DE102015115101A1 - Sensor system of a sensor device of a motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Bei einem Sensorsystem (3) einer Sensoreinrichtung (4) eines Kraftfahrzeugs (1) zur optischen Erfassung von Objekten und deren räumlichen Bewegungen, aufweisend eine 3D-Kamera, die räumliche Daten mit einem Laufzeitverfahren erfasst und die eine Lichtquelle (6) und eine lichtsensitive Empfangseinrichtung (7) umfasst, wobei die Lichtquelle (6) und die lichtintensive Empfangseinrichtung (7) in einem gemeinsamen Sensorgehäuse (5) angeordnet sein können und beide zu einem Erfassungsbereich (8) der 3D-Kamera ausgerichtet sind, soll eine Lösung geschaffen werden, die für eine homogene Ausleuchtung des Erfassungsbereichs der 3D-Kamera sorgt. Dies wird dadurch erreich, dass die Lichtquelle (6) eine Sendeoptik (21) zur vorbestimmten Zerstreuung des ausgesandten Lichts aufweist, wobei die Sendeoptik (21) eine erste Linse (22) und eine zweite Linse (23), die in Richtung des ausgesandten Lichts hinter der ersten Linse (22) angeordnet ist, aufweist, wobei wenigstens eine Grenzfläche (33) von zumindest einer der beiden Linsen (22, 23) als Freiformfläche (32) ausgebildet ist.In a sensor system (3) of a sensor device (4) of a motor vehicle (1) for the optical detection of objects and their spatial movements, comprising a 3D camera that detects spatial data with a transit time method and the light source (6) and a light-sensitive receiving device (7), wherein the light source (6) and the light-intensive receiving device (7) can be arranged in a common sensor housing (5) and both are aligned to a detection area (8) of the 3D camera, a solution is to be provided ensures homogeneous illumination of the detection range of the 3D camera. This is achieved in that the light source (6) has a transmitting optics (21) for the predetermined dispersion of the emitted light, wherein the transmitting optics (21) a first lens (22) and a second lens (23) in the direction of the emitted light is arranged behind the first lens (22), wherein at least one boundary surface (33) of at least one of the two lenses (22, 23) is formed as a free-form surface (32).
Description
Die Erfindung richtet sich auf ein Sensorsystem einer Sensoreinrichtung eines Kraftfahrzeugs zur optischen Erfassung von Objekten und deren räumlichen Bewegungen, aufweisend eine 3D-Kamera, die räumliche Daten mit einem Laufzeitverfahren erfasst und die eine Lichtquelle und eine lichtsensitive Empfangseinrichtung umfasst, wobei die Lichtquelle und die lichtintensive Empfangseinrichtung in einem gemeinsamen Sensorgehäuse angeordnet sein können und beide zu einem Erfassungsbereich der 3D-Kamera ausgerichtet sind. The invention is directed to a sensor system of a sensor device of a motor vehicle for the optical detection of objects and their spatial movements, comprising a 3D camera, which records spatial data with a transit time method and which comprises a light source and a light-sensitive receiving device, wherein the light source and the light-intensive Receiving device can be arranged in a common sensor housing and both are aligned to a detection range of the 3D camera.
Ein solches Sensorsystem mit einer solchen Sensoreinrichtung wird neuerdings zur optisch gestützten Erkennung von Bedienungsgesten oder Bedienungshandlungen an Kraftfahrzeugen eingesetzt. Dabei werden zeitlich und räumlich aufgelöste Informationen erfasst und ausgewertet, um den Bedienwillen eines Benutzers in Form seiner Geste oder Handlung zu erkennen. Such a sensor system with such a sensor device is recently used for optically supported detection of operating gestures or operations on motor vehicles. In this case, temporally and spatially resolved information is recorded and evaluated in order to recognize the user's will to operate in the form of his gesture or action.
Im Stand der Technik sind optische Verfahren bekannt, die Betätigungen in Reaktion auf eine Auswertung von Bildinformationen erkennen und daraufhin zum Beispiel Schaltvorgänge auslösen. Beispielsweise sind hier automatische Videoauswertungen von Überwachungssystemen zu nennen, welche Muster oder Bewegungen aus einzelnen Bildern oder einer Folge von Bildern herauslesen. Außerdem sind zahlreiche andere optisch gestützte Systeme bekannt, wobei zu den grundlegendsten Systemen beispielsweise Lichtschranken oder Helligkeitssensoren gehören. Optische Systeme mit höherer Komplexität bedienen sich jedoch oft eines Arrays von optisch sensitiven Erfassungseinheiten, meist als Pixel bezeichnet, die parallel optische Informationen aufnehmen, beispielsweise in Gestalt eines CCD-Arrays. In the prior art, optical methods are known which detect actuations in response to an evaluation of image information and then trigger switching operations, for example. By way of example, automatic video evaluations of surveillance systems can be mentioned here, which read out patterns or movements from individual images or a sequence of images. In addition, many other optically-based systems are known, with the most basic systems including, for example, light barriers or brightness sensors. However, optical systems of higher complexity often use an array of optically sensitive detection units, usually referred to as pixels, which receive optical information in parallel, for example in the form of a CCD array.
Die
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Da die Gestensteuerung in verschiedenen technischen Bereichen immer größere Akzeptanz erfährt, wurden auch Versuche unternommen, solche rein optischen Systeme zur Erkennung des Bedienwunsches bei Kraftfahrzeugen zu verwenden. Bei diesen Systemen herrscht jedoch weiterhin die Erfassung von Bedienungen über kapazitive Systeme vor. As the gesture control in various technical areas is becoming increasingly accepted, attempts have also been made to use such purely optical systems for detecting the desire to operate in motor vehicles. However, these systems continue to have control over capacitive systems.
Im Bereich der optischen Erfassung sind Systeme bekannt, welche eine pixelbezogene Ortsinformation, insbesondere eine Distanz von der Sensor- oder Erfassungseinrichtung erfassen. Die
Diese Systeme werden beispielsweise, je nach angewandtem Auswertungsverfahren, als „Time-of-flight“-Systeme oder auch als „3D-Imager“ oder „Range Imager“ bezeichnet. Die Anwendungsgebiete solcher Systeme liegen im Bereich der industriellen Automatisierungstechnik, in der Sicherheitstechnik und im Automobilbereich. In einem Auto werden 3D-Sensoren in Spurhaltesystemen, zum Fußgängerschutz oder als Einparkhilfe eingesetzt. Sowohl Konzepte der Triangulation als auch der Interferometrie und auch der Lichtlaufzeitmessung (Time-of-flight (ToF)) können mit optischen Sensoren umgesetzt werden. These systems are called, for example, depending on the applied evaluation method, as a "time-of-flight" systems or as a "3D Imager" or "Range Imager". The fields of application of such systems are in the field of industrial automation technology, in safety technology and in the automotive sector. In a car, 3D sensors are used in lane keeping systems, for pedestrian protection or as a parking aid. Both concepts of triangulation and of interferometry and time-of-flight (ToF) can be implemented with optical sensors.
In diesem Zusammenhang wird auf diesbezügliche Ausarbeitungen verwiesen, welche die technischen Konzepte und deren Realisierung detailliert beschreiben, insbesondere die Dissertation
Außerdem wird auf die Publikation
Die vorgenannten Arbeiten beschreiben das Konzept und die Realisierung von einsetzbaren optischen Sensorsystemen, so dass im Rahmen dieser Anmeldung auf deren Offenbarung verwiesen wird und nur zum Verständnis der Anmeldung relevante Aspekte erläutert werden. The above-mentioned works describe the concept and the realization of deployable optical sensor systems, so that in the context of this application reference is made to their disclosure and only relevant to understanding the application relevant aspects are explained.
Die Erfindung betrifft ein Sensorsystem und eine Sensoranordnung, welche das Time-of-Flight-(ToF)Verfahren nutzt, so dass dieses hier kurz erläutert wird. The invention relates to a sensor system and a sensor arrangement, which uses the time-of-flight (ToF) method, so that this will be briefly explained here.
Beim ToF-Verfahren wird ein Raumbereich mit einer Lichtquelle beleuchtet und die Laufzeit des von einem Objekt im Raumbereich zurück reflektierten Lichtes mit einem Flächensensor aufgenommen. Dazu sollten Lichtquelle und Sensor möglichst nah zueinander angeordnet sein. Aus dem linearen Zusammenhang von Lichtlaufzeit und Lichtgeschwindigkeit lässt sich die Distanz zwischen Sensor und Messobjekt bestimmen. Zur Messung der zeitlichen Verzögerung muss eine Synchronisation zwischen Lichtquelle und Sensor gegeben sein. Durch die Nutzung gepulster Lichtquellen können die Verfahren optimiert werden, denn kurze Lichtpulse (im ns-Bereich) ermöglichen eine effiziente Hintergrundlichtunterdrückung. Außerdem werden durch die Verwendung des gepulsten Lichts mögliche Mehrdeutigkeiten bei der Bestimmung der Distanz vermieden, so lange der Abstand genügend groß ist. In the ToF method, a room area is illuminated with a light source and the runtime of the light reflected back from an object in the spatial area is recorded with an area sensor. For this purpose, the light source and sensor should be arranged as close as possible to each other. The distance between the sensor and the object to be measured can be determined from the linear relationship between the light transit time and the speed of light. To measure the time delay, there must be a synchronization between the light source and the sensor. By using pulsed light sources, the processes can be optimized, because short light pulses (in the ns range) enable efficient background light suppression. In addition, the use of the pulsed light avoids possible ambiguities in determining the distance as long as the distance is sufficiently large.
Einerseits wird bei diesem Konzept die Lichtquelle gepulst betrieben. Außerdem wird die Detektionseinheit, also das Pixelarray, gepulst sensitiv geschaltet. Mit anderen Worten wird das Integrationsfenster der einzelnen Pixel zeitlich mit der Lichtquelle synchronisiert und in der Integrationsdauer begrenzt. Durch den Vergleich von Ergebnissen mit unterschiedlichen Integrationsdauern können insbesondere Effekte von Hintergrundlicht herausgerechnet werden. On the one hand, the light source is pulsed in this concept. In addition, the detection unit, so the pixel array, switched pulsed sensitive. In other words, the integration window of the individual pixels is synchronized in time with the light source and limited in the integration period. By comparing results with different integration periods, in particular effects of background light can be excluded.
Wesentlich ist, dass diese Erfassungsmethode keine rein bildbasierte Erfassungsmethode ist. Es wir bei jedem Pixel eine Abstandsinformation ermittelt, was durch die zeitliche Lichtdetektion erfolgt. Bei Verwendung eines Pixelarrays liegt schließlich eine Matrix von Abstandswerten vor, welche bei zyklischer Erfassung eine Interpretation und Verfolgung von Objektbewegungen zulässt. It is essential that this collection method is not a purely image-based acquisition method. It is determined at each pixel distance information, which is done by the temporal light detection. Finally, when using a pixel array, there is a matrix of distance values that allows for cyclic detection interpretation and tracking of object motion.
Ein Sensorsystem der Eingangs bezeichneten Art ist zum Beispiel aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Lösung zu schaffen, die auf konstruktiv einfache Weise und kostengünstig ein Sensorsystem bereitstellt, welches das aus dem Stand der Technik bekannte Problem vermeidet und für eine homogene Ausleuchtung des Erfassungsbereichs der 3D-Kamera sorgt, so dass der Erfassungsbereich eine einheitliche Lichtintensität erfährt. The invention has for its object to provide a solution that provides a sensor system in a structurally simple manner and cost, which avoids the known from the prior art problem and provides a homogeneous illumination of the detection range of the 3D camera, so that the detection area a uniform light intensity experiences.
Bei einem Sensorsystem der Eingangs bezeichneten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Lichtquelle eine Sendeoptik zur vorbestimmten Zerstreuung des ausgesandten Lichts aufweist, wobei die Sendeoptik eine erste Linse und eine zweite Linse, die in Richtung des ausgesandten Lichts hinter der ersten Linse angeordnet ist, aufweist, wobei wenigstens eine Grenzfläche von zumindest einer der beiden Linsen als Freiformfläche ausgebildet ist. In a sensor system of the type described input, the object is achieved in that the light source has a transmitting optics for predetermined dispersion of the emitted light, wherein the transmitting optics, a first lens and a second lens, which is arranged in the direction of the emitted light behind the first lens , wherein at least one boundary surface of at least one of the two lenses is formed as a free-form surface.
Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Advantageous and expedient refinements and developments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Durch die Erfindung wird ein Sensorsystem zur Verfügung gestellt, welches sich durch eine funktionsgerechte Konstruktion auszeichnet. Dadurch, dass wenigstens eine Grenzfläche von zumindest einer der beiden Linsen als Freiformfläche ausgebildet ist, kann durch eine geeignete Ausbildung der Freiformfläche oder Freiformflächen gezielt die Ausleuchtung des Erfassungsbereichs vorgegeben werden. Für die vorliegende Anwendung der optischen Erfassung von Objekten und deren räumlichen Bewegungen, d.h. von Bewegungsgesten, ist durch die Maßnahme der wenigstens einen Freiformfläche eine homogene Ausleuchtung des Erfassungsbereichs sichergestellt, wodurch eine sichere und hochauflösende Detektion von Objekten im Erfassungsbereich der 3D-Kamera gewährleistet ist, was folglich dazu führt, dass insgesamt eine hohe Leistungsfähigkeit der Sensoreinrichtung im Hinblick auf die Detektionssicherheit und Nachweisempfindlichkeit erhalten wird. By the invention, a sensor system is provided, which is characterized by a functional design. Because at least one boundary surface of at least one of the two lenses is formed as a free-form surface, the illumination of the detection region can be predetermined by a suitable design of the free-form surface or free-form surfaces. For the present application of the optical detection of objects and their spatial movements, i. of movement gestures, a homogeneous illumination of the detection area is ensured by the measure of the at least one free-form surface, whereby a secure and high-resolution detection of objects in the detection range of the 3D camera is ensured, thus resulting in that overall high performance of the sensor device in terms of the detection reliability and detection sensitivity is obtained.
Zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit der Sendeoptik ist es in Ausgestaltung der Erfindung von Vorteil, wenn zumindest eine der beiden Linsen viereckig ausgebildet ist. Eine viereckige Linse lässt sich zur Bearbeitung der Grenzflächen einfacher und exakter Einspannen als eine scheibenförmige Linse. In order to improve the machinability of the transmitting optics, it is advantageous in an embodiment of the invention if at least one of the two lenses is quadrangular. A quadrangular lens can be used to edit the interfaces easier and more precise clamping than a disc-shaped lens.
Die Erfindung sieht in weiterer Ausgestaltung vor, dass zumindest eine der beiden Linsen rechteckig ausgebildet ist. Durch eine rechteckige Ausbildung der einen Linse oder der beiden Linsen ist eine exakte Positionierung bzw. Anordnung der entsprechende Linse in der Sendeoptik möglich, so dass eine nicht korrekte Ausrichtung der Linse bzw. der Linsen nicht mehr möglich ist, weil die Längsseiten und die Breitenseiten unterschiedlich lang sind. The invention provides in a further embodiment that at least one of the two lenses is rectangular. By a rectangular design of the one lens or the two lenses, an exact positioning or arrangement of the corresponding lens in the transmitting optics is possible, so that an incorrect alignment of the lens or the lenses is no longer possible, because the long sides and the broad sides different are long.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Linse mit nach innen gewölbten Grenzflächen ausgebildet ist. Die erste Linse fungiert demnach in dem Sensorsystem als Aufweitungsoptik und vergrößert den vom ausgesandten Licht erzeugten Kegel. In a further embodiment of the invention, it is provided that the first lens is formed with inwardly curved boundary surfaces. Accordingly, the first lens acts as an expansion optic in the sensor system and increases the cone generated by the emitted light.
Für eine gezielte Aufweitung des Lichtes ist es dabei in Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft, wenn die nach innen gewölbten Grenzflächen der ersten Linse zweidimensionale Wölbungen sind, die sich entlang einer ersten Raumrichtung erstrecken. Somit kann das ausgesandte Licht in einer ersten Achse bzw. Raumrichtung nach einer vorgegebenen Zerstreuung aufgeweitet werden. For a targeted expansion of the light, it is advantageous in an embodiment of the invention if the inwardly curved boundary surfaces of the first lens are two-dimensional bulges which extend along a first spatial direction. Thus, the emitted light can be expanded in a first axis or spatial direction after a predetermined dispersion.
Zur Zerstreuung des Lichts durch die erste Linse ist in Ausgestaltung der Erfindung dann weiter vorgesehen, dass der Krümmungsradius der Wölbung der von der zweiten Linse abgewandten Grenzfläche der ersten Linse kleiner ist als der Krümmungsradius der Wölbung der der zweiten Linse zugewandten Grenzfläche der ersten Linse. In order to diffuse the light through the first lens, it is further provided in an embodiment of the invention that the radius of curvature of the curvature of the boundary surface of the first lens facing away from the second lens is smaller than the radius of curvature of the curvature of the interface of the first lens facing the second lens.
Die Erfindung sieht in vorteilhafter Ausgestaltung der zweiten Linse vor, dass die zweite Linse eine nach innen gewölbte Grenzfläche und eine als Freiformfläche ausgebildete Grenzfläche aufweist. Die als Freiformfläche ausgebildete Grenzfläche ermöglicht eine gezielte Ausleuchtung des Erfassungsbereichs der 3D-Kamera, so dass der Erfassungsbereich nun mit homogener Lichtintensität beleuchtet werden kann. In an advantageous embodiment of the second lens, the invention provides that the second lens has an inwardly curved boundary surface and an interface formed as a free-form surface. The designed as a free-form surface interface allows targeted illumination of the detection range of the 3D camera, so that the detection area can now be illuminated with a homogeneous light intensity.
Zur gezielten Aufweitung des Lichtstrahls in einer gewünschten Achse bzw. Raumrichtung ist es bei der zweiten Linse in Ausgestaltung von Vorteil, wenn die der ersten Linse zugewandte Grenzfläche der zweiten Linse eine zweidimensionale Wölbung ist, die sich quer zu den Wölbungen der ersten Linse erstreckt. Dementsprechend sorgt die erste Linse für eine Aufweitung des Lichts in eine erste Raumrichtung, wohingegen das aufgeweitete Licht von der zweiten Linse in eine zweite Raumrichtung, die quer zu der ersten Raumrichtung verläuft, aufgeweitet wird. Das Licht wird somit mittels der beiden Linsen in verschiedenen Achsen aufgeweitet. For the targeted widening of the light beam in a desired axis or spatial direction, it is advantageous in the case of the second lens if the interface of the second lens facing the first lens is a two-dimensional curvature that extends transversely to the curvatures of the first lens. Accordingly, the first lens provides for expansion of the light in a first spatial direction, whereas the expanded light is expanded by the second lens in a second spatial direction, which is transverse to the first spatial direction. The light is thus widened by means of the two lenses in different axes.
In Ausgestaltung der Erfindung ist dann ferner vorgesehen, dass die von der ersten Linse abgewandte Grenzfläche der zweiten Linse die Freiformfläche aufweist, wobei die Freiformfläche zweidimensional ausgebildet ist. Die zweidimensionale Ausbildung bewirkt die Aufweitung in der gewünschten Raumrichtung bzw. Achse. In an embodiment of the invention is then further provided that the remote from the first lens interface of the second lens has the free-form surface, wherein the free-form surface is formed two-dimensionally. The two-dimensional formation causes the expansion in the desired spatial direction or axis.
Hinsichtlich einer gezielten Verteilung der Lichtintensität im Erfassungsbereich der 3D-Kamera sieht die Erfindung in weiterer Ausgestaltung vor, dass sich die Flächenänderung der Freiformfläche quer zu den Wölbungen der ersten Linse erstreckt, wobei sich die Flächenänderung aus einer zu erzielenden, homogenen Helligkeitsverteilung im Erfassungsbereich der 3D-Kamera ableitet. With regard to a targeted distribution of the light intensity in the detection range of the 3D camera, the invention provides in a further embodiment, that the change in area of the free-form surface extends transversely to the curvatures of the first lens, wherein the area change from a homogeneous distribution of brightness to be achieved in the detection range of the 3D Camera derives.
Für den Anwendungsbereich an einem Kraftfahrzeug haben die Erfinder herausgefunden, dass es von besonderem Vorteil für eine homogene Ausleuchtung des Erfassungsbereiches ist, wenn die zweite Linse im Wesentlichen die Form der Zahl sieben aufweist. For the field of application on a motor vehicle, the inventors have found that it is of particular advantage for a homogeneous illumination of the detection area if the second lens substantially has the shape of the number seven.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert. It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention. The scope of the invention is defined only by the claims.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit der Zeichnung, in der ein beispielhaft bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Further details, features and advantages of the subject matter of the invention will become apparent from the following description taken in conjunction with the drawing, in which an exemplary preferred embodiment of the invention is shown.
In der Zeichnung zeigt: In the drawing shows:
In
Das Sensorsystem
Der gesamte Erfassungsbereich
Die Lichtquelle
Wie den
Wie aus den
Zusammenfassend ist es der Kerngedanke der Erfindung, dass die Lichtquelle
Die vorstehend beschriebene Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die beschriebene und dargestellte Ausführungsform beschränkt. Es ist ersichtlich, dass an der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform zahlreiche, dem Fachmann entsprechend der beabsichtigten Anwendung naheliegende Abänderungen vorgenommen werden können, ohne dass dadurch der Bereich der Erfindung verlassen wird. Zur Erfindung gehört alles dasjenige, was in der Beschreibung enthalten und/oder in der Zeichnung dargestellt ist, einschließlich dessen, was abweichend von dem konkreten Ausführungsbeispiel für den Fachmann naheliegt. Of course, the invention described above is not limited to the described and illustrated embodiment. It will be appreciated that numerous modifications which are obvious to a person skilled in the art according to the intended application can be made to the embodiment shown in the drawing without departing from the scope of the invention. The invention includes everything that is contained in the description and / or shown in the drawing, including what is obvious to those skilled in the deviating from the specific embodiment.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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