DE60205735T2 - Trainierbares laser-optisches sensorsystem zur objekterkennung - Google Patents

Trainierbares laser-optisches sensorsystem zur objekterkennung Download PDF

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Description

  • ERFINDUNGSGEBIET
  • 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.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Aus US-A-5,835,613 ist ein optisches Identifikations- und Überwachungssystem unter Verwendung von Mustererkennung zur Verwendung mit Fahrzeugen bekannt.
  • Aus WO-A-8800745 ist ein Detektionssystem bekannt.
  • Aus US-A-5,793,485 ist eine Resonanzhohlraumvorrichtung für die Zytometrie oder Teilchenanalyse bekannt.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ausführungsformen der Erfindung stellen zusätzlich Verfahren bereit zum durchlassenden oder reflektierenden Detektieren von Zielcharakteristiken unter Verwendung eines oberflächenemittierenden Lasers.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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.
  • 1 veranschaulicht ein Diagramm einer VCSEL-Struktur;
  • 2 veranschaulicht Diagramme einer VCSEL-Struktur, die zwei verschiedene Muster von Lichtsignalen 2(a) und 2(b) emittiert;
  • 3 veranschaulicht ein Diagramm eines Ziels, das ein Lichtsignal blockiert, das statisch von einer VCSEL-Struktur emittiert wird, bevor es einen Detektor erreicht;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 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;
  • 8 veranschaulicht ein Diagramm eines Ziels, das ein seriell von einer VCSEL-Struktur emittiertes Lichtsignal blockiert, bevor es einen Detektor erreicht;
  • 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;
  • 10 veranschaulicht ein System für die vorliegende Erfindung und
  • 11 veranschaulicht ein Flußdiagramm für ein Verfahren für die vorliegende Erfindung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • Es sei angemerkt, daß fast alle der oben erwähnten Anwendungen sowie etwaige andere potentiell unter Verwendung entweder durchlässiger oder reflektiver Systeme behandelt werden könnten.

Claims (7)

  1. Laseroptisches Erfassungssystem zum Detektieren von Zielcharakteristiken, das folgendes umfaßt: eine Laserquelle (105), die ausgelegt ist für den Betrieb über Abstrahlung durch mindestens zwei Emissionsöffnungen (4, 6, 8, 10) eines mindestens zwei Öffnungen mal mindestens zwei Öffnungen großen Arrays, wobei die Abstrahlung durch die mindestens zwei Emissionsöffnungen (4, 6, 8, 10) dadurch mindestens zwei Lasersignale erzeugt; mindestens einen Detektor (103), der im Betrieb auf die Laserquelle (105) reagiert; einen Mikroprozessor (101), der im Betrieb an den mindestens einen Detektor (103) gekoppelt ist; einen Speicher (102) zum Speichern von Zielcharakteristiken und ein Trainings- und Detektionsmodul (106) zum Ermöglichen des Trainings des Systems zur Zielerkennung; wobei die Laserquelle (105) mindestens zwei Lasersignale durch die mindestens zwei Emissionsöffnungen (4, 6, 8, 10) in eine von einem Ziel (110) belegte Umgebung emittiert, wobei der mindestens eine Detektor (103) die mindestens zwei Lasersignale detektiert und der Mikroprozessor (101) Zielcharakteristiken auf der Basis eines Vergleichs der vom Detektor (103) empfangenen Signale mit den im Speicher (102) gespeicherten Zielcharakteristiken bestimmt.
  2. System nach Anspruch 1, wobei die Laserquelle (105) einen oberflächenemittierenden Laser (VCSEL – vertical cavity surface emitting laser) enthält.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Detektor (103) eine Fotodiode enthält.
  4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin damit, daß die mindestens zwei Lasersignale durch mindestens eine Linse (50) hindurchtreten.
  5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Speicher (102) weiterhin eine durch ein neuronales Netz verbesserte Datenbank umfaßt.
  6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Speicher (102) weiterhin eine trainierbare Datenbank umfaßt.
  7. Verfahren zum Detektieren von Zielcharakteristiken, mit den folgenden Schritten: Emittieren von Licht durch mindestens zwei Emissionsöffnungen (4, 6, 8, 10) eines mindestens zwei Öffnungen mal mindestens zwei Öffnungen großen Arrays in eine Umgebung (111) unter Verwendung einer VCSEL-Struktur, wobei das Emittieren des Lichts durch die mindestens zwei Emissionsöffnungen (4, 6, 8, 10) dadurch mindestens zwei Lasersignale erzeugt; Blockieren mindestens eines der Lasersignale durch mindestens ein in der Umgebung (111) liegendes Ziel; Empfangen (113) irgendeines der nicht vom Ziel blockierten Lasersignale mit mindestens einem Detektor (112); Zugreifen auf einen Speicher, der gespeicherte Zielcharakteristiken enthält; und Bestimmen von Zielcharakteristiken (114) mit einem Mikroprozessor durch Vergleichen von Charakteristiken (113) von von dem Detektor empfangenen Signalen mit im Speicher enthaltenen gespeicherten Zielcharakteristiken.
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