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Die Erfindung betrifft eine Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Mit Lichtlaufzeitkamerasystem, bzw. Lichtlaufzeitkamera 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 den Anmeldungen
EP 1 777 747 ,
US 6 587 186 und auch
DE 197 04 496 beschrieben und beispielsweise von der Firma ‚ifm electronic gmbh’ als Frame-Grabber O3D 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. Selbstverständlich sollen mit dem Begriff Kamera bzw. Kamerasystem auch Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät O1D der Anmelderin.
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Zur Funktionsüberwachung eines solchen Lichtlaufzeitkamerasystems sind beispielsweise Anmeldungen
DE 10 2010 041 390 A1 ,
DE 10 2011 081 561 A1 oder
DE 10 2011 081 563 A1 Ausführungen bekannt, bei denen beispielsweise ein an der Beleuchtung anliegendes Modulationssignal abgegriffen und elektrisch an das Kameramodul
300 zurückübermittelt wird.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lichtlaufzeitkamerasystem im Hinblick einer Funktionsüberwachung weiter zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem und das Verfahren für eine solches gelöst.
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Das Lichtlaufzeitkamerasystem weist einen Lichtlaufzeitsensor mit mindestens einem Empfangspixel auf, sowie eine modulierbare Lichtquelle, ferner einen Modulator der mit dem Lichtlaufzeitsensor und der Lichtquelle verbunden ist, wobei das Lichtlaufzeitkamerasystem einen optischen Rückkanal aufweist, der einen Teil des von der Lichtquelle emittierten Lichts auskoppelt und auf den Lichtlaufzeitsensor lenkt, wobei der optische Rückkanal eine erste zuschaltbare, optische Dämpfungseinheit aufweist, die eine Weiterleitung des ausgekoppelten Lichts auf den Lichtlaufzeitsensor zuschaltbar unterbricht, wobei das Lichtlaufzeitkamerasystem derart ausgestaltet ist, dass in einem Messbetrieb der optische Rückkanal über die Dämpfungseinheit geschlossen und in einer Funktionsmessphase geöffnet ist.
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Bevorzugt ist der optische Rückkanal derart ausgebildet ist, dass das ausgekoppelte Licht den gesamten Lichtlaufzeitsensor beaufschlagt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist im Lichtweg des von der Lichtquelle nach außen emittierten Lichts eine zweites, zuschaltbares, optisches Dämpfungseinheit vorgesehen.
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Dies hat den Vorteil, dass während einer Funktionsmessung von Seiten der Beleuchtung kein moduliertes Licht nach außen gelangt und von dort auf den Lichtlaufzeitsensor störend zurückreflektiert werden kann.
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Im normalen Messmodus ist das optische Dämpfungselement so geschaltet, dass der optische Rückkanal geschlossen ist.
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Nur zu ganz bestimmten Zeiten wird der optische Rückkanal „geöffnet“ und eine Funktionsmessung durchgeführt. Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, dass keine zusätzliche Sensorfläche für die Funktionsmessung benötigt wird, und dass für einen Großteil bzw. für alle Pixel eine Funktionsmessung zur Verfügung steht.
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Eine solche Anordnung hat den Vorteil, dass das beispielsweise nach einer regulären Distanzmessung (normale Messbetrieb) der Lichtlaufzeitsensor in seiner Funktion überwacht werden kann, in dem über den geöffneten optischen Rückkanal modulierte Strahlung auf den Lichtlaufzeitsensor aufgeprägt und ausgewertet werden kann. Liegen die Messergebnisse der Funktionsmessung innerhalb einer Toleranz, kann auf eine fehlerfreie Funktion des Lichtlaufzeitsensors bzw. der nachfolgenden Signalkette geschlossen werden.
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Ebenso vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben der Lichtlaufzeitkamera vorgesehen, bei dem in einer Messpause der optische Rückkanal geöffnet und eine Funktionsmessung durchgeführt wird.
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Die Funktionsüberwachung zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:
- a) Unterbrechung des nach außen führenden Lichtweges und/oder Unterbrechung des von außen einfallenden Lichtweges
- b) Freischalten des optischen Rückkanals
- c) Ermittlung der Funktionsfähigkeit der Lichtquelle und des Lichtlaufzeitsensors anhand des auf dem Lichtlaufzeitsensor erfassten Lichts.
- d) Beenden der Funktionsmessphase
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In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Funktionsmessung in vorgegebenen Zeitabständen erfolgt. Beispielsweise können die Funktionsmessungen nach jeder Distanzmessung erfolgen jedoch ist es je nach Anwendungsfall auch denkbar, die Funktionsmessungen in größeren Zeitabständen oder nach einer bestimmten Anzahl von Distanzmessungen zu wiederholen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
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1 eine erfindungsgemäße Lichtlaufzeit-Kamera,
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2 ein erfindungsgemäßes System mit einem optischen Rückkanal,
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3 schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Systems
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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 wie sie beispielsweise aus der
DE 197 04 496 bekannt ist. Das Lichtlaufzeitkamerasystem
1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul
10 mit einer Lichtquelle
12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik
15 sowie eine Empfangseinheit bzw. TOF-Kamera
20 mit einer Empfangsoptik
25 und einem Lichtlaufzeitsensor
22. Der Lichtlaufzeitsensor
22 weist mindestens ein Pixel, vorzugsweise jedoch 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 ist vorzugsweise als Reflektor ausgebildet. Es können jedoch auch diffraktive Elemente oder Kombinationen aus reflektierenden und diffraktiven Elementen eingesetzt 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 des emittierten und empfangenen Lichts ermittelt wird. Zu diesem Zweck werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz mit einer ersten Phasenlage a beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal mit der Phase a aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage b auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators 30 mit dem empfangenen Signal, das mittlerweile eine zweite Phasenlage b angenommen hat, gemischt und aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung l ermittelt.
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2 zeigt schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Systems. Das von der Lichtquelle 12 moduliert emittierte Licht a wird von einem Objekt 40 bzw. von einer Szenerie 40 reflektiert und als phasenverschobenes Lichtsignal b von dem Lichtlaufzeitsensor 22 empfangen, woraus in gewohnter Weise ein Entfernungssignal pixelindividuell ermittelt wird. In Ergänzung zu der Ausführung gemäß 1 ist ein optischer Rückkanal 100 vorgesehen, der ein Teil a’ des emittierten Lichts a direkt auf den Lichtlaufzeitsensor 22 lenkt.
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Der optische Rückkanal 100 besteht im dargestellten Beispiel aus einem ersten und zweiten Spiegel 101, 102. Der erste Spiegel 101, der beispielsweise auch als Abdeckglas des Beleuchtungsmoduls 10 ausgeführt sein kann, lenkt einen Teil a‘ der von der Beleuchtungsquelle 22 emittierten Strahlung a aus dem Hauptstrahlengang aus, wobei das ausgelenkte Licht a’ über den zweiten Spiegel auf den Lichtlaufzeitsensor 22 projiziert wird.
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Ferner ist zur Unterbrechung des Lichtweges sowohl im optischen Rückkanal 100 als auch im nach außen gerichteten Lichtweg a eine zuschaltbare optische erste und zweite Dämpfungseinheit 200, 201 vorgesehen. In einer nicht dargestellte Ausführungsform könnte die zweite Dämpfungseinheit 201 auch in den nach innen gerichteten Lichtweg b angeordnet sein, und dass von der Szenerie 40 empfangene Licht in Richtung Lichtlaufzeitsensor 22 unterbrechen.
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Im normalen Messbetrieb ist die zweite Dämpfungseinheit 201 nicht eingeschaltet, d.h. lichtdurchlässig und die erste Dämpfungseinheit 200 zugeschaltet, d.h. lichtundurchlässig. Im Normalbetrieb werden die Objekte 40 im Außenraum beleuchtet und der optische Rückkanal 100 ist geschlossen. Während im Funktionsmessbetrieb der Lichtweg a nach außen unterbrochen und der optischer Rückkanal 100 geöffnet wird, so dass der Lichtlaufzeitsensor 22 über den optischen Rückkanal 200 mit modulierten ausgelenkte Licht a´ beaufschlagt wird.
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Empfängt der der Lichtlaufzeitsensor 22 bei einem offenen optischen Rückkanal 100 ein moduliertes Lichtsignal, kann davon ausgegangen werden, dass die Lichtquelle 12 einwandfrei funktioniert.
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Typischerweise kann davon ausgegangen werden, dass das Licht über den optischen Rückkanal 100 nur eine vernachlässigbare kleine Wegstrecke zurücklegt, so dass die Mischung der ersten Phasenlage a mit der Phasenlage des ausgekoppelten Lichts a’ eine Phasenverschiebung erzeugt, die im Wesentlichen der Entfernung Null entspricht.
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Wesentlich bei dieser Messung ist jedoch nicht zwingend der absolute Wert, sondern dass über diese Funktionsmessung auch die Funktionsfähigkeit des Lichtlaufzeitsensors 22 überprüft werden kann.
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Beispielsweise können während der Fertigung des Lichtlaufzeitkamerasystems in einer Auswerte- oder Überwachungseinheit für jedes Pixel des Lichtlaufzeitsensors 22 Signalwerte als Referenzwerte hinterlegt werden, die bei einer Funktionsmessung erwartet werden. Weichen diese Werte bei einer Funktionsmessung deutlich von den hinterlegten Referenzwerten ab, kann auf eine Fehlfunktion des Lichtlaufzeitsensors 22 oder einzelnen Pixeln des Sensors 22 geschlossen werden.
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Selbstverständlich sind auch weitere Auswertemöglichkeiten denkbar.
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Die Dämpfungseinheiten 200, 201 können technisch in unterschiedlichster Form realisiert sein. Insbesondere können die Dämpfungseinheiten 200, 201 unterschiedlich aufgebaut sein. In nicht abschließender Auflistung kommen beispielhaft folgende technische Lösungen in Betracht:
- – Magneto-optischer Kerr-Effekt (MOKE): Dotierung jeweils eines Abschnittes des optischen Pfades der Funktionsmessung und des optischen Pfades über die Szene mit polarisierendem Material, das sich bei Anlegen eines magnetischen Feldes je nach Modus abwechselnd in der Polarisierung ändert. Dadurch kann die Transmission eines optischen Pfades in Verbindung mit einem Polarisationsfilter verändert oder blockiert werden.
- – (Elektrooptischer) Kerr-Effekt: Dotierung jeweils eines Abschnittes des optischen Pfades der Funktionsmessung und des optischen Pfades über die Szene mit polarisierendem Material, das sich bei Anlegen eines elektrischen Feldes je nach Modus abwechselnd in der Polarisierung ändert. Dadurch kann die Transmission des Lichtleiters elektrisch, ggf in Verbindung mit einem Polarisationsfilter, verändert oder blockiert werden.
- – Elektrochrom: Ein Abschnitt des optischen Pfades der Funktionsmessung und des optischen Pfades über die Szene besteht jeweils aus elektrochromen Material, das bei Anlegen einer elektrischen Spannung je nach Modus abwechselnd den Lichtdurchlass ändert oder blockiert.
- – Mechanisch: Ein Abschnitt des optischen Pfades der Funktionsmessung und des optischen Pfades über die Szene besteht aus jeweils einer mechanischen Blende, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung je nach Modus abwechselnd den Lichtdurchlass ändert oder blockiert.
- – Schaltbarer Spiegel: Vor der Beleuchtungseinheit gibt es einen schalbaren Spiegel, der je nach Modus abwechselnd das Licht der Beleuchtungsquelle in Richtung der Szene oder in Richtung des optischen Rückkanales schaltet.
- – Schaltbarer Absorber: Ein Abschnitt des optischen Pfades der Funktionsmessung und des optischen Pfades über die Szene besteht aus jeweils aus einem oder gemeinsam über einen schaltbaren Absorber, die bei Anlegen einer elektrischen Spannung je nach Modus abwechselnd den Lichtdurchlass ändert oder blockiert.
- – SPS (suspended particle devices): Ein Abschnitt des optischen Pfades der Funktionsmessung und des optischen Pfades über die Szene besteht jeweils aus einem Element, in dem in einer Flüssigkeit stabförmigen Nanopartikel schweben. Durch das Anlegen einer Spannung kann je nach Modus abwechselnd den Lichtdurchlass geändert oder blockiert werden.
- – Mikrolamellen (micro-blinds): Ein Abschnitt des optischen Pfades der Funktionsmessung und des optischen Pfades über die Szene besteht jeweils aus einem Element aus Mikrolamellen, die durch Anlegen einer Spannung ihre Position verändern können. Durch das Anlegen einer Spannung kann je nach Modus abwechselnd den Lichtdurchlass geändert oder blockiert werden.
- – Zueinander drehbare Polarisationsscheiben: Ein Abschnitt des optischen Pfades der Funktionsmessung und des optischen Pfades über die Szene besteht jeweils aus mindestens 2 zueinander drehbaren Polarisationsscheiben. Durch die Verdrehung der Polarisationsscheiben zueinander kann je nach Modus abwechselnd der Lichtdurchlass geändert oder blockiert werden.
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Wie bereits beschreiben soll die Schaltmöglichkeit der optischen Wege dazu genutzt werden, dass der optischer Rückkanal nur dann zugeschaltet wird, wenn eine Funktionsmessung vorgenommen wird. Ansonsten ist der optischer Rückkanal 10 nicht transparent, so dass kein Ausgelenktes Licht a‘ auf den Lichtlaufzeitsensor 22 fällt und die ToF Messung verfälscht.
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Vorzugsweise wird der optische Rückkanal 100 zwischen den aktiven Messungen (Entfernungsmessungen) zugeschalten. Mit dem Licht a‘ des optischen Rückkanals 100 wird die Fläche des Lichtlaufzeitsensors, beispielsweise seitlich, beleuchtet und es können für jeden Amplitudenwert entsprechende Referenzwerte ermittelt werden.
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Da typischerweise davon ausgegangen werden kann, dass das Licht aus dem optischen Rückkanal 100 um Größenordnungen höher ist als das reflektierte Licht b aus der aktiv beleuchteten Szene, können für die Funktionsmessung vorzugsweise Integrationszeiten verwendet werden, die wesentlich kürzer sind als Integrationszeiten für den normalen Entfernungsmessbetrieb.
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3 zeigt exemplarisch ein Ausführungsbespiel, in dem der optische Rückkanal 100 als Lichtleiter 300 ausgestaltet ist. Wie zuvor ist der Modulator 30 mit dem Lichtlaufzeitsensor 22 und der Lichtquelle 12 verbunden. Ferner ist eine Auswerteeinheit bzw. eine Steuereinheit 250 vorgesehen, die mit der ersten Dämpfungseinheit 200 im optischen Rückkanal und mit der zweiten Dämpfungseinheit 201 im nach außen gerichteten Lichtweg a verbunden ist. Die Steuereinheit 250 ist zudem mit dem Lichtlaufzeitsensor 22 verbunden, so dass in Abhängigkeit der jeweils vorliegenden Betriebsart (Normalbetrieb, Funktionsmessbetrieb) die Dämpfungseinheiten 200, 201 und der Lichtlaufzeitsensor 22 geeignet angesteuert werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtlaufzeitkamerasystem
- 10
- Beleuchtungsmodul
- 12
- Lichtquelle
- 15
- Strahlformungsoptik
- 20
- Empfangseinheit, TOF-Kamera
- 22
- Lichtlaufzeitsensor
- 25
- Empfangsoptik
- 30
- Modulator
- 40
- Objekt
- 100
- optischer Rückkanal
- 101
- erster Spiegel
- 102
- zweiter Spiegel
- 200
- erste Dämpfungseinheit
- 201
- zweite Dämpfungseinheit
- 250
- Auswerteeinheit, Steuereinheit,
- 300
- Lichtleiter
- a
- emittiertes Licht
- a‘
- ausgelenktes Licht
- b
- Empfangslicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1777747 [0002]
- US 6587186 [0002]
- DE 19704496 [0002, 0022]
- DE 102010041390 A1 [0003]
- DE 102011081561 A1 [0003]
- DE 102011081563 A1 [0003]
