在图像平面中利用动态掩模的空间选择性探测制造技术

一种用于采集场景三维几何数据的三维激光扫描仪仪器包括用于产生光束并用于使所述光束的照明点扫描通过所述场景的照明系统、包括至少一个光探测器的光探测系统和用于将所述场景中散射的或从所述场景反射的光成像到所述光探测系统的光学系统，所述光探测系统被布置成从所述场景接收光。该光探测系统包括用于动态辨别从所述场景的选定区域入射的光的可控滤光器元件和操作性连接到所述可控滤光器元件和所述照明系统的控制单元，其中在所述扫描仪仪器的工作中，所述滤光器元件受到所述控制单元的控制，以仅将从所述场景中所述照明点周围选定的空间限定区域入射的光引导到所述至少一个光探测器。

Spatial selective detection using dynamic masks in an image plane

For a 3D laser scanner instrument scene of three-dimensional geometric data for beam and for the lighting system, through which the scene lighting point scanning beam includes at least one light detector and optical detection system for the scattering of the scene or the scene from the light reflection to imaging the optical detection system of the optical system, the optical detection system is arranged to receive light from the scene. The optical detection system includes dynamic identify connections from the selected regions of the scene of the incident light controllable filter element and the operation of the control unit of the controllable filter element and the lighting system, in which the scanner instrument work, the filter element by the control unit the only around from the scene of the lighting point selected space defined region of incident light guide to the at least one light detector.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】在图像平面中利用动态掩模的空间选择性探测
本专利技术总体上涉及三维激光扫描仪，即通过依次将脉冲或调制激光束引导至场景中的不同点并且以一定时间分辨率探测来自场景对象的背散射光来采集对象的场景的三维几何数据的仪器的领域，该仪器允许通过飞行时间法确定至场景对象的距离。本专利技术更具体地适用于LADAR，LIDAR，激光测距和/或三维激光扫描仪。
技术介绍
存在三维激光扫描仪仪器的许多不同设计。这些仪器中的一些达到很高的精度，但是可能需要精确的对准和长时间的测量。当能够减小其成本和操作复杂程度时，在消费产品中许多可能这样仪器的应用是可想象的。尽管存在LIDAR成像机的概念，其避免机械致动光学元件来引导照明光束并收集场景中散射的光(例如，PCT申请PCT/EP2011/065267中公开的那样)，但使用机械移动的光学元件的设计是广泛存在的(例如，WO2011/117206、PCT/EP/2011/057192或PCT/EP2011/062314中公开的那样)。通常，当前的商用激光扫描仪装置依赖于机械系统来扫描激光束，其利用了万向悬挂支架固定的反射镜、旋转反射器或反向旋转棱镜对。这会导致相当大体积、常常有噪声且昂贵的仪器。在使用同一光路进行探测和照明的扫描仪装置中，增大用于探测的光学孔径以改善系统的聚光能力意味着同样增大照明路径中光学元件的孔径，通常是不需要这样做的。由于光学元件的尺寸和重量相应增大，在通过机械致动光学元件来扫描激光束时，这可能导致更为笨重的构造和缓慢的性能。出于这一和其他原因，像模糊或多尘状况中改进的能力，优选照明和探测的光路是独立的。在可以设计负责照明光束扫描的光学系统而不受场景中散射光探测的约束时，更紧凑和更快的设计变成可能，其利用例如微机电系统(MEMS)技术、具有微型光学系统和致动器的光纤技术。探测过程中横向空间选择性被自然地赋予了系统中的一定范围，照明和探测的光路有部分交叠。为照明和探测使用独立的光路为以针对其相应目的优化的方式设计两条光路带来了自由度，但必须要独立地提供探测中的横向空间选择性。在能够使用诸如CCD、CMOS或微辐射热测量计传感器的探测器阵列时，容易给出横向分辨率，并可以通过对所采集图像数据进行软件处理来实施本专利技术描述的大部分功能。本专利技术对于光探测器自身几乎不提供或不提供横向分辨率和选择性的扫描仪系统特别有价值，在使用单个探测器元件时就是这种情况。这种情况的原因可能是与CCD、CMOS或微辐射热探测计阵列相比单个探测器的灵敏度和/或时间分辨率增大，以及成本考虑和工作波长处的可用性。技术问题本专利技术的目的是提供一种改进型三维激光扫描仪系统。这一目的是通过权利要求1所述的装置实现的。
技术实现思路
透镜或更复杂的光学系统对照明激光光束扫描的场景成像。在这种透镜或光学系统的图像平面中，一种装置选择形状和尺寸可变的感兴趣区域(ROI)，连续重新定位并调整该感兴趣区域，从而主要在ROI之内俘获被照明点的图像。在照明光束在场景上扫描时，能够连续调整ROI的形状和尺寸。实现ROI选择的该装置将位于ROI内部的所有光路与位于ROI外部的那些分开，从而可以独立探测来自ROI内部的光。为了改善工作于同一场景的几个相似三维扫描仪之间的干扰防护，可以利用随机或伪随机序列实现每个装置中使用的激光脉冲的激光光束扫描路径和/或时间序列的充分分集(diversification)。此外，可以实施用于对ROI选择装置和透镜或成像系统的可能部分相对于扫描激光的束指向的自我对准或自动对准优化的方法，以确保系统的良好性能。还指出了如下方法：利用投影几何和被探测光的飞行时间光谱或迭代调整ROI从几何上区分从场景对象散射的光和从雾、灰尘或烟散射的光。这些方法还用于在不良大气状况下确定能见距离。根据本专利技术的一个方面，一种用于采集场景的三维几何数据的三维激光扫描仪仪器包括用于产生光束并且使所述光束的照明点扫描通过所述场景的照明系统、包括至少一个光探测器的光探测系统和用于将所述场景中散射的或从所述场景反射的光成像到所述光探测系统的光学系统，所述光探测系统被布置成从所述场景接收光。根据本专利技术，所述光探测系统包括用于动态辨别从所述场景的选定区域入射的光的可控滤光器元件和可操作地连接到所述可控滤光器元件和所述照明系统的控制单元，其中在所述扫描仪仪器的工作中，所述滤光器元件受到所述控制单元的控制，以仅将从所述场景中的所述照明点周围选定的空间限定区域入射的光引导到所述至少一个光探测器。在本专利技术的优选实施例中，所述照明点周围所述选定的空间限定区域的尺寸和/或形状是动态可调节的。优选调整选择用于探测的光的区域的位置、尺寸和形状，以便改善信噪比，或便于跟踪照明点，或便于确定性跟踪照明点的校准流程，或提供额外的功能，像改进在不良大气状况下对对象的探测。优选在几何上在从场景收集光的光学系统的图像平面中或图像平面的附近进行探测光的选择。相应地，所述滤光器元件优选在几何意义上布置于所述光学系统的成像平面中或所述成像平面的附近。应该指出的是，可以配置三维激光扫描仪仪器以使用与照明相同的光路进行探测。不过，出于上述原因，当前优选的是，扫描仪仪器使用独立光路进行照明和探测。在这种情况下，所述光束被沿第一光学路径投射到所述场景上，沿第二光学路径将所述场景中散射或反射的所述光成像到所述光探测系统上，并且其中所述第一路径和所述第二路径彼此分开。可控滤光器元件可以是任何适当配置，用于有选择地将来自场景的明确定义和受限区域的光引导到探测器。在第一实施例中，所述可控滤光器元件包括一个或多个适当形状的机械膜片桨叶(blade)，所述一个或多个机械膜片桨叶设置有电子控制的机械致动装置。或者，所述可控滤光器元件包括至少一个液晶面板，所述液晶面板包括单独可控像素的阵列以控制所述面板不同区域中光的遮挡和透射。在又一实施例中，所述可控滤光器元件包括至少一个基于LCoS(硅上液晶)技术的面板，所述面板包括单独可控像素的阵列和偏振选择性光学元件，例如偏振分束器。在这一实施例中，通过改变偏振态，并与偏振选择性光学元件，像偏振分束器结合，实现为进行探测选择的光与背景光的分离。最后，所述可控滤光器元件还可以包括微机械镜的阵列，布置并配置所述微机械镜，使得能够单独切换所述微机械镜相对于所述图像平面的取向。这项技术还被称为DLP技术(数字光处理)。所述可控滤光器元件或探测区域选择装置优选是利用系统的几何参数被电子控制并自动引导的，使得始终在探测区域之内拍摄被照明点的图像。可以利用飞行时间信息在反复测量中缩窄探测区域，实现更高的精确度。探测区域选择装置有利地受到微处理器、ASIC或其他控制电子设备的完全控制。在照明光束扫描对象场景的同时，控制单元确保了激光扫描单元和探测区域选择装置之间的协调，以便重新定位和调整为探测选择的区域，从而主要始终在探测区域之内拍摄被照明点的图像。为此，在扫描单元使用的偏转角、场景对象上被成像激光光点在图像平面中的坐标和这一对象光点与探测单元之间距离之间使用固定的几何关系。优选在计算机控制单元中由对应的可计算表达式表示将三维场景中的被照明点映射到成像透镜的图像平面中的点的几何关系，该可计算表达式具有表征仪器几何结构细节的参数，即距离和角度，可能还有装置实现照明光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于采集场景的三维几何数据的三维激光扫描仪仪器，所述三维激光扫描仪仪器包括照明系统、光探测系统、以及光学系统，所述照明系统用于产生光束并且用于使所述光束的照明点扫描通过所述场景，所述光探测系统包括至少一个光探测器，所述光探测系统被布置为接收来自所述场景的光，并且所述光学系统将所述场景中散射的或从所述场景反射的光成像到所述光探测系统；其特征在于，光探测系统包括用于动态辨别从所述场景的选定区域入射的光的可控滤光器元件、以及可操作地连接到所述可控滤光器元件和所述照明系统的控制单元，其中在所述扫描仪仪器的工作时，所述滤光器元件受到所述控制单元的控制，以仅将从所述场景中的所述照明点周围选定的空间限定区域入射的光引导到所述至少一个光探测器上。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2011.10.14 LU 918871.一种用于采集场景的三维几何数据的三维激光扫描仪仪器，所述三维激光扫描仪仪器包括照明系统、光探测系统、以及光学系统，所述照明系统用于产生光束并且用于使所述光束的照明点扫描通过所述场景，所述光探测系统包括至少一个光探测器，所述光探测系统被布置为接收来自所述场景的光，并且所述光学系统将所述场景中散射的或从所述场景反射的光成像到所述光探测系统；其特征在于，光探测系统包括用于动态辨别从所述场景的选定区域入射的光的可控滤光器元件、以及可操作地连接到所述可控滤光器元件和所述照明系统的控制单元，其中在所述扫描仪仪器的工作时，所述滤光器元件受到所述控制单元的控制，以仅将从所述场景中的所述照明点周围选定的空间限定区域入射的光引导到所述至少一个光探测器上。2.根据权利要求1所述的三维激光扫描仪仪器，其中所述照明点周围的所述选定的空间限定区域的尺寸和/或形状是能够被动态调节的。3.根据权利要求1或2所述的三维激光扫描仪仪器，其中所述滤光器元件在几何上被布置于所述光学系统的成像平面中或所述成像平面的附近。4.根据权利要求1或2所述的三维激光扫描仪仪器，其中所述光束沿第一光学路径投射到所述场景上，并且其中沿第二光学路径将所述场景中散射或反射的所述光成像到所述光探测系统上，并且其中所述第一光学路径和所述第二光学路径彼此分开。5.根据权利要求1或2所述的三维激光扫描仪仪器，其中所述可控滤光器元件包括具有适当形状的一个或多个机械膜片桨叶，所述一个或多个机械膜片桨叶设置有电子控制的机械致动装置。6.根据权利要求1或2所述的三维激光扫描仪仪器，其中所述可控滤光器元件包括至少一个液晶面板，所述液晶面板包括单独可控像素的阵列，以控制所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·赫施巴赫，
申请(专利权)人：IEE国际电子工程股份公司，
类型：发明
国别省市：卢森堡,LU