DE102015225192B4 - Lichtlaufzeitmesssystem mit Überreichweitenerkennung - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitmesssystems (1), mit den Schritten:- Aussendung und Empfang eines modulierten Lichts (Sp1, Sp2),- Demodulation des empfangenen modulierten Lichts (Sp2) mit einem Modulationssignal (M0),- wobei zur Entfernungsmessung wenigstens drei Messintervalle mit unterschiedlichen Phasenlagen (φvar) des Modulationssignals (M0) durchgeführt werden,wobei entweder die Aussendung des modulierten Lichts (Sp1) oder die Demodulation des empfangenen Lichts (Sp2) mit diesen unterschiedlichen Phasenlagen (φvar) erfolgt,- wobei in wenigstens einem der Messintervalle das Modulationssignal mit einer ersten Frequenz (f1) betrieben wirdund in wenigstens zwei der Messintervalle das Modulationssignal (M0) mit einer zweiten Frequenz (f2),wobei die zweite Frequenz (f2) größer ist als die erste Frequenz (f1),wobei die Anzahl der Messintervalle mit der größeren Modulationsfrequenz (f2) größer ist als die Anzahl der Messintervalle mit der kleineren Modulationsfrequenz (f1),wobei zur Ermittlung eines Entfernungswerts ein Phasenwert (S(f1)), der mit der ersten Frequenz (f1) ermittelt wurde in einen Phasenwert (S(f2)) der zweiten Frequenz (f2) umgerechnet wird, wobei in den Messintervallen Phasenwerte (S0, S1, S2, S3) für die jeweilige Phasenlage (φvar) und Modulationsfrequenz (f1, f2) ermittelt werden,wobei in einem Überwachungsschritt überprüft wird, ob ein Überwachungswert, der aus den ermittelten Phasenwerten (S0, S1, S2, S3) gebildet wird, einen Grenzwert (GW) überschreitet, und wobei zum Vergleich mit dem Grenzwert (GW) eine Symmetriedifferenz SD bestimmt wird, indem die Differenzen zwischen zwei um 90° verschobenen Phasenwerten (S(f1), (S(f2))) gebildet werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitmesssystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
• Mit Lichtlaufzeitmesssystem bzw. Lichtlaufzeitkamerasystem sollen insbesondere alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen umfasst sein. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in der Anmeldung DE 197 04 496 C2 beschrieben und beispielsweise von der Firma ‚ifm electronic GmbH‘ oder ‚PMD-Technologies GmbH‘ als Frame-Grabber O3D bzw. als CamCube zu beziehen sind.
• Aus der DE 197 04 496 C2 ist ferner die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des von einem Objekt reflektierten Lichts bekannt. Insbesondere wird offenbart, die Sendermodulation gezielt um 0°, 90°, 180° oder 270° zu verschieben, um aus diesen vier Phasenmessungen über eine arctan-Funktion eine Phasenverschiebung und somit eine Entfernung zu bestimmen.
• Die DE 10 2013 207 654 A1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben einer Lichtlaufzeitkamera, bei der Entfernungswerte ausgehend von Phasenverschiebungen eines emittierten und empfangenen Signals ermittelt werden, wobei die Phasenverschiebungen in zwei aufeinanderfolgenden Messzyklen ermittelt werden, in denen die Phasenmessungen mit mindestens zwei unterschiedlichen Phasenlagen und mindestens zwei unterschiedlichen Frequenzen durchgeführt werden.
• Aus der US 2002/0084430 A1 und der DE 10 2010 036 964 A1 sind weitere Entfernungsmesssysteme bekannt, die aus der Phasenverschiebung eines emittierten und empfangenen Lichts einen Entfernungswert bestimmen, wobei zu Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs wenigstens zwei Modulationsfrequenzen verwendet werden.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Entfernungsmessung eines Lichtlaufzeitmesssystems zu verbessern.
• Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitmesssystem und Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst.
• Vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitmesssystems vorgesehen, mit den Schritten:
• - Aussendung und Empfang eines modulierten Lichts,
• - Demodulation des empfangenen modulierten Lichts mit einem Modulationssignal,
• - wobei zur Entfernungsmessung wenigstens drei Messintervalle mit unterschiedlichen Phasenlagen des Modulationssignals durchgeführt werden, wobei entweder die Aussendung des modulierten Lichts oder die Demodulation des empfangenen Lichts mit diesen unterschiedlichen Phasenlagen erfolgt, - wobei in wenigstens einem der Messintervalle das Modulationssignal mit einer ersten Frequenz betrieben wird und in wenigstens zwei der Messintervalle das Modulationssignal mit einer zweiten Frequenz, wobei die zweite Frequenz größer ist als die erste Frequenz, wobei die Anzahl der Messintervalle mit der größeren Modulationsfrequenz größer ist als die Anzahl der Messintervalle mit der kleineren Modulationsfrequenz, wobei zur Ermittlung eines Entfernungswerts ein Phasenwert, der mit der ersten Frequenz ermittelt wurde in einen Phasenwert der zweiten Frequenz umgerechnet wird, wobei in den Messintervallen Phasenwerte für die jeweilige Phasenlage und Modulationsfrequenz ermittelt werden,
• wobei in einem Überwachungsschritt überprüft wird, ob ein Überwachungswert, der aus den ermittelten Phasenwerte gebildet wird, einen Grenzwert überschreitet, und wobei zum Vergleich mit dem Grenzwert eine Symmetriedifferenz bestimmt wird, indem die Differenzen zwischen zwei um 90° verschobenen Phasenwerten gebildet werden.
• Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass Informationen aus beiden Frequenzregimen mit einer Entfernungsmessung gewonnen werden können.
• Durch dieses Vorgehen lässt sich in vorteilhafter Weise ein Kriterium festlegen, anhand dessen Entfernungswerte außerhalber des bevorzugten Eindeutigkeitsbereichs erkannt werden können.
• Besonders nützlich ist es daher, bei einem Überschreiten des Grenzwertes ein Fehlersignal zu erzeugen.
• In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind für eine Entfernungsmessung vier Messintervalle vorgesehen, wobei ein Messintervall mit der ersten kleineren Frequenz und drei Messintervalle mit der zweiten größeren Frequenz durchgeführt werden.
• Ebenso vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitmesssystem vorgesehen, mit einem Lichtlaufzeitsensor, der mindestens ein Empfangspixel aufweist und mit einer Lichtquelle, mit einem Modulator, der mit dem Lichtlaufzeitsensor und der Lichtquelle verbunden ist, wobei der Modulator zur Erzeugung eines Modulationssignals in wenigstens drei unterschiedlichen Phasenlagen und zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen ausgebildet ist, mit einer Auswerteeinheit, die zur Ermittlung einer Entfernung gemäß eines der vorgenannten Verfahren ausgebildet ist.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 schematisch ein Lichtlaufzeitmesssystem,
• 2 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger,
• 3 einen Querschnitt durch einen PMD-Lichtlaufzeitsensor mit Potentialverteilung,
• 4 einen zeitlichen Verlauf der Integrationsspannungen an einem Lichtlaufzeitpixel,
• 5 Verläufe der Ladungsintegration abhängig von der Phasenverschiebung und -lage,
• 6 eine Relation der Phasenverschiebung in einem IQ-Diagramm,
• 7 einen Modulationsverlauf über vier Phasenlagen,
• 8 Korrelationsfunktion mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen,
• 9 einen Verlauf einer Amplitudendifferenz mit Grenzwert.
• 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 C2 bekannt ist.
• Das Lichtlaufzeitmesssystem 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. 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 M_o 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. Alternativ kann auch die Phase vom PMD-Sensor verschoben werden. 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 Phasenlage 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 M_o mit dem empfangenen Signal S_p2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
• Ferner weist das System ein Modulationssteuergerät 27 auf, das in Abhängigkeit der vorliegenden Messaufgabe die Phasenlage φ_var das Modulationssignal M₀ verändert und/oder über einen Frequenzoszillator 38 die Modulationsfrequenz einstellt.
• Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.
• Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals M₀ mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal S_p2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit t_L phasenverschoben Δφ(t_L) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage des Modulationssignals M₀ in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M₀ + 180° in einem zweiten Akkumulationsgate Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ(t_L) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.
• 3 zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel eines Photomischdetektors wie er beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist. Die Modulationsphotogates Gam, G0, Gbm bilden den lichtsensitiven Bereich eines PMD-Pixels. Entsprechend der an den Modulationsgates Gam, G0, Gbm angelegten Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate bzw. Integrationsknoten Ga, Gb gelenkt. Die Integrationsknoten können als Gate oder auch als Diode ausgebildet sein.
• 3b zeigt einen Potenzialverlauf, bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Integrationskonten Ga abfließen, während das Potenzial gemäß 3c die Ladung q in Richtung des zweiten Integrationsknoten Gb fließen lässt. Die Potenziale werden entsprechend der anliegenden Modulationssignale vorgegeben. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 100 MHz. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt.
• In 3a ist ferner eine Ausleseeinheit 400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten PMD-Lichtlaufzeitsensors sein kann. Die als Kapazitäten bzw. Dioden ausgebildeten Integrationsknoten Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Gates Ga, Gb anliegende Spannung beispielsweise über die Ausleseeinheit 400 hochohmig abgegriffen werden. Die Integrationszeiten sind vorzugsweise so zu wählen, dass für die zu erwartende Lichtmenge der Lichtlaufzeitsensor bzw. die Integrationsknoten und/oder die lichtsensitiven Bereiche nicht in Sättigung geraten.
• In 4 ist ein typischer zeitlicher Verlauf der an den Integrationsknoten Ga, Gb während einer Phasenmessung anliegenden Spannung U_a, U_b. Ausgehend von einer nach einem Reset an den Integrationsknoten anliegenden positiven Resetspannung U_DRS fällt die Spannung aufgrund der akkumulierten photogenerierten Elektronen an beiden Integrationsknoten Ga, Gb ab. Entsprechend der Phasenverschiebung Δφ(t_L) des empfangenen Signals fallen die Spannungen an den Integrationsknoten Ga, Gb unterschiedlich stark ab. Zum Ende der Integrationszeit t_int wird die an den Integrationsknoten Ga, Gb anliegenden Spannung U_a, U_b ausgelesen. Die Spannungsdifferenz ΔU der beiden Spannungen U_a, U_b entspricht in bekannter Weise der Differenz Δq der an den Integrationsknoten Ga, Gb akkumulierten Ladung q. Die Integrationszeit t_int ist vorzugsweise so bemessen, dass kein Integrationsknoten Ga, Gb bei einer üblichen Belichtung sein Sättigungspotential U_S erreicht. Für größere Signalstärken kann auch eine so genannte SBI-Schaltung zur Signalkompensation vorgesehen sein. Derartige Schaltungen sind beispielsweise aus der DE 10 2004 016 626 A1 oder DE 10 2005 056 774 A1 bekannt.
• 5a und 5b zeigen Verläufe der normierten Ladungsdifferenz Δq = q_a - q_b / (q_a + q_b) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung Δφ(t_L) des empfangenen Lichtsignals S_p2 mit unterschiedlichen Phasenlagen. Die 5a zeigt einen Verlauf für eine unverschobene Modulationsphase M₀ mit einer Phasenlage φ_var = 0°.
• Bei einem Auftreffen des Signals S_p2 ohne Phasenverschiebung also Δφ(t_L) = 0°, beispielsweise, wenn das Sendesignal S_p1 direkt auf den Sensor gelenkt wird, sind die Phasen der Modulation M₀ und vom empfangenen Signal S_p2 identisch, so dass alle erzeugten Ladungsträger phasensynchron am ersten Integrationsknoten Ga erfasst werden und somit ein maximales Differenzsignal mit Δq = 1 anliegt.
• Mit zunehmender Phasenverschiebung nimmt die am ersten Integrationsknoten Ga akkumulierte Ladung ab und am zweiten Integrationsknoten Gb zu. Bei einer Phasenverschiebung von Δφ(t_L) = 90° sind die Ladungsträger qa, qb an beiden Integrationsknoten Ga, Gb gleich verteilt und die Ladungsdifferenz somit Null und nach 180° Phasenverschiebung „-1“. Mit weiter zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Gate Ga wieder zu, so dass im Ergebnis die Ladungsdifferenz wieder ansteigt, um dann bei 360° bzw. 0° wieder ein Maximum zu erreichen.
• Mathematisch handelt es sich hierbei um eine Korrelationsfunktion des empfangenen Signals S_p2 mit dem modulierenden Signal M₀. $$q\left(\tau \right)={\displaystyle \underset{0}{\overset{\tau }{\int }}{S}_{p2}\left(t+\tau \right)M_0}\left(t\right)dt$$

  
• Bei einer Modulation mit einem Rechtecksignal ergibt sich wie bereits dargestellt als Korrelationsfunktion eine Dreiecksfunktion. Bei einer Modulation mit beispielsweise einem Sinussignal wäre das Ergebnis eine Kosinusfunktion.
• Wie 5a zeigt, ist eine Messung der Phase mit einer Phasenlage nur bis zu einer Phasenverschiebung Δφ(t_L) ≤ 180° eindeutig.
• Zur maximalen Erfassung der Phasenverschiebung ist beispielsweise das IQ (Inphase-Quadratur) Verfahren bekannt, bei dem zwei Messungen mit um 90° verschobenen Phasenlagen durchgeführt werden, also beispielsweise mit der Phasenlage φ_var = 0°= Real-Teil und φ_var = 90° = Imaginär-Teil. Das Ergebnis einer Messung mit der Phasenlage φ_var = 90° ist in 5b dargestellt.
• Die Beziehung dieser beiden Kurven lässt sich in bekannter Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm gem. 6 darstellen. In erster Näherung ist diese Darstellung ohne weiteres auch für die dargestellten Dreiecksfunktionen anwendbar.
• Der Phasenwinkel lässt sich dann in bekannter Weise über eine arctan-Funktion bzw. arctan2-Funktion bestimmen: $$\phi =\Delta \phi \left(t_L\right)=\text{arctan}\frac{\Delta q\left(90°\right)}{\Delta q\left(0°\right)}=\frac{\text{Im}}{\text{Re}}$$

  
• Aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen Ladung und Spannung, lässt sich der Phasenwinkel ebenso über die Spannungsdifferenzen bestimmen: $$\phi =\Delta \phi \left(t_L\right)=\text{arctan}\frac{\Delta U\left(90°\right)}{\Delta U\left(0°\right)}$$

  
• Um beispielsweise Asymmetrien des Sensors zu kompensieren, können zusätzliche um 180° verschobene Phasenmessungen durchgeführt werden, so dass sich im Ergebnis der Phasenwinkel wie folgt bestimmen lässt. $$\phi =\Delta \phi \left(t_L\right)=\text{arctan}\frac{\Delta q\left(270°\right)-\Delta q\left(90°\right)}{\Delta q\left(0°\right)-\Delta q\left(180°\right)}$$

  
• Oder verkürzt in Amplituden S der Autokorrelationsfunktion formuliert: $$\phi =\text{arctan}\frac{S_3-S_1}{S_0-S_2}$$

  

  mit s₀ = Δ_q(0°) usw. oder allgemein: $$\phi =\text{arctan}\frac{{\displaystyle \sum {}_{i=0}^n{S}_i\text{sin}\left(\frac{2\pi }{n}i\right)}}{{\displaystyle \sum {}_{i=0}^n{S}_i\text{cos}\left(\frac{2\pi }{n}i\right)}}$$

  
• Aus der Phasenverschiebung φ bzw. Δφ(t_L) lassen sich für Objektabstände d, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge λ der Modulationsfrequenz d ≤ λ/2, in bekannter Weise ein Abstand bestimmen. $$d=\Delta \phi \left(t_L\right)\frac{\lambda }{2\pi }\cdot \frac{1}{2}$$

  
• In 7 ist ein vollständiger Satz einer Entfernungsmessung mit vier Messintervallen mit den Phasenlagen von 0°, 90°, 180° und 270° dargestellt. Im dargestellten Fall werden Ladungsträger jeweils über Modulationsperioden integriert und in jeder Phasenlage ein der Ladungsdifferenz entsprechender Wert bzw. Phasenwert S₀, S₁, S₂, S₃ ausgelesen, woraus sich wie bereits dargestellt eine Phasenverschiebung und ein entsprechender Entfernungswert ermitteln lässt.
• In bisherigen ToF Systemen wird der 4 Phasen Algorithmus verwendet, um innerhalb eines Eindeutigkeitsbereichs die Phasenlage zu bestimmen. Bei diesem Algorithmus werden vier Stützstellen, die äquidistant im Eindeutigkeitsbereich von 0 bis 2π mit gleicher Modulationsfrequenz ermittelt und anschließend die Phasenlage der Grundwelle, die durch diese Stützstellen verläuft, berechnet. Der Eindeutigkeitsbereich wird durch einen Transformationsfaktor vom Bogenmaß in eine Distanz überführt.
• Objekte in Abständen, die in Vielfachen dieses Eindeutigkeitsbereichs (> 2π) liegen, führen zu Mehrdeutigkeiten der Phasenlage. Diese Mehrdeutigkeiten können durch eine weitere Phasenmessung bzw. durch eine erneute Anwendung des 4 Phasenalgorithmus mit anderen, typischerweise einer niedrigeren Modulationsfrequenz in eine eindeutige Phasenlage überführt werden. Dieses Vorgehen impliziert demnach mindestens 8 Messungen bis ein eindeutiger Distanzwert berechnet werden kann.
• In 8 sind zwei Korrelationen für zwei unterschiedliche Frequenzen gezeigt. Die zweite Frequenz f₂ ist im dargestellten Beispiel doppelt so hoch wie die erste Frequenz f₁. Hieraus ergibt sich, dass die Korrelationsfunktion der höheren Frequenz f₂ im Eindeutigkeitsbereich der ersten Frequenz f₁ zweimal durchlaufen wird. Für eine Frequenzpaarung von 15 und 30 MHz ergeben sich Eindeutigkeitsbereiche von 10 m (3e8[m/2] / (2π(f₁))) und 5 m (3e8[m/2] / (2π(f₁))).
• Zur Erkennung von Mehrdeutigkeiten ist es erfindungsgemäß nun vorgesehen, einen Phasenwert in der Entfernungsmessung mit einer niedrigeren Frequenz und die übrigen Phasenwerte mit einer höheren Frequenz zu messen. Die Phasenwerte S0, S1, S2, S3 können beispielsweise in einer Phasenlage von 0°, 90°, 180° und 270° ermittelt werden. In dem dargestellten Beispiel ist es vorgesehen den vierten Phasenwert S'₃ mit der niedrigeren Frequenz f₁ zu messen, während die übrigen drei Phasenwerte S₀, S₁, S₂ mit der maximalen Frequenz f₂ gemessen werden. Für die Ermittlung eines Entfernungswerts ist es dann sinnvoll, den vierten Phasenwert S'₃(f₁) der ersten Frequenz f₁ in einen zu erwartenden Phasenwert S₃(f₂) der zweiten Frequenz f₂ umzurechnen. Dies kann beispielsweise über einen Korrekturfaktor k erfolgen, der vorzugsweise dem Verhältnis der beiden vierten Phasenwerte S₃, S'₃, entspricht: $$k=\frac{S_3}{S{\text{'}}_3}=\frac{S_3\left(f_2\right)}{S{\text{'}}_3\left(f_1\right)}\text{woraus folgt }{S}_3=k\cdot S{\text{'}}_3\left(f_1\right)$$

  
• Der systematische Fehler („Wiggling“), der sich nach diesem Verfahren ergibt, ist im mittleren Diagramm der 8 dargestellt. Der Verlauf der strich-punktierten Kurve ist die Referenz, die sich ergibt, wenn alle vier Phasenwerte mit der maximalen Frequenz f₂ gemessen werden. Eine Verwendung der drei Phasenwerte S₀, S₁, S₂ mit maximaler Frequenz f₂ und des vierten Phasenwerts S₃ mit niedriger Frequenz ohne Anwendung der Korrektur ergibt den gestrichelten Kurvenlauf. Die Anwendung der Korrektur ergibt die Kurve mit der durchgezogenen Linie, welche im ersten Eindeutigkeitsbereich von 0 bis 2π deckungsgleich zur Referenz verläuft und außerhalb dieses Bereichs > 2π davon abweicht.
• Die Ursache hierfür ist, dass die Korrekturwerte k nur innerhalb des ersten Eindeutigkeitsbereichs ermittelt wurden und dass dementsprechend der Imaginärteil durch die Korrektur nur innerhalb des ersten Eindeutigkeitbereichs symmetrisch verläuft. Der Imaginärteil ist hier deswegen interessant, da der vierte Phasenwert S₃ einen Beitrag zum Imaginärteil liefert. Der Verlauf des Imaginärteils ist im unteren Diagramm der 8 dargestellt. Ebenso wird deutlich, dass über ein Symmetriekriterium dieser Verlauf detektiert werden kann.
• Die Anwendung des Verfahrens ist nicht auf die Kombination von drei Phasenwerten maximaler Frequenz und eines Phasenwerts niedrigere Frequenz limitiert. Ebenso kann das Verhältnis der Frequenzen grundsätzlich frei eingestellt werden. Sollte zum Beispiel der vierte Phasenwert S₃ bewusst ebenfalls mit der maximalen Frequenz gemessen werden, um beispielsweise Offsets (SBI Asymmetrie) optimaler zu korrigieren, könnte eine fünfte (bzw. sechste) Phasenwertmessung mit niedriger Frequenz gemessen werden und entsprechend verrechnet werden.
• Ebenso können auch zwei Phasenwerte (z. B. der Realteil) mit der maximalen und zwei Phasenwerte (z. B. der Imaginärteil) mit der niedrigeren Frequenz gemessen werden und dennoch würde eine Eindeutigkeit des Phasenwerts (Distanzwertes) erreicht.
• Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, ein Kriterium zur Verfügung zu stellen anhand dessen eine Überreichweite bzw. eine Mehrdeutigkeit erkannt wird. Eine Möglichkeit ist beispielsweise eine Symmetrie bzw. Symmetriedifferenz SD der Korrrelationsfunktion zu bestimmen, indem die Differenzen der Real- und Imaginärteil bzw. die Differenzen zwischen zwei um 90° verschobenen Phasenwerte gebildet werden, entsprechend: $$SD=\left(\left|S_2\right|-\left|kS{\text{'}}_3\right|\right)+\left(\left|S_0\right|-\left|S_1\right|\right)$$

  
• Ist die Symmetriedifferenz kleiner als ein vorgegebener Grenzwert GW, liegen die vier Phasenwerte symmetrisch um den Nullpunkt. Ist dies nicht der Fall, ist davon auszugehen, dass die gemessene Distanz jenseits des Eindeutigkeitsbereichs liegt, für den der Korrekturwert k ermittelt wurde. Die Symmetriedifferenz SD kann ggf. auch auf eine maximale Amplitude normiert werden. Ein möglicher Verlauf der Symmetriedifferenz SD ist beispielhaft und schematisch in 9 dargestellt.
• Bezugszeichen

1

Lichtlaufzeitmesssystem

10

Beleuchtungsmodul

12

Beleuchtung

20

Empfänger, Lichtlaufzeitkamera

22

Lichtlaufzeitsensor

27

Auswerteeinheit

30

Modulator

35

Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber

38

Modulationssteuergerät

400

Auswerteeinheit

φ, Δφ(tL)

laufzeitbedingte Phasenverschiebung

φvar

Phasenlage

φ0

Basisphase

M0

Modulationssignal

p1

erste Phase

p2

zweite Phase

Sp1

Sendesignal mit erster Phase

Sp2

Empfangssignal mit zweiter Phase

Ga, Gb

Integrationsknoten

Ua, Ub

Spannungen an den Integrationsknoten

ΔU

Spannungsdifferenz

Δq

Ladungsdifferenz

Si

Phasenwerte

d

Objektdistanz

Claims (5)

1. Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitmesssystems (1), mit den Schritten: - Aussendung und Empfang eines modulierten Lichts (S_p1, S_p2), - Demodulation des empfangenen modulierten Lichts (S_p2) mit einem Modulationssignal (M₀), - wobei zur Entfernungsmessung wenigstens drei Messintervalle mit unterschiedlichen Phasenlagen (φ_var) des Modulationssignals (M₀) durchgeführt werden, wobei entweder die Aussendung des modulierten Lichts (S_p1) oder die Demodulation des empfangenen Lichts (S_p2) mit diesen unterschiedlichen Phasenlagen (φ_var) erfolgt, - wobei in wenigstens einem der Messintervalle das Modulationssignal mit einer ersten Frequenz (f₁) betrieben wird und in wenigstens zwei der Messintervalle das Modulationssignal (M₀) mit einer zweiten Frequenz (f₂), wobei die zweite Frequenz (f₂) größer ist als die erste Frequenz (f₁), wobei die Anzahl der Messintervalle mit der größeren Modulationsfrequenz (f₂) größer ist als die Anzahl der Messintervalle mit der kleineren Modulationsfrequenz (f₁), wobei zur Ermittlung eines Entfernungswerts ein Phasenwert (S(f₁)), der mit der ersten Frequenz (f₁) ermittelt wurde in einen Phasenwert (S(f2)) der zweiten Frequenz (f₂) umgerechnet wird, wobei in den Messintervallen Phasenwerte (S₀, S₁, S₂, S₃) für die jeweilige Phasenlage (φ_var) und Modulationsfrequenz (f₁, f₂) ermittelt werden, wobei in einem Überwachungsschritt überprüft wird, ob ein Überwachungswert, der aus den ermittelten Phasenwerten (S₀, S₁, S₂, S₃) gebildet wird, einen Grenzwert (GW) überschreitet, und wobei zum Vergleich mit dem Grenzwert (GW) eine Symmetriedifferenz SD bestimmt wird, indem die Differenzen zwischen zwei um 90° verschobenen Phasenwerten (S(f₁), (S(f₂))) gebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem für eine Entfernungsmessung vier Messintervalle vorgesehen sind, wobei ein Messintervall mit der ersten kleineren Frequenz (f₁) und drei Messintervalle mit der zweiten größeren Frequenz (f₂) durchgeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zur Ermittlung des Entfernungswertes drei Phasenwerte S₀, S₁, S₂ mit der maximalen Frequenz f₂, und ein Phasenwert S'₃(f₁) mit der ersten Frequenz f₁ gemessen werden, wobei die Symmetriedifferenz gemäß $$SD=\left(\left|S_2\right|-\left|kS{\text{'}}_3\right|\right)+\left(\left|S_0\right|-\left|S_1\right|\right)$$

   

   gebildet wird und wobei $k=\frac{S_3}{S{\text{'}}_3}$

   

   einen Korrekturfaktor angibt, welcher den vierten Phasenwert S'₃(f₁) der ersten Frequenz f₁ in einen zu erwartenden Phasenwert S₃(f₂) der zweiten Frequenz f₂ umrechnet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem bei einem Überschreiten des Grenzwertes (GW) ein Fehlersignal erzeugt wird.
5. Lichtlaufzeitmesssystem, mit einem Lichtlaufzeitsensor (22), der mindestens ein Empfangspixel aufweist und mit einer Lichtquelle (12), mit einem Modulator (30), der mit dem Lichtlaufzeitsensor (22) und der Lichtquelle (12) verbunden ist, wobei der Modulator (30) zur Erzeugung eines Modulationssignals in wenigstens drei unterschiedlichen Phasenlagen und zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen ausgebildet ist, mit einer Auswerteeinheit (27), die zur Durchführung eines Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgebildet ist.

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