DE102016201599A1 - Time of flight camera system - Google Patents

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Abstract

Lichtlaufzeitkamerasystem (1), mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) der wenigstens ein Lichtlaufzeitpixel mit mindestens zwei Integrationsknoten (Ga, Gb) aufweist, mit einer Beleuchtung (10) zur Aussendung eines Lichtsignals (Sp1), mit einem Modulator (30) zur Erzeugung eines Modulationssignals (M0), der mit dem Lichtlaufzeitsensor (22) und der Beleuchtung (10) verbunden ist, mit einer Auswerteeinheit, die ausgehend von den an den Integrationsknoten (Ga, Gb) des Lichtlaufzeitpixels gesammelten Ladungen (q) Entfernungswerte (φ, d) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung (10) eine Polarisationseinrichtung (200) aufweist und derart ausgestaltet ist, dass das von der Beleuchtung (10) emittierte Licht in wenigsten zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen ausgesendet werden kann.A light transit time camera system (1), comprising a light transit time sensor (22) having at least one light transit time pixel with at least two integration nodes (Ga, Gb), with illumination (10) for emitting a light signal (Sp1), with a modulator (30) for generating a modulation signal (M0), which is connected to the light transit time sensor (22) and the illumination (10), with an evaluation unit which determines distance values (φ, d) from the charges (q) collected at the integration nodes (Ga, Gb) of the light transit time pixel , characterized in that the illumination (10) has a polarization device (200) and is configured such that the light emitted by the illumination (10) light can be emitted in at least two different polarization directions.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.The invention relates to a light transit time camera system and a method for operating such according to the preamble of the independent claims.

Mit Lichtlaufzeitkamerasystem sollen nicht nur Systeme umfasst sein, die Entfernungen direkt aus der Lichtlaufzeit ermitteln, sondern insbesondere auch alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u. a. in der DE 197 04 496 A1 beschrieben und beispielsweise von der Firma 'ifm electronic GmbH' oder 'PMD-Technologies GmbH' als Frame-Grabber O3D bzw. als CamCube zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können.The time-of-flight camera system should not only include systems which determine distances directly from the time of light, but in particular also all the time-of-flight or 3D TOF camera systems which acquire transit time information from the phase shift of an emitted and received radiation. In particular, PMD cameras with photonic mixer detectors (PMD) are suitable as the light transit time or 3D TOF cameras, as they are used, inter alia, in the DE 197 04 496 A1 described and, for example, by the company 'ifm electronic GmbH' or 'PMD Technologies GmbH' as a frame grabber O3D or as CamCube relate. In particular, the PMD camera allows a flexible arrangement of the light source and the detector, which can be arranged both in a housing and separately.

Aus der DE 197 04 496 A1 ist ferner die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des von einem Objekt reflektierten Lichts bekannt. Insbesondere wird offenbart, die Sendermodulation gezielt um 90°, 180° oder 270° zu verschieben, um aus diesen vier Phasenmessungen über eine arctan-Funktion eine Phasenverschiebung und somit eine Entfernung zu bestimmen.From the DE 197 04 496 A1 Furthermore, the determination of a distance or a corresponding phase shift of the reflected light from an object is known. In particular, it is disclosed to selectively shift the transmitter modulation by 90 °, 180 ° or 270 ° in order to determine a phase shift and thus a distance from these four phase measurements via an arctan function.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Entfernungsmessung eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu verbessern.The object of the invention is to improve the distance measurement of a light transit time camera system.

Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem und Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst.The object is achieved in an advantageous manner by the inventive time of flight camera system and method according to the preamble of the independent claims.

Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, mit einem Lichtlaufzeitsensor der wenigstens ein Lichtlaufzeitpixel mit mindestens zwei Integrationsknoten aufweist,
mit einer Beleuchtung zur Aussendung eines Lichtsignals,
mit einem Modulator zur Erzeugung eines Modulationssignals, der mit dem Lichtlaufzeitsensor und der Beleuchtung verbunden ist,
mit einer Auswerteeinheit, die ausgehend von den an den Integrationsknoten des Lichtlaufzeitpixels gesammelten Ladungen Entfernungswerte ermittelt,
wobei die Beleuchtung derart ausgestaltet ist, dass das von der Beleuchtung emittierte Licht in wenigsten zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen ausgesendet werden kann.Advantageously, a light transit time camera system is provided with a light transit time sensor which has at least one light transit time pixel with at least two integration nodes,
with a lighting for emitting a light signal,
a modulator for generating a modulation signal associated with the light transit time sensor and the illumination,
with an evaluation unit which determines distance values on the basis of the charges collected at the integration nodes of the light-propagation time pixel,
wherein the illumination is configured such that the light emitted by the illumination light can be emitted in at least two different polarization directions.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass beispielsweise über das Ausbreitungsverhalten des ausgesendeten und empfangenen polarisierten Lichts Rückschlüsse über die Ausbreitungswege insbesondere einer Mehrwegausbreitung getroffen werden können.This procedure has the advantage that, for example, conclusions about the propagation paths of, in particular, multipath propagation can be made about the propagation behavior of the emitted and received polarized light.

Praktischerweise besteht die Beleuchtung aus einem Array von Lichtquellen, wobei wenigstens ein Teil der Lichtquellen Polarisationsfilter aufweisen oder/und ein polarisiertes Licht aussenden, wobei die Lichtquellen in wenigsten zwei Gruppen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung aufgeteilt sind.Conveniently, the illumination consists of an array of light sources, at least part of the light sources having polarizing filters and / or emitting a polarized light, the light sources being divided into at least two groups with different polarization directions.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass ein Wechsel der Polarisationsrichtungen sehr schnell durch Umschalten zwischen Lichtquellengruppen unterschiedlicher Polarisation erfolgen kann.This approach has the advantage that a change of the polarization directions can be done very quickly by switching between light source groups of different polarization.

Besonders vorteilhaft ist das Lichtlaufzeitkamerasystem derart ausgestaltet, dass die Beleuchtung ein erstes Licht synchron zum Modulationstakt M0 mit einer ersten Polarisationsrichtung und ein zweites Licht synchron zum komplementären Modulationstakt M0 + 180° mit einer zweiten Polarisationsrichtung oder unpolarisiert emittiert.Particularly advantageously, the light transit time camera system is configured such that the illumination emits a first light synchronous to the modulation clock M0 with a first polarization direction and a second light synchronous to the complementary modulation clock M0 + 180 ° with a second polarization direction or unpolarized.

Durch dieses Vorgehen wird von der Beleuchtung ein Licht abgestrahlt, das zeitlich in seiner Polarisation moduliert ist. Störungen in den Polarisationsrichtungen des Lichts, beispielsweise durch streifende Reflektionen an Objekten, können dann leicht als Intensitätsschwankungen im empfangenen Signal erkannt werden.By this procedure, a light is emitted from the illumination, which is modulated in time in its polarization. Disturbances in the polarization directions of the light, for example due to grazing reflections on objects, can then easily be detected as intensity fluctuations in the received signal.

Ferner ist es von Vorteil die Auswerteeinheit des Lichtlaufzeitkamerasystems derart auszubilden, dass in dem Störer-Erkennungsmodus ein Vorliegen einer Mehrwegausbreitung an einem Lichtlaufzeitpixels erkannt wird, wenn ein Differenzsignal der Integrationsknoten des Lichtlaufzeitpixels von Null abweicht bzw. einen Grenzwert nahe Null überschreitet ist.Furthermore, it is advantageous to design the evaluation unit of the time of flight camera system in such a way that, in the disturber detection mode, a presence of a multipath propagation at a time of flight pixel is recognized, if a difference signal of the integration node of the time of flight pixel deviates from zero or exceeds a threshold value close to zero.

Ohne Störungen in der Lichtausbreitung erhalten beide Kanäle die gleiche Lichtmenge, so dass die Differenz zwischen beiden Kanälen zu Null wird. Im gestörten Fall wird durch den Störer wenigstens eine Polarisationsrichtung in ihrer Intensität beeinflusst, so dass im Ergebnis das Differenzsignal an den Integrationsknoten von Null abweicht.Without disturbances in the light propagation, both channels receive the same amount of light, so that the difference between both channels becomes zero. In the disturbed case, at least one polarization direction is influenced in its intensity by the interferer, so that, as a result, the difference signal at the integration node deviates from zero.

In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, das System derart auszubilden, dass wenigstens zwei Entfernungsmessungen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen der Beleuchtung durchgeführt werden, wobei dann ein Vorliegen einer Mehrwegausbreitung an einem Lichtlaufzeitpixels erkannt wird, wenn eine Differenz der in diesen Entfernungsmessungen ermittelten Entfernungswerte einen Grenzwert überschreitet.In a further embodiment, it is provided to design the system in such a way that at least two distance measurements are carried out with different polarization directions of the illumination, in which case a presence of a multipath propagation at a light transit time pixel is recognized, if a difference in these Distance measurements determined distance values exceeds a limit.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass anhand bereits vollständig durchgeführter Entfernungsmessungen gestörte und ungestörte Entfernungswerte erkannt werden können.This procedure has the advantage that disturbed and undisturbed distance values can be detected on the basis of already completely performed distance measurements.

Ebenso vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben des vorgenannten Lichtlaufzeitkamerasystems vorgesehen, bei dem in einem Störer-Erkennungsmodus die Beleuchtung ein Licht mit wechselnden Polarisationsrichtungen und konstanter Lichtintensität und Pulslänge bzw. konstante Lichtmenge/-leistung aussendet, wobei die Polarisationsrichtung synchron zum Modulationssignal wechselt, und dass eine Störung der Lichtausbreitung erkannt wird, wenn an einem ersten und zweiten Integrationsknoten eines Lichtlaufzeitpixels ein von Null abweichendes Differenzsignal erfasst wird.Likewise advantageously, a method for operating the aforementioned Lichtlaufzeitkamerasystems is provided, in which the light emits a light with changing polarization directions and constant light intensity and pulse length or constant amount of light / power in a disturber detection mode, the polarization direction changes synchronously to the modulation signal, and that a light propagation disturbance is detected when a difference signal other than zero is detected at first and second integration nodes of a light propagation time pixel.

Gleichermaßen ist ein Verfahren nützlich, bei dem wenigstens zwei Entfernungsmessungen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen durchgeführt werden und ein Vorliegen einer Mehrwegausbreitung an einem Lichtlaufzeitpixels erkannt wird, wenn eine Differenz der in diesen Entfernungsmessungen ermittelten Entfernungswerte einen Grenzwert überschreitet.Likewise, a method is useful in which at least two range measurements are performed with different polarization directions and a presence of multipath propagation at a light time-of-flight pixel is detected when a difference in the range values determined in these range measurements exceeds a threshold.

Auch hier kann es vorgesehen sein, dass das Licht einer Polarisationsrichtung unpolarisiert ausgesendet wird.Again, it may be provided that the light of a polarization direction is emitted unpolarized.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen:Show it:

1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem, 1 schematically a light transit time camera system,

2 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger, 2 a modulated integration of generated charge carriers,

3 Verläufe der Ladungsintegration abhängig von der Phasenverschiebung und -lage, 3 Characteristics of the charge integration depending on the phase shift and position,

4 eine Relation der Phasenverschiebung in einem IQ-Diagramm, 4 a relation of the phase shift in an IQ-diagram,

5 einen Modulationsverlauf für eine Entfernungsmessung über vier Phasenlagen, 5 a modulation course for a distance measurement over four phase positions,

6 eine durch Mehrwegausbreitung gestörte Entfernungsmessung, 6 a distance measurement disturbed by multipath propagation,

7 eine Mehrwegausbreitung im IQ-Phasendiagramm, 7 a multipath propagation in the IQ phase diagram,

8 eine Beleuchtung mit einem Polarisationsarray, 8th a lighting with a polarization array,

9 Ergebnisse von gestörten Entfernungsmessungen, 9 Results of disturbed distance measurements,

10 ein in der Polarisation moduliertes Gleichlicht, 10 a polarization-modulated constant light,

11 ein in der Polarisation gestörtes Gleichlicht gemäß 10, 11 a rectified light in the polarization according to 10 .

12 ein in der Polarisation moduliertes Gleichlicht mit vier Polarisationsrichtungen, 12 a polarization-modulated constant light with four polarization directions,

13 ein Variante mit zwei Polarisationsrichtungen und einem Duty-Cycle von 25%. 13 a variant with two polarization directions and a duty cycle of 25%.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, like reference characters designate like or similar components.

1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist. 1 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a light time camera, as for example from the DE 197 04 496 A1 is known.

Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. eine Beleuchtung 10 mit einer Lichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.The light transit time camera system 1 includes a transmitting unit or a lighting 10 with a light source 12 and associated beam shaping optics 15 as well as a receiving unit or light runtime camera 20 with a receiving optics 25 and a light transit time sensor 22 ,

Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.The light transit time sensor 22 has at least one time-of-flight pixel, preferably also a pixel array, and is designed in particular as a PMD sensor. The receiving optics 25 typically consists of improving the imaging characteristics of multiple optical elements. The beam shaping optics 15 the transmitting unit 10 may be formed for example as a reflector or lens optics. In a very simple embodiment, if necessary, optical elements can also be dispensed with both on the receiving side and on the transmitting side.

Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal M0 mit einer Basisphasenlage φ0 beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals M0 der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.The measurement principle of this arrangement is essentially based on the fact that, based on the phase shift of the emitted and received light, the transit time and thus the distance covered by the received light can be determined. For this purpose, the light source 12 and the light transit time sensor 22 via a modulator 30 together with a specific modulation signal M 0 with a base phase position φ 0 applied. In the example shown is also between the modulator 30 and the light source 12 a phase shifter 35 provided with the base phase φ 0 of the modulation signal M 0 of the light source 12 around defined phase positions φ var can be moved. For typical phase measurements, phase positions of φ var = 0 °, 90 °, 180 °, 270 ° are preferably used.

Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + Δφ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M0 mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.The light source transmits according to the set modulation signal 12 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 illustrated case of an object 40 reflects and hits due to the distance traveled corresponding phase-shifted Δφ (t L ) with a second phase position p2 = φ 0 + φ var + Δφ (t L ) as a received signal S p2 on the light transit time sensor 22 , In the time of flight sensor 22 the modulation signal M 0 is mixed with the received signal S p2 , wherein the phase shift or the object distance d is determined from the resulting signal.

Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.As illumination source or light source 12 are preferably infrared light emitting diodes. Of course, other radiation sources in other frequency ranges are conceivable, in particular, light sources in the visible frequency range are also considered.

Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in 2 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. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage des Modulationssignals M0 in einem ersten Akkumulationsgate bzw. Integrationsknoten Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M0 + 180° in einem zweiten Integrationsknoten Gb. Aus der Differenz der im ersten und zweiten Knoten Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ(tL) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.The basic principle of phase measurement is schematically in 2 shown. The upper curve shows the time profile of the modulation signal M 0 with the illumination 12 and the light transit time sensor 22 be controlled. The object 40 Reflected light impinges on the light transit time sensor as received signal S p2 in accordance with its light transit time t L phase-shifted Δφ (t L ) 22 , The light transit time sensor 22 collects the photonically generated charges q over a plurality of modulation periods in the phase position of the modulation signal M 0 in a first accumulation gate or integration node Ga and in a 180 ° shifted phase position M 0 + 180 ° in a second integration node Gb. From the difference of the charges qa, qb collected in the first and second nodes Ga, Gb, the phase shift Δφ (t L ) and thus a distance d of the object can be determined.

3a und 3b zeigen Verläufe der normierten Ladungsdifferenz Δq = qa – qb/(qa + qb) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung Δφ(tL) des empfangenen Lichtsignals Sp2 mit unterschiedlichen Phasenlagen. Die 3a zeigt einen Verlauf für eine unverschobene Modulationsphase M0 mit einer Phasenlage φvar = 0°. 3a and 3b show curves of the normalized charge difference Δq = q a - q b / (q a + q b ) as a function of the phase shift Δφ (t L ) of the received light signal S p2 with different phase angles. The 3a shows a curve for an unshifted modulation phase M 0 with a phase angle φ var = 0 °.

Bei einem Auftreffen des Signals Sp2 ohne Phasenverschiebung also Δφ(tL) = 0°, beispielsweise, wenn das Sendesignal Sp1 direkt auf den Sensor gelenkt wird, sind die Phasen der Modulation M0 und vom empfangenen Signal Sp2 identisch, so dass alle erzeugten Ladungsträger phasensynchron am ersten Integrationsknoten Ga erfasst werden und somit ein maximales Differenzsignal mit Δq = 1 anliegt.When the signal S p2 strikes without a phase shift, ie Δφ (t L ) = 0 °, for example when the transmission signal S p1 is directed directly to the sensor, the phases of the modulation M 0 and of the received signal S p2 are identical, so that all generated charge carriers are detected synchronously at the first integration node Ga and thus a maximum difference signal with Δq = 1 is applied.

Mit zunehmender Phasenverschiebung nimmt die am ersten Integrationsknoten Ga akkumulierte Ladung ab und am zweiten Integrationsknoten Gb zu. Bei einer Phasenverschiebung von Δφ(tL) = 90° sind die Ladungsträger qa, qb an beiden Integrationsknoten Ga, Gb gleich verteilt und die Ladungsdifferenz somit Null und nach 180° Phasenverschiebung ”–1”. Mit weiter zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Gate Ga wieder zu, so dass im Ergebnis die Ladungsdifferenz wieder ansteigt, um dann bei 360° bzw. 0° wieder ein Maximum zu erreichen.As the phase shift increases, the charge accumulated at the first integration node Ga decreases and at the second integration node Gb increases. With a phase shift of Δφ (t L ) = 90 °, the charge carriers qa, qb are equally distributed at both integration nodes Ga, Gb and the charge difference is thus zero and after 180 ° phase shift "-1". With further increasing phase shift, the charge at the first gate Ga increases again, so that as a result the charge difference increases again in order then to reach a maximum again at 360 ° or 0 °.

Mathematisch handelt es sich hierbei um eine Korrelationsfunktion des empfangenen Signals Sp2 mit dem modulierenden Signal M0.

Figure DE102016201599A1_0002
Mathematically This is a correlation function of the received signal S p2 with the modulating signal M 0th
Figure DE102016201599A1_0002

Bei einer Modulation mit einem Rechtecksignal ergibt sich wie bereits dargestellt als Korrelationsfunktion eine Dreiecksfunktion. Bei einer Modulation mit beispielsweise einem Sinussignal wäre das Ergebnis eine Kosinusfunktion.In the case of a modulation with a square-wave signal, as already described, a triangular function results as the correlation function. For a modulation with, for example, a sine signal, the result would be a cosine function.

Wie 3a zeigt, ist eine Messung der Phase mit einer Phasenlage nur bis zu einer Phasenverschiebung Δφ(tL) ≤ 180° eindeutig.As 3a shows, a phase phase measurement is unique only up to a phase shift Δφ (t L ) ≤ 180 °.

Zur maximalen Erfassung der Phasenverschiebung ist beispielsweise das IQ (Inphase-Quadratur) Verfahren bekannt, bei dem zwei Messungen mit um 90° verschobenen Phasenlagen durchgeführt werden, also beispielsweise mit der Phasenlage φvar = 0° und φvar = 90°. Das Ergebnis einer Messung mit der Phasenlage φvar = 90° ist in 5b dargestellt.For maximum detection of the phase shift, for example, the IQ (in-phase quadrature) method is known in which two measurements are performed with shifted by 90 ° phase angles, so for example with the phase φ var = 0 ° and φ var = 90 °. The result of a measurement with the phase angle φ var = 90 ° is in 5b shown.

Die Beziehung dieser beiden Kurven lässt sich in bekannter Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm bzw. Phasendiagramm gem. 4 darstellen. In erster Näherung ist diese Darstellung ohne weiteres auch für die dargestellten Dreiecksfunktionen anwendbar.The relationship of these two curves can be in a known manner, for example, for sinusoidal waveforms in an IQ diagram or phase diagram gem. 4 represent. In a first approximation, this representation is readily applicable to the triangular functions shown.

Der Phasenwinkel lässt sich dann in bekannter Weise über eine arctan-Funktion bzw. arctan2-Funktion bestimmen: φ = Δφ(tL) = arctan Δq(90°) / Δq(0°) The phase angle can then be determined in a known manner via an arctan function or arctan2 function: φ = Δφ (t L ) = arctan Δq (90 °) / Δq (0 °)

Um beispielsweise Asymmetrien des Sensors zu kompensieren, können zusätzliche um 180° verschobene Phasenmessungen durchgeführt werden, so dass sich im Ergebnis der Phasenwinkel wie folgt bestimmen lässt. φ = Δφ(tL) = arctan Δq(90°) – Δq(270°) / Δq(0°) – Δq(180°) In order to compensate, for example, asymmetries of the sensor, additional phase measurements shifted by 180 ° can be performed so that, as a result, the phase angle can be determined as follows. φ = Δφ (t L) = arctan .DELTA.Q (90 °) - .DELTA.Q (270 °) / .DELTA.Q (0 °) - .DELTA.Q (180 °)

Oder verkürzt formuliert:

Figure DE102016201599A1_0003
Or shortened formulated:
Figure DE102016201599A1_0003

Wobei die Indizes die jeweilige Phasenlage der Differenzen ai andeuten, mit a1 = Δq(0°) usw.Where the indices indicate the respective phase position of the differences a i , with a 1 = Δq (0 °) etc.

Aus der Phasenverschiebung φ bzw. Δφ(tL) lassen sich für Objektabstände d, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge λ der Modulationsfrequenz d ≤ λ/2, in bekannter Weise ein Abstand bestimmen. d = Δφ(tL) λ / 2π· 1 / 2 From the phase shift φ or Δφ (t L ) can be for object distances d, which are smaller than half the wavelength λ of the modulation frequency d ≤ λ / 2, determine a distance in a known manner. d = Δφ (t L ) λ / 2π × 1/2

In 5 ist ein vollständiger Satz einer Entfernungsmessung mit vier Phasenlagen von 0°, 90°, 180° und 270° dargestellt. Im dargestellten Fall werden Ladungsträger jeweils über Modulationsperioden integriert und in jeder Phasenlage ein der Ladungsdifferenz entsprechender Wert a1, a2, a3, a4 ausgelesen, woraus sich wie bereits dargestellt eine Phasenverschiebung und ein entsprechender Entfernungswert ermitteln lässt.In 5 is a complete set of distance measurement with four phase angles of 0 °, 90 °, 180 ° and 270 °. In the illustrated case, charge carriers are integrated in each case via modulation periods and in each phase position a value corresponding to the charge difference a 1 , a 2 , a 3 , a 4 is read, from which a phase shift and a corresponding distance value can be determined as already described.

6 zeigt eine Situation, bei der ein Messpunkt MP an einem Objekt 40.1 über zwei Wege von der Beleuchtung 10 des Lichtlaufzeitkamerasystems 1 beleuchtet wird. Im dargestellten Fall liegt innerhalb des Ausleuchtungsbereichs des Lichtlaufzeitkamerasystems 1 ein reflektierendes Objekt 40.2 an dem das von der Beleuchtung 10 emittierte Licht in Richtung des Messpunkts MP reflektiert wird. Der Messpunkt wird somit zum einen direkt und zum anderen indirekt über Reflektion an dem weiteren Objekt 40.2 beleuchtet. Der Lichtlaufzeitsensor 22 der Lichtlaufzeitkamera 20 erhält somit für diesen Messpunkt MP ein primäres Empfangssignal Sp2 mit einer Phasenlage p2, die der zweifachen Objektentfernung entspricht und ein sekundäres Empfangssignal Sp2', dessen Phasenlage p2' um den zusätzlichen Weg über das zweite Objekt 40.2 vergrößert ist. 6 shows a situation where a measuring point MP on an object 40.1 about two ways from the lighting 10 of the time of flight camera system 1 is illuminated. In the case shown lies within the illumination range of the time of flight camera system 1 a reflective object 40.2 that's from the lighting 10 emitted light is reflected in the direction of the measuring point MP. The measuring point thus becomes, on the one hand, directly and, on the other hand, indirectly via reflection on the further object 40.2 illuminated. The light transit time sensor 22 the light runtime camera 20 Thus, for this measuring point MP receives a primary received signal Sp2 with a phase position p2, which corresponds to twice the object distance and a secondary received signal Sp2 ', the phase position p2' to the additional path over the second object 40.2 is enlarged.

7 zeigt die Situation gemäß 6 in einem Phasendiagramm. Anhand der erfassten Phasenlagen p2 des Empfangssignals S wird wie zuvor beschrieben eine laufzeitbedingte Phasenverschiebung Δφ(tL) bzw. vereinfacht ein Phasenwinkel φ ermittelt. Liegt keine mehrfache Beleuchtung des Messpunktes MP vor, korrespondiert der Phasenwinkel φ mit der tatsächlichen Objektentfernung. 7 shows the situation according to 6 in a phase diagram. Based on the detected phase positions p2 of the received signal S, a phase-related phase shift Δφ (t L ) or, more simply, a phase angle φ is determined as described above. If there is no multiple illumination of the measuring point MP, the phase angle φ corresponds to the actual object distance.

Der Phasenwinkel φ der tatsächlichen Objektentfernung bzw. des primären Empfangssignals Sp2 wird jedoch durch die Phase β des sekundären Empfangssignals Sp2' überlagert. Da am Sensor 22 nur die Summe der beiden Empfangssignale Sp2, Sp2' am Messpunkt MP erfasst werden kann, summieren sich die Phasenwinkel φ, β zu einem scheinbaren Phasenwinkel φ', der im dargestellten Fall größer ist als der Phasenwinkel φ der tatsächlichen Objektentfernung.However, the phase angle φ of the actual object distance or the primary received signal Sp2 is superimposed by the phase β of the secondary received signal Sp2 '. Because at the sensor 22 only the sum of the two received signals Sp2, Sp2 'can be detected at the measuring point MP, the phase angles φ, β add up to an apparent phase angle φ', which in the illustrated case is greater than the phase angle φ of the actual object distance.

Die Größe der Abweichung hängt vornehmlich von der Amplitude des sekundären Empfangssignals Sp2' bzw. der Stärke der Reflektion am zweiten Objekt 40.2 ab. Ebenso sind auch Reflektionen störend, die eine Phasenverschiebung des Signals verursachen. Die Stärke der Reflektion wird hauptsächlich durch den Einfallswinkel, den Materialeigenschaften und der Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst. Problematisch können hier insbesondere Glasoberflächen bei einem streifen Einfall sein, da hier in Form einer Fresnelreflektion das einfallende Licht fast ohne Verluste reflektiert wird. Problematisch sind auch Raumecken, da durch diffuse Reflektion des beleuchtenden Lichts an der angrenzenden Wand ein Messpunkt MP aus einer Vielzahl von Raumrichtungen beleuchtet werden kann.The magnitude of the deviation depends primarily on the amplitude of the secondary received signal Sp2 'or the strength of the reflection at the second object 40.2 from. Likewise, reflections that cause a phase shift of the signal are disturbing. The intensity of the reflection is mainly influenced by the angle of incidence, the material properties and the surface condition. Particularly problematic here are glass surfaces in the case of a striped incidence, since here the incident light is reflected almost without losses in the form of Fresnel reflection. Room corners are also problematic since a measuring point MP can be illuminated from a multiplicity of spatial directions by diffuse reflection of the illuminating light on the adjacent wall.

Kerngedanke der Erfindung ist es nun, die durch Reflektion entstandenen sekundären Empfangssignale Sp2' zu erkennen und/oder deren Amplitude zu reduzieren. Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass die Polarisation des sekundären Empfangssignals Sp2' zwischen Sender 10 und Empfänger 20 grundsätzlich einer Beeinflussung bzw. Veränderung unterliegt.The core idea of the invention is now to recognize the secondary received signals Sp2 'produced by reflection and / or to reduce their amplitude. According to the invention, the fact that the polarization of the secondary received signal Sp2 'is used between the transmitter 10 and receiver 20 is fundamentally subject to influence or change.

Gemäß der Fresnel Gleichungen ist die Reflektivität auch bei diffus oder schwach reflektierenden Medien polarisationsabhängig. Insbesondere für große Einfallswinkel respektive „streifendem Einfall” ergeben sich große Reflektivitätsunterschiede bezüglich der Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung.According to the Fresnel equations, the reflectivity is also polarization dependent on diffuse or weakly reflective media. In particular for large angles of incidence or "grazing incidence", there are large reflectivity differences with respect to the polarization direction of the incident radiation.

Für störende Objekte 40.2, welche selbst nicht polarisierend wirken – egal ob die Polarisation der reflektierten Strahlung zufällig ist (z. B. matte weiße Wand) oder polarisationserhaltend sind in Bezug auf die einfallende Strahlung (z. B. metallisierte Leinwände) – sind Reflexanteile, welche aufgrund ihres Weges polarisationsabhängig reflektiert wurden, identifizierbar, indem die Beleuchtung 10 mit unterschiedlichen Polarisationen betrieben wird.For disturbing objects 40.2 which do not themselves polarize - whether the polarization of the reflected radiation is random (eg, a dull white wall) or polarization-preserving with respect to the incident radiation (eg, metallized screens) - are reflex components due to their path were polarization-dependent, identifiable by the lighting 10 operated with different polarizations.

Zur Bestimmung der Polarisationsrichtung des sekundären Empfangssignals Sp2' sollte wenigstens mit drei Polarisationsrichtung (0°, 45°, 90°) vorzugsweise mit vier Polarisationsrichtungen (0°, 45°, 90°, 135°) gearbeitet werden. Die 0° Winkellage kann naturgemäß beliebig festgelegt werden.To determine the polarization direction of the secondary received signal Sp2 ', at least three polarization directions (0 °, 45 °, 90 °), preferably four polarization directions (0 °, 45 °, 90 °, 135 °) should be used. The 0 ° angular position can of course be set arbitrarily.

Für den Sonderfall, dass alle zu erwartenden störenden Reflexursachen entweder waagerecht oder senkrecht orientiert sind – z. B. Wände, Schränke, Fenster, Tischoberflächen, Gewässeroberflächen – kann es ausreichend sein mit zwei Polarisationsrichtungen (z. B. 0° = senkrecht und 90° = waagerecht) bei der Beleuchtung 10 zu arbeiten. Allgemein ist notwendig, dass die verwendeten Polarisationsrichtungen nicht beide nahezu denselben Winkel zu den Normalen der störenden Objektoberflächen 40.2 aufweisen. Generell kann aber auch mit anderen als den oben genannten Polarisationswinkeln gearbeitet werden.For the special case that all expected disturbing reflexes causes either horizontally or vertically oriented - z. As walls, cabinets, windows, table surfaces, water surfaces - It may be sufficient with two polarization directions (eg 0 ° = vertical and 90 ° = horizontal) when lighting 10 to work. Generally it is necessary that the polarization directions used are not both nearly the same angle to the normal of the interfering object surfaces 40.2 exhibit. In general, however, it is also possible to work with other than the above-mentioned polarization angles.

Grundsätzlich sind drei Systemauslegungen denkbar:
a) der Empfänger 20, b) der Sender 10 oder c) Sender 10 und Empfänger 20 weisen eine Polarisationsvorrichtung auf, deren Polarisationsrichtung vorzugsweise einstellbar ist.Basically, three system designs are conceivable:
a) the recipient 20 , b) the transmitter 10 or c) stations 10 and receiver 20 have a polarization device whose polarization direction is preferably adjustable.

In 8 ist exemplarisch die Variante b) gezeigt, bei der der Sender 10 bzw. deren Lichtquellen 12 mit Polarisationsfiltern 17 ausgestattet sind. Die Lichtquellen 12.1.1–12.n.n sind matrixförmig bzw. als Array angeordnet, wobei unmittelbar benachbarte Lichtquellen 12.1.1–12.n.n unterschiedliche Polarisationsrichtungen 0°, 45°, 90°, 135° aufweisen.In 8th exemplified is the variant b), in which the transmitter 10 or their light sources 12 with polarizing filters 17 are equipped. The light sources 12.1.1 - 12.nn are arranged in a matrix or as an array, with directly adjacent light sources 12.1.1 - 12.nn have different polarization directions 0 °, 45 °, 90 °, 135 °.

Weisen die Lichtquellen 12 bereits selbst polarisierende Eigenschaften auf, beispielsweise Kantenemitter-Laserdioden, so können statt der Polarisationsfilter 17, die Lichtquellen 12 entsprechend ihrer Polarisation unterschiedlich ausgerichtet werden.Assign the light sources 12 already self-polarizing properties, such as edge emitter laser diodes, so instead of the polarization filter 17 , the light sources 12 be aligned differently according to their polarization.

Ebenso ist es denkbar, eine oder alle Lichtquellen 12 mit einer Polarisation ändernden Vorrichtung auszustatten, beispielsweise einer Pockels-Zelle oder einer LCD-Ebene. So können beispielsweise alle Lichtquellen gemeinsam in der Polarisation geändert werden. Auch sind Mischformen denkbar, bei denen die einen Lichtquellen eine feste Polarisation aufweisen und ein anderer Teil der Lichtquellen mit einer veränderbaren Polarisationsvorrichtung ausgestattet sind.It is also conceivable, one or all light sources 12 with a polarization changing device, for example a Pockels cell or an LCD level. For example, all light sources can be changed together in polarization. Mixed forms are also conceivable in which one light source has a fixed polarization and another part of the light source is equipped with a variable polarization device.

In einer möglichen erfindungsgemäßen Betriebsweise, wird die Beleuchtung während einer vollständigen Entfernungsmessung immer nur mit einer Polarisationsrichtung betrieben, die Lichtquellen mit abweichender Polarisationsrichtung bleiben ausgeschaltet. Die vollständige Entfernungsmessung durchläuft hierbei alle für die Messung notwendigen Phasenlagen. Hiernach würde eine zweite Entfernungsmessung mit einer abweichenden Polarisationsrichtung durchgeführt. Weichen die ermittelten Entfernungswerte voneinander ab, ist davon auszugehen, dass die Messungen mit hoher Wahrscheinlichkeit durch eine Mehrwegausbreitung gestört werden.In one possible mode of operation according to the invention, the illumination is always operated with only one polarization direction during a complete distance measurement, and the light sources with a different polarization direction remain switched off. The complete distance measurement runs through all the phase positions necessary for the measurement. After this, a second distance measurement would be carried out with a different polarization direction. If the determined distance values deviate from one another, it can be assumed that the measurements are likely to be disturbed by multipath propagation.

In 9 sind beispielhaft mögliche Phasenwinkel φ bzw. Entfernungswerte d in Abhängigkeit unterschiedlicher Polarisationsrichtungen gezeigt. Für die Polarisationswinkel 0° und 90° werden im Wesentlichen die gleichen Distanzen ermittelt, während die Distanzen d für die Polarisationsrichtungen 45° und 135° stark abweichen. Ein derartiges Ergebnis weist auf eine Störung durch Mehrwegausbreitung hin. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass die geringste Störung bei der Polarisationsrichtung vorliegt, bei der der Entfernungswert d, φ minimal ist. Im vorliegenden Fall wäre dies bei einer Polarisationsrichtung von 90°.In 9 By way of example, possible phase angles φ and distance values d are shown as a function of different polarization directions. For the polarization angles 0 ° and 90 °, essentially the same distances are determined, while the distances d for the polarization directions deviate strongly from 45 ° and 135 °. Such a result indicates interference by multipath propagation. In addition, it can be expected that there is the least disturbance in the direction of polarization at which the distance value d, φ is minimal. In the present case, this would be at a polarization direction of 90 °.

In einer möglichen Auswertung, kann es dann vorgesehen sein, nur den minimalsten Entfernungswert auszugeben, ggf. mit einem Hinweis auf eine Störung durch Mehrwegausbreitung. Je nach Größe der Abweichungen kann ggf. auch eine quantifizierte Störungsmeldung ausgegeben werden. Auch kann es vorgesehen sein, bei zu großen Abweichungen, die vorzugsweise einen Grenzwert überschreiten, alle Entfernungsmessung als gestört zu verwerfen.In a possible evaluation, it may then be provided to output only the minimum distance value, possibly with an indication of a disturbance due to multipath propagation. Depending on the size of the deviations, a quantified fault message may also be issued. It may also be provided that, if the deviations are too great, which preferably exceed a limit value, all distance measurement may be rejected as being disturbed.

Auch kann es vorgesehen sein, die Polarisationsrichtung in den verschieden Phasenlagen unterschiedlich zu wählen und im Hinblick auf Mehrwegausbreitungen auszuwerten.It can also be provided to select the polarization direction in the different phase positions differently and to evaluate them with regard to multipath propagation.

In einer weiteren Ausgestaltung gemäß 10 kann es vorgesehen sein, neben der reinen Entfernungsmessung eine Störermessung zur Detektion von Mehrwegausbreitungen durchzuführen. Hierzu wird die Beleuchtung nicht nur im Takte des Modulationssignals betrieben, sondern zusätzlich auch im komplementären um 180° Phasenlage verschobenen Takt M0 + 180°. Im synchronen Takt M0 werden die Lichtquellen 12 der Beleuchtung 10 mit einer ersten Polarisationsrichtung, hier ϑ = 0 und im komplementären Takt M0 + 180° mit einer zweiten Polarisationsrichtung, hier ϑ = 90° betrieben.In a further embodiment according to 10 It may be provided to carry out a disturbance measurement in addition to the pure distance measurement for detecting Mehrwegausbreitungen. For this purpose, the lighting is not only operated in the cycle of the modulation signal, but in addition also in the complementary shifted by 180 ° phase position clock M 0 + 180 °. In the synchronous clock M 0 , the light sources 12 the lighting 10 with a first polarization direction, here θ = 0 and in the complementary cycle M 0 + 180 ° with a second polarization direction, here θ = 90 °.

Liegt keine Mehrwegausbreitung MWA vor und weist auch das untersuchte Objekt 40 keine polarisationsändernden Eigenschaften, insbesondere eine polarisationsabhängige Reflektivität, auf, entspricht das empfangene Signal Sp2 einem Gleichlichtsignal ohne Modulation. Die Integrationsknoten Ga, Gb bzw. die A- und B-Kanälen des PMD-Pixels bzw. Lichtlaufzeitpixels erhalten die gleiche Lichtinformation, so dass die Differenz der beiden Kanäle A – B bzw. die Differenz der akkumulierten Ladungen qa – qb gleich Null ist.There is no multipath propagation MWA and also indicates the examined object 40 no polarization-changing properties, in particular a polarization-dependent reflectivity, on, the received signal Sp2 corresponds to a uniform light signal without modulation. The integration nodes Ga, Gb and the A and B channels of the PMD pixel and the light transit time pixel receive the same light information, so that the difference of the two channels A - B and the difference of the accumulated charges q a - q b equal to zero is.

Liegt jedoch eine polarisationsabhängige Mehrwegausbreitung MWA vor, wird als Empfangssignal Sp2', wie in 11 gezeigt, statt einem unmodulierten Gleichlicht ein moduliertes Signal Sp2' empfangen. Dieses Signal wird im Takte des Modulationssignals zwischen dem ersten und zweiten Integrationsknoten Ga, Gb bzw. A- und B-Kanal aufgeteilt, mit dem Ergebnis, dass bei einem durch Mehrwegausbreitung MWA gestörtes Signal Sp2', die Differenz zwischen den beiden Kanälen bzw. deren Ladungsdifferenz qa – qb von Null verschieden ist. In praktischer Umsetzung wird ein Signal vorzugsweise dann als gestört betrachtet, wenn die Ladungsdifferenz einen Grenzwert nahe Null übersteigt. Der Grenzwert erlaubt es Messunsicherheiten, Asymmetrien des Sensors etc., die ggf. allein schon kanalabhängige Abweichungen verursachen, abzufangen, und wird vorzugsweise so festgelegt, dass systembedingte Abweichungen diesen Grenzwert nicht überschreiten.However, if there is a polarization-dependent multipath propagation MWA, the received signal Sp2 ', as in FIG 11 instead of receiving an unmodulated constant light, a modulated signal Sp2 'is received. This signal is divided in the clock of the modulation signal between the first and second integration nodes Ga, Gb and A and B channel, with the result that in a disturbed by multipath propagation MWA signal Sp2 ', the Difference between the two channels or their charge difference q a - q b is different from zero. In practical implementation, a signal is preferably considered disturbed when the charge difference exceeds a threshold near zero. The limit value allows measurement uncertainties, asymmetries of the sensor, etc., which possibly alone cause channel-dependent deviations, to intercept, and is preferably determined so that system-related deviations do not exceed this limit value.

12 zeigt eine Variante, bei der der Duty-Cycle der Beleuchtung 10 für eine Polarisationsrichtung ϑ statt 50% auf 25% reduziert wurde. Hierdurch ist es möglich das Sendesignal Sp1 mit vier Polarisationsrichtungen auszubilden. Im dargestellten Fall werden im Takte der Modulationsfrequenz die Polarisationsrichtungen 0° und 90° und im komplementären Takt die Polarisationsrichtungen 45° und 135° bereitgestellt. Wie im Beispiel zur 10 summieren sich die Signale ohne Störeinflüsse zu einem Gleichlicht. Im Störungsfalle einer polarisationsverändernden Mehrwegausbreitung MWA sind für die unterschiedlichen Polarisationsrichtungen unterschiedliche Empfangsamplituden Sp2 zu erwarten, die sich dann als Differenz zwischen beiden Kanälen A, B zu erkennen gibt. 12 shows a variant in which the duty cycle of lighting 10 was reduced for a polarization direction θ instead of 50% to 25%. This makes it possible to form the transmission signal Sp1 with four polarization directions. In the case shown, the polarization directions 0 ° and 90 ° are provided in the cycle of the modulation frequency and the polarization directions 45 ° and 135 ° in the complementary clock. As in the example of 10 The signals sum up without interference to a constant light. In case of disturbance of a polarization-changing multipath propagation MWA, different reception amplitudes Sp2 are to be expected for the different polarization directions, which are then to be recognized as the difference between the two channels A, B.

13 zeigt eine Variante bei der, wie im Beispiel gemäß 12, der Duty-Cycle der Beleuchtung auf 25% reduziert wurde, jedoch statt vier nur zwei Polarisationsrichtungen verwendet werden. Grundsätzlich kann das Verfahren auch in den vorgenannten Ausführungen mit Duty-Cycle kleiner 50% bis hin zu theoretisch einem Dirac-Impuls betrieben werden. Wesentlich ist, dass die Einschaltpulse/-intervalle der Beleuchtung mit der jeweils unterschiedlichen Polarisation komplementär um 180° verschoben erfolgen und dass die Lichtleistung bzw. Lichtmenge in den Einschaltintervallen gleich groß ist. 13 shows a variant in which, as in the example according to 12 , the duty cycle of lighting was reduced to 25%, but instead of four only two polarization directions are used. In principle, the method can also be operated in the aforementioned embodiments with a duty cycle of less than 50% up to theoretically a Dirac pulse. It is essential that the switch-on pulses / intervals of the illumination with the respectively different polarization are complementarily shifted by 180 ° and that the light output or quantity of light is the same in the switch-on intervals.

Im dargestellten Beispiel beginnt das erste Einschaltintervall der Beleuchtung mit der ersten Polarisation ϑ = 0° zeitgleich mit der Ansteuerung des ersten Integrationsknoten Ga und das zweite Einschaltintervall mit der Polarisation ϑ = 90° zeitgleich mit der Ansteuerung des zweiten Integrationsknoten Gb. Grundsätzlich muss der Beginn eines Einschaltintervalls der Beleuchtung nicht zeitgleich mit der Ansteuerung eines Integrationsknotens erfolgen, maßgeblich ist, dass die Einschaltintervalle synchron mit dem Modulationssignal erfolgen und einen Phasenabstand von 180° aufweisen.In the example shown, the first switch-on interval of the illumination with the first polarization θ = 0 ° begins at the same time as the activation of the first integration node Ga and the second switch-on interval with the polarization θ = 90 ° simultaneously with the activation of the second integration node Gb. In principle, the beginning of a switch-on interval of the illumination does not have to take place at the same time as the activation of an integration node. The decisive factor is that the switch-on intervals take place synchronously with the modulation signal and have a phase separation of 180 °.

Grundsätzlich können auch Störungen diffuser Reflexe oder durchleuchteter Objekte erkannt werden, sofern sie polarisierend sind. Auch mehrfache Reflexe sind erkennbar. Des Weiteren sind auch andere Duty-Cycle bzw. Tastverhältnisse der Beleuchtung denkbar, um beispielsweise weitere Polarisationsrichtungen abbilden zu können. Auch müssen die Polarisationsrichtungen nicht senkrecht aufeinander stehen. So sind auch Winkel von 0°, 60° und 120° denkbar. In einem solchen Fall würde die Beleuchtung vorzugsweise mit einem Taktverhältnis von 33,3% betrieben werden. Ebenso können „krumme” Werte verwendet werden wie beispielsweise 0°, 41°, 86° etc.Basically, also disturbances of diffuse reflections or illuminated objects can be detected, as long as they are polarizing. Also multiple reflexes are recognizable. Furthermore, other duty cycle or duty cycles of the lighting are conceivable, for example, to be able to image further polarization directions. Also, the polarization directions do not have to be perpendicular to each other. Thus, angles of 0 °, 60 ° and 120 ° are conceivable. In such a case, the illumination would preferably be operated at a duty cycle of 33.3%. Similarly, "bent" values can be used, such as 0 °, 41 °, 86 °, etc.

14 zeigt eine Variante gemäß 13, bei die Polarisationsrichtung des ausgesendeten Lichts nicht im Takte des Modulationssignals gewechselt, sondern über mehrere Modulationstakte konstant gehalten wird. 14 shows a variant according to 13 , is not changed in the polarization direction of the emitted light in the cycle of the modulation signal, but is kept constant over a plurality of modulation clocks.

Im dargestellten Beispiel wird zunächst über drei Modulationstakte Licht in einer ersten Polarisationsrichtung ϑ = 0° und nach einem Takt Pause über weitere drei Modulationstakte in einer zweiten Polarisationsrichtung ϑ = 90° um M0 + 180° phasenverschoben ausgesandt.In the illustrated example, light is first emitted in a first polarization direction θ = 0 ° via three modulation clocks and after a clock break over a further three modulation cycles in a second polarization direction θ = 90 ° out of phase by M 0 + 180 °.

In Summe werden an beiden Kanälen A, B bzw. Integrationsknoten Ga, Gb die gleichen Nutzlichtsignalanteile erfasst, wie im Beispiel gemäß 13. Vorteil der Ausführung gemäß 14 ist, dass die Umschaltung zwischen den Polarisationsrichtungen mit einer niedrigeren Frequenz erfolgen kann und zwischen den Umschaltung bei Bedarf eine größere Zeitspanne möglich ist. Ein solches Vorgehen ist insbesondere immer dann von Vorteil, wenn die Polarisationsrichtung aller Lichtquellen gemeinsam umgeschaltet werden soll und der verwendete Polarisator eine größere Zeitspanne für die Polarisationsänderung benötigt.In total, the same Nutzlichtsignalanteile be detected at both channels A, B and integration nodes Ga, Gb, as in the example according to 13 , Advantage of the embodiment according to 14 is that the switching between the polarization directions can be done at a lower frequency and between the switching if necessary, a longer period of time is possible. Such a procedure is particularly advantageous whenever the polarization direction of all light sources is to be switched together and the polarizer used requires a greater time span for the polarization change.

Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Akkumulation der Lichtanteile nicht auf zwei Sequenzen beschränkt sein muss, es können auch mehrere Sequenzen mit alternierenden Polarisationsrichtungen vorgesehen sein. Maßgeblich ist, dass die für jeden Kanal ausgesendete Lichtmenge gleich groß ist, so dass ohne Störung die Differenz beider Kanäle zu Null wird.It should also be noted that the accumulation of the light components does not have to be limited to two sequences; several sequences with alternating polarization directions may also be provided. The decisive factor is that the amount of light emitted for each channel is the same, so that the difference between the two channels becomes zero without interference.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt, so sind ohne weiteres auch Kombinationen der Ausführungsbeispiele denkbar.Of course, the invention is not limited to the illustrated examples, so combinations of the embodiments are readily conceivable.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
LichtlaufzeitkamerasystemTime of flight camera system
1010
Beleuchtungsmodullighting module
1212
Beleuchtunglighting
2020
Empfänger, LichtlaufzeitkameraReceiver, light time camera
2222
LichtlaufzeitsensorTransit Time Sensor
2727
Auswerteeinheitevaluation
3030
Modulatormodulator
35 35
Phasenschieber, BeleuchtungsphasenschieberPhase shifter, lighting phase shifter
3838
ModulationssteuergerätModulation controller
4040
Objektobject
400400
Auswerteeinheitevaluation
φ, Δφ(tL)φ, Δφ (t L )
laufzeitbedingte Phasenverschiebungterm-related phase shift
φvar φ var
Phasenlagephasing
φ0 φ 0
Basisphasebase phase
M0 M 0
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
Integrationsknotenintegration node
Ua, UbUa, Ub
Spannungen an den IntegrationsknotenVoltages at the integration node
ΔU.DELTA.U
Spannungsdifferenzvoltage difference
Δq.DELTA.Q
Ladungsdifferenzcharge difference
dd
Objektdistanzsubject Distance

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19704496 A1 [0002, 0003, 0035] DE 19704496 A1 [0002, 0003, 0035]

Claims (9)

Lichtlaufzeitkamerasystem (1), mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) der wenigstens ein Lichtlaufzeitpixel mit mindestens zwei Integrationsknoten (Ga, Gb) aufweist, mit einer Beleuchtung (10) zur Aussendung eines Lichtsignals (Sp1), mit einem Modulator (30) zur Erzeugung eines Modulationssignals (M0), der mit dem Lichtlaufzeitsensor (22) und der Beleuchtung (10) verbunden ist, mit einer Auswerteeinheit, die ausgehend von den an den Integrationsknoten (Ga, Gb) des Lichtlaufzeitpixels gesammelten Ladungen (q) Entfernungswerte (φ, d) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung (10) derart ausgestaltet ist, dass das von der Beleuchtung (10) emittierte Licht in wenigsten zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen ausgesendet werden kann.Time of Flight Camera System ( 1 ), with a light transit time sensor ( 22 ) which has at least one light transit time pixel with at least two integration nodes (Ga, Gb), with illumination ( 10 ) for emitting a light signal (Sp1), with a modulator ( 30 ) for generating a modulation signal (M0) associated with the light transit time sensor ( 22 ) and the lighting ( 10 ), with an evaluation unit which determines distance values (φ, d) from the charges (q) collected at the integration nodes (Ga, Gb) of the light transit time pixel, characterized in that the illumination ( 10 ) is designed such that the of the lighting ( 10 ) emitted light in at least two different polarization directions can be emitted. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) nach Anspruch 1, bei dem die Beleuchtung (10) aus eine Array von Lichtquellen (12) besteht und wenigstens ein Teil der Lichtquellen (12) Polarisationsfilter (17) aufweisen oder/und im Betrieb ein polarisiertes Licht aussenden, wobei die Lichtquellen (12) in wenigsten zwei Gruppen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung aufgeteilt sind.Time of Flight Camera System ( 1 ) according to claim 1, wherein the lighting ( 10 ) from an array of light sources ( 12 ) and at least a part of the light sources ( 12 ) Polarizing filter ( 17 ) and / or emit in operation a polarized light, wherein the light sources ( 12 ) are divided into at least two groups with different polarization direction. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Lichtlaufzeitkamerasystem (1) derart ausgestaltet ist, dass die Beleuchtung (1) ein erstes Licht synchron zum Modulationstakt M0 mit einer ersten Polarisationsrichtung und ein zweites Licht synchron zum komplementären Modulationstakt M0 + 180° mit einer zweiten Polarisationsrichtung oder unpolarisiert emittiert wird.Time of Flight Camera System ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the light transit time camera system ( 1 ) is designed such that the lighting ( 1 ) a first light is emitted in synchronism with the modulation clock M0 with a first polarization direction and a second light in synchronism with the complementary modulation clock M0 + 180 ° with a second polarization direction or unpolarized. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Lichtlaufzeitkamerasystems (1) derart ausgebildet ist, dass ein Vorliegen einer Mehrwegausbreitung an einem Lichtlaufzeitpixels erkannt wird, wenn ein Differenzsignal der Integrationsknoten (Ga, Gb) des Lichtlaufzeitpixels von Null abweicht bzw. einen Grenzwert nahe Null überschreitet.Time of Flight Camera System ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which the light transit time camera system ( 1 ) is formed such that a presence of a multipath propagation at a light transit time pixel is detected when a difference signal of the integration nodes (Ga, Gb) of the light transit time pixel deviates from zero or exceeds a threshold value near zero. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Lichtlaufzeitkamerasystems (1) derart ausgebildet ist, dass wenigstens zwei Entfernungsmessungen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen der Beleuchtung (10) durchgeführt werden.Time of Flight Camera System ( 1 ) according to one of claims 1 or 2, in which the light transit time camera system ( 1 ) is designed such that at least two distance measurements with different polarization directions of the illumination ( 10 ) be performed. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) nach Anspruch 5, bei dem das Lichtlaufzeitkamerasystems (1) derart ausgebildet ist, dass ein Vorliegen einer Mehrwegausbreitung an einem Lichtlaufzeitpixels erkannt wird, wenn eine Differenz der in diesen Entfernungsmessungen ermittelten Entfernungswerte (d) einen Grenzwert überschreitet.Time of Flight Camera System ( 1 ) according to claim 5, wherein the light transit time camera system ( 1 ) is designed such that a presence of a multipath propagation at a light transit time pixel is detected if a difference of the distance values (d) determined in these distance measurements exceeds a limit value. Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in einem Störer-Erkennungsmodus, in wenigstens zwei Phasenlagen oder in wenigsten zwei Entfernungsmessungen Licht mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen ausgesendet wird.Method for operating a light transit time camera system ( 1 ) according to one of the preceding claims, in which light with different polarization directions is emitted in a disturber detection mode, in at least two phase positions or in at least two distance measurements. Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in einem Störer-Erkennungsmodus die Beleuchtung (10) Licht mit wechselnden Polarisationsrichtungen aussendet, und dass eine Störung der Lichtausbreitung erkannt wird, wenn an einem ersten und zweiten Integrationsknoten (Ga, Gb) eines Lichtlaufzeitpixels ein von Null abweichendes Differenzsignal erfasst wird.Method for operating a light transit time camera system ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, wherein in a disturber detection mode the illumination ( 10 ) Emits light with changing polarization directions, and that a disturbance of the light propagation is detected when at a first and second integration node (Ga, Gb) of a light time pixel, a non-zero difference signal is detected. Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems (1) nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 und 6, bei dem wenigstens zwei Entfernungsmessungen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen durchgeführt werden, ein Vorliegen einer Mehrwegausbreitung an einem Lichtlaufzeitpixels erkannt wird, wenn eine Differenz der in diesen Entfernungsmessungen ermittelten Entfernungswerte (d) einen Grenzwert überschreitet.Method for operating a light transit time camera system ( 1 ) according to one of claims 1, 2, 5 and 6, in which at least two distance measurements are carried out with different polarization directions, a presence of multipath propagation at a light transit time pixel is detected when a difference of the distance values (d) determined in these distance measurements exceeds a limit value.
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