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Die Erfindung betrifft eine Lichtlaufzeitkamera nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Mit Lichtlaufzeitkamera bzw. Lichtlaufzeitkamerasystem 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’ 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.
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Für die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des reflektierten Lichts wird, wie in der
DE 197 04 496 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. Dieses Vorgehen ist insbesondere nützlich zur Gewinnung von redundanten Informationen, um beispielsweise verschiedene parasitäre Effekte wie fixed pattern noise (FPN), Hintergrundlicht oder Asymmetrien des Sensors zu kompensieren.
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Nachteilig der bisherigen 3D-Kameralösungen ist, dass bei einem Einsatz der Kamera an einem Fahrzeug die Auflösung der Kamera für die Erkennung von Fußgängern in einem Nahbereich optimiert ist, wohingegen zur Erkennung von Fahrzeugen in einem Fernbereich eine derartige hohe Auflösung in der Regel nicht notwendig ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lichtlaufzeitkamera für die Objekterkennung in einem Nah- und Fernbereich zu optimieren.
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Die Aufgabe wird vorteilhaft durch die erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamera nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Vorteilhaft ist eine Lichtlaufzeitkamera für ein Fahrzeug vorgesehen, mit einem Lichtlaufzeitsensor bestehend aus einem Array von Lichtlaufzeitpixeln, mit einer Empfangsoptik, die derart ausgestaltet ist, dass mindestens zwei Bereiche des Lichtlaufzeitsensors unterschiedliche Öffnungswinkel pro Pixel aufweisen, wobei die Lichtlaufzeitpixel, die einem Nahbereich zugeordnet sind einen geringeren Öffnungswinkel pro Pixel aufweisen, als die Lichtlaufzeitpixel, die einem Fernbereich zugeordnet sind.
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Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass ein toter Winkel im seitlichen Nahbereich eines Fahrzeugs mit einer hohen Winkelauflösung und dementsprechend geringen Öffnungswinkel auf Objekte und insbesondere Fußgänger überwacht werden kann, während Fahrzeuge in einem Fernbereich mit einer geringeren aber ausreichenden Auflösung überwacht werden können.
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Bevorzugt weist die Empfangsoptik prismatische und/oder kubische Anteile zur Realisierung der unterschiedliche Öffnungswinkel auf. Zur Realisierung der unterschiedlichen Öffnungswinkel können vorteilhaft bereits einfache optische Strukturen eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit der vorgenannten Lichtlaufzeitkamera vorgesehen, bei dem eine Beleuchtung derart ausgebildet ist, dass alle von der Lichtlaufzeitkamera überwachten Bereiche mit einem modulierten Licht versorgbar sind.
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Ferner ist es vorgesehen, das Lichtlaufzeitkamerasystem derart auszugestalten, dass die mit unterschiedlichem Öffnungswinkel überwachten Bereiche auch mit unterschiedlicher Lichtintensität beleuchtet werden und die Lichtintensität in einem Fernbereich größer ist als im Nahbereich.
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Vorteilhaft ist es ferner vorgesehen, ein Fahrzeug mit einer vorgenannten Lichtlaufzeitkamera oder Lichtlaufzeitkamerasystem auszustatten, bei dem am Fahrzeug mindestens eine Lichtlaufzeitkamera für die Überwachung mindestens eines Seitenbereichs angeordnet ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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Es zeigen:
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1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem
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2 eine Anordnung eine Lichtlaufzeitkamera an einem Fahrzeug,
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3 eine Seitenansicht der Anordnung gem. 2,
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4 Lichtlaufzeitsensoren mit verschiedenen Pixelbereichen unterschiedlicher Auflösung
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1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der
DE 197 04 496 bekannt ist.
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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.
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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.
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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 Mo 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 φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet. Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben ∆φ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + ∆φ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal Mo mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
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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.
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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.
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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.
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Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen bzw. Wellenlängenbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.
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In 2 ist eine Anordnung eines Lichtlaufzeitkamerasystems im Seitenbereich eines Fahrzeugs dargestellt. Die Idee der Erfindung ist, die Überwachung insbesondere eines toten Winkels bei Fahrzeugen über eine 3D Kamera, insbesondere Lichtlaufzeitkamera vorzugsweise PMD-Kamera, so zu optimieren, dass sowohl Fußgänger im Nahbereich als auch Fahrzeuge im Fernbereich erfasst werden. Diese Optimierung erfolgt vorzugsweise derart, dass die 3D-Kamera mit unterschiedlichen Winkelauflösungen bzw. Öffnungswinkeln ausgestattet ist. Bevorzugt ist der Öffnungswinkel pro Pixel in dem Nahbereich geringer ist als im Fernbereich. Besonders bevorzugt gehen die Öffnungswinkel bzw. Winkelauflösungen fließend ineinander über, ohne dass sich auf der Sensorfläche scharfe Auflösungsunterschiede zeigen.
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Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass sowohl Fußgänger direkt neben dem Fahrzeug als auch Fahrzeuge in der Nachbarspur detektiert mit werden können.
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Der Kerngedanke der Erfindung besteht in der Nutzung einer 3D-Kamera, bei der ein erster Pixelbereich eines Pixel-Arrays bzw. Lichtlaufzeitsensors mit einer ersten Winkelauflösung a und zweiter Pixelbereich mit einer zweiten Winkelauflösung b betrieben werden, wobei die erste Winkelauflösung a kleiner ist als die zweite b. Vorzugsweise wird der erste Pixelbereich überwiegend für die Personenerkennung und der zweite Pixelbereich überwiegend für die Fahrzeugerkennung genutzt.
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Die Beziehung der Winkelauflösungen a, b kann ebenso über den Öffnungswinkel α, β pro Pixel betrachtet werden. Dem ersten und zweiten Pixelbereich sind somit die Öffnungswinkel α, β mit α < β und Winkelauflösungen a, b mit a > b zugeordnet.
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In 3 ist eine Seitenansicht des Fahrzeugs gezeigt. Zur Erfassung des kompletten Seitenbereichs ist die Lichtlaufzeitkamera nach hinten geneigt angeordnet, wobei die Optik ggf. auch für die Erfassung im Seitenbereich so ausgelegt ist, dass für unterschiedliche Beobachtungsbereiche unterschiedliche optische Auflösungen vorgesehen sind.
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Eine solche 3D-Kamera im Dachbereich eines Fahrzeugs, insbesondere einem Kabinendach eines LKW angeordnet, kann damit auch einen Seitenbereich parallel zur Fahrtrichtung erfassen. Ggf. kann hier auch ein dritter Pixelbereich mit einer eigenen Winkelauflösung für den rückwärtigen Bereich vorgesehen sein.
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In 4 sind beispielhaft drei mögliche Ausführungsvarianten skizziert. 4a zeigt ein Pixel-Array mit zwei Pixelbereichen A, B in denen mit Hilfe einer geeigneten Optik die unterschiedlichen Auflösungen a, b bzw. Öffnungswinkel α, β realisiert werden.
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4b zeigt eine Variante bei der der zweite Pixelbereich B mit beispielsweise einer geringeren Winkelauflösung a L-förmig ausgebildet ist. Durch diese Anordnung ist es beispielsweise möglich, dass die 3D-Kamera beim seitlichen Einbau am Fahrzeug sowohl den seitlichen als auch den hinteren Bereich mit einer geringen und den unmittelbaren Nahbereich, in dem auch der Tote Winkel des Fahrzeugs liegt, mit einer hohen Auflösung zu überwachen.
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4c zeigt eine dritte Variante, bei der ein dritter Pixelbereich C mit einer „Rückbereichsauflösung“ c vorgesehen ist, die sich sowohl von der „Nahbereichsauflösung“ a im ersten Pixelbereich A und von der „Seitenbereichsauflösung“ b im zweiten Pixelbereich B unterscheidet.
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Die Grenzen der Pixelbereiche A, B, C sind in der 4 zwar deutlich abgegrenzt, bevorzugt ist jedoch die Optik so konstruiert, dass der Auflösungsübergang zwischen den Pixelbereichen A, B, C im Wesentlichen fließend erfolgt. Selbstverständlich ist eine Bildverarbeitung und/oder Auswerteeinheit an diese besonderen Gegebenheiten anzupassen. Auch ist es denkbar, noch weitere Bereiche mit unterschiedlichen Auflösungen zur Verfügung zu stellen.
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Eine mögliche optische Umsetzung sieht vor, dass vor dem Objektiv der Mobilkamera ein optischer Körper angebracht wird, der sowohl prismatische als auch kubische Anteile hat. Selbstverständlich kann auch das Objektiv selber für die Auflösungsanpassung optimiert sein, so dass kein zusätzlicher optischer Körper notwendig ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1777747 [0001]
- US 6587186 [0001]
- DE 19704496 [0001, 0002, 0018]
