具有信号路径监控的飞行时间相机 |
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| 申请号 | CN201280029614.1 | 申请日 | 2012-08-03 | 公开(公告)号 | CN103608695B | 公开(公告)日 | 2016-01-20 |
| 申请人 | IFM电子股份有限公司; | 发明人 | 拉尔夫·威尔克斯; 贝恩德·达姆霍费尔; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及飞行时间相机（1），该飞行时间相机（1）具有飞行时间 传感器 （22），该飞行时间传感器（22）至少具有一个接收 像素 ，并被设置为光混合探测器，该飞行时间相机还具有照明装置（10，12）和 调制器 （30），该调制器（30）连接于飞行时间传感器（22）和照明装置（10，12），使得至少一些照明装置（10，12）发出的 辐射 能够被控制传感器（150）接收。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种飞行时间相机系统(1)，包括： |
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| 说明书全文 | 具有信号路径监控的飞行时间相机技术领域[0001] 本发明涉及飞行时间相机系统以及根据独权的前序部分操作该系统的方法。 背景技术[0002] 本发明特别用于监控完整的信号路径，这是与安全相关的应用-例如SIL，ASIL所需要的。 [0004] 飞行时间相机系统组不但包括从光传播时间直接确定距离的系统，而且特别包括全光传播时间或3D TOF(time of flight，飞行时间)相机系统，这些系统从发射和接收的辐射的相移来获取光传播时间数据。光子混合器设备(photonic mixer devices，PMD)特别适合作为光传播时间或3D TOF相机，如在专利EP1777747，US6587186和DE19704496及其它所描述的，并且，它们可以从例如“易福门电子有限公司(ifm electronic gmbh)”作为图像采集卡03D而获得。PMD相机特别允许灵活安排光源、检测器，它们可以安放在壳内或单独布置。当然，具有至少一个接收像素的相机或设备也应包括在术语相机或相机系统内，像申请人的距离测量设备OID一样。 发明内容[0005] 本发明的目的是为了进一步发展设备的功能或信号路径监控。 [0007] 飞行时间相机系统有利的设有至少为一个接收像素的光传播时间传感器、用于发射调制光的照明源、用于产生调制信号的调制器，该调制器与光传播时间传感器和照明源相连接，还设有用于作为施加的调制信号的函数方式来操作照明源的背光驱动器。背光驱动器被设置使得在背光驱动器的控制输出出现一个控制信号，该控制信号表征驱动器信号的时间波形。 [0008] 本发明的方法使得，特别是通过独立的信道信号监控飞行时间相机和单独的照明模块之间的信号路径称为可能。 [0009] 本发明还提供一种用于飞行时间相机系统的有利的方法，在该方法中，通过混合背光驱动器的控制信号和调制器的调制信号确定相位。 [0010] 与调制信号相关的控制信号的相位的确定允许对整个飞行时间相机系统的功能有深远的监控。例如，如果控制信号的相位超出公差的范围，一方面，可能启动一个错误响应，另一方面，可能根据确定的相移调整距离测量到一定的允许范围内。 [0011] 飞行时间相机系统优选地具有电子混频器，该电子混频器与调制器以及背光驱动器的控制输出相连接，并且被设置以电混合控制信号和调制信号。 [0012] 飞行时间相机系统优选地至少具有一个控制光源，该控制光源被作为背光驱动器控制信号的函数方式来操作，第一控制光源提供参考传播时间传感器的照明，第二控制光源提供光传播时间传感器的照明。 [0013] 本发明的优点是，例如，光传播时间传感器能在控制测量相位中被照明，并且根据光传播时间传感器的控制信号能对光传播时间传感器进行功能性的测试。控制信号同样能通过控制光源来照明参考传播时间传感器，因此在测量距离时，相位信号也能被光传播时间传感器检测到，相位测量的质量例如也能通过这种方式被监控。 [0014] 在另一个实施例中，控制传感器被设置在照明源区域使得照明源发出的至少部分辐射能被控制传感器接收到。 [0015] 通过控制传感器，有利地可以检测辐射是否发自照明源。 [0016] 在又一实施例的该方法中，照明源的光强由控制传感器的输出信号确定。 [0017] 在又一实施例中，该方法有利地以作为背光驱动器的控制信号或控制传感器的输出信号的函数的方式，操作至少一个控制光源，至少一个控制光源照明光传播时间传感器和/或参考光传播时间传感器。 [0018] 根据控制信号有利地确定光的相位和强度，在至少一个距离测量期间，由评估单元评估光的相位和强度。 [0020] 在参照附图的示例性实施例的基础上，本发明将在下文做进一步的解释。 [0021] 示意图显示： [0022] 图1是根据PMD原理的飞行时间相机的基本原理示意图。 [0023] 图2是具有电子混频器的飞行时间相机系统的示意图。 [0024] 图3是具有PMD混频器的飞行时间相机系统的示意图。 [0025] 图4是具有电子混频器和控制传感器的飞行时间相机系统的示意图。 [0026] 图5是具有电子混频器、控制传感器和PMD混频器的飞行时间相机系统的示意图。 [0027] 图6是背光驱动器的示意图。 [0028] 图7是控制光源的可能排布的示意图。 [0029] 图8是具有距离和控制测量间隔的可能的测量顺序示意图。 [0030] 图9是在测量间隔中可能的具有多相位测量的测量顺序的示意图。 [0031] 图10是具有每次测量间隔一次相位测量的可能的测量步骤示意图。 [0032] 在下面对优选实施例的描述中，相同的附图标记表示相同或可比的组件。 具体实施方式[0033] 图1显示了使用例如专利DE19704496中的飞行时间相机用于光学距离测量的测量情况。 [0034] 飞行时间相机系统1包括发射单元或照明模块10，100，该单元或模块包括照明源12和形成光学系统15相关的波束，以及接收单元或具有接收光学系统25和光传播时间传感器22的飞行时间相机20。光传播时间光敏传感器22或光传播时间传感器22具有至少一个像素，优选地具有像素阵列，尤其设置为PMD传感器。接收光学系统25通常由多个光学元件组成，以提高成像性能。发射单元10的光束形成的光学系统15优选地设置为反射器。 [0035] 本测量系统的测量原理是基于发射和接收光的相移；因此能够确定接收光所覆盖的传播时间和距离。为了这个目的，光源12和光传播时间光敏传感器22通过调制器30共同提供有具有第一相位位置p1的定义的调制频率M(p1)。光源12根据调制频率发射具有第一相位位置p1的幅度调制信号S(p1)。在本实施例中，该信号或电磁辐射被物体40反射，由于覆盖的距离，对应的碰撞，第二相位置p2的相移，该信号作为接收信号S(p2)入射到光传播时间传感器22上。调制信号M(p1)和接收信号S(p2)在光传播时间传感器22中混合，从相移导致的信号或物体的距离d确定物体的距离。 [0036] 图2示出了本发明的飞行时间相机系统1，其中发射和接收单元10，20被设置在单独的照明模块100和单独的相机模块200上。调制器30产生周期性的调制信号M(p1)，优选地，信号包的时间长度为几微秒到几毫秒，频率为兆赫兹范围。对光传播时间传感器22和信号驱动器230都提供调制信号M(p1)。 [0037] 相机模块200和照明模块100通过信号线缆300相连接。通过发射信道(前向信道)将信号驱动器230的信号发送到照明模块100的信号接收器。在一个优选的实施例中，这是通过电LVDS(low voltage differential signaling，低电压差分信号)信号装置实现的。然而，其它的电子或光学传输模式也是可行的。 [0038] 该信号被照明模块100中的信号接收器140接受，并且通过背光驱动器145为照明源10而处理，照明源10随后在第一相位位置p1发射相应的光信号S(p1)。在一个优选的实施例中，光信号通过基本上透明的盖板160照明测量相关的场景或物体40。物体40反射部分光信号到相机200，该信号被光传播时间传感器22接收。如上所述，对于每个接收像素，从光信号的相移确定到物体的距离。 [0039] 根据本发明，除了确定距离，现在能够监控到信号传输和信号处理的功能。为了这个目的，背光驱动器145被设置，使得在背光驱动器145控制输出处出现控制信号，该信号表征驱动器信号的时间波形。如在后面的图6中所示，在驱动器内的不同轻触点选取驱动信号。充分地选取是必不可少的，选取的电信号基本上对应于驱动器信号，根据该信号驱动照明源。取决于驱动器信号的质量，该信号能被用于直接控制信号或被转化成合适的电信号用于合适的信号传输。 [0040] 控制信号被信号驱动器130处理，用于信号的发送，控制信号被通过线缆300和传输信道320(返回信道)传输到相机模块200的接收单元240。在本实施例中，返回信道320也能通过LVDS信号传输在相同的信号线缆320上。 [0041] 其它的传输模式也是可能的，前向信道和返回信道不需要使用相同的传输模式。取决于应用，信号的传输可以是数字的，也可以是模拟的。当然，信号传输的处理也能在背光驱动器145中已经进行。 [0042] 取决于应用，关于控制信号的不同信息能够被传输。为了简化信号监控，可以只传输控制信号接通和断开的边沿信号，如果需要，可以数字传输振幅用于详细的误差分析。 [0043] 数字传输信号通常比纯粹的模拟传输更容易受到干扰。对于某些应用，实现前向和/或返回信道模拟通信时非常有用的。 [0044] 信号接收器240通过返回信道320接收到的信号被加到连续混频器245的第一信号输入处。提供调制器30的调制信号M(p1)到第二信号输入。混频器的输出信号大体上对应于两个输入信号的相移，并且能被连续评估单元290评估。评估单元进一步连接飞行时间相机系统的组件，特别连接于光传播时间传感器22，并且能进一步启动(initiate)作为混频器245检测的相位的函数的响应。 [0045] 图3显示了另一个实施例，其中，相对于图2所示的示例性实施例，控制信号并不通向混频器245，而是通过开关250通向第一和第二控制光源260、270。控制光源260、270被设置，使得第一控制光源260能照明参考传播时间传感器280，第二控制光源270能照明光传播时间传感器22。在距离测量时，光传播时间传感器22被物体40的反射光照明，通过第一控制光源260以控制信号函数的方式并行(in parallel)的调制参考传播时间传感器280。如果在距离测量时没有控制信号，或者如果控制系统的相位在公差范围之外，可以分析系统的故障或激活相应的错误响应，例如，可以通过评价单元290来完成。 [0046] 起着照明源10或信号链或信号路径的功能，背光驱动器145将提供对应的调制控制信号，所以参考光传播时间传感器280能检测到无误差信号。例如由于光源的老化或者温度，可能产生小的容许的相位偏离，如果需要，这是可以抵消的。 [0047] 本发明的另一实施例提供了在距离测量后进行另外的控制测量。在这些控制测量中，当没有测量距离时，可以通过使用第二控制光源270照明整个光传播时间传感器22，也可选地照明参考光传播时间传感器280。该控制测量也用于监控光传播时间传感器22，包括读出和评估步骤。光传播时间传感器22优选地没有被均匀地照明，而是不均匀地照明，因此，每个像素基本上被测量以得到其它信息，例如，另一亮度等级。通过这种方法，能够监控是否所有的像素都正确读出。在偏离容差范围之外或高于或低于容差极限的情况下，对故障发出信号和/或启动适当的错误响应。 [0048] 图4显示了图2所示的示例性实施例的另一个变形，其中，控制传感器150被设置在照明模块100中，使得照明源发出的部分光能被控制传感器150接收到。在一个优选的实施例中，控制传感器150为光电二极管，该二极管接收例如从照明源发出的光在照明模块的透光正面盖板160处的反射光信号。通过控制传感器150对照明源10直接成像或使用合适的光学元件，例如镜子或光导体，来成像也是可能的。 [0049] 控制传感器150优选的提供模拟输出作为信号，该信号经返回信道320做合适的处理，并经信号驱动器130发射到相机模块200的接收单元240。例如，在本实施例中，返回信道也能通过LVDS信号传输。其它的传输模式也是可能的，特别的，信号也能通过LVDS信号线300以调制形式传输。背光驱动器145的控制信号也能通过信号驱动器130与控制传感器150的输出信号并行的传输到相机模块200的接收单元240。接收单元240优选的将控制信号导向混频器245，并将控制传感器150的输出信号直接导向评估单元290。 [0050] 本实施例具有以下优点，通过混频器245，照明信号相位的评估独立于其振幅，然而，照明源10的光强能通过单独的信道被评估单元直接评估。因此，相位和振幅通过独立的传输路径被传输和评估。 [0051] 图5显示了图4所示实施例的另一种设置，其中，除了单独的检测照明源的振幅和相位，控制传感器的输出信号和/或背光驱动器的控制信号能够通过开关被直接的加到第一和第二控制光源260，270。 [0052] 参考测量和/或控制测量的顺序优选的存储在评估单元290的程序中或存储在相机中。进一步的，测量可被设计，使得例如相机或相机系统或光传播时间传感器22能够与之对齐。控制测量所需的时间能够选择为基本上短于距离测量所需的时间，因为不需要使用光强照明环境，只需要产生用于控制测量的信号。第二控制光源270产生的光优选地应当多于环境光。 [0053] 参考光传播时间传感器280和/或光传播时间传感器22不需要被第一和/或第二控制光源260、270直接照明，但是能够被间接照明，例如被从接收光学系统25的盖子的玻璃或其它平面或相机内的组件的反射光照明。 [0054] 进一步，控制光源260，270的波长能够不相同，和/或与照明源12的波长也不同。按这种方式，在一个有利的实施例中，可能是第二控制光源270通过合适的光学元件，例如干涉滤光镜，照明光传播时间传感器22和参考光传播时间传感器280。然而第一控制光源只照明参考光传播时间传感器280。参考光传播时间传感器280与外部入射光信号分离将有利地作为光孔的一种替代。 [0055] 图6示出了背光驱动器145的一种可能的实施例。在本实施例中，没有通过串联发光二极管431、432来构造光源12。第一二极管431的阳极通过线圈420连接到电压源410的正极，第二二极管432的阴极连接参考电压，特别为接地。电压源410的阴极也连接参考电压。晶体管440与光源12或串联的发光二极管431、432平行排列，该晶体管440的一端电连接于线圈420和第一发光二极管432的阳极，另一端连接于参考电位。晶体管440的控制终端连接于调制器30或信号接收器140。为了将照明相位和黑暗相位与接收单元200同步，如果需要，使开关偏置的调制器30的信号将被反转和/或相移。 [0056] 除了晶体管，其它可比的开关装置也能被用于开关，特别是双极型晶体管，MOS-FET等。 [0059] 断开开关后，根据光源12或或发光二极管的特性，合适的通量电压将在先前产生的电流的基础上建立。 [0060] 或者，在另一途径中，当打开开关时，线圈中感应的电压将突然增大到一个通量电压，该电压允许流过光源12的电流的等级为先前产生的电流。 [0061] 通量电压为施加到第一发光二极管431阳极的电压。 [0062] 通过断开开关或晶体管440来初始化照明相位，将存储在线圈中的能量提供给光源12。如果电感选择的足够高，电流或LED发射的光强将不会明显降低。 [0063] 电感优选地被选择为很高，使得电流或光强度在照明时基本为常量。 [0064] 由于通过串联开关方式限制的供给电压，光源的寄生电感阻止电流的迅速增大，上游电感或线圈420使得通过提供更高的感应电压来获得先前产生的电流成为可能。 [0065] 当开关或晶体管断开时，电流再次流过开关。在晶体管的照明相或断开相，电感提供的电能随后又回到电感。 [0066] 在背光驱动器145里的几个点选取合适的驱动器或控制信号。开关晶体管440的基极、发射极和集电极的轻触点(tap points)优选是合适的。这些可能的轻触点在图6中用KS标记。基极的轻触点特别适合监控满意的信号传输到背光驱动器145。集电极和发射极的轻触点也显示晶体管440是否切换电流。基于某些接通和/或断开特性，可能看到照明源是否正常工作。 [0068] 在一个合适的实施例中，信号路径和照明源的功能只通过背光驱动器145的电控制信号的方式被检测。为了达到更高等级的可靠性，有利的通过上述控制传感器150冗余地和多方面地检查照明源12。 [0069] 当使用快速光电二极管做控制传感器150时，不仅振幅，连调制频率也能通过控制传感器150扫描。因此，在一个示例性实施例中，可能根据图4或图5将控制传感器的电控制信号以及电输出信号施加到电子混频器上。 [0070] 图7是根据本发明的光传播时间传感器22的相关组件的可能的排布的示例。第一控制光源260、光传播时间传感器组件23、第二控制光源270连续的分布在组件支架500上。在本实施例中，光传播时间传感器组件23容纳有用于距离测量的光传播时间传感器22和参考光传播时间传感器280。 [0071] 本实施例的参考光传播时间传感器280的特征在于，参考光传播时间传感器280的至少感光区域通过光导体通道265与第一控制光源260的光发射平面相连接。光导体通道265被设置，使得没有明显的辐射可以逃离。使用这种方法的结果是第一控制光源260和参考光传播时间传感器280之间光学连接。 [0072] 在本实施例中，透明盖玻璃550被设置在组件22、23、270的相对侧。对测量光传播时间有用的外部辐射(external radiation，ext)或光能自由的穿过盖玻璃550。在操作中，控制光源270朝盖玻璃550方向发射光。部分内部光(internal light，int)将穿过盖玻璃550到达外部，另一部分经盖玻璃550反射到达光传播时间传感器22的光感应层，并被检测。 [0073] 上述的盖玻璃550只是将控制光源270投射到光传播时间传感器22的一个装置。替代盖玻璃，或与盖玻璃互补，反射面也至少能够间接照明光传播时间传感器22。可以理解，这种相机壳的内表面作为反射面是足够的。 [0074] 当然，也可理解的是，可以将光源设置在壳内，使得控制光源270直接照明光差传播时间传感器22。 [0075] 不考虑设置细节，然而应当保证的是，在控制测量或监控信号路径时，外部穿透光(ext)相对内部光(int)能被忽略。 [0076] 在一个优选的实施例中，已存在的光传播时间传感器22的一个像素或像素阵列能被用作参考测量。该方法的优点是，通过这种方法选择的参考的电子或物理的行为几乎相同的反应剩余的“测量”光传播时间传感器22的行为。 [0077] 在另一个有利的实施例中，可以想象的是，独立于光传播时间传感器组件23构建光传播时间传感器23，或作为分离的组件构建。 [0078] 图8示出了距离测量60和控制测量70的时间顺序。在距离测量的时间间隔中，可以进行一个或多个距离测量。例如，如果需要，距离测量能初始的被限制为单相测量。在距离测量60间隔后有一个停顿，可以在该停顿中进行控制测量70。由于接收到的有用信号的典型的低光强，在距离测量60间隔中，光传播时间传感器22需要相对较长的积累时间。因为第二控制光源270的内部光优选的照射一个很高的光强到光传播时间传感器22，更短积累时间能作为控制测量的规则。进一步的，如果需要，控制测量的次数可以减少到一，因此总的控制间隔70比距离测量间隔60总体上时间保持的大大缩短。 [0079] 图9示出了另一示例性的实施例，其中，在距离测量间隔60中提供了几个相的测量，在测量中，照明源操作在不同的相位置或相移60.1、60.2、60.3、60.4-例如近似在0°、90°、180°和270°。基于这些测量，得到可靠的距离或距离值。 [0080] 照明源的相位置通常相对于光传播时间传感器22的调制相移动。但是光传播时间传感器22的调制相也能相对于照明源的相位置移动。 [0081] 根据本发明，在控制测量70中，测量发生在不同的相移70.1，70.2……[0082] 优选的，距离测量60和控制测量70之间的切换由调制器30启动。通常情况下，控制切换和/或相移的函数也被存储在调制器30中。取决于执行或计划在调制器30中的函数，例如，开关250能够被控制，或可以使用相移信号操作照明源12。 [0083] 作为一个替换方案，这些函数至少部分被存储在评估单元290中，或开关250已经是评估单元290的一部分。 [0084] 如图10所示，在相移测量60.1和60.2之前或之后，可直接进行控制测量70。 [0085] 进一步可以理解，对于另外的或替换的实际信号路径监控或控制测量，调制信号被直接加到控制光源260、270中的一个。这种方法具有以下优点，例如，为防止信号路径确认错误，可以执行另一错误分析，且使用没有接通光源12的调制光照明光传播时间传感器22或者参考光传播时间传感器280。在这种情况下，如果传感器22、280没有错误的操作，应当在照明源的方向假设有缺陷的照明源10或有缺陷的信号路径。 [0086] 进一步的，评估单元290或调制器30为测试操作提供特殊的测试信号。该测试操作能够集成到控制或参考测量中，或集成到单独的测量间隔中。 [0087] 对于这样的额外的控制测量或测试测量，例如，可以提供相移的顺序，这将导致传播时间和距离值的特定的测量顺序。如果结果与预期不同，根据偏离的大小将触发不同的响应。在可容许的偏差内，可以校正光传播时间传感器22或评估算法。例如，如果偏差在允许范围外，可以制造一个错误信号。 [0088] 其它的振幅和频率具有特殊特性的测试信号，特别是常振幅信号也是可以想象的。 [0089] 基于控制和/或参考测量中的结果，可以评估在距离测量间隔中获得的光传播时间和距离值。根据并行的参考测量结果，距离测量的值能被合理的测量、修正和/或加权(weighted)或丢弃。当然，为了这个目的，可以使用一个或多个先前或随后的控制测量。 [0090] 在第二个实施例中，在控制测量时，可以进一步减少照明源12的光束功率，使得系统的能耗得到降低。因为监控信号路径不需要外部物体反射光，功率能很容易的降低，但是应当保证控制传感器150从照明源10、12接收足够的光。 [0091] 本发明在上述示例性的实施例中，并结合PMD飞行时间相机被详细的说明。当然，本发明并不局限于这种光传播时间测量。 [0092] 本发明很容易转换成光传播时间确定(determination)或相机的其它变形，该变形根据光传播时间确定距离数据或三维环境信息。 [0093] 如在PMD相机中的那样，提供照明光源和接收物体反射的有用光的光传播时间传感器用于直接确定光传播时间。同样的，根据本发明，控制传感器可以监控照明源，控制光源可以照明光传播时间传感器。 [0094] 术语“调制光”也能包括典型的用于光传播时间测量的“脉冲光”。上述的调制器因此也被称为脉冲发生器或脉冲宽度调制器。 [0095] 调制器相应的也能被设计为用于相应的光传播时间测量的相关组件的时钟。 [0096] 图2所示的实施例主要涉及飞行时间相机1，该相机被分成独立的两个模块，即照明和相机模块100、200。使用信号线缆300和信号驱动器130、230以及信号接收器140、240主要是基于这种应用考虑。 [0097] 如果照明源和相机100、200在一个外壳内，这种信号链不需要由驱动器和接收器组成，虽然可以由这样组成。当使用普通的外壳时，这是可以忽略的，控制传感器的信号可以被直接施加到开关250或控制光源260、270。 [0098] 特别的，在本实施例中，其它的变形也是可以理解的。例如，控制传感器150在靠近照明光源10处充当参考光传播时间传感器功能。 [0099] 可以理解的是，参考光传播时间传感器没有被第一控制光源260照明，但是间接或直接被光源10照明。 [0100] 附图标记 [0101] 10 发射单元 [0102] 12 照明源 [0103] 100 照明模块 [0104] 124 发射光 [0105] 126 直接接收光 [0106] 130 信号驱动器(例如Lvds调制驱动器) [0107] 140 信号接收器 [0108] 145 背光驱动器 [0109] 150 控制传感器 [0110] 200 相机模块 [0111] 20 接收单元 [0112] 22 光传播时间传感器 [0113] 23 光传播时间传感器组件 [0114] 230 信号驱动器 [0115] 240 信号接收器 [0116] 245 混频器 [0117] 250 信号开关 [0118] 260 第一光控制源 [0119] 265 光通道 [0120] 270 第二控制光源 [0121] 280 参考光传播时间传感器，参考像素，参考像素结构 [0122] 290 评估单元 [0123] 25 有用光接收光学系统 [0124] 30 调制器，调制发生器 [0125] 300 信号线缆 [0126] 310 传输信道A(前向信道) [0127] 320 传输信道B(返回信道) [0128] 410 电压源 [0129] 420 线圈 [0130] 431 第一二极管 [0131] 432 第二二极管 [0132] 440 控制终端晶体管 [0133] 40 物体 [0134] 500 组件支架 [0135] 550 盖玻璃，反射平面 [0136] 60 距离测量 [0137] 70 控制测量 |
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