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Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
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Als Lichtlaufzeitkamera bzw. Lichtlaufzeitkamerasysteme können hier System eingesetzt werden, die die Lichtlaufzeit direkt dTOF oder indirekt iTOF ermitteln. Als iTOf-Systeme kommen Systeme in Betracht, 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 sind. Als dTOF-Systeme können vorteilhaft Systeme mit SPAD-Sensoren eingesetzt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lichtlaufzeitkamerasystem hinsichtlich einer Sicherheitsüberwachung weiterzuentwickeln.
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Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, mit einer Beleuchtung, die einen Beleuchtungsbereich beleuchtet und mit einem Lichtlaufzeitsensor, der einen Sichtbereich erfasst,
wobei Beleuchtung und Lichtlaufzeitsensor derart ausgerichtet sind, dass der Beleuchtungsbereich FOI einen ersten Sichtbereich FOV1 beleuchtet,
wobei in einem Randbereich des Sichtbereichs FOV ein Spiegel derart angeordnet ist, dass ein zweiter Sichtbereich FOV2 vom Lichtlaufzeitsensor erfassbar ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
- 2 ein erfindungsgemäßes Kamerasystem,
- 3 ein Aufbau gemäß 2 mit einem anamorphotischen Linsensystem,
- 4 eine Anordnung des Kamerasystems für eine Rundumüberwachung,
- 5 eine Anordnung mit vier Segmenten,
- 6 eine horizontale Anordnung von Sender und Empfänger,
- 7 eine Anordnung mit zwei Erfassungsbereichen,
- 8 eine Anordnung mit vertikal angeordneten Sender und Empfänger.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der
DE 197 04 496 A1 bekannt ist.
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Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22.
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Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden oder Laserdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.
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Anstelle eines Lichtlaufzeitsensors nach dem Phasenmessprinzip kann grundsätzlich auch ein anderer lichtlaufzeitmessender Sensor vorgesehen sein, insbesondere ein Sensor nach dem SPAD-Prinzip (single photon avalanche diode).
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2 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitkamerasystem, bei dem die Beleuchtung 12 derart ausgestaltet ist, dass ein im Wesentlichen streifenförmiges Beleuchtungslicht ausgestrahlt wird. Dieses emittierte und von einem Objekt 40 reflektierte Beleuchtungslicht trifft auch auf den Lichtlaufzeitsensor 20 naturgemäß streifenförmig auf.
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Beleuchtung 12 und Lichtlaufzeitsensor 20 sind nebeneinander und einander zugeneigt angeordnet, so dass der Sichtbereich FOV des Lichtlaufzeitsensors 20 vom Beleuchtungsbereich FOI der Beleuchtung 12 ausreichend ausgeleuchtet werden kann.
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Die Beleuchtung 12 kann ja nach Anwendungsfall ggf. auch vertikal einen größeren Beleuchtungsbereich abdecken und ist nicht zwingend auf streifenförmig festgelegt. Bevorzugt ist die Beleuchtung als VCSEL-Array ausgebildet, wobei grundsätzlich auch LEDs oder andere Lichtquellen denkbar sind.
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Insbesondere bei weit entfernten oder schwach reflektierenden Objekten besteht die Gefahr, dass das Objekt wegen der geringen auf den Sensor treffenden Lichtenergie nicht korrekt erkannt wird. Daher ist eine möglichst hohe Lichtempfindlichkeit des Lichtlaufzeitkamerasystems wünschenswert. Dies verbessert die Eigenschaften des Lichtlaufzeitkamerasystems in folgender Hinsicht:
- -Die Wahrscheinlichkeit, ein Objekt zu detektieren, wird erhöht
- -Die Detektion wird auch unter ungünstigeren Bedingungen ermöglicht. Ungünstige Bedingungen sind insbesondere ein größerer Abstand zum Objekt, geringere Reflektivität des Objekts sowie eine höhere Intensität der Hintergrundbeleuchtung.
- -Verringerung Messunsicherheit der Lichtlaufzeitmessung
- -Verringerung der Dauer einer Lichtlaufzeitmessung bzw. Vergrößerung der Messrate
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Vorteilhaft kann zur Vergrößerung der Lichtempfindlichkeit ein Linsensystem mit unterschiedlichen Brennweiten in x- und y-Richtung vorgeschlagen. 3 zeigt exemplarisch eine Anordnung mit einem anamorphotischen Linsensystem.
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Die unterschiedliche Brennweite kann durch verschiedene Methoden generiert werden, beispielsweise:
- - Verwendung von einer oder mehreren Zylinderlinsen oder torischen Linsen zur Veränderung der Brennweite des Objektivs in einer Richtung,
- - Verwendung von speziellen Azylindrischen oder Atorischen Linsen zur gezielten, richtungsspezifischen Beeinflussung der Brennweite,
- - Verwendung eines Systems aus zylindrischen und/oder torischen Linsen zur gezielten, richtungsspezifischen Beeinflussung der Brennweite.
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Insbesondere ist es von Vorteil, das Sichtfeld FOVy in vertikaler y-Richtung zu minimieren und das Sichtfeld FOVx in horizontaler x-Richtung zu maximieren: FOVy < FOVx
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Durch gezielte Beeinflussung der Brennweite kann die Anzahl von Pixeln, die in jedem Betriebspunkt sensitiv sein sollen, gezielt gestaltet werden. Insbesondere kann eine gezielte Anpassung des vertikalen Sichtfeldes unabhängig vom Sensorformat vorgenommen werden.
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4 zeigt eine Ausführungsform, bei der mit Hilfe von sechs erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitkamerasystemen eine 360° Rundumüberwachung realisiert werden kann.
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Die Sicht- und Beleuchtungsfelder FOV der Lichtlaufzeitkamerasysteme können beispielsweise so eingestellt sein, dass eine Überlappung der Sichtfelder FOV der Kamerasysteme beispielsweise bereits in einem Nachbereich von 0,1 m erfolgt. Durch die erfindungsgemäße Steigerung der Empfindlichkeit wären dann beispielsweise Überwachungsbereiche von 0,1 m bis 5 m oder mehr denkbar.
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Selbstverständlich können auch Rundumüberwachungen mit einer anderen Anzahl von Kameras realisiert werden, ebenso kann auch ein geringer Winkelbereich überwacht werden.
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5 zeigt eine Variante mit vier Quadranten. Grundsätzlich ermöglicht die radialsymmetrische Anordnung von mehreren Sende- und Empfangselementen eine Realisierung eines Safety Scanner aus nicht beweglichen Elementen (all solid state) und ermöglicht insbesondere die Vergrößerung des resultierenden horizontalen Öffnungswinkels für den Sender (Fol = Field of Illumination) und den Empfänger (FoV = Field of View).
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Die Kombination eines Senders / Emitters und eines Empfängers / Receiver kann als Segment bzw. Modul aufgefasst werden.
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Wie in 6 gezeigt, verlaufen die optischen Achsen des Sendelements und des Empfangselement parallel in derselben horizontalen Ebene, können sich in dieser aber schneiden bzw. divergieren.
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Bevorzugt ist die Scanvorrichtung derart ausgestaltet, dass der Detektionsbereich sehr nah vor jedem Segment / Modul beginnt und der nicht detektierbare Bereich (Totbereich) vor dem Segment / Modul möglichst klein ausfällt.
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Werden Sender und Empfänger in einer gemeinsamen horizontalen Ebene angeordnet, reduziert dies den mindestens notwendigen vertikalen Öffnungswinkel (vFol und vFoV).
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Der jeweiligen Beleuchtungsbereich Fol bzw. Sichtbereich FoV haben keinen gemeinsamen Ursprung im Segment und werden zueinander zugewandt ausgerichtet, so dass sich ein maximaler Überdeckungsbereichs des FoV sowie Fol bezogen auf den Detektionsbereich ergibt.
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Ein Sendeelement kann aus einer matrizenförmigen Anordnung einzelner Laser bestehen. Somit wird hier mit dem Begriff Sendeelement auch Multiemitteranordnung substituiert, die entweder einer Komponente integriert sein können (VCSEL Array bestehend aus mehreren VCSEL Mesa)
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Ein Empfangselement besteht aus einer Empfangsmatrix von lichtempfindlichen Elementen, insbesondere SPADs, die den FoV wiederum in einzelne Raumwinkel auflöst, so wie bei einer Kamera mit Bildsensor.
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Der erfindungsgemäße Aufbau umfasst einen Umlenkspiegel 8 zur optimalen Ausnutzung des Bauraums und einen weiteren vorzugsweise zylindrischen oder azylindrischen Spiegel 3 zur Überwachung des Nahbereichs.
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Durch dieses Vorgehen wird die Erkennung von Objekten auch in unmittelbarer Nähe zum Laseraustritt ermöglicht, welche die Funktionalität des Scanners üblicherweise einschränken könnte.
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7 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau mit einer Beleuchtung 10 und einem benachbart angeordneten Lichtlaufzeitempfänger 20, wobei Sender 10 und Empfänger 20 derart angeordnet sind, dass der Sichtbereich FOV des Empfängers 20 im Fernbereich im Wesentlichen vollständig vom Beleuchtungsbereich FOI des Senders 10 abgedeckt ist.
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Im Nahbereich überdecken sich die Bereiche jedoch nur unvollständig. Daher ist es erfindungsgemäß vorgesehen, den Sichtbereich FOV des Empfängers 20 mit Hilfe eines Spiegels 3 zu erweitern. Wie in 7 dargestellt ist im Sichtbereich des Empfängers 20 ein Spiegel 3 angeordnet, der einen zweiten Sichtbereich FOV2' eröffnet. Objekte können dann in dem Bereich 6 erfasst werden, der auch im Beleuchtungsbereich FOI liegt.
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Durch dieses Vorgehen ergeben sich somit ein erster und ein zweiter Überwachungsbereich FOV1, FOV2.
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Es sei bemerkt, dass dieser Spiegel 3 nur ein kleines Segment der Apertur des äußeren Feldwinkels nutzt und induziert daher eine vernachlässigbare Vignettierung an einem Bildrand.
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8 zeigt eine weitere Ausgestaltung, bei der die Sende- und Empfangseinheit 10, 20 vertikal angeordnet sind und Sende- und Empfangslicht über eine Umlenkspiegel 8 auf die Scanebene geleitet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lichtlaufzeitkamerasystem
- 3
- Spiegel,
- 6
- zweiter Erfassungsbereich FOV2
- 8
- Umlenkspiegel
- 9
- Scanebene
- 10
- Beleuchtungsmodul
- 12
- Beleuchtung
- 20
- Empfänger, Lichtlaufzeitkamera
- 22
- Lichtlaufzeitsensor
- 30
- Modulator
- 35
- Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber
- 40
- Objekt
- φ, Δφ(tL)
- laufzeitbedingte Phasenverschiebung
- φvar
- Phasenlage
- φ0
- Basisphase
- M0
- Modulationssignal
- p1
- erste Phase
- p2
- zweite Phase
- Sp1
- Sendesignal mit erster Phase
- Sp2
- Empfangssignal mit zweiter Phase
- Ga, Gb
- Integrationsknoten
- d
- Objektdistanz
- q
- Ladung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19704496 C2 [0002]
- DE 19704496 A1 [0009]
