DE102010001113B4

DE102010001113B4 - Beleuchtung für eine Lichtlaufzeit-Kamera

Info

Publication number: DE102010001113B4
Application number: DE102010001113.4A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Altmann; Gregor Keller
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2023-02-16
Anticipated expiration: 2030-01-22
Also published as: DE102010001113A1

Abstract

Beleuchtung (100) für ein Lichtlaufzeit-Kamera (200), insbesondere PMD-Kamera, mit einer Lichtquelle (12) bestehend aus einer oder mehreren Leuchtdioden (331,332) wobei die Lichtquelle (12) auf einer ersten Anschlussseite über eine Spule (320) mit einer Spannungsversorgung (310) und auf einer zweiten Anschlussseite mit einem Bezugspotential verbunden ist,
wobei parallel zur Lichtquelle (12) ein Schalter (340), insbesondere ein Transistor, angeordnet ist, der die erste Anschlussseite der Lichtquelle (12) schaltbar mit dem Bezugspotential verbindet,
wobei der Schalter (340) mit einem Taktgeber (18, 350) verbunden ist, der den Schalter (340) mit einem vorgebbaren Takt und Dutycycle (DC) schaltet, wobei die Ausgangsspannung (U_B) der Spannungsversorgung (310) in Abhängigkeit des Dutycycles (DC) und einer vorgegebenen Arbeitspunkt-Flussspannung (U_A) der Lichtquelle (12) festgelegt ist.

Description

Aus dem Stand der Technik sind Systeme zur dreidimensionalen Bilderfassung bekannt, welche mit Hilfe einer aktiven Beleuchtung arbeiten. Dazu gehören so genannten Time-offlight- (TOF-) oder Laufzeitmesssysteme. Diese verwenden eine amplitudenmodulierte oder gepulste Beleuchtung, zur Ausleuchtung der zu erfassenden dreidimensionalen Szenerie.
Mit Kamerasystem bzw. Lichtlaufzeit-Kamerasystem sollen insbesondere alle 3D-TOF-Kamerasysteme mit umfasst sein, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in den Anmeldungen EP 1777747 A1 , US 6 587 186 B2 und auch DE 197 04 496 A1 beschrieben 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.
Als Beleuchtung werden vorzugsweise Leuchtdioden (LED) verwendet, die in der Regel seriell und teilweise auch parallel zu einem LED-Array zusammengeschaltet sind, wobei die Beleuchtung durch einen seriell angeschlossenen Schalter ein- und ausgeschaltet wird.
Aus der US 2008 / 0012 507 A1 ist beispielhaft ein Hochstromtreiber zum schnellen Schalten von LEDs bekannt, mit einem Kontroller, einer Induktivität und einem Schalttransistor, der parallel zu einer LED angeordnet und mit einem gemeinsamen Bezugspotenzial verbunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Flankensteilheit des emittierten Lichts beim Ein- und Ausschalten zu verbessern.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Beleuchtung gelöst.
Vorteilhaft ist eine Beleuchtung für ein Lichtlaufzeit-Kamera, insbesondere PMD-Kamera vorgesehen, bei der die Lichtquelle vorzugsweise aus einer oder mehreren Leuchtdioden aufgebaut ist, wobei die Lichtquelle auf einer ersten Anschlussseite über eine Spule mit einer Spannungsversorgung und auf einer zweiten Anschlussseite mit einem Bezugspotential verbunden ist, wobei parallel zur Lichtquelle ein Schalter, insbesondere ein Transistor, angeordnet ist, der die erste Anschlussseite der Lichtquelle schaltbar mit einem Bezugspotential verbindet, wobei der Schalter mit einem Taktgeber verbunden ist, der den Schalter mit einem vorgebbaren Takt und Dutycycle schaltet, wobei die Ausgangsspannung der Spannungsversorgung in Abhängigkeit des Dutycycles und einer vorgegebenen Arbeitspunkt-Flussspannung (U_A) der Lichtquelle festzulegen ist.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass bei geeigneter Dimensionierung der Bauelemente und geeignete Wahl der Versorgungsspannung durch wechselndes Öffnen und Schließen des Schalters ein Teil der in der Spule gespeicherte Energie für den Betrieb der Leuchtdioden genutzt werden kann. Dieses Vorgehen hat insbesondere den Vorteil, dass trotz des wechselnden Schaltens der Leuchtdioden auf Seiten der Spannungsversorgung im Wesentlichen nur ein Gleichstrom abgegeben wird.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in dem unabhängigen Anspruch angegeben Erfindung möglich.
Ferner ist es vorgesehen, dass das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung der Spannungsversorgung und der Arbeitspunkt-Flussspannung durch den Dutycycle des Schalters bestimmt ist und mit zunehmenden Dutycyle abnimmt.
In besonders vorteilhafter Weise wird die Ausgangsspannung der Stromversorgung bei einem durch den Taktgeber vorgegebenen Duty-Cylce von 50 % auf einem Wert, der halb so groß ist wie die vorgegebene Arbeitspunkt-Flussspannung ist, festgelegt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch ein PMD-Kamerasystem,
2 eine erfindungsgemäße Schaltung für eine Beleuchtung eines PMD-Kamerasystems.

1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einem TOF-Kamerasystem, wie es beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist.
Das TOF-Kamerasystem umfasst hier eine Sendeeinheit bzw. eine aktive Beleuchtung 100 mit einer Lichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 50 sowie eine Empfangseinheit bzw. 3D-TOF-Kamera 200 mit einer Empfangsoptik 150 und einem Photosensor 15. Der Photosensor 15 ist vorzugsweise als Pixel-Array, insbesondere als PMD-Sensor, ausgebildet. Die Empfangsoptik besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 50 der Sendeeinheit 100 ist vorzugsweise als Reflektor ausgebildet. Es können jedoch auch diffraktive Elemente oder Kombinationen aus reflektierenden und diffraktiven Elementen eingesetzt werden.
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 Photosensor 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 Photosensor 15. Im Photosensor 15 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators 18 mit dem empfangenen Signal, das mittlerweile eine zweite Phasenlage b angenommen hat, gemischt und aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung ermittelt.
Der Modulator 18 erzeugt vorzugsweise ein Rechtecksignal, bei dem das „High-“ und „Low-“Signal bevorzugt die gleiche Pulsweite aufweisen.
Je nach Aufbau des TOF-Kamerasystems bzw. der Laufzeitauswertung sind jedoch auch andere Pulsweitenverhältnisse denkbar.
Für den bevorzugten Fall wird nun die Lichtquelle und die Empfangseinheit mit dem Rechtecksignal beaufschlagt, so dass beispielsweise während des High-Signals, der Beleuchtungsphase, die Lichtquelle mit Strom beaufschlagt wird und ein erster Empfangsbereichs der Empfangseinheit 200 empfangsbereit ist und während des Low-Signals, der Dunkelphase, die Lichtquelle 12 abgeschaltet und die Empfangseinheit 200 auf einen zweiten Empfangsbereich umgeschaltet wird. Sind nun High- und Low-Signal vorzugsweise gleich lang, lässt sich aus dem Verhältnis der Messungen der ersten und zweiten Empfangseinheit eine laufzeitbedingte Phasenverschiebung des Lichtsignals ermitteln.
Das Verhältnis der Einschaltdauer zu Gesamtdauer der Phase wird auch als Duty-Cycle bezeichnet. In der bevorzugten Ausführungsform liegt ein Duty-Cycle von 50 % vor.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung zum Betreiben einer 3D-TOF-Beleuchtung. Die Lichtquelle 12 ist im dargestellten Beispiel mit zwei in Serie geschalteten Leuchtdioden 331, 332 aufgebaut. Die Anode der ersten Diode 331 ist über eine Spule 320 mit dem positiven Anschluss einer Spannungsquelle 310 und die Kathode der zweiten Diode 332 mit einem Bezugspotential, insbesondere Masse, verbunden. Der negative Anschluss der Spannungsquelle 310 ist auch mit dem Bezugspotential verbunden. Parallel zur Lichtquelle 12 bzw. zu den in Serie geschalteten Leuchtdioden 331, 332 ist ein Transistor 340 angeordnet, der mit einem Anschluss mit der Spule 320 und der Anode der ersten Leuchtdiode 331 und mit einem weiteren Anschluss mit dem Bezugspotential elektrisch verbunden ist. Der Steueranschluss des Transistors 340 ist mit einem Taktgeber bzw. Modulator 18 verbunden. Zur Synchronisation der Beleuchtungs- und Dunkelphase mit der Empfangseinheit 200 ist das Signal des Modulators 18 mit dem der Schalter beaufschlagt wird gegebenenfalls zu invertieren und/oder in der Phase zu verschieben.
Als Schalter können anstelle eines Transistors auch vergleichbar wirkende Schaltmittel verwendet werden, insbesondere bipolare Transistoren, MOS-FETs etc.
Im Betrieb der Schaltung wird der Transistor 340 über den Taktgeber 18 abwechselnd ein- und ausgeschaltet, so dass einmal der über die Spule 320 fließende Strom über den Transistor 340 und das andere mal über die Lichtquelle 12 fließt.
Beim Einschalten des Transistors baut der über die Spule fließende Strom ein Magnetfeld in der Spule auf. Durch die im Magnetfeld gespeichert Energie wird quasi ein Strom vorgeprägt, der beim Ausschalten des Transistors bzw. Öffnen des Schalters der Lichtquelle zur Verfügung steht.
Vereinfacht dargestellt, wird sich ausgehend vom vorgeprägten Strom entsprechend der Kennlinie der Lichtquelle 12 bzw. Leuchtdioden 331, 332 nach dem Öffnen des Schalters eine entsprechende Flussspannung U_F einstellen.
Oder in einer anderen Betrachtungsweise, wird beim Öffnen des Schalters die in der Spule induzierte Spannung bis zu einer Flussspannung ansteigen, die einen Stromfluss durch die Lichtquelle 12 in Höhe des vorgeprägten Stroms erlaubt.
Die Flussspannung U_F ist die Spannung, die an der Anode der ersten Leuchtdiode 331 anliegt.
Die Beleuchtungsphase wird somit durch Öffnen des Schalters bzw. Transistors 340 eingeleitet, wobei die Lichtquelle 12 im Wesentlichen durch die in der Spule gespeicherten Energie versorgt wird. Bei genügend groß gewählter Induktivität fällt der Strom bzw. die emittierte Lichtstärke der LED nur unwesentlich ab.
Die Induktivität wird vorzugsweise so groß gewählt, dass der Strom bzw. die emittierte Lichtstärke in der Beleuchtungsphase im Wesentlichen als konstant betrachtet werden können.
Während bei einem seriellen Schalten parasitäre Induktivitäten der Lichtquelle ein schnelles Ansteigen des Stroms aufgrund einer begrenzten Speisespannung verhindern wird, erlaubt die vorgeschaltete Induktivität bzw. Spule 320 hingegen durch Bereitstellung einer höheren Induktionsspannung die Aufrechterhaltung des vorgeprägten Stroms.
Beim Schließen des Schalters bzw. beim Durchschalten des Transistors fließt der Strom wieder durch den Schalter. Die in der Beleuchtungsphase bzw. Ausschaltphase des Transistors von der Induktivität abgegebene Energie wird dann der Induktivität wieder zugeführt.
Darüber hinaus wird die Lichtquelle während dieser Phase aktiv kurzgeschlossen, wodurch insbesondere parasitäre Kapazitäten entladen werden. Dies führt insbesondere auch dazu, dass die Abschaltflanke der LED steiler wird bzw. schneller abfällt.
Durch dieses Vorgehen wird somit die Steilheit sowohl der Einschalt- als auch Abschaltflanke erhöht und die letztendlich die Genauigkeit der Laufzeitmessung verbessert.
Ferner wird durch dieses Vorgehen im Gegensatz zu einem seriellen Schalten der LEDs die Spannungsquelle im Wesentlichen nur mit einem Gleichstrom belastet, während beim seriellen Schalten der Strom stark schwankt. Ein solches Vorgehen verbessert insbesondere auch die elektromagnetische Verträglichkeit der Beleuchtung.
Zum Betreiben der Lichtquelle 12 bzw. der Leuchtdiodenkette 331, 332 wird typischerweise in Abhängigkeit der Kennlinien der Leuchtdioden ein Arbeitspunkt, der eine möglichst hohe Lichtausbeute der Leuchtdioden und eine gewisse Betriebssicherheit gewährleistet. Der Arbeitspunkt lässt sich beispielsweise über eine Arbeitspunkt-Flussspannung U_A festlegen.
Die notwendige Versorgungsspannung kann nun ausgehend von der Arbeitspunkt-Flussspannung U_A und dem Duty-Cycle (DC) des Schalters/Transistors 340 festgelegt werden.
Wie eingangs erwähnt wird die Beleuchtung bevorzugt mit einem Duty-Cycle (DC) von 50 % bzw. einem Puls-Pausenverhältnis von 1:1 betrieben, erfindungsgemäß umgesetzt durch einen entsprechenden Duty-Cycle von 50 % am Schalter/Transistor. Ausgehend von diesen Betriebsparametern ist die Ausgangsspannung U_B der Spannungsquelle im Wesentlichen auf die Hälfte der Arbeitspunkt-Flussspannung U_A festzulegen, also: U_B = 0,5 * U_A
Im Allgemeinen Fall gilt: U_B = f(DC) * U_A mit f(DC) als Duty-Cycle-Faktor, der sich als Funktion abhängig vom Duty-Cycle des Schalters/Transistors 340 ableiten lässt.
Bei einem „Schalter“-Duty-Cycle von 0 %(= Beleuchtungs-Duty-Cycle von 100 %), also einem permanent geöffneten Schalter trägt die Spule nicht mehr zur erfindungsgemäßen Energiespeicherung bei, so dass die Spannungsversorgung die komplette Arbeitspunkt-Flussspannung U_A aufbringen muss, der Duty-Cycle-Faktor ist für diesen Fall gleich eins, also f(DC=0 %) = 1. Für höhere Duty-Cycle wird der Faktor entsprechend kleiner.
Ausgehend von dieser Relation zwischen Arbeitspunkt-Flussspannung U_A und Ausgangsspannung U_B lässt sich ein weiteres Kriterium für eine erfindungsgemäße Arbeitspunkt-Einstellung finden. Bevorzugt ist die Arbeitspunkt-Flussspannung U_A neben der optimierten Lichtausbeute derart zu wählen, dass die gemäß des Duty-Cycle-Faktors festzulegende Ausgangsspannung U_B vorzugsweise kleiner als die Durchlassspannung der LED-Kette ist oder zumindest unterhalb einer vorgegebenen Grenzspannung U_G liegt. Die Grenzspannung U_G definiert eine Flussspannung U_F die im Ruhebetrieb der Beleuchtung noch toleriert werden kann.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass in Betriebspausen, die deutlich länger als die Periodendauer des Duty-Cycles sind, die LEDs allein durch geöffnet lassen des Schalters/Transistors 340 in einen Ruhebetrieb gebracht werden können.
Wie oben bereits dargestellt entspricht ein dauerhaft geöffneter Schalter einem Duty-Cycle von 0 %. Da nun durch Ausbleiben des „Wechselschaltens“ keine Spannung mehr in Höhe der Arbeitspunkt-Flussspannung U_A anodenseitig der LED-Kette induziert werden kann, fällt die anodenseitige Flussspannung auf die Ausgangsspannung U_A der Spannungsquelle ab. Liegt nun die Ausgangsspannung U_A wie bevorzugt unterhalb der Durchflussspannung der Diodenkette 331, 332 fließt im Wesentlichen kein Strom mehr über die Dioden.

Claims

Beleuchtung (100) für ein Lichtlaufzeit-Kamera (200), insbesondere PMD-Kamera, mit einer Lichtquelle (12) bestehend aus einer oder mehreren Leuchtdioden (331,332) wobei die Lichtquelle (12) auf einer ersten Anschlussseite über eine Spule (320) mit einer Spannungsversorgung (310) und auf einer zweiten Anschlussseite mit einem Bezugspotential verbunden ist, wobei parallel zur Lichtquelle (12) ein Schalter (340), insbesondere ein Transistor, angeordnet ist, der die erste Anschlussseite der Lichtquelle (12) schaltbar mit dem Bezugspotential verbindet, wobei der Schalter (340) mit einem Taktgeber (18, 350) verbunden ist, der den Schalter (340) mit einem vorgebbaren Takt und Dutycycle (DC) schaltet, wobei die Ausgangsspannung (U_B) der Spannungsversorgung (310) in Abhängigkeit des Dutycycles (DC) und einer vorgegebenen Arbeitspunkt-Flussspannung (U_A) der Lichtquelle (12) festgelegt ist.
Beleuchtung nach Anspruch 1, bei der das Verhältnis zwischen Ausgangsspannung (U_B) der Spannungsversorgung und der Arbeitspunkt-Flussspannung (U_A) durch den Dutycycle des Schalters (340) bestimmt ist und mit zunehmenden Dutycyle abnimmt.
Beleuchtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Taktgeber (18, 350) für einen Duty-Cycle von 50 % ausgelegt ist, und die Ausgangsspannung (U_B) der Stromversorgung (310) halb so groß wie die vorgegebene Arbeitspunkt-Flussspannung (U_A) gesetzt ist.