DE102006025020A1

DE102006025020A1 - Abstandsmeßsystem

Info

Publication number: DE102006025020A1
Application number: DE102006025020A
Authority: DE
Inventors: Holger Bette; Holger Kraft; Robert Dr. Lange
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2006-05-26
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2026-05-27
Also published as: DE102006025020B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine TOF-Beleuchtung (1, 1') mit einem Beleuchtungsmittel (3, 3'). Um ein TOF-System bereitzustellen, dessen Platzbedarf gegenüber den bekannten Systemen reduziert ist und das darüber hinaus geringe Fertigungskosten aufweist, wobei der Gesamtenergieverbrauch verringert ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die TOF-Beleuchtung (1, 1') mit einer Signal- und/oder Flächenbeleuchtung (104, 105, 106, 107) kombiniert ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Time-of-Flight- (TOF-) Beleuchtung mit einem Beleuchtungsmittel für ein (TOF-) Meßsystem.
Aus dem Stand der Technik sind Abstandsmeßsysteme bzw. Kamerasysteme zur dreidimensionalen Bilderfassung bekannt, welche mit Hilfe einer aktiven Beleuchtung arbeiten. Diese sogenannten Time-of-Flight- (TOF-) oder Laufzeitmeßsysteme verwenden eine amplitudenmodulierte oder gepulste Beleuchtung, nachfolgend als TOF-Beleuchtung bezeichnet, zur Ausleuchtung der zu erfassenden dreidimensionalen Szenerie. Da für solche Systeme immer eine zum Meßsystem gehörende aktive Beleuchtung erforderlich ist, werden diese Systeme auch als aktive 3D-Systeme bezeichnet.
Zur Erfassung des von der TOF-Beleuchtung ausgesendeten intensitätsmodulierten elektromagnetischen Signals wird ein TOF-Detektor verwendet, wobei das empfangene Signal mit einem Referenzsignal gemischt wird, welches phasenstarr an die Intensitätsmodulation der TOF- Beleuchtung gekoppelt ist. Auf diese Weise stellt der TOF-Detektor je nachdem, ob die Frequenz des Referenzsignals mit der Frequenz der Intensitätsmodulation übereinstimmt oder nicht, einen Homodyn- oder Heterodyn-Empfänger bereit. Die Amplitude des Mischsignals des TOF-Detektors hängt sowohl von der Intensität der auf den TOF-Detektor einfallenden elektromagnetischen Strahlung als auch von der Phasendifferenz zwischen dem intensitätsmodulierten elektromagnetischen Signal der TOF-Beleuchtung und dem Referenzsignal bzw. dem Laufzeitunterschied zwischen den Referenzpulsen und den elektromagnetischen Pulsen der TOF-Beleuchtung ab. Daher erhält man mit einem solchen TOF-System sowohl eine Intensitäts- als auch eine Phasen- bzw. Laufzeitinformation. So läßt sich mit einer matrixförmigen (Array) Anordnung von einzelnen TOF-Detektoren nicht nur ein zweidimensionales Bild erfassen, sondern gleichzeitig eine Abstands-, d.h. Tiefeninformation, gewinnen. Die TOF-Systeme aus dem Stand der Technik stellen daher dreidimensionale Kamerasysteme bereit.
Als TOF-Detektoren werden vorzugsweise integrierte Bauelemente, sogenannte Photomischdetektoren (PMD) verwendet, so wie sie in den deutschen Patentanmeldungen DE 196 35 932 und DE 197 04 496 als sogenannte „photogate photo mixing devices" (PG-PMD) für elektromagnetische Strahlung beschrieben werden. Alternativ zu den PG-PMD-Elementen können die Mischdetektorelemente beispielsweise als auch MSM-PMD-Elemente (MSM: Metall-Halbleiter-Metall, von englisch: metal-semiconductor-metal) ausgestaltet sein, so wie sie in der WO 02/33922 A2 offenbart sind.
Da die aus dem Stand der Technik bekannten TOF-Systeme immer eine aktive TOF-Beleuchtung erfordern, müssen für den Einsatz in Alltagsanwendungen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, Motorrädern, Schiffen, Flugzeugen oder in Verteidigungseinrichtungen zusätzliche Bauräume zur Verfügung gestellt werden, um die TOF-Beleuchtungen unterzubringen. Die aus dem Stand der Technik bekannten Abstandsmeßsysteme für Kraftfahrzeuge, welche jedoch auf Ultraschallmessungen beruhen, sind daher in den Stoßstangen bzw. -fängern der Kraftfahrzeuge integriert.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein TOF-System bereit zu stellen, dessen Platzbedarf gegenüber den bekannten Systemen reduziert ist und das darüber hinaus geringe Fertigungskosten aufweist, wobei der Gesamtenergieverbrauch verringert ist. Weiterhin liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine bessere Wärmeableitung für das TOF-System bereitzustellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine TOF-Beleuchtung mit einem Beleuchtungsmittel bereitgestellt wird, welche mit einer Signal- und/oder Flächenbeleuchtung kombiniert ist.
Beispiele für in Kraftfahrzeugen verwendete TOF-Meßsysteme sind Abstandsmeßsysteme, z.B. für Rückfahrhilfe, Einparkhilfe, Fußgängerschutz oder als Kollisionswarner.
Betrachtet man ein Kraftfahrzeug, so sind an diesem bereits zahlreiche Signal- und Flächenbeleuchtungen vorhanden. Dazu gehören beispielsweise die Frontscheinwerfer, die Rückleuchten, die Fahrtrichtungsänderungsanzeiger (Blinker), die Innenraumbeleuchtung, Instrumentenbeleuchtungen oder die Infrarotbeleuchtung von Alarmanlagen.
Kombiniert man eine ohnehin vorhandene Flächen- oder Signalbeleuchtung mit einer aktiven TOF-Beleuchtung, so benötigen die Signal- und/oder Flächenbeleuchtung und die TOF-Beleuchtung zusammen nicht oder nur geringfügig mehr Platz als die ohnehin vorgesehenen Signal- und/oder Flächenbeleuchtungen, in jedem Fall jedoch weniger Platz als getrennte Beleuchtungssysteme.
Dabei ist eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei der die TOF-Beleuchtung und die Signal- und/oder Flächenbeleuchtung in einem gemeinsamen Beleuchtungsgehäuse, beispielsweise eines Scheinwerfers oder eines Rücklichts eines Kraftfahrzeugs angeordnet sind. So können das Beleuchtungsmittel einer TOF-Beleuchtung, vorzugsweise eine Leuchtdiode, und das Beleuchtungsmittel des Frontscheinwerfers, beispielsweise eine Xenon-Bogenlampe, im gleichen Scheinwerfergehäuse untergebracht sein, ohne daß das Scheinwerfergehäuse oder der Reflektor größer dimensioniert sein müssen.
Auch im Innenraum eines Kraftfahrzeugs lassen sich TOF-Meßsysteme vorteilhaft einsetzen, z.B. zur dreidimensionalen Erfassung der Position der Fahrzeuginsassen, um beispielsweise im Kollisionsfall dosiert und angepaßt Sicherheitsmaßnahmen wie das Aufblasen eines Airbags oder das Zurückziehen des Lenkrads einleiten zu können. Dabei muß beispielsweise der Druck, mit dem ein Airbag aufgeblasen wird, der Position des Kopfes eines Passagiers angepaßt werden, um die Verletzungsgefahr durch den Airbag zu reduzieren. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die TOF-Beleuchtung mit der Innenraumbeleuchtung kombiniert wird. Dazu kann insbesondere der für die Innenraumbeleuchtung vorhandene Bauraum auch zur Aufnahme des Beleuchtungsmittels einer TOF-Beleuchtung verwendet werden, wobei das Beleuchtungsmittel der TOF-Beleuchtung vorzugsweise elektromagnetische Strahlung im infraroten, für die Passagiere nicht sichtbaren Spektralbereich abstrahlt.
Auch andere Transportmittel, beispielsweise Flugzeuge oder Schiffe weisen Signal- und/oder Flächenbeleuchtungen auf, mit denen eine TOF-Beleuchtung kombiniert werden kann. So ist es problemlos möglich, in der Befeuerung eines Flugzeugs neben dem Beleuchtungsmittel für die Signalbeleuchtung das Beleuchtungsmittel einer TOF-Beleuchtung unterzubringen.
Auch die Kombination aus irgendeiner anderen Flächen- oder Signalbeleuchtung, beispielsweise einer Taschenlampe, einer Straßen- bzw. Objektbeleuchtung oder einer Raumbeleuchtung, mit einer TOF-Beleuchtung ist vorteilhaft.
Andere bevorzugten Ausführungsformen umfassen die Kombination aus einer Signalbeleuchtung in einer Verkehrssignalanlage, beispielsweise in einer Ampel, in einem Andreaskreuz, in selbstleuchtenden Verkehrsschildern oder in anderen Verkehrssicherungseinrichtungen für den Strassen-, Luft- oder Schiffsverkehr, und einer TOF-Beleuchtung.
Alternative Ausführungsformen umfassen Displays bzw. Anzeigenelemente, wie etwa in Fernsehern, Anzeigen von Werbetafeln oder Spielkonsolen, in welchen die Beleuchtungen der einzelnen Bildpunkte mit einer TOF-Beleuchtung kombiniert sind.
Besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die TOF-Beleuchtung und die Signal- und Flächenbeleuchtung getrennte Beleuchtungsmittel aufweisen. Auf diese Weise lassen sich die unterschiedlichen Anforderungen an die verschiedenen Beleuchtungsmittel einfach und kompromißlos realisieren.
Durch eine geeignete Wahl der von den Beleuchtungsmitteln emittierten elektromagnetischen Strahlung wird der Farbeindruck der insgesamt abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung zweckmäßigerweise eingestellt. Beispielsweise werden Xenon-Bogenlampen von Pkws häufig als zu grell empfunden. Wird dem bläulich erscheinenden Licht der Xenon-Bogenlampen ein roter oder kräftig infraroter Anteil beigemischt, so entsteht für das Auge ein angenehmerer Farbeindruck. Diese rötliche Beimischung wird dadurch erzielt, daß für die TOF-Beleuchtung im gleichen Gehäuse wie die Scheinwerferbeleuchtung eine infrarot emittierende Leuchtdiode der TOF-Beleuchtung vorgesehen ist. Diese Kombination hat darüber hinaus umgekehrt den Vorteil, daß in Vorwärtsrichtung eines Kraftfahrzeugs aus Sicherheitsgründen kein rotes Licht abgestrahlt werden darf. Rotes oder infrarotes Licht eignet sich jedoch aufgrund der Eigenschaften der TOF-Detektoren, insbesondere von PMD-Elementen besonders für die Verwendung in TOF-Systemen. Durch die Bemischung des grellweißen Lichts der Xenon-Bogenlampen entsteht jedoch ein Farbeindruck, in dem der rote Anteil verloren geht.
Durch die Kombination anderer Wellenlängen der von den Beleuchtungsmitteln emittierten Strahlung lassen sich andere beliebige Farbeindrücke erzielen. Auch können neben den Beleuchtungsmitteln der TOF-Beleuchtung sowie der Signal- und/oder Flächenbeleuchtung weitere Beleuchtungsmittel vorgesehen sein, um den gewünschten Farbeindruck zu erzielen. So können grüne oder blaue Wellenlängen mit roten Wellenlängen gemischt werden, um einen weißen Farbeindruck zu erreichen.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der die TOF-Beleuchtung und die Signal- und/oder Flächenbeleuchtung dasselbe Beleuchtungsmittel aufweisen. Auf diese Weise wird mit einem einzigen Beleuchtungsmittel sowohl eine Flächen- oder Signalbeleuchtung als auch eine aktive TOF-Beleuchtung bereitgestellt.
Dabei ist es zweckmäßig, wenn das für die Beleuchtungen verwendete Beleuchtungsmittel möglichst hochfrequent modulierbar ist. Auf diese Weise kann die aktive Beleuchtung einer Szenerie erreicht werden, während ein menschlicher Betrachter die Intensitätsmodulation mit dem Auge nicht wahrnehmen kann.
Ein Beispiel für eine Realisierung dieser Kombination aus TOF-Beleuchtung und Signalbeleuchtung sind die rote Rückleuchten eines Kraftfahrzeugs. Diese Rückleuchten werden heute bereits häufig mit Hilfe von roten Leuchtdioden realisiert. Diese lassen sich sehr hochfrequent modulieren und sind sowohl aufgrund dieser Eigenschaft als auch aufgrund der von Ihnen emittierten Wellenlängen besonders für die Verwendung in TOF-Systemen geeignet. Auch konventionelle Kraftfahrzeuglampen können in dieser Weise verwendet werden, wenn sie mit ausreichend hohen Modulationsfrequenzen betreibbar sind.
Bei Frontscheinwerfern für Kraftfahrzeuge wird entsprechend die Verwendung von weißen Leuchtdioden als Beleuchtungsmittel angestrebt, sobald diese industriell mit den erforderlichen Leuchtdichten verfügbar sind. Solche weißen Leuchtdioden basieren häufig auf der Kombination dreier Leuchtdioden in den Farben rot, grün und blau in einem einzigen Gehäuse, so daß durch die Mischung bzw. die Kombination der drei Wellenlängen ein weißer Farbeindruck des abgestrahlten Lichtes entsteht. Auch mit Hilfe von lediglich zwei Leuchtdioden in den Farben blau und gelb kann weißes Licht gemischt werden. Ein Vorteil dieser auf der Kombination von einzelnen Wellenlängen basierenden weißen Leuchtdioden ist, daß diese durch Modulieren der einzelnen zum weißen Farbeindruck beitragenden Dioden auch als TOF-Beleuchtungen verwendet werden können. Diese auf mehreren farbigen Leuchtdioden (z.B. Rot, Grün, Blau) basierenden Dioden lassen sich nur unter verhältnismäßig großem Aufwand modulieren, da die Ströme der drei einzelnen Emitter bzw. deren Verhältnis zueinander konstant zu halten ist, um den Farbeindruck der weißen emittierten Strahlung nicht zu verändern.
Andere weiße Leuchtdioden, welche vergleichsweise höhere Leuchtdichten bereitstellen, verwenden die elektromagnetische Strahlung einer primären Leuchtdiode, insbesondere einer blauen oder ultravioletten Leuchtdiode, die mit Hilfe von Phosphoreszenzfarbstoffen in ein breites, weißes Spektrum umgewandelt wird. Zwar lassen sich die primären Leuchtdioden, welche die Basisstrahler der weißen Leuchtdioden bilden, mit einer Frequenz von über 20 MHz modulieren bzw. es lassen sich Pulsdauern von weniger als 10 ns erreichen, jedoch geht diese hochfrequente Modulation durch den langsamen Umwandlungsprozeß in den phosphoreszierenden Stoffen, wie ZnSe, Ce:YAG oder Europium-dotierten Stoffen, verloren. Das Phosphoreszenz erzeugte Spektrum erlaubt lediglich optische Pulse mit 100 bis einigen Hundert Nanosekunden Länge bzw. eine harmonische Modulation der Intensität bis ca. 3 MHz. Die „Verlangsamung" tritt jedoch nur in den umgewandelten Spektralbe reichen des weißen emittierten Lichts auf. Ein Teil der abgestrahlten blauen oder ultravioletten elektromagnetischen Strahlung wird jedoch ohne Phosphoreszenz durch die Phosphorschicht hindurchgelassen. Etwa 20% der weißen, abgestrahlten Leistung einer weißen Leuchtdiode sind daher auch hinter dem phosphoreszierenden Stoff mit der gleichen hohen Frequenz moduliert wie die emittierende blaue oder ultraviolette Leuchtdiode. Dieser spektrale Signalanteil ist weiterhin in einem TOF-System nutzbar, jedoch bilden die langsamen, ggf. auf den TOF-Detektor einfallenden spektralen Anteile des weißen Lichts einen erheblichen, für die TOF-Messung nicht verwendbaren Hintergrundpegel. Dieser Strahlungshintergrund führt auf den TOF-Detektoren zur Sättigung und zu einem erhöhten Schrotrauschen.
Um diesen Nachteil der Verwendung von weißen Leuchtdioden oder allgemein Beleuchtungsmitteln mit Wellenlängenschiebern oder -wandlern in TOF-Systemen zu vermeiden, wird erfindungsgemäß ein TOF-Detektor zur Verfügung gestellt, welcher ein Filter aufweist, das nur den primären Wellenlängenbereich der Basisleuchtdiode der TOF-Beleuchtung durchläßt. Auf diese Weise gelangt nur der primäre, hochfrequent modulierte Wellenlängenbereich der TOF-Beleuchtung auf den TOF-Detektor.
In einem Kfz-Scheinwerfer mit 100 W Leistung entfallen somit ca. 1-2 W auf die hochfrequent modulierbare optische Leistung im primären blauen Spektralbereich. Diese ohnehin zur Verfügung gestellte Leistung müßte bei einer getrennten Realisierung des Beleuchtungsmittels des Scheinwerfers sowie des Beleuchtungsmittels der TOF-Beleuchtung gesondert durch eine TOF-Beleuchtung zur Verfügung gestellt werden.
Dieses Prinzip läßt sich auch auf andere Beleuchtungsmittel für TOF-Systeme anwenden, bei welchen die von einer primären Quelle emittierte Strahlung mit einem breiten, weißen Spektrum umgewandelt wird, wobei eine Verlangsamung der Modulation zumindest in Teilen der letztlich abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung auftritt. Ein Beispiel für eine weitere solche Lichtquelle ist ein diodengepumpter Laser, insbesondere ein Festkörperlaser, bei welchem sich die Pumplichtquelle hochfrequent modulieren läßt, wobei die hochfrequente Modulation in Teilen des Spektrums der emittierten Strahlung durch die Laserparameter wie Umlaufzeit oder Verstärkung eventuell verloren geht.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der TOF-Detektor ein Photomischdetektor (PMD) ist. In solchen PMD-Elementen findet der Mischprozeß zwischen der einfallenden intensitätsmodulierten Strahlung und dem Referenzsignal im Detektor selber statt. Dazu weisen die PMD-Elemente Ausleseelektroden auf, zwischen denen sich ein photoempfindliches Material, insbesondere ein Halbleitermaterial erstreckt. Zusätzlich können auf dem photoleitfähigen Material zwei oder mehrere Modulationsgates vorhanden sein.
Wird der photoempfindliche Teil des PMD-Elements mit intensitätsmodulierter elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich, beleuchtet, so werden Ladungsträger in Abhängigkeit von der momentan auf den Detektor einfallenden Intensität generiert. An die Modulationsgates (bei PG-PMD-Elementen) oder auch direkt an die Ausleseelektroden (bei MSM-PMD-Elementen) werden amplitudenmodulierte Strom- oder Spannungssignale als Referenzsignal angelegt, welche zueinander invertiert oder um 180° phasenverschoben sind. Die Ausgangssignale an den Ausleseelektroden der Mischerelemente sind von der Intensität der einfallenden Strahlung sowie der Phasendifferenz zwischen einfallender Strahlung und Referenzsignal abhängig. Das Differenzsignal trägt daher bei bekannter Phasenlage des Referenzsignals weiterhin sowohl die Phasen- als auch die Amplitudeninformation der einfallenden intensitätsmodulierten Strahlung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren deutlich.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines TOF-Systems.
2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Kombination einer TOF-Beleuchtung mit der Flächen- und Signalbeleuchtung eines Kraftfahrzeugs.
3 zeigt schematisch die spektralen Anteile einer weißen Leuchtdiode.
4 zeigt das Signal einer weißen Leuchtdiode.
5 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung eines TOF-Systems.
6 zeigt das Signal einer Leuchtdiode mit einem Filter vor dem Detektor.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines aus dem Stand der Technik bekannten TOF-Systems mit einer TOF-Beleuchtung 1 sowie einem TOF-Detektor 2. Die schematisch dargestellte TOF-Beleuchtung weist zwei wesentliche Elemente auf, welche der Einfachheit halber getrennt dargestellt sind: ein Beleuchtungsmittel 3 sowie einen Modulator oder Mischer 4. In tatsächlichen Realisierungen einer TOF-Beleuchtung 1 sind diese beiden Elemente 3, 4 häufig Bestandteil ein und desselben Elements, beispielsweise einer hochfrequent modulierbaren Leuchtdiode. Das Beleuchtungsmittel 3 emittiert elektromagnetische Strahlung, im dargestellten Fall im infraroten Spektralbereich, während der Modulator 4, der von dem Beleuchtungsmittel 3 emittierten Strahlung eine Intensitätsmodulation aufprägt. Daher ist die die TOF-Beleuchtung 1 verlassende elektromagnetische Strahlung 5 im dargestellten Fall mit einer harmonischen Intensitätsmodulation mit 10 MHz versehen. Der Modulator 4 wird mit Hilfe eines Signalgenerators 6 betrieben. Die Linsenanordnung 7 der TOF-Beleuchtung dient zur Kollimation der divergenten Strahlung des Beleuchtungsmittels 3. Die von der dreidimensionalen Szenerie 8 reflektierte Strahlung 9 wird von dem TOF-Detektor 2 erfaßt und zur Auswertung an einen PC 10 weitergeleitet. Der TOF-Detektor 2 weist ein Linsensystem 11 zur Fokussierung der kollimierten, von der dreidimensionalen Szenerie 8 reflektierten Strahlung 9 auf das Detektorarray 12 des TOF-Detektors 2 auf. Das Detektorarray 12 des TOF-Detektors 2 ist in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform ein PMD-Detektorarray 12, welches aus einzelnen Pixeln bzw. Bildpunkten 13 aufgebaut ist. Jedes Pixel 13 ist als Photomischdetektorelement (PMD-Element) 14 realisiert.
Das PMD-Element 14 weist in der dargestellten Ausführungsform zwei Ausleseelektroden 15, ein photoempfindliches Substrat 16 sowie zwei Modulationsgates 17 auf. Die einfallende intensitätsmodulierte elektromagnetische Strahlung 9 erzeugt in dem photoempfindlichen Substrat 16 Ladungsträger in Abhängigkeit von der momentanen Bestrahlungsintensität. Diese Ladungsträger werden in den an die Modulationsgates 17 angelegten elektrischen Wechselfeldern abwechselnd zu den linken oder rechten Ausleseelektroden 15 getrieben. Dabei sind die an die Modulationsgates 17 angelegten elektrischen Felder mit dem Modulationssignal des Signalgenerators 6 synchronisiert, wobei zwischen dem zum Treiben des Modulators 4 der TOF-Beleuchtung 1 verwendeten Signal und dem an die Modulationsgates 17 des PMD-Elements 14 angelegten Referenzsignal mit Hilfe eines Phasenschiebers 18 eine definierte und konstante Phasenverschiebung eingefügt ist, so daß die Intensitätsmodulation der von der TOF-Beleuchtung 1 emittierten elektromagnetischen Strahlung sowie das Referenzsignal an den Modulationsgates 17 phasenstarr gekoppelt sind.
Aus der so erfaßten Intensität und Phasenlage der auf den TOF-Detektor 2 einfallenden elektromagnetischen Strahlung 9 läßt sich die Laufzeit der elektromagnetischen Strahlung zwischen der TOF-Beleuchtung 1 und dem TOF-Detektor 2 bestimmen. Aus dieser Information wird die dreidimensionale Beschaffenheit der Szenerie 8 gewonnen.
In 2 ist ein PKW 100 dargestellt, welcher eine Flächenbeleuchtung 101, in der dargestellten Ausführungsform einen Frontscheinwerfer 101 sowie eine Signalbeleuchtung, in der dargestellten Ausführungsform eine Rückleuchte 102 aufweist, wobei sowohl die Flächenbeleuchtung 101 als auch die Signalbeleuchtung 102 mit einer TOF-Beleuchtung kombiniert sind.
Das Beleuchtungsgehäuse 103 des Scheinwerfers 101 enthält sowohl ein Beleuchtungsmittel 104 für den Fahrtrichtungsänderungsanzeiger bzw. Blinker als auch Beleuchtungsmittel 105, 106 und 107 zur Ausleuchtung der Straße als Stand-, Abblend-, und Fernlicht. Neben diesen Beleuchtungsmitteln des Scheinwerfers ist zusätzlich eine modulierbare infrarote Leuchtdiode 108 als Beleuchtungsmittel einer TOF-Beleuchtung vorgesehen. Dabei ist die TOF-Beleuchtung 108 in den Bauraum des Scheinwerfers 101 integriert.
Die Rückleuchte 102 weist bei dem Kraftfahrzeug 100 aus 2 eine Mehrzahl von Beleuchtungsmitteln 109 auf, die als rote Leuchtdioden ausgeführt sind. Darüber hinaus ist eine weiße Rück fahrleuchte 110 in dem gleichen Gehäuse wie die Dioden 109 vorgesehen. Die roten Leuchtdioden 109 der Rückleuchte 102 sind mit einer Frequenz von 10 MHz moduliert. Diese Frequenz kann von einem menschlichen Betrachter nicht mehr als Intensitätsmodulation des Rücklichts wahrgenommen werden. Der Betrachter hat den Eindruck einer dauerhaften Beleuchtung, so wie er es von den Rückleuten eines Kraftfahrzeugs gewohnt ist. Daher dienen die Dioden 109 der Rückleute 102 sowohl als Signalbeleuchtung für die Rückseite des Kraftfahrzeugs als auch als TOF-Beleuchtung für ein TOF-System, welches ein dreidimensionales Bild der hinter dem Kraftfahrzeug 100 liegenden Szene erzeugt.
In einer alternativen Ausführungsform ist das Beleuchtungsmittel 105 des Abblendlichts des Scheinwerfers 101 als weiße Leuchtdiode ausgestaltet. Da sich diese Leuchtdioden mit ausreichend hoher Frequenz modulieren lassen, kann das Beleuchtungsmittel 105 sowohl als Abblendlicht als auch als TOF-Beleuchtung verwendet werden. In diesem Fall wird auf das zusätzliche Beleuchtungsmittel 108 verzichtet.
Ist das Beleuchtungsmittel 105 eine weiße Leuchtdiode mit einer blauen Basisdiode sowie einem darüber angeordneten phosphoreszierenden Material, so hat das emittierte Licht ein in 3 dargestelltes Spektrum. Deutlich erkennbar ist eine blaue Schwerpunktwellenlänge 200, welche durch das Licht hervorgerufen wird, das die phosphoreszierende Schicht der weißen Leuchtdiode passiert, ohne durch Phosphoreszenz in einen anderen Wellenlängenbereich umgewandelt zu werden. Dieser spektrale Anteil 200 ist der direkt von der Basisdiode emittierte Anteil des weißen Lichts. Dieser weist bei einer Intensitätsmodulation der Diode die volle Modulation auf. Der mit 201 bezeichnete breite Spektralbereich wird durch Umwandlung der blauen Strahlung in dem phosphoreszierenden Material der weißen Leuchtdiode erzeugt. Da der Phosphoreszenzprozeß ein langsamer Prozeß ist, zeigt die durch Phosphoreszenz abgestrahlte Strahlung eine wesentlich geringere Modulationstiefe oder gar keine Modulation.
Deutlich ist dies in 4 zu erkennen, in der mit einem einfachen Photodetektor die Intensität einer mit 10 MHz modulierten weißen Leuchtdiode (Lumileds Luxeon Star/O) dargestellt ist (50% Tastverhältnis). Zwar beträgt die Anstiegszeit etwa 30 Nanosekunden und die Abfallzeit etwa 40 Nanosekunden, jedoch ist ein deutlicher Untergrund zu beobachten, welcher etwa 50% des Gesamtsignals ausmacht und der nicht moduliert ist. Aufgrund dieses nicht modulierten Untergrunds würde ein aus dem Stand der Technik bekannter TOF-Detektor bereits bei geringen Beleuchtungsstärken die Sättigung erreichen, so daß sein dynamischer Bereich erheblich verringert ist. Darüber hinaus führt die Bestrahlung mit dem in 4 erkennbaren nicht modulierbaren Untergrund zu einem erhöhten Schrotrauschen des Detektors, ohne daß ein entsprechendes Nutzsignal vorhanden ist.
Daher muß bei Verwendung einer weißen Leuchtdiode, welche auf einer Basisdiode mit dahinter angeordneten phosphoreszierendem Material realisiert ist, die erfindungsgemäße Anordnung eines TOF-Systems verwendet werden, wie sie in 5 dargestellt ist. Das in 5 dargestellte TOF-System weist eine gegenüber der 1 modifizierte TOF-Beleuchtung 1' sowie einen ebenfalls modifizierten TOF-Detektor 2' auf. Das Beleuchtungsmittel 3' der TOF-Beleuchtung 1' ist in der dargestellten Ausführungsform eine weiße Leuchtdiode 3', welche mit dem von dem Signalgenerator 6 vorgegebenen Modulationssignal moduliert ist. Um eine Sättigung des TOF-Detektors 2' zu vermeiden und darüber hinaus das Schrotrauschen des Detektors zu verringern, ist vor dem TOF-Detektorelement 12 ein Filter 19 angeordnet. Dieser Filter 19 ist in der dargestellten Ausführungsform ein BG12-Filter der Firma Schott.
Dieses Filter filtert im wesentlichen den Spektralbereich aus der von der TOF-Beleuchtung 1' abgestrahlten elektromagnetischen Strahlung heraus, welcher durch Phosphoreszenz in der Phosphoreszenzschicht der weißen Leuchtdiode 3' erzeugt wird. Damit gelangt nur das Spektrum der primären Diode der weißen Leuchtdiode 3' auf das Detektorarray 12. Dies entspricht einer Filterung des mit 201 bezeichneten Spektralbereichs aus 3, während der mit 200 bezeichnete Bereich der primären Diode auf das Detektorelement 12 fällt.
In 6 ist die Intensität einer mit 24 MHz modulierten weißen Leuchtdiode (Lumileds Luxeon Star/O) dargestellt, wobei vor dem Detektor ein Schott BG12 Filter (Transmissionsbereich 350-480 nm) angeordnet ist. Deutlich ist erkennbar, daß das Diodensignal eine fast vollständige Modulation aufweist und der Untergrund vernachlässigbar ist.
Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, daß sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.

1, 1': TOF-Beleuchtung
2, 2': TOF-Detektor
3, 3': Beleuchtungsmittel
4: Modulator oder Mischer
5: elektromagnetische Strahlung
6: Signalquelle
7: Linsenanordnung
8: dreidimensionale Szenerie
9: reflektierte Strahlung
10: PC
11: Linsensystem
12: Detektorarray
13: Pixel
14: PMD-Element
15: Ausleseelektroden
16: Substrat
17: Modulationsgates
19: Filter
100: PKW
101: Flächenbeleuchtung, Scheinwerfer
102: Signalbeleuchtung, Rückleuchte
103: Beleuchtungsgehäuse
104: Beleuchtungsmittel
105: Beleuchtungsmittel
106: Beleuchtungsmittel
107: Beleuchtungsmittel
108: modulierbare Leuchtdiode
109: rote Leuchtdiode
110: weiße Rückfahrleuchte
200: blaue Schwerpunktwellenlänge
201: Spektralbereich

Claims

TOF-Beleuchtung (1, 1') mit einem Beleuchtungsmittel (3, 3'), dadurch gekennzeichnet, daß die TOF-Beleuchtung (1, 1') mit einer Signal- und/oder Flächenbeleuchtung (104, 105, 106, 107) kombiniert ist.
TOF-Beleuchtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die TOF-Beleuchtung (1, 1') und die Signal- und/oder Flächenbeleuchtung (104, 105, 106, 107) in einem gemeinsamen Beleuchtungsgehäuse (103) angeordnet sind.
TOF-Beleuchtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsgehäuse (103) das Gehäuse eines Scheinwerfers, einer Rückleuchte oder der Innenraumbeleuchtung eines Kraftfahrzeugs oder Kraftrades ist.
TOF-Beleuchtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsgehäuse das Gehäuse der Befeuerung eines Flugzeugs oder Schiffes ist.
TOF-Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Signal- und/oder Flächenbeleuchtung dasselbe Beleuchtungsmittel (109) wie die TOF-Beleuchtung aufweist.
TOF-Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die TOF-Beleuchtung (108) und die Signal- und/oder Flächenbeleuchtung (104, 105, 106, 107) getrennte Beleuchtungsmittel aufweisen.
TOF-Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsmittel der TOF-Beleuchtung einen ersten Wellenlängenbereich aufweist, wobei dem Beleuchtungsmittel der TOF-Beleuchtung ein zweites Beleuchtungsmittel mit einem zweiten Wellenlängenbereich zugeordnet ist.
TOF-Beleuchtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wellenlängenbereiche so aufeinander abgestimmt sind, daß die von dem Beleuchtungsmittel der TOF-Beleuchtung und dem zweiten Beleuchtungsmittel emittierte Strahlung einen weißen, roten oder wahlweise einen anderen Farbeindruck aufweist.
TOF-Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsmittel der TOF-Beleuchtung einen Wellenlängenwandler aufweist.
TOF-Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsmittel eine weiße Leuchtdiode ist.
TOF-Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsmittel ein diodengepumpter Laser ist.
TOF-Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsmittel dafür eingerichtet ist, Strahlung in einem sichtbaren Frequenzbereich zu emittieren.
TOF-Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsmittel dafür eingerichtet ist, Strahlung im roten, vorzugsweise infraroten Frequenzbereich zu emittieren.
TOF-Beleuchtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beleuchtungsgehäuse das Gehäuse einer Straßen- bzw. Objektbeleuchtung, einer Raumbeleuchtung, einer Verkehrssignalanlage oder eines Displays ist.
TOF-Detektor (2, 2'), dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Detektor (12) ein Filter (19) angeordnet ist, welches nur den primären Wellenlängenbereich einer TOF-Beleuchtung durchläßt.
TOF-Detektor (2, 2') nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß er ein PMD-Element aufweist.
TOF-Detektor (2, 2')) nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß er PMD-Detektorarray (12) aufweist.
TOF-System mit einer TOF-Beleuchtung (1,1'), welche ein Beleuchtungsmittel aufweist, und mit einem TOF-Detektor (2, 2'), dadurch gekennzeichnet, daß die TOF-Beleuchtung (1, 1') eine TOF-Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ist.
TOF-System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der TOF-Detektor (2, 2') einen Filter (19) aufweist, das nur den primären Wellenlängenbereich einer TOF-Beleuchtung (1, 1') durchläßt.