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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Erfassung.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung laseroptische Erfassungssysteme
und – verfahren.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein trainierbares laseroptisches
Erfassungssystem mit zusätzlich
einem Speicher- und Trainingsmodul.
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ALLGEMEINER
STAND DER TECHNIK
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Bisherige
Ansätze,
die sich mit Erfassungsbedürfnissen
beschäftigten,
haben im allgemeinen beinhaltet, ein einzelnes Lichtsignal von einer
Lichtquelle wie etwa einer Leuchtdiode und mehrere Detektoren zu
verwenden. Zur Beleuchtung eines großen Bereichs in einer Umgebung
unter Verwendung einer einzelnen Lichtquelle sind zwei allgemeine
Verfahren bekannt. Ein Ansatz beinhaltet in der Regel das Emittieren
eines breiten Lichtsignals von der Lichtquelle und Detektieren des
Signals mit einem von mehreren, über
die Umgebung hinweg positionierten Detektoren. Der andere Ansatz
beinhaltet in der Regel das Emittieren eines schmalen Lichtsignals
von der Lichtquelle, Aufspreizen des Signals über die Umgebung, indem es
von einem drehenden Spiegel wegreflektiert wird (als Beispiel),
und Detektieren des Signals mit einem von mehreren, über die Umgebung
hinweg positionierten Detektoren. Wenngleich beide Ansätze praktikabel
sind, erfordern sie in der Regel mehrere Detektoren und sind infolge
dessen üblicherweise
nicht leistungseffizient, da sie ein geringes Signal-Rausch-Verhältnis liefern.
Ein schlechtes Leistungsübertragungsverhältnis spiegelt diese
Ineffizienz wieder, da der individuelle Detektor, der ein Lichtsignal
empfängt, üblicherweise
nur einen Teil des Signals, das ursprünglich emittiert wurde, detektiert.
Folglich liefert das Signal, das detektiert wurde, im allgemeinen
nur sehr begrenzte Informationen über ein in der Umgebung erfaßtes Ziel
(z.B. die Anwesenheit, der allgemeine Ort). Diese Ansätze begrenzen
auch im allgemeinen den Größenbereich des
in einer Umgebung erfaßten
Ziels aufgrund des Charakters des einzelnen Lichtsignals.
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Die
Begrenzungen bisheriger Ansätze
manifestieren sich oftmals bei Anwendungen, wie etwa dem Detektieren
der Bewegung eines Ziels in einer Umgebung. Viele Bewegungsdetektionssysteme
beinhalten im allgemeinen einen Lichtschrankenbetrieb, wo mindestens
ein Detektor die Bewegung eines Ziels detektiert, wenn das Ziel
einen von einer Lichtquelle emittierten Lichtstrahl unterbricht.
Bei relativ einfachen Anwendungen wie etwa dem Bestimmen der Anwesenheit
oder Abwesenheit eines Ziels genügt
dieser Ansatz im allgemeinen. Bei komplexeren Anwendungen wie etwa
dem Bestimmen der Richtung der Bewegung des Ziels erweist sich dieser Ansatz
als weniger adäquat.
Wenn sich ein Ziel über ein
von einer Lichtquelle emittiertes einzelnes Lichtsignal bewegt,
nimmt das von einem Detektor empfangene Signal allmählich ab,
während
das von dem Ziel blockierte Signal allmählich zunimmt. Wie im allgemeinen
im Stand der Technik bekannt, erfordert die Messung einer solchen
allmählichen Änderung bei
der Signaldetektion in der Regel einen komplexen Algorithmus zur
Bestimmung der Position eines Ziels in der Umgebung. Durch das Hinzufügen mehrerer Detektoren
können
mehr Informationen erhalten und die Komplexität des erforderlichen Algorithmus
verringert werden; jedoch werden dadurch Leistungsineffizienzen,
wie bereits erwähnt,
sowie zusätzliche
Kosten, die mit zusätzlicher
Hardware verbunden sind, eingeführt.
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Die
Begrenzungen der oben erwähnten
Ansätze
betreffen auch Anwendungen mit Zielerkennung. Die meisten bekannten
Systeme, entweder für das
Erkennen nur spezifischer Ziele oder für das Abbilden räumlicher
Charakteristiken von Zielen, beinhalten das Spreizen eines Lichtsignals
mit einem sich drehenden Spiegel und/oder unter Verwendung mehrerer
Detektoren. Auch Hologramme können
zum Spreizen des Lichtsignals verwendet werden, indem das Signal
in kleinere Lichtsignale aufgeteilt wird. Ein Ansatz zum Detektieren
nur spezifischer Ziele beinhaltet das Emittieren von Impulsen von
Signalen von einem Sendeempfänger,
Empfangen der Signale, die von einem Ziel wegreflektiert werden,
und Vergleichen der empfangenen Signale mit voreingestellten Signalen,
die von bekannten Zielen wegreflektiert wurden, Signale, die typischerweise
in einer Datenbank gespeichert sind. Informationen über die
bekannten Objekte werden in der Regel in einer Datenbank gespeichert.
Ein Ansatz zum Abbilden eines Ziels beinhaltet das Überlagern
von von verschiedenen Detektoren empfangenen Lichtsignalen bei Anwesenheit
eines Ziels und Vergleichen der Signale bezüglich der mit der Umgebung
ohne das Ziel assoziierten Signale.
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Wenngleich
jeder dieser Ansätze
für eine
bestimmte Funktion praktikabel ist, ist von keinem bekannt, daß er mehrere
Funktionen ausführt
(z.B. der Ort, die Fahrtrichtung, Charakteristiken). Durch dieses
Defizit besteht eine Notwendigkeit für ein vielseitiges System,
das sowohl leistungseffizient als auch kosteneffektiv ist. Die vorliegenden
Erfinder haben erkannt, daß ein
derartiges System in der Lage sein könnte, beispielsweise die Anwesenheit
oder Abwesenheit eines beliebigen Ziels oder eines spezifischen
Ziels zu detektieren, die räumlichen
Charakteristiken eines Ziels zu detektieren, die Bewegung eines
Ziels zu detektieren oder verschiedene Charakteristiken über die
Bewegung eines Ziels zu detektieren.
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Aus
US-A-5,835,613 ist ein optisches Identifikations- und Überwachungssystem unter Verwendung
von Mustererkennung zur Verwendung mit Fahrzeugen bekannt.
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Aus
WO-A-8800745 ist ein Detektionssystem bekannt.
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Aus
US-A-5,793,485 ist eine Resonanzhohlraumvorrichtung für die Zytometrie
oder Teilchenanalyse bekannt.
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Gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein laseroptisches Erfassungssystem zum
Detektieren von Zielcharakteristiken bereitgestellt, das folgendes
umfaßt:
eine
Laserquelle, die ausgelegt ist für
den Betrieb über
Abstrahlung durch mindestens zwei Emissionsöffnungen eines mindestens zwei Öffnungen
mal mindestens zwei Öffnungen
großen
Arrays, wobei die Abstrahlung durch die mindestens zwei Emissionsöffnungen
dadurch mindestens zwei Lasersignale erzeugt;
mindestens einen
Detektor, der im Betrieb auf die Laserquelle reagiert;
einen
Mikroprozessor, der im Betrieb an den mindestens einen Detektor
gekoppelt ist;
einen Speicher zum Speichern von Zielcharakteristiken
und
ein Trainings- und Detektionsmodul zum Ermöglichen
des Trainings des Systems zur Zielerkennung;
wobei die Laserquelle
mindestens zwei Lasersignale durch die mindestens zwei Emissionsöffnungen
in eine von einem Ziel belegte Umgebung emittiert, wobei der mindestens
eine Detektor die mindestens zwei Lasersignale detektiert und der
Mikroprozessor Zielcharakteristiken auf der Basis eines Vergleichs der
vom Detektor empfangenen Signale mit den im Speicher gespeicherten
Zielcharakteristiken bestimmt.
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Bei
einer Ausführungsform
umfaßt
das laseroptische Erfassungssystem ein trainierbares laseroptisches
Erfassungssystem zum Detektieren von Zielcharakteristiken unter
Verwendung eines oberflächenemittierenden
Lasers (VCSEL – vertical
cavity surface emitting laser). Das System kann eine VCSEL-Struktur mit
den mindestens zwei durch Fotolithographie definierten Emissionsöffnungen
enthalten.
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Der
Mikroprozessor kann Zielcharakteristiken auf der Basis von von dem
oder den Detektoren empfangenen Lasersignalen und Vergleich mit
bekannten Zielcharakteristikdaten, die im Speicher gespeichert sind,
bestimmen. Innerhalb der gleichen Laserquelle können die emittierten Lasersignale identisch
sein oder nicht identisch sein. Zu dem System kann auch eine Optik
hinzugefügt
werden, so daß Lasersignale
durch mindestens eine Linse hindurchgehen oder von einem Spiegel
oder von Spiegeln wegreflektiert werden, nachdem sie aus den Emissionsöffnungen
austreten.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt zum
Detektieren von Zielcharakteristiken, mit den folgenden Schritten:
Emittieren
von Licht durch mindestens zwei Emissionsöffnungen eines mindestens zwei Öffnungen
mal mindestens zwei Öffnungen
großen
Arrays in eine Umgebung unter Verwendung einer VCSEL-Struktur, wobei
das Emittieren des Lichts durch die mindestens zwei Emissionsöffnungen
dadurch mindestens zwei Lasersignale erzeugt;
Blockieren mindestens
eines der Lasersignale durch mindestens ein in der Umgebung liegendes
Ziel;
Empfangen irgendeines der nicht vom Ziel blockierten
Lasersignale mit mindestens einem Detektor;
Zugreifen auf einen
Speicher, der gespeicherte Zielcharakteristiken enthält; und
Bestimmen
von Zielcharakteristiken mit einem Mikroprozessor durch Vergleichen
von Charakteristiken von von dem Detektor empfangenen Signalen mit
im Speicher enthaltenen gespeicherten Zielcharakteristiken.
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Ausführungsformen
der Erfindung liefern trainierbare Charakteristiken des Systems
zur präzisen
Detektion von Zielen. Ein laseroptisches Erfassungssystem kann den Zusatz
eines intelligenten/trainierbaren Speichers zur Verwendung beim Trainieren
des Systems zum Erkennen von Objekten/Zielen enthalten (kann zum
Beispiel eine intelligente Datenbank, neuronales Netz usw. enthalten). Gemäß Verfahren
zum Trainieren des Systems (z.B. Zieldetektion und Charakteristikbestimmung)
wird das System mit bekannten oder Testzielreferenzen trainiert.
Eine Laserquelle wie etwa eine VCSEL-Struktur emittiert mindestens zwei Lasersignale in
eine Umgebung, eine Umgebung, die von einer Referenz oder einem
Testziel belegt sein kann. Mindestens ein Detektor detektiert Zielcharakteristiken durch
Vergleichen von zeitlichen Charakteristiken der von der VCSEL-Struktur
emittierten Lasersignalen mit zeitlichen Charakteristiken der von
dem oder den Detektoren empfangenen Signale.
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Bei
jedem von der vorliegenden Erfindung oder Ausführungsformen davon gelehrten
Verfahren könnte
ein Mikroprozessor die Größe oder
Gestalt eines Ziels bestimmen, indem er bestimmt, welche Lasersignale
von einem Detektor empfangen werden, nachdem unterschiedliche Arrays
von Lasersignalen von einer VCSEL-Struktur emittiert werden. Der
Mikroprozessor könnte
auch eine Bewegung des Ziels in einer Bewegung detektieren, indem
er Änderungen
in dem Array von Lasersignalen detektiert, die von dem Ziel blockiert
oder wegreflektiert werden.
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Ausführungsformen
der Erfindung stellen zusätzlich
Verfahren bereit zum durchlassenden oder reflektierenden Detektieren
von Zielcharakteristiken unter Verwendung eines oberflächenemittierenden Lasers.
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Bei
einem durchlässigen
Verfahren kann eine VCSEL-Struktur
statisch mindestens zwei Lasersignale in eine Umgebung emittieren,
die von einem Ziel belegt sein kann. Das Ziel kann mindestens einen
der durch die Umgebung hindurchtretenden Laser blockieren, und mindestens
ein Detektor kann durchlassend eines der von dem Ziel nicht blockierten
Signale empfangen. Ein Mikroprozessor kann dann Zielcharakteristiken
bestimmen durch Vergleichen von Charakteristiken der von der VCSEL-Struktur
emittierten Lasersignale mit Charakteristiken der von dem oder den
Detektoren empfangenen Signale, die auch im Speicher gespeichert
sind.
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Bei
einem reflektierenden Verfahren kann eine VCSEL-Struktur seriell jeweils mindestens
ein Signal in eine Umgebung emittieren, die von einem Ziel belegt
sein kann. Mindestens eines der Lasersignale kann von dem Ziel wegreflektiert
und von mindestens einem Detektor detektiert werden. Ein Mikroprozessor
kann dann Zielcharakteristiken bestimmen durch Vergleichen von zeitlichen
Charakteristiken der von der VCSEL-Struktur emittierten Lasersignale
mit zeitlichen Charakteristiken der von dem oder den Detektoren
empfangenen Signale.
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Bei
jedem von der vorliegenden Erfindung oder Ausführungsformen davon gelehrten
Verfahren könnte
ein Mikroprozessor die Größe oder
Gestalt eines Ziels bestimmen, indem er bestimmt, welche Lasersignale
von einem Detektor empfangen werden, nachdem verschiedene Arrays
von Lasersignalen von einer VCSEL-Struktur emittiert worden sind.
Der Mikroprozessor könnte
auch eine Bewegung des Ziels in einer Umgebung detektieren, indem
er Änderungen
bei dem Array von Lasersignalen detektiert, die von dem Ziel blockiert
oder reflektiert werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
beiliegenden Figuren, bei denen sich in den verschiedenen Ansichten
gleiche Referenzzahlen auf identische oder funktionell ähnliche
Elemente beziehen und die in die Patentschrift integriert sind und
Teil dieser bilden, veranschaulichen weiterhin die vorliegende Erfindung
und. dienen zusammen mit der ausführlichen Beschreibung der Erfindung
der Erläuterung
der Grundlagen der vorliegenden Erfindung.
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1 veranschaulicht
ein Diagramm einer VCSEL-Struktur;
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2 veranschaulicht
Diagramme einer VCSEL-Struktur, die zwei verschiedene Muster von Lichtsignalen 2(a) und 2(b) emittiert;
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3 veranschaulicht
ein Diagramm eines Ziels, das ein Lichtsignal blockiert, das statisch
von einer VCSEL-Struktur emittiert wird, bevor es einen Detektor
erreicht;
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4 veranschaulicht
Diagramme einer VCSEL-Struktur, die verschiedene Emissionsmuster von
Lichtsignalen durchläuft,
um eine Karte des Ziels zu bestimmen. In 4(a) werden
eine vertikale Linie bildende Lichtsignale von einem vertikalen
stabförmigen
Ziel blockiert, und keines erreicht einen Detekaor. Wenn ein anderes
Muster von Signalen wie in 4(b) emittiert
wird, wobei ein rechter Winkel gebildet wird, erreicht ein Signal
den Detektor. In Anwesenheit eines Ziels in Form eines rechten Winkels
wie in 4(c) jedoch würde das
gleiche Muster in Form eines rechten Winkels wie in 4(b) emittiert
blockiert werden;
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5 veranschaulicht
Diagramme einer VCSEL-Struktur, die das gleiche Muster von Lichtsignalen
in 5(a) und 5(b) emittiert.
In 5(a) blockiert ein Ziel alle emittierten
Signale, wohingegen in 5(b) ein anderes
Ziel nicht alle Signale blockiert, was die Erkennung nur eines spezifizierten
Ziels gestattet;
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6 veranschaulicht
Diagramme von emittierten Lichtsignalen, die bei 6(a) durch
eine einzelne Linse hindurchtreten und ein vergrößertes Bild des emittierten
Arrays erzeugen und bei 6(b) durch
ein Verbundlinsensystem hindurchtreten und eine aufgeweitete Version
des emittierten Arrays erzeugen;
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7 veranschaulicht
Diagramme von emittierten Lichtsignalen, die durch Arrays von Linsen hindurchtreten.
Das Array von Linsen in 7(a) weitet den
Durchmesser von Lichtsignalen auf, ohne ihren Mittenabstand zu ändern. Das
Array von Linsen in 7(b) weitet den
Durchmesser auf und ändert
die Richtung emittierter Lichtsignale;
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8 veranschaulicht
ein Diagramm eines Ziels, das ein seriell von einer VCSEL-Struktur
emittiertes Lichtsignal blockiert, bevor es einen Detektor erreicht;
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9 veranschaulicht,
wie eine Linse dazu verwendet werden kann, von einer VCSEL-Struktur emittierte
Lichtsignale in eine von einem Ziel belegte Umgebung aufzuweiten,
wobei ein emittiertes Signal von dem Ziel wegreflektiert wird und
den Detektor erreicht;
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10 veranschaulicht
ein System für
die vorliegende Erfindung und
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11 veranschaulicht
ein Flußdiagramm für ein Verfahren
für die
vorliegende Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
in diesem nichteinschränkenden
Beispielen erörterten
bestimmten Werte und Konfigurationen können variiert werden und werden
lediglich aufgeführt,
um eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zu veranschaulichen, und sollen nicht den
Schutzbereich der Erfindung beschränken.
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Bei
dem folgenden nichteinschränkenden Beispiel
der vorliegenden Ausführungsform
zeigt 1 eine VCSEL-Struktur 2 (vertical
cavity surface emitting laser) mit mehreren Emissionsöffnungen 4, 6, 8 und 10.
Die Emissionsöffnungen 4 können entweder über Protonenisolations-
oder dielektrische Oxid-Techniken hergestellt werden, um sowohl
einen Träger
als auch optischen Einschluß bereitzustellen. Beispielsweise
ist die Emissionsöffnung 4 funktionell mit
einem Bondpad 12 integriert (obwohl sie nicht integriert
sein müssen)
und ist elektrisch an ein Element 14 gekoppelt. Auch die
Elemente 16, 18 und 20 sind gezeigt und
können
zueinander oder zu dem Element 14 identisch oder nichtidentisch
sein. Bei Bestromung von Elementen emittieren Emissionsöffnungen
nicht gezeigte Lichtsignale senkrecht zur VCSEL-Struktur 2,
wodurch sie sich insbesondere für die
Herstellung von sowohl ein- als auch zweidimensionalen Arrays eignen.
Während
das in 1 (und anderen Figuren) gezeigte Beispiel ein
2 × 2-Array von
Emissionsöffnungen
umfaßt,
sei angemerkt, daß auch
die Herstellung von M × N-Arrays
möglich
ist und daß das
2 × 2-Array
nur bereitgestellt wird, um die Erläuterung zu vereinfachen.
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Einer
der grundlegenden Vorteile bei der Arrayherstellung unter Verwendung
von VCSEL-Strukturen 2 besteht darin, daß alle Abmessungen
in dem Array über
Fotolithographie hergestellt werden können, wodurch die Emissionsöffnungen
mit hohen Abmessungstoleranzen plaziert werden. Infolgedessen erzeugt
die hohe Abmessungstoleranz ein präzise definiertes Array von
emittierten Lichtsignalen und ermöglicht die Herstellung jedes
gewünschten
ein- oder zweidimensionalen Arrays wie etwa das Muster eines Kreuzes.
Die Elemente können
elektrisch verbunden oder gekoppelt werden, und zwar auch auf so
gut wie jede Weise, was das Emittieren von Lichtsignalen individuell
oder in Gruppen gestattet. Lichtsignale können in einem oder mehreren
räumlichen Modi
emittiert werden und können
hinsichtlich Divergenzwinkel und/oder dem Durchmesser des Lichtsignals,
das emittiert und fokussiert wird, variieren. Lichtsignale können auch
in einzelnen oder mehreren Wellenlängen emittiert werden. Durch
den Einsatz von fortgeschrittenen selektiven epitaxialen Techniken
können
Lichtsignale mit stark getrennten Wellenlängen hergestellt werden.
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2 veranschaulicht
die Beleuchtung verschiedener Muster von Lichtsignalen über die
gleiche VCSEL-Struktur 2.
In 2(a) emittiert die Emissionsöffnung 4 das
Lichtsignal 22, während
die Öffnung 8 das
Lichtsignal 26 emittiert. In 2(b) emittiert
Emissionsöffnung 6 das
Lichtsignal 24, während die Öffnung 10 das
Lichtsignal 28 emittiert. Analog könnte von einem 2 × 2-Array
ein beliebiges anderes oder eine Gruppe aus zwei, drei oder vier
Lichtsignalen emittiert werden. Es sei wiederholt, daß jedes
Array konstruiert werden könnte,
das eine beliebige Anzahl von Emissionsöffnungen enthält, was
die Emission einer Vielzahl von Lichtsignalmustern gestattet.
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Die
erste bevorzugte Ausführungsform
ist eine rekonfigurierbare statische strukturierte Lichtquelle,
die in 3 dargestellt ist. Das Diagramm zeigt eine VCSEL-Struktur 2,
die gleichzeitig Lichtsignale 22 und 24 von Emissionsöffnung 4 bzw. 6 in
eine Umgebung emittiert. Wenngleich verschiedene Lichtsignale (oder
Mengen von Signalen) des Arrays zu verschiedenen Zeiten emittiert
werden können,
ist die zeitliche Steuerung der Änderungen
für die
beabsichtigte Funktion nicht direkt relevant. Ein Ziel 30 ist in
der Umgebung zwischen der VCSEL-Struktur 2 und einem Detektor 32 positioniert,
bei dem es sich um einen beliebigen von verschiedenen Typen handeln
könnte,
wie etwa eine Fotodiode. Ein Fotodiodendetektor könnte entweder
eine individuelle Fotodiode, mehrere individuell gekapselte Fotodioden oder
ein Array von Fotodioden auf einer einzelnen Struktur in einem einzelnen
Baustein enthalten.
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Wenn
sich das Ziel 30 nach oben bewegt, ändert sich das von dem Detektor 32 empfangene
jeweilige Lichtsignal von vollständig
eingeschaltet (keine Behinderung) zu halbeingeschaltet (Signal 24 blockiert,
aber nicht Signal 22) und schließlich zu vollständig ausgeschaltet
(beide Signale 24 und 22 blockiert). Dies geschieht
auf im wesentlichen digitale oder schrittweise Weise. Eine einzelne
Leuchte in einer ähnlichen
Geometrie würde
nur eine sehr graduelle Änderung
bei der Detektorbeleuchtung liefern, was zur Bestimmung einer Position
am Mittelpunkt einen ausgeklügelteren
Algorithmus notwendig macht. Mit diesem gleichen VCSEL-Array jedoch kann
die identische Funktion für
das Ziel 30 bereitgestellt werden, das sich orthogonal
zu dem in 3 gezeigten bewegt, indem einfach
beispielsweise Signale von den Öffnungen 6 und 8 anstelle
von 4 und 6 emittiert werden. Zur Detektion eines
sich diagonal bewegenden Ziels würden
Signale von den Öffnungen 4 und 8 oder 6 und 10 emittiert.
Somit könnten mehrere
Bewegungen mit einem einzelnen Detektor 32 erfaßt werden,
indem sequentiell Lichtsignale von verschiedenen Öffnungen
emittiert werden.
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Eine
Erweiterung des Konzepts erfordert eine größere Zahl von Elementen. Es
sei beispielsweise ein VCSEL-Array
mit 5 × 2
Elementen betrachtet. Wenn ein stationäres Ziel mit einem gewellten Rand
zwischen dem VCSEL-Array und einem Detektor angeordnet wird, werden die
Wellungen einen Teil der Lichtsignale und nicht andere blockieren.
Durch mehrmaliges Durchlaufen mehrerer fester Muster aus „beleuchteten" und „unbeleuchteten" VCSELs kann das
Detektorsignal als eine Karte des gewellten Rands interpretiert
werden. Auf diese Weise wirkt die gewellte Behinderung als ein Schlüssel, und
die optische Baugruppe, die das VCSEL-Array und den Detektor enthält, wirkt
wie ein Schloß.
Dem Fachmann bekannte Elektronik kann Schlösser produzieren, die nur einen
oder mehrere Schlüssel
erkennen. Etwaige Emissionsmuster, die auf bestimmte Weise dem Muster
auf dem Ziel entsprechen, würden
zu einer positiven Identifikation oder Erkennung durch den Detektor
führen.
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4 veranschaulicht
eine VCSEL-Struktur 2, die verschiedene Emissionsmuster
von Lichtsignalen mehrfach durchläuft, um eine Karte eines Ziels
zu bestimmen. In 4(a) hindert ein
stabförmiges
Ziel 34 die Lichtsignale 22 und 24 am
Erreichen des Detektors 32. Wenn ein anderes Muster von
Signalen emittiert wird (22, 24 und 26)
wie in (b), erreicht Signal 26 den Detektor 32,
während
die Signale 22 und 24 weiterhin blockiert sind.
Der Detektor 32 erkennt deshalb, daß das Ziel 34 kein
horizontales Stück
aufweist, das räumlich
zu dem Lichtsignal 26 korreliert ist. Bei Anwesenheit eines
Ziels 36 in Form eines rechten Winkels wie in 4(c) jedoch wird das gleiche, wie in 4(b) emittierte Muster mit Form eines rechten
Winkels blockiert. Weder Signal 22, 24 noch 26 erreicht
den Detektor 32, was dem Detektor 32 anzeigt,
daß das
Ziel 36 (im Gegensatz zu Ziel 34) ein horizontales
Stück aufweist,
das räumlich
zu dem Lichtsignal 26 korreliert ist.
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5 veranschaulicht,
wie ein spezifiziertes Ziel erkannt werden kann, während andere
nicht erkannt werden. Bei diesem Beispiel emittiert die VCSEL-Struktur 2 das
gleiche Muster von Lichtsignalen in 5(a) und
(b), wenngleich die Gestalt des Ziels verschieden ist. In 5(a) verhindert Ziel 36, daß alle emittierten
Signale 22, 24 und 26 den Detektor 32 erreichen.
In 5(b) blockiert Ziel 34 nur
die Lichtsignale 22 und 24 und gestattet, daß das Signal 26 den
Detektor 32 erreicht. Bei dem gleichen emittierten Muster
von Lichtsignalen erreichen deshalb verschiedene Signale den Detektor 32 je
nach der Gestalt des jeweiligen in der Umgebung anwesenden Ziels.
Diese Differenz könnte
danach die Erkennung eines spezifizierten Ziels gestatten, wenn
von dem System eine genaue „Übereinstimmung" festgestellt wird.
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Die
oben erwähnte
gewellte undurchsichtige Behinderung ist nur ein Beispiel für mögliche Schlüsselkonfigurationen.
Zu anderen Möglichkeiten
zählen Arrays
von Löchern
oder exposierten Bereichen auf einem Film.
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Zusätzlich zu
der Verwendung mehrerer Lichtquellen könnte die vorliegende Erfindung
Objekterkennungsaufgaben schneller ausführen als viele gegenwärtige Systeme
durch den Einsatz einer Kamera als Detektor. Die Kamera könnte eine
von verschiedenen Arten sein, einschließlich einer CCD- (charge-coupled
device) oder CMOS-Kamera. Wenn das Kameradisplay eines typischen
gegenwärtigen Systems
in getrennte Bereiche unterteilt wird, sind oftmals komplexe Bildverarbeitungsalgorithmen
erforderlich, um die teilweise blockierten Bereiche von der gleichförmigen Lichtquelle
zu messen. Wenn das Display der vorliegenden Erfindung in separate
Bereiche unterteilt wird, weist jeder Bereich seine eigene unabhängige Beleuchtung
auf, die sich aufgrund der mehreren emittierten Lichtsignale räumlich von benachbarten
Beleuchtungen unterscheidet. Dadurch können alle die Signale gleichzeitig
detektiert und schnell zusammen summiert werden, damit man die gewünschten
Informationen erhält.
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Ein
Ziel könnte
auch durch die Gestaltung seiner Oberfläche detektiert werden. Die
absorbierenden Eigenschaften der Oberfläche können Lichtsignale auf der Basis
der Wellenlänge
der Signale unterschiedlich absorbieren und/oder reflektieren. Emittierende
Lichtsignale unterschiedlicher Wellenlängen, die möglicherweise durch Herstellen
der VCSEL-Struktur 2 mit verschiedenen Elementen bewerkstelligt
werden könnten,
könnten
somit auch die absorbierenden Eigenschaften des Materials anzeigen.
In jeder Situation könnte
ein Mikroprozessor beim Detektieren eines Ziels auf der Basis seiner Charakteristiken
oder beim Detektieren der Charakteristiken eines Ziels Charakteristiken
durch Vergleichen der von einem Detektor empfangenen Lichtsignale
mit den von einer VCSEL-Struktur emittierten Signale bestimmen.
Wenn die Differenz bei der Wellenlänge zwischen den emittierten
Signalen groß genug wäre, um von
einem Detektor detektiert zu werden, könnten mehrere Detektoren (wie
etwa der in den Figuren dargestellte Detektor 32) dazu
verwendet werden, Signale innerhalb unterschiedlicher Wellenlängenbereiche
zu detektieren, was mehr detaillierte Informationen über die
absorbierenden Eigenschaften der meisten Ziele liefern könnte. Merkmale
können mit
im Speicher gespeicherten Eigenschaften/Charakteristiken verglichen
werden.
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Um
Ziele unterschiedlicher Größen zu detektieren,
könnte
eine Optik hinzugefügt
werden. Eine Linse oder ein Array von Linsen kann zwischen der VCSEL-Struktur 2 und
dem Ziel 30 derart positioniert werden, daß die Linse
das Muster emittierter Lichtsignale in ein größeres oder kleineres Muster
in der Bildebene reproduziert. Das Emissionsmuster des Bilds würde von
der Gestalt her dem emittierten ursprünglichen Muster identisch sein,
aber eine andere Größe aufweisen.
Ein Mikroprozessor könnte
dann das vom Detektor 32 bei Anwesenheit des Ziels 30 empfangene
Muster von Lichtsignalen mit dem Muster von Signalen vergleichen, das
ursprünglich
emittiert wurde, und/oder mit im Speicher gespeicherten Signalen.
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6 veranschaulicht
zwei Möglichkeiten, wie
Linsen dazu verwendet werden können,
die Größe eines
Arrays von Lichtsignalen zu verändern.
In 6(a) erzeugt eine einzelne Linse 38 ein
vergrößertes Bild 42 des
von der VCSEL-Struktur 2 emittierten Arrays, was die Detektion
von Zielen ermöglicht, die
größer sind
als das physische Array. Während das
Lichtsignal 24 in die Linse 38 eintritt, vergrößert die
Linse 38 das Signal 24 zu einem neuen Lichtsignal 40 mit
einem größeren Durchmesser.
Bei dieser bestimmten Konfiguration würde das vergrößerte Bild 42 im
Vergleich zu dem ursprünglich
von der VCSEL-Struktur 2 emittierten Array invertiert sein.
Es könnten
auch zwei Linsen in einer nicht gezeigten Kollimator-Teleskop-Konfiguration
verwendet werden. In 6(b) erzeugt
ein Verbundlinsensystem eine erweiterte Version des von der VCSEL-Struktur 2 emittierten
Arrays. Während
die Lichtsignale 22 und 24 in die Linse 44 eintreten,
manipuliert die Linse 44 (entweder durch Konvergenz oder
Divergenz) die Signale 22 und 24 und erzeugt neue
Lichtsignale 46 bzw. 48. Die Signale 46 und 48 treten
dann in eine Linse 50 ein, die die Signale 46 und 48 zu
neuen Signalen 52 bzw. 54 kollimiert. Diese entstehenden
Signale 52 und 54 weisen einen größeren Durchmesser
auf als die ursprünglich
emittierten Lichtsignale 22 und 24.
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7 veranschaulicht
alternative Konfigurationen von Arrays von Linsen, mit denen das
von der VCSEL-Struktur 2 emittierte Array von Lichtsignalen abgeändert werden
kann. In 7(a) enthält das Linsenarray 56 Linsen 58, 60, 62 und 64,
die räumlich den
Emissionsöffnungen 4, 6, 8 bzw. 10 entsprechen. Die
Linse 58 erweitert den Durchmesser des eintretenden Lichtsignals 22 zu
einem neuen Lichtsignal 66. Analog erweitert die Linse 60 den
Durchmesser des Signals 24 zu einem neuen Signal 68.
Während die
Linsen des Linsenarrays 56 die Größe der Lichtsignale abändern, ändern sie
nicht den Mittenabstand der Signale und bewahren somit die räumlichen
Charakteristiken des von der VCSEL-Struktur 2 emittierten
Arrays bei.
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In 7(b) enthält das Linsenarray 70 die Linsen 72, 74, 76 und 78,
die räumlich
den Emissionsöffnungen 4, 6, 8 bzw. 10 entsprechen.
Die Linse 72 erweitert den Durchmesser und ändert die
Richtung des eintretenden Lichtsignals 22 zu einem neuen
Lichtsignal 80. Analog erweitert die Linse 74 den Durchmesser
und ändert
die Richtung des Signals 24 zu einem neuen Signal 82.
Bei diesem bestimmten Beispiel streut das Linsenarray 70 eintretende
Lichtsignale, doch könnten
auch andere Konfigurationen der Divergenz oder Konvergenz verwendet
werden.
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Bei
der zweiten bevorzugten Ausführungsform
ist die zeitliche Steuerung des Beleuchtens der individuellen Elemente
ein integraler Bestandteil des Erfassungsprozesses. Die Elemente
werden seriell in einer Sequenz beleuchtet, deren zeitliche Charakteristiken
interpretiert werden. In 8 ist gezeigt, daß die VCSEL-Struktur 2 sequentiell
Lichtsignale von Emissionsöffnungen 4, 6, 8 und 10 in
der Reihenfolge 4, 6, 8, 10, 4, 6, 8, 10 usw.
emittiert. Entsprechende Lichtsignale 22, 24, 26 und 28 werden
deshalb von den Emissionsöffnungen
emittiert. Bei diesem Beispiel sind drei Lichtsignale bereits emittiert worden
(26, 28, 22), dargestellt durch die gestrichelten
Linien, und eines leuchtet gegenwärtig (24). Das Lichtsignal 26 ist
emittiert worden und hat den Detektor 32 unbehindert durch
das Ziel 30 erreicht. Das Signal 28 wurde dann
emittiert und erreichte analog unbehindert den Detektor 32.
Das Lichtsignal 22 erreichte das Ziel 30 als nächstes,
ebenfalls unbehindert. Aktuell leuchtet das Signal 24 und
wurde vor dem Erreichen des Detektors 32 vom Ziel 30 blockiert.
Wenn der Ausgang eines einzelnen Detektors 32, der so angeordnet
ist, daß er
alle die Lichtsignale in dem Array empfängt, zeitlich überwacht
wird, kann der winkelmäßige (und
in einem bestimmten Ausmaß der
räumliche)
Ort des Ziels 30 durch die Abwesenheit eines Signals zum
Zeitpunkt, wo das/die entsprechenden Signale blockiert werden, bestimmt
werden. Das Array braucht nicht kreisförmig zu sein, da zum Abbilden
der Gestalt des Ziels 30 durch Interpretieren der Zeitsequenz
der Ausgabe des Detektors 32 lineare Arrays oder mehrere
konzentrische Ringe verwendet werden könnten.
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Wenn
eine Optik hinzugefügt
wird, wie in 9 dargestellt, können Lichtsignale
in verschiedene Winkel gelenkt werden. Die Lichtsignale sind dann so
gezeigt, daß sie
durch die zwischen der VCSEL-Struktur 2 und dem Ziel 84 positionierte
Linse 30 hindurchtreten. Die Linse 30 lenkt dann
die Lichtsignale zu anderen Plätzen
in der Umgebung um, wodurch ein einzelner Detektor 32 Ziele 84 an
weit beabstandeten Orten erfassen kann. Mit nur 10 VCSEL-Elementen
könnte
etwa eine volle Halbebene von 2π Steradiant überwacht
werden.
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Bei
diesem Beispiel sind die Lichtsignale 28, 22 und
dann 24 bereits sequentiell emittiert worden, wie durch
die gestrichelten Linien bezeichnet, und das Lichtsignal 26 leuchtet
gegenwärtig.
Nach der Umlenkung durch die Linse 30 breitet sich das
Lichtsignal 26 aus, bis es das Ziel 84 schneidet.
Das Lichtsignal 26 wird dann vom Ziel 84 wegreflektiert
und erreicht den Detektor 32. Es sei angemerkt, daß das Ziel 84 zufällig so
in der Umgebung positioniert war, daß es im Weg des Lichtsignals 26 lag,
anstatt daß das
Lichtsignal 26 spezifisch das Ziel 84 sucht. Wenn das
Ziel 84 bewegt würde,
würde es
im Weg eines anderen Lichtsignals liegen.
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Bei
linearen Arrays kann die Position eines Ziels entlang einer Achse
detektiert werden. Ein Beispiel für eine „kreisförmige" Arrayanwendung könnte eine einzelne Linse über der
VCSEL-Struktur 2 verwenden. Diese Linse könnte jedes
Signal in einen anderen Winkel verzerren, wenn die individuellen
Elemente nacheinander beleuchtet werden. Ein Lichtsignal kann deshalb
zu verschiedenen Zeiten zu verschiedenen Bereichen in einer Umgebung
gelenkt werden, indem jeweils unterschiedliche Elemente zu verschiedenen
Zeiten beleuchtet werden. Das Messen der zeitlichen Ausgabe eines
Detektors, der so angeordnet ist, daß er reflektierte Lichtsignale
sammelt, kann Informationen über
die Anwesenheit eines Ziels und seinen Ort liefern. Selbst falls
keine Ortsinformationen erforderlich sind, kann das effektive Scannen
eines Lichtsignals ohne bewegliche Teile für eine rein elektrische Funktion
anstatt eine mechanische Funktion sorgen. Dieses Merkmal gestattet den
Betrieb bei einer viel geringeren Eingangsleistung, was bei batteriebetriebenen
Anwendungen wichtig sein könnte,
wo das Einsparen von Energie oftmals kritisch ist.
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Eine
Linse oder ein Array von Linsen kann in der Nähe der VCSEL-Struktur 2 derart
positioniert werden, daß eine
Linse jedes hindurchtretende Lichtsignal kollimiert. Wohingegen
gegenwärtige
optische Systeme allgemein bekannterweise ein einzelnes Lichtsignal
in eine parallele Gruppe von Signalen kollimieren, kann die vorliegende
Erfindung jedes von mehreren Signalen in entsprechende parallele
Gruppen kollimieren. Da jedes Lichtsignal aufgrund des anderen Orts
jeder Emissionsöffnung
auf der VCSEL-Struktur 2 unter einem anderen Winkel durch eine
Linse hindurchtritt, tritt jede Gruppe kollimierter Signale unter
einem anderen Winkel aus einer Linse aus.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein trainierbares laseroptisches
Erfassungssystem zum Detektieren von Zielcharakteristiken unter
Verwendung eines VCSEL. Unter Bezugnahme auf 10 kann
ein System eine VCSEL-Struktur 105 enthalten mit mindestens
zwei Emissionsöffnungen,
die durch bekannte Verarbeitungsverfahren wie etwa Fotolithographie
definiert werden könnten.
Ein Lasersignal kann von jeder der Emissionsöffnungen in eine Umgebung 100 emittiert
werden. Das System kann mindestens einen Detektor 103 enthalten,
der im Betrieb auf die VCSEL-Struktur 105 reagiert.
Das System kann einen Mikroprozessor 101 enthalten, der
im Betrieb an den bzw. die Detektoren 103, den VCSEL 105 und
einen Speicher 102 wie etwa eine Datenbank zum Speichern
von Zieldaten und ein Trainingsmodul, damit das System trainiert
werden kann, Ziele 110 zu erkennen, gekoppelt ist. Das
trainierbare laseroptische Erfassungssystem kann eine positive Identifikation
eines Objekts anfertigen, nachdem es trainiert worden ist, wobei
der Mikroprozessor 101 auf eine Datenbank 102 zugreift
und/oder neuronale Netzkapazitäten
verwendet, um das detektierte Muster von Lichtsignalen von dem Ziel 110 mit
gespeicherten Mustern von Signalen von bekannten Zielen korreliert.
Das trainierbare laseroptische Erfassungssystem kann auch ein Trainigsmodul 106 enthalten.
Das Trainingsmodul würde
Software enthalten, die von dem Mikroprozessor 101 während Trainings-
und Detektionsoperationen verwendet wird und zwar auf eine Weise,
die dem Fachmann bekannt ist. Es kann auch ein Bewegungsanalysemodul 107 enthalten
sein, damit das System Zielmobilitätscharakteristiken bestimmen
kann (z.B. Geschwindigkeit; Richtung).
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Unter
Bezugnahme auf 11 ist ein Blockschaltbild von
von dem System ergriffenen Verfahrensschritten dargestellt. Während des
Betriebs kann die VCSEL-Struktur
mindestens zwei Lasersignale in die Umgebung emittieren, wie bei
Block 111 gezeigt. Die Umgebung kann von einem Ziel belegt
sein. Wie bei Block 112 gezeigt, kann mindestens ein Detektor die
Anwesenheit der Lasersignale detektieren (empfangen), nachdem sie
durch die Umgebung hindurchgegangen sind. Wie bei Block 113 gezeigt,
vergleicht der Mikroprozessor empfangene Signale mit im Speicher
gespeicherten bekannten Zielcharakteristiken/-daten. Der Mikroprozessor
bestimmt dann die Zielidentität/-charakteristiken,
wie bei Block 114 gezeigt, auf der Basis einer Übereinstimmung
oder wesentlichen Korrelation von von der oder den Detektoren empfangenen
Lasersignalen mit im Speicher gespeicherten bekannten Zielcharakteristikdaten.
Innerhalb der gleichen VCSEL-Struktur können die emittierten Lasersignale
identisch oder nicht identisch sein. Es kann auch eine Optik zu
dem System hinzugefügt
werden, so daß Lasersignale
durch mindestens eine Linse hindurchtreten oder von einem oder mehreren
Spiegeln wegreflektiert werden, nachdem sie aus den Emissionsöffnungen
ausgetreten sind.
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Das
System kann trainiert werden, indem jeweils mindestens ein Lasersignal
in eine Umgebung mit einem bekannten Ziel oder bekannten Zielcharakteristiken
emittiert wird, wobei eine VCSEL-Struktur verwendet wird. Das bekannte
Ziel kann als ein Testziel bezeichnet werden. Das Testziel stört Lasersignale.
Von dem Testziel wegreflektierte Signale werden von mindestens einem
Detektor empfangen. Die Lasersignale, die Zielcharakteristiken darstellen, werden
im Speicher gespeichert.
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Es
sei angemerkt, daß fast
alle der oben erwähnten
Anwendungen sowie etwaige andere potentiell unter Verwendung entweder
durchlässiger
oder reflektiver Systeme behandelt werden könnten.