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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen das Gebiet von dreidimensionalen Laserscannern, d. h. von Geräten, die dreidimensionale geometrische Daten einer Szene von Objekten durch sequentielles Einstellen eines gepulsten oder modulierten Laserstrahls an verschiedenen Punkten in der Szene und durch Erkennen des von einem Szenenobjekt zurückgeworfenen Lichts mit einer zeitlichen Auflösung erfassen, wodurch die Entfernung zu dem Szenenobjekt durch das Laufzeitverfahren bestimmt werden kann. Die Erfindung ist insbesondere auf LADAR, LIDAR, Laserentfernungsmessungen und/oder dreidimensionale Laserscanner anwendbar.
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Stand der Technik
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Es gibt viele verschiedene Ausführungen von dreidimensionalen Laserscannergeräten. Einige dieser Geräte erreichen eine sehr hohe Präzision, können jedoch eine präzise Ausrichtung sowie lange Messzeiten erfordern. Für solche Geräte sind in Verbraucherprodukten viele mögliche Anwendungen denkbar, wenn sowohl die Kosten als auch die Komplexität im Betrieb gesenkt werden können.
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Obwohl es Konzepte für LIDAR-Bildgeräte gibt, in denen eine mechanische Betätigung von optischen Elementen zum Lenken von Beleuchtungslichtstrahlen und zum Erfassen des in der Szene gestreuten Lichts (wie es zum Beispiel in der PCT-Anmeldung
PCT/EP2011/065267 offenbart ist) vermieden werden, sind Ausführungen unter Verwendung von mechanisch beweglichen optischen Elementen (wie sie z. B. in der
WO2011/117206 , der
PCT/EP/2011/057192 oder der
PCT/EP2011/062314 offenbart sind) weit verbreitet. Typischerweise verwenden moderne handelsübliche Laserscannervorrichtungen auf Basis von mechanischen Systemen zum Abtasten des Laserstrahls kardanisch montierte Spiegel, drehbare Reflektoren oder sich gegensinnig drehende Prismapaare. Dies führt zu umfangreichen, oft lauten und kostspieligen Geräten.
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In Scannervorrichtungen, die für Erkennung und Beleuchtung den gleichen Lichtweg verwenden, zieht die Vergrößerung der optischen Blende für die Erkennung zum Verbessern des Lichterfassungsvermögens des Systems die gleiche Vergrößerung der Blende der optischen Elemente in dem Beleuchtungsweg nach sich, wo dies typischerweise gar nicht erforderlich ist. Da Größe und Gewicht der optischen Elemente entsprechend zunehmen, kann dies zu noch aufwändigeren Konstruktionen und einer schwergängigen Leistung führen, wenn der Laserstrahl durch mechanische Betätigung von optischen Elementen abgetastet wird.
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Aus diesem und aus anderen Gründen, wie den verbesserten Fähigkeiten in nebligen oder staubigen Situationen, sind getrennte Lichtwege für Beleuchtung und Erkennung vorzuziehen. Wenn das optische System, das für das Abtasten des Beleuchtungsstrahls zuständig ist, ohne Einschränkungen bezüglich der Erkennung des in der Szene gestreuten Lichts ausgeführt werden kann, werden kompaktere und schnellere Ausführungen unter Verwendung zum Beispiel der Technologie mikro-elektro-mechanischer Systeme (MEMS), der Lichtleitertechnologie mit miniaturisierter Optik und von Stellgliedern möglich.
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Bis zu einem gewissen Grad ist eine räumliche Seitenselektivität im Erkennungsprozess in Systemen mit teilweise überlappenden Lichtwegen für die Beleuchtung und die Erkennung natürlich gegeben. Die Verwendung von getrennten Lichtwegen für Beleuchtung und Erkennung bietet eine Gestaltungsfreiheit beider Lichtwegstrecken auf eine für ihren jeweiligen Zweck optimierte Weise, aber eine räumliche Seitenselektivität bei der Erkennung muss separat vorgesehen werden. Wenn Detektormatrizen, wie CCD, CMOS oder Mikro-Bolometersensoren verwendet werden können, ist eine Seitenauflösung ohne weiteres gegeben, und die meisten für diese Erfindung beschriebenen Funktionalitäten können durch Softwareverarbeitung der erfassten Bilddaten implementiert werden.
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Die vorliegende Erfindung ist besonders für Scannersysteme wertvoll, die eine sehr geringe oder keine Querauflösung und Selektivität durch den Lichtdetektor selber bieten, wie es der Fall ist, wenn ein einzelnes Detektorelement verwendet wird. Gründe hierfür können die erhöhte Empfindlichkeit und/oder die zeitliche Auflösung von einzelnen Detektoren im Vergleich zu CCD, CMOS oder Mikro-Bolometer-Detektormatrizen sowie Kostenüberlegungen und die Verfügbarkeit bei der Arbeitswellenlänge sein.
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Aufgabenstellung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes dreidimensionales Laserscannersystem zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst.
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Allgemeine Beschreibung der Erfindung
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Eine Linse oder ein komplexeres optisches System bildet die Szene ab, die von dem Beleuchtungslaserstrahl abgetastet wird. In der Bildebene dieser Linse oder dieses optischen Systems wählt eine Vorrichtung einen Bereich von Interesse (Region of Interest, ROI) von variabler Form und Größe aus, der kontinuierlich umgeordnet und angepasst wird, so dass in erster Linie das Bild des beleuchteten Punktes innerhalb des ROI erfasst wird. Die Form und Größe des ROI kann, während der Beleuchtungsstrahl über die Szene fährt, kontinuierlich angepasst werden. Die Vorrichtung, die die Auswahl des ROI umsetzt, trennt alle Lichtwege, die innerhalb des ROI liegen, von denjenigen, die außerhalb des ROI liegen, so dass das Licht, das von dem Inneren des ROI kommt, getrennt erkannt werden kann.
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Für eine verbesserte Vermeidung einer Störung zwischen mehreren ähnlichen dreidimensionalen Scannern, die die gleiche Szene bearbeiten, kann eine ausreichende Diversifikation des Laserstrahl-Abtastweges und/oder der Zeitsequenz der Laserimpulse, die in jeder Vorrichtung verwendet wird, durch Verwendung von zufälligen oder pseudozufälligen Sequenzen erreicht werden. Außerdem können Verfahren zur Selbstausrichtung oder zur automatischen Optimierung der Ausrichtung der ROI-Auswahlvorrichtung und gegebenenfalls von Teilen der Linse oder des Abbildungssystem relativ zu der Strahleinstellung des abtastenden Lasers implementiert werden, um eine gute Leistung des Systems zu gewährleisten. Ebenso hervorgehoben werden Verfahren zur geometrischen Unterscheidung zwischen von dem Szenenobjekt gestreutem Licht und von Nebel, Staub oder Rauch gestreutem Licht unter Verwendung von perspektivischer Geometrie und dem Laufzeitspektrum des erkannten Lichts, oder die iterative Anpassung des ROI. Diese Verfahren werden auch verwendet, um den Sichtbarkeitsbereich bei schlechten Witterungsverhältnissen zu bestimmen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst ein dreidimensionales Laserscannergerät zur Erfassung von dreidimensionalen geometrischen Daten einer Szene ein Beleuchtungssystem zum Erzeugen eines Lichtstrahls und zum Abtasten eines Beleuchtungspunktes des Lichtstrahls durch die Szene, ein Lichterkennungssystem, das mindestens einen Lichtdetektor aufweist, wobei das Lichterkennungssystem so angeordnet ist, dass es Licht von der Szene empfängt, und ein optisches System zum Abbilden von Licht, das in der Szene gestreut oder von dieser reflektiert wird, auf dem Lichterkennungssystem. Gemäß der Erfindung weist das Lichterkennungssystem ein steuerbares Filterelement zur dynamischen Unterscheidung von Licht, das von ausgewählten Bereichen der Szene auftrifft, und eine mit dem steuerbaren Filterelement und dem Beleuchtungssystem wirkverbundene Steuereinheit auf, wobei das Filterelement im Betrieb des Scannergerätes derart von der Steuereinheit gesteuert wird, dass nur Licht, das von einem ausgewählten, räumlich begrenzten Bereich um den Beleuchtungspunkt in der Szene auftrifft, auf den mindestens einen Lichtdetektor geleitet wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind/ist eine Größe und/oder eine Form des ausgewählten, räumlich begrenzten Bereichs um den Beleuchtungspunkt dynamisch anpassbar. Anpassungen der Position, der Größe und der Form des Bereichs, der Licht zur Erkennung auswählt, erfolgen vorzugsweise zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, oder zur Erleichterung der Verfolgung des Beleuchtungspunktes, oder zur Erleichterung von Kalibrierungsprozessen für eine deterministische Verfolgung des Beleuchtungspunktes, oder zur Schaffung einer zusätzlichen Funktionalität, wie einer verbesserten Erkennung von Objekten in Situationen schlechter Witterungsverhältnisse.
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Die Auswahl des Lichts zur Erkennung erfolgt vorzugsweise geometrisch in oder nahe der Bildebene eines optischen Systems, das das Licht von der Szene erfasst. Demnach wird das Filterelement vorzugsweise geometrisch in oder nahe einer Bildebene des optischen Systems angeordnet.
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Es sei angemerkt, dass das dreidimensionale Laserscannergerät dafür konfiguriert sein kann, den gleichen Lichtweg für die Erkennung wie für die Beleuchtung zu verwenden. Aus den vorstehend erwähnten Gründen wird es jedoch derzeit bevorzugt, dass das Scannergerät getrennte Lichtwege für die Beleuchtung und die Erkennung verwendet. In diesem Fall wird der Lichtstrahl entlang einer ersten optischen Wegstrecke auf die Szene projiziert, und das Licht, das in der Szene gestreut oder von dieser reflektiert wird, wird entlang einer zweiten optischen Wegstrecke auf dem Lichterkennungssystem abgebildet, und die erste Wegstrecke und die zweite Wegstrecke sind voneinander getrennt.
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Das steuerbare Filterelement kann von irgendeiner geeigneten Konfiguration sein, um Licht selektiv von gut definierten und begrenzten Bereichen der Szene auf den Detektor zu leiten. In einer ersten Ausführungsform weist das steuerbare Filterelement ein oder mehrere Blendenlamelle(n) von geeigneter Form auf, wobei die eine oder die mehreren mechanischen Blendenlamelle(n) mit einer elektronisch gesteuerten, mechanischen Betätigungsvorrichtung versehen ist (sind). Alternativ weist das steuerbare Filterelement mindestens eine Flüssigkristalltafel auf, wobei die Flüssigkristalltafel eine Matrix von individuell steuerbaren Pixeln aufweist, um das Blockieren und Übertragen von Licht in verschiedenen Bereichen der Tafel zu steuern.
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In noch einer weiteren Ausführungsform weist das steuerbare Filterelement mindestens eine Tafel auf Basis der LCoS-Technologie (Liquid Crystal an Silicon) auf, die eine Matrix von individuell steuerbaren Pixeln und ein polarisationsselektives optisches Element, wie einen Polarisationsstrahlenteiler, aufweist. Bei dieser Ausführungsform wird die Trennung des für die Erkennung ausgewählten Lichts von Hintergrundlicht durch die Änderung des Polarisationszustands in Kombination mit polarisationsselektiven optischen Elementen, wie einem Polarisationsstrahlenteiler, erreicht.
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Schließlich kann das steuerbare Filterelement auch eine Matrix von mikromechanischen Spiegeln aufweisen, wobei die mikromechanischen Spiegel derart angeordnet und konfiguriert sind, dass die Ausrichtung der mikromechanischen Spiegel relativ zur Bildebene individuell geschaltet werden kann. Diese Technologie ist auch als DLP-Technologie (Digital Light Processing, Digitale Lichtverarbeitung) bekannt.
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Das steuerbare Filterelement oder die Erkennungsbereich-Auswahlvorrichtung wird vorzugsweise elektronisch gesteuert und unter Verwendung von geometrischen Parametern des Systems automatisch gelenkt, so dass das Bild des beleuchteten Punktes stets innerhalb des Erkennungsbereichs erfasst wird. Eine erhöhte Präzision kann durch Verwendung der Laufzeitinformationen erreicht werden, um den Erkennungsbereich in wiederholten Messungen einzuengen. Die Erkennungsbereich-Auswahlvorrichtung wird vorteilhafterweise vollkommen von einem Mikroprozessor, ASICs oder einer anderen Steuerungselektronik gesteuert.
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Während der Beleuchtungsstrahl die Objektszene abtastet, sorgt die Steuereinheit für die Koordination zwischen der Laserscannereinheit und der Erkennungsbereich-Auswahlvorrichtung, um den zur Erkennung ausgewählten Bereich umzuordnen und anzupassen, so dass hauptsächlich das Bild des beleuchteten Punktes stets innerhalb des Erkennungsbereichs erfasst wird. Hierfür werden die feste geometrische Beziehung zwischen den von der Abtasteinheit verwendeten Ablenkungswinkeln, die Koordinaten in der Bildebene des abgebildeten Laserpunktes auf einem Szenenobjekt und der Abstand zwischen diesem Objektpunkt und der Erkennungseinheit verwendet. Die geometrische Beziehung, die beleuchtete Punkte in der dreidimensionalen Szene auf Punkten in der Bildebene der Abbildungslinse kartiert, wird in der computerisierten Steuereinheit vorzugsweise durch entsprechende berechenbare Ausdrücke dargestellt, wobei Parameter die Einzelheiten der Gerätegeometrie, d. h. Entfernungen und Winkel, kennzeichnen und gegebenenfalls Empfindlichkeitskalibrierungsfaktoren für die Vorrichtung die Beleuchtungsstrahlablenkung sowie die Vergrößerung der Abbildungslinse umsetzen.
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Die Steuereinheit treibt entweder auch die Beleuchtungsstrahl-Abtasteinheit an oder empfängt die notwendigen Informationen über die tatsächlich verwendeten Laserablenkungswinkel. Auch ohne die Informationen über die Objektentfernung ist der Bereich in der Bildebene, in der das Bild des beleuchteten Punktes erscheinen kann, gut definiert, und eine selektive Erkennung des Lichtes aus diesem Bereich ermöglicht eine wesentliche Unterdrückung des Hintergrundsignals. Der Abstand zwischen dem beleuchteten Punkt in der Objektszene und der Erkennungseinheit wird aus der Laufzeitmessung genau erhalten und kann verwendet werden, um den Erkennungsbereich weiter einzuengen und somit die Präzision in wiederholten Messungen zu erhöhen. Die Erkennungsbereich-Auswahlvorrichtung kann auch verwendet werden, um Messungen auf einen spezifischen Entfernungsbereich zu beschränken.
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Die geometrische Beziehung, die die Koordination des steuerbaren Filters oder der ROI-Auswahlvorrichtung mit dem Antrieb der Beleuchtungsstrahl-Ablenkungswinkel in der Abtasteinheit bestimmt, hängt von den Einzelheiten der tatsächlichen Geometrie des Scanneraufbaus ab. Das Gerät ist oft Temperaturschwankungen, mechanischen Belastungen, Vibrationen und Stößen ausgesetzt, so dass eine häufige Ausrichtung und Kalibrierung des Systems erforderlich ist. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist das dreidimensionale Laserscannergerät daher vorzugsweise einen Kalibrierungsmechanismus auf, der dafür konfiguriert und angepasst ist, das steuerbare Filterelement mit dem durch das Beleuchtungssystem erzeugten Lichtstrahl zu kalibrieren und auszurichten. Das Gerät ist z. B. zusätzlich mit Beschleunigungssensoren, Temperatursensoren und Stellgliedern für optische Komponenten sowie mit einer Regelelektronik ausgerüstet, um eine aktive Vibrationssteuerung und eine Selbstausrichtung des Gerätes zu erreichen. Um die Wirkungen von Vibrationen und mechanischen Belastungen auszugleichen, können an relevanten Stellen innerhalb des Geräts statische und dynamische Beschleunigungen unter Verwendung von Beschleunigungsmessern gemessen werden. Die aus einer automatischen Auswertung der Sensordaten erhaltenen Steuersignale treiben Stellglieder von optischen Elementen innerhalb der Erkennungseinheit, Spiegel und Linsen innerhalb der Abbildungslinse oder des zusätzlichen Linsensystems, und/oder die Erkennungsbereich-Auswahlvorrichtung sowie die optischen Komponenten der Laserstrahl-Abtasteinheit an. Es können Temperaturmessungen an verschiedenen Stellen innerhalb des Geräts ausgewertet werden, um Änderungen der Geometrie des Systems auf Grund von Temperaturschwankungen auszugleichen. Zusätzlich oder alternativ können die Steuersignale von Beschleunigungsmessern und Temperatursensoren in der Einheit ausgewertet werden, die die Erkennungsbereich-Auswahlvorrichtung steuert, um bei der Lenkung dieser Vorrichtung Änderungen der Systemgeometrie, von Positionen von Elementen in dem Erkennungssystem sowie Änderungen der Winkel oder der Position des Beleuchtungsstrahls Rechnung zu tragen. Gleichermaßen kann das Lenken der Ablenkungswinkel für die Laserstrahlabtastung in den Regelkreis einbezogen werden, um Änderungen auf Grund von Vibrationen und mechanischen Belastungen oder Temperaturänderungen zu korrigieren.
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Die Anlage nutzt vorzugsweise Verfahren zur automatischen Kalibrierung der Parameter, die die Geometrie des Systems bestimmen, die zur Kartierung der Position des Bildes eines beleuchteten Szenenobjektpunktes in der Bildebene des optischen Systems zur Erkennung der Beleuchtungsstrahl-Ablenkungswinkel und umgekehrt notwendig sind, wenn die Objektentfernung bekannt ist. Um das Bild des beleuchteten Objektszenenpunktes in der Bildebene der Abbildungslinse zu orten, werden iterative Suchverfahren eingesetzt, die die Erkennungsbereich-Auswahlvorrichtung verwenden. Beginnend mit einem größeren Erkennungsbereich, der das Bild des beleuchteten Punktes enthält, wird die Fläche des Bereichs allmählich verkleinert und umgeordnet, so dass er das Bild des beleuchteten Punktes enthält. Zusätzlich können segmentierte Fotodetektoren, z. B. Quadrantenfotodetektoren, verwendet werden, um eine schnelle Konvergenz des Ortungsverfahrens zu vereinfachen. Die Laufzeitmessung ergibt die Entfernung zu dem Objektpunkt in der Szene, mit der die Geometrie vollständig bestimmt wird und eine Aktualisierung von relevanten geometrischen Parametern des Systems erreicht werden kann.
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Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines dreidimensionalen Laserscannergerätes, wobei das dreidimensionale Laserscannergerät ein Beleuchtungssystem zum Erzeugen eines Lichtstrahls und zum Abtasten eines Beleuchtungspunktes des Lichtstrahls durch die Szene aufweist, ein Lichterkennungssystem, das mindestens einen Lichtdetektor aufweist, wobei das Lichterkennungssystem so angeordnet ist, dass es Licht von der Szene empfängt, und ein optisches System zum Abbilden von in der Szene gestreutem oder von dieser reflektiertem Licht auf dem Lichterkennungssystem aufweist. Gemäß dem Wesen der Erfindung umfasst das Verfahren die Schritte des dynamischen Unterscheidens von Licht, das von ausgewählten Bereichen der Szene auftrifft, durch ein steuerbares Filterelement durch Steuern des Filterelementes derart, dass nur Licht, das von einem ausgewählten, räumlich begrenzten Bereich um den Beleuchtungspunkt in der Szene auftrifft, auf den mindestens einen Lichtdetektor geleitet wird.
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In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird das steuerbare Filterelement so gesteuert, dass es ein zurückgeworfenes Lichtsignal von einer atmosphärischen Streuung im Nahbereich während des Betriebs des Gerätes bei schlechten Witterungsverhältnissen, z. B. Nebel, blockiert. Dies erlaubt die effiziente Verwendung des dynamischen Bereichs des Lichtdetektors zur empfindlichen Erkennung von Objekten in größerer Entfernung, d. h. es verhindert eine Überladung des Lichtdetektors mit einer hohen Signalabgabe aus einer atmosphärischen Streuung im Nahbereich.
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Der Sichtbarkeitsbereich bei schlechten Witterungsverhältnissen wird vorzugsweise basierend auf einer Auswertung der Verteilung der Lichtintensität des Verlaufs des Laserstrahls in dem Bild auf Grund von Lichtstreuung in der Atmosphäre bestimmt. Die Verteilung der Lichtintensität des Lichtes in dem Bild, welches Licht entlang des Sondenstrahls in der Atmosphäre gestreut wird, wird durch Verwendung der in Anspruch 1 beschriebenen Erkennungsbereich-Auswahlvorrichtung und durch das Verändern der Position und/oder der Form und/oder der Fläche des Erkennungsbereichs in aufeinanderfolgenden Messungen erhalten.
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In weiteren Ausführungsformen der Erfindung ist das Gerät in der Lage, das Laufzeitspektrum des zurückgeworfenen Lichtes zu messen, welches weiter verarbeitet wird, um eine diffuse atmosphärische Streuung von einer Objektstreuung zu unterscheiden; den Sichtbarkeitsbereich auf Grund der Signalkomponente der atmosphärischen Streuung zu bestimmen und eine empfindliche Erkennung von Szenenobjekten bei schlechten Witterungsverhältnissen vorzunehmen, und zwar durch Ausschließen eines starken Signals von atmosphärischer Streuung aus dem Nahbereich unter Verwendung des steuerbaren Filterelements und allmähliche Vergrößerung der Entfernung, ab welcher die Erkennung aktiv ist, und Anpassung der Beleuchtungsimpulsenergie und/oder der Detektorverstärkung. Während des Betriebs des Gerätes bei schlechten Witterungsverhältnissen ermöglichen die Messung des Laufzeitspektrums und eine anschließende automatische Analyse eine Unterscheidung zwischen Signalabgaben von atmosphärischer Streuung und Signalabgaben von Szenenobjekten sowie eine Quantifizierung der Sichtbarkeit. Die Signalabgabe von der atmosphärischen Streuung ist durch ihre charakteristische Form in Abhängigkeit von Zeit erkennbar, welches ein umfassendes Merkmal ist, das wie die Exponentialfunktion geteilt durch Zeit im Quadrat abnimmt. Die charakteristische Signatur einer Signalabgabe, die von einem Szenenobjekt stammt, besteht darin, dass sie in Abhängigkeit von Zeit der Form des Beleuchtungsimpulses sehr nahe kommt. In einer ersten Messung unter Verwendung einer geringen Detektorverstärkung und/oder einer geringen Beleuchtungsimpulsenergie, wobei die Erkennungsbereich-Auswahlvorrichtung so eingestellt ist, dass sie eine Erkennung über den gesamten Entfernungsbereich ermöglicht, kann das Laufzeitspektrum verwendet werden, um eine genaue Schätzung für den Sichtbarkeitsbereich abzuleiten und mögliche Szenenobjekte in geringer Entfernung zu erkennen. Um die Sichtbarkeit zu messen, wird der Schwächungskoeffizient in dem Exponentialfunktionsfaktor, der zu der Form der Laufzeitsignalabgabe aus atmosphärischer Streuung passt, bestimmt. In anschließenden Messungen zum Abtasten der Szene nach entfernteren Objekten wird die Erkennungsbereich-Auswahlvorrichtung so gelenkt, dass sie Licht zur Erkennung aus einer allmählich zunehmenden Entfernung überträgt, während Licht aus einer kürzeren Entfernung blockiert wird und die zuvor bestimmte Sichtbarkeit verwendet wird, um die erforderliche Beleuchtungsimpulsenergie und/oder die Lichtdetektorverstärkung einzuschätzen.
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Ein Verfahren zur Optimierung des erkannten zurückgeworfenen optischen Signals unter gleichzeitiger Gewährleistung einer optimalen Unterdrückung eines Signals, das aus dem Bereich außerhalb des beleuchteten Punktes stammt, kann durch eine Suche nach dem Höchstwert in dem zurückgeworfenen Lichtimpulssignal während der iterativen Veränderung der Fläche und der Form des Bereichs in der für die Erkennung durch das steuerbare Filterelement ausgewählten Bildebene durchgeführt werden, mit der zusätzlichen Einschränkung, dass die Fläche des ausgewählten Bereichs minimal ist, ohne dass der Pegel des zurückgeworfenen Signals wesentlich verringert wird.
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Schließlich kann ein Verfahren zum Minimieren der Wahrscheinlichkeit von Fällen der Störung zwischen zwei oder mehr dreidimensionalen Scannervorrichtungen, die die gleiche Szene bearbeiten, implementiert werden, indem die Erkennung von zurückgeworfenem Licht von dem Beleuchtungsimpuls geometrisch auf den beleuchteten Punkt in der Szene unter Verwendung einer Vorrichtung beschränkt wird, die den entsprechenden Bereich in der Bildebene der Abbildungslinse wie hier vorstehend beschrieben auswählt, zusammen mit der Steuerelektronik und Verfahren zum Verfolgen des beleuchteten Punktes, und gegebenenfalls dem vorstehend beschriebenen Optimierungsverfahren, um die Fläche des Bereichs des zur Erkennung ausgewählten beleuchteten Punktes so klein wie möglich zu halten. Es wird ferner gewährleistet, dass eine Überlappung von Beleuchtungspunkten in der Szene zusammen mit einem zeitlichen Zusammenfall von Beleuchtungsimpulsen von zwei oder mehr Systemen durch eine Diversifikation der Zeitsteuerung der Beleuchtungsimpulse und/oder des Abtastweges des Laserpunktes unter Verwendung von Zufallssequenzen nur in Einzelfällen auftreten kann. Die Zufallssequenzen hierfür können von Pseudozufallsgeneratoren erhalten werden, die als Ausgangszahlen eine echte zufällige Quelle, wie eine Zufallszahlengenerator-Hardware, oder Zahlen verwenden, die aus Werten hergeleitet sind, die von Sensoren empfangen werden, die Umgebungsparameter messen, wie die Umgebungslichtintensität oder Temperatur.
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Die Erfindung löst in Anwendungen von dreidimensionalen Laserscannern mehrere Probleme: a) sie ermöglicht eine verbesserte Blockierung von Hintergrund- und Streulicht vor dem Erkennungsprozess, wobei eine größere optische Blende zur Signalerfassung gewählt werden kann; b) sie ermöglicht Verfahren zur Vermeidung von Störungen (Kollisionen) mit anderen, ähnlichen Scannersystemen, die möglicherweise die gleiche Szene zur gleichen Zeit beleuchten; und c) sie bietet bei einzelnen Detektorsystemen eine Funktionalität, die bei Matrixdetektoren üblich sind, wie die geometrische Unterscheidung zwischen der Signalabgabe von Licht, das an einem Objekt in der Szene gestreut wird, und denjenigen Abgaben von Streulicht des Laserstrahls auf Grund von Nebel, Staub, Rauch oder Insekten, bevor der Strahl auf das Szenenobjekt trifft, was in Kombination mit der Analyse des Zeitverhaltens des erkannten Signals in wiederholten Messungen möglich wird.
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Problem a): Die Sonne und andere Hintergrundlichtquellen geben Licht mit der Wellenlänge des Scannerlasers ab, welches zusammen mit Streulicht von dem Beleuchtungssystem selber und von anderen Quellen zu dem gegebenenfalls schwachen Signal von Objekten in der Zielszene hinzukommt und das Signal-Rausch-Verhältnis für die Erkennung von Szenenobjekten verschlechtert. Es kann auch vorkommen, dass ein solches Störlicht stark genug ist, dass es Sättigungsprobleme des Detektors verursacht. Als Störlichtquellen spielen die Beleuchtungssysteme anderer, ähnlicher Laserscannergeräte eine besondere Rolle, da sie spezifische Probleme verursachen, die nachstehend separat unter Punkt b) behandelt werden. Eine weitere besondere Art von störenden Hintergrundsignalen, die nicht von einem Szenenobjekt stammen, stellt die diffuse Streuung des Laserstrahls in der Atmosphäre auf Grund von Nebel, Rauch, Staub oder Insektenschwärmen dar, was die Ursache von Problemen einer besonderen Art ist, die nachstehend unter Punkt c) behandelt werden. Bei der in dieser Erfindung vorgesehenen räumlichen Auswahl in der Bildebene kann Licht von außerhalb eines veränderbaren Bereichs von Interesse um den Beleuchtungspunkt wirksam von dem Licht getrennt werden, das die relevanten Informationen enthält, und es kann somit am Erreichen des Detektors gehindert werden. Folglich kann die optische Blende vergrößert werden, um die Signalstärke zu verbessern.
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Problem b): In mehreren Anwendungen von dreidimensionalen Scannern ist es nicht unüblich, dass ähnliche oder identische Scannersysteme zufällig die gleichen Zielbereiche beleuchten. Dies kann zu einer Störung von zwei oder mehr solcher Systeme untereinander führen, was eine Fehlfunktion der einzelnen Systeme, einschließlich eines kompletten Ausfalls oder einer hohen Wahrscheinlichkeit für fehlerhafte Ergebnisse, verursacht, wenn keine geeigneten Maßnahmen getroffen werden, um eine solche Störung zu vermeiden. Durch Anwenden des hier beschriebenen Verfahrens wird die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von solchen Störungen auf Grund der erhöhten räumlichen Selektivität der Erkennung, die so gelenkt wird, dass sie nur dem von dem eigenen Abtastsystem stammenden tatsächlichen Beleuchtungspunkt folgt, bereits stark verringert. Um auch zu gewährleisten, dass die Störung nur in Einzelfällen auftritt und dann durch Softwareverarbeitung erkannt und ausgeschaltet werden kann, müssen sich der Weg, den der Beleuchtungspunkt durch die Szene nimmt, und/oder die Zeitsequenz der Beleuchtungsimpulse zwischen den Systemen unterscheiden. Hier kann durch die Verwendung von Zufallssequenzen zum Lenken der Strahleinstellung und/oder einer Impulszeitsteuerung bei Ansammlungen von vielen ähnlichen Abtastsystemen, die die gleiche Szene bearbeiten, die Anfälligkeit für eine Störung ausgeschaltet werden, abgesehen von den oben erwähnten seltenen Einzelfällen.
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Problem c): Situationen mit Nebel, Rauch, einer staubigen Atmosphäre oder Schwärmen von kleinen Insekten sind bei Sanneranwendungen im Allgemeinen problematisch. Idealerweise würden Objekte in der Szene richtig erkannt werden, solange die Atmosphäre eine ausreichende Durchlässigkeit hat, damit eine Signalpegelabgabe von Laserlicht, das von einem Szenenobjekt gestreut wird, weit oberhalb der Erkennungsgrenze liegt. Laserlicht, das in der Atmosphäre diffus gestreut wird, bevor der Abtastlaserstrahl das Szenenobjekt erreicht, kann jedoch im Wesentlichen zu dem gesamten erkannten Signal beitragen und die korrekte Erkennung von Szenenobjekten beeinträchtigen. Bei einer Analyse des Verhaltens des erkannten Signals in Bezug auf Zeit (Laufzeitspektrum) kann eine diffuse Streuung von atmosphärischen Teilchen von einer Streuung von einem Szenenobjekt unterschieden werden. Zusammen mit geometrischen Informationen, der Positionierung und Winkeln des Abtastlaserstrahls relativ zu der optischen Achse des Erkennungssystems kann dann ein Bereich von Interesse in der Bildebene abgeleitet werden, durch den das von dem Szenenobjekt stammende Signal isoliert wird und mit größerer Genauigkeit gemessen werden kann. In einfacheren Verfahren wird der ausgewählte Bereich von Interesse iterativ in wiederholten Messungen derart angepasst, dass das von einem Szenenobjekt stammende Signal allmählich von einer Streuung in der Atmosphäre unterschieden werden kann.
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Es sei angemerkt, dass, wenn der Lichtweg für die Erkennung teilweise mit dem Beleuchtungslichtweg zusammenfällt, d. h. dieser eine gewisse Reihe an optischen Elementen in umgekehrter Reihenfolge der Beleuchtung passiert, ein bestimmter Grad an räumlicher Selektivität in der Erkennung bereits erreicht ist. Die Optik zur Abbildung des beleuchteten Punktes auf dem einzelnen Detektor müsste in diesem Fall jedoch eine gute Qualität erreichen, und zwar eine Abbildung nahe an der Beugungsgrenze, um die Signalselektivität, die diese Erfindung anstrebt, zu erreichen. Die Erfindung schlägt eine Lösung vor, die weniger eine kritische Ausführung des optischen Systems erfordert und dementsprechend kostengünstiger sein kann. Des Weiteren bietet die Erfindung eine größere Gestaltungsfreiheit für das Erkennungssystem, wodurch eine Optimierung des Lichterfassungsvermögens unabhängig von optischen Anforderungen in Bezug auf die technische Umsetzung für das Abtasten des Laserstrahls ermöglicht wird. Die zusätzliche Flexibilität im Zuge des Trennens des Signallichts von dem Hintergrundlicht ermöglicht nützliche Verbesserungen der Funktionalität.
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Es sei angemerkt, dass die dreidimensionalen Laserscannergeräte oder Systeme gemäß der vorliegenden Erfindung im Kraftfahrzeugbereich verwendet werden können, wie z. B. bei Scanneranwendungen für Frühwarnungen vor Autounfällen – Unfallverhütung, Fußgängerschutz, Nebelwarnung. Wenn diese Art von Anwendungen von dreidimensionalen Scannern in Kraftfahrzeugen weiter verbreitet wird, werden Konzepte, die dazu beitragen, eine Störung zwischen mehreren Scannern, die die gleiche Szene bearbeiten, zu verhindern, wie hier vorgeschlagen, von höchster Bedeutung. Andere Anwendungen der vorliegenden Erfindung können maschinelles Sehen und Navigationsanwendungen umfassen, wie z. B. Roboter, die in Bereichen der Herstellung, Montage, Konstruktion und im Bergbau verwendet werden; Roboter, die zum Erforschen oder für Wiederherstellungsarbeiten in Katastrophengebieten eingesetzt werden, oder Überwachungs- und Sicherheitsanwendungen unter anspruchsvollen Bedingungen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung von mehreren, nicht einschränkenden Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei
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1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer ROI-Auswahlvorrichtung zeigt, die Licht in dem ausgewählten ROI überträgt;
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2 eine Ausführungsform der ROI-Auswahlvorrichtung vom reflektierenden Typ unter Verwendung der DLP-Technologie zeigt;
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3 einen schematischen Aufbau unter Verwendung einer LCoS-Tafel für die ROI-Auswahlvorrichtung zeigt;
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4 ein Beispiel für eine Reihe von einfach geformten Blendenlamellen zeigt;
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5 die Ausbreitung des Laserstrahls durch die Atmosphäre veranschaulicht; und
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6 die TOF-Signale nach einem kurzen Laserimpuls zeigt, wie sie in drei Atmosphären mit unterschiedlichem Sichtbarkeitsbereich zu erwarten sind.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
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Der Hauptaspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine zusätzliche Komponente des Lichterkennungssystems eines dreidimensionalen Laserscanners, der Verbesserungen der Leistung und Funktionalität bietet. Er dient in erster Linie dazu, das Signal-Rausch-Verhältnis bei der Erkennung zu verbessern und störendes Hintergrund- und Streulicht aus der Erkennung zu blockieren, was das vorstehend unter Punkt a) beschriebene Problem ist. Die Erfindung betrifft auch einige Aspekte der Ausgestaltung des Lichterkennungssystems und des Scanners als Ganzes, um die neue Komponente in dem System unterzubringen und die verbesserte Leistung und Funktionalität zu erhalten. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen Lösungen für die Probleme der Störung von ähnlichen Scannergeräten, die die gleiche Szene bearbeiten, wie vorstehend unter Punkt b) beschrieben wurde, und Lösungen für Probleme des Scannerbetriebs bei schlechten Witterungsverhältnissen, die vorstehend unter Punkt c) behandelt wurden. Die in den letzten beiden Problemkategorien vorgeschlagenen Lösungen werden zum einen durch die im Hauptteil der Erfindung vorgestellte Vorrichtung ermöglicht und sind zum anderen auch unabhängig von dieser Vorrichtung realisierbar.
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Betrachtet wird ein dreidimensionales Laserscannergerät mit separaten Lichtwegstrecken für die Beleuchtung der Objektszene und das Lichterkennungssystem, da der Nutzen der Erfindung bezüglich der Leistung bei Geräten dieser Art am größten ist.
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Ein einfaches oder ein komplexeres optisches System, nachstehend der Einfachheit halber als Abbildungslinse bezeichnet, bildet die von dem Beleuchtungslaserstrahl abgetastete Szene ab. In der Bildebene der Abbildungslinse wählt eine Vorrichtung einen Bereich von Interesse (ROI) von einer veränderbaren Form, Größe und Position innerhalb der Bildebene aus. Diese Vorrichtung, die nachstehend als ROI-Auswahlvorrichtung bezeichnet wird, trennt alle Lichtwege, die die Bildebene innerhalb des ROI passieren, von denjenigen, die außerhalb des ROI entlang führen. Dies wird erreicht entweder durch eine selektive Übertragung des innerhalb des ROI hindurchgehenden Lichts und Absorption oder Reflexion des an Punkten außerhalb des ROIs auf die Bildebene treffenden Lichts, oder durch selektive Reflexion des innerhalb des ROI auf die Vorrichtung treffenden Lichtes in eine andere Richtung als die, in die das außerhalb des ROI auftreffende Licht reflektiert wird. Das Licht, das innerhalb des ROI durch die Bildebene hindurchgeht, wird somit ausgewählt und kann dann, gegebenenfalls nach einer weiteren Verarbeitung unter Verwendung einer Abbildungsoptik, von optischen Filtern oder gegebenenfalls eines optischen Verstärkers, separat erkannt werden. Die ROI-Auswahlvorrichtung wird vollständig von einem Mikroprozessor oder einer Steuerelektronik gesteuert, um den ausgewählten ROI umzuordnen und anzupassen, während der Beleuchtungsstrahl die Objektszene derart abtastet, dass in erster Linie der beleuchtete Punkt stets innerhalb des ROI erfasst wird.
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Für die Koordinierung zwischen der Laserabtasteinheit und der ROI-Auswahl werden die feste geometrische Beziehung zwischen den von der Abtasteinheit verwendeten Ablenkungswinkeln, die Koordinaten in der Bildebene des abgebildeten Laserpunktes auf einem Szenenobjekt und der Abstand zwischen diesem Objektpunkt und der Erkennungseinheit verwendet. Um die ROI-Auswahlvorrichtung auf diese Weise zu betreiben, wird die erwähnte Beziehung in der Steuereinheit ausgewertet, die entweder auch die Abtasteinheit antreibt oder die notwendigen Informationen über die tatsächlich verwendeten Laserablenkungswinkel erhält.
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Nur mit den Ablenkungswinkeln als Information kann bereits ein ziemlich enger rechteckiger oder dreieckiger Bereich mit einem bestimmten Neigungswinkel und einer bestimmten Höhe in der Bildebene spezifiziert werden, über welchen hinaus kein Bildpunkt eines Laserpunktes auf Szenenobjekten liegen kann. Um den Bereich um einen Bildpunkt weiter einzuengen, werden Informationen über die Entfernung zwischen dem Laserpunkt auf dem Szenenobjekt und der Abbildungslinse benötigt. Sind Laserablenkungswinkel gegeben, wird dann die Kartierung der dreidimensionalen Szene auf der Bildebene komplett bestimmt. Dies kann auch umgekehrt angewandt werden, um Informationen über die Entfernung zwischen der Abbildungslinse und dem beleuchteten Punkt auf dem Szenenobjekt zu erhalten, indem der ROI eingeengt und der Bildpunkt herangezogen wird. Dies ist eine Art von Dreiecksvermessungsverfahren und kann bei kurzen Entfernungen ausreichend genau sein. In diesem Sinne fügt die ROI-Auswahlvorrichtung einem einzelnen Detektorsystem die Fähigkeit zur räumlichen Selektivität hinzu, ohne direkt auf der Anwendung der Laufzeittechnik zu beruhen.
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Die genauen Ausdrücke, die für die Koordination der von der Abtasteinheit und der ROI-Auswahlvorrichtung verwendeten Ablenkungswinkel notwendig sind, hängen von Einzelheiten der tatsächlichen Geometrie des Geräteaufbaus ab. Diese könnten auch kleineren Änderungen auf Grund von Temperaturschwankungen, mechanischen Belastungen, Vibrationen oder Stößen unterliegen. Also sind ein automatisches Selbstausrichtungs- und Kalibrierungsvermögen des Gerätes sehr nützlich. Für die Kalibrierung sind genaue Informationen über die Entfernung der Abbildungslinse zu dem von dem Laserpunkt getroffenen Szenenobjekt erforderlich, die aus der Laufzeitmessung des von dem Szenenobjekt zurückgeworfenen Lichtes erhalten werden. Mögliche Verfahren zur automatischen Selbstausrichtung, Kalibrierung und Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses werden nachstehend beschrieben.
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Für die technische Umsetzung der ROI-Auswahlvorrichtung sind mehrere Ausführungen der durchlässigen und reflektierenden Art unter Verwendung von verschiedenen Technologien möglich. Es werden drei Beispiele für mögliche Ausführungen vorgestellt, von denen eine erste vom durchlässigen Typ genauer beschrieben wird.
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Das erste Beispiel für eine Umsetzung der ROI-Auswahlvorrichtung ist in dem ausgewählten ROI für Licht durchlässig. 1 zeigt eine schematische Zeichnung eines Aufbaus dieser Art von Ausführung. Die verschiedenen Bezugszeichen in 1 bezeichnen die folgenden Merkmale: 1 Objektszene; 2 Abtastlaserstrahl; 3 Laserquelle und Abtasteinheit; 4 Abbildungslinse; 5 Bildebene der Abbildungslinse; 6 Vorrichtung, die das Licht innerhalb des ausgewählten Bereichs von Interesse überträgt und das Licht von außerhalb dieses Bereichs blockiert oder reflektiert, z. B. eine mechanische Blendenlamellenvorrichtung, von welcher eine mögliche Ausführung in 4 skizziert ist, oder eine Vorrichtung, die eine selektive Übertragung unter Verwendung der Flüssigkristalltechnologie vorsieht; 7 zusätzliche weitere optische Behandlung von ausgewähltem Licht, z. B. eine weitere Abbildungsoptik, optische Filter; 8 Detektor; 9 computerisierte Steuereinheit für die Koordination der räumlichen Laserabtast- und der ROI-Auswahlvorrichtung.
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Die Laserabtasteinheit 3 gibt unter veränderlichen Winkeln Laserimpulse aus, so dass ein spezifizierter Raumwinkel abgetastet wird, in dem die Szene enthalten ist. Die Wahl der besonderen verwendeten Technik zum Ablenken des Laserstrahls ist für die vorliegende Erfindung nicht wichtig. Es ist jedoch notwendig, dass genaue Informationen über die tatsächlichen Ablenkungswinkel entweder in der gemeinsamen Steuereinheit für die Laserabtast- und die ROI-Auswahlvorrichtung verfügbar sind, oder dass die Abtasteinheit durch die gemeinsame Steuereinheit gesteuert werden kann, um genaue Werte für die Ablenkungswinkel anzuwenden. Andere Parameter, wie die Laserimpulsenergie und -dauer und die zeitliche Steuerung der Laserimpulse können für die Steuerung durch die gleiche gemeinsame Steuereinheit verfügbar sein.
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Die Abbildungslinse 4 kartiert die Szene auf der ROI-Auswahlvorrichtung, die sich in der Bildebene befindet. Die besondere Ausführung der Linse ist für die Erfindung nicht wichtig, sie kann jede beliebige Anzahl an Elementen, Linsen oder gekrümmten Spiegeln umfassen. Das Lichterfassungsvermögen der Abbildungslinse ist ein weiterer Aspekt, für den eine Optimierung der Ausgestaltung äußerst wünschenswert ist, da sie das Signal-Rausch-Verhältnis insbesondere für Fernbereichsmessungen verbessern kann, wobei die Signalpegel bei den typischerweise begrenzten Laserimpulsenergien schnell klein werden. Im Allgemeinen sind Anforderungen an die Bildqualität nicht wesentlich. Eine Bildverzerrung kann in der computerisierten Steuerung der ROI-Auswahlvorrichtung ohne weiteres berücksichtigt werden. Chromatische Abbildungsfehler sind unerheblich, da typischerweise nur eine einzige Wellenlänge für den Beleuchtungslaser verwendet wird. Bezüglich der Fokussierfähigkeiten und der Bildschärfe hängen die Anforderungen von der besonderen Scanneranwendung ab, sind jedoch im Vergleich zur Qualität des Fotoobjektivs gering, da typischerweise der Laserpunktdurchmesser und die Lasereinstellgenauigkeit in erster Linie die Auflösung des Scanners bestimmen. Es können Autofokussysteme ähnlich denjenigen von Verbraucherkameras verwendet werden. In vielen Anwendungen kann eine feste Fokusausführung, bei der der Fokus zum Ende des Scannerbereichs eingestellt wird, ausreichend sein. Bei dem Abbildungsvermögen der Linse sollten jedoch ein schlechter Kontrast sowie Streulicht und Geisterbilder vermieden werden, da die Wirksamkeit von Hauptmerkmalen der Erfindung, nämlich die Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses und das Blockieren von Streu- und Hintergrundlicht sich verschlechtern könnten. Die Abbildungslinse kann auch mit einem Bildstabilisierungsmerkmal, wie es in Verbraucherkameras verwendet wird, ausgerüstet sein, und zwar basierend auf Beschleunigungsmessern und einer Positionssteuerung einiger optischer Elemente innerhalb des Linsenaufbaus, um einen Auflösungsverlust und Fehler auf Grund von Vibrationen zu vermeiden. Alternativ könnte der Regelkreis für die Bildstabilisierung auch geschlossen werden, indem dieses Signal in die Steuerung der ROI-Auswahlvorrichtung einbezogen wird.
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Die ROI-Auswahlvorrichtung 6 wird in der Bildebene 5 der Abbildungslinse positioniert. Als durchlässige ROI-Auswahlvorrichtung könnte eine Umsetzung unter Verwendung von Blendenlamellen mit einer geeignet gestalteten mechanischen Betätigung gesehen werden, die eine ähnliche Technologie aufweist, wie sie in Fotokameras verwendet wird. Eine Zeichnung, die ein Beispiel für einfach geformte Blendenlamellen für diesen Zweck zeigt, ist in 4 zu sehen. Legende für 4: 1 und 4 sind verschiebbare Blendenlamellen; 2 drehbare Blendenlamelle mit rechteckiger Öffnung; 3 Rotationsachse der Blende (2).
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Eine Blendenlamelle 2 mit einer engen rechteckigen oder dreieckigen Öffnung wird derart angebracht, dass sie um eine Achse 3 drehbar ist, wobei der Winkel von einem mechanischen Stellglied gesteuert wird. Die Position der Rotationsachse 3 kann derart gewählt sein, dass durch Drehen der Blendenlamelle das Bild des Laserstrahls stets innerhalb der Öffnung in der Blende enthalten ist. Die Position der Rotationsachse bestimmt sich durch die geometrische Anordnung der Laserabtasteinheit, der Abbildungslinse und des Erkennungssystems. Mit den verschiebbaren Blendenlamellen 1 und 4 kann ein Bereich entlang der Laserstrahlachse ausgewählt werden. Eine mechanische Blendenumsetzung der ROI-Auswahlvorrichtung besitzt einen ausgezeichneten Durchlassgrad, d. h. sie verursacht keinen zusätzlichen Verlust an Signallicht in ihrer offenen Fläche. Eine solche Umsetzung bringt jedoch die Nachteile mit sich, dass ein Rauschen sowie mechanische Abnutzung verursacht werden und dass sie im Betrieb recht langsam ist. Eine algorithmische Korrektur der Linsenverzerrung durch die Steuereinheit der ROI-Auswahlvorrichtung würde auch eine höhere Flexibilität bezüglich der Form der Übertragungsfläche erfordern, als es bei dem Beispiel in 4 der Fall ist. Es sind auch mechanische Ausführungen denkbar, die eine höhere Flexibilität bezüglich der Form der Übertragungsfläche ermöglichen, dies würde aber wahrscheinlich kompliziertere mechanische Konstruktionen nach sich ziehen.
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Eine attraktivere Umsetzung einer durchlässigen ROI-Auswahlvorrichtung ist eine Ausführung unter Verwendung der Flüssigkristalltechnologie (LC-Technologie). Die Technologie der Flüssigkristallanzeige ist in der Verbraucherelektronik und bei IT-Ausrüstungen sehr verbreitet. In Anzeigefeldern wird die Eigenschaft von Flüssigkristallschichten, die Polarisation von durch sie hindurchgehendem Licht in Abhängigkeit von dem elektrischen Feld zu ändern, genutzt. Hierfür ist die LC-Schicht von zwei transparenten Elektroden umschlossen, von denen mindestens eine so strukturiert ist, dass sie die Pixelstruktur der Tafel erhält. Die Dicke der LC-Schicht wird derart gewählt, dass die Drehung der Polarisation des übertragenen Lichts bis zu 90° beträgt, wenn die Doppelbrechung des LC mit der elektrischen Tafel geschaltet wird. Durch das Einfügen dieses Aufbaus zwischen zwei polarisierende Filme mit orthogonaler Ausrichtung wird ein separater optischer Schalter für jedes Pixel verwirklicht. Da unsere Anwendung keine Grauwertfähigkeit erfordert, bieten ferroelektrische Flüssigkristalle die vorteilhaften Eigenschaften von schnellen Reaktionszeiten und einer Bistabilität.
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Für unsere Anwendung sollte der ”on-value”-Durchlassgrad der LC-Tafel möglichst hoch sein, um Verluste des Signallichts gering zu halten.
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Ein Nachteil einer LC-Umsetzung der ROI-Auswahlvorrichtung besteht darin, dass nur eine Polarisationsrichtung des Signallichts für die Erkennung verbleibt.
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Vor der Vorstellung von zwei möglichen Umsetzungen einer reflektierenden ROI-Auswahlvorrichtung sind noch einige Komponenten der durchlässigen Ausführung aus 1 zu beschreiben. Nachdem das Signallicht zur Erkennung durch die ROI-Auswahlvorrichtung herausgefiltert wurde, muss es durch ein zusätzliches lichtbrechendes oder reflektierendes optisches System 7 auf der empfindlichen Fläche des Lichtdetektors 8 abgebildet werden. Außerdem kann ein Bandpassfilter für die Wellenlänge des Abtastlasers vor dem Detektor angebracht werden. Als Lichtdetektor können Lawinen-Fotodioden (APDs), PIN-Fotodioden, gemischte Detektoren APD/PIN oder Fotovervielfacherröhren verwendet werden.
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Eine Umsetzung der ROI-Auswahlvorrichtung vom reflektierenden Typ unter Verwendung der DLP-Technologie ist in 2 gezeigt. Die DLP(Digital Light Processor)-Technologie basiert auf einer Matrix von mikromechanischen Spiegeln, die individuell ansteuerbar sind und deren Position unter Verwendung elektrostatischer Kraft geschaltet werden kann.
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Legende der 2: 1 Objektszene; 2 Abtastlaserstrahl; 3 Laserquelle und Abtasteinheit; 4 Abbildungslinse; 5 Bildebene der Abbildung; 6 Vorrichtung, basierend auf der DLP-Technologie, die das Licht innerhalb des ausgewählten Bereichs von Interesse in eine besondere Richtung reflektiert; 7 zusätzliche weitere optische Behandlung von ausgewähltem Licht, z. B. eine weitere Abbildungsoptik, optische Filter; 8 Detektor; 9 optische Strahlfalle für das Licht außerhalb des ausgewählten ROIs, das durch die DLP-Vorrichtung in eine zweite besondere Richtung reflektiert wird; 10 computerisierte Steuereinheit für die Koordination der räumlichen Laserabtast- und ROI-Auswahlvorrichtung.
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Typische Neigungswinkel der mikroskopischen Spiegel zwischen einem eingeschalteten und einem ausgeschalteten Zustand betragen um 10°, was ausreicht, um eine ROI-Auswahlvorrichtung zu verwirklichen. Durch Anordnen der DLP-Vorrichtung 6 in der Bildebene 5 der Abbildungslinse 4 reflektieren die mikroskopischen Spiegel das Licht in ihrem eingeschalteten Zustand in Richtung eines zusätzlichen optischen Systems zur Abbildung auf der empfindlichen Oberfläche 8 des Detektors. Wenn sie in den ausgeschalteten Zustand geschaltet werden, lenken die mikroskopischen Spiegel das Licht in eine optische Strahlfalle ab, wo es absorbiert wird.
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Eine weitere Umsetzung der ROI-Auswahlvorrichtung vom reflektierenden Typ kann unter Verwendung der LCoS-Technologie (Liquid Crystal an Silicon) gestaltet werden. Die Technik von LCoS-Tafeln hat Ähnlichkeit mit durchlässigen LC-Tafeln. Wieder wird die Lichtpolarisation geändert, dieses Mal jedoch zu einer Reflexion an der LCoS-Vorrichtung. Die Wirkung jedes Pixels des LCoS ist die, das von einer schaltbaren Phasenplatte vor einem Spiegel, mit einem Unterschied in der Doppelbrechung der LC-Schicht zwischen dem eingeschalteten und dem ausgeschalteten Zustand, eine Phasenverschiebung zwischen zwei orthogonalen Polarisationsrichtungen entsprechend zum Beispiel wie bei einer Viertelwellenplatte realisiert wird. 3 zeigt einen schematischen Aufbau unter Verwendung einer LCoS-Tafel 6 für die ROI-Auswahlvorrichtung. Legende der 3: 1 Objektszene; 2 Abtastlaserstrahl; 3 Laserquelle und Abtasteinheit; 4 Abbildungslinse; 5 Bildebene der Abbildungslinse; 6 Vorrichtung basierend auf der LCoS-Technologie, die das Licht innerhalb des ausgewählten Bereichs von Interesse mit einer zusätzlichen Phasenverschiebung von 90° zwischen zwei orthogonalen Richtungen der Polarisation reflektiert; 7 zusätzliche weitere optische Behandlung von ausgewähltem Licht, z. B. eine weitere Abbildungsoptik, optische Filter; 8 Detektor; 9 polarisierender Strahlenteiler; 10 computerisierte Steuereinheit für die Koordination der räumlichen Laserabtast- und ROI-Auswahlvorrichtung.
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Die LCoS-Tafel 6 wird in der Bildebene 5 der Abbildungslinse 4 positioniert. Um das Licht herauszufiltern, das für die Erkennung nach der Reflexion durch die LCoS-Tafel ausgewählt wurde, wird ein polarisierender Strahlenteiler 9 zwischen die Abbildungslinse und die LCoS-Tafel eingefügt. Der polarisierende Strahlenteiler überträgt nur eine Art von linear polarisiertem Licht und reflektiert die andere Art. Pixel auf der LCoS-Tafel im eingeschalteten Zustand reflektieren Licht mit der um 90° gedrehten Polarisation, so dass es von dem polarisierenden Strahlenteiler in Richtung des zusätzlichen optischen Systems 7 abgelenkt und auf die aktive Fläche des Detektors 8 fokussiert wird.
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Verfahren zur Ausrichtung, Kalibrierung und Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses
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Die geometrische Beziehung, die die Koordination der ROI-Auswahlvorrichtung mit dem Antrieb der Beleuchtungsstrahl-Ablenkungswinkel in der Abtasteinheit bestimmt, hängt von den Einzelheiten der tatsächlichen Geometrie des Scanneraufbaus ab. In vielen Anwendungen ist das Gerät Temperaturschwankungen, mechanischen Belastungen, Vibrationen und Stößen ausgesetzt, so dass eine häufige Ausrichtung und Kalibrierung des Systems selbst dann erforderlich ist, wenn passiv stabile und mechanisch starre Ausführungen verwendet werden. Ein automatisches Selbstausrichtungs- und Kalibrierungsvermögen des Gerätes zusammen mit einer aktiven Vibrationssteuerungstechnologie ist sehr nützlich und wird für anspruchsvolle Anwendungen sehr empfohlen.
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Änderungen der Geometrie im Aufbau des Gerätes auf Grund von Vibrationen können großteils unter Verwendung einer ähnlichen aktiven Vibrationssteuerungstechnik ausgeglichen werden, wie sie zum Beispiel in Foto- und Videokameras verwendet wird. An den wichtigen Stellen innerhalb des Gerätes messen Beschleunigungsmesser die statische und dynamische Beschleunigung in verschiedenen Richtungen, von denen Steuersignale für die Stellglieder von verschiedenen optischen Komponenten abgeleitet werden, so dass die Auswirkung von Vibrationen und mechanischen Belastungen auf die Geometrie des Gerätes minimiert wird. Die betätigten optischen Komponenten, die zur Steuerung verwendet werden, können Spiegel und Linsen sein. Die optischen Systeme sind dementsprechend so gestaltet, dass sie auf diese Weise eine wirksame Steuerung der Vibrationen und statischen Beschleunigung ermöglichen. Zusätzlich oder alternativ kann das Steuersignal von den Beschleunigungsmessern in der Einheit, die die ROI-Auswahlvorrichtung steuert, ausgewertet werden, um in dieser Ebene Änderungen der Position von Elementen in dem Erkennungssystem sowie Änderungen der Winkel oder Position des Beleuchtungsstrahls, der von der Abtasteinheit ausgegeben wird, zu berücksichtigen.
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Für die Kalibrierung der ROI-Auswahlvorrichtung in Bezug auf die Beleuchtungs-Abtasteinheit kann man stets die Steuerung beider Vorrichtungen als in einem auf die Vorrichtung bezogenen Koordinatensystem arbeitend ansehen. Für die ROI-Auswahlvorrichtung ist dies das Koordinatensystem ihrer aktiven Oberfläche in der Bildebene der Abbildungslinse. In dem Beispiel einer Umsetzung unter Verwendung einer LC-Tafel stellen die Indizes von Pixeln in der Tafel ein praktisches Koordinatensystem dar. Im Fall der Abtasteinheit muss die Steuerung ein Koordinatensystem verwenden, das die beiden Ablenkungswinkel für den Beleuchtungsstrahl, d. h. einen horizontalen und einen vertikalen Ablenkungswinkel, kartiert. Die Kalibrierung umfasst drei Ebenen: Zunächst die möglichen Verschiebungen der Ursprünge der beiden jeweiligen Koordinatensysteme entsprechend der horizontalen und vertikalen Verlagerungen von Elementen der Abbildungslinse oder anderer Teile des Erkennungssystems in Bezug auf den Ausgabepunkt der Abtasteinheit, oder Änderungen der Zeigerrichtung der Abtasteinheit in Bezug auf die optische Achse der Abbildungslinse. Zweitens Änderungen der jeweiligen Maßstäbe jedes Koordinatensystems, die durch Änderungen der Vergrößerung der Abbildungslinse verursacht werden können, d. h. durch Verlagerungen entlang der optischen Achse von Elementen der Abbildungslinse oder der ROI-Auswahlvorrichtung, oder durch Änderungen der Amplitude der Reaktion der Vorrichtung, die den Beleuchtungsstrahl in die Abtasteinheit ablenkt. Und drittens einen möglichen Drehwinkel zwischen den beiden Koordinatensystemen, der zum Beispiel mögliche Änderungen des Neigungswinkels der Abtasteinheit in Bezug auf das Erkennungssystem in der Ebene orthogonal zu der optischen Achse der Abbildungslinse reflektiert.
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Die geometrische Beziehung, die beleuchtete Punkte in der dreidimensionalen Szene auf Punkten in der Bildebene der Abbildungslinse kartiert, wird in der computerisierten Steuereinheit der ROI-Auswahlvorrichtung durch entsprechende berechenbare Ausdrücke dargestellt, wobei Parameter die Einzelheiten der Gerätegeometrie, d. h. Abstände und Winkel, kennzeichnen sowie gegebenenfalls Empfindlichkeitskalibrierungsfaktoren für die Vorrichtung, die die Beleuchtungsstrahlablenkung oder die Vergrößerung der Abbildungslinse umsetzt. Die Werte dieser Parameter werden in dem Kalibrierungsverfahren angepasst, um die Änderungen zu korrigieren, wenn sie auf Grund von Temperaturschwankungen, mechanischen Belastungen, Vibrationen und Stößen, oder auf Grund von Verschleiß und Alterung des Systems auftreten. Die Kalibrierung benötigt genaue Informationen über die Entfernung des Detektors zu dem von dem Laserpunkt getroffenen Szenenobjekt, die aus der Laufzeitmessung des von dem Szenenobjekt rückgestreuten Lichtes erhalten werden. Die verwendeten Informationen über Ablenkungswinkel werden entweder von der Abtasteinheit zur Verfügung gestellt, oder sie werden von der Steuereinheit auf spezifizierte Werte eingestellt. Um die genaue Position in der Bildebene des abgebildeten Laserpunktes in der dreidimensionalen Szene zu finden, können iterative Suchverfahren verwendet werden, durch die die Position des ROI angepasst wird, um den Detektorsignalpegel zu optimieren, beginnend mit einem größeren Durchmesser des ROI und dann Verkleinern desselben. Es sind auch Verfahren unter Verwendung von Arten von segmentierten Fotodetektoren, z. B. Quadrantenfotodetektoren, um die Positionsinformationen zu erhalten, denkbar. Für die Kalibrierung in allen drei Ebenen sind mehrere Messpunkte, die über die dreidimensionale Szene verteilt sind, notwendig. Die Kalibrierung kann bei definierten Ereignissen, wie auf Anforderung des Bedieners, beim Einschalten des Geräts, periodisch, nachdem eine bestimmte Zeit verstrichen ist, oder wenn ein bestimmter Temperaturwechsel aufgetreten ist, ausgeführt werden. Bei anspruchsvollen Anwendungen kann es auch praktisch sein, wenn die Kalibrierungsvorgänge ständig parallel zu der aktuellen Messung der dreidimensionalen Szene vorgenommen werden. Hier sind autoadaptive, selbstlernende oder prädiktive Verfahren denkbar, die optimierte Strategien für die Kalibrierung durch Prioritisierung der Kalibrierung von Parametern verwenden, die sich am ehesten ändern, und durch Erkennen der Tendenzen bei der Änderung von bestimmten Parametern.
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Außerdem sind adaptive Verfahren zur Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses des erkannten Signals durch Einwirken auf die Laserimpulsenergie sowie die Größe und Form der ROI-Auswahl denkbar.
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Lösung der Probleme der Kategorie b): Verfahren zum Vermeiden einer Störung zwischen mehreren ähnlichen Scannersystemen, die die gleiche Szene bearbeiten
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Mit der Einführung der ROI-Auswahlvorrichtung in die Bildebene kann die Erkennung selektiv erfolgen, so dass nur Licht von dem Punkt in der dreidimensionalen Szene, der von dem eigenen Laser des Systems beleuchtet wird, den Detektor erreicht. Auf Grund dieser Beschränkung der Erkennung auf einen kleinen Bruchteil des Gesichtsfelds wird die Wahrscheinlichkeit einer gleichzeitigen Erkennung von Beleuchtungslicht, das von einem anderen, ähnlichen Gerät stammt, das die gleiche Szene bearbeitet, bereits erheblich reduziert im Vergleich zu einem Erkennungssystem, das gegenüber einem größeren als dem erforderlichen Bruchteil des Gesichtsfelds des Detektors empfindlich ist. Diese Wahrscheinlichkeit reduziert sich auf diejenige einer Überlappung der Beleuchtungspunkte von zwei Geräten in dem gleichen Punkt der dreidimensionalen Szene mal die Wahrscheinlichkeit eines zeitlichen Zusammentreffens des Beleuchtungsimpulses. Die Wahrscheinlichkeit eines solchen störenden doppelten zeitlichen und räumlichem Zusammentreffens kann durch Verwendung kürzerer Laserimpulsdauern weiter verringert werden.
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Um ferner zu gewährleisten, dass ein solches seltenes Zusammentreffen nur in einzelnen Ereignissen auftreten kann, muss eine Diversifikation der Zeitsteuerung des Beleuchtungsimpulses und/oder des Weges, entlang welchem der Beleuchtungspunkt über die Szene gelenkt wird, eingeführt werden. Ein wirksamer Weg, eine Diversifikation zu erreichen, besteht in der Verwendung von Zufallssequenzen für die Zeitsteuerung des Beleuchtungsimpulses und/oder für das Lenken des Laserpunktes durch die Szene. Zu diesem Zweck können Pseudozufallszahlengeneratoren verwendet werden und bieten eine ausreichende Zufälligkeit, insbesondere wenn ein ausreichend langer Zeitraum verwendet wird und eine zusätzliche wirkliche Zufälligkeit in die Wahl der Ausgangszahlen eingebracht wird.
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Lösung zu Problemen der Kategorie c): Verfahren zur Messung des Sichtbarkeitsbereichs und zur verbesserten Erkennung von Objekten bei schlechten Witterungsverhältnissen
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Es ist bekannt, dass die Signalabgabe von einer diffusen Streuung an Teilchen in der Atmosphäre verringert wird, wenn die Achsen für die Erkennung und die Beleuchtung gut voneinander getrennt sind. Dies ist auch die Konfiguration, in der die ROI-Auswahlvorrichtung in der Bildebene am nützlichsten ist. In der Situation der verringerten Sichtbarkeit auf Grund von schlechten Witterungsverhältnissen, Nebel oder Rauch oder Insektenschwärmen kann die ROI-Auswahlvorrichtung eine zusätzliche Funktionalität ermöglichen und die durch die Nutzung der Laufzeittechnik vorgesehene Funktionalität verbessern, um den Sichtbarkeitsbereich zu charakterisieren und die Erkennung von Objekten in einer Atmosphäre mit verringerter Sichtbarkeit zu verbessern.
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Wenn die Laserablenkungswinkel derart eingestellt sind, dass der Weg des Laserstrahls vollkommen innerhalb des Gesichtsfelds der Abbildungslinse bleibt und keine Szenenobjekte von dem Laserstrahl getroffen werden, ist eine Bestimmung des Sichtbarkeitsbereichs im Prinzip gerade von der perspektivischen Geometrie basierend auf einer Auswertung des Bildes der Spur des Laserstrahls auf Grund von in der Atmosphäre gestreutem Licht möglich. Das Bild der Ausbreitung des Laserstrahls durch die Atmosphäre entspricht einem Liniensegment, wie es in 5 schematisch gezeigt ist. Der Startpunkt des Liniensegments bestimmt sich durch die Position, an der der Strahl in das Gesichtsfeld der Linse eintritt, das durch den Kreis 1 in der Bildebene abgegrenzt ist. Der Endpunkt des Liniensegments 4 entspricht dem Punkt in der Szene, der am weitesten entfernt ist und einen Signalpegel von einer atmosphärischen Streuung knapp oberhalb der Erkennungsgrenze liefert. Die Position dieses Endpunktes bestimmt somit den Sichtbarkeitsbereich. Bei einem längeren Sichtbarkeitsbereich nähert sich dieser Punkt dem Konvergenzpunkt 3 in 5 an, der dem Punkt in der Szene im Unendlichen, auf den der Laserstrahl gerichtet ist, entspricht.
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Legende der 5: 1 Bildkreis des Gesichtsfelds der Abbildungslinse; 2 Zentrum des Gesichtsfelds; 3 Konvergenzpunkt für den Laserstrahl, der sich bis zu einer sehr weiten Entfernung oder ins Unendliche ausbreitet; 4 Punkt, an dem der Signalpegel von in der Atmosphäre gestreutem Licht auf die Erkennungsgrenze verringert wird.
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Mit diesem Verfahren, das auf Dreiecksvermessung beruht, nimmt die Genauigkeit der Bestimmung der Entfernung von der Abbildungslinse mit der Vergrößerung der Entfernung schnell ab. Dies liegt an der verschwindenden Steigung der Funktionskartierungspunkte von der dreidimensionalen Szene zu der Bildebene bei großen Entfernungen. Somit ist das primitive Verfahren, das nur auf Betrachtungen der Perspektive beruht, nur in Fällen von Sichtbarkeiten im Nahbereich praktisch.
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Für eine genaue Bestimmung des Sichtbarkeitsbereichs muss das Laufzeitspektrum (TOF) des rückgestreuten Lichtsignals ausgewertet werden. Um das TOF-Spektrum aufzuzeichnen, sind mehrere Verfahren bekannt und werden üblicherweise in verschiedenen technologischen und wissenschaftlichen Anwendungen verwendet, die die Zeitsteuerung von kurzen Impulsen beinhalten, zum Beispiel bei Experimenten der Teilchenphysik. Als Beispiel für ein solches Verfahren kann das Signal von dem schnellen Lichtdetektor, APD oder PMT, in einem Zeit-Digital-Wandler verarbeitet werden, wodurch jeder Detektorimpuls mit einem auf die Zeit der Erkennung bezogenen Zeitstempel markiert wird. Dies erfordert eine ausreichend kurze Totzeit des Detektors zwischen zwei Impulsen. Andere Verfahren dieser Art verwenden einen Mehrkanal-Impulszähler oder einen Zeit-Amplituden-Wandler in Kombination mit einem Mehrkanalpuffer. Wenn PIN-Fotodetektoren, oder APDs im linearen Betriebsmodus verwendet werden, kann das erhaltene Analogsignal unter Verwendung von schnellen ADCs und Abtasten mit ausreichend hoher Geschwindigkeit durch Schaltkreise verarbeitet werden, die ähnlich denjenigen sind, die in digitalen Abtastoszilloskopen verwendet werden. Ein technologisch weniger involviertes Verfahren besteht in der Verwendung einer zeitverknüpften (time-gated) Erkennung. Hier ist der Detektor nur innerhalb eines kurzen Zeitintervalls mit einer einstellbaren Verzögerung nach einem Auslöseimpuls aktiv, oder das Detektorsignal wird nur über diesen kurzen Zeitintervall mit einer einstellbaren Verzögerung integriert. Das TOF-Spektrum wird durch Variieren der Verzögerung des Gatters für die Erkennung in wiederholten Messungen aufgezeichnet.
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6 zeigt die TOF-Signale nach einem kurzen Laserimpuls, wie sie in drei Atmosphären mit unterschiedlichem Sichtbarkeitsbereich zu erwarten sind.
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Die mit einer durchgezogenen Linie eingezeichneten Kurven stellen die Zeitabhängigkeit des erkannten Signals von in der Atmosphäre diffus gestreutem Licht für drei verschiedene Werte des Sichtbarkeitsbereichs dar. Das Signal bei kürzeren Zeiten ist bei dem kürzesten Sichtbarkeitsbereich am höchsten. Die Kurven, die mit gestrichelten Linien eingezeichnet sind, zeigen die Detektorsignale der Rückstreuung von einem harten Objekt, das sich einmal in einer kleineren und einmal in einer größeren Entfernung in einer Atmosphäre befindet, die eine mittlere Sichtbarkeit erlaubt. Die Signale von harten Objekten überlagern das Signal, das von einer diffusen Streuung in der Atmosphäre empfangen wird.
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Aus dem Pegel und der Form des Signals in den gemessenen TOF-Kurven kann der Sichtbarkeitsbereich genau bestimmt werden. In dem TOF-Spektrum erscheinen die Signale aus der Streuung von harten Objekten in der Szene als deutliche Merkmale mit einer Breite, die im Wesentlichen der Impulsdauer für die Beleuchtung entspricht. Das Hintergrundsignal von der diffusen Streuung in der Atmosphäre im näheren Bereich kann Größenordnungen annehmen, die größer sind als das Signal von einem harten Objekt in größerer Entfernung. In der zeitaufgelösten Messung können die beiden Arten von Signalquellen eindeutig durch ihre jeweilige charakteristische Form unterschieden werden. Mit zunehmender Entfernung und abnehmendem Sichtbarkeitsbereich nimmt die Signalstärke der Rückstreuung von harten Objekten ab, und demnach verkleinert sich der Kontrast zu der Hintergrund- oder diffusen Streuung und verschwindet schließlich. Eine Softwareverarbeitung des TOF-Spektrums kann in Situationen mit verringerter Sichtbarkeit eine verbesserte Erkennung und Ortung von Objekten in der Szene ermöglichen.
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Abhängig von der Art des verwendeten Fotodetektors können die hohen Signalpegel von der diffusen Streuung in der Atmosphäre im näheren Bereich, d. h. mit kürzeren Zeiten in dem TOF-Spektrum, Probleme mit der Sättigung des Detektors verursachen, die eine richtige Erkennung von Signalen zu späteren Zeiten behindern. Als Abhilfe kann die Laserimpulsenergie verringert werden, oder wenn eine variable Verstärkung für den Detektor oder den anschließenden Verstärker vorgesehen ist, könnte diese so angepasst werden, dass zum Beispiel die Form und der Signalpegel für die diffuse Streuung in der Atmosphäre genau gemessen werden kann. Um die schwachen Signale von Objekten in größerer Entfernung zu erkennen, sind jedoch eine höhere Laserimpulsenergie sowie eine hohe Erkennungsverstärkung erforderlich. Der dynamische Bereich des Erkennungssystems oder die Geschwindigkeit einer gesteuerten Anpassung hiervon kann unzureichend sein, um die eindeutige Erkennung von entfernten Szenenobjekten in einer diffus streuenden Atmosphäre zu ermöglichen. In diesen Fällen ist die von der vorliegenden Erfindung zur Verfügung gestellte Fähigkeit, einen ROI auszuwählen und geometrisch das gesamte Licht außerhalb dieses ROI von der Erkennung zu blockieren, sehr nützlich. Nach einer ersten Messung mit einer verringerten Empfindlichkeit zum Erhalten eines Überblicks über den gesamten Bereich kann die ROI-Auswahlvorrichtung so programmiert werden, dass sie das starke Signal von der diffusen Streuung im Nahbereich auslöscht und in einer zweiten Messung mit einer hohen Impulsenergie und einer hohen Verstärkung des Detektorsystems eine genaue Erkennung von Objekten in größerer Entfernung zulässt.
