DE102016201599A1 - Lichtlaufzeitkamerasystem - Google Patents

Abstract

Lichtlaufzeitkamerasystem (1), mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) der wenigstens ein Lichtlaufzeitpixel mit mindestens zwei Integrationsknoten (Ga, Gb) aufweist, mit einer Beleuchtung (10) zur Aussendung eines Lichtsignals (Sp1), mit einem Modulator (30) zur Erzeugung eines Modulationssignals (M0), der mit dem Lichtlaufzeitsensor (22) und der Beleuchtung (10) verbunden ist, mit einer Auswerteeinheit, die ausgehend von den an den Integrationsknoten (Ga, Gb) des Lichtlaufzeitpixels gesammelten Ladungen (q) Entfernungswerte (φ, d) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung (10) eine Polarisationseinrichtung (200) aufweist und derart ausgestaltet ist, dass das von der Beleuchtung (10) emittierte Licht in wenigsten zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen ausgesendet werden kann.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
• 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 der DE 197 04 496 A1 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.
• Aus der DE 197 04 496 A1 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 arctan-Funktion eine Phasenverschiebung und somit eine Entfernung zu bestimmen.
• Aufgabe der Erfindung ist es, die Entfernungsmessung eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu verbessern.
• Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem und Verfahren nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst.
• Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, mit einem Lichtlaufzeitsensor der wenigstens ein Lichtlaufzeitpixel mit mindestens zwei Integrationsknoten aufweist,
  mit einer Beleuchtung zur Aussendung eines Lichtsignals,
  mit einem Modulator zur Erzeugung eines Modulationssignals, der mit dem Lichtlaufzeitsensor und der Beleuchtung verbunden ist,
  mit einer Auswerteeinheit, die ausgehend von den an den Integrationsknoten des Lichtlaufzeitpixels gesammelten Ladungen Entfernungswerte ermittelt,
  wobei die Beleuchtung derart ausgestaltet ist, dass das von der Beleuchtung emittierte Licht in wenigsten zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen ausgesendet werden kann.
• Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass beispielsweise über das Ausbreitungsverhalten des ausgesendeten und empfangenen polarisierten Lichts Rückschlüsse über die Ausbreitungswege insbesondere einer Mehrwegausbreitung getroffen werden können.
• Praktischerweise besteht die Beleuchtung aus einem Array von Lichtquellen, wobei wenigstens ein Teil der Lichtquellen Polarisationsfilter aufweisen oder/und ein polarisiertes Licht aussenden, wobei die Lichtquellen in wenigsten zwei Gruppen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung aufgeteilt sind.
• Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass ein Wechsel der Polarisationsrichtungen sehr schnell durch Umschalten zwischen Lichtquellengruppen unterschiedlicher Polarisation erfolgen kann.
• Besonders vorteilhaft ist das Lichtlaufzeitkamerasystem derart ausgestaltet, dass die Beleuchtung ein erstes Licht synchron zum Modulationstakt M0 mit einer ersten Polarisationsrichtung und ein zweites Licht synchron zum komplementären Modulationstakt M0 + 180° mit einer zweiten Polarisationsrichtung oder unpolarisiert emittiert.
• Durch dieses Vorgehen wird von der Beleuchtung ein Licht abgestrahlt, das zeitlich in seiner Polarisation moduliert ist. Störungen in den Polarisationsrichtungen des Lichts, beispielsweise durch streifende Reflektionen an Objekten, können dann leicht als Intensitätsschwankungen im empfangenen Signal erkannt werden.
• Ferner ist es von Vorteil die Auswerteeinheit des Lichtlaufzeitkamerasystems derart auszubilden, dass in dem Störer-Erkennungsmodus ein Vorliegen einer Mehrwegausbreitung an einem Lichtlaufzeitpixels erkannt wird, wenn ein Differenzsignal der Integrationsknoten des Lichtlaufzeitpixels von Null abweicht bzw. einen Grenzwert nahe Null überschreitet ist.
• Ohne Störungen in der Lichtausbreitung erhalten beide Kanäle die gleiche Lichtmenge, so dass die Differenz zwischen beiden Kanälen zu Null wird. Im gestörten Fall wird durch den Störer wenigstens eine Polarisationsrichtung in ihrer Intensität beeinflusst, so dass im Ergebnis das Differenzsignal an den Integrationsknoten von Null abweicht.
• In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, das System derart auszubilden, dass wenigstens zwei Entfernungsmessungen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen der Beleuchtung durchgeführt werden, wobei dann ein Vorliegen einer Mehrwegausbreitung an einem Lichtlaufzeitpixels erkannt wird, wenn eine Differenz der in diesen Entfernungsmessungen ermittelten Entfernungswerte einen Grenzwert überschreitet.
• Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass anhand bereits vollständig durchgeführter Entfernungsmessungen gestörte und ungestörte Entfernungswerte erkannt werden können.
• Ebenso vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben des vorgenannten Lichtlaufzeitkamerasystems vorgesehen, bei dem in einem Störer-Erkennungsmodus die Beleuchtung ein Licht mit wechselnden Polarisationsrichtungen und konstanter Lichtintensität und Pulslänge bzw. konstante Lichtmenge/-leistung aussendet, wobei die Polarisationsrichtung synchron zum Modulationssignal wechselt, und dass eine Störung der Lichtausbreitung erkannt wird, wenn an einem ersten und zweiten Integrationsknoten eines Lichtlaufzeitpixels ein von Null abweichendes Differenzsignal erfasst wird.
• Gleichermaßen ist ein Verfahren nützlich, bei dem wenigstens zwei Entfernungsmessungen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen durchgeführt werden und ein Vorliegen einer Mehrwegausbreitung an einem Lichtlaufzeitpixels erkannt wird, wenn eine Differenz der in diesen Entfernungsmessungen ermittelten Entfernungswerte einen Grenzwert überschreitet.
• Auch hier kann es vorgesehen sein, dass das Licht einer Polarisationsrichtung unpolarisiert ausgesendet wird.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
• 2 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger,
• 3 Verläufe der Ladungsintegration abhängig von der Phasenverschiebung und -lage,
• 4 eine Relation der Phasenverschiebung in einem IQ-Diagramm,
• 5 einen Modulationsverlauf für eine Entfernungsmessung über vier Phasenlagen,
• 6 eine durch Mehrwegausbreitung gestörte Entfernungsmessung,
• 7 eine Mehrwegausbreitung im IQ-Phasendiagramm,
• 8 eine Beleuchtung mit einem Polarisationsarray,
• 9 Ergebnisse von gestörten Entfernungsmessungen,
• 10 ein in der Polarisation moduliertes Gleichlicht,
• 11 ein in der Polarisation gestörtes Gleichlicht gemäß 10,
• 12 ein in der Polarisation moduliertes Gleichlicht mit vier Polarisationsrichtungen,
• 13 ein Variante mit zwei Polarisationsrichtungen und einem Duty-Cycle von 25%.
• Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
• 1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der DE 197 04 496 A1 bekannt ist.
• Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. eine Beleuchtung 10 mit einer Lichtquelle 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 Laufzeitpixel, vorzugsweise auch 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.
• 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 M₀ 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 φ_var verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φ_var = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.
• Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal S_p1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ₀ + φ_var aus. Dieses Signal S_p1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(t_L) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ₀ + φ_var + Δφ(t_L) als Empfangssignal S_p2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M₀ mit dem empfangenen Signal S_p2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.
• 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.
• 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 S_p2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit t_L phasenverschoben Δφ(t_L) auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Der Lichtlaufzeitsensor 22 sammelt die photonisch erzeugten Ladungen q über mehrere Modulationsperioden in der Phasenlage des Modulationssignals M₀ in einem ersten Akkumulationsgate bzw. Integrationsknoten Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M₀ + 180° in einem zweiten Integrationsknoten Gb. Aus der Differenz der im ersten und zweiten Knoten Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ(t_L) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.
• 3a und 3b zeigen Verläufe der normierten Ladungsdifferenz Δq = q_a – q_b/(q_a + q_b) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung Δφ(t_L) des empfangenen Lichtsignals S_p2 mit unterschiedlichen Phasenlagen. Die 3a zeigt einen Verlauf für eine unverschobene Modulationsphase M₀ mit einer Phasenlage φ_var = 0°.
• Bei einem Auftreffen des Signals S_p2 ohne Phasenverschiebung also Δφ(t_L) = 0°, beispielsweise, wenn das Sendesignal S_p1 direkt auf den Sensor gelenkt wird, sind die Phasen der Modulation M₀ und vom empfangenen Signal S_p2 identisch, so dass alle erzeugten Ladungsträger phasensynchron am ersten Integrationsknoten Ga erfasst werden und somit ein maximales Differenzsignal mit Δq = 1 anliegt.
• Mit zunehmender Phasenverschiebung nimmt die am ersten Integrationsknoten Ga akkumulierte Ladung ab und am zweiten Integrationsknoten Gb zu. Bei einer Phasenverschiebung von Δφ(t_L) = 90° sind die Ladungsträger qa, qb an beiden Integrationsknoten Ga, Gb gleich verteilt und die Ladungsdifferenz 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.
• Mathematisch handelt es sich hierbei um eine Korrelationsfunktion des empfangenen Signals S_p2 mit dem modulierenden Signal M₀.

  
• 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.
• Wie 3a zeigt, ist eine Messung der Phase mit einer Phasenlage nur bis zu einer Phasenverschiebung Δφ(t_L) ≤ 180° eindeutig.
• 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 φ_var = 0° und φ_var = 90°. Das Ergebnis einer Messung mit der Phasenlage φ_var = 90° ist in 5b dargestellt.
• Die Beziehung dieser beiden Kurven lässt sich in bekannter Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm bzw. Phasendiagramm gem. 4 darstellen. In erster Näherung ist diese Darstellung ohne weiteres auch für die dargestellten Dreiecksfunktionen anwendbar.
• Der Phasenwinkel lässt sich dann in bekannter Weise über eine arctan-Funktion bzw. arctan2-Funktion bestimmen: φ = Δφ(t_L) = arctan Δq(90°) / Δq(0°)
• Um beispielsweise Asymmetrien des Sensors zu kompensieren, können zusätzliche um 180° verschobene Phasenmessungen durchgeführt werden, so dass sich im Ergebnis der Phasenwinkel wie folgt bestimmen lässt. φ = Δφ(t_L) = arctan Δq(90°) – Δq(270°) / Δq(0°) – Δq(180°)
• Oder verkürzt formuliert:

  
• Wobei die Indizes die jeweilige Phasenlage der Differenzen a_i andeuten, mit a₁ = Δq(0°) usw.
• Aus der Phasenverschiebung φ bzw. Δφ(t_L) lassen sich für Objektabstände d, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge λ der Modulationsfrequenz d ≤ λ/2, in bekannter Weise ein Abstand bestimmen. d = Δφ(t_L) λ / 2π· 1 / 2
• In 5 ist ein vollständiger Satz einer Entfernungsmessung mit vier Phasenlagen von 0°, 90°, 180° und 270° dargestellt. Im dargestellten Fall werden Ladungsträger jeweils über Modulationsperioden integriert und in jeder Phasenlage ein der Ladungsdifferenz entsprechender Wert a₁, a₂, a₃, a₄ ausgelesen, woraus sich wie bereits dargestellt eine Phasenverschiebung und ein entsprechender Entfernungswert ermitteln lässt.
• 6 zeigt eine Situation, bei der ein Messpunkt MP an einem Objekt 40.1 über zwei Wege von der Beleuchtung 10 des Lichtlaufzeitkamerasystems 1 beleuchtet wird. Im dargestellten Fall liegt innerhalb des Ausleuchtungsbereichs des Lichtlaufzeitkamerasystems 1 ein reflektierendes Objekt 40.2 an dem das von der Beleuchtung 10 emittierte Licht in Richtung des Messpunkts MP reflektiert wird. Der Messpunkt wird somit zum einen direkt und zum anderen indirekt über Reflektion an dem weiteren Objekt 40.2 beleuchtet. Der Lichtlaufzeitsensor 22 der Lichtlaufzeitkamera 20 erhält somit für diesen Messpunkt MP ein primäres Empfangssignal Sp2 mit einer Phasenlage p2, die der zweifachen Objektentfernung entspricht und ein sekundäres Empfangssignal Sp2', dessen Phasenlage p2' um den zusätzlichen Weg über das zweite Objekt 40.2 vergrößert ist.
• 7 zeigt die Situation gemäß 6 in einem Phasendiagramm. Anhand der erfassten Phasenlagen p2 des Empfangssignals S wird wie zuvor beschrieben eine laufzeitbedingte Phasenverschiebung Δφ(t_L) bzw. vereinfacht ein Phasenwinkel φ ermittelt. Liegt keine mehrfache Beleuchtung des Messpunktes MP vor, korrespondiert der Phasenwinkel φ mit der tatsächlichen Objektentfernung.
• Der Phasenwinkel φ der tatsächlichen Objektentfernung bzw. des primären Empfangssignals Sp2 wird jedoch durch die Phase β des sekundären Empfangssignals Sp2' überlagert. Da am Sensor 22 nur die Summe der beiden Empfangssignale Sp2, Sp2' am Messpunkt MP erfasst werden kann, summieren sich die Phasenwinkel φ, β zu einem scheinbaren Phasenwinkel φ', der im dargestellten Fall größer ist als der Phasenwinkel φ der tatsächlichen Objektentfernung.
• Die Größe der Abweichung hängt vornehmlich von der Amplitude des sekundären Empfangssignals Sp2' bzw. der Stärke der Reflektion am zweiten Objekt 40.2 ab. Ebenso sind auch Reflektionen störend, die eine Phasenverschiebung des Signals verursachen. Die Stärke der Reflektion wird hauptsächlich durch den Einfallswinkel, den Materialeigenschaften und der Oberflächenbeschaffenheit beeinflusst. Problematisch können hier insbesondere Glasoberflächen bei einem streifen Einfall sein, da hier in Form einer Fresnelreflektion das einfallende Licht fast ohne Verluste reflektiert wird. Problematisch sind auch Raumecken, da durch diffuse Reflektion des beleuchtenden Lichts an der angrenzenden Wand ein Messpunkt MP aus einer Vielzahl von Raumrichtungen beleuchtet werden kann.
• Kerngedanke der Erfindung ist es nun, die durch Reflektion entstandenen sekundären Empfangssignale Sp2' zu erkennen und/oder deren Amplitude zu reduzieren. Erfindungsgemäß wird ausgenutzt, dass die Polarisation des sekundären Empfangssignals Sp2' zwischen Sender 10 und Empfänger 20 grundsätzlich einer Beeinflussung bzw. Veränderung unterliegt.
• Gemäß der Fresnel Gleichungen ist die Reflektivität auch bei diffus oder schwach reflektierenden Medien polarisationsabhängig. Insbesondere für große Einfallswinkel respektive „streifendem Einfall” ergeben sich große Reflektivitätsunterschiede bezüglich der Polarisationsrichtung der einfallenden Strahlung.
• Für störende Objekte 40.2, welche selbst nicht polarisierend wirken – egal ob die Polarisation der reflektierten Strahlung zufällig ist (z. B. matte weiße Wand) oder polarisationserhaltend sind in Bezug auf die einfallende Strahlung (z. B. metallisierte Leinwände) – sind Reflexanteile, welche aufgrund ihres Weges polarisationsabhängig reflektiert wurden, identifizierbar, indem die Beleuchtung 10 mit unterschiedlichen Polarisationen betrieben wird.
• Zur Bestimmung der Polarisationsrichtung des sekundären Empfangssignals Sp2' sollte wenigstens mit drei Polarisationsrichtung (0°, 45°, 90°) vorzugsweise mit vier Polarisationsrichtungen (0°, 45°, 90°, 135°) gearbeitet werden. Die 0° Winkellage kann naturgemäß beliebig festgelegt werden.
• Für den Sonderfall, dass alle zu erwartenden störenden Reflexursachen entweder waagerecht oder senkrecht orientiert sind – z. B. Wände, Schränke, Fenster, Tischoberflächen, Gewässeroberflächen – kann es ausreichend sein mit zwei Polarisationsrichtungen (z. B. 0° = senkrecht und 90° = waagerecht) bei der Beleuchtung 10 zu arbeiten. Allgemein ist notwendig, dass die verwendeten Polarisationsrichtungen nicht beide nahezu denselben Winkel zu den Normalen der störenden Objektoberflächen 40.2 aufweisen. Generell kann aber auch mit anderen als den oben genannten Polarisationswinkeln gearbeitet werden.
• Grundsätzlich sind drei Systemauslegungen denkbar:
  a) der Empfänger 20, b) der Sender 10 oder c) Sender 10 und Empfänger 20 weisen eine Polarisationsvorrichtung auf, deren Polarisationsrichtung vorzugsweise einstellbar ist.
• In 8 ist exemplarisch die Variante b) gezeigt, bei der der Sender 10 bzw. deren Lichtquellen 12 mit Polarisationsfiltern 17 ausgestattet sind. Die Lichtquellen 12.1.1–12.n.n sind matrixförmig bzw. als Array angeordnet, wobei unmittelbar benachbarte Lichtquellen 12.1.1–12.n.n unterschiedliche Polarisationsrichtungen 0°, 45°, 90°, 135° aufweisen.
• Weisen die Lichtquellen 12 bereits selbst polarisierende Eigenschaften auf, beispielsweise Kantenemitter-Laserdioden, so können statt der Polarisationsfilter 17, die Lichtquellen 12 entsprechend ihrer Polarisation unterschiedlich ausgerichtet werden.
• Ebenso ist es denkbar, eine oder alle Lichtquellen 12 mit einer Polarisation ändernden Vorrichtung auszustatten, beispielsweise einer Pockels-Zelle oder einer LCD-Ebene. So können beispielsweise alle Lichtquellen gemeinsam in der Polarisation geändert werden. Auch sind Mischformen denkbar, bei denen die einen Lichtquellen eine feste Polarisation aufweisen und ein anderer Teil der Lichtquellen mit einer veränderbaren Polarisationsvorrichtung ausgestattet sind.
• In einer möglichen erfindungsgemäßen Betriebsweise, wird die Beleuchtung während einer vollständigen Entfernungsmessung immer nur mit einer Polarisationsrichtung betrieben, die Lichtquellen mit abweichender Polarisationsrichtung bleiben ausgeschaltet. Die vollständige Entfernungsmessung durchläuft hierbei alle für die Messung notwendigen Phasenlagen. Hiernach würde eine zweite Entfernungsmessung mit einer abweichenden Polarisationsrichtung durchgeführt. Weichen die ermittelten Entfernungswerte voneinander ab, ist davon auszugehen, dass die Messungen mit hoher Wahrscheinlichkeit durch eine Mehrwegausbreitung gestört werden.
• In 9 sind beispielhaft mögliche Phasenwinkel φ bzw. Entfernungswerte d in Abhängigkeit unterschiedlicher Polarisationsrichtungen gezeigt. Für die Polarisationswinkel 0° und 90° werden im Wesentlichen die gleichen Distanzen ermittelt, während die Distanzen d für die Polarisationsrichtungen 45° und 135° stark abweichen. Ein derartiges Ergebnis weist auf eine Störung durch Mehrwegausbreitung hin. Darüber hinaus ist zu erwarten, dass die geringste Störung bei der Polarisationsrichtung vorliegt, bei der der Entfernungswert d, φ minimal ist. Im vorliegenden Fall wäre dies bei einer Polarisationsrichtung von 90°.
• In einer möglichen Auswertung, kann es dann vorgesehen sein, nur den minimalsten Entfernungswert auszugeben, ggf. mit einem Hinweis auf eine Störung durch Mehrwegausbreitung. Je nach Größe der Abweichungen kann ggf. auch eine quantifizierte Störungsmeldung ausgegeben werden. Auch kann es vorgesehen sein, bei zu großen Abweichungen, die vorzugsweise einen Grenzwert überschreiten, alle Entfernungsmessung als gestört zu verwerfen.
• Auch kann es vorgesehen sein, die Polarisationsrichtung in den verschieden Phasenlagen unterschiedlich zu wählen und im Hinblick auf Mehrwegausbreitungen auszuwerten.
• In einer weiteren Ausgestaltung gemäß 10 kann es vorgesehen sein, neben der reinen Entfernungsmessung eine Störermessung zur Detektion von Mehrwegausbreitungen durchzuführen. Hierzu wird die Beleuchtung nicht nur im Takte des Modulationssignals betrieben, sondern zusätzlich auch im komplementären um 180° Phasenlage verschobenen Takt M₀ + 180°. Im synchronen Takt M₀ werden die Lichtquellen 12 der Beleuchtung 10 mit einer ersten Polarisationsrichtung, hier ϑ = 0 und im komplementären Takt M₀ + 180° mit einer zweiten Polarisationsrichtung, hier ϑ = 90° betrieben.
• Liegt keine Mehrwegausbreitung MWA vor und weist auch das untersuchte Objekt 40 keine polarisationsändernden Eigenschaften, insbesondere eine polarisationsabhängige Reflektivität, auf, entspricht das empfangene Signal Sp2 einem Gleichlichtsignal ohne Modulation. Die Integrationsknoten Ga, Gb bzw. die A- und B-Kanälen des PMD-Pixels bzw. Lichtlaufzeitpixels erhalten die gleiche Lichtinformation, so dass die Differenz der beiden Kanäle A – B bzw. die Differenz der akkumulierten Ladungen q_a – q_b gleich Null ist.
• Liegt jedoch eine polarisationsabhängige Mehrwegausbreitung MWA vor, wird als Empfangssignal Sp2', wie in 11 gezeigt, statt einem unmodulierten Gleichlicht ein moduliertes Signal Sp2' empfangen. Dieses Signal wird im Takte des Modulationssignals zwischen dem ersten und zweiten Integrationsknoten Ga, Gb bzw. A- und B-Kanal aufgeteilt, mit dem Ergebnis, dass bei einem durch Mehrwegausbreitung MWA gestörtes Signal Sp2', die Differenz zwischen den beiden Kanälen bzw. deren Ladungsdifferenz q_a – q_b von Null verschieden ist. In praktischer Umsetzung wird ein Signal vorzugsweise dann als gestört betrachtet, wenn die Ladungsdifferenz einen Grenzwert nahe Null übersteigt. Der Grenzwert erlaubt es Messunsicherheiten, Asymmetrien des Sensors etc., die ggf. allein schon kanalabhängige Abweichungen verursachen, abzufangen, und wird vorzugsweise so festgelegt, dass systembedingte Abweichungen diesen Grenzwert nicht überschreiten.
• 12 zeigt eine Variante, bei der der Duty-Cycle der Beleuchtung 10 für eine Polarisationsrichtung ϑ statt 50% auf 25% reduziert wurde. Hierdurch ist es möglich das Sendesignal Sp1 mit vier Polarisationsrichtungen auszubilden. Im dargestellten Fall werden im Takte der Modulationsfrequenz die Polarisationsrichtungen 0° und 90° und im komplementären Takt die Polarisationsrichtungen 45° und 135° bereitgestellt. Wie im Beispiel zur 10 summieren sich die Signale ohne Störeinflüsse zu einem Gleichlicht. Im Störungsfalle einer polarisationsverändernden Mehrwegausbreitung MWA sind für die unterschiedlichen Polarisationsrichtungen unterschiedliche Empfangsamplituden Sp2 zu erwarten, die sich dann als Differenz zwischen beiden Kanälen A, B zu erkennen gibt.
• 13 zeigt eine Variante bei der, wie im Beispiel gemäß 12, der Duty-Cycle der Beleuchtung auf 25% reduziert wurde, jedoch statt vier nur zwei Polarisationsrichtungen verwendet werden. Grundsätzlich kann das Verfahren auch in den vorgenannten Ausführungen mit Duty-Cycle kleiner 50% bis hin zu theoretisch einem Dirac-Impuls betrieben werden. Wesentlich ist, dass die Einschaltpulse/-intervalle der Beleuchtung mit der jeweils unterschiedlichen Polarisation komplementär um 180° verschoben erfolgen und dass die Lichtleistung bzw. Lichtmenge in den Einschaltintervallen gleich groß ist.
• Im dargestellten Beispiel beginnt das erste Einschaltintervall der Beleuchtung mit der ersten Polarisation ϑ = 0° zeitgleich mit der Ansteuerung des ersten Integrationsknoten Ga und das zweite Einschaltintervall mit der Polarisation ϑ = 90° zeitgleich mit der Ansteuerung des zweiten Integrationsknoten Gb. Grundsätzlich muss der Beginn eines Einschaltintervalls der Beleuchtung nicht zeitgleich mit der Ansteuerung eines Integrationsknotens erfolgen, maßgeblich ist, dass die Einschaltintervalle synchron mit dem Modulationssignal erfolgen und einen Phasenabstand von 180° aufweisen.
• Grundsätzlich können auch Störungen diffuser Reflexe oder durchleuchteter Objekte erkannt werden, sofern sie polarisierend sind. Auch mehrfache Reflexe sind erkennbar. Des Weiteren sind auch andere Duty-Cycle bzw. Tastverhältnisse der Beleuchtung denkbar, um beispielsweise weitere Polarisationsrichtungen abbilden zu können. Auch müssen die Polarisationsrichtungen nicht senkrecht aufeinander stehen. So sind auch Winkel von 0°, 60° und 120° denkbar. In einem solchen Fall würde die Beleuchtung vorzugsweise mit einem Taktverhältnis von 33,3% betrieben werden. Ebenso können „krumme” Werte verwendet werden wie beispielsweise 0°, 41°, 86° etc.
• 14 zeigt eine Variante gemäß 13, bei die Polarisationsrichtung des ausgesendeten Lichts nicht im Takte des Modulationssignals gewechselt, sondern über mehrere Modulationstakte konstant gehalten wird.
• Im dargestellten Beispiel wird zunächst über drei Modulationstakte Licht in einer ersten Polarisationsrichtung ϑ = 0° und nach einem Takt Pause über weitere drei Modulationstakte in einer zweiten Polarisationsrichtung ϑ = 90° um M₀ + 180° phasenverschoben ausgesandt.
• In Summe werden an beiden Kanälen A, B bzw. Integrationsknoten Ga, Gb die gleichen Nutzlichtsignalanteile erfasst, wie im Beispiel gemäß 13. Vorteil der Ausführung gemäß 14 ist, dass die Umschaltung zwischen den Polarisationsrichtungen mit einer niedrigeren Frequenz erfolgen kann und zwischen den Umschaltung bei Bedarf eine größere Zeitspanne möglich ist. Ein solches Vorgehen ist insbesondere immer dann von Vorteil, wenn die Polarisationsrichtung aller Lichtquellen gemeinsam umgeschaltet werden soll und der verwendete Polarisator eine größere Zeitspanne für die Polarisationsänderung benötigt.
• Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Akkumulation der Lichtanteile nicht auf zwei Sequenzen beschränkt sein muss, es können auch mehrere Sequenzen mit alternierenden Polarisationsrichtungen vorgesehen sein. Maßgeblich ist, dass die für jeden Kanal ausgesendete Lichtmenge gleich groß ist, so dass ohne Störung die Differenz beider Kanäle zu Null wird.
• Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt, so sind ohne weiteres auch Kombinationen der Ausführungsbeispiele denkbar.
• Bezugszeichenliste

1

Lichtlaufzeitkamerasystem

10

Beleuchtungsmodul

12

Beleuchtung

20

Empfänger, Lichtlaufzeitkamera

22

Lichtlaufzeitsensor

27

Auswerteeinheit

30

Modulator

35

Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber

38

Modulationssteuergerät

40

Objekt

400

Auswerteeinheit

φ, Δφ(t_L)

laufzeitbedingte Phasenverschiebung

φ_var

Phasenlage

φ₀

Basisphase

M₀

Modulationssignal

p1

erste Phase

p2

zweite Phase

Sp1

Sendesignal mit erster Phase

Sp2

Empfangssignal mit zweiter Phase

Ga, Gb

Integrationsknoten

Ua, Ub

Spannungen an den Integrationsknoten

ΔU

Spannungsdifferenz

Δq

Ladungsdifferenz

d

Objektdistanz

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 19704496 A1 [0002, 0003, 0035]

Claims (9)

1. Lichtlaufzeitkamerasystem (1), mit einem Lichtlaufzeitsensor (22) der wenigstens ein Lichtlaufzeitpixel mit mindestens zwei Integrationsknoten (Ga, Gb) aufweist, mit einer Beleuchtung (10) zur Aussendung eines Lichtsignals (Sp1), mit einem Modulator (30) zur Erzeugung eines Modulationssignals (M0), der mit dem Lichtlaufzeitsensor (22) und der Beleuchtung (10) verbunden ist, mit einer Auswerteeinheit, die ausgehend von den an den Integrationsknoten (Ga, Gb) des Lichtlaufzeitpixels gesammelten Ladungen (q) Entfernungswerte (φ, d) ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtung (10) derart ausgestaltet ist, dass das von der Beleuchtung (10) emittierte Licht in wenigsten zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen ausgesendet werden kann.
2. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) nach Anspruch 1, bei dem die Beleuchtung (10) aus eine Array von Lichtquellen (12) besteht und wenigstens ein Teil der Lichtquellen (12) Polarisationsfilter (17) aufweisen oder/und im Betrieb ein polarisiertes Licht aussenden, wobei die Lichtquellen (12) in wenigsten zwei Gruppen mit unterschiedlicher Polarisationsrichtung aufgeteilt sind.
3. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Lichtlaufzeitkamerasystem (1) derart ausgestaltet ist, dass die Beleuchtung (1) ein erstes Licht synchron zum Modulationstakt M0 mit einer ersten Polarisationsrichtung und ein zweites Licht synchron zum komplementären Modulationstakt M0 + 180° mit einer zweiten Polarisationsrichtung oder unpolarisiert emittiert wird.
4. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Lichtlaufzeitkamerasystems (1) derart ausgebildet ist, dass ein Vorliegen einer Mehrwegausbreitung an einem Lichtlaufzeitpixels erkannt wird, wenn ein Differenzsignal der Integrationsknoten (Ga, Gb) des Lichtlaufzeitpixels von Null abweicht bzw. einen Grenzwert nahe Null überschreitet.
5. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem das Lichtlaufzeitkamerasystems (1) derart ausgebildet ist, dass wenigstens zwei Entfernungsmessungen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen der Beleuchtung (10) durchgeführt werden.
6. Lichtlaufzeitkamerasystem (1) nach Anspruch 5, bei dem das Lichtlaufzeitkamerasystems (1) derart ausgebildet ist, dass ein Vorliegen einer Mehrwegausbreitung an einem Lichtlaufzeitpixels erkannt wird, wenn eine Differenz der in diesen Entfernungsmessungen ermittelten Entfernungswerte (d) einen Grenzwert überschreitet.
7. Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in einem Störer-Erkennungsmodus, in wenigstens zwei Phasenlagen oder in wenigsten zwei Entfernungsmessungen Licht mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen ausgesendet wird.
8. Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem in einem Störer-Erkennungsmodus die Beleuchtung (10) Licht mit wechselnden Polarisationsrichtungen aussendet, und dass eine Störung der Lichtausbreitung erkannt wird, wenn an einem ersten und zweiten Integrationsknoten (Ga, Gb) eines Lichtlaufzeitpixels ein von Null abweichendes Differenzsignal erfasst wird.
9. Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems (1) nach einem der Ansprüche 1, 2, 5 und 6, bei dem wenigstens zwei Entfernungsmessungen mit unterschiedlichen Polarisationsrichtungen durchgeführt werden, ein Vorliegen einer Mehrwegausbreitung an einem Lichtlaufzeitpixels erkannt wird, wenn eine Differenz der in diesen Entfernungsmessungen ermittelten Entfernungswerte (d) einen Grenzwert überschreitet.

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