ES2512965A1 - Sistema y método para escanear una superficie y programa de ordenador que implementa el método - Google Patents

Abstract

Sistema y método para escanear una superficie y programa de ordenador que implementa el método. El sistema comprende:- medios para iluminar, con un haz de luz (Be), diferentes sub-áreas (Si) de una superficie (S), de manera alternada, y -- medios para recibir y detectar las porciones de luz reflejada (Br) en las mismas, que incluyen: - uno o más detectores de luz (D); y - unos medios de redirección de luz que incluyen una cuadrícula (Qr) de elementos de redirección de luz (GM), que reciben las porciones de luz reflejada (Br) y las redirigen, de manera secuencial, hacia el detector o detectores de luz (D). El método está adaptado para realizar las funciones llevadas a cabo por el sistema de la invención. El programa de ordenador implementa el método de la invención.

Description

DESCRIPCIÓN

Sistema y método para escanear una superficie y programa de ordenador que implementa el método.

Sector de la técnica

La presente invención concierne en general, en un primer aspecto, a un sistema 5 para escanear una superficie, que comprende medios para iluminar diferentes regiones de una superficie a escanear y medios para recibir y detectar las porciones de luz reflejada en las mismas que incluyen uno o más detectores de luz, y más en particular a un sistema que permite utilizar la resolución espacial total del detector o detectores de luz para cada una de las regiones de la superficie a escanear. 10

Un segundo aspecto de la invención concierne a un método adaptado para realizar las funciones llevadas a cabo por el sistema del primer aspecto.

Un tercer aspecto de la invención concierne a un programa de ordenador que implementa el método del segundo aspecto.

Estado de la técnica anterior 15

Los sistemas de medida TOF (acrónimo de “Time Of Flight”: Tiempo de vuelo), LIDAR (acrónimo de “Light detection and ranging”) o LADAR (acrónimo de “Laser detection and ranging”) son sistemas que permiten la medida de distancias mediante la utilización de una fuente de luz que ilumina los puntos bajo medida.

La distancia medible en sistemas TOF está influenciada por algunos factores no 20 controlados que dependen del entorno y no de la técnica de TOF, como por ejemplo la intensidad de la iluminación de fondo, las condiciones meteorológicas (niebla, polvo, lluvia, etc.) o la reflectancia del objeto.

Por otro lado, hay otros aspectos que son directamente dependientes de la tecnología y la arquitectura del dispositivo de TOF y tienen un papel principal en la 25 determinación de la distancia medible de cada sistema. De entre dichos aspectos, los más significativos podrían ser la potencia de la fuente de iluminación, la divergencia del haz de luz, la eficiencia del sistema de escaneado de puntos, la sensibilidad de los foto-detectores, la atenuación del sistema óptico o la calidad del filtrado de la luz de fondo.

Los principios físicos de los sistemas TOF, LIDAR o LADAR constatan que, 30 expresado de forma muy genérica, la capacidad de medir un punto ubicado a una cierta distancia está relacionada con la capacidad de iluminarlo con potencia óptica suficiente para detectar el haz de luz reflejada en el mismo en un detector de luz. Este principio tiene una influencia determinante en la distancia medible del dispositivo y sobre el se han diseñado diferentes técnicas de escaneo para realizar mediciones de imágenes 35 TOF. Existen dispositivos TOF que pueden medir distancias de hasta docenas de kilómetros y otros se limitan a unos pocos metros. Normalmente, el haz iluminador en los sistemas de larga distancia tiene poca divergencia. Estos suelen utilizar haces de luz láser altamente colimados con una divergencia y una sección de haz muy reducida. Con esto se consigue que la concentración de energía por unidad de superficie en el 40 objeto sea mucho mayor si se compara con los sistemas que utilizan fuentes de luz divergentes. Los sistemas que utilizan fuentes de luz divergentes iluminan áreas mayores para medir de forma simultánea un conjunto de puntos en lugar de uno solo.

Para realizar mediciones de imagen tridimensional mediante técnicas de TOF, LIDAR o LADAR, es necesario medir un conjunto de puntos que conformen una imagen tridimensional (o nube de puntos) y para ello es necesario iluminar la superficie que corresponde a la imagen que se pretende medir. Las tecnologías que permiten medir 5 de forma controlada un conjunto de puntos para formar imágenes tridimensionales se dividen básicamente en dos:

- Sistemas de escaneado secuencial.

- Sistemas basados en matrices de detectores.

Los sistemas de escaneado secuencial forman la imagen 3D midiendo puntos 10 únicos de forma secuencial. La secuencia de iluminación es implementada normalmente mediante sistemas ópticos tales como espejos galvanométricos, MEMS, deflectores acusto-ópticos, etc… Dada una potencia óptica concreta, los sistemas de escaneo secuencial concentran dicha potencia en un punto de tamaño reducido consiguiendo medir distancias mayores en comparación con los sistemas que 15 expanden el haz. La colimación y el pequeño tamaño del punto iluminado hace que la concentración de energía por unidad de superficie sea mas elevada que en el caso de fuentes de luz divergentes. Esta alta concentración de energía por unidad de superficie hace que la luz reflejada por el objeto sea mayor y en consecuencia, el detector que recibe la luz procedente de ese punto también reciba una cantidad de luz mayor. 20 Tendiendo en cuenta que uno de los factores principales que fija la limitación de capacidad de medida en distancia en sistemas LIDAR es la capacidad de detectar haces ópticos reflejadas de baja potencia, el efecto de concentración de energía de los sistemas de escaneo secuencial consigue maximizar la distancia medible gracias al aprovechamiento de toda la potencia óptica disponible para un solo punto de medida. A 25 mayor concentración de energía por unidad de superficie, más flujo de energía es reflejado en el punto de medida y por consiguiente, más fácil es la detección. Si bien los sistemas de escaneo secuencial permiten obtener una alta resolución espacial en la imagen tridimensional, al realizarse la medida punto a punto, hace que para conseguir imágenes de alta resolución espacial el tiempo de medida total sea elevado. Esto limita 30 la cantidad de imágenes por segundo que pueden medir. A nivel de ejemplo, se pueden citar equipos comerciales basados en esta tecnología como los escáneres láser de Riegl (
http://www.riegl.com/), MDL (
http://www.mdl-laser.com) o Faro (
http://www.faro.com).

Por otro lado, existen los sistemas basados en matrices de detectores. Estos 35 utilizan un conjunto de detectores dispuestos en cuadrícula en la que cada uno de ellos tiene capacidad de medida TOF, ya sea basada en TOF pulsado, TOF-FMCW o TOF-“Range Gated”. En estos sistemas, los puntos de la imagen tridimensional son medidos de forma simultánea a través de un conjunto de detectores. Es decir, de forma sincronizada dichos detectores miden un conjunto de valores de distancia equivalente 40 al número de detectores de la matriz y, a la vez, ese conjunto de puntos medidos conforma una imagen tridimensional. La principal ventaja de estos sistemas reside en que se realizan multitud de medidas de forma simultánea permitiendo medir una imagen completa a través de una única acción de medida TOF. Por ejemplo, en el caso de TOF pulsado, se podrá medir una imagen tridimensional completa a través de un 45 solo pulso de láser (no obstante, algunos equipos utilizan mas de un pulso para

incrementar la calidad de la imagen a través de integración de medida sucesivas).

Una condición necesaria para realizar medidas simultaneas a través de una matriz de detectores (de forma parcial o total, es decir, utilizando la totalidad de la matriz o solo una parte de ella) implica iluminar de forma simultanea todos esos puntos en el objeto que serán medidos por el grupo de detectores. Esto implica que la potencia 5 óptica se divide entre todos los puntos. Por lo tanto, dada una fuente de iluminación de una energía concreta, la concentración de energía por unidad de superficie será repartida entre todos los puntos de medida haciendo que la energía reflejada por cada punto individual sea inversamente proporcional al número de puntos medidos. A nivel de ejemplo se puede citar los sistemas “Flash LADAR” de la compañía Advanced 10 Scientific Concepts (
http://www.advancedscientificconcepts.com/), las cámaras TOF pulsadas de Odos Imaging (
http://odos-imaging.com/), así como la gran mayoría de cámaras TOF basadas en medida TOF-FMCW (Time-of-Flight Frequency Modulated Continuous Waveform), por ejemplo las cámaras de Mesa Imaging (
www.mesa-imaging.ch), PMD (
www.pmdtec.com) o SoftKinetic (
http://www.softkinetic.com). 15

La principal ventaja de este sistema respecto a los sistemas de escaneo secuencial reside en que la medida de puntos se hace en paralelo consiguiendo medir un número elevado de puntos para cada acción de medida TOF. En cambio, los sistemas de escaneo secuencial realizan una única medida por cada acción de medida TOF. De forma genérica se puede afirmar que, considerando una fuente de iluminación 20 de potencia determinada y compartida entre los dos sistemas, la cantidad de imágenes tridimensionales medidas será mayor para los sistemas basados en matrices de detectores que en los sistemas de medida secuencial gracias al efecto de medidas en paralelo. No obstante, dado que la energía de iluminación es finita y, en este caso comparativo, igual entre los dos sistemas, la distancia medida será mayor en el sistema 25 de escaneo secuencial que en el de matriz de detectores dado que la energía utilizada para el punto de media será mayor debido a que toda la potencia de la fuente se concentra en un mismo punto de media.

En un punto intermedio, existen equipos que están compuestos de conjuntos de detectores que miden de forma simultánea y que a la vez, realizan un escaneo 30 secuencial. Esta técnica normalmente se utiliza para medir superficies de mayor tamaño. A modo de ejemplo, se puede destacar el sistema de la compañía Velodyne Lidar (
http://velodynelidar.com). Este sistema realiza medidas simultáneas a través de un conjunto de detectores a la vez que un cabezal mecánico giratorio escanea circularmente en un ángulo de 360º para conseguir un campo de visión circular. Se 35 puede considerar que este tipo de sistemas concentran características de los dos métodos genéricos descritos anteriormente ya que son capaces de medir un conjunto de puntos de forma simultanea a la vez que realiza un escaneado secuencial para medir la totalidad de los puntos que conforman la imagen tridimensional final.

En la mayoría de los sistemas basados en matriz de detectores, la resolución 40 espacial de la imagen tridimensional esta fijada por el numero de detectores de la matriz de detectores. No obstante, existe un sistema que permite obtener una resolución espacial en la imagen mayor a la de la matriz de detectores. Dicho sistema TOF se encuentra descrito en la solicitud internacional WO2012123809A1, y permite aumentar la resolución espacial de la imagen tridimensional gracias a la inclusión y 45 utilización de una disposición en cuadrícula de interruptores de luz o matriz de interruptores de luz (tal como un modulador espacial de luz basado en micro espejos,

como es el caso de un DMD: “Digital Micromirror Device”: Dispositivo digital de micro espejos), en un número mayor que detectores de luz, que redirecciona secuencialmente hacia la matriz de detectores de luz las diferentes porciones de luz reflejadas en la superficie a escanear. Los inventores se refieren a esa tecnología como “Escaneo Digital” y se considera que esta ubicada en un paso intermedio entre los 5 sistemas basados en matriz de detectores y escaneo secuencial ya que implementa los dos métodos. No obstante, dicho escaneo es controlado de forma digital y no intervienen partes móviles.

Uno de los usos del sistema descrito en la solicitud internacional WO2012123809A1 es la medida de imágenes tridimensionales mediante la técnica 10 TOF o tiempo de vuelo. Una fuente de luz ilumina la superficie que se requiere medir. El DMD recibe dicho haz a través de un grupo óptico y de forma secuencial redirige el haz recibido hacia un detector o matriz de detectores que tienen capacidad de medida TOF. Dado a que el DMD está ópticamente conjugado con el objeto bajo medida, este es capaz de recibir de forma controlada la luz que proviene de cada punto de medida. 15 Cada interruptor de luz esta conjugado con un punto de la superficie que se va a medir, por lo tanto, cada interruptor de luz es capaz de rechazar o dirigir dicha porción del haz total al sistema de detectores. Dado que el DMD o matriz de interruptores y el detector o matriz de detectores están ópticamente conjugados, el DMD es capaz de dirigir dichas porciones del haz, que a la vez corresponden a la luz reflejada por los puntos 20 del objeto que se quieren medir, al conjunto de detectores de forma controlada. A través de un proceso secuencial, el DMD irá recibiendo y dirigiendo la luz reflejada en el objeto hacia el detector o grupo de detectores de manera que, el DMD enviará de forma simultánea tantas porciones del haz como detectores hay en dicha matriz de detectores TOF. Es decir, se realizaran un número de medidas TOF simultáneas 25 equivalente el número de detectores. El proceso secuencial de medida consiste en dirigir de forma controlada la totalidad de los puntos de la superficie que el DMD esta ópticamente configurado para recibir. La imagen tridimensional resultante tendrá tantos puntos medidos como interruptores de luz tiene el DMD. Considerando que el DMD tiene un número mucho mayor de interruptores de luz que la matriz de detectores, la 30 imagen resultante tendrá una resolución espacial mayor que el número de detectores. Esta característica hace que a través de un grupo de detectores reducido, y a su vez técnicamente menos complejo y más económico que uno con gran cantidad de detectores, se puedan medir imágenes TOF de alta resolución espacial y con funcionalidades añadidas. 35

Una de las características de este sistema es que para cada acción de medida TOF es necesario iluminar la totalidad de la superficie que se pretende medir. Se entiende como la totalidad de la superficie como todo el conjunto de puntos que conformarán la imagen tridimensional que resultará de la ejecución del proceso secuencial de medida. Tal y como sucede en los sistemas basados en matrices de 40 detectores descritos anteriormente, este sistema ilumina la totalidad de la superficie a escanear haciendo que la potencia óptica disponible se reparta entre todos los puntos de la superficie en cada acción de medida TOF y solo un grupo reducido de puntos (equivalente al numero de detectores) serán medidos. Cuantos más detectores contiene la matriz de detectores, más energía de iluminación es aprovechada dado que 45 el número de puntos medidos simultáneamente es mayor y el número de puntos rechazados es menor. Esto repercute en la energía lumínica que recibe cada punto de la superficie y, por consiguiente, perjudica la distancia de detección dado que la

energía de iluminación es dividida entre todos los puntos de la superficie.

Los sistemas TOF de medición de imagen tridimensional tienen multitud de aplicaciones y mercados donde estos sistemas son de utilidad. Solo a nivel de ejemplo, una aplicación de interés para la que resultaría interesante utilizar tales sistemas pertenece al campo de la automoción, en particular de los sistemas de supervisión, 5 detección y reconocimiento de objetos del entorno de un automóvil con el fin de obtener información del espacio donde este transita con fines de seguridad, navegación o inteligencia artificial en la conducción.

Para tal aplicación, existen diversos requerimientos de rendimiento fundamentales que el sistema debe satisfacer para garantizar su utilidad en dicho 10 contexto. A continuación se especifican algunos de ellos solo a modo de ejemplo:

- Funcionamiento en un entorno exterior en condiciones de gran cantidad de iluminación de fondo y luz diurna.

- Distancia medible hasta 100 metros.

- Ángulo de visión: horizontal ±20º, vertical ±5º. 15

- Medida de imágenes a tiempo real (>10Hz).

Considerando una distancia de 100 m con dichos ángulos de visión, la superficie a medir tiene de forma aproximada unos 750m2. Un sistema TOF basado en matriz de detectores deberá iluminar tal superficie de forma completa en cada acción de medida TOF. Teniendo en cuenta los parámetros radiometritos que intervienen en el proceso 20 de iluminación, reflexión y detección de dicho haz, considerando también la cantidad de luz de fondo y los parámetros de los detectores, se llega a la conclusión de que la energía de iluminación necesaria para poder ser detectada en la matriz de detectores es potencialmente muy elevada. Un sistema de escaneo secuencial requeriría menos energía de iluminación pero su rendimiento en cuanto a velocidad de medida también 25 seria limitado pudiendo presentar limitaciones en medición de objetos móviles.

Adicionalmente, la ley del cuadrado inverso establece que la intensidad luminosa en una superficie que recibe luz desde una fuente de luz puntual es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre la fuente de luz y la superficie y proporcional al coseno entre el haz de luz y la normal a la superficie. Esto significa que 30 la intensidad de iluminación sobre un área determinada decrecerá con la distancia según un factor cuadrático. Cuando una superficie que es iluminada con una fuente de luz se aleja de la fuente de luz, la intensidad de iluminación de la superficie disminuye, disminución la cual se produce mucho más rápido que como se aleja la superficie de la fuente de luz. Por ejemplo, si la iluminación sobre una superficie es de 40 lux a una 35 distancia de 0,5 m de la fuente de luz, la iluminación decrece hasta 10 lux a una distancia de 1 m. Este fenómeno influye de forma determinante en la distancia medible en un sistema de TOF. En los sistemas basados en matrices de detectores, este efecto puede ser aceptable para distancias cortas (10 a 15 m.) donde la intensidad de iluminación por m2 permanece alta, pero cuando se requiere medición de distancias 40 medio-largas (mayores de 15 m.) y grandes áreas, esta fenómeno se convierte en un problema, ya que las fuentes de iluminación tienen una energía limitada. Según el conocimiento de los presentes inventores, este es un factor realmente limitativo en términos de distancia medida en los sistemas basados en matrices de detectores.

Por ello, y en base a una serie de estudios basados en simulaciones de diferentes modelos radiométricos realizados por los presentes inventores, puede decirse que la utilización de los sistemas basados en matrices de detectores para aplicaciones en el campo de la automoción, donde se requieren mediciones de al menos 100 metros, resulta claramente inviable, debido que ello implicaría el uso de una 5 fuente láser de una potencia enorme, las cuales son muy caras, tienen un alto consumo y son incompatibles con las reglas de seguridad para los ojos. Las cámaras TOF comerciales mencionadas anteriormente trabajan bien para ciertas aplicaciones (entornos interiores y para rangos de distancias cortas) pero presentan serias limitaciones en entornos exteriores con luz diurna y para distancias medias-largas. 10 Debe hacerse notar que la mayoría de ellas utilizan LEDs como fuente de luz cuya potencia es sustancialmente menor en comparación de las fuentes láser usadas en los sistemas de escaneo secuencial.

Lo anterior es extrapolable a muchos otros campos de aplicación diferentes al de la automoción, todos ellos bajo la comentada influencia de la ley del cuadrado inverso, 15 aunque cada campo de aplicación tendrá sus restricciones particulares relativas a entorno de funcionamiento, distancias de medida, ángulos de visión, etc.

En el presente, según el conocimiento de los inventores, no existe ningún dispositivo TOF que cumpla todos los requerimientos aquí comentados para ser aplicado de forma masiva en el campo de la automoción cumpliendo incluso 20 requerimientos de precio.

Para tal aplicación en el campo de la automoción, y para muchas otras aplicaciones de interés, resultaría interesante proporcionar un sistema que combinase las ventajas de los dos métodos de generación de imágenes 3D en TOF, las del escaneo secuencial y las de los sistemas basados en matrices de detectores. Su 25 objetivo seria realizar medidas sobre objetos situados a una distancia mayor que la cubierta por los sistemas basados en matrices de detectores, con una buena resolución espacial, una velocidad de medida mayor que los sistemas de escaneo secuencial y, utilizando fuentes de luz de potencia reducida.

Por la solicitud US20120249999A1 se conoce uno de tales sistemas 30 combinados, ya que ésta propone combinar un sistema “Flash LADAR” con uno de escaneado láser, con el fin de utilizar láseres de menor potencia si no se requiere medir el campo de visión completo. En este sistema, el componente “Flash LADAR” mide la distancia al objeto iluminado mediante TOF y el sistema de escaneo ilumina de forma selectiva dicho objeto. Los inventores describen una serie de aplicaciones como la 35 detección y seguimiento de objetos estáticos y/o móviles, sistemas para navegación o anticolisión basados siempre en la tecnología “Flash LADAR” patentada también por los mismos inventores.

Mediante el sistema propuesto por US20120249999A1 se proyecta un haz de luz láser sobre una sub-área (objeto) a detectar contenido dentro del campo de visión, con 40 una divergencia determinada para que se produzca una medida simultánea de todo dicha sub-área, que incluya uno solo o un pequeño grupo de píxeles, es decir, que se utiliza una divergencia mayor que la de los sistemas de escaneo secuencial y menor que la de los sistemas basados en matriz de detectores.

Para dirigir el láser hacia la sub-área a escanear se utiliza un espejo de un 45 sistema galvanométrico (por ejemplo tipo MEMs), por lo que puede decirse que el

sistema de US20120249999A1 es realmente una combinación de los dos sistemas TOF descritos anteriormente.

Se indica que en el sistema propuesto en US20120249999A1, el haz de iluminación puede ser variado para que ilumine la totalidad del campo de visión del sistema Flash LADAR (todos los pixeles de la matriz de detectores) o solo parcialmente 5 (uno o varios pixeles de la matriz de detectores) dependiendo de la aplicación.

En el sistema de US20120249999A1 la detección es realizada con una matriz de detectores de luz cuya resolución total está adaptada al área total de la superficie o escena a escanear, por lo que cuando iluminan la mencionada sub-área se obtiene una resolución espacial menor, es decir, si solamente iluminan el 10% del área total, 10 solamente se iluminarán, es decir, recibirán luz reflejada, un 10% de los píxeles de la matriz de detectores de luz, por lo que se obtendrá una resolución espacial de solamente el 10% de la resolución total de la matriz, lo cual hace que tal sistema ofrezca unos resultados bastante pobres en términos de resolución espacial. Dicho de otra forma, los detectores de la matriz que están ópticamente conjugados con los 15 pixeles de las sub-áreas que no están siendo iluminadas no podrán ser empleados para la medida TOF, haciendo que esta infrautilización del conjunto de detectores de la matriz repercuta negativamente en la resolución espacial de la imagen TOF en comparación con el caso de utilizar una fuente de luz que ilumina completamente el campo de visión de la matriz de detectores donde si que la totalidad de los detectores 20 es empleada.

Explicación de la invención

Parece necesario ofrecer una alternativa al estado de la técnica que supere las lagunas halladas en el mismo, y en particular que proporcione una solución a los problemas de los que adolece el sistema propuesto en US20120249999A1, en 25 términos de resolución espacial.

Con tal fin, la presente invención concierne, en un primer aspecto, a un sistema para escanear una superficie, que comprende:

- unos medios de iluminación configurados y dispuestos para proyectar sobre una superficie a escanear al menos un haz de luz con una divergencia determinada 30 para iluminar una sub-área del área que constituye dicha superficie a escanear, la cual es al menos en parte reflectante;

- unos medios de dirección de luz asociados a dichos medios de iluminación configurados para dirigir dicho haz de luz para que ilumine diferentes sub-áreas de la superficie a escanear, de manera alternada; y 35

- unos medios de recepción y detección configurados y dispuestos para recibir y detectar, de manera alternada, correspondientes porciones de luz, de dicho haz de luz, reflejadas en cada una de dichas diferentes sub-áreas de la superficie a escanear, donde dichos medios de recepción y detección comprenden uno o más detectores de luz. 40

A diferencia de las propuestas conocidas, el sistema propuesto por el primer aspecto de la invención se caracteriza porque:

- los medios de recepción y detección comprenden unos medios de redirección

de luz que incluyen una pluralidad de elementos de redirección de luz dispuestos en cuadrícula, en un número mayor que el número de dichos detectores de luz, que es al menos uno, y para recibir las porciones de luz reflejada, cada una de ellas en una respectiva sub-cuadrícula de dicha cuadrícula;

- y porque los medios de redirección de luz están configurados y dispuestos para 5 redirigir, de manera secuencial, cada una de las porciones de luz reflejada recibida en cada una de dichas sub-cuadrículas hacia dicho detector de luz, que es al menos uno.

Según un ejemplo de realización preferido, el sistema comprende una pluralidad de detectores de luz, incluyendo a dicho detector de luz, dispuestos en cuadrícula, estando los medios de redirección de luz configurados y dispuestos para redirigir, de 10 manera secuencial, cada una de las porciones de luz reflejada recibida en cada una de las sub-cuadrículas de elementos de redirección de luz hacia los detectores de luz dispuestos en cuadrícula.

Para otro ejemplo de realización, la pluralidad de detectores de luz son unos detectores discretos que no están dispuestos en cuadrícula, es decir no forman una 15 cuadrícula uniforme. Sirva la descripción siguiente hecha (en este y en apartados subsiguientes) con respecto a la cuadrícula de detectores de luz también como válida para este ejemplo de realización para el que éstos no forman una cuadrícula uniforme.

De acuerdo con un ejemplo de realización, los medios de redirección de luz comprenden como mínimo un elemento reflectante dispuesto entre la cuadrícula de 20 elementos de redirección de luz y el detector de luz o la cuadrícula de detectores de luz, que es desplazable para llevar a cabo dicha redirección secuencial de cada una de las porciones de luz reflejada recibida en cada una de las sub-cuadrículas hacia el detector de luz o los detectores de luz dispuestos en cuadrícula.

Para un ejemplo de realización preferido, los medios de dirección de luz están 25 configurados para dirigir el haz de luz de manera secuencial.

Con el fin de llevar a cabo la mencionada dirección alternada del haz de luz, los medios de dirección de luz comprenden, según un ejemplo de realización, como mínimo un dispositivo reflectante y/o deflectante, que es desplazable, dispuesto entre el haz de luz y la superficie a escanear. 30

Para un ejemplo de realización, el número de elementos de redirección de luz de cada una de las sub-cuadrículas es igual al número de detectores de luz.

En cambio, para otro ejemplo de realización, en este caso preferido ya que permite aumentar aún más la resolución espacial de la imagen tridimensional, el número de elementos de redirección de luz de cada una de las sub-cuadrículas es 35 superior al número de detectores de luz, y el sistema comprende unos medios de control asociados a los medios de redirección de luz para llevar a cabo la redirección de cada una de las porciones de luz reflejada recibida en cada una de las sub-cuadrículas hacia los detectores de luz, redirigiendo sub-porciones de cada porción de luz reflejada, de manera secuencial, hacia el detector o detectores de luz, mediante el 40 control independiente de correspondientes sub-grupos de elementos de redirección de luz de cada sub-cuadrícula.

Para un ejemplo de realización más básico, los medios de recepción y detección comprenden solamente un detector de luz, por lo que cada sub-cuadrícula de elementos de redirección de luz incluye, para una primera variante, solamente un elemento de redirección de luz que redirecciona la porción de luz reflejada recibida haca el detector de luz único, y, para otra variante más preferida, cada sub-cuadrícula 5 incluye varios elementos de redirección de luz, cada uno de los cuales redirecciona hacia el detector de luz único, de manera secuencial, una correspondiente sub-porción de la porción de luz reflejada recibida en la sub-cuadrícula.

El sistema propuesto por el primer aspecto de la invención comprende, según un ejemplo de realización, unos medios de control asociados a los medios de dirección de 10 luz y a los medios de redirección de luz para llevar a cabo tanto la dirección del haz de luz hacia las diferentes sub-áreas de la superficie a escanear como la redirección de cada una de las porciones de luz reflejada hacia el detector o detectores de luz, de manera sincronizada.

Según una realización, cada elemento de redirección de luz está formado por un 15 número variable de microelementos de redirección de luz.

Para un ejemplo de realización, la cuadrícula de elementos de redirección de luz es una cuadrícula de interruptores de luz, y para otros ejemplos de realización la cuadrícula de elementos de redirección de luz comprende un modulador espacial de luz basado en micro espejos, una pantalla de cristal líquido o unos espejos deformables. 20

Para un ejemplo de realización preferido, el sistema del primer aspecto de la invención es particularmente aplicable a la realización de medidas TOF, por lo que comprende, en asociación o como parte de los medios de recepción y detección, unos medios de medida para medir la distancia entre el sistema y cada punto de la superficie a escanear mediante la determinación del tiempo de vuelo, obteniéndose así un 25 sistema híbrido o intermedio entre los sistemas de escaneado secuencial y los basados en matrices de detectores que aprovecha las ventajas, en cuanto a concentración del haz, de los primeros, y la toma de medidas en paralelo de los segundos. La uniformidad espacial de los puntos de la imagen TOF medida es garantizada por la cuadrícula de elementos de redirección de luz o cuadrícula de interruptores de luz, que 30 en un ejemplo de realización preferido, es un DMD de Texas Instruments u otra clase de modulador espacial de luz basado en micro espejos.

Para otros ejemplos de realización, el sistema del primer aspecto de la invención está aplicado a la realización de otra clase de medidas, tales como de intensidad de luz, de color o de conteo de fotones. 35

Los mencionados medios de medida están configurados para obtener una imagen tridimensional de reconstrucción topográfica (nube de puntos) de la superficie a escanear, de acuerdo con un ejemplo de realización.

Como mínimo los elementos de redirección de luz y/o el mencionado elemento reflectante y/o el dispositivo reflectante y/o deflectante están implementados, según un 40 ejemplo de realización, mediante sistemas micro-electromecánicos (MEMs).

Según un ejemplo de realización, el sistema propuesto por el primer aspecto de la invención constituye o forma parte de un sistema de medida de espacio tridimensional que, para una variante preferida está aplicado en el campo de la

automoción para la detección y seguimiento de objetos y obstáculos, tales como otros vehículos o peatones y, ventajosamente, para la navegación automática o supervisada de vehículos.

Otras aplicaciones de interés del sistema propuesto por el primer aspecto de la invención son las incluidas en la siguiente lista, no exhaustiva: 5

– Video vigilancia inteligente. – Control de zonas fronterizas.

– Visión tridimensional en sistemas de seguridad.

– Vehículos auto-guiados. – Vídeo multimedia 3D. 10 – Detección y seguimiento de objetos. – Asistencia y seguridad en la conducción. – Sistemas de transporte inteligentes. – Detección bajo follaje.

– Mapeado. 15

– Visión artificial en robótica.

Un segundo aspecto de la invención concierne a un método para escanear una superficie, que comprende:

- proyectar sobre una superficie a escanear, al menos en parte reflectante, al menos un haz de luz con una divergencia determinada para iluminar una sub-área del 20 área que constituye dicha superficie a escanear, dirigiéndolo para que ilumine diferentes sub-áreas de la superficie a escanear, de manera alternada; y

- recibir y detectar en al menos un detector de luz, de manera alternada, correspondientes porciones de luz, de dicho haz de luz, reflejadas en cada una de dichas diferentes sub-áreas de la superficie a escanear. 25

A diferencia de los métodos conocidos en el estado de la técnica, el propuesto por el segundo aspecto de la invención se caracteriza porque comprende, de manera previa a dicha recepción y detección:

- recibir, cada una de las porciones de luz reflejada, en una respectiva sub-cuadrícula de una cuadrícula en la que se encuentran dispuestos una pluralidad de 30 elementos de redirección de luz, en un número mayor que el número de dichos detectores de luz, que es al menos uno; y

- redirigir, de manera secuencial, cada una de las porciones de luz reflejada recibida en cada una de dichas sub-cuadrículas hacia dicho detector de luz, que es al menos uno. 35

De acuerdo con un ejemplo de realización, el método propuesto por el segundo aspecto de la invención comprende redirigir, de manera secuencial, cada una de las porciones de luz reflejada recibida en cada una de las sub-cuadrículas de elementos de redirección de luz hacia una pluralidad de detectores de luz, incluyendo a dicho detector de luz, dispuestos en cuadrícula. 40

El método propuesto por el segundo aspecto de la invención comprende, según

un ejemplo de realización preferido, llevar a cabo el escaneado de la superficie a escanear utilizando el sistema del primer aspecto de la invención.

Según otro ejemplo de realización, el método del segundo aspecto de la invención comprende determinar y variar el grado de la divergencia del haz de luz y/o variar el número de elementos de redirección de luz de cada sub-cuadrícula, de 5 manera automática y/o bajo indicación de un usuario y/o en función de una serie de señales de entrada locales y/o remotas y/o provenientes de detectores internos y/o externos, para aumentar la distancia de emisión, con el fin de detectar una superficie a mayor distancia, y/o la velocidad de escaneado, sacrificando resolución espacial, o para aumentar la resolución espacial, sacrificando potencia óptica recibida, con el fin de 10 escanear con mayor precisión un objeto de interés.

Según un ejemplo de realización, el método comprende llevar a cabo la variación del grado de la divergencia del haz de luz y/o del número de elementos de redirección de luz de cada sub-cuadrícula, sobre la marcha, en función de las circunstancias de funcionamiento y/o del entorno y/o de unas detecciones de objetos realizadas. 15

El método del segundo aspecto de la invención comprende, de acuerdo a una realización, variar el número de elementos de redirección de luz de la sub-cuadrícula o sub-cuadrículas de elementos de redirección de luz donde se ha recibido la luz reflejada en un objeto detectado.

Al mismo tiempo, el método propuesto por el segundo aspecto de la invención, 20 para un ejemplo de realización, comprende utilizar algoritmos de detección y seguimiento de objetos fijos y/o móviles para el control de la secuencia de escaneado y la determinación de las sub-áreas a escanear como zonas ocupadas o a ocupar por uno o más objetos de interés, implementando las secuencias de redirección de porciones del haz reflejado según dichos algoritmos para implementar funciones de 25 detección y seguimiento de objetos fijos y/o móviles.

Para tal fin, el método comprende, según una variante de dicho ejemplo de realización, implementar algoritmos de predicción de movimientos (ej.: detección y predicción de trayectorias, etc…), así como utilizar unas imágenes captadas por una cámara 2D para condicionar la ejecución de los algoritmos de detección y seguimiento 30 de objetos.

Un tercer aspecto de la invención concierne a un programa de ordenador que incluye instrucciones de programa ejecutables en un ordenador para implementar al menos parte de las etapas del método del segundo aspecto, incluyendo el análisis de 35 las señales de salida de los detectores de luz, y la variación, mediante la generación de unas correspondientes señales de control, del grado de divergencia del haz de luz y del número de elementos de redirección de luz activos de cada sub-cuadrícula.

Breve descripción de los dibujos

Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más 40 plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título ilustrativo y no limitativo, en los que:

la Fig. 1 ilustra, de manera esquemática, a parte del sistema propuesto por el primer aspecto de la invención, para un ejemplo de realización;

la Fig. 2 muestra a parte de los elementos del sistema propuesto por el primer aspecto de la invención en una situación de escaneado de una sub-área de la superficie total a escanear, para un ejemplo de realización; 5

la Fig. 3 muestra los mismos elementos ilustrados en la Fig. 2, pero para una situación en que se está escaneando otra sub-área de la superficie total a escanear, para lo cual el elemento reflectante Mr se ha desplazado para mantener la conjugación óptica con la matriz de detectores de luz Qd;

la Fig. 4 es otra vista análoga a la de las Figs. 2 y 3 para una situación en que se 10 está escaneando otra sub-área más de la superficie total a escanear; y

la Fig.5 es una vista análoga a la Fig. 2, pero para otro ejemplo de realización para el que el sistema comprende un solo detector de luz.

la Fig. 6 es un diagrama de flujos que representa una implementación del método propuesto por el segundo aspecto de la invención, para un ejemplo de 15 realización.

Descripción detallada de unos ejemplos de realización

En la Fig. 1 se ilustra parte del sistema propuesto por el primer aspecto de la invención para un ejemplo de realización para el que éste comprende, dispuestos en una carcasa H: 20

- unos medios de iluminación que incluyen una fuente de luz F, en general láser, y una serie de elementos ópticos dispuestos a la salida de la fuente de luz F (divisor de haz y lentes), así como un fotodetector PD para la detección del pulso emitido por la fuente de luz F y la generación de una correspondiente señal de detección a utilizar como inicio de la cuenta de tiempo para un sistema TOF pulsado. Los medios de 25 iluminación están configurados y dispuestos para proyectar sobre la superficie a escanear S un haz de luz Be con una divergencia determinada para iluminar una sub-área Si del área que constituye la superficie a escanear S;

- unos medios de dirección de luz asociados a los medios de iluminación configurados para dirigir el haz de luz Be para que ilumine diferentes sub-áreas Si de la 30 superficie a escanear S, de manera alternada, y que comprenden un dispositivo Me reflectante y/o deflectante dispuesto entre el haz de luz Be y la superficie a escanear S, y que es desplazable girando, para el ejemplo de realización ilustrado, respecto a dos ejes (X e Y) para llevar a cabo dicha dirección alternada del haz de luz Be; para otro ejemplo de realización, no ilustrado, el dispositivo Me es desplazable únicamente 35 respecto a un eje, con el fin de obtener únicamente imágenes lineales;

- unos medios de recepción y detección configurados y dispuestos para recibir y detectar, de manera alternada, correspondientes porciones de luz Br, de dicho haz de luz Be, reflejadas en cada una de las diferentes sub-áreas Si de la superficie a escanear S, donde dichos medios de recepción y detección comprenden, para el 40 ejemplo de realización ilustrado:

- un matriz o cuadrícula Qd de detectores de luz D; y

- unos medios de redirección de luz que incluyen:

- un matriz o cuadrícula Qr de elementos de redirección de luz GM (tal como un DMD, donde los GMs son grupos de espejos que se controlan de manera digital en el DMD), en un número mayor que el número de detectores de luz D, para recibir las porciones de luz reflejada Br (en este caso a través de un sistema 5 óptico Li y un prisma P de tipo TIR (acrónimo de “Total Internal Reflection”: reflexión interna total)), cada una de ellas en una respectiva sub-cuadrícula SQr de la cuadrícula Qr (ver Figs. 2, 3 y 4), y

- un elemento reflectante Mr dispuesto entre la cuadrícula Qr de elementos de redirección de luz GM y la cuadrícula de detectores de luz Qd, que es 10 desplazable girando respecto a dos ejes para llevar a cabo la redirección secuencial de cada una de las porciones de luz reflejada Br recibida en cada una de las sub-cuadrículas SQr hacia los detectores de luz D de la cuadrícula Qd (en este caso tras reflejarse en el prisma P y pasar a través de un sistema óptico Lf). 15

- un elemento A capaz de absorber y desechar la luz que la cuadrícula de elementos de redirección de luz Qr no dirige hacia la cuadrícula de detectores de luz Qd de acuerdo con lo establecido por un proceso de escaneo secuencial.

Algunos de los elementos del sistema no se han ilustrado en la Figura 1, tales 20 como los medios de control, diferentes clases de circuitería eléctrica y electrónica, etc. con el fin de que ésta tenga mayor claridad y facilite el entendimiento de las funciones de iluminación por sub-áreas Si y correspondiente recepción y detección llevadas a cabo por el mismo. Por ejemplo, no se han representado los circuitos TDC (acrónimo de “Time to Digital Converter”: Convertidor de Tiempo a Digital) usados para la medida 25 de TOF entre el señal del detector PD y D que finalmente determinará la medida de distancia.

En la Fig. 1 se ilustran dos porciones Br de luz reflejada en la sub-área Si, mediante dos respectivas líneas de flecha continuas que se dirigen hacia dos correspondientes elementos de redirección de luz GM de la cuadrícula Qr que las 30 redirigen hacia la cuadrícula Qd de detectores de luz D, así como, en línea discontinua de trazos, una porción de luz reflejada en la zona de la superficie Si, que proviene del haz de luz Be, que va a parar a un elemento de redirección de luz GM que la redirige hacia un elemento absorbedor de luz A, con el fin de que no interfiera con las señales de interés. Un proceso secuencial controla qué GMs dirigen luz hacia los detectores y 35 cuales dirigen la luz hacia el absorbedor A. También se representa en línea discontinua de puntos, una porción de luz reflejada en otra zona de la superficie S, y que no proviene del haz de luz Be, que va a parar a un elemento de redirección de luz GM que la redirige hacia el elemento absorbedor de luz A, también con el fin de que no interfiera con las señales de interés. 40

Como detectores de luz D se utilizan, para un ejemplo de realización preferido, detectores SiPM (acrónimo de “Silicon Photomultiplier”: Fotomultiplicadores de Silicio), debido a su alta ganancia (>106), elevado ancho de banda y a su capacidad para detectar las porciones de luz reflejada Br, en forma de pulsos, mediante una configuración de conteo de fotones o configuración de disparo por flanco, que permite 45 detectar pulsos de luz extremadamente débiles, del orden de docenas de

fotones/pulso, muy lejos de la capacidad de los detectores APD (acrónimo de “Avalanche Photodiodes”: fotodiodos de avalancha) o fotodiodos PIN de las unidades TOF estándar.

Debido a que los detectores basados en silicio, como los detectores SiPM, solamente pueden detectar luz visible, para otro ejemplo de realización el sistema 5 comprende una clase de detectores equivalentes a los SiPM en tecnologías no basadas en silicio (por ejemplo InGaAs/InP) que permiten la detección de luz en la banda infrarroja, preferentemente a 1550 nm, por temas de seguridad ocular. De la misma forma, estos detectores en la banda infrarroja tendrían una sensibilidad y ganancia del mismo orden que los SiPM permitiendo también detectar cantidades de 10 luz del orden de pocas decenas de fotones.

Los SiPM son detectores de estado sólido que ofrecen una ganancia y un ancho de banda comparable al de los PMT. Están formados por una matriz de fotodiodos de avalancha polarizados en modo Geiger sobre un mismo substrato y bajo una misma tensión de polarización. Cada uno de los GM-APDs (acrónimo de “Geiger-Mode 15 Avalanche Photodiode”: Fotodiodos de avalancha en modo Geiger) es activado a través de la absorción de una pequeña cantidad de fotones obteniendo en la salida una corriente proporcional al número de GM-APDs activados, y por consiguiente, a la cantidad de fotones recibidos. Teniendo en cuenta que los ánodos de cada uno de los GM-APDs que forman el detector están unidos, la carga total a la salida de éste será 20 proporcional al número de GM-APDs activados y por lo tanto, será proporcional a la cantidad de fotones detectados.

Para otros ejemplos de realización, se utilizan como detectores de luz otra clase de detectores, tales como tubos fotomultiplicadores, APD (acrónico de “Avalanche Photodiode”: Fotodiodo de avalancha), fotodiodos PIN, SPADs (acrónimo de “Single 25 Photon Avalanche Diode”: Diodo de avalancha de fotón único), etc. seleccionándose el tipo de detector de luz en función de la aplicación.

En las Figs. 2, 3 y 4 se ilustra el escaneado de tres respectivas sub-áreas Si de la superficie S mediante el sistema y el método propuestos por la presente invención, para un ejemplo de realización, que se ha llevado a cabo mediante un barrido 30 secuencial de la superficie S con el haz de luz Be, comenzando por la sub-área superior izquierda (Fig. 2) siguiendo la trayectoria en zig-zag indicada por las líneas de flecha que pasan por todas las sub-áreas Si, representándose en la Fig. 3 una de las sub-áreas intermedias de dicha trayectoria, y finalizando en la sub-área inferior derecha de la superficie S (Fig. 4). La cuadrícula de elementos de redirección de luz Qr se 35 encuentra conjugada ópticamente con toda la superficie a escanear S.

Comenzando por la Fig. 2, en ella puede verse cómo las tres porciones de luz de Br, marcadas en línea continua, reflejadas en la sub-área Si van a parar, tras pasar por el sistema óptico Li, a tres respectivos elementos de redirección de luz GM de tres respectivas regiones Z de la sub-cuadrícula SQr que, para el caso de que Qr sea un 40 DMD, será la región de escaneado activa del DMD. Puede verse también un ejemplo de porción de luz Br (línea discontinua) reflejada en la sub-área Si que va a parar a su respectivo elemento GM a través del sistema óptico Li y éste lo redirecciona al elemento absorbente de luz A para su eliminación. Solo un elemento GM de cada región Z puede redireccionar luz del haz Br hacia un detector D (pasando por P, Lf i Mr) 45 porque solo existe un detector D para cada región Z.

Cada uno de dichos tres elementos de redirección de luz GM redirecciona las porciones de luz reflejada Br recibidas hacia el elemento reflectante Mr, tras su paso por el prisma P y el sistema óptico Lf, el cual adopta una posición en la que la cuadrícula de detectores de luz Qd se encuentra ópticamente conjugada con la sub-cuadrícula Si, y por tanto con la sub-área Si, de manera que las tres porciones de luz 5 reflejada Br son recibidas, manteniendo la relación espacial, en tres correspondientes detectores de luz D.

El escaneado del resto de sub-áreas Si, las de las Figs. 3 y 4 y las del resto, se lleva a cabo de la misma manera que se ha explicado con referencia a la Fig. 2, mediante el desplazamiento del haz de luz Be para iluminar cada sub-área Si, y el 10 correspondiente desplazamiento, de manera sincronizada, del elemento reflectante Mr para conjugar ópticamente a la cuadrícula de detectores de luz Qd con la correspondiente sub-cuadrícula de elementos de redirección de luz SQr, y recibir así las porciones de luz reflejada Br recibidas por la respectiva sub-cuadrícula SQr mediante el proceso de escaneo secuencial apropiado. 15

Como dispositivo Me y elemento reflectante Mr se utilizan, según un ejemplo de realización, dispositivos de espejos MEMs, los cuales son espejos de unos 2 o 3 mm de diámetro con capacidad de giro alrededor de dos ejes perpendiculares entre sí, que permite trabajar a altas frecuencias (hasta docenas de KHz) sin sufrir los inconvenientes que otra clase de elementos reflectantes convencionales padecen 20 (vibraciones, grandes tamaños o desgaste mecánico), lo que permite obtener sin problemas unas velocidades de escaneado que se corresponden con la tasa de imágenes por segundo, del orden de 30 imágenes/s con imágenes de mas de 10K puntos por imagen.

El elemento Mr permite mantener la continuidad espacial entre Qr y Qd 25 permitiendo aprovechar el número total de detectores para cada región SQr.

Aunque en las Figs. 2, 3 y 4 se ha representado cada región Z como formada por un mismo número de elementos de redirección de luz GM, en particular cuatro, en función del ejemplo de realización cada una de estas regiones puede incluir un número distinto de elementos GM y/o cada elemento GM puede estar formado por un número 30 distinto de micro-espejos (no ilustrados). El número de GMs variará según el tamaño y número de micro-espejos que agrupe cada uno, en función de su tamaño configurado (para mejorar la recepción de energía a cambio de sacrificar resolución espacial, o viceversa). Debe tenerse en cuenta que el tamaño de cada GM será variable dentro de los límites de Z, es decir que, como mucho, un GM tendrá un tamaño igual al de toda la 35 superficie de una región Z, haciendo que en ésta solamente quepa un solo GM.

A su vez, en dichas figuras se ha representado una matriz de detectores Qd formada por 3x3 detectores. Este tamaño ha sido escogido a modo de ejemplo para este ejemplo de realización. No obstante, cada sub-cuadrícula SQr tiene que contener divisiones Z según el número y distribución de forma de la cuadrícula de detectores Qd. 40 En este caso, una cuadricula de detectores Qd de 3x3 detectores ha generado una sub-división de la sub-cuadrícula SQr de 3x3 sub-regiones Z.

En el ejemplo de realización ilustrado en las Figs. 2, 3 y 4, dos de las zonas Z, en particular la zona central y la que ocupa el vértice derecho inferior de SQr, han recibido una porción de luz reflejada Br solamente en un único GM de cada una de 45 ellas, habiendo sido ambas redireccionadas por completo, de una sola vez, hacia unos

correspondientes detectores de luz D de la cuadrícula Qd, una hacia el detector central y la otra hacia el detector que ocupa el vértice derecho inferior de Qd.

En cambio, la zona Z situada en el vértice superior izquierdo de SQr ha recibido dos sub-porciones de luz reflejada Br, en dos respectivos GMs, una de las cuales, marcada con línea continua, ha sido redireccionada hacia un correspondiente detector 5 de luz D de la cuadrícula Qd, en particular el situado en el vértice superior izquierdo de la misma, mientras que la otra, marcada con línea discontinua, se ha desviado hacia el elemento absorbedor A. En un momento posterior (no ilustrado), según un proceso secuencial, mediante actuación sobre los GMs, se redirecciona la sub-porción de luz reflejada Br marcada con línea discontinua hacia el detector de luz D del vértice 10 superior izquierdo de Qd, y la marcada con línea continua se desvía hacia el elemento absorbedor A, consiguiendo así un aumento de la resolución espacial, ya que un mismo detector de luz D (o píxel de la matriz de detectores Qd) recibe la porción de luz Br recibida en varios GM, en este caso en los dos GM de la región Z del vértice superior izquierdo de Qr, en la forma de una secuencia de sub-porciones. 15

Tal aumento de la resolución espacial es representativo de un ejemplo de realización preferido, y ventajosamente se aplica también al resto de regiones Z que reciben luz reflejada Br, de manera que un mismo detector D recibe la porción de luz Br recibida en varios GM de cada región Z, en la forma de una secuencia de sub-porciones. Los GM que durante el proceso secuencial no están redirigiendo porciones 20 de luz Br se desvían hacia el elemento absorbedor A con el fin de que no interfieran con las señales de interés.

Esta redirección secuencial de sub-porciones de la porción de luz reflejada se encuentra descrita en la solicitud internacional WO2012123809A1, aunque aplicado simultáneamente a toda la cuadrícula Qr, a diferencia de la presente invención donde 25 se trabaja sub-cuadrícula por sub-cuadrícula SQr.

Obviamente, para un ejemplo de realización menos preferido, es posible utilizar el sistema de la invención sin realizar tal proceso de redirección secuencial de sub-porciones de luz reflejada Br.

Mediante este ejemplo de realización preferido se obtiene lo que los presentes 30 inventores han denominado como proceso SSDS (acrónimo de “Semi-Sequential Digital Scanning”: Escaneado digital semi-secuencial). Considerando una fuente de luz de una potencia concreta y compartida entre el SSDS y un sistema basado en matriz de detectores que ilumina la superficie bajo medida de forma completa, y un campo de visión también compartido entre ambos sistemas, el sistema SSDS mejora la distancia 35 máxima medible gracias a su mayor concentración de energía por unidad de superficie. Se mantienen unos rendimientos elevados en velocidad de escaneado, resolución espacial u otras propiedades de exploración. Esta mejora en distancia de medida es debido a que el haz de iluminación no necesita cubrir toda el área a escanear sino que permite escanear por subregiones pudiendo concentrar la energía de iluminación en 40 una región más pequeña donde se encuentran los puntos que se pretenden medir. El uso del elemento Mr permite utilizar la totalidad de la matriz de detectores Qd para cada región SQr evitando infrautilizar detectores debido a discontinuidades ópticas entre los puntos de la superficie y los elementos de detección D.

45

La Fig. 5, ilustra el ejemplo de realización básico descrito en un apartado anterior, en el que el sistema incluye solamente un detector de luz D, el tamaño la región Z ocuparía toda la sub-cuadrícula SQr. Por lo tanto, solo un elemento GM podrá redireccionar sub-porciones de luz del haz Br hacia el detector D de forma simultánea. En particular, según dicha Fig. 5, la sub-porción marcada con línea continua es dirigida 5 hacia el único detector de luz D, mientras que las dos marcadas con líneas discontinuas son desviadas hacia el elemento absorbedor A.

Si para este ejemplo de realización básico de la Fig. 5 se implementa el referido proceso SSDS, cada una de las tres sub-porciones de luz reflejada Br se redirigirá de manera secuencial hacia el detector de luz único D, mientras que las otras dos se 10 desviarán hacia el elemento absorbedor A.

Se puede decir que el sistema propuesto por la presente invención permite obtener unos resultados intermedios entre los sistemas de escaneo secuencial y los basados en matriz de detectores estándar que iluminan la superficie de forma completa, consiguiendo una combinación equilibrada de sus propiedades que lo hacen 15 ideal para una amplia gama de aplicaciones. La siguiente tabla muestra valores orientativos obtenidos mediante un prototipo del sistema SSDS, para medidas TOF, comparándolos con valores estándar y totalmente orientativos de los sistemas mencionados. Cabe mencionar que los valores mostrados en la tabla, para los casos de escaneo secuencial y matriz de detectores son altamente variables dependiendo de 20 las propiedades de la fuente de luz, campo de visión, sensibilidad de los detectores, etc. No obstante, ejemplifican valores típicos que se aproximan a una gran cantidad de sistemas comerciales basados en estas tecnologías.

Escaneo secuencial Basado en matriz de detectores SSDS TOF

Distancia medible

>10km Dependiente de la potencia del láser <15m estándar >15 según potencia láser y FOV >100m

Sensibilidad a la luz de fondo

Baja Alta Media

Velocidad de escaneado (”frame rate”)

~1 imagen/s >60 imágenes/s ~30 imágenes/s

Resolución espacial

100 Kpx 20 Kpx Variable hasta 2 Mpx

Propiedades de escaneado modificables de acuerdo a condiciones externas

No No Sí

Tamaño

Grande Pequeño Pequeño

La cantidad de detectores de luz en matriz Qd limita la velocidad de captura de las imágenes. A más detectores, más velocidad de medida ya que más medidas simultáneas pueden llevarse a cabo. En el sistema propuesto por el primer aspecto de la invención, dado que la resolución espacial viene dada por la matriz Qr de elementos 5 de redirección de luz GM, es posible utilizar matrices de detectores de luz Qd de pequeño tamaño (p.ej. de 4x4 detectores). Estas matrices de pequeño tamaño pueden incorporar circuitería de medida TOF más compleja que las matrices de gran tamaño (p.ej. de 128x128 detectores) utilizadas en los sistemas basados en matrices de detectores ya que su integración a nivel microelectrónico es mucho más sencilla. Por 10 ello, la circuitería de contaje de tiempo (circuito TDC) puede incorporar funciones adicionales, tales como las relativas a medidas en entornos complejos, implementadas en la forma de circuitería optimizada para, por ejemplo lluvia, niebla, nieve, polvo y detección de objetos bajo vegetación. Además, la divergencia del haz emitido Be puede ser ajustada en función del rendimiento requerido, e incluso puede ajustarse utilizando 15 alguna clase de “zoom” motorizado.

Mediante el método y el sistema propuestos por la presente invención, además de poder modificar la resolución espacial para medir distancies, se incluyen algoritmos inteligentes de detección y seguimiento de objetos basados en DMD y SSDS, para controlar la secuencia de escaneado de manera que implementen funciones de 20 detección y seguimiento de objetos. Esto comporta que la secuencia de escaneado pueda no ser repetitiva sino que podría centrarse solo en los objetos identificados como “objetivo” y prescindir del resto de campo de visión. Para algunas realizaciones, se implementan algoritmos de predicción de movimientos para realizar detección y seguimiento de forma inteligente, pudiendo estar la ejecución de estos algoritmos 25 condicionada por los datos captados per una cámara 2D externa al aparato, es decir a la carcasa H.

La ventaja que ofrece la utilización del DMD por parte del sistema y el método propuestos por la presente invención, con respecto a otros sistemas, es que éste se controla de forma digital sin movimientos mecánicos, lo que favorece la ejecución de 30 los algoritmos complejos de seguimiento y detección de objetos sin limitaciones de movimiento mecánico del sistema de escaneado.

Otra de las ventajas que ofrece el sistema y el método propuestos por la presente invención, en contraste con los sistemas tradicionales, es que, para algunos ejemplos de realización, permite variar los parámetros de escaneado en tiempo real, 35 dependiendo de factores externos (o de cualquier señal, externa o interna, proveniente de detectores o de sistemas de comunicación locales o remotos). Esta cualidad ha sido denominada por los presentes inventores como “Escaneado Dinámico”, es una consecuencia natural de la implementación digital del sistema de escaneado del primer aspecto de la invención y permite abordar un amplio rango de funcionalidades de valor 40 añadido, además de las medidas de distancia tradicionales para imagen 3D, tales como las siguientes, relativas al campo de la automoción:

- Capacidades de medición de distancia adaptables. Como se ha comentado anteriormente, cuanto más pequeña es la resolución espacial de la imagen que se pretende medir, mayor es la distancia que se puede medir y mayor es también la 45 velocidad en imágenes por segundo. Esto significa que la resolución espacial se puede

reducir cuando las condiciones externas requieren una medición de largo alcance. Por ejemplo, en condiciones de niebla, es preferible aumentar la energía recibida mediante el escaneado con patrones que incluyan un menor número de píxeles (es decir configurar GMs de mayor tamaño agrupando un mayor número de micro-espejos), por lo que la energía perdida por el efecto de la niebla puede ser compensada por la 5 mejora en la recepción de energía a expensas de la pérdida de resolución espacial.

- Resolución espacial adaptable a los objetos de interés. Este es el paso inverso al punto anterior. La resolución espacial se puede aumentar, agrupando menor cantidad de micro-espejos en cada GM, para detectar con mayor precisión los objetos de interés con el fin de distinguir, por ejemplo, a los peatones, artefactos u otros objetos 10 de una manera más precisa. Al aumentar la resolución espacial, dada una misma potencia de iluminación, la distancia medible será menor debido a que la energía redirigida por cada GM también será menor. No obstante, al augmentar la resolución espacial de la imagen, se puede obtener más información de cada objeto o detectar objetos más pequeños. El aumento de la resolución puede concentrarse en ciertas 15 áreas del campo de visión identificadas como regiones de interés. Este proceso se puede configurar sobre la marcha.

- Escaneado dependiendo de condiciones externas. Poniendo como ejemplo la aplicación de automoción, conducir por una autopista es bastante diferente a hacerlo por ciudad. En el primer caso, los objetos de interés se encuentran a distancias más 20 largas. En tal caso, mediante la modificación de la configuración de escaneado es posible detectar el entorno de una forma más adecuada. En el segundo caso, es preferible trabajar con una alta resolución espacial y una distancia más corta. Además, puede ser útil configurar diferentes resoluciones espaciales en algunas regiones de la imagen. Por ejemplo, las regiones laterales se pueden configurar con una alta 25 resolución espacial debido a que los peatones generalmente vienen de las aceras. Por otra parte, las zonas superiores con menos interés se pueden escanear rápidamente configurándolas con una resolución espacial menor.

- Combinación de información 2D y datos de distancia. A veces los datos 2D en color o blanco y negro pueden ser útiles para detectar situaciones de riesgo, pero su 30 fiabilidad no es buena ya que la falta de información de profundidad provoca ambigüedades en los algoritmos de análisis. Mediante la combinación de datos 2D i 3D se puede obtener una herramienta mas precisa para mejorar la asistencia a la seguridad y la conducción. El escaneado digital puede complementar el análisis 2D, proporcionando la información de distancia concentrada sólo en las regiones de interés. 35

- La imagen por infrarrojos lejanos (FIR: “Far Infared Scanning”) es útil para detectar peatones en condiciones nocturnas. Sin embargo, sin la información de distancia, el análisis de imágenes puede llevar a falsas alarmas e interpretaciones incorrectas de la escena. Una medición de distancia puede contribuir a hacer que los sistemas tradicionales de detección sean más fiables. 40

Estos son solamente algunas posibles aplicaciones del sistema y el método propuestos por la invención, pero existen un amplio campo de aplicaciones que pueden beneficiarse de la presente invención, en particular cuando incorpora el denominado escaneado dinámico. Algunas de tales aplicaciones ya han sido indicadas en un apartado anterior (video vigilancia inteligente, Vehículos auto-guiados o semi-45 automáticos supervisados, etc.)

Finalmente, en la Fig. 6 se ilustra un diagrama de flujos que representa una implementación del método propuesto por el segundo aspecto de la invención, para un ejemplo de realización par el que éste incluye las siguientes etapas:

E1: Inicio. 5

E2: Posicionamiento del dispositivo o espejo Me en una primera posición.

E3: Posicionamiento del elemento reflectante Mr es una primera posición

E4: Generación de un primer patrón de escaneado del DMD.

E5: Emisión del pulso láser.

E6: Comienzo de la cuenta de tiempo con el TDC. 10

E7: Detección del pulso de luz reflejada Br en cada detector D de la matriz Qd.

E8: Detención de la cuenta de tiempo del TDC.

E9: Obtención del valor de distancia.

E10: ¿Escaneado de la sub-área Si acabado?

E11: Pasar a siguiente patrón de escaneado del DMD. 15

E12: ¿Se ha obtenido el escaneado TOF de toda la sub-área Si?

E13: Transmisión de datos.

E14: Posicionamiento del elemento reflectante Mr para conjugarlo ópticamente con la siguiente sub-cuadrícula SQr del DMD.

E15: Posicionamiento del dispositivo o espejo Me para dirigir al haz de luz Be 20 hacia la siguiente sub-área Si.

Por lo que se refiere los patrones de escaneado del DMD (o de otro dispositivo que se utilice como Qr en lugar de un DMD), éstos hacen referencia, en general, a la selección de los GMs que dirigen luz hacia Qd, y la razón de ser de cambiar dicho patrón en la etapa E11 es, en general, para redirigir hacia Qd otra sub-porción de una 25 porción Br, o sub-porciones de porciones Br, con el fin de implementar el ejemplo de realización anteriormente explicado en que cada porción Br se redirigía secuencialmente en sub-porciones hacia un mismo detector de luz, aunque el cambio de patrón también puede tener otros motivos, como el relativo al cambio, sobre la marcha, del tamaño de cada GM, en cuyo caso el cambio de patrón hace referencia la 30 selección de micro-espejos que conforman cada GM.

El anterior diagrama de flujo es implementado, para un ejemplo de realización, por el programa de ordenador propuesto por el cuarto aspecto de la invención.

Un experto en la materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de la invención según está 35 definido en las reivindicaciones adjuntas.

Claims (25)

1. REIVINDICACIONES

   1.- Sistema para escanear una superficie, que comprende:

   - unos medios de iluminación configurados y dispuestos para proyectar sobre una superficie a escanear (S) al menos un haz de luz (Be) con una divergencia determinada para iluminar una sub-área (Si) del área que constituye dicha superficie a 5 escanear (S), la cual es al menos en parte reflectante;

   - unos medios de dirección de luz asociados a dichos medios de iluminación configurados para dirigir dicho haz de luz (Be) para que ilumine diferentes sub-áreas de la superficie a escanear (S), de manera alternada; y

   - unos medios de recepción y detección configurados y dispuestos para recibir y 10 detectar, de manera alternada, correspondientes porciones de luz (Br), de dicho haz de luz (Be), reflejadas en cada una de dichas diferentes sub-áreas (Si) de la superficie a escanear (S), donde dichos medios de recepción y detección comprenden al menos un detector de luz (D);

   estando el sistema caracterizado porque: 15

   dichos medios de recepción y detección comprenden unos medios de redirección de luz que incluyen una pluralidad de elementos de redirección de luz (GM) dispuestos en cuadrícula (Qr), en un número mayor que el número de dichos detectores de luz (D), que es al menos uno, y para recibir las porciones de luz reflejada (Br), cada una de ellas en una respectiva sub-cuadrícula (SQr) de dicha cuadrícula 20 (Qr);

   y porque dichos medios de redirección de luz están configurados y dispuestos para redirigir, de manera secuencial, cada una de las porciones de luz reflejada (Br) recibida en cada una de dichas sub-cuadrículas (SQr) hacia dicho detector de luz (D), que es al menos uno. 25
2. 2.- Sistema según la reivindicación 1, caracterizado porque comprende una pluralidad de detectores de luz (D), incluyendo a dicho detector de luz, dispuestos en cuadrícula (Qd), estando los medios de redirección de luz configurados y dispuestos para redirigir, de manera secuencial, cada una de las porciones de luz reflejada (Br) recibida en cada una de las sub-cuadrículas (SQr) de elementos de redirección de luz 30 (GM) hacia los detectores de luz (D) dispuestos en cuadrícula (Qd).
3. 3.- Sistema según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque dichos medios de redirección de luz comprenden al menos un elemento reflectante (Mr) dispuesto entre la cuadrícula (Qr) de elementos de redirección de luz (GM) y el detector de luz (D) o la cuadrícula de detectores de luz (Qd), que es desplazable para llevar a cabo dicha 35 redirección secuencial de cada una de las porciones de luz reflejada (Br) recibida en cada una de las sub-cuadrículas (SQr) hacia el detector de luz (D) o los detectores de luz (D) dispuestos en cuadrícula (Qd).
4. 4.- Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque dichos medios de dirección de luz están configurados para dirigir 40 el haz de luz (Be) de manera secuencial.
5. 5.- Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque los medios de dirección de luz comprenden al menos un

   dispositivo (Me) reflectante y/o deflectante dispuesto entre el haz de luz (Be) y la superficie a escanear (S), y que es desplazable para llevar a cabo dicha dirección alternada del haz de luz (Be).
6. 6.- Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el número de elementos de redirección de luz (GM) de cada una 5 de las sub-cuadrículas (SQr) es igual al número de detectores de luz (D).
7. 7.- Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque el número de elementos de redirección de luz (GM) de cada una de las sub-cuadrículas (SQr) es superior al número de detectores de luz (D), y porque comprende unos medios de control asociados a los medios de redirección de luz para llevar a cabo 10 la redirección de cada una de las porciones de luz reflejada (Br) recibida en cada una de las sub-cuadrículas (SQr) hacia los detectores de luz (D), redirigiendo sub-porciones de cada porción de luz reflejada (Br), de manera secuencial, hacia el detector o detectores de luz (D), mediante el control independiente de correspondientes sub-grupos de elementos de redirección de luz (GM) de cada sub-cuadrícula (SQr). 15
8. 8.- Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende unos medios de control asociados a los medios de dirección de luz y a los medios de redirección de luz para llevar a cabo tanto la dirección del haz de luz (Be) hacia las diferentes sub-áreas (Si) de la superficie a escanear (S) como la redirección de cada una de las porciones de luz reflejada (Br) 20 hacia el detector o detectores de luz (D), de manera sincronizada.
9. 9.- Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque cada elemento de redirección de luz (GM) está formado por un número variable de microelementos de redirección de luz.
10. 10.- Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, 25 caracterizado porque la cuadrícula (Qr) de elementos de redirección de luz (GM) es una cuadrícula de interruptores de luz.
11. 11.- Sistema según la reivindicación 9, caracterizado porque la cuadrícula (Qr) de elementos de redirección de luz (GM) comprende un modulador espacial de luz basado en micro espejos, una pantalla de cristal líquido o unos espejos deformables. 30
12. 12.- Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende, en asociación o como parte de los medios de recepción y detección, unos medios de medida para medir la distancia entre el sistema y cada punto de la superficie a escanear (S) mediante la determinación del tiempo de vuelo. 35
13. 13.- Sistema según la reivindicación 12, caracterizado porque dichos medios de medida están configurados para obtener una imagen tridimensional de reconstrucción topográfica mediante nube de puntos de la superficie a escanear (S).
14. 14.- Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque constituye o forma parte de al menos unos de los siguientes 40 sistemas:

    – sistema de evitación de colisiones;

    – sistema de detección y seguimiento de objetos estáticos o móviles;

    – sistema de video vigilancia inteligente; – sistema de control de zonas fronterizas;

    – sistema de visión tridimensional en sistemas inteligentes de seguridad;

    – sistema de navegación para vehículo auto-guiado o semi-guiado supervisado; – sistema de vídeo multimedia 3D; 5 – sistema de asistencia y seguridad en la conducción; – sistema de transporte inteligente; – sistema de detección bajo follaje;

    – sistema de mapeado;

    – sistema de visión artificial en robótica. 10
15. 15.- Sistema según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque al menos dichos elementos de redirección de luz (GM) y/o dicho elemento reflectante (Mr) y/o dicho dispositivo (Me) reflectante y/o deflectante están implementados mediante sistemas micro electromecánicos.
16. 16.- Método para escanear una superficie, que comprende: 15

    - proyectar sobre una superficie a escanear (S), al menos en parte reflectante, al menos un haz de luz (Be) con una divergencia determinada para iluminar una sub-área (Si) del área que constituye dicha superficie a escanear (S), dirigiéndolo para que ilumine diferentes sub-áreas (Si) de la superficie a escanear (S), de manera alternada; y 20

    - recibir y detectar en al menos un detector de luz (D), de manera alternada, correspondientes porciones de luz (Br), de dicho haz de luz (Be), reflejadas en cada una de dichas diferentes sub-áreas (Si) de la superficie a escanear (S);

    estando el método caracterizado porque comprende, de manera previa a dicha recepción y detección: 25

    - recibir, cada una de las porciones de luz reflejada (Br), en una respectiva sub-cuadrícula (SQr) de una cuadrícula (Qr) en la que se encuentran dispuestos una pluralidad de elementos de redirección de luz (GM), en un número mayor que el número de dichos detectores de luz (D), que es al menos uno; y

    - redirigir, de manera secuencial, cada una de las porciones de luz reflejada (Br) 30 recibida en cada una de dichas sub-cuadrículas (SQr) hacia dicho detector de luz (D), que es al menos uno.
17. 17.- Método según la reivindicación 16, caracterizado porque comprende redirigir, de manera secuencial, cada una de las porciones de luz reflejada (Br) recibida en cada una de las sub-cuadrículas (SQr) de elementos de redirección de luz (GM) 35 hacia una pluralidad de detectores de luz (D), incluyendo a dicho detector de luz, dispuestos en cuadrícula (Qd).
18. 18.- Método según la reivindicación 16 ó 17, caracterizado porque comprende llevar a cabo el escaneado de dicha superficie a escanear (S) utilizando el sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 15. 40
19. 19.- Método según la reivindicación 18, caracterizado porque comprende

    determinar y variar el grado de la divergencia del haz de luz (Be) y/o variar el número de elementos de redirección de luz (GM) de cada sub-cuadrícula (SQr), de manera automática y/o bajo indicación de un usuario y/o en función de una serie de señales de entrada locales y/o remotas y/o provenientes de detectores internos y/o externos, para aumentar la distancia de emisión, con el fin de detectar una superficie a mayor 5 distancia, y/o la velocidad de escaneado, sacrificando resolución espacial, o para aumentar la resolución espacial, sacrificando potencia óptica recibida, con el fin de escanear con mayor precisión un objeto de interés.
20. 20.- Método según la reivindicación 19, caracterizado porque comprende llevar a cabo dicha variación del grado de la divergencia del haz de luz (Be) y/o del número de 10 elementos de redirección de luz (GM) de cada sub-cuadrícula (SQr), sobre la marcha, en función de las circunstancias de funcionamiento y/o del entorno y/o de unas detecciones de objetos realizadas.
21. 21.- Método según la reivindicación 20, caracterizado porque comprende variar el número de elementos de redirección de luz (GM) de la sub-cuadrícula (SQr) o sub-15 cuadrículas (SQr) de elementos de redirección de luz (GM) donde se ha recibido la luz reflejada (Br) en un objeto detectado.
22. 22.- Método según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 21, caracterizado porque comprende utilizar algoritmos de detección y seguimiento de objetos para el control de la secuencia de escaneado y la determinación de las sub-áreas (Si) a 20 escanear (S) como zonas ocupadas o a ocupar por uno o más objetos de interés.
23. 23.- Método según la reivindicación 22, caracterizado porque dichos algoritmos de detección y seguimiento incluyen algoritmos de predicción de movimientos.
24. 24.- Método según la reivindicación 23, caracterizado porque comprende utilizar unas imágenes captadas por una cámara 2D para condicionar la ejecución de dichos 25 algoritmos de detección y seguimiento de objetos.
25. 25.- Programa de ordenador que incluye instrucciones de programa ejecutables en un ordenador para implementar al menos parte de las etapas del método según una cualquiera de las reivindicaciones 16 a 24, incluyendo el análisis de las señales de salida de los detectores de luz, y la variación, mediante la generación de unas 30 correspondientes señales de control, del grado de divergencia del haz de luz y del número de elementos de redirección de luz activos de cada sub-cuadrícula.