DE102013218439A1

DE102013218439A1 - Beleuchtung für eine PMD-Kamera

Info

Publication number: DE102013218439A1
Application number: DE201310218439
Authority: DE
Inventors: Bernd Damhofer; Jan Kubisch
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2014-03-13

Abstract

Beleuchtungsmodul (100) für eine Lichtlaufzeitkamera (200) mit mindestens einer Lichtquelle (12) und einem optischen System (58) zur Lichtführung bestehend aus mindestens einer Optik (50, 55), dadurch gekennzeichnet, dass optische System (58) eine Brennebene außerhalb des Beleuchtungsmoduls (100) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtung für eine PMD-Kamera zum Einbau in einem Kraftfahrzeug.
Aus dem Stand der Technik sind Systeme zur dreidimensionalen Bilderfassung bekannt, welche mit Hilfe einer Beleuchtung insbesondere aktiven Beleuchtungen arbeiten. Dazu gehören so genannte Time-of-flight-(TOF-) oder Laufzeitmesssysteme. Diese verwenden vorzugsweise eine amplitudenmodulierte oder gepulste Beleuchtung, zur Ausleuchtung der zu erfassenden dreidimensionalen Szenerie.
Mit Lichtlaufzeitmesssystem sollen insbesondere auch alle 3D-Kamerasysteme mit umfasst sein, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als 3D-Kamera bzw. PMD-Kamera sind insbesondere so genannte Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in den Anmeldungen DE 196 35 932 , 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 O3D100 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.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beleuchtung für eine PMD-Kamera zu optimieren.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Vorrichtung des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Vorteilhaft ist ein Beleuchtungsmodul für eine Lichtlaufzeitkamera mit mindestens einer Lichtquelle und einem optischen System zur Lichtführung bestehend aus mindestens einer Optik vorgesehen, bei dem das optische System einen Brennpunkt bzw. Brennebene außerhalb des Beleuchtungsmoduls aufweist. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, das Beleuchtungsmodul auch in schwierigen Einbausituationen, in denen Lichtausbreitungen behindert werden, einzusetzen.
Insbesondere weist das optische System eine Strahlformungsoptik und/oder eine Zusatzoptik auf. Die Bereitstellung eines Brennpunktes bzw. einer Brennebene außerhalb des Beleuchtungsmoduls kann somit durch eine der beiden Optiken oder durch beide gemeinsam realisiert werden.
Besonders vorteilhaft ist es, bei einem Beleuchtungsmodul mit mehreren Lichtquellen jede Lichtquelle mit einer Strahlformungsoptik und einer Zusatzoptik auszugestalten.
Ferner kann ein Beleuchtungsmodul mit mehreren Lichtquellen für jede Lichtquellen jeweils eine Strahlformungsoptik vorsehen, wobei die Zusatzoptik derart ausgebildet ist, dass das Licht aller Lichtquellen über die Zusatzoptik gemeinsam geführt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Zusatzoptik als einzelnes Bauelement zur Verfügung gestellt werden kann und somit eine Montage vereinfacht wird.
Besonders vorteilhaft ist die Zusatzoptik als Zylinderlinse oder Fresnellinse ausgebildet.
Besonders nützlich ist es, eine Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Beleuchtungsmodul aufzubauen, bei dem das Beleuchtungsmodul hinter einem Abschattungshindernis derart angeordnet ist, dass das vom Beleuchtungsmodul ausgesendete Licht zwischen Elemente des Abschattungshindernisses geführt und die Lichtführung durch diese Elemente nicht beeinträchtigt wird.
Insbesondere ist es von Vorteil, den Brennpunkt des optischen Systems zwischen den Elemente des Abschattungshindernisses zu legen.
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 Vorderansicht eines Fahrzeugs mit einem Beleuchtungsmodul,
3 schematisch eine Seitenansicht eines Beleuchtungsmoduls in der Nähe eines Kühlergrills,
4 eine Seitenansicht eines Beleuchtungsmoduls mit Zusatzoptik,
5 eine Seitenansicht eines Beleuchtungsmoduls mit mehreren Lichtquellen,
6 eine Seitenansicht eines Beleuchtungsmoduls mit einem Prisma als Zusatzoptik.
1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einem TOF-Kamerasystem, wie es beispielsweise aus der DE 197 04 496 bekannt ist.
Das TOF-Kamerasystem umfasst hier eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 100 mit einer Lichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 50 sowie eine Empfangseinheit bzw. 3D-Kamera 200 mit einer Empfangsoptik 150 und einem Lichtlaufzeitsensor 15. Der Lichtlaufzeitsensor 15 ist vorzugsweise als Pixel-Array, insbesondere als PMD-Sensor, ausgebildet. Die Empfangsoptik besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 50 der Sendeeinheit 100 ist vorzugsweise als Reflektor ausgebildet. Es können jedoch auch diffraktive Elemente oder Kombinationen aus reflektierenden und diffraktiven Elementen eingesetzt werden.
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasendifferenz des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle und der Lichtlaufzeitsensor 15 über einen Modulator 18 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz mit einer ersten Phasenlage a beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal mit der Phase a aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 20 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage b auf den Lichtlaufzeitsensor 15. Im Lichtlaufzeitsensor 15 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators 18 mit dem empfangenen Signal, das mittlerweile eine zweite Phasenlage b angenommen hat, gemischt und aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung ermittelt.
2 zeigt schematisch eine Frontansicht eines Kraftfahrzeuges 300. Im oberen Bereich der Windschutzscheibe ist eine 3D- bzw. PMD-Kamera 200 angeordnet. Im vorderen Bereich der Kraftfahrzeugs 300 ist hinter einem Kühlergrill 310 ein Beleuchtungsmodul 100 angeordnet. Der Strahlkegel des Beleuchtungsmoduls beleuchtet einen Erfassungsbereich B der PMD-Kamera 200.
3 zeigt eine Anordnung eines Beleuchtungsmoduls 100 auf einer Rückseite eines des Kühlergrills 300. Das Licht der Lichtquelle 12 wird über die Strahlformungsoptik 50 zu einem Strahlkegel aufgefächert. In der dargestellten typischen Einbausituation wird das Licht von einigen Elementen 311 des Kühlergrills 300 abgeschattet.
Zur Vermeidung einer solchen Abschattung wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zusätzlich zu der bereits vorhandenen Strahlformungsoptik 50 eine Zusatzoptik 55 dergestalt anzuordnen, dass wie in 4 gezeigt, das von der Lichtquelle 12 ausgestrahlte Licht vorzugsweise in einer Brennebene zwischen den Elementen 311 des Kühlergrills 300 fokussiert wird.
Der Ort der Brennebene kann sowohl durch die Brennweite des optischen Systems vorzugsweise bestehend aus der Strahlformungs- 50 und Zusatzoptik 55 als auch durch die Einbauposition des Beleuchtungsmoduls 100 festgelegt werden.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, das optische System 58 mit nur einer Optik bzw. Linse aufzubauen, wobei diese Optik derart ausgestaltet ist, das sowohl ein gewünschter Strahlkegel als auch eine erfindungsgemäße Brennpunktlage realisiert wird.
Diese gewünschten Eigenschaften könnten dann beispielsweise in der an der Lichtquelle 12 angeordneten Strahlformungsoptik 50 oder in der Zusatzoptik 55 realisiert werden.
Bevorzugt ist das optische System 58 jedoch so aufgebaut, dass die Lichtstrahlen der Lichtquellen 12 über die Strahlformungsoptik 50 zu einem Strahlkegel geformt und über die Zusatzoptik 55 in einem Brennpunkt außerhalb des Beleuchtungsmoduls gebündelt werden. Des gesamte optische System 58 ist selbstverständlich so optimiert, dass sich die Lichtstrahlen nach Durchlaufen des Brennpunkt zum gewünschten Strahlkegel auffächern.
Bei einer Beleuchtung mit mehreren Lichtquellen 12 ist es auch möglich, eine Zusatzoptik 55 gemeinsam für alle Lichtquellen 12 zu verwenden.
In 5 ist beispielhaft eine solche Variante gezeigt, bei der das Licht mehrerer Lichtquellen 12 über eine gemeinsame Zusatzoptik 55, die hier als Zylinderlinse ausgebildet ist, geführt wird.
Auch muss die Brennebene nicht zwingend zwischen den Elementen (311) des Abschattungshindernisses (300) liegen. Die Brennebene liegt vorzugweise jedoch so, dass die Elemente (311) die weitere Strahlführung nicht oder nur im geringen Maße beeinträchtigen.
6 zeigt eine Zusatzoptik 55, die im Wesentlichen als plane Scheibe mit jeweils einem Prisma in zwei Randbereichen ausgebildet ist. Die Prismen sind derart ausgebildet, dass die Randstrahlen nach „innen“ auf eine Kreuzungsebene quasi einer Brennebene vor dem Beleuchtungsmodul gebündelt werden. Die mittleren Lichtstrahlen, die nicht in die prismatische Struktur gelangen, werden im Wesentlichen unverändert weitgeführt. Grundsätzlich könnte somit auf die Scheibe verzichtet werden und die Bündelung der Randlichtstrahlen auch nur durch die Prismen erfolgen. Auch können die Prismen in einer gespiegelten Anordnung positioniert werden.
Darüber hinaus ist es auch denkbar, nur an einer Seite oder auch an mehr als zwei Seiten Prismen anzuordnen, um Randlichtstrahlen von ungünstig positionierten Abschattungshindernissen wegzulenken.
Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Beleuchtungsmodul 100 nicht auf eine Anordnung hinter einem Kühlergrill 300 beschränkt, sondern kann immer dann zum Einsatz gelangen, wenn eine Lichtausbreitung durch Abschattungshindernisse beeinträchtigt ist.
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

DE 19635932 [0003]
EP 1777747 [0003]
US 6587186 [0003]
DE 19704496 [0003, 0021]

Claims

Beleuchtungsmodul (100) für eine Lichtlaufzeitkamera (200) mit mindestens einer Lichtquelle (12) und einem optischen System (58) zur Lichtführung bestehend aus mindestens einer Optik (50, 55), dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (58) eine Brennebene außerhalb des Beleuchtungsmoduls (100) aufweist.
Beleuchtungsmodul (100) nach Anspruch 1, bei dem das optische System (58) eine Strahlformungsoptik (50) und eine Zusatzoptik (55) aufweist.
Beleuchtungsmodul (100) nach Anspruch 2 mit mehreren Lichtquellen (12), bei dem jede Lichtquelle (12) eine Strahlformungsoptik (50) und eine Zusatzoptik (55) aufweist.
Beleuchtungsmodul (100) nach Anspruch 2 mit mehreren Lichtquellen (12), bei dem die Lichtquellen (12) jeweils eine Strahlformungsoptik (50) aufweisen und die Zusatzoptik (55) derart ausgebildet ist, dass das Licht aller Lichtquellen (12) über die Zusatzoptik (55) gemeinsam geführt wird.
Beleuchtungsmodul (100) nach Anspruch 1, bei dem das optische System (58) entweder eine Strahlformungsoptik (50) oder eine Zusatzoptik (55) aufweist.
Beleuchtungsmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, beim dem die Zusatzoptik (55) als Zylinderlinse, Fresnellinse oder Prisma ausgebildet ist.
Anordnung mit einem Beleuchtungsmodul (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Beleuchtungsmodul (100) hinter einem Abschattungshindernis (300) derart angeordnet ist, dass das vom Beleuchtungsmodul (100) ausgesendete Licht zwischen Elemente (311) des Abschattungshindernisses (300) geführt und die Lichtführung durch diese Elemente (311) nicht beeinträchtigt wird.
Anordnung nach Anspruch 7, bei dem der Brennpunkt des optischen Systems (58) zwischen den Elemente (311) des Abschattungshindernisses (300) liegt.