DE102010003409B4

DE102010003409B4 - Lichtlaufzeit-Kamera

Info

Publication number: DE102010003409B4
Application number: DE102010003409.6A
Authority: DE
Inventors: Robert Baumann
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2010-03-29
Filing date: 2010-03-29
Publication date: 2022-06-09
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: DE102010003409A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeit-Kamera, mit den Schritten:- Erfassen jeweils einer Phasenverschiebung (Φ(fn)) einer emittierten und empfangenen elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Licht, für mindestens drei verschiedene Modulationsfrequenzen (fn),- Bildung jeweils von Phasendifferenzen (ΔΦi(fn)) zwischen den erfassten Phasenverschiebungen (Φ(fn)) benachbarter Modulationsfrequenzen, wobei eine weitere Phasenverschiebung (Φ(fn+1)) für eine weitere Modulationsfrequenz (fn+1) solange ermittelt wird, bis mindestens zwei innerhalb einer vorgegebenen Toleranz übereinstimmende Phasendifferenzen (ΔΦi(fn)) von Phasenverschiebungen (Φ(fn)) benachbarter Modulationsfrequenzen vorliegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtlaufzeit-Kamera, insbesondere PMD-Kamera, sowie ein zugehöriges Verfahren, nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Aus dem Stand der Technik sind Systeme zur dreidimensionalen Bilderfassung bekannt, welche mit Hilfe einer aktiven Beleuchtung arbeiten. Dazu gehören insbesondere so genannten Time-of-flight- (TOF-) oder Laufzeitmesssysteme. Diese verwenden eine amplitudenmodulierte bzw. gepulste Beleuchtung, zur Ausleuchtung der zu erfassenden dreidimensionalen Szenerie.
Mit Kamera bzw. Kamerasystem sollen insbesondere alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme mit umfasst sein, 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 den Anmeldungen EP 1 777 747 B1 , US 6 587 186 B2 und auch DE 197 04 496 C2 beschrieben und beispielsweise von der Firma ,ifm electronic gmbh' als Frame-Grabber 03D101/M01594 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. Selbstverständlich sollen mit dem Begriff Kamera bzw. Kamerasystem auch Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät OID der Anmelderin.
Aus der DE 100 39 422 A1 ist ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines PMD-Systems bekannt, bei dem das PMD-System mittels mindestens eines Modulationssignals und eines dazu komplementären Modulationssignals angesteuert wird und ein Sender elektromagnetische Strahlung aussendet, die mittels des mindestens einen Modulationssignals intensitätsmoduliert wird, wobei das Modulationssignal zwischen mindestens zwei Modulationsfrequenzen variiert wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit und die Empfindlichkeit der Kamera gegenüber Störern weiter zu verbessern.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeit-Kamera vorgesehen, bei dem jeweils eine Phasenverschiebung (Φ(f_n)) einer emittierten und empfangenen elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Licht, für mindestens drei verschiedenen Modulationsfrequenzen (f_n) erfasst bzw. ermittelt wird, wobei jeweils Phasendifferenzen (ΔΦ_i(f_n)) zwischen den erfassten Phasenverschiebungen (Φ(f_n)) benachbarter Modulationsfrequenzen gebildet werden. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass bereits bei der Ermittlung der Phasenverschiebungen für drei Modulationsfrequenzen, zwei Phasendifferenzen vorliegen, die proportional zum Objektabstand sind und entsprechend ausgewertet werden können.
Ebenso vorteilhaft ist eine Lichtlaufzeit-Kamera vorgesehen, die einen Fotosensor (22), mit mindestens einem Empfangspixel aufweist sowie mit einer Lichtquelle (12) und einem Modulator (30), der mit dem Fotosensor (22) und der Lichtquelle (12) verbunden ist. Ferner ist eine Auswerteeinheit (27) vorgesehen, die anhand einer Mischung eines empfangenen Signals (b) mit der Modulationsfrequenz eine Phasenverschiebung ermittelt bzw. ein Signal oder Wert entsprechend der Phasenverschiebung zur Verfügung stellt, wobei die Auswerteeinheit für benachbarte Modulationsfrequenzen eine Differenz der Phasenverschiebungen ermittelt. Darüber hinaus ist ein Modulationssteuergerät (35) vorgesehen, das derart ausgestaltet ist, dass für eine Messung bzw. Messsequenz mindestens drei Modulationsfrequenzen vorgegeben werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindung möglich.
Besonders zu bevorzugen ist es, wenn die Modulationsfrequenzen (f_n) unter der Maßgabe ausgewählt werden, dass der Frequenzabstand (Δf) für alle Modulationsfrequenzen (f_n) zwischen zwei benachbarten Modulationsfrequenzen jeweils gleich groß ist. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Phasendifferenzen immer die gleiche Proportionalität zum Objektabstand aufweisen, wodurch die Auswertung der Phasendifferenzen einfacher zu gestalten ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, zu überprüfen, ob die Unterschiede der Phasendifferenzen (ΔΦ_i(f_n)) innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegen. Das Ergebnis dieser Überprüfung kann als Grundlage für weitere Messungen oder weiteren Aktionen herangezogen werden.
Ebenfalls von Vorteil ist, wenn zunächst eine erste, zweite und dritte Phasenverschiebung (Φ(f_1..3)) für eine ersten, zweite und dritte Modulationsfrequenz (f_1..3) ermittelt wird und eine weitere Phasenverschiebung (Φ(f_n+1)) für eine weitere Modulationsfrequenz (f_n+1) ermittelt wird, wenn keine, innerhalb der vorgegebenen Toleranz, übereinstimmende Differenzen (ΔΦ_i(f_n)) von Phasenverschiebungen (Φ(f_n)) benachbarter Modulationsfrequenzen aufgefunden werden, wobei die Auswahl der Modulationsfrequenzen (f_n) mit der Maßgabe erfolgt, dass der Frequenzabstand (Δf) für alle benachbarten Modulationsfrequenzen gleich groß ist.
Besonders nützlich ist es, wenn eine weitere Phasenverschiebung (Φ(f_n+1)) für eine weitere Modulationsfrequenz (f_n+1) solange ermittelt wird, bis mindestens zwei innerhalb einer vorgegebenen Toleranz übereinstimmende Differenzen (ΔΦ_i(f_n)) von Phasenverschiebungen (Φ(f_n)) benachbarter Modulationsfrequenzen vorliegen. So können in einfacher Art und Weise die bisherigen Messergebnisse weiter verwendet werden, wobei mit Hilfe weiterer Messungen dann mit hoher Wahrscheinlichkeit ein gültiges Messergebnis aufgefunden wird.
Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass jeweils ein Abstandswert (l_i) für jede Phasendifferenz (ΔΦ_i(f_n)) ermittelt und überprüft wird, ob die Unterschiede der Abstandswerte (l_i) innerhalb einer vorgegebenen Abstandstoleranz liegen. Ein solches Vorgehen hat den Vorteil, dass die Auswahl der Modulationsfrequenzen nicht unbedingt äquidistant erfolgen muss, sondern, dass auch unterschiedliche insbesondere auch zufällige Abstände zwischen den Modulationsfrequenzen herangezogen werden können.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 schematisch ein erfindungsgemäßes System,
2 eine lichtlaufzeitbedingte Phasenverschiebung,
3 eine Phasenverschiebung zweier Frequenzen mit ganzzahligem Verhältnis,
4 eine Phasenverschiebung zweier nah beieinander liegender Frequenzen,
5 eine Phasendifferenz der Phasenverschiebungen gem. 4,
6 die Phasendifferenz mit Korrektur der Sprungstellen,
7 eine erfindungsgemäße Auswahl von Modulationsfrequenzen,
8 eine erfindungsgemäße Auswahl von Modulationsfrequenzen zweier Kameras,
9 eine Situation mit zwei Kameras mit einer gestörten Modulationsfrequenzen,
10 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Vorgehens.

1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeit-Kamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 bekannt ist.
Die Lichtlaufzeit-Kamera 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Lichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. TOF-Kamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Fotosensor 22. Der Fotosensor 22 weist mindestens ein Pixel, vorzugsweise jedoch 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 ist vorzugsweise als Reflektor ausgebildet. Es können jedoch auch diffraktive Elemente oder Kombinationen aus reflektierenden und diffraktiven Elementen eingesetzt werden.
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung der emittierten und empfangenen elektromagnetischen Strahlung bzw. des Lichts die Laufzeit des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Fotosensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz mit einer ersten Phasenlage a beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal mit der Phase a aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage b auf den Fotosensor 22. Im Fotosensor 22 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators 30 mit dem empfangenen Signal, das mittlerweile eine zweite Phasenlage b angenommen hat, gemischt und aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung ermittelt.
Zur Verbesserung der Messgenauigkeit und/oder zur Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs kann es ferner vorgesehen sein, Lichtlaufzeitmessungen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen durchzuführen. Zu diesem Zweck ist der Modulator 30 mit einem Modulationssteuergerät 35 verbunden, das vorzugsweise innerhalb eines vorgegebenen Frequenzspektrums Modulationsfrequenzen vorgeben kann.
Der Modulator 30 könnte beispielsweise als Frequenzsynthesizer mit einer festen Schrittweite ausgebildet sein, der über das Modulationssteuergerät 35 für die jeweilige Messaufgabe angesteuert wird. Eine typische Konfiguration wäre beispielsweise ein Frequenzsynthesizer mit einem Frequenzspektrum von 60 bis 70 MHz, einer Schrittweite von 0,1 MHz und einer Sprungweite von 0,5 MHz.
Ferner ist die Empfangseinheit 20 mit einer Auswerteeinheit 27 verbunden. Die Auswerteeinheit 27 kann gegebenenfalls auch Bestandteil der Empfangseinheit 20 und insbesondere auch Teil des Fotosensors 22 sein. Aufgabe der Auswerteeinheit 27 ist es, anhand der empfangenen Signale in Relation zur Modulationsfrequenz Phasenverschiebungen zu ermitteln und/oder auszuwerten. Die Mischung der empfangen Lichtstrahlen mit der Modulationsfrequenz erfolgt vorzugsweise im Fotosensor 22 bzw. PMD-Sensor. Darüber hinaus ist die Auswerteeinheit 27 ausgestaltet, um Differenzen von Phasenverschiebungen benachbarter Modulationsfrequenzen zu ermitteln und gegebenenfalls zu analysieren und/oder zu vergleichen. Ferner kann das Modulationssteuergerät 35 auch Bestandteil der Auswerteeinheit 27 sein. Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit 27 die Funktion des Modulationssteuergeräts 35 vollständig oder teilweise übernimmt.
Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbreichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.
2 zeigt exemplarisch Amplitudenverläufe bei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen. Die Phasenverschiebung ergibt sich aus der Lichtlaufzeit t_L, also der Zeit, die das Licht vom Empfänger über das Objekt zurück zum Empfänger braucht. Die relative Phasenverschiebung Φ berechnet sich aus dem Verhältnis Lichtlaufzeit t_L zur Periodendauer T. $ϕ = \frac{t_{L}}{T}$
Da die Entfernungsmessung nur anhand einer relativen und nicht anhand einer absoluten Phasenverschiebung Φ erfolgt, lässt sich die Lichtlaufzeit t_L und somit der Objektabstand 1 bei einer Messung mit einer einzigen Modulationsfrequenz nicht eindeutig, sondern nur als Vielfaches n der Phasenverschiebung Φ bestimmen: nØT = t_L . Zur Bestimmung des Periodenfaktors n wird vorzugsweise eine weitere Messung mit einer anderen Modulationsfrequenz benötigt.
In 3 ist die relative Phasenverschiebung Φ in Abhängigkeit des Objektabstandes 1 für unterschiedliche Frequenzen dargestellt. Mit durchgezogener Linie ist die Phasenverschiebung Φ für 64 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ = 4,6 m und mit gestrichelter Line für 8 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ = 37,4 m dargestellt.
Mit zunehmenden Objektabstand 1 nimmt die Phasenverschiebung Φ zu, wobei die Phasenverschiebung Φ des hin- und rücklaufenden Lichts für 64 MHz bei einem Objektabstand von λ/2 also 2,3 m eine volle Wellenlänge durchlaufen hat und wieder bei Null beginnt. Anhand einer zweiten Messung bei 8 MHz lässt sich zumindest bis 18,7 m der Abstand eindeutig bestimmen. Da die Längenauflösung mit höheren Frequenzen zunimmt, ist es typischerweise vorgesehen, mit einer langen Wellenlänge die Entfernung zunächst grob und mit einer kürzeren Wellenlängen dann genau zu bestimmen.
Die 4 bis 6 zeigen ein erfindungsgemäßes Vorgehen mit nah beieinander liegenden Frequenzen. Mit durchgezogener Linie ist die Phasenverschiebung Φ für 64 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ = 4,6 m und mit gestrichelter Line für 56 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ = 5,4 m dargestellt. Naturgemäß verschieben sich die Phasen mit zunehmendem Objektabstand 1 für verschiedene Modulationsfrequenzen unterschiedlich, sodass sich bereits aus der Differenz ΔΦ der Phasenverschiebung Φ ein Objektabstand ermitteln lässt. In 5 ist ein Verlauf einer solchen Differenz ΔΦ, also ΔΦ = Φ₁ - Φ₂ gezeigt. Die Sprünge um den Betrag -1 sind bedingt durch die sich wiederholende Phase beginnend mit Null. Zum besseren Verständnis sind diese Sprünge in 6 durch Addition von +1 kompensiert.
Aus der ermittelten Phasendifferenz ΔΦ lässt sich, wie aus 6 ersichtlich, ein Objektabstand 1 ermitteln. Die Phasendifferenz bzw. der daraus ermittelte Objektabstand kann als Prüfwert für weitere Messungen herangezogen werden..
Grundsätzlich lässt sich die Größe des Eindeutigkeitsbereichs der Phasendifferenzmessung vergrößern, indem die Frequenzdifferenz Δf der beiden Modulationsfrequenzen verringert wird. Letztendlich vergrößert sich der Eindeutigkeitsbereichs mit zunehmender Wellenlänge respektive abnehmender Frequenzdifferenz Δf. Im dargestellten Fall erstreckt sich der Eindeutigkeitsbereich also für eine Frequenzdifferenz Δf von 8 MHz und entsprechender Wellenlänge λ = 37,4 m bis zu einem Objektabstand 1 = 18,7 m. Für eine Frequenzdifferenz Δf von beispielsweise 0,5 MHz und Wellenlänge λ von ca. 600 m erstreckt sich der Eindeutigkeitsbereich bis zu einem Objektabstand 1 von ca. 300 m.
In den 7 bis 9 ist ein mögliches erfindungsgemäßes Vorgehen zur Ermittlung eines Abstandswertes dargestellt.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, drei Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 äquidistant vorzugeben. Geeignete Modulationsfrequenzen können vorzugsweise in einem Bereich von einem bis mehrere hunderter Megahertz ausgewählt werden. Bevorzugt werden die möglichen Modulationsfrequenzen jedoch auf einen bestimmten Frequenzbereich beschränkt. Vorzugsweise wird das Frequenzband, innerhalb dessen die Modulationsfrequenzen ausgewählt werden, so festgelegt wird, dass ganzzahlige und insbesondere ungeradzahlige Vielfache der verwendeten Modulationsfrequenzen nicht innerhalb des Frequenzbandes liegen. Ein zu bevorzugendes Frequenzband könnte sich beispielsweise von 60 bis 70 MHz erstrecken. Selbstverständlich können hier auch andere Bereiche mit anderen Bandbreiten und/oder Frequenzen vorteilhaft genutzt werden. Insbesondere ist es von Vorteil die Modulationsfrequenz bzw. einen entsprechenden Frequenzbereich so hoch wie möglich zu wählen. Auch ist es denkbar, dass für ein System bzw. Kamera mehrere Frequenzbänder vorgesehen sind, aus denen Modulationsfrequenzen ausgewählt werden.
7a zeigt nun ein Beispiel, bei dem innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbandes drei Modulationsfrequenzen f1, f2, f3 mit einem äquidistanten Frequenzabstand Δf ausgewählt bzw. festgelegt wurden. Die Auswahl bzw. Festlegung der Modulationsfrequenzen kann in unterschiedlichster Art erfolgen, wesentlich ist jedoch, dass sie innerhalb des gewünschten Frequenzbandes liegen und einen festen Frequenzabstand Δf aufweisen.
Ein mögliches Auswahlverfahren ist beispielsweise zunächst eine erste Modulationsfrequenz f1 innerhalb des Frequenzbandes vorzugsweise beliebig bzw. mit Hilfe eines Zufallsverfahrens vorzugeben. Die zweite Modulationsfrequenz wird unter der Maßgabe eines konstanten Frequenzabstandes Δf ausgehend von der ersten Modulationsfrequenz f1 festgelegt, also f₂ = f₁ ± Δf, wobei die Addition bzw. Subtraktion wiederum nach einem Zufallsprinzip ausgewählt wird. Die dritte Modulationsfrequenz f3 kann dann in gleicher Art und Weise mit dem vorgegebenen Frequenzabstand Δf entweder der ersten oder der zweiten Messfrequenz zugeordnet werden.
Auch ist es denkbar, zunächst einen Frequenzsatz vorzugeben, und dann die Messreihenfolge zufällig zu wählen.
Im vorliegenden Beispiel ist es vorgesehen, die Messungen mit der ersten Modulationsfrequenz f₁ zu beginnen und für diese Modulationsfrequenz f1 eine erste Phasenverschiebung Φf₁ zu ermitteln, und hiernach in einer zweiten und dritten Messung für die zweite und dritte Modulationsfrequenz f2, f3 eine entsprechende zweite und dritte Phasenverschiebung Φ(f₂), Φ(f₃) zu ermitteln. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, die Differenzen ΔΦ der ermittelten Phasenverschiebungen Φ(f_i) zu bestimmen, also im vorliegenden Fall: ΔΦ₁ = Φ(f₁) - Φ(f₂); ΔΦ₂ = Φ(f₁) - Φ(f₃). Stimmen die ermittelten Phasendifferenzen ΔΦ₁, ΔΦ₂ innerhalb einer zulässigen Toleranz überein, kann davon ausgegangen werden, dass die Messung im Wesentlichen fehlerfrei bzw. ungestört war. Der aus den Messungen berechnete Objektabstand 1 ist somit vertrauenswürdig und kann beispielsweise für eine weitere Verarbeitung frei gegeben werden.
Überschreitet der Unterschied zwischen den Phasendifferenzen jedoch die zulässige Toleranz, ist davon auszugehen, dass zumindest eine Messung fehlerbehaftet ist bzw. gestört war. Erfindungsgemäß ist es in so einem Fall vorgesehen, nicht die gesamte Messung zu wiederholen, sondern eine weitere Phasenverschiebung Φ für eine weitere Modulationsfrequenz zu messen und eine weitere Phasendifferenz ΔΦ zum nächsten Modulationsfrequenznachbarn zu bestimmen.
In 7b ist beispielhaft die Auswahl einer weiteren, hier vierten Modulationsfrequenz f₄ mit einem Frequenzabstand Δf unterhalb der dritten Modulationsfrequenz f₃ gezeigt. Die Differenz der Phasenverschiebungen der dritten und vierten Modulationsfrequenz f3, f4 bildet dann die dritte Phasendifferenz ΔΦ₃. Stimmt diese dritte Phasendifferenz ΔΦ₃ mit einer der der vorherigen Phasendifferenzen überein, werden diese Frequenzpaare als fehlerfrei bzw. ungestört für die weitere Berechnung des Objektabstandes herangezogen, bzw. die hieraus ermittelten Werte freigegeben.
Liegen auch nach der dieser Messung keine übereinstimmenden Phasendifferenzen vor, kann, wie in 7c gezeigt, eine weitere Messung bei einer fünften Frequenz f₅ erfolgen.
Wie gehabt wird die ermittelte vierte Phasendifferenz ΔΦ₄ mit den vorherigen Phasendifferenzen ΔΦ_1..3 verglichen. Bei einer tolerierten Übereinstimmung mit mindestens einer weiteren Phasendifferenz, werden dann die diesen Differenz-Paaren zugrunde liegenden Messungen bzw. die daraus gewonnen Objektabstände freigegeben.
Sollten auch bei dieser Messung keine übereinstimmenden Phasendifferenzen ΔΦ gefunden werden, können weitere Messungen in analoger Weise erfolgen. Vorzugweise ist eine Obergrenze an erlaubten Messungen innerhalb einer Messsequenz festgelegt. Wird diese Obergrenze ohne Erfolg erreicht, kann es beispielsweise vorgesehen sein, eine erneute Messung bei einer neuen ersten Frequenz zu beginnen oder beispielsweise auch eine Fehlermeldung auszugeben.
Grundgedanke der Erfindung ist, dass bei einer erfindungsgemäßen Abstandsmessung mit hoher Wahrscheinlichkeit nur eine der verwendeten Modulationsfrequenzen eine Störung, beispielsweise durch Fremdlicht, erfährt. Eine solche Störung lässt sich beispielsweise dadurch erkennen, dass die Unterschiede der Phasendifferenzen ΔΦ außerhalb einer zulässigen Toleranz liegt bzw. dass die Phasendifferenzen nicht übereinstimmen. Üblicherweise wird bei einer erkannten Störung die Messung verworfen und die gesamte Messung wiederholt.
Erfindungsgemäß ist es jedoch vorgesehen, nicht die gesamte Messung zu wiederholen, sondern den bisherigen Messungen weitere Messungen, unter Berücksichtigung bestimmter Auswahlkriterien, hinzuzufügen bis mindestens zwei Phasendifferenzen im Rahmen zulässiger Toleranzen übereinstimmen.
Auswahlkriterium für die zweite Modulationsfrequenz und weiteren Modulationsfrequenzen ist beispielsweise ein gewünschter Eindeutigkeitsbereich, der sich dann erfindungsgemäß in einer entsprechenden Schwebungsfrequenz bzw. einen Frequenzabstand Δf abbildet. Dieser Frequenzabstand Δf bleibt für die Messungen zumindest innerhalb einer Messsequenz unverändert. Die Auswahl der Messfrequenzen und/oder die Messreihenfolge erfolgt nach einem Zufallsprinzip.
In 8 ist beispielhaft eine Messsituation für zwei 3D-TOF-Kameras gezeigt. Im oberen Fall ist eine Frequenzauswahl der ersten Kamera und im unteren Fall eine Frequenzauswahl der zweiten Kamera gezeigt.
Sind diese Kameras beispielsweise in Fahrzeugen zur Beobachtung der Fahrsituation verbaut, so besteht insbesondere dann eine Gefahr für Störungen, wenn die Lichtquelle der einen Kamera in den Empfangsbereich der anderen Kamera strahlt.
Solche Störungsgefahren können durch das erfindungsgemäße Vorgehen vorteilhaft reduziert bzw. vermieden werden.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Vorgehens sollen beispielhaft anhand der eingangs erwähnten möglichen Kamerakonfiguration dargestellt werden. So sei angenommen, dass die Modulationsfrequenzen in einem Frequenzbereich von 60 bis 70 MHz ausgewählt werden.
Bei einer Ausgestaltung des Modulators 30 bzw. des Frequenzsynthesizers mit einer fester Schrittweite von beispielsweise 0,1 MHz ergibt dies eine Auswahlmöglichkeit von 100 Modulationsfrequenzen innerhalb des vorgegebenen Frequenzbandes. Die Chance, dass beide Kameras dieselbe erste Messfrequenz f₁ auswählen liegt somit bei 1:100.
Die zweite Messfrequenz f₂ wird wiederum zufällig ausgewählt und liegt entweder ober- oder unterhalb der ersten Messfrequenz f₁ und hat somit eine Auswahl-Wahrscheinlichkeit von 1:2. Die Auswahl der dritten Messfrequenz f₃ erfolgt wiederum mit einer Wahrscheinlichkeit 1:2. Somit reduziert sich die Wahrscheinlichkeit, dass beide Kameras zur gleichen Zeit die gleichen drei Messfrequenzen benutzen bereits auf 1:400 und reduziert sich bei jeder weiteren Messung wiederum um den Faktor 2.
Die zufällige Übereinstimmung lässt sich weiter reduzieren, wenn beispielsweise auch die Sprungweite d.h. der Eindeutigkeitsbereich bzw. Frequenzabstand Δf in bestimmten Grenzen für jede neue Messsequenz variiert wird. Innerhalb einer Messsequenz ist es jedoch bevorzugt vorgesehen, die Sprungweite konstant zu halten.
Im in 8 dargestellten Fall überschneiden sich die Modulationsfrequenzen der Kameras nicht. Eine Störung der Messungen ist demzufolge nicht zu erwarten.
Im Beispiel gemäß 9 liegen die Modulationsfrequenzen der beiden Kameras dicht beieinander, so dass zumindest für die zweite Modulationsfrequenz f_2,1, f_2,2 eine Störung der Messung zu erwarten ist. Erfindungsgemäß werden nun beide Kameras eine weitere Messung in der vorgegebenen Schrittweite bzw. dem vorgegebenen Frequenzabstand hinzufügen. Wie der Figur ohne weiteres entnommen werden kann, überschneiden sich die möglichen vierten Modulationsfrequenzen f_4,1, f_4,2 der vierten Messung dann nicht mehr. Sollten dennoch weitere Messungen notwendig sein, ist abzusehen, dass sich der Frequenzabstand der nachfolgenden Modulationsfrequenzen mit hoher Wahrscheinlichkeit weiter erhöht und somit ein verwertbares Messergebnis mit entsprechend hoher Wahrscheinlichkeit zu erwarten ist.
In 10 ist beispielhaft ein mögliches Ablaufschema des erfindungsgemäßen Vorgehens gezeigt. Eine Messsequenz beginnt vorzugsweise im ersten Schritt 210 mit der Ermittlung einer ersten Phasenverschiebung Φ₁ bei einer ersten Modulationsfrequenz f₁ und einer nachfolgenden Ermittlung einer zweiten und dritten Phasenverschiebung Φ₂, Φ₃ bei einer zweiten und dritten Modulationsfrequenz f₂, f₃, unter der Maßgabe, dass benachbarte Modulationsfrequenzen einen festen Frequenzabstand Δf aufweisen.
In einem zweiten Schritt 220 erfolgt die Ermittlung der Differenz ΔΦ der Phasenverschiebungen benachbarter Modulationsfrequenzen. Im Abfrageschritt 230 wird überprüft, ob die ermittelten Phasendifferenzen innerhalb gewisser Toleranzen übereinstimmen. Ist dies der Fall werden in einem Freigabeschritt 240 die Messungen der gültigen Phasendifferenzen und somit der sich hieraus ermittelbare Objektabstand freigegeben.
Stimmen die Phasendifferenzen nicht überein, erfolgt, nach einer Parametriesierung 310 und einer Inkrementierung 320 eines Zählers n sowie einer Auswahl einer weiteren Modulationsfrequenz f_n gemäß obigen Auswahlkriterium im Auswahlschritt 330, eine weitere Messung einer Phasenverschiebung Φ(f_n) der ausgewählten Modulationsfrequenz f_n in einem Zusatzmessschritt 340.
Im nachfolgenden Schritt 350 wird eine Differenz aus der aktuell ermittelten Phasenverschiebung Φ(f_n) und der Phasenverschiebung der nächsten Modulationsfrequenz gebildet. Im Prüfungsschritt 360 wird untersucht, ob die aktuell ermittelte Phasendifferenz mit mindestens einer zuvor ermittelten Phasendifferenz übereinstimmt. Ist dies der Fall, werden in einem Freigabeschritt 370 die Messungen der übereinstimmenden Phasendifferenzen für die Ermittlung eines gültigen Objektabstandes freigegeben.
Konnte im Prüfungsschritt 360 keine übereinstimmende Phasendifferenz bestimmt werden, wird, um eine erneute Messung anzustoßen, in die Inkrementierung 320 verzweigt. Die Zurückverzweigung erfolgt solange, bis eine übereinstimmende Phasendifferenz gefunden wird.
Selbstverständlich kann, wie bereits oben angedeutet wurde, eine maximale Anzahl von Rückverweisungen festgelegt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, nicht für jede Messung eine eigene Messsequenz mit einer neuen ersten Modulationsfrequenz zu starten, sondern die äquidistante Auswahl Modulationsfrequenzen für alle nachfolgenden Messungen fortzuführen. Zur Feststellung, ob ein Messergebnis gestört oder fehlerbehaftet ist, kann dann beispielsweise immer die letzte gültige Phasendifferenz mit der nun aktuell bestimmten Phasendifferenz verglichen werden. Stimmen diese beiden Differenzen innerhalb einer zulässigen Toleranz überein, werden die zugrunde liegenden Messungen bzw. ein entsprechender Entfernungs- bzw. Abstandswert freigegeben.
Für ein bestimmtes Frequenzband ergibt sich naturgemäß nur eine begrenzte Anzahl von Sprungmöglichkeiten für die neu zu bestimmenden Modulationsfrequenzen. Bei einem Frequenzband von 60 bis 70 MHz können maximal 21 Modulationsfrequenzen mit einer Sprungweite von 0,5 MHz auswählen.
Erfindungsgemäß kann es bei Erreichen der innerhalb des Bandes letzt möglichen Modulationsfrequenz beispielsweise vorgesehen sein, eine neue erste Modulationsfrequenz beispielsweise nach einem Zufallsprinzip neu auszuwählen und hiernach die Auswahl wiederum äquidistant fortzusetzen.
In einer weiteren Ausgestaltung kann es auch vorteilhaft sein, eine Obergrenze für die der ersten Modulationsfrequenz nachfolgenden weiteren Modulationsfrequenzen festzulegen. Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, die Obergrenze mit dem Beginn einer neuen Messsequenz in bestimmten Grenzen neu festzulegen bzw. auch nach einem Zufallsprinzip auszuwählen.
Ferner ist es denkbar, immer nur dann mit einer neuen Messsequenz zu beginnen, wenn über eine bestimmte Anzahl von Messungen keine im Wesentlichen übereinstimmende Phasendifferenz ΔΦ gefunden wird.
Zur Überprüfung, ob die Unterschiede der Phasendifferenzen noch innerhalb eines tolerierten Toleranz liegen können vorzugsweise die Unterschiede der Differenzen mit einem Grenzwert verglichen werden, nämlich |ΔΦi - ΔΦj| < GW mit i ≠ j.
Die Festlegung dieses Grenzwertes GW kann anhand verschiedener Kriterien erfolgen. Vorzugsweise fließen in diesen Grenzwert Einflüsse auf die Messgenauigkeit und/oder übliche Messfehlertoleranzen ein.
Bevorzugt kann in diesem Grenzwert auch eine innerhalb der Messzeit zu erwartende Änderung des Objektabstandes Berücksichtigung finden. Da die Phasendifferenz grundsätzlich proportional zum Objektabstand ist, ändert sich selbstverständlich auch die Phasendifferenz, wenn sich der Objektabstand ändert. Der Grenzwert sollte insofern größer sein als eine maximale Abstandsänderung bzw. Phasendifferenzänderung, die zwischen einer ersten und letzten Messung zu erwarten ist.
Darüber hinaus kann erfindungsgemäß die Phasendifferenzänderung auch als ein Maß für die Geschwindigkeit des Objektes an diesem Messpunkt/Pixel herangezogen werden. Insbesondere kann durch eine im Wesentlichen fortlaufende Erfassung der Phasendifferenzänderung und somit der Geschwindigkeitserfassung des Objektpunktes über die Zeit auch ein zu erwartender Abstandswert prognostiziert werden.
Insbesondere ist es durch Analyse der Phasendifferenzmessung möglich zu unterscheiden, ob eine vermeintlich gestörte Messung beispielsweise durch eine übermäßige Geschwindigkeitsänderung oder ggf. eine andere Ursache zugrunde liegt.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung kann realisiert werden, wenn die Frequenzabstände Δf der Modulationsfrequenzen innerhalb einer Messsequenz innerhalb vorgegebener Grenzen variieren können oder ggf. nach einem Zufallsprinzip unterschiedlich vorgegeben werden. Zwar entsprechen dann in der Regel gleiche Phasendifferenzen nicht einem gleichen Objektabstand, jedoch kann anhand der bekannten Frequenzdifferenz für die ermittelte Phasendifferenz ohne weiteres der entsprechende Objektabstand berechnet werden. Eine Überprüfung einer fehlerfreien bzw. ungestörten Messung kann dann beispielsweise anhand der so ermittelten Abstandswerte erfolgen.
Wie eingangs beschrieben ist der Frequenzabstand Δf jedoch proportional zum möglichen Eindeutigkeitsbereich der Messung, insofern ist es von Vorteil den Frequenzabstand nur innerhalb eines für die jeweilige Messaufgabe geeigneten Bereichs zu variieren. Ist ein großer Eindeutigkeitsbereich gewünscht muss entsprechend mit geringen Frequenzabständen gearbeitet werden, während für kleinere zulässige Eindeutigkeitsbereiche andere Frequenzvariationen möglich sind.

Claims

Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeit-Kamera, mit den Schritten: - Erfassen jeweils einer Phasenverschiebung (Φ(f_n)) einer emittierten und empfangenen elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Licht, für mindestens drei verschiedene Modulationsfrequenzen (f_n), - Bildung jeweils von Phasendifferenzen (ΔΦ_i(f_n)) zwischen den erfassten Phasenverschiebungen (Φ(f_n)) benachbarter Modulationsfrequenzen, wobei eine weitere Phasenverschiebung (Φ(f_n+1)) für eine weitere Modulationsfrequenz (f_n+1) solange ermittelt wird, bis mindestens zwei innerhalb einer vorgegebenen Toleranz übereinstimmende Phasendifferenzen (ΔΦ_i(f_n)) von Phasenverschiebungen (Φ(f_n)) benachbarter Modulationsfrequenzen vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 1, mit dem Schritt: - Auswahl der Modulationsfrequenzen (f_n) unter der Maßgabe, dass der Frequenzabstand (Δf) für alle Modulationsfrequenzen (f_n) zwischen zwei benachbarten Modulationsfrequenzen (f_n) jeweils gleich groß ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit dem Schritt: Überprüfung, ob die Unterschiede der Phasendifferenzen (ΔΦ_i(f_n)) innerhalb einer vorgegebenen Toleranz liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zunächst eine erste, zweite und dritte Phasenverschiebung (Φ(f_1..3)) für eine ersten, zweite und dritte Modulationsfrequenz (f_1..3) ermittelt wird, bei dem eine weitere Phasenverschiebung (Φ(f_n+1)) für eine weitere Modulationsfrequenz (f_n+1) ermittelt wird, wenn keine, innerhalb der vorgegebenen Toleranz, übereinstimmende Phasendifferenzen (ΔΦ_i(f_n)) von Phasenverschiebungen (Φ(f_n)) benachbarter Modulationsfrequenzen aufgefunden werden, wobei die Auswahl der Modulationsfrequenzen (f_n) mit der Maßgabe erfolgt, dass der Frequenzabstand (Δf) für alle benachbarten Modulationsfrequenzen gleich groß ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jeweils ein Abstandswert (l_i) für jede Phasendifferenz (ΔΦ_i(f_n)) ermittelt wird, wobei eine Überprüfung erfolgt, ob die Unterschiede der Abstandswerte (l_i) innerhalb einer vorgegebenen Abstandstoleranz liegen.
Lichtlaufzeit-Kamera, mit einem Fotosensor (22), der mindestens ein Empfangspixel aufweist, mit einer Lichtquelle (12), mit einem Modulator (30), der mit dem Fotosensor (22) und der Lichtquelle (12) verbunden ist, mit einem Modulationssteuergerät (35), das derart ausgestaltet ist, dass für eine Messung bzw. Messsequenz mindestens drei Modulationsfrequenzen vorgegeben werden. mit einer Auswerteeinheit (27), die derart ausgestaltet ist, dass die Auswerteeinheit (27) anhand einer Mischung eines empfangenen Signals (b) mit der Modulationsfrequenz ein Signal zur Verfügung stellt, das einer Phasenverschiebung entspricht, wobei die Auswerteeinheit für benachbarte Modulationsfrequenzen Phasendifferenzen (ΔΦ_i(f_n)) zwischen den erfassten Phasenverschiebungen (Φ(f_n)) ermittelt. wobei eine weitere Phasenverschiebung (Φ(f_n+1)) für eine weitere Modulationsfrequenz (f_n+1) solange ermittelt wird, bis mindestens zwei innerhalb einer vorgegebenen Toleranz übereinstimmende Phasendifferenzen (ΔΦ_i(f_n)) von Phasenverschiebungen (Φ(f_n)) benachbarter Modulationsfrequenzen vorliegen.