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Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeit- Messsystem bzw. ein time of flight(TOF)-Kamerasystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind Systeme zur dreidimensionalen Bilderfassung bekannt, welche mit Hilfe einer aktiven Beleuchtung arbeiten. Dazu gehören so genannten Time-of-Flight-(TOF-) oder Laufzeitmesssysteme. Diese verwenden eine amplitudenmodulierte oder gepulste Beleuchtung, zur Ausleuchtung der zu erfassenden dreidimensionalen Szenerie.
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Mit Licht-Laufzeitmesssystem sollen insbesondere auch alle 3D-Kamerasystem mit umfasst sein, die eine Laufzeitinformation aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als 3D-Kamera bzw. PMD-Kamera sind insbesondere so genannte Photomischdetektoren (PMD) geeignet, wie sie u.a. aus
EP 1 777 747 A1 ,
US 6 587 186 B2 und auch
DE 197 04 496 A1 bekannt und beispielsweise von der Firma ,ifm electronic gmbh' als Frame-Grabber O3D101/M01594 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.
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Aus der
DE 10 2006 045 549 A1 eine Applikation einer 3D-PMD-Kamera in einem Transportmittel bekannt, bei dem die TOF-Beleuchtung hinter einer Sichtblende angeordnet ist, wobei diese Blende für die Strahlung der TOF-Beleuchtung transparent ist. Zur Erreichung einer guten Ausleuchtung werden die Beleuchtungsmittel mit hoher Leistung betrieben und zur Vermeidung eines Temperaturanstiegs gekühlt.
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Die
WO 2007/134730 A1 offenbart verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Distanzmessungen, wobei unter anderem ein TOF-Kamerasystem mit einem biaxialen Aufbau und einer off-axis-Beleuchtung vorgeschlagenen wird, bei dem die Strahlungsquelle mit einem bestimmten Abstand neben der Linse angeordnet ist und das Ziel vollständig ausleucht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz von TOF-Laufzeitmesssystemen zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch das Lichtlaufzeit-Messsystem des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Das erfindungsgemäße Lichtlaufzeit-Messsystem, weist eine Empfangs- und Sendeeinheit auf, wobei die Empfangseinheit, mindestens ein Empfangs-Pixel-Array und eine zugehörigen Empfangsoptik aufweist, die gemeinsam einen Empfangsraumwinkel aufspannen, und wobei die Sendeeinheit, mindestens eine Lichtquelle und eine zugehörige Strahlformungsoptik. aufweist, die gemeinsam einen Senderaumwinkel aufspannen. Vorteilhaft sind Sende- und Empfangseinheit derart ausgestaltet, dass der Empfangsraumwinkel innerhalb des Senderaumwinkels liegt und der Empfangsraumwinkel mindestens 70 Prozent des Senderaumwinkels erfasst. So ist es vorteilhaft möglich, die von der Sendeeinheit ausgestrahlte Lichtenergie effizient zu nutzen.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen Erfindung möglich.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist es vorgesehen, die Sende- und/oder Empfangseinheit derart auszugestalten, dass die geometrische Form des Sende- und Empfangsraumwinkel im Wesentlichen ähnlich sind. Dieses Vorgehen hat nicht nur den Vorteil, dass die Effizienz der Lichtausbeute verbessert wird, sondern auch, dass durch dieses Vorgehen die Ausdehnung der überstrahlten Bereiche deutlich verringert werden kann.
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Eine weitere Verbesserung besteht darin, dass der Senderaumwinkel dem durch die Abbildungseigenschaften der Empfangsoptik beeinflussten Empfangsraumwinkel angepasst ist.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 schematisch einen Photonenmischdetektor,
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2 eine Sende- und Empfangsstrahlverteilung eines TOF-Kamerasystems,
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3 Sende- und Empfangsraumwinkel auf einer Einheitskugel,
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4 eine Messsituation mit einem Empfangsraumwinkel größer als der Senderaumwinkel,
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5 eine Messsituation mit einem Empfangraumwinkel kleiner als der Senderaumwinkel,
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6 einen erfindungsgemäß angepasste Sende- und Empfangsraumwinkel,
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7 eine Intensitäts- und Empfindlichkeitsverteilung des Sende- und Empfangskegels,
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8 und 9 ein TOF-Kamerasystem mit Weit- und Normalobjektiv
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10 eine Intensitätsverteilung mit einem lokalen Maximum.
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1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einem TOF-Kamerasystem
10, wie es beispielsweise aus der
DE 197 04 496 A1 bekannt ist.
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Das TOF-Kamerasystem 10 umfasst eine Beleuchtungs- bzw. Sendeeinheit 100 mit einer Lichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 50 sowie eine Empfangseinheit 200 mit einer Empfangsoptik 150 und einem Fotosensor 15. Der Fotosensor 15 ist als PMD-Sensor ausgebildet. Die Empfangsoptik besteht typischerweise zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften aus mehreren optischen Elementen. Die Strahlformungsoptik 50 der Sendeeinheit 100 ist als Reflektor ausgebildet.
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Das Messprinzip dieser Anordnung basiert im Wesentlichen darauf, dass ausgehend von der Phasendifferenz des emittierten und empfangenen Lichts die Laufzeit des emittierten und reflektierten Lichts ermittelt werden kann. Zu diesem Zwecke werden die Lichtquelle und der Fotosensor 15 über einen Modulator 18 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz mit einer ersten Phasenlage a beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal mit der Phase a aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 20 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage b auf den Fotosensor 15. Im Fotosensor 15 wird das Signal der ersten Phasenlage a des Modulators 18 mit dem empfangenen Signal in der zweiten Phasenlage b gemischt und aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung ermittelt.
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2 zeigt schematisch Sende- und Empfangskegel eines typischen TOF-Kamerasystems wobei die Sendeeinheit 100 einen Sendebereich bzw. Senderaumwinkel ΩS beleuchtet und die Empfangseinheit 200 innerhalb dieses Senderaumwinkels ΩS einen Empfangsbereich bzw. Empfangsraumwinkel ΩE aufspannt. Der Empfangsraumwinkel wird im Wesentlichen durch die Geometrie des Fotosensors 15 und den Abbildungseigenschaften der Empfangsoptik 150 bestimmt. Ausgehend von einer rechteckigen Geometrie des Fotosensors wäre bei einer idealen Empfangsoptik auch eine rechteckige Geometrie des Empfangsbereichs ΩE zu erwarten. In bekannter Weise können jedoch optische Systeme die Abbildungen beispielsweise in tonnen- oder kissenförmiger Weise verändern. Im dargestellten Beispiel ist eine kissenförmige Verzerrung gezeigt.
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Ferner zeigt die 2, dass die Empfangseinheit 200 und die Sendeeinheit 100 nebeneinander angeordnet sind, sodass streng genommen ein gewisser Parallaxenfehler zwischen Sende- und Empfangsbereich zu erwarten ist. Aufgrund der geringen Distanz der Sende- und Empfangseinheit 100, 200 kann dieser Fehler jedoch vernachlässigt werden, sodass bereits bei geringen Abständen Sende- und Empfangseinheit als punktförmig betrachten werden kann.
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Dieser Aspekt ist der in 3 noch einmal dargestellt. Modellhaft kann im Zentrum einer Kugelsphäre das TOF-Kamerasystem 10 angenommen werden. Die vom TOF-Kamerasystem 10 emittierte Strahlung spannt einen Strahlungskegel auf, dessen Projektionsfläche auf der Einheitskugel den Raumwinkel ΩS auszeichnet. Dies entspricht der mathematischen Definition eines Raumwinkels als Fläche auf eine Einheitskugel mit dem Radius 1.
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Im dargestellten Beispiel ist der Senderaumwinkel rotationssymetrisch, wie man es von einer üblichen Leuchtdiode auch erwartet. Es sind jedoch auch andere Strahlungsgeometrien denkbar, die insbesondere auch nicht rotationssymetrische Projektionsflächen auf der Kugeloberfläche bilden. Da definitionsgemäß ein Raumwinkel letztendlich nur ein Maß für eine Fläche auf einer Einheitskugel darstellt, werden im Sinne der Anmeldung die Größe der projizierten Kugelfläche beliebiger Geometrie mit dem Maß des Raumwinkels beschrieben.
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Des Weiteren ist in 3 die virtuelle Empfangsfläche des Fotosensors 15 auf der Einheitskugel eingezeichnet. Diese virtuelle Empfangsfläche wird im Weiteren als Empfangsraumwinkel ΩS bezeichnet.
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Grundsätzlich können zwei Sende- und Empfangssituationen unterschieden werden, zum einen bei dem der Empfangsraumwinkel ΩE größer ist als der Senderaumwinkel ΩS und diesen umschließt und zum anderen einen Empfangsraumwinkel ΩE der innerhalb des Senderaumwinkels ΩS liegt.
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4 zeigt erstere Situation, bei der der Senderaumwinkel ΩS vom Empfangsraumwinkel ΩE umschlossen wird. Die durchgezogene Linie S kennzeichnet hierbei den Randbereich des emittierten Strahlkegels der Sendeeinheit 100. Die gestrichelte Linie E kennzeichnet entsprechend den Randbereich des Empfangskegels der Empfangseinheit 200. Zwischen Empfangs- und Sendekegel spannt sich ein unbeleuchteter Todbereich 23 auf, in dem die Empfangseinheit 200 kein sinnvoll auswertbares Signal empfängt. Die Empfangsleistung des Fotosensors geht somit im unbeleuchteten Todbereich 23 ungenutzt verloren.
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5 zeigt demgegenüber eine Situation, bei der der Empfangsraumwinkel ΩE innerhalb des Senderaumwinkels ΩS liegt. In diesem Fall spannt sich zwischen diesen Bereichen ein beleuchteter Überstrahlungsbereich 25 auf, dessen Strahlung bzw. Licht überschüssig abgestrahlt wird.
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Die in diesen Bereichen abgestrahlte Energie bleibt nicht nur ungenutzt, sondern kann in ungünstigen Fällen als störende Strahlung in den Sichtbereich der Empfangseinheit 200 gelangen. Solche störenden Strahlungen können beispielsweise durch unerwünschte Reflektionen im Überstrahlungsbereich 25 auftreten, wie es in 5 anhand des Objektes 20a, das sich im beleuchteten Überstrahlbereich 25 befindet dargestellt ist. Im dargestellten Fall wird ein vom Kamerasystem 10 emittierter Lichtstrahl a vom Objekt 20a in Richtung des zu beobachtenden Objektes 20 reflektiert und dort wiederum an Punkt P in Richtung des Kamerasystems 10 reflektiert. Ein solches Signal könnte im einfachsten Fall für den Punkt P eine unklare Entfernungsangabe erzeugen, jedoch in einem kritischeren Fall dem System ein Objekt an der Position P' suggerieren.
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Erfindungsgemäß werden diese Nachteile vermieden, indem Sende- und Empfangsraumwinkel, wie in 6 dargestellt, aufeinander abgestimmt werden. Der Empfangsraumwinkel ΩE ist in bekannter Weise durch die Geometrie des Fotosensors 15 bzw. Pixel-Arrays 15 und den Abbildungseigenschaften der Empfangsoptik 150 vorgegeben. Entgegen den in 2 und 3 dargestellten Senderaumwinkeln, ist der in 6 gezeigte Senderaumwinkel der Geometrie des Empfangsraumwinkels angepasst. Maximale Effizienz könnte erreicht werden, indem der Senderaumwinkel in Geometrie und Fläche mit dem Empfangsraumwinkel in Deckung gebracht wird. Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich bereits bei Empfangsraumwinkeln, die mindestens eine Fläche von 70% des Senderaumwinkels aufweisen, die Empfangsqualität signifikant verbessert.
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Erfindungsgemäß wird die Geometrie des Senderaumwinkels über entsprechende Gestaltung der Strahlformungsoptik 50 eingestellt. Zusätzlich oder auch alternativ kann es vorgesehen sein, dass auch die Geometrie des Empfangsraumwinkels im Hinblick auf effiziente Ausnutzung des Senderaumwinkels angepasst und optimiert wird.
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7 zeigt exemplarisch einen Schnitt durch die in 6 gezeigte Raumfläche entlang der Linie x. Im dargestellten Diagramm ist ortsaufgelöst mit durchgezogener Linie die Strahlungsintensität I der Sendeeinheit 100 und mit gestrichelter Linie die Empfindlichkeit E der Empfangseinheit 200 dargestellt. Beide Profile zeigen einen im Wesentlichen rechteckigen Verlauf, wobei die Ränder der Empfindlichkeitskurve erfindungsgemäß innerhalb der Intensitätskurve liegen.
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Zur Definition des Randes der Projektionsfläche bzw. des Raumwinkels ΩS lassen sich im dargestellten Beispiel ohne weiteres die Flanken des Strahlprofils heranziehen. Im einfachsten Fall kann der Rand durch Anlegen einer Tangente an die Flanke des Strahlprofils bestimmt werden. Prinzipiell können jedoch auch andere ähnliche zielführende Methoden für die Definition des Randbereichs verwendet werden. Beispielsweise ist es auch denkbar, eine Grenzintensität IG zu bestimmen. Der nutzbare Strahlungsbereich erstreckt sich dann über eine Fläche, in der die Strahlungsintensität I größer ist als die Grenzintensität IG. Der Intensitätsgrenzwert IG kann beispielsweise so festgelegt werden, dass durch die aufgespannte Fläche 95% der abgestrahlten Sendeenergie eingefasst sind. Der Intensitätsgrenzwert könnte auch dahingegen festgelegt werden, dass die Strahlung auf ein Drittel oder 1/e der maximalen Strahlungsintensität abgefallen ist.
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Letztendlich ist jedoch die Bestimmung des Randbereichs als unkritisch zu betrachten, da die Ergebnisse der Berechnungen für typische Strahlprofile nur unwesentlich von einander abweichen. Grundsätzlich ist für ein praxistaugliches System anzustreben, dass das Strahlprofil im Randbereich wie in 7 dargestellt stark abfällt.
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In den 8 und 9 sind beispielhaft TOF-Kamerasysteme 10 mit erfindungsgemäß angepassten Sende- und Empfangseinheiten dargestellt.
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8 zeigt beispielhaft eine Anordnung, bei der die Empfangsoptik 150 als Weitwinkelobjektiv ausgebildet ist. Die Strahlformungsoptik 50 ist entsprechend dieser Weitwinkelsituation angepasst.
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Prinzipiell wäre es durchaus möglich in der in 8 dargestellten Situation das Weitwinkelobjektiv der Empfangseinheit gegen ein Objektiv mit einer längeren Brennweite auszutauschen. Eine derartige Kombination wäre durchaus funktionsfähig aber mit den vorgenannten Nachteilen. Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen wie in 9 dargestellt, den Senderaumwinkel ΩS der Sendeeinheit 100 sowohl in Größe als auch Fläche dem Empfangsraumwinkel anzupassen.
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Wie bereits in 8 angedeutet, wird die gewünschte Geometrie des Senderaumwinkels erfindungsgemäß über einen nicht-rotationssymmetrischen Reflektor angepasst. Der Einfachheit halber wurden die vorgenannten Beispiele eines TOF-Kamerasystems nur mit einer Sendeeinheit mit einer Lichtquelle 12 dargestellt. Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Sendeeinheit mit mehreren Lichtquellen auszugestalten. Ein solches Array von Lichtquellen kann vorzugsweise auch in einem gemeinsamen Gehäuse mit der Empfangseinheit 200 eingebracht sein. In einem bevorzugten Fall beleuchtet jede Lichtquelle eines solchen Arrays im Wesentlichen den gleichen Senderaumwinkel. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass sich unterschiedliche Strahlungsintensitäten der einzelnen Lichtquellen nicht im Strahlungsprofil auswirken, sondern zu einer gemeinsamen Lichtintensität aufintegrieren. Bei einem solchen Aufbau, ist es ohne weiten möglich, jeder Lichtquelle eine nahezu identische Strahlformungsoptik zuzuordnen.
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Die erfindungsgemäße Strahlformungsoptik erlaubt es ferner, den Ausleuchtungsbereich bzw. den Senderaumwinkel frei zu formen So ist es beispielsweise möglich, die Strahlformungsoptik derart auszugestalten, dass besonders viel Licht in einen Bereich gelenkt wird, der von potenziell hohem Interesse ist, beispielsweise eine Reichweitenerhöhung im Zentrum. Ein derartiges Strahlprofil ist beispielhaft in 10 gezeigt.
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Diese Beleuchtungsmaxima müssen jedoch nicht zwangsläufig in einem Zentralbereich liegen, sondern können insbesondere auch am Randbereich realisiert werden.
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Weiterhin ist es denkbar, insbesondere für die Ausleuchtung von Bereichen mit besonders hohem Interesse, so genannten Region-of-interest (ROI), die Strahlformungsoptiken für jede einzelne Lichtquelle eines Beleuchtungsarrays individuell anzupassen. So kann es insbesondere Vorgesehen sein, für eine Intensitätserhöhung im Zentrum des Beleuchtungsprofils eine gewisse Anzahl von Lichtquellen in diesem Bereich zu bündeln, während die übrigen Lichtquellen eine Strahlformungsoptik aufweisen, die den gesamten gewünschten Senderaumwinkel beleuchten.
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Des Weiteren kann es vorgesehen sein Sende- und Empfangseinheit nicht in einem gemeinsamen Gehäuse anzuordnen, sondern entsprechend einer vorgefundenen Einbausituation separat anzuordnen. Der sich hiermit vergrößernde Parallaxenfehler kann in der Regel für übliche Messabstände vernachlässigt werden oder kann in besonderen Systemen gegebenenfalls auch durch entsprechende Gestaltung der Strahlformungsoptik kompensiert werden.
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Des Weiteren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, Sende- und Empfangseinheiten modulartig aufzubauen, so dass in einfacher Art und Weise für eine ausgewählte Empfangseinheit bestimmter Brennweite oder bestimmter optischen Eigenschaft ein entsprechendes Sendemodul ausgewählt und eingesetzt werden kann.