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Die Erfindung betrifft ein Lichtlaufzeitkamerasystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems nach Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung dient insbesondere zur Überwachung des vollständigen Signalpfades wie sie für sicherheitsrelevante Anwendungen - beispielsweise SIL, ASIL - erforderlich sind.
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Für sicherheitsrelevante Anwendungen muss jederzeit gewährleistet sein, dass die Kamera erkennt, falls eine der Komponenten nicht spezifikationsgemäß arbeitet.
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Mit Lichtlaufzeit-Kamerasystem 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 A1 ,
US 6 587 186 B2 und auch
DE 197 04 496 A1 beschrieben und beispielsweise von der Firma ,ifm electronic gmbh' als Frame-Grabber O3D 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 O1D der Anmelderin.
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Die
US 2008/0180650 A1 zeigt ein 3D-Bild-System, das Entfernungen aus einer Phasenverschiebung einer emittierten und von einer Szenerie reflektierten Licht bestimmt. Mit Hilfe einer Synchronisations-Vorrichtung wird anhand des emittierten Lichts ein elektrisches Referenzsignal erzeugt, indem über einen Shunt-Widerstand ein elektrisches Signal abgegriffen wird.
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Die
US 2005/0275827 A1 offenbart einen optischen Entfernungsmesser nach dem Phasenmessprinzip, bei dem das zu emittierende Licht mit Hilfe eines sinusförmigen Referenzsignal amplitudenmoduliert wird.
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Die
US 2009/0045359 A1 beschreibt ein Lichtempfangselement zur Erfassung einer Intensität eines empfangenen Lichts für eine Vielzahl von Phasenbereichen innerhalb eines Zyklus des intensitätsmodulierten Lichts. Eine Zeitsynchronisationsschaltung vergleicht eine zyklische Variation, die den Betrieb des Lichtempfangselements bestimmt, mit einer zyklischen Variation, die mit einem Ausgangssignal einer Treiberschaltung für ein lichtemittierendes Element verbunden ist, um eine konstante Phasendifferenz zwischen diesen beiden zyklischen Variationen zu erhalten.
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Die
DE 20 2005 012 479 U1 offenbart einen Optischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich, mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und einer Auswerteeinheit zur Generierung eines Objektfeststellungssignals in Abhängigkeit der Empfangssignale am Ausgang des Empfängers, wobei der Sender in einem Kollimator angeordnet ist, in welchem wenigstens eine Aussparung angeordnet ist, über welche Randstrahlen der vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen auf eine außerhalb des Kollimators liegende Monitordiode zur Kontrolle des Sendebetriebs ausgekoppelt sind.
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Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung im Hinblick einer Funktions- bzw. Signalpfadüberwachung weiter zu gestalten.
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Die Aufgabe wird in vorteilhafter Weise durch das erfindungsgemäße Lichtlaufzeitkamerasystem und das Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems entsprechend den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Vorteilhaft ist ein Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, mit einem Lichtlaufzeitsensor, der mindestens ein Empfangspixel aufweist, mit einer Beleuchtung zur Abstrahlung eines modulierten Lichts, mit einem Modulator zur Erzeugung eines Modulationssignals, wobei der Modulator mit dem Lichtlaufzeitsensor und der Beleuchtung verbunden ist, und mit einem Beleuchtungstreiber zum Betreiben der Beleuchtung in Abhängigkeit des anliegenden Modulationssignals. Der Beleuchtungstreiber ist derart ausgestaltet, dass an einem Kontrollausgang des Beleuchtungstreibers ein Kontrollsignal verfügbar ist, das einen zeitlichen Signalverlauf eines Treibersignals charakterisiert.
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Dieses Vorgehen erlaubt es insbesondere, einen Signalpfad zwischen der Lichtlaufzeitkamera und einem separaten Beleuchtungsmodul über einen unabhängigen Signalkanal zu überwachen.
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Ebenso vorteilhaft ist ein Verfahren für das vorgenannte Lichtlaufzeitkamerasystem vorgesehen, bei dem durch Mischen des Kontrollsignals des Beleuchtungstreibers und des Modulationssignals des Modulators eine Phase ermittelt wird.
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Die Ermittlung der Phase des Kontrollsignals in Relation zum Modulationssignal erlaubt eine weit reichende Funktionsüberwachung des gesamten Lichtlaufzeitkamerasystems. Liegt beispielsweise die Phase des Kontrollsignals außerhalb eines tolerierten Bereichs, so kann zum einen eine Fehlerreaktion eingeleitet werden oder zum anderen die Distanzmessung in gewissen zulässigen Grenzen entsprechend der ermittelten Phasenverschiebung angepasst werden.
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Bevorzugt weist das Lichtlaufzeitkamerasystem einen elektrischen Mischer auf, der sowohl mit dem Modulator als auch mit dem Kontrollausgang des Beleuchtungstreibers verbunden und zur elektrischen Mischung des Kontroll- und Modulationssignals ausgebildet ist.
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Bevorzugt weist das Lichtlaufzeitkamerasystem mindestens eine Kontrolllichtquelle auf, die in Abhängigkeit des Kontrollsignals des Beleuchtungstreibers betrieben werden kann, wobei eine erste Kontrolllichtquelle zur Beleuchtung eines Referenzlaufzeitsensors und eine zweite Kontrolllichtquelle zur Beleuchtung eines Lichtlaufzeitsensors vorgesehen sind.
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Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass beispielsweise in Abhängigkeit eines vorliegenden Kontrollsignals der Lichtlaufzeitsensor beispielsweise in einer Kontrollmessphase beleuchtet und auf eine Funktionsfähigkeit überprüft werden kann. Ebenso kann das Kontrollsignal über die Kontrolllichtquelle einen Referenzlaufzeitsensor beleuchten, sodass auch während einer durchgeführten Distanzmessung Phasensignale am Lichtlaufzeitsensor erfasst werden können, und so beispielsweise die Qualität der Phasenmessung überwacht werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist im Bereich der Beleuchtung ein Kontrollsensor derart angeordnet, dass von dem Kontrollsensor zumindest ein Teil einer von der Beleuchtung emittierten Strahlung empfangbar ist.
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Durch diesen Kontrollsensor kann in vorteilhafter Weise überprüft werden, ob tatsächlich Strahlung von Beleuchtung emittiert wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung dieses Verfahrens ist es vorgesehen, dass anhand eines Ausgangssignals des Kontrollsensors eine Lichtintensität der Beleuchtung ermittelt wird.
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In einer weiteren Verfahrensausgestaltung ist es vorteilhaft vorgesehen, in Abhängigkeit des Kontrollsignals des Beleuchtungstreibers oder des Ausgangssignals des Kontrollsensors mindestens eine Kontrolllichtquelle zu betreiben, wobei die mindestens eine Kontrolllichtquelle den Lichtlaufzeitsensor und/oder den Referenzlichtlaufzeitsensor beleuchtet.
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Vorteilhaft wird zumindest während eines Distanzmessintervalls die Phase und die Lichtintensität ausgehend von den Kontrollsignalen von einer Auswerteeinheit ermittelt und ausgewertet.
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Bevorzugt ist es auch vorgesehen, dass während eines Kontrollmessintervalls ein erstes und/oder zweites Kontrolllicht in Abhängigkeit von Kontrollsignalen des Beleuchtungstreibers betrieben werden.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen schematisch:
- 1 das Grundprinzip einer Lichtlaufzeitkamera nach dem PMD-Prinzip,
- 2 ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit elektrischem Mischer,
- 3 ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit PMD-Mischer,
- 4 ein Lichtlaufzeitkamerasystem mit elektrischen Mischer und Kontrollsensor,
- 5 ein System mit elektr. Mischer, Kontrollsensor und PMD-Mischer,
- 6 einen Beleuchtungstreiber,
- 7 eine mögliche Anordnung einer Kontrolllichtquelle,
- 8 eine möglichen Messablauf mit Distanz- und Kontrollmessintervallen,
- 9 einen möglichen Messablauf mit mehreren Phasenmessungen in einem Messintervall,
- 10 einen mögliche Messablauf mit einer Phasenmessung pro Messintervall
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Bei der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
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1 zeigt eine Messsituation für eine optische Entfernungsmessung mit einer Lichtlaufzeitkamera, wie sie beispielsweise aus der
DE 197 04 496 bekannt ist.
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Das Lichtlaufzeitkamerasystem 1 umfasst eine Sendeeinheit bzw. ein Beleuchtungsmodul 10, 100 mit einer Beleuchtung 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
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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.
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2 zeigt ein Lichtlaufzeitkamerasystem 1, bei dem die Sende- und Empfangseinheit 10, 20 in einem separaten Beleuchtungsmodul 100 und einem separaten Kameramodul 200 angeordnet sind. Der Modulator 30 erzeugt ein periodisches Modulationssignal M(p1) vorzugsweise in Signalpaketen von einigen Mikrosekunden bis einigen Millisekunden Länge und einer Frequenz im Megahertzbereich. Mit dem Modulationssignal M(p1) wird sowohl der Lichtlaufzeitsensor 22 als auch ein Signaltreiber 230 beaufschlagt.
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Über ein Signalkabel 300 sind das Kamera- und das Beleuchtungsmodul 200, 100 miteinander verbunden. Die Signale des Signaltreibers 230 werden über den Übertragungskanal (Hinkanal) 310 an den Signalempfänger 140 des Beleuchtungsmoduls 100 übertragen. In einer bevorzugten Ausführungsform geschieht dies mittels eines elektrischen LVDS-Signals (low voltage differential signaling). Denkbar sind jedoch auch andere elektrische oder sogar optische Übertragungswege.
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Im Beleuchtungsmodul 100 wird das Signal vom Signalempfänger 140 empfangen und über einen Beleuchtungstreiber 145 für die Beleuchtung 10 aufbereitet, die dann ein entsprechendes Lichtsignal S(p1) in einer ersten Phasenlage p1 aussendet. Das Lichtsignal tritt in einer bevorzugten Ausgestaltung durch eine überwiegend transparente Abdeckscheibe 160 aus und beleuchtet die messrelevante Szene bzw. Objekte 40. Die Objekte 40 reflektieren einen Teil des Lichtsignals zurück in die Kamera 200 und werden dort vom Lichtlaufzeitsensor 22 empfangen. Wie bereits beschrieben, wird für jedes Empfangspixel ausgehend von der Phasenverschiebung des Lichtsignals ein Objektabstand bestimmt.
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Ferner ist vorgesehen, zusätzlich zu der Entfernungsbestimmung die Funktionsfähigkeit der Signalübertragung bzw. Signalverarbeitung zu überwachen. Hierzu ist der Beleuchtungstreiber 145 derart ausgestaltet, dass an einem Kontrollausgang des Beleuchtungstreibers 145 ein Kontrollsignal verfügbar ist, das einen zeitlichen Signalverlauf eines Treibersignals charakterisiert. Das Treibersignal kann, wie später in 6 gezeigt wird, an verschiedenen Abgriffstellen innerhalb des Treibers abgegriffen werden. Maßgeblich für einen geeigneten Abgriff ist, dass das abgegriffene elektrische Signal im Wesentlichen dem Treibersignal entspricht, mit dem auch die Beleuchtung angetrieben wird. Je nach Qualität des Treibersignals kann dieses Signal entweder direkt als Kontrollsignal verwendet werden oder ist für eine geeignete Signalübertragung in eine geeignete elektrische Größe umzuwandeln.
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Diese Kontrollsignal wird mittels eines Signaltreibers 130 für die Signalübertragung aufbereitet und mittels des Signalkabels 300 über einen Übertragungskanal (Rückkanal) 320 an die Empfangseinheit 240 des Kameramoduls 200 übertragen. Auch hier kann der Rückkanal 320 beispielsweise über ein LVDS-Signal auf demselben Signalkabel 300 übertragen werden.
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Denkbar sind auch andere Übertragungsarten, auch muss der Hin- und Rückkanal nicht notwendigerweise dieselbe Übertragungsart verwenden. Die Übertragung der Signale kann je nach Anwendungsfall sowohl digital als auch analog erfolgen. Selbstverständlich kann die Aufbereitung für die Signalübertragung auch bereits im Beleuchtungstreiber 145 erfolgen.
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Je nach Anwendungsfall können unterschiedliche Informationen des Kontrollsignals übertragen werden. Für eine einfache Signalüberwachung reicht es eventuell aus, nur die Ein- und/oder Ausschaltflanken des Kontrollsignals zu übertragen, während für eine detaillierte Fehleranalyse gegebenenfalls auch die Amplitude digital übertragen werden kann.
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Die digitale Übertragung der Signale ist gewöhnlich gegenüber einer rein analogen Übertragung störanfälliger. Dennoch kann es für bestimmte Applikationen durchaus sinnvoll sein, den Hin- und/oder Rückkanal analog auszuführen.
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Das über den Rückkanal 320 vom Signalempfänger 240 empfangene Signal wird auf einen ersten Signaleingang eines nachfolgenden elektrischen Mischers 245 gegeben. Der zweite Signaleingang wird mit dem Modulationssignal M(p1) des Modulators 30 beaufschlagt. Das Ausgangssignal des Mischers entspricht im Wesentlichen der Phasenverschiebung der beiden Eingangssignale und kann von der nachfolgenden Auswerteeinheit 290 ausgewertet werden.
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Die Auswerteeinheit ist mit weiteren Komponenten des Lichtlaufzeitkamerasystems insbesondere dem Lichtlaufzeitsensor 22 verbunden und kann gegebenenfalls in Abhängigkeit der vom Mischer 245 erfassten Phase weitere Reaktionen einleiten.
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3 zeigt eine weitere Ausgestaltung bei der im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß 2 das Kontrollsignal nicht auf einen Mischer 245, sondern über einen Umschalter 250 auf eine erste und zweite Kontrolllichtquelle 260, 270 geleitet wird. Die Kontrolllichtquellen 260, 270 sind so angeordnet, dass die erste Kontrolllichtquelle 260 einen Referenzlichtlaufzeitsensor 280 und die zweite Kontrolllichtquelle 270 den Lichtlaufzeitsensor 22 beleuchten kann. Während einer Distanzmessung, bei der der Lichtlaufzeitsensor 22 mit einem vom Objekt 40 reflektierten Licht beleuchtet wird, kann es parallel vorgesehen sein, den Referenzlichtlaufzeitsensor 280 über die erste Kontrolllichtquelle 260 in Abhängigkeit des Kontrollsignals zu modulieren. Liegt während der Distanzmessung kein Kontrollsignal an oder liegt die Phase des Kontrollsignals außerhalb eines tolerierten Bereichs, kann beispielsweise über die Auswerteeinheit 290 eine Fehlfunktion des Systems analysiert oder eine entsprechende Fehlerreaktion aktiviert werden.
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Bei einer funktionierenden Beleuchtung 10 bzw. Signalkette bzw. Signalpfad wird vom Beleuchtungstreiber 145 ein entsprechend moduliertes Kontrollsignal bereitgestellt, sodass am Referenzlichtlaufzeitsensor 280 ein fehlerfreies Signal festgestellt werden kann. Kleinere tolerierte Phasenabweichungen, die beispielsweise temperaturbedingt oder durch eine Alterung der Lichtquellen auftreten, können gegebenenfalls kompensiert werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, nach der Distanzmessung zusätzliche Kontrollmessungen durchzuführen. In dieser Kontrollmessung, in der keine Distanzmessung erfolgt, ist es zudem möglich mit der zweiten Kontrolllichtquelle 270 den gesamten Lichtlaufzeitsensor 22 und gegebenenfalls auch den Referenzlichtlaufzeitsensor 280 zu beleuchten. Diese Kontrollmessung dient dazu, den Lichtlaufzeitsensor 22 selbst inklusive Auslese- und Auswertevorgang zu überwachen. Bevorzugt erfolgt die Ausleuchtung des Lichtlaufzeitsensors 22 nicht gleichmäßig, sondern in einer ungleichmäßigen Art und Weise, sodass im Wesentlichen von jedem Pixel eine andere Information, beispielsweise ein anderer Helligkeitswert, gemessen wird. Durch ein solches Vorgehen kann zusätzlich überwacht werden, ob alle Pixel korrekt ausgelesen werden. Bei Abweichungen, die außerhalb eines tolerierten Bereichs bzw. ober- oder unterhalb eines tolerierten Grenzwertes liegen, kann es beispielsweise vorgesehen sein, eine Fehlfunktion zu signalisieren und/oder entsprechende Fehlerreaktionen einzuleiten.
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4 zeigt eine weitere Variante des Ausführungsbeispiels gemäß 2, bei dem im Beleuchtungsmodul 100 ein Kontrollsensor 150 derart angeordnet ist, dass ein Teil des von der Beleuchtung emittierten Lichts vom Kontrollsensor 150 empfangen werden kann. In einer bevorzugten Ausgestaltung handelt es sich bei dem Kontrollsensor um eine Photodiode, die ihr Lichtsignal beispielsweise durch Reflektionen des von der Beleuchtung emittierten Lichts an einer lichtdurchlässigen Frontabdeckscheibe 160 des Beleuchtungsmoduls erhält. Denkbar ist beispielsweise auch ein Lichtempfang durch direkte Sicht des Kontrollsensors 150 auf die Beleuchtung 10 oder durch die Verwendung geeigneter anderer optischer Elemente wie zum Beispiel Spiegel oder Lichtleiter.
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Der Kontrollsensor 150 stellt als Signal vorzugsweise ein analoges Ausgangssignal zur Verfügung, dass über den Signaltreiber 130 geeignet aufbreitet über den Rückkanal 320 an die Empfangseinheit 240 des Kameramoduls 200 übertragen wird. Auch hier kann der Rückkanal beispielsweise als LVDS-Signal übertragen werden. Denkbar sind auch andere Übertragungsarten, insbesondere kann das Signal auch in Form einer Aufmodulation über die LVDS-Signalleitung 300 übertragen werden. Parallel zum Ausgangssignal des Kontrollsensors 150 wird auch ein Kontrollsignal des Beleuchtungstreibers 145 über den Signaltreiber 130 an die Empfangseinheit 240 des Kameramoduls 200 übertragen. Bevorzugt leitet die Empfangseinheit 240 das Kontrollsignal auf den Mischer 245 und das Ausgangssignal des Kontrollsensors 150 direkt an die Auswerteeinheit 290.
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Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass über den Mischer 245 die Phase des Beleuchtungssignals unabhängig von der Beleuchtungsamplitude ausgewertet werden kann, während die Lichtintensität der Beleuchtung 10 über einen separaten Kanal direkt von der Auswerteeinheit ausgewertet werden kann. Phase und Amplitude werden somit über unabhängige Übertragungswege übertragen und ausgewertet.
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5 zeit eine weitere Ausgestaltung der Ausführung gemäß 4, bei dem zusätzlich zu der separaten Amplituden- und Phasenerfassung der Beleuchtung das Ausgangssignal des Kontrollsensors und/oder das Kontrollsignal des Beleuchtungstreibers über den Umschalter auf die erste und zweite Kontrolllichtquelle 260, 270 gegeben werden kann.
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Der Ablauf einer Referenzmessung und/oder Kontrollmessung ist vorzugsweise in einem Programm der Auswerteeinheit 290 oder in der Kamera hinterlegt. Ferner können die Messungen derart ausgelegt sein, dass mit ihnen beispielsweise die Kamera bzw. das Kamerasystem oder der Lichtlaufzeitsensor 22 abgeglichen werden können. Die für die Kontrollmessung benötigte Zeit kann wesentlich kürzer gewählt werden als die Zeit, die für die Distanzmessung benötigt wird, da mit der Lichtintensität nicht die Umgebung ausgeleuchtet werden muss, sondern nur ein Signal für die Kontrollmessung erzeugt werden muss. Die von der zweiten Kontrolllichtquelle 270 erzeugte Lichtmenge sollte bevorzugt größer sein als die Umgebungslichtmenge.
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Die Beleuchtung des Referenzlichtlaufzeitsensors 280 und/oder des Lichtlaufzeitsensors 22 durch die erste und/oder zweite Kontrolllichtquelle 260, 270 muss nicht zwingend direkt erfolgen, sondern kann auch indirekt erfolgen, beispielsweise durch Reflektionen an einem Deckglas der Empfangsoptik 25 oder sonstige Flächen oder Bauteilen innerhalb der Kamera.
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Die Wellenlängen der Kontrolllichtquellen 260, 270 können ferner voneinander unterschiedlich sein und/oder sich von der Wellenlänge der Beleuchtung 12 unterscheiden. So wäre es z.B. in einer vorteilhaften Ausgestaltung möglich, durch geeignete optische Elemente, wie z.B. Interferenzfilter, zu erreichen, dass die zweite Kontrolllichtquelle 270 sowohl den Lichtlaufzeitsensor 22 als auch den Referenzlichtlaufzeitsensor 280 beleuchtet, die erste Kontrolllichtquelle 260 jedoch nur den Referenzlichtlaufzeitsensor 280. Auch eine Abschottung des Referenzlichtlaufzeitsensors 280 vom extern eintretenden Lichtsignal wäre alternativ z.B. zu optischen Blenden so auf vorteilhafte Weise möglich.
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6 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines Beleuchtungstreibers (145). Die Lichtquelle 12 ist im dargestellten Beispiel mit zwei in Serie geschalteten Leuchtdioden 431, 432 aufgebaut. Die Anode der ersten Diode 431 ist über eine Spule 420 mit dem positiven Anschluss einer Spannungsquelle 410 und die Kathode der zweiten Diode 432 mit einem Bezugspotential, insbesondere Masse, verbunden. Der negative Anschluss der Spannungsquelle 410 ist auch mit dem Bezugspotential verbunden. Parallel zur Lichtquelle 12 bzw. zu den in Serie geschalteten Leuchtdioden 431, 432 ist ein Transistor 440 angeordnet, der mit einem Anschluss mit der Spule 420 und der Anode der ersten Leuchtdiode 431 und mit einem weiteren Anschluss mit dem Bezugspotential elektrisch verbunden ist. Der Steueranschluss des Transistors 440 ist mit Modulator 30 bzw. Signalempfänger 140 verbunden. Zur Synchronisation der Beleuchtungs- und Dunkelphase mit der Empfangseinheit 200 ist das Signal des Modulators 30 mit dem der Schalter beaufschlagt wird gegebenenfalls zu invertieren und/oder in der Phase zu verschieben.
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Als Schalter können anstelle eines Transistors auch vergleichbar wirkende Schaltmittel verwendet werden, insbesondere bipolare Transistoren, MOS-FETs etc.
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Im Betrieb der Schaltung wird der Transistor 440 über den Taktgeber 30 abwechselnd ein- und ausgeschaltet, so dass einmal der über die Spule 420 fließende Strom über den Transistor 440 und das andere mal über die Lichtquelle 12 fließt.
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Beim Einschalten des Transistors baut der über die Spule 420 fließende Strom ein Magnetfeld in der Spule auf. Durch die im Magnetfeld gespeichert Energie wird quasi ein Strom vorgeprägt, der beim Ausschalten des Transistors bzw. Öffnen des Schalters der Lichtquelle zur Verfügung steht.
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Vereinfacht dargestellt, wird sich ausgehend vom vorgeprägten Strom entsprechend der Kennlinie der Lichtquelle 12 bzw. Leuchtdioden 431, 432 nach dem Öffnen des Schalters eine entsprechende Flussspannung einstellen.
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Oder in einer anderen Betrachtungsweise, wird beim Öffnen des Schalters die in der Spule induzierte Spannung bis zu einer Flussspannung ansteigen, die einen Stromfluss durch die Lichtquelle 12 in Höhe des vorgeprägten Stroms erlaubt.
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Die Flussspannung ist die Spannung, die an der Anode der ersten Leuchtdiode 431 anliegt.
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Die Beleuchtungsphase wird somit durch Öffnen des Schalters bzw. Transistors 440 eingeleitet, wobei die Lichtquelle 12 im Wesentlichen durch die in der Spule gespeicherten Energie versorgt wird. Bei genügend groß gewählter Induktivität fällt der Strom bzw. die emittierte Lichtstärke der LED nur unwesentlich ab.
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Die Induktivität wird vorzugsweise so groß gewählt, dass der Strom bzw. die emittierte Lichtstärke in der Beleuchtungsphase im Wesentlichen als konstant betrachtet werden können.
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Während bei einem seriellen Schalten parasitäre Induktivitäten der Lichtquelle ein schnelles Ansteigen des Stroms aufgrund einer begrenzten Speisespannung verhindern wird, erlaubt die vorgeschaltete Induktivität bzw. Spule 420 hingegen durch Bereitstellung einer höheren Induktionsspannung die Aufrechterhaltung des vorgeprägten Stroms.
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Beim Schließen des Schalters bzw. beim Durchschalten des Transistors fließt der Strom wieder durch den Schalter. Die in der Beleuchtungsphase bzw. Ausschaltphase des Transistors von der Induktivität abgegebene Energie wird dann der Induktivität wieder zugeführt.
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Ein geeignetes Treiber- bzw. Kontrollsignal kann an verschiedenen Punkten innerhalb des Beleuchtungstreibers 145 abgegriffen werden. Geeignet sind vorzugsweise Abgriffe rund um den Schalttransistor 440 an Basis, Emitter und Kollektor. Diese möglichen Abgriffpunkte sind in der 6 mit KS gekennzeichnet. Der Abgriff an der Basis ist insbesondere geeignet eine einwandfreie Signalübertragung bis hin zum Beleuchtungstreiber 145 zu überwachen. Die Abgriffspunkte am Kollektor und am Emitter geben hingegen auch Hinweise, ob der Transistor 440 einen Strom durchschaltet. Anhand bestimmter Ein- und/oder Ausschaltcharakteristiken ist gegebenenfalls auch zu erkennen, ob die Beleuchtung korrekt funktioniert.
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Das an einem Abgriffspunkt KS abgegriffene Treibersignal kann ggf. direkt als Kontrollsignal verwendet werden, ansonsten kann das Treibersignal beispielsweise über einen Wandler in bekannter Weise in ein als Kontrollsignal geeignetes Signal umgewandelt werden. In Betracht kommen beispielsweise Strom-Spannungswandler aber ggf. auch Analog-Digitalwandler.
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Bei entsprechender Ausgestaltung kann so bereits allein anhand des elektrischen Kontrollsignals des Beleuchtungstreibers 145 die Funktionsfähigkeit des Signalpfads und der Beleuchtung überprüft werden. Um eine höhere Sicherheit zu erreichen, ist es vorteilhaft, über den vorgenannten Kontrollsensor 150 die Beleuchtung 12 redundant und auch diversitär zu überprüfen.
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Bei einem Einsatz einer schnellen Photodiode als Kontrollsensor 150 kann über den Kontrollsensor 150 nicht nur die Amplitude, sondern auch die Modulationsfrequenz abgetastet werden. So ist es dann in einem Ausführungsbeispiel gemäß 4 oder 5 möglich sowohl das elektrische Kontrollsignal als auch das elektrische Ausgangssignal des Kontrollsensors 150 auf den elektrischen Mischer 245 zu geben.
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7 zeigt beispielhaft eine mögliche Anordnung relevanter Bauelemente im Bereich des Lichtlaufzeitsensors 22. Auf einem Bauelementeträger 500 sind nacheinander die erste Kontrolllichtquelle 260, ein Lichtlaufzeitsensor-Bauelement 23 und die zweite Kontrolllichtquelle 270 angeordnet. Das Lichtlaufzeitsensor-Bauelement 23 trägt im dargestellten Beispiel sowohl den Lichtlaufzeitsensor 22 für die Distanzmessung als auch den Referenzlichtlaufzeitsensor 280.
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Der Referenzlichtlaufzeitsensor 280 zeichnet sich im dargestellten Beispiel dadurch aus, dass zumindest der lichtempfindliche Bereich des Referenzlichtlaufzeitsensors 280 über einen Lichtleitkanal 265 mit der lichtemittierenden Fläche der ersten Kontrolllichtquelle 260 verbunden ist. Der Lichtleitkanal 265 ist vorzugsweise so ausgeführt, dass keine nennenswerte Strahlung nach außen gelangen kann. Durch dieses Vorgehen sind die erste Kontrolllichtquelle 260 und der Referenzlichtlaufzeitsensor 280 optisch miteinander verbunden.
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Auf der den Bauelementen 22, 23, 270 gegenüberliegenden Seite ist im vorliegenden Beispiel ein transparentes Abdeckglas 550 angeordnet. Externe Strahlung (ext) bzw. das Nutzlicht für die Lichtlaufzeitmessung kann im Wesentlichen ungehindert durch das Abdeckglas 550 dringen. Die Kontrolllichtquelle 270 emittiert im Betrieb Licht in Richtung des Abdeckglases 550. Ein Teil des internen Lichts (int) wird das Abdeckglas 550 durchdringen und nach außen gelangen, ein anderer Teil wird am Abdeckglas 550 reflektiert und gelangt auf die photosensitive Schicht des Lichtlaufzeitsensors 22 und kann dort erfasst werden.
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Das gezeigte Abdeckglas 550 stellt exemplarisch nur eine Möglichkeit dar, das Licht der Kontrolllichtquelle 270 auf den Lichtlaufzeitsensor 22 zu projizieren. Grundsätzlich kann anstelle oder auch in Ergänzung zum Abdeckglas 550 eine reflektierende Fläche eingesetzt werden, die eine zumindest mittelbare Beleuchtung des Lichtlaufzeitsensors 22 ermöglicht. Auch ist es denkbar, dass die Innenflächen des Kameragehäuses selbst als Reflektionsflächen ausreichen.
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Selbstverständlich ist es auch denkbar, die Kontrolllichtquelle im Gehäuse derart anzuordnen, dass der Lichtlaufzeitsensor 22 von der Kontrolllichtquelle 270 direkt beleuchtet werden kann.
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Unabhängig von der Anordnung im Einzelnen sollte jedoch bei der Kontrollmessung bzw. Signalpfadüberwachung sichergestellt werden, dass das extern eindringende Licht (ext) gegenüber dem internen Licht (int) vernachlässigt werden kann.
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In einer weiteren Realisierungsform wird als Referenzlichtlaufzeitsensor 280 einfach ein Pixel oder ein Pixel-Array des vorhandenen Lichtlaufzeitsensors 22 für die Referenzmessungen herangezogen. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass das elektrische und physikalische Verhalten der so ausgewählten Referenz das Verhalten des übrigen „Mess“-Lichtlaufzeitsensors 22 quasi identisch widerspiegelt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist es auch denkbar, den Referenzlichtlaufzeitsensor 280 eigenständig auf dem Lichtlaufzeitsensor-Bauelement 23 oder auch als separates Bauelement aufzubauen.
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8 zeigt einen zeitlichen Verlauf einer Distanzmessung 60 und Kontrollmessung 70. Im zeitlichen Intervall der Distanzmessung können beispielsweise eine oder auch mehrere Distanzmessungen vorgenommen werden, ggf. kann eine Distanzmessung zunächst auch nur auf eine einzige Phasenmessung beschränkt sein. Nach einem erfolgten Distanzmessintervall 60 erfolgt eine Pause, in der eine Kontrollmessung 70 durchgeführt werden kann. Im Distanzmessintervall 60 sind aufgrund der typischerweise geringen Lichtintensität des empfangenen Nutzsignals in der Regel relativ lange Integrationszeiten des Lichtlaufzeitsensors 22 notwendig. Da das interne Licht der zweiten Kontrolllichtquelle 270 vorzugsweise mit einer hohen Intensität am Lichtlaufzeitsensor 22 anliegt, können für die Kontrollmessung in der Regel kürzere Integrationszeiten verwendet werden. Darüber hinaus kann ggf. auch die Anzahl der Kontrollmessungen auf eine reduziert werden, so dass in Summe das Kontrollintervall 70 zeitlich deutlich kürzer gehalten werden kann als das Distanzmessintervall 60.
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9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem im Distanzmessintervall 60 mehrere Phasen-Messungen vorgesehen sind, bei denen die Beleuchtung in verschiedenen Phasenlagen bzw. Phasenverschiebungen 60.1, 60.2, 60.3 60.4 - beispielsweise um 0°, 90°, 180° und 270° - betrieben wird. Auf Grundlage dieser Messungen wird beispielsweise ein zuverlässiger Abstands- bzw. Distanzwert gewonnen.
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Die Phasenlage der Beleuchtung wird typischerweise in Relation zur Modulationsphase des Lichtlaufzeitsensors 22 verschoben. Grundsätzlich kann aber auch die Modulationsphase des Lichtlaufzeitsensors 22 gegenüber der Phasenlage der Beleuchtung verschoben werden.
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Ferner ist es vorgesehen, auch während der Kontrollmessung 70 Messungen zu unterschiedliche Phasenverschiebungen 70.1, 70.2 ...vorzunehmen.
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Die Umschaltung zwischen Distanzmessung 60 und Kontrollmessung 70 wird vorzugsweise vom Modulator 30 eingeleitet. Typischerweise sind im Modulator 30 auch Funktionen hinterlegt, die die Umschaltung und/oder Phasenverschiebungen steuern. Abhängig von der im Modulator 30 durchgeführten oder geplanten Funktion kann beispielsweise der Umschalter 250 angesteuert oder die Beleuchtungsquelle 12 mit einem ggf. phasenverschobenen Signal betrieben werden.
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Alternativ können diese Funktionen, zumindest teilweise, auch in der Auswerteeinheit 290 hinterlegt sein oder der Umschalter 250 ist bereits Teil der Auswerteeinheit 290.
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Die Kontrollmessung 70 kann ggf., wie in 10 gezeigt, auch direkt nach bzw. vor einer Phasenmessung 60.1, 60.2 ... durchgeführt werden.
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Ferner ist es auch denkbar, dass zusätzlich oder ggf. alternativ zu der eigentlichen Signalpfadüberwachung bzw. Kontrollmessung ein Modulationssignal vom Modulator 30 direkt auf eine der Kontrolllichtquellen 260, 270 geführt wird. Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass beispielsweise bei einem als fehlerhaft erkannten Signalpfad eine weitere Fehleranalyse durchgeführt werden kann, indem der Lichtlaufzeitsensor 22 bzw. der Referenzlichtlaufzeitsensor 280 ohne Einschalten der Beleuchtungsquelle 12 mit moduliertem Licht beleuchtet werden kann. Arbeitet in einem solchen Fall der Sensor 22, 280 fehlerfrei, ist von einer defekten Beleuchtung 10 bzw. einem defekten Signalpfad in Richtung Beleuchtung auszugehen.
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Des Weiteren kann es vorgesehen sein, dass die Auswerteeinheit 290 bzw. der Modulator 30 für einen Testbetrieb spezielle Testsignale zur Verfügung stellt. Dieser Testbetrieb könnte in einer Kontroll- und/oder Referenzmessung integriert werden oder in einem eigenständigen Testintervall durchgeführt werden.
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Beispielsweise könnte in einer solchen zusätzlichen Kontrollmessung bzw. Testmessung eine Sequenz von Phasenverschiebungen bereitgestellt werden, die im Ergebnis zu einer bestimmten gemessen Sequenz von Laufzeiten bzw. Abstandswerten führen sollte. Weichen die Ergebnisse von den erwarteten ab, können je nach Größe der Abweichungen unterschiedliche Reaktionen ausgelöst werden. Beispielsweise könnte bei einer noch zu tolerierenden Abweichung eine Kalibrierung des Lichtlaufzeitsensors 22 bzw. des Auswertealgorithmus erfolgen. Liegt die Abweichung außerhalb einer zugelassenen Toleranz ist beispielsweise eine Fehlersignalisierung denkbar.
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Auch andere Testsignale mit besonderen Eigenschaften in Amplitude und Frequenz, insbesondere auch konstanter Amplitude, sind denkbar.
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Ausgehend von den Ergebnissen während der Kontroll- und/oder der Referenzmessung können beispielsweise auch die im Distanzmessintervall gewonnenen Lichtlaufzeit- bzw. Distanzwerte beurteilt werden. Beispielsweise können die Messwerte der Distanzmessung abhängig von den Ergebnissen der parallelen Referenzmessungen plausibilisiert, korrigiert und/oder gewichtet oder ggf. verworfen werden. Selbstverständlich kann zu diesem Zwecke auch eine oder mehrere der Distanzmessung vorgeschalteten oder nachfolgenden Kontrollmessungen herangezogen werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung kann es ferner vorgesehen sein, während der Kontrollmessung die Strahlleistung der Beleuchtung 12 zu reduzieren, so dass in vorteilhafter Weise die Energieaufnahme des Systems reduziert werden kann. Die Reduzierung der Leistung kann ohne Weiteres vorgenommen werden, da für die Signalpfadüberwachung kein von einem externen Objekt reflektiertes Licht notwendig ist, sondern nur sichergestellt werden muss, dass der Kontrollsensor 150 ausreichend Licht von der Beleuchtungsquelle 10, 12 erhält.
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In den vorgenannten Ausführungsbeispielen wurde die Erfindung vornehmlich anhand einer PMD-Lichtlaufzeitkamera erläutert. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diesen Typ der Lichtlaufzeitmessung beschränkt.
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Ohne weiteres ist die Erfindung auch auf andere Varianten der Lichtlaufzeitbestimmung bzw. Kameras, die anhand von Lichtlaufzeiten Distanzdaten bzw. dreidimensionale Umfeldinformationen ermitteln, übertragbar.
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Auch bei einer direkten Bestimmung einer Lichtlaufzeit ist, wie auch bei einer PMD-Kamera, eine Beleuchtung und ein Lichtlaufzeitsensor zum Empfang des vom Objekt reflektierten Nutzlichts vorgesehen. In gleicher Weise kann mit dem erfindungsgemäßen Kontrollsensor die Beleuchtung überwacht und der Lichtlaufzeitsensor mit den erfindungsgemäßen Kontrolllichtquellen beleuchtet werden.
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Die verwendete Bezeichnung „moduliertes Licht“ soll insofern auch das für eine direkte Lichtlaufzeitmessung typischerweise „gepulstes Licht“ mit umfassen. Insofern ist der beschriebene Modulator auch im Sinne eines Pulsgenerators bzw. auch als Pulsweitenmodulator zu betrachten.
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Der Modulator kann entsprechend auch als Taktgeber für die relevanten Bauelemente einer entsprechenden Lichtlaufzeitmessung angesehen werden.
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Die Ausführung gern. 2 bezieht sich vornehmlich auf eine Lichtlaufzeitkamera 1, die in zwei separate Module, nämlich einem Beleuchtungs- und einem Kameramodul 100, 200, aufgeteilt ist. Die Verwendung eines Signalkabels 300 und die Verwendung von Signaltreibern 130, 230 und Signalempfängern 140, 240 kommt vornehmlich für diesen Anwendungsfall in Betracht.
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Bei einer Zusammenfassung von Beleuchtung und Kamera 100, 200 in einem Gehäuse ist diese Signalkette von Treiber und Empfänger nicht unbedingt nötig, wenngleich sie durchaus Verwendung finden kann. In einem gemeinsamen Gehäuse kann bevorzugt hierauf verzichtet werden und beispielsweise die Signale des Kontrollsensors direkt auf den Umschalter 250 bzw. auf die Kontrolllichtquellen 260, 270 gegeben werden.
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Insbesondere sind Varianten in der Ausgestaltung denkbar. So kann es beispielsweise auch vorgesehen sein, dass der Kontrollsensor 150 in der Nähe der Beleuchtung 10 die Funktion des Referenzlichtlaufzeitsensors übernimmt.
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Auch ist es denkbar, dass dann der Referenzlichtlaufzeitsensor nicht von der ersten Kontrolllichtquelle 260 beleuchtet wird, sondern mittel- oder unmittelbar von der Beleuchtungsquelle 10.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sendeeinheit
- 12
- Beleuchtung
- 100
- Beleuchtungsmodul
- 124
- ausgesendetes Licht
- 126
- direkt empfangenes Licht
- 130
- Signaltreiber (z.B. Modulationstreiber für LVDS)
- 140
- Signalempfänger
- 145
- Beleuchtungstreiber
- 150
- Kontrollsensor
- 200
- Kameramodul
- 20
- Empfangseinheit
- 22
- Lichtlaufzeitsensor
- 23
- Lichtlaufzeitsensor-Bauelement
- 230
- Signaltreiber
- 240
- Signalempfänger
- 245
- Mischer
- 250
- Signalumschalter
- 260
- erste Kontrolllichtquelle
- 265
- Lichtkanal
- 270
- zweite Kontrolllichtquelle
- 280
- Referenzlichtlaufzeitsensor, Referenzpixel, Referenzpixelstruktur
- 290
- Auswerteeinheit
- 25
- Empfangsoptik für Nutzlicht
- 30
- Modulator, Modulationsgenerator
- 300
- Signalkabel
- 310
- Übertragungskanal A (Hin-Kanal)
- 320
- Übertragungskanal B (Rück-Kanal)
- 410
- Spannungsquelle
- 420
- Spule
- 431
- erste Diode
- 432
- zweite Diode
- 440
- Steueranschluss Transistor
- 40
- Objekt
- 500
- Bauelementeträger
- 550
- Abdeckglas, Reflektionsfläche
- 60
- Distanzmessung
- 70
- Kontrollmessung