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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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Die Erfindung dient insbesondere zur Überwachung des vollständigen Signalpfades wie sie für sicherheitsrelevante Anwendungen – beispielsweise SIL, ASIL – erforderlich sind.
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Für sicherheitsrelevante Anwendungen muss jederzeit gewährleistet sein, dass die Kamera erkennt, falls eine der Komponenten nicht spezifikationsgemäß arbeitet.
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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 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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Aus der nachveröffentlichten
DE 10 2010 041 390 A1 ist bereits ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit einer Signalüberwachung bekannt, bei dem im Bereich der Beleuchtungslichtquelle ein Kontrollsensor, vorzugsweise in Form eine Photodiode, zur Überwachung der Lichtquelle angeordnet ist. In Abhängigkeit des von der Photodiode erfassten Lichts wird eine Referenzlichtquelle zur Beleuchtung eines Referenzphotosensors betrieben und die Signale im Hinblick auf eine ordnungsgemäße Funktion des Signalpfads ausgewertet.
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Ferner ist aus der
DE 20 2005 012 479 U1 ein optischer Sensor bekannt, bei dem der Kollimator des Senders eine Aussparung aufweist, über welche Randstrahlen des vom Sender emittierten Lichts auf eine Monitordiode zur Kontrolle des Sendebetrieb ausgekoppelt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung im Hinblick einer Funktions- bzw. Signalpfadüberwachung weiter zu gestalten.
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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 ersten Lichtlaufzeitsensor, der mindestens ein Empfangspixel aufweist, mit einer Beleuchtung zur Abstrahlung eines modulierten Lichts, mit einem Modulator zur Erzeugung eines Modulationssignals, wobei der Modulator mit dem Lichtlaufzeitsensor und der Beleuchtung verbunden ist, und mit einem zweiten Lichtlaufzeitsensor, der im Bereich der Beleuchtung derart angeordnet ist, dass von dem zweiten Lichtlaufzeitsensor zumindest ein Teil einer von der Beleuchtungslichtquelle emittierten Strahlung empfangbar ist.
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Ebenso vorteilhaft ist ein Verfahren für das vorgenannte Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, bei dem der zweite Lichtlaufzeitsensor ein von der Beleuchtung emittiertes Licht empfängt und im Verhältnis zu einem Modulationssignal ein Phasensignal erzeugt.
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Durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem und Verfahren ist es vorteilhaft möglich, die Funktion eines Signalpfads und/oder der Beleuchtung des Systems ggf. kontinuierlich zu überprüfen. Die Funktionsüberprüfung erstreckt sich nicht nur auf das Vorhandensein eines Beleuchtungssignals, sondern auch auf die Signalqualität und insbesondere auf die Phasenlage der emittierten Strahlung.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist dem zweiten Lichtlaufzeitsensor ein Phasenschieber vorgeschaltet, mit dem die Phasenlage des Modulationssignals vorbestimmt verändert werden kann, womit sich die Genauigkeit der Phasenmessung verbessern lässt.
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In einem bevorzugten Betriebsverfahren ist es vorgesehen, die Beleuchtung in einer Kontrollmessung mit unterschiedlichen Modulationen, die sich insbesondere in Frequenz und/oder Phasenlage unterscheiden, zu betreiben, wobei eine Auswerteeinheit das vom zweiten Lichtlaufzeitsensor erzeugte Phasensignal mit einem erwarteten Phasensignal vergleicht.
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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 Lichtlaufzeitkamerasystem mit einem zweiten Lichtlaufzeitsensor,
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3 eine Variante gem. 2 mit einem Phasenschieber..
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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 Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der
DE 197 04 496 A1 bekannt ist.
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Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10, 100 mit einer Beleuchtung 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
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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.
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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 erzeugt ein periodisches Modulationssignal M(p1) vorzugsweise in Signalpaketen von einigen Mikrosekunden bis einigen Millisekunden Länge und einer Frequenz im Megahertzbereich. Mit dem Modulationssignal M(p1) wird sowohl der Lichtlaufzeitsensor 22 als auch ein Signaltreiber 230 beaufschlagt.
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Über ein Signalkabel 300 sind das Kamera- und das Beleuchtungsmodul 200, 100 miteinander verbunden. Die Signale des Signaltreibers 230 werden über den Übertragungskanal (Hinkanal) 310 an den Signalempfänger 140 des Beleuchtungsmoduls 100 übertragen. In einer bevorzugten Ausführungsform geschieht dies mittels eines elektrischen LVDS-Signals (low voltage differential signaling). Denkbar sind jedoch auch andere elektrische oder sogar optische Übertragungswege.
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Im Beleuchtungsmodul 100 wird das Signal vom Signalempfänger 140 empfangen und für die Beleuchtung 10 aufbereitet, die dann ein entsprechendes Lichtsignal S(p1) in einer ersten Phasenlage p1 aussendet. Das Lichtsignal tritt durch eine transparente Abdeckscheibe 160 aus und beleuchtet die messrelevante Szene bzw. Objekte 40. Die Objekte 40 reflektieren einen Teil des Lichtsignals zurück in die Kamera 200 und werden dort vom Lichtlaufzeitsensor 22 empfangen. Wie bereits beschrieben, wird für jedes Empfangspixel ausgehend von der Phasenverschiebung des Lichtsignals ein Objektabstand beispielsweise über eine Auswerteeinheit 290 bestimmt.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, zusätzlich zu der Entfernungsbestimmung die Funktionsfähigkeit der Signalübertragung bzw. Signalverarbeitung zu überwachen.
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Hierzu ist im Beleuchtungsmodul 100 im Bereich der Beleuchtung 10 ein zweiter Lichtlaufzeitsensor 150 derart angeordnet, dass ein Teil des von der Beleuchtung emittierten Lichts vom zweiten Lichtlaufzeitsensor 150 empfangen werden kann. Der zweite Lichtlaufzeitsensor ist vorzugsweise auch als PMD-Sensor mit mindestens einem Empfangspixel ausgebildet. Der zweite Lichtlaufzeitsensor 150 empfängt das zur Messung notwendige Licht entweder direkt von der Beleuchtung 10 oder indirekt über Reflektionen an der Frontabdeckscheibe 160 des Beleuchtungsmoduls oder auch durch die Verwendung geeigneter anderer optischer Elemente wie z.B. Spiegel oder Lichtleiter.
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Im dargestellten Beispiel wird der zweite Lichtlaufzeitsensor 150 mit dem Modulationssignal M(p1), mit dem auch die Beleuchtung 10 betrieben wird, beaufschlagt. Bei einem fehlerfrei funktionierenden Signalpfad bzw. Beleuchtung ist zwischen dem moduliert ausgestrahlten Licht der Beleuchtung 10 und dem quasi ohne Zeitverzögerung vom zweiten Lichtlaufzeitsensor 150 empfangenen Licht grundsätzlich keine Phasenverschiebung zu erwarten. Das Phasensignal des Lichtlaufzeitsensors 150 wird über einen Signaltreiber 130 aufbereitet und über einen Rückkanal 320 an eine Empfangseinheit 240 des Kameramoduls 200 übertragen. Auch hier kann der Rückkanal beispielsweise als LVDS-Signal übertragen werden. Denkbar sind auch andere Übertragungsarten, insbesondere kann das Signal auch in Form einer Aufmodulation auf der LVDS-Signalleitung 300 übertragen werden. Die Empfangseinheit 240 des Kameramoduls 200 überträgt das Phasensignal an eine Auswerteeinheit 290 zur weiteren Verarbeitung. Liegt die erfasste Phasenverschiebung außerhalb eines tolerierten Bereichs kann über die Auswerteeinheit eine geeignete Fehlerreaktion eingeleitet werden.
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3 zeigt eine Anordnung, bei der im Unterschied zu 2 dem zweiten Lichtlaufzeitsensor 150 ein Phasenschieber 155 vorgeschaltet ist. Der Phasenschieber 155 erlaubt es durch Variieren der Modulationsphase um 0°, 90°, 180°oder 270° die Phase des von der Beleuchtung 10 abgestrahlten Lichts exakter zu bestimmen.
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Der Phasenschieber 155 kann beispielsweise direkt von der Auswerteeinheit 290 angesteuert werden. Auch kann es vorgesehen sein, den Phasenschieber direkt mit dem Modulator 30 zu verbinden. In einer weiteren Ausgestaltung ist es auch denkbar, den Phasenschieber 155 im Kameramodul 200 anzuordnen und über eine weitere Signalleitung die phasenverschobene Phase dem zweiten Lichtlaufzeitsensor 150 im Beleuchtungsmodul 100 zur Verfügung zu stellen.
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Die erfindungsgemäße Ausführungsform erlaubt es, die Beleuchtung 10 und somit auch den Signalpfad 310 auch während einer Distanzmessung 60 zu überwachen. Darüber hinaus kann es vorgesehen sein, in den Pausen zwischen zwei Distanzmessungen 60 weitere Kontrollmessungen 70 durchzuführen, wie es schematisch in 4 angedeutet ist. Insbesondere kann es vorgesehen sein, in den Kontrollmessintervallen 70 über den Modulator 30 unterschiedliche Modulationsfrequenzen und/oder unterschiedliche Phasenverschiebungen zur Verfügung zu stellen. Durch diese Maßnahme ist es möglich, auch den zweiten Lichtlaufzeitsensor 150 auf seine Funktion zu überprüfen, indem über die Auswerteeinheit ein vom zweiten Lichtlaufzeitsensor 150 erwartetes Signal mit dem tatsächlich erfassten Signal verglichen wird. Weicht der Ist-Wert vom Erwartungswert ab, können auch hier weitere Fehlerreaktionen eingeleitet werden.
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Denkbar sind auch andere Übertragungsarten, auch muss der Hin- und Rückkanal nicht notwendigerweise dieselbe Übertragungsart verwenden. Die Übertragung der Signale kann je nach Anwendungsfall sowohl digital als auch analog erfolgen. Die digitale Übertragung der Signale ist gewöhnlich gegenüber einer rein analogen Übertragung störanfälliger. Dennoch kann es für bestimmte Applikationen durchaus sinnvoll sein, den Hin- und/oder Rückkanal analog auszuführen. Auch kann es im Ausführungsbeispiel gemäß 2 den Kontrollsensor 150 direkt mit dem Modulator zu verbinden.
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In einer weiteren Variante ist es auch denkbar, den Kontrollsensor 150 auch außerhalb des Beleuchtungsmoduls 100 anzuordnen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sendeeinheit
- 12
- Beleuchtung
- 100
- Beleuchtungsmodul
- 130
- Signaltreiber (z.B. Modulationstreiber für LVDS)
- 140
- Signalempfänger
- 150
- zweiter Lichtlaufzeitsensor
- 200
- Kameramodul
- 20
- Empfangseinheit
- 22
- erster Lichtlaufzeitsensor
- 230
- Signaltreiber
- 240
- Signalempfänger
- 290
- Auswerteeinheit
- 25
- Empfangsoptik für Nutzlicht
- 30
- Modulator, Modulationsgenerator
- 300
- Signalkabel
- 310
- Übertragungskanal A (Hin-Kanal)
- 320
- Übertragungskanal B (Rück-Kanal)
- 40
- Objekt
- 60
- Distanzmessung
- 70
- Kontrollmessung
