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Die
Erfindung betrifft eine optoelektronische Überwachungsvorrichtung mit
mindestens einer Lichtquelle und mindestens einem Empfangselement nach
dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Testverfahren hierfür nach dem
Oberbegriff von Anspruch 16.
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Optoelektronische Überwachungsvorrichtungen
werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, die von der
Diebstahlsicherung bis zur Absicherung gefährlicher Maschinen reichen,
welche bei Annäherung
eines Objektes und besonders von Bedienpersonal rechtzeitig automatisch
abschalten müssen.
Eine besondere Herausforderung an Technik und Auswertung stellen
hierbei entfernungsmessende Überwachungsvorrichtungen,
die nicht nur die Anwesenheit eines Objektes erkennen, sondern auch
bestimmen, in welcher Entfernung es sich befindet.
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Eine
solche Entfernungsbestimmung ist besonders nützlich bei Anwendungen, bei
denen ein beweglicher Roboter einen Bereich durchfährt, der auch
von Bedien- oder
anderem Personal betreten werden kann. Der Roboter kann zum Beispiel
ab einer bestimmten Entfernung warnen oder in einen langsameren
Modus verfallen, um bei weiterer Unterschreitung einer kritischen
Entfernung ganz zu stoppen. Ein beweglicher Roboter stellt durch
das ständig wechselnde
Szenario, das sich seiner Sicht bietet, besonders hohe Herausforderungen
an die Auswertung.
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In
Automobilanwendungen werden Kameras eingesetzt, die in Echtzeit
entfernungsaufgelöste
Bilder erzeugen, um eine Airbagsteuerung zu optimieren. Dabei wird
mittels der Entfernungen die Sitzhaltung der Insassen bei einem
Unfall festgestellt, um das Auslösen
des Airbags daran anzupassen. Außerdem dienen entfernungsaufgelöste Bilder
dem Erkennen und Klassifizieren anderer Verkehrsteilnehmer wie Autos,
Fahrräder
oder Fußgänger. Eine
weitere Anwendung ist das automatische Abstandhalten zu vorausfahrenden
Fahrzeugen.
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Eine
Grundvoraussetzung für
die Überwachung
ist, dass die Sensoren, mit denen das Bild des Überwachungsbereichs aufgenommen
wird, funktionsfähig
sind. Dabei muss insbesondere unterschieden werden, ob die aktuelle
Bildinformation noch den äußeren Verhältnissen
entspricht oder ob sich ein Bild „eingebrannt” hat. Das
ist nicht ohne weiteres feststellbar, da ein konstantes Bild sowohl
Ausdruck einer unveränderten
Szenerie als auch eine Fehlfunktion des Sensors sein kann.
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Bei
Bildsensoren, die Helligkeitsinformationen aufnehmen, sind etwa
aus der
WO 01/78411 Testverfahren
für die
Funktionsfähigkeit
der Pixel bekannt. Dazu kann ein feststehendes Kontrastmuster des Überwachungsbereichs
gegen den Bildsensor verschoben, die Helligkeit auch einzelner Bereiche durch
eine zusätzliche
Beleuchtung verändert
oder mittels eines eigens bewegten Testobjekts oder -musters die
Funktionsfähigkeit
des Sensors überprüft werden.
Für eine
Entfernungsmessung sind diese Verfahren aber untauglich, soweit
es Variationen der Helligkeit betrifft, und Bewegungen, ob des Sensors
oder eigener Testobjekte, sind mechanisch aufwändig und müssten zusätzlich auch nicht bloß die Helligkeiten,
sondern die Entfernung variieren.
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Weiterhin
sind Laserscanner bekannt, die mit einem Laserstrahl – etwa über einen
Drehspiegel – einen Überwachungsbereich
abtasten und die jeweiligen Entfernungen anhand des reflektierten
Lichts bestimmen. Diesem Laserstrahl kann in einem Teil des Sektors,
durch den er bewegt wird, ein Referenzziel angeboten werden, das
sich sogar innerhalb des Gehäuses
der Überwachungseinrichtung
befinden kann. Erkennt die Vorrichtung die Entfernung des Referenzzieles
richtig, so ist sie noch funktionsfähig. Auch hier sind aber bewegliche
Teile für
die Scanbewegung des Laserstrahls notwendig, und will man statt
mit einem Laserstrahl mit einem Empfangschip arbeiten, der ein linien-
oder matrixförmiges
Entfernungsbild aufzeichnet, so lässt sich dieses Testverfahren
gar nicht anwenden.
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Aus
der
DE 101 38 960
A1 ist eine Vorrichtung zum Überwachen eines Raumbereichs
mit zwei zueinander im 90°-Winkel
angeordneten Bildaufnahmeeinheiten bekannt, welche über einen
Strahlteiler denselben Raumbereich aufnehmen, wobei aus unterschiedlichen
Helligkeiten in den beiden Bildaufnahmeeinheiten Entfernungswerte
berechnet werden. Dabei wird die Funktionsfähigkeit in einem Selbsttest
geprüft,
bei dem eine Beleuchtung des Raumbereichs zur Zwangsdynamisierung
der beobachteten Szene ein- und ausgeschaltet wird. Damit kann zwar
erkannt werden, ob die Vorrichtung überhaupt noch reagiert, es
findet aber keinerlei Überprüfung statt,
ob die aus den Helligkeitsunterschieden berechneten Entfernungswerte
korrekt sind.
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Die
DE 10 2004 035 243
A1 lehrt, in einer Kameraanordnung zur Überwachung eines Gefahrenbereichs
eine Beleuchtung zeitlich zu verändern, etwa
durch Modulation, und diese Veränderungen
in einem Testsensor aufzunehmen. Die Vorrichtung testet sich dann
selbst auf Funktionsfähigkeit,
indem geprüft
wird, ob die von der Kamera aufgenommenen Bilder in einer mit der
von dem Testsensor gemessenen Veränderung übereinstimmenden Weise variieren.
Hiermit wird aber nicht nur keine Überprüfung von gemessenen Entfernungswerten
vorgenommen, die Kameraanordnung ist nicht einmal per se in der Lage,
Entfernungen aufzunehmen, sondern arbeitet zweidimensional.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, in einer optoelektronischen Überwachungsvorrichtung
mit Entfernungsbestimmung einen unaufwändigen Funktionstest zu ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine optoelektronische Überwachungsvorrichtung gemäß Anspruch
1 und ein Testverfahren für
eine optoelektronische Überwachungsvorrichtung
gemäß Anspruch
16 gelöst.
Die Lösung
hat den Vorteil, dass Fehler der Überwachungseinrichtung auch
vor konstantem Hintergrund einfach und sicher erkannt werden. Dabei basiert
der Test allein auf optoelektronischen Komponenten und benötigt keine
weitere Mechanik wie etwa eine solche zum Bewegen eines Laserstrahls
oder eines Testmusters.
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Die
erfindungsgemäße Lösung geht
dabei von dem Prinzip aus, die Eingangssignale für das Empfangselement zu dynamisieren.
Dies geschieht durch gezielte Manipulation des dort eintreffenden Lichts,
das einer Szenerie die für
den Test notwendige Dynamik aufprägt.
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Vorteilhafterweise
sind mehrere Empfangselemente in Reihe oder flächig, insbesondere als Zeile oder
Matrix, zusammengefasst und liefern somit ein entfernungsaufgelöstes Pixelbild.
Ein solches Entfernungsbild erlaubt wesentlich genauere Auswertungen
als ein einzelnes Empfangselement. Die Mehrzahl der Empfangselemente
kann in der Anordnung als Zeile oder Matrix einfach auf einem Empfangschip
angebracht werden.
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Bevorzugt
sind die Lichtquelle und/oder das Empfangselement unbeweglich gegenüber der Überwachungsvorrichtung.
Dies ist überhaupt
nur möglich,
weil der Test auf optoelektronischen Komponenten beruht und nicht
auf einer mechanischen Bewegung. Damit verbindet sich zugleich der
Vorteil, dass auf jegliche wartungsanfällige und aufwändige mechanische
Bewegungseinrichtungen verzichtet werden kann.
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Bevorzugt
modifiziert die Testeinheit das einfallende Licht mittels einer
in das Empfangselement einstrahlenden Zusatzbeleuchtung. Das ist
eine interne Testung, die von der beobachteten Szenerie gar nicht
abhängt.
Der Test arbeitet somit zuverlässig und
unabhängig
von Umgebungslicht.
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Noch
bevorzugter ist die Zusatzbeleuchtung über einen Strahlteiler eingekoppelt.
Die Zusatzbeleuchtung kann aus geometrischen Gründen nicht unmittelbar vor
dem Empfangselement montiert sein, da sie sonst im Pfad des Lichts
aus dem Überwachungsbereich
stünde.
Ein Strahlteiler löst
dieses geometrische Problem auf elegante Weise.
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Alternativ
strahlt die Zusatzbeleuchtung direkt in das Empfangselement ein.
Damit geht kein Licht über
den Strahlteiler verloren, die Zusatzbeleuchtung muss aber so aufgebaut
sein, dass sie das Licht aus dem Überwachungsbereich noch passieren lässt.
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Bevorzugt
ist die Zusatzbeleuchtung ringförmig
ausgebildet. Damit hat sie eine einfache Geometrie, die das Durchtreten
des Lichts aus dem Überwachungsbereich
ermöglicht.
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Vorteilhafterweise
ist die Lichtquelle für
das Aussenden eines Messlichtpulses und das Empfangselement für eine Entfernungsbestimmung
anhand der Laufzeit des Messlichtpulses ausgebildet, wobei die Testeinheit
dafür ausgebildet
ist, über
die Zusatzbeleuchtung einen Testlichtpuls mit einer vorgegebenen
positiven oder negativen Verzögerung
gegenüber
dem Aussenden des Messlichtpulses in das Empfangselement einzustrahlen.
Eine derartige Verzögerung
wird von dem Empfangselement als Lichtlaufzeit und damit als Entfernung
wahrgenommen, so dass hiermit seine Funktionsfähigkeit sicher getestet werden
kann.
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Bevorzugt
ist die Lichtquelle für
das Aussenden eines Messlichtpulses und das Empfangselement für eine Entfernungsbestimmung
anhand der Laufzeit des Messlichtpulses ausgebildet, wobei die Testeinheit
dafür ausgebildet
ist, über
die Zusatzbeleuchtung einen Testlichtpuls ohne Verzögerung in das
Empfangselement einzustrahlen. Dies ist ein einfacherer Test als
der des vorigen Absatzes, bei dem keine variable Entfernung, sondern
nur die feste Länge
des optischen Wegs von der Zusatzbeleuchtung zum Lichtempfänger gemessen
wird. Dieser Test überprüft nicht
alle denkbaren Fehler, ist er erfolgreich, so ist aber sichergestellt,
dass der Lichtempfänger
noch arbeitet und zumindest im Grundsatz auch in der Lage ist, Entfernungen
zu bestimmen.
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Bevorzugt
ist die Lichtquelle für
das Aussenden modulierten Lichts und das Empfangselement für eine Entfernungsbestimmung
anhand der Phase des modulierten Lichts ausgebildet, wobei die Testeinheit
dafür ausgebildet
ist, über
die Zusatzbeleuchtung moduliertes Licht mit einer vorgegebenen Phase
in das Empfangselement einzustrahlen. Bei dieser Ausführungsform
wird die künstliche
Phasenverschiebung als Maß für die Entfernung
interpretiert und somit die Funktionsfähigkeit des Empfangselements
getestet.
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Wie
bei der Pulslaufzeit kann auch bei der Phasenlage mit und ohne künstliche
Verzögerung getestet
werden. Als ein einfacher Test, der dem Pulslaufzeittest ohne Verzögerung entspricht,
kann dem modulierten Licht eine Phase aufgeprägt werden, so dass die zu messende
Entfernung gerade der Länge
des optischen Wegs von Zusatzbeleuchtung zu Lichtempfänger entspricht
(”Phase
0”). Die
Phase kann aber auch künstlich
verschoben werden, was im Ergebnis einer künstlichen positiven oder negativen Verzögerung entspricht.
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Vorteilhafterweise
ist die Testeinheit dafür ausgebildet,
die Genauigkeit einer in einem Test aus dem modifizierten Licht
ermittelten scheinbaren Entfernung durch Vergleich mit der erwarteten
Entfernung zu überprüfen, wobei
die Genauigkeit mit einer Mindestgenauigkeit verglichen wird, und
wobei insbesondere ein Temperaturfühler vorgesehen ist, um eine
temperaturabhängige
Mindestgenauigkeit aus einer gespeicherten Temperaturkennlinie für den Vergleich
zu verwenden. Bei dem Test wird somit nicht nur festgestellt, dass überhaupt
noch Entfernungen gemessen werden können. Da das erwartete Ergebnis
der Test-Entfernungsmessung feststeht, ist auch der relative Messfehler
durch einfachen Vergleich bestimmbar. Für diesen Messfehler können vorab Grenzen
gesetzt werden, bis zu denen die Überwachungsvorrichtung noch
als korrekt arbeitend anzusehen ist. Da die Genauigkeit des Lichtempfängers temperaturabhängig ist,
können
Genauigkeitsgrenzen genauer bestimmt werden, wenn die aktuelle Temperatur
bekannt ist und anhand einer zuvor gemessenen und abgelegten Temperaturkennlinie
korrigiert wird.
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Bevorzugt
weist die Überwachungsvorrichtung
eine Schutzscheibe auf, wobei die Zusatzbeleuchtung ihr Licht durch
die Schutzscheibe in das Empfangselement einstrahlt und wobei die
Testeinheit insbesondere zusätzlich
für den
Vergleich einer erwarteten Intensität der Zusatzbeleuchtung mit
der tatsächlichen
Intensität
zur Überprüfung der
Lichtdurchlässigkeit
der Schutzscheibe ausgebildet ist. Die Blendung durch die Schutzscheibe
hat den wesentlichen Vorteil, dass auch die Schutzscheibe eine mögliche Fehlerquelle
ist, somit wird bei deren Durchstrahlen ein größerer Teil des optischen Wegs des
Lichts im Betrieb getestet. Zudem nimmt die Schutzscheibe einen
Teil der Lichtintensität,
so dass die Blendung den Lichtempfänger nicht mehr so leicht in
die Sättigung
treibt. Schließlich
ist auch eine Ausführungsform
denkbar, bei der die externe Lichtquelle für die Blendung zum Testen eingesetzt
wird, indem deren Licht direkt durch die Schutzscheibe auf den Lichtempfänger gelenkt
wird, so dass eine eigene Zusatzbeleuchtung entfallen kann.
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In
einer weiteren Ausführungsform
modifiziert die Testeinheit das einfallende Licht, indem das Licht
der Lichtquelle modifiziert wird. Im Gegensatz zu der soeben beschriebenen
Ausführungsform
wird hier nicht intern die Empfangseinheit stimuliert, sondern dem
von extern empfangenen Licht eine Testinformation zusätzlich aufgeprägt. Diese
Testinformation dynamisiert die Szenerie und ermöglicht dadurch einen zuverlässigen Funktionstest.
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Bevorzugt
ist die Lichtquelle für
das Aussenden eines Messlichtpulses und das Empfangselement für eine Entfernungsbestimmung
anhand der Laufzeit des Messlichtpulses ausgebildet, wobei die Testeinheit
dafür ausgebildet
ist, dem Messlichtpuls eine positive oder negative Laufzeitverzögerung aufzuprägen. Der
Unterschied in der Laufzeit des Messlichtpulses wird von der Empfangseinheit
als Entfernungsunterschied interpretiert. Detektiert sie diesen Unterschied,
so ist ihre Funktionsfähigkeit
zuverlässig
nachgewiesen.
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Bevorzugt
ist die Lichtquelle für
das Aussenden modulierten Lichts und das Empfangselement für eine Entfernungsbestimmung
anhand der Phase des modulierten Lichts ausgebildet, wobei die Testeinheit
dafür ausgebildet
ist, dem modulierten Licht eine zusätzliche Phase aufzuprägen. Dies
ermöglicht den
zuverlässigen
Funktionstest für
den Fall, dass die Entfernungen in der beschriebenen Weise über moduliertes
Licht ermittelt werden.
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Das
erfindungsgemäße Testverfahren
kann auf analoge Weise vorteilhaft ausgestaltet werden, wobei sich ähnliche
Vorteile zeigen wie bei der Überwachungsvorrichtung.
Derartige Ausgestaltungen des Testverfahrens sind beispielhaft,
aber nicht abschließend,
in den sich anschließenden
Unteransprüchen
aufgeführt.
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Die
Erfindung wird nachstehend nur beispielhaft auch hinsichtlich weiterer
Merkmale und Vorteile anhand von Ausführungsbeispielen und unter
Bezugnahme auf die Figuren der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Die
Zeichnung zeigt in:
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1 eine
schematische Übersichtsdarstellung
einer ersten Ausführungsform
der Erfindung mit interner Zusatzbeleuchtung über einen Strahlteiler;
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2 eine
schematische Übersichtsdarstellung
einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung mit direkter interner Zusatzbeleuchtung und
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3 eine
schematische Übersichtsdarstellung
einer dritten Ausführungsform
der Erfindung mit Modifikation der nach extern ausstrahlenden Lichtquelle.
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1 zeigt
in einer schematischen Übersicht
eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Überwachungsvorrichtung 1.
Das Licht einer Lichtquelle 2 beleuchtet eine Szenerie
(in der Darstellung rechts des Papiers), und von der Szenerie zurückkehrendes
Licht wird über eine
Abbildungsoptik 3 einem Bildsensor 4 zugeführt. Die Überwachungsvorrichtung 1 dient
dazu, Objekte in einem Überwachungsbereich
der Szenerie zu erkennen.
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Das
Erkennen kann vielen denkbaren Anwendungen von Automatisierung bis
Diebstahlsicherung dienen. Die erkannten Objekte können etwa
gezählt,
ihre Bewegung bestimmt oder die Anwesenheit der Objekte als erlaubt/nicht
erlaubt klassifiziert werden. Ist ein Objekt im letztgenannten Fall
nicht erlaubt, so kann dies das Erzeugen eines Warnsignals auslösen. Eine
solche Anwendung ist die Sicherheitstechnik, in der ein Gefahrenbereich
abzusichern ist, in den keine Objekte eindringen dürfen bzw.
eine gefährliche
Maschine rechtzeitig abzuschalten ist, wenn dennoch Objekte eindringen.
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Die
Darstellung ist stark vereinfacht. Gewöhnlich sind die beschriebenen
Elemente in einem Gehäuse
bzw. einem Tubus untergebracht, der Streulichteinflüsse verringert.
Da der Grundaufbau der Überwachungsvorrichtung 1 lange
bekannt ist und häufig
eingesetzt wird, soll auf Details wie den Tubus und die genaue Wahl
von Blenden und Linsen in der Abbildungsoptik 3 nicht näher eingegangen werden.
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Wichtig
ist allein, dass genügend
Licht der Lichtquelle 2 nach einer Reflexion in der Szenerie
fokussiert auf dem Bildsensor 4 auftrifft, um dort eine Entfernungsauswertung
zu ermöglichen.
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Die
Lichtquelle 2 kann eine Laserdiode sein, deren reflektierter
Strahl auf eine einzelne Photozelle als Bildsensor 4 trifft.
Bevorzugt besteht aber der Bildsensor 4 aus einer Vielzahl
von Empfangseinheiten, die in Form einer Zeile oder einer Matrix
oder sonst der Anwendung angemessen angeordnet sind. Der Bildsensor 4 kann
beispielsweise einen CCD- oder CMOS-Chip aufweisen.
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Der
Bildsensor 4 kommuniziert mit einer Steuerung 5.
Die Steuerung 5 ist außerdem
mit der Lichtquelle 2 verbunden, um diese zum Erzeugen
eines gewünschten
Belichtungsmusters anzusteuern.
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Im
folgenden soll davon ausgegangen werden, dass schon die Empfangselemente
des Bildsensors 4 jeweils mit einer eigenen Auswertungseinheit ausgestattet
sind, mittels derer sie in noch zu erläuternder Weise die Entfernung
ihres Sichtbereichs bestimmen können,
und sie nur diese fertigen Entfernungsdaten sowie meist auch den
hier nicht näher betrachteten
Helligkeitswert an die Steuerung 5 weitergeben. Alternativ
können
die Empfangselemente natürlich
auch lediglich die Rohdaten kommunizieren, die dann von der Steuerung 5 weiterverarbeitet werden.
Auch in dieser Ausführung
einer zentralen Entfernungsberechnung soll wegen der engen Zuordnung
an das jeweilige Empfangselement so gesprochen werden, als werte
das Empfangselement selbst die Entfernungen aus.
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Die
Entfernungsbestimmung erfolgt erfindungsgemäß auf eine von zwei Arten,
wobei auch denkbar ist, beide nebeneinander zu implementieren. Nach
der einen Art sendet die Lichtquelle 2 einen Lichtpuls
aus, dessen Laufzeit bis zur Detektierung im Bildsensor 4 bestimmt
wird. Hier ist wegen der kurzen Zeiten eine sehr genaue Elektronik
erforderlich; bei den hier relevanten Entfernungen in der Größenordnung
von 10 Metern beträgt
die Laufzeit gerade 33 ns. Davon sollen aber noch Bruchteile bestimmbar
sein, um auch Objektbewegungen im Zentimeterbereich detektieren
zu können.
Um aus der Laufzeit absolute Entfernungsdaten zu erhalten, muss
die Überwachungsvorrichtung
geeicht werden, d. h. beispielsweise einmal auf ein Ziel bekannter Entfernung
ausgerichtet werden, um interne Laufzeiten berücksichtigen zu können, oder
indem ein elektro-optischer Shutter eine definierte äußere Laufzeit simuliert.
Alternativ können
aber auch relative Entfernungen verwendet werden, bei denen nur
entschieden wird, um welche relativen Entfernungen sich etwa zwei
aufeinanderfolgende Entfernungsbilder oder ein Entfernungsbild gegenüber einem
Referenzbild unterscheiden.
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Nach
der anderen Art sendet die Lichtquelle 2 moduliertes Licht
aus, also Licht, dem eine zusätzliche
Periode beispielsweise durch sinusartiges Modulieren der Helligkeit
aufgeprägt
ist. Aus der Phasendifferenz zwischen dem modulierten Licht an Lichtquelle 2 und
an dem Bildsensor 4 kann dann die Entfernung berechnet
werden. Die Mehrdeutigkeit bei Verschiebung um ganzzahlige Vielfache
der Periode spielt keine Rolle, wenn die Lichtlaufzeit in einer Periode
in etwa den beobachteten Entfernungen bzw. Entfernungsdifferenzen
entspricht.
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Ist
die somit ermittelte Entfernung eines Empfangselements konstant,
so kann dies an einer derzeit unbewegten Szenerie, aber auch an
einem Fehler des Empfangselements liegen. Um auf derartige Fehler
zu testen, ist eine Modifikationseinrichtung 6 vorgesehen,
die von der Steuerung 5 angesprochen werden kann.
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Die
Modifikationseinrichtung 6 ihrerseits steuert eine Zusatzbeleuchtung 7 an, über welche
die Modifikationseinrichtung 6 je nach Ausführungsform einen
Lichtpuls zu einem genau bestimmten Zeitpunkt oder moduliertes Licht
einer festgelegten Phase erzeugen kann. Die Leistung der Zusatzbeleuchtung 7 ist
so abgestimmt, dass der Lichtempfänger 4 in seinem optimalen
Arbeitsbereich ist, insbesondere nicht in die Sättigung getrieben wird, sondern
typische Signalhöhen
wie auch bei Objektdetektion im eigentlichen Betrieb vorliegen.
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Das
Licht der Zusatzbeleuchtung 7 wird über einen Strahlteiler 7' auf den Bildsensor 4 umgelenkt. Es
besteht also ein Lichtpfad 8 des externen Lichts der Szenerie,
der den Strahlteiler 7' transmittiert,
und ein Lichtpfad 8' der
Zusatzbeleuchtung 7, der von dem Strahlteiler 7' reflektiert
wird. Auf diese Weise kann letztlich die Steuerung 5 über die
Modifikationseinrichtung 6, die Zusatzbeleuchtung 7 und
den Strahlteiler 7' den
Bildsensor 4 mit einem zeitlich genau gesteuerten Lichtpuls
oder moduliertem Licht festgelegter Phase beleuchten.
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Ein
Funktionstest der Empfangselemente des Bildsensors 4 läuft dann
wie folgt ab.
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Bei
einer Entfernungsmessung anhand der Laufzeit schaltet zunächst die
Steuerung 5 die Lichtquelle 2 ab, da ihr Licht
den Funktionstest stören könnte. Dieser
Schritt ist nicht unumgänglich,
wenn die Lichtstärke
der Zusatzbeleuchtung 7 stark genug ist, reflektiertes
Licht der Szenerie zu überstrahlen.
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Danach
gibt die Steuerung 5 dem Bildsensor 4 das Startsignal,
die Lichtquelle 2 hätte
einen Lichtpuls ausgesandt. Außerhalb
des Testbetriebs wäre tatsächlich ein
gleichzeitiger Steuerbefehl an die Lichtquelle 2 gegangen,
einen derartigen Lichtpuls zu erzeugen. Für den Funktionstest unterbleibt
dieser Steuerbefehl an die Lichtquelle 2.
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Mit
einer festgelegten zeitlichen Verzögerung gibt die Steuerung 5 über die
Modifikationseinrichtung 6 einen Steuerbefehl an die Zusatzbeleuchtung,
einen Lichtpuls auszusenden. Dieser Lichtpuls wird dann mit wohlbekannter
Verzögerung
gegenüber
dem Startsignal den Bildsensor 4 über den Strahlteiler 7' entlang des
Lichtpfades 8 erreichen. Daraus ermitteln die Empfangselemente
des Bildsensors 4 eine Entfernung, die natürlich fiktiv
ist, da kein Licht aus der Szenerie empfangen wurde. Die Steuerung 5 erhält diese
berechneten Entfernungen und vergleicht sie mit denen, die nach
der bekannten Verzögerung
zu erwarten sind. Wo sich Abweichungen ergeben, wird ein Fehler
der entsprechenden Empfangseinheit vermutet. Die Verzögerungen
können
variiert werden, um dem Bildsensor 4 unterschiedliche Entfernungen
innerhalb des gesamten Messbereichs der Empfangselemente vorzutäuschen.
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Ein
Sonderfall ist eine Verzögerung
Null, also keine künstliche
Verzögerung.
In diesem Fall ist die zu bestimmende Entfernung gerade die Länge des optischen
Pfads 8'.
Hier kann die Steuerung 5 die Aufgabe der Modifikationseinrichtung 6 durch schlichtes
Einschalten der Zusatzbeleuchtung übernehmen, so dass der aparative
und der Steuerungsaufwand für
diesen Test besonders einfach ist.
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Erfolgt
die Entfernungsmessung anhand der Phase modulierten Lichts, so ist
das Testverfahren ganz ähnlich.
Hier wird lediglich moduliertes Licht einer vorgegebenen Phasenverschiebung
statt eines verzögerten
Lichtpulses verwendet. Auch aus dieser künstlichen Phase berechnen die
Empfangselemente eine Entfernung, die mit der Erwartung bei der
vorgegebenen künstlichen
Phase verglichen wird. Die künstliche
Phase kann variiert werden, um den ganzen Messbereich des Bildsensors 4 auszutesten. Auch
hier ist der Sonderfall der „Phase
0” zu
erwähnen,
bei dem also keine zusätzliche
Phasenverschiebung aufgeprägt
wird und somit das Ergebnis bei intakter Überwachungsvorrichtung 1 gerade
die Länge des
optischen Pfads 8' ist.
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Mit
dem Ergebnis der in dem Test bestimmten Entfernungen lässt sich,
da die Länge
des optischen Pfads 8' und
die fiktive Zusatzlänge
durch eine Verzögerung
bekannt ist, auch ein Messfehler bestimmen. Zu dem Test kann es
dann gehören,
diesen Messfehler mit einer geforderten Messgenauigkeit zu vergleichen.
Diese geforderte Messgenauigkeit kann als fester Grenzwert in der
Steuerung 5 abgespeichert sein, wobei der jeweilige Grenzwert
alternativ auch für
jedes Gerät
schon bei der Produktion bestimmt und in einem Speicher abgelegt
werden kann. Noch genauer sind die Grenzwerte, wenn sie wegen der
Temperaturabhängigkeit
der Genauigkeit des Lichtempfängers 4 temperaturabhängig bestimmt und
gespeichert werden. Die jeweils heranzuziehenden Grenzwerte der
somit hinterlegten Temperaturkennlinie können später beim Test durch Messung der
aktuellen Betriebstemperatur mit einem Temperaturfühler bestimmt
werden.
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In
einer alternativen Ausführungsform
ist auch denkbar, dass die Lichtquelle 2 die Funktion der Zusatzbeleuchtung 7 übernimmt,
indem deren Licht in den Lichtempfänger 4 gelenkt wird.
Vorstellbar ist auch, die Zusatzbeleuchtung als weiteres Element neben
der Lichtquelle 2 außerhalb
der Überwachungsvorrichtung 1 anzuordnen.
Durch diese Variante kann sowohl durch die Abbildungsoptik 3 wie auch
direkt geblendet werden.
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Da üblicherweise
die Überwachungsvorrichtung 1 in
einem Gehäuse
untergebracht ist und das Licht durch eine Frontscheibe bzw. Schutzscheibe nach
innen und außen
gelangt, kann durch die externe Anordnung der Blendungslichtquellen 2, 7 auch die
Lichtdurchlässigkeit
dieser Schutzscheibe geprüft werden.
Damit werden deren Beschädigungen
oder Verschmutzungen aufgedeckt. Die Schutzscheibe dämpft auch
die Leistung der Blendung, so dass es nicht so leicht zu einer Übersättigung
im Lichtempfänger
kommt.
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Die
optische Leistung der Blendungslichtquellen 2, 7 oder
deren Äquivalent
auf dem Lichtempfänger 4 in
der Steuerung 5 kann bewertet werden, um dessen Empfindlichkeit
zu überprüfen. Dies
dient einmal der soeben angesprochenen Überprüfung der Lichtdurchlässigkeit
einer Schutzscheibe. Außerdem hängt von
dieser Empfindlichkeit die Reichweite ab, bis zu der Objekte überhaupt
detektiert werden können.
Ist die Empfindlichkeit unter eine angegebene Reichweite der Überwachungsvorrichtung 1 gesunken,
so ist dies ein Fehler, der durch diese Überprüfung erkannt wird.
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Die
Blendungslichtquelle 2, 7 kann ungefähr im Abstand
der Brennweite der Abbildungsoptik 3 angeordnet sein. Dann
wird der Lichtempfänger 2 vollständig ausgeleuchtet,
so dass gerade im Falle einer CCD- oder CMOS-Matrix alle Pixel überprüft werden können.
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Mittels
des über
den Strahlteiler 7' eingekoppelten
Zusatzlichts ist somit auch bei konstanter Szenerie ein Funktionstest
der Überwachungseinrichtung 1 allein
durch elektronische Steuerbefehle ermöglicht.
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In 2 ist
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Hier wie im weiteren bezeichnen gleiche
Bezugszeichen gleiche Merkmale. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform
wird das Zusatzlicht direkt in den Bildsensor 4 gestrahlt
statt über
den Strahlteiler 7'.
Da die Zusatzbeleuchtung 7 wie in der 2 auch
zu erkennen im optischen Pfad des reflektierten Lichts der Szenerie
sitzt und diese verdecken würde,
muss die Zusatzbeleuchtung 7 geometrisch so angepasst sein,
dass sie den genannten optischen Pfad 8 nicht stört. In dieser
zweiten Ausführungsform
ist das so gelöst,
dass die Zusatzbeleuchtung 7 ringförmig um die Abbildungsoptik 3 angeordnet
ist und leicht nach innen entlang der Pfade 8'' auf den Bildsensor 4 strahlt.
Natürlich
sind andere Geometrien wie etwa eine rechteckige oder andere Anbringungen
vorstellbar, solange der optische Pfad 8 nicht zu stark
beeinträchtigt
wird.
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Sowohl
bei der ersten und zweiten Ausführungsform
als auch mit beiden Messmethoden durch Laufzeit- oder Phasenbestimmung
kann die Zusatzbeleuchtung 7 auch aus mehreren Teilen aufgebaut sein,
um in ein und demselben Bild bzw. Testdurchlauf unterschiedlichen
Bereichen des Bildsensors 4 und damit unterschiedlichen
Empfangselementen unterschiedliche Entfernungen vorzuspiegeln.
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Der
Funktionstest gemäß erster
und zweiter Ausführungsform
ist wegen der internen Zusatzbeleuchtung von einer Referenzszenerie
unabhängig und
daher besonders für
mobile Anwendungen geeignet.
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3 zeigt
eine dritte Ausführungsform
der Erfindung. In dieser Ausführungsform
wird auf die Zusatzbeleuchtung 7 verzichtet und statt dessen
das Licht der Lichtquelle 2 modifiziert. Dazu ist die Modifikationseinrichtung 6 nunmehr
zwischen die Steuerung 5 und die Lichtquelle 2 geschaltet.
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Entsprechend ändert sich
auch der Ablauf des erfindungsgemäßen Testverfahrens. Die Steuerung 5 gibt
der Modifikationseinrichtung 6 einen Befehl, dass nunmehr
kein normaler Betrieb, sondern ein Test folgen soll. Dann gibt sie über die
Modifikationseinrichtung 6 einen Einschaltbefehl an die
Lichtquelle 2 und zugleich ein Synchronisationssignal an den
Bildsensor 4. Im Falle der Entfernungsmessung durch Lichtpulse
verzögert
nun die Modifikationseinrichtung den Lichtpuls um einen vorgegebenen
Betrag, im Falle der Entfernungsmessung durch moduliertes Licht
wird dagegen die Phase um einen vorgegebenen Betrag verschoben.
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Das
Licht der Lichtquelle 2 erreicht dann nach Reflexion in
der Szenerie über
den Ausgangpfad 9, den Reflexionspfad 9', die Abbildungsoptik 3 und
den optischen Pfad 8 die Empfangselemente im Bildsensor 4.
Diese wissen nichts von dem Test und der Modifikation des Lichts,
sondern berechnen in üblicher
Weise die Entfernung und geben die Entfernungsdaten an die Steuerung 5 weiter.
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In
der Steuerung 5 kann dann verglichen werden, ob das Entfernungsbild
plausibel ist. Dazu müssen
die Entfernungsdaten zumindest innerhalb enger Toleranzen gerade
um die von der Modifikationseinrichtung 6 eingeführte Verfälschung
von einem kurz vor oder nach dem Test aufgenommenen oder statisch
gespeicherten Referenzbild abweichen. Als Testdaten können auch
Daten aus verarbeiteten Bildern verwendet werden, beispielsweise
detektierte Objekte, Hintergrundflächen oder dergleichen, mit denen
nicht unbedingt nur auf Ebene von Einzelpixeln verglichen wird.
Empfangseinheiten, bei denen sich nicht gerade die erwartete Abweichung
ergibt, müssen
zunächst
als defekt gelten und eingehender getestet werden.
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Die
Szenerie ist also gemäß der dritten
Ausführungsform
mittels einer Manipulation derart dynamisiert, dass ein zuvor definierter
und damit korrigierbarer künstlicher
Messfehler erzeugt wird.
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Da
der Funktionstest gemäß der dritten
Ausführungsform
auf dem reflektierten Licht basiert, ist er für eine mobile Überwachungsvorrichtung 1 beispielsweise
auf einem fahrbaren Roboter oder Fahrzeug weniger geeignet: Es muss
sichergestellt sein, dass überhaupt
genug Licht von der Hintergrundszene reflektiert wird. Dafür kann aber
auf die Zusatzbeleuchtung 7 verzichtet werden, und es wird
auch der gesamte Signalweg getestet und nicht, wie bei den beiden
anderen Ausführungsformen,
nur der interne.
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Die
angegebenen Tests können
in jeglichem entfernungsmessenden Sensor mit ein-, zwei- und dreidimensionalem Überwachungsbereich
eingesetzt werden. Als ein zusätzlicher
Funktionstest können
Testzyklen für
einen Dunkeltest eingefügt
werden, bei dem weder geblendet noch das Licht aus der Szenerie
verändert
wird. Anhand des Dunkelrauschens können zumindest gewisse Pixelfehler
wie ein „Einbrennen” (stuck
at low/stuck at high) gefunden werden. Mit der oben angegebenen
Temperaturkennlinie kann das erwartete Rauschmaß bei gemessener Temperatur
bestimmt und mit dem tatsächlichen
Rauschmaß verglichen
werden. Dieser Test ist in einigen Aspekten redundant, deckt aber
relativ sicher zumindest grobe Fehlfunktionen auf.
-
- 1
- Überwachungsvorrichtung
- 2
- Lichtquelle
- 3
- Abbildungsoptik
- 4
- Bildsensor
mit Empfangselementen
- 5
- Steuerung
- 6
- Modifikationseinrichtung
- 7
- Zusatzbeleuchtung
- 8
- optischer
Pfad (von Abbildungsoptik)
- 8'
- optischer
Pfad (von Strahlteiler)
- 9
- optischer
Pfad (zur Szenerie)
- 9'
- optischer
Pfad (von Szenerie)