CN108139466A - 机动车的传感器装置的传感器系统 - Google Patents

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Abstract

在机动车(1)的用于光学检测目标对象及其空间运动的传感器装置(4)的传感器系统(3)中，该传感器系统具有3D相机，该3D相机以渡越时间法检测空间数据并且该3D相机包括光源(6)和感光接收装置(7)，其中，光源(6)和感光接收装置(7)可以布置在共同的传感器壳体(5)中并且这两者对准3D相机的检测区域(8)，要提供一种实现3D相机的检测区域的均匀照亮的解决方案。这通过如下方式来实现，光源(6)具有用于使发出的光以预先确定的方式分散开的发射光学件(21)，其中，发射光学件(21)具有第一透镜(22)和第二透镜(23)，该第二透镜在发出的光的方向上布置在第一透镜(21)之后，其中，两个透镜(22、23)中的至少一个透镜的至少一个边界面(33)构造为自由曲面(32)。

Description

机动车的传感器装置的传感器系统
技术领域
本发明涉及机动车的用于光学检测目标对象及其空间运动的传感器装置的传感器系统，该传感器系统具有3D相机，3D相机以渡越时间法(Laufzeitverfahren)检测空间数据并且包括光源和感光接收装置，其中，光源和感光接收装置可以布置在共同的传感器壳体中并且折两者对准3D相机的检测区域。
背景技术
具有这样的传感器装置的这样的传感器系统最近被用于光学辅助地识别机动车处的操作动作或操作姿态。在此，检测和评估时间上和空间上进行分辨的信息，以便识别出呈使用者的动作或姿态形式的使用者的操作意愿。
在现有技术中公知有如下光学方法，其相应于图像信息的评估而识别出操纵并且随后例如触发切换过程。例如，在这里提到监视系统的自动的视频评估，其从单个图像或一系列图像中读出图案或运动。另外，还已知大量的其它的光学辅助的系统，其中，从属于最基本的系统的例如是光栅或亮度传感器。然而，具有较高复杂度的光学系统通常利用往往被称为像素的光敏检测单元阵列，其例如呈CCD阵列的形式并行地接纳光学信息。
DE 10 2008 025 669 A1公开了一种探测动作的光学传感器，基于此，车辆的关闭元件自动地运动。
WO 2008/116699 A2涉及一种光学传感器芯片并且涉及一种用于监控机动车中的车窗玻璃、滑动门或尾盖的光学防夹设备。
WO 2012/084222 A1公开了一种用于操纵和监测关闭元件的光学传感器。
由于在各种技术领域中动作控制越来越被接受，所以也已尝试使用这种纯粹的光学系统来检测在机动车中的操作意愿。然而，在这些系统中仍以通过电容式系统的操作检测为主。
在光学检测的范围内，公知有如下系统，其检测与像素有关的位置信息，特别是与传感器装置或检测装置的距离。在WO 2013/001084 A1公开了一种用于无接触检测目标和操作动作的系统，该系统具有也可以用于本发明的传感器系统的相似类型的光学辅助装置。
视所应用的评估方法而定，这些系统例如被称为“渡越时间(time-of-flight)”系统或“3D成像器(3D-Imager)”或“范围成像器(Range Imager)”。这些系统的应用领域处于工业自动化技术领域、安全技术领域和汽车领域。在汽车中，3D传感器被用于车道保持系统，用于行人保护或作为泊车辅助。三角测量的设计和干涉法以及渡越时间(ToF)的设计都可以利用光学传感器来实现。
在这方面可以参考如下的扩展方案，其中详细描述了技术原理及其实现方案，特别是Andreas Spickermann所著的博士论文“Photodetektoren und Auslesekonzepte für3D-Time-of-Flight-Bildsensoren in 0.35μm-Standard-CMOS-Technologie(用于0.35微米标准CMOS技术中的3D渡越时间图像传感器的光电探测器和读取设计)”，杜伊斯堡-埃森大学工程学学院，2010年。
也可以参考Bernhard所著的公开文献“Optimized Distance Measurementwith 3D-CMOS Image Sensor and Real-Time Processing of the 3D Data forApplications in Automotive and Safety Engineering(用于汽车与安全工程中的应用的具有3D数据实时处理和3D-CMOS图像传感器的优化的距离测量)”，杜伊斯堡-埃森大学工程学学院，2008年。
上述研究描述了设计和实现可用的光学传感器系统，从而在本发明的范围内参考这些文献的公开内容并且相关的方面仅被阐述用于理解本发明。
本发明涉及利用渡越时间(ToF)方法的传感器系统和传感器设施，因而渡越时间方法在这里被简要地阐述。
在渡越时间方法中，以光源照射空间区域，并且利用扁平传感器接纳从空间区域中的目标对象反射回来的光。为此，光源和传感器彼此应尽可能接近地布置。由于光传播时间和光速的线性关系，可以确定传感器与测量目标对象之间的距离。为了测量时间上的延迟，需要给出光源与传感器之间的同步。通过利用脉冲式光源，可以优化该方法，因为(在ns范围内的)短的光脉冲可以实现有效的背景光抑制。此外，只要间距足够大，通过使用脉冲式的光就避免了在确定距离时可能的多义性。
一方面，在该设计中光源脉冲式地运行。此外，探测单元，也就是像素阵列以脉冲敏感的方式接通。换而言之，各个像素的积分窗在时间上与光源同步并且被限制在积分持续时间内。通过将结果与不同的积分持续时间进行比较，尤其可以计算出背景光的影响。
重要的是，该检测方法不是纯粹基于图像的检测方法。在每个像素中获知间距信息，这通过时间上的光探测来实现。在使用像素阵列的情况下，最终产生间距值的矩阵，这些间距值在循环检测中允许了对目标对象运动的解释和跟踪。
例如由DE 10 2013 108 824 A1公知了开头提到类型的传感器系统。在该已知的传感器系统中，传感器装置连同光源和接收或检测装置整合成传感器壳体中的单元，传感器壳体能装配在机动车上。在该现有技术中不利的是，从光源发出的光射束倾斜地对准检测区域并且入射到检测区域上。这导致在车辆之前的区域，即检测区域被光源不均匀地照亮，这在检测检测区域中的目标对象时会引起问题。
发明内容
本发明的任务在于，提供如下的解决方案，其以结构上简单的方式且成本低廉地提供了如下的传感器系统，该传感器系统避免了由现有技术公知的问题并且实现了3D相机的检测区域的均匀的照亮，从而检测区域承受相同的光强度。
根据本发明，在开头提到类型的传感器系统中，该任务通过如下方式来解决，即，光源具有用于使发出的光以预先确定的方式分散开的发射光学件，其中，发射光学件具有第一透镜和第二透镜，第二透镜在发出的光的方向上布置在第一透镜之后，其中，两个透镜中的至少一个透镜的至少一个边界面构造为自由曲面。
本发明的有利且适宜的设计方案和改进方案由从属权利要求得出。
通过本发明，提供了特点在于符合功能要求的结构的传感器系统。通过使两个透镜中的至少一个透镜的至少一个边界面构造为自由曲面，通过一个或多个自由曲面的合适的构造可以有针对性地预定出检测区域的照亮。针对光学检测目标对象及其空间运动，即运动动作的当前的应用，通过至少一个自由曲面的措施确保了检测区域的均匀的照亮，由此确保了对3D相机的检测区域中的目标对象进行可靠且高分辨率的探测，这因此导致整体上获得了传感器装置在探测可靠性和指示灵敏度方面的高性能。
在本发明的一个设计方案中，为了改善发射光学件的可加工性而有利的是，两个透镜中的至少一个透镜构造成四边形状的。就边界面的加工来说，四边形状的透镜比盘形的透镜可以更简单且更准确地夹紧。
本发明在另一个设计方案中设置的是，两个透镜中的至少一个透镜构造成长方形状的。通过一个透镜或两个透镜的长方形状的构造，可以在发射光学件中准确地定位或布置相应的透镜，从而不再可能出现一个或多个透镜的不正确的取向，这是因为纵向侧和宽度侧长度不同。
在本发明的另一个设计方案中设置的是，第一透镜构造成具有向内拱曲的边界面。因此，第一透镜在传感器系统中起到发散光学件的作用并且增大由发出的光产生的锥体。
在本发明的设计方案中，为了有针对性地使光发散而有利的是，第一透镜的向内拱曲的边界面是沿着第一空间方向延伸的二维的拱曲部。因此，发出的光可以在第一轴线或第一空间方向上在预定的分散之后发散。
在本发明的一个设计方案中，为了通过第一透镜使光分散开还设置的是，第一透镜的背对第二透镜的边界面的拱曲部的曲率曲率半径小于第一透镜的面对第二透镜的边界面的拱曲部的曲率半径。
本发明在第二透镜的有利设计方案中设置的是，第二透镜具有向内拱曲的边界面和构造为自由曲面的边界面。构造为自由形状的边界面可以实现3D相机的检测范围的有针对性的照亮，从而现在可以以均匀的光强度照射检测区域。
在一个设计方案中，为了在期望的轴线或空间方向上有针对性地使光射束发散而针对第二透镜有利的是，第二透镜的面对第一透镜的边界面是横向于第一透镜的拱曲部延伸的二维的拱曲部。相应地，第一透镜实现了光在第一空间方向上的发散，而被发散的光由第二透镜在横向于第一空间方向延展的第二空间方上发散。光因此借助两个透镜在不同轴线上发散。
在本发明的一个设计方案中还设置的是，第二透镜的背对第一透镜的边界面具有自由曲面，其中，自由曲面构造成二维的。二维的构造引起在期望的空间方向或轴线上的发散。
在另一设计方案中，本发明在光强度的在3D相机的检测区域中的有针对性的分布方面设置的是，自由曲面的面变化横向于第一透镜的拱曲部延伸，其中，面变化以3D相机的检测区域中的要实现的均匀的亮度分布为依据。
针对关于机动车的应用领域，发明人已经发现，对于检测区域的均匀的照亮特别有利的是，第二透镜基本上具有数字7的形状。
可理解的是，以上提到的和下面还将阐述的特征不仅能在各个说明的组合中，还能在其他组合中使用或者单独地使用，而不会偏离本发明的保护范围。本发明的保护范围只通过权利要求书来限定。
附图说明
本发明的主题的其它细节、特征和优点从随后的与附图有关的描述中得到，在这些附图中示出了本发明的示例性的优选实施例。在这些附图中：
图1示出根据本发明的传感器系统在机动车上的示意性布置；
图2示出根据本发明的传感器系统的立体图；
图3示出检测区域的不均匀的照亮的示意图；
图4以立体图示出根据本发明的传感器系统的光源；
图5示出根据本发明的传感器系统的光源的立体的细节图；
图6示出根据本发明的传感器系统的光源的发射光学件的细节图；
图7以示意图俯视地示出传感器系统的光源的射束路径；
图8以立体的俯视图示出根据本发明的传感器系统的光源的发射光学件；
图9以示意图侧视地示出传感器系统的光源的射束路径；以及
图10以立体的侧视图示出根据本发明的传感器系统的光源的发射光学件。
具体实施方式
图1中可以看到机动车1的车尾。在机动车1中，在其车尾侧的保险杠中布置有传感器系统3，该保险杠在本发明的意义下是机动车1的机动车构件2。传感器系统3包括传感器装置4和安置传感器装置4的传感器壳体5。传感器装置4本身具有3D相机，3D相机以渡越时间法检测空间数据并且包括光源6和感光接收装置7。传感器装置4的3D相机的检测区域向下指向车辆1的侧方和后方，其中，传感器系统3被设置成用于检测针对操纵尾盖的操作动作。为此，使用者在检测区域8中可以利用他的脚实施动作，该动作被识别为操作意愿并且触发对机动车1的尾盖的电动打开。传感器装置4的驱控、评估以及供电经由相同的线缆束来实现，其中，尤其在传感器壳体5上设置插头连接部9，用以与线缆束联接。
3D相机或传感器装置4的整个检测区域8在很大的空间角度上延伸，如由图1和图2所看到的那样，其中，在图2中以立体图示出传感器壳体5和从光源6发出的光的锥体。在图3中可以看到两轴的示意图，在其中，示意性示出传感器装置4和由光源6照亮的检测区域8，其中，虚线标出的线是靠外的且限制光锥的光射束。图3的示意图中的实线是光强度10，光源6以该光强度照亮检测区域9。如由图3中的示意图可以识别出的那样，检测区域8不是以均匀的强度被照亮。而是表现为，随着与机动车1的间距11(图3中的示意图的x轴)增加，光的强度12(图3中的示意图的y轴)降低。图3中的示意图在此示出如在现有技术中已知的那样的状态。与之相对地，利用本发明避免了这种不均匀性(线10)并且实现了检测区域8的均匀的照亮，如其在图3中的虚线14所示那样，因为在这里光强度10’在检测区域8上恒定。检测区域8的均匀的照亮基于根据本发明的传感器系统3的光源6的特别的设计方案，下面将对其进行说明。
在图4中以立体图且在图5中以细节视图示出光源6。光源6包括壳体15和在一侧封闭壳体15的具有透明的窗17的盖16，光通过窗从光源6中发出。为了校准目的，光源6还具有环形的设定元件18，其安放在支架套筒19上。在支架套筒19之中依次地布置有光发出单元20和发射光学件21，如由图5和图6看出的那样。
例如由图5和图6得知的是，用于使发出的光以预先确定的方式分散开的发射光学件21包括第一透镜22和第二透镜23，第二透镜在发出的光的方向24上布置在第一透镜22之后。两个透镜22、23在示出的实施例中构造成四边形状的。两个透镜22、23尤其构造成长方形状的，其中，在两个透镜22、23中，它们各自的高度大于各自的宽度。在图7和图9中，示出了从光发射单元20发出的光穿过两个透镜22、23的射束路径，其中，图7以俯视图示出射束路径，并且图9以侧视图示出射束路径。在图8和图10中示出发射光学件21，其中，图8示出发射光学件21的对应于图7的俯视图，并且图10示出发射光学件21的对应于图9的侧视图。
例如由图6至图10可以识别出的是，第一透镜22构造成具有向内拱曲的边界面25和26。第一透镜22的第一边界面25配设有向内指向的构造成二维的拱曲部27，从而拱曲部27构造为在边界面25的其余部分是平坦的表面上的基本上呈圆形的且在第一空间方向28上延伸的凹部。第一透镜22的另一边界面26同样构造成二维的，其中，它的向内指向的拱曲部29同样在第一空间方向28中延伸(例如参见图8)。在此，第一透镜22的背对第二透镜23的边界面25的拱曲部27的曲率半径小于第一透镜22的面对第二透镜23的边界面26的拱曲部29的曲率半径。第一透镜22的两个边界面25和26的二维的设计方案导致发出的光射束的在图7和图9中示出的发散，如射束路径30所示那样。为了现在实现检测区域8的均匀的照亮，第二透镜23具有向拱曲的边界面31和构造为自由曲面32的边界面33。第二透镜23的背对第一透镜22的边界面31上的向内指向的拱曲部34(例如参见图10)在第二空间方向35上延伸，第二空间方向横向于或垂直于第一空间方向28延展，从而边界面31也构造成二维的。因此，第二透镜23的边界面31的拱曲部34横向于第一透镜22的拱曲部27、29。边界面31的向内指向的拱曲部34引起光射束在第二透镜23之中的另外的对称的发散。相反地，具有自由曲面32的边界面33光射束沿着第一空间方向28的不对称的发散，例如由图9的示例得知。在此，点36是检测区域8的接近车辆的地点，而点37是检测区域8的远离车辆的地点，如由图1、3和9的结合所看到的那样。要注意的是，图7中的检测区域8呈现了光射束在车辆1的宽度方向上的分布。如现在尤其图9所示，由于边界面33特别地设计为自由曲面22，实现了在远离车辆的区域37的方向上的强度移动，这在各个射束之间的间距上表现出。根据本发明，通过自由曲面的造型，将强度从接近车辆的区域36向远离车辆的区域的方向上移动，以便实现检测区域8的均匀的照亮。出于该原因，自由曲面的面变化因此也横向于第一透镜22的拱曲部27、29地延伸。如图10所示，在所示的实施例中，第二透镜23基本上具有数字7的形状，其中，也能想到与之不同的构造，只要第二透镜23的形状和尤其是自由曲面32实现了3D相机的检测区域8中的均匀的亮度分布。
概括而言，本发明的核心想法在于，光源6具有用于使发出的光以预先确定的方式分散开的发射光学件21，其中，发射光学件21具有第一透镜22和第二透镜23，第二透镜在发出的光的方向24上布置在第一透镜22之后，其中，两个透镜22、23中的至少一个透镜的至少一个边界面33构造成自由曲面32。在此，自由曲面32的面变化以3D相机的检测区域8中的要实现的均匀的亮度分布为依据。借助前述的传感器系统3和根据本发明的发射光学件21可以实现光射束在不同的空间轴线28、35的发散。在此，可以针对每个空间轴线28、35单独地使光发散。
以上描述的本发明当然并不局限于所描述的和所示的实施方式。显然可以对附图所示的实施方式作大量的对于本领域技术人员来说根据特定的应用容易想到的改变，而不会因此偏离本发明的保护范围。属于本发明的还有所有那些包含在说明书中的和/或在附图中示出的内容，包括那些与具体的实施例不同的对于本领域技术人员来说容易想到的内容。

Claims (11)

1.机动车(1)的用于光学检测目标对象及其空间运动的传感器装置(4)的传感器系统(3)，所述传感器系统具有3D相机，所述3D相机以渡越时间法检测空间数据并且所述3D相机包括光源(6)和感光接收装置(7)，
其中，所述光源(6)和所述感光接收装置(7)能布置在共同的传感器壳体(5)中，并且所述光源(6)和所述感光接收装置(7)对准所述3D相机的检测区域(8)，
其特征在于，
所述光源(6)具有用于使发出的光以预先确定的方式分散开的发射光学件(21)，其中，所述发射光学件(21)具有第一透镜(22)和第二透镜(23)，所述第二透镜在所述发出的光的方向上布置在所述第一透镜(21)之后，其中，两个透镜(22、23)中的至少一个透镜的至少一个边界面(33)构造为自由曲面(32)。
2.根据权利要求1所述的传感器系统(3)，其特征在于，所述两个透镜(22、23)中的至少一个透镜构造成四边形状的。
3.根据权利要求1或2所述的传感器系统(3)，其特征在于，所述两个透镜(22、23)中的至少一个透镜构造成长方形状的。
4.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统(3)，其特征在于，所述第一透镜(22)构造有向内拱曲的边界面(25、26)。
5.根据权利要求4所述的传感器系统(3)，其特征在于，所述第一透镜(22)的向内拱曲的边界面(25、26)是沿着第一空间方向(28)延伸的二维的拱曲部(27、29)。
6.根据权利要求5所述的传感器系统(3)，其特征在于，所述第一透镜(22)的背对所述第二透镜(23)的边界面(25)的拱曲部(27)的曲率半径小于所述第一透镜(22)的面对所述第二透镜(23)的边界面(26)的拱曲部(29)的曲率半径。
7.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统(3)，其特征在于，所述第二透镜(23)具有向内拱曲的边界面(31)和构造为自由曲面(32)的边界面(33)。
8.根据前述权利要求中任一项所述的传感器系统(3)，其特征在于，面对所述第一透镜(22)的边界面(31)具有横向于所述第一透镜(22)的拱曲部(27、29)延伸的二维的拱曲部(34)。
9.根据权利要求8所述的传感器系统(3)，其特征在于，所述第二透镜(23)的背对所述第一透镜(22)的边界面(33)具有自由曲面(32)，其中，所述自由曲面(32)构造成二维的。
10.根据权利要求9所述的传感器系统(3)，其特征在于，所述自由曲面(32)的面变化横向于所述第一透镜(22)的拱曲部(27、29)延伸，其中，所述面变化以所述3D相机的检测区域(9)中的要实现的均匀的亮度分布为依据。
11.根据权利要求9或10所述的传感器系统(3)，其特征在于，所述第二透镜(23)基本上具有数字7的形状。
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