CN103975250A - 在图像平面中利用动态掩模的空间选择性探测 - Google Patents

Abstract

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。

Description

在图像平面中利用动态掩模的空间选择性探测

技术领域

本发明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。本发明更具体地适用于LADAR，LIDAR，激光测距和/或三维激光扫描仪。

背景技术

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发明描述的大部分功能。

本发明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

本发明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。

发明内容

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。

根据本发明的一个方面，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。根据本发明，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。

在本发明的优选实施例中，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束偏转和成像透镜放大的响应校准因子。

所述控制单元还驱动照明光束扫描单元，或者获得关于实际使用的激光偏转角的必要信息。同样没有对象距离信息，明确定义了被照明点的图像可能出现的图像平面中的区域，选择性探测来自这个区域的光能够显著抑制背景信号。从飞行时间测量准确获得对象场景中被照明点和探测单元之间的距离，并可以用于进一步缩窄探测区域，从而提高反复测量的精确度。探测区域选择装置还可用于将测量限制到特定的距离范围。

支配可控滤光器或ROI选择装置与扫描单元中照明光束偏转角驱动的协调的几何关系取决于扫描仪构造的实际几何结构细节。该仪器常常暴露于温度变化、机械应力、振动和冲击，因此需要对系统进行频繁的对准和校准。在优选实施例中，因此该三维激光扫描仪仪器优选包括校准机构，其被配置和调整成利用所述照明系统产生的光束来校准和对准可控滤光器元件。例如，为该仪器额外配备加速度计传感器、温度传感器和用于光学部件的致动器，以及控制回路电子装置，以实现仪器的主动振动控制和自我对准。为了补偿振动和机械应力的效应，可以利用仪器之内相关位置处的加速度计测量静态和动态加速度。从传感器数据的自动求值获得的控制信号驱动探测单元之内光学元件的致动器、成像透镜或辅助透镜系统之内的镜子和透镜和/或探测区域选择装置以及激光光束扫描单元的光学部件。可以评估在仪器之内不同位置的温度测量值以补偿由于温度变化导致的系统几何结构的变化。此外或替代地，可以在控制探测区域选择装置的单元中评估来自加速度计和温度传感器的控制信号，以便在引导该装置时考虑系统几何结构、探测系统中元件位置的变化以及照明光束的角度或位置变化。类似地，可以向控制回路中包括对激光光束扫描偏转角的引导，以校正由于振动和机械应力或温度变化导致的变化。

该装置优选使用如下方法：在已知对象距离时，自动校准确定系统几何结构的参数，这些参数是将被照明场景对象点的图像在用于探测的光学系统的图像平面中的位置映射到照明光束偏转角所需的，反之亦然。为了在成像透镜的图像平面中定位被照明对象场景点的图像，利用探测区域选择装置采用迭代式搜索流程。从包含被照明点的图像的较大探测区域开始，逐渐缩小并重新定位该区域的面积，使其包含被照明点的图像。此外，可以采用分段式光探测器，例如象限光探测器，以便于定位流程的快速收敛。飞行时间测量给出了与场景中对象点的距离，利用它完全确定了几何结构，并可以实现系统相关几何参数的更新。

本发明还涉及一种用于操作三维激光扫描仪仪器的方法，所述三维激光扫描仪仪器包括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。根据本发明的精神，该方法包括如下步骤：利用可控滤光器元件，通过控制所述滤光器元件以便仅将从所述场景中所述被照明点周围的选定空间限定区域入射的光引导到所述至少一个光探测器上，动态辨别从所述场景的选定区域入射的光。

在本发明的优选实施例中，控制所述可控滤光器元件以在不良大气状况下，例如雾中，在所述仪器工作期间遮挡来自短距离大气散射的返回光信号。这样能够有效地利用光探测器的动态范围来敏感地探测更大距离的对象，即防止来自短距离大气散射的大信号贡献使光探测器过载。

优选基于对由大气中光散射而导致的激光光束迹线的图像中的光强分布进行评估来确定不良大气状况下的能见距离。利用权利要求1中描述的探测区域选择装置并改变相继测量中探测区域的位置和/或形状和/或面积，从而获得沿大气中探测光束散射的光图像上的光强分布。

在本发明的其他实施例中，该仪器能够测量返回光的飞行时间光谱，进一步处理它以区分漫射大气散射与对象散射；从大气散射信号分量确定能见距离；以及在不良大气状况下，利用可控滤光器元件排除来自短距离的强大气散射信号来执行场景对象的敏感探测，并且逐渐增大与开始探测的距离，且调整照明脉冲能量和/或探测器增益。在仪器在不良大气状况下工作期间，测量飞行时间光谱并接下来自动分析，能够在来自大气散射的信号贡献和来自场景对象的信号贡献之间进行区分，以量化可见度。可以通过其作为时间函数的特征形状识别来自大气散射的信号贡献，像指数函数除以时间平方而减小的宽范围特征。源自场景对象的信号贡献的签名在于，作为时间的函数，它与照明脉冲的形状匹配密切。在利用低探测器增益和/或低照明脉冲能量的第一测量中，将探测区域选择装置设置成能够在整个距离范围上进行探测，可以使用飞行时间光谱推导能见距离的准确估计并探测小距离处可能的场景对象。为了测量指数函数中的衰减系数，确定拟合来自大气散射的飞行时间信号贡献的形状的因子。在为了针对更远对象探测场景的后继测量中，引导探测区域选择装置以从逐渐增大的距离发射用于探测的光，同时遮挡来自更短距离的光，并使用先前确定的可见度来估计所需的照明脉冲能量和/或光探测器增益。

可以通过如下方式执行优化被探测光学返回信号，同时确保最好地抑制源自被照明点外部区域的信号的流程：在所选的用于探测的图像平面中的区域的面积和形状的迭代变化期间，由可控滤光器元件利用额外约束来搜索返回光脉冲信号中的最大值，额外约束即所选区域的面积处于最小值而不显著降低返回信号电平。

最后，可以通过如下方式实施使工作于同一场景的两个或更多三维扫描仪装置之间干扰事故概率最小化的方法：如上所述利用选择成像透镜图像平面中对应区域的装置，连同控制电子设备和跟踪被照明点的方法，可能还有上文所述用于将被选择用于探测的被照明点区域的面积保持尽可能小的优化流程，将来自照明脉冲的返回光探测从几何关系上限制到场景中的被照明点。进一步，通过利用随机序列对照明脉冲计时和/或激光光点扫描路径进行分集，确保场景中照明点的交叠连同两个或更多系统的照明脉冲在时间上的重合仅能够发生于隔离事件中。可以利用以真随机源，例如硬件随机数发生器，或从测量像环境光强度或温度的环境参数的传感器获得的值导出的数字作为种子数的伪随机发生器，获得用于此的随机序列。

本发明在三维激光扫描仪的申请中解决了几个问题：a)它能够在探测过程之前改善对背景和杂散光的遮挡，同时可以选择更大的用于信号收集的光学孔径；b)它实现了避免与同时照明相同场景的其他相似扫描仪系统干扰(冲突)的方法；以及c)它提供了与阵列探测器共有的单探测器系统功能，例如在光束到达场景对象之前，在几何上区分来自场景中对象散射的光的信号贡献以及由于雾、灰尘、烟或昆虫导致的来自激光光束散射光的那些贡献，与分析反复测量中探测的信号的时间行为相结合，这成为可能。

问题a)：太阳和其他背景光源贡献波长为扫描仪激光波长的光，与来自照明系统自身和其他源的杂散光一起，增加到来自目标场景中对象的可能很弱的信号，并劣化了探测场景对象的信噪比。这样的外部光线也可能足够强，导致探测器的饱和问题。作为干扰光源，其他类似激光扫描仪仪器的照明系统发挥特定的作用，导致在b)下独立解决的具体问题。并非源自场景对象的另一特殊种类的干扰背景信号由大气中激光光束由于雾、烟、灰尘或成群昆虫导致的漫散射构成，这是下面在c)点下处理的特定种类问题的起因。利用本发明中提供的图像平面中的空间选择，可以有效率地将来自被照明点周围感兴趣的可变区域外部的光与包含相关信息的光分开，从而能够防止其达到探测器。因此，可以增大光学孔径以改善信号强度。

问题b)：在三维扫描仪的几种应用中，并不罕见的是，相似或相同的扫描仪系统碰巧照射同一目标区域。这可能导致两个或更多这种系统彼此干扰，导致个体系统故障，包括完全失效或高概率的错误结果，除非采取适当的预防措施来避免这种干扰。通过应用本文描述的方法，由于增大了探测的空间选择性，已经显著减小了这种干扰事件的概率，探测被引导成仅跟随源自其自己扫描系统的实际照明点。为了还确保干扰仅发生于隔离事件(然后可以识别并通过软件处理来消除它)中，由照明点在场景上采取的路径和/或照明脉冲的定时序列必须在不同系统之间不同。这里，除了刚刚提到的稀有和隔离事件之外，使用随机序列引导光束定向和/或脉冲定时能够为大量工作于同一场景的相似扫描仪系统的集合提供抗干扰能力。

问题c)：雾、烟、含尘大气或成群的小昆虫的状况对于扫描仪应用而言一般是有问题的。理想地，只要大气具有充分的透明度以允许从场景对象散射的激光的信号电平贡献远高于探测极限，就会正确探测到场景中的对象。不过，在扫描激光束到达场景对象之前，大气中漫散射的激光可能对总的被探测信号有显著贡献，并妨碍场景对象的正确探测。利用在时间上对被探测信号行为的分析(飞行时间光谱)，来自大气颗粒的漫散射可以与场景对象散射的区分开。与几何信息结合，扫描激光束相对于探测系统的光轴的定位和角度，然后可以推导图像平面中的感兴趣区域，通过其隔离源自场景对象的信号并可以以更高精确度进行测量。在更简单的流程中，在反复测量中迭代调整所选感兴趣区域，从而可以将源自场景对象的信号逐渐与大气中的散射区分开。

应当指出，在用于探测的光路与照明光路部分重合的情况下，即在探测光路与照明相反地贯穿一定量的光学元件的情况下，已经实现了探测中一定程度的空间选择性。不过，在这种情况下，用于将被照明点成像到单个探测器上的光学系统将必须实现高质量，接近衍射极限成像，以便实现本发明要实现的信号选择性。本发明提出的解决方案需要光学系统更少的关键性设计，因此可能较不昂贵。此外，本发明为探测系统赋予了更大的设计自由度，从而能够独立于关于激光光束扫描的技术实现的光学要求优化聚光能力。将信号光与背景光分开的方式的额外灵活性能够有用地增强功能。

应当指出，可以将根据本发明的三维激光扫描仪仪器或系统用于汽车领域中，例如在车祸早期预警——碰撞防护、行人保护、雾警的扫描仪应用中。在三维扫描仪在汽车中的这种应用变得更加普遍时，这里提出的帮助避免几个工作于同一场景的扫描仪之间干扰的概念将是至关重要的。本发明的其他应用可以包括机器视觉和导航应用，例如，用于生产、组装、施工区和采矿中的机器人；用于勘探或灾区恢复工作的机器人，或要求苛刻条件下的监视和安全应用。

附图说明

参考附图，从几个非限制性实施例的以下详细描述，本发明的其他细节和优点将显而易见，附图中

图1示出了ROI选择装置第一实施例的示意图，所述ROI选择装置对于选定ROI中的光其是透射的；

图2示出了利用DLP技术的反射型ROI选择装置的实施例；

图3示出了ROI选择装置利用LCoS面板的示意设置；

图4示出了一组形状简单的膜片的范例；

图5示出了激光束通过大气的传播；以及

图6示出了在三种具有不同能见距离的大气中预计的短激光脉冲之后的TOF信号。

具体实施方式

本发明的主要方面涉及三维激光扫描仪的光探测系统的额外部件，其提供了性能和功能的增强。它主要用于改善探测中的信噪比并且从探测遮挡干扰性背景和杂散光，即在上面a)中描述的问题。本发明还涉及光探测系统和扫描仪整体设计的一些方面，以便适应系统中的新部件并且获得增强的性能和功能。本发明的其他方面涉及在点b)下工作于上述相同场景的类似扫描仪仪器的干扰问题的解决方案，以及在点c)下工作于上述不良大气状况中的扫描仪问题的解决方案。后两个问题类别中提出的解决方案一部分是由本发明主要部分中介绍的装置实现的，另一部分也可以独立于这种装置实现。

考虑对象场景照明和光探测系统有独立光路的三维激光扫描仪仪器，因为对于性能而言，本发明的益处对于这种仪器是最大的。

一种简单或更复杂的光学系统(此后为简单起见称为成像透镜)对照明激光束扫描的场景成像。在成像透镜的图像平面中，装置选择图像平面之内形状、尺寸和位置可变的感兴趣区域(ROI)。这种装置(下文称为ROI选择装置)将贯穿ROI内部图像平面的所有光路与通过ROI外部的那些分开。这是通过选择性透射通过ROI内部的光并吸收或反射在ROI外部点处入射到图像平面的光，或通过将入射在ROI内部装置上的光选择性反射到与入射到ROI外部的光被反射到的不同方向来实现的。于是选择了通过ROI内部的图像平面的光，因此能够在利用成像光学系统、光学过滤器或可能还有光放大器进行进一步可能处理之后独立探测它。ROI选择装置由微处理器或控制电子装置完全控制，以便在照明光束扫描对象场景的同时重新定位和调整选定的ROI，使得被照明点主要始终在ROI之内被捕获。

为了在激光扫描单元和ROI选择之间进行协调，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。为了通过这种方式驱动ROI选择装置，在控制单元中评估提到的关系，控制单元还驱动扫描单元或者获得关于实际使用的激光偏转角的必要信息。

在仅有偏转角作为已知信息的情况下，可以在图像平面中指定具有特定倾斜角和高度的相当窄矩形或三角形区域，激光光点在场景对象上的像点不能超过该区域。为了进一步缩小像点周围的区域，需要关于场景对象上激光光点和成像透镜间距离的信息。在给出激光偏转角的条件下，然后完全确定了三维场景到图像平面上的映射。也可以反向应用以通过缩窄ROI并在像点上封闭来获得关于成像透镜和场景对象上被照射点之间距离的信息。这是一种三角形法，对于短距离而言可以重复准确。在这个意义上，ROI选择装置为单一探测器系统增加了空间选择性能力而不直接依赖于飞行时间技术。

协调扫描单元使用的偏转角和ROI选择装置需要的精确表达取决于仪器设置的实际几何结构。这些也可能因为温度变化、机械应力、振动或撞击而发生小的变化。因此，仪器的自动自我对准和校准能力非常有用。校准需要关于成像透镜到激光光点入射的场景对象的距离的精确信息，这是从场景对象背散射的光的飞行时间测量获得的。下文描述了用于自动自我对准、校准和信噪比优化的可能方法。

对于ROI选择装置的技术实现，利用不同技术的透射和反射性质的几种设计都是可能的。提供了可能设计的三个范例，其中将更详细地描述透射型的第一种。

实现ROI选择装置的第一个范例是透射所选ROI中的光。图1给出了这种设计的设置的示意图。图1中的不同附图标记指示以下特征：1对象场景；2扫描激光束；3激光源和扫描单元；4成像透镜；5成像透镜的图像平面；6透射所选感兴趣区域内部的光并遮挡或反射来自该区域外部的光的装置，例如机械桨叶膜片装置，图4中示出了其可能设计，或利用液晶技术提供选择性透射的装置；7所选光的辅助额外光学处理，例如另一成像光学系统、光学过滤器；8探测器；9用于协调空间激光扫描和ROI选择装置的计算机控制单元。

激光扫描单元3发射角度变化的激光脉冲，从而扫描包含场景的指定立体角。用于偏转激光束的特定技术的选择对于本发明而言是不重要的。不过要求在公共控制单元中有关于实际偏转角的准确信息以用于激光扫描和ROI选择装置，或者扫描单元可以被公共控制单元控制以便应用偏转角的准确值。其他参数，像激光脉冲能量和持续时间，以及激光脉冲的定时，可以由同一公共控制单元控制。

成像透镜4将场景映射到位于图像平面中的ROI选择装置上。透镜的具体设计对于本发明而言不重要，它可以包括任意数量的元件、透镜或曲面镜。成像透镜的聚光能力是优化设计非常希望做的另一方面，因为这能够改善尤其是长距离测量的信噪比，在长距离测量中，信号电平迅速变低，通常激光脉冲能量受到限制。通常，图像质量要求不是关键性的。在ROI选择装置的计算机控制中能够容易地考虑图像失真。色差是不相关的，因为通常仅将单一波长用于照明激光。至于聚焦能力和图像清晰度，要求取决于具体的扫描仪应用，但与照相镜头质量相比将会较低，因为通常激光光点直径和激光引导精度基本决定了扫描仪的分辨率。可以使用类似于消费摄像机中使用的自动聚焦系统。在很多应用中，固定焦点设计可能就足够了，其具有朝向扫描仪范围末端的聚焦设置。不过在透镜的成像能力中，应当避免不良对比度以及闪光和重影，因为本发明的主要特性效率，即信噪比会增大，可能劣化杂散和背景光的遮挡。成像透镜还可以具备图像稳定化特征，如消费型摄像机中所用的那样，基于加速度计和透镜设置之内一些光学元件的位置控制，以便防止分辨率损失和振动导致的误差。或者，也可以通过向ROI选择装置的控制中包括这个信号来闭合用于图像稳定化的控制回路。

ROI选择装置6定位于成像透镜的图像平面5中。作为透射型ROI选择装置，可以考虑利用膜片桨叶实现，其具有适当设计的机械致动，类似于照相机中使用的技术。图4中给出了图示，示出了用于此目的的形状简单的膜片桨叶的范例。图4的图例为：1和4是可平移的膜片桨叶；2，具有矩形开口的可旋转膜片桨叶；3，桨叶的旋转轴(2)。

安装具有窄矩形或三角形开口的膜片桨叶2，使其可以绕轴3旋转，角度受到机械致动器的控制。可以选择旋转轴3的位置，从而通过转动膜片桨叶，使得激光束的图像始终包含在膜片中的开口之内。旋转轴的位置由激光扫描单元、成像透镜和探测系统的几何布置决定。利用可平移的膜片桨叶1和4，可以选择沿激光束轴的区域。ROI选择装置的机械膜片实现具有极好的透射性，即，在其开口区域中不造成额外的信号损失。不过，这样的实现具有导致噪声、机械磨损和工作较慢的缺点。控制单元对ROI选择装置进行透镜畸变的算法校正还将要求比图4中所示范例提供的关于透射区域形状的更大灵活性。可以想到实现透射区域形状更大灵活性的机械设计，但这将可能带来更复杂的机械构造。

透射型ROI选择装置的更有吸引力的实现是利用液晶(LC)技术的设计。液晶显示技术在消费电子装置和IT设备中广泛使用。在显示面板中，利用了液晶层根据电场改变贯穿液晶层的光的偏振的性质。为此，由两个透明电极包围LC层，构造其中至少一个透明电极以获得面板的像素结构。选择LC层的厚度，使得在利用电场切换LC的双折射时，透射光偏振的旋转高达90°。在取向正交的两个偏振膜之间夹置这个组件实现了每个像素的独立光学开关。由于我们的应用不要求灰度级能力，铁电液晶提供了快速响应时间和双稳态的有利性质。

对于我们的应用，LC面板的导通值透射率应当尽可能高，以便使信号光的损失保持较低。

ROI选择装置的LC型实现的缺点是仅留下信号光的一个偏振方向用于探测。

在给出反射型ROI选择装置的两种可能实现之前，图1中所示的透射型设计的一些部件留待稍后描述。在挑选出信号光由ROI选择装置探测之后，必须要由辅助反射或反射光学系统7将其成像到光探测器8的敏感区。此外，可以在探测器前方安装针对扫描激光波长的带通滤光器。作为光探测器，可以使用雪崩光电二极管(APD)、PIN型光电二极管、混合式探测器APD/PIN或光电倍增管(PMT)。

图2中示出了利用DLP技术的反射型ROI选择装置的实现。DLP(数字光处理器)技术基于微机械镜阵列，它们是可以单独寻址的，可以利用静电力切换到适当位置。

图2的图例：1对象场景；2扫描激光束；3激光源和扫描单元；4成像透镜；5成像的图像平面；6基于DLP技术的装置，在特定方向上反射选定感兴趣区域内部的光；7选定光的辅助额外光学处理，例如额外的成像光学系统、光学过滤器；8探测器；9光束存储仓(dump)，用于选定ROI外部的光，其被DLP装置在第二特定方向上反射；10用于空间激光扫描和ROI选择装置协调的计算机控制单元。

微型镜关和开状态之间之间的典型倾角大约为10°，这对于实现ROI选择装置而言是足够的了。将DLP装置6置于成像透镜4的图像平面5中，微型镜在辅助光学系统的方向上在其开状态下反射光，辅助光学系统成像到探测器的敏感表面8上。在将它们切换到关状态时，微型镜将光偏转到光束存储仓，在此光被吸收。

可以想到利用LCoS(硅上液晶)技术的反射型ROI选择装置的另一种实现。LCoS面板技术与透射型LC面板具有相似性。光偏振再次被改变，但这次在LCoS装置处被反射。LCoS每个像素的效果是镜前可切换相位片的效果，利用开关状态之间LC层双折射的差异，实现了对应于例如四分之一波片的偏振的两个正交方向之间的相移。图3示出了ROI选择装置利用LCoS面板6的示意设置。图3的图例：1对象场景；2扫描激光束；3激光源和扫描单元；4成像透镜；5成像透镜的图像平面；6基于LCoS技术的装置，反射选定感兴趣区域内部的光，在偏振的两个正交方向之间具有90°的额外相移；7选定光的辅助额外光学处理，例如额外的成像光学系统、光学滤光器；8探测器；9偏振分束器；10用于协调空间激光扫描和ROI选择装置的计算机控制单元。

LCoS面板6定位于成像透镜4的图像平面5中。为了选出在反射后由LCoS面板探测的光，在成像透镜和LCoS面板之间放置偏振分束器9。偏振分束器仅透射一种线偏振光而反射另一种。开状态下的LCoS面板的像素反射偏振被旋转90°的光，使其被偏振分束器在辅助光学系统7的方向上偏转，聚焦到探测器8的有源区域上。

对准、校准和信噪比优化的方法

支配ROI选择装置与扫描单元中照明光束偏转角驱动的协调的几何关系取决于扫描仪构造的实际几何结构细节。在很多应用中，仪器暴露于温度变化、机械应力、振动和冲击，使得即使在使用被动稳定且机械刚性设计时也需要频繁对准和校准系统。仪器的自动自我对准和校准能力连同主动振动控制技术是非常有用的，对于需求高的应用，高度推荐它们。

在很大程度上，可以利用与例如照相机和摄像机中使用的类似主动振动控制技术来补偿因振动导致的仪器设置的几何结构变化。在仪器之内的相关位置处，加速度计测量不同方向上的静态和动态加速度，从其导出不同光学部件致动器的控制信号，使振动和机械应力对仪器几何结构导致的影响最小化。用于控制的被致动光学部件可以是镜子和透镜。相应地设计光学系统以允许通过这种方式有效率地控制振动和静态加速度。此外或替代地，可以在控制ROI选择装置的单元中评估来自加速度计的控制信号，以便在这个层次上考虑探测系统中元件位置的变化以及从扫描单元发射的照明光束的角度或位置变化。

为了相对于照明扫描单元校准ROI选择装置，可以始终观察对两种装置的控制，两种装置工作在与装置相关的坐标系中。对于ROI选择装置，这是成像透镜图像平面中其有效表面的坐标系。在利用LC面板的实现范例中，面板中像素的索引表示实际的坐标系。对于扫描单元而言，控制必须要使用映射照明光束两个偏转角，即水平和垂直偏转角的坐标系。校淮包括三个层次：第一，两个相应坐标系原点的可能偏移，对应于成像透镜的元件或探测系统其他部分相对于扫描单元发射点的水平和垂直位移，或扫描单元的引导方向相对于成像透镜光轴的变化。第二，每个坐标系相应比例的变化，这可能是由成像透镜放大率的变化导致的，即由成像透镜或ROI选择装置的元件沿光轴位移导致，或由装置偏转扫描单元中照明光束的响应幅度变化导致。第三，两个坐标系之间的可能旋转角，这反映了例如扫描单元相对于探测系统在与成像透镜光轴正交的平面中的倾角的可能变化。

在ROI选择装置的计算机控制单元中由对应的可计算表达式表示了将三维场景中的被照明点映射到成像透镜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束偏转或成像透镜放大的响应校准因子。在校准流程中调整这些参数的值，以便校正因为温度变化、机械应力、振动和冲击或系统磨损和老化而发生的变化。校准需要关于探测器到激光光点入射的场景对象的距离的精确信息，这是从场景对象背散射的光的飞行时间测量获得的。所使用的偏转角信息是由扫描单元提供的，或者由控制单元设置为指定值。为了找到三维场景中被成像激光光点在图像平面中的精确位置，可以使用迭代搜索流程，通过该流程调整ROI的位置，以便从ROI的更大直径开始然后减小它，从而优化探测器信号电平。也可以想到使用分段式光探测器，例如象限光探测器的方法，来获得位置信息。为了在全部三个层次上进行校准，分布于三维场景上的几个测量点是必要的。可以在定义的事件，像是应操作员请求，在仪器加电时，在过去一定时间之后周期性地，或在到达特定温度变化时，执行校准。对于需求较高的应用，与三维场景的实际测量并行地持久运行校准流程也可能是可行的。在此，可以想到自适应自学式或预测性流程，其使用优化的校准策略，方式是对最可能变化的参数校准优先化并识别特定参数变化的趋势。

此外，可以想到自适应流程来通过作用于激光脉冲能量以及ROI选择的尺寸和形状来优化被探测信号的信噪比。

对类别b)的问题的解决方案：避免工作于同一场景的几种类似扫描仪系统之间的干扰

在图像平面中引入ROI选择装置之后，就能够使探测成为选择性的，使得仅有来自系统自己的激光照明的三维场景中的光点的光到达探测器。由于这样将探测限制到视场的小部分，所以与对探测器视场的必要部分更大的部分敏感的探测系统相比，已经大大减小了同时探测源自工作于同一场景的另一类似仪器的照明光的概率。这一概率减小到两个仪器的照明光点在三维场景中同一点中交叠的概率乘以照明脉冲在时间上重合的概率。可以利用更短的激光脉冲持续时间来进一步减小这种时间空间干扰性双重重合的概率。为了进一步确保这样罕见的重合仅在隔离事件中发生，必须要引入照明脉冲定时和/或在场景上引导照明点路径的分集。实现分集的有效方法是利用随机序列进行照明脉冲定时和/或引导激光光点通过场景。可以将伪随机数发生器用于这个目的并提供足够大的随机性，尤其是在使用足够大的周期且在选择种子数时引入额外的真实随机性时。

对类别c)问题的解决方案：用于测量能见距离和改进不良大气状况下对象探测的方法

众所周知，在探测和照明轴分离得很开时，减少了大气中颗粒漫散射的信号贡献。这也是图像平面中的ROI选择装置最有用的配置。在由于大气状况不好、雾或烟、灰尘或成群昆虫而使能见度下降的情况下，ROI选择装置能够实现额外功能并改善使采用飞行时间技术提供的功能，以表征能见距离以及改善能见度下降的大气中对象的探测。

在设置激光偏转角，使得激光光束路径完全保持在成像透镜的视场之内且激光光束没有入射到场景对象时，由于大气中光散射的原因，原则上仅能够从投影几何学基于激光光束迹线图像的评估来确定能见距离。激光光束通过大气传播的图像对应于图5中示意性示出的线段。该线段的起点由光束进入图像平面中的圆1划定的透镜视场的位置决定。线段4的结束点对应于场景中最远且从大气散射提供恰好超过探测极限的信号水平的点。因此，这个结束点的位置决定了能见距离。对于更长的能见距离，这个点接近图5中的收敛点，其对应于激光光束引导至的场景中无穷远处的点。

图5的图例：1成像透镜视场的图像圆；2视场中心；3激光光束传播到非常大或无穷远距离的收敛点；4来自大气中散射光的信号电平减小到探测极限的点。

利用这种依赖于三角测量的方法，确定距成像透镜的距离的准确度随着距离增大而迅速减小。这是因为对于大距离，将点从三维场景映射到图像平面的函数的斜率变为零导致的。于是，仅仅依赖于透视考虑的落后方法仅仅在短距可见度的情况下才可行。

为了精确确定能见距离，必须要评估背散射光信号的飞行时间(TOF)光谱。为了记录TOF光谱，已知有几种方法并通用于涉及短脉冲定时的各种技术和科学应用中，例如粒子物理试验中。作为这种方法的范例，可以在时间到数字变换器中处理来自快速光探测器、APD或PMT的信号，在此将每个探测器脉冲用与探测时间相关的时间戳标记。这需要两个脉冲之间探测器有充分短的死时间。这种类型的其他方法使用多道定标器或时间到幅度变换器与多通道缓存结合。在使用PIN光探测器或APD在线性工作模式中时，可以利用快速ADC处理获得的模拟信号并由类似于数字采样示波器中使用的那些电路以充分高速率进行采样。涉及技术较少的方法包括使用时间选通的探测。在此，探测器仅在触发脉冲之后可调节延迟的短时间段之内工作，或者仅在具有可调节延迟的这一短时间段内对探测器信号进行积分。通过改变反复测量中用于探测的选通延迟来记录TOF光谱。

图6示出了在三种具有不同能见距离的大气中预计的短激光脉冲之后的TOF信号。

用实线绘制的曲线代表针对能见距离的三个不同值，来自大气中漫散射的光的被探测信号的时间相关性。对于最短的能见距离，更短时间的信号最高。利用虚线绘制的曲线示出了来自硬物体的背散射的探测器信号，该硬物体在允许中等可见性的大气中，一次位于较小距离，一次位于较大距离。来自硬对象的信号叠加在从大气中的漫散射接收的信号。

从测量的TOF曲线中信号的电平和形状，可以准确地确定能见距离的曲线。在TOF光谱中，来自场景中硬对象散射的信号光谱呈现为锐利的特征，其宽度基本对应于用于照明的脉冲持续时间。在更短距离处，来自大气中漫散射的背景信号可能比来自更大距离处硬对象的信号大几个数量级。在时间解析的测量中，可以通过其相应的特征形状明确地区分两种信号源。随着距离增大和能见距离减小，来自硬对象的背散射信号强度减小，相应地，与漫散射背景的对比度减小并最终消失。对TOF光谱进行软件处理能够对能见度下降状况下场景中的对象进行改进的探测和定位。

根据所用光探测器的类型，来自较短距离处大气中漫散射的大信号电平，即TOF光谱中较短时间的大信号电平可能导致探测器饱和问题，从而在稍晚时间妨碍适当地探测信号。作为补救措施，可以减少激光脉冲能量，或者如果提供探测器或后继放大器的可变增益，就可以调整它，使得例如可以准确测量大气中漫散射的形状和信号电平。不过，为了探测来自更大距离处对象的弱信号，需要大的激光脉冲能量以及高的探测增益。探测系统的动态范围或其受控调整速度可能不足以允许明确探测漫散射大气中远方场景对象。在这些情况下，本发明提供的选择ROI并从几何意义上遮挡该ROI外部所有光以免被探测的能力是非常有用的。在以降低的灵敏度进行第一次测量以获得整个范围的概要之后，可以编程控制ROI选择装置以从短距离处的漫散射消除强信号，并允许在具有大脉冲能量和探测器系统高增益的第二次测量中准确探测较大距离处的对象。

Claims (12)

1.一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至3中的任一项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，并且其中所述第一路径和所述第二路径彼此分开。

5.根据权利要求1至4中的任一项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至4中的任一项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，以控制所述面板的不同区域中的光的遮挡和透射。

7.根据权利要求1至4中的任一项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基于LCoS(硅上液晶)技术的面板，所述至少一个基于LCoS(硅上液晶)技术的面板包括单独可控像素的阵列以及诸如偏振分束器等偏振选择性光学元件。

8.根据权利要求1至4中的任一项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微机械镜的阵列，所述微机械镜被布置并且配置成使得能够单独切换所述微机械镜相对于图像平面的取向。

9.根据权利要求1至8中的任一项所述的三维激光扫描仪仪器，还包括校准机构，所述校准机构被配置并且调整成利用所述照明系统产生的光束来校准和对准所述可控滤光器元件。

10.一种用于操作三维激光扫描仪仪器的方法，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成接收来自所述场景的光，并且所述光学系统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，所述方法包括如下步骤：

利用可控滤光器元件来动态辨别从所述场景的选定区域入射的光，以及通过控制所述滤光器元件以仅将从所述场景中的所述照明点周围的选定空间限定区域入射的光引导到所述至少一个光探测器上。

11.根据权利要求10所述的操作三维激光扫描仪仪器的方法，其中控制所述可控滤光器元件以在不良大气状况下在所述仪器的工作期间遮挡来自短距离处的大气散射的返回光信号。

12.根据权利要求11所述的操作三维激光扫描仪仪器的方法，其中基于对由大气中的光散射而导致的激光光束迹线的图像中的光强分布进行评估来确定不良大气状况下的能见距离。