Entwurf und Analyse von Verfahren zur Korrektur der systematischen Fehler eines 3D-Sensor Chips

Abstract

Ziel dieser Diplomarbeit war es, die dominanten systematischen Fehler eines 3D-Kamera Chips zu identifizieren, sie zu analysieren und Verfahren zur Korrektur dieser Fehler zu entwickeln.<br />Um dieses Ziel erreichen zu können, wurde ein Messaufbau zur Charakterisierung des korrelationsbasierten time-of-flight 3D-Kamera Chips entwickelt. Dieser ermöglicht es, die dominanten systematischen Fehler des 3D-Kamera Systems, den Offset-Fehler, das fixed pattern noise, sowie die Abhängigkeit der gemessenen Distanz von der optischen Empfangsleistung und der Temperatur, zu analysieren. Die ersten drei systematischen Fehler lassen sich durch einfache Kalibrationsroutinen korrigieren. Für die Korrektur der Temperaturabhängigkeit der gemessenen Distanz wurden drei unterschiedliche Verfahren untersucht, die sich stark an Komplexität und zusätzlichem Kalibrieraufwand unterscheiden.<br />Im ersten Verfahren wird aus der Verzerrung des Messsignals direkt auf den Messfehler geschlossen, um diesen dann in Folge korrigieren zu können. Dieses Verfahren lässt sich ohne zusätzlichen Hardwareaufwand implementieren und kann die Temperaturabhängigkeit der gemessenen Distanz in einem eingeschränkten Arbeitsbereich stark reduzieren. Dafür sind allerdings komplexe Kalibrierroutinen notwendig. Im zweiten Verfahren wird mit einem dediziertem Referenzpixel eine konstante Referenzdistanz vermessen. Das Licht, das zur Bestimmung der Referenzdistanz verwendet wird, kommt dabei aus derselben Quelle, wie das Licht zur Beleuchtung der Szenerie. Da die Referenzmessung und die Messungen im 3D-Kamera Chip den selben temperaturabhängigen Fehler aufweisen, lässt sich dieser Fehler durch Subtraktion dieser beiden Messergebnisse korrigieren. Dieses Verfahren ist durch den zusätzlichen Hardwareaufwand komplexer als das erste, kann die Temperaturabhängigkeit der gemessenen Distanz aber in einem deutlich breiteren Arbeitsbereich reduzieren. Auch im dritten Verfahren wird eine konstante Referenzdistanz vermessen, die Messung wird aber direkt in den Pixeln des 3D-Kamera Chips durchgeführt, die auch die Szenerie aufnehmen. Dazu wurden drei mögliche Varianten untersucht. Bei der ersten wird das Licht aus dem Referenzpfad mit hoher Intensität zu definierten Korrekturintervallen dem Licht aus der Szenerie am Pixel überlagert. Beim zweiten erfolgt eine vollständige Umschaltung. Es ist somit immer nur Licht aus der Szenerie oder dem Referenzpfad auf dem 3D-Kamera Chip. Nie aber zur selben Zeit. Bei der dritten Variante werden die Signale aus Szenerie und Referenzpfad im Pixel überlagert und mit Hilfe mathematischer Methoden anschließend wieder getrennt. Die Komplexität des optischen Aufbaus ist bei diesen dritten Verfahren die größte, zusätzlich zur Korrektur der Temperaturabhängigkeit werden aber auch der Offset-Fehler und das fixed pattern noise korrigiert. Die dritte Variante des dritten Verfahrens hat darüber hinaus das Potenzial, zusätzlich auch die Amplitudenabhängigkeit automatisch zu korrigieren. Der Korrelator im untersuchten 3D-Sensor Chip ist dafür allerdings zu langsam.<br />Im Anhang wird der burst mode Betrieb untersucht und gezeigt, dass mit diesem Betrieb noch ein großes Potenzial zur Steigerung der Leistungsfähigkeit des Systems besteht.<br />

The intention of this thesis was to identify the systematic errors of a 3D-camera chip and to provide and analyze techniques for the correction of these errors. A measurement setup for the characterization of correlation based time of flight 3D-camera chips has been developed.<br />Furthermore, the dominant systematic errors of the system, the offset error, the fixed pattern noise and the dependency of the measured distance on the received optical power and the temperature have been identified and characterized. The first three systematic errors can be corrected by simple calibration routines. For the correction of the temperature dependency three different methods have been investigated which differ greatly in performance and complexity. In the first method the measurement error is derived directly out of the deformation of the measurement signal. The main advantage of this method is, that it can be implemented without any changes in the optical setup.<br />The temperature dependency of the result is greatly reduced in a limited area of operation. As a disadvantage of this method complex calibration routines are necessary.<br />In the second procedure a constant reference distance is measured with a dedicated reference pixel. Since this measurement suffers from the same temperature dependent error like the other pixels, the error of the other pixels can be corrected. The light for the measurement of the known reference distance has to come from the same source as the light which illuminates the scenery. Because of the additional hardware requirements this method is more complex than the first one, but the temperature dependency can be reduced in a considerably larger area of operation. The third method is similar to the second one. But in contrast to the second one, the reference length is measured directly with the pixels of the 3D-camera chip. Three possible implementations of this method have been investigated. In the first implementation the light out of the reference path is overlaid with the light of the scenery with high intensity for defined calibration intervals. In the second implementation the pixels are switched between light from the reference path and the scenery. Which means that at any time either the light which passes the reference path, or the light from the scenery hits the pixels, but not both at the same time. In the third implementation the light of both paths hits the pixels at the same time. With the help of mathematical methods, the single signals can be calculated out of the mixed signal.<br />The complexity of this third method is larger than that of the first two ones, but its performance surpasses the other two methods. Not only the temperature dependency can be corrected, additionally also the offset error and the fixed pattern noise can be corrected with this method. The third implementation of this third method even has the potential to correct the amplitude dependency automatically. But, unfortunately, the correlator in the actual 3D-sensor chip is too slow.<br />In the appendix the burst mode operation of the 3D-camera chip is investigated. As a result of these measurements it can be shown, that the burst mode operation shows great potential to further improve the performance of this system.