DE112011101667T5

DE112011101667T5 - Abtastender 3D-Bildgeber

Info

Publication number: DE112011101667T5
Application number: DE112011101667T
Authority: DE
Inventors: Laurent Federspiel
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2010-05-17
Filing date: 2011-05-05
Publication date: 2013-05-16
Also published as: LU91688B1; US20130107016A1; CN102947726A; WO2011144454A1; US9621876B2; CN102947726B

Abstract

Ein abtastender 3D-Bildgeber zur Aufzeichnung von Bildern einer Szene umfasst eine Lichtquelle, die derart konfiguriert ist, dass sie einen fächerförmigen gepulsten Lichtstrahl mit linearem Querschnitt ausstrahlt; einen Abtastspiegel, der in dem Lichtweg des Lichtstrahls angeordnet ist, um den Lichtstrahl in die Szene zu lenken und nacheinander Ausschnitte der Szene zu beleuchten, indem er den Lichtstrahl quer zu dessen linearem Querschnitt durch die Szene streichen lässt; und einen Bildgebungschip, der derart angeordnet ist, dass er über den Abtastspiegel Licht von der Szene auffängt, wobei der Bildgebungschip eine Fotosensoranordnung umfasst, die derart angeordnet ist, dass die beleuchteten Ausschnitte der Szene nacheinander auf ihr abgebildet werden.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen abtastenden 3D-Bildgeber und insbesondere einen solchen Bildgeber, der nach dem Prinzip der Laufzeitmessung [time-of-flight (ToF) measurement principle] arbeitet.
Technischer Hintergrund
Systeme zur Erzeugung einer dreidimensionalen (3D) Darstellung eines bestimmten Raumabschnitts haben eine Vielfalt an potentiellen Anwendungen in zahlreichen verschiedenen Gebieten. Beispiele dafür sind die KFZ-Sensortechnik (z. B. die Erfassung und/oder Klassifizierung von Fahrzeuginsassen), die Automatisierungstechnik oder die Überwachungstechnik (z. B. Anlagenüberwachung, Personenzählung, Zugangskontrolle und Fußgängererkennung), um nur einige zu nennen.
Gemäß dem Prinzip der Laufzeitmessung von Entfernungen wird ein Lichtsignal in die interessierende Szene ausgestrahlt und die Zeit zwischen der Ausstrahlung und der Rückstrahlung des ausgestrahlten Signals gemessen. Die entsprechende Entfernung ist proportional zu der gemessenen Laufzeit. Der Begriff „Licht” ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung so zu verstehen, dass er sichtbares, infrarotes (IR) und ultraviolettes (UV) Licht umfasst.
Heute existieren unterschiedliche 3D-Bildgebungsverfahren, bei denen das Prinzip der Laufzeitmessung zum Einsatz kommt. Sie werden nachstehend kurz vorgestellt.
3D-Kameras
Monokulare 3D-Kameras, die auf der Laufzeitmessung von Entfernungen basieren, sind seit 1994 aus der Arbeit von Seitz und Spirig bekannt (siehe z. B. DE 4440613 ). Seitz und Spirig schlugen eine spezielle Bildsensormatrix vor, auf welcher die Szene abgebildet wird. Jedes Pixel dieser Matrix führt eine Messung der Phasenverschiebung zwischen (sinusförmig) amplitudenmoduliertem Licht, das von einer modulierten Lichtquelle ausgestrahlt wird, und dem amplitudenmodulierten Licht, das von der beobachteten Szene reflektiert wird, durch. Dieses Verfahren wird manchmal als „Phasenverschiebungsverfahren” bezeichnet. Dieses analoge Laufzeitmessverfahren hat zahlreiche Messfehler, die spezielle Maßnahmen zu ihrer Korrektur erforderlich machen.
Zu beachten ist die Lichtstreuung in der Atmosphäre oder im optischen System, da die gemessene Entfernung (proportional zur Phasenverschiebung) ein gewichteter Mittelwert des gesamten modulierten Lichts ist, das den Bildsensor erreicht, und zwar möglicherweise auf verschiedenen Wegen und über mehrfache Reflexionen. Um eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen, wird demzufolge eine lange Zeit zum Sammeln von Photonen benötigt. Dies hat wiederum zur Folge, dass viele „Hintergrundphotonen” (Licht, das nicht von der Lichtquelle des amplitudenmodulierten Lichts stammt), beispielsweise von der Sonne oder anderen nicht gesteuerten Lichtquellen, die Messung beeinflussen. Die Unterdrückung von Hintergrundlicht ist theoretisch möglich, erweist sich aber als schwer zu implementieren. Die modulierte Lichtquelle benötigt daher eine sehr hohe Energie, damit das System in die Lage versetzt wird, mit dem Umgebungslicht zurechtzukommen. Diese Anforderung für Licht mit hoher Energie stellt bei vielen Anwendungen einen Hauptnachteil dar. Die typische Leistung dieser Technik ist eine Bildfolgefrequenz von ungefähr 10 Bildern pro Sekunde mit mehr als 10.000 Pixeln Auflösung und x-y-Vollbildern mit Tiefeninformation bei jedem Pixel. Der Hauptnachteil ist die sehr hohe Energie der IR-Lichtquelle.
LIDAR
Bei LIDAR bzw. LADAR werden bekannterweise genaue Laufzeit-Entfernungsmessungen durch die Ausstrahlung kurzer Laserimpulse und anschließende Erfassung von rückgestreutem Licht durchgeführt. Die Bildgebungsmerkmale derartiger Vorrichtungen waren durch den Einsatz eines rotierenden Polygonspiegels normalerweise auf das Abtasten von einer oder zwei Ebenen beschränkt. Die Laufzeit wird normalerweise mit so genannten TDCs – Zeit-Digital-Wandlern (time-to-digital convertors) – gemessen. Die digitale Entfernungsmessung bietet den Vorteil der höheren Genauigkeit und des verringerten Einflusses von Umgebungslicht, da die Messzeit für eine spezifische Stelle der Szene sehr kurz ist, und zwar höchstens 1 ns pro 15 cm Distanzintervall. Die Laserbeleuchtung der spezifischen beobachteten Stelle ist viel heller als der Anteil des Umgebungslichts, das sich während der Zeit der Messung ansammelt. LADAR-Geräte, die hauptsächlich bei Militäranwendungen und speziellen Experimenten verwendet werden, sind üblicherweise teuer. Die Bildgebungsleistung ist schlecht und die Zeit, die für die Aufzeichnung eines Vollbilds erforderlich ist, ist sehr lang.
Schwingspiegelscanner
Eine Art von kostengünstigem Bildgebungs-LADAR wird durch den Einsatz von Schwingspiegeln erzielt, die den Lichtimpuls nacheinander auf verschiedene Stellen der beobachteten Szene richten. Bei der Laufzeittechnik mit Abtastspiegeln werden einige der herkömmlichen Probleme der analogen Phasenverschiebungsmessung vermieden. Manche Implementierungen ermöglichen die Aufzeichnung von 2D-Vollbildern mit Entfernungsinformation (d. h. 3D-Bilder).
Bei Anwendungen mit Laserablenkung sind die so genannten Galvanospiegel seit langer Zeit bekannt. Moderne Spiegel können mit photolithographischen Verfahren bei weitaus geringeren Kosten hergestellt werden. Derartige Spiegel mit mikroelektromechanischen Systemen (MEMS-Spiegel) können in Luft oder im Vakuum betrieben werden.
Die Leistung des ausgestrahlten Laserlichtimpulses wird durch die Kosten und die gesetzlichen Vorschriften für den Augenschutz begrenzt. Um eine signifikante Entfernung abzudecken und für Oberflächen mit geringem Reflexionsvermögen empfindlich zu sein, benötigt eine Kamera eine Mindestblende, damit sie genug von dem Licht, das von der Szene zurückgestrahlt wird, sammeln kann. Die optische Blende wird durch die Größe des Spiegels begrenzt. Vom optischen Standpunkt her muss der ideale Spiegel daher groß sein.
Vom mechanischen Standpunkt her hätte der ideale Spiegel lediglich einen Durchmesser von wenigen Zehnteln der Wellenlängen. Bei größeren Spiegeln ergibt sich ein Konflikt zwischen Masse und Steifigkeit. Die Resonanzfrequenz des Masse-Feder-Systems (Spiegelmasse und Torsionsfeder der Rotationsachse) ist umgekehrt proportional zur Masse. Deshalb macht eine hohe Abtastfrequenz eine sehr niedrige Spiegelmasse erforderlich. Andererseits benötigt die Bildqualität eine gut definierte Spiegelflächenform; dies bedeutet eine hohe Steifigkeit, was einen dicken, d. h. schweren Spiegel voraussetzt.
Die höchste angemessene Spiegel-Abtastfrequenz ist die Renonanzfrequenz des Masse-Feder-Systems. Dies fällt mit dem Mindestenergiebedarf des Antriebs für einen bestimmten Abtastwinkel zusammen, wobei eine Sinusfunktion zum Antrieb des Spiegels verwendet wird. Wenn eine zweidimensionale Abtastung benötigt wird, nimmt man entweder zwei verschiedene MEMS-Spiegel mit jeweils einer einzigen Kippachse oder einen MEMS-Spiegel mit zwei verschiedenen Kippachsen. Die daraus resultierende zweidimensionale Abtastkurve beschreibt eine Lissajous-Figur in der Szene. Sie ergibt sich aus der Sinusform, da die Abtastdichte am Rand des Bilds viel höher als in der Mitte ist. Dies bedeutet wiederum, dass die Effizienz der Abtastzeit niedrig ist (unter ungefähr 20%). Dies beeinträchtigt in hohem Maße das Ergebnis in Bezug auf die maximale Bildfrequenz und Pixeldichte.
Eine Bildfrequenz von mindestens zehn 2D-Vollbildern pro Sekunde setzt Spiegelschwingfrequenzen von über 20 kHz voraus. Ein mechanisch stabiler Spiegel ist daher auf wenige Millimeter Durchmesser begrenzt, was zu einer schlechten optischen Blende führt. Diese Methode hat ein offensichtliches Problem dabei, gleichzeitig eine hohe 2D-Auflösung, eine hohe Bildfrequenz und einen signifikanten Entfernungsbereich zu erzielen. Dieser Typ des 3D-Bildgebers ist somit normalerweise auf einen Entfernungsbereich von ungefähr 10 m und/oder eine Bildauflösung von unter 10.000 Pixeln beschränkt.
Digitale Halbleiter-Bildgeber mit Laufzeitmessung
Eine weitere Laufzeit-Bildgebungstechnik kombiniert den Vorteil einer Pixelsensormatrix mit der Laufzeit-Messgenauigkeit des LIDAR. Die gesamte Szene wird gleichzeitig mit einem kurzen Laserimpuls beleuchtet. Der reflektierte Impuls wird erfasst und die Zeitverzögerung wird von TDCs gemessen, die jedem Pixel eines Bildgebungschips zugeordnet sind. Es wurden Bildgeber mit 32 × 32 Pixel vorgestellt. Dennoch besteht das Hauptproblem darin, Chips mit hoher Auflösung zu erzielen, da TDCs und andere Schaltungen den zur Verfügung stehenden fotoempfindlichen Bereich begrenzen. Außerdem stehen die tiefen lokalen Speicherstrukturen für die Handhabung mehrerer Ereignisse und die Datenzugriffsbusse in Konflikt mit optimaler Photonenempfindlichkeit und hoher Bildauflösung. Ein weiteres Problem eines derartigen Aufbaus ist die hohe Energie des Laserblitzes, die für die Beleuchtung der gesamten Szene auf einmal benötigt wird.
Viele Probleme wie beispielsweise in den Gebieten der Automatisierung oder Überwachung könnten durch Sensoren gelöst werden, die ein dynamisches 3D-Bild der jeweiligen Szene liefern. Im Allgemeinen ergeben sich heute keine Schwierigkeiten bei der Rechenleistung, dafür aber bei der verfügbaren Echtzeitinformation für den Computer.
Ein 3D-Bildgeber, der hoch auflösende Bilder bei hoher Bildfolgefrequenz liefert und zuverlässig die Distanz (Entfernung) zu jeder Stelle der beobachteten Szene misst, wäre ein bedeutender Fortschritt bei Verfahren der Bilderfassung. Ein typisches Anwendungsbeispiel für einen derartigen Bildgeber wäre die Verkehrsüberwachung. Die korrekte Klassifizierung aller Arten von Fahrzeugen, Fußgängern und/oder anderen Straßenbenutzern setzt eine hohe Auflösung voraus. Wegen der relativ hohen Geschwindigkeit der Fahrzeuge ist eine hohe Bildfrequenz erforderlich. Der Betrieb bei hellem Sonnenlicht setzt eine sehr hohe Unempfindlichkeit für helles Umgebungslicht voraus. Bei tausenden anderen Anwendungen wäre ein solcher Typ von 3D-Kamera willkommen.
Technisches Problem
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen 3D-Bildgeber mit verbesserter Leistung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch einen abtastenden 3D-Bildgeber nach Anspruch 1 gelöst.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß umfasst ein abtastender 3D-Bildgeber zur Aufzeichnung von Bildern einer Szene, beispielsweise auf Laufzeit basierenden Entfernungsbildern einer Szene, Folgendes: eine Lichtquelle, die derart konfiguriert ist, dass sie einen fächerförmigen gepulsten Lichtstrahl mit linearem Querschnitt ausstrahlt; einen Abtastspiegel, der in dem Lichtweg des Lichtstrahls angeordnet ist, um den Lichtstrahl in die Szene zu lenken und nacheinander Ausschnitte der Szene zu beleuchten, indem er den Lichtstrahl quer zum linearen Querschnitt durch die Szene streichen lässt; und einen Bildgebungschip, der derart angeordnet ist, dass er über den Abtastspiegel Licht von der Szene auffängt, wobei der Bildgebungschip eine Fotosensoranordnung umfasst, die derart angeordnet ist, dass die beleuchteten Ausschnitte der Szene nacheinander auf ihr abgebildet werden.
Es versteht sich, dass die Tatsache, dass jeweils nur ein Ausschnitt (d. h. ein im Wesentlichen eindimensionaler Teil der Szene) der Szene beleuchtet wird, die Verwendung einer linearen Fotosensoranordnung ermöglicht, d. h. einer Anordnung von Fotosensoren, die auf einer geraden Linie als Fotosensoranordnung angeordnet sind. Die Fotosensoranordnung kann eine einzige lineare Fotosensoranordnung umfassen. Alternativ dazu kann sie mindestens zwei lineare Fotosensoranordnungen umfassen, die parallel zueinander angeordnet sind. Da jeweils nur ein Ausschnitt der Szene beleuchtet wird, kann folglich eine Linie (oder wenige Linien) von Fotosensoren verwendet werden. Dadurch bleibt nahe den Fotosensoren genug Platz für TDCs und Speicherschaltungen übrig. Die Fotosensoranordnung kann demzufolge als im Wesentlichen eindimensional betrachtet werden.
Die Lichtquelle ist vorzugsweise eine gepulste Laserquelle, eine LED oder eine Baugruppe mehrerer LEDs einschließlich Mitteln (z. B. einer Zylinderlinse oder eines gewölbten Spiegels oder einer Kombination davon), die den gepulsten Lichtstrahl fächerförmig ausbilden können. Es versteht sich, dass die für die Beleuchtung von nur einer Linie (bzw. Spalte) der Szene erforderliche Impulsleistung selbstverständlich gemäßigt ist, also z. B. ungefähr 100 mal kleiner als die für die Beleuchtung der gesamten Szene benötigte Impulsleistung.
Beim Betrieb beleuchtet der 3D-Bildgeber die Szene Ausschnitt nach Ausschnitt. Während der Abtastspiegel um seine Kippachse schwingt, wird der fächerförmige Lichtstrahl quer (vorzugsweise senkrecht) zur Hauptrichtung der Erstreckung des linearen Querschnitts des Lichtstrahls durch die Szene streichen gelassen. Die Kombination aus der vorzugsweise im Wesentlichen eindimensionalen Fotosensoranordnung und der Abtastbewegung, die von dem im Lichtweg angeordneten beweglichen Spiegel durchgeführt wird, ermöglicht den Erhalt von Vollbildern der Szene, wobei die Bilder 3D-Bilder in dem Sinne sind, dass sie in Zeilen und Spalten angeordnete Pixel aufweisen, wobei jedes Pixel Entfernungsinformationen umfasst.
Die Abtastung kann bei einer niedrigen Frequenz, beispielsweise unter 1 kHz, erfolgen. Eine angemessene Bildfolgefrequenz kann sogar bei 25 Hz erzielt werden, wohingegen mehr als 10 kHz für eine vollmechanische 2D-Abtastung erforderlich wären. Der Abtastspiegel kann daher relativ groß sein, was zu einer guten optischen Blende und einer leicht steuerbaren, gut definierten Zeitfunktion der Winkelbewegung führt. Dank der niedrigeren Abtastfrequenz ist auch die Zeitspanne, während welcher der Sensor zu jeweiligen Ausschnitten der Szene gerichtet ist, ziemlich lang. Dies führt zusammen mit der verbesserten optischen Blende zu einem längeren Entfernungsbereich (d. h. dem Bereich von der kleinsten bis zur größten messbaren Entfernung) dieses 3D-Bildgebers im Vergleich zu herkömmlichen 3D-Bildgebern. Der erfindungsgemäße 3D-Bildgeber kann folglich derart implementiert werden, dass er eine hohe Auflösung mit einem einfachen Bildgebungschip und einem einfachen Schwingspiegel mit niedriger Frequenz erzielt. Die Lichtquelle kann mit einer angemessenen Impulsleistung bei niedriger Bildfolgefrequenz betrieben werden. Bei 1000 Lichtimpulsen (bzw. Lichtblitzen) pro Durchlauf des Spiegels und 50 Durchläufen pro Sekunde ermöglicht die Zeitspanne einen abzudeckenden Entfernungsbereich von über 100 Metern. Mit einer 1000-Pixel-Fotosensorlinie auf dem Bildgebungschip können höhere Auflösungen als das VGA-Format und sogar HD-Auflösungen realisiert werden.
Der fast unbegrenzte Platz nahe jedem einzelnen Fotosensor gestattet Konstruktionen von Auswerteschaltungen mit komplexer Funktionalität. Demzufolge wird die Auswerteschaltung vorzugsweise derart konfiguriert, dass jeder aufgefangene Lichtimpuls seinen individuellen Zeitstempel erhält, selbst wenn Lichtreflexionen von einer Stelle der Szene kurz nacheinander aufgefangen werden. Der Speicherblock wird vorzugsweise mit einer Tiefe ausgelegt, die ausreicht, um die anvisierten Szenen und Situationen einschließlich Regentropfen oder Insekten im Lichtweg zu handhaben. Solche Ereignisse werden vorzugsweise während der Nachbearbeitung der aufgezeichneten Bilddaten herausgefiltert.
Die Auswerteschaltung wird vorzugsweise nahe dem fotoempfindlichen Bereich des Fotosensors angeordnet, da normalerweise Reaktionszeiten unter einer Nanosekunde erforderlich sind, um die angestrebte Genauigkeit bei der Entfernungsmessung zu erzielen. Der Bildgebungschip kann mit einem Standard-Siliciumsubstrat hergestellt werden. Es können allerdings auch andere Substrate wie beispielsweise Silicium-Germanium verwendet werden, um sehr schnelle Schaltungen zu implementieren und dadurch die Leistung des Bildgebers zu verbessern.
Es sind Fotosensoren für die sehr schnelle Erfassung einzelner Photonen bekannt, z. B. die so genannten SPADs (Einzelphotonen-Lawinendioden; single photon avalanche diodes). Die Fotoempfindlichkeit von SPADs ist hoch, da einzele Photonen eine erfassbare Entladung (zählbar und mit einem Zeitstempel markiert) im Halbleiter bewirken. Gegebenenfalls fokussieren einzelne Mikrolinsen über dem Halbleiter das Licht auf den empfindlichsten Bereich, wodurch die effektive Apertur größer wird.
Für die beste Empfindlichkeit werden Fotosensoren mit Lawinendioden nahe der Durchbruchspannung betrieben. Durch die Verwendung der Dunkelrate während der Pausen der Laserblitze kann diese Spannung individuell und dynamisch eingestellt werden, um Sensorunterschiede sowie Abweichungen bei Temperatur und Lebensdauer auszugleichen.
Ein geometrisches Pixel des Bildgebungschips kann mehrere einzelne Fotosensoren gruppieren, um die Produktionsausbeute, die Apertur und sogar den dynamischen Lichtintensitätsbereich zu verbessern, während die erfassten Impulse noch einzeln verarbeitet werden können.
Der Bildgebungschip kann derart konfiguriert werden, dass er nicht nur die Entfernungsinformation, sondern auch die Lichtintensitätsinformation erhält; in diesem Fall enthalten die erzeugten Bilder die (z. B. auf der Laufzeit basierenden) Entfernungs- und Intensitätsinformationen.
Die Wellenlänge der Lichtquelle kann im sichtbaren oder unsichtbaren Spektrum ausgewählt werden. Die Lichtquelle wird vorzugsweise derart konfiguriert, dass sie im Infrarot-Spektralbereich betrieben wird. Der 3D-Bildgeber kann mit mehreren Lichtquellen versehen werden, die bei verschiedenen Wellenlängen arbeiten, um die Berechnung von Farbbildern zusammen mit 3D-Konturbildern zu ermöglichen oder um Fernanalysen von Materialien durchzuführen. Die Kombination von Wellenlängen kann gemäß dem Bedarf der Anwendung erfolgen.
Der Abtastspiegel umfasst vorzugsweise einen mikromechanischen Spiegel (MEMS-Spiegel), der für die Oszillation bei Resonanz konfiguriert ist. Alternativ dazu könnte der Abtastspiegel auch ein rotierender (polygonaler) Spiegel sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst der 3D-Bildgeber einen Umlenkspiegel zur Umlenkung des Lichts von der Szene zu dem Bildgebungschip, wobei der Umlenkspiegel einen Schlitz darin aufweist, durch welchen der Lichtstrahl hindurchgeht.
Der Bildgeber umfasst vorzugsweise eine bildgebende Optik wie beispielsweise eine Zylinderlinse, um die beleuchteten Ausschnitte der Szene auf der Fotosensoranordnung abzubilden.
Die Lichtquelle könnte zur Auffächerung des Lichtstrahls auch einen weiteren Abtastspiegel umfassen. Dieser weitere Abtastspiegel würde durchschnittlich den Strahl entlang einer ersten Richtung auffächern, während der vorher genannte Abtastspiegel den fächerförmigen Strahl die Szene abtasten lassen würde.
Ein bevorzugter Aspekt der Erfindung betrifft ein maschinelles Sehsystem, das eine vorstehend beschriebene Bildgebungsvorrichtung sowie einen mit der Bildgebungsvorrichtung wirkverbundenen Prozessor zur Verarbeitung der Bilddaten umfasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Details und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von nicht einschränkenden Ausgestaltungen anhand der begleitenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines abtastenden 3D-Bildgebers gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung;
2: eine schematische Darstellung eines Bildgebungschips für einen erfindungsgemäßen abtastenden 3D-Bildgeber.
Beschreibung bevorzugter Ausgestaltungen
1 zeigt einen abtastenden 3D-Bildgeber 10, der eine gepulste Laserquelle 12 als Lichtquelle umfasst. Der gepulste Laserstrahl wird mit einer Zylinderlinse (nicht dargestellt) aufgefächert und in die Szene 14 gerichtet, die mittels eines im Lichtweg des Laserstrahls 18 angeordneten Schwingabtastspiegels 16 abgebildet wird. Der Laserstrahl beleuchtet somit nacheinander Ausschnitte der Szene 16, während er quer zu der Ebene, in welcher er aufgefächert wurde, durch die Szene streichen gelassen wird. Der Laserstrahl 18 wird in 1 senkrecht zur Ebene des Blatts aufgefächert. Der fächerförmige Laserstrahl geht zwischen der gepulsten Laserquelle 12 und dem Schwingspiegel durch einen Schlitz 20, der in einem feststehenden, bei 45° angeordneten Umlenkspiegel 22 angeordnet ist, welcher das Licht, das von der Szene 14 rückgestreut 24 wird, auf einen Bildgebungschip 26 richtet. Eine zylindrische Fokussierlinse 28 fokussiert in derartiger Ausrichtung, dass die beleuchteten Ausschnitte der Szene darauf abgebildet werden.
2 zeigt schematisch den Bildgebungschip 26 des 3D-Bildgebers 10. Die einzelnen Fotosensoren 32 sind in zwei parallelen Linien angeordnet und bilden die im Wesentlichen eindimensionale Fotosensoranordnung 26. Jeder Fotosensor 32 ist mit seiner spezifischen Schaltung (z. B. einem TDC) wirkverbunden. Die Zeitsteuerungs- und Ausleseschaltungen 36 sind für die Steuerung und Synchronisation des Betriebs der Fotosensoren 32 und die Auslesung der verschiedenen Messwerte vorgesehen.
Jeder Fotosensor 32 und seine zugeordnete Schaltung 34 messen die Dauer zwischen einem Bezugszeitpunkt (dem Zeitpunkt der Ausstrahlung eines Laserimpulses) und dem Moment, an dem der Rückimpuls von der Szene auf den Fotosensor 32 auftrifft.
Der Abtastspiegel 16 ist in dem Beispiel von 1 ein mikromechanischer Spiegel vom Renonanztyp.
Die Fotosensoren 32 sind vorzugsweise SPADs (Einzelphotonen-Lawinendioden; single photon avalanche diodes). Alle peripheren Komponenten, die für den Betrieb und die Steuerung der SPADs erforderlich sind, spielen bei der Berechnung der Apertur keine Rolle mehr, da sie links oder rechts vom fotoempfindlichen Bereich angeordnet sind. Die Fotosensoranordnung 26 umfasst vorteilhafterweise über 1000 einzelne Fotosensoren pro Linie. Mit Laufzeit-Bildgebern können folglich auch Auflösungen im Megapixel-Bereich realisiert werden.
Obwohl spezifische Ausgestaltungen im Detail beschrieben wurden, versteht sich für den durchschnittlichen Fachmann, dass verschiedene Modifikationen und Alternativen dieser Details im Lichte der Gesamtlehren der Offenbarung entwickelt werden könnten. Dementsprechend sollen die offenbarten besonderen Anordnungen hinsichtlich des Schutzbereichs der Erfindung, der die volle Breite der beigefügten Ansprüche und beliebiger und aller Äquivalente davon enthalten soll, lediglich veranschaulichen und nicht einschränken.
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 4440613 [0005]

Claims

Abtastender 3D-Bildgeber zur Aufzeichnung von Bildern einer Szene, wobei der Bildgeber Folgendes umfasst: eine Lichtquelle, die derart konfiguriert ist, dass sie einen fächerförmigen gepulsten Lichtstrahl mit linearem Querschnitt ausstrahlt; einen Abtastspiegel, der in einem Lichtweg des Lichtstrahls angeordnet ist, um den Lichtstrahl in die Szene zu lenken und nacheinander Ausschnitte der Szene zu beleuchten, indem er den Lichtstrahl quer zum linearen Querschnitt durch die Szene streichen lässt; und einen Bildgebungschip, der derart angeordnet ist, dass er über den Abtastspiegel Licht von der Szene auffängt, wobei der Bildgebungschip eine Fotosensoranordnung umfasst, die derart angeordnet ist, dass die beleuchteten Ausschnitte der Szene nacheinander darauf abgebildet werden.
Bildgeber nach Anspruch 1, wobei die Fotosensoranordnung eine lineare Fotosensoranordnung ist.
Bildgeber nach Anspruch 1, wobei die Fotosensoranordnung mindestens zwei, vorzugsweise zwei, lineare Fotosensoranordnungen umfasst, die parallel zueinander angeordnet sind.
Bildgeber nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Fotosensoranordnung eine Lawinendiodenanordnung umfasst.
Bildgeber nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Abtastspiegel einen mikromechanischen Spiegel umfasst.
Bildgeber nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend einen Umlenkspiegel zur Umlenkung von Licht von der Szene zu dem Bildgebungschip, wobei der Umlenkspiegel einen Schlitz darin aufweist, durch welchen der Lichtstrahl hindurchgeht.
Bildgeber nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Lichtquelle eine Laserquelle ist und wobei der Lichtstrahl ein Laserstrahl ist.
Bildgeber nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Lichtquelle eine LED ist.
Bildgeber nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend eine bildgebende Optik wie beispielsweise eine Zylinderlinse, um die beleuchteten Ausschnitte der Szene auf der Fotosensoranordnung abzubilden.
Bildgeber nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Lichtquelle eine Zylinderlinse umfasst, um den Lichtstrahl in die Fächerform zu bringen.
Bildgeber nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Lichtquelle einen weiteren Abtastspiegel umfasst, um den Lichtstrahl aufzufächern.
Bildgeber nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, wobei jeder der einzelnen Fotosensoren der Fotosensoranordnung an einen einzelnen TDC (Zeit-Digital-Wandler) angeschlossen ist.
Bildgeber nach Anspruch 4 oder irgendeinem der Ansprüche 5 bis 12, sofern abhängig von Anspruch 4, wobei die Lawinendiodenanordnung eine Anordnung von SPADs (Einzelphotonen-Lawinendioden) umfasst.
Maschinelles Sehsystem umfassend eine Bildgebungsvorrichtung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13 sowie einen mit der Bildgebungsvorrichtung wirkverbundenen Prozessor zur Verarbeitung von Bilddaten, die von der Bildgebungsvorrichtung empfangen wurden.