DE102007008806B3

DE102007008806B3 - Optoelektronische Überwachung mit Test durch Dynamisierung

Info

Publication number: DE102007008806B3
Application number: DE102007008806A
Authority: DE
Inventors: Ingolf Braune; Martin Wüstefeld
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2006-10-27
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2027-02-23
Also published as: US20080106724A1; FR2907949A1; US7710548B2; ITMI20071931A1; DE102007008806C5

Abstract

Es wird eine optoelektronische Überwachungsvorrichtung (1) mit mindestens einer Lichtquelle (2) und mindestens einem Empfangselement (4) angegeben, das aus dem Empfang von Licht der Lichtquelle (2), das von einem Objekt reflektiert wird, die Entfernung des Objekts bestimmen kann, wobei eine Testeinheit (5-7) der Überwachungsvorrichtung (1) dafür ausgebildet ist, die Funktionsfähigkeit des Empfangselements (4) zu überprüfen und das in das Empfangselement (4) einfallende Licht gezielt derart zu modifizieren, dass das Empfangselement (4) Licht entsprechend einer vorgegebenen oder einer um einen bekannten Betrag verfälschten Entfernung empfängt. Es wird außerdem ein entsprechendes Testverfahren angegeben.

Description

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.
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.
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.
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.
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.
Bei Bildsensoren, die Helligkeitsinformationen aufnehmen, sind etwa aus der WO 01/78411 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.
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.
Aus der DE 101 38 960 A1 ist eine Vorrichtung zum Überwachen eines Raumbereichs mit zwei zueinander im 90°-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.
Die DE 10 2004 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.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, in einer optoelektronischen Überwachungsvorrichtung mit Entfernungsbestimmung einen unaufwändigen Funktionstest zu ermöglichen.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Bevorzugt ist die Zusatzbeleuchtung ringförmig ausgebildet. Damit hat sie eine einfache Geometrie, die das Durchtreten des Lichts aus dem Überwachungsbereich ermöglicht.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 Unteransprüchen aufgeführt.
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:
1 eine schematische Übersichtsdarstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit interner Zusatzbeleuchtung über einen Strahlteiler;
2 eine schematische Übersichtsdarstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit direkter interner Zusatzbeleuchtung und
3 eine schematische Übersichtsdarstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit Modifikation der nach extern ausstrahlenden Lichtquelle.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Ein Funktionstest der Empfangselemente des Bildsensors 4 läuft dann wie folgt ab.
Bei einer Entfernungsmessung anhand der Laufzeit schaltet 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.
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.
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.
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 aparative und der Steuerungsaufwand für diesen Test besonders einfach ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Mittels des über den Strahlteiler 7' eingekoppelten Zusatzlichts ist somit auch bei konstanter Szenerie ein Funktionstest der Überwachungseinrichtung 1 allein durch elektronische Steuerbefehle ermöglicht.
In 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 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.
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.
Der Funktionstest gemäß erster und zweiter Ausführungsform ist wegen der internen Zusatzbeleuchtung von einer Referenzszenerie unabhängig und daher besonders für mobile Anwendungen geeignet.
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.
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.
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.
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.
Die Szenerie ist also gemäß der dritten Ausführungsform mittels einer Manipulation derart dynamisiert, dass ein zuvor definierter und damit korrigierbarer künstlicher Messfehler erzeugt wird.
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.
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.

1: Überwachungsvorrichtung
2: Lichtquelle
3: Abbildungsoptik
4: Bildsensor mit Empfangselementen
5: Steuerung
6: Modifikationseinrichtung
7: Zusatzbeleuchtung
8: optischer Pfad (von Abbildungsoptik)
8': optischer Pfad (von Strahlteiler)
9: optischer Pfad (zur Szenerie)
9': optischer Pfad (von Szenerie)

Claims

Optoelektronische Überwachungsvorrichtung (1) mit mindestens einer Lichtquelle (2) und mindestens einem Empfangselement (4), das aus dem Empfang von Licht der Lichtquelle (2), das von einem Objekt reflektiert wird, die Entfernung des Objekts bestimmen kann, wobei eine Testeinheit (5–7) der Überwachungsvorrichtung (1) dafür ausgebildet ist, die Funktionsfähigkeit des Empfangselements (4) zu überprüfen, dadurch gekennzeichnet, dass die Testeinheit (5–7) für die Überprüfung der Funktionsfähigkeit weiterhin dafür ausgebildet ist, das in das Empfangselement (4) einfallende Licht gezielt derart zu modifizieren, dass das Empfangselement (4) Licht entsprechend einer vorgegebenen oder einer um einen bekannten Betrag verfälschten Entfernung empfängt.
Überwachungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei mehrere Empfangselemente (4) in Reihe oder flächig, insbesondere als Zeile oder Matrix, zusammengefasst sind und somit ein entfernungsaufgelöstes Pixelbild liefern.
Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtquelle (2) und/oder das Empfangselement (3) unbeweglich gegenüber der Überwachungsvorrichtung (1) sind.
Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Testeinheit (5–7) das einfallende Licht mittels einer in das Empfangselement (4) einstrahlenden Zusatzbeleuchtung (7) modifiziert.
Überwachungsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei die Zusatzbeleuchtung (7) über einen Strahlteiler (7') eingekoppelt ist.
Überwachungsvorrichtung (1) nach Anspruch 4, wobei die Zusatzbeleuchtung (7) direkt in das Empfangselement (4) einstrahlt.
Überwachungsvorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei die Zusatzbeleuchtung (7) ringförmig ausgebildet ist.
Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Lichtquelle (2) für das Aussenden eines Messlichtpulses und das Empfangselement (4) für eine Entfernungsbestimmung anhand der Laufzeit des Messlichtpulses ausgebildet ist und wobei die Testeinheit (5–7) dafür ausgebildet ist, über die Zusatzbeleuchtung (7) einen Testlichtpuls mit einer vorgegebenen positiven oder negativen Verzögerung gegenüber dem Aussenden des Messlichtpulses in das Empfangselement (4) einzustrahlen.
Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Lichtquelle (2) für das Aussenden eines Messlichtpulses und das Empfangselement (4) für eine Entfernungsbestimmung anhand der Laufzeit des Messlichtpulses ausgebildet ist und wobei die Testeinheit (5–7) dafür ausgebildet ist, über die Zusatzbeleuchtung (7) einen Testlichtpuls ohne Verzögerung in das Empfangselement (4) einzustrahlen.
Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Lichtquelle (2) für das Aussenden modulierten Lichts und das Empfangselement (4) für eine Entfernungsbestimmung anhand der Phase des modulierten Lichts ausgebildet ist, und wobei die Testeinheit (5–7) dafür ausgebildet ist, über die Zusatzbeleuchtung (7) moduliertes Licht mit einer vorgegebenen Phase in das Empfangselement (4) einzustrahlen.
Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei die Testeinheit (5–7) dafür ausgebildet ist, 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.
Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 11, die eine Schutzscheibe aufweist und wobei die Zusatzbeleuchtung (7) ihr Licht durch die Schutzscheibe in das Empfangselement (4) einstrahlt, wobei die Testeinheit insbesondere zusätzlich für den Vergleich einer erwarteten Intensität der Zusatzbeleuchtung (7) mit der tatsächlichen Intensität zur Überprüfung der Lichtdurchlässigkeit der Schutzscheibe ausgebildet ist.
Überwachungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Testeinheit (5–7) das einfallende Licht modifiziert, indem das Licht der Lichtquelle (2) modifiziert wird.
Überwachungsvorrichtung (1) nach Anspruch 13, wobei die Lichtquelle (2) für das Aussenden eines Messlichtpulses und das Empfangselement (4) für eine Entfernungsbestimmung anhand der Laufzeit des Messlichtpulses ausgebildet ist und wobei die Testeinheit (5–7) dafür ausgebildet ist, dem Messlichtpuls eine positive oder negative Laufzeitverzögerung aufzuprägen.
Überwachungsvorrichtung (1) nach Anspruch 13, wobei die Lichtquelle (2) für das Aussenden modulierten Lichts und das Empfangselement (4) für eine Entfernungsbestimmung anhand der Phase des modulierten Lichts ausgebildet ist, und wobei die Testeinheit (5–7) dafür ausgebildet ist, dem modulierten Licht eine zusätzliche Phase aufzuprägen.
Testverfahren für eine optoelektronische Überwachungsvorrichtung (1) mit mindestens einer Lichtquelle (2) und mindestens einem Empfangselement (4), das aus dem Empfang von Licht der Lichtquelle (2), das von einem Objekt reflektiert wird, die Entfernung des Objekts bestimmen kann, wobei die Funktionsfähigkeit getestet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das in das Empfangselement (4) einfallende Licht gezielt derart modifiziert wird, dass es einer vorgegebenen oder einer um einen bekannten Betrag verfälschten Entfernung entspricht und dass getestet wird, ob das Empfangselement (4) die vorgegebene oder die um den bekannten Betrag verfälschte Entfernung ausgibt.
Testverfahren nach Anspruch 16, das statisch ist, nämlich bei dem weder Lichtquelle (2) noch Empfangselement (4) gegenüber der Überwachungsvorrichtung (1) bewegt werden noch ein Testbild in den Strahlengang eingeführt wird.
Testverfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei das einfallende Licht mittels in das Empfangselement (4) einstrahlenden Zusatzlichts modifiziert wird.
Testverfahren nach Anspruch 18, wobei das Zusatzlicht indirekt über einen Strahlteiler (7') oder direkt eingestrahlt wird.
Testverfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Entfernungsmessung anhand der Laufzeit eines Messlichtpulses erfolgt und das Zusatzlicht als Testlichtpuls mit einer vorgegebenen positiven oder negativen Verzögerung gegenüber dem Aussenden des Messlichtpulses in das Empfangselement (4) eingestrahlt wird.
Testverfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die Entfernungsmessung anhand der Phase modulierten Lichts erfolgt und das Zusatzlicht als moduliertes Licht mit einer vorgegebenen Phase in das Empfangselement (4) eingestrahlt wird.
Testverfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei für den Test der Funktionsfähigkeit das Licht der Lichtquelle (2) modifiziert wird.
Testverfahren nach Anspruch 22, wobei die Entfernungsmessung anhand der Laufzeit eines Messlichtpulses erfolgt und dem Messlichtpuls als Modifikation eine positive oder negative Laufzeitverzögerung aufgeprägt wird.
Testverfahren nach Anspruch 22, wobei die Entfernungsmessung anhand der Phase modulierten Lichts erfolgt und dem modulierten Licht als Modifikation eine zusätzliche Phase aufgeprägt wird.