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Beleuchtungsvorrichtung und Verfahren zur Versorgung
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Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsvorrichtung für eine 3D-Kamera und ein Verfahren zur Versorgung einer Beleuchtungsvorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 beziehungsweise 11.
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Im Gegensatz zu einer herkömmlichen Kamera nimmt eine 3D-Kamera auch eine Tiefeninformation auf und erzeugt somit dreidimensionale Bilddaten mit Abstands- oder Entfernungswerten für die einzelnen Pixel des 3D-Bildes, das auch als Entfernungsbild oder Tiefenkarte bezeichnet wird. Die zusätzliche Entfernungsdimension lässt sich in einer Vielzahl von Anwendungen nutzen, um mehr Informationen über Objekte in der von der Kamera erfassten Szenerie zu gewinnen und so verschiedene Aufgaben im Bereich der Industriesensorik zu lösen.
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In der Automatisierungstechnik können anhand dreidimensionaler Bildinformationen Objekte erfasst und klassifiziert werden, um weitere automatische Bearbeitungsschritte davon abhängig zu machen, welche Objekte vorzugsweise einschließlich ihrer Position und Orientierung erkannt wurden. Damit kann beispielsweise die Steuerung von Robotern oder verschiedenartigen Aktoren an einem Förderband unterstützt werden.
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In mobilen Anwendungen, seien es Fahrzeuge mit Fahrer wie PKW, LKW, Arbeitsmaschinen oder Gabelstapler oder führerlose Fahrzeuge wie AGVs (Automated Guided Vehicle) oder Flurförderzeuge, soll die Umgebung und insbesondere ein geplanter Fahrweg möglichst vollständig und dreidimensional erfasst werden. Damit soll die autonome Navigation ermöglicht oder ein Fahrer unterstützt werden, um unter anderem Hindernisse zu erkennen, Kollisionen zu vermeiden oder das Be- und Entladen von Transportgütern einschließlich Kartons, Paletten, Containern oder Anhängern zu erleichtern.
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Zur Ermittlung der Tiefeninformationen sind verschiedene Verfahren bekannt, wie Lichtlaufzeitmessungen oder Stereoskopie. Bei einer Lichtlaufzeitmessung (3D-TOF-Kamera, time of flight) wird eine Szene mit amplitudenmoduliertem Licht ausgeleuchtet. Die Kamera misst für jeden Bildpunkt die Laufzeit des reflektierten Lichtes. In einem Pulsverfahren werden dafür Lichtpulse ausgesandt und die Dauer zwischen Sende- und Empfangszeitpunkt gemessen. In einem Phasenmessverfahren erfolgt eine periodische Amplitudenmodulation und Messung des Phasenversatzes zwischen Sende- und Empfangslicht.
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Stereoskopieverfahren sind dem räumlichen Sehen mit zwei Augen angelehnt und suchen in zwei aus unterschiedlicher Perspektive aufgenommenen Bildern einander zugeordnete Bildelemente, aus deren Disparität in Kenntnis der optischen Parameter der Stereokamera die Entfernung durch Triangulation geschätzt wird. Stereosysteme können passiv, also allein mit dem Umgebungslicht arbeiten, oder eine eigene Beleuchtung aufweisen, die vorzugsweise ein Beleuchtungsmuster erzeugt, um die Entfernungsschätzung auch in strukturlosen Szenerien zu ermöglichen. In einem weiteren 3D-Bildgebungsverfahren, das beispielsweise aus der
US 7 433 024 bekannt ist, wird ein Beleuchtungsmuster von nur einer Kamera aufgenommen und die Entfernung durch Musterauswertung geschätzt („structured light camera“).
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Die Beleuchtung spielt für eine genaue Erfassung von Entfernungen eine wichtige Rolle. Durch sie wird die ganze Szene ausgeleuchtet. Besonders bei einem Lichtlaufzeitverfahren hängt die Messgenauigkeit über den gesamten Messbereich entscheidend von der Beleuchtung ab, die deshalb eine sehr hohe optische Leistung bereitstellen muss. Bei einem Pulsverfahren konzentriert sich diese Leistung auf kurze Pulsdauern im Bereich von Nanosekunden. Aber auch in einem Phasenmessverfahren sind die einzelnen Schwingungen nur wenige Nanosekunden lang, und die Belichtungszeit ist auf jeweils wenige Millisekunden begrenzt. In einer nachfolgenden Pause bis zur nächsten Aufnahme wird die Messung ausgewertet.
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In den kurzen Belichtungszeiten müssen sehr hohe Schaltströme unter Umständen von mehreren Ampere bereitgestellt werden. Deshalb sind an die Stromversorgung der Beleuchtung und damit einer Kamera, in welche die Beleuchtung integriert ist, recht hohe Anforderungen gestellt.
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Im Stand der Technik für 3D-TOF-Kameras wird versucht, dies über ein einstufiges Schaltreglerkonzept zu lösen. Dabei werden während der Belichtungszeit hohe Pulsströme beispielsweise von 4–5 Ampere aus der externen Versorgung gezogen. Dies bedarf entsprechend großer externer Netzteile. Das hat aber eine Reihe von Nachteilen. Viele Anlagen, in denen eine Kamera installiert werden soll, verfügen nicht über entsprechende Netzteile, und die Nachrüstung ist aufwändig und oft nicht möglich. Die Schutzeinrichtungen, also Sicherungen, EMV-Schutzelemente wie Suppressor-Dioden, Varistoren, Ferrite und dergleichen, müssen ebenfalls für diese großen Pulsströme dimensioniert werden. Außerdem soll oft auch noch der Eingangsspannungsbereich möglichst variabel bleiben, etwa bei mobiler Anwendung der Kamera an einem Stapler zwischen 10V–30V liegen. Kleine Eingangsspannungen am unteren Ende der Skala müssen durch noch größere Pulsströme kompensiert werden, um die Beleuchtungsleistung konstant zu halten. Damit wird das Problem noch verschärft und damit in vielen Fällen erst recht mit der herkömmlichen Herangehensweise unlösbar.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Versorgung einer Beleuchtungsvorrichtung für eine 3D-Kamera zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Beleuchtungsvorrichtung für eine 3D-Kamera und ein Verfahren zur Versorgung einer Beleuchtungsvorrichtung nach Anspruch 1 beziehungsweise 11 gelöst. Die Beleuchtungsvorrichtung beleuchtet eine Szenerie während einer Belichtungszeit mit einer Lichtquelle. Dazu weist sie einen ersten Schaltwandler auf, welcher eine Lichtquelle mit einem geregelten Pulsstrom versorgt. Der Begriff Pulsstrom ist dabei allgemein zu verstehen und umfasst neben einer Beleuchtung mit einem sehr kurzen Puls auch Belichtungszeitfenster für ein Phasenverfahren, in dem beispielsweise über einige Millisekunden ein amplitudenmoduliertes Lichtsignal ausgesandt wird. Auf die Belichtungszeit folgt dann jeweils eine Pause.
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Die Erfindung geht nun von dem Grundgedanken aus, den Pulsstrom nicht direkt aus der externen Versorgung zu ziehen. Dafür ist ein zweiter Schaltwandler mit einer Kondensatorbank vorgesehen. Der erste Schaltwandler wird von der Kondensatorbank versorgt, die wiederum von dem zweiten Schaltwandler mit einem geregelten Ladestrom aufgeladen wird. Der Ladestrom ist dabei vorzugsweise deutlich geringer als der Pulsstrom, denn das Aufladen ist nicht an die Belichtungszeit gebunden, sondern kann über die regelmäßig deutlich längere Pause gestreckt werden.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass nur ein deutlich geringerer Eingangsstrom (Peakstrom) aus der externen Versorgung der Beleuchtungsvorrichtung benötigt wird. Dieser kann um einen Faktor 3–4, je nach Pausendauer zwischen zwei Belichtungen zum Aufladen der Kondensatorbank auch um einen noch größeren Faktor reduziert und vorzugsweise auch nahezu konstant gehalten werden. Der Pulsstrom hängt nicht von der externen Versorgung, sondern von der Kondensatorbank ab. Die beiden Schaltwandler arbeiten weitgehend unabhängig voneinander. Deshalb genügt auch ein deutlich kleineres Netzteil. Dabei kann ein sehr hoher Wirkungsgrad von 90% und mehr realisiert und so eine Überhitzung vermieden werden. Die Ströme sind geregelt, Schwankungen der Betriebsspannung wirken sich auf die Beleuchtung nicht aus Die Beleuchtungsvorrichtung oder eine Kamera mit der Beleuchtungsvorrichtung ist problemlos nachrüstbar, da kein großes Netzteil benötigt wird. Sicherungen und EMV-Schutzelemente können entsprechend dem geringeren Peakstrom kleiner dimensioniert werden. Zugleich ist ein großer Eingangsspannungsbereich bedienbar, denn die Beleuchtungsvorrichtung kommt auch mit kleinen Eingangsspannungen zurecht. Die Kondensatorbank entkoppelt auch die für die Lichtquelle bereitgestellte Spannung von der Eingangsspannung. Die Beleuchtungsvorrichtung ist zuverlässig gegenüber einem großen Temperaturbereich und langlebig, wobei 7–10 Jahre bei industriellen Sensoren durchaus üblich sind.
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Der erste Schaltwandler ist bevorzugt nur während der Belichtungszeit aktiv. Der erste Schaltwandler liefert also Pulsströme gerade für die Dauer, über welche die Lichtquelle die Szenerie beleuchtet. In den Belichtungspausen besteht kein Bedarf an einem Pulsstrom.
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Der zweite Schaltwandler weist bevorzugt eine Spannungsüberwachung auf, mittels derer die Kondensatorbank mit dem Ladestrom geladen wird, wenn ihre Spannung unter einen Sollwert sinkt. So sorgt der zweite Schaltwandler dafür, dass die Kondensatorbank stets ausreichend geladen bleibt oder wird. Dabei bleibt der Ladestrom vorzugsweise in einem unkritischen Bereich deutlich schwächer als der Pulsstrom. Der Ladestrom kann auch konstant auf dem höchsten als unkritisch angesehenen Pegel gehalten werden, um für stabile Verhältnisse zu sorgen und die Aufladezeit zu begrenzen. Das Aufladen ist weitgehend asynchron zu den Belichtungszeiten, außer dass natürlich in aller Regel die Beleuchtung der Grund dafür ist, wenn die Spannung unter den Sollwert sinkt.
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Der erste Schaltwandler ist vorzugsweise als Abwärtsregler (Buck converter) ausgebildet. So wird die Lichtquelle mit hohem Wirkungsgrad aus der Kondensatorbank versorgt, und es ist möglich, die Kondensatorbank auf einer Spannung oberhalb der Arbeitsspannung der Lichtquelle zu halten. Alternativ kann der erste Schaltwandler auch als SEPIC-Regler (single ended primary inductance converter) ausgebildet sein. In manchen Fällen, beispielsweise während der Kalibrierung der Kamera, ist eine besonders lange Belichtungszeit von mehreren Millisekunden erforderlich. In diesem Fall reicht die Energie der Kondensatorbank nicht mehr aus. Die Spannung am ersten Schaltwandler sinkt ab, und zwar möglicherweise bis auf das Niveau der Eingangsspannung. In diesem Fall würde der Abwärtsregler nicht mehr arbeiten, und die Beleuchtung geht aus. Dies wird durch den SEPIC-Modus verhindert. Die Folge ist, dass der Pulsstrom wieder ansteigt.
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Der zweite Schaltwandler ist bevorzugt als Aufwärtsregler (Boost converter) ausgebildet. Die Kondensatorbank wird auf diese Weise auf eine Spannung oberhalb der Eingangsspannung gebracht. Eine derartige erhöhte Zwischenkreisspannung ist vorteilhaft, denn wegen der quadratischen Abhängigkeit der in einem Kondensator gespeicherten Energie von der Spannung genügt so eine vergleichsweise kleinere Gesamtkapazität der Kondensatorbank. Der Aufwärtsregler des zweiten Schaltwandlers, insbesondere in Verbindung mit einem Abwärtsregler des ersten Schaltwandlers, hat außerdem einen besonders hohen Wirkungsgrad.
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Die Kondensatorbank weist bevorzugt eine Vielzahl parallel geschalteter Keramikkondensatoren auf. Die Kondensatorbank benötigt zum Bereitstellen der Beleuchtungsenergie eine für integrierte Systeme ungewöhnlich hohe Gesamtkapazität und damit eine sehr hohe Zahl von Einzelkondensatoren, die entsprechend platzaufwändig ist. Zunächst würde man daher kompakte Elektrolytkondensatoren einsetzen. Allerdings ist deren Lebensdauer begrenzt, und sie sind nicht ausreichend temperaturstabil. Deshalb wird in dieser Ausführungsform einer geschickten integrierten Anordnung von Keramikkondensatoren der Vorzug gegeben.
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Die Beleuchtungsvorrichtung weist bevorzugt einen Vorwiderstand und einen Schalter auf, um wahlweise die Kondensatorbank über den Vorwiderstand oder über den zweiten Schaltwandler aufzuladen. So wird die Kondensatorbank zunächst über den Vorwiderstand bis auf die Versorgungsspannung geladen, und erst dann wird der zweite Schaltwandler aktiviert und dabei der Vorwiderstand überbrückt. Ohne Vorwiderstand würde das Aufladen zunächst praktisch im Kurzschluss erfolgen, bis die Versorgungsspannung erreicht ist. Der zweite Schaltwandler kann erst dann sinnvoll arbeiten.
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Die Lichtquelle weist bevorzugt mehrere Hochleistungs-LEDs oder mehrere Laserdioden auf. So wird eine ausreichende Beleuchtungsleistung erzielt. Die Lichtquelle arbeitet vorzugsweise im IR-Bereich.
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In vorteilhafter Weiterbildung ist eine 3D-Kamera mit einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung und einem Bildsensor zur Erzeugung von dreidimensionalen Bilddaten der Szenerie ausgestattet. Dabei muss der Bildsensor die dreidimensionalen Bilddaten nicht originär erzeugen, dies kann auch durch nachgelagerte Berechnung geschehen wie im Falle der Stereoskopie.
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Die 3D-Kamera ist bevorzugt als Lichtlaufzeitkamera (3D-TOF-Lamera) ausgebildet und weist dazu eine Lichtlaufzeiteinheit auf, um die Lichtlaufzeit eines Lichtsignals zu bestimmen, das von der Beleuchtungsvorrichtung ausgesandt, an Objekten in der Szenerie remittiert und in dem Bildsensor erfasst wird. Die 3D-TOF-Kamera arbeitet insbesondere mit einem Phasenverfahren, bei dem auf ein kurzes Belichtungszeitfenster eine Pause folgt, in der die Auswertung vorgenommen werden kann und die zugleich zum Aufladen der Kondensatorbank genutzt wird. Die Auswertung kann zumindest teilweise in den Bildsensor integriert werden. Alternative 3D-Verfahren wie Stereoskopie oder aktive Triangulation (structured light camera) sind möglich. Dabei weist dann die Beleuchtungsvorrichtung ein Mustererzeugungselement, beispielsweise ein DOE, oder ein Array von einzeln schaltbaren Halbleiterdioden zur Erzeugung eines strukturierten Beleuchtungsmusters auf.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf ähnliche Weise weitergebildet werden und zeigt dabei ähnliche Vorteile. Derartige vorteilhafte Merkmale sind beispielhaft, aber nicht abschließend in den sich an die unabhängigen Ansprüche anschließenden Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine schematische Darstellung einer 3D-Kamera mit einer Beleuchtungsvorrichtung;
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2 eine Blockdarstellung eines zweistufigen Schaltwandlers zur Versorgung einer Beleuchtungsvorrichtung;
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3 ein Vergleich des zeitabhängigen Verlaufs von Pulsstrom und Eingangsstrom nach dem Stand der Technik und mit dem erfindungsgemäßen zweistufigen Schaltwandler;
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4 ein Zahlenbeispiel für die relevanten Größen in dem zweistufigen Schaltwandler; und
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5 eine Blockdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines zweistufigen Schaltwandlers mit einem Vorwiderstand.
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1 zeigt in einer Blockdarstellung eine 3D-Kamera 10 zur Aufnahme von dreidimensionalen Bildern oder Tiefenkarten einer Szenerie 12. Diese dreidimensionalen Bilder werden beispielsweise für eine der einleitend genannten Anwendungen weiter ausgewertet.
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In der 3D-Kamera 10 nimmt ein Bildsensor 14 Bilder der Szenerie 12 auf. Der Bildsensor 14 ist ein zeilen- beziehungsweise meist matrixförmiger Aufnahmechip, der ein Pixelbild aufnimmt, beispielsweise ein CCD- oder ein CMOS-Sensor. Dem Bildsensor 14 ist ein Objektiv 16 mit einer abbildenden Optik zugeordnet, welches als Linse dargestellt ist und in der Praxis als jede bekannte Abbildungsoptik realisiert sein kann.
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Die 3D-Kamera 10 weist außerdem eine Beleuchtungsvorrichtung 18 mit einer oder mehreren Lichtquellen 20 auf, die vorzugsweise Hochleistungs-LEDs oder Laserdioden sind. Die Beleuchtungsvorrichtung 18 beleuchtet die Szenerie 12 über eine Sendeoptik 22 während definierter Belichtungszeiten. Für ein Lichtlaufzeitverfahren kann das Sendelicht in seiner Amplitude moduliert werden, beispielsweise um für ein Pulsverfahren einzelne kurze Lichtpulse im Bereich von Nanosekunden oder für ein Phasenverfahren eine periodische Modulation zu erzeugen.
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Die Beleuchtungsvorrichtung 18 bezieht die für die Beleuchtung erforderliche Energie über einen ersten Schaltwandler 24 und einen zweiten Schaltwandler 26 von einem externen Versorgungsanschluss 28. Dieses zweistufige Schaltwandlerkonzept wird weiter unten anhand der 2 bis 4 näher erläutert.
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Mit dem Bildsensor 14 und der Beleuchtungsvorrichtung 18 ist eine kombinierte Steuer- und Auswertungseinheit 30 verbunden. Darüber werden Belichtungszeiten und Modulation der Beleuchtungsvorrichtung 18 vorgegeben und die Bilddaten des Bildsensors 14 ausgewertet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der 3D-Kamera 10 als 3D-TOF-Kamera fungiert die Auswertungseinheit 30 als Lichtlaufzeiteinheit, die in einem Puls- oder Phasenverfahren für jedes Pixel eine Lichtlaufzeit zwischen Aussenden von Sendelicht und Empfang von remittiertem Licht aus der Szenerie 12 und auf diese Weise dreidimensionale Bilder berechnet. Die Lichtlaufzeiteinheit kann alternativ auch zumindest teilweise direkt in den Bildsensor 14 integriert sein, beispielsweise in einem PMD-Chip (Photonmischdetektion).
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Die 3D-Kamera 10 kann auch als Stereokamera ausgebildet sein. In diesem Fall ist ein weiterer Bildsensor samt Objektiv vorgesehen, und die Auswertungseinheit 30 berechnet dreidimensionale Bilddaten mit einem Stereoskopiealgorithmus. Dabei dient die Beleuchtungsvorrichtung 18 vorzugsweise dazu, der Szenerie 12 über ein strukturiertes Beleuchtungsmuster einen künstlichen Kontrast aufzuprägen. In einem weiteren 3D-Verfahren werden nicht wie bei der Stereoskopie zwei Bilder, sondern nur ein Bild und das projizierte Beleuchtungsmuster miteinander korreliert (Projektionsverfahren, structured light camera). Schließlich ist auch denkbar, dass die Beleuchtungsvorrichtung 18 Teil einer einfachen 2D-Kamera ist.
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Über eine Datenschnittstelle 32 kann die 3D-Kamera 10 dreidimensionale Bilder oder andere Messergebnisse ausgeben, beispielsweise Rohbilddaten des Bildsensors 14, aber auch Auswertungsergebnisse wie Objektdaten oder die Identifizierung bestimmter Objekte. Speziell in einer sicherheitstechnischen Anwendung kann das Erkennen eines unzulässigen Eingriffs in Schutzfelder, die virtuell in der Szenerie 12 definiert wurden, zur Ausgabe eines sicherheitsgerichteten Abschaltsignals führen. Dazu ist die Datenschnittstelle 32 dann vorzugsweise als Sicherheitsausgang (OSSD, Output Signal Switching Device) ausgeführt und die 3D-Kamera insgesamt im Sinne einschlägiger Sicherheitsnormen ausfallsicher aufgebaut. Es ist abweichend von der Darstellung denkbar, den Versorgungsanschluss 28 und die Datenschnittstelle als gemeinsamen Anschluss auszubilden.
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In einer Ausführungsform der 3D-Kamera 10 als 3D-TOF-Kamera erfolgt wie erwähnt die Messung mit Hilfe von Einzelpulsen (Pulsverfahren) oder von moduliertem Licht über einen bestimmten Zeitraum, die Belichtungszeit. Bei einem Pulsverfahren mit Pulsen im Nanosekundenbereich ist klar, dass die Beleuchtungsvorrichtung 18 immer nur sehr kurz aktiv ist und dazwischen vergleichsweise lange Pausen liegen. Bei einem Phasenverfahren sind typische beispielhafte Parameter eine Modulationsfrequenz von 20 MHz, eine Belichtungszeit von 1 ms und eine darauffolgende Pause von 7 ms, in der die Bilddaten ausgewertet werden. Daraus ergibt sich ein Tastgrad (duty cycle) von DC = 50%·Tint/(TINT + TPAUSE) = 0,5·1ms/8 ms = 6,25 %.
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Somit benötigt die Beleuchtungsvorrichtung 18 nur vergleichsweise selten und für kurze Zeitintervalle Energie, dann aber bei sehr hohen Strömen von einigen Ampere. Anders ausgedrückt ist der Mittelwert des Beleuchtungsstroms deutlich kleiner als der Peakstrom. Dieser Umstand wird mit den beiden Schaltwandlern 24, 26 für die störungsfreie Versorgung der Beleuchtungsvorrichtung 18 ausgenutzt.
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2 zeigt eine Ausführungsform des zweistufigen Schaltwandlers. Der erste Schaltwandler 24 ist hier als Abwärtsregler (Buck Converter) ausgebildet und zwischen dem zweiten Schaltwandler 26 und der Beleuchtungsvorrichtung 18 angeordnet. Der zweite Schaltwandler 26 ist als Aufwärtsregler (Boost Converter) mit geregeltem Ladestrom und Spannungsüberwachung ausgebildet und mit dem externen Versorgungsanschluss 28 verbunden. Der zweite Schaltwandler 26 weist einen Energiespeicher in Form einer als „Q tank“ bezeichneten Kondensatorbank 34 auf.
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In der Kondensatorbank 34 wird die für die Ausleuchtung der Szenerie 12 während der Belichtungszeit benötigte Energie zwischengespeichert. Dazu muss eine ausreichende Kapazität von beispielsweise 600 µF zur Verfügung stehen, die durch Parallelschaltung einer Vielzahl von Kondensatoren erreicht wird. Eine weitere Anforderung an die Kondensatoren ist ausreichende Spannungsfestigkeit, Temperaturstabilität und Langlebigkeit. Elektrolytkondensatoren haben nur eine begrenzte Lebensdauer von einigen tausend Stunden und können bei hohen Temperaturen austrocknen. Keramikkondensatoren sind zwar sehr temperaturstabil und langlebig, wegen ihrer deutlich kleineren Kapazität auf den ersten Blick jedoch auch nicht geeignet. In der Erfindung ist es gelungen, durch geschickte Anordnung eine Parallelschaltung einer Vielzahl von Keramikkondensatoren mit ausreichender Gesamtkapazität (Multilayer, High Capacity, High Voltage) in die Schaltung zu integrieren und so die Anforderungen an die Lebensdauer und Temperatur zu erfüllen. Prinzipiell kann natürlich die Kondensatorbank 34 durch einen einzigen Kondensator oder wenige Kondensatoren ausreichender Kapazität ersetzt werden.
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Das zweistufige Schaltwandlerkonzept gemäß 2 funktioniert wie folgt. Der erste Schaltwandler 24 versorgt die Lichtquellen 20 der Beleuchtungsvorrichtung 18 während der Belichtungszeit mit einem geregelten, im Mittel konstanten Pulsstrom. Dabei wird der Begriff Pulsstrom auch für den Fall einer Amplitudenmodulation während der Belichtungszeit verwendet. Die erforderliche Energie bezieht der erste Schaltwandler 24 aus der Kondensatorbank 34. Der erste Schaltwandler 24 wird vorzugsweise nur während der Belichtungszeit aktiv.
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In dem zweiten Schaltwandler 26 wird die Spannung VBoost an der Kondensatorbank 34 überwacht, und sobald sie unter einen Sollwert absinkt, wird die Kondensatorbank 34 mit einem geregelten Ladestrom über den externen Versorgungsanschluss 28 aufgeladen. Der Eingangsstrom ist dabei nahezu konstant. Sobald dann die Spannung VBoost ihren Zielwert erreicht hat, wir der Ladestrom abgeschaltet.
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Die Spannung VBoost ist vorzugsweise größer als die Eingangsspannung VIn des externen Versorgungsanschlusses 28. Dadurch wird zum einen der Eingangsspannungsbereich erweitert, die 3D-Kamera 10 wird also flexibler hinsichtlich der externen Versorgung. Außerdem muss für die Belichtung eine große Energie bereitgestellt werden, obwohl die Kapazität der Kondensatorbank 34 technisch bedingt begrenzt bleibt. Die gespeicherte Energie hängt nun aber gemäß W = 1/2CU2 nicht nur von der Kapazität, sondern sogar quadratisch von der Spannung ab. Indem die Spannung VBoost in dem zweiten Schaltwandler 26 deutlich über die Eingangsspannung VIn geboostet wird, kann die Kondensatorbank 34 auf eine technisch machbare Größe reduziert werden.
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3 zeigt in einem Zeitverlauf einen Vergleich der Eingangsströme bei einer herkömmlichen Versorgung (gestrichelte Linie) und bei erfindungsgemäßer Versorgung mit dem zweistufigen Schaltwandlerkonzept (durchgezogene Linie). Im unteren Teil der 3 ist als Bezug der Pulsstrom dargestellt. Während der Belichtungszeiten, wenn also der Pulsstrom benötigt wird und dementsprechend in 3 rechteckartig von Null abweicht, wird herkömmlich ein Peakstrom von mehreren Ampere aus der externen Versorgung gezogen, mit allen einleitend beschriebenen Nachteilen. In den Pausen zwischen zwei Belichtungen sinkt der Eingangsstrom auf Null.
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Erfindungsgemäß wird die Energie mit Beginn der Belichtungszeit aus der Kondensatorbank 34 bezogen. Die entsprechende Aktivität des ersten Schaltwandlers 24 ist unabhängig vom Eingangsstrom, der deshalb zunächst auf Null bleibt. Erst wenn die Spannung VBoost unter den Sollwert gesunken ist, reagiert der zweite Schaltwandler und lädt die Kondensatorbank 34 mit einem geregelten, nahezu konstanten Ladestrom wieder auf. Dieser Vorgang nutzt auch die Pause zwischen zwei Belichtungen. Es gibt wegen des konstanten Verlaufs keinen eigentlichen Peakstrom. Der Eingangsstrom bleibt auf einen Wert von beispielsweise 1 A beschränkt, wobei dieser Wert von dem Verhalten des zweiten Schaltreglers 26 und nicht von dem Pulsstrom der Beleuchtungsvorrichtung 18 abhängt.
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4 zeigt ein Zahlenbeispiel für die verschiedenen relevanten Größen in dem zweistufigen Schaltwandlerkonzept. Dabei wird ein Eingangsspannungsbereich von 16–30 V unterstützt und der Peakstrom des Eingangsstroms auf 1,5 A begrenzt. Der zweite Schaltwandler 26 lädt damit die Kondensatorbank 34 auf eine Spannung VBoost von 34V auf, die dann einen Peakstrom von 3 A für 1ms zur Verfügung stellen kann. Der erste Schaltwandler 24 erzeugt daraus den Pulsstrom für die IR-LED-Kette der Beleuchtungsvorrichtung 18 mit einem Peakstrom von 6 A bei 21 V und einer Modulationsfrequenz von 20 MHz. Dabei wird insgesamt ein sehr hoher Wirkungsgrad von 94% erreicht.
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5 zeigt eine weitere Ausführungsform des zweistufigen Schaltwandlers. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform der 2 durch einen Vorwiderstand 36 des zweiten Schaltwandlers 26 sowie durch einen Schalter 38 zum Überbrücken des Vorwiderstands. Der Schalter 38 ist vorzugsweise ein Schalttransistor.
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Es hat sich nämlich gezeigt, dass der zweite Schaltwandler 26 allein im Einschaltmoment die Kondensatorbank 34 nicht geregelt auf das Spannungsniveau VIn der Eingangsspannung laden kann. Erst für das weitere Aufladen von VIn auf VBoost kann der Schaltwandler 26 seinen normalen geregelten Betrieb aufnehmen. Das initiale Laden der Kondensatorbank auf VIn würde ohne den Vorwiderstand 36 nahezu im Kurzschluss erfolgen. Dabei erreicht der Einschaltpeakstrom mühelos mehr als 20 A und führt zu Lichtbögen beim Einstecken des Versorgungssteckers.
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In dieser Ausführungsform wird ein solcher Einschaltpeakstrom nicht wie in vielen herkömmlichen Lösungen hingenommen, sondern durch den Vorwiderstand 36 begrenzt. Der Vorwiderstand 36 ist so dimensioniert, dass zugleich ein schnelles Aufladen der Kondensatorbank 34 ermöglicht und der Einschaltstrom wirksam begrenzt wird. Sobald die Kondensatorbank 34 über den Vorwiderstand 36 auf VIn aufgeladen ist, wird der Vorwiderstand 36 über den Schalter 38 überbrückt. Anschließend wird der Regler über einen nicht eingezeichneten Schalter freigeschaltet.
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Dank des Vorwiderstands 36 wird eine außergewöhnliche Belastung von Versorgungsnetz, Steckverbinder, Kondensatoren und in der Kette durchflossenen Bauteilen vermieden. Der Lichtbogen bleibt aus, und der Schaltwandler 26 wird bei optimalem Wirkungsgrad betrieben. Zusätzlich kann im Fehlerfall durch das Zuschalten des Vorwiderstands 36 und Öffnen des Schalters 38 die komplette Beleuchtungskette von der Versorgung entkoppelt werden.
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Anstelle eines Boost-Reglers als zweiter Schaltwandler 26 mit Vorwiderstand 36 ist auch ein Regler in SEPIC-Topologie (single ended primary inductance converter) denkbar. Ein solcher Regler kann die Kondensatorbank 34 nach dem Einschalten der Versorgung geregelt aufladen. Allerdings hat diese Topologie einen geringeren Wirkungsgrad.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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