DE102019123449A1 - Lichtlaufzeitkamerasystem mit hohem Dynamikumfang - Google Patents

Abstract

Lichtlaufzeitkamerasystem, mit einer Beleuchtung (10), einem Lichtlaufzeitsensor (20) und einem Linsensystem (25)wobei die Beleuchtung (20) zur Aussendung eines einzelnen, horizontal ausgerichteten, intensitätsmodulierten Lichtstreifens ausgebildet ist und das Linsensystem (25) für die Abbildung des von der Beleuchtung (10) ausgesendeten und von einem Objekt (40) reflektierten Lichtstreifen auf dem Lichtlaufzeitsensor (20) abbildet,wobei das Linsensystem (25) derart ausgestaltet ist, dass in horizontaler Richtung Schärfe und Kontrast höher sind als in vertikaler Richtung.

Description

• Die Erfindung betrifft Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.
• Als Lichtlaufzeitkamera bzw. Lichtlaufzeitkamerasysteme werden insbesondere Lichtlaufzeit bzw. 3D-TOF-Kamerasysteme bevorzugt, 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 beispielsweise in der DE 197 04 496 C2 beschrieben sind.
• Aufgabe der Erfindung ist es ein Lichtlaufzeitkamerasystem hinsichtlich der Belichtungsdynamik zu verbessern.
• Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst.
• Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem, mit einer Beleuchtung, einem Lichtlaufzeitsensor und einem Linsensystem vorgesehen,
  wobei die Beleuchtung zur Aussendung eines einzelnen, horizontal ausgerichteten, intensitätsmodulierten Lichtstreifens ausgebildet ist
  und das Linsensystem für die Abbildung des von der Beleuchtung ausgesendeten und von einem Objekt reflektierten Lichtstreifen auf dem Lichtlaufzeitsensor ausgebildet ist,
  wobei das Linsensystem derart ausgestaltet ist, dass in horizontaler Richtung Schärfe und Kontrast höher sind als in vertikaler Richtung.
• Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass durch die unscharfe Abbildung in vertikaler Richtung die Distanzinformation des empfangenen streifenförmigen Lichts auf mehreren in der Vertikalen angeordneten Pixel mit abnehmender Intensitätsamplitude verteilt wird, so dass immer ein Pixel mit einer ausreichend hohen aber nicht in Sättigung gelangten Amplitude zur Verfügung steht.
• Bevorzugt weist das Linsensystem in vertikaler Richtung (v, y) eine höhere Brennweite als in horizontaler Richtung (h, x) auf (f_v > f_h).
• Durch diese anamorphotische Ausprägung der Linse wird bevorzugt die horizontale Ebene mit einem großen Sichtfeld auf der Sensormatrix abgebildet während in vertikaler Richtung das Sichtfeld zur Erfassung des streifenförmigen Lichts verkleinert wird.
• In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, eine Basisbreite einer Punktspreizfunktion psf_v in vertikaler Richtung größer als eine Basisbreite einer Punktspreizfunktion psf_h in horizontaler Richtung auszubilden.
• Hieraus ergibt sich, dass die Modulationstransferfunktion in horizontaler Richtung einen höheren Kontrast aufweist als in vertikaler Richtung.
• In einer weiteren Ausgestaltung ist es bevorzugt vorgesehen, dass der Sensor und/oder Linsensystem zur Verbesserung der Abbildungsschärfe gemäß Scheimpflug-Prinzip ausrichtbar sind.
• Besonders vorteilhaft ist ein Überwachungssystem mit wenigsten einem Lichtlaufzeitkamerasystem der vorgenannten Art vorgesehen.
• 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 ein erfindungsgemäßes Kamerasystem,
• 4 ein Aufbau gemäß 4 mit einem anamorphotischen Linsensystem,
• 5 schematisch eine Punktspreizfunktion des anamorphotischen Linsensystems,
• 6 schematisch ein geeigneter MTF-Verlauf,
• 7 schematisch eine Anpassung des Linsensystem an eine Objektausrichtung
• 8 eine Anordnung des Kamerasystems für eine Rundumüberwachung,.
• 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. 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 ein Array von Laufzeitpixel 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 M_o 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 Mo 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 + Δ(_P(t_L) als Empfangssignal S_p2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M_o 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 Mo in einem ersten Akkumulationsgate Ga und in einer um 180° verschobenen Phasenlage M₀ + 180° in einem zweiten Akkumulationsgate Gb. Aus dem Verhältnis der im ersten und zweiten Gate Ga, Gb gesammelten Ladungen qa, qb lässt sich die Phasenverschiebung Δφ(t_L) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.
• 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitkamerasystem, bei dem die Beleuchtung 12 derart ausgestaltet ist, dass ein im Wesentlichen streifenförmiges Beleuchtungslicht ausgestrahlt wird. Dieses emittierte und von einem Objekt 40 reflektierte Beleuchtungslicht trifft auch den Lichtlaufzeitsensor 20 naturgemäß streifenförmig auf. Insbesondere bei nahen oder hochreflektierenden Objekten besteht die Gefahr, dass die erfassenden Lichtlaufzeitpixel in Sättigung geraten. Ebenso kann die Dynamik einer Szene, d.h. maximales Verhältnis zwischen Signal von einem schwach reflektierenden Objekt in großem Abstand und einem stark reflektierenden Objekt in nahem Abstand, die Dynamik eines Pixels des Lichtlaufzeitsensors übersteigen. Um sowohl ferne als auch nahe Objekte erfassen zu können ist ein möglichst großer Dynamikumfang des erfassenden Sensors wünschenswert.
• Erfindungsgemäß wird zu Vergrößerung des Dynamikumfangs ein Linsensystem mit unterschiedlichen Punktspreizfunktionen bzw. Modulationstransfer Funktionen in x- und y-Richtung vorgeschlagen. Bevorzugt ist das Linsensystem anamorphotisch ausgebildet
• 4 zeigt einen Lichtlaufzeitsensor 20 mit einer Linse 25 bzw. einem Linsensystem 25 zur Abbildung des vom Objekt 40 reflektierten Lichtstreifens. Wie in 5 und 6 dargestellt ist das Linsensystem 25 derart ausgestaltet, das in x-Richtung die Punktspreizfunktion psf_x ein schmales Maximum aufweist und eine kontrastreiche und scharfe Abbildung liefert, während in y-Richtung die Punktspreizfunktion psf_y verbreitert ist und eine kontrastarme und unscharfe Abbildung erzeugt.
• Das Linsensystem bildet somit nur in einer Richtung scharf und in der anderen, orthogonal dazu stehenden, unscharf ab.
• Die unscharfe Abbildung in einer Richtung verursacht ein Gauss-ähnliches Intensitätsprofil auf einer Zeile bzw. Spalte, wobei alle Pixel auf der Zeile bzw. Spalte demselben Punkt des Objektes zugeordnet werden können. Bei wenig einfallendem Licht können die zentralen Pixel dieser Verteilung mit geringen Intensitätseinbußen ausgelesen werden. Bei viel einfallendem Licht, das bei scharfer Abbildung oder im Zentrum der Verteilung zur Sättigung Pixel führen würde, können nun die Pixel am Rand der Verteilung ausgelesen werden, da diese eine deutlich geringere Intensität als die Pixel im Zentrum erhalten.
• Zur gezielten Erzeugung der Unschärfe wird eine spezielles Objektiv verwendet, das in zwei Raumrichtungen unterschiedliche Eigenschaften aufweist. Die Unschärfe kann durch verschiedene Methoden generiert werden, beispielsweise:
• - Verwendung von einer oder mehreren Zylinderlinsen oder torischen Linsen zur Veränderung der Brennweite des Objektivs in einer Richtung,
• - Verwendung von einer oder mehreren Zylinderlinsen oder torischen Linsen zur Verschiebung des Brennpunkts des Objektivs in einer Richtung mit oder ohne Veränderung der Brennweite,
• - Verkippung von Linsen zur Ausnutzung des dadurch verursachten Astigmatismus,
• - Verwendung von speziellen Azylindrischen oder Atorischen Linsen zur gezielten, richtungsspezifischen Beeinflussung der Point Spread Function,
• - Verwendung eines Systems aus zylindrischen und/oder torischen Linsen zur gezielten, richtungsspezifischen Beeinflussung der Point Spread Function.
• Insbesondere ist es von Vorteil das Sichtfeld FOVy in vertikaler y-Richtung zu minimieren und das Sichtfeld FOVx in horizontaler x-Richtung zu maximieren: $$\text{FOVy}<\text{FOVx}$$

  
• Jede dieser Methoden kann auch in Kombination mit rotationssymmetrischen Optiken angewandt werden.
• Durch gezielte Beeinflussung der Point Spread Function kann sowohl die Anzahl von Pixeln, die in jedem Betriebspunkt sensitiv sein sollen, als auch der Umfang der Dynamikerweiterung gezielt gestaltet werden.
• Im Fall eines Bildsensors, der eine Integrations- und Auslesesteuerung beispielsweise mit einem floating shutter realisiert, kann die Dynamik durch individuelle Timings, die pro Pixel, Zeile oder Spalte individuell eingestellt werden, zusätzlich erweitert werden. So können beispielsweise lange Integrationszeiten im Zentrum der Verteilung eingestellt werden, während zunehmend kürzere Intergrationszeiten in den äußeren Bereichen eingestellt werden.
• Soll Licht von einer verkippten Fläche bzw. verkippten Objekt 40 scharf abgebildet werden, so ist es, wie in 7 gezeigt vorteilhaft, die Linse bzw. das Linsensystem 25 und/oder den Sensor 20 zu verkippen, um die Scheimpflug Bedingung zu erfüllen.
• Durch die Verwendung eines anamorphotischen Linsensystems mit in verschiedenen Richtungen unterschiedlichen Brennweiten ist es möglich, ein Objektiv bzw. Linsensystem 25 zu konstruieren, in dem die Scheimpflug Bedingung in nur einer Richtung erfüllt ist. In der dazu orthogonalen, bewusst unscharfen Richtung wird dadurch abhängig vom Abstand zum Objekt, beispielsweise bei nahen Objekten, zusätzliche Unschärfe erzeugt. Dies verringert die Intensität auf dem Sensor zusätzlich und kann teilweise die Dynamik ausgleichen, die durch unterschiedliche Abstände zu Objekten der Szene entsteht.
• Es kann erforderlich sein sicherzustellen, dass alle Pixel, die in unscharfer Richtung beleuchtet werden, Licht von demselben Punkt auf dem Objekt erhalten, da prinzipiell auch Licht von einem in die unscharfe Richtung verschobenen Punkt des Objekts auf den Sensor gelangen kann.
• Dies ist durch Einschränkung des Sichtfeldes in der unscharfen Richtung mittels Linsen und/oder Blenden möglich. Alternativ kann dies durch eine gezielte, in unscharfer Richtung schmale Beleuchtung erreicht werden.
• Im Fall, dass mehr als eine Ebene beleuchtet werden soll, ist eine Konstruktion zu wählen, bei der mehrere Strahlen in unterschiedlichen Winkeln zeitlich parallel oder sequentiell emittiert werden. Die Abbildungen sollten sich örtlich zum gleichen Zeitpunkt nicht überlappen. Entweder wird demnach ein Bildsensor mit ausreichender Auflösung und Ausdehnung gewählt, oder die Aufnahmen erfolgen für die sich überlappenden Bereiche sequentiell.
• 8 zeigt eine Ausführungsform, bei der mit Hilfe von sechs erfindungsgemäßen Lichtlaufzeitkamerasystemen eine 360° Rundumüberwachung realisiert werden kann.
• Die Sicht- und Beleuchtungsfelder FOV der Lichtlaufzeitkamerasysteme können beispielsweise so eingestellt sein, dass eine Überlappung der Sichtfelder FOV der Kamerasysteme beispielsweise bereits in einem Nachbereich von 0,1 m erfolgt. Durch die erfindungsgemäße Dynamikerweiterung wären dann beispielsweise Überwachungsbereiche von 0,1 m bis 5 m oder mehr denkbar.
• Selbstverständlich können auch Rundumüberwachungen mit einer anderen Anzahl von Kameras realisiert werden, ebenso kann auch ein geringer Winkelbereich überwacht werden. Beispielsweise kann in der Ausführung gemäß 8 auch ein Kamerasystem weglassen werden. Abhängig von der Brennweite der Linsensysteme 25 ergibt sich beispielsweise ein Winkelbereich von kleiner 360° und größer 300°. Selbstverständlich sind auch andere Varianten denkbar.
• Bezugszeichenliste

1

Lichtlaufzeitkamerasystem

10

Beleuchtungsmodul

12

Beleuchtung

20

Empfänger, Lichtlaufzeitkamera

22

Lichtlaufzeitsensor

30

Modulator

35

Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber

40

Objekt

φ, Δφ(t_L)

laufzeitbedingte Phasenverschiebung

φ_var

Phasenlage

φ₀

Basisphase

Mo

Modulationssignal

p1

erste Phase

p2

zweite Phase

Sp1

Sendesignal mit erster Phase

Sp2

Empfangssignal mit zweiter Phase

Ga, Gb

Integrationsknoten

d

Objektdistanz

q

Ladung

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 19704496 C2 [0002]
• DE 19704496 A1 [0016]

Claims (6)

1. Lichtlaufzeitkamerasystem, mit einer Beleuchtung (10), einem Lichtlaufzeitsensor (20) und einem Linsensystem (25) wobei die Beleuchtung (20) zur Aussendung eines einzelnen, horizontal ausgerichteten, intensitätsmodulierten Lichtstreifens und das Linsensystem (25) für die Abbildung des von der Beleuchtung (10) ausgesendeten und von einem Objekt (40) reflektierten Lichtstreifen auf dem Lichtlaufzeitsensor (20) ausgebildet sind, wobei das Linsensystem (25) derart ausgestaltet ist, dass in horizontaler Richtung (x, h) Schärfe und Kontrast höher sind als in vertikaler Richtung (y, v).
2. Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 1, bei dem das Linsensystem in vertikaler Richtung (v, y) eine höhere Brennweite als in horizontaler Richtung (h, x) aufweist (f_v > f_h )
3. Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Basisbreite einer Punktspreizfunktion psf_v in vertikaler Richtung größer ist als eine Basisbreite einer Punktspreizfunktion psf_h in horizontaler Richtung.
4. Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Modulationstransferfunktion in horizontaler Richtung einen höheren Kontrast aufweist als in vertikaler Richtung.
5. Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Sensor (20) und/oder Linsensystem (25) zur Verbesserung der Abbildungsschärfe gemäß Scheimpflug-Prinzip ausrichtbar sind.
6. Überwachungssystem mit wenigsten einem Lichtlaufzeitkamerasystem nach einem der vorherigen Ansprüche.

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