DE102020100822B4 - Illumination module for a time-of-flight camera system - Google Patents

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Abstract

Beleuchtungsmodul (10) zur Aussendung eines modulierten Lichts für ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
mit einem ersten, zweiten und dritten Strahlformer (51, 52, 53),
wobei der erste Strahlformer (51) ein Lichtstrahl einer Lichtquelle (12) aufweitet und auf den zweiten Strahlformer (52) lenkt,
der zweite Strahlformer (52) ist derart ausgebildet, dass das vom ersten Strahlformer (51) auftreffende Licht radial auf den dritten Strahlformer (53) ausgelenkt wird,
wobei der dritte Strahlformer (53) eine Diffusionsstruktur aufweist, die das vom zweiten Strahlformer (52) radial ausgelenkte Licht diffus abstrahlt,
wobei die Strahlformer (51, 52, 53) für eine radiale Lichtauslenkung von 360° ausgebildet sind
und wobei der dritte Strahlformer (53) derart ausgestaltet ist, dass bei einem senkrechten Lichteinfall eine cosinusförmige Strahlverteilung erzeugt wird. Illumination module (10) for emitting a modulated light for a time-of-flight camera system,
with a first, second and third beam shaper (51, 52, 53),
wherein the first beam shaper (51) expands a light beam from a light source (12) and directs it onto the second beam shaper (52),
the second beam shaper (52) is designed such that the light incident from the first beam shaper (51) is deflected radially onto the third beam shaper (53),
wherein the third beam shaper (53) has a diffusion structure which diffusely emits the light radially deflected by the second beam shaper (52),
wherein the beam shapers (51, 52, 53) are designed for a radial light deflection of 360°
and wherein the third beam shaper (53) is designed such that a cosine-shaped beam distribution is generated when the light falls vertically.

Description

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungsmodul für ein Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung des Anspruchs 1, die insbesondere im Hinblick auf Augensicherheit optimiert ist.The invention relates to a lighting module for a time-of-flight camera system according to the preamble of claim 1, which is optimized in particular with regard to eye safety.

Derartige Lichtlaufzeitkamerasysteme betreffen insbesondere alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, 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 beispielsweise in der DE 197 04 496 A1 beschrieben 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.Such time-of-flight camera systems relate in particular to all time-of-flight or 3D-TOF camera systems that obtain time-of-flight information from the phase shift of emitted and received radiation. PMD cameras with photomixing detectors (PMD) are particularly suitable as light time of flight or 3D TOF cameras, such as those in DE 197 04 496 A1 are described. The PMD camera in particular allows a flexible arrangement of the light source and the detector, which can be arranged both in a housing or separately.

Die DE 11 2013 003 576 T5 beschäftigt sich mit einem Fahrerassistenzsystem umfassend einen optischen Detektor mit einer Beleuchtung, wobei das Licht der Lichtquelle über einen Lichtwellenleiter an eine Projektionsoptik geführt wird. Um Laservorschriften zu genügen ist es vorgesehen, den Lichtstrahl hinter der Projektionsoptik mithilfe eines Diffuserelements aufzuweiten.The DE 11 2013 003 576 T5 deals with a driver assistance system comprising an optical detector with lighting, whereby the light from the light source is guided to projection optics via an optical waveguide. In order to comply with laser regulations, it is planned to expand the light beam behind the projection optics using a diffuser element.

Die WO 99/46 612 A1 zeigt ein optisches Sensorsystem zur Detektion der Position eines Objekts, mit einer Lichtquelle zur Beleuchtung der Umgebung, wobei die Lichtquelle derart ausgestaltet ist, dass ein oder mehrere Lichtstreifen in horizontaler Richtung in mehrere Raumrichtungen erzeugt werden.The WO 99/46 612 A1 shows an optical sensor system for detecting the position of an object, with a light source for illuminating the environment, the light source being designed such that one or more light strips are generated in the horizontal direction in several spatial directions.

Produkte sollen immer möglichst niedrige Risiken aufweisen und müssen ggf. Grenzwerte seitens gesetzlicher Vorgaben einhalten.Products should always have the lowest possible risks and, if necessary, must comply with legal limits.

Dies betrifft auch die Produkte mit Laseremissionen, welche z.B. Vorgaben seitens der EU (CE-Konformität) oder auch z.B. in den USA seitens der FDA bzgl. der Klassifizierung und Nutzbarkeit erfüllen müssen.This also applies to products with laser emissions, which, for example, have to meet specifications from the EU (CE conformity) or, for example, in the USA from the FDA with regard to classification and usability.

Diesen Regelungen ist gemein, dass die scheinbare Quellengröße der Lichtquelle entscheidenden Einfluss darauf hat, wieviel optische Leistung maximal zugänglich sein darf (accessible Emission Limit AEL), um noch als unbedenklich bzw. Laser Klasse 1 zu gelten.What these regulations have in common is that the apparent source size of the light source has a decisive influence on the maximum amount of optical power that can be accessible (accessible emission limit AEL) in order to still be considered harmless or class 1 laser.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Augensicherheit eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu verbessern.The object of the invention is to improve the eye safety of a time-of-flight camera system.

Die Aufgabe wird durch eine Strahlformungsoptik gemäß Anspruch 1 gelöst.The task is solved by beam shaping optics according to claim 1.

Vorteilhaft ist ein Beleuchtungsmodul zur Aussendung eines modulierten Lichts für ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen,
mit einem ersten, zweiten und dritten Strahlformer,
wobei der erste Strahlformer ein Lichtstrahl einer Lichtquelle aufweitet und auf den zweiten Strahlformer lenkt,
der zweite Strahlformer ist derart ausgebildet, dass das vom ersten Strahlformer auftreffende Licht radial auf den dritten Strahlformer gelenkt wird,
wobei der dritte Strahlformer eine Diffusionsstruktur aufweist, die das vom zweiten Strahlformer radial ausgelenkte Licht diffus abstrahlt.An illumination module for emitting a modulated light for a time-of-flight camera system is advantageously provided,
with a first, second and third beam shaper,
wherein the first beam shaper expands a light beam from a light source and directs it onto the second beam shaper,
the second beam shaper is designed such that the light incident from the first beam shaper is directed radially onto the third beam shaper,
wherein the third beam shaper has a diffusion structure which diffusely emits the light radially deflected by the second beam shaper.

Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die scheinbare Quellengröße deutlich vergrößert wird und somit die Augensicherheit der Beleuchtung erhöht, vorzugsweise ohne dass das Fernfeldstrahlprofil verändert wird.This arrangement has the advantage that the apparent source size is significantly increased and thus increases the eye safety of the lighting, preferably without changing the far-field beam profile.

Bevorzugt ist Diffusionsstruktur des dritten Strahlformers derart strukturiert, dass die Lichtstrahlen den dritten Strahlformer in einem Winkelabstand von mindestens 100 mrad verlassen.The diffusion structure of the third beam shaper is preferably structured in such a way that the light rays leave the third beam shaper at an angular distance of at least 100 mrad.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Diffusionsstruktur des dritten Strahlformers derart ausgebildet ist, dass das vom dritten Strahlformer ausgesendete Licht augensicher ist.It is particularly advantageous if the diffusion structure of the third beam shaper is designed such that the light emitted by the third beam shaper is safe for the eyes.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below using exemplary embodiments with reference to the drawings.

Es zeigen schematisch:

  • 1 eine Strahlverteilung über einen reflektierenden Kegel,
  • 2 eine Anordnung gemäß 1 mit einer tertiären Strahlformung,
  • 3 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Diffusor,
  • 4 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
  • 5 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger.
It shows schematically:
  • 1 a beam distribution over a reflecting cone,
  • 2 an order in accordance with 1 with tertiary beam shaping,
  • 3 a top view of a diffuser according to the invention,
  • 4 schematically a time-of-flight camera system,
  • 5 a modulated integration of generated charge carriers.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.In the following description of the preferred embodiments, the same reference numbers designate the same or comparable components.

1 zeigt eine bekannte Strahlverteilung, bei der das Licht einer Lichtquelle über einen primären Strahlformer auf einen als reflektierenden Kegel ausgebildeten zweiten Strahlformer gelenkt wird. Hierbei können die Einzelstrahlen je nach Anwendungsfalle jedoch eine augenschädliche Energiedichte aufweisen. 1 shows a known beam distribution in which the light from a light source is directed via a primary beam shaper onto a second beam shaper designed as a reflecting cone. Depending on the application, however, the individual beams can have an energy density that is harmful to the eyes.

2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung bei der nach dem sekundären Strahlformer 52 ein tertiärer Strahlformer 53, quasi als horizontaler Liniengenerator angeordnet ist. 2 shows an embodiment according to the invention in which a tertiary beam shaper 53 is arranged after the secondary beam shaper 52, so to speak as a horizontal line generator.

Vorteile des erfindungsgemäßen Vorgehens sind:

  • - Höhere Grenzwerte (AEL)
  • - Bessere Homogenisierung der Strahlung (Uniformität der erzeugten Lichtlinie)
  • - Reduktion von Laserspeckeln
  • - Die tertiäre Optik 53 wird überall nahezu senkrecht getroffen (mit geringer Winkelverteilung), was oftmals die Effizienz und Strahlformungsgenauigkeit erhöht. Die tertiäre Optik 53 kann weitestgehend unabhängig von der Aufgabe der Liniengeneration vor allem im Hinblick auf das rückgerichtete Erscheinungsbild der Quelle / Quellengröße ausgelegt werden
Advantages of the procedure according to the invention are:
  • - Higher limit values (AEL)
  • - Better homogenization of radiation (uniformity of the light line generated)
  • - Reduction of laser speckles
  • - The tertiary optics 53 are hit almost vertically everywhere (with low angular distribution), which often increases the efficiency and beam shaping accuracy. The tertiary optics 53 can be designed largely independently of the task of line generation, especially with regard to the rear-facing appearance of the source/source size

Die tertiäre Optik 53 wird vorzugsweise aus einem biegsamen Material hergestellt. So etwas kann z.B. im Roll-to-Roll Verfahren in Kunststoff kostengünstig geschehen. Diese biegsame Optik kann dann z.B. entlang einer Zylinderform selbst gebogen, angelegt oder angeklebt werden.The tertiary optics 53 is preferably made from a flexible material. Something like this can be done cost-effectively in plastic, for example, using the roll-to-roll process. This flexible optic can then be bent, placed or glued along a cylindrical shape, for example.

Selbstverständlich kann diese Optik 53 auch aus einem formstabilen Material gefertigt werden (Hartkunststoff, Glas etc.)Of course, this optic 53 can also be made from a dimensionally stable material (hard plastic, glass, etc.)

Das Abstrahlmuster der tertiären Optik 53 ist hierbei vorteilhaft in weiten Bereichen wählbar. Besonders vorteilhaft ist auch eine tertiäre Optik 53, welche bei senkrechtem Einfall eine nahezu cosinusförmige Strahlverteilung, wie in 3 gezeigt, erzeugt, da hierdurch - bei Montage wie in wie in 2 gezeigt - dem Betrachter eine in horizontaler Richtung scheinbar homogene Linie erscheint, was für die Grenzwerte der unbedenklichen Emission vorteilhaft ist.The radiation pattern of the tertiary optics 53 can advantageously be selected over a wide range. A tertiary optics 53 is also particularly advantageous, which has an almost cosine-shaped beam distribution at vertical incidence, as in 3 shown, created, as a result of this - when assembled as in as in 2 shown - a seemingly homogeneous line appears to the observer in the horizontal direction, which is advantageous for the limit values of harmless emissions.

Eine Folie mit Prismenstrukturen (Prisma/Dreick) ist vorteilhaft bei Lichtlaufzeitmessungen (Time-of-Flight ToF), da dann zwar dem Betrachter lediglich zwei anstatt einer Quelle erscheint, dies jedoch trotz Laufzeitgleichheit eine mögliche Verdopplung der Lichtleistung auf dem Ziel ermöglicht.A film with prism structures (prism/triangle) is advantageous for time-of-flight measurements (ToF), as only two sources appear to the viewer instead of one, but this allows a possible doubling of the light output on the target despite the same time-of-flight.

Die tertiäre Optik 53 kann z.B. aus Prismenstrukturen, diffraktiven oder holographischen Strukturen, Mikrolinsen oder sogenannten „engineered-diffuser“ Strukturen erstellt werden.The tertiary optics 53 can be created, for example, from prism structures, diffractive or holographic structures, microlenses or so-called “engineered-diffuser” structures.

Selbstverständlich können noch weitere Optiken verwendet werden, z.B. quartäre, quintäre Optiken, welche analog zur tertiären Optik, jedoch mit vergrößertem Radius, montiert werden.Of course, other optics can be used, e.g. quaternary, quinternary optics, which are mounted analogously to tertiary optics, but with an increased radius.

3 zeigt einen radial von innen beleuchteter zylindrischer Diffusor, welcher stückweise bei senkrechter Bestrahlung eine cosinusförmige Strahlvereteilung mit maximalem vollem Öffnungswinkel α erzeugt. Der Diffusor erscheint dem Betrachter aus großer Distanz als eine homogene breite Quelle der Breite b. 3 shows a cylindrical diffuser illuminated radially from the inside, which, when irradiated vertically, produces a cosine-shaped beam distribution with a maximum full opening angle α. The diffuser appears to the observer from a great distance as a homogeneous, wide source of width b.

4 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist. 4 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a time-of-flight camera, as shown, for example, in DE 197 04 496 A1 is known.

Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit / -modul bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22. Erfindungsgemäß kann nun das Beleuchtungsmodul 10 gemäß den vorgenannten Beispielen ausgebildet sein. Das Empfangsmodul 20 wäre dann entsprechend anzupassen.The time-of-flight camera system 1 comprises a transmitting unit or an illumination module 10 with lighting 12 and associated beam shaping optics 15 as well as a receiving unit/module or time-of-flight camera 20 with receiving optics 25 and a time-of-flight sensor 22. According to the invention, the lighting module 10 can now be designed according to the aforementioned examples be. The receiving module 20 would then have to be adapted accordingly.

Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, vorzugsweise auch 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 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden. The time-of-flight sensor 22 has at least one time-of-flight pixel, preferably also a pixel array, and is in particular designed as a PMD sensor. The receiving optics 25 typically consist of several optical elements to improve the imaging properties. The beam shaping optics 15 of the transmitting unit 10 can be designed, for example, as a reflector or lens optics. In a very simple embodiment, optical elements can also be dispensed with on both the receiving and transmitting sides.

Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal Mo mit einer Basisphasenlage φ0 beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals M0 der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.The measuring principle of this arrangement is essentially based on the fact that the transit time and thus the distance traveled by the received light can be determined based on the phase shift of the emitted and received light. For this purpose, the light source 12 and the time-of-flight sensor 22 are supplied with a basic phase position φ 0 via a modulator 30 together with a specific modulation signal M o . In the example shown, a phase shifter 35 is also provided between the modulator 30 and the light source 12, with which the base phase φ 0 of the modulation signal M 0 of the light source 12 can be shifted by defined phase positions φ var . For typical phase measurements, phase positions of φ var = 0°, 90°, 180°, 270° are preferably used.

Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + Δφ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal Mo mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.According to the set modulation signal, the light source 12 sends out an intensity-modulated signal S p1 with the first phase position p1 or p1 = φ 0 + φ var . In the case shown, this signal S p1 or the electromagnetic radiation is reflected by an object 40 and hits due to the distance traveled is phase-shifted Δφ(t L ) with a second phase position p2 = φ 0 + φ var + Δφ(t L ) as a received signal S p2 to the time-of-flight sensor 22. In the light time-of-flight sensor 22, the modulation signal M o is combined with the received signal S p2 mixed, with the phase shift or the object distance d being determined from the resulting signal.

Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.Infrared light-emitting diodes are preferably suitable as the illumination source or light source 12. Of course, other radiation sources in other frequency ranges are also conceivable; in particular, light sources in the visible frequency range also come into consideration.

Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in 5 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals M0 mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal Sp2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit tL phasenverschoben Δφ(tL) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage des Modulationssignals M0 in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M0 + 180° in einem zweiten Akkumulationsgate Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ(tL) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.The basic principle of phase measurement is shown schematically in 5 shown. The upper curve shows the time profile of the modulation signal M 0 with which the lighting 12 and the time-of-flight sensor 22 are controlled. The light reflected from the object 40 hits the light transit time sensor 22 as a received signal S p2 in a phase-shifted manner Δφ(t L ) in accordance with its light transit time t L . The light transit time sensor 22 collects the photonically generated charges q over several modulation periods in the phase position of the modulation signal M 0 in a first accumulation gate Ga and in a phase position M 0 + 180° shifted by 180° in a second accumulation gate Gb. The phase shift Δφ(t L ) and thus a distance d of the object can be determined from the ratio of the charges qa, qb collected in the first and second gates Ga, Gb.

Claims (4)

Beleuchtungsmodul (10) zur Aussendung eines modulierten Lichts für ein Lichtlaufzeitkamerasystem, mit einem ersten, zweiten und dritten Strahlformer (51, 52, 53), wobei der erste Strahlformer (51) ein Lichtstrahl einer Lichtquelle (12) aufweitet und auf den zweiten Strahlformer (52) lenkt, der zweite Strahlformer (52) ist derart ausgebildet, dass das vom ersten Strahlformer (51) auftreffende Licht radial auf den dritten Strahlformer (53) ausgelenkt wird, wobei der dritte Strahlformer (53) eine Diffusionsstruktur aufweist, die das vom zweiten Strahlformer (52) radial ausgelenkte Licht diffus abstrahlt, wobei die Strahlformer (51, 52, 53) für eine radiale Lichtauslenkung von 360° ausgebildet sind und wobei der dritte Strahlformer (53) derart ausgestaltet ist, dass bei einem senkrechten Lichteinfall eine cosinusförmige Strahlverteilung erzeugt wird.Illumination module (10) for emitting a modulated light for a time-of-flight camera system, with a first, second and third beam shaper (51, 52, 53), wherein the first beam shaper (51) expands a light beam from a light source (12) and directs it onto the second beam shaper (52), the second beam shaper (52) is designed such that the light incident from the first beam shaper (51) is deflected radially onto the third beam shaper (53), wherein the third beam shaper (53) has a diffusion structure which diffusely emits the light radially deflected by the second beam shaper (52), wherein the beam shapers (51, 52, 53) are designed for a radial light deflection of 360° and wherein the third beam shaper (53) is designed such that a cosine-shaped beam distribution is generated when the light falls vertically. Beleuchtungsmodul (10) nach Anspruch 1, bei dem die Diffusionsstruktur des dritten Strahlformers (53) derart strukturiert ist, dass die Lichtstrahlen den dritten Strahlformer (53) in einem Winkelabstand von mindestens 100 mrad verlassen.Lighting module (10). Claim 1 , in which the diffusion structure of the third beam shaper (53) is structured such that the light rays leave the third beam shaper (53) at an angular distance of at least 100 mrad. Beleuchtungsmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Diffusionsstruktur des dritten Strahlformers (53) derart ausgebildet ist, dass das vom dritten Strahlformer (53) ausgesendete Licht augensicher ist.Illumination module (10) according to one of the preceding claims, in which the diffusion structure of the third beam shaper (53) is designed such that the light emitted by the third beam shaper (53) is safe for the eyes. Lichtlaufzeitkamera (1) mit einem Beleuchtungsmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Time-of-flight camera (1) with an illumination module (10) according to one of the preceding claims.
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