[0001] Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Überwachungsvorrichtung mit mindestens einer Lichtquelle und mindestens einem Empfangselement nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Testverfahren hierfür nach dem Oberbegriff von Anspruch 16.
[0002] Optoelektronische Überwachungsvorrichtungen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, die von der Diebstahlsicherung bis zur Absicherung gefährlicher Maschinen reichen, welche bei Annäherung eines Objektes und besonders von Bedienpersonal rechtzeitig automatisch abschalten müssen. Eine besondere Herausforderung an Technik und Auswertung stellen hierbei entfernungsmessende Überwachungsvorrichtungen, die nicht nur die Anwesenheit eines Objektes erkennen, sondern auch bestimmen, in welcher Entfernung es sich befindet.
[0003] Eine solche Entfernungsbestimmung ist besonders nützlich bei Anwendungen, bei denen ein beweglicher Roboter einen Bereich durchfährt, der auch von Bedien- oder anderem Personal betreten werden kann. Der Roboter kann zum Beispiel ab einer bestimmten Entfernung warnen oder in einen langsameren Modus verfallen, um bei weiterer Unterschreitung einer kritischen Entfernung ganz zu stoppen. Ein beweglicher Roboter stellt durch das ständig wechselnde Szenario, das sich seiner Sicht bietet, besonders hohe Herausforderungen an die Auswertung.
[0004] In Automobilanwendungen werden Kameras eingesetzt, die in Echtzeit entfernungsaufgelöste Bilder erzeugen, um eine Airbagsteuerung zu optimieren. Dabei wird mittels der Entfernungen die Sitzhaltung der Insassen bei einem Unfall festgestellt, um das Auslösen des Airbags daran anzupassen. Ausserdem dienen entfernungsaufgelöste Bilder dem Erkennen und Klassifizieren anderer Verkehrsteilnehmer wie Autos, Fahrräder oder Fussgänger. Eine weitere Anwendung ist das automatische Abstandhalten zu vorausfahrenden Fahrzeugen.
[0005] Eine Grundvoraussetzung für die Überwachung ist, dass die Sensoren, mit denen das Bild des Überwachungsbereichs aufgenommen wird, funktionsfähig sind. Dabei muss insbesondere unterschieden werden, ob die aktuelle Bildinformation noch den äusseren Verhältnissen entspricht oder ob sich ein Bild "eingebrannt" hat. Das ist nicht ohne weiteres feststellbar, da ein konstantes Bild sowohl Ausdruck einer unveränderten Szenerie als auch eine Fehlfunktion des Sensors sein kann.
[0006] Bei Bildsensoren, die Helligkeitsinformationen aufnehmen, sind etwa aus der WO 01/78 411 Testverfahren für die Funktionsfähigkeit der Pixel bekannt. Dazu kann ein feststehendes Kontrastmuster des Überwachungsbereichs gegen den Bildsensor verschoben, die Helligkeit auch einzelner Bereiche durch eine zusätzliche Beleuchtung verändert oder mittels eines eigens bewegten Testobjekts oder -musters die Funktionsfähigkeit des Sensors überprüft werden. Für eine Entfernungsmessung sind diese Verfahren aber untauglich, soweit es Variationen der Helligkeit betrifft, und Bewegungen, ob des Sensors oder eigener Testobjekte, sind mechanisch aufwändig und müssten zusätzlich auch nicht bloss die Helligkeiten, sondern die Entfernung variieren.
[0007] Weiterhin sind Laserscanner bekannt, die mit einem Laserstrahl - etwa über einen Drehspiegel - einen Überwachungsbereich abtasten und die jeweiligen Entfernungen anhand des reflektierten Lichts bestimmen. Diesem Laserstrahl kann in einem Teil des Sektors, durch den er bewegt wird, ein Referenzziel angeboten werden, das sich sogar innerhalb des Gehäuses der Überwachungseinrichtung befinden kann. Erkennt die Vorrichtung die Entfernung des Referenzzieles richtig, so ist sie noch funktionsfähig. Auch hier sind aber bewegliche Teile für die Scanbewegung des Laserstrahls notwendig, und will man statt mit einem Laserstrahl mit einem Empfangschip arbeiten, der ein linien- oder matrixförmiges Entfernungsbild aufzeichnet, so lässt sich dieses Testverfahren gar nicht anwenden.
[0008] Aus der DE 10 138 960 A1 ist eine Vorrichtung zum Überwachen eines Raumbereichs mit zwei zueinander im 90[deg.]-Winkel angeordneten Bildaufnahmeeinheiten bekannt, welche über einen Strahlteiler denselben Raumbereich aufnehmen, wobei aus unterschiedlichen Helligkeiten in den beiden Bildaufnahmeeinheiten Entfernungswerte berechnet werden. Dabei wird die Funktionsfähigkeit in einem Selbsttest geprüft, bei dem eine Beleuchtung des Raumbereichs zur Zwangsdynamisierung der beobachteten Szene ein- und ausgeschaltet wird. Damit kann zwar erkannt werden, ob die Vorrichtung überhaupt noch reagiert, es findet aber keinerlei Überprüfung statt, ob die aus den Helligkeitsunterschieden berechneten Entfernungswerte korrekt sind.
[0009] Die DE 102 004 035 243 A1 lehrt, in einer Kameraanordnung zur Überwachung eines Gefahrenbereichs eine Beleuchtung zeitlich zu verändern, etwa durch Modulation, und diese Veränderungen in einem Testsensor aufzunehmen. Die Vorrichtung testet sich dann selbst auf Funktionsfähigkeit, indem geprüft wird, ob die von der Kamera aufgenommenen Bilder in einer mit der von dem Testsensor gemessenen Veränderung übereinstimmenden Weise variieren. Hiermit wird aber nicht nur keine Überprüfung von gemessenen Entfernungswerten vorgenommen, die Kameraanordnung ist nicht einmal per se in der Lage, Entfernungen aufzunehmen, sondern arbeitet zweidimensional.
[0010] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, in einer optoelektronischen Überwachungsvorrichtung mit Entfernungsbestimmung einen unaufwändigen Funktionstest zu ermöglichen.
[0011] Diese Aufgabe wird durch eine optoelektronische Überwachungsvorrichtung gemäss Anspruch 1 und ein Testverfahren für eine optoelektronische Überwachungsvorrichtung gemäss Anspruch 16 gelöst. Die Lösung hat den Vorteil, dass Fehler der Überwachungseinrichtung auch vor konstantem Hintergrund einfach und sicher erkannt werden. Dabei basiert der Test allein auf optoelektronischen Komponenten und benötigt keine weitere Mechanik wie etwa eine solche zum Bewegen eines Laserstrahls oder eines Testmusters.
[0012] Die erfindungsgemässe Lösung geht dabei von dem Prinzip aus, die Eingangssignale für das Empfangselement zu dynamisieren. Dies geschieht durch gezielte Manipulation des dort eintreffenden Lichts, das einer Szenerie die für den Test notwendige Dynamik aufprägt.
[0013] Vorteilhafterweise sind mehrere Empfangselemente in Reihe oder flächig, insbesondere als Zeile oder Matrix, zusammengefasst und liefern somit ein entfernungsaufgelöstes Pixelbild. Ein solches Entfernungsbild erlaubt wesentlich genauere Auswertungen als ein einzelnes Empfangselement. Die Mehrzahl der Empfangselemente kann in der Anordnung als Zeile oder Matrix einfach auf einem Empfangschip angebracht werden.
[0014] Bevorzugt sind die Lichtquelle und/oder das Empfangselement unbeweglich gegenüber der Überwachungsvorrichtung. Dies ist überhaupt nur möglich, weil der Test auf optoelektronischen Komponenten beruht und nicht auf einer mechanischen Bewegung. Damit verbindet sich zugleich der Vorteil, dass auf jegliche wartungsanfällige und aufwändige mechanische Bewegungseinrichtungen verzichtet werden kann.
[0015] Bevorzugt modifiziert die Testeinheit das einfallende Licht mittels einer in das Empfangselement einstrahlenden Zusatzbeleuchtung. Das ist eine interne Testung, die von der beobachteten Szenerie gar nicht abhängt. Der Test arbeitet somit zuverlässig und unabhängig von Umgebungslicht.
[0016] Noch bevorzugter ist die Zusatzbeleuchtung über einen Strahlteiler eingekoppelt. Die Zusatzbeleuchtung kann aus geometrischen Gründen nicht unmittelbar vor dem Empfangselement montiert sein, da sie sonst im Pfad des Lichts aus dem Überwachungsbereich stünde. Ein Strahlteiler löst dieses geometrische Problem auf elegante Weise.
[0017] Alternativ strahlt die Zusatzbeleuchtung direkt in das Empfangselement ein. Damit geht kein Licht über den Strahlteiler verloren, die Zusatzbeleuchtung muss aber so aufgebaut sein, dass sie das Licht aus dem Überwachungsbereich noch passieren lässt.
[0018] Bevorzugt ist die Zusatzbeleuchtung ringförmig ausgebildet. Damit hat sie eine einfache Geometrie, die das Durchtreten des Lichts aus dem Überwachungsbereich ermöglicht.
[0019] Vorteilhafterweise ist die Lichtquelle für das Aussenden eines Messlichtpulses und das Empfangselement für eine Entfernungsbestimmung anhand der Laufzeit des Messlichtpulses ausgebildet, wobei die Testeinheit dafür ausgebildet ist, über die Zusatzbeleuchtung einen Testlichtpuls mit einer vorgegebenen positiven oder negativen Verzögerung gegenüber dem Aussenden des Messlichtpulses in das Empfangselement einzustrahlen. Eine derartige Verzögerung wird von dem Empfangselement als Lichtlaufzeit und damit als Entfernung wahrgenommen, so dass hiermit seine Funktionsfähigkeit sicher getestet werden kann.
[0020] Bevorzugt ist die Lichtquelle für das Aussenden eines Messlichtpulses und das Empfangselement für eine Entfernungsbestimmung anhand der Laufzeit des Messlichtpulses ausgebildet, wobei die Testeinheit dafür ausgebildet ist, über die Zusatzbeleuchtung einen Testlichtpuls ohne Verzögerung in das Empfangselement einzustrahlen. Dies ist ein einfacherer Test als der des vorigen Absatzes, bei dem keine variable Entfernung, sondern nur die feste Länge des optischen Wegs von der Zusatzbeleuchtung zum Lichtempfänger gemessen wird. Dieser Test überprüft nicht alle denkbaren Fehler, ist er erfolgreich, so ist aber sichergestellt, dass der Lichtempfänger noch arbeitet und zumindest im Grundsatz auch in der Lage ist, Entfernungen zu bestimmen.
[0021] Bevorzugt ist die Lichtquelle für das Aussenden modulierten Lichts und das Empfangselement für eine Entfernungsbestimmung anhand der Phase des modulierten Lichts ausgebildet, wobei die Testeinheit dafür ausgebildet ist, über die Zusatzbeleuchtung moduliertes Licht mit einer vorgegebenen Phase in das Empfangselement einzustrahlen. Bei dieser Ausführungsform wird die künstliche Phasenverschiebung als Mass für die Entfernung interpretiert und somit die Funktionsfähigkeit des Empfangselements getestet.
[0022] Wie bei der Pulslaufzeit kann auch bei der Phasenlage mit und ohne künstliche Verzögerung getestet werden. Als ein einfacher Test, der dem Pulslaufzeittest ohne Verzögerung entspricht, kann dem modulierten Licht eine Phase aufgeprägt werden, so dass die zu messende Entfernung gerade der Länge des optischen Wegs von Zusatzbeleuchtung zu Lichtempfänger entspricht ("Phase 0"). Die Phase kann aber auch künstlich verschoben werden, was im Ergebnis einer künstlichen positiven oder negativen Verzögerung entspricht.
[0023] Vorteilhafterweise ist die Testeinheit dafür ausgebildet, die Genauigkeit einer in einem Test aus dem modifizierten Licht ermittelten scheinbaren Entfernung durch Vergleich mit der erwarteten Entfernung zu überprüfen, wobei die Genauigkeit mit einer Mindestgenauigkeit verglichen wird, und wobei insbesondere ein Temperaturfühler vorgesehen ist, um eine temperaturabhängige Mindestgenauigkeit aus einer gespeicherten Temperaturkennlinie für den Vergleich zu verwenden. Bei dem Test wird somit nicht nur festgestellt, dass überhaupt noch Entfernungen gemessen werden können. Da das erwartete Ergebnis der Test-Entfernungsmessung feststeht, ist auch der relative Messfehler durch einfachen Vergleich bestimmbar. Für diesen Messfehler können vorab Grenzen gesetzt werden, bis zu denen die Überwachungsvorrichtung noch als korrekt arbeitend anzusehen ist.
Da die Genauigkeit des Lichtempfängers temperaturabhängig ist, können Genauigkeitsgrenzen genauer bestimmt werden, wenn die aktuelle Temperatur bekannt ist und anhand einer zuvor gemessenen und abgelegten Temperaturkennlinie korrigiert wird.
[0024] Bevorzugt weist die Überwachungsvorrichtung eine Schutzscheibe auf, wobei die Zusatzbeleuchtung ihr Licht durch die Schutzscheibe in das Empfangselement einstrahlt und wobei die Testeinheit insbesondere zusätzlich für den Vergleich einer erwarteten Intensität der Zusatzbeleuchtung mit der tatsächlichen Intensität zur Überprüfung der Lichtdurchlässigkeit der Schutzscheibe ausgebildet ist. Die Blendung durch die Schutzscheibe hat den wesentlichen Vorteil, dass auch die Schutzscheibe eine mögliche Fehlerquelle ist, somit wird bei deren Durchstrahlen ein grösserer Teil des optischen Wegs des Lichts im Betrieb getestet. Zudem nimmt die Schutzscheibe einen Teil der Lichtintensität, so dass die Blendung den Lichtempfänger nicht mehr so leicht in die Sättigung treibt.
Schliesslich ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei der die externe Lichtquelle für die Blendung zum Testen eingesetzt wird, indem deren Licht direkt durch die Schutzscheibe auf den Lichtempfänger gelenkt wird, so dass eine eigene Zusatzbeleuchtung entfallen kann.
[0025] In einer weiteren Ausführungsform modifiziert die Testeinheit das einfallende Licht, indem das Licht der Lichtquelle modifiziert wird. Im Gegensatz zu der soeben beschriebenen Ausführungsform wird hier nicht intern die Empfangseinheit stimuliert, sondern dem von extern empfangenen Licht eine Testinformation zusätzlich aufgeprägt. Diese Testinformation dynamisiert die Szenerie und ermöglicht dadurch einen zuverlässigen Funktionstest.
[0026] Bevorzugt ist die Lichtquelle für das Aussenden eines Messlichtpulses und das Empfangselement für eine Entfernungsbestimmung anhand der Laufzeit des Messlichtpulses ausgebildet, wobei die Testeinheit dafür ausgebildet ist, dem Messlichtpuls eine positive oder negative Laufzeitverzögerung aufzuprägen. Der Unterschied in der Laufzeit des Messlichtpulses wird von der Empfangseinheit als Entfernungsunterschied interpretiert. Detektiert sie diesen Unterschied, so ist ihre Funktionsfähigkeit zuverlässig nachgewiesen.
[0027] Bevorzugt ist die Lichtquelle für das Aussenden modulierten Lichts und das Empfangselement für eine Entfernungsbestimmung anhand der Phase des modulierten Lichts ausgebildet, wobei die Testeinheit dafür ausgebildet ist, dem modulierten Licht eine zusätzliche Phase aufzuprägen. Dies ermöglicht den zuverlässigen Funktionstest für den Fall, dass die Entfernungen in der beschriebenen Weise über moduliertes Licht ermittelt werden.
[0028] Das erfindungsgemässe Testverfahren kann auf analoge Weise vorteilhaft ausgestaltet werden, wobei sich ähnliche Vorteile zeigen wie bei der Überwachungsvorrichtung. Derartige Ausgestaltungen des Testverfahrens sind beispielhaft, aber nicht abschliessend, in den sich anschliessenden abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
[0029] Die Erfindung wird nachstehend nur beispielhaft auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:
<tb>Fig. 1<sep>eine schematische Übersichtsdarstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit interner Zusatzbeleuchtung über einen Strahlteiler;
<tb>Fig. 2<sep>eine schematische Übersichtsdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit direkter interner Zusatzbeleuchtung und
<tb>Fig. 3<sep>eine schematische Übersichtsdarstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit Modifikation der nach extern ausstrahlenden Lichtquelle.
[0030] Fig. 1 zeigt in einer schematischen Übersicht eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemässen optoelektronischen Überwachungsvorrichtung 1. Das Licht einer Lichtquelle 2 beleuchtet eine Szenerie (in der Darstellung rechts des Papiers), und von der Szenerie zurückkehrendes Licht wird über eine Abbildungsoptik 3 einem Bildsensor 4 zugeführt. Die Überwachungsvorrichtung 1 dient dazu, Objekte in einem Überwachungsbereich der Szenerie zu erkennen.
[0031] Das Erkennen kann vielen denkbaren Anwendungen von Automatisierung bis Diebstahlsicherung dienen. Die erkannten Objekte können etwa gezählt, ihre Bewegung bestimmt oder die Anwesenheit der Objekte als erlaubt/nicht erlaubt klassifiziert werden. Ist ein Objekt im letztgenannten Fall nicht erlaubt, so kann dies das Erzeugen eines Warnsignals auslösen. Eine solche Anwendung ist die Sicherheitstechnik, in der ein Gefahrenbereich abzusichern ist, in den keine Objekte eindringen dürfen bzw. eine gefährliche Maschine rechtzeitig abzuschalten ist, wenn dennoch Objekte eindringen.
[0032] Die Darstellung ist stark vereinfacht. Gewöhnlich sind die beschriebenen Elemente in einem Gehäuse bzw. einem Tubus untergebracht, der Streulichteinflüsse verringert. Da der Grundaufbau der Überwachungsvorrichtung 1 lange bekannt ist und häufig eingesetzt wird, soll auf Details wie den Tubus und die genaue Wahl von Blenden und Linsen in der Abbildungsoptik 3 nicht näher eingegangen werden. Wichtig ist allein, dass genügend Licht der Lichtquelle 2 nach einer Reflexion in der Szenerie fokussiert auf dem Bildsensor 4 auftrifft, um dort eine Entfernungsauswertung zu ermöglichen.
[0033] Die Lichtquelle 2 kann eine Laserdiode sein, deren reflektierter Strahl auf eine einzelne Photozelle als Bildsensor 4 trifft. Bevorzugt besteht aber der Bildsensor 4 aus einer Vielzahl von Empfangseinheiten, die in Form einer Zeile oder einer Matrix oder sonst der Anwendung angemessen angeordnet sind. Der Bildsensor 4 kann beispielsweise einen CCD- oder CMOS-Chip aufweisen.
[0034] Der Bildsensor 4 kommuniziert mit einer Steuerung 5. Die Steuerung 5 ist ausserdem mit der Lichtquelle 2 verbunden, um diese zum Erzeugen eines gewünschten Belichtungsmusters anzusteuern.
[0035] Im Folgenden soll davon ausgegangen werden, dass schon die Empfangselemente des Bildsensors 4 jeweils mit einer eigenen Auswertungseinheit ausgestattet sind, mittels derer sie in noch zu erläuternder Weise die Entfernung ihres Sichtbereichs bestimmen können, und sie nur diese fertigen Entfernungsdaten sowie meist auch den hier nicht näher betrachteten Helligkeitswert an die Steuerung 5 weitergeben. Alternativ können die Empfangselemente natürlich auch lediglich die Rohdaten kommunizieren, die dann von der Steuerung 5 weiterverarbeitet werden. Auch in dieser Ausführung einer zentralen Entfernungsberechnung soll wegen der engen Zuordnung an das jeweilige Empfangselement so gesprochen werden, als werte das Empfangselement selbst die Entfernungen aus.
[0036] Die Entfernungsbestimmung erfolgt erfindungsgemäss auf eine von zwei Arten, wobei auch denkbar ist, beide nebeneinander zu implementieren. Nach der einen Art sendet die Lichtquelle 2 einen Lichtpuls aus, dessen Laufzeit bis zur Detektierung im Bildsensor 4 bestimmt wird. Hier ist wegen der kurzen Zeiten eine sehr genaue Elektronik erforderlich; bei den hier relevanten Entfernungen in der Grössenordnung von 10 Metern beträgt die Laufzeit gerade 33 ns. Davon sollen aber noch Bruchteile bestimmbar sein, um auch Objektbewegungen im Zentimeterbereich detektieren zu können.
Um aus der Laufzeit absolute Entfernungsdaten zu erhalten, muss die Überwachungsvorrichtung geeicht werden, d.h. beispielsweise einmal auf ein Ziel bekannter Entfernung ausgerichtet werden, um interne Laufzeiten berücksichtigen zu können, oder indem ein elektro-optischer Shutter eine definierte äussere Laufzeit simuliert. Alternativ können aber auch relative Entfernungen verwendet werden, bei denen nur entschieden wird, um welche relativen Entfernungen sich etwa zwei aufeinanderfolgende Entfernungsbilder oder ein Entfernungsbild gegenüber einem Referenzbild unterscheiden.
[0037] Nach der anderen Art sendet die Lichtquelle 2 moduliertes Licht aus, also Licht, dem eine zusätzliche Periode beispielsweise durch sinusartiges Modulieren der Helligkeit aufgeprägt ist. Aus der Phasendifferenz zwischen dem modulierten Licht an Lichtquelle 2 und an dem Bildsensor 4 kann dann die Entfernung berechnet werden. Die Mehrdeutigkeit bei Verschiebung um ganzzahlige Vielfache der Periode spielt keine Rolle, wenn die Lichtlaufzeit in einer Periode in etwa den beobachteten Entfernungen bzw. Entfernungsdifferenzen entspricht.
[0038] Ist die somit ermittelte Entfernung eines Empfangselements konstant, so kann dies an einer derzeit unbewegten Szenerie, aber auch an einem Fehler des Empfangselements liegen. Um auf derartige Fehler zu testen, ist eine Modifikationseinrichtung 6 vorgesehen, die von der Steuerung 5 angesprochen werden kann.
[0039] Die Modifikationseinrichtung 6 ihrerseits steuert eine Zusatzbeleuchtung 7 an, über welche die Modifikationseinrichtung 6 je nach Ausführungsform einen Lichtpuls zu einem genau bestimmten Zeitpunkt oder moduliertes Licht einer festgelegten Phase erzeugen kann. Die Leistung der Zusatzbeleuchtung 7 ist so abgestimmt, dass der Lichtempfänger 4 in seinem optimalen Arbeitsbereich ist, insbesondere nicht in die Sättigung getrieben wird, sondern typische Signalhöhen wie auch bei Objektdetektion im eigentlichen Betrieb vorliegen.
[0040] Das Licht der Zusatzbeleuchtung 7 wird über einen Strahlteiler 7 auf den Bildsensor 4 umgelenkt. Es besteht also ein Lichtpfad 8 des externen Lichts der Szenerie, der den Strahlteiler 7 transmittiert, und ein Lichtpfad 8 der Zusatzbeleuchtung 7, der von dem Strahlteiler 7 reflektiert wird. Auf diese Weise kann letztlich die Steuerung 5 über die Modifikationseinrichtung 6, die Zusatzbeleuchtung 7 und den Strahlteiler 7 den Bildsensor 4 mit einem zeitlich genau gesteuerten Lichtpuls oder moduliertem Licht festgelegter Phase beleuchten.
[0041] Ein Funktionstest der Empfangselemente des Bildsensors 4 läuft dann wie folgt ab.
[0042] Bei einer Entfernungsmessung anhand der Laufzeit schaltet die zunächst die Steuerung 5 die Lichtquelle 2 ab, da ihr Licht den Funktionstest stören könnte. Dieser Schritt ist nicht unumgänglich, wenn die Lichtstärke der Zusatzbeleuchtung 7 stark genug ist, reflektiertes Licht der Szenerie zu überstrahlen.
[0043] Danach gibt die Steuerung 5 dem Bildsensor 4 das Startsignal, die Lichtquelle 2 hätte einen Lichtpuls ausgesandt. Ausserhalb des Testbetriebs wäre tatsächlich ein gleichzeitiger Steuerbefehl an die Lichtquelle 2 gegangen, einen derartigen Lichtpuls zu erzeugen. Für den Funktionstest unterbleibt dieser Steuerbefehl an die Lichtquelle 2.
[0044] Mit einer festgelegten zeitlichen Verzögerung gibt die Steuerung 5 über die Modifikationseinrichtung 6 einen Steuerbefehl an die Zusatzbeleuchtung, einen Lichtpuls auszusenden. Dieser Lichtpuls wird dann mit wohlbekannter Verzögerung gegenüber dem Startsignal den Bildsensor 4 über den Strahlteiler 7 entlang des Lichtpfades 8 erreichen. Daraus ermitteln die Empfangselemente des Bildsensors 4 eine Entfernung, die natürlich fiktiv ist, da kein Licht aus der Szenerie empfangen wurde. Die Steuerung 5 erhält diese berechneten Entfernungen und vergleicht sie mit denen, die nach der bekannten Verzögerung zu erwarten sind. Wo sich Abweichungen ergeben, wird ein Fehler der entsprechenden Empfangseinheit vermutet. Die Verzögerungen können variiert werden, um dem Bildsensor 4 unterschiedliche Entfernungen innerhalb des gesamten Messbereichs der Empfangselemente vorzutäuschen.
[0045] Ein Sonderfall ist eine Verzögerung Null, also keine künstliche Verzögerung. In diesem Fall ist die zu bestimmende Entfernung gerade die Länge des optischen Pfads 8. Hier kann die Steuerung 5 die Aufgabe der Modifikationseinrichtung 6 durch schlichtes Einschalten der Zusatzbeleuchtung übernehmen, so dass der apparative und der Steuerungsaufwand für diesen Test besonders einfach ist.
[0046] Erfolgt die Entfernungsmessung anhand der Phase modulierten Lichts, so ist das Testverfahren ganz ähnlich. Hier wird lediglich moduliertes Licht einer vorgegebenen Phasenverschiebung statt eines verzögerten Lichtpulses verwendet. Auch aus dieser künstlichen Phase berechnen die Empfangselemente eine Entfernung, die mit der Erwartung bei der vorgegebenen künstlichen Phase verglichen wird. Die künstliche Phase kann variiert werden, um den ganzen Messbereich des Bildsensors 4 auszutesten. Auch hier ist der Sonderfall der "Phase 0" zu erwähnen, bei dem also keine zusätzliche Phasenverschiebung aufgeprägt wird und somit das Ergebnis bei intakter Überwachungsvorrichtung 1 gerade die Länge des optischen Pfads 8 ist.
[0047] Mit dem Ergebnis der in dem Test bestimmten Entfernungen lässt sich, da die Länge des optischen Pfads 8 und die fiktive Zusatzlänge durch eine Verzögerung bekannt ist, auch ein Messfehler bestimmen. Zu dem Test kann es dann gehören, diesen Messfehler mit einer geforderten Messgenauigkeit zu vergleichen. Diese geforderte Messgenauigkeit kann als fester Grenzwert in der Steuerung 5 abgespeichert sein, wobei der jeweilige Grenzwert alternativ auch für jedes Gerät schon bei der Produktion bestimmt und in einem Speicher abgelegt werden kann. Noch genauer sind die Grenzwerte, wenn sie wegen der Temperaturabhängigkeit der Genauigkeit des Lichtempfängers 4 temperaturabhängig bestimmt und gespeichert werden.
Die jeweils heranzuziehenden Grenzwerte der somit hinterlegten Temperaturkennlinie können später beim Test durch Messung der aktuellen Betriebstemperatur mit einem Temperaturfühler bestimmt werden.
[0048] In einer alternativen Ausführungsform ist auch denkbar, dass die Lichtquelle 2 die Funktion der Zusatzbeleuchtung 7 übernimmt, indem deren Licht in den Lichtempfänger 4 gelenkt wird. Vorstellbar ist auch, die Zusatzbeleuchtung als weiteres Element neben der Lichtquelle 2 ausserhalb der Überwachungsvorrichtung 1 anzuordnen. Durch diese Variante kann sowohl durch die Abbildungsoptik 3 wie auch direkt geblendet werden.
[0049] Da üblicherweise die Überwachungsvorrichtung 1 in einem Gehäuse untergebracht ist und das Licht durch eine Frontscheibe bzw. Schutzscheibe nach innen und aussen gelangt, kann durch die externe Anordnung der Blendungslichtquellen 2, 7 auch die Lichtdurchlässigkeit dieser Schutzscheibe geprüft werden. Damit werden deren Beschädigungen oder Verschmutzungen aufgedeckt. Die Schutzscheibe dämpft auch die Leistung der Blendung, so dass es nicht so leicht zu einer Übersättigung im Lichtempfänger kommt.
[0050] Die optische Leistung der Blendungslichtquellen 2, 7 oder deren Äquivalent auf dem Lichtempfänger 4 in der Steuerung 5 kann bewertet werden, um dessen Empfindlichkeit zu überprüfen. Dies dient einmal der soeben angesprochenen Überprüfung der Lichtdurchlässigkeit einer Schutzscheibe. Ausserdem hängt von dieser Empfindlichkeit die Reichweite ab, bis zu der Objekte überhaupt detektiert werden können. Ist die Empfindlichkeit unter eine angegebene Reichweite der Überwachungsvorrichtung 1 gesunken, so ist dies ein Fehler, der durch diese Überprüfung erkannt wird.
[0051] Die Blendungslichtquelle 2, 7 kann ungefähr im Abstand der Brennweite der Abbildungsoptik 3 angeordnet sein. Dann wird der Lichtempfänger 2 vollständig ausgeleuchtet, so dass gerade im Falle einer CCD- oder CMOS-Matrix alle Pixel überprüft werden können.
[0052] Mittels des über den Strahlteiler 7 eingekoppelten Zusatzlichts ist somit auch bei konstanter Szenerie ein Funktionstest der Überwachungseinrichtung 1 allein durch elektronische Steuerbefehle ermöglicht.
[0053] In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Hier wie im Weiteren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Merkmale. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform wird das Zusatzlicht direkt in den Bildsensor 4 gestrahlt statt über den Strahlteiler 7. Da die Zusatzbeleuchtung 7 wie in der Fig. 2 auch zu erkennen im optischen Pfad des reflektierten Lichts der Szenerie sitzt und diese verdecken würde, muss die Zusatzbeleuchtung 7 geometrisch so angepasst sein, dass sie den genannten optischen Pfad 8 nicht stört. In dieser zweiten Ausführungsform ist das so gelöst, dass die Zusatzbeleuchtung 7 ringförmig um die Abbildungsoptik 3 angeordnet ist und leicht nach innen entlang der Pfade 8 auf den Bildsensor 4 strahlt.
Natürlich sind andere Geometrien wie etwa eine rechteckige oder andere Anbringungen vorstellbar, solange der optische Pfad 8 nicht zu stark beeinträchtigt wird.
[0054] Sowohl bei der ersten und zweiten Ausführungsform als auch mit beiden Messmethoden durch Laufzeit- oder Phasenbestimmung kann die Zusatzbeleuchtung 7 auch aus mehreren Teilen aufgebaut sein, um in ein und demselben Bild bzw. Testdurchlauf unterschiedlichen Bereichen des Bildsensors 4 und damit unterschiedlichen Empfangselementen unterschiedliche Entfernungen vorzuspiegeln.
[0055] Der Funktionstest gemäss erster und zweiter Ausführungsform ist wegen der internen Zusatzbeleuchtung von einer Referenzszenerie unabhängig und daher besonders für mobile Anwendungen geeignet.
[0056] Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung. In dieser Ausführungsform wird auf die Zusatzbeleuchtung 7 verzichtet und statt dessen das Licht der Lichtquelle 2 modifiziert. Dazu ist die Modifikationseinrichtung 6 nunmehr zwischen die Steuerung 5 und die Lichtquelle 2 geschaltet.
[0057] Entsprechend ändert sich auch der Ablauf des erfindungsgemässen Testverfahrens. Die Steuerung 5 gibt der Modifikationseinrichtung 6 einen Befehl, dass nunmehr kein normaler Betrieb, sondern ein Test folgen soll. Dann gibt sie über die Modifikationseinrichtung 6 einen Einschaltbefehl an die Lichtquelle 2 und zugleich ein Synchronisationssignal an den Bildsensor 4. Im Falle der Entfernungsmessung durch Lichtpulse verzögert nun die Modifikationseinrichtung den Lichtpuls um einen vorgegebenen Betrag, im Falle der Entfernungsmessung durch moduliertes Licht wird dagegen die Phase um einen vorgegebenen Betrag verschoben.
[0058] Das Licht der Lichtquelle 2 erreicht dann nach Reflexion in der Szenerie über den Ausgangpfad 9, den Reflexionspfad 9, die Abbildungsoptik 3 und den optischen Pfad 8 die Empfangselemente im Bildsensor 4. Diese wissen nichts von dem Test und der Modifikation des Lichts, sondern berechnen in üblicher Weise die Entfernung und geben die Entfernungsdaten an die Steuerung 5 weiter.
[0059] In der Steuerung 5 kann dann verglichen werden, ob das Entfernungsbild plausibel ist. Dazu müssen die Entfernungsdaten zumindest innerhalb enger Toleranzen gerade um die von der Modifikationseinrichtung 6 eingeführte Verfälschung von einem kurz vor oder nach dem Test aufgenommenen oder statisch gespeicherten Referenzbild abweichen. Als Testdaten können auch Daten aus verarbeiteten Bildern verwendet werden, beispielsweise detektierte Objekte, Hintergrundflächen oder dergleichen, mit denen nicht unbedingt nur auf Ebene von Einzelpixeln verglichen wird. Empfangseinheiten, bei denen sich nicht gerade die erwartete Abweichung ergibt, müssen zunächst als defekt gelten und eingehender getestet werden.
[0060] Die Szenerie ist also gemäss der dritten Ausführungsform mittels einer Manipulation derart dynamisiert, dass ein zuvor definierter und damit korrigierbarer künstlicher Messfehler erzeugt wird.
[0061] Da der Funktionstest gemäss der dritten Ausführungsform auf dem reflektierten Licht basiert, ist er für eine mobile Überwachungsvorrichtung 1 beispielsweise auf einem fahrbaren Roboter oder Fahrzeug weniger geeignet: Es muss sichergestellt sein, dass überhaupt genug Licht von der Hintergrundszene reflektiert wird. Dafür kann aber auf die Zusatzbeleuchtung 7 verzichtet werden, und es wird auch der gesamte Signalweg getestet und nicht, wie bei den beiden anderen Ausführungsformen, nur der interne.
[0062] Die angegebenen Tests können in jeglichem entfernungsmessenden Sensor mit ein-, zwei- und dreidimensionalem Überwachungsbereich eingesetzt werden. Als ein zusätzlicher Funktionstest können Testzyklen für einen Dunkeltest eingefügt werden, bei dem weder geblendet noch das Licht aus der Szenerie verändert wird. Anhand des Dunkelrauschens können zumindest gewisse Pixelfehler wie ein "Einbrennen" (stuck at low / stuck at high) gefunden werden. Mit der oben angegebenen Temperaturkennlinie kann das erwartete Rauschmass bei gemessener Temperatur bestimmt und mit dem tatsächlichen Rauschmass verglichen werden. Dieser Test ist in einigen Aspekten redundant, deckt aber relativ sicher zumindest grobe Fehlfunktionen auf.
[0063] Bezugszeichen
<tb>1<sep>Überwachungsvorrichtung
<tb>2<sep>Lichtquelle
<tb>3<sep>Abbildungsoptik
<tb>4<sep>Bildsensor mit Empfangselementen
<tb>5<sep>Steuerung
<tb>6<sep>Modifikationseinrichtung
<tb>7<sep>Zusatzbeleuchtung
<tb>8<sep>optischer Pfad (von Abbildungsoptik)
<tb>8<sep>optischer Pfad (von Strahlteiler)
<tb>9<sep>optischer Pfad (zur Szenerie)
<tb>9<sep>optischer Pfad (von Szenerie)
The invention relates to an optoelectronic monitoring device with at least one light source and at least one receiving element according to the preamble of claim 1 and a test method therefor according to the preamble of claim 16.
Optoelectronic monitoring devices are used in a variety of applications, ranging from theft protection to the protection of dangerous machines that need to shut down automatically when approaching an object and especially by operating personnel. A particular challenge in terms of technology and evaluation is provided by distance-measuring monitoring devices, which not only detect the presence of an object, but also determine the distance to which it is located.
Such range determination is particularly useful in applications where a mobile robot passes through an area that can also be entered by operators or other personnel. For example, the robot may warn from a certain distance or enter a slower mode to stop altogether if it falls short of a critical distance. A mobile robot poses particularly high challenges to the evaluation due to the ever-changing scenario that presents itself to its point of view.
In automotive applications, cameras are used which generate real-time, range-resolved images to optimize airbag control. In this case, the sitting posture of the occupants is determined in an accident by means of the distances to adjust the triggering of the airbag thereto. Furthermore, distance-resolved images serve to recognize and classify other road users such as cars, bicycles or pedestrians. Another application is the automatic distance to vehicles in front.
A prerequisite for the monitoring is that the sensors with which the image of the surveillance area is recorded, are functional. In particular, it must be distinguished whether the current image information still corresponds to the external conditions or whether an image has "burned in". This can not be readily ascertained, since a constant image can be both an expression of an unchanged scene and a malfunction of the sensor.
In image sensors that record brightness information, test methods for the functionality of the pixels are known from WO 01/78 411, for example. For this purpose, a fixed contrast pattern of the surveillance area can be moved against the image sensor, the brightness of individual areas can also be changed by additional illumination, or the functionality of the sensor can be checked by means of a specially moved test object or pattern. For distance measurement, however, these methods are unsuitable as far as variations in brightness are concerned, and movements, whether of the sensor or of the test objects of their own, are mechanically complex and would additionally not only have to vary the brightness but also the distance.
Furthermore, laser scanners are known which scan with a laser beam - such as a rotating mirror - a surveillance area and determine the respective distances based on the reflected light. This laser beam can be offered in a part of the sector through which it is moved, a reference target, which may even be located within the housing of the monitoring device. If the device detects the removal of the reference target correctly, it is still functional. Here, too, moving parts are necessary for the scanning movement of the laser beam, and if you want to work instead of a laser beam with a receiving chip that records a linear or matrix-shaped distance image, so this test method can not apply.
DE 10 138 960 A1 discloses a device for monitoring a spatial region with two image acquisition units arranged at 90.degree. Angle to one another, which record the same spatial region via a beam splitter, wherein distance values are calculated from different brightnesses in the two image acquisition units become. The functionality is tested in a self-test, in which a lighting of the room area for Zwangsdynamisierung the observed scene is turned on and off. Thus, although it can be recognized whether the device still reacts at all, but there is no check whether the distance values calculated from the brightness differences are correct.
DE 102 004 035 243 A1 teaches, in a camera arrangement for monitoring a danger zone, to change the illumination over time, for instance by modulation, and to record these changes in a test sensor. The device then tests itself for operability by checking whether the images taken by the camera vary in a manner consistent with that measured by the test sensor. However, this not only does not make any check of measured distance values, the camera arrangement is not even able per se to record distances, but works two-dimensionally.
It is therefore an object of the invention to enable an inexpensive function test in an optoelectronic monitoring device with distance determination.
This object is achieved by an optoelectronic monitoring device according to claim 1 and a test method for an optoelectronic monitoring device according to claim 16. The solution has the advantage that errors of the monitoring device are recognized easily and reliably even against a constant background. The test is based solely on optoelectronic components and requires no further mechanics, such as those for moving a laser beam or a test pattern.
The inventive solution is based on the principle of dynamizing the input signals for the receiving element. This is done by deliberate manipulation of the incoming light, which imparts the necessary dynamics for a scene to a scene.
Advantageously, several receiving elements in series or area, in particular as a row or matrix, summarized and thus provide a distance-resolved pixel image. Such a distance image allows much more accurate evaluations than a single receiving element. The plurality of receiving elements can be easily mounted in the array as a row or matrix on a receiving chip.
Preferably, the light source and / or the receiving element are immovable relative to the monitoring device. This is only possible because the test is based on opto-electronic components and not on a mechanical movement. This also combines the advantage that can be dispensed with any maintenance-prone and complex mechanical movement devices.
Preferably, the test unit modifies the incident light by means of a radiating into the receiving element auxiliary lighting. This is an internal test that does not depend on the scene being watched. The test thus works reliably and independently of ambient light.
More preferably, the additional lighting is coupled via a beam splitter. The additional lighting can not be mounted directly in front of the receiving element for geometric reasons, since otherwise they would be in the path of the light from the monitoring area. A beam splitter solves this geometric problem in an elegant way.
Alternatively, the additional lighting radiates directly into the receiving element. Thus, no light is lost through the beam splitter, but the additional lighting must be designed so that they still pass the light from the monitoring area.
Preferably, the additional lighting is annular. So it has a simple geometry that allows the passage of light from the surveillance area.
Advantageously, the light source for the emission of a measuring light pulse and the receiving element for a distance determination based on the duration of the measuring light pulse is formed, wherein the test unit is adapted to the additional lighting a test light pulse with a predetermined positive or negative delay relative to the emission of the measuring light pulse to irradiate the receiving element. Such a delay is perceived by the receiving element as a light transit time and thus as a distance, so that hereby its functionality can be safely tested.
Preferably, the light source for emitting a measuring light pulse and the receiving element for a distance determination based on the duration of the measuring light pulse is formed, wherein the test unit is adapted to radiate a test light pulse without delay in the receiving element via the additional lighting. This is a simpler test than that of the previous paragraph, in which no variable distance but only the fixed length of the optical path from the auxiliary light to the light receiver is measured. This test does not check all conceivable errors, it is successful, but it is ensured that the light receiver is still working and at least in principle is also able to determine distances.
Preferably, the light source for emitting modulated light and the receiving element for a distance determination based on the phase of the modulated light is formed, wherein the test unit is adapted to irradiate via the auxiliary lighting modulated light with a predetermined phase in the receiving element. In this embodiment, the artificial phase shift is interpreted as a measure of the distance and thus tested the functionality of the receiving element.
As with the pulse duration can be tested in the phase position with and without artificial delay. As a simple test corresponding to the pulse transit time test without delay, a phase may be imposed on the modulated light so that the distance to be measured corresponds to the length of the optical path from auxiliary light to light receiver ("phase 0"). The phase can also be moved artificially, which corresponds to the result of an artificial positive or negative delay.
Advantageously, the test unit is adapted to check the accuracy of an apparent distance determined in a test from the modified light by comparison with the expected distance, wherein the accuracy is compared with a minimum accuracy, and in particular a temperature sensor is provided to to use a temperature-dependent minimum accuracy from a stored temperature characteristic for the comparison. The test not only determines that distances can be measured at all. Since the expected result of the test distance measurement is fixed, the relative measurement error can also be determined by simple comparison. For this measurement error limits can be set in advance, to which the monitoring device is still regarded as working correctly.
Since the accuracy of the light receiver is temperature dependent, accuracy limits can be more accurately determined if the current temperature is known and corrected based on a previously measured and stored temperature characteristic.
Preferably, the monitoring device has a protective screen, wherein the additional illumination radiates its light through the protective screen in the receiving element and wherein the test unit is additionally designed in particular for comparing an expected intensity of the additional illumination with the actual intensity for checking the transparency of the protective screen. The glare through the protective glass has the significant advantage that the protective glass is also a possible source of error, so that when it passes through, a larger part of the optical path of the light is tested during operation. In addition, the protective screen takes part of the light intensity, so that the glare no longer drives the light receiver into saturation so easily.
Finally, an embodiment is conceivable in which the external light source is used for the glare for testing by their light is directed directly through the protective screen on the light receiver, so that a separate additional lighting can be omitted.
In another embodiment, the test unit modifies the incident light by modifying the light of the light source. In contrast to the embodiment just described, the receiving unit is not internally stimulated here, but additionally impressed on the light received externally by a test information. This test information dynamizes the scenery and thus enables a reliable functional test.
Preferably, the light source for emitting a measuring light pulse and the receiving element for a distance determination based on the duration of the measuring light pulse is formed, wherein the test unit is adapted to impose a positive or negative propagation delay to the measuring light pulse. The difference in the duration of the measuring light pulse is interpreted by the receiving unit as a distance difference. If it detects this difference, its functionality is reliably proven.
Preferably, the light source for emitting modulated light and the receiving element for a distance determination based on the phase of the modulated light is formed, wherein the test unit is adapted to impart an additional phase to the modulated light. This allows the reliable function test in the case that the distances are determined in the manner described by modulated light.
The inventive test method can be configured advantageously in an analogous manner, showing similar advantages as in the monitoring device. Such embodiments of the test method are exemplary, but not exhaustive, listed in the subsequent dependent claims.
The invention will now be explained by way of example only with regard to further features and advantages with reference to embodiments and with reference to the figures of the accompanying drawings. The drawing shows in:
<Tb> FIG. 1 <sep> is a schematic overview of a first embodiment of the invention with internal additional lighting via a beam splitter;
<Tb> FIG. 2 <sep> is a schematic overview of a second embodiment of the invention with direct internal auxiliary lighting and
<Tb> FIG. 3 <sep> is a schematic overview of a third embodiment of the invention with modification of the externally emitting light source.
Fig. 1 shows a schematic overview of a first embodiment of an inventive optoelectronic monitoring device 1. The light of a light source 2 illuminates a scene (in the illustration to the right of the paper), and from the scenery returning light is an imaging optics 3 an image sensor 4 supplied. The monitoring device 1 serves to detect objects in a surveillance area of the scene.
Detection can serve many conceivable applications from automation to theft prevention. For example, the detected objects can be counted, their movement determined or the presence of the objects classified as allowed / not allowed. If an object is not allowed in the latter case, this can trigger the generation of a warning signal. Such an application is the safety technology in which a hazardous area is to be protected, into which no objects may penetrate or a dangerous machine must be shut down in good time, if objects nevertheless penetrate.
The representation is greatly simplified. Usually, the described elements are housed in a housing or a tube which reduces stray light influences. Since the basic structure of the monitoring device 1 has long been known and is frequently used, details such as the tube and the exact choice of diaphragms and lenses in the imaging optics 3 will not be discussed in detail. It is only important that enough light from the light source 2, after being reflected in the scene, is focused on the image sensor 4 in order to enable a distance evaluation there.
The light source 2 may be a laser diode whose reflected beam impinges on a single photocell as the image sensor 4. Preferably, however, the image sensor 4 consists of a plurality of receiving units, which are arranged appropriately in the form of a line or a matrix or otherwise the application. The image sensor 4 may comprise, for example, a CCD or CMOS chip.
The image sensor 4 communicates with a controller 5. The controller 5 is also connected to the light source 2 to drive it to generate a desired exposure pattern.
In the following it should be assumed that even the receiving elements of the image sensor 4 are each equipped with its own evaluation unit, by means of which they can determine the distance of their field of view in a manner yet to be explained, and they only this finished distance data and usually also the Pass the brightness value, which is not considered here, to the controller 5. Alternatively, of course, the receiving elements can also communicate only the raw data, which are then further processed by the controller 5. Also in this embodiment of a central distance calculation is to be spoken because of the close association with the respective receiving element as if the receiving element even the distances from.
The distance determination is carried out according to the invention in one of two ways, wherein it is also conceivable to implement both side by side. According to one type, the light source 2 emits a light pulse whose duration is determined until detection in the image sensor 4. Here a very accurate electronics is required because of the short times; At the relevant distances of the order of 10 meters, the running time is just 33 ns. Of these, however, fractions should still be determinable in order to be able to detect object movements in the centimeter range.
In order to obtain absolute range data from run time, the monitor must be calibrated, i. for example, once to a target of known distance to be able to account for internal transit times, or by an electro-optical shutter simulates a defined external transit time. Alternatively, however, it is also possible to use relative distances, which only decide which relative distances differ by approximately two consecutive distance images or one distance image from a reference image.
After the other way, the light source 2 emits modulated light, that is light, which is impressed on an additional period, for example by sinusoidal modulation of the brightness. From the phase difference between the modulated light at the light source 2 and at the image sensor 4, the distance can then be calculated. The ambiguity in shifting by integer multiples of the period is irrelevant if the light propagation time in a period approximately corresponds to the observed distances or distance differences.
If the thus determined removal of a receiving element is constant, this may be due to a currently stationary scene, but also to an error of the receiving element. In order to test for such errors, a modification device 6 is provided, which can be addressed by the controller 5.
The modification device 6 in turn controls an additional illumination 7, via which the modification device 6, depending on the embodiment, can generate a light pulse at a precisely determined point in time or modulated light of a defined phase. The power of the additional lighting 7 is tuned so that the light receiver 4 is in its optimum working range, in particular is not driven into saturation, but present typical signal levels as well as object detection in actual operation.
The light of the additional illumination 7 is deflected via a beam splitter 7 to the image sensor 4. There is thus a light path 8 of the external light of the scene, which transmits the beam splitter 7, and a light path 8 of the additional illumination 7, which is reflected by the beam splitter 7. In this way, the controller 5 can ultimately illuminate the image sensor 4 via the modification device 6, the additional illumination 7 and the beam splitter 7 with a phase of precisely defined light pulse or modulated light.
A function test of the receiving elements of the image sensor 4 then proceeds as follows.
In a distance measurement on the basis of the first time the controller 5 switches off the light source 2, since their light could interfere with the functional test. This step is not indispensable if the intensity of the additional illumination 7 is strong enough to outshine reflected light of the scenery.
Thereafter, the controller 5 the image sensor 4, the start signal, the light source 2 would have sent a light pulse. In fact, outside the test mode, a simultaneous control command would have gone to the light source 2 to generate such a light pulse. For the function test, this control command is omitted to the light source 2.
With a fixed time delay, the controller 5 via the modification device 6 is a control command to the additional lighting to emit a light pulse. This light pulse will then reach the image sensor 4 via the beam splitter 7 along the light path 8 with a well-known delay relative to the start signal. From this, the receiving elements of the image sensor 4 detect a distance, which of course is fictitious, since no light was received from the scene. The controller 5 receives these calculated distances and compares them with those expected after the known delay. Where deviations arise, an error of the corresponding receiving unit is suspected. The delays can be varied to simulate the image sensor 4 at different distances within the entire measuring range of the receiving elements.
A special case is a zero delay, so no artificial delay. In this case, the distance to be determined is just the length of the optical path 8. Here, the controller 5 can take over the task of the modification device 6 by simply switching on the additional lighting, so that the apparatus and the control effort for this test is particularly simple.
If the distance measurement is based on the phase modulated light, the test procedure is quite similar. Here only modulated light of a given phase shift is used instead of a delayed light pulse. Also from this artificial phase, the receiving elements calculate a distance which is compared with the expectation at the given artificial phase. The artificial phase can be varied in order to test out the entire measuring range of the image sensor 4. Again, the special case of "phase 0" is mentioned, in which therefore no additional phase shift is impressed and thus the result with intact monitoring device 1 is just the length of the optical path 8.
With the result of the distances determined in the test, since the length of the optical path 8 and the notional extra length are known by a delay, it is also possible to determine a measurement error. The test may then include comparing this measurement error with a required measurement accuracy. This required measurement accuracy can be stored as a fixed limit value in the controller 5, wherein the respective limit value can alternatively also be determined for each device during production and stored in a memory. Even more accurate are the limits when they are temperature-dependent determined and stored because of the temperature dependence of the accuracy of the light receiver.
The respectively applicable limit values of the thus deposited temperature characteristic can be determined later during the test by measuring the current operating temperature with a temperature sensor.
In an alternative embodiment, it is also conceivable that the light source 2 takes over the function of the auxiliary lighting 7, by their light is directed into the light receiver 4. It is also conceivable to arrange the additional lighting as a further element in addition to the light source 2 outside the monitoring device 1. This variant can be blinded both by the imaging optics 3 as well as directly.
Since usually the monitoring device 1 is accommodated in a housing and the light passes through a front window or protective pane inwards and outwards, the light transmission of this protective pane can be checked by the external arrangement of the dazzling light sources 2, 7. This will reveal their damage or contamination. The protective screen also dampens the performance of the glare, so that it is not so easy to supersaturation in the light receiver.
The optical power of the glare light sources 2, 7 or their equivalent on the light receiver 4 in the controller 5 can be evaluated to check its sensitivity. This is once the just-mentioned review of the transparency of a protective screen. In addition, this sensitivity depends on the range up to which objects can be detected at all. If the sensitivity has fallen below a specified range of the monitoring device 1, then this is an error that is detected by this review.
The glare light source 2, 7 can be arranged approximately at a distance of the focal length of the imaging optics 3. Then, the light receiver 2 is completely illuminated, so that just in the case of a CCD or CMOS matrix all pixels can be checked.
By means of the coupled via the beam splitter 7 additional light, a functional test of the monitoring device 1 is thus possible only by electronic control commands even with a constant scene.
2, a second embodiment of the invention is shown. Here, as below, like reference numerals designate like features. In contrast to the first embodiment, the additional light is radiated directly into the image sensor 4 instead of the beam splitter 7. Since the additional lighting 7 as shown in FIG. 2 also recognizable in the optical path of the reflected light of the scenery would sit and cover this, the Additional lighting 7 geometrically adapted so that it does not interfere with said optical path 8. In this second embodiment, this is achieved in such a way that the additional illumination 7 is arranged annularly around the imaging optics 3 and radiates slightly inwards along the paths 8 onto the image sensor 4.
Of course, other geometries such as a rectangular or other attachments are conceivable as long as the optical path 8 is not affected too much.
Both in the first and second embodiments as well as with both measuring methods by transit time or phase determination, the additional lighting 7 may be constructed of several parts to different in one and the same image or test run different areas of the image sensor 4 and thus different receiving elements Pretend distances.
The functional test according to the first and second embodiments is independent of a reference scenario because of the internal additional lighting and therefore particularly suitable for mobile applications.
Fig. 3 shows a third embodiment of the invention. In this embodiment, the additional lighting 7 is dispensed with and instead the light of the light source 2 is modified. For this purpose, the modification device 6 is now connected between the controller 5 and the light source 2.
Accordingly, the course of the inventive test method changes. The controller 5 gives the modification device 6 an order that now no normal operation, but a test is to follow. Then, via the modification device 6, it gives a switch-on command to the light source 2 and at the same time a synchronization signal to the image sensor 4. In the case of distance measurement by light pulses, the modification device delays the light pulse by a predetermined amount, whereas in the case of distance measurement by modulated light the phase is delayed shifted by a predetermined amount.
The light of the light source 2 then reaches the receiving elements in the image sensor 4 after reflection in the scenery via the output path 9, the reflection path 9, the imaging optics 3 and the optical path 8. These do not know anything about the test and the modification of the light. but in the usual way calculate the distance and pass on the distance data to the controller 5.
In the controller 5 can then be compared whether the distance image is plausible. For this purpose, the distance data must differ, at least within narrow tolerances, precisely by the distortion introduced by the modification device 6, from a reference image recorded or stored statically shortly before or after the test. As test data also data from processed images can be used, for example detected objects, background areas or the like, which are not necessarily compared only at the level of single pixels. Receiving units that are not exactly the expected deviation, must first be considered defective and be tested in more detail.
The scene is thus dynamized according to the third embodiment by means of a manipulation such that a previously defined and thus correctable artificial measurement error is generated.
Since the function test according to the third embodiment is based on the reflected light, it is less suitable for a mobile monitoring device 1 on, for example, a mobile robot or vehicle: it must be ensured that enough light is reflected from the background scene at all. But can be dispensed with the additional lighting 7, and it is also tested the entire signal path and not, as in the other two embodiments, only the internal.
The stated tests can be used in any distance measuring sensor with one-, two- and three-dimensional monitoring range. As an additional function test, test cycles can be inserted for a dark test that does not dazzle or change the light from the scene. On the basis of the dark noise, at least certain pixel errors such as a "burn-in" (stuck at low / stuck at high) can be found. With the temperature characteristic given above, the expected noise level at the measured temperature can be determined and compared with the actual noise level. This test is redundant in some aspects, but at least fairly well reveals at least gross malfunctions.
[0063] Reference numerals
<Tb> 1 <Sep> monitoring device
<Tb> 2 <Sep> Light Source
<Tb> 3 <Sep> imaging optics
<Tb> 4 <sep> Image sensor with receiving elements
<Tb> 5 <Sep> Control
<Tb> 6 <Sep> modifier
<Tb> 7 <Sep> Additional lighting
<Tb> 8 <sep> optical path (of imaging optics)
<Tb> 8 <sep> optical path (from beam splitter)
<Tb> 9 <sep> optical path (to the scenery)
<Tb> 9 <sep> optical path (of scenery)