CN110226104A - 用于物体检测的系统 - Google Patents

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Abstract

公开了用于增强的物体检测和识别的系统。该系统提供在物体检测和识别方面的新的能力。该系统可与例如自主汽车、人驾驶的机动车辆、机器人、无人机和飞机的各种交通工具一起使用，并可检测在例如大雨、下雪或太阳眩光的不利的操作条件中的物体。增强的物体检测也可用于检测在静止物体周围的环境中的物体。此外，这种系统可以基于在来自材料的发射或反射信号中的已编码信息来快速识别物体和将物体分类。

Description

用于物体检测的系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年1月26日提交的美国临时专利申请62/450,669、2017年1月30日提交的美国临时专利申请62/452,349、2017年5月19日提交的美国临时专利申请62/508,391和2017年5月19日提交的美国临时专利申请62/508,392的优先权，所有这些申请均通过引用被并入本文。
发明背景
发明领域
本公开总体上涉及物体检测系统和部件。更具体地，本文公开的实施例涉及用于由固定平台或移动平台(例如自主车辆)进行的物体感知的红外(IR)信号检测设备和系统。
一些车辆被配置成在自主模式中操作，在自主模式中车辆在有很少或者没有来自驾驶员的输入的情况下在环境之中导航。这种车辆通常具有被配置为感测关于环境的信息的一个或更多个传感器。车辆可以使用这样的信息来在环境之中导航并避免碰撞。
迄今为止，由这种传感系统获得的信息被限制。虽然一些当前的技术可能能够检测附近的物体，但还不可能对这种物体的特性了解很多。
开发用于增强的物体检测分类的检测系统将是有用的，使得附近物体的特性也可以被区分以做出对周围环境的更具体的识别。
概述
在本发明的一个实施例中，公开了一种用于增强的物体检测系统的平台。该平台包括电磁辐射源；与电磁辐射源通信的第一调制器；以及通信地耦合到增强的物体检测系统的检测器模块，该检测器模块包括接收来自第一调制器的输出的一个或更多个检测器；以及计算系统，其包括非暂时性计算机可读介质并且通信地耦合到电磁辐射源和检测器模块。该平台在检测模式中可操作，其中：电磁辐射源朝着第一调制器发射源信号；第一调制器将源信号转换成返回信号，其中返回信号包括源信号的至少一个特性的修改，该特性选自由偏振状态、波长、相位、强度和方向组成的组；第一调制器发射返回信号；在检测器模块中的检测器检测返回信号的一部分；以及计算系统在源信号和返回信号的该一部分之间进行比较，生成该修改的特性描述(characterization)，并基于该特性描述来提供第一调制器的识别。在一些布置中，任何电磁辐射信号的一部分可以范围从1％至100％或者被包含在其中的任何范围。
在一些布置中，电磁辐射源和检测器模块位于同一位置。在一些布置中，电磁辐射源和第一调制器位于同一位置。在一些布置中，源信号包括在0.25μm和15μm之间的一个或更多个波长。在一些布置中，源信号是偏振的。在一些布置中，源信号包括一系列子信号，并且子信号被顺序地发射。如上所列出的，子信号可以都具有相同的特性，或者如上所列出的，一些或所有子信号可以具有不同的特性。
在一些布置中，第一调制器包括水、冰、雪、沥青和混凝土中的一种或更多种。
在一些布置中，第一调制器包括反射器(或回射器(retroreflector))。反射器可以具有对源信号透明的涂层。涂层可以包括手性材料、双折射材料、非线性光学材料和荧光材料中的一种或更多种。
在一些布置中，检测器模块包括至少一个电磁辐射检测器，例如电荷耦合器件、CMOS传感器、量子阱检测器或量子点检测器。检测器模块还可以包括与电磁辐射检测器通信的滤波器。滤波器可以包括金属线、双折射材料、手性材料、等离子体金属、非线性光学材料和荧光材料中的一种或更多种。在一些布置中，滤波器包括金属线、金属纳米颗粒和基于液晶的材料中的一种或更多种，并且滤波器的特性通过施加来自与滤波器通信的电场源的电场来调制。
在一些布置中，与电磁辐射检测器通信的滤波器(即，耦合到电磁辐射检测器的滤波器)将返回信号的第一部分传输到电磁辐射检测器。第一部分具有第一特性，例如波长、偏振和/或相位。
在一些布置中，第一滤波器与第一电磁辐射检测器通信，以及第二滤波器与第二电磁辐射检测器通信。第一滤波器将返回信号的第一部分传输到第一电磁辐射检测器，以及第二滤波器将返回信号的第二部分传输到第二电磁辐射检测器。第一部分具有第一特性，例如波长、偏振和/或相位；第二部分具有第二特性，例如波长、偏振和/或相位；以及第一特性和第二特性是不同的。在一些布置中，第一特性在特性的种类上不同于第二特性，即，第一特性是特定波长，而第二特性是特定偏振。在一些布置中，第一特性在相同种类的特性内不同于第二特性，即，第一特性是第一波长，而第二特性是不同于第一波长的第二波长。
在一些布置中，第一滤波器和第三滤波器都与第一电磁辐射检测器通信。第一滤波器将返回信号的第一部分传输到第一电磁辐射检测器，以及第三滤波器将返回信号的第三部分传输到第一电磁辐射检测器。第一部分具有第一特性，例如波长、偏振和/或相位；第三部分具有第三特性，例如波长、偏振和/或相位；以及第一特性和第三特征是不同的。在一些布置中，第一特性在特性的种类上不同于第三特性，即，第一特性是特定波长，而第三特性是特定偏振。在一些布置中，第一特性在同一种类的特性内不同于第三特性，即，第一特性是第一波长，而第三特性是不同于第一波长的第三波长。
在一些布置中，当滤波器与检测器一起被使用时，如上所述并且当平台在检测模式中可操作时，计算系统在源信号和返回信号的第一部分之间进行第一比较；在源信号和返回信号的第二部分之间进行第二比较；以及使用第一比较和第二比较来生成该修改的特性描述，并且基于该特性描述来提供第一调制器的识别。
在一些布置中，当滤波器与检测器一起被使用时，如上所述并且当平台在检测模式中可操作时，计算系统在源信号和返回信号的第一部分之间进行第一比较；在源信号和返回信号的第二部分之间进行第二比较；在返回信号的第一部分和返回信号的第二部分之间进行第三比较；以及使用第一比较、第二比较和第三比较来生成该修改的特性描述，并且基于该特性描述来提供第一调制器的识别。
在本发明的另一个实施例中，用于增强的物体检测系统的平台包括红外辐射源；与红外辐射源通信的第一调制器，该第一调制器包括反射器；以及通信地耦合到增强的物体检测系统的检测器模块，该检测器模块包括接收第一调制器的输出的一个或更多个检测器；以及通信地耦合到红外辐射源和检测器模块的计算系统。平台在检测模式中可操作，其中红外辐射源朝着第一调制器发射源信号；第一调制器将源信号转换成返回信号，其中返回信号包括源信号的至少一个特性的修改，该特性选自由偏振状态、波长和强度组成的组；第一调制器发射返回信号；检测器模块中的检测器检测返回信号的一部分；以及计算系统在源信号和返回信号的该一部分之间进行比较，生成该修改的特性描述，并基于该特性描述来提供第一调制器的识别。
在本发明的另一个实施例中，这里描述的任何平台都可以被定制成检测在基底上的冰层。这种平台包括红外辐射源；在基底上的充当第一调制器并与红外辐射源通信的冰层；以及通信地耦合到增强的物体检测系统的检测器模块，该检测器模块包括接收第一调制器的输出的两个检测器；以及通信地耦合到红外辐射源和检测器模块的计算系统。该平台在检测模式中可操作，其中红外辐射源朝着第一调制器发射具有第一椭圆偏振的源信号；第一调制器将源信号转换成返回信号，其中返回信号具有包括至少第二椭圆(或其他)偏振的修改；第一调制器发射返回信号；在检测器模块中的第一检测器与第一滤波器通信地耦合，第一滤波器被配置为将返回信号的具有第二偏振的第一部分传输到第一检测器，第一检测器检测返回信号的第一部分；在检测器模块中的第二检测器与第二滤波器通信地耦合，第二滤波器被配置为将返回信号的具有预选波长的第二部分传输到第二检测器，第二检测器检测返回信号的第二部分；以及计算系统在源信号、返回信号的第一部分和返回信号的第二部分之间进行比较，生成该修改的特性描述，并且基于该特性描述来提供第一调制器是冰层的确认。在一些布置中，计算系统还基于该特性描述来生成冰层的近似厚度。
在本发明的另一个实施例中，公开了一种用于增强的物体检测的系统。该系统包括：电磁辐射源，其被配置成发射源信号；第一调制器，其被配置为接收源信号并对源信号进行修改，以便创建和传输返回信号；检测器模块，其被配置为检测返回信号；以及包括非暂时性计算机可读介质的计算机处理器，该计算机处理器被配置为将返回信号与源信号进行比较以确定由第一调制器做出的修改，并且通过将修改与已知调制器及其修改性质的列表相关联来识别第一调制器。在一些布置中，对源信号的修改是对偏振状态、波长、相位、强度和/或方向中的一个或更多个的改变。
在一些布置中，检测器模块包括一个或更多个电磁辐射检测器。检测器中至少一个可以耦合到波导，并且波导被配置成将返回信号引导到检测器。任何波导都可以被配置成将返回信号引导到一个或更多个检测器。
在一些布置中，检测器模块包括一个或更多个电磁辐射检测器。检测器中至少一个可以耦合到强度调节器，并且强度调节器被配置成将传输到检测器的已修改信号的强度调节到在原始修改信号的大约0％和200％之间的强度。
在一些布置中，调制器是普通物体，例如人、车辆、衣服、植物群、动物群、道路材料、道路分界线、标志和路面状况(例如冰、雪、浅水或深水)。在一些布置中，调制器是其调制性质通过反射器(或回射器)的添加来增强的物体。在一些布置中，反射器包括被配置成引起例如上面所述的修改的涂层。
在本发明的另一个实施例中，公开了一种使用增强的物体检测系统的方法。该方法包括下面的步骤：提供被配置成发射具有第一特性的源信号的电磁辐射源；将源信号引导到第一调制器；允许第一调制器接收源信号并修改源信号的第一特性，以创建具有不同于第一特性的第二特性的返回信号；允许第一调制器发射返回信号；提供检测器以接收返回信号；以及提供计算机处理器以生成源信号的特性描述和返回信号的特性描述，以确定在第一特性和第二特性之间的变化，并基于该变化来识别第一调制器。在一些布置中，第一特性是偏振。在一些布置中，第一特性是波长。在一些布置中，第一特性是相位、强度和/或方向。
附图简述
当结合附图阅读时，前述方面及其他方面将由有技能的技术人员根据说明性实施例的下面的描述容易认识到。
图1是示出根据本发明的实施例的用于增强的物体检测的系统的示意图。
图2是根据本发明的实施例的用前涂层编码的物体的示意图。
图3是根据本发明的实施例的用前涂层和背涂层编码的物体的示意图。
图4是根据本发明的另一个实施例的用前涂层和背涂层编码的物体的示意图。
图5是根据本发明的实施例的用背涂层编码的物体的示意图。
图6A是根据本发明的实施例的薄片反射器(platelet reflector)的示意性横截面图。
图6B是根据本发明的实施例的立方体回射器(cube retroreflector)的示意性横截面图。
图6C示出了根据本发明的实施例的球形反向反射器的示意性横截面图。
图7是根据本发明的实施例的用四种不同种类的反射器编码的物体的示意图。
图8A示出了在电磁辐射信号的偏振中的修改的示例。
图8B示出了在电磁辐射信号的时间延迟中的修改的示例。
图8C示出了在电磁辐射信号的波长中的修改的示例。
图9是根据本发明的实施例的单个检测器模块的示意图。
图10是根据本发明的实施例的包含子单元的滤波器单元的示意图。
图11是根据本发明的实施例的包含电磁辐射检测器的阵列的元像素的平面图示意图。
图12是根据本发明的实施例的包含耦合到线偏振滤波器的电磁辐射检测器的阵列的元像素的平面图示意图。
图13是根据本发明的实施例的包含电磁辐射检测器的元像素的一部分的示意性截面图。
图14是根据本发明的实施例的检测器模块的示意性截面图。
图15是示出在示例性实施例中区分开冰和水的数据的曲线图。
图16A是在示例性实施例中使用本文公开的系统产生的图像，其中冰岛表现为亮区域。
图16B是在图16A中所示的区域的光学图像。
图17A是在示例性实施例中在一种配置中使用本文公开的系统产生的沥青的图像。
图17B是在示例性实施例中在另一配置中使用本文公开的系统产生的与图17A所示的相同的同一沥青的图像。
图18A是在示例性实施例中在一种配置中使用本文公开的系统产生的在混凝土附近的路标的图像。
图18B是在示例性实施例中在另一配置中使用本文公开的系统产生的如图18A所示的在混凝土附近的同一路标的图像。
图19示出了示例性实施例中的九个不同的聚合物点的一系列图像。
图20示出了在示例性实施例中在不同的配置中使用本文公开的系统产生的一系列图像。
图21示出了在示例性实施例中在不同的配置中使用本文公开的系统产生的同一物体的两个不同图像。
详细描述
在检测移动车辆中的附近物体的背景中示出本发明的实施例。然而，技术人员将容易地认识到，本文公开的材料和方法在许多其他背景中有应用：其中物体感测是合乎需要的，尤其是其中辨别这样的物体的特定特性是重要的。
从结合附图进行的下面的详细描述中，本发明的这些和其它目的和优点将变得更充分明显。
本文公开的所有范围意欲包括被包含在其中的所有范围，除非另有特别规定。如在本文所使用的，“被包含在其中的任何范围”意指在规定范围内的任何范围。
本文所提及的所有出版物为了所有的目的通过引用以其整体并入本文，好像在本文充分阐述的一样。
定义
术语“增强的物体检测”在本文中用来意指物体的检测和实现物体的特定分类和/或识别的一个或更多个附加属性。术语“调制”在本文用来意指对电磁辐射信号的性质做出改变。调制的示例包括但不限于反射、重定向、波长偏移、频率偏移、偏振变化和强度变化。实现调制的材料可以被称为“调制器”。术语“对信号编码”在本文用来意指调制源电磁辐射信号以用可预测的方式产生返回的电磁辐射信号。“已编码信号”是已经历这种调制且包含关于产生调制的物体的已编码信息的信号。
术语“电磁辐射信号”和“信号”在本文可互换地被使用来意指相同的事物。源信号是由源模块产生的电磁辐射信号。当源信号与物体交互作用时，它经历调制。在这样的源信号离开物体之后，它被称为返回信号，其是通过与物体的交互作用而经历调制并且包含已编码信息的电磁辐射信号。
术语“反射器”在本文用于包括单反射器和回射器。
如在本文公开的本发明的实施例描述了用于增强的物体检测的系统和编码材料。这种系统和编码材料可以与各种交通工具(例如自主汽车、人驾驶的机动车辆、机器人、无人机和飞机)一起使用。这种系统可以与LIDAR、雷达、摄像机或可能协助检测在车辆周围的环境中的物体的其他设备结合来使用。在一些布置中，增强的物体检测可用于在静止物体周围的环境中检测物体，例如以确定道路状况、监控交通、广播报告、在仓库中定位机器人或包裹或者在停车场或建筑物中找到车辆。这种系统也可以与在进入点(例如主题公园、上山吊椅、公共运输系统或无钥匙进入点)处的认证或售票系统一起使用。这种系统也可以在基于位置的市场交易或增强现实系统中用于实现在设备和物体之间的交互作用。这种系统可用于帮助视力受损或听力受损者与物体交互作用和在环境中导航。这种系统也可以与智能武器一起使用，例如用于积极的目标识别和友好的火灾预防。这种系统也可以在零售应用中用于实现远程交易认证或购买。这种系统也可以在玩具中用于实现在设备和物体之间的可交互性。用于增强的物体检测的这种系统包括如本文所述的各种特征、设计和材料配置。
如本文所述，本发明的实施例提供了物体检测和识别方面的新能力。例如，本文描述的系统可以检测在不利的操作条件(例如大雨、下雪或太阳眩光)中的物体。此外，在一些布置中，这种系统可以基于在从材料发送出的返回信号中的已编码信息来快速识别诸如障碍物或标志的物体和将诸如障碍物或标志的物体分类。结合下面的描述和附图更详细描述了这些和其它优点和特征。
图1是示出根据本发明的实施例的用于增强的物体检测的系统100的示意图。系统100包括可以发射源电磁辐射信号170的源模块110和可以接收返回的电磁辐射信号180的检测器模块120。如图1所示，源模块110和检测器模块120可以在不同的位置上。在一些布置中，源模块110和检测器模块120在同一位置上。在一些布置中，源模块110和检测器模块120在相同或不同的移动平台上。在一些布置中，源模块110和检测器模块120在相同或不同的固定平台上。在一些布置中，源模块110在移动平台上，而检测器模块120在固定平台上。在一些布置中，源模块110在固定平台上，而检测器模块120在移动平台上。
源电磁辐射信号170照亮物体130。物体130与源电磁辐射信号170交互作用，充当修改信号的一些特性并发送出返回的电磁辐射信号180的调制器。在一些布置中，材料和/或结构被添加到感兴趣的物体以实现或增强这种调制或修改，如下面更详细讨论的。由物体130做出的在信号中的修改可以是简单的或复杂的。这种信号修改可以包括方向(例如，单反射或重定向)、强度、偏振状态和波长中的一些或全部。这种系统100还可以包括计算机处理器(未示出)，其被配置为将源电磁辐射信号170与返回的电磁辐射信号180进行比较，以便确定已由物体130做出的修改。计算机处理器可以进一步被配置为通过将信号中的修改与已知调制器及其信号修改性质的列表相关联来识别物体。源电磁辐射信号170和返回的电磁辐射信号180每个可以包括具有一个波长且可以或可以不是偏振的单信号或者具有多种波长和偏振的复杂信号。源电磁辐射信号170和返回的电磁辐射信号180可以每个是连续的或脉冲的。
在一个布置中，源模块110和物体130被定位在一起。源电磁辐射信号170在物体130内被创建，物体130修改源信号以创建返回的电磁辐射信号180，并且返回信号由检测器模块120检测。
在本发明的一些实施例中，源模块、物体和检测器模块在不同的位置上。在本发明的一些实施例中，存在多个源模块、物体和/或检测器模块。在一些布置中，源模块和检测器模块位于同一位置且相对于静止或移动物体是静止的。在一些布置中，源模块和检测器模块位于同一位置且相对于静止或移动物体是移动的。在一些布置中，源模块、物体和检测器模块都位于不同的位置处，并且每个都可以是移动的或固定的。
在本发明的一个实施例中，源模块与物体位于同一位置，检测器模块在不同的位置上，并且源模块/物体位置和检测器模块位置可以都是静止的或者可以是相对于彼此移动的。源模块发射由位于同一位置的物体修改的源电磁辐射信号，并且该物体发送出返回信号以由检测器模块接收。以这种方式，可以认为物体正在主动向检测器模块传递已编码信息。
在一种布置(未示出)中，检测器模块120和/或物体130也具有在它们的外部上的保护涂层。保护涂层不会不利地影响系统的操作。
在一种布置中，源电磁辐射信号170被配置成横越宽区域扫描以与许多周围物体130交互作用。
源模块
源模块被配置成发射源信号。在一些布置中，源信号是电磁辐射信号。在一些布置中，电磁辐射的实际源是激光器、LED或灯泡。在一些布置中，天线用于引导或聚焦源电磁辐射信号。这种源电磁辐射信号可以在有多种特性的情况下被发射。在一些布置中，源模块依次发射具有不同波长的一系列源信号。在一些布置中，源信号包括具有不同波长的多个子信号。在各种示例中，源电磁辐射信号可以是聚焦的或未聚焦的；它可以是偏振的或非偏振的；和/或它可以包含单个离散波长、多个离散波长或波长的一个或多个频带。偏振可以是线性的、圆形的或其任何组合。在本发明的各种实施例中，源电磁辐射信号波长在红外(IR)范围、近IR范围、远IR范围、可见光范围、微波范围或其组合中。在本发明的各种实施例中，源电磁辐射信号的波长范围在0.25μm和15μm之间、在0.7μm和15μm之间或在0.7μm和2μm之间。当在大气和潮湿环境中使用用于增强的物体检测的系统时，从上述范围中选择具有不容易被空气或水吸收的波长的源电磁辐射信号可能是有用的。
在一些布置中，源信号包含密度波或声波，并且与配置成检测这种波的一个或更多个检测器结合来使用。
普通物体
在本发明的一个实施例中，具有独特特性(例如，偏振、波长、相位、强度)的源电磁辐射信号可用于检测、感知在周围环境中的自然和人造物体(即，“普通物体”)并将这些物体分类。
物体可以包括但不限于人、车辆、衣服、植物群、动物群、道路材料、道路分界线、标志和路面状况(例如冰、雪、浅水或深水)。返回信号的反射、重定向、发射或受激发射(荧光)可以具有独特的模式(例如，如上所述的偏振、偏振偏移、波长、波长偏移、相位、时间延迟或强度)，其可以使识别发送返回信号的物体变得可能。
在不利的环境条件中，本文描述的系统可用于确定路面状况。例如，干路面、积水和冰或雪各自用具有不同的偏振和波长特性的返回信号来对源信号做出响应。此外，来自两个或更多个表面(例如，在路面上的一层冰)的返回信号可以提供关于冰层的厚度或形状的信息以及冰本身的类型的识别。例如，光滑的黑冰产生与由粗霜、霜冰或密实雪产生的返回信号不同的返回信号。此外，不同厚度的冰或雪以不同的方式吸收、减弱和改变源信号中的波长和偏振特性，以产生携带关于厚度的信息的独特返回信号。
已编码物体
在本发明的另一个实施例中，可以用编码材料来标记物体以协助它们的识别。一些类型的普通物体可以以类似的方式修改源电磁辐射信号，这使检测器模块和计算机处理器区分开这样的物体并做出适当的识别变得很难。通过将具有已知调制性质的编码材料添加到具有涂层的物体表面的表面或者通过附着粒子或子结构来将一些物体“编码”可能是有用的。例如，街道标志或位置标志的表面可以包括对街道标志的类型或位置特定的编码材料。在另一个示例中，路面上的油漆可以包括对油漆的含义(例如中心线、路肩线、停车线)特定的编码材料。每种编码材料以可以由检测器模块检测的特定方式修改电磁辐射信号。物体及其相关联的编码材料的列表存储在存储器中。计算机处理器可以识别编码材料的种类和它所相关联的物体。这种系统是非常灵敏的、快速的且可靠的。
图2是根据本发明的实施例的物体230的示意图，其用在物体230的面向源电磁辐射信号270的物体230的一侧上的前涂层232编码。前涂层232可以是连续的或它可以是不连续的。来自源模块(未示出)的源电磁辐射信号270照亮涂层232，其充当修改信号270的一些特性并发送出返回的电磁辐射信号280的调制器。可能存在由在源电磁辐射信号270的一部分和物体本身230之间的交互作用产生的附加信号。
图3是根据本发明的实施例的物体330的示意图，其用在物体330的面向源电磁辐射信号370的前侧上的前涂层332和在与该前侧相对的后侧上的背涂层334编码。前涂层332和背涂层334可以是相同的，或它们可以是不同的。前涂层332和背涂层334可以都是连续的，可以都是不连续的，或者一个可以是连续的而另一个是不连续的。在一些布置(未示出)中，可以有多个前涂层和/或背涂层，每个涂层包含不同的材料。在本发明的一个实施例中，来自源模块(未示出)的源电磁辐射信号370照亮前涂层332，其充当修改源电磁辐射信号370的一些特性并发送出第一返回电磁辐射信号382的调制器。在一些布置中，源电磁辐射信号370的一部分行进穿过前涂层332并穿过物体330以照亮背涂层334，其充当修改源电磁辐射信号370的一些特性并发送出第二返回电磁辐射信号384的调制器。第一返回电磁辐射信号382和第二返回电磁辐射信号384可以分别提供关于前涂层332和背涂层334的信息。第一返回电磁辐射信号382和第二返回电磁辐射信号384也可以一起提供关于物体本身的信息，例如它的厚度、形状或定向。可能存在由在源电磁辐射信号370的一部分和物体330之间的交互作用产生的附加返回信号。
图4是根据本发明的实施例的物体430的示意图，其用在物体430的面向源电磁辐射信号470的前侧上的前涂层433和在与该前侧相对的后侧上的背涂层435编码。前涂层433和背涂层435是不相同的。前涂层433和背涂层435可以都是连续的，可以都是不连续的，或者一个可以是连续的而另一个是不连续的。在本发明的一个实施例中，来自源模块(未示出)的源电磁辐射信号470照亮前涂层433。在一些布置中，前涂层433充当修改源电磁辐射信号470的一些特性并发送出第一返回电磁辐射信号483的调制器。在一些布置中，很少或没有第一返回电磁辐射信号483从前涂层433发送出。在一些布置中，当源电磁辐射信号470穿过前涂层433时，源电磁辐射信号470改变为次级源电磁辐射信号471，作为源电磁辐射信号470的滤波或改变的结果。次级源电磁辐射信号471的至少一部分穿过物体430以照亮背涂层435，其充当修改次级源电磁辐射信号471的一些特性并发送出第二返回电磁辐射信号485的调制器。第一返回电磁辐射信号483和第二返回电磁辐射信号485可以分别提供关于前涂层433和背涂层435的信息。第一返回电磁辐射信号483和第二返回电磁辐射信号485也可以一起提供关于物体本身的信息，例如它的厚度、形状或定向。当次级源电磁辐射信号471穿过物体430时，可能有对次级源电磁辐射信号471的额外的滤波或改变效果。可能存在由在次级源电磁辐射信号471和物体430之间的交互作用产生的附加返回信号。
前涂层433可以允许在多波长源电磁辐射信号470中的仅特定波长的透射。在一些布置中，前涂层433被谨慎地选择以仅透射背涂层435被特别设计来修改的特征波长。前涂层433可以引起源电磁辐射信号470中的波长到更长或更短的波长的偏移。在一些布置中，前涂层433被谨慎地选择以改变源电磁辐射信号470中的波长，以匹配背涂层43被特别设计来修改的波长。前涂层433可以改变源电磁辐射信号470的偏振。在一些布置中，前涂层433被谨慎地选择以仅透射背涂层435被特别设计来修改的特定偏振状态。
图5是根据本发明的实施例的物体530的示意图，其用在物体530的背离源电磁辐射信号的一(背)侧上的背涂层534编码。源电磁辐射信号570的至少一部分行进穿过物体530以照亮背涂层534，其充当修改源电磁辐射信号570的一些特性并发送出返回的电磁辐射信号584的调制器。可能存在由在源电磁辐射信号570的一部分和物体530之间的交互作用产生的附加返回信号。
在一些布置中，上面参考图2-5描述的涂层仅包括一个材料层。这种涂层具有范围从约10nm到100μm或从约200nm到1μm的厚度。在一些布置中，上面参考图2-5描述的涂层包括多个不同的材料层，每个材料层对于源电磁辐射信号的修改具有它自己的独特性质。在一些布置中，这种涂层包含2至100层。在一些布置中，这种涂层包含3至10之间的层。在一些布置中，在这种多层涂层中的总厚度范围从50nm到100μm或从200nm到1μm。在多层涂层中的单独层可以是连续的或不连续的。在一些布置中，单独层具有在30nm和200nm之间的厚度。在一些布置中，在不连续区域之间的间距在30nm和200nm之间。
图2-5中的示例示出具有非常简单的形状的物体。有具有许多表面的复杂形状的物体可以用在多于两个表面上的各种涂层来编码。
编码材料
在一种布置中，如上所述，用可以修改源电磁辐射信号的材料层对物体编码。在一种布置中，这种材料层包含反射器，其可以是单反射器、回射器或其组合。在一些布置中，通过按压或胶合来将小反射器直接贴到物体。在一些布置中，小反射器被结合到板、带、织物或线中，板、带、织物或线然后被贴到物体上。在一些布置中，小反射器与液体或凝胶混合以形成涂料，并且涂料例如通过刷涂或喷涂被涂敷到物体。小反射器也可以与气体混合被并喷涂到物体上。本领域中的普通技术人员将容易理解用液体、凝胶或气体制造这种混合物。
在一些布置中，反射器用在液体配方中，该液体配方可以在涂敷在物体或表面上之后凝固，或者可以保持在液体或凝胶相中。载体和配方材料的示例是溶剂、具有溶剂的聚合物、聚合物、液体有机或无机材料，例如液晶、可交联材料、表面活性剂，但不限于这些。气相载体材料可以使子结构或颗粒能够应用于表面或将它们分布在更大的区域上。载体可以包括非加压或加压空气、其他非反应性气体(例如氮气、氩气)或反应性气体(如氢气或氟)。该配方可以在涂敷后形成固态或液相。用于所述配方的材料的一些示例包括但不限于粘结剂，包括合成或天然树脂例如醇酸树脂、丙烯酸树脂、乙烯基丙烯酸树脂、乙酸乙烯酯/乙烯、聚氨酯、聚酯、三聚氰胺甲醛树脂、环氧树脂、硅烷、硅氧烷、油、有机和无机溶剂例如作为水性涂料的主要稀释剂或者甚至用于助溶剂类型的水。溶剂型(也被称为油基)配方可以有作为稀释剂的有机溶剂的各种组合，包括脂肪族化合物、芳香族化合物、醇类、酮类和石油溶剂(white spirit)。特定的示例是有机溶剂，例如石油馏出物、酯类、乙二醇醚和诸如此类。有时挥发性低分子量合成树脂也用作稀释剂。填料可以包括惰性材料，例如硅藻土、滑石、石灰、重晶石或彩色颜料。
图6A、图6B和图6C是根据本发明的实施例的三种不同类型的反射器的示意性截面图。图6A示出了薄片反射器，图6B示出了立方体回射器，以及图6C示出了球形回射器。所有三个反射器都具有前涂层650、背涂层670和内部体积690。在任何一个区域650、670、690内，可以只有一个或者可以有许多不同的层和材料。源电磁辐射信号穿透前涂层650和内部体积690，从背涂层670反射，穿过内部体积690和前涂层650，并作为返回信号从反射器发送出。在一些布置中，内部体积690每个都具有临界尺寸，其对于图6A、图6B和图6C分别被指示为692、694和696，并且临界尺寸在0.05um和5mm之间或者在2um和500um之间。
源信号穿过反射器遵循的路径取决于源信号进入反射器的角度。不同的路径导致源信号的不同调制。角度相关性不仅可以用于对物体编码，而且还确定物体的方向、形状和定向。通过图6A中的薄片反射器的反射是相对简单的。但是源信号可以在图6B中的立方体回射器内经历多次反射。通过用于立方体回射器的前涂层650、背涂层670和内部体积690的材料的谨慎选择，可以实现期望的调制，增加用于检测物体的方向以及形状和定向的灵敏度。
图6C中的球形回射器被设计成增加源信号的强度，并在返回信号中将增加的强度发送出。与薄片反射器和立方体回射器不同，源信号被引导到在背涂层670上的一个反射点，减少了在球形回射器中实现的任何调制的角度相关性。这可能是特别有用的，其中作为源电磁辐射信号在反射器上的入射角的函数的调制是不需要的。
前涂层650、背涂层670和内部体积690中的任何一个或更多个可以将调制引入到源电磁辐射信号中以形成返回信号。前涂层650、背涂层670和内部体积690中的至少一个反射源电磁辐射信号。
用于改变偏振的材料
在本发明的一些实施例中，在源电磁辐射信号和返回信号之间引起偏振的变化的材料(例如，双折射材料或手性材料)用于对物体编码作为在物体上的直接涂层或者作为在反射器上的涂层或用于填充反射器的体积。这种材料也可以用作在检测器上的滤波器以选择对于在返回信号中的仅特定偏振特性的检测。在一种布置中，双折射材料具有在0.001和1之间的双折射数。在一种布置中，手性材料具有在-3000和3000之间的特定旋转。在一种布置中，这种材料对于源电磁辐射信号的波长是透明的或几乎透明的。在另一种布置中，这种材料在可用作源信号的电磁辐射的整个范围(即，红外(IR)范围、近IR范围、远IR范围、可见光范围和微波范围)内是透明的。
双折射和手性材料的示例包括但不限于电气石、方解石、石英、硝酸钠、金红石氧化钛、纳米硫化铅、碲化铅、硅、绿柱石、甘汞、冰、铌酸锂、二氧化硅、氧化铝、氧化铁、橄榄石、蓝宝石、硝酸钠、锆石。其他这样的材料包括氟化钡、碲化镉、氟化钙、溴化铯、碘化铯、硫属化合物玻璃、熔融石英、砷化镓、锗、氟化锂、氟化镁、冰晶石、二氧化硅、氟化铈、一氧化硅、硫化锌、氧化铋、锗、氟化铅、氧化锆和氧化钛。其他这样的材料包括丙烯酸、聚碳酸酯、聚碳酸酯共聚物、硬乙烯树脂、聚IR材料(菲涅耳技术)、醋酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephtalate)和共聚物、聚乙烯环烷酸酯(polyethylenenaphtalate)和共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯和共聚物、亚乙基环烯烃和共聚物、聚甲基戊烯、聚丙烯、乙烯-四氟乙烯和共聚物、四氟乙烯-全氟-丙烯和共聚物、全氟-烷氧基和共聚物、氟-烷氧基三元共聚物、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺和聚苯乙烯。这里列出的任何材料可以具有特定的微结构，例如晶体、多晶、柱状法向双轴、柱状倾斜双轴、法向柱状单轴、法向柱状手性以及其组合。其他材料包括氧化铟锡、二硼化镁和硼化物以及碲。其他材料包括在向列相、近晶相或胆甾醇相中的液晶。
其他这样的材料包括等离子体金属，例如铝、银、金、镍、铜、硒及其复合物和合金。
用于波长滤波的材料
在本发明的一些实施例中，选择性地吸收或选择性地反射电磁辐射信号的材料被用于对物体编码作为在物体上的直接涂层或者作为在反射器上的涂层或填充反射器的体积。这种材料也可以用作在检测器上的滤波器以选择在返回信号中的仅特定波长的检测。在一种布置中，对于期望波长的吸收系数大于0.5。在一种布置中，对于期望波长的反射率大于0.5。当用作多层滤波器的一部分时，如果这种材料对电磁辐射也是透明的以致其它层被设计成修改或检测，则这是有用的。
波长滤波材料的示例包括但不限于氟化钡、碲化镉、氟化钙、溴化铯、碘化铯、硫属化合物玻璃、熔融石英、砷化镓、锗、氟化锂、氟化镁、冰晶石、二氧化硅、氟化铈、一氧化硅、硫化锌、氧化铋、锗、氟化铅、氧化锆和氧化钛。这里列出的任何材料可以是晶体的或多晶的。这里列出的任何材料可以是未掺杂的，或者它们可以掺杂有吸收中心。
其他这样的材料包括丙烯酸树脂、聚碳酸酯、聚碳酸酯共聚物、硬乙烯基、聚IR材料(菲涅耳技术)、醋酸纤维素、聚对苯二甲酸乙二醇酯和共聚物、聚萘二甲酸乙二醇酯和共聚物、聚甲基丙烯酸甲酯和共聚物、亚乙基环烯烃和共聚物、聚甲基戊烯、聚丙烯、乙烯-四氟乙烯和共聚物、四氟乙烯-全氟代-丙烯和共聚物、全氟代-烷氧基和共聚物、氟代-烷氧基三元共聚物、聚醚醚酮、聚醚酰亚胺和聚苯乙烯。这里列出的任何材料可以是未掺杂的，或者它们可以掺杂有吸收中心。
用于波长偏移的材料
在本发明的一些实施例中，改变电磁辐射的波长的材料用于对物体编码作为在物体上的直接涂层或者作为在反射器上的涂层或填充反射器的体积。这种材料也可以用作在检测器上的滤波器以选择在返回信号中的仅特定频率的检测。
使电磁辐射的波长偏移的材料包括非线性光学材料(NLO)和受激发射(荧光)材料。非线性光学材料包括但不限于硫属化合物、卤化物和碘酸盐。这种非线性光学材料的示例包括但不限于硼酸钡、碘酸锂、铌酸钾、磷酸二氢钾、三硼酸锂、β-硼酸钡、硒化镓、磷酸氧钛钾、铌酸锂、碘酸锂和磷酸二氢铵、磷酸氧钛钾和铌酸锂。这里列出的任何材料可以在具有特定微结构(例如晶体、多晶、柱状法向双轴、柱状倾斜双轴、法向柱状单轴及其组合)的形式中。
通过受激发射(荧光)来使波长偏移的其他材料包括硫化铅、硒化铅、介孔氧化硅、硫化镉、硒化镉、碲化镉、磷酸铟和氧化锌。这里列出的任何材料可以在具有特定纳米结构(例如量子点或线)的形式中。
除了上述材料之外，如果反射器的内部体积(图6A、图6B和图6C中的690)对于源电磁辐射信号波长是透明的，则这是有用的。在一种布置中，如果时间延迟是需要的，则在反射器的内部体积(图6A、图6B和图6C中的690)中的光学材料具有高于2的折射率。
在一些布置中，被选择用作反射器涂层中的背涂层(图6A、图6B和图6C中的670)的材料选择性地反射源电磁辐射信号波长。在一些布置中，诸如铝、银、金、镍、铜或其合金的金属用于背涂层。在一些布置中，硒复合物或氧化铟锡用于背涂层。在一些布置中，多层反射器结构用于反射来自源信号的特定波长。在物体上还可以有附加的调制层，并且这样的层可以散布在反射特定波长的层当中。
在本发明的一个实施例中，上面参考图2-5描述的任何涂层可以包含多于一种反射器，每个反射器被配置为提供对源电磁辐射信号的不同修改。在图7的示意图中示出了多种回射器的使用的示例。涂层733被显示在物体730的一侧上。涂层包含四种不同类型的回射器，如由涂层733中的四种不同的椭圆形阴影所指示的。每种类型的回射器被配置成以不同的方式修改源电磁辐射信号。上面详细讨论了信号修改的类型。
信号修改
在本发明的各种实施例中，由物体对电磁辐射信号的修改可以是信号偏振的变化、波长的变化、相位的变化、强度的变化、时间延迟或其任何组合。
图8A、图8B和图8C示出了电磁辐射信号修改的三个示例。图8A示出了偏振中的修改的示例。源信号具有偏振角θ1，并且在源信号与物体交互作用之后，物体返回具有偏振角θ2的已修改信号。在一种布置中，角θ1小于角θ2。在另一种布置中，角θ1大于角θ2。源信号的偏振可以是线偏振、圆偏振或椭圆偏振。在一些布置中，偏振角中的偏移可以是在方位角上的从一个线偏振角到另一个线偏振角的偏移、在方位角和椭圆率上的从一个椭圆偏振角到另一个椭圆偏振角的偏移或者其任何组合。在一些布置中，偏振的类型也可以改变，例如从线偏振到椭圆偏振或者到圆偏振的改变。
图8B示出了作为时间延迟的修改的示例。通过测量在源信号的发送和(由检测模块)对返回的已修改信号的接收之间经过的时间来确定时间延迟。当然，在源信号的发送和返回的已修改信号的接收之间总是有经过的时间(elapsed time)，但是经过的时间的量(时间延迟)可以提供关于已经创建已修改信号的物体的信息。特别是，如果脉冲源信号被使用，则在一个或更多个层中具有时间延迟修改的物体可以在对应于被发送的单个源脉冲的不同时间处返回多个脉冲。这些延迟的脉冲还可以与在偏振或波长中的附加修改组合以对编码提供进一步的复杂性。
图8C示出了波长中的修改的示例，其中源信号具有单个波长λ1。在源信号与物体交互作用后，物体返回具有波长λ2的已修改信号。在一种布置中，λ1小于λ2。在另一种布置中，λ1大于λ2。在一些布置中，源信号具有多个波长，其可以被物体修改以产生具有多个波长的返回信号。
在图8A、图8B、图8C的示例中所示的信号修改可以彼此结合来使用。例如，物体可以包括多个辅助部件。在一个示例中，物体包括波长和/或偏振特定的滤波器。当包括三个波长的源电磁辐射信号到达物体时，一个辅助部件可以反射在IR中的第一波长，另一个辅助部件可以使信号中的第二和第三波长延迟，另一个辅助部件可以反射第二(现在延迟的)波长，并且另一个辅助部件可以在整个返回信号从物体发送出之前使第二波长延迟第二时间。因此，在源信号中的三个不同的波长每个变成以不同方式修改的返回信号。
几种方法可以用于将信息编码成返回信号，包括相移、偏振偏移、波长或频率偏移、波长滤波、强度偏移和/或受激发射(荧光)。信息编码的这些方法中的每一种都可以通过使用对这种编码特定的材料成分和结构来实现。这些可以包括但不限于颗粒、薄片、立方体或回射器。这些结构可以包括涂层和疏松材料，其在本文描述的方法之一中将源信号改变为返回信号。因此，返回信号用与创建它的物体有关的特定有用信息被编码。检测模块可以被配置为解释已编码的返回信号，并因而快速识别返回信号来自于的物体并将物体分类。具有编码材料的物体的示例包括在车辆上的油漆或层压反射器、在道路标记、标志、服装、喷漆的停车场分界线或标志上的油漆或层压反射器。
检测器模块
图9是根据本发明的实施例的单个检测器模块900的示意图。检测器模块900包括电磁辐射检测器110和辅助部件930，辅助部件930可以包括光学单元933、滤波器单元936和波导单元939。在一些实施例中，检测器模块900仅包含电磁辐射检测器910。在一些实施例中，检测器模块900包含电磁辐射检测器110和仅一个或两个辅助部件930，例如光学单元933、滤波器单元936和波导单元939。在一些实施例中，检测器模块900包含电磁辐射检测器110和任何数量的辅助部件930，包括一个或更多个光学单元933、一个或更多个滤波器单元936和/或一个或更多个波导单元939。在具有多个相同类型的单元的实施例中，每个光学单元933、滤波器单元936、波导单元939可以被配置成不同地作用于返回的电磁辐射信号980上。检测器模块900被布置成使得返回的电磁辐射980在它到达检测器110之前行进穿过辅助部件930。如本领域中的普通技术人员将理解的，辅助部件930可以以任何顺序被布置。在一些布置中，一些或所有辅助部件930相对于彼此以及相对于电磁辐射检测器110是固定的。在一些布置中，一些或所有辅助部件930(包括同一类型的多个辅助部件)被配置为相对于彼此和/或相对于电磁辐射检测器910线性或旋转地移动。在一些布置中，检测器模块900包含元像素的阵列，每个元像素包含几个单独的检测器像素，如下面更详细讨论的。
在本发明的各种实施例中，电磁辐射检测器910包括电荷耦合器件(CCD)、CMOS(互补金属氧化物半导体)传感器、量热检测器、量子阱检测器或量子点检测器中的一个或更多个。如本领域中的普通技术人员所理解的，设计成感测本文描述的返回电磁辐射信号的任何电磁辐射检测器也可以用在本发明的实施例中。在一些布置中，电磁辐射检测器910包含单个检测器元件。在一些布置中，电磁辐射检测器910包含多像素检测矩阵。
在一些布置中，如上所述用于在检测器模块中使用的辅助部件可以类似地在源模块中用于控制源信号的特性，例如它的波长、频率偏振、相位和/或强度。如上所述，源模块(和辅助部件)可以与感兴趣的物体位于同一位置。在一些布置中，例如响应于如下面更详细描述的应用领域，这种辅助部件是动态可调节的。
光学单元
光学单元933被配置成改变返回的电磁辐射信号的强度或方向。在各种布置中，光学单元是光学开关、光学信号放大器或光学信号衰减器。
在一些布置中，光学单元是光学开关。光学开关可以基于MEMS技术，其使用微反射镜的阵列来在期望方向上使电磁辐射信号偏转。光学开关可以是压电的，并且可以使用压电陶瓷使电磁辐射信号偏转。光学开关可以基于喷墨技术，其中气泡被形成，并且气泡阻挡电磁辐射信号的路径。光学开关可以使用液晶来使光偏振或者修改响应于所施加的电场已经偏振的光的偏振。光学开关可以是热的，并且可以通过加热来修改干涉仪的折射率。光学开关可以基于非线性方法，其改变在非线性光学材料中的衍射图案以使电磁辐射信号偏转。光学开关可以使用声光方法，其改变在光学单元中的材料的折射率，作为由声场引起的应变的结果。
在一些布置中，光学单元是放大器，并且它增加返回的电磁辐射信号的强度。电磁辐射放大器的示例包括但不限于半导体光放大器和拉曼光放大器。半导体光放大器通常由III-V族化合物半导体(例如，GaAs/AlGaAs、InP/InGaAs、InP/InGaAsP和InP/InAlGaAs)制成，尽管任何直接带隙半导体可以在这样的设备中被使用。在一些布置中，半导体光放大器电气地或者通过低功率激光器的使用来被泵浦。
拉曼光放大器是基于从受激拉曼散射的效应产生的拉曼增益的光放大器。一般，拉曼放大器使用光纤、块状晶体或在光子集成电路中的波导作为它们的有源介质。
在一些布置中，光学单元是电磁辐射衰减器，并且它使返回的电磁辐射信号的强度衰减。衰减设备的示例包括但不限于液晶可变衰减器(LCVA)和铌酸锂设备。在一些布置中，光学单元被配置成对返回的电磁辐射信号应用强度的固定变化。
在一些布置中，光学单元被配置成在它可如何改变返回的电磁辐射信号的强度方面是可调节的。这种调节可以根据需要由有线或无线信号控制。
在一些布置中，光学单元充当透镜，并且被设计成具有固定的性质，例如电磁辐射信号衰减和焦距。在一些布置中，光学单元充当可调节透镜，其性质是可调节的，例如，性质可以通过电场的施加来改变。
滤波器单元
滤波器单元936被配置成仅传输具有特定特性(例如偏振状态、相移和/或波长)的返回的电磁辐射。这种滤波器单元可以包含任何数量的子单元，每个子单元被配置成传输具有特定特性的电磁辐射。在一些布置中，滤波器单元是固定滤波器，并且被设计成仅传输特定的偏振、相移和/或波长模式。在一些布置中，滤波器单元是可调节滤波器，并且它的传输性质可以根据需要由有线或无线信号调节。在本发明的各种实施例中，滤波器单元包括上面在“用于改变偏振的材料”章节中描述的材料中的一种或更多种。
图10是根据本发明的实施例的包含子单元的滤波器单元1036的示意图。滤波器单元1036具有三个偏振滤波器子单元(线偏振器1034、缓波板(retarding wave plate)1035、偏振修改器1037)和可选的波长滤波器1038。在其他实施例中，可以有更多或更少的子单元。
在一些布置中，线偏振器层1034被配置为仅允许在元像素内的特定位置处(即，在一个或更多个像素处)的特定偏振通过，并且包含金属线、金属纳米粒子和/或基于液晶的材料。在一些布置中，金属线、纳米粒子和/或液晶以固定取向嵌在固态基质中或上。在一些布置中，金属线、纳米粒子和/或液晶嵌在软基质中或上，使得它们的位置可以响应于所施加的电场而改变。在一些布置中，线偏振器层1034可以包含固态基质的区域和软基质的区域。
在一些布置中，缓波板1035被配置成将具有椭圆偏振的电磁辐射信号改变为具有线偏振的电磁辐射信号(反之亦然)，并且可以包括如上所述的双折射材料。双折射材料可以在取向上是固定的，或者它可以被设计成具有可以响应于电场而改变的取向。
在一些布置中，偏振修改器1037被配置成通过旋转来使线偏振的返回电磁辐射信号的偏振偏移。在一些布置中，偏振修改器1037被配置成将圆偏振的返回电磁辐射信号的偏振从椭圆偏振改变为线偏振。在一些布置中，偏振修改器1037被配置成将圆偏振的返回电磁辐射信号的偏振从右圆偏振改变为左圆偏振。偏振修改的量和类型可以是固定的，或者可以响应于所施加的外部场是可调节的。
在一些布置中，偏振修改器1037包含双折射材料，例如双折射氧化物或聚合物。在一些布置中，偏振修改器1037包含液晶、氧化物颗粒或聚合物颗粒。在一些布置中，偏振修改器1037包含手性氧化物、聚合物微结构和/或等离子体纳米结构。
波导单元
波导单元939被配置成以受控方式引导返回的电磁辐射。在一些布置中，波导单元是用于将返回的电磁辐射从一个辅助单元引导到另一个辅助单元或到检测器的光学接口。在一些布置中，波导单元是用于将返回的电磁辐射引导到一个或更多个检测器单元的光学接口。在一些布置中，波导单元的性质是固定的。在一些布置中，可以根据需要通过施加由有线或无线连接控制的电场来调节波导单元的性质。在示例性实施例中，波导单元可以被控制以将返回的电磁辐射引导到在检测器模块900内的特定位置，例如到在光学单元933和滤波器单元936之间的接口或者到一个或更多个检测器单元110的期望部分。波导材料的示例包括但不限于基于液晶技术或MEMS微反射镜技术的材料。在一些布置中，平面波导包括其介电常数可以在使用检测器系统的内部或外部电极施加电场的情况下改变的材料。
检测器阵列
检测器模块可包括可用于创建已被检测到的物体的已编码图像的检测器的阵列。每个单独的检测器可以贡献信息的一个像素，并且像素的阵列可以一起电子地组合到检测器阵列。每个像素可以耦合到一个或更多个辅助部件，例如光学单元、滤波器或波导，使得每个像素被配置为检测特定的返回信号或返回信号的特定部分。这样的像素一起可以提供关于返回信号的详细信息。像素(每一个或几个像素耦合到不同的辅助部件)越多，越详细的信息就可以被接收到。例如，18个像素可以在3个不同的波长处并且对于每个波长在6个不同的偏振角下接收关于返回信号的信息。元像素可以被认为等同于普通摄像机像素，并且元像素定义检测器的分辨率。
图11是根据本发明的实施例的包含10个电磁辐射检测器1110a–1110j的10像素阵列的元像素1100的平面图示意图。尽管图11示出了10个电磁辐射检测器，但是应当理解，在本发明的实施例中任何数量的电磁辐射检测器可以用于形成元像素。任何数量的这样的元像素1100可以被布置在一起以形成检测器模块。电磁辐射检测器1110a–1110j可以是上述任何设备。在一些布置中，电磁辐射检测器1110a–1110j都是相同类型的设备。在一些布置中，不是所有电磁辐射检测器1110a–1110j全都是相同类型的设备。如上所述，在一些布置中，每个电磁辐射检测器1110a–1110j与一个或更多个辅助部件(未示出)相关联。任何一种类型的辅助部件可以与仅仅一个、与几个或与所有电磁辐射检测器1110x相关联。大多数电磁辐射检测器1110a–1110j不与同一组辅助部件相关联，使得它们可以检测返回的电磁辐射信号的不同性质。在元像素中的单独电磁辐射检测器1110x的数量确定返回信号特性(例如偏振、相移和/或波长)的分辨率。例如，在元像素内可以有在每个像素上的不同的偏振滤波器和覆盖全元像素的单个波长滤波器。这种布置使检测在像素级上的偏振模式和在元像素级上的波长变得可能。如果两个波长范围被考虑，那么检测器的成像分辨率用元像素对的数量来确定。
图12是根据本发明的实施例的包含10个电磁辐射检测器或像素(例如图11所示的元像素1100)的10像素阵列的元像素1200的平面图示意图，每个电磁辐射检测器或像素耦合到一起形成10像素阵列的不同的线偏振滤波器单元1236a–1236j。尽管图12被示为有10个滤波器单元，但是应该理解，在本发明的实施例中任何数量的滤波器可以结合元像素来被使用。图12示出了五个像素对，每个像素对有两个像素，其中两个像素检测彼此成90°的特定线偏振：1236a–1236f、1236b–1236g、1236c–1236h、1236d–1236i和1236e–1236j。像素对一起检测在椭圆偏振的完整范围内的返回信号的强度。这种布置在线偏振中携带冗余信息，且因此是更加容错的并且对噪声和信号干扰不太敏感。在另一种布置(未示出)中，代替与每个像素相关联的单独的线偏振滤波器单元1236a–1236j，在一些或所有像素上有一个动态偏振滤波器。动态滤波器包含响应电场而改变它的偏振滤波性质的材料。当电场强度和像素检测器的响应一起被记录以提供关于返回信号的椭圆偏振和强度信息的完整范围时，电场改变。材料(例如金属线、金属颗粒和液晶)可用于制造这种动态滤波器。
如果与动态滤波器或与用电场控制的任何辅助部件相关联的电极对感兴趣的波长是透明的，则这是有用的。用于透明电极的一般材料包括但不限于氧化铟锡、氧化锌和氧化锡。
如上面所讨论的，任何辐射检测器可以与任何数量的辅助部件相关联。这种辅助部件可以具有固定的性质，或者它们可以具有在电场的影响下变化的性质。在检测器阵列中，每个像素检测器可以与任何数量的电磁辐射检测器相关联。
图13是根据本发明的实施例的包含在基底1301上的任何数量的电磁辐射检测器1310的元像素的一部分1300的示意性截面图。返回的电磁辐射信号1380在它到达一些电磁辐射检测器1310之前行进穿过两个辅助部件1330、1340，并且在它到达一些其他辐射检测器1310之前仅行进穿过一个辅助部件1330。在各种布置中，辅助部件1330和1340是不同的，并且每一个都被配置为起上述任何辅助部件的作用。在示例性实施例中，辅助部件1330是波长滤波器，且辅助部件1340是偏振滤波器。在一些布置中，辅助部件1330和辅助部件1340中的一个或两个的性质是固定的。在一些布置中，可以通过电场的施加来调节辅助部件1330和辅助部件1340中的一个或两个的性质。在一些布置(未示出)中，辅助部件1330和辅助部件1340都覆盖所有电磁辐射检测器1310。在一些布置中，返回的电磁辐射信号1380在到达至少一些电磁辐射检测器1310之前穿过附加的辅助部件(未示出)。
图14是在本发明的示例性实施例中的检测器模块1400的示意性截面图。模块1400包含电磁辐射检测器1410、五个波导1435和五个光学开关1445。波导使返回的电磁辐射信号D80弯曲，使得整个信号可以到达电磁辐射检测器1410。光学开关1445每个可以被单独控制以使用电磁场来阻挡(断开)返回信号D80或传输(接通)返回信号D80。在一种布置中，光学开关1445都接通。在一种布置中，光学开关1445顺序地接通和断开。在另一种布置中，存在与一些或所有波导1445相关联的附加辅助部件。本领域中的普通技术人员将理解。
在一种布置中，用作波导的材料在返回的电磁辐射信号的波长中是透明的。在一些布置中，这种材料具有在从1至40或从1.2至3的范围内的光导的折射率。
适合于用作波导的材料的示例包括但不限于电气石、方解石、石英、硝酸钠、金红石氧化钛、纳米硫化铅、碲化铅、硅、绿柱石、甘汞、冰、铌酸锂、二氧化硅、氧化铝、氧化铁、橄榄石、蓝宝石、硝酸钠、电气石和锆石。对波导有用的其他材料包括上面在“用于波长滤波的材料”章节中列出的材料。
计算机
本文所述的系统包括根据本发明的一些实施例的计算机系统。在一些布置中，计算机系统包括计算机处理器，该计算机处理器包括非暂时性计算机可读介质。在一些布置中，计算机处理器被配置成将源电磁辐射信号与返回的电磁辐射信号进行比较，以便确定由已经发送出返回信号的物体做出的修改。计算机处理器还可以被配置为通过将信号中的修改与已知调制器及其信号修改性质的列表相关联来识别物体。
对于包含检测器的阵列(单独像素)的检测器模块，每个像素接收返回信号的某个部分，即关于返回信号的某些信息。由于如上面所讨论的可以耦合到每个像素的特定辅助部件，由每个像素检测到的信号的部分可以是不同的。来自每个像素的信息(以及关于它的辅助部件的信息)与已知的源信号比较并被分析，以确定在源信号和返回信号之间的任何差异，即源信号经历的要被改变为返回信号的调制的类型。如在检测器模块中的所有像素当中聚集的这种比较可以由计算机处理器分析以确定与物体相关联的已编码信号。
除了调制的性质之外，计算机还可以确定关于物体的其他信息，例如相对于其他物体以及光源、调制器和检测器的距离、速度和位置。然后，计算机使用已编码信息来对照数据库或查找表进行比较，在数据库或查找表中在返回信号中的编码可以与对该编码特定的物体类型或分类相匹配。例如，特定的已编码信号可以被分析并与针对特定的物体类型(例如汽车、行人、特定类型的冰、特定类型或意义的道路油漆标记、具有特定意义的交通标志、票据代码、SKU代码或其他这样的物体)的在数据库中的条目相匹配。然后，关于这样的物体的信息可以以显示器的形式对系统用户变得可用，或者它可以被发送到另一个系统以用于增强导航或用于警告用户物体的接近。
在一些实施例中，来自检测器中的像素的多个信号然后被合成以形成可以被发送到显示器的图像，用于可视化检测器的视场并按物体类型加亮区域，包括类别或危险级别的着色。例如，道路上的冰的区域可以被着色或加亮，或者仅预选类型的物体可以被加亮或显示。
在一些实施例中，计算机的输出不与视觉显示器一起使用，但替代地用于在车辆上的控制和制导系统。在一种布置中，计算机的输出被发送到发射机以将信息中继到另一个位置。在一种配置中，计算机的输出在认证或交易系统中被使用。
本文所述的实施例的系统和方法可以至少部分地被实现为被配置成接收存储计算机可读指令的计算机可读介质的机器。指令优选地由计算机可执行部件执行，所述计算机可执行部件优选地与远程信息处理设备应用和远程信息处理平台集成。计算机可读介质可存储在任何合适的计算机可读介质(例如RAM、ROM、闪存、EEPROM、光学设备(CD或DVD)、硬盘驱动器、软盘驱动器或任何合适的设备)上。计算机可执行部件优选地是通用或专用处理器，但任何合适的专用硬件或硬件/固件组合设备可以可选地或另外执行指令。
示例
下面的示例提供了与根据本发明的性能特性系统相关的细节。应当理解，下文仅是代表性的，并且本发明不被在这些示例中阐述的细节限制。
在示例性实施例中，本文描述的增强的物体检测系统用于区分开冰和水。温度控制的基底用水覆盖，且水被冻结成一层冰。电磁辐射源在该层冰的方向上发送源信号。源信号具有已知的椭圆和线偏振成分。配置成选择圆偏振状态的范围的检测器模块被定位成接收来自冰的返回信号。来自检测器模块的数据在一段时间内被记录，在这段时间内温度控制的基底的温度开始冻结并被提高以实现该层冰的融化。图15是示出两条曲线的图：随时间变化的方位角和随时间变化的椭圆率。图15示出来自冰1510、来自冰和水的混合物1520以及仅来自水1530的返回信号是非常不同的。可以从返回信号的偏振清楚地识别水的这些状态。
在示例性实施例中，本文描述的增强的物体检测系统用于检测在水/冰层中的冰岛。温度控制的基底用水覆盖，且水被部分地冻结以形成包含冰岛的一层水。电磁辐射源在水/冰层的方向上发送源信号。源信号具有已知的椭圆和线偏振成分。包含单独检测器的阵列的检测器模块被定位成接收来自冰的返回信号，每个检测器被配置为选择特定椭圆偏振状态。来自检测器模块的数据用于形成图16A所示的图像，其中冰岛表现为亮区域。为了比较，在图16B示出水/冰层的相同区域的光学图像。从图16B很难确定在表面上是否有冰、水或其他东西。图16A中的图像清楚地识别冰的离散区域，且因此可以提供例如对于关心道路状况的驾驶员或对于关心冰的飞行员有用的特定且详细的信息。
在示例性实施例中，本文描述的增强的物体检测系统用于检测沥青。电磁辐射源在沥青的方向上发送源信号。源信号具有已知的椭圆和线偏振成分。包含单独检测器的阵列的检测器模块被定位成接收来自沥青的返回信号，每个检测器被配置为选择特定的圆偏振状态。来自检测器模块的数据用于形成图17A所示的图像，其中沥青表现为暗区域，并且不返回唯一信号。在不同的检测器模式中，检测器模块用于形成沥青的相同区域的图像，如图17B所示，其中沥青返回具有独特偏振的强信号。通过比较两种成像模式，可以识别沥青材料的离散区域，并且这可以提供例如对于涉及识别在非结构化空间中的道路车道或可导航路径的驾驶员和导航系统有用的特定和详细的信息。
在示例性实施例中，本文描述的增强的物体检测系统用于检测金属。电磁辐射源在金属杆的方向上发送源信号。源信号具有已知的椭圆和线偏振成分。包含单独检测器的阵列的检测器模块被定位成接收来自金属的返回信号，每个检测器被配置为选择特定的圆偏振状态。邻近沥青的混凝土的区域和未修改的标志用作参考强度。来自检测器模块的数据用来形成图18A所示的图像，其中金属看起来是暗的并且不返回唯一的信号。在不同的检测器模式中，检测器模块用于形成金属的相同区域的图像，如图18B所示，其中现在金属返回具有独特偏振成分的强信号。通过比较这两种成像模式，可以识别金属材料的离散区域，并且这可以提供例如对于涉及识别障碍物的驾驶员和导航系统有用的特定且详细的信息。
在示例性实施例中，本文描述的增强的物体检测系统用于检测以点的形状的九个聚合物膜，每个聚合物膜被编码以产生偏振中的不同偏移。透明聚合物膜被层压在金属反射表面上，并被覆盖有惰性保护涂层。电磁辐射源在物体的方向上发送源信号。源信号具有已知的椭圆和线偏振。包含单独检测器的阵列的检测器模块被定位成接收来自物体的返回信号，每个检测器被配置为选择特定椭圆偏振状态。来自检测器模块的数据用于形成图19所示的一系列图像，每个图像从被调谐到特定椭圆偏振的检测器产生。这九个点以从暗到亮的不同强度出现。图19中的图像清楚地识别对于被配置为向检测器返回独特的偏振成分的每个点的离散状态。特定的返回信号成分和横越不同形状的组合可以将例如对驾驶和导航系统有用的特定且详细的信息编码，以对特定类型的物体或被设计成认证物体或拥有物体的人的扫描系统进行分类和做出反应。
在示例性实施例中，本文描述的增强的物体检测系统用于检测具有离散区域的织物样品，该离散区域被编码以产生偏振中的不同偏移。电磁辐射源在织物的方向发送源信号。源信号具有已知的椭圆和线偏振成分。包含单独检测器的阵列的检测器模块被定位成接收来自织物的返回信号，每个检测器被配置为选择特定椭圆偏振状态。来自检测器模块的数据用于形成图20所示的一系列图像，其中织物显示相对于左样品具有离散偏振成分的区域(中间和右样品)，其中当仅在可见光谱中被照射时，没有离散区域是可见的。图20中的图像清楚地识别对于被配置为向检测器返回独特的偏振成分的织物的每个区域的离散状态。特定的返回信号成分和横越不同区域的组合可以将例如对驾驶和导航系统有用的特定且详细的信息编码，以对物体(例如由人或动物穿的衣服或其他材料)进行分类和做出反应。
在示例性实施例中，本文所述的增强的物体检测系统用于检测在纸基底上的书写文本的顶部上的聚合物涂层。电磁辐射源在样品的方向上发送源信号。源信号具有已知的偏振和波长成分。包含单独检测器的阵列的检测器模块被定位成接收来自物体的返回信号，每个检测器被配置为选择特定波长状态。所涂覆的区域被配置为产生不同于样品的其余部分的在波长中的偏移。来自检测器模块的数据用于形成图21所示的一系列图像，其中文本在所涂覆的区域中被加亮，以及离散点出现在文本上方。图21中的图像清楚地识别被配置为向检测器返回独特的波长成分的所涂覆的区域的离散状态。特定的返回信号成分和横越样本的组合可以将例如对驾驶和导航系统有用的特定且详细的信息编码，以对特定类型的物体或者被设计成认证物体或拥有物体的人的扫描系统进行分类和做出反应。
本发明在本文中相当详细地被描述以为本领域中的技术人员提供相关信息以应用新颖的原理并且以按需要构建和使用这样的专用部件。然而应理解，本发明可以由不同的装置、材料和设备执行，并且关于装置和操作程序的各种修改可以被完成而不偏离本发明本身的范围。

Claims (18)

1.一种用于增强的物体检测系统的平台，包括：
电磁辐射源；
第一调制器，其与所述电磁辐射源通信；以及
检测器模块，其通信地耦合到所述增强的物体检测系统，所述检测器模块包括接收来自所述第一调制器的输出的一个或更多个检测器；以及
计算系统，其包括非暂时性计算机可读介质并且通信地耦合到所述电磁辐射源和所述检测器模块；
所述平台在检测模式中是可操作的，其中：
所述电磁辐射源朝着所述第一调制器发射源信号；
所述第一调制器将所述源信号转换成返回信号，其中所述返回信号包括所述源信号的至少一个特性的修改，所述特性选自由偏振状态、波长、相位、强度和方向组成的组；
所述第一调制器发射所述返回信号；
在所述检测器模块中的所述检测器检测所述返回信号的一部分；以及所述计算系统在所述源信号和所述返回信号的所述一部分之间进行比较，生成所述修改的特性描述，并基于所述特性描述来提供所述第一调制器的识别。
2.根据权利要求1所述的平台，其中，所述电磁辐射源和所述检测器模块位于同一位置。
3.根据权利要求1所述的平台，其中，所述电磁辐射源和所述第一调制器位于同一位置。
4.根据权利要求1所述的平台，其中，所述源信号包括在0.25μm和15μm之间的一个或更多个波长。
5.根据权利要求1所述的平台，其中，所述源信号是偏振的。
6.根据权利要求1所述的平台，其中，所述源信号包括一系列子信号，并且所述子信号被顺序地发射。
7.根据权利要求1所述的平台，其中，所述第一调制器包括选自由水、冰、雪、沥青和混凝土组成的组的材料。
8.根据权利要求1所述的平台，其中，所述第一调制器包括反射器。
9.根据权利要求8所述的平台，其中，所述反射器包括涂层，所述涂层对所述源信号是透明的，以及所述涂层包括从由手性材料、双折射材料、非线性光学材料和荧光材料组成的组中选择的至少一种材料。
10.根据权利要求1所述的平台，其中，所述检测器模块包括从由电荷耦合器件、CMOS传感器、量子阱检测器和量子点检测器组成的组中选择的至少一个电磁辐射检测器。
11.根据权利要求10所述的平台，其中，所述检测器模块还包括与所述电磁辐射检测器通信的滤波器，以及所述滤波器包括从由双折射材料、手性材料、等离子体金属、非线性光学材料、荧光材料和其组合组成的组中选择的部件。
12.根据权利要求10所述的平台，其中，所述滤波器包括从由金属线、金属纳米颗粒和基于液晶的材料组成的组中选择的部件，所述检测器模块包括与所述滤波器通信并且在滤波器调制模式中可操作的电场源，所述电场源向所述滤波器施加电场并调制所述滤波器的特性。
13.根据权利要求10所述的平台，其中，在所述检测模式中是可操作的时，所述滤波器将所述返回信号的第一部分传输到所述电磁辐射检测器，所述第一部分包括从由波长、偏振和相位组成的组中选择的第一特性。
14.根据权利要求1所述的平台，其中，所述检测器模块包括与第一电磁辐射检测器通信的第一滤波器和与第二电磁辐射检测器通信的第二滤波器，其中在检测模式中是可操作的时：
所述第一滤波器传输所述返回信号的第一部分，所述第一部分包括从由波长、偏振、相位和强度组成的组中选择的第一特性；
第二滤波器传输所述返回信号的第二部分，所述第二部分包括从由波长、偏振、相位和强度组成的组中选择的第二特性；以及
所述第一特性和所述第二特性是不同的。
15.根据权利要求14所述的平台，其中，所述检测器模块还包括与所述第一电磁辐射检测器i通信的第三滤波器，其中在检测模式中是可操作的时：
所述第三滤波器传输所述返回信号的第三部分，所述第三部分包括从由波长、偏振、相位和强度组成的组中选择的第三特性；以及
所述第一特性和所述第三特性是不同的。
16.根据权利要求14所述的平台，其中，在检测模式中是可操作的时：
所述计算系统：
在所述源信号和返回信号的所述第一部分之间进行第一比较；
在所述源信号和所述返回信号的所述第二部分之间进行第二比较；以及
使用所述第一比较和所述第二比较来生成所述修改的特性描述，并基于所述特性描述来提供所述第一调制器的识别。
17.根据权利要求14所述的平台，其中，在检测模式中是可操作的时：
所述计算系统：
在所述源信号和返回信号的所述第一部分之间进行第一比较；
在所述源信号和所述返回信号的所述第二部分之间进行第二比较；
在所述返回信号的所述第一部分和所述返回信号的所述第二部分之间进行第三比较；以及
使用所述第一比较、所述第二比较和所述第三比较来生成所述修改的特性描述，并基于所述特性描述来提供所述第一调制器的识别。
18.一种用于增强的物体检测系统的平台，包括：
红外辐射源；
第一调制器，其与所述红外辐射源通信，所述第一调制器包括反射器；以及
检测器模块，其通信地耦合到所述增强的物体检测系统，所述检测器模块包括接收所述第一调制器的输出的一个或更多个检测器；以及
计算系统，其通信地耦合到所述红外源和所述检测器模块；
所述平台在检测模式中是可操作的，其中：
所述红外辐射源朝着所述第一调制器发射源信号；
所述第一调制器将所述源信号转换成返回信号，其中所述返回信号包括所述源信号的至少一个特性的修改，所述特性选自由偏振状态、波长和强度组成的组；
所述第一调制器发射所述返回信号；
在所述检测器模块中的所述检测器检测所述返回信号的一部分；以及所述计算系统在所述源信号和所述返回信号的所述一部分之间进行比较，生成所述修改的特性描述，并基于所述特性描述来提供所述第一调制器的识别。
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