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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtung für eine PMD-Kamera nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Mit Lichtlaufzeitmesssystem 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. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in den Anmeldungen
EP 1 777 747 ,
US 6 587 186 und auch
DE 197 04 496 beschrieben und beispielsweise von der Firma ‚ifm electronic gmbh’ als O3D-Kamera oder als Entfernungsmesser O1D zu beziehen sind. Die PMD-Kamera bzw. der PMD-Entfernungsmesser erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lichtlaufzeitmesssystem im Hinblick auf Fehlersicherheit zu verbessern.
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Die Aufgabe wird vorteilhaft durch die erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung gelöst. Vorteilhaft ist eine Überwachungsvorrichtung für eine Beleuchtung eines Lichtlaufzeitmesssystems vorgesehen, bei der die Überwachungsvorrichtung mit einer Eingangs- und einer Ausgangssignalleitung eines Beleuchtungstreibers verbunden ist, und die Überwachungsvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass ausgehend von an den Eingangs- und Ausgangssignalleitungen anliegenden Signalen Eingangs- und ein Ausgangshüllkurvensignale ermittelt und verglichen werden.
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Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass für die Überwachung nicht das hochfrequente Modulationssignal, sondern das typischerweise niederfrequente Hüllkurvensignal ausgewertet werden kann.
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Ferner weist die Überwachungsvorrichtung einen ersten und zweiten Signalwandler zur Generierung eines Eingangs- und Ausgangshüllkurvensignals und einen als Logik-Gatter ausgebildeten Vergleicher auf.
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Besonders vorteilhaft ist die Überwachungseinrichtung mit einer Spannungsmessvorrichtung zur Erfassung einer an der Ausgangsleitung anliegenden Spannung ausgestattet. Dies erlaubt eine zusätzliche Überwachung der an die Lichtquellen fließenden elektrischen Signale.
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Bevorzugt ist eine Auswerteeinheit der Überwachungsvorrichtung derart ausgebildet ist, dass eine Fehlerreaktion eingeleitet wird, wenn eine Differenz des Eingangs- und Ausgangshüllkurvensignal und/oder die Ausgangsspannung außerhalb einer Toleranz liegen. Hierdurch ist es in einer Art und Weise möglich ein zuverlässiges Fehlersignal zu generieren.
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In einer weiteren Ausgestaltung weist die Beleuchtung sowohl eine Überwachungsvorrichtung auf und ist zusätzlich mit einer Strom- oder Spannungsregelung zur Regelung eines Beleuchtungsstroms oder einer Beleuchtungsspannung ausgestattet. Durch die jeweilige Regelung ist ein sicherer Betrieb der Lichtquellen der Beleuchtung gewährleistet, wobei die Überwachungsvorrichtung vorteilhaft eine zusätzliche Funktionskontrolle bereitstellt.
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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 schematisch das grundlegende Prinzip der Photomischdetektion,
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2 schematisch ein Phasenverschiebung der Modulationssignale,
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3 schematisch Messzyklen mit unterschiedlichen Phasenverschiebungen,
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4 eine Anordnung der Überwachungsvorrichtung im Lichtlaufzeitmesssystem,
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5 eine schematischen Aufbau einer Überwachungsvorrichtung,
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6 schematisch Verläufe unterschiedlicher Systemsignale,
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7 schematisch Signalverläufe im Fehlerfall,
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8 eine Detailansicht einer erfindungsgemäßen Überwachungsvorrichtung,
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9 eine Überwachungsvorrichtung mit Spannungsüberwachung.
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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 bekannt ist.
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Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung bzw. Lichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 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 Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz M(p1) mit einer ersten Phasenlage p1 beaufschlagt. Zu genaueren Messzwecken kann es ferner vorgesehen sein, das Modulationssignal Smod für die Beleuchtung um vorbestimmte Phasen ∆φ, beispielsweise um 0°, 90°, 180° und 270°, zu verschieben.
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Entsprechend des vorliegenden Modulationssignals Smod sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal S(p1) mit der eingestellten Phasenlage p1 + ∆φ 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 Lichtlaufzeitsensor 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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Dieses Grundprinzip ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf der Modulationsfrequenz mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht b trifft entsprechend seiner Lichtlaufzeit tL phasenverschoben auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q während der ersten Hälfte der Modulationsperiode in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in der zweiten Periodenhälfte in einem zweiten Akkumulationsgate Gb. Die Ladungen werden typischerweise über mehrere Modulationsperioden gesammelt bzw. integriert. Die Akkumulationsgates Ga, Gb werden insofern auch als Integrationsknoten bezeichnet und sind typischerweise als Diode ausgebildet. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Integrationsknoten Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung und somit eine Entfernung des Objekts bestimmen.
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In 3 ist exemplarisch ein möglicher Betrieb eines Lichtlaufzeitsensors 22 mit mehreren Messintervallen tmess gezeigt, innerhalb derer über dem gesamten Messintervall tmess die Ladungsintegrationen sequenziell durchgeführt werden. Die Messintervalle sind vorzugsweise so bemessen, dass an den Integrationsknoten Ga, Gb über diese Zeit eine ausreichende Menge an Ladungsträgern q für eine zuverlässige Messung gesammelt werden können.
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Es kann auch vorgesehen sein, für verschiedene Messintervalle das Modulationssignal des Modulators 30 zwischen der Lichtquelle 12 und dem Lichtlaufzeitsensor 22 in der Phase zu verschieben. Bevorzugt sind für die verschiedenen Messintervalle 60.1, 60.2, 60.3, 60.4 Phasenverschiebungen ∆φ von 0°, 90°, 180°, 270° vorgesehen, um die, wie in 1 angedeutet, beispielsweise die Phasenlage der Beleuchtung verschoben werden kann. Alternativ kann auch die Phasenlage des PMD-Sensors verschoben werden. Ausgehend von den Ergebnissen dieser Phasenmessung lässt sich in bekannter Weise ein zuverlässiger Distanzwert ermitteln. Innerhalb dieser Messphasen wird die Beleuchtung mit der jeweils anliegenden Modulationsfrequenz betrieben. Vorzugsweise wird die Beleuchtung mit einem Rechtecksignal angesteuert. Die Modulationsfrequenzen liegen typischerweise in einem Bereich von 1 bis 1000 kHz, während die Messintervalle tmess mehrere Millisekunden andauern.
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Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, zu überwachen, ob die an die Beleuchtung 10 übertragene Modulationsfrequenz zu einem Signal an der Beleuchtungslichtquelle 12 führt.
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In 4 ist ein Aufbau eines Lichtlaufzeitmesssystems gezeigt, beim dem der Modulator 30 im Kameramodul 20 angeordnet ist. Über eine Datenleitung, beispielsweise einer LVDS-Leitung, wird das Modulationssignal an die Beleuchtung 10 übertragen. Das Modulationssignal wird von einem Empfänger 120 erfasst und an einem Beleuchtungstreiber 130 weiter geführt, der das Modulationssignal wiederum für den Betrieb der Lichtquellen 12 verstärkt.
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Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, das Modulationssignal Smod vor dem Treiber 130 und ein Signal SBel zur Beleuchtung 12 nach dem Treiber 130 zu überwachen. Hierzu ist eine Überwachungsvorrichtung 180 vorgesehen, die beispielsweise den Strom oder die Spannung an den genannten Positionen erfasst. Das Modulationssignal Smod kann ggf. auch von dem Empfänger 120 erfasst werden.
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Eine entsprechende Schaltung ist beispielhaft in 5 gezeigt. Die Eingangsseite bzw. die Eingangsleitung (Ein) des Treibers 130 ist mit einem ersten Signalwandler 181 verbunden. Die Ausgangseite bzw. Ausgangsleitung (Aus) des Treibers 130 ist mit der Beleuchtungslichtquelle 12 und einem zweiten Signalwandler 182 verbunden. Die beiden Signalwandler wandeln die hochfrequenten Modulationssignale Smod, SBel in niederfrequente Hüllkurven Hmod, HBel um, die dann in einem Vergleicher 183 ausgewertet werden.
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Der Vergleicher 183 kann beispielsweise in einer einfachen Variante als Logikgatter, insbesondere als XOR- oder XNOR-Gatter, aufgebaut sein. Denkbar ist auch eine Ausgestaltung als Auswerteeinheit, insbesondere als Mikroprozessor.
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In 6 sind exemplarisch mögliche Signalverläufe vor und nach dem Treiber 130 dargestellt. Die beiden oberen Kurven zeigen einen zeitlich fein aufgelösten Verlauf des Modulationssignals Smod vor dem Treiber 130 und des Beleuchtungssignal SBel nach dem Treiber 130. Beide Signale können jeweils als Strom Imod, IBel oder als Spannung Umod, UBel erfasst werden.
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Zur Überwachung der Funktionsfähigkeit der Beleuchtung ist es jedoch nicht notwendig, die hochfrequente Modulation hochauflösend zu erfassen, sondern es reicht aus festzustellen, ob während einer Messphase tmess die Beleuchtung bzw. die Lichtquellen 12 Strom aufnehmen und/oder ob eine korrekte Spannung anliegt. Es genügt daher einen einhüllenden Signalverlauf zu erfassen.
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Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen, die hochfrequenten Modulationssignale Smod, SBel mit Hilfe von Signalwandlern 181, 182 in niederfrequente Hüllkurven Hmod, HBel umzuwandeln und zu vergleichen.
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Die Signalwandler 181, 182 sind jedoch so ausgebildet, dass die Hüllkurven Hmod, HBel zumindest soweit zeitlich aufgelöst sind, dass Modulationspausen bzw. Messpausen sicher erkannt werden, wie es beispielsweise in 7 im dritten und vierten Kurvenverlauf dargestellt ist.
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Vorzugsweise sind die Signalwandler 181, 182 so ausgelegt, dass die beiden Hüllkurven Hmod, HBel ohne weitere Umwandlung direkt verglichen werden können. In einer sehr einfachen Ausführung könnte dies beispielsweise durch eine geeignete Dimensionierung einer Kondensator-Widerstands-Schaltung realisiert werden. Selbstverständlich sind auch andere Schaltungsvarianten denkbar.
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Wie im fünften Kurvenverlauf der 6 dargestellt, kann beispielsweise eine Differenz ∆H der beiden Hüllkurven Hmod, HBel gebildet werden. Liegt die Differenz ∆H der beiden Hüllkurven unterhalb eines Grenzwertes GW kann von einem einwandfreien Betrieb der Beleuchtung 10, insbesondere der Lichtquellen 12 und des Treibers 130 ausgegangen werden.
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In 7 ist ein Beispiel mit einem fehlerhaften Signal HBel am Ausgang des Treibers 130 gezeigt.
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Während die Hüllkurve Hmod am Eingang normal verläuft, zeigt die Hüllkurve HBel am Ausgang des Treibers Signalaussetzer.
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In den Bereichen, in denen Modulation- und Beleuchtungshüllkurve voneinander abweichen übersteigt die Hüllkurvendifferenz ∆H ihren Grenzwert. Ebenso kann dieser Fehlerfall mit einem XOR-Gatter als Vergleicher 183, wie in der unteren Kurve gezeigt, dargestellt werden. Ist das Signal in beiden Hüllkurven Hmod, HBel gleichlaufend, gibt das XOR-Gatter eine logische „0“ aus, ansonsten eine logische „1“.
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Über eine Auswerteeinheit kann im Fehlerfall dann beispielsweise ein Fehlersignal gemeldet oder weitere Fehlerreaktionen eingeleitet werden. Darüber hinaus kann es auch vorgesehen sein, eine Distanzmessung nur dann als gültig zu betrachten, wenn ein Gültigkeitssignal der Überwachungsvorrichtung 180 vorliegt.
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8 zeigt ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Stromregelung 140 und einer Überwachungsvorrichtung 180. Wie bereits in 6 gezeigt, wird das Modulationssignal Smod auf den Eingang des Beleuchtungstreibers 130 gelegt und dort für den Betrieb der Lichtquellen 12 in geeigneter Weise verstärkt. Im dargestellten Fall ist an der Ausgangsseite des Treibers 130 zusätzlich eine Stromregelung 140 vorgesehen, wobei im Pfad der Ausgangsleitung des Treibers 130 ein Stellglied 145 angeordnet ist, das in Abhängigkeit eines Ist- und Soll-Stromes den Beleuchtungsstrom IBel regelt. Die Regelung erfolgt vorzugsweise nach der Hüllkurve des Beleuchtungsstroms HBel, selbstverständlich sind auch andere äquivalente elektrische Größen als Regelungsgröße denkbar. Insbesondere kann anstatt der Stromregelung auch eine Spannungsregelung vorgesehen sein.
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Zur Erzeugung einer Modulationshüllkurve Hmod greift der erste Signalwandler 181 eine Spannung auf der Eingangssignalleitung (Ein) des Treibers 130 ab. Zur Bereitstellung einer Beleuchtungshüllkurve HBel wird auf der Ausgangssignalleitung (Aus) des Treibers 130 vom zweiten Signalwandler 182 ein Strom erfasst. Die erfassten Spannungen und Ströme werden von den beiden Signalwandlern 181, 182 in niederfrequente Hüllkurven Hmod, HBel vorzugsweise in Spannungssignale umgewandelt.
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Zur weiteren Überwachung greift eine Spannungsmessvorrichtung 150 eine an der Ausgangsleitung anliegende Spannung UBel ab. Die Spannung UBel kann hierbei, je nach Anwendungsfall, der hochfrequenten Modulation folgen oder auch in gemittelter Form oder als Hüllkurve vorliegen. Die Hüllkurven Hmod, HBel und die Beleuchtungsspannung UBel werden von einer Auswerteeinheit 185 erfasst und überwacht.
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Wie in den vorgenannten Ausführungsbeispielen wird über den Vergleicher 183 ein ungleichmäßiger Signalverlauf der beiden Hüllkurven erkannt. Als weiteres Fehlerkriterium wird überwacht, ob die Ausgangsspannung UBel innerhalb einer vorgegebenen Spannungstoleranz liegt. Die Auswerteeinheit 185 bzw. die Überwachungsvorrichtung 180 leitet eine Fehlerreaktion ein, wenn eine der überwachten Größen Hmod, HBel, UBel von den Vorgaben abweicht.
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9 zeigt eine vereinfachte Variante der oben dargestellten Ausführungsform, bei der nur die Ein- und Ausgangsspannungen Umod, UBel vor und nach dem Treiber von den Signalwandlern 181, 182 erfasst werden.
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Die Strommessung ist in diesem Fall der Stromregelung 140 zugeordnet. Dieses Vorgehen liegt der Überlegung zugrunde, dass bei einem Vorhandensein einer Stromregelung sich elektrische Fehler der Lichtquellen 12 vornehmlich im Spannungsverlauf darstellen, wobei in Umkehrung bei Verwendung einer Spannungsregelung sich die Fehler vornehmlich im Stromverlauf darstellen.
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Grundsätzlich können auf der Eingangs- und Ausgangsseite des Treibers 130 unterschiedliche elektrische Größen überwacht werden, solange die hieraus abgeleiteten Hüllkurven Hmod, HBel ein vergleichbares Signal liefern.
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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
- 60.1–.4
- Phasenlage
- 120
- Empfänger
- 130
- Treiber
- 140
- Stromregelung
- 150
- Spannungsmessvorrichtung
- 180
- Überwachungsvorrichtung
- 181, 182
- erste, zweite Signalwandler
- 183
- Vergleicher
- 185
- Auswerteeinheit
- Smod
- Modulationssignal
- Imod
- Modulationsstrom
- Hmod
- Modulationshüllkurve
- Umod
- Modulationsspannung
- IBel
- Beleuchtungsstrom
- HBel
- Beleuchtungshüllkurve
- UBel
- Beleuchtungsspannung
- ∆H
- Hüllkurvendifferenz
- ISoll, IIst
- Soll- und Ist-Stromwert
- GW
- Grenzwert
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1777747 [0002]
- US 6587186 [0002]
- DE 19704496 [0002, 0022]
