DE102013209044A1

DE102013209044A1 - Steuergerät für ein Lichtlaufzeitkamerasystem

Info

Publication number: DE102013209044A1
Application number: DE102013209044.7A
Authority: DE
Inventors: Bernd Damhofer; Robert Lange; Holger Kraft; Volker Frey
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2014-11-20

Abstract

Steuergerät für ein Lichtlaufzeitkamerasystem (1), mit einer Steuereinheit (150), einem Modulator (30) zur Generierung eines Modulationssignals, und mindestens einer Lichtquelle (12) zur Erzeugung eines modulierten Lichts, wobei die Lichtquelle (12) innerhalb eines Steuergerätegehäuses angeordnet ist, wobei das Steuergerät mindestens eine Lichtleiterschnittstelle (60) zur Ausleitung eines Lichts der Lichtquelle (12) auf einen Lichtleiter (110) und mindestens eine Kameraschnittstelle (50) zur Kommunikation mit einer Lichtlaufzeitkamera (20) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuergerät für ein Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
Mit Lichtlaufzeitkamerasystem oder 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 Frame-Grabber 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 Lichtlaufzeitkamera bzw. Lichtlaufzeitsensor Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät O1D der Anmelderin.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Anordnung der Beleuchtung zu verbessern.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Steuergerät für ein Lichtlaufzeitkamerasystem gelöst.
Das Steuergerät umfasst eine Steuereinheit, ein Modulator zur Generierung eines Modulationssignals, und mindestens eine Lichtquelle zur Erzeugung eines modulierten Lichts. Die Lichtquelle ist innerhalb eines Steuergerätegehäuses angeordnet. Ferner ist mindestens eine Lichtleiterschnittstelle zur Ausleitung eines Lichts der Lichtquelle auf einen Lichtleiter und mindestens eine Kameraschnittstelle zur Kommunikation mit einer Lichtlaufzeitkamera vorhanden.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass Lichterzeugung und Lichtemission räumlich voneinander getrennt werden können, wobei das Steuergerät mit der Lichtquelle vorzugsweise an einem Ort mit guter Wärmeabfuhr montiert werden kann und die Lichtaustrittsbereiche über Lichtwellenleiter nur einen geringen Platzbedarf benötigen.
Vorteilhaft weist das Steuergerät einen optischen Multiplexer zur Um- oder Zuschaltung der Lichtquelle auf einzelne Lichtwellenleiter auf. Dieses Vorgehen erlaubt eine schnelle und zuverlässige Reaktion auf verschiedene Einsatzmöglichkeiten des gesamten Lichtlaufzeitkamerasystems.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit des Steuergeräts auch zur Steuerung der Entfernungsmessung und/oder insbesondere zum Betreiben und zur Auswertung von Signalen der Lichtlaufzeitkameras ausgebildet.
Dies erlaubt eine einfachere elektronische Ausgestaltung der Lichtlaufzeitkameras und einen kompakteren Aufbau und erweitert somit die Einbaumöglichkeiten.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
2 ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät,
3 eine Anordnung eines Lichtlaufzeitkamerasystems in einem Fahrzeug,
4 eine Anordnung mit mehreren Lichtlaufzeitkameras.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt ein Lichtlaufzeitkamerasystem 1 für eine optische Entfernungsmessung, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 bekannt ist.
Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Beleuchtung 10 mit einer Lichtquelle 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 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 Beleuchtung 10 ist vorzugsweise als Reflektor ausgebildet.
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. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal S(p1) mit der ersten Phaselage p1 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.
2 zeigt ein Lichtlaufzeitkamerasystem 1 mit einem erfindungsgemäßen Steuergerät 100. Das Steuergerät 100 umfasst eine Steuereinheit 150, einen Modulator 30, eine Beleuchtung 10 sowie eine Kameraschnittstelle 50 und eine Lichtleiterschnittstelle 60. Die Steuereinheit 150 ist mit dem Modulator 30 verbunden und steuert beispielsweise die Modulationsfrequenz M(p1) und die Phasenlage ∆φ des Modulationssignals M(p1) + ∆φ.
Der Modulator 30 ist zum einem über die Kameraschnittstelle 50 und einer Signalleitung 130 mit einer separaten externen Lichtlaufzeitkamera 20 und zum anderen direkt mit einer Lichtquelle 12 der Beleuchtung 10 verbunden.
Ferner weist die Beleuchtung 10 anstelle oder zusätzlich zur Strahlformungsoptik 15 einen Lichtkoppler 11 auf, der das von der Lichtquelle 12 emittierte Licht über eine Lichtleiterschnittstelle 60 auf zwei Lichtwellenleiter 110 verteilt. Der Lichtkoppler 11 kann ggf. auch Bestandteil der Lichtleiterschnittstelle 60 sein. Auch sind Varianten denkbar, die ohne Lichtkoppler 11 realisiert werden.
Zur Beleuchtung des von der Lichtlaufzeitkamera 20 erfassten Raumbereichs werden die Lichtleiter 110 geeignet positioniert und ausgerichtet. Die Lichtaustrittsseiten 120 der Lichtwellenleiter 110 können je nach Applikation mit oder ohne Sendeoptik 125 ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Steuergerät 100 hat den Vorteil, dass die Beleuchtung 10, die ein Teil des Steuergerätes bildet, unabhängig vom Ort der gewünschten Strahlungsemission angeordnet werden kann. So ist es beispielsweise möglich, das Steuergerät 100 für die jeweilige Applikation an einem räumlich günstigen Ort anzuordnen. Insbesondere kann das Steuergerät 100 an einer Wärmesenke befestigt werden.
Weiterhin bauen die Austrittsbereiche 120 bzw. Sendeoptiken 125 der Lichtwellenleiter 110 deutlich geringer auf als ein vollständiges Beleuchtungsmodul 10, und erlauben somit auch einen Einbau einer Beleuchtung in räumlich engen Bereichen.
Zur Darstellung bestimmter Beleuchtungsbereiche können mehrere Lichtwellenleiter 110 gebündelt eingesetzt werden, zudem können die Lichtwellenleiter 110 zur Bildung eines gewünschten Strahlungsprofils gezielt ausgerichtet werden. Ferner kann das Strahlungsprofil auch mit entsprechend angepassten Sendeoptiken 125 eingestellt werden. Auch ist es denkbar, dass mehrere Lichtwellenleiter 110 auf eine gemeinsame Sendeoptik 125 geführt sind.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Steuergeräts 100 liegt darin, dass die Lichtlaufzeitkameras 20 vereinfacht aufgebaut werden können. Modulator, Auswerteeinheit, Steuerung etc. können ggf. in der Lichtlaufzeitkamera 20 entfallen und die Funktionalität vom Steuergerät 100 übernommen werden. Dies ermöglicht einen deutlich kleineren Aufbau der Lichtlaufzeitkamera 20 und erschließt neue Einbau- und Anwendungsmöglichkeiten. Insbesondere können über das Steuergerät 100 auch mehrere Lichtlaufzeitkameras 20 betrieben werden.
3 zeigt eine mögliche Anordnung eines Lichtlaufzeitkamerasystems in einem Kraftfahrzeug. Das Steuergerät 100 kann hier beispielsweise in einem hinteren Bereich des Motorraumes an der Karosserie befestigt sein. Über die direkte Anbindung an die Karosserie kann die Abwärme des Steuergeräts 100 und insbesondere der Beleuchtung 10 gut abgeführt werden. Im dargestellten Beispiel versorgt das Steuergerät 100 fünf Lichtwellenleiter 110 mit einem modulierten Licht. Die Sendeoptiken 120 der Lichtwellenleiter 110 sind in den Seitenspiegeln und im Frontbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet. Das Modulationssignal wird vom Steuergerät 100 über eine Signalleitung 130 an die Lichtlaufzeitkamera 20, die im oberen Bereich der Windschutzscheibe angeordnet ist, übertragen.
Das Steuergerät 100 ist vorteilhaft so ausgestaltet, dass vorzugsweise nur die Lichtwellenleiter 110 ein Lichtsignal erhalten, deren Beleuchtungsbereich von der Lichtlaufzeitkamera 200 im jeweiligen Betriebsmodus erfasst wird. Dies hat den Vorteil, dass die Sendeenergie nicht permanent im vollen Umfang bereitgestellt werden muss, sondern dem jeweiligen Bedarf angepasst werden kann.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass das Steuergerät 100 weitere Lichtlaufzeitkameras 20 mit Modulationssignalen versorgt. Beispielsweise strahlen die in den Seitenspiegel angeordneten Austrittsbereiche 120 ein moduliertes Licht in die Seitenbereiche des Fahrzeugs aus. Zur Erfassung dieser Seitenbereiche können am Kraftfahrzeug weitere Lichtlaufzeitkameras 20 angeordnet werden, die diese Seitenbereiche überwachen.
In 4 ist schematisch ein Steuergerät 100 gezeigt, das über vier Lichtwellenleiter 110 Licht emittiert und über vier Signalleitungen 130 vier Lichtlaufzeitkameras 20 mit einem Modulationssignal versorgt.
Die Lichtquelle 12 der Beleuchtung 10 kann vorzugsweise als Leuchtdiode, Laser, Laserdiode, Oberflächenemitter (VCSEL) etc. aufgebaut sein.
Vorteilhaft weist das Steuergerät 100 auch einen optischen Multiplexer 70 auf, der ein Umschalten der Lichtenergie auf die verschiedenen Lichtwellenleiter 110 ermöglicht.
Als Lichtwellenleiter 110 kommen vorzugsweise Faserbündel, insbesondere Glasfaserbündel in Betracht. Ferner ist es bei der Verwendung von Lasern bzw. Laserdioden als Lichtquelle 12 vorteilhaft die Wellenfront des Lasers parallel in die Faser einzukoppeln.
Ebenso ist es möglich, beispielsweise Oberflächenemitter mit einem einzelnen Lichtwellenleiter 110 und/oder einzelnen Fasern eines Lichtwellenleiters 110 zu verbinden. Dies hat den Vorteil, dass bereits durch Ein- und Ausschalten verschiedener Oberflächenemitter zum einen die Strahlungsleistung in den einzelnen Bereich gesteuert werden kann und zum anderen ganze Beleuchtungsbereiche komplett aktiviert oder deaktiviert werden können.
Die Verteilung der Lichtenergie im Steuergerät 100 kann ferner auch durch Spleißen der Lichtwellenleiter erfolgen.
Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Vorgehen nicht auf eine Anwendung im Fahrzeugbereich beschränkt, sondern ist vorzugsweise auch für alle Applikationen geeignet, bei denen die Trennung von Lichterzeugung und Lichtemission von Vorteil ist. Insbesondere kommen hier Anwendungen im Industriebereich und in Roboteranwendungen in Betracht.
Beispielsweise erlaubt die erfindungsgemäße Steuergerät 100 mit Hilfe der Lichtwellenleiter 110 das modulierte Licht gezielt nur auf zu untersuchende Objekte zu richten, so dass eine diesem Bereich zugeordnete Lichtlaufzeitkamera 20 nur diesen Bereich auszuwerten braucht.
Die Kamera- und Lichtleiterschnittstellen 50, 60 sind nicht auf Stecker-/Buchsen-Lösungen beschränkt. Auch kann eine solche Schnittstelle 50, 60 durch Hineinführen von Signalleitungen und/oder Lichtwellenleitungen 130, 110 und einem direkten Anbinden beispielsweise an den Modulator 30 und/oder an die Lichtquelle 12 realisiert sein.
Ansonsten kann die Kameraschnittstelle 50 beispielsweise für den Anschluss einer LVDS-Signalleitung ausgebildet sein und insbesondere auch die Übertragung in beiden Richtungen erlauben.
Für die Lichtleiterschnittstelle 60 kommen so genannte LWL-Steckverbindungen in Betracht, die in nicht abschließender Aufzählung als SC-, FC-, ST-, LC-, DIN-, MU-, SMA-Stecker etc. ausgeführt sein können.
Bezugszeichenliste

1: Lichtlaufzeitkamerasystem
10: Beleuchtung
11: Lichtkoppler
12: Lichtquelle
15: Strahlformungsoptik
20: Lichtlaufzeitkamera
22: Lichtlaufzeitsensor
25: Empfangsoptik
30: Modulator
50: Kameraschnittstelle
60: Lichtleiterschnittstelle
100: Steuergerät
110: Lichtwellenleiter
120: Lichtaustrittsseiten, Emissionsbereiche
125: Sendeoptik
130: Signalleitung
150: Steuereinheit
d: Objektabstand
M(p1): Modulationsfrequenz mit ersten Phasenlage
S(p1): Sendesignal mit einer ersten Phasenlage
S(p2): Empfangssignal mit einer zweiten Phasenlage

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1777747 [0002]
US 6587186 [0002]
DE 19704496 [0002, 0017]

Claims

Steuergerät (100) für ein Lichtlaufzeitkamerasystem (1), mit einer Steuereinheit (150), einem Modulator (30) zur Generierung eines Modulationssignals, und mindestens einer Lichtquelle (12) zur Erzeugung eines modulierten Lichts, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (12) innerhalb eines Steuergerätegehäuses angeordnet ist, wobei das Steuergerät mindestens eine Lichtleiterschnittstelle (60) zur Ausleitung eines Lichts der Lichtquelle (12) auf einen Lichtleiter (110) und mindestens eine Kameraschnittstelle (50) zur Kommunikation mit einer Lichtlaufzeitkamera (20) aufweist.
Steuergerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem optischen Multiplexer (70) zur Um- oder Zuschaltung der Lichtquelle (12) auf einzelne Lichtwellenleiter (110).
Steuergerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (150) des Steuergeräts (100) zur Steuerung der Entfernungsmessung ausgebildet ist.
Steuergerät (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Steuereinheit (150) des Steuergeräts (100) zum Betreiben und zur Auswertung von Signalen der Lichtlaufzeitkameras (20) ausgebildet ist.
Lichtlaufzeitkamerasystem (1) mit einem Steuergerät (100) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Steuergerät (100) mit mindestens einer Lichtlaufzeitkamera (20) und einem Lichtleiter (110) verbunden ist.