DE102018113630A1

DE102018113630A1 - Entfernungsmesssystem mit wenigstens zwei Beleuchtungsmodulen

Info

Publication number: DE102018113630A1
Application number: DE102018113630.7A
Authority: DE
Inventors: Bernd Damhofer
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2017-06-08
Filing date: 2018-06-07
Publication date: 2018-12-13
Anticipated expiration: 2038-06-08
Also published as: DE102018113630B4

Abstract

Entfernungsmesssystem (1) mit wenigstens zwei separaten Beleuchtungsmodulen (100; 100.1, 100.2) zur Ausendung eines modulierten Lichts,mit einem separaten Kameramodul (300) zum Empfang des von den Beleuchtungsmodulen (100) ausgesendeten und von einer Szenerie (40) reflektierten Lichts,wobei das Kameramodul (300) zumindest folgende Komponenten aufweist:- ein Lichtlaufzeitsensor (22) mit einem Array von Lichtlaufzeitpixeln zur Demodulation des empfangen Lichts,- eine Auswerteeinheit zur Ermittlung von Entfernungswerten ausgehend von dem empfangenen Licht,- und ein Modulator (30) zur Erzeugung eines Modulationssignals für den Lichtlaufzeitsensor (22) und den Beleuchtungsmodulen (100), dadurch gekennzeichnet,dass das Modulationssignal ein Kodierungsintervall aufweist,wobei eine Kodierung innerhalb des Kodierungsintervalls zur gezielten Aktivierung eines Sendebetriebs eines der Beleuchtungsmodule (100) dient,und dass das Entfernungsmesssystem (1) derart ausgestaltet ist, dass in wenigstens einer Betriebsweise die Beleuchtungsmodule (300) jeweils einzeln betrieben werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Entfernungsmesssystem mit wenigstens zwei Beleuchtungsmodulen gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Bevorzugt betrifft das System ein Lichtlaufzeitkamerasystem bei dem Licht in modulierter Form ausgesendet wird.
Insbesondere sind alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme angesprochen, 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 beispielsweise in der DE 197 04 496 C2 beschrieben und von der Firma ‚ifm electronic gmbh‘ oder ‚pmdtechnologies ag‘ 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.
Aus der DE 10 2015 101 359 A1 ist ein System zur Ermittlung von Distanzinformationen mit mehreren Lichtquellen bekannt, bei dem im Gegensatz zu üblichen TOF-Kameras nicht die Kamera, sondern die Lichtquellen bzw. die Beleuchtungen einen Oszillator zur Modulation des ausgesendeten Lichts aufweisen. Zur Synchronisation der Kamera bzw. des Empfangssensors mit der Beleuchtung ist ein Steuermodul vorgesehen, das über ein Sendermodul eine jeweils ausgewählte Lichtquelle abfragt und über ein Empfangsmodul das Modulationssignal der Lichtquelle empfängt. Ausgehend von dem empfangenen Modulationssignal stellt das Steuermodul ein Referenzmodulationssignal für die Kamera bzw. dem Empfangssensor zur Verfügung. Das Empfangsmodul kann ggf. auch als Photodetektor ausgebildet sein, der das modulierte Licht der Lichtquelle erfasst.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Genauigkeit eines Entfernungsmesssystems zu verbessern.
Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Entfernungsmesssystem nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Vorteilhaft ist ein Entfernungsmesssystem vorgesehen, mit wenigstens zwei separaten Beleuchtungsmodulen (100; 100.1, 100.2) zur Ausendung eines modulierten Lichts,
mit einem separaten Kameramodul (300) zum Empfang des von den Beleuchtungsmodulen (100) ausgesendeten und von einer Szenerie (40) reflektierten Lichts,
wobei das Kameramodul (300) zumindest folgende Komponenten aufweist:

- ein Lichtlaufzeitsensor (22) mit einem Array von Lichtlaufzeitpixeln zur Demodulation des empfangen Lichts,
- eine Auswerteeinheit zur Ermittlung von Entfernungswerten ausgehend von dem empfangenen Licht,
- und ein Modulator (30) zur Erzeugung eines Modulationssignals für den Lichtlaufzeitsensor (22) und den Beleuchtungsmodulen (100),

100

1

300

Durch den einzelnen Betrieb der Beleuchtungsmodule können Störungen in vorteilhafter Weise vermieden werden, die bei einem gemeinsamen Betrieb der Beleuchtungsmodule beispielsweise aufgrund bestimmter Eigenschaften der Objekte oder Positionen der Beleuchtung entstehen könnten.
Vorteilhaft ist es auch, das Modulationssignal mit einem Kodierungsintervall zu ergänzen und hierüber die Beleuchtungsmodule gezielt anzusteuern. Dieses Vorgehen hat insbesondere auch den Vorteil, dass die bereits vorhandene Modulationsleitung zur Ansteuerung der Beleuchtungsmodule genutzt werden kann.
Insbesondere ist es nützlich, wenn die Beleuchtungsmodule einen Dekoder aufweisen, der zur Dekodierung des im Kodierungsintervall übermittelten Kodes ausgebildet ist, wobei die Beleuchtungsmodule vorzugsweise derart ausgestaltet sind, dass das jeweilige Beleuchtungsmodul nur dann in den Sendebetrieb geht, wenn im Kodierungsintervall ein Aktivierungskode für das jeweilige Beleuchtungsmodul erkannt wurde.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weisen die Beleuchtungsmodule relativ zum Kameramodul unterschiedliche Positionen und Abstände auf.
Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Beleuchtungsmodule für die jeweilige Messaufgabe optimal angeordnet werden können.
Ferner ist es von Vorteil, wenn für die Ermittlung der Entfernungswerte die relativen Positionen und Abstände der Beleuchtungsmodule berücksichtigt werden.
Günstig ist es auch, wenn die Beleuchtungsmodule in ihren Positionen und Abstände relativ zum Kameramodul frei positionierbar sind, so dass das Entfernungsmesssystem flexibel für unterschiedliche Messaufgaben angepasst werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, für die Ermittlung der Entfernungswerte Signallaufzeiten zwischen dem Kameramodul und den einzelnen Beleuchtungsmodulen zu berücksichtigen.
Hierdurch können insbesondere unterschiedliche Signallaufzeit zu den einzelnen Beleuchtungsmodulen in einfacher Art und Weise kompensiert werden.
In einer weiteren Ausgestaltung weist das Kameramodul eine Kommunikationseinheit zur Kommunikation mit den Beleuchtungsmodulen auf.
Vorzugsweise ist dann wenigstens ein Initialisierungsmodus vorgesehen ist, in dem die Kommunikationseinheit des Kameramoduls Identifikationsadressen und Signallaufzeiten der angeschlossenen Beleuchtungsmodule abfragt und in einem Datenspeicher des Kameramoduls ablegt.
Durch dieses Vorgehen kann das System beispielsweise in einer Erstinbetriebnahme alle relevanten Beleuchtungsparameter einlesen, um dann die Beleuchtungsmodule gezielt ansprechen zu können. Zudem können die Signallaufzeiten der einzelnen Module erfasst und bei den Berechnungen der Entfernungswerte berücksichtigt werden.
Bevorzugt ist es vorgesehen, in dem Initialisierungsmodus eine Signallaufzeit zwischen Kameramodul und den einzelnen Beleuchtungsmodulen durch eine Messung zu ermittelt und im Datenspeicher des Kameramoduls abzulegen, wobei das Kameramodul derart ausgestaltet ist, dass für die Ermittlung von Entfernungswerten die im Datenspeicher abgelegten Signallaufzeiten berücksichtigt werden
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:

1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
2 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger,
3 ein modulares Lichtlaufzeitkamerasystem,
4 eine Datenübertrag mit Hilfe einer zusätzlichen Datenleitung
5 eine Datenübertragung mit Aufmodulation,
6 eine potentialfreie Datenübertragung,
7 eine schematische Darstellung eines Differenzialsignals,
8 ein Potenzialunterschied zwischen zwei Differenzkanälen;
9 eine Aufmodulation zwischen zwei Differenzkanälen
10 einen Systemaufbau mit zwei Beleuchtungsausgängen an der Kamera,
11 einen Systemaufbau mit einem Beleuchtungsausgang und einen Splitter,
12 einen Systemaufbau mit einem Beleuchtungsausgang und einem Y-Verteiler,
13 ein Modulationssignal mit Kodierungsintervall,
14 einen Aufbau mit zwei Beleuchtungen mit nicht überschneidenden Beleuchtungsbereich.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist.
Das Entfernungsmesssystem 1 hier 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.
Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Laufzeitpixel, vorzugsweise auch ein Pixel-Array auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.
Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal M_o mit einer Basisphasenlage cpo beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ₀ des Modulationssignals M₀ der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φ_var verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φ_var = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.
Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal S_p1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ₀ + φ_var aus. Dieses Signal S_p1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(t_L) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ₀ + φ_var + Δφ(t_L) als Empfangssignal S_p2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M_o mit dem empfangenen Signal S_p2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.
Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals M₀ mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal S_p2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit t_L phasenverschoben Δφ(t_L) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage des Modulationssignals M₀ in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M₀ + 180° in einem zweiten Akkumulationsgate Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ(t_L) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.
3 zeigt ein Lichtlaufzeitkamerasystem bei dem die Sendeeinheit 10 und die Empfangseinheit 20 in separate Module nämlich einem Beleuchtungsmodul 100 und einem Empfangs- bzw. Kameramodul 300 angeordnet sind. Das Kameramodul 300 weist im dargestellten Beispiel auch den Modulator 30 auf, der sein Signal über einen Daten-Transceiver 301, über einen Übertragungskanal 200 an einen Daten-Transceiver 101 des Beleuchtungsmoduls 100 und dann an die Sendeeinheit 10 überträgt. Wenn eine Rückmeldung des Beleuchtungsmoduls 100 nicht vorgesehen ist, kann der Daten-Transceiver 301 des Kameramoduls 300 auch als einfacher Sender und der Daten-Transceiver 101 des Beleuchtungsmoduls als einfacher Empfänger ausgebildet sein.
4 zeigt beispielhaft eine mögliche Verbindung des Kameramoduls 300 mit dem Beleuchtungsmodul 100 über drei Datenkanäle 201, 202, 401. Die Übertragungsschaltung bzw. der Daten-Transceiver 301 des Kameramoduls 300 weist eine erste und zweite Datenschnittstelle 303, 304 für differenzielle Signale auf und stellt eine dritte Datenschnittstelle 302 für zusätzliche Signale, beispielsweise als CAN-Bus, zur Verfügung. Die Übertragungsschaltung bzw. der Daten-Transceiver 101 des Beleuchtungsmoduls 100 weist dementsprechend korrespondierende erste und zweite Datenschnittstellen 103, 104 sowie eine dritte Schnittstelle 102 für den zusätzlichen dritten Datenkanal 401 auf.
Der erste und zweite Differenzkanal 201, 202 sind vorzugsweise über ein gemeinsames Kabel 200 für die Übertragung gebündelt. Über den ersten Differenzkanal 201 wird vorzugsweise die Modulation für die Beleuchtung vom Kameramodul 300 auf das Beleuchtungsmodul 100 übertragen. Eine sicherheitsrelevante Rückmeldung, beispielsweise nach dem ASIL-B-Standard, kann ein Rücksignal vorzugsweise ausgehend von der sendenden zweiten Datenschnittstelle 104 über den zweiten Differenzkanal 202 an die zweite Datenschnittstelle 304 an das Kameramodul 300 übertragen werden.
Zur Übertragung weiterer betriebsrelevanter Moduldaten, insbesondere Kalibrationsparameter, Identifikationsadresse und/oder Diagnosedaten der Beleuchtung, ist eine zusätzliche Datenleitung 401 vorgesehen, die im dargestellten Fall über ein eigenes Kabel 400 geführt wird. Die betriebsrelevanten Daten sind in der Regel nicht sehr zeitkritisch und können so gegebenenfalls auch in einem einfachen Datenprotokoll übertragen werden.
Zur Vermeidung eines zusätzlichen Verkabelungsaufwands, ohne auf relevante Daten verzichten zu müssen, wird eine Ausführung gemäß 5 vorgeschlagen. Die Übertragung der Modulation an das Beleuchtungsmodul 100 sowie die entsprechende Rückmeldung erfolgt nach wie vor wie in 4 über den ersten und zweiten Differenzkanal 201, 202. Die Moduldaten hingegen werden nicht mehr über ein separates Kabel übermittelt, sondern über die bereits vorhandenen Differenzkanäle 201, 202 durch Aufmodulieren einer entsprechenden Dateninformation. Im dargestellten Beispiel ist es vorgesehen, die Moduldaten vom Beleuchtungsmodul 100 in Richtung Kameramodul 300 zu übertragen. Die Daten werden hierzu von der dritten Schnittstelle 102 auf eine erste und zweite Aufmodulationseinheit 105, 106 zur entsprechenden Modulation des ersten und zweiten Differenzkanals 201, 202 übertragen. Empfangsseitig wird im Kameramodul 300 über einen ersten und zweiten Demodulator 305,306 das Signal demoduliert und der dritten Schnittstelle 302 zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Je nach Anwendungsfall kann dieser Modulationskanal auch als Hin- und Rückkanal bzw. bidirektional ausgebildet sein.
Die in 5 dargestellte Lösung prägt im Wesentlichen durch Aufmodulation auf beiden Datenkanälen ein Differenzsignal zwischen dem ersten und zweiten Datenkanal 201, 202 auf. Dieser zusätzliche Datenstrom kann dann durch Auswerten der Potenzialunterschiede zwischen beiden Datenkanälen ausgewertet werden. In einer weiteren Ausgestaltung wird das Grundpotenzial in Relation zu einem Bezugs- bzw. Massepotenzial ausgewertet. Dies ermöglicht in einem in 5 dargestellten Aufbau eine Übertragung von Daten in vier Datenkanälen.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform, die im Unterschied zu dem in 5 dargestellten Beispiel eine galvanische Trennung 80 vor den Schnittstellen 103 und 104 des Beleuchtungsmoduls 100 vorsieht. Die galvanische Trennung 80 ist insbesondere als Transformator ausgebildet, kann jedoch auch kapazitiv oder ggf. auch als optischer Übertrager oder allgemein als Wandler ausgebildet sein. Eine solche potentialfreie Übertragung erlaubt größere Freiheiten bei der Aufmodulation eines dritten Signals auf die beiden Differenzkanäle 201, 202. Beispielsweise kann die Aufmodulation in Spannungsbreichen oder mit Amplituden erfolgen, die außerhalb dem erlaubten „common mode“ der LVDS-Treiber liegen. Darüber können auch Querströme zwischen dem Kamera- und Beleuchtungsmodul 300, 100 vermieden werden.
Bei der Übertragung des dritten Signals erfolgt die Aufmodulation als Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Differenzkanal 201, 202. Im einfachsten Fall kann dies als einfache Amplitudenmodulation erfolgen, aber auch andere Modulationsformen können übertragen werden. Insbesondere kann das dritte Signal auch als Differenzialsignal übertragen werden.
Die Schnittstellen 102 bzw. 302 zur Aufmodulation bzw. Demodulation können vorteilhaft ohne galvanische Trennung ausgebildet sein. Um ggf. Querströme zu vermeiden, können beide oder eine der beiden Schnittstellen 102 und 302 über einen Widerstand oder einem Widerstandsnetzwerk mit der jeweiligen LVDS-Leitung bzw. - kanal 201, 202 verbunden sein. Ebenso kann eine Verbindung auch über Induktivitäten oder entsprechende Netzwerke erfolgen.
7 zeigt schematisch einen zeitlichen Verlauf eines LVDS-Signals. Das Differenzialsignal U_D variiert hierbei um ein Grundpotenzial bzw. Common Mode Signal U_CM von 1,2 Volt mit +/- 100 mV. Das High-Signal liegt somit bei 1,3 Volt und das Low-Signal bei 1,1 Volt. Da für die Auswertung des LVDS-Signals ausschließlich die Differenz U_D beider Signale verwendet wird, ist es im Wesentlichen unerheblich auf welchem Niveau sich das Grundpotenzial U_CM befindet. Die Modulation des Grundpotenzials U_CM lässt somit das Differenzsignal U_D im Wesentlichen unbeeinflusst. Maßgeblich ist, dass beide Leitungspaare eines Differenzkanals 201, 202 synchron mit einem Potenzial-Off-Set bzw. Potenzialmodulation belegt werden.
8 zeigt ein bevorzugtes Vorgehen, bei dem die beiden Differenzkanäle 201, 202 potentialfrei gemäß 6 geführt sind, wobei auf der potentialfreien Strecke das Grundpotenzial bzw. die Common Mode Spannung U_CM1,2 auf jedem Differenzkanal 201, 202 individuell einstellbar ist. Die Information lässt sich so über die Modulation der Spannungsdifferenz U_DCM12 zwischen beiden Differenzkanälen 201, 202 übertragen.
9 zeigt eine Möglichkeit, bei der vereinfacht dargestellt, das Grundpotenzial U_CM2 des zweiten Differenzkanals 202 konstant gehalten wird und im Wesentlichen nur das erste Grundpotenzials U_CM1 moduliert wird. Der Übersicht halber ist der LVDS-Verlauf der beiden Kanäle 201, 202 nicht gezeigt. Die übertragene Information ist dem zeitlichen Verlauf der Spannungsdifferenz U_DCM12 zwischen beiden Kanälen 201, 202 zu entnehmen. Bei einer Übertragung des Signals über Spulen oder Kondensatoren ist ein gleichstromfreier Signalkode beispielsweise ein Manchester Kode zu bevorzugen.
10 zeigt einen erfindungsgemäßen Aufbau, bei dem das Kameramodul 300 mit zwei separaten und räumlich getrennten Beleuchtungsmodulen 100.1, 100.2 zur Beleuchtung einer Szenerie 40 verbunden ist.
Zur Verbesserung der Ergebnisse der Entfernungsmessung ist es im dargestellten Beispiel vorgesehen, die Beleuchtungsmodule 100.1, 100.2 so anzuordnen, dass die zu erfassende Szenerie 40 bzw. das zu erfassende Objekt 40, insbesondere auch an kritischen Stellen, optimal ausgeleuchtet ist. Zu diesem Zweck kann es von Vorteil sein, die Beleuchtungsmodule an unterschiedlichen Positionen und insbesondere in unterschiedlichen Entfernungen d1, d2 zum Objekt 40 anzuordnen. Aufgrund dieser unterschiedlichen Entfernungen d1, d2 ist auch die Lichtlaufzeit zwischen den Beleuchtungsmodulen 100.1, 100.2 und dem vom Kameramodul 300 erfassten Licht unterschiedlich, so dass in einem solchen Entfernungsmessbetrieb die Beleuchtungsmodule 100.1, 100.2 nicht gleichzeitig, sondern nur einzeln ggf. seriell zu betreiben sind.
Sind hingegen die Beleuchtungen 100.1, 100.2 gleich weit vom Kameramodul 300 entfernt, so dass die Lichtwege im Wesentlichen gleich lang sind, so können die Beleuchtungen 100.1, 100.2 auch parallel betrieben werden. Liegen bei einem Einzelbetrieb der Beleuchtung vergleichbare Ergebnisse vor, kann beispielsweise auch automatisch in einen Parallelbetrieb umgeschaltet werden.
Des Weiteren kann ein Parallelbetrieb applikationsabhängig auch dann möglich sein, wenn die Beleuchtungen 100 separate Bereiche der zu untersuchenden Objekte 40 beleuchten. Das Beleuchtungsmodul 100 kann ferner eine oder mehrere Lichtquellen 12 zur Erzeugung der notwendigen Strahlungsleistung aufweisen. Bei mehreren Lichtquellen 12 werden die Lichtquellen 12 vorzugsweise gleichzeitig betrieben und das abgestrahlte Licht wird vorzugsweise über eine gemeinsame Optik ausgesendet.
Um den Betrieb und insbesondere die Inbetriebnahme eines solchen Entfernungsmesssystem zu vereinfachen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, zumindest einen unidirektionalen vorzugsweise bidirektionalen Kommunikationskanal MCI zwischen Kameramodul 300 und den Beleuchtungen 100 einzurichten.
10 zeigt ein erfindungsgemäßes Entfernungsmesssystem bei dem das Kameramodul 300 über zwei Kameraausgänge KA und über einen Kommunikationskanal bzw. Modulations- und Kommunikationsleitungen MCI1, MCI2 mit den beiden Beleuchtungsmodulen 100.1, 100.2 verbunden ist. Kameramodul 300 und Beleuchtungsmodule 100 weisen jeweils eine Kommunikationseinheit 310, 110 und einen Datenspeicher 320, 120 auf.
Die Kommunikationseinheiten 110, 310 umfassen vorzugsweise die für die Datenkommunikation und Weiterleitung des Modulationssignals notwendigen Daten-Transceiver 101, 301 und stellen vorzugsweise auch den Datenaustausch zum Datenspeicher 120, 320 her.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, in den Datenspeichern 120 der Beleuchtungsmodule 100 jeweils eine eindeutige Geräteadresse bzw. Identifikationsadresse zu hinterlegen, mit der das Beleuchtungsmodul 100 eindeutig angesteuert werden kann, darüber hinaus ist es von Vorteil, im Datenspeicher 120 weitere gerätespezifische Daten insbesondere Kalibrierparameter abzulegen, insbesondere ist es nützlich im Datenspeicher 120 eine für das Beleuchtungsmodul 300 spezifische interne, elektrische Signallaufzeit zu hinterlegen.
Eine solche Signallaufzeit beschreibt die Zeit, die zwischen dem Eingang eines elektrischen Signals und der tatsächlichen Lichtaussendung aufgrund der elektrischen Verarbeitung im Beleuchtungsmodul 100 vergeht. Die Signallaufzeit kann hierbei beispielsweise in Sekunden, einem Phasenwinkel, einem dementsprechenden Lichtweg und/oder einer anderen geeigneten Form im Datenspeicher 120 hinterlegt sein.
Wie beschrieben, wird die Verbindung zu den Beleuchtungsmodulen über eine Modulations- und Kommunikations-Verbindung MCI (modulation and communication interface) hergestellt.
Bevorzug ist eine solche Kommunikationsverbindung beispielsweise als LVDS-Leitung (low voltage difference signal) ausgebildet, so dass zum einen das Modulationssignal an die Beleuchtung übertragen und Informationen zwischen dem Beleuchtungsmodul 100 und Kameramodul 300 ausgetauscht werden können.
Die Modulation und Kommunikation kann jedoch auch über zwei separate Leitungen durchgeführt werden.
Das dargestellte Kamerasystem bzw. Beleuchtungskonzept hat den Vorteil, dass beispielsweise die Beleuchtungsmodule 100 abhängig von der jeweils durchzuführenden Messaufgabe und/oder Applikation angesteuert werden können.
Bei Inbetriebnahme eines solchen Systems kann es beispielsweise vorgesehen sein, dass das Kameramodul 300 zunächst die gerätespezifischen Daten der angeschlossenen Beleuchtungsmodule 100.1, 100.2 abfragt. Diese Daten werden dann im Datenspeicher 320 des Kameramoduls 300 abgelegt.
Ferner ist es vorgesehen, dass beispielsweise über ein externes Eingabegerät und/oder Eingabefelder am Kameramodul 300 vorzugsweise die räumliche Lage bzw. relative Position der angeschlossenen Beleuchtungen 100.1, 100.2 in Relation zu dem Kameramodul 300 in den Datenspeicher 320 eingegeben werden.
Auch ist es denkbar, dass die relativen Positionen der angeschlossenen Beleuchtungsmodule auch automatisch ermittelt werden, beispielsweise anhand von Transponder- bzw. Funksignalen, die von den einzelnen Beleuchtungsmodulen aussendbar sind.
Ausgehend von den im Datenspeicher 320 abgelegten Daten können dann die Beleuchtungsmodule 100.1, 100.2 abhängig von der gewünschten Messaufgabe angesteuert und Entfernungswerte ermittelt werden.
Zusätzlich zu den internen, elektrischen Signallaufzeiten der Beleuchtungsmodule 100 können auch die Signallaufzeiten der Modulations- und Kommunikations-Verbindungen MCI im Datenspeicher 310 des Kameramoduls 300 hinterlegt werden.
Diese so genannten Kabellaufzeiten können beispielsweise auch über Eingabegeräte oder -felder manuell eingegeben und im Datenspeicher abgelegt werden. Bevorzugt ist es jedoch vorgesehen, dass das Kameramodul Testsignale in Richtung eines jeweiligen Beleuchtungsmoduls 100.1, 100.2 aussendet und ausgehend von der Signalantwort eine Kabellaufzeit bestimmt. Vorzugsweise sind die Kommunikationseinheiten110, 310 zur Durchführung einer solchen Laufzeit- bzw. Zeitbestimmung ausgebildet. Die ermittelten Kabellaufzeiten werden dann im Datenspeicher 320 abgelegt.
Zur Bestimmung der Laufzeiten eignen sich insbesondere auch Aufbauten mit einem Rückkanal wie Sie beispielsweise in den Anmeldungen DE 10 2010 041 390 A1 , DE 10 2011 081 561 A1 oder DE 10 2011 081 563 A1 beschrieben sind. Bei einem solchen Rückkanal werden die an der Beleuchtung 100 anliegenden Modulationssignale entweder elektrisch und/oder optisch abgegriffen und an das Kameramodul 300 übermittelt. Hierbei wird insbesondere auf das Ausführungsbeispiel gemäß 2 der DE 10 2010 041 390 A1 sowie den Ausführungen gemäß 2 bis 5 der DE 10 2011 081 561 A1 verwiesen, die hier ausdrücklich per Verweis als Ausführungsbeispiele aufgenommen werden.
Für die spätere Entfernungsbestimmung können dann die im Datenspeicher 320 hinterlegten Daten berücksichtigt werden.
11 zeigt eine weitere Variante mit nur einem Kameraausgang KA zum Anschluss einer Beleuchtung 100. Im Unterschied zur Ausführung gemäß 10 ist an diesem Ausgang jedoch keine Beleuchtung direkt, sondern ein so genannter Splitter 50 angeschlossen.
Der Splitter 50 weist mehrere Kommunikationseinheiten 510 auf, die eine Kommunikation mit den Beleuchtungsmodulen 100 und dem Kameramodul 300 ermöglichen. Das Kameramodul 300 kann in dieser Anordnung bei Bedarf hinsichtlich der Beleuchtungsadressierung einfacher ausgestaltet sein. Das Kameramodul 300 kommuniziert mit dem Splitter 50, der dann beispielsweise bei einer Inbetriebnahme der Anordnung die gewünschten Moduldaten von den einzelnen Beleuchtungen 100 abfragt und dem Kameramodul 300 übermittelt. Ebenso kann der Splitter auch für die Ermittlung der Kabellaufzeiten ausgebildet sein, die dann wiederum dem Kameramodul 300 übermittelt werden.
Ferner ist es von Vorteil, wenn in dieser Anordnung auch die Kabellaufzeit der Verbindung MCI 0 zwischen Kamera 300 und Splitter 50 ermittelbar ist.
Der Übersicht halber wurden die Datenspeicher der Beleuchtungsmodule 100 und des Kameramoduls 300 nicht figürlich dargestellt. Ggf. kann auch der Splitter 50 zur Zwischenspeicherung von Daten oder um Adressdaten oder Gerätedaten abzuspeichern mit einem Datenspeicher ausgestattet sein.
12 zeigt eine Variante bei der anstelle eines Splitters 50 gemäß 11 ein Y-Verteiler 55 vorgesehen ist. Mit Hilfe eines solchen Y-Verteilers 55 werden die Signale ohne weitere Kommunikationseinheiten direkt auf die einzelnen Beleuchtungsmodule verteilt. Die Kommunikation mit den einzelnen Beleuchtungen erfolgt dann über das Kameramodul 300 bzw. deren Kommunikationseinheit 310.
Zur Ansteuerung eines jeweiligen Beleuchtungsmoduls 100.1, 100.2 kann es neben oder auch zusätzlich zur Datenkommunikation vorgesehen sein, das Modulationssignal, mit dem die Beleuchtungsmodule 100 angesteuert werden, mit einem Adressierungskode zu versehen.
Wie in 13 gezeigt, ist es ferner erfindungsgemäß vorgesehen, das Modulationssignal mit einem Kode zur gezielten Ansteuerung eines Beleuchtungsmoduls zu versehen. Vorzugsweise weist das Modulationssignal ein Kodierungsintervall mit einem Kode zur Aktivierung einzelner Beleuchtungsmodule auf. Zur Dekodierung eines solchen Signals sind die Beleuchtungsmodule 100 vorzugsweise mit einem Dekodierer ausgestattet, der das ankommende Modulationssignal im Hinblick auf Kodesignale untersucht. Beispielsweise kann durch Verändern der Pulspausen-Verhältnisse ein binäres Kodesignal erzeugt werden.
Vorteil eines solchen Vorgehens ist, dass für die Aktivierung der Beleuchtungsmodule keine weitere Signalleitung und insbesondere Kommunikationsleitung benötigt wird, sondern eine bereits vorhandene Modulationssignalleitung 200 verwendet werden kann. Eine solche Modulationssignalleitung 200 kann beispielsweise wie in den Beispielen gemäß 3 bis 9 als LVDS-Leitung ausgebildet sein. Selbstverständlich sind auch andere und insbesondere auch einfacher ausgestaltete Signalleitungen denkbar, die für eine Übertragung eines Modulationssignals geeignet sind.
Das Signal wird vorzugsweise von allen Beleuchtungsmodulen 100 empfangen. Ein Beleuchtungsmodul geht aber nur dann in einen Sendebetrieb, wenn das Beleuchtungsmodul 100 gezielt über das Kodesignal angesprochen wurde. Ist das Beleuchtungsmodul 100 über das Kodesignal in den Sendebetrieb gesetzt worden, wird das dem Kodesignal folgende Signal als Modulationssignal für die Modulation der Lichtquelle des Beleuchtungsmoduls 100 verwendet. Ist das Kodesignal nicht für das Beleuchtungsmodul 100 bestimmt, wird, trotz Empfangs des Modulationssignals, kein Lichtsignal ausgesendet.
Die Lichtaussendung wird beendet, wenn beispielsweise ein gezieltes Ausschaltsignal gesendet wird oder kein Modulationssignal anliegt. Vorzugsweise wird das Beleuchtungsmodul deaktiviert bzw. verlässt die Sendebereitschaft, wenn über eine vorgegebene Zeitdauer kein Modulationssignal anlag. D.h. eine Deaktivierung eines aktivierten Beleuchtungsmoduls erfolgt, wenn eine Modulationspause eine vorgegebene ,time out'-Zeit überschreitet.
14 zeigt eine weitere Ausgestaltung insbesondere Betriebsweise der vorgenannten Ausführungsbeispiele, bei der die Beleuchtungsmodule 100.1, 100.2 auch parallel betrieben werden können. Das Objekt 40 weist hier beispielsweise Hinterschneidungen bzw. unterschiedliche Oberflächen auf, die von den Beleuchtungen 100.1, 100.2 separat beleuchtet werden können, ohne dass sich die Beleuchtungsbereiche überschneiden. Das Kameramodul 300 ist auf eine Kante des Objekts 40 ausgerichtet, wobei die erste Beleuchtung 100.1 eine Oberseite und die zweite Beleuchtung 100.2 eine Seitenfläche des Objekts 40 beleuchtet. Da aufgrund der Geometrie des Objekts 40 die Beleuchtungsbereiche klar voneinander getrennt sind und keine überlappenden Bereiche aufweisen, können beide Beleuchtungen 100.1, 100.2 parallel betrieben werden. Wenn notwendig, können die verschiedenen Objektseiten beispielsweise mittels einer Bildverarbeitung erkannt und unterschiedlich ausgewertet werden.
Bezugszeichenliste

1: Entfernungsmesssystem, Lichtlaufzeitkamerasystem
10: Sender, Beleuchtungsmodul
12: Lichtquelle
20: Empfänger, Lichtlaufzeitkamera
22: Lichtlaufzeitsensor
30: Modulator
35: Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber
40: Objekt, Szenerie
50: Splitter
55: Y-Verteiler
80: galvanische Trennung
100: Beleuchtungsmodul
100.1: erstes Beleuchtungsmodul
100.2: zweites Beleuchtungsmodul
101: Daten-Transceiver bzw. Übertragungsschaltung des Beleuchtungsmoduls
102: Dritte Schnittstelle für zusätzlichen 3. Datenkanal
103: Erste Datenschnittstelle für Differenzielle Signale
104: Zweite Datenschnittstelle für Differenzielle Signale (optional)
105: Erste Aufmodulationseinheit auf den 1. Differenzkanal
106: Zweite Aufmodulationseinheit auf den 2. Differenzkanal
110: Kommunikationseinheit im Beleuchtungsmodul
120: Datenspeicher im Beleuchtungsmodul
200: Übertragungskanal - Kabel für Modulation
201: Erster Differenzkanal
202: Zweiter Differenzkanal (optional)
300: Empfangsmodul, Kameramodul
301: Daten-Transceiver bzw. Übertragungsschaltung des Empfangsmoduls
302: Dritte Schnittstelle für zusätzlichen dritten Datenkanal
303: Erste Datenschnittstelle für Differenzielle Signale
304: Zweite Datenschnittstelle für Differenzielle Signale
305: Erster Demodulator für den ersten Differenzkanal
306: Zweiter Demodulator für den zweiten Differenzkanal
310: Kommunikationseinheit im Kameramodul
320: Datenspeicher im Kameramodul
400: Übertragungskanal - Kabel für Diagnosedaten
401: Dritter Datenkanal
410: Kommunikationseinheit im Splitter
φ, Δφ(t_L): laufzeitbedingte Phasenverschiebung
φ_var: 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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19704496 C2 [0003]
DE 102015101359 A1 [0004]
DE 19704496 A1 [0024]
DE 102010041390 A1 [0062]
DE 102011081561 A1 [0062]
DE 102011081563 A1 [0062]

Claims

Entfernungsmesssystem (1) mit wenigstens zwei separaten Beleuchtungsmodulen (100; 100.1, 100.2) zur Ausendung eines modulierten Lichts, mit einem separaten Kameramodul (300) zum Empfang des von den Beleuchtungsmodulen (100) ausgesendeten und von einer Szenerie (40) reflektierten Lichts, wobei das Kameramodul (300) und die Beleuchtungsmodule (100, 100.1, 100.3) mit einer Modulationssignalleitung (200) verbunden sind, und wobei das Kameramodul (300) zumindest folgende Komponenten aufweist: - ein Lichtlaufzeitsensor (22) mit einem Array von Lichtlaufzeitpixeln zur Demodulation des empfangen Lichts, - eine Auswerteeinheit zur Ermittlung von Entfernungswerten ausgehend von dem empfangenen Licht, - und ein Modulator (30) zur Erzeugung eines Modulationssignals für den Lichtlaufzeitsensor (22) und den Beleuchtungsmodulen (100), wobei das Modulationssignal ein Kodierungsintervall mit einer Kodierung zur gezielten Aktivierung eines Sendebetriebs eines der Beleuchtungsmodule (100) aufweist, und dass das Entfernungsmesssystem (1) derart ausgestaltet ist, dass in wenigstens einer Betriebsweise die Beleuchtungsmodule (300) jeweils einzeln betrieben werden.
Entfernungsmesssystem (1) nach Anspruch 1, bei dem die Beleuchtungsmodule (100) einen Dekoder aufweisen, der zur Dekodierung des im Kodierungsintervall übermittelten Kodes ausgebildet ist, wobei die Beleuchtungsmodule derart ausgestaltet sind, dass das Beleuchtungsmodul (100) nur dann in den Sendebetrieb geht, wenn im Modulationssignal ein Kodierungsintervall mit einem Aktivierungskode für das jeweilige Beleuchtungsmodul (100) erkannt wurde.
Entfernungsmesssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beleuchtungsmodule (100) relativ zum Kameramodul (300) unterschiedliche Positionen und Abstände aufweisen.
Entfernungsmesssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für die Ermittlung der Entfernungswerte die relativen Positionen und Abstände der Beleuchtungsmodule berücksichtigt werden.
Entfernungsmesssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beleuchtungsmodule (100) in ihren Positionen und Abstände relativ zum Kameramodul (300) frei positionierbar sind.
Entfernungsmesssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem für die Ermittlung der Entfernungswerte Signallaufzeiten zwischen dem Kameramodul (300) und den einzelnen Beleuchtungsmodulen (100) berücksichtigt werden.
Entfernungsmesssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Kameramodul (300) eine Kommunikationseinheit (310) zur Kommunikation mit den Beleuchtungsmodulen (100) aufweist
Entfernungsmesssystem (1) nach Anspruch 7, bei dem wenigstens ein Initialisierungsmodus vorgesehen ist, in dem die Kommunikationseinheit (310) des Kameramoduls (300) Identifikationsadressen und Signallaufzeiten der angeschlossenen Beleuchtungsmodule (100) abfragt und in einem Datenspeicher (310) des Kameramoduls (300) ablegt.
Entfernungsmesssystem (1) nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das System (1) derart ausgestaltet ist, dass in dem Initialisierungsmodus eine Signallaufzeit zwischen Kameramodul (300) und den einzelnen Beleuchtungsmodulen (100) durch eine Messung ermittelt und im Datenspeicher (310) des Kameramoduls (300) ablegt wird, wobei das Kameramodul (300) derart ausgestaltet ist, dass für die Ermittlung von Entfernungswerten die im Datenspeicher (310) abgelegten Signallaufzeiten berücksichtigt werden.
Beleuchtungsmodul (100), das für einen Betrieb in einem Entfernungsmesssystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, wobei das Beleuchtungsmodul einen Dekoder aufweist, der zur Dekodierung eines in einem Kodierungsintervall übermittelten Kodes ausgebildet ist, wobei das Beleuchtungsmodul (100) derart ausgestaltet ist, dass das Beleuchtungsmodul (100) nur dann in die Sendebereitschaft geht, wenn im Kodierungsintervall ein Aktivierungskode für das jeweilige Beleuchtungsmodul (100) erkannt wurde.
Beleuchtungsmodul (100) nach Anspruch 10, mit einer Kommunikationseinheit (110) für die Kommunikation mit einem Kameramodul (300), und mit einem Datenspeicher (120) in dem als Daten wenigstens eine Identifikationsadresse und eine interne Signallaufzeit abgespeichert sind, wobei die Kommunikationseinheit (110) derart ausgestaltet ist, dass die Daten von dem Kameramodul (300) abrufbar sind und dass ausgehend von Signalen des Kameramoduls (300) das Beleuchtungsmodul (100) in einen Sendebetrieb geschaltet werden kann.
Kameramodul (300), das für einen Betrieb in einem Entfernungsmesssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildet ist, wobei das Kameramodul (300) zumindest folgende Komponenten aufweist: - ein Lichtlaufzeitsensor (22) zur Demodulation des empfangen Lichts, - eine Auswerteeinheit zur Ermittlung von Entfernungswerten ausgehend von dem empfangenen Licht, - und ein Modulator (30) zur Erzeugung eines Modulationssignals für den Lichtlaufzeitsensor (22) und den Beleuchtungsmodulen (100), wobei zusätzlich zum Modulationssignal ein Kodierungsintervall vorgesehen ist, mit einer Kodierung zur gezielten Aktivierung eines Sendebetriebs eines an das Kameramodul (300) angeschlossenen Beleuchtungsmoduls (100), wobei bei mehreren angeschlossenen Beleuchtungsmodulen (100) wenigstens eine Betriebsweise vorgesehen ist, bei dem die Beleuchtungsmodule (300) jeweils einzeln betrieben werden.