CN105473393B - 用于检测车辆上操控姿态的传感器机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于机动车的传感器阵列，其具有光源以及光学检测机构，其中检测机构构成为具有光学像素阵列。该光源可驱控用于输出光脉冲并且该检测机构可驱控用于检测由环境反射的光。控制和分析处理机构、该检测机构以及光源共同地构成为飞行时间结构(ToF结构)以便沿第一空间方向检测，从而检测空间可配置的距离数据。光源和检测机构在一个插口中设置，该插口构成为在车辆上装配传感器机构，其中该插口可沿车辆的接触面设置。光源在插口内倾斜地设置，从而在接触面的法线与光源的光轴之间形成至少5°的角。

Description

用于检测车辆上操控姿态的传感器机构

技术领域

本发明涉及一种传感器装置，该传感器装置用于在机动车上光学保护地识别操作姿态或操作动作。特别是本发明涉及一种传感器装置，该传感器装置可以检测和分析处理时间和空间上完成的光学信息，以便识别使用者的操作意愿。

背景技术

在现有技术中已知如下光学方法，该光学方法响应于图像信息的分析处理识别操作并且紧接着例如触发开关过程。例如在此可命名监控系统的自动视频分析处理，该监控系统读出单个图像或图像序列的图案或运动。此外已知大量其他光学保护系统，其中光栅或亮度传感器属于其中最基本的。具有高度复杂性的光学系统然而经常利用光学敏感的检测单元网格或阵列，大多称为像素，该像素并行地接受光学信息，例如以CMOS阵列的形式。

文献DE 10 2008 025 669 A1公开一种光学传感器，该光学传感器探测姿态，紧接着自动运动车辆的关闭元件。

文献WO 2008/116699 A2涉及一种光学传感器芯片并且涉及一种光学夹住保护装置用于在机动车中监控车窗玻璃、滑动门或后门。

文献WO 2012/084222 A1公开一种光学传感器用于操作和监控关闭元件。

因为姿态控制在使用者互动的多个技术领域中总是得到较高的可接受性，所以也着手如下尝试，以便应用这样的纯光学系统以便在机动车中识别操作意愿。在这样的系统中然而此外存在通过容性系统检测操作。

文献DE 10 2011 089 195 A1公开一种系统，用于借助于光学保护机构以与也对于本发明可用的方式无接触地检测物品和操作姿态。

已知系统由于光学构件和复杂电子装置通常相比于容性系统需要更大结构空间。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种用于在车辆用接近系统中的操作控制的改善的紧凑的光学传感器系统。

按照本发明的传感器机构对于机动车是确定的，其中传感器机构可以监控和分析处理特别是在车辆的外部区域中使用者的接近和运动。传感器机构特别是设定用于接近元件也就是门锁或车尾锁的连接并且相应地在车辆的侧部区域中，例如在A或B柱中或者在车辆的后部区域中，在此例如在保险杠中或者在拍照照明的区域中设置。

本发明在此涉及一种传感器装置，该传感器装置实现飞行时间(ToF)方法，从而在此简短地阐明该方法。

在ToF方法中以光源照明空间区域，并且由在空间区域中的对象反射的光的运行时间以行或面传感器记录。为此光源和传感器应尽可能相互接近地设置，从而在照明光束与探测路径之间的角可以几乎被忽略。来自光源的光脉冲例如小的持续时间(例如30纳秒至300纳秒)的激光脉冲到达环境中的对象，被反射并且通过光学设备到达传感器。传感器同样可脉动地运行，例如通过电子锁(Shutter)。由光运行时间和光速的线性关系可以确定传感器与测量对象之间的距离。

为了测量时间延迟必须给定在光源与传感器之间的同步。根据要探测的距离范围可以改变光源和光探测阵列的正脉冲相位的相对时间位置。

一方面在该方案中那么脉动地运行光源。此外也脉动敏感地开关探测单元亦即敏感像素阵列，也就是单个像素的集成窗在时间上与光源同步并且在集成持续时间中受限。在光探测阵列中通过到达的光子生成、收集自由载流子并且通过这种方式相应地与通过到达的光束强度在关闭打开时间期间的积分成正比地产生电压信号。

可能的是，进行在不同关闭时间下的多个测量，特别是考虑检测的对象的不同反射特征。此外可以为了背景光抑制实现在具有光脉冲和没有光脉冲的测量之间的差形成。

对于测量原理不重要的是，是否摄像机快门安装在图像传感器之前或者在例如开关形式的光探测器之后，该开关中断产生光子的载流子的收集过程。测量方法的基本原理在于，仅仅反射光在短的关闭打开时间内被登记。

对于光学检测和空间配置信息的另外的技术方案参阅对此的处理，该处理详细描述这一点，特别是博士论文“Photodetektoren und Auslesekonzepte für3D-Time-of-Flight-Bildsensoren in 0,35μm-Standard-CMOS-Technologie”，Spickermann，杜伊斯堡-埃森大学，工程科学系，2010。

此外参阅印刷品“Optimized Distance Measurement with 3D-CMOS ImageSensor and Real-Time Processing of the 3D Data for Applications in Automotiveand Safety Engineering”，Bernhard杜伊斯堡-埃森大学，工程科学系，2008。

本质的是，该检测方法不是纯的基于图像的检测方法。在每个像素的情况下确定间隔信息，间隔信息通过时间上的光探测实现。在应用像素阵列的情况下最后存在间隔值矩阵，该矩阵在周期检测的情况下允许对象运动的阐明和跟踪。

按照本发明的传感器机构作为组成部分此外还具有光源和检测机构(探测)。检测机构具有光学像素阵列，也就是光灵敏元件。特别是该机构可以涉及CCD元件或类似物。阵列连同光源共同形成飞行时间系统的上述类型的空间数据监控机构或者也称为“3D成像器”或“区域成像器”。在此应用具有时间驱控的像素阵列，该像素阵列允许间隔检测并且可以检测对象运动，其方法是以时间序列分析间隔信息。在汽车中类似的3D传感器已经用于车道保持系统，用于行人保护或作用停车辅助。

光源接近灵敏像素阵列设置，例如与阵列相邻较小的间隔。控制电路控制不仅光源的运行而且像素阵列的运行。

为了光源和检测机构的驱控和同步，两个元件与提及的控制和分析处理机构耦合。该控制和分析处理机构承担监控空间的时间的一致的照射以及检测机构所属的切换到检测模式。光源相应地被驱控输出光脉冲并且为此发出优选在长波非可见光谱特别是红外光谱中的光。为此设有激光二极管或格外光强的LED。

光源配备光学设备，光学设备按照应用将发送的光分配到探测空间中。为此光学设备组例如透镜组可以设置在光源之前，光学设备组进行发出的光束的扩展或偏转或聚焦。

为了在车辆上装配，传感器机构连同光源以及检测机构集成为一个单元，该单元以简单的方式可装配在车辆上。为此光源和检测机构在一个插口中设置，该插口设定并且构成为将传感器机构固定在车辆上。插口可以是包围的壳体或外壳，其中对于检测机构和光源分别至少朝检测范围的视窗构成为在决定性的波长范围中是光透明的。插口保护并且保持光源和检测机构并且插口以按照本发明的方式定向。

插口如此构成为用于固定在车辆上，使得插口在装配时沿车辆的接触面是可设置的。接触面例如通过插口空间例如车辆上的空隙的底部轮廓形成。光源按照本发明在插口内倾斜地设置，从而在接触面的法线与光源的光轴之间形成至少5°的角。

光源在插口内倾斜或斜地设置，从而光源和所属光学设备的光轴相对于插口以及在装配区域中的车辆轮廓倾斜。术语倾斜或斜在此表示具有其光轴的光源与在插口内最初的装配面的不同定向。为此在用于电子构件例如电路板的插口内提供第一最初装配平面，相对于该装配平面光源具有上述倾斜地装配。如果这样的传感器例如在车辆的B柱中设置，那么车辆的该B柱经常具有相对于垂线的倾斜，因为车辆横截面向上越来越小。为了能实现车辆环境的优化检测，而无需增大结构空间，实现照明机构自身在插口内并且也相对于车辆的外壳的倾斜或斜置。由此补偿或过补偿在车辆上设置的倾斜位置，以便将机构以窄的机构方式在车辆上设置。本质的是，由光源和透镜组组成的装置的光轴可以对于插口倾斜地定向。

光源按照本发明以其光轴倾斜地在插口中设置，而这对于检测机构的光轴不需要适用。自然在本发明的范围中完全以有利的方式可能的是，检测机构的光轴也倾斜地容纳在壳体中，亦即具有如在光源的情况下那样同向的倾斜以及相同或相似倾斜。按照本发明那么可以发生照明光学设备的唯一的倾斜或者不仅照明光学设备以及探测光学设备的倾斜。术语倾斜在此如此理解，使得关于固定面例如固定平面的倾斜设定在车辆上，也就是相应的光轴对于在车辆上的装配面采用至少5°的角。根据在车辆上的装配位置采用在5°与45°之间的角范围，通常在15°与30°之间的倾斜。

在本发明的一个改进中，传感器装置设置在半柔性的电路板上，特别是半柔韧的电路板上。半柔韧的电路板表示如下电路板，该电路板逐部段地并且在预定弯曲半径内构成为柔性的，其中电路板的横截面在弯曲范围中大幅减小。在本发明的该改进中，传感器机构一体地在电路板装置上进行，其中电路板的不同部段通过半柔性区域连接。光学设备的倾斜如下构成，其方法是该光学设备设置在电路板的一部分上，该部分相对于电路板的另一部分倾斜一个倾斜角。例如那么控制和分析处理机构可以设置在电路板的第一部段上，其中沿电路板与该区域错开地电路板的弯曲区域延伸并且紧接着如下区域，在该区域上设置光源连同光学设备组。在这些电路板区域之间的弯曲区域如此形成，使得光源相对于第一电路板部段倾斜。紧接着又可以是第二电路板部段，该第二电路板部段又沿相反方向弯曲并且因此沿第一非倾斜的电路板部段的方向。那么本质的是，光学设备的倾斜即使装配在统一的电路板上构成为具有柔性区域并且光学设备的倾斜通过电路板在柔性区域中的变形实现。以相同的方式可以通过电路板的变形也实现检测机构的探测轴的倾斜。

根据本发明的另一方面，给照明元件配置以衍射光学元件(DOE)形式的光学元件。按照本发明的传感器机构的目标在于，有目的地经受光学控制的受限的空间范围。衍射光学元件是用于形成光束的元件，例如用于分束，光束扩展或聚焦。衍射光学元件相比于透镜元件利用光栅的物理原理。通过应用该结构格外小的衍射光学元件可以将照明机构的光束分配并且限制到这样的空间范围上，该空间范围对于检测是相关的。

因为在传感器机构中照明机构的功率是受限的，所以光束能量应尽可能目标定向地分配到相关照射范围上。出于该目的按照本发明的另一方面设定，给光束源配置衍射光学元件，该衍射光学元件进行分束。分束如此实现，由相同光源和相同传感器机构分出的光锥发出到不同空间范围中。例如在传感器机构在车辆B柱中的装配中照明锥可以沿车辆的外壳朝车门的门把手方向分开和定向。而另一光锥具有轻微倾斜地向下由车辆导离，以便探测使用者的接近。通过照明强度的划分可以一方面实现在照明区域中提高的能量密度，相对于在较大的区域中的宽的照射并且另一方面实现灵敏区域的选择。未照明的区域同样由接收光学设备或检测机构未探测并且相应地隐藏。本质的是，分束通过元件实现，从而统一的光源沿空间角不连续地照明角范围。

衍射光学元件可以除了分束之外也用于光束的扩展。

根据本发明的另一方面照明机构的光学设备组的透镜中至少之一构成为液态透镜。这样的液态透镜特别是可非常小地实现。液态透镜例如借助于电压是可调节的，从而照明机构的照射角根据使用情况或环境条件是可调节的。控制和分析处理机构可以施加电压到液态透镜，以便改变其焦距并且照明不同的检测情景。例如可以实现空间角的密集的聚焦的照明或者具有较小的能量密度的宽的照明。液态透镜可以在此不仅用于照明光学设备而且用于接收光学设备。

附图说明

现在根据附图进一步描述本发明。

图1示意地示出按照本专利的检测装置在车辆上的应用情况；

图2示出按照本发明的传感器装置的作用构件的示意图；

图3按照本发明的另一实施例在示意截面图中示出具有倾斜的照明机构的示意结构；

图4a、4b示出按照本发明的另一实施例照明机构的分束。

具体实施方式

如图1所示，车辆1配备按照本发明的传感器机构2。传感器机构2检测在检测区域3中的过程和运动，在此通过虚线标明。接近车辆的使用者4具有如下可能，即在检测区域3中执行运动姿态，以便调用车辆功能。在这里示出的实施形式中，检测装置2在车辆侧面安置在B柱中。这样的检测装置然而也可以设置在车辆的任意其他位置，特别是在尾部区域或前部区域中。在图1中此外示出，检测区域3以其光轴与车辆上装配平面倾斜地定向。B柱向上朝车辆中央倾斜，而检测区域相对于水平稍微向下倾斜。这通过光学设备的倾斜实现，如下所示。

图2示出检测装置的构件的示意图。在该视图中没有示出车辆1，以便不会使得视图不清楚。

机构设置在插口2中并且具有光源10，光源在该例子中由激光二极管11和扩展的光学设备12形成。光学设备12扩展光束横截面，从而形成宽的检测区域3，使用者4进入该区域中并且在该区域中使用者可以执行运动姿态。在此例如可以涉及简单的塑料光学设备或者玻璃光学设备，例如会聚透镜、球镜或菲涅尔透镜。备选地衍射光学元件可以形成光学设备或其一部分。

探测阵列20与光源相邻地设置、以敏感区域朝检测区域3的方向定向。阵列20包含敏感像素的列和行，并且在该例子中构成为CCD阵列。给探测阵列20前置光学设备21，该光学设备将检测区域3描绘到CCD阵列上。该光学设备也可以具有可驱控的快门或者适合的过滤器，特别是红外过滤器或偏振过滤器，过滤器相对于激光抑制背景光。而且该光学设备可以具有液态透镜，该液态透镜允许驱控和聚焦或者微透镜阵列。

不仅光源10而且阵列20与控制机构30耦合，控制机构能实现光源10和检测机构20的周期和时间控制的运行。如果光源10被驱控发出光脉冲并且像素阵列装置被驱控用于检测，那么各个像素集中到的的光能预定的持续时间。每个像素的每个在集中之后分别存在的加载在控制机构中被分析处理，从而对于每个像素生成表征集中时间间隔的检测值。

通过不仅光源10而且检测机构20的该时间一致并且同步的驱控对于检测机构20的每个像素光运行时间的检测并因此间隔探测是可能的。对于准确的功能参阅上述出版物的公开，特别是已知的飞行时间机构。

在实践中光信息没有单独来自使用者，由该使用者反射光源10的发射的光，取而代之地实现通过全部可见点的全部接收的光的集中。而且环境有助于探测成果。然而传感器装置的算法和运行方式是已知的，其中可以尽可能计算出环境光。特别是可以依次短时地并且具有变化的时间参数地实现多次记录，以便计算出背景光。这样的检测可以特别是以不同的集中时间实现，以便排除背景光影响。如果同样例如发出具有相同持续时间的光脉冲，然而集中的持续时间变化，那么背景影响与集中时间具有线性关系，而通过光脉冲的影响仅仅对于光脉冲的持续时间存在。

控制和分析处理机构30检测信息并且在间隔信息的阵列中换算这些信息。由此可以创建环境的3D地图。通过手控的时间序列可以检测在检测区域3中空间变化和对象运动的3D信息。例如可以探测到使用者4的手的摆动。控制机构30并且通过该控制机构整个检测机构2与机动车的中央控制机构50耦合。运动姿态的识别可以一方面根据控制和分析处理机构20中的数据库实现或者3D空间数据的时间序列引导给中央控制机构50，以便在那儿进行分析处理。机构30此外可以具有例如以神经网形式的模式识别，以便根据特定的空间数据识别操作姿态。中央控制机构50随后根据检测的数据起动机动车的功能触发，例如降低侧窗玻璃或者打开车门或车后门。

在阐明传感器装置的示意结构和在车辆上的位置之后，图3在集成的传感器机构的侧截面图中示出传感器机构的第一实施例。壳体100形成传感器构件的插口。在壳体100中构成承载结构110，承载结构形成用于要装上的电路装置的底座。电路装置设置在部分柔性的电路板120上。该电路装置具有薄的柔性区域和较厚的刚性区域。在电路板120的第一部段中施加控制和分析处理机构130。该控制和分析处理机构可以包含微控制器、存储组件亦即另外的电子开关元件。紧接着承载控制和分析处理机构130的区域是电路板120的越来越小的柔性区域，紧接着是承载照明机构150的电路板部段140。此外沿着电路板120紧接着又是电路板的越来越细的柔性区域以及电路板120的硬化的较厚的区域，在该区域上构成光学检测机构160。光学检测机构160在该例子中具有CMOS阵列和所属的光学设备。承载结构110如此匹配于电路板及其柔性区域，使得支持具有不同倾斜的电路板部段。明显的是，中间刚性电路板部段如下施加在承载结构110的斜坡上，使得照明机构150与电路板的其余构件特别是其他部段倾斜。

通过这种方式提供结构紧凑的光学传感器，该传感器以其后侧的平面侧(在图3中的下侧)例如可以装配在车辆的B柱上，同时然而可以进行照射到与装配面倾斜的区域中。因为电路板首先在平面位置，也就是配备电路板部段的平面定向，并且随后引入到插口和承载结构中，所以光学设备150在电路板140上的装配可以简单的方式实现，该装配相应于光学设备在平面电路板上的通常的装配。仅仅通过插口和插口中的承载结构电路板以其越来越小的区域获得光源的倾斜。

也清楚的是，探测机构160也可以通过承载结构110的相应设计方案按照本发明变为倾斜的。此外清楚的是，为了光源150按照本发明的倾斜不一定需要半柔性电路板，而是也可以通过导线连接耦合多个电路板。通过承载结构与倾斜的一致以及紧接着将不同构件施加在插口中承载结构的设定位置上实现具有光学构件的有利定向的传感器装置。可能的是，对于不同车辆模式需要不同的装配平面和倾斜角，将不同的承载结构110安装到插口100中或者构成到具有所属的承载结构的不同插口100上。那么具有光源、控制和分析处理电路以及光学检测机构的相同的电路板装置可以用于不同车辆模式。

由于在平面中配备的方案，如在该结构中示出并且在于光学设备倾斜的相应插口结构中设置可能的是，将商业上通常的装配组件用于光学设备和LED或激光二极管。

图4a和4b示出按照本发明的另一实施例的另一方案。按照该实施例传感器机构190容纳在车辆的B柱中并且分束机构用作照明机构的光学设备组的一部分。为此应用结构小的衍射光学元件，以便将光源自身例如激光二极管的照射能偏转到不同空间区域中。图4a示出，照射能的一部分在照射锥200中向下并且朝车辆前部分开并且扩展，从而车门的门把手210位于在照明范围中。照射能的另一部分220在向下倾斜的锥中在车辆侧面偏转离开，以便照明由那儿接近车辆的使用者。通过这种方式可以阻止不相关和干扰的探测信号，因为仅仅照明对于检测相关的部分区域。例如如果使用者的手接近门把手，那么使用者使得该手到朝向门把手的分开的束锥中并且因此用于在反射到检测机构上的光的情况下显著的信号提高。

分束可以实现到多个束组成部分中，所述束组成部分沿不同方向偏转。本质的是，唯一的光源在该情况下足以照射不同和分开的区域，并且也仅仅以统一的检查机构探测反射的光。

Claims (9)

1.一种用于机动车(1)的传感器机构(2)，包括至少一个光源(10；150)以及检测机构(20；160)，其中所述检测机构构成为具有光学像素阵列，所述光源(10；150)和检测机构(20；160)与控制和分析处理机构(30；130)耦合，所述控制和分析处理机构驱控光源(10；150)输出光脉冲并且驱控检测机构(20；160)检测由环境反射的光以及分析处理检测机构(20；160)的检测的信号，其中所述控制和分析处理机构(30；130)、检测机构(20；160)以及光源(10；150)共同地构成为飞行时间结构以便沿第一空间方向检测，从而检测空间可配置的距离数据，其特征在于，光源(10；150)和检测机构(20；160)在一个插口中设置，所述插口构成为在车辆上装配传感器机构，其中所述插口可沿车辆的接触面设置，其中光源在插口内倾斜地设置，从而在接触面的法线与光源的光轴之间形成至少5°的角，其中，所述光源和所述检测机构施加在半柔性的电路板上，其中所述电路板的承载光源的部段相对于所述电路板的其他部段以倾斜角固定。

2.根据权利要求1所述的传感器机构，其特征在于，在插口中设置梁型材，所述梁型材具有用于光源的至少一个斜延伸的支撑部段并且将所述光源保持在倾斜位置。

3.根据权利要求1所述的传感器机构，其特征在于，所述检测机构同样固定在电路板的倾斜的并且承载光源的部段上。

4.根据权利要求1所述的传感器机构，其特征在于，所述光源具有用于光束形成的光学构件，其所述光学构件中至少一个由衍射光学元件形成。

5.根据权利要求1所述的传感器机构，其特征在于，所述光源具有分束机构，所述分束机构将发出的光分为不连续的空间角范围。

6.根据权利要求1所述的传感器机构，其特征在于，所述光源作为光学构件具有至少一个液态透镜。

7.根据权利要求6所述的传感器机构，其特征在于，所述液态透镜与控制和分析处理机构耦合，以便进行光源的驱控有关的光束形成。

8.根据权利要求1所述的传感器机构，其特征在于，所述检测机构前置有至少一个光学过滤器。

9.根据上述权利要求任一项所述的传感器机构，其特征在于，倾斜角为在5°与30°之间。