JP4914361B2 - 空間領域の監視装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビームパルスを放射する送信器と、前方のビーム路内に配置されている光学系を介して視野が対応付けられており、且つ送信器から視野に放射されたビームパルスを受信する受信器と、ビームパルスの伝播時間の検出に使用される、受信器および送信器と接続されている評価ユニットとを備えた、空間領域を監視する装置に関する。

この種の装置はDE 101 63 534 A1から公知である。空間領域を監視するための公知の装置は、監視すべき空間領域内のオブジェクトから受信器へと反射されるビームパルスを放射する送信器を有する。受信器は伝播時間検出ユニットに接続されており、この伝播時間検出ユニットを用いて空間領域内のオブジェクトの距離画像を作成することができる。評価ユニットは距離画像を評価し、この距離画像内に所定の距離値が生じる場合には出力側において検出信号を形成する。

空間領域を監視するための公知の装置は殊に光カーテンの設置に適しており、この際遮光器の使用を省略することができる。受信器をセンサ行として半導体チップに集積することができるので、ほぼ１つの点から空間内に数メートルにわたり広がる複数の光カーテンを張ることができる。空間領域を監視するための公知の装置の取付は、この装置を個々の場所に設置するだけでよいので相応に廉価である。

空間領域を監視するための公知の装置は監視すべき空間領域内のオブジェクトの存在だけでなく、光カーテン内に存在するオブジェクトまでの距離についての情報も供給するので誤報率も実質的に低減することができる。何故ならば、汚れや小さい異物、例えば昆虫による妨害的な影響または外部光を効率的に抑制することができるからである。

従来技術を基礎とする本発明の課題は、複雑な空間領域を監視することができる、空間領域を監視するための装置を提供することである。

この課題は、独立請求項に記載された特徴を有する装置により解決される。従属請求項に有利な実施形態および構成が記載されている。

空間領域を監視するための装置は光学系を介して視野が対応付けられている受信器を有する。さらにこの装置は、視野を所定の形状でそれぞれ部分的にしか覆わないビームパルス束でもって視野を照明するセンサを有する。したがって視野はビームパルス束により照明され、評価ユニットはこのビームパルス束の伝播時間を検出する際にそれぞれのビームパルス束の方向に関する情報を使用し、その結果測定された距離値から検出されたオブジェクトの距離画像を再構成することができる。

この関連においてビームパルス束とはパルス化されたビーム、もしくはそうでなければ何らかのやり方で変調されたビームと解され、このビームは視野の一部のみ、殊に３／４以下、有利には視野の半分以下をカバーする。

視野内のビームパルス束の方向をほぼ任意に選択することができるので、空間領域を監視するための装置を用いて複雑な幾何学を有する光カーテンを達成することができる。

殊に、空間領域を監視するための装置を用いて相互に並んで配置されている光カーテンを形成することができ、この光カーテンによりオブジェクトの移動方向および移動速度に関する情報を取得することができる。さらには装置の設置後であってもビームパルス束の方向を技術的に僅かな手間で変更することができるので、光カーテンをフレキシブルにその都度の状況に適応させることができる。

さらに有利には、視野の一部のみにビームを供給することもできる。したがって、受信器の全体の視野が照明される従来技術に比べて、比較的低いビーム出力を有する送信器を選択することができる。

さらに有利には、空間領域を監視するための装置に複雑な受信器は必要とされない。基本的に空間領域を監視するための装置には単一のセンサ素子を有する受信器で十分である。しかしながら装置から供給される情報量を複雑な受信器の使用によって、例えばセンサ行の使用によって増加させることもできる。

有利な実施形態は、多数の視野セグメントに分割されており、それらの視野セグメントが受信器のそれぞれ１つのセンサ素子に対応付けられている視野を有する。個々の視野セグメントにおいて検出されたビームパルス束を受信器の個々のセンサ素子によって並行して記録し、処理することができる。したがってこの実施形態は殊に高い時間解像度を有する。

別の有利な実施形態においては、個々の視野セグメントには逐次的に異なる位置にビームパルス束が供給される。この実施形態により、空間を対称的に高い空間解像度で走査することができる。

さらには、個々の視野セグメントに対して同時的に相互にずらされたビームパルス束を供給することもできる。この実施形態においては確かに空間解像度は低下するが、その代わりに検出すべきオブジェクトの変更を短時間で検出することができる。

受信器が並んで配置されている複数のセンサ素子を備えたセンサ行であり、これらのセンサ行には視野においてそれぞれ並んで配置されている帯状視野が対応付けられている。この帯状視野は必ずしも正方形である必要はなく、例えば円形状またはリング状に構成することができる。各センサ素子がそれぞれの帯状視野に入射するビームのみを受信し、その結果バックグラウンドノイズは殆ど残らないので、信号雑音比が好適であるという利点が得られる。

実施形態に応じて、帯状視野には逐次的にこの帯状視野にわたり広がる種々の配向のビームパルス束を供給することができるか、個々の帯状視野においてずらされて配置されている複数の種々のビームパルス束を同時に供給することができる。

この種の実施形態は視野に存在するオブジェクトの変更を短時間で検出することができ、したがって運転手のいない搬送車両の衝突保護に適している。

さらにこの実施形態は、ドライバが運転している車両において事故状況を早期に検出し、早期に対抗手段を講じることにも適している。

本発明のさらなる利点および特性は、添付の図面に基づき本発明の実施例を詳細に説明する以下の記述より明らかになる。ここで、
図１は監視装置の構造の斜視図を示し、
図２はビームパルス束が供給された視野を示し、
図３はビームパルス束が供給された別の視野を示し、
図４は自動ドア開閉装置として使用した場合の装置の斜視図を示し、
図５はビームパルス束が供給された別の視野を示し、
図６はドライバのいない車両の衝突の保護に関して使用した場合の装置の斜視図を示し、
図７はドライバが運転している車両事故の早期識別に関して使用した場合の装置の側面図を示し、
図８は事故の早期識別の際の視野およびビームパルス束の配向に関する俯瞰図を示す。

図１は空間領域を監視するための監視装置１を示す。

監視装置１は受信器２を有し、この受信器２は並んで配置されている複数のセンサ素子３を有し、したがって一次元の解像度を有する。センサ素子３の前方には光学系４が配置されており、この光学系４は図１において集束レンズ５およびシリンダーレンズ６によって表されている。光学系４は光学軸７および視野８を規定する。独立した複数のセンサ素子３への受信器２の分割は、複数の帯状視野９への視野８の分割に相当する。帯状視野９はそれぞれ光学系４によって受信のために変換されたセンサ素子３である。光学系４はアナモフィック光学系であるので、縦長に延びる帯状視野９は例えば矩形状のセンサ素子３に相当する。 さらに監視装置１はセンサ１０を有し、このセンサ１０は以下においてさらに詳細に説明するビームパルス束１１を放射する。受信器２も送信器１０も評価ユニット１２に接続されている。

監視装置１の動作時には送信器１０がビームパルス束１１を視野８に放射する。ビームパルス束１１はその視野８において図１には図示されていないオブジェクトから光学軸７の方向において受信器２へと反射され、受信器２によって検出される。受信器２から供給される出力信号は評価ユニット１２によって評価される。評価ユニット１２は伝播時間を検出する。

伝播時間の検出は大まかに以下のように行われる：送信器１０からビームパルス束１１が放射された後に、評価ユニット１２は受信器２内のセンサ素子のアクティブ化を指示する。センサ素子３はそれぞれ１つのフォトダイオードを包含し、このフォトダイオードはそれぞれのセンサ素子３に対応付けられたピクセルコンデンサを充電する。所定の期間後にセンサ素子３はデアクティブにされる。この際ピクセルコンデンサに残存する電荷はフォトダイオードによって検出された光量またはビームエネルギに関する尺度である。フォトダイオードによって検出された光量はこのフォトダイオードがアクティブである期間中にどれ程の光量がフォトダイオードに達したかに依存するので、ピクセルコンデンサに残存する電荷はセンサ１０からオブジェクト、そしてセンサ素子３へと戻るまでのビームパルス束１１の伝播時間Ｔに関する尺度である。オブジェクトまでの距離ｄは近似的に式ｄ＝ｃ・Ｔ／２から得られる。

ここでは主要な特質を説明した伝播時間の検出は、短時間積分による光伝播時間測定としても当業者には公知である。このために必要とされる受信器は通常の場合ＣＭＯＳ技術により実現される。

以下では監視装置１の特徴を詳細に説明する。帯状視野９に供給されるビームパルス束１１を、このビームパルス束１１を反射するオブジェクトから、それぞれの帯状視野９に対応付けられているセンサ素子３へと反射させることができる。このことは、ビームパルス束１１が帯状視野９に沿ってオブジェクトの何処に入射するかには依存せずに行われる。このことは、ビームパルス束１１の方向を変更することによって、対象を帯状視野９に沿って走査することができ、またオブジェクトから反射された光はそれぞれ対応付けられているセンサ素子３へと反射されることを意味している。したがって、受信器２は並んで配置されている複数のセンサ素子３の１つの行しか有していないにもかかわらず、監視装置１を用いて面状に広がるオブジェクトからも距離画像を作成することができる。したがってアナモフィック光学系４およびビームパルス束１１を用いるオブジェクトの逐次的な走査によって、受信器２のセンサ素子３の行へのオブジェクトの圧縮１３を行うことができる。

図２にはビームパルス束１１による視野８の走査の第１の可能性が示されている。図２は帯状視野９が示されている視野８の平面図を示す。送信器１０に対応付けられているミラー装置によって、帯状視野９全体にわたり延びているビームパルス束１１を視野８上の帯状視野９に沿ってシフトすることができる。例えば、帯状視野９を覆うビームパルス束１１を集束位置１４から段階的に集束位置１６にシフトすることができる。この際それぞれ伝播時間が検出され、取得された距離値はメモリ内に実施される画像マトリクスを行毎に充足するために使用される。集束位置１６における測定が終了した後には画像マトリクスが充填されており、検出すべきオブジェクトの完全な距離画像が得られる。個々のマトリクス要素に対応付けられている位置情報はそれぞれの集束位置およびそれぞれの帯状視野９の場所から得られる。

視野８を構成する際に監視装置１のそれぞれの使用要求を考慮することができる。図３は例えば弓形状の視野１７を示し、この視野の縁部にビームパルス束１１が交互に照射される。図３においては個々の視野セグメント１８も交番的な集束位置１９および２０も示されている。

視野セグメント１８とセンサ素子３との対応付けを説明するために、図３には受信器２のセンサ素子も図示されており、図示されている視野セグメント１８とセンサ素子３との対応付けも矢印によって示唆されている。集束位置１９および２０は隙間無く視野セグメント１８全体にわたり広がっているので、図３に図示されている場合における監視は高い空間解像度を有する。

図４によれば、弓形状の視野１７を例えば、通過部２２を監視するために使用される監視装置２１に使用することができる。この場合監視装置２１は好適には通過部２２の上方に配置されており、また錐面状のビームパルス束１１を集束位置１９および２０に送出する。

監視装置２１を用いることにより、通過部２２の領域内の人間の存在を確認できるだけでなく、通過方向および通過速度も確認することができる。この場合監視装置２１を用いて、先ず集束位置１９の領域において視野１７に入ってくる人間がどの時点において集束位置１９に達したかを検出することができる。時間差および集束位置１９と２０との間の既知の間隔から人間の移動速度を検出することができる。したがって監視装置２１は殊に自動ドアの制御に適している。視野１７における人間の移動方向および移動速度を評価する際には通過部２２の手前に立っている人間、または通過部２２から遠ざかる人間により通過部を閉鎖しているドアが開かれることを阻止できる。

図５は、図３における視野１７と同様に弓形状に構成されている別の視野２３を示す。視野２３の端部には同様に弓形状の２つの集束ゾーン２４および２５、集束位置２６および２７が存在し、これらにはそれぞれ１つの視野セグメント２８が対応付けられている。したがってビームパルス束１１は図５に示されている場合、複数の視野セグメント２８にわたり広がるのではなく、それぞれ１つの集束位置２６または２７が個々の視野セグメント２８に属するように外部集束ゾーン２４および内部集束ゾーン２５にわたり広がる。

集束位置２６および２７の対応付けを説明するために、図５には受信器２の個々のセンサ素子３も示されており、また集束位置２６および２７のセンサ素子３への対応付けも矢印によって示唆されている。

図５に示されている視野２３の構成および集束ゾーン２４および２５内の集束位置２６および２７の配置は、監視装置２９が車両３０に関する衝突保護を実施するために使用される図６に図示されている場合に殊に適している。車両３０は例えば運転手のいない搬送車両でよい。図６に示されている場合において監視装置２９は光学的な監視カメラの一部を形成する。

監視装置２９は確かに図４の監視装置２１よりも低い空間解像度を有するが、その代わりに集束ゾーン２４および２５内の集束位置２６および２７を同時に監視することができるので時間解像度はより良好である。これによって、車両３０の走行路内に現れた障害物に対して短時間で反応することができる。

最後に図７は別の適用事例を示し、この適用事例においてはドライバが運転している自動車３２に監視装置３１が組み込まれている。監視装置３１は、差し迫った事故を早期に検出し、それにより早期に対抗措置を講じることを実現するために使用される。

図７および図８に示されている適用事例においては、視野３３が自動車３２の走行路３４にわたり広がっている。監視装置３１からはビームパルス束１１が逐次的に集束位置３５に送出され、これらの集束位置は例えば異なる距離に配置されている３つの集束位置列３６，３７および３８にグループ化されている。ビームパルス束１１の強度は自動車３２からの距離が長くなるにつれ強くなる。すなわち最も遠くに位置する集束位置列３６が強度Ｉ₁を有し、真ん中の集束位置列３７が強度Ｉ₂を有し、最も近くに位置する集束位置列３８が強度Ｉ₃を有する場合、有利にはＩ₁＞Ｉ₂＞Ｉ₃である。

本願発明の監視装置は、構造に関してセンサ素子が平面検出器のようなマトリクス状に配置されている受信器は必要とされないという共通の利点を有する。むしろ２次元の距離画像を記録するためには、複数のセンサ素子が一列に並んで配置されている行型の検出器で十分である。

監視装置の構造の斜視図。 ビームパルス束が供給された視野。 ビームパルス束が供給された別の視野。 自動ドア開閉装置として使用した場合の装置の斜視図。 ビームパルス束が供給された別の視野。 ドライバのいない車両の衝突の保護に関して使用した場合の装置の斜視図。 ドライバが運転している車両事故の早期識別に関して使用した場合の装置の側面図。 事故の早期識別の際の視野およびビームパルス束の配向に関する俯瞰図。

Claims (12)

1. 強度が時間的に変化する光を放射する送信器（１０）と、前方のビーム路内に配置されている光学系（４，５，６）を介して視野（８，１７，３３）が対応付けられており、前記送信器（１０）から前記視野（８，１７，３３）に放射されたビームパルスを受信し、且つ一次元の解像度を有する受信器（２）と、前記ビームパルスの伝播時間の検出に使用される、前記受信器（２）および前記送信器（１０）と接続されている評価ユニット（１２）とを備えた、空間領域を監視する装置において、
   前記送信器（１０）は前記視野（８，１７，３３）にビームパルス束（１１）を供給し、該ビームパルス束（１１）は前記視野（８，１７，３３）を部分的にカバーし、前記評価ユニット（１２）は前記ビームパルス束（１１）の伝播時間を検出する際に、前記視野（８，１７，３３）における前記ビームパルス束（１１）の形状を使用し、前記視野（８，１７，３３）はアナモフィック光学系（４）を介して前記受信器（２）上に圧縮されており、
   前記受信器（２）は、光伝播時間測定に使用される、並んで配置されている一連のセンサ素子（３）を備えたセンサ行を有し、
   前記視野（８，１７，２３，３３）は複数の視野セグメント（９，１８，２８）に分割されており、各視野セグメント（９，１８，２８）にはそれぞれ１つのセンサ素子（３）が対応付けられており、
   各センサ素子（３）は対応付けられている視野セグメント（９，１８，２８）にわたり前記ビームパルス束（１１）を検出することを特徴とする、空間領域を監視する装置。
2. 前記センサ（１０）はビームパルス束を用いて前記視野（８，１７，３３）を逐次的に照明する、請求項１記載の装置。
3. 前記ビームパルス束（１１）はミラー装置を用いて種々の方向に放射される、請求項２記載の装置。
4. 前記センサ（１０）は前記視野を、異なる方向に放射された種々のビームパルス束（１１）を用いて同時に照明する、請求項１または２記載の装置。
5. 前記視野（８）は帯状視野（９）に分割されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 前記ビームパルス束（１１）は弓形状に構成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の装置。
7. 前記ビームパルス束（１１）の強度を該ビームパルス束（１１）の配向により変化させる、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 相互に並んで配置されている光カーテンはオブジェクト照明部として構成されている、請求項１から７までのいずれか１項記載の装置。
9. 車両の衝突保護のために構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
10. 自動車事故の早期識別のために構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
11. 自動ドアの制御のために構成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
12. 自動的な進入監視制御に使用される、請求項１から１１までのいずれか１項記載の装置。

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