DE102012110538A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Abstandswerten und Abstandsbildern - Google Patents

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Abstract

Eine Abstandskamera zum Bestimmen eines Abstandswerts Rabs zwischen einem Objekt und der Abstandskamera innerhalb eines vorherbestimmten Abstandsbereichs weist mindestens ein Photoelement (9), einen Triggergenerator zum Aktivieren des Photoelements (9) während eines zeitlichen Integrationsfensters (30, 31), eine Lichtquelle zum Belichten des Objekts mit Lichtpulsen (28) mit einem vorherbestimmten zeitlichen Intensitätsprofil mit einer Dauer Tp, und einen Intensitätssensor zum Bestimmen der Intensität Ip (6) der an dem Photoelement (9) ankommenden Lichtpulse (29) auf, wobei das Integrationsfenster (30) eine vorherbestimmte Verzögerung zu dem Startzeitpunkt der Emission des Lichtpulses hat, um die von dem Objekt zurückreflektierten Lichtpulse derart zu erfassen, dass entweder To oder To + Tp zwischen einem Integrationsstartzeitpunkt T1b (20) des Integrationsfensters (30) und einem Integrationsendzeitpunkt T1e (21) des Integrationsfensters (30) ist, mit To als dem ersten Zeitpunkt, wenn der Lichtpuls (29) an dem Photoelement (9) ankommt, wobei das Photoelement (9) eingerichtet ist einen Signalwert U (25) an den Integrationsendzeitpunkt T1e (21) auszugeben, mit dem Signalwert U (25), der von der Intensität Ip (6) und der Dauer des an dem Photoelement (9) ankommenden Lichtpulses (29) während der Aktivierung des Photoelements abhängt (9), wobei die Kamera eine Speichereinheit zum Speichern von vorherbestimmten Parametern (10) einer expliziten Korrektionswertfunktion Δ = f(Ip) (5) für das Photoelement (9) und eine Auswerteeinheit zum Bestimmen eines Rohabstandswerts Rraw aus dem Signalwert U (25) und der Intensität Ip (6) und Addieren des Rohabstandswerts Rraw und des Korrekturwerts Δ(Ip) (7), um den Abstandswerts Rabs zu erhalten, aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bestimmen von Abstandswerten und Abstandsbildern.
  • Abstandswerte zwischen einer Messvorrichtung und einem Objekt ohne einen körperlichen Kontakt zwischen der Vorrichtung und dem Objekt können mittels optischer Verfahren gemessen werden. In diesen Verfahren wird das Objekt mit der Vorrichtung belichtet und das von dem Objekt zurückreflektierte Licht wird dann von einem Lichtdetektor der Vorrichtung erfasst.
  • Abstandswerte können beispielsweise ermittelt werden, indem die Lichtintensität, die von der Vorrichtung emittiert wird, periodisch moduliert wird und die Phasendifferenz zwischen dem emittierten Licht und dem zurückreflektierten Licht, das an dem Detektor ankommt, gemessen wird. Allerdings resultiert dieses Verfahren aufgrund der Periodizität der Lichtintensität in einer nicht eindeutigen Abstandsmessung. Eindeutige Abstandswerte können bestimmt werden, indem die Flugzeit zwischen der Emission des Lichts und der Ankunft des zurückreflektierten Lichts an dem Detektor gemessen wird.
  • Für eine Flugzeitmessung mit einer Genauigkeit des Abstandswerts in der Größenordnung von Zentimetern ist eine schnelle Elektronik erforderlich, die im Pikosekundenbereich schaltet und antwortet. Daher können die Abstandswerte, die durch die Vorrichtung gemessen werden, von Fertigungstoleranzen des Detektors abhängen. Wenn ein Bildsensor mit einer Vielzahl an Bildelementen für den Detektor verwendet wird, können aufgrund der Fertigungstoleranzen der Bildelemente verschiedene Bildelemente verschiedene Abstandswerte messen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Abstandswerten mit einer hohen Genauigkeit zu schaffen.
  • Die erfindungsgemäße Abstandskamera zum Bestimmen eines Abstandswerts Rabs zwischen einem Objekt und der Abstandskamera innerhalb eines vorherbestimmten Abstandsbereichs weist mindestens ein Photoelement, einen Triggergenerator zum Aktivieren des Photoelements während eines zeitlichen Integrationsfensters, eine Lichtquelle zum Belichten des Objekts mit Lichtpulsen mit einem vorherbestimmten zeitlichen Intensitätsprofil mit einer Dauer Tp, und einen Intensitätssensor zum Bestimmen der Intensität Ip der an dem Photoelement ankommenden Lichtpulse auf, wobei das Integrationsfenster eine vorherbestimmte Verzögerung zu dem Startzeitpunkt der Emission des Lichtpulses hat, um die von dem Objekt zurückreflektierten Lichtpulse derart zu erfassen, dass entweder To oder To + Tp zwischen einem Integrationsstartzeitpunkt T1b des Integrationsfensters und einem Integrationsendzeitpunkt T1e des Integrationsfensters ist mit To als dem ersten Zeitpunkt, wenn der Lichtpuls an dem Photoelement ankommt, wobei das Photoelement eingerichtet ist einen Signalwert U an dem Integrationsendzeitpunkt T1e auszugeben, mit dem Signalwert U, der von der Intensität Ip und der Dauer des an dem Photoelement ankommenden Lichtpulses während der Aktivierung des Photoelements abhängt, wobei die Kamera eine Speichereinheit zum Speichern von vorherbestimmten Parametern einer expliziten Korrektionswertfunktion Δ = f(Ip) für das Photoelement und eine Auswerteeinheit zum Bestimmen eines Rohabstandswerts Rraw aus dem Signalwert U und der Intensität Ip und Addieren des Rohabstandswerts Rraw und des Korrekturwerts Δ(Ip), um den Abstandswerts Rabs zu erhalten, aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Bestimmen des Abstandswerts Rabs zwischen dem Objekt und der Abstandskamera weist die Schritte auf: a) Anordnen eines Zielobjekts innerhalb des vorherbestimmten Abstandsbereichs mit einem vorherbestimmten Abstand Rabs,cal zu der Abstandskamera; b) Erhalten einer Mehrzahl an Stützpunkten Rraw,cal, Ip,cal durch: – Belichten des Zielobjekts mittels der Lichtquelle mit variablen und bestimmten Intensitäten Ip,cal der an dem Photoelement ankommenden Lichtpulse, und – Bestimmen der entsprechenden Abstandswerte Rraw,cal aus den entsprechenden Signalwerten Ucal und den entsprechenden Intensitäten Ip,cal; c) Berechnen der Parameter der expliziten Korrektionswertfunktion Δ = Rraw,cal – Rabs,cal = f(Ip,cal) als eine Interpolation der Stützpunkte Rraw,cal, Ip,cal und Speichern der Parameter für das Photoelement in der Speichereinheit; d) Anordnen des Objekts innerhalb des vorherbestimmten Abstandsbereichs; e) Belichten des Objekts mittels der Lichtquelle mit dem Lichtpuls und Bestimmen des Rohabstandswerts Rraw aus dem Signalwert U und der entsprechenden Intensität Ip, die mittels des Intensitätssensors bestimmt wird; f) Berechnen des Korrekturwerts Δ(Ip) für den Rohabstandswert Rraw in Abhängigkeit der Intensität Ip mittels der in der Speichereinheit gespeicherten Parameter; g) Berechnen der Abstandswerte durch Rabs = Rraw,cal – Δ(Ip).
  • Mit der erfindungsgemäßen Abstandskamera und dem erfindungsgemäßen Verfahren können die Abstandswerte Rabs vorteilhaft mit einer hohen Genauigkeit bestimmt werden. Abstandsbilder können aufgenommen werden, indem entweder das einzelne Photoelement über das Objekt gescannt wird und die einzelnen Abstandswerte Rabs mit dem entsprechenden Lichtpuls bestimmt werden oder indem die Kamera mit einer Mehrzahl an Photoelementen ausgestattet wird und die Mehrzahl an Abstandswerten Rabs mit dem einzelnen Lichtpuls bestimmt werden. In dem Fall, dass die Mehrzahl an Photoelementen vorgesehen ist, können glatte Abstandsbilder vorteilhaft aufgenommen werden, sogar wenn Variationen in einzelnen Photoelementen aufgrund von Fertigungstoleranzen vorliegen, da eine entsprechende Korrektionswertfunktion Δ für jedes Photoelement vorgesehen ist. Da die Interpolation der Stützpunkte zu einer Parametrisierung der Korrektionswertfunktion Δ führt, ist diese Funktion vollständig durch die ihre Parameter beschrieben. Daher müssen lediglich diese Parameter in der Speichereinheit gespeichert werden und die Anzahl der Zugriffe auf die Speichereinheit ist gering, verglichen mit beispielsweise einem Speichern einer hohen Anzahl an Stützpunkten, die zum Erhalten einer Abstandsmessung mit einer ähnlich hohen Genauigkeit nötig ist. Aufgrund der Tatsache, dass die Anzahl der Zugriffe auf die Speichereinheit gemäß der Erfindung gering ist, ist die Korrektur der Abstandswerte Rraw schnell, so dass sogar die hohe Genauigkeit in einem Zentimeterbereich mit einer hohen Repetitionsrate erhalten werden kann.
  • Des Weiteren können alle Abstandswerte durch Benutzen der parametrisierten Korrektionswertfunktion Δ korrigiert werden und es ist nicht erforderlich, Korrektionswerte Δ(Ip) für eine große Anzahl von jeder denkbaren Intensität Ip zu speichern.
  • Es ist bevorzugt, dass die Speichereinheit ein nichtflüchtiger Speicher ist. Dadurch ist ein dynamischer Zugriff auf die Parameter während der Korrektur der Rohabstandswerte Rraw vorteilhaft ermöglicht. Es ist außerdem vorteilhaft sichergestellt, dass ein Update der Korrektionswertfunktion Δ optional nur durch den Hersteller der Abstandskamera durch eine Lieferung der Speichereinheit erbracht werden kann.
  • Das Photoelement weist bevorzugt einen Kondensator und eine Photodiode auf, die derart von außerhalb zugänglich ist, dass der vom Objekt zurückreflektierte Lichtpuls von der Photodiode erfasst wird, und die derart mit dem Kondensator elektrisch verbunden ist, dass, wenn der vom Objekt zurückreflektierte Lichtpuls von der Photodiode erfasst wird, der Kondensator entladen wird. Der Signalwert U, der am Integrationsendzeitpunkt T1e ausgegeben wird, ist daher bevorzugt die Spannung des Kondensators an dem Integrationsendzeitpunkt T1e. Die Spannung ist ein Maß für die Energie des an der Photodiode innerhalb des Integrationsfensters ankommenden Lichtpulses. Es ist bevorzugt, dass der Triggergenerator einen ersten elektrischen Schalter zum Aktivieren des Photoelements und einen zweiten elektrischen Schalter zum Deaktivieren des Photoelements und Ausgeben des Signalwerts U aufweist. Der erste und/oder der zweite elektrische Schalter sind bevorzugt Transistoren, insbesondere von gleicher Bauweise. Durch Korrigieren des Rohabstandswerts Rraw mit dem Korrekturwert Δ(Ip) ist vorteilhaft erreicht, dass die spezifische Trägheit jedes einzelnen Photoelements, insbesondere die Trägheit der Photodiode, des Kondensators und beider Schalter, korrigiert wird.
  • Es ist bevorzugt, dass die Abstandskamera eine Mehrzahl an Photoelementen und für jedes Photoelement die entsprechende Speichereinheit aufweist, wobei die Anzahl der Photoelemente und der Speichereinheiten mindestens 3·105 ist, insbesondere mindestens 106. Da jede Korrektionswertfunktion Δ parametrisiert ist und ihre Parameter in der entsprechenden Speichereinheit gespeichert sind, ist es vorteilhaft erreicht, dass die Abstandswerte Rabs für diese hohe Anzahl an Photoelementen mit einer hohen Repetitionsrate, wie 50 Hz, bestimmt werden können.
  • Es ist bevorzugt, dass das vorherbestimmte zeitliche Intensitätsprofil des Lichtpulses im Wesentlichen rechteckig, trapezförmig, sägezahnförmig, dreieckig, ein Lorentz-Profil, ein Voigt-Profil oder ein Gauß-Profil ist. Weiterhin ist das zeitliche Intensitätsprofil des Lichtpulses bevorzugt durch eine Messung vorherbestimmt. Die Messung kann beispielsweise durch die Verwendung eines Sekundärelektronenvervielfachers oder einer schnellen Photodiode durchgeführt werden. Im Fall, dass das vorherbestimmte zeitliche Intensitätsprofil des Lichtpulses nicht rechteckig ist, ist die Intensität Ip beispielsweise als maximale Intensität des zeitlichen Intensitätsprofils definiert. Andere Definitionen wie halbes Maximum des zeitlichen Intensitätsprofils sind auch denkbar. Mit dem vorherbestimmten zeitlichen Intensitätsprofil und dem bestimmten Signalwert U und der Intensität Ip ist es möglich, den Abstand Rraw zu bestimmen.
  • Mehrere Abstandwerte Rabs werden bevorzugt durch Wiederholen der Schritte d) bis g) bestimmt. Daher ist es lediglich erforderlich, eine einzelne Korrektionswertfunktion Δ zum Bestimmen der mehreren Abstandswerte Rabs zu bestimmen.
  • Es ist bevorzugt, dass die explizite Korrektionswertfunktion Δ eine monotone Funktion ist, insbesondere ein Polygonzug oder ein Polynom oder ein Spline. Die Anzahl der Parameter ist bevorzugt vier. Die Anzahl der Stützpunkte ist bevorzugt vier. Es wurde gefunden, dass die hohe Genauigkeit der Bestimmung des Abstandswerts Rabs vorteilhaft mit dieser geringen Anzahl an Parametern und/oder Stützpunkten erreicht werden kann, was in einer hohen machbaren Repetitionsrate resultiert.
  • Es ist bevorzugt, dass der Intensitätssensor das Photoelement ist und die Intensität Ip,cal und/oder die Intensität Ip durch Messen des entsprechenden Signalwerts Ucal und/oder U mittels des Photoelements innerhalb eines zweiten Integrationsfensters mit einem Integrationsstartzeitpunkt T2b früher oder gleich To und einem Integrationsendzeitpunkt T2e später als oder gleich To + Tp bestimmt werden. Dadurch ist es nicht erforderlich, dass ein zusätzlicher Intensitätsmessapparat für die Intensitätsbestimmung bereitgestellt zu werden braucht.
  • Im Folgenden ist die Erfindung anhand von schematischen Zeichnungen dargestellt.
  • 1 zeigt ein Diagramm mit einer beispielhaften Korrektionswertfunktion Δ,
  • 2 zeigt eine Matrix mit einer Mehrzahl an Photoelementen,
  • 3 zeigt eine schematische Schaltungsskizze eines Photoelements,
  • 4 zeigt ein Diagramm einer Kondensatorspannung in Abhängigkeit der Zeit, und
  • 5 bis 7 zeigen Zeitprofil-Diagramme der Lichtpulse und verschiedenen Integrationsfenstern.
  • Wie es aus 1 bis 4 ersichtlich ist, weist eine erfindungsgemäße Abstandskamera zum Bestimmen eines Abstandswerts Rabs zwischen einem Objekt und der Abstandskamera innerhalb eines vorherbestimmten Abstandsbereichs eine Lichtquelle zum Belichten des Objekts mit Lichtpulsen mit einem im Wesentlichen rechteckigen zeitlichen Intensitätsprofil mit einer Dauer Tp auf. Denkbar sind ebenfalls andere zeitliche Profile. Die Lichtquelle ist bevorzugt eine lichtemittierende Diode oder ein Laser, wobei bevorzugt die Lichtpulse mit der Dauer Tp im Nanosekundenbereich emittiert werden. Der vorherbestimmte Abstandsbereich ist der Bereich, in dem die Abstandskamera Abstandswerte bestimmen kann, beispielsweise von 0,5 m bis 10 m. Die Abstandskamera weist weiterhin mindestens ein Photoelement 9 und einen Triggergenerator zum Aktivieren des Photoelements 9 während eines zeitlichen Integrationsfensters 30, 31 und bevorzugt zum Steuern der Emission der Lichtpulse mit der Lichtquelle auf. Der Triggergenerator weist einen ersten elektrischen Schalter 15 zum Aktivieren des Photoelements 9 und einen zweiten elektrischen Schalter 16 zum Deaktivieren des Photoelements 9 auf.
  • 3 zeigt, dass das Photoelement einen Kondensator 13 und eine Photodiode 14 aufweist, die von außerhalb derart zugänglich ist, dass die von dem Objekt zurückreflektierten Lichtpulse von der Photodiode 14 erfasst werden. Die Photodiode 14 ist mit dem Kondensator 13 in einer Parallelschaltung derart elektrisch verbunden, dass wenn die vom Objekt zurückreflektierten Lichtpulse von der Photodiode 14 erfasst werden, der Kondensator 13 entladen wird. 4 zeigt ein Diagramm, in dem die entsprechende Kondensatorspannung 18 gegen die Zeit 19 aufgetragen ist. Die Kondensatorspannung 18 wird durch eine Stromversorgung 11 und eine entsprechende Erdung 12 auf einer Spannung VDD 22 gehalten, solange wie der erste elektrische Schalter 15 geschlossen ist. Am Integrationsstartzeitpunkt T1b 20 des Integrationsfensters 30, 31 öffnet der Triggergenerator seinen ersten elektrischen Schalter 15 und nach einer Zeitverzögerung 23 beginnt die Kondensatorspannung 18 zu fallen, was in einem Spannungsabfall 24 resultiert. Die Zeitverzögerung 23 kann aufgrund von Fertigungstoleranzen zwischen verschiedenen Photoelementen 9 variieren und von der Intensität Ip des an dem Photoelement 9 ankommenden Lichtpulses abhängen. An dem Integrationsendzeitpunkt T1e 21 des Integrationsfensters 30, 31 schließt der Triggergenerator seinen zweiten elektrischen Schalter 16, wodurch ein Signalwert 25, der die Kondensatorspannung 18 bei T1e 21 ist, durch eine Aktion eines Spannungspuffers 17 des Photoelements 9 ausgegeben wird. Der Signalwert U 25 ist ein Maß der Energie des an dem Photoelement 9 während seiner Aktivierung ankommenden Lichts, wobei der Signalwert 25 näherungsweise invers proportional zu der Energie ist. Nach Schließen und Öffnen des ersten 15 bzw. des zweiten 16 elektrischen Schalters wird das Photoelement 9 zurückgesetzt und eine weitere Messung kann durchgeführt werden.
  • Die Abstandskamera weist weiterhin einen Intensitätssensor zum Bestimmen der Intensität Ip des an dem Photoelement 9 ankommenden Lichtpulses und einer Auswerteeinheit zum Bestimmen eines Rohabstandswerts Rraw aus dem Signalwert U 25 und der Intensität Ip 6 auf. Die Auswerteeinheit ist weiterhin eingerichtet einen aus einer Korrektionswertfunktion Δ = f(Ip) 5 entnommenen Korrektionswert Δ(Ip) 7 zu dem Rohabstandswert Rraw zu addieren, um einen Abstandswert Rabs zu erhalten. Jedes Photoelement 9 weist eine Speichereinheit auf, wobei die Parameter 10 der Korrektionswertfunktion Δ 5 für jedes Photoelement 9 in der entsprechenden Speichereinheit gespeichert sind. Jede Speichereinheit ist ihrem Photoelement 9 zugeordnet, wobei jede Speichereinheit auf einem Chip des Photoelements 9 oder extern zu dem Chip angeordnet werden kann. Alle Speichereinheiten bilden einen Speicher der Abstandskamera. 2 zeigt eine Matrix 8 der Photoelemente 9, wobei die Anzahl der Photoelemente 9 und der Speichereinheiten mindestens 3·105, insbesondere mindestens 106, ist.
  • 1 zeigt eine beispielhafte Korrektionswertfunktion Δ 5 in einem Diagramm, in welchem Rohabstandswerte Rraw,cal 1 gegen die Intensität Ip,cal 2 aufgetragen sind. Die Korrektionswertfunktion Δ 5 beruht auf vier Stützpunkten 4 Rraw,cal, Ip,cal, wobei die vier Stützpunkte 4 Rraw,cal, Ip,cal unter bekannten Laborbedingungen erhalten werden. Zum Erhalten der Stützpunkte 4 wird ein Zielobjekt innerhalb des vorbestimmten Abstandsbereichs mit einem vorherbestimmten Abstand Rabs,cal 3 zu der Abstandskamera angeordnet. Es wurde gefunden, dass durch Wählen des vorherbestimmten Abstands Rabs,cal mit 2 m zusammen mit dem vorherbestimmten Abstandsbereich von 0,5 m bis 10 m eine besonders hohen Genauigkeit für den Abstandswert Rabs erzielt wird.
  • Das Zielobjekt wird dann mittels der Lichtquelle mit variablen und vorherbestimmten Intensitäten Ip,cal 2 der an dem Photoelement 9 ankommenden Lichtpulse belichtet und die entsprechenden Rohabstandswerte Rraw,cal 1 werden aus den entsprechenden Signalwerten Ucal und den entsprechenden Intensitäten Ip,cal 2 bestimmt. Die Intensitäten Ip,cal 2 sind bevorzugt derart gewählt, dass der größte Teil des dynamischen Bereichs des Photoelements 9 abgedeckt wird. Die Intensität Ip,cal 2 kann beispielsweise durch Einfügen von Graufiltern oder eines einen Polarisationsfilter und eine λ/2-Platte aufweisenden optischen Abschwächers in den Strahlengang des Lichtpulses variiert werden. Jedes Paar eines Rohabstandswerts Rraw,cal 1 und einer Intensität Ip,cal 2 bildet den entsprechenden Stützpunkt 4.
  • Um die Intensität der an dem Photoelement 9 ankommenden Lichtpulse vorherzubestimmen, ist es denkbar, die Emissionsintensität der Lichtquelle unter Berücksichtigung der Reflektanz des Zielobjekts und der Transmission der Atmosphäre unter den Laborbedingungen anzupassen. Die Emissionsintensität der Lichtquelle wird derart angepasst, dass die Intensitäten Ip,cal 2 der an dem Photoelement 9 ankommenden Lichtpulse den vorherbestimmten Intensitäten Ip,cal 2 entspricht.
  • Die Parameter 10 der expliziten Korrektionswertfunktion Δ = Rraw,cal – Rabs,cal = f(Ip,cal) 5, die eine Interpolation der Stützpunkte 4 Rraw,cal, Ip,cal ist, werden berechnet und für das Photoelement 9 in seiner entsprechenden Speichereinheit gespeichert. Die Interpolation kann außerdem Abschnitte aufweisen, die von den Stützpunkten 4 Rraw,cal, Ip,cal extrapoliert sind. In 1 ist die Korrektionswertfunktion Δ 5 ein Polynom dritten Grades in der Form Δ = A1 + A2Ip,cal + A3Ip,cal 2 + A4Ip,cal 3 mit den Parametern A1, A2, A3, A4 als den Parametern dieser Korrektionswertfunktion Δ 5 für das erste Photoelement 9 in 2. Die Parameter A1, A2, A3, A4 für das erste Photoelement 9 sind in dessen entsprechenden Speichereinheit gespeichert. Die Parameter B1, B2, B3, B4 für das zweite Photoelement 9 sind in dessen Speichereinheit gespeichert, wohingegen die die Parameter X1, X2, X3, X4 in der Speichereinheit des letzten Photoelements 9 gespeichert sind. Es können allerdings auch Polynome mit anderen Graden oder andere Funktionen wie Exponentialfunktionen oder ein Polygonzug, bei dem die einzelnen Linien benachbarte Stützpunkte verbinden, eingesetzt werden.
  • Zum Bestimmen der Abstandswerte Rabs wird das Objekt innerhalb des vorherbestimmten Abstandsbereichs angeordnet, mittels der Lichtquelle mit dem Lichtpuls beleuchtet und der Rohabstandswerte Rraw aus dem Signalwert U 25 und der entsprechenden mittels des Intensitätssensors bestimmten Intensität Ip 6 bestimmt. Der Korrektionswert Δ(Ip) 7 für den Rohabstandswert Rraw wird dann in Abhängigkeit der Intensität Ip 6 mittels der in der entsprechenden Speichereinheit gespeicherten Parameter 10 bestimmt und der Abstandswert wird anschließend durch Rabs = Rraw,cal – Δ(Ip) für jedes Photoelement 9 berechnet.
  • 5 bis 7 zeigen drei Triggerschemen, wobei die Intensitäten 26 des emittierten Lichtpulses 28 und des an dem Photoelement 9 ankommenden Lichtpulses 29 gegen die Zeit 27 aufgetragen ist. Weiterhin sind verschiedene Integrationsfenster 30, 31 mit einer vorherbestimmten Verzögerung zu dem Startzeitpunkt der Lichtpulsemission gezeigt. Die zeitlichen Profile der Lichtpulse und der Integrationsfenster 30, 31 sind rechteckig. Denkbar sind auch andere zeitliche Profile für die Lichtpulse. Für alle denkbaren Formen der zeitlichen Intensitätsprofile beginnt die Emission des Lichtpulses 30 zur Zeit Null und endet bei Tp. Der Lichtpuls 29 wird dann von dem Objekt zurückreflektiert und kommt an dem Photoelement 9 mit einer Intensität Ip an, die niedriger als die Intensität des emittierten Lichtpulses 28 ist. Der Lichtpuls 29 kommt an dem Photoelement 9 von To bis To + Tp an. In 5 ist das Integrationsfenster 30 derart gewählt, dass To + Tp zwischen dem Integrationsstartzeitpunkt T1b 20 und dem Integrationsendzeitpunkt T1e liegt, wohingegen To außerhalb des Integrationsfensters liegt. Im Gegensatz dazu liegt in 6 To zwischen dem Integrationsstartzeitpunkt T1b 20 und dem Integrationsendzeitpunkt T1e, wohingegen To + Tp außerhalb des Integrationsfensters liegt. Die grau markierten Flächen in den Diagrammen entsprechen dem Signalwert U, welcher ein Maß für die Energie des an dem Photoelement 9 ankommenden Lichtpulses 29 innerhalb der Integrationsfenster 30, 31 ist.
  • Die Intensität Ip,cal und/oder die Intensität Ip werden bestimmt durch Messen des entsprechenden Signalwerts Ucal bzw. U mittels des Photoelements innerhalb eines zweiten Integrationsfensters 31, wie in 7 gezeigt, mit einem Integrationsstartzeitpunkt T2b früher oder gleich zu To und einem Integrationsendzeitpunkt T2e später oder gleich zu To + Tp. Mit den Signalwerten Ucal und/oder U, welche der vollständigen Energie des an dem Photoelement 9 ankommenden Lichtpulses 29 entsprechen, und der bekannten Dauer Tp des Lichtpulses 29 ist es möglich, die Intensität Ip zu berechnen.
  • Die Intensität Ip und/oder Ip,cal kann simultan mit einem einzelnen Lichtpuls durch Verwenden von zwei Photoelementen 9 bestimmt werden, das erste Photoelement mit dem ersten Integrationsfenster 30 und das zweite Photoelement mit dem zweiten Integrationsfenster 31. Das erste Integrationsfenster 30 ist derart gewählt, dass entweder To oder To + Tp zwischen dem ersten Integrationsstartzeitpunkt T1b des ersten Integrationsfensters 30 und dem ersten Integrationsendzeitpunkt T1e des Integrationsfensters 30 liegt. Das zweite Integrationsfenster 31 ist derart gewählt, dass der zweite Integrationsstartzeitpunkt T2b früher oder gleich To ist und der zweite Integrationsendzeitpunkt T2e später oder gleich zu To + Tp ist. Das erste und das zweite Photoelement können beispielsweise benachbart zueinander angeordnet werden oder der Lichtpuls 29 kann mittels eines Strahlteilers aufgeteilt werden und jeder Teilstrahl kann zu dem ersten bzw. dem zweiten Photoelement gerichtet werden. Die Intensität Ip und/oder Ip,cal kann auch nacheinander mit einem einzelnen Photoelement 9 und zwei Lichtpulsen 29 bestimmt werden.
  • Mit dem Integrationsfenster 30 gemäß 5 kann To durch To = E/Ip + T1b – Tp und mit dem Integrationsfenster 30 gemäß 6 durch To = T1e – E/Ip berechnet werden, wobei E die Energie des an dem Photoelement 9 ankommenden Lichtpulses 29 ist und bevorzugt reziprok zu dem Signalwert U 25 ist. Rraw kann durch Rraw = 0,5·c·To bestimmt werden, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist. Es wird angemerkt, dass es möglich ist, entweder Rraw oder To mit Δ(Ip) zu korrigieren. Es wird außerdem angemerkt, dass ein Wechsel der Lichtquelle der Kamera oder ein Wechsel in T1b und T1e, welcher durch einen Wechsel des vorherbestimmten Abstandsbereich gefordert ist, gewöhnlich eine neue Kalibrationsfunktion Δ erfordert.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Rohabstandswerte Rraw,cal
    2
    Intensität Ip,cal
    3
    vorherbestimmter Abstand Rabs,cal
    4
    Stützpunkt
    5
    Korrektionswertfunktion Δ
    6
    Intensität Ip
    7
    Korrektionswert Δ(Ip)
    8
    Matrix
    9
    Photoelement mit Speichereinheit
    10
    Parameter
    11
    Stromversorgung
    12
    Erdung
    13
    Kondensator
    14
    Photodiode
    15
    erster elektrischer Schalter
    16
    zweiter elektrischer Schalter
    17
    Spannungspuffer
    18
    Kondensatorspannung
    19
    Zeit
    20
    Integrationsstartzeitpunkt T1b
    21
    Integrationsendzeitpunkt T1e
    22
    Spannung VDD
    23
    Zeitverzögerung
    24
    Spannungsabfall
    25
    Signalwert U
    26
    Intensität
    27
    Zeit
    28
    emittierter Lichtpuls
    29
    an dem Photoelement ankommender Lichtpuls
    30
    Integrationsfenster
    31
    zweites Integrationsfenster

Claims (13)

  1. Abstandskamera zum Bestimmen eines Abstandswerts Rabs zwischen einem Objekt und der Abstandskamera innerhalb eines vorherbestimmten Abstandsbereichs, aufweisend mindestens ein Photoelement (9), einen Triggergenerator zum Aktivieren des Photoelements (9) während eines zeitlichen Integrationsfensters (30, 31), eine Lichtquelle zum Belichten des Objekts mit Lichtpulsen (28) mit einem vorherbestimmten zeitlichen Intensitätsprofil mit einer Dauer Tp, und einen Intensitätssensor zum Bestimmen der Intensität Ip (6) der an dem Photoelement (9) ankommenden Lichtpulse (29), wobei das Integrationsfenster (30) eine vorherbestimmte Verzögerung zu dem Startzeitpunkt der Emission des Lichtpulses hat, um die von dem Objekt zurückreflektierten Lichtpulse derart zu erfassen, dass entweder To oder To + Tp zwischen einem Integrationsstartzeitpunkt T1b (20) des Integrationsfensters (30) und einem Integrationsendzeitpunkt T1e (21) des Integrationsfensters (30) ist, mit To als dem ersten Zeitpunkt, wenn der Lichtpuls (29) an dem Photoelement (9) ankommt, wobei das Photoelement (9) eingerichtet ist einen Signalwert U (25) an dem Integrationsendzeitpunkt T1e (21) auszugeben, mit dem Signalwert U (25), der von der Intensität Ip (6) und der Dauer des an dem Photoelement (9) ankommenden Lichtpulses (29) während der Aktivierung des Photoelements abhängt (9), wobei die Kamera eine Speichereinheit zum Speichern von vorherbestimmten Parametern (10) einer expliziten Korrektionswertfunktion Δ = f(Ip) (5) für das Photoelement (9) und eine Auswerteeinheit zum Bestimmen eines Rohabstandswerts Rraw aus dem Signalwert U (25) und der Intensität Ip (6) und Addieren des Rohabstandswerts Rraw und des Korrekturwerts Δ(Ip) (7), um den Abstandswerts Rabs zu erhalten, aufweist.
  2. Abstandskamera gemäß Anspruch 1, wobei die Speichereinheit ein nichtflüchtiger Speicher ist.
  3. Abstandskamera gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das Photoelement (9) einen Kondensator (18) und eine Photodiode (14) aufweist, die derart von außerhalb zugänglich ist, dass der vom Objekt zurückreflektierte Lichtpuls (29) von der Photodiode (14) erfasst wird, und die derart mit dem Kondensator (13) elektrisch verbunden ist, dass, wenn der vom Objekt zurückreflektierte Lichtpuls (29) von der Photodiode (14) erfasst wird, der Kondensator (13) entladen wird.
  4. Abstandskamera gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Triggergenerator einen ersten elektrischen Schalter (15) zum Aktivieren des Photoelements (9) und einen zweiten elektrischen Schalter (16) zum Deaktivieren des Photoelements (9) und Ausgeben des Signalwerts U (25) aufweist.
  5. Abstandskamera gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Abstandskamera eine Mehrzahl an Photoelementen (9) und für jedes Photoelement (9) die entsprechende Speichereinheit aufweist, wobei die Anzahl der Photoelemente (9) und der Speichereinheiten mindestens 3·105 ist, insbesondere mindestens 106.
  6. Abstandskamera gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das vorherbestimmte zeitliche Intensitätsprofil des Lichtpulses (28, 29) im Wesentlichen rechteckig, trapezförmig, sägezahnförmig, dreieckig, ein Voigt-Profil oder ein Gauß-Profil ist.
  7. Abstandskamera gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das zeitliche Intensitätsprofil des Lichtpulses (28, 29) bevorzugt durch eine Messung vorherbestimmt ist.
  8. Verfahren zum Bestimmen des Abstandswerts Rabs zwischen dem Objekt und einer Abstandskamera gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, aufweisend die Schritte: a) Anordnen eines Zielobjekts innerhalb des vorherbestimmten Abstandsbereichs mit einem vorherbestimmten Abstand Rabs,cal (3) zu der Abstandskamera; b) Erhalten einer Mehrzahl an Stützpunkten (4) Rraw,cal, Ip,cal durch: – Belichten des Zielobjekts mittels der Lichtquelle mit variablen und bestimmten Intensitäten Ip,cal (2) der an dem Photoelement (9) ankommenden Lichtpulse (29), und – Bestimmen der entsprechenden Abstandswerte Rraw,cal (1) aus den entsprechenden Signalwerten Ucal und den entsprechenden Intensitäten Ip,cal (2); c) Berechnen der Parameter (10) der expliziten Korrektionswertfunktion Δ = Rraw,cal – Rabs,cal = f(Ip,cal) (5) als eine Interpolation der Stützpunkte Rraw,cal, Ip,cal (4) und Speichern der Parameter (10) für das Photoelement (9) in der Speichereinheit; d) Anordnen des Objekts innerhalb des vorherbestimmten Abstandsbereichs; e) Belichten des Objekts mittels der Lichtquelle mit dem Lichtpuls (28) und Bestimmen des Rohabstandswerts Rraw aus dem Signalwert U (25) und der entsprechenden Intensität Ip (6), die mittels des Intensitätssensors bestimmt wird; f) Berechnen des Korrekturwerts Δ(Ip) (7) für den Rohabstandswert Rraw in Abhängigkeit der Intensität Ip (6) mittels der in der Speichereinheit gespeicherten Parameter (10); g) Berechnen der Abstandswerte durch Rabs = Rraw,cal – Δ(Ip).
  9. Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei mehrere Abstandwerte Rabs durch Wiederholen der Schritte d) bis g) bestimmt werden.
  10. Verfahren gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die explizite Korrektionswertfunktion Δ (5) eine monotone Funktion ist, insbesondere ein Polygonzug oder ein Polynom oder ein Spline.
  11. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die Anzahl der Parameter vier ist.
  12. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Anzahl der Stützpunkte bevorzugt vier ist.
  13. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei der Intensitätssensor das Photoelement (9) ist und die Intensität Ip,cal (2) und/oder die Intensität Ip (6) durch Messen des entsprechenden Signalwerts Ucal und/oder U mittels des Photoelements (9) innerhalb eines zweiten Integrationsfensters (31) mit einem Integrationsstartzeitpunkt T2b früher oder gleich To und einem Integrationsendzeitpunkt T2e später als oder gleich To + Tp bestimmt werden.
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