[发明专利]用于测量物体相对于表面的运动速度的光学设备

说明书

本发明涉及用于测量一个物体相对于另一个物体的相对运动的速度的设备，并且更精确地，涉及针对沿表面运动的物体的速度传感器，该表面基本上是平的(无论如何都是局部平的)并且光学上是有纹理的(即，不均匀的)。

本发明能够应用于多种环境中，并且将首先结合证明此传感器在其中尤其有益的环境来解释此发明。此环境是通过光学地观测车辆下面的地面的通过来测量机动车辆的速度：传感器安装在车辆下面。

用于驱动车辆的速度传感器最通常地基于测量车轮的旋转速度，但是它们不是非常精确的，因为总是存在关于车轮的直径的不确定性(取决于轮胎的磨损和波动水平)和关于车轮的旋转是否无滑动的不确定性(打滑和对车轮缺少控制(grip)是扰乱测量的滑动的原因。此外，这些传感器慢，因为仅通过积分脉冲速度才可用，并且当车辆慢行时，脉冲具有很低的重复率。

这就是为什么已经提出将光传感器连接到车辆的下面，该光传感器观测地面相对于车辆的运动并以此推导出车辆的真实速度。由于表面(例如，柏油)的粗糙，地面总是具有高对比度的光纹理。如果车辆向前运动，观测由光源照明的道路的小区域的光敏元件将看到光通量作为此纹理的函数变化。通过成功地测量由在车辆的运行方向上纵向地偏移的两个相同的传感器接收的信号的部分之间的关联并且由此在不同的时刻观测地面的相同部分，如果传感器之间的距离是已知的，找出容许推导车辆相对于地面的速度的最佳关联是可能的。

一种简单的解决方案在于用垂直指向路面的光束投射光斑到道路表面上，并且在于观测在源的方向上反射或散射的光。这样，当地面的反射太高时，发生了困难：光在平面反射面上的镜面反射使传感器发眩(dazzled)并且观测的图像不可用。特别在道路潮湿时，是这种情况：即使镜面反射的强度仅是源发射的强度的3％，对传感器来说，这仍然太多，传感器必须探测由不潮湿的地面或水层下面的地面背向散射的非常弱的照明。

为了解决此问题，一方面，已经提出了基于信号处理的解决方案，例如消除不是来自观测的地面纹理而是来自覆盖所述纹理的水层的信号的部分。由于观测的条件的高度可变的性质，这些解决方案不是非常有效的。

还提出了使用光隔离器，这，从光偏振条件开始(对于由水产生的镜面反射和由地面产生的背向散射，这些是不同的)，容许移除不需要的反射光。这些隔离器(偏振分束器)在该信号中产生显著的强度损耗，使得它们难于被利用。

另一个方案在于倾斜光发射相对于地表面的方向。接收器经由轴垂直于地面的光学器件来观测地面，但是源倾斜地照明地面。如果有水，则镜面反射的光线也是倾斜的并且不到达接收器。仅由地面垂直地背向散射的光线被接收器观测到。通过相对于观测轴倾斜照明轴来消除镜面反射的此技术类似于在显微镜学中使用的暗场照明技术。

然而，已经注意到，在设想的测量车辆相对于地面的运动速度的应用中，此暗场照明技术是不令人满意的。当传感器和地面之间的距离不恒定时，引起了一个缺点。如果该距离相对于观测为最佳的理论距离太大或太小，则源在相对地面倾斜的轴上产生的光斑不再在接收器下面，并且具有相对窄的接收器缝隙的接收器光学器件将不再“看到”光斑。可选地，这样需要大大增大光斑的大小并且随后的关联变得更困难，并且另外，必须对应地增大光源的功率。因此，在距离不固定的环境中，不能接受此解决方案。这正是路面上的车辆的情况下所发生的。

欧洲专利EP0562924描述这样的解决方案：倾斜照明，垂直观测。

当然，原理保持相同，如果垂直地照明地面，而倾斜接收器的观测轴，则具有相同的缺点。

现有技术(US2003/0034959)中还提出了分析计算机的光鼠标的运动的构件，其使用图像传感器和由传感器在鼠标运动时所探测的连续图像的空间关联。通过找出所有可能的运动方向中的最佳关联来实现找出图像移动的方向。

本发明的目的是提出一种设备，用于通过光学构件从对物体相对其运动的表面的观测来测量速度，即使设备和表面之间的距离变化并且即使表面由具有显著镜面反射的透明层覆盖，此设备也能够精确地运作。这里，镜面反射被认为是显著的，即使其仅表示几个百分数。

根据本发明，提出了一种设备，用于通过光学构件从对物体相对其运动的表面的图像的观测来测量物体的速度，该设备包括：照明构件，用于照明所述表面；至少一个光传感器，能够探测由所述表面返回的辐射并且提供所述表面的图像；以及用于关联这些图像的构件，其特征在于：所述照明构件和所述光传感器具有相对于所述表面倾斜的同一光轴，其倾斜度足够使从源发射并且从所述表面镜面地反射开的辐射不被所述传感器获得。