DE102013224937A1 - Lichtlaufzeitkamerasystem - Google Patents

Abstract

Lichtlaufzeitkamerasystem und Verfahren zum Betreiben eines solchen, bei dem über eine Beleuchtung (10) ein moduliertes Lichtsignal ausgesendet und über Pixel eines Lichtlaufzeitsensors (22) Lichtsignale empfangen werden, wobei das empfangene Licht über mehrere Modulationsperioden erfasst wird, wobei in Abhängigkeit einer Korrelation des empfangenen Lichtsignals mit dem Modulationssignal eine Beeinflussung durch ein Aerosol und/oder eine Eigenschaft des Aerosol ermittelt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
• Mit Lichtlaufzeitkamerasystem sind insbesondere Systeme umfasst, 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’ oder 'PMD-Technologies GmbH' als Frame-Grabber O3D bzw. als CamCube 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 Kamera bzw. Kamerasystem auch Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät O1D der Anmelderin.
• Aus der DE 197 04 496 ist ferner die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des von einem Objekt reflektierten Lichts bekannt. Insbesondere wird offenbart, die Sendermodulation gezielt um 90°, 180° oder 270° zu verschieben, um aus diesen vier Phasenmessungen über eine arctan2-Funktion eine Phasenverschiebung und somit eine Entfernung zu bestimmen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, einen Einfluss eines Aerosols auf die Entfernungsmessung zu erfassen.
• Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren und Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst.
• Vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems vorgesehen, bei dem über eine Beleuchtung ein moduliertes Lichtsignal ausgesendet und über Pixel eines Lichtlaufzeitsensors Lichtsignale empfangen werden, wobei das empfangene Licht über mehrere Modulationsperioden erfasst wird, und wobei in Abhängigkeit einer Korrelation des empfangenen Lichtsignals mit dem Modulationssignal eine Beeinflussung durch ein Aerosol und/oder eine Eigenschaft des Aerosol ermittelt wird.
• Dieses Vorgehen hat den besonderen Vorteil, dass mit dem erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitkamerasystem neben der reinen Entfernungsbestimmung auch Umweltfaktoren, wie zum Beispiel Nebel oder andere Aerosole erfasst werden können.
• Besonders nützlich ist es, anhand der Korrelation eine Teilchendichte des Aerosols und/oder eine Sichtweite innerhalb des Aerosols zu bestimmen, um beispielsweise Warnhinweise für den Nutzer oder ggf. auch adäquate automatische Reaktionen einleiten zu können.
• Vorzugsweise werden zur Ermittlung der Aerosoleigenschaften nur die Pixel des Lichtlaufzeitsensors herangezogen, deren Intensitätssignale und/oder Differenzsignale unterhalb eines Schwellenwertes liegen. Liegen die Signale und insbesondere die Differenzsignale eines Pixels unterhalb eines Schwellenwerts, ist i.d.R. davon auszugehen, dass in diesem Bereich kein Objekt liegt bzw. die in diese Richtung liegenden Objekte eine Auswertung der Aerosoldichte nur unwesentliche beeinflussen.
• Ferner ist es hilfreich, wenn anhand der Korrelation nur dann eine Aerosoleigenschaft bestimmt wird, wenn ein auf der Korrelation beruhender Entfernungswert innerhalb eines tolerierten Abstandswerts liegt. Liegt der Abstandswert außerhalb eines solchen tolerierten Abstandsbereich, so ist i.d.R. davon auszugehen, dass die ermittelten Werte nicht ausschließlich auf das Aerosol zurückgehen und noch weitere Einflüsse eine Rolle spielen. Derartige Werte werden dann durch das erfindungsgemäße Vorgehen verworfen.
• Ebenso vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
• 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 zwei zeitliche Verläufe der Ladungsintegration mit unterschiedlichen Phasenlagen,
• 4 Relation der Integration in einem IQ-Diagramm,
• 5 schematisch Reflexionen an Aerosolteilchen,
• 6 eine abstandsabhängige Reflexionsintensität für unterschiedliche Teilchendichten,
• 7 eine Beeinflussung des Empfangssignals durch eine Aerosolteilchendichte
• 8 eine Beeinflussung einer Korrelationsfunktion durch eine Aerosolteilchendichte.
• 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 Lichtlaufzeitpixel, 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 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 ∆φ(t_L) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ₀ + φ_var + ∆φ(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 ein Modulationssteuergerät 38 vorgesehen, mit dem die Form und insbesondere Puls und Pausenverhältnisse des Modulationssignals vorgegeben werden. Auch kann über das Modulationssteuergerät 38 der Phasenschieber 35 in Abhängigkeit der durchzuführenden Messaufgabe angesteuert werden.
• 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 ∆φ(t_L) auf den Lichtlaufzeitsensor 22.
• Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist typischerweise eine erstes und zweites Akkumulationsgate Ga, Gb auf in denen in Abhängigkeit des Potentialverlaufs im lichtempfindlichen Bereichs die photonisch erzeugten Ladungen q abwechselnd über mehrere Modulationsperioden gesammelt werden. Die in der unverschobenen Phasenlage erzeugten Ladungen q werden im ersten Akkumulationsgate Ga und die in der um 180° verschobenen Phasenlage M₀ + 180° im zweiten Akkumulationsgate Gb gesammelt. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung ∆φ(t_L) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.
• 3a und 3b zeigen Verläufe der Ladungsdifferenz ∆q = q_a – q_b/(q_a + q_b) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung ∆φ(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 ∆φ(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 ∆q = 1 anliegt.
• Mit zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Akkumulationsgate Ga ab und am zweiten Akkumulationsgate Gb zu. Bei einer Phasenverschiebung von ∆φ(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.

  
• 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 ∆φ(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- bzw. arctan2-Funktion, bestimmen: φ = arctan ∆q(90°) / ∆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 ∆q(90°) – ∆q(270°) / ∆(0°) – ∆q(180°)
• Neben der reinen Entfernungsbestimmung besteht auch die Möglichkeit anhand der erfassten Signale Eigenschaften von reflektierenden Aerosolen beispielsweise Nebel, Staub etc. zu bestimmen. Insbesondere lassen sich aus den Signalen eine Aerosolteilchendichte und/oder eine Sichtweite ermitteln.
• In 5 ist schematisch eine Rückreflexion eines ausgesendeten Lichtsignals an beispielsweise Nebeltropfen N dargestellt. In Abhängigkeit der Dichte des Nebels befinden sich im Strahlengang des emittierten Lichts eine unterschiedliche Anzahl von Tropfen, an denen Licht reflektiert wird. Jeder Tropfen weist einen bestimmten Reflexionsgrad ρ und Transmissionsgrad τ auf. Die Intensität eines durch ein Aerosol zurückgeworfenen Lichts lässt in erster Näherung beispielsweise wie folgt berechnen:

  

  mit N = Anzahl der Aerosolteilchen in Strahlrichtung, I₀ = Ausgangsintensität, d_n Abstand.
• In 6 sind beispielhaft für unterschiedlich starke Aerosol- bzw. Nebeldichten die Intensitäten I(d_n) des reflektierten Lichts in Abhängigkeit der Entfernung d aufgetragen. Die durchgezogene Linie stellt die Intensitäten bei starken Nebel und somit hoher Tropfendichte und die gestrichelte Linie einen Verlauf für einen schwachen Nebel dar.
• Bei einer starken Nebeldichte befinden sich bereits im Nahbereich der Beleuchtung eine größere Anzahl von Tropfen, an denen das Licht reflektiert wird, so dass die Rückstrahlung durch den Nahbereich dominiert wird.
• Bei schwachem Nebel fällt diese Überhöhung nur noch gering aus, so dass auch Rückstrahlungen aus entfernteren Bereichen zum Signal signifikant beitragen.
• Die Auswirkungen auf das empfangene Modulationssignal S_p2 sind in 7 dargestellt. Bei starkem Nebel (linke Spalte) wird ein relativ großer Signalanteil bereits in einem geringen Abstand d₁ reflektiert. Für größere Entfernungen d₂, d₃ nimmt der Anteil stark ab, so dass im Ergebnis das empfangene Summensignal S_p2 eine steile Anstiegsflanke aufweist.
• Bei schwachem Nebel (rechte Spalte) ist die Amplitude im Nahbereich d₁ relativ gering, so dass auch Anteile aus entfernteren Bereich d₂, d₃ zur Signalformung beitragen. Das empfangene Summensignal S_p2 weist insofern nur eine geringe Amplitude mit einem sehr flachen Flankenanstieg auf.
• Grundsätzlich besteht somit die Möglichkeit, Aerosoleigenschaften insbesondere Teilchendichte bzw. eine Sichtweite anhand der Amplitude und/oder der Flankensteigung des zurückgestrahlten Signals zu bestimmen.
• Bei Verwendung eines PMD-Sensors wird jedoch nicht ein einzelner Empfangsimpuls, sondern das über mehrere Perioden erfasste und demoduliert Signal ausgewertet. Bei der Demodulation bzw. Mischung des Empfangssignals mit dem Sende- bzw. Modulationssignal handelt es sich, wie zuvor beschreiben, grundsätzlich um eine Korrelation.
• Wie in 8 schematisch skizziert, beeinflusst die durch das Aerosol veränderte Signalform auch die resultierende Korrelationsfunktion, insbesondere werden die Amplituden und Steigungen der Korrelationsfunktion beeinflusst. Diese Änderung der Signalform gilt es durch eine geeignete Auswertung quantitativ so zu erfassen, dass sie als direktes Maß für die Sichtweite bzw. Teilchendichte dient. Da im Gegensatz zu einer Entfernungsmessung nicht nur die Phasenlage des empfangenen Signals bestimmt werden muss – i.d.R. reicht dazu wie zuvor beschrieben die Bestimmung der Phasenlage der Grundwelle aus – sondern auch die Verformung erfasst und bewertet werden muss, ist es von Vorteil mehr als vier einzelne Messungen mit unterschiedlicher senderseitiger Verzögerung durchzuführen.
• Da Reflexionen an Objekten deutlich höhere Intensitäten aufweisen als die Reflexionen durch Aerosole, ist es von Vorteil, nur die Blickrichtungen des PMD-Sensors auszuwerten, in denen keine oder keine nennenswerte Objektreflexionen erfasst werden, da für das empfangene Signal sonst beide Effekte, nämlich Laufzeit zum eigentlichen Objekt und Signalverformung durch Schwebeteilchen, überlagert in Erscheinung treten.
• Eine mögliche Auswertemethode zur Unterscheidung ob das Empfangssignal durch ein einzelnes Objekt, oder zahlreiche Reflektionen an Streukörpern / Aerosolen entstanden ist, ist beispielsweise über die Betrachtung des Frequenzspektrums möglich. Während bei einem einzelnen Objekt das Empfangssignal unter Verwendung rechteckförmiger Modulationssignale einem idealen Dreieckverlauf entspricht, zeigen sich mehrfach überlagerte Signale insbesondere in einer Abrundung der Spitzen der Korrelationsfunktion und damit geändertem Frequenzspektrum. Allen Auswertemöglichkeiten gemein ist, dass die Verformung der Korrelationsfunktion gegenüber dem Erwartungswert erfasst und mit der Sichtweite korreliert werden muss.
• Bezugszeichenliste

10

Beleuchtungsmodul

12

Beleuchtung

22

Lichtlaufzeitsensor

27

Auswerteeinheit

30

Modulator

35

Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber

38

Modulationssteuergerät

∆φ(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

Ga, Gb

Akkumulationsgates

ρ

eflexionsgrad

τ

Transmissionsgrad

N

Nebeltropfen, Aerosolteilchen

d_n

Abstand eines Aerosolteilchens

I(d_n)

Erfasste Intensität eines Teilchens mit Abstand d_n

• 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, 0003, 0023]

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystem (1), bei dem über eine Beleuchtung (10) ein moduliertes Lichtsignal ausgesendet und über Pixel eines Lichtlaufzeitsensors (22) Lichtsignale empfangen werden, wobei das empfangene Licht über mehrere Modulationsperioden erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit einer Korrelation des empfangenen Lichtsignals mit dem Modulationssignal eine Beeinflussung durch ein Aerosol und/oder eine Eigenschaft des Aerosol ermittelt wird.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem anhand der Korrelation eine Teilchendichte des Aerosols und/oder eine Sichtweite innerhalb des Aerosols bestimmt werden.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zur Ermittlung der Aerosoleigenschaften nur die Pixel des Lichtlaufzeitsensors (22) herangezogen werden, deren Intensitätssignale unterhalb eines Schwellenwertes liegen.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem anhand der Korrelation nur dann eine Aerosoleigenschaft bestimmt wird, wenn ein auf der Korrelation beruhender Entfernungswert innerhalb eines tolerierten Abstandswerts liegt.
5. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) das zur Durchführung eines vorgenannten Verfahrens ausgebildet ist.

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