DE4222642A1 - Bilderfassende Sensoreinheit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine bilderfassende Sensoreinheit, enthaltend einen passiven Sensor, der ein Gesichtsfeld in Bildelemente mit unterschiedlichen Helligkeiten zerlegt und dem bildverarbeitende Mittel nachgeschaltet sind.

Es sind bilderfassende Sensoren bekannt, bei denen die einzelnen Bildelemente eines beobachteten Gesichtsfeldes nacheinander mit Hilfe beweglicher optischer Glieder auf einen feststehenden Detektor abgebildet werden. Das Gesichtsfeld wird so Punkt für Punkt oder Zeile für Zeile abgetastet. Es sind auch Sensoren mit einer zweidimensionalen Anordnung von Detektorelementen bekannt. Solche Sensoren können beispielsweise von einer CCD-Matrix gebildet sein. Bei solchen Sensoren wird das Gesichtsfeld auf die Detektorelemente des Sensors abgebildet. Die Detektorelemente sprechen auf Strahlung an, die von den Objekten des Gesichtsfeldes ausgesandt oder reflektiert wird. Der Sensor selbst sendet, anders als beispielsweise bei RADAR, keine Strahlung aus. Man bezeichnet solche Sensoren als passive, bilderfassende Sensoren.

Solche passiven Sensoren liefern nur ein Hell-Dunkel-Muster, bei welchem jeder Beobachtungsrichtung ein Intensitätswert der aus dieser Richtung auf den Sensor fallenden Strahlung zugeordnet ist. Die passiven Sensoren liefern keine Tiefeninformation, also keine Informationen über die Entfernung oder die dreidimensionale Struktur eines erfaßten Objektes.

Es ist weiterhin bekannt, einen passiven, bilderfassenden, optischen Sensor mit einem "aktiven" Sensor zu kombinieren, der im Millimeterwellenbereich arbeitet. Ein solcher Sensor liefert Entfernungsinformationen. Bei einem solchen im Millimeterwellenbereich arbeitenden Sensor kann jedoch nur eine im Vergleich zu einem optischen, bilderfassenden Sensor geringe Winkelauflösung erreicht werden. Dadurch ist eine geometrische Zuordnung der Informationen eines solchen Sensors zu den einzelnen Bildelementen nicht oder nur unzureichend möglich. Solche kombinierten Sensoreinheiten sind außerdem unerwünscht groß.

Es sind weiterhin LADAR-Sensoren bekannt. Dabei bedeutet LADAR, in Anlehnung an RADAR, "Laser Detection and Ranging". Solche Sensoren enthalten einen Laser, der ein Laser- Lichtbündel aussendet. Das Laser-Lichtbündel fällt auf ein im Gesichtsfeld angeordnetes Objekt. Ein photoelektrischer Detektor erfaßt das von dem Objekt reflektierte Licht. Aus der Laufzeit des Lichtbündels zum Objekt und zurück kann die Entfernung des Objektes bestimmt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoreinheit zu schaffen, die eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Erkennung von Objekten in einem beobachteten Gesichtsfeld gestattet.

Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, eine raumsparende "Dual-Mode"-Sensoreinheit zu schaffen.

Erfindungsgemäß werden die angegebenen Aufgaben bei einer Sensoreinheit der eingangs genannten Art gelöst durch einen zusätzlichen, aktiven LADAR-Sensor mit einem Laser, der einen Abtaststrahl aus sendet und aus der von Flächen im Gesichtsfeld reflektierten Strahlung Entfernungssignale erzeugt.

Die Erfindung sieht also vor, einen bilderfassenden, optischen Sensor mit einem LADAR-Sensor zu kombinieren. Durch die zusätzliche Verwendung des LADAR-Sensors kann zusätzlich zu der zweidimensionalen Struktur von Objekten auch deren Entfernung bestimmt werden. Daraus können Informationen über die absolute Größe eines erfaßten Objektes gewonnen werden. Es ist auch möglich, bei einer Abtastung des Gesichtsfeldes mit einem Laser-Lichtbündel Informationen über die dreidimensionale Struktur des Objektes zu gewinnen, also eine Art Relief. Die Abtastung mittels eines Laser-Lichtbündels gestattet eine hinreichend feine Auflösung, im Gegensatz zu Sensoren, die mit Millimeterwellen arbeiten.

Der LADAR-Sensor kann entweder als FMCW-LADAR oder als Puls- LADAR arbeiten.

Wenn mittels des LADAR-Sensors das Gesichtsfeld mit gleicher Auflösung, z. B. in einer 512×512-Bildmatrix, und mit der gleichen Bildfrequenz von beispielsweise 25 Hz abgetastet wird wie mit dem passiven, optischen Sensor, dann ergibt sich eine sehr hohe Abtastfrequenz von beispielsweise 6,5 MHz. Eine solche Abtastfrequenz ist mit LADAR-Sensoren schwer zu verwirklichen. In weiterer Ausbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß die Abtastung des Gesichtsfeldes durch den LADAR-Sensor von den dem passiven Sensor nachgeschalteten bildverarbeitenden Mitteln gesteuert ist. Das kann in der Weise geschehen daß die durch den LADAR-Sensor erfolgende Abtastung auf im Gesichtsfeld von dem passiven Sensor erfaßte Objekte beschränkt ist. Dabei können die bildverarbeitenden Mittel zur Segmentation von Objekten im Gesichtsfeld eingerichtet sein und die Steuerung des LADAR-Sensors so erfolgen, daß dieser nur solche segmentierten Objekte abtastet.

Bei einer solchen Steuerung des LADAR-Sensors braucht der Sensor nicht das gesamte Gesichtsfeld mit der Bildfrequenz von z. B. 25 Hz abzutasten. Dieses Gesichtsfeld enthält u. U. nur in einem kleinen Bereich ein zu identifizierendes Objekt. Der Rest des Gesichtsfeldes ist nicht interessierender Hintergrund. Durch den passiven Sensor und die zugehörige Bildverarbeitung wird daher zunächst eine Auswahl getroffen, welcher Teilbereich des Gesichtsfeldes für eine Abtastung mit dem LADAR-Sensor in Frage kommt. Ein solcher Teilbereich bildet beispielsweise eine Bildmatrix von 16×16. Für die Abtastung eines solchen begrenzten Teilbereichs mit der Bildfrequenz von 25 Hertz reichen wesentlich geringere Abtastfrequenzen in der Größenordnung von 10 kHz aus. Solche Abtastfrequenzen sind bequem beherrschbar.

Eine raumsparende Ausbildung der Sensoreinheit ergibt sich dadurch, daß für den LADAR-Sensor und den passiven Sensor eine gemeinsame Abbildungsoptik vorgesehen sind, wobei zur Trennung der den passiven Sensor beaufschlagenden Strahlen und der rücklaufenden Strahlen des LADAR-Sensors ein Strahlenteiler vorgesehen ist.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 6 bis 8.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.

Die Zeichnung zeigt den Aufbau einer Sensoreinheit mit einem passiven, bilderfassenden, optischen Sensor und einem LADAR- Sensor, die mit einer gemeinsamen Abbildungsoptik arbeiten und bei welcher der LADAR-Sensor von der Bildverarbeitung des passiven Sensors gesteuert ist.

Mit 10 ist eine Struktur bezeichnet, auf welcher die Sensoreinheit aufgebaut ist. Die Struktur 10 weist einen Flansch 12 auf. An dem Flansch 12 ist ein optisches System 14 montiert. Das optische System 14 ist gemeinsam für den passiven, bilderfassenden, optischen Sensor und für den LADAR- Sensor und bildet eine gemeinsame Apertur für beide Sensoren.

Ein wellenlängenabhängiger Strahlenteiler 16 trennt die Strahlengänge des passiven, bilderfassenden, optischen Sensors und des LADAR-Sensors. Der Strahlengang des passiven Sensors wird von dem Strahlenteiler 16 reflektiert und über einen Umlenkspiegel 18 und ein weiteres optisches Glied 20 auf einen Detektor 22 geleitet. Der Detektor 22 ist ein CCD-Detektor (Charge Coupled Device) mit einer zweidimensionalen Anordnung von Detektorelementen, die eine 512×512-Matrix bilden. Der Detektor kann aber statt dessen auch ein Zeilendetektor mit einer eindimensionalen Anordnung von Detektorelementen sein. In diesem Fall ist der Umlenkspiegel 18 als Schwingspiegel ausgebildet, der eine Abtastung des Gesichtsfeldes Zeile für Zeile bewirkt.

Der Strahlengang des LADAR-Sensors tritt durch den wellenlängenselektiven Strahlenteiler 16 hindurch. Der Strahlengang verläuft über ein Abtastsystem 30. Das Abtastsystem enthält einen Spiegel, der gesteuert in zwei zueinander senkrechten Richtungen um definierte Winkel auslenkbar ist. Der Strahlengang verläuft dann - auf dem rücklaufenden Weg - durch eine Lambdaviertelplatte 32, über einen Umlenkspiegel 34 und durch einen Polarisationsstrahlenteiler 36 hindurch. Das durch den Polarisationsstrahlenteiler 36 hindurchtretende Lichtbündel wird durch ein optisches Glied 38 auf einem Laser-Detektor 40 gesammelt.

Ein aus dem Laser 50 ausgekoppeltes Laser-Lichtbündel ist linear polarisiert. Dieses Laser-Lichtbündel wird über einen Umlenkspiegel 52 geleitet. Das Laser-Lichtbündel wird dann durch eine Optik 54 aufgeweitet. Ein Umlenkspiegel 56 lenkt dann das Laser-Lichtbündel in Richtung auf den Polarisationsstrahlenteiler 36. Das linear polarisierte Laser- Lichtbündel fällt unter dem Brewster-Winkel auf den Polarisationsstrahlenteiler 36. Dadurch wird das vorlaufende Laser-Lichtbündel verlustarm in den Strahlengang eingekoppelt.

Nach dem Durchgang durch die Lambdaviertelplatte 32 ist das vorlaufende Laser-Lichtbündel zirkular polarisiert. Das Laser- Lichtbündel wird durch das Abtastsystem 30 abgelenkt und tritt durch den wellenlängenselektiven Strahlenteiler 16 hindurch durch das optische System 14 aus. Das von einem Objekt reflektierte, rücklaufende Laser-Lichtbündel ist ebenfalls zirkular polarisiert. Das rücklaufende Laser-Lichtbündel läuft den gleichen Weg zurück durch das optische System 14 hindurch, über das Abtastsystem 30, durch den wellenlängenselektiven Strahlenteiler 16 und die Lambdaviertelplatte 32. Nach Durchgang durch die Lambdaviertelplatte 32 ist das Laser- Lichtbündel wieder linear polarisiert. Die Polarisationsebene des rücklaufenden Laser-Lichtbündels ist jedoch gegenüber der Polarisationsebene des vorlaufenden Laser-Lichtbündels um 90° gedreht. Für das so polarisierte Laser-Lichtbündel weist der Polarisationsstrahlenteiler 36 eine hohe Transmission auf. Dadurch kann das rücklaufende Laser-Lichtbündel verlustarm durch den Polarisationsstrahlenteiler 36 hindurch auf den Laser-Detektor 40 gelangen.

Die Bilddaten von dem Detektor 22 des passiven Sensors sind auf eine Bildverarbeitungs-Einrichtung 56 geschaltet. Die Bildverarbeitungs-Einrichtung 56 segmentiert einzelne Objekte oder wählt einzelne interessierende Objekte im Gesichtsfeld aus. Die Bildverarbeitungs-Einrichtung steuert nun das Abtastsystem 30 so, daß es einen Teilbereich des Gesichtsfeldes abtastet, welcher ein solches interessierendes Objekt enthält. Ein solcher Teilbereich kann beispielsweise 16×16 Bildelemente oder Pixel umfassen. Ein solcher Teilbereich ist wesentlich kleiner als das gesamte Gesichtsfeld. Er kann daher mit einer wesentlich geringeren Abtastfrequenz von z. B. 10 kHz abgetastet werden als sie zur Abtastung des gesamten Gesichtsfeldes mit der gleichen Bildfrequenz erforderlich wäre.

Es kann auch sein, daß eine Abtastung gar nicht erforderlich ist sondern nur die Entfernung des Objektes bestimmt zu werden braucht. Diese Entfernung würde z. B. in Verbindung mit dem Bild am Detektor 22 eine Aussage über die absolute Größe des Objektes gestatten.

Claims (8)

1. Bilderfassende Sensoreinheit, enthaltend einen passiven Sensor, der ein Gesichtsfeld in Bildelemente mit unterschiedlichen Helligkeiten zerlegt und dem bildverarbeitende Mittel nachgeschaltet sind, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen, aktiven LADAR- Sensor mit einem Laser (50), der einen Abtaststrahl aussendet und aus der von Flächen im Gesichtsfeld reflektierten Strahlung Entfernungssignale erzeugt.

2. Bilderfassende Sensoreinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung des Gesichtsfeldes durch den LADAR-Sensor von den dem passiven Sensor nachgeschalteten bildverarbeitenden Mitteln (56) gesteuert ist.

3. Bilderfassende Sensoreinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der LADAR-Sensor so steuerbar ist, daß die durch den LADAR-Sensor erfolgende Abtastung auf im Gesichtsfeld von dem passiven Sensor erfaßte Objekte beschränkt ist.

4. Bilderfassende Sensoreinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bildverarbeitenden Mittel (56) zur Segmentation von Objekten im Gesichtsfeld eingerichtet sind und die Steuerung des LADAR-Sensors so erfolgt, daß dieser nur solche segmentierten Objekte abtastet.

5. Bilderfassende Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für den LADAR-Sensor und den passiven Sensor eine gemeinsame Abbildungsoptik (14) vorgesehen ist, wobei zur Trennung der den passiven Sensor beaufschlagenden Strahlen und der rücklaufenden Strahlen des LADAR-Sensors ein Strahlenteiler (16) vorgesehen ist.

6. Bilderfassende Sensoreinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler (16) ein wellenlängenselektiver Strahlenteiler ist.

7. Bilderfassende Sensoreinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang laserseitig von dem Strahlenteiler (16) ein von Abtastsystem (30) zur Erzeugung einer Abtastbewegung des Laser-Lichtbündels des LADAR-Sensors angeordnet ist.

8. Bilderfassende Sensoreinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang laserseitig von dem Abtastsystem (30) eine Lambdaviertelplatte (32) und ein Polarisationsstrahlenteiler (36) vorgesehen sind, über welchen das vor laufende Laser-Lichtbündel von dem Laser in den Strahlengang ein- und das rücklaufende Laserlichtbündel verlustarm zu einem Detektor (40) aus dem Strahlengang auskoppelbar ist.