專利名稱：節(jié)能型3d傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種按照權利要求1前序部分所述的3D傳感器(三維傳感器)。
背景技術：
已經熟知，為了提高自動開/關的門和/或大門的運行安全，使用了商業(yè)通用的3D 監(jiān)控傳感器。當3D監(jiān)控傳感器探測到一物體位于一由于要打開的門和/或要打開的大門的運動而形成的危險區(qū)域內時，該3D監(jiān)控傳感器發(fā)信號通知(存在)一潛在的危險情況。 例如，3D監(jiān)控傳感器對此可向相關的門控制系統(tǒng)和/或大門控制系統(tǒng)傳輸相應的信號。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是，對按照開頭所述現有技術的傳感器進行改進。從權利要求1的前序部分出發(fā)，通過其特征部分的技術特征來實現所述目的。在從屬權利要求中對有利的和適宜的擴展形式進行說明。本發(fā)明相應地涉及一種用于控制一控制過程的3D傳感器，該3D傳感器具有一光源，該光源具有至少一個照射源；一接收矩陣，該接收矩陣適用于接收一空間段的由各個面反射的光的完整圖像；一用于確定所述面離接收矩陣的距離的分析裝置；和一用于識別物體的監(jiān)控裝置。該3D傳感器的特征在于，光源照射空間段的部分區(qū)域，該部分區(qū)域具有至少一個中間間隙?？臻g段在這里可尤其是通過空間的在接收矩陣與要在接收矩陣上成像的面之間延伸的那一部分來定義。例如，當3D傳感器中的接收矩陣固定在一個門的上側上時，要成像的面是門前地面上的一矩形面。這種成像尤其優(yōu)選可以是雙射-成像。對于接收矩陣的不同像素，接收矩陣與要在接收矩陣上成像的面之間的空間段的深度可以不同。這一方面可能產生于相關的空間射線的與可由接收矩陣探測到的場域的大小以及分別與其離散連接的距離的大小相對應的扇形放射。第二個原因可能在于要由接收矩陣探測的物品表面中的、像例如可由存在于其中的物體和/或進入其中的物體所造成的那樣的不平坦。借此，可以相應地確定接收矩陣和對由光源發(fā)出的光進行反射的表面例如地面、 墻壁或物體之間的分級的距離。這些距離的確定可以例如通過求得由相關表面反射到接收矩陣的相應像素的光的傳播時間來進行。這能以一種特別優(yōu)選的方式借助可用接收矩陣的各像素的信號來加載的分析裝置來執(zhí)行。監(jiān)控裝置在此基礎上可檢查在要監(jiān)控的空間段內是否存在有物體。如果識別出這樣的物體，則在下一步就可以借助一位于潛在的危險源例如將要運動的門和/或將要運動的大門或類似物與被識別出的物體之間的可確定的危險距離發(fā)出分等級的危險信號，如低、中、高。在按照本發(fā)明的3D傳感器的設計中，光源僅照射空間段的部分區(qū)域，該部分區(qū)域具有至少一個中間間隙，該中間間隙尤其是沒有被光源照射到或至少不會受到像空間段的部分區(qū)域那樣程度的照射，該設計的理論基礎是，通過把由光源發(fā)出的光的強度集中到這樣的部分區(qū)域上，可以決定性地提高由該部分區(qū)域的表面反射到接收矩陣上的光輻射。這又會根本性地改善信號識別，這是因為可以相應地提高用于屏蔽噪聲信號的信號分析處理的閾值的標準。因此，總體而言，對于要監(jiān)控的空間段的由3D傳感器分析處理的部分區(qū)域，在相同的發(fā)射功率下與全表面照射的空間段相比，可以大幅地提高開關靈敏度和開關精度。尤其是，可通過使發(fā)射功率集中來相應地提高傳感器的作用距離。至于第二方面，這樣構造的3D傳感器與在幾乎相同的開關靈敏度的條件下對相同的空間段進行全表面照射的3D傳感器相比，可以實現明顯的節(jié)能。關于這一點，本發(fā)明的3D傳感器還使得由光源生成的廢熱明顯降低，而這又可以減少或必要時甚至完全取消冷卻劑。此外，損耗功率的降低和不生成廢熱也對3D傳感器及其零部件、尤其是溫度敏感元件的使用壽命有積極的影響。為了能夠盡可能地在要監(jiān)控的空間段的整個外邊界中監(jiān)控是否有物體存在于和/ 或進入要監(jiān)控的空間段中，通過限定至少一個沒有被光源清楚照射的中間間隙來對由光源照射的部分區(qū)域進行劃分。與被照射的基面有關地，由此產生的要監(jiān)控的空間段的被照射和未被照射的區(qū)域可能會呈現具有極其不同幾何輪廓的極其不同的幾何面區(qū)域。通過把部分區(qū)域劃分成多個由一中間間隙隔開的子區(qū)域，可以在要監(jiān)控的空間段的基面上實現例如均勻的信號采集。例如，可以借此把照明島分布在基面上。但是，也可以把多個子區(qū)域集中于要監(jiān)控的空間段的基面的某些區(qū)域上，例如尤其是邊緣區(qū)域。因此，尤其是在通過光強度的這樣實現的局部提高來對一物體進入要監(jiān)控的空間區(qū)域中進行監(jiān)控這方面，可以例如在一相應可選的運行模式中來對傳感器進行特殊配置。與要監(jiān)控的空間段的基面有關的其它幾何圖形可以通過相應地設定部分區(qū)域的布置、尤其是通過把這些子區(qū)域布置成對稱的和/或非對稱的區(qū)域，例如L-形、U-形、 D-形、環(huán)繞的矩形、行排布和/或列排布、蛇曲形照射輪廓、鋸齒形例如之字形曲線、矩形幾何形狀等等來進行，其中，這些圖形可以多次出現和/或與其他圖案混合出現。特別優(yōu)選離散地照射整個要監(jiān)控的空間段的各個區(qū)域，例如，以離散的照射點的形式。在3D傳感器的一種優(yōu)選的實施形式中，光源可以同時照射子區(qū)域。借此可以在某一時刻對要監(jiān)控的空間段的整個部分區(qū)域進行相應的分析處理。但在一種對此稍作變化的實施形式中，也可以對要監(jiān)控的空間段的至少各個子區(qū)域進行時間錯開的照射。例如，當在要監(jiān)控的空間段內沒有探測到物體時，可以集中于邊緣監(jiān)控，例如，在這期間可以使處在該邊緣區(qū)域內的子區(qū)域不被照射到。借此可以實現進一步節(jié)能。當探測到物體時，可以額外地照射其它的子區(qū)域，以便提高3D傳感器的分辨率。這尤其可發(fā)生在由于被探測到的物體與對這個物體可能是危險并且可通過相應的驅動裝置驅控的可動元件例如門、大門或窗戶等之間的距離縮短而造成的危險逐漸增大的方向上。為了確保能可靠地識別物體，光源設計成，使得各個部分區(qū)域和/或子區(qū)域之間的間距小于進入和/或存在于要監(jiān)控的空間段中的試驗對象的最小尺寸。在第一實施形式中，這樣的試驗對象的尺寸優(yōu)選為70厘米X 30厘米X 20厘米。對于更嚴謹的應用領域， 這個尺寸還要小得多，例如，最小尺寸可能是約10厘米、約5厘米甚至更小。試驗對象代表一相關物體的尺寸，例如一個兒童的尺寸。通過形成例如多個照射源的形式的光源，可以給每個子區(qū)域直接配設一個照射源。借此可以例如通過照射源彼此間的相應的布設這樣形成光源，使得該光源必要時通過相應地控制各照射源生成不同的照射圖案來監(jiān)控要監(jiān)控的空間段。與必須對要監(jiān)控的空間段進行全表面照射的3D傳感器相比，在單位照射面積具有相同光強度的條件下，通過把對要監(jiān)控的空間段的照射減少到要照射的部分區(qū)域上，也能以更有利的方式降低3D傳感器的結構尺寸。為了能夠實現例如進一步提高單位照射面積的光強度，能以更有利的方式為光源、尤其優(yōu)選為每個照射源設置有聚焦工具。在一種可能的實施形式中，為此可以設有菲涅爾透鏡。為此以特別優(yōu)選的方式設置有一公共的菲涅爾透鏡，通過該公共的菲涅爾透鏡可以使由照射源發(fā)出的輻射聚焦在空間段內。菲涅爾透鏡減小否則為取得相同的光學效果所需的透鏡結構尺寸并因此降低相關3D傳感器的整體結構尺寸。使用菲涅爾透鏡的另一個優(yōu)點是，與給照射源使用多個單透鏡的情況相比，各照射源可以相互靠得更近地定位，也就是擠在一起。這一方面是由于這種透鏡或菲涅爾透鏡的延伸尺寸，另一方面是由于菲涅爾透鏡相對于多個單透鏡的明顯更為有利的衍射特性以及因此更好的光斑聚焦。尤其是基于每個面積單位的光強度的明顯改善，可以給定用于對由接收矩陣的像素檢測到的信號進行分析處理的閾值，因此監(jiān)控裝置僅需對強度超過該閾值的像點進行分析處理。借此可以實現傳感器的極高的開關靈敏度，該傳感器最后給配設給傳感器的門控制系統(tǒng)和/或大門控制系統(tǒng)和/或給一相應的其它上級監(jiān)控機構發(fā)送一開關信號。開關信號可以例如減緩或停止門(的運動)。更優(yōu)選地，為了分析處理，監(jiān)控裝置可以將配屬于一個部分區(qū)域或子區(qū)域的像點匯總在一起。借此可以調整各像點的信號。例如，可以使像點與給定的圖案進行對比等。通過以下述方式設置照射源，即照射源構造成被可離散地激活和/或去(激)活， 一方面可以實現相應的節(jié)能并且從而提高相關元件的使用壽命，另一方面還可以通過激活或去活相應定位的照射源，如上所述地為要監(jiān)控的空間段生成極其不同的照射圖案。更優(yōu)選地，也可以依賴于對一基于被激活的照射源的圖像所進行的分析處理來激活或去活特定的照射源。借此，可以例如相應于上述對要監(jiān)控的空間段進行的優(yōu)先的邊緣監(jiān)控，從識別出一物體出發(fā)，來進行3D傳感器的模式與具有改變了的照射圖案的傳感器模式(尤其是在要監(jiān)控的空間段的內部區(qū)域中的)的匹配，用以繼續(xù)跟蹤該物體。這樣就可以控制被探測到的物體的位置并根據物體與危險源之間的距離把一相應地進行要素分解的危險消息報告給一上級主管機構。特別是可以僅激活那些與被識別出的物體所處的子區(qū)域相鄰的子區(qū)域所對應的照射源。同樣，可以去活那些與被識別出的物體所處的子區(qū)域不相鄰的子區(qū)域所對應的照射源。關于部分區(qū)域和中間間隙之間的限定間距的邊界要解釋的是，在這里該邊界指的是照射強度的閾值。中間間隙是指其照射低于設定的照射強度的空間。這樣的部分區(qū)域可以是作為光斑、即作為光點出現在一個面上的離散的射線或射束。3D傳感器的工作方式可以例如基于TOF原理(飛行時間原理)。通過使用TOF原理(飛行時間法)可以把監(jiān)控場域內的物體的距離確定為第三維。借此不僅可以監(jiān)控一準確定義的面，還可以借助對傳感器周圍環(huán)境的了解把傳感器設定到一準確定義的監(jiān)控體積。在此，傳感器優(yōu)選由一同時含有發(fā)射器和接收器的緊湊的單元組成。在第一步中，用例如LED (發(fā)光二極管)把要監(jiān)控的場景照亮。發(fā)出的光被反射回來并且進入傳感器，在那里所述光借助一接收單元來檢測。接收元件由一具有多個像素的TOF芯片組成。每個像素可以接收一由物體反射回來的測量光束。例如，使用經調制的頂光(紅外光)。為了確定距離，可以對接收信號和發(fā)射信號之間的相移進行分析處理。通過進行相應的分析處理，為每個像素得出一距離值，由此實現三維/按體積的采集圖像。所述光學系統(tǒng)設計成，使得所述照射保持被聚束成各個離散射束，這導致具有高的光強度的相應光斑。監(jiān)控時使用3D傳感器可以使得在具體的應用中具備更多的靈活性。傳感器例如以依賴地點的方式(在χ-y平面或與傳感器軸垂直的平面中)提供與物體的距離值。在一種優(yōu)選的實施形式中，各個部分區(qū)域和/或各個子區(qū)域之間的距離可以大致相當于一由被照射的部分區(qū)域和/或子區(qū)域的兩個邊緣所覆蓋的路程。當光線具有圓形輪廓時，這可能是例如其直徑。作為照射源的一種可能的實施形式，可以使用例如LED(發(fā)光二極管)、尤其是紅外發(fā)光二極管，但是也可以是其它的光源，優(yōu)選具有大致呈點狀的輻射源。


下面將參考附圖純示例性地和示意性地對按照本發(fā)明的3D傳感器的多種可行的實施形式進行詳細的說明。圖1 3示出一按照本發(fā)明的帶外殼或不帶外殼的3D傳感器的三個透視圖，圖4示出一通過射束路徑定義的空間段，和圖5示出一界定空間段的反射面被分成被照射的部分區(qū)域的子區(qū)域和未被照射的中間間隙的劃分。
具體實施例方式圖1顯示的是一帶外殼2的3D傳感器1。多個例如呈行列布設的照射源3. 1 3. χ形成一光源3，用以照射一要監(jiān)控的空間段。箭頭4、5象征著從各照射源或從照射源列發(fā)出的并在一平面轉向鏡6形式的射束導向裝置上轉向的射束，所述射束示例性地用多個重疊的箭頭來表示，以象征性地體現各離散的射束。這些離散的射束借助另一個射束導向裝置繼續(xù)被聚束，在這里該另一個射束導向裝置構造成菲涅爾透鏡7的形式。在菲涅爾透鏡的射束輸出側又象征性地示出三個小的、被聚束的離散的光線列8. 1,8. 2,8. 3。作為對圖1中向內指向的菲涅爾-結構的替換和/或補充，射束聚焦裝置或射束導向裝置7也可以在與其相對的、由傳感器向外指向的表面上具有另一個菲涅爾-結構。借此可以例如實現各光線的進一步聚焦和/或聚束。從3D傳感器這樣出來的離散射束在被其輻照的面上反射回3D傳感器并且作為射束11. 1 11. 3進入一配設給接收矩陣9的接收光學系統(tǒng)10中。所述射束在接收矩陣中形成對由光源發(fā)出的光進行反射的面的完整圖像。例如，當3D傳感器被固定在一個門的上側上時，待成像的面是門前地面上的一矩形面。分析裝置12確定接收矩陣、優(yōu)選為該矩陣的每個單個像素確定該矩陣與所述對以雙射的方式配設的各光線進行反射的表面之間的距離。當一物體進入要監(jiān)控的空間段中時，由分析裝置確定的、接收矩陣的像素與對由光源發(fā)出的光線進行反射的表面——在此情況下為進入或停留在要監(jiān)控的空間段中的物體的表面——之間的距離會發(fā)生變化。當所述距離值發(fā)生變化時，可以通過監(jiān)控裝置檢查是否有物體進入和/或停留在要監(jiān)控的空間段中。通過按照射線列8. 1 8. 3離散地形成各照射射線，僅空間段15的部分區(qū)域14 受到照射(參見圖4和5)?？臻g段15在此通過3D傳感器1與一寬度為1 長度為151的面之間的距離1 來定義。被光源照射的所述部分區(qū)域14具有未被照射到的中間間隙16。根據圖5所示，該部分區(qū)域被分成多個子區(qū)域14. 1 14. X，它們在這里示例性地分別離散地被界定。圖5所示的是一示范性地要監(jiān)控的空間段15的基面的俯視圖，該空間段處于例如通過一驅動裝置被可動地驅動的閉合元件17例如門的擺動范圍內。箭頭18示意性地代表閉合元件17的可擺動性。為了確保在閉合元件運動過程中沒有物體在這個危險區(qū)域內，3D 傳感器1監(jiān)控相關的空間段15.為了確保能夠可靠地識別出具有一定最小尺寸的物體，在各部分區(qū)域和/或子區(qū)域之間限定一距離19，該距離小于一相關試驗對象的最小尺寸。所有等于或者大于該距離的物體都會在由接收矩陣采集到的圖像中至少造成一個像素與對由光源發(fā)出的輻射進行反射的面之間的距離發(fā)生變化。圖2用與圖1差不多相同的透視視角示出所述3D傳感器，但是，為了能更好識別地表示出各個元件，沒有繪制外殼和光路。圖3又示出所述3D傳感器，同樣也沒有外殼和光路，但是，是從正面斜下方看的。附圖標記列表1. 3D 傳感器2.外殼
3.光源
4.箭頭
5.箭頭
6.平面轉向鏡
7.菲涅爾透鏡
8.箭頭
9.接收矩陣
10光接收器
11箭頭
12分析裝置
13監(jiān)控裝置
14部分區(qū)域
15空間段
16中間間隙
7
17.閉合元件18.箭頭19.距離
權利要求
1.一種用于控制一控制過程的3D傳感器(1)，包括具有至少一個照射源(3. 1 3.x) 的光源⑶；接收矩陣(9)，該接收矩陣適用于接收一空間段(15)的由各個面反射的光的完整圖像；用于確定所述面與接收矩陣之間的距離的分析裝置(12)；和用于識別物體的監(jiān)控裝置(13)，其特征在于，所述光源照射所述空間段的部分區(qū)域(14)，該部分區(qū)域具有至少一個中間間隙(16)。
2.根據權利要求1所述的3D傳感器，其特征在于，所述部分區(qū)域(14)具有多個由中間間隙(16)隔開的子區(qū)域(14. 1 14. χ)。
3.根據前述權利要求中任一項所述的3D傳感器，其特征在于，所述光源同時照射所述子區(qū)域。
4.根據前述權利要求中任一項所述的3D傳感器，其特征在于，所述子區(qū)域布置成至少一行和/或列。
5.根據前述權利要求中任一項所述的3D傳感器，其特征在于，所述光源設計成，使得各部分區(qū)域和/或子區(qū)域之間的間距(19)小于對控制過程具有決定性意義的試驗對象的最小尺寸。
6.根據前述權利要求中任一項所述的3D傳感器，其特征在于，所述光源由多個照射源 (3. 1 3. χ)組成并且每個子區(qū)域(14. 1 14. χ)分配有一個照射源。
7.根據前述權利要求中任一項所述的3D傳感器，其特征在于，所述照射源通過一共同的菲涅爾透鏡(7)聚焦在所述空間段(15)內。
8.根據前述權利要求中任一項所述的3D傳感器，其特征在于，所述監(jiān)控裝置僅對強度超過閾值的像點進行分析處理。
9.根據前述權利要求中任一項所述的3D傳感器，其特征在于，為了進行分析處理，所述監(jiān)控裝置將配屬于一個部分區(qū)域或子區(qū)域的像點匯總在一起。
10.根據前述權利要求中任一項所述的3D傳感器，其特征在于，所述照射源構造成能離散地被激活和/或去活。
11.根據前述權利要求中任一項所述的3D傳感器，其特征在于，一定照射源的激活或去活根據對一基于被激活的照射源的圖像的分析處理來進行。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于控制一控制過程的3D傳感器，該3D傳感器包括具有至少一個照射源的光源；一接收矩陣，該接收矩陣適用于接收一空間段的由各個面反射的光的完整圖像；一用于確定所述面離接收矩陣的距離的分析裝置；和一用于識別物體的監(jiān)控裝置，其特征在于，所述光源照射所述空間段的部分區(qū)域，該部分區(qū)域具有至少一個中間間隙。
文檔編號G01S17/02GK102590820SQ20111046253
公開日2012年7月18日 申請日期2011年11月15日 優(yōu)先權日2010年11月15日
發(fā)明者B·德科伊, T·勒特尼格爾 申請人:塞德斯股份公司