DE102013214677B3 - Lichtlaufzeitkamerasystem - Google Patents

Abstract

Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen, mit den Schritten: a) Aussendung und Empfang von Lichtsignalen (Sp1, Sp2) mit einer ersten und zweiten Modulationsfrequenz, b) Ermittlung eines ersten und zweiten Entfernungswerts (d1, d2, D1, D2) für die mit einer ersten und zweiten Modulationsfrequenz (f1, f2) ausgesendeten und empfangenen Lichtsignale (Sp1, Sp2), c) Berechnung einer Differenz (Δd) aus den im Schritt b) ermittelten Entfernungswerten (d1, d2, D1, D2), d) Ermittlung einer Distanz (d) ausgehend von der berechneten Differenz (Δd) und mindestens einem der ermittelten Entfernungswerte (d1, d2, D1, D2).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
• Mit Lichtlaufzeitkamerasystem sollen alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme umfasst sein, 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 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. Insbesondere sollen unter Lichtlaufzeitkamerasystem auch Systeme mit umfasst sein, bei dem der Lichtlaufzeitsensor mir ein Pixel oder eine geringe Anzahl von Pixeln aufweist.
• 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.
• Aus der DE 42 03 804 A1 ist eine Einrichtung zur Entfernungsmessung bekannt, bei der modulierte Sendelichtstrahlen mit zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen ausgestrahlt werden und aus der Phasendifferenz der emittierten und empfangenen Strahlung Entfernungswerte ermittelt werden. Die Modulationsfrequenzen sind vorzugsweise teilerfremd gewählt, wobei sich der Messbereich auf das kleinste gemeinsame Vielfache der beiden Wellenlängen erhöht. Durch Vergleich der für die jeweilige Modulationswellenlänge ermittelten Entfernungswerte wird ein eindeutiger Distanzwert ermittelt.
• Aus der DE 10 2005 045 555 A1 , die sich mit optischen Pulsradarsystemen beschäftigt, ist es ferner bekannt, dass nichtlineare Eigenschaften einer Photodiode als Modell in Form einer Look-up Tabelle gespeichert werden können.
• Aufgabe der Erfindung ist es, 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, das eine Lichtlaufzeit aus einer Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnt, und das mit mindestens zwei Modulationsfrequenzen betreibbar ist, mit den Schritten:
• a) Aussendung und Empfang von Lichtsignalen mit einer ersten und zweiten Modulationsfrequenz,
• b) Ermittlung eines ersten und zweiten Entfernungswerts für die mit einer ersten und zweiten Modulationsfrequenz ausgesendeten und empfangenen Lichtsignale,
• b) Berechnung einer Differenz aus den im Schritt b) ermittelten Entfernungswerten,
• c) Ermittlung einer Distanz ausgehend von der berechneten Differenz und mindestens einem der ermittelten Entfernungswerte.
• Ferner ist es vorgesehen, in einer Wertetabelle für die mindestens zwei Modulationsfrequenzen Differenzen von möglichen Entfernungswerten zu hinterlegen und Kennwerten zuzuordnen und die Distanz ausgehend von dem ermittelten Kennwert und mindestens einem der ermittelten Entfernungswerte zu berechnen.
• Vorteilhaft ist als Vorrichtung ein Lichtlaufzeitkamerasystem, das eine Lichtlaufzeit aus einer Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnt, vorgesehen, mit einem Modulator, der mit einer Beleuchtung und einem Empfänger des Lichtlaufzeitkamerasystems verbunden ist, wobei Beleuchtung und Empfänger mit mindestens zwei Modulationsfrequenzen betreibbar sind. Und mit einer Auswerteeinheit, die dem Empfänger zugeordnet und derart ausgestaltet ist, dass Entfernungswerte für mindestens zwei Modulationsfrequenzen ermittelt werden, wobei in einem Wertespeicher für mindestens zwei Modulationsfrequenzpaarungen mögliche Differenzen von Entfernungswerten gespeichert und mit Kennwerten verknüpft sind. Wobei die Auswerteeinheit ferner derart ausgestaltet ist, dass ausgehend von einem der Entfernungswerte und dem aus dem Wertespeicher ermittelten Kennwert eine Entfernung bestimmt wird.
• Dieses Vorgehen hat insgesamt den Vorteil, dass für einen Entfernungsbereich der größer ist als die Wellenlängen der einzelnen Modulationsfrequenzen, durch eine geeignete Hinterlegung von Kennwerten eine Objektentfernung bzw. Distanz ohne größeren Rechenaufwand schnell ermittelt werden kann.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 schematisch das grundlegende Prinzip der Photomischdetektion,
• 2 eine modulierte Integration der erzeugten Ladungsträger,
• 3 eine Distanzmessung mit einer Wellenlänge,
• 4 eine Distanzmessung mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen,
• 5 einen Verlauf der Phasenverschiebungen abhängig vom Abstand,
• 6 einen Verlauf der Distanzwerte abhängig vom Abstand,
• 7 einen Verlauf der Differenz der Distanzwerte gemäß 6,
• 8 einen Verlauf der Distanzwerte mit Wellenlängen von 5 und 7 m,
• 9 einen Verlauf von Entfernungswerten analog dem Verlauf gemäß 6,
• 10 einen Verlauf der Differenz der Distanzwerte gemäß 9.
• 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 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 weiden 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 Phaselage 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.
• 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 Frequenzbreichen 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 der Differenz Δq 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.
• Zur genaueren Phasenbestimmung und zur Abdeckung des vollen 360°-Winkelbereiches wird vorzugsweise eine zweite Messung mit einem um 90° verschobenen Modulationssignal durchgeführt. Hierbei wird entweder der Sensor oder die Beleuchtung um diesen Winkel in der Phase verschoben.
• Der Phasenwinkel lässt sich dann in bekannter Weise über eine arctan-Funktion bzw. arctan2-Funktion bestimmen: φ = arctan Δq(90°) / Δq(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 Δq(90°) – Δq(270°) / Δ(0°) – Δq(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 = Δφ(t_L) λ / 2π· 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.
• 3 zeigt ein Beispiel, bei dem das Objekt 40 einen Abstand d vom Sender 10 von d = 2λ + R / 2 aufweist, wobei selbstverständlich die bis zum Empfänger 20 zurückgelegte gesamte Wegstrecke doppelt so groß ist, nämlich D = 2d = 4λ + R
• Zur Erhöhung des Eindeutigkeitsbereichs ist es, wie in 4 schematisch dargestellt, vorgesehen, mit mindestens zwei Modulationsfrequenzen respektive Modulationswellenlängen eine Objektabstand d zu bestimmen. Der Einfachheit halber ist in 4 die Gesamtstrecke D zwischen Sender 10 und Empfänger 20 dargestellt. Innerhalb des gemeinsamen Eindeutigkeitsbereichs der beiden Wellenlängen λ₁, λ₂, der typischerweise durch das kleinste gemeinsame Vielfache der Wellenlängen λ₁, λ₂ aufgespannt wird, gilt folgende Distanzgleichung: D = 2d = n₁λ₁ + R₁ = n₂λ₂ + R₂ mit

  

  wobei für die von der Modulationsfrequenz und dem Objektabstand abhängige relative Phasenverschiebung φ_i(f_i, D) gilt:

  
• Die relative Phasenverschiebung φ_i(f_i, D) ist somit ein Maß für das in der Entfernungsmessung verbleibende Reststück R_i. Wird die relative Phasenverschiebung φ_i(f_i, D) in einen Entfernungswert D_i(f_i, D) umgerechnet, entspricht das Reststück R_i genau diesem Entfernungswert D_i mit R_i, D_i·∊[0, λ_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 5 schematisch dargestellt. Die 5 zeigt zwei relative Phasenverschiebung φ_1/2(f_1/2, D) in Abhängigkeit des doppelten Objektabstandes 2d entsprechend der 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 jede 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.
• 6 entspricht der Darstellung gemäß 5 mit dem Unterschied, dass auf der y-Achse die Länge des jeweiligen Reststücks R_i bzw. Entfernungswertes D_i aufgetragen ist. Die Umrechnung ergibt sich einfach, indem der jeweilige Phasenwinkel mit der Wellenlänge des Modulationssignals multipliziert wird:

  
• Im dargestellten Beispiel sind bis zu einer Gesamtweglänge D, die der kleinsten Wellenlänge entspricht, also hier 40 m, beide Entfernungswerte Di gleich groß. Für größere Weglängen D, die größer sind als die kleineste Wellenlänge, weichen der erste und zweite Entfernungswert D1, D2 voneinander ab. Grundsätzlich könnte auch hier, analog zum obigen Vorgehen, für jedes Entfernungswertepaar D1, D2 eine tatsächliche Distanz in einer Wertetabelle hinterlegt sein.
• Zur Reduzierung der Größe der notwendigen Wertetabellen und Verbesserung der Auswertung ist es erfindungsgemäß jedoch vorgesehen, die Differenzen der Entfernungswertepaare D1, D2 einem Kennwert zuzuordnen und in einer Wertetabelle zu hinterlegen.
• In 7 sind die im gemeinsamen Eindeutigkeitsbereich möglichen Differenzen ΔD aufgetragen, wobei der zweite Entfernungswert D2 vom ersten D1 abgezogen wird. Aus den Differenzen ΔD können die beispielsweise Distanzintervalle, Zyklen z_i und Durchläufe n_i = z_i – 1 bzw. Multiplikatoren n_i hergeleitet werden:

  Differenz ΔD	Intervall D	Zyklus z1 für λ1	Multiplikator n1 für λ1	Zyklus z2 für λ2	Multiplikator n2 für λ2
  0	[0, 40]	1	0	1	0
  –40	[40, 60]	2	1	1	0
  +20	[60, 80]	2	1	2	1
  –20	[80, 120]	3	2	2	1

• Ausgehend von der ermittelten Differenz lässt sich somit die tatsächliche Distanz wie folgt bestimmen: D = 2d = n₁λ₁ + D₁ = n₂λ₂ + D₂
• Für die Entfernungsbestimmung ist es grundsätzlich unerheblich, ob von der ersten oder zweiten Modulationsfrequenz ausgegangen wird. Wenn beide Modulationsfrequenzen ausgewertet werden, ergibt sich die Möglichkeit, beide Ergebnisse miteinander zu vergleichen, und erlaubt es so, ggf. fehlerhafte Messungen zu erkennen. Ferner ist es unerheblich, ob die Entfernungswerte auf die Gesamtwegstrecke D oder auf die Objektdistanz d bezogen sind, da sich beide Werte nur um einen linearen Faktor unterscheiden.
• Ist der Objektabstand d beispielsweise kleiner als 20 m und somit die Gesamtwegstrecke D kleiner als 40 m, liegt die Phasenverschiebung noch innerhalb des ersten Zyklus der kleineren Wellenlänge λ₁ und der Multiplikator n₁ ist Null. D = 2d = 0·40 m + D₁
• In einem weiteren Beispiel sei angenommen, dass in einer Messung für die erste Modulationsfrequenz ein erster Entfernungswert von D1 = 20 m und für die zweite Modulationsfrequenz ein zweiter Entfernungswert von D2 = 40 m ermittelt wurde. Die Differenz beträgt ΔD = –20. Aus der Wertetabelle ergibt sich ein Multiplikator n₁ = 2 für die erste Wellenlänge und ein Multiplikator n₂ = 1 für die zweite Wellenlänge. Hieraus bestimmt sich die tatsächliche Distanz wie folgt: D = 2d = 2·40 m + 20 = 1·60 m + 40 m = 100 m
• Selbstverständlich kann statt einem Multiplikator n auch eine andere für die nachfolgenden Rechnungen sinnvolle Größe hinterlegt werden. Beispielsweise ist es auch denkbar als Kennwert einen Summanden s_i zu hinterlegen.

  Differenz ΔD	Intervall D	Zyklus z1 für λ1	Summand s1 für λ1 = 40 m	Zyklus z2 für λ2	Summand s2 für λ2 = 60 m
  0	[0, 40]	1	0 m	1	0 m
  –40	[40, 60]	2	40 m	1	0 m
  +20	[60, 80]	2	40 m	2	60 m
  –20	[80, 120]	3	80 m	2	60 m

• Mit: D = 2d = s₁ + D₁ = s₂ + D₂
• Somit verkürzt sich das obige Beispiel auf: D = 2d = 80 m + 20 = 60 m + 40 m = 100 m
• Selbstverständlich ist es auch denkbar, weitere Kennwerte in der Tabelle zu hinterlegen, die in einer nachfolgenden Rechnung hilfreich sein könnten.
• Auch ist es denkbar, die Messungen und Umrechnungen mit eigenen angepassten Größen durchzuführen. Beispielsweise könnte der gemessene Phasenwinkel φ auf einem Auflösungswert res normiert sein. Bei einer Auflösung von beispielsweise 8 bit könnte dann die Quantisierung des Phasenwinkels, wie in 8 dargestellt, von 0 bis 255 laufen.
• Analog zum Vorgehen gemäß 6 würden dann, quasi zum Ausgleich der Steigungen, die jeweiligen Auflösungswerte res_i mit der zugehörigen Wellenlänge λi des Modulationssignals multipliziert werden. y_i = res_i·λ_i
• Der Wert y_i stellt somit auch einen Entfernungswert dar. In 9 sind diese Entfernungswerte und in 10 deren Differenzen dargestellt. Die Differenzen können wie zuvor dargestellt in Tabellen gelistet und mit Kennwerten verknüpft werden. Im Ergebnis gibt es keinen Unterschied welche Größeneinheiten für die Berechnung verwendet werden.
• Da Messergebnisse einem typischen, messtechnischen Rauschen unterliegen, ist es ferner vorgesehen, die Differenzen ΔD mit einer Messtoleranz Δtol zu versehen. Die maximale Toleranz entspricht der Hälfte des minimalen Abstands zwischen den Differenzen. Δtol = 1 / 2|ΔD_min|
• Im vorliegenden Beispiel beträgt der Abstand zwischen den Differenz minimal 20 m, so dass eine ermittelte Differenz eine in der Wertetabelle hinterlegten Differenz zugeordnet wird, wenn die ermittelte Differenz von der hinterlegten Differenz um weniger als +/–10 m abweicht. Δtol = 1 / 2|20| = ±10
• Vorteilhaft kann es vorgesehen sein, die tolerierten Abweichungen und/oder Differenz-Intervalle auch in der Wertetabelle abzulegen. Für eine Toleranz von Δtol +/– 10 m beispielsweise wie folgt:

  Differenz ΔD	Differenzintervall ΔD +/– Δtol	Intervall D	Summand s1 für λ1 = 40 m	Summand s2 für λ2 = 60 m
  0	]–10, 10]	[0, 40]	0 m	0 m
  –40	[–50, –30]	[40, 60]	40 m	0 m
  +20	]10, 30]	[60, 80]	40 m	60 m
  –20	]–30, –10]	[80, 120]	80 m	60 m

• Auch kann es vorgesehen sein für unterschiedliche Entfernungsbereiche unterschiedliche Toleranzen, insbesondere engere Toleranzen, vorzusehen. Beispielsweise könnten die Toleranzen im Nahbereich enger gefasst werden als im Fernbereich.
• Im dargestellten Beispiel sind die Toleranzen maximal gewählt, so dass alle ermittelbaren Differenzen einem Entfernungsintervall zugeordnet werden können. Werden Toleranzen enger gefasst, entstehen Intervall-Lücken. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass beispielsweise Fehlmessungen aufgrund einer zu großen Abweichung erkannt und verworfen werden können.
• Für Distanzwerte D1, D2, die nur ein geringes Rauschen aufweisen, reicht es häufig aus, die ermittelte Differenz auf den nächsten ganzzahligen Wert zu runden und direkt mit der hinterlegten Differenz zu vergleichen.
• Bezugszeichenliste

10

Beleuchtungsmodul

12

Beleuchtung

22

Lichtlaufzeitsensor

27

Auswerteeinheit

30

Modulator

35

Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber

38

Modulationssteuergerät

Δφ(t_L)

laufzeitbedingte Phasenverschiebung

φ_var

Phasenlage

φ₀

Basisphase

M₀

Modulationssignal

p1

erste Phase

p2

zweite Phase

Sp1

Sendesignal mit erster Phase

Sp2

Empfangssignal mit zweiter Phase

λ

Wellenlänge

D

Gesamtweglänge

D_ij

ermittelte Entfernungswerte

d

Objektdistanz, Distanz

d_ij

ermittelte Entfernungswerte

Claims (4)

1. Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems, das eine Lichtlaufzeit aus einer Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnt, und das mit mindestens zwei Modulationsfrequenzen (f₁, f₂) betreibbar ist, mit den Schritten: a) Aussendung und Empfang von Lichtsignalen (Sp1, Sp2) mit einer ersten und zweiten Modulationsfrequenz, b) Ermittlung eines ersten und zweiten Entfernungswerts (d1, d2, D1, D2) für die mit der ersten und zweiten Modulationsfrequenz (f₁, f₂) ausgesendeten und empfangenen Lichtsignale (Sp1, Sp2), gekennzeichnet durch die Schritte: c) Berechnung einer Differenz (Δd) aus den im Schritt b) ermittelten Entfernungswerten (d1, d2, D1, D2), d) Ermittlung einer Distanz (d) ausgehend von der berechneten Differenz (Δd) und mindestens einem der ermittelten Entfernungswerte (d1, d2, D1, D2).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in einer Wertetabelle für die mindestens zwei Modulationsfrequenzen (f₁, f₂) Differenzen (Δd) von möglichen Entfernungswerten (d1, d2, D1, D2) hinterlegt und Kennwerten (z_i, n_i, s_i) zugeordnet sind, und die Distanz (d) ausgehend von dem ermittelten Kennwert (z_i, n_i, s_i) und mindestens einem der ermittelten Entfernungswerte (d1, d2, D1, D2) berechnet wird.
3. Lichtlaufzeitkamerasystem (1), das eine Lichtlaufzeit aus einer Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnt, mit einem Modulator (30), der mit einer Beleuchtung (10) und einem Empfänger (20) des Lichtlaufzeitkamerasystems (1) verbunden ist, wobei Beleuchtung (10) und Empfänger (20) mit mindestens zwei Modulationsfrequenzen (f₁, f₂) betreibbar sind, und mit einer Auswerteeinheit (27), die dem Empfänger (20) zugeordnet und derart ausgestaltet ist, dass Entfernungswerte (d1, d2, D1, D2) für mindestens zwei Modulationsfrequenzen und ermittelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Wertespeicher für mindestens zwei Modulationsfrequenzpaarungen (f1, f2) mögliche Differenzen (Δd) der Entfernungswerte (d1, d2, D1, D2) gespeichert und mit Kennwerten (z_i, n_i, s_i) verknüpft sind, und dass die Auswerteeinheit (27) derart ausgestaltet ist, dass ausgehend von mindestens einem der Entfernungswerte (d1, d2, D1, D2) und dem aus dem Wertespeicher ermittelten Kennwert (z_i, n_i, s_i) eine Entfernung bestimmt wird.
4. Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 3, bei dem die Auswerteeinheit (27) zur Durchführung eines der Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 oder 2 ausgebildet ist.

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