DE102015205826A1 - Entfernungsmesssystem mit Lichtlaufzeitpixelzeile - Google Patents
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Abstract
Entfernungsmesssystem mit einem Lichtlaufzeitsensor umfassend mindestens zwei Pixelzeilen bestehend aus mehreren Lichtlaufzeitpixeln, mit einer Beleuchtung zur Aussendung eines modulierten Lichts, bei der die Lichtlaufzeitpixel in Abhängigkeit der ihnen zugeordneten Entfernungsmessung in ihren Messeigenschaften optimiert sind, wobei über einen Photosensor in Abhängigkeit des vorliegenden Umgebungslichts eine geeignete Pixelzeile ausgewählt wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Entfernungsmesssystem nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
- Das Entfernungsmesssystem betrifft Lichtlaufzeitkamerasysteme, die Laufzeitinformationen bzw. Entfernungen 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 B2 ,US 6 587 186 B2 und auchDE 197 04 496 A1 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. - Aus der
DE 10 2004 037 137 A1 ist bereits eine Vorrichtung zur Entfernungsmessung mit Hilfe von Lichtlaufzeitpixeln bekannt, bei der unter anderem eine Anordnung nach dem Triangulationsprinzip vorgeschlagen wird. Die Lichtlaufzeitpixel sind nebeneinander in wenigstens einer Zeile angeordnet. In Abhängigkeit davon, welches Lichtlaufzeitpixel die vom Objekt reflektierte Strahlung erfasst, lässt sich mit Hilfe einer Triangulationsberechnung der Abstand des Objekts bestimmen. Darüber hinaus lässt sich die Entfernung zusätzlich über die Lichtlaufzeit bzw. Phasenverschiebung des gesendeten und empfangenen Lichts bestimmen. - Aufgabe der Erfindung ist es, die Entfernungsmessung eines Triangulationssystems bestehend aus Lichtlaufzeitpixeln zu verbessern.
- Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Entfernungsmesssystem nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst.
- Vorteilhaft ist ein Entfernungsmesssystem mit einem Lichtlaufzeitsensor umfassend mindestens zwei Pixelzeilen bestehend aus mehreren Lichtlaufzeitpixeln vorgesehen, mit einer Beleuchtung zur Aussendung eines modulierten Lichts, wobei die Beleuchtung derart angeordnet ist, dass ein von der Beleuchtung ausgesendeter modulierter Lichtstrahl bei einer Reflektion an einem Objekt in Abhängigkeit der Entfernung des Objekts unterschiedliche Lichtlaufzeitpixel in der Pixelzeile beleuchtet, und dass eine Auswerteeinheit, ausgehend vom Ort des beleuchteten Lichtlaufzeitpixels und von der durch das Lichtlaufzeitpixel erfassten Phasenverschiebung eine Objektentfernung ermittelt, wobei mindestens zwei Pixelzeilen jeweils für unterschiedliche Intensitäten eines Umgebungslichts ausgebildet sind, und die Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist, dass in Abhängigkeit einer Intensität eines erfassten Umgebungslichts eine für die Umgebungslichtintensität geeignete Pixelzeile für die Entfernungsbestimmung ausgewählt wird.
- Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass für unterschiedliche Umgebungslichtverhältnisse immer eine für diese Lichtverhältnisse geeignete Pixelzeile gefunden werden kann.
- Ferner ist es nützlich, die Intensität des Umgebungslichts anhand eines zusätzlichen Photosensors und/oder anhand der an mindestens einem Lichtlaufzeitpixel erfassten Ladungen bestimmt wird.
- Bevorzugt weisen die Lichtlaufzeitpixel in einer Pixelzeile für geringe Umgebungslichtintensitäten eine größere photoempfindliche Fläche aufweisen als Lichtlaufzeitpixel in einer Pixelzeile für große Umgebungslichtintensitäten.
- Durch dieses Vorgehen wird vorteilhaft erreicht, dass beispielsweise bei starker Fremdlichteinstrahlung die Anzahl der durch dieses Fremdlicht erzeugten photogenerierten Ladungen verringert werden kann. Bei geringem oder nicht vorhandenem Fremdlicht hingegen kann die photoempfindliche Fläche vergrößert werden, um das Nutzlicht maximal einfangen zu können.
- In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, die Lichtlaufzeitpixel in Abhängigkeit der ihnen zugeordneten Entfernungsmessung und eine für das jeweilige Lichtlaufzeitpixel erwartete Objektentfernung in ihren Messeigenschaften zu optimieren.
- Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Messeigenschaften der Lichtlaufzeitpixel im Hinblick auf die zu erwartende entfernungsabhängige Intensität eines von einem Objekt reflektierten Lichts optimiert sind.
- 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 Zeile von Lichtlaufzeitpixeln in Triangulationsanordnung, -
3 eine Abhängig der Distanzstandardabweichung von der Lichtmenge, -
4 eine einzelne Lichtlaufzeitpixelzeile, -
5 eine Zeilenordnung mit einem zusätzlichen Photosensor, -
6 eine Anordnung mit vier Pixelzeilen -
7 eine Triangulationsanordnung mit einer Empfangsoptik. - 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 derDE 197 04 496 bekannt ist. - Das Lichtlaufzeitkamerasystem
1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul10 mit einer Beleuchtung12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera20 mit einer Empfangsoptik25 und einem Lichtlaufzeitsensor22 . - Der Lichtlaufzeitsensor
22 weist mindestens ein Laufzeitpixel21 , vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik15 der Sendeeinheit10 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 Lichtlaufzeitsensor22 über einen Modulator30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal M0 mit einer Basisphasenlage φ0 beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator30 und der Lichtquelle12 ein Phasenschieber35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals M0 der Lichtquelle12 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 Objekt40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + Δφ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor22 . Im Lichtlaufzeitsensor22 wird das Modulationssignal M0 mit dem empfangenen Signal Sp2 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 Wellenlängenbereichen denkbar. -
2 zeigt schematisch eine Triangulations-Anordnung, bei der der Lichtlaufzeitsensor22 aus einer Zeile von Lichtlaufzeitpixeln21 aufgebaut ist. Die Beleuchtung10 sendet einen einzelnen, vorzugsweise wenige μm durchmessenden, modulierten Lichtstrahl aus. Bei einer Reflektion an einem Objekt40a ,40b trifft der Lichtstrahl abhängig von der Objektentfernung d auf ein entsprechendes Lichtlaufzeitpixel21a ,21b . Über den Ort bzw. dem Lichtlaufzeitpixel an dem der Lichtstrahl detektiert wird, lässt sich, wie aus der Triangulation bekannt, eine Entfernung des Objekts40a ,40b bestimmen. Zusätzlich zu der geometrischen Berechnung des Ortes steht über das jeweilige Lichtlaufzeitpixel21 auch die Lichtlaufzeit und somit ein zweiter Entfernungswert zur Verfügung. - Insbesondere in Sicherheitsanwendungen können diese diversitär und redundant gewonnenen Entfernungswerte separat verarbeitet werden, wobei ein Entfernungswert nur dann als gültig ausgegeben wird, wenn die Abweichung der Entfernungswerte innerhalb vorgegebener Toleranzgrenzen liegt. Insbesondere können die Entfernungswerte auch über separate Auswerteeinheiten unabhängig voneinander ausgewertet werden, so dass eine zusätzliche Redundanz in der Auswertungsstrecke vorhanden ist.
- In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, die für unterschiedliche Objektabstände zurückgelegten Lichtwegstrecken und damit verbundene Abnahme der Lichtintensität I des modulierten Lichtstrahls zu berücksichtigen.
- In
7 ist ergänzend eine Triangulationsanordnung gemäß2 mit einer abbildenden Empfangsoptik25 gezeigt. -
3 zeigt schematisch die Abhängigkeit einer elektrischen Größe, insbesondere Ladungsmenge oder Spannung, des Lichtlaufzeitpixels bzw. eines Integrationsknoten von der Lichtmenge. Die Lichtmenge bestimmt sich in bekannter Weise aus dem Lichtstrom und der Bestrahlungsdauer. Proportional zur Lichtmenge werden Ladungsträger im photosensitiven Bereich der Modulationsgates Gam, Gbm des Lichtlaufzeitsensors erzeugt und entsprechend des Modulationssignals phasenkorreliert auf die Integrationsknoten Ga, Gb verteilt. Diese Ladungen können entweder als Spannungssignal bzw. -Amplitude hochohmig an den Integrationsknoten Ga, Gb abgegriffen oder ggf. bei einer Entladung der Integrationsknoten als Strom gemessen werden. Diese elektrischen Größen entsprechen somit dem phasenkorrelierten Lichtstrom bzw. der entsprechenden Lichtmenge. - Der mögliche Dynamikbereich eines Laufzeitpixels erstreckt sich typischerweise über mehrere Größenordnungen. Die Größe des Dynamikbereichs hängt im Wesentlichen von der Fläche der photosensitiven Schicht eines Pixels sowie der Kapazität der Integrationsknoten ab. Die Integrationszeit für den Lichtlaufzeitsensor bzw. einem einzelnen Pixel wird vorzugsweise so festgelegt, dass für den Anwendungsfall der Sensor nicht in die Sättigung gerät.
- Mit abnehmender Lichtmenge bzw. analog mit abnehmender Integrationszeit nimmt jedoch der Spannungshub an den Integrationsknoten Ga, Gb immer mehr ab und bewirkt unter anderem aufgrund des abnehmenden Signal/Rausch-Verhältnisses eine zunehmende Unsicherheit bei der Entfernungsbestimmung, so wie es mit der gestrichelten Kurve der Standardabweichung in
3 dargestellt ist. Um die Standardabweichung der Distanzmessung für ein einzelnes Pixel möglichst gering zu halten, sollte ein Lichtlaufzeitpixel21 bevorzugt im dargestellten Arbeitsbereich arbeiten. - Erfindungsgemäß ist es daher, wie in
3 skizziert, vorgesehen, die Eigenschaften bzw. Parameter PPar der Lichtlaufzeitpixel21 entsprechend der ihnen zugeordneten Objektdistanz d im Hinblick auf einen möglichst geringen Messfehler bzw. geringer Distanz-Standardabweichung zu optimieren. - Als mögliche Parameter PPar kommen insbesondere die photosensitive Schicht eines Pixels sowie die Kapazität der Integrationsknoten in Betracht. Darüber hinaus sind auch Maßnahmen zur Beeinflussung der Empfindlichkeit eines Pixels denkbar, wie beispielsweise eine Maskierung der photosensitiven Schicht oder ggf. auch geeignete Änderungen der Dotierung dieser Schichten. Auch ist es denkbar, die verschiedenen Lichtlaufzeitpixel durch Anlegen unterschiedlicher Potentiale in ihren wirksamen Eigenschaften PPar zu verändern.
- Vom Grundsatz wären die Lichtlaufzeitpixel
21 so zu optimieren, dass die Pixel21a die entfernungsnahe Objekte40a detektieren durch die hohe Lichtmenge nicht in Sättigung geraten, während Lichtlaufzeitpixel21b die entfernte Objekte40b detektieren sollen, in ihren Eigenschaften so eingestellt werden, dass das Nutzsignal nicht im Signalrauschen untergeht. - Insbesondere können die Pixeleigenschaften PPar auch eine so genannte Hintergrundlichtunterdrückungs-Schaltungen SBI (suppression of background illumination) betreffen.
- Insbesondere bei einer Verwendung einer SBI-Schaltung bietet sich eine Anordnung gemäß
5 mit zwei Pixelzeilen Z1, 2 an. Über einen Photosensor insbesondere eine Photodiode90 wird das Gesamtlicht der Umgebung erfasst, wobei in Abhängigkeit des erfassten Lichts eine der beiden Pixelzeilen Z1, 2 für die Entfernungsmessung herangezogen wird. Beispielsweise könnten die zweite Pixelzeile Z2 und die SBI-Schaltungen der Pixel21 in dieser Zeile Z2 für eine Taglichtsituation und dementsprechend großem Hintergrundlichtanteil optimiert sein. Während die erste Pixelzeile Z1 aktiv geschaltet wird, wenn das Gesamtlicht einen Grenzwert, also beispielsweise in der Nacht, unterschreitet. - Unabhängig von der SBI-Schaltung kann es auch vorgesehen sein, die photoempfindliche Fläche im Hinblick auf unterschiedliche Hintergrund- bzw. Umgebungslichtintensitäten zu optimieren. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, die photoempfindliche Fläche der Lichtlaufzeitpixel, die für den Betrieb bei einer hohen Umgebungslichtintensität vorgesehen sind möglichst klein auszuführen, um die Anzahl der durch das Umgebungslicht photoelektrisch generierten Ladungsträger möglichst gering zu halten.
- Demgegenüber können die Lichtlaufzeitpixel, die bei einer geringen Umgebungslichtintensität betrieben werden, mit einer größeren photoempfindlichen Fläche ausgebildet werden, um möglichst viel Nutzlicht erfassen zu können.
- In einer weiteren Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, dass alternativ oder zusätzlich zum Photosensor
90 das Gesamtlicht über die Lichtlaufzeitpixel21 selbst erfasst wird, indem beispielsweise, die an den Integrationsknoten anliegenden Ladungen bzw. Spannung zu einem Gesamtwert addiert und ausgewertet werden. -
6 zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der mehrere Pixelzeilen Z1...4 vorgesehen sind, wobei jede Pixelzeile Z1...4 und Pixel in dieser Zeile für bestimmte Lichtmengen optimiert sind, die beispielsweise über die Gesamtladungsmenge A + B am einzelnen Pixel21 erfasst werden können. Abhängig von der Gesamtladungsmenge wird entschieden, welches Pixel21 für die Entfernungsmessung herangezogen wird. - Bei all den genannten Ausgestaltungen ist es selbstverständlich, dass der Lichtstrahl derart ausgestaltet wird, dass die zeilenparallelen Z1...4 Pixel
21 , beleuchtet werden. Die Ausgestaltungen können selbstverständlich miteinander kombiniert werden. So ist es insbesondere möglich die Lichtintensität sowohl über eine Photosensor als auch über die Gesamtladungsmenge mindestens eines Lichtlaufzeitpixel zu erfassen und ausgehend von den beiden unabhängig voneinander erfassten Intensitäten geeignete Pixelzeilen Z1...4 auszuwählen. - Bei mehr als zwei Pixelzeilen Z1...4 können beispielsweise auch mehrere Pixelzeilen Z1...4 für ein bestimmtes Umgebungslicht ausgewählt werden. Auch ist es möglich Pixelzeilen für mehr als zwei unterschiedliche Lichtintensitäten vorzusehen.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Lichtlaufzeitkamerasystem
- 10
- Beleuchtungsmodul
- 12
- Beleuchtung
- 15
- Sendeoptik
- 20
- Sendemodul
- 21
- Lichtlaufzeitpixel
- 21a
- Lichtlaufzeitpixel Nahbereich
- 21b
- Lichtlaufzeitpixel Fernbereich
- 22
- Lichtlaufzeitsensor
- 25
- Empfangsoptik
- 30
- Modulator
- 35
- Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber
- 40
- Objekt
- 40a
- Objekt im Nahbereich
- 40b
- Objekt im Fernbereich
- 90
- Photosensor
- Z1, 2
- Lichtlaufzeitpixelzeile
- 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 B2 [0002]
- US 6587186 B2 [0002]
- DE 19704496 A1 [0002]
- DE 102004037137 A1 [0003]
- DE 19704496 [0023]
Claims (5)
- Entfernungsmesssystem mit einem Lichtlaufzeitsensor (
22 ) umfassend mindestens zwei Pixelzeilen (Z1, ...4) bestehend aus mehreren Lichtlaufzeitpixeln (21 ), mit einer Beleuchtung (10 ) zur Aussendung eines modulierten Lichts, wobei die Beleuchtung (10 ) derart angeordnet ist, dass ein von der Beleuchtung (10 ) ausgesendeter modulierter Lichtstrahl bei einer Reflektion an einem Objekt (40 ) in Abhängigkeit der Entfernung (d) des Objekts (40 ) unterschiedliche Lichtlaufzeitpixel (21 ) in der Pixelzeile (Z1...4) beleuchtet, und dass eine Auswerteeinheit, ausgehend vom Ort des beleuchteten Lichtlaufzeitpixels (21a ,21b ) und von der durch das Lichtlaufzeitpixel (21a ,21b ) erfassten Phasenverschiebung eine Objektentfernung (d) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Pixelzeilen (Z1...4) jeweils für unterschiedliche Intensitäten eines Umgebungslichts ausgebildet sind, und die Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist, dass in Abhängigkeit einer Intensität eines erfassten Umgebungslichts eine für die Umgebungslichtintensität geeignete Pixelzeile (Z1...4) für die Entfernungsbestimmung ausgewählt wird. - Entfernungsmesssystem nach Anspruch 1, bei dem die Intensität des Umgebungslichts anhand eines zusätzlichen Photosensors (
90 ) und/oder anhand der an mindestens einem Lichtlaufzeitpixel (21 ) erfassten Ladungen bestimmt wird. - Entfernungsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtlaufzeitpixel (
21 ) in einer Pixelzeile (Z1...4) für geringe Umgebungslichtintensitäten eine größere photoempfindliche Fläche aufweisen als Lichtlaufzeitpixel (21 ) in einer Pixelzeile (Z1...4) für große Umgebungslichtintensitäten. - Entfernungsmesssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Lichtlaufzeitpixel (
21 ) in Abhängigkeit der ihnen zugeordneten Entfernungsmessung und eine für das jeweilige Lichtlaufzeitpixel (21 ,21 ,21a ,21b ) erwartete Objektentfernung (d) in ihren Messeigenschaften (PPar) optimiert sind. - Entfernungsmesssystem nach Anspruch 3, bei dem die Messeigenschaften (PPar) der Lichtlaufzeitpixel (
21 ) im Hinblick auf die zu erwartende entfernungsabhängige Intensität eines von einem Objekt (40 ) reflektierten Lichts optimiert sind.
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