DE102019134080B3 - Beleuchtungsschaltung und Verfahren zu deren Betrieb für eine Lichtlaufzeitkamera - Google Patents

Abstract

Beleuchtung (10) für ein Lichtlaufzeitkamerasystem, mit wenigstens zwei Lichtquellen (12), bei der die Lichtquellen (12) elektrisch parallel geschaltet sind und jeweils in einem eigenen Strompfad liegen, wobei die Lichtquellen (12) kathodenseitig über eine Diode (13) mit einem Schalter (S) und anodenseitig mit einer Versorgungsspannung (U_B, U_V) verbunden sind, und wobei jede der Lichtquellen (12) im anodenseitigen Strompfad jeweils eine eigene regelbare Spannungsquelle (130) und eine eigene Stromregelung (SR) aufweist, wobei jede der Lichtquellen (12) im kathodenseitigen Strompfad zwischen der Lichtquelle (12) und der Diode (13) jeweils mit einer eigenen Bias-Stromsenke (50) verbunden ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Beleuchtungsschaltung für eine Lichtlaufzeitkamera bzw. Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben dieser Beleuchtungsschaltung.
• Aus dem Stand der Technik sind Systeme zur dreidimensionalen Bilderfassung bekannt, welche mit Hilfe einer aktiven Beleuchtung arbeiten. Dazu gehören so genannte Time-of-flight- (TOF-) oder Laufzeitmesssysteme. Diese verwenden eine amplitudenmodulierte oder gepulste Beleuchtung, zur Ausleuchtung der zu erfassenden dreidimensionalen Szenerie.
• Die Erfindung betrifft weiterhin ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit einem Lichtlaufzeitsensor der vorstehend genannten Art. Derartige Lichtlaufzeitkamerasysteme betreffen insbesondere alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, 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 ‚PMD-Technologies GmbH‘ als Frame-Grabber O3D bzw. als CamCube zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können. 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.
• Aus der DE 197 04 496 A1 ist ferner die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des von einem Objekt reflektierten Lichts bekannt. Insbesondere wird offenbart, die Sendermodulation gezielt um 0°, 90°, 180° oder 270° zu verschieben, um aus diesen vier Phasenmessungen über eine arctan-Funktion eine Phasenverschiebung und somit eine Entfernung zu bestimmen.
• Aus der GB 2492833 A ist eine Beleuchtungsschaltung für ein TOF-System mit zwei Beleuchtungssträngen bekannt. Zur Modulation der Lichtquellen weist jeder Beleuchtungsstrang auf der Low-Seite einen Schalter auf, dem nachfolgend eine Strommessung und -regelung folgt.
• Aus der DE 10 2013 000 881 A1 ist eine Treibervorrichtung für lichtemittierende Elemente bekannt, die über einen Konverter ein LED-Modul schaltet und mit Strom versorgt. Über eine Stromregelung wird der LED-Strom auf einem Zielwert gehalten. Wobei die Stromregelung zunächst auf einen vorgegebenen Zielwert erfolgt und hiernach auf einen zweiten Zielwert geregelt wird, der sich ausgehend von einer aktuellen Spannungsmessung bestimmt.
• Ferner beschäftigt sich die DE 10 2016 220 202 B3 mit einem Verfahren zum Betreiben einer Serienschaltung aus Leuchtdioden, bei der die LEDs in Abhängigkeit von einem Dimmsignal zyklisch abwechselnd in eine High- und Low-Phase geschaltet werden. Um den Übergang von der Low-Phase in die High-Phase zu beschleunigen, ist es vorgesehen, auch im Dunkelbetrieb den Strom nicht auf null absinken zu lassen, sondern einen minimal notwendigen Strom bzw. eine dazu notwendige Spannung vorzuhalten.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Entfernungsmessung eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu verbessern.
• Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch die erfindungsgemäße Beleuchtung für ein Lichtlaufzeitkamerasystem und Verfahren gelöst.
• Erfindungsgemäß ist eine Beleuchtung für ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, mit wenigstens zwei Lichtquellen, bei der die Lichtquellen elektrisch parallel geschaltet und mit einer ersten Anschlussseite, kathodenseitig über eine Diode mit einem Schalter und mit einer zweiten Anschlussseite, anodenseitig mit einer Versorgungsspannung verbunden sind, und bei jeder der Lichtquellen im anodenseitigen Strompfad jeweils eine eigene regelbare Spannungsquelle und eine eigene Stromregelung aufweist, wobei jede der Lichtquellen im kathodenseitigen Strompfad zwischen der Lichtquelle und der Diode jeweils mit einer eigenen Bias-Stromsenke verbunden sind.
• Durch den Bias-Strom wird die Laserdiode (z.B. VCSEL) mit einem Strom, der dicht an der Thresholdschwelle liegt, vorgespannt. Dadurch wird das turn-on-delay der Laserdiode minimiert. Der Bias-Strom kann für jede Laserdiode individuell über einen Controller eingestellt werden.
• Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass durch den jeweils individuellen Bias-Strom der einzelnen Lichtquelle die Lichtquellen miteinander synchron, ohne Einschaltverzögerung betrieben werden.
• Die Stromregelung hat den Vorteil, dass auch bei einer Alterung der Lichtquelle oder durch thermische Veränderung zu jeder Lichtquelle der optimal geeignete Strom fließen kann.
• Ferner ist es von Vorteil, die Parallelschaltung der Lichtquellen derart auszugestalten, dass die Signallaufzeiten von der ersten Anschlussseite bis zum Schalter für alle Lichtquellen gleich lang sind. Hierdurch werden weitere Signallaufzeitunterschiede zu den Schaltern oder zu einem einzelnen gemeinsamen Schalter vermieden.
• In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist ein gemeinsamer Controller für alle Strompfade der Lichtquellen vorgesehen, wobei der Controller einen Strom in jedem Strompfad erfasst und durch Einstellen der regelbaren Spannungsquellen die Versorgungsspannung derart einstellt, dass der Strom auf einen für jeden Strompfad vorgegebenen Ist-Strom geregelt wird.
• Durch die Verwendung eines gemeinsamen Controllers für alle Strompfade kann die Stromregelung der parallelgeschalteten Lichtquellen besonders kostengünstig realisiert werden.
• Vorteilhaft ist auch ein Verfahren zum Betreiben der vorgenannten Beleuchtung für eine Lichtlaufzeitkamera vorgesehen, bei der die Beleuchtung einen Controller zur Strom- und Spannungsregelung und in jedem Strompfad eine modulierbare Lichtquelle, eine regelbare Spannungsquelle, eine regelbare Bias-Stromsenke, eine Diode, eine Spannungsmessung und eine Strommessung aufweist, - bei dem die Lichtquellen in einer Modulationsphase über einen Schalter mit mehreren Pulsen moduliert werden,
  und die Bias-Stromsenke im Takte der Hüllkurve derart moduliert wird, das ein Bias-Strom nur während der Modulation anliegt.
• Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass ein Bias-Strom nur während der Modulationsphasen fließt und somit die Verlustleistung geringgehalten werden kann.
• Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass insbesondere elektrische und thermische Veränderungen der Beleuchtung dynamisch kompensiert werden können.
• In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass der Controller in den Modulationsphasen ausgehend von den Strommessungen den zu den jeweiligen Lichtquellen fließenden mittleren Strom durch Verändern der Versorgungsspannung auf einen mittleren Sollstrom einstellt,
  wobei die Stromregelung in den Modulationsphasen mit einer Start-Stellgröße beginnt, die als Spannungsendwert am Ende der Stromregelung der vorhergehenden Modulationsphase anlag. Hierdurch kann die Schnelligkeit der Regelung deutlich verbessert werden.
• Ferner ist vorgesehen, dass nach Beendigung der Modulationsphase eine Spannungsregelung auf den Spannungsendwert erfolgt, der am Ende der Modulationsphase anlag.
• Nützlich ist es weiterhin, dass in Abhängigkeit eines Ein- und Ausschaltsignals zwischen Strom- und Spannungsregelung umgeschaltet wird.
• Weiterhin ist es vorgesehen, dass die Ein- und Ausschaltsignale ausgehend von einer ansteigenden und absteigenden Schaltflanke des Hüllkurvensignals bestimmt 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 eine aus dem Stand der Technik bekannte Serienschaltung von Lichtquellen,
• 4 eine Beleuchtung mit parallelgeschalteten Lichtquellen,
• 5 eine Anordnung gemäß 4 mit Stromregelungen in jedem Strompfad,
• 6 eine Strom- und Spannungsregelung für eine Beleuchtung,
• 7 ein Zeitdiagramm des Reglers gemäß 6,
• 8 einen Aufbau mit einem Regler gemäß 6.
• 9 eine erfindungsgemäße Beleuchtung mit Bias-Stromsenke
• 10 eine Anordnung gemäß 9 mit einem gemeinsamen Schalter
• 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 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 φ₀ beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ₀ des Modulationssignals M₀ der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φ_var verschoben werden kann. 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 M₀ mit dem empfangenen Signal S_p2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
• Ferner weist das System ein Modulationssteuergerät 27 auf, das in Abhängigkeit der vorliegenden Messaufgabe die Phasenlage φ_var das Modulationssignal Mo verändert und/oder über einen Frequenzoszillator 38 die Modulationsfrequenz einstellt.
• Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden bzw. Laserdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen und insbesondere auch andere Frequenzbereiche 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 Mo 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 eine aus der DE 10 2011 006 613 A1 bekannten Beleuchtungsschaltung mit drei Leuchtdioden D1, D2, D3 und einem als MOSFET ausgebildet Schalter Q1. Die drei Lichtquellen, insbesondere VCSEL sind in Serie geschaltet, wobei die Kathode der dritten Leuchtdiode D3 über den Schalter Q1 schaltbar mit dem Bezugspotenzial GND verbunden ist. Die Anode der ersten Leuchtdiode D1 ist über einen Begrenzungswiderstand R1 mit der Versorgungsspannung U_IN verbunden. Parallel zu dem Begrenzungswiderstand R1 ist ein Parallelkondensator C1 angeordnet. Die Gate-Seite des als MOSFET ausgeführten Schalters Q1 ist mit einem Schaltpotenzial UT verbunden.
• Im Takte der gewünschten Modulationsfrequenz wird der Schalter Q1 geöffnet und geschlossen und moduliert dementsprechend den Stromfluss durch die Leuchtdioden, die dann naturgemäß ein entsprechend moduliertes Lichtsignal aussenden.
• Nachteil einer solchen linearen Anordnung der Lichtquellen ist, dass die Versorgungsspannung mit der Anzahl der Lichtquellen steigt. Auch können unterschiedliche Wirkungsgrade der Beleuchtungselemente nicht berücksichtigt und insbesondere nicht kalibriert werden.
• Es wird daher eine Beleuchtungsschaltung gemäß 4 vorgeschlagen, bei der die Lichtquellen 12 parallel angeordnet und über einen gemeinsamen Schalter S geschaltet werden. Der Arbeitspunkt der Lichtquellen 12 bzw. der Stromfluss I_B kann für jede Lichtquelle 12 separat über einen Vorwiderstand R eingestellt werden.
• Ein entscheidendes Kriterium für die Ausleuchtung der Szenerie mit Lichtpulsen ist, dass die Lichtquellen 12 ausreichend schnell moduliert werden können. Darum handelt es sich bei den Lichtquellen 12 insbesondere um VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Werden zur Steigerung der Lichtleistung mehrere VCSEL verwendet ist es von großer Bedeutung, dass die einzelnen VCSEL exakt zur gleichen Zeit das Licht aussenden.
• Um sicherzustellen, dass jede Lichtquelle 12 zum gleichen Zeitpunkt geschaltet wird, ist es vorgesehen, dass die Lichtquellen 12 elektrisch gleich lang vom Schalter S bzw. einem gemeinsamen Kontenpunkt entfernt sind. Die Leitungen zwischen Schalter S und den Lichtquellen 12 müssen dabei exakt die gleiche Laufzeit t₁(ℓ₁) = t₂(ℓ₂) = t₃(ℓ₃) aufweisen. Die Laufzeit kann beispielsweise durch die Kabellänge ℓ eingestellt werden.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung gemäß 5 ist es vorgesehen, dass jede Lichtquelle 12 eine eigene Stromregelung SR aufweist. Zur Regelung des Stroms I_B kann beispielsweise über den Vorwiderstand R ein Spannungsabfall U_I(I_B) als Strom-Istgröße I_{B_ist} abgegriffen werden und die Versorgungsspannung Uv für die Lichtquelle 12 so eingestellt werden, dass der gewünscht Sollstrom I_{B_soll} fließt.
• Durch dieses Vorgehen wird sichergestellt, dass jede Lichtquelle 12 an ihrem optimalen Arbeitspunkt betrieben werden kann.
• Als Signalweg ist hier beispielhaft der Weg bis zum gemeinsamen Knotenpunkt eingetragen, hiernach ist der Weg bis zum Schalter S für alle Lichtquellen 12 gleich.
• 6 zeigt einen Aufbau zur Durchführung einer Stromregelung und einer zusätzlichen Spannungsregelung die beispielsweise im Ausführungsbeispiel gemäß 5 zum Einsatz kommen könnte. Zur Strom- und Spannungsversorgung der Lichtquelle 12 ist eine regelbare Spannungsquelle 130 vorgesehen, die anhand von ermittelten Strom- und Spannungswerten durch einen Controller 140 angesteuert wird. Kathodenseitig der Lichtquelle 12 ist ein Schalter S vorgesehen, der ausgehend vom Modulationssignal der Modulationssignalquelle bzw. des Modulators 30 oder Phasenschiebers 35 angesteuert wird. Die Modulationssignalquelle 30, 35 stellt zudem ein Hüllkurvensignal Puls_H der Modulation für den Controller 140 zur Verfügung.
• Der zur Lichtquelle 12 fließende mittlere Strom I_B wird über einen Spannungsabfall eines Messwiderstands R ermittelt und über einen Differenzverstärker 110 dem Controller 140 als Strom-Signal U_I zugeführt. Abhängig von der Größe des Widerstands R und der Verstärkung des Differenzverstärkers 110 ergibt sich ein Istwert mit der Einheit Ampere pro Volt [A/V].
• Der Controller 140 erfasst zudem die am Ausgang der regelbaren Spannungsquelle 130 anliegende Versorgungsspannung Uv. Die Spannung U_V kann entweder vor oder nach dem Widerstand R gemessen werden. Das Zeitfenster für die Stromregelung wird durch die Hüllkurve Puls_H bestimmt. Durch den Kondensator C wird für die Messung der durch die Lichtquelle 12 fließende Strom I_B gemittelt bzw. geglättet so dass am Widerstand R ein mittlerer Strom I_B des durch die Lichtquelle 12 fließenden Stroms I_B abgreifbar ist.
• Ausgehend von dem Hüllkurvensignal Puls_H ist es vorgesehen zwischen einer Strom- oder Spannungsregelung umzuschalten.
• Im Modus Stromregelung ist es vorgesehen, den mittleren Stromfluss I_B zur Lichtquelle 12 zu regeln. Die RegelgrößeI_B wird über den Widerstand R und Differenzverstärker 110 dem Controller 140 als Strom-Istwert I_{B_lst} bzw. Stromsignal-Istwert U_I (I_{B_ist} ) [A/V] zur Verfügung gestellt. Der Controller 140 dient als Regler und generiert aus dem Strom-Istwert I_{B_lst} und einer vorzugsweise im Controller 140 hinterlegten Führungsgröße bzw. Sollwert I_{B_soll} eine Steuergröße (U_PWM) für den Spannungsregler 130, um den mittleren Strom I_B über die Versorgungsspannung Uv als Stellgröße zu regeln.
• Im Modus Spannungsregelung ist es vorgesehen, die an der Lichtquelle 12 anliegende Versorgungsspannung Uv konstant zu halten. Zur Regelung erfasst der Controller 140 die an der Spannungsquelle 130 oder alternativ die an der Lichtquelle 12 anliegenden Versorgungsspannung Uv als Regelgröße bzw. Spannungs-Istwert U_{V_ist}. Es ist vorgesehen, die am Ende der vorangegangenen Stromregelung anliegende Versorgungsspannung U_{V_end,n} als Führungsgröße bzw. den Sollwert zu verwenden. Der Controller 140 generiert aus den vorliegenden Soll- und Istwerten eine Steuergröße (U_PWM) für den Spannungsregler 130 um die Versorgungsspannung Uv auf den Sollwert zu regeln.
• In 7 sind in drei Zeitdiagrammen die vorgenannten Regelungen im Detail beschrieben. Wie im ersten Diagramm gezeigt, wird ausgehend von Signalen der Modulationssignalquelle 30,35 dem Controller 140 eine Modulationshüllkurve Puls_H zur Verfügung gestellt. Der Beginn der Modulationsphase Mein und das Ende der Modulationsphase Maus können beispielsweise durch die ansteigende und abfallende Flanke der Modulationshüllkurve Puls_H erkannt werden.
• Im zweiten Diagramm ist ein Zeitverlauf des mittleren Stroms I_B zur Beleuchtungsquelle 12 gezeigt. Wie beschrieben wird der mittlere Strom I_B während der Modulationsphasen auf seinen Sollwert I_{B_soll} konstant gehalten. Zwischen den Modulationsphasen n ist der Schalter S geöffnet und es fließt kein Strom. Grundsätzlich könnte der Beginn Mein und das Ende Maus einer Modulationsphase n auch an den Flanken des mittleren Stromsignals ermittelt werden.
• Im dritten Diagramm ist ein Zeitverlauf der Versorgungsspannung Uv gezeigt. Bei einem initialen Start der Modulation wird an die Lichtquelle 12 vorzugsweise zunächst eine im System hinterlegt Spannung U_{V_init} angelegt.
• In der ersten Modulationsphase n-1 verwendet die Stromregelung als erste Stellgröße bzw. als Spannungsstartwert U_{V_start} die anliegende Versorgungsspannung U_V__init.
• Wie beschrieben erfolgt die Regelung des mittleren Stroms I_B durch Verändern der Versorgungsspannung Uv. Die Veränderungen der Stellgröße aufgrund der Regeleingriffe sind schematisch dargestellt.
• Es ist nun vorgesehen, die am Ende der Stromregelung anliegende Versorgungsspannung U_{V_end,n-1} für die nachfolgende Spannungsregelung als Führungsgröße U_{V_soll} = U_{V_end,n-1} und für die nachfolgende Stromregelung als Start-Stellgröße U_V-start,n = U_{V_end,n-1} zu verwenden.
• D.h. nach Ende der Modulationsphase Maus wird die Versorgungsspannung Uv wie gezeigt auf der in der Stromregelung zuletzt anliegenden Versorgungsspannung U_{V_end,n-1} konstant gehalten. Mit dieser Spannung beginnt dann auch die Stromregelung der nachfolgenden Modulationsphase n zum Zeitpunkt Mein.
• Die Strom- und Spannungsregelungen erfolgen somit immer in Abhängigkeit des Spannungsendwerts U_{V_end,n-1} der in der letzten bzw. vorangegangenen Stromregelung anlag.
• Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass der Betrieb der Beleuchtung 12 dynamisch an thermischen und/oder elektrischen Veränderungen der Beleuchtung 12 angepasst werden kann.
• 8 zeigt einen Aufbau mit der vorgenannten Strom- und Spannungsregelung. Jeder Beleuchtungsstrompfad weist zumindest eine Lichtquelle 12, einen Vorwiderstand R und eine regelbare Spannungsquelle 130 auf. Die in jedem Strompfad anliegende Spannung Uv und der fließende Strom I_B bzw. U_L(I_B) wird von einem Controller 140, den alle Strompfade gemeinsam nutzen, erfasst. Zur Regelung des Stroms I_B und der Versorgungsspannung Uv generiert der Controller 140 für jeden Spannungsregler 130 eine eigene Steuergröße U_PWM, um den Strom I_B bzw. die Spannung Uv auf ihre Ist-Werte zu regeln.
• 9 zeigt eine erfindungsgemäße Beleuchtungsschaltung, bei der die parallel angeordneten Lichtquellen 12, insbesondere Laserdioden VCSEL jeweils in einem eigenen Strompfad liegen. Jeder Strompfad weist eine Lichtquelle 12, eine Spannungsquelle 130, eine Diode 13, eine Bias-Stromsenke 50 und ein Schalter S auf.
• Zur Strom- und Spannungsversorgung der jeweiligen Lichtquelle 12 ist anodenseitig eine regelbare Spannungsquelle 130 vorgesehen, die anhand eines modulierten Hüllkurvensignals Mod_Hüll bzw. Puls_H angesteuert wird. Der zur Lichtquelle 12 fließende mittlere Strom I_B wird hier mit l_Hüll bezeichnet. Der Stromfluss, beziehungsweise der Arbeitspunkt I_B der Lichtquellen 12 wird analog dazu mit I_Mod bezeichnet.
• Kathodenseitig ist die jeweilige Lichtquelle 12 über eine Diode 13 mit einem Schalter S verbunden. Zwischen der Diode 13 und der Lichtquelle 12 ist jeweils eine regelbare Bias-Stromsenke 50 vorgesehen, die ebenfalls mit dem Hüllkurvensignal Mod_Hüll bzw. Puls_H der Modulation angesteuert wird.
• Durch dieses Vorgehen ist es möglich über die Bias-Stromsenke 50 die Spannung bzw. den Bias-Strom I_Bias lichtquellenbezogen einzustellen und damit jede Lichtquelle 12 individuell so vorzuspannen, dass die Lichtquellen 12 synchron zueinander betrieben und im Takte des Modulators 30, 35 über den Schalter S geschaltet werden können.
• Grundsätzlich beginnt, wenn ein VCSEL bestromt wird die Lichterzeugung (Photonenabstrahlung) bis zur Thresholdschwelle auf zufällige Art. Wird die Thresholdschwelle überschritten, beginnt der Laser das Licht stimuliert auszusenden. Die Verzögerungszeit vom Einschalten des Stromes bis zum Erreichen der Thresholdschwelle wird als turn-on-delay bezeichnet. Bei gleichzeitigem Betrieb mehrerer VCSEL entsteht durch unterschiedliche turn-on-delays ein Jitter-Effekt, welcher sich bei TOF-Kameras beispielsweise in einem Abstandsartefakt nachteilig auswirken kann.
• Um das turn-on-delay und damit die Abstandssprünge einzelner VCSEL zu minimieren ist erfindungsgemäß vorgesehen die VCSEL mit einem Bias-Strom I_Bias an der Thresholdschwelle individuell vorzuspannen. Speziell wenn mehrere VCSEL gleichzeitig betrieben werden ist die Messgenauigkeit beim TOF maßgeblich von der gleichen Lichtlaufzeit der einzelnen VCSEL abhängig. Der Bias-Strom I_Bias kann hierbei unabhängig für jede einzelne VCSEL eingestellt und bei Bedarf über einen Temperaturgang nachgeregelt werden.
• Durch dieses Vorgehen kann jede Lichtquelle 12 der Beleuchtung 10 aufeinander abgestimmt werden und damit vorteilhaft z.B. thermische, chargenbedingte oder alterungsbedingte Einflüsse ausgeglichen werden. So kann durch verändern des Bias-Stromes I_Bias z.B. die temperaturabhängige Thresholdschwelle des VCSEL kompensiert werden. Zudem wird durch die Modulation die Verlustleistung reduziert, da der Bias-Strom I_Bias nur während des Hüllkurvensignals Mod_Hüll bzw. Puls_H der Modulation angelegt wird. Vorteilhaft können mit der gezeigten Schaltung mehrere VCSEL unabhängig und rückwirkungsfrei mit unterschiedlichen Bias-Strömen I_Bias betrieben werden.
• 10 zeigt eine Variante der Beleuchtungsschaltung gemäß 9, bei der die parallel angeordneten Lichtquellen 12 über einen gemeinsamen Schalter S geschaltet werden. Analog wie bereits in 4 und 5 gezeigt, sind die Kabellängen, bzw. die Leiterabschnitte von der jeweiligen Lichtquelle 12 bis zum gemeinsamen Schalter S exakt gleich, bzw. identisch ausgeführt und weisen die gleiche Laufzeit t₁I₁) = t₂(I₂) = t_n(I_n) aus. Identische Leiterabschnitte sind voneinander nicht unterscheidbar. In Folge dessen haben gleiche Leiterabschnitte keinen Einfluss auf den jeweiligen Bias-Strom der Lichtquelle 12.
• Bezugszeichenliste

1

Lichtlaufzeitkamerasystem

10

Beleuchtung, Beleuchtungsmodul

12

Lichtquelle

13

Diode

15

Strahlformungsoptik

20

Empfänger, Lichtlaufzeitkamera

22

Lichtlaufzeitsensor

25

Empfangsoptik

27

Auswerteeinheit

30

Modulator

35

Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber

38

Modulationssteuergerät

40

Objekt

50

Bias-Stromsenke

110

Verstärker, Differenzverstärker

S

Schalter

130

regelbare Spannungsquelle

140

Controller

φ, Δφ(tL)

laufzeitbedingte Phasenverschiebung

φvar

Phasenlage

φ0

Basisphase

R

Widerstand

C

Kondensator

M0

Modulationssignal

H

Hüllkurve

PulsH

Hüllkurve, Mod_Hüll

p1

erste Phase

p2

zweite Phase

Sp1

Sendesignal mit erster Phase

Sp2

Empfangssignal mit zweiter Phase

Δq

Ladungsdifferenz

d

Objektdistanz

Claims (10)

1. Beleuchtung (10) für ein Lichtlaufzeitkamerasystem, mit wenigstens zwei Lichtquellen (12), bei der die Lichtquellen (12) elektrisch parallel geschaltet sind und jeweils in einem eigenen Strompfad liegen, wobei die Lichtquellen (12) jeweils kathodenseitig über eine Diode (13) mit einem Schalter (S) und anodenseitig mit einer Versorgungsspannung (U_B, U_V) verbunden sind, wobei jede der Lichtquellen (12) im anodenseitigen Strompfad jeweils eine eigene regelbare Spannungsquelle (130) und eine eigene Stromregelung (SR) aufweist, und wobei jede der Lichtquellen (12) im kathodenseitigen Strompfad zwischen der Lichtquelle (12) und der Diode (13) jeweils mit einer eigenen Bias-Stromsenke (50) verbunden ist.
2. Beleuchtung (10) nach Anspruch 1, bei dem die Lichtquellen (12) kathodenseitig über die Dioden (13) mit einem einzelnen gemeinsamen Schalter (S) oder einem gemeinsamen Knotenpunkt verbunden sind, wobei die Verbindung derart ausgestaltet ist, dass die Signallaufzeiten (t1, t2, t3) von der Lichtquelle (12) bis zum Schalter (S) oder dem gemeinsamen Knotenpunkt für alle Lichtquellen (12) gleich lang sind.
3. Beleuchtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Beleuchtung (10) einen gemeinsamen Controller (140) für alle Strompfade der Lichtquellen (12) aufweist, wobei der Controller (140) einen Strom (I_B) in jedem Strompfad erfasst und durch Einstellen der regelbaren Spannungsquellen (130) die Versorgungsspannung (Uv) derart einstellt, dass der Strom (I_B) auf einen für jeden Strompfad vorgegebenen Ist-Strom (I_{B_ist}) geregelt wird.
4. Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtung (10) nach einem der vorgenannten Ansprüche - bei dem die Lichtquellen (12) in einer Modulationsphase (n) über einen Schalter (S) mit mehreren Pulsen moduliert werden, und die Bias-Stromsenke (50) im Takte der Hüllkurve (PulsH, Mod_Hüll ) derart moduliert wird, dass ein Bias-Strom nur während der Modulation anliegt.
5. Verfahren zum Betreiben einer Beleuchtung (10) nach Anspruch 4, - bei dem der Controller (140) in den Modulationsphasen (n) ausgehend von den Strommessungen (110) den zu den jeweiligen Lichtquellen (12) fließenden mittleren Strom (I_B , I_Hüll) durch Verändern der Versorgungsspannung (U_Vn) auf einen mittleren Sollstrom (I_B__soll ) einstellt, - bei dem die Stromregelung in den Modulationsphasen (n) mit einer Start-Stellgröße (U_{V_start,n}) beginnt, die als Spannungsendwert (U_{V_end,n-1}) am Ende der Stromregelung der vorhergehenden Modulationsphase (n-1) anlag.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem nach Beendigung der Modulationsphase (n) eine Spannungsregelung auf den Spannungsendwert (U_{V_end,n}) erfolgt, der am Ende der Modulationsphase (n) anlag.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4-6, bei dem in Abhängigkeit eines Ein- und Ausschaltsignals (M_ein, M_aus) zwischen Strom- und Spannungsregelung umgeschaltet wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4-7, bei dem die Ein- und Ausschaltsignale (M_ein, Maus) ausgehend von einer ansteigenden und absteigenden Schaltflanke des Hüllkurvensignals (Puls_H) bestimmt werden.
9. Beleuchtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die zur Durchführung eines der Verfahren gemäß Anspruch 4 bis 8 ausgebildet ist.
10. Lichtlaufzeitkamerasystem mit einer Beleuchtung (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 und 9.

Images