DE102009045553B4

DE102009045553B4 - Time of flight measurement system

Info

Publication number: DE102009045553B4
Application number: DE102009045553.1A
Authority: DE
Inventors: Björn Biehler; Volker Frey; Gregor Keller; Ernst Wießneth
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2009-10-12
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2029-10-13
Also published as: DE102009045553A1

Abstract

Lichtlaufzeit-Messsystem (10), mit einer Empfangseinheit (200), die mindestens ein Empfangs-Pixel-Array (15) auf Basis einer Photomischdetektion und eine zugehörigen Empfangsoptik (150) aufweist, die gemeinsam einen Empfangsraumwinkel (ΩE) in einer im Wesentlichen rechteckigen Geometrie aufspannen, mit einer Sendeeinheit (100), die mindestens eine Lichtquelle (12) und eine zugehörige Strahlformungsoptik (50) aufweist, die gemeinsam einen Senderaumwinkel (ΩS) aufspannen, wobei der Empfangsraumwinkel (ΩE) innerhalb des Senderaumwinkels (ΩS) liegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtlaufzeit-Messsystem modulartige Sende- und Empfangseinheiten (100, 200) aufweist, dass die Sende- und Empfangsmodule (100, 200) derart ausgestaltet, ausgewählt und eingesetzt sind, dass der Empfangsraumwinkel (ΩE) mindestens 70 Prozent des Senderaumwinkels (ΩS) erfasst, und dass die Anpassung des Senderaumwinkel (ΩS) durch Anpassung der Strahlformungsoptik (50) erfolgt, die als nicht-rotationssymmetrischer Reflektor ausgebildet ist.Light transit time measuring system (10), with a receiving unit (200), which has at least one receiving pixel array (15) based on a photonic mixing detection and an associated receiving optics (150), which together have a receiving spatial angle (ΩE) in a substantially rectangular Spanning the geometry, with a transmission unit (100) which has at least one light source (12) and an associated beam shaping lens (50), which together span a transmitter spatial angle (ΩS), the reception spatial angle (ΩE) being within the transmitter spatial angle (ΩS), thereby characterized in that the light propagation time measuring system has module-like transmission and reception units (100, 200), that the transmission and reception modules (100, 200) are designed, selected and used in such a way that the reception room angle (ΩE) is at least 70 percent of the transmission room angle ( ΩS), and that the adaptation of the transmitter spatial angle (ΩS) is carried out by adapting the beam shaping optics (50), which are considered to be non-rotationally symmetrical etrical reflector is formed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeit- Messsystem bzw. ein time of flight(TOF)-Kamerasystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a time of flight measuring system or a time of flight (TOF) camera system according to the preamble of claim 1.

Aus dem Stand der Technik sind Systeme zur dreidimensionalen Bilderfassung bekannt, welche mit Hilfe einer aktiven Beleuchtung arbeiten. Dazu gehören so genannten Time-of-Flight-(TOF-) oder Laufzeitmesssysteme. Diese verwenden eine amplitudenmodulierte oder gepulste Beleuchtung, zur Ausleuchtung der zu erfassenden dreidimensionalen Szenerie.Systems for three-dimensional image acquisition are known from the prior art, which work with the aid of active illumination. These include time-of-flight (TOF) or time-of-flight measurement systems. These use amplitude-modulated or pulsed illumination to illuminate the three-dimensional scene to be detected.

Mit Licht-Laufzeitmesssystem sollen insbesondere auch alle 3D-Kamerasystem mit umfasst sein, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als 3D-Kamera bzw. PMD-Kamera sind insbesondere so genannte Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. aus EP 1 777 747 A1 , US 6 587 186 B2 und auch DE 197 04 496 A1 bekannt und beispielsweise von der Firma ,ifm electronic gmbh' als Frame-Grabber O3D101/M01594 zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können.In particular, all 3D camera systems should also be included with the light transit time measurement system, which obtain transit time information from the phase shift of an emitted and received radiation. As a 3D camera or PMD camera in particular so-called photonic mixer detectors (PMD) are suitable, such as, inter alia EP 1 777 747 A1 . US Pat. No. 6,587,186 B2 and also DE 197 04 496 A1 are known and, for example, from the company, ifm electronic gmbh 'as a frame grabber O3D101 / M01594 relate. In particular, the PMD camera allows a flexible arrangement of the light source and the detector, which can be arranged both in a housing and separately.

Aus der DE 10 2006 045 549 A1 eine Applikation einer 3D-PMD-Kamera in einem Transportmittel bekannt, bei dem die TOF-Beleuchtung hinter einer Sichtblende angeordnet ist, wobei diese Blende für die Strahlung der TOF-Beleuchtung transparent ist. Zur Erreichung einer guten Ausleuchtung werden die Beleuchtungsmittel mit hoher Leistung betrieben und zur Vermeidung eines Temperaturanstiegs gekühlt.From the DE 10 2006 045 549 A1 an application of a 3D PMD camera in a means of transport is known in which the TOF illumination is arranged behind a screen, said screen is transparent to the radiation of the TOF illumination. To achieve good illumination, the illumination means are operated at high power and cooled to prevent temperature rise.

Die WO 2007/134730 A1 offenbart verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Distanzmessungen, wobei unter anderem ein TOF-Kamerasystem mit einem biaxialen Aufbau und einer off-axis-Beleuchtung vorgeschlagenen wird, bei dem die Strahlungsquelle mit einem bestimmten Abstand neben der Linse angeordnet ist und das Ziel vollständig ausleucht.The WO 2007/134730 A1 discloses various methods and apparatus for distance measurements, among which is proposed a TOF camera system with a biaxial construction and an off-axis illumination, in which the radiation source is arranged at a certain distance next to the lens and completely illuminates the target.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz von TOF-Laufzeitmesssystemen zu verbessern.The object of the invention is to improve the efficiency of TOF transit time measurement systems.

Die Aufgabe wird durch das Lichtlaufzeit-Messsystem des unabhängigen Anspruchs gelöst.The object is achieved by the light transit time measuring system of the independent claim.

Das erfindungsgemäße Lichtlaufzeit-Messsystem, weist eine Empfangs- und Sendeeinheit auf, wobei die Empfangseinheit, mindestens ein Empfangs-Pixel-Array und eine zugehörigen Empfangsoptik aufweist, die gemeinsam einen Empfangsraumwinkel aufspannen, und wobei die Sendeeinheit, mindestens eine Lichtquelle und eine zugehörige Strahlformungsoptik. aufweist, die gemeinsam einen Senderaumwinkel aufspannen. Vorteilhaft sind Sende- und Empfangseinheit derart ausgestaltet, dass der Empfangsraumwinkel innerhalb des Senderaumwinkels liegt und der Empfangsraumwinkel mindestens 70 Prozent des Senderaumwinkels erfasst. So ist es vorteilhaft möglich, die von der Sendeeinheit ausgestrahlte Lichtenergie effizient zu nutzen.The inventive light transit time measuring system has a receiving and transmitting unit, wherein the receiving unit, at least one receiving pixel array and associated receiving optics, which span a receiving space angle, and wherein the transmitting unit, at least one light source and associated beam shaping optics. has, which span a sender space angle together. Advantageously, transmitting and receiving unit are configured such that the receiving space angle is within the transmission room angle and detects the receiving space angle at least 70 percent of the transmission room angle. Thus, it is advantageously possible to efficiently use the light energy emitted by the transmitting unit.

Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Erfindung möglich.The measures listed in the dependent claims advantageous refinements and improvements of the independent claim invention are possible.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, die Sende- und/oder Empfangseinheit derart auszugestalten, dass die geometrische Form des Sende- und Empfangsraumwinkel im Wesentlichen ähnlich sind. Dieses Vorgehen hat nicht nur den Vorteil, dass die Effizienz der Lichtausbeute verbessert wird, sondern auch, dass durch dieses Vorgehen die Ausdehnung der überstrahlten Bereiche deutlich verringert werden kann.In a further preferred embodiment, it is provided to design the transmitting and / or receiving unit in such a way that the geometric shape of the transmitting and receiving space angles are substantially similar. This procedure not only has the advantage that the efficiency of the luminous efficacy is improved, but also that by this procedure, the extent of the overexposed areas can be significantly reduced.

Eine weitere Verbesserung besteht darin, dass der Senderaumwinkel dem durch die Abbildungseigenschaften der Empfangsoptik beeinflussten Empfangsraumwinkel angepasst ist.A further improvement consists in the fact that the transmission-room angle is adapted to the reception-space angle influenced by the imaging properties of the reception optics.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained below with reference to drawings.

Es zeigen:Show it:

1 schematisch einen Photonenmischdetektor, 1 schematically a photonic mixer detector,

2 eine Sende- und Empfangsstrahlverteilung eines TOF-Kamerasystems, 2 a transmission and reception beam distribution of a TOF camera system,

3 Sende- und Empfangsraumwinkel auf einer Einheitskugel, three Transmitting and receiving space angles on a unit sphere,

4 eine Messsituation mit einem Empfangsraumwinkel größer als der Senderaumwinkel, 4 a measurement situation with a reception space angle greater than the transmission room angle,

5 eine Messsituation mit einem Empfangraumwinkel kleiner als der Senderaumwinkel, 5 a measurement situation with a reception space angle smaller than the transmission room angle,

6 einen erfindungsgemäß angepasste Sende- und Empfangsraumwinkel, 6 an inventive transmission and receiving space angle,

7 eine Intensitäts- und Empfindlichkeitsverteilung des Sende- und Empfangskegels, 7 an intensity and sensitivity distribution of the transmitting and receiving cone,

8 und 9 ein TOF-Kamerasystem mit Weit- und Normalobjektiv 8th and 9 a TOF camera system with wide and normal lens

10 eine Intensitätsverteilung mit einem lokalen Maximum. 10 an intensity distribution with a local maximum.

1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einem TOF-Kamerasystem 10, wie es beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist. 1 shows a measurement situation for an optical distance measurement with a TOF camera system 10 as it for example from the DE 197 04 496 A1 is known.

Das TOF-Kamerasystem 10 umfasst eine Beleuchtungs- bzw. Sendeeinheit 100 mit einer Lichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 50 sowie eine Empfangseinheit 200 mit einer Empfangsoptik 150 und einem Fotosensor 15. Der Fotosensor 15 ist als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 50 der Sendeeinheit 100 ist als Reflektor ausgebildet.The TOF camera system 10 includes a lighting or transmitting unit 100 with a light source 12 and associated beam shaping optics 50 and a receiving unit 200 with a receiving optics 150 and a photosensor 15 , The photosensor 15 is designed as a PMD sensor. The receiving optics typically consist of improving the imaging properties of a plurality of optical elements. The beam shaping optics 50 the transmitting unit 100 is designed as a reflector.

Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasendifferenz des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle und der Fotosensor 15 über einen Modulator 18 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz mit einer ersten Phasenlage a beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal mit der Phase a aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 20 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage b auf den Fotosensor 15. Im Fotosensor 15 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators 18 mit dem empfangenen Signal in der zweiten Phasenlage b gemischt und aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung ermittelt.The measurement principle of this arrangement is based essentially on the fact that, based on the phase difference of the emitted and received light, the transit time of the emitted and reflected light can be determined. For this purpose, the light source and the photosensor 15 via a modulator 18 acted upon together with a certain modulation frequency with a first phase position a. The light source sends according to the modulation frequency 12 an amplitude modulated signal with the phase a. This signal or the electromagnetic radiation is in the illustrated case of an object 20 reflects and hits due to the distance traveled correspondingly phase-shifted with a second phase position b on the photosensor 15 , In the photosensor 15 becomes the signal of the first phase a of the modulator 18 mixed with the received signal in the second phase position b and determines the phase shift or the object distance from the resulting signal.

2 zeigt schematisch Sende- und Empfangskegel eines typischen TOF-Kamerasystems wobei die Sendeeinheit 100 einen Sendebereich bzw. Senderaumwinkel Ω_S beleuchtet und die Empfangseinheit 200 innerhalb dieses Senderaumwinkels Ω_S einen Empfangsbereich bzw. Empfangsraumwinkel Ω_E aufspannt. Der Empfangsraumwinkel wird im Wesentlichen durch die Geometrie des Fotosensors 15 und den Abbildungseigenschaften der Empfangsoptik 150 bestimmt. Ausgehend von einer rechteckigen Geometrie des Fotosensors wäre bei einer idealen Empfangsoptik auch eine rechteckige Geometrie des Empfangsbereichs Ω_E zu erwarten. In bekannter Weise können jedoch optische Systeme die Abbildungen beispielsweise in tonnen- oder kissenförmiger Weise verändern. Im dargestellten Beispiel ist eine kissenförmige Verzerrung gezeigt. 2 schematically shows transmit and receive cone of a typical TOF camera system wherein the transmitting unit 100 a transmission range or transmission angle Ω _S illuminated and the receiving unit 200 spans a reception range or reception space angle Ω _E within this transmission space angle Ω _S. The receiving space angle is essentially determined by the geometry of the photo sensor 15 and the imaging properties of the receiving optics 150 certainly. Starting from a rectangular geometry of the photo sensor, an ideal receiving optics would also be expected to have a rectangular geometry of the reception range Ω _E. However, in a known manner, optical systems can change the images, for example, in a barrel or pillow-shaped manner. In the example shown, a pillow-shaped distortion is shown.

Ferner zeigt die 2, dass die Empfangseinheit 200 und die Sendeeinheit 100 nebeneinander angeordnet sind, sodass streng genommen ein gewisser Parallaxenfehler zwischen Sende- und Empfangsbereich zu erwarten ist. Aufgrund der geringen Distanz der Sende- und Empfangseinheit 100, 200 kann dieser Fehler jedoch vernachlässigt werden, sodass bereits bei geringen Abständen Sende- und Empfangseinheit als punktförmig betrachten werden kann.Furthermore, the shows 2 that the receiving unit 200 and the transmitting unit 100 are arranged side by side, so strictly speaking, a certain parallax error between the transmission and reception area is expected. Due to the small distance of the transmitting and receiving unit 100 . 200 However, this error can be neglected, so that even at short intervals transmitter and receiver unit can be regarded as punctiform.

Dieser Aspekt ist der in 3 noch einmal dargestellt. Modellhaft kann im Zentrum einer Kugelsphäre das TOF-Kamerasystem 10 angenommen werden. Die vom TOF-Kamerasystem 10 emittierte Strahlung spannt einen Strahlungskegel auf, dessen Projektionsfläche auf der Einheitskugel den Raumwinkel Ω_S auszeichnet. Dies entspricht der mathematischen Definition eines Raumwinkels als Fläche auf eine Einheitskugel mit dem Radius 1.This aspect is the one in three shown again. The TOF camera system can be modeled in the center of a sphere of spheres 10 be accepted. The from the TOF camera system 10 emitted radiation spans a radiation cone whose projection surface on the unit sphere distinguishes the solid angle Ω _S. This corresponds to the mathematical definition of a solid angle as an area on a unit sphere with the radius 1 ,

Im dargestellten Beispiel ist der Senderaumwinkel rotationssymetrisch, wie man es von einer üblichen Leuchtdiode auch erwartet. Es sind jedoch auch andere Strahlungsgeometrien denkbar, die insbesondere auch nicht rotationssymetrische Projektionsflächen auf der Kugeloberfläche bilden. Da definitionsgemäß ein Raumwinkel letztendlich nur ein Maß für eine Fläche auf einer Einheitskugel darstellt, werden im Sinne der Anmeldung die Größe der projizierten Kugelfläche beliebiger Geometrie mit dem Maß des Raumwinkels beschrieben.In the example shown, the transmitter room angle is rotationally symmetrical, as one would expect from a conventional light-emitting diode. However, other radiation geometries are also conceivable which in particular also do not form rotationally symmetrical projection surfaces on the spherical surface. Since, by definition, a solid angle ultimately only represents a measure of an area on a unit sphere, the size of the projected spherical surface of any geometry with the measure of the solid angle will be described in the context of the application.

Des Weiteren ist in 3 die virtuelle Empfangsfläche des Fotosensors 15 auf der Einheitskugel eingezeichnet. Diese virtuelle Empfangsfläche wird im Weiteren als Empfangsraumwinkel Ω_S bezeichnet.Furthermore, in three the virtual receiving surface of the photo sensor 15 drawn on the unit sphere. This virtual receiving surface is hereinafter referred to as receiving space angle Ω _S.

Grundsätzlich können zwei Sende- und Empfangssituationen unterschieden werden, zum einen bei dem der Empfangsraumwinkel Ω_E größer ist als der Senderaumwinkel Ω_S und diesen umschließt und zum anderen einen Empfangsraumwinkel Ω_E der innerhalb des Senderaumwinkels Ω_S liegt.In principle, two transmission and reception situations can be distinguished, on the one hand, in which the receiving space angle Ω _{E is} greater than the transmission space angle Ω _S and encloses this and, on the other hand, a receiving space angle Ω _E which lies within the transmission room angle Ω _S.

4 zeigt erstere Situation, bei der der Senderaumwinkel Ω_S vom Empfangsraumwinkel Ω_E umschlossen wird. Die durchgezogene Linie S kennzeichnet hierbei den Randbereich des emittierten Strahlkegels der Sendeeinheit 100. Die gestrichelte Linie E kennzeichnet entsprechend den Randbereich des Empfangskegels der Empfangseinheit 200. Zwischen Empfangs- und Sendekegel spannt sich ein unbeleuchteter Todbereich 23 auf, in dem die Empfangseinheit 200 kein sinnvoll auswertbares Signal empfängt. Die Empfangsleistung des Fotosensors geht somit im unbeleuchteten Todbereich 23 ungenutzt verloren. 4 shows the former situation in which the transmission space angle Ω _{S is} enclosed by the receiving space angle Ω _E. The solid line S here denotes the edge region of the emitted beam cone of the transmitting unit 100 , The dashed line E indicates corresponding to the edge region of the receiving cone of the receiving unit 200 , Between reception and transmission cone spans an unlit dead zone 23 on, in which the receiving unit 200 no meaningfully evaluable signal is received. The reception power of the photo sensor thus goes in the unlit dead zone 23 lost unused.

5 zeigt demgegenüber eine Situation, bei der der Empfangsraumwinkel Ω_E innerhalb des Senderaumwinkels Ω_S liegt. In diesem Fall spannt sich zwischen diesen Bereichen ein beleuchteter Überstrahlungsbereich 25 auf, dessen Strahlung bzw. Licht überschüssig abgestrahlt wird. 5 In contrast, shows a situation in which the receiving space angle Ω _E within the Senderaumwinkels Ω _S is located. In this case, between these areas, an illuminated glare area spans 25 on whose radiation or light is emitted excessively.

Die in diesen Bereichen abgestrahlte Energie bleibt nicht nur ungenutzt, sondern kann in ungünstigen Fällen als störende Strahlung in den Sichtbereich der Empfangseinheit 200 gelangen. Solche störenden Strahlungen können beispielsweise durch unerwünschte Reflektionen im Überstrahlungsbereich 25 auftreten, wie es in 5 anhand des Objektes 20a, das sich im beleuchteten Überstrahlbereich 25 befindet dargestellt ist. Im dargestellten Fall wird ein vom Kamerasystem 10 emittierter Lichtstrahl a vom Objekt 20a in Richtung des zu beobachtenden Objektes 20 reflektiert und dort wiederum an Punkt P in Richtung des Kamerasystems 10 reflektiert. Ein solches Signal könnte im einfachsten Fall für den Punkt P eine unklare Entfernungsangabe erzeugen, jedoch in einem kritischeren Fall dem System ein Objekt an der Position P' suggerieren.The radiated energy in these areas not only remains unused, but can in unfavorable cases as disturbing radiation in the field of view of the receiving unit 200 reach. Such disturbing radiations can be caused, for example, by unwanted reflections in the irradiation area 25 occur as it is in 5 based on the object 20a located in the illuminated over-beam area 25 is shown. In the case shown, one from the camera system 10 emitted light beam a from the object 20a in the direction of the object to be observed 20 reflected and there again at point P in the direction of the camera system 10 reflected. Such a signal could in the simplest case produce an unclear distance indication for the point P, but in a more critical case, suggest to the system an object at the position P '.

Erfindungsgemäß werden diese Nachteile vermieden, indem Sende- und Empfangsraumwinkel, wie in 6 dargestellt, aufeinander abgestimmt werden. Der Empfangsraumwinkel Ω_E ist in bekannter Weise durch die Geometrie des Fotosensors 15 bzw. Pixel-Arrays 15 und den Abbildungseigenschaften der Empfangsoptik 150 vorgegeben. Entgegen den in 2 und 3 dargestellten Senderaumwinkeln, ist der in 6 gezeigte Senderaumwinkel der Geometrie des Empfangsraumwinkels angepasst. Maximale Effizienz könnte erreicht werden, indem der Senderaumwinkel in Geometrie und Fläche mit dem Empfangsraumwinkel in Deckung gebracht wird. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich bereits bei Empfangsraumwinkeln, die mindestens eine Fläche von 70% des Senderaumwinkels aufweisen, die Empfangsqualität signifikant verbessert.According to the invention, these disadvantages are avoided by transmitting and receiving space angle, as in 6 represented, coordinated with each other. The receiving space angle Ω _E is in a known manner by the geometry of the photo sensor 15 or pixel arrays 15 and the imaging properties of the receiving optics 150 specified. Contrary to in 2 and three shown sender space angles, is the in 6 Senderaumwinkel shown adapted to the geometry of the receiving room angle. Maximum efficiency could be achieved by matching the sender angle in geometry and area with the receive space angle. However, it has been shown that the reception quality is significantly improved even at reception room angles which have at least an area of 70% of the transmission room angle.

Erfindungsgemäß wird die Geometrie des Senderaumwinkels über entsprechende Gestaltung der Strahlformungsoptik 50 eingestellt. Zusätzlich oder auch alternativ kann es vorgesehen sein, dass auch die Geometrie des Empfangsraumwinkels im Hinblick auf effiziente Ausnutzung des Senderaumwinkels angepasst und optimiert wird.According to the invention, the geometry of the transmission room angle is achieved by means of a corresponding design of the beam shaping optics 50 set. Additionally or alternatively, it may be provided that the geometry of the receiving space angle is also adapted and optimized with regard to efficient utilization of the transmission room angle.

7 zeigt exemplarisch einen Schnitt durch die in 6 gezeigte Raumfläche entlang der Linie x. Im dargestellten Diagramm ist ortsaufgelöst mit durchgezogener Linie die Strahlungsintensität I der Sendeeinheit 100 und mit gestrichelter Linie die Empfindlichkeit E der Empfangseinheit 200 dargestellt. Beide Profile zeigen einen im Wesentlichen rechteckigen Verlauf, wobei die Ränder der Empfindlichkeitskurve erfindungsgemäß innerhalb der Intensitätskurve liegen. 7 shows an example of a section through the in 6 shown area of space along the line x. In the diagram shown, the radiation intensity I of the transmitting unit is spatially resolved with a solid line 100 and dashed line the sensitivity E of the receiving unit 200 shown. Both profiles show a substantially rectangular course, wherein the edges of the sensitivity curve according to the invention lie within the intensity curve.

Zur Definition des Randes der Projektionsfläche bzw. des Raumwinkels Ω_S lassen sich im dargestellten Beispiel ohne weiteres die Flanken des Strahlprofils heranziehen. Im einfachsten Fall kann der Rand durch Anlegen einer Tangente an die Flanke des Strahlprofils bestimmt werden. Prinzipiell können jedoch auch andere ähnliche zielführende Methoden für die Definition des Randbereichs verwendet werden. Beispielsweise ist es auch denkbar, eine Grenzintensität IG zu bestimmen. Der nutzbare Strahlungsbereich erstreckt sich dann über eine Fläche, in der die Strahlungsintensität I größer ist als die Grenzintensität IG. Der Intensitätsgrenzwert IG kann beispielsweise so festgelegt werden, dass durch die aufgespannte Fläche 95% der abgestrahlten Sendeenergie eingefasst sind. Der Intensitätsgrenzwert könnte auch dahingegen festgelegt werden, dass die Strahlung auf ein Drittel oder 1/e der maximalen Strahlungsintensität abgefallen ist.In the example shown, the flanks of the beam profile can readily be used to define the edge of the projection surface or the solid angle Ω _S. In the simplest case, the edge can be determined by applying a tangent to the edge of the beam profile. In principle, however, other similar goal-oriented methods can be used for the definition of the edge area. For example, it is also conceivable to determine a limit intensity IG. The usable radiation range then extends over an area in which the radiation intensity I is greater than the limit intensity IG. The intensity limit value IG can be set, for example, in such a way that 95% of the radiated transmission energy is enclosed by the spanned area. The intensity limit could also be set against the fact that the radiation has dropped to one third or 1 / e of the maximum radiation intensity.

Letztendlich ist jedoch die Bestimmung des Randbereichs als unkritisch zu betrachten, da die Ergebnisse der Berechnungen für typische Strahlprofile nur unwesentlich von einander abweichen. Grundsätzlich ist für ein praxistaugliches System anzustreben, dass das Strahlprofil im Randbereich wie in 7 dargestellt stark abfällt.Ultimately, however, the determination of the edge region is to be regarded as uncritical, since the results of the calculations deviate only insignificantly from one another for typical beam profiles. In principle, for a practical system, it is desirable to have the beam profile in the edge area as in 7 shown drops sharply.

In den 8 und 9 sind beispielhaft TOF-Kamerasysteme 10 mit erfindungsgemäß angepassten Sende- und Empfangseinheiten dargestellt.In the 8th and 9 are exemplary TOF camera systems 10 illustrated with inventively adapted transmitting and receiving units.

8 zeigt beispielhaft eine Anordnung, bei der die Empfangsoptik 150 als Weitwinkelobjektiv ausgebildet ist. Die Strahlformungsoptik 50 ist entsprechend dieser Weitwinkelsituation angepasst. 8th shows an example of an arrangement in which the receiving optics 150 is designed as a wide-angle lens. The beam shaping optics 50 is adjusted according to this wide angle situation.

Prinzipiell wäre es durchaus möglich in der in 8 dargestellten Situation das Weitwinkelobjektiv der Empfangseinheit gegen ein Objektiv mit einer längeren Brennweite auszutauschen. Eine derartige Kombination wäre durchaus funktionsfähig aber mit den vorgenannten Nachteilen. Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen wie in 9 dargestellt, den Senderaumwinkel Ω_S der Sendeeinheit 100 sowohl in Größe als auch Fläche dem Empfangsraumwinkel anzupassen.In principle it would be quite possible in the 8th illustrated situation, the wide-angle lens of the receiving unit to replace a lens with a longer focal length. Such a combination would be quite functional but with the aforementioned disadvantages. According to the invention, it is therefore provided as in 9 represented, the transmission room angle Ω _{S of} the transmitting unit 100 both in size and surface to adapt the receiving space angle.

Wie bereits in 8 angedeutet, wird die gewünschte Geometrie des Senderaumwinkels erfindungsgemäß über einen nicht-rotationssymmetrischen Reflektor angepasst. Der Einfachheit halber wurden die vorgenannten Beispiele eines TOF-Kamerasystems nur mit einer Sendeeinheit mit einer Lichtquelle 12 dargestellt. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Sendeeinheit mit mehreren Lichtquellen auszugestalten. Ein solches Array von Lichtquellen kann vorzugsweise auch in einem gemeinsamen Gehäuse mit der Empfangseinheit 200 eingebracht sein. In einem bevorzugten Fall beleuchtet jede Lichtquelle eines solchen Arrays im Wesentlichen den gleichen Senderaumwinkel. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass sich unterschiedliche Strahlungsintensitäten der einzelnen Lichtquellen nicht im Strahlungsprofil auswirken, sondern zu einer gemeinsamen Lichtintensität aufintegrieren. Bei einem solchen Aufbau, ist es ohne weiten möglich, jeder Lichtquelle eine nahezu identische Strahlformungsoptik zuzuordnen.As already in 8th indicated, the desired geometry of the transmission room angle is adjusted according to the invention via a non-rotationally symmetrical reflector. For the sake of simplicity, the aforementioned examples of a TOF camera system have been used only with a transmitting unit with a light source 12 shown. Of course, it is also conceivable to design the transmitting unit with a plurality of light sources. Such an array of light sources may also preferably in a common housing with the receiving unit 200 be introduced. In a preferred case, each light source of such an array illuminates substantially the same sidelight angle. This has the particular advantage that different radiation intensities of the individual light sources do not affect the radiation profile, but instead integrate into a common light intensity. In such a structure, it is possible without far, each light source to assign a nearly identical beam shaping optics.

Die erfindungsgemäße Strahlformungsoptik erlaubt es ferner, den Ausleuchtungsbereich bzw. den Senderaumwinkel frei zu formen So ist es beispielsweise möglich, die Strahlformungsoptik derart auszugestalten, dass besonders viel Licht in einen Bereich gelenkt wird, der von potenziell hohem Interesse ist, beispielsweise eine Reichweitenerhöhung im Zentrum. Ein derartiges Strahlprofil ist beispielhaft in 10 gezeigt.The beam shaping optical system according to the invention furthermore makes it possible to freely form the illumination area or the transmission room angle. For example, it is possible to configure the beam shaping optics such that a particularly large amount of light is directed into a region of potentially high interest, for example a range increase in the center. Such a beam profile is exemplary in FIG 10 shown.

Diese Beleuchtungsmaxima müssen jedoch nicht zwangsläufig in einem Zentralbereich liegen, sondern können insbesondere auch am Randbereich realisiert werden.However, these illumination maxima do not necessarily have to lie in a central area, but can in particular also be realized at the edge area.

Weiterhin ist es denkbar, insbesondere für die Ausleuchtung von Bereichen mit besonders hohem Interesse, so genannten Region-of-interest (ROI), die Strahlformungsoptiken für jede einzelne Lichtquelle eines Beleuchtungsarrays individuell anzupassen. So kann es insbesondere Vorgesehen sein, für eine Intensitätserhöhung im Zentrum des Beleuchtungsprofils eine gewisse Anzahl von Lichtquellen in diesem Bereich zu bündeln, während die übrigen Lichtquellen eine Strahlformungsoptik aufweisen, die den gesamten gewünschten Senderaumwinkel beleuchten.Furthermore, it is conceivable, in particular for the illumination of regions with a particularly high interest, so-called region-of-interest (ROI), to individually adapt the beam-shaping optics for each individual light source of a lighting array. In particular, provision can be made for bundling a certain number of light sources in this area for an increase in intensity in the center of the illumination profile, while the remaining light sources have beam shaping optics which illuminate the entire desired transmission space angle.

Des Weiteren kann es vorgesehen sein Sende- und Empfangseinheit nicht in einem gemeinsamen Gehäuse anzuordnen, sondern entsprechend einer vorgefundenen Einbausituation separat anzuordnen. Der sich hiermit vergrößernde Parallaxenfehler kann in der Regel für übliche Messabstände vernachlässigt werden oder kann in besonderen Systemen gegebenenfalls auch durch entsprechende Gestaltung der Strahlformungsoptik kompensiert werden.Furthermore, it can be provided not to arrange transmitting and receiving unit in a common housing, but to arrange separately according to a found installation situation. As a rule, the parallax error which increases in this way can be neglected for standard measuring distances or, if appropriate, can also be compensated for in special systems by appropriate design of the beam shaping optics.

Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, Sende- und Empfangseinheiten modulartig aufzubauen, so dass in einfacher Art und Weise für eine ausgewählte Empfangseinheit bestimmter Brennweite oder bestimmter optischen Eigenschaft ein entsprechendes Sendemodul ausgewählt und eingesetzt werden kann.Furthermore, it is provided according to the invention to construct transmitter and receiver units in a modular manner, so that a corresponding transmitter module can be selected and used in a simple manner for a selected receiver unit of particular focal length or specific optical property.

Claims

Light transit time measuring system ( 10 ), with a receiving unit ( 200 ) containing at least one receive pixel array ( 15 ) based on photomix detection and an associated receiving optics ( 150 ), which together span a receiving space angle (Ω _E ) in a substantially rectangular geometry, with a transmitting unit ( 100 ) containing at least one light source ( 12 ) and associated beam shaping optics ( 50 ) which jointly span a transmission-room angle (Ω _S ), the reception-space angle (Ω _E ) being within the transmission-room angle (Ω _S ), characterized in that the light-transit time measurement system has modular transmission and reception units ( 100 . 200 ), that the transmitting and receiving modules ( 100 . 200 ) are selected, selected and used such that the receiving space angle (Ω _E ) detects at least 70 percent of the transmission-room angle (Ω _S ), and that the adaptation of the transmission-room angle (Ω _S ) is achieved by adapting the beam-shaping optical system ( 50 ), which is designed as a non-rotationally symmetrical reflector.

A light transit time measuring system according to claim 1, wherein the geometric shape of the transmission and reception space angles (Ω _E , Ω _S ) are substantially similar.

The light transit time measuring system according to claim 1 or 2, in which the transmission room angle (Ω _S ) is determined by the imaging properties of the receiving optical system ( 150 ) influenced receiving space angle (Ω _E ) is adjusted.