[发明专利]在图像平面中利用动态掩模的空间选择性探测

说明书

技术领域

本发明总体上涉及三维激光扫描仪，即通过依次将脉冲或调制激光束引导至场景中的不同点并且以一定时间分辨率探测来自场景对象的背散射光来采集对象的场景的三维几何数据的仪器的领域，该仪器允许通过飞行时间法确定至场景对象的距离。本发明更具体地适用于LADAR，LIDAR，激光测距和/或三维激光扫描仪。

背景技术

存在三维激光扫描仪仪器的许多不同设计。这些仪器中的一些达到很高的精度，但是可能需要精确的对准和长时间的测量。当能够减小其成本和操作复杂程度时，在消费产品中许多可能这样仪器的应用是可想象的。

尽管存在LIDAR成像机的概念，其避免机械致动光学元件来引导照明光束并收集场景中散射的光(例如，PCT申请PCT/EP2011/065267中公开的那样)，但使用机械移动的光学元件的设计是广泛存在的(例如，WO2011/117206、PCT/EP/2011/057192或PCT/EP2011/062314中公开的那样)。通常，当前的商用激光扫描仪装置依赖于机械系统来扫描激光束，其利用了万向悬挂支架固定的反射镜、旋转反射器或反向旋转棱镜对。这会导致相当大体积、常常有噪声且昂贵的仪器。

在使用同一光路进行探测和照明的扫描仪装置中，增大用于探测的光学孔径以改善系统的聚光能力意味着同样增大照明路径中光学元件的孔径，通常是不需要这样做的。由于光学元件的尺寸和重量相应增大，在通过机械致动光学元件来扫描激光束时，这可能导致更为笨重的构造和缓慢的性能。

出于这一和其他原因，像模糊或多尘状况中改进的能力，优选照明和探测的光路是独立的。在可以设计负责照明光束扫描的光学系统而不受场景中散射光探测的约束时，更紧凑和更快的设计变成可能，其利用例如微机电系统(MEMS)技术、具有微型光学系统和致动器的光纤技术。

探测过程中横向空间选择性被自然地赋予了系统中的一定范围，照明和探测的光路有部分交叠。为照明和探测使用独立的光路为以针对其相应目的优化的方式设计两条光路带来了自由度，但必须要独立地提供探测中的横向空间选择性。在能够使用诸如CCD、CMOS或微辐射热测量计传感器的探测器阵列时，容易给出横向分辨率，并可以通过对所采集图像数据进行软件处理来实施本发明描述的大部分功能。

本发明对于光探测器自身几乎不提供或不提供横向分辨率和选择性的扫描仪系统特别有价值，在使用单个探测器元件时就是这种情况。这种情况的原因可能是与CCD、CMOS或微辐射热探测计阵列相比单个探测器的灵敏度和/或时间分辨率增大，以及成本考虑和工作波长处的可用性。

技术问题

本发明的目的是提供一种改进型三维激光扫描仪系统。这一目的是通过权利要求1所述的装置实现的。

发明内容

透镜或更复杂的光学系统对照明激光光束扫描的场景成像。在这种透镜或光学系统的图像平面中，一种装置选择形状和尺寸可变的感兴趣区域(ROI)，连续重新定位并调整该感兴趣区域，从而主要在ROI之内俘获被照明点的图像。在照明光束在场景上扫描时，能够连续调整ROI的形状和尺寸。实现ROI选择的该装置将位于ROI内部的所有光路与位于ROI外部的那些分开，从而可以独立探测来自ROI内部的光。

为了改善工作于同一场景的几个相似三维扫描仪之间的干扰防护，可以利用随机或伪随机序列实现每个装置中使用的激光脉冲的激光光束扫描路径和/或时间序列的充分分集(diversification)。此外，可以实施用于对ROI选择装置和透镜或成像系统的可能部分相对于扫描激光的束指向的自我对准或自动对准优化的方法，以确保系统的良好性能。还指出了如下方法：利用投影几何和被探测光的飞行时间光谱或迭代调整ROI从几何上区分从场景对象散射的光和从雾、灰尘或烟散射的光。这些方法还用于在不良大气状况下确定能见距离。

根据本发明的一个方面，一种用于采集场景的三维几何数据的三维激光扫描仪仪器包括用于产生光束并且使所述光束的照明点扫描通过所述场景的照明系统、包括至少一个光探测器的光探测系统和用于将所述场景中散射的或从所述场景反射的光成像到所述光探测系统的光学系统，所述光探测系统被布置成从所述场景接收光。根据本发明，所述光探测系统包括用于动态辨别从所述场景的选定区域入射的光的可控滤光器元件和可操作地连接到所述可控滤光器元件和所述照明系统的控制单元，其中在所述扫描仪仪器的工作中，所述滤光器元件受到所述控制单元的控制，以仅将从所述场景中的所述照明点周围选定的空间限定区域入射的光引导到所述至少一个光探测器。