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Die Erfindung betrifft eine Lichtlaufzeit-Kamera, insbesondere PMD-Kamera, sowie ein zugehöriges Verfahren, nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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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 oder gepulste Beleuchtung, zur Ausleuchtung der zu erfassenden dreidimensionalen Szenerie.
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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
DE 196 35 932 ,
EP 1 777 747 ,
US 6 587 186 und auch
DE 197 04 496 beschrieben und beispielsweise von der Firma ‚ifm electronic gmbh’ als Frame-Grabber O3D101/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 O1D der Anmelderin.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit der Kamera weiter zu verbessern.
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Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeit-Kamera vorgesehen, bei dem jeweils eine Phasenverschiebung (Φ(fn)) einer emittierten und empfangenen elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Licht, für zwei verschiedene Modulationsfrequenzen (fn) erfasst bzw. ermittelt und eine Differenz (ΔΦi(fn)) der erfassten Phasenverschiebungen (Φ(fn)) gebildet wird. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass für eine spätere Verarbeitung und insbesondere Bestimmung eines Objektabstandes nicht nur die Phasenverschiebungen zur Verfügung stehen, sondern auch ein Phasendifferenz, die Rahmen ihrer Entfernungseindeutigkeit unmittelbar proportional zum Objektabstand ist.
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Ebenso vorteilhaft ist eine Lichtlaufzeit-Kamera vorgesehen, die vorzugsweise zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgestaltet ist, 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, wobei der Modulator (30) wenigstens zwei Modulationsfrequenzen erzeugen kann, mit einem Modulationssteuergerät (35), das zur Umschaltung der Modulationsfrequenzen ausgestaltet ist, und mit einer Auswerteeinheit (27), die derart ausgestaltet ist, dass die Auswerteeinheit die Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen elektromagnetischen Strahlung, insbesondere Licht, für die jeweilige Modulationsfrequenz erfasst und eine Differenz der erfassten Phasenverschiebungen ermittelt.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindung möglich.
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Besonders zu bevorzugen ist es, die Modulationsfrequenzen (fn) so vorzugeben, dass sie in keinem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen.
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Insbesondere ist es auch von Vorteil, die Modulationsfrequenzen nur innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches auszuwählen, wobei der Frequenzbereich eben dann nur so groß zu wählen ist, dass keine Modulationsfrequenzen, die in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen ausgewählt werden können.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, einen Objektabstand (l) unter Berücksichtigung der gebildeten Phasendifferenz zu ermitteln. Erfindungsgemäß bildetet sich der Objektabstand im Rahmen eines Eindeutigkeitsbereich direkt in der Phasendifferenz ab, so dass bereits aus der Phasendifferenz ein Abstand gewonnen werden kann und darüber hinaus mit dieser Abstandsmessung auch weitere Ergebnisse, wie beispielsweise der Objektabstand aus der Phasenverschiebung selbst überprüft bzw. eindeutig ermittelt werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, die Modulationsfrequenzen für jede Abstandsmessung zufällig aus einem Frequenzbereich auszuwählen. Dieses Vorgehen erlaubt es, mögliche Störungen der Messungen durch Wechsel der Modulationsfrequenzen zu vermeiden.
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In einer bevorzugten Ausführung ist es vorgesehen, ein Frequenzabstand zwischen den Modulationsfrequenzen in Abhängigkeit eines gewünschten Eindeutigkeitsbereichs vorzugeben. Da der Frequenzabstand der Modulationsfrequenzen direkten Einfluss auf den Eindeutigkeitsbereich der jeweiligen Abstandsmessung hat, ist es vorteilhaft, diesen Frequenzabstand in Abhängigkeit eines gewünschten Eindeutigkeitsbereichs vorzugeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 schematisch ein erfindungsgemäßes System,
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2 eine lichtlaufzeitbedingte Phasenverschiebung,
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3 eine Phasenverschiebung zweier Frequenzen mit ganzzahligem Verhältnis,
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4 eine Phasenverschiebung zweier nah beieinander liegender Frequenzen,
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5 eine Phasendifferenz der Phasenverschiebungen gem. 4,
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6 die Phasendifferenz mit Korrektur der Sprungstellen,
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7 eine erfindungsgemäße Auswahl von Modulationsfrequenzen,
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8 eine erfindungsgemäße Auswahl von Modulationsfrequenzen zweier Kameras,
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9 eine Situation mit zwei Kameras mit einer gestörten Modulationsfrequenzen,
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10 ein beispielhaftes Ablaufdiagramm des erfindungsgemäßen Vorgehens.
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1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeit-Kamera, wie sie beispielsweise aus der
DE 197 04 496 bekannt ist.
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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.
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Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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2 zeigt exemplarisch Amplitudenverläufe bei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen. Die Phasenverschiebung ergibt sich aus der Lichtlaufzeit tL, also der Zeit, die das Licht vom Empfänger über das Objekt zurück zum Empfänger braucht. Die relative Phasenverschiebung berechnet sich aus dem Verhältnis Lichtlaufzeit tL zur Periodendauer T.
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Da die Entfernungsmessung nur anhand einer relativen und nicht anhand einer absoluten Phasenverschiebung Φ erfolgt, lässt sich die Lichtlaufzeit tL und somit der Objektabstand l bei einer Messung mit einer einzigen Modulationsfrequenz nicht eindeutig, sondern nur als Vielfaches n der Phasenverschiebung Φ bestimmen: nϕT = tL. Zur Bestimmung des Periodenfaktors n wird vorzugsweise eine weitere Messung mit einer anderen Modulationsfrequenz benötigt.
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In 3 ist die relative Phasenverschiebung Φ in Abhängigkeit des Objektabstandes l 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.
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Mit zunehmenden Objektabstand l 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.
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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 l 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.
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Aus der ermittelten Phasendifferenz ΔΦ lässt sich, wie aus 6 ersichtlich, ein Objektabstand l ermitteln. Die Phasendifferenz bzw. der daraus ermittelte Objektabstand kann als Prüfwert für weitere Messungen herangezogen werden.
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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 l = 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 l von ca. 300 m.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19635932 [0003]
- EP 1777747 [0003]
- US 6587186 [0003]
- DE 19704496 [0003, 0026]
