CN102590820A - 节能型3d传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于控制一控制过程的3D传感器，该3D传感器包括：具有至少一个照射源的光源；一接收矩阵，该接收矩阵适用于接收一空间段的由各个面反射的光的完整图像；一用于确定所述面离接收矩阵的距离的分析装置；和一用于识别物体的监控装置，其特征在于，所述光源照射所述空间段的部分区域，该部分区域具有至少一个中间间隙。

Description

节能型3D传感器

技术领域

本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的3D传感器(三维传感器)。

背景技术

已经熟知，为了提高自动开/关的门和/或大门的运行安全，使用了商业通用的3D监控传感器。当3D监控传感器探测到一物体位于一由于要打开的门和/或要打开的大门的运动而形成的危险区域内时，该3D监控传感器发信号通知(存在)一潜在的危险情况。例如，3D监控传感器对此可向相关的门控制系统和/或大门控制系统传输相应的信号。

发明内容

本发明的目的是，对按照开头所述现有技术的传感器进行改进。

从权利要求1的前序部分出发，通过其特征部分的技术特征来实现所述目的。在从属权利要求中对有利的和适宜的扩展形式进行说明。

本发明相应地涉及一种用于控制一控制过程的3D传感器，该3D传感器具有：一光源，该光源具有至少一个照射源；一接收矩阵，该接收矩阵适用于接收一空间段的由各个面反射的光的完整图像；一用于确定所述面离接收矩阵的距离的分析装置；和一用于识别物体的监控装置。该3D传感器的特征在于，光源照射空间段的部分区域，该部分区域具有至少一个中间间隙。

空间段在这里可尤其是通过空间的在接收矩阵与要在接收矩阵上成像的面之间延伸的那一部分来定义。例如，当3D传感器中的接收矩阵固定在一个门的上侧上时，要成像的面是门前地面上的一矩形面。这种成像尤其优选可以是双射-成像。

对于接收矩阵的不同像素，接收矩阵与要在接收矩阵上成像的面之间的空间段的深度可以不同。这一方面可能产生于相关的空间射线的与可由接收矩阵探测到的场域的大小以及分别与其离散连接的距离的大小相对应的扇形放射。第二个原因可能在于要由接收矩阵探测的物品表面中的、像例如可由存在于其中的物体和/或进入其中的物体所造成的那样的不平坦。

借此，可以相应地确定接收矩阵和对由光源发出的光进行反射的表面例如地面、墙壁或物体之间的分级的距离。这些距离的确定可以例如通过求得由相关表面反射到接收矩阵的相应像素的光的传播时间来进行。这能以一种特别优选的方式借助可用接收矩阵的各像素的信号来加载的分析装置来执行。监控装置在此基础上可检查在要监控的空间段内是否存在有物体。

如果识别出这样的物体，则在下一步就可以借助一位于潜在的危险源例如将要运动的门和/或将要运动的大门或类似物与被识别出的物体之间的可确定的危险距离发出分等级的危险信号，如低、中、高。

在按照本发明的3D传感器的设计中，光源仅照射空间段的部分区域，该部分区域具有至少一个中间间隙，该中间间隙尤其是没有被光源照射到或至少不会受到像空间段的部分区域那样程度的照射，该设计的理论基础是，通过把由光源发出的光的强度集中到这样的部分区域上，可以决定性地提高由该部分区域的表面反射到接收矩阵上的光辐射。这又会根本性地改善信号识别，这是因为可以相应地提高用于屏蔽噪声信号的信号分析处理的阈值的标准。

因此，总体而言，对于要监控的空间段的由3D传感器分析处理的部分区域，在相同的发射功率下与全表面照射的空间段相比，可以大幅地提高开关灵敏度和开关精度。尤其是，可通过使发射功率集中来相应地提高传感器的作用距离。

至于第二方面，这样构造的3D传感器与在几乎相同的开关灵敏度的条件下对相同的空间段进行全表面照射的3D传感器相比，可以实现明显的节能。关于这一点，本发明的3D传感器还使得由光源生成的废热明显降低，而这又可以减少或必要时甚至完全取消冷却剂。此外，损耗功率的降低和不生成废热也对3D传感器及其零部件、尤其是温度敏感元件的使用寿命有积极的影响。

为了能够尽可能地在要监控的空间段的整个外边界中监控是否有物体存在于和/或进入要监控的空间段中，通过限定至少一个没有被光源清楚照射的中间间隙来对由光源照射的部分区域进行划分。

与被照射的基面有关地，由此产生的要监控的空间段的被照射和未被照射的区域可能会呈现具有极其不同几何轮廓的极其不同的几何面区域。

通过把部分区域划分成多个由一中间间隙隔开的子区域，可以在要监控的空间段的基面上实现例如均匀的信号采集。例如，可以借此把照明岛分布在基面上。但是，也可以把多个子区域集中于要监控的空间段的基面的某些区域上，例如尤其是边缘区域。因此，尤其是在通过光强度的这样实现的局部提高来对一物体进入要监控的空间区域中进行监控这方面，可以例如在一相应可选的运行模式中来对传感器进行特殊配置。

与要监控的空间段的基面有关的其它几何图形可以通过相应地设定部分区域的布置、尤其是通过把这些子区域布置成对称的和/或非对称的区域，例如L-形、U-形、D-形、环绕的矩形、行排布和/或列排布、蛇曲形照射轮廓、锯齿形例如之字形曲线、矩形几何形状等等来进行，其中，这些图形可以多次出现和/或与其他图案混合出现。特别优选离散地照射整个要监控的空间段的各个区域，例如，以离散的照射点的形式。

在3D传感器的一种优选的实施形式中，光源可以同时照射子区域。借此可以在某一时刻对要监控的空间段的整个部分区域进行相应的分析处理。但在一种对此稍作变化的实施形式中，也可以对要监控的空间段的至少各个子区域进行时间错开的照射。例如，当在要监控的空间段内没有探测到物体时，可以集中于边缘监控，例如，在这期间可以使处在该边缘区域内的子区域不被照射到。借此可以实现进一步节能。当探测到物体时，可以额外地照射其它的子区域，以便提高3D传感器的分辨率。这尤其可发生在由于被探测到的物体与对这个物体可能是危险并且可通过相应的驱动装置驱控的可动元件例如门、大门或窗户等之间的距离缩短而造成的危险逐渐增大的方向上。

为了确保能可靠地识别物体，光源设计成，使得各个部分区域和/或子区域之间的间距小于进入和/或存在于要监控的空间段中的试验对象的最小尺寸。在第一实施形式中，这样的试验对象的尺寸优选为70厘米×30厘米×20厘米。对于更严谨的应用领域，这个尺寸还要小得多，例如，最小尺寸可能是约10厘米、约5厘米甚至更小。试验对象代表一相关物体的尺寸，例如一个儿童的尺寸。

通过形成例如多个照射源的形式的光源，可以给每个子区域直接配设一个照射源。借此可以例如通过照射源彼此间的相应的布设这样形成光源，使得该光源必要时通过相应地控制各照射源生成不同的照射图案来监控要监控的空间段。与必须对要监控的空间段进行全表面照射的3D传感器相比，在单位照射面积具有相同光强度的条件下，通过把对要监控的空间段的照射减少到要照射的部分区域上，也能以更有利的方式降低3D传感器的结构尺寸。

为了能够实现例如进一步提高单位照射面积的光强度，能以更有利的方式为光源、尤其优选为每个照射源设置有聚焦工具。在一种可能的实施形式中，为此可以设有菲涅尔透镜。为此以特别优选的方式设置有一公共的菲涅尔透镜，通过该公共的菲涅尔透镜可以使由照射源发出的辐射聚焦在空间段内。

菲涅尔透镜减小否则为取得相同的光学效果所需的透镜结构尺寸并因此降低相关3D传感器的整体结构尺寸。使用菲涅尔透镜的另一个优点是，与给照射源使用多个单透镜的情况相比，各照射源可以相互靠得更近地定位，也就是挤在一起。这一方面是由于这种透镜或菲涅尔透镜的延伸尺寸，另一方面是由于菲涅尔透镜相对于多个单透镜的明显更为有利的衍射特性以及因此更好的光斑聚焦。

尤其是基于每个面积单位的光强度的明显改善，可以给定用于对由接收矩阵的像素检测到的信号进行分析处理的阈值，因此监控装置仅需对强度超过该阈值的像点进行分析处理。借此可以实现传感器的极高的开关灵敏度，该传感器最后给配设给传感器的门控制系统和/或大门控制系统和/或给一相应的其它上级监控机构发送一开关信号。开关信号可以例如减缓或停止门(的运动)。

更优选地，为了分析处理，监控装置可以将配属于一个部分区域或子区域的像点汇总在一起。借此可以调整各像点的信号。例如，可以使像点与给定的图案进行对比等。

通过以下述方式设置照射源，即照射源构造成被可离散地激活和/或去(激)活，一方面可以实现相应的节能并且从而提高相关元件的使用寿命，另一方面还可以通过激活或去活相应定位的照射源，如上所述地为要监控的空间段生成极其不同的照射图案。

更优选地，也可以依赖于对一基于被激活的照射源的图像所进行的分析处理来激活或去活特定的照射源。借此，可以例如相应于上述对要监控的空间段进行的优先的边缘监控，从识别出一物体出发，来进行3D传感器的模式与具有改变了的照射图案的传感器模式(尤其是在要监控的空间段的内部区域中的)的匹配，用以继续跟踪该物体。这样就可以控制被探测到的物体的位置并根据物体与危险源之间的距离把一相应地进行要素分解的危险消息报告给一上级主管机构。特别是可以仅激活那些与被识别出的物体所处的子区域相邻的子区域所对应的照射源。同样，可以去活那些与被识别出的物体所处的子区域不相邻的子区域所对应的照射源。

关于部分区域和中间间隙之间的限定间距的边界要解释的是，在这里该边界指的是照射强度的阈值。中间间隙是指其照射低于设定的照射强度的空间。这样的部分区域可以是作为光斑、即作为光点出现在一个面上的离散的射线或射束。

3D传感器的工作方式可以例如基于TOF原理(飞行时间原理)。通过使用TOF原理(飞行时间法)可以把监控场域内的物体的距离确定为第三维。借此不仅可以监控一准确定义的面，还可以借助对传感器周围环境的了解把传感器设定到一准确定义的监控体积。在此，传感器优选由一同时含有发射器和接收器的紧凑的单元组成。在第一步中，用例如LED(发光二极管)把要监控的场景照亮。发出的光被反射回来并且进入传感器，在那里所述光借助一接收单元来检测。接收元件由一具有多个像素的TOF芯片组成。每个像素可以接收一由物体反射回来的测量光束。例如，使用经调制的IR光(红外光)。为了确定距离，可以对接收信号和发射信号之间的相移进行分析处理。通过进行相应的分析处理，为每个像素得出一距离值，由此实现三维/按体积的采集图像。所述光学系统设计成，使得所述照射保持被聚束成各个离散射束，这导致具有高的光强度的相应光斑。

监控时使用3D传感器可以使得在具体的应用中具备更多的灵活性。传感器例如以依赖地点的方式(在x-y平面或与传感器轴垂直的平面中)提供与物体的距离值。

在一种优选的实施形式中，各个部分区域和/或各个子区域之间的距离可以大致相当于一由被照射的部分区域和/或子区域的两个边缘所覆盖的路程。当光线具有圆形轮廓时，这可能是例如其直径。

作为照射源的一种可能的实施形式，可以使用例如LED(发光二极管)、尤其是红外发光二极管，但是也可以是其它的光源，优选具有大致呈点状的辐射源。

附图说明

下面将参考附图纯示例性地和示意性地对按照本发明的3D传感器的多种可行的实施形式进行详细的说明。

图1～3示出一按照本发明的带外壳或不带外壳的3D传感器的三个透视图，

图4示出一通过射束路径定义的空间段，和

图5示出一界定空间段的反射面被分成被照射的部分区域的子区域和未被照射的中间间隙的划分。

具体实施方式

图1显示的是一带外壳2的3D传感器1。多个例如呈行列布设的照射源3.1～3.x形成一光源3，用以照射一要监控的空间段。箭头4、5象征着从各照射源或从照射源列发出的并在一平面转向镜6形式的射束导向装置上转向的射束，所述射束示例性地用多个重叠的箭头来表示，以象征性地体现各离散的射束。这些离散的射束借助另一个射束导向装置继续被聚束，在这里该另一个射束导向装置构造成菲涅尔透镜7的形式。在菲涅尔透镜的射束输出侧又象征性地示出三个小的、被聚束的离散的光线列8.1、8.2、8.3。

作为对图1中向内指向的菲涅尔-结构的替换和/或补充，射束聚焦装置或射束导向装置7也可以在与其相对的、由传感器向外指向的表面上具有另一个菲涅尔-结构。借此可以例如实现各光线的进一步聚焦和/或聚束。

从3D传感器这样出来的离散射束在被其辐照的面上反射回3D传感器并且作为射束11.1～11.3进入一配设给接收矩阵9的接收光学系统10中。所述射束在接收矩阵中形成对由光源发出的光进行反射的面的完整图像。例如，当3D传感器被固定在一个门的上侧上时，待成像的面是门前地面上的一矩形面。

分析装置12确定接收矩阵、优选为该矩阵的每个单个像素确定该矩阵与所述对以双射的方式配设的各光线进行反射的表面之间的距离。

当一物体进入要监控的空间段中时，由分析装置确定的、接收矩阵的像素与对由光源发出的光线进行反射的表面——在此情况下为进入或停留在要监控的空间段中的物体的表面——之间的距离会发生变化。

当所述距离值发生变化时，可以通过监控装置检查是否有物体进入和/或停留在要监控的空间段中。

通过按照射线列8.1～8.3离散地形成各照射射线，仅空间段15的部分区域14受到照射(参见图4和5)。空间段15在此通过3D传感器1与一宽度为15b长度为15l的面之间的距离15h来定义。

被光源照射的所述部分区域14具有未被照射到的中间间隙16。根据图5所示，该部分区域被分成多个子区域14.1～14.x，它们在这里示例性地分别离散地被界定。

图5所示的是一示范性地要监控的空间段15的基面的俯视图，该空间段处于例如通过一驱动装置被可动地驱动的闭合元件17例如门的摆动范围内。箭头18示意性地代表闭合元件17的可摆动性。为了确保在闭合元件运动过程中没有物体在这个危险区域内，3D传感器1监控相关的空间段15.

为了确保能够可靠地识别出具有一定最小尺寸的物体，在各部分区域和/或子区域之间限定一距离19，该距离小于一相关试验对象的最小尺寸。所有等于或者大于该距离的物体都会在由接收矩阵采集到的图像中至少造成一个像素与对由光源发出的辐射进行反射的面之间的距离发生变化。

图2用与图1差不多相同的透视视角示出所述3D传感器，但是，为了能更好识别地表示出各个元件，没有绘制外壳和光路。

图3又示出所述3D传感器，同样也没有外壳和光路，但是，是从正面斜下方看的。

附图标记列表：

1.3D传感器

2.外壳

3.光源

4.箭头

5.箭头

6.平面转向镜

7.菲涅尔透镜

8.箭头

9.接收矩阵

10.光接收器

11.箭头

12.分析装置

13.监控装置

14.部分区域

15.空间段

16.中间间隙

17.闭合元件

18.箭头

19.距离

Claims (11)

1.一种用于控制一控制过程的3D传感器(1)，包括：具有至少一个照射源(3.1～3.x)的光源(3)；接收矩阵(9)，该接收矩阵适用于接收一空间段(15)的由各个面反射的光的完整图像；用于确定所述面与接收矩阵之间的距离的分析装置(12)；和用于识别物体的监控装置(13)，其特征在于，所述光源照射所述空间段的部分区域(14)，该部分区域具有至少一个中间间隙(16)。

2.根据权利要求1所述的3D传感器，其特征在于，所述部分区域(14)具有多个由中间间隙(16)隔开的子区域(14.1～14.x)。

3.根据前述权利要求中任一项所述的3D传感器，其特征在于，所述光源同时照射所述子区域。

4.根据前述权利要求中任一项所述的3D传感器，其特征在于，所述子区域布置成至少一行和/或列。

5.根据前述权利要求中任一项所述的3D传感器，其特征在于，所述光源设计成，使得各部分区域和/或子区域之间的间距(19)小于对控制过程具有决定性意义的试验对象的最小尺寸。

6.根据前述权利要求中任一项所述的3D传感器，其特征在于，所述光源由多个照射源(3.1～3.x)组成并且每个子区域(14.1～14.x)分配有一个照射源。

7.根据前述权利要求中任一项所述的3D传感器，其特征在于，所述照射源通过一共同的菲涅尔透镜(7)聚焦在所述空间段(15)内。

8.根据前述权利要求中任一项所述的3D传感器，其特征在于，所述监控装置仅对强度超过阈值的像点进行分析处理。

9.根据前述权利要求中任一项所述的3D传感器，其特征在于，为了进行分析处理，所述监控装置将配属于一个部分区域或子区域的像点汇总在一起。

10.根据前述权利要求中任一项所述的3D传感器，其特征在于，所述照射源构造成能离散地被激活和/或去活。

11.根据前述权利要求中任一项所述的3D传感器，其特征在于，一定照射源的激活或去活根据对一基于被激活的照射源的图像的分析处理来进行。

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