DE102013208248B4

DE102013208248B4 - Verfahren zur Charakterisierung eines optischen Systems mit Hilfe eines 3D-Sensors und Lichtlaufzeitkamera

Info

Publication number: DE102013208248B4
Application number: DE102013208248.7A
Authority: DE
Inventors: Martin Albrecht; Holger Bette
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2013-05-06
Publication date: 2023-11-16
Anticipated expiration: 2033-05-07
Also published as: DE102013208248A1

Abstract

Verfahren zur Charakterisierung eines optischen Systems (25) mit Hilfe eines 3D-Sensors (22),- bei dem in einer Bildebene (B) des zu charakterisierenden optischen Systems (25) der 3D-Sensor (22)- und in einer Gegenstandsebene (G) des zu charakterisierenden optischen Systems (25) ein Referenzobj ekt (40) angeordnet ist, wobei zur Charakterisierung des optischen Systems (25) von mehreren Bildpunkten (Bxy) des 3D-Sensors (22) Entfernungswerte (dxy) zu jeweils korrespondierenden Gegenstandspunkten (Gxy) des Referenzobjekts (40) ermittelt werden.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Charakterisierung eines optischen Systems und einer Lichtlaufzeitkamera, die zur Durchführung eines solchen Verfahrens ausgebildet ist nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Aus der EP 2 053 868 A1 ist ein ortsauflösender optoelektronischer Sensor zur Ermittlung von Entfernungen zu Gegenstandspunkten von Objekten bekannt.
Die US 2008 / 0 088 702 A1 und die DE 101 53 742 A1 offenbaren jeweils einen 3D-Sensor, welcher als PMD-Sensor ausgebildet ist.
Aus der DE 10 2011 081 561 A1 ist ferner ein Lichtlaufzeit-Kamerasystem mit einem PMD-Sensor offenbart.
In der DE 10 2013 101 890 A1 ist ein als Laserscanner ausgebildeter optoelektronischer Sensor zur Füllstandbestimmung offenbart, wobei der Sensor in der Bildebene eines eine Linse umfassenden optischen Systems angeordnet ist.
Die DE 10 2012 203 341 A1 offenbart einen als Lichtlaufzeitkamera ausgebildeten 3D-Sensor mit einer Empfangsoptik und einer Auswerteeinheit, wobei mittels der Auswerteeinheit Entfernungswerte von mehreren Bildpunkten des 3D-Sensors zu jeweils korrespondierenden Gegenstandspunkten eines Objektes ermittelt werden können.
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur messtechnischen Bestimmung der intrinsischen Linsenparameter wie Brennweite, geometrischer Abbildungsfehler, beispielsweise Kissenverzeichnung und Tonnenverzeichnung und der Vignettierung von Linsen bzw. Linsensystemen mit Hilfe von entfernungsmessenden optischen Kamerasystemen, insbesondere Time of flight-Systemen.
Das Ergebnis der messtechnischen Untersuchung kann als Charakterisierungsparameter zur Beschreibung der Linse oder zur rechnerischen Kompensation der Verzeichnung (Rektifizierung) verwendet werden.
Als entfernungsmessende optische Kamerasysteme kommen in nicht abschließender Aufzählung insbesondere ToF, Pulslaufzeit, Streifenprojektion oder PMD-Systeme in Frage.
Bei der herkömmlichen Charakterisierung von intrinsischen Parametern optischer Systeme dienen vorzugsweise Referenzmuster, wie Schachbrettmuster und/oder Streifenmuster in unterschiedlichen Entfernungen als Messvorlage. Typischerweise wird eine nichtlineare Abbildung der Objektebene in die Bildebene messtechnisch bestimmt, indem markante Punkte aus der Objektebene eindeutig den entsprechenden Punkten in der Bildebene zugeordnet werden. In der Regel sind dazu mehrere Messungen mit verschiedenen Referenzmustern an unterschiedlichen Positionen im Blickfeld des Linsensystems erforderlich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Charakterisierung eines optischen Systems und insbesondere intrinsischer Linsenparameter zu vereinfachen.
Die Aufgabe wird vorteilhaft durch das erfindungsgemäße Verfahren und einer entsprechend ausgestalteten Lichtlaufzeitkamera entsprechend der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhaft ist ein Verfahren zur Charakterisierung eines optischen Systems mit Hilfe eines 3D-Sensors vorgesehen, bei dem in einer Bildebene des zu charakterisierenden optischen Systems der 3D-Sensor und in einer Gegenstandsebene des zu charakterisierenden optischen Systems ein Referenzobjekt angeordnet ist, wobei zur Charakterisierung des optischen Systems von mehreren Bildpunkten des 3D-Sensors Entfernungswerte zu jeweils korrespondierenden Gegenstandspunkten des Referenzobjekts ermittelt werden.
Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass eine solche Charakterisierung vorzugsweise mit einer einzigen Aufnahme erfolgen kann, indem bei einer Abbildung einer bekannten Gegenstandsebene in eine Bildebene für jeden Bildpunkt auf der Bildebene ein tatsächlicher Entfernungswert d_xy zum korrespondierenden Gegenstandspunkt auf der Gegenstandsebene und ein Winkel zur optischen Achse ermittelt wird.
Bevorzugt werden aus den ermittelten Entfernungswerten und einer bekannten oder ermittelten optischen Achse des optischen Systems Winkel zur optischen Achse ermittelt werden.
In einer weiteren Ausgestaltung werden erfassten Winkel und Entfernungswerte mit erwarteten Winkel und Abständen zum Referenzobjekts verglichen.
Zusätzlich kann anhand eines Amplitudenbildes des optischen 3D-Sensors eine Vignettierung des optischen Systems ermittelt werden.
Besonders vorteilhaft wird als 3D-Sensor ein PMD-Sensor verwendet.
Ebenso vorteilhaft ist eine Lichtlaufzeitkamera mit einer Empfangsoptik und einer Auswerteeinheit vorgesehen, bei dem die Auswerteeinheit der Lichtlaufzeitkamera derart ausgestaltet ist, dass sie die Empfangsoptik mit Hilfe eines der vorgenannten Verfahren zur Charakterisierung des optischen Systems charakterisiert, wobei von mehreren Bildpunkten des 3D-Sensors Entfernungswerte zu jeweils korrespondierenden Gegenstandspunkten des Referenzobjekts ermittelt werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäße Linsencharakterisierung,
2 ein Lichtlaufzeitkamerasystem.

In einem möglichen Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird ein 3D-Sensor 22 mit hinreichender lateraler Auflösung in der Bildebene B der zu charakterisierenden Linse 25 eingesetzt und ein Entfernungsbild ermittelt. Im einfachsten Fall dient als Referenzobjekt 40 eine homogene Fläche senkrecht zur optischen Achse.
Die Position der optischen Achse auf dem 3D-Sensor 22 wird, ggf. nach Mittelung und Subpixelinterpolation, durch den 3D-Bildpunkt gekennzeichnet, der den bekannten Abstand d₀ zur Zieloberfläche, bzw. bei unbekannter Entfernung den geringsten Entfernungswert d₀ liefert. Vorzugsweise für alle 3D-Bildpunkte B_xy bzw.3D-Sensorpixel 23 kann aus der jeweils gemessenen Entfernung d_xy der Winkel v_xy zur optischen Achse, beispielsweise als Polarwinkel, bildpunktindividuell ermittelt werden. $υ_{x y} = arccos (\frac{d_{0}}{d_{x y}})$
Mit Annahme einer rotationssymmetrischen Verzeichnung kann zusätzlich über die relativen Koordinaten des Bildpunktes (B_x, B_y) bezogen auf die zuvor ermittelte optische Achse (0,0), d₀ der zugehörige Azimutwinkel ϕ_xy bestimmt werden. $ϕ_{x y} = arctan (\frac{B_{y}}{B_{x}})$
Damit lässt sich bspw. die Brennweite bildpunktindividuell ermitteln. $f = \frac{B_{x y}}{tan (υ_{x y})} = \frac{\sqrt{B_{x}^{2} + B_{y}^{2}}}{tan (arccos (\frac{d_{0}}{d_{x y}}))}$
Die weiteren intrinsischen Linsenparameter können auf Basis der bildpunktabhängigen Blickrichtung ebenfalls entsprechend ermittelt werden.
Mit Kenntnis der tatsächlichen Größe der Flächenelemente in der Gegenstands- bzw. Objektebene kann, eine homogene oder bekannte Ausleuchtcharakteristik und bekannte Reflektivität des Ziels vorausgesetzt, aus einem verfügbaren Intensitäts-/Amplitudenbild darüber hinaus eine Vignettierung des Linsensystem ermittelt werden.
3D-Kamerasysteme haben durch das beschriebene Verfahren die Möglichkeit die Kompensation der Verzeichnung und Vignettierung beispielsweise nach einem Austausch einer Linse bzw. Objektivs, selbstständig durchzuführen, indem der Nutzer die Kamera auf eine plane homogene Wand, senkrecht zur optischen Achse richtet und eine kamerainterne Routine zur Objektivkorrektur startet.
2 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 23, vorzugsweise 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 M_o mit dem empfangenen Signal S_p2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
Ferner ist die Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Auswerteeinheit 27 verbunden. Die Auswerteeinheit 27 kann gegebenenfalls auch Bestandteil der Lichtlaufzeitkamera 20 und insbesondere auch Teil des Lichtlaufzeitsensors 22 sein.
Die Auswerteeinheit 27 übernimmt typischerweise die Steuerung der Modulationsfrequenzen und der Phasenlagen sowie die Auswertung der Signale des Lichtlaufzeitsensors 22.
Erfindungsgemäß ist die Auswerteeinheit 27 ferner derart ausgestaltet, dass vorzugsweise in einem Kalibrierungsmodus das optische System bzw. die Empfangsoptik 25 charakterisiert werden kann.
Die Charakterisierung der Empfangsoptik 25 kann insbesondere bei einer ersten Inbetriebnahme der Lichtlaufzeitkamera und/oder bei einem Wechsel der Empfangsoptik 25 durchgeführt werden.
Bezugszeichenliste

1: Lichtlaufzeitkamerasystem
10: Beleuchtungsmodul
12: Beleuchtung
22: Lichtlaufzeitsensor, 3D-Sensor
23: Lichtlaufzeitsensorpixel, 3D-Sensorpixel
27: Auswerteeinheit
30: Modulator
35: Phasenschieber
φvar: Phasenlage
φ0: Basisphase
M0: Modulationssignal
p1: erste Phase
p2: zweite Phase
Sp1: Sendesignal mit erster Phase
Sp2: Empfangssignal mit zweiter Phase
B: Bildebene
Bxy: Bildpunkt
G: Gegenstandsebene
Gxy: Gegenstandspunkt
d: Objektabstand
d0: Entfernungswert der optischen Achse
dxy: Entfernungswert zwischen Bild- und Gegenstandspunkt
υxy: Winkel Bildpunkt zur optischen Achse

Claims

Verfahren zur Charakterisierung eines optischen Systems (25) mit Hilfe eines 3D-Sensors (22), - bei dem in einer Bildebene (B) des zu charakterisierenden optischen Systems (25) der 3D-Sensor (22) - und in einer Gegenstandsebene (G) des zu charakterisierenden optischen Systems (25) ein Referenzobj ekt (40) angeordnet ist, wobei zur Charakterisierung des optischen Systems (25) von mehreren Bildpunkten (B_xy) des 3D-Sensors (22) Entfernungswerte (d_xy) zu jeweils korrespondierenden Gegenstandspunkten (G_xy) des Referenzobjekts (40) ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem aus den ermittelten Entfernungswerten (d_xy) und einer bekannten oder ermittelten optischen Achse des optischen Systems (25) Winkel (v_xy) zur optischen Achse ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem zur Charakterisierung des optischen Systems (25) die ermittelten Winkel (v_xy) und Entfernungswerte (d_xy) mit erwarteten Winkel und Abständen zum Referenzobjekts (40) verglichen werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich anhand eines Amplitudenbildes des optischen 3D-Sensors (22) eine Vignettierung des optischen Systems (25) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als 3D-Sensor (22) ein PMD-Sensor eingesetzt wird.
Lichtlaufzeitkamera (20) mit einer Empfangsoptik (25) und einer Auswerteeinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit der Lichtlaufzeitkamera (20) derart ausgestaltet ist, dass sie die Empfangsoptik (25) mit Hilfe eines Verfahrens zur Charakterisierung des optischen Systems (25) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 charakterisiert, wobei in dem Verfahren von mehreren Bildpunkten (B_xy) des 3D-Sensors (22) Entfernungswerte (d_xy) zu jeweils korrespondierenden Gegenstandspunkten (G_xy) des Referenzobjekts (40) ermittelt werden.