DE102017009983A1

DE102017009983A1 - Bilderfassungsvorrichtung und Bilderfassungsverfahren

Info

Publication number: DE102017009983A1
Application number: DE102017009983.9A
Authority: DE
Inventors: Minoru Nakamura; Yuuki Takahashi; Atsushi Watanabe
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2016-11-09
Filing date: 2017-10-26
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2037-10-27
Also published as: US20180131922A1; JP6333921B2; US10313655B2; CN108063937B; DE102017009983B4; CN108063937A; JP2018077122A

Abstract

Es wird eine Bilderfassungsvorrichtung zur Verfügung gestellt, die in der Lage ist, mehrere Bilderfassungsvorgänge unter Verwendung von mehreren Bilderfassungseinheiten durchzuführen, und in der Lage ist, eine Distanz zwischen jeder der Bilderfassungseinheit und einem Ziel korrekter zu messen. Eine Bilderfassungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist eine Bilderfassungsvorrichtung 100 mit mehreren Bilderfassungseinheiten. Die Bilderfassungsvorrichtung umfasst: eine Lichtemissionseinheit 107 zur Distanzmessung, die einen Referenzstrahl emittiert; und die mehreren Bilderfassungseinheiten 103 (103A, 103B) die Bilder von einem reflektierten Strahl des Referenzstrahls erfassen, während sie eine gemeinsame Taktung der Bilderfassung aufweisen.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Bilderfassungsvorrichtung und ein Bilderfassungsverfahren unter Verwendung des Time-of-Flight-Systems (TOF-System).
Stand der Technik
Eine Distanzmessvorrichtung (TOF-Kamera), die das Time-of-Flight-System (TOF-System) zum Messen der benötigten Zeit zum Reflektieren eines emittierten Infrarotstrahls weg von einem Zielobjekt und zum anschließenden Beobachten mittels einer Kamera, und zum Erfassen einer Distanz zum Objekt basierend auf der gemessenen Zeit nutzt, hat in den vergangenen Jahren Beachtung als dreidimensionale Distanzmessvorrichtung als Alternative zu Vorrichtungen gefunden, die das Stereokamerasystem nutzen. Die Nachfrage nach TOF-Kameras steigt.

Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung (Übersetzung der PCT-Anmeldung), Veröffentlichungsnummer 2009-516157
Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung (Übersetzung der PCT-Anmeldung), Veröffentlichungsnummer 2016-502657

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
Bekannt sind folgende Zusammenhänge, die auf den Prinzipien der Distanzmessung unter Verwendung einer TOF-Kamera basieren. Wenn mehrere TOF-Kamera in kurzem Abstand voneinander oder an entgegengesetzten Positionen angeordnet sind und die entsprechenden Lichtemissionseinheiten der TOF-Kameras Referenzstrahlen emittieren, kann ein reflektierter Strahl eines von einer der TOF-Kameras emittierten Referenzstrahls eine Bilderfassungseinheit einer anderen der TOF-Kameras beeinflussen. In manchen Fällen macht dies das korrekte Messen einer Distanz unmöglich.
Aus diesem Grund interagieren auch dann, wenn Bilder von geteilten Bereichen eines breiten Bilderfassungsbereichs unter Verwendung mehrerer TOF-Kameras gleichzeitig erfasst werden sollen, die aus Strahlen von den TOF-Kameras resultierenden reflektierten Strahlen während der Bilderfassungsvorgänge miteinander. Das macht es unmöglich, Bilddaten mit einem hohen Stabilitätsgrad unter Abdeckung des breiten Bilderfassungsbereichs zu erfassen.
Damit eine Vorrichtung zur Fehlererkennung auf einem so hohen, für die Funktionssicherheit erforderlichen Niveau in der Lage ist, wurde die Vorrichtung im Allgemeinen so konfiguriert, dass zwei Systeme bereitgestellt werden, von denen jedes eine Eingabeeinheit, eine Logikeinheit und eine Ausgabeeinheit beinhaltet, und ferner ist jedes dieser Systeme zum Überwachen des anderen Systems konzipiert. Insbesondere wird die folgende Technik, wie in 9 dargestellt, in manchen Fällen verwendet, damit eine Vorrichtung 10 zuverlässig einen hohen Fehlererkennungsgrad aufweist. Die Vorrichtung 10 besitzt ein System 15A, das eine Eingabeeinheit 11A, eine Logikeinheit 12A und eine Ausgabeeinheit 13A beinhaltet, sowie ein System 15B, das eine Eingabeeinheit 11B, eine Logikeinheit 12B und eine Ausgabeeinheit 13B beinhaltet. Sowohl die Logikeinheit 12A als auch die Logikeinheit 12B ist zum Überwachen des jeweils anderen Systems konzipiert. In der Vorrichtung 10 können sowohl das System 15A und das System 15B Distanzmessvorrichtungen sein, die das TOF-System nutzen, und sowohl beide Eingabeeinheiten 11A und 11B können TOF-Kameras sein. Wenn die zwei Eingabeeinheiten 11A und 11B in kurzem Abstand zueinander angeordnet sind und die jeweiligen Lichtemissionseinheiten der Eingabeeinheiten 11A und 11B Referenzstrahlen emittieren, beeinflusst ein reflektierter Strahl von dem von einer der TOF-Kameras emittierten Referenzstrahl eine Bilderfassungseinheit der anderen TOF-Kamera ungünstig. Daher ist es auch dann, wenn die Vorrichtung 10 mehrere TOF-Kameras zum Reduzieren der Störungswahrscheinlichkeit bei der Bilderfassung aufgrund eines Fehlers in einer Kamera oder einer Störung beim Erkennen einer Funktionsstörung der Kamera immer noch nicht möglich, einen Stabilitätsgrad der Distanzmessung zu erhöhen.
Nachfolgend ist der von einem reflektierten Strahl zu verursachende Einfluss unter Bezugnahme auf 10 hinsichtlich der Verwendung mehrerer benachbarter oder nahe beieinander angeordneter TOF-Kameras genauer beschrieben. Wie in 10 dargestellt beinhaltet eine TOF-Kamera 20A einen TOF-Bildsensor 21A, eine Linse 22A und eine Lichtemissionseinheit 25A Eine TOF-Kamera 20B beinhaltet einen TOF-Bildsensor 21B, eine Linse 22B und ein Lichtemissionseinheit 25B. In diesem Fall wird sowohl ein von der Lichtemissionseinheit 25A der TOF-Kamera 20A emittierter Referenzstrahl A1 und ein von der Lichtemissionseinheit 25B der TOF-Kamera 20B emittierter Referenzstrahl B1 von einem Ziel (in diesem Beispiel einem Ziel 30) weg reflektiert. Ein reflektierter Strahl A2 des Referenzstrahls A1 wird sowohl in den Bildsensor 21A der TOF-Kamera 20A und in den Bildsensor 21B der TOF-Kamera 20B eingegeben. Ebenso wird ein reflektierter Strahl B2 des Referenzstrahls B1 sowohl in den Bildsensor 21A der TOF-Kamera 20A und in den Bildsensor 21B der TOF-Kamera 20B eingegeben.
In der nachstehenden Beschreibung können die TOF-Kamera 20A und die TOF-Kamera 20B gemeinsam eine „TOF-Kamera 20“ genannt werden, wenn eine Unterscheidung der beiden nicht erforderlich ist. Ebenso können der TOF-Bildsensor 21A und der TOF-Bildsensor 21B gemeinsam ein „TOF-Bildsensor 21“ genannt werden. Ebenso können die Linse 22A und die Linse 22B gemeinsam eine „Linse 22“ genannt werden. Ebenso können die Lichtemissionseinheit 25A und die Lichtemissionseinheit 25B gemeinsam eine „Lichtemissionseinheit 25“ genannt werden. In der vorliegenden genauen Beschreibung wird der „TOF-Bildsensor 21“ auch eine „Bilderfassungseinheit 21“ genannt.
In diesem Fall führt beispielsweise dann, wenn der reflektierte Strahl B2 des von der TOF-Kamera 20B emittierten Referenzstrahls B1 in die Bilderfassungseinheit 21A der TOF-Kamera 20A zusätzlich zu dem reflektierten Strahl A2 des von der TOF-Kamera 20A emittierten Referenzstrahls A1 eingegeben wird, diese Eingabe des reflektierten Strahls B2 zu einer Beeinflussung, die verhindert, dass die TOF-Kamera 20A eine Distanz von der TOF-Kamera 20A zum Ziel 30 korrekt misst. Ebenso führt dann, wenn der reflektierte Strahl A2 des von der TOF-Kamera 20A emittierten Referenzstrahls A1 in die Bilderfassungseinheit 21B der TOF-Kamera 20B zusätzlich zu dem reflektierten Strahl B2 des von der TOF-Kamera 20B emittierten Referenzstrahls B1 eingegeben wird, diese Eingabe des reflektierten Strahls A2 zu einer Beeinflussung, die verhindert, dass die TOF-Kamera 20B eine Distanz von der TOF-Kamera 20B zum Ziel 30 korrekt misst.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 11 genauer beschrieben, welchen Grund die oben beschriebene Beeinflussung einer von einer TOF-Kamera gemessenen Distanz durch einen reflektierten Strahl eines von einer Lichtemissionseinheit einer anderen als der ersteren TOF-Kamera emittierten Referenzstrahls hat.
Um die allgemeinen Prinzipien einer Distanzmessung unter Verwendung einer TOF-Kamera zu erläutern, zeigt 11 folgendes auf der linken Seite: einen emittierten Strahlpuls 1a, einen reflektierten Strahlpuls 1b, und eine Pulswellenform eines Bilderfassungstaktsignals 1c und die eines Bilderfassungstaktsignals 1d, die sich in der Taktung voneinander unterscheiden. Das Bilderfassungstaktsignal 1c hat eine Phase von null Grad. Das Bilderfassungstaktsignal 1d hat eine Phase von 180 Grad.
Der emittierte Strahlpuls 1a zeigt die Pulswellenform eines von der Lichtemissionseinheit 25 emittierten Referenzstrahls. Der emittierte Strahlpuls 1a hat eine Peakbreite von T₀. Der reflektierte Strahlpuls 1b zeigt die Pulswellenform eines reflektierten Strahls des Referenzstrahls, der vom Ziel 30 weg reflektiert und dann in die Bilderfassungseinheit 21 eingegeben wird. Die Taktung/Zeit der Eingabe des reflektierten Strahls in die Bilderfassungseinheit 21, insbesondere die Pulsanstiegszeit des reflektierten Strahlpulses 1b wird von der Pulsanstiegszeit des emittierten Strahlpulses 1a um T_d verzögert. Die TOF-Kamera 20 multipliziert diese Differenz der Zeit T_d mit der Lichtgeschwindigkeit und ermittelt einen Ergebniswert als eine Distanz, die doppelt so groß wie eine Distanz zwischen der TOF-Kamera 20 und dem Ziel 30 ist Der Wert von T_d wird anhand folgender Methode berechnet.
Ein zu verwendendes Bilderfassungstaktsignal beinhaltet das Bilderfassungstaktsignal 1c, das eine Phase von null Grad aufweist, und ein Bilderfassungstaktsignal 1d, das eine Phase von 180 Grad aufweist. Die Anfangsflanke einer Pulsspitze des Bilderfassungstaktsignals 1c koinzidiert mit der Anfangsflanke einer Pulsspitze des emittierten Strahlpulses 1a. Die Phasen des Bilderfassungstaktsignals 1c und des Bilderfassungstaktsignals 1d unterscheiden sich um 180 Grad. Somit koinzidiert die Endflanke der Pulsspitze des Bilderfassungstaktsignals 1c mit der Anfangsflanke einer Pulsspitze des Bilderfassungstaktsignals 1d.
Hierbei steht Q1 für die durch Empfang des reflektierten Strahlpulses 1b während der Bilderfassung akkumulierte Ladung durch Verfolgen des Bilderfassungstaktsignals 1c, während Q2 für die durch Empfang des reflektierten Strahlpulses 1b während der Bilderfassung akkumulierte Ladung durch Verfolgen des Bilderfassungstaktsignals 1d steht. In diesem Fall wird die oben genannte T_d basierend auf einem Verhältnis zwischen Q1 und Q2 berechnet. Eine im Allgemeinen durch gleichbleibendes Umgebungslicht akkumulierte Ladung wird sowohl von der Ladung Q1 als auch von der Ladung Q2 ausgeschlossen. In 11 ist eine Wellenform für einen emittierten Strahl eine Welle mit rechteckigen Pulsen. Allerdings werden tatsächlich nicht nur Wellenformen mit rechteckigen Pulsen, sondern auch Wellenformen mit sinusförmigen Wellen bei der Nutzung bekannter TOF-Kameras verwendet. In Bezug auf die Taktung der Bilderfassung gibt es zur Erhöhung der Genauigkeit oder zur Erhöhung einer gemessenen Distanz auch TOF-Kameras, die so getaktet sind, dass sie Bilder durch Verfolgen einer Phase von 90 Grad und einer Phase von 270 Grad zusätzlich zu einer Phase von null Grad und einer Phase von 180 Grad erfassen.
Wie oben unter Bezugnahme auf 10 beschrieben kann dann, wenn zwei TOF-Kameras in einem kurzen Abstand voneinander angeordnet sind, ein reflektierter Strahl eines von einer der TOF-Kameras emittierten Referenzstrahls eine Bilderfassungseinheit der anderen TOF-Kamera beeinflussen. In diesem Fall werden ein emittierter Strahlpuls 2a, ein reflektierter Stahlpuls 2b und Bilderfassungstaktsignale 2c und 2d, dargestellt auf der rechten Seite von 11, ermittelt: Wie in der Erläuterung der allgemeinen Prinzipien der Distanzmessung wird die Peakbreite eines Pulses des emittierten Stahlpulses 2a mit T₀ angegeben und die Verzögerung des reflektierten Stahlpulses 2b von dem emittierten Strahlpuls 2a wird mit T_d angegeben.
Wenn zwei TOF-Kameras 20 in einem kurzen Abstand voneinander angeordnet sind und die Lichtemissionseinheiten 25A und 25B der TOF-Kameras 20 nicht synchronisiert sind, kann der reflektierte Stahlpuls 2b nicht nur einen reflektierten Strahl eines von der Lichtemissionseinheit 25 von einer der Kameras emittierten Referenzstrahls enthalten, sondern auch einen reflektierten Strahl eines emittierten Stahlpuls, der von der Lichtemissionseinheit 25 der anderen Kamera emittiert wurde (schraffierter Bereich). Daher beeinflusst während der Messung der Ladung Q1, die durch Empfang des reflektierten Stahlpulses 2b während der Bilderfassung durch Verfolgen des Bilderfassungstaktsignals 2c akkumuliert wurde, die Ladung, die in einem Zeitraum akkumuliert wurde, der einem überlappenden Abschnitt zwischen einer Pulsspitze des Bilderfassungstaktsignals 2c und dem schraffierten Abschnitt am reflektierten Stahlpuls 2b entspricht, einen gemessenen Wert der Ladung Q1. Ebenso beeinflusst während der Messung der Ladung Q2, die durch Empfang des reflektierten Stahlpulses 2b während der Bilderfassung durch Verfolgen des Bilderfassungstaktsignals 2d akkumuliert wurde, die Ladung, die in einem Zeitraum akkumuliert wurde, der einem überlappenden Abschnitt zwischen einer Pulsspitze des Bilderfassungstaktsignals 2d und dem schraffierten Abschnitt am reflektierten Stahlpuls 2b entspricht, einen gemessenen Wert der Ladung Q2. Insbesondere beeinflusst der reflektierte Strahl des von der Lichtemissionseinheit 25 der anderen Kamera emittierten Referenzstrahls den jeweils gemessenen Wert von Q1 und Q2 und beeinflusst ferner ein Verhältnis der Ladung zwischen Q1 und Q2. Das macht es unmöglich, den Wert von T_d korrekt zu ermitteln und eine Zeitdifferenz zwischen dem reflektierten Stahlpuls 2b und dem emittierten Strahlpuls 2a korrekt darzustellen. Das macht es schließlich unmöglich, eine Distanz zwischen der TOF-Kamera 20 und dem Ziel 30 korrekt zu ermitteln.
12 zeigt ein Beispiel einer ersten spezifischen Konfiguration einer herkömmlichen Bilderfassungsvorrichtung 500. Die Bilderfassungsvorrichtung 500 beinhaltet eine TOF-Kamera 510A und eine TOF-Kamera 510B. Die TOF-Kameras 510A und 510B sind benachbart oder nahe beieinander angeordnet. Die TOF-Kamera 510A beinhaltet einen Steuerkreis 520A, einen TOF-Bildsensor 525A, eine Linse 530A und eine Lichtemissionseinheit 540A. In dem in 12 dargestellten Beispiel sind der Steuerkreis 520A und der TOF-Bildsensor 525A im selben Chip verbaut. Ebenso beinhaltet die TOF-Kamera 510B einen Steuerkreis 520B, einen TOF-Bildsensor 525B, eine Linse 530B und eine Lichtemissionseinheit 540B. Der Steuerkreis 520B und der TOF-Bildsensor 525B sind im selben Chip verbaut.
In der nachstehenden Beschreibung werden die TOF-Kamera 510A und die TOF-Kamera 510B gemeinsam eine „TOF-Kamera 510“ genannt werden, wenn eine Unterscheidung der beiden nicht erforderlich ist. Ebenso werden der Steuerkreis 520A und der Steuerkreis 520B gemeinsam ein „Steuerkreis 520“ genannt werden. Ebenso werden der TOF-Bildsensor 525A und der TOF-Bildsensor 525B gemeinsam ein „TOF-Bildsensor 525“ genannt werden. Ebenso werden die Linse 530A und die Linse 530B gemeinsam eine „Linse 530“ genannt werden. Die Lichtemissionseinheit 540A und die Lichtemissionseinheit 540B werden gemeinsam eine „Lichtemissionseinheit 540“ genannt werden.
Der Steuerkreis 520 überträgt ein Lichtemissionstaktsignal an die Lichtemissionseinheit 540. Basierend auf dem empfangenen Lichtemissionstaktsignal emittiert die Lichtemissionseinheit 540 einen Referenzstrahl. Der Steuerkreis 520 überträgt ein Bilderfassungstaktsignal an den TOF-Bildsensor 525. Ein aus der Reflektion des Referenzstrahls weg von einem Ziel resultierender reflektierter Strahl passiert die Linse 530 und wird dann in den TOF-Bildsensor 525 eingegeben. Basierend auf dem Bilderfassungstaktsignal erfasst der TOF-Bildsensor 525 ein Bild von dem reflektierten Strahl.
Der TOF-Bildsensor 525A empfängt nicht nur den reflektierten Strahl von dem von der Lichtemissionseinheit 540A emittierten Referenzstrahl, sondern auch den reflektierten Strahl von dem von der Lichtemissionseinheit 540B emittierten Referenzstrahl. Daher wird die Berechnung einer Zeitdifferenz zwischen der Emission des Referenzstrahls von der Lichtemissionseinheit 540A und der Eingabe des reflektierten Strahls an den TOF-Bildsensor 525A von dem reflektierten Strahl des von der Lichtemissionseinheit 540B emittierten Referenzstrahls ungünstig beeinflusst, wie oben beschrieben. Ebenso empfängt der TOF-Bildsensor 525B nicht nur den reflektierten Strahl von dem von der Lichtemissionseinheit 540B emittierten Referenzstrahl, sondern auch den reflektierten Strahl von dem von der Lichtemissionseinheit 540A emittierten Referenzstrahl. Daher wird die Berechnung einer Zeitdifferenz zwischen der Emission des Referenzstrahls von der Lichtemissionseinheit 540B und der Eingabe des reflektierten Strahls an den TOF-Bildsensor 525B von dem reflektierten Strahl des von der Lichtemissionseinheit 540A emittierten Referenzstrahls ungünstig beeinflusst, wie oben beschrieben.
13 zeigt ein Beispiel einer zweiten spezifischen Konfiguration einer herkömmlichen Bilderfassungsvorrichtung 550. Die Bilderfassungsvorrichtung 550 beinhaltet eine TOF-Kamera 560A und eine TOF-Kamera 560B. Die TOF-Kameras 560A und 560B sind benachbart oder nahe beieinander angeordnet. Die TOF-Kamera 560A beinhaltet einen Sensor-Steuerkreis 570A, einen TOF-Bildsensor 575A, eine Linse 580A und eine Lichtemissionseinheit 590A. In dem in 13 dargestellten Beispiel sind der Sensor-Steuerkreis 570A und der TOF-Bildsensor 575A im unterschiedlichen Chips verbaut. Ebenso beinhaltet die TOF-Kamera 560B einen Sensor-Steuerkreis 570B, einen TOF-Bildsensor 575B, eine Linse 580B und eine Lichtemissionseinheit 590B. Der Sensor-Steuerkreis 570B und der TOF-Bildsensor 575B sind in unterschiedlichen Chips verbaut.
In der nachstehenden Beschreibung werden die TOF-Kamera 560A und die TOF-Kamera 560B gemeinsam eine „TOF-Kamera 560“ genannt werden, wenn eine Unterscheidung der beiden nicht erforderlich ist. Ebenso werden der Sensor-Steuerkreis 570A und der Sensor-Steuerkreis 570B gemeinsam ein „Sensor-Steuerkreis 570“ genannt werden. Ebenso werden der TOF-Bildsensor 575A und der TOF-Bildsensor 575B gemeinsam ein „TOF-Bildsensor 575“ genannt werden. Ebenso werden die Linse 580A und die Linse 580B gemeinsam eine „Linse 580“ genannt werden. Die Lichtemissionseinheit 590A und die Lichtemissionseinheit 590B werden gemeinsam eine „Lichtemissionseinheit 590“ genannt werden.
Der Sensor-Steuerkreis 570 überträgt ein Lichtemissionstaktsignal an die Lichtemissionseinheit 590. Basierend auf dem empfangenen Lichtemissionstaktsignal emittiert die Lichtemissionseinheit 590 einen Referenzstrahl. Der Sensor-Steuerkreis 570 überträgt ein Bilderfassungstaktsignal an den TOF-Bildsensor 575. Ein aus der Reflektion des Referenzstrahls weg von einem Ziel resultierender reflektierter Strahl passiert die Linse 580 und wird dann in den TOF-Bildsensor 575 eingegeben. Basierend auf dem Bilderfassungstaktsignal erfasst der TOF-Bildsensor 575 ein Bild von dem reflektierten Strahl.
Der TOF-Bildsensor 575A empfängt nicht nur den reflektierten Strahl von dem von der Lichtemissionseinheit 590A emittierten Referenzstrahl, sondern auch den reflektierten Strahl von dem von der Lichtemissionseinheit 590B emittierten Referenzstrahl. Daher wird die Berechnung einer Zeitdifferenz zwischen der Emission des Referenzstrahls von der Lichtemissionseinheit 590A und der Eingabe des reflektierten Strahls an den TOF-Bildsensor 575A von dem reflektierten Strahl des von der Lichtemissionseinheit 590B emittierten Referenzstrahls ungünstig beeinflusst, wie oben beschrieben. Ebenso empfängt der TOF-Bildsensor 575B nicht nur den reflektierten Strahl von dem von der Lichtemissionseinheit 590B emittierten Referenzstrahl, sondern auch den reflektierten Strahl von dem von der Lichtemissionseinheit 590A emittierten Referenzstrahl. Daher wird die Berechnung einer Zeitdifferenz zwischen der Emission des Referenzstrahls von der Lichtemissionseinheit 590B und der Eingabe des reflektierten Strahls an den TOF-Bildsensor 575B von dem reflektierten Strahl des von der Lichtemissionseinheit 590A emittierten Referenzstrahls ungünstig beeinflusst, wie oben beschrieben.
In einer TOF-Kamera beträgt die oben beschriebene Lichtemissionszeit T₀ im Allgemeinen von zehn bis einigen zehn Nanosekunden, so dass eine Lichtemission ein geringes Ausmaß an Exposition produziert. So erfolgen die Lichtemission und die Bilderfassung von eintausend Mal bis mehrere Tausend Mal. Nach einer herkömmlicherweise bekannten Technik zum korrekteren Ermitteln eines Abstands zwischen einer TOF-Kamera und einem Ziel bei der Verwendung mehrerer TOF-Kameras, wird eine Emissionsfrequenz eines Referenzstrahls zwischen den TOF-Kameras geändert, oder die Emissionsintervalle werden durch Verwendung von Zufallszahlen geändert. Die Anwendung dieser Technik hat den Einfluss reduziert, der von der Interferenz durch die Reflektion eines von einer anderen Kamera emittierten Referenzstrahls verursacht wird. Allerdings wird mit dieser Technik nicht sichergestellt, dass dieser Einfluss immer gering gehalten wird.
Nach einer anderen herkömmlicherweise bekannten Technik sind alle TOF-Kameras beispielsweise mit einem Kabel verbunden und es wird ein Mittel zum Synchronisieren aller TOF-Kameras bereitgestellt. Ferner ist wie in 14 dargestellt ein Intervall zwischen Rahmen zwischen den Kameras bezüglich der Taktung der Lichtemission und der Taktung der Bilderfassung aufgeteilt. Wenn diese Technik angewendet wird, vergrößert sich jedoch das Intervall zwischen den Rahmen auf ungünstige Weise durch Erhöhung der Anzahl der TOF-Kameras, und der Synchronismus zwischen mehreren TOF-Kameras bezüglich der Taktung der Bilderfassung verschlechtert sich.
In dieser Hinsicht offenbart Patentdokument 1 eine Vorrichtung zum Schützen eines gefährlichen Bereichs in einer automatischen Betriebsanlage durch Überwachen eines räumlichen Bereichs. In dieser Vorrichtung wird eine Beleuchtungsvorrichtung von zwei Bildaufzeichnungseinheiten gemeinsam genutzt. Nach der mit Patentdokument 1 offenbarten Erfindung dient eine zweite Bildaufzeichnungseinheit lediglich der Triangulation und soll nicht zum Messen einer Distanz zwischen einer TOF-Kamera und einem Ziel unter Verwendung der TOF-Kamera verwendet werden.
Nach einer mit Patentdokument 2 offenbarten Technik beinhalten mehrere TOF-Kameras Lichtquellen und jede der TOF-Kameras ändert ihren Aufzeichnungsmodus als Antwort auf einen Grad der Erkennung eines modulierten Strahls, der von einer anderen der TOF-Kameras kommt. Wenn jedoch die TOF-Kamera ihren Aufzeichnungsmodus ändert, um den Bildaufzeichnungsvorgang oder den Messvorgang auszusetzen, wurde in manchen Fällen die Umsetzung der Bilderfassung selbst gestoppt oder ein defekter Abschnitt wurde in einem Videostream durch das Aussetzen des Bildaufzeichnungsvorgangs verursacht. Wie bereits oben beschrieben hat diese Technik nicht sichergestellt, dass der von der Interferenz durch Reflektion eines Referenzstrahls verursachte Einfluss immer gering gehalten wird, wenn die TOF-Kamera ihren Aufzeichnungsmodus ändert, um die Frequenz eines Referenzstrahls zu ändern.
Die vorliegende Erfindung soll eine Bilderfassungsvorrichtung zur Verfügung stellen, die in der Lage ist, mehrere Bilderfassungsvorgänge unter Verwendung von mehreren Bilderfassungseinheiten durchzuführen, und in der Lage ist, eine Distanz zwischen jeder der Bilderfassungseinheiten und einem Ziel korrekter zu messen.

(1) Eine Bilderfassungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist eine Bilderfassungsvorrichtung (beispielsweise die später beschriebene Bilderfassungsvorrichtung 100, 150, 170, 180) mit mehreren Bilderfassungseinheiten (beispielsweise den später beschriebenen TOF-Bildsensoren 103, 153, 175, 184). Die Bilderfassungsvorrichtung umfasst: eine Lichtemissionseinheit (beispielsweise die später beschriebene Lichtemissionseinheit 107, 157, 177, 186) zur Distanzmessung, die einen Referenzstrahl emittiert; und die mehreren Bilderfassungseinheiten, die Bilder von einem reflektierten Strahl des Referenzstrahls erfassen, während sie eine gemeinsame Taktung der Bilderfassung aufweisen.
(2) In der unter (1) beschriebenen Bilderfassungsvorrichtung können die mehreren Bilderfassungseinheiten eine erste Bilderfassungseinheit (beispielsweise den später beschriebenen TOF-Bildsensor 103A, 175A) als Master und eine zweite Bilderfassungseinheit (beispielsweise den später beschriebenen TOF-Bildsensor 103B, 175B) als Slave beinhalten, eine Steuereinheit (beispielsweise die später beschriebene Steuereinheit 101A, 171A) für die erste Bilderfassungseinheit kann ein Lichtemissionstaktsignal an die Lichtemissionseinheit (beispielsweise die später beschriebene Lichtemissionseinheit 107, 177) ausgeben und ein Bilderfassungstaktsignal an eine Steuereinheit (beispielsweise die später beschriebene Steuereinheit 101B, 171B) für die zweite Bilderfassungseinheit ausgeben, die Lichtemissionseinheit kann einen Strahl basierend auf dem von der Steuereinheit eingegebenen Lichtemissionstaktsignal für die erste Bilderfassungseinheit ausgeben, und die zweite Bilderfassungseinheit kann ein Bild basierend auf dem von der Steuereinheit für die erste Bilderfassungseinheit eingegebenen Bilderfassungstaktsignal erfassen.
(3) Die in (1) beschriebene Bilderfassungsvorrichtung kann ferner eine Sensor-Steuereinheit (beispielsweise die später beschriebene Sensor-Steuereinheit 151, 181) umfassen, die ein Lichtemissionstaktsignal und ein Bilderfassungstaktsignal ausgibt. Die Lichtemissionseinheit (beispielsweise die später beschriebene Lichtemissionseinheit 157, 186) kann den Referenzstrahl basierend auf dem von der Sensor-Steuereinheit eingegebenen Lichtemissionstaktsignal emittieren, und jede der mehreren Bilderfassungseinheiten (beispielsweise die später beschriebenen TOF-Bildsensoren 153, 184) können ein Bild basierend auf dem von der Sensor-Steuereinheit eingegebenen Bilderfassungstaktsignal erfassen.
(4) In der in (2) oder (3) beschriebenen Bilderfassungsvorrichtung kann eine Ausgabeeinheit oder eine Eingabeeinheit, die das Lichtemissionstaktsignal und/oder das Bilderfassungstaktsignal ausgibt oder eingibt, ein Verzögerungskontrollmittel (beispielsweise den später beschriebenen Phasenschieber 174, 183) umfassen.
(5) Ein Bilderfassungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung ist ein Bilderfassungsverfahren, das mittels einer Bilderfassungsvorrichtung mit mehreren Bilderfassungseinheiten (beispielsweise den später beschriebenen TOF-Bildsensoren 103, 153, 175, 184) umgesetzt wird. Das Verfahren umfasst: Bewirken, dass eine Lichtemissionseinheit (beispielsweise die später beschriebene Lichtemissionseinheit 107, 157, 177, 186) zur Distanzmessung einen Referenzstrahl emittiert; und Bewirken, dass die mehreren Bilderfassungseinheiten Bilder von einem reflektierten Strahl des Referenzstrahls erfassen, wobei die mehreren Bilderfassungseinheiten eine gemeinsame Taktung der Bilderfassung aufweisen.

Nach der vorliegenden Erfindung können mehrere Bilderfassungsvorgänge durch Verwenden mehrerer Bilderfassungseinheiten ausgeführt werden, und eine Distanz zwischen jeder der Bilderfassungseinheiten und einem Ziel kann korrekter gemessen werden.
Figurenliste

1 zeigt die Konfiguration einer Bilderfassungsvorrichtung nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist ein Flussdiagramm und zeigt die Verarbeitung, die durch die Bilderfassungsvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird;
3A zeigt eine mit der Bilderfassungsvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzielte Wirkung;
3B zeigt eine mit der Bilderfassungsvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzielte Wirkung;
4A zeigt eine mit der Bilderfassungsvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzielte Wirkung;
4B zeigt eine mit der Bilderfassungsvorrichtung nach der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erzielte Wirkung;
5 zeigt die Konfiguration einer Bilderfassungsvorrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Flussdiagramm und zeigt die Verarbeitung, die durch die Bilderfassungsvorrichtung nach der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausgeführt wird;
7 zeigt die Konfiguration einer Bilderfassungsvorrichtung nach einer ersten Abwandlung der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt die Konfiguration einer Bilderfassungsvorrichtung nach einer zweiten Abwandlung der vorliegenden Erfindung;
9 zeigt eine beispielhafte allgemeine Konfiguration einer Vorrichtung mit zwei Systemen, von denen jedes in der Lage ist, das andere zu überwachen;
10 zeigt den von einem reflektierten Strahl verursachten Einfluss bei der Verwendung mehrerer herkömmlicher TOF-Kameras.
11 zeigt die Prinzipien der Distanzmessung unter Verwendung einer TOF-Kamera und den Einfluss, der von einem reflektierten, von einer anderen TOF-Kamera resultierenden Strahl verursacht wird;
12 zeigt eine beispielhafte Konfiguration einer herkömmlichen Bilderfassungsvorrichtung;
13 zeigt eine beispielhafte Konfiguration einer herkömmlichen Bilderfassungsvorrichtung; und
14 zeigt Beispiele der Taktung der Lichtemission und der Taktung der Bilderfassung bei der Verwendung mehrerer TOF-Kameras.

GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf 1 bis 8 ausführlich beschrieben.
[Erste Ausführungsform]
Wie in 1 dargestellt beinhaltet eine Bilderfassungsvorrichtung 100 nach einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Master-Steuerkreis 101A, einen Slave-Steuerkreis 101B, einen TOF-Bildsensor 103A zum Steuern durch den Steuerkreis 101A und einen TOF-Bildsensor 103B zum Steuern durch den Steuerkreis 101B. (In der vorliegenden genauen Beschreibung kann der „TOF-Bildsensor 103A“ auch „Bilderfassungseinheit 103A“ genannt werden. Ebenso kann der „TOF-Bildsensor 103B“ auch „Bilderfassungseinheit 103B“ genannt werden.) Die Bilderfassungsvorrichtung 100 beinhaltet ferner eine Linse 105A, die dem TOF-Bildsensor 103A entspricht, eine Linse 105B, die dem TOF-Bildsensor 103B entspricht, und eine Lichtemissionseinheit 107.
Der Master-Steuerkreis 101A überträgt ein Lichtemissionstaktsignal an die Lichtemissionseinheit 107. Basierend auf dem empfangenen Lichtemissionstaktsignal emittiert die Lichtemissionseinheit 107 einen Referenzstrahl. Der Master-Steuerkreis 101A überträgt ein Bilderfassungstaktsignal an den TOF-Bildsensor 103A und an den Slave-Steuerkreis 101B. Der Slave-Steuerkreis 101B überträgt das von dem Master-Steuerkreis 101A empfangene Bilderfassungstaktsignal an den TOF-Bildsensor 103B. Ein aus der Reflektion des Referenzstrahl weg von einem Ziel resultierender reflektierter Strahl, der von der Lichtemissionseinheit 107 weg von einem Ziel emittiert wird, passiert die Linse 105A und wird dann in den TOF-Bildsensor 103A eingegeben. Der TOF-Bildsensor 103A erfasst ein Bild des reflektierten Strahls basierend auf dem oben beschriebenen Bilderfassungstaktsignal. Zur gleichen Zeit passiert der aus der Reflektion des Referenzstrahls weg von einem Ziel resultierende reflektierte Strahl, der von der Lichtemissionseinheit 107 weg von einem Ziel emittiert wird, die Linse 105B und wird dann in den TOF-Bildsensor 103B eingegeben. Der TOF-Bildsensor 103B erfasst ein Bild des reflektierten Strahls basierend auf dem oben beschriebenen Bilderfassungstaktsignal. Insbesondere nutzen der TOF-Bildsensor 103A und der TOF-Bildsensor 103B gemeinsam den reflektierten Strahl des von der Lichtemissionseinheit 107 emittierten Referenzstrahls. Ferner werden der TOF-Bildsensor 103A und der TOF-Bildsensor 103B zum synchronisierten Erfassen von Bildern getaktet.
Der oben beschriebene Betrieb der Bilderfassungsvorrichtung 100 wird als Nächstes unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm in 2 ausführlich beschrieben.
In Schritt S11 überträgt der Master-Steuerkreis 101A ein Lichtemissionstaktsignal an die Lichtemissionseinheit 107. Ferner überträgt der Master-Steuerkreis 101A ein Bilderfassungstaktsignal mit einer Phase von null Grad an den TOF-Bildsensor 103A unter der Steuerung durch den Master-Steuerkreis 101A und an den Slave-Steuerkreis 101B. Die Übertragung des Lichtemissionstaktsignals und die Übertragungen des Bilderfassungstaktsignals werden gleichzeitig ausgeführt.
In Schritt S12 überträgt der Slave-Steuerkreis 101B das vom Master-Steuerkreis 101A empfangene Bilderfassungstaktsignal mit einer Phase von null Grad an den TOF-Bildsensor 103B unter der Steuerung durch den Slave-Steuerkreis 101B.
In Schritt S13 emittiert die Lichtemissionseinheit 107 einen Referenzstrahl basierend auf dem von dem Master-Steuerkreis 101A empfangenen Lichtemissionstaktsignal. Zur gleichen Zeit erfasst jeder der TOF-Bildsensoren 103A und 103B ein Bild eines reflektierten Strahls, der von der Reflektion des Referenzstrahls weg von einem Ziel resultiert, basierend auf dem oben beschriebenen Bilderfassungstaktsignal mit einer Phase von null Grad. Es ist zwar nicht explizit im Flussdiagramm in 2 dargestellt, aber in vielen Fällen werden die Schritte S11 bis S13 kontinuierlich und wiederholt für eine vorgegebene Anzahl von Malen ausgeführt (im Allgemeinen Tausende von Malen) .
In Schritt S14 erfasst sowohl der Master-Steuerkreis 101A als auch der Slave-Steuerkreis 101B jeweils den Wert der oben beschriebenen Ladung Q1 von einem entsprechenden der TOF-Bildsensoren 103A und 103B, der die Bilder durch Verfolgen der Taktung der Bilderfassung mit einer Phase von null Grad erfasst hat. In vielen allgemeinen TOF-Kameras kann für die sehr niedrige Intensität eines reflektierten Strahls die Ladung Q1 und die Ladung Q2 zum Ermitteln einer ausreichenden Differenz zum Ermitteln eines Verhältnisses der Ladungen nicht mit einer Bilderfassung erzeugt werden. Daher kann ein hoher Genauigkeitsgrad bei der Distanzmessung nicht mit einer Bilderfassung aufrechterhalten werden. In dieser Hinsicht werden in vielen Fällen die Schritte S11 bis S13 wie oben beschrieben kontinuierlich und wiederholt für eine vorgegebene Anzahl von Malen ausgeführt, um viel Ladung zu akkumulieren, und dann erfasst jeder Steuerkreis Q1 in Schritt S14.
In Schritt S15 überträgt der Master-Steuerkreis 101A ein Lichtemissionstaktsignal an die Lichtemissionseinheit 107. Ferner überträgt der Master-Steuerkreis 101A ein Bilderfassungstaktsignal mit einer Phase von 180 Grad an den TOF-Bildsensor 103A unter der Steuerung durch den Master-Steuerkreis 101A und an den Slave-Steuerkreis 101B. Die Übertragungen dieses Bilderfassungstaktsignals werden gleichzeitig ausgeführt.
In Schritt S16 überträgt der Slave-Steuerkreis 101B das vom Master-Steuerkreis 101A empfangene Bilderfassungstaktsignal mit einer Phase von 180 Grad an den TOF-Bildsensor 103B unter der Steuerung durch den Slave-Steuerkreis 101B.
In Schritt S17 emittiert die Lichtemissionseinheit 107 einen Referenzstrahl und beendet dann die Emission. Zur gleichen Zeit erfasst jeder der TOF-Bildsensoren 103A und 103B ein Bild eines reflektierten Strahls, der von der Reflektion des Referenzstrahls weg von dem Ziel resultiert, basierend auf dem oben beschriebenen Bilderfassungstaktsignal mit einer Phase von 180 Grad. Es ist zwar nicht explizit im Flussdiagramm in 2 dargestellt, aber in vielen Fällen werden die Schritte S15 bis S17 kontinuierlich und wiederholt für die gleiche vorgegebene Anzahl von Malen ausgeführt, wie bei der Anzahl von Malen, mit denen die Schritte S11 bis S13 ausgeführt werden.
In Schritt S18 erfasst sowohl der Master-Steuerkreis 101A als auch der Slave-Steuerkreis 101B jeweils den Wert der oben beschriebenen Ladung Q2 von einem entsprechenden der TOF-Bildsensoren 103A und 103B, der die Bilder durch Verfolgen der Taktung der Bilderfassung mit einer Phase von 180 Grad erfasst hat. Wie die Schritte S11 bis S13 werden in vielen Fällen die Schritte S15 bis S17 kontinuierlich und wiederholt für eine vorgegebene Anzahl von Malen ausgeführt, um viel Ladung zu akkumulieren, und dann erfasst jeder Steuerkreis Q2 in Schritt S18.
In Schritt S19 berechnet der Master-Steuerkreis 101A und der Slave-Steuerkreis 101B basierend auf Zeitdifferenzen zwischen der Lichtemission und dem Empfang des reflektierten Strahls, der von der erfassten Q1 und Q2 erzeugt wird, eine Distanz zwischen dem Ziel und dem TOF-Bildsensor 103A bzw. eine Distanz zwischen dem Ziel und dem TOF-Bildsensor 103B.
[Mit der ersten Ausführungsform erzielte Wirkung]
In der oben beschriebenen Konfiguration erfassen benachbarte Bilderfassungseinheiten Bilder als Antwort auf die Emission eines Strahls von einer Lichtemissionseinheit. So kann anders als im herkömmlichen Fall, in dem die Bilderfassungseinheiten entsprechende Lichtemissionseinheiten beinhalten und ein Einfluss von reflektierten Strahlen verursacht wird, die aus von diesen Lichtemissionseinheiten emittierten Strahlen resultieren, ein solcher Einfluss aufgehoben werden. Das macht es möglich, eine Distanz zwischen jeder der Bilderfassungseinheiten und einem Ziel auch bei der Verwendung der mehreren Bilderfassungseinheiten korrekter zu messen.
Durch das Reduzieren der Anzahl der Lichtemissionseinheiten kann eine Reduzierung der Wärmeerzeugung an der Lichtemissionseinheit erzielt werden, eine Reduzierung der Größe der Bilderfassungsvorrichtung selbst, und eine Kostensenkung.
Unter den vorliegenden Bedingungen sollte auch ein reflektierter Strahl mit einer sehr geringen Intensität immer noch mit hoher Sensibilität empfangen werden. Dies macht es schwierig, eine Pixelgröße zu reduzieren, so dass der Versuch zur feineren Skalierung eines Bilderzeugungselements eines Bildsensors für die TOF-Bilderfassung nicht erfolgreich durchgeführt wird. So sollte der Bilderfassungsbereich zum Erfassen eines Bilds mit einem breiteren Bilderfassungsbereich in Abschnitte unterteilt werden und die Bilder dieser Abschnitte sollten unter Verwendung von mehreren Bilderfassungseinheiten erfasst werden wie in 3A und 3B dargestellt. Insbesondere arbeiten, wie in 3A dargestellt, wenn eine Bilderfassungsvorrichtung 100A vier Linsen 105A bis 105D, Bildsensoren 103A bis 103D (nicht in den Zeichnungen dargestellt) beinhaltet, die jeweils den Linsen 105A bis 105D entsprechen, und Steuerkreise 101A bis 101D (nicht in den Zeichnungen dargestellt), die jeweils den Linsen 105A bis 105D entsprechen, die Linse 105A und der Bildsensor 103A als Paar zum Erfassen eines Bilds eines Abschnitts A, der in 3B dargestellt ist. Ebenso arbeiten die Linsen 105B und der Bildsensor 103B als Paar zum Erfassen eines Bilds eines Abschnitts B, der in 3B dargestellt ist. Ebenso arbeiten die Linsen 105C und der Bildsensor 103C als Paar zum Erfassen eines Bilds eines Abschnitts C, der in 3B dargestellt ist. Ebenso arbeiten die Linsen 105D und der Bildsensor 103D als Paar zum Erfassen eines Bilds eines Abschnitts D, der in 3B dargestellt ist. Auf diese Weise kann ein Abschnitt mit einem breiteren Bereich der Bilderfassung unterzogen werden als ein Abschnitt, der der Bilderfassung unter Verwendung einer Linse und eines Bildsensors als Paar unterzogen wird. Ferner nutzen durch Vorhandensein der Steuerkreise 101A bis 101D die vier Paar, von denen jedes aus der Linse 105 und dem Bildsensor 103 gebildet wird, einen gemeinsamen Referenzstrahl und werden zum synchronisierten Erfassen der Bilder getaktet. So sind die resultierenden, von den vier Bilderfassungseinheiten erfassten Bilder frei von dem von einem reflektierten Strahl verursachten Einfluss. Als Ergebnis können durch Kombinieren der von den vier Bilderfassungseinheiten ermittelten Teildaten bzw. Datenteilen Bilddaten mit einer höheren Auflösung über einen breiteren Bilderfassungsbereich erzeugt werden.
Alternativ dazu kann, wie in 4A und 4B dargestellt, wenn Bilder mit im Wesentlichen dem gleichen Bereich unter Verwendung mehrerer Bilderfassungseinheiten erfasst werden, die Bilderfassung auch dann korrekt fortgesetzt werden, wenn eine der Bilderfassungseinheiten versagt. Ferner kann durch Vergleichen der Teildaten miteinander bezüglich der unter Verwendung der mehreren Bilderfassungseinheiten erfassten Bilder das Auftreten einer Störung in einer Bilderfassungseinheit erkannt werden. Aus diesem Grund ist diese Ausführungsform auf eine Bilderfassungsvorrichtung anwendbar, die beim Erfassen von Bildern nicht versagen darf, oder auf eine Bilderfassungsvorrichtung, bei der ein hohes Fehlererkennungsvermögen erreicht werden muss. Insbesondere arbeiten, wie in 4A dargestellt, wenn eine Bilderfassungsvorrichtung 100B eine Linse 105A und eine Linse 105B, einen Bildsensor 103A und einen Bildsensor 103B (nicht in den Zeichnungen dargestellt) beinhaltet, die den Linsen 105A bzw. 105B entsprechen, und einen Steuerkreis 101A und einen Steuerkreis 101B (nicht in den Zeichnungen dargestellt), die den Linsen 105A bzw.105B entsprechen, die Linse 105A und der Bildsensor 103A als Paar zum Erfassen eines Bilds eines Abschnitts A, der in 4B dargestellt ist. Ebenso arbeiten die Linsen 105B und der Bildsensor 103B als Paar zum Erfassen eines Bilds eines Abschnitts B, der in 4B dargestellt ist. Wie in 4B dargestellt wird dann, wenn das Bild des Bereichs A defekte Pixel beinhaltet, erkannt, dass irgendeine(r) der Linse 105A, des Bildsensors 103A und des Steuerkreises 101A versagt hat. Zur gleichen Zeit wird das Bild des Bereichs A durch Verwendung des Bilds des Bereichs B kompensiert. Auf diese Weise kann auch dann, wenn das oben beschriebene Versagen der Bilderfassungseinheit bei irgendeiner/m der Linse 105A, des Bildsensors 103A und des Steuerkreises 101A auftritt, das Versagen beim Erfassen von Bildern immer noch verhindert werden.
Das System der vorliegenden Erfindung besteht darin, zu bewirken, dass mehrere Bilderfassungseinheiten Bilder gleichzeitig erfassen. Damit wird ein temporärer Synchronismus zwischen den resultierenden Datenteilen erreicht, so dass keine Berücksichtigung der Differenz bei der Taktung der Bilderfassung während der Kombination der Datenteile oder ein beiderseitiger Vergleich zwischen den Datenteilen nötig ist.
[Zweite Ausführungsform]
Wie in 5 dargestellt beinhaltet eine Bilderfassungsvorrichtung 150 nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Sensor-Steuerkreis 151 und einen TOF-Bildsensor 153A und einen TOF-Bildsensor 153B zum Steuern durch den Sensor-Steuerkreis 151. (In der vorliegenden genauen Beschreibung kann der „TOF-Bildsensor 153A“ auch „Bilderfassungseinheit 153A“ genannt werden. Ebenso kann der „TOF-Bildsensor 153B“ auch „Bilderfassungseinheit 153B“ genannt werden.) Die Bilderfassungsvorrichtung 150 beinhaltet ferner eine Linse 155A, die dem TOF-Bildsensor 153A entspricht, eine Linse 155B, die dem TOF-Bildsensor 153B entspricht, und eine Lichtemissionseinheit 157.
Der Sensor-Steuerkreis 151 überträgt ein Lichtemissionstaktsignal an die Lichtemissionseinheit 157. Basierend auf dem empfangenen Lichtemissionstaktsignal emittiert die Lichtemissionseinheit 157 einen Referenzstrahl. Der Sensor-Steuerkreis 151 überträgt ein Bilderfassungstaktsignal an den TOF-Bildsensor 153A und an den TOF-Bildsensor 153B. Ein aus der Reflektion des Referenzstrahl weg von einem Ziel resultierender reflektierter Strahl, der von der Lichtemissionseinheit 157 weg von einem Ziel emittiert wird, passiert die Linse 155A und wird dann in den TOF-Bildsensor 153A eingegeben. Der TOF-Bildsensor 153A erfasst ein Bild des reflektierten Strahls basierend auf dem oben beschriebenen Bilderfassungstaktsignal. Zur gleichen Zeit passiert der aus der Reflektion des Referenzstrahls weg von einem Ziel resultierende reflektierte Strahl, der von der Lichtemissionseinheit 157 weg von einem Ziel emittiert wird, die Linse 155B und wird dann in den TOF-Bildsensor 153B eingegeben. Der TOF-Bildsensor 153B erfasst ein Bild des reflektierten Strahls basierend auf dem oben beschriebenen Bilderfassungstaktsignal. Insbesondere nutzen der TOF-Bildsensor 153A und der TOF-Bildsensor 153B gemeinsam den reflektierten Strahl des von der Lichtemissionseinheit 157 emittierten Referenzstrahls. Ferner werden der TOF-Bildsensor 153A und der TOF-Bildsensor 153B zum synchronisierten Erfassen von Bildern getaktet.
Der oben beschriebene Betrieb der Bilderfassungsvorrichtung 150 wird als Nächstes unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm in 6 ausführlich beschrieben.
In Schritt S21 überträgt der Sensor-Steuerkreis 151 ein Lichtemissionstaktsignal an die Lichtemissionseinheit 157. Des Weiteren überträgt der Sensor-Steuerkreis 151 ein Bilderfassungstaktsignal mit einer Phase von null Grad an jeden der mehreren TOF-Bildsensoren 153A und 153B. Die Übertragung des Lichtemissionstaktsignals und die Übertragungen des Bilderfassungstaktsignals werden gleichzeitig ausgeführt.
In Schritt S22 emittiert die Lichtemissionseinheit 157 einen Referenzstrahl basierend auf dem Lichtemissionstaktsignal. Zur gleichen Zeit erfasst jeder der TOF-Bildsensoren 153A und 153B ein Bild eines reflektierten Strahls, der von der Reflektion des Referenzstrahls weg von einem Ziel resultiert, basierend auf dem oben beschriebenen Bilderfassungstaktsignal mit einer Phase von null Grad. Es ist zwar nicht explizit im Flussdiagramm in 6 dargestellt, aber in vielen Fällen werden die Schritte S21 und S22 kontinuierlich und wiederholt für eine vorgegebene Anzahl von Malen ausgeführt (im Allgemeinen Tausende von Malen) .
In Schritt S23 erfasst der Sensor-Steuerkreis 151 den Wert der oben beschriebenen Ladung Q1 von jedem der TOF-Bildsensoren 153A und 153B, die die Bilder durch Verfolgen der Taktung der Bilderfassung einer Phase von null Grad erfasst haben. In vielen allgemeinen TOF-Kameras kann für die sehr niedrige Intensität eines reflektierten Strahls die Ladung Q1 und die Ladung Q2 zum Ermitteln einer ausreichenden Differenz zum Ermitteln eines Verhältnisses der Ladungen nicht mit einer Bilderfassung erzeugt werden. Daher kann ein hoher Genauigkeitsgrad bei der Distanzmessung nicht mit einer Bilderfassung aufrechterhalten werden. In dieser Hinsicht werden in vielen Fällen die Schritte S21 und S22 wie oben beschrieben kontinuierlich und wiederholt für eine vorgegebene Anzahl von Malen ausgeführt, um viel Ladung zu akkumulieren. Dann erfasst der Sensor-Steuerkreis 151 Q1 in Schritt S23.
In Schritt S24 überträgt der Sensor-Steuerkreis 151 ein Lichtemissionstaktsignal an die Lichtemissionseinheit 157. Des Weiteren überträgt der Sensor-Steuerkreis 151 ein Bilderfassungstaktsignal mit einer Phase von 180 Grad an jeden der mehreren TOF-Bildsensoren 153A und 153B. Die Übertragungen dieses Bilderfassungstaktsignals werden gleichzeitig ausgeführt.
In Schritt S25 emittiert die Lichtemissionseinheit 157 einen Referenzstrahl und beendet dann die Emission. Zur gleichen Zeit erfasst jeder der TOF-Bildsensoren 153A und 153B ein Bild eines reflektierten Strahls, der von der Reflektion eines Referenzstrahls weg von dem Ziel resultiert, basierend auf dem oben beschriebenen Bilderfassungstaktsignal mit einer Phase von 180 Grad. Es ist zwar nicht explizit im Flussdiagramm in 6 dargestellt, aber in vielen Fällen werden die Schritte S24 und S25 kontinuierlich und wiederholt für die gleiche vorgegebene Anzahl von Malen ausgeführt, wie bei der Anzahl von Malen, mit denen die Schritte S21 und S22 ausgeführt werden.
In Schritt S26 erfasst der Sensor-Steuerkreis 151 den Wert der oben beschriebenen Ladung Q2 von jedem der TOF-Bildsensoren 153A und 153B, die die Bilder durch Verfolgen der Taktung der Bilderfassung einer Phase von 180 Grad erfasst haben. Wie die Schritte S21 und S22 werden in vielen Fällen die Schritte S24 und S25 kontinuierlich und wiederholt für eine vorgegebene Anzahl von Malen ausgeführt, um viel Ladung zu akkumulieren. Dann erfasst der Sensor-Steuerkreis 151 Q2 in Schritt S26.
In Schritt S27 berechnet der Sensor-Steuerkreis 151 basierend auf Zeitdifferenzen zwischen der Lichtemission und dem Empfang des reflektierten Strahls, der von der erfassten Q1 und Q2 erzeugt wird, eine Distanz zwischen dem Ziel und dem TOF-Bildsensor 153A und eine Distanz zwischen dem Ziel und dem TOF-Bildsensor 153B.
[Mit der zweiten Ausführungsform erzielte Wirkung]
Mit der oben beschriebenen Konfiguration kann die zweite Ausführungsform eine Wirkung erzielen, die vergleichbar mit der mit der ersten Ausführungsform erzielten Wirkung ist.
[Dritte Ausführungsform]
7 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform. Wie die Bilderfassungsvorrichtung 100 beinhaltet eine Bilderfassungsvorrichtung 170 nach der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen Master-Steuerkreis 171A, einen Slave-Steuerkreis 171B, einen TOF-Bildsensor 175A zum Steuern durch den Master-Steuerkreis 171A und einen TOF-Bildsensor 175B zum Steuern durch den Slave-Steuerkreis 171B. (In der vorliegenden genauen Beschreibung kann der „TOF-Bildsensor 175A“ auch „Bilderfassungseinheit 175A“ genannt werden. Ebenso kann der „TOF-Bildsensor 175B“ auch „Bilderfassungseinheit 175B“ genannt werden.) Die Bilderfassungsvorrichtung 170 beinhaltet ferner eine Linse 176A, die dem TOF-Bildsensor 175A entspricht, eine Linse 176B, die dem TOF-Bildsensor 175B entspricht, und eine Lichtemissionseinheit 177. Diese Einheiten haben die gleichen Basisfunktionen wie diejenigen der Bilderfassungsvorrichtung 100 nach der ersten Ausführungsform, so dass auf die Beschreibung dieser Funktion verzichtet wird.
Der Master-Steuerkreis 171A beinhaltet eine Ausgabeeinheit 172 zum Ausgeben eines Lichtemissionstaktsignals und eines Bilderfassungstaktsignals. Anders als bei der Bilderfassungsvorrichtung 100 nach der ersten Ausführungsform beinhaltet die Ausgabeeinheit 172 drei Phasenschieber (PSs) 174A, 174B und 174C. Der Phasenschieber 174A ist ein Mittel zum Kontrollieren einer Verzögerung eines von der Ausgabeeinheit 172 des Master-Steuerkreises 171A an den TOF-Bildsensor 175A auszugebenden Bilderfassungstaktsignals durch Anpassen der Phase dieses Bilderfassungstaktsignals. Der Phasenschieber 174B ist ein Mittel zum Kontrollieren einer Verzögerung eines von der Ausgabeeinheit 172 des Master-Steuerkreises 171A an die Lichtemissionseinheit 177 auszugebenden Lichtemissionstaktsignals durch Anpassen der Phase dieses Lichtemissionstaktsignals. Der Phasenschieber 174C ist ein Mittel zum Kontrollieren einer Verzögerung eines von der Ausgabeeinheit 172 des Master-Steuerkreises 171A an den Slave-Steuerkreis 171B auszugebenden Bilderfassungstaktsignals durch Anpassen der Phase dieses Bilderfassungstaktsignals.
Der Slave-Steuerkreis 171B beinhaltet eine Eingabeeinheit 173 zum Eingeben eines Bilderfassungstaktsignals. Anders als bei der Bilderfassungsvorrichtung 100 nach der ersten Ausführungsform beinhaltet die Eingabeeinheit 173 einen Phasenschieber 174D. Der Phasenschieber 174D ist ein Mittel zum Kontrollieren einer Verzögerung eines vom Master-Steuerkreis 171A an die Eingabeeinheit 173 des Slave-Steuerkreises 171B auszugebenden Bilderfassungstaktsignals durch Anpassen der Phase dieses Bilderfassungstaktsignals.
Nach der ersten Ausführungsform werden in Schritt S13 des Flussdiagramms aus 2 die Emission eines Referenzstrahls und die Bilderfassung eines reflektierten Strahls idealerweise gleichzeitig ausgeführt. In Schritt S17 werden das Beenden der Emission eines Referenzstrahls und die Bilderfassung eines reflektierten Strahls idealerweise gleichzeitig ausgeführt. Allerdings wurde, da es eine Verschiebung der Taktung zwischen den Signalen, die beispielsweise aus einer Variation der Längen der in der Bilderfassungsvorrichtung verwendeten Verbindungslinien resultieren, aus einer Variation von Merkmalen von Komponenten, einer Betriebstemperatur, oder eines altersbedingten Verschleißes, eigentlich eine leichte Zeitdifferenz zwischen der Emission eines Referenzstrahls (oder dem Abschluss der Emission) und der Bilderfassung eines reflektierten Strahls verursacht. Nach der dritten Ausführungsform werden die Emission eines Referenzstrahls (oder dem Abschluss der Emission) und die Bilderfassung eines reflektiert Strahls idealerweise gleichzeitig durch Verwendung des oben beschriebenen Phasenschiebers ausgeführt.
Es ist ausreichend, nur einen der Phasenschieber 174C und 174D bereitzustellen. Ferner wird eine Verzögerung durch Kombinieren eines der Taktsignale, die die Phasenschieber 174A, 174B und 174C passieren mit einem anderen dieser Taktsignale vermieden. So kann auf einen der Phasenschieber 174A, 174B und 174C verzichtet werden.
Die Verzögerung kann vor der Nutzung der Vorrichtung kontrolliert werden. Alternativ dazu kann die Verzögerung dynamisch während der Nutzung der Vorrichtung kontrolliert werden.
[Mit der dritten Ausführungsform erzielte Wirkung]
Die oben beschriebene Konfiguration erlaubt die Kontrolle einer Verschiebung der Taktung zwischen Signalen, die beispielsweise aus einer Variation der Längen der in der Bilderfassungsvorrichtung verwendeten Verbindungslinien, einer Variation von Merkmalen von Komponenten, einer Betriebstemperatur, oder einem altersbedingten Verschleiß resultieren. Als Ergebnis können die Emission eines Referenzstrahls (oder der Abschluss der Emission) und die Bilderfassung eines reflektierten Strahls idealerweise gleichzeitig ausgeführt werden.
[Vierte Ausführungsform]
8 veranschaulicht eine vierte Ausführungsform. Wie die Bilderfassungsvorrichtung 150 der zweiten Ausführungsform beinhaltet eine Bilderfassungsvorrichtung 180 nach der vierte Ausführungsform einen Sensor-Steuerkreis 181, sowie einen TOF-Bildsensor 184A und einen TOF-Bildsensor 184B zum Steuern durch den Sensor-Steuerkreis 181. (In der vorliegenden genauen Beschreibung kann der „TOF-Bildsensor 184A“ auch „Bilderfassungseinheit 184A“ genannt werden. Ebenso kann der „TOF-Bildsensor 184B“ auch „Bilderfassungseinheit 184B“ genannt werden.) Die Bilderfassungsvorrichtung 180 beinhaltet ferner eine Linse 185A, die dem TOF-Bildsensor 184A entspricht, eine Linse 185B, die dem TOF-Bildsensor 184B entspricht, und eine Lichtemissionseinheit 186. Diese Einheiten haben die gleichen Basisfunktionen wie diejenigen der Bilderfassungsvorrichtung 150 nach der zweiten Ausführungsform, so dass auf die Beschreibung dieser Funktion verzichtet wird.
Der Sensor-Steuerkreis 181 beinhaltet eine Ausgabeeinheit 182 zum Ausgeben eines Lichtemissionstaktsignals und eines Bilderfassungstaktsignals. Anders als bei der Bilderfassungsvorrichtung 150 nach der zweiten Ausführungsform beinhaltet die Ausgabeeinheit 182 drei Phasenschieber (PSs) 183A, 183B und 183C. Der Phasenschieber 183A ist ein Mittel zum Kontrollieren einer Verzögerung eines von der Ausgabeeinheit 182 des Sensor-Steuerkreises 181 an den TOF-Bildsensor 184A auszugebenden Bilderfassungstaktsignals durch Anpassen der Phase dieses Bilderfassungstaktsignals. Der Phasenschieber 183B ist ein Mittel zum Kontrollieren einer Verzögerung eines von der Ausgabeeinheit 182 des Sensor-Steuerkreises 181 an die Lichtemissionseinheit 186 auszugebenden Lichtemissionstaktsignals durch Anpassen der Phase dieses Lichtemissionstaktsignals. Der Phasenschieber 183C ist ein Mittel zum Kontrollieren einer Verzögerung eines von der Ausgabeeinheit 182 des Sensor-Steuerkreises 181 an den TOF-Bildsensor 184B auszugebenden Bilderfassungstaktsignals durch Anpassen der Phase dieses Bilderfassungstaktsignals.
Nach der zweiten Ausführungsform werden in Schritt S22 des Flussdiagramms aus 6 die Emission eines Referenzstrahls und die Bilderfassung eines reflektierten Strahls idealerweise gleichzeitig ausgeführt. In Schritt S25 werden das Beenden der Emission eines Referenzstrahls und die Bilderfassung eines reflektierten Strahls idealerweise gleichzeitig ausgeführt. Allerdings ist, da es eine Verschiebung der Taktung zwischen den Signalen gegeben hat, die beispielsweise aus einer Variation der Längen der in der Bilderfassungsvorrichtung verwendeten Verbindungslinien, aus einer Variation von Merkmalen von Komponenten, einer Betriebstemperatur, oder eines altersbedingten Verschleißes resultieren, eigentlich eine leichte Zeitdifferenz zwischen der Emission eines Referenzstrahls (oder dem Abschluss der Emission) und der Bilderfassung eines reflektierten Strahls verursacht worden. Nach der vierten Ausführungsform werden die Emission eines Referenzstrahls (oder dem Abschluss der Emission) und die Bilderfassung eines reflektiert Strahls idealerweise gleichzeitig durch Verwendung des oben beschriebenen Phasenschiebers ausgeführt.
Eine Verzögerung wird durch Kombinieren eines der Taktsignale, die die Phasenschieber 183A, 183B und 183C passieren, mit einem anderen dieser Taktsignale vermieden. So kann auf einen der Phasenschieber 183A, 183B und 183C verzichtet werden.
Die Verzögerung kann vor der Nutzung der Vorrichtung kontrolliert werden. Alternativ dazu kann die Verzögerung dynamisch während der Nutzung der Vorrichtung kontrolliert werden.
[Mit der vierten Ausführungsform erzielte Wirkung]
Mit der oben beschriebenen Konfiguration kann die vierte Ausführungsform eine Wirkung erzielen, die vergleichbar mit der mit der dritten Ausführungsform erzielten Wirkung ist.
[Sonstige Abwandlungen]
Die in 1 dargestellte Bilderfassungsvorrichtung 100 nach der ersten Ausführungsform beinhaltet zwei Steuerkreise, zwei TOF-Bildsensoren und zwei Linsen. Diese sind jedoch nicht die einzigen Anzahlen und eine beliebige Anzahl von zwei oder mehr ist als Anzahl dieser Einheiten anwendbar.
Ebenso beinhaltet die in 5 dargestellte Bilderfassungsvorrichtung 150 nach der zweiten Ausführungsform zwei TOF-Bildsensoren und zwei Linsen. Diese sind jedoch nicht die einzigen Anzahlen und eine beliebige Anzahl von zwei oder mehr ist als Anzahl dieser Einheiten anwendbar.
Nach der oben beschriebenen ersten bis vierten Ausführungsform sind mehrere Bilderfassungseinheiten im selben Gehäuse angeordnet Dies ist jedoch nicht die einzige Anordnung der Bilderfassungseinheiten. Beispielsweise können die mehreren Bilderfassungseinheiten als unterschiedliche Einheiten konfiguriert sein und ein Bilderfassungstaktsignal kann zwischen diesen Einheiten über eine Leitung oder ein Netzwerk weitergeleitet werden.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen der oben beschriebenen vorliegenden Erfindung beschränkt. Die in diesen Ausführungsformen beschriebenen Wirkungen sind lediglich eine Aufzählung der bevorzugtesten Wirkungen, die aus der vorliegenden Erfindung resultieren. Die durch die vorliegende Erfindung erzielten Wirkungen sind nicht auf diejenigen beschränkt, die in diesen Ausführungsformen beschrieben sind.
Ein von jeder der Bilderfassungsvorrichtungen 100, 150, 170 und 180 umgesetztes Bilderfassungsverfahren wird mittels Software realisiert. Zum Realisieren des Bilderfassungsverfahrens mittels Software sind Programme, die diese Software bilden, auf einem in jeder der Bilderfassungsvorrichtungen 100, 150, 170 und 180 bereitgestellten Computer installiert. Diese Programme können in einem entfernbaren Medium gespeichert und an einen Nutzer ausgegeben werden. Alternativ dazu können diese Programme an den Nutzer durch Bereitstellung zum Download auf einen Computer des Nutzers über ein Netzwerk ausgegeben werden. Außerdem können diese Programme alternativ dazu dem Computer eines Nutzers ohne Download als Web-Dienst über ein Netzwerk angeboten werden.
Bezugszeichenliste

100, 150, 170, 180: Bilderfassungsvorrichtung
101, 171: Steuerkreis (Steuereinheit)
103, 153, 175, 184: TOF-Bildsensor (Bilderfassungseinheit)
107, 157, 177, 186: Lichtemissionseinheit
151, 181: Sensor-Steuerkreis (Sensor-Steuereinheit)
174, 183: Phasenschieber

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009516157 [0002]
JP 2016502657 [0002]

Claims

Bilderfassungsvorrichtung (100, 150, 170, 180) mit mehreren Bilderfassungseinheiten (103, 153, 175, 184), wobei die Bilderfassungsvorrichtung umfasst: eine Lichtemissionseinheit (107, 157, 177, 186) zur Distanzmessung, die einen Referenzstrahl emittiert; und die mehreren Bilderfassungseinheiten (103, 153, 175, 184), die Bilder von einem reflektierten Strahl des Referenzstrahls erfassen, während sie eine gemeinsame Taktung der Bilderfassung aufweisen.
Bilderfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die mehreren Bilderfassungseinheiten eine erste Bilderfassungseinheit (103A, 175A) als Master und eine zweite Bilderfassungseinheit (103B, 175B) als Slave beinhalten, eine Steuereinheit (101A, 171A) für die erste Bilderfassungseinheit (103A, 175A) ein Lichtemissionstaktsignal an die Lichtemissionseinheit (107, 177) ausgibt und ein Bilderfassungstaktsignal an eine Steuereinheit (101B, 171B) für die zweite Bilderfassungseinheit (103B, 175B) ausgibt, die Lichtemissionseinheit (107, 177) einen Strahl basierend auf dem Lichtemissionstaktsignal von der Steuereinheit (101A, 171A) für die erste Bilderfassungseinheit (103A, 175A) emittiert, und die zweite Bilderfassungseinheit (103B, 175B) ein Bild basierend auf dem von der Steuereinheit (101A, 171A) für die erste Bilderfassungseinheit (103A, 175A) eingegebenen Bilderfassungstaktsignal erfasst.
Bilderfassungsvorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Sensor-Steuereinheit (151, 181) umfasst, die ein Lichtemissionstaktsignal und ein Bilderfassungstaktsignal ausgibt, wobei die Lichtemissionseinheit (157, 186) den Referenzstrahl basierend auf dem Lichtemissionstaktsignal von der Sensor-Steuereinheit (151, 181) emittiert, und jede der mehreren Bilderfassungseinheiten (153, 184) ein Bild basierend auf dem von der Sensor-Steuereinheit (151, 181) eingegebenen Bilderfassungstaktsignal erfasst.
Bilderfassungsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei eine Ausgabeeinheit oder eine Eingabeeinheit, die das Lichtemissionstaktsignal und/oder das Bilderfassungstaktsignal ausgibt oder eingibt, ein Verzögerungskontrollmittel (174, 183) umfasst.
Bilderfassungsverfahren, das mittels einer Bilderfassungsvorrichtung mit mehreren Bilderfassungseinheiten (103, 153, 175, 184) umgesetzt wird, wobei das Verfahren umfasst: Bewirken, dass eine Lichtemissionseinheit (107, 157, 177, 186) zur Distanzmessung, einen Referenzstrahl emittiert; und Bewirken, dass die mehreren Bilderfassungseinheiten (103, 153, 175, 184) Bilder von einem reflektierten Strahl des Referenzstrahls erfassen, wobei die mehreren Bilderfassungseinheiten eine gemeinsame Taktung der Bilderfassung aufweisen.