DE102014206898A1

DE102014206898A1 - Lichtlaufzeitkamera für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102014206898A1
Application number: DE102014206898.3A
Authority: DE
Inventors: Johannes Blocher; Robert Novotni
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2014-04-10
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2034-04-11
Also published as: DE102014206898B4

Abstract

Lichtlaufzeitkamera (20) für ein Fahrzeug, mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) bestehend aus einem Array von Lichtlaufzeitpixeln, mit eine Empfangsoptik (25), die derart ausgestaltet ist, dass mindestens zwei Bereiche des Lichtlaufzeitsensors unterschiedliche Öffnungswinkel (α, β) pro Pixel aufweisen, wobei die Lichtlaufzeitpixel, die einem Nahbereich zugeordnet sind einen größeren Öffnungswinkel (α) pro Pixel aufweisen, als die Lichtlaufzeitpixel, die einem Fernbereich zugeordnet sind.

Description

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.
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.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Lichtlaufzeitkamera vorzugsweise für eine Bedienungsanwendung im Automobilbereich weiter zu entwickeln.
Die Aufgabe wird durch eine Lichtlaufzeitkamera und ein entsprechendes Verfahren der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Vorteilhaft ist eine Lichtlaufzeitkamera für ein Fahrzeug, mit einem Lichtlaufzeitsensor bestehend aus einem Array von Lichtlaufzeitpixeln vorgesehen, bei der eine Empfangsoptik, derart ausgestaltet ist, dass mindestens zwei Bereiche des Lichtlaufzeitsensors unterschiedliche Öffnungswinkel pro Pixel aufweisen, wobei die Lichtlaufzeitpixel, die einem Nahbereich zugeordnet sind einen größeren Öffnungswinkel pro Pixel aufweisen, als die Lichtlaufzeitpixel, die einem Fernbereich zugeordnet sind.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Lichtlauzeitkamera für eine jeweilige Einbaubedingung und/oder Applikation in ihrem Auflösungsverhalten angepasst werden kann.
In einer möglichen Ausführungsform weist die Lichtlaufzeitkamera eine Auswerteeinheit auf, die derart ausgestaltet ist, dass im Nahbereich der Lichtlaufzeitkamera Fuß- und/oder Beinbewegungen als Gesten erfasst und Bediengesten erkannt werden.
Durch dies Ausgestaltung kann die Lichtlaufzeitkamera in ein Öffnungssteuerungssystem eines Fahrzeugs integriert werde, und zwar derart, dass in Abhängigkeit der erfassten Geste ein Bedienwunsch, insbesondere Schließ- oder Öffnungswunsch, erkannt werden kann.
Vorteilhaft ist es auch ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit der vorgenannten Lichtlaufzeitkamera vorgesehen, bei dem eine Beleuchtung derart ausgestaltet ist, dass eine Intensität eines emittierten Lichts im Fernbereich größer ist als im Nahbereich.
Dieses Vorgehen hat insbesondere den Vorteil, dass Lichtenergie bedarfsabhängig für die verschiedenen Beobachtungsregionen zur Verfügung gestellt und im Ergebnis Energie eingespart wird.
Vorteilhaft ist es auch ein Fahrzeug mit der vorgenannten Lichtlaufzeitkamera, dem Lichtlaufzeitkamerasystem oder ein entsprechend ausgestaltetes Öffnungssteuerungssystem auszustatten.
Ebenso vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben dieser Lichtlaufzeitkamera vorgesehen, bei dem im Nahbereich der Lichtlaufzeitkamera Fuß- und/oder Beinbewegungen bzw. -gesten einer Person erkannt und in Abhängigkeit der erkannten Gesten eine Öffnungssteuerung erfolgt.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
Es zeigen:
1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem
2 eine Anordnung eine Lichtlaufzeitkamera an einem Fahrzeug,
3 eine Detailansicht einer Lichtlaufzeitkamera gemäß 2.
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.
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 M₀ 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 Phasenlage 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 M₀ mit dem empfangenen Signal S_p2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.
Der Kerngedanke der Erfindung besteht in der Nutzung einer Lichtlaufzeitkamera, welche im Erfassungsbereich mindestens zwei unterschiedliche Winkelauflösungen aufweist.
In 2 ist eine Anordnung eines Lichtlaufzeitkamerasystems 1 bzw. einer Lichtlaufzeitkamera 20 mit zwei unterschiedlichen Winkelauflösungen gezeigt. Die Lichtlaufzeitkamera ist im dargestellten Fall in einem rückwärtigen Bereich eines Fahrzeugs angeordnet. Vorzugsweise befindet sich die Lichtlaufzeitkamera 20 im Bereich der kennzeichenbeleuchtung. Für einen Nahbereich (nah) ist die Winkelauflösung der Lichtlaufzeitkamera 20 geringer als für einen Fernbereich (fern). Dieses Vorgehen hat insbesondere den Vorteil, das Objekte im Fernbereich aufgrund der höheren Auflösung sicher erkannt werden können, während im Nahbereich aufgrund der geringen Distanz zu den Objekten auch mit einer geringen Winkelauflösung eine gute Ortsauflösung erreichbar ist.
Die Winkelauflösung im Nahbereich ist bevorzugt so eingestellt, dass Beinbewegungen und hier insbesondere Bein- und/oder Fußgesten sicher erkannt werden können.
Vorteilhaft kann eine derart ausgerüstete Lichtlaufzeitkamera für die Öffnung einer Rück- oder Kofferraumklappe verwendet werden, indem bestimmte Bein- oder Fußgesten als Befehl zur Öffnung des Kofferraums erkannt werden.
Selbstverständlich kann diese Gestenerkennung mit einem so genannten „keyless entry system“ kombiniert werden, so dass eine Fuß- und/oder Beingeste nur dann zum Öffnen der Kofferraumklappe führt, wenn eine Berechtigung erkannt wurde.
3 zeigt eine Anordnung der Lichtlaufzeitkamera 20 im Detail. Die Winkelauflösung im Nahbereich (nah) ist gering mit einem großen Öffnungswinkel α pro Pixel, während die Winkelauflösung im Fernbereich (fern) hoch mit einem kleinen Öffnungswinkel β pro Pixel ausgebildet ist.
Die Optik 25 der Lichtlaufzeitkamera 20 ist vorzugsweise als optischer Körper ausgebildet, der sowohl prismatische als auch kubische Anteile hat, die über den Körper so geformt sind, dass sich die gewünschten Öffnungswinkel darstellen lassen. Ferner lassen sich auf vertikale und laterale Öffnungswinkel für den jeweiligen Anwendungsfall optimieren.
Die Lichtlaufzeitkamera 20 ist vorzugsweise so ausgerichtet bzw. die Optik 25 so ausgebildet, dass ein Fahrzeugnahbereich und vorzugsweise auch der Horizont im Fernbereich erfassbar ist. Bervorzugt werden auch noch Winkelbereiche oberhalb des Horizonts erfasst.
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 [0001]
US 6587186 [0001]
DE 19704496 [0001, 0002, 0018]

Claims

Lichtlaufzeitkamera (20) für ein Fahrzeug, mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) bestehend aus einem Array von Lichtlaufzeitpixeln, mit eine Empfangsoptik (25), die derart ausgestaltet ist, dass mindestens zwei Bereiche des Lichtlaufzeitsensors unterschiedliche Öffnungswinkel (α, β) pro Pixel aufweisen, wobei die Lichtlaufzeitpixel, die einem Nahbereich zugeordnet sind einen größeren Öffnungswinkel (α) pro Pixel aufweisen, als die Lichtlaufzeitpixel, die einem Fernbereich zugeordnet sind.
Lichtlaufzeitkamera (20) nach Anspruch 1 mit einer Auswerteeinheit, die derart ausgestaltet ist, dass im Nahbereich der Lichtlaufzeitkamera Fuß- und/oder Beinbewegungen als Gesten erfasst und Bediengesten erkannt werden.
Lichtlaufzeitkamerasystem (1) mit einer Lichtlaufzeitkamera (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Beleuchtung (10) derart ausgestaltet ist, dass eine Intensität eines emittierten Lichts im Fernbereich größer ist als im Nahbereich.
Öffnungssteuerungssystem für ein Fahrzeugs mit einer Lichtlaufzeitkamera (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Fahrzeug mit einer Lichtlaufzeitkamera, einem Lichtlaufzeitkamerasystem oder Öffnungssteuerungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeitkamera (20) nach Anspruch 1, bei dem im Nahbereich der Lichtlaufzeitkamera Fuß- und/oder Beinbewegungen bzw. -gesten einer Person erkannt und in Abhängigkeit der erkannten Gesten eine Öffnungssteuerung erfolgt.