[发明专利]成像传感器

说明书

成像3D飞行时间传感器特别适合用于检测三维空间中的物体和人。该能力来自于基本原理。在传感器的每个图像点中，根据光脉冲的传播时间(飞行时间)确定距位于观察空间中的物体的距离。因此传感器提供了三维图像，该三维图像可以利用对应的处理算法来分析。在特定的应用情况下，特别是在人与机器、机器与机器或机器与空间的交互的情况下，必须安全地(safe)实施检测。安全等级按照不同标准被归类为安全完整性级别(SIL–safety integrity leve)。

摘要

成像3D飞行时间传感器(TOF传感器)特别适合用于检测三维空间中的物体和人。该能力来自于基本原理。在传感器的每个图像点中，根据光脉冲的传播时间(也称为飞行时间(tof))确定距位于传感器的采集区域中的物体的距离。因此，传感器提供了传感器输出信号，该传感器输出信号反映了数据组，在该数据组中关于传感器的每个图像点(也称为像素)包含距离值，该距离值对应于相应图像点与映射到该图像点上的物体表面部段之间的距离。传感器由此提供了三维图像，该三维图像可以利用对应的处理算法来分析。例如，已知对传感器输出信号进行如下分析：物体是否位于预先给定的空间扇区内。在特定的应用中，可以借助一个或多个成像3D飞行时间传感器来检测人员和机器部件是否例如在机器动作区域内危险地靠近。

在特定的应用情况下，特别是在人与机器、机器与机器或机器与空间的交互的情况下，必须特别可靠地、即安全地(safe)实施检测。

安全等级按照不同标准被归类为如下安全完整性级别(SIL–safety integrityleve)：

汽车(ISO 26262)QM ASIL-A ASIL-B/C ASIL-D-

通用(IEC-61508)- SIL-1 SIL-2 SIL-3 SIL-4

航空(DO-178/254)DAL-E DAL-D DAL-C DAL-B DAL-A

铁路(CENELEC- SIL-1 SIL-2 SIL-3 SIL-450126/128/129)

背景技术

已知3D-TOF传感器，其安排了至少一个光学发射器和图像记录器，该光学发射器用于优选地(但不排他地)在近红外范围内发射电磁辐射，该图像记录器根据辐射接收器的布置来构建。各个辐射接收器分别对应于图像记录器的一个像素(图像点)，并且因此对应于3D-TOF传感器的一个像素。

通常，辐射接收器分为两组(辐射接收器A、辐射接收器B)并布置为矩阵。

每个辐射接收器具有光敏元件(例如，光电二极管或光电门)和至少一个存储电容。

TOF传感器的典型工作原理如下：

在时间点t0，发射器被激活，该发射器针对短的时间段ti(例如30ns)发射光脉冲，该光脉冲具有对应于ti的光脉冲持续时间。同时，同样针对短的激活时间段tA(例如也为30ns)激活辐射接收器A。光脉冲在物体上反射，并且由辐射接收器A错开了飞行时间tof地记录。在激活时间段tA期间，所反射的光脉冲的能量使得光敏元件中的电荷(即光电子)被释放。由对光脉冲的记录而形成的电荷量(对应于所释放的光电子的数量)被存储在存储电容(A1)上。接收器A只能记录所反射的光脉冲中对应于时间差tA-tof的那部分，因为所反射的光脉冲相对于激活时间段的开始延迟了飞行时间tof才击中光敏元件，使得激活时间段与所反射的光脉冲的脉冲持续时间仅对于重叠持续时间在时间上部分重叠。重叠持续时间与光脉冲的传播时间或飞行时间成反比(参见图1)。相应地，所释放的光电子的数量与光脉冲的传播时间或飞行时间也至少近似成反比。