DE102010038566A1

DE102010038566A1 - Lichtlaufzeitkamera mit Funktionsüberwachung

Info

Publication number: DE102010038566A1
Application number: DE102010038566A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Altmann
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2010-07-28
Publication date: 2012-02-02

Abstract

Lichtlaufzeit-Kamera, mit einem Photosensor (22), der mindestens ein Empfangspixel aufweist, und vorzugsweise als Photomischdetektor ausgebildet ist, mit einer Beleuchtungslichtquelle (12), und mit einem Modulator (30), der mit dem Photosensor (22) und der Beleuchtungslichtquelle (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtlaufzeit-Kamera eine Referenzlichtquelle (13) aufweist, die derart angeordnet ist, dass bei einem Zuschalten der Referenzlichtquelle (13) der Photosensor (22) vollständig beleuchtet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtlaufzeitkamera und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Mit Lichtlaufzeit-Kamera, Kamera bzw. Kamerasystem sollen nicht nur Systeme mit umfasst sein die Entfernung direkt aus der Lichtlaufzeit ermitteln, sondern insbesondere auch alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u. a. in den Anmeldungen 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 O3D 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. Selbstverständlich sollen mit dem Begriff Kamera bzw. Kamerasystem auch Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät O1D der Anmelderin.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung im Hinblick einer Funktionsüberwachung weiter zu gestalten.
Diese Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die Lichtlaufzeitkamera und das Verfahren für eine solche gelöst. Vorteilhaft ist eine Lichtlaufzeitkamera mit einem Photosensor und einer Beleuchtungslichtquelle vorgesehen. Der Photosensor weist mindestens ein Empfangspixel auf, und ist vorzugsweise als Photomischdetektor ausgebildet. Der Photosensor und die Beleuchtungslichtquelle werden über einen Modulator mit einer Modulation beaufschlagt. Die Lichtlaufzeit-Kamera weist ferner eine Referenzlichtquelle auf, die derart angeordnet ist, dass bei einem Zuschalten der Referenzlichtquelle der Photosensor beleuchtet wird.
Eins solche Anordnung hat den Vorteil, dass das beispielsweise nach einer regulären Distanzmessung der Photosensor in seiner Funktion überwacht werden kann, in dem über die Referenzlichtquelle modulierte Strahlung auf den Photosensor aufgeprägt und ausgewertet werden kann. Liegen die Messergebnisse der Referenzmessung innerhalb einer Toleranz, kann auf eine fehlerfreie Funktion des Photosensors bzw. der nachfolgenden Signalkette geschlossen werden.
Ebenso vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben der Lichtlaufzeitkamera vorgesehen, bei dem in einer Distanzmessphase ein moduliertes Licht von der Beleuchtungsquelle emittiert wird und ausgehend von einer Lichtlaufzeit, insbesondere einer Phasenverschiebung, für wenigstens ein Pixel des Photosensors ein Entfernungssignal ermittelt wird und bei dem in einer Referenzmessung mit Hilfe einer Referenzlichtquelle der Photosensor mit moduliertem Licht beleuchtet wird.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhaft Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Erfindung möglich.
Ferner ist es von Vorteil zusätzlich einen Referenzlichtkanal vorzusehen, der einen Teil des von der Beleuchtungsquelle emittierten Lichts auf einen Referenzphotosensor lenkt. Durch dieses Vorgehen ist auch ein Funktionsüberwachung des Photosensors während einer Distanzmessung möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Referenzmessung in vorgegebenen Zeitabständen erfolgt. Beispielsweise können die Referenzmessungen nach jeder Distanzmessung erfolgen jedoch ist es je nach Anwendungsfall auch denkbar, die Referenzmessungen in größeren Zeitabständen oder nach einer bestimmten Anzahl von Distanzmessungen zu wiederholen.
Ebenfalls ist es von Vorteil, während der Distanzmessphase wenigstens zwei Distanzmessungen vorzusehen. Insbesondere kann es vorgesehen sein, die Distanzmessungen für unterschiedliche Modulationsphasen durchzuführen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:
1 eine erfindungsgemäße Lichtlaufzeit-Kamera,
2 ein erfindungsgemäßes System mit einem Referenzkanal,
3 ein erfindungsgemäßes System mit einer Referenzlichtquelle
4 ein Ablaufplan der Referenzmessungen
5 eine mögliche Anordnung der Referenzlichtquelle.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeit-Kamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 bekannt ist.
Die Lichtlaufzeit-Kamera 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Lichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. TOF-Kamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Photosensor 22. Der Photosensor 22 weist mindestens ein Pixel, vorzugsweise jedoch ein Pixel-Array, auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 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 Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Photosensor 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 Photosensor 22. Im Photosensor 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 1 ermittelt.
2 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems. Das von der Lichtquelle 12 moduliert emittierte Licht a wird von einem Objekt 40 reflektiert und als phasenverschobenes Lichtsignal b von dem Photosensor 22 empfangen, woraus in gewohnter Weise ein Entfernungssignal pixelindividuell ermittelt wird. In Ergänzung zu der Ausführung gemäß 1 ist ein Referenzlichtkanal 100 vorgesehen, der ein Teil a' des emittierten Lichts a auf einen Referenzphotosensor 28 auslenkt. Der Referenzphotosensor 28 erhält, wie auch die Lichtquelle 12 und der Photosensor 22, das Modulationssignal vom Modulator 30.
Der Referenzphotosensor 28 kann in verschiedener Art und Weise aufgebaut sein. Beispielsweise kann der Referenzphotosensor 28 als ein Teil des Photosensors 22 oder auch als separates Bauelement ausgebildet sein. Wie auch der Photosensor 22 ist der Referenzphotosensor 28 bevorzugt als Phasenmischdetektor (PMD) ausgebildet.
Der Referenzlichtkanal 100 besteht im dargestellten Beispiel aus einem ersten und zweiten Spiegel 101, 102. Der erste Spiegel 101, der beispielsweise auch als Abdeckglas des Beleuchtungsmoduls 10 ausgeführt sein kann, lenkt einen Teil der von der Beleuchtungsquelle 22 emittierten Strahlung aus dem Hauptstrahlengang aus, wobei das ausgelenkte Referenzlicht a' über den zweiten Spiegel auf den Referenzphotosensor 28 projiziert wird.
Wird am Referenzphotosensor 28 ein moduliertes Lichtsignal empfangen, kann dann davon ausgegangen werden, dass die Beleuchtungsquelle einwandfrei funktioniert. Für die Überprüfung der Funktionsfähigkeit erlaubt dieses Referenzsignal vielfältige Auswertemöglichkeiten.
Beispielsweise kann im Vergleich zu der Lichtlaufzeit des zu messenden Objekts 40 davon ausgegangen werden, dass das Licht über den Referenzlichtkanal 100 nur eine vernachlässigbare kleine Wegstrecke zurücklegt, so dass die Mischung der ersten Phasenlage a mit der Referenzphasenlage a' ein Referenzsignal erzeugt, dass im Wesentlichen der Entfernung Null entspricht. Der tatsächliche Wert des Referenzsignals ist jedoch nicht weiter erheblich, da eine Kalibrierung des Photosensors bzw. des Kamerasystems ohne Weiteres anhand des systemtypischen Referenzsignals erfolgen kann.
3 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der zusätzlich zu dem Referenzlichtkanal 100 eine Referenzlichtquelle 200 vorgesehen ist. Es ist vorgesehen, dass das Beleuchtungsmodul bzw. die Beleuchtungslichtquelle 12 über einen ersten Schalter 51 und die Referenzlichtquelle 200 über einen zweiten Schalter S2 mit dem Modulator verbunden ist.
Die Referenzlichtquelle 200 ist vorzugsweise so angeordnet, dass zumindest ein Teil der emittierten Referenzlichtstrahlung den Photosensor im Wesentlichen über alle Empfangspixel beleuchtet.
4 zeigt eine mögliche Betriebsweise der Referenzlichtquelle 200. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass während einer Distanzmessung 60 nur die Beleuchtungsquelle 12 und nicht die Referenzlichtquelle 200 betrieben wird. Für den Zeitraum der Distanzmessung ist gem. 4 der Schalter S1 geschlossen und der Schalter S2 geöffnet.
Um nun die Funktionsfähigkeit des Photosensors 22 bzw. der Signalkette zu überprüfen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Distanzmessung 60 zu unterbrechen und eine Referenzmessung 70 durchzuführen. Zur Unterbrechung der Distanzmessung 60 wird der erste Schalter S1 geöffnet und der zweite Schalter S2 zur Referenzlichtquelle 200 geschlossen.
Während der Referenzmessung 70 wird der Photosensor 22 über die Referenzlichtquelle 200 mit modulierten Referenzlicht c beaufschlagt. Analog zu der Messung über den Referenzkanal 100 entspricht die Phasenverschiebung des Referenzlichts im Wesentlich einer Objektentfernung von Null.
Wesentlich bei dieser Messung ist jedoch nicht zwingend der absolute Wert, sondern dass über diese Referenzmessung die Funktionsfähigkeit des Photosensors plausibilisiert werden kann.
Beispielsweise können währende der Fertigung der Lichtlaufzeit-Kamera in einer Auswerte- oder Überwachungseinheit für jedes Pixel des Photosensors 22 Signalwerte hinterlegt werden, die bei einer Referenzmessung erwartet werden. Weichen die Werte bei einer Referenzmessung deutlich von den hinterlegten Werten ab, kann auf eine Fehlfunktion des Photosensors 22 oder einzelnen Pixeln des Sensors 22 geschlossen werden.
Selbstverständlich sind auch weitere Auswertemöglichkeiten denkbar.
Weiterhin ist es auch denkbar, während der Referenzmessung 60 die Beleuchtungsquelle 12 zugeschaltet zu lassen. Ein solches Vorgehen ist immer dann möglich, wenn das auf den Photosensor 22 treffende externe Licht gegenüber dem internen Licht der Referenzlichtquelle 200 vernachlässigt werden kann. Der erste Schalter S1 kann somit entfallen oder dauerhaft geschlossen bleiben.
In beispielsweise einer Auswerteeinheit braucht dann nur noch bezüglich der Signalverarbeitung zwischen einer Distanz- oder einer Referenzmessung 60, 70 unterschieden werden.
5 zeigt beispielhaft eine mögliche Anordnung der Referenzlichtquelle 200 in der Nähe des Photosensors 22. Diese beide Bauelemente 200, 22 sind unmittelbar benachbart auf einem Bauelementeträger 300 angeordnet. Auf der den Bauelementen 200, 22 gegenüberliegenden Seite ist im vorliegenden Beispiel ein transparentes Abdeckglas 400 angeordnet. Externe Strahlung (ext) bzw. das Nutzlicht für die Lichtlaufzeitmessung kann im Wesentlichen ungehindert durch das Abdeckglas 400 dringen. Die Referenzlichtquelle 200 ausgeführt beispielsweise als Leuchtdiode oder Laserdiode emittiert im Betrieb Licht in Richtung des Abdeckglases 400. Ein Teil des internen Lichts (int) wird das Abdeckglas 400 durchdringen und nach außen gelangen ein anderer Teil wird am Abdeckglas 400 reflektiert und gelangt auf die photosensitive Schicht des Photosensors 22 und kann dort erfasst werden.
Das dargstellte Abdeckglas 400 stellt exemplarisch nur eine Möglichkeit dar das Licht der Referenzlichtquelle 200 auf den Photosensor zu projizieren. Grundsätzlich kann anstelle oder auch in Ergänzung zum Abdeckglas 400 eine reflektierende Fläche eingesetzt werden, die eine zumindest mittelbare Beleuchtung des Photosensors 22 ermöglicht. Auch ist es denkbar, dass die Innenflächen des Kameragehäuses selbst als Reflektionsflächen ausreichen.
Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Referenzlichtquelle im Gehäuse derart anzuordnen, dass der Photosensor 22 von der Referenzlichtquelle direkt beleuchtet werden kann.
Unabhängig von der Anordnung im Einzelnen ist jedoch bei der Referenzmessung sicherzustellen, dass das extern eindringende Licht gegenüber dem internen Licht vernachlässigbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Lichtlaufzeit-Kamerasystem
10: Sendeeinheit, Beleuchtungsmodul
12: Lichtquelle, Beleuchtungslichtquelle
15: Strahlfromungsoptik
20: Empfangseinheit, Lichtlaufzeit-Kamera
22: Photosensor
25: Empfangsoptik
30: Modulator
40: Objekt
a: erste Phasenlage, gesendetes Signal
a': Phasenlage Referenzkanal
b: zweite Phasenlage, empfangenes Signal
c: Phasenlage Referenzlicht
l: Objektentfernung
S1, 2: ersten und zweiter Schalter
60: Distanzmessung
70: Referenzmessung
200: Referenzlichtquelle
300: Bauelementeträger
400: reflektierende Fläche, Abdeckglas

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1777747 [0002]
US 6587186 [0002]
DE 19704496 [0002, 0019]

Claims

Lichtlaufzeit-Kamera, mit einem Photosensor (22), der mindestens ein Empfangspixel aufweist, und vorzugsweise als Photomischdetektor ausgebildet ist, mit einer Beleuchtungslichtquelle (12), und mit einem Modulator (30), der mit dem Photosensor (22) und der Beleuchtungslichtquelle (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtlaufzeit-Kamera eine Referenzlichtquelle (200) aufweist, die derart angeordnet ist, dass bei einem Zuschalten der Referenzlichtquelle (200) der Photosensor (22) vorzugsweise vollständig mit moduliertem Licht beleuchtet wird, wobei die Referenzlichtquelle (200) zuschaltbar mit dem Modulator (30) verbunden ist.
Lichtlaufzeit-Kamera nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Referenzlichtkanal (100) der einen Teil des von der Beleuchtungsquelle (12) emittierten Lichts auf einen Referenzphotosensor (28) lenkt.
Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeit-Kamera nach einem der vorhergehenden – bei dem in einer Distanzmessphase ein moduliertes Licht von der Beleuchtungsquelle (12) emittiert wird und ausgehend von einer Lichtlaufzeit, insbesondere einer Phasenverschiebung, für wenigstens ein Pixel des Photosensors (22) ein Entfernungssignal ermittelt wird, – bei dem in einer Referenzmessung mit Hilfe einer Referenzlichtquelle (13) der Photosensor (22) mit moduliertem Licht beleuchtet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, bei dem die Referenzmessung in vorgegebenen Zeitabständen außerhalb einer Distanzmessphase erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, bei dem während der Distanzmessphase wenigstens zwei Distanzmessungen erfolgen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahrensansprüche, bei dem während der Referenzmessung die Beleuchtungsquelle (12) ausgeschaltet ist.