DE102004021368A1 - Driver drowsiness detection optical three dimensional object recording sensor unit images and times reemitted light from switched laser beams - Google Patents

Driver drowsiness detection optical three dimensional object recording sensor unit images and times reemitted light from switched laser beams Download PDF

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Abstract

A driver drowsiness detection optical three dimensional object (9) recording sensor unit has a hologram (4) dividing a laser (1) light beam (3) into sequentially switched (10) diverging beams (4-8) and a matrix sensor (12) with Fresnel lens (11) imaging light reemitted by the drivers head for transit time measurement (23). Independent claims are included for a driver drowsiness detection unit using reflection of the beams from the car windscreen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung zur optischen dreidimensionalen Erfassung von Objekten.The The invention relates to a sensor device for optical three-dimensional Capture of objects.

Häufig besteht der Bedarf, dreidimensionale Objekte bezüglich ihrer Form und ihrer Lage im Raum zu erfassen. Dies kann beispielsweise mit mehreren Videokameras geschehen, die aus verschiedenen Richtungen auf das Objekt gerichtet sind und deren Ausgangssignale mit Hilfe von Bildverarbeitungsalgorithmen verknüpft werden. Ein solches Verfahren ist beispielsweise in Chen F. et al: "Overview of three-dimensional shape measurement using optical methods", Optical Engineering, Vol. 39 No. 1, January 2000, Seiten 10 bis 22, insbesondere Seiten 12 bis 17, beschrieben. Dieses Verfahren ist jedoch recht aufwändig und setzt die Zugänglichkeit aus verschiedenen Richtungen voraus bzw. benötigt bei der Verwendung von nur einer Kamera ein drehbares Objekt.Often exists the need, three-dimensional objects in terms of their shape and their To capture location in space. This can be done, for example, with several Video cameras happen from different directions on the Object are directed and their output signals by means of image processing algorithms connected become. Such a method is described, for example, in Chen F. et al: "Overview of three-dimensional shape measurement using optical methods ", Optical Engineering, Vol. 39 No. 1, January 2000, pages 10 to 22, in particular pages 12 to 17 described. However, this process is quite complex and sets the accessibility from different directions ahead or required when using only one camera a rotatable object.

Ferner sind Verfahren bekannt, welche die Laufzeit des Lichts auswerten. So wird beispielsweise in 2001 IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers, First Edition, February 2001, IEEE Catalog No. 01CH37177, Kapitel 16.5, ein Sensor beschrieben, bei welchem ein sehr kurzer divergierender Lichtimpuls ausgesendet und über eine kurzzeitig geöffnete Blende das vom Objekt remittierte Licht einem Bildsensor zugeführt wird. Je länger die Laufzeit ist, je weniger Licht fällt in die Öffnungszeit der Blende. Deshalb wird die Amplitude des gewonnenen Videosignals mit zunehmendem Abstand des Objekts kleiner. Durch zusätzliche Maßnahmen wird der Einfluss des Fremdlichts und des Remissionsvermögens des Objekts kompensiert.Further Methods are known which evaluate the duration of the light. For example, in 2001 IEEE International Solid-State Circuits Conference, Digest of Technical Papers, First Edition, February 2001, IEEE Catalog No. 01CH37177, chapter 16.5, describes a sensor in which a very short divergent light pulse sent out and over a briefly opened Aperture remitted by the object light is fed to an image sensor. The longer the running time is, the less light falls in the opening time of the aperture. Therefore is the amplitude of the video signal obtained with increasing distance the object is smaller. By additional activities the influence of extraneous light and the remission power of the Object compensated.

Vorteile der ErfindungAdvantages of invention

Bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung erfolgt die optische dreidimensionale Erfassung durch

  • – eine Einrichtung zum Aufspalten eines Lichtbündels eines Lasers in mehrere zueinander divergierende Teil-Lichtbündel,
  • – eine Schalteinrichtung zum sequentiellen Schalten der Teil-Lichtbündel,
  • – einen Matrix-Sensor, auf den vom Objekt remittiertes Licht abgebildet wird und dem Signale, welche dem remittierten Licht der Teil-Lichtbündel entsprechen, entnehmbar sind und
  • – eine Einrichtung zur Bestimmung der Laufzeiten der Teil-Lichtbündel und des remittierten Lichts der Teil-Lichtbündel.
In the sensor device according to the invention, the optical three-dimensional detection is performed by
  • A device for splitting a light bundle of a laser into several mutually divergent partial light bundles,
  • A switching device for the sequential switching of the partial light bundles,
  • A matrix sensor onto which light reflected by the object is imaged and from which signals which correspond to the remitted light of the partial light bundles can be taken out and
  • A device for determining the transit times of the partial light beams and the reflected light of the partial light beams.

Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung ermöglicht eine gute Charakterisierung des Objekts unabhängig vom Kontrast. Zur sequentiellen Abtastung des zu messenden Objekts ist ein einziger Empfänger nötig. Ferner wird die Energie der Lichtquelle auf einen einzigen Punkt konzentriert, so dass durch Beobachtung jeweils eines einzigen Punktes und seiner nahen Umgebung das Signalrauschverhältnis gut ist.The Sensor device according to the invention allows a good characterization of the object regardless of the contrast. To the sequential Scanning of the object to be measured requires a single receiver. Further the energy of the light source is concentrated on a single point, so by observing each one point and its close environment the signal-to-noise ratio is good.

Die Charakterisierung des Objekts erfolgt im Gegensatz zu den oben beschriebenen Kameras nicht durch eine Auswertung des Kontrastes bzw. der dadurch erhaltenen Bilder, sondern es erfolgt eine Distanzmessung aller durch die Teil-Lichtbündel erfassten Punkte. Eine Verarbeitung der Ausgangssignale des optischen Sensors vereinfacht sich dadurch, dass nur jeweils die Bilder dieser Punkte bzw. deren naher Umgebung verarbeitet werden.The Characterization of the object is in contrast to those described above Cameras not by an evaluation of the contrast or thereby obtained images, but it takes a distance measurement of all detected by the partial light beams Points. Processing of the output signals of the optical sensor Simplified by the fact that only the images of these points or their near surroundings are processed.

Die Zahl der Teil-Lichtbündel kann je nach Anwendungsfall verschieden gewählt werden, so dass sowohl relativ hoch auflösende dreidimensionale Abbildungen des Objekts als auch Erfassungen von Objekten mit wenigen Punkten möglich sind.The Number of partial light beams can be chosen differently depending on the application, so that both relatively high resolution three-dimensional images of the object as well as observations of Objects with few points possible are.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ermöglichen eine kostengünstige und kompakte Realisierung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung dadurch, dass der Laser eine Laserdiode ist und/oder dass die Einrichtung zum Aufspalten des Lichtbündels ein Hologramm ist und/oder dass die Schalteinrichtung ein matrixförmiges Flüssigkristall-Lichtventil ist.advantageous Embodiments enable a inexpensive and compact realization of the sensor device according to the invention in that the laser is a laser diode and / or that the device for Splitting the light beam is a hologram and / or that the switching device is a matrix-shaped liquid crystal light valve.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Abbildung des remittierten Lichts auf den Matrix-Sensor mit Hilfe einer Fresnel-Linse erfolgt. Damit wird unter anderem eine Gewichtsersparnis erzielt.A further advantageous embodiment of the invention is that the image of the remitted light on the matrix sensor with the help of a Fresnel lens. This will, among other things achieved a weight saving.

Zur Messung der Laufzeit ist bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung vorzugsweise vorgesehen, dass die Einrichtung zur Bestimmung der Laufzeit eine Einrichtung zur Messung der Phasendifferenzen zwischen einer Modulation des Lichtbündels einerseits und der Modulation der dem Matrix-Sensor entnehmbaren Signale andererseits enthält. Die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung kann jedoch auch derart gestaltet sein, dass das Lichtbündel gepulst ist und dass die Einrichtung zur Bestimmung der Laufzeiten eine Einrichtung zur Messung der Pulslaufzeiten enthält.to Measuring the transit time is preferably provided in the sensor device according to the invention, that the facility for determining the duration of a facility for measuring the phase differences between a modulation of the light beam on the one hand and the modulation of the matrix sensor removable Signals on the other hand contains. The sensor device according to the invention however, it may also be designed such that the light beam is pulsed and that the facility for determining the maturities is a Device for measuring the pulse transit times contains.

Eine vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung in einem Fahrzeug besteht darin, dass die Sensoreinrichtung in das Armaturenbrett eines Fahrzeugs derart eingebaut ist, dass die Teil-Lichtbündel an der Windschutzscheibe in den Raum reflektiert werden, in dem sich der Kopf des Fahrers des Fahrzeugs befindet, und dass durch Auswertung der Laufzeiten der Ort des Kopfes bestimmt wird. In vorteilhafter Weise kann dabei vorgesehen sein, dass die ermittelte Lage des Kopfes zur Steuerung der Projektion der Bilder eines Head-up-Displays und/oder dass die ermittelte Position des Kopfes zur Früherkennung einer Schläfrigkeit des Fahrers verwendet wird. Ferner kann die ermittelte Position des Kopfes dazu verwendet werden, das Auslösen eines Airbags zu verhindern, wenn sich der Kopf eines Fahrzeuginsassen zu nahe am Airbag befindet.An advantageous application of the sensor device according to the invention in a vehicle is that the sensor device is installed in the dashboard of a vehicle such that the partial light beams are reflected on the windshield in the space in which the head of the driver of the vehicle is, and that by Evaluation of the terms of the place of the head is determined. Advantageously, it can be provided that the determined position of the head for controlling the projection of the images of a head-up display and / or that the determined position of the head for early detection of drowsiness of the driver is used. Further, the determined position of the head may be used to prevent the deployment of an airbag when the head of a vehicle occupant is too close to the airbag.

Dazu ist durch US 2001/0003168 A1 eine Einrichtung zur Erkennung der Position von Fahrzeuginsassen bekannt geworden, bei der die Lage des Kopfes durch eine Autofokus-Einrichtung ermittelt wird.To US 2001/0003168 A1 discloses a device for detecting the Position of vehicle occupants has become known in the location of the Head through an autofocus device is determined.

Es ist jedoch auch außer der Position des Kopfes des Fahrers auch eine Positionserkennung anderer Gegenstände im Fahrzeug möglich. So ist beispielsweise bei einer vorteilhaften Ausgestaltung vorgesehen, dass die Position eines Sitzes ermittelt wird.It is also out of the box the position of the driver's head also a position detection of others objects possible in the vehicle. Thus, for example, in an advantageous embodiment, that the position of a seat is determined.

Zeichnungdrawing

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:embodiments The invention are illustrated in the drawing with reference to several figures and explained in more detail in the following description. It shows:

1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung, 1 an embodiment of the sensor device according to the invention,

2 eine an sich bekannte Ausleseschaltung des optischen Matrix-Sensors und 2 a known readout circuit of the optical matrix sensor and

3 schematisch ein in ein Kraftfahrzeug eingebautes Ausführungsbeispiel. 3 schematically an installed in a motor vehicle embodiment.

Beschreibung der Ausführungsbeispieledescription the embodiments

In 1 sind derjenige Teil des Ausführungsbeispiels, der die Lichtbündel erzeugt und aussendet, und der das remittierte Licht empfangene Teil des Ausführungsbeispiels der Übersichtlichkeit halber auseinander gerückt dargestellt, obwohl sie in Wirklichkeit dicht nebeneinander angeordnet sind.In 1 are the part of the embodiment which generates and emits the light bundles, and the part of the embodiment receiving the remitted light is shown separated from each other for the sake of clarity, although in reality they are arranged close to each other.

Eine Laserdiode 1 erzeugt ein Lichtbündel, das von einer Linse 2 in ein Lichtbündel 3 mit parallelen Strahlen umgewandelt wird. Ein Hologramm 4 spaltet das Lichtbündel 3 in Teil-Lichtbündel 4, 5, 6, 7, 8 auf, die auf ein angenommenes Target 9 treffen. Mit Hilfe einer Flüssigkristall-Schalteinrichtung 10 wird nur jeweils eines der Teil-Lichtbündel zur Zeit durchgelassen. Das von dem Target 9 remittierte Licht wird mit Hilfe einer Fresnel-Linse 11 auf einen Matrix-Sensor 12 abgebildet, dessen einzelne Sensorelemente sequentiell ausgelesen werden.A laser diode 1 produces a ray of light from a lens 2 in a bundle of light 3 is converted with parallel rays. A hologram 4 splits the light beam 3 in partial light bundles 4 . 5 . 6 . 7 . 8th on that on an assumed target 9 to meet. With the help of a liquid crystal switching device 10 Only one of the partial light beams is currently passed through at a time. That of the target 9 Remitted light is using a Fresnel lens 11 on a matrix sensor 12 shown, the individual sensor elements are read out sequentially.

Eine bekannte in vielen integrierten Matrix-Sensoren dazu verwendete Vorrichtung ist in 2 dargestellt mit den lichtempfindlichen Matrix-Elementen 1.1 bis 4.3, denen jeweils ein Schalter zugeordnet ist, der die Ladung jeweils eines der Matrix-Punkte 1.1 bis 4.1, 1.2 bis 4.2 und 1.3 bis 4.3 in einen Spaltenleiter 13, 14, 15 transferiert, wobei wiederum sequentiell jeweils nur einer dieser Spaltenleiter 13, 14, 15 über einen Halbleiterschalter 16, 17, 18 mit einem Ausgangsverstärker 19 verbunden wird. Über einen Ausgang 20 können die sequentiellen Signale entnommen werden. Zum Ansteuern der Halbleiterschalter dienen Register 21, 22.One known device used in many integrated matrix sensors for this purpose is in US Pat 2 shown with the photosensitive matrix elements 1.1 to 4.3 , each of which is assigned a switch, the charge each one of the matrix points 1.1 to 4.1 . 1.2 to 4.2 and 1.3 to 4.3 in a column ladder 13 . 14 . 15 transferred, in turn, in each case sequentially only one of these column conductors 13 . 14 . 15 via a semiconductor switch 16 . 17 . 18 with an output amplifier 19 is connected. About an exit 20 The sequential signals can be taken. To drive the semiconductor switches are registers 21 . 22 ,

Vom Ausgang 20 des Matrix-Sensors 12 (1) werden die Signale einer Auswerteeinrichtung 23 zugeführt. Das Lichtbündel 3 wird mit Hilfe eines Modulators 24 dem von einem Generator 25 ein Modulationssignal zugeführt wird, isoliert. Diese Modulation findet sich in dem vom Matrix-Sensor 12 aufgenommenen Licht wieder, allerdings um die Laufzeit phasenverschoben. Diese Phasenverschiebung wird jeweils getrennt für die einzelnen Teil-Lichtbündel 4 bis 8 gemessen und in einen Entfernungswert umgerechnet, so dass an einem Ausgang 26 der Auswerteeinrichtung 23 Entfernungswerte des Objekts an den vom jeweiligen Lichtbündel getroffenen Stellen zu einer weiteren Nutzung zur Verfügung stehen.From the exit 20 of the matrix sensor 12 ( 1 ) are the signals of an evaluation 23 fed. The light beam 3 is done with the help of a modulator 24 that of a generator 25 a modulation signal is supplied, isolated. This modulation can be found in the matrix sensor 12 recorded light again, but phase-shifted by the term. This phase shift is in each case separated for the individual partial light bundles 4 to 8th measured and converted into a distance value, so that at an output 26 the evaluation device 23 Distance values of the object at the places struck by the respective light beam are available for further use.

3 zeigt schematisch den vorderen Teil eines Kraftfahrzeugs, in dessen Armaturenbrett 28 eine erfindungsgemäße Sensoreinrichtung 27 derart eingebaut ist, dass die Lichtbündel 29 von der Windschutzscheibe 30 in den Bereich eines Kopfes eines nicht dargestellten Fahrers reflektiert werden. Wie im Zusammenhang mit den 1 und 2 beschrieben, kann damit die Position des Kopfes des Fahrers ermittelt werden. Die dadurch entstehenden Daten können beispielsweise zur Steuerung eines Head-up-Displays verwendet werden oder nach geeigneter Auswertung eine Warnung auslösen, die besagt, dass der Fahrer einzuschlafen droht. 3 schematically shows the front part of a motor vehicle, in the dashboard 28 a sensor device according to the invention 27 installed so that the light beams 29 from the windshield 30 be reflected in the area of a head of a driver, not shown. As related to the 1 and 2 described so that the position of the head of the driver can be determined. The resulting data can be used for example to control a head-up display or trigger a warning after appropriate evaluation, which states that the driver threatens to fall asleep.

Claims (12)

Sensoreinrichtung zur optischen dreidimensionalen Erfassung von Objekten, gekennzeichnet durch – eine Einrichtung (4) zum Aufspalten eines Lichtbündels (3) eines Lasers (1) in mehrere zueinander divergierende Teil-Lichtbündel (4 bis 8), – eine Schalteinrichtung (10) zum sequentiellen Schalten der Teil-Lichtbündel (4 bis 8), – einen Matrix-Sensor (12), auf den vom Objekt (9) remittiertes Licht abgebildet wird und dem Signale, welche dem remittierten Licht der Teil-Lichtbündel (4 bis 8) entsprechen, entnehmbar sind und – eine Einrichtung (23) zur Bestimmung der Laufzeiten der Teil-Lichtbündel (4 bis 8) und des remittierten Lichts der Teil-Lichtbündel (4 bis 8).Sensor device for the optical three-dimensional detection of objects, characterized by - a device ( 4 ) for splitting a light bundle ( 3 ) of a laser ( 1 ) into a plurality of mutually divergent partial light bundles ( 4 to 8th ), - a switching device ( 10 ) for the sequential switching of the partial light bundles ( 4 to 8th ), - a matrix sensor ( 12 ), on the object ( 9 ) reflected light and the signals which the remitted light of the partial light beam ( 4 to 8th ), are removable, and - a facility ( 23 ) for determining the transit times of the partial light bundles ( 4 to 8th ) and the remitted light of the partial light bundles ( 4 to 8th ). Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (1) eine Laserdiode ist.Sensor device according to claim 1, characterized in that the laser ( 1 ) is a laser diode. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (4) zum Aufspalten des Lichtbündels (3) ein Hologramm ist.Sensor device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the device ( 4 ) for splitting the light bundle ( 3 ) is a hologram. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalteinrichtung (10) ein matrixförmiges Flüssigkristall-Lichtventil ist.Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the switching device ( 10 ) is a matrix-shaped liquid crystal light valve. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildung des remittierten Lichts auf den Matrix-Sensor (12) mit Hilfe einer Fresnel-Linse (11) erfolgt.Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the image of the remitted light on the matrix sensor ( 12 ) using a Fresnel lens ( 11 ) he follows. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (23) zur Bestimmung der Laufzeit eine Einrichtung zur Messung der Phasendifferenzen zwischen einer Modulation des Lichtbündels (3) einerseits und der Modulation der dem Matrix-Sensor (12) entnehmbaren Signale andererseits enthält.Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the device ( 23 ) for determining the transit time a device for measuring the phase differences between a modulation of the light beam ( 3 ) on the one hand and the modulation of the matrix sensor ( 12 ) contains removable signals on the other hand. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbündel gepulst ist und dass die Einrichtung zur Bestimmung der Laufzeiten eine Einrichtung zur Messung der Pulslaufzeiten enthält.Sensor device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the light beam is pulsed and that the Device for determining the transit times means for measuring the Pulse transit times contains. Sensoreinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinrichtung (27) in das Armaturenbrett (28) eines Fahrzeugs derart eingebaut ist, dass die Teil-Lichtbündel (29) an der Windschutzscheibe (30) in den Raum reflektiert werden, in dem sich der Kopf des Fahrers des Fahrzeugs befindet, und dass durch Auswertung der Laufzeiten der Ort des Kopfes bestimmt wird.Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor device ( 27 ) in the dashboard ( 28 ) of a vehicle is installed such that the partial light bundles ( 29 ) on the windshield ( 30 ) are reflected in the space in which the head of the driver of the vehicle is, and that is determined by evaluating the transit times of the location of the head. Sensoreinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Lage des Kopfes zur Steuerung der Projektion der Bilder eines Head-up-Displays verwendet wird.Sensor device according to claim 8, characterized in that that the determined position of the head to control the projection the images of a head-up display is used. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Position des Kopfes zur Früherkennung einer Schläfrigkeit des Fahrers verwendet wird.Sensor device according to one of claims 8 or 9, characterized in that the determined position of the head for early detection a drowsiness the driver is used. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Position des Kopfes dazu verwendet wird, das Auslösen eines Airbags zu verhindern, wenn sich der Kopf eines Fahrzeuginsassen zu nahe am Airbag befindet.Sensor device according to one of claims 8 to 10, characterized in that the determined position of the head is used to trigger to prevent an airbag when the head of a vehicle occupant too close to the airbag. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Position eines Sitzes ermittelt wird.Sensor device according to one of claims 8 to 11, characterized in that the position of a seat determined becomes.
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