DE102013207654B4

DE102013207654B4 - Lichtlaufzeitkamerasystem

Info

Publication number: DE102013207654B4
Application number: DE102013207654.1A
Authority: DE
Inventors: Thomas May; Javier Massanell
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2012-05-21
Filing date: 2013-04-26
Publication date: 2021-12-23
Anticipated expiration: 2033-04-27
Also published as: DE102013207654A1

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems,
bei dem ein Entfernungswert (d_n,n+1) ausgehend von Phasenverschiebungen (φ₁) eines emittierten und empfangenen Signals (Sp1, Sp2) ermittelt wird,
wobei die Phasenverschiebungen (φ₁) in zwei aufeinander folgenden Phasenmesszyklen (PM₁, PM₂,...) ermittelt werden,
und jeder Phasenmesszyklus (PM₁, PM₂,...) mit mindestens zwei Phasenlagen durchgeführt wird,
wobei mindestens zwei der verwendeten Phasenlagen eine unterschiedliche Modulationsfrequenz (f₁, f₂, f₃, f₄) aufweisen,
wobei für die Bestimmung einer ersten und zweiten Phasenverschiebung (φ₁, φ₂) die Phasenlagen mit gleicher Frequenz in aufeinanderfolgenden Phasenmesszyklen (PM₁, PM₂,...) verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Mit Lichtlaufzeitkamerasystem 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‘ oder ‚PMD-Technologies GmbH‘ als Frame-Grabber O3D bzw. als CamCube zu beziehen sind. Insbesondere sollen unter Lichtlaufzeitkamerasystem auch Systeme mit umfasst sein, bei dem der Lichtlaufzeitsensor nur ein Pixel oder eine geringe Anzahl von Pixeln aufweist. Die PMD-Kamera erlaubt ferner eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können.
Für die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des reflektierten Lichts wird, wie in der DE 197 04 496 A1 ausführlich beschrieben, im PMD-Sensor das reflektierte Licht mit dem modulierenden Signal gemischt. Diese Mischung liefert ein in Phase liegendes Signal (0°) und ein um 180° versetztes Signal, aus dem in bekannter Weise eine Entfernung bestimmt werden kann. Zur Verbesserung der Qualität der Entfernungsmessung kann es vorgesehen sein, die Sendemodulation gezielt beispielsweise um 90°, 180° oder 270° zu verschieben und vorzugsweise mittels einer IQ (Inphase, Quadratur)-Demodulation einen Phasenwinkel des reflektierten in Relation zum gesendeten Signal zu bestimmen. Dieses Vorgehen ist insbesondere nützlich zur Gewinnung von redundanten Informationen, um beispielsweise verschiedene parasitäre Effekte wie fixed pattern noise (FPN), Hintergrundlicht oder Asymmetrien des Sensors zu kompensieren.
Aus der US 7 791 715 B1 ist ein TOF-System bekannt, bei dem zur Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs mehrere Phasenverschiebungen zu unterschiedlichen Frequenzen bestimmt werden. Ausgehend von diesen Phasenverschiebungen wird eine virtuelle Modulationsfrequenz bestimmt, deren Wellenlänge den kompletten Eindeutigkeitsbereich abdeckt.
Aus der DE 100 39 422 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines PMD-Systems bekannt, bei der für eine Entfernungsmessung zwei unterschiedliche Modulationsfrequenzen herangezogen werden. Für eine erste grobe Entfernungsmessung wird eine niedrige Frequenz und für eine zweite feinere Entfernungsmessung eine höhere Frequenz verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Phasenmessung und somit die Entfernungsmessung eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu verbessern.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem und Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems vorgesehen, bei dem ein Entfernungswert ausgehend von Phasenverschiebungen eines emittierten und empfangenen Signals ermittelt wird, wobei die Phasenverschiebungen in zwei aufeinander folgenden Phasenmesszyklen ermittelt werden, und jeder Phasenmesszyklus mit mindestens zwei Phasenlagen durchgeführt wird, wobei mindestens zwei der verwendeten Phasenlagen eine unterschiedliche Modulationsfrequenz aufweisen.
Vorteilhaft ist auch vorgesehen, dass die in einem Phasenmesszyklus ermittelten Werte, die in Phasenlagen mit sich unterscheidenden Modulationsfrequenzen ermittelt wurden auf Werte einer gemeinsamen Modulationsfrequenz umgerechnet werden.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass beispielsweise zu Kontrollzwecken bereits nach Durchlauf eines Phasenmesszyklus erste Werte für eine Phasenverschiebung vorliegen.
Ferner kann es in einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen sein, dass für die Bestimmung einer ersten und zweiten Phasenverschiebung die Phasenlagen mit gleicher Frequenz in aufeinanderfolgenden Phasenmesszyklen verwendet werden.
Bevorzugt ist auch ein Lichtlaufzeitkamerasystem für eines der vorgenannten Verfahren ausgebildet, mit einem Modulator, der mit einer Beleuchtung und Lichtlaufzeitkamera des Lichtlaufzeitkamerasystems verbunden ist, mit einem Modulationssteuergerät, das mit dem Modulator verbunden und derart ausgestaltet ist, dass für eine Entfernungsbestimmung zwei Phasenmesszyklen durchgeführt werden und in jedem Phasenmesszyklus mindestens zwei Phasenlagen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen ausgeführt werden.
Es zeigen:

1 schematisch das grundlegende Prinzip der Photomischdetektion,
2 eine modulierte Integration der erzeugten Ladungsträger,
3 zwei zeitliche Verläufe der Ladungsintegration mit unterschiedlichen Phasenlagen,
4 Relation der Integration in einem IQ-Diagramm,
5 eine Distanzmessung mit einer Wellenlänge,
6 eine Distanzmessung mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen,
7 einen Verlauf der Phasenverschiebungen mit dem Abstand,
8 einen Verlauf der Distanzwerte für unterschiedliche Wellenlängen,
9 bis 11 schematisch eine Entfernungsbestimmung für unterschiedliche Wellenlängen,
12 einen zeitlichen Ablauf der Distanzmessungen
13 einen zeitlichen Ablauf der Distanzmessungen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen innerhalb einer Phasenmessung,
14 eine Ablauf gem. 13 mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen in allen Phasen,
15 schematisch eine Umrechnung einer Phasenverschiebung in eine Phasenverschiebung einer anderen Modulationsfrequenz.

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 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.
Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, vorzugsweise auch 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 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.
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 einem bestimmten Modulationssignal M_o mit einer Basisphasenlage φ₀ beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ₀ des Modulationssignals M₀ der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φ_var verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φ_var = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.
Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal S_p1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ₀ + φ_var aus.
Dieses Signal S_p1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(t_L) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ₀ + φ_var + Δφ(t_L) als Empfangssignal S_p2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M₀ mit dem empfangenen Signal S_p2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
Zur Verbesserung der Messgenauigkeit und/oder zur Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs ist es vorteilhaft, die Lichtlaufzeitmessungen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen durchzuführen. Zu diesem Zweck ist der Modulator 30 mit einem Modulationssteuergerät 38 verbunden, das vorzugsweise innerhalb eines vorgegebenen Frequenzspektrums Modulationsfrequenzen vorgeben kann.
Der Modulator 30 könnte beispielsweise als Frequenzsynthesizer ausgebildet sein, der über das Modulationssteuergerät 38 für die jeweilige Messaufgabe angesteuert wird. Auch ist ein Umschalten zwischen Quarzoszillatoren mit festen Frequenzen denkbar.
Ferner ist die Empfangseinheit 20 mit einer Auswerteeinheit 27 verbunden. Die Auswerteeinheit 27 kann gegebenenfalls auch Bestandteil der Empfangseinheit 20 und insbesondere auch Teil des Lichtlaufzeitsensors 22 sein. Aufgabe der Auswerteeinheit 27 ist es, anhand der empfangenen Signale in Relation zur Modulationsfrequenz Phasenverschiebungen zu ermitteln und/oder auszuwerten. Die Mischung der empfangen Lichtstrahlen mit der Modulationsfrequenz erfolgt vorzugsweise im Lichtlaufzeitsensor 22 bzw. PMD-Sensor. Ferner kann das Modulationssteuergerät 38 auch Bestandteil der Auswerteeinheit 27 sein. Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit 27 die Funktion des Modulationssteuergeräts 38 vollständig oder teilweise übernimmt.
Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.
Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals M₀ mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal S_p2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit t_L phasenverschoben Δφ(t_L) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage des Modulationssignals M₀ in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M₀ + 180° in einem zweiten Akkumulationsgate Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ(t_L) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.
3a und 3b zeigen Verläufe der Ladungsdifferenz Δq = q_a - q_b / (q_a + q_b) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung Δφ(t_L) des empfangenen Lichtsignals S_p2 mit unterschiedlichen Phasenlagen. Die 3a zeigt einen Verlauf für eine unverschobene Modulationsphase M₀ mit einer Phasenlage φ_var = 0°.
Bei einem Auftreffen des Signals S_p2 ohne Phasenverschiebung also Δφ(t_L) = 0°, beispielsweise, wenn das Sendesignal S_p1 direkt auf den Sensor gelenkt wird, sind die Phasen der Modulation M₀ und vom empfangenen Signal S_p2 identisch, so dass alle erzeugten Ladungsträger phasensynchron am ersten Gate Ga erfasst werden und somit ein maximales Differenzsignal mit Δq = 1 anliegt.
Mit zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Akkumulationsgate Ga ab und am zweiten Akkumulationsgate Gb zu. Bei einer Phasenverschiebung von Δφ(t_L) = 90° sind die Ladungsträger qa, qb an beiden Gates Ga, Gb gleich verteilt und die Differenz somit Null und nach 180° Phasenverschiebung „-1“. Mit weiter zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Gate Ga wieder zu, so dass im Ergebnis die Ladungsdifferenz wieder ansteigt, um dann bei 360° bzw. 0° wieder ein Maximum zu erreichen.
Mathematisch handelt es sich hierbei um eine Korrelationsfunktion des empfangenen Signals S_p2 mit dem modulierenden Signal M₀ . $q (τ) = \int_{0}^{τ} S_{p 2} (t - τ) M_{0} (t) d t$
Bei einer Modulation mit einem Rechtecksignal ergibt sich wie bereits dargestellt als Korrelationsfunktion eine Dreiecksfunktion. Bei einer Modulation mit beispielsweise einem Sinussignal wäre das Ergebnis eine Kosinusfunktion.
Wie 3a zeigt, ist eine Messung der Phase mit einer Phasenlage nur bis zu einer Phasenverschiebung Δφ(t_L) ≤ 180° eindeutig.
Zur maximalen Erfassung der Phasenverschiebung ist beispielsweise das IQ(Inphase-Quadratur) Verfahren bekannt, bei dem zwei Messungen mit um 90° verschobenen Phasenlagen durchgeführt werden, also beispielsweise mit der Phasenlage φ_var = 0° und φ_var = 90°. Das Ergebnis einer Messung mit der Phasenlage φ_var = 90° ist in 3b dargestellt.
Die Beziehung dieser beiden Kurven lässt sich in bekannter Art und Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm gem. 4 darstellen. In erster Näherung ist diese Darstellung ohne weiteres auch für die dargestellten Dreiecksfunktionen anwendbar.
Der Phasenwinkel lässt sich dann in bekannter Weise über eine arctan- insbesondere arctan2-Funktion bestimmen: $φ = arctan \frac{Δ q (90 °)}{Δ q (0 °)}$
Um beispielsweise Asymmetrie des Sensors zu kompensieren, können zusätzliche um 180° verschobene Phasenmessungen durchgeführt werden, so dass sich im Ergebnis der Phasenwinkel wie folgt bestimmen lässt. $φ = arctan \frac{Δ q (90 °) - Δ q (270 °)}{Δ (0 °) - Δ q (180 °)}$
Aus der in 2 dargestellten laufzeitbedingten Phasenverschiebung Δφ(t_L) lassen sich für Objektabstände d, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge λ der Modulationsfrequenz d ≤ λ/2 in bekannter Weise ein Abstand bestimmen. $d = Δ φ (t_{L}) \frac{λ}{2 π} \cdot \frac{1}{2}$
Für Entfernungen d > λ/2 besteht in der Regel keine Möglichkeit die Phasenverschiebung absolut zu messen, so dass die ermittelte Phasenverschiebung nicht mehr eindeutig einem Entfernungswert zugeordnet werden kann.
5 zeigt ein Beispiel, bei dem das Objekt 40 einen Abstand d vom Sender 10 von $d = 2 λ + \frac{R}{2}$
aufweist, wobei selbstverständlich die bis zum Empfänger 20 zurückgelegt Wegstrecke doppelt so groß ist, nämlich D = 2d = 4λ + R
Zur Erhöhung des Eindeutigkeitsbereichs ist es, wie in 6 schematisch dargestellt, vorgesehen, mit mindestens zwei Modulationsfrequenzen respektive Modulationswellenlängen eine Objektabstand d zu bestimmen. Der Einfachheit halber ist in 6 die Gesamtstrecke D zwischen Sender 10 und Empfänger 20 dargestellt. Innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs der beiden Wellenlängen λ₁, λ₂, der typischerweise durch das kleinste gemeinsame Vielfache der Wellenlängen λ₁, λ₂ aufgespannt wird, gilt folgende Distanzgleichung: $D = 2 d = n_{1} λ_{1} + R_{1} = n_{2} λ_{2} + R_{2}$
mit $R_{i} = D \cdot (mod λ_{i}) = φ_{i} (ƒ_{i}, D) \frac{λ_{i}}{2 π}$
wobei für die von der Modulationsfrequenz und dem Objektabstand abhängige relative Phasenverschiebung φ_i(f_i,D) gilt: $φ_{i} \equiv \frac{D \cdot ƒ_{i}}{c} \cdot 2 π (mod 2 π) = \frac{D}{λ_{i}} \cdot 2 π (mod 2 π)$
Die relative Phasenverschiebung φ_i(f_i,D) ist somit ein Maß für das in der Entfernungsmessung verbleibende Reststück R_i. Für die Entfernungsbestimmung kann nun mit zwei für unterschiedliche Modulationsfrequenzen f₁, f₂ erfassten Phasenverschiebungen φ_1/2(f_1/2,D) eine Lösung für die oben dargestellte Distanzgleichung gefunden werden.
Ein möglicher Lösungsweg ist in 7 schematisch dargestellt. Die 7 zeigt zwei relative Phasenverschiebung φ_1/2(f_1/2,D) in Abhängigkeit des doppelten Objektabstandes 2d = Gesamtweglänge D für zwei unterschiedliche Frequenzen f₁, f₂. Mit durchgezogener Linie ist die Phasenverschiebung φ₁ für f₁ = 7,5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₁, = 40 m und mit gestrichelter Line für f₂ = 5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₂ = 60 m dargestellt. Der Eindeutigkeitsbereich EB₁₂ für die beiden Frequenzen f₁, f₂ ergibt sich in bekannter Weise aus dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen der beiden Wellenlänge λ₁, λ₂, also hier 120 m.
Für jeden Entfernungswert bzw. jeder Gesamtweglänge D innerhalb des gemeinsamen Eindeutigkeitsbereich EB₁₂ gibt es genau ein Phasendifferenzpaar (φ₁, φ₂ Für den beispielhaften Entfernungswert D von 23 m, also einem Objektabstand d von 11,5 m, ergibt sich ein Phasendifferenzpaar von ca. (1,2 | 0,8).
In einem möglichen Anwendungsfall könnte es beispielsweise vorgesehen sein, eine geeignete Anzahl von Phasendifferenzpaaren mit dem ihnen zugeordneten Entfernungswert D oder Objektabstand d in einer Wertetabelle abzulegen. Bei einer Entfernungsmessung kann dann beispielsweise ermittelt werden, welches tabellierte Phasendifferenzpaar mit einem entsprechend zugeordnetem Entfernungswert dem ermittelten Phasendifferenzpaar am nächsten kommt. Alternativ kann der Objektabstand auch jedesmal berechnet werden.
8 entspricht der Darstellung gemäß 7 mit dem Unterschied, dass auf der y-Achse die Länge des jeweiligen Reststücks aufgetragen ist mit: $R_{i} = D \cdot (mod λ_{i}) = φ_{i} (ƒ_{i}, D) \frac{λ_{i}}{2 π}$
Im dargestellten Beispiel sind bis zu einer Gesamtweglänge D, die der kleinsten Wellenlänge entspricht, also hier 40 m, beide Reststücke gleich lang. Für eine Gesamtstrecke D von beispielsweise 70 m hingegen sind die Reststücke unterschiedlich groß.
Der in den 7 und 8 dargestellte Zusammenhang von Phase und Abstand lässt sich vorteilhaft in einem so genannten Modulodiagramm gemäß den 9 bis 11 darstellen. Auf der x- und y-Achse sind die Phasenwerte φ₁ und φ₂ für eine erste und zweite Modulationsfrequenz und auf der sekundären x- und y-Achse die den Phasenwerten entsprechenden Distanzwerte bzw. Reststückwerte d₁, d₂ dargestellt. Wie bereits erwähnt existiert für einen Entfernwert innerhalb des Eindeutigkeitsbereichs nur ein einziges Phasenwertepaar.
9 zeigt ein Modulodiagramm für die Frequenzen f₁ = 7,5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₁, = 40 m und f₂ = 5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₂ = 60 m wie bereits in 7 und 8 dargestellt. Die Kurve beginnt mit dem Phasendifferenzpaar (0 | 0) für D = 0. Erreicht die Gesamtweglänge des vom Objekt reflektierten Licht die Wellenlänge λ₁, = 40 m der ersten Modulationsfrequenz so erreicht auch der Phasenwert seinen maximalen Wert, nämlich 2π mit dem Phasenwertepaar (2 | 1,33). Mit größer werdender Entfernung springt die Kurve immer an den Punkten, an denen eine der beiden Phasenwerte einen 2π -Wert durchläuft, bis ein Eindeutigkeitsbereich EB von 120 m erreicht ist.
Eine Entfernung kann beispielsweise dadurch bestimmt werden, indem ein ermitteltes Phasenwertepaar einem Entfernungspunkt der Distanzkurve zugeordnet wird. Phasenwertepaare liegen nur idealerweise auf der Distanzkurve und weichen typischerweise beispielsweise aufgrund von Rauschen davon ab. Im in 9 dargestellten Fall ist exemplarisch ein gemessenes Phasenwertepaar mit (1,05 | 0,85) eingezeichnet. Dieses Phasenwertepaar liegt nicht auf der Distanzkurve und ist nun einem Entfernungspunkt auf einer der beiden Kurvenabschnitte zuzuordnen. Der Abstand d_AB zwischen den Kurvenabschnitten ist bekannt. Für die Zuordnung ist es daher ausreichend den Abstand d_A, d_B zu einer der beiden Kurvenabschnitte zu bestimmen. Der Objektabstand bestimmt sich alsdann aus dem am nächsten liegenden Entfernungspunkt. Im dargestellten Fall kann dem Phasenwertepaar ein Entfernungswert D von 23 m, also einem tatsächlichen Objektabstand d von 11,5 m zugeordnet werden.
Liegt hingegen ein erfasstes Phasenwertepaar beispielsweise in der Mitte der benachbarten Entfernungsgerade bzw. Kurvenabschnitte könnte statt der tatsächlichen Entfernung von 23 m dem Phasenwertepaar eine Entfernung von 93 m zugeordnet werden.
Inkorrekte Entfernungswerte entstehen jedoch nicht nur durch derartige Fehlzuordnungen, sondern auch durch Überreichweiten von Objekten außerhalb des Eindeutigkeitsbereichs. Im dargestellten Fall erstreckt sich der Eindeutigkeitsbereich EB bis 120 m Gesamtdistanz D, also einem maximalen Objektabstand d von 60 m. Typischerweise ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem derart ausgelegt, dass Objekte außerhalb des Eindeutigkeitsbereichs nur noch ein geringes Signal liefern und in der Auswertung unberücksichtigt bleiben. Objekte mit einer hohen Reflektivität können jedoch eine ausreichend hohe Signalstärke am Sensor erzeugen und werden als Objekt erkannt.
Steht ein solches Objekt beispielsweise in einer tatsächlichen Entfernung von d = 71, 5, also einer Gesamtlaufstrecke von 143 m, wird ein solches Objekt aufgrund des auf 120 m begrenzten Eindeutigkeitsbereich mit einer Gesamtdistanz D von 23 m erfasst. Bei einer Überreichweite mit der Gesamtstrecke von 213 m ergibt sich ein Distanzwert D von 93 m.
Um Überreichweiten und Fehlzuordnungen zu erkennen ist es erfindungsgemäße vorgesehen, die Entfernungsmessung mit weiteren unterschiedlichen Modulationsfrequenzen und entsprechend unterschiedlichen Eindeutigkeitsbereichen zu wiederholen und Entfernungswerte nur dann zuzulassen, wenn vorzugsweise alle oder eine vorbestimmte Anzahl von Entfernungsmessungen innerhalb tolerierter Grenzen zum selben Ergebnis führen.
In 10 ist ein Modulodiagramm für die Frequenzpaarung f₁ = 7,5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₁, = 40 m und f₂ = 6 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₂ = 50 m dargestellt. Diese Frequenzpaarung spannt einen Eindeutigkeitsbereich EB bis 200 m auf. Das mit dieser Frequenzpaarung ermittelte Phasenwertepaar kann einer Entfernung von 23,3 m zugeordnet werden. Bei einem unklaren Phasenwertepaar könnte die Entfernung auf 178 m springen. Für die genannten Überreichweitenbeispiel von D = 143 m und D = 213 m würden sich Entfernungswerte D = 143 m und D = 13 m ergeben.
In 11 ist ein Modulodiagramm für die Frequenzpaarung f₁ = 6 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₁, = 50 m und f₂ = 5 MHz entsprechend einer Wellenlänge λ₂ = 60 m dargestellt mit einem Eindeutigkeitsbereich von 300 m. Das mit dieser Frequenzpaarung ermittelte Phasenwertepaar kann einer Entfernung von 22,9 m zugeordnet werden. Eine Fehlzuordnung durch ein unklares Phasenwertepaar führt ggf. zu einem Entfernungswert von 267,5 m. Für die genannten Überreichweitenbeispiele von D = 143 m und D = 213 m würden sich bei eindeutiger Zuordnung Entfernungswerte D = 143 m und D = 213 m ergeben. In folgender Tabelle sind einige Beispiele von Fehlzuordnungen und Messrauschen dargestellt:

Distanzmesszyklus 1 2 3 4 5 6 7 8 9

EB 120 200 300 120 200 300 120 200 300

Distanz d₁₂ d₂₃ d₃₁ d₁₂ d₂₃ d₃₁ d₁₂ d₂₃ d₃₁

Unklare Phasenwertepaare

D = 23 m 23 178 267,5 93 23 23 93 23 267,5

Überreichweite

D = 143 m 23 143 143 23 143 143 23 143 143

D = 213 m 93 13 213 93 13 213 93 13 213

D = 340 m 100 140 40 100 140 40 100 140 40

Signalrauschen

D = 23 m 23,2 22,5 23,0 23,4 23,4 22,8 22,7 23,1 22,9
Im dargestellten Beispiel ist zu erkennen, dass durch Signalrauschen verursachte Messschwankungen um Größenordnungen kleiner sind als die durch Überreichweiten oder durch unklare Messwerte generierten Fehlzuordnungen. Während durch Signalrauschen verursachte Schwankungen ohne weiteres durch Mittelung geglättet werden können, müssen fehlerhaft zugeordnete Entfernungswerte erkannt und ggf. verworfen werden.
Hinsichtlich der Überreichweiten könnte beispielsweise festgelegt werden, dass ein Distanzmesswert nur dann gültig ist, wenn in zwei aufeinanderfolgenden Distanzmesszyklen im Wesentlichen der gleiche Entfernungswert ermittelt wird. Gemäß einer solchen Vorschrift würde entsprechend der obigen Tabelle für eine Überreichweite von 143 m nach Durchlaufen des zweiten und dritten Distanzmesszyklus ein Entfernungswert von 143 m als gültig erkannt werden. Werden mindestens drei gleiche Entfernungswerte gefordert, so werden im dargestellten Beispiel alle Überreichweiten größer 120 m verworfen.
12 zeigt beispielhaft eine zeitliche Abfolge einer erfindungsgemäßen Entfernungsmessung für unterschiedliche Frequenzpaarungen, bei der die relative Phasenverschiebung φ_i(f_i,D) für jede Modulationsfrequenz f_i mit vier Phasenlagen φ_var = 0°, 90°, 180°, 270° durchgeführt wird. Selbstverständlich sind auch Entfernungsmessungen mit weniger und ggf. auch mehr Phasenlagen denkbar.
In einem ersten Phasenmesszyklus PM₁ wird für eine erste Modulationsfrequenz f₁ eine erste Phasenverschiebung φ₁ und für die nachfolgende Phasenmesszyklen PM_2/3 für eine zweite und dritte Modulationsfrequenz f₂, f₃ eine zweite und dritte Phasenverschiebung φ₂, φ₃ ermittelt. Nach dem dritten Phasenmesszyklus PM₃ beginnen die Phasenmessungen wieder mit der ersten Modulationsfrequenz f₁ und so fort. Bei mehr als drei Modulationsfrequenzen können auch andere Frequenz-Reihenfolgen, insbesondere auch zufällige Reihenfolgen gewählt werden.
Jeweils zwei aufeinander folgende Phasenmesszyklen PM_n,n+1 bilden einen Distanzmesszyklus M_n aus dem ein Phasenwertepaar φ_n, φ_n+1) und ein diesem Paar zugeordneter Entfernungswert d_n,n+1 ermittelt wird.
Erfindungsgemäß ist es hierbei vorgesehen, dass nur dann ein Entfernungswert d als gültig gewertet wird, wenn in drei aufeinander folgenden Distanzmesszyklen innerhalb tolerierter Grenzen im Wesentlichen derselbe Entfernungswert ermittelt wird.

Ein mögliches erfindungsgemäßes Vorgehen ist beispielhaft in folgender Tabelle veranschaulicht:

Distanzmesszyklus	1	2	3	4	5	6	7	8	9
EB	120	200	300	120	200	300	120	200	300
Distanz	d₁₂	d₂₃	d₃₁	d₁₂	d₂₃	d₃₁	d₁₂	d₂₃	d₃₁
D = 23 m	23,4	22,5	23,0	23,7	178	23,1	23,2	24	267
Differenz	23,4	0,9	0,5	0,7	155,3	145,9	0,1	0,8	243
Toleranz 20 m	-	<	<	<	>	>	<	<	>
Gültiger Wert	(-)	(-)	(+)	(+)	(-)	(-)	(-)	(+)	(-)
Ausgabe			23,0	23,7				24

Zur Erfassung von Fehlzuordnungen kann die Toleranzgrenze deutlich oberhalb eines üblichen Signalrauschens gelegt werden und selbstverständlich unterhalb eines minimal möglichen Entfernungssprungs durch Fehlzuordnung. Im dargestellten Beispiel könnte beispielsweise eine Toleranzgrenze Δd_tol auf ± 20 m festgelegt werden. Ausgangspunkt für die Anwendung der Toleranzgrenze sind im dargestellten Beispiel die Differenzen der letzten drei Messungen.
Mit Beginn der Messung liegen im ersten und zweiten Distanzmesszyklus noch keine drei Distanzmessungen vor, so dass die an sich zutreffenden Entfernungswerte nicht ausgegeben werden. Ab dem dritten Messzyklus liegt dann eine ausreichende Anzahl von Entfernungswerten vor.
Die im dritten und vierten Messzyklus ermittelten Entfernungswerte liegen innerhalb der Toleranzgrenze, sind somit gültig und werden ausgegeben. Für bestimmte Auswerteverfahren könnte es ggf. auch vorgesehen sein, die beiden vorlaufenden Entfernungswerte rekursiv auszuwerten und auszugeben, wenn sie innerhalb der Toleranz liegen, wie dies im dargestellten ersten und zweiten Messzyklus der Fall ist.
Im fünften Messzyklus erfolgte eine Fehlzuordnung mit einem Distanzsprung auf 178 m, der die Toleranzgrenze überschreitet. Dieser Entfernungswert ist ungültig und wird nicht ausgegeben. Ein gültiger Entfernungswert liegt erst wieder im achten Distanzmesszyklus vor, nachdem die Entfernungswerte in Folge in der achten Messung innerhalb der Toleranzgrenze lagen. Ggf. könnten auch hier die vorlaufenden innerhalb der Toleranz liegenden Entfernungswerte rekursiv als gültig ausgegeben werden. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen die Toleranzgrenze vornehmlich so festzulegen, dass sicher Fehlzuordnungen erkannt werden. Selbstverständlich kann die Toleranzgrenze je nach Genauigkeitsanforderung der Entfernungsmessungen enger gefasst werden.
Bei einer bewegten Kamera und/oder bewegten Objekten müssen zudem die Bewegungsgeschwindigkeiten berücksichtigt werden.
Wird die Kamera beispielsweise mit einer maximalen Geschwindigkeit von 10 m/s bewegt und wird für jede Phasenmessung eine Erfassungsrate von 1/50 s angenommen, so verschiebt sich jeder Entfernungspunkt zwischen zwei Messungen um 0,2 m. D.h. bei drei aufeinander folgenden Messungen verschiebt sich ein Entfernungspunkt allein aufgrund der Kamerabewegung um 0,6 m. Für die Festlegung der Toleranzgrenze wäre es somit von Vorteil vorzugsweise eine Kameraeigenbewegung ggf. auch eine zu erwartende Objektbewegung und mögliche Messfehler zu berücksichtigen. Im vorliegenden Beispiel könnte beispielsweise die Toleranzgrenze um +/- 1,2 m erweitert werden.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist es vorgesehen, während eines Phasenmesszyklus die einzelnen Phasenlagen zu mindestens zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen zu erfassen.
13 zeigt eine mögliche Variante, bei der die Messung der Phasenverschiebungen φ₁, φ₂ auf zwei Phasenmesszyklen PM₁, PM₂ aufgeteilt wird. Im ersten Phasenmesszyklus PM₁ werden die Messungen für die 0° und 180°-Phasenlage mit einer ersten Modulationsfrequenz f₁ und für die 90°- und 270°-Phasenlage mit der zweiten Modulationsfrequenz f₂ durchgeführt. Im nachfolgenden zweiten Phasenmesszyklus PM₂ werden die Messungen mit jeweils vertauschten Modulationsfrequenzen durchgeführt.
Durch Zusammenfassen beider Phasenmesszyklen PM₁, PM₂ werden die einer Modulationsfrequenz f₁, f₂ zuzuordnenden Phasenverschiebungen φ₁, φ₂ und hieraus resultierende Entfernung bestimmt.
In den weiteren Phasenmesszyklen PM₃,... wird mindestens eine Modulationsfrequenz verändert. So dass durch Zusammenfassen der zueinander passenden Modulationsfrequenzen eine weitere Phasenverschiebung und im Ergebnis eine weitere Entfernung ermittelt werden kann.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist es vorgesehen, alle Phasenlagen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen durchzuführen. Ein mögliches Vorgehen ist beispielsweise in 14 dargestellt. Im ersten Phasenmesszyklus PM1 werden die Messungen der phasenlagenabhängigen Phasenverschiebungen mit vier unterschiedlichen Modulationsfrequenzen f1, ..f4 durchgeführt.
Zur Ermittlung einer für die Entfernungsbestimmung verwendbaren Phasenverschiebung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Ergebnisse der Phasenmessungen unterschiedlicher Phasenlagen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen auf eine Modulationsfrequenz umzurechnen. Also im dargestellten Beispiel in der ersten Phasenmessung PM₁ auf die erste Modulationsfrequenz f₁ und in der zweiten Phasenmessung PM₂ auf die zweite Modulationsfrequenz f₂ etc.
15 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Messung für die 90°-Phasenlage wie sie bereits in 3a gezeigt wurde, jedoch hier mit einer Umrechnung in eine andere Modulationsfrequenz. Unabhängig von der Modulationsfrequenz kann die Phasenverschiebung immer nur in einem Bereich von 0° bis 360° bzw. von 0 bis 2π gemessen werden. Abhängig von der Modulationsfrequenz werden jedoch naturgemäß unterschiedliche Distanzen abgedeckt. Für die erste Modulationsfrequenz f₁ = 7,5 MHz erstreckt sich ein kompletter Phasendurchlauf auf die Wellenlänge λ₁= D_max(f₁) = 40 m und für die zweite Modulationsfrequenz f₂ = 5 MHz auf λ₂ = D_max(f₂) = 60 m.
Im dargestellten Beispiel wird in der 90°-Phasenlage mit der zweiten Modulationsfrequenz f₂ eine Phasenverschiebung von 120° ermitteln. Diese Phasenverschiebung entspricht einer Gesamtweglänge D von 20 m. In der Distanzskala der ersten Modulationsfrequenz f₁ entspricht diese Gesamtweglänge einer Phasenverschiebung von 180°. Diese Umrechnungsverhältnisse können beispielsweise als Algorithmus und/oder auch als Kennfeld hinterlegt sein.
Wie bereits dargestellt ergeben sich für Gesamtweglängen, die die minimale Modulationswellenlänge, hier 40 m, übersteigen, Mehrdeutigkeiten. So ergibt sich beispielsweise bei einer Gesamtweglänge von 60 m wiederum eine 20 m Distanz in der Distanzskala der ersten Modulationsfrequenz.
Diese Mehrdeutigkeiten können jedoch über mehrere Distanzmessungen aufgelöst werden. Insbesondere können für den gewünschten Eindeutigkeitsbereich ähnlich der Modulodiagramme gemäß den 9 bis 11 vierdimensionale Kennfelder hinterlegt sein, aus denen sich ausgehend von den zu unterschiedlichen Modulationsfrequenzen und Phasenlagen erfassten Phasenverschiebungen ein Distanzwert ermitteln lässt.
Ebenso ist es denkbar, die zur Phasenbestimmung verwendete „arctan-Funktion“ mit Korrekturfaktoren bzw. -funktionen k_i(f_i) zu ergänzen. $φ_{i} = arctan \frac{k_{i} (ƒ_{i}) Δ q_{i} (90 °) - k_{j} (ƒ_{j}) Δ q_{j} (270 °)}{k_{k} (ƒ_{k}) Δ q_{k} (0 °) - k_{l} (ƒ_{l}) Δ q_{l} (180 °)}$
Die Korrekturfunktionen können ebenso in Kennfeldern abgelegt sein. Zudem sind die Korrekturfunktionen im Hinblick auf die umzurechnende Modulationsfrequenz abzustellen.
Bezugszeichenliste

10: Beleuchtungsmodul
12: Beleuchtung
22: Lichtlaufzeitsensor
27: Auswerteeinheit
30: Modulator
35: Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber
38: Modulationssteuergerät
Δφ(tL): laufzeitbedingte Phasenverschiebung
φvar: Phasenlage
φ0: Basisphase
M0: Modulationssignal
p1: erste Phase
p2: zweite Phase
Sp1: Sendesignal mit erster Phase
Sp2: Empfangssignal mit zweiter Phase
Ga, Gb: Akkumulationsgates
Ua, Ub: Spannungen am Modulationsgate

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems, bei dem ein Entfernungswert (d_n,n+1) ausgehend von Phasenverschiebungen (φ₁) eines emittierten und empfangenen Signals (Sp1, Sp2) ermittelt wird, wobei die Phasenverschiebungen (φ₁) in zwei aufeinander folgenden Phasenmesszyklen (PM₁, PM₂,...) ermittelt werden, und jeder Phasenmesszyklus (PM₁, PM₂,...) mit mindestens zwei Phasenlagen durchgeführt wird, wobei mindestens zwei der verwendeten Phasenlagen eine unterschiedliche Modulationsfrequenz (f₁, f₂, f₃, f₄) aufweisen, wobei für die Bestimmung einer ersten und zweiten Phasenverschiebung (φ₁, φ₂) die Phasenlagen mit gleicher Frequenz in aufeinanderfolgenden Phasenmesszyklen (PM₁, PM₂,...) verwendet werden.
Lichtlaufzeitkamerasystem (1), das für ein Verfahren nach Anspruch 1 ausgebildet ist, mit einem Modulator (30), der mit einer Beleuchtung (10) und einer Lichtlaufzeitkamera (20) verbunden ist, mit einem Modulationssteuergerät (38), das mit dem Modulator (30) verbunden und derart ausgestaltet ist, dass für eine Entfernungsbestimmung zwei Phasenmesszyklen (PM₁, PM₂,...) durchgeführt werden und in jedem Phasenmesszyklus (PM₁, PM₂,...) mindestens zwei Phasenlagen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen (f₁, f₂, f₃) ausgeführt werden.