Title:
Beleuchtung für ein Lichtlaufzeitmesssystem
Kind Code:
B4


Abstract:

Beleuchtung (10) für ein Lichtlaufzeitmesssystem (1), mit mindestens einer Lichtquelle (12), mit einem ersten und zweiten Temperatursensor (60, 61) und mit einer Auswerteeinheit (100), die über eine erste und zweite Schnittstelle (110, 120) mit dem ersten und zweiten Temperatursensor (60, 61) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Temperatursensoren (60, 61) in räumlicher Nähe zu der mindestens einen Lichtquelle (12) angeordnet sind,
und dass sich die beiden Schnittstellen (110, 120) in ihren Wirkprinzipien und/oder die beiden Temperatursensoren (60, 61) in ihren Wirkprinzipien und/oder Kennlinien unterscheiden.




Inventors:
Damhofer, Bernd (88364, Wolfegg, DE)
Application Number:
DE102013205605A
Publication Date:
10/02/2013
Filing Date:
03/28/2013
Assignee:
pmdtechnologies ag, 57076 (DE)
Domestic Patent References:
DE102010041390A1N/A2012-02-02
DE19704496A1N/A1998-03-12



Foreign References:
65871862003-07-01
EP17777472007-04-25
JPH983056A
JPH0983056A1997-03-28
Attorney, Agent or Firm:
Schuhmann, Jörg, Dipl.-Phys. Dr. rer. nat., 88069, Tettnang, DE
Claims:
1. Beleuchtung (10) für ein Lichtlaufzeitmesssystem (1), mit mindestens einer Lichtquelle (12), mit einem ersten und zweiten Temperatursensor (60, 61) und mit einer Auswerteeinheit (100), die über eine erste und zweite Schnittstelle (110, 120) mit dem ersten und zweiten Temperatursensor (60, 61) verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Temperatursensoren (60, 61) in räumlicher Nähe zu der mindestens einen Lichtquelle (12) angeordnet sind,
und dass sich die beiden Schnittstellen (110, 120) in ihren Wirkprinzipien und/oder die beiden Temperatursensoren (60, 61) in ihren Wirkprinzipien und/oder Kennlinien unterscheiden.

2. Beleuchtung nach Anspruch 1, bei der die beiden Temperatursensoren (60, 61) unterschiedliche Temperaturgenauigkeit und/oder Temperaturauflösung aufweisen.

3. Beleuchtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die beiden Schnittstellen (110, 120) unterschiedliche Analog-Digital-Wandler aufweisen.

4. Beleuchtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die erste Schnittstelle (110) als Analogeingang und die zweite Schnittstelle (120) als Digitaleingang ausgebildet und mit einem analogen und einem digitalem Temperatursensor (60, 61) verbunden sind.

5. Beleuchtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinheit derart ausgestaltet ist, dass aus den von beiden Temperatursensoren (60, 61) erfassten Temperaturen eine Temperaturdifferenz gebildet und mit einem Grenzwert verglichen wird, wobei die Auswerteinheit (100) eine Fehlerreaktion einleitet, wenn die ermittelte Temperaturdifferenz den Grenzwert übersteigt.

Description:

Die Erfindung betrifft eine Beleuchtung für eine PMD-Kamera nach Gattung des unabhängigen Anspruchs.

Mit Lichtlaufzeitmesssystem bzw. Lichtlaufzeitkamera 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’ als O3D-Kamera oder als Entfernungsmesser O1D zu beziehen sind. Die PMD-Kamera bzw. der PMD-Entfernungsmesser erlaubt insbesondere eine flexible Anordnung der Lichtquelle und des Detektors, die sowohl in einem Gehäuse als auch separat angeordnet werden können.

Ferner ist in der DE 10 2010 041 390 A1 ein Lichtlaufzeitkamerasystem gezeigt, bei der im Bereich der Beleuchtung ein Kontrollsensor angeordnet ist. Mit Hilfe des vom Kontrollsensor empfangenen Signals können Abweichung des Lichtsignals festgestellt und beispielsweise temperaturbedingte Verschiebungen der Phase oder Alterungen der Lichtquelle kompensiert werden.

Des Weiteren zeigt die JP H09-83 056 A ein Halbleiter-Laser Modul mit mehreren Temperatursensoren, die auf einer Wärmesenke in der Nähe einer Lichtquelle montiert sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lichtlaufzeitmesssystem im Hinblick auf Fehlersicherheit zu verbessern

Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße System gelöst.

Vorteilhaft ist eine Beleuchtung für ein Lichtlaufzeitmesssystem mit mindestens einer Lichtquelle vorgesehen, mit einem ersten und zweiten Temperatursensor und mit einer Auswerteeinheit, die über eine erste und zweite Schnittstelle mit dem ersten und zweiten Temperatursensor verbunden ist, wobei die beiden Temperatursensoren in räumlicher Nähe zu der mindestens einen Lichtquelle angeordnet sind, wobei sich die beiden Schnittstellen in ihren Wirkprinzipien und/oder die beiden Temperatursensoren in ihren Wirkprinzipien und/oder Kennlinien unterscheiden.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass zur Überwachung der Temperatur zwei unabhängige und zumindest in einer Komponente diversitär aufgebaute Messpfade zur Verfügung stehen und eine permanente Funktionskontrolle der Temperaturmessung ermöglichen.

Bevorzugt weisen die beiden Temperatursensoren eine unterschiedliche Temperaturgenauigkeit und/oder Temperaturauflösung auf. Zur reinen Funktionsüberwachung ist es nicht zwingend notwendig beide Temperatursensoren mit gleicher Genauigkeit auszubilden, es reicht aus, wenn durch einen zweiten ungenaueren Sensor zumindest die Größenordnung der Temperaturmessung validiert werden kann.

Ebenso vorteilhaft ist es, die beiden Schnittstellen mit unterschiedlichen Analog-Digital-Wandlern auszugestalten, die selbstverständlich mit geeigneten analogen Temperatursensoren verbunden sind.

In einer weiteren Ausgestaltung sind die erste Schnittstelle als Analogeingang und die zweite Schnittstelle als Digitaleingang ausgebildet und mit einem analogen und einem digitalem Temperatursensor verbunden sind. Durch dieses Vorgehen sind in einfacher Art und Weise in beiden Messpfaden unterschiedliche Wirkprinzipien insbesondere Übertragungs- und Verarbeitungsprinzipien realisiert.

Besonders vorteilhaft ist die Auswerteeinheit der Beleuchtung derart ausgestaltet ist, dass aus den erfassten Temperaturen beider Temperatursensoren eine Temperaturdifferenz gebildet und mit einem Grenzwert verglichen wird, wobei die Auswerteinheit eine Fehlerreaktion einleitet, wenn die ermittelte Temperaturdifferenz den Grenzwert übersteigt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

1 schematisch das grundlegende Prinzip der Photomischdetektion,

2 eine erfindungsgemäße Temperatursensoranordnung

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 bekannt ist.

Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Beleuchtung bzw. Lichtquelle 12 und einer dazugehörigen Strahlformungsoptik 15 sowie eine Empfangseinheit bzw. Lichtlaufzeitkamera 20 mit einer Empfangsoptik 25 und einem Lichtlaufzeitfotosensor 22. Der Lichtlaufzeitfotosensor 22 bzw. Lichtlaufzeitsensor 22 weist mindestens ein Pixel, vorzugsweise jedoch 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 ist vorzugsweise als Reflektor ausgebildet.

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 Lichtlaufzeitfotosensor 22 über einen Modulator 30 gemeinsam mit einer bestimmten Modulationsfrequenz M(p1) mit einer ersten Phasenlage p1 beaufschlagt. Entsprechend der Modulationsfrequenz sendet die Lichtquelle 12 ein amplitudenmoduliertes Signal S(p1) mit der ersten Phaselage p1 aus. Dieses Signal bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben mit einer zweiten Phasenlage p2 als Empfangssignal S(p2) auf den Lichtlaufzeitfotosensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M(p1) mit dem empfangenen Signal S(p2), gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.

2 zeigt schematisch ein Beleuchtungsmodul 10 mit einer Auswerteeinheit 100, vorzugsweise einem Mikroprozessor, der über eine erste Schnittstelle 110 mit einem ersten Temperatursensor 60 und mit einer zweiten Schnittstelle 120 mit einem zweiten Temperartursensor 61 verbunden ist. Die beiden Schnittstellen 110, 120 und/oder die beiden Temperatursensoren 60, 61 sind vorzugsweise diversitär aufgebaut.

Beispielsweise kann die erste Schnittstelle als Analogeingang 110 ausgebildet und mit einem analogen Temperatursensor 60 verbunden sein, während die zweite Schnittstelle 120 diversitär als Digitaleingang 120 ausgebildet und mit einem digitalen Temperatursensor 61 verbunden ist.

Die beiden Temperatursensoren 60, 61 sind in unmittelbarer Nähe der Lichtquelle 12 des Beleuchtungsmodul 10 angeordnet.

Der Analogeingang 110 der Auswerteeinheit ist vorzugsweise als AD-Wandler mit mehreren Eingängen, die über einen Multiplexer abgefragt werden, ausgebildet.

Der Temperaturwert vom analogen und digitalen Temperatursensor 60, 61 liegt somit in beiden Fällen der Auswerteeinheit 100 in digitaler Form vor.

Die Lichtquellen 12 sind vorzugsweise als Leuchtdioden ausgebildet. Es ist bekannt, dass Lichtquellen im Allgemeinen durch die Erwärmung im Betrieb ihre elektrischen Eigenschaften verändern.

Für eine Lichtlaufzeitmessung wird die Lichtquelle wie zuvor beschrieben mit einer bestimmten Modulationsfrequenz betrieben bzw. ein- und ausgeschaltet. Mit zunehmender Temperatur driftet die Phase der modulierten Beleuchtung trotz phasenkonstantem treibenden Modulationssignals.

Da die Entfernungsinformation im erfindungsgemäßen System über die Phasendifferenz der emittierten und empfangenen Signale bestimmt wird, macht sich eine Phasendrift in der Genauigkeit der Entfernungsmessung bemerkbar. Insofern ist es typischerweise vorgesehen, anhand bekannter Abhängigkeiten die gemessenen bzw. ermittelten Entfernungswerte anhand der an de Beleuchtung 10 bzw. unmittelbar an den Lichtquellen 12 gemessenen Temperatur zu kompensiert.

Insbesondere im Hinblick auf Sicherheitsaspekte birgt diese Methode die Gefahr, dass bei einer fehlerhaften Temperaturmessung auch die gemessenen Entfernungswerte fehlerhaft korrigiert werden, so dass im Ergebnis unzuverlässige Entfernungswerte vorliegen.

Insofern ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Temperaturmessung durch einen zweiten unabhängigen Temperatursensor zu überwachen.

Der überwachende Temperatursensor kann insbesondere auch aus Kostengründen von einer geringeren Genauigkeit sein als der überwachte Sensor. Der überwachende Temperatursensor hat im Wesentlichen die Funktion, den Temperaturwert des Haupttemperatursensors auf Gültigkeit bzw. Plausibilität zu überprüfen.

Im dargestellten Fall sei angenommen, dass der analoge Temperatursensor 60 eine höhere Genauigkeit aufweist. Beispielsweise könnte ein solcher Sensor als NTC-Sensor ausgeführt sein. Als Fehler in der Temperaturmessung könnten beispielsweise in Betracht kommen, Brüche in der Widerstandskeramik durch Alterung, defekter AD-Wandler oder Multiplexer.

Bei einer Alterung ist in der Regel zu erwarten, dass der ausgegebene Temperaturwert erheblich von der tatsächlichen Temperatur abweicht. Bei einem Defekt im AD-Wandler oder Multiplexer können ggf. unkontrollierte und unsystematische Temperatursprünge aufscheinen anhand derer auch die Entfernungswerte sprunghaft kompensiert werden.

Über einen zweiten Temperatursensor 61 sind solche Fehler leicht zu erkennen. Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen, den Temperaturwert des vorzugsweise genaueren Haupttemperatursensors also hier den analogen Temperatursensor 60 mit dem Temperaturwert des Kontrolltemperatursensors, hier dem digitalen Temperatursensors 61, zu vergleichen. Weichen die Temperaturen zu stark voneinander ab können vorzugsweise weitere Fehlerreaktionen eingeleitet werden.

Beispielsweise kann ein Alarmsignal getriggert werden und/oder ggf. ein Notbetrieb eingeleitet werden, beim dem beispielsweise die Entfernungsmessung ohne Temperaturkompensation betrieben wird oder eine Temperaturkompensation mit einer höchst wahrscheinlichen Temperatur durchgeführt wird. Ggf. könnten auch weitere Testroutinen angestoßen werden.

Ferner kann es vorgesehen sein, nicht nur die Temperaturdifferenz mit einem Grenzwert zu vergleichen, sondern auch die einzelnen Temperaturen im Hinblick auf Verwendbarkeit zu prüfen. Beispielsweise wird eine Temperatur nur dann als verwendbar gewertet, wenn sie eine minimale Temperatur übersteigt und/oder unterhalb einer maximalen Temperatur liegt.

Bevorzugt arbeiten die Temperatursensoren nach unterschiedlichen Wirkprinzipen oder haben zumindest unterschiedliche Temperatur und/oder Stromkennlinien. So ist es gewährleistet, dass bei gleichen Temperaturverläufen an beiden Sensoren unterschiedliche elektrische Werte abgreifbar sind.

Beispielsweise ist es denkbar, zwei analoge Temperatursensoren mit unterschiedlichen Wirkprinzipien bzw. Kennlinien einzusetzen, wobei der eine Temperatursensor beispielsweise als NTC und der andere als PTC ausgebildet ist.

Alternativ oder auch zusätzlich können auch die Schnittstellen 110, 120 in ihren Wirkprinzipien unterschiedlich aufgebaut sein. So können beispielsweise die erste und zweite als Analogeingang ausgebildete Schnittstellen unterschiedliche AD-Wandler aufweisen und/oder unterschiedliche Programme zur AD-Wandlung verwenden.

Ferner können auch zwei digitale Temperatursensoren Verwendung finden, wobei auch hier zusätzlich oder alternativ die beiden Schnittstellen 110, 120 nach unterschiedlichen Prinzipien arbeiten.

Besteht die Beleuchtung 10 aus mehreren Lichtquellen 12 kann es auch vorgesehen sein, die Temperatursensoren 60, 61 nicht in der Nähe einer einzigen Lichtquelle anzuordnen, sondern die Temperatursensoren 60, 61 in die Nähe einer ersten und zweiten Lichtquelle zu platzieren.

Die Temperatursensoren 60, 61 und die Lichtquelle 12 sind vorzugsweise auf einer gemeinsamen Leiterplatte angeordnet. Es sind jedoch auch Ausgestaltungen denkbar, bei denen zumindest ein Temperatursensor Teil der Lichtquelle 12 bzw. einer Lichtquellenbaugruppe ist.

Ebenso ist es denkbar, mehr als zwei Temperatursensoren vorzusehen, die sich in ihren Wirkprinzipien und/oder Kennlinien unterscheiden. Vorzugsweise werden jedoch nur zwei Gruppen von Wirkprinzipien und Kennlinien verwendet.

Ferner kann es auch vorgesehen sein, die Auswerteeinheit 100 der Beleuchtung 10 auch außerhalb des eigentlichen Beleuchtungsmoduls als separates Steuergerät anzuordnen oder beispielsweise in der Lichtlaufzeitkamera 20 zu integrieren.

Bezugszeichenliste

10
Sendeeinheit
12
Beleuchtungslichtquelle
15
Strahlformungsoptik
20
Empfangseinheit, TOF-Kamera
22
Lichtlaufzeitsensor
23
Lichtlaufzeitpixel, Pixel
25
Empfangsoptik
30
Modulator
40
Objekt
60
erster Temperatursensor
61
zweiter Temperatursensor
100
Auswerteeinheit
110
erste Schnittstelle
120
zweite Schnittstelle