DE102011081560B4

DE102011081560B4 - Lichtlaufzeitkamerasystem mit Signalpfadüberwachung

Info

Publication number: DE102011081560B4
Application number: DE102011081560.0A
Authority: DE
Inventors: Jaromir Palata; Gregor Keller; Javier Massanell
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2024-03-28
Anticipated expiration: 2031-08-26
Also published as: WO2013026678A9; WO2013026678A1; DE102011081560A1

Abstract

Lichtlaufzeitkamerasystem (1),mit einem Lichtlaufzeitfotosensor (22), der mindestens ein Empfangspixel aufweist, mit einer Beleuchtungslichtquelle (10) zur Abstrahlung eines modulierten Lichts, und mit einem Modulator (30), der mit dem Lichtlaufzeitfotosensor (22) und der Beleuchtungslichtquelle (10) verbunden ist,dadurch gekennzeichnet,dass im Bereich der Beleuchtungslichtquelle (10) ein Kontrollsensor (150) derart angeordnet ist, dass von dem Kontrollsensor (150) zumindest ein Teil eines von der Beleuchtungslichtquelle (10) emittierten modulierten Lichts empfangbar ist,und dass ein Synchronumschalter (28) mit dem Modulator (30) und dem Kontrollsensor (150) verbunden ist,und derart ausgebildet ist, dass an zwei Signalausgängen des Synchronumschalters (28) Signale verfügbar sind, die eine Phasenverschiebung des vom Kontrollsensor (150) empfangenen Lichts charakterisieren.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Die Erfindung dient insbesondere zur Überwachung des vollständigen Signalpfades wie sie für sicherheitsrelevante Anwendungen - beispielsweise SIL, ASIL - erforderlich sind.
Für sicherheitsrelevante Anwendungen muss jederzeit gewährleistet sein, dass die Kamera erkennt, falls eine der Komponenten nicht spezifikationsgemäß arbeitet.
Mit Lichtlaufzeitkamerasystem bzw. Lichtlaufzeitkamera 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. Insbesondere solle auch Systeme mit umfasst sein, die nur einen Lichtlaufzeitpixel aufweisen. 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 PMD-Kamera O3D oder als Entfernungsmessgerät O1D 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.
In der DE 43 03 804 A1 ist eine Einrichtung zur Entfernungsmessung mit einem optischen Sensorsystem basierend auf dem Phasenmessprinzip offenbart. Zur Entfernungsmessung wird die Phasendifferenz zwischen einem Sendelichtstrahl und einem von einem Objekt reflektierten Empfangslichtstrahl gemessen. Ein Phasendetektor des optischen Sensorsystems ist mit einem Modulator und einem Empfänger verbunden und dazu ausgebildet, Signale auszugeben, welche eine Phasendifferenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal enthalten.
Die DE 100 22 054 A1 offenbart einen optischen Distanzsensor mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einem Modulator zur Modulation der Sendelichtstrahlen, sowie mit einem Empfänger und einem Synchrongleichrichter, welcher mit dem Modulator und dem Empfänger verbunden ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung im Hinblick einer Funktions- bzw. Signalpfadüberwachung weiter zu gestalten.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst.
Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, mit einem Lichtlaufzeitfotosensor, der mindestens ein Empfangspixel aufweist, mit einer Beleuchtungslichtquelle zur Abstrahlung eines modulierten Lichts und mit einem Modulator, der mit dem Lichtlaufzeitfotosensor und der Beleuchtungslichtquelle verbunden ist. Wobei im Bereich der Beleuchtungslichtquelle ein Kontrollsensor derart angeordnet ist, dass von dem Kontrollsensor zumindest ein Teil eines von der Beleuchtungslichtquelle emittierten modulierten Lichts empfangbar ist, und dass ein Synchronumschalter mit dem Modulator und dem Kontrollsensor verbunden und derart ausgebildet ist, dass an zwei Signalausgängen des Synchronumschalters Signale verfügbar sind, die einer Phasenverschiebung des vom Kontrollsensor empfangenen Lichts charakterisieren. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass über den Synchronumschalter in einfacher Art und Weise eine Phaseninformation des empfangenen Lichts abgreifbar ist, und somit die Funktionsüberprüfung des Signalpfads und der Beleuchtung verbessert werden kann.
Bevorzugt weist der Synchronumschalter zur Umschaltung der beiden Signalausgänge zwei Diodenbrücken oder zwei Diodenringe oder zwei Schalttransistoren auf. Der Aufbau des Synchronumschalters insbesondere mit Diodenbrücken oder -ringen hat gegenüber einen Multiplexer-Aufbau den Vorteil, dass die Dioden einen deutlich geringeren differenziellen Widerstand aufweisen und sich somit der Spannungshub an der Fotodiode gering halten lässt.
In einer weiteren Ausgestaltung weisen die zwei Signalausgänge des Synchronumschalters jeweils einen Glättungskondensator auf, wobei der Synchronumschalter derart ausgestaltet ist, dass an den Signalausgängen ein phasengewichtetes Fotostromsignal abgreifbar ist.
Vorteilhaft ist der Synchronumschalter derart ausgestaltet, dass der Synchronumschalter im Takt des anliegenden Modulationssignals zwischen den ersten und zweiten Signalausgang umschaltet und beide Signalausgänge mit einer Strommessschaltung verbunden sind, wobei bevorzugt die Strommessschaltung derart ausgestaltet ist, dass durch Vorhalten eines Entladestroms die über den Glättungskondensator abfallende Spannung konstant gehalten wird, und eine Regelgröße über die der Entladestrom eingestellt wird, als Ausgangssignal abgreifbar ist.
Durch dieses Vorgehen wird insbesondere das auf die Fotodiode über den Synchronumschalter rückwirkend Potential gering gehalten und zudem ein wechselnder Spannungshub an der Fotodiode vermieden, so dass im Ergebnis kein Wechselstrom über eine parasitäre Kapazität der Fotodiode fließen und die parasitäre Kapazität als elektrische Größe im Wesentlichen vernachlässigt werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Strommessschaltung derart ausgestaltet, dass am Ausgang der Strommessschaltung ein Differenz- und ein Summensignal abgreifbar sind, so dass durch eine nachfolgende Auswerteeinheit die Phasenverschiebung vereinfacht berechnet werden kann oder tolerierte Grenzwerte direkt mit dem Differenz- und/oder Summensignal verglichen werden können.
Bevorzugt ist der zweite Signaleingang des Synchronumschalters als Gegentakttreiber ausgebildet, der in Abhängigkeit des am zweiten Signaleingang anliegenden Modulationssignals ein Gegentakt- und ein Gleichtaktpotential bereitstellt, wobei der Gegentakttreiber insbesondere als Impulstransformator oder als EXOR-Gatter-Anordnung ausgebildet sein kann. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass alle notwendigen Signale innerhalb des Synchronumschalters erzeugt werden können, ohne dass weitere zusätzliche Signaleingänge notwendig sind.
Ferner ist es von Vorteil beim Synchronumschalter einen ersten und zweiten Zwischenspeicher vorzusehen und den Synchronumschalter derart auszugestalten, dass im Gleichtakt der erste Zwischenspeicher mit dem Kontrollsensor bzw. der Fotodiode und der zweite Zwischenspeicher mit dem zweiten Signalausgang und im Gegentakt der erste Zwischenspeicher mit dem ersten Signalausgang und der zweite Zwischenspeicher mit der Fotodiode verbunden ist. Durch dieses Zwischenspeichern wird beispielsweise vermieden, dass die Fotodiode direkt mit der Strommessschaltung verbunden ist. Dieses Vorgehen ermöglicht so eine von den Eigenschaften der Fotodiode freiere Gestaltung der Strommessschaltung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist der Synchronumschalter einen ersten und zweiten Diodenring auf, jeweils bestehend aus vier gleichsinnig zu einem Ring verschalteten Dioden, wobei zwischen den Dioden jeweils ein Anschluss vorgesehen ist, und die Diodenringe jeweils mit ihren ersten und dritten Anschlüssen gegensinnig mit dem Gleichtakt- und dem Gegentaktpotential, mit den ersten Anschlüssen gemeinsam mit der Fotodiode verbunden sind, und die vierten Anschlüssen jeweils einen ersten und zweiten Ausgang bilden, die mit der Strommessschaltung verbunden sind.
Bevorzugt ist auch ein Synchronumschalter mit eine erster und zweiten Diodenbrücke, jeweils bestehend aus vier seriell-parallel angeordneten Dioden, wobei die Diodenringe jeweils mit ihren ersten und dritten Anschlüssen gegensinnig mit dem Gleichtakt- und dem Gegentaktpotential, mit den ersten Anschlüssen gemeinsam mit der Fotodiode, und die vierten Anschlüssen jeweils einen ersten und zweiten Ausgang bilden, die mit der Strommessschaltung verbunden sind.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:

1 das Grundprinzip eines Lichtlaufzeitkamerasystems,
2 eine erfindungsgemäße Signalpfadüberwachung,
3 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Empfangsschaltung,
4 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Phasenmessung,
5 eine Empfangsschaltung mit Eingangstrafo und seriell-paralleler Diodenanordnung,
6 einen Synchronumschalter mit einem Gegentakttreiber,
7 eine Empfangsschaltung mit Diodenring,
8 ein Prinzipdarstellung der Funktionsweise der Schaltung gemäß 7,
9 eine Schaltung mit zwei Synchronumschaltern,
10 eine Prinzipdarstellung der Schaltung gemäß 9.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist.
Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10, 100 mit einer Beleuchtungslichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitfotosensor 22. Der Lichtlaufzeitfotosensor 22 bzw. Lichtlaufzeitsensor 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
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitfotosensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz M(p1) mit einer ersten Phasenlage p1 beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal S(p1) mit der ersten Phaselage p1 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 p2 als Empfangssignal S(p2) auf den Lichtlaufzeitfotosensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M(p1) mit dem empfangenen Signal S(p2), gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitkamerasystem 1, bei dem die Sende- und Empfangseinheit 10, 20 in einem separaten Beleuchtungsmodul 100 und einem separaten Kameramodul 200 angeordnet sind. Der Modulator 30 bzw. Signalgeber erzeugt in seiner bevorzugten Ausgestaltung ein periodisch moduliertes Signalpaket in der Länge von einigen Mikrosekunden bis einigen Millisekunden und vorzugsweise mit einer Frequenz im Megaherzbereich. Der Modulator 30 ist mit dem Lichtlaufzeitsensor 22, der Beleuchtung 10 und einem Synchronumschalter 28 verbunden.
Ferner ist eine Auswerteeinheit 290 vorgesehen, die vorzugsweise bidirektional mit dem Lichtlaufzeitsensor 22, dem Modulator 30 und einer Strommessschaltung 29 verbunden ist.
Im Betrieb sendet die Beleuchtung ein intensitäts- bzw. amplitudenmoduliertes Lichtsignal S(p1) entsprechend der Phase und Modulationsfrequenz des Modulators 30 aus. Das Licht tritt durch eine überwiegend transparente Frontabdeckscheibe 160 aus und beleuchtet die messrelevante Szene bzw. Objekte 40. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal S(p2) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Wie bereits beschrieben, wird für jedes Empfangspixel eine Phasenverschiebung ermittelt, so dass für jeden Empfangspixel eine Tiefeninformation verfügbar ist.
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, zusätzlich zur Entfernungsbestimmung die Funktionsfähigkeit der Signalübertragung zu überwachen. Hierzu ist im Beleuchtungsmodul 100 ein Kontrollsensor 150 vorgesehen, der einen Teil des ausgesandten Lichtsignals S(p1) empfängt. In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Kontrollsensor 150 vorzugsweise um eine Fotodiode, die ihr Lichtsignal beispielsweise durch Reflektionen an der lichtdurchlässigen Frontabdeckscheibe 160 erhält. Denkbar ist beispielsweise auch ein Lichtempfang durch direkte Sicht des Kontrollsensors 150 auf die Beleuchtungseinheit 10 oder durch die Verwendung geeigneter anderer optischer Elemente wie zum Beispiel Spiegel oder Lichtleiter.
In einfachen Ausgestaltung kann es bereits ausreichend sein, zu detektieren, ob die Beleuchtung ein Lichtsignal aussendet. Hierüber können bereits einfache Fehlerquellen wie Kabelbruch und Ausfall der Beleuchtung erfasst werden.
Zur Überprüfung weiterer Fehlerquellen ist es notwendig auch die Modulation vorzugsweise auch die Phase des gesendeten Lichts S(p1) zu erfassen. Erfindungsgemäß ist es hierzu vorgesehen, die Signale des Kontrollsensor 150 bzw. den von der Fotodiode generierten Fotostrom I_p über einen Synchronumschalter 28 und einer nachfolgenden Strommessschaltung 29 auszuwerten.
Der Synchronumschalter 28 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass der Fotostrom Ip entsprechend der Modulationsfrequenz phasensynchron auf einen ersten und zweiten Ausgang des Synchronumschalters 28 aufgeteilt wird. Die Ausgänge weisen bevorzugt einen Glättungskondensator auf, so dass an den Ausgängen ein über die jeweilige Halbperiode der Modulation gemitteltes bzw. gewichtetes Fotostromsignal I_mean-a, I_mean-b abgreifbar ist. Diese phasengewichteten Fotostromsignale werden im Ausführungsbeispiel von einer Strommessschaltung 29 erfasst, die beispielsweise in Abhängigkeit der erfassten Signale ein Differenz- und/oder einen Summensignal ausgibt, das vorzugsweise von der Auswerteeinheit 290 weiter bearbeitet oder ausgewertet wird.
3 zeigt einen prinzipiellen Aufbau des Kontrollsensor 150 in Zusammenhang mit dem Synchronumschalter 28 und der Strommessschaltung 29.
Die Beleuchtung 10 strahlt im Takte der Modulationsfrequenz M(p1) des Modulators 30 ein intensitätsmoduliertes Licht ab, das vom Abdeckglas 160 reflektiert und vom Kontrollsensor 150 bzw. der Fotodiode empfangen wird. Die Fotodiode 150 ist anodenseitig negativ vorgespannt und generiert in Abhängigkeit des erfassten intensitätsmodulierten Lichtsignals einen modulierten negativen Fotostrom I_p, der entsprechend des Modulationstakts M(p1) auf einen ersten oder zweiten Ausgang des Synchronumschalter geführt wird. Zur Glättung des modulierten Fotostroms I_p weisen die beiden Ausgänge jeweils einen Glättungskondensator auf, so dass die nachfolgende Strommessschaltung 29 im Wesentlichen einen phasengewichteten bzw. auf einem a- und b-Kanal aufgeteilten, mittleren Gleichstrom I_mean-a, I_mean-b des ursprünglich modulierten Fotostroms I_p erfasst.
Der für jeden Eingang bzw. Kanal gemessene Strom I_mean-a, I_mean-b wird als elektrisches Signal a, b, vorzugsweise als Spannungssignal ausgegeben. Die Differenz der beiden a und b-Signale bzw. Kanäle stellt ein Maß für die Phasenverschiebung des Lichtsignals dar. Das Summensignal der beiden a-, b-Kanäle kann für weitere Überprüfungen und/oder Berechnungen herangezogen werden.
Grundsätzlich kann der Synchronumschalter im weitesten Sinne auch als Synchrongleichrichter oder auch als Mischer bzw. Schaltmischer aufgefasst werden, der das an beiden Eingängen anliegende HF-Signal, nämlich Modulations- und Fotostromsignal M(p1), I_p, auf ein NF-Signal mischt.
4 zeigt schematisch einige für eine Phasenmessung relevante Signalverläufe. Die obere Kurve zeigt das Modulationssignal M(p1) mit der die Beleuchtung 10 und der Synchronumschalter 28 getaktet werden. Bei Vorliegen einer Phasenverschiebung zwischen Modulationssignal M(p1) und dem von der Beleuchtung emittierten Signal S(p1) ist auch der von der Fotodiode 150 generierte Fotostrom I_p, entsprechend phasenverschoben. Dieser Fotostrom I_p wird im Takte des Modulationssignals M(p1) auf den ersten und zweiten Ausgang bzw. a- und b-Kanal aufgeteilt wird. Der aufgeteilte Strom I_p-a, I_p-b weist unterschiedliche Pulslängen auf und wird über die Glättungskondensatoren auf einen mittleren Gleichstrom I_mean-a, I_mean-b geglättet. Der ermittelte Strom und insbesondere die Differenz der Gleichströme I_mean-a, I_mean-b ist ein Maß für eine eventuelle Phasenverschiebung zwischen Modulation- und Sendesignal M(p1), S(p1).
Gelangt das abgestrahlte Licht beispielsweise ohne Phasenverzögerung auf den Fotosensor 150, laufen sowohl der Fotostrom I_P als auch der Synchronumschalter 28 im Gleichtakt, sodass in der ersten Halbperiode der Fotostrom I_p vollständig im a-Kanal erfasst wird. Mit sich verändernde Phasenverschiebung, beispielsweise durch Verzögerungen in der Signalübertragung oder Erwärmung der Beleuchtung, nimmt der Fotostromanteil I_p-b im b-Kanal zu.
Ja nach Ausgestaltung des Lichtlaufzeitkamerasystems muss ein gegebenenfalls vorhandener Phasenunterschied zwischen Modulations- und Sendesignal nicht notwendigerweise auf Null kalibriert werden. Es ist auch denkbar, das System auf einen festen aber im Wesentlichen konstanten Phasenunterschied auszulegen.
Die Erfassung bzw. die Überwachung des Sendesignals S(p1) erlaubt, erlaubt vielfältige Kontroll- und Eingriffsmöglichkeiten. Vorzugsweise kann über den Kontrollsensor 150 eine Phasendrift, beispielsweise durch Erwärmung der Beleuchtung und/oder Elektronik erfasst und über die Auswerteeinheit 290 korrigiert werden. In einer reinen Sicherheitsfunktion kann beispielsweise auch nur überwacht werden, ob eine modulierte Strahlung ausgesendet wird.
In den weiteren Ausführungsbeispielen sind besonders vorteilhafte Varianten für die Ausgestaltung des Synchronumschalters 28 und der Strommessung 29 gezeigt.
Die 5 zeigt eine schaltungstechnische Realisierung der Prinzipschaltung gemäß 3 mit zwei seriell-parallelen Dioden-Brücken als Synchronumschalter 28 und mehreren Operationsverstärken als Strommessschaltung 29. Der Takteingang des Synchronumschalters 28 bildet einen Impuls-Transformator 288 der gegensinnig mit einer ersten und zweiten Diodenbrücke 283, 284 verbunden ist, so dass immer nur eine Diodenbrücke durchschaltet. Je nach Phasenlage des anliegenden Takts werden alle 4 Dioden einer jeweiligen Dioden-Brücke 283, 284 entweder mit Sperrspannung hochohmig und kapazitivarm gehalten oder durchgeschaltet.
Jeder Ausgang der beiden Diodenbrücken weist ein Glättungskondensator Cs auf, so dass über die nachfolgende Strommessschaltung 29 ein mittlerer phasengewichteter Gleichstrom I_mean-a, I_mean-b abgegriffen werden kann.
Die Strommessschaltung ist so aufgebaut, dass der phasengewichtete Gleichstrom I_mean-a, I_mean-b vorzugsweise als Spannungssignal U(a), U(b) abgegriffen werden kann. Die Strommessschaltung weist für den a- und b-Kanal einen ersten und zweiten Operationsverstärker OP1, OP2 auf, dessen invertierende Eingänge jeweils mit einem entsprechenden Ausgang des Synchronumschalters 28 und die nicht invertierenden Eingänge mit Massepotential GND verbunden sind.
Am Ausgang der Operationsverstärker OP1, OP2 steht ein Spannungssignal U(a), U(b) an, dass dem phasengewichteten Gleichstrom I_mean-a, I_mean-b. des jeweiligen Kanals entspricht.
Der Ausgang des jeweiligen Operationsverstärkers OP1, OP2 ist über Widerstände mit dem invertierenden Eingang verbunden und stellt soviel Spannung bzw. Strom zur Verfügung, dass die Spannungsdifferenz am OP-Eingang und somit auch am Glättungskondensator Cs zu Null wird. Aufgrund der durchgeschalteten Dioden liegt dieses Potential auch an der Kathode der Fotodiode 22 an.
Zur weiteren Auswertung der a- und b-Kanäle sind die beiden Ausgänge der beiden Eingangs-Operationsverstärker OP1, OP2 auf die Eingänge eines dritten Operationsverstärkers OP3 geführt an dessen Ausgang ein Differenzsignal a-b der beiden a-, b-Kanäle abgegriffen werden kann. Das Summensignal a+b wird durch Zusammenführen der beiden Ausgänge bereitgestellt.
Zur Dynamikerweiterung ist es möglich die rückgekoppelten Signale der Eingangs-Operationsverstärker OP1, OP2 über einen schaltbaren Spannungsteiler zu führen. Der Spannungsteiler kann beispielsweise über einen NPN-Schalttransistor T1, T2 auf Masse GND geschaltet werden, so dass im Ergebnis der Eingangs-Operationsverstärker OP1, OP2 am Ausgang ein höheres Signal zur Strom- bzw. Spannungskompensation ausgeben muss.
6 zeigt eine Variante des Synchronumschalters 28 bei dem anstelle des Impuls-Transformators 288 gemäß 5 ein Gegentakttreiber 285 in Form von zwei parallel geschalteter EXOR-Glieder eingesetzt wird. Die beiden EXOR-Gliedern sind mit dem Modulator 30 verbunden und so verschaltet, dass an einem EXOR-Ausgang der Modulationstakt als Gegentakt und am anderen EXOR-Ausgang der Takt als Gleichtakt abgreifbar ist. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass Gleichtakt und Gegentakt im Wesentlichen den gleichen Signalweg durchlaufen und somit keine unterschiedlichen gerätebedingten Phasenverschiebungen aufweisen.
Entsprechend der Ausführung gemäß 5 sind die beiden Diodenbrücken 283, 284 gegensinnig mit den Gegentakt- und Gleichtaktausgängen des Gegentakttreibers 285 über Trennkondensatoren Cs1 verbunden. Zur Entladung sind die Trennkondensatoren Cs1 einer jeweiligen Diodenbrücke 283, 284 über einen Widerstand miteinander verbunden.
7 zeigt eine weitere mögliche Empfangsschaltung basierend auf zwei Diodenringen. Die Fotodiode 22 ist, wie bereits in 3 gezeigt, in üblicher Weise mit einem negativen Gegenpotenzial -UV vorgespannt und ist kathodenseitig mit einem ersten und zweiten Diodenring 281, 282 verbunden.
Die beiden Diodenringe 281, 282 bestehen jeweils aus vier Dioden D1, ... D4, die gleichsinnig, seriell zu einem Ring verschaltet sind. Zwischen den Dioden sind Abgriffe bzw. Anschlüsse A1, ... A4 vorgesehen, mit einem ersten Anschluss A1 zwischen der ersten und vierten Diode D1, D4, einen zweiten Anschluss A2 zwischen der zweiten und ersten Diode D2, D1 und dementsprechend weitere dritte und vierte Anschlüsse A3, A4.
Das vom Modulator 30 eingehende Taktsignal liegt an einem Gegentakttreiber 285 an. Der Gegentakttreiber 285 besteht, wie in 5 gezeigt, aus zwei EXOR-Gliedern, die so verschaltet sind, dass an einem EXOR-Ausgang der Takt des Modulators 30 im Gegentakt und am anderen EXOR-Ausgang der Takt als Gleichtakt abgreifbar ist.
Die Diodenringe 281, 282 sind mit den Ausgängen der EXOR-Glieder gegenphasig verbunden. Im dargestellten Beispiel liegt somit der Gegentakt am ersten Anschluss A1 des ersten Diodenrings und am dritten Anschluss A3' des zweiten Diodenrings 282 an, während der Gleichtakt am dritten Anschluss A4 des ersten Diodenrings 281 und am ersten Anschluss A1' des zweiten Diodenrings 282 anliegt. Die Anschlüsse sind jeweils über einen in Serie geschalteten Kondensator Cs1und Widerstand mit den Ausgängen der EXOR-Glieder verbunden.
Die Zwischenspeicherkondensatoren Cs11, Cs12 dienen zum einen als galvanische Trennung als auch als Zwischenspeicher für den erfassten Fotostrom I_p.
Liegt beispielsweise am ersten Diodenring 281 über den ersten und dritten Anschluss A1, A3 ein positives Potenzial an, fließt der Strom über die erste und zweite Diode D1, D2 während die beiden übrigen Dioden D3, D4 gesperrt sind. Bei diesem Potenzial fließt der komplette Strom der EXOR-Glieder über die beiden Dioden D1, D2 wieder an das EXOR-Glied zurück, ohne den Diodenring weiter zu belasten.
Der nun am zweiten Anschluss A2 des Diodenrings 281 anliegende Fotostrom I_P wird über die beiden durchgeschalteten ersten und zweiten Dioden D1, D2 auf die beiden Zwischenspeicherkondensatoren Cs11 verteilt. Während der nächsten Halbperiode sind die erste und zweite Diode D1, D2 gesperrt und die dritte und vierte Diode D3, D4 in Durchlassrichtung, sodass die in den Zwischenspeicherkondensatoren Cs11 gespeicherte Ladung nun über die beiden Dioden D3, D4 über einen Integrations- bzw. Glättungskondensator Cs21 an die Strommessschaltung 29 abfließen und dort als Strom erfasst werden kann. Die Strommessschaltung erhält somit den phasengewichteten Fotogleichsttrom I_mean-a, I_mean-b eine Halbperiode T/2 später.
Der zweite Diodenring 282 arbeitet in analoger Weise im Gegentakt.
An der Kathode der Fotodiode 22 liegt somit nicht das Potential der Glättungskondensatoren Cs21, Cs22, sondern das Potential der Zwischenspeicherkondensatoren Cs1 an.
Grundsätzlich können die erfindungsgemäßen Schaltungen als ein von HF auf NF mischender Empfänger aufgefasst werden. Eine anodenseitig negativ vorgespannte Fotodiode liefert ihren negativen Fotostrom Ip über einen elektronischen Umschalter bzw. den Synchronumschalter, ausgeführt entweder als zwei Diodenbrücken 283, 284 oder zwei Diodenringe 281, 282 zu zwei Glättungskondensatoren Cs2, Cs21, Cs22.
Dieser Synchronumschalter 28 verteilt den Fotostrom Ip im Takt der Modulation auf die zwei Glättungskondensatoren Cs2, Cs21, Cs22. Diese zwei Glättungskondensatoren Cs2, Cs21, Cs22 werden mit der Strommessschaltung mit positivem Strom ständig bei 0 V gehalten.
Die Differenz dieser zwei Ströme liefert als Mischprodukt die zur Entfernungsbestimmung notwendige Phaseninformation. Die Summe liefert Information über das an der Fotodiode 22 gesamt angekommene Licht von allen Lichtquellen. Die Strommessschaltungen 29 wandeln den gemessenen Strom in Spannungen um.
Der Umsetzungsfaktor dieser I/U-Wandlung ist zur Vergrößerung des Dynamik-Bereichs mit NPN- Transistoren T1, T2 mit Schaltsignalen beispielsweise von einem Mikroprozessor µC umschaltbar oder mittels PWM-Signalen über einen Tiefpass sogar stufenlos steuerbar.
Die Diodenringe 281, 282 in 7 arbeiten zeitversetzt 2-stufig. Während der eine Diodenring den Fotostrom Ip zu den Zwischenspeicher-Kondensatoren Cs1 leitet, leitet der andere Diodenring die Ladung von seinen Zwischenspeicherkondensatoren Cs1 zu den Glättungskondensator Cs2.
Dieses Vorgehen ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die gegenläufigen Steuer-Impulse von den zwei EXOR- Gattern ohne Impuls- Transformator und ohne galvanische Trennung, die Diodenringe steuern. Da diese Steuerung in den Diodenringen immer nur zwei Dioden links oder rechts mit Strom leitend macht, arbeitet jeder dieser Diodenringe intern auch als Umschalter.
Das Einsparen eines Impuls-Transformators hat den Vorteil, dass auch keine durch einen solchen Transformator verursachten Phasen-Fehler vorliegen. Die galvanische Trennung zwischen den EXOR- Gattern und den Diodenringen erfolgt über die Zwischenspeicher-Kondensatoren Cs1. Sie verhindern, dass der Fotostrom in die EXOR- Gatter-Ausgänge fließt.
Die seriellen Widerstände R31, R32 dienen der Bestimmung der Stromstärke des Steuerstroms. Mit ihm soll bei den Schaltdioden ein kleiner differentieller Widerstand (Ron) erreicht werden, dabei sollen die EXOR- Gatter-Ausgänge nicht überlastet werden.
Das obere EXOR- Gatter dient als Inverter und das untere nur als Durchgang mit gleicher Durchlaufzeit und somit gleicher Verzögerung.
Mit einem Referenz-Takt fremd gesteuerte kapazitivarme µ- Wellen- Schaltdioden erreichen um Zehnerpotenzen höhere Arbeitsfrequenzen als analoge Multiplexer und das mit besseren Eigenschaften. Der Widerstand (Ron) ist wegen dem sehr kleinen differentiellen Widerstand kleiner, als bei analogen Multiplexern.
Die Strommessschaltung erzeugt mit ihrer Gegenkopplung eine virtuelle Masse an ihrem Eingang, die den Speicher-Kondensator Cs2 ständig entlädt und bei 0 V hält.
Diese Niederohmigkeit überträgt sich über die Diodenringe bzw. im anderen Ausführungsbeispiel über die Diodenbrücke bis an die Kathode der Fotodiode 22 und unterdrückt an ihr jeden kleinsten Spannungs-Hub bzw. jede Wechselspannung Uac. Ohne anliegende Wechselspannung Uac fließt durch die parasitäre Kapazität Cp der Fotodiode 22 kein Strom, so wird die parasitäre Kapazität Cp der Fotodiode virtuell beseitigt. Die negative Vorspannung zusammen mit der virtuellen Beseitigung der parasitären Kapazität Cp macht die Fotodiode 22 schnell und erhöht die Grenzfrequenz der Schaltung.
Die negative Vorspannung reduziert die parasitäre Kapazität Cp von der Fotodiode 22 ähnlich wie bei Varicap- Dioden. Die negative Vorspannung für die Fotodiode 22 wird vorzugsweise mit einem einfachen Drossel-Aufwärts-Wandler erzeugt.
8 zeigt schematisch das Grundprinzip der Schaltung gemäß 7. Die Diodenringe 281, 282 sind in ihrem Wirkprinzip nach durch Wechselschalter 281', 282' ersetzt. Während der eine Wechselschalter 281' den Fotostrom Ip auf die Zwischenspeicherkondensatoren Cs1 leitet, werden die Zwischenspeicherkondensatoren Cs1 über den zweiten Wechselschalter 282' auf den Glättungskondensator Cs2 und die Strommessschaltung 29 geschaltet.
Die 9 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Schaltung als Quadratur-Mischer. Die Schaltung gemäß 7 ist hier sowohl auf der Anoden- als auch auf der Kathodenseite der Fotodiode 22 realisiert. Diese Anordnung führt zwei Messungen zur gleichen Zeit aus, nämlich eine mit 0° Referenz-Takt und eine mit 90° Referenz-Takt. Der 0° Referenz-Takt entspricht der Phasenlage des Modulationssignals und der 90° Referenz-Takt einem zu diesem um 90° verschobenen Phasenlage, so dass insgesamt vier Phasenmessungen vorliegen nämlich 0° = a-Kanal, 180° = b-Kanal, und dementsprechend 90° = c-Kanal und 270° = d-Kanal.
In bekannter Weise kann die Genauigkeit der Entfernungswerte über diese IQ-Messung verbessert werden, nämlich beispielsweise mit einer Bestimmung der Phasenverschiebung phi entsprechend arctan (c-d) / (a-b).
Prinzipiell ist es möglich diese Messungen auch seriell durchzuführen. Die gleichzeitige Messung hat jedoch den Vorteil, dass sich bei schnellen Entfernungsänderungen zwischen Objekt und Lichtlaufzeitsensor, die 90°-Messwerte zu den 0°-Messwerten zeitlich zueinander passen und die Entfernungsmessung somit zuverlässigere und gültige Werte liefert. So wird an einer einzigen Fotodiode 22 an ihren beiden Anschlüssen mit zwei gleichen Schaltungen aber mit unterschiedlichem Referenz-Takt gemessen.
Das Messprinzip ist in 10 vereinfacht dargestellt. Die Betriebsspannung der Fotodiode 22 kommt zur Hälfte +/- Ub/2 jeweils von einem Amperemeter bzw. einer Strommessschaltung. Sie ist beispielsweise als Sollwert an den nicht invertierenden OPV-Eingängen (+IN) vorgegeben.
11 zeigt eine weitere Ausführungsvariante in der der Synchronumschalter 28 mit Hilfe von zwei Schalttransistoren aufgebaut ist. Zudem ist zur Bereitstellung der negativen Betriebsspannung Ub für die Fotodiode eine Spannungsversorgung 25 in Form einer Spannungsvervielfachung vorgesehen. Im dargestellten Beispiele setzt die Spannungsversorgung 25 das Versorgungspotential von 5 V auf eine Betriebspannung Ub von - 20 Volt hoch.
Des Weiteren weist die Strommessschaltung 29 gemäß 11 Dynamikerweiterung auf, wie sie bereits im Beispiel gemäß 5 gezeigt wurde.
Diese Variante hat den Vorteil, dass die Schalttransitoren bereits mit einem geringen Ansteuerungssignal durchgeschaltet werden können und somit den Gegentaktreiber und insbesondere das EXOR-Gatter nur gering belasten.
Bezugszeichenliste

10: Beleuchtung
100: Beleuchtungsmodul
150: Kontrollsensor
160: Abdeckscheibe
200: Kameramodul
22: Lichtlaufzeitfotosensor
25: Spannungsversorgung
28: Synchronumschalter
281: erster Diodenring
282: zweiter Diodenring
283: erste Diodenbrücke
284: zweite Diodenbrücke
285: Gegentakttreiber
288: Impulstrafo
30: Modulator
40: Objekt
M(p1): Modulationssignal
S(p1): gesendetes Lichtsignal
S(p2): empfangenes Lichtsignal
Ip: Fotostrom
Ip-a: Fotostrom Kanal a
Ip-b: Fotostrom Kanal b
Imean-a: mittlerer Gleichstrom Kanal a
Imean-b: mittlerer Gleichstrom Kanal b
T1, T2: erster, zweiter Transistor

Claims

Lichtlaufzeitkamerasystem (1), mit einem Lichtlaufzeitfotosensor (22), der mindestens ein Empfangspixel aufweist, mit einer Beleuchtungslichtquelle (10) zur Abstrahlung eines modulierten Lichts, und mit einem Modulator (30), der mit dem Lichtlaufzeitfotosensor (22) und der Beleuchtungslichtquelle (10) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Beleuchtungslichtquelle (10) ein Kontrollsensor (150) derart angeordnet ist, dass von dem Kontrollsensor (150) zumindest ein Teil eines von der Beleuchtungslichtquelle (10) emittierten modulierten Lichts empfangbar ist, und dass ein Synchronumschalter (28) mit dem Modulator (30) und dem Kontrollsensor (150) verbunden ist, und derart ausgebildet ist, dass an zwei Signalausgängen des Synchronumschalters (28) Signale verfügbar sind, die eine Phasenverschiebung des vom Kontrollsensor (150) empfangenen Lichts charakterisieren.
Lichtlaufzeitkamerasystem (1) nach Anspruch 1, bei dem der Synchronumschalter (28, 28a, 28b) zur Umschaltung der beiden Signalausgänge zwei Diodenbrücken (283, 284) oder zwei Diodenringe (281, 282) oder zwei Schalttransistoren aufweist.
Lichtlaufzeitkamerasystem (1) nach Anspruch 1, bei dem die zwei Signalausgänge des Synchronumschalters (28) jeweils einen Glättungskondensator (Cs21, Cs22) aufweisen, wobei der Synchronumschalter (28) derart ausgestaltet ist, dass an den Signalausgängen ein phasengewichtetes Fotostromsignal (I_mean-a, I_mean-b) abgreifbar ist.
Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Synchronumschalter (28, 28a, 28b) derart ausgestaltet ist, dass der Synchronumschalter (28, 28a, 28b) im Takt des anliegenden Modulationssignals zwischen den ersten und zweiten Signalausgang umschaltet und beide Signalausgänge mit einer Strommessschaltung (29, 29a, 29b) verbunden sind.
Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 4, bei dem die Strommessschaltung (29) derart ausgestaltet ist, dass durch Vorhalten eines Entladestroms die über den Glättungskondensator (Cs21, Cs22) abfallende Spannung konstant gehalten wird, und eine Regelgröße über die der Entladestrom eingestellt wird, als Ausgangssignal abgreifbar ist.