專利名稱：用于測量物體相對于表面的運動速度的光學(xué)設(shè)備的制作方法
用于測量物體相對于表面的運動速度的光學(xué)設(shè)備
本發(fā)明涉及用于測量一個物體相對于另一個物體的相對運動的速度的 設(shè)備，并且更精確地，涉及針對沿表面運動的物體的速度傳感器，該表面 基本上是平的(無論如何都是局部平的)并且光學(xué)上是有紋理的(即，不 均勻的)。
本發(fā)明能夠應(yīng)用于多種環(huán)境中，并且將首先結(jié)合證明此傳感器在其中 尤其有益的環(huán)境來解釋此發(fā)明。此環(huán)境是通過光學(xué)地觀測車輛下面的地面 的通過來測量機動車輛的速度傳感器安裝在車輛下面。
用于驅(qū)動車輛的速度傳感器最通常地基于測量車輪的旋轉(zhuǎn)速度，但是 它們不是非常精確的，因為總是存在關(guān)于車輪的直徑的不確定性(取決于 輪胎的磨損和波動水平)和關(guān)于車輪的旋轉(zhuǎn)是否無滑動的不確定性(打滑
和對車輪缺少控制(grip)是擾亂測量的滑動的原因。此外，這些傳感器慢，
因為僅通過積分脈沖速度才可用，并且當(dāng)車輛慢行時，脈沖具有很低的重 復(fù)率。
這就是為什么已經(jīng)提出將光傳感器連接到車輛的下面，該光傳感器觀 測地面相對于車輛的運動并以此推導(dǎo)出車輛的真實速度。由于表面(例如， 柏油)的粗糙，地面總是具有高對比度的光紋理。如果車輛向前運動，觀 測由光源照明的道路的小區(qū)域的光敏元件將看到光通量作為此紋理的函數(shù) 變化。通過成功地測量由在車輛的運行方向上縱向地偏移的兩個相同的傳 感器接收的信號的部分之間的關(guān)聯(lián)并且由此在不同的時刻觀測地面的相同 部分，如果傳感器之間的距離是己知的，找出容許推導(dǎo)車輛相對于地面的 速度的最佳關(guān)聯(lián)是可能的。
一種簡單的解決方案在于用垂直指向路面的光束投射光斑到道路表面 上，并且在于觀測在源的方向上反射或散射的光。這樣，當(dāng)?shù)孛娴姆瓷涮?br> 高時，發(fā)生了困難光在平面反射面上的鏡面反射使傳感器發(fā)眩(dazzled) 并且觀測的圖像不可用。特別在道路潮濕時，是這種情況即使鏡面反射的強度僅是源發(fā)射的強度的3%，對傳感器來說，這仍然太多，傳感器必須 探測由不潮濕的地面或水層下面的地面背向散射的非常弱的照明。
為了解決此問題， 一方面，己經(jīng)提出了基于信號處理的解決方案，例 如消除不是來自觀測的地面紋理而是來自覆蓋所述紋理的水層的信號的部 分。由于觀測的條件的高度可變的性質(zhì)，這些解決方案不是非常有效的。
還提出了使用光隔離器，這，從光偏振條件開始(對于由水產(chǎn)生的鏡 面反射和由地面產(chǎn)生的背向散射，這些是不同的)，容許移除不需要的反射 光。這些隔離器(偏振分束器)在該信號中產(chǎn)生顯著的強度損耗，使得它 們難于被利用。
另一個方案在于傾斜光發(fā)射相對于地表面的方向。接收器經(jīng)由軸垂直 于地面的光學(xué)器件來觀測地面，但是源傾斜地照明地面。如果有水，則鏡 面反射的光線也是傾斜的并且不到達接收器。僅由地面垂直地背向散射的 光線被接收器觀測到。通過相對于觀測軸傾斜照明軸來消除鏡面反射的此 技術(shù)類似于在顯微鏡學(xué)中使用的暗場照明技術(shù)。
然而，已經(jīng)注意到，在設(shè)想的測量車輛相對于地面的運動速度的應(yīng)用 中，此暗場照明技術(shù)是不令人滿意的。當(dāng)傳感器和地面之間的距離不恒定 時，引起了一個缺點。如果該距離相對于觀測為最佳的理論距離太大或太 小，則源在相對地面傾斜的軸上產(chǎn)生的光斑不再在接收器下面，并且具有 相對窄的接收器縫隙的接收器光學(xué)器件將不再"看到"光斑?？蛇x地，這 樣需要大大增大光斑的大小并且隨后的關(guān)聯(lián)變得更困難，并且另外，必須 對應(yīng)地增大光源的功率。因此，在距離不固定的環(huán)境中，不能接受此解決 方案。這正是路面上的車輛的情況下所發(fā)生的。
歐洲專利EP0562924描述這樣的解決方案傾斜照明，垂直觀測。
當(dāng)然，原理保持相同，如果垂直地照明地面，而傾斜接收器的觀測軸， 則具有相同的缺點。
現(xiàn)有技術(shù)(US2003/0034959)中還提出了分析計算機的光鼠標(biāo)的運動 的構(gòu)件，其使用圖像傳感器和由傳感器在鼠標(biāo)運動時所探測的連續(xù)圖像的 空間關(guān)聯(lián)。通過找出所有可能的運動方向中的最佳關(guān)聯(lián)來實現(xiàn)找出圖像移 動的方向。本發(fā)明的目的是提出一種設(shè)備，用于通過光學(xué)構(gòu)件從對物體相對其運 動的表面的觀測來測量速度，即使設(shè)備和表面之間的距離變化并且即使表 面由具有顯著鏡面反射的透明層覆蓋，此設(shè)備也能夠精確地運作。這里， 鏡面反射被認(rèn)為是顯著的，即使其僅表示幾個百分?jǐn)?shù)。
根據(jù)本發(fā)明，提出了一種設(shè)備，用于通過光學(xué)構(gòu)件從對物體相對其運 動的表面的圖像的觀測來測量物體的速度，該設(shè)備包括照明構(gòu)件，用于 照明所述表面；至少一個光傳感器，能夠探測由所述表面返回的輻射并且 提供所述表面的圖像；以及用于關(guān)聯(lián)這些圖像的構(gòu)件，其特征在于所述
照明構(gòu)件和所述光傳感器具有相對于所述表面傾斜的同一光軸，其傾斜度 足夠使從源發(fā)射并且從所述表面鏡面地反射開的輻射不被所述傳感器獲 得。
所述光傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)，容許在窄的縫隙角度觀測由所述照明構(gòu) 件形成的光斑照明的所述表面的區(qū)域。相對于法線的傾斜角度選擇得足夠 使從源發(fā)射并從所述表面鏡面反射開的輻射不被所述光傳感器所獲得。
所述測量器件能夠包括兩個光組件，每一個包括光源，提供沿相對 于觀測面傾斜的確定的軸的窄光束；及關(guān)聯(lián)的光傳感器，用于接收由所述
表面背向散射的光。源具有平行光軸并且每個傳感器的光軸與與其關(guān)聯(lián)的
源的光軸一致。所述傳感器的光軸由距離D分開并且提供了時間關(guān)聯(lián)構(gòu)件
來確定時延，該時延提供從一個傳感器發(fā)射的信號和其它傳感器的時間延 遲的信號之間的最大關(guān)聯(lián)。
為了獲得與光傳感器的軸共軸的光束，優(yōu)選地設(shè)置小的反射鏡，放置 在所述光傳感器的輸入透鏡的一個面的中心，此反射鏡由相對于所述軸線 側(cè)向地到達的光束照明，此光束由此反射鏡返回到所述傳感器的軸。
光源可以特別是激光源或發(fā)光管，可能與束整形光學(xué)器件相聯(lián)系以給 予形成在地面上的光斑以期望的形狀和大小。
光傳感器還能夠提供在兩個不同時刻拍攝的兩個圖像，并且所述關(guān)聯(lián)
構(gòu)件(correlation means)能夠?qū)崿F(xiàn)(effect)所述圖像之間的空間關(guān)聯(lián)，以 通過確定提供所述移位的圖像之間的最佳關(guān)聯(lián)的圖像的相對移位來確定此 兩個時刻之間傳感器的相對運動。
探測器可以是矩陣(matrix)探測器，并包括nXm個探測器元件，n和m是整數(shù)，其中至少一個大于l，對于空間關(guān)聯(lián)就如對于時間關(guān)聯(lián)。
利用有nXm個探測器元件(nXm〉1)的探測器，能夠定義能夠提供 表面的第一和第二圖像的探測器元件的至少第一和第二子集，這些圖像的 關(guān)聯(lián)是時間的，也就是說尋求最大化該關(guān)聯(lián)的圖像之間的時延。
在閱讀參照附圖給出的詳細(xì)說明后，本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點會顯現(xiàn) 出來，其中
圖l示出了針對物體相對于平的表面的運動速度的傳感器的已知原理；
圖2示出了修改設(shè)備和表面之間的距離的影響； 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的探測設(shè)備的原理；以及
圖4示出了具有輸入-輸出棱鏡的變形實施例。


圖1示意性地回顧通過對物體20在其上運動的表面10的光學(xué)觀測來 測量速度的原理。物體20攜帶測量設(shè)備，其通過光學(xué)地觀測表面10的通 過來工作。預(yù)期的主要應(yīng)用是測量在地面上運行的車輛的速度，并且因此， 物體20表示車輛的底盤并且表面10表示道路，測量設(shè)備固定于車輛的底 盤下并且朝下以觀測道路。應(yīng)當(dāng)理解，如果物體20是靜止的，而表面10 在運動，原理是相同的。例如，表面可以是織物帶、金屬片等，其相對于 支撐用于測量速度的設(shè)備的靜止框架的運行速度是要被測量的。下述所有 都將主要討論地面的表面10、為運行的車輛的物體20，但是應(yīng)當(dāng)理解，本
發(fā)明不限于此應(yīng)用。
測量設(shè)備包括兩個光學(xué)組件，距離D將它們彼此分開。第一組件包括 光源Sl,其將窄光束B1向地面導(dǎo)引以在地面上產(chǎn)生小的光斑Fl。束B1 的軸的方向與表面10不垂直。它是傾斜的并且與地面的垂線形成入射角 Al。第一光學(xué)組件還包括正好放置在斑F1上的光傳感器，其觀測垂直于表 面10的方向上的斑。光傳感器包括光電接收器(例如，光電二極管或線陣 列或矩陣形式的數(shù)個光電二極管)和聚焦斑F1的圖像到接收器上的光學(xué)系 統(tǒng)。至少由一個聚焦透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)具有垂直于表面10的光軸，因此 與離開光源的束B1的軸形成角Al。對于從離開表面10的束B1的鏡面反 射發(fā)射的光，在這是部分反射的情況下，角A1足夠大，使得該光不能到達光傳感器，并且因此不能，或幾乎不能，投射到光電接收器上。應(yīng)當(dāng)理解，
角度Al的最小值取決于傳感器的光學(xué)系統(tǒng)的縫隙并且還取決于束B1的寬 度。
例如，對于25mm直徑的輸入透鏡，選擇角度Al大于至少2° (針對 傳感器和表面之間約200mm的距離)。然而，如果表面不平滑，角度Al 仍然必須較大，以便沒有由于鏡面反射(在更張開的錐中產(chǎn)生)的束到達 傳感器。在前述示例中，并且如果表面具有道路人行道的粗糙度，則角度 選擇為約為10°。
在簡單示例中，第二光學(xué)組件可以與第一光學(xué)組件相同，并包括在地 面上產(chǎn)生窄光束B2和斑F2的源S2，以及軸垂直于表面10的光傳感器C2。 窄束B2的入射角與束Bl的入射角具有相同的值A(chǔ)l 。
第一傳感器在時刻t觀測地面的紋理的圖像，并且如果物體在虛構(gòu)的分 開兩個傳感器的光學(xué)中心的線的方向上運動，則第二傳感器在時刻t+dtm 觀測相同的圖像，其中dtm等于D/V，這里V是車輛的速度而D是分開傳 感器的光學(xué)中心的距離。
本設(shè)備包括信號處理電路，其能夠測量一個信號的時間采樣與相同的 持續(xù)期間的但由時間間隔dtO、 dtl、 dt2等延時的另一個信號的時間采樣的
時間關(guān)聯(lián)。信號是數(shù)字采樣的，以執(zhí)行這些關(guān)聯(lián)測量。
比較了多個關(guān)聯(lián)的測量并且觀測最大關(guān)聯(lián)的時間間隔是接近值dtm的 值，從dtm計算車輛的速度V=D/dtm。
圖1中未示出信號處理電路。
圖2示出了當(dāng)車輛底盤和地面之間的高度不是光傳感器的光軸正好垂 直于光斑Fl或F2的最佳值時產(chǎn)生的困難。如果高度變?yōu)镠'，斑Fl運動 到斑F，l并且光傳感器開始沿著垂直軸觀測難以分析的未照明區(qū)域。
圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的測量設(shè)備的原理。同樣的標(biāo)記用于與圖1中 相同的元件。
又有兩個光學(xué)組件El和E2。組件El的光源Sl再次產(chǎn)生相對于地面 的法線以角度Al傾斜地入射的窄束B1，并且此束在地面上產(chǎn)生窄的光斑。 組件El的光傳感器Cl的光軸與束Bl的光軸一致。由地面向光傳感器Cl 背向散射的光由沿此光軸的光傳感器Cl收集。其在圖3中通過寬束Rl示出。
這里通過透鏡L1和光電探測器D1示意性地示出了光傳感器。探測器 可以包括一個或并置的多個探測器元件(比如光電二極管)，以形成線陣列 或矩陣。
為在與光傳感器C1的接收器的軸相同的軸(其是透鏡L1的光軸)上 傳輸發(fā)射的束Bl， 一個解決方案是相對光傳感器側(cè)向地定位源Sl并且放 置低表面面積的小反射鏡M1在透鏡L1的中心。此反射鏡必須反射最大的 源光量，以便基本將所有源光發(fā)送回地面。另一方面，反射鏡不準(zhǔn)遮蔽 (eclipse)透鏡的顯著部分，并且這就是為什么與透鏡的大小相比其大小必 須小，以便最大的背向散射光到達傳感器。這是可能的，特別是，如果源 是激光源?？梢栽谠春头瓷溏R(特別是凹透鏡)之間設(shè)置針對激光源的束 整形光學(xué)器件(未示出)，以稍微放大激光束，容許將在地面上產(chǎn)生的光斑 Fl的面積調(diào)整為期望的大小。還可以在輸入透鏡Ll的焦平面上加入光闌 (diaphragm)以提高速度測量的精度。
圖3示出了與組件E1相同的具有光源S2、傳感器C2 (透鏡L2、探測 器D2)、反射鏡M2的光學(xué)組件E2，反射鏡M2用于以與束Bl相同的入射 角將源的束B2返回到地面(斑F2)。
電子處理的原理與圖1中的相同具有從兩個探測器發(fā)射的信號之間 的不同的時延的多重信號關(guān)聯(lián)和尋求提供最佳關(guān)聯(lián)的時延dtm，然后通過用 最佳時延dtm除分開傳感器的水平距離D來計算水平速度。在處理電路CT 中實現(xiàn)電子處理，CT可以設(shè)置在組件E1或E2中或靠近它們，或者甚至是 還實現(xiàn)其它功能的車載計算機的部分。
根據(jù)本發(fā)明的設(shè)置，不僅消除了道路潮濕時的鏡面反射(其能夠選擇 足夠大的角Al)，而且不再存在光學(xué)組件和地面之間的高度中的變化的風(fēng) 險的任何麻煩，因為無論高度是多少，光傳感器總是觀看光斑的方向。
例如，可以選擇10°和15。之間的傾斜角Al，但是只要針對兩個光學(xué)組 件此值相同，則它不是關(guān)鍵的。角度越大，越多的鏡面反射被消除，但是 太大的值減少了正確觀測地面的機會。
在前述中，假設(shè)光學(xué)組件是相同的，并且假設(shè)斑F1和F2是點狀的并 且與每個光學(xué)組件相聯(lián)系的探測器僅包含單個探測器元件。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)理解，僅在將第一點狀的斑Fl與第二點狀的斑F2分開的方向上能夠 測量速度。因此，如果存在垂直于此方向的速度分量，則第二斑F2有不能 照明先前由第一斑照明的道路的部分的風(fēng)險，并且獲得關(guān)聯(lián)峰值將不可能。 因此，優(yōu)選地，光斑中的一個，例如斑F2，不是點狀的，而是在地面上在 垂直于車輛運動的主方向的方向上線性地延伸。這樣，探測器D2包括線性 探測陣列，其包括多個在垂直方向上對準(zhǔn)的像素，例如，在大約30mm范 圍分布的大約100個像素。分別處理每個像素并將其與來自探測器D1的信 號關(guān)聯(lián)。在執(zhí)行的所有關(guān)聯(lián)中尋求最佳關(guān)聯(lián)(如先前解釋的，利用D2的多 個像素并且針以不同的時延針對D2的每個像素)。這樣確定了 D2的像素 和提供最佳關(guān)聯(lián)的時延，其容許不僅確定速度值，而且確定此速度的方向， 從而不僅考慮車輛方向上的有意的變化，而且考慮歸因于打滑的滑動。
此外，還應(yīng)注意，為了精確地確定車輛的兩個速度分量，能夠?qū)⒁粋€ 傳感器設(shè)置為具有與車輛的主運動方向?qū)?zhǔn)的多個像素的線陣列(并且將 源設(shè)置為在此方向上提供扁平的和窄的束)并將另一個傳感器設(shè)置為具有 在垂直方向上對準(zhǔn)的多個像素的線陣列(并且將對應(yīng)的源設(shè)置為在此垂直 方向上提供扁平的和窄的束)。
在圖3中，假設(shè)以規(guī)定相對于底盤的角度Al的固定機構(gòu)將光學(xué)組件安 裝在底盤上，使得傳感器的光軸相對于地面確實具有期望的入射角。在圖4 中，指示了稍微不同的可能實際傳感器的光軸是垂直的并且棱鏡PR1 (用 于組件E1)將束偏轉(zhuǎn)角Al。這里的考慮是裝配到車輛、容許將組件垂直安 裝的方面。在任何情況下，車輛和地面之間的發(fā)送和接收的光軸具有傾斜 的入射角A1。棱鏡可以由執(zhí)行相同功能的其它光學(xué)元件(例如，衍射光學(xué) 器件)代替。
為了小型化或緊湊，僅使用單個源(例如S2)并去掉其它源(Sl)是 有益的。在這種情況下，必須使用附加的和特定的光學(xué)器件，以便從S2發(fā) 射的束能夠部分地通過反射鏡或棱鏡M2，然后，以多種方式返回，傳播直 到反射鏡或棱鏡Ml,從反射鏡或棱鏡M1它被返回到斑F1，產(chǎn)生源S1的
等同源。
小型化組件的另一個方式是使用矩陣探測器，其中，規(guī)定探測器元件 的兩個子組件用作探測器D1和D2。在這種情況下，僅使用單個光源是非常有益的。
最后，將本發(fā)明應(yīng)用于在上述現(xiàn)有技術(shù)中提出的空間關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)中是 有益的(關(guān)于計算機的光鼠標(biāo)的運動的探測)。在該系統(tǒng)中，觀測在兩個不 同時刻由傳感器拍攝的連續(xù)圖像，并且在多個方向上并以多個幅度計算圖 像中的一個和另一個之間的關(guān)聯(lián)，以便確定哪個圖像移位提供圖像之間的 最佳關(guān)聯(lián)。速度從此移位推導(dǎo)出。
權(quán)利要求
1、一種設(shè)備，用于通過光學(xué)構(gòu)件從對物體(20)相對其運動的表面(10)的圖像的觀測來測量所述物體的速度，該設(shè)備包括照明構(gòu)件(S1)，用于照明所述表面；至少一個光傳感器(C1)，能夠探測由所述表面返回的輻射；以及用于關(guān)聯(lián)這些圖像的構(gòu)件，其特征在于所述照明構(gòu)件和所述光傳感器具有相對于所述表面傾斜的同一光軸(A1)，其傾斜度足夠使從源發(fā)射并且被所述表面鏡面地反射開的輻射不被所述傳感器獲得。
2、 如權(quán)利要求1中所述的測量設(shè)備，其特征在于，所述光傳感器能夠提供在兩個不同時刻拍攝的兩個圖像，并且所述關(guān)聯(lián)構(gòu)件能夠?qū)崿F(xiàn)圖像之 間的空間關(guān)聯(lián)，以通過確定提供移位的圖像之間的最佳關(guān)聯(lián)的圖像的相對 運動來確定此兩個時刻之間所述傳感器的相對運動。
3、 如權(quán)利要求2中所述的測量設(shè)備，其特征在于，所述探測器是矩陣 探測器，并包括nXm個探測器元件，n和m是整數(shù)，其中至少一個大于1。
4、 如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其特征在于，所述探測器包括nXm 個探測器元件，n和m是整數(shù)，其中至少一個大于l，所述探測器被分成能 夠提供所述表面的第一和第二圖像的探測器元件的至少第一和第二子集， 并且其特征在于，所述關(guān)聯(lián)構(gòu)件能夠建立這些圖像之間的時間關(guān)聯(lián)。
5、 如權(quán)利要求1中所述的設(shè)備，其特征在于所述照明構(gòu)件包括兩個 不同的源，所述光傳感器包括兩個不同的探測器，每一個源與分別的探測 器相聯(lián)系，并且由所述探測器提供的圖像之間的關(guān)聯(lián)是關(guān)于時間的關(guān)聯(lián)。
6、 如權(quán)利要求5中所述的設(shè)備，其特征在于，所述源具有平行光軸。
7、 如前述權(quán)利要求中的一個所述的設(shè)備，其特征在于，所述光傳感器 包括輸入透鏡和小的反射鏡，該反射鏡粘接在所述透鏡的中心，以沿所述傳感器的軸返回相對于此軸側(cè)向地到達的束。
8、 如權(quán)利要求7中所述的設(shè)備，其特征在于，所述輸入透鏡在其焦平 面上包括光闌。
9、 如前述權(quán)利要求中的一個所述的設(shè)備，其特征在于，所述光源是激 光源或發(fā)光二極管。
10、 如權(quán)利要求9中所述的設(shè)備，其特征在于，所述光源與束整形光 學(xué)器件相聯(lián)系，以給予形成在地面上的光斑以期望的形狀和大小。
11、如前述權(quán)利要求中的一個所述的設(shè)備，適用于探測在地面上運動 的車輛的速度。
全文摘要
本發(fā)明涉及地面上的車輛的運動速度的傳感器。所述傳感器包括用于照明表面的照明構(gòu)件(S1)和至少一個能夠探測由表面返回的輻射的光傳感器(C1)。照明構(gòu)件和光傳感器具有相同的光軸(A1)，其相對于表面傾斜。此設(shè)置消除了使傳感器發(fā)眩的鏡面反射的風(fēng)險并避免了由傳感器相對于地面的高度中的變化對測量的擾亂。
文檔編號G01P3/80GK101310189SQ200680036923
公開日2008年11月19日 申請日期2006年10月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月7日
發(fā)明者B·吉亞馬, V·卡坦, W·富爾科 申請人:原子能委員會