CN107367720A - 记录距离图像的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用来记录距离图像的装置及方法，每一距离图像包括多个距离像素点。该装置包括：多个以阵列排布的发射器，用于向测量区域发出电磁辐射；至少一接收单元，用于检测从该测量区域反射回的电磁辐射；一评估单元，被用于判断反射了电磁辐射的物体的距离，每一距离形成一距离像素点；一偏转单元，将发射器发出的电磁辐射不停地向扫描角度区域中的一扫描角度偏转，从而为每一距离图像连续地生成包括多个距离像素点的扫描图样；一位移单元，其通过移动光学部件使连续生成的扫描图样可以沿位移方向依次偏移。每一距离图像包括多个依次偏移的扫描图样，每一扫描图样包括多个距离像素点。本发明还提供了一种该装置具有自检功能的运行方法。

Description

记录距离图像的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种记录距离图像的装置以及方法。

背景技术

为了识别和定位物体的表面在三维空间中的位置，距离图像(distance image)需要被测量，这也是为了生成被测物体的三维(3D)图像。现有的装置可以通过测量激光束的飞行时间(time offlight，TOF)定位被测物体表面上的反射点，即测量激光束被装置发出至被测物体上的一距离像素点(a distance image point)再被反射回的时间差。

现有的所谓的线扫描仪(line scanner)包括了一个脉冲激光源，此激光源发出的激光脉冲被一个转镜不停的偏转，偏转的目的是为了将距离像素点在扫描角度内分布于被测物体上。从扫描仪的角度上看出去，测量的距离像素点成一直线。这种线扫描仪可以被安装在一个移动支架上，从而对该支架周围的区域进行3D扫描。比如，将这种线扫描仪安装在一辆火车上用来三维地测量一隧道。

此外，在测量技术领域中，为了扫描平面，把一个线扫描仪安装在一个旋转支架上以便以垂直于扫描方向的方式逐渐移动该线扫描仪的像素点线(image point lines)是一种常见的方法。通过这种方法，该线扫描仪周围环境的3D的360度距离图像可以被记录得到。

以上所描述的装置和相关方法通常适用于生成单独的3D图像。但是它们的缺点是很明显的，在测量过程中必须移动整个线扫描仪。因此，以这样装置和方法进行3D扫描，可达到的扫描速度是被支架的机械性能所限制的，想要通过这样的方法获得1至10赫兹范围内的图像刷新率几乎是不可能的。此外，由于维护及安全的原因这种旋转的扫描仪已经被发现在很多应用中存在缺点。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种能够以可靠的方式实现以更高的图像刷新率记录具有多个距离像素点的距离图像的装置和方法，同时尽可能地降低构造和成本。

本发明首先提供了一种记录距离图像的装置，每一距离图像包括多个距离像素点，该装置包括：

多个发射器，该多个发射器被排布为发射器阵列，每一发射器向测量区域发出电磁辐射；

至少一个接收单元，用于检测从该测量区域反射回的电磁辐射；

评估单元，用于确定反射了电磁辐射的物体的距离，每一距离形成一个距离像素点；

偏转单元，该偏转单元反复地将从该发射器发出的电磁辐射偏转向扫描角度区域中的一扫描方向，从而为每一距离图像连续地生成包括多个距离像素点的扫描图样；及

位移单元，该位移单元通过该发射器阵列和该接收单元的相对运动或一光学器件的相对运动使连续的扫描图样在一位移方向上依次偏移，其中每一距离图像包括多个依次偏移的扫描图样，每一扫描图样包括多个距离像素点。

进一步地，该位移单元包括该光学器件，该光学器件可平移移动，该光学器件包括棱镜、反射镜或透镜。

进一步地，该位移单元包括该光学器件，该光学器件可平移移动，该光学器件包括一发射与接收共用的透镜。

进一步地，该位移单元包括致动器，该光学器件位于发射器阵列与偏转单元之间，该致动器使该光学器件相对于该偏转单元发生移动或使该发射器阵列与该接收单元相对于该偏转单元发生移动。

进一步地，通过该位移单元使该装置产生位移运动，该位移运动是周期性的往复运动，该位移运动具有一个位移幅度，该位移幅度与彼此直接相邻的两个发射器之间的距离d相关，该位移运动的位移频率在几赫兹到几十赫兹之间。

进一步地，该发射器阵列具有一最大纵向长度和一最大横向长度，该最大横向长度与该最大纵向长度互相垂直，并且该最大横向长度小于该最大纵向长度。

进一步地，该多个发射器在该发射器阵列中以一直线排布。

进一步地，该多个发射器沿该直线均匀间隔。

进一步地，该扫描方向垂直于该发射器阵列的有效纵向长度，该位移方向垂直于该扫描方向，且该位移方向沿平行于该发射器阵列的有效纵向长度的方向延伸。

进一步地，该多个发射器的数量在4至32个之间，彼此直接相邻的两个发射器之间的距离在1至12毫米之间；该发射器阵列的最大纵向长度在32至96毫米之间。

进一步地，彼此直接相邻的两个该发射器之间的距离d对应于一发射角度，该发射角度在2至12度之间。

进一步地，该偏转单元为一多面镜，该多面镜具有n个的偏转表面，该n个偏转表面连续地偏转发出的电磁辐射，每一该偏转表面覆盖相同的角度范围，该角度范围至少为360/n度，n为2、4或6。

进一步地，该测量区域对应于被发出的电磁辐射覆盖的一空间角度DxV，D是该扫描角度区域，该扫描角度区域通过偏转单元覆盖，V是位移角度宽度，该位移角度宽度沿垂直于该扫描角度区域的方向延伸，且V是由该发射器阵列及该光学器件的运动产生的，D在45度至120度之间，V在12度至45度之间。

进一步地，该接收单元包括多个接收器，该多个接收器排布为接收器阵列，每一发射器与一接收器相关联，每一接收器也与一发射器相关联。

进一步地，该发射器阵列、该接收单元、该偏转单元和该位移单元被设置于一共同的壳体内，该壳体具有一公用窗口用于向测量区域发出电磁辐射和接收从测量区域反射回的电磁辐射。

进一步地，该光学器件包括一发射与接收共用的透镜，该多个发射器与该透镜以能够使发射的电磁辐射从该透镜的一共用的中心区域通过的方式对准。

进一步地，该光学器件包括一发射与接收共用的透镜，该多个发射器发出的电磁辐射经过该透镜被互相平行化。

进一步地，该评估单元包括多个时间测量单元，该多个时间测量单元基于确定每一电磁辐射的飞行时间确定该距离。

进一步地，至少两个该发射器共用一个该时间测量单元。

进一步地，该装置包括一几何分束器用于区别发射辐射区域和接收辐射区域。

进一步地，该接收辐射区域与该发射辐射区域互相屏蔽。

本发明还提供了一种使用上述装置记录距离图像的方法，每一距离图像包括多个距离像素点，该方法包括：

通过被排布为发射器阵列的多个发射器向测量区域发出电磁辐射，从测量区域反射回的电磁辐射被至少一接收单元检测到；

确定反射了发出的电磁辐射的物体的距离，每一距离形成一距离像素点；

发出的电磁辐射被反复地偏转向扫描角度区域中的一扫描方向，为每一距离图像连续地生成多个扫描图样，每一扫描图样包括多个距离像素点；

通过该发射器阵列或一光学器件的相对运动使连续的扫描图样沿着位移方向依次偏移；

每一距离图像由多个依次偏移的扫描图样形成，且每一扫描图样包括多个距离像素点。

本发明也提供了一种上述装置的具有自检功能的运行方法，该装置记录包括多个距离像素点的距离图像，该方法包括：

通过被排布为发射器阵列的多个发射器向测量区域发出电磁辐射，通过至少一个接收单元检测从测量区域反射回的电磁辐射；

确定反射了发出的电磁辐射的物体的距离，每一距离形成一距离像素点；

发出的电磁辐射被反复地偏转向扫描角度区域中的一扫描方向，为每一距离图像连续地生成多个扫描图样，每一该扫描图样包括多个距离像素点；

通过该发射器阵列和该接收单元的相对运动或一光学器件的相对运动使连续的扫描图样沿着位移方向依次偏移；

每一距离图像由多个依次偏移的扫描图样形成，每个扫描图样包括多个距离像素点；

在多个之间具有规则的或不规则的时间间隔的记录时间点，将源自于至少两个不同的发射器的距离像素点和/或距离像素点的点集进行比较，当比较所得的偏差落在一预先设定的范围外时为非预期状态，被认为是干扰或者错误。

进一步地，该运行方法用于监控工作流程，该工作流程为自动化或至少部分自动化的流程，在非预期状态下，调适工作流程或者停止工作流程。

进一步地，该运行方法在一扫描图样或者一距离图像中进行相应比较。

进一步地，该运行方法还包括以下步骤：

确定与一参考物体相对应的参考距离像素点；

在多个之间具有规则的或不规则的时间间隔的记录时间点得到的对应于该参考距离像素点的测试距离像素点，将该测试距离像素点与该参考距离像素点互相比较，当比较所得的偏差落在一预先设定的范围外时为非预期状态，被认为是干扰或者错误。

进一步地，该运行方法中的至少两个不同的该发射器和接收单元或至少两组不同的发射器和接收单元，通过相应的各自的界面被彼此分离地控制。

进一步地，该运行方法用于监控至少部分地自动化运行的工作流程，该方法还包括以下步骤：

在一被监控物体的至少一部分的周围定义至少一三维监控空间；

确定位于该监控空间内的距离像素点；

基于位于该监控空间内的距离像素点确定该监控空间中是否存在干扰物体。

进一步地，该运行方法中的该监控空间在多个之间具有规则的或不规则的时间间隔的时间点被重新定义及更新；且该监控空间跟随被监控物体一起运动。

进一步地，该运行方法中的该监控空间能够自适应地变化，该监控空间的形状和/或尺寸根据被监控的该工作流程来定义，该监控空间形状和/或尺寸取决于被监控物体的运动状态。

进一步地，该运行方法中的该工作流程根据被监控物体与干扰物体之间发生碰撞风险的几率自适应地改变，从而在不停止工作流程的条件下避免被监控物体与干扰物体之间发生碰撞。

进一步地，该运行方法中的该监控空间被细分为多个保护空间，各个该保护空间至少部分地彼此嵌套。

进一步地，该运行方法中的该监控空间包括一内部保护空间，一中部保护空间和一外部保护空间；

当该干扰物体侵入该内部保护空间时，该工作流程被停止；

当该干扰物体侵入该中部保护空间时，该工作流程中一载有该装置的物体的移动被减慢；及

当该干扰物体侵入该外部保护空间时，该载有该装置的物体的运动轨迹被适应性地改变为回避运动以规避碰撞风险。

进一步地，该运行方法还包括提供至少两个所述装置，其中每个装置具有各自的监控空间且各自的监控空间彼此交叠，落入交叠区域中的距离像素点被互相比较，当比较所得的偏差落在预先定义的范围之外是为非预期状态，被认为是干扰或者错误。

相较现有技术，本发明提供的装置可以以更高的扫描速率记录具有多个距离像素点的距离图像，同时降低了构造和成本。本发明所提供的装置和方法中的图像刷新率和分辨率可以被简单的设置，如通过调整偏转单元的运动速度和/或改变位移单元的位移频率来设定。因此，本装置可以在运行期间被调适以适应于不同的任务和操作条件。

本发明所提供的包括多个发射器的装置不仅可以提高图像刷新率和分辨率，同时在实际应用中以不增加过多付出和成本的方式为装置提供了自检功能。在具有自检功能的运行方法中对距离像素点的比较可以与正常记录距离图像的运行模式并行地进行，仅需要通过软件来实现，保证了本发明所提供的记录距离图像的装置的安全性。

附图说明

图1示意性地示出了本发明所披露的装置的一实施方式的俯视图。

图2示出了图1中所示装置的侧视图。

图3示意性地示出了本发明中由多个单独的距离像素点构成的距离图像。

图4示意性地示出了本发明所披露的装置的另一实施方式。

图5以透视图示出了本发明所披露的装置中的分束器及其它元件。

图6示意性地示出了在一实施方式中本发明所披露的装置及其测量区域。

图7示意性地示出了在一实施方式中被一监控空间包围的被监控物体。

主要元件符号说明

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

本发明首先提供了一种装置，该装置可以以更高的图像刷新率记录具有多个距离像素点的距离图像，同时降低了构造成本。该装置包括多个发射器，至少一接收单元，评估单元，偏转单元，及位移单元。该多个发射器被排布为发射器阵列，每一发射器向测量区域发出电磁辐射。该至少一接收单元用于检测从该测量区域反射回的电磁辐射。该评估单元用于确定反射了电磁辐射的物体的距离，每个距离形成一个距离像素点。该偏转单元反复地将从该发射器发出的电磁辐射偏转向扫描角度区域中的一扫描方向，从而为每一距离图像连续地生成多个扫描图样，其中每个扫描图样由多个距离像素点形成。该位移单元使发射器阵列与接收单元或一光学器件发生相对运动从而使连续的扫描图样在一位移方向上逐一依次偏移(displace)，其中每一距离图像包括多个依次偏移的扫描图样，每一扫描图样包括多个距离像素点。

根据本发明的精神，在测量区域内距离像素点的排列和分布可以仅通过各光学部件(如发射器阵列、接收单元、或其它光学器件)的相对运动来实现。所述光学部件一般具有小尺寸和低质量的特点，以这种方式可以实现相对高的运动速度且不会过度受惯量(注：转动惯量)影响。以此，因机械构造对速度造成的限制被缓解或者说至少被绕过，这个方法使得以高速率获得距离图像成为可能。

进一步地，各光学部件可以被安置于共同的壳体中，这样避免了外置的可移动部件的存在，简化了维护并且提高了安全性。

根据本发明的精神，在许多应用中实际上只需要相对较小的测量区域，但需要相对高的图像刷新率。尽管前述的装置(如线扫描仪)基本上可以扫描完整的周围环境，这意味着线扫描仪360度绕轴旋转，这在许多应用场景貌似是可行的，比如人的肉眼，我们只需要一部分观看角度。例如，负载接收器械与物体的自动接合，如集装箱起重机吊臂与物体的自动接合。然而，对于负载接收过程的自动控制和监测，如起重机起吊过程的自动控制和监测，需要相对较快的图像刷新率。本发明所提供的装置可以被安装在负载接收器械(如起重机)的指定位置使得物***于该装置的测量区域内，从而可以相对于被载物体实现对起重机的全自动3D控制，特别的是不需要在被载物体上采用任何特定的参考构件。

发射器的阵列排布使得扫描图样已经具有了多个距离像素点的扫描列(scanningcolumns)，同时这些扫描列与发射器阵列中的发射器数量相关。在不使用位移单元的情况下，扫描仪可以在垂直于扫描方向上的距离图像达到一定的分辨率。而采用本发明的位移单元可以在位移方向上生成额外的扫描图样，从而增进在位移方向上的分辨率。

分辨率这个术语在本发明的框架内涉及两个距离像素点之间的角度间隔。通过这种方式，分辨率不依赖于测量物体和记录装置之间的距离，然而，两个相邻距离像素点之间的绝对间距会随着被测物体和记录装置间的距离增大而增大。对应的分辨率在扫描方向及位移单元的位移方向上可以不同。

根据本发明的精神，通过将位移单元与发射器阵列有利地组合起来能够实现相对高的图像刷新率。这种组合的方式允许通过位移单元为一相应的距离图像采用相对较小的位移路径，因为发射器阵列中的所有发射射线或波束都会被移动。如此小的并且频率高的位移可以通过使用重量和尺寸都很小的光学元件来实现，这些都会相对提高图像刷新率。由于只需要一很小的位移路径，这一位移过程也可以被称作一小角度扫描。

特别地，多个发射器(或多个接收器)可以被排布在一直线上，且直接相邻的发射器(或接收器)之间具有相等的间距。为得到一相应的距离图像，该位移单元可以仅向着该直线的方向的路径发生位移，并且此位移小于或等于直接相邻的发射器(或接收器)之间的间距。

具体地，各光学部件的相对运动可以由该位移单元自由地控制，包括控制位移的速度或者控制位移的速度随时间变化。比如，用于该评估单元或者该偏转单元的相应控制，特别是用于控制保持不变的活动。这意味着，如，当发射器的脉冲频率在时间上保持不变时，可以基本上在一定范围内自由地选择记录的距离图像的分辨率。在这种情况下，该图像分辨率可以根据图像刷新率来设置，特别地，对于较高的图像刷新率，可以选择较低的分辨率。

因此，在如集装箱起重机的应用中，当吊臂离起吊物体(即被测物体)较远时，可以设置较低图像刷新率同时设置较高的分辨率，这一功能在吊臂离起吊物体较远时比较实用。在这种情况下，获得的被测物体的距离像素点之间的距离可以足够小(即高分辨率)，同时并不需要过高的图像刷新率，因为吊臂只需要被粗略地控制以靠近起吊物体。然而，当吊臂已靠近起吊物体时，可以以牺牲分辨率为代价增大图像刷新率。但是，减小后的分辨率依然是足以满足应用需要的，起吊物体的距离像素点之间的绝对距离仍保持得足够小，同时通过更高的图像刷新率，那些相对吊臂移动速度更快的起吊物体可以被安全地识别。本发明提供的装置可以根据需要实时分别地调整图像刷新率和分辨率，特别地，该调整可以在线(online)进行。

各个距离的测量可以通过测量辐射的飞行时间来确定。例如，测量距离可以通过作为激光源的发射器发射多个激光脉冲来实现，这些激光脉冲从发射器到接收器之间的飞行时间可以用来计算对应的距离。可选地，发射器可以连续地发射激光，并通过发射器和接收器之间的相位偏移(phase shift)来连续测量距离。

在本发明的框架内，各优选实施方式中的发射器阵列、偏转单元和一在光路中位于该发射器阵列与该偏转单元之间的光学器件均被看做是本发明装置中的光学部件。

在一实施例中，该位移单元包括一可移动的光学器件，具体地可以是一棱镜，一反射镜或者一透镜，优选地，该可移动的光学器件可以是一发射与接收共用的透镜，即发射器发射的光束与接收器接收的光束都通过该透镜。该光学器件可以包括多个上述光学元件(棱镜、反射镜、透镜、或发射与接收共用的透镜)，也可以是多个上述各种光学元件的组合。特别地，可以将多个透镜结合使用来形成物镜。优选地，该光学器件可以平移移动。相较于采用可旋转移动的光学器件，采用可平移移动的光学器件可以使该装置的构造方式变得更紧凑。

该位移单元还可以包括一致动器(actuator)。该致动器可以使该光学器件在该发射器阵列和该偏转单元之间发生移动，或者该致动器可以使该发射器阵列相对于该偏转单元移动。原则上，替代地或可选地，也可以使该偏转单元发生偏转和/或使多个光学元件发生移动。通过移动光学器件，特别是移动一透镜，可以获得更多益处，因为这不同于发射器阵列，不需要与电源的电连接。因此，该装置可以具有非常简单的设计，通过该致动器控制的可移动的透镜可以以任何可能的方式设置于装置中。该透镜可以平行于该偏转单元的旋转轴的方向移动，具体地，该偏转单元可以为转镜。

进一步地，该光学器件和/或该发射器阵列可以以马达驱动的方式发生位移。优选地，该发射器阵列可以连同该接收器阵列一起被移动。这可以通过连接至一驱动轴的偏心元件来实现，该偏心元件可以分别作用于该光学器件和该发射器阵列。此外，还可以设置一导向凸轮，通过该导向凸轮与驱动轴的协同工作使该光学器件或者该发射器阵列发生周期性位移。例如，可替代地或可选地，该致动器为一压电致动器。

在另一实施方式中，通过该位移单元实现的位移运动为周期性的往复运动。该往复移动可以是位移运动以基本上呈正弦变化的速度进行，在往复移动过程中至少局部地具有一基本匀速的区间和/或至少一个或多个静止点。特别地，该位移运动可以具有一位移振幅，该位移振幅等于或小于彼此直接相邻的两个发射器之间的间距。可替代地或可选地，该位移运动还可以具有一位移频率，该位移频率在几十赫兹以内，具体地，该位移频率在几赫兹至几十赫兹之间。该位移频率也可以根据具体的限制设置，例如，该位移频率对应于图像刷新率的一倍或两倍。

在一实施方式中，该发射器阵列具有一最大纵向长度和一垂直于该最大纵向长度的最大横向长度。其中，该最大横向长度小于该最大纵向长度，优选地，该最大横向长度数倍地小于该最大纵向长度。该发射器阵列可以被置于一条直线上，优选地，多个发射器沿着该直线被均匀地间隔开。

在一优选实施方式中，该扫描方向沿平行于该发射器阵列的有效纵向长度的方向延伸，同时平行于该发射器阵列的图像或者平行于通过分束器的一系列发射的辐射光束，其中，该位移方向垂直于该扫描方向，且该位移方向平行于该发射器阵列的有效纵向长度。该装置中单独每个发射器的实际物理排布是独立于该发射器阵列的有效纵向长度的，但是其物理排布与各发射器发射的辐射光束在偏转单元前的传播区域扩展的辐射波束的位置相关。

该实施方式允许该装置具有特别紧凑的构造方式。此外，该实施方式优化了本发明精神所披露的一般性的设置，通过使用以阵列排布的发射器，特别是对多个发射器采用一系列排布方式，在一方向(该方向一般垂直于该发射器阵列的有效纵向长度)上获得相对较大的扫描角度区域(可通过简单的方式如使用一转镜实现)，并只需要与其不同的(如垂直于其方向的)相对较小的位移角度宽度(如通过一个或多个光学元件的小距离平移运动实现，且随后不需要第二次旋转运动，通过这种方式可以避免在装置中设置第二个转镜，或装置的整体旋转)。

在这一优选实施方式中，该发射器的数量可以在4个至24个的范围内，特别优选地，可以是8个或16个。可选地，彼此直接相邻的两个发射器之间的间距可以在4毫米至12毫米的范围内，特别优选地，该间距约为6毫米。可选地，该发射器阵列的最大纵向长度可以在32毫米至96毫米的范围内，特别优选地，为42毫米。可选地，彼此直接相邻的两个发射器之间的间距对应于一发射角度，该发射角度在2°至12°的范围内，优选地，在2°～6°之间，特别优选地，约为4.3°。上述参数的范围及数值可分别独立选取，也可以任一具体的组合方式选取，具体地应根据该装置的构造尺寸，制造成本及可实现的图像刷新率和分辨率进行有利的折衷选取。

在一实施方式中，该光学器件被设置于该发射器阵列与该偏转单元之间，该光学器件被设置为使每一发射器在互相垂直的两个方向上的发散度(divergence)的差值被减少，具体地该差值至少应被尽可能的补偿。这种发散度的差值(也即是在不同方向上具有不对称的发散度)可能存在于如以一激光二极管作为发射器的情形中。许多激光二极管都不具有在许多应用情境中所需要的点状辐射的特性，也就是说，许多激光二极管发出的光斑不是圆形的，而是其它的形状。比如，有的激光二极管发射的辐射波束形状基本上为长方形，这就意味着在发散度上存在差值。这种发散度的差值可以通过具有合适形状的光学元件进行补偿，如使用透镜或利用如黑色表面的屏蔽元件(screen elements)。

在一实施方式中，该偏转单元可以为一转镜。具体地，该转镜的旋转轴可以平行于该位移单元的位移方向。该实施方式可以使该装置的构造以特别紧凑的方式实现。可替代地或可附加地，该偏转单元也可以被设置为多面镜。该多面镜具有多个(n个)偏转表面，这些偏转表面可被发射的辐射光束连续地照射，使被发射的辐射光束发生偏转，每一偏转表面覆盖至少约360°/n的相同的角度范围。其中，n可以为一偶数值，n也可以选自2、3、4、5、6、7或8，优选地，n的值为3、4或5。

在本发明的一实施方式中，该装置的测量区域对应于可被发射的辐射光束覆盖的一DxV的空间角度。其中，D为可通过该偏转单元覆盖的扫描角度区域；V为位移角度宽度，该位移角度宽度沿垂直于该扫描角度区域的方向延伸，且V是由该发射器阵列的对应长度之和以及通过该位移单元产生的一预先定义的偏移值(offset)所决定的。优选地，D的值大致在45°至180°的范围内，特别优选地，D的值在45°至120°之间。优选地，V的值大致在12°至72°的范围内，特别优选地，V的值在12°至45°之间。

作为辐射光源，该发射器可以包括一激光发射器，通常是砷化镓(GaAs)激光二极管或者光纤激光器或者发光二极管(LED)。

使用二极管在如成本及构造空间尺寸上具有多种优势。尤其是如GaAs激光二极管具有较好的性价比，同时当多个激光二极管被排布成阵列时可以提供良好的性能，提供的用于测量飞行时间的脉冲速率足够实现相对较高的图像刷新率。

进一步地，该接收单元可以包括排布为阵列的多个接收器。优选地，该发射器阵列中每一发射器与该接收器阵列中的一接收器相关联，反之亦然。

该接收器或该多个接收器可以与该发射器分离地布置。例如，可以在偏转单元与发射器阵列之间的光路上设置一分束器，该分束器使从该测量区域反射的一部分辐射光偏转到该接收单元。可替代地或可选地，该多个发射器和接收单元可以分别具有各自的光路。比如可以使用一透镜使得该发射器和该接收单元的光轴至少基本上互相平行地对准。这种布局也被称作平行光学***(parallel optical system)。

前文所述的分束器可以为一几何分束器。具体地，该分束器包括至少基本全部反射的反射镜，即不使用能够部分透射的半反射镜。该几何分束器将辐射发射区域和辐射接收区域彼此分开。通过使用如条形，特别是矩形或梯形的几何分束器，可以改进该装置的探测范围，相反地，如果使用了设计为部分透射的半反射镜的分束器则不能实现这一改进。对应于相对较窄的发射的辐射束，该几何分束器可以被设计的比较窄，使得只需要透镜表面的一小部分必须被该几何分束器覆盖，如此就可以将更大剩余的透镜表面面积(即，更多的口径)用于反射辐射束至接收器。这也就意味着在采用全部反射的反射镜的几何分束器处损失的辐射能量少于采用部分透射的半反射镜时损失的能量，从而接收器通过几何分束器可以获得更高的反射能量，提高了探测距离。

在一实施方式中，该辐射发射区域被与该辐射接收区域屏蔽。在该实施方式中，该接收单元与该多个发射器在光学上相互屏蔽，从而使从该多个发射器发射的辐射束不会直接到达该接收单元，而不经过该测量区域被物体反射。具体地，可以将黑色表面用于从侧面屏蔽发射的辐射，例如将黑色表面设置于发射器周围。

在一优选实施方式中，该发射器阵列、该接收单元、该偏转单元和该位移单元都被容纳在同一个封闭的壳体内。从而，确保在该壳体外部不需要有可移动的部件，这样也确保了高度的安全性和维护的简单。具体地，该壳体具有一个共用的窗口用于传输发射的辐射束至该测量区域并接收从该测量区域反射回来的辐射束。

在另一实施方式中，该装置中具有一发射与接收共用的透镜。其中，该多个发射器被相对于该透镜对准，使发射的辐射穿过该透镜的一共用的中心区域。这意味着相应的发射的辐射束穿过该透镜的一共用的中心区域。如此，该装置的测量范围和准确度可以被提升，这是因为通常而言透镜的中心区域比边缘区域具有更好的光学特性。另外，该多个发射器相对于该透镜进行排布以使来自该多个发射器的辐射束在该透镜处相互平行的入射，并在离开该透镜时汇聚，例如，相交于外焦点处。这一实施方式允许该装置被设计得特别紧凑，因为在这种情况下该偏转单元可以被设置得相对较小。

进一步地，不同的发射器发出的发散的辐射束可以通过一光学元件(如透镜)被平行化。优选地，采用一发射与接收共用的透镜来实现较高范围的测量。

进一步地，该评估单元包括多个时间测量单元，用于基于相应的辐射飞行时间确定距离。其中每一时间测量单元可以与一发射器相关联。可替代地，一相应的时间测量单元可以与至少两个发射器相关联。在这种情况下，飞行时间的测量可以通过复用(multiplexing)的方法来处理单独的飞行时间测量。具体地，该多个时间测量单元可以并行地运行并进行评估。用于记录距离图像的多个时间测量单元的功能原理在EP 1 901 093A1中被详细的描述，其公开的内容被通过引用的方式并入本申请。例如，该评估单元可以包括一个或多个如EP 1 522 870 A1中所述的KEMIC，其公开的内容被通过引用的方式并入本申请。因此，上文中所披露的该发射器阵列，该接收器阵列和该时间测量单元所成的阵列可以彼此组合。

进一步地，该装置可以被设置成在该偏转单元的移动中不会产生图像扭曲或旋转。这需要用一个可旋转的多面镜作为该偏转单元。通过避免图像的扭曲和旋转，距离图像可以被以更简单的方式计算并表示出来。

本发明的目的还在于提供一种记录距离图像的方法。该方法可以通过如上所述的装置以及基于本发明精神将来进一步开发的装置来实现。反之亦然，即基于本发明精神的装置可以根据本发明所描述的方法的任一实施方式的精神进行进一步的开发。

本发明还进一步涉及一种用于记录距离图像的装置的运行方法，特别是用于自检的运行方法，其中每一距离图像包括多个距离像素点。特别地，该装置可以是如上所述的本发明所提供的装置。在这一方法中，通过被排布为发射器阵列的多个发射器向测量区域发射电磁辐射，并且借助于至少一接收单元检测从测量区域反射回的电磁辐射。该方法还包括确定反射了发射的辐射的物体的距离，其中每个距离形成一距离像素点。所发射的电磁辐射被反复地偏转向扫描角度区域中的一扫描方向，从而为每一距离图像连续地生成多个具有距离像素点的扫描图样。由此，连续的扫描图样可以依次在位移方向上依次偏移，具体地可通过各光学部件(如发射器阵列、接收单元、或一光学器件等)的相对移动实现，其中每一距离图像由多个依次偏移的扫描图样形成，而每一扫描图样由多个距离像素点构成。进一步地，源自至少两个不同的发射器的距离像素点和/或距离像素点的集合被互相比较，该比较可以是在多个均匀或非均匀间隔的测量时间点进行的多次比较。当比较所得的偏差落在预设范围外时，视其为非预期状态，具体地被认为是干扰或错误。

由于在这种情况下使用了多个发射器，即，多个“独立的距离测量器”并行工作，因此需要给出一冗余(redundancv)，该冗余用于识别该装置的非预期运行状态。当接收器被关联于发射器时，非预期运行状态可以是发射器阵列中的一发射器或接收单元的一接收器不能正确工作或者存在任一类型的电子错误的情况。所有“独立的距离测量器”同时发生如上所述的干扰(或者说故障)的可能性非常低，因此当通过比较识别到干扰或错误时，可以得出在两个“独立的距离测量器”中有一个存在干扰的结论。

因此，本发明所提供的包括多个发射器或多个“独立的距离测量器”的记录距离图像的装置，它们不仅可以提高图像刷新率和分辨率，同时在实际应用中以不增加过多付出和成本的方式为装置提供了自检功能或安全功能。

采用本发明所提供的装置和方法可以满足对安全性的较高要求同时实现高性能。如上述识别到干扰的情况下，本装置可以据此用信号提示(如发出警告)或通知该情况，或者采取任意其它不同类型的安全措施。本发明所提供的记录距离图像的装置的安全性可以由这种具有自检功能的运行方法被满足，且在本发明所提供的装置辅助下操作的较大的设备，如测量***、车辆、运输或处理装置(例如起重机)等，可以通过这种具有自检功能的运行方法满足对安全性的要求。

特别地，可以通过如上所述的装置和/或方法监控至少部分自动化的工作流程。在非预期状态的情况下，或者说有故障发生时，可以调适和/或停止工作流程。

本发明所提供的装置和方法还具有以下优点：对距离像素点的比较，即比较相应的测量值，可以与正常记录的运行模式并行地进行，仅需要通过软件来实现。

根据本发明的精神，一相应的比较可以发生在一扫描图样内或一距离图像内。在后一种情况下，可以将在同一距离图像中的不同扫描图样中的多个距离像素点进行互相对比。在一实施例中，对应于同一测量物体的彼此直接相邻的扫描图样中距离像素点的量可以被互相比较，相对于该装置的空间分辨率。然而，也可以通过如下方式比较在不同的距离图像内进行，如将前一距离图像中的一个或多个距离像素点与随后生成的一距离图像中对应的距离像素点进行比较。在一实施例中，连续生成的直接相邻的距离图像中的距离像素点的量可以被相互比较，相对于该装置的时间分辨率。因此，空间上和/或时间上相邻的距离像素点可以被用于比较。

关于该装置的自检功能，一个参考测量场景可以被采用，用于检查该装置是否可以安全地测量一参考物体。在一实施方式中，首先在准确设定的测量条件下确定与参考物体相关联的参考距离像素点。在多个之间具有规则或不规则的时间间隔的测量时间点，确定对应于参考距离像素点的测试距离像素点，并比较参考距离像素点和测试距离像素点，从而实现自检功能。落在预设范围外的偏差被认为是非预期的状态，作为干扰或者错误。

该参考物体可以具有被精确设定的特性，特别是它的反射性质。例如，一定的反射度，即在测量方向上参考物体表面反射的光强度与相应一白色的参考物体反射的光强度的商值(quotient)。参考物体的尺寸及其反射性质(如5％的反射度)的确定应根据能够被本发明的装置和/或方法安全地检测的那些物体进行考量。将该参考物体置于该装置测量区域内一精确定义的位置，优选地，该参考物体与该装置之间的距离应当能保证检测的安全性，如20米。最大的测量距离可被定义为“边界距离”。

该参考物体可以被固定于该装置的测量区域内，该参考物体相对于该装置的位置可以是不变的。该参考物体也可以被固定或集成于由其辅助操作的较大的设备上，如起重机上。另外，该记录装置也可以被安装在起重机上，且该参考物体相对于该装置的位置至少在起重器的某些运动方式中是已知的，由此自检功能可以在起重机的特定运动方式中进行。优选地，该参考物体和该记录装置总是相对于彼此设置位置，与起重机的运动无关，这样使得在实际应用中该自检功能可以在任一时间点进行。该参考物体可以直接被设置为起重机上的一元件或一结构，其参考距离像素点仅需被确定一次。这样就可以省去在起重机上固定一单独的参考物体的步骤。前段所述的预先设定的反射特性仍然可以通过在被选为参考物体的起重机元件或结构上加合适的彩色涂层的方式实现。另外，也可以将一参考物体固设于该装置上或集成于该装置中，如置于装置的壳体内或壳体外侧。

参考距离像素点是位于被精确设定及定位的参考物体上的距离像素点。最好在精确设定的测量条件下生成参考距离像素点。因此，对于室外使用的应用场景，测量需要某些天气情况，具体地需要考虑哪些参考物体在该天气情况下(如，一定程度的降水或起雾)仍然可以被安全地检测。

参考距离像素点最好被保存并可以在执行自检功能时被读取。测试距离像素点应基本上在相同的点对参考物体形成距离图像。为了检查装置的安全功能，将测试距离像素点与参考距离像素点进行比较。在一实施例中，一定数量的测试距离像素点(如至少50％)必须基本上与参考距离像素点相似，才可确认该装置是安全运行的或者无错误运行的。在另一实施例中，由于恶劣的天气条件，检测到的干扰可以导致对工作流程进行调适或停止工作流程。

测试距离像素点和参考距离像素点的对比可以以多种方式进行。比如，测量的距离值可以被互相比较，双方应当尽可能的一致。如果无法达到一致，则该装置的运行存在非预期状态。除了距离图像值之外，也可以考虑装置中相关的各发射器的相对测量信号幅度，这意味着可以确定实际上哪一部分用于生成测试距离像素点的测量辐射被接收单元接收。在某些天气条件下，测量正确的距离仍然是可能的。然而，此时测量信号幅度已经非常小了，采用的信噪比接近临界值。这已经可以满足该装置记录的可信度。因此，当一定比例的测试距离像素点具有一定阈值以下的测量信号幅度，可能已经存在非预期状态。其中，该阈值是基于测量对应的参考距离像素点的测量信号幅度来定义的。优选地，测试距离像素点和参考距离像素点之间的比较既基于对应的距离值，也基于相应的测量信号幅度。

进一步地，为提高装置的可靠性，至少两个不同的发射器和/或接收单元或者至少两组不同的发射器和/或接收单元可以彼此独立地被控制，具体地可通过一相应的独自的界面(如以太网)。类似地，可以通过多组发射器和/或多组接收单元通过单独地或彼此独立的方式确定单独的距离像素点。

本发明进一步涉及一种监控方法，具体地涉及通过上述测量距离图像的装置运行上述有关监控至少部分自动化运行的工作流程的方法。该监控方法包括以下步骤，围绕一监控对象的至少一部分定义一三维监控空间，确定位于该监控空间内的距离像素点，基于位于该监控空间内的距离像素点判断是否有干扰物体出现在该监控空间中。

该监控空间是一“虚拟”空间，该监控空间是由一组距离值和角度值定义的。具体地，该监控空间的边界由这些距离值和角度值来定义。因此，可以通过计算的方式检查由该装置测量的相对于被测物体的依赖于角度的距离像素点。这意味着通过评估测得的距离、与该距离相关的角度值及定义该监控空间的角度值，可以判断被测物体相对于该监控空间的位置，特别是被测物体是否位于该监控空间外部，从而使该装置可以判断是否有干扰物体出现在监控空间中，特别是被监控物体是否会被进入监控空间的干扰物体造成危险。

在本发明所揭露的内容中，术语“物体”，是出现在该装置的测量区域的物体，它的测量是通过距离像素点来实现的，上文所述的被监控物体和干扰物体也是所述的“物体”。然而，被监控物体是空间监控的对象。为此，需要在被监控物体周围定义监控空间，该装置通过纯光学的和/或通过衍生计算的方式来判断是否有干扰物体侵入或者已经侵入被监控空间，从而呈现干扰物体对于被监控物体的潜在危险(如发生碰撞的危险)。换言之，检测是否有危险的物体侵入被监控的空间。

如果一危险的物体侵入该监控空间，则可以采取适当的措施，将在下文更详细的阐释。具体地，该措施可以主动地影响被装置监控的工作流程，或者可以向委托该工作流程的用户发出警告信号。

该监控空间可以在之间具有规则的或不规则的时间间隔的时间点不断地被重新定义或者更新。具体地，该监控空间可以与被监控物体一起运动，也就是说，该监控空间可以跟踪被监控物体。

该监控空间可以根据被监控物体或者所关注的干扰物体的预期的最大运动速度来定义。因此，被监控物体的速度越大，对应的潜在干扰物体的运动速度越大，则可以定义更大的监控空间。通过这种方式，可以降低被监控物体与侵入监控空间的干扰物体发生碰撞的风险。

进一步地，该监控空间可以自适应地被改变，特别是该监控空间的形状和/或尺寸可以根据所监控的工作流程来改变，比如可以根据被监控物体的运动状态(如各运动学特性)来改变。因此被监控空间并不是静态地连续的变化，而是可以以一种动态适配的方式来变化。通过这种方式，可以进一步减小发生碰撞的风险，而不会由于过分谨慎而影响工作流程或产生过高的风险危及工作流程。

优选地，该工作流程可以自适应地发生改变，从而在避免被监控物体与干扰物体发生碰撞的同时不停止工作流程。当然，在遇到突发情况(如即将发生碰撞)时，也可以停止工作流程。可选地，可以使工作流程的运动状态和/或其动态范围能够自适应地变化，如可以使工作流程减速或避让从而可靠地实现避免碰撞的发生。该方法的优点在于，被监控的工作流程不必被突然停止，而是可以以适当的方式被调整，由此避免了不必要的突然停止工作流程对工作效率的负面影响。这意味着以一种智能的方式面对碰撞的风险，通过尽可能温和的手段(如，尽可能不停止工作流程的方式)避免碰撞发生。

在一实施方式中，该监控空间被进一步子分为多个保护空间，特别是两个或三个保护空间。优选地，其中各个保护空间至少部分地相互嵌套。例如，各保护空间可以一层层地彼此叠加如壳状或条层状设置。如此，各保护空间可以围绕被监控物体像洋葱一样层层延伸。将监控空间划分为多个保护空间的可以与上述工作流程的智能化适配相结合，其中该装置可以用于确定干扰物体存在于哪个保护空间中。从而，工作流程可以根据干扰物体侵入了哪一保护空间而以不同的方式进行自适应变化。

例如，当干扰物体侵入一内部的保护空间时，工作流程可以被停止。相反地，当干扰物体侵入一外部的保护空间，且该干扰物体离被监控物体还相距较大的距离，可以使被监控物体发生一回避运动，从而避免工作流程被不必要地停止(如“紧急停止”)。

在一优选实施方式中，该监控空间被子分为一内部保护空间、一中部保护空间和一外部保护空间。当干扰物体侵入到该内部保护空间时，工作流程被停止。当干扰物体侵入该中部保护空间时，可以减慢该工作流程中一可移动物体的运动，如减慢载有该记录装置的物体的运动。当干扰物体侵入该外部保护空间时，可以适应性地调整载有该装置的物体的运动轨迹，如使其进行回避运动。

为了进一步增加检测干扰物体的可靠性，可以使用至少两个本发明提供的装置与监控空间相关联。这两个装置各自的监控空间互相重叠，并对落入该重叠区域中的距离像素点进行互相比较。当比较所得的结果落在预先设定的允许范围之外时，为非预期的状态，被认为是干扰或错误。

这种方式使得用具有多个发射器的进行冗余监控从原理上(即在一距离图像中的多个距离像素点的平面上)被避免。该方式通过使用至少两个装置冗余地监控/至少两次地监控某个相同的区域。在该区域中，不同装置的监控空间是互相重叠的。

本发明所提供的装置及方法可以适用于一系列的合理应用中。例如，在集装箱码头的应用场景中集装箱或者其它物体通过至少部分自动化的工作流程被在两个运输装置之间转移。可以将集装箱作为主要的被监控物体，因为它们必须在任何情况下都要避免被碰撞。然而，它们也可能成为干扰物体。在这种应用场景中，干扰物体可以是任何其它可能带来碰撞风险的物体，如其它集装箱或起重机上的部件等。在这种应用场景中也存在非危险物体，如鸟类。被监控物体也可以是起重机上的部件(如支撑件、移动的推车)，它们都可被保护以避免受到碰撞。因此，一被监控物体也可能同时是另一被监控物体的干扰物体。可以由装置自身通过基于软件的方式在装置的测量区域内配置被监控物体或者干扰物体。然而，这也可通过一外部识别单元执行。由此，通过装置同时将多个物体作为被监控物体进行处理也是可以实现的。

可以理解地，被监控物体和干扰物体都可以是可运动的物体或固定在位置上的物体。因此，上述工作流程既涉及被监控物体的运动，又涉及干扰物体的运动。在一自动化工作流程中运动的干扰物体可以是可移动的门式起重机的支撑件或夹具。

在一实施方式中，本发明所提供的用于监控一被监控物体的装置可以被固定于一可移动平台上，如固定至一门式起重机上(如固定至其支撑件或者其移动的推车上)。如此，装置本身是可运动的。在这种情况下，可以使用上述监控方法可靠地监控和保护被监控物体(如一静止的集装箱)。相应的监控空间可以与该装置的运动状态动态地适配，使得相应的监控空间始终以预期的方式围绕被监控物体(如集装箱)而不与该装置一起运动。

本发明所披露的方法的优势在于具有较短的反应时间(即较短的延迟)。一个由于装置的功能错误或者一干扰物体侵入监控空间而产生的干扰信号可以非常快地，几乎是实时地，被识别。这是因为本发明仅需要使用一台装置就可以实现自检或者进行干扰物体的识别，这也就意味着不需要同步地控制多台设备，相应的测量结果也不必如先前那样被共同评估。

现有技术中使用多个设备的理由在于，目前尚未有单个设备可以在时间上以足够高的频率监控被监控空间。不同于现有技术，本发明所披露的装置允许以高频率记录距离图像，如10赫兹，从而可以以足够高的图像刷新率监控被监控物体。本发明所披露的装置可以具有如此短的反应时间(短延时)的另一个原因在于该装置的自检可以与装置的正常运行模式并行地同步进行，而现有的类似装置必须在一个特定的诊断运行模式下才能进行自检，这导致现有装置的反应时间较长。

下面将结合附图进一步地描述本发明。

图1中示意性地示出了本发明所披露的记录距离图像的装置的一实施方式。图1中的装置包括8个发射器12用于发射电磁辐射，这些发射器12被以阵列的方式排布为发射器阵列14。在该实施方式中，每一发射器12都是一激光二极管发射器。该装置进一步包括8个接收器16，这些接收器16被以阵列的方式排布为接收器阵列18。每个接收器16对应于一个发射器12，一发射器12发出激光束，被对应的一接收器16接收，相应的激光方向在图中由方向箭头示出。发射器12具有一定的辐射特性，包括一定的发散度，图1中所示的代表激光方向的线表示的是光束的中心(注：发射器发出的是一个光锥，对应一个发散度)。分束器42为一全反射镜，用于确保从发射器12发出的辐射被偏转至测量区域。如图1所示，被反射回该装置的辐射通过分束器42，入射至相应的接收器16。该分束器42的形式和功能将会在下文中结合图2与图5进行详述。多个发射器12的控制与多个接收器16的信号评估是由控制与评估单元20所执行的。

该装置进一步包括一可平移移动的透镜44，该透镜44可以通过位移单元30来回移动。该装置还包括一转镜24，该转镜24可以是一具有四个偏转表面56的多面镜，且该多面镜围绕旋转轴46旋转。每一个发射器12发出一个发散的辐射束，这些辐射束被该透镜44偏转为互相平行的辐射束。发射器12发出的辐射束仅覆盖该透镜44上的一小部分区域。该透镜44具有一外焦点60，该外焦点60大致位于该偏转单元上对应的偏转表面56处。该发射器12和该透镜44的对准方式可以使得每一发射器发出的被平行化的辐射束大致上在外焦点60处发生互相干扰。相应的激光束被偏转表面56不停的偏转到测量区域50。在图1中，该测量区域50在图1以外的区域，未被示出。

如果透镜44在其移动方向上平移移动，在本实施方式中沿平行于旋转轴46的方向平移移动，那么所有的发射与接收的辐射束的偏转角度都会有一个变化，这个变化的小角度是由透镜44的位移决定的。

发射器12以发射器阵列14的方式排布。该发射器阵列14具有一个最大纵向长度L，彼此直接相邻的两个发射器之间具有一个距离d。相应地，接收器16被排布为接收器阵列18。

图2以侧视图的方式示出了图1中所示的装置，需要说明的是图1和图2并不具有相同的比例尺寸。图2的观察角度是沿着转镜24的旋转轴46的方向。

发射器阵列14中的一发射器12(图2中未示出)发出的一相应的激光束被分束器42偏转，穿过透镜44，然后被转镜24的一偏转表面56偏转至测量区域50。在这种情况下，相应的激光束穿过配置于该装置的壳体62上的一出口窗口48被发出。除了该出口窗口48之外，该装置的壳体62的其余部分都是密封的。因此，可使用的扫描角度区域26被转镜24的形状和/或尺寸以及该出口窗口48的尺寸所限制。

在图2中，分束器42被配置得很窄，从而使从测量区域50反射回的激光束可以横向地经过分束器42到达接收器16，其中该测量区域50被示出于该透镜44的左侧。该分束器42具有相对细长的梯形形状，它的功能会在下文中结合图4中进行详细地描述。

图2中以虚线的方式示出了扫描角度区域26的边界(即位于最外侧的激光束)。同样地，对应于最外侧的激光束(即最大偏转角)的偏转表面56也被用虚线示出。在本实施方式中该扫描角度区域26大约为90°。

图3示例性地示出了由多个距离像素点22所构成的一距离图像52，但并没有示出各距离像素点的距离值。

为了简化说明及解释得简洁清楚，假设用于获取距离图像52的装置仅具有两个发射器。可以理解地，除此处用于解释的目的之外，该装置应被配置为类似于图1和图2的装置。同样地，为了简化说明，进一步假设透镜44并不是连续地发生位移，而是以步进的方式移动(即具有离散的位置)。这意味着在相应的偏转表面56被来自两个发射器的激光束撞击时该透镜44是静止的。

在图3中，横向的距离像素点被称为列，纵向的距离像素点被称为行。可以理解的，本发明所披露的装置实际上的距离像素点在空间上的对齐方式可以是不同于图3所示的。

结合图3的示意图及上述假设，本发明所披露的装置的功能原理表述如下。每个发射器12发出的辐射穿过位于相应离散位置的透镜44，通过旋转的转镜24(如一多面镜)的偏转表面56产生一列距离像素点22。在图3中，对于位于第一位置的透镜44，两个发射器12通过透镜44所形成的多个距离像素点22被以空心的圆圈表示。对于位于第二位置的透镜44，两个发射器12通过透镜44所形成的多个距离像素点22被以带叉的圆圈表示。对于位于第三位置的透镜44，两个发射器12通过透镜44所形成的多个距离像素点22被以带点的圆圈表示。如图3所示，由距离像素点22形成的图样在相应的方向上前进。

所有的距离像素点22一起构成了所需的距离图像52。该距离图像52具有一个列高度，该列高度对应于由转镜24的一偏转表面56所能覆盖的扫描角度区域26(参见图2)。此外，距离图像52还具有一个线宽度32(也即是位移角度宽度)。

相邻的距离像素点22之间的间距限定了列向分辨率38和行向分辨率40。所谓列是指那些通过转镜24(如一多面镜)的旋转由一偏转表面56同时生成的列(即横向的距离像素点)，它们一起形成了一扫描图样54。因此，经过转镜24的一偏转表面56，连续的扫描图样54由所有发射器12分别生成，即在图3所示的简化的示例中，扫描图样54由两个发射器12分别生成。直接相邻的扫描图样54之间的间距对应于行向分辨率40。

该扫描图样54在位移方向36上的偏移是通过位移单元30来控制透镜44的移动来实现的，在本实施方式中，该位移方向36与转镜24的扫描方向28互相垂直。这样，对于每一距离图像52，扫描图样54沿着该位移方向36具有一偏移值58。该偏移值58的选取应当能够使得一发射器12所生成的列与另一发射器12所生成的列不重叠，或者可以说一发射器12所生成的列与相邻一发射器12所生成的列在位移方向36上不重叠。即，该偏移值58的选取应当能够使各扫描图样54互相独立，不会造成多个扫描图样54之间的重叠。

该距离图像52的线宽度32等于发射器的数量(n_发射器)减1后乘以列间距34再加上偏移值58的和，即线宽度32＝(n_发射器-1)*列间距34+偏移值58。在图3所示的实施方式中，发射器的数量n_发射器＝2。该距离图像52的列间距34对应于由发射器12之间的间距所决定的一发射角度。

实际计算中，由于偏移值58几乎与列间距34相等，线宽度32约等于发射器12的数量与彼此直接相邻的两个发射器12之间的距离d的乘积。

于是，该距离图像52在测量区域50中具有宽度和高度，其中该高度由扫描角度区域26所确定，该宽度由发射器阵列14在位移方向上的最大长度之和所确定。在图3中，对于具有两个发射器12的示例，这意味着列间距34是由两个发射器12之间的距离d所决定的。并且，通过位移单元30所实现的偏移值58在本实施方式中意味着通过透镜44的运动来实现。

图4示出了本发明所披露的装置的另一实施方式。该装置具有由具有多个发射器12排布而成的发射器阵列14，及由多个接收器16排布而成的接收器阵列18。在图4中，最外侧的发射器12和最外侧的接收器16的光路被标示，其中源自最左侧的发射器12的光路被以短划线标示，源自位于最右侧的发射器12的光路被以实线标示。由于发射器12发出的辐射光束是发散的，在图4中以扇形展开的方式示出。一发射器12所发出的发散的光束通过透镜44后被互相平行地传出，但是并不与其它发射器12发出的光束平行。每个发射器12发出的辐射束被透镜44平行化。

发射器阵列14中的发射器12可通过使发出的光束在被分束器42反射后仅通过透镜44的中心区域64的方式进行对准。此处利用透镜44进行对准主要是出于制造的原因，大多数情况下透镜的中心区域比边界区域具有更好的光学性能。每个发射器12所发出的光束都在透镜44处相交。与本实施方式相反，图1所示的实施方式中每个发射器12发出的光束在该偏转单元处相交。

被透镜44平行化的光束被一偏转单元(图4中未示出)偏转至测量区域，在测量区域中光束被物体反射回该装置。考虑到这些被反射的光束基本上通过了全部的透镜44，这意味着反射回的光束并不仅仅通过了透镜44的中心区域64再射向相应的接收器16，如图4中的竖直方向所示。

在图4所示的实施方式中，该分束器42为一梯形分束器，其功能已在上文与图2相关的内容中被强调，此处不再赘叙。虽然图4所示的实施方式中的分束器42为梯形的，但由于该分束器42在图4中是以侧面示出的，因此该分束器42的形状特征在图4中并没有被显现出来。具体地，该分束器42在底部的左边相对较窄，朝着右上侧变宽。在本实施方式中，各个发射器12发出的辐射光束的发散度都是相同的。但是，由于每个发射器12到分束器42的距离是不同的，每个发射器12产生的光束在分束器42上的光斑大小是不同的，如图4中位于最左侧的发射器12产生的光束比其它发射器12产生的光束经由更短的传播路径入射到分束器42上，从而使位于最左侧的发射器12产生的光束与其它发射器12产生的光束相比在分束器上有最小的光斑(更小的光束宽度)。因此，可以将分束器42底部的左边设计得相对窄。同理，最右侧的发射器12产生的光束在分束器上具有最大的光斑，因此可以将分束器42右上侧设计得更宽。

图5以透视图的方式示出了本发明所披露的装置的一实施方式，其中示出了一发射器阵列14和一接收器阵列18。需要指出的是，该发射器阵列14包括多个发射器12，该接收器阵列18包括多个接收器16，但图5中仅示出了位于最外侧的发射器12和接收器16。该装置包括一分束器42，用于使发射器12发出的光束通过透镜44，并由一偏转单元(图中未示出)进行偏转。该分束器42包括一倾斜侧是由一全反射镜构成的，该分束器还进一步包括两个屏蔽面66，该屏蔽面66被设置为黑色表面。该屏蔽面66对发射器12发出的光束进行屏蔽使得光束不会直接从发射器12到达接收器16而不通过透镜44和测量区域50。此外，通过采用黑色表面的屏蔽面66，多个发射器12之间的发散度差异可以被补偿。

本发明的精神也可以通过对一示例性的实施例进行以下计算来凸显。下述计算中所涉及到的数值不一定是精确的，而是已经被四舍五入的，特别是对于小数点后面的部分。

为了叙述的简洁，在此假设记录距离图像的装置中所用的评估单元的计算和处理能力不存在任何限制。但是，实际上，当设计和操作装置时，这些参数应当被考虑到。

在一实施例中，待扫描的空间角度范围可以是90°x32°，也就是1.571弧度x 0.559弧度(rad)。在这种情况下，在所有空间角度方向可以达到分辨率A＝1毫弧度(mrad)。因此每一距离图像中所包括的距离像素点的数量(n_image points)是878189个，其中每列有1571个像素点，每行有559个像素点。

在该实施例中，发射器的数量为8(n_transmitter＝8)。以这种方式，每一发射器需要为每一距离图像产生109774个像素点。

在该实施例中，砷化镓(GaAs)半导体激光二极管被用作发射器，在连续运行模式下，每一GaAs激光二极管的脉冲速率(f_pulse)为100kHz。但是，不是发射器发出的每个脉冲都能产生一个可用的距离像素点。实际产生可用的距离像素点的脉冲的比例也可以被称为光学效率度(optical degree of efficiency)，它是该装置的一个属性。例如，当使用具有四个偏转表面(n_mirror＝4)的多面镜时，每一发射器产生的大约一半的激光脉冲没有被偏转向测量区域，而是偏转向不可用的方向。一个可往复运动的透镜，或一包括该透镜的位移单元，具有对应于往复运动的速度范围，这改变了上述形成距离像素点的不利影响，在这种情况下，当发出的光脉冲与相反的光脉冲在时间上重合时可以基本上被忽略。从而使可用脉冲的比例达到0.8。

在该实施例中中，总的光学效率度可以到达0.4。为了所需的一幅距离图像，每个发射器需要发出总共274435个激光脉冲，以获得109774个实际可用的距离像素点。为此目的，所用的每一具有100kHz脉冲速率的激光二极管，需要大约2.74秒来发出所需要的脉冲数，对应地，图像刷新率(f_image)为0.36Hz。

在这种情况下，生成每一距离图像需要该透镜往复移动。该透镜具有一移动频率(f_lens)，也就是透镜在一秒中来回移动的速率，换句话说该移动频率(f_lens)是图像刷新率(f_image)的一半。

如上所述，每行具有559个距离像素点。当具有8个发射器时，每个发射器需要提供大约67个像素点，这些像素点通过位移单元沿一条线排布。换句话说，每一发射器需要被成像到67个列上，这对应于偏转单元的偏转表面的67个周期。对于具有四个偏转表面(n_mirror＝4)的多面镜，这意味着为生成一图像该多面镜需要围绕其自身的旋转轴旋转16.8次。由此该多面镜的旋转频率等于16.8乘以其图像刷新率(f_mirror＝16.8xf_image)。如上所述，f_image＝0.36Hz，则f_mirror＝16.8x 0.36，即约为6.0Hz。

在该示例性实施例中，透镜的移动频率(f_lens)和转镜的旋转频率(f_mirror)可以在操作时自由选择。因此，可以根据所需分辨率A在线设置图像刷新率(f_image)。例如，在如下的计算中，图像刷新率可以增加至原来的10倍。除本例中的f_lens和f_mirror之外，所有其它参数与上面的实施例相同。具体地，激光二极管发射器的发射频率(f_pulse)保持不变。

当图像刷新率f_image增加至10倍后，即从0.36Hz变成了3.6Hz。由于发射器的发射频率f_pulse保持不变，则单位时间测量的距离图像像素点的数量也保持不变。从而，f_image＝3.6Hz时，距离像素点的数量会减少至原来的1/10，变成每一图像87819个像素点。相应地，两个距离像素点之间的角间距也会增加至10的根号倍。因此，在这种情况下，分辨率为3.16mrad，A＝3.16mrad，而不是之前的A＝1mrad。

根据上述的计算示例可以明显地发现，本发明所披露的用于记录距离图像的装置通过相对较简单的方式可以获得相对较快的图像刷新率同时具有较好的分辨率。该装置具有相对简单的光学与机械的整体构造，特别是只需要采用一转速相对较慢的多面镜及一可以相对较慢速度进行往复移动的光学元件，如一发射和接收共用的透镜。

分辨率或图像刷新率也可以被进一步通过简单的手段改善，例如通过使用具有更多发射器的发射器阵列，比如16个发射器，或者使用具有较高脉冲频率的发射器。需要指出的是，在上述各种实施方式中，本发明所披露的装置仍具有优势，其壳体之外没有可旋转或可移动的部件，从而以这种方式确保了装置的安全和维护的友好性。对于给定的应用场景，该装置覆盖的空间角度可以通过简单的措施来调整。此外，还需要强调的是，该装置的图像刷新率和分辨率可以被简单的设置，如通过调整偏转单元的运动速度和/或改变位移单元的位移频率来设定。因此，本装置可以在运行期间被调适以适应于不同的任务和操作条件。

如上所述的装置可以被认为是具有共用的光学***的多个2D扫描仪，并通过这种方式一起形成一3D扫描仪。本装置也可被称为3D传感器或者3D扫描传感器。本装置整体上不需要被移动。

图6示意性地示出了在一实施方式中本发明所披露的装置68覆盖一测量区域50的情景。在本实施方式中，该装置68可以被固定于集装箱码头的一门式起重机上(未示出)。该测量区域50可以是金字塔形状的。存在于该测量区域50中的物体可以被该装置68检测。

在图7中示出了一被监控物体70。例如，该被监控物体70是一可以被门式起重机(未示出)移动的集装箱，且该被监控物体70被该装置68监控，如上文中图2的相关内容所述。

图7中示出了围绕被监控物体70定义的一三维监控空间72，该监控空间72被子分成三个保护空间74a、74b、74c。在图7所示的实施方式中，保护空间74a、74b、74c都是矩形的，各自的轮廓近似平行，并且互相嵌套在一起。其中，保护空间74a是内部保护空间，74b是中部保护空间，74c是外部保护空间。这些保护空间74a、74b、74c呈条层状或洋葱状层层堆叠形成围绕在被监控物体70周围的整个保护空间，且彼此直接相邻。出于说明清楚的原因，该外部保护空间74c的外轮廓并未在图7中示出。

当一干扰物体76进入一个或多个保护空间74a、74b、74c，那么工作流程可以据此被直接调整。具体地，工作流程可以被停止，减慢或者基于一动态运动被调适。因此，可以通过改变被监控物体70的运动的方式，来可靠地避免被监控物体70与干扰物体76发生碰撞，且不必一定要为此停止被监控物体70的运动。

有关该三维监控空间及彼此嵌套的保护空间的具体内容及实施方式已经在上文中详述，此处不再赘叙。

可以理解地，上述实施方式为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施方式的限制，上述实施方式仅是用于解释权利要求书。然而，本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (34)

1.一种记录距离图像的装置，每一所述距离图像包括多个距离像素点，所述装置包括：

多个发射器，所述多个发射器被排布为发射器阵列，每一所述发射器向测量区域发出电磁辐射；

至少一个接收单元，用于检测从所述测量区域反射回的电磁辐射；

评估单元，用于确定反射了电磁辐射的物体的距离，每一所述距离形成一个距离像素点；

偏转单元，所述偏转单元反复地将从所述发射器发出的电磁辐射偏转向扫描角度区域中的一扫描方向，从而为每一距离图像连续地生成包括多个距离像素点的扫描图样；及

位移单元，所述位移单元通过所述发射器阵列和所述接收单元的相对运动或一光学器件的相对运动使连续的扫描图样在一位移方向上依次偏移，其中每一距离图像包括多个依次偏移的扫描图样，每一所述扫描图样包括多个距离像素点。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述位移单元包括所述光学器件，所述光学器件可平移移动，所述光学器件包括棱镜、反射镜或透镜。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述位移单元包括所述光学器件，所述光学器件可平移移动，所述光学器件包括一发射与接收共用的透镜。

4.如权利要求1-3任一项所述的装置，其特征在于，所述位移单元包括致动器，所述光学器件位于发射器阵列与偏转单元之间，所述致动器使所述光学器件相对于所述偏转单元发生移动或使所述发射器阵列与所述接收单元相对于所述偏转单元发生移动。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，通过所述位移单元使所述装置产生位移运动，所述位移运动是周期性的往复运动，所述位移运动具有一个位移幅度，所述位移幅度与彼此直接相邻的两个所述发射器之间的距离d相关，所述位移运动的位移频率在几赫兹到几十赫兹之间。

6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射器阵列具有一最大纵向长度和一最大横向长度，所述最大横向长度与所述最大纵向长度互相垂直，并且所述最大横向长度小于所述最大纵向长度。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个发射器在所述发射器阵列中以一直线排布。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述多个发射器沿所述直线均匀间隔。

9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述扫描方向垂直于所述发射器阵列的有效纵向长度，所述位移方向垂直于所述扫描方向，且所述位移方向沿平行于所述发射器阵列的有效纵向长度的方向延伸。

10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个发射器的数量在4至32个之间，彼此直接相邻的两个发射器之间的距离在1至12毫米之间；所述发射器阵列的最大纵向长度在32至96毫米之间。

11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，彼此直接相邻的两个所述发射器之间的距离d对应于一发射角度，所述发射角度在2至12度之间。

12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述偏转单元为一多面镜，所述多面镜具有n个的偏转表面，所述n个偏转表面连续地偏转发出的电磁辐射，每一所述偏转表面覆盖相同的角度范围，所述角度范围至少为360/n度，n为2、4或6。

13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量区域对应于被发出的电磁辐射覆盖的一空间角度DxV，D是所述扫描角度区域，所述扫描角度区域通过偏转单元覆盖，V是位移角度宽度，所述位移角度宽度沿垂直于所述扫描角度区域的方向延伸，且V是由所述发射器阵列及所述光学器件的运动产生的，D在45度至120度之间，V在12度至45度之间。

14.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述接收单元包括多个接收器，所述多个接收器排布为接收器阵列，每一所述发射器与一接收器相关联，每一所述接收器也与一发射器相关联。

15.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述发射器阵列、所述接收单元、所述偏转单元和所述位移单元被设置于一共同的壳体内，所述壳体具有一公用窗口用于向测量区域发出电磁辐射和接收从测量区域反射回的电磁辐射。

16.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学器件包括一发射与接收共用的透镜，所述多个发射器与所述透镜以能够使发射的电磁辐射从所述透镜的一共用的中心区域通过的方式对准。

17.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学器件包括一发射与接收共用的透镜，所述多个发射器发出的电磁辐射经过所述透镜被互相平行化。

18.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述评估单元包括多个时间测量单元，所述多个时间测量单元基于确定每一电磁辐射的飞行时间确定所述距离。

19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，至少两个所述发射器共用一个所述时间测量单元。

20.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括一几何分束器用于区别发射辐射区域和接收辐射区域。

21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述接收辐射区域与所述发射辐射区域互相屏蔽。

22.一种使用如权利要求1所述的装置记录距离图像的方法，每一所述距离图像包括多个距离像素点，所述方法包括：

通过被排布为发射器阵列的多个发射器向测量区域发出电磁辐射，从测量区域反射回的电磁辐射被至少一接收单元检测到；

确定反射了发出的电磁辐射的物体的距离，每一所述距离形成一距离像素点；

发出的电磁辐射被反复地偏转向扫描角度区域中的一扫描方向，为每一距离图像连续地生成多个扫描图样，每一所述扫描图样包括多个距离像素点；

通过所述发射器阵列或一光学器件的相对运动使连续的扫描图样沿着位移方向依次偏移；

每一距离图像由多个依次偏移的扫描图样形成，且每一扫描图样包括多个距离像素点。

23.一种如权利要求1所述的装置的具有自检功能的运行方法，所述装置记录包括多个距离像素点的距离图像，所述方法包括：

通过被排布为发射器阵列的多个发射器向测量区域发出电磁辐射，通过至少一个接收单元检测从测量区域反射回的电磁辐射；

确定反射了发出的电磁辐射的物体的距离，每一所述距离形成一距离像素点；

发出的电磁辐射被反复地偏转向扫描角度区域中的一扫描方向，为每一距离图像连续地生成多个扫描图样，每一所述扫描图样包括多个距离像素点；

通过所述发射器阵列和所述接收单元的相对运动或一光学器件的相对运动使连续的扫描图样沿着位移方向依次偏移；

每一距离图像由多个依次偏移的扫描图样形成，每个扫描图样包括多个距离像素点；

在多个之间具有规则的或不规则的时间间隔的记录时间点，将源自于至少两个不同的发射器的距离像素点和/或距离像素点的点集进行比较，当比较所得的偏差落在一预先设定的范围外时为非预期状态，被认为是干扰或者错误。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，用于监控工作流程，所述工作流程为自动化或至少部分自动化的流程，在所述非预期状态下，调适工作流程或者停止工作流程。

25.如权利要求23或24所述的方法，其特征在于，在一扫描图样或者一距离图像中进行相应比较。

26.如权利要求23或24所述的方法，其特征在于，

确定与一参考物体相对应的参考距离像素点；

在多个之间具有规则的或不规则的时间间隔的记录时间点得到的对应于所述参考距离像素点的测试距离像素点，将所述测试距离像素点与所述参考距离像素点互相比较，当比较所得的偏差落在一预先设定的范围外时为非预期状态，被认为是干扰或者错误。

27.如权利要求23或24所述的方法，其特征在于，至少两个不同的所述发射器和接收单元或至少两组不同的发射器和接收单元，通过相应的各自的界面被彼此分离地控制。

28.如权利要求23或24所述的方法，其特征在于，用于监控至少部分地自动化运行的工作流程，所述方法进一步包括：

在一被监控物体的至少一部分的周围定义至少一三维监控空间；

确定位于所述监控空间内的距离像素点；

基于位于所述监控空间内的距离像素点确定所述监控空间中是否存在干扰物体。

29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述监控空间在多个之间具有规则的或不规则的时间间隔的时间点被重新定义及更新；且所述监控空间跟随被监控物体一起运动。

30.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述监控空间能够自适应地变化，所述监控空间的形状和/或尺寸根据被监控的所述工作流程来定义，所述监控空间形状和/或尺寸取决于被监控物体的运动状态。

31.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述工作流程根据被监控物体与干扰物体之间发生碰撞风险的几率自适应地改变，从而在不停止工作流程的条件下避免被监控物体与干扰物体之间发生碰撞。

32.如权利要求28所述的方法，其特征在于，所述监控空间被细分为多个保护空间，各个所述保护空间至少部分地彼此嵌套。

33.如权利要求32所述的方法，其特征在于，所述监控空间包括一内部保护空间，一中部保护空间和一外部保护空间；

当所述干扰物体侵入所述内部保护空间时，所述工作流程被停止；

当所述干扰物体侵入所述中部保护空间时，所述工作流程中一载有所述装置的物体的移动被减慢；及

当所述干扰物体侵入所述外部保护空间时，所述载有所述装置的物体的运动轨迹被适应性地改变为回避运动以规避碰撞风险。

34.如权利要求28所述的方法，其特征在于，提供至少两个所述装置，其中每个装置具有各自的监控空间且各自的监控空间彼此交叠，落入交叠区域中的距离像素点被互相比较，当比较所得的偏差落在预先定义的范围之外是为非预期状态，被认为是干扰或者错误。