ES2199822T3 - Sistema de medicion de la distancia de resolucion local. - Google Patents

Abstract

Sistema de medición de la distancia, con el que se pueden realizar mediciones del tiempo de propagación de la luz por puntos de imagen, que está constituido por: - una disposición uni o bidimensional de fuentes de luz (1) que pueden ser moduladas, - un convertidor de imágenes en estado sólido (3, 31) con elementos de recepción (2), que presentan, con respecto a la disposición una correspondencia con las fuentes de luz (1), - una óptica (4) para la conducción de los rayos de iluminación (5) y de los rayos de reproducción (6) entre fuentes de luz (1) que pueden ser activadas en serie, de forma individual o por grupos, con puntos de objetos correspondientes y con elementos de recepción (2) activados de manera correspondiente a las fuentes de luz (1), donde la distancia desde cada punto de objeto hacia el elemento de recepción (2) correspondiente del convertidor de imágenes en estado sólido (3, 31) se puede determinar con la ayuda de una medición del tiempo de propagación de la luz.

Description

Sistema de medición de la distancia de resolución local.

La invención se refiere a un sistema de medición de la distancia de resolución local para la creación de objetos tridimensionales. Tales sistemas se emplean con preferencia para la identificación de personas u objetos para el control de acceso o para tareas generales de supervisión. Los sistemas sensores que registran y procesan tridimensionalmente adquieren cada vez mayor importancia para las más diferentes tareas en la técnica industrial. Las aplicaciones concebibles son extraordinariamente variadas y extensas y deben ser soportadas por una nueva generación de sensores ópticos para la técnica de medición industrial.

Los sistemas de radas ópticos conocidos, como por ejemplo el radar por láser, se basa o bien en el principio de la medición del tiempo de propagación por impulsos láser o en la determinación de la diferencia de fases de luz láser modulada con respecto a la desviación de la distancia del objeto. Para la formación de un sistema formador de imágenes tridimensionales son necesarias adicionalmente instalación de escaneo mecánico. Esto conduce a un gasto electrónico y mecánico relativamente caro, que limita el empleo de tales sistemas tridimensionales a pocas aplicaciones especiales.

Además, se conocen procedimientos, en los que con iluminación láser de corta duración y conmutadores electro-ópticos así como con cámaras CCD se obtienen fotos de profundidad (gated view). Los inconvenientes de estos sensores consisten en una potencia láser alta así como en objetivos electro-ópticos caros. Después de que las cámaras CCD son accionadas, en general, según la norma de televisión, solamente se pueden conseguir tiempos de lectura largos.

El documento US-A-4 229 103 publica un sistema de resolución local para la determinación de la posición de un objetivo durante la simulación de disparo sobre la base de mediciones del tiempo de propagación de la luz, que consta de una disposición unidimensional de fuentes de luz que pueden ser moduladas, de un convertidor de imágenes en estado sólido con elementos de recepción, que están dispuestos de una manera correspondiente a las fuentes de luz; y de una óptica con un espejo divisor, que desvía los rayos de iluminación y de reproducción de tal forma que un rayo de iluminación que parte desde una fuente de luz ilumina un punto del objeto y el rayo de reproducción correspondiente incide en un elemento de recepción correspondiente. Con la activación simultánea de las fuentes de luz se consigue una iluminación homogénea de la región de detección.

La invención tiene el cometido de acondicionar, evitando los inconvenientes del estado de la técnica, un sistema de medición de la distancia de resolución local, con el que se pueden generar imágenes tridimensionales de una manera rápida y de coste
favorable.

La solución de este cometido se realiza a través de la combinación de características de acuerdo con la reivindicación 1.

Una característica esencial de la invención consiste en llevar a cabo la realización del sistema de medición de la distancia exclusivamente en tecnología de estado sólido. Además, se substituye una fuente de luz individual relativamente intensa por una disposición, por ejemplo en forma de matriz, de fuentes de luz más débiles. De esta manera se reduce la potencia luminosa con relación a la potencia anteriormente grande de una única iluminación con relación a la iluminación de toda la superficie relativa al número de los puntos de la imagen. El sistema de medición de la distancia no requiere partes móviles. Se pueden mantener sin más los límites de las determinaciones de protección láser. A través de la disposición correspondiente de fuentes de luz, por una parte, y de elementos de recepción de un convertidor de imágenes en estado sólido, por otra parte, se pueden recibir en cada caso los puntos del objeto iluminados a través de la fuente de luz y, por lo tanto, definidos, con asociación exacta a través de un elemento de recepción del convertidor de imágenes en estado sólido y se pueden evaluar con relación a la distancia.

A través de la distribución de una potencia luminosa relativamente grande sobre una pluralidad de fuentes de luz con una disposición predeterminada resultan ventajas como un tiempo más corto de subida de la amplitud de la luz, una exactitud más elevada de la medición y un mantenimiento sencillo de los límites, por ejemplo con respecto a las condiciones de protección láser.

El sistema de medición de la distancia tiene una resolución al nivel de punto de imagen, de manera que se pueden reproducir de forma diferenciada puntos individuales de los objetos o bien su distancia o su valor de altura. Esto se consigue especialmente a través de una configuración ventajosa, que prevé que el sistema esté provisto con fuentes de luz que pueden ser accionadas de forma opcional y con elementos de recepción que pueden ser leídos de forma opcional. La correspondencia entre fuentes de luz y elementos de recepción se puede variar de una manera más ventajosa de tal forma que no sólo existe una asociación 1 : 1, sino que, por ejemplo, una fuente de luz corresponde a varios elementos de recepción reunidos en un grupo. De la misma manera, un grupo de fuentes de luz puede servir a un elemento de recepción individual.

El resultado de la medición consiste en una imagen tridimensional generada de un objeto, una imagen de altura, o en forma de una imagen en sección, que reproduce la forma exterior del objeto en una sección determinada del objeto con los rayos de iluminación.

Se lleva a cabo de manera más conveniente una iluminación de toda la superficie del objeto con una disposición de toda la superficie con fuentes de luz y elementos de recepción, respectivamente, por sí. Es ventajoso configurar estas disposiciones en cada caso de forma rectangular en forma de una matriz. Si no es necesaria una iluminación de toda la superficie o bien la medición de un objeto, entonces las fuentes de luz y los elementos de recepción pueden estar dispuesto de forma específica de la tarea. Esto significa, por ejemplo, que manteniendo la correspondencia entre fuentes de luz y elementos de recepción, se selecciona en cada caso una línea o superficie determinada como su disposición, siendo detectada una línea o superficie correspondiente en el objeto. Por realización específica de la tarea de esta disposición se entiende que las disposiciones correspondientes de la fuente de luz y de los elementos de recepción están adaptados a la forma del objeto o a posiciones probables del
objeto.

Es ventajoso utilizar como fuentes de luz diodos láser, que pueden estar moduladas. La realización del convertidor de imágenes en estado sólido en forma de un convertidor de imágenes CMOS (semiconductores de óxido de metal) va unida con una realización de coste favorable, que posibilita una lectura opcional segura y fiable de elementos de recepción
individuales.

El empleo de un sistema de medición de la distancia de resolución local según la invención para el aseguramiento del acceso a edificios va unido con ventajas especiales. Un sensor correspondiente trabaja con luz y no con otros rayos eventualmente perjudiciales. Si se emplean diodos láser, entonces su única potencia de luz es tan reducida que se cumplen sin más las disposiciones de protección láser. La disposición o bien la configuración de las unidades de emisión y de recepción se pueden adaptar de una manera específica al objeto.

A continuación se describen ejemplos de realización que no limitan la invención con la ayuda de los dibujos esquemáticos que se acompañan.

La figura 1 muestra un sensor receptor óptico tridimensional con iluminación y lectura por puntos de la imagen, donde un objeto tridimensional puede ser iluminado en toda la superficie.

La figura 2 muestra un sistema correspondiente a la figura 1 con una configuración de la disposición de la fuente de luz y de los elementos de recepción que está adaptada al problema de medición.

La figura 3 muestra una disposición esquemática de diodos láser con relación a una óptica y una disposición de elementos del convertidor de imágenes CMOS.

La figura 4 muestra una unidad de emisión y de recepción sobre una puerta de entrada a un edificio para la seguridad del edificio.

El registro y creación de imágenes tridimensionales juega un papel esencial, sobre todo para la identificación o para el control de acceso, por lo tanto, en general, para tareas de supervisión. Por lo tanto, en el futuro, se asigna un papel clave al registro rápido, de coste favorable y robusto de imágenes tridimensionales en la técnica sensora industrial. Una condición previa esencial para ello es sobre todo la realización de esta técnica sensora exclusivamente en tecnología en estado sólido. Las aplicaciones que resultan de ello son extraordinariamente variadas y extensas y abren una nueva generación de sensores ópticos para la técnica de medición industrial. Estos microsistemas tridimensionales encuentran aplicación, por ejemplo, en la supervisión del tráfico y la supervisión del espacio así como en la conducción de procesos de transporte. Además de la identificación de objetos se pueden medir también velocidades. Se puede supervisar y automatizar un flujo de material.

El sistema de medición de la distancia propuesto aquí descansa sobre la base de que se puede realizar una integración funcional y espacial consecuente de microelectrónica, fotónica y óptica en un microsistema exclusivamente en tecnología en estado sólido. A través de la microelectrónica, especialmente la microelectrónica CMOS se posibilita la realización de disposiciones fotosensibles integrales con tiempos de integración extremadamente cortos, por ejemplo 50 ns, y de esta manera indirectamente, a través de la intensidad recibida de impulsos láser, es posible sacar conclusiones sobre su tiempo de propagación o bien sobre la distancia del punto del objeto con respecto al sistema de medición. A través de una repetición múltiple de una iluminación por impulsos, integración y enlace, se puede conseguir una reducción de la potencia láser total necesaria.

La fotónica adquiere en este sistema un papel muy decisivo. Deben plantearse altos requerimientos a la fuente de luz láser con respecto al tiempo de entrada y la constancia. El tiempo de entrada debe ser menor que 1 ns. Se consigue una reducción clara de este círculo de problemas a través del nuevo principio de la sincronización de la iluminación por secciones del objeto y el direccionamiento de regiones correspondientes sedes la matriz de sensores. Por ello se entiende la configuración correspondiente del sistema de medición, que asocia fuentes de luz individuales, que iluminan puntos correspondientes del objeto, a elementos de recepción correspondientes.

La consideración se basa en el principio de que aprovechando el acceso gráfico opcional (Random Access) propio de la tecnología CMOS, en el caso extremo solamente se ilumina el punto de imagen cuya intensidad se lee en ese momento. De esta manera, el sistema tiene al mismo tiempo una resolución a nivel de punto de imagen y se puede prescindir de escaneo mecánico. La potencia distribuida entonces sobre varias fuentes de luz o bien diodos láser y de potencia claramente reducida y de funcionamiento en serie reduce los problemas de los tiempos de entrada, la alimentación de corriente así como los costes y aspectos de protección láser en una medida drástica. Las inseguridades de medición de \pm 5 cm, alcanzables con el sistema de medición publicado, en un intervalo de medición de 0,5 a 5 m son realistas.

En el funcionamiento en serie de diodos láser individuales con los elementos de recepción correspondientes se pueden admitir de nuevo en el lugar del objeto diodos luminosos esencialmente más altos que en el caso de una iluminación superficial, sin infringir las disposiciones de protección láser. Esto conduce a una relación señal/ruido claramente mejorada en los elementos de recepción y, por lo tanto, a una capacidad de potencia claramente elevada de todo el sistema.

Las figuras 1 y 2 muestran un sistema de medición de la distancia de resolución local, que contiene en el lado izquierdo una disposición de fuentes de luz 1, donde los rayos de iluminación 5 emitidos son conducidos sobre un espejo divisor 8 y una óptica 4 y iluminan al menos parcialmente un objeto tridimensional 7. Los rayos de reproducción 6 reflejados por el objeto 7 son conducidos a través de la misma óptica 4 y el espejo divisor 8 sobre un convertidor de imágenes en estado sólido 3, 31 y son evaluados a través de elementos de recepción 2 que corresponden a las fuentes de luz 1. La evaluación se realiza con medios opto-electrónicos y proporciona una imagen de altura completa o parcial del objeto 7. La forma representada en la figura 1 de las disposiciones de las fuentes de luz y de los elementos de recepción 2 en forma de una matriz rectangular es adecuada para tomar una imagen tridimensional completa de un objeto 7. La iluminación parcial descrita a través de la activación en serie de las fuentes de luz 1 conduce, en general, a la toma completa del objeto 7. La reacción en serie de las fuentes de luz 1 combinada con la lectura en serie de los elementos de recepción 2 correspondientes se puede realizar a alta velocidad. Como se representa en la figura 1, la correspondencia mencionada significa que un rayo de iluminación 5 generado en el centro de la disposición de las fuentes de luz 1 llega después de la reflexión en el objeto 7 sobre el espejo divisor 8 al elemento de recepción 2 colocado en el centro del convertidor de imágenes en estado sólido 3. Esto se aplica de una manera correspondiente para todas las otras fuentes de luz 1 y elementos de recepción 2. A través del empleo de una pluralidad de fuentes de luz 1 con un número correspondiente de elementos de recepción 2, combinado con una iluminación en serie del objeto 7, no se plantean problemas para la alimentación de corriente de las fuentes de luz para el mantenimiento de los límites de una disposición de protección láser o de un tiempo de entrada necesario corto durante la modulación de las fuentes de luz 1. Esto se puede considerar opuesto al estado de la técnica, en el que se emplea una única fuente de luz con alta potencia.

La figura 2 muestra una disposición que corresponde a la figura 1, en la que las fuentes de luz y el convertidor de imágenes en estado sólido 31 están configurados de manera específica a la tarea. La configuración seleccionada en la representación en forma de una cruz ilumina sobre el objeto 7 solamente una cruz similar, que puede ser evaluada a través de la disposición de elementos de recepción 2 que está configurada igualmente como cruz. De esta manera se pueden detectar rasgos característicos esenciales de un objeto 7, siendo posible una ordenación siguiente por categorías. Esto significa que, por ejemplo, en una cara se contemplan determinados contornos, sin iluminar y evaluar toda la cara.

En la figura 3 se representa de forma esquemática el modo de actuación de la matriz de diodos láser como unidad de iluminación, de la óptica 4 y de la matriz de sensores CMOS sobre el lado de recepción. La fuente de luz 1 resaltada en el dibujo de la matriz de diodos láser emite un rayo de iluminación 5, que es conducido a través de la óptica 4 hacia el objeto 7. El rayo de reproducción 6 reflejado es conducido a través de la óptica 4 de una manera correspondiente sobre un elemento de recepción 2 que corresponde a la fuente de luz 1 mencionada anteriormente, y que está resaltado igualmente en el dibujo de la figura 3. Los rayos de iluminación 5 y los rayos de reproducción 6 considerados actualmente o bien activos están representados con trazos continuos en la figura 3. Lo mismo se aplica de una manera correspondiente para los rayos representados a través de trazos discontinuos, que están presentes, sin embargo, desplazados en el tiempo.

Los campos de aplicación posibles de los sistemas de medición de la distancia de resolución local son la medición de la velocidad, la identificación del vehículo, la supervisión de la seguridad, la supervisión de andenes, la supervisión de pasos a nivel, la medición del flujo de material sobre cintas transportadoras o la automatización de instalaciones de grúas a través de la determinación de la posición tridimensional.

En la figura 4 se representa de forma esquemática la supervisión inteligente de una puerta de acceso a un edificio. La unidad de emisión/recepción está instalada sobre una puerta 10 de una casa 11. Los puntos de incidencia de los rayos de luz correspondientes sobre el suelo están dispuestos en la figura 4 en forma de un semicírculo 12. De esta manera, éstos cubren la región situada delante de la puerta 10 de la casa. Después de que el sistema de medición de la distancia lleva a cabo en este caso una iluminación parcial de un objeto que aparece delante de la puerta 10 de la casa, se puede evaluar y clasificar el contorno del objeto. De esta manera se puede determinar, por ejemplo, si se encuentra un perro, un gato o un hombre delante de la puerta. En este caso no es necesaria una iluminación completa del objeto. Para la supervisión de objetos configurados de otra manera se pueden definir disposiciones correspondientes de las trayectorias de los rayos. De acuerdo con la configuración mostrada en la figura 4, la disposición de las fuentes de luz 1 así como la disposición de los elementos de recepción 2 es igualmente de forma semicircular. Adicionalmente, cada trayectoria de los rayos se puede conducir de manera selectiva a través de una óptica configurada de forma correspondiente.

Claims (15)

1. Sistema de medición de la distancia, con el que se pueden realizar mediciones del tiempo de propagación de la luz por puntos de imagen, que está constituido por:

-

una disposición uni o bidimensional de fuentes de luz (1) que pueden ser moduladas,

-

un convertidor de imágenes en estado sólido (3, 31) con elementos de recepción (2), que presentan, con respecto a la disposición una correspondencia con las fuentes de luz (1),

-

una óptica (4) para la conducción de los rayos de iluminación (5) y de los rayos de reproducción (6) entre fuentes de luz (1) que pueden ser activadas en serie, de forma individual o por grupos, con puntos de objetos correspondientes y con elementos de recepción (2) activados de manera correspondiente a las fuentes de luz (1), donde la distancia desde cada punto de objeto hacia el elemento de recepción (2) correspondiente del convertidor de imágenes en estado sólido (3, 31) se puede determinar con la ayuda de una medición del tiempo de propagación de la luz.

2. Sistema de medición de la distancia de resolución local según la reivindicación 1, donde la correspondencia entre las disposiciones de las fuentes de luz (1) y los elementos de recepción (2) se da a través del empleo de un espejo divisor (8) y de una óptica (4).

3. Sistema de medición de la distancia de resolución local según una de las reivindicaciones anteriores, donde en el caso de distancias mayores entre un objeto (7) y el sistema de medición de la distancia, las disposiciones de las fuentes de luz (1) y de los elementos de recepción (2) están colocadas inmediatamente adyacentes entre sí y su frente está alineado en dirección al objeto (7).

4. Sistema de medición de la distancia de resolución local según una de las reivindicaciones anteriores, donde las fuentes de luz (1) se pueden activar de forma opcional y los elementos de recepción (2) correspondientes se pueden leer opcionalmente.

5. Sistema de medición de la distancia de resolución local según una de las reivindicaciones anteriores, donde una óptica (4) en la trayectoria de los rayos de la iluminación (5) y del rayo de reproducción (6) está realizada de tal forma que o bien una fuente de luz (1) corresponde a un elemento de recepción (2), varias fuentes de luz (1) corresponden a un elemento de recepción (2) o une fuente de luz 819 corresponde a varios elementos de recepción (2).

6. Sistema de medición de la distancia de resolución local según una de las reivindicaciones anteriores, donde la división dentro de las disposiciones de las fuentes de luz (1) y de los elementos de recepción (2) es la misma.

7. Sistema de medición de la distancia de resolución local según una de las reivindicaciones anteriores, donde la disposición de las fuentes de luz (1) y la disposición de los elementos de recepción (2) están representadas en forma de una matriz rectangular respectiva.

8. Sistema de medición de la distancia de resolución local según una de las reivindicaciones anteriores, donde la disposición de las fuentes de luz (1) y la disposición de los elementos de recepción (2) están realizadas de una manera específica de las tareas.

9. Sistema de medición de la distancia de resolución local según la reivindicación 8, donde la disposición de las fuentes de luz (1) y la disposición de los elementos de recepción (2) están representadas por medio de una línea, un círculo completo, un semicírculo o una cruz.

10. Sistema de medición de la distancia de resolución local según una de las reivindicaciones anteriores, donde se genera una imagen en sección o una imagen tridimensional de un objeto (7).

11. Sistema de medición de la distancia de resolución local según una de las reivindicaciones anteriores, donde las fuentes de luz (1) están representadas a través de diodos láser o diodos luminosos que pueden ser modulados rápidamente.

12. Sistema de medición de la distancia de resolución local según una de las reivindicaciones anteriores, donde el convertidor de imágenes en estado sólido (3, 31) está representado por un convertidor de imágenes CMOS.

13. Sistema de medición de la distancia de resolución local según una de las reivindicaciones anteriores, donde la medición del tiempo de propagación de la luz es una medición del tiempo de propagación de impulsos o una medición de fases.

14. Sistema de medición de la distancia de resolución local según una de las reivindicaciones anteriores para el aseguramiento inteligente de la entrada a edificios, la supervisión de andenes, la supervisión de pasos a nivel o la supervisión de vehículos.

15. Sistema de medición de la distancia de resolución local según una de las reivindicaciones anteriores para la supervisión de espacios interiores de edificios o vehículos. Siguen tres hojas de dibujos.