Title:
Verfahren und System zur Kalibrierung einer Lichtlaufzeitkamera
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer einen Datenspeicher (20) aufweisenden Lichtlaufzeitkamera (12) mittels mehrerer Kalibrierstationen (14, 16).
Das Verfahren umfasst die Schritte:
– Ermitteln von ersten Kalibrierdaten der Lichtlaufzeitkamera (12) an einer der Kalibrierstationen (14) und Speichern eines auf den ersten Kalibrierdaten beruhenden Datensatzes im Datenspeicher (20) der Lichtlaufzeitkamera (20),
– Verlagern der Lichtlaufzeitkamera (12) zu einer weiteren der Kalibrierstationen (16); und
– Auslesen des Datensatzes und Ermitteln von zweiten Kalibrierdaten an der weiteren Kalibrierstation (16) und Erstellen zumindest eines auf den ersten Kalibrierdaten und den zweiten Kalibrierdaten beruhenden weiteren Datensatzes.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Lichtlaufzeitkamera (12) und ein entsprechendes System (10) zum Kalibrieren einer Lichtlaufzeitkamera (12).





Inventors:
Becker, Stefan, Dr. (51429, Bergisch Gladbach, DE)
Application Number:
DE102017202563A
Publication Date:
11/30/2017
Filing Date:
02/17/2017
Assignee:
pmdtechnologies ag, 57076 (DE)
International Classes:
G01S7/497; G01S17/36
Attorney, Agent or Firm:
Schuhmann, Jörg, Dipl.-Phys. Dr. rer. nat., 88069, Tettnang, DE
Claims:
1. Verfahren zum Kalibrieren einer einen Datenspeicher (20) aufweisenden Lichtlaufzeitkamera (12) mittels mehrerer Kalibrierstationen (14, 16), gekennzeichnet durch die Schritte:
– Ermitteln von ersten Kalibrierdaten der Lichtlaufzeitkamera (12) an einer der Kalibrierstationen (14) und Speichern eines auf den ersten Kalibrierdaten beruhenden Datensatzes im Datenspeicher (20) der Lichtlaufzeitkamera (20),
– Verlagern der Lichtlaufzeitkamera (12) zu einer weiteren der Kalibrierstationen (16); und
– Auslesen des Datensatzes und Ermitteln von zweiten Kalibrierdaten an der weiteren Kalibrierstation (16) und Erstellen zumindest eines auf den ersten Kalibrierdaten und den zweiten Kalibrierdaten beruhenden weiteren Datensatzes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Erstellen des auf den ersten Kalibrierdaten beruhenden Datensatzes und/oder des zumindest einen auf den ersten Kalibrierdaten und den zweiten Kalibrierdaten beruhenden weiteren Datensatzes eine Datenreduktion der Kalibrierdaten, insbesondere durch Mittelung, durchgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Datensatz im Datenspeicher (20) der Lichtlaufzeitkamera (12) gespeichert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Kalibrierdaten als Kalibrierdaten zum Kalibrieren der Phasen- und Amplituden-Berechnungsfunktion der Lichtlaufzeitkamera (12) über den gesamten Wertebereich hinweg ausgebildet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Kalibrierdaten als Kalibrierdaten zum Kalibrieren der individuellen Eigenschaften von allen einzelnen Pixeln eines Lichtlaufzeitsensors der Lichtlaufzeitkamera (12) ausgebildet sind.

6. Lichtlaufzeitkamera (12) mit
– zumindest einer Datenübertragungsschnittstelle (22) zur Datenübertragung von mindestens einem Datensatz zwischen der Lichtlaufzeitkamera (12) und Kalibrierstationen (14, 16), die zum Kalibrieren der Lichtlaufzeitkamera (12) eingerichtet sind, wobei der zumindest eine Datensatz auf Kalibrierdaten mindestens einer der Kalibrierstationen (14) beruht; und
– einem Datenspeicher (20) zur kamerainternen Speicherung des zumindest einen Datensatzes.

7. System (10) zum Kalibrieren einer einen Datenspeicher (20) aufweisenden Lichtlaufzeitkamera (12), mit mehreren Kalibrierstationen (14, 16) und einer Einrichtung zum Verlagern der Lichtlaufzeitkamera (12) zwischen den Kalibrierstationen (14, 16),
dadurch gekennzeichnet, dass
– zumindest eine der Kalibrierstationen (14) zum Ermitteln von ersten Kalibrierdaten der Lichtlaufzeitkamera (12) und zum Speichern eines auf den ersten Kalibrierdaten beruhenden Datensatzes im Datenspeicher (20) der Lichtlaufzeitkamera (12) eingerichtet ist und
– zumindest eine weitere der Kalibrierstationen (16) zum Auslesen des Datensatzes, zum Ermitteln von zweiten Kalibrierdaten und zum Erstellen zumindest eines auf den ersten Kalibrierdaten und den zweiten Kalibrierdaten beruhenden weiteren Datensatzes eingerichtet ist.

8. System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechende Kalibrierstation (14, 16) eingerichtet ist, zum Erstellen des auf den ersten Kalibrierdaten beruhenden Datensatzes und/oder des zumindest einen auf den ersten Kalibrierdaten und den zweiten Kalibrierdaten beruhenden weiteren Datensatzes eine Datenreduktion der Kalibrierdaten, insbesondere durch Mittelung, durchzuführen.

9. System nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Kalibrierstation eingerichtet ist, den weiteren Datensatz im Datenspeicher (20) der Lichtlaufzeitkamera (12) zu speichern.

10. System nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das System (10) die Lichtlaufzeitkamera (12), insbesondere die Lichtlaufzeitkamera gemäß Anspruch 6, umfasst.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kalibrieren einer einen Datenspeicher aufweisenden Lichtlaufzeitkamera mittels mehrerer Kalibrierstationen. Die Erfindung betrifft weiterhin eine entsprechende Lichtlaufzeitkamera und ein entsprechendes Kalibriersystem mit Kalibrierstationen. Mit anderen Worten betrifft die Erfindung eine Kalibrierung einer Lichtlaufzeitkamera bzw. eines Lichtlaufzeitkamerasystems wie es beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist.

Die Kalibration der Lichtlaufzeitkameras beziehungsweise pmd ToF-Kameras erfolgt typischerweise mittels mehrerer Kalibrierstationen, die sequentiell abgearbeitet werden. Für die Berechnung der eigentlichen Kalibrierung werden die aufgenommenen Messdaten mehrerer Stationen benötigt.

Mehrere Stationen für einzelne Kalibrierschritte eines Gerätes zu nutzen, ist also allgemein üblich. Typischerweise sind diese Stationen aber unabhängig voneinander, oder aber miteinander vernetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen anzugeben, die es ermöglichen, die zusätzlichen Möglichkeiten vernetzter Kalibrierstationen auch bei Verwendung von nicht vernetzten Kalibrierstationen zu realisieren.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Kalibrieren einer einen Datenspeicher aufweisenden Lichtlaufzeitkamera mittels mehrerer Kalibrierstationen sind die folgenden Schritte vorgesehen: (i) Ermitteln von ersten Kalibrierdaten der Lichtlaufzeitkamera an einer der Kalibrierstationen und Speichern eines auf den ersten Kalibrierdaten beruhenden Datensatzes im Datenspeicher der Lichtlaufzeitkamera, (ii) Verlagern der Lichtlaufzeitkamera zu einer weiteren der Kalibrierstationen; und (iii) Auslesen des Datensatzes und Ermitteln von zweiten Kalibrierdaten an der weiteren Kalibrierstation und Erstellen zumindest eines auf den ersten Kalibrierdaten und den zweiten Kalibrierdaten beruhenden weiteren Datensatzes. Zum Kalibrieren der Kamera werden Informationen aus den ersten Kalibrierdaten wie auch aus den zweiten Kalibrierdaten benötigt. Diese zum Kalibrieren benötigten Informationen der bereits durchlaufenden Stationen werden dadurch weitergeleitet, dass sie auf einem Datenspeicher der jeweiligen Kamera abgespeichert werden. Auf diese Weise werden die zur Kalibrierung benötigten Informationen von Station zu Station weiter akkumuliert ohne dass die Stationen vernetzt sein müssen. Dabei ist die Zahl der möglichen Kalibrierstationen, deren Kalibrierdaten auf einander aufbauen natürlich nicht auf nur zwei begrenzt.

Die Aufgabe wird also erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Kommunikation zwischen Kalibrierstation und Lichtlaufzeitkamera ermöglicht wird, wobei die für die Kalibrierung relevanten Daten auf der Lichtlaufzeitkamera zumindest zwischengespeichert werden.

Durch diese Maßnahme ist es dann insgesamt möglich, die Fertigung einer Lichtlaufzeitkamera zu vereinfachen.

Ein ganz wesentlicher Vorteil der Erfindung ist dabei, dass eine beliebige Zahl von Kalibrierstationen parallel und/oder seriell verschaltet genutzt werden kann, ohne dass man bei Änderung der Anzahl oder des Verschaltungsaufbaus der Kalibrierstationen auch ein entsprechendes Netzwerk zur Datenübertragung der für die Kalibrierung relevanten Daten anpassen muss. Somit kann das erfindungsgemäße System nicht nur einfacher aufgebaut sein, das erfindungsgemäße Verfahren beziehungsweise die Nutzung des erfindungsgemäßen Systems ist dazu noch extrem flexibel.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dementsprechend zum Erstellen des auf den ersten Kalibrierdaten beruhenden Datensatzes und/oder des zumindest einen auf den ersten Kalibrierdaten und den zweiten Kalibrierdaten beruhenden weiteren Datensatzes eine Datenreduktion der Kalibrierdaten, durchgeführt. Die Datenreduktion beruht insbesondere auf Mittelung(en).

Während die Daten auch über ein Datennetzwerk von der einen zur anderen Station weitergeleitet werden könnten, beschreibt diese Erfindung eine Methode zur Zwischenspeicherung, vorzugsweise unter Datenreduktion der Messdaten der von einer Kalibrierstation ermittelten Kalibrierdaten, auf dem zu kalibrierenden Gerät, also der jeweiligen Kamera.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird auch der weitere Datensatz im Datenspeicher der Lichtlaufzeitkamera gespeichert.

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Methodik zur Datenreduktion und Zwischenspeicherung von Messdaten auf einer zu kalibrierenden Lichtlaufzeitkamera bzw. ein entsprechendes Modul. Während der Herstellung eines solchen Moduls kann es vorgesehen sein, dass ein solches Modul mehrere Kalibrierstationen durchläuft.

Zur Kalibrierung lassen sich beispielsweise aus Korrelationsmessungen einer Time-of-Flight-Kamera Phase und Amplitude bestimmen. Die Phasenlage oder kurz Phase beschreibt hierbei eine Größe, aus der sich unmittelbar die Lichtlaufzeit und somit eine Distanz berechnen lässt. Die berechneten Werte sind jedoch typischerweise durch verschiedene Effekte verfälscht, die kalibriert werden können. Zur Kalibrierung können beispielsweise zwei Kalibrierstationen eingesetzt werden, die unterschiedliche Kalibrierparameter erfassen und/oder berechnen. Auch die zweiten Kalibrierdaten können Amplitude und/oder Phase und/oder Intensitätswerte der Kamerabilder betreffen. Die Begriffe Phase, Amplitude und Intensität sind dabei im Sinne der in der Physik zur Beschreibung von Wellenphänomenen gebräuchlichen Art zu verstehen und können sich einerseits auf die Lichtlaufzeitkamera beziehungsweise einen Lichtlaufzeitsensor dieser Kamera insgesamt oder auf einzelne Pixel dieses Lichtlaufzeitsensors beziehen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die ersten Kalibrierdaten als Kalibrierdaten zum Kalibrieren der Phasen- und Amplituden-Berechnungsfunktion über den gesamten Wertebereich hinweg ausgebildet. Die Daten umfassen insbesondere Phasen- und Amplitudenwerte bei mehreren, sehr unterschiedlichen tatsächlichen Lichtlaufzeiten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die zweiten Kalibrierdaten als Kalibrierdaten zum Kalibrieren der individuellen Eigenschaften von jedem einzelnen der Pixel des Lichtlaufzeitsensors der Lichtlaufzeitkamera ausgebildet. Die Daten umfassen pixelindividuelle Phasenwerte einzelner Pixel des Lichtlaufzeitsensors. Eine Kalibriervorrichtung der zweiten Kalibrierstation umfasst oder generiert eine Art „Testbild”. Ein entsprechender Testbild-Generator kann mittels LEDs aufgebaut sein und wird daher auch einfach als „LED-Box” bezeichnet.

Zur Bestimmung von Phasenunterschieden zwischen den Pixeln werden Daten aus beiden vorgenannten Kalibrierstationen benötigt. Ein wesentliches Ergebnis der Kalibration ist eine Korrekturfunktion der unkalibrierten Phasenwerte der einzelnen Pixel.

Die erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamera umfasst: (a) zumindest eine Datenübertragungsschnittstelle zur Datenübertragung von mindestens einem Datensatz zwischen der Lichtlaufzeitkamera und Kalibrierstationen, die zum Kalibrieren der Lichtlaufzeitkamera eingerichtet sind, wobei der zumindest eine Datensatz auf Kalibrierdaten mindestens einer der Kalibrierstationen beruht; und (b) einem Datenspeicher zur kamerainternen Speicherung der Datensätze.

Bei dem erfindungsgemäßen Kalibriersystem zum Kalibrieren einer einen Datenspeicher aufweisenden Lichtlaufzeitkamera, mit mehreren Kalibrierstationen und einer Einrichtung zum Verlagern der Lichtlaufzeitkamera zwischen den Kalibrierstationen ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass (i) zumindest eine der Kalibrierstationen zum Ermitteln von ersten Kalibrierdaten der Lichtlaufzeitkamera und zum Speichern eines auf den ersten Kalibrierdaten beruhenden Datensatzes im Datenspeicher der Lichtlaufzeitkamera eingerichtet ist und (ii) zumindest eine weitere der Kalibrierstationen zum Auslesen des Datensatzes, zum Ermitteln von zweiten Kalibrierdaten und zum Erstellen zumindest eines auf den ersten Kalibrierdaten und den zweiten Kalibrierdaten beruhenden weiteren Datensatzes eingerichtet ist. Die zumindest eine Kalibrierstation ist insbesondere dadurch zum Speichern eines auf den ersten Kalibrierdaten beruhenden Datensatzes im Datenspeicher der Lichtlaufzeitkamera eingerichtet, dass sie eingerichtet ist, diesen Datensatz zu erstellen und zusammen mit einer Weisung zum Speichern im Datenspeicher der Lichtlaufzeitkamera an diese zu übertragen. Die Weisung zum Speichern kann dabei bereits in der Übertragung des Datensatzes selbst enthalten sein. Das Auslesen des Datensatzes an der zumindest einen weiteren Kalibrierstation ist ein Auslesen aus dem Datenspeicher der Lichtlaufzeitkamera. Die zumindest eine weitere Kalibrierstation ist insbesondere dadurch zum Speichern des weiteren Datensatzes im Datenspeicher der Lichtlaufzeitkamera eingerichtet, dass sie eingerichtet ist, den weiteren Datensatz zu erstellen und mit einer Weisung zum Speichern im Datenspeicher der Lichtlaufzeitkamera an diese zu übertragen. Die Weisung zum Speichern kann auch hier bereits in der Übertragung des weiteren Datensatzes selbst enthalten sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die entsprechende Kalibrierstation eingerichtet, zum Erstellen des auf den ersten Kalibrierdaten beruhenden Datensatzes und/oder des zumindest einen auf den ersten und den zweiten Kalibrierdaten beruhenden weiteren Datensatzes eine Datenreduktion der entsprechenden Kalibrierdaten durchzuführen. Die Datenreduktion beruht insbesondere auf Mittelung(en).

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die weitere Kalibrierstation eingerichtet, auch den weiteren Datensatz im Datenspeicher der Lichtlaufzeitkamera zu speichern.

Schließlich ist mit Vorteil vorgesehen, dass das System die zu kalibrierende Lichtlaufzeitkamera umfasst. Diese Lichtlaufzeitkamera ist insbesondere als vorstehend genannte Lichtlaufzeitkamera ausgebildet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines zwei Kalibrierstationen umfassenden Systems zum Kalibrieren einer Lichtlaufzeitkamera gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und

2 eine Kalibriervorrichtung einer der Kalibrierstationen mit einer Lichtlaufzeitkamera.

Die 1 zeigt ein (Kalibrier-)System 10 zum Kalibrieren einer Lichtlaufzeitkamera 12, wobei das System 10 zwei Kalibrierstationen 14, 16 und eine Einrichtung (Pfeil 18) zum Verlagern der Lichtlaufzeitkamera 12 zwischen den Kalibrierstationen 14, 16 aufweist. Die Lichtlaufzeitkamera 12 wird im Zusammenhang mit 2 noch einmal im Detail besprochen. An dieser Stelle sei nur erwähnt, dass die Lichtlaufzeitkamera 12 einen Datenspeicher 20 und eine Schnittstelle 22 zum Datenaustausch (Pfeile 24 – bidirektionaler Datenaustausch) mit den Kalibrierstationen 14, 16 aufweist. Die erste Kalibrierstation 14 ist eine Station, die zum Ermitteln von ersten Kalibrierdaten der Lichtlaufzeitkamera 12 und zum Speichern eines auf den ersten Kalibrierdaten beruhenden Datensatzes im Datenspeicher 20 der Lichtlaufzeitkamera 12 eingerichtet ist. Die erste Kalibrierstation 14 weist zum Ermitteln der ersten Kalibrierdaten eine in 2 im Detail gezeigte Kalibriervorrichtung 26 sowie zum Datenaustausch mit der Lichtlaufzeitkamera eine (nicht gezeigte) Schnittstelle auf. Die zweite Kalibrierstation 16 ist eine Station, die zum Auslesen des im Datenspeicher 20 der Lichtlaufzeitkamera 12 gespeicherten Datensatzes, zum Ermitteln von zweiten Kalibrierdaten und zum Speichern zumindest eines auf den ersten Kalibrierdaten und den zweiten Kalibrierdaten beruhenden Datensatzes im Datenspeicher 20 der Lichtlaufzeitkamera 12 eingerichtet ist. Auch sie weist zum Datenaustausch mit der Kamera 12 eine nicht gezeigte Schnittstelle auf.

Es ergibt sich das folgende Verfahren zum Kalibrieren von Lichtlaufzeitkameras 12 mittels dieses Mehrstationen-Kalibriersystems 10:
Schritt 1: Ermitteln der ersten Kalibrierdaten der Lichtlaufzeitkamera 12 an der ersten Kalibrierstation 14 und Speichern eines auf den ersten Kalibriedaten beruhenden Datensatzes im Datenspeicher 20 der Lichtlaufzeitkamera 12,

Schritt 2: Verlagern der Lichtlaufzeitkamera 12 zu der zweiten Kalibrierstation 16 mittels der Einrichtung zum Verlagern der Lichtlaufzeitkamera 12 zwischen den Kalibrierstationen 14, 16 (Pfeil 18) und

Schritt 3: Auslesen des Datensatzes und Ermitteln von zweiten Kalibrierdaten an der zweiten Kalibrierstation und Erstellen zumindest eines auf den ersten Kalibrierdaten und den zweiten Kalibrierdaten beruhenden weiteren Datensatzes. Mittels dieses (kompletten) Datensatzes kann die Lichtlaufzeitkamera 12 nun kalibriert werden. Bevorzugt wird auch der weitere Datensatz im Datenspeicher 20 der Lichtlaufzeitkamera 12 gespeichert. Auf diese Weise kann die Kalibration oder eine Nachkalibration auch außerhalb der Stationen 14, 16 des Kalibriersystems 10 erfolgen.

In 2 ist eine Anordnung aus einer Lichtlaufzeitkamera 12 und einer Kalibriervorrichtung 26 der Kalibrierstation 14 zur Kalibrierung von derartigen Lichtlaufzeitkameras 12 gezeigt. Die Lichtlaufzeitkamera 12 entspricht im Wesentlichen der in dem eingangs erwähnten Dokument DE 197 04 496 A1 beschriebenen Lichtlaufzeitkamera 12 mit einem eine Beleuchtung 28 aufweisenden Beleuchtungsmodul 30 und einem einen Lichtlaufzeitsensor 32 und eine Kameraoptik 34 aufweisenden (Lichtlaufzeit-)Kameramodul 36. Die Kalibriervorrichtung 26 weist drei Hauptbaugruppen 38, 40, 42 auf, nämlich (i) ein Lichtleitsystem 38, das mehrere Lichtwellenleiter (kurz: Lichtleiter/Fasern) 44 umfasst, (ii) einer Einkoppelvorrichtung 40 zur Erfassung von Licht, welches von der Beleuchtung 28 der Lichtlaufzeitkamera 12 ausgesendet wird, und zur Einkopplung dieses Lichts in das Lichtleitsystem 38 und (iii) einer Ausleuchtungsvorrichtung 42 zur Projektion des Lichts des Lichtleitsystems 38 auf den Lichtlaufzeitsensor 32 des Kameramoduls 36, wobei die Ausleuchtungsvorrichtung 42 eine Positionierungseinrichtung 46 zur Positionierung der Auskoppelbereiche 48 der Lichtwellenleiter 44 aufweist. Diese Positionierungseinrichtung 46 ist im gezeigten Beispiel als eine Platte mit Öffnungen zur Aufnahme der Auskoppelbereiche 48 der Lichtwellenleiter 44 ausgebildet. In der Anordnung gemäß 2 wird das modulierte Licht der Beleuchtung 28 der Lichtlaufzeitkamera 12, wie zum Beispiel einer Time-of-Flight-Kamera, in ein die Lichtwellenleiter 44 umfassendes Faserbündel des Lichtleitsystems 38 eingekoppelt, das aus Fasern (den einzelnen Lichtwellenleitern 44) unterschiedlicher Länge besteht. Die einzelnen Fasern/Lichtleiter 44 projizieren das Licht auf einen abbildenden Schirm 50 (oder alternativ auf ein diffus streuendes optisches Element der Ausleuchtungsvorrichtung 42), der von dem Lichtlaufzeitsensor 32 des Kameramoduls 36 abgebildet wird. Jede einzelne Faser (jeder einzelne Lichtleiter 44) erzeugt dabei einen eigenen Lichtspot. In einer kompakten Station 14 können so unterschiedliche Lichtlaufzeiten vermessen werden, die mehreren Metern Distanz entsprechen. Alternativ ist an der Positioniereinrichtung 46 im Bereich der Auskoppelbereiche 48 der Lichtwellenleiter 44 eine Selektor-Einrichtung 52 zum wahlweisen freischalten oder blockieren des Lichts der einzelnen Lichtwellenleiter 44 (ein Faser-Selektor), beispielsweise ein optischer Umschalter, eingefügt, der die Funktion einer Blende erfüllt, mit der die einzelnen Lichtwellenleiter/Fasern 44 gezielt ausgewählt werden können.

Typische Kalibrieraufgaben sind beispielsweise:
Der Wert der berechneten Amplitude und Phase bei gegebener Lichtlaufzeit ist beispielsweise abhängig von der empfangenen Lichtleistung, der realen Form der optischen und elektrischen Signale und dem Demodulationskontrast, also der Ausprägung der Trennung zwischen A- und B-Kanal der Pixel bei einer Lichtlaufzeitkamera wie sie beispielsweise aus der eingangs erwähnten DE 197 04 496 A1 oder auch der DE 10 2012 223 301 A1 bekannt ist. Eine Berechnung aus Messdaten ohne Berücksichtigung der realen Gegebenheiten führt daher zu verfälschten Amplituden- und Phasenwerten. Dieser Effekt wird als „Wiggling” bezeichnet und kann kalibriert werden, indem Messwerte mit vielen verschiedenen Lichtlaufzeiten für identische Pixel ausgewertet werden. Mit anderen Worten: Man benötigt Messungen bei verschiedenen Lichtlaufzeiten für identische Pixel. Für einzelne Pixel werden mindestens zwei Messwerte benötigt, um die Werte zur Auswertung verwenden zu können. Da identische Pixel in einem statischen Kalibrieraufbau nur dieselbe Lichtlaufzeit vermessen können, muss der Kalibrieraufbau gewechselt werden. Diese beiden Aufbauten sind in den Kalibrierstationen 14 und 16 realisiert. Ferner müssen die Daten aus beiden Stationen zur Bestimmung der Kalibrationsdaten gleichzeitig zur Verfügung stehen.

Die erforderlichen Messwerte bei einer Vielzahl an beliebig konfigurierbaren Lichtlaufzeiten können beispielsweise erzeugt werden, indem die Beleuchtung/Lichtquelle 28 der Kamera 12 in das Faserbündel des Lichtleitsystems 38 eingekoppelt wird, das sich in einzelne Fasern 44 mit im Eindeutigkeitsbereich verteilten Einzellängen verzweigt. Die Fasern 44 werden so positioniert, dass die Einzelfasern 44 durch das Kameramodul 36 gemessen werden können. Eine solche erste Kalibrierstation 14 (Kalibrierbox) ist – wie gesagt – in 2 dargestellt.

In der zweiten Kalibrierstation (zweiten Kalibrierbox) 16, die beispielsweise als LED-Box ausgebildet sein kann, können dann beispielsweise einer homogenen, ebenen Oberfläche mit exakt bekannten Abstand (nicht gezeigt) zweite Messwerte für dieselben Pixel ermittelt werden, die bereits in Kalibrierstation 14 Messwerte bei anderen Lichtlaufzeiten aufgenommen haben. Diese Station erlaubt zusätzlich Messungen aller Pixel, um pixelindividuelle Eigenschaften zu kalibrieren. Darüber hinaus ermöglichen schaltbare LEDs die Berechnung der gängigen Linsenparameter.

Zur Bestimmung der Kalibrationsparameter ist es notwendig, die Messdaten der ersten und zweiten Kalibrierstation 14, 16 zu kennen, da in keinem der beiden Aufbauten ein Effekt isoliert vom anderen gemessen werden kann. Um nun zu vermeiden, dass die Daten von beiden Stationen 14, 16 über ein Netzwerk zusammengeführt werden müssen, ist die hier vorgeschlagene Methode, die Daten der ersten Kalibrierstation 14 in reduzierter Form auf der zu kalibrierenden Kamera 12 temporär in einem nicht-flüchtigen Speicher 20 zu hinterlegen. Die Stationen (Boxen) 14, 16 werden dann sequentiell abgearbeitet, wobei es von Vorteil ist, die Kalibrierstation 14 als erste zu durchlaufen, da hier nach Reduktion nicht Messwerte von allen Pixel der Kamera anfallen und somit der Speicherbedarf geringer ist als in der Kalibrierstation 16. Der Datenspeicher 20 wird nach Durchlaufen der zweiten Kalibrierstation 16 mit den endgültigen Kalibrierdaten überschrieben. Dieser Vorgang ist in 1 zu sehen.

Die Reduktion der Messdaten der ersten Kalibrierstation 14 erfolgt, indem zunächst die unverarbeiteten Messdaten des Sensors gemittelt werden. Im nächsten Schritt werden die Abbildungen der einzelnen Fasern 44 bzw. der Projektionsfläche 50 auf dem Sensor 32 mit Hilfe eines Intensitäts-Schwellwerts detektiert. Der Schwellwert wird dabei auf die Differenz von zwei Intensitätsbildern mit unterschiedlichen Lichtstärken der Beleuchtung 28 angewendet. Nach der Detektion der Fasern in der Abbildung können Pixelgruppen mit Intensität oberhalb des Schwellwerts eindeutig einzelnen Fasern 44 und somit unterschiedlichen Lichtlaufzeiten zugeordnet werden. Von ausgewählten Pixeln zu jeder Faser werden die Amplituden-, Phasen- und Intensitätswerte (jeweils Mittelwert und Standardabweichung) gespeichert. Da von jeder Faser lediglich die tatsächliche Lichtlaufzeit, welche im Wesentlichen durch die zugehörigen Faserlänge bestimmt ist, sowie Messwerte von ca. 3×3 bis 4×4 Pixel benötigt werden, lassen sich Daten von 30 Fasern in einen Byte-Stream von weniger als 1 kB serialisieren, so dass sie sich schnell und effizient auf dem Datenspeicher 20 der Kamera 12 speichern lassen. Für die Berechnung der Kalibrierdaten werden die Daten nach der Datenaufnahme in der zweiten Kalibrierstation 16 bzw. LED-Box ausgelesen; es werden keine weiteren Daten oder Parameter benötigt.

Im Folgenden sollen wichtige Aspekte der Erfindung noch einmal mit anderen Worten beleuchtet werden:
Die Kalibration von Lichtlaufzeitkameras 12 wie pmd ToF-Kameras erfolgt in der Massenproduktion an zwei verschiedenen Stationen 14, 16, die sequentiell abgearbeitet werden. Für die Berechnung der eigentlichen Kalibrierung werden die aufgenommenen Messdaten beider Stationen 14, 16 benötigt. Zum Weiterleiten der zur Kalibrierung benötigten Daten von einer Station 14 zur nächsten Station 18 wird eine Datenreduktion und eine Zwischenspeicherung der Messdaten der als Faserbox ausgebildeten Kalibriervorrichtung 26 auf der zu kalibrierenden Kamera 12 genutzt.

Zur Bestimmung der Kompensationsparameter sind zwingend die Messdaten der in 2 gezeigten Faserbox der ersten Station 14 und der (nicht gezeigten) LED-Box der zweiten Station 16 nötig, da in keinem der beiden Aufbauten der Effekt isoliert vom anderen gemessen werden kann. Um nun zu vermeiden, dass die Daten von beiden Stationen 14, 16 über ein Netzwerk zusammengeführt werden müssen, ist die hier vorgeschlagene Methode, die Daten der ersten Station 14 in reduzierter Form auf dem zu kalibrierenden Modul, also der individuellen Kamera 12, temporär in einem nicht-flüchtigen Speicher 20 zu hinterlegen. Die Stationen 14, 16 werden dann sequentiell abgearbeitet, wobei die Faserbox als erste durchlaufen werden muss, um die Datenmenge der Zwischenspeicherung gering zu halten. Der Speicher 20 wird nach Durchlaufen der zweiten Box mit den endgültigen Kalibrierdaten überschrieben.

Bezugszeichenliste

10
Kalibriersystem
12
Lichtlaufzeitkamera
14
Kalibrierstation, erste
16
Kalibrierstation, zweite
18
Pfeil (Verlagerung/Verlagerungseinrichtung)
20
Datenspeicher (Lichtlaufzeitkamera)
22
Schnittstelle
24
Pfeil (Datenaustausch)
26
Kalibriervorrichtung
28
Beleuchtung
30
Beleuchtungsmodul
32
Lichtlaufzeitsensor
34
Kameraoptik
36
Kameramodul (oder Empfänger)
38
Lichtleitsystem
40
Einkoppelvorrichtung
42
Ausleuchtungsvorrichtung
44
Lichtwellenleiter (oder Faser)
46
Positionierungseinrichtung
48
Auskoppelbereich (Lichtwellenleiter)
50
Schirm, Abbildungs-
52
Selektor-Einrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 19704496 A1 [0001, 0031, 0032]
  • DE 102012223301 A1 [0032]