Derartige Lichtlaufzeitkamerasysteme bzw. 3D-TOF-Sensoren betreffen Systeme, 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 C2 beschrieben und von der Firma 'ifm electronic GmbFT oder 'pmdtechnologies ag' 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Performanz von Lichtlaufzeitkamerasystemen zu verbessern ohne Augensicherheit zu gefährden.

Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Verfahren und dem System nach Gattung der unabhängigen Ansprüche gelöst.

Vorteilhaft ist ein Verfahren zum Betreiben eines Lichtlaufzeitkamerasystems vorgesehen, wobei das Lichtlaufzeitkamerasystem für eine Entfernungsmessung anhand einer Phasenverschiebung eines ausgesendeten und empfangenen, modulierten Lichts ausgebildet ist,

bei dem ein erstes Modulationssignal für einen Lichtlaufzeitsensor und ein zweites Modulationssignal für eine Beleuchtung erzeugt wird und beide Modulationssignale Einschaltpulse und Pausen aufweisen,

wobei für eine Entfernungsmessung die Beleuchtung für eine vorgegebenen

Emissionsdauer betrieben wird,

wobei eine maximale Abstrahlenergie der Beleuchtung für die vorgegebene

Emissionsdauer festgelegt ist und die Emissionsdauer in Impulsgruppen mit vorgegebener Gruppenzeitdauer aufgeteilt wird,

wobei sich die maximale Abstrahlenergie für jede Impulsgruppe aus dem Verhältnis der maximalen Abstrahlenergie und Anzahl der Impulsgruppen innerhalb der

Emissionsdauer entsprechend: max,mt,

- ^• max,IG ergibt

nie

wobei die Abstrahlenergie für die gesamte Emissionsdauer dadurch eingestellt wird, dass innerhalb einer jeden Impulsgruppe Einschaltpulse im Modulationssignal Mo _{, red} für die Beleuchtung ein- oder ausgeschaltet werden.

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass die Leistung innerhalb einer jeden

Impulsgruppe linear eingestellt werden kann.

Ferner ist es nützlich, wenn das Ein- oder Ausschalten von Pulsen zur

Energieeinstellung dadurch erreicht wird, dass die Impulsgruppe durch ein Binärwort gebildet wird oder dass mit Hilfe eines Zählers bestimmt wird, welche Pulse innerhalb einer Impulsgruppe ein- oder ausgeschaltet werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn initial in einem Erstbetrieb und/oder in einer Produktionsphase des Lichtlaufzeitkamerasystems ein Teil der Pulse innerhalb der Impulsgruppe abgeschaltet sind.

Ferner ist es von Vorteil, wenn in der Produktionsphase die Abstrahlenergie im Hinblick auf eine maximale Abstrahlenergie oder einer vorgegebenen 3D-Perfomanz eingestellt wird.

In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass die Abstrahlenergie während des Betriebes kontrolliert und auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird.

Ebenso vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, mit einer

Beleuchtung zur Ausendung eines modulierten Lichts und einem Lichtlaufzeitsensor zum Empfang des ausgesendeten und von einer Szene reflektierten Lichts, mit einem Modulator zur Erzeugung eines Modulationssignals,

wobei das Lichtlaufzeitkamerasystem zur Durchführung eines der vorgenannten

Verfahren ausgebildet ist.

Ferner kann das System eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Binärworts zur Bildung von Impulsgruppen mit ein- oder/und ausgeschalteten Pulsen aufweisen.

Oder das System ist mit einem Zähler ausgestattet, der derart ausgebildet ist, dass anhand vorgebbarer Zählerstände Pulse in den Impulsgruppen ein- oder

ausgeschaltet werden. Besonders nützlich ist es eine Überwachungsvorrichtung zur Überwachung der abgestrahlten Energie vorzusehen, die derart ausgestaltet ist, dass durch Ein- und/oder Ausschalten von Pulsen in jeder Impulsgruppe die abgestrahlte Energie auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird.

Besonders vorteilhaft ist es eines der vorgenannten Verfahren oder Vorrichtungen in einer Produktionslinie dergestalt zu verwenden, dass die abgestrahlte Energie im Hinblick auf eine vorgegebene 3D-Perfomanz eingestellt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter

Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 schematisch ein Lichtlaufzeitkamerasystem,

Figur 2 eine modulierte Integration erzeugter Ladungsträger,

Figur 3 eine 1 ps lange Impulsgruppe bei einem 50 MHz-Modulationssignal,

Figur 4 Impulsgruppe mit unterdrückten Impulsen,

Figur 5 eine 5 ps lange Impulsgruppe mit unterdrückten Impulsen,

Figur 6 eine Impulsfolge über die gesamte Integrationszeit,

Figur 7 eine 5 ps lange Impulsfolge mit 250 Einzelimpulsen,

Figur 8 eine Folge von Impulsgruppen über die Integrations- bzw. Einschaltzeit,

Figur 9 ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem Kamera und Beleuchtung

unterschiedlich moduliert werden,

Figur 10 ein zweites Ausführungsbeispiel mit Zähler.

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 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 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 ₀ mit einer Basisphasenlage fo beaufschlagt. Im dargestellten Beispiel ist ferner zwischen dem Modulator 30 und der Lichtquelle 12 ein Phasenschieber 35 vorgesehen, mit dem die Basisphase fo des Modulationssignals Mo der Lichtquelle 12 um definierte

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

Entsprechend des eingestellten Modulationssignals sendet die Lichtquelle 12 ein intensitätsmoduliertes Signal S _pi mit der ersten Phasenlage p1 bzw. p1 = fo + (p _var aus. Dieses Signal S _pi bzw. die elektromagnetische Strahlung wird im dargestellten Fall von einem Objekt 40 reflektiert und trifft aufgrund der zurückgelegten

Wegstrecke entsprechend phasenverschoben Df(ίi_) mit einer zweiten Phasenlage P2 = fo + (p _Var + Df(ίi_) als Empfangssignal S _P 2 auf den Lichtlaufzeitsensor 22. Im Lichtlaufzeitsensor 22 wird das Modulationssignal M ₀ mit dem empfangenen Signal S _p 2 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 Figur 2 dargestellt. Die obere Kurve zeigt den zeitlichen Verlauf des Modulationssignals Mo mit der die Beleuchtung 12 und der Lichtlaufzeitsensor 22 angesteuert werden. Das vom Objekt 40 reflektierte Licht trifft als Empfangssignal S _P 2 entsprechend seiner Lichtlaufzeit ti_ phasenverschoben Df(ίi_) 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 Df(ίi_) und somit eine Entfernung d des Objekts bestimmen.

Alle Komponenten eines 3D-ToF-Kamerasystem wie Beleuchtung,

Beleuchtungstreiber, 3D-ToF-lmager, Linse, usw. besitzen Material und

Herstellungstoleranzen. Für ein 3D-ToF-Kamerasystem wirken sich diese Toleranzen in unterschiedlicher Leistung des individuellen Kamerasystems aus. Darüber hinaus sind bei Verwendung von Lasern in einem 3D-ToF-Kamerasystem die zulässigen Limits der optischen Ausgangsleistung im Hinblick auf Augensicherheit entsprechend der geltenden Richtlinien und Normen zu berücksichtigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, Kamera individuelle Leistungsstreuungen zu

kompensieren. Hierbei sollte die optische Ausgangsleistung möglichst fein und linear einstellbar sein.

Die Augensicherheitsnormen sehen vor, dass Pulsfolgen bzw. Impulsgruppen im Wellenlängenbereich zwischen 400 nm bis 1050 nm unterhalb von 5 ps aufsummiert werden können. Für diese Pulslängen erfolgt die Leistungseinstellung linear. Längere Pulsfolgen als 5 ps werden in Abhängigkeit der Pulsfolgenlänge mit einem Faktor zur vierten Potenz behandelt. Eine Einstellung der Leistung beispielsweise mit Hilfe einer Pulsweitenmodulation, die auch Pulse länger als 5 ps erlaubt, wäre hochgradig nichtlinear und sehr komplex.

Erfindungsgemäß ist es für die Leistungseinstellung daher vorgesehen, nur Pulse kleiner 5 ps zu betrachten und für die Leistungseinstellung einen so genannten Duty- Cycle einzustellen. Da sich der Duty-Cycle auf jeden einzelnen Puls auswirkt, kann somit die Leistung innerhalb einer Impulsgruppe IG, deren zeitliche Länge bzw.

deren Gruppenzeit tic kleiner oder gleich 5 ps ist eingestellt werden, sodass gemäß Augensicherheitsnormen die Leistungsanpassung linear erfolgt. Somit kann die Duty- Cycle-Anpassung zur linearen Abstimmung der optischen Ausgangsleistung f genutzt werden. Hierbei gilt: Energie:

Q = [ <p dt [/]

At

Leistung:

Figur 3 zeigt beispielhaft eine Impulsgruppe eines Modulationssignals mit einer Modulationsfrequenz von 50 MHz. Die Periodendauer des Modulationssignals liegt dann bei 20 ns. Die Modulation kann grundsätzlich auch als binäres Wort betrachtet werden, so dass eine Periode des Rechtecksignals auch mit dem Binärwort 01 beschrieben werden kann, wobei im vorliegenden Beispiel jedes Bit dieses

Binärworts eine zeitliche Länge von 10 ns aufweist. Das gezeigte Modulationssignal weist bei einer zeitlichen Länge von 1 ps 50 Einschaltpulse bzw. Einzelimpulse EP, P _ER auf und kann somit in Form eines 100 Bit langen Binärworts beschrieben werden.

Zur Leistungseinstellung ist es erfindungsgemäß nun vorgesehen, einzelne

Einschaltpulse bzw. Impulse in einer vorgegebenen Impulsgruppe zu unterdrücken. Im Beispiel gemäß Figur 4 ist es vorgesehen, das 12. und 98. Bit bzw. den 6. und 49. Impuls zu unterdrücken, indem beispielsweise ein entsprechendes Binärwort ausgegeben wird. Das bedeutet, dass die Leistungsabgabe in dieser Impulsgruppe um 2/50, also um 4 % reduziert wird.

Für die Leistungsreduzierung ist es hierbei unerheblich, welche zwei Impuls-Bits bzw. Einschaltimpulse innerhalb der Impulsgruppe abgeschaltet werden. So ist es ohne weiteres auch denkbar, die ersten oder die letzten beiden Impulse

abzuschalten.

Besonders vorteilhaft können die unterdrückten Bits bzw. Impulse auch zufällig ausgewählt werden.

Vorteilhaft ist die maximale zeitliche Länge der Impulsgruppe und dementsprechend des Binärworts auf die entsprechende Normvorschrift abgestimmt. Wie bereits beschrieben können für einen Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 1050 nm Impulsgruppen bis zu einer zeitlichen Länge tic. _ma x von 5 ps als ein Einzelimpuls zusammengefasst werden.

Bei dem in Figur 3 und 4 gezeigten Beispiel könnte, wie in Figur 5 gezeigt, das 50 MFIz Modulationssignal in eine Impulsgruppe zu 250 Impulsen PER zusammengefasst werden und als 500 Bit-Wort beschrieben werden. Die Abschaltung von 2 Bits in diesem Block entspräche dann einer Leistungsreduzierung von 2/250 = 0,8 %. nu ²

0,8 %

^{Qred = =} 25Ö

Mit der Größe der gewählten Impulsgruppe kann insofern auch die mögliche

Auflösung der Leistungseinstellung festgelegt werden.

Stehen aufgrund technischer Randbedingungen nur Binärworte fester Länge zur Verfügung ist eine Grenzfrequenz zu beachten, bei der die zeitliche Länge TBI™ des Binärworts die maximal zeitliche Länge tiG. _ma x der zu einem Einzelpuls summierbaren Länge übersteigt.

So gilt dann für die Periodendauer T _per des Modulationssignals, deren Länge sich aus zwei Bits 01 zusammensetzt:

Steht beispielsweise nur ein Binärwort mit einer Länge von 128 bit zur Verfügung ergeben sich folgende Grenzbedingungen:

78,125 ns

und 1 128

Die gesamte Emissionsdauer t, _nt einer Lichtlaufzeitkamera beschränkt sich jedoch nicht auf eine 5 ps - Gruppe, sondern richtet sich nach der für die Aufgabenstellung notwendigen Integrationszeit bzw. - dauer L _nt des Lichtlaufzeitsensors. Beispielhaft ist in Figur 6 eine Integrationszeit von 1 ms gezeigt. Bei einem Modulationssignal von 50 MHz erfolgen in diesem Zeitraum 50.000 Einzelimpulsen PER.

Wie bereits in Figur 5 gezeigt und in Figur 7 noch einmal dargestellt, können gemäß Normvorschrift Einzelimpulse innerhalb eines Zeitraums von 5 ps zu einer

Impulsgruppe IG zusammengefasst werden und als ein gemeinsamer Impuls gewertet werden. Im gewählten Beispiel von 50 MHz weist die 5ps-lmpulsgruppe 250 Einzelimpulse PER auf.

Die gesamte Emissionsdauer fc _nt kann, wie in Figur 8 gezeigt, dann in 200

Impulsgruppen IG aufgeteilt werden.

Kernidee der Erfindung ist es, wie bereits beschrieben, die Leistung der

abgestrahlten Leistung anhand von Ein- und Ausschalten von Impulsen in den Impulsgruppen einzustellen.

Gemäß Vorschriften für Augensicherheit für einen Klasse 1 Laser darf die

Gesamtenergie E _ma x,int bei einer Emissionsdauer von 1 ms einen Wert von 7,85 pJ nicht übersteigen. Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, diese Gesamtenergie E _max .i _nt auf die während Emissionsdauer t, _nt möglichen 5 ps-lmpulsgruppen

gleichmäßig zu verteilen. D.h. im Beispiel gemäß Figur 8

39 nj

ergibt sich hiernach eine maximale Impulsgruppenenergie E _{max,iG V} on 39 nJ.

Zur Einstellung oder Regelung der Energie werden erfindungsgemäß 5 ps- lmpulsgruppen berücksichtigt. Vorzugsweise wird die Energie der abgestrahlten Leistung auf 80 % bis 90 % der gemäß Augensicherheit oberen Grenze eingestellt. Also gemäß obigen Beispiel zwischen 31 und 35 nJ. So ergibt sich auch ein

Regelungsspielraum nach oben.

Ein solches Vorgehen ist wichtig, wenn insbesondere im Produktionsprozess die Lichtlaufzeitkameras auf gleichbleibende 3D-Performanz eingestellt wird. So können in einfacher Art und Weise technisch bedingte Streuungen in der Produktion ausgeglichen werden. Beispielsweise können die optischen Elemente in ihrer

Lichtdurchlässigkeit schwanken, die Abstrahlgeometrie unterschiedlich ausgeprägt sein, die Quanteneffizienz des Lichtlaufzeitsensors variieren etc.

Dies hat zur Folge, dass Lichtlaufzeitkameras mit derselben Abstrahlenergie unterschiedliche 3D-Perfomanz aufweisen, die beispielsweise durch unterschiedliche Messgenauigkeiten in Erscheinung tritt.

Erfindungsgemäß ist es daher vorgesehen, die Lichtlaufzeitkamerasysteme vorzugsweise nicht im Hinblick auf eine maximal mögliche Abstrahlleistung zu optimieren, sondern im Hinblick auf eine gleichbleibende 3D-Performanz. So kann bei einer Erstkalibration in einer Produktionslinie zur Sicherstellung einer

gleichbleibenden Performanz die abgestrahlte Leistung ggf. auch reduziert werden, obwohl der Augensicherheitsgrenzwert nicht überschritten wurde.

Figur 9 zeigt eine mögliche Ausführungsform, bei der der Modulator 30 bzw.

Taktgeber 30 zwei Modulationssignale bzw. zwei Binärworte vorgibt, einmal ein vollständiges Binärwort Mo ohne unterdrückte Impulse, mit dem die Kamera 20 bzw. der Lichtlaufzeitsensor 22 betrieben wird und ein zweites reduziertes Binärwort Mo _, re _d mit unterdrückten Impulsen, mit der die Beleuchtung 10 bzw. die Lichtquellen betrieben werden.

In einer weiteren Ausgestaltung gemäß Figur 10 werden, statt dezidierte Binärwort vorzugeben, die Impulse des Taktgebers 30 mit Hilfe eines Zählers 31 gezählt, wobei der Zähler 31 nach einer vorgegebenen Anzahl von Impulsen ein oder mehrere Impulse wegschaltet, so dass im Ergebnis für jede Impulsgruppe IG ein reduziertes Binärwort bzw. reduziertes Modulationssignal vorliegt und jede Impulsgruppe IG unterhalb der maximalen Impulsgruppenenergie Emax.lG liegt. Ferner kann es vorgesehen sein, dass bei einer Erstinbetriebnahme das Lichtlaufzeitkamerasystem zunächst mit einem reduziertem Binärwort initial betrieben wird, so dass die zunächst abgestrahlte Energie E in einem Bereich von 80 % bis 90 % der maximal zulässigen Energie E _ma x,int liegt. In einer Produktionsphase kann dann durch Aktivieren von unterdrückten Impulsen die Leistung erhöht und durch

Unterdrücken bzw. Deaktivieren von aktiven Impulsen die Leistung reduziert werden.

Bezugszeichen

1 Lichtlaufzeitkamerasystem

10 Beleuchtungsmodul

12 Beleuchtung

20 Empfänger, Lichtlaufzeitkamera

22 Lichtlaufzeitsensor

30 Modulator, Taktgeber,

31 Zähler,

35 Phasenschieber, Beleuchtungsphasenschieber 40 Objekt

f, Df(ίi_) laufzeitbedingte Phasenverschiebungp _var Phasenlage

fo Basisphase

Mo Modulationssignal

p1 erste Phase

p2 zweite Phase

Sp1 Sendesignal mit erster Phase

Sp2 Empfangssignal mit zweiter Phase

Ga, Gb Integrationsknoten

d Objektdistanz

q Ladung