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Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamera und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Mit 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 der
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.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Entfernungsmessung eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu verbessern.
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Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamera und Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhaft ist eine Lichtlaufzeitkamera mit einem Objektiv und einer einstellbaren Blende vorgesehen, bei der die Lichtlaufzeitkamera derart ausgebildet ist, dass die Blende in Abhängigkeit eines erfassten Objektabstandes eingestellt wird.
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Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass eine für die Messung notwendig Abbildungsschärfe nicht über eine aufwändige Autofokussteuerung hergestellt werden muss, sondern in einfacher Art und Weise über eine Blendeneinstellung realisiert werden kann.
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Bevorzugt wird die Blendenöffnung für Objektabstände, die kleiner sind als ein vorgegebener Minimalabstand oder einer Nahpunktdistanz, verkleinert.
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Auch ist es nützlich, wenn die Stärke der Beleuchtung der gewählten Blendenöffnung angepasst wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
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2 eine Messsituation mit einer erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitkamera,
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3 einen Verlauf einer erfindungsgemäßen Blendeneinstellung
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4 Schärfentiefenverlauf in Abhängigkeit vom Abstand.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der
DE 197 04 496 A1 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. Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet.
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Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten Sp1 und empfangenen Lichts Sp2 über die Laufzeit bzw. Phasenverschiebung des Signals die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts Sp2 ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal M0 beaufschlagt.
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2 zeigt eine Situation, in der die Lichtlaufzeitkamera 20 für die Überwachung von Objekten 40 beispielsweise auf einem Fließband eingesetzt wird. Im dargestellten Beispiel laufen Objekte 40 in unterschiedlicher Größe und insbesondere Höhe an der Kamera 20 vorbei, so dass der zu messende Abstand d von Objekt zu Objekt 40 variiert.
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Zur genauen Abstandsmessung und ggf. Objekterkennung ist es von Vorteil, wenn das Objekt 40 über die Optik 25 auf dem Sensor 22 scharf abgebildet werden kann. Zur Schärfeanpassung kann eine Fokussiereinrichtung insbesondere in Form eines Autofokus am Objektiv 25 angebracht werden. Diese kann darin bestehen, das gesamte Objektiv oder einzelne Linsengruppen oder einzelne Linsen zu verschieben. Insbesondere können auch Flüssiglinsen auf Piezobasis oder „electrowetting“-Basis eingesetzt werden.
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Erfindungsgemäß ist es jedoch vorgesehen, die Schärfe nicht über eine Fokussiereinrichtung, sondern über eine am Objektiv 25 einstellbare Blende 28 herzustellen. Naturgemäß ändert sich der Schärfentiefebereich (depth of field, DOF) in Abhängigkeit der Blendenöffnung D, so dass für einen bestimmten Abstandsbereich die Schärfe innerhalb eines tolerierten Bereichs gehalten werden kann.
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Grundsätzlich ist es denkbar, für das optische System die kleinstmögliche Blende bis zum Erreichen der Beugungsgrenze vorzuhalten, um somit für alle Abstände die maximale Schärfentiefe zu erreichen. Dieses Vorgehen hat jedoch den Nachteil, dass für Abstände, für die die Kamera optimal im Fokus liegt, Nutzlicht unnötigerweise ausgeblendet wird.
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Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen, nur für Abstände, die außerhalb eines tolerierten Schärfebereichs liegen, die Blende und somit die Schärfentiefe anzupassen. Vorzugsweise wird die Blende nur für Objekte 40 angepasst, deren Abstand d zur Kamera geringer ist als ein vorgegebener Minimalabstand dmin. Dieser Minimalabstand dmin kann beispielweise in der Größe der Nahpunktdistanz dn festgelegt werden. Der Nahpunkt dn bzw. die Nahpunktdistanz dn ergibt sich in bekannter Weise aus der Gegenstandsweite bzw. dem fokussierten Arbeitsabstand da, der Arbeitsblende Fa und notwendiger Weise aus der Brennweite f des verwendeten Objektivs.
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Für Objektabstände d, die größer sind als der fokussierte Arbeitsabstand da besteht in der Regel keine Notwendigkeit der Blendenanpassung, da der Schärfebereich in Richtung Fernbereich deutlich größer ist als in Richtung Nahbereich. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn der fokussierte Arbeitsabstand da der hyperfokalen Entfernung dh entspricht.
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Im Aufbau gemäß 2 sind der fokussierte Arbeitsabstand da und die Arbeitsblende Fa so eingestellt, dass die Ebene des Fließbandes innerhalb des tolerierten Schärfetiefenbereichs bzw. der Fernpunktdistanz df liegt. Alle Objekte 40.1, 40.3, die innerhalb der Fern- df und Nahpunktdistanz dn liegen werden ausreichend scharf abgebildet.
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Das mittlere Objekt 40.2 unterschreitet jedoch die Nahpunktdistanz dn und liegt somit außerhalb der tolerierten Schärfe. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, nicht den Fokus, sondern die Blendenöffnung D zu verkleinern bzw. die Blendenzahl F zu vergrößern, so dass die sich dann einstellende Nahpunktdistanz dn(Fx) kleiner ist als der Objektabstand d (hier gemessen vom Linsenmittelpunkt).
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In 3 ist der Zusammenhang zwischen einzustellende Blendenöffnung D und ermitteltem Objektabstand d grafisch dargestellt. Für die beim fokussierten Arbeitsabstand da eingestellte Blendenöffnung Da ~ 1/Fa ergibt sich ein Schärfetiefenbereich (depth of field) DOF(da) der sich von einer Nahpunktdistanz dn_Fa bis zu einer Fernpunktdistanz df_Fa, die vorzugsweise im „Unendlichen“ liegt erstreckt. Bevorzugt wird der fokussierte Arbeitsabstand da so gewählt, dass bei der gegebenen möglichen Arbeitsblende Fa möglichst viele der zu erwartenden Objektabstände in den sich aufspannenden Schärfetiefenbereich DOF(da) fallen.
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Für Objekte 40, die sich innerhalb dieses Schärfetiefenbereichs DOF(da) befinden, bedarf es grundsätzlich keine Anpassung der Schärfe bzw. Blende. Für Objekteabstände d die kleiner sind als die Nahpunktdistanz dn_FA der Arbeitsblende Fa, wird Blendenöffnung D soweit reduziert, dass die Nahpunktdistanz dn_Fx kleiner oder gleich dem Objektabstand d ist.
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Selbstverständlich sind auch andere Blendenanpassungskurven denkbar. Beispielsweise kann die Blende statt kontinuierlich auch stufenweise angepasst werden.
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Ferner muss die Arbeitsblende Fa, die für den fokussierten Arbeitsabstand da verwendet wird, nicht zwangsläufig die größtmöglich einstellbare Blende sein. So ist es dann auch denkbar, für Objektabstände d > da die Blende noch weiter zu Öffnen.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass bei einer Verringerung der Blendenöffnung D, die Stärke der Beleuchtung entsprechend erhöht wird. Dies wird in der Regel allerdings nicht oder nur in geringem Maße notwendig sein, da die Blendenöffnung nur für den Fall verringert wird, dass sich Objekte im Nahbereich aufhalten. Hier empfängt die Kamera aufgrund dem quadratisch mit dem Abstand abnehmenden Empfangslichts eine höhere Lichtmenge, die den Verlust des Lichts teilweise kompensiert.
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4 zeigt den Zusammenhang gemäß 3 noch einmal in einer anderen Darstellung, bei der die Arbeitsblende Fa beispielhaft auf Blende F = 1 festgelegt wurde. Die Kurven wurden exemplarisch für einen tolerierten Zerstreuungskreis von 17,5 µm und einer Brennweite f = 8 mm gerechnet.
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Im dargestellten Beispiel ist eine zu fokussierende Arbeitsdistanz da von 120 cm gewählt, so dass sich bei der eingestellten Arbeitsblende Fa = F1 der Schärfentiefenbereich DOF(da = 120, F1) von einer Nahpunktdistanz dn_F1(da = 120) von ca. 90 cm bis zu einer Fernpunktdistanz df_F1(da = 120) von ca. 180 cm erstreckt. Die Arbeitsdistanz da ist vorzugweise so gewählt, dass die größten zu erwartenden Objektabstände innerhalb des Schärfetiefenbereichs liegen, so dass die Blende nur noch für Objekte im Nahbereich anzupassen ist. Durch Verändern der Blende von F1 bis hin zu Blende F5.6 können somit Objekte auch in einen Abstand d von 90 bis ca. 40 cm in ausreichender Schärfe abgebildet werden.
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Werden kleinere Nahbereiche benötigt, so kann beispielsweise die Arbeitsdistanz da verringert werden, mit der Einschränkung, dass der Schärfentiefenbereich DOF insgesamt kleiner wird. Bei Objekten die auch außerhalb des Fernbereiches df ausreichend scharf abgebildet werden sollen, wäre die Blendeöffnung dann auch für diese Objekte in passender Weise zu verringern.
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Entspricht der Arbeitsabstand da der hyperfokalen Entfernung dh erstreckt sich der Fernbereich naturgemäß bis ins „Unendliche“, so dass nur Objektdistanzen im Nahbereich berücksichtigt werden müssen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtlaufzeitkamerasystem
- 10
- Beleuchtungsmodul
- 12
- Beleuchtung
- 20
- Empfänger, Lichtlaufzeitkamera
- 22
- Lichtlaufzeitsensor
- 25
- Optik
- 28
- Blende
- 30
- Modulator
- 35
- Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber
- 40
- Objekt
- M0
- Modulationssignal
- Sp1
- Sendesignal
- Sp2
- Empfangssignal
- d
- Objektdistanz
- da
- Arbeitsabstand
- dn
- Nahpunktdistanz
- df
- Fernpunktdistanz
- Fa
- Arbeitsblende
- DOF
- Schärfentiefenbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19704496 A1 [0002, 0016]
