DE102010043723B4 - Lichtlaufzeitkamerasystem - Google Patents

Abstract

Lichtlaufzeitkamerasystem (1),mit einer Lichtlaufzeit-Kamera (20) zur Erfassung eines Empfangsbereichs (EB), die einen Photosensor (22), mit mehreren, Empfangspixeln und eine Empfangsoptik (25) aufweist,mit mehreren Beleuchtungsmodulen (10) zur Beleuchtung eines Sendebereichs (SB), das eine Beleuchtungslichtquelle (12) und eine Strahlformungsoptik (15) aufweist, und mit einem Modulator (30) zur Bereitstellung einer Modulationsfrequenz, der mit dem Photosensor (22) und den Beleuchtungslichtquellen (12) verbunden ist,dadurch gekennzeichnet,dass das Lichtlaufzeitkamerasystem (1) gegenüber einem Überwachungsbereich (SB, EB) gekippt ausgerichtet ist,dass eine Lichtstärke (IS) von mehreren Beleuchtungsmodulen (10) emittierten Strahlung derart vorgegeben ist,dass ein Lichtstrom (ϕi) für alle Empfangspixel des Photosensor (22) innerhalb tolerierter Grenzen im Wesentlichen konstant ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
• Mit Lichtlaufzeit-Kamerasystem sollen nicht nur Systeme umfasst sein, die Entfernungen 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 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 03D 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 OID der Anmelderin.
• Aus der US 3815994 A ist ferner ein Entfernungsmesssystem mit zwei beabstandeten Sensoren bekannt, bei dem beide Sensoren ein Licht von einem Target empfangen. Die Vorrichtung ist derart ausgebildet, dass an einem ersten Sensor die Lichtintensität konstant empfangbar ist während das Ausgangssignal des anderen zweiten Sensors ein Distanzsignal ist. Der erste Sensor ist mit einem Verstärker der Beleuchtung verbunden und regelt die Lichtstärke der Lichtquelle derart, dass am ersten Sensor eine konstante Lichtstärke anliegt.
• Die DE 199 14 962 A1 offenbart eine optoelektronische Vorrichtung, bei der die Sendelichtstrahlen auf eine Objektkante ausgerichtet sind, wobei zur Kalibrierung der Empfangselemente ein zweiter Sender vorgesehen ist. Ferner ist eine Auswerteeinheit vorgesehen, in der die Sendelichtstrahlen des ersten und zweiten Senders als Geometriedaten abgespeichert sind, so dass neben einer Detektion von Objekten auch eine Information über deren Abstand aufgrund der Verteilung der auf dem Empfänger auftreffenden Empfangslichtstrahlen ermittelbar ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung im Hinblick einer Funktionssicherheit weiter zu gestalten.
• Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem und das Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems entsprechend der unabhängigen Ansprüche gelöst.
• Vorgesehen ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem, mit einer Lichtlaufzeitkamera zur Erfassung eines Empfangsbereichs, mit mehreren Beleuchtungsmodulen zur Beleuchtung eines Sendebereichs und einem Modulator zur Bereitstellung einer Modulationsfrequenz. Die Lichtlaufzeitkamera weist eine Empfangsoptik und einen Photosensor auf, der insbesondere als Photomischdetektor mit mehreren Empfangspixeln ausgebildet ist. Die Beleuchtungslichtquelle ist im Weiteren mit einer Strahlformungsoptik zur Beeinflussung der Beleuchtung auf. Ferner sind der Photosensor und die Beleuchtungslichtquelle mit dem Modulator verbunden.
• Vorteilhaft ist es vorgesehen, eine Sendelichtstärke einer von den Beleuchtungsmodulen emittierten Strahlung derart vorzugeben, dass ein aus dem Empfangsbereich vom Photosensor empfangener Lichtstrom für alle Empfangspixel innerhalb tolerierter Grenzen im Wesentlichen konstant ist.
• Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass in Reaktion auf bestimmte Einbausituationen der Lichtlaufzeitkamera die Beleuchtungen so angepasst werden können, dass am Photosensor vorzugsweise für alle Empfangspixel eine innerhalb gewisser Grenzen im Wesentlichen konstante Empfangsintensität vorliegt. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass im Wesentlichen für alle Empfangspixel ein vergleichbarer Signal-Rauschabstand vorliegt und die Messergebnisse eine höhere Zuverlässigkeit aufweisen. Darüber hinaus vereinfacht sich aufgrund der geringeren Dynamik auf Empfangsseite auch die Signalverarbeitung und ferner wird durch dieses Vorgehen eine geringere Lichtleistung benötigt.
• Vorteilhaft wird die Sendeintensität beispielsweise durch Anpassung der Strahlformungsoptik vorgegeben und /oder durch einen Einsatz mehrerer Beleuchtungsmodule und/oder durch eine Zusammenfassung mehrerer Beleuchtungslichtquellen.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen schematisch:
• 1 das Grundprinzip einer Lichtlaufzeitkamera nach dem PMD-Prinzip,
• 2 ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitkamerasystem.
• 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 A1 bekannt ist.
• Das Lichtlaufzeit-Kamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtungslichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeit-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 Photomischdetektor 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 Phaselage 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 die laufzeitbedingte zweiten Phasenlage b aufweist, gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
• In 2 ist eine typische Anordnung eines Lichtlaufzeitkamerasystems 1 für eine Überwachungsaufgabe gezeigt. Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 ist in einer Höhe h oberhalb eines Überwachungsbereiches angeordnet, wobei sich der mögliche Überwachungsbereich von einem Anfangspunkt xo bis zu einem Endpunkt x_n des Erfassungsbereich EB des Lichtlaufzeitkamerasystems 1 erstreckt.
• Der Einfachheit sei hier angenommen, dass der Sendebereich SB der Beleuchtung 10 im Wesentlichen mit dem Empfangsbereich EB der Lichtlaufzeitkamera 20 übereinstimmt.
• Typischerweise ist für die Überwachung von Türen und Toren, Sicherheitszellen, Gängen etc. die Lichtlaufzeitkamera 20 bzw. das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 ortfest installiert, so dass keine dynamischen Änderungen der Kameraposition zu berücksichtigen sind.
• Die Distanzen der Objekte und des Hintergrundes in dem Empfangsbereich EB werden wie unter 1 beschrieben bestimmt. Im Allgemeinen wird die Qualität der Laufzeitmessung mit steigendem Nutzsignal und somit zunehmenden Signal-Rauschabstand besser. Um das Nutzsignal zu steigern, kann insbesondere die Leistung der Beleuchtung erhöht werden, mit dem Nachteil höherer Baukosten, schwierigeres Wärmemanagement und größeren Bauraums.
• Zu Vermeidung dieser Nachteile ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Lichtstärke der Beleuchtung an den Sichtbereich bzw. Empfangsbereich EB der Lichtlaufzeitkamera 10 anzupassen.
• Aufgrund der gegenüber dem Überwachungs- bzw. Sende- und Empfangsbereich SB, EB gekippten Ausrichtung der Lichtlaufzeitkamera 20 bzw. des Lichtlaufzeitkamerasystems 1 gibt es Bereiche, die relativ nah und entsprechend weiter von der Kamera entfernt sind. Womit das erfasste Nutzsignal und der erzielbare Signal-Rauschabstand bei einer zur Kamerablickrichtung BR symmetrischen Ausleuchtung immer vom Detektionsort abhängen werden. Darüber hinaus ist aufgrund der über den Sende- bzw. Empfangsbereich SB, EB variierende Intensität des Nutzsignals auch keine konstante Genauigkeit der Entfernungsmessung gewährleistet.
• Die erfindungsgemäße Optimierung der Beleuchtung für einen stationären Einsatz des Lichtlaufzeitkamerasystems 1 hebt im Wesentlich auf eine detaillierte Analyse der Einbausituation des Lichtlaufzeitkamerasystems 1 ab. Zu berücksichtigen sind vornehmlich die Einbauhöhe h, der Blickwinkel, die Umgebung, die Spezifikation der Objekte und welche Genauigkeit der Messung gewünscht ist. Gegebenenfalls können auch eine Helligkeitsübertragungsfunktion des eingesetzten Objektivs 25 berücksichtigt werden.
• Nach Analyse der Einbau- bzw. Einsatzsituation kann für jeden Ort des Überwachungsbereichs bzw. des Sichtbereichs SB der Lichtlaufzeitkamera 22 beispielsweise eine Mindestlichtleistung/-menge, -intensität oder ein Mindestlichtstrom bestimmt werden.
• Der vom Photosensor 22 erfasste Lichtstrom ϕ_E hängt im Wesentlichen von der Beleuchtungsstärke E im erfassten Bereichs EB ab, die wiederum in bekannter Weise proportional zur Lichtstärke I_s der Lichtquelle 22 und umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes d ist, also: $${\varphi }_E\left({\alpha }_i\right)\propto E_{EB}\left({\alpha }_i\right)\propto \frac{I_S\left({\alpha }_i\right)}{d_i^2}=\frac{{\text{cos}}^2\left({\alpha }_i\right)}{h^2}\cdot I_S\left({\alpha }_i\right)$$

  
• Dies gilt für alle Blickwinkel αi, auch für die auf der Bilddiagonalen, die hier nicht gezeigt sind. Eine entsprechende Intensitätsverteilung lässt sich vorzugsweise durch Anpassung der Strahlformungsoptik 15 beispielsweise durch Vorsatzlinsen, diffraktive optische Elemente, Spiegelflächen, Totalreflexionsflächen etc. erreichen.
• Die obige Rechnung geht von einem Objektiv mit über den Objektwinkel konstanter Helligkeit aus. Dies ist in der Realität meistens nicht der Fall, und kann beim Design der Beleuchtungsoptik mit berücksichtigt werden.
• Ist die relative Helligkeit des Objektivs bzw. das winkelabhängige Transmissionsverhalten f_Obj(α_i) bekannt, so gilt für den am Sensor erforderlichen Lichtstrom ϕ_s(α_i): $${\varphi }_E\left({\alpha }_i\right)\propto E_{EB}\left({\alpha }_i\right)\propto d_i^2\cdot f_{Obj}\left({\alpha }_i\right)=\frac{{\text{cos}}^2\left({\alpha }_i\right)}{h^2}\cdot I_S\left({\alpha }_i\right)\cdot f_{Obj}\left({\alpha }_i\right)$$

  
• Selbstverständlich können hierbei noch weitere beeinflussende Faktoren berücksichtigt werden, wie beispielsweise das Reflektionsverhalten der Objekte im Erfassungsbereich.
• 3 zeigt schematisch das Verhalten dieser Größen abhängig vom Winkel für eine nicht kompensierte Beleuchtung 10. Im ersten Diagramm der 3 ist die Sendelichtstärke Is in Anhängigkeit des Abstrahlwinkels α_i gezeigt, beginnend mit Anfangswinkel α₀ der in Richtung des Anfangpunkts x₀ und einem Endwinkel an der entsprechend in Richtung des Endpunkts x_n des Empfangsbereichs EB abstrahlt.
• Dem ersten Diagramm ist zu entnehmen, dass eine unkompensierte Beleuchtung in allen Raumrichtungen α_i im Wesentlichen mit einer konstanten Intensität Strahlung emittiert.
• Der Lichtstrom ϕ_E am Photosensor 22 bzw. die Beleuchtungsstärke E im Empfangsbereich EB hängt jedoch wie zuvor beschrieben insbesondere von der Einbausituation des Lichtlaufzeitkamerasystems 1 sowie unter anderem auch von den Eigenschaften des Objektivs 25 der Lichtlaufzeitkamera 20.
• Das zweite Diagramm der 3 zeigt einen möglichen Lichtstrom ϕ_E(α_i) am Photosensor 22 in Abhängigkeit des Erfassungsbereichs EB dar. Wie zuvor beschrieben, nimmt der Lichtstrom ϕ_E(α_i) am Photosensor 22 im Wesentlichen proportional zu cos²(α_i) ab.
• 4 zeigt nun Intensitätsverläufe einer erfindungsgemäß kompensierten Beleuchtung 10. Prinzipiell ist für die erfindungsgemäße Kompensation darauf abzustellen, dass der Lichtstrom für alle Pixel des Photosensors im Wesentlichen konstant ist. $${\varphi }_E\left({\alpha }_i\right)=const.$$

  

  woraus folgt, dass die Lichtstärke I_S der Beleuchtung demnach wie folgt anzupassen ist: $$I_S\left({\alpha }_i\right)=\frac{h^2}{{\text{cos}}^2\left({\alpha }_i\right)}\cdot const.\text{bzw}\text{.}{I}_S\left({\alpha }_i\right)=\frac{h^2}{f_{Obj}\left({\alpha }_i\right)\cdot {\text{cos}}^2\left({\alpha }_i\right)}\cdot const.$$

  
• Wie im ersten Diagramm der 4 dargestellt, ist die Beleuchtung 10 so eingestellt, dass mit zunehmenden Abstrahlungswinkel α₁ sich auch die Lichtstärke Is der Beleuchtung 10 erhöht. Des Weiteren ist zudem in der Nähe der Endpunkte α₀, an die Lichtstärke Is lokal erhöht, um beispielsweise eine Vignettierung des Objektivs zu kompensieren.
• Im Ergebnis weist dann der Lichtstrom ϕ_E(α_i) am Photosensor 22 über den Empfangsbereich EB einen im Wesentlichen konstanten Verlauf auf.
• Wie bereits eingangs beschrieben, hat dieses Vorgehen den Vorteil, dass das elektrische Verhalten des Photosensors über die gesamte Sensorfläche im Wesentlichen konstant ist und die elektrische Auswertung wesentlich vereinfacht und zuverlässiger macht.
• Darüber hinaus bietet ein solches Vorgehen insbesondere auch für sicherheitskritische Anwendungen Vorteile. Ist das Beleuchtungssystem erfindungsgemäß kompensiert, so erhält jeder Photosensor einen im Wesentlichen gleichen Lichtstrom, so dass auch das Amplitudenbild des Photosensors im Wesentlichen für alle Empfangspixel die gleiche Helligkeit aufweist. Dringt nun ein Objekt in den Erfassungsbereich ein, so ist das Objekt leicht aufgrund seiner vom Hintergrund abweichenden Helligkeit zu unterscheiden. Gegebenfalls können dann die weiteren Entfernungsmessungen auf das eindringende Objekt beschränkt werden.
• Eine Einstellung des Lichtstroms am Photosensor kann beispielsweise durch eine geeignete Gestaltung der Strahlformungsoptik 15 der Beleuchtung 10 durchgeführt werden. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, ein System mit mehreren Beleuchtungen 10 bzw. Beleuchtungsmodulen vorzusehen, wobei die Beleuchtungsmodule so ausgerichtet werden, dass für den jeweiligen Anwendungsfall das Beleuchtungsprofil bzw. die winkelabhängige Lichtstärke erfindungsgemäß angepasst ist.
• Eine weitere Ausgestaltung geht von einem Beleuchtungsarray aus, bei dem jede einzelne Beleuchtung 10 eine Lichtquelle 12 und ein Strahlformungsoptik 15 aufweist oder bei der ggf. auch mehrere Lichtquellen 12 einer Strahlformungsoptik 15 zugeordnet sind. Die winkelabhängige Lichtstärke kann dann zusätzlich oder alternativ durch eine unterschiedliche elektrische Ansteuerung der Belichtungsquellen selbst eingestellt werden.
• Bezugszeichenliste

10

Sendeeinheit

12

Beleuchtungslichtquelle

15

Strahlformungsoptik

20

Empfangseinheit

22

Photosensor

25

Empfangsoptik für Nutzlicht

30

Modulator, Modulationsgenerator

40

Objekt

Claims (4)

1. Lichtlaufzeitkamerasystem (1), mit einer Lichtlaufzeit-Kamera (20) zur Erfassung eines Empfangsbereichs (EB), die einen Photosensor (22), mit mehreren, Empfangspixeln und eine Empfangsoptik (25) aufweist, mit mehreren Beleuchtungsmodulen (10) zur Beleuchtung eines Sendebereichs (SB), das eine Beleuchtungslichtquelle (12) und eine Strahlformungsoptik (15) aufweist, und mit einem Modulator (30) zur Bereitstellung einer Modulationsfrequenz, der mit dem Photosensor (22) und den Beleuchtungslichtquellen (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtlaufzeitkamerasystem (1) gegenüber einem Überwachungsbereich (SB, EB) gekippt ausgerichtet ist, dass eine Lichtstärke (I_S) von mehreren Beleuchtungsmodulen (10) emittierten Strahlung derart vorgegeben ist, dass ein Lichtstrom (ϕ_i) für alle Empfangspixel des Photosensor (22) innerhalb tolerierter Grenzen im Wesentlichen konstant ist.
2. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) nach Anspruch 1, bei dem die Sendelichtstärke (I_s) durch eine Ausgestaltung der Strahlformungsoptik (15) vorgeben wird.
3. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Lichtstrom (ϕ_i) durch Ausrichten der Beleuchtungsmodule angepasst wird.
4. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Lichtstrom (ϕ_i) durch unterschiedliche Ansteuerung von Beleuchtungslichtquellen der Beleuchtungsmodule (10) eingestellt wird.

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