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Patent Searching and Data


Title:
3D SENSOR SYSTEM HAVING A FREEFORM OPTIC
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/115558
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a sensor system (100) as well as a method for three-dimensionally detecting a scene (190). The sensor system comprises: (a) an illumination device (130) for illuminating the scene with an illumination light (131) along an illumination beam path; (b) a measuring device (115) for receiving measuring light (196) along a measuring light beam path, wherein the measuring light is at least partially illumination light scattered back by at least one object (195), and for measuring distances between the sensor system and the object based on a light propagation time of the illumination light and the measuring light; (c) a data processing device (150), arranged downstream of the measuring device, for determining the three-dimensional characteristics of the scene based on the measured distances; and (d) a freeform optic (140, 142) which is arranged in the illumination beam path and/or in the measuring light beam path, wherein the freeform optic is configured in such a way that, (i) when arranged in the illumination beam path, an illumination intensity of the illumination light depends on the solid angle of the illumination beam path, and (ii) when arranged in the measuring light beam path, a measuring light intensity of the measuring light depends on the solid angle of the measuring light beam path, such that a distance-based intensity loss of the illumination light and the measuring light is at least partially compensated. The invention also relates to uses of the sensor system.

Inventors:
HUNZIKER, Urs (Seestr. 996, 8706 Meilen, 8706, CH)
ECKSTEIN, Johannes (Alte Römerstrasse 18a, 8404 Winterthur, 8404, CH)
WYSS, Beat (Neuwiesenstrasse 29, 8400 Winterthur, 8400, CH)
SEILER, Christian (Köschenrütistrasse 7, 8052 Zürich, 8052, CH)
Application Number:
EP2018/084421
Publication Date:
June 20, 2019
Filing Date:
December 11, 2018
Export Citation:
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Assignee:
BIRCHER REGLOMAT AG (Wiesengasse 20, 8222 Beringen, 8222, CH)
International Classes:
G01S7/48; E05F15/73; G01S7/481; G01S7/486; G01S7/491; G01S17/88; G01S7/499; G01S17/10; G01S17/32
Foreign References:
DE102015115101A12017-03-09
US20170131403A12017-05-11
DE102016122712B32017-11-23
EP2418517A22012-02-15
US20160182789A12016-06-23
US20170242109A12017-08-24
DE102016202181A12017-08-17
EP2453252B12015-06-10
US20150293224A12015-10-15
Attorney, Agent or Firm:
SCHINDELMANN, Peter (Dilg, Haeusler Schindelmann Patentanwaltsgesellschaft mb, Leonrodstr. 58 München, 80636, DE)
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Claims:
P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Sensorsystem (100) zum dreidimensionalen Erfassen einer Szene (190), das Sensorsystem (100) aufweisend

eine Beleuchtungseinrichtung (130) zum Beleuchten der Szene (190) mit einem Beleuchtungslicht (131) entlang eines Beleuchtungsstrahlengangs (131); eine Messeinrichtung (115)

zum Empfangen von Messlicht (196) entlang eines Messlichtstrahlengangs (196), wobei das Messlicht (196) zumindest teilweise von zumindest einem Objekt (195) in der Szene (190) zurückgestreutes Beleuchtungslicht (131) ist und zum Messen von Distanzen zwischen dem Sensorsystem (100) und dem zumindest einen Objekt (195) basierend auf einer Lichtlaufzeit des

Beleuchtungslichts (131) und des Messlichts (196);

eine der Messeinrichtung (115) nachgeschaltete Datenverarbeitungs- einrichtung (150) zum Ermitteln der dreidimensionalen Charakteristik der Szene (190) basierend auf den gemessenen Distanzen; und

eine Freiformoptik (140, 142), welche in dem Beleuchtungsstrahlengang (131) und/oder in dem Messlichtstrahlengang (196) angeordnet ist, wobei die Freiformoptik (140, 142) derart konfiguriert ist, dass

(i) bei einer Anordnung in dem Beleuchtungsstrahlengang (131) eine

Beleuchtungslichtintensität des Beleuchtungslichts (130) von dem Raumwinkel des Beleuchtungsstrahlengangs (131) abhängt und

(ii) bei einer Anordnung in dem Messlichtstrahlengang (196) eine

Messlichtintensität des Messlichts (196) von dem Raumwinkel des

Messlichtstrahlengangs (196) abhängt,

so dass ein distanzbasierter Intensitätsverlust des Beleuchtungslichts (131) und des Messlichts (196) zumindest teilweise kompensiert wird.

2. Sensorsystem (100) gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend eine weitere Freiformoptik (142), wobei die Freiformoptik (140) in dem Beleuchtungsstrahlengang (131) angeordnet ist und

die weitere Freiformoptik (142) in dem Messlichtstrahlengang (196) angeordnet ist.

3. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Freiformoptik (140, 142) zumindest ein reflektives optisches Element, zumindest ein refraktives optisches Element und/oder zumindest ein diffraktives optisches Element aufweist.

4. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Freiformoptik (140, 142) zumindest ein räumlich und/oder strukturell veränderbares optisches Element (240a, 240b) aufweist, wobei eine Veränderung des optischen Elements (240a, 240b) zu einer Veränderung der

Raumwinkelabhängigkeit der Beleuchtungslichtintensität und/oder der

Messlichtintensität führt.

5. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Freiformoptik (140, 142) und/oder die Beleuchtungseinrichtung (130) konfiguriert ist, das Beleuchtungslicht (131) und/oder das Messlicht (196) mit einer raumwinkelabhängigen Intensitätsverteilung bereitzustellen, welche einen Randlichtabfall zumindest annähernd kompensiert, insbesondere einen

natürlichen Randlichtabfall gemäß dem eine Helligkeit in einem Bild beim

Abbilden eines gleichmäßig hellen Motivs durch ein Objektiv um den Faktor cos' gegenüber der Helligkeit in der Mitte des Bildes abnimmt.

6. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend

eine mit der Beleuchtungseinrichtung (130) gekoppelte Beleuchtungslicht- Steuereinrichtung (135), welche konfiguriert ist, die Beleuchtungseinrichtung (130) derart anzusteuern, dass eine Charakteristik des Beleuchtungslichts (131), welche die Abhängigkeit der Beleuchtungsintensität des Beleuchtungslichts (131) von dem Raumwinkel beschreibt, während eines Betriebes des Sensorsystems (100) dynamisch veränderbar ist.

7. Sensorsystem (100) gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei

die Datenverarbeitungseinrichtung (150) mit der Beleuchtungslicht- Steuereinrichtung (135) gekoppelt ist und konfiguriert ist, die ermittelte dreidimensionale Charakteristik der Szene (190) auszuwerten und basierend auf einem Ergebnis dieser Auswertung die Charakteristik des Beleuchtungslichts (131) zu verändern.

8. Sensorsystem (100) gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei

das Ergebnis der Auswertung von dem optischen Streuverhalten von zumindest einem in der Szene (190) enthaltenen Objekt (195) abhängt.

9. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Beleuchtungseinrichtung (130) aufweist zumindest eines aus der Gruppe bestehend aus

(a) einer als Laser ausgebildeten Beleuchtungslichtquelle zum räumlichen

Abtasten der Szene mit einem ausgesandten Laserstrahl-Beleuchtungslicht;

(b) einer zumindest annähernd punktförmigen Beleuchtungslichtquelle;

(c) einer Mehrzahl von einzelnen Beleuchtungslichtquellen, die insbesondere individuell ansteuerbar und jeweils einem bestimmten Raumwinkelbereich der Szene zugeordnet sind; und

(d) einer flächigen Beleuchtungslichtquelle, insbesondere mit einer über die Fläche nicht homogenen Leuchtintensität.

10. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Freiformoptik (140, 142) und/oder die Beleuchtungseinrichtung (130)

konfiguriert ist bzw. sind, das Beleuchtungslicht (131) mit einem von einer Kreisform abweichenden Strahlquerschnitt (531b, 531c) bereitzustellen.

11. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung (115) aufweist

einen Lichtempfänger (120, 420a) mit einer Vielzahl von Pixeln (422a) zum Empfangen des Messlichts (196), wobei erste Pixel in einem ersten

Teilbereich des Lichtempfängers eine erste Lichtsensitivität aufweisen und zweite Pixel in einem zweiten Teilbereich des Lichtempfängers eine zweite

Lichtsensitivität aufweisen, wobei die zweite Lichtsensitivität unterschiedlich ist zu der ersten Lichtsensitivität.

12. Sensorsystem (100) gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei

die Messeinrichtung (115) ferner aufweist

eine mit dem Lichtempfänger (120) gekoppelte Lichtempfänger- Steuereinrichtung (122), wobei die Lichtempfänger-Steuereinrichtung (122) und der Lichtempfänger (120) derart konfiguriert sind, dass in einem modifizierten Betrieb des Sensorsystems (100) zumindest zwei Pixel der Vielzahl von Pixeln (422a) zu einem übergeordneten Pixel (422b) zusammengefasst sind .

13. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Messeinrichtung (115) aufweist

einen oder, sofern rückbezogen auf einen der beiden vorangehenden Ansprüche, den Lichtempfänger (120) zum Empfangen des Messlichts (196) und eine dem Lichtempfänger (120) nachgeschaltete Messeinheit (125), welche konfiguriert ist die Lichtlaufzeit zu messen basierend auf

(a) einer Messung der Zeitspanne zwischen einem Aussenden eines Pulses des Beleuchtungslichts (131) und dem Empfang des zu dem Puls gehörigen

Messlichts (196) und/oder (b) einer Messung einer Phasenverschiebung zwischen einer zeitlichen Modulation des Beleuchtungslichts (131) und einer zugehörigen zeitlichen Modulation des empfangenen Messlichts (196).

14. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend

eine Halterung (111), welche zumindest mit der Messeinrichtung (115) mechanisch gekoppelt ist, wobei die Halterung (111) derart ausgebildet ist, dass das Sensorsystem (100) an einer in Bezug auf die zu erfassende Szene (190) stationären Haltestruktur (182) anbringbar ist.

15. Sensorsystem (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung (150) ferner derart konfiguriert ist, dass eine Bedeckungscharakteristik einer von einem Objekt (195) zu passierenden Öffnung (184) durch zumindest einen Verschließkörper (186) steuerbar ist.

16. Verfahren zum dreidimensionalen Erfassen einer Szene (190), das Verfahren aufweisend

Beleuchten der Szene (190) mit einem Beleuchtungslicht (131), welches von einer Beleuchtungseinrichtung (130) entlang eines

Beleuchtungsstrahlengangs (131) ausgesandt wird;

Empfangen, mittels einer Messeinrichtung (115), von Messlicht (131) entlang eines Messlichtstrahlengangs (131), wobei das Messlicht (131) zumindest teilweise von zumindest einem Objekt (195) in der Szene (190) zurückgestreutes Beleuchtungslicht (131) ist;

Messen, mittels der Messeinrichtung (115), von Distanzen zwischen dem Sensorsystem (100) und dem zumindest einen Objekt (195) basierend auf einer Lichtlaufzeit des Beleuchtungslichts (131) und des Messlichts (196); und

Ermitteln der dreidimensionalen Charakteristik der Szene (190) basierend auf den gemessenen Distanzen mittels einer der Messeinrichtung (115) nachgeschalteten Datenverarbeitungseinrichtung (150); wobei eine Freiformoptik (140, 142) in dem Beleuchtungsstrahlengang (131) und/oder in dem Messlichtstrahlengang (196) angeordnet ist, wobei die

Freiformoptik (140, 142) derart konfiguriert ist, dass

(i) bei einer Anordnung in dem Beleuchtungsstrahlengang (131) eine

Beleuchtungslichtintensität des Beleuchtungslichts (131) von dem Raumwinkel des Beleuchtungsstrahlengangs abhängt und

(ii) bei einer Anordnung in dem Messlichtstrahlengang (196) eine

Messlichtintensität des Messlichts (196) von dem Raumwinkel des

Messlichtstrahlengangs (196) abhängt, so dass ein distanzbasierter

Intensitätsverlust des Beleuchtungslichts (131) und des Messlichts (196) zumindest teilweise kompensiert wird.

17. Verfahren gemäß dem vorangehenden Anspruch, ferner aufweisend

Erfassen eines in der Szene (190) befindlichen Objekts (195);

Vergleichen des erfassten Objekts (195) mit zumindest einem in einer Datenbank (160) hinterlegten Vergleichsobjekt; und,

wenn das Objekt (195) innerhalb vorgegebener zulässiger Abweichungen mit einem Vergleichsobjekt übereinstimmt, Identifizieren des Objekts (195) als ein für eine bestimmte Aktion zugelassenes Objekt (195).

18. Verwendung eines Sensorsystems (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 15 für ein Steuern einer Bedeckungscharakteristik einer von einem Objekt (195) zu passierenden Öffnung (184) durch zumindest einen Verschließkörper (186).

19. Verwendung gemäß dem vorangehenden Anspruch, wobei

die Öffnung (184) ein Eingang oder ein Ausgang ist, insbesondere ein

Notausgang in einem Gebäude.

20. Verwendung gemäß einem der beiden vorangehenden Ansprüche, wobei das Objekt (195) eine Person oder ein Fahrzeug ist.

21. Verwendung eines Sensorsystems (100) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 15 für ein Erfassen und/oder Steuern von Verkehrsströmen von Objekten (395a - 395e), welche sich durch eine Szene (190) des Sensorsystems (100) bewegen, wobei die Szene (190) durch einen räumlichen

Erfassungsbereich des Sensorsystems (100) bestimmt ist.

Description:
3D Sensorsystem mit einer Freiformoptik

Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem sowie ein Verfahren zum dreidimensionalen Erfassen einer Szene basierend auf Laufzeitmessungen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung mehrere Verwendungen eines solchen

Sensorsystems.

Hintergrund der Erfindung

Zum Öffnen und/oder Verschließen von Öffnungen werden häufig mittels

Aktuatoren betriebene Verschließkörper verwendet, welche für Bedienpersonen die Handhabung des betreffenden Verschließkörpers erleichtern oder ohne jede Bedienaktion automatisch betrieben werden, wenn beispielsweise ein die Öffnung zu passierendes Objekt in den Bereich der Öffnung gelangt. Eine solche Öffnung kann beispielsweise ein Durchgang in einem Gebäude sein. Ein Verschließkörper kann beispielsweise eine Tür oder ein Tor sein .

Um eine hohe Betriebssicherheit von automatisch zu öffnenden und zu

schließenden Verschließkörpern zu erreichen, ist es bekannt, den Bereich vor oder innerhalb einer mit einem Verschließkörper bedeckbaren Öffnung mittels eines optischen Sensorsystems zu erfassen. Damit kann zum einen sichergestellt werden, dass beim Verschießen der Öffnung nicht versehentlich ein Objekt, beispielsweise eine Person, von dem Verschließkörper eingeklemmt wird . Außerdem kann bei manchen Applikationen ein solches Sensorsystem ein automatisches Öffnen des Verschließkörpers bzw. der Öffnung veranlassen. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, dass ein solches Sensorsystem bzw. eine einem solchen Sensorsystem nachgeschaltete Datenverarbeitungs- einrichtung mittels bekannter Methoden der Bildverarbeitung eine

Objekterkennung durchführt und die Öffnung nur dann freigibt, wenn sich ein zum Passieren der Öffnungen befugtes Objekt dem Bereich der (noch

verschlossenen Öffnung) nähert. Eine solche Objekterkennung kann

beispielsweise eine Gesichtserkennung sein.

Aus EP 2 453 252 Bl ist für den Anwendungsbereich der Überwachung von automatisch zu öffnenden Türen und/oder Toren ein 3D-Sensorsystem bekannt, welches auf dem Prinzip der Laufzeitmessung von Lichtstrahlen beruht, die von Beleuchtungsquellen ausgesandt und nach einer zumindest teilweisen Reflexion bzw. 180° Rückstreuung von einem Lichtempfänger detektiert werden. Solche Sensorsysteme werden allgemein als "Time-of-Flight" (TOF) Sensorsysteme bezeichnet. TOF Sensorsysteme haben jedoch den Nachteil, dass mit

zunehmendem Abstand d des zu erfassenden Objekts die Intensität des von einem Lichtempfänger des TOF Sensors zu erfassenden (zurückgestreuten) Messlichts in zweifacher Hinsicht geschwächt ist. Im Falle einer punktförmigen Beleuchtungslichtquelle ohne eine spezielle Fokussierung skaliert diese

Schwächung des von den Beleuchtungsquellen ausgesandten Beleuchtungslichts mit l/d / 2, wobei d der Abstand zu der Beleuchtungslichtquelle ist. Gleiches gilt für das Messlicht, wenn man eine Stelle des Objekts, an welcher das

Beleuchtungslicht isotrop gestreut wird, als Punktlichtquelle auffasst. Im Ergebnis führt dies zu einer l/d' Skalierung der Intensität des empfangenen Messlichts. Bei einer auf irgendeine Art und Weise realisierten Strahlformung, beispielsweise einer Fokussierung, des Beleuchtungslichts, des Messlichts und/oder bei einer nicht isotropen Streuung des Beleuchtungslichts mit einer bevorzugten

Aussendung des Messlichts in Richtung des Lichtempfängers, ist die

Intensitätsschwächung entsprechend geringer, trägt jedoch trotzdem zu einem signifikanten Verlust an Lichtleistung bei. Dies wiederum führt zu einer entsprechend schlechten Energieeffizienz eines TOF Sensorsystems.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine aus energetischer Sicht effiziente und trotzdem zuverlässige dreidimensionale Erfassung einer Szene, welche auch relativ weit entfernte Objekte umfasst, zu ermöglichen.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen

Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Sensorsystem zum

dreidimensionalen Erfassen einer Szene beschrieben. Das beschriebene

Sensorsystem weist auf (a) eine Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten der Szene mit einem Beleuchtungslicht entlang eines Beleuchtungsstrahlengangs; (b) eine Messeinrichtung (bl) zum Empfangen von Messlicht entlang eines

Messlichtstrahlengangs, wobei das Messlicht zumindest teilweise von zumindest einem Objekt in der Szene zurückgestreutes Beleuchtungslicht ist und (b2) zum Messen von Distanzen zwischen dem Sensorsystem und dem zumindest einen Objekt basierend auf einer Lichtlaufzeit des Beleuchtungslichts und des

Messlichts; (c) eine der Messeinrichtung nachgeschaltete

Datenverarbeitungseinrichtung zum Ermitteln der dreidimensionalen

Charakteristik der Szene basierend auf den gemessenen Distanzen; und (d) eine Freiformoptik, welche in dem Beleuchtungsstrahlengang und/oder in dem

Messlichtstrahlengang angeordnet ist. Die Freiformoptik ist derart konfiguriert, dass (dl) bei einer Anordnung in dem Beleuchtungsstrahlengang eine

Beleuchtungslichtintensität des Beleuchtungslichts von dem Raumwinkel des Beleuchtungsstrahlengangs abhängt und (d2) bei einer Anordnung in dem Messlichtstrahlengang eine Messlichtintensität des Messlichts von dem Raumwinkel des Messlichtstrahlengangs abhängt, so dass ein distanzbasierter Intensitätsverlust des Beleuchtungslichts und des Messlichts zumindest teilweise kompensiert ist.

Dem beschriebenen Sensorsystem, welches ein sog. Time Of Flight (TOF) Sensorsystem ist, liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine geeignet ausgebildete Freiformoptik von der Szenengeometrie und von dem Raumwinkel abhängige Einflüsse auf die Intensitätsverteilung des empfangenen Messlichts zumindest teilweise kompensiert werden können. Anschaulich ausgedrückt sorgt die Freiformoptik dafür, dass es in einem durch das empfangene Messlicht erzeugten Bildes der Szene weder zu (übermäßig) unterbelichteten noch zu (übermäßig) überbelichteten Teilbereichen kommt. Wenn sich die Freiformoptik in dem Strahlengang des Beleuchtungslichts befindet, dann wird bereits durch eine geeignete raumwinkelabhängige Intensitätsverteilung des

Beleuchtungslichts dafür gesorgt, dass das Messlicht von jedem Teilbereich der Szene mit einer möglichst homogenen Intensitätsverteilung auf einen

Lichtempfänger der Messeinrichtung trifft. Alternativ oder in Kombination, wenn sich die Freiformoptik in dem Strahlengang des Messlichts befindet, dann wird durch eine geeignete Einsammlung von Messlichtstrahlen dafür gesorgt oder dazu beigetragen, dass das Messlicht mit einer möglichst homogenen

Intensitätsverteilung auf den Lichtempfänger trifft.

Anders ausgedrückt sorgt die Freiformoptik in dem Beleuchtungsstrahlengang dafür, dass die Szene mit einer raumwinkelabhängigen Beleuchtungsintensität beleuchtet bzw. belichtet wird. In dem Messlichtstrahlengang sorgt die

Freiformoptik dafür, dass das Messlicht raumwinkelabhängig unterschiedlich, insbesondere mit einer raumwinkelabhängigen Fokussierung eingesammelt. Beide Effekte tragen dazu bei, dass von allen Teilbereichen der Szene

empfangenes Messlicht hinsichtlich seiner Intensität zumindest annähernd gleich ist. Dadurch kann vermieden werden, dass es in einem Bild der erfassten Szene von dem Messlicht unterbelichtete und/oder überbelichtete Teilbereiche gibt.

Mit der beschriebenen Freiformoptik kann eine raumwinkelabhängige

Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts bzw. eine räumliche Charakteristik des Beleuchtungslichts und/oder eine raumwinkelabhängige Einsammlung der Messlichtintensität bzw. räumliche Messlicht-Einsammelcharakteristik so eingestellt werden, dass die Intensität insbesondere des Beleuchtungslichts gerade so hoch ist, wie es für eine zuverlässige Erfassung des dem jeweiligen Raumwinkelbereich zugeordneten Teilbereichs der Szene erforderlich ist.

Dadurch wird für die Beleuchtung lediglich so viel Energie benötigt, wie es erforderlich ist, so dass sich das beschriebene Sensorsystem im Ergebnis durch eine gute Energieeffizienz auszeichnet.

Es wird darauf hingewiesen, dass mit der beschriebenen Freiformoptik bei Bedarf auch (unerwünschte) Abbildungsfehler in dem Beleuchtungsstrahlengang und/oder dem Messlichtstrahlengang kompensiert werden können. Solche Abbildungsfehler können von anderen optischen Komponenten des

Sensorsystems stammen.

Unter dem Begriff "Szene" kann insbesondere derjenige räumliche Bereich verstanden werden, welcher von dem Sensorsystem optisch erfasst wird. In der Szene befindliche Objekte werden durch eine geeignete Bildauswertung erkannt. Dazu kann von der Datenverarbeitungseinrichtung auf bekannte Methoden zur Bildauswertung und/oder Bildanalyse zurückgegriffen werden. Die

Datenverarbeitungseinrichtung kann demzufolge ein spezieller

Bildverarbeitungsprozessor sein und einen solchen aufweisen, der konfiguriert ist, bekannte Verfahren zur Bildauswertung und/oder Bildverarbeitung

anzuwenden bzw. durchzuführen.

Unter dem Begriff "Objekt" kann jede räumlich körperliche Struktur verstanden werden, welche eine Oberflächenbeschaffenheit aufweist, die zu einer zumindest teilweisen Reflexion bzw. Streuung von Beleuchtungslicht führt und damit durch das resultierende Messlicht für die Messeinrichtung sichtbar ist. Das Objekt kann ein Gegenstand wie beispielsweise ein Kraftfahrzeug oder ein Lebewesen wie beispielweise ein Mensch sein. Das Objekt kann ein in Bezug auf das

Sensorsystem statisches oder ruhendes Objekt sein. Ferner kann das Objekt sich auch innerhalb der Szene bewegen, diese verlassen oder in diese eintreten.

Durch eine wiederholte Szenenerfassung kann dann (durch einen Vergleich der mit verschiedenen Szenenerfassungen ermittelten verschiedenen Ortspositionen) die Bewegung des Objekts (nach der Formel Geschwindigkeit = Weg / Zeit) bestimmt werden. Hierbei können je nach Anwendungsfall der Absolutwert der Geschwindigkeit und/oder der Bewegungsvektor, d.h. zusätzlich die

Bewegungsrichtung, ermittelt werden.

Unter dem Begriff "Beleuchtungslicht" sind in diesem Dokument diejenigen elektromagnetischen Wellen zu verstehen, welche von einer Lichtquelle bzw. einer Beleuchtungseinheit der Beleuchtungseinrichtung ausgesandt werden und auf das betreffende Objekt der Szene treffen. Das "Messlicht" sind die von bzw. an dem Objekt (zurück)gestreuten elektromagnetischen Wellen, welche von der Messeinrichtung bzw. einem Lichtempfänger der Messeinrichtung empfangen und für die dreidimensionale Auswertung der Szene, zusammen mit den

entsprechenden TOF Distanzinformationen, verwendet werden.

Unter dem Begriff "Charakteristik einer Szene" kann die Gesamtheit aller räumlichen Strukturen und insbesondere alle Objekte verstanden werden, welche von dem Sensorsystem erfasst werden. Die Charakteristik der Szene ändert sich, wenn (i) neue Objekte in die Szene eintreten, wenn (ii) bereits in der Szene befindliche Objekte ihre Position und/oder ihr optisches Erscheinungsbild, insbesondere ihr optisches Streuverhalten, ändern und/oder wenn (iii) Objekt die Szene verlassen. Dabei können von der Datenverarbeitungseinrichtung mittels einer Bildverarbeitung und/oder Bilderkennung manche Strukturen als relevant und andere Strukturen als weniger oder sogar irrelevant erkannt werden. Unter dem Begriff "Freiformoptik" kann in diesem Dokument jede den Strahlengang von Lichtstrahlen modifizierende optische Struktur verstanden werden, welche für eine raumwinkelabhängige Modifikation der Intensität des Beleuchtungslichts und/oder für eine raumwinkelabhängige Einsammlung (der Intensität des Messlichts) sorgt. Die Freiformoptik kann eine statische Optik sein. Dies bedeutet, dass die Szene unabhängig von ihrer aktuellen Charakteristik bei verschiedenen Szenenerfassungen (und Szenenermittlungen bzw.

Szenenauswertungen durch die Datenverarbeitungseinrichtung) immer mit der gleichen raumwinkelabhängigen Modifikation des Beleuchtungslichts beleuchtet und/oder mit der gleichen raumwinkelabhängigen Modifikation des Messlichts erfasst wird. Bei anderen Ausführungsformen kann der Betriebszustand

beispielsweise durch eine Veränderung der Geometrie und/oder der inneren Struktur der Freiformoptik modifiziert werden.

Eine Freiformoptik kann aus einem optischen Element bestehen. Alternativ kann eine Freiformoptik auch aus mehreren hintereinander geschalteten optischen Elementen bestehen und beispielsweise mittels eines Linsensystems realisiert sein.

Unter dem Ausdruck "distanzbasierter Intensitätsverlust" kann diejenige

Reduzierung der Intensität von Beleuchtungslicht und/oder Messlicht verstanden werden, welche durch eine Aufweitung des Querschnitts der

Beleuchtungslichtstrahlen bzw. der Messlichtstrahlen (nach einer Streuung bzw. Reflexion an einem Objekt) verursacht ist. Im Falle einer Punktlichtquelle ohne eine spezielle Fokussierung skaliert dieser Verlust des Beleuchtungslichts mit l/d^, wobei d der Abstand zu der Punktlichtquelle ist. Gleiches gilt für das Messlicht, wenn man eine Stelle des Objekts, an welcher das Beleuchtungslicht isotrop gestreut wird, als Punktlichtquelle auffasst. Im Ergebnis führt dies zu einer l/d' Skalierung des resultierenden Messsignals, welches durch die

Intensität des empfangenen Messlichts gegeben ist. Bei einer auf irgendeine Art und Weise realisierten Strahlformung, beispielsweise einer Fokussierung, des Beleuchtungslichts, des Messlichts und/oder bei einer nicht isotropen Streuung des Beleuchtungslichts mit einer bevorzugten Aussendung des Messlichts in Richtung der Messeinrichtung, ist der "distanzbasierte Intensitätsverlust" entsprechend geringer, stellt in der Praxis jedoch trotzdem einen signifikanten Verlust dar, welcher die Energieeffizienz eines TOF Sensors reduziert.

Erfindungsgemäß werden diese Verluste durch die Freiformoptik zumindest teilweise reduziert bzw. kompensiert.

Die Begriffe "optisch" und/oder "Licht" können sich auf elektromagnetische Wellen beziehen, die eine bestimmte Wellenlänge bzw. Frequenz oder ein bestimmtes Spektrum von Wellenlängen bzw. Frequenzen haben . Insbesondere können die zum Einsatz kommenden elektromagnetischen Wellen dem für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich zugeordnet werden. Alternativ oder in Kombination können auch elektromagnetische Wellen verwendet werden, die dem ultravioletten (UV) oder dem infraroten (IR) Spektralbereich zugeordnet sind . Der IR Spektralbereich kann sich bis in den langwelligen IR Bereich mit Wellenlängen zwischen 3,5 pm bis 15 pm erstrecken, welche mittels des

Lichtempfängers des Sensors erfasst werden können.

Es wird darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Kompensation des distanzbasierten Intensitätsverlustes mittels der raumwinkelabhängigen

Intensitätsmodifikation von Beleuchtungslicht und/oder Messlicht nicht nur für TOF Sensorsysteme möglich ist, welche die ganze oder zumindest größere Teilbereiche der Szene gleichzeitig beleuchten. Die erfindungsgemäße

Freiformoptik kann auch bei TOF Sensorsystemen optisch gewinnbringend zum Einsatz kommen, welche die Szene sequenziell mit einem Beleuchtung

Lichtstrahl, beispielsweise einem Laserstrahl, abtasten.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Sensorsystem ferner eine weitere Freiformoptik auf, wobei die Freiformoptik in dem Beleuchtungsstrahlengang angeordnet ist und die weitere Freiformoptik in dem Messlichtstrahlengang angeordnet ist. Durch das Vorsehen von zwei getrennten und damit individuell dimensionierbaren Freiformoptiken können

Beleuchtungslicht und Messlicht unabhängig voneinander jeweils optimal modifiziert werden. Bei veränderbaren Freiformoptiken können beiden "Lichter" unabhängig voneinander adaptiv hinsichtlich ihrer raumwinkelabhängigen

Intensitätsverteilung modifiziert werden.

Es wird darauf hingewiesen, dass alle in diesem Dokument beschriebenen

Merkmale bzw. Varianten der Freiformoptik auch für die weitere Freiformoptik gelten.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Freiformoptik auf zumindest ein reflektives optisches Element, zumindest ein refraktives optisches Element und/oder zumindest ein diffraktives optisches Element.

Unter dem Begriff "reflektiv" bzw. "Reflexion" wird in diesem Dokument ein (zumindest teilweises) Zurückwerfen von elektromagnetischen Wellen an einer Grenzfläche verstanden, wobei in Bezug auf eine Normale dieser Grenzfläche der Einfallswinkel der einfallenden elektromagnetischen Welle gleich dem

Ausfallwinkel der reflektierten elektromagnetischen Welle. Bevorzugt weist die reflektierende Grenzfläche der Freiformoptik einen möglichst hohen

Reflexionskoeffizienten auf. Dies bedeutet, dass derjenige Anteil der

elektromagnetischen Welle, welcher nicht mit " Einfallswinkel = Ausfallswinkel" reflektiert ist, möglichst groß ist und der Anteil der elektromagnetischen Welle, der absorbiert oder der in andere Richtungen gestreut wird, möglichst klein ist. Ein reflektives Element kann insbesondere ein Spiegel sein. Die Freiformoptik kann damit zumindest einen Spiegel (mit einer geeignet gekrümmten

Oberfläche) aufweisen.

Unter dem Begriff "refraktiv" bzw. "Refraktion" (oder Brechung) wird die Änderung der Ausbreitungsrichtung einer elektromagnetischen Welle aufgrund einer räumlichen Änderung ihrer Ausbreitungsgeschwindigkeit bezeichnet, die speziell für Lichtwellen durch den Brechungsindex n eines Mediums beschrieben wird. Ein refraktives Element der beschriebenen Freiformoptik kann eine geeignete geformte Linse sein. Auch anderen optisch brechende Elemente wie beispielsweise ein (modifiziertes Prisma) können verwendet werden, um eine geeignete raumwinkelabhängige Strahlformung des Beleuchtungslicht und/oder des Messlichts zu realisieren.

Unter dem Begriff "diffraktiv" bzw. "Diffraktion" (oder Beugung) wird in diesem Zusammenhang allgemein die räumliche Ablenkung einer elektromagnetischen Welle an strukturellen Hindernissen bezeichnet. Solche Hindernisse können sein eine Kante, ein Loch oder ein eindimensionales, ein zweidimensionales oder sogar ein dreidimensionales Gitter. Das diffraktive optische Element kann beispielsweise und bevorzugt ein Diffraktives Optisches Element (diffractive optical Element, DOE) sein, welches auf vorteilhafte Weise eine dynamische Anpassung bzw. Adaptierung der raumwinkelabhängigen Charakteristik des Beleuchtungslichts und/oder der raumwinkelabhängigen Charakteristik des Messlichts erlaubt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Freiformoptik zumindest ein räumlich und/oder strukturell veränderbares optisches Element auf, wobei eine Veränderung des optischen Elements zu einer Veränderung der Raumwinkelabhängigkeit der Beleuchtungslichtintensität und/oder der

Messlichtintensität führt.

Durch die beschriebene Veränderbarkeit der Freiformoptik kann während des Betriebs des Sensorsystems die Raumwinkelabhängigkeit der

Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht und/oder Messlicht dahingehend an eine Veränderung der Charakteristik der zu erfassenden Szene angepasst werden, dass alle (relevanten) Objekte in der Szene mit einer hohen Genauigkeit erfasst werden können. Die beschriebene Veränderung der Freiformoptik kann damit während des Betriebes des Sensorsystems szenenabhängig von der Datenverarbeitungseinrichtung veranlasst werden. Ferner kann die Freiformoptik auch nach dem Prinzip "Try-and-Error" oder durch andere statistische,

inkrementeile oder historienbasierende Optimierungsprozeduren verändert werden. Dies kann dynamisch während eines reellen Betriebs des Sensorsystems oder im Rahmen einer Kalibrierung mittels einer Erkennung von geeigneten Referenzobjekten erfolgen.

Eine räumliche Veränderung des optischen Elements kann beispielsweise eine einfache Verschiebung und/oder Drehung dieses optischen Elements in einem Koordinatensystem des Sensorsystems und/oder relativ zu anderen optischen Elementen der Freiformoptik sein. Dies kann bevorzugt mittels eine Aktuators auf automatische Weise erfolgen, wobei eine Steuerung des Aktuators von der Datenverarbeitungseinrichtung oder von einer beliebigen anderen in Bezug auf die Sensorvorrichtung internen oder externen Freiform-Steuereinrichtung erfolgen kann.

Das veränderbare optische Element kann auch ein elastisches Element sein, beispielsweise ein deformierbarer Spiegel. Ferner kann das elastische Element ein unter Ausübung von Druck verformbares Element aus einem elastischen optischen Material sein, welches seine optischen Eigenschaften (Reflexions-, Diffraktions- und/oder Refraktionsverhalten) unter Druck ändert.

Eine strukturelle Veränderung kann beispielsweise bei einem DOE zu einer gewünschten Modifikation der Raumwinkelabhängigkeit des Beleuchtungslichts und/oder des Messlichts führen. Darüber hinaus können auch Mikrospiegelarrays verwendet werden, die aus der sog. Digital Light Processing (DLP)

Projektionstechnik bekannt sind. Ferner können auch sog. Mikro Elektro

Mechanische Systeme (microelectromechanical Systems, MEMS) Vorrichtungen zu einer gezielten Bewegung einer Vielzahl von optischen Elementen, insbesondere Mikrospiegel, verwendet werden, so dass es zu einer gewünschten raumwinkelabhängigen Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts und/oder des Messlichts kommt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist bzw. sind die Freiformoptik und/oder die Beleuchtungseinrichtung konfiguriert, das

Beleuchtungslicht und/oder das Messlicht mit einer raumwinkelabhängigen Intensitätsverteilung bereitzustellen, welche einen Randlichtabfall zumindest annähernd kompensiert, insbesondere einen natürlichen Randlichtabfall gemäß dem eine Helligkeit in einem Bild beim Abbilden eines gleichmäßig hellen Motivs durch ein Objektiv um den Faktor cos'M gegenüber der Helligkeit in der Mitte des Bildes abnimmt.

Der natürliche Randlichtabfall, welcher durch das sog . cos'M (Cosinus hoch 4) Gesetz beschrieben wird, hängt in bekannter Weise von der Brennweite eines verwendeten Objektivs ab. Im Falle des beschriebenen TOF Sensorsystems kann ein solches Objektiv für eine Abbildung des Beleuchtungslichts auf die Szene und/oder für die Abbildung der Szene auf einen Lichtempfänger der

Messeinrichtung verwendet werden. Im Falle der Verwendung von Objektiven und bevorzugt eines gemeinsamen Objektives sowohl für das (aus einer flächigen Lichtquelle ausgesandte) Beleuchtungslicht als auch für das (von der flächigen Szene gestreute) Messlicht würde ohne die beschriebene Kompensation der natürliche Randlichtabfall zweifach auftreten und der negative Einfluss des cos'M Gesetzes wäre entsprechend stark. Daher trägt bei TOF Sensorsystemem, bei denen sowohl das Beleuchtungslicht als auch das Messlicht durch ein Objektiv tritt, die hier beschriebene Kompensation des natürlichen Randlichtabfalls durch die Freiformoptik und/oder eine über die Szene ungleichmäßige Beleuchtung durch die Beleuchtungseinrichtung besonders stark zu einer Verbesserung der Lichtintensitätsverhältnisse bei.

Die Kompensation des natürlichen Randlichtabfalls durch eine geeignete raumwinkelabhängige Intensitätsmodifikation von Beleuchtungslicht und/oder Messlicht kann zumindest 30%, bevorzugt 50%, weiter bevorzugt 80% und noch weiter bevorzugt 90% oder sogar 95% betragen. Diese Prozentangaben beziehen sich (bei einer fest vorgegebenen Brennweite des verwendeten Objektives) auf das Verhältnis zwischen den Intensitäten am Rand des auf der Messeinrichtung abgebildeten Bildes der Szene (für das Messlicht), welche (a) mit der

beschriebenen Kompensation und (b) ohne die beschriebene Kompensation des natürlichen Randabfalls auftreten. Dementsprechend würde eine 100%

Kompensation eine vollständige Eliminierung des natürlichen Randlichtabfalls bedeuten. Dabei würde bei einer (fiktiven) Szene, die in allen Teilbereichen das Beleuchtungslicht gleich stark streut, die Helligkeit in einem Bild in allen

Teilbereichen gleich sein, wobei das Bild die (vollständige) Abbildung der Szene auf einem Lichtempfänger der Messeinrichtung ist.

Es wird darauf hingewiesen, dass in Bezug auf die Helligkeitsverteilung des Beleuchtungslichts in der Szene bei bevorzugten Ausführungsformen eine

Überkompensation des natürlichen Randlichtabfalls stattfindet. Diese

Überkompensation sollte gerade so stark sein, dass der natürliche Randlichtabfall des Messlichts gerade so kompensiert wird, dass es in dem auf der

Messeinrichtung abgebildeten Bild der Szene zu einer möglichst guten

Kompensation des natürlichen Randlichtabfalls kommt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das

Sensorsystem ferner eine mit der Beleuchtungseinrichtung gekoppelte

Beleuchtungslicht-Steuereinrichtung auf, welche konfiguriert ist, die

Beleuchtungseinrichtung derart anzusteuern, dass eine Charakteristik des

Beleuchtungslichts, welche die Abhängigkeit der Beleuchtungsintensität des Beleuchtungslichts von dem Raumwinkel beschreibt, während eines Betriebes des Sensorsystems dynamisch veränderbar ist.

Durch eine dynamische Veränderbarkeit der Charakteristik des Beleuchtungslichts kann ein und dieselbe Szene bei unterschiedlichen Beleuchtungsbedingungen (nacheinander) mehrfach aufgenommen werden. Dadurch stehen der Datenverarbeitungseinrichtung unterschiedliche Datensätze von ein und derselben Szene zur Verfügung, sodass mittels einer geeigneten Methode der Bildanalyse (von der Datenverarbeitungseinrichtung) derjenige Datensatz für die Ermittlung der dreidimensionalen Charakteristik der Szene verwendet werden kann, welcher die Szene am genauesten wiedergibt. Dabei kann gegebenenfalls ein "a priori Wissen" über die optischen und/oder

geometrischen Eigenschaften von in der Szene befindlichen Objekten

berücksichtigt werden.

Ferner kann eine optimale Beleuchtungscharakteristik auch nach dem Prinzip "Try-and-Error" oder durch andere statistische Optimierungsprozeduren ermittelt werden. Dies kann (wie bei der vorstehend beschriebenen räumlichen und/oder strukturellen Veränderung eines optischen Elements der Freiformoptik) dynamisch während eines reellen Betriebs des Sensorsystems oder im Rahmen einer Kalibrierung mittels einer Erkennung von geeigneten Referenzobjekten erfolgen.

Bei manchen Ausführungsformen können auch die bei unterschiedlichen

Beleuchtungscharakteristiken aufgenommenen 3D Bilder der Szene gemeinsam verarbeitet werden, sodass für eine finale Ermittlung der 3D Charakteristik der Szene ein umfangreicher Datensatz zur Verfügung steht. Bei einer solchen gemeinsamen Verarbeitung können unterschiedliche Teilbereiche der Szene dadurch charakterisiert werden, dass für einen ersten Teilbereich ein bei einer ersten Beleuchtungscharakteristik aufgenommener erster Teil-Datensatz und für einen zweiten Teilbereich der bei einer zweiten Beleuchtungscharakteristik aufgenommene zweiter Teil-Datensatz für die Ermittlung der

Gesamtcharakteristik der Szene verwendet werden. Selbstverständlich können für die Erfassung der Gesamtcharakteristik der Szene auch mehr als drei

Datensätze herangezogen werden, welche jeweils einer unterschiedlichen Beleuchtung Lichtcharakteristik zugeordnet sind.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die

Datenverarbeitungseinrichtung mit der Beleuchtungslicht-Steuereinrichtung gekoppelt und konfiguriert, die ermittelte dreidimensionale Charakteristik der Szene auszuwerten und basierend auf einem Ergebnis dieser Auswertung die Charakteristik des Beleuchtungslichts zu verändern.

Anschaulich ausgedrückt hängt die Art und Weise, wie die Szene für eine

Szenenerfassung raumwinkelabhängig von der Beleuchtungseinrichtung beleuchtet wird, von Mess- und Auswertungsergebnissen ab, die aus einer vorherigen Szenenerfassung ermittelt worden sind. Die Charakteristik der Beleuchtung wird also dynamisch aufgrund von Messergebnissen einer

vorherigen Szenenerfassung angepasst. Damit findet korrekt ausgedrückt nicht mehr lediglich eine Steuerung der Beleuchtungseinrichtung sondern vielmehr eine Regelung derselben statt. Dies erlaubt auf vorteilhafte Weise eine besonders genaue Adaption der Szenenbeleuchtung in Hinblick auf eine optimale

Szenenauswertung.

Eine geeignete Steuerung der Beleuchtungseinrichtung kann von aktuellen Umgebungsbedingungen abhängen, welche sich in dem Ergebnis der

Szenenauswertung widerspiegeln. Solche Umgebungsbedingungen können Wetterbedingungen wie beispielsweise das Vorhandensein von Regen, Schnee, Hagel, Nebel, Rauch, Schwebepartikeln, etc. in der Szene sein.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung hängt das Ergebnis der Auswertung von dem optischen Streuverhalten von zumindest einem in der Szene enthaltenen Objekt ab. Dies hat den Vorteil, dass zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen und erfindungsgemäßen distanzbasierten

Kompensation auch noch ein gegebenenfalls vorhandenes unterschiedliches Streuverhalten und/oder Reflexionsverhalten von verschiedenen Objekten in der Szene berücksichtigt werden kann, sodass das Messlicht mit einer zumindest annähernd räumlich gleichmäßigen Intensitätsverteilung auf einen

Lichtempfänger der Messeinrichtung auftrifft. Eine über die lichtsensitive Fläche des Lichtempfängers möglichst gleichmäßige Helligkeit begünstigt eine präzise Distanzmessung durch das beschriebene TOF Sensorsystem.

Es wird darauf hingewiesen, dass bei vielen Objekten das Streu-bzw. Reflexions- Verhalten von der Wellenlänge bzw. der Frequenz des Beleuchtungslichts hängt. Eine Berücksichtigung einer solchen Frequenzabhängigkeit kann auf vorteilhafte Weise zu einer weiteren Verbesserung der Szenenbeleuchtung und der darauffolgenden Szenenauswertung beitragen.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die

Beleuchtungseinrichtung auf zumindest eines aus der Gruppe bestehend aus

(a) einer als Laser ausgebildeten Beleuchtungslichtquelle zum räumlichen Abtasten der Szene mit einem ausgesandten Laserstrahl-Beleuchtungslicht;

(b) einer zumindest annähernd punktförmigen Beleuchtungslichtquelle;

(c) einer Mehrzahl von einzelnen Beleuchtungslichtquellen, die insbesondere individuell ansteuerbar und jeweils einem bestimmten Raumwinkelbereich der Szene zugeordnet sind; und

(d) einer flächigen Beleuchtungslichtquelle, insbesondere mit einer über die Fläche nicht homogenen ausgesandten Leuchtintensität.

Ein die Szene abtastender Laserstrahl kann in bekannter weise über zwei drehbare Spiegel mit zueinander nicht parallelen und bevorzugt senkrecht zueinander orientierten Drehachsen auf die jeweils zu beleuchtende Stelle der Szene gelenkt werden. Für eine solche (dynamisch adaptive) Ablenkung können auch nicht mechanische optische Elemente wie beispielsweise Diffraktive

Optische Elemente (DOEs) verwendet werden. Die Ablenkung kann insbesondere durch die vorstehend beschriebene Beleuchtungslicht-Steuereinrichtung gesteuert werden. Auch eine dynamische Adaption der Freiformlinse mittels der vorstehend beschriebenen räumlichen und/oder strukturellen Veränderung eines optischen Elementes der Freiformlinse kann für eine geeignete Strahlablenkung des Laserstrahls sorgen.

Die eine zumindest annähernd punktförmige Beleuchtungslichtquelle kann eine (ausreichend starke) Halbleiterdiode, beispielsweise eine Laser- oder Leuchtdiode sein. Um gezielt die Szene flächig zu beleuchten, können geeignete

Strahlformungssysteme und insbesondere die beschriebene Freiformoptik verwendet werden. Um eine raumwinkelabhängig ungleichmäßige Beleuchtung der Szene zu realisieren, können auch geeignete optische Elemente zur

Strahlablenkung, Strahlteilung und/oder Strahlzusammenführung verwendet werden.

Die Mehrzahl von Beleuchtungslichtquellen, welche ebenfalls insbesondere Laser- oder Leuchtdioden sind, können (insbesondere individuell) von der vorstehend beschriebenen Beleuchtungslicht-Steuereinrichtung angesteuert werden. Dies erlaubt auf vorteilhafte Weise eine adaptiv gesteuerte oder sogar geregelte Einstellung der Charakteristik des Beleuchtungslichts.

Auch eine flächige Lichtquelle kann die Quelle für eine raumwinkelabhängig nicht homogene Intensitätsverteilung sein. Sofern es sich um eine räumlich homogen erleuchtete Fläche handelt, können geeignete optische Elemente zur

Strahlablenkung, Strahlteilung, Strahlzusammenführung und/oder

Strahlformung, insbesondere (auch) die beschriebene Freiformoptik eingesetzt werden, um eine raumwinkelabhängig ungleichmäßige Beleuchtung der Szene zu realisieren.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist bzw. sind die Freiformoptik und/oder die Beleuchtungseinrichtung konfiguriert, das

Beleuchtungslicht mit einem von einer Kreisform abweichenden Strahlquerschnitt bereitzustellen. Dadurch kann bei Szenen, welche "nicht rund" sind, eine unzureichende Beleuchtung von Eckbereichen der Szene vermieden werden. Eine unzureichende Beleuchtung der Eckbereiche könnte zwar ggf. durch eine insgesamt erhöhte Intensität des Beleuchtungslichts verhindert werden, in diesem Fall würden jedoch die mittleren Bereiche der Szene überbelichtet, was zumindest aus energetischer Sicht sehr nachteilig wäre.

Bei vielen Ausführungsformen bzw. Anwendungen des Sensorsystems ist es vorteilhaft, wenn das Beleuchtungslicht einen rechteckigen Strahlquerschnitt hat. Bevorzugt ist der Strahlquerschnitt zur Erzielung einer möglichst homogegen Beleuchtung an die Form der zu erfassenden Szene angepasst. Eine geeignete Formgebung des Strahlquerschnitts kann nicht nur durch eine entsprechende Formung der Leuchtfläche der Beleuchtungseinrichtung und/oder Konfigurierung der Freiformoptik realisiert werden, der Strahlquerschnitt kann auch durch optische Komponenten wie Spiegel und refraktive optische Elemente (z.B.

Linsensystem) auf geeignete Weise angepasst werden. Auch Diffraktive Optische Elemente (DOE) können verwendet werden, welche optional sogar eine

dynamische und/oder szenenabhängige Formung des Strahlquerschnitts ermöglichen. Darüber hinaus können auch Mikrospiegelarrays verwendet werden, die aus der sog. Digital Light Processing (DLP) Projektionstechnik bekannt sind. Auch mit sog. Mikro Elektro Mechanische Systeme (microelectromechanical Systems, MEMS) Vorrichtungen lassen sich eine Vielzahl von optischen Elementen derart bewegen, dass es zu einer gewünschten raumwinkelabhängigen

Beleuchtungsintensität kommt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die

Messeinrichtung auf einen Lichtempfänger mit einer Vielzahl von Pixeln zum Empfangen des Messlichts, wobei erste Pixel in einem ersten Teilbereich des Lichtempfängers eine erste Lichtsensitivität aufweisen und zweite Pixel in einem zweiten Teilbereich des Lichtempfängers eine zweite Lichtsensitivität aufweisen. Dabei ist die zweite Lichtsensitivität unterschiedlich zu der ersten

Lichtsensitivität. Durch die beschriebene ungleiche Pixelsensitivität kann ebenfalls dazu beigetragen werden, dass in einem Bild der Szene der Unterschied zwischen einer helleren Region und einer dunkleren Region nicht so groß ist, als dass er eine zuverlässige Szenenerfassung und/oder eine genaue Szenenauswertung durch die Datenverarbeitungseinrichtung gefährden würde.

Bei manchen Ausführungsformen werden Lichtempfänger verwendet, bei denen die räumliche Verteilung zwischen ersten Pixeln und zweiten Pixeln dynamisch bzw. adaptiv variiert werden kann. Eine solche Variation kann auch durch die Datenverarbeitungseinrichtung gesteuert werden und von einem Ergebnis einer vorherigen Szenenauswertung abhängen.

Es wird darauf hingewiesen, dass der Begriff der Lichtsensitivität mit der Fähigkeit des betreffenden Pixels zusammenhängt, auftreffende Photonen innerhalb einer kurzen Belichtungszeit zu akkumulieren. Eine unterschiedliche Pixelsensitivität kann z.B. durch Reduktion des Rauschens einzelner Pixel oder Zonen von Pixeln realisiert werden. Da das Rauschen häufig mit der Wärme des Sensors korreliert ist, kann z.B. mittels einer Wärmepumpe (z.B. ein Peltier- Element) für einen Teil des Lichtempfängers eine höhere Sensitivität erreicht werden. Je punktueller diese Temperaturveränderung auf dem Lichtempfänger erzeugt werden kann, desto höher kann die Energieeffizienz des Sensorsystems sein. So lässt sich z.B. in einer bestimmten Ausführungsform ein

Temperaturgradient über den Lichtempfänger aufprägen, so dass das von einem weiter entfernten Teilbereich der Szene kommende Messlicht auf eine kühlere Zone des Lichtempfängers gelangt.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die

Messeinrichtung ferner auf eine mit dem Lichtempfänger gekoppelte

Lichtempfänger-Steuereinrichtung, wobei die Lichtempfänger-Steuereinrichtung und der Lichtempfänger derart konfiguriert sind, dass in einem modifizierten Betrieb des Sensorsystems zumindest zwei Pixel der Vielzahl von Pixeln zu einem übergeordneten Pixel zusammengefasst sind.

Ein solches Zusammenfassen von Pixeln, welches auch als "Binning" bezeichnet wird, hat die Wirkung, dass auf Kosten der räumlichen Auflösung die Anzahl an Photonen des Messlichts, die während einer Szenenerfassung von einem Pixel eingesammelt bzw. akkumuliert werden, entsprechend der Anzahl an zu einem übergeordneten Pixel zusammengefassten Pixeln erhöht wird. Aufgrund der resultierenden erhöhten Photonenakkumulation pro (übergeordnetem) Pixel wird die Lichtsensitivität pro Pixel deutlich erhöht. Dadurch verringert sich

insbesondere bei einem schwachen Messlicht das sog. statistische

Photonenrauschen, was die Szenenauswertegenauigkeit verbessert. Ein "Binning" ist deshalb insbesondere bei einem schwachen Messlicht dann von Vorteil, wenn eine hohe räumliche Auflösung nicht erforderlich ist.

Typischerweise werden zumindest einige der Vielzahl von Pixeln dahingehend zusammengefasst, dass jeweils eine gewisse Anzahl von Pixeln zu einem übergeordneten Pixel zusammengefasst wird. Die gewisse Anzahl kann dabei beispielsweise (bevorzugt) zwei, drei, (bevorzugt) vier, sechs, (bevorzugt) acht, oder (bevorzugt) neun sein. Selbstverständlich ist auch eine noch stärkere Zusammenfassung von Pixeln möglich.

Es wird darauf hingewiesen, dass über die Fläche des Lichtempfängers ein Binning auch lokal in lediglich zumindest einem Teilbereich der aktiven Flächen des Lichtempfängers durchgeführt werden kann. Dies führt dann zwar zu einer inhomogenen räumlichen Auflösung, welche nicht unbedingt gewünscht ist. Der Nachteil einer solchen inhomogenen räumlichen Auflösung wird aber in vielen Anwendungsfällen durch die erhöhte Photonenakkumulation (pro Pixel)

überkompensiert. Ein lokales "Binning" kann zumindest bei einigen bekannten Lichtempfängern ohne besondere elektronische oder apparative Elemente einfach durch eine entsprechende Ansteuerung des Lichtempfängers erfolgen, welche Ansteuerung das "Binning" und damit den Betriebsmodus des Sensorsystems bestimmt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen wird ein lokales "Binning" dahingehend durchgeführt, dass, von der Messeinrichtung gemessen und/oder von der

Datenverarbeitungseinrichtung erlernt, genau diejenigen Bereiche des

Lichtempfängers, welche bei zumindest einer vorherigen Szenenerfassung zu wenig Lichtenergie erhalten haben, durch eine geeignete Ansteuerung des Lichtempfängers durch die Lichtempfänger-Steuereinrichtung bei nachfolgenden Szenenerfassungen in geeigneter weise zu übergeordneten Pixeln

zusammengefasst werden. Ein solches dynamisch gesteuertes oder geregeltes "Binning" kann während eines üblichen Betriebs des Sensorsystems (erlernt) und/oder während der Konfiguration des Sensorsystems beispielsweise im

Rahmen einer (Erst)Installation, einer Wartung, einer zyklischen bzw.

automatischen Re-Konfiguration etc. durchgeführt werden.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass bei einer nicht quadratischen Anzahl an zu einem übergeordneten Pixel zusammengefassten einzelnen Pixeln die räumliche Auflösung des Lichtempfängers entlang unterschiedlicher Richtungen jedenfalls dann unterschiedlich ist, wenn die einzelnen Pixel eine quadratische Form haben. Dies kann bei manchen Anwendungsfällen in vorteilhafter Weise ausgenutzt werden. Ein solcher Anwendungsfall liegt beispielsweise dann vor, wenn eine Bewegung eines Objekts der Szene entlang einer vorbekannten Raumrichtung mit einer erhöhten Genauigkeit erfasst werden soll. In einem solchen Fall kann die Anzahl an Pixel, welche entlang einer Linie senkrecht zu dieser vorbekannten Raumrichtung (so wie sie auf dem Lichtempfänger abgebildet ist) angeordnet sind, größer sein als die Anzahl an Pixel, welche entlang einer dazu senkrechten Linie angeordnet sind. Dann ist die räumliche Auflösung entlang der

Bewegungsrichtung größer als die räumliche Auflösung senkrecht zu der

Bewegungsrichtung und das Bewegungsprofil eines solchen linear bewegten Objekts kann auch bei einem vergleichsweise schwachen Messlicht mit einer besonders hohen Genauigkeit ermittelt werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die

Messeinrichtung auf (a) einen oder den Lichtempfänger zum Empfangen des Messlichts und (b) eine dem Lichtempfänger nachgeschaltete Messeinheit, welche konfiguriert ist die Lichtlaufzeit zu messen basierend auf (i) einer Messung der Zeitspanne zwischen einem Aussenden eines Pulses des

Beleuchtungslichts und dem Empfang des zu dem Puls gehörigen Messlichts und/oder (ii) einer Messung einer Phasenverschiebung zwischen einer zeitlichen Modulation des Beleuchtungslichts und einer zugehörigen zeitlichen Modulation des empfangenen Messlichts. Dies hat den Vorteil, dass das beschriebene Sensorsystem abhängig von dem jeweiligen Anwendungsfall auf eine geeignete Weise unter Ausnutzung eines jeweils geeigneten TOF Messprinzips realisiert werden kann. Bei manchen Ausführungsformen ist das Sensorsystem derart konfiguriert, dass flexibel bzw. bei Bedarf zwischen den beiden verschiedenen Messprinzipien "Pulsbetrieb" und "Phasenmessung" umgeschaltet werden kann.

Unabhängig von dem angewendeten Messprinzip weist der Lichtempfänger eine lichtsensitive Oberfläche auf, welche, wie vorstehend beschrieben, in eine Vielzahl von Pixel unterteilt ist. Mit bzw. auf jedem Pixel werden diejenigen Photonen des Messlichts akkumuliert, welche aus einem bestimmten

Raumwinkelbereich bzw. dem zugehörigen Teilbereich der Szene stammen. Die Messeinheit wird dazu verwendet, für jeden Pixel die Laufzeit der zugehörigen Lichtstrahlen des Beleuchtungslichts und des Messlichts zu ermitteln.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das

Sensorsystem ferner eine Halterung auf, welche zumindest mit der

Messeinrichtung mechanisch gekoppelt ist, wobei die Halterung derart ausgebildet ist, dass das Sensorsystem an einer in Bezug auf die zu erfassende Szene stationären Haltestruktur anbringbar ist. Anschaulich ausgedrückt sorgt die Halterung dafür, dass das beschriebene Sensorsystem ein stationäres System sein kann, welches einen bestimmten räumlich festen Erfassungsbereich hat und damit immer die gleiche Szene überwacht, welche natürlich zu unterschiedlichen Zeiten eine unterschiedliche Szenencharakteristik haben kann. Durch einen Vergleich von verschiedenen zeitlich voneinander beabstandeten Erfassungen der von der Orientierung des Sensorsystems abhängigen Szene können im Rahmen einer Bildauswertung räumlich stationäre Objekte, die in der Szene vorhanden sind, erkannt und bei einer weiteren Bildauswertung in Hinblick auf Bewegungsprofile ausgeblendet werden. Dadurch kann Rechenleistung eingespart und die energetische Effizienz des beschriebenen Sensorsystems verbessert werden.

Die stationäre Haltestruktur kann direkt oder indirekt mechanisch gekoppelt sein mit einer Vorrichtung zum Steuern einer Bedeckungscharakteristik einer von dem Objekt zu passierenden Öffnung durch zumindest einen Verschließkörper.

Bevorzugt weist diese Vorrichtung neben einer geeigneten Führung bzw.

Lagerung des Verschließkörpers einen Aktuator zum Bewegen des

Verschließkörpers auf, insbesondere zum Bewegen des Verschließkörpers zwischen einer geschlossenen Position und einer geöffneten Position (und umgekehrt).

Im Bereich der Gebäudesicherheit kann die Öffnung ein Eingang sein,

beispielsweise für eine Person oder ein Fahrzeug. Der Verschließkörper kann eine Tür sein, beispielsweise eine Haustür oder ein Garagentor. Die stationäre

Haltestruktur kann beispielsweise die stationäre Rahmenstruktur eines Eingangs sein, beispielsweise der Rahmen einer Tür.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die

Datenverarbeitungseinrichtung ferner derart konfiguriert, dass eine

Bedeckungscharakteristik einer von einem Objekt zu passierenden Öffnung durch zumindest einen Verschließkörper steuerbar ist. Dadurch kann die Öffnung, welche beispielsweise ein Eingang (bzw. ein Ausgang) eines Gebäudes ist, auf energetisch günstige Weise automatisch überwacht werden und durch eine geeignete Ansteuerung eines Aktuators kann der Verschließkörper automatisch zwischen einer geöffneten Position und einer geschlossenen Position bewegt werden. Dazu kann die Datenverarbeitungseinrichtung des beschriebenen

Sensorsystems mit der Steuerung eines bekannten Steuersystems für einen Verschließkörper gekoppelt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum

dreidimensionalen Erfassen einer Szene beschrieben. Das beschriebene

Verfahren weist auf (a) ein Beleuchten der Szene mit einem Beleuchtungslicht, welches von einer Beleuchtungseinrichtung entlang eines

Beleuchtungsstrahlengangs ausgesandt wird; (b) ein Empfangen, mittels einer Messeinrichtung, von Messlicht entlang eines Messlichtstrahlengangs, wobei das Messlicht zumindest teilweise von zumindest einem Objekt in der Szene zurückgestreutes Beleuchtungslicht ist; (c) ein Messen, mittels der

Messeinrichtung, von Distanzen zwischen dem Sensorsystem und dem zumindest einen Objekt basierend auf einer Lichtlaufzeit des Beleuchtungslichts und des Messlichts; und (d) ein Ermitteln der dreidimensionalen Charakteristik der Szene basierend auf den gemessenen Distanzen mittels einer der Messeinrichtung nachgeschalteten Datenverarbeitungseinrichtung. Erfindungsgemäß ist eine Freiformoptik in dem Beleuchtungsstrahlengang und/oder in dem

Messlichtstrahlengang angeordnet, wobei die Freiformoptik derart konfiguriert ist, dass (i) bei einer Anordnung in dem Beleuchtungsstrahlengang eine

Beleuchtungslichtintensität des Beleuchtungslichts von dem Raumwinkel des Beleuchtungsstrahlengangs abhängt und (ii) bei einer Anordnung in dem

Messlichtstrahlengang eine Messlichtintensität des Messlichts von dem

Raumwinkel des Messlichtstrahlengangs abhängt, so dass ein distanzbasierter Intensitätsverlust des Beleuchtungslichts und des Messlichts zumindest teilweise kompensiert wird. Auch dem beschriebenen Verfahren liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine geeignet ausgebildete bzw. konfigurierte Freiformoptik von der

Szenengeometrie und von dem Raumwinkel abhängige Einflüsse auf die

Intensitätsverteilung des empfangenen Messlichts zumindest teilweise

kompensiert werden können.

In dem Strahlengang des Beleuchtungslichts kann die Freiformoptik für eine geeignete raumwinkelabhängige Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts sorgen, so dass das Messlicht von jedem Teilbereich der Szene mit einer möglichst homogenen Intensitätsverteilung auf einen Lichtempfänger der Messeinrichtung trifft. In dem Strahlengang des Messlichts kann die

Freiformoptik für eine geeignete raumwinkelabhängige Einsammlung von

Messlichtintensität sorgen, so dass (auch) das Messlicht mit einer möglichst homogenen Intensitätsverteilung auf den Lichtempfänger trifft.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Verfahren ferner auf (a) ein Erfassen eines in der Szene befindlichen Objekts; (b) ein Vergleichen des erfassten Objekts mit zumindest einem in einer Datenbank hinterlegten

Vergleichsobjekt; und, (c) wenn das Objekt innerhalb vorgegebener zulässiger Abweichungen mit einem Vergleichsobjekt übereinstimmt, ein Identifizieren des Objekts als ein für eine bestimmte Aktion zugelassenes Objekt.

Die zugelassene Aktion kann beispielsweise eine erlaubte Passage durch eine Öffnung in einem Gebäude sein, welche Öffnung vor der Identifizierung als zugelassenes Objekt durch einen Verschließkörper verschlossen ist und erst nach der erfolgreichen Identifizierung durch eine entsprechende Bewegung des Verschließkörpers geöffnet wird. Die zu identifizierenden Objekte können bevorzugt Personen und/oder Fahrzeuge sein. Eine erfolgreiche Identifizierung kann zur Steuerung bzw. zur Aktivierung eines Verschlussmechanismus für einen Verschließkörper vor einer Öffnung eines Gebäudes sein. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird beschrieben eine Verwendung eines vorstehend beschriebenen Sensorsystems für ein Steuern einer

Bedeckungscharakteristik einer von einem Objekt zu passierenden Öffnung durch zumindest einen Verschließkörper.

Der beschriebenen Verwendung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine auf energetisch effiziente Weise vorgenommen Erfassung und Auswertung einer optischen Szene auf vorteilhafte Weise bei Durchgängen eingesetzt werden kann, welche von einem Verschließkörper verschlossen werden können. Dies gilt insbesondere für Durchgänge, welche eine Verschließ- bzw. eine

Bedeckungscharakteristik aufweisen, die von dem beschriebenen Sensorsystem gesteuert oder zumindest mitgesteuert wird. Da solche Sensorsysteme

üblicherweise durch die Verschlusssysteme für die Verschließkörper mit Energie versorgt werden, ist es besonders wichtig, mit einer vergleichsweise geringen Energiemenge auszukommen und trotzdem zu zuverlässigen TOF

Szenenauswertungen zu kommen.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung des vorstehend beschriebenen

Sensorsystems können auf energetisch effiziente Weise auch größere Distanzen überwacht werden, was naturgemäß zu einem früheren Erkennen einer

Öffnungsanforderung des Verschlusskörpers führt. Dies kann insbesondere bei sich schnell bewegenden Objekten von großem Vorteil sein. Ferner kann die Szene auf energieeffiziente Weise mit einem breiteren Erfassungswinkel erfasst werden, was beispielswiese zu einem frühzeitiges Erkennen von sich quer zur Öffnung bewegenden Querverkehr und damit zu einem zuverlässigeres Erkennen von Objekten im Sicherheitsbereich des Verschlusssystems führen kann. Dadurch kann bei Querverkehr eine unnötige Öffnungsanforderung unterdrückt werden.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Öffnung ein Eingang oder ein Ausgang ist, insbesondere ein Notausgang in einem Gebäude. Durch das Erkennen eines zwar vorhandenen, aber sich ggf. nicht bewegenden Objektes in einem Durchgangsbereich kann ein Eingang oder Ausgang überwacht, insbesondere ein blockierter Notausgang erkannt, und die entsprechende Information an ein angegliedertes System, beispielsweise an ein

Überwachungssystem, übermittelt werden.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Objekt eine Person oder ein Fahrzeug . In diesem Fall kann das Gebäude insbesondere ein Haus bzw. eine Garage sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird beschrieben eine Verwendung eines vorstehend beschriebenen Sensorsystems für ein Erfassen und/oder Steuern von Verkehrsströmen von Objekten, welche sich durch eine Szene des Sensorsystems bewegen, wobei die Szene durch einen räumlichen

Erfassungsbereich des Sensorsystems bestimmt ist.

Auch dieser Verwendung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei einer Verkehrserfassung und/oder Verkehrsstromlenkung auf eine energieeffiziente Sensorik ankommt, da diese Sensorik typischerweise ständig in Betrieb ist und darüber hinaus insbesondere bei größeren Verkehrsströmen typischerweise eine sehr hohe Anzahl derartiger Sensorsysteme im Einsatz sind .

Die für den betreffenden Verkehrsstrom relevanten Objekte können

beispielsweise Personen, Fahrzeuge, Produkte wie z. B. Pakete, Koffer, etc. sein. Da für derartige Anwendungen üblicherweise eine Mehrzahl oder gar eine Vielzahl von 3D Sensoren einsetzt werden, wirken sich hier Energieeinsparungen besonders positiv aus.

Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf unterschiedliche Erfindungsgegenstände beschrieben wurden. Insbesondere sind einige Ausführungsformen der Erfindung mit Vorrichtungsansprüchen und andere Ausführungsformen der Erfindung mit Verfahrensansprüchen bzw. mit Verwendungsansprüchen beschrieben. Dem Fachmann wird jedoch bei der Lektüre dieser Anmeldung sofort klar werden, dass, sofern nicht explizit anders angegeben, zusätzlich zu einer Kombination von Merkmalen, die zu einem Typ von Erfindungsgegenstand gehören, auch eine beliebige Kombination von Merkmalen möglich ist, die zu unterschiedlichen Typen von

Erfindungsgegenständen gehören.

Bevor an späterer Stelle und bezugnehmend auf die Zeichnung exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben werden, werden an dieser Stelle einige technische Überlegungen dargestellt, die im Zusammenhang mit der Erfindung stehen.

TOF-basierende Sensorsysteme können generell sowohl in Bezug auf das

Beleuchtungslicht als auch in Bezug auf das Messlicht in zwei grundsätzlich unterschiedliche Klassen unterteilt werden, welche beliebig miteinander kombiniert werden können.

Bl : Die erste Alternative (Bl) für die Beleuchtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Szene mittels eines einzelnen Beleuchtungslichtstrahls hoher

Fokussierung und niedriger Divergenz (also hoher Kollimation) sequentiell abgetastet wird. Für jede Position des Beleuchtungslichtstrahls in der Szene wird eine Messung der Laufzeit des Beleuchtungslichts und des Messlichts

vorgenommen. Das Abtasten kann unter Verwendung von beweglichen optischen Komponenten, insbesondere Spiegel, realisiert werden. Alternativ oder in

Kombination kann für ein sequentielles Abtasten der Szene mit dem

Beleuchtungslichtstrahl ein Festkörper verwendet werden, welcher ohne mechanisch bewegliche Teile auskommt und integrierte photonische Strukturen bzw. Schaltungen aufweist. Bei einer geeigneten Ansteuerung dieser Strukturen wird der Beleuchtungslichtstrahl dann auf die gewünschte Stelle der Szene gerichtet. Ein solcher Festkörper ist beispielsweise aus US 2015/293224 Al bekannt. B2 : Die zweite Alternative (B2) für die Beleuchtung zeichnet sich dadurch aus, dass die gesamte Szene (auf einmal und flächig) beleuchtet wird . Bei Bedarf kann die Intensität des Beleuchtungslichts in ausgewählten Teilbereichen der Szene (punktuell) erhöht werden, um an diesen Stellen eine verbesserte 3D Objekterfassung zu ermöglichen. Eine solche räumlich ungleichmäßige Verteilung der Intensität des Beleuchtungslichts kann ohne bewegliche optische

Komponenten beispielsweise mittels eines sog. Diffraktiven Optischen Elementes (DOE) erfolgen.

M l : Eine erste Alternative (M l) für die Messung basiert auf gepulsten

Beleuchtungslichtstrahlen. Dabei wird die "Reisezeit" eines Lichtimpulses auf der Empfängerseite für jeden Pixel innerhalb eines Zeitfensters bestimmt und daraus die Entfernung abgeleitet.

M2 : Die zweite Alternative (M2) für die Messung basiert auf einer zeitlichen, bevorzugt sinusförmigen, Modulation des Beleuchtungslichts mit einer

vorgegebenen Frequenz, wobei geeignete Werte für diese Frequenz von der zu erwartenden Laufzeit bzw. der maximalen Erfassungsdistanz abhängen. Auf der Seite des Lichtempfängers wird die Phasendifferenz für jeden Pixel gemessen und daraus die Distanzinformation abgeleitet.

Beide Messprinzipien Ml und M2 basieren auf einer Integration der Anzahl von Photonen bzw. der in dem Lichtempfänger generierten Photoelektronen, welche auf jedem zu messenden Pixel eintreffen . In diesem Zusammenhang ist es offensichtlich, dass ein stets vorhandenes Licht- bzw. Photonenrauschen von der Anzahl der in einem Pixel akkumulierten Photonen abhängt. Daher wird die aus der TOF Messung gewonnen Distanzinformation umso genauer, je höher die Anzahl an akkumulierten Photonen ist. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden beispielhaften Beschreibung derzeit bevorzugter Ausführungsformen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figur 1 zeigt die Verwendung eines Sensorsystems zum Steuern einer

Bedeckungscharakteristik einer Öffnung mittels als Schiebetüren ausgebildeten Verschließkörpern.

Die Figuren 2a und 2b illustrieren eine Verformung einer als elastisches optisches Element ausgebildeten Freiformoptik.

Figur 3 zeigt die Verwendung eines Sensorsystems zum Erfassen eines

Verkehrsflusses von auf einem Förderband transportierten Objekten.

Die Figuren 4a und 4b illustrieren ein Zusammenfassen von Einzelpixeln eines Lichtempfängers.

Die Figuren 5a bis 5c zeigen verschiedene Strahlquerschnitte eines

Beleuchtungslichts zum Anpassen der Beleuchtung an die Form der zu

erfassenden Szene.

Detaillierte Beschreibung

Es wird darauf hingewiesen, dass die nachfolgend beschriebenen

Ausführungsformen lediglich eine beschränkte Auswahl an möglichen

Ausführungsvarianten der Erfindung darstellen. Insbesondere ist es möglich, die Merkmale einzelner Ausführungsformen in geeigneter weise miteinander zu kombinieren, so dass für den Fachmann mit den hier explizit dargestellten Ausführungsvarianten eine Vielzahl von verschiedenen Ausführungsformen als offensichtlich offenbart anzusehen sind.

Bevor in diesem Abschnitt die Figuren im Detail beschrieben werden, werden nachstehend einige Aspekte von einer Reihe von Ausführungsformen erläutert.

(1) In Anbetracht der bei vielen Anwendungen von 3D Sensorsystemen großen Bedeutung eines energieeffizienten Betriebs lässt sich die auf den

Lichtempfänger treffende optische Energie des Messlichts dadurch optimieren, dass je nach Ausprägung der Szene die Szene unterschiedlich (intensiv) beleuchtet wird.

(2) Für die meisten Anwendungen von TOF Sensorsystemen ist die zu erfassende Szene jedoch quaderförmiger oder kubischer Natur. Bekannte TOF Sensoren haben aber typischerweise einen Erfassungsbereich, der für alle erfassten Raumwinkel zumindest annähernd eine gleiche Reichweite hat. Die

(Außen)Grenze des Erfassungsbereiches ist daher ein Teil einer Kugelschale (bei der alle Punkte den gleichen Abstand zu dem TOF Sensorsystem haben). Das in diesem Dokument beschriebene TOF Sensorsystem ist nun in der Lage, diese "Kugelschalenbegrenzung" durch ein gezielte Erhöhung oder Reduzierung der Beleuchtungsintensität in ausgewählten Teilbereichen der Szene zumindest teilweise aufzugeben bzw. zu kompensieren. Durch eine durch eine Freiformlinse realisierte Reduzierung der Beleuchtungsintensität im Zentrum der Szene und eine Erhöhung der Beleuchtungsintensität gegen den Rand der Szene und insbesondere zu den Ecken hin, kann dieser mit dem vorstehend erläuterten cos' Gesetz beschriebene nachteilige Effekt reduziert und die für die

Beleuchtung eingesetzte Energie optimal ausgenutzt werden.

(3) Ferner lassen sich bestimmte von der räumlich geometrischen Anordnung von Sensorsystem und zu erfassender Szene abhängige Teilbereiche der Szene pauschalisiert mit einer optimalen Intensität von Beleuchtungslicht "belichten". So wird zum Beispiel ein TOF-Sensorsystem üblicherweise über der mittleren Höhe der zu beobachtenden Objekte (Menschen, Produkte, Fahrzeuge, usw.) montiert, damit bei einer Mehrzahl von Objekten eine unerwünschte

Objektabschattung weniger problematisch ist. Dies bedeutet aber, dass in den meisten Fällen der obere Bereich der Szene größere Messdistanzen beinhaltet als der untere Bereich. Dieses Wissen um den Montageort des Sensorsystems in Bezug zu der erfassenden Szene kann zur weiteren Optimierung des Betriebs des beschriebenen Sensorsystems insbesondere in Hinblick auf die energetische Effizienz berücksichtigt werden, indem der obere Bereich der Szene durch die Verwendung der beschriebenen Freiformoptik entsprechend weniger stark beleuchtet bzw. "belichtet" wird.

(4) Bei einer Lichtquelle, welche aus mehreren einzelnen Beleuchtungsintensität liefernden Elementen besteht, welche die gesamte Beleuchtungseinrichtung darstellen (z.b. ein Array von Laser- oder Leuchtdioden), kann eine

raumwinkelabhängige Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht durch eine Variation der Helligkeit einzelner Elemente gegenüber anderen Elementen unterstützt werden. Diese Variation kann sowohl konstruktiv im Aufbau (z. B. Laser- oder Leuchtdioden mit unterschiedlicher Intensität) als auch durch die Art der Ansteuerung (via variablem Strom pro Laser- oder Leuchtdiode durch eine geeignete Elektronik, beispielshaft durch ein Einmessen bei der (Erst)Installation eingestellt) eingestellt werden. Ferner ist auch eine dynamische Einstellung der einzelnen Laser- oder Leuchtdioden während des Betriebs möglich. Dabei werden einfach diejenigen Laser- oder Leuchtdioden, welche Bereichen der Szene zugeordnet sind, die wenig Messlicht liefern, entsprechend stärker bestromt. Dies eignet sich besonders gut für das o.g . Beleuchtungsprinzip B2 in Kombination mit dem o.g . Messprinzip M l oder M2.

(5) Bei Beleuchtungseinrichtungen, welche mit einem Beleuchtungslichtstrahl sequentiell die ganze Szene abtasten (scannen), ist zu jedem Zeitpunkt der jeweilige momentane Raumwinkel des Beleuchtungslichtstrahls bekannt. Durch Variieren der Intensität dieses Beleuchtungslichtstrahls abhängig vom jeweiligen Raumwinkel kann so die Beleuchtungsintensität abhängig von der

Szenengeometrie (und bei optionaler dynamischer "Ergebnisregelung" auch abhängig von der Reflexions- bzw. Streulichtmenge) für jeden Raumwinkel die bereits von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandte Beleuchtungsintensität gezielt gesteuert werden. So kann eine statische Szene eingemessen werden, wobei die zu jedem Raumwinkel passende Intensität an Beleuchtungslicht eingelernt wird.

(6) Die vorstehend erläuterte und optionale dynamische Anpassung der

Intensität an Beleuchtungslicht durch die Beleuchtungseinrichtung kann sowohl in Echtzeit als auch von "Frame zu Frame" adaptiv erfolgen. Dabei wird für die Teile der Szene, von denen zu wenig Messlicht empfangen wird, unmittelbar die Intensität des entsprechenden Teil(Beleuchtungslichts) erhöht. Dies bedeutet, dass abhängig von den Ergebniswerten einer letzten Szenenerfassung für die nächste Szenenerfassung diejenigen Bereiche mit "Überbelichtung"

abgeschwächt beleuchtet und diejenigen mit "Unterbelichtung" aufgehellt werden. Dieser Ansatz eignet sich besonders gut für das Beleuchtungsprinzip Bl in Kombination mit dem Messprinzip M l oder M2.

(7) Eine Ausführungsform der Erfindung erreicht eine Energieeinsparung mittels einer dynamischen Beleuchtungsenergieoptimierung, wobei

Beleuchtungsenergien von unterschiedlichen Wellenlängen bzw. Frequenzen verwendet werden. Dabei können beispielsweise abhängig von der Farbe des Objekts die Wellenlängen, die zu den intensivsten Reflexionen bzw.

Lichtstreuungen führen, mit einer geringeren Intensität ausgesendet werden. Im Gegensatz dazu können andere Wellenlängen bzw. andere Wellenlängenbereiche mit geringerer Reflexion bzw. Streuung in dem Wellenlängenspektrum mit einer höheren Intensität vorhanden sein. So kann beispielsweise ein rotes Objekt so primär mit einem rotem Lichtanteil beleuchtet werden und der grüne und der blaue Lichtanteil werden (für den betreffenden Raumwinkel) reduziert, bevorzugt auf zumindest annähernd eine Intensität von Null. Dasselbe Prinzip kann auch im Verhältnis zwischen sichtbarem Licht und infraroten (IR) Licht angewendet werden.

Die im Rahmen einer frequenz- bzw. wellenlängenvariablen Beleuchtung gewonnen Informationen betreffend Reflexions- bzw. Streueigenschaften mit zugehöriger Distanz und Raumwinkel können bei einer nachfolgenden

Szenenauswertung von bewegten Objekten von großem Vorteil sein, weil dadurch einfacher Objekte erkannt und verfolgt werden können, da die

funktionelle Zusammengehörigkeit von Raumpunkten über die Reflexions- bzw. Streueigenschaften zusätzlich gruppierend interpretiert werden können.

(8) Das in diesem Dokument beschriebene Sensorsystem kann beispielsweise bei Durchgängen einsetzt werden, insbesondere bei Durchgängen, welche eine Verschlusscharakteristik aufweisen, die automatisch gesteuert wird (z.B. mittels Türen, Tore, Barrieren, Ampeln, etc.). Da die Sensorik für eine

Durchgangssteuerung üblicherweise durch die vorhandenen Verschlusssysteme mit Energie versorgt wird, gilt es mit einer gegebenen Energiemenge möglichst viel sensorische Wirkung zu erzielen. Das in diesem Dokument beschriebene Sensorsystem erlaubt im Vergleich zu bekannten Sensorsystemen (i) eine

Datenerfassung für größere Distanzen (früheres Erkennen einer

Öffnungsanforderung, insbesondere bei schneller bewegenden Objekten), (ii) breitere Erfassungswinkel (z.B. frühzeitiges Erkennen und Verfolgen von

Querverkehr) und/oder (iii) ein zuverlässigeres Erkennen von Objekten in einem Sicherheitsbereich des Verschlusssystems.

(9) In einer weiteren Ausführungsform, welche sich vor allem für das

Beleuchtungsprinzip B2 eignet, wird eine (zusätzliche) räumliche Variation des Beleuchtungslichts durch DOE's erreicht, welche auch als ein Teil der

beschriebenen Freiformoptik angesehen werden können. Bei DOE's im

Zusammenhang mit Lasersystemen kann so die maximale Beleuchtungsenergie ausgenutzt werden, weil diejenigen Anteile der Beleuchtungslichtstrahlen, welche mit geringerer Intensität auf die Szene treffen sollen, nicht einfach durch eine Maske ausgeblendet werden sondern deren Intensität durch das DOE auf andere Bereiche der Szene umverteilt wird. So kann die Energie des Beleuchtungslichts nahezu vollständig ausgenutzt werden. Derselbe Effekt der Konzentration von Beleuchtungslicht in einem Teilbereich der Szene (wenn auch mit tieferer

Effizienz) kann auch durch Mechanismen erreicht werden, wie sie für

Musterprojektionen verwendet werden, die für 3D Sensoren erforderlich sind, welche auf dem bekannten Prinzip der strukturierten Beleuchtung bzw. der sog. Streifenprojektion beruhen.

(10) In einer weiteren Ausführungsform wird die zu erfassende Szene zunächst konventionell, insbesondere gemäß dem Beleuchtungsprinzip B2, beleuchtet.

Nach einer Ermittlung der Distanzinformation der ganzen Szene werden in den folgenden Szenenerfassungen die "überbelichteten Regionen" mit einer

geringeren Beleuchtungsintensität beleuchtet. Insbesondere bei Sensorsystemen, die zeitliche Veränderungen von Objekten in der Szene detektieren sollen, kann das Sensorsystem an der unteren Grenze der Messbarkeit betrieben werden, solange die Szene (noch) statisch ist. Wenn jedoch eine Veränderung in der Szene (grob) erkannt oder zumindest vermutet wird, dann kann sofort mit einer Erhöhung der Beleuchtungsintensität reagiert werden, so dass die Szene beziehungsweise die Szenenveränderungen dann mit einer hohen Genauigkeit erfasst und ausgewertet werden können. Dieser Mechanismus kann sowohl für IR Sensorsysteme als auch für Sensorsysteme verwendet werden, die mit

sichtbarem Licht arbeiten.

In der folgenden auf die Figuren Bezug nehmenden detaillierten Beschreibung sind Merkmale bzw. Komponenten von unterschiedlichen Ausführungsformen, die mit den entsprechenden Merkmalen bzw. Komponenten von einer anderen Ausführungsform nach gleich oder zumindest funktionsgleich sind, mit den gleichen Bezugszeichen oder mit Bezugszeichen versehen, welche in den letzten beiden Ziffern identisch sind. Zur Vermeidung von unnötigen Wiederholungen werden bereits anhand einer vorher beschriebenen Ausführungsform erläuterte Merkmale bzw. Komponenten an späterer Stelle nicht mehr im Detail erläutert.

Figur 1 zeigt die Verwendung eines Sensorsystems 100 zum Steuern einer Bedeckungscharakteristik einer Öffnung 184 abhängig von der Charakteristik einer von dem Sensorsystem 100 überwachten Szene 190. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Öffnung 184 eine Eintrittsöffnung für Personen in ein Gebäude oder eine Garageneinfahrt für Kraftfahrzeuge. Die entsprechende Eingangsstruktur ist mit dem Bezugszeichen 180 versehen. Ein in der Szene 190 befindliches Objekt 195 soll eine solche Person oder ein

Kraftfahrzeug symbolisieren.

Die Eingangsstruktur 180 umfasst eine stationäre Haltestruktur 182, welche einen Rahmen sowie eine Führung für zwei als Schiebetüren ausgebildete Verschließkörper 186 darstellt. Die Schiebetüren 186 können jeweils mittels eines Motors 187 entlang der durch zwei dicke Doppelpfeile dargestellten

Verschieberichtungen bewegt werden. Die Ansteuerung der Motoren 187 erfolgt, wie im Folgenden dargelegt, mittels des in diesem Dokument beschriebenen Sensorsystems 100.

Das Sensorsystem 100 weist auf (a) ein TOF-Erfassungssystem 110, (b) eine Datenverarbeitungseinrichtung 150 sowie (c) eine Datenbank 160. Das TOF- Erfassungssystem 110 wiederum weist auf (al) eine Beleuchtungseinrichtung 130 zum Aussenden von Beleuchtungslicht 131 sowie (a2) eine Messeinrichtung 115, welche für die Erfassung und Messung von Messlicht 196 zuständig ist. In Übereistimmung mit dem Prinzip einer 3D TOF Erfassung ist das Messlicht 196 zumindest teilweise von dem Objekt 195 zurückgestreutes Beleuchtungslicht 131. In der in Figur 1 dargestellten Architektur des TOF Erfassungssystems 110 weist die Messeinrichtung 115 auf (a2-i) einen Lichtempfänger 120 und (a2-ii) eine Messeinheit 125, welche dem Lichtempfänger 120 nachgeschaltet ist und welche eingerichtet ist zum Messen einer Lichtlaufzeit zwischen von der

Beleuchtungseinrichtung 130 ausgesandtem Beleuchtungslicht 131 und von dem Lichtempfänger 120 empfangenem Messlicht 196. Ferner ist der Messeinrichtung 115 eine Lichtempfänger-Steuereinrichtung 122 zugeordnet, welche den Betrieb des Lichtempfängers 120 in Hinblick auf verschiedene Betriebsmodi steuert.

Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel weist das TOF- Erfassungssystem 110 auf bzw. sind dem TOF-Erfassungssystem 110 zugeordnet (a3) eine Beleuchtungslicht-Steuereinrichtung 135 zum Steuern des Betriebs der Beleuchtungseinrichtung 130 sowie (a4) eine Freiformoptik-Steuereinrichtung 145 zum Ansteuern von Aktuatoren 131, 143, mittels welchen die optischen Abbildungseigenschaften von Freiformoptiken 140 bzw. 142 gezielt eingestellt werden können.

Wie aus Figur 1 ersichtlich, weist das Sensorsystem 100 gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zwei Freiformoptiken 140 auf, die jeweils einer von zwei Lichtquellen bzw. Beleuchtungseinheiten der Beleuchtungseirichtung 130 zugeordnet sind und sich in dem entsprechenden Strahlengang des jeweiligen Beleuchtungslichts 131 befinden. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Freiformoptiken 140 nicht statisch sondern können mittel jeweils eines schematisch dargestellten Aktuators 141 verformt werden. Dadurch verändern sich die Abbildungseigenschaften der

Freiformoptiken 140 und es entsteht eine gegenüber der raumwinkelabhängigen Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts, so wie es von der jeweiligen

Beleuchtungseinheit der Beleuchtungseirichtung 130 ausgesandt wird,

modifizierte Intensitätsverteilung von Beleuchtungslicht 131, so wie es auf die Szene 190 trifft und diese beleuchtet bzw. belichtet. Durch eine gezielte

Verformung der elastischen Freiformoptiken 140, welche von der Freiformoptik- Steuereinrichtung 145 veranlasst und von den betreffenden Aktuatoren 141 durchgeführt wird, kann die räumliche Charakteristik des Beleuchtungslichts 131, so wie es auf die Szene 190 auftrifft, in Hinblick auf eine gewünschte raumwinkelabhängige Verteilung der Intensität des Beleuchtungslichts 131 in der Szene 190 eingestellt werden. Dabei ist die gewünschte raumwinkelabhängige Verteilung der Beleuchtungslichtintensität typischerweise diejenige

Intensitätsverteilung, bei der die Erfassung der Szene durch den Lichtempfänger 120 und die Signalverarbeitung durch die nachgeschaltete Messeinheit 125 sowie die Datenverarbeitungseinrichtung 150 möglichst zuverlässig und/oder genau erfolgen kann.

In Bezug auf die weitere Freiformoptik 142, welche in dem Strahlengang des Messlichts 196 angeordnet ist, gelten die gleichen Funktionsprinzipien wie bei den beiden Freiformoptiken 140. Auch die optischen Eigenschaften in Bezug auf eine Modifizierung der Intensitätsverteilung des Messlichts 196 werden über einen Aktuator 143 von der Freiformoptik-Steuereinrichtung 145 gesteuert.

Durch eine gezielte Verformung der weiteren Freiformoptik 142 wird die raumwinkelabhängige Einsammlung der Intensität des Messlichts 196 modifiziert. Dies geschieht bevorzugt so, dass das räumlich in Bezug auf seine Intensität inhomogen verteilte Messlicht 196, so wie es (in Figur 1 von unten) auf die Freiformoptik 140 trifft, "homogenisiert" wird, so dass das Messlicht mit einer möglichst homogenen Intensitätsverteilung auf den Lichtempfänger 120 trifft.

Es wird darauf hingewiesen, dass die hier beschriebene Raumwinkelabhängigkeit des Beleuchtungslichts und des Messlichts auch durch lediglich eine Art von Freiformoptik realisiert werden kann. So kann beispielsweise die ganze

"Raumwinkelmodifikation" lediglich mit der Freiformoptik 140 oder lediglich mit den Freiformoptiken 142 erfolgen. Es wird ferner darauf hingewiesen, dass die Freiformoptiken 140 und 142 anstelle von elastischen refraktiven optischen Elementen auch mit anderen optischen Elementen, beispielsweise mittels diffraktiven und/oder reflektiven optischen Elementen realisiert werden können. Es wird weiter darauf hingewiesen, dass das Beleuchtungslicht und das Messlicht zumindest teilweise durch dieselbe Freiformoptik geleitet werden können.

In dem TOF-Erfassungssystem 110 sind insbesondere alle optischen

Komponenten des Sensorsystems 100 enthalten. Dies gilt auch für die

Freiformoptiken 140 und 142 sowie die Aktuatoren 141 bzw. 143, welche über in Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellten Haltestrukturen an einem Gehäuse des TOF-Erfassungssystems 110 angebracht sind. Mittels einer Halterung 111 ist zumindest das TOF-Erfassungssystem 110 an der stationären Haltestruktur 182 in mechanisch stabiler und räumlich fester Weise angebracht. Bevorzugt ist das ganze Sensorsystem 100 (im Gegensatz zu der Darstellung von Figur 1) als ein Modul aufgebaut, welches innerhalb einer kompakten Bauweise neben dem TOF-Erfassungssystem 110 auch noch die Datenverarbeitungs- einrichtung 150 sowie die Datenbank 160 aufweist.

Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Lichtempfänger- Steuereinrichtung 122 den Lichtempfänger 120 dazu veranlassen, in einem bestimmten von zumindest zwei unterschiedlichen Betriebsmodi zu arbeiten. In den verschiedenen Betriebsmodi können, beispielsweise veranlasst durch eine vorherige Szenenauswertung mittels der Datenverarbeitungseinrichtung 150, einzelne Pixel des Lichtempfängers 120 eine unterschiedliche Sensitivität bzw. einen unterschiedlichen Wirkungsgrad in Bezug auf eine Akkumulation von Photonen haben. Auch ein nachstehend anhand der Figuren 4a und 4b

beschriebenes szenenabhängiges Zusammenfassen von Pixeln des

Lichtempfängers 120 kann von der Lichtempfänger-Steuereinrichtung 122 veranlasst bzw. gesteuert werden.

Ein an die Datenverarbeitungseinrichtung 150 über eine Schnittstelle 152 übergebenes externes Steuersignal 152a kann dazu verwendet werden, den Betrieb der Datenverarbeitungseinrichtung 150 zumindest teilweise von externen Informationen abhängig zu machen. Insbesondere kann über das Steuersignal 152a ein "a priori Wissen" über ein Objekt 195 für eine verbesserte Auswertung der erfassten Szene 190 und insbesondere für eine verbesserte Objekterkennung übermittelt werden.

Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel beleuchtet die

Beleuchtungseinrichtung 130, welche beispielsweise ein Array von individuell ansteuerbaren Laser- oder Leuchtdioden sein kann, die Szene 190 und damit auch das in der Szene 190 befindliche Objekt 195 mit einem gepulsten und damit zeitlich modulierten Beleuchtungslicht 131. Die Beleuchtungslicht- Steuereinrichtung 135 ist konfiguriert, die Beleuchtungseinrichtung 130 derart anzusteuern, dass eine Charakteristik des Beleuchtungslichts 131, welche die Abhängigkeit der Beleuchtungsintensität des Beleuchtungslichts 131 von dem Raumwinkel beschreibt (in dem das Beleuchtungslicht 131 auf die Freiformoptik 140 trifft), während eines Betriebes des Sensorsystems 100 dynamisch

veränderbar ist.

Die raumwinkelabhängige Intensitätsverteilung des Beleuchtungslichts 131 ist in Figur 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Um eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Intensität des zurückgestreuten Messlichts 196 zu erreichen (so wie es auf den Lichtempfänger trifft), werden diejenigen

Raumwinkel der Szene 190, welche einer größeren Messdistanz zugeordnet sind, stärker beleuchtet als andere Raumwinkel, welche einer geringeren Messdistanz zugeordnet sind.

Die Beleuchtungslicht-Steuereinrichtung 135 kann die Charakteristik des

Beleuchtungslichts 131 auch in Bezug weitere (nicht räumliche) Eigenschaften des Beleuchtungslichts 131 modifizieren, beispielsweise dessen (a) Wellenlänge, (b) spektrale Intensitätsverteilung, (c) Polarisationsrichtung, und (d)

Intensitätsverteilung für unterschiedliche Polarisationsrichtungen. Diese weiteren Eigenschaften können dabei derart ausgewählt sein, dass sie zu einer möglichst zuverlässigen und genauen Objekterkennung beitragen. Auch hier kann ein "a priori Wissen" über optische Eigenschaften des Objekts 195 berücksichtigt werden.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Beleuchtungseinrichtung 130 neben den in Figur 1 dargestellten Beleuchtungseinheiten auch noch andere Beleuchtungs- einheiten aufweisen kann, welche die Szene 190 aus einem anderen Winkel beleuchten. Ebenfalls können die beiden Beleuchtungseinheiten öder es kann auch nur eine Beleuchtungseinheit auch außerhalb des Gehäuses des TOF- Erfassungssystems 110 angeordnet und damit von dem Lichtempfänger 120 weiter beabstandet sein. An den Prinzipien der durchgeführten TOF Messung ändert sich dadurch nichts.

Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird basierend auf diesen 3D Daten die erfasste optische Szene 190 mit der Datenverarbeitungseinrichtung 150 unter Verwendung von geeignete Methoden der Bildauswertung

ausgewertet. Dazu können mehrere Bilder, welche von der Szene 190 unter unterschiedlichen Beleuchtungsbedingungen bzw. unterschiedlichen

Beleuchtungscharakteristika aufgenommen wurden, gemeinsam verwendet werden.

Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Sensorsystem 100 in der Lage, eine Objekterkennung vorzunehmen. Dazu greift die

Datenverarbeitungseinrichtung 150 auf einen in der Datenbank 160 abgelegten Datensatz von Referenzobjekten zu, welche ausgewählten Objekten entsprechen, die autorisiert sind, die Öffnung 184 zu passieren. Dies bedeutet, dass bei einer geeigneten Annäherung des Objekts 195 an den Eingang 184 die Schiebetüren 186 lediglich dann geöffnet werden, wenn das erfasste Objekt 195 zumindest annähernd mit einem der hinterlegten Referenzobjekten übereinstimmt. Dies bedeutet anschaulich, dass bei der hier beschriebenen Verwendung des

Sensorsystems 100 die Bedeckungscharakteristik des Objekts 184 auch noch von dem Ergebnis einer objektbasierten Zugangskontrolle abhängt. Die Figuren 2a und 2b illustrieren eine Verformung einer als elastisches optisch refraktives Element ausgebildeten Freiformoptik. Figur 2a zeigt das optische Element 240a in einem ersten Betriebszustand, welcher durch eine erste räumliche Struktur charakterisiert ist. Gemäß dem hier dargestellten

Ausführungsbeispiel zeichnet sich der erste Betriebszustand dadurch aus, dass abgesehen von eventuell vorhandenen internen Spannung von außen (von einem Aktuator) keine Kraft bzw. kein Druck auf die Freiformoptik 240a ausgeübt wird . Das entsprechende (nicht verzogene) Koordinatensystem ist in Figur 2a in dem optischen Element 240a dargestellt.

Figur 2b zeigt das optische Element, welches nun mit dem Bezugszeichen 240b versehen ist, in einem zweiten (verspannten) Betriebszustand, welcher durch eine zweite räumliche Struktur charakterisiert ist, die unterschiedlich ist zu der ersten räumlichen Struktur. Es ist offensichtlich, dass sich dadurch auch die Lichtformungseigenschaften insbesondere in Hinblick auf eine Modifizierung der Intensitätsverteilung von hindurchtretendem Beleuchtungslicht oder Messlicht verändern.

Der zweite Betriebszustand wird dadurch eingestellt, dass von außen (von einem nicht dargestellten Aktuator) eine Kraft bzw. ein Druck auf das optische Element 240b ausgeübt wird . Das entsprechende (verzogene) Koordinatensystem des optischen Elementes ist in Figur 2b illustriert. Die in Bezug zu dem ersten Zustand entlang der Koordinatenachsen veränderten Dimensionen bzw. Längen der Freiformoptik 240b sind durch unterschiedlich lange Koordinatenachsen illustriert. Figur 3 zeigt eine weitere Verwendung bzw. einen weiteren Einsatz des

Sensorsystems 100. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in Figur 3 lediglich das TOF-Erfassungssystem 110 des Sensorsystems 100 dargestellt.

Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel erfasst das TOF- Erfassungssystem 110 einen Verkehrsfluss von (verschiedenen) Objekten 395a, 395b, 395c, 395d und 395e, welche sich auf einem Förderband 398 befinden und entlang der durch einen Pfeil dargestellten Bewegungsrichtung durch eine Szene 390 hindurch bewegen. Eine zuverlässige Kenntnis der Anzahl und/oder der Art der Objekte 395a bis 395e kann im Bereich der Logistik für eine Steuerung des Verkehrsflusses verwendet werden. Lediglich ein Beispiel für eine solche

Steuerung eines Verkehrsfluss ist die Steuerung des Gepäcktransportes in einem Flughafen. Dabei können auch Etiketten auf den betreffenden Objekten 395a - 395e die Art des jeweiligen Objektes bestimmen. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass der Einsatz in einem Flughafen lediglich ein Beispiel von einer Vielzahl von anderen Anwendungsmöglichkeiten auf dem Gebiet der

Verkehrsteuerung ist.

Die Figuren 4a und 4b illustrieren ein Zusammenfassen von Einzelpixeln eines als ein Halbleiter- bzw. CCD Chip ausgebildeten Lichtempfängers 420a bzw. 420b. Der Lichtempfänger 420a weist eine Vielzahl von lichtsensitiven bzw.

Photonen sammelnden Pixeln 422a auf. Gemäß dem hier dargestellten

Ausführungsbeispiel sind die Pixel 422a der vollen räumlichen Auflösung des Lichtempfängers 420a zugeordnet, welche Auflösung durch die Halbleiter- Architektur des Chips 420a vorgegeben ist.

Bei dem Lichtempfänger 420b sind jeweils vier der lichtsensitiven Pixel (für eine volle Auflösung) zu einem übergeordneten Pixel 422b (für eine erhöhte

Photonenakkumulation pro Pixel auf Kosten einer reduzierten räumlichen

Auflösung) zusammengefasst. Anschaulich ausgedrückt sammelt ein Pixel 422b im Vergleich zu einem einzelnen Pixel 422a eine vierfache Menge an Licht auf.

Ein solches Zusammenfassen (Englisch "Binning") von Pixeln reduziert die erforderliche (Mindest)Intensität des erfassten Messlichts, welche zum Auswerten des entsprechenden Bildbereiches der Szene benötigt wird . Da die Intensität des Messlichts unmittelbar von der Intensität des Beleuchtungslichts abhängt, kann durch das "Binning" die Intensität des Beleuchtungslichts reduziert und damit der Energieverbrauch des Sensorsystems verringert werden.

Das beschriebene "Binning" kann auch dynamisch durch eine entsprechende Ansteuerung ein und desselben Lichtempfängers 420a bzw. 420b realisiert werden. Dabei wird der Lichtempfänger entweder in einem ersten Betriebsmodus (mit voller Auflösung) oder in einem zweiten Betriebsmodus (mit Photonen sammelnden zusammengefassten Pixeln) betrieben. Ein Umschalten zwischen verschiedenen Betriebsmodi kann von externen Steuersignalen gesteuert werden. Alternativ oder in Kombination kann ein solches Umschalten auch von dem Ergebnis einer Szenenauswertung abhängen, so dass der "Binning"

Betriebsmodus für eine nächste Szenenerfassung geregelt wird .

Es wird darauf hingewiesen, dass auch mehr als zwei unterschiedliche

Betriebsmodi mit jeweils einer unterschiedlich starken Zusammenfassung von Pixeln zum Einsatz kommen können. Ferner ist es möglich, in unterschiedlichen Teilbereichen des Lichtempfängers jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Einzelpixeln zu einem übergeordneten Pixel zusammenzufassen. Dann können einzelne Teilbereiche der Szene mit einer höheren räumlichen Auflösung (und einer geringeren Photonenakkumulation) und andere Teilbereich der Szene mit einer niedrigeren räumlichen Auflösung (und einer höheren

Photonenakkumulation) erfasst werden. Das beschriebene lokale und

unterschiedlich starke Zusammenfassen von Pixeln kann dynamisch bzw. adaptiv in genau den Teilbereichen durchgeführt werden kann, in denen sich gerade ein bestimmtes Objekt befindet. Die Figuren 5a bis 5c zeigen verschiedene Strahlquerschnitte eines Beleuchtungslichts zum Anpassen der Beleuchtung an die Form der zu

erfassenden Szene. Ein in Figur 5a illustriertes erstes Beleuchtungslicht 531a hat einen im Wesentlichen kreisförmigen Strahlquerschnitt und eignet sich bevorzugt für "runde Szenen". Für die meisten Anwendungsfälle, welche keine "runde Szene" erfassen (und auswerten), eignet sich jedoch ein von einer Kreisform abweichender Strahlquerschnitt. In Figur 5b ist ein Beleuchtungslicht 531b mit einem elliptischen Strahlquerschnitt dargestellt. Figur 5c zeigt ein

Beleuchtungslicht 531c mit einem rechteckigen Strahlquerschnitt. Wie

vorstehend bereits erwähnt, kann der Strahlquerschnitt durch eine

entsprechende Formgebung der Freiformoptiken und optional zusätzlich auch durch einen geeigneten Betrieb der der Beleuchtungseinrichtung angepasst werden. Auch Diffraktive Optische Elemente (DOE) können verwendet werden, welche optional sogar eine dynamische und/oder szenenabhängige Formung des Strahlquerschnitts ermöglichen.

Es wird angemerkt, dass der Begriff "aufweisen" nicht andere Elemente ausschließt und dass das "ein" nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.

BEZUGSZEICHEN :

100 Sensorsystem

110 TOF Erfassungssystem

111 Halterung

115 Messeinrichtung

120 Lichtempfänger

122 Lichtempfänger- Steuereinrichtung

125 Messeinheit

130 Beleuchtungseinrichtung

131 Beleuchtungslicht / Beleuchtungsstrahlengang

135 Beleuchtungslicht-Steuereinrichtung

140 Freiformoptik

141 Aktuator

142 weitere Freiformoptik

143 weiterer Aktuator

145 Freiformoptik-Steuereinrichtung

150 Datenverarbeitungseinrichtung

152 Schnittstelle

152a externes Steuersignal

160 Datenbank

180 Eingangsstruktur

182 stationäre Haltestruktur

184 Öffnung / Eingang

186 Verschließkörper / Schiebetür

187 Motor

190 Szene

195 Objekt

196 Messlicht / Messlichtstrahlengang 240a Freiformoptik / optisch refraktives Element im 1. Zustand

240b Freiformoptik / optisch refraktives Element im 2. Zustand

390 Szene

395a-e Objekte

398 Förderband

420a/b Lichtempfänger / Sensorchip

422a Pixel

422b übergeordnetes Pixel / zusammengefasstes Pixel

531a Beleuchtungslicht mit rundem Querschnitt

531b Beleuchtungslicht mit elliptischen Querschnitt

531c Beleuchtungslicht mit rechteckigem Querschnitt