and method for operating a time-of-flight camera system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102023111616A1 true DE102023111616A1 (en) 2024-11-07

Family

ID=93120261

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102023111616.9A Pending DE102023111616A1 (en) 2023-05-04 2023-05-04 Time-of-flight camera system and method for operating a time-of-flight camera system

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102023111616A1 (en)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19704496C2 (en) 1996-09-05 2001-02-15 Rudolf Schwarte Method and device for determining the phase and / or amplitude information of an electromagnetic wave
US6587186B2 (en) 2000-06-06 2003-07-01 Canesta, Inc. CMOS-compatible three-dimensional image sensing using reduced peak energy
EP1332594A2 (en) 2000-10-16 2003-08-06 SCHWARTE, Rudolf Method and device for the recording and processing of signal waves
EP1777747B1 (en) 2005-10-19 2008-03-26 CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA Device and method for the demodulation of modulated electromagnetic wave fields
EP3171199A1 (en) * 2015-11-23 2017-05-24 ams AG Sensor arrangement and method for determining time-of-flight
DE102019121686A1 (en) * 2019-08-12 2021-02-18 Basler Ag Measurement and compensation of phase errors in time-of-flight cameras

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19704496C2 (en) 1996-09-05 2001-02-15 Rudolf Schwarte Method and device for determining the phase and / or amplitude information of an electromagnetic wave
US6587186B2 (en) 2000-06-06 2003-07-01 Canesta, Inc. CMOS-compatible three-dimensional image sensing using reduced peak energy
EP1332594A2 (en) 2000-10-16 2003-08-06 SCHWARTE, Rudolf Method and device for the recording and processing of signal waves
EP1777747B1 (en) 2005-10-19 2008-03-26 CSEM Centre Suisse d'Electronique et de Microtechnique SA Device and method for the demodulation of modulated electromagnetic wave fields
EP3171199A1 (en) * 2015-11-23 2017-05-24 ams AG Sensor arrangement and method for determining time-of-flight
DE102019121686A1 (en) * 2019-08-12 2021-02-18 Basler Ag Measurement and compensation of phase errors in time-of-flight cameras

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2850387B1 (en) Optical distance measurement device with calibration device to take cross-talk into account
EP1936400B1 (en) Laser scanner
EP2558883B1 (en) Distance measuring device having homogenizing measurement evaluation
EP1423731B1 (en) Method and device for recording a three-dimensional distance-measuring image
DE212018000118U1 (en) LiDAR readout circuit
WO2008092611A1 (en) Method and device for determining the distance to a retroreflective object
DE3640159C2 (en)
DE102010043768B3 (en) Time of flight camera
WO2007085382A1 (en) Method for measuring the transit time of light
DE102018220688A1 (en) Analog-to-digital converter
DE112019001346T5 (en) LIGHT DETECTION DEVICE, LIGHT DETECTION METHOD AND OPTICAL DISTANCE SENSOR
DE102007028062B4 (en) radar device
DE102014207163B4 (en) time-of-flight camera system
DE102017202957B4 (en) Receiver arrangement, semiconductor device and method for receiving light pulses and for outputting a received signal
DE102013203088A1 (en) Light running time camera system has lighting elements which are operated with different phases, and integration time varies in length for various phase positions, while integration time lasts longer than modulation time of illumination
DE102011089642B4 (en) time-of-flight sensor
DE102015225192A1 (en) Light transit time measuring system with overreach detection
DE102023111616A1 (en) Time-of-flight camera system and method for operating a time-of-flight camera system
DE4108376C2 (en) Method and circuit arrangement for recording and evaluating signals during distance measurement
DE102010013751A1 (en) Device for measuring distance between transceiver and target in industrial application, has evaluating device scanning light pulses with respect to phase shifts, where pulses are transmitted by transmitter at certain pulse repetition rate
DE102016213217A1 (en) Time of flight camera system
WO2008067952A1 (en) Method for measuring a physical variable and device for said purpose
DE102024114150B3 (en) Time-of-flight camera system and method for operating such a system
DE102023111618A1 (en) Illumination device for a time-of-flight camera system
DE102020100451B4 (en) Sensor and method for determining a distance

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified