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Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Mit Lichtlaufzeitkamerasystem sollen nicht nur Systeme umfasst sein, die Entfernungen direkt aus der Lichtlaufzeit ermitteln, sondern insbesondere auch alle Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kameras sind insbesondere PMD-Kameras mit Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. in den Anmeldungen
EP 1 777 747 ,
US 6 587 186 und auch
DE 197 04 496 beschrieben und beispielsweise von der Firma 'ifm electronic GmbH’ oder 'PMD-Technologies GmbH' als Frame-Grabber O3D bzw. als CamCube zu beziehen sind. Die PMD-Kamera erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können. Selbstverständlich sollen mit dem Begriff Kamera bzw. Kamerasystem auch Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät O1D der Anmelderin.
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Aus der
DE 197 04 496 ist ferner die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des von einem Objekt reflektierten Lichts bekannt. Insbesondere wird offenbart, die Sendermodulation gezielt um 90°, 180° oder 270° zu verschieben, um aus diesen vier Phasenmessungen über eine arctan2-Funktion eine Phasenverschiebung und somit eine Entfernung zu bestimmen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Energieeffizienz eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu verbessern.
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Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren und Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems vorgesehen, bei dem ein Lichtlaufzeitsensor mit einer Grundmodulation und eine Lichtquelle mit einer von der Grundmodulation abhängigen Beleuchtungsmodulation betrieben wird, wobei ein Dutycycle der Beleuchtungsmodulation kleiner ist als ein Dutycycle der Grundmodulation.
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Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass der Dutycycle und somit auch die benötigte Beleuchtungsenergie reduziert werden.
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Insbesondere ist es von Vorteil, den Dutycycle der Beleuchtungsmodulation kleiner 50 %, insbesondere 35 % und besonders bevorzugt gleich 25 % zu wählen. Bei einer derartigen Modulation der Beleuchtung erlaubt es bei gleicher Messgenauigkeit Beleuchtungsenergie einzusparen oder bei gleichem Energieeinsatz die Messgenauigkeit zu erhöhen.
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Ebenso vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, das zur Durchführung eines der vorgenannten Verfahren ausgebildet ist, mit einer Beleuchtung zur Aussendung und einer Lichtlaufzeitkamera zum Empfang eines modulierten Lichts, mit einem Modulator zur Erzeugung eines ersten Modulationssignals zum Betreiben der Lichtlaufzeitkamera, wobei ein Steuergerät derart ausgebildet ist, dass ausgehend vom ersten Modulationssignal ein zweites Modulationssignal zum Betreiben der Beleuchtung erzeugt wird, das einen geringeren Dutycycle aufweist als das erste Modulationssignal. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
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2 eine modulierte Integration der erzeugten Ladungsträger,
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3 zwei zeitliche Verläufe der Ladungsintegration mit unterschiedlichen Phasenlagen,
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4 Relation der Integration in einem IQ-Diagramm,
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5 einen Intensitätsverlauf einer erfindungsgemäßen Beleuchtungsmodulation,
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6 einen Intensitätsverlauf einer laufzeitbedingten Phasenverschiebung,
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7 eine Korrelation der angepassten Modulation mit der Grundmodulation,
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8 eine um 90° verschobene Korrelation
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9 Intensitätsprofile für unterschiedliche Dutycycle
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10 Korrelationsfunktionen für unterschiedliche Dutycycle,
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11 eine relativen Distanzfehler in Abhängigkeit des Phasenwinkels.
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der
DE 197 04 496 bekannt ist.
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Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Lichtlaufzeitpixel, vorzugsweise ein Pixel-Array, auf und ist insbesondere als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik 25 besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 15 der Sendeeinheit 10 kann beispielsweise als Reflektor oder Linsenoptik ausgebildet sein. In einer sehr einfachen Ausgestaltung kann ggf. auch auf optische Elemente sowohl empfangs- als auch sendeseitig verzichtet werden.
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Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasenverschiebung des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit und somit die zurückgelegte Wegstrecke des empfangenen Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einem bestimmten Modulationssignal Mo mit einer Basisphasenlage φ0 beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase φ0 des Modulationssignals M0 der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.
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Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben ∆φ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + ∆φ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal Mo mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
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Ferner ist ein Modulationssteuergerät 38 vorgesehen, mit dem die Form und insbesondere Puls- und Pausenverhältnisse des Modulationssignals vorgegeben werden. Auch kann über das Modulationssteuergerät 38 der Phasenschieber 35 in Abhängigkeit der durchzuführenden Messaufgabe angesteuert werden.
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Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbereichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.
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Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals M0 mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal Sp2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit tL phasenverschoben ∆φ(tL) auf den Lichtlaufzeitsensor 22.
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Der Lichtlaufzeitsensor 22 weist typischerweise eine erstes und zweites Akkumulationsgate Ga, Gb auf in denen in Abhängigkeit des Potentialverlaufs im lichtempfindlichen Bereichs die photonisch erzeugten Ladungen q abwechselnd über mehrere Modulationsperioden gesammelt werden. Die in der unverschobenen Phasenlage erzeugten Ladungen q werden im ersten Akkumulationsgate Ga und die in der um 180° verschobenen Phasenlage M0 + 180° im zweiten Akkumulationsgate Gb gesammelt. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung ∆φ(tL) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.
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3a und 3b zeigen Verläufe der Ladungsdifferenz ∆q = qa – qb/(qa + qb) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung ∆φ(tL) des empfangenen Lichtsignals Sp2 mit unterschiedlichen Phasenlagen. Die 3a zeigt einen Verlauf für eine unverschobene Modulationsphase M0 mit einer Phasenlage φvar = 0°.
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Bei einem Auftreffen des Signals Sp2 ohne Phasenverschiebung also ∆φ(tL) = 0°, beispielsweise, wenn das Sendesignal Sp1 direkt auf den Sensor gelenkt wird, sind die Phasen der Modulation M0 und vom empfangenen Signal Sp2 identisch, so dass alle erzeugten Ladungsträger phasensynchron am ersten Gate Ga erfasst werden und somit ein maximales Differenzsignal mit ∆q = 1 anliegt.
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Mit zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Akkumulationsgate Ga ab und am zweiten Akkumulationsgate Gb zu. Bei einer Phasenverschiebung von ∆φ(tL) = 90° sind die Ladungsträger qa, qb an beiden Gates Ga, Gb gleich verteilt und die Differenz somit Null und nach 180° Phasenverschiebung "–1". Mit weiter zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Gate Ga wieder zu, so dass im Ergebnis die Ladungsdifferenz wieder ansteigt, um dann bei 360° bzw. 0° wieder ein Maximum zu erreichen.
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Mathematisch handelt es sich hierbei um eine Korrelation bzw. Autokorrelation des empfangenen Signals S
p2 mit dem modulierenden Signal M
0.
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Bei einer Modulation mit einem Rechtecksignal ergibt sich wie bereits dargestellt als Korrelationsfunktion eine Dreiecksfunktion. Bei einer Modulation mit beispielsweise einem Sinussignal wäre das Ergebnis eine Kosinusfunktion.
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Wie 3a zeigt, ist eine Messung der Phase mit einer Phasenlage nur bis zu einer Phasenverschiebung ∆φ(tL) ≤ 180° eindeutig.
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Zur maximalen Erfassung der Phasenverschiebung ist beispielsweise das IQ(Inphase-Quadratur) Verfahren bekannt, bei dem zwei Messungen mit um 90° verschobenen Phasenlagen durchgeführt werden, also beispielsweise mit der Phasenlage φvar = 0° und φvar = 90°. Das Ergebnis einer Messung mit der Phasenlage φvar = 90° ist in 3b dargestellt.
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Die Beziehung dieser beiden Kurven lässt sich in bekannter Art und Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm gem. 4 darstellen. In erster Näherung ist diese Darstellung ohne weiteres auch für die dargestellten Dreiecksfunktionen anwendbar.
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Der Phasenwinkel lässt sich dann in bekannter Weise über eine arctan- bzw. arctan2-Funktion, bestimmen: φ = arctan ∆q(90°) / ∆q(0°)
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Um beispielsweise Asymmetrie des Sensors zu kompensieren, können zusätzliche um 180° verschobene Phasenmessungen durchgeführt werden, so dass sich im Ergebnis der Phasenwinkel wie folgt bestimmen lässt. φ = arctan ∆q(90°) – ∆q(270°) / ∆(0°) – ∆q(180°)
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Durch Korrelation der PMD-Modulation bzw. Grundmodulation M0 mit der laufzeitbedingt phasenverschobenen Beleuchtungsmodulation Sp2 lässt sich somit eine Phasenverschiebung und Entfernung bestimmen. Die Modulationsfrequenz bzw. die Modulationswellenlänge definiert dabei einen Eindeutigkeitsbereich innerhalb dessen sich die Phase um 360° verschiebt. Größere Phasen werden auf diesen Bereich zurückgefaltet. Treten bei der Zielanwendung allerdings nur bestimmte Phasenlagen bzw. Entfernungen auf, die kleiner als der Wertebereich sind, so lässt sich diese Information nutzen, um ein auf den Arbeitsbereich maßgeschneidertes Modulationssignal zu erzeugen.
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Üblicherweise werden der Lichtlaufzeitsensor 22 und die Beleuchtung 10 mit einem Dutycycle von 50 % betrieben. In potentiellen Anwendungen, die intrinsisch nur einen Bruchteil dieses Eindeutigkeitsbereiches ausschöpfen, wird allerdings diese Information des eingeschränkten Bereiches nicht genutzt. Wie im Folgenden gezeigt wird, kostet dies Energie und Dynamik ohne das Signal zu verbessern.
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Die obere Kurve in 5 zeigt ein Modulationssignal M0 bzw. eine Grundmodulation und die beiden darunter folgenden Kurven ein um 0° und 90° in der Phasenlage verschobenes Beleuchtungssignal Sp1(0°)50DC, Sp1(90°)50DC.
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Für den Fall dass der komplette Wertebereich der laufzeitbedingten Phasenverschiebung ∆φ(tL) zwischen 0° und 90° liegt, so zeigt sich, dass der unmarkierte Bereich des Einschaltintervalls der Beleuchtungsmodulation Sp1(0°)50DC, Sp1(90°)50DC komplett innerhalb einer Taktphase bzw. Einschaltintervall der Grundmodulation M0 liegt und somit in der Korrelation nur einen konstanten Betrag liefert, der im Ergebnis keinerlei Entfernungsinformation enthält. Der markierte Bereich hingegen rastert gewissermaßen die fallende Flanke der Grundmodulation M0 ab und enthält die gesamte Entfernungsinformation. Wird bei der Modulierung der Beleuchtung auf den unmarkierten Bereich verzichtet, so ergibt sich eine Pulsform Sp1(0°)25DC, Sp1(90°)25DC mit einem Dutycycle von 25 %, wie sie in den beiden unteren Kurven der 5 abgebildet ist.
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Bei identischer Belichtungszeit bzw. Integrationszeit besitzen beide Verfahren die gleiche Auflösung, da gewissermaßen die markierten Bereiche gleich sind. Beim erfindungsgemäßen Vorgehen ist der Stromverbrauch jedoch aufgrund des geringeren Dutycycle deutlich reduziert. Das somit kleinere Signal, bei gleichem Informationsgehalt, erlaubt ferner eine deutlich längere Integrationszeit und damit eine Dynamiksteigerung.
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In den Messungen bei verschiedenen Phasenlagen, die für eine Entfernungsmessung erforderlich sind, ändert sich natürlich der Bereich des Signales, der effektiv die Information trägt. Dies lässt sich aber berücksichtigen, so dass immer nur der Bereich des Signals entfernt wird, der keine Information trägt.
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Die veränderte Form der Beleuchtungsmodulation Sp1 hat natürlich auch Einfluss auf die Korrelation- bzw. Autokorrelationsfunktion AKF. Dieser Einfluss ist exemplarisch in 6 und 7 dargestellt.
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6 zeigt Pulsfolgen unterschiedlicher, laufzeitbedingter Phasenverschiebungen ∆φ(tL). Die erste Pulsfolge zeigt die unverschobene Sendeimpulsfolge Sp1(0°)25DC mit 0° Phasenlage und 25 % Dutycycle. Die nachfolgenden Pulsfolgen Sp2, die dann letztendlich vom Sensor 22 erfasst werden, sind jeweils um 90° laufzeitbedingt verschoben dargestellt.
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Die Korrelation der empfangenen, phasenverschobenen Beleuchtungsmodulation Sp2 mit der Grundmodulation M0 führt zu einer Korrelationsfunktion gemäß 7. Mit zunehmender Phasenverschiebung ∆φ(tL) nimmt die Korrelation ab, um bei 90° ein abgeflachtes Minimum zu erreichen. Ab 180° nimmt die Korrelation wieder zu und erreicht bei 270° ein abgeflachtes Maximum, das bis 360° bzw. 0° auf diesem Niveau bleibt.
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7 zeigt exemplarisch eine Korrelationsfunktion für eine um 90° verschobene Phasenlage.
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Die Korrelationsfunktionen gemäß 7 und 8 sind entgegen der Autokorrelationsfunktionen gemäß 3 nur in einem kleineren Bereich eindeutig. In einem einfachen Anwendungsfall kann es daher vorgesehen sein, die reduzierte Beleuchtungsmodulation nur für laufzeitbedingte Phasenverschiebungen von 0° bis 90° vorzusehen. Liegt die Wellenlänge der Grundmodulation M0 beispielsweise bei 8 m ergibt dies im Ergebnis ein Messintervall von 0 bis 1 m. Dieses Messintervall muss selbstverständlich nicht bei einem absoluten Abstand von 0 m beginnen, sondern kann innerhalb des möglichen Messbereichs von 0 bis 4 m verschoben werden.
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Aufgrund der Limitierung auf einen kleinen Bereich des Eindeutigkeitsbereiches kann ggf. auf die vorgenannte „arctan-Methode“ verzichtet und können auch direkte „Fit-Algorithmen“ verwendet werden. In einer einfachen Anwendung kann beispielsweise die Korrelationsfunktion für den 0° bis 90°-Bereich in einer Kennwerttabelle zur Verfügung gestellt werden. Ebenso ist es denkbar die Korrelation als mathematische Funktion zu hinterlegen. Selbstverständlich sind auch weitere Auswertemethoden denkbar.
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Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Steigung der Korrelationsfunktion im relevanten Messbereich im Wesentlichen identisch ist zu dem Fall der normalen Messung, so dass im relevanten Messbereich der Fehler beider Verfahren grundsätzlich gleich groß ist.
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9 zeigt exemplarisch Intensitätsprofile für unterschiedliche Dutycycle. Die durchgezogene entspricht dem üblichen Betrieb mit einem Dutycycle von 50 %, d.h. die Beleuchtung wird zu einem Anteil von 50 % der Periodendauer T betrieben. Die gestrichelte Line entspricht einem Dutycycle von 35 % und die gepunktete Line von 25 %. Wird die Energie, mit der die Lichtquelle betrieben wird, für die verschiedenen Dutycycle konstant gehalten, so erhöht sich bei gleichbleibender Lichtmenge dementsprechend die Lichtintensität.
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Wird keine höhere Lichtintensität benötigt, kann diese auf der Höhe eines üblichen Betriebs verbleiben, wobei dann aufgrund der kürzeren Einschaltdauer Energie gespart wird.
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10 zeigt Kurvenverläufe der Korrelationsfunktion für unterschiedliche Dutycycle. Beim Dutycycle von 50 % ergibt sich die bereits zuvor besprochene Dreiecksfunktion, die hier mit durchgezogener Linie dargestellt ist. Wird der Dutycycle verkürzt bildet sich an den Extrempunkten bei 90° und 270° ein Plateau aus, das sich mit kleiner werdendem Dutycycle vergrößert.
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11 zeigt eine Abschätzung eines relativen Distanzfehlers für unterschiedliche Dutycycle in Abhängigkeit der zu messenden Phasenverschiebung. Der relative Distanzfehler ist auf den maximalen Distanzfehler des 50 % Dutycycle normiert. Der Distanzfehler der Phasenmessung schwankt periodisch in Abhängigkeit der zu messenden Phase. Die Minima der Distanzfehler weisen für alle gezeigten Dutycycle einen Phasenabstand von 90° auf. Der Distanzfehler des 50 % Dutycycle schwankt zwischen 0,7 und 1 während die 25 % und 35 % Dutycycle zwischen 0,5 und 0,7 schwanken und somit immer genauer sind als der 50% Dutycycle.
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Die Verteilung der Minima kann insbesondere auch für bestimmte Messaufgaben vorteilhaft ausgenutzt werden. So kann es beispielsweise vorgesehen sein, die Phasenlagen der Beleuchtungsmodulation gegenüber der Phasenlagen der Grundmodulation so zu verschieben, dass das Minium der Distanzfehler in einen bevorzugten Messbereich fällt.
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Beispielsweise könnte die Phasenlage so verschoben werden, dass die Genauigkeit am Ende des bevorzugten Arbeitsbereiches am größten ist, da man dort typischerweise die kleinsten Amplituden und das größte Rauschen hat. Durch dieses Vorgehen kann in vorteilhafter Weise eine hohe Messgenauigkeit über den gesamten Arbeitsbereich bzw. Messbereich sichergestellt werden.
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Selbstverständlich sind auch andere Konfigurationen denkbar, um die jeweilige Messaufgabe zu optimieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Beleuchtungsmodul
- 12
- Beleuchtung
- 22
- Lichtlaufzeitsensor
- 27
- Auswerteeinheit
- 30
- Modulator
- 35
- Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber
- 38
- Modulationssteuergerät
- ∆φ(tL)
- laufzeitbedingte Phasenverschiebung
- φvar
- Phasenlage
- φ0
- Basisphase
- M0
- Modulationssignal
- p1
- erste Phase
- p2
- zweite Phase
- Sp1
- Sendesignal mit erster Phase
- Sp2
- Empfangssignal mit zweiter Phase
- Ga, Gb
- Akkumulationsgates
- Ua, Ub
- Spannungen am Modulationsgate
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1777747 [0002]
- US 6587186 [0002]
- DE 19704496 [0002, 0003, 0023]
