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Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung des Anspruchs 1.
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Mit Lichtlaufzeitkamerasystem sollen insbesondere alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme umfasst sein, 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 pmdtechnologie ag' 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 das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 1 gelöst.
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Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, mit einer Beleuchtung zur Aussendung eines modulierten Lichts mit einer vorgegebenen Wellenlänge und einer Lichtlaufzeitkamera mit einem Lichtlaufzeitsensor, der mehrere Lichtlaufzeitpixel aufweist, die als PMD-Pixel mit Modulationsgates und wenigstens zwei Integrationsknoten ausgebildet sind, mit einer Auswerteeinheit, die derart ausgestaltet ist, dass ein Entfernungswert anhand einer Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen modulierten Licht bestimmt wird, wobei zur Bestimmung der Phasenverschiebung eine Differenz der an den Integrationsknoten nach einer Integrationszeit anliegenden Ladungen bzw. deren Spannungsäquivalent gebildet wird,
wobei die Kamera einen spektralen Kanten- oder Bandpassfilter aufweist, der für die vorgegebene Wellenlänge des ausgesendeten Lichts durchlässig ist, und die Beleuchtung derart ausgebildet ist, dass sie nicht örtlich gleichförmig, homogen strahlt, sondern ein Punktemuster bildet, dessen Punkte eine (Modulations-)Amplitude aufweisen, die größer ist als eine Basisamplitude, wobei das Licht zwischen den Punkten des Punktemusters nicht unterhalb der Basisamplitude abfällt, wobei die Anzahl der Punkte im Punktemuster kleiner ist als die Anzahl der Lichtlaufzeitpixel des Lichtlaufzeitsensors,
und die Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist, dass zur Bestimmung eines Entfernungswerts nur die Pixel des Lichtlaufzeitsensors herangezogen werden, deren erfasste Nutzlichtamplitude (nach der Demodulation im pmd-Empfänger) einen vorgegebenen Amplitudengrenzwert übersteigen.
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Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Basisamplitude der Beleuchtung für einen Nahbereich und/oder gut reflektierende Objekte eine ausreichend hohe Signalstärke aufweist, so dass vorzugsweise an alle Pixel am Lichtlaufzeitsensor eine ausreichende Helligkeit bzw. Nutzlichtamplitude messbar ist, die an allen Pixeln den vorgegebenen Amplitudengrenzwert übersteigen.
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Für einen Fernbereich und/oder schlecht reflektierende Objekte, für die die Basisamplitude keine ausreichende Helligkeit mehr liefert, können jedoch die mit größerer Amplitude ausgestrahlten Lichtpunkte des Punktemuster für die Entfernungsbestimmung unter Inkaufnahme einer geringeren lateralen Auflösung herangezogen werden.
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Besonders günstig ist es, wenn die Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist, dass der Lichtlaufzeitsensor in mehrere Sub-Pixelbereiche aufgeteilt wird, wenn der Amplitudengrenzwert nicht mehr von einer Mindestanzahl von Pixeln erreicht wird, wobei dann in diesen Sub-Pixelbereich nur das Lichtlaufzeitpixel zur Bestimmung eines Entfernungswerts herangezogen wird, das in diesem Sub-Pixelbereich eine maximale Helligkeit aufweist.
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Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass für den jeweiligen Sub-Pixelbereich immer nur das am besten beleuchtete Pixel ausgewertet wird, um ein möglichst gutes Signal/Rauschverhältnis zu erhalten.
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Besonders günstig ist es, wenn das Verhältnis der Anzahl der ausgesendeten Lichtpunkte zur Anzahl der Lichtlaufzeitpixel des Lichtlaufzeitsensors 1:4 oder kleiner ist.
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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 modulierte Integration erzeugter Ladungsträger,
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3 ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitkamerasystem,
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4 verschiede Punktemustervarianten,
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5 einen Querschnitt einer Lichtverteilung durch ein Punktemuster,
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6 eine Querschnitt einer Lichtverteilung durch ein Punktemuster mit einer Basisamplitude
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7 einen Querschnitt einer erfassten Nutzlichtamplitude mit ausreichender Basisamplitude,
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8 einen Querschnitt einer erfassten Nutzlichtamplitude mit zu geringer erfassten Basisamplitude.
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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.
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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.
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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 Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal Mo 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 φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.
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Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus.
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Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 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 Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal Mo mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
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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.
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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 Sp2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit tL phasenverschoben Δφ(tL) 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 Integrationsknoten insbesondere Akkumulationsgate Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M0 + 180° in einem zweiten Integrationsknoten insbesondere Akkumulationsgate Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ(tL) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform, bei der anstelle eines homogenen Lichts ein Punktemuster 50 ausgesendet wird. Das Punktemuster 50 kann beispielsweise mit Hilfe einer diffraktiven Optik 18 erzeugt werden. Es ist jedoch auch denkbar, mit mehreren Lichtquellen, insbesondere VCSELs oder LEDs, ein geeignetes Punktemuster 50 zu erzeugen. Die mit dem Punktemuster 50 beleuchteten Objekte 40 werden von der Kamera 20 erfasst.
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Über die Optik 25 der Kamera 20 werden die Punkte 51 des Punktemusters 50 auf dem Lichtlaufzeitsensor abgebildet. Die Größe der Punkte 51 im ausgesendeten Punktemuster 50 ist so abgestimmt, dass beim Empfang ein einzelner Punkt 51 des Punktemusters 50 jeweils ein Pixel 23 des Lichtlaufzeitsensors 22 vorzugsweise vollständig beleuchtet.
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4 zeigt mögliche Auslegungen der Punktemuster 50. In 4a ist ein Punktemuster 50 gezeigt, bei dem pro 4×4 Sub-Pixelmatrix 24 ein Pixel 23 von einem Punkt 51 beleuchtet wird. In 4b ist eine Variante mit einer nochmals geringeren Flächendichte gezeigt, bei der in einer 8×8 Pixelmatrix nur ein Pixel 23 beleuchtet wird.
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Erfindungsgemäß ist es dann vorgesehen, zu Entfernungsbestimmung nur das vollständig beleuchtet Pixel 23, d.h. das Pixel mit dem höchsten Amplitudenwert, auszuwerten, während die Pixel 23 mit geringeren Amplituden nicht zur Auswertung herangezogen werden. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass zur Entfernungsbestimmung nur die Pixel 23 mit einem hohen Signal-/Rauschverhältnis S/N herangezogen werden.
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Bevorzugt sind die Punkte 51 im Punktmuster 50 so verteilt, dass pro ausgewertete Sub-Pixelmatrix 24 nur ein Pixel 23 beleuchtet wird. Die Position des Punkts 51 innerhalb einer solchen Sub-Pixelmatrix 24 ist beliebig. Die Verteilung der Punkte 51 im gesamten Punktemuster 51 kann insofern auch beliebig erfolgen, solange wenigstens ein Punkt 51 innerhalb der vorgegebenen Sub-Pixelmatrix 24 detektierbar ist. Somit können Punktemuster 50 mit gleichförmig oder statistisch verteilten Punkten 51 aber auch räumlich kodierte Punktemuster 50 realisiert werden. Ebenso ist es auch denkbar, die Punkte 51 unabhängig von einer auszuwertenden Sub-Pixelmatrix 24 zu verteilen.
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Gegenüber einer herkömmlichen homogenen Beleuchtung hat das erfindungsgemäße Vorgehen den Vorteil, dass die Punkte 51 des ausgesendeten Punktemuster 50 mit einer höheren Strahlungsdichte ausgesendet werden können als dies bei einer homogenen Beleuchtung bei gleichem Energieeinsatz möglich wäre. Der mögliche Signalgewinn hängt direkt proportional von der Dichte der Punkte 51 im Punktemuster ab. Bei einer Dichte von 1:4, d.h. 1 Pixel von 4 Pixeln wird beleuchtet, erhöht sich der Signalgewinn um Faktor 4. Bei einem Verhältnis 1:10 um Faktor 10 oder bei 1:1000 um einen Faktor 1000.
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Durch die Konzentration der Energie auf wenige Punkte lässt sich der Arbeitsbereich des Lichtlaufzeitkamerasystems im Hinblick auf Fremdlichtfestigkeit und/oder Entfernung um den Preis der Ortsauflösung vergrößern. Bei einem Punktemuster mit der Dichte 1:10 verringert sich die Auflösung des Lichtlaufzeitsensors 22 entsprechend um Faktor 10 während sich das S/N-Verhältnis und somit auch die Fremdlichtfestigkeit um einen Faktor 10 erhöht.
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Wird das Licht zudem in einem kodierten Punktemuster 50 ausgesendet, so kann neben der TOF-Entfernungsmessung zusätzlich auch eine Entfernungsbestimmung über Triangulation, so wie es aus so genannten strukturierten Lichtverfahren bekannt ist, herangezogen werden.
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Ausgehend vom bekannten Abstand zwischen der Lichtquelle 12 der Beleuchtung 10 und dem Lichtlaufzeitsensor 22 der Kamera 20 kann aus der räumlichen Verschiebung der erfassten Punkte 51 des Punktemusters 50 ein Abstand des erfassten Punkts 51 bestimmt werden.
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5 zeigt einen möglichen Querschnitt der Amplituden AB in der Lichtverteilung eines durch die Beleuchtung 10 ausgesendeten Punktemuster 50. Im vorliegenden Fall sind die Lichtpunkte 51 nicht äquidistant verteilt. Die Breite der Amplitudenpeaks der Lichtpunkte 51 ist vorzugsweise so gewählt, dass beim Empfang dieser Lichtpunkte 51 im Wesentlichen nur ein Lichtlaufzeitpixel 23 beleuchtet wird.
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6 eine Querschnitt einer Lichtverteilung bei dem zusätzlich zum Punktemuster 51 ein Licht mit einer Basisamplitude ABB ausgesendet wird. Im Unterschied zu der Lichtverteilung gemäß 5 fällt die Lichtemission zwischen den Peaks nicht auf Null, sondern nur bis auf die Basisamplitude ABB ab. In bekannter Weise nimmt die Amplitude bzw. Helligkeit des emittieren Lichts mit 1/r2 ab. Die Basisamplitude ABB ist so gewählt, dass das im Nahbereich vom Lichtlaufzeitsensor 22 erfasste Licht eine ausreichende Signalstärke zum Hintergrundrauschen aufweist. Mit zunehmender Entfernung wird das S/N-Verhältnis dieser Basisamplitude ABB zunehmende schlechter, während die Lichtpunkte mit hoher Amplitude ein nach wie vor ausreichendes S/N-Verhältnis aufweisen.
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Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass im Nahbereich die Szenerie mit einer für die Entfernungsbestimmung ausreichenden Amplitude vollständig beleuchtet werden kann, und die Entfernungsbestimmung mit der vollen Auflösung des Lichtlaufzeitsensors 22 erfolgen kann. Im Fernbereich hingegen reicht die Stärke der Basisamplitude nicht mehr aus. Eine Entfernungsbestimmung erfolgt dann anhand der mit hoher Intensität ausgestrahlten Lichtpunkte mit geringerer Auflösung.
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7 und 8 zeigen exemplarisch mögliche Signal/Amplitudenverläufe AS des erfassten modulierten Lichts über einen Lichtlaufzeitsensor-Querschnitt xS für einen Nah- bzw. Fernbereich. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass nur Signale AS für die Entfernungsmessung ausgewertet werden, die einen Amplitudengrenzwert ASG überschreiten. Im in 7 dargestellten Fall trifft dies für alle Pixel im gezeigten Querschnitt zu. 8 zeigt einen Fall bei dem das mit der Basisamplitude AB ausgesendete und dann vom Lichtlaufzeitsensor 22 empfangene modulierte Licht bzw. Nutzlicht nicht mehr den Amplitudengrenzwert ASG überschreitet. In diesem Fall überscheiten nur die mit größerer Amplitude ausgesendeten Lichtpunkte 51 des Punktmusters 50 den Amplitudengrenzwerts ASG und können ausgewertet werden.
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Um ein möglichst hohes Signal- zu Rauschverhältnis zu erhalten ist es erfindungsgemäß ferner vorgesehen, in dem in 8 skizzierten Fall nur die Pixel auszuwerten, der Amplitude innerhalb eines vorgegebenen Sub-Pixelbereich maximal ist. Die für dieses Pixel ermittelte Entfernung wird als Entfernungswert für den gesamten Sub-Pixelbereich verwendet.
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Ob der Sensor in einem Sub-Pixel-Betrieb umgeschaltet wird, kann beispielsweise anhand der Anzahl der Pixel bestimmt werden, die den Amplitudengrenzwert ASG über- oder unterschreiten. Beispielsweise könnte in den Sub-Pixel-Betrieb umgeschaltet werden, wenn mehr als 50 % der Pixel den Amplitudengrenzwert ASG nicht mehr überschreiten. Selbstverständlich können je nach Anwendung auch andere Grenzwerte festgelegt werden.
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Ferner ist es auch denkbar, wie in 9 gezeigt, Punktemuster mit unterschiedlichen Amplituden zu realisieren. Neben dem Licht mit Basisamplitude ABB wird ein erstes Punktemuster mit einer ersten Peakamplitude ABP1 und ein zweites Punktemuster mit einer zweiten größeren Peakamplitude ABP2 ausgesendet. Falls das erste Punktemuster nicht mehr sinnvoll detektiert werden kann, verbleibt, dass zweite Punktemuster mit der größeren Amplituden ABP2. Da dieses Punktemuster typischerweise eine geringere Punktedichte aufweisen wird, kann auch hier ggf. der Sensor in größere Sub-Pixelbereiche aufgeteilt werden und in der vorgenannten Art und Weise ausgewertet werden.
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Zur Bestimmung der Signalamplitude am Sensor könnte im einfachsten Fall das Summensignal der an beiden Integrationsknoten im Integrationsintervall akkumulierten Ladung bestimmt werden. Dieses Vorgehen hat jedoch den Nachteil, dass auch das Hintergrundlicht zur Amplitude beiträgt.
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Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen, eine Nutzlichtamplitude aus den Ladungsdifferenzen q
a – q
b bzw. hierzu äquivalenten Spannungsdifferenzen zu zwei unterschiedlichen Phasenmessungen zu bestimmen, gemäß
mit q
a,b = Ladungen an den Integrationsknoten Ga, Gb und mit φ
0,1 = Phasenlage der jeweiligen Messung, beispielsweise mit φ
0 = 0° und φ
1 = 90°. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass durch die Differenzbildung das Fremd- bzw. Hintergrundlicht quasi ausgeblendet wird und die Nutzlichtamplitude somit grundsätzlich nur vom moduliert ausgestrahlten und empfangenen Nutzlicht abhängig ist.
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Das hier formulierte Beispiel der Verwendung von zwei Phasenmessungen zur Amplitudenbestimmung dient lediglich der Veranschaulichung und Abgrenzung zur Verwendung des Summensignals. Das Verfahren ist gleichermaßen übertragbar und anwendbar für andere Modulationsverfahren wie n-Phasen Modulation, Mehr-Frequenzmodulation, pn-Modulation, u.s.w.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtlaufzeitkamerasystem
- 10
- Beleuchtungsmodul
- 12
- Beleuchtung
- 20
- Empfänger, Lichtlaufzeitkamera
- 22
- Lichtlaufzeitsensor
- 23
- Lichtlaufzeitpixel
- 25
- Optik
- 30
- Modulator
- 35
- Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber
- 38
- Modulationssteuergerät
- 40
- Objekt
- 50
- Punktemuster
- 51
- Punkt, Lichtpunkt
- 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
- d
- Objektdistanz
- q
- Ladung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19704496 A1 [0002, 0022]
