DE102015205927B4

DE102015205927B4 - Entfernungsmesssystem mit Lichtlaufzeitmessung und Triangulation

Info

Publication number: DE102015205927B4
Application number: DE102015205927.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas May
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2014-04-07
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2023-03-16
Anticipated expiration: 2035-04-02
Also published as: DE102015205927A1

Abstract

Entfernungsmesssystem mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) mit einem Pixelarray aus mehreren Lichtlaufzeitpixeln (21),
mit einer Beleuchtung (10) zur Aussendung eines modulierten Lichts,
wobei die Beleuchtung (10) derart ausgebildet ist, dass wenigstens eine geometrischen Struktur (80) mit moduliertem Licht aussendbar ist,
wobei die geometrische Struktur (80) durch mehrere Lichtstreifen oder durch mehrere Punkte in Form einer Punktwolke gebildet wird,
wobei wenigstens ein Lichtstreifen oder wenigstens Punkt der Punktewolke mit einer Phasenlage ausgesendet wird, die sich gegenüber der Phasenlage der übrigen Lichtstreifen oder Punkte der Punktewolke unterscheidet,
wobei die Beleuchtung und/oder der Lichtlaufzeitsensor derart ausgerichtet sind, dass die ausgesendete geometrische Struktur (80) bei einer Reflektion an einem Objekt (40) erfasst werden kann,
und wobei eine Auswerteeinheit, derart ausgebildet ist, dass ein Entfernungswert aus einer Triangulation der erfassten geometrischen Struktur (80) und einer Phasenverschiebung des ausgesendeten und vom Lichtlaufzeitsensor empfangenen modulierten Lichts ermittelt 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 B1 , US 6 587 186 B2 und auch DE 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.
Die EP 1 752 793 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur redundanten Entfernungsmessung in Phasenmesssystemen. Zur Vermeidung von Fehlmessungen, die insbesondere bei einer Mehrwegausbreitung des Signals auftreten können, wird vorgeschlagen, wenigstens zwei redundante Entfernungsmessungen mit unterschiedlichen Phasenlagen durchzuführen, um beispielsweise mögliche Offsets zu kompensieren.
Die DE 10 2010 038 186 A1 offenbart einen Lichttaster, der einen Lichtstrahl aussendet und durch Triangulation der Winkeländerung des empfangenen Lichtstrahls Entfernungen ermittelt. Es ist vorgesehen, den Lichtstrahl mithilfe mehrerer Einzelemitter zu erzeugen, wobei u.a. auch eine Linie mit mehreren Lichtpunkten darstellbar ist. Um den Lichtstrahl den Dynamikmöglichkeiten des Lichttasters anzupassen, ist es vorgesehen, die abgestrahlte Lichtenergie durch Ab- und Zuschalten der Einzelemitter respektive der empfangenen Lichtpunkte einzustellen.
Die US 5 003 166 A zeigt ein Entfernungsmesssystem, das ein in der Schärfentiefe limitiertes Muster aussendet und mittels Kreuzvergleich des gesendeten und empfangenen Musters Entfernungen ermittelt. Die Auswertung erfolgt hierbei vornehmlich anhand des Unschärfegrades des empfangenen Musters.
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 mit einem Pixelarray aus mehreren Lichtlaufzeitpixeln vorgesehen, mit einer Beleuchtung zur Aussendung eines modulierten Lichts, wobei die Beleuchtung derart ausgebildet ist, dass wenigstens eine geometrischen Struktur mit moduliertem Licht aussendbar ist, wobei die Beleuchtung und/oder der Lichtlaufzeitsensor derart ausgerichtet sind, dass die ausgesendete geometrische Struktur bei einer Reflektion an einem Objekt erfasst werden kann, und dass eine Auswerteeinheit, derart ausgebildet ist, dass ein Entfernungswert aus einer Triangulation der erfassten geometrischen Struktur und einer Phasenverschiebung des ausgesendeten und vom Lichtlaufzeitsensor empfangenen modulierten Lichts ermittelt wird.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Entfernung redundant über zwei unabhängige physikalische Effekte ermittelt werden und somit eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Ferner ist es von Vorteil, wenn die Beleuchtung mehrere optische Strukturen aussendet und wenigstens eine dieser optischen Strukturen eine unterschiedliche Phasenlage aufweist.
Durch dieses Vorgehen ist es in einfacher Art und Weise möglich, eine im Vorfeld ausgezeichnete Struktur im projizierten Bild eindeutig wiederzufinden und die Auslenkung und hieraus die Entfernung über Triangulation zuverlässig zu bestimmen.
Die optische Struktur kann insbesondere durch einen oder mehrere Lichtstreifen gebildet werden.
Lichtstreifen haben insbesondere den Vorteil, dass der Versatz der Streifen an einer Objektkante als zusätzliche Information ausgewertet werden kann.
Auch kann die optische Struktur durch mehrere Punkte in Form einer Punktwolke gebildet werden, die dann im Wesentlichen auch durch Triangulation ausgewertet werden kann.
Von Vorteil ist es auch, wenn die Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, dass ein Entfernungswert nur dann als gültig ausgegeben wird, wenn die Differenz der aus der Triangulation und aus der Phasenverschiebung ermittelten Entfernungswerte einen Schwellenwert nicht übersteigt.
Durch dieses Vorgehen wird sichergestellt, dass insbesondere bei sicherheitskritischen Anwendungen nur Entfernungswerte ausgegeben werden, die eine hohe Zuverlässigkeit aufweisen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
2 ein Entfernungsmesssystem mit einem einzigen projizierten Lichtstreifen,
3 ein Entfernungsmesssystem mit mehreren projizierten Lichtstreifen.

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 A1 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 21, vorzugsweise auch ein PixelArray 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 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 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 Δφ(t_L) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ₀ + φ_var + Δφ(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 Wellenlängenbereichen denkbar.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung, bei der die Beleuchtung 10 einen Lichtstreifen 80 aussendet, der zur Entfernungsmessung zusätzlich mit der vorgegebenen Modulationsfrequenz moduliert ist. Die Lichtlaufzeitkamera 20 ist derart ausgerichtet, dass die mit dem Lichtstreifen 80 beleuchteten Objekte 40 mitsamt einem Umgebungsbereich erfasst werden können. Vorzugsweise ist der Lichtlaufzeitsensor 22 als Pixelarray bestehend aus Lichtlaufzeitpixel ausgebildet.
Ein solches Vorgehen hat den Vorteil, dass sowohl aus der Strukturveränderung des projizierten Lichtstreifens bzw. Streifenmusters als auch aus der gemessenen Lichtlaufzeit ein Entfernungswert bestimmt werden kann. Dieses Muster kann beispielsweise mit Lichtschnittverfahren bzw. Streifenprojektionsverfahren ausgewertet werden.
Je nach Applikation ist es auch denkbar, den Erfassungsbereich der Lichtlaufzeitkamera enger zu fassen und evtl. nur ein Teilbereich des Objekts zu erfassen.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der in Ergänzung zur 2 mehrere Lichtstreifen 80 als Streifenmuster projiziert werden. Anhand der Streifenmuster können insbesondere Objektkanten präzise erfasst werden.
Bevorzugt sind die Streifen zur leichteren und insbesondere eindeutigen Erkennung mit unterschiedlichen Phasenlagen moduliert. Beispielsweise könnte einer der Lichtstreifen mit einer unterschiedlichen Phasenlage betrieben werden und wäre somit von allen anderen Lichtstreifen zu unterscheiden. Zu erkennen wäre ein solcher Streifen unter anderem dadurch, dass die ermittelte Phasenlage bzw. der ermittelte Entfernungswert, bei nicht angepasster Auswertung, signifikant von den Entfernungswerten der benachbarten Lichtstreifen abweicht. Auch ist es denkbar, dass die Lichtstreifen mehr als zwei unterschiedliche Phasenlagen aufweisen. Beispielsweise könnte eine Gruppe von Streifen eine Reihenfolge der Phasenlagen von 90°, 180° 270° aufweisen, während eine andere Gruppe die Phasenlagen 270°, 90° und 180° aufweist. Hierdurch ist es möglich die Lichtstreifen eineindeutig zu identifizieren.
In 4 ist eine derartige Kodierung der Lichtstreifen anhand von zwei unterschiedlichen Phasenlagen für eine geringe Anzahl von Lichtstreifen gezeigt. Die nicht kodierten Streifen weisen die Phasenlage von 0° auf während zwei benachbarte Lichtstreifen mit der Phasenlage 90° und 270° kodiert sind.
Auch für die kodierten Lichtstreifen ist es möglich, die Entfernung über die Phasenverschiebung des ausgesendeten und empfangenen Lichtstreifens zu bestimmen. Da die Phasenlagen der Lichtstreifen vorgegeben und bekannt sind, können die unterschiedlichen Phasenlagen der kodierten Lichtstreifen in der Entfernungsbestimmung berücksichtigt werden und so dass sich auch für diese Lichtstreifen ein zusätzlicher Entfernungswert bestimmen lässt.
In einer weiteren nicht gezeigten Ausbildung, kann es auch vorgesehen sein, Punktewolken oder andere geometrische Strukturen mit einem modulierten Licht zu erzeugen. Hierbei können insbesondere einzelne Punkte oder Strukturen zur Identifizierung mit unterschiedlichen Phasenlagen beaufschlagt werden.
Des Weiteren können unterschiedliche geometrische Strukturen auch miteinander kombiniert werden, beispielsweise eine Punktewolke mit einer Streifenprojektion.
Eine weitere Auswertung der Lichtstreifen 80 kann auch durch Auswerten der sich an der Objektkante verändernden Lage des Lichtstreifens erfolgen.
Insbesondere ist eine Kombination dieses Vorgehen mit dem für die Triangulation optimierten Lichtlaufzeitsensor von Vorteil.
Des Weiteren können die geometrischen Muster auch mit unterschiedlichen Lichtintensitäten ausgesendet werden.
Bezugszeichenliste

10: Beleuchtungsmodul
12: Beleuchtung
22: Lichtlaufzeitsensor
30: Modulator
35: Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber
40: Objekt
80: Lichtstreifen

Claims

Entfernungsmesssystem mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) mit einem Pixelarray aus mehreren Lichtlaufzeitpixeln (21), mit einer Beleuchtung (10) zur Aussendung eines modulierten Lichts, wobei die Beleuchtung (10) derart ausgebildet ist, dass wenigstens eine geometrischen Struktur (80) mit moduliertem Licht aussendbar ist, wobei die geometrische Struktur (80) durch mehrere Lichtstreifen oder durch mehrere Punkte in Form einer Punktwolke gebildet wird, wobei wenigstens ein Lichtstreifen oder wenigstens Punkt der Punktewolke mit einer Phasenlage ausgesendet wird, die sich gegenüber der Phasenlage der übrigen Lichtstreifen oder Punkte der Punktewolke unterscheidet, wobei die Beleuchtung und/oder der Lichtlaufzeitsensor derart ausgerichtet sind, dass die ausgesendete geometrische Struktur (80) bei einer Reflektion an einem Objekt (40) erfasst werden kann, und wobei eine Auswerteeinheit, derart ausgebildet ist, dass ein Entfernungswert aus einer Triangulation der erfassten geometrischen Struktur (80) und einer Phasenverschiebung des ausgesendeten und vom Lichtlaufzeitsensor empfangenen modulierten Lichts ermittelt wird.
Entfernungsmesssystem nach Anspruch 1, bei dem die Auswerteeinheit derart ausgebildet ist, dass ein Entfernungswert nur dann als gültig ausgegeben wird, wenn die Differenz der aus der Triangulation und aus der Phasenverschiebung ermittelten Entfernungswerte einen Schwellenwert nicht übersteigt.