Die Erfindung betrifft einen Lichtlaufzeitsensor und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.

Mit Lichtlaufzeitkamerasystem 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' oder 'PMD-Technologies GmbH' als Frame-Grabber 03D bzw. als CamCube 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. Selbstverständlich sollen mit dem Begriff Kamera bzw. Kamerasystem auch Kameras bzw. Geräte mit mindestens einem Empfangspixel mit umfasst sein, wie beispielsweise das Entfernungsmessgerät OID der Anmelderin.

Für die Bestimmung einer Entfernung bzw. einer entsprechenden Phasenverschiebung des reflektierten Lichts wird, wie in der DE 197 04 496 ausführlich beschrieben, im PMD-Sensor das reflektierte Licht mit dem modulierenden Signal gemischt. Diese Mischung liefert ein in Phase liegendes Signal (0°) und ein um 180° versetztes Signal, aus dem in bekannter Weise eine Entfernung bestimmt werden kann. Zur Verbesserung der Qualität der

Entfernungsmessung kann es vorgesehen sein, die Sendemodulation gezielt beispielsweise um 90°, 180° oder 270° zu verschieben und vorzugsweise mittels einer IQ (Inphase, Quadratur)- Demodulation einen Phasenwinkel des reflektierten in Relation zum gesendeten Signal zu bestimmen. Dieses Vorgehen ist insbesondere nützlich zur Gewinnung von redundanten Informationen, um beispielsweise verschiedene parasitäre Effekte wie fixed pattern noise (FPN), Hintergrundlicht oder Asymmetrien des Sensors zu kompensieren.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Entfernungsmessung zu verbessern.

Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren und Lichtlaufzeitkamerasystem nach Gattung des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems vorgesehen, bei dem in einer Distanzmessung eine erste entfernungsrelevante Größe anhand einer

Phasenverschiebung eines emittierten und empfangenen Signals für eine erste

Modulationsfrequenz und in einer Kontrollmessung eine zweite entfernungsrelevante Größe ermittelt wird, wobei die Kontrollmessung mit einer zweiten Modulationsfrequenz

durchgeführt wird, die sich von der ersten Modulationsfrequenz unterscheidet und die

Kontrollmessung mit einer geringeren Anzahl von Phasenlagen durchgeführt wird als die Distanzmessung.

Durch die vorzugsweise kürzere und/oder einfachere Kontrollmessung können die in der Distanzmessung ermittelten Entfernung s werte schnell und zuverlässig verifiziert werden.

Zur Verifizierung ist es vorteilhaft vorgesehen, die Distanzmessung nur dann als gültig zu erkennen, wenn die betragsmäßige Differenz zwischen der ersten und zweiten

entfernungsrelevante Größe unterhalb eines tolerierten Grenzwertes liegt.

Hierdurch können beispielsweise Fehlmessungen durch Überreichweiten oder Störungen vermieden werden.

Bevorzugt sind die beiden entfernungsrelevanten Größen ein erster und zweiter

Entfernung s wert .

Ebenso kann es vorgesehen sein, dass die in der Distanzmessung ermittelte erste

entfernungsrelevante Größe einer in der Kontrollmessung erwarteten entfernungsrelevanten Größe entspricht oder in diese umgerechnet wird.

So kann beispielsweise aus der in der Distanzmessung ermittelten Größe eine für eine bestimmte Phasenlage der Kontrollmessung erwartete elektrische Größe bestimmt werden und diese erwartete Größe mit der erfassten Größe verglichen werden.

Bevorzugt erfolgt die Kontrollmessung mit einer vereinfachten Distanzmessung, bei der nur eine oder zwei Phasenverschiebungen für die Entfernungsmessung berücksichtigt werden.

Vorzugsweise ist die zeitliche Dauer der Kontrollmessung kürzer als die der Distanzmessung.

Vorteilhaft erfolgt die Kontrollmessung unmittelbar vor oder/und nach der

Objektdistanzmes sung . Besonders vorteilhaft erfolgen die Distanzmessung und die Kontrollmessungen mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen, um die Messungen möglichst mit diversitären Mess verfahren durchführen zu können.

Ebenso vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen mit einem Modulator, der mit einer Beleuchtung und einem Empfänger des Lichtlaufzeitkamerasystems verbunden ist, wobei ein Modulationssteuergerät mit dem Modulator verbunden und derart ausgestaltet ist, dass der Modulator mit mindestens zwei Modulationsfrequenzen betreibbar ist, wobei eine Aus werteeinheit derart ausgestaltet ist, dass in einer Distanzmessung eine erste

entfernungsrelevante Größe anhand einer Phasenverschiebung eines emittierten und empfangenen Signals für eine erste Modulationsfrequenz und in einer Kontrollmessung eine zweite entfernungsrelevante Größe ermittelt wird, wobei die Kontrollmessung mit einer zweiten Modulationsfrequenz durchgeführt wird, die sich von der ersten Modulationsfrequenz unterscheidet und die Kontrollmessung mit einer geringeren Anzahl von Phasenlagen durchgeführt wird als die Distanzmessung.

Es zeigen:

Figur 1 schematisch das grundlegende Prinzip der Photomischdetektion,

Figur 2 eine modulierte Integration der erzeugten Ladungsträger,

Figur 3 zwei zeitliche Verläufe der Ladungsintegration mit unterschiedlichen Phasenlagen, Figur 4 Relation der Integration in einem IQ-Diagramm,

Figur 5 eine Distanzmessung mit einem Objektabstand größer der halben Wellenlänge, Figur 6 eine Distanzmessung mit einem Objektabstand kleiner der halben Wellenlänge, Figur 7 einen zeitlichen Verlauf der Distanzmessungen mit mehreren Modulationsfrequenzen, Figur 8 schematische eine Überprüfung einer Distanzmessung.

Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.

Figur 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 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 Lichtlaufzeitpixel, vorzugsweise 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 _Q mit einer Basisphasenlage c o beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase c o des

Modulationssignals Mo der Lichtquelle 12 um definierte Phasenlagen (p _va r verschoben werden kann. Für typische Phasenmessungen werden vorzugsweise Phasenlagen von (p _va r = 0°, 90°, 180°, 270° verwendet.

Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein

intensitätsmoduliertes Signal S _pl mit der ersten Phaselage pl bzw. pl = φ ₀ + (p _va r aus. Dieses Signal S _pl bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten Wegstrecke entsprechend

phasenverschoben Δφ(^) mit einer zweiten Phasenlage p2 = c o + (p _va r + Δφ(^) als

Empfangssignal S _p2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M _Q mit dem empfangenen Signal S _p2 gemischt, wobei aus dem

resultierenden Signal die Phasenverschiebung bzw. die Objektentfernung d ermittelt wird.

Zur Verbesserung der Messgenauigkeit und/oder zur Erweiterung des Eindeutigkeitsbereichs kann es ferner vorgesehen sein, Lichtlaufzeitmessungen mit unterschiedlichen

Modulationsfrequenzen durchzuführen. Zu diesem Zweck ist der Modulator 30 mit einem Modulationssteuergerät 38 verbunden, das vorzugsweise innerhalb eines vorgegebenen Frequenzspektrums Modulationsfrequenzen vorgeben kann.

Der Modulator 30 könnte beispielsweise als Frequenzsynthesizer ausgebildet sein, der über das Modulationssteuergerät 38 für die jeweilige Messaufgabe angesteuert wird.

Ferner ist die Empfangseinheit 20 mit einer Auswerteeinheit 27 verbunden. Die

Aus werteeinheit 27 kann gegebenenfalls auch Bestandteil der Empfangseinheit 20 und insbesondere auch Teil des Lichtlaufzeitsensors 22 sein. Aufgabe der Auswerteeinheit 27 ist es, anhand der empfangenen Signale in Relation zur Modulationsfrequenz

Phasenverschiebungen zu ermitteln und/oder auszuwerten. Die Mischung der empfangen Lichtstrahlen mit der Modulationsfrequenz erfolgt vorzugsweise im Lichtlaufzeitsensor 22 bzw. PMD-Sensor. Ferner kann das Modulationssteuergerät 38 auch Bestandteil der

Aus werteeinheit 27 sein. Insbesondere kann es auch vorgesehen sein, dass die

Aus werteeinheit 27 die Funktion des Modulations Steuergeräts 38 vollständig oder teilweise übernimmt.

Als Beleuchtungsquelle bzw. Lichtquelle 12 eignen sich vorzugsweise Infrarot-Leuchtdioden. Selbstverständlich sind auch andere Strahlungsquellen in anderen Frequenzbreichen denkbar, insbesondere kommen auch Lichtquellen im sichtbaren Frequenzbereich in Betracht.

Das Grundprinzip der Phasenmessung ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulations signals Mo 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 tL phasenverschoben Δφ(^) 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 Mo + 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(^) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.

Figur 3a und 3b zeigen Verläufe der Ladungsdifferenz Äq = q _a - qb / (q _a + qb) in Abhängigkeit der Phasenverschiebung Δφ(^) des empfangenen Lichtsignals S _p2 mit unterschiedlichen Phasenlagen. Die Figur 3a zeigt einen Verlauf für eine unverschobene Modulationsphase Mo mit einer Phasenlage ( _var = 0 ° .

Bei einem Auftreffen des Signals S _p2 ohne Phasenverschiebung also Δφ(^) = 0°,

beispielsweise, wenn das Sendesignal S _p i direkt auf den Sensor gelenkt wird, sind die Phasen der Modulation Mo und vom empfangenen Signal S _p2 identisch, so dass alle erzeugten Ladungsträger phasensynchron am ersten Gate Ga erfasst werden und somit ein maximales Differenzsignal mit Aq = 1 anliegt. Mit zunehmender Phasenverschiebung nimmt die Ladung am ersten Akkumulationsgate Ga ab und am zweiten Akkumulationsgate Gb zu. Bei einer Phasenverschiebung von Δφ(^) = 90° sind die Ladungsträger qa, qb an beiden Gates Ga, Gb gleich verteilt und die Differenz 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 S _P 2 mit dem modulierenden Signal Mo. q(T) = \ S _p2 (t - T)M _Q (t)dt

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 Figur 3a zeigt, ist eine Messung der Phase mit einer Phasenlage nur bis zu einer

Phasenverschiebung Δφ(ΐ < 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 (p _var = 0 ° und ( var = 90 ° . Das Ergebnis einer Messung mit der Phasenlage (p _var = 90 ° ist in Figur 3b dargestellt.

Die Beziehung dieser beiden Kurven lässt sich in bekannter Art und Weise beispielsweise für sinusförmige Kurvenverläufe in einem IQ-Diagramm gem. Figur 4 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-, insbesondere arctan2- Funktion, bestimmen:

Δ^(90°)

φ = arctan - Um beispielsweise Asymmetrie des Sensors zu kompensieren, können zusätzliche um 180° verschobene Phasenmessungen durchgeführt werden, so dass sich im Ergebnis der

Phasenwinkel wie folgt bestimmen lässt.

Δ(0°) - Δ^(180°)

Figur 5 zeigt ein Beispiel, bei dem das Objekt 40 einen Abstand d vom Sender 10 von d = 2A +— aufweist, wobei selbstverständlich die bis zum Empfänger 20 zurückgelegt Wegstrecke doppelt so groß ist, nämlich D = 2d = 4Ä + R

In einem solchen Fall und generell für Entfernungen d, die größer sind als die halbe

Wellenlänge λ der Modulationsfrequenz d > λ/2 lassen sich allein aus einer einzigen ermittelten relativen Phasenverschiebung Δφ(^) keine eindeutigen Entfernungen bestimmen.

In Figur 6 ist ein Beispiel dargestellt bei dem gewährleistet ist, dass die Abstände der Objekte 40 immer kleiner sind, als die halbe Wellenlänge λ/2 der verwendeten

Modulationsfrequenzen. In einer solchen Situation lässt sich ausgehend von einer ermittelten laufzeitbedingten relativen Phasenverschiebung Δφ(^) in bekannter Weise ein Objektabstand d bestimmen. d = A<p(t _r ) = - - Ä mit 0 < b < l

^L 2π 2 2

Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, den Objektabstand mit mindestens einer weiteren Modulationsfrequenz zu ermitteln, wobei ein Objektabstand nur dann als gültig erachtet wird, wenn mindestens ein unmittelbar zuvor oder nachfolgend erfasster Objektabstand im Rahmen einer tolerierten Abweichung den gleichen Entfernungswert aufweist.

Besonders vorteilhaft werden die Entfernungswerte, die zur Überprüfung eines ersten Entfernungswerts ermittelt werden, mit einem anderen Verfahren ermittelt.

Figur 7 zeigt eine zeitliche Abfolge der Distanzmessungen mit drei unterschiedlichen

Modulationsfrequenzen fi, f ₂ , f ₃ , wobei zu jeder Modulationsfrequenz die

Phasenverschiebung anhand von vier unterschiedlichen Phasenlagen bestimmt wird. Sind die ermittelten Entfernungswerte zu allen Modulationsfrequenzen gleich werden die ermittelten Entfernungswerte oder einer der ermittelten Entfernungswerte als gültig erachtet. Figur 8 zeigt ein weiteres erfindungsgemäßes Vorgehen, bei dem nur für eine Modulationsfrequenz die Phasenverschiebung mit einem vollständigen Satz von Phasenlagen bestimmt wird, nämlich mit 0°, 90°, 180° und 270°. Die Entfernungsmessungen mit den weiteren Modulationsfrequenzen erfolgen nur zur Kontrolle und können erfindungsgemäß vereinfacht ausgeführt werden. Im dargestellten Fall werden für die zweite und dritte Modulationsfrequenz f ₂ , f ₃ als Phasenlage nur 0° und 90° herangezogen. Aufgrund der geringen Anzahl von Phasenlagen kann der vereinfacht ermittelte Entfernung s wert größere Toleranzen aufweisen als ein mit einem vollständigen Phasenlagensatz ermittelter

Entfernung s wert .

Die zu tolerierenden Abweichungen der Entfernung s werte ist somit größer zu wählen als in dem zu Figur 7 dargestellten Fall. Die vereinfachte Kontrollmessung dient im Wesentlichen dazu, zu überprüfen, ob der mit dem vollständigen Phasenlagensatz ermittelte

Entfernungswert plausibel ist. Die vereinfachte Kontrollmessung braucht insofern vorzugsweise nur Entfernung s werte liefern, die innerhalb der Größenordnung der zu erwartenden Entfernung s werte liegen.

Je nach Aufgabenstellung und/oder Objektabstände kann die Kontrollmessung auch auf eine Entfernungsmessung mit einer einzigen Phasenlage reduziert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann es auch vorgesehen sein, Annahmen über die Kontrollmessung zu machen und/oder zu erwartende entfernungsrelevante Größen, insbesondere elektrische Größen zu berechnen.

Vorzugsweise könnte ausgehend von der im Distanzmesszyklus bestimmten Entfernung eine erwartete Spannungsdifferenz an Integrationsknoten des Lichtlaufzeitsensors für eine der Phasenlagen vorherbestimmt bzw. berechnet werden. Insofern ist eine explizite Berechnung eines Entfernungswertes nicht zwingend notwendig, sondern es reicht für eine Kontrolle aus, den vorherbestimmten entfernungsrelevante Werte bzw. Größen mit dem in der

Kontrollmessung tatsächlich ermittelten Wert zu vergleichen.

Beispielsweise könnte für die 90°-Phasenlage eine zu erwartende Ladung oder Spannung an einem Lichtlaufzeitpixel vorherbestimmt werden. Entspricht der tatsächliche Kontrollwert innerhalb tolerierter Abweichungen dem berechneten Wert wird die Distanzmessung als gültig bewertet.

Die Kontrollmessung kann ohne Weiteres auch vor der Distanzmessung erfolgen. Bevorzugt werden in der Kontrollmessung Modulationsfrequenzen verwendet, die eine größere Wellenlänge aufweisen als die in der Distanzmessung verwendeten.

Bezugszeichenliste

10 Beleuchtungsmodul

12 Beleuchtung

22 Lichtlaufzeitsensor

27 Auswerteeinheit

30 Modulator

35 Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber

38 Modulations Steuergerät

Äc (tL) laufzeitbedingte Phasenverschiebung

( var Phasenlage

cpo Basisphase

Mo Modulationssignal

pl erste Phase

p2 zweite Phase

Spl Sendesignal mit erster Phase

Sp2 Empfangssignal mit zweiter Phase

Ga, Gb Akkumulationsgates

Ua, Ub Spannungen am Modulationsgate