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Die Erfindung betrifft ein Entfernungsmesssystem mit einer Lichtlaufzeitkamera nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Mit Lichtlaufzeitmesssystem bzw. Lichtlaufzeitkamera 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 A1 ,
US 6 587 186 B2 und auch
DE 197 04 496 A1 beschrieben und beispielsweise von der Firma ‚ifm electronic gmbh’ als O3D-Kamera oder als Entfernungsmesser O1D zu beziehen sind. Die PMD-Kamera bzw. der PMD-Entfernungsmesser 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, ein Lichtlaufzeitmesssystem im Hinblick auf Fehlersicherheit zu verbessern
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Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße System gelöst.
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Vorteilhaft ist ein Entfernungsmesssystem mit einem Sender zur Aussendung eines modulierten Lichtsignals vorgesehen,
mit einem Empfänger, der ein Lichtlaufzeitsensor mit wenigstens einem Lichtlaufzeitpixel aufweist, und der zum Empfang und Demodulation eines empfangenen modulierten Lichtsignals ausgebildet ist,
mit einem Modulator, der ein Modulationssignal für den Sender und den Empfänger zur Verfügung stellt,
und einem Messtarget zur Rückstrahlung des vom Sender ausgesendeten Lichtsignals an den Empfänger,
wobei das Messtarget eine mittlere Reflektivität von wenigsten 80 % und mehr aufweist,
und ferner das Messtarget über die gesamte Fläche eine Homogenität dergestalt aufweist, dass ein vom Messtarget reflektiertes Signal um weniger als 40 % von einem Mittelwert des reflektierten Signals abweicht,
und wobei für alle Verkippungen des Messtargets in einem Bereich von +/–10° das reflektierte Signal maximal um 40 % schwankt
und wobei ferner die Abstrahlcharakteristik des Messtargets dergestalt ist, dass in einem Öffnungswinkel von 45° zum Lot der Messtargetoberfläche mehr als 60 % der Strahlleistung des reflektierten Lichts gebündelt sind.
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Durch Bereitstellen eines Messtargets der vorgenannten Art kann sichergestellt werden, dass insbesondere bei dynamischen Messsituationen, bei denen das Messtarget an einem bewegbaren Objekt angeordnet ist, das für die Entfernungsmessung zurückgestrahlte Licht innerhalb bevorzugter Signalgrenzen gehalten werden kann.
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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 das grundlegende Prinzip der Photomischdetektion,
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2 ein zweikanaliges Entfernungsmesssystem,
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3 eine Messsituation mit einem zentral beleuchteten Messtarget,
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4 eine Messsituation mit einem im Seitenbereich beleuchteten Messtarget.
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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 bekannt ist.
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Das Lichtlaufzeitkamerasystem bzw. Entfernungsmessgerät 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10, 100 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitfotosensor 22. Der Lichtlaufzeitfotosensor 22 bzw. Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Pixel, vorzugsweise jedoch 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 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 Lichtlaufzeitfotosensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz M(p1) mit einer ersten Phasenlage p1 beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal S(p1) mit der ersten Phasenlage p1 aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage p2 als Empfangssignal S(p2) auf den Lichtlaufzeitfotosensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M(p1) mit dem empfangenen Signal S(p2), gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
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2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes zweikanaliges Entfernungsmesssystem. Das für die Messung erforderlich modulierte Licht wird von einer Lichtquelle 12 über einen Strahlteiler 60 in Richtung eines Messtargets 45 gelenkt und von dort mit bestimmten Reflexionseigenschaften auf das Entfernungsmessgerät 1 zurück reflektiert. Über eine erste und zweite Empfangsoptik 25 wird das reflektierte Licht auf ein erstes und zweites Lichtlaufzeitpixel 23.1, 23.2 gelenkt.
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Zur Referenzierung ist es im dargestellten Beispiel vorgesehen, ein Teil des Sendelichts über den Strahlteiler 60 und einem Umlenkspiegel auf ein Referenz-Lichtlaufzeitpixel 23.R zu leiten. Der Strahlteiler 60 weist vorzugsweise eine Reflexion von mehr als 95 % auf, der verbleibende transmittierte Anteil steht dann dem Referenzpixel 23.R zur Verfügung.
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Ferner ist es vorgesehen, das Entfernungsmessgerät mit einer Frontscheibe 50 abzuschließen, wobei die Frontscheibe 50 bevorzugt noch mit einem Filter 55 versehen ist. Ggf. kann auch noch eine Frontscheibenheizung vorgesehen sein. Selbstverständlich sind auch Varianten ohne Frontscheibe 50 und/oder Filter 55 möglich.
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Ein zweikanaliges Messsystem ist insbesondere für Sicherheitsapplikation, die beispielsweise einem so genannten SIL-Standard insbesondere einen Sicherheits-Integritätslevel gemäß EN 61508 genügen sollen von Vorteil. Für weniger sicherheitskritische Anwendungen kann das Messsystem selbstverständlich auch einkanalig, d.h. mit einem Lichtlaufzeitpixel 23.1 ausgestaltet sein. Auch ist es denkbar, für einfache Anwendung auf den Referenzkanal bzw. auf das Referenzlichtlaufzeitpixel 23.R zu verzichten.
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3 zeigt das erfindungsgemäße Entfernungsmesssystem in Seitenansicht. Das Messtarget 45 ist hierbei auf ein Messobjekt 80, dessen Entfernung und Entfernungsänderung x überwacht werden sollen, montiert. Das Entfernungsmessgerät 1 ist in Relation zum Messtarget 45 vorzugsweise so positioniert, dass der Sendelichtstrahl S(p1) senkrecht, also mit einem Einfallswinkel EW von 0°, auf das Messtarget 45 auftrifft. Die Rückstrahlcharakteristik RS des Messtargets ist bevorzugt derart ausgestaltet, dass bei lotrechtem Lichtleinfall in einem Öffnungswinkel von 45° zum Lot der Messtargetoberfläche mehr als 60 % der Strahlleistung des reflektierten Lichts gebündelt ist. Beim gesendeten Licht handelt es sich typischerweise um ein Laserlicht mit sehr geringer Divergenz, so dass die Einflüsse der Divergenz vernachlässigt werden können.
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Aufgrund von Bewegungen des Messobjekts 80 kann es zu Verschiebungen VS und/oder Verkippungen VK des Messobjekts 80 und des mit diesem verbundenen Messtarget 45 kommen.
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Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, um Einflüsse bei der Entfernungsermittlung so gering wie möglich zu halten, das Messtarget 45 bzw. die reflektierende Oberfläche des Messtargets 45 so auszubilden, dass bei einer Verkippung und/oder Verschiebung des Messtargets 45 die Intensität des reflektierten und empfangenen Lichts S(p2) nur innerhalb geringer Toleranzen ändert.
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Bei einem handelsüblichen Tripelreflektor ergeben sich je nach Auftreffpunkt und/oder Einfallswinkel des Sendelichtstrahls sehr starke Schwankungen beim Empfangssignal. Da die zuverlässige Ermittlung des Abstand respektive Phasenverschiebung maßgeblich von der Signalamplitude abhängt, ist ein Tripelspiegel für insbesondere sicherheitsrelevante Entfernungsmessungen ungeeignet.
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Bei einer diffus streuenden Oberfläche wäre zwar die örtliche Homogenität der Rückstreuung gewährleistet, aufgrund der wenig gerichteten lambertschen Rückstreuung können jedoch nur geringe Reichweiten realisiert werden.
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Für das erfindungsgemäße Entfernungsmesssystem ist das Messtarget mit folgenden Eigenschaften ausgestattet:
Die Reflektivität des Messtargets ist so ausgebildet, dass das Messtarget über alle Oberflächenpunkte eine mittlere Reflektivität von wenigsten 80 % aufweist, wobei das Messtarget über die gesamte Fläche eine Homogenität dergestalt aufweist, dass ein vom Messtarget reflektiertes Signal um weniger als 40 % von einem Mittelwert des reflektierten Signals abweicht.
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Die Homogenität ist insbesondere bei Verschiebungen VS des Messtargets wie in 4 gezeigt relevant. Durch die erfindungsgemäß geforderte Homogenität wird sichergestellt, dass bei seitlichen Bewegungen VS des Messtargets die erfasste Signalamplitude in einem bevorzugten Bereich bleibt.
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5 zeigt eine Verkippung VK durch eine Bewegung des Messobjekts 80. Hier ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass für alle Verkippungen VK in einem Bereich von +/–10° das reflektierte Signal maximal um 40 % schwankt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtlaufzeitmesssystem, Entfernungsmessgerät
- 10
- Beleuchtungsmodul, Sender
- 12
- Lichtquelle
- 15
- Sendeoptik
- 20
- Empfangsmodul, Empfänger
- 22
- Lichtlaufzeitsensor
- 23
- Lichtlaufzeitpixel
- 25
- Empfangsoptik
- 30
- Modulator
- 40
- Objekt
- 45
- Messtarget
- 50
- Frontscheibe
- 55
- Filter
- 60
- Strahlteiler
- 65
- Umlenkspiegel
- 80
- Messobjekt
- M(p1)
- Modulationssignal mit erster Phase
- S(p1)
- Sendesignal mit erster Phase
- S(p2)
- Empfangssignal mit zweiter Phase
- VK
- Verkippung
- VS
- Verschiebungen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1777747 A1 [0002]
- US 6587186 B2 [0002]
- DE 19704496 A1 [0002]
- DE 19704496 [0014]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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