DE102010003544A1

DE102010003544A1 - 3D-TOF-Kamera

Info

Publication number: DE102010003544A1
Application number: DE102010003544A
Authority: DE
Inventors: Björn Biehler
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2011-10-06

Abstract

3D-TOF-Kamera (1), insbesondere PMD-Kamera, mit einem hinter einer Empfangsoptik (25, 27) angeordneten als Pixel-Array ausgeführten Fotosensor (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik (25, 27) für einen vorgegebenen Überwachungsbereich (60) derart ausgestaltet ist, dass zumindest eine jede Pixel-Zeilen des Pixel-Arrays im Wesentlichen einen gleich großen Abschnitt des vorgegebenen Überwachungsbereichs (60) zumindest in einer Raumrichtung erfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine 3D-TOF-Kamera, insbesondere PMD-Kamera, nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Aus dem Stand der Technik sind Systeme zur dreidimensionalen Bilderfassung bekannt, welche mit Hilfe einer aktiven Beleuchtung arbeiten. Dazu gehören insbesondere so genannten Time-of-flight-(TOF-) oder Laufzeitmesssysteme. Diese verwenden eine amplitudenmodulierte oder gepulste Beleuchtung, zur Ausleuchtung der zu erfassenden dreidimensionalen Szenerie.
Mit Kamera bzw. 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 DE 196 35 932 , EP 1 777 747 , US 6 587 186 und auch DE 197 04 496 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.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Objekterkennung in einem Überwachungsbereich zu verbessern.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Vorrichtung des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Vorteilhaft ist eine 3D-TOF-Kamera, insbesondere eine PMD-Kamera vorgesehen, mit einem hinter einer Empfangsoptik angeordneten als Pixel-Array ausgeführten Fotosensor, wobei die Empfangsoptik für einen vorgegebenen Überwachungsbereich derart ausgestaltet ist, dass zumindest eine jede Pixel-Zeilen des Pixel-Arrays im Wesentlichen einen gleich großen Abschnitt des vorgegebenen Überwachungsbereichs zumindest in einer Raumrichtung erfasst. Aufgrund der gleich groß erfassten Abschnitte kann beispielsweise sichergestellt werden, dass eindringende Objekte in alle erfassten Abschnitte ohne zusätzliche Umrechungsverfahren sehr schnell als gleich groß erfasst werden können.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindung möglich.
Besonders nützlich ist es, wenn. die Empfangsoptik mit einem Objektiv, insbesondere einem Weitwinkelobjektiv, und einem Prisma aufgebaut ist.
Ferner ist es von Vorteil, wenn ein Basiswinkel und/oder eine räumliche Position des Prismas vor dem Objektiv dahingegen optimiert ist, dass eine jede Pixel-Zeile im Wesentlichen einen gleich großen Abschnitt des vorgegebenen Überwachungsbereichs zumindest in einer Raumrichtung erfasst.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 schematisch ein 3D-TOF-Kamera,
2 eine Überwachungssituation mit üblicher Kameraanordnung,
3 einen Auflösungsvergleich eines unkorrigierten und mit eine korrigierten Objektiv,
4 eine erfindungsgemäße Empfangsoptik,
5 eine Bereichsüberwachung mit einer erfindungsgemäßen Kamera.
6 einen Strahlengang durch ein Prisma
1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einem 3D-TOF-Kamerasystem, wie es beispielsweise aus der DE 197 04 496 bekannt ist.
Das 3D-TOF-Kamerasystem 1 umfasst hier eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Lichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. 3D-TOF-Kamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Fotosensor 22. Der Fotosensor 22 ist als Einzelpixel oder Pixel-Array, insbesondere als PMD-Sensor, ausgebildet. Die Empfangsoptik besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 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 Fotosensor 22 über einen Modulator 30 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 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage b auf den Fotosensor 22. Im Fotosensor 22 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators 30 mit dem empfangenen Signal, das mittlerweile eine zweite Phasenlage b angenommen hat, gemischt und aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung ermittelt.
In 2 ist eine typische Überwachungssituation mit einer an einem Fahrzeug 300 angebrachten 3D-TOF-Kamera 1 gezeigt. Die 3D-TOF-Kamera 1 überwacht einen rückwärtigen Raum des Fahrzeugs 300, wobei ein rückseitiger Bereich des Fahrzeugs 300 noch vom Nahbereich N der Kamera erfasst wird. Die maximale Größe des Überwachungsbereichs ergibt sich entsprechend der geometrischen und optischen Abbildung des Fotosensors 22 auf den zu beobachtenden Bereich 60. Die von der Kamera bzw. Objektiv bis zur Ebene des Überwachungsbereichs 60 durchgezogenen Linen symbolisieren dementsprechend Sichtstrahlen 50 einzelner Pixel-Zeilen des Fotosensors 22. Prinzipiell können die gezeigten Sichtstrahlen 50 auch als Grenzen eines Erfassungsbereichs einer entsprechend Pixel-Zeile aufgefasst werden. Allein aus geometrischen Gründen vergrößert sich der Erfassungsbereich einer einzelnen Pixel-Zeile vom Nahbereich N zum Fernbereich F.
Dieser Effekt ist in 3 mit der gekrümmten Kurve 101 beispielhaft als Sichtbereich in Abhängigkeit eines Blickwinkels aufgetragen. Für bestimmte Anwendungsfälle oder für eine einfachere Auswertung der Entfernungsdaten oder einer sichereren Objekterkennung bzw. -erfassung wäre es jedoch wünschenswert, dass der Sichtbereich bzw. Erfassungsbereich über einen bestimmten Blickwinkelbereich konstant verläuft, wie es beispielhaft mit der konstant verlaufenden Linie 102 für ein optimiertes Objektiv aufgetragen ist.
Im unkorrigierten Fall gemäß Kurve 101 ändert sich die Auflösung über den Sichtbereich. In der Nähe des Fahrzeugs ist eine Pixelzeile für die Überwachung von einem Streifen von 0,08 m Breite zuständig, wohingegen im fahrzeugentfernten Fernbereich F eine Pixelzeile für 0,2 m zuständig ist. Dies birgt die Gefahr, Objekte in diesem Bereich zu übersehen. Im korrigierten Fall bleibt der Überwachungsbereich pro Pixelzeile im Wesentlichen konstant bei 0,125 m, der auch in der Entfernung nicht abnimmt.
4 zeigt eine erfindungsgemäß optimierte Empfangsoptik 25, 27, bei der vor dem Objektiv 25 des Fotosensors 22 ein Prisma 27 angeordnet ist. Dieses Prisma 27 steht in einem bestimmten Winkelverhältnis zum Objektiv 25 und der Ebene des Überwachungsbereichs 60. Im dargestellten Fall ist das Objektiv 25 des Fotosensors 22 um ca. 50° gegenüber der Ebene des Überwachungsbereichs 60 geneigt. Durch die Anordnung des Prismas in den Strahlengang wird der Neigungswinkel des Objektivs 25 quasi optisch gegenüber der Überwachungsebene reduziert und somit auch eine Ausdehnung des Sichtbereichs mit zunehmendem Sicht- bzw. Blickwinkel reduziert.
Darüber hinaus können der Basiswinkel γ und die Position des Prismas 27 im Strahlengang des Objektivs 25 so optimiert werden, dass die Sichtstrahlen 50 die Ebene des überwachten Bereichs 60 im Wesentlichen äquidistant schneiden. Hierbei ist der erste Winkel α zwischen Objektiv und erster Prismenseite und der zweite Winkel β zwischen zweiter Prismenseite und Überwachungsebene vorzugsweise so zu wählen, dass für die Sichtstrahlen keine Totalreflektionen an einer Prismenfläche auftreten.
Der Grundgedanke besteht also darin, dass die vom Sensor bzw. dann vom Objektiv ausgehenden Sichtstrahlen durch das Prisma derart gebrochen bzw. umgelenkt werden, dass sich im Überwachungsbereich eine homogene insbesondere äquidistante Verteilung ergibt. Auf diese Weise lässt sich der Sichtbereich zumindest in einer Richtung, in weiten Grenzen anpassen, ohne die senkrecht dazu liegende Achse zu beeinflussen. Dies ist vorteilhaft, weil so der Öffnungswinkel der Kamera nur in einer Richtung durch die Brennweite bestimmt wird. Man erhält so einen zusätzlichen Freiheitsgrad.
In 5 ist beispielhaft eine Anordnung gezeigt, in der die Sichtstrahlen die Ebene des Überwachungsbereichs in nahezu äquidistanten Abständen schneiden.
Im Wesentlichen hängt die Formgebung des Prismas von folgenden Parameter ab: – Höhe des Einbauorts über dem Überwachungsbereich, – Brechungsindex des verwendeten Materials und des umgebenden Mediums, – Größe des Überwachungsbereichs, – verwendetes Objektiv, -Chip- bzw. Fotosensor-Geometrie.
Um Verluste beim Grenzflächendurchgang zu vermeiden, sind Ein- und Ausfallswinkel von vorzugsweise kleiner 80° und insbesondere kleiner 50° und besonders vorteilhaft kleiner 40° zu bevorzugen.
Die Größe des Prismas sollte so gewählt werden, dass alle Sichtstrahlen von dem Prisma erfasst werden. Der Basiswinkel und die Orientierung des Prismas sollten so gewählt werden, dass sich die Sichtstrahlen nahezu äquidistant mit dem Überwachungsbereich schneiden.
6 zeigt exemplarisch eine Umlenkung bzw. Brechung eines Sichtstrahles in einem Prisma. Der Sichtstrahl fällt unter einem Einfallswinke α1 auf die linke Prismenfläche und verlässt das Prisma nach zweimaliger Brechung an der rechten Prismenfläche unter einem Ausfallswinkel α2. Der Ablenkungswinkel δ berechnet sich in bekannter Weise. Aus δ = α1 – β1 + α2 – β2 und γ = β1 + β2 folgt δ = α1 + α2 – γ.
Unter Berücksichtigung des Brechungsgesetzes sinα1 = n·sinβ1 folgt dann: δ = α₁ + arcsin(sinγ· √n² – sin²α₁ – cosγ·sinα₁)
Bezugszeichenliste

1: 3D-TOF-Kamerasystem
10: Sendeeinheit, Beleuchtungsmodul
12: Lichtquelle
15: Strahlformungsoptik
20: Empfangseinheit
22: Fotosensor
25: Empfangsoptik
27: Prisma
30: Modulator
40: Objekt
50: Sichtstrahlen
60: Überwachungsbereich
55: aquidistante Schnittpunkte
101: Kurve unkorrigiertes Objektiv
102: Kurve korrigiertes Objektiv
N: Nahbereich
F: Fernbereich

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19635932 [0003]
EP 1777747 [0003]
US 6587186 [0003]
DE 19704496 [0003, 0018]

Claims

3D-TOF-Kamera (1), insbesondere PMD-Kamera, mit einem hinter einer Empfangsoptik (25, 27) angeordneten als Pixel-Array ausgeführten Fotosensor (22), dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsoptik (25, 27) für einen vorgegebenen Überwachungsbereich (60) derart ausgestaltet ist, dass zumindest eine jede Pixel-Zeilen des Pixel-Arrays im Wesentlichen einen gleich großen Abschnitt des vorgegebenen Überwachungsbereichs (60) zumindest in einer Raumrichtung erfasst.
Kamera nach Anspruch 1, bei der die Empfangsoptik mit einem Objektiv (25), insbesondere einem Weitwinkelobjektiv, und einem Prisma (27) aufgebaut ist.
Kamera nach Anspruch 2, bei dem ein Basiswinkel und/oder eine räumliche Position des Prismas (27) vor dem Objektiv (25) dahingegen optimiert ist, dass eine jede Pixel-Zeile im Wesentlichen einen gleich großen Abschnitt des vorgegebenen Überwachungsbereichs (60) zumindest in einer Raumrichtung erfasst.