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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtung für eine Lichtlaufzeitkamera und ein Verfahren zur Herstellung einer solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Mit Lichtlaufzeitkamera sollen nicht nur Systeme umfasst sein, die Entfernungen direkt aus der Lichtlaufzeit ermitteln, sondern insbesondere auch alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF(Time of Flight)-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’ unter der Bezeichnung 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
DE 10 2009 045 553 A1 ist ferner ein Lichtlaufzeit-Messsystem bekannt, beim die Beleuchtung als nicht rotationssymmetrischer Reflektor ausgebildet ist und der Senderaumwinkel der Beleuchtung und der Empfangsraumwinkel der Kamera derart aufeinander abgestimmt sind, dass der Empfangsraumwinkel den Senderaumwinkel möglichst maximal ausfüllt.
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Die
DE 10 2009 045 558 A1 beschreibt eine 3D-Kamera mit einer aktiven Beleuchtung zur Beleuchtung eines Erfassungsbereichs der 3D-Kamera. Die aktive Beleuchtung ist derart ausgestaltet, dass mindestens zwei Bereiche des Erfassungsbereichs unterschiedlich beleuchtbar sind.
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Aus der
DE 20 2007 015 653 U1 ist ferner eine Optoelektronische Sensoranordnung mit wenigstens zwei Lichtsendern bekannt, wobei jeder Lichtsender in der Brennebene einer Sendeoptik angeordnet ist. Die Lichtsender sind als Matrix ausgebildet und so angeordnet, dass zusammen mit den zugehörigen Lichtempfänger ein tastendes Lichtgitter gebildet wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Distanzmessungen einer Lichtlaufzeitkamera zu verbessern.
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Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch eine Beleuchtung gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren zur Herstellung einer solchen gemäß Anspruch 3 gelöst.
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Vorteilhaft ist eine Beleuchtung für eine Lichtlaufzeitkamera bestehend aus mehreren Lichtquellenträger vorgesehen, wobei zumindest ein Teil der Lichtquellenträger um 180° gedreht zueinander angeordnet sind.
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Ebenso vorteilhaft ist ein Verfahren zur Herstellung einer Beleuchtung für eine Lichtlaufzeitkamera vorgesehen, bei dem ein Bauelementeträger mit Lichtquellenträgern bestückt wird, und zumindest ein Teil der Lichtquellenträger um 180° gedreht zueinander angeordnet werden, und in einem weiteren Schritt die Lichtquellenträger mit einer Optik bzw. einem Optikträger bestückt werden.
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Die erfindungsgemäße Anordnung der Lichtquellenträger hat den Vorteil, dass eine ungleichmäßige Ausrichtung des über die Optik ausgestrahlten Lichts aufgrund systematischer Abweichungen der Lichtquellenposition auf dem Lichtquellenträger, ausgeglichen 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:
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1 das Grundprinzip einer Lichtlaufzeitkamera nach dem PMD-Prinzip,
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2 eine Aufsicht auf einen Lichtquellenträger,
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3 eine perspektivische Unteransicht eines Optikträgers mit Lichtquellenträger,
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4 eine Seitenansicht der Anordnung gemäß 3,
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5 bis 7 Varianten einer erfindungsgemäßen Anordnung.
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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 A1 bekannt ist.
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Das Lichtlaufzeit-Kamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtungslichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. TOF-Kamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22. Der 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 aus reflektierenden und/oder refraktiven Elementen 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 des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 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 Phase 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 Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators 30 mit dem empfangenen Signal, das die laufzeitbedingte zweiten Phasenlage b aufweist, gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
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Das Beleuchtungsmodul 10 ist vorzugsweise mit mehreren Lichtquellen ausgestattet, um beispielsweise Licht in bestimmte bevorzugte Raumbereiche lenken zu können. Vorzugsweise werden als Lichtquellen Licht emittierende Dioden (LEDs) eingesetzt, da sie gut ansteuerbar, schnell schaltbar, langlebig und mit hoher Leuchtdichte verfügbar sind. Zur Lichtformung wird typischerweise ein Reflektor, eine Linse oder eine Kombination aus beiden als Beleuchtungsoptik verwendet.
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Ist der gewünschte Ausleuchtungsbereich schmal und/oder scharf begrenzt, so muss die lichtemittierende Fläche sehr genau zur Beleuchtungsoptik positioniert werden. Werden sehr große Baurräume für die Beleuchtungsoptik bereitgestellt, so können auch größere Toleranzen akzeptiert werden. Bevorzugt werden jedoch in den meisten Fällen möglichst kleine Gehäuseformen.
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2 zeigt eine Aufsicht auf einen Lichtquellenträger 200. Im Zentrum des Lichtquellenträgers 200 ist eine Lichtquelle 250 vorzugsweise eine Leuchtdiode angeordnet. Zur Strom- bzw. Spannungsversorgung ist der Lichtquellenträger 200 mit zwei Lötfahnen 280 ausgestattet, die eine Lötfahne mit der Kathode und die andere mit der Anode der Leuchtdiode verbunden ist. Zur Aufnahme des Optikträgers 100 weist der Lichtquellenträger 200 in seinen Randbereichen vier Zentrieröffnungen 210 auf, in die bei einer Montage die Zentrierstifte 110 des Optikträgers 100 eingreifen.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht des Optikträgers 100 in Verbund mit dem Lichtquellenträger 200. Die Zentrierstifte 110 greifen hierbei in die Zentrieröffnungen 210 des Lichtquellenträgers 200. Als Montagehilfe und als Verkippungsschutz weist der Optikträger an zwei gegenüberliegenden Seiten Stützbereiche 130 auf. Eine Seitenansicht dieser Anordnung ist in 4 gezeigt. Die Optik 150 wird durch den Optikträger 100 eingefasst und in Position gehalten.
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Eine gleichmäßige Ausleuchtung des über die Optik 150 des Optikträgers 200 vorgegebenen Ausleuchtungsbereichs wird bekanntermaßen nur dann erreicht, wenn die Lichtquelle 250 in der optischen Achse der Optik angeordnet ist.
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In einer Bauelemente-Bestückung können Bauelemente nur innerhalb bestimmter Toleranzen positioniert werden. In der Regel erfolgt Positionierung der Bauelemente mit einer hohen Wiederholgenauigkeit, so dass die Position der Ablage typischerweise nur eine geringe Streuung aufweist. Schwerwiegender im Hinblick auf eine Dezentrierung der Lichtquelle 250 auf dem Optikträger 200 sind jedoch systematische Fehler, die beispielsweise durch die Einrichtung des Bestückungsautomaten bzw. Bestückungswerkzeugs auftreten können. Diese systematischen Positionsabweichungen der Lichtquelle 250 bewegen sich zwar i.d.R. innerhalb der zulässigen Toleranzen können jedoch gerade bei kleinen Gehäuseformen die Richtung des emittierten Lichtkegels stark verändern.
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Der Kerngedanke der Erfindung beruht auf der Überlegung, dass kleine Verschiebungen der Optik 150, 100 bzw. in der Umkehrung der Lichtquelle im Wesentlichen nur zu einer Umverteilung des Lichts im gewünschten Ausleuchtungsbereich führen aber nicht wesentlich die Gesamteffizienz der Beleuchtung beeinträchtigen.
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Dabei ist die Gesamteffizienz definiert als Lichtmenge im gewünschten Ausleuchtungsbereich im Verhältnis zur ausgesandten Gesamtlichtmenge. Dieses Verhältnis kann optimiert werden, indem der Sollausleuchtungsbereich möglichst symmetrisch gewählt und beleuchtet wird. Die im Beleuchtungsmodul verbauten Leuchtdiodenträger bzw. Lichtquellenträger 200 sind vorzugsweise zur Hälfte um 180° gedreht zueinander verbaut. Die Optik bzw. der Optikträger 100 müssen hierbei nicht zwangsläufig auch in entgegengesetzter Weise angeordnet werden. So ist es möglich, dass beim Bestücken zunächst die Lichtquellenträger 200 beispielsweise als SMD-Bauelement auf einer Leiterplatte in der erfindungsgemäßen Art und Weise bestückt und verlötet werden. Und die Optikträger 100 in einem weiteren Schritt unabhängig von der Orientierung der Lichtquellenträger 200 aufgesetzt werden können.
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Für eine Vielzahl von Anwendungsfällen wird eine rechteckförmige Ausleuchtungsgeometrie bevorzugt. In einer solchen zweizähligen Symmetrie können systematische Chipablagetoleranzen durch die um 180° gedrehte Anordnung sehr zuverlässig aufgefangen werden.
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Für eine quadratische Ausleuchtungsgeometrie und demzufolge vierzähligen Symmetrie kann die gleichmäßige Ausleuchtung weiter verbessert werden, indem ein Teil der Lichtquellenträger 200 um 90° und 270° gedreht angeordnet werden. Von der Systematik stehen jedoch auch die um 90° und 270° gedrehten Lichtquellenträger um 180° gedreht zueinander.
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In den 5 bis 7 sind mögliche erfindungsgemäße Anordnungen gezeigt. Die Lichtquellenträger 200 sind hierbei vereinfacht als umrandete Dioden dargestellt.
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5 zeigt eine Ausführungsform mit einer Steuerschaltung 300, die einen linken und rechten Leuchtdiodenstrang ansteuert. Die Lichtquellenträger 200 und somit auch die Leuchtdioden 250 in einem Leuchtdiodenstrang sind in Serie geschaltet, womit auch Anoden und Kathoden der Leuchtdioden bzw. deren Ablage auf dem Lichtquellenträger 200 im jeweiligen Strang gleich ausgerichtet sind. Die Ausrichtung Leuchtdioden 250 bzw. der Lichtquellenträger 200 des linken und rechten Strangs ist jedoch um 180° entgegengesetzt um im Gesamtabstrahlverhalten des Beleuchtungsmoduls 10 die LED-Ablagetoleranzen zu kompensieren.
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6 zeigt eine Variante, bei der jeder Strang eine eigene Steuerschaltung 300 aufweist, und in 7 wird über eine schleifenförmige Stromführung eine entgegengesetzte Anordnung der Leuchtdioden 250 erreicht.
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Selbstverständlich sind auch andere Anordnungen denkbar, solange im Wesentlichen die Hälfte der Leuchtdioden um 180° verdreht angeordnet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sendeeinheit
- 12
- Beleuchtungslichtquelle
- 15
- Strahlformungsoptik
- 20
- Empfangseinheit, TOF-Kamera
- 22
- Lichtlaufzeitsensor
- 23
- Lichtlaufzeitpixel, Pixel
- 25
- Empfangsoptik
- 30
- Modulator
- 40
- Objekt
- 100
- Optikträger
- 105
- Stützelement
- 110
- Zentrierstift
- 130
- Stützbereiche
- 150
- Optik
- 200
- Lichtquellenträger, LED-Träger
- 210
- Zentrieröffnungen,
- 250
- Lichtquelle, LED,
- 280
- Lötfahne
