CN109964148A - 用于光学检测至少一个对象的检测器 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于确定至少一个对象(112)的位置的检测器(110)。检测器(110)包括：‑至少一个具有光学传感器(122)的矩阵(120)的传感器元件(118)，光学传感器(122)各自具有光敏区域(124)，其中每个光学传感器(122)被配置为响应于从对象(112)传播到检测器(110)的至少一个光束(116)对光敏区域(124)的照射而产生至少一个传感器信号；‑至少一个评估装置(134)，其被配置为通过以下操作评估传感器信号：a)确定至少一个具有最高传感器信号的光学传感器(122)并形成至少一个中心信号；b)评估矩阵(120)中的光学传感器(122)的传感器信号并形成至少一个和信号；c)通过组合中心信号和和信号来确定至少一个组合信号；以及d)通过评估组合信号来确定对象(112)的至少一个纵向坐标z。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定至少一个对象的位置的检测器、检测器系统和方法。本发明进一步涉及用于在用户与机器、娱乐装置、跟踪系统、相机、扫描系统以及检测器装置的各种用途之间交换至少一项信息的人机接口。根据本发明的装置、系统、方法和用途具体地可以被用于例如日常生活、游戏、交通技术、生产技术、安全技术、诸如艺术数码摄影或视频拍摄之类的摄影、文件编制或技术目的、医疗技术的各个领域，或者用于各种科学。此外，本发明具体地可以用于扫描一个或多个对象和/或用于扫描景物，诸如例如在建筑、度量、考古、艺术、医学、工程或制造领域中用于产生对象或景物的深度分布。然而，其它应用也是可能的。
背景技术
现有技术中已知大量的光学传感器和光伏器件。光伏器件一般用于将电磁辐射(例如紫外、可见或红外光)变换为电信号或电能，而光学检测器一般用于拾取图像信息和/或用于检测至少一个光学参数(例如，亮度)。
现有技术中已知通常可以基于无机和/或有机传感器材料的使用的大量光学传感器。在US 2007/0176165 A1、US 6,995,445 B2、DE 2501124 A1、DE 3225372 A1或者许多其它现有技术文献中公开了这种传感器的例子。特别是出于成本原因和大面积处理的原因，越来越多地使用包括至少一种有机传感器材料的传感器，如在例如US 2007/0176165 A1中所述。特别地，所谓的染料太阳能电池在这里越来越重要，其通常例如在WO2009/013282 A1中进行了描述。
基于此类光学传感器，已知用于检测至少一个对象的大量检测器。根据各自的使用目的，这些传感器可以以各种方式实现。这些检测器的例子是成像装置，例如相机和/或显微镜。已知例如高分辨率共焦显微镜，其可以特别地用于医疗技术和生物学领域，以便以高光学分辨率检查生物样本。用于光学检测至少一个对象的检测器的另外的例子是例如基于相应光学信号(例如激光脉冲)的传播时间方法的距离测量装置。用于光学检测对象的检测器的另外的例子是三角测量系统，借助于该三角测量系统同样可以执行距离测量。KurtKonolige等人在2008年5月19日至23日的2008IEEE International Conference onRobotics and Automation,Pasadena,CA,USA(2008 IEEE国际机器人与自动化会议，美国加利福尼亚州帕萨迪纳市)发表的“A Low-Cost Laser Distance Sensor(低成本激光距离传感器)”讨论了针对平面激光距离传感器(LDS)使用三角测量的极具竞争力的技术。结构化线设备使用光条纹激光和偏移相机确定一组点的范围。由于激光能量分布在一条线上，因此难以实现精确的范围，特别是在存在环境光或具有较暗对象的情况下。用于小对象的3D扫描的点扫描装置通常使用扫描镜来引导点激光束并重定向激光返回到光学接收器。这种设备不能小型化，并且它们的成本和机械脆性将保持较高。质心点模块通常使用位置敏感装置(PSD)。这些装置测量照射在其表面上的所有光的质心。虽然调制技术可用于抵消环境光的某些影响，但PSD不能很好地发挥作用，除非激光光斑具有非常强的反射，从而将其使用限制在一米或更小的范围内。基于像素的点模块搜索具有最大信号强度的像素以确定光斑在传感器上的位置。通常，CMOS线阵列用于检测。Konolige等人介绍了基于像素的点模块的低成本版本。
US 5 235 377 A描述了一种用于相机的测量装置，其中光从投射部分投射到对象上。在对象上反射的光在第一光接收部分和第二光接收部分处被接收，其中第一光接收部分和第二光接收部分被布置成彼此相邻。在第一光接收部分中，输出与光接收位置和接收光量有关的第一和第二信号，并且在第二光接收部分中，输出与反射光的光量有关的第三信号。在辨别和计算部分时，如果辨别出反射光位于比预定距离更近的一位置处，则可以由测量计算电路根据第一信号与第二信号的输出比来计算测量距离。另一方面，如果辨别出反射光位于比预定距离更远的一位置处，则可以由测量计算电路根据第一和第二信号之和与第三信号的输出比来计算测量距离。
US 5 512 997 A描述了一种距离测量装置，其具有红外发光二极管，通过该红外发光二极管向对象发射红外光，并且还具有第一和第二线性线传感器，在该第一和第二线性线传感器上形成与从对象反射的光对应的图像。第一和第二线性线传感器彼此相邻且彼此平行地设置，并且偏移与预定的A/D转换步骤的一半对应的量。使用预定的A/D转换步骤将从线性线传感器输出的模拟距离数据转换为数字距离数据，然后将数字距离数据相加在一起以获得高精度的对象距离。
DE 42 11 875 A1描述了一种光学测距仪，其具有用于光斑偏心的电子校正功能。光学测距仪具有评估电路，该评估电路确定输出距离测量值是否有效或由于对象表面倾斜而出现错误。通过评估第一检测器上的光斑的位置来确定距离信号。表征对象表面的倾斜的第二控制信号通过评估布置在不同平面中的第二检测器上的光斑的偏心来确定。
WO 2016/051323 A1描述了一种用于光学确定至少一个对象的位置的检测器和方法。检测器包括用于确定至少一个光束的位置的至少一个光学传感器和用于生成关于对象的横向位置的至少一项信息和关于对象的纵向位置的至少一项信息的至少一个评估装置。传感器至少具有第一电极和第二电极。至少一种光伏材料被嵌入在第一电极和第二电极之间。第一电极或第二电极是具有至少三个部分电极的分裂电极。该检测器和方法可以快速有效地确定对象的三维坐标。
在其内容通过引用而被包括在本文中的WO 2012/110924 A1中，提出了一种用于光学检测至少一个对象的检测器。该检测器包括至少一个光学传感器。该光学传感器具有至少一个传感器区域。该光学传感器被设计为以依赖于传感器区域的照射的方式产生至少一个传感器信号。在给定相同照射总功率的情况下，传感器信号依赖于照射的几何形状，特别是依赖于传感器区域上照射的光束横截面。该检测器还具有至少一个评估装置。评估装置被设计为从传感器信号产生至少一项几何信息，特别地，关于照射和/或对象的至少一项几何信息。
其全部内容通过引用而被包括在本文中的WO 2014/097181 A1公开了一种用于通过使用至少一个横向光学传感器和至少一个光学传感器确定至少一个对象的位置的方法和检测器。具体而言，公开了传感器堆叠的使用，以便以高精确度且不含糊地确定对象的纵向位置。
其全部内容通过引用而被包括在本文中的WO 2015/024871 A1和US 2015/286340A1公开了一种光学检测器，其包括：
-至少一个空间光调制器，其适于以空间分辨的方式调节光束的至少一种特性，具有像素的矩阵，其中各像素可控以单独调节通过像素的光束部分的至少一种光学特性；
-至少一个光学传感器，其适于检测通过空间光调制器的像素的矩阵之后的光束且产生至少一个传感器信号；
-至少一个调制器装置，其适于以不同调制频率周期性控制像素中的至少两个；以及
-至少一个评估装置，其适于进行频率分析以确定用于调制频率的传感器信号的信号分量。
US 4,767,211公开了一种用于测量样品的边界表面的装置和方法，其中来自样品的在反射光的光轴附近行进的一部分反射光的光量与被引导到偏离光轴一预定距离的位置的另一部分反射光的光量的比率被用于精确测量样品的边界表面。由于通过使用上述比率增加了测量精度，因此能够穿过样品的光可以被用作入射光。因而，可以非常精确地测量现有技术无法测量的样品表面内的深孔和生物样品中的诸如空气泡之类的空隙。
其全部内容通过引用而被包括在本文中的WO 2014/198629 A1公开了一种用于确定至少一个对象的位置的检测器，包括：
-至少一个光学传感器，所述光学传感器适于检测从对象朝向检测器传播的光束，所述光学传感器具有像素的至少一个矩阵；以及
-至少一个评估装置，所述评估装置适于确定光学传感器的由光束照射的像素的数量N，所述评估装置进一步适于通过使用由光束照射的像素的数量N确定对象的至少一个纵向坐标。
此外，通常，对于各种其它检测器构思，可以参考WO 2014/198626 A1、WO 2014/198629 A1和WO 2014/198625 A1，这些文献的全部内容通过引用而被包括在本文中。另外，关于在本发明的上下文中也可以使用的可能的材料和光学传感器，可参考2015年1月30日提交的欧洲专利申请EP 15 153 215.7、2015年3月3日提交的EP 15 157 363.1、2015年4月22日提交的EP 15 164 653.6、2015年7月17日提交的EP 15177275.3、2015年8月10日提交的EP 15180354.1和EP 15180353.3、以及2015年9月14日提交的EP 15 185 005.4、2015年11月25日提交的EP 15 196 238.8和EP 15 196 239.6、以及2015年12月3日提交的EP 15197 744.4，这些文献的全部内容通过引用也被包括在本文中。
US 2006/044546 A1描述了一种能够同时测量到三维场景的距离的测距装置。照射装置用光斑的二维阵列照射场景。检测器位于照射装置附近并且被布置成朝向场景。处理器响应于来自检测器的输出，并且从场景图像中的光斑位置确定到该点的距离。
US 2008/13005A1描述了一种驱动方案，其中一次选择一行并且列数据电压被反转以针对包括按行和列布置的像素的显示装置提供反转方案。行的选择顺序使得以第一顺序选择第一组第一极性行，以第二顺序选择第一组第二极性行，以第二顺序选择第二组第一极性，以及以第一顺序选择第二组第二极性行，第一顺序是升序或降序使行号顺序中的一者，第二顺序是升序或降序行号顺序中的另一者。
尽管上述装置和检测器隐含优点，但仍存在若干技术挑战。因此，一般而言，需要既可靠又可以低成本制造的用于检测对象在空间中的位置的检测器。具体而言，需要3D感测构思。各种已知的构思至少部分地基于使用所谓的FiP传感器，诸如上述几种构思。其中，作为例子，可以使用大面积传感器，在这些传感器中，各个传感器像素明显大于光斑并且被固定为特定尺寸。尽管如此，大面积传感器在许多情况下固有地受限于FiP测量原理的使用，特别是在同时研究多于一个光斑的情况下。
使用FiP检测器的另一挑战是检测器面积或有效面积(active area)。通常，对于距离测量，使用或甚至需要检测器的大有效面积。然而该面积可能引起噪声问题，特别是当采用四边形电导率构思来构建PSD时。这经常导致较差的信噪比和较慢的检测器响应时间，这归因于与检测器的串联电阻相结合的大电容。使用FiP检测器的另一挑战是制造成本。因此，在许多情况下，典型的FiP传感器与例如常规的Si基光电二极管相比较昂贵。另外，使用FiP检测器的测量的测量结果的评估仍然存在问题，尤其是在光束的总功率未知的情况下。在使用多个FiP传感器(位于沿着光束传播轴的不同位置处)的情况下，测量范围通常限于传感器的两个位置之间的范围。此外，许多FiP检测器显示出亮度依赖性，这使得测量结果的评估更困难，另外在许多情况下，FiP测量依赖于目标光斑尺寸。
发明内容
本发明解决的问题
因此，本发明的一个目的是提供面对已知装置和方法的上述技术挑战的装置和方法。具体而言，本发明的一个目的是提供能够可靠地确定对象在空间中的位置，优选地技术工作量低且对技术资源和成本的要求低的装置和方法。
该问题由具有独立专利权利要求的特征的本发明来解决。在从属权利要求和/或在以下说明书和详细的实施例中呈现本发明的可单独地或组合地实现的有利发展。
如下文所使用的，术语“具有”、“包括”或“包含”或其任何语法变体以非排他性的方式使用。因此，这些术语可以指除了由这些术语引入的特征之外，本文描述的实体中不存在其它特征的情形，也可以指存在一个或多个其它特征的情形。作为例子，表述“A具有B”、“A包括B”和“A包含B”可以指A中除了B之外不存在其它要素(即，A仅仅且排他地由B组成)的情形，也可以指实体A中除了B之外还存在一个或多个其它要素(例如要素C、要素C和D、或甚至其它要素)的情形。
此外，应注意，术语“至少一个”、“一个或多个”或者指示特征或要素可以存在一次或多于一次的类似表述通常将仅在引入相应的特征或要素时使用一次。在下文中，在多数情况下，当提及相应的特征或要素时，不会重复表述“至少一个”或“一个或多个”，但是承认相应的特征或要素可以存在一次或多于一次的事实。
此外，如下文所使用的，术语“优选地”、“更优选地”、“特别地”、“更特别地”、“具体地”、“更具体地”或类似的术语可以与可选特征结合使用，而不限制其它可能性。因此，由这些术语引入的特征是可选的特征，并不意图以任何方式限制权利要求的范围。如本领域的技术人员将认识到的，本发明可以通过使用替代特征来执行。类似地，由“在本发明的实施例中”或类似表述引入的特征旨在为可选的特征，而对本发明的替代实施例没有任何限制，对本发明的范围没有任何限制，并且对组合以此方式引入的特征与本发明的其它可选的或非可选的特征的可能性没有任何限制。
在本发明的第一方面中，公开了一种用于确定至少一个对象的位置的检测器。如本文所使用的，术语“位置”是指关于对象和/或对象的至少一部分在空间中的位置和/或取向的至少一项信息。因此，该至少一项信息可暗示该对象的至少一个点与至少一个检测器之间的至少一个距离。如下面进一步详细描述的，该距离可以是纵向坐标，或者可以有助于确定对象的该点的纵向坐标。附加地或替代地，可以确定关于该对象和/或该对象的至少一部分的位置和/或取向的一项或多项其它信息。此外，作为例子，可以确定该对象和/或该对象的至少一部分的至少一个横向坐标。因此，该对象的位置可以暗示该对象和/或该对象的至少一部分的至少一个纵向坐标。附加地或替代地，该对象的位置可以暗示该对象和/或该对象的至少一部分的至少一个横向坐标。附加地或替代地，该对象的位置可以暗示该对象的至少一个取向信息，该取向信息指示该对象在空间中的取向。
所述检测器包括：
-至少一个具有光学传感器的矩阵的传感器元件，所述光学传感器各自具有光敏区域，其中每个光学传感器被配置为响应于从所述对象传播到所述检测器的至少一个光束对所述光敏区域的照射而产生至少一个传感器信号；
-至少一个评估装置，其被配置为通过以下操作评估所述传感器信号：
a)确定至少一个具有最高传感器信号的光学传感器并形成至少一个中心信号；
b)评估所述矩阵的光学传感器的传感器信号并形成至少一个和信号；
c)通过组合所述中心信号与所述和信号来确定至少一个组合信号；以及
d)通过评估所述组合信号来确定所述对象的至少一个纵向坐标z。
如本文所使用的，术语“传感器元件”通常是指被配置为感测至少一个参数的装置或多个装置的组合。在当前情况下，参数具体可以是光学参数，传感器元件具体可以是光学传感器元件。传感器元件可以被形成为单一的单个装置或被形成为若干个装置的组合。
如本文进一步使用的，术语“矩阵”通常是指多个元素以预定几何顺序的排列。如下面进一步详细描述的，“矩阵”具体地可以是或可以包括具有一个或多个行和一个或多个列的矩形矩阵。具体地，行和列可以以矩形的方式布置。然而需要指出，其它布置也是可行的，例如非矩形布置。作为例子，圆形布置也是可行的，其中元件围绕中心点以同心圆或椭圆布置。例如，矩阵可以是单行像素。其它布置也是可行的。
如本文进一步使用的，“光学传感器”通常是指用于检测光束的光敏装置，例如用于检测由至少一个光束产生的照射和/或光斑。如本文进一步使用的，“光敏区域”通常是指光学传感器的这样的区域，该区域可以由至少一个光束从外部被照射，至少一个传感器信号响应于该照射而被产生。光敏区域可以具体地位于相应光学传感器的表面上。然而，其它实施例也是可行的。矩阵的光学传感器具体地可以在尺寸、灵敏度和其它光学、电学和机械特性中的一个或多个方面相同。矩阵的所有光学传感器的光敏区域具体可以位于公共平面中，该公共平面优选地面向对象，使得从对象传播到检测器的光束可以在公共平面上产生光斑。如下面将进一步详细描述的，每个光学传感器可以优选地被实现为使得在相应的光学传感器中存在恰好一个光敏区域，例如通过提供可以被照射的恰好一个光敏区域，响应于该照射，为整个光学传感器创建恰好一个均匀的传感器信号。因此，优选地，每个光学传感器是单区域光学传感器而不是像素化光学传感器，例如传感器矩阵。然而，其它实施例也是可行的。但是，单区域光学传感器的使用使得检测器的设置特别简单和有效。因此，作为例子，可以在设置中使用市场上可买到的光电传感器(一个具有小的光敏区域，一个具有较大的光敏区域，将在下面进一步详细说明)，例如市场上可买到的硅光电二极管，每个光电二极管都具有恰好一个敏感区域。
如在此进一步使用的，“传感器信号”通常是指由光学传感器响应于光束的照射而产生的信号。具体地，传感器信号可以是或可以包括至少一个电信号，例如至少一个模拟电信号和/或至少一个数字电信号。更具体地，传感器信号可以是或可以包括至少一个电压信号和/或至少一个电流信号。更具体地，传感器信号可以包括至少一个光电流。此外，可以使用原始传感器信号，或者检测器、光学传感器或任何其它元件可以适于处理或预处理传感器信号，从而产生二次传感器信号，二次传感器信号也可以被用作传感器信号，例如通过过滤等方式进行预处理。传感器信号可以包括光束的至少一个光束轮廓的至少一项信息。光束轮廓可以选自：梯形(trapezoid)光束轮廓；三角形光束轮廓；圆锥形光束轮廓和高斯光束轮廓的线性组合。
光敏区域具体可以朝向对象取向。如本文所使用的，术语“朝向对象取向”通常是指光敏区域的相应表面可以从对象完全或部分地可见的情况。具体而言，对象的至少一个点与相应的光敏区域的至少一个点之间的至少一条互连线可以与光敏区域的表面元件形成不同于0°的角度，诸如20°至90°，优选地80°至90°的范围内的角度(诸如90°)。因此，当对象位于光轴上或靠近光轴时，从对象朝向检测器传播的光束可以基本上平行于光轴。如本文所使用的，术语“基本上垂直”是指垂直取向的状况，其中容差为例如±20°或更小，优选地容差为±10°或更小，更优选地容差为±5°或更小。类似地，术语“基本上平行”是指平行取向的状况，其中容差为例如±20°或更小，优选地容差为±10°或更小，更优选地容差为±5°或更小。
本发明可以实现用于确定对象的至少一个纵向坐标的一般思想，其可以被表征如下。因此，如在一个或多个上述现有技术文献中更详细地解释的，例如，在WO 2012/110924A1或WO 2014/097181 A1中，通常，在光斑尺寸(例如光斑直径、束腰或等效直径)与对象(光束从该对象传播到检测器)的纵向坐标之间存在预定的或可确定的关系。不希望受该理论束缚，光斑可以由两个测量变量表征：在光斑的中心或靠近光斑中心的小测量片中测量的测量信号，也被称为中心信号；以及对有或没有中心信号的光斑积分的积分信号或和信号。对于具有一定总功率的光束(该总功率在光束被加宽或聚焦时不变)，和信号应该独立于光斑的光斑尺寸，因此，应当至少在它们的相应测量范围内的线性光学传感器被使用时与对象和检测器之间的距离无关。然而，中心信号取决于光斑尺寸。因此，中心信号通常在光束聚焦时增加，并在光束散焦时减小。因此，通过比较中心信号与和信号，可以产生关于由光束产生的光斑的尺寸的信息项，并且因此可以产生关于对象的纵向坐标的信息项。作为例子，中心信号与和信号的比较可以通过从中心信号和和信号形成组合信号Q，并且通过使用纵向坐标和组合信号之间的预定的或可确定的关系而导出纵向坐标来实现。
光学传感器的矩阵的使用提供了多种优点和益处。因此，由光束在传感器元件上(例如在传感器元件的矩阵的光学传感器的光敏区域的公共平面上)产生的光斑的中心可以随对象的横向位置而变化。通过使用光学传感器的矩阵，根据本发明的检测器可以适应这些条件变化，因此可以简单地通过比较传感器信号而确定光斑的中心。因此，根据本发明的检测器本身可以选择中心信号并确定和信号，并且根据这两个信号导出包含关于对象的纵向坐标的信息的组合信号。通过评估组合信号，因此可以确定对象的纵向坐标。因此，光学传感器的矩阵的使用在对象位置方面，具体地在对象的横向位置方面，提供了显著的灵活性。
光斑在光学传感器的矩阵上的横向位置(例如产生传感器信号的至少一个光学传感器的横向位置)甚至可以被用作附加信息项，从其中可以导出关于对象的横向位置的至少一项信息，如例如在WO 2014/198629A1中公开的。附加地或替代地，如下面进一步详细描述的，根据本发明的检测器可以包含至少一个另外的横向检测器，用于除了至少一个纵向坐标之外，还检测对象的至少一个横向坐标。
因此，根据本发明，术语“中心信号”通常是指具有由整个矩阵或矩阵内的感兴趣区域的光学传感器产生的多个传感器信号中的最高传感器信号的至少一个光学传感器的至少一个传感器信号，其中感兴趣区域可以在由矩阵的光学传感器产生的图像内预定或可确定。如本文所使用的，术语“最高传感器信号”是指感兴趣区域中的局部最大值和/或最大值。中心信号可以来自单个光学传感器，或者如下面将进一步详细描述的，来自光学传感器组，其中，在后一种情况下，作为例子，该光学传感器组的传感器信号可以被进行累加、积分或求平均，以确定中心信号。从其产生中心信号的光学传感器组可以是一组相邻的光学传感器，例如与具有最高传感器信号的实际光学传感器相距小于预定距离的光学传感器，或者可以是一组产生在相对于最高传感器信号的预定范围内的传感器信号的光学传感器。从其产生中心信号的光学传感器组可以被选择得尽可能大，以便允许最大动态范围。评估装置可以适于通过对多个传感器信号进行积分而确定中心信号，例如在具有最高传感器信号的光学传感器周围的多个光学传感器。例如，光束轮廓可以是梯形光束轮廓，并且评估装置可以适于确定梯形(特别是梯形平台)的积分。
类似地，术语“和信号”通常是指通过对整个矩阵或矩阵内感兴趣区域的传感器信号进行求平均，对传感器信号进行累加，或对传感器信号进行积分而得到的信号，其中感兴趣区域可以在由矩阵的光学传感器产生的图像内预定或可确定。当对传感器信号进行累加、积分或求平均时，从其产生传感器信号的实际光学传感器可以被排除在累加、积分或求平均之外，或者可以被包括在累加、积分或求平均中。评估装置可以适于通过对整个矩阵、矩阵内感兴趣区域的信号进行积分来确定和信号。例如，光束轮廓可以是梯形光束轮廓，并且评估装置可以适于确定整个梯形的积分。此外，当可以假设梯形光束轮廓时，和信号和中心信号的确定可以由利用梯形光束轮廓的特性的等效评估代替，该等效评估例如为边缘的斜率和位置以及中心平台的高度的确定，以及通过几何考虑导出边缘信号和中心信号。
附加地或替代地，评估装置可以适于确定从光斑的至少一个切片(slice)或切口(cut)确定中心信号和/或和信号。切片或切口可以例如通过使用一个或多个特定的行和/或列来实现。为了提高精度，通过光斑的若干个切片或切口可以被使用并求平均。在椭圆光斑轮廓的情况下，对若干个切片或切口求平均可以导致改善的距离信息。
类似地，如本文所使用的，术语“组合信号”通常是指通过组合中心信号与和信号而产生的信号。具体地，该组合可以包括以下一者或多者：形成中心信号与和信号的商，或和信号与中心信号的商；形成中心信号的倍数与和信号的倍数的商，或和信号的倍数与中心信号的倍数的商；形成中心信号的线性组合与和信号的线性组合的商，或和信号的线性组合与中心信号的线性组合的商。附加地或替代地，组合信号可以包括包含关于中心信号与和信号之间的比较的至少一项信息的任意信号或信号组合。
从对象传播到检测器的光束具体地可以完全照射从其产生中心信号的至少一个光学传感器，使得从其产生中心信号的至少一个光学传感器完全位于该光束内，其中光束的宽度大于从其产生传感器信号的至少一个光学传感器的光敏区域。相反，优选地，从对象传播到检测器的光束具体地可以在整个矩阵上产生小于矩阵的光斑，使得光斑完全位于矩阵内。如下文将进一步详细描述的，通过选择具有对光束聚焦或散焦作用的一个或多个适当的透镜或元件，例如通过使用适当的传送装置，光学领域的技术人员可以容易地调整这种情况。如本文进一步使用的，“光斑”通常是指可见或可检测的光束对物品、区域或对象的圆形或非圆形照射。
光束可以从对象朝向检测器传播。如下文更详细描述的，光束可以源自对象，例如通过对象和/或集成或附接到对象的至少一个照射源发射光束，或者可以源自不同的照射源，例如源自直接或间接地照射对象的照射源，其中光束被对象反射或散射，并由此至少部分地被导向检测器。作为例子，照射源可以是或可以包括外部照射源、集成到检测器中的照射源或集成到信标装置中的照射源中的一者或多者，该信标装置是被附接到对象、集成到对象中或由对象保持的一者或多者。
如本文所使用的，术语“射线”通常是指垂直于光波前的线，其指向能量流的方向。如本文所使用的，术语“光束”通常是指射线的集合。在下文中，术语“射线”和“光束”将被用作同义词。如本文进一步使用的，术语“光束”通常是指光量，具体地，基本上沿同一方向传播的光的量，包括光束具有扩展角或扩大角的可能性。光束可以具有空间扩展。具体地，光束可以具有非高斯光束轮廓。光束轮廓可以选自：梯形光束轮廓、三角形光束轮廓、圆锥形光束轮廓。梯形光束轮廓可以具有平台区域和至少一个边缘区域。如本文所使用的，术语“光束轮廓”通常是指光束的横向强度轮廓。具体而言，术语“光束轮廓”涉及光束强度的空间分布，特别是在与光束传播垂直的至少一个平面中。光束具体地可以是高斯光束或高斯光束的线性组合，如下面将进一步详细描述的。然而，其它实施例也是可行的。检测器可以包括至少一个传送装置，该传送装置可以被配置为调整、限定和确定光束轮廓(特别是光束轮廓的形状)中的一者或多者。
传感器元件的光学传感器可以在紫外、可见或红外光谱范围中的一者或多者内敏感。具体地，光学传感器可以在红外光谱范围内，具体地在780nm到3.0微米的范围内，和/或在可见光谱范围内，具体地在380nm到780nm的范围内敏感。具体地，光学传感器可以在近红外区域的一部分内敏感，其中硅光电二极管特别地在700nm到1000nm的范围内是适用的。
具体地，光学传感器可以是或可以包括选自CCD传感器元件、CMOS传感器元件、光电二极管、光电池、光电导体、光电晶体管或其任何组合的至少一个元件。可以使用任何其它类型的光敏元件。如在下文将更详细描述的，光敏元件通常可以完全或部分地由无机材料制成和/或可以完全或部分地由有机材料制成。最常见的是，如在下文更详细描述的，可以使用一个或多个光电二极管，例如市场上可买到的光电二极管，例如无机半导体光电二极管。
如本文进一步使用的，术语“评估装置”通常是指适于执行所述操作的任意装置，优选地通过使用至少一个数据处理装置，更优选地通过使用至少一个处理器和/或至少一个专用集成电路来执行所述操作。因此，作为例子，该至少一个评估装置可以包括其上存储有包括多个计算机命令的软件代码的至少一个数据处理装置。评估装置可以提供用于执行一个或多个所述操作的一个或多个硬件元件和/或可以向一个或多个处理器提供在其上运行的软件以执行一个或多个所述操作。
具体地，如下面将进一步详细描述的，评估装置可以被配置为通过使用组合信号和/或其导出的任何二次信号与纵向坐标之间的至少一个已知的、可确定的或预定的关系而确定对象的至少一个纵向坐标z。具体地，如下面将进一步详细描述的，组合信号可以是商信号。
如上所述，中心信号通常可以是单个传感器信号，例如来自位于光斑中心的光学传感器的传感器信号，或者可以是多个传感器信号的组合，例如来自位于光斑中心的光学传感器的传感器信号的组合，或通过处理由一种或多种上述可能性得到的传感器信号而得到的二级传感器信号。中心信号的确定可以以电子方式执行，因为传感器信号的比较是由传统电子设备相当简单地实现的，或者可以完全或部分地由软件执行。具体地，中心信号可以选自：最高传感器信号；在相对于最高传感器信号的预定容差范围内的一组传感器信号的平均；来自包含具有最高传感器信号的光学传感器的一组光学传感器和预定的一组相邻光学传感器的传感器信号的平均；来自包含具有最高传感器信号的光学传感器的一组光学传感器和预定的一组相邻光学传感器的传感器信号的和；在相对于最高传感器信号的预定容差范围内的一组传感器信号的和；在预定阈值以上的一组传感器信号的平均；在预定阈值以上的一组传感器信号的和；来自包含具有最高传感器信号的光学传感器的一组光学传感器和预定的一组相邻光学传感器的传感器信号的积分；在相对于最高传感器信号的预定容差范围内的一组传感器信号的积分；在预定阈值以上的一组传感器信号的积分。
如上所述，光学传感器的原始传感器信号可被用于评估或从其导出二次传感器信号。如本文所使用的，术语“二次传感器信号”通常是指信号，例如电子信号，更优选地是模拟和/或数字信号，其通过处理一个或多个原始信号而获得，例如通过滤波、求平均、解调等。因此，图像处理算法可被用于从矩阵的全部传感器信号或从矩阵内的感兴趣区域产生二次传感器信号。具体地，诸如评估装置之类的检测器可以被配置为变换光学传感器的传感器信号，从而产生二次光学传感器信号，其中评估装置被配置为通过使用二次光学传感器信号执行步骤a)至d)。传感器信号的变换具体可以包括选自以下的至少一种变换：滤波；选择至少一个感兴趣区域；形成在由传感器信号产生的图像和至少一个偏移之间的差异图像；通过反转由传感器信号产生的图像来反转传感器信号；形成在由传感器信号在不同时间产生的图像之间的差异图像；背景校正；分解为颜色通道；分解为色度、饱和度以及亮度通道；频率分解；奇异值分解；应用坎尼(Canny)边缘检测器；应用高斯滤波器的拉普拉斯算子(Laplacian)；应用高斯滤波器的差分；应用索贝尔(Sobel)算子；应用拉普拉斯(Laplace)算子；应用思嘉(Scharr)算子；应用普鲁雷特(Prewitt)算子；应用罗伯茨(Roberts)算子；应用基尔希(Kirsch)算子；应用高通滤波器；应用低通滤波器；应用傅里叶变换；应用拉东(Radon)变换；应用霍夫(Hough)变换；应用小波变换；阈值化；创建二进制图像。感兴趣区域可以由用户手动确定或者可以自动确定，例如通过识别由光学传感器产生的图像内的对象。作为例子，车辆、人或另一类型的预定对象可以通过在图像内(即，由光学传感器产生的全部传感器信号内)的自动图像识别而被确定，并且感兴趣区域可以被选择为使得对象位于该感兴趣区域内。在这种情况下，可以仅针对感兴趣区域执行评估，例如纵向坐标的确定。然而，其它实施方式也是可行的。
如上所述，光斑中心的检测，即，中心信号和/或从其产生中心信号的至少一个光学传感器的检测可以完全或部分地以电子方式执行，或者完全或部分地通过使用一个或多个软件算法执行。具体地，评估装置可以包括至少一个中心检测器，用于检测至少一个最高传感器信号和/或用于形成中心信号。中心检测器具体可以完全或部分地以软件实现和/或可以完全或部分地以硬件实现。中心检测器可以完全或部分地被集成到至少一个传感器元件中和/或可以完全或部分地独立于传感器元件实现。
如上所述，和信号可以从矩阵的所有传感器信号导出，从感兴趣区域内的传感器信号导出、或者从这些可能性之一导出，其中排除来自对中心信号有贡献的光学传感器的传感器信号。在每种情况下，可以产生可靠的和信号，该和信号可以可靠地与中心信号进行比较，以便确定纵向坐标。通常，和信号可以选自：矩阵的所有传感器信号的平均；矩阵的所有传感器信号的和；矩阵的所有传感器信号的积分；矩阵中除了来自对中心信号有贡献的那些光学传感器的传感器信号之外的所有传感器信号的平均；矩阵中除了来自对中心信号有贡献的那些光学传感器的传感器信号之外的所有传感器信号的和；矩阵中除了来自对中心信号有贡献的那些光学传感器的传感器信号之外的所有传感器信号的积分；在相对于具有最高传感器信号的光学传感器的预定范围内的光学传感器的传感器信号的和；在相对于具有最高传感器信号的光学传感器的预定范围内的光学传感器的传感器信号的积分；位于相对于具有最高传感器信号的光学传感器的预定范围内的光学传感器的特定阈值以上的传感器信号的和；位于相对于具有最高传感器信号的光学传感器的预定范围内的光学传感器的特定阈值以上的传感器信号的积分。然而，存在其它选择。
求和可以完全或部分地以软件执行和/或可以完全或部分地以硬件执行。通常可以通过纯电子装置进行求和，该纯电子装置一般可以容易地实现到检测器中。因此，在电子设备领域中，通常已知求和装置用于对两个或更多个电信号(模拟信号和数字信号)进行求和。因此，评估装置可以包括用于形成和信号的至少一个求和装置。求和装置可以完全或部分地集成到传感器元件中，或者可以完全或部分地独立于传感器元件实现。求和装置可以完全或部分地以硬件和/或软件实现。
如上所述，可以具体地通过形成一个或多个组合信号来执行中心信号与和信号之间的比较。因此，一般而言，组合信号可以是通过以下一项或多项导出的商信号Q：形成中心信号与和信号的商，或和信号与中心信号的商；形成中心信号的倍数与和信号的倍数的商，或和信号的倍数与中心信号的倍数的商；形成中心信号的线性组合与和信号的线性组合的商，或和信号的线性组合与中心信号的线性组合的商；形成中心信号与和信号和中心信号的线性组合的商，或和信号和中心信号的线性组合与中心信号的商；形成和信号与和信号和中心信号的线性组合的商，或和信号和中心信号的线性组合与和信号的商；形成中心信号的幂与和信号的幂的商，或和信号的幂与中心信号的幂的商；形成中心信号和和信号的第一线性组合与中心信号和和信号的第二线性组合的商。然而，存在其它选择。评估装置可以被配置为形成一个或多个商信号。评估装置可以进一步被配置为通过评估至少一个组合信号来确定至少一个纵向坐标。
评估装置具体可以被配置为使用组合信号Q和纵向坐标之间的至少一个预定关系，以便确定至少一个纵向坐标。因此，由于上面公开的原因并且由于光斑特性对纵向坐标的依赖性，组合信号Q通常是对象的纵向坐标和/或光斑尺寸(诸如光斑的直径或等效直径)的单调函数。因此，作为例子，具体地在使用线性光学传感器的情况下，传感器信号scenter与和信号ssum的简单商Q＝scenter/ssum可以是距离的单调递减函数。不希望受该理论束缚，据信这是由于以下事实：在上述优选设置中，中心信号scenter和和信号Ssum随着到光源的距离增加而作为平方函数减小，因为到达检测器的光量减少。然而，其中中心信号scenter比和信号ssum减小得更快，因为在实验中使用的光学设置中，像平面中的光斑增长，因此分布的面积更大。因此，中心信号与和信号的商随着光束直径或矩阵的光学传感器的光敏区域上的光斑直径的增加而连续减小。此外，商通常与光束的总功率无关，因为光束的总功率在中心信号和和传感器信号中都形成因子。因此，商Q可以形成二次信号，该二次信号提供中心信号和和信号与光束的尺寸或直径之间的唯一明确的关系。另一方面，由于光束的尺寸或直径取决于光束从其朝向检测器传播的对象与检测器本身之间的距离，即取决于对象的纵向坐标，因此，中心信号一方面与和信号之间，另一方面与纵向坐标之间可存在唯一明确的关系。对于后者，例如可以参考一个或多个上述现有技术文献，例如WO 2014/097181 A1。该预定关系可以通过分析考虑来确定，例如通过假设高斯光束的线性组合和/或通过经验测量，例如测量作为对象的纵向坐标的函数的组合信号和/或中心信号和和信号或由其导出的二次信号的测量或这两者的测量。
评估装置可以被配置为通过以下一者或多者导出组合信号Q：使和信号和中心信号被除(divide)，使和信号和中心信号的倍数被除，使和信号和中心信号的线性组合被除。例如，评估装置可以被配置为通过下式导出组合信号Q：
其中x和y是横向坐标，A1和A2是传感器元件位置处的至少一个光束轮廓的区域，并且E(x,y,zo)表示在对象距离zo处给出的光束轮廓。区域A1和区域A2可能不同。特别地，A1和A2不全等。因此，A1和A2可以在形状或内容中的一个或多个方面不同。中心信号可以是包括光束轮廓的基本上中心信息的传感器信号。和信号可以是包括光束轮廓的基本上边缘信息的信号。光束轮廓可以是光束的横截面。光束轮廓可以选自：梯形光束轮廓；三角形梁轮廓；圆锥形光束轮廓；以及高斯光束轮廓的线性组合。
中心信号和和信号中的每一者可以包括光束的光束轮廓的至少一个区域的至少一项信息。如本文所使用的，术语“光束轮廓的区域”通常是指用于确定组合信号Q的传感器元件的位置处的光束轮廓的任意区域。光敏区域可以被布置为使得和信号包括光束轮廓的第一区域的信息，并且中心信号包括光束轮廓的第二区域的信息。光束轮廓的第一区域和光束轮廓的第二区域可以是相邻区域和/或重叠区域。光束轮廓的第一区域和光束轮廓的第二区域的面积可以不全等。
评估装置可以被配置为确定和/或选择光束轮廓的第一区域和光束轮廓的第二区域。光束轮廓的第一区域可以包括光束轮廓的基本上边缘信息，并且光束轮廓的第二区域可以包括光束轮廓的基本上中心信息。光束轮廓可以具有中心，即光束轮廓的最大值和/或光束轮廓的平台的中心点和/或光斑的几何中心，以及从中心延伸的下降边缘。第二区域可以包括横截面的内部区域，第一区域可以包括横截面的外部区域。如本文所使用的，术语“基本上中心信息”通常是指与中心信息比例(即，对应于中心的强度分布的比例)相比较低的边缘信息比例(即对应于边缘的强度分布的比例)。优选地，中心信息具有小于10％的边缘信息比例，更优选地小于5％，最优选地，中心信息不包括边缘内容。如本文所使用的，术语“基本上边缘信息”通常是指与边缘信息比例相比较低的中心信息比例。边缘信息可以包括整个光束轮廓的信息，特别是来自中心和边缘区域的信息。边缘信息可以具有小于10％，优选地小于5％的中心信息比例，更优选地，边缘信息不包括中心内容。如果光束轮廓的至少一个区域靠近或围绕中心并且包括基本上中心信息，则该区域可以被确定和/或选择作为光束轮廓的第二区域。如果光束轮廓的至少一个区域包括横截面的下降边缘的至少部分，则该区域可以被确定和/或选择作为光束轮廓的第一区域。例如，横截面的整个区域可以被确定作为第一区域。光束轮廓的第一区域可以是区域A2，光束轮廓的第二区域可以是区域A1。
第一区域A1和第二区域A2的其它选择也是可行的。例如，第一区域可以包括光束轮廓的基本上外部区域，第二区域可以包括光束轮廓的基本上内部区域。例如，中心信号可以是对应于包括光斑中心的矩形条纹的信号。评估装置可以适于形成中心信号和和信号的第一线性组合与中心信号和和信号的第二线性组合的商。特别地，在二维光束轮廓的情况下，光束轮廓可以被分为左部分和右部分，其中第一区域可以包括光束轮廓的基本上左部分区域，第二区域可以包括光束轮廓的基本上右部分区域。作为例子，第一和第二区域可以相邻，其中彼此间隔最小。然而，相邻区域之间的间隔也可以变化，例如被增大以改善商信号的动态范围。作为例子，可以通过不评估第一区域和第二区域之间的区域来增加两个相邻区域之间的间隔。与可增加两个区域的信号的商的相邻区域相比，这可以减小相对和/或绝对区域之一上的光。此外，一个或全部两个区域可以由分开的子区域组成，这些子区域可以彼此相邻和/或可以由不被评估的区域分开和/或可以被评估为不同商的一部分。此外，第一和第二区域可以由子区域的线性组合组成，而由每个子区域贡献的信号在形成中心信号和/或和信号时可以被赋予不同的权重。这进一步有益于增加商系统的动态范围。
边缘信息可以包括与光束轮廓的第一区域中的光子数量有关的信息，并且中心信息可以包括与光束轮廓的第二区域中的光子数量有关的信息。评估装置可以适于确定光束轮廓的区域积分。评估装置可以适于通过对第一区域进行积分和/或求和来确定边缘信息。评估装置可以适于通过对第二区域进行积分和/或求和来确定中心信息。例如，光束轮廓可以是梯形光束轮廓，并且评估装置可以适于确定梯形的积分。此外，当可以假设梯形光束轮廓时，边缘信号和中心信号的确定可以被利用梯形光束轮廓特性的等效评估代替，该等效评估为例如确定边缘的斜率和位置以及中心平台的高度，以及通过几何考虑导出边缘信号和中心信号。
附加地或替代地，评估装置可以适于从光斑的至少一个切片或切口确定中心信息和/或边缘信息。例如，这可以通过用沿着切片或切口的一个或多个线积分替代组合信号Q中的区域积分来实现。为了提高精度，通过光斑的若干个切片或切口可以被使用并求平均。在椭圆光斑轮廓的情况下，对若干个切片或切口求平均可以导致改善的距离信息。
评估装置可以被配置为通过以下一项或多项来导出组合信号Q：使边缘信息和中心信息被除，使边缘信息和中心信息的倍数被除，使边缘信息和中心信息的线性组合被除。因此，基本上光子比率可以被用作该方法的物理基础。
检测器可以适于根据至少两个光学传感器上的光束轮廓的至少两个不对称区域的辐射率比(radiance ratio)来确定深度信息，特别是绝对深度信息。例如，检测器可以包括以矩阵排列的多个光学传感器。检测器可以适于根据由诸如CMOS检测器之类的光学传感器的单个矩阵捕获的封闭的(特别是散焦的)光束轮廓内的至少两个不对称区域的辐射率比来确定深度信息。特别地，检测器可以适于使用辐射率比确定深度信息。该原理被称为距离光子比(Distance by Photon ratio,DPR)。
例如，DPR原理可以被应用于分段图像轮廓(例如由光学传感器矩阵上的至少一个光束产生的至少一个特征的分段图像，这将在下文中说明)内的许多子区域。二维情况下的商QA(z)可被写为
其中P(x,y,z)是二维光束轮廓，rin和rout分别是内圆半径和外圆半径。对于沿y维度的线分段商Qy(z)，可以将其重写为
不希望受该理论束缚，整个散焦光束轮廓P(x,z)可以被视为沿着图像宽度b(x,z)的散焦图像点轮廓p(x,z)的叠加。这种关系可以被建模为由下式给出的卷积
P(x，z)＝b(x，z)*p(x，z)，
其中p(x,z)表示散焦透镜的点扩散函数(PSF)，其在近轴光学领域中也被称为弥散圆(Circle of Confusion,CoC)。通过将P(x,z)插入到Qy(z)，上述商Qy(z)可以被重写为
此外，利用光学传感器的矩阵，可以将散焦光束轮廓细分为沿着具有特定角度θ并且与坐标原点的距离为ω的线的横截面。因此，单个线的参数化可以由下式给出
ω＝x cos(θ)+y sin(θ)。
沿着平行线的强度的积分可以通过公知的拉东(Radon)变换的积分投影在数学上进行描述，该变换读作
其中δ表示狄拉克德尔塔(Dirac delta)函数，f(x,y)是封闭的散焦光束轮廓的强度。针对给定角度θ和投射宽度ω的光子比率R由下式给出
其中f'(x,y)作为内部区域。对于在特定距离处的倾斜对象表面，θ的变化可以产生不同的比率R。只需使θ在以下区间中变化就足够了。
在一个实施例中，从对象传播到检测器的光束可以用至少一个包括至少一个特征点的图案照射传感器元件。如本文所使用的，术语“特征点”是指图案的至少一个至少部分延伸的特征。特征点可以选自：至少一个点、至少一条线、至少一个边缘。该图案可以由对象产生，例如，响应于被至少一个光源照射，其中照射图案包括至少一个图案。A1可以对应于光学传感器上的特征点的完全或完整区域。A2可以是光学传感器上的特征点的中心区域。中心区域可以是恒定值。与特征点的完整区域相比，中心区域可以较小。例如，在圆形特征点的情况下，中心区域的半径可以是特征点的全半径的0.1到0.9，优选地是全半径的0.4到0.6。
例如，从对象传播到检测器的光束可以用至少一个线图案照射光学传感器。线图案可以由对象产生，例如响应于被至少一个照射源照射，其中照射图案包括至少一个线图案。A1可以对应于光学传感器上(特别是光学传感器的光敏区域上)具有线图案的全线宽的区域。与照射图案的线图案相比，光学传感器上的线图案可以被加宽和/或移位，以使得光学传感器上的线宽增加。特别地，在光学传感器矩阵的情况下，光学传感器上的线图案的线宽可以从一列到另一列变化。A2可以是光学传感器上的线图案的中心区域。中心区域的线宽可以是恒定值，并且特别地可以对应于照射图案中的线宽。中心区域可以具有比全线宽小的线宽。例如，中心区域的线宽可以是全线宽的0.1到0.9，优选地是全线宽的0.4到0.6。线图案可以在光学传感器上被分段。光学传感器矩阵的每列可以包括线图案的中心区域中的强度的中心信息和来自从线图案的中心区域向边缘区域进一步向外延伸的区域的强度的边缘信息。
例如，从对象传播到检测器的光束可以用至少一个点图案照射传感器元件。点图案可以由对象产生，例如响应于被至少一个光源照射而由对象产生，其中照射图案包括至少一个点图案。A1可以对应于在光学传感器上具有点图案的点的全半径的区域。A2可以是光学传感器上的点图案中的点的中心区域。中心区域可以是恒定值。中心区域可以具有与全半径相比的半径。例如，中心区域的半径可以是全半径的0.1到0.9，优选地是全半径的0.4到0.6。
从对象传播到检测器的光束可以用包括点图案和线图案二者的反射图案照射传感器元件。作为线图案的附加或替代的其它实施例也是可行的。
因此，一般而言，评估装置可以被配置为通过评估诸如组合信号Q之类的组合信号来确定纵向坐标。该确定可以是一步过程，例如通过直接组合中心信号和和信号并且导出其纵向坐标，或者可以是多步骤过程，例如首先从中心信号和和信号导出组合信号，然后从组合信号导出纵向坐标。这两种选择，即，作为分开的独立步骤的步骤c)和d)的选择，以及完全或部分组合的步骤c)和d)的选择，应该都被本发明所包括。
评估装置可以被配置为使用组合信号与纵向坐标之间的至少一个预定关系。预定关系可以是经验关系、半经验关系和分析导出关系中的一者或多者。评估装置可以包括至少一个用于存储预定关系的数据存储装置，例如查找列表或查找表。
可以通过使用各种手段来确定组合信号Q。作为例子，可以使用用于导出组合信号的软件装置、用于导出组合信号的硬件装置或同时使用这两者，并且可以在评估装置中实现它们。因此，作为例子，评估装置可以包括至少一个除法器，其中除法器被配置为导出组合信号。除法器可以完全或部分地体现为软件除法器和/或硬件除法器。除法器可以完全或部分地被集成到传感器元件应答中，或者可以完全或部分地独立于传感器元件来实现。
如上所述，光学传感器具体地可以是或可以包括光电检测器，优选地无机光电检测器，更优选地无机半导体光电检测器，最优选地硅光电检测器。具体地，光学传感器可以在红外光谱范围内敏感。矩阵的所有光学传感器或矩阵的至少一组光学传感器具体地可以是相同的。具体地，可以为不同的光谱范围提供矩阵的相同光学传感器的组，或者，所有光学传感器可以在光谱灵敏度方面是相同的。此外，光学传感器的尺寸和/或其电子或光电特性可以相同。
具体地，光学传感器可以是或可以包括无机光电二极管，其在红外光谱范围内敏感，优选在780nm到3.0微米的范围内敏感。具体地，光学传感器可以在近红外区域的一部分中敏感，其中硅光电二极管特别适用于700nm到1000nm的范围。可用于光学传感器的红外光学传感器可以是市场上可买到的红外光学传感器，例如可从德国Hamamatsu PhotonicsDeutschland GmbH，D-82211 Herrsching am Ammersee商购的红外光学传感器。因此，作为例子，光学传感器可以包括内部光伏类型的至少一个光学传感器，更优选地为选自以下项的至少一个半导体光电二极管：Ge光电二极管、InGaAs光电二极管、扩展的InGaAs光电二极管、InAs光电二极管、InSb光电二极管、HgCdTe光电二极管。附加地或替代地，光学传感器可以包括外部光伏类型的至少一个光学传感器，更优选地为选自以下项的至少一个半导体光电二极管：Ge:Au光电二极管、Ge:Hg光电二极管、Ge:Cu光电二极管、Ge:Zn光电二极管、Si:Ga光电二极管、Si:As光电二极管。附加地或替代地，光学传感器可以包括至少一个测辐射热计，优选地为选自VO测辐射热计和非晶硅测辐射热计的测辐射热计。
矩阵可以由独立的光学传感器组成。因此，可以组成无机光电二极管的矩阵。然而，替代地，可以使用市场上可购买的矩阵，例如CCD检测器(例如CCD检测器芯片)和/或CMOS检测器(例如CMOS检测器芯片)中的一者或多者。
因此，一般而言，检测器的光学传感器可以形成诸如上述矩阵之类的传感器阵列或者可以是传感器阵列的一部分。因此，作为例子，检测器可以包括光学传感器阵列，例如具有m个行和n个列的矩形阵列，其中m、n独立地为正整数。优选地，给出多于一个列和多于一个行，即n>1，m>1。因此，作为例子，n可以是2到16或更高，m可以是2到16或更高。优选地，行数和列数的比率接近1。作为例子，n和m可以被选择为使得0.3≤m/n≤3，例如通过选择m/n＝1:1、4:3、16:9或类似比率。作为例子，阵列可以是具有相同行数和列数的正方形阵列，例如通过选择m＝2、n＝2或m＝3、n＝3等。
如上面进一步概述的，矩阵具体地可以是具有至少一个行(优选多个行)和多个列的矩形矩阵。作为例子，行和列可以基本上垂直地定向，其中，关于术语“基本上垂直”，可以参考上面给出的定义。因此，作为例子，可以接受小于20°，特别是小于10°，甚至小于5°的容差。为了提供宽视图范围，矩阵具体地可以具有至少10行，优选地至少50行，更优选地至少100行。类似地，矩阵可以具有至少10列，优选地至少50列，更优选地至少100列。矩阵可以包括至少50个光学传感器，优选地至少100个光学传感器，更优选地至少500个光学传感器。矩阵可以包括多兆像素范围内的多个像素。然而，其它实施例也是可行的。因此，如上所述，在其中预期轴向旋转对称的装置中，可以优选地使用矩阵的光学传感器(也可被称为像素)的圆形排列或同心排列。
如上面进一步概述的，优选地，传感器元件可以基本上垂直于检测器的光轴定向。同样，关于术语“基本上垂直”，可以参考上面给出的定义和容差。光轴可以是直的光轴，或者可以是弯曲的或甚至是分开的，例如通过使用一个或多个偏转元件和/或通过使用一个或多个分束器，其中基本上垂直定向在后一种情况下可以指在光学设置的相应分支或光束路径中的局部光轴。
矩阵可以包括两个或四个单独的光敏区域和/或可以被细分为两个或更多个区段，特别地两个或四个有源区域。光敏区域和/或区段可以由分界线隔开。例如，两个Si二极管的分界线可以平行于检测器的基线(baseline)布置，特别是平行于光学传感器上的光斑移动。然而，其它布置也是可行的。例如，象限二极管可以包括至少两条分界线。该至少两条分界线可以彼此正交地布置。分界线的正交布置允许对于近场和远场应用的组合信号彼此独立地进行调整。除了确定和信号与中心信号的组合信号之外，评估装置还可以适于使用矩阵的其它信号来确定第二商。可以形成两个商，从而覆盖两个不同的距离范围。用于近场和远场的两个商信号可以具有重叠区域，在该重叠区域中，两个商信号允许合理地确定纵向距离z。例如，可以通过将两个顶部象限(也被称为顶部区段)的传感器信号除以两个底部象限(也被称为底部区段)的传感器信号来确定商信号。使用由具有平行于检测器基线的分界线的两个传感器区域确定的传感器信号的商信号可以允许确定商，而不需要任何距离相关的光斑运动。特别地，作为例子，如果顶部和底部区段之间的分界线平行于基线，则通过将顶部区段除以底部区段而确定的商信号可以用在近场中，其中光斑可以仅照射象限二极管的左区段或右区段之一。在这种情况下，不可能通过使左区段或右区段的传感器信号被除来确定商信号。然而，通过使顶部和底部区段的传感器信号被除而确定商可以提供合理的距离测量。通过使左区段和右区段的传感器信号被除而确定的商信号可以用于远场测量，其中光斑照射左区段和右区段二者。此外，评估装置可以适于通过使相对区段或相邻区段的传感器信号被除来确定商信号。评估装置可以适于组合所获取的象限的传感器信号，使得可以在宽范围内以大分辨率进行距离测量。
鉴于上述现有技术文献中涉及的技术挑战，特别是鉴于为产生FiP效应所需的技术努力，必须注意，本发明具体地可以通过使用非FiP光学传感器来实现。事实上，由于具有FiP特性的光学传感器通常在焦点处的相应传感器信号中呈现出强峰，因此使用FiP传感器作为光学传感器的根据本发明的检测器的测量范围可被限制在位置之间的范围内，其中光学传感器处于光束的焦点中。然而，当使用线性光学传感器，即不呈现出FiP效应的光学传感器时，通过本发明的设置一般可以避免此问题。因此，光学传感器各自可以至少在测量范围内具有线性信号特性，使得相应的传感器信号取决于相应光学传感器的照射总功率。
检测器可以还包括用于照射对象的照射源。作为例子，照射源可以被配置为产生用于照射对象的照射光束。检测器可以被配置为使得照射光束沿着检测器的光轴从检测器朝向对象传播。为此，检测器可以包括至少一个反射元件，优选地至少一个棱镜，用于将照射光束偏转到光轴上。
如上所述，具体地，照射源可以被配置为发射红外光谱范围内的光。然而，应该注意，附加地或替代地，其它光谱范围也是可行的。此外，如上所述，照射源具体地可以被配置为发射调制光或非调制光。在使用多个照射源的情况下，不同的照射源可以具有不同的调制频率，如下面进一步详细描述的，稍后可以使用这些调制频率来区分光束。照射源可以适于产生和/或投射点云，例如，照射源可以包括至少一个数字光处理(DLP)投影仪、至少一个LCoS投影仪、至少一个空间光调制器、至少一个衍射光学元件、至少一个发光二极管阵列、至少一个激光光源阵列中的一者或多者。
检测器可以包括至少一个照射源。照射源可以适于用至少一个照射光束照射对象。照射光束可以完全或部分地被对象反射，并且可以朝向检测器返回。照射源可以被布置为使得照射光束的传播方向基本上平行于光轴。如本文所使用的，术语“基本上平行于光轴”是指平行定向的条件，具有例如±20°或更小的容差，优选地±10°或更小的容差，更优选地±5°或更小的容差。照射源可以被布置为使得在照射光束的传播方向上延伸的线和光轴在空间中不相交。特别地，照射可以在轴上。为了提供这样的轴上照射，作为例子，可以使用一个或多个反射元件，例如一个或多个棱镜和/或反射镜，例如二向色镜，例如可移动反射镜或可移动棱镜。反射光束可以基本上平行于光轴。因此，根据本发明，对象距离不是如在三角测量方法中所做的那样根据光束的角度(即光斑在传感器上的位置)确定的。相反，可以使用基本上平行于光轴的光束来确定对象距离。借助非三角测量方法，通过组合至少两个传感器信号来确定对象距离，这允许将照射源布置为使得照射光束的传播方向基本上平行于光轴。
光束可以是单色光束。光束可以包括窄波段，优选地，光束可以包括单个波长。至少一个光源可以适于产生至少一个单色光束和/或检测器可以包括适于对窄波带进行滤波的至少一个滤波器元件，例如单色器。
照射源可以适于产生用于照射对象的至少一个照射图案。附加地或替代地，照射图案可以由至少一个环境光源产生。检测器可以被配置为使得照射图案从检测器，特别是从壳体的至少一个开口沿着和/或平行于检测器的光轴朝向对象传播。为此，检测器可以包括至少一个反射元件，优选地至少一个棱镜，用于偏转照射图案，使得其沿着光轴或平行于光轴传播。具体地，照射源可以包括至少一个激光器和/或激光源。可以采用各种类型的激光器，例如半导体激光器。附加地或替代地，可以使用非激光光源，例如LED和/或灯泡。如本文所使用的，术语“图案”是指包括至少一个任意形状的特征的任意已知或预定的布置。图案可以包括至少一个特征，例如点或符号。图案可以包括多个特征。图案可以包括周期性或非周期性特征的排列。如本文所使用的，术语“照射图案”是指照射对象的图案。照射图案可以由环境光产生，例如由至少一个环境光源，或者由至少一个照射源产生。照射图案可以包括选自以下项的至少一个图案：至少一个点图案，特别是伪随机点图案、随机点图案或准随机图案；至少一个索博尔(Sobol)图案；至少一个准周期性图案；至少一个包括至少一个预知特征的图案；至少一个规则图案；至少一个三角形图案；至少一个六边形图案；至少一个矩形图案；至少一个包括凸起的均匀倾斜(tiling)的图案；至少一个包括至少一条线的线图案；至少一个包括至少两条线(例如平行线或交叉线)的线图案；至少一个条纹图案。例如，照射源可以适于产生和/或投射点云。照射图案可以包括规则和/或恒定和/或周期性图案，例如三角形图案、矩形图案、六边形图案或包括更多凸起倾斜的图案。照射图案可以在每个区域中包括尽可能多的特征，从而可以优选六边形图案。照射图案的两个特征之间的距离和/或至少一个照射特征的区域可以取决于图像中的弥散圆。
照射源可以包括至少一个光投影仪、至少一个数字光处理(DLP)投影仪、至少一个LCoS投影仪、至少一个空间光调制器、至少一个衍射光学元件、至少一个发光二极管阵列、至少一个激光光源阵列中的一者或多者。照射源可以包括适于直接产生照射图案的至少一个光源。例如，照射源可以包括至少一个激光源。例如，照射源可以包括至少一个线激光器。线激光器可以适于向对象发送激光线，例如水平或垂直激光线。照射源可以包括多个线激光器。例如，照射源可以包括至少两个线激光器，其可以被布置为使得照射图案包括至少两条平行线或交叉线。照射源可以包括至少一个光投射器，其适于产生点云，使得照射图案可以包括多个点图案。照射源可以包括至少一个掩模，其适于根据由照射源产生的至少一个光束产生照射图案。照射源可以是被附接到或集成到诸如智能手机之类的移动设备中的一种。照射源可被用于其它功能，其它功能被用于确定图像，例如用于自动聚焦功能。照射源可以被附接到移动装置，例如通过使用诸如USB或电话连接器之类的连接器，例如耳机插孔。
照射源可以适于产生脉冲照射。照射源可以适于产生至少一个光脉冲。如本文所使用的，术语“光脉冲”或“脉冲照射”是指在时间上受限的光束。光脉冲可以具有预定义的长度或持续时间，例如在纳秒范围内。例如，照射源可以适于产生脉冲长度小于纳秒(例如十分之一纳秒)直到十分之一秒的脉冲。照射源可以适于周期性地产生光脉冲。例如，照射源可以适于以10Hz到10GHz的频率产生光脉冲。
照射源可以适于产生脉冲光束。例如，照射源可以适于产生连续照射光束，并且检测器可以包括至少一个适于中断照射,特别是周期性地中断照射的中断装置。中断装置可以包括至少一个快门(shutter)和/或光束斩波器或一些其它类型的机械或电子周期性光束中断装置，例如包括至少一个中断器叶片或中断器轮，中断器叶片或中断器轮优选地以恒定速度旋转并且可以因此周期性地中断照射。举例来说，至少一个中断装置也可以完全或部分地被集成到照射源中。可以构想各种可能性。
优选地，照射源可以是可移动和/或移动照射源。可以在测量期间移动照射源，例如以便从不同的位置和/或角度照射对象。然而，以下实施例是可行的：其中照射源可以定位在至少一个固定位置，例如在整个测量时间期间。评估装置可以适用于具有不明确的位置(例如由于高制造容差和/或用户交互和/或用户组装等)的照射源。
照射源可以用会聚和/或发散和/或准直的光束照射对象。
照射源和传感器元件可以被布置在共同平面中或不同的平面中。照射源和光学传感器可以具有不同的空间取向。具体而言，照射源和光学传感器可以以扭曲的布置排列。
照射源和光轴可以由小基线隔开。如本文所使用的，术语“基线”(也被表示为基础线)是指例如在xy平面中的光轴和照射源之间的距离，特别是光轴和照射光束的z分量之间的距离。照射源可以与光轴间隔开一最小距离。距光学轴的最小距离可以由另外的检测器元件限定，例如光学传感器和传送装置的尺寸和位置。基线可小于0.1m，优选地小于0.05m，更优选地小于0.025m。例如，基线可以是21mm。例如，检测器可以是没有其它光学元件的紧凑型装置，其中照射源可以被放置为尽可能靠近传送装置的边缘。因此，基线可以接近传送装置直径的一半，特别是透镜直径以及透镜和光源的壳体。例如，检测器可以是更紧凑的装置，其中反射镜，特别是小反射镜，可以被定位在传送装置的前面，特别是在传送装置的中心(例如几何中心)或靠近中心，以便将照射光束耦入光束路径中。因此，基线可小于传送装置直径的一半。照射源可以被布置为使得基线尽可能小。通过布置照射源使得照射光束的传播方向基本上平行于光轴并且照射源和光轴由小基线隔开，可以形成非常紧凑的装置。例如，从传送装置的中心到照射源的距离，特别是沿着从传送装置的中心到照射源的连接线的距离，可以优选地小于从传送装置的中心到传送装置的边缘的距离的2.5倍，更优选地小于从传送装置的中心到边缘的距离的1.5倍，并且最优选地小于从传送装置的中心到边缘的距离的1倍。传送装置可以具有任意形状，特别是非圆形形状是可能的。在小距离处，照射源的孔径可以很小并且基线可以很小。在大距离处，照射源的孔径可以很大并且基线可以很小。这与三角测量方法相反，在三角测量方法中，在大距离处需要大的基线。此外，由于基线的必要空间范围，基于三角测量的系统具有显著大于零的最小检测范围，例如距检测器系统20cm。这种大基线可导致从对象散射的照射光可能无法到达传送装置后面的光学传感器的光敏区域。此外，在基于三角测量的系统中，使用小基线会减小最小检测范围，但同时会减小最大检测范围。此外，基于三角测量的系统需要多个光敏区域和传感器信号，例如至少一个检测器行的传感器信号。根据本发明，可以利用减少数量的传感器信号，特别地利用小于20个，优选地小于10个，更优选地小于5个的传感器信号，来确定纵向坐标z。
检测器可以还包括至少一个传送装置，传送装置适于将光束引导到光学传感器上。传送装置具体可以包括以下一者或多者：至少一个透镜，例如选自至少一个可调焦透镜、至少一个非球面透镜、至少一个球面透镜、至少一个菲涅耳透镜的至少一个透镜；至少一个衍射光学元件；至少一个凹面镜；至少一个光束偏转元件，优选地至少一个反射镜；至少一个分束元件，优选地至少一个分束立方体或分束镜；至少一个多透镜系统。
光学传感器可以被离焦定位(positioned off focus)。如本文所使用的，术语“焦点”通常是指由传送装置或传送装置的焦距引起的光束(特别是从对象的一个点发射的至少一个光束)的弥散圆的最小范围中的一者或全部两者。如本文所使用的，术语“弥散圆”是指由传送装置聚焦的光束的光锥导致的光斑。弥散圆可取决于传送装置的焦距f、从对象到传送装置的纵向距离、传送装置的出射光瞳的直径、从传送装置到光敏区域的纵向距离、从传送装置到对象的图像的距离。例如，对于高斯光束，弥散圆的直径可以是高斯光束的宽度。具体而言，对于位于或放置在距检测器无限远距离的点状对象，传送装置可以适于将来自对象的光束聚焦到传送装置的焦距处的焦点。对于位于或放置在距检测器无限远的非点状对象，传送装置可以适于将来自对象的至少一个点的光束聚焦到传送装置的焦距处的焦平面中。对于没有位于或放置在距检测器无限远距离处的点状对象，弥散圆可以至少在一个纵向坐标处具有最小范围。对于没有位于或放置在距检测器无限远的非点状对象，来自对象的至少一个点的光束的弥散圆可以至少在一个纵向坐标处具有最小范围。如本文所使用的，术语“离焦定位”通常是指由传送装置或传送装置的焦距导致的光束的弥散圆的最小范围之外的位置。特别地，弥散圆的焦点或最小范围可以是在纵向坐标lfocus处，而光学传感器的位置可以具有不同于lfocus的纵向坐标lsensor。例如，纵向坐标lsensor可以在纵向方向上被布置为比纵向坐标lfocus更靠近传送装置的位置，或者可以被布置为比纵向坐标lfocus更远离传送装置的位置。因此，纵向坐标lsensor和纵向坐标lfocus可以位于距传送装置不同的距离处。例如，光学传感器可以在纵向方向上与弥散圆的最小范围以±2％焦距，优选地±10焦距，最优选地±20％焦距间隔开。例如，传送装置的焦距可以是20mm并且纵向坐标lsensor可以是19.5mm，即光学传感器可以被定位在97.5％焦距处，使得lsensor以焦距的2.5％与焦点间隔开。弥散圆的范围可以大于光学传感器的范围。例如，光学传感器可以被定位成使得弥散圆延伸超出光学传感器。因此，光学传感器可以仅部分地评估光束的光束轮廓。评估装置可以适于外推光束轮廓，例如由于对称性考虑或者由于将部分光束轮廓与预先记录的光束轮廓等进行比较。此外，评估装置可以适于评估部分光束轮廓的部分和信号和部分中心信号，并将其转换为外推的和/或拟合的和/或预记录的光束轮廓等的和信号和中心信号。
包括确定对象的至少一个纵向坐标的上述操作由至少一个评估装置执行。因此，作为例子，上述关系中的一种或多种可以在软件和/或硬件中实现，例如通过实现一个或多个查找表来实现。因此，作为例子，评估装置可以包括一个或多个可编程装置，例如一个或多个计算机、专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、或现场可编程门阵列(FPGA)，这些装置被配置为执行上述评估，以便确定对象的至少一个纵向坐标。然而，附加地或替代地，评估装置也可以完全或部分地由硬件实现。
如上所述，通过评估中心信号和和信号，可以使检测器能够确定对象的至少一个纵向坐标，包括确定整个对象或对象的一个或多个部分的纵向坐标的选项。然而，另外地，可以由检测器(具体地由评估装置)确定对象的其它坐标，包括一个或多个横向坐标和/或旋转坐标。因此，作为例子，一个或多个横向传感器可被用于确定对象的至少一个横向坐标。如上所述，从其产生中心信号的至少一个光学传感器的位置可以提供关于对象的至少一个横向坐标的信息，其中，作为例子，可以使用简单的透镜方程执行光学变换并导出横向坐标。附加地或替代地，可以使用一个或多个附加的横向传感器，并且该一个或多个附加的横向传感器可以被包括在检测器内。各种横向传感器在本领域中通常是已知的，例如在WO2014/097181A1中公开的横向传感器和/或其它位置敏感装置(PSD)，例如象限二极管、CCD或CMOS芯片等。附加地或替代地，作为例子，根据本发明的检测器可以包括在R.A.Street(编辑)的“Technology and Application of Amorphous Silicon(非晶硅的技术和应用)”，Springer-Verlag Heidel-berg，2010年，第346至349页中公开的一个或多个PSD。其它实施例也是可行的。这些装置通常也可以被实现为根据本发明的检测器。作为例子，光束的一部分可以由至少一个光束分离元件在检测器内被分离。作为例子，分离部分可以被引导到横向传感器，例如CCD或CMOS芯片或相机传感器，并且可以确定由横向传感器上的分离部分产生的光斑的横向位置，从而确定对象的至少一个横向坐标。因此，根据本发明的检测器可以是一维检测器，例如简单的距离测量装置，或者可以被实现为二维检测器或甚至实现为三维检测器。此外，如上所述或如下面进一步详细概述的，通过以一维方式扫描景物或环境，也可以创建三维图像。因此，根据本发明的检测器具体可以是一维检测器、二维检测器或三维检测器之一。评估装置可以还被配置为确定对象的至少一个横向坐标x,y。评估装置可以适于组合纵向坐标和横向坐标的信息，并确定对象在空间中的位置。
检测器可以被配置为评估单个光束或多个光束。在多个光束从对象传播到检测器的情况下，可以提供用于区分光束的装置。因此，光束可以具有不同的光谱特性，并且检测器可以包括用于区分不同的光束的一个或多个波长选择元件。然后可以独立地评估每个光束。作为例子，波长选择元件可以是或可以包括一个或多个滤波器、一个或多个棱镜、一个或多个光栅、一个或多个二向色镜或其任意组合。此外，附加地或替代地，为了区分两个或更多个光束，可以以特定方式调制光束。因此，作为例子，可以对光束进行频率调制，并且可以解调传感器信号，以便根据其解调频率部分地区分源自不同光束的传感器信号。这些技术通常是高频电子设备领域的技术人员已知的。通常，评估装置可以被配置为区分具有不同调制的不同光束。
照射源可以适于产生和/或投射点云，使得在光学传感器(例如，CMOS检测器)的矩阵上产生多个被照射区域。此外，光学传感器矩阵上可能存着干扰，例如由于散斑和/或外部光和/或多个反射引起的干扰。评估装置可以适于确定至少一个感兴趣区域，例如由光束照射的一个或多个像素，这些像素被用于确定对象的纵向坐标。例如，评估装置可以适于执行滤波方法，例如团块分析(blob-analysis)和/或对象识别方法。
如上所述，检测器可以包括至少一个照射源。照射源和光学传感器之间的与检测器的光轴垂直的距离可以很小。照射源和光学传感器之间的与检测器的光轴垂直的距离可以小于0.1m，优选地小于0.05m，更优选地小于0.025m。照射源和光轴可以由小基线隔开。照射源可以与光轴间隔开一最小距离。距光轴的最小距离可以由另外的检测器元件限定，例如光学传感器以及至少一个可选的传送装置的尺寸和位置，这将在下面详细描述。基线可小于0.1m，优选地小于0.05m，更优选地小于0.025m。例如，基线可以是21mm。优选地，照射源可以紧挨着传送装置布置。例如，传送装置可以是平坦的，使得照射源可以被定位成更靠近光轴。照射源可以被布置在传送装置的后面。
光学传感器中的至少一个可以适于产生至少一个传感器信号，该传感器信号取决于照射光束从照射源行进到对象并且反射光束已经从对象行进到光学传感器的光敏区域的飞行时间(TOF)。评估装置可以被配置为通过评估TOF传感器信号来确定对象的至少一个TOF纵向坐标zTOF。适于产生TOF传感器信号的光学传感器可以被设计为飞行时间检测器。飞行时间检测器可以选自：至少一个脉冲飞行时间检测器；至少一个相位调制的飞行时间检测器；至少一个直接飞行时间检测器；至少一个间接飞行时间检测器。例如，脉冲飞行时间检测器可以是至少一个距离选通成像器和/或至少一个直接飞行时间成像器。例如，相位调制的飞行时间检测器可以是具有至少一个相位检测器的至少一个RF调制光源。光学传感器可以适于确定照射源的照射光束的发射和反射光束的接收之间的时间延迟。
例如，适于产生TOF传感器信号的光学传感器可以被设计为脉冲飞行时间检测器。检测器可以包括至少一个中断装置，例如至少一个快门元件，适于产生脉冲光束。光学传感器可以适于根据多个时间窗口(特别是后续时间窗口)中的反射光束的接收时间来存储TOF传感器信号。光学传感器可以适于根据在至少一个第一时间窗口和/或至少一个第二时间窗口中产生的TOF传感器信号的反射光束的接收时间来存储。第一和第二时间窗口可以与中断装置的打开和关闭相关联。可以预定义第一和第二时间窗的持续时间。例如，TOF传感器信号可以在中断装置打开期间在第一时间窗口中被存储，而在中断装置关闭期间，TOF传感器信号可以在第二时间窗口中被存储。可以构想时间窗口的其它持续时间。第一和第二时间窗口可以包括关于背景、信号高度和信号偏移的信息。
例如，适于产生TOF传感器信号的光学传感器可以被设计为直接飞行时间成像器。直接飞行时间成像器可以包括至少一个适于产生至少一个单个激光脉冲的照射源。单个激光脉冲可以从对象反射回到光学传感器上。光学传感器可以包括至少一个光电二极管，例如至少一个雪崩光电二极管(APD)，例如至少一个Si APD，或者例如至少一个InGaAs APD，或者至少一个PIN光电检测器阵列，或者至少一个单光子雪崩光电二极管(SPAD)，其适于对反射光束进行成像。直接飞行时间成像器可以适于对包括空间和时间数据的至少一个图像进行成像。
例如，适于产生TOF传感器信号的光学传感器可以被设计为相位调制的飞行时间调制器。相位调制的飞行时间调制器可以适于通过确定相关信号，例如通过用接收信号(即反射光束的接收信号)乘以发射信号(即照射光束)来测量相位差，特别是相移。相关信号的DC分量可以包括关于相位差的信息。评估装置可以适于根据相位差确定对象的第二纵向坐标。例如，适于产生TOF传感器信号的照射源和光学传感器可以被设计为具有至少一个相位检测器的RF调制光源。照射源可以包括例如至少一个LED和/或至少一个激光器。照射源可以包括至少一个调制装置，其适于调制具有预定相移的光束。例如，调制装置可以包括至少一个射频模块。射频模块可以适于利用RF载波调制照射光束。光学传感器可以适于确定照射在光学传感器上的反射光束的相移。
光学传感器可以被设计为和/或可以包括至少一个飞行时间像素。优选地，检测器可以包括至少两个光学传感器，其中每个光学传感器被设计为和/或包括至少一个TOF像素。例如，检测器，特别是光学传感器，可以包括适于产生TOF传感器信号的象限二极管。例如，检测器，特别是光学传感器，可以包括至少一个像素化TOF成像器。
评估装置可以被配置为通过评估TOF传感器信号来确定对象的至少一个TOF纵向坐标zTOF。如本文所使用的，术语“TOF纵向坐标”是指从TOF传感器信号导出的纵向坐标。如上所述，照射光源可以适于周期性地产生至少一个光脉冲。检测器可以适于针对每个周期产生第一纵向传感器信号。评估装置可以适于使用第二纵向坐标确定TOF传感器信号在哪个脉冲周期中产生。检测器可以适于通过使用组合传感器信号唯一地指定ToF信号所指的周期。TOF传感器信号和组合传感器信号二者都可以是纵向坐标zreal的非单调函数。因此，纵向坐标不能仅根据TOF传感器信号或组合传感器信号中的一者而被唯一地确定，而且，测量范围可以不限于其中信号是zreal的唯一函数的纵向范围。术语“测量范围”通常是指从对象到检测器的范围，在该范围中纵向坐标的确定是可能的。术语“纵向范围”通常是指从对象到检测器的范围，在该范围中纵向坐标的唯一确定是可能的。在从对象到检测器的特定距离之下和/或之上，无法确定纵向坐标。例如，可能由于内部时钟的最小测量时间，在从对象到检测器的特定距离之下不可能进行飞行时间测量。此外，在飞行时间测量中，传感器信号在纵向周期内可以是唯一的，但是如果增加纵向周期的整数倍以使得所确定的纵向坐标可以是非唯一的，则传感器信号可以是相同的。因此，对于距离z1和距离z1+n·z1p将获得相同的TOF传感器信号，其中n是表示纵向周期的整数，z1p是TOF传感器信号的纵向周期，其中距离z1和z1+n·z1p在测量范围内。如本文所使用的，术语“纵向周期”是指周期的分区，特别是距离范围，其中可以根据TOF传感器信号毫不含糊地确定纵向坐标。非唯一的纵向坐标可以被表示为相对纵向坐标，并且唯一的纵向坐标可以被表示为绝对纵向坐标。
如果TF传感器信号F1和组合传感器信号F2均可用，则可唯一地确定纵向坐标并且扩展纵向范围，只要每个信号对(F1,F2)对应于唯一的距离即可，反之亦然。特别地，如果针对每个纵向坐标都存在唯一信号对(F1,F2)，反之亦然，则评估装置可以适于通过以下步骤确定唯一的组合纵向坐标：
(1)选择至少一个第一选定的信号，例如TOF传感器信号和/或组合的传感器信号，并且确定非唯一的第一纵向坐标；
(2)选择未在步骤(1)中选择的第二选定的信号，例如组合的信号Q和/或TOF传感器信号，并且确定非唯一的第二纵向坐标；
(3)确定非唯一的第一纵向坐标和非唯一的第二纵向坐标中的一者是否匹配预定的容差阈值；
(4)将组合的唯一纵向坐标设定为匹配的纵向坐标。
在步骤(1)和步骤(2)，可以按给定顺序选择信号，或者可以以不同顺序执行信号。例如，在步骤(1)，可以选择TOF传感器信号，并且在步骤(2)，可以选择组合信号Q。在另一示例中，在步骤(1)，可以选择组合传感器信号，并且可以从中确定非唯一的第一纵向传感器信号。在步骤(2)，可以选择TOF传感器信号。
作为步骤(4)的附加或替代，评估装置可以适于在没有找到匹配坐标的情况下输出误差信号和/或在找到多于一个匹配坐标的情况下输出误差信号。附加地或替代地，信号对及其相应的纵向坐标可以被存储在查找表中。附加地或替代地，信号对及其相应的纵向坐标可以通过分析函数而被近似或描述，该分析函数被计算以找到对应于给定信号对的纵向坐标。
评估装置可以包括至少两个存储元件。如本文所使用的，术语“存储元件”是指适于存储信息的装置。评估装置可以适于接收和存储由光学传感器提供的信息，例如至少一个第一传感器信号。这种信息可以包括原始传感器数据和/或处理过的传感器数据。例如，存储器元件可以适于存储信息以供评估装置进一步评估。存储元件可以是易失性或非易失性存储元件。
如上所述，光学传感器可以被设计为和/或可以包括至少一个ToF像素。检测器可以包括至少两个开关。每个开关可以被连接到适于产生第一传感器信号的光学传感器，例如通过至少一个连接器。特别地，每个开关可以被连接到ToF像素。开关适于将TOF传感器信号提供给存储元件之一。特别地，开关可以适于根据反射光束的接收时间，使所产生的TOF传感器信号通过其中一个开关。例如，TOF传感器信号可以在中断装置的打开期间通过其中一个开关，而在中断装置的关闭期间，TOF传感器信号可以通过另一开关。每个开关可以由控制信号控制，该控制信号的脉冲长度与由照射源产生的光脉冲的脉冲长度相同。其中一个开关的控制信号可被延迟。例如，延迟可以对应于光脉冲的脉冲长度。评估装置可以适于根据该延迟来采样和/或存储通过第一存储元件中的第一开关的TOF传感器信号的第一部分或部分，以及通过第二存储元件中的第二开关的TOF传感器信号的另一第二部分或部分。评估装置可以适于通过评估TOF传感器信号的第一部分和第二部分来确定第一纵向坐标。评估装置可以适于通过下式确定第一纵向坐标：
其中c是光速，t0是照射光束的脉冲长度，z0是通常由时间测量的分辨率确定的距离偏移，S11和S12分别是TOF传感器信号的第一部分和第二部分。
检测器可以适于通过使用三角测量和/或结构化光技术来确定对象的至少一项距离信息。在已知的3D感测装置(例如使用三角测量或结构化光技术的装置)中，由于对应问题，规则的恒定或周期性图案是不合适的，因为每个测量点必须被分配给参考图案的一个参考点。从对象传播到检测器的至少一个光束可以适于在光学传感器矩阵上产生至少一个反射图案。术语“反射图案”是指光学传感器响应于从对象传播到检测器的光束对光敏区域的照射而确定的至少一个图像，其是响应于照射图案的照射而产生的。反射图案可以包括至少一个取决于照射图案的对应照射特征的反射特征。检测器可以适于根据商信号确定反射图案的至少一个反射特征的对象点的纵向坐标。因此，检测器可以适于对反射图案的至少一个反射特征进行预分类。这允许使用包括规则的和/或恒定的和/或周期性图案的照射图案，例如三角形图案、矩形图案、六边形图案或包括更多凸起倾斜的图案。照射图案可以在每个区域中包括尽可能多的特征，因此可以优选六边形图案。
评估装置可以适于执行至少一项图像分析和/或图像处理，以便识别反射特征。图像分析和/或图像处理可以使用至少一个特征检测算法。图像分析和/或图像处理可以包括以下一者或多者：滤波；选择至少一个感兴趣区域；形成在由传感器信号产生的图像和至少一个偏移之间的差异图像；通过反转由传感器信号产生的图像来反转传感器信号；形成在由传感器信号在不同时间产生的图像之间的差异图像；背景校正；分解为颜色通道；分解为色度、饱和度以及亮度通道；频率分解；奇异值分解；应用坎尼边缘检测器；应用高斯滤波器的拉普拉斯算子；应用高斯滤波器的差分；应用索贝尔算子；应用拉普拉斯算子；应用思嘉算子；应用普鲁雷特算子；应用罗伯茨算子；应用基尔希算子；应用高通滤波器；应用低通滤波器；应用傅里叶变换；应用拉东变换；应用霍夫变换；应用小波变换；阈值化；创建二进制图像。感兴趣区域可以由用户手动确定或者可以自动确定，例如通过识别由光学传感器产生的图像内的对象。
评估装置可以适于确定与至少一个反射特征对应的至少一个参考图案中的至少一个参考特征。术语“参考图案”是指在包括至少一个参考特征的特定空间位置处的比较图像。如上所述，评估装置可以适于执行图像分析并识别反射图案的特征。评估装置可以适于识别参考图案中的至少一个参考特征，该参考特征具有与所选择的反射特征基本上相同的纵向坐标。术语“基本上相同”是指在10％，优选地5％，最优选地1％内相同。可以使用对极几何来确定对应于反射特征的参考特征。有关对极几何的描述，请参考例如X.Jiang、H.Bunke的“Dreidimensionales Computersehen”，Springer，Berlin Heidelberg，1997中的第2章。对极几何可以假设参考图案和反射图案可以是在具有固定距离的不同空间位置和/或空间取向处确定的对象的图像。距离可以是相对距离，也被表示为基线。评估装置可以适于确定参考图案中的极线(epipolar line)。参考图案和反射图案的相对位置可以是已知的。例如，参考图案和反射图案的相对位置可以被存储在评估装置的至少一个存储单元内。评估装置可以适于确定从选定的反射特征延伸到该反射特征所源自的真实世界特征的直线。因此，该直线可以包括对应于选定的反射特征的可能的对象特征。该直线和基线跨越极线平面。由于参考图案是在与反射图案不同的相对群集(constellation)处确定的，因此对应的可能的对象特征可以在参考图案中的被称为极线的直线上成像。极线可以是极线平面和参考图案的交集。因此，与反射图案的选定特征对应的参考图案的特征位于极线上。
取决于到对象的距离，与反射图案中的图像位置相比，与反射特征的图像位置对应的参考特征可以在参考图案内移位。参考图案可以包括至少一个位移区域，在该位移区域中可以对与选定的反射特征对应的参考特征进行成像。位移区域可以仅包括一个参考特征。位移区域可以沿着极线延伸。评估装置可以适于沿着极线确定参考特征。评估装置可以适于确定反射特征的纵向坐标z和相对于商信号Q的误差区间±ε，以确定沿着对应于z±ε的极线的位移区域。评估装置可以适于使选定的反射特征与位移区域内的至少一个参考特征相匹配。如本文所使用的，术语“匹配”是指确定和/或评估对应的参考特征和反射特征。评估装置可以适于通过使用考虑所确定的纵向坐标z的至少一个评估算法来将反射图案的选定特征与位移区域内的参考特征进行匹配。评估算法可以是线性缩放算法。优选地，检测器可以适于使用商信号Q对选定的反射特征进行预分类，从而能够毫不含糊地分配到一个参考特征。特别地，照射图案的照射特征可以被布置为使得参考图案的对应参考特征可以在极线上具有尽可能大的彼此相对距离。照射图案的照射特征可以被布置为使得仅少数参考特征被定位在极线上。例如，照射图案可以包括至少一个六边形图案。优选地，照射图案可以包括至少一个六边形图案，其中该图案相对于基线旋转。优选地，照射图案可以包括至少一个移位的六边形图案，其中六边形图案的各个点从常规位置移位一随机距离，例如与该点的极线正交。各个点的位移可以小于两个平行的极线之间的距离的一半，优选地小于两个平行的极线之间的距离的四分之一。各个点的位移可以使得两个点不会彼此位移。
评估装置可以适于确定参考特征和反射特征的位移。评估装置可以适于确定匹配的参考特征和选定的反射特征的位移。如本文所使用的，术语“位移”是指参考图像中的图像位置与反射图像中的图像位置之差。评估装置可以适于使用纵向坐标与位移之间的预定关系来确定匹配特征的纵向信息。如本文所使用的，术语“纵向信息”是指与纵向坐标ztriang有关的信息。例如，纵向信息可以是距离值。评估装置可以适于通过使用三角测量方法来确定预定关系。如果反射图案中的选定的反射特征的位置和匹配的参考特征的位置和/或选定的反射特征与匹配的参考特征的相对位移是已知的，则可以通过三角测量确定相应对象特征的纵向坐标。因此，评估装置可以适于例如随后和/或逐列地选择反射特征，并且使用三角测量来针对参考特征的每个潜在位置来确定相应的距离值。位移和相应的距离值可以被存储在评估装置的至少一个存储装置中。作为例子，评估装置可以包括至少一个数据处理装置，例如至少一个处理器、至少一个DSP、至少一个FPGA和/或至少一个ASIC。此外，为了存储纵向坐标z与位移之间的至少一个预定的或可确定的关系，可以提供至少一个数据存储装置，例如用于提供一个或多个查找表以存储预定的关系。
检测器可以包括至少一个FiP传感器，其适于产生如WO 2015/024871或WO 2016/120392中所述的所谓的FiP效应。例如，光学传感器矩阵的至少一个光学传感器可以适于产生所谓的FiP信号。例如，矩阵的每个光学传感器可以适于产生至少一个FiP信号。例如，光学传感器矩阵可以是像素化的FiP传感器。附加地或替代地，可以从矩阵的传感器信号确定(例如提取和/或模拟)FiP信号，并且可以根据传感器信号确定如上所述的商。如上所述，例如在WO 2015/024871或WO2016/120392中，FiP信号可被用于确定宽距离范围内的深度信息。FiP传感器可以适于呈现正和/或负FiP效应。根据FiP效应，在给定相同总功率的情况下，纵向传感器信号可以针对传感器区域上或传感器区域内的一个或多个聚焦和/或一个或多个特定尺寸的光斑呈现至少一个突出的最大值。出于比较的目的，可以将以下情形称为“正FiP效应”：即，在相应材料被具有尽可能小的横截面的光束照射的条件下(例如当该材料可能位于受光学透镜影响的焦点处或接近该焦点时)观察到纵向传感器信号的最大值。负FiP效应描述了在相应材料被具有最小可用光束横截面的光束照射的条件下(特别地，当该材料可能位于受光学透镜影响的焦点处或接近该焦点时)观察到纵向传感器信号的最小值。负FiP效应可被用于调节高距离处的小图像效果。当负FiP效应增加时，在高距离处，诸如位置、尺寸、形状、锐度之类的图像变化可能会消失。此外，由于两个单元处于相同的纵向位置并因此接收相同的光子密度，因此不会引入亮度依赖性。
如上所述，检测器可以进一步包括一个或多个附加元件，例如一个或多个附加光学元件。此外，检测器可以完全或部分地被集成到至少一个壳体中。检测器具体地可以包括至少一个传送装置，该传送装置适于将光束导向到光学传感器上。该传送装置可以包括以下一者或多者：至少一个透镜，优选地至少一个可调焦透镜；至少一个光束偏转元件，优选地为至少一个反射镜；至少一个分束元件，优选地为分束立方体或分束镜中的至少一者；至少一个多透镜系统。其中，一般而言，术语“传送装置”通常是指适于修改光束的一个或多个光学元件，例如通过修改光束的光束参数、光束的宽度或光束的方向中的一者或多者。传送装置可以适于将光束引导到光学传感器上。传送装置具体可以包括以下一者或多者：至少一个透镜，例如选自优选地至少一个可调焦透镜、至少一个非球面透镜、至少一个球面透镜、至少一个菲涅耳透镜的至少一个透镜；至少一个衍射光学元件；至少一个凹面镜；至少一个光束偏转元件，优选地为至少一个反射镜；至少一个分束元件，优选地为分束立方体或分束镜中的至少一者；至少一个多透镜系统。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于确定至少一个对象的位置的检测器系统。所述检测器系统包括至少一个根据本发明(例如根据以上公开的实施例中的一个或多个或根据下面进一步详细公开的实施例中的一个或多个)的检测器。所述检测器系统进一步包括至少一个信标(beacon)装置，该信标装置适于将至少一个光束导向所述检测器，其中所述信标装置为能够附接到所述对象、能够由所述对象保持、以及能够集成到所述对象中的至少一种。关于信标装置的更多细节将在下面给出，其中包括其可能的实施例。因此，所述至少一个信标装置可以是或可以包括至少一个有源信标装置，该有源信标装置包括一个或多个照射源，例如一个或多个光源，如激光器、LED、灯泡等。作为例子，由照射源发射的光可以具有300-500nm的波长。或者，如上所述，可以使用红外光谱范围，例如在780nm到3.0μm的范围内。如上所述，由一个或多个信标装置发射的光可以是非调制光或调制光，以便区分两个或更多个光束。附加地或替代地，至少一个信标装置可以适于例如通过包括一个或多个反射元件而朝向所述检测器反射一个或多个光束。此外，至少一个信标装置可以是或可以包括适于散射光束的一个或多个散射元件。其中，可以使用弹性或非弹性散射。在至少一个信标装置适于朝向检测器反射和/或散射主光束的情况下，信标装置可以适于保持光束的光谱特性不受影响，或者可以适于例如通过修改光束的波长来改变光束的光谱特性。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于在用户与机器之间交换至少一项信息的人机接口。所述人机接口包括至少一个根据上面公开的实施例和/或下面进一步详细公开的一个或多个实施例的检测器系统。其中，所述至少一个信标装置适于为直接或间接地附接到所述用户、或者由所述用户保持中的至少一种。所述人机接口被设计为借助所述检测器系统确定所述用户的至少一个位置，其中所述人机接口被设计为向所述位置分配至少一项信息。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于执行至少一种娱乐功能的娱乐装置。所述娱乐装置包括至少一个根据上面公开的实施例和/或根据下面进一步详细公开的一个或多个实施例的人机接口。所述娱乐装置被设计为使得能够由玩家借助所述人机接口输入至少一项信息。所述娱乐装置进一步配置为根据所述信息改变所述娱乐功能。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于跟踪至少一个可移动对象的位置的跟踪系统。所述跟踪系统包括至少一个根据涉及上面公开的和/或在下面进一步详细公开的检测器系统的一个或多个实施例的检测器系统。所述跟踪系统进一步包括至少一个跟踪控制器。所述跟踪控制器适于在特定时间点跟踪所述对象的一系列位置。
在本发明的另一方面中，公开了一种用于对至少一个对象成像的相机。所述相机包括至少一个根据涉及上面公开的和/或在下面进一步详细公开的检测器的任一实施例的检测器。
在本发明的另一方面中，提供了一种用于确定景物的深度轮廓(这也意味着确定至少一个对象的至少一个位置)的扫描系统。所述扫描系统包括至少一个根据本发明的检测器，例如至少一个在上面列出的一个或多个实施例中公开的和/或在下面的一个或多个实施例中公开的检测器。所述扫描系统进一步包括至少一个照射源，其适于用至少一个光束扫描所述景物，该至少一个光束也可被称为照射光束或扫描光束。如本文所使用的，术语“景物”通常是指由检测器可见的二维或三维范围，使得能够用检测器评估二维或三维范围的至少一个几何或空间特性。如本文进一步使用的，术语“扫描”通常是指不同区域中的连续测量。因此，扫描具体地可以意味着至少一个第一测量，其中照射光束以第一方式被取向或定向，以及至少一个第二测量，其中照射光束以不同于第一方式的第二方式被取向或定向。扫描可以是连续扫描或逐步扫描。因此，以连续或逐步的方式，照射光束可以被引导到景物的不同区域，并且检测器可以被检测，以便针对每个区域产生至少一项信息，例如至少一个纵向坐标。作为例子，为了扫描对象，一个或多个照射光束可以连续地或逐步地在对象的表面上产生光斑，其中产生光斑的纵向坐标。然而，替代地，可以使用光图案来进行扫描。扫描可以是点扫描或线扫描，或者甚至是具有更复杂光图案的扫描。扫描系统的照射源可以与检测器的可选照射源不同。然而，替代地，扫描系统的照射源也可以与检测器的至少一个可选照射源完全或部分地相同或被集成到检测器的至少一个可选照射源中。
因此，所述扫描系统可以包括至少一个照射源，所述照射源适于发射至少一个光束，所述至少一个光束被配置为用于照射位于至少一个对象的至少一个表面上的至少一个点。如本文中所使用的，术语“点”是指对象表面的一部分上的区域，具体地，小区域，其例如可以由扫描系统的用户选择为被照射源照射。优选地，该点可以呈现出一方面可以尽可能小的尺寸，以便允许扫描系统尽可能精确地确定扫描系统中所包括的照射源与该点所在的对象表面部分之间的距离值，另一方面可以呈现出尽可能大的尺寸，以允许扫描系统的用户或扫描系统本身(特别地，通过自动程序)检测对象表面的相关部分上该点的存在。
为此，照射源可以包括人工照射源，特别地，至少一个激光源和/或至少一个白炽灯和/或至少一个半导体光源，例如至少一个发光二极管，具体而言，有机和/或无机发光二极管。作为例子，由照射源发射的光可以具有300-500nm的波长。附加地或替代地，可以使用红外光谱范围内的光，例如在780nm到3.0μm的范围内的光。由于其通常限定的光束轮廓和可处理性的其它特性，特别优选地使用至少一个激光源作为照射源。在此，可以优选地使用单个激光源，特别是在提供用户可能容易存储和运输的紧凑型扫描系统很重要的情况下。因此，照射源可以优选地为检测器的组成部分，因此，可以特别地集成到检测器中，例如集成到检测器的壳体中。在优选实施例中，具体而言，扫描系统的壳体可以包括至少一个显示器，其被配置为例如以易于阅读的方式向用户提供关于距离的信息。在另一优选的实施例中，特别地，扫描系统的壳体可以另外包括至少一个按钮，该按钮可以被配置为操作与扫描系统相关的至少一个功能，例如用于设置一个或多个操作模式。在另一优选的实施例中，特别地，扫描系统的壳体可以另外包括至少一个紧固单元，该紧固单元可以被配置为将扫描系统紧固到另一表面，例如橡胶脚垫、底座板或墙上支架，例如包含磁性材料的底座板或支架，特别地用于提高用户测量距离的准确性和/或用户对扫描系统的可操作性。
特别地，扫描系统的照射源因此可以发射单个激光束，该激光束可以被配置为照射位于对象表面上的单个点。因此，通过使用至少一个根据本发明的检测器，可以产生关于至少一个点与扫描系统之间的距离的至少一项信息。由此，优选地，例如通过采用在至少一个检测器中包括的评估装置，可以确定包括扫描系统中所包括的照射系统与由照射源产生的单个点之间的距离。然而，扫描系统可以进一步包括额外的评估系统，该额外的评估系统可以特别适于该目的。替代地或附加地，可以考虑扫描系统的尺寸，特别是扫描系统的壳体的尺寸，因此可以替代地确定扫描系统的壳体上的特定点(例如壳体的前边缘或后边缘)与该单个点之间的距离。
或者，扫描系统的照射源可以发射两个或更多个单独的激光束，这些激光束可以被配置为提供光束的发射方向之间的相应角度，例如直角，由此可以照射位于同一对象的表面上或两个分离的对象的两个不同表面上的两个相应的点。然而，两个单独激光束之间的相应角的其它值也是可行的。该特征可以特别地用于间接测量功能，例如用于推导不能直接得到(例如由于在扫描系统与点之间存在一个或多个障碍物，或者因为其它原因难以到达)的间接距离。举例来说，因此可以通过测量两个单独的距离并使用毕达哥拉斯公式推导高度来确定对象的高度值。具体而言，为了能够与对象相关的预定水平，扫描系统可以进一步包括至少一个调平(leveling unit)单元，具体而言，集成的气泡瓶，用户可以使用该调平单元来保持由用户预定义的水平。
作为另一替代方案，扫描系统的照射源可以发射多个单独的激光束，例如可以呈现出相对于彼此的相应间距(特别地，规则间距)的激光束阵列，这些激光束阵列可以以一方式布置，以便产生位于至少一个对象的至少一个表面上的点的阵列。为此，可以提供专门适配的光学元件，例如分束装置和反射镜，这些光学元件可以允许产生所描述的激光束阵列。特别地，可以通过使用一个或多个可移动反射镜以周期性或非周期性方式使光束重新定向来引导照射源扫描一区域或一体积。
因此，该扫描系统可以提供置于一个或多个对象的一个或多个表面上的一个或多个点的静态布置。或者，该扫描系统的照射源，特别地，一个或多个激光束，例如上述激光束阵列，可以被配置为提供一个或多个光束，特别地通过移动一个或多个反射镜，例如被包括在所述微反射镜阵列内的微反射镜，所述光束可呈现随时间变换强度和/或随着时间的推移交替变换发射方向。结果，照射源可以被配置为通过使用具有由扫描装置的至少一个照射源产生的交替特征的一个或多个光束，来扫描作为图像的至少一个对象的至少一个表面的一部分。特别地，该扫描系统因此可以使用至少一个行扫描和/或列扫描来例如依次或同时扫描一个或多个对象的一个或多个表面。作为非限制性的例子，扫描系统可用于：安全激光扫描仪(例如，在生产环境中)；和/或用于确定对象形状的3D扫描装置，例如与3D打印、身体扫描、质量控制相结合；用于建筑应用，例如作为测距仪；用于物流应用，例如确定包裹的大小或体积；用于家用电器，例如用于机器人真空吸尘器或割草机；或用于可能包括扫描步骤的其它类型的应用中。作为非限制性的例子，扫描系统可用于工业安全幕帘应用中。作为非限制性的例子，扫描系统可用于执行清扫、抽真空、拖地或打蜡功能，或者庭院或花园护理功能，例如割草或耙土。作为非限制性的例子，扫描系统可以采用具有准直光学器件的LED照射源，并且可以适于将照射源的频率移位到不同的频率以获得更准确的结果和/或采用滤波器以衰减特定频率，同时透射其它频率。作为非限制性的例子，扫描系统和/或照射源可以作为整体旋转或使用专用电动机仅使特定光学器件包(例如反射镜、分束器等)旋转，以使得在操作中，扫描系统可以具有全360度视角，或者甚至可以移动和/或旋转出平面以进一步增加扫描区域。此外，照射源可以主动地瞄准预定方向。此外，为了允许有线电气系统旋转，可以采用滑环、光学数据传输或电感耦合。
作为非限制性的例子，扫描系统可以被附接到三脚架并指向具有若干个拐角和表面的对象或区域。一个或多个可灵活移动的激光源可以被附接到扫描系统。可以移动一个或多个激光源，使得它们照射感兴趣点。当按下扫描系统上的指定按钮时，可以测量照射点相对于扫描系统的位置，并且位置信息经由无线接口传输到移动电话。位置信息可以被存储在移动电话应用中。可以移动激光源以照射更多感兴趣点，这些感兴趣点的位置被测量并传输到移动电话应用。移动电话应用可以通过将相邻点与平面表面连接来将该组点变换为3d模型。可以存储和进一步处理3d模型。测量的点或表面之间的距离和/或角度可以被直接显示在附接到扫描系统的显示器上或者被显示在位置信息被发送到的移动电话上。
作为非限制性的例子，扫描系统可以包括用于投射点的两个或更多个可灵活移动的激光源，并且包括用于投射线的另一可移动的激光源。该线可以被用于沿着线布置两个或更多个激光光斑，并且扫描装置的显示器可以显示沿着该线布置的两个或更多个激光光斑之间的距离，例如相等的距离。在两个激光光斑的情况下，可以使用单个激光源，而使用一个或多个分束器或棱镜来修改投射点的距离，其中可以移动分束器或棱镜，以使得投射的激光光斑移动分开或靠近在一起。此外，扫描系统可以适于投射另外的图案，例如直角、圆形、正方形、三角形等，可以通过投射激光光斑并测量其位置来沿着这些另外的图案进行测量。
作为非限制性的例子，扫描系统可以适于作为线扫描装置。特别地，扫描装置可以包括至少一个传感器线或行。三角测量系统需要足够的基线，导致在近场中不可能进行检测。如果激光光斑在传送装置的方向上倾斜，则可以进行近场检测。然而，倾斜导致光斑将移出视野，这限制了远场区域的检测。可以使用根据本发明的检测器克服这些近场和远场问题。特别地，检测器可以包括光学传感器的CMOS线。扫描系统可以适于检测CMOS线上从对象传播到检测器的多个光束。光束可以在对象上的不同位置处产生或者通过照射源的移动产生。如上所述并且在下面更详细地描述的，扫描系统可以适于通过确定商信号Q来确定每个光点的至少一个纵向坐标。
作为非限制性的例子，扫描系统可以适于支持使用工具的作业，工具为例如木材或金属加工工具，例如锯子、钻机等。因此，扫描系统可以适于测量两个相反方向上的距离，并在显示器中显示两个测量的距离或距离和。此外，扫描系统可以适于测量到表面边缘的距离，使得当扫描系统被放置在表面上时，激光点沿着表面自动移动远离扫描系统，直到距离测量显示由表面的拐角或边缘引起的突然变化。这可以在将扫描装置放置在木板上但远离其端部时测量木板端部的距离。此外，扫描系统可以测量一个方向上的板端部距离，并且在相反方向上以指定距离投射线或圆或点。扫描系统可以适于以这样的距离投射线或圆或点：该距离取决于在相反方向上测量的距离，例如取决于预定的和距离。这允许在投影位置处使用诸如锯子或钻机之类的工具进行作业，同时将扫描系统放置在距该工具的安全距离处，并且同时使用该工具以距该板边缘一预定距离执行加工。此外，扫描系统可以适于以预定距离在两个相反方向上投射点或线等。当距离之和改变时，只有一个投射距离发生改变。
作为非限制性的例子，扫描系统可以适于被放置在表面上，例如对其执行任务(例如切割、锯切、钻孔等)的表面，并且适于以预定距离将线投射到表面上，该预定距离例如可以使用扫描装置上的按钮而被调节。
作为非限制性的例子，扫描系统可以被用于安全激光扫描仪，例如用于生产环境中；和/或被用于确定对象形状的3D扫描装置中，例如结合3D打印、身体扫描、质量控制；用于建筑应用中，例如作为测距仪；用于物流应用，例如用来确定包裹的大小或体积；用于家庭应用，例如用于机器人真空吸尘器或割草机；或用于可包括扫描步骤的其它类型的应用中。
如上所述，可选的传送装置可以被设计为将从对象传播到检测器的光馈送到光学传感器，优选地相继馈送。如上所述，该馈送可以可选地借助成像或借助传送装置的非成像特性来实现。特别地，传送装置也可以被设计为在电磁辐射被馈送到光学传感器之前收集电磁辐射。可选的传送装置也可以完全或部分地作为至少一个可选的照射源的组成部分，例如通过将照射源设计为提供具有限定的光学特性的光束，例如具有限定的或精确已知的光束轮廓，例如至少一个高斯光束，特别是具有已知光束轮廓的至少一个激光束。
关于可选的照射源的可能的实施例，可以参考WO 2012/110924 A1。而且，其它实施例也是可行的。从对象出射的光线可以源于对象本身，但也可以可选地具有不同的来源并从该来源传播到对象，并且随后朝向横向和/或纵向光学传感器传播。后一种情况可以例如通过使用至少一个照射源来实现。该照射源例如可以是或可以包括环境照射源，和/或可以是或可以包括人工照射源。举例而言，检测器本身可以包括至少一个照射源，例如至少一个激光器和/或至少一个白炽灯和/或至少一个半导体照射源，例如至少一个发光二极管，特别是有机和/或无机发光二极管。由于其通常限定的光束轮廓和其它可操作特性，特别优选使用一个或多个激光器作为照射源或作为照射源的一部分。照射源本身可以是检测器的组成部分，或者可以独立于检测器形成。照射源特别地可以被集成到检测器中，例如集成到检测器的壳体中。替代地或附加地，至少一个照射源也可以集成到至少一个信标装置中或者集成到一个或多个信标装置中和/或集成到对象中，或者连接到或空间地耦合到对象。
相应地，从一个或多个可选的信标装置出射的光可以替代地或附加地根据所述光源自相应的信标装置自身的选项，从照射源出射和/或由照射源激发。举例来说，从信标装置出射的电磁光可以在被馈送到检测器之前由信标装置本身发射和/或由信标装置反射和/或由信标装置散射。在这种情况下，电磁辐射的发射和/或散射可以在不对电磁辐射有光谱影响或者具有这种影响的情况下实现。因此，举例来说，例如根据斯托克斯或拉曼，在散射期间也可发生波长偏移。此外，例如通过主照射源，例如通过被激发而产生发光(特别地磷光和/或荧光)的对象或对象的部分区域，可以激发光的发射。原则上，其它发射过程也是可行的。如果发生反射，则对象例如可以具有至少一个反射区域，特别地至少一个反射表面。所述反射表面可以是对象本身的一部分，但也可以例如是与对象连接或空间耦合的反射器，例如连接到对象的反射板。如果使用至少一个反射器，则又可以将其视为连接到对象的检测器的一部分，例如独立于检测器的其它组成部分。
信标装置和/或至少一个可选的照射源通常可以在以下至少一个光谱范围内发光：紫外光谱范围，优选地在200nm到380nm的范围内；可见光谱范围(380nm到780nm)；红外光谱范围，优选地在780nm到3.0微米的范围内。对于热成像应用，目标可以发射在远红外光谱范围内的光，优选地在3.0微米到20微米的范围内的光。最优选地，至少一个照射源适于发射红外光谱范围内的光。然而，其它选项也是可行的。
特别地可以以在传感器元件的可选传感器区域上产生例如具有圆形、椭圆形或不同地构造的横截面的光斑的方式来实现光束到传感器元件的馈送。举例而言，检测器可以具有能够检测到对象的可视范围，特别是立体角范围和/或空间范围。优选地，可选的传送装置以这样的方式被设计：例如在对象被置于检测器的可视范围内的情况下，光斑被完全被布置在光学传感器的传感器区域和/或传感器区上。举例来说，传感器区可以被选择为具有相应尺寸以确保满足该条件。
在另一方面，本发明公开了一种用于电子装置中的惯性测量单元。电子装置可以是移动电子装置。电子装置可以是相机。电子装置可以是移动电话。惯性测量单元适于接收由至少一个惯性测量单元确定的数据，该惯性测量单元包括至少一个根据本发明的检测器，例如根据涉及上面公开的或在下面进一步详细公开的检测器的一个或多个实施例的检测器。如本文所使用的，术语“由至少一个检测器确定的数据”是指关于至少一个纵向坐标z的至少一项信息。惯性测量单元还适于接收由选自以下项的至少一个另外的传感器确定的数据：轮速传感器、转弯速率传感器、倾斜传感器、取向传感器、运动传感器、磁流体动力学传感器、力传感器、角度传感器、角速率传感器、磁场传感器、磁力计、加速度计、陀螺仪。如本文所使用的，术语“由至少一个另外的传感器确定的数据”是指从由以下项构成的组中选择的至少一项信息：角度信息；速度信息；转弯速率信息；倾斜信息。惯性测量单元适于通过评估来自检测器和至少一个另外的传感器的数据来确定从由以下项构成的组中选择的电子装置的至少一个特性：空间位置、空间中的相对或绝对运动、旋转、加速度、取向、角位置、倾斜度、转弯速率、速度。惯性测量单元可以包括至少一个处理器。处理器可以适于评估由另外的传感器记录的数据。特别地，处理器可以适于确定和/或计算空间位置、空间取向、运动和速度中的一者或多者。惯性测量单元可以包括多个另外的传感器。惯性测量单元可以适于融合从至少两个另外的传感器确定的信息。惯性测量单元可以适于通过使用至少一个卡尔曼滤波器来融合至少两个另外的传感器的信息。如上所述，检测器可以适于提供纵向坐标z的绝对测量。处理器，例如上述评估装置，可以适于在考虑纵向坐标z的情况下融合至少两个另外的传感器的信息。各种传感器信号可以在卡尔曼滤波器或线性二次估计中使用，以考虑每个传感器信号受到测量误差和不准确性的影响。在卡尔曼滤波器内这些传感器信号的融合可以产生改进的估计，例如用于纵向坐标的测量。
在另一方面，本发明公开了一种用于通过使用诸如根据本发明(例如根据涉及上面公开的或在下面进一步详细公开的检测器的一个或多个实施例)的检测器之类的检测器来确定至少一个对象的位置的方法。然而，也可以使用其它类型的检测器。
所述方法包括以下方法步骤，其中所述方法步骤可以以给定的顺序执行，也可以以不同顺序执行。此外，可能存在一个或多个未列出的附加方法步骤。此外，可以重复地执行一个、多于一个、甚至全部的方法步骤。
这些方法步骤如下：
-利用从对象传播到检测器的至少一个光束照射检测器的至少一个传感器元件，检测器具有光学传感器的矩阵，光学传感器各自具有光敏区域，其中每个光学传感器响应于照射而产生至少一个传感器信号；
-通过以下操作评估传感器信号：
a)确定至少一个具有最高传感器信号的光学传感器并形成至少一个中心信号；
b)评估矩阵中的光学传感器的传感器信号并形成至少一个和信号；
c)通过组合中心信号和和信号而确定至少一个组合信号；以及
d)通过评估组合信号来确定对象的至少一个纵向坐标z。
具体而言，第一和第二传感器信号的评估可以包括通过以下一者或多者导出组合信号Q：形成中心信号与和信号的商，或和信号与中心信号的商；形成中心信号的倍数与和信号的倍数的商，或和信号的倍数与中心信号的倍数的商；形成中心信号的线性组合与和信号的线性组合的商，或和信号的线性组合与中心信号的线性组合的商。此外，纵向坐标的确定可以包括评估组合信号Q。组合信号的评估具体地可以包括使用组合信号Q与纵向坐标之间的至少一个预定的关系，以便确定纵向坐标。
有关细节、选项和定义，可以参考上述检测器。因此，具体而言，如上所述，所述方法可以包括使用根据本发明的检测器，例如根据上面给出的或在下面进一步给出的一个或多个实施例的检测器。
在本发明的另一方面中，提出了一种根据本发明的检测器的用途，例如根据上面给出的或在下面进一步详细给出的一个或多个实施例的检测器的用途，用于从由以下项构成的组中选择的使用目的：交通技术中的位置测量；娱乐应用；安保应用；监视应用；安全应用；人机接口应用；跟踪应用；摄影应用；物流应用；机器视觉应用；机器人应用；质量控制应用；制造应用。
所述对象通常可以是活的或非活的对象。检测器或检测器系统甚至可以包括至少一个对象，对象由此形成检测器系统的一部分。然而，优选地，对象可以在至少一个空间维度上独立于检测器移动。所述对象通常可以是任意对象。在一个实施例中，对象可以是刚性对象。其它实施例也是可行的，例如其中对象是非刚性对象或可改变其形状的对象的实施例。
如下面将更详细描述的，本发明可以具体地用于跟踪人的位置和/或运动，例如用于控制机器、游戏或模拟运动的目的。在该实施例或其它实施例中，具体地，所述对象可以从由以下项构成的组中选择：运动器材制品、优选地为从由球拍、球杆、球棒构成的组中选择的制品；衣服制品；帽子；鞋。
因此，一般而言，根据本发明的装置(例如检测器)可以在各个领域的用途中应用。具体而言，检测器可以应用于从由以下项构成的组中选择的用途的目的：交通技术中的位置测量；娱乐应用；安全应用；人机接口应用；跟踪应用；摄影应用；地图绘制应用，用于生成至少一个空间的地图，例如用于生成从房间、建筑物(building)和街道构成的组中选择的至少一个空间的地图；移动应用；网络摄像头；音频装置；杜比环绕音频系统；计算机外围装置；游戏应用；相机或视频应用；安全应用；监视应用；汽车应用；运输应用；医疗应用；体育应用；机器视觉应用；车辆应用；飞机应用；船舶应用；航天器应用；建筑物应用；建筑(construction)应用；制图应用；制造应用。附加地或替代地，可以提及本地和/或全球定位系统中的应用，尤其是基于地标的定位和/或导航，具体地用于汽车或其它车辆(例如火车、摩托车、自行车、用于货物运输的卡车)、机器人，或者供行人使用。此外，可以提及作为潜在的应用的室内定位系统，例如用于家庭应用和/或用于制造、物流、监视或维护技术中使用的机器人。
根据本发明的装置可用于移动电话、平板计算机、膝上型计算机、智能面板或其它固定或移动或可穿戴的计算机或通信应用中。因此，根据本发明的装置可以与至少一个有源光源(例如发射可见光范围或红外光谱范围内的光的光源)组合，以提高性能。因此，作为例子，根据本发明的装置可以用作相机和/或传感器，例如与用于扫描和/或检测环境、对象和生物的移动软件组合。为了增强成像效果，根据本发明的装置甚至可以与诸如传统相机的2D相机组合。根据本发明的装置可进一步用于监视和/或用于记录目的，或者用作控制移动装置的输入装置，尤其是与语音和/或手势识别相结合。因此，具体而言，根据本发明的充当人机接口的装置(也被称为输入装置)可用于移动应用，例如用于通过移动装置(例如移动电话)来控制其它电子装置或组件。作为例子，包括至少一个根据本发明的装置的移动应用可用于控制电视机、游戏机、音乐播放器或音乐装置或其它娱乐装置。
此外，根据本发明的装置可以在用于计算应用的网络摄像头或其它外围装置中使用。因此，作为例子，根据本发明的装置可以与用于成像、记录、监视、扫描或运动检测的软件相组合来使用。如在人机接口和/或娱乐装置的上下文中所述的，根据本发明的装置对于通过面部表情和/或身体表情提供命令特别有用。根据本发明的装置可以与其它输入生成装置(例如，鼠标、键盘、触摸板、麦克风等)组合。此外，根据本发明的装置可用于游戏应用，例如通过使用网络摄像头。此外，根据本发明的装置可用于虚拟训练应用和/或视频会议。此外，根据本发明的装置可用于识别或跟踪在虚拟现实或增强现实应用中使用的手、手臂或对象，尤其是当佩戴头戴式显示器时。
此外，如上面部分地解释的，根据本发明的装置可用于移动音频装置、电视装置和游戏装置。具体而言，根据本发明的装置可用作用于电子装置、娱乐装置等的控件或控制装置。此外，根据本发明的装置可用于眼睛检测或眼睛跟踪，例如在2D和3D显示技术中，尤其是在用于增强现实应用的透明显示器和/或用于识别是否在观看显示器和/或从哪个视角观看显示器。此外，根据本发明的装置可用于浏览与虚拟或增强现实应用有关的房间、边界、障碍物，尤其是当佩戴头戴式显示器时。
此外，根据本发明的装置可用于或用作数码相机(例如DSC相机)和/或用于或用作反射式相机(例如SLR相机)。对于这些应用，可以参考上面公开的根据本发明的装置在诸如移动电话的移动应用中的用途。
此外，根据本发明的装置可用于安全或监视应用。因此，作为例子，至少一个根据本发明的装置可以与一个或多个数字和/或模拟电子装置组合，所述数字和/或模拟电子装置可以在对象位于预定区域之内或之外时发出信号(例如，用于银行或博物馆中的监视应用)。具体地，根据本发明的装置可用于光学加密。通过使用至少一个根据本发明的装置的检测可以与其它检测装置组合以补充波长，例如利用IR、X射线、UV-VIS、雷达或超声波检测器。根据本发明的装置可以进一步与主动式红外光源组合以允许在弱光环境中进行检测。与有源检测器系统相比，根据本发明的装置通常是有利的，具体是因为根据本发明的装置避免了如例如在雷达应用、超声波应用、LIDAR或类似的有源检测器装置中的情况下主动发送可被第三方检测到的信号。因此，一般而言，根据本发明的装置可用于对移动对象进行不可识别和不可检测的跟踪。此外，与传统装置相比，根据本发明的装置通常不太容易被操纵和刺激。
此外，考虑到通过使用根据本发明的装置的3D感测的容易性和准确性，根据本发明的装置通常可用于面部、身体和人的识别与鉴别。其中，根据本发明的装置可以与用于识别或个性化目的的其它检测手段(例如密码、指纹、虹膜检测、语音识别或其它手段)结合。因此，一般而言，根据本发明的装置可用于安全装置和其它个性化应用中。
此外，根据本发明的装置可被用作用于产品识别的3D条形码读取器。
除了上面提到的安全和监视应用之外，根据本发明的装置通常还可用于监视和监控空间和区域。因此，根据本发明的装置可用于勘测和监控空间和区域，并且作为例子，用于在侵入禁区时触发或执行警报。因此，一般而言，根据本发明的装置可用于在建筑物监视或博物馆中的监视目的，可选地与其它类型的传感器组合，例如与运动或热传感器组合，与图像增强器或图像增强装置和/或光电倍增管组合。此外，根据本发明的装置可用于公共空间或拥挤空间中以检测潜在的危险活动，例如犯罪行为(如停车场中的盗窃)，或无人看管的对象，例如机场中无人看管的行李。
此外，根据本发明的装置可以有利地应用于例如视频和摄像机应用之类的相机应用。因此，根据本发明的装置可用于运动捕捉和3D电影记录。其中，根据本发明的装置通常提供大量优于传统光学装置的优点。因此，根据本发明的装置通常在光学组件方面要求较低的复杂度。因此，例如与传统光学装置相比，例如通过提供根据本发明的仅具有一个透镜的装置，可以减少透镜的数量。由于复杂性降低，可以实现非常紧凑的装置，例如用于移动使用。具有两个或更多个高质量透镜的传统光学系统例如因为一般需要大体积分束器，因此通常体积庞大。此外，根据本发明的装置通常可用于诸如自动对焦相机之类的聚焦/自动聚焦装置。此外，根据本发明的装置还可用于光学显微镜，尤其是共焦显微镜。
此外，根据本发明的装置通常适用于汽车技术和运输技术的技术领域。因此，作为例子，根据本发明的装置可以用作距离和监视传感器，例如用于自适应巡航控制、紧急制动辅助、车道偏离警告、环绕观察，盲点检测、交通标志检测、交通标志识别、车道识别、后方交叉交通警报、根据接近交通或前方行驶车辆调整前照灯强度和范围的光源识别、自适应前方照明系统、远光前照灯的自动控制、前照灯系统中的自适应关灯、无眩光远光前照灯系统、通过前照灯照射来标示动物、障碍物等、后方交叉交通警报以及其它驾驶员辅助系统(例如高级驾驶员辅助系统)或其它汽车和交通应用。此外，根据本发明的装置可以被用于这样的驾驶员辅助系统中，所述驾驶员辅助系统提前预见驾驶员的操纵以避免碰撞等。此外，根据本发明的装置还可用于速度和/或加速度测量，例如通过分析使用根据本发明的检测器获得的位置信息的第一和第二时间导数。该特征通常可适用于汽车技术、运输技术或一般交通技术。在其它技术领域中的应用是可行的。室内定位系统的一个具体应用是检测运输中的乘客的位置，更具体地是为了以电子方式控制安全系统(如安全气囊)的使用。如果对于乘客处于气囊的使用会造成严重伤害的位置，则可以防止安全气囊的使用。此外，在诸如汽车、火车、飞机等的交通工具中，尤其是在自动驾驶车辆中，可以使用根据本发明的装置确定驾驶员是注意交通还是分心、睡觉、疲劳或因为喝酒等无法驾驶。
在这些或其它应用中，一般而言，根据本发明的装置可用作独立装置，或与其它传感器装置组合使用，例如与雷达和/或超声波装置组合使用。具体而言，根据本发明的装置可用于自主驾驶和安全问题。此外，在这些应用中，根据本发明的装置可以与红外传感器、作为声波传感器的雷达传感器、二维相机或其它类型的传感器组合使用。在这些应用中，根据本发明的装置的通常无源的性质是有利的。因此，由于根据本发明的装置一般不需要发射信号，因此可以避免有源传感器信号干扰其它信号源的风险。根据本发明的装置具体地可以与识别软件(例如标准图像识别软件)组合使用。因此，由根据本发明的装置提供的信号和数据通常易于处理，因此与已建立的3D测量系统相比，一般需要更低的计算能力。考虑到空间需求低，诸如相机之类的根据本发明的装置实际可被置于车辆的任何位置，例如在窗屏上或窗屏后、在前罩上、在保险杠上、在灯上、在反射镜上或其它位置等。可组合根据本发明的各种检测器，例如基于在本发明内公开的效果的一个或多个检测器，例如以便允许自主驾驶车辆或以便以增加主动安全概念的性能。因此，根据本发明的各种装置可与根据本发明的一个或多个其它装置和/或例如在诸如后窗、侧窗或前窗的窗中、在保险杠上或在灯上的常规传感器相组合。
根据本发明的至少一个装置(例如根据本发明的至少一个检测器)与一个或多个雨水检测传感器的组合也是可能的。这是由于如下事实：根据本发明的装置一般是优于传统传感器技术，例如雷达，特别是在暴雨期间。根据本发明的至少一个装置与至少一个传统感测技术(例如雷达)的组合可允许软件来拾取根据天气条件的信号的正确组合。
此外，根据本发明的装置一般可被用作中断辅助和/或停车辅助和/或用于速度测量。速度测量可被集成在车辆中或者可在车辆外面使用，例如以便在交通控制中测量其它汽车的速度。另外，根据本发明的装置可被用于检测在停车场中的空闲停车位。
此外，根据本发明的装置可被用于医疗系统和运动领域中。因此，在医疗技术的领域中，可提及例如用在内窥镜中的手术机器人，因为如上所概述，根据本发明的装置可仅要求小体积，并且可被集成到其它装置中。具体而言，根据本发明的至多具有一个透镜的装置可被用于捕获在医疗装置(例如内窥镜)中的3D信息。另外，根据本发明的装置可与适当的监视软件组合，以便能够进行对移动的跟踪和分析。这可以允许诸如内窥镜或解剖刀之类的医疗装置的位置与来自医学成像的(例如从磁共振成像、X射线成像或超声成像获得的)结果即时重叠。这些应用例如在精确位置信息很重要的医疗中(例如在脑外科手术、远程诊断以及远程医疗中)特别有价值。此外，根据本发明的装置可用于3D身体扫描。身体扫描可应用于医学领域中，例如应用于牙科手术、整形手术、减肥手术或美容整形手术中，或者其可以应用于医学诊断领域中，例如应用于肌筋膜疼痛综合征、癌症、身体畸形障碍或其它疾病的诊断中。身体扫描可进一步应用于运动领域以评估运动装备的人体工程学使用或适合性。
身体扫描可进一步用于服装领域，例如用于确定衣服的合适尺寸和适合性。这种技术可用于服装量身定做领域，或用于从互联网或自助购物装置(如微型售货亭装置或顾客管家装置)订购衣服和鞋的领域。服装领域的身体扫描对于扫描穿着整齐的顾客特别重要。
此外，根据本发明的装置可用于人数统计系统领域，例如统计电梯、火车、公交车、汽车或飞机中的人数，或者统计通过走廊、门、过道、零售商店、体育场、娱乐场所、博物馆、图书馆、公共场所、电影院、剧院等的人数。此外，人数统计系统中的3D功能可用于获得或估计关于被计数的人们的进一步信息，例如身高、体重、年龄、身体素质等。这些信息可用于商业智能度量，和/或用于进一步优化可能统计人数的地点以使其更具吸引力或更安全。在零售环境中，根据本发明的装置在人数统计情况下可用于识别回头客或交叉购物者，评估购物行为，评估进行购物的访客的百分比，优化员工轮班制度，或者监视每位访客的购物商场成本。此外，人数统计系统可用于人体测量学调查。此外，根据本发明的装置可用于公共交通系统中，以便根据运输长度而自动向乘客计费。此外，根据本发明的装置可用于儿童游乐场中，以识别受伤的儿童或进行危险活动的儿童，以允许与游乐场玩具的额外互动，以确保游乐场玩具等的安全使用。
此外，根据本发明的装置可用于建筑工具(例如确定到对象或到墙壁的距离的测距仪)中，以评估表面是否为平面，以对准对象或以有序的方式放置对象，或者用于在建筑环境中使用的检查相机中。
此外，根据本发明的装置可应用于运动和锻炼领域中，例如用于训练、遥控指令或比赛的目的。具体而言，根据本发明的装置可应用于舞蹈、有氧运动、足球、英式足球、篮球、棒球、板球、曲棍球、田径、游泳、马球、手球、排球、橄榄球、相扑、柔道、击剑、拳击、高尔夫、赛车、激光标签(laser tag)、战场模拟等的领域中。根据本发明的装置可用于检测运动和游戏中的球、球拍、剑、动作等的位置，例如以监视比赛、支持裁判或支持特定运动情形的判决，特别是自动判决，例如支持判定是否实际得分或投中。
此外，根据本发明的装置可用于赛车或汽车驾驶员培训或汽车安全培训等领域中，以确定汽车的位置或汽车的轨迹，或确定从先前的轨迹或理想的轨迹的偏离等。
根据本发明的装置可进一步用于支持音乐乐器的练习，特别是远程课程，例如以下乐器的课程：弦乐器，例如提琴、小提琴、中提琴、大提琴、贝司、竖琴、吉他、班卓琴或尤克里里；键盘乐器，例如钢琴、风琴、键盘、大键琴、小风琴、或手风琴；和/或鼓乐器，例如爵士鼓、定音鼓、马林巴琴、木琴、电颤琴、邦戈鼓、康加鼓、天巴鼓、非洲鼓或塔布拉鼓。
根据本发明的装置进一步可用于康复和物理治疗，以鼓励训练和/或调查和纠正运动。在此，根据本发明的装置也可应用于距离诊断。
此外，根据本发明的装置可应用于机器视觉的领域中。因此，根据本发明的装置中的一个或多个可被用作例如用于机器人的自主驾驶和/或工作的无源控制单元。与移动机器人组合，根据本发明的装置可允许自主移动和部件中的故障的自主检测。根据本发明的装置也可被用于制造和安全监视，例如以便避免包括但不限于在机器人、产品部件和活物之间的碰撞的事故。在机器人技术中，人和机器人的安全和直接交互常常是个问题，因为当人未被识别时机器人可能严重伤害人。根据本发明的装置可帮助机器人更好地和更快速地定位对象和人，并且允许安全的交互。考虑根据本发明的装置的无源性质，根据本发明的装置相对于有源装置是有利的，和/或可被用于像雷达、超声、2D照相机、红外检测等的现存的解决方案的补充。根据本发明的装置的一个特别的优点是信号干扰的低可能性。因此，多个传感器可在相同的环境中在相同的时间工作，而没有信号干扰的风险。因此，根据本发明的装置一般在高度自动化的生产环境(像例如但不限于汽车、采矿、钢铁等)中可以是有用的。根据本发明的装置也可被用于在生产中的质量控制，例如与其它传感器(像2D成像、雷达、超声、红外等)组合，例如用于质量控制或其它目的。另外，根据本发明的装置可被用于表面质量的评价，例如用于调查产品的表面均匀性或到特定尺寸(从微米的范围到米的范围)的粘附。其它质量控制应用是可行的。在制造环境中，根据本发明的装置对于处理具有复杂的3维结构的天然产品(例如食品或木材)尤其有用，以避免大量的浪费的材料。此外，根据本发明的装置可用于监测罐、桶等的填充水平。此外，根据本发明的装置可用于检查复杂产品的缺失部件、不完整部件、松散部件、低质量部件等，例如用于如印刷电路板的自动光学检查、用于组件或子组件的检查、工程部件的验证、发动机部件检查、木材质量检查、标签检查、医疗装置的检查、产品取向的检查、包装检查、食品包装检查等。
此外，根据本发明的装置可用于车辆、火车、飞机、船舶、航天器和其它交通应用中。因此，除了上面提及的在交通应用的领域中的应用以外，可提及用于飞行器、车辆等的无源跟踪系统。用于监视移动对象的速度和/或方向的根据本发明的至少一个装置(例如根据本发明的至少一个检测器)的用途是可行的。具体地，可提及在陆地、海上和在空中(包括太空中)的快速移动对象的跟踪。至少一个根据本发明的装置例如至少一个根据本发明的检测器具体地可被安装在静止的和/或移动的装置上。至少一个根据本发明的装置的输出信号可与例如用于另一个对象的自主的或被引导的移动的引导机构组合。因此，用于避免碰撞或用于使得在跟踪的与操控的对象之间能够碰撞的应用是可行的。由于所要求的计算能力低、瞬时响应并且由于检测系统的无源性质(与有源系统(像例如雷达)相比，该检测系统一般更难以检测和扰乱)，根据本发明的装置一般是有用的和有利的。根据本发明的装置尤其是有用的，但不限于例如速度控制和空中交通控制装置。此外，根据本发明的装置可用于道路收费的自动收费系统。
根据本发明的装置通常可用于无源应用中。无源应用包括用于在港口或在危险区中的船舶以及用于在着陆或起飞时的飞行器的引导。其中，固定的、已知的有源目标可被用于精确引导。其同样可用于在危险但明确限定的路线上行驶的车辆，例如采矿车辆。此外，根据本发明的装置可用于快速检测接近的对象，例如汽车、火车、飞行物、动物等。此外，根据本发明的装置可用于检测对象的速度或加速度，或者通过跟踪依赖于时间的对象位置、速度和/或加速度中的一者或多者来预测对象的移动。
此外，如上所述，根据本发明的装置可用于游戏领域中。因此，对于具有相同或不同的大小、颜色、形状等的多个对象的使用，例如对于与将移动包含到其内容中的软件相组合的移动检测，根据本发明的装置可以是无源的。特别地，在将移动实施成图形输出的方面的应用是可行的。此外，例如通过使用根据本发明的用于手势或面部识别的装置中的一个或多个，根据本发明的用于给出命令的装置的应用是可行的。根据本发明的装置可与有源系统组合，以便在例如弱光条件下或在需要增强周围条件的其它情形中工作。附加地或替代地，一个或多个根据本发明的装置与一个或多个IR或VIS光源的组合是可能的。根据本发明的检测器与特殊装置的组合也是可能的，该特殊装置可通过系统及其软件容易区分，例如但不限于，特殊颜色、形状，与其它装置的相对位置、移动速度、光、用于调制在装置上的光源的频率、表面特性，所使用的材料、反射特性、透明度、吸收特性等。除了其它可能性之外，该装置可类似于杆、球拍、球棒、枪、刀、轮、环、方向盘、瓶子、球、玻璃杯、花瓶、勺子、叉子、立方体、骰子、人物、木偶、玩具、烧杯、踏板、开关、手套、首饰、乐器或用于演奏乐器的辅助装置，如拨片，鼓槌等。其它选择是可行的。
此外，根据本发明的装置可用于检测和或跟踪自身发射光的对象，例如由于高温或另外的光发射过程。发光部分可以是排气流等。此外，根据本发明的装置可用于跟踪反射对象并分析这些对象的旋转或取向。
此外，根据本发明的装置通常可用于建筑、建造和制图领域。因此，一般而言，可以使用一个或多个根据本发明的装置以测量和/或监测环境区域，例如农村或建筑物。其中，一个或多个根据本发明的装置可以与其它方法和装置组合，或者可以单独地使用，以便监视建筑物项目、正变化的对象、房屋等的进度和准确度。根据本发明的装置可用于生成被扫描的环境的三维模型，以便从地面或从空中构建房间、街道、房屋、社区或景观的地图。潜在的应用领域可以是建筑、制图、房地产管理、土地测量等。作为例子，根据本发明的装置可用于无人机或多轴直升机(multicopter)中，以监视建筑物、生产场所、烟囱、农业生产环境(诸如田地)、生产设备或景观，以支持救援行动，以支持在危险环境中作业，以支持在室内或室外的燃烧场所的消防队，或发现或监测一个或多个人或动物等，或用于娱乐目的，诸如无人机跟随和记录一个或多个进行运动(诸如滑雪或骑自行车等)的人，这可以通过跟随头盔、标记、信标装置等来实现。可以使用根据本发明的装置识别障碍物，遵循预定义的路线，跟随边缘、管道、建筑物等，或者记录环境的全局或局部地图。此外，根据本发明的装置可以用于无人机的室内或室外定点和定位，用于稳定大气压力传感器不够准确的室内无人机的高度，或者用于多个无人机的交互，诸如多个无人机的一体化运动或空中充电或加油等。
此外，根据本发明的装置可用于家用电器的互连网络(例如CHAIN(Cedec家用电器互操作网络))内，以在家庭中互连、自动执行和控制基本的家用电器相关服务，例如能源或负荷管理、远程诊断、宠物相关电器、儿童相关电器、儿童监视、与家用电器相关的监视、对老人或病人的支持或服务、家庭安全和/或监视、电器操作的远程控制以及自动维修支持。此外，根据本发明的装置可用于诸如空调系统之类的加热或冷却系统，以定位房间的哪个部分应达到特定的温度或湿度，特别是依赖于一个或多个人的位置。此外，根据本发明的装置可用于家庭机器人中，例如可用于家务劳动的服务或自主机器人。根据本发明的装置可用于许多不同的目的，例如用于避免碰撞或绘制环境地图，另外还用于识别用户，针对给定用户个性化机器人的性能，为了安全目的，或者为了手势或面部识别。作为例子，根据本发明的装置可用于机器人真空吸尘器、地板清洗机器人、干扫机器人、用于熨烫衣服的熨烫机器人、诸如猫砂机器人之类的动物垃圾机器人、检测入侵者的安保机器人、机器人割草机、自动泳池清洗器、雨槽清洁机器人、窗户清洗机器人、玩具机器人、远端临场机器人、为活动较少人员提供陪伴的社交机器人，或者将语音翻译为手语或将手语翻译为语音的机器人。在诸如老年人的活动较少人员的情况下，可以使用具有根据本发明的装置的家用机器人来拾取对象，运输对象以及以安全的方式与对象和用户进行交互。此外，根据本发明的装置可用于处理危险材料或对象的机器人或处于危险环境中的机器人。作为非限制性的例子，根据本发明的装置可用于机器人或无人遥控车辆中，以便处理危险材料(例如化学品或放射性材料)，特别是在灾害之后，或处理其它危险或潜在危险的对象，例如地雷、未爆炸的武器等，或者在不安全的环境中工作或调查不安全的环境，例如接近燃烧对象的环境或灾后地区，或者在空中、海上、地下等执行有人或无人救援操作。
此外，根据本发明的装置可用于在全球定位系统(GPS)不够可靠的情况下的导航目的。GPS信号通常使用无线电波，这些无线电波在室内或者在室外的山谷中或林木线下方的森林中会被阻挡或难以被接收。此外，特别是在无人驾驶的自动驾驶车辆中，系统的重量很关键。特别是无人驾驶的自动驾驶车辆需要高速位置数据以获得可靠的反馈和其控制系统的稳定性。使用根据本发明的装置可以允许在不因重型装置增加重量的情况下短时间响应和定位。
此外，根据本发明的装置可用于家用装置、移动装置或娱乐装置，例如冰箱、微波炉、洗衣机、遮光帘或百叶窗、家用警报器、空调装置、加热装置、电视机、音频装置、智能手表、移动电话、电话、洗碗机、炉子等，以检测人的存在，监视装置的内容或功能，或者与人交互和/或与另外的家用装置、移动装置或娱乐装置共享有关人的信息。
此外，根据本发明的装置可用于为老年人或残疾人或视力有限或无视力的人提供支持，例如在家务劳动中或在工作中，例如在用于保持、携带或拾取对象的装置中，或者在发信号指示环境中的障碍物的具有光学或声学信号的安全系统中。
根据本发明的装置可进一步用于农业中，例如以便完全或部分地检测和分选害虫、杂草和/或被感染的农作物，其中农作物可能被真菌或昆虫感染。此外，为了收获农作物，根据本发明的装置可用于检测诸如鹿之类的动物，以防这些动物被收割装置伤害。此外，根据本发明的装置可用于监视田地或温室中植物的生长，特别是用于针对田地或温室中的给定区域、或者甚至针对给定作物，调节水、肥料或作物保护产品的量。此外，在农业生物技术中，根据本发明的装置可用于监视植物的大小和形状。
此外，根据本发明的装置可用于自动除去杂草，例如用机械方法，例如以避免使用除草剂。此外，根据本发明的装置可以用于农业领域，特别是用于检测和/或定位特定昆虫，例如以决定是否施用作物保护或肥料物质，例如以减少所施加的物质的量或保护特定的动物群(例如蜜蜂)。
此外，根据本发明的装置可以与用于检测化学物质或污染物的传感器、电子鼻芯片、用于检测细菌或病毒等的微生物传感器芯片、盖革计数器、触觉传感器、热传感器等组合。例如，这可用于构造用于处理危险或困难任务的智能机器人，例如用于治疗高度传染性的患者、处理或清除高度危险性的对象、清洁高度污染的区域(如高放射性区域或化学泄漏区域)，或农业害虫防治。
根据本发明的一个或多个装置可进一步用于扫描对象，例如与CAD或类似的软件相组合，例如用于附加的制造和/或3D打印。其中，可以使用根据本发明的装置的高维精度，例如沿x、y或z方向或沿这些方向的任意组合，例如同时地。此外，根据本发明的装置可用于检查和维护，例如管道检查仪。此外，在生产环境中，根据本发明的装置可用于处理例如外形不容易限定的对象(例如自然生长的对象)，例如按形状或尺寸对蔬菜或其它天然产物进行分选，或者切割诸如肉的产品或切割以低于处理步骤所需的精度制造的对象。
此外，根据本发明的装置可用于本地导航系统，以允许自主或部分自主地移动的车辆或多功能机等通过室内或室外空间。非限制性的例子可以包括移动通过自动存储库以选取对象并将其放在不同位置处的车辆。室内导航可进一步用于购物中心、零售商店、博物馆、机场或火车站、以跟踪移动货物、移动装置、行李、客户或员工的位置，或为用户提供位置特定信息(例如地图上的当前位置)，或关于所售商品的信息等。
此外，根据本发明的装置可用于通过监视速度、倾斜度、即将到来的障碍物、道路不平坦度或曲线等来确保摩托车的安全驾驶，例如摩托车驾驶辅助。此外，根据本发明的装置可用于火车或有轨电车中以避免碰撞。
此外，根据本发明的装置可用于手持装置，例如用于扫描包装或包裹以优化物流过程。此外，根据本发明的装置可用于其它手持装置，例如个人购物装置、RFID读取器、用于医院或健康环境的手持装置，例如用于医疗用途，或用于获得、交换或记录与患者或患者的健康有关的信息，用于零售或健康环境的智能徽章等。
如上所述，根据本发明的装置可进一步用于制造、质量控制或识别应用中，例如用于产品识别或尺寸识别(例如用于发现最佳位置或包装以减少浪费等)中。此外，根据本发明的装置可用于物流应用。因此，根据本发明的装置可用于优化的装载或包装容器或运输工具。此外，根据本发明的装置可用于在制造领域中监视或控制表面损坏，用于监视或控制诸如租赁车辆之类的租赁对象和/或用于保险应用(例如用于损害评估)。此外，根据本发明的装置可用于识别材料、对象或工具的尺寸，例如用于最佳材料处理，尤其是与机器人组合。此外，根据本发明的装置可用于生产中的处理控制，例如用于观察罐的填充水平。此外，根据本发明的装置可用于维护生产物资，例如但不限于罐、管、反应器、工具等。此外，根据本发明的装置可用于分析3D质量标志。此外，根据本发明的装置可用于制造定制的商品，例如牙嵌体、牙齿矫正器、假体、衣服等。根据本发明的装置还可以与一个或多个3D打印机组合以用于快速制成原型、3D复制等。此外，根据本发明的装置可用于检测一个或多个制品的形状，例如用于反产品盗版和用于防伪目的。
因此，具体地，本申请可以应用于摄影领域中。因此，检测器可以是摄影装置的一部分，特别是数码相机的一部分。具体而言，检测器可用于3D摄影，特别是数字3D摄影。因此，检测器可以形成数字3D相机，或者可以是数字3D相机的一部分。如本文中所使用的，术语“摄影”通常是指获取至少一个对象的图像信息的技术。如本文进一步使用的，相机通常是适合于执行摄影的装置。如本文进一步使用的，术语“数字摄影”通常是指通过使用适于生成指示照射的强度和/或颜色的电信号(优选地数字电信号)的多个光敏元件来获取至少一个对象的图像信息的技术。如本文进一步使用的，术语“3D摄影”通常是指在三个空间维度上获取至少一个对象的图像信息的技术。因此，3D相机是适于执行3D摄影的装置。该相机通常可以适于获取单个图像(例如单个3D图像)，或者可以适于获取多个图像(例如图像序列)。因此，该相机也可以是适于视频应用(例如用于获取数字视频序列)的视频相机。
因此，一般而言，本发明进一步涉及用于对至少一个对象成像的相机，具体地数字相机，更具体地3D相机或数字3D相机。如上所述，如本文中所使用的，术语“成像”通常是指获取至少一个对象的图像信息。该相机包括至少一个根据本发明的检测器。如上所述，该相机可以适于获取单个图像或适于获取多个图像(例如图像序列)，优选地适于获取数字视频序列。因此，作为例子，该相机可以是或可以包括视频相机。在后一种情况下，该相机优选地包括用于存储图像序列的数据存储器。
如在本发明中所使用的，表述“位置”通常是指关于对象的一个或多个点的绝对位置和取向中的一者或多者的至少一项信息。因此，具体而言，该位置可以在检测器的坐标系中(例如在笛卡尔坐标系中)确定。然而，附加地或替代地，可以使用其它类型的坐标系，例如极坐标系和/或球坐标系。
如在上面所述以及在下面更详细描述的，本发明优选地可以应用于人机接口领域中、运动领域中和/或计算机游戏领域中。因此，优选地，对象可以从由以下项构成的组中选择：运动器材制品、优选地为选自球拍、球杆、球棒构成的组中选择的制品；衣服制品；帽子；鞋。其它实施例是可行的。
如本文中所使用的，对象通常可以是从活体对象和非活体对象中选择的任意对象。因此，作为例子，至少一个对象可以包括一个或多个制品和/或制品的一个或多个部分。附加地或替代地，对象可以是或可以包括一个或多个生物和/或其一个或多个部位，例如人类(例如，用户)和/或动物的一个或多个身体部位。
关于用于确定对象位置的坐标系(其可以是检测器的坐标系)，检测器可以构成这样的坐标系：在该坐标系中，检测器的光轴形成z轴，并且另外地，可以提供垂直于z轴并且彼此垂直的x轴和y轴。作为例子，检测器和/或检测器的一部分可以位于该坐标系中的特定点处，例如该坐标系的原点处。在该坐标系中，与z轴平行或反平行的方向可被认为是纵向方向，并且沿着z轴的坐标可被认为是纵向坐标。与纵向方向垂直的任意方向可被认为是横向方向，并且x坐标和/或y坐标可被认为是横向坐标。
替代地，可以使用其它类型的坐标系。因此，作为例子，可以使用这样的极坐标系：其中，光轴形成z轴，并且可以使用距z轴的距离和极角作为附加坐标。同样，与z轴平行或反平行的方向可被认为是纵向方向，沿着z轴的坐标可被认为是纵向坐标。与z轴垂直的任意方向可被认为是横向方向，并且极坐标和/或极角可被认为是横向坐标。
检测器可以是被配置为提供关于至少一个对象和/或其部分的位置的至少一项信息的装置。因此，该位置可以指完整描述对象或其部分的位置的信息项，优选地在检测器的坐标系统中，或者可以指仅部分地描述位置的部分信息。检测器通常可以是适于检测光束(例如从信标装置朝向检测器传播的光束)的装置。
评估装置和检测器可以完全或部分地集成到单个装置中。因此，一般而言，评估装置也可以形成检测器的一部分。替代地，评估装置和检测器可以完全或部分地实现为分开的装置。检测器可以包括另外的部件。
检测器可以是固定装置或可移动装置。此外，检测器可以是独立的装置，或可以形成另一装置(例如计算机、车辆或任何其它装置)的一部分。此外，检测器可以是手持装置。检测器的其它实施例也是可行的。
检测器具体地可用于记录检测器的透镜或透镜系统后面的光场，与全光相机或光场相机可比。因此，具体而言，检测器可以实现为适于例如同时在多个焦平面中获取图像的光场相机。如本文中所使用的，术语“光场”通常是指检测器内部(例如相机内部)的光的空间光传播。根据本发明的检测器，特别是具有光学传感器堆叠的检测器，可以具有直接记录检测器或相机内(例如在透镜后面)的光场的能力。多个传感器可以记录距透镜不同距离处的图像。使用例如基于卷积的算法(例如“聚焦深度法”或“散焦深度法”)，可以对透镜后面的光的传播方向、焦点和扩展模型化。从透镜后面的光的模型化的传播中，可以提取出距透镜的不同距离处的图像，可以优化景深，可以提取在不同距离处聚焦的图像，或者可以计算对象的距离。可以提取另外的信息。
若干个光学传感器的使用进一步允许在记录图像之后的图像处理步骤中校正透镜误差。当需要校正透镜误差时，光学仪器通常变得昂贵并且在构造上存在挑战。这些在显微镜和望远镜中尤其成问题。在显微镜中，典型的透镜误差是到光轴的距离可变的光线会被不同地畸变(球差)。在望远镜中，大气中不同的温度可能导致焦点变化。诸如球差之类的静态误差或来自生产的进一步误差可通过如下方式来校正：在校准步骤中确定误差，然后使用固定图像处理(例如固定的像素和传感器的集合)或使用光传播信息的更多所涉及的处理技术。在望远镜中透镜误差具有强时间依赖性(即，依赖于天气条件)的情况下，可以通过使用透镜后面的光传播、计算扩展的景深图像、使用聚焦深度技术以及其它技术来校正透镜误差。
根据本发明的检测器可进一步允许颜色检测。对于颜色检测，可以使用具有不同光谱特性的多个光学传感器，并且这些光学传感器的传感器信号可以被比较。
评估装置可以是或可以包括一个或多个集成电路，例如一个或多个专用集成电路(ASIC)和/或一个或多个数据处理装置，例如一个或多个计算机，优选地一个或多个微计算机和/或微控制器、现场可编程阵列或数字信号处理器。可以包括附加的组件，例如一个或多个预处理装置和/或数据采集装置，例如用于接收和/或预处理传感器信号的一个或多个装置，例如一个或多个AD变换器和/或一个或多个滤波器。此外，评估装置可以包括一个或多个测量装置，例如用于测量电流和/或电压的一个或多个测量装置。此外，评估装置可以包括一个或多个数据存储装置。此外，评估装置可以包括一个或多个接口，例如一个或多个无线接口和/或一个或多个有线接口。
至少一个评估装置可适于执行至少一个计算机程序，例如适于执行或支持根据本发明的方法的方法步骤中的一个或多个或甚至全部的至少一个计算机程序。作为例子，可以实施一个或多个算法，这些算法通过使用传感器信号作为输入变量，可以确定对象的位置。
评估装置可以连接到或可以包括至少一个另外的数据处理装置，该数据处理装置可用于可被用于信息(例如通过光学传感器和/或通过评估装置获得的信息)的显示、可视化、分析、分配、通信或进一步的处理中的一者或多者。作为例子，该数据处理装置可以连接或包含以下至少一者：显示器、投影仪、监视器、LCD、TFT、扬声器、多声道声音系统、LED模式或另外的可视化装置。它可以进一步连接或包含以下至少一者：通信装置或通信接口、连接器或端口，其能够使用电子邮件、文本消息、电话、蓝牙、Wi-Fi、红外线或互联网接口、端口或连接中的一者或多者发送加密或未加密的信息。它可以进一步连接或包含以下至少一者：处理器、图形处理器、CPU、开放式多媒体应用平台(OMAPTM)、集成电路、片上系统(例如来自Apple A系列或三星S3C2系列的产品)、微控制器或微处理器、一个或多个存储块(例如ROM、RAM、EEPROM或闪存)、定时源(例如振荡器或锁相环)、计数定时器、实时定时器或上电复位发电机、稳压器、电源管理电路或DMA控制器。各个单元可以通过诸如AMBA总线之类的总线进一步被连接，或者被集成在物联网或工业4.0型网络中。
评估装置和/或数据处理装置可通过另外的外部接口或端口连接，或者具有另外的外部接口或端口，这些外部接口或端口例如为如下项中的一者或多者：串行或并行接口或端口、USB、Centronics端口、FireWire、HDMI、以太网、蓝牙、RFID、Wi-Fi、USART或SPI、或模拟接口或端口(例如ADC或DAC中的一个或多个)、或标准化接口或端口，用于连接到另外的装置，例如使用诸如CameraLink之类的RGB接口的2D相机装置。评估装置和/或数据处理装置可进一步通过处理器间接口或端口、FPGA-FPGA接口，或串行或并行接口端口中的一者或多者实现连接。评估装置和数据处理装置可进一步连接到光盘驱动器、CD-RW驱动器、DVD+RW驱动器、闪存驱动器、存储卡、磁盘驱动器、硬盘驱动器、固态盘或固态硬盘中的一者或多者。
评估装置和/或数据处理装置可通过一个或多个另外的外部连接器实现连接，或者具有一个或多个另外的外部连接器，所述一个或多个另外的外部连接器例如为电话连接器、RCA连接器、VGA连接器、雌雄同体连接器、USB连接器、HDMI连接器、8P8C连接器、BCN连接器、IEC 60320C14连接器、光纤连接器、D超小型连接器、RF连接器、同轴连接器、SCART连接器、XLR连接器中的一者或多者，和/或可以包含用于这些连接器中的一者或多者的至少一个合适的插座。
包含一个或多个根据本发明的检测器、评估装置或数据处理装置(例如包含光学传感器、光学系统、评估装置、通信装置、数据处理装置、接口、片上系统、显示装置或另外的电子装置中的一者或多者)的单个装置的可能的实施例是：移动电话、个人计算机、平板PC、电视机、游戏机或另外的娱乐装置。在进一步的实施例中，将在下面更详细描述的3D相机功能可以被集成在可用于传统2D数字相机的装置中，而在该装置的壳体或外观上没有显著的差异，其中对于用户而言的显著差异可以仅是获得和/或处理3D信息的功能。
具体而言，包含检测器和/或其部分(例如评估装置和/或数据处理装置)的实施例可以是：移动电话，其包含显示装置、数据处理装置、光学传感器、可选的传感器光学器件、以及评估装置，以用于3D相机的功能。根据本发明的检测器具体地可以适用于在娱乐装置和/或诸如移动电话的通信装置中集成。
本发明的另一实施例可以是检测器或其部分(例如评估装置和/或数据处理装置)在用于汽车、用于自主驾驶或用于轿车安全系统(例如戴姆勒的智能驱动系统)的装置中的合并，其中，作为例子，包含光学传感器、可选地一个或多个光学系统、评估装置、可选地通信装置、可选地数据处理装置、可选地一个或多个接口、可选地芯片上系统、可选地一个或多个显示器装置，或可选地另外的电子装置中的一者或多者的装置可以是车辆、轿车、卡车、火车、自行车、飞机、船舶、摩托车的一部分。在汽车应用中，将该装置集成到汽车设计中需要对光学传感器、可选地光学器件或处于从外部或内部的最小可见度的装置的集成。检测器或其部分(例如评估装置和/或数据处理装置)可以尤其适合于到汽车设计中的这样的集成。
如本文中所使用的，术语“光”通常是指在可见光谱范围、紫外光谱范围和红外光谱范围中的一者或多者中的电磁辐射。其中，术语“可见光谱范围”通常是指380nm到780nm的光谱范围。术语“红外光谱范围”通常是指在780nm到1mm的范围内，优选地在780nm到3.0微米的范围内的电磁辐射。术语“紫外光谱范围”通常是指在1nm到380nm的范围内，优选地在100nm到380nm的范围内的电磁辐射。优选地，本发明中使用的光是可见光，即在可见光谱范围内的光。
术语“光束”通常可以指被发射和/或反射到特定方向中的光的量。因此，光束可以是在垂直于光束传播方向的方向上具有预定扩展的光线束。优选地，光束可以是或可以包括可通过一个或多个高斯束参数来表征的一个或多个高斯光束，例如高斯光束的线性组合，该一个或多个高斯束参数例如为束腰、瑞利长度、或任何其它光束参数、或适于表征光束直径和/或光束在空间中的传播的发展的光束参数的组合中的一者或多者。
根据本发明的检测器可以进一步与一个或多个其它类型的传感器或检测器组合。因此，该检测器可以进一步包括至少一个附加的检测器。该至少一个附加的检测器可以适于检测至少一个参数，例如以下项中的至少一项：周围环境的参数，例如周围环境的温度和/或亮度；关于检测器的位置和/或取向的参数；指定待检测的对象的状态的参数，例如对象的位置，例如对象的绝对位置和/或对象在空间中的取向。因此，一般而言，本发明的原理可以与其它测量原理结合，以便获得附加的信息，和/或以便验证测量结果或减少测量误差或噪声。
如上所述，人机接口可以包括多个信标装置，这些信标装置适于为直接地或间接地附接到用户和由用户保持中的至少一种。因此，信标装置可以分别通过任何合适的手段(例如通过适当的固定装置)独立地附接到用户。附加地或替代地，用户可在他的或她的手中和/或通过在身体部位上穿戴至少一个信标装置和/或包含信标装置的衣服来保持和/或携带至少一个信标装置或信标装置中的一个或多个。
信标装置通常可以是可由至少一个检测器检测到和/或便于被至少一个检测器检测到的任意装置。因此，如上面描述或将在下面更详细描述的，信标装置可以是适于生成将由检测器检测的至少一个光束的有源信标装置，例如通过具有用于生成至少一个光束的一个或多个照射源。附加地或替代地，该信标装置可以完全或部分地被设计为无源信标装置，例如通过提供适于反射由单独的照射源生成的光束的一个或多个反射元件。所述至少一个信标装置可以以直接或间接的方式永久地或暂时地附接到用户和/或可以由用户携带或保持。可以通过使用一个或多个附接装置和/或由用户自己，例如通过用户手持所述至少一个信标装置和/或通过用户穿戴信标装置，来实现所述附接。
附加地或替代地，信标装置可以是附接到对象以及集成到用户保持的对象中的至少一种，就本发明而言，这应当被包括到用户保持信标装置的选项的含义中。因此，如下面更详细描述的，信标装置可以附接到或集成到控制元件中，该控制元件可以是人机接口的一部分，并且可以由用户保持或携带，其取向可以由检测器装置来识别。因此，一般而言，本发明还涉及一种检测器系统，其包括至少一个根据本发明的检测器装置，并且可以进一步包括至少一个对象，其中信标装置是附接到对象、由对象保持以及集成到对象中的一种。作为例子，该对象优选地可以形成控制元件，该控制元件的取向可以被用户识别。因此，如上面描述或在下面进一步描述的，检测器系统可以是人机接口的一部分。作为例子，用户可以以特定方式操作控制元件，以便将一项或多项信息发送到机器，例如以便将一个或多个命令发送到机器。
替代地，可以以其它方式使用检测器系统。因此，作为例子，检测器系统的对象可以不同于用户或用户的身体部位，并且作为例子，可以是独立于用户移动的对象。作为例子，检测器系统可用于控制设备和/或工业过程，诸如制造过程和/或机器人过程。因此，作为例子，对象可以是机器和/或机器部件，诸如机器人手臂，其取向可以通过使用检测器系统来检测。
人机接口可以适于使得检测器装置生成关于用户或用户的至少一个身体部位的位置的至少一项信息。具体而言，在已知至少一个信标装置到用户的附接的方式的情况下，通过评估至少一个信标装置的位置，可以获得关于用户或用户的身体部位的位置和/或取向的至少一项信息。
信标装置优选地为可附接到用户的身体或身体部位的信标装置和可由用户保持的信标装置中的一者。如上所述，信标装置可以完全或部分地被设计为有源信标装置。因此，信标装置可以包括至少一个照射源，其适于产生至少一个将被传输到检测器的光束，优选地为至少一个具有已知光束特性的光束。附加地或替代地，信标装置可以包括至少一个发射器，其适于反射由照射源产生的光，由此产生将被传输到检测器的反射光束。
可以形成检测器系统的一部分的对象通常可以具有任意的形状。优选地，如上所述，作为检测器系统的一部分的对象可以是可由用户(例如手动地)操作的控制元件。作为例子，控制元件可以是或可以包括从由以下项构成的组中选择的至少一个元件：手套、外套、帽子、鞋、裤子和套装、可用手握住的手杖、球棒、球杆、球拍、拐杖、玩具(例如玩具枪)。因此，作为例子，检测器系统可以是人机接口和/或娱乐装置的一部分。
如本文中所使用的，娱乐装置是可以用于一个或多个用户(在下文中也被称为一个或多个玩家)的休闲和/或娱乐目的的装置。作为例子，娱乐装置可以用于游戏的目的，优选地用于计算机游戏的目的。因此，娱乐装置可以被实现为计算机、计算机网络或计算机系统，或者可以包括运行一个或多个游戏软件程序的计算机、计算机网络或计算机系统。
娱乐装置包括至少一个根据本发明(例如根据上面公开的实施例中的一个或多个和/或根据下面公开的实施例中的一个或多个)的人机接口。娱乐装置被设计为允许由玩家借助人机接口输入至少一项信息。该至少一项信息可以被传输到娱乐装置的控制器和/或计算机，和/或可以由娱乐装置的控制器和/或计算机使用。该至少一项信息优选地可以包括适于影响游戏过程的至少一个命令。因此，作为例子，该至少一项信息可以包括与玩家和/或玩家的一个或多个身体部位的至少一个取向有关的至少一项信息，由此允许玩家模拟游戏所需的特定位置和/或取向和/或动作。作为例子，可以模拟以下移动中的一者或多者并且将其传达到娱乐装置的控制器和/或计算机：跳舞；跑步；跳跃；挥动球拍；挥动球棒；挥动球杆；将对象指向另一对象，例如将玩具枪指向目标。
作为一部分或整体的娱乐装置，优选地娱乐装置的控制器和/或计算机，被设计为根据信息改变娱乐功能。因此，如上所述，可以根据至少一项信息而影响游戏过程。因此，娱乐装置可以包括一个或多个控制器，该一个或多个控制器可以从至少一个检测器的评估装置分开和/或可以与至少一个评估装置完全或部分地相同，或者甚至可以包括至少一个评估装置。优选地，至少一个控制器可以包括一个或多个数据处理装置，例如一个或多个计算机和/或微控制器。
如本文进一步使用的，跟踪系统是适于收集与至少一个对象和/或关于该对象的至少一部分的一系列过去的位置有关的信息的装置。另外，跟踪系统可以适于提供与至少一个对象或该对象的至少一个部分的至少一个预测的未来位置和/或取向有关的信息。跟踪系统可以具有至少一个跟踪控制器，该至少一个跟踪控制器可以完全或部分地实现为电子装置，优选地实现为至少一个数据处理装置，更优选地实现为至少一个计算机或微控制器。此外，该至少一个跟踪控制器可以完全或部分地包括至少一个评估装置和/或可以是至少一个评估装置的一部分和/或可以与至少一个评估装置完全或部分地相同。
跟踪系统包括至少一个根据本发明的检测器，例如至少一个在上面列出的一个或多个实施例中公开的和/或在下面的一个或多个实施例中公开的检测器。跟踪系统进一步包括至少一个跟踪控制器。该跟踪控制器适于跟踪特定时间点处的对象的一系列位置，例如通过记录多组数据或数据对，每组数据或数据对包括至少一个位置信息和至少一个时间信息。
跟踪系统可以进一步包括至少一个根据本发明的检测器系统。因此，除了至少一个检测器和至少一个评估装置以及可选的至少一个信标装置之外，跟踪系统可以进一步包括对象本身或对象的一部分，例如至少一个控制元件，该至少一个控制元件包括信标装置或至少一个信标装置，其中控制元件直接或间接地可附接到或可集成到待跟踪的对象中。
跟踪系统可以适于发起跟踪系统本身和/或一个或多个单独装置的一个或多个动作。为了后一目的，跟踪系统，优选地跟踪控制器，可以具有用于发起至少一个动作的一个或多个无线和/或有线接口和/或其它类型的控制连接。优选地，至少一个跟踪控制器可以适于根据对象的至少一个实际位置来发起至少一个动作。作为例子，该动作可以从由以下项构成的组中选择：对对象的未来位置的预测；将至少一个装置指向对象；将至少一个装置指向检测器；照射对象；照射检测器。
作为跟踪系统的应用的例子，跟踪系统可以用于连续地将至少一个第一对象指向至少一个第二对象，即使第一对象和/或第二对象可能移动。另外，潜在的例子可以在工业应用中(例如在机器人技术中)找到，和/或用于连续地工作在物品上，即使该物品在移动，例如在制造线或装配线中的制造期间。附加地或替代地，跟踪系统可被用于照射目的，例如用于通过连续地将照射源指向对象而持续照射对象，即使对象可能正在移动。另外的应用可以在通信系统中找到，例如以便通过将发送器指向移动的对象来持续向移动的对象发送信息。
所提出的装置和方法提供了许多优于已知的此类检测器的优点。因此，该检测器通常可以避免上面公开的已知现有技术系统的缺点。具体地，该检测器可以避免使用FiP传感器，从而允许例如使用简单且廉价且可以在市场上购买的半导体传感器，例如硅光电二极管。这些光电二极管通常不呈现出亮度依赖性，并且上面公开的方法通常独立于景物的亮度和/或光束上的光斑的亮度。因此，与上面公开的许多装置相比，在本发明中，进入检测器的光束的亮度或总功率方面的测量范围通常更大。此外，使用根据本发明的检测器的测量通常与目标光斑尺寸无关，即，与对象的尺寸、投射到对象上的光斑的尺寸或者信标装置(被附接到对象、被集成到对象中或由对象支持中的一者或多者)的尺寸无关。
根据本发明的检测器可以被实现为简单装置，该装置将距离测量或z坐标测量的功能与测量一个或多个横向坐标的附加选项组合在一起，从而整合了PSD的功能。
该检测器具体地可以使用线性光电检测器，例如近硅光电二极管。分束器的使用是可选的，但通常不是必需的，这允许使用简单的光学设置。
测量结果(即，由检测器确定的位置，例如至少一个纵向坐标)可以广泛地呈现而与景物的亮度和/或对象的亮度、至少一个信标装置的亮度、至少一个照射源的亮度或从对象传播到检测器的光束的总功率无关。此外，由于亮度方面的这种无关性和宽范围测量，可以使用反射性对象或非反射性对象。
当提及测量范围时，测量范围既可以指与根据本发明的检测器一起使用的亮度范围，例如光束的总功率范围，也可以指检测器和可测量的对象之间的距离范围。例如根据上面列出的一个或多个文献的传统检测器一般在两个测量范围都受限。相反地，上述组合信号的使用提供了宽范围的连续且单调递减或递增的函数，这些函数可用于根据组合信号来确定纵向坐标。因此，在对象和检测器之间的距离方面给出了非常宽的测量范围。类似地，由于组合信号通常与光束总功率无关，因此至少只要光学传感器未达到饱和，本发明便在亮度方面，即，在光束的总功率方面提供非常宽的测量范围。
总体而言，在本发明的上下文中，以下实施例被认为是优选的：
实施例1：一种用于确定至少一个对象的位置的检测器，所述检测器具有
-至少一个具有光学传感器的矩阵的传感器元件，所述光学传感器各自具有光敏区域，其中每个光学传感器被配置为响应于从所述对象传播到所述检测器的至少一个光束对所述光敏区域的照射而产生至少一个传感器信号；
-至少一个评估装置，其被配置为通过以下操作评估所述传感器信号：
a)确定至少一个具有最高传感器信号的光学传感器并形成至少一个中心信号；
b)评估所述矩阵的光学传感器的传感器信号并形成至少一个和信号；
c)通过组合所述中心信号与所述和信号来确定至少一个组合信号；以及
d)通过评估所述组合信号来确定所述对象的至少一个纵向坐标z。
实施例2：根据前一实施例所述的检测器，其中所述中心信号选自：最高传感器信号；在相对于所述最高传感器信号的预定容差范围内的一组传感器信号的平均；来自包含具有所述最高传感器信号的光学传感器的一组光学传感器和预定的一组相邻光学传感器的传感器信号的平均；来自包含具有所述最高传感器信号的光学传感器的一组光学传感器和预定的一组相邻光学传感器的传感器信号的和；在相对于所述最高传感器信号的预定容差范围内的一组传感器信号的和；在预定阈值以上的一组传感器信号的平均；在预定阈值以上的一组传感器信号的和；来自包含具有所述最高传感器信号的光学传感器的一组光学传感器和预定的一组相邻光学传感器的传感器信号的积分；在相对于所述最高传感器信号的预定容差范围内的一组传感器信号的积分；在预定阈值以上的一组传感器信号的积分。
实施例3：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述检测器，具体地，所述评估装置，被配置为变换所述光学传感器的传感器信号，从而产生二次光学传感器信号，其中所述评估装置被配置为通过使用所述二次光学传感器信号来执行步骤a)至d)。
实施例4：根据前一实施例所述的检测器，其中所述传感器信号的变换包括选自以下的至少一种变换：滤波；选择至少一个感兴趣区域；形成在由传感器信号产生的图像和至少一个偏移之间的差异图像；通过反转由传感器信号产生的图像来反转传感器信号；形成在由传感器信号在不同时间产生的图像之间的差异图像；背景校正；分解为颜色通道；分解为色度、饱和度以及亮度通道；频率分解；奇异值分解；应用坎尼边缘检测器；应用高斯滤波器的拉普拉斯算子；应用高斯滤波器的差分；应用索贝尔算子；应用拉普拉斯算子；应用思嘉算子；应用普鲁雷特算子；应用罗伯茨算子；应用基尔希算子；应用高通滤波器；应用低通滤波器；应用傅里叶变换；应用拉东变换；应用霍夫变换；应用小波变换；阈值化；创建二进制图像。
实施例5：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述评估装置包括至少一个中心检测器，用于检测所述至少一个最高传感器信号和/或用于形成中心信号。
实施例6：根据前一实施例所述的检测器，其中所述中心检测器被完全或部分地集成到所述传感器元件中。
实施例7：根据前述两个实施例中的任一者所述的检测器，其中所述中心检测器完全或部分地以软件和/或硬件实现。
实施例8：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述和信号选自：所述矩阵的所有传感器信号的平均；所述矩阵的所有传感器信号的和；所述矩阵的所有传感器信号的积分；所述矩阵中除了来自对所述中心信号有贡献的那些光学传感器的传感器信号之外的所有传感器信号的平均；所述矩阵中除了来自对所述中心信号有贡献的那些光学传感器的传感器信号之外的所有传感器信号的和；所述矩阵中除了来自对所述中心信号有贡献的那些光学传感器的传感器信号之外的所有传感器信号的积分；在相对于具有所述最高传感器信号的光学传感器的预定范围内的光学传感器的传感器信号的和；在相对于具有所述最高传感器信号的光学传感器的预定范围内的光学传感器的传感器信号的积分；位于相对于具有所述最高传感器信号的光学传感器的预定范围内的光学传感器的特定阈值以上的传感器信号的和；位于相对于具有所述最高传感器信号的光学传感器的预定范围内的光学传感器的特定阈值以上的传感器信号的积分。
实施例9：根据前一实施例所述的检测器，其中所述评估装置包括至少一个用于形成和信号的求和装置。
实施例10：根据前一实施例所述的检测器，其中所述求和装置被完全或部分地集成到所述传感器元件中。
实施例11：根据前述两个实施例中的任一者所述的检测器，其中所述求和装置完全或部分地以软件和/或硬件实现。
实施例12：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述组合信号是通过以下一者或多者导出的组合信号Q：形成所述中心信号与所述和信号的商，或所述和信号与所述中心信号的商；形成所述中心信号的倍数与所述和信号的倍数的商，或所述和信号的倍数与所述中心信号的倍数的商；形成所述中心信号的线性组合与所述和信号的线性组合的商，或所述和信号的线性组合与所述中心信号的线性组合的商；形成所述中心信号和所述和信号的第一线性组合与所述中心信号和所述和信号的第二线性组合的商。
实施例13：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述评估装置配置为通过下式导出所述组合信号Q：
其中x和y是横向坐标，A1和A2是传感器位置处的光束轮廓的区域，并且E(x,y,zo)表示在对象距离zo处给出的光束轮廓。
实施例14：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述评估装置被配置为使用所述组合信号Q与所述纵向坐标之间的至少一个预定关系来确定所述纵向坐标。
实施例15：根据前一实施例所述的检测器，其中所述预定关系是经验关系、半经验关系和分析导出关系中的一者或多者。
实施例16：根据前述两个实施例中的任一者所述的检测器，其中所述评估装置包括至少一个用于存储所述预定关系的数据存储装置。
实施例17：根据前述四个实施例中的任一者所述的检测器，其中所述评估装置包括至少一个除法器，其中所述除法器被配置为导出所述组合信号。
实施例18：根据前一实施例所述的检测器，其中所述除法器完全或部分地实现为软件除法器和/或硬件除法器。
实施例19：根据前述两个实施例中的任一者所述的检测器，其中所述除法器被可以完全或部分地集成到所述传感器元件中。
实施例20：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述光学传感器是光电检测器，优选地为无机光电检测器，更优选地为无机半导体光电检测器，最优选地为硅光电检测器。
实施例21：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述光学传感器在红外光谱范围内敏感。
实施例22：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述矩阵包括CCD检测器和/或CMOS检测器，所述CCD检测器优选地为CCD检测器芯片，所述CMOS检测器优选地为CMOS检测器芯片。
实施例23：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述矩阵是具有至少一行和多个列的矩形矩阵，所述至少一行优选地为多个行。
实施例24：根据前一实施例所述的检测器，其中所述行和所述列基本上垂直地定向。
实施例25：根据前述两个实施例中的任一者所述的检测器，其中所述矩阵具有至少10行，优选地至少50行，更优选地至少100行。
实施例26：根据前述三个实施例中的任一者所述的检测器，其中所述矩阵至少10列，优选地至少50列，更优选地至少100列。
实施例27：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述矩阵包括至少50个光学传感器，优选地至少100个光学传感器，更优选地至少500个光学传感器。
实施例28：根据前述四个实施例中的任一者所述的检测器，其中行数和列数的比率接近1，优选地大于1:3，更优选地大于1:2。
实施例29：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述传感器元件与所述检测器的光轴基本上垂直地定向。
实施例30：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述光学传感器各自至少在测量范围内具有线性信号特征，使得相应的传感器信号依赖于于相应的光学传感器的照射总功率。
实施例31：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述检测器进一步包括用于照射所述对象的照射源。
实施例32：根据前一实施例所述的检测器，其中所述照射源被配置为产生用于照射所述对象的照射光束，其中所述检测器被配置为使得所述照射光束沿着所述检测器的光轴从所述检测器朝向所述对象传播。
实施例33：根据前一实施例所述的检测器，其中所述检测器包括至少一个反射元件，优选地为至少一个棱镜，用于将所述照射光束偏转到所述光轴上。
实施例34：根据前述三个实施例中的任一者所述的检测器，其中所述照射源适于产生至少一个用于照射所述对象的照射图案，其中所述照射图案包括选自以下项的至少一个图案：至少一个点图案，特别是伪随机点图案或随机点图案；至少一个索博尔图案；至少一个准周期性图案；至少一个包括至少一个预知的特征的图案；至少一个规则图案；至少一个三角形图案；至少一个六边形图案，特别是旋转的六边形图案和/或移位的六边形图案；至少一个矩形图案；至少一个包括凸起的均匀倾斜的图案。
实施例35：根据前一实施例所述的检测器，其中所述光学传感器适于确定至少一个反射图案，其中所述评估装置适于选择所述反射图案的至少一个特征，并且通过评估所述组合信号Q来确定所述反射图案的所选择的特征的纵向坐标z。
实施例36：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述检测器进一步包括至少一个传送装置，所述传送装置适于将所述光束导向到所述光学传感器上。
实施例37：根据前一实施例所述的检测器，其中所述传送装置包括以下一者或多者：至少一个透镜，例如选自至少一个可调焦透镜、至少一个非球面透镜、至少一个球面透镜、至少一个菲涅耳透镜的至少一个透镜；至少一个衍射光学元件；至少一个凹面镜；至少一个光束偏转元件，优选地至少一个反射镜；至少一个分束元件，优选地分束立方体或分束镜中的至少一者；至少一个多透镜系统。
实施例38：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述评估装置被进一步配置为通过评估具有所述最高传感器信号的至少一个光学传感器的横向位置来确定所述对象的至少一个横向坐标。
实施例39：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述评估装置配置为区分具有不同调制的不同光束。
实施例40：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述检测器包括至少一个照射源，其中所述照射源适于用至少一个照射光束照射对象，其中所述照射源被布置为使得所述照射光束的传播方向基本上平行于所述光轴。
实施例41：根据任一前述实施例所述的检测器，其中所述检测器包括至少一个照射源，其中所述照射源和所述光轴由小基线隔开。
实施例42：一种用于确定至少一个对象的位置的检测器系统，所述检测器系统包括至少一个根据任一前述实施例所述的检测器，所述检测器系统进一步包括至少一个信标装置，所述至少一个信标装置适于将至少一个光束导向所述检测器，其中所述信标装置为能够附接到所述对象、能够由所述对象保持、以及能够被集成到所述对象中的至少一种。
实施例43：一种用于在用户与机器之间交换至少一项信息的人机接口，其中所述人机接口包括至少一个根据前一实施例所述的检测器系统，其中所述至少一个信标装置适于为直接或间接地附接到所述用户、以及由所述用户保持中的至少一种，其中所述人机接口被设计为借助所述检测器系统确定所述用户的至少一个位置，其中所述人机接口被设计为向所述位置分配至少一项信息。
实施例44：一种用于执行至少一种娱乐功能的娱乐装置，其中所述娱乐装置包括至少一个根据前一实施例所述的人机接口，其中所述娱乐装置被设计为使得能够由玩家借助所述人机接口输入至少一项信息，其中所述娱乐装置被设计为根据所述信息改变所述娱乐功能。
实施例45：一种用于跟踪至少一个可移动对象的位置的跟踪系统，所述跟踪系统包括至少一个根据涉及检测器系统的任一前述实施例所述的检测器系统，所述跟踪系统进一步包括至少一个跟踪控制器，其中所述跟踪控制器适于跟踪所述对象在特定时间点的一系列位置。
实施例46：一种用于确定景物的深度分布的扫描系统，所述扫描系统包括至少一个根据涉及检测器的任一前述实施例所述的检测器，所述扫描系统进一步包括至少一个适于用至少一个光束扫描所述景物的照射源。
实施例47：一种用于对至少一个对象成像的相机，所述相机包括至少一个根据涉及检测器的任一前述实施例所述的检测器。
实施例48：一种用于电子装置中的惯性测量单元，其中所述惯性测量单元适于接收由至少一个根据涉及检测器的任一前述实施例所述的检测器确定的数据，其中所述惯性测量单元进一步适于接收由选自以下项的至少一个另外的传感器确定的数据：轮速传感器、转弯速率传感器、倾斜传感器、取向传感器、运动传感器、磁流体动力学传感器、力传感器、角度传感器、角速率传感器、磁场传感器、磁力计、加速度计、陀螺仪，其中所述惯性测量单元适于通过评估来自所述检测器和所述至少一个另外的传感器的数据来确定从选自以下项的所述电子装置的至少一个特性：空间位置、相对或绝对运动、旋转、加速度、取向、角位置、倾斜度、转弯速率、速度。
实施例49：一种用于通过使用至少一个检测器来确定至少一个对象的位置的方法，所述方法包括以下步骤：
-利用从所述对象传播到所述检测器的至少一个光束照射所述检测器的至少一个传感器元件，所述检测器具有光学传感器的矩阵，所述光学传感器各自具有光敏区域，其中每个光学传感器响应于所述照射而产生至少一个传感器信号；
-通过以下操作评估所述传感器信号：
a)确定至少一个具有最高传感器信号的光学传感器并形成至少一个中心信号；
b)评估所述矩阵中的所述光学传感器的传感器信号并形成至少一个和信号；
c)通过组合所述中心信号和所述和信号而确定至少一个组合信号；以及
d)通过评估所述组合信号来确定所述对象的至少一个纵向坐标z。
实施例50：根据前一实施例所述的方法，其中所述组合信号是通过以下一者或多者导出的组合信号Q：形成所述中心信号与所述和信号的商，或所述和信号与所述中心信号的商；形成所述中心信号的倍数与所述和信号的倍数的商，或所述和信号的倍数与所述中心信号的倍数的商；形成所述中心信号的线性组合与所述和信号的线性组合的商，或所述和信号的线性组合与所述中心信号的线性组合的商；形成所述中心信号和所述和信号的第一线性组合与所述中心信号和所述和信号的第二线性组合的商。
实施例51：根据前一实施例所述的方法，其中确定所述纵向坐标包括评估所述组合信号Q，其中评估所述组合信号包括使用所述组合信号Q和所述纵向坐标之间的至少一个预定关系来确定所述纵向坐标。
实施例52：根据任一前述方法实施例所述的方法，其中所述方法包括使用根据涉及检测器的任一前述实施例所述的检测器。
实施例53：一种根据涉及检测器的任一前述实施例所述的检测器的用途，其用于选自以下项的使用目的：交通技术中的位置测量；娱乐应用；安保应用；监视应用；安全应用；人机接口应用；跟踪应用；摄影应用；物流应用；机器视觉应用；机器人应用；质量控制应用；制造应用。
附图说明
本发明的另外可选的细节和特征从与从属权利要求结合遵循的优选示例性实施例的描述中显而易见。在该上下文中，特定的特征可以单独地或与其它特征组合地实现。本发明并不限于示例性实施例。示例性实施例在附图中示意性示出。在各个附图中相同的参考标记表示相同的元件或具有相同功能的元件，或者关于它们的功能彼此对应的元件。
具体地，在附图中：
图1和2示出了根据本发明的检测器的不同实施例；
图3示出了光学传感器的矩阵上的光斑及其评估的示例；
图4示出了根据本发明的检测器；检测器系统、人机接口、娱乐装置、跟踪系统、扫描系统和相机的示例性实施例。
图5示出了针对各种照射强度作为纵向坐标z的函数的组合信号Q的示例性实施例；以及
图6A和6B示出了图2的实施例的修改例，其具有离轴照射光束；
图6C和6D示出了使用根据图6A的检测器设置的两个实验设置的比较和实验结果，其中双单元(Bi-cell)作为光学传感器；
图7A和7B示出了根据本发明的具有小基线的检测器的另一示例性实施例；
图8示出了使用线图案确定纵向坐标z的实施例；
图9A和9B示出了沿着具有一定角度θ并且与坐标原点的距离为ω的线细分为横截面的散焦光束轮廓，以及光学传感器的矩阵上的不同图像区域的拉东变换；
图10A至10C示出了六边形照射图案的三个实施例；以及
图11示出了扫描装置的实施例。
具体实施方式
在图1中，示出了用于确定至少一个对象112的位置的检测器110的实施例的示意图。在这种情况下，对象112包括信标装置114，光束116从该信标装置114朝向传感器元件118传播。传感器元件118包括光学传感器122的矩阵120，每个光学传感器122具有面向对象112的光敏区域124。作为例子，光束116可以沿着检测器110的光轴126传播。然而，其它实施例也是可行的。此外，光学检测器110可以包括至少一个传送装置128，例如至少一个透镜和/或至少一个透镜系统，具体地用于光束塑形。因此，光束116可以被聚焦，例如被聚焦在一个或多个焦点130中，并且光束116的束宽度可以依赖于对象112的纵向坐标z，例如检测器110和信标装置114和/或对象112之间的距离。关于该束宽度对纵向坐标的依赖的细节，可以参考一个或多个上述现有技术文献，例如WO 2012/110924 A1和/或WO 2014/097181A1中的一者或多者。
从图1中可以看出，光束116在矩阵120上产生光斑132。在图3中，示出了矩阵120上的光斑132的示例性视图。可以看出，在该示例性实施例中，矩阵120具体可以是矩形矩阵，其中行由从1到n的“i”编号，并且具有由从1到m的“j”表示的列，其中n、m是整数。在该示例性实施例中，光斑132的中心位于由i*,j*表示的传感器元件中。光学传感器122可以向评估装置134提供传感器信号sij，评估装置134根据传感器信号确定由si*j*符号表示的至少一个中心信号。如上面进一步详细描述的，为了产生中心信号，评估装置134可以包括至少一个中心检测器136。作为例子，中心检测器可以简单地确定由光学传感器122产生的多个传感器信号中的最大传感器信号。替代的方法也是可行的。因此，作为例子，代替确定单个最大光学传感器信号，可以使用多个传感器信号来产生中心信号。因此，作为例子，与光学传感器i*,j*相邻的相邻光学传感器可以对中心信号做出贡献，例如具有坐标i*-1,...,i*+1和j*-1,...,j*+1的光学传感器。在简单示例性实施例中，这些坐标可以围绕光学传感器i*,j*形成正方形。代替如在该实施例中边长为3的正方形，可以使用具有最高传感器信号的光学传感器周围的其它环境。此外，附加地或替代地，可以通过对相对于最大传感器信号的特定范围内的传感器信号进行累加和/或求平均来产生中心信号，这可以例如有益于涉及噪声(诸如像素噪声)的测量精度。此外，附加地或替代地，为了确定中心信号或和信号，可以采用诸如子像素处理、内插、归一化等的图像处理技术。其它替代选择也是可行的。例如，光束轮廓可以是梯形光束轮廓，并且评估装置134可以适于确定梯形的积分，特别是梯形的平台(plateau)的积分。此外，当可以假设梯形光束轮廓时，可以使用评估装置134，通过利用梯形光束轮廓的特性的等效评估来确定和信号和中心信号，例如确定边缘的斜率和位置以及中心平台的高度，并通过几何考虑导出边缘信号和中心信号。
此外，评估装置134被配置为根据矩阵120的传感器信号确定至少一个和信号。为此，评估装置134可以包括至少一个求和装置138。求和装置138可以被配置为对整个矩阵120的传感器信号、矩阵20内的感兴趣区域的传感器信号进行累加、积分或求平均，每个选项具有或不具有从其产生中心信号的光学传感器。因此，在图3所示的示例性实施例中，求和装置被简单地配置为对整个矩阵120中除了具有坐标i*,j*的中心光学检测器的传感器信号之外的传感器信号sij进行求和。然而，其它选择也是可行的。
评估装置134还被配置为根据中心信号和和信号形成至少一个组合信号。为此，作为例子，评估装置134可以包括至少一个组合装置140，例如至少一个除法器142。作为非常简单的实施例，可以通过将中心信号除以和信号，或者通过将和信号除以中心信号，来形成商Q。其它选择也是可行的，并在上面给出。
最后，评估装置134被配置为通过评估组合信号来确定对象的至少一个纵向坐标z。为此，评估装置可以包括至少一个另外的部件，例如至少一个评估部件，其未在图中示出。应当注意，图3所示的评估装置134的部件可以完全或部分地以硬件和/或软件实现。此外，部件可以完全或部分地实现为独立的或单独的部件，和/或可以完全或部分地实现为被集成到传感器元件118中的部件。
除了纵向坐标z之外，图3的实施例还示出了可以产生关于对象112和/或信标装置114的横向坐标的至少一项信息。因此，坐标i*和j*提供了关于对象112和/或信标装置114的横向位置的附加信息项。在图1的设置中，为了简单起见，信标装置114位于中心，即位于光轴126上。在这种情况下，光斑132很可能在矩阵120的中间。然而，在图3所示的实施例中，可以容易地检测到光斑132是偏离中心的。这种偏离中心由坐标i*,j*表征。通过使用这种偏离中心与对象112和/或信标装置114的横向位置之间的已知光学关系，例如通过使用透镜方程，可以产生对象112和/或信标装置114的至少一个横向坐标。该选项也在图3的示例性实施例中示出。
在图2中，示出了图1的实施例的修改例，其形成替代的检测器110。检测器110的该替代实施例广泛地对应于图1所示的实施例。然而，代替使用具有用于产生光束116的发光特性的有源信标装置114，检测器110本身包括至少一个照射源144。作为例子，照射源144可以包括至少一个激光器，而在图1中，作为例子，信标装置114可以包括发光二极管(LED)。然而，其它实施例也是可行的。照射源144可以被配置为产生至少一个照射光束146，用于完全或部分地照射对象112。照射光束146完全或部分地被对象112反射并且朝向检测器110返回，从而形成光束116。
如图2所示，作为例子，照射光束146可以平行于检测器110的光轴126。其它实施例(即离轴照射和/或以一角度照射)也是可行的，如将在下面的图6A和6B的上下文中所示。为了提供轴上照射，如图2所示，作为例子，可以使用一个或多个反射元件148，例如一个或多个棱镜和/或反射镜，例如二向色镜，例如可移动反射镜或可移动棱镜。
除了这些修改例之外，图2中的实施例的设置对应于图1中的设置。因此，同样地可以使用评估装置134，具有例如用于形成组合信号Q的至少一个除法器142，以及例如至少一个位置评估装置143，用于根据组合信号Q和/或另一类型的组合信号导出至少一个纵向坐标z。应当注意，评估装置134也可以完全或部分地以硬件和/或软件实现。因此，作为例子，部件136、138、140、142、143中的一者或多者可以完全或部分地由适当的软件部件实现和/或可以完全或部分地由硬件部件实现。
作为例子，矩阵120的光学传感器122可以是像素化光学传感器的像素，例如CCD和/或CMOS传感器芯片。因此，作为例子，光学传感器122可以具有几微米到几百微米范围内的边长和/或等效直径。然而，应注意，可以使用更大的像素或光学传感器122。此外，代替使用诸如CCD和/或CMOS传感器芯片之类的集成传感器元件118，可以使用非集成矩阵。
图4以高度示意性的图示示出了例如根据图1或2的实施例的检测器110的示例性实施例。检测器110具体地可以实现为相机149和/或可以是相机149的一部分。相机149可用于成像，具体地用于3D成像，并且可用于获取静止图像和/或图像序列(例如数字视频剪辑)。其它实施例也是可行的。
图4还示出了检测器系统150的实施例，除了至少一个检测器110之外，检测器系统150还包括一个或多个信标装置114，在该示例中，信标装置114可以被附接到对象112和/或集成到对象112中，其位置将通过使用检测器110来检测。图4还示出了人机接口151的示例性实施例，其包括至少一个检测器系统150，并且还包括娱乐装置152，娱乐装置152包括人机接口151。该图还示出了用于跟踪对象112的位置的跟踪系统153的实施例，该跟踪系统153包括检测器系统150。下面将更详细地解释这些装置和系统的部件。
图4还示出了扫描系统154的示例性实施例，扫描系统154用于扫描包括至少一个对象112的景物，例如用于扫描对象112和/或用于确定至少一个对象112的至少一个位置。扫描系统154包括至少一个检测器110，并且可选地还包括至少一个照射源136，以及可选地包括至少一个未示出的另外的照射源136。通常，照射源136可以被配置为发射至少一个照射光束138，例如用于照射至少一个点，例如位于信标装置114的一个或多个位置处和/或位于对象112的表面上的点。然而，应当注意，例如如图1的设置中所示，也可以使用有源信标装置，因此，没有集成照射源136的设置也是可行的。扫描系统134可以被设计为产生包括对象112的景物的轮廓和/或对象112的轮廓，和/或可以被设计为通过使用至少一个检测器110，产生关于至少一个点和扫描系统154(具体地，检测器110)之间的距离的至少一项信息。
如上所述，可以在图4的设置中使用的检测器110的示例性实施例也在图1和2中示出。因此，除了传感器元件118之外，检测器110还包括至少一个评估装置134，该评估装置具有例如至少一个中心检测器136、至少一个求和装置138、至少一个组合装置140、至少一个除法器142、至少一个位置评估装置143和/或其组合。这些可选地存在的部件在图4中用符号示出。评估装置134的部件可以完全或部分地集成到不同的装置中和/或可以完全或部分地集成到检测器110的其它部件中。除了完全或部分地组合两个或更多个部件的可能性之外，评估装置134中的一个或多个部件和传感器元件118中的一个或多个部件可以通过一个或多个连接器156和/或通过一个或多个接口互连，如图4中用符号所示。此外，一个或多个连接器156可以包括一个或多个驱动器和/或一个或多个用于修改或预处理传感器信号的装置。此外，代替使用至少一个可选的连接器156，评估装置134可以完全或部分地集成到传感器元件118中和/或集成到检测器110的壳体158中。附加地或替代地，评估装置134可以完全或部分地被设计为单独的装置。
在该示例性实施例中，可以将其位置可被检测的对象112设计为运动装备的物品和/或可以形成控制元件或控制装置160，其位置可以由用户162操纵。作为例子，对象112可以是或可以包括球棒、球拍、球杆或任何运动装备和/或假运动装备的其它物品。其它类型的对象112也是可能的。此外，用户162他或她自己可以被认为是其位置应被检测到的对象112。
如上所述，检测器110至少包括传感器元件118。传感器118(其中可以提供一个或多个传感器元件118)可以位于检测器110的壳体158内。此外，可以包括至少一个传送装置128，例如一个或多个光学系统，优选地包括一个或多个透镜。
壳体158内部的开口164(其优选地相对于检测器110的光轴126同心地定位)优选地限定检测器110的观察方向166。可以定义坐标系168，其中与光轴126平行或反平行(例如与观察方向166平行或反平行)的方向可以被定义为横向方向。在图4中用符号示出的坐标系168中，纵向方向由z表示，横向方向分别由x和y表示。其它类型的坐标系168也是可行的，例如非笛卡尔坐标系。
检测器110可以包括传感器元件118以及可选地包括一个或多个另外的光学传感器。可以使用非分叉光束路径，或者可以使用分叉光束路径，例如，另外的光学传感器位于一个或多个另外的光束路径中，例如通过针对用于确定对象112和/或其部分的横向坐标的至少一个横向检测器或横向传感器而使光束路径分叉。然而，如上所述，在图3的上下文中，至少一个横向坐标也可以由传感器元件118本身确定，例如通过确定光斑132的中心的横向坐标。
一个或多个光束116从对象112和/或从一个或多个信标装置114朝向检测器110传播。检测器110被配置为确定至少一个对象112的位置。为此，如上面在图1至3的上下文中概述的，评估装置134可以被配置为评估由传感器元件118的矩阵120的光学传感器122提供的传感器信号。检测器110适于确定对象112的位置，并且光学传感器122适于检测从对象112朝向检测器110传播的光束116，具体地是从一个或多个信标装置114朝向检测器110传播的光束116。在不使用照射源136的情况下，信标装置114和/或这些信标装置114中的至少一个可以包括具有集成的照射源(诸如发光二极管)的有源信标装置。在使用照射源136的情况下，信标装置不一定必须是有源信标装置。相反地，可以使用对象112的反射表面，例如具有至少一个反射表面的集成反射信标装置114。光束116直接地和/或在被传送装置128修改(例如被一个或多个透镜聚焦)之后照射传感器元件118。有关评估的细节，可以参考上面的图1至3。
如上所述，通过使用检测器110确定对象112和/或其部分的位置可被用于提供人机接口151，以便向机器170提供至少一项信息。在图4中示意性地示出的实施例中，机器170可以是计算机和/或可以包括计算机。其它实施例也是可行的。评估装置134甚至可以被完全或部分地集成到机器170中，例如被集成到计算机中。
如上所述，图4还示出了跟踪系统153的示例，该跟踪系统153被配置为跟踪至少一个对象112和/或其部分的位置。跟踪系统153包括检测器110和至少一个跟踪控制器172。跟踪控制器172可以适于在特定时间点跟踪对象112的一系列位置。跟踪控制器172可以是独立的装置和/或可以被完全或部分地集成到机器170(具体地计算机)中，如图4所示，和/或被集成到评估装置134中。
类似地，如上所述，人机接口151可以形成娱乐装置152的一部分。机器170，具体地计算机，也可以形成娱乐装置152的一部分。因此，通过使用户162作为对象112和/或通过使操作控制装置160的用户162作为对象112，用户162可以将至少一项信息(例如至少一个控制命令)输入到计算机中，从而改变娱乐功能，例如控制计算机游戏的过程。
在图5中，示出了实验数据，这些实验数据在测量数据方面示出了本发明的示例性实施例。该图示出了针对各种照射强度作为纵向坐标z(以毫米为单位给出)的函数的组合信号Q。
为了获得图5所示的实验数据，实验设置采用由Basler AC 1920-40GC相机形成的传感器元件118，以及由Nikkor 50mm透镜形成的传送装置128。
作为信标装置114，使用发光二极管(LED)，其具有532nm的中心标称波长。在LED和光圈(diaphragm)前面使用漫射器，以提供直径为5mm的界限清楚的发光区域。通过在5mA和150mA之间改变改变LED的驱动电流，LED的强度发生变化。
在实验中，LED和透镜之间的距离z在300mm到1700mm之间变化。Basler AC 1920-40GC相机的信号通过以下程序进行评估。作为中心信号，确定围绕光轴具有15个像素的半径的内圆的累积信号，其中光斑位于光轴中心。作为和信号，产生光斑内的相机的所有像素的信号之和。通过将和信号除以中心信号来形成组合信号。
在图5中，重叠的实曲线显示了150mA、125mA、100mA和50mA的LED电流的组合信号曲线。可以看出，在整个测量范围内，这些曲线之间基本上没有差异。该实验清楚地表明组合信号在光束的总功率上广泛地独立。只有在较低的强度下，这些曲线才被区分开。因此，点曲线示出了LED电流为25mA时的测量，点划线示出了LED电流为10mA时的测量，虚线示出了LED电流为5mA时的测量。尽管如此，即使在这些低强度下，测量曲线也非常接近实曲线，这显示出高的测量容差。
在图6A和6B中，示出了检测器110的替代实施例，其是图2中所示的设置的修改例。因此，对于大多数元件和可选细节以及在示意图6A和6B中未示出的其它元件，可以参考上面图2的描述。
在图2中，如上所述，照射光束146优选地沿着光轴126行进，即平行于光轴126或甚至在光轴126上。在该设置中，光斑132的中心的位置通常不依赖于对象112的z坐标，例如不依赖于对象112和检测器110之间的距离。换句话说，光斑132的直径或等效直径随着对象112和检测器110之间的距离而变化，然而通常，光斑132在矩阵120上的位置并非如此。
相反地，在图6A和6B中，示出了检测器110的设置，其中照射光束146离轴行进，即与光轴126成0°角以外的角度和/或平行于光轴126但是偏离光轴126。如下面将进一步详细讨论的，该实施例表明，通过增加组合传感器信号的z依赖性，可以进一步增强根据本发明的方法。因此，在图6A中，示出了具有对象112的两个不同位置的侧视图，即以实线绘制的z1处的第一位置和以虚线绘制的z2处的第二位置。可以看出，例如以与光轴126成5°到30°(例如，10°到20°)的角度传播的照射光束146照射在两种情况下位于不同位置处的对象112。从由照射光束146照射的对象112的这些点，光束116朝向检测器110传播，其中，再次地，用于位于位置z1处的对象112的光束116以实线绘制，其中用于位于位置z2处的对象112的光束116以虚线绘制。
在图6B中，矩阵120以放大的方式示出。从该设置中可以看出，光斑132的位置随着对象112的纵向位置z移动。因此，不仅光斑132的尺寸受到纵向位置z的影响，而且光斑132在矩阵120上的位置也发生了变化。在图6B中，光斑132的该移动由箭头z表示。
因此，通过光斑132的该移动，可以增加考虑了光学传感器122的至少两个传感器信号的组合信号的z依赖性。
在图2所示的情况下，光斑132的位置不依赖于z。随着z的变化，依赖于光学情况，光斑将变得更大或更小，例如变得更加弥散或更集中。在光斑尺寸增加并且光斑变得更加弥散的情况下，使得组合信号Q＝scenter/ssum减小。
相反地，在图6A的情况下，光斑132的尺寸和位置都依赖于z坐标。因此，诸如组合信号Q之类的组合信号的z依赖性的趋势将增加。在图2的情况下，依赖于z坐标，矩阵的至少一个光学传感器的传感器信号将增加并且同时至少一个不同的传感器的传感器信号将减小，从而产生依赖于z的组合信号Q。在图6A的情况下，取决于光源、光轴和传感器的相对位置，光斑132的位置依赖性将导致三种不同的情况，特别是在中心信号和和信号从一个或多个光学传感器确定，而用于确定中心信号和和信号的光学传感器保持固定，与光斑的z坐标和/或位置无关的情况下：第一，光斑的位置依赖性可导致至少一个减小的传感器信号依赖于z坐标而进一步减小,同时，与图2中的情况相比，光斑的位置依赖性可导致至少一个减小的传感器信号依赖于z坐标而进一步增加。第二，光斑的位置依赖性可导致至少一个减小的传感器信号依赖于z坐标而以减小的幅度减小，或甚至增加，同时，与图2中的情况相比，光斑的位置依赖性可导致至少一个减小的传感器信号依赖于z坐标而以减小的幅度增加，或甚至减小。第三，与图2中的情况相比，光斑的位置依赖性可以使得传感器信号的z依赖性基本不变。然而，根据本发明，对象距离不是像在三角测量方法中那样根据光斑在传感器上的位置确定的。相反地，可以使用光斑132在矩阵120上的移动来增强传感器信号和/或所得到的组合信号Q的动态性，这可以导致z依赖性的动态性增强。
图6C示出了使用根据图6A的检测器设置的两个实验设置的比较，其中双单元作为具有两个光敏区域的光学传感器120。在第一实验设置中，取决于照射光源、光轴和传感器的相对位置，光斑132可以依赖于对象距离而沿着移动方向174平行于双单元的两个光学传感器120的线性边界移动。由于光斑132的移动方向174依赖于对象距离而与两个光敏区域的线性边界平行，因此所得到的传感器信号与图2所示的没有依赖于对象距离的光斑132的移动的情况相同。在第二实验设置中，取决于照射光源、光轴和传感器的相对位置，光斑132可以移动，使得光斑132的中心到双单元的两个光学传感器120的边界的距离依赖于对象距离而改变，例如与两个光学传感器120的边界垂直的移动，例如依赖于对象距离的沿着移动方向176的移动。允许光斑132移动的检测器设置可以是图6A所示的设置的修改例。因此，对于大多数元件和可选细节以及其它元件，可以参考上面图6A的描述。在图6C中，光学传感器120可以是1×2矩阵。
图6D示出了使用根据图6A的检测器设置的两个实验设置的比较的实验结果，允许根据图6C的光斑132的移动，其中光斑依赖于对象距离沿着移动方向174和176移动。曲线178示出了针对允许光斑132沿着如图6C所示的移动方向174移动(该移动方向174平行于双单元的光学传感器的边界，相当于图2中光斑没有依赖于对象距离移动的情况)的检测器设置的商Q对纵向坐标z的依赖性。曲线180示出了针对根据图6A并使用允许光斑186移动的检测器设置的检测器设置的商Q对纵向坐标z的依赖性，其中光斑132根据图6C移动，其中光斑依赖于对象距离沿着移动方向176移动。该实验设置如下：光学传感器122可以是1×2矩阵，特别地是Si-双单元。照射源144可以是950nm激光器，光斑尺寸为4mm。传送装置128可以具有20mm的焦距，例如得自Thorlabs Asphere的镜头，f＝20mm。对象112的距离在0到3000mm之间变化。可以在不允许光斑132移动的情况下确定纵向坐标z。特别地，根据本发明，光斑的移动对于纵向坐标z的确定可能不是必需的。利用允许光斑132沿着方向174移动或者没有任何移动的检测器设置，可以在非常小的距离处确定对象距离，而对于沿着方向176的移动，针对诸如大于500毫米的距离的对象距离，可以确定对象距离。
图7A和7B示出了具有小基线182的检测器110的示例性实施例。图7A示出了检测器110的侧视图。检测器110可以包括至少一个照射源144。照射源144可以适于用至少一个照射光束146照射对象112。照射光束146可以完全或部分地被对象反射，并且可以向后行进朝向光学传感器122。照射源144可以被布置为使得照射光束144的传播方向基本上平行于光轴126。照射源144可以被布置为使得在照射光束的传播方向上延伸的线和光轴126在空间中不相交。照射源144和光轴126可以由小基线182隔开。照射源144可以与光轴126间隔开一最小距离。距光轴的最小距离可以由另外的检测器元件限定，例如光学传感器和传送装置的尺寸和位置。图7B示出了照射光束144和传送装置128的正视图。基线可以小于0.1m，优选地小于0.05m，更优选地小于0.025m。例如，检测器110可以是没有其它光学元件的紧凑装置，其中照射源144可以尽可能靠近传送装置128的边缘放置。因此，基线182可以接近传送装置128的直径的一半，特别是透镜直径以及透镜和光源的壳体。照射源144可以被布置为使得基线182尽可能小。例如，从传送装置128的中心到照射源144的距离，特别是沿着从传送装置128的中心到照射源144的连接线的距离，可以优选地小于从传送装置128的中心到传送装置128的边缘的距离的2.5倍，更优选地小于传送装置128的中心到边缘的距离的1.5倍，最优选地小于传送装置128的中心到边缘的距离的1倍。
参考图8，诸如关于图1至图7描述的检测器之类的检测器110可以适于根据在至少两个光学传感器122上的光束轮廓的至少两个不对称区域的辐射率比确定深度信息，特别是绝对深度信息。例如，检测器110可以包括以矩阵120排列的多个光学传感器。检测器110可以适于根据光学传感器(例如COMS检测器)的单个矩阵捕获的封闭的，特别是散焦的光束轮廓内的至少两个不对称区域的辐射率比来确定深度信息。特别地，检测器110可以适于使用与特定对象尺寸范围无关的辐射率比来确定深度信息。如上所述，该原理被称为距离光子比(DPR)。在一个实施例中，光束116可以用至少一个包括至少一个特征点的图案照射传感器元件。特征点可以从由以下项构成的组中选择：至少一个点、至少一个线、至少一个边缘。该图案可以由对象产生，例如响应于具有包括至少一个图案的照射图案的至少一个光源的照射。评估装置134可以被配置为通过下式导出组合信号Q
其中x和y是横向坐标，A1和A2是传感器位置处的光束轮廓的区域，并且E(x,y,zo)表示在对象距离zo处给出的光束轮廓。A1可以对应于光学传感器上的特征点的完全或完整区域。A2可以是光学传感器上的特征点的中心区域。中心区域可以是恒定值。与特征点的完整区域相比，中心区域可以较小。例如，在圆形特征点的情况下，中心区域的半径可以是特征点的全半径的0.1到0.9，优选地是全半径的0.4到0.6。
在图8所示的实施例中，从对象112传播到检测器110的光束116可以用至少一个线图案184照射矩阵120。线图案184可以由对象112产生，例如响应于具有包括至少一个照射线图案的照射图案的至少一个照射源144的照射。A1可以对应于矩阵120中具有线图案184的全线宽的区域。与照射图案的线图案相比，矩阵120中的线图案184可以被加宽和/或移位，使得矩阵120中的线宽增加。特别地，矩阵120中的线图案184的线宽可以从一列到另一列改变。A2可以是矩阵120中具有线图案184的中心区域。中心区域的线宽可以是恒定值，并且特别地可以对应于照射图案中的线宽。与全线宽相比，中心区域的线宽可以较小。例如，中心区域的线宽可以是全线宽的0.1到0.9，优选地是全线宽的0.4到0.6。线图案184可以在矩阵120中分段。每个列可以包括线图案184的中心区域中的强度的中心信息和来自从线图案184的中心区域向边缘区域进一步向外延伸的区域的强度的边缘信息。
参考图9A和9B，如上所述，检测器110可以包括光学传感器122的至少一个矩阵120。借助于这种像素化的成像装置，可以将散焦光束轮廓细分为沿着具有特定角度θ并且与坐标原点的距离为ω的线的横截面，如图9A所示。因此，单个线的参数化将由ω＝x cos(θ)+y sin(θ)给出。沿着平行线的强度的积分可以通过公知的拉东变换的积分投影在数学上进行描述，该变换读作
其中δ表示狄拉克德尔塔函数，f(x,y)是封闭的散焦光束轮廓的强度。针对给定角度θ和投射宽度ω的光子比率R则由下式给出
其中f'(x,y)作为图9中突出显示的发亮(overshined)图像区域。对于在特定距离处的倾斜对象表面，θ的变化可以产生不同的比率R。只需使θ在以下区间中变化就足够了。
图10A至10C示出了六边形照射图案的三个实施例。照射源144可以适于产生至少一个用于照射对象112的照射图案。附加地或替代地，照射图案可以由至少一个环境光源产生。具体地，照射源144可以包括至少一个激光器和/或激光源。可以采用多种类型的激光器，例如半导体激光器。附加地或替代地，可以使用非激光光源，例如LED和/或灯泡。照射图案可以包括至少一个特征，例如点或符号。照射图案可以包括多个特征。照射图案可以包括周期性或非周期性特征的排列。照射图案可以由环境光产生，例如由至少一个环境光源，或者由至少一个照射源产生。照射图案可以包括选自由以下项构成的组的至少一个图案：至少一个点图案，特别是伪随机点图案、随机点图案或准随机图案；至少一个索博尔(Sobol)图案；至少一个准周期性图案；至少一个包括至少一个预知特征的图案；至少一个规则图案；至少一个三角形图案；至少一个六边形图案；至少一个矩形图案；至少一个包括凸起的均匀倾斜的图案；至少一个包括至少一条线的线图案；至少一个包括至少两条线(例如平行线或交叉线)的线图案；至少一个条纹图案。例如，照射源可以适于产生和/或投射点云。照射图案可以包括规则和/或恒定和/或周期性图案，例如三角形图案、矩形图案、六边形图案或包括更多凸起倾斜的图案。照射图案可以在每个区域中包括尽可能多的特征，从而可以优选六边形图案。照射图案的两个特征之间的距离和/或至少一个照射特征的区域可以取决于图像中的弥散圆。
照射图案的照射特征可以被布置为使得仅少数参考特征被定位在极线上。如图10A所示，照射图案可以包括至少一个六边形图案，其中各个点位于极线186上。如图10B所示，照射图案可以包括至少一个六边形图案，其中图案相对于基线旋转。这种照射特征的定位允许每个极线上的各个点之间的距离增加。例如，如图10C所示，照射图案可以包括至少一个移位的六边形图案，其中六边形图案的各个点从规则位置被移位一随机距离，例如与该点的极线正交。各个点的位移可以小于两个平行的极线之间的距离的一半，优选地小于两个平行的极线之间的距离的四分之一。各个点的位移可以使得两个点不会被移位到彼此上方。这种定位允许每个区域中的可能的特征的数量增加。
图11示出了扫描系统154的实施例。扫描系统154可以适合作为线扫描装置。特别地，扫描系统154可以包括光学传感器113的至少一个传感器线或行。此外，扫描系统可以包括至少一个传送装置128和至少一个照射源144。三角测量系统需要足够的基线，然而，由于近场中的基线，可能无法进行检测。如果光斑在传送装置的方向上倾斜，则可以进行近场检测。然而，倾斜导致光斑将移出视野，这限制了远场区域中的检测。因此，在三角测量系统中，非零基线将总是导致近场中和/或远场中的测量范围的显著减小。因此，利用根据本发明的检测器尽可能地减小基线将总是增加测量范围。此外，可以使用图11的扫描系统154克服这些近场和远场问题。扫描系统154可以适于检测在CMOS线上从对象112传播到扫描装置154的多个光束116。光束116可以在对象112上的不同位置处产生，或者可以通过对象112的移动产生。如上所述，扫描系统154可以适于通过确定组合信号Q来确定每个光点的至少一个纵向坐标。
参考标号列表
110 检测器
112 对象
114 信标装置
116 光束
118 传感器元件
120 矩阵
122 光学传感器
124 光敏区域
126 光轴
128 传送装置
130 焦点
132 光斑
134 评估装置
136 中心检测器
138 求和装置
140 组合装置
142 除法器
143 位置评估装置
144 照射源
146 照射光束
148 反射元件
149 相机
150 检测器系统
151 人机接口
152 娱乐装置
153 跟踪系统
154 扫描系统
156 连接器
158 壳体
160 控制装置
162 用户
164 开口
166 观察方向
168 坐标系
170 机器
172 跟踪控制器
174 移动方向
176 移动方向
178 曲线
180 曲线
182 基线
184 线图案
186 极线
Claims (18)
1.一种用于确定至少一个对象(112)的位置的检测器(110)，所述检测器(110)具有：
至少一个具有光学传感器(122)的矩阵(120)的传感器元件(118)，所述光学传感器(122)各自具有光敏区域(124)，其中每个光学传感器(122)被配置为响应于从所述对象(112)传播到所述检测器(110)的至少一个光束(116)对所述光敏区域(124)的照射而产生至少一个传感器信号；
至少一个评估装置(134)，其被配置为通过以下操作评估所述传感器信号：
a)确定至少一个具有最高传感器信号的光学传感器(122)并形成至少一个中心信号；
b)评估所述矩阵(120)中的光学传感器(122)的传感器信号并形成至少一个和信号；
c)通过组合所述中心信号与所述和信号来确定至少一个组合信号；以及
d)通过评估所述组合信号来确定所述对象(112)的至少一个纵向坐标z。
2.根据前一权利要求所述的检测器(110)，其中所述中心信号选自：所述最高传感器信号；在相对于所述最高传感器信号的预定容差范围内的一组传感器信号的平均；来自包含具有所述最高传感器信号的光学传感器(122)的一组光学传感器(122)和预定的一组相邻光学传感器(122)的传感器信号的平均；来自包含具有所述最高传感器信号的光学传感器(122)的一组光学传感器(122)和预定的一组相邻光学传感器(122)的传感器信号的和；在相对于所述最高传感器信号的预定容差范围内的一组传感器信号的和；在预定阈值以上的一组传感器信号的平均；在预定阈值以上的一组传感器信号的和；来自包含具有所述最高传感器信号的光学传感器(122)的一组光学传感器(122)和预定的一组相邻光学传感器(122)的传感器信号的积分；在相对于所述最高传感器信号的预定容差范围内的一组传感器信号的积分；在预定阈值以上的一组传感器信号的积分。
3.根据任一前述权利要求所述的检测器(110)，其中所述和信号选自：所述矩阵(120)的所有传感器信号的平均；所述矩阵(120)的所有传感器信号的和；所述矩阵(120)的所有传感器信号的积分；所述矩阵(120)中除了来自对所述中心信号有贡献的那些光学传感器(122)的传感器信号之外的所有传感器信号的平均；所述矩阵(120)中除了来自对所述中心信号有贡献的那些光学传感器(122)的传感器信号之外的所有传感器信号的和；所述矩阵(120)中除了来自对所述中心信号有贡献的那些光学传感器(122)的传感器信号之外的所有传感器信号的积分；在相对于具有所述最高传感器信号的光学传感器(122)的预定范围内的光学传感器(122)的传感器信号的和；在相对于具有所述最高传感器信号的光学传感器(122)的预定范围内的光学传感器(122)的传感器信号的积分；位于相对于具有所述最高传感器信号的光学传感器(122)的预定范围内的光学传感器(122)的特定阈值以上的传感器信号的和；位于相对于具有所述最高传感器信号的所述光学传感器(122)的预定范围内的光学传感器(122)的特定阈值以上的传感器信号的积分。
4.根据任一前述权利要求所述的检测器(110)，其中所述组合信号是通过以下一者或多者导出的组合信号Q：形成所述中心信号与所述和信号的商，或所述和信号与所述中心信号的商；形成所述中心信号的倍数与所述和信号的倍数的商，或所述和信号的倍数与所述中心信号的倍数的商；形成所述中心信号的线性组合与所述和信号的线性组合的商，或所述和信号的线性组合与所述中心信号的线性组合的商；形成所述中心信号和所述和信号的第一线性组合与所述中心信号和所述和信号的第二线性组合的商。
5.根据前一权利要求所述的检测器(110)，其中所述评估装置(134)被配置为使用所述组合信号Q和所述纵向坐标之间的至少一个预定关系确定所述纵向坐标。
6.根据前两项权利要求中任一项所述的检测器(110)，其中所述评估装置(134)包括至少一个除法器(142)，其中所述除法器(142)被配置为导出所述组合信号。
7.根据任一前述权利要求所述的检测器(110)，其中所述评估装置(134)被进一步配置为通过评估所述至少一个具有最高传感器信号的光学传感器(122)的横向位置来确定所述对象(112)的至少一个横向坐标。
8.根据任一前述权利要求所述的检测器(110)，其中所述检测器(110)包括至少一个照射源(144)，其中所述照射源(144)适于用至少一个照射光束照射所述对象(112)，其中所述照射源(144)被布置为使得所述照射光束的传播方向基本上平行于光轴(126)。
9.根据任一前述权利要求所述的检测器(110)，其中所述检测器(110)包括至少一个照射源(144)，其中所述照射源(144)和光轴(126)由小基线(182)隔开。
10.一种用于确定至少一个对象(112)的位置的检测器系统(150)，所述检测器系统(150)包括至少一个根据任一前述权利要求所述的检测器(110)，所述检测器系统(150)进一步包括至少一个信标装置(114)，所述至少一个信标装置(114)适于将至少一个光束(116)导向所述检测器(110)，其中所述信标装置(114)为能够附接到所述对象(112)、能够由所述对象(112)保持、以及能够集成到所述对象(112)中的至少一种。
11.一种用于在用户(162)与机器(170)之间交换至少一项信息的人机接口(151)，其中所述人机接口(151)包括至少一个根据前一权利要求所述的检测器系统(150)，其中所述至少一个信标装置(114)适于为直接或间接地附接到所述用户(162)以及由所述用户(162)保持中的至少一种，其中所述人机接口(151)被设计为借助所述检测器系统(150)确定所述用户(162)的至少一个位置，其中所述人机接口(151)被设计为向所述位置分配至少一项信息。
12.一种用于执行至少一种娱乐功能的娱乐装置(152)，其中所述娱乐装置(152)包括至少一个根据前一权利要求所述的人机接口(151)，其中所述娱乐装置(152)被设计为使得能够由玩家借助所述人机接口(151)输入至少一项信息，其中所述娱乐装置(152)被设计为根据所述信息改变所述娱乐功能。
13.一种用于跟踪至少一个可移动对象(112)的位置的跟踪系统(153)，所述跟踪系统(153)包括至少一个根据涉及检测器系统(150)的任一前述权利要求所述的检测器系统(150)，所述跟踪系统(153)进一步包括至少一个跟踪控制器(172)，其中所述跟踪控制器(172)适于跟踪所述对象(112)在特定时间点的一系列位置。
14.一种用于确定景物的深度分布的扫描系统(154)，所述扫描系统(154)包括至少一个根据涉及检测器(110)的任一前述权利要求所述的检测器(110)，所述扫描系统(154)进一步包括适于用至少一个光束(146，116)扫描所述景物的至少一个照射源(144)。
15.一种用于对至少一个对象(112)成像的相机(149)，所述相机(149)包括至少一个根据涉及检测器(110)的任一前述权利要求所述的检测器(110)。
16.一种通过使用至少一个检测器(110)确定至少一个对象(112)的位置的方法，所述方法包括以下步骤：
利用从所述对象(112)传播到所述检测器(110)的至少一个光束(116)照射所述检测器(110)的至少一个传感器元件(118)，所述检测器(110)具有光学传感器(122)的矩阵(120)，所述光学传感器(122)各自具有光敏区域(124)，其中每个光学传感器(122)响应于所述照射而产生至少一个传感器信号；
通过以下操作评估所述传感器信号：
a)确定至少一个具有最高传感器信号的光学传感器(122)并形成至少一个中心信号；
b)评估所述矩阵(120)中的所述光学传感器(122)的传感器信号并形成至少一个和信号；
c)通过组合所述中心信号和所述和信号来确定至少一个组合信号；以及
d)通过评估所述组合信号来确定所述对象(112)的至少一个纵向坐标z。
17.根据前一权利要求所述的方法，其中所述组合信号是通过以下一者或多者导出的组合信号Q：形成所述中心信号与所述和信号的商，或所述和信号与所述中心信号的商；形成所述中心信号的倍数与所述和信号的倍数的商，或所述和信号的倍数与所述中心信号的倍数的商；形成所述中心信号的线性组合与所述和信号的线性组合的商，或所述和信号的线性组合与所述中心信号的线性组合的商。
18.一种根据涉及检测器(110)的任一前述权利要求所述的检测器(110)的用途，其用于选自以下项的使用目的：交通技术中的位置测量；娱乐应用；安保应用；监视应用；安全应用；人机接口(151)应用；跟踪应用；摄影应用；物流应用；机器视觉应用；机器人应用；质量控制应用；制造应用。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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