Title:
Lichtlaufzeitkamerasystem
Kind Code:
A1


Abstract:

Lichtlaufzeitkamerasystem,
mit einer Beleuchtung (12) zur Aussendung eines modulierten Lichts (Sp1),
mit einem Lichtlaufzeitsensor (22), zur Demodulation eines empfangenen Lichts (Sp2),
mit einem Modulator (30) zur Erzeugung eins Modulationssignals (Mod),
wobei der Modulator (30) mit der Beleuchtung (12) verbunden ist,
mit einem Phasenschieber (35) zur Veränderung der Phasenlage eines Referenzsignals (Ref) und Bereitstellung von Kanal-Referenzsignalen (RefA, RefB) für den Lichtlaufzeitsensor (35), wobei das Lichtlaufzeitkamerasystem derart ausgestaltet ist, dass ein Entfernungswert anhand einer Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten (Sp1) und dem empfangenen Licht (Sp2) bestimmt wird, wobei der Phasenschieber (35) mit einem die Beleuchtung (12) versorgenden Strompfad oder mit einem Optokoppler der Beleuchtung zum Abgriff eines Referenzsignals (Ref) elektrisch verbunden ist,
und dass die elektrische Verbindung im Strompfad bzw. der Optokoppler derart ausgewählt und angeordnete ist, dass das Referenzsignal (Ref) einen zeitlichen Verlauf eines die Beleuchtung (12) antreibenden Stroms (IB) entspricht, bzw. dem zeitlichen Verlauf des ausgesendeten Lichts (Sp1) entspricht.




Inventors:
Frydlewicz, Paul (88085, Langenargen, DE)
Application Number:
DE102016214167A
Publication Date:
02/01/2018
Filing Date:
08/01/2016
Assignee:
ifm electronic gmbh, 45128 (DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE102015225192A1N/A2016-06-16
DE102012204512A1N/A2013-09-26
DE102005056774A1N/A2007-05-31
DE102004016626A1N/A2005-10-20
DE10350489A1N/A2005-06-02
DE10022054A1N/A2001-11-15
DE19704496C2N/A2001-02-15



Foreign References:
48357801989-05-30
Claims:
1. Lichtlaufzeitkamerasystem,
mit einer Beleuchtung (12) zur Aussendung eines modulierten Lichts (Sp1),
mit einem Lichtlaufzeitsensor (22), zur Demodulation eines empfangenen Lichts (Sp2),
mit einem Modulator (30) zur Erzeugung eins Modulationssignals (Mod),
wobei der Modulator (30) mit der Beleuchtung (12) verbunden ist,
mit einem Phasenschieber (35) zur Veränderung der Phasenlage eines Referenzsignals (Ref) und Bereitstellung von Kanal-Referenzsignalen (RefA, RefB) für den Lichtlaufzeitsensor (35),
wobei das Lichtlaufzeitkamerasystem derart ausgestaltet ist, dass ein Entfernungswert anhand einer Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten (Sp1) und dem empfangenen Licht (Sp2) bestimmt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Phasenschieber (35) mit einem die Beleuchtung (12) versorgenden Strompfad oder mit einem Optokoppler der Beleuchtung zum Abgriff eines Referenzsignals (Ref) elektrisch verbunden ist,
und dass die elektrische Verbindung im Strompfad bzw. der Optokoppler derart ausgewählt und angeordnete ist, dass das Referenzsignal (Ref) einen zeitlichen Verlauf eines die Beleuchtung (12) antreibenden Stroms (IB) entspricht, bzw. dem zeitlichen Verlauf des ausgesendeten Lichts (Sp1) entspricht.

2. Lichtlaufzeitkamerasystem nach Anspruch 1, bei dem das Referenzsignal (Ref) über einen Widerstand (R) im Strompfad der Beleuchtung (12) als Spannung abgegriffen wird.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst.

Mit Lichtlaufzeitkamerasystem sollen hier insbesondere Systeme umfasst sein, die Entfernungen aus der Phasenverschiebung einer emittierten und empfangenen Strahlung gewinnen. Als Lichtlaufzeit bzw. 3D-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 O3D-Kamera bzw. als CamBoard 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 einer Beleuchtung zur Aussendung eines modulierten Lichts, mit einem Lichtlaufzeitsensor, zur Demodulation eines empfangenen Lichts und mit einem Modulator zur Erzeugung eines Modulationssignals, wobei der Modulator das Modulationssignal nur der Beleuchtung zur Verfügung stellt. Ferner ist ein Phasenschieber zur Veränderung der Phasenlage eines Referenzsignals und Bereitstellung von Kanal-Referenzsignalenfür den Lichtlaufzeitsensor vorgesehen, wobei das Lichtlaufzeitkamerasystem derart ausgestaltet ist,
dass ein Entfernungswert anhand einer Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Licht bestimmt wird.

Erfindungsgemäß ist der Phasenschieber mit einem die Beleuchtung versorgenden Strompfad oder mit einem Optokoppler der Beleuchtung zum Abgriff eines Referenzsignals elektrisch verbunden ist, wobei die elektrische Verbindung im Strompfad bzw. der Optokoppler derart ausgewählt und angeordnet ist, dass das Referenzsignal einen zeitlichen Verlauf eines die Beleuchtung antreibenden Stroms bzw. dem zeitlichen Verlauf des ausgesendeten Lichts entspricht.

Dieses Vorgehen hat gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, dass Veränderung im Modulationsverlauf der Beleuchtung beispielsweise durch Temperaturänderungen durch das abgegriffen Referenzsignal, mit erfasst und somit bei der Demodulation berücksichtigt werden können.

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 einen Querschnitt durch einen PMD-Lichtlaufzeitsensor mit Potentialverteilung,

4 einen zeitlichen Verlauf der Integrationsspannungen an einem Lichtlaufzeitpixel,

5 Verläufe der Ladungsintegration abhängig von der Phasenverschiebung und -lage,

6 eine Relation der Phasenverschiebung in einem IQ-Diagramm,

7 einen Modulationsverlauf über vier Phasenlagen,

8 eine Prinzipdarstellung eines Lichtlaufzeitkamerasystems,

9 ein erfindungsgemäßes Lichtlaufzeitkamerasystem,

10 ein erfindungsgemäßes System mit einem einfachen Multiplexer,

11 ein erfindungsgemäßes System mit eine Doppel-Mutliplexer,

12 eine Variante des erfindungsgemäßen Systems.

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 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 φvar verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von φvar = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.

Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal Sp1 mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = φ0 + φvar aus. Dieses Signal Sp1 bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Δφ(tL) mit einer zweiten Phasenlage p2 = φ0 + φvar + Δφ(tL) als Empfangssignal Sp2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M0 mit dem empfangenen Signal Sp2 gemischt, wobei aus dem resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.

Ferner weist das System ein Modulationssteuergerät 27 auf, das in Abhängigkeit der vorliegenden Messaufgabe die Phasenlage φvar das Modulationssignal M0 verändert und/oder über einen Frequenzoszillator 38 die Modulationsfrequenz einstellt.

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 Sp2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit tL phasenverschoben Δφ(tL) 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(tL) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.

3 zeigt einen Querschnitt durch einen Pixel eines Photomischdetektors wie er beispielsweise aus der DE 197 04 496 C2 bekannt ist. Die Modulationsphotogates Gam, G0, Gbm bilden den lichtsensitiven Bereich eines PMD-Pixels. Entsprechend der an den Modulationsgates Gam, G0, Gbm angelegten Spannung werden die photonisch erzeugten Ladungen q entweder zum einen oder zum anderen Akkumulationsgate bzw. Integrationsknoten Ga, Gb gelenkt. Die Integrationsknoten können als Gate oder auch als Diode ausgebildet sein. Das dargestellte Pixel wäre ein so genanntes 2-Tap-Pixel wobei die Integrationsknoten Ga, Gb jeweils ein Tap bilden.

3b zeigt einen Potenzialverlauf, bei dem die Ladungen q in Richtung des ersten Integrationskonten Ga abfliesen, während das Potenzial gemäß 3c die Ladung q in Richtung des zweiten Integrationsknoten Gb fließen lässt. Die Potenziale werden entsprechend der anliegenden Modulationssignale vorgegeben. Je nach Anwendungsfall liegen die Modulationsfrequenzen vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 100 MHz. Bei einer Modulationsfrequenz von beispielsweise 1 MHz ergibt sich eine Periodendauer von einer Mikrosekunde, so dass das Modulationspotenzial dementsprechend alle 500 Nanosekunden wechselt.

In 3a ist ferner eine Ausleseeinheit 400 dargestellt, die gegebenenfalls bereits Bestandteil eines als CMOS ausgebildeten PMD-Lichtlaufzeitsensors sein kann. Die als Kapazitäten bzw. Dioden ausgebildeten Integrationsknoten Ga, Gb integrieren die photonisch erzeugten Ladungen über eine Vielzahl von Modulationsperioden. In bekannter Weise kann die dann an den Gates Ga, Gb anliegende Spannung beispielsweise über die Ausleseeinheit 400 hochohmig abgegriffen werden. Die Integrationszeiten sind vorzugsweise so zu wählen, dass für die zu erwartende Lichtmenge der Lichtlaufzeitsensor bzw. die Integrationsknoten und/oder die lichtsensitiven Bereiche nicht in Sättigung geraten.

In 4 ist ein typischer zeitlicher Verlauf der an den Integrationsknoten Ga, Gb während einer Phasenmessung anliegenden Spannung Ua, Ub. Ausgehend von einer nach einem Reset an den Integrationsknoten anliegenden positiven Resetspannung UDRS fällt die Spannung aufgrund der akkumulierten Photoelektronen an beiden Integrationsknoten Ga, Gb ab. Entsprechend der Phasenverschiebung Δφ(tL) des empfangenen Signals fallen die Spannungen an den Integrationsknoten Ga, Gb unterschiedlich stark ab. Zum Ende der Integrationszeit tint wird die an den Integrationsknoten Ga, Gb anliegenden Spannung Ua, Ub ausgelesen. Die Spannungsdifferenz ΔU der beiden Spannungen Ua, Ub entspricht in bekannter Weise der Differenz Δq der an den Integrationsknoten Ga, Gb akkumulierten Ladung q. Die Integrationszeit tint ist vorzugsweise so bemessen, dass kein Integrationsknoten Ga, Gb bei einer üblichen Belichtung sein Sättigungspotential US erreicht. Für größere Signalstärken kann auch eine so genannte SBI-Schaltung zur Signalkompensation vorgesehen sein. Derartige Schaltungen sind beispielsweise aus der DE 10 2004 016 626 A1 oder DE 10 2005 056 774 A1 bekannt.

5a und 5b zeigen Verläufe der normierten Ladungsdifferenz Δq = qa – qb/(qa + qb) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung Δφ(tL) des empfangenen Lichtsignals Sp2 mit unterschiedlichen Phasenlagen. Die 5a zeigt einen Verlauf für eine unverschobene Modulationsphase M0 mit einer Phasenlage φvar = 0°.

Bei einem Auftreffen des Signals Sp2 ohne Phasenverschiebung also Δφ(tL) = 0°, beispielsweise, wenn das Sendesignal Sp1 direkt auf den Sensor gelenkt wird, sind die Phasen der Modulation M0 und vom empfangenen Signal Sp2 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(tL) = 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 Sp2 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 5a zeigt, ist eine Messung der Phase mit einer Phasenlage nur bis zu einer Phasenverschiebung Δφ(tL) ≤ 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 φvar = 0° und φvar = 90°. Das Ergebnis einer Messung mit der Phasenlage φvar = 90° ist in 5b dargestellt.

Die Beziehung dieser beiden Kurven lässt sich in bekannter Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm gem. 6 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(tL) = arctanΔq(90°)Δq(0°)

Aufgrund des linearen Zusammenhangs zwischen Ladung und Spannung, lässt sich der Phasenwinkel ebenso über die Spannungsdifferenzen bestimmen: φ = Δφ(tL) = arctanΔU(90°)ΔU(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(tL) = arctanΔq(90°) – Δq(270°)Δq(0°) – Δq(180°)

Oder verkürzt formuliert:

Wobei die Indizes die jeweilige Phasenlage der Differenzen ai andeuten, mit a1 = Δq(0°) usw.

Aus der Phasenverschiebung φ bzw Δφ(tL) 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(tL)λ·12

In 7 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.

In bisherigen ToF Systemen wird der 4 Phasen Algorithmus verwendet, um innerhalb eines Eindeutigkeitsbereichs die Phasenlage zu bestimmen. Bei diesem Algorithmus werden vier Stützstellen, die äquidistant im Eindeutigkeitsbereich von 0 bis 2π mit gleicher Modulationsfrequenz ermittelt und anschließend die Phasenlage der Grundwelle, die durch diese Stützstellen verläuft, berechnet. Der Eindeutigkeitsbereich wird durch einen Transformationsfaktor vom Bogenmaß in eine Distanz überführt.

In 8 ist noch einmal stark vereinfacht die Demodulationsanordnung eines Lichtlaufzeitkamerasystems gemäß 1 gezeigt. Der Modulator 30 stellt ein Modulationssignal Mod für die Beleuchtung 12 als auch Referenzsignal Ref für den Demodulator bzw. Lichtlaufzeitsensor 22 zur Verfügung. Im dargestellten Beispiel sind Referenzsignal Ref und Modulationssignal Mod gleich.

Zur Bereitstellung verschiedener Phasenlagen ist zwischen Modulator 30 und Beleuchtung 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, der zum einen die Phasenlage des Referenzsignals Ref einstellt und zum anderen zwei komplementäre Kanal-Referenzsignale RefA und RefB zum Betreiben der Integrationsknoten bzw. Taps des Lichtlaufzeitsensors bzw. Demodulators erzeugt. Typischerweise wird ein Kanal mit einer unverschobenen Phasenlage 0° und der andere Kanal mit einer komplementären um 180° verschobenen Phasenlage betrieben.

Die Genauigkeit der Phasen-/Entfernungsmessung hängt nun davon ab, ob und inwieweit die emittierte, modulierte Strahlung phasenstarr in Relation zur Phasenlage des Modulators gehalten werden kann. Durch den Betrieb der Lichtquellen 12 finden grundsätzlich auch eine Erwärmung der Bauelemente statt, so dass die Phasenlage des emittierten Lichts einer Temperaturdrift unterliegt. Dieses Verhalten kann beispielsweise durch eine die Temperatur berücksichtigende Kalibration kompensiert werden.

Um eine solche aufwändige Kalibration zu vermeiden ist es erfindungsgemäß vorgesehen, die Modulation wie in 9 dargestellt aufzubauen. Im Unterschied zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Aufbau gemäß 8 ist der Modulator 30 direkt mit der Lichtquellen 12 verbunden und erzeugt nur das Modulationssignal Mod für die Beleuchtung 12.

Zur Erzeugung des Referenzsignals Ref ist es vorgesehen, beispielsweise am Treiber bzw. an einem die Beleuchtung 12 versorgenden Strompfad ein Signal für die Bereitstellung eines Referenzsignals Ref abzugreifen. In der dargestellten Ausführung wird ein solches Signal beispielsweise als Spannung VB über einen Widerstand R im Strompfad der Beleuchtung 12 abgegriffen. Ausgehend von diesem Referenzsignal Ref werden dann im Phasenschieber 35 die für den Lichtlaufzeitsensor 22 benötigten Kanal-Referenzsignale RefA, RefB bereitgestellt.

In 10 und 11 sind beispielhaft verschiedene Ausgestaltungen von Phasenschieber 35 dargestellt. In 10 ist beispielsweise dem Phasenschieber 35 ein Multiplexer 36 vorangestellt, über den das Referenzsignal Ref auf verschiedene Phasenverzögerungsglieder 0°, 90°, 180° und 270° aufgeschaltet werden kann. Diesen Phasenverzögerungsgliedern nachgeordnet ist für den A-Kanal ein 180°-Phasenverzögerungsglied vorgesehen, während der B-Kanal direkt mit den Phasenverzögerungsgliedern verbunden ist. Selbstverständlich können A- und B-Kanal auch vertauscht werden.

In 11 ist der Phasenschieber 35 mit einen Doppelschalter/-Multiplexer ausgestaltet. Der erste Teils des Multiplexer erlaubt es, den A-Kanal auf die Phasenverzögerungsglieder 0°, 90°, 180° und 270° aufzuschalten, während der zweite Teil des Multiplexer den B-Kanalauf das jeweils komplementäre Phasenverzögerungsglied 180°, 270°, 0° und 90° aufschaltet.

Der Verzögerungsglieder im Phasenschieber sind vorzugsweise analog aufgebaut. Je nach Aufbau des Phasenschiebers können über die Verzögerungsglieder Veränderungen in der Flankensteilheit auftreten. Zur Kompensation solcher Veränderung kann das Ausgangssignal der Verzögerungsglieder mit einem Offset beaufschlagt werden.

Auch eine Realisierung mit Digitalschaltungen, insbesondere mit Logikgattern ist denkbar, z.B. mit CPLD. Sobald sich die Flankensteilheit in der Beleuchtung 12 verschiebt, entsteht ein Delay beim Diskretisieren mittels Schaltpunkt (z.B. Schmitttrigger). Dieser ist durch die Flankensteilheit der Beleuchtung gegeben und entspricht somit im Verhalten im Wesentlichen einem analogen Aufbau.

In einer weiteren Ausgestaltung können die Verzögerungsglieder auch durch unterschiedliche Leitungslängen realisiert werden. Ferner ist es denkbar, das elektrische Signal des treibenden Strompfads über hinreichend schnelle Optokoppler in ein Lichtsignal zu überführen. Die Verzögerungsleitungen könnten dann beispielsweise über Lichtleiter realisiert werden.

In 12 ist eine weitere Ausgestaltung gezeigt, bei der der Modulator 30 über den Phasenschieber 35a mit einem Modulationssignal Mod in zwei unterschiedlichen Phasenlagen versorgt, nämlich nur mit 0° und 180°. Der Modulator 30 versorgt über einen zweiten Phasenschieber 35b den A-Kanal des Lichtlaufzeitsensors 22 direkt mit einem A-Kanalreferenzsignal mit den Phasenlagen 180°, 270°, 0° und 90°. Der B-Kanal ist hingegen über einen dritten Phasenschieber 35c mit dem Strompfad der Beleuchtung verbunden, wobei der dritte Phasenschieber das Referenzsignal RefB gegenüber dem Referenzsignal Ref aus dem Strompfad je nach Messsituation um 0° oder 90° verschiebt. Durch geeignete Auswahl der Phasenverzögerungen können alle notwendigen Phasenlagen am Lichtlaufzeitsensor eingestellt werden.

Alternativ zu dem Abgriff eines Referenzsignals im Strompfad der Beleuchtung kann in allen vorgenannten Ausführungsbeispiel ein Referenzsignal auch durch Erfassen des an den Lichtquellen 12 ausgesandet Lichts erfolgen, wobei das Lichtsignal beispielsweise über Optokopplern in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Der Optokoppler ist selbstverständlich so angeordnet, dass ein Teil des von der Beleuchtung ausgesendeten Lichts empfangen wird. Ebenso ist der Optokoppler so ausgewählt, dass die Modulation des erfassten Lichts in ein entsprechend moduliertes Lichtsignal umgewandelt werden kann.

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(tL)
laufzeitbedingte Phasenverschiebung
φvar
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, 0024]
  • DE 19704496 C2 [0032]
  • DE 102004016626 A1 [0035]
  • DE 102005056774 A1 [0035]