CN107894243A - 用于对监测区域进行光学检测的光电传感器和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及用于对监测区域进行光学检测的光电传感器和方法。提供了一种用于对监测区域(12)进行检测的光电传感器(10)，特别是3D相机，其中传感器(10)包括图像传感器(16a‑16b)、用于至少部分地通过照明场(26)照明监测区域(12)的照明单元(20)、以及照明控制装置(28)，该照明控制装置被设置用于对照明单元(20)进行功率调节以满足保护要求。传感器(10)还包括测距的光电附加传感器(38)，其检查对象(42)在照明场(26)中所位于的距离，并且照明控制装置(28)根据由附加传感器(38)测量的距离来实施功率调节。
Description
本发明涉及根据权利要求1或10的前序部分的用于对监测区域进行光学监测的光电传感器和方法。
许多光电传感器使用自身的激光照明装置。然而，由于眼睛保护要求，激光照明装置要么只能借助严格限制光学输出功率来操作，要么必须根据较高保护等级的激光标准，例如在根据EN 60825的3R、3B或4的1M等级以上进行分级。在较高保护等级下对设备操作方面的严格要求通常是不可接受的。在使用其他光源时也可能会出现类似的要求，例如EN62471对LED的要求。
3D相机获取图像数据，该图像数据也包含距离信息，并且被称为三维图像或深度图(Tiefenkarte)。根据3D检测的情况，有源照明装置对于传感器功能来说是绝对需要的，或者至少使图像数据的质量更好。
光飞行时间传感器(Lichtlaufzeitkamera)评估其发射光在其图像传感器的像素中的传播时间。用于相应的光飞行时间图像传感器的已知方法是光电混合检测(Photomischdetektion)。
立体相机系统从略有不同的视角获取场景的多个二维图像。在重叠的图像区域中将相同的结构识别出来并通过三角测量根据相机系统的差异和光学参数计算距离。即使没有自身的照明装置，立体观测原则上也可作为无源立体观测来进行。然而，如果待监测的场景对比度差或者具有结构小的区域，则立体观测评估是不可靠的。在这种情况下，可以想到至少两种类型的误差，即无法找到彼此相应的结构元素或者错误的分配。结果是，三维图像中有空隙或者对距离的错误计算。这可以通过图案照明装置的人工结构来避免。在立体观测原理的变型中，仅获取一个图像并与已知的投影图案相关联，从而最后，通过场景中的轮廓来评估照明图案的变形。
为了用3D相机即使在有效范围较大时产生高质量的图像数据，照明装置应是功率强大的。这一点特别适用于安全技术应用，在该应用中通过3D相机监测危险源并在必要时采取防护措施。但是另一方面，如果可能的话，需要遵守用于眼睛保护的不令人担心的激光保护等级，例如根据EN60825的类型1或1M。这些矛盾的要求不容易彼此一致。
DE 10 2009 031 732 B3描述了立体观测系统，该立体观测系统首先以极低的光学输出功率检查临时的工作区域。只有当那里没有辨认出不允许的对象时，才会切换到更高的激光功率。在这点上的缺点在于，必须区分开接通操作(Einshaltbetrieb)和正常操作(Regelbetreib)，这使得方法相对复杂。DE 10 2010 037 744 B3通过在接通期间以其它方式对附近区域进行检查而不是通过随后的正常操作的立体算法对该方法进行了改进。当然，切换本身并不能由此得以避免。
DE 10 2009 013 735 A1公开了一种用于对监测区域进行监测的传感器，其中传感器测量作用在对象上的单位面积功率。当检测到对象时，调节功率，以防止超过预定值。这要求对作用的辐射功率进行连续的测量，由于对只部分已知的参数(例如对象距离和对象的反射特性(Remissionseigenschaft))的依赖性，该连续测量成本高且必须同时进行测量，因此是不可靠的。
在US 2007/0001111 A中公开了一种激光投影仪，其出于个人保护的目的借助于接近传感器直接在投影仪上将保护区内的人员识别出来，以根据投影仪的扫描移动的速度和接近传感器的反馈来调节光功率。但眼睛保护考虑对于3D相机来说不适合。
GB 2 295 740 A公开了一种基于激光的测距仪，其具有弱激光和强激光。强激光只有在之前用弱激光没有检测到人员时才能被激活。同样，这种涉及准直激光的眼睛保护考虑也不适用于3D相机。
在US 6 661 820 B1中，介绍了一种与图像传感器一起使用的用于结构化光的投影仪。在此，虽然最大化了安全的激光功率，但情境上并不适合于实际捕获的对象。因此，只能做出固定假设，并且用于在具有比这些假设更有利的框架条件的场景中来升高光功率的活动空间(Spielraum)仍未被使用。
在US 8 290 208 B2中以及类似地也在US 9 201 501 B2中，当人员位于投影场中时，对激光投影仪的功率进行调节。为此，却要进行非常繁冗的图像分析。
因此，本发明的任务在于，对所述类型的光电传感器的照明装置的功率调节进行改进。
该任务通过根据权利要求1或10的用于对监测区域进行光学监测的光电传感器和方法得以解决。优选地，传感器具有发散的照明单元，以照亮3D相机的扩展场景。一方面，为了尽可能良好地照亮监测区域并实现高的有效范围，另一方面，为了满足例如对于眼睛保护的保护要求，进行照明单元的情境功率调节。在此，本发明以使用附加传感器来获得应加以考虑的照明场中关于可能对象的信息的基本思想为出发点。附加传感器是除了图像传感器和主要传感器的照明单元之外的自己的第二传感器，但可以一起使用一般组件如电源、外壳和可能的一些光学元件。照明控制装置使功率适应位于照明场中的对象的测量距离。这包括无对象的照明场这种情况，因为附加传感器随后提供可能的对象比其测量有效范围更远的距离信息。
本发明的优点在于，通过适当的功率调节对情境的风险评估做出反应以免于受到电磁辐射。这避免了基于不必要地限制了能量平衡的最坏情况假设的常规设计。因此，可以以较高的照明功率来操作照明单元，同时例如保留了分类作为根据DIN EN 60825-1的1M类型的激光装置。另外，不需要采取额外的安全措施，例如它们要求更高的激光保护等级。照明单元的功率降低的接通阶段不需要，只要独立地测量距离的附加传感器没有检测到有危险的对象，传感器就直接在正常操作下工作。存在便宜的、小型测量距离的附加传感器，这些传感器可以简单地集成在传感器中或者甚至集成在照明单元中，或者也可以进行改装。
优选地，照明场具有这样的区域，在该区域中眼睛遇到最大的功率密度，其中附加传感器测量相对于该区域的距离。与第一表象相反，该区域决不位于最短距离内，因为虽然在那里眼睛总共会遇到大量的光，但该大量的光会分布在较大的视网膜表面上。因此，合理的是，确定最危险的距离区域并测量与其相关的功率调节所使用的距离。此外，优选地，附加传感器与照明装置的传播方向共线或平行地进行测量，使得在相关方向上捕获相关位置处的对象。
优选地，功率调节根据允许的最大值来实现。为了良好的能量平衡，不仅要保证不超过最大值，而且至少几乎达到最大值，从而耗尽可能的照明功率。优选地，最大值来自对眼睛保护的规定，例如标准EN 60825。
优选地，最大值适合于所测量的距离。这可以根据所测量的距离按照最大值的函数来实现，其中该函数可以是连续的或离散的。实际上，离散函数的几个步长可能就已经足够了，例如近距离、其中眼睛遇到最大的功率密度的区域中的距离、以及更远距离的最大值。在处于一定距离的对象中，适当的反应也可以是立即关闭照明单元，即将该距离区域的最大值置于零。
优选地，照明控制装置被设置用于以脉冲方式操作照明单元并通过脉冲重复频率、脉冲幅度和/或脉冲长度来控制功率调节。因为对眼睛造成伤害的决定性量不是瞬时功率，而是平均综合功率。因此，功率调节不必再调整脉冲幅度或单独对其进行再调整，而是还可以使用脉冲的持续时间和频率作为调节参数。可通过脉冲序列特别容易地控制平均光输出功率，并且可以更好地捆绑功率，可能与接收时间窗口同步。
优选地，附加传感器具有SPAD光接收器。SPAD(单光子雪崩二极管)是以所谓的盖革模式操作的雪崩光电二极管，该二极管以高于击穿电压的高的偏置电压被偏压。由此，单个射入的光子早已触发雪崩击穿，并从而触发检测信号。虽然具有SPAD光接收器的测距仪可能特别便宜并且小型，但仍实施足够精确的距离测量。
优选地，附加传感器具有自身的照明单元。从而可以例如用光飞行时间方法来测量距离。优选地，自身的照明单元在其整个照明区域内对于眼睛是安全的，并且不会进行情境调节。因此，该照明单元通常比3D相机的照明单元弱。更小的有效范围是没有问题的，因为在更大的距离中，照明场本来就不再危险，特别是当照明场是发散的时候。
优选地，自身的照明单元具有扩展的环形或线形的光束横截面。在可替代的仅进行点测量时，附加传感器仅监测照明场的非常小的一部分。当关键区域局部集中在照明场中并用一点测量或几点测量来监测时，这样做可能绝对足够了。然而，通过较大的光斑并从而通过较大的检测区域，也会监测照明场的相应较大的一部分，使得漏看对象的情况更少地或者完全不会出现。
优选地，设置了多个附加传感器。这是可替代的或附加的措施，以便更好地覆盖照明场。事实上，附加传感器可以是多个单独的传感器，但也可以是多光源的布置，例如激光行或VCSEL阵列，在这个意义上，接收器矩阵可视为多个附加传感器。类似地，用于确定距离的评估可以是分开的或共同的。附加传感器可以分别选择性地像单独的附加传感器一样以点形式或以扩展的光束横截面来测量。
作为3D相机(例如像前述部分所述的作为光传播时间相机或作为立体相机)布置的传感器可以使用所有已知的技术来捕获深度图。
在优选的改进方案中，提供了切断设备，该设备被设计用于在出现不允许的对象干扰时，将切断信号输出至受监测的危险源或机器。不允许的对象干扰可通过3D相机本身来识别，例如，由于未知的对象位于保护区域中，特别是太靠近受监测的机器。但也可能是这样，即由附加传感器捕获的对象需要不再保证3D相机的安全监测功能的功率调节，从而使得在这种情况下也为了谨慎起见进行安全相关的切断。
优选地，照明单元具有激光光源。激光光源的光特别强，并且其相干特性可用于以高的效率形成结构图案。因此，以图案生成元件将光强的结构化照明图案投射到监测区域中。同样，在可替代的光源(例如LED)中，可能存在可能会伤害眼睛的输出功率，因此，本发明可用于满足例如根据本文中相关的标准DIN 62471的保护规定。
根据本发明的方法可以以类似的方式进一步发展，并因此显示出类似的优点。这种有利的特征是示例性的，但并不终结于在隶属于独立权利要求的从属权利要求中进行描述。
附图说明
下面将依据实施例并参照附图来对本发明的其他特征和优点进行示例性的详细说明。附图的图形示出：
图1是立体观测的3D相机的示意图；
图2左侧是取决于距离的在视网膜上的激光源光斑的直径的示例性的函数图，中间是取决于距离的激光源的强度的示例性函数图，以及右侧是取决于距离的在视网膜上产生的功率强度的示例性函数图；
图3是3D相机的照明场和对眼睛最危险的点的示意图；
图4是具有附加传感器的类似于图3的3D相机的示意图；
图5是对象位于根据图4的3D相机的照明场中的示意图；以及
图6是根据图5的在检测到处于危险距离的对象之后切断照明场的示意图；以及
图7是用于测量处于照明场中的对象的距离的附加传感器的示意性框图。
图1示出了根据用于检测空间区域12的立体观测原理的3D相机10的一般构造的示意图。然而，本发明还包括其他传感器，特别是其他相机和3D相机，例如前面提到的光飞行时间相机和将投射图案与接收的图像相关联的相机。
两个相机模块14a、14b以彼此已知的固定距离进行安装，并分别接收空间区域12的图像。在每个相机中设置有图像传感器16a、16b，通常是接收矩形像素图像的矩阵形接收芯片(Aufnahmechip)，例如可能被设计为SPAD矩阵的CCD传感器或CMOS传感器。具有成像光学元件的物镜18a、18b被各自分配给图像传感器16a、16b。
在两个图像传感器16a、16b的中间设置照明单元20，其中该空间上的布置只是一个示例。照明单元20包括光源22(例如一个或更多个激光或者LED)以及图案生成元件24，该图案生成元件例如被设计为掩模、相位板、微透镜阵列或衍射光学元件。因此，照明单元20能够以具有结构化图案的照明场26照亮空间区域12。照明控制装置28切换光源22并确定其光功率。
控制装置30与这两个图像传感器16a、16b以及照明控制装置28连接，该控制装置接收图像传感器16a、16b的图像数据，并由此借助于立体观测差异估计来计算空间区域12的三维图像数据(距离图像、深度图)。因此，结构化的照明图案确保了被照明的空间区域12中每个图像元件良好的对比度和清晰可分配的结构。因此，对于具有其他距离测量的传感器(例如光飞行时间相机)来说，不需要结构化的图案，因而也不需要图案生成元件24。
根据3D相机10的应用，三维图像数据在输出端32输出，或者在内部进一步处理。例如在安全技术应用中检查对象是否位于危险区域，如有必要，则将安全相关的切断信号输出至危险源。为此，输出端32可被设计为安全输出端(OSSD，输出信号切换设备)。在安全技术中使用的传感器进行了故障防护设计。对于非接触工作的保护设备来说，相应的要求在EN 61496-1或IEC 61496以及DIN EN ISO 13849和EN 61508中进行了标准化。关于安全相机的相应标准正在筹备中。
在操作具有有源照明装置的光电传感器(如3D相机10)时，必须确保对电磁辐射有足够的防护。在激光眼睛保护的典型示例中，根据EN60825来解释保护要求。眼睛通常是最敏感的目标，因此自动满足其他可以想到的保护要求。然而，其他保护目标也是可以设想的，诸如皮肤保护或仅出于技术原因(如避免太强的散光)。
为了评估危险并遵守激光等级(例如1M)，必须彻底检查眼睛和表观光源的位置之间的所有可接近的距离，并根据损害的功率密度(即入射功率和视网膜图像面积的比值)对其进行评估。最不利的距离与激光设备的分类有关。通过照明单元20的投射物镜的小的出射光瞳，在大的视场角下，眼睛瞳孔充当视场光阑并随距离的增加切割源的图像。当距离短时，视网膜图像变得越来越大，使得充当测量光阑的虹膜内的总体增加的光量分布到更大的视网膜表面上。相反，当距离非常大时，视网膜上的源的成像却非常小，因而所接收的辐射非常集中，但总体而言，由于照明装置的高发散，非常少的光落在视网膜上。因此，在待确定的中间距离处危险最大。这种最不利的或最危险的距离与激光设备的分类有关。
图2图示了可如何找到最危险的距离。将眼睛建模为捕获照明场26的辐射的一部分的辅助透镜。首先，图2的左侧部分示出了取决于到激光源的距离的通过辅助透镜在视网膜上成像的激光源的半径。为了考虑到人眼的可变的适应能力，对每个距离另外考虑介于f’＝+14.5mm和f’＝+17mm之间的透镜焦距。在此，f’＝+14.5mm的最小焦距对应于g＝100mm的对象距离，最大值f’＝+17mm对应于g＝∞的对象距离。
图2的中间部分示出了对应于虹膜的直径为7mm的测量光阑的取决于距离的强度曲线。在图2的右侧部分再次描绘了取决于距离的对伤害眼睛起决定性作用的视网膜上的功率密度。为此，根据图2中间部分的出现在视网膜上的功率除以根据图2左侧的对应于半径所产生的视网膜图像的面积。
从图2右侧看出，取决于与危险源的观察距离的眼睛视网膜上的功率密度形成尖端最大值。对于偏离最大值的距离而言，危险可能会低些。对于等级1M的所有极限值规定在具有到达视网膜上的最大功率密度的对人眼最危险的场景上实施。
图3再次图示了照明场26中的最危险区域34。对图1进行了示例性解释的3D相机10在此再次示为功能块。刚刚已经描述了在光轴36上发现最不利的距离。在侧面上，即在图3中向上或向下，辐射功率由于投射光学元件的边缘下降而只降低。
借助考虑到实际存在的人员和光源22之间的距离的情境风险评估，可重新调整在每种情况下都允许的照明功率，以实现对于每个距离仍然满足所要求的眼睛保护等级的更强的照明。
图4示出了在附加传感器38周围的3D相机10的扩展，该附加传感器本身是测量距离的光学传感器。例如，在照明控制装置28内设置了电调节电路，该电调节电路防止超过针对取决于应用和危险等级的3D相机所确定的光功率极限值。然而，由于最坏情况假设，光功率极限值不是静态确定的，而是根据情景来调节。为此，用附加传感器38来检查对象究竟是否位于最危险区域34中的附加传感器38的辐射路径40中，或者确定在照明场36中识别出来的对象到危险区域34的距离。因此，可以以较高的功率来操作照明单元20，其中最危险区域34中的眼睛保护的极限值不再满足。这不会影响到分类，因为排除了通过附加传感器38的有源传感器功能的可接近性。
图5示例性地示出了对象42处于更远距离，特别是在最危险区域34以外的第一情况。3D相机10可保持在正常操作下，并根据对象42的距离升高照明单元20的功率。
图6示出了对象42非常接近最危险区域34或在其前方的另一示例性情况。照明单元20的功率必须相应地节流。甚至描述了特别严峻的后果：完全切断照明场26。
如在这两个示例中所图示的，附加传感器38也提供可用于功率调节的距离值。优选地，相对于最危险区域34并与照明场26的电磁辐射的传播方向共线或平行地测量距离值。此外，优选地，测量尽可能靠近照明单元20的光轴36进行。由此确保了，测量在接近危险处进行，并且例如可以在人眼暴露在带来危险的电磁辐射之前以这种方式来检测人的头部。
然后，根据所测量的到检测对象的距离D，对根据保护等级允许的极限值设置新的阈值S(D)。此依赖关系可以储存为连续函数或离散函数。阈值S(D)被传送到调节电路，使得总是根据当前存在的危险情况提供保护免于受到电磁辐射。在选择阈值时，应考虑相关的由附加传感器38、照明控制装置28和照明单元20组成的整个系统的等待时间，以及在选择阈值时的损害时间(Verletzungszeit)。
图7以非常示意性的框图示出了附加传感器38的示例性构造。在此，根据光飞行时间方法(TOF飞行时间)进行距离测量，其中同样也可考虑其他方法。自身的光发射器44发出光信号，该光信号在对象上反射之后由光接收器46(优选敏感且紧凑的SPAD光接收器)记录。光信号以短的光脉冲或周期性信号来调制，并且在光飞行时间单元48中相应地确定发出和接收脉冲或相移之间的时间间隔，并通过恒定的光速换算成距离。
优选地，光发射器44对眼睛不具伤害性。因此，有效范围仍然受限并且还可以比照明场26的有效范围更小。这充其量对具有准直辐射的照明单元20有影响，这对于3D相机10来说可能是不合理的。对于通常由照明单元20生成的发散辐射来说，由于面积被有规律地照明，因此当最危险的区域34(如有必要，有一定的缓冲)位于有效范围内时就足够了。优选地，光发射器44通过编码或波长与照明场26例如在时间上分离，以便不歪曲三维图像数据。还可设想的是，一旦3D相机10位于正常操作下，就禁用附加传感器38，然后通过评估图像数据来替换其功能。优点是，光发射器44被设计为点辐射器(Punktstrahler)，因为该光束辐射面允许最高的测距精度。然而，可以用例如线形或环形的扩展的光斑来覆盖照明场26的较大部分。也可以通过置入多个附加传感器来实现此效果。
可以用状态LED来指示是否以一定的平均光辐射功率操作处于某模式下的照明单元20。附加传感器38可以是照明单元20或3D相机10的主要组成部分，或者可以进行改装。借助于测距附加传感器38的根据本发明的功率调节不只在传感器，特别是3D相机10中有用，而且例如在科学的激光设备、用于切割或焊接的工业激光器中或者在电信中有用。因此，例如可以以低功率来控制调整操作并以较高功率来控制正常操作。
Claims (10)
1.一种用于对监测区域(12)进行检测的光电传感器(10)，特别是3D相机，其中所述传感器(10)包括图像传感器(16a-16b)、用于至少部分地通过照明场(26)照明所述监测区域(12)的照明单元(20)、以及照明控制装置(28)，所述照明控制装置被设置用于所述照明单元(20)的功率调节以满足保护要求，其特征在于，所述传感器(10)还具有测距的光电附加传感器(38)，所述附加传感器检查对象(42)在所述照明场(26)中所位于的距离，以及所述照明控制装置(28)根据由所述附加传感器(38)测量的距离来执行所述功率调节。
2.根据权利要求1所述的传感器(10)，其中所述照明场(26)具有这样的区域(34)，在所述区域中眼睛遇到最大功率密度，以及其中所述附加传感器(38)测量相对于所述区域(34)的距离。
3.根据权利要求1或2所述的传感器(10)，其中所述功率调节根据允许的最大值进行。
4.根据权利要求3所述的传感器(10)，其中所述最大值适合所测量的距离。
5.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中所述照明控制装置(28)被设置用于以脉冲方式操作所述照明单元(20)，并通过脉冲重复频率、脉冲长度和/或脉冲幅度来控制所述功率调节。
6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中所述附加传感器(38)具有SPAD光接收器(46)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中所述附加传感器(38)具有自身的照明单元(44)。
8.根据权利要求7所述的传感器(10)，其中所述自身的照明单元(44)具有扩展的环形或线形的光束横截面。
9.根据前述权利要求中任一项所述的传感器(10)，其中设置了多个附加传感器(38)。
10.一种用于对监测区域(12)进行光学检测的方法，所述监测区域通过照明场(26)至少部分地被照明单元(20)照明，其中为了满足保护要求对所述照明单元(20)进行功率调节，其特征在于，用测距的光电附加传感器(38)来检查对象(42)在所述照明场(26)中所位于的距离，以及根据由所述附加传感器(38)测量的距离来实施所述功率调节。
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