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Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Mit Lichtlaufzeitkamerasystem 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 ,
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.
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Bei einem Lichtlaufzeitkamerasystem, bei dem die Beleuchtung und die Kamera in separate Module angeordnet sind, besteht die Notwendigkeit, beide Module auch im Hinblick auf einen Datenaustausch miteinander zu verbinden. Im einfachsten Fall ist zumindest die gemeinsame Modulationsfrequenz über eine Datenleitung zwischen den beiden Modulen auszutauschen. Insbesondere für Sicherheitsbelange ist es von besonderem Interesse auch sicherheitsrelevante Daten zwischen den Modulen auszutauschen, so dass in der Regel mehrere Hin- und Rückkanäle zwischen den Modulen aufgebaut werden müssen. Die Datenkanäle können beispielsweise als CAN-Bus oder auch als Niederspannung-Differenzialsignal-Leitung (LVDS) aufgebaut sein.
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Besonders interessant ist eine Übertragung der Daten über eine LVDS-Leitung, da diese Übertragung aufgrund der differenziellen Signale robust gegen äußere Störungen ist. Die Übertragung muss hier nicht zwingend bei niedrigen Spannungen, also < 5 Volt, erfolgen, sondern kann durchaus auch bei höheren Spannungen durchgeführt werden. Bei der LVDS-Signalübertragung wird das Signal über die Spannungsdifferenz zwischen zwei Signalleitungen übertragen. Da für die Signalauswertung ausschließlich die Differenz der Spannungen auf beiden Signalleitungen ausgewertet wird, haben Störungen, die auf beiden Leitungen gleichermaßen wirken, praktisch keinen Einfluss auf das Datensignal. Aufgrund der sehr guten Störsignalunterdrückung kann das Differenzialsignal gegebenenfalls auf wenige 100 mV reduziert werden. Dies erlaubt beispielsweise aufgrund der schnelleren Flankenanstiegszeit eine schnellere Datenrate.
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Die Verwendung einer LVDS-Übertragungsleitung für eine PMD-Kamerasystem ist beispielsweise aus der Veröffentlichung T. Ringbeck, B. Hagebeuker: ”A 3D Time of Flight Camera for Object Detection”, 8th Conference an Optical 3-D Measurement Techniques, ETH Zürich, 2007 bekannt. In der Veröffentlichung ist eine PMD-3D-Kamera gezeigt, die ihr Modulationssignal über eine LVDS-Leitung an einen IR-Scheinwerfer überträgt.
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Ferner beschäftigt sich auch die folgende Veröffentlichung mit dem Einsatz einer PMD-Kamera im Fahrzeug: H. Schöpp, A. Stiegler, T. May et al.: ”3D-PMD Kamerasysteme zur Erfassung des Fahrzeugumfelds und zur Überwachung des Fahrzeug-Innenraums; 13. Internationaler Kongress Elektronik im Kraftfahrzeug, VDI Fahrzeug- und Verkehrstechnik, Baden-Baden, VDI, 2007. Die Veröffentlichung zeigt eine im Kühlergrill integrierte IR-Lichtquelle des PMD-System. Die Ansteuerung der Lichtquelle erfolgt über eine LVDS-Verbindung, während über einen LIN-Bus das Modulationssignal und auch Diagnosedaten der Beleuchtungseinheit an die Kamera zurück geliefert werden.
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Aus der
US 7 482 837 B2 ist ein LVDS-System bekannt, bei dem zusätzlich zum eigentlichen Datensignal auch ein Taktsignal über die LVDS-Leitung übertragen wird. Sendeseitig ist ein LVDS-Generator und ein Offset-Modulator, der auf die LVDS-Leitung einwirkt, vorgesehen. Die Potenziale werden zusammengeführt und über die LVDS-Leitung an einen Empfänger übertragen. Empfängerseitig wird die Offset-Spannung demoduliert und ein Taktsignal ermittelt. Die übertragenen Daten werden wie gewohnt aus dem LVDS-Signal gewonnen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Datenübermittlung zwischen dem Kamera- und Beleuchtungsmodul zu verbessern.
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Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem und das Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems entsprechend der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, mit einem Kameramodul, das einen Lichtlaufzeitphotosensor, vorzugsweise auf Basis einer Photomischdetektion, mit mindestens einem Empfangspixel aufweist, und mit einem Beleuchtungsmodul, das eine Beleuchtungslichtquelle aufweist. Das Beleuchtungsmodul und das Kameramodul weisen jeweils eine Übertragungsschaltung auf, die so ausgebildet ist, dass ein erstes Signal als differenzielles Signal und ein zweites Signal als modulierte Grundspannung zwischen Kamera- und Beleuchtungsmodul über eine Differenzialsignalleitung übertragbar ist.
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Durch dieses Vorgehen kann vorteilhaft eine weitere Datenleitung und somit Kosten eingespart werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist zwischen den Kamera- und Beleuchtungsmodul eine Hin- und Rückleitung vorgesehen, die als potentialfreie Differenzialsignalleitung ausgebildet sind. Vorteilhaft ist es vorgesehen, die Modulation der Grundspannung als Änderung der Potentialunterschiede zwischen den beiden Signalleitungen zu realisieren.
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Vorteilhaft weist mindestens einer Übertragungsschaltung eine galvanische Trennung und insbesondere einen Transformator auf, so dass die Datenübertragung potentialfrei erfolgen kann. Dies hat den Vorteil, dass für die Modulation der Grundspannung auch außerhalb vorgegebener common mode Spannungen möglich sind.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind Kamera- und Beleuchtungsmodul über zwei Differenzkanäle miteinander verbunden sind, wobei die Differenzkanäle potentialfrei ausgeführt sind, und die Übertragungsschaltung so ausgebildet ist, dass die Grundspannung beider Differenzkanäle modulierbar ist, wobei die Übertragungsschaltung empfangsseitig so ausgebildet ist, dass eine Differenz der Grundspannungen beider Differenzkanäle als Signal demodulierbar ist.
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Vorteilhaft ist auch ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems vorgesehen, bei dem für eine Übertragung von Datensignalen über einen Differenzkanal ein erstes Signal als differenzielles Signal und ein weiters Signal durch modulieren der Grundspannung des Differenzkanals zur Verfügung gestellt wird.
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Bevorzugt wird das Verfahren weitergebildet, indem über zwei Differenzkanäle ein erstes und zweites differenzielles Signal übertragen werden, und ein drittes Signal durch modulieren der Grundspannungen beider Differenzkanäle übertragen wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
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1 das Grundprinzip einer Lichtlaufzeitkamera nach dem PMD-Prinzip,
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2 ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitkamerasystem,
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3 eine Datenübertrag mit Hilfe einer zusätzlichen Datenleitung
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4 eine erfindungsgemäße Datenübertragung,
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5 eine potentialfreie Datenübertragung,
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6 eine schematische Darstellung eines Differnzialsignals,
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7 ein Potenzialunterschied zwischen zwei Differenzkanälen;
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8 eine Aufmodulation zwischen zwei Differenzkanälen,
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9 eine Differnzialsignalübertragung zwischen zwei Differenzkanälen.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeit-Kamera, wie sie beispielsweise aus der
DE 197 04 496 bekannt ist.
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Das Lichtlaufzeit-Kamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10, 100 mit einer Beleuchtungslichtquelle 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.
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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 1 ermittelt wird.
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2 zeigt ein Lichtlaufzeitkamerasystem bei dem die Sendeeinheit 10 und die Empfangseinheit 20 in separate Module nämlich einem Beleuchtungsmodul 100 und einem Empfangs- bzw. Kameramodul 300 angeordnet sind. Das Kameramodul 300 weist im dargestellten Beispiel auch den Modulator 30 auf, der sein Signal über einen Daten-Transceiver 301, über einen Übertragungskanal 200 an einen Daten-Transceiver 101 des Beleuchtungsmoduls 100 und dann an die Sendeeinheit 10 überträgt. Wenn eine Rückmeldung des Beleuchtungsmoduls 100 nicht vorgesehen ist, kann der Daten-Transceiver 301 des Kameramoduls 300 auch als einfacher Sender und der Daten-Transceiver 101 des Beleuchtungsmoduls als einfacher Empfänger ausgebildet sein.
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3 zeigt beispielhaft eine typische Verbindung des Kameramoduls 300 mit dem Beleuchtungsmodul 100 über drei Datenkanäle 201, 202, 401. Die Übertragungsschaltung bzw. der Daten-Transceiver 301 des Kameramoduls 300 weist eine erste und zweite Datenschnittstelle 303, 304 für differenzielle Signale auf und stellt eine dritte Datenschnittstelle 302 für zusätzliche Signale, beispielsweise als CAN-Bus, zur Verfügung. Die Übertragungsschaltung bzw. der Daten-Transceiver 101 des Beleuchtungsmoduls 100 weist dementsprechend korrespondierende erste und zweite Datenschnittstellen 103, 104 sowie eine dritte Schnittstelle 102 für den zusätzlichen dritten Datenkanal 401 auf. Der erste und zweite Differenzkanal 201, 202 sind vorzugsweise über ein gemeinsames Kabel 200 für die Übertragung gebündelt. Über den ersten Differenzkanal 201 wird vorzugsweise die Modulation für die Beleuchtung vom Kameramodul 300 auf das Beleuchtungsmodul 100 übertragen. Eine sicherheitsrelevante Rückmeldung, beispielsweise nach dem ASIL-B-Standard, kann ein Rücksignal vorzugsweise ausgehend von der sendenden zweiten Datenschnittstelle 104 über den zweiten Differenzkanal 202 an die zweite Datenschnittstelle 304 an das Kameramodul 300 übertragen werden. Zur Übertragung weiterer betriebsrelevanter Daten, insbesondere Diagnosedaten der Beleuchtung, wird eine zusätzliche Datenleitung 401, die zudem über ein eigenes Kabel 400 geführt wird, benötigt. Die Diagnosedaten sind in der Regel nicht sehr zeitkritisch und können so gegebenenfalls auch in einem einfachen Datenprotokoll übertragen werden.
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Zur Vermeidung eines zusätzlichen Verkabelungsaufwands, ohne auf relevante Daten verzichten zu müssen, wird eine Ausführung gemäß 4 vorgeschlagen. Die Übertragung der Modulation an das Beleuchtungsmodul 100 sowie die entsprechende Rückmeldung erfolgt nach wie vor wie in 3 über den ersten und zweiten Differenzkanal 201, 202. Die Diagnosedaten hingegen werden nicht über ein separates Kabel übermittelt, sondern über die bereits vorhandenen Differenzkanäle 201, 202 durch Aufmodulieren einer entsprechenden Dateninformation. Im dargestellten Beispiel ist es vorgesehen, die Diagnosedaten vom Beleuchtungsmodul 100 in Richtung Kameramodul 300 zu übertragen. Die Daten werden hierzu von der dritten Schnittstelle 102 auf eine erste und zweite Aufmodulationseinheit 105, 106 zur entsprechenden Modulation des ersten und zweiten Differenzkanals 201, 202 übertragen. Empfangsseitig wird im Kameramodul 300 über einen ersten und zweiten Demodulator 305, 306 das Signal demoduliert und der dritten Schnittstelle 302 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Je nach Anwendungsfall kann dieser Modulationskanal auch als Hin- und Rückkanal bzw. bidirektional ausgebildet sein.
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Die erfindungsgemäße Lösung bietet nun unterschiedliche Ausgestaltungsmöglichkeiten. Die in 4 dargestellte Lösung prägt im Wesentlichen durch Aufmodulation auf beiden Datenkanälen ein Differenzsignal zwischen dem ersten und zweiten Datenkanal 201, 202 auf. Dieser zusätzliche Datenstrom kann dann durch Auswerten der Potenzialunterschiede zwischen beiden Datenkanälen ausgewertet werden. In einer weiteren Ausgestaltung wird das Grundpotenzial in Relation zu einem Bezugs- bzw. Massepotenzial ausgewertet. Dies ermöglicht in einem in 4 dargestellten Aufbau eine Übertragung von Daten in vier Datenkanälen.
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5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform, die im Unterschied zu dem in 4 dargestellten Beispiel eine galvanische Trennung 80 vor den Schnittstellen 102, 103, 104 des Beleuchtungsmodul 100 und vor den Schnittstellen 302, 303, 304 des Kameramoduls 300 vorsieht. Die galvanische Trennung 80 ist insbesondere als Transformator ausgebildet, kann jedoch auch kapazitiv oder ggf. auch als optischer Übertrager oder allgemein als Wandler ausgebildet sein. Eine solche potentialfreie Übertragung erlaubt größere Freiheiten bei der Aufmodulation eines dritten Signals auf die beiden Differenzkanäle 201, 202. Beispielsweise kann die Aufmodulation in Spannungsbreichen oder mit Amplituden erfolgen, die außerhalb dem erlaubten „common mode” der LVDS-Treiber liegen. Darüber können auch Querströme zwischen dem Kamera- und Beleuchtungsmodul 300, 100 vermieden werden.
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Bei der potentialfreien Übertragung des dritten Signals erfolgt die Aufmodulation als Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Differenzkanal 201, 202. Im einfachsten Fall kann dies als einfache Amplitudenmodulation erfolgen, aber auch andere Modulationsformen können übertragen werden. Insbesondere kann das dritte Signal auch als Differenzialsignal übertragen werden.
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6 zeigt schematisch einen zeitlichen Verlauf eines LVDS-Signals. Das Differenzialsignal UD variiert hierbei um ein Grundpotenzial bzw. Common Mode Signal UCM von 1,2 Volt mit +/– 100 mV. Das High-Signal liegt somit bei 1,3 Volt und das Low-Signal bei 1,1 Volt. Da für die Auswertung des LVDS-Signals ausschließlich die Differenz UD beider Signale verwendet wird, ist es im Wesentlichen unerheblich auf welchem Niveau sich das Grundpotenzial UCM befindet. Die Modulation des Grundpotenzials UCM lässt somit das Differenzsignal UD im Wesentlichen unbeeinflusst. Maßgeblich ist, dass beide Leitungspaare eines Differenzkanals 201, 202 synchron mit einem Potenzial-Off-Set bzw. Potenzialmodulation belegt werden.
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7 zeigt das erfindungsgemäß bevorzugte Vorgehen, bei dem die beiden Differenzkanäle 201, 202 potentialfrei gemäß 5 geführt sind, wobei auf der potentialfreien Strecke das Grundpotenzial bzw. die Common Mode Spannung UCM1,2 auf jedem Differenzkanal 201, 202 individuell einstellbar ist. Die Information lässt sich so über die Modulation der Spannungsdifferenz UDCM12 zwischen beiden Differenzkanälen 201, 202 übertragen.
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8 zeigt eine Möglichkeit, bei der vereinfacht dargestellt, das Grundpotenzial UCM2 des zweiten Differenzkanals 202 konstant gehalten wird und im Wesentlichen nur das erste Grundpotenzials UCM1 moduliert wird. Der Übersicht halber ist der LVDS-Verlauf der beiden Kanäle 201, 202 nicht gezeigt. Die übertragene Information ist dem zeitlichen Verlauf der Spannungsdifferenz UDCM12 zwischen beiden Kanälen 201, 202 zu entnehmen. Bei einer Übertragung des Signals über Spulen oder Kondensatoren ist ein gleichstromfreier Signalcode beispielsweise ein Manchester Code zu bevorzugen.
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Wie bereits erwähnt kann die Information in verschiedenen Modulationsarten übertragen werden, insbesondere ist auch eine Übertragung als Differenzsignal insbesondere als LVDS möglich, wie es beispielhaft in 9 gezeigt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtlaufzeitkamerasystem
- 10
- Sendeeinheit
- 12
- Beleuchtungslichtquelle
- 15
- Strahlformungsoptik
- 20
- Empfangseinheit, TOF-Kamera
- 22
- Photosensor, Lichtlaufzeitphotosensor
- 25
- Empfangsoptik
- 100
- Beleuchtungsmodul
- 101
- Daten-Transceiver bzw. Übertragungsschaltung des Beleuchtungsmoduls
- 102
- Dritte Schnittstelle für zusätzlichen 3. Datenkanal
- 103
- Erste Datenschnittstelle für Differenzielle Signale
- 104
- Zweite Datenschnittstelle für Differenzielle Signale (optional)
- 105
- Erste Aufmodulationseinheit auf den 1. Differenzkanal
- 106
- Zweite Aufmodulationseinheit auf den 2. Differenzkanal
- 200
- Übertragungskanal – Kabel für Modulation
- 201
- Erster Differenzkanal
- 202
- Zweiter Differenzkanal (optional)
- 300
- Empfangsmodul, Kameramodul
- 301
- Daten-Transceiver bzw. Übertragungsschaltung des Empfangmoduls
- 302
- Dritte Schnittstelle für zusätzlichen dritten Datenkanal
- 303
- Erste Datenschnittstelle für Differenzielle Signale
- 304
- Zweite Datenschnittstelle für Differenzielle Signale
- 305
- Erster Demodulator für den ersten Differenzkanal
- 306
- Zweiter Demodulator für den zweiten Differenzkanal
- 400
- Übertragungskanal – Kabel für Diagnosedaten
- 401
- Dritter Datenkanal
