DE112011102535T5

DE112011102535T5 - Abtastenden Bildgeber mit aktiver Beleuchtung

Info

Publication number: DE112011102535T5
Application number: DE112011102535T
Authority: DE
Inventors: Yves Decoster
Original assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Current assignee: IEE International Electronics and Engineering SA
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2011-07-19
Publication date: 2013-07-11
Also published as: US20130188043A1; CN103038664B; CN103038664A; LU91714B1; WO2012013536A1

Abstract

Ein abtastender Bildgeber (10) mit aktiver Beleuchtung umfasst eine Lichtquelle (14) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (16), einen optischen Kollimator (18) zum Kollimieren des Lichtstrahls, einen Abtastspiegel (20) zur Abtastbewegung des Lichtstrahls durch eine abzubildende Szene (12) und einen Lichtdetektor (22), der in Bezug auf den Abtastspiegel derart angeordnet ist, dass er einen Anteil (24) des von der Szene reflektierten Lichtstrahls über den Abtastspiegel auffängt. Der Bildgeber umfasst ferner einen Aktuator (40), der derart konfiguriert ist, dass er die Lichtquelle und/oder den optischen Kollimator relativ zueinander und/oder den Lichtdetektor relativ zu dem Abtastspiegel positioniert, und ein Steuergerät (46), das mit dem Aktuator wirkverbunden ist, um die Positionierung zu steuern.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen abtastenden Bildgeber mit aktiver Beleuchtung, d. h. einen abtastenden Bildgeber, der die abzubildende Szene beleuchtet, und insbesondere einen solchen abtastenden Bildgeber, der einen schwingenden Abtastspiegel zur Abtastbewegung eines Lichtstrahls durch die abzubildende Szene umfasst.
Technischer Hintergrund
Die EP 1 289 273 offenbart eine Abtastkamera, die mit einem mikromechanischen Spiegel versehen ist, der um zwei zueinander senkrechte Achsen schwingt, um ein Objekt abzutasten. Die Szene wird in Zeitmultiplexweise auf einem punktförmigen optoelektronischen Sensor abgebildet. Die Abtastkamera beleuchtet die Szene jedoch nicht aktiv.
Bildgeber mit aktiver Szenenbeleuchtung werden beispielsweise zur Aufzeichnung von Entfernungsbildern auf Basis des Prinzips der Laufzeitmessung verwendet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist ein „Entfernungsbild” ein Bild, das aus Pixeln besteht, von denen jedes einen Distanzwert enthält, der die Distanz vom Bildgeber zu demjenigen Punkt in der Szene repräsentiert, welchem das Pixel zugeordnet ist.
Systeme zur Erzeugung solcher 3-D-Darstellungen einer Szene haben eine Vielfalt an Anwendungen in zahlreichen unterschiedlichen Gebieten. Beispiele dafür sind die KFZ-Sensortechnik (z. B. die Erfassung und Klassifizierung von Fahrzeuginsassen), die Sensortechnik bei Robotern (z. B. die Objektidentifikation) oder die Sicherheitstechnik (z. B. Anlagenüberwachung, Personenzählung und Fußgängererkennung), um nur einige zu nennen. Ein 3-D-Bildgebungssystem benötigt im Gegensatz zu der herkömmlichen 2-D-Bildgebung die Tiefeninformation über die Zielszene. Dies bedeutet, dass die Abstände zwischen einem oder mehreren beobachteten Objekten und einem optischen Empfänger des Systems ermittelt werden müssen. Eine weithin bekannte Vorgehensweise für die Distanzmessung, die beispielsweise bei Radaranwendungen zum Einsatz kommt, besteht darin, das Intervall zwischen der Ausstrahlung und Rückstrahlung eines Messsignals zeitlich abzustimmen. Dieses so genannte Laufzeitverfahren (TOF; time-of-flight) beruht auf dem Prinzip, dass bei einem Signal mit bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit in einem vorgegebenen Medium die zu messende Distanz durch das Produkt aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Hälfte der Zeit gegeben ist, die das Signal für seinen Hin- und Rückweg benötigt. Im Falle von optischen Bildgebungssystemen sind die Messsignale Lichtwellen. Der Begriff „Licht” ist für die Zwecke der vorliegenden Erfindung so zu verstehen, dass er sichtbares, infrarotes (IR) und ultraviolettes (UV) Licht umfasst.
Eine andere mögliche Anwendung eines abtastenden Bildgebers mit aktiver Beleuchtung ist die Gaserfassung. Man kann eine Abbildung der Gasverteilung erhalten, indem man eine Szene mit einem Laserstrahl, dessen Wellenlänge einer Absorptionslinie des Zielgases entspricht, abtastet und die Absorption des Laserlichts in jedem Teil der Szene misst.
Bei abtastenden Bildgebern, die einen Lichtstrahl abtastend durch die beobachtete Szene bewegen, hängt die Qualität des Bilds in gewissem Maße von der Strahldivergenz ab. Jedes Pixel des zu berechnenden Bilds entspricht einem Raumwinkelelement entlang einer bestimmten Richtung des abtastenden Lichtstrahls. Die genauesten Bilder werden normalerweise dann erhalten, wenn der beleuchtende Lichtstrahl in Bezug auf die Form und Divergenz ungefähr mit den Raumwinkelelementen übereinstimmt. Wenn der beleuchtende Lichtstrahl zu schmal ist, sind die Eigenschaften eines Abtastwerts des reflektierten und erfassten Lichts nicht unbedingt repräsentativ für das gesamte Raumwinkelelement (oder das Pixel). Wenn der beleuchtende Lichtstrahl zu breit ist, bekommt das Bild wegen der Mittelung zwischen benachbarten Pixeln einen schwachen Kontrast.
Bei Laserbildgebern mit aktiver Beleuchtung wird typischerweise eine Laserdiode als Lichtquelle benutzt. Der durch die Laserdioden erzeugte Strahl divergiert schnell, wenn er aus dem Halbleiterchip ausgekoppelt wird. Dies bedeutet, dass eine spezielle Optik mit einer kleinen Brennweite (normalerweise wenige Millimeter, z. B. 1 bis 10 mm) vor der Laserdiode angeordnet werden muss, um eine geringe Strahldivergenz zu erzielen (normalerweise unter 1°, z. B. ungefähr 0,2°; allerdings kann eine höhere Divergenz toleriert werden, wenn eine niedrigere Bildauflösung akzeptabel ist). Wegen der kleinen Brennweite ist eine äußerst sorgfältige Ausrichtung der Laserdiode und des optischen Systems erforderlich, damit man einen kollimierten Strahl erhält, der sich entlang der gewünschten Richtung ausbreitet.
Technisches Problem
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Kollimation eines Lichtstrahls zu erleichtern, der zur aktiven Beleuchtung einer abzubildenden Szene verwendet wird. Diese Aufgabe wird durch einen Bildgeber mit aktiver Beleuchtung nach Anspruch 1 gelöst.
Allgemeine Beschreibung der Erfindung
Ein abtastender Bildgeber mit aktiver Beleuchtung umfasst eine Lichtquelle (z. B. eine Laserdiode) zur Erzeugung eines Lichtstrahls, einen optischen Kollimator (z. B. eine Kollimatorlinse oder einen Kollimatorspiegel) zum Kollimieren des Lichtstrahls in mindestens einer quer zu der Strahlrichtung verlaufenden Richtung, einen Abtastspiegel zur Abtastbewegung des Lichtstrahls durch eine abzubildende Szene und einen Lichtdetektor, der in Bezug auf den Abtastspiegel derart angeordnet ist, dass er einen Anteil des von der Szene reflektierten Lichtstrahls über den Abtastspiegel auffängt. Erfindungsgemäß umfasst der abtastende Bildgeber mit aktiver Beleuchtung einen Aktuator (z. B. einen automatischen Tisch mit zwei Kippachsen, einen automatischen linearen Aktuator, einen automatischen XY- oder XYZ-Tisch, einen piezoelektrischen Aktuator usw.), der derart konfiguriert ist, dass er die Lichtquelle und/oder den optischen Kollimator relativ zueinander und/oder den Lichtdetektor relativ zu dem Abtastspiegel positioniert; sowie ein Steuergerät, das mit dem Aktuator wirkverbunden ist, um die Positionierung zu steuern.
Es versteht sich für den Fachmann, dass die Erfindung besonders für Bildgeber mit aktiver Beleuchtung geeignet ist, bei denen eine Laserdiode als Lichtquelle dient. Wie oben angegeben wurde, muss der Kollimator in diesem Fall eine relativ kleine Brennweite aufweisen, was eine sorgfältige Ausrichtung erforderlich macht. Die Strahldivergenz hängt sogar in hohem Maße von der präzisen Position des Kollimators relativ zu der Laserdiode ab. Es könnte wegen der Systemalterung eine Fehlausrichtung des optischen Systems eintreten, was zu einer Defokussierung des Strahls führt. Eine präzise Ausrichtung oder Neuausrichtung des Systems ist ohne Weiteres dank des Aktuators erzielbar, der derart angeordnet werden kann, dass er die Lichtquelle oder den Kollimator oder beide positioniert.
Es ist anzumerken, dass der Strahl nur in einer quer zu ihm verlaufenden Richtung kollimiert werden könnte. Die Lichtquelle und der Kollimator könnten beispielsweise derart konfiguriert werden, dass sie einen fächerförmigen Lichtstrahl (Impuls oder Dauerstrich) mit linearem Querschnitt ausstrahlen. In diesem Fall wird der Abtastspiegel vorzugsweise im Lichtweg des Lichtstrahls angeordnet, 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. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist der Lichtdetektor vorzugsweise ein Teil eines Bildgebungschips mit einer linearen Fotosensoranordnung, die derart angeordnet ist, dass die beleuchteten Ausschnitte der Szene nacheinander darauf abgebildet werden. Der Aktuator wird dann vorzugsweise durch das Steuergerät gesteuert und derart angeordnet, dass er die Ausrichtung und die Überlappung der Bilder der beleuchteten Szenenausschnitte und der linearen Fotosensoranordnung aufrechterhält. Das heißt, dass der Aktuator die Position des Lichtdetektors, des Kollimators und/oder der Lichtquelle derart modifiziert, dass die beleuchteten Szenenausschnitte auf der linearen Fotosensoranordnung abgebildet werden (z. B. über eine Zylinderlinse oder einen gewölbten Spiegel).
Das Steuergerät umfasst vorzugsweise eine Schnittstelle, die den Bildgeber mit einem Sensor (z. B. einem Strahlprofilierer) in Wirkverbindung bringt, und ist vorzugsweise derart konfiguriert, dass es versucht, eine vorher definierte Sensorantwort durch Steuern der Positionierung zu erzielen. Eine solche Konfiguration des Steuergeräts ist insbesondere von Vorteil für die Ausrichtung der Lichtquelle und des Kollimators nach dem Zusammenbau des Bildgebers. Demzufolge könnte eine geringfügige Fehlausrichtung der Lichtquelle und des Kollimators während des Zusammenbaus toleriert werden. Der Bildgeber kann nach dem Zusammenbau auf einem Prüfstand angebracht werden, der mit einem Strahlprofilierer (beispielsweise einer CCD- oder CMOS-Kamera ohne Fokussieroptik) versehen ist. Der Strahlprofilierer ist vorzugsweise über die Schnittstelle an das Steuergerät angeschlossen und das Steuergerät ist am meisten bevorzugt derart konfiguriert, dass es ein Ausrichtungsverfahren ausführt, bei welchem das Strahlprofil unter standardisierten Bedingungen optimiert wird.
Der Lichtdetektor (Fotodetektor) kann beim Betrieb des Bildgebers Abtastwerte des von der Szene reflektierten Lichts in Zeitmultiplexweise erfassen. Wenn die Position des Abtastspiegels für jeden Abtastwert bekannt ist, kann jeder Abtastwert dem entsprechenden Pixel (Bildelement) zugeordnet und das Bild berechnet werden.
Der Lichtdetektor kann mit dem Steuergerät wirkverbunden werden, das dann vorteilhafterweise derart konfiguriert ist, dass es die Positionierung der Lichtquelle und des Kollimators relativ zueinander als Antwort auf ein Erfassungssignal des Detektors steuert. Das Steuergerät könnte beispielsweise derart konfiguriert werden, dass es einen oder mehrere Parameter (z. B. das Signal-Rausch-Verhältnis) des Erfassungssignals optimiert. Der Lichtdetektor könnte beispielsweise ein positionssensitiver Fotodetektor (normalerweise bezeichnet als „PSD” – position sensing photodetector) sein bzw. diesen umfassen, also z. B. ein segmentierter PSD (insbesondere ein Zwei- oder Vier-Quadranten-PSD) oder ein Lateraleffekt-PSD (insbesondere ein duo- oder tetralateraler PSD). Falls ein positionssensitiver Fotodetektor benutzt wird, kann das Positionssignal dieses Detektors vom Steuergerät verwendet werden, um die Positionierung zu erzielen.
Der Abtastspiegel umfasst vorzugsweise einen mikromechanischen Spiegel vom Resonanztyp.
Der Bildgeber kann z. B. ein abtastender Laufzeit-Bildgeber sein. In diesem Fall wird der in die Szene ausgestrahlte Lichtstrahl in seiner Intensität moduliert und ist der Lichtdetektor vorteilhafterweise ein Lock-in-Fotodetektor, d. h. ein Fotodetektor, der für die modulationsphasenempfindliche Erfassung des reflektierten Lichts synchron mit der Modulation des ausgestrahlten Lichts getaktet ist. Beispiele für Lock-in-Fotodetektoren finden sich z. B. in der Dissertation von R. Lange: „3D Time-of-Flight Distance Measurement with Custom Solid-State Image Sensors in CMOS/CCD-Technology" (2000, Universität Siegen); oder in der Dissertation von T. Spirig: „Smart CCD/CMOS Based Image Sensors with Programmable, Real-Time, Temporal and Spatial Convolution Capabilities for Applications in Machine Vision and Optical Metrology" (1997, Eidgenössische Technische Hochschule, Schweiz, Diss. ETH Nr. 11993). Alternativ dazu könnte der Lichtdetektor im Falle einer Impuls-Lichtquelle eine Fotodiode sein, die einem Zeit-Digital-Wandler (TDC; time-to-digital converter) zugeordnet ist.
Der Aktuator wird vorzugsweise derart konfiguriert und angeordnet, dass er eine Lichtweglänge zwischen der Lichtquelle und dem optischen Kollimator verändert. Der Aktuator kann beispielsweise derart konfiguriert werden, dass er die Lichtquelle relativ zu dem optischen Kollimator entlang der optischen Achse des Kollimators bewegt. Eine solche Bewegung kann zur Einstellung der Divergenz des ausgestrahlten Lichtstrahls benutzt werden. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Aktuator derart konfiguriert und angeordnet werden, dass er die Lichtquelle und/oder den optischen Kollimator quer zum Lichtweg bewegt. Als weitere Option kann der Aktuator derart konfiguriert und angeordnet werden, dass er die Lichtquelle und/oder den optischen Kollimator relativ zueinander kippt. Zu guter Letzt kann der Aktuator derart konfiguriert und angeordnet werden, dass er den Lichtdetektor verschiebt und/oder kippt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es wird nun eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1: eine schematische Anordnung eines abtastenden Bildgebers mit aktiver Beleuchtung zur Aufzeichnung von Entfernungsbildern einer Szene;
2: eine Darstellung der Art und Weise, wie die Position der Lichtquelle die Strahldivergenz beeinflusst;
3: eine Darstellung des Ausrichtungsverfahrens, das nach dem Zusammenbau des abtastenden Bildgebers durchgeführt wird;
4: eine Darstellung eines mikromechanischen Spiegels vom Resonanztyp;
5: eine schematische Anordnung einer Ausgestaltung der Erfindung mit einem positionssensitiven Fotodetektor;
6: eine schematische Anordnung einer bevorzugten Variante des abtastenden Bildgebers mit aktiver Beleuchtung von 1;
7: eine schematische Anordnung eines abtastenden Bildgebers mit aktiver Beleuchtung, der einen fächerförmigen Strahl in die Szene ausstrahlt;
8: eine schematische Ansicht einer Bildgebungschips für einen abtastenden Bildgeber wie in 7.
Beschreibung der bevorzugten Ausgestaltung
1 zeigt schematisch einen abtastenden Bildgeber 10 mit aktiver Beleuchtung gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Der abtastende Bildgeber 10 mit aktiver Beleuchtung ist für die Erzeugung eines Entfernungsbilds der beobachteten Szene 12 konfiguriert. Er umfasst eine Laserdiode 14 zur Erzeugung eines Impuls-Laserstrahls 16, einen optischen Kollimator 18 (hier eine Kollimatorlinse) zum Kollimieren des Laserstrahls 16, einen Abtastspiegel 20 zur Abtastbewegung des Laserstrahls 16 durch die Szene 12 und einen Fotodetektor 22 (z. B. eine Einzelphotonen-Lawinendiode) zur Erfassung eines Anteils des von der Szene 12 reflektierten Lichts 24 über den Abtastspiegel 20. Der Fotodetektor 24 ist mit einem Zeit-Digital-Wandler (TDC, nicht dargestellt) versehen, der die Dauer zwischen einem Bezugszeitpunkt (dem Zeitpunkt der Ausstrahlung eines Laserimpulses) und dem Moment misst, an welchem der Rückimpuls von der Szene 12 auf den Fotodetektor 24 auftrifft. Das Zeitintervall zwischen der Ausstrahlung und dem Empfang des Laserimpulses entspricht dem Zweifachen der Distanz zwischen dem abtastenden Bildgeber 10 und dem Punkt in der Szene 12, auf den der Laserimpuls auftrifft.
Der Abtastspiegel 20 ist ein mikromechanischer Spiegel vom Resonanztyp, der in 4 detaillierter dargestellt ist. Er ist auf ersten Torsionsstäben 28, 28' angebracht, die eine erste Kippachse 30 definieren. Die ersten Torsionsstäbe 28, 28' verbinden den mikromechanischen Spiegel mit einem Zwischenrahmen 34, der selbst auf zweiten Torsionsstäben 32, 32' angebracht ist. Die zweiten Torsionsstäbe 32, 32' definieren eine zweite Kippachse 36, die orthogonal zur ersten Kippachse 30 ist. Die zweiten Torsionsstäbe 32, 32' verbinden den Zwischenrahmen 34 mit einem Außenrahmen 38. Der mikromechanische Spiegel 20, der Zwischen- und der Außenrahmen 34, 38 sowie die Torsionsstäbe 28, 28', 32, 32' sind vorzugsweise einstückig aus demselben Grundmaterial ausgebildet. Der Abtastspiegel umfasst ferner einen Aktuator (nicht dargestellt), der den Spiegel 20 um die erste bzw. zweite Kippachse 30, 36 schwingen lassen soll. Der Aktuator und der mikromechanische Spiegel 20 umfassen elektromagnetische Elemente (z. B. Spulen oder Leiterschleifen oder Kondensatorplatten) sowie möglicherweise auch dauermagnetische Elemente zur Übertragung von Kräften und Drehmomenten zwischen dem Aktuator und dem mikromechanischen Spiegel 20, welche veranlassen, dass letzterer die Stellung verlässt, bei welcher die Summe der darauf wirkenden mechanischen Kräfte (hier: der Torsionskräfte der Torsionsstäbe 28, 28', 32, 32') sich gegenseitig aufhebt (Gleichgewichtsposition). Der Spiegelantrieb 26 (siehe 1) legt während des Betriebs oszillierende Signale an die elektromagnetischen Elemente an, welche periodisch sich umkehrende elektrische und/oder magnetische Kräfte und Drehmomente erzeugen, die auf den mikromechanischen Spiegel 20 wirken und veranlassen, dass er um die erste Achse 30 hin- und herkippt. Gleichzeitig wird veranlasst, dass der Zwischenrahmen unter der Wirkung der elektrischen und/oder magnetischen Kräfte und Drehmomente um die zweite Achse 36 hin- und herkippt. Infolgedessen führt der mikromechanische Spiegel 20 eine Bewegung in zwei Dimensionen durch, die der Überlagerung der zwei einfachen Schwingbewegungen entspricht; ferner beschreibt der Laserstrahl 16, der durch den mikromechanischen Spiegel abgelenkt wird, eine Lissajous-Kurve in der abzubildenden Szene 12. Der Spiegelantrieb 26 ist derart konfiguriert, dass er beide Bewegungen an oder nahe deren jeweiliger Resonanzfrequenz steuert, um eine optimale Auslenkung des mikromechanischen Spiegels 20 in beiden Richtungen bei niedrigerem Energieverbrauch zu erzielen. Weitere Details über Abtastvorrichtungen des besprochenen Typs finden sich beispielsweise in den US-Patenten 7,012,737 und 5,912,608 , die hierin in ihrer Gesamtheit durch Verweis mit Wirkung für diejenigen Jurisdiktionen einbezogen werden, bei denen eine solche Einbeziehung durch Verweis zulässig ist. Zweidimensionale Abtastvorrichtungen sind beispielsweise bei Nippon Signal unter dem Markennamen Eco Scan erhältlich.
Der Kollimator 18 wird relativ zur Laserdiode derart angeordnet, dass ein kollimierter Laserstrahl am Ausgang des Kollimators 18 erhalten wird. Da der von der Laserdiode 14 erzeugte Laserstrahl stark divergiert, wird der Kollimator 18 mit einer kleinen Brennweite ausgewählt. Demzufolge ist die Positionierung des Kollimators 18 und der Laserdiode 14 relativ zueinander von entscheidender Bedeutung. Der abtastende Bildgeber 10 mit aktiver Beleuchtung umfasst einen Aktuator 40 (in 1 schematisch als Pfeilkreuz dargestellt), der die Position der Laserdiode 14 relativ zum Kollimator 18 modifiziert. Bei der in den Figuren dargestellten Ausgestaltung ist die Laserdiode 14 auf dem Aktuator 40 angebracht (alternativ dazu könnte der Kollimator 18 auf dem Aktuator 40 angebracht sein). Der Aktuator 40 könnte beispielsweise ein oder mehrere piezoelektrische Elemente umfassen, um die Position der Laserdiode 14 auf der optischen Achse 42 und/oder quer zu der optischen Achse 42 und/oder deren Orientierung (Kippen in zwei Richtungen in Bezug auf die optische Achse) zu verändern. Wie in 2 veranschaulicht, führt die Einstellung der Laserdiodenposition auf der optischen Achse (d. h. der Distanz zwischen der Laserdiode 14 und dem Kollimator 18) zu einer Modifizierung der Strahldivergenz und somit der Größe des Lichtpunkts auf einer Oberfläche 44 in der Szene 12 (in 2 ist lediglich ein Teil des abtastenden Bildgebers 10 mit aktiver Beleuchtung dargestellt).
Die Laserdiode 14, der Fotodetektor 22, der Aktuator 40 und der Abtastspiegelantrieb 26 werden durch einen Mikrocontroller 46 [z. B. implementiert als Mikroprozessor, feldprogrammierbare Anordnung von Logik-Gattern (FPGA; field-programmable gate array), anwendungsspezifische integrierte Schaltung oder dergleichen] gesteuert. Der Mikrocontroller 46 umfasst eine Schnittstelle, über die er an einen externen Strahlprofilierer 48 (z. B. eine CCD- oder CMOS-Kamera ohne Fokussieroptik) angeschlossen wird. Ein solcher Strahlprofilierer 48 wird auf einem Prüfstand verwendet, auf dem der abtastende Bildgeber 10 mit aktiver Beleuchtung vorübergehend nach seinem Zusammenbau angebracht wird. Der Mikrocontroller 46 wird derart konfiguriert, dass er ein Ausrichtungsverfahren durchführt, wenn er an den externen Strahlprofilierer 48 angeschlossen ist. Der Mikrocontroller 46 stellt während des Ausrichtungsverfahrens die Position der Laserdiode 14 relativ zum Kollimator 18 ein, bis die Parameter des Strahlprofils (beispielsweise die Position der Strahlmitte oder die Strahlbreiten) mit den Zielparameterwerten übereinstimmen. Der Abtastspiegel 26 wird während des Ausrichtungsverfahrens in seiner Ruhestellung gehalten, bis die Ausrichtung des Kollimators 18 und der Laserdiode 14 beendet wurde.
Der Mikrocontroller 46 ist in der dargestellten Ausgestaltung der Erfindung außerdem derart konfiguriert, dass er die Strahldivergenz in Echtzeit einstellt, wenn der abtastende Bildgeber 10 mit aktiver Beleuchtung in Betrieb ist. Der Mikrocontroller 46 steuert den Aktuator in Abhängigkeit von dem Erfassungssignal, das er von dem Fotodetektor 22 empfing, beispielsweise derart, dass das Signal-Rausch-Verhältnis optimiert wird. Es versteht sich für den Fachmann, dass eine solche Echtzeitkorrektur der Position der Laserdiode 14 auch alterungsbedingte Auswirkungen auf die Ausrichtung der Laserdiode 14 und des Kollimators 18 kompensiert. Es ist anzumerken, dass statt des Einsatzes eines in Echtzeit durchgeführten Ausrichtungsverfahrens der Mikrocontroller 46 derart konfiguriert werden könnte, dass er eine Neuausrichtung bei jedem Start des abtastenden Bildgebers 10 mit aktiver Beleuchtung durchführt, bevor das eigentliche Bildgebungsverfahren erfolgt.
Bei den Ausgestaltungen von 5–8 wurden die gleichen Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Elemente beibehalten. Bezug nehmend auf 5, ist der Fotodetektor 22 ein positionssensitiver Vier-Quadranten-Fotodetektor. Jeder der vier Quadranten „sieht” über den Abtastspiegel 20 einen anderen Bereich 12a, 12b, 12c, 12d der Szene 12. Wenn der Laserpunkt 50 gut zentriert ist, erzeugt jeder Quadrant des Fotodetektors 22 das gleiche Fotosignal. Wenn der Laserpunkt 50 falsch ausgerichtet ist (z. B. wegen einer Verschiebung des optischen Kollimators 18 in Bezug auf die Laserdiode 14), ergibt sich ein Ungleichgewicht zwischen den Fotosignalen. Der Mikrocontroller (in 5 nicht dargestellt) steuert den Aktuator 40 derart, dass ausgeglichene Signale wiederhergestellt werden. Diese Korrektur kann in Echtzeit erfolgen. Das Bezugszeichen 52 kennzeichnet den Weg des Laserpunkts 50 in der Szene 12. Der Laserpunkt beschreibt eine Lissajous-Kurve.
6 zeigt schematisch eine Variante des abtastenden Bildgebers mit aktiver Beleuchtung von 1. Die Variante von 6 unterscheidet sich dadurch von dem abtastenden Bildgeber mit aktiver Beleuchtung von 1, dass zwischen der Laserdiode 14 und dem Abtastspiegel 20 der Impuls-Laserstrahl 16 durch eine Öffnung 56 verläuft, die in einem feststehenden Umlenkspiegel 54 angeordnet ist, der das von der Szene 12 reflektierte oder zurückgestreute Licht auf den Fotodetektor 22 (z. B. einen Vier-Quadranten-Fotodetektor) lenkt. Während der Fotodetektor bei dem abtastenden Bildgeber von 1 die Szene aus einem etwas anderen Winkel als die Lichtquelle sieht, sind der ausgestrahlte Laserstrahl 16 und die Strahlen des reflektierten Lichtanteils 24 bei dem abtastenden Bildgeber von 6 im Wesentlichen kollinear (aber in entgegengesetzter Richtung). Das reflektierte Licht wird nach der Umlenkung am feststehenden Umlenkspiegel 54 mittels einer Fokussierlinse 58 auf dem Fotodetektor 22 fokussiert. Es ist anzumerken, dass der Umlenkspiegel 54 ein Fokussierspiegel sein könnte, wobei in diesem Fall die Fokussierlinse 58 weggelassen werden könnte.
Bei der Variante von 6 erzeugen die Laserdiode 14 und die Kollimatorlinse 18 einen kollimierten Laserstrahl mit einem im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt, der einen punktförmigen Punkt 50 in der Szene beleuchtet. Der Abtastspiegel 20 ist als „2D”-Abtastspiegel konfiguriert, d. h. als Abtastspiegel mit zwei im Wesentlichen zueinander senkrechten Drehachsen zum Bewegen des Laserpunkts 50 entlang einer zweidimensionalen Abtastkurve.
7 zeigt einen abtastenden Bildgeber mit aktiver Beleuchtung, bei dem der von der Laserdiode 14 erzeugte Laserstrahl in einer Querrichtung aufgefächert und in der anderen Querrichtung (bei 90° zu der ersten Querrichtung) kollimiert wird, wobei eine astigmatische Linse als optischer Kollimator 18 zum Einsatz kommt. Der Laserstrahl 16 wird in die Szene 12 gelenkt, damit er über den in seinem Lichtweg angeordneten Abtastspiegel 20 abgebildet wird. Der Laserstrahl 16 beleuchtet also nacheinander die Ausschnitte 60 der Szene 12. Der Abtastspiegel 20 ist bei dieser Ausgestaltung ein „1D”-Abtastspiegel, d. h. ein Abtastspiegel mit einer einzigen Drehachse, die den fächerförmigen Laserstrahl 16 durch die Szene streichen lässt, und zwar quer zu der Ebene, in der der Laserstrahl aufgefächert ist. In 7 ist der Laserstrahl 16 in einer quer zur Ebene des Zeichenblatts verlaufenden Ebene aufgefächert. Zwischen dem (in eine Richtung wirkenden) optischen Kollimator 18 und dem Abtastspiegel 20 verläuft der Laserstrahl 16 durch einen Schlitz 62, der in dem feststehenden Umlenkspiegel 54 angeordnet ist. Letzterer lenkt Licht, das von der Szene 12 reflektiert wird, auf einen Bildgebungschip 64, der eine lineare Anordnung von Fotodetektoren 22 umfasst. Im Lichtweg des reflektierten Lichts ist eine zylindrische (oder allgemeiner eine astigmatische) Fokussierlinse 58 angeordnet, um die beleuchteten Ausschnitte 60 der Szene auf der linearen Anordnung von Fotodetektoren 22 abzubilden.
8 zeigt schematisch den Bildgebungschip 64 des abtastenden Bildgebers von 7. Die einzelnen Fotodetektoren 22 sind in zwei parallelen Linien angeordnet, um eine im Wesentlichen eindimensionale Fotosensoranordnung zu bilden. Jeder Fotodetekor 22 ist mit seiner jeweilgen Schaltung 66 [z. B. einem Zeit-Digital-Wandler (TDC)] wirkverbunden. Es sind Zeitgeber- und Ausleseschaltungen 67 vorgesehen, die den Betrieb der Fotodetektoren 22 steuern, synchronisieren und verschiedene Messwerte auslesen.
Jeder Fotodetektor 22 und seine ihm zugeordneten Schaltungen 66, 67 messen die Dauer zwischen einem Bezugszeitpunkt (dem Zeitpunkt der Ausstrahlung eines Laserimpulses) und dem Moment, in dem der Rückimpuls von der Szene auf den Fotodetektor 22 auftrifft.
Die Fotodetektoren 22 sind vorzugsweise SPADs (Einzelphotonen-Lawinendioden; single photon avalanche diodes). Die Fotodetektoranordnung von 8 umfasst vorteilhafterweise über 1000 einzelne Fotodetektoren 22 pro Linie. Dadurch werden Auflösungen im Megapixelbereich auch mit TOF-Bildgebern realisierbar.
Der Aktuator 40 ist wie bei den zuvor besprochenen Ausgestaltungen der Erfindung derart konfiguriert und angeordnet, dass er die Ausrichtung des Laserstrahls 16 auf die gewünschte optische Achse aufrechterhält. Der Aktuator wird durch ein Steuergerät (in 7 und 8 nicht dargestellt) gesteuert, das auf die Messungen reagiert, die von dem Bildgebungschip 64 durchgeführt wurden. Der Bildgebungschip 64 umfasst fest zugeordnete Strahlpositionsdetektoren 68, die an jedem der beiden Enden der Anordnung von Fotodetektoren 22 angeordnet sind. Mit den Strahlpositonsdetektoren 68 werden der Seitenversatz des reflektierten Lichtstrahls bezogen auf die Fotodetektoranordnung sowie der Winkel zwischen der Hauptachse des reflektierten Lichtstrahls und der Fotodetektoranordnung gemessen. Das Steuergerät verwendet diese Messungen zur Steuerung des Aktuators derart, dass der Seitenversatz und der Winkel minimiert werden. Es lohnt sich anzumerken, dass der Seitenversatz und der Winkel auch basierend auf den Signalen der einzelnen Fotodetektoren 22 minimiert werden könnten, da im Falle einer optimalen Ausrichtung die Fotosignale jedes Paars von Fotodetektoren 22 (einer links und einer rechts) ausgeglichen sind. Dementsprechend kann man getrennte Strahlpositionsdetektoren 68 wie in der Darstellung von 8 als Option in Betracht ziehen.
Es ist anzumerken, dass man statt eines Umlenkspiegels 54 mit einer punktförmigen oder länglichen Öffnung einen Strahlteiler verwenden könnte, um den reflektierten Lichtanteil zu dem bzw. den Fotodetektoren zu lenken.
Obwohl spezifische Ausgestaltungen im Detail beschrieben wurden, versteht sich für den 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.
Bezugszeichenliste

10: Abtastender Bildgeber mit aktiver Beleuchtung
12: Abzubildende Szene
14: Laserdiode
16: Laserstrahl
18: Optischer Kollimator
20: Abtastspiegel
22: Fotodetektor
24: Von der Szene reflektiertes Licht
26: Abtastspiegelantrieb
28, 28': Erste Torsionsstäbe
30: Erste Kippachse
32, 32': Zweite Torsionsstäbe
34: Zwischenrahmen
36: Zweite Kippachse
38: Außenrahmen
40: Aktuator
42: Optische Achse
44: Oberfläche in der Szene
46: Mikrocontroller
48: Strahlprofilierer
50: Laserpunkt
52: Weg des Laserpunkts in der Szene
54: Feststehender Umlenkspiegel
56: Öffnung
58: Fokussierlinse
60: Beleuchteter Ausschnitt der Szene
62: Schlitz
64: Bildgebungschip
66: Steuerschaltung des Fotodetektors
67: Zeitgeber- und Ausleseschaltung
68: Strahlpositionsdetektor

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

EP 1289273 [0002]
US 7012737 [0028]
US 5912608 [0028]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. Lange: „3D Time-of-Flight Distance Measurement with Custom Solid-State Image Sensors in CMOS/CCD-Technology” (2000, Universität Siegen) [0016]
T. Spirig: „Smart CCD/CMOS Based Image Sensors with Programmable, Real-Time, Temporal and Spatial Convolution Capabilities for Applications in Machine Vision and Optical Metrology” (1997, Eidgenössische Technische Hochschule, Schweiz, Diss. ETH Nr. 11993) [0016]

Claims

Abtastender Bildgeber (10) mit aktiver Beleuchtung, umfassend eine Lichtquelle (14) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (16), einen optischen Kollimator (18) zum Kollimieren des Lichtstrahls in mindestens einer quer zu einer Strahlrichtung verlaufenden Richtung, einen Abtastspiegel (20) zur Abtastbewegung des Lichtstrahls durch eine abzubildende Szene (12) und einen Lichtdetektor (22), der in Bezug auf den Abtastspiegel (20) derart angeordnet ist, dass er einen Anteil (24) des von der Szene reflektierten Lichtstrahls über den Abtastspiegel (20) auffängt; gekennzeichnet durch einen Aktuator (40), der derart konfiguriert ist, dass er die Lichtquelle (14) und/oder den optischen Kollimator (18) relativ zueinander und/oder den Lichtdetektor relativ zu dem Abtastspiegel positioniert, und ein Steuergerät (46), das mit dem Aktuator (40) wirkverbunden ist, um die Positionierung zu steuern.
Bildgeber (10) nach Anspruch 1, wobei das Steuergerät eine Schnittstelle umfasst, um den Bildgeber (10) mit einem Sensor (48) in Wirkverbindung zu bringen, wobei das Steuergerät (46) derart konfiguriert ist, dass es versucht, eine vorher definierte Sensorantwort durch Steuern der Positionierung zu erzielen.
Bildgeber (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Lichtdetektor (22) mit dem Steuergerät (46) wirkverbunden ist und wobei das Steuergerät derart konfiguriert ist, dass es die Positionierung als Antwort auf ein Erfassungssignal des Detektors steuert.
Bildgeber (10) nach Anspruch 3, wobei das Steuergerät (46) derart konfiguriert ist, dass es einen oder mehrere Parameter des Erfassungssignals optimiert.
Bildgeber (10) nach Anspruch 4, wobei der eine oder die mehreren Parameter ein Signal-Rausch-Verhältnis umfassen.
Bildgeber (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Abtastspiegel (20) einen mikromechanischen Spiegel vom Resonanztyp umfasst.
Bildgeber (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Bildgeber ein abtastender Laufzeit-Bildgeber ist.
Bildgeber (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Aktuator (40) derart konfiguriert und angeordnet ist, dass er eine Lichtweglänge zwischen der Lichtquelle (14) und dem optischen Kollimator (18) verändert.
Bildgeber (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Aktuator (40) derart konfiguriert und angeordnet ist, dass er die Lichtquelle (14) und/oder den optischen Kollimator (18) quer zum Lichtweg bewegt.
Bildgeber (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Aktuator (40) derart konfiguriert und angeordnet ist, dass er die Lichtquelle (14) und/oder den optischen Kollimator (14) relativ zueinander kippt.
Bildgeber (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Aktuator (40) derart konfiguriert und angeordnet ist, dass er den Lichtdetektor (22) verschiebt und/oder kippt.
Bildgeber (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Lichtdetektor einen positionssensitiven Lichtdetektor umfasst.
Bildgeber (10) nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Kollimator derart konfiguriert ist, dass er den Lichtstrahl in nur einer Richtung quer zu der Strahlrichtung derart kollimiert, dass er einen fächerförmigen Lichtstrahl mit linearem Querschnitt erzeugt, und wobei der Abtastspiegel (20) derart konfiguriert und angeordnet ist, dass er den fächerförmigen Lichtstrahl quer zu dem linearen Querschnitt durch die Szene streichen lässt und Ausschnitte (60) der Szene beleuchtet.
Bildgeber (10) nach Anspruch 13, wobei der Lichtdetektor ein Teil eines Bildgebungschips (64) mit einer linearen Fotosensoranordnung ist, die in Bezug auf den Abtastspiegel (20) derart angeordnet ist, dass die beleuchteten Ausschnitte (60) der Szene (12) nacheinander auf der linearen Fotosensoranordnung abgebildet werden.