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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Lichtlaufzeitmessung, insbesondere
für Kameras.
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Stand der Technik
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In
vielen Anwendungsbereichen muss die Entfernung eines Bezugsobjektes
zu anderen Objekten bestimmt werden. Ein derartiger Einsatzbereich sind
vor allem Kamerasysteme, z. B. auch im Fahrzeugbereich oder im Bereich
der Robotik.
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Hierbei
ergibt sich nach dem Stand der Technik folgende Problematik: Legt
man an eine Leuchtdiode eine gepulste Spannung an, so leuchtet sie
im Rhythmus dieser angelegten Spannung. Ein reflektierender Gegenstand
kann die abgestrahlte Lichtleistung zu einer Photodiode vorzugsweise
in der Nähe
der sendenden LED reflektieren. Das zurückgeworfene Signal ist in seiner
Größe abhängig von der
Sendeleistung der LED, dem Reflexionsgrad des Gegenstandes und dem
Abstand des Gegenstandes von der sendenden LED. Bei einem Abstand
eines reflektierenden Gegenstandes z. B. einer Hand, von z. B. einem
Meter, der Verwendung einer handelsüblichen LED mit z. B. 100 mA
Pulsstrom, einem Öffnungswinkel
von z. B. 15° und
einer handelsüblichen Low-Cost
Photodiode, z. B. BPW 34 von Osram, ergibt sich ein durch die Reflexion
an der Hand hervorgerufener Photostrom von z. B. einigen μA in der Photodiode.
Dieser Photostrom verändert
sich natürlich
mit dem Abstand des reflektierenden Gegenstandes, sodass er bei
Entfernungen von größer einem Meter
möglicherweise
nur noch einige pA in der Photodiode beträgt. Um die Entfernung des reflektierenden
Gegenstandes zu messen, bietet sich zwar eine Laufzeitmessung zwischen
gesendetem und empfangenem Signal an, jedoch ist es bei den oben
genannten sehr kleinen Empfangsströmen in der Photodiode sehr
schwierig, den genauen Eintreffpunkt zu ermitteln.
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Erschwerend
kommt hinzu, dass das eintreffende Signal in der Photodiode bzw.
den angeschlossenen Verstärkern
nicht die Flankensteilheit erzeugt, mit der es ausgesandt wurde.
Die Photodiode wirkt als Tiefpass, insbesondere wenn sie zur Erhöhung der
Empfindlichkeit groß (große Empfangsfläche) gewählt wird.
Die Lichtlaufzeit liegt bei etwa 15 cm Abstand bei etwa 1 ns. Aufgrund
des Tiefpassverhaltens von oben genannter Photodiode und Vorverstärker kann
die Anstiegszeit des Empfangssignals durchaus 10 μs betragen.
Auch die sendende LED hat eine merkliche Anstiegszeit, jedoch liegt
sie um Größenordnungen
unter dem Tiefpassverhalten von Low-Cost Photodioden. Sie liegt üblicherweise
im Bereich von 1–5
ns und wird in der weiteren Beschreibung nicht berücksichtigt.
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Das
Detektieren des genauen Eintreffzeitpunktes des Reflexionssignals
bereitet somit erhebliche Schwierigkeiten, und es beschäftigen sich
viele Patentanmeldungen eben mit der Verbesserung der Detektion
des genauen Eintreffzeitpunktes des Reflexionssignals.
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Allgemein
ist bekannt, dass sich größere Reflexionsabstände auf
diesem Wege leichter bestimmen lassen, z. B. einige 10 bis 100 m.
Weiterhin ist eine Messung ab ca. 3 m bis 250 m einfacher als eine Messung
im Nahfeld von 0–3
m, da hier mit ns-Genauigkeit-
gemessen werden muss, was wiederum Photodioden und Verstärker im
GHz-Bereich nötig macht.
Erschwerend kommt noch Fremdlicht, Temperatur und der jeweilige
Reflexionsgrad des zu messenden Objekts hinzu. Diese Parameter gehen
in der Regel stark in die Entfernungsmessung ein. Dabei werden aber
in der Praxis oft ganz erhebliche Sendeleistungen (z. B. Laser,
gepulst 10 W) eingesetzt.
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Hätte man
den Zeitpunkt des Empfangssignals genau bestimmt, tritt ein weiterer
ungewollter Effekt auf. Zusätzliches
Fremdlicht in der Photodiode verändert
etwas die Amplitude und die Anstiegszeit des Empfangssignals, sodass
auch die Entfernungsmessung durch Fremdlicht beeinflusst werden
kann.
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Eine
Möglichkeit
zur Entfernungsmessung ist die Messung der Lichtlaufzeit zwischen
einem Lichtstrahlung aussendenden Sender, einem diese Lichtstrahlung
reflektie renden Objekt und einem Empfänger. Aufgrund der hohen Lichtgeschwindigkeit
und der gewünschten
Genauigkeit der Messung wird heutzutage mit extrem schnellen Verstärkern und
bewusst klein gewählten
Photodioden gearbeitet, die mit einer hohen Frequenz von z. B. 100
MHz betrieben werden können.
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Aus
der
DE 100 22 054
A1 ist ein optischer Distanzsensor bekannt, bei dem die
Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangslichtstrahlen zur
Entfernungsmessung herangezogen wird. Dazu wird das Empfangssignal
zusammen mit der Spannung eines Oszillators einen Synchrongleichrichter
zugeführt.
Es wird also ein aus der Lichtstrecke stammendes Signal mit einem
rein elektrisch übermittelten
Signal gemischt. Das am Ausgang des Synchrongleichrichters anstehende
Ausgangssignal wird durch Ansteuerung eines Verzögerungsglieds so lange bis
zu einem Vorzeichenwechsel geregelt, bis der Mittelwert am Ausgang
etwa Null wird, wobei der Wert Null nicht erreichbar ist. Bauteilbedingte Verzögerungen,
Alterungs- und Temperatureinflüsse werden
gesondert referenziert und kompensiert. Selbst bei Verwendung einer
Referenzlichtstrecke erfolgt die Regelung elektrisch durch Beeinflussung des
Verzögerungsglieds.
Einem klassischen Synchrongleichrichter wird das Photodiodensignal
und das rein elektrisch übertragene
Signal um 90° bzw. 270° versetzt
zur Phasendetektion zugeführt.
Dazu müssen
die Signale vor dem Synchrongleichrichter ungleich Null sein, damit
der Mittelwert etwa zu Null werden kann. Anschließend wird
das Ausgangssignal des Synchrongleichrichters durch Ansteuerung des
Verzögerungsglieds
bis zu einem Vorzeichenwechsel minimiert, damit der Mittelwert eines
vorgegebenen Signals am Ausgang etwa Null wird, mit dem Ziel die
jeweiligen Signalabschnitte gleich lang zu halten
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Aus
der
WO 01/90778 A1 ist
ferner ein Verfahren zur Entfernungsmessung durch Laufzeitmessung
bekannt, wobei das Sendesignal und das am Empfänger anliegende Empfangssignal
mit dem selben Takt angesteuert werden. Die so ermittelten Ansteuersignale
werden mittels eines Phasenschiebers so verschoben, dass die Entfernungsabweichung zwischen
der durch die Laufzeitmessung bestimmten Entfernung zum Zielobjekt
und der tatsächlichen
Entfernung minimal wird. Ziel ist die Abtastpunkte mit der Laufzeit
bei hohen Frequenzen zu optimieren.
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Aus
der
EP 706 648 B1 ist
es bekannt, Lichtsignale unter Kompensation äußerer Einflüsse wie Fremdlicht-, Temperatur-
oder Alterungseinflüsse zwischen
Lichtsendern und Lichtempfänger
zu erfassen. Die Lichtsender werden über einen Taktgenerator zeitabschnittsweise
und wechselweise betrieben. Das in der Amplitude wenigstens einer
Lichtstrecke geregelte Licht wirkt gegebenenfalls mit dem Licht
eines weiteren Lichtsender wie z. B. einer Kompensationslichtquelle
so auf den Lichtempfänger
ein, dass ein Empfangssignal ohne taktsynchrone Signalanteile entsteht.
Das Empfangssignal des Lichtempfängers
wird einem Synchrondemodulator zugeführt, der das Empfangssignal
wiederum in die den beiden Lichtquellen entsprechende Signalkomponenten
zerlegt. Diese werden in einem Vergleicher miteinander verglichen,
wobei ohne Fremdlichtanteile ein einem Nullzustand entsprechendes
Signal entsteht. Liegt am Ausgang des Vergleichers kein diesem Nullzustand
entsprechendes Signal an, wird die Strahlungsleistung, die den Lichtquellen
zugeführt
wird, dahingehend geregelt, bis dieser Zustand erreicht ist.
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Aus
der
DE 103 22 552
A1 ist es bekannt, die an einem Objekt reflektierte Lichtstrahlung
sowie die Lichtstrahlung aus einer zweiten Lichtstrecke, die von
einem weiteren Sender oder einer Kompensationslichtquelle stammt,
parallel oder winkelgleich dem Empfänger zuzuleiten. Wird nämlich Licht
von einer Lichtquelle einerseits von vorne in die Photodiode eingestrahlt
und von einer weiteren Lichtquelle seitlich ein gekoppelt, so nimmt
die Anstiegszeit bei einem Pulsstrom im Lichtsignal bei seitlicher
Einkopplung deutlich zu. Damit hat Fremdlicht bei seitlicher Einkopplung
einen wesentlich größeren Einfluss.
Der bei vollständiger
Kompensation entstehende dimensionslose Punkt auf der Lichtintensitäts-Photostromkennlinie
wird damit wieder zu einer Fremdlichteinflüssen unterliegenden Strecke
auf der Kennlinie der Photodiode. Optimal ist daher ein gleicher
Einfallswinkel für
das Empfangs- und das Kompensationssignal.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die
Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Lichtlaufzeitmessung zu schaffen,
das insbesondere bei Kameras auch mit günstigeren Bauelementen und
niederfrequenteren Verstärkern
arbeiten kann.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches
1 gelöst.
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Dem
Empfänger
werden getaktet Signale von wenigstens zwei Sendern zugeleitet,
die Lichtquellen oder Kompensationslichtquellen in Form von LEDs
sein können.
Die Signale werden einerseits dahingehend miteinander verglichen,
um Einflüsse
wie Reflexion, Fremdlicht, Temperatur und Alterung zu kompensieren.
Gleichzeitig werden die bei Taktwechsel auftretenden Taktwechselsignale
erfasst und aus diesen ein Differenzwert bestimmt, der mittels eines Phasenschiebers
minimiert wird. Aus der Stellung des Phasenschiebers kann die Lichtlaufzeit
und damit die Entfernung zwischen Sender und Objekt bzw. Empfänger bestimmt
werden. Die Kompensation ermöglicht
einerseits eine hohe Verstärkung
des Empfangssignals, so dass der Sprung beim Taktwechsel, der aus
der Lichtlaufzeit stammt, auch mit einfachen Mitteln erkannt werden
kann. Dieser Sprung kann über
einen Synchrondemodulator erfasst und zur Ansteuerung des Phasenschiebers
verwendet werden. Dieses Taktwechselsignal ist von der Amplitude
her abhängig
von der Reflexion, da es jedoch lediglich um die Minimierung des
Differenzwertes geht, lässt sich
dieses Signal zur Ansteuerung des Phasenschiebers verwenden. Aufgrund
des Taktes ist der Zeitpunkt des Auftretens des Taktwechselsignals
bekannt, so dass der dort auftretende Puls zu erfassen ist. Aus
dem selben Grund kann mit einem geringen Takt z. B. von 50 bis 200
KHz gearbeitet werden, so dass auch größere Photodioden mit großer elektrischer
Kapazität
eingesetzt werden können.
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Damit
last sich eine Kamera mit 3D-Fähigkeit aufbauen.
Die ermittelten Signale können
dabei so ausgewertet werden, dass gleichzeitig oder nahezu gleichzeitig
die Entfernungsmessung erfolgt und zudem die anstehenden Lichtsignale
auch als Bildinformation vorliegen. Werden damit die Pixel einer
Kamera angesteuert, ergeben sich aufgrund der genauen Entfernungsmessung
sehr günstige
und exakt arbeitende Bilderfassungsmittel.
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Durch
die beiden geschlossenen Regelkreise einer Amplitudenregelung einerseits
und einer Laufzeitregelung andererseits zu jeweils einem „0-taktsynchronen" Anteil werden folgende
Vorteile insbesondere auch für
den Einsatz an Kameras erreicht:
- – sehr hohe
Empfindlichkeit
- – sehr
gute Laufzeitmessung auch im Nahbereich (bis „0"-Abstand)
- – keine
Fremdlichtempfindlichkeit
- – keine
Temperatureinflüsse
auf Laufzeitdetektion
- – Verwendung
von Low-Frequency Bauelementen (C-Mos Technologie ist ausreichend)
- – Verwendung
von großflächigen Low-Cost
Photodioden
- – Verwendung
von LEDs als Sender (geringe Sendeleistung)
- – Unkritisch
bei Änderungen
der Vorverstärkerparameter
- – kein
Einfluss der Reflexionseigenschaften des reflektierenden Körpers auf
die Entfernungsmessung
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Vorteilhafterweise
wird die Phasenverschiebung zwischen dem ersten Lichtsignal über die
Lichtstrecke und dem zweiten Lichtsignal vom weiteren Sender oder
Kompensationselement mittels eines Regelkreises geregelt, in dem
der Differenzwert der Taktwechselsignale als Steuersignal eingeht,
der durch die Regelung minimal werden soll.
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Es
ist von Vorteil, wenn das Licht aus der Lichtstrecke und aus dem
weiteren Lichtweg möglichst
winkelgleich beim Empfänger
eintreffen. Hierzu können
Umlenkmittel vorgesehen sein.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den
weiteren Ansprüchen.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
schematisches Schaltbild einer erfindungsgemäßen Schaltung zur Lichtlaufzeitmessung,
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2 das
am Empfänger
der 1 anstehende, aus Vereinfachungsgründen gestaucht
dargestellte Empfangssignal mit der zugehörigen Aufteilung in verschiedene
Bereiche,
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3 das
Signal gemäß 2 oben
nach Einsatz des Phasenschiebers,
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4 den
Lichtverlauf am Empfänger
aus der Messstrecke ohne und mit Lichtstrecke,
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5 zeigt
das resultierende Lichtsignal zur Photodiode,
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6 beispielhaft
einen Puls aus 5,
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7 den
Puls von 6 nach Durchlaufen von Photodiode
und Verstärker,
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8 ein
zugehöriges
Kamerasystem.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
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Wenn
in der Be schreibung die Einzahl oder unbestimmte Artikel verwendet
werden, bezieht sich dies auch auf die Mehrzahl dieser Elemente,
solange nicht der Gesamtzusammenhang eindeutig etwas anderes deutlich
macht.
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Die
Erfindung ermöglicht
eine Entfernungsmessung, die frei von Fremdlichtproblemen unabhängig vom
Grad der Reflexion mit großflächigen Low-Cost
Photodioden und Verstärkern
geringer Bandbreite eine exakte Laufzeitmessung des Lichtes. Des
weiteren ist eine Laufzeitmessung im Nahbereich ab Sensoroberfläche bis
hin zu größeren Entfernungen
ohne Umschalten des Messbereichs möglich. Der bevorzugte Einsatzzweck
sind Kameras, wenngleich die Erfindung im Folgenden nur unter Bezug
auf ein Pixel erläutert
wird.
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Die
Erfindung geht von nachfolgender Überlegung aus: Eine LED (oder
Laser) mit z. B. 100 KHz und einem Puls-Pause-Verhältnis von
50% sendet Pulse aus, die in ca. 15 cm Entfernung von einem reflektierenden
Gegenstand zurückgeworfen
werden. In der theoretischen Betrachtung erscheint der Puls somit
um ca. 1 ns zeitversetzt zum Sendeimpuls. Zunächst wird die Zeitdifferenz,
also das verspätete
Ankommen des Sendeimpulses von der eigentlichen Pulsinformation
abgetrennt. Dazu wird in der Pulspause des Sendeimpulses eine zweite
LED aktiviert, die ihre Lichtleistung ohne den Umweg der Reflexionsstrecke
direkt auf die Photodiode sendet. Kommen an der Photodiode gemäß 4 beide
Lichtleistungen S1, S2 mit gleicher Amplitude an (die natürlich über eine
Amplitudenregelung der LEDs gleich groß gehalten werden kann) erscheint
an der Photodiode ein im Wesentlichen Gleichlichtsignal bestehend
aus Licht der beiden LEDs alternierend und einem möglichen
Fremdlichtanteil. Dieses Gleichlicht erzeugt also einen im Wesentlichen
nicht taktsynchron modulierten Gleichstrom in der Photodiode.
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Bei
genauerer Betrachtung aber ist dem Gleichstrom an dem Übergang
der Sendepulse der beiden LEDs eine Laufzeitdifferenz von 1 ns aufgeprägt. In einer
Phase entsteht eine Lücke
im „Gleichlicht" der abwechselnden
LEDs dort, wo die in der Nähe
des Empfängers
befindliche LED schon abgeschaltet hat, aber das Licht der zweiten
LED noch erst die 15 cm zum reflektierenden Gegenstand und zurück zurücklegen
muss. In der zweiten Phase wird die LED in Nähe der Photodiode schon Licht
senden, während
von der zweiten, im richtigen Zeitpunkt zwar abgeschalteten LED
immer noch Licht unterwegs zur Photodiode ist. Schematisch ist dies
in 5 dargestellt. Es ergibt sich ein sehr kurzer
Peak im Empfangssignal mit phasensynchroner abwechselnder Polarität. Diese
Zeitdifferenz ist für
die empfangende Photodiode extrem klein, sodass sie bei einem Tiefpassverhalten
von z. B. 200 KHz (groβflächige Photodiode
z. B. BPW 34) nur als extrem geringer Stromänderungswert auftritt.
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Hierauf
wird das Energieerhaltungsgesetz angewandt: Nehmen wir an, nur die
nach außen
zum reflektierenden Gegenstand gerichtete LED würde getaktet senden und die
zur Photodiode gerichtete LED wäre
aus, so empfängt
die Photodiode ein Wechsellicht, das als Spannung dargestellt z.
B. eine Wechselspannung von 10 mV an einem Ausgang eines beliebigen
der Photodiode nachgeschalteten Wechselspannungsverstärkers ergibt.
Könnten
wir von einer idealen Photodiode und einem idealen Verstärker mit
idealem Anstiegszeitverhalten ausgehen, würden wir bei einer sendenden
LED weiterhin von einem 10 mV Ausgangssignal mit 50% Zyklus ausgehen.
Schaltet man die zweite LED hinzu, ergeben sich wegen der Laufzeit
eines Signals Pulse von 1 ns taktsynchron abwechselnd in positiver
und negativer Richtung (5). Diese Pulse sind dann im
beschriebenem Fall die einzige Information im verstärkten Signal
und repräsentieren
die Laufzeitinformation. In der Praxis wird jedoch das „Tiefpassverhalten" von Photodiode und
Verstärker
diesen extrem kurzen Impuls „verschlucken".
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Hier
kommt der Vorteil des amplitudenmäßig ausgeregelten Systems gemäß der Erfindung
zum tragen: Da nur die kurzen Pulse als Wechselinformation an der
Photodiode anliegen, kann das Photodiodensignal fast beliebig verstärkt werden
z. B. mit einer Verstärkung
von zehntausend. Der theoretische Lichtimpuls von 1 ns Länge und
im Idealfall von 10 mV an einem idealen Verstärkerausgang ruft zwar in der
Praxis nur einen stark verschliffenen Spannungshub von 10 μV hervor
(schematisch 6), der aber nun nach einer
Verstärkung
von zehntausend ein Signal von 100 mV mit einer Länge t1 von
z. B. 5 μs
ergibt (7). Dabei werden an den Verstärker keine besonderen
Ansprüche
gestellt, 200 KHz Bandbreite reicht für eine entsprechende Verstärkung aus.
Das Signal erscheint nach dem Umschalten von einer LED zur zweiten
nach dem Umschaltzeitpunkt in alternierenden Richtungen (positiv-negativ).
Durch einen Synchrongleichrichter kann das Empfangssignal zu diesem
Zeitpunkt auf synchrone Signalanteile untersucht werden. Durch einfache
Integration der synchron demodulierten Signalanteile können auch
in einem stark verrauschten Signal, wie es z. B. durch Photonenrauschen
bei direkter Sonneneinstrahlung in die Photodiode auftritt, noch
einwandfrei durch Laufzeitunterschiede entstandene Signalanteile
detektiert werden.
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Da
das Auftreten dieser taktsynchronen Signalanteile auf einen Laufzeitunterschied
zwischen den beiden LEDs hinweist und dazu auch eine klare Zuordnung
zu den LEDs zulässt,
kann mit dieser Information ein Regelkreis gemäß 1 (s. u.)
derart geschlossen werden, dass das Signal der direkt in die Photodiode
einstrahlenden LED mit bekannten Mitteln (regelbare Laufzeit z.
B. mittels einstellbarem Allpass oder digital einstellbarer Phasenverschiebung)
um den gleichen Betrag verschoben werden, wie das an einem Gegenstand
reflektierte Licht. Die nötige
Verschiebung des elektrischen Ansteuerimpulses am Phasenschieber 17 (1)
für die
direkt einstrahlende LED 12 ist dann ein direktes Maß für die Lichtlaufzeit
und somit auch ein direktes Maß für die Entfernung
des reflektierenden Gegenstandes.
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Nach
der Synchrondemodulation der Laufzeit-abhängigen Signalanteile können die
beiden Signalanteile zur gegenseitigen Ausregelung auf „0" mittels Phasenverschiebung
der direkt einstrahlenden LED selbstverständlich z. B. in weiteren hochverstärkenden
Operationsverstärkern – ohne besondere Anforderung
an die Bandbreite – miteinander
verglichen werden. Liegt dann ein noch so kleiner Unterschied der
beiden taktsynchronen Signalanteile vor, wird dieser dann über die
Phasenregelung zu „0" ausgeregelt.
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Im
Ausführungsbeispiel
werden zwei unterschiedliche Regelkreise in
1 unten
gleichzeitig verwendet. Zum einen wird die Empfangsamplitude für beide
LED-Strecken durch
Amplitudenregelung mindestens einer der beiden LEDs an der Photodiode
auf gleichen Wert geregelt, wie dies aus der
EP 706 648 B1 bekannt. Da
nach dem Umschalten von einer LED auf die zweite LED der Phasenunterschied als
Amplitudeninformation stark in die Länge gezogen ist, sollte erst
zu einem Zeitpunkt das Signal auf taktsynchrone Amplitudenunterschiede
untersucht werden, wenn die Laufzeitinformation schon abgeklungen
ist. In der Praxis hat sich z. B. eine Taktfrequenz von ca. 100
KHz als tauglich erwiesen, wobei in einem ersten Teil einer Taktperiode
das Signal auf Laufzeitunterschiede, die ja dann als Amplitude im Signal
auftreten, vor der Ausregelung der Phase untersucht wird und im
zweiten Teil einer Taktperiode auf reine Amplitudenunterschiede.
Mit der Information aus der zweiten Hälfte einer Taktperiode wird dann
wenigstens eine der im Ausführungsbeispiel zwei
LEDs nur in der Amplitude beeinflusst.
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Selbstverständlich muss
nicht unbedingt die Phase der direkt in die Photodiode einstrahlenden LED
entsprechend der Lichtlaufzeit der anderen, die Reflexion verursachenden
LED angepasst werden, bei entsprechender Beschaltung kann auch die
die Reflexion verursachende LED beeinflusst werden.
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Durch
diese beiden geschlossenen Regelkreise
- – Amplitudenregelung
- – Laufzeitregelung
zu
jeweils einem „0-taktsynchronen" Anteil werden die
Eingangs genannten Vorteile erreicht.
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Bei
Verwendung einer Kamera mit einzeln adressierbarem Pixel (C-MOS)
lässt sich
selbstverständlich
für jedes
Pixel die Entfernung zum reflektierenden Gegenstand ermitteln. In
der Anwendung in einer Kamera bietet das beschriebene System noch den
Vorteil, dass die Informationen für Entfernung, Reflexion und
Bildinhalt getrennt anstehen. Da die Entfernungsmessung an dem jeweiligen
Pixel ein „0-Signal" ausregelt, stört die eigentliche
Messung nicht die Bildinformation, die ja auf eine externe Lichtquelle
(natürliches
Tageslicht, Sonne) zurückgreift.
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Unter
Bezug auf 1 wird bei der erfindungsgemäßen Anordnung
Licht dem Empfänger 13 über eine
zweite Lichtstrecke 20 zugeleitet und ist zudem eine Amplitudenkompensation
vorgesehen. Das Verfahren dient zur Lichtlaufzeitmessung, insbesondere
für Kameras 10 (8).
Zunächst
wird eine Lichtstrahlung von einer Taktsteuerung z. B. mit 200 KHz
moduliert über
den Sender 12 in eine Lichtstrecke 14 eingestrahlt.
Das Licht gelangt vom Sender 12 zum Objekt O und wird dort
rückgestrahlt
zum Empfänger 13.
Mit dem selben Takt, jedoch durch den Invertierer 22 invertiert,
wird Licht auch von einem weiteren Sender 21 oder einer
zeichnerisch nicht dargestellten Kompensationslichtquelle in den
Empfänger 13 eingestrahlt.
Damit liegt am Empfänger
im Wechsel des Takts der Taktsteuerung das Signal S13 aus den beiden
Lichtstrecken an. Das weitere Signal, das von dem weiteren Sender 21 stammt
ist damit ein ebenfalls von der Taktsteuerung 11 getaktetes
Lichtsignal, das vorzugsweise parallel zum ersten Lichtsignal dem
Empfänger
zugeleitet wird. Bei diesem Signal hat jedoch das Licht fast keine
Strecke oder eine eine hinsichtlich ihrer Entfernung bekannte Strecke zurückgelegt.
Dieses Signal wird im Verstärker 23 verstärkt und
dann zwei ähnlich
aufgebauten Synchrondemodulatoren D1, D2 zugeleitet, die in 1 unten
dargestellt sind.
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Bevor
auf diese Schaltungen näher
eingegangen wird, zeigt 2 oben das Signal, wie es nach
dem Verstärker 23 ansteht.
Das dargestellte Signal zeigt einen Signalverlauf, wie er bei einer
Lichtlaufzeit über
z. B. 15 cm Reflexionsabstand ohne eine Anpassung der Signalphase
mindestens einer der beiden LEDs vorliegt. Das Auftreten der taktsynchronen
Signalanteile kann mit einer entsprechenden Torschaltung erfasst
und den entsprechenden LEDs zugeordnet werden. Dabei ist zwischen
Amplitudenunterschieden im gesamten Taktbereich und Signalamplituden
unmittelbar nach dem Umschalten des Takes zu unterscheiden. Dazu
wird ein Taktzyklus in 4 Abschnitte A/B/C/D in 2 unterteilt.
Die Abschnitte B + D repräsentieren
Amplitudenwerte, die im ausgeregelten Zustand ohne taktsynchrone Amplitudenunterschiede,
also d. h. von Takt zu Takt gleich sind. Der ausgeregelte Zustand
der Abschnitte B + D bezieht sich auf die Amplitudenregelung mindestens
einer der beiden LEDs. Im ausgeregelten Zustand der Amplituden in
den Taktabschnitten B + D auf gleiche Werte steht bei gleicher Lichtlaufzeit
von beiden LEDs zur Photodiode ein Signal ohne taktsynchrone Signalanteile
an. Nur bei einem Laufzeitunterschied zwischen LED-Strecke 20 und 14 erscheint ein
taktsynchroner Signalanteil.
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In 1 werden
die Synchrondemodulatoren D1 und D2 so ausgesteuert, dass Synchrondemodulator
D1 den taktsynchronen Amplitudenunterschied im empfangenen Signal
S13 über
die Amplitudenregeleinheit 18 zu „0" ausregelt, während Synchron demodulator D2
den Laufzeitunterschied zwischen den Lichtstrecken detektiert und über den
Phasenschieber 17 zu „0" ausregelt. Bei nicht
ausgeregelter Lichtlaufzeit steht in den Taktabschnitten A + C ein
taktsynchroner Signalanteil mit von Phase zu Phase wechselnder Polarität an, der
am Ausgang des Synchrondemodulators D2 zu einem Regelsignal S16
führt,
das wiederum den Phasenschieber 17 so ansteuert, dass am
Ausgang des Verstärkers 23 ein „0"-Signal ohne taktsynchrone
Signalanteile anliegt.
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Dazu
wird in dem dargestellten Synchrondemodulator D1 das Empfangssignal
S13 wieder in die beiden Lichtstrecken
14 sowie
20 zerlegt.
Diese Signale werden über
ein Laufzeitglied dem Vergleicher
15 zugeleitet, an dessen
Ausgang ein Signal für
einen Nullzustand des Signals S13 ansteht. Steht dort ein anderes
Signal an, so wird über
das Signal S15 der Leistungsregler
18 angesteuert, der
die Strahlungsleistung des Senders
12 in der Amplitude
so nachregelt, dass das Signal S15 zu einem Nullsignal wird, d.
h. keine taktsynchrone Anteile enthält und somit keine weitere
Nachregelung erforderlich ist. In diesem Zustand sind die taktsynchronen
Wechselanteile eliminiert, d. h. Einflüsse, die z. B. von Reflexionseigenschaften,
Fremdlicht oder Temperaturänderungen
herrühren,
haben keinen Einfluss auf die Lichtlaufzeitmessung. In der Zeichnung
wird die Strahlungsleistung des Senders
12 nachgeregelt,
es versteht sich jedoch von selbst, dass diese Regelung, wie auch
aus der
EP 706 648 B1 bekannt
ebenso auf den weiteren Sender oder auf beide oder im Fall mehrerer
Sender auf mehrere Sender einwirken kann. Dasselbe gilt für den Fall
einer Kompensationslichtquelle, die unmittelbar dem Empfänger
13 zugeordnet
ist.
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In 1 unten
werden die beiden oberen Schalter durch die Torschaltung entsprechend
den Bereichen A und C gemäß 2 oben
angesteuert. Damit wird taktweise das beim Taktwechsel auftretende,
der Lichtlaufzeit in der Lichtstrecke entsprechende erste und weitere
Lichtsignal erfasst. Die Größen der
Signale sind in ihrer Amplitude zwar von der Reflexion abhängig, da
es jedoch um die Bestimmung des taktsynchronen Differenzwertes zwischen diesen
beiden Signalen geht, spielt dies keine Rolle. Die beiden Signale
werden in einem weiteren Vergleicher 16 verglichen. Der
Differenzwert wird zur Ansteuerung eines Phasenschiebers 17 verwendet,
wobei eine Veränderung
der Stellung des Phasenschiebers so lange vorgenommen wird, bis
der Differenzwert minimal bzw. zu „0" wird. Aus dieser Stellung des Phasenschiebers
kann die Lichtlaufzeit bestimmt werden und damit die Entfernung.
Durch die Veränderung
des Phasenschiebers verschwinden die Peaks des Taktwechselsignals
TW gemäß 3 im Rauschen.
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Der
Phaseschieber 17 kann eine analog anleitende Schaltung
sein, aber auch eine digitale Signalverzögerung. Dabei kann z. B. ein
hochfrequenter Takt so ausgezählt
werden, dass z. B. der Takt in 1 ns-Schritte versetzt werden kann.
Dazu wird das Signal S16 mit einem A/D Wandler abgetestet und das Ergebnis
in einer entsprechenden Phasenschiebung umgewandelt.
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Die
vorgestellte Erfindung bezieht sich auf die Darstellung eines Pixels.
Es können
natürlich auch
in einem Array mehrere bzw. viele Pixel angeordnet sein, die mit
einer Optik z. B. einen Betrachtungsbereich abbilden. In diesem
Fall wird z. B. sequentiell für
jedes Pixel einzeln der Abstand bestimmt.
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In
der Praxis stellt sich heraus, dass unterschiedliche Einstrahlwinkel
des reflektierten Signals und der direkt einstrahlenden LED zu einer
Verfälschung
des Messergebnisses führen.
Aus der
DE 103 22
552 A1 sind Mittel bekannt, um zwei unterschiedliche Lichtwege
mit nahezu gleichem Winkel auf die Photodiode auftreffen zu lassen.
Das vom weiteren Sender
21 stammende Lichtsignal wird daher über translucente
oder transparente Umlenkmittel
20 umgelenkt, bis es etwa
parallel oder winkelgleich zu dem aus der Lichtstrecke
14 stammenden Licht
am Empfänger
eintritt. Vorzugsweise wird das weitere Lichtsignal zumindest teilweise
in den Empfänger
13 umgelenkt,
während
das aus der Lichtstrecke
14 stammende erste Lichtsignal
im Wesentlichen unverändert
am Empfänger
eintrifft.
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Die
Taktsteuerung arbeitet vorzugsweise mit einem Takt zwischen 50 bis
200 KHz. Diese Taktzahlen sind deutlich geringer als die bisher
im Stand der Technik bei der Lichtlaufzeitmessung bisher eingesetzten
Takte. Damit können
größere und
günstigere Photodioden
verwendet werden. Zudem kann mit niederfrequenten Verstärkern gearbeitet
werden.
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Da
lediglich für
einen kurzen Moment je Takt das Taktwechselsignal betrachtet wird
und im Übrigen
das Signal S13 über
die gesamte Zeit ansteht und zur Amplitudenkompensation verwendet
wird, kann dieses Signal und vor allem die darin enthaltene Bildinformation
insbesondere für
die Pixel einer Kamera gemäß 6 eingesetzt
werden. Die Kamera nimmt dabei Element für Element und Pixel für Pixel die
Bildinformation auf, wobei die Bildinformationen jeweils nacheinander
in bekannter Weise den einzelnen Pixeln zugeleitet werden. Damit
ist einerseits für jeden
Pixel die Entfernung bekannt, andererseits liegt gleichzeitig die
Bildinformation konstant vor. Die Kamera kann also zunächst grob
ausregeln und dann eine exakte Entfernungsmessung bei der nächsten Runde
vornehmen. Derartige Kameras können
für viele
Zwecke verwendet werden. Denkbar sind Einsätze in der Robotik oder im
Automotivebereich.
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Als
Sendeelement kann eine herkömmliche LED,
als Photodiode kann eine großflächige Low-Cost
Photodiode, z. B. BPW 34 von Osram verwendet werden. Die Photodiode
sollte keine allzu große
elektrische Kapazität
besitzen, um geringe Phasenverschiebungen noch ausreichend genau
zu detektieren. Der Photodiodenverstärker kann in C-Mos-Technologie
aufgebaut sein und z. B. eine Bandbreite von nur 200 KHz haben.
Die Parameter des Verstärkers
gehen kaum in die Messgenauigkeit ein, so dass hier nur geringe
Ansprüche
gestellt werden. Sieht man von einer in der Erfindung nicht näher beschriebenen
digital realisierbaren Phasenverschiebung (Hohe Clock-Frequenzen)
des Referenzsignals nach dem Stand der Technik ab, kann das System
mit einem Systemtakt von nur 50 bis 200 KHZ betrieben werden. Bei
Vermeidung hoher Taktfrequenzen ausschließlich zur Generierung einer
digitalen Phasenverschiebung kann selbstverständlich auf jede Art von Phasenverschiebung,
z. B. in analog integrierter Form, zurückgegriffen werden.
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Somit
ist dieses System geeignet, mit einfachen Mitteln nicht nur eine
einzelne Lichtlaufzeitmessstrecke zu realisieren, sondern auch aus
einer herkömmlichen
Kamera, vorzugsweise einer C-Mos Kamera ein 3-D fähiges System
zu machen. Dabei steht bei der beschriebenen Erfindung trotz der
Entfernungsmessung der im Beleuchtungsbereich der Sendequelle befindlichen
Objekte auch die herkömmliche
Bildinformation zeitgleich zur Verfügung.
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Nach
der vorliegenden Erfindung wird eine Lichtlaufzeitmessung möglich, die
mit einfachsten Mitteln, geringster Sendeleistung und vollständiger Fremdlicht-
und Temperaturunempfindlichkeit eine exakte Lichtlaufzeiterfassung
auch im sehr stark verrauschten Empfangssignal und dazu auch im
Nabereich ermöglicht.
Dabei werden grundsätzlich
Sender oder Kompensator (d. h. z. B. weiterer Sender) oder auch
beide in Phase oder Leistung geregelt.
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- Kamera
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- Taktsteuerung
- 12
- Sender
- 13
- Empfänger
- 14
- Lichtstrecke
- 15
- Vergleicher
- S15
- Signal
nach Vergleicher 15
- 16
- weiterer
Vergleicher
- S16
- Differenzwert
nach weiterem Vergleicher 16
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- Phasenschieber
- 18
- Leistungsregler
- 20
- weitere
Lichtstrecke
- 21
- Kompensationslichtquelle
- 22
- Invertierer
- 23
- Verstärker
- 24
- Pixel
- 25
- Umlenkmittel
- D1,
D2
- Synchrondemodulator
- O
- Objekt
- TW
- Taktwechselsignal