DE102020100822B4

DE102020100822B4 - Beleuchtungsmodul für ein Lichtlaufzeitkamerasystem

Info

Publication number: DE102020100822B4
Application number: DE102020100822.8A
Authority: DE
Inventors: Holger Bette
Original assignee: PMDtechnologies AG
Current assignee: PMDtechnologies AG
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2020-01-15
Publication date: 2023-12-21
Anticipated expiration: 2040-01-16
Also published as: DE102020100822A1

Abstract

Beleuchtungsmodul (10) zur Aussendung eines modulierten Lichts für ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
mit einem ersten, zweiten und dritten Strahlformer (51, 52, 53),
wobei der erste Strahlformer (51) ein Lichtstrahl einer Lichtquelle (12) aufweitet und auf den zweiten Strahlformer (52) lenkt,
der zweite Strahlformer (52) ist derart ausgebildet, dass das vom ersten Strahlformer (51) auftreffende Licht radial auf den dritten Strahlformer (53) ausgelenkt wird,
wobei der dritte Strahlformer (53) eine Diffusionsstruktur aufweist, die das vom zweiten Strahlformer (52) radial ausgelenkte Licht diffus abstrahlt,
wobei die Strahlformer (51, 52, 53) für eine radiale Lichtauslenkung von 360° ausgebildet sind
und wobei der dritte Strahlformer (53) derart ausgestaltet ist, dass bei einem senkrechten Lichteinfall eine cosinusförmige Strahlverteilung erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Beleuchtungsmodul für ein Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung des Anspruchs 1, die insbesondere im Hinblick auf Augensicherheit optimiert ist.
Derartige Lichtlaufzeitkamerasysteme betreffen insbesondere 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 beispielsweise in der DE 197 04 496 A1 beschrieben 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.
Die DE 11 2013 003 576 T5 beschäftigt sich mit einem Fahrerassistenzsystem umfassend einen optischen Detektor mit einer Beleuchtung, wobei das Licht der Lichtquelle über einen Lichtwellenleiter an eine Projektionsoptik geführt wird. Um Laservorschriften zu genügen ist es vorgesehen, den Lichtstrahl hinter der Projektionsoptik mithilfe eines Diffuserelements aufzuweiten.
Die WO 99/46 612 A1 zeigt ein optisches Sensorsystem zur Detektion der Position eines Objekts, mit einer Lichtquelle zur Beleuchtung der Umgebung, wobei die Lichtquelle derart ausgestaltet ist, dass ein oder mehrere Lichtstreifen in horizontaler Richtung in mehrere Raumrichtungen erzeugt werden.
Produkte sollen immer möglichst niedrige Risiken aufweisen und müssen ggf. Grenzwerte seitens gesetzlicher Vorgaben einhalten.
Dies betrifft auch die Produkte mit Laseremissionen, welche z.B. Vorgaben seitens der EU (CE-Konformität) oder auch z.B. in den USA seitens der FDA bzgl. der Klassifizierung und Nutzbarkeit erfüllen müssen.
Diesen Regelungen ist gemein, dass die scheinbare Quellengröße der Lichtquelle entscheidenden Einfluss darauf hat, wieviel optische Leistung maximal zugänglich sein darf (accessible Emission Limit AEL), um noch als unbedenklich bzw. Laser Klasse 1 zu gelten.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Augensicherheit eines Lichtlaufzeitkamerasystems zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch eine Strahlformungsoptik gemäß Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhaft ist ein Beleuchtungsmodul zur Aussendung eines modulierten Lichts für ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen,
mit einem ersten, zweiten und dritten Strahlformer,
wobei der erste Strahlformer ein Lichtstrahl einer Lichtquelle aufweitet und auf den zweiten Strahlformer lenkt,
der zweite Strahlformer ist derart ausgebildet, dass das vom ersten Strahlformer auftreffende Licht radial auf den dritten Strahlformer gelenkt wird,
wobei der dritte Strahlformer eine Diffusionsstruktur aufweist, die das vom zweiten Strahlformer radial ausgelenkte Licht diffus abstrahlt.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die scheinbare Quellengröße deutlich vergrößert wird und somit die Augensicherheit der Beleuchtung erhöht, vorzugsweise ohne dass das Fernfeldstrahlprofil verändert wird.
Bevorzugt ist Diffusionsstruktur des dritten Strahlformers derart strukturiert, dass die Lichtstrahlen den dritten Strahlformer in einem Winkelabstand von mindestens 100 mrad verlassen.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Diffusionsstruktur des dritten Strahlformers derart ausgebildet ist, dass das vom dritten Strahlformer ausgesendete Licht augensicher ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen schematisch:

1 eine Strahlverteilung über einen reflektierenden Kegel,
2 eine Anordnung gemäß 1 mit einer tertiären Strahlformung,
3 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Diffusor,
4 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,
5 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt eine bekannte Strahlverteilung, bei der das Licht einer Lichtquelle über einen primären Strahlformer auf einen als reflektierenden Kegel ausgebildeten zweiten Strahlformer gelenkt wird. Hierbei können die Einzelstrahlen je nach Anwendungsfalle jedoch eine augenschädliche Energiedichte aufweisen.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung bei der nach dem sekundären Strahlformer 52 ein tertiärer Strahlformer 53, quasi als horizontaler Liniengenerator angeordnet ist.
Vorteile des erfindungsgemäßen Vorgehens sind:

- Höhere Grenzwerte (AEL)
- Bessere Homogenisierung der Strahlung (Uniformität der erzeugten Lichtlinie)
- Reduktion von Laserspeckeln
- Die tertiäre Optik 53 wird überall nahezu senkrecht getroffen (mit geringer Winkelverteilung), was oftmals die Effizienz und Strahlformungsgenauigkeit erhöht. Die tertiäre Optik 53 kann weitestgehend unabhängig von der Aufgabe der Liniengeneration vor allem im Hinblick auf das rückgerichtete Erscheinungsbild der Quelle / Quellengröße ausgelegt werden

Die tertiäre Optik 53 wird vorzugsweise aus einem biegsamen Material hergestellt. So etwas kann z.B. im Roll-to-Roll Verfahren in Kunststoff kostengünstig geschehen. Diese biegsame Optik kann dann z.B. entlang einer Zylinderform selbst gebogen, angelegt oder angeklebt werden.
Selbstverständlich kann diese Optik 53 auch aus einem formstabilen Material gefertigt werden (Hartkunststoff, Glas etc.)
Das Abstrahlmuster der tertiären Optik 53 ist hierbei vorteilhaft in weiten Bereichen wählbar. Besonders vorteilhaft ist auch eine tertiäre Optik 53, welche bei senkrechtem Einfall eine nahezu cosinusförmige Strahlverteilung, wie in 3 gezeigt, erzeugt, da hierdurch - bei Montage wie in wie in 2 gezeigt - dem Betrachter eine in horizontaler Richtung scheinbar homogene Linie erscheint, was für die Grenzwerte der unbedenklichen Emission vorteilhaft ist.
Eine Folie mit Prismenstrukturen (Prisma/Dreick) ist vorteilhaft bei Lichtlaufzeitmessungen (Time-of-Flight ToF), da dann zwar dem Betrachter lediglich zwei anstatt einer Quelle erscheint, dies jedoch trotz Laufzeitgleichheit eine mögliche Verdopplung der Lichtleistung auf dem Ziel ermöglicht.
Die tertiäre Optik 53 kann z.B. aus Prismenstrukturen, diffraktiven oder holographischen Strukturen, Mikrolinsen oder sogenannten „engineered-diffuser“ Strukturen erstellt werden.
Selbstverständlich können noch weitere Optiken verwendet werden, z.B. quartäre, quintäre Optiken, welche analog zur tertiären Optik, jedoch mit vergrößertem Radius, montiert werden.
3 zeigt einen radial von innen beleuchteter zylindrischer Diffusor, welcher stückweise bei senkrechter Bestrahlung eine cosinusförmige Strahlvereteilung mit maximalem vollem Öffnungswinkel α erzeugt. Der Diffusor erscheint dem Betrachter aus großer Distanz als eine homogene breite Quelle der Breite b.
4 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 / -modul bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitsensor 22. Erfindungsgemäß kann nun das Beleuchtungsmodul 10 gemäß den vorgenannten Beispielen ausgebildet sein. Das Empfangsmodul 20 wäre dann entsprechend anzupassen.
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 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 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 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 5 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 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.

Claims

Beleuchtungsmodul (10) zur Aussendung eines modulierten Lichts für ein Lichtlaufzeitkamerasystem, mit einem ersten, zweiten und dritten Strahlformer (51, 52, 53), wobei der erste Strahlformer (51) ein Lichtstrahl einer Lichtquelle (12) aufweitet und auf den zweiten Strahlformer (52) lenkt, der zweite Strahlformer (52) ist derart ausgebildet, dass das vom ersten Strahlformer (51) auftreffende Licht radial auf den dritten Strahlformer (53) ausgelenkt wird, wobei der dritte Strahlformer (53) eine Diffusionsstruktur aufweist, die das vom zweiten Strahlformer (52) radial ausgelenkte Licht diffus abstrahlt, wobei die Strahlformer (51, 52, 53) für eine radiale Lichtauslenkung von 360° ausgebildet sind und wobei der dritte Strahlformer (53) derart ausgestaltet ist, dass bei einem senkrechten Lichteinfall eine cosinusförmige Strahlverteilung erzeugt wird.
Beleuchtungsmodul (10) nach Anspruch 1, bei dem die Diffusionsstruktur des dritten Strahlformers (53) derart strukturiert ist, dass die Lichtstrahlen den dritten Strahlformer (53) in einem Winkelabstand von mindestens 100 mrad verlassen.
Beleuchtungsmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Diffusionsstruktur des dritten Strahlformers (53) derart ausgebildet ist, dass das vom dritten Strahlformer (53) ausgesendete Licht augensicher ist.
Lichtlaufzeitkamera (1) mit einem Beleuchtungsmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.