DE102017129626A1 - Sensorsystem zum dreidimensionalen Erfassen einer Szene mit verschiedenen Photonenakkumulationen - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Sensorsystem (100) sowie ein Verfahren zum dreidimensionalen optischen Erfassen einer Szene (190). Das Sensorsystem (100) weist auf (a) einen Sensor (110) zum Messen von Distanzen basierend auf einer Lichtlaufzeit; (b) eine Steuereinheit (140) zum Steuern des Betriebs des Sensors (110) derart, dass bei einer ersten Erfassung der Szene (190) pro Pixel (322a) des Sensors (110) eine erste Anzahl an Photonen akkumuliert wird und bei einer zweiten Erfassung der Szene (190) pro Pixel (322b) des Sensors (110) eine zweite Anzahl an Photonen akkumuliert wird, wobei die zweite Anzahl größer ist als die erste Anzahl; und (c) eine dem Sensor (110) nachgeschaltete Datenverarbeitungseinrichtung (150), welche konfiguriert ist, die Szene (190) auszuwerten basierend auf einem ersten Ergebnis der ersten Erfassung der Szene (190) und/oder einem zweiten Ergebnis der zweiten Erfassung der Szene (190). Ferner werden verschiedene Verwendungen eines solchen Sensorsystems (100) beschrieben.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem sowie ein Verfahren zum dreidimensionalen Erfassen einer Szene basierend auf Laufzeitmessungen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung mehrere Verwendungen eines solchen Sensorsystems.
• Hintergrund der Erfindung
• Zum Öffnen und/oder Verschließen von Öffnungen werden häufig mittels Aktuatoren betriebene Verschließkörper verwendet, welche für Bedienpersonen die Handhabung des betreffenden Verschließkörpers erleichtern oder ohne jede Bedienaktion vollautomatisch betrieben werden, wenn beispielsweise ein die Öffnung zu passierendes Objekt in der Bereich der Öffnung gelangt. Eine solche Öffnung kann beispielsweise ein Durchgang in einem Gebäude sein. Ein Verschließkörper kann beispielsweise eine Tür oder ein Tor sein.
• Um eine hohe Betriebssicherheit von automatisch zu öffnenden und zu schließenden Verschließkörpern zu erreichen, ist es bekannt, den Bereich vor oder innerhalb einer mit einem Verschließkörper bedeckbaren Öffnung mittels eines optischen Sensorsystems zu erfassen. Damit kann zum einen sichergestellt werden, dass beim Verschießen der Öffnung nicht versehentlich ein Objekt, beispielsweise eine Person, von dem Verschließkörper eingeklemmt wird. Außerdem kann bei manchen Applikationen ein solches Sensorsystem ein automatisches Öffnen des Verschließkörpers bzw. der Öffnung veranlassen. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, dass ein solches Sensorsystem bzw. eine einem solchen Sensorsystem nachgeschaltete Datenverarbeitungseinrichtung mittels bekannter Methoden der Bildverarbeitung eine Objekterkennung durchführt und die Öffnung nur dann freigibt, wenn sich ein zum Passieren der Öffnungen befugtes Objekt dem Bereich der (noch verschlossenen Öffnung) nähert. Eine solche Objekterkennung kann beispielsweise eine Gesichtserkennung sein.
• Aus EP 2 453 252 B1 ist für den Anwendungsbereich der Überwachung von automatisch zu öffnenden Türen und/oder Toren ein 3D-Sensorsystem bekannt, welches auf dem Prinzip der Laufzeitmessung von Lichtstrahlen beruht, die von Beleuchtungsquellen ausgesandt und nach einer zumindest teilweisen Reflexion bzw. 180° Rückstreuung von einem Lichtempfänger detektiert werden. Solche Sensorsysteme werden allgemein als „Time-of-Flight“ (TOF) Sensorsysteme bezeichnet. TOF Sensorsysteme haben jedoch den Nachteil, dass mit zunehmendem Abstand d des zu erfassenden Objekts die Intensität des von einem Lichtempfänger des TOF Sensors zu erfassenden (zurückgestreuten) Messlichts in zweifacher Hinsicht geschwächt ist. Im Falle einer punktförmigen Beleuchtungslichtquelle ohne eine spezielle Fokussierung skaliert diese Schwächung des von den Beleuchtungsquellen ausgesandten Beleuchtungslichts mit 1/d^2, wobei d der Abstand zu der Beleuchtungslichtquelle ist. Gleiches gilt für das Messlicht, wenn man eine Stelle des Objekts, an welcher das Beleuchtungslicht isotrop gestreut wird, als Punktlichtquelle auffasst. Im Ergebnis führt dies zu einer 1/d^4 Skalierung der Intensität des empfangenen Messlichts. Bei einer auf irgendeine Art und Weise realisierten Strahlformung, beispielsweise einer Fokussierung, des Beleuchtungslichts, des Messlichts und/oder bei einer nicht isotropen Streuung des Beleuchtungslichts mit einer bevorzugten Aussendung des Messlichts in Richtung des Lichtempfängers, ist die Intensitätsschwächung entsprechend geringer, trägt jedoch trotzdem zu einem signifikanten Verlust an Lichtleistung bei. Dies wiederum führt zu einer entsprechend schlechten Energieeffizienz eines TOF Sensorsystems.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine aus energetischer Sicht effiziente und trotzdem zuverlässige dreidimensionale Erfassung einer Szene, welche auch relativ weit entfernte Objekte umfasst, zu ermöglichen.
• Zusammenfassung der Erfindung
• Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
• Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Sensorsystem zum dreidimensionalen optischen Erfassen einer Szene beschrieben. Das beschriebene Sensorsystem weist auf (a) einen Sensor zum Messen von Distanzen basierend auf einer Lichtlaufzeit; (b) eine Steuereinheit zum Steuern des Betriebs des Sensors derart, dass (b1) bei einer ersten Erfassung der Szene pro Pixel des Sensors eine erste Anzahl an Photonen akkumuliert wird und (b2) bei einer zweiten Erfassung der Szene pro Pixel des Sensors eine zweite Anzahl an Photonen akkumuliert wird, wobei die zweite Anzahl größer ist als die erste Anzahl; und (c) eine dem Sensor nachgeschaltete Datenverarbeitungseinrichtung, welche konfiguriert ist, die Szene auszuwerten basierend auf einem ersten Ergebnis der ersten Erfassung der Szene und/oder einem zweiten Ergebnis der zweiten Erfassung der Szene.
• Dem beschriebenen Sensorsystem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine energieeffiziente dreidimensionale Erfassung und Auswertung einer Szene einer Datenverarbeitungseinrichtung zwei unterschiedliche (Bild)Datensätze zur Verfügung gestellt werden können, bei denen zumindest in einem Teilbereich eines Lichtempfängers des Sensors pro Pixel eine unterschiedliche Anzahl an Photonen akkumuliert bzw. gesammelt wurden. Da ein relativer Pixelfehler, verursacht durch ein stets vorhandenes statistisches (Photonen)Rauschen, bei einer höheren Anzahl an pro Pixel akkumulierten Photonen geringer ist, wird die statistische Genauigkeit der Szenenerfassung größer, wenn pro Pixel eine höhere Anzahl an Photonen akkumuliert wurde.
• Bei dem erfindungsgemäßen Sensorsystem kann die Datenverarbeitungseinrichtung abhängig von einer jeweils erfassten Charakteristik der Szene entscheiden, ob für eine (ausreichend genaue) Szenenauswertung das erste Ergebnis oder das zweite Ergebnis verwendet wird. Auch eine Kombination der beiden Ergebnisse in Hinblick auf eine möglichst genaue Szenenauswertung ist möglich.
• Die jeweils erforderliche Genauigkeit der Szenenauswertung kann von der aktuellen und/oder von einer zu einem früheren Zeitpunkt bestimmten optischen Charakteristik der Szene abhängen. So kann zum Beispiel eine Auswertung des ersten Ergebnisses der ersten Erfassung der Szene, welche zumindest für einen Teilbereich der Szene keine ausreichende Genauigkeit hat, die Datenverarbeitungseinrichtung dazu veranlassen, für eine gemeinsame Szenenauswertung (alleine oder zusätzlich) das zweite Ergebnis der zweiten Erfassung der Szene heranzuziehen. Ferner kann, was aus energetischen Gründen besonders effizient sein kann, die Steuereinheit dazu veranlasst werden, die zweite Erfassung der Szene mit einer zweiten Anzahl an pro Pixel akkumulierten Photonen zu veranlassen. Auch kann die Steuereinheit ein Verhältnis zwischen einer ersten Anzahl an ersten Erfassungen und einer zweiten Anzahl an zweiten Erfassungen innerhalb einer bestimmten Zeitspanne auf geeignete Weise einstellen, so dass von denjenigen Erfassungen, welche einen höheren Energieaufwand erfordern, nur so viele (und nicht mehr) vorgenommen werden, wie es für eine geforderte Genauigkeit der Szenenerfassung und Szenenauswertung erforderlich ist.
• Die „unterschiedliche Anzahl von pro Pixel akkumulierten Photonen“ kann sich auf eine feste vorgegebene Zeitspanne beziehen, welche beispielsweise durch die Wiederholrate einer repetitiven Auslesung der Pixel bestimmt ist. Dies kann insbesondere bedeuten, dass die Zeitspannung durch die Zeitdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pixelauslesungen bestimmt ist. In diesem Fall ist die absolute Anzahl der akkumulierten Photonen, die für ein Pixel eines Bildes bzw. Ergebnisses zur Verfügung steht, bei beiden Erfassungen unterschiedlich. Das Bild mit der höheren Anzahl an pro Pixel akkumulierten Photonen ist dann das genauere Bild, welches insbesondere ein geringeres (Photonen)Rauschen aufweist.
• Alternativ können die Zeitspannen, in denen die betreffenden Photonen akkumuliert werden, für die beiden Erfassungen unterschiedlich sein. Diese „Unterschiedlichkeit“ kann beispielsweise derart gewählt sein, dass die absolute Anzahl an pro Pixel akkumulierten Photonen in beiden Erfassungen gleich ist. Dann kann das Bild, welches der kürzeren Zeitspanne zugeordnet ist, für eine Szenenerfassung mit einer höheren zeitlichen Auflösung verwendet werden, was insbesondere bei schnell bewegten Objekten von großem Vorteil sein kann.
• Die Steuereinheit kann beispielsweise dafür sorgen, dass von einer Gesamtzahl an ersten Erfassungen und zweiten Erfassungen eine der beiden Arten von Erfassungen, welche einen höheren Energieaufwand erfordert, lediglich einen gewissen Prozentsatz ausmacht. Dabei können die energetisch aufwändigeren Erfassungen für eine genauere Szenenerfassung herangezogen werden.
• Unter dem Begriff „Szene“ kann insbesondere derjenige räumliche Bereich verstanden werden, welcher von dem Sensorsystem optisch erfasst wird. In der Szene befindliche Objekte werden durch eine geeignete Bildauswertung erkannt. Dazu kann von der Datenverarbeitungseinrichtung auf bekannte Methoden zur Bildauswertung und/oder Bildanalyse zurückgegriffen werden. Die Datenverarbeitungseinrichtung kann demzufolge ein Bildverarbeitungsprozessor sein, der konfiguriert ist, bekannte Verfahren zur Bildauswertung und/oder Bildverarbeitung anzuwenden bzw. durchzuführen.
• Unter dem Begriff „Charakteristik einer Szene“ kann die Gesamtheit aller räumlichen Strukturen verstanden werden, welche von dem Sensor erfasst werden. Dabei können von der Datenverarbeitungseinrichtung mittels einer Bildverarbeitung und/oder Bilderkennung manche Strukturen als relevant und andere Strukturen als weniger oder sogar irrelevant erkannt werden.
• Unter dem Begriff „Ergebnis“ kann insbesondere ein Analyse eines von dem Sensor erfassten Bildes oder eines Teils eines Bildes. Das Ergebnis kann auch lediglich zumindest eine Information über ein in der Szene befindliches Objekt sein. Eine solche Information kann die Art des Objekts, die (optische) Beschaffenheit des Objekts, der aktuelle Ort des Objekts, eine Geschwindigkeit des Objekts, etc. sein.
• In diesem Dokument werden die Begriffe „Beleuchtungslicht“ und „Messlicht“ verwendet. Unter dem Begriff „Beleuchtungslicht“ sind diejenigen elektromagnetischen Wellen zu verstehen, welche von einer Beleuchtungseinheit des Sensors ausgesandt werden und auf das betreffende Objekt der Szene treffen. Das „Messlicht“ sind die von bzw. an dem Objekt zurückgestreuten elektromagnetischen Wellen, welche von dem Lichtempfänger des Sensors empfangen und für die dreidimensionale Auswertung der Szene, zusammen mit den entsprechenden TOF Distanzinformationen, verwendet werden.
• Die Begriffe „optisch“ und/oder „Licht“ können sich auf elektromagnetische Wellen beziehen, die eine bestimmte Wellenlänge bzw. Frequenz oder ein bestimmtes Spektrum von Wellenlängen bzw. Frequenzen haben. Insbesondere können die zum Einsatz kommenden elektromagnetischen Wellen dem für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich zugeordnet werden. Alternativ oder in Kombination können auch elektromagnetische Wellen verwendet werden, die dem ultravioletten (UV) oder dem infraroten (IR) Spektralbereich zugeordnet sind. Der IR Spektralbereich kann sich bis in den langwelligen IR Bereich mit Wellenlängen zwischen 3,5 µm bis 15 µm erstrecken, welche mittels des Lichtempfängers des Sensors erfasst werden können.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Sensorsystem ferner eine Halterung auf, welche mit dem Sensor mechanisch gekoppelt ist, wobei die Halterung derart ausgebildet ist, dass das Sensorsystem an einer in Bezug auf die zu erfassende Szene stationären Haltestruktur anbringbar ist.
• Anschaulich ausgedrückt sorgt die Halterung dafür, dass das beschriebene Sensorsystem ein stationäres System sein kann, welches einen bestimmten räumlich festen Erfassungsbereich hat und damit immer die gleiche Szene überwacht. Durch einen Vergleich von verschiedenen zeitlich voneinander beabstandeten Erfassungen der von der Orientierung des Sensorsystems abhängigen Szene können im Rahmen einer Bildauswertung räumlich stationäre Objekte, die in der Szene vorhanden sind, erkannt und bei einer weiteren Bildauswertung in Hinblick auf Bewegungsprofile ausgeblendet werden. Dadurch kann Rechenleistung eingespart werden und die energetische Effizienz des beschriebenen Sensorsystems verbessert werden.
• Die stationäre Haltestruktur kann direkt oder indirekt mechanisch gekoppelt sein mit einer Vorrichtung zum Steuern einer Bedeckungscharakteristik einer von dem Objekt zu passierenden Öffnung durch zumindest einen Verschließkörper. Bevorzugt weist diese Vorrichtung neben einer geeigneten Führung bzw. Lagerung des Verschließkörpers einen Aktuator zum Bewegen des Verschließkörpers auf, insbesondere zum Bewegen des Verschließkörpers zwischen einer geschlossenen Position und einer geöffneten Position (und umgekehrt).
• Im Bereich der Gebäudesicherheit kann die Öffnung ein Eingang, beispielsweise für eine Person oder ein Fahrzeug sein, der Verschließkörper kann eine Tür, beispielsweise eine Haustür bzw. ein Garagentor sein. Die stationäre Haltestruktur kann beispielsweise die stationäre Rahmenstruktur eines Eingangs sein, beispielsweise der Rahmen einer Tür.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung ferner derart konfiguriert ist, dass eine Bedeckungscharakteristik einer von einem Objekt zu passierenden Öffnung durch zumindest einen Verschließkörper steuerbar ist. Dadurch kann die Öffnung, welche beispielsweise ein Eingang (bzw. ein Ausgang) eines Gebäudes ist, auf energetisch günstige Weise automatisch überwacht werden und durch eine geeignete Ansteuerung eines Aktuators kann der Verschließkörper automatisch zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position bewegt werden. Dazu kann die Datenverarbeitungseinrichtung des beschriebenen Sensorsystems mit der Steuerung eines bekannten Steuersystems für einen Verschließkörper gekoppelt werden.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Steuereinheit eine Schnittstelle auf und die Steuereinheit ist ferner derart konfiguriert, dass die Akkumulierung der ersten Anzahl von Photonen und/oder die Akkumulierung der zweiten Anzahl von Photonen von einem externen Steuersignal steuerbar ist.
• Anschaulich ausgedrückt erlaubt die beschriebene Schnittstelle eine externe Steuerung des Betriebes der Sensorvorrichtung. Dabei kann, getriggert von einer in Bezug auf die Sensorvorrichtung externen Einrichtung, die Genauigkeit von zumindest einer der beiden Szenenerfassungen an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden. Bei einfachen für die meisten Anwendungen aber sehr vorteilhaften Ausführungsformen wird durch ein solches externes Trigger-Signal einfach zwischen den beiden Erfassungsarten mit unterschiedlichen Photonenakkumulation pro Pixel umgeschaltet.
• Das externe Steuersignal kann beispielsweise indikativ sein für den Zustand eines an das Sensorsystem angegliederten Systems, beispielsweise ein Überwachungssystem, eine automatisches Türöffnungssystem, etc. Ferner kann z.B. mittels einer anderen Sensorik erkannt werden, dass ein Objekt in Bewegung ist, welches auch mit „wenig akkumulierten Photonen“ zuverlässig detektiert werden kann. In diesem Fall ist es ausreichend wenn eine energetische aufwändigere zweite Erfassung der Szene im Vergleich zu der energetisch weniger aufwändigen ersten Erfassung der Szene nicht so häufig vorgenommen wird. Ggf. kann nach einer einmaligen Szenenerfassung der zweiten Art die Szene nur noch mit ersten Erfassungen (der ersten Art) durchgeführt werden.
• Bei einem anderen sehr konkreten Ausführungsbeispiel ist die Schnittstelle mit einem manuell zu betätigenden Taster zum Aktivieren einer automatischen Türe verbunden. Das über die Schnittstelle übertragene Steuersignal kann dann veranlassen, dass die Erfassung der Szene in einem Raumbereich, welcher sich in der Nähe der betreffenden Türöffnung befindet, mit einer erhöhten Genauigkeit durchgeführt wird. Eine solche für unterschiedliche Teilbereiche der Szene unterschiedliche Genauigkeit kann beispielsweise durch ein gezieltes Zusammenfassen von Pixeln durch ein sog. Binning erfolgen, welches nachstehend erläutert wird.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die erste Erfassung der Szene mit einer ersten Messdauer und die zweite Erfassung der Szene mit einer zweiten Messdauer durchgeführt, wobei die zweite Messdauer länger ist als die erste Messdauer. Dies hat den Vorteil, dass die unterschiedliche Photonenakkumulation auf einfache Weise durch eine geeignete Anpassung der (unterschiedlichen) Integrationszeiten des Lichtempfängers des Sensors realisiert werden kann.
• Anschaulich ausgedrückt erfolgt die erste Erfassung der Szene mit einer ersten Belichtungszeit und die zweite Erfassung der Szene erfolgt mit einer zweiten Belichtungszeit, welche länger ist als die erste Belichtungszeit. Die Belichtungszeiten, welche naturgegebenen die zeitliche Auflösung des Sensorsystems bestimmen, können von Konfigurations- und/oder Messparametern des beschriebenen Sensorsystems abhängen. Solche Messparameter sind beispielsweise (a) die (zu erwartende) Distanz zu einem zu erfassenden Objekt, (b) eine für den Betrieb des Sensorsystems verfügbare Energie, insbesondere für eine (gepulste oder zeitlich modulierte) Beleuchtung der Szene, welche Beleuchtung für eine TOF Messung erforderlich ist, (c) ein optisches Reflexions- und/oder Streuverhalten der Oberfläche eines zu erfassenden Objekts in der Szene, etc.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Datenverarbeitungseinrichtung mit der Steuereinheit gekoppelt und die Datenverarbeitungseinrichtung ist ferner konfiguriert, abhängig von dem ersten Ergebnis und/oder dem zweiten Ergebnis über die Steuereinheit ein Akkumulieren der Anzahl von Photonen für zumindest eine nachfolgende erste Erfassung und/oder eine nachfolgende zweite Erfassung zu steuern.
• Dies bedeutet, dass die (unterschiedliche) Photonenakkumulation dynamisch an die Charakteristik der dreidimensional zu erfassenden Szene angepasst werden kann. Dabei hängt die Charakteristik der Szene von den tatsächlichen (und nicht von den zu erwartenden) optischen Eigenschaften von zumindest einem Objekt der Szene ab. Deshalb stellt die von der Szenenauswertung abhängige Steuerung der Photonenakkumulation einen Regelungsmechanismus für die Photonenakkumulation dar.
• Es wird darauf hingewiesen, dass eine geeignete Photonenakkumulation auch durch einen Lernprozess herausgefunden werden kann, bei dem ein und dieselbe Szene mehrfach erfasst und ausgewertet wird oder bei der ähnlich Szenen erfasst und ausgewertet werden.
• Es wird ferner darauf hingewiesen, dass von dem ersten Ergebnis und/oder von dem zweiten Ergebnis auch eine Wiederholrate oder Häufigkeit abhängen kann, mit welcher nachfolgend die Szene mit ersten Erfassungen und/oder mit zweiten Erfassungen erfasst und ausgewertet wird. So kann zum Beispiel eine energetisch effiziente Szenenauswertung dadurch erfolgen, dass zunächst mit einer vergleichsweise geringen Wiederholrate die Szene bzw. ein darin befindliche Objekt erfasst wird. Falls festgestellt wird, dass sich dieses Objekt mit einer gewissen Dynamik verändert oder ein weiteres Objekt in die Szene eindringt, dann kann die Szenenerfassung und Szenenauswertung mit einer vergleichsweise hohen Wiederholrate durchgeführt werden. Dabei kann sich die hohe Wiederholrate auf erste Szenenerfassungen mit einer ersten Photonenakkumulation und/oder auf zweite Szenenerfassungen mit einer zweiten Photonenakkumulation beziehen.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Steuereinheit und der Sensor derart konfiguriert, dass die im Vergleich zu der ersten Anzahl höhere zweite Anzahl von akkumulierten Photonen durch ein Zusammenfassen von benachbarten Einzelpixeln zu einem Pixel realisiert ist. Ein solches Zusammenfassen von Pixeln, welches auch als „Binning“ bezeichnet wird, hat den Vorteil, dass es unkompliziert und zudem schnell bzw. dynamisch durchgeführt werden kann. Es ist insbesondere nicht erforderlich, den Sensor mit zwei unterschiedlichen Lichtempfängern auszustatten, welche anstelle der Zusammenfassung der Einzelpixel größere Pixel mit einer entsprechend reduzierten räumlichen Auflösung aufweisen.
• Es wird darauf hingewiesen, dass über die Fläche des betreffenden Lichtempfängers ein Binning auch lokal in lediglich zumindest einem Teilbereich der aktiven Flächen des Lichtempfängers durchgeführt werden kann. Dies führt dann zwar zu einer inhomogenen räumlichen Auflösung, welche nicht unbedingt gewünscht ist. Der Nachteil einer solchen inhomogenen räumlichen Auflösung wird aber in vielen Anwendungsfällen durch die vorstehend beschriebenen Vorteile der unterschiedlichen Photonenakkumulation überkompensiert. Ein lokales „Binning“ kann zumindest bei einigen bekannten Sensoren ohne besondere elektronische oder apparative Elemente einfach durch eine entsprechende Ansteuerung des Lichtempfängers erfolgen, welche Ansteuerung das „Binning“ und damit den Betriebsmodus des Sensors bestimmt.
• Es wird ferner darauf hingewiesen, dass das beschriebene Binning auch als Reaktion auf zumindest eine zuvor erfasste und ausgewertete Szenencharakteristik (auf automatische Weise) aktiviert werden kann.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Sensor auf eine Beleuchtungseinrichtung zum Aussenden von Beleuchtungslicht auf ein zu erfassendes Objekt in der Szene und einen Lichtempfänger zum Empfangen von Messlicht, welches zumindest teilweise an einem Objekt der Szene gestreutes Beleuchtungslicht ist, das auf den Lichtempfänger auftrifft. Der Sensor ist konfiguriert die Lichtlaufzeit zu messen basierend auf (a) einer Messung der Zeitspanne zwischen einen Aussenden eines Pulses des Beleuchtungslichts und dem Empfang des zu dem Puls gehörigen Messlichts bzw. Messlichtpulses und/oder (b) einer Messung einer Phasenverschiebung zwischen einer zeitlichen Modulation des Beleuchtungslichts und einer zugehörigen Modulation des Messlichts. Dies hat den Vorteil, dass das beschriebene Sensorsystem abhängig von dem jeweiligen Anwendungsfall auf eine geeignete Weise realisiert werden kann. Bei manchen Ausführungsformen ist der Sensor derart konfiguriert, dass flexibel bzw. bei Bedarf zwischen den beiden verschiedenen Messprinzipien „Pulsbetrieb“ und „Phasenmessung“ umgeschaltet werden kann.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Beleuchtungseinrichtung konfiguriert, das Beleuchtungslicht mit einem von einer Kreisform abweichenden Strahlquerschnitt bereitzustellen. Dies hat den Vorteil, dass bei Szenen, welche „nicht rund“ sind, eine unzureichende Ausleuchtung von Eckbereichen der Szene vermieden werden kann. Eine unzureichende Ausleuchtung der Eckbereiche könnte zwar ggf. durch eine insgesamt erhöhte Intensität des Beleuchtungslichts verhindert werden, in diesem Fall würden jedoch die mittleren Bereiche der Szene überbelichtet, was zumindest aus energetischer Sicht sehr nachteilig wäre.
• Bei vielen Ausführungsformen bzw. Anwendungen des Sensorsystems ist es vorteilhaft, wenn das Beleuchtungslicht einen rechteckigen Strahlquerschnitt hat. Bevorzugt ist der Strahlquerschnitt zur Erzielung einer möglichst homogegen Beleuchtung an die Form er zu erfassenden Szene angepasst. Eine geeignete Formgebung des Strahlquerschnitts kann nicht nur durch eine entsprechende Formung der Leuchtfläche der Beleuchtungseinrichtung realisiert werden, der Strahlquerschnitt kann auch durch optische Komponenten wie Spiegel und refraktive optische Elemente (z.B. Linsensystem) auf geeignete Weise angepasst werden. Auch Diffraktive Optische Elemente (DOE) können verwendet werden, welche optional sogar eine dynamische und/oder szenenabhängige Formung des Strahlquerschnitts ermöglichen.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Beleuchtungseinrichtung konfiguriert, für die erste Erfassung der Szene das Beleuchtungslicht mit einer ersten Beleuchtungsintensität auszusenden und für die zweite Erfassung der Szene das Beleuchtungslicht mit einer zweiten Beleuchtungsintensität auszusenden, wobei die zweite Intensität größer ist als die erste Intensität. Dies hat den Vorteil, dass die erfindungsgemäße unterschiedliche Photonenakkumulation auf besonders einfache Art und Weise einfach durch eine entsprechende Ansteuerung der Beleuchtungseinrichtung realisiert werden kann.
• Es wird darauf hingewiesen, dass die erste Beleuchtungsintensität und/oder die zweite Beleuchtungsintensität eine über die gesamte Szene homogen oder alternativ inhomogen sein kann. Im Falle einer inhomogenen Beleuchtungsintensität werden bevorzugt diejenigen Teilbereiche der Szene mit einer höheren Beleuchtungsintensität beleuchtet, welche für eine Objekterkennung besonders relevant sind bzw. in welchen sich relevante Objekte der Szene befinden.
• Es wird ferner darauf hingewiesen, dass (unabhängig von einer unterschiedlichen Beleuchtung für beide Szenenerfassungen) in weiteren Ausführungsformen die Charakteristik der Beleuchtung, insbesondere die Beleuchtungsintensität, in Abhängigkeit vom Umgebungslicht und/oder den Umgebungsbedingungen eingestellt werden kann. So muss beispielsweise bei einer intensiven Sonnenbestrahlung das für die Laufzeitmessung erforderliche Messlicht (und damit auch das Beleuchtungslicht) ausreichend hell sein. Anschaulich ausgedrückt muss das Sonnenlicht „übertönt“ werden. Eine adaptive Steuerung oder Regelung des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung mit, sofern möglich, einer Reduzierung der Intensität des Beleuchtungslichts ermöglicht somit einen energetisch effizienten Betrieb des Sensorsystems. Ähnliches gilt bei Störungen durch äußere Einflüsse, insbesondere Wettereinflüsse wie Regen, Schnee (Schneefall und/oder, in der Szene vorhandener liegender Schnee mit einer hohen Reflexion), Hagel, Nebel, Rauch, Schwebepartikeln, etc.
• Durch Sonnenlicht und/oder solche Störungen durch äußere Einflüsse können sich die Bedingungen für eine TOF-Messung erheblich verschlechtern. Durch einen energieoptimierten Betrieb des Sensorsystems kann das beschriebene Sensorsystem jedoch immer noch (mit einem reduzierten Funktionsumfang) arbeiten. Beispielsweise kann durch eine reduzierte Häufigkeit bzw. Wiederholrate der Szenenerfassungen eine Erkennung von bewegten Objekten nur langsamer bzw. mit einer gewissen Verzögerung erfolgen. Ferner kann in Situationen, welche pro Szenenerfassung (und Szenenauswertung), einen hohen Energieverbrauch haben, dadurch eine Grundfunktionalität des Sensors sichergestellt werden, dass zwar mit höherer Intensität beleuchtet wird, dafür aber zum Zwecke einer Energieeinsparung Pausen zwischen des verschiedenen Szenenerfassungen (automatisch) eingefügt werden.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Beleuchtungseinrichtung (i) zumindest indirekt mit der Datenverarbeitungseinrichtung gekoppelt und (ii) konfiguriert, eine Beleuchtungscharakteristik des ausgesandten Beleuchtungslichts in Abhängigkeit von dem ersten Ergebnis und/oder von dem zweiten Ergebnis zu steuern.
• Dies bedeutet anschaulich, dass zumindest eines der beiden Ergebnisse eine Regelgröße für eine Einstellung der Charakteristik der Beleuchtung ist. Damit kann auf vorteilhafte Weise eine dynamische Anpassung der Beleuchtung an eine zuvor erfasste und zu erwartende Szenencharakteristik der Szene vorgenommen und eine szenenabhängige zumindest annähernd optimale Beleuchtung realisiert werden.
• Die Steuerung der Beleuchtungseinrichtung kann von aktuellen Umgebungsbedingungen abhängen, welche sich in dem ersten Ergebnis und/oder in dem zweiten Ergebnis der Szenenauswertung widerspiegeln. Solche Umgebungsbedingungen können Wetterbedingungen wie beispielsweise das Vorhandensein von Regen, Schnee, Hagel, Nebel, Rauch, Schwebepartikeln, etc. in der Szene sein.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Beleuchtungseinrichtung konfiguriert, die Beleuchtungscharakteristik des ausgesandten Beleuchtungslichts in Abhängigkeit von einem externen Steuersignal zu steuern.
• Die Steuersignale können über einen entsprechenden Dateneingang des Sensorsystems, insbesondere einen Dateneingang der Steuereinheit, empfangen werden. Zur Realisierung einer geeigneten Anpassung der Beleuchtungscharakteristik kann die Steuerung der Beleuchtungseinrichtung von der vorstehend beschriebenen Steuereinheit des Sensorsystems vorgenommen werden. Eine Steuerung bzw. Anpassung der Beleuchtungscharakteristik kann also nicht (nur) von den im Rahmen der TOF Messung generierten Empfangsdaten bzw. den Ergebnissen der Szenenauswertung abhängen. Gemäß dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel erfolgt eine geeignete Anpassung der Beleuchtungscharakteristik von extern.
• Externe Steuersignale können prinzipiell für alle Merkmale und oder Zustände indikativ sein, welche einen Einfluss auf das Rückstreuverhalten des Beleuchtungslichts haben. Ein solches Merkmal ist beispielsweise eine (farbliche) Veränderung eines zu erfassenden Objekts und/oder ein in die Szene neu eintretendes bzw. die Szene verlassendes Objekt, welches das Rückstreuverhalten zumindest teilweise beeinflusst.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Beleuchtungscharakteristik durch zumindest eines der folgenden Merkmale bestimmt: (a) Beleuchtungsintensität für zumindest einen Teilbereich der Szene, (b) Unterschiede in der Beleuchtungsintensität zwischen verschiedenen Teilbereichen der Szene, (c) Wellenlänge des Beleuchtungslichts, (d) spektrale Verteilung des Beleuchtungslichts, (e) Polarisationsrichtung des Beleuchtungslichts, und (f) Intensitätsverteilung für unterschiedliche Polarisationsrichtungen des Beleuchtungslichts.
• Durch eine anwendungsspezifische Verwendung von einem dieser Merkmale oder durch eine geeignete Kombination von zumindest zwei dieser Merkmale können die zu erkennenden Objekte besonders gut beleuchtet und als Ergebnis mit besonders hoher Genauigkeit und Zuverlässigkeit erkannt werden.
• Hinsichtlich der Größe der Teilbereiche der Szene bestehen keine besonderen Einschränkungen. Im Extremfall kann ein Teilbereich genau einem Pixel des Sensors zugeordnet sein.
• Die Wellenlänge, Frequenz bzw. Farbe des Beleuchtungslichts sowie die spektrale Verteilung des Beleuchtungslichts können durch eine geeignete Ansteuerung von spektral unterschiedlichen Leuchtelementen, insbesondere LEDs mit unterschiedlicher Farbe, variiert bzw. an die zu erwartende Charakteristik der Szene angepasst werden. Insbesondere kann die ausgewählte Wellenlänge bzw. spektrale Verteilung des Beleuchtungslichts von der Farbe und damit von dem optischen Rückstreuverhalten des Objekts abhängen.
• Die Polarisationsrichtung des Beleuchtungslichts kann auf bekannte Weise beispielsweise durch die Verwendung von Polarisationsfiltern eingestellt werden.
• Alle genannten charakteristischen Merkmale können optional dynamisch an sich veränderliche Szenen angepasst werden, sodass stets eine möglichst optimale Beleuchtung der Szene erreicht werden kann. Dabei kann eine optimale Beleuchtungscharakteristik auch nach dem Prinzip „Try-and-Error“ oder durch andere statistische Optimierungsprozeduren ermittelt werden. Dies kann dynamisch während eines reellen Betriebs des Sensorsystems oder im Rahmen einer Kalibrierung mittels einer Erkennung von geeigneten Referenzobjekten erfolgen.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum dreidimensionalen optischen Erfassen einer Szene beschrieben. Das Verfahren weist auf (a) ein Bereitstellen eines Sensors zum Messen von Distanzen basierend auf einer Lichtlaufzeit; (b) ein Steuern des Betriebs des Sensors derart, dass (b1) bei einer ersten Erfassung der Szene pro Pixel des Sensors eine erste Anzahl an Photonen akkumuliert wird und (b2) bei einer zweiten Erfassung der Szene pro Pixel des Sensors eine zweite Anzahl an Photonen akkumuliert wird, wobei die zweite Anzahl größer ist als die erste Anzahl; und (c) ein Auswerten der Szene mittels einer dem Sensor nachgeschalteten Datenverarbeitungseinrichtung basierend auf einem ersten Ergebnis der ersten Erfassung der Szene und/oder einem zweiten Ergebnis der zweiten Erfassung der Szene.
• Dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine dreidimensionale Erfassung und Auswertung einer Szene basierend auf zwei unterschiedlichen (Bild)Datensätzen die Szene auf energetisch effiziente Weise erfasst und ausgewertet werden kann. Zum Erzielen einer gewissen Genauigkeit muss nämlich nicht immer diejenige Szenenerfassung und Szenenauswertung durchgeführt werden, welche aus energetischer Sicht die aufwändigere ist.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner auf (d) ein Erfassen eines in der Szene befindlichen Objekts; (e) ein Vergleichen des erfassten Objekts mit zumindest einem Vergleichsobjekt; und,
  wenn das Objekt innerhalb vorgegebener zulässiger Abweichungen mit einem Vergleichsobjekt übereinstimmt, (f) ein Identifizieren des Objekts als ein für eine bestimmte Aktion zugelassenes Objekt.
• Die zugelassene Aktion kann beispielsweise eine erlaubte Passage durch eine Öffnung in einem Gebäude sein, welche Öffnung vor der Identifizierung als zugelassenes Objekt durch einen Verschließkörper verschlossen ist und erst nach der erfolgreichen Identifizierung durch eine entsprechende Bewegung des Verschließkörpers geöffnet wird. Die zu identifizierenden Objekte können bevorzugt Personen und/oder Fahrzeuge sein. Eine erfolgreiche Identifizierung kann zur Steuerung bzw. zur Aktivierung eines Verschlussmechanismus für einen Verschließkörper vor einer Öffnung eines Gebäudes sein. Bei manchen Ausführungsbeispielen wird durch eine (besonders einfache) Objekterkennung lediglich festgestellt, dass es sich bei einem lebenden Objekt um einen Menschen und nicht um ein Tier, beispielsweise ein Vogel oder eine Fledermaus, handelt. Eine Öffnung der Passage kann dann lediglich dann erfolgen, wenn ein Mensch erkannt wurde.
• Durch die Verwendung der 3D TOF (Tiefen-) Information des Sensors kann bei Personen beispielsweise eine zuverlässige Gesichtserkennung realisiert werden, welche zur Aktivierung eines Verschlussmechanismus verwendet werden kann. Dabei können bestimmte Bereiche der Szene beispielsweise durch eine besonders starke Beleuchtung beleuchtet und mit eine erhöhten Genauigkeit erfasst werden, so dass dies wiederum zu einer Energiereduktion gegenüber der Überwachung der ganzen Szene in Hochauflösung oder bei voller Beleuchtung führt.
• Anstelle von Personen können bei anderen Ausführungsformen auch geprägte Schilder, insbesondere Nummernschilder von Fahrzeugen, zuverlässig erfasst und erkannt werden. Durch die 3D Informationen kann nämlich die Prägung des Kennzeichens gut erkannt werden, was zu einer verbesserten Lesezuverlässigkeit führt. Insbesondere kann auf diese Weise eine allfällige Fälschung eines Kennzeichens besser erkannt werden.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird beschrieben eine Verwendung eines vorstehend beschriebenen Sensorsystems für ein Steuern einer Bedeckungscharakteristik einer von einem Objekt zu passierenden Öffnung durch zumindest einen Verschließkörper.
• Der beschriebenen Verwendung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine auf energetisch effiziente Weise vorgenommen Erfassung und Auswertung einer optischen Szene auf vorteilhafte Weise bei Durchgängen eingesetzt werden kann, welche von einem Verschließkörper verschlossen werden können. Dies gilt insbesondere für Durchgänge, welche eine Verschließ- bzw. eine Bedeckungscharakteristik aufweisen, die von dem beschriebenen Sensorsystem gesteuert oder zumindest mitgesteuert wird. Da solche Sensorsysteme üblicherweise durch die Verschlusssysteme für die Verschließkörper mit Energie versorgt werden, ist es besonders wichtig, mit einer vergleichsweise geringen Energiemenge auszukommen und trotzdem zu zuverlässigen Szenenauswertungen zu kommen.
• Durch die erfindungsgemäße Verwendung des vorstehend beschriebenen Sensorsystems können auf energetisch effiziente Weise auch größere Distanzen überwacht werden, welches naturgemäß zu einem früheren Erkennen einer Öffnungsanforderung des Verschlusskörpers führt, was insbesondere bei sich schnell bewegenden Objekten von großem Vorteil sein kann. Ferner kann die Szene mit einem breiteren Erfassungswinkel erfasst werden, was beispielswiese zu einem frühzeitiges Erkennen von sich quer zur Öffnung bewegenden Querverkehr und damit zu einem zuverlässigeres Erkennen von Objekten im Sicherheitsbereich des Verschlusssystems führen kann. Dadurch kann bei Querverkehr eine unnötige Öffnungsanforderung unterdrückt werden.
• Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Öffnung ein Eingang oder ein Ausgang, insbesondere ein Notausgang in einem Gebäude. Durch das Erkennen eines zwar vorhandenen, aber sich ggf. nicht bewegenden Objektes in einem Durchgang kann ein Eingang oder Ausgang überwacht, insbesondere ein blockierter Notausgang erkannt, und die entsprechende Information an ein angegliedertes System, beispielsweise an ein Überwachungssystem, übermittelt werden.
• Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Objekt eine Person oder ein Fahrzeug. In diesem Fall kann das Gebäude insbesondere ein Haus oder eine Garage sein.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird beschrieben eine Verwendung eines vorstehend beschriebenen Sensorsystems für ein Erfassen und/oder Steuern von Verkehrsströmen von Objekten, welche sich durch eine Szene des Sensorsystems bewegen, wobei die Szene durch einen räumlichen Erfassungsbereich des Sensorsystems bestimmt ist.
• Auch dieser beschriebenen Verwendung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einer Verkehrserfassung und/oder Verkehrsstromlenkung auf eine energieeffiziente Sensorik ankommt, da diese Sensorik typischerweise ständig in Betrieb ist. Die für den betreffenden Verkehrsstrom relevanten Objekte können beispielsweise Personen, Fahrzeuge, Produkte wie z.B. Pakete, Koffer, etc. sein. Da für derartige Anwendungen üblicherweise eine Mehrzahl oder gar eine Vielzahl von 3D Sensoren einsetzt werden, wirken sich hier Energieeinsparungen besonders positiv aus.
• Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen oder Verwendungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von Erfindungsgegenständen gehören.
• Bevor an späterer Stelle und bezugnehmend auf die Zeichnung exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden, werden an dieser Stelle einige technische Überlegungen dargestellt, die im Zusammenhang mit der Erfindung stehen.
• TOF-basierende Sensorsysteme können generell sowohl in Bezug auf das Beleuchtungslicht als auch in Bezug auf das Messlicht in zwei grundsätzlich unterschiedliche Klassen unterteilt werden, welche beliebig miteinander kombiniert werden können.
• B1: Die erste Alternative (B1) für die Beleuchtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Szene mittels eines einzelnen Beleuchtungslichtstrahls hoher Fokussierung und niedriger Divergenz (also hoher Kollimation) sequentiell abgetastet wird. Für jede Position des Beleuchtungslichtstrahls in der Szene wird eine Messung der Laufzeit des Beleuchtungslichts und des Messlichts vorgenommen. Das Abtasten kann unter Verwendung von beweglichen optischen Komponenten, insbesondere Spiegel, realisiert werden. Alternativ oder in Kombination kann für ein sequentielles Abtasten der Szene mit dem Beleuchtungslichtstrahl ein Festkörper verwendet werden, welcher ohne mechanisch bewegliche Teile auskommt und integrierte photonische Strukturen bzw. Schaltungen aufweist. Bei einer geeigneten Ansteuerung dieser Strukturen wird der Beleuchtungslichtstrahl dann auf die gewünschte Stelle der Szene gerichtet. Ein solcher Festkörper ist beispielsweise aus US 2015/293224 A1 bekannt.
• B2: Die zweite Alternative (B2) für die Beleuchtung zeichnet sich dadurch aus, dass die gesamte Szene (auf einmal und flächig) beleuchtet wird. Bei Bedarf kann die Intensität des Beleuchtungslichts in ausgewählten Teilbereichen der Szene (punktuell) erhöht werden, um an diesen Stellen eine verbesserte 3D Objekterfassung zu ermöglichen. Eine solche räumlich ungleichmäßige Verteilung des Beleuchtungslichts kann ohne bewegliche optische Komponenten beispielsweise mittels eines sog. Diffraktiven Optischen Elementes (DOE) erfolgen.
• M1: Eine erste Alternative (M1) für die Messung basiert auf gepulsten Beleuchtungslichtstrahlen. Dabei wird ein „Reisezeit“ eines Lichtimpulses auf der Empfängerseite für jedes Pixel innerhalb eines Zeitfensters erfasst und daraus die Entfernung abgeleitet.
• M2: Die zweite Alternative (M2) für die Messung basiert auf einer zeitlichen, bevorzugt sinusförmigen, Modulation des Beleuchtungslichts mit einer vorgegebenen Frequenz, wobei geeignete Werte für diese Frequenz von der zu erwartenden Laufzeit bzw. der maximalen Erfassungsdistanz abhängen. Auf der Seite des Lichtempfängers wird die Phasendifferenz für jedes Pixel gemessen und daraus die Distanzinformation abgeleitet.
• Beide Messprinzipien M1 und M2 basieren auf einer Integration der Anzahl von Photonen bzw. der in dem Lichtempfänger generierten Photoelektronen, welche auf jedem zu messenden Pixel eintreffen. In diesem Zusammenhang ist es offensichtlich, dass ein stets vorhandenes Licht- bzw. Photonenrauschen von der Anzahl der in einem Pixel akkumulierten Photonen abhängt. Daher wird die aus der TOF Messung gewonnen Distanzinformation umso genauer, je höher die Anzahl an akkumulierten Photonen ist.
• Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen. Die einzelnen Figuren der Zeichnung dieses Dokuments sind lediglich als schematisch und als nicht maßstabsgetreu anzusehen.
• Figurenliste
• 1 zeigt die Verwendung eines Sensorsystems zum Steuern einer Bedeckungscharakteristik einer Öffnung mittels als Schiebetüren ausgebildeten Versch ließkörpern.
• 2 zeigt die Verwendung eines Sensorsystems zum Erfassen eines Verkehrsflusses von auf einem Förderband transportierten Objekten.
• Die 3a und 3b illustrieren ein Zusammenfassen von Einzelpixeln eines Lichtempfängers.
• Die 4a bis 4c zeigen verschiedene Strahlquerschnitte eines Beleuchtungslichts zum Anpassen der Beleuchtung an die Form der zu erfassenden Szene.
• Detaillierte Beschreibung
• Es wird darauf hingewiesen, dass in der folgenden detaillierten Beschreibung Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten von einer anderen Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit Bezugszeichen versehen sind, welche in den letzten beiden Ziffern identisch sind mit den Bezugszeichen von entsprechenden gleichen oder zumindest funktionsgleichen Merkmalen bzw. Komponenten. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.
• Bevor in diesem Abschnitt die Figuren im Detail beschrieben werden, werden nachstehend einige Aspekte von einer Reihe von Ausführungsformen erläutert.
• In Anbetracht der bei vielen Anwendungen von 3D Sensorsystemen großen Bedeutung eines energieeffizienten Betriebs lässt sich die auf den Lichtempfänger treffende optische Energie des Messlichts dadurch optimieren, dass je nach Ausprägung der Szene die Szene unterschiedlich beleuchtet wird. So ist z.B. bei einem Türöffnungssystem zur Aktivierung einer Türöffnung vor allem relevant, wenn sich Objekte mit höherer Geschwindigkeit von außen an die überwachte Zone annähern. Sog. Spontanstarts von Objekten im Inneren der überwachten Zone, welche sich (nach kurzer Zeit) auch mit einer hohen Geschwindigkeit bewegen können, sind eher untypisch. So lassen sich bei einer (leicht zu realisierenden) Ausführungsform der Erfindung vor allem die Randbereiche der Szene mit einer besonders hohen Intensität des Beleuchtungslichts überwachen. Eine Objekterkennung im Inneren der überwachten Zone kann ohne weiteres mit einer „Aufweckverzögerung“ erfolgen, was es erlaubt, im Inneren die Überwachung mit einem weniger starken Beleuchtungslicht zu realisieren. Dies lässt sich durch eine funktionsabhängige Beleuchtung realisieren, bei der durch ein Steuern der abstrahlwinkelabhängigen Beleuchtungsenergie über einen zeitlichen Mittelwert eine Energieoptimierung erreicht werden kann. Dabei können unterschiedliche Strategien angewendet werden.
• (1) Bei einer Beleuchtungseinrichtung, welche aus mehreren einzelnen jeweils eine gewisse Beleuchtungsintensität liefernden Elementen besteht, beispielweise einem Array von Leuchtdioden, kann die Beleuchtungsintensität von zumindest einem einzelnen Element gegenüber den anderen Elementen variiert werden. Diese Variation kann bereits konstruktiv im Aufbau der entsprechenden Beleuchtungseinrichtung realisiert werden, beispielsweise durch die Verwendung von Leuchtdioden mit unterschiedlicher Intensität. Alternativ oder in Kombination kann dies auch durch die Art der Ansteuerung der Leuchtdioden mit jeweils einem individuell einstellbaren Strom erreicht werden. Eine solche Stromeinstellung kann auch bei einer Kalibrierung des Sensorsystems beispielsweise im Wege einer (Erst)Installation des Sensorsystems erfolgen.
• Darüber hinaus kann eine individuelle Stromsteuerung auch dynamisch während des Betriebs des Sensorsystems vorgenommen werden. So können beispielsweise dann, wenn aus einem Raumwinkelbereich wenig Intensität an Messlicht auf den Lichtempfänger trifft, diesem Raumwinkelbereich zugeordnete Leuchtdioden stärker bestromt werden. Ein solches Vorgehen eignet sich besonders gut für die vorstehend beschriebene Beleuchtungsalternative B2 in Kombination mit den beiden ebenfalls vorstehend beschriebenen Messprinzipien M1 oder M2.
• (2) Bei Beleuchtungseinrichtungen, welche in Übereinstimmung mit dem vorstehend beschriebenen Beleuchtungsprinzip B1 mittels eines Beleuchtungslichtstrahls die ganze Szene sequentiell abtasten bzw. scannen, ist typischerweise zu jedem Zeitpunkt der aktuelle Raumwinkel des Beleuchtungslichtstrahls bekannt. Durch ein Variieren der Intensität des Beleuchtungslicht(strahls) abhängig vom jeweiligen Raumwinkel kann so die Beleuchtungsintensität abhängig von der optischen Charakteristik der erfassten Szene (und bei einer optionalen dynamischen Steuerung oder Regelung auch abhängig von der von dem jeweiligen Raumwinkel zurückgestreuten Intensität des Messlichts) gezielt gesteuert oder geregelt werden. So kann beispielsweise eine statische Szene eingemessen werden, wobei die zu jedem Raumwinkel passende Intensität an Beleuchtungslicht eingelernt wird.
• Eine optionale dynamische Anpassung der Beleuchtungslichtintensität kann sowohl in Echtzeit durchgeführt werden, indem diejenigen Raumwinkelbereiche, aus denen lediglich eine geringe Intensität an Messlicht empfangen wird, unmittelbar, d.h. ohne Verzögerung, stärker beleuchtet werden. Eine solche Variation kann auch adaptiv von einer Szenenerfassung zu der nächsten Szenenerfassung durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass abhängig von dem Auswertungsergebnis einer letzten Szenenerfassung für die nächste Szenenerfassung diejenigen Raumwinkelbereiche, die „überbelichtet“ waren, nun mit einer geringeren Intensität an Beleuchtungslicht „belichtet“ werden. In entsprechender Weise können „unterbelichtete“ Raumwinkelbereiche bei einer nächsten Szenenerfassung durch eine stärkere „Belichtung“ aufgehellt werden. Ein solches Vorgehen eignet sich besonders gut für die vorstehend beschriebene Beleuchtungsalternative B1 in Kombination mit den beiden Messprinzipien M1 oder M2.
• (3) Unabhängig von den beiden vorgenannten Strategien lässt sich bei Bedarf auch die Häufigkeit bzw. die Wiederholrate von ganzen Szenenerfassungen reduzieren (und zwischen den Szenenerfassungen die Beleuchtung abschalten), was ebenfalls zu einer (weiteren) Energieeinsparung beiträgt. So lässt sich zum Beispiel bei einem Sensorsystem für ein Tor, wobei für eine Anforderung einer Toröffnung (i) tagsüber sowohl Fahrzeuge als auch Personen und (ii) nachts nur noch Personen erkannt werden müssen, während der Nachtzeit die Häufigkeit bzw. die Wiederholrate von Szenenerfassungen reduzieren. Bei einer lediglich Halbierung der Häufigkeit führt dies zu einer fast 50% Einsparung an von dem Sensorsystem verbrauchter Energie. Eine Reduzierung der Häufigkeit der „nächtlichen“ Szenenerfassungen ohne eine (genaue) Erfassung von Fahrzeugen ist in der Regel deshalb unkritisch, weil Fußgänger im Vergleich zu Fahrzeugen normalerweise eine geringere Geschwindigkeit haben, so dass deren zuverlässige Erkennung auch mit einer reduzierten Häufigkeit an Szenenerfassungen und damit auch mit einer entsprechend geringeren Zeitauflösung möglich ist.
• Ähnliche Vorgehensweisen mit einer Reduzierung der Wiederholrate sind immer dann möglich, wenn für eine Erkennung einer Bewegung eine gewisse zeitliche Verzögerung zulässig ist und/oder wenn lediglich weniger schnell bewegte Objekte erkannt werden müssen. Dann kann nämlich regelmäßig zwischen zwei Szenenerfassungen eine „Beleuchtungspause“ eingelegt werden.
• (4) Bei einem Türöffnungssystem, bei dem die Türe geöffnet ist, muss, solange sich Objekte in der Durchgangszone bzw. in einem Sicherheitsbereich befinden, nur diese Durchgangszone überwacht werden, weil eine Türschließung ohnehin nicht in Frage kommt, solange sich Objekte innerhalb des Sicherheitsbereiches befinden (und auch erkannt werden). So lässt sich die Beleuchtung für das in diesem Dokument beschriebene TOF-Sensorsystem auf einen Teilbereich der zu überwachenden Szene reduzieren und dadurch Energie sparen. Alternativ kann auch die Erkennung eines Objektes, welches mit hoher Wahrscheinlichkeit einen Durchgang passieren will, ausreichen, um ein entsprechendes Öffnungssignal auszulösen, so dass ggf. in der Szene vorhandene weitere Objekt nicht weiter beobachtet werden müssen und eine entsprechende Energiemenge eingespart werden kann.
• (5) Ferner kann bei der Verwendung des in diesem Dokument beschriebenen TOF-Sensorsystems für die Überwachung eines durch eine Tür verschließbaren Durchgangs zum Beispiel eine höhere zeitliche und/oder räumliche Auflösung in der Nähe der Türe (sog. Nahzone) gefordert sein. Dann kann nämlich mit einer besonders hohen Zuverlässigkeit sichergestellt werden, dass keine Extremitäten (Hand, Fuß, Finger, etc.) einer Person durch ein versehentliches Schließen der Tür eingeklemmt werden.
• Ferner genügt beispielsweise für eine Detektion eines sich bewegenden Objekts, welches sich relativ weit weg von der Tür (in einer sog. Fernzone) befindet, eine vergleichsweise geringe zeitliche und/oder räumliche Auflösung, als dies für die Nahzone erforderlich wäre. Diese Erkenntnis lässt sich dahingehend zur Energieoptimierung nutzen, dass sich für die Fernzone viel weniger Überwachungspunkte mit genügend Beleuchtungsintensität bzw. Beleuchtungsenergie versorgt werden müssen (geringe räumliche Auflösung), während in der Nahzone eine feinmaschigere Überwachung (größere räumliche Auflösung) der Szene (und damit verbunden eine höhere Beleuchtungsintensität pro Raumsektor) notwendig ist.
• (6) Außerdem kann, vollkommen unabhängig von den zuvor beschriebenen Strategien, bei vielen Anwendungsfällen die Beleuchtungsintensität in einem Teilbereich der Szene punktuell durch eine geeignete Fokussierung des Beleuchtungslichts vergrößert werden. Dabei sinkt zwar die laterale Auflösung der Szenenerfassung, weil durch eine solche Fokussierung ein Teil des Teilbereiches mit weniger Beleuchtungslicht versorgt wird als ein anderer Teil dieses Teilbereiches. Wenn durch eine solche Maßnahme jedoch immer noch eine für den jeweiligen Anwendungsfall ausreichende räumliche Auflösung gewährleistet ist, dann ist hierdurch eine weitere signifikante Energieeinsparung möglich.
• 1 zeigt die Verwendung eines Sensorsystems 100 zum Steuern einer Bedeckungscharakteristik einer Öffnung 184 abhängig von der Charakteristik einer von dem Sensorsystem 100 überwachten Szene 190. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 184 eine Eintrittsöffnung für Personen in ein Gebäude oder eine Garageneinfahrt für Kraftfahrzeuge in eine Garage. Die entsprechende Eingangsstruktur ist mit dem Bezugszeichen 180 versehen.
• Die Eingangsstruktur 180 umfasst eine stationäre Haltestruktur 182, welche einen Rahmen sowie eine Führung für zwei als Schiebetüren ausgebildete Verschließkörper 186 darstellt. Die Schiebetüren 186 können jeweils mittels eines Motors 187 entlang der durch zwei dicke Doppelpfeile dargestellten Verschieberichtungen bewegt werden. Die Ansteuerung der Motoren 187 erfolgt, wie im Folgenden dargelegt, mittels des in diesem Dokument beschriebenen Sensorsystems 100.
• Das Sensorsystem 100 weist auf einen TOF-Sensor 110, eine Steuereinheit 140, eine Datenverarbeitungseinrichtung 150 sowie eine Datenbank 160. In dem TOF-Sensor 110 sind alle optischen Komponenten des Sensorsystems 100 untergebracht. An einem Gehäuse des TOF-Sensors 110 ist eine Halterung 111 vorgesehen. Mittels dieser Halterung 111 ist zumindest der TOF-Sensor 110 an der stationären Haltestruktur 182 in mechanisch stabiler und räumlich fester Weise angebracht. Bevorzugt ist das Sensorsystem 100 (im Gegensatz zu der Darstellung von 1) als ein Modul aufgebaut, welches innerhalb einer kompakten Bauweise neben dem TOF-Sensor 110 auch noch die Steuereinheit 140, die Datenverarbeitungseinrichtung 150 sowie die Datenbank 160 aufweist.
• Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Steuereinheit 140 eine Schnittstelle 142 auf, über welche ein externes Steuersignal 142a empfangen werden kann. Das externe Steuersignal kann von einem angegliederten System (nicht dargestellt), beispielsweise einem Überwachungssystem, stammen, welches den Betrieb der Sensorvorrichtung 100 abhängig von externen Parametern steuert. Ein solcher externer Parameter kann beispielsweise eine vorab bekannte Objekteigenschaft sein.
• Über die Schnittstelle 142 übertragene Signalisierungsdaten können außerdem Informationen über die erfasste und ausgewertete Szene 190 enthalten. Eine solche Information kann beispielhaft die Information sein, dass ein zur Fahndung ausgeschriebenes Nummernschild erkannt wurde, dass ein Parkplatz illegal belegt wurde, dass sich ein verdächtiger Gegenstand in der überwachten Szene 190 befindet, etc. In diesem Fall erfolgt ein entsprechender Informationsfluss von der Sensorsystem 100 bzw. genauer von der Steuereinheit 140 zu dem angegliederten System.
• Alternativ oder in Kombination ist bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel auch die Datenverarbeitungseinrichtung 150 mit einer Schnittstelle 152 versehen, welche ebenfalls ein externes Steuersignal empfangen kann, das mit dem Bezugszeichen 152a versehen ist. Dieses Steuersignal 152a kann dazu verwendet werden, den Betrieb der Datenverarbeitungseinrichtung 150 zumindest teilweise von externen Informationen abhängig zu machen. Insbesondere kann über das Steuersignal 152a ein a priori Wissen über ein Objekt 195 für eine verbesserte Auswertung der erfassten Szene 190 übermittelt werden. Wie vorstehend ausführlich beschrieben, erfolgt die Szenenerfassung durch eine „zweistufige Erfassung“ mit unterschiedlichen Photonenakku m u lationen.
• Der TOF-Sensor 110 umfasst eine Beleuchtungseinrichtung 130, beispielsweise ein Array von Leuchtdioden, welche die Szene 190 und damit auch das in der Szene 190 befindliche Objekt 195 mit einem gepulsten und zeitlich modulierten Beleuchtungslicht 131 beleuchtet. Ferner umfasst der TOF-Sensor 110 einen Lichtempfänger 120, welcher von dem Objekt 195 zurückgestreutes Beleuchtungslicht 131 empfängt, welches in diesem Dokument als Messlicht 196 bezeichnet wird. Die räumliche Erfassung der Szene 195 erfolgt auf der Basis der vorstehend im Detail erläuterten Prinzipien einer Laufzeitmessung, welche auch als Time Of Flight (TOF) Messung bezeichnet wird. Die entsprechenden TOF Daten werden an die Datenverarbeitungseinrichtung 150 übergeben. Dies kann direkt oder indirekt über die Steuereinheit 140 erfolgen.
• Es wird darauf hingewiesen, dass die Beleuchtungseinrichtung 130 neben den in 1 dargestellten Beleuchtungseinheiten auch noch andere Beleuchtungseinheiten aufweisen kann, welche die Szene 190 aus einem anderen Winkel beleuchten. Ebenfalls können die beiden Beleuchtungseinheiten auch außerhalb des Gehäuses des TOF-Sensors 110 angeordnet und damit von dem Lichtempfänger 120 weiter beabstandet sein. An den Prinzipien der durchgeführten TOF Messung ändert sich dadurch nichts.
• Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird basierend auf diesen 3D Daten die erfasste optische Szene 190 mittels geeigneter Methoden der Bildauswertung ausgewertet. Dazu werden erste Daten von der vorstehend beschriebenen ersten Szenenerfassung mit der ersten Photonenakkumulation und/oder zweite Daten von der vorstehend beschriebenen zweiten Szenenerfassung mit der zweiten Photonenakkumulation verwendet.
• Zur Erfassung eines Bewegungsprofils des Objekts 195 wird innerhalb gewisser zeitlicher Abstände jeweils ein Bild der Szene 190 mit der ersten Szenenerfassung und/oder der zweiten Szenenerfassung erfasst. Damit ist die Datenverarbeitungseinrichtung 150 in der Lage, basierend auf entsprechenden Positionsverschiebungen des Objekts 195 nicht nur dessen Geschwindigkeit als Absolutwert sondern als Bewegungsvektor (mit einer Richtungsinformation) zu bestimmen. Eine Kenntnis der genauen Position und/oder des Bewegungsprofils des Objekts 195 kann dann in vorteilhafter Weise dazu verwendet werden, die beiden Motoren 187 in geeigneter Weise von der Datenverarbeitungseinrichtung 150 anzusteuern. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel werden bei einer verschlossenen Öffnung 184 die Schiebetüren 186 lediglich dann geöffnet, wenn sich das Objekt 195 tatsächlich in Richtung der Öffnung 184 bewegt. Falls es sich bei dem Objekt 195 um ein Fahrzeug eines sogenannten Querverkehrs handelt, welches sich im Wesentlichen an der Öffnung 184 vorbei bewegt, dann wird der entsprechende Bewegungsvektor von der Datenverarbeitungseinrichtung 150 erkannt und es unterbleibt ein Öffnen der Schiebetüren 186.
• Nach einem Passieren des Objekts 195 durch die Öffnung 184 kann diese zügig wieder geschlossen werden, um beispielsweise ein Passieren von weiteren Objekten zu verhindern. In diesem Zusammenhang ist es offensichtlich, dass nicht nur der Zeitpunkt, zu dem die Öffnung freigegeben werden muss, sondern auch der Zeitraum, für den die Öffnung 184 offengehalten werden muss, von der Geschwindigkeit des Objekts 195 abhängt, mit der sich dieses in Richtung auf die Öffnung 184 und durch die Öffnung 184 hindurch bewegt. Durch eine Erkennung des Objekts 195 kann eine Optimierung des Betriebs der Eingangsstruktur 180 durch eine geeignete Ansteuerung der Motoren 187 erreicht werden: Für Menschen sollte ein Durchgang nämlich im Vergleich zu leblosen Objekten früher geöffnet und später geschlossen werden, um den Menschen die Angst vor einer Kollision mit den Schiebetüren 186 zu nehmen.
• Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sensorsystem 100 ferner in der Lage, eine Objekterkennung vorzunehmen. Dazu greift die Datenverarbeitungseinrichtung 150 auf einen in der Datenbank 160 abgelegten Datensatz von Referenzobjekten zu, welche ausgewählten Objekten entsprechen, die autorisiert sind, die Öffnung 184 zu passieren. Dies bedeutet, dass bei einer geeigneten Annäherung des Objekts 195 an den Eingang 184 die Schiebetüren 186 lediglich dann geöffnet werden, wenn das erkannte Objekt 195 zumindest annähernd mit einem der hinterlegten Referenzobjekten übereinstimmt. Dies bedeutet anschaulich, dass bei der hier beschriebenen Verwendung des Sensorsystems 100 die Bedeckungscharakteristik der Öffnung 184 nicht nur von dem Bewegungsprofil des Objekts 195 abhängt, sondern dass auch noch eine objektbasierte Zugangskontrolle stattfindet.
• 2 zeigt eine weiteren Verwendung bzw. einen weiteren Einsatz des Sensorsystems 100. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in 2 lediglich der TOF-Sensor 110 des Sensorsystems 100 dargestellt.
• Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfasst der TOF-Sensor 110 einen Verkehrsfluss von (verschiedenen) Objekten 295a, 295b, 295c, 295d und 295e, welche sich auf einem Förderband 298 befinden und entlang der durch einen Pfeil dargestellten Bewegungsrichtung durch eine Szene 290 hindurch bewegen. Eine zuverlässige Kenntnis der Anzahl und/oder der Art der Objekte 295a - 295e kann im Bereich der Logistik für eine Steuerung des Verkehrsflusses verwendet werden. Lediglich ein Beispiel für eine solche Steuerung eines Verkehrsfluss ist die Steuerung des Gepäcktransportes in einem Flughafen. Dabei können auch Etiketten auf den betreffenden Objekten 295a - 295e die Art des jeweiligen Objektes bestimmen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Einsatz in einem Flughafen lediglich ein Beispiel von einer Vielzahl von anderen Anwendungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der Verkehrsteuerung ist.
• Die 3a und 3b illustrieren ein Zusammenfassen von Einzelpixeln eines als ein Halbleiter- bzw. CCD Chip ausgebildeten Lichtempfängers 320a bzw. 320b. Der Lichtempfänger 320a weist eine Vielzahl von lichtsensitiven bzw. Photonen sammelnden Pixeln 322a auf. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Pixel 322a der vollen räumlichen Auflösung des Lichtempfängers 320a zugeordnet, welche Auflösung durch die Halbleiter-Architektur des Chips 320a vorgegeben ist.
• Bei dem Lichtempfänger 320b sind jeweils vier der lichtsensitiven Pixel (für eine volle Auflösung) zu einem übergeordneten Pixel 322b (für eine erhöhte Photonenakkumulation pro Pixel auf Kosten einer reduzierten räumlichen Auflösung) zusammengefasst. Anschaulich ausgedrückt sammelt ein Pixel 322b im Vergleich zu einem einzelnen Pixel 322a eine vierfache Menge an Licht auf. Ein solches Zusammenfassen (Englisch „Binning“) reduziert die erforderliche (Mindest)Intensität des erfassten Messlichts, welche zum Auswerten des entsprechenden Bildbereiches der Szene benötigt wird. Da die Intensität des Messlichts unmittelbar von der Intensität des Beleuchtungslichts abhängt, kann durch das „Binning“ die Intensität des Beleuchtungslichts reduziert und damit der Energieverbrauch des Sensorsystems verringert werden.
• Das beschriebene „Binning“ kann auch dynamisch durch eine entsprechende Ansteuerung ein und desselben Lichtempfängers 320a bzw. 320b realisiert werden. Dabei wird der Lichtempfänger entweder in einem ersten Betriebsmodus (mit voller Auflösung) oder in einem zweiten Betriebsmodus (mit zusammengefassten Photonen sammelnden Pixeln) betrieben. Ein Umschalten zwischen verschiedenen Betriebsmodi kann von externen Steuersignalen gesteuert werden. Alternativ oder in Kombination kann ein solches Umschalten auch von der Ergebnis einer Szenenauswertung abhängen, so dass der „Binning“ Betriebsmodus für eine nächste Szenenerfassung geregelt wird.
• Es wird darauf hingewiesen, dass auch mehr als zwei unterschiedliche Betriebsmodi mit jeweils einer unterschiedlich starken Zusammenfassung von Pixeln zum Einsatz kommen können. Ferner ist es möglich, in unterschiedlichen Teilbereichen des Lichtempfängers jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Einzelpixeln zu einem Pixel zusammenzufassen. Dann können einzelne Teilbereiche der Szene mit einer höheren räumlichen Auflösung (und einer geringeren Photonenakkumulation) und andere Teilbereich der Szene mit einer niedrigeren räumlichen Auflösung (und einer höheren Photonenakkumulation) erfasst werden. Das beschriebene lokale und unterschiedlich starke Zusammenfassen von Pixeln kann dynamisch bzw. adaptiv in genau den Teilbereichen durchgeführt werden kann, in denen sich gerade ein bestimmtes Objekt befindet.
• Die 4a bis 4c zeigen verschiedene Strahlquerschnitte eines Beleuchtungslichts zum Anpassen der Beleuchtung an die Form der zu erfassenden Szene. Ein in 4a illustriertes erstes Beleuchtungslicht 431a hat einen im Wesentlichen kreisförmigen Strahlquerschnitt und eignet sich bevorzugt für „runde Szenen“. Für die meisten Anwendungsfälle, welche keine „runde Szene“ erfassen (und auswerten), eignet sich jedoch ein von einer Kreisform abweichender Strahlquerschnitt. In 4b ist ein Beleuchtungslicht 431b mit einem elliptischen Strahlquerschnitt dargestellt. 4c zeigt ein Beleuchtungslicht 431c mit einem rechteckigen Strahlquerschnitt. Wie vorstehend bereits erwähnt, kann der Strahlquerschnitt durch eine entsprechende Formgebung der Beleuchtungseinrichtung und/oder durch optische Komponenten wie Spiegel und refraktive optische Elemente (z.B. Linsensystem) auf geeignete Weise an die jeweils zu erfassende Szene angepasst werden. Auch Diffraktive Optische Elemente (DOE) können verwendet werden, welche optional sogar eine dynamische und/oder szenenabhängige Formung des Strahlquerschnitts ermöglichen.
• Es wird angemerkt, dass der Begriff „aufweisen“ nicht andere Elemente ausschließt und dass das „ein“ nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.
• Bezugszeichenliste

100

Sensorsystem

110

TOF-Sensor

111

Halterung

120

Lichtempfänger

130

Beleuchtungseinrichtung

131

Beleuchtungslicht

140

Steuereinheit

142

Schnittstelle

142a

externes Steuersignal

150

Datenverarbeitungseinrichtung

160

Datenbank

152

Schnittstelle

152a

externes Steuersignal

180

Eingangsstruktur

182

stationäre Haltestruktur

184

Öffnung / Eingang

186

Verschließkörper / Schiebetür

187

Motor

190

Szene

195

Objekt

196

Messlicht

290

Szene

295a-e

Objekte

298

Förderband

320a/b

Lichtempfänger / Sensorchip

322a

Pixel

322b

übergeordnetes Pixel / zusammengefasstes Pixel

431a

Beleuchtungslicht mit rundem Querschnitt

431b

Beleuchtungslicht mit elliptischen Querschnitt

431c

Beleuchtungslicht mit rechteckigem Querschnitt

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• EP 2453252 B1 [0004]
• US 2015293224 A1 [0072]

Claims (19)

1. Sensorsystem (100) zum dreidimensionalen optischen Erfassen einer Szene (190), das Sensorsystem (100) aufweisend einen Sensor (110) zum Messen von Distanzen basierend auf einer Lichtlaufzeit; eine Steuereinheit (140) zum Steuern des Betriebs des Sensors (110) derart, dass bei einer ersten Erfassung der Szene (190) pro Pixel (322a) des Sensors (110) eine erste Anzahl an Photonen akkumuliert wird und bei einer zweiten Erfassung der Szene (190) pro Pixel (322b) des Sensors (110) eine zweite Anzahl an Photonen akkumuliert wird, wobei die zweite Anzahl größer ist als die erste Anzahl; und eine dem Sensor (110) nachgeschaltete Datenverarbeitungseinrichtung (150), welche konfiguriert ist, die Szene (190) auszuwerten basierend auf einem ersten Ergebnis der ersten Erfassung der Szene (190) und/oder einem zweiten Ergebnis der zweiten Erfassung der Szene (190).
2. Sensorsystem (100) gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend eine Halterung (111), welche mit dem Sensor (110) mechanisch gekoppelt ist, wobei die Halterung (111) derart ausgebildet ist, dass das Sensorsystem (100) an einer in Bezug auf die zu erfassende Szene stationären Haltestruktur (182) anbringbar ist.
3. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (150) ferner derart konfiguriert ist, dass eine Bedeckungscharakteristik einer von einem Objekt (195) zu passierenden Öffnung (184) durch zumindest einen Verschließkörper (186) steuerbar ist.
4. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (140) eine Schnittstelle (142) aufweist und die Steuereinheit (140) ferner derart konfiguriert ist, dass die Akkumulierung der ersten Anzahl von Photonen und/oder die Akkumulierung der zweiten Anzahl von Photonen von einem externen Steuersignal (142a) steuerbar ist.
5. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Erfassung der Szene (190) mit einer ersten Messdauer und die zweite Erfassung der Szene mit einer zweiten Messdauer durchgeführt wird, wobei die zweite Messdauer länger ist als die erste Messdauer.
6. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (150) mit der Steuereinheit (140) gekoppelt ist und die Datenverarbeitungseinrichtung (150) ferner konfiguriert ist, abhängig von dem ersten Ergebnis und/oder dem zweiten Ergebnis über die Steuereinheit (140) ein Akkumulieren der Anzahl von Photonen für zumindest eine nachfolgende erste Erfassung und/oder eine nachfolgende zweite Erfassung zu steuern.
7. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (140) und der Sensor (110) derart konfiguriert sind, dass die im Vergleich zu der ersten Anzahl höhere zweite Anzahl von akkumulierten Photonen durch ein Zusammenfassen von benachbarten Einzelpixeln (322a) zu einem Pixel (322b) realisiert ist.
8. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Sensor aufweist eine Beleuchtungseinrichtung (130) zum Aussenden von Beleuchtungslicht (131) auf ein zu erfassendes Objekt (195) in der Szene (190) und einen Lichtempfänger (120) zum Empfangen von Messlicht (196), welches zumindest teilweise an einem Objekt (195) der Szene (190) gestreutes Beleuchtungslicht (131) ist, das auf den Lichtempfänger (120) auftrifft, wobei der Sensor (110) konfiguriert ist die Lichtlaufzeit zu messen basierend auf (a) einer Messung der Zeitspanne zwischen einen Aussenden eines Pulses des Beleuchtungslichts (131) und dem Empfang des zu dem Puls gehörigen Messlichts (196) und/oder (b) einer Messung einer Phasenverschiebung zwischen einer zeitlichen Modulation des Beleuchtungslichts (131) und einer zugehörigen Modulation des Messlichts (196).
9. Sensorsystem (100) gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die Beleuchtungseinrichtung (130) konfiguriert ist, das Beleuchtungslicht (131) mit einem von einer Kreisform (431a) abweichenden Strahlquerschnitt (431b, 431c) bereitzustellen.
10. Sensorsystem (100) gemäß einem der beiden vorangehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinrichtung (130) konfiguriert ist, für die erste Erfassung der Szene (190) das Beleuchtungslicht (131) mit einer ersten Beleuchtungsintensität auszusenden und für die zweite Erfassung der Szene (190) das Beleuchtungslicht (131) mit einer zweiten Beleuchtungsintensität auszusenden, wobei die zweite Intensität größer ist als die erste Intensität.
11. Sensorsystem (100) gemäß einem der drei vorangehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinrichtung (130) (i) zumindest indirekt mit der Datenverarbeitungseinrichtung (150) gekoppelt ist und (ii) konfiguriert ist, eine Beleuchtungscharakteristik des ausgesandten Beleuchtungslichts (131) in Abhängigkeit von dem ersten Ergebnis und/oder von dem zweiten Ergebnis zu steuern.
12. Sensorsystem (100) gemäß einem der vier vorangehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinrichtung (130) konfiguriert ist, die Beleuchtungscharakteristik des ausgesandten Beleuchtungslichts (131) in Abhängigkeit von einem externen Steuersignal (142a) zu steuern.
13. Sensorsystem (100) gemäß einem der beiden vorangehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungscharakteristik durch zumindest eines der folgenden Merkmale bestimmt ist: (a) Beleuchtungsintensität für zumindest einen Teilbereich der Szene (190), (b) Unterschiede in der Beleuchtungsintensität zwischen verschiedenen Teilbereichen der Szene (190), (c) Wellenlänge des Beleuchtungslichts (131), (d) spektrale Verteilung des Beleuchtungslichts (131), (e) Polarisationsrichtung des Beleuchtungslichts (131), und (f) Intensitätsverteilung für unterschiedliche Polarisationsrichtungen des Beleuchtungslichts (131).
14. Verfahren zum dreidimensionalen optischen Erfassen einer Szene (190), das Verfahren aufweisend Bereitstellen eines Sensors (110) zum Messen von Distanzen basierend auf einer Lichtlaufzeit; Steuern des Betriebs des Sensors (110) derart, dass bei einer ersten Erfassung der Szene (190) pro Pixel (322a) des Sensors (110) eine erste Anzahl an Photonen akkumuliert wird und bei einer zweiten Erfassung der Szene (190) pro Pixel (322b) des Sensors (110) eine zweite Anzahl an Photonen akkumuliert wird, wobei die zweite Anzahl größer ist als die erste Anzahl; und Auswerten der Szene (190) mittels einer dem Sensor (110) nachgeschalteten Datenverarbeitungseinrichtung (150) basierend auf einem ersten Ergebnis der ersten Erfassung der Szene (190) und/oder einem zweiten Ergebnis der zweiten Erfassung der Szene (190).
15. Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend Erfassen eines in der Szene befindlichen Objekts (195); Vergleichen des erfassten Objekts (195) mit zumindest einem Vergleichsobjekt; und, wenn das Objekt (195) innerhalb vorgegebener zulässiger Abweichungen mit einem Vergleichsobjekt übereinstimmt, Identifizieren des Objekts (195) als ein für eine bestimmte Aktion zugelassenes Objekt (195).
16. Verwendung eines Sensorsystems (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 13 für ein Steuern einer Bedeckungscharakteristik einer von einem Objekt (195) zu passierenden Öffnung (184) durch zumindest einen Verschließkörper (186).
17. Verwendung gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei die Öffnung (184) ein Eingang oder ein Ausgang ist, insbesondere ein Notausgang in einem Gebäude.
18. Verwendung gemäß einem der beiden vorangehenden Ansprüche, wobei das Objekt (195) eine Person oder ein Fahrzeug ist.
19. Verwendung eines Sensorsystems (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 13 für ein Erfassen und/oder Steuern von Verkehrsströmen von Objekten (295a-295e), welche sich durch eine Szene (290) des Sensorsystems (100) bewegen, wobei die Szene (190) durch einen räumlichen Erfassungsbereich des Sensorsystems (100) bestimmt ist.

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