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WO2022253676A1 - Time-of-flight camera having a spad light time-of-flight sensor - Google Patents

Time-of-flight camera having a spad light time-of-flight sensor Download PDF

Info

Publication number
WO2022253676A1
WO2022253676A1 PCT/EP2022/064239 EP2022064239W WO2022253676A1 WO 2022253676 A1 WO2022253676 A1 WO 2022253676A1 EP 2022064239 W EP2022064239 W EP 2022064239W WO 2022253676 A1 WO2022253676 A1 WO 2022253676A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
time
light
events
flight
pixel
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/064239
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Stefan Bölsker
Original Assignee
Ifm Electronic Gmbh
pmdtechnologies ag
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, pmdtechnologies ag filed Critical Ifm Electronic Gmbh
Publication of WO2022253676A1 publication Critical patent/WO2022253676A1/en

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    • 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
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    • G01S7/481Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone

Definitions

  • the invention relates to a time-of-flight camera with a SPAD time-of-flight sensor which has at least one distortion-free SPAD time-of-flight pixel according to the species of the independent claim.
  • the "photon-driven acquisition” method also referred to as “free-running”
  • the "asynchronous single-photon 3D imaging” method are suitable here for forming a SPAD pixel “distortion-free” in this sense.
  • DE 102017 113675 A1 discloses an optoelectronic sensor with at least one avalanche photodiode operated in a Geiger mode, with an evaluation unit that determines a common measured value for the distance from a large number of individual light propagation times. Since the avalanche photodiode does not work without distortion, it is intended to take into account the inherently existing exponentially decreasing frequency of detectable background events and to estimate how many individual light propagation times are to be expected in a time interval due to background events and to determine the common measured value from a time interval in which significantly more Single light propagation times are than expected.
  • the object of the invention is to improve the dynamics of a SPAD time-of-flight camera
  • the object is advantageously achieved by the time-of-flight camera according to the invention according to the species of the independent claim.
  • a time-of-flight camera is advantageously provided, with lighting for emitting a light pulse and a SPAD light-time-of-flight sensor with at least one SPAD pixel, the at least one SPAD pixel being configured free of distortion, light events occurring at the SPAD pixel being counted in a time-resolved manner at predetermined time intervals to determine the distance be, wherein light events are assigned to an object when the number of light events exceeds an evaluation threshold, wherein an object distance is determined based on a time difference between emitted and received light, wherein the SPAD pixel has a first and second memory, the first memory for storing, in a time-resolved manner, the number of light events collected to form a histogram for determining distance, and wherein the second memory is for storing a number of background light events, the histogram events in a em histogram interval and the background light events are recorded in a background light interval, with both intervals being run through several times during a predetermined measurement period for a
  • This procedure has the advantage that the histogram for the distance measurement does not become saturated.
  • the time-of-flight camera advantageously has an evaluation unit which is designed in such a way that the evaluation threshold value is determined based on the number of background light events recorded in the second memory.
  • the background light threshold value in such a way that an evaluation threshold value calculated on the basis of the background light threshold value remains below the maximum bit value of the first memory.
  • a termination period is recorded for each pixel in which the background light events have reached or exceeded the background light threshold value and based on the termination periods recorded for each pixel calculate a gray value image.
  • FIG. 1 schematically shows a SPAD time-of-flight camera
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a camera system
  • FIG. 3 shows a structure according to FIG. 2 with an anamorphic lens system
  • FIG. 4 shows a typical SPAD histogram
  • FIG. 5 shows an evaluation according to the invention.
  • FIG. 1 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a time-of-flight camera.
  • the time-of-flight camera or time-of-flight camera system 1 comprises a transmitter unit or an illumination module 10 with illumination 12 and associated beam-shaping optics 15, as well as a receiving unit or time-of-flight camera 20 with receiving optics 25 and a time-of-flight sensor 22.
  • Infrared light-emitting diodes VCSELs or laser diodes are preferably suitable as the illumination source or light source 12 .
  • Radiation sources in other frequency ranges are conceivable, in particular light sources in the visible frequency range are also possible.
  • a sensor or pixel according to the SPAD principle is particularly suitable as the light propagation time measuring sensor.
  • FIG. 2 schematically shows a time-of-flight camera system in which the illumination 12 is designed in such a way that an essentially strip-shaped illumination light is emitted.
  • This illumination light which is emitted and reflected by an object 40, naturally also impinges on the time-of-flight sensor 20 in the form of strips.
  • Illumination 12 and time-of-flight sensor 20 are arranged next to one another and inclined towards one another, so that the field of view FOV of the time-of-flight sensor 20 can be adequately illuminated by the illumination area FOI of the illumination 12 .
  • the lighting 12 can optionally also cover a larger lighting area vertically and is not necessarily set to be in the form of strips.
  • the illumination is preferably designed as a VCSEL array, with LEDs or other light sources also being conceivable in principle.
  • the highest possible light sensitivity of the time-of-flight camera system is desirable. This improves the properties of the time-of-flight camera system in the following respects:
  • Unfavorable conditions are in particular a greater distance to the object, lower reflectivity of the object and a higher intensity of the background lighting.
  • FIG. 3 shows an example of an arrangement with an anamorphic lens system.
  • the different focal length can be generated by different methods, for example:
  • the number of pixels that should be sensitive at each operating point can be designed in a targeted manner.
  • a targeted adjustment of the vertical field of view can be carried out independently of the sensor format.
  • FIG. 4 shows a typical acquisition of a histogram for a distance determination with, for example, a time-to-digital converter TDC or counter.
  • TDC time-to-digital converter
  • FIG. 5 shows a procedure according to the invention, with which a SPAD sensor remains functional despite a limited memory depth of the histogram memory, even in the case of strong extraneous light.
  • the core idea is to use a pixel-specific exposure time control of the SPAD sensor used as a receiver.
  • the chip architecture provides that, on the one hand, the distance-dependent events per pixel are recorded in a histogram or histogram interval (e.g. 8 bit per bin) in a first memory and, in parallel, the extraneous light as SPAD events separately per pixel in a second memory (e.g. 16 bits) can be counted in a backlight interval.
  • a histogram or histogram interval e.g. 8 bit per bin
  • the extraneous light / background light is recorded together with the histogram measurement in a common measurement interval. As soon as the number of background light events counted separately for each pixel exceeds a background light threshold HS, the extraneous light counter and the histogram for the respective pixel are frozen, i.e. the measurement is stopped and the associated pixel selection no longer reacts to further SPAD events. Neighboring pixels continue to integrate until they reach the background light threshold or a globally specified measurement duration.
  • the advantage is that it is impossible for the histogram memory to overflow due to extraneous light or background light. Furthermore, the dynamics of the entire pixel array is increased, since the pixels can be adjusted to different reflectivities and extraneous light intensities of the observed objects through their individual exposure time control.
  • a number of the backlight events are measured during the backlight interval in which, for example, no light is emitted.
  • x bins are provided for measuring the background light.
  • only a single bin can be provided. It is also possible to make the bin length longer in the backlight interval than in the histogram interval.
  • the number of background light events recorded individually for each pixel exceeds the previously specified background light threshold value HS.
  • the further counting of events both in the background light interval and in the histogram interval would now be stopped for each pixel.
  • the second memory for detecting the background light is designed according to the invention in such a way that the memory can be read multiple times during a distance measurement, so that it is also possible to check the number of events in relation to the background light threshold value HS.
  • the second memory for the background light and the first memory for the histogram each have a bit depth of 8 bits.
  • the second memory for the background light can also have a different bit depth.
  • the object-relevant events have reached saturation. This is not critical, however, because the procedure according to the invention ensures that the background light is at a sufficiently large distance from the saturation limit (max. bit value) so that the bins that are in saturation here can be identified as the object distance.
  • an evaluation threshold value is determined, for example using a look-up table.
  • the threshold value should preferably be set so high that statistically the background light only triggers a false-positive object detection with a negligibly low probability.
  • the measurement is then carried out with this threshold value and the first point in time at which the histogram exceeds the set threshold value is output as the result of the TOF measurement.
  • additional information can be output in order to enable subsequent interpolations and to increase the resolution.

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a time-of-flight camera, comprising an illumination means (10) for emitting light pulses and a SPAD light time-of-flight sensor (20) having at least one SPAD pixel, wherein: the at least one SPAD pixel is free of distortion; in order to determine distance, light events occurring at the SPAD pixel are counted with temporal resolution in predefined time intervals; light events are assigned to an object if the number of light events exceeds an evaluation threshold value (AS); an object distance is determined using a time difference between an emitted light pulse and a received light pulse; the SPAD pixel has a first and a second memory; the first memory is used for storing, with temporal resolution, the number of light events, which are detected in order to form a histogram for determining distance; the second memory is used to store a number of background-light events; the histogram events are detected in a histogram interval and the background-light events are detected in a background-light interval; for a distance measurement, both intervals are run through multiple times during a predefined measurement duration; the time-of-flight camera is designed such that the counting of the light events in a light time-of-flight pixel is stopped if either the predefined measurement duration is reached or the number of detected background-light events exceeds a preset background-light threshold value (HS).

Description

Lichtlaufzeitkamera mit einem SPAD-Lichtlaufzeitsensor Time-of-flight camera with a SPAD time-of-flight sensor
Die Erfindung betrifft eine Lichtlaufzeitkamera mit einem SPAD-Lichtlaufzeitsensor, der wenigstens ein verzerrungsfreies SPAD-Lichtlaufzeitpixel aufweist nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. The invention relates to a time-of-flight camera with a SPAD time-of-flight sensor which has at least one distortion-free SPAD time-of-flight pixel according to the species of the independent claim.
Bei Vorhandensein von starkem Hintergrundlicht tritt eine nichtlineare Verzerrung der Messergebnisse im Histogramm auf. Insbesondere ist das im Histogramm beobachtete Untergrundsignal aufgrund der Verzerrung gegebenenfalls nicht konstant. Verschiede Verfahren, mit denen diese Verzerrung bereits während der Aufnahme des Histogramms vermieden werden kann, wurden in der wissenschaftlichen Literatur beschrieben. Siehe beispielsweise A. Gupta et al (2019). „Asynchronous Single-Photon 3D Imaging“, IEEE/CVF International Conference on Computer Vision 7908 ff. In the presence of strong background light, a non-linear distortion of the measurement results in the histogram occurs. In particular, the background signal observed in the histogram may not be constant due to the distortion. Various methods with which this distortion can already be avoided during the recording of the histogram have been described in the scientific literature. See for example A Gupta et al (2019). "Asynchronous Single-Photon 3D Imaging", IEEE/CVF International Conference on Computer Vision 7908 et seq.
Insbesondere sind hier das Verfahren „Photon-driven acquisition“, auch als „free- running“ bezeichnet, sowie das Verfahren des „Asynchronous Single-Photon 3D Imaging“ geeignet, ein SPAD-Pixel in diesem Sinne „verzerrungsfrei“ auszubilden.In particular, the "photon-driven acquisition" method, also referred to as "free-running", and the "asynchronous single-photon 3D imaging" method are suitable here for forming a SPAD pixel "distortion-free" in this sense.
Für die korrekte Funktion der Erfindung ist es erforderlich eines dieser Verfahren oder ein vergleichbares Verfahren anzuwenden, sodass es während der Messung nicht zu einer Verzerrung des Untergrundsignals / Hintergrundlicht-Signals kommt.For the invention to function correctly, it is necessary to use one of these methods or a comparable method so that the background signal/background light signal is not distorted during the measurement.
Aus der DE 102017 113675 A1 ist beispielsweise ein optoelektronischer Sensor mit mindestens einer in einem Geiger-Modus betriebenen Lawinenphotodiode bekannt, mit einer Auswerteeinheit, die aus einer Vielzahl von Einzellichtlaufzeiten einen gemeinsamen Messwert für die Entfernung bestimmt. Da die Lawinenphotodiode nicht verzerrungsfrei arbeitet, ist es vorgesehen, die inhärent vorhandenen exponentiell abfallende Häufigkeit von detektierbaren Hintergrundereignissen zu berücksichtigen und abzuschätzen wie viele Einzellichtlaufzeiten aufgrund von Hintergrundereignissen in einem Zeitintervall zu erwarten sind und den gemeinsamen Messwert aus einem Zeitintervall zu bestimmen, in dem signifikant mehr Einzellichtlaufzeiten liegen als erwartet. For example, DE 102017 113675 A1 discloses an optoelectronic sensor with at least one avalanche photodiode operated in a Geiger mode, with an evaluation unit that determines a common measured value for the distance from a large number of individual light propagation times. Since the avalanche photodiode does not work without distortion, it is intended to take into account the inherently existing exponentially decreasing frequency of detectable background events and to estimate how many individual light propagation times are to be expected in a time interval due to background events and to determine the common measured value from a time interval in which significantly more Single light propagation times are than expected.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Dynamik einer SPAD-Lichtlaufzeitkamera zu verbessern Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamera nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst. The object of the invention is to improve the dynamics of a SPAD time-of-flight camera The object is advantageously achieved by the time-of-flight camera according to the invention according to the species of the independent claim.
Vorteilhaft ist eine Lichtlaufzeitkamera vorgesehen, mit einer Beleuchtung zur Aussendung eines Lichtpulses und einem SPAD-Lichtlaufzeitsensor mit wenigstens einem SPAD-Pixel, wobei das wenigstens eine SPAD-Pixel verzerrungsfrei ausgebildet ist, wobei zur Entfernungsbestimmung am SPAD-Pixel auftretende Lichtereignisse zeitaufgelöst in vorgegebenen Zeitintervallen gezählt werden, wobei Lichtereignisse einem Objekt zugeordnet werden, wenn die Anzahl der Lichtereignisse einen Auswerte-Schwellenwert übersteigt, wobei eine Objektentfernung anhand einer Zeitdifferenz zwischen emittierten und empfangen Lichts bestimmt wird, wobei das SPAD-Pixel einen ersten und zweiten Speicher aufweist, wobei der erste Speicher zur zeitaufgelösten Speicherung der Anzahl der Lichtereignisse, die zur Bildung eines Histogramms zur Entfernungsbestimmung erfasst werden, dient, und wobei der zweite Speicher zur Speicherung einer Anzahl von Hintergrundlicht- Ereignissen dient, wobei die Histogramm-Ereignisse in einem Histogramm-Intervall und die Hintergrundlicht-Ereignisse in einem Hintergrundlicht-Intervall erfasst werden, wobei für eine Entfernungsmessung beide Intervalle mehrfach während einer vorgegebenen Messdauer durchlaufen werden, wobei die Lichtlaufzeitkamera derart ausgestaltet ist, dass die Zählung der Lichtereignisse in einem Lichtlaufzeitpixel gestoppt wird, wenn entweder die vorgegebene Messdauer erreicht ist oder wenn die Anzahl der erfassten Hintergrundlicht-Ereignisse einen voreingestellten Hintergrundlicht-Schwellenwert übersteigt. A time-of-flight camera is advantageously provided, with lighting for emitting a light pulse and a SPAD light-time-of-flight sensor with at least one SPAD pixel, the at least one SPAD pixel being configured free of distortion, light events occurring at the SPAD pixel being counted in a time-resolved manner at predetermined time intervals to determine the distance be, wherein light events are assigned to an object when the number of light events exceeds an evaluation threshold, wherein an object distance is determined based on a time difference between emitted and received light, wherein the SPAD pixel has a first and second memory, the first memory for storing, in a time-resolved manner, the number of light events collected to form a histogram for determining distance, and wherein the second memory is for storing a number of background light events, the histogram events in a em histogram interval and the background light events are recorded in a background light interval, with both intervals being run through several times during a predetermined measurement period for a distance measurement, with the time-of-flight camera being designed in such a way that the counting of the light events in a light-time-of-flight pixel is stopped when either the specified measurement duration has been reached or when the number of detected background light events exceeds a preset background light threshold value.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass das Histogramm für die Entfernungsmessung nicht in Sättigung gerät. This procedure has the advantage that the histogram for the distance measurement does not become saturated.
Vorteilhaft weist die Lichtlaufzeitkamera eine Auswerteeinheit auf, die derart ausgestaltet ist, dass der Auswerte-Schwellenwert anhand der im zweiten Speicher erfassten Anzahl der Hintergrundlicht-Ereignisse festgelegt wird. The time-of-flight camera advantageously has an evaluation unit which is designed in such a way that the evaluation threshold value is determined based on the number of background light events recorded in the second memory.
So ist es möglich ohne Analyse des Rauschens im ersten Speichers abgelegten Histogramms einen gültigen Auswerte-Schwellenwert zu bestimmen. It is thus possible to determine a valid evaluation threshold value without analyzing the noise of the histogram stored in the first memory.
Insbesondere ist es von Vorteil den Hintergrundlicht-Schwellenwert derart festzulegen, dass ein ausgehend von dem Hintergrundlicht-Schwellenwerts berechneter Auswerte-Schwellenwert unterhalb des maximalen Bitwerts des ersten Speichers bleibt. In particular, it is advantageous to define the background light threshold value in such a way that an evaluation threshold value calculated on the basis of the background light threshold value remains below the maximum bit value of the first memory.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, bei einer Lichtlaufzeitkamera, die einen Lichtlaufzeitsensor mit mehreren SPAD-Pixeln aufweist, eine Abbruchzeitdauer pixelindividuell zu erfassen, bei der die Hintergrundlicht- Ereignisse den Hintergrundlicht-Schwellenwert erreicht bzw. überschritten haben und ausgehend von den pixelindividuell erfassten Abbruchzeitdauern ein Grauwertbild zu berechnen. In a further embodiment, in a time-of-flight camera that has a time-of-flight sensor with a plurality of SPAD pixels, a termination period is recorded for each pixel in which the background light events have reached or exceeded the background light threshold value and based on the termination periods recorded for each pixel calculate a gray value image.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 schematisch eine SPAD-Lichtlaufzeitkamera, FIG. 1 schematically shows a SPAD time-of-flight camera,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines Kamerasystems, FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a camera system,
Figur 3 ein Aufbau gemäß Figur 2 mit einem anamorphotischen Linsensystem,FIG. 3 shows a structure according to FIG. 2 with an anamorphic lens system,
Figur 4 ein typisches SPAD-Histogramm Figur 5 eine erfindungsgemäße Auswertung. FIG. 4 shows a typical SPAD histogram; FIG. 5 shows an evaluation according to the invention.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten. In the following description of the preferred embodiments, the same reference symbols designate the same or comparable components.
Figur 1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera. Die Lichtlaufzeitkamera bzw. das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.FIG. 1 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a time-of-flight camera. The time-of-flight camera or time-of-flight camera system 1 comprises a transmitter unit or an illumination module 10 with illumination 12 and associated beam-shaping optics 15, as well as a receiving unit or time-of-flight camera 20 with receiving optics 25 and a time-of-flight sensor 22.
Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot- Leuchtdioden, VCSEL oder Laserdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht. Infrared light-emitting diodes, VCSELs or laser diodes are preferably suitable as the illumination source or light source 12 . Of course there are others too Radiation sources in other frequency ranges are conceivable, in particular light sources in the visible frequency range are also possible.
Als lichtlaufzeitmessender Sensor ist insbesondere ein Sensor bzw. Pixel nach dem SPAD-Prinzip (single photon avalanche diode) geeignet. A sensor or pixel according to the SPAD principle (single photon avalanche diode) is particularly suitable as the light propagation time measuring sensor.
Figur 2 zeigt schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem, bei dem die Beleuchtung 12 derart ausgestaltet ist, dass ein im Wesentlichen streifenförmiges Beleuchtungslicht ausgestrahlt wird. Dieses emittierte und von einem Objekt 40 reflektierte Beleuchtungslicht trifft auch auf den Lichtlaufzeitsensor 20 naturgemäß streifenförmig auf. FIG. 2 schematically shows a time-of-flight camera system in which the illumination 12 is designed in such a way that an essentially strip-shaped illumination light is emitted. This illumination light, which is emitted and reflected by an object 40, naturally also impinges on the time-of-flight sensor 20 in the form of strips.
Beleuchtung 12 und Lichtlaufzeitsensor 20 sind nebeneinander und einander zugeneigt angeordnet, so dass der Sichtbereich FOV des Lichtlaufzeitsensors 20 vom Beleuchtungsbereich FOI der Beleuchtung 12 ausreichend ausgeleuchtet werden kann. Illumination 12 and time-of-flight sensor 20 are arranged next to one another and inclined towards one another, so that the field of view FOV of the time-of-flight sensor 20 can be adequately illuminated by the illumination area FOI of the illumination 12 .
Die Beleuchtung 12 kann ja nach Anwendungsfall ggf. auch vertikal einen größeren Beleuchtungsbereich abdecken und ist nicht zwingend auf streifenförmig festgelegt. Bevorzugt ist die Beleuchtung als VCSEL-Array ausgebildet, wobei grundsätzlich auch LEDs oder andere Lichtquellen denkbar sind. Depending on the application, the lighting 12 can optionally also cover a larger lighting area vertically and is not necessarily set to be in the form of strips. The illumination is preferably designed as a VCSEL array, with LEDs or other light sources also being conceivable in principle.
Insbesondere bei weit entfernten oder schwach reflektierenden Objekten besteht die Gefahr, dass das Objekt wegen der geringen auf den Sensor treffenden Lichtenergie nicht korrekt erkannt wird. Daher ist eine möglichst hohe Lichtempfindlichkeit des Lichtlaufzeitkamerasystems wünschenswert. Dies verbessert die Eigenschaften des Lichtlaufzeitkamerasystems in folgender Hinsicht: In the case of objects that are far away or are weakly reflective, in particular, there is a risk that the object will not be correctly detected due to the low light energy hitting the sensor. Therefore, the highest possible light sensitivity of the time-of-flight camera system is desirable. This improves the properties of the time-of-flight camera system in the following respects:
-Die Wahrscheinlichkeit, ein Objekt zu detektieren, wird erhöht -The probability of detecting an object is increased
-Die Detektion wird auch unter ungünstigeren Bedingungen ermöglicht. Ungünstige Bedingungen sind insbesondere ein größerer Abstand zum Objekt, geringere Reflektivität des Objekts sowie eine höhere Intensität der Hintergrundbeleuchtung.-Detection is also made possible under less favorable conditions. Unfavorable conditions are in particular a greater distance to the object, lower reflectivity of the object and a higher intensity of the background lighting.
-Verringerung Messunsicherheit der Lichtlaufzeitmessung -Reduction of measurement uncertainty of the time-of-flight measurement
-Verringerung der Dauer einer Lichtlaufzeitmessung bzw. Vergrößerung der Messrate Vorteilhaft kann zur Vergrößerung der Lichtempfindlichkeit ein Linsensystem mit unterschiedlichen Brennweiten in x- und y-Richtung vorgeschlagen. Figur 3 zeigt exemplarisch eine Anordnung mit einem anamorphotischen Linsensystem. -Reduction of the duration of a time-of-flight measurement or increase of the measurement rate A lens system with different focal lengths in the x and y directions can advantageously be proposed to increase the light sensitivity. FIG. 3 shows an example of an arrangement with an anamorphic lens system.
Die unterschiedliche Brennweite kann durch verschiedene Methoden generiert werden, beispielsweise: The different focal length can be generated by different methods, for example:
- Verwendung von einer oder mehreren Zylinderlinsen oder torischen Linsen zur Veränderung der Brennweite des Objektivs in einer Richtung, - Use of one or more cylindrical lenses or toric lenses to change the focal length of the lens in one direction,
- Verwendung von speziellen azylindrischen oder atorischen Linsen zur gezielten, richtungsspezifischen Beeinflussung der Brennweite, - Use of special acylindrical or atoric lenses for targeted, direction-specific influencing of the focal length,
- Verwendung eines Systems aus zylindrischen und/oder torischen Linsen zur gezielten, richtungsspezifischen Beeinflussung der Brennweite. - Use of a system of cylindrical and/or toric lenses for targeted, direction-specific influencing of the focal length.
Insbesondere ist es von Vorteil, das Sichtfeld FOVy in vertikaler y-Richtung zu minimieren und das Sichtfeld FOVx in horizontaler x-Richtung zu maximieren: In particular, it is advantageous to minimize the field of view FOVy in the vertical y-direction and maximize the field of view FOVx in the horizontal x-direction:
FOVy < FOVx FOVy < FOVx
Durch gezielte Beeinflussung der Brennweite kann die Anzahl von Pixeln, die in jedem Betriebspunkt sensitiv sein sollen, gezielt gestaltet werden. Insbesondere kann eine gezielte Anpassung des vertikalen Sichtfeldes unabhängig vom Sensorformat vorgenommen werden. By specifically influencing the focal length, the number of pixels that should be sensitive at each operating point can be designed in a targeted manner. In particular, a targeted adjustment of the vertical field of view can be carried out independently of the sensor format.
Figur 4 zeigt eine typische Erfassung eines Histogramms für eine Entfernungsbestimmung mit beispielsweise einem time-to-digital Converter TDC oder Zähler. In üblicher Weise werden nach Auslösung eines Sendeimpulses die am SPAD-Pixel auftretenden Ereignisse in einem vorgegebenen Zeitintervall / Histogramm-Intervall erfasst und in einem Speicher zeitaufgelöst abgelegt. Dieses Vorgehen wird solange wiederholt bis eine festgelegte Anzahl an Lichtpulsen ausgelöst bzw. eine vorgegebene Messdauer erreicht ist. Nach Auslesen des Speichers wird ein Auswerte-Schwellenwert AS anhand des Histogramms, insbesondere anhand des Rauschanteils im Histogramm, festgelegt. Anhand der Bins, in denen die Anzahl der Ereignisse diesen Auswerte-Schwellenwert AS übersteigt, wird dann eine Objektentfernung ermittelt. FIG. 4 shows a typical acquisition of a histogram for a distance determination with, for example, a time-to-digital converter TDC or counter. After the triggering of a transmission pulse, the events occurring at the SPAD pixel are recorded in the usual manner in a predetermined time interval/histogram interval and stored in a memory in a time-resolved manner. This procedure is repeated until a specified number of light pulses is triggered or a specified measurement duration is reached. After the memory has been read out, an evaluation threshold value AS is established on the basis of the histogram, in particular on the basis of the noise component in the histogram. An object distance is then determined on the basis of the bins in which the number of events exceeds this evaluation threshold value AS.
Figur 5 zeigt ein erfindungsgemäßes Vorgehen, mit dem ein SPAD Sensor trotz einer begrenzten Speichertiefe des Histogramm-Speicher auch bei starkem Fremdlicht funktionsfähig bleibt. Kerngedanke ist, eine pixelindividuelle Belichtungszeitregelung des als Empfänger eingesetzten SPAD Sensor einzusetzen. FIG. 5 shows a procedure according to the invention, with which a SPAD sensor remains functional despite a limited memory depth of the histogram memory, even in the case of strong extraneous light. The core idea is to use a pixel-specific exposure time control of the SPAD sensor used as a receiver.
Die Chip-Architektur sieht vor, dass einerseits die abstandsabhängigen Events pro Pixel jeweils in einem Histogramm bzw. Histogramm-Intervall (z.B. 8bit pro Bin) in einem ersten Speicher erfasst werden und parallel das Fremdlicht als SPAD-Events separat pro Pixel in einem zweiten Speicher (z.B. 16 bit) in einem Hintergrundlicht- Intervall gezählt werden. The chip architecture provides that, on the one hand, the distance-dependent events per pixel are recorded in a histogram or histogram interval (e.g. 8 bit per bin) in a first memory and, in parallel, the extraneous light as SPAD events separately per pixel in a second memory (e.g. 16 bits) can be counted in a backlight interval.
Die Erfassung des Fremdlichts / Hintergrundlichts erfolgt zusammen mit der Histogramm-Messung in einem gemeinsamen Mess-Intervall. Sobald die Anzahl der separat pixelindividuell gezählten Hintergrundlicht-Ereignisse eine Hintergrundlicht- Schwelle HS überschreitet, wird der Fremdlichtzähler und das Histogramm für das jeweilige Pixel eingefroren, d.h. die Messung gestoppt, und die zugehörige Pixelauslese reagiert nicht mehr auf weitere SPAD Events. Benachbarte Pixel integrieren bis zu zum Erreichen der Hintergrundlicht-Schwelle oder einer global vorgegebenen Messdauer weiter. The extraneous light / background light is recorded together with the histogram measurement in a common measurement interval. As soon as the number of background light events counted separately for each pixel exceeds a background light threshold HS, the extraneous light counter and the histogram for the respective pixel are frozen, i.e. the measurement is stopped and the associated pixel selection no longer reacts to further SPAD events. Neighboring pixels continue to integrate until they reach the background light threshold or a globally specified measurement duration.
Der Vorteil ergibt sich darin, dass ein Überlauf des Histogramm-Speichers durch Fremdlicht bzw. Hintergrundlicht unmöglich wird. Weiterhin wird die Dynamik des gesamten Pixel-Arrays erhöht, da die Pixel durch ihre individuelle Belichtungszeitregelung an unterschiedliche Reflektivitäten und Fremdlichtintensitäten der jeweils beobachteten Objekte angepasst werden können.The advantage is that it is impossible for the histogram memory to overflow due to extraneous light or background light. Furthermore, the dynamics of the entire pixel array is increased, since the pixels can be adjusted to different reflectivities and extraneous light intensities of the observed objects through their individual exposure time control.
Wie in Figur 8 skizziert, wird während des Hintergrundlicht-Intervalls, indem beispielsweise kein Licht ausgesendet wird, eine Anzahl der Hintergrundlicht- Ereignisse gemessen. Im dargestellten Fall sind beispielsweise x Bins für die Messung des Hintergrundlichts vorgesehen. Im einfachsten Fall kann auch nur ein einziges Bin vorgesehen sein. Auch ist es möglich, die Bin-Länge im Hintergrundlicht-Intervall länger auszugestalten als im Histogramm-Intervall. As outlined in FIG. 8, a number of the backlight events are measured during the backlight interval in which, for example, no light is emitted. In the case shown, for example, x bins are provided for measuring the background light. In the simplest case, only a single bin can be provided. It is also possible to make the bin length longer in the backlight interval than in the histogram interval.
Im skizzierten Beispiel übersteigt die Anzahl der pixelindividuell erfassten Hintergrundlicht-Ereignisse den zuvor festgelegten Hintergrundlicht-Schwellenwert HS. Wie zuvor beschrieben, würde nun die weitere Zählung der Ereignisse sowohl im Hintergrundlicht- als auch im Histogramm-Intervall pixelindividuell gestoppt. Der zweite Speicher für die Erfassung des Hintergrundlichts ist erfindungsgemäß derart ausgestaltet, dass der Speicher während einer Entfernungsmessung mehrfach ausgelesen werden kann, so dass auch eine Überprüfung der Ereignisanzahl in Relation zum Hintergrundlicht-Schwellenwert HS möglich ist. In the example outlined, the number of background light events recorded individually for each pixel exceeds the previously specified background light threshold value HS. As previously described, the further counting of events both in the background light interval and in the histogram interval would now be stopped for each pixel. The second memory for detecting the background light is designed according to the invention in such a way that the memory can be read multiple times during a distance measurement, so that it is also possible to check the number of events in relation to the background light threshold value HS.
Im dargestellten Beispiel hat der zweite Speicher für das Hintergrundlicht und der erste Speicher für das Histogramm jeweils eine Bit-Tiefe von 8-Bit. Der zweite Speicher für das Hintergrundlicht kann jedoch grundsätzlich auch eine andere Bit- Tiefe aufweisen. In the example shown, the second memory for the background light and the first memory for the histogram each have a bit depth of 8 bits. In principle, however, the second memory for the background light can also have a different bit depth.
Wie im Histogramm zu erkennen ist, sind die objektrelevanten Ereignisse in die Sättigung gegangen. Dies ist jedoch unkritisch, da aufgrund des erfindungsgemäßen Vorgehens dafür Sorge getragen wurde, dass das Hintergrundlicht einen ausreichend großen Abstand zur Sättigungsgrenze (max. Bitwert) hat, so dass die hier in Sättigung liegenden Bins als Objektdistanz identifiziert werden können. As can be seen in the histogram, the object-relevant events have reached saturation. This is not critical, however, because the procedure according to the invention ensures that the background light is at a sufficiently large distance from the saturation limit (max. bit value) so that the bins that are in saturation here can be identified as the object distance.
Ausgehend von der Anzahl der Ereignisse im zweiten Speicher (Hintergrundlicht- Speicher) wird ein Auswerte-Schwellenwert, beispielsweise per Look-Up Tabelle, bestimmt. Der Schwellenwert ist dabei vorzugsweise so hoch zu setzen, dass das Hintergrundlicht statistisch nur noch mit einer vernachlässigbar geringen Wahrscheinlichkeit eine falsch-positive Objektdetektion auslöst. Based on the number of events in the second memory (backlight memory), an evaluation threshold value is determined, for example using a look-up table. In this case, the threshold value should preferably be set so high that statistically the background light only triggers a false-positive object detection with a negligibly low probability.
Die Messung wird dann mit diesem Schwellenwert durchgeführt und der erste Zeitpunkt, bei dem das Histogramm den gesetzten Schwellenwert überschreitet, wird als Ergebnis der TOF-Messung ausgegeben. Zudem können zusätzliche Informationen ausgegeben werden, um nachträgliche Interpolationen zu ermöglichen und die Auflösung zu steigern. The measurement is then carried out with this threshold value and the first point in time at which the histogram exceeds the set threshold value is output as the result of the TOF measurement. In addition, additional information can be output in order to enable subsequent interpolations and to increase the resolution.
Bezugszeichenliste Reference List
1 Lichtlaufzeitkamera 1 time-of-flight camera
10 Beleuchtungsmodul 12 Beleuchtung 10 lighting module 12 lighting
20 Empfänger, Lichtlaufzeitkamera 22 Lichtlaufzeitsensor 20 receiver, time-of-flight camera 22 time-of-flight sensor
40 Objekt d Objektdistanz q Ladung 40 object d object distance q charge

Claims

Patentansprüche patent claims
1. Lichtlaufzeitkamera mit einer Beleuchtung (10) zur Aussendung von Lichtpulsen und einem SPAD-Lichtlaufzeitsensor (20) mit wenigstens einem SPAD-Pixel, wobei das wenigstens eine SPAD-Pixel verzerrungsfrei ausgebildet ist, wobei zur Entfernungsbestimmung am SPAD-Pixel auftretende1. Time-of-flight camera with lighting (10) for emitting light pulses and a SPAD time-of-flight sensor (20) with at least one SPAD pixel, wherein the at least one SPAD pixel is formed without distortion, with distance determination occurring at the SPAD pixel
Lichtereignisse zeitaufgelöst in vorgegebenen Zeitintervallen gezählt werden, wobei Lichtereignisse einem Objekt zugeordnet werden, wenn die Anzahl derLight events are counted in a time-resolved manner at predetermined time intervals, with light events being assigned to an object if the number of
Lichtereignisse einen Auswerte-Schwellenwert (AS) übersteigt, wobei eine Objektentfernung anhand einer Zeitdifferenz zwischen einem ausgesendeten und empfangen Lichtpuls bestimmt wird, wobei das SPAD-Pixel einen ersten und zweiten Speicher aufweist, wobei der erste Speicher zur zeitaufgelösten Speicherung der Anzahl derLight events exceeds an evaluation threshold value (AS), an object distance being determined on the basis of a time difference between an emitted and received light pulse, the SPAD pixel having a first and second memory, the first memory being used for time-resolved storage of the number of
Lichtereignisse, die zur Bildung eines Histogramms zurLight events used to form a histogram
Entfernungsbestimmung erfasst werden, dient und wobei der zweite Speicher zur Speicherung einer Anzahl vonDistance determination are detected, is used and the second memory for storing a number of
Hintergrundlicht-Ereignissen dient, wobei die Histogramm-Ereignisse in einem Histogramm-Intervall und die Hintergrundlicht-Ereignisse in einem Hintergrundlicht-Intervall erfasst werden, wobei für eine Entfernungsmessung beide Intervalle mehrfach während einer vorgegebenen Messdauer durchlaufen werden, wobei die Lichtlaufzeitkamera derart ausgestaltet ist, dass die Zählung der Lichtereignisse in einem Lichtlaufzeitpixel gestoppt wird, wenn entweder die vorgegebene Messdauer erreicht ist oder wenn die Anzahl der erfassten Hintergrundlicht-Ereignisse einen voreingestellten Hintergrundlicht-Schwellenwert (HS) übersteigt. Background light events is used, with the histogram events being recorded in a histogram interval and the background light events being recorded in a background light interval, with both intervals being run through several times during a predetermined measurement period for a distance measurement, the time-of-flight camera being designed in such a way that the counting of light events in a time-of-flight pixel is stopped when either the predetermined measurement duration is reached or when the number of detected background light events exceeds a preset background light threshold value (HS).
2. Lichtlaufzeitkamera nach Anspruch 1 , mit einer Auswerteeinheit, die derart ausgestaltet ist, dass der Auswerte-Schwellenwert (AS) anhand der im zweiten Speicher erfassten Anzahl der Hintergrundlicht-Ereignisse festgelegt wird. 2. The time-of-flight camera as claimed in claim 1, having an evaluation unit which is designed in such a way that the evaluation threshold value (AS) is defined on the basis of the number of background light events recorded in the second memory.
3. Lichtlaufzeitkamera nach Anspruch 2, bei der der Hintergrundlicht- Schwellenwert (HS) derart festgelegt ist, dass ein ausgehend von dem Hintergrundlicht-Schwellenwerts (HS) berechneter Auswerte-Schwellenwert (AS) unterhalb des maximalen Bitwerts des ersten Speichers bleibt. 3. Time-of-flight camera according to claim 2, in which the background light threshold value (HS) is defined such that an evaluation threshold value (AS) calculated from the background light threshold value (HS) remains below the maximum bit value of the first memory.
4. Lichtlaufzeitkamera nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Lichtlaufzeitkamera einen Lichtlaufzeitsensor mit mehreren SPAD-Pixeln aufweist, wobei eine Abbruchzeitdauer pixelindividuell erfasst wird, bei der die Hintergrundlicht-Ereignisse den Hintergrundlicht-Schwellenwert (HS) erreicht bzw. überschritten haben. 4. Time-of-flight camera according to one of the preceding claims, in which the time-of-flight camera has a time-of-flight sensor with a plurality of SPAD pixels, with a termination period being recorded individually for each pixel, in which the background light events have reached or exceeded the background light threshold value (HS).
5. Lichtlaufzeitkamera nach Anspruch 4, bei der ausgehend von den pixelindividuell erfassten Abbruchzeitdauern ein Grauwertbild berechnet wird. 5. The time-of-flight camera as claimed in claim 4, in which a gray value image is calculated on the basis of the pixel-individually recorded break-off periods.
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